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TWI766422B - 具有分離像素結構之影像感測器及其製造方法 - Google Patents

具有分離像素結構之影像感測器及其製造方法 Download PDF

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TWI766422B
TWI766422B TW109138551A TW109138551A TWI766422B TW I766422 B TWI766422 B TW I766422B TW 109138551 A TW109138551 A TW 109138551A TW 109138551 A TW109138551 A TW 109138551A TW I766422 B TWI766422 B TW I766422B
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比爾 潘
劉遠良
杜立 毛
文成烈
阿里瑞薩 波納克達
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美商豪威科技股份有限公司
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Abstract

一種影像感測器包括一基板材料。該基板材料包括安置在其中之複數個光電二極體。該複數個光電二極體包括複數個小光電二極體(SPD)及大於該SPD之複數個大光電二極體(LPD)。一濾色器陣列安置在該基板材料之上。一緩衝層安置在該基板材料與該濾色器陣列之間。一金屬圖案安置在該濾色器陣列中之濾色器之間及該濾色器陣列與該緩衝層之間。一衰減層安置在該基板材料與該濾色器陣列之間。該衰減層在該複數個SPD及該複數個LPD中之每一者之一部分之上並與之對準。該衰減層之一邊緣在該複數個LPD中之一者之上。

Description

具有分離像素結構之影像感測器及其製造方法
本發明大體上係關於影像感測器，詳言之，係關於具有分離像素結構之影像感測器。
影像感測器可用於各種裝置中，包括照相機、感測器及消費電子產品。具有分離像素結構之影像感測器具有不同尺寸之光電二極體。不同尺寸之光電二極體可用於不同應用中。
101:影像感測器
102:影像感測器
110:小像素
120:大像素
130:金屬圖案
140:衰減層
202:背面
204:正面
210:緩衝層
230:金屬圖案
242:衰減層
243:延伸部分
244:衰減層
245:延伸部分
246:衰減層
247:延伸部分
248:衰減層
249:延伸部分
250:濾色器
260:濾色器
270:微透鏡
280:微透鏡
291:基板材料
292:大光電二極體
293:小光電二極體
295:像素隔離器
310:緩衝層
330:金屬圖案
340:衰減層
341:第一層
343:第二層
373:遮罩
392:大光電二極體
393:小光電二極體
410:緩衝層
430:金屬圖案
440:衰減層
441:第一層
443:第二層
474:遮罩
475:遮罩
491:基板材料
492:大光電二極體
493:小光電二極體
495:像素隔離器
510:緩衝層
512:凹槽
530:金屬圖案
540:衰減層
576:遮罩
591:基板材料
592:大光電二極體
593:小光電二極體
595:像素隔離器
610:緩衝層
630:金屬圖案
640:衰減層
678:遮罩
691:基板材料
692:大光電二極體
693:小光電二極體
695:像素隔離器
700:成像系統
705:像素陣列
707:像素
715:讀出電路
725:功能邏輯
735:控制電路
800:流程圖
810:區塊
820:區塊
830:區塊
840:區塊
850:區塊
860:區塊
870:區塊
880:區塊
900:流程圖
910:區塊
920:區塊
930:區塊
940:區塊
950:區塊
960:區塊
970:區塊
980:區塊
990:區塊
1000:流程圖
1010:區塊
1020:區塊
1030:區塊
1040:區塊
1050:區塊
1060:區塊
1070:區塊
1100:流程圖
1110:區塊
1120:區塊
1130:區塊
1140:區塊
1150:區塊
1160:區塊
1170:區塊
1180:區塊
C1:行
C2:行
C3:行
C4:行
C5:行
Cx:行
de:延伸距離
P1:像素
P2:像素
P3:像素
Pn:像素
R1:列
R2:列
R3:列
R4:列
R5:列
Ry:列
參考以下附圖描述了本發明之非限制性及非窮舉性之實施例，其中，除非另有規定，否則在不同之視圖中之相同附圖標記表示相同部件。
圖1A-B繪示根據本發明之教示的實例影像感測器。
圖2A-D繪示根據本發明之教示的影像感測器之實例截面圖。
圖3A-C繪示根據本發明之教示的形成影像感測器之實例過 程。
圖4A-F繪示根據本發明之教示的形成影像感測器之另一實例過程。
圖5A-D繪示根據本發明之教示的形成影像感測器之另一實例過程。
圖6A-D繪示根據本發明之教示的形成影像感測器之另一實例過程。
圖7為繪示根據本發明之教示的具有像素陣列之成像系統之一個實例之圖。
圖8繪示實例流程圖，其繪示根據本發明之教示的形成影像感測器之過程。
圖9繪示另一實例流程圖，其繪示根據本發明之教示的形成影像感測器之過程。
圖10繪示另一實例流程圖，其繪示根據本發明之教示的形成影像感測器之過程。
圖11繪示另一實例流程圖，其繪示根據本發明之教示的形成影像感測器之過程。
在附圖之多個視圖中，相應之附圖標記指示相應之組件。熟習此項技術者將會理解，附圖中之元件係出於簡單及清楚之目的而繪示的，且未必按比例繪製。例如，圖中一些元件之尺寸可能相對於其他元件被放大，以幫助改良對本發明之各種實施例之理解。而且，通常沒有描述在商業上可行之實施例中有用或必需之普通但易於理解之元件，以便於使本發明之此等各種實施例之觀看更加清晰。
本文揭示針對影像感測器及裝置之實例及用於製造影像感測器之方法。在以下描述中，闡述了許多具體細節以提供對實例之透徹理解。然而，熟習此項技術者將認識到，可在沒有一或多個具體細節之情況下，或者利用其他方法、組件、材料等來實踐本文描述之技術。在其他情形中，沒有詳細地展示或描述眾所周知之之結構、材料或操作，以避免模糊某些態樣。
在本說明書中，對「一個實例」或「一個實施例」之引用意味著結合該實例描述之特定特徵、結構或特性包括在本發明之至少一個實例中。因此，出現在本說明書中之各個地方中之短語「在一個實例中」或「在一個實施例中」不一定皆指相同之實例。此外，特定特徵、結構或特性可以任何合適之方式組合在一或多個實例中。
為了便於描述，本文可使用空間上相對之術語，例如「之下」、「下方」、「下部」、「下」、「之上」、「上部」等，來描述一個元件或特徵與另一元件(一或多個)或特徵(一或多個)之關係，如圖所示。應理解，空間上相對之術語旨在包含除了圖中所示之定向之外裝置在使用或操作中之不同定向。例如，若附圖中之裝置被翻轉，則被描述為在其他元件或特徵「下方」或「之下」或「下」之元件將被定向為在其他元件或特徵「之上」。因此，例示性術語「下方」及「下」可包含在上方及在下方兩個定向。裝置可以其他方式定向(旋轉九十度或以其他定向)，且在本文使用之空間相對描述符被相應地解釋。此外，亦應理解，當層被稱為在兩層「之間」時，其可為兩層之間的唯一層，或者亦可存在一或多個中間層。
在整個說明書中，使用了幾個技術術語。此等術語具有其 所屬之本領域中之普通含義，除非在本文中明判定義，否則在其之使用上下文中另外明確暗示。應注意，本文中之元件名稱及符號可互換使用(例如，Si對矽)；然而，兩者具有相同之含義。
用於彩色影像之影像感測器可包括濾色器及微透鏡以聚焦入射光。在包括光電二極體之基板與濾色器之間可有緩衝層。影像感測器可包括用於較低強度光感測之大光電二極體及用於較高強度光感測之小光電二極體以實現高動態範圍(HDR)感測。大光電二極體可配置在小光電二極體附近並圍繞小光電二極體。大光電二極體可具有大於小光電二極體之全阱容量之全阱容量。衰減層可安置在小光電二極體之上並與之對準。衰減層可阻擋由微透鏡聚焦在小光電二極體上之入射光之一部分，使得小光電二極體在影像感測器之積分週期期間不被高強度光飽和，因為只有一部分高強度光將穿透衰減層。因此，藉由衰減層阻擋高強度光之一部分，可提高小光電二極體對高強度光之靈敏度。
然而，高角度光(由於高強度光或其他原因之內部反射引起)可穿過緩衝層及基板，並被小光電二極體吸收或甚至使小光電二極體飽和。此可能對影像感測器對高強度光之感測能力造成有害影響。為了減少自鄰近之大光電二極體進入小光電二極體之高角度光之量，衰減層可延伸以在鄰近之大光電二極體之一部分上方對準。
如將要論述的，本文揭示之實例影像感測器具有改良影像感測器中之高強度光感測之效能之結構。在一個實例中，衰減層在小光電二極體之上並與之對準，且在接近之大光電二極體之一部分上延伸。此防止高角度光有害地激活小光電二極體。此等優點在諸如大光電二極體/小光電二極體(LPD/SPD)影像感測器之分離像素結構中特別有用，但亦適用 於其他像素結構。
圖1A-B繪示根據本發明之教示的實例影像感測器。圖1A繪示根據本發明之教示的實例影像感測器101。影像感測器101具有LPD/SPD佈局。大光電二極體位於大像素120中，且配置成網格。小光電二極體位於安置在大像素120之間及周圍之小像素110中。在一個實例中，小像素110可為正方形，且與大像素120之網格之定向成45度角。可由複數個金屬圖案130之金屬網格形式包圍小像素110及大像素120。金屬圖案130藉由反射或吸收具有高角度光之入射光來改良小光電二極體及大光電二極體之隔離。影像感測器101亦包括衰減層140，其在小像素110上延伸，且部分地從複數個金屬圖案130延伸於靠近小像素110的大像素120上，使得該衰減層經結構化以形成與相應的大像素120對齊的複數個孔徑。在所繪示之實例中，大像素120之網格被繪示為4x4，但該網格可具有任何尺寸。本文描述之概念可應用於其他光電二極體佈局及像素結構。
圖1B繪示根據本發明之教示的另一實例影像感測器102。影像感測器102類似於影像感測器101。影像感測器102與影像感測器101之不同之處在於，在影像感測器102中，衰減層140僅自大像素120與小像素110之間的複數個金屬圖案130之部分而非自兩個大像素120之間的複數個金屬圖案130之部分在大像素120上延伸。
圖2A-D繪示根據本發明之教示的影像感測器之實例截面圖。圖2A-D可繪示分別沿線I-I'或II-II'之影像感測器101或影像感測器102之截面圖。
圖2A繪示包括具有小光電二極體293、大光電二極體292，及複數個像素隔離器295之基板材料291之裝置。該裝置進一步包括緩衝層210、複數個金屬圖案230、濾色器250、260及微透鏡270、280。 該裝置亦包括用於衰減小光電二極體293之光靈敏度之衰減層242。基板材料291具有背面202及與背面202相對之正面204。在實施例中，該裝置可藉由基板材料291之背面202接收入射光。在一個實施例中，背面202可被稱為影像感測器101之照明側，且正面204可被稱為影像感測器101之非照明側。大光電二極體292可經組態以具有大於小光電二極體293之全阱容量之全阱容量，即與小光電二極體293相比，大光電二極體292可儲存更多之光生電荷。在一個實施例中，大光電二極體292可具有至少為小光電二極體293之像素尺寸之兩倍之像素尺寸。可替代地，大光電二極體292具有比相鄰之小光電二極體293之曝光區域更大之曝光區域。在實施例中，小光電二極體293可經配置以被兩個或更多個大光電二極體292圍繞。
在所示之實例中，具有較高靈敏度入射光之大光電二極體292可用於較低光強度感測。另一態樣，與大光電二極體292相比，小光電二極體293具有對高強度光較不敏感之較少曝光區域，因此可用於較高光強度感測。藉由在影像感測器101、102中包括大光電二極體292及小光電二極體293之陣列，可實現高動態範圍(HDR)成像感測。
像素隔離器295形成在基板材料291之背面202上，且配置成自背面202之背面表面向下延伸(相對於圖，裝置可定向在任何方向)至基板材料291中。基板材料291可為半導體基板，諸如矽基板、摻雜矽基板，諸如n型摻雜矽基板或p型摻雜基板、絕緣體上矽基板或任何合適之基板材料。大光電二極體292及小光電二極體293可在基板材料291中形成，例如藉由在基板材料291之正面204上進行離子注入。在一些實施例中，光電二極體292、293可為在p型矽基板材料中形成之n型光電二極體。然 而，在其他實施例中，極性可相反，例如，光電二極體292、293可為形成在n型矽基板材料中之p型光電二極體。像素隔離器295可包括電絕緣材料，諸如聚合物或氧化物。像素隔離器295可形成在相鄰光電二極體292、293之間，以防止相鄰光電二極體292、293之間的電及/或光串擾。
在一個實施例中，每個像素隔離器295為填充有電介質材料(例如氧化矽)、反射金屬材料或其組合之深溝槽隔離(DTI)結構。
每個金屬圖案230可形成在對應之像素隔離器295之上並與之對準。再次說明，可在光電二極體292、293之上及之間形成複數個金屬圖案230中之每一者。可在濾色器250、260之間形成複數個金屬圖案230中之每一者。濾色器250、260可包括大濾色器250及小濾色器260。大濾色器250可在大光電二極體292之上並與之對準。小濾色器260可在小光電二極體293之上並與之對準。微透鏡陣列可包括微透鏡270及微透鏡280。微透鏡270、280之每個可分別形成在濾色器250、260中之一者上並與之對準。再次說明，微透鏡270、280可形成在光電二極體292、293中之一者上並與之對準，且操作以藉由對應之濾色器250、260將入射在基板材料291之光接收側(例如，背面202)之光引導並聚焦至相應之光電二極體292、293上。例如，微透鏡270可形成在大光電二極體292之上，且每個邊緣與每一側上之相應金屬圖案230之中心對準，且將入射光引導至大光電二極體292之曝光區域上。微透鏡280可形成在小光電二極體293之上，且每個邊緣與每一側上之相應金屬圖案230之中心對準，且將入射光引導至小光電二極體293之曝光區域上。
在一些實施例中，微透鏡270之第一高度，即微透鏡270之頂部與相應濾色器250之間的距離，可不同於微透鏡280之第二高度，即 微透鏡280之頂部與相應濾色器260之間的距離。例如，微透鏡270之第一高度可大於微透鏡280之第二高度，即微透鏡270高於微透鏡280，以補償微透鏡270與微透鏡280之間的曲率差，即微透鏡270高於微透鏡280，以補償微透鏡270與微透鏡280之間的曲率差，使得微透鏡270及微透鏡280具有實質上相同之焦距。
緩衝層210形成在基板材料291之背面202之上方。緩衝層210可包括諸如二氧化矽之氧化物材料。緩衝層210可用作緩衝層，為蝕刻及化學機械拋光製程提供製程裕度並防止對基板材料291之損壞。複數個金屬圖案230可形成在緩衝層210上。複數個金屬圖案230中之每一者可包括諸如鋁或鎢之金屬。視情況，可在複數個金屬圖案230中之每一者與緩衝層210之間安置阻擋層及黏附層，以在每個金屬圖案230與緩衝層210之間提供黏附，並防止金屬離子擴散至基板材料291中。阻擋層及黏附層可以係由鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)或其組合形成。
衰減層242經配置以形成小光電二極體293並與之對準，以衰減被引導至相關聯小光電二極體293之入射光，例如藉由吸收以減少到達小光電二極體293之入射光量，從而防止小光電二極體293在積分週期期間飽和。衰減層242可形成在緩衝層210及金屬圖案230上。衰減層242可安置在基板材料291與濾色器250、260之間。衰減層242可安置在緩衝層210與濾色器250、260之間。衰減層242可安置在小濾色器260及緩衝層210之間，使得小濾色器260不直接接觸緩衝層210。衰減層242可在平行於基板材料291之頂表面之平面中在遠離小光電二極體293之所有方向上延伸。
衰減層242可為單層或多層堆疊結構，其厚度經組態以調 整入射光至小光電二極體293之透射率。衰減層242可由鈦、氮化鈦、鉭、鋁、鎢或其組合形成。
衰減層242經配置以覆蓋每個小光電二極體293之整個曝光區域及每個大光電二極體292之曝光區域之至少一部分，以減少來自相鄰小光電二極體293之串擾之具有高入射角之入射光被對應之大光電二極體292接收，從而影響相鄰小光電二極體293之光靈敏度之問題。換言之，衰減層242經配置以具有自金屬圖案230之邊緣延伸之延伸部分243，該金屬圖案與小光電二極體293及相鄰大光電二極體292之間的像素隔離器295對準，至相鄰大光電二極體292之曝光區域之距離為 d e 。在一個實施例中，衰減層242自金屬圖案230之邊緣至大光電二極體292之曝光區域之延伸距離 d e 可在10-500nm之範圍內，此至少取決於用於成像要求及製造限制(例如，光微影構圖及蝕刻能力)之大光電二極體292之目標量子效率(例如，量子效率至少為0.8)。
熟習此項技術者應理解，藉由組態覆蓋大光電二極體292之曝光區域之衰減層242之長度及對應於大光電二極體292之微透鏡270之焦點，可獲得衰減層242對大光電二極體292之量子效率(QE)之影響。
在一個實施例中，衰減層242自金屬圖案230之邊緣至大光電二極體292之曝光區域之延伸距離 d e 可基於下式設計：
Figure 109138551-A0305-02-0011-1
其中， QE LPD 係指大光電二極體292之目標量子效率(QE)； QE LPD_POR 係指大光電二極體292之未被衰減層覆蓋之標稱量子效率 (QE)，例如大於或等於0.8； λ 係指向大光電二極體292之入射光之波長，相對於該波長計算量子效率； d 係指大光電二極體292之被衰減層242覆蓋之曝光區域之總長度，即d =2 d e ； p 係指像素間距； w 為相應微透鏡270之聚焦光束尺寸；NA係指相應微透鏡270之數值孔徑值，且與大約為D/2f之f個微透鏡數有關，其中，D係指微透鏡270之孔徑尺寸，且 f 係指微透鏡270之焦距。對於典型之球形微透鏡，諸如半球，NA通常小於0.5。
在所示之實施例中，d，對應於大光電二極體292之被衰減層242覆蓋之曝光區域之總長度，可使用等式基於0.4至0.9之對於波長為530nm之入射光之QE LPD 來判定。大光電二極體292之被衰減層242覆蓋之曝光區域之總長度(例如，d，其為延伸距離d e 之2倍)越大，大光電二極體292之量子效率QELPD越低。因此，熟習此項技術者應理解，藉由具有大光電二極體292之目標量子效率QELPD及相應之微透鏡孔徑尺寸，可特別設計所需之延伸長度d e 。例如，覆蓋大光電二極體292之曝光區域之衰減層之總長度d可使用諸如LumericalTM有限差分時域(FDTD)之全波光學模擬軟體來判定。
圖2B繪示與圖2A中之裝置類似之裝置，除了圖2B之衰減層244在其位於小光電二極體293上方並與之對準之地方比圖2A之衰減層242厚。作為實例，(且如稍後將進一步詳細描述之)，在其位於小光電二極體293之上並與之對準之地方，衰減層244可為其厚度之兩倍。衰減層244亦可在其位於小光電二極體293之上並與之對準的地方具有其他厚度。衰減層244可具有自金屬圖案230之邊緣延伸之延伸部分245，該金屬圖案與小光電二極體293及相鄰大光電二極體292之間的像素隔離器295對準，其距相鄰大光電二極體292之曝光區域之距離為 d e 。
圖2C繪示與圖2A中之裝置類似之裝置，除了圖2C之衰減 層246安置在金屬圖案230及緩衝層210之間。金屬圖案230可形成在衰減層246上。在一個實施例中，每個金屬圖案230直接形成在衰減層246之上。此外，衰減層246可形成在緩衝層210之凹槽中。衰減層246可具有自金屬圖案230之邊緣延伸之延伸部分247，該金屬圖案與小光電二極體293及相鄰大光電二極體292之間的像素隔離器295對準，其距相鄰大光電二極體292之曝光區域之距離為 d e 。
圖2D繪示與圖2A中之裝置類似之裝置，除了圖2D之衰減層248安置在基板材料291及緩衝層210之間。緩衝層210可形成在衰減層248上，且衰減層248可形成在基板材料291上。衰減層248可具有自金屬圖案230之邊緣延伸之延伸部分249，該金屬圖案與小光電二極體293及相鄰大光電二極體292之間的像素隔離器295對準，其距相鄰大光電二極體292之曝光區域之距離為 d e 。
圖3A-C繪示根據本發明之教示的形成影像感測器之實例過程。圖3A繪示具有在緩衝層310及金屬圖案330上形成之衰減層340之裝置。可使用各向同性沈積製程來沈積衰減層340。在一些實施例中，衰減層340可包括交替堆疊之材料層，其中堆疊材料可包括鈦、氮化鈦、鉭、鋁、鎢或其他合適之材料。例如，衰減層340可包括第一層341及第二層343。第一層341可為鈦(Ti)。第二層343可為氮化鈦(TiN)。在一個實施例中，鈦之第一層341可藉由沈積製程形成在具有第一厚度之緩衝層310上，然後注入氮原子與鈦之第一層341反應以形成氮化鈦之第二層343。對於另一實例，第一層341可為氮化鈦，第二層343可為鈦。熟習此項技術者應理解，衰減層340之鈦及氮化鈦之間的堆疊順序可根據處理要求而變化。
第一層341可為約30nm至100nm厚。第二層343可為約20nm至80nm厚。第一層341及第二層343之厚度可基於入射光對小光電二極體393之期望穿透或透射率進行調節。如圖所示，衰減層340可形成為第一層341及第二層343中之每一者之單層。
圖3B繪示圖3A之裝置，其中遮罩373形成在小光電二極體393之上並與之對準，並自金屬圖案330在大光電二極體392之一部分上延伸。遮罩373可包括光阻材料。
圖3C繪示圖3A之裝置，其中衰減層340之一部分在大光電二極體392上被移除且遮罩亦被移除。可藉由使用遮罩373作為遮罩蝕刻掉衰減層340來移除衰減層340在大光電二極體392上之部分。可藉由濕式蝕刻製程移除遮罩373。可在圖3C之裝置上形成濾色器250、260及微透鏡270、280，以到達圖2A之裝置。
圖4A-F繪示根據本發明之教示的形成影像感測器之實例過程。圖4A繪示包括基板材料491、複數個像素隔離器495、小光電二極體493及大光電二極體492之裝置。該裝置亦包括在基板材料491上形成之緩衝層410、在緩衝層410上形成之複數個金屬圖案430，及在緩衝層410及複數個金屬圖案430上形成之遮罩474。遮罩474沈積在大光電二極體492之上並與之對準，且亦覆蓋複數個金屬圖案430之頂表面。遮罩474可由光阻材料或可藉由濕式蝕刻製程移除之其他材料製成，該濕式蝕刻製程對複數個金屬圖案430及緩衝池410具有蝕刻選擇性。
圖4B繪示圖4A之裝置，其中在遮罩474之開口部分之間形成衰減層440。衰減層440可使用各向異性製程沈積，例如藉由化學氣相沈積(CVD)製程、物理氣相沈積(PVD)製程或原子層沈積(ALD)製程。
圖4C繪示圖4B之裝置，其中遮罩474被移除。可使用濕式蝕刻製程移除遮罩474。當形成衰減層440時，用於衰減層440之一些材料可沈積在遮罩474之頂表面上，該材料亦可藉由濕式蝕刻移除。濕式蝕刻製程留下位於小光電二極體493之上並與之對準之衰減層440。
作為替代，藉由在裝置之整個表面上沈積用於衰減層440之材料，然後形成遮罩以移除位於大光電二極體492及複數個金屬圖案430之上並與其對準之用於衰減層440之材料，然後使用遮罩移除位於大光電二極體492及複數個金屬圖案430之上並與其對準之用於衰減層440之材料之一部分，可形成位於小光電二極體493之上並與之對準之衰減層440。
圖4D繪示圖4C之裝置，在該裝置上形成有用於衰減層440之附加材料。用於衰減層440之附加材料可使用各向同性沈積製程來沈積。衰減層440可包括交替之材料層。例如，衰減層440可包括第一層441及第二層443。在一個實施例中，第一層441可為鈦。第二層443可為氮化鈦。在另一實施例中，第一層441可為氮化鈦，且第二層443可為鈦。第一層441可為約30nm至100nm厚。第二層443可為約20nm至80nm厚。第一層441及第二層443之厚度可基於入射光對小光電二極體493之期望穿透或透射率來調節。如圖所示，用於衰減層440之附加材料可作為第一層441及第二層443之附加層形成在先前沈積之第一層441及第二層443之頂部上。
圖4E繪示圖4D之裝置，其中遮罩475形成在小光電二極體493之上並與之對準，並自相應之金屬圖案430在大光電二極體492之一部分上延伸。再次說明，遮罩475形成以覆蓋小光電二極體493及大光電二 極體492之一部分。遮罩475可包括光阻材料。
圖4F繪示圖4E之裝置，其中衰減層440之一部分在大光電二極體492上被移除且遮罩亦被移除。可藉由使用遮罩475作為遮罩蝕刻掉衰減層440來移除衰減層440在大光電二極體492上之部分。可藉由濕式蝕刻製程移除遮罩475。可在圖4F之裝置上形成濾色器250、260及微透鏡270、280，以到達圖2B之裝置。
圖5A-D繪示根據本發明之教示的形成影像感測器之另一實例過程。圖5A繪示根據本發明之教示的形成影像感測器之實例過程。圖5A繪示包括基板材料591、複數個像素隔離器595、小光電二極體593及大光電二極體592之裝置。該裝置亦包括形成在基板材料591上之緩衝層510。該裝置亦包括遮罩576。遮罩576在大光電二極體592之一部分之上並與之對準。
圖5B繪示圖5A之裝置，其中自緩衝層510移除之一部分形成複數個凹槽512，其中複數個凹槽512對應於遮罩576上之開口。緩衝層510之該部分可藉由圖案化，例如藉由遮罩576及各向異性蝕刻製程來移除。
圖5C繪示圖5B之裝置，其中用衰減層540填充複數個凹槽512。衰減層540可使用各向異性沈積方法沈積，諸如化學氣相沈積(CVD)、物理氣相沈積(PVD)或原子層沈積(ALD)。可基於衰減層540之厚度來組態每個凹槽512之深度。
圖5D繪示圖5C之裝置，其中遮罩576被移除並形成金屬圖案530。遮罩576可藉由化學機械平面化或藉由濕式蝕刻方法移除。化學機械平面化可用於使緩衝層510之頂表面沒有在其上方之衰減層540，並 使衰減層540之頂表面平整。複數個金屬圖案530可形成在衰減層540上。可在圖5D之裝置上形成濾色器250、260及微透鏡270、280，以到達圖2C之裝置。
圖6A-D繪示根據本發明之教示的形成影像感測器之另一實例過程。圖6A繪示包括基板材料691、複數個像素隔離器695、小光電二極體693及大光電二極體692之一裝置。該裝置亦包括在基板材料691之背面表面上形成之衰減層640。在一個實施例中，由二氧化矽形成之平面化層可形成在衰減層640及基板材料691之間以減小表面張力應力。
圖6B繪示圖6A之裝置，其中遮罩678形成在衰減層640上。遮罩678可包括光阻材料。遮罩可在小光電二極體693及大光電二極體692之一部分之上並與其對準。圖6C繪示圖6B之裝置，其中使用遮罩678蝕刻掉衰減層640之一部分。衰減層640之其餘部分在小光電二極體693及大光電二極體692之一部分之上並與之對準。
圖6D繪示圖6C之裝置，其中遮罩678被移除並形成緩衝層610及複數個金屬圖案630。可使用濕式蝕刻製程移除遮罩678。緩衝層610可形成在基板材料691及衰減層640上。複數個金屬圖案630可形成在緩衝層610上。可在圖6D之裝置上形成濾色器250、260及微透鏡270、280，以到達圖2D之裝置。
圖7為繪示根據本發明之教示的具有像素陣列705之成像系統700之一個實例之圖。如所描繪之實例所示，成像系統700包括耦接至控制電路735之像素陣列705及耦接至功能邏輯725之讀出電路715。
像素陣列705為像素707(例如，像素P1、P2、……、Pn)之二維(「2D」)陣列。在一個實施例中，每個像素為互補金屬氧化物半導 體(「CMOS」)成像像素。像素陣列705可實現為正面照明影像感測器陣列或背面照明影像感測器陣列。在一個實施例中，像素陣列705包括像素陣列，諸如圖1A-B及圖2A-D中所描繪之像素陣列。像素陣列705包括複數個像素707。如圖所示，每個像素707經配置以成列(例如，列R1至Ry)及行(例如，行C1至Cx)，以獲取人物、地方或物體之影像資料，然後可將其用於渲染人物、地方或物體之2D影像。
在一個實施例中，在每個像素707獲取其影像資料或影像電荷後，藉由讀出電路715讀出該影像資料並將其傳輸至功能邏輯725。讀出電路715可包括放大電路，例如，差分放大電路、模數(「ADC」)轉換電路或其他。
功能邏輯725可包括邏輯及記憶體，其用於儲存影像資料或用於甚至藉由應用後影像效果(例如，裁切、旋轉、移除紅眼、調整亮度、調整對比度、或其他)來操縱影像資料。在一個實例中，讀出電路715可沿讀出行線一次讀出一列影像資料(已繪示)，或可使用各種其他技術(諸如串行讀出或所有像素同時全部並行讀出)讀出影像資料(未繪示)。
控制電路735耦接至像素陣列705。控制電路735可包括用於控制像素陣列705之操作特性之邏輯及記憶體。例如，控制電路735可生成用於控制影像獲取之快門信號。在一個實施例中，快門信號為全域快門信號，其用於同時啟用像素陣列705內之所有像素707，以在單一獲取窗口期間同時捕獲其各自之影像資料。在可替代實施例中，快門信號為滾動快門信號，由此在連續獲取窗口期間順序地啟用每列、每行或每組像素。
圖8繪示實例流程圖800，其繪示根據本發明之教示形成具 有圖2A所示之截面之影像感測器之過程。在區塊810處，可在基板材料291上形成緩衝層210，其中基板材料包括複數個大光電二極體292及小光電二極體293及安置在其中形成之相鄰光電二極體292、293之間的複數個像素隔離器295。緩衝層210可例如藉由氧化製程自基板材料291生長，或者可例如藉由化學氣相沈積(CVD)沈積在基板材料291上。在區塊820處，可在緩衝層210上形成複數個金屬圖案230。可藉由在緩衝層210上沈積金屬層，然後在金屬層上形成遮罩圖案且使用遮罩圖案來蝕刻金屬層以形成複數個金屬圖案來形成複數個金屬圖案230。
在區塊830處，例如藉由化學氣相沈積(CVD)製程在緩衝層210及複數個金屬圖案230上形成衰減層242。衰減層242可為單層或多層堆疊結構。在一個實例中，衰減層242可包括第一層341(例如，Ti層)及第二層343(例如，TiN層)。在區塊840處，可在衰減層242上構圖並形成遮罩(例如，圖3B之遮罩375)。遮罩(例如，遮罩375)可包括光阻材料。可藉由在裝置上沈積光阻材料作為層，然後圖案化光阻材料以形成具有對應於大光電二極體上方之區域(例如，曝光區域)之開口之遮罩(例如，遮罩375)來形成遮罩(例如，遮罩375)。每個開口可被圖案化為小於大光電二極體之曝光區域之尺寸，即，遮罩(例如，遮罩375)上之每個開口可經組態以小於兩個相鄰金屬圖案230之間的間隔，兩個相鄰金屬圖案形成在其間形成大光電二極體之相應像素隔離體295之上。
在區塊850處，可使用遮罩(例如，遮罩375)蝕刻衰減層242。蝕刻之衰減層242可在小光電二極體293之上並與之對準，其配置成自覆蓋大光電二極體292之曝光區域之一部分之相應金屬圖案230之邊緣延伸。衰減層242可配置成自相應金屬圖案230之邊緣延伸大約10-500 nm，以覆蓋與大光電二極體相關聯之曝光區域之一部分。再次說明，衰減層242之邊緣位於大光電二極體292之至少一個之上，且可距相應之金屬圖案230 10-500nm或基於大光電二極體292所需之量子效率計算之距離。如關於圖1A-B所論述的，衰減層242可僅自複數個金屬圖案130之在大光電二極體292及小光電二極體293之間的部分延伸或者可自相應金屬圖案130之所有部分延伸。
在區塊860處，可移除遮罩(例如，遮罩375)。可使用濕式蝕刻製程移除遮罩。在區塊870處，可在衰減層242及緩衝層210上形成濾色器250、260。可藉由本領域已知之製程形成濾色器250、260，諸如藉由依次形成及蝕刻濾色器250、260之每種顏色。
在區塊880處，可在濾色器250、260上形成微透鏡270、280之陣列。微透鏡280可形成在每個小光電二極體293之上並與之對準，微透鏡270可形成在大光電二極體292之上並與之對準。大光電二極體上方之微透鏡270可具有光學特性，使得以垂直於基板頂表面之角度到達之入射光將聚焦在大光電二極體292上，而沒有藉由衰減層242之光路。
圖9繪示另一實例流程圖900，其繪示根據本發明之教示形成具有圖2B所示像素結構之影像感測器之過程。在區塊910處，可在緩衝層210上形成第一遮罩(例如，圖4A之遮罩474)。在區塊920處，可在緩衝層210之上形成衰減層244之第一部分並與小光電二極體293對準。在區塊930處，可使用濕式蝕刻製程移除第一遮罩(例如，圖4A之遮罩474)。
在區塊940處，可在衰減層244之第一部分上形成衰減層244之第二部分。衰減層244之第二部分可覆蓋緩衝層210、金屬圖案230及衰減層244之第一部分。在區塊950處，可在衰減層244上形成第二遮罩 (例如，圖4E之遮罩475)。在區塊960處，可藉由使用第二遮罩(例如，圖4E之遮罩475)蝕刻衰減層244來移除衰減層244之位於大光電二極體292之上之第三部分。衰減層244之其餘部分可在小光電二極體293、相應之金屬圖案230及大光電二極體292之一部分之上並與其對準。衰減層244之在小光電二極體293之曝光區域之上並與之對準之部分比衰減層244之覆蓋大光電二極體292之曝光區域之部分厚。如關於圖1A-B所論述的，衰減層244可僅自金屬圖案130之在大光電二極體292及小光電二極體293之間的部分延伸或者可自金屬圖案130之所有部分延伸。
在區塊970處，可使用濕式蝕刻製程移除第二遮罩(例如，遮罩475)。在區塊980處，可在衰減層244及緩衝層210上形成濾色器250、260。在區塊990處，可在濾色器250、260上形成微透鏡270、280之陣列。
圖10繪示另一實例流程圖1000，其繪示根據本發明之教示形成具有圖2C及圖5A-D所示像素結構之影像感測器之過程。在區塊1010處，可在緩衝層210上形成遮罩(例如，遮罩576)。在區塊1020處，使用遮罩來蝕刻緩衝層210以在緩衝層210中形成一或多個凹槽512。蝕刻製程可為各向異性蝕刻製程，諸如電漿蝕刻。緩衝層210可被蝕刻約50-150nm。
在區塊1030處，在緩衝層210之蝕刻部分中形成衰減層246，即藉由適當之沈積製程在緩衝層210之凹槽512中形成衰減層246。在區塊1040處，移除遮罩(例如，遮罩576)。可藉由化學機械平面化移除遮罩(例如，遮罩576)，且可藉由化學機械平面化製程整平衰減層440及緩衝層210。可替代地，可用濕式蝕刻製程移除遮罩(例如，遮罩576)。
在區塊1050處，可形成複數個金屬圖案230。如關於圖1A-B所論述的，衰減層246可僅自金屬圖案130之在大光電二極體292及小光電二極體293之間的部分延伸或者可自複數個金屬圖案130之所有部分延伸。因此，複數個金屬圖案230可僅形成在衰減層246上，或者可部分地形成在衰減層246上且部分地形成在緩衝層210上。
在區塊1060處，可在衰減層246、金屬圖案230及緩衝層210上形成濾色器250、260。在區塊1070處，可在濾色器250、260上形成微透鏡270、280之陣列。
圖11繪示另一實例流程圖1100，其繪示根據本發明之教示形成具有圖2D所示像素結構之影像感測器之過程。在區塊1110處，可藉由沈積技術，諸如化學氣相沈積(CVD)、物理氣相沈積(PVD)或原子層沈積(ALD)在基板材料291之背面表面上形成衰減層248。衰減層248可形成為基板材料291之上之層。在區塊1120處，可在衰減層上形成遮罩678。在區塊1130處，可對遮罩678進行構圖，並用於蝕刻衰減層248，以移除在大光電二極體292之上並與之對準之衰減層248之一部分。在區塊1140處，可移除遮罩678。
在區塊1150處，可在衰減層248及基板材料291之上形成緩衝層210。在區塊1160處，可在緩衝層210上形成複數個金屬圖案230。在區塊1170處，可在緩衝層210及金屬圖案230上形成濾色器250、260。在區塊1180處，可在濾色器250、260上形成微透鏡270、280之陣列。
藉由以上對具有分離像素結構之影像感測器及其製造方法之描述可瞭解，本發明提供一種在高強度光感測態樣具有改良效能之影像感測器。
上述對本發明之實例之描述，包括在摘要中所描述的，並非旨在詳盡無遺，亦不旨在限制所揭示之精確形式。雖然本文出於繪示性之目的描述了本發明之特定實施例及實例，但在不脫離本發明之更廣泛之精神及範圍之情況下，可進行各種等效之修改。毫無疑問，應理解，具體之電壓、電流、頻率、功率範圍值、時間實例等係為了解釋之目的而提供的，且根據本發明之教示，在其他實施例及實例中亦可採用其他值。
根據以上詳細描述，可對本發明之實例進行此等修改。以下申請專利範圍中使用之術語不應解釋為將本發明限制於說明書及申請專利範圍中揭示之特定實施例。相反，範圍完全由所附申請專利範圍來判定，此等技術方案將如請求項解釋之既定原則來解釋。因此，本說明書及附圖應認為係繪示性的而非限制性的。
202:背面
204:正面
210:緩衝層
230:金屬圖案
242:衰減層
243:延伸部分
250:濾色器
260:濾色器
270:微透鏡
280:微透鏡
291:基板材料
292:大光電二極體
293:小光電二極體
295:像素隔離器

Claims (26)

  1. 一種影像感測器，其包含：一基板材料，其包括安置在其中之複數個光電二極體，其中該複數個光電二極體包括複數個小光電二極體(SPD)及複數個大光電二極體(LPD)，且其中該複數個LPD中之每一者具有大於該複數個SPD中之每一者之一第二全阱容量(full well capacity)的一第一全阱容量；一濾色器陣列，其經安置接近於該複數個光電二極體，該複數個光電二極體包括於該基板材料中；複數個金屬圖案，其經安置接近於該複數個光電二極體，其中包括於該複數個金屬圖案中之個別金屬圖案安置在包括於該濾色器陣列中之鄰近濾色器之間；及一衰減層(attenuation layer)，其安置在該複數個SPD與該濾色器陣列之間，以衰減通過該衰減層傳播的入射至該複數個SPD上的光，其中該衰減層至少部分地經進一步安置於該複數個LPD與該濾色器陣列之間，使得該衰減層包括一延伸部分，該延伸部分安置在包括於該濾色器陣列中之一濾色器及與該濾色器光學對準(optically aligned)之該複數個LPD之一對應者之間。
  2. 如請求項1之影像感測器，其進一步包含：一緩衝層，其安置在該基板材料與該濾色器陣列之間，且其中該衰減層安置在該基板材料與該緩衝層之間。
  3. 如請求項1之影像感測器，其進一步包含一緩衝層，該緩衝層安置在該基板材料與該濾色器陣列之間，且其中該衰減層安置在該緩衝層與該濾色器陣列之間。
  4. 如請求項3之影像感測器，其中該衰減層安置在該緩衝層與該複數個金屬圖案之間，使得該衰減層直接接觸該複數個金屬圖案。
  5. 如請求項3之影像感測器，其中該衰減層安置在該複數個金屬圖案與該濾色器陣列之間，使得該衰減層直接接觸該複數個金屬圖案。
  6. 如請求項1之影像感測器，其中該衰減層之一邊緣安置在包括於該複數個LPD中之一第一LPD與包括於該濾色器陣列中之一第一濾色器之間，其中該衰減層之一延伸距離對應於自包括於該複數個金屬圖案中之一鄰近金屬圖案之一邊緣至該衰減層之該邊緣之一側向長度(lateral length)，且其中該延伸距離在10nm至500nm之範圍內。
  7. 如請求項1之影像感測器，其中安置在包括於該複數個SPD中之一第一SPD與該濾色器陣列之間之該衰減層之一第一部分比安置在包括於該複數個LPD中之一第一LPD與該濾色器陣列之間之該衰減層之一第二部分厚，且其中該第一SPD鄰近於該第一LPD。
  8. 如請求項1之影像感測器，其中該衰減層係由包括一金屬層及一金屬氮化物層之堆疊層(stacked layers)所形成。
  9. 如請求項8之影像感測器，其中該金屬層對應於一鈦層且該金屬氮化物層對應於一氮化鈦層。
  10. 如請求項1之影像感測器，其進一步包含與該複數個光電二極體光學對準之一微透鏡陣列，其中該濾色器陣列安置在該微透鏡陣列與該複數個光電二極體之間，且其中該衰減層經結構化使得當入射光藉由與該複數個LPD光學對準之包括於該微透鏡陣列中之個別微透鏡引導時，垂直於該基板材料之一表面之該入射光到達該複數個LPD而不穿過該衰減層。
  11. 如請求項1之影像感測器，其中該衰減層在平行於該基板材料之一頂表面之一平面中側向延伸。
  12. 如請求項1之影像感測器，其中基於安置於該複數個LPD與該濾色器陣列之間之該衰減層之一範圍(extent)，該衰減層經定位以影響該複數個LPD之各者之一量子效率，且其中具有一波長為530nm之入射光的該量子效率在0.4至0.9之間。
  13. 如請求項1之影像感測器，其中該衰減層經結構化以整個覆蓋該複數個SPD並僅部分覆蓋該複數個LPD。
  14. 如請求項1之影像感測器，其中該衰減層經結構化以形成複數個孔徑(apertures)，包括於該複數個孔徑中之每一個別孔徑與該複數個LPD之一 對應者對準。
  15. 如請求項1之影像感測器，其中該衰減層經結構化以自該複數個SPD與該濾色器陣列之間側向延伸，以與包括於該複數個LPD中之鄰近LPD重疊。
  16. 一種製造一影像感測器之方法，其包含：在一基板材料上形成一緩衝層，其中該基板材料包括複數個光電二極體，且其中該複數個光電二極體包括具有一第一全阱容量之複數個大光電二極體(LPD)及具有一第二全阱容量之複數個小光電二極體(SPD)，且其中該第一全阱容量大於該第二全阱容量；形成複數個金屬圖案，該複數個金屬圖案係經安置接近於該複數個光電二極體；形成一衰減層，以衰減通過該衰減層傳播的入射至該複數個SPD上的光；形成一濾色器陣列，該濾色器陣列接近於包括在該基板材料中之該複數個光電二極體，其中包括於該複數個金屬圖案中之個別金屬圖案係安置在包含於在該濾色器陣列中之鄰近濾色器之間，其中該衰減層係安置在該複數個SPD與該濾色器陣列之間，且其中該衰減層至少部分地經進一步安置在該複數個LPD與該濾色器陣列之間，使得該衰減層包括一延伸部分，該延伸部分安置在包括於該濾色器陣列中之一濾色器及與該濾色器光學對準之該複數個LPD之一對應者之間。
  17. 如請求項16之方法，其中形成該衰減層包括形成一遮罩及使用該遮罩蝕刻掉該複數個LPD中之每一者之上之該衰減層之一部分，使得該衰減層之一邊緣安置在包括於該複數個LPD中之一第一LPD與包括於該濾色器陣列中之一第一濾色器之間。
  18. 如請求項16之方法，其進一步包含：形成與該複數個光電二極體光學對準之一微透鏡陣列，其中該濾色器陣列安置在該微透鏡陣列與該複數個光電二極體之間，且其中該衰減層經結構化使得當入射光藉由與該複數個LPD光學對準之包括於該微透鏡陣列中之個別微透鏡引導時，垂直於該基板材料之一表面之該入射光到達該複數個LPD而不穿過該衰減層。
  19. 如請求項16之方法，其中該衰減層形成在該基板材料與該緩衝層之間。
  20. 如請求項16之方法，其中該衰減層形成在該緩衝層與該濾色器陣列之間。
  21. 如請求項20之方法，其中該衰減層形成在該緩衝層與該複數個金屬圖案之間，使得該衰減層直接接觸該複數個金屬圖案。
  22. 如請求項20之方法，其中該衰減層形成在該複數個金屬圖案與該濾色器陣列之間，使得該衰減層直接接觸該複數個金屬圖案。
  23. 如請求項16之方法，其進一步包含移除該衰減層之一部分，使得該衰減層之一邊緣安置在包括於該複數個LPD中之一第一LPD與包括於該複數個濾色器中之一第一濾色器之間，其中該衰減層之一延伸距離對應自包括於該複數個金屬圖案中之一鄰近金屬圖案之一邊緣至該衰減層之該邊緣之一側向長度，且其中該延伸距離在10nm至500nm之範圍內。
  24. 如請求項23之方法，其中該衰減層在平行於該基板材料之一頂表面之一平面中側向延伸。
  25. 如請求項16之方法，其中安置在包括於該複數個SPD中之一第一SPD與該濾色器陣列之間之該衰減層之一第一部分比安置在包括於該複數個LPD中之一第一LPD與該濾色器陣列之間之該衰減層之一第二部分厚，且其中該第一SPD鄰近於該第一LPD。
  26. 如請求項16之方法，其中該衰減層係基於安置在該複數個LPD與該濾色器陣列之間之該衰減層之一範圍而形成，以影響該複數個LPD之各者之一量子效率，且其中具有一波長為530nm之入射光的該量子效率在0.4至0.9之間。
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