CN110707112A - 图像传感器 - Google Patents

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D·里多
A·克罗彻瑞
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Italian Semiconductor (clore 2) Co
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Abstract

本申请涉及图像传感器。多光谱图像传感器包括半导体层和形成在半导体层内部和顶部的多个像素。每个像素包括形成在由***绝缘壁横向限定的半导体层的部分中的有源光敏区域。像素包括第一类型的第一像素和第二类型的第二像素。第一像素的半导体层的部分具有第一横向尺寸，第一横向尺寸被选择为限定以第一波长谐振的横向腔，并且第二像素的半导体层的部分具有不同于第一横向尺寸的第二横向尺寸，第二横向尺寸被选择为限定在不同于第一波长的第二波长谐振的横向腔。

Description

图像传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年7月9日提交的法国专利申请No.1856285的优先权，该申请通过引用结合于此。
技术领域
本公开涉及图像传感器领域。
背景技术
传统上，图像传感器包括半导体层，在半导体层的内部和顶部形成多个像素。每个像素特别地包括形成在半导体层中的有源光敏区域，通常对应于光电二极管，并且还可以包括形成在半导体层内部和顶部的一个或多个控制晶体管。
在诸如彩色图像传感器的多光谱图像传感器中，每个像素传统上包括布置在半导体层的被照射表面的一侧上的滤光元件，其与像素的光敏区域相对，能够过滤入射的辐射以使得只有在对应于像素测量范围的像素特定的受限波长范围内接收的光辐射才被传输到像素的光敏区域。换句话说，不同类型的像素，即具有不同测量波长范围的像素，基本上由于它们各自的滤波元件的性质而彼此不同。
传统上，多光谱图像传感器的像素的滤光元件通过有色树脂，例如有机树脂形成。应针对每种像素类型具体提供一种特定树脂。这使得这种传感器的制造相对复杂，并且随着传感器像素类型的数量增加以及像素的横向尺寸变小而更加复杂。
发明内容
本公开涉及图像传感器领域。具体实施例涉及多光谱图像传感器，即，包括多个像素的传感器，其中不同类型的像素能够测量不同波长范围的光线。
实施例可以克服已知的多光谱图像传感器的所有或一些缺点。
实施例提供了一种多光谱图像传感器，多光谱图像传感器包括形成在半导体层内部和顶部的多个像素。每个像素包括形成在所述半导体层的由***绝缘壁横向限定的部分中的有源光敏区域。所述多个像素包括至少一个第一类型的像素，其中所述像素的半导体层的部分具有被选择为限定以第一波长谐振的横向腔的第一横向尺寸。所述多个像素还包括至少一个第二类型的像素，其中所述像素的半导体层的部分具有不同于所述第一横向尺寸的第二横向尺寸，所述第二横向尺寸被选择为限定以不同于所述第一波长的第二波长谐振的横向腔。
根据实施例，每个像素都包括布置在所述像素的半导体层的部分的后表面上的衍射结构。
根据实施例，所述衍射结构由形成在像素的半导体层的部分中的腔形成，所述腔填充有折射率小于所述半导体层的材料的折射率的材料。
根据实施例，传感器被设计为背侧照射。
根据实施例，半导体层的前表面涂覆有绝缘层和金属层的叠层，所述金属层具有形成在其中的传感器像素的互连的金属化。
根据实施例，所述***绝缘壁由夹在由绝缘材料制成的两个壁之间的金属壁形成。
根据实施例，所述传感器包括形成在所述半导体层的部分的内部和顶部上的两种以上的n种不同类型的像素，半导体层的部分具有不同的横向尺寸，所述横向尺寸被选择为限定在不同波长谐振的横向腔。
根据实施例，n大于或等于4。
根据实施例，第一类型和第二类型的像素的半导体层的部分具有基本相同的厚度。
根据实施例，第一类型和第二类型的像素的半导体层的部分具有不同的厚度。
另一个实施例提供了一种多光谱图像传感器，包括形成在半导体层内部和顶部的多个像素。所述多个像素包括至少一个第一类型的像素，其形成在半导体层的第一部分的内部和顶部，所述半导体层的第一部分被选择为限定以第一波长谐振的垂直腔的第一厚度。所述多个像素还包括至少一个第二类型的像素，其形成在半导体层的第二部分的内部和顶部，所述半导体层的第二部分具有与第一厚度不同的第二厚度，第二厚度被选择为限定以不同于第一波长的第二波长谐振的垂直腔。
根据实施例，第一像素包括形成在半导体层的第一部分中的第一有源光敏区域，第二像素包括形成在半导体层的第二部分中的第二有源光敏区域。
根据实施例，半导体层的第一部分和第二部分由垂直绝缘壁横向限定。
根据实施例，半导体层的前表面和后表面涂覆有折射率小于半导体层的材料的折射率的绝缘材料。
根据实施例，半导体层的第一部分和第二部分的前表面基本上是共面的。
根据实施例，半导体层的前表面涂覆有绝缘层和金属层的叠层，所述金属层具有形成在其中的传感器像素的互连的金属化。
根据实施例，传感器被设计为背侧照射。
根据实施例，所述传感器包括形成在所述半导体层的部分的内部和顶部上的两种以上的n种不同类型的像素，所述半导体层的部分具有不同的厚度，所述厚度被选择为限定在不同波长谐振的垂直腔。
根据实施例，n大于或等于4。
根据实施例，半导体层的第一部分和第二部分具有相同的横向尺寸。
根据实施例，半导体层的第一部分和第二部分具有不同的横向尺寸。
在下面结合附图对特定实施例的非限制性描述中将详细讨论前述和其他特征和优点。
附图说明
图1是示意性地且部分地示出根据第一实施例的多光谱图像传感器的示例的截面图。
图2是示意性地示出根据第一实施例的图像传感器像素的示例结构的截面图。
图3是示意性地示出根据第一实施例的制造图像传感器的方法的示例的另一步骤的截面图。
图4是示意性地示出根据第一实施例的制造图像传感器的方法的示例的另一步骤的截面图。
图5是示意性地示出根据第一实施例的制造图像传感器的方法的示例的另一步骤的截面图。
图6是示意性地示出根据第一实施例的制造图像传感器的方法的示例的另一步骤的截面图。
图7是示意性地示出根据第一实施例的制造图像传感器的方法的示例的另一步骤的截面图。
图8是示意性地示出根据第一实施例的制造图像传感器的方法的示例的另一步骤的截面图。
图9是示意性地示出根据第一实施例的制造图像传感器的方法的示例的另一步骤的截面图。
图10是示意性地且部分地示出根据第二实施例的多光谱图像传感器的示例的截面图。
图11是示意性地示出根据第二实施例的制造图像传感器的方法的示例的步骤的截面图。
图12是示意性地示出根据第二实施例的制造图像传感器的方法的示例的另一步骤的截面图。
图13是示意性地示出根据第二实施例的制造图像传感器的方法的示例的另一步骤的截面图。
图14是示意性地示出根据第二实施例的制造图像传感器的方法的示例的另一步骤的截面图。
图15是示意性地示出根据第二实施例的制造图像传感器的方法的另一步骤的截面图。
图16是示意性地且部分地示出根据第二实施例的图像传感器的替代实施例的截面图。
具体实施方式
在不同的附图中，相同的元件用相同的附图标记标示。特别地，不同实施例共有的结构和/或功能元件可以用相同的附图标记标示，并且可以具有相同的结构、尺寸和材料特性。
为清楚起见，仅示出并且详细描述了对理解所描述的实施例有用的那些步骤和元件。特别地，在下文描述的示例中，没有详细描述像素的内部结构，特别是有源光敏区域和可能的控制晶体管的内部结构，所描述的示例与所有或大多数已知的像素结构兼容，被提供用于在本领域技术人员能力范围内的基于本公开教导的可能的调整。
在整个本公开中，术语“连接”用于表示电路元件之间的直接电连接而没有除导体之外的中间元件，而术语“耦合”用于表示可以是直接的电路元件之间的电连接，或者可以通过一个或多个中间元件的电连接。
在以下描述中，当提及限定绝对位置的术语时，例如术语“前”、“后”、“顶”、“底”、“左”、“右”等，或者限定相对位置的术语，例如作为术语“上方”、“下方”、“上”、“下”等，或限定方向的术语，例如术语“水平”、“垂直”等，除非另有说明，否则这些术语指的是在图中的定向，可以理解在实践中所描述的传感器可以被不同地定向。
术语“约”、“基本上”和“大约”在本文中用于表示所讨论的值的正或负10％，优选正负5％的容限。
图1是示意性地且部分地示出根据第一实施例的多光谱图像传感器的示例的截面图。
图1的传感器包括多个像素，其中不同类型的像素能够测量不同波长范围内的光辐射。在图1中，示出了不同类型的四个相邻像素P1、P2、P3和P4。更一般地，传感器的不同像素的数量可以是大于或等于2的任何数量，应当理解，所描述的实施例对于具有大量像素类型的传感器特别有利，例如，大于或等于4、大于或等于5或大于或等于6。例如，传感器可以包括每种类型的多个像素，例如以行和列的阵列分布，或者每种类型的单个像素，例如以形成光谱仪。
图1的传感器形成在半导体层101的内部和周围，例如在CMOS技术中的单晶硅层。半导体层101包括：涂覆有绝缘层和金属层的叠层103的前表面(其在图1定向中的上表面)，其中特别地形成了传感器部件的各种互连金属化；以及与其前表面相对的后表面(图1定向中的下表面)。图1的传感器是背侧照射的传感器，也就是说，被设计为在半导体层101的后表面上进行照射。
图1的传感器的每个像素包括半导体层101的一部分，其沿着层101的基本整个高度、由沿半导体层101垂直延伸的***绝缘壁105横向界定。作为示例，***绝缘壁105由电绝缘材料制成，例如氧化硅。作为变型，壁105包括例如由多晶硅制成的中心导电壁，其夹在两个由例如氧化硅制成的绝缘壁之间。中心导电壁可以被偏置以形成具有半导体层101的MOS电容器。作为变型，中心导电壁由例如钨的金属制成，这使得能够限制由每个像素接收的光并因此限制串扰现象，即，避免由传感器像素接收的光子导致在相邻像素中产生电子-空穴对。作为示例，在顶视图中，***绝缘壁105形成连续栅极，该连续栅极具有的尺寸基本上等于传感器的像素阵列的尺寸。
在每个像素中，在其内部和周围形成像素的半导体层101的部分包括例如对应于光电二极管的光敏有源区域。像素还可以包括在层101的前表面侧上的、形成在像素的半导体层101的部分的内部和顶部上的一个或多个控制晶体管。
根据第一实施例的一个方面，在其内部和周围形成有不同类型的传感器像素的半导体层101的部分具有不同的厚度(在垂直方向上)。在其内部和周围形成有相同类型的像素的半导体层101的部分具有基本相同的厚度。
更具体地，对于传感器的每种类型的像素，选择在其内部和周围形成所考虑类型的像素的半导体层101的部分的厚度，以在所考虑类型的每个像素中限定垂直光学腔，所述垂直光学腔在所考虑的像素类型特定的一个或多个波长处谐振。换句话说，选择形成传感器像素的半导体层101的部分的厚度，使得相同类型像素的垂直光学腔基本上在相同波长或多个相同波长处谐振，并且不同类型像素的垂直光学腔在不同波长处谐振。
应当注意，在每个像素中，使得在其内部和周围形成像素的半导体层101的部分限定垂直光学腔，半导体层101的所考虑部分的前表面和后表面应该对于在该部分内部传播的光线是反射性的。在图1的传感器中，这是通过以下事实获得的：半导体层101的每个前表面和后表面涂覆有(并且接触)一层绝缘材料，该绝缘材料的折射率小于层101的材料的折射率，例如，在层101由硅制成的情况下绝缘材料为氧化硅。
在图1的示例中，半导体层101的前表面基本上是平坦的，即，在其内部和周围形成传感器像素的层101的部分的前表面基本上在同一平面中。然而，半导体层101的后表面被结构化。更具体地，在其内部和周围形成传感器像素的层101的部分的后表面基本上是平坦的，并且对于相同类型的像素是共面的，而对于不同类型的像素是非共面的平行平面。
在图1的示例中，每个像素还包括透明填充元件107，该透明填充元件107涂覆在其内部和周围形成像素的半导体层101的部分的后表面。填充元件107具有补偿不同类型传感器的像素的层101的部分之间的厚度差异的功能。换句话说，对于传感器的每个像素，填充元件107的厚度都是较小的而像素的层部分101的厚度是显著的，并且反之亦然，使得传感器像素的填充元件107的后表面基本上在平行于半导体层101的前表面的同一平面中。像素的填充元件107全部由相同的材料制成，例如氧化硅。
在图1的示例中，在传感器的后侧，像素的***绝缘壁105与填充元件107的后表面齐平，以与填充元件107的后表面一起限定基本平坦的连续表面。此外，在该示例中，例如由氧化硅制成的附加平坦化层109涂覆填充元件107的后表面和***绝缘壁105的后表面。
在图1的示例中，每个像素还包括微透镜111，微透镜111布置在传感器的后侧，与像素的层101的部分相对，能够将入射光朝向像素的有源光敏区域聚焦。更具体地，在该示例中，微透镜111被布置在平坦化层109的后表面上。
在操作中，在传感器的每个像素中，入射辐射经由微透镜111、平坦化层109和透明填充元件107在半导体层101中传输。在该示例中，涂覆半导体层101的后表面的传感器的元件对于所有传感器像素具有基本相同的频率响应。入射光通过半导体层101的后表面穿透到半导体层101中，然后在其前表面和后表面上交替反射。如此限定的垂直光学腔具有在传输到半导体层101的波长范围内的一个或多个谐振波长。这导致半导体层101在谐振波长处的一个或多个光吸收峰值。因此，尽管将宽波长范围传输到半导体层101，但是在每个像素的有源光敏区域中收集的光生电荷的量主要代表在像素的谐振波长处接收的光强度。因此，具有不同谐振波长的不同类型的像素测量不同波长的光强度。
应注意，在图1的示例中，传感器像素都具有基本相同的横向尺寸。换句话说，在图1的传感器中，相同类型的像素全部相同或相似，并且不同类型的像素仅由于其内部和周围分别形成它们的半导体层101的部分的厚度(并且因此它们各自的填充元件107的厚度)彼此不同。
图1的实施例的优点在于，它能够形成多光谱图像传感器，而不必在不同类型的像素上形成由不同材料制成的滤光元件(即，用于测量不同波长范围的光线)。
图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9是示意性地示出制造关于图1所述类型的多光谱图像传感器的方法的示例的步骤的截面图。应当注意，与图1的表示相比，垂直定向被颠倒，即，在图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9的视图中，前表面对应于下表面并且后表面对应于上表面。此外，在图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9的示例中，为了简化，仅详细示出形成两个不同类型的像素，分别对应于图1的传感器的像素P1(在图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9的右手部分中)和P2(在图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9的左手部分)。实际上，如果传感器包括多个相同类型的像素，则对于所有这种类型的像素同时形成特定于所考虑的像素类型的步骤。
图2示出了初始结构，其包括具有均匀厚度的半导体层101，在其内部和顶部已形成用于传感器的每个像素的有源光敏区域以及可能的一个或多个像素控制晶体管(图中未详述)。互连叠层103涂覆了层101的前表面(在图2的定向中的下表面)。
形成图2的结构的工艺可以例如从相对厚(例如厚度大于100μm)的半导体衬底开始，之后在衬底的前表面侧上、在衬底内部和顶部上形成有源光敏区域和可能的传感器像素控制晶体管。然后，在衬底的前表面侧上形成互连叠层103，之后，从衬底的后表面减薄衬底以仅保持例如具有小于10μm的厚度的半导体层101。为了确保传感器的机械阻力，可以在半导体衬底减薄步骤之前将支撑基体(未示出)放置成抵靠互连叠层103的前表面。在该阶段，在其内部和周围形成不同传感器像素的半导体层101的部分被形成为不是彼此绝缘。
图3示出了从半导体层101的后表面刻蚀垂直沟槽201的步骤，垂直沟槽201使在其内部和周围形成不同传感器像素的半导体层101的部分彼此绝缘。在顶视图中，在传感器的每个像素中，在其内部和周围的形成像素的半导体层101的部分完全被沟槽201围绕。在本示例中，沟槽201在半导体层101的整个厚度上垂直延伸，并且在互连叠层103的后表面的水平面处中断。
图4示出了填充沟槽201以形成垂直壁105来使传感器像素绝缘的步骤。作为示例，沟槽201可以完全填充有例如氧化硅的绝缘材料。作为变型，仅沟槽的壁涂覆有例如氧化硅的绝缘材料，然后用导电材料(例如多晶硅或诸如钨的金属)填充沟槽。在填充沟槽之前，可以在沟槽壁之上沉积例如由氮化硅制成的保护涂层。例如通过化学机械抛光(CMP)可以提供一个或多个平坦化步骤，使得***绝缘壁105的后表面与半导体层101的后表面齐平。
作为变型，刻蚀沟槽201(图3)和填充沟槽201(图4)的步骤可以在形成互连叠层103和从后表面减薄衬底101之前从衬底101的前表面实现。在这种情况下，沟槽201的深度可以被选择为基本上等于或大于减薄之后的衬底101的最终厚度，使得在减薄衬底101的步骤结束时，***绝缘壁105与衬底101的后表面齐平。
图5示出了在位于像素P1的水平面处从半导体层101的后表面减薄半导体层101的步骤。更具体地，在该步骤期间，在其内部和周围形成像素P1的半导体层101的部分从其后表面在其整个表面之上基本均匀地被刻蚀，以获得目标厚度，使得能够形成在像素P1期望的波长处谐振的腔。在该步骤期间，掩模(未示出)保护像素P2不被刻蚀，更一般地，保护与像素P1不同的所有类型的像素不被刻蚀。与像素P1相同类型的像素与像素P1同时被刻蚀。选择刻蚀方法以在***绝缘壁105之上选择性地刻蚀半导体层101。因此，在图5的刻蚀步骤结束时，在像素P1中(并且可能在与像素P1相同类型的所有像素中)获得由绝缘壁105横向限定的凹陷203，与半导体层101后表面相对。
图6示出了利用填充元件107填充凹陷203的步骤，填充元件107由对待测量的辐射透明的材料制成，例如氧化硅。作为一个例子，填充材料沉积在整个传感器的背侧上，其厚度足以填充凹陷203，之后提供例如通过化学机械抛光(CMP)的平坦化步骤，以去除多余的填充材料。在该步骤结束时，像素P1的填充元件107的后表面与***绝缘壁105的后表面齐平，并且与像素P2中的半导体层101的后表面处于同一水平面。
图7示出了在位于像素P2的水平面处从半导体层101的后表面减薄半导体层101的步骤。更具体地，在该步骤期间，在其内部和周围形成像素P2的半导体层101的部分从其后表面在其整个表面上基本均匀地被刻蚀，以获得目标厚度，使得能够形成在像素P2的期望的波长处谐振的腔。在该步骤期间，掩模(未示出)保护像素P1不被刻蚀，并且更一般地，保护与像素P2不同的所有类型的像素不被刻蚀。与像素P2同时刻蚀与像素P2相同类型的像素。选择刻蚀方法以在***绝缘壁105之上选择性地刻蚀半导体层101。因此，在图7的刻蚀步骤结束时，在像素P2中(并且可能在与像素P2相同类型的所有像素中)获得由绝缘壁105横向限定的凹陷205，与半导体层101后表面相对。
图8示出了利用填充元件107填充凹陷205的步骤，填充元件107由对待测量的辐射透明的材料制成，例如由氧化硅制成。作为一个例子，填充材料沉积在整个传感器的背侧上，其厚度足以填充凹陷203，之后提供例如通过化学机械抛光(CMP)的平坦化步骤，以去除多余的填充材料。在该步骤结束时，像素P2的填充元件107的后表面与***绝缘壁105的后表面齐平，并且与像素P1的填充元件107的后表面处于同一水平面。
因为传感器包括不同的像素类型，通过每次根据每个像素类型所需的谐振波长来调整层101的刻蚀深度，图7和图8的步骤可以被重复多次。
图9示出了在前面步骤结束时获得的结构的背侧上沉积平坦化层109的后续步骤。层109例如是具有基本均匀厚度的连续层，其在传感器的整个表面之上延伸。图9还示出了在平坦化层109的后表面上形成微透镜111的步骤。作为示例，传感器包括与像素的光敏区域相对布置的、每像素的一个微透镜111。
图10是示意性地且部分地示出根据第二实施例的多光谱图像传感器的示例的截面图。应注意，图10的传感器包括与图1的传感器共同的元件。在下文中，将不再描述共同元件，并且将仅详细描述与图1的传感器的不同之处。
如在图1的示例中，图10的传感器包括多个像素，其中不同类型的像素能够测量不同波长范围内的光辐射。在图10中，示出了不同类型的四个相邻像素P1、P2、P3和P4。
图10的传感器与图1的传感器的不同之处在于，在图10的示例中，在其内部和周围形成传感器像素的半导体层101在所有传感器像素中具有基本相同的厚度。
如在图1的示例中，每个传感器像素包括半导体层101的部分，该部分沿着层101的基本上整个高度、由在半导体层101中垂直延伸的***绝缘壁105横向界定，其中形成有像素的有源光敏区域。
根据第二实施例的一个方面，在其中形成有不同类型像素的有源光敏区域的半导体层101的部分具有不同的横向尺寸(在水平方向上)。在其中形成有相同类型像素的有源光敏区域的半导体层101的部分具有基本相同的横向尺寸。应当注意，作为示例，这里的横向尺寸是指：在像素的半导体层部分101具有圆形形状(在顶视图中)的情况下的直径，或在像素的半导体层101的部分具有正方形或矩形形状(在顶视图中)的情况下的宽度和/或长度。
更具体地，对于传感器的每种类型的像素，选择在其内部和周围形成所考虑类型的像素的半导体层101的部分的横向尺寸，以在所考虑类型的每个像素中限定在特定于所考虑的像素类型的一个或多个波长处谐振的垂直光学腔。换句话说，选择在其中形成有传感器像素的半导体层101的部分的横向尺寸，使得相同类型的像素的横向光学腔基本上在相同波长或多个相同波长处谐振，并且不同类型的横向光学腔在不同波长处谐振。
在图10的示例中，像素之间的节距，即传感器的两个相邻像素之间的中心至中心距离，对于所有传感器像素基本相同。因此，为了在传感器的不同像素中限定具有不同横向尺寸的半导体层101的部分，***绝缘壁105的宽度是变化的。更具体地，在该示例中，在传感器的每个像素中，像素的***绝缘壁105的宽度都是较小的而像素的层101的部分的横向尺寸是显著的，并且反之亦然。
在图10的传感器中，每个像素在半导体层101的后表面上包括衍射结构301，衍射结构301能够使进入像素的半导体层101的部分的光偏离，使得由像素接收的光的主要部分在像素的半导体层101的部分内沿基本水平的方向传播。衍射结构301例如包括单个或多个腔，该单个或多个腔在半导体层101的后表面上形成在像素的半导体层101的部分中，并且被填充有折射率不同于半导体层101的折射率的材料，例如，折射率小于半导体层101的折射率的材料，例如，在层101由硅制成的情况下的氧化硅。例如，衍射结构301的一个或多个腔具有的深度小于半导体层101的厚度的十分之一，例如，小于250nm的深度。在所示的示例中，在每个像素中，衍射结构301包括锥形或金字塔形的单个腔，其基本上布置在像素的中心处，其基部与层101的后表面齐平并且其顶部面向层101的前表面。然而，所描述的实施例不限于该特定形状。衍射结构301例如在所有传感器像素中是相同的。作为变型(未示出)，在每个像素中，半导体层101的后表面可以是基本上平面的，继而衍射结构301在绝缘层109中形成在层101的后表面下方。在这种情况下，衍射结构301可以包括形成在绝缘层109中并且填充有折射率不同于层109的折射率的材料的一个或多个腔，例如，折射率大于层109的折射率的材料，例如多晶硅。
应当注意，在每个像素中，使得在其内部和周围形成像素的半导体层101的部分限定谐振的横向光学腔，半导体层101的所考虑部分的横向侧应该对在半导体层101的部分内传播的光线进行反射。在图10的传感器中，这是通过以下事实获得的：在每个像素中，像素的半导体层101的部分的每个侧表面涂覆有折射率小于层101的材料的折射率的绝缘材料层，例如，在层101由硅制成的情况下，绝缘材料层为氧化硅。如在图1的实施例中那样，***绝缘壁可以包括中心导电壁，例如金属，这有利于光学腔内的光的限制和横向反射。
在图10的示例中，例如由氧化硅制成的附加平坦化层109涂覆传感器的背侧，特别是半导体层101的部分的后表面和传感器像素的***绝缘壁105的后表面。
在图10的示例中，每个像素还包括微透镜111，微透镜111布置在传感器的后侧，与像素的层101的部分相对，能够将入射光朝向像素的有源光敏区域聚焦。更具体地，在该示例中，微透镜111布置在平坦化层109的后表面上。
在操作中，在传感器的每个像素中，入射辐射经由微透镜111、平坦化层109和衍射结构301在半导体层101中传输。如在图1的示例中，涂覆半导体层101的后表面的传感器元件对于所有传感器像素具有基本相同的频率响应。
入射光从半导体层101的后表面透入半导体层101，被衍射结构301偏离，然后在半导体层101的侧表面上被交替反射。如此限定的横向光学腔具有一个或多个谐振波长。这导致半导体层101在谐振波长处的一个或多个光吸收峰值。因此，尽管将宽范围的波长传输到半导体层101，但是由每个像素测量的光生电荷的量主要表示在像素的谐振波长处接收的光强度。因此，具有不同谐振波长的不同类型的像素测量不同波长下的光强度。
应当注意，在图10的示例中，相同类型的像素全部相同或相似，并且不同类型的像素仅由于在其内部和周围分别形成它们的半导体层101的部分的横向尺寸而彼此不同。
图10的实施例的优点在于，它能够形成多光谱图像传感器，而不必在不同类型的像素上形成由不同材料制成的滤光元件(即，用于测量不同波长范围中的光线)。
图11、图12、图13、图14和图15是示意性地示出制造关于图10所述类型的多光谱图像传感器的方法示例的步骤的截面图。应当注意，与图10的表示相比，垂直定向被颠倒，即在图11、图12、图13、图14和图15的视图中，前表面对应于下表面，后表面对应于上表面。此外，在图11、图12、图13、图14和图15的示例中，为了简化，仅详细描述了形成两个不同类型的像素，分别对应于图10的传感器的像素P1(在图11至图15的右手部分中)和P2(在图11至图15的左手部分中)。
图11示出了与图2的结构相同或相似的初始结构。
图12示出了类似于图3的步骤的步骤，即从半导体层101的后表面刻蚀垂直沟槽201，垂直沟槽201将在其内部和周围形成传感器的不同像素的半导体层101的部分彼此绝缘。与图3的步骤相比，主要区别在于，在图12的步骤中，沟槽201具有根据所考虑的像素类型而变化的宽度。
图13示出了类似于图4的步骤的步骤，即填充沟槽201以形成传感器像素的垂直绝缘壁105。
图14示出了在每个像素中在像素的半导体层101的部分的后表面上刻蚀一个或多个腔401以形成像素的衍射输入结构301的步骤。
图15示出了在前面步骤结束时获得的结构的背侧上沉积平坦化层109的后续步骤。层109例如是连续层，该连续层在整个传感器表面上延伸。在该示例中，平坦化层109的材料(例如，氧化硅)也填充腔401，从而形成衍射结构301。图15还示出了在平坦化层109的后表面上形成微透镜111的类似于图9的步骤。
图16是示意性地且部分地示出图10的图像传感器的替代实施例的横截面图。
图16的传感器与图10的传感器的不同之处主要在于，在图16的示例中，在每个像素中，包含像素的有源光敏区域的半导体层101的部分完全被特定于像素(并且不像图10的示例中那样由两个相邻像素共享)的***绝缘壁105包围。换句话说，在这个例子中，两个相邻像素的有源光敏区域被在它们之间延伸的两个***绝缘壁105横向隔开，该两个***绝缘壁105具有不包含有源光敏区域的半导体层101的部分501。作为示例，在顶视图中，区域501形成连续网格，连续网格的尺寸基本上等于传感器的像素阵列的尺寸，使传感器的不同像素彼此分隔。
在图16的示例中，像素之间的节距、即传感器的两个相邻像素之间的中心至中心距离，对于所有传感器像素基本相同。此外，***绝缘壁105的(在水平方向上的)宽度对于传感器的所有像素基本相同。因此，为了在传感器的不同像素中限定具有不同横向尺寸的半导体层101的部分，改变分隔像素的半导体层101的非有源部分501的宽度。更具体地，在传感器的每个像素中，层101的分隔部分501的宽度都是较小的而包含像素的有源光敏区域的层101的部分的横向尺寸较大，反之亦然。
与图10的传感器相比，图16的传感器的优点在于传感器的所有***绝缘壁105具有基本相同的宽度，这使得传感器的形成更容易。
已经描述了各种实施例和变型。本领域技术人员将理解，可以组合这些各种实施例和变型的某些特征，并且本领域技术人员将想到其他变型。特别地，第一实施例和第二实施例可以组合，即，可以提供包括布置成具有垂直谐振操作的像素(例如关于图1所描述的)以及布置成具有横向谐振操作的不同类型的像素(例如关于图10和图16描述的)的图像传感器。可以特别提供具有不同类型的像素的传感器，所述像素由于横向尺寸和包含像素的有源光敏区域的半导体层101的部分的厚度二者而彼此不同。
此外，所描述的实施例不限于本公开中提到的材料和尺寸的示例。
这些改变、修改和改进旨在成为本公开的一部分，并且旨在落入本发明的精神和范围内。因此，前面的描述仅是示例性的，而不是限制性的。本发明仅受以下权利要求及其等同物限制。

Claims (21)

1.一种多光谱图像传感器，包括：
半导体层；和
形成在所述半导体层的内部和顶部的多个像素，每个像素包括形成在由***绝缘壁横向限定的半导体层的部分中的有源光敏区域，所述多个像素包括第一类型的第一像素和第二类型的第二像素，其中所述第一像素的半导体层的部分具有第一横向尺寸，所述第一横向尺寸被选择为限定以第一波长谐振的横向腔，并且其中所述第二像素的半导体层的部分具有不同于所述第一横向尺寸的第二横向尺寸，所述第二横向尺寸被选择为限定以不同于所述第一波长的第二波长谐振的横向腔。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述第一像素和所述第二像素均包括布置在所述像素的半导体层的部分的后表面上的衍射结构。
3.根据权利要求2所述的传感器，其中，所述衍射结构由形成在每个像素的半导体层的部分中的腔形成，所述腔填充有折射率小于所述半导体层的材料的折射率的材料。
4.根据权利要求2所述的传感器，其中所述传感器被配置为背侧照射。
5.根据权利要求2所述的传感器，还包括与所述半导体层的前表面相邻的绝缘区域，所述绝缘区域具有金属层，所述金属层具有所述像素的互连的金属化。
6.根据权利要求1所述的传感器，其中所述***绝缘壁由夹在由绝缘材料制成的两个壁之间的金属壁形成。
7.根据权利要求1所述的传感器，其中所述传感器具有形成在所述半导体层的部分的内部和顶部上的两种以上不同类型的像素，每种不同类型的像素具有不同的横向尺寸，所述不同的横向尺寸被选择为限定以不同波长谐振的横向腔。
8.根据权利要求7所述的传感器，其中所述传感器具有至少四种不同类型的像素。
9.根据权利要求1所述的传感器，其中第一类型和第二类型的像素的半导体层的部分具有基本相同的厚度。
10.根据权利要求9所述的传感器，其中所述第一像素和所述第二像素均包括布置在所述像素的半导体层的部分的后表面上的衍射结构。
11.根据权利要求1所述的传感器，其中所述第一类型和所述第二类型的像素的半导体层的部分是不同的。
12.一种形成图像传感器的方法，所述方法包括：
在半导体衬底中刻蚀沟槽结构，以将所述半导体衬底的第一部分与所述半导体衬底的第二部分分离，所述第一部分和所述第二部分具有不同的横向尺寸；
填充所述沟槽结构；
在所述半导体衬底的第一部分的后侧表面处形成第一衍射结构，并且在所述半导体衬底的第二部分的后侧表面处形成第二衍射结构；以及
在所述半导体衬底的第一部分和第二部分的后侧表面上方形成微透镜层。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述半导体衬底的第一部分包括形成所述图像传感器的第一像素的第一有源光敏区域，并且其中所述半导体衬底的第二部分包括形成所述图像传感器的第二像素的第二有源光敏区域，所述第一像素被配置为感测与所述第二像素不同的光波长。
14.根据权利要求12所述的方法，其中填充所述沟槽结构包括用绝缘材料填充所述沟槽结构。
15.根据权利要求12所述的方法，其中填充所述沟槽结构包括用绝缘材料对所述沟槽结构的侧壁加衬并用金属材料填充所述沟槽结构。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，在所述半导体衬底的背侧表面处刻蚀所述第一部分和所述第二部分，所述方法还包括在所述半导体衬底的前侧表面上方形成多个互连区域。
17.根据权利要求12所述的方法，其中所述半导体衬底的第一部分和第二部分具有相同的厚度。
18.一种多光谱传感器，包括：
半导体衬底，具有前侧和背侧；
多个互连层，在所述半导体衬底的前侧处；
微透镜层，在所述半导体衬底的背侧处；以及
多个光敏区域，在所述互连层和所述微透镜层之间的所述半导体衬底内，每个所述光敏区域具有与待检测的光的颜色相关联的横向尺寸，其中所述多光谱传感器包括具有至少四个不同横向尺寸的光敏区域，使得所述多光谱传感器能够检测至少四种不同颜色的光。
19.根据权利要求18所述的传感器，其中，所述光敏区域通过***绝缘壁彼此分开，所述***绝缘壁由夹在由绝缘材料制成的两个壁之间的金属壁形成。
20.根据权利要求18所述的传感器，其中所述半导体衬底的前侧和背侧涂覆有绝缘材料，所述绝缘材料具有的折射率小于所述光敏区域的半导体材料的折射率。
21.根据权利要求18所述的传感器，其中每个所述光敏区域具有相同的厚度。
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