專利名稱：背側照明成像傳感器中的側向光屏蔽物的制作方法
技術領域：
本發明大體涉及成像傳感器，且特定來說(但不排除其它)涉及背側照明(“BSI”)互補金屬氧化物半導體(“CMOS”)成像傳感器。
背景技術：
現今，許多半導體成像傳感器是前側照明的。即，這些傳感器包含制造在半導體晶片的前側上的成像陣列，其中在成像陣列處從同一前側接收傳入光。前側照明成像傳感器具有若干缺點，例如有限的填充因子。BSI成像傳感器是前側照明成像傳感器的替代。BSI成像傳感器包含制造在半導體晶片的前表面上的成像陣列，但經由晶片的背表面接收傳入光。可通過將裝置晶片結合到載體晶片隨后使裝置晶片變薄來形成BSI成像傳感器。為允許從背側檢測外部傳入光，裝置晶片制造得極薄。舉例來說，一些BSI成像傳感器中的最終裝置晶片厚度僅為幾微米。并非外部傳入光的光可在裝置晶片的硅襯底內通過外圍電路元件發射。此內部產生的光可光學穿隧且在裝置晶片的硅襯底內在側向行進以到達成像陣列。此側向光傳播可產生不合需要的信號，且干擾BSI成像傳感器的正常操作。硅襯底相對薄可促成側向光傳播。
發明內容
本發明提供一種背側照明圖像傳感器，所述背側照明圖像傳感器包括具有前側表面和背側表面的半導體層，所述 半導體層包含:安置在所述半導體層的傳感器陣列區中的像素陣列的光感測元件，其中所述像素陣列經定位以經由所述半導體層的所述背側表面接收外部傳入光；以及發光元件，其安置在所述半導體層的在所述傳感器陣列區外部的外圍電路區中，其中所述外圍電路區包含促進所述光感測元件的操作的電路元件；所述背側照明圖像傳感器還包括溝槽，其安置在所述半導體層中在所述光感測元件與所述發光元件之間，所述溝槽經定位以阻礙所述發光元件與所述光感測元件之間的光路，其中所述光路在所述背側照明圖像傳感器內部。本發明還提供一種制造背側照明圖像傳感器的方法，所述方法包括:提供所述背側照明圖像傳感器的具有前側表面和背側表面的半導體層，所述半導體層包含光感測元件以及所述半導體層的含有發光元件且不含有所述光感測元件的外圍電路區，其中所述外圍電路區在所述半導體層的傳感器陣列區外部；形成穿透所述半導體層的所述背側表面的溝槽，所述溝槽經定位以防止所述發光元件發射的光到達所述光感測元件；以及在所述溝槽下方形成抗反射涂層。
參看以下圖式描述本發明的非限制性且非詳盡的實施例，其中除非另外指定，否則貫穿各個圖式中相同參考數字指代相同零件。
圖1是說明光在半導體層中在側向傳播的BSI成像傳感器的橫截面圖。圖2是說明根據本發明的實施例包含溝槽的側向光屏蔽物的BSI成像傳感器的橫截面圖。圖3A和3B是說明根據本發明的實施例包含經填充溝槽的側向光屏蔽物的BSI成像傳感器的橫截面圖。圖4是說明根據本發明的實施例與BSI成像傳感器的結構交互的光路的圖。圖5是說明根據本發明的實施例的側向光屏蔽物的BSI成像傳感器的頂視圖。圖6是說明根據本發明的實施例用于制造BSI成像傳感器的方法的流程圖。
具體實施例方式本文描述用于制造包含側向光屏蔽物的BSI成像傳感器的設備和方法的實施例。在以下描述中，陳述眾多特定細節以提供對實施例的徹底理解。然而，相關領域的技術人員將認識到，本文描述的技術可在沒有所述特定細節的一者或一者以上的情況下實踐或利用其它方法、組件、材料等實踐。在其它例子中，未展示或描述眾所周知的結構、材料或操作以免混淆特定方面。貫穿本說明書中對“一個實施例”或“一實施例”的參考意味著，結合所述實施例描述的特定特征、結構或特性包含在本發明的至少一個實施例中。因此，貫穿本說明書中短語“在一個實施例中”或“在一實施例中”在各處的出現不一定全部指代同一實施例。此外，所述特定特征、結構或特性可以任何適宜的方式組合在一個或一個以上實施例中。圖1是說明光在半導體或硅(“Si”)層120中在側向傳播的BSI成像傳感器100的橫截面圖。BSI成像傳感器100包含金屬堆疊110 (或者稱為金屬-電介質堆疊，因為其在電介質襯底內部含有金屬結構)、Si層120、背側抗反射涂層(“BARC”)層130和光屏蔽層140。Si層120包含含有感測光的若干光感測元件124的傳感器陣列區121，以及含有發光元件123的外圍電路區122。為允許光感測元件124從背側(如圖1所示)檢測傳入光150，Si層120制造得相對薄，例如幾微米(IOym或更薄)。如圖1所示，BARC層130沉積在相對薄的Si層120上。BARC層130減少傳入光150的反射，借此提供傳入光150到傳感器陣列區121中的相對高程度的耦合。在BSI成像傳感器的一些實例(圖1未圖示)中，術語BARC層也用于包含BARC層130與Si層120之間的額外緩沖層。緩沖層提供BARC層130與Si層120之間的緩沖。其可包含例如氧化硅或氮化硅等材料。此多層結構也可統稱為電介質層。在本發明中，術語BARC層選擇為等效于電介質層。圖1中還展示光屏蔽層140，其可覆蓋Si層120的若干區域使其不受傳入光150照射。首先，其覆蓋安置在Si層120中的黑電平參考像素(圖1未圖示)。黑電平參考像素是不接收傳入光150的傳感器像素，且為BSI成像傳感器100提供黑電平參考。黑電平參考像素可安置在外圍電路區122中。第二，光屏蔽層140可覆蓋外圍電路區122。通過覆蓋外圍電路區122，光屏蔽層140減少或防止傳入光150干擾外圍電路操作。例如外圍電路區122內的發光元件123等特定元件可發光。發光元件123可通過各種機制(例如，經由偏置P-η結的電 致發光)發光，且產生具有在紅外(“IR”)或近IR( “NIR”)光譜中的波長的光。舉例來說，發光元件123可為發射包含近似1.1 μπι的波長的光的金屬氧化物半導體(“MOS”)隧道二極管。在一個實施例中，發光元件123可為具有離子植入物引發的位錯的前向偏置二極管，從而發射包含近似1.5 μ m的波長的光。發光元件123發射的光可在側向行進穿過Si層120且到達光感測元件124，借此產生不合需要的信號。認為若干因素會促成此現象。首先，IR和NIR光具有接近Si帶隙的波長，因此允許光在例如51、5102和SiNx (氮化硅)等介質中行進相對長的距離。光路160可代表IR或NIR光從發光元件123行進到光感測元件124。IR和NIR光可在上文提及的介質中傳播達幾百微米。第二，光可歸因于全內反射(“TIR”)現象在Si層120內以相對少的能量損失傳播。BARC層130包含例如SiO2和SiNx等材料。Si的折射率與SiO2和SiNx的折射率(例如，分別為1.5和2)相比相對高(例如，3.54)。因此，如果BARC層130包含SiO2，那么Si層 120 內 TIR 的臨界角 Θ 可為 arcsin(l.5/3.54)=25.1°。如果 BARC 層 130 包含 SiNx，那么Si層120內TIR的臨界角Θ可為arcsin(2/3.54)=34.4。。第三,光屏蔽層140可由金屬構成,其在反射光方面相對有效,借此將光(由發光元件123發射)限制在Si層120內。第四，隨著上文提及的光傳播經過Si層120，其可產生電荷載流子，所述電荷載流子可擴散到傳感器陣列區121中。總之，例如上文提及的因素等一個或若干因素及其組合可致使發光元件123發射的IR和NIR光沿著光路160傳播，且到達傳感器陣列區121。因此，如果發光元件123相對接近傳感器陣列區121，那么其可能會產生不合需要的信號且干擾BSI成像傳感器100的性倉泛。本文揭示定位在Si層120中`以阻礙發光元件123與光感測元件124之間的光路的側向光屏蔽物結構的實施例。圖2是說明根據本發明的實施例包含溝槽211的側向光屏蔽物的BSI成像傳感器200的橫截面圖。BSI成像傳感器200包含金屬堆疊110、Si層120、BARC層130和光屏蔽層140。Si層120包含含有感測光的若干光感測元件124的傳感器陣列區121，以及含有發光元件123的外圍電路區122。Si層120可包含襯底層和外延層。當從BSI成像傳感器200的頂部觀察時，外圍電路區122可圍繞或大體圍繞傳感器陣列區121。或者，外圍電路區122可在三側與傳感器陣列區121相接。外圍電路區122含有促進從光感測元件124獲取圖像電荷的電路元件。發光元件123可為促進從光感測元件124獲取圖像電荷的電路元件中的一者。溝槽211可經定位使得其實質上阻礙發光元件123與光感測元件124之間的光路。在所說明的實施例中，溝槽211安置在Si層120中，且實質上穿透Si層120。在一個實施例中，溝槽211不完全穿透Si層120。溝槽211可位于外圍電路區122中(如圖2所示)或位于傳感器陣列區121中或含有黑電平參考像素的區中(未圖示)。在所說明的實施例中，BARC層130安置在溝槽211中(遵循溝槽211的輪廓)以及溝槽211的側壁上。由于BARC層130遵循溝槽211的輪廓(在所說明的實施例中形成倒“V”形狀)，所以溝槽211不會由BARC層130完全填充。在一個實施例中，BARC層130不完全填充溝槽211。在所說明的實施例中，光屏蔽層140安置在溝槽211中(但不接觸Si層120)，從而填充溝槽211，其中BARC層130不完全填充溝槽211。在所說明的實施例中，BARC層130是安置在Si層120中的倒“V”形狀，且光屏蔽層140是安置在BARC層130的倒“V”形狀中的倒“V”形狀。在所說明的實施例中，Si層120中的溝槽211大體為等腰梯形的形狀，然而溝槽211可為其它形狀。溝槽211、BARC層130與光屏蔽層140的組合可稱為側向光屏蔽物，因為其實質上阻擋了發光元件123發射的光路260中的光。本文揭示用以制造BSI成像傳感器200的方法的實例。在一個實施例中，首先在Si層120中形成溝槽211，隨后沉積BARC層130和光屏蔽層140。在一個實施例中，在沉積BARC層130和光屏蔽層140之后，在Si層120中形成溝槽211。但在另一實施例中，在沉積BARC層130和光屏蔽層140之后形成溝槽211之后，可用增強溝槽211阻擋發光元件123與光感測元件124之間的光路的功能的物質填充溝槽211。用于填充溝槽211的物質的實例可為光學不透明材料(例如，金屬)。圖3A和3B是說明根據本發明的實施例包含經填充溝槽的側向光屏蔽物的BSI成像傳感器的橫截面圖。BSI成像傳感器300A和300B包含金屬堆疊110、Si層120、BARC層130和光屏蔽層140。Si層120包含含有感測光的若干光感測元件124的傳感器陣列區121，以及含有發光元件123的外圍電路區122。溝槽311安置在BSI成像傳感器300A和300B的Si層120中。溝槽311可穿透Si層120。溝槽311可經定位使得其實質上阻礙發光元件123與光感測元件124之間的光路。溝槽311還可位于傳感器陣列區121中，或Si層120的含有黑電平參考像素的區中(未圖示)。溝槽311含有填充元件312。填充元件312可從Si層120的背側表面向Si層120的前側表面填充溝槽311。填充元件312可為例如透明電介質等光學透明材料。在一個實施例中，填充元件312為氧化物。在一個實施例中，填充元件312為光學不透明的。溝槽311與填充元件312的組合可稱為側向光屏蔽物，因為其可阻礙發光元件123與光感測元件124之間的光路。在圖3A中，將BARC層130說明為安置在傳感器陣列區121和外圍電路區122兩者下方。光屏蔽層140在圖3A·中說明為安置在外圍電路區122下方以及安置在BARC層130下方。在圖3B中，將BARC層130說明為安置在傳感器陣列區121下方，但不安置在外圍電路區122下方。光屏蔽層140在圖3B中說明為安置在外圍電路區122下方，但不安置在傳感器陣列區121下方。在所說明的實施例(圖3B)中，光屏蔽層140接觸填充元件312和Si層120。光屏蔽層140可反射發光兀件123發射的光。被光屏蔽層140反射的光可朝向側向光屏蔽物行進且被側向光屏蔽物反射，借此將傳感器陣列區121屏蔽以免遭發光元件123發射的光照射。圖4是說明根據本發明的實施例與BSI成像傳感器300A或300B的結構交互的光路的圖。溝槽界面313是填充元件312在溝槽311的邊緣上接觸Si層120之處。當填充兀件312為光學透明材料時,溝槽311可以一方式傾斜使得發光兀件123發射的光在溝槽界面313處實現TIR。溝槽311可能會要求很大程度傾斜的側壁使得在溝槽界面313處發生TIR。圖4說明溝槽界面313的傾斜度如何影響溝槽界面313處的TIR。光以角度Θ從Si層120與BARC層130(在圖3A中)或光屏蔽層140(在圖3B中)之間的界面314反射出去，且以角度α撞擊溝槽界面313。溝槽傾斜角β可確定為β=180° _(θ+α)。如果Si層120包括具有3.54的折射率的第一材料，BARC層130包括具有3.26的折射率的第二材料，且填充元件312包括具有2.89的折射率的第三材料，那么在界面314處，臨界角Θ將為arcsin(3.26/3.54)=67.1 °。在溝槽界面313處，臨界角α將為arcsin(2.89/3.54) =54.7°。因此，溝槽傾斜角 β 可為 180。-(67.1 ° +54.7° )=58.2。。溝槽311可在前側處理或背側處理期間形成。溝槽311的側壁傾斜度可為正或負的。盡管圖4說明了 BSI成像傳感器300Α或300Β的結構，但上文揭示的原理可應用于BSI成像傳感器200。本文揭示用以制造BSI成像傳感器300Α或300Β的方法的實例。溝槽311形成在Si層120中且用填充元件312填充。溝槽311可用增強其阻擋發光元件123與光感測元件124之間的光路的功能的填充元件312填充。在一個實施例(如圖3Α中說明)中，BARC層130沉積到Si層120上，隨后將光屏蔽層140沉積到BARC層130上，在外圍電路區122下方。在一個實施例(如圖3Β中說明)中，BARC層130可僅沉積到Si層120的含有傳感器陣列區121的部分上，且光屏蔽層140僅沉積到Si層120的含有外圍電路區122的部分上。圖5是說明根據本發明的實施例的側向光屏蔽物的BSI成像傳感器的頂視圖。BSI成像傳感器包含在芯片500中。芯片500包含光感測陣列510、黑電平參考像素520、側向光屏蔽物530和外圍電路區540。側向光屏蔽物530的實例在圖2中可見，其中BARC層130安置在溝槽211中。側向光屏蔽物530的另一實例在圖3Α和3Β中可見，其中填充元件312安置在溝槽311中。在所說明的實施例中，側向光屏蔽物530大體上封圍光感測陣列510和黑電平參考像素520，因此使光感測元件(例如，光感測元件124)與發光元件(例如，發光元件123)在側向分離。側向光屏蔽物530可形成矩形形狀的封圍體，如圖5所示。其它實例包含例如三角形、梯形、多邊形、圓形、橢圓形等其它幾何形狀封圍體(未圖示)。側向光屏蔽物530可僅部分封圍光感測陣列510 (例如，安置在光感測陣列510的三側上)。在圖5中，當從頂部觀察時，側向光屏蔽物530具有約20 μ m的寬度。其它寬度也是可能的，但圖5中未圖示。同樣在圖5中，當從頂部觀察時，側向光屏蔽物530定位成距光感測陣列510和黑電平參考像素520約100 μπι。其它距離也是可能的，但圖5中未圖示。圖6是說明根據本發明的實施例用于制造BSI成像傳感器的方法的流程圖。工藝塊中的一些或全部在工藝600中出現的次序不應認為具有限制性。而是，所屬領域的一般技術人員在了解了本發明之后將理解，所述工藝塊中的一些可以未說明的多種次序執行，或甚至并行執行。工藝600是如何制造BSI成像傳感器的一個實例。在工藝塊605中，提供具有前表面和背側表面的半導體層。半導體層(例如，Si層120)包含光感測元件，以及含有發光元件但不含有光感 測元件的外圍電路區。外圍電路區可大體圍繞半導體層的傳感器陣列區。外圍電路區可不含有任何光感測元件，因為光屏蔽層(例如，光屏蔽層140)可防止光感測元件接收光。在工藝塊610中，形成穿透半導體層的背側表面的溝槽。所述溝槽經定位以防止發光元件發射的光到達光感測元件。溝槽可通過已知蝕刻工藝形成，例如濕式蝕刻、干式蝕刻、等離子體蝕刻等。在工藝塊615中，在溝槽下方形成抗反射涂層(例如，BARC130)。可在抗反射涂層下方或附近形成光屏蔽層(例如，光屏蔽層140)。本發明的所說明的實施例的以上描述(包含說明書摘要中描述的內容)不希望為詳盡的或將本發明限于所揭示的精確形式。雖然本文出于說明性目的描述了本發明的特定實施例和實例，但如相關領域的技術人員將認識到，本發明范圍內的各種修改是可能的。
可鑒于以上詳細描述對本發明作出這些修改。所附權利要求書中使用的術語不應解釋為將本發明限于說明書中揭示的特定實施例。事實上，本發明的范圍應完全由所附權利要求書確定，應依據已確立的 權利要求解釋條款來解釋所附權利要求書。
權利要求
1.一種背側照明圖像傳感器，其包括: 半導體層，其具有前側表面和背側表面，所述半導體層包含: 安置在所述半導體層的傳感器陣列區中的像素陣列的光感測元件，其中所述像素陣列經定位以經由所述半導體層的所述背側表面接收外部傳入光；以及 發光元件，其安置在所述半導體層的在所述傳感器陣列區外部的外圍電路區中，其中所述外圍電路區包含促進所述光感測元件的操作的電路元件；以及 溝槽，其安置在所述半導體層中在所述光感測元件與所述發光元件之間，所述溝槽經定位以阻礙所述發光元件與所述光感測元件之間的光路，其中所述光路在所述背側照明圖像傳感器內部。
2.根據權利要求1所述的背側照明圖像傳感器，其進一步包括: 抗反射涂層，其安置在所述溝槽中以及所述溝槽的側壁上。
3.根據權利要求2所述的背側照明圖像傳感器，其進一步包括: 光屏蔽層，其安置在所述抗反射涂層上以及所述溝槽中，其中所述光屏蔽層包含第一表面和第二表面，所述第一表面接觸所述抗反射涂層。
4.根據權利要求2所述的背側照明圖像傳感器，其中所述抗反射涂層的第一折射率小于所述半導體層的第二折射率，這促進光在所述光路中的全內反射。
5.根據權利要求2所述的背側照明圖像傳感器，其中所述溝槽安置在所述半導體層的所述外圍電路區中。
6.根據權利要求1所述的背側照明圖像傳感器，其中所述半導體層的材料允許所述外部傳入光經由所述背側表面進入所述半導體層且到達所述光感測元件。
7.根據權利要求1所述的背側照明圖像傳感器，其中所述溝槽實質上穿透所述半導體層。
8.根據權利要求1所述的背側照明圖像傳感器，其進一步包括: 安置在所述溝槽中的實質上光學不透明的元件。
9.根據權利要求1所述的背側照明圖像傳感器，其進一步包括: 安置在所述溝槽中的透明電介質元件，其中所述溝槽的側壁和所述透明電介質元件形成了反射所述光路中的光的溝槽界面。
10.根據權利要求9所述的背側照明圖像傳感器，其中所述透明電介質元件從所述半導體層的所述前側表面向所述背側表面實質上填充了所述溝槽。
11.根據權利要求9所述的背側照明圖像傳感器，其進一步包括: 光屏蔽層，其安置在所述外圍電路區下方，其中所述光屏蔽層接觸安置在所述溝槽中的所述透明電介質元件且接觸所述半導體層的所述背側表面，且其中所述光屏蔽層為反射的且反射所述光路中的光；以及 抗反射涂層，其安置在所述半導體層的所述傳感器陣列區下方且接觸所述半導體層的所述背側表面 。
12.根據權利要求9所述的背側照明圖像傳感器，其中所述透明電介質元件的第三折射率小于所述半導體層的第二折射率。
13.根據權利要求9所述的背側照明圖像傳感器，其中所述透明電介質元件為氧化物。
14..根據權利要求9所述的背側照明圖像傳感器，其中所述溝槽的所述側壁以一傾斜度成角度使得增加所述光路中被所述溝槽界面反射的光。
15.根據權利要求1所述的背側照明圖像傳感器，其中所述溝槽大體圍繞所述半導體層的所述傳感器陣列區。
16.根據權利要求15所述的背側照明圖像傳感器，其中所述溝槽還大體圍繞所述背側照明圖像傳感器的黑電平參考像素。
17.根據權利要求1所述的背側照明圖像傳感器，其進一步包括: 金屬堆疊層，其安置在所述溝槽上方且接觸所述半導體層的所述前側表面。
18.—種制造背側照明圖像傳感器的方法，所述方法包括: 提供所述背側照明圖像傳感器的具有前側表面和背側表面的半導體層，所述半導體層包含光感測元件以及所述半導體層的含有發光元件且不含有所述光感測元件的外圍電路區，其中所述外圍電路區在所述半導體層的傳感器陣列區外部； 形成穿透所述半導體層的所述背側表面的溝槽，所述溝槽經定位以防止所述發光元件發射的光到達所述光感測元件；以及 在所述溝槽下方形成抗反射涂層。
19.根據權利要求18所述的方法，其進一步包括: 將光屏蔽層形成到所述抗反射涂層上在所述半導體層的所述外圍電路區下方，其中所述抗反射涂層安置在所述溝槽中以及所述溝槽的側壁上。
20.根據權利要求18所述的方法，其進一步包括: 在所述溝槽中形成透明電介質元件，其中所述溝槽的側壁和所述透明電介質元件形成了反射所述發光元件與所述光感測元件之間的光路中的光的溝槽界面。
全文摘要
本申請案涉及背側照明成像傳感器中的側向光屏蔽物。一種背側照明圖像傳感器包含半導體層和安置在所述半導體層中的溝槽。所述半導體層具有前側表面和背側表面。所述半導體層包含安置在所述半導體層的傳感器陣列區中的像素陣列的光感測元件。所述像素陣列經定位以經由所述半導體層的所述背側表面接收外部傳入光。所述半導體層還包含發光元件，其安置在所述半導體層的在所述傳感器陣列區外部的外圍電路區中。所述溝槽安置在所述半導體層中在所述光感測元件與所述發光元件之間。所述溝槽經定位以當所述發光元件與所述光感測元件之間的光路在所述半導體層內部時阻礙所述光路。
文檔編號H01L27/146GK103247647SQ20131004912
公開日2013年8月14日 申請日期2013年2月7日 優先權日2012年2月9日
發明者毛杜立, 戴幸志, 文森特·瓦乃茲艾, 錢胤, 陳剛, 霍華德·E·羅茲 申請人:全視科技有限公司