本發(fā)明大體上涉及圖像傳感器，且特定來說(但非排他地)涉及圖像傳感器中的光通道的構(gòu)造。

背景技術(shù)：

圖像傳感器已變得普遍存在。圖像傳感器在數(shù)碼相機(jī)、蜂窩電話、監(jiān)控攝像機(jī)以及媒體、汽車及其它應(yīng)用中廣泛使用。用于制造圖像傳感器的技術(shù)持續(xù)以迅猛的速度進(jìn)步。例如，對更高分辨率及更低功耗的需求鼓勵進(jìn)一步微型化及集成這些裝置。

圖像傳感器性能直接與到達(dá)包含在圖像傳感器中的光電二極管(且由光電二極管吸收)的光子的數(shù)目有關(guān)。通常，光電二極管被埋藏在裝置架構(gòu)的許多層下方。光源與光電二極管之間的額外層可導(dǎo)致入射在圖像傳感器上的光子散射并阻止光到達(dá)光電二極管。因此，在具有裝置架構(gòu)的許多層的圖像傳感器中，比最優(yōu)數(shù)目少的光子可到達(dá)光電二極管且導(dǎo)致圖像質(zhì)量降級；這是一個由現(xiàn)代光電二極管的逐漸縮減橫截面面積進(jìn)一步加劇的問題。

解決此問題的一種方式涉及在圖像傳感器的表面上形成額外結(jié)構(gòu)以將光引導(dǎo)到光電二極管中。然而，用于制造這些結(jié)構(gòu)的額外處理步驟可導(dǎo)致對下伏電子裝置的損壞或需要許多額外工藝步驟。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一方面，本發(fā)明描述了一種圖像傳感器，所述圖像傳感器包括：多個光電二極管，其安置在半導(dǎo)體層中；第一隔離層及電介質(zhì)填充物，其中所述電介質(zhì)填充物安置在所述第一隔離層中的溝槽中，且其中所述第一隔離層安置在所述半導(dǎo)體層與所述電介質(zhì)填充物之間；至少一個額外隔離層，其中所述第一隔離層安置在所述至少一個額外隔離層與所述半導(dǎo)體層之間；及所述至少一個額外隔離層中的多個光通道，其中所述多個光通道穿過所述至少一個額外隔離層延伸到所述電介質(zhì)填充物，且其中所述多個光通道經(jīng)安置以將光引導(dǎo)到所述多個光電二極管中。

另一方面，本發(fā)明描述了一種光電二極管，所述光電二極管包括：一或多個光電二極管，其安置在半導(dǎo)體層中；第一電介質(zhì)層及周期性的第二電介質(zhì)層，其中所述第一電介質(zhì)層安置在所述第二電介質(zhì)層與所述一或多個光電二極管之間，且其中所述第二電介質(zhì)層與所述一或多個光電二極管光學(xué)地對準(zhǔn)；及第三電介質(zhì)層，其中所述第一電介質(zhì)層及所述周期性的第二電介質(zhì)層安置在所述第三電介質(zhì)層與所述半導(dǎo)體層之間，且其中所述第三電介質(zhì)層嵌有從所述第二電介質(zhì)層延伸穿過所述第三電介質(zhì)層的光通道。

另一方面，本發(fā)明描述了一種圖像傳感器制造方法，所述方法包括：在半導(dǎo)體層上形成第一隔離層，其中所述半導(dǎo)體層含有多個光電二極管；在所述第一隔離層中形成電介質(zhì)填充物，其中所述第一隔離層安置在所述電介質(zhì)填充物與所述半導(dǎo)體層之間；形成至少一個額外隔離層，其中所述第一隔離層安置在所述至少一個額外隔離層與所述半導(dǎo)體層之間；及在所述至少一個額外隔離層中蝕刻多個光通道，其中所述光通道穿過所述至少一個額外隔離層延伸到所述電介質(zhì)填充物。

附圖說明

參考以下圖式描述本發(fā)明的非限制及非詳盡實(shí)例，其中除非另有規(guī)定，否則相同的參考數(shù)字貫穿各個視圖指代相同部分。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的教示的具有光通道的圖像傳感器的一個實(shí)例的橫截面圖。

圖2是說明根據(jù)本發(fā)明的教示的包含圖1的具有光通道的圖像傳感器的成像系統(tǒng)的一個實(shí)例的框圖。

圖3a到3e展示根據(jù)本發(fā)明的教示的用于形成具有光通道的圖像傳感器的工藝的實(shí)例。

對應(yīng)的參考字符指示圖式的若干視圖中的對應(yīng)組件。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白，圖中的元件是為了簡單清楚起見而說明且不一定按比例繪制。例如，圖中的一些元件的尺寸可相對于其它元件夸大以幫助改善對本發(fā)明的各個實(shí)施例的理解。并且，商業(yè)上可行的實(shí)施例中有用或必需的常見但眾所周知的元件通常并未描繪以促進(jìn)更容易地查看本發(fā)明的這些各個實(shí)施例。

具體實(shí)施方式

本文描述了用于具有光通道的圖像傳感器的設(shè)備及方法的實(shí)例。在以下描述中，陳述數(shù)種特定細(xì)節(jié)以提供對實(shí)施例的徹底理解。然而，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到，本文中描述的技術(shù)可在無特定細(xì)節(jié)中的一或多者的情況下或利用其它方法、組件、材料等來實(shí)踐。在其它實(shí)例中，并未詳細(xì)展示或描述眾所周知的結(jié)構(gòu)、材料或操作以避免使某些方面模糊。

貫穿本說明書對“一個實(shí)例”或“一個實(shí)施例”的引用意指結(jié)合實(shí)例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包含在本發(fā)明的至少一個實(shí)例中。因此，“在一個實(shí)例中”或“在一個實(shí)施例中”的短語在本說明書中的各個位置中的出現(xiàn)不一定全部是指相同實(shí)例。此外，特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可以任何合適方式組合在一或多個實(shí)例中。

貫穿本說明書，使用若干技術(shù)術(shù)語。這些技術(shù)術(shù)語具有其所處領(lǐng)域中的一般含義，除非在本文中具體定義或其使用背景另有明確指示。應(yīng)注意，元件名稱及符號在本文獻(xiàn)中是可互換使用的(例如，sivs.硅)；然而，其兩者均具有相同含義。

圖1是具有光通道的圖像傳感器100的一個實(shí)例的橫截面說明。具有通道的圖像傳感器100包含：半導(dǎo)體層101、多個光電二極管103、第一隔離結(jié)構(gòu)111、電介質(zhì)填充物113及至少一個額外隔離層119。圖1中還描繪了電隔離結(jié)構(gòu)105及107、轉(zhuǎn)移門115、金屬互連件117及至少一個額外隔離層119中的個別電介質(zhì)層121及123。在所描繪的實(shí)例中，多個光電二極管103安置在半導(dǎo)體層101中。電介質(zhì)填充物113安置在第一隔離層111中的溝槽中，且第一隔離層111安置在半導(dǎo)體層101與電介質(zhì)填充物113之間。電介質(zhì)填充物113與多個光電二極管103光學(xué)地對準(zhǔn)。至少一個額外隔離層119安置在第一隔離層111上，使得第一隔離層111安置在至少一個額外隔離層119與半導(dǎo)體層101之間。在未描繪的一個實(shí)例中，電介質(zhì)填充物113可接觸半導(dǎo)體層101及至少一個額外隔離層119兩者，使得第一隔離層111并未安置在半導(dǎo)體層101與電介質(zhì)填充物113之間。多個光通道被蝕刻在至少一個額外隔離層119中，其中多個光通道穿過至少一個額外隔離層119延伸到電介質(zhì)填充物113。在一個實(shí)例中，多個光通道經(jīng)安置以將光引導(dǎo)到多個光電二極管103中，且電介質(zhì)填充物113是光學(xué)透明的以允許光通過電介質(zhì)填充物113進(jìn)入到多個光電二極管103中。在另一或相同實(shí)例中，電介質(zhì)填充物113包含高k電介質(zhì)材料，且具有比至少一個額外隔離層119慢的蝕刻速率。

在所描繪的實(shí)例中，至少一個額外隔離層119包含多個隔離層(例如個別電介質(zhì)層121/123)以及金屬互連件117。然而，在另一實(shí)例中，至少一個額外隔離層119僅包含單個隔離層而無金屬互連件117。在一個實(shí)例中，至少一個額外隔離層119包含電介質(zhì)材料，且至少一個額外隔離層119的介電常數(shù)(k)低于電介質(zhì)填充物113的介電常數(shù)。

圖1中的實(shí)例示出了多個光通道經(jīng)光學(xué)地對準(zhǔn)以將光引導(dǎo)到多個光電二極管103中。在一個實(shí)例中，多個光通道的橫截面面積沿電介質(zhì)填充物113的方向降低。在此配置中，光進(jìn)入多個光通道、從至少一個額外隔離層119的側(cè)壁反射、透射通過電介質(zhì)填充物113及第一隔離層111，且由多個光電二極管103吸收。因此，光通道可幫助將入射光從圖像傳感器100的表面導(dǎo)引到多個光電二極管103中，這可改進(jìn)裝置的效率。

圖2是說明包含圖像傳感器100(參見圖1)的成像系統(tǒng)的一個實(shí)例的框圖。成像系統(tǒng)200包含像素陣列205、控制電路221、讀出電路211及功能邏輯215。在一個實(shí)例中，圖像傳感器100包含在成像系統(tǒng)200中。在一個實(shí)例中，像素陣列205是光電二極管或圖像傳感器像素(例如，像素p1、p2、……、pn)的二維(2d)陣列。如所說明，光電二極管被配置成行(例如，行r1到ry)及列(例如，列c1到cx)以獲取人、地點(diǎn)、對象等的圖像數(shù)據(jù)，所述圖像數(shù)據(jù)可接著用于呈現(xiàn)人、地點(diǎn)、對象等的2d圖像。

在一個實(shí)例中，在像素陣列205中的每一圖像傳感器光電二極管/像素獲取其圖像數(shù)據(jù)或圖像電荷之后，圖像數(shù)據(jù)由讀出電路211讀出且接著被轉(zhuǎn)移到功能邏輯215。讀出電路211可經(jīng)耦合以從像素陣列205中的多個光電二極管讀出圖像數(shù)據(jù)。在各個實(shí)例中。讀出電路211可包含放大電路、模/數(shù)(adc)轉(zhuǎn)換電路或其它電路。功能邏輯215可僅僅存儲圖像數(shù)據(jù)或甚至通過施加后圖像效果(例如，裁剪、旋轉(zhuǎn)、移除紅眼、調(diào)整亮度、調(diào)整對比度或以其它方式)操縱圖像數(shù)據(jù)。在一個實(shí)例中，讀出電路211可沿讀出列線一次讀出一行圖像數(shù)據(jù)(所說明的)或可使用各種其它技術(shù)來讀出圖像數(shù)據(jù)(未說明)，例如串行讀出或同時完全并行讀出所有像素。

在一個實(shí)例中，控制電路221耦合到像素陣列205以控制像素陣列205中的多個光電二極管的操作?？刂齐娐?21可經(jīng)配置以控制像素陣列205的操作。例如，控制電路221可產(chǎn)生快門信號用于控制圖像獲取。在一個實(shí)例中，快門信號是用于同時啟用像素陣列205內(nèi)的所有像素以在單個獲取窗期間同時捕捉其相應(yīng)圖像數(shù)據(jù)的全局快門信號。在另一實(shí)例中，快門信號是滾動快門信號使得在連續(xù)獲取窗期間循序地啟用每一行像素、每一列像素或每一組像素。在另一實(shí)例中，使圖像獲取與例如閃光的照明效果同步。

在一個實(shí)例中，成像系統(tǒng)200可包含在數(shù)碼相機(jī)、蜂窩電話、膝上型計算機(jī)等中。此外，成像系統(tǒng)200可耦合到其它硬件塊，例如處理器、存儲器元件、輸出(usb端口、無線發(fā)射器、hdmi等)、照明設(shè)備/閃光燈、電輸入(鍵盤、觸摸顯示器、跟蹤板、鼠標(biāo)、麥克風(fēng)等)及/或顯示器。其它硬件塊可將指令傳送到成像系統(tǒng)200、從成像系統(tǒng)200提取圖像數(shù)據(jù)或操縱由成像系統(tǒng)200供應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)。

圖3a到3e示出了用于形成具有光通道的圖像傳感器(例如，具有光通道的圖像傳感器100)的工藝300的實(shí)例。圖3a到3e中的一些或全部出現(xiàn)在工藝300中的次序不應(yīng)被視為限制。而是，獲益于本發(fā)明的所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將了解，一些工藝可以未說明的各種次序執(zhí)行或甚至并行執(zhí)行。

圖3a說明在半導(dǎo)體層301上形成第一隔離層311。在所描繪的實(shí)例中，半導(dǎo)體層301已經(jīng)含有多個光電二極管303、電隔離結(jié)構(gòu)305/307及轉(zhuǎn)移門315。應(yīng)注意，第一隔離層311可通過包含原子層沉積、化學(xué)氣相沉積或分子束外延的各種技術(shù)形成。在一個實(shí)例中，電隔離結(jié)構(gòu)305及307可安置在半導(dǎo)體層301中且至少部分包圍多個光電二極管303中的個別光電二極管。這可防止泄漏電流在多個光電二極管303中的個別光電二極管之間流動。此外，浮動擴(kuò)散區(qū)可容置在電隔離結(jié)構(gòu)307內(nèi)，因此轉(zhuǎn)移門315可經(jīng)定位以將圖像電荷從多個光電二極管303轉(zhuǎn)移到電隔離結(jié)構(gòu)307中的浮動擴(kuò)散區(qū)中。

圖3b說明蝕刻部分延伸到第一隔離層311中的溝槽，其中溝槽安置在第一隔離層311內(nèi)靠近多個光電二極管303。在形成電介質(zhì)填充物313的準(zhǔn)備當(dāng)中完成蝕刻。蝕刻工藝取決于所采用的材料、期望幾何形狀及其它考慮/限制可為干式或濕式的。

圖3c說明在第一隔離層311中形成電介質(zhì)填充物313，其中第一隔離層311安置在電介質(zhì)填充物313與半導(dǎo)體層301之間。電介質(zhì)填充物313可經(jīng)由包含化學(xué)氣相沉積、分子束外延等的數(shù)種工藝沉積。在未示出的一個實(shí)例中，經(jīng)由化學(xué)機(jī)械拋光等從第一隔離層311的表面去除殘余的電介質(zhì)填充物313。在一個實(shí)例中，電介質(zhì)填充物313是光學(xué)透明的且具有高于第一隔離層311的介電常數(shù)(k)。

第一隔離層311中的電介質(zhì)填充物313及溝槽可呈現(xiàn)許多形狀/形式。在所描繪的實(shí)例中，電介質(zhì)填充物313的橫截面在第一隔離層311內(nèi)呈梯形居中于多個光電二極管303上方。此外，電介質(zhì)填充物313的最大邊緣大于光溝槽的最窄部分。然而在不同實(shí)例中，電介質(zhì)填充物313的最寬部分可與光溝槽的最窄部分共同延伸。在另一實(shí)例中，電介質(zhì)填充物313的最寬部分可與多個光電二極管303中的光電二極管的直徑共同延伸。這可防止對多個光電二極管303的意外蝕刻損壞。在一個實(shí)例中，電介質(zhì)填充物313可延伸越過多個光電二極管303中的個別光電二極管及轉(zhuǎn)移門315二者。此配置可允許電介質(zhì)填充物313防止對光電二極管及轉(zhuǎn)移門315二者的意外蝕刻損壞。在另一實(shí)例中，電介質(zhì)填充物313可延伸越過多個光電二極管303中的個別光電二極管、轉(zhuǎn)移門315及電隔離結(jié)構(gòu)305/307。換句話說，在此實(shí)例中，電介質(zhì)填充物313的最寬長度大于或等于電隔離結(jié)構(gòu)305/307的外側(cè)邊緣。

圖3d說明形成至少一個額外隔離層319，其中第一隔離層311安置在至少一個額外隔離層319與半導(dǎo)體層301之間。在一個實(shí)例中，形成至少一個額外隔離層319包含形成循序添加的個別隔離層及/或電介質(zhì)層321/323。在此實(shí)例中，可沉積層321接著沉積層323，且可在層321/323中蝕刻光通道。此過程可重復(fù)若干次以形成實(shí)際大小的光通道。繼每一層沉積之后的蝕刻可允許更好地控制光通道幾何形狀。此外，金屬電路317可連同圖3d中描繪的實(shí)例中未示出的其它裝置架構(gòu)塊一起形成在至少一個額外隔離層319中。

圖3e說明在至少一個額外隔離層319中蝕刻多個光通道，其中光通道穿過至少一個額外隔離層319延伸到電介質(zhì)填充物313。換句話說，光通道從電介質(zhì)填充物313延伸穿過至少一個額外隔離層319。在一個實(shí)例中，在至少一個額外隔離層319中蝕刻多個光通道包含在每一循序添加的額外隔離層(例如，層321/323)中個別地蝕刻多個光通道。在所描繪的實(shí)例中，電介質(zhì)填充物313具有比至少一個額外隔離層319慢的蝕刻速率。此外，至少一個額外隔離層319中的多個光通道與電介質(zhì)填充物313及多個光電二極管303光學(xué)地對準(zhǔn)，使得光可進(jìn)入光通道且通過電介質(zhì)填充物313并進(jìn)入多個光電二極管303。在一個實(shí)例中，光通道可具有基本上垂直的側(cè)或替代地具有具備淺角(例如，與表面法線所成角>20°)的側(cè)。

雖然圖3a到3e中未描繪，但是在一個實(shí)例中，光通道可回填有透明材料。在一個實(shí)例中，透明材料具有不同于至少一個額外隔離層319的折射率。這可允許在至少一個額外隔離層319的表面上制造例如彩色濾光器層或微透明層的裝置架構(gòu)的額外層。在一個實(shí)例中，彩色濾光器層包含紅色、綠色及藍(lán)色濾光器器，其可被布置為拜耳(bayer)圖案、exr圖案、x反式圖案等。然而，在不同或相同實(shí)例中，彩色濾光器層可包含紅外線濾光器器、紫外線濾光器器或隔離em光譜的不可見部分的其它彩色濾光器器。

在相同或不同實(shí)例中，微透鏡層形成在彩色濾光器層上。微透鏡層可由圖案化在彩色濾光器層的表面上的光敏聚合物制成。一旦聚合物的矩形塊圖案化在彩色濾光器層的表面上，所述塊就可經(jīng)熔化(或回流)以形成微透鏡的圓頂狀結(jié)構(gòu)特性。

本發(fā)明的所說明實(shí)例的以上描述(包含發(fā)明摘要中描述的內(nèi)容)不旨在為詳盡的或?qū)⒈景l(fā)明限于所揭示的精確形式。雖然本文中出于說明目的而描述了本發(fā)明的具體實(shí)例，但是各種修改在本發(fā)明的范圍內(nèi)是可行的，如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到。

鑒于以上詳細(xì)描述可對本發(fā)明進(jìn)行這些修改。所附權(quán)利要求書中使用的術(shù)語不應(yīng)被解釋為將本發(fā)明限于說明書中揭示的具體實(shí)例。而是，本發(fā)明的范圍應(yīng)由所附權(quán)利要求書完全確定，所附權(quán)利要求書應(yīng)根據(jù)解釋權(quán)利要求的既定規(guī)則來理解。