TWI828946B - 包含用於抑制光學串擾之柱狀結構之影像感測器及用於製造其之方法 - Google Patents

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Abstract

一種影像感測器包含配置成安置於一半導體基板中之一像素陣列之列及行之複數個光電二極體。該像素陣列之個別光電二極體經組態以接收穿過該半導體基板之一背側之傳入光。該半導體基板之一前側與該背側相對。複數個深溝渠隔離(DTI)結構相對於該等光電二極體橫向形成於該半導體基板之該背側上。該複數個DTI結構配置於毗鄰的光電二極體之間。複數個柱狀結構自接近於該背側之一金屬柵格延伸且形成為接近於該背側並與該等DTI結構對準。

Description

包含用於抑制光學串擾之柱狀結構之影像感測器及用於製造其之方法
本發明一般而言係關於影像感測器之計數器之設計，且特定而言係關於抑制影像感測器中之串擾。
影像感測器已變得無所不在。其廣泛地用於數位靜態相機、蜂巢式電話、安全相機以及醫療、汽車及其他應用中。用於製造影像感測器之技術不斷快速地發展。舉例而言，對較高影像感測器解析度及較低功率消耗之需求促進了影像感測器之進一步小型化及向數位裝置中之整合。
隨著影像感測器之解析度被增加，光電二極體之間的間隔通常被減小，此導致較窄及較深光電二極體。此等更緊密包裝之光電二極體更易於遭受因雜散光造成之光學雜訊。舉例而言，在照明目標光電二極體之後，傳入光可朝向相鄰的光電二極體反射，因此增加彼等光電二極體之信號雜訊位準。雜散光亦可由自金屬化層之光反射產生。
在某些應用中，光電二極體係自一半導體晶粒之一半導體基板之背側被照明。由雜散光產生之雜訊可針對背側照明式光電二極體甚至更顯著，此乃因其半導體區域較少受影像感測器之前側處之電佈線層遮蔽而更多地暴露於雜散光。因此，影像感測器之準確度或適用範圍可受到限制。
本發明揭示影像感測器，及特定而言具有經減小光學串擾之影像感測器。在以下說明中，陳述特定細節以提供對實施例之一透徹理解。然而，熟習相關技術者將認識到，本文中所闡述之技術可在不具有該等特定細節中之一或多者之情況下實踐或者可利用其他方法、組件、材料等來實踐。在其他例項中，未詳細展示或闡述眾所周知之結構、材料或操作以避免使某些態樣模糊。
在本說明書通篇中對「一項實例」或「一項實施例」之提及意指結合該實例所闡述之一特定特徵、結構或特性包含於本發明之至少一項實例中。因此，在本說明書通篇之各個地方中片語「在一項實例中」或「在一項實施例中」之出現未必全部指代同一實例。此外，在一或多項實例中可以任何適合方式組合該等特定特徵、結構或特性。
本文中可出於容易說明目的而使用空間相對術語(諸如「下方」、「下面」、「下部」、「底下」、「上面」、「上部」及諸如此類)來闡述一個元件或特徵與另一(些)元件或特徵之關係，如在各圖中所圖解說明。將理解，除圖中繪示之定向外，該等空間相對術語亦意欲涵蓋裝置在使用或操作時之不同定向。舉例而言，若翻轉各圖中之裝置，則闡述為在其他元件或特徵「下面」或「下方」或「底下」之元件彼時將定向為在其他元件或特徵「上面」。因此，例示性術語「下面」及「底下」可涵蓋上面及下面之一定向兩者。裝置可以其他方式定向(旋轉90°或處於其他定向)且相應地解釋本文中所使用之空間相對描述語。另外，亦將理解，當將一層稱為位於兩個層「之間」時，其可係兩個層之間的僅有層，或者亦可存在一或多個介入層。
遍及本說明書，使用數個技術術語。此等術語將呈現其在其所屬領域中之普通含義，除非本文中另外具體定義或其使用之內容脈絡將另外清晰地暗示。應注意，在本文件中，元件名稱及符號可互換使用(例如，Si與矽)；然而，其兩者具有相同含義。
簡短地，根據本發明技術之教示之實例係針對於對光學串擾(亦稱為雜散光、通道間雜訊及/或通道間串擾)具有經改良抗擾度之光電二極體(亦稱為通道或像素)。背側照明式光電二極體可經受自金屬化物反射之雜散光或者作為經反射光或作為經透射光穿過相鄰的像素到達之雜散光。當一影像感測器包含大光電二極體及小光電二極體兩者時，小光電二極體通常因其較低飽和位準而對光學串擾更敏感。
在某些實施例中，深溝渠隔離(DTI)結構形成於光電二極體之半導體材料中以將光朝向光電二極體引導，因此減小光電二極體之間的電串擾及光學串擾。在某些實施例中，形成柱狀結構(其亦可稱為T柱或T形柱)且與DTI結構對準。此等柱狀結構可係雜散光之路徑中之障礙物，因此限制照明光電二極體之雜散光之強度。在某些實施例中，柱狀結構可突出至DTI結構中。在不同實施例中，取決於光電二極體在影像感測器內之相對位置(例如，一光電二極體在像素陣列之中心、一光電二極體在中心之水平左側、一光電二極體在中心之垂直右側等)，柱狀結構可具有相對於其對應DTI結構之不同對準。
圖1 係根據本發明技術之一實施例之一實例影像感測器10之一圖式。影像感測器10包含配置成一像素陣列12之列(R)及行(C)之像素11。當將影像感測器10曝光時，個別像素11獲取某些電壓值。在每一像素已獲取其電壓值之後，影像資料由一讀出電路14讀出，且然後傳送至一功能邏輯18。
個別像素(P1 至Pn )之電壓值可由讀出電路14攜取。舉例而言，一控制電路16可判定像素陣列12之一特定列Ri 來與讀出電路14耦合。在攜取列Ri 中之像素值之後，控制電路16可將列Ri+1 與讀出電路14耦合，且程序重複直至該行中之所有像素11之電壓值被攜取為止。在其他實施例中，讀出電路14可使用各種其他技術(圖 1 中未圖解說明) (諸如一串列讀出或所有像素11同時之一全並列讀出)來讀出影像資料。在不同實施例中，讀出電路14可包含放大電路、類比轉數位轉換(「ADC」)電路或其他電路。在某些實施例中，像素值由一功能邏輯18處理。舉例而言，此處理可包含影像處理、影像濾波、影像提取及操縱、光強度判定等。
圖2 係一實例影像感測器之實例像素之一橫截面圖。為了簡單起見，圖解說明兩個光電二極體34a及34b，但在其他實施例中，像素陣列12可包含較大數目個光電二極體34a及34b，其中光電二極體34a具有相對於光電二極體34b之全井容量較小之一全井容量。換言之，與光電二極體34a相比，光電二極體34b可具有較大容量且儲存較多光生電荷。在某些實例中，大光電二極體34b具有比相鄰的小光電二極體34a之曝光區大之一曝光區。在某些實施例中，光電二極體34a及34b可以使得光電二極體34a (稱為小光電二極體)安置成接近於光電二極體34b (稱為大光電二極體)之方式配置。在某些實施例中，一個光電二極體34a (例如，小光電二極體)配置成由兩個或更多個光電二極體34b (例如，大光電二極體)環繞。在某些實施例中，光電二極體34a、34b可係形成於半導體材料50中之n型光電二極體，其中半導體材料50係一矽基板或一P型矽基板。然而，在其他實施例中，極性可反轉，舉例而言，光電二極體34a、34b可係形成於n型半導體材料(基板) 50中之p型光電二極體。
在某些實施例中，小光電二極體34a形成為挨著大光電二極體34b。在所繪示實例中，光電二極體34a及光電二極體34b係穿過對應微透鏡(ML) 22a、22b及對應彩色濾波器24a、24b穿過影像感測器之一背側54被照明。在操作中，微透鏡22a、22b將光朝向其對應彩色濾波器24a、24b且進一步朝向各別光電二極體34a、34b引導(折射)。在其他實例中，應瞭解，光電二極體34a及34b可穿過半導體基板50之一前側52被照明。半導體基板50之前側52與半導體基板50之背側54相對。複數個深溝渠隔離(DTI)結構32可形成於毗鄰的光電二極體34a、34b之間以例如減小相鄰的光電二極體34a、34b之間的光學串擾或電串擾。在某一實施例中，複數個DTI結構32共同形成半導體基板50之背側54上之一深溝渠隔離柵格，因此將毗鄰的光電二極體34a、34b光學且電隔離。複數個DTI結構32形成於半導體基板50之背側54上。DTI結構32中之每一者經組態以自背側54朝向前側52延伸至半導體基板50中。在一項實例中，DTI結構32中之每一者經配置以自半導體基板50之背側54向半導體基板50中延伸大約0.15 um至0.2 um深。此等DTI結構32可形成有一襯裡30，襯裡30限制DTI材料向半導體基板50中擴散。在某些實施例中，襯裡30可沈積於半導體基板50之一背側表面上及DTI結構32中之每一者之溝渠結構中。襯裡30可包含具有大於3.9之一介電常數之高k材料或介電材料。此等DTI結構32可回填有DTI材料(例如，氧化矽)以提供毗鄰的光電二極體34a、34b之間的電隔離。
在某些實施例中，彩色濾波器24a、24b形成為接近於基板50之背側54。在某些實施例中，一平面化層形成於彩色濾波器24a、24b與半導體基板50之背側54之間。在某些實施例中，一緩衝氧化物層可形成於彩色濾波器24a、24b與半導體基板50之背側54之間以減小半導體基板50之表面應力。
在操作中，彩色濾波器24a、24b選擇性地將一波長帶(色彩)內之光分別朝向其對應光電二極體34a、34b傳遞。在某些實施例中，彩色濾波器24a、24b至少部分地由一金屬柵格80環繞。一發光二極體(LED)閃爍減弱(LFR)層26 (亦稱為一光衰減層)可安置於小光電二極體34a上方之彩色濾波器24a與金屬柵格80之間。在操作中，LFR層26可限制照明小光電二極體34a之光之強度，因此減小在積分週期期間小光電二極體34a之光電二極體飽和之可能性。LFR層26可係例如由鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)或其一組合形成之一薄金屬膜。如此，大光電二極體34b對入射光具有較高敏感度且因此可用於較低光強度感測。另一方面，與大光電二極體34b相比，小光電二極體34a具有對高強度光較不敏感之較小曝光區，且因此用於較高光強度感測。藉由在像素陣列12中利用一大光電二極體34b及小光電二極體34a兩者，可針對影像感測器10實現HDR成像感測。
通常，較小光電二極體(亦即，具有小全井容量之光電二極體(例如，光電二極體34a))比較大光電二極體更快地(亦即，比具有較大全井容量之光電二極體(例如，光電二極體34b)更快地)飽和。因此，在某些實施例中，彩色濾波器24a包含用於使傳入光衰減之一光衰減層26。然而，當小光電二極體34a之彩色濾波器24a包含限制去往小光電二極體34a之傳入光之LFR層26時，因例如雜散光62造成之非所要光學串擾可變得甚至相對更顯著。
在操作中，光電二極體34a、34b回應於入射傳入光而光生電荷。在某些實施例中，入射傳入光可在到達對應光電二極體34a或34b之前被引導穿過包含一微透鏡(ML) 22a或22b、由金屬柵格80環繞之一彩色濾波器24a或24b及一緩衝氧化物層28之一垂直堆疊。彩色濾波器24a、24b可使不同波長帶(色彩)內之光(諸如紅色、藍色、綠色、可見光等)通過。所圖解說明的垂直堆疊操作以對傳入光進行濾波且將該光朝向各別光電二極體34a、34b引導。當經濾波光到達光電二極體34a、34b時，會以適當間隔光生一對應電荷，該對應電荷然後由讀出電路(例如，圖 1 之讀出電路14)自像素陣列12讀出。DTI結構32限制光電二極體34a、34b之間的光學串擾。然而，自相鄰的大光電二極體34b之彩色濾波器24b穿過金屬柵格80與半導體基板50之間的緩衝氧化物28進入(以角度α)之非所要光學串擾(例如，光射線62)仍可使小光電二極體34a飽和。下文參考圖 3A 及圖 3B 進一步闡述小光電二極體對光學串擾之敏感度。
圖3A 係來自圖 2 中所展示之影像感測器之像素回應之一實例曲線圖。水平軸展示光進入小光電二極體34a (例如，綠色、藍色及紅色)之角度。垂直軸展示以百分比為單位之像素回應。由微透鏡引導且由彩色濾波器濾波而朝向各別大光電二極體之傳入光可由於一相對大入射角α而照明相鄰的小光電二極體。因此，小光電二極體34a可因來自名義上引導至相鄰的大光電二極體34b之光之光學串擾而飽和。來自相鄰的大光電二極體34b之甚至相對少量之串擾可顯著影響小光電二極體34a之回應。舉例而言，在+/- 50°之一傳入角α下，一小像素對雜散光(亦即，串擾)之回應變得與同一像素對具有0°之一傳入角之入射光(亦即，直接垂直地進入小像素中之光)之回應相當。換種方式說，串擾之量值可變得與同一像素之經設計回應相當。在許多實施例中，此串擾量值係非所要的。
圖3B 係圖 2 中所展示之影像感測器之光學雜訊之一實例曲線圖。所圖解說明的圓形圖周圍之數字標示入射傳入光之方位角(例如，角度α)，而右側之垂直條指示光學雜訊之強度。在所圖解說明的實施例中，傳入光處於可見光譜(自約400 nm至約700 nm)內。圓圈區帶42圖解說明對應於花瓣形耀斑之較高光強度光學雜訊。在許多實施例中，取決於區帶42之強度，花瓣形耀斑可解釋為小光電二極體34a因來自相鄰的大光電二極體34b之微透鏡及/或彩色濾波器之光學串擾而飽和。
圖4 展示根據本發明技術之實施例之實例柱狀結構81之橫截面圖。所圖解說明的柱狀結構81中之每一者可自對應金屬柵格80穿過緩衝氧化物28且朝向DTI結構32延伸。在某些實施例中，所圖解說明的柱狀結構81中之每一者可自各別金屬柵格80穿過緩衝氧化物28且向DTI結構32中延伸一第一深度。如所展示，柱狀結構81形成為接近於影像感測器之一背側54且包含一襯裡82 (亦稱為一擴散阻障)，襯裡82防止或減少柱狀結構81之材料(例如，一金屬)向緩衝氧化物28中及向半導體材料50中擴散。在一項實例中，金屬柵格80中之每一者與各別柱狀結構81組合地形成一T形狀，其中較窄的柱狀結構81部分朝向DTI結構32中延伸(或延伸至一第一深度)，如所展示。換言之，柱狀結構81之一橫向尺寸比對應金屬柵格80之一橫向尺寸窄，如所展示。在另一實例中，注意，若金屬柵格80與柱狀結構81具有相同橫向尺寸且因此形成一I形狀，則在金屬柵格80因自然線上程序變化而未對準之情況下存在柱狀結構81內部之金屬材料可能被蝕除之一經增加風險，此可造成缺陷或對柱狀結構81之損壞。在某些實施例中，第一深度經組態為小於或等於50 nm或0.05 um。每一柱狀結構81之延伸第一深度經組態使得當金屬柵格80在程序期間移位例如以補償主射線角時，對應柱狀結構81不會對半導體材料中之襯裡層30及附近矽區域(例如，光電二極體區域)造成損壞(例如，金屬污染)。
在操作中，光電二極體34a、34b係穿過背側54及穿過ML 22a、22b被照明。穿過彩色濾波器24b之光20照射至柱狀結構81 (其亦可稱為T柱，如圖 4 中所圖解說明)上，且朝向大光電二極體34b反向反射。因此，在操作中，柱狀結構81將光20拘限至既定大光電二極體34b中，因此防止或至少減小對小光電二極體34a之串擾污染。相反情形通常亦成立，柱狀結構81亦限制自穿過彩色濾波器24a既定用於小光電二極體34a之光對大光電二極體34b造成串擾污染。然而，在許多實際情境中，應瞭解，對小光電二極體34a之串擾污染係比對大光電二極體34b之串擾污染更顯著之一問題。
在某些實施例中，柱狀結構81包含例如一金屬材料(諸如鎢(W)、鋁(Al)、銅(Cu)等)，或例如多晶矽等材料。在某些實施例中，柱狀結構81具有為鈦(Ti)或氮化鈦(TiN)之一襯裡82。一般而言，柱狀結構81之厚度及材料經選擇以藉由反射或吸收傳入光而最小化對傳入光之透射。在一項實施例中，柱狀結構81具有0.09 um之一寬度，且向DTI結構32中延伸0.015 um。在某些實施例中，柱狀結構81與對應DTI結構32之襯裡間隔開。在圖 4 中所展示之實例中，柱狀結構81與DTI結構32之間存在一橫向距離w (例如，每側0.015 um)。DTI結構可係0.12 um深。在其他實施例中，柱狀結構81之襯裡82與對應DTI結構32之襯裡30間隔開。在又一些實施例中，柱狀結構81之一襯裡82可與DTI結構32之一襯裡30接觸。
在圖 4 中所繪示之實例中，注意，所圖解說明的柱狀結構81相對於其對應DTI結構32居中。在其他實施例中，柱狀結構81可具有相對於其對應DTI結構32之不同對準，此取決於在影像感測器內之光電二極體34a、34b上之相對位置，如下文關於圖 5 至圖 9 所解釋。
為了圖解說明，圖5 展示根據本發明技術之實施例之一實例影像感測器10之一俯視平面圖。影像感測器10包含配置成形成一像素陣列(例如圖 1 之像素陣列12)之列及行之像素11。一光電二極體在影像感測器10之像素陣列內之數個實例位置在圖 5 中標示為「陣列中心」、「垂直右側」、「垂直左側」、「水平右側」及「水平左側」。一般而言，與影像感測器10具有一有限距離之一光源以不同角度照明不同位置之像素11。因此，在某些實施例中，根據本發明技術之教示，柱狀結構81可跨越像素陣列12相對於其對應DTI結構具有不同對準。
圖6A 至圖6C 係根據本發明技術之一實施例的一影像感測器之一像素陣列12中之不同位置處的光電二極體之實例橫截面。在某些實施例中，ML與DTI結構之相對位置可基於CRA及光電二極體34a、34b在像素陣列12內之位置而移位。自圖 6C 開始， 一柱狀結構81自金屬柵格80延伸。柱狀結構81對應於位於接近於像素陣列12之一周邊處之右邊緣處之像素，亦即，圖 6C 可對應於相對於圖 5 中所展示之陣列中心位於最右側區域中之像素。為了改良小光電二極體34a對傳入光20之捕獲並同時減小自大像素110b進入小光電二極體34a中之光學串擾量，柱狀結構81可如所圖解說明向DTI結構32之右側(亦即，朝向相鄰的小光電二極體34a)橫向偏移。在一項實例中，一入射傳入光20c由柱狀結構81朝向大光電二極體34b反向反射。在一項實例中，傳入光20之一部分可由形成於彩色濾波器24a、24b之間的金屬柵格80吸收或反射。因此，所圖解說明的柱狀結構81之一中心線CP 可移動至DTI結構32之一中心線CDTI 之右側。因此，柱狀結構81之一襯裡82接觸DTI結構32之一襯裡30，且光20穿過彩色濾波器24a之原本將照射至小光電二極體34a上之一較少比例由柱狀結構81朝向大光電二極體34b反向反射。在某些實施例中，柱狀結構81形成有一襯裡82，襯裡82限制柱狀結構81之材料向半導體基板50中擴散以防止金屬污染。襯裡82亦可稱為一擴散阻障層，且在一項實例中，襯裡82可由鈦、氮化鈦、氮化鎢、氮化鉭或其一組合形成。
在圖 6B 中，柱狀結構81之中心(例如，中心線CP )與DTI結構32之中心(例如，中心線CDTI )對準。主射線角(CRA)現在針對像素陣列中之位於更中心處之小光電二極體34a及大光電二極體34b係較小的或接近於零(法向於像素陣列)。在一項實例中，圖6B 中所圖解說明之光電二極體34a、34b表示位於圖 5 中所圖解說明之像素陣列之陣列中心處或接近於該陣列中心之像素單元。為了改良小光電二極體34a對傳入光之捕獲並同時減小自大像素110b進入小光電二極體34a中之光學串擾量，柱狀結構81可與DTI結構32之中心線CDTI 對準。在一項實例中，在圖 6B 中，一入射傳入光20b由柱狀結構81朝向大光電二極體34b反向反射。在一項實例中，傳入光20之一部分可由形成於彩色濾波器24a、24b之間的金屬柵格80吸收或反射。由於主射線角(CRA)針對位於更中心處之小光電二極體34a比針對接近於像素陣列12之一周邊之左邊緣處之像素實際上要小，因此更多傳入光20照射於此小光電二極體34a上，且光學串擾之相對效應變小。因此，柱狀結構81之中心線CP 可更接近於DTI結構32之中心線CDTI 或與中心線CDTI 對準。
圖6A 展示位於接近於像素陣列12之一周邊處之左邊緣處之一柱狀結構81，亦即，圖6A 可對應於相對於圖 5 中所展示之陣列中心位於最左側區域中之像素。為了改良小光電二極體34a對傳入光20之捕獲並同時減小自大像素110b進入小光電二極體34a中之光學串擾量，柱狀結構81可如所圖解說明向DTI結構32之左側(亦即，朝向相鄰的大光電二極體34b)偏移。在一項實例中，在圖 6C 中，一入射傳入光20a由柱狀結構81向大光電二極體34b反向反射。在一項實例中，傳入光20之一部分可由形成於彩色濾波器24a、24b之間的金屬柵格80吸收或反射。因此，所圖解說明的柱狀結構81之一中心線CP 可移動或移位至DTI結構32之一中心線CDTI 之左側。因此，柱狀結構81之一襯裡82接觸DTI結構32之一襯裡30，且光20穿過彩色濾波器24b之原本將照射至小光電二極體34a上之一較大比例由柱狀結構81朝向大光電二極體34b反向反射。所圖解說明的小光電二極體34a因此較佳地被遮蔽而避開雜散光且因此較不可能因雜散光而飽和，此乃因此像素由於其較小CRA而自照明源接收相對較多光。
在某些實施例中，柱狀結構81之中心線CP 在位於較接近於陣列中心(或像素陣列12之光學中心)處時與DTI結構32之中心線CDTI 對準之程度更大(如圖6B中所圖解說明)，且柱狀結構81之中心線CP 在移動遠離陣列中心時自DTI結構32之中心線CDTI 向左或向右橫向移位或偏移(如圖6A或圖6C中所展示)，此取決於相對於陣列中心之相對位置以適應傳入光之主射線角以便達成較佳光學串擾效能。柱狀結構81之中心線CP 與DTI結構32之中心線CDTI 之間的橫向偏移或位移隨距離而增加，亦即，柱狀結構81之中心線CP 與DTI結構32之中心線CDTI 之間的橫向偏移或位移隨與陣列中心之距離跨越像素陣列在水平或垂直方向上增加而增加。
在某些實施例中，柱狀結構81與襯裡30之間的距離在像素陣列之左邊緣與右邊緣處相同，但在相反方向上。在某些實施例中，襯裡30包含具有520 Å之一厚度之Ta3 O5 。包含HfO2 之一高k膜可形成於Ta3 O5 與矽基板之間。柱狀結構81可經移位以遵循微透鏡及/或DTI結構32之移位。柱狀結構81之形狀及延伸深度允許柱狀結構81在不損壞DTI結構之高k膜襯裡及Si基板之情況下在DTI結構32內移動。在某些實施例中，Ta3 O5 襯裡進一步提供一蝕刻停止，此可防止柱狀結構81之金屬穿透Si基板。
圖7 係根據本發明技術之一實施例之一影像感測器上之柱位置之一實例曲線圖。水平軸對應於CRA角。垂直軸對應於微透鏡(ML)、金屬柵格(MG)及/或柱狀結構之移位。曲線圖展示柱狀結構可相對於其對應DTI結構具有不同對準，此取決於光電二極體在影像感測器之像素陣列12內之相對位置。像素陣列12上之實例位置標示為「陣列中心」、「陣列中部」及「陣列左/右邊緣」。如圖 7 中所展示，隨著CRA增加，ML、金屬柵格及柱狀結構之移位增加，亦如圖 8A 至圖 8C 中所繪示之實例中所圖解說明。
圖8A 至圖8E 係根據本發明技術之一實施例之一影像感測器之製造步驟之橫截面圖。圖 8A 展示具有與一背側54相對之一前側52之半導體基板50。作為一項實例，半導體基板之材料係矽。然而，熟習此項技術者將瞭解，任何III族元素(B、Al、Ga、In、Tl)、IV族元素(C、Si、Ge、Sn、Pb)、V族元素(N、P、As、Sb、Bi)及此等元素之適合組合可用於形成半導體基板。
光電二極體34a、34b可例如藉由離子植入形成於半導體基板50中。光電二極體34a、34b可藉由向半導體基板50中植入具有適合植入能量之適合N型摻雜劑(例如，砷(As)或磷(P))或具有適合植入能量之適合P型摻雜劑(例如，硼(B))而形成。DTI結構32可藉由光微影及蝕刻程序相對於光電二極體34a、34b且接近於半導體基板50之背側54橫向形成。舉例而言，將一光阻劑遮罩圖案化為具有對應於DTI結構32之開口，後續接著進行一乾式蝕刻、一濕式蝕刻或乾式蝕刻程序與濕式蝕刻程序之一組合以形成複數個DTI結構32。在某些實施例中，DTI結構32包含一襯裡30。一緩衝氧化物層28a可藉由例如材料沈積(諸如化學汽相沈積或熱氧化)而形成於背側54上及DTI結構32上面。在某些實施例中，緩衝氧化物層28a具有1,200 Å至1,300 Å之一厚度。所圖解說明的緩衝氧化物層28a具有面對DTI結構32之一第一側28-1，及背對第一側28-1之一第二側28-2。在一項實施例中，一DTI結構32形成為具有至少0.15 um之深度且填充有氧化物材料。包含例如氧化鉿HfO2 之一高k膜(圖 8A 中未展示)可形成於矽基板50與緩衝氧化物層28a之間。在某些實施例中，此高k膜包含具有520 Å之一厚度之氧化鉭Ta3 O5 。
圖8B 展示包含複數個開口282之一經蝕刻緩衝氧化物層28a。此等開口282延伸穿過緩衝氧化物28a且進入DTI結構32中，如所展示至少部分地與DTI結構32對準。開口282可藉由使用乾式蝕刻程序圖案化及蝕刻緩衝氧化物層28a而形成。根據本發明之教示，如將展示，開口282可稍後填充以一金屬材料以形成柱狀結構。在某些實施例中，開口282與DTI襯裡30分開一寬度w (例如，每側0.015 um)。襯裡30可用作一蝕刻停止層。
圖8C 圖解說明藉由例如向開口282中及緩衝氧化物28a上之材料沈積(諸如化學汽相沈積(CVD)或原子層級沈積(ALD))形成之金屬層84。金屬層84可包含例如一金屬材料(諸如鎢(W)、鋁(Al)、銅(Cu)等)，或例如多晶矽等材料。所圖解說明的金屬層84具有面對緩衝氧化物層28a之第二側之一第一表面84-1，及背對第一表面84-1之一第二表面84-2。在某些實施例中，金屬層84包含一襯裡82。在一項實例中，襯裡82可在沈積金屬層84之前沈積至開口282中。用於襯裡82之材料可包含鈦、氮化鈦、氮化鎢、氮化鉭或其一組合。柱81之一深度D可大於或等於緩衝氧化物28a之厚度d。在某些實施例中，沈積鎢(W)以填充蝕刻部且形成金屬層84。金屬層84之表面可例如藉由一化學拋光程序而化學拋光以將金屬層84平坦化或平面化，後續接著沈積另一緩衝氧化物層28b。
圖8D 展示在蝕刻之後的金屬層84，蝕刻形成開口812及金屬柵格80，柱狀結構81自金屬柵格80延伸。在某些實施例中，蝕刻金屬層84且形成開口812會提供一遮罩，該遮罩可用於後續彩色濾波器陣列填充。
圖8E 展示至少部分地嵌入至開口812中且因此橫向毗鄰於柱狀結構81之彩色濾波器24a、24b，如所展示。複數個微透鏡(ML) 22a、22b可形成(或沈積)於彩色濾波器24a、24b上面。在某些實施例中，LFR層26 (例如，Ti/TiN)可在形成彩色濾波器24a之前形成為開口上方對應於小光電二極體34a之曝光區之一光衰減層。在某些實施例中，微透鏡22a之一第一高度(亦即，微透鏡22a之頂部與各別彩色濾波器24a之間的一距離)可不同於微透鏡22b之一第二高度(亦即，微透鏡22b之頂部與各別彩色濾波器24b之間的距離)。舉例而言，微透鏡22b之第二高度可大於微透鏡22a之第一高度(亦即，微透鏡22b高於微透鏡22a)，以補償微透鏡22a與微透鏡22b之間的曲率差，使得微透鏡22a與微透鏡22b針對各別光電二極體34a、34b具有實質上相同之焦距。
圖9 係根據本發明技術之另一實例影像感測器之一橫截面圖。針對所圖解說明的影像感測器，柱狀結構81延伸至DTI結構32中。在蝕刻程序期間，柱狀結構81之頂部可容易遭受較快蝕刻速率，此因部分地蝕除柱狀結構81之金屬而形成缺陷822。此外，在蝕刻程序之後使用之清潔溶劑821可陷捕於柱狀結構81中之缺陷822內部。蝕刻後殘留物(例如清潔化學物、溶劑或彩色濾波器陣列微影顯影劑)可保留於深孔隙中，在深孔隙中化學乾燥可係困難的。因此，可形成缺陷822而損壞柱狀結構。無論如何，在至少某些實施例中，包含缺陷822之甚至一被削弱之柱狀結構81仍防止光20穿透。
圖10 展示根據本發明技術之一實施例之一實例影像感測器之一俯視平面圖。在所繪示實例中，包含光閃爍減弱(LFR)層之小光電二極體34a位於大光電二極體34b之左上部區中。因此，在所圖解說明的實施例中，小光電二極體(SPD)三面由大光電二極體(LPD)環繞。包含LFR層之SPD相對於LPD之此一相對配置可使SPD對光學串擾相對更敏感，此乃因一個別SPD與對應LPD共用一相對大邊界。圖 10 中之水平箭頭標示具有0°之一角度φ之一水平方向。圖 10 中之對角箭頭標示具有45°或135°之一角度φ之一對角方向。
圖11A 及圖 11B 係圖 10 中所展示之影像感測器之量子效率(QE)之實例曲線圖。每一曲線圖之水平軸展示以度為單位之傳入光入射角，且垂直軸展示QE。彩色濾波器配置成紅色、透明、透明、藍色(RCCB)模式。虛線表示不具有柱狀結構81之小光電二極體之QE，而實線表示根據本發明技術倂入有柱狀結構81 (例如，圖 4 中所展示之柱狀結構)之小光電二極體之QE。標籤R-POR、C-POR、C-POR及B-POR分別標示紅色、透明、透明及藍色小光電二極體之不具有柱狀結構81之小光電二極體之角回應。標籤R-W柱、C-W柱、C-W柱及B-W柱分別標示根據本發明技術具有柱狀結構81之小光電二極體之紅色、透明、透明及藍色小光電二極體之QE。
圖11A 展示基於自相鄰的大光電二極體對角進入(以135°之角度φ)之光之角度的一小光電二極體之QE。傳入光係以530 nm發射。在不具有柱狀結構81之情況(亦即，虛線)下，朝向大光電二極體引導之光之一部分作為串擾被小光電二極體吸收。此額外光導致小光電二極體之一較高QE且可甚至使小光電二極體飽和。光電二極體之QE可在使用柱狀結構81時減小。舉例而言，甚至當傳入光以一相對高CRA角到達時，可藉由柱狀結構81防止或至少減小串擾。因此，小光電二極體之QE減小，此使其較不易於遭受飽和。曲線圖中之實線表示根據本發明技術包含柱狀結構81之光電二極體之QE。如所圖解說明的實施例中所展示，根據本發明技術之教示，QE值針對每一對應對光電二極體(例如，B W柱相對B-POR、C W柱相對C-POR等)均勻地較低。
圖11B 展示基於自相鄰的大光電二極體水平進入(以0°之角度φ)之光之角度的一小光電二極體之QE之另一實例。傳入光係以450 nm發射。在不具有柱狀結構81之情況(亦即，虛線)下，朝向大光電二極體引導之光之一部分作為串擾被小光電二極體接收。額外光導致小光電二極體之一較高QE且可甚至使小光電二極體飽和。小光電二極體之QE可在引入柱狀結構81時減小。舉例而言，甚至當傳入光以一相對高CRA角到達時，可藉由柱狀結構81防止或至少減小串擾。因此，小光電二極體之QE減小，此使其較不易於遭受飽和。曲線圖中之實線表示根據本發明技術包含柱狀結構81之光電二極體之QE。如所圖解說明的實施例中所展示，QE值針對每一對應對光電二極體(例如，B W柱相對B-POR、C W柱相對C-POR等)均勻地較低。
上文闡述之本發明技術之許多實施例可採取包含由一可程式化電腦或控制器執行之常式之一電腦或控制器可執行指令之形式。熟習相關技術者將瞭解，本發明技術可在除上文所展示及所闡述之彼等外之電腦/控制器系統上實踐。本發明技術可在經專門程式化、組態或構造以執行上文所闡述之電腦可執行指令中之一或多者之一特殊用途電腦、特殊應用積體電路(ASIC)、控制器或資料處理器中體現。當然，本文中所闡述之任何邏輯或演算法可以軟體或硬體或者軟體與硬體之一組合實施。
包含發明摘要中所闡述內容之本發明之所圖解說明的實例之以上說明並非意欲為窮盡性或將本發明限制於所揭示之精確形式。雖然出於說明性目的而在本文中闡述了本發明之特定實例，但如熟習相關技術者將認識到，可在本發明之範疇內做出各種修改。
可鑒於以上詳細說明對本發明做出此等修改。以下申請專利範圍中所使用之術語不應被視為將本發明限於說明書中所揭示之特定實例，而是本發明之範疇應完全由應根據請求項解釋之經確立原則理解之以下申請專利範圍判定。
10:影像感測器 11:像素 12:像素陣列 14:讀出電路 16:控制電路 18:功能邏輯 20:光/傳入光 20a:入射傳入光 20b:入射傳入光 20c:入射傳入光 22a:微透鏡 22b:微透鏡 24a:彩色濾波器 24b:彩色濾波器 26:發光二極體閃爍減弱層/光衰減層 28:緩衝氧化物層/緩衝氧化物 28-1:第一側 28-2:第二側 28a:緩衝氧化物層/經蝕刻緩衝氧化物層/緩衝氧化物 28b:緩衝氧化物層 30:襯裡/襯裡層/深溝渠隔離襯裡 32:深溝渠隔離結構 34a:光電二極體/小光電二極體 34b:光電二極體/大光電二極體 50:半導體材料/n型半導體材料(基板)/半導體基板/基板/矽基板 52:前側 54:背側 62:雜散光/光射線 80:金屬柵格 81:柱狀結構/柱 82:襯裡 84:金屬層 84-1:第一表面 84-2:第二表面 110b:大像素 282:開口 812:開口 821:清潔溶劑 822:缺陷 CDTI :中心線/中心 CP :中心線/中心 d:厚度 D:深度 P1 至Pn :像素 w:橫向距離/寬度 α:角度/相對大入射角/傳入角 φ:角度
參考以下圖闡述本發明之非限制性及非窮盡性實施例，其中除非另有規定，否則遍及各個視圖，相似元件符號係指相似部件。
圖1 係根據本發明技術之一實施例之一實例影像感測器之一圖式。
圖2 係根據本發明技術之一實施例之實例像素之一橫截面圖。
圖3A 係圖 2 中所展示之影像感測器之像素回應之一實例曲線圖。
圖3B 係圖 2 中所展示之影像感測器之光學雜訊之一實例曲線圖。
圖4 展示根據本發明技術之實施例之實例柱狀結構之橫截面圖。
圖5 展示根據本發明技術之一實施例之一實例影像感測器之俯視平面圖。
圖6A 至圖 6C 係根據本發明技術之一實施例之一影像感測器上之不同位置處之光電二極體之實例橫截面。
圖7 係根據本發明技術之一實施例之一影像感測器上之柱位置之一實例曲線圖。
圖8A 至圖 8E 係根據本發明技術之一實施例之一影像感測器之製造步驟之橫截面圖。
圖9 係根據本發明技術之一實施例之另一實例影像感測器之一橫截面圖。
圖10 展示根據本發明技術之一實施例之實例影像感測器之俯視平面圖。
圖11A 及圖 11B 係圖 10 中所展示之影像感測器之量子效率(QE)之實例曲線圖。
遍及圖式之數個視圖，對應參考字符指示對應組件。熟習此項技術者將瞭解，圖中之元件係為簡單及清晰起見而圖解說明的，且未必按比例繪製。舉例而言，為幫助改良對本發明之各種實施例之理解，各圖中之元件中之某些元件之尺寸可能相對於其他元件被放大。而且，通常不繪示一商業上可行之實施例中有用或必需之常見而眾所周知之元件以便促進對本發明之此等各種實施例之一較不受阻礙之觀看。
20:光/傳入光
22a:微透鏡
22b:微透鏡
24a:彩色濾波器
24b:彩色濾波器
28:緩衝氧化物層/緩衝氧化物
30:襯裡/襯裡層/深溝渠隔離襯裡
32:深溝渠隔離結構
34a:光電二極體/小光電二極體
34b:光電二極體/大光電二極體
50:半導體材料/n型半導體材料(基板)/半導體基板/基板/矽基板
52:前側
54:背側
80:金屬柵格
81:柱狀結構/柱
82:襯裡
w:橫向距離/寬度

Claims (17)

  1. 一種影像感測器，其包括：複數個光電二極體，其配置成安置於一半導體基板中之一像素陣列之列及行，其中該像素陣列之個別光電二極體經組態以接收穿過(through)該半導體基板之一背側之傳入光(incoming light)，其中該半導體基板之一前側與該背側相對；複數個深溝渠隔離(DTI)結構，其相對於該等光電二極體橫向地形成於該半導體基板之該背側上，其中該複數個DTI結構配置於毗鄰的光電二極體之間；及複數個柱狀結構，其自接近於該背側之一金屬柵格延伸且與該等DTI結構對準，其中該等柱狀結構延伸進入對應DTI結構中一深度；其中該複數個光電二極體包括具有一第一全井容量(full well capacity)之一第一光電二極體及具有大於第一光電二極體之該第一全井容量之一第二全井容量的一第二光電二極體。
  2. 如請求項1之影像感測器，其中該等DTI結構包含該等DTI結構之一襯裡，且其中該等柱狀結構與該等對應DTI結構之該襯裡間隔開。
  3. 如請求項2之影像感測器，其中該等柱狀結構包含該等柱狀結構之一襯裡，且其中該等柱狀結構之該襯裡與該等對應DTI結構之襯裡間隔開。
  4. 如請求項1之影像感測器，其中一個別柱狀結構相對於一對應個別 DTI結構之一相對位置至少部分地取決於一特定光電二極體在該像素陣列內之一位置。
  5. 如請求項4之影像感測器，其中該複數個DTI結構包含對應於該像素陣列內之位於中心之一像素之一第一DTI結構及對應於相對於該像素陣列位於周邊之一像素之一第二DTI結構；其中該複數個柱狀結構包含對應於該第一DTI結構之一第一柱狀結構及對應於該第二DTI結構之一第二柱狀結構；且其中相比於該第二柱狀結構之一中心與該第二DTI結構之一中心對準之程度，該第一柱狀結構之一中心(CP)與該第一DTI結構之一中心(CDTI)對準之程度更大。
  6. 如請求項5之影像感測器，其中在該像素陣列內，該第二DTI結構相對於該第一DTI結構位於水平右側或水平左側。
  7. 如請求項5之影像感測器，其中在該像素陣列內，該第二DTI結構相對於該第一DTI結構位於垂直右側或垂直左側。
  8. 如請求項5之影像感測器，其中該複數個DTI結構進一步包含一第三DTI結構；其中該複數個柱狀結構進一步包含對應於該第三DTI結構之一第三柱狀結構； 其中相比於該第三柱狀結構之一中心與該第三DTI結構之一中心對準之程度，該第一柱狀結構之該中心(CP)與該第一DTI結構之該中心(CDTI)對準之程度更大；且其中該第三柱狀結構之一襯裡接觸該第三DTI結構之一襯裡。
  9. 如請求項1之影像感測器，且其中該等DTI結構至少部分地將該第一光電二極體與該第二光電二極體分開。
  10. 如請求項1之影像感測器，其進一步包括與該第一光電二極體光學耦合之一第一彩色濾波器及與該第二光電二極體光學耦合之一第二彩色濾波器，其中該第一彩色濾波器及該第二彩色濾波器至少部分地嵌入至該金屬柵格中。
  11. 如請求項10之影像感測器，其進一步包括與該第一光電二極體光學耦合之一第一微透鏡及與該第二光電二極體光學耦合之一第二微透鏡，其中該第一微透鏡及該第二微透鏡接近於該基板之該背側。
  12. 一種用於製造一影像感測器之方法，其包括：在一半導體基板中形成配置成一像素陣列之列及行之複數個光電二極體，該半導體基板具有一背側及與該背側相對之一前側，其中個別光電二極體經組態以接收穿過該半導體基板之該背側之傳入光；相對於該等光電二極體且接近於該半導體基板之該背側橫向地形成深溝渠隔離(DTI)結構，其中該等DTI結構配置於毗鄰的光電二極體之 間；接近於該等DTI結構形成一緩衝氧化物層，該緩衝氧化物層具有面對該DTI結構之一第一側及背對該第一側之一第二側；蝕刻該緩衝氧化物層以形成至少部分地與該等DTI結構對準之複數個開口；形成一金屬層，該金屬層具有面對該緩衝氧化物層之該第二側之一第一表面及背對該第一表面之一第二表面；蝕刻該金屬層，其中該經蝕刻金屬層形成接近於該背側之一金屬柵格與自該金屬柵格朝向對應DTI結構延伸之柱狀結構，及其中該等柱狀結構延伸進入對應DTI結構中一深度；及形成複數個彩色濾波器，其中該等彩色濾波器至少部分地嵌入至該金屬柵格中。
  13. 如請求項12之方法，其進一步包括：接近於對應之該複數個彩色濾波器形成複數個微透鏡。
  14. 如請求項12之方法，其進一步包括形成該等DTI結構之一襯裡，其中該等柱狀結構與該等對應DTI結構之該襯裡間隔開。
  15. 如請求項14之方法，其進一步包括形成該等柱狀結構之一襯裡，其中該等柱狀結構中之至少某些柱狀結構之該襯裡與該等對應DTI結構之該襯裡間隔開。
  16. 如請求項12之方法，其中一個別柱狀結構相對於一對應個別DTI結構之一相對位置至少部分地取決於一特定光電二極體在該影像感測器之一像素陣列內之一位置。
  17. 如請求項16之方法，其中形成DTI結構包含形成在該影像感測器之該像素陣列內位於中心之一第一DTI結構及相對於該影像感測器之該像素陣列位於周邊之一第二DTI結構；其中形成該等柱狀結構包含形成對應於該第一DTI結構之一第一柱狀結構及形成對應於該第二DTI結構之一第二柱狀結構；且其中相比於該第二柱狀結構之一中心與該第二DTI結構之一中心對準之程度，該第一柱狀結構之一中心(CP)與該第一DTI結構之一中心(CDTI)對準之程度更大。
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