TWI670839B - 背照式影像感測器 - Google Patents
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Abstract
背照式影像感測器包含半導體材料的基材(1)、被配置在主面(10)的偵測器元件(11)、該主面(10)上或之上的介電層(3)、該主面(10)之上的第一電容器層(7)及第二電容器層(8)，該等電容器層(7,8)形成電容器(C1,C2)。週邊電路(12)被整合在該基材(1)中且遠離該等偵測器元件(11)，係為了由電壓調整、充電泵操作、及時脈產生的穩定的群組的一或多個操作而配置該週邊電路(12)，且該等電容器層(7,8)在電氣上被連接到該週邊電路(12)的接觸區(13)。
Description
本發明是關於一種影像感測器。
背照式影像感測器包含用於形成影像偵測的像素陣列之複數個偵測器元件。該像素陣列被週邊區圍繞，尤其是互補金屬氧化物半導體(CMOS)電路等的讀出電路被配置在該週邊區中，該等CMOS電路包含列邏輯、行放大器、類比至數位轉換器、時脈產生及輸出驅動器。該週邊區的寬度可能小於100微米。內視鏡(endoscope)係為一典型例子的許多應用中需要影像感測器的很小尺寸。
如果將電容去耦合(capacitive decoupling)提供給影像感測器的讀出電路，則將提高影像品質。如H.Han等人於International Image Sensor Workshop 2007,pp 238-240發表的論文"Evaluation of a Small Negative Transfer Gate Bias on the Performance of 4T CMOS Image Sensor Pixels"中討論的，如果像素的傳輸閘(transfer gate)之驅動電壓是負的，以便減少暗電流，且增加動態範圍，則可能是有利的。如果像素的重設閘(reset gate)之驅動電壓高於供應電壓，則也可能是有利的。
感測器的電流消耗之變化可能導致供應電壓的漣波，因而也可能易於產生干擾。為了產生用於控制感測器操作的時脈信號而被整合的振盪器之頻率可取決於供應電壓及周圍溫度。因而通常需要將一控制電路整合在影像感測器中。
WO 2013/091123 A1揭露了一種尤其適用於內視鏡的光學感測器配置，該光學感測器配置具有作為遠端與近端之間的電連接的多芯線(multi-wire line)。該光學感測器配置被直接安裝在該多芯線上。
US 2014/0030842 A1揭露了一種背照式影像感測器，該背照式影像感測器包含一半導體基材、該基材的前面上的一感測器元件、以及覆在該感測器元件上面的電容器。該電容器增加各電晶體連接之間產生的浮接電容(floating capacitance)，且可能也滿足諸如類比至數位轉換等的其他的電路設計需求。
US 2014/0300698 A1揭露了一種設有複數個影像感測器的內視鏡配置，該複數個影像感測器中之每一影像感測器以不受控制的振盪器產生感測器時脈。電子控制電路偵測該感測器時脈及/或感測器框率及/或感測器影像相位，且將該被偵測到的資訊調整到參考時脈。
G.Meynants等人於Scientific Detector Workshop,Florence 2013發表的論文"Backside illuminated CMOS active pixel sensor with global shutter and 84 dB dynamic range"說明了將金屬-絕緣層-金屬(MiM)電容器 用於像素信號的抽樣。該等電容器被配置在CMOS影像感測器(CIS)全域快門(global shutter)像素的前面上。
Y.Kagawa等人於Proc.IEDM,2016,pp.8.4.1-8.4.4發表的論文"Novel Stacked CMOS Image Sensor with Advanced Cu2Cu Hybrid Bonding"說明了包含被以晶圓接合製程接合到CMOS讀出積體電路(IC)的背照式CMOS影像感測器之三維(3D)堆疊式CMOS影像感測器。
本發明之目的在於提供一種包含為了電壓調整、充電泵操作、或晶片內建時脈產生的穩定而提供的電容器之小型背照式影像感測器。
以根據申請專利範圍第1項所述的背照式影像感測器實現了該目的。各實施例源自申請專利範圍附屬項。
該背照式影像感測器包含具有主面(main surface)之半導體材料的基材、被配置在該主面的偵測器元件、該主面上或之上的介電層、被嵌入該介電層之導電材料的第一電容器層、以及被嵌入該介電層且離開該第一電容器層有一距離之導電材料的第二電容器層。該第一及第二電容器層形成至少一電容器。
週邊電路被整合在該基材中且遠離該等偵測器元件。為了電壓調整、及/或充電泵操作、及/或時脈產生的穩定而配置該週邊電路。該第一及第二電容器層在電氣上被連接到該週邊電路的接觸區。
該導電材料可以是諸如金屬或導電多晶矽。例如，鎢是一種適當的金屬。尤其藉由將佈線金屬化而形成該等電容器層。該等電容器層可包含被配置在該佈線的各金屬化層之間的額外的導電層。
尤其可藉由一些指插式電容器(interdigitated capacitor)層而在一層上形成該電容器，或者該電容器可被形成為三維結構，尤其該電容器可被形成為用於大電容之溝槽電容器(trench capacitor)。亦可藉由使該等電容器層之間的距離變小，且在該等電容器層之間配置氧化鉿(HfO)、氧化鋁(Al2O3)、或另一高k介電質，而實現每一單位面積的大電容。
一或多個結構化導電層除了被嵌入該等電容器層，也可被嵌入該介電層。可提供用於將該等電容器層連接到該一或多個結構化導電層之一些部分的電連接。
在該背照式影像感測器的實施例中，該第一及第二電容器層之至少一者包含被配置成彼此之間有一距離的一些平行帶。該第一及第二電容器層之各均可包含被配置成彼此之間有一距離的一些平行帶。尤其，該第一電容器層的該等帶可平行於該第二電容器層的該等帶，或者該第一電容器層的該等帶可橫貫該第二電容器層的該等帶。
在該背照式影像感測器的進一步的實施例中，該第一電容器層的該等帶及該第二電容器層的該等帶是指插式的，該第一電容器層的該等帶在電氣上被相互連接， 且該第二電容器層的該等帶在電氣上被相互連接。
在進一步的實施例中，係在三維結構中配置該第一及第二電容器層。
在進一步的實施例中，該週邊電路具有小於100微米的寬度。
在進一步的實施例中，該週邊電路圍繞該等偵測器元件。
進一步的實施例包含半導體材料的另外的基材，該另外的基材被接合到該基材。該介電層被配置在該基材與該另外的基材之間。
進一步的實施例包含該另外的基材上之另外的介電層。該另外的介電層被配置在該另外的基材與該介電層之間。該第一電容器層及該第二電容器層可被嵌入該另外的介電層。
進一步的實施例包含穿過該另外的基材之通過基材的互連。
進一步的實施例包含該週邊電路中之另外的接觸區、以及將該通過基材的互連連接到該另外的接觸區之另外的電連接。
下文是連同各附圖的背照式影像感測器之例子的詳細說明。
1‧‧‧基材
2‧‧‧另外的基材
3‧‧‧介電層
4‧‧‧接合層
5‧‧‧導電層
6‧‧‧另外的導電層
7‧‧‧第一電容器層
8‧‧‧第二電容器層
9‧‧‧電連接
10‧‧‧主面
11‧‧‧偵測器元件
12‧‧‧週邊電路
13‧‧‧接觸區
14‧‧‧另外的接觸區
15‧‧‧另外的電連接
16‧‧‧通過基材的互連
17‧‧‧電容器連接
18‧‧‧另外的電容器連接
19‧‧‧另外的介電層
20‧‧‧反射層
21‧‧‧第三電容器層
22‧‧‧第四電容器層
23‧‧‧溝槽
C‧‧‧另外的電容器
C1‧‧‧第一電容器
C2‧‧‧第二電容器
第1圖示出具有在偵測器元件之上的電容器的背照式 影像感測器之橫斷面。
第2圖示出具有在該等偵測器元件之上的電容器的背照式影像感測器之佈局。
第3圖是像素及電容器層的配置之上視圖。
第4圖是該等像素及該等電容器層的另外的配置之上視圖。
第5圖示出用於包含由指插式結構形成的電容器的背照式影像感測器的根據第1圖之橫斷面。
第6圖是根據第5圖的裝置的該等電容器的連接之電路圖。
第7圖示出具有兩個基材的介電層中配置的導電層的背照式影像感測器的根據第1圖之橫斷面。
第8圖示出具有堆疊式電容器的背照式影像感測器的根據第1圖之橫斷面。
第9圖示出具有堆疊式電容器的另外的背照式影像感測器的根據第8圖之橫斷面。
第10圖示出具有溝槽電容器的背照式影像感測器的根據第1圖之橫斷面。
第1圖示出背照式影像感測器的橫斷面。該背照式影像感測器包含可以是諸如矽的半導體材料的基材1。可以是諸如二氧化矽的介電層3被配置在基材1的主面10上或之上。結構化導電層5在可選的情形下被嵌入介電層3。結構化導電層5可被提供作為諸如像素佈線層。結 構化導電層5可以是佈線的一部分，該佈線可包含另外的結構化導電層及垂直互連。尤其可為諸如用於電荷轉移的控制線等的水平連接提供結構化導電層5，且可為諸如被用於輸出及電源等的垂直連接提供另外的結構化導電層。
可以是諸如光二極體的偵測器元件11被配置在基材1的主面10上。該等偵測器元件11尤其可被配置在用於影像偵測的陣列中。每一偵測器元件11因而可被用於產生將被偵測的影像的像素。
週邊電路12被整合在離開該等偵測器元件11的基材1中。被週邊電路12佔用的區域是在配置該等偵測器元件11的區域之外。週邊電路12可尤其圍繞該等偵測器元件11的區域。週邊電路12也可以是只在一端。
導電材料的第一電容器層7及導電材料的第二電容器層8被配置在彼此之間有一距離的介電層3中，且形成電容器C1。因而形成的電容器的數目是任意的。舉例而言，第1圖示出另外的電容器C2。
第一及第二電容器層7、8的導電材料可以是諸如尤其是鎢、鋁、或銅的金屬、或導電多晶矽。電容器介電質可以是介電層3的一部分。作為替代，不同的電容器介電質可被配置在第一與第二電容器層7、8之間。藉由在第一與第二電容器層7、8之間配置高相對電容率(relative permittivity)的專用電容器介電質，可得到增加的電容的金屬-絕緣層-金屬電容器。
以介電層3中之垂直電連接9選擇將第一電容器層7及第二電容器層8分別在電氣上連接到週邊電路12的接觸區13。因此，該等電容器C1、C2被連接到週邊電路12，且形成積體電路的組件。
第1圖示出覆蓋該等偵測器元件11的整個區域的第一電容器層7的例子。第一電容器層7因而也適於作為能夠均勻地將入射輻射反射到聚焦面的電屏蔽或光反射器。
在第1圖所示的影像感測器的該例子中，可選的另外的基材2被接合到介電層3。另外的基材2可以是諸如由尤指承載晶圓(handling wafer)之另外的半導體基材。另外的基材2可包含尤其是諸如導體軌道及電阻器等的被動組件之電氣組件。另外的基材2可被直接接合到介電層3，或者可為了此目的而提供可以是諸如二氧化矽等的接合層4。
另外的基材2可包含在穿過另外的基材2的通孔中配置的導電材料而形成的導電通過基材的互連16。為了週邊電路12至通過基材的互連16的電連接，可提供週邊電路12的另外的接觸區14以及介電層3中之另外的電連接15。
第2圖示出包含在該等偵測器元件之上的電容器的背照式影像感測器之佈局。第2圖中指示第1圖示出的該橫斷面之位置。可包含諸如電源去耦合電容器、用於像素的傳輸閘及重設閘的充電泵電容器、用於時脈產生的穩定的電容器、以及用於類比至數位轉換參考的電容器被配置在中央。該等電容器的配置可佔用通常為800微米x 800微米的中央區，該中央區可被通常寬度為100微米或更小的週邊區圍繞。第2圖所示的該佈局中命名了週邊電路12的一些典型組件。
第3圖是一背照式影像感測器的適用佈局的上視圖，該上視圖示出該等像素及電容器層的配置。第一電容器層7形成複數個帶，該複數個帶是底部電容器極板。第二電容器層8形成另外的複數個帶，另外的該複數個帶是頂部電容器極板。第一電容器層7的該等帶在彼此之間有一距離的情形下被平行配置，且對齊第二電容器層8的該等帶及各列的偵測器元件11。因此，形成了複數個電容器。
將該等電容器連接到週邊電路12可尤其可使用共同的電容器極板。在此種情況中，第一及第二電容器層7、8中之電容器層可以是一整個層，或者可被分成大於第3圖所示的該等帶的一些部分。
第4圖是適當的佈局的進一步的上視圖，且示出該等像素及該等電容器層的配置的進一步的例子。在根據第4圖的該例子中，第一電容器層7形成複數個被間隔開的平行帶，該等平行帶是底部電容器極板，且第二電容器層8形成複數個被間隔開的平行帶，該等平行帶是頂部電容器極板。第二電容器層8的該等帶被配置成橫貫第一電容器層7的該等帶。第一電容器層7的該等帶及第二電容器層8的該等帶沿著成直角的兩個方向對齊各列的該等偵測器元件11。
根據第3及4圖的該等電容器層的形狀提供了所有像素中之類似的光學行為。此外，可為包含散射效應以便有被完全吸收的入射輻射之的背面反射設計電容器層7、8的圖案。被用於諸如光感測器的大型光二極體結構需要此種設計。
第5圖示出用於包含由指插式結構形成的電容器的影像感測器的根據第1圖之橫斷面。對應於根據第1圖的該影像感測器之元件的根據第5圖的該影像感測器之元件被指定具有相同的參考編號。在根據第5圖的該影像感測器中，以平行帶構成第一及第二電容器層7、8，該等平行帶被配置成彼此之間有小距離。根據該等平行帶的空間演替，這些帶交替地相互連接，且被連接到週邊電路12的相同的接觸區13。
第5圖中以相同類型的剖面線分別指示第一電容器層7的該等在電氣上被連接的部分以及第二電容器層8的該等在電氣上被連接的部分。以雙剖面線示出被連接到標示為"a"的接觸區13的第一電容器層7的該等部分，而以單剖面線示出被連接到標示為"b"的接觸區13的第二電容器層8的該等部分。
在第5圖示出的該例子中，可選的另外的導電層6形成被連接到標示為"com"的接觸區13的共同的電容器極板。另外的導電層6可替代地構成用於形成另外的電容器極板之分開的一些部分。
根據第5圖，以第一及第二電容器層7、8的該等帶在相同的層內形成各電容器極板的指插式結構。出現在該等帶之間的介電層的該等區域提供了電容器介電質。取代地或額外地，可在另外的層中形成此種電容器極板的指插式結構。
在根據第5圖的該影像感測器中，另外的導電層6覆蓋被該等偵測器元件11佔用的整個區域。另外的導電層6因而也適於作為能夠均勻地將入射輻射反射到聚焦面的電屏蔽或光反射器。
或者，另外的導電層6可以是光吸收層，用以預防輻射被反射回到半導體材料。吸收層對避免在影像中產生不需要的圖案之邊緣效應(fringing effect)可能是有利的。邊緣效應可能是由於薄矽基材的微小厚度變化。金屬可適用於吸收層。
第6圖是根據第5圖的影像感測器的該等電容器的連接之電路圖。被連接到標示"a"的第一電容器層7的該等部分以及另外的導電層6提供的該共同的電容器極板形成第一電容器C1。另外的導電層6提供的該共同的電容器極板以及被連接到標示"b"的接觸區13的第二電容器層8的該等部分形成第一電容器C2。第一電容器層7的該等部分以及第二電容器層8的該等部分形成一另外的電容器C。該另外的電容器C的每一電容器極板也是該第一電容器C1或該第一電容器C2的一極板。
第7圖示出具有兩個基材上提供的導電層的 影像感測器的根據第1圖之橫斷面。對應於根據第1圖的該影像感測器之元件的根據第7圖的該影像感測器之元件被指定具有相同的參考編號。在根據第7圖的該影像感測器中，另外的基材2上提供的另外的介電層19。可以是諸如二氧化矽的接合層4被配置在介電層3與另外的介電層19之間。接合層4是可選的；介電層3可被直接接合到另外的介電層19。
在根據第7圖的該影像感測器中，第一電容器層7及第二電容器層8被嵌入另外的介電層19。該等接觸區13與電容器層7、8之間的電連接9穿過接合層4，且到達另外的介電層19。此外，可為了具有結構化導電層5或具有介電層3中之另外的結構化導電層6之第一電容器層7的電連接而提供電容器連接17，且可為了具有結構化導電層5或具有介電層3中之另外的結構化導電層6之第二電容器層8的電連接而提供另外的電容器連接18。
在根據第7圖的該影像感測器中，第一電容器層7覆蓋被該等偵測器元件11佔用的整個區域。因此，第一電容器層7也適於作為光反射器或電屏蔽。第7圖也示出可被配置在另外的介電層19上或之中的可選的反射層20。反射層20因而位於介電層3與電容器層7、8之間。反射層20尤其可被配置在接合層4與另外的介電層19之間。
第8圖示出具有堆疊式電容器的影像感測器之根據第1圖的橫斷面。對應於根據第1圖的該影像感測 器之元件的根據第8圖的該影像感測器之元件被指定具有相同的參考編號。在根據第8圖的該影像感測器中，提供了第三電容器層21及第四電容器層22。該等電容器層7、8、21、22被按照垂直順序配置，且被介電層3的一些部分相互隔離。因此，第一電容器C1及第二電容器C2被配置成一個電容器在另一個電容器之上。
在第8圖所示之該例子中，第一電容器層7及第三電容器層21在電氣上被連接，且第二電容器層8及第四電容器層22也在電氣上被連接。因此，該第一電容器C1及該第二電容器C2被並聯，因而該第一電容器C1及該第二電容器C2的電容被相加。其他的電連接可能反而適合該影像感測器的進一步的實施例。
第9圖示出具有堆疊式電容器的影像感測器的進一步的例子之根據第8圖的橫斷面。對應於根據第8圖的該影像感測器之元件的根據第9圖的該影像感測器之元件被指定具有相同的參考編號。在根據第9圖的該影像感測器中，第一電容器層7及第三電容器層21被連接到不同的接觸區13，而第二電容器層8及第四電容器層22在電氣上被連接。
第10圖示出具有包含三維結構的電容器的影像感測器之根據第1圖的橫斷面。對應於根據第1圖的該影像感測器之元件的根據第10圖的該影像感測器之元件被指定具有相同的參考編號。在根據第10圖的該影像感測器中，第一電容器層7及第二電容器層8被配置在介電 層3中形成的溝槽23中。此種三維結構可大幅增加該電容器的電容。此外，第一電容器層7可形成具有諸如可選的另外的導電層6之另外的電容器。另外的導電層6亦可充當光屏蔽或吸收層。
結合第1、5、7、8、9、及10圖所示之該等電容器結構，可以極小型的半導體裝置實現各種電路。
由於自背面照射該影像感測器，所以可在不增加該影像感測器的尺寸之情況下將該等電容器放置在像素陣列的前面。此種配置對諸如微型攝影機模組的應用是有利的。
電源的較佳去耦合使影像感測器對供應電壓的變化較不敏感。可能因內視鏡攝影機的影像感測器或頂端的電流消耗之改變而導致此種變化。例如，當感測器自曝光切換到讀出時，可能發生電流消耗的變化。此種情況可能導致影像的前幾列上讀出的信號之改變。電流消耗也能取決於信號位準。例如，當感測器讀出的白色像素多於黑色像素時，可能消耗較大的電流。在此種情況中，影像的內容可決定電流消耗。如果電流供應隨著該消耗而改變，則影像感測器中可能發生某些圖案(例如，白色區域的左端及右端上的水平帶(horizontal band)、或在白色曝光區之下的垂直尾。
較穩定的時脈提高讀出特性，這是因為曝光時間、框率、及資料速率是較穩定的。在接收器端較易於恢復信號。也較易於使諸如立體攝影機對、光源、及影像 感測器等的多個裝置同步。
晶片內建電壓調整器使提高像素性能成為可能。充電泵可以晶片內建的方式產生用於像素重設位準的高電壓，以便增加動態範圍。可以晶片內建的方式產生負電壓，以便驅動傳輸閘，且增加暗電流及動態範圍。
一致的底部極板保證到像素電路的諸如浮動擴散(floating diffusion)(感測節點)等的高阻抗節點的類似電氣耦合。這對避免像素的增益的任何差異或任何與信號相依的干擾是重要的。一致的大型底部極板可被連接到接地點、VDD、或另一固定參考電壓。為了使所有像素的背反射率及電容耦合保持相同，也可以每一像素的相同圖案建構電容器。此種方式可遵守最大密度覆蓋規則，且使用具有兩個浮接端的電容器。可將此種方案延伸到每對像素或四個或更多個像素的各別圖案。
所述的該背照式影像感測器可整合圍繞影像感測器的像素陣列的區域之外的各電容器。此種整合方案能夠實現一種極小型的影像感測器，且同時實現該影像感測器的大幅改善。
Claims (16)
- 一種背照式影像感測器，包含：- 半導體材料的基材(1)，具有主面(10)；- 偵測器元件(11)，配置在該主面(10)；- 介電層(3)，在該主面(10)上或之上；- 導電材料的第一電容器層(7)，嵌入於該介電層(3)內；以及- 導電材料的第二電容器層(8)，嵌入於該介電層(3)內且離開該第一電容器層(7)有一距離，該第一及第二電容器層(7,8)形成電容器(C1,C2)；其特徵在於：- 週邊電路(12)被整合在該基材(1)中且遠離該等偵測器元件(11)，係為了由電壓調整、充電泵操作、及時脈產生的穩定的群組的一或多個操作而配置該週邊電路(12)，以及- 該第一及第二電容器層(7,8)在電氣上被連接到該週邊電路(12)的接觸區(13)。
- 如申請專利範圍第1項所述之背照式影像感測器，其中，該第一及第二電容器層(7,8)之至少一者包含被配置成彼此之間有一距離的一些平行帶。
- 如申請專利範圍第1項所述之背照式影像感測器，其中，該第一及第二電容器層(7,8)之各者均包含被配置成彼此之間有一距離的一些平行帶。
- 如申請專利範圍第3項所述之背照式影像感測器，其中，該第一電容器層(7)的該等帶平行於該第二電容器層(8)的該等帶。
- 如申請專利範圍第4項所述之背照式影像感測器，其中，該第一電容器層(7)的該等帶及該第二電容器層(8)的該等帶是指插式的，該第一電容器層(7)的該等帶在電氣上被相互連接，且該第二電容器層(8)的該等帶在電氣上被相互連接。
- 如申請專利範圍第3項所述之背照式影像感測器，其中，該第一電容器層(7)的該等帶橫貫該第二電容器層(8)的該等帶。
- 如申請專利範圍第1項所述之背照式影像感測器，其中，在三維結構中配置該第一及第二電容器層(7,8)。
- 如申請專利範圍第1至7項中之一項所述之背照式影像感測器，其中，該第一電容器層(7)及/或該第二電容器層(8)包含金屬。
- 如申請專利範圍第1至7項中之一項所述之背照式影像感測器，其中，該第一電容器層(7)及/或該第二電容器層(8)包含多晶矽。
- 如申請專利範圍第1至7項中之一項所述之背照式影像感測器，其中，高k介電質被配置在第一電容器層(7)與該第二電容器層(8)之間。
- 如申請專利範圍第1至7項中之一項所述之背照式影像感測器，其中，該週邊電路(12)具有小於100微米的寬度。
- 如申請專利範圍第1至7項中之一項所述之背照式影像感測器，其中，該週邊電路(12)圍繞該等偵測器元件(11)。
- 如申請專利範圍第1至7項中之一項所述之背照式影像感測器，復包含：半導體材料的另外的基材(2)，該另外的基材(2)被接合到該基材(1)，且該介電層(3)被配置在該基材(1)與該另外的基材(2)之間。
- 如申請專利範圍第13項所述之背照式影像感測器，復包含：另外的介電層(19)，在該另外的基材(2)上，該另外的介電層(19)被配置在該另外的基材(2)與該介電層(3)之間，且該第一電容器層(7)及該第二電容器層(8)被嵌入該另外的介電層(19)。
- 如申請專利範圍第項13所述之背照式影像感測器，復包含：通過基材的互連(16)，穿過該另外的基材(2)。
- 如申請專利範圍第15項所述之背照式影像感測器，復包含：- 另外的接觸區(14)，在該週邊電路(12)中；以及- 另外的電連接(15)，將該通過基材的互連(16)連接到該另外的接觸區(14)。
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