防止背側照明成像傳感器中的漏光的製作方法
2023-07-22 03:46:01
專利名稱：防止背側照明成像傳感器中的漏光的製作方法
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，這些傳感器包含製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成像傳感器包含製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。在背表面處，傳入光的一部分進入裝置晶片，而傳入光的另一部分被反射離開背表面。可利用若干方法來增加傳入光的進入裝置晶片的部分。舉例來說，背表面可用背側抗反射塗層(「BARC」)塗覆。在垂直於成像陣列的區域中，BARC下方存在緩衝氧化物。並非外部傳入光的光可在裝置晶片的矽襯底內通過外圍電路元件發射。此內部產生的光可進入包含上文提及的BARC和緩衝氧化物的電介質層，在其內橫向行進，且接著再次進入矽襯底以到達其中的成像陣列。此橫向光可產生不合需要的信號，且幹擾BSI成像傳感器的正常操作。
發明內容
本申請案的一個方面涉及一種背側照明傳感器裝置，其包括:半導體層，其具有前表面和背側表面，所述半導體層進一步包含光感測元件和相對於所述光感測元件橫向定位的發光兀件；電介質層，其具有第一表面和第二表面，其中所述電介質層的所述第一表面大體上與所述半導體層的所述背側表面接觸；以及光阻擋元件，其安置在所述電介質層中在所述光感測元件與所述發光元件之間，所述光阻擋元件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。本申請案的另一方面涉及一種背側照明傳感器裝置，其包括:半導體層，其具有前表面和背側表面，所述半導體層包含光感測元件以及含有發光元件且不含有所述光感測元件的外圍電路區；電介質層，其接觸所述半導體層的所述背側表面的至少一部分；以及光防止結構，其中所述光防止結構的至少一部分安置在所述光感測元件與所述發光元件之間，所述光防止結構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。本申請案的又一方面涉及一種製造背側照明傳感器裝置的方法，所述方法包括:提供具有前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含有發光元件且不含有所述光感測元件的外圍電路區；向所述半導體層的所述背側表面的至少一部分上形成電介質層；以及形成光防止結構，其中所述光防止結構的至少一部分安置在所述光感測元件與所述發光元件之間，所述光防止結構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。
參看以下圖式描述本發明的非限定性且非排他實施例，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是說明光在電介質層中橫向傳播的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橫向光阻擋方案的BSI成像傳感器的橫截面圖。圖3是說明根據本發明的實施例包含空隙區的橫向光防止結構的BSI成像傳感器的橫截面圖。圖4A是說明根據本發明的實施例的橫向光防止結構的BSI成像傳感器的橫截面圖。圖4B是說明根據本發明的實施例的橫向光防止結構的BSI成像傳感器的橫截面圖。圖5是說明根據本發明的實施例的具有溝槽壁的BSI成像傳感器的晶片的頂視圖。圖6是說明根據本發明的實施例用於製造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於製造防止漏光的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至IJ，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，未詳細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徵、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「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，所述特定特徵、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是說明光在電介質層130中橫向傳播的BSI成像傳感器100的橫截面圖。如圖1所示，BSI成像傳感器100包含金屬堆疊110、半導體或矽(「Si」)層120、電介質層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。如圖1所示，電介質層130包含背側抗反射塗層(「BARC」)層131和緩衝層132。緩衝層132沉積在Si層120上以提供Si層120與BARC層131之間的緩衝。緩衝氧化物層132可由例如氧化矽或氮化矽等材料製成。BARC層131沉積在緩衝層132上。BARC層131減少傳入光150的反射，藉此提供傳入光150到傳感器陣列區121中的相對高程度的耦合。BARC層131和緩衝層132兩者可充當光導。在以下揭示內容中，這兩層統稱為電介質層 130。圖1中還展示光屏蔽層140，其可覆蓋若干區域。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幹擾電路操作。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，經由經偏置P-η結的電致發光)發光，且產生具有近似在紅外(「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MOS隧道二極體。在一個實施例中，發光元件123包含具有離子植入物引發的位錯的前向偏置二極體，從而發射包含近1.5 μ m的波長的光。發光元件123產生的光可橫向行進以到達傳感器陣列區121，進而產生不合需要的信號。電介質層130可為光從發光元件123行進到光感測元件124所經由的管道。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S1、SiO2和SiNx (氮化矽)等媒介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。圖1說明NIR或IR光從發光元件123發起，經由Si層120行進幾微米，進入電介質層130且沿著其橫向行進，且接著再次進入Si層120以最終到達光感測元件124。第二，光可歸因於全內反射現象在電介質層130內以相對少的能量損失進行傳播。當電介質層130的折射率 大於Si層120的折射率時，電介質層130內的全內反射可在Si層120與電介質層130之間的界面處發生。如果電介質層130相對薄，那麼全內反射可進一步增強。舉例來說，電介質層130可僅為零點幾微米到幾微米厚。第三，光屏蔽層140可由金屬構成,其在反射光方面相對有效率,藉此將光(由發光兀件123發射)限制在電介質層130內。第四，隨著上文提及的光傳播經過Si層120的一部分，其可產生電荷載流子，例如電子和空穴，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光在電介質層130中沿著光路160以相對低的能量損失傳播相對長的距離，從而到達光感測元件124，如圖1所示。因此，不合需要的信號可能干擾BSI成像傳感器100的性能。揭示用以減少到達BSI成像傳感器的光感測元件的內部產生的光的量的光防止結構或方案的實施例。圖2是說明根據本發明的實施例包含溝槽的橫向光阻擋結構的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、電介質層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。光阻擋元件210安置在電介質層130中且經定位以大體上阻礙發光元件123與光感測元件124之間的光路260。在所說明的實施例中，光阻擋元件210包含穿透電介質層130的溝槽211，和安置在溝槽中和在溝槽的側壁上的光屏蔽層140。在一個實施例中，光屏蔽層140為光學不透明的。在一個實施例中，溝槽211僅部分穿透電介質層130。溝槽211可位於電介質層130的安置在外圍電路區122下方的部分中，如圖2所示。溝槽211還可位於電介質層130的安置在傳感器陣列區121下方的部分中，或電介質層130的覆蓋含有黑電平參考像素的區(未圖示)的部分中。在所說明的實施例中，光屏蔽層140展示為安置在外圍電路區122下方。由於光屏蔽層140安置在外圍電路區122下方，所以其覆蓋外圍電路區122使其免受傳入光150照射。發光元件123與光感測元件124之間的光路260大體上由溝槽211阻礙，如圖2所示。當溝槽211含有光屏蔽層140時，對光路260的所述阻礙可增加。圖3是說明根據本發明的實施例包含光屏蔽層140中的空隙區340的橫向光防止結構的BSI成像傳感器300的橫截面圖。BSI成像傳感器300包含金屬堆疊110、Si層120、電介質層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。光屏蔽層140大體覆蓋Si層120的含有發光元件123的部分的背側表面，安置在發光元件123下方的間隙區域中除外，如圖3所示。光屏蔽層140中的此間隙為空隙區340。空隙區340的大小和位置使得光路360 (從發光元件123發起)遇見空隙區340。空隙區340處光屏蔽層140的缺乏允許發光元件123發射的光逃逸，而非由光屏蔽層140反射回到電介質層130中且經由電介質層130朝向光感測兀件124橫向行進。在一個實施例中，光屏蔽層140具有一個以上間隙。本文揭示用以產生BSI成像傳感器300的方法的實例。在一個實例中，將光屏蔽層140沉積在電介質層130上，隨後移除光屏蔽層140的安置在光感測元件123下方的部分。在另一實例中，在沉積光屏蔽層140之前，在電介質層130的安置在發光元件123下方的區域上形成光致抗蝕劑層。此可通過例如影印等工藝實現。接著，將光屏蔽層140沉積在電介質層130上。最後，移除光致抗蝕劑層以形成空隙區340。圖4A是說明根據本發明的實施例的橫向光防止結構的BSI成像傳感器400A的橫截面圖。BSI成像傳感器400A包含金屬堆疊110、Si層120、電介質層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。光屏蔽層140安置在Si層120上，且覆蓋外圍電路區122。電介質層130可安置在Si層120上且覆蓋傳感器陣列區121和光屏蔽層140。圖4B是說明根據本發明的實施例的橫向光防止結構的BSI成像傳感器400B的橫截面圖。BSI成像傳感器400B包含金屬堆疊110、Si層120、電介質層130和光屏蔽層140。在圖4B中，電介質層130安置在Si層120的傳感器陣列區121上，但不覆蓋光屏蔽層140。在圖4A和4B的所說明的實例中，通過防止電介質層130與外圍電路區122之間的直接接觸來實現阻擋發光元件123與光感測元件124之間的光路。如圖4A和4B所示，當源自發光元件123的光到達光屏蔽層140時，阻礙光路460。因此，歸因於在所述區域中充當光導的電介質層130的缺乏，光朝向光感測元件124的傳播被停止。本文揭示用以產生BSI成像傳感器400A和400B的方法的實例。在一個實例中，將光屏蔽層140沉積在Si層120的外圍電路區122上，隨後將電介質層130沉積在Si層120的傳感器陣列區121和光屏蔽層140上。在另一實例中，將光屏蔽層140沉積在Si層120的外圍電路區122上，隨後將電介質層130沉積在傳感器陣列區121上，但不沉積在光屏蔽層140上。方法的這些實例可包含例如影印等半導體處理方法。圖5是說明根據本發明的實施例的具有溝槽壁的BSI成像傳感器的晶片500的頂視圖。光阻擋元件(例如，溝槽)可定位在光感測陣列和黑電平參考像素周圍以使得其與發光外圍電路隔離。藉助實例，光阻擋元件可包含封圍光感測陣列和黑電平參考像素的溝槽壁。晶片500包含光感測陣列510和黑電平參考像素520。光阻擋溝槽530大體上封圍光感測陣列510和黑電平參考像素520，因此使其與外圍電路區540橫向分離。光阻擋溝槽530的實例在圖2中可見，其中溝槽211安置在電介質層130中。光阻擋溝槽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)。在圖5中，當從頂部觀察時，光阻擋溝槽530具有約20 μ m的寬度。其它寬度也是可能的(例如，10 μ m、100 μ m)，但圖5中未圖示。同樣在圖5中，光阻擋溝槽530定位成距黑電平參考像素520約100 μ m,如從頂部觀察。其它距離也是可能的(例如，10 μ m、1000 μ m)，但圖5中未圖示。圖6是說明根據本發明的實施例用於製造BSI成像傳感器的方法的流程圖。工藝框中的一些或全部在工藝600中出現的次序不應認為具有限定性。事實上，得到本發明的益處的所屬領域的一般技術人員將理解，所述工藝框中的一些可以未說明的多種次序執行，或甚至並行執行。工藝600是如何製造BSI成像傳感器的一個實例。在工藝框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，以及含有發光元件的外圍電路區。外圍電路區可不含有任何光感測元件，因為光屏蔽層140可防止光感測兀件接收光。在工藝框610中，在半導體層的背側表面上形成電介質層。在工藝框615中，形成光防止結構。光防止結構的至少一部分安置在光感測元件與發光元件之間。可在形成電介質層之後形成光屏蔽層。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於所揭示的精確形式。雖然本文出於說明性目的描述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，本發明範圍內的各種修改是可能的。
可鑑於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於說明書中揭示的特定實施例。事實上，本發明的範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
1.一種背側照明傳感器裝置，其包括: 半導體層，其具有前表面和背側表面，所述半導體層進一步包含光感測元件和相對於所述光感測元件橫向定位的發光元件； 電介質層，其具有第一表面和第二表面，其中所述電介質層的所述第一表面大體上與所述半導體層的所述背側表面接觸；以及 光阻擋元件，其安置在所述電介質層中在所述光感測元件與所述發光元件之間，所述光阻擋元件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。
2.根據權利要求1所述的背側照明傳感器裝置，其中所述光阻擋元件包含溝槽，所述溝槽穿透所述電介質層的所述第二表面。
3.根據權利要求2所述的背側照明傳感器裝置，其中所述光阻擋元件進一步包含安置在所述溝槽中以及所述溝槽的側壁上的光屏蔽層，其中所述光屏蔽層為光學不透明的。
4.根據權利要求1所述的背側照明傳感器裝置，其中所述半導體層的材料允許傳入光從所述背側表面進入所述半導體層且到達所述光感測元件。
5.根據權利要求1所述的背側照明傳感器裝置，其中所述電介質層的第一折射率大於所述半導體層的第二折射率。
6.根據權利要求1所述的背側照明傳感器裝置，其進一步包括大體上與所述電介質層的所述第二表面接觸且安置在所述半導體層的外圍電路區下方的光屏蔽層，所述半導體層的所述外圍電路區含有所述發光元件且不含有所述光感測元件，其中所述光屏蔽層大體上防止光通過其中。
7.根據權利要求1所述的背側照明傳感器裝置，其中所述光阻擋元件大體上圍繞所述光感測元件。·
8.根據權利要求7所述的背側照明傳感器裝置，其中所述光阻擋元件還大體上圍繞所述背側照明傳感器裝置的黑電平參考像素。
9.根據權利要求1所述的背側照明傳感器裝置，其中所述電介質層進一步包含抗反射塗層。
10.一種背側照明傳感器裝置，其包括: 半導體層，其具有前表面和背側表面，所述半導體層包含光感測元件以及含有發光元件且不含有所述光感測元件的外圍電路區； 電介質層，其接觸所述半導體層的所述背側表面的至少一部分；以及 光防止結構，其中所述光防止結構的至少一部分安置在所述光感測元件與所述發光元件之間，所述光防止結構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。
11.根據權利要求10所述的背側照明傳感器裝置，其中所述光防止結構包含所述電介質層中的溝槽。
12.根據權利要求11所述的背側照明傳感器裝置，其中所述光防止結構包含安置在所述溝槽中以及所述溝槽的側壁上的光屏蔽層。
13.根據權利要求10所述的背側照明傳感器裝置，其中所述光防止結構包含: 光屏蔽層，其安置在所述電介質層下方；以及 空隙區，其安置在所述發光元件下方，其中所述空隙區是所述光屏蔽層中的間隙，所述間隙經定位以允許所述發光元件發射的所述光逃逸而非朝向所述光感測元件橫向行進。
14.根據權利要求10所述的背側照明傳感器裝置，其中所述光感測元件安置在所述半導體層的傳感器陣列區中，且所述電介質層安置在所述傳感器陣列區下方，且其中所述光防止結構包含在所述外圍電路區下方接觸所述半導體層的所述背側表面的光屏蔽層。
15.根據權利要求14所述的背側照明傳感器裝置，其中所述電介質層在所述傳感器陣列區下方接觸所述半導體層的所述背側表面，且其中所述電介質層安置在所述光屏蔽層下方以及所述外圍電路區下方。
16.根據權利要求10所述的背側照明傳感器裝置，其中所述電介質層的第一折射率大於所述半導體層的第二折射率。
17.根據權利要求10所述的背側照明傳感器裝置，其中所述電介質層進一步包含抗反射塗層。
18.—種製造背側照明傳感器裝置的方法，所述方法包括: 提供具有前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含有發光元件且不含有所述光感測元件的外圍電路區； 向所述半導體層的所述背側表面的至少一部分上形成電介質層；以及 形成光防止結構，其中所述光防止結構的至少一部分安置在所述光感測元件與所述發光元件之間，所述光防止結構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。
19.根據權利要求18所述的方法，其中所述光防止結構包含所述電介質層中的溝槽。
20.根據權利要求19所述的方法，其中所述光防止結構包含安置在所述溝槽中以及所述溝槽的側壁上的光 屏蔽層。
全文摘要
本發明涉及防止背側照明成像傳感器中的漏光。一種設備包含半導體層、電介質層和光防止結構。所述半導體層具有前表面和背側表面。所述半導體層包含光感測元件以及含有發光元件且不含有所述光感測元件的外圍電路區。所述電介質層接觸所述半導體層的所述背側表面的至少一部分。所述光防止結構的至少一部分安置在所述光感測元件與所述發光元件之間。所述光防止結構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。
文檔編號H01L27/146GK103247646SQ20131004601
公開日2013年8月14日 申請日期2013年2月5日 優先權日2012年2月6日
發明者鄭偉, 文森特·瓦乃茲艾, 戴幸志 申請人:全視科技有限公司