CN114664872A - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种图像传感器及其制造方法。公开一种用于高清晰度HD图像传感器的像素阵列。所述像素阵列包含数个***像素单元，每一***像素单元包含第一光电二极管及比所述第一光电二极管对入射光更敏感的第二光电二极管。所述第一光电二极管可用于感测明亮或高强度光条件，而所述第二光电二极管可用于感测低到中强度光条件。在所述所公开像素阵列中，通过在每一***像素单元的所述第一光电二极管上方施加光衰减层来降低一或多个光电二极管的敏感度。根据本公开的方法，可在形成金属光学隔离栅格结构之前形成所述光衰减层。这可能导致更好地控制所述光衰减层的厚度及均匀性。

Description

图像传感器及其制造方法
技术领域
本公开大体上涉及图像传感器，且特定来说但不排他地，涉及采用具有减少的LED闪烁的***像素设计的图像传感器，例如高动态范围(HDR)图像传感器。
背景技术
CMOS图像传感器(CIS)已经无处不在。它们被广泛用于数字静态相机、蜂窝电话、监控摄像机以及医疗、汽车及其它应用中。典型的图像传感器响应于从外部场景反射的图像光入射在所述图像传感器上而操作。所述图像传感器包含具有光敏元件(例如，光电二极管)的像素阵列，所述光敏元件吸收入射图像光的一部分且在吸收所述图像光后生成图像电荷。可将所述像素中的每一者的图像电荷测量为每一光敏元件的输出电压，所述输出电压随入射图像光而变动。换句话说，经生成图像电荷的量与图像光的强度成比例，所述图像电荷用于产生表示外部场景的数字图像(即，图像数据)。
典型的图像传感器如下那样操作。来自外部场景的图像光入射在所述图像传感器上。所述图像传感器包含多个光敏元件使得每一光敏元件吸收入射图像光的一部分。包含在所述图像传感器中的光敏元件，例如光电二极管，在吸收图像光后各自生成图像电荷。经生成图像电荷的量与图像光的强度成比例。经生成图像电荷可用于产生表示外部场景的图像。
尤其是随着对更高分辨率及更低功率消耗的需求不断地在持续，用于图像传感器的集成电路(IC)技术不断地得到改进。此类改进通常涉及缩小装置的几何尺寸以实现更低制造成本、更高装置集成密度、更高速度及更好性能。
但是，随着图像传感器的小型化的进展，图像传感器架构内的缺陷变得更加显而易见且可能降低图像的图像质量。例如，图像传感器的某些区内的过多电流泄漏可能引起高暗电流、传感器噪声、白色像素缺陷等。这些缺陷可能使来自图像传感器的图像质量显著地劣化，这可能导致降低的良率及更高的生产成本。
高动态范围(HDR)图像传感器可能提出其它挑战。例如，一些HDR图像传感器布局不是空间高效的且难以小型化为更小节距以实现更高分辨率。另外，由于许多这些HDR 图像传感器的非对称布局，减小像素的大小及节距以实现高分辨率图像传感器会导致串扰或其它不良副作用，例如随着节距减小而可能在这些图像传感器中出现的对角光斑。此外，许多HDR图像传感器需要具有非常大的全阱容量(FWC)的结构以适应大动态范围。然而，较大FWC要求引起滞后、白色像素(WP)、暗电流(DC)及其它不必要的问题。
发明内容
一方面，本公开涉及一种***像素单元，其包括：半导体衬底，其具有光接收表面；第一光电二极管，其经安置在半导体衬底中且响应于入射光而光生图像电荷；第二光电二极管，其邻近所述第一光电二极管安置在所述半导体衬底中，所述第二光电二极管响应于入射光而光生图像电荷，其中所述第二光电二极管比所述第一光电二极管对入射光更敏感；第一及第二光学隔离栅格区段，其经安置在所述半导体衬底的所述光接收表面上，包围所述第一光电二极管的曝光区域，所述第一及第二光学隔离栅格区段具有面向所述入射光的顶表面，以及内及外侧壁；光衰减层，其邻近所述第一及第二光学隔离栅格区段的所述内侧壁安置且与所述第一光电二极管光学对准；及势垒膜，其直接安置在所述第一及第二光学隔离栅格区段的所述内或外侧壁上。
另一方面，本公开涉及一种用于制造图像传感器的方法，其包括：设置具有多个第一光电二极管及多个第二光电二极管的半导体衬底，其中所述第一光电二极管中的每一者经布置以被所述第二光电二极管环绕，其中所述第二多个光电二极管中的每一者对入射光具有比所述第一多个光电二极管大的敏感度；在所述半导体衬底的第一表面上方形成光衰减层，所述光衰减层跨所述多个第一光电二极管及所述多个第二光电二极管覆盖所述第一表面；此后在所述半导体衬底上方形成光学隔离栅格结构，所述光学隔离栅格结构经安置在所述多个第一光电二极管及多个第二光电二极管中的每一光电二极管上方及之间，所述光学隔离栅格结构界定各自具有顶表面以及内及外侧壁的多个光学隔离栅格区段；此后移除所述多个第二光电二极管上方的所述光衰减层的区段，由此留下仅在所述多个第一光电二极管上方的所述光衰减层的第一光电二极管区段；在所述光学隔离栅格结构及所述光衰减层的所述第一光电二极管区段上方形成缓冲层，其中所述缓冲层直接安置在所述光学隔离栅格区段的所述顶表面上。
附图说明
图1说明根据本公开的实施例的图像传感器的一个实例。
图2是根据本公开的实施例的像素单元的一个实例的说明性示意图。
图3是根据本公开的实施例的像素阵列的一个实例的俯视示意性部分视图。
图4是沿着线4-4截取的图3的像素阵列的示意性横截面视图。
图5是根据本公开的实施例的用于制造图3的像素阵列的实例流程图。
图6A-6H是根据一种制造工艺，例如图5的制造工艺的像素阵列的示意性部分视图。
贯穿附图的若干视图，对应参考字符指示对应组件。所属领域的技术人员将明白，图中的元件是为了简单及清楚起见而说明且不一定按比例绘制。例如，图中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件被放大以帮助改进对本公开的各种实施例的理解。而且，通常未描绘在商业上可行的实施例中有用或必需的常见但易于理解的元件以便促进对本公开的这些各种实施例的更清晰观察。
具体实施方式
提供具有带有光衰减层的***像素单元的设备的实例。还提供制造此设备的方法。因此，在以下描述中，阐述众多特定细节以提供对所述实例的透彻理解。相关领域的技术人员将认识到；然而，本文中所描述的技术可在没有所述特定细节中的一或多者的情况下或利用其它方法、组件、材料等实践。在其它例子中，未详细地展示或描述众所周知的结构、材料或操作以避免混淆某些方面。
本说明书通篇对“一个实例”或“一个实施例”的引用表示结合所述实例所描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明的至少一个实例中。因此，本说明书通篇出现的短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”不一定全部指同一实例。此外，在一或多个实例中可以任何合适方式组合特定特征、结构或特性。
为了便于描述，在本文中可使用空间相对术语，例如“在...下面”、“在...下方”、“在...之下”、“在...下”、“在...上方”、“在...之上”等来描述一个元件或特征与另一(些)元件或特征的关系，如图中所说明。将理解，除图中所描绘的定向以外，空间相对术语还意在涵盖装置在使用或操作中的不同定向。例如，如果图中的装置被翻转，那么被描述为“在其它元件或特征下方”、“在其它元件或特征下面”或“在其它元件或特征下”的元件将被定向为“在其它元件或特征上方”。因此，示范性术语“在...下方”及“在...下”可涵盖在...上方及在...下方两个定向。装置可以其它方式定向(旋转90度或按其它定向)且相应地解释本文中所使用的空间相对描述语。
另外，还将理解，当一层被称为“在两个层之间”时，其可为两个层之间的唯一层，或也可存在一或多个中介层。类似地，将理解，当一元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，其可直接连接或耦合到另一元件，或可存在中介元件。相比之下，当一元件被称为“直接连接”或“直接耦合”另一元件时，不存在中介元件。应以类似方式解释用于描述元件或层之间的关系的其它词语(例如，“在...之间”与“直接在...之间”、“邻近”与“直接邻近”、“在...上”与“直接在...上”)。
贯穿说明书，使用若干技术术语。这些术语应具有其所属领域的普通含义，除非本文中明确地定义或其使用上下文另有明确地指示。应注意，贯穿本文献，元素名称及符号可互换地使用(例如，Si与硅)；然而，两者具有相同含义。
本文中可参考作为实例实施例的理想化实施例(及中间结构)的示意性图解说明的横截面图解说明来描述实例实施例。因而，预期由于例如制造技术及/或公差所致的图解说明的形状变动。因此，实例实施例不应被解释为限于本文中所说明的区的特定形状，而是包含例如起因于制造的形状偏差。例如，被说明为矩形的植入区可在其边缘处具有圆形或弯曲特征及/或植入浓度梯度，而非从植入区到非植入区的二元变化。同样地，通过植入形成的掩埋区可能导致在掩埋区与通过其发生植入的表面之间的区中的一定植入。因此，图中所说明的区本质上是示意性的且它们的形状并非意在说明装置的区的实际形状且并非意在限制实例实施例的范围。
如将展示，公开用于高动态范围成像的像素单元的实例。在各种实例中，实例***像素单元包含数个光电二极管区(例如，四个、九个、十六个等)。在实例中，至少一个光电二极管区经配置以形成小光电二极管且环绕小光电二极管的数个光电二极管区(例如，剩余光电二极管区)经配置以形成大光电二极管。在一些实例中，小光电二极管可用于感测明亮或高强度光条件，而大光电二极管可用于感测低到中强度光条件。这些实例像素单元中的一或多者可经布置在像素阵列中且例如用于高动态范围成像。在一些实例中，像素阵列的像素单元可采用3T、4T或5T像素架构。在一些实例中，采用共享像素单元架构，其中光电二极管经由数个转移门耦合到共同浮动扩散区。
在汽车行业中，图像传感器用于倒车摄像机、高级驾驶辅助***(ADAS)、基于摄像机的镜子，有时被称为电子后视镜等。随着LED照明在车辆中的普及，需要具有低LED 闪烁的HDR图像传感器。通常，由于LED光生成的开/关特性，在人眼看来连续的LED 光可能在由采用HDR图像传感器的摄像机捕获的图像中看起来闪烁。由这些***中的一或多者呈现给驾驶员的图像中的闪烁的LED可能引起驾驶员困惑、驾驶员注意力分散等。
已提出用于解决图像捕获等中的LED闪烁的技术。例如，均转让给豪威科技公司(Omnivision Technologies Inc)的第9,590,005号美国专利及第2018/0366513号美国专利公开案采用定位在***像素单元的小光电二极管上方的光衰减层。光衰减层降低光电二极管的敏感度，这可允许小光电二极管的更长积分时间，防止积分期间的饱和等。
然而，对具有低功率消耗的更高分辨率图像传感器的持续需求导致不断减小的像素大小。随着像素大小减小，从***像素单元的大光电二极管移除光衰减层变得更具挑战性。例如，当前处理方案难以清楚地蚀刻掉光学隔离栅格中与大光电二极管相关联的窄空间中的光衰减层。另外，当前处理方案难以在通常由这些传感器类型采用的窄间隔光学隔离栅格结构之间均匀地沉积光衰减层。
本公开的方法及技术寻求解决与例如在汽车环境等中采用的***像素单元相关联的这些问题。例如，所公开标的物的实例旨在通过降低例如3T、4T或5T像素单元(包含***像素设计的那些像素单元)的一或多个光电二极管的敏感度使得可实现更长积分时间，防止积分期间的饱和等以便提高图像传感器的动态范围来减少HDR图像传感器中相关联的LED闪烁。在一些实例中，通过在***像素单元的小光电二极管上方施加光衰减层来降低一或多个光电二极管的敏感度。根据本公开的方法，可在形成金属光学隔离栅格结构之前形成光衰减层。通过在形成金属光学隔离栅格结构之前形成光衰减层，光衰减层不会形成在金属光学隔离栅格结构上(这会使后续光刻工艺降级)且可更好地控制光衰减层的厚度。
如下文将更详细地描述，在实例实施例中，像素单元的晶体管可为N沟道金属氧化物半导体(NMOS)类型，其中金属可为多晶硅(poly-Si)、钨(W)等，氧化物可为电介质，例如SiO2(例如，热生长或沉积在半导体材料上)，且半导体可对应于半导体材料的一部分，例如硅(例如，单晶或多晶Si)、绝缘体上硅(SOI)等。
为了说明，图1示出说明根据本公开的技术及方法的使用具有例如***像素单元的像素阵列来检测低/中及高强度照明的实例图像传感器100的框图。图像传感器100可被实施为互补金属氧化物半导体(“CMOS”)图像传感器。如图1中所说明的实例中所展示，图像传感器100包含耦合到控制电路***108及读出电路***104的像素阵列102，所述读出电路***104经耦合到功能逻辑106。
像素阵列102的所说明实施例是成像传感器或像素单元110(例如，像素单元P1、P2、...、Pn)的二维(“2D”)阵列。在一个实例中，根据本公开的技术及方法，每一像素单元包含可用于成像的一或多个子像素或像素区。如所说明，每一像素单元110经布置成行(例如，行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)以获取人、地方或物体等的图像数据，接着可使用所述图像数据来再现人、地方或物体等的图像。如下文将更详细地描述，根据本公开的技术及方法，每一像素单元110(例如，像素单元P1、P2、...、Pn)可包含例如邻近于一或多个大光电二极管的小光电二极管，其中光衰减层经放置在小光电二极管上方。
在一个实例中，在每一像素单元110已获取其图像数据或图像电荷之后，图像数据由读出电路***104通过读出列位线112读出且接着转移到功能逻辑106。在各种实例中，读出电路***104可包含放大电路***(未说明)、包含模/数转换(ADC)电路***的列读出电路或其它电路***。功能逻辑106可简单地存储图像数据或甚至通过施加后期图像效果(例如，裁剪、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或以其它方式)来操纵图像数据。在一个实例中，读出电路***104可沿着读出列线一次读出一行图像数据(所说明)或可使用多种其它技术来读出图像数据(未说明)，例如串行读出或同时完全并行读出所有像素。
在一个实例中，控制电路***108经耦合到像素阵列102以控制像素阵列102的操作特性。例如，在一个实例中，控制电路***108生成转移门信号及其它控制信号以控制图像数据从像素阵列102的共享像素单元110的子像素或像素区的转移及读出。另外，控制电路***108可生成用于控制图像获取的快门信号。在一个实例中，快门信号是用于同时启用像素阵列102内的所有像素以在单个获取窗口期间同时捕获它们的相应图像数据的全局快门信号。在另一实例中，快门信号是滚动快门信号使得在连续获取窗口期间循序地启用每一行像素、每一列像素或每一群组像素。快门信号还可确立曝光时间，所述曝光时间是快门保持打开的时间长度。在一个实施例中，将曝光时间设置为对于所述帧中的每一者相同。
在一个实例中，控制电路***108可控制提供到像素单元110的各种控制信号的时序以减少与像素单元110中的每一者的浮动扩散区相关联的暗电流。在一些非限制性实施例，像素单元110可为所谓的4T像素单元，例如，四晶体管像素单元。在其它非限制性实施例中，像素单元110可为所谓的3T像素单元，例如，三晶体管像素单元。在其它非限制性实施例中，像素单元110可为所谓的5T像素单元，例如，五晶体管像素单元。在一些其它非限制性实施例中，无论晶体管数目如何(例如，3个、4个、5个等)，像素单元均是***像素类型。
在一个实例中，图像传感器100可被包含在数码相机、手机、膝上型计算机等中。另外，图像传感器100可经耦合到其它硬件，例如处理器(通用或其它)、存储器元件、输出(USB端口、无线发射器、HDMI端口等)、照明装置/闪光灯、电输入(键盘、触摸显示器、触控板、鼠标、麦克风等)及/或显示器。其它硬件可将指令递送到图像传感器100，从图像传感器100提取图像数据，或操纵由图像传感器100供应的图像数据。
图2是根据本公开的教示的具有***像素设计的实例像素单元210的说明性示意图。然而，应明白，本公开的实施例不限于图2的像素架构；相反，受益于本公开的领域的一般技术人员将理解，本教示也适用于3T设计、5T设计、共享及非共享像素设计以及各种其它像素架构。
应明白，图2的像素单元210可为图1的像素单元110的实例，且下文所引用的类似命名及编号元件可与上文所描述那样类似地耦合及起作用。例如，像素单元210可经耦合到位线(例如，读出列)，所述位线可将图像数据提供到例如读出电路***104的读出电路***，且像素单元210可从例如控制电路***108的控制电路***接收控制信号，以控制像素单元210的各种晶体管的操作。控制电路***108可以相对时序控制所述晶体管以所要序列的操作以便例如将像素复位为暗状态，且例如在积分之后读出图像数据。
像素单元210的所说明实例包含第一光电转换元件或光电二极管区212，例如小光电二极管(PDl)，及共同构成大光电二极管(PD2-PD4)的数个(被展示为三个)第二光电转换元件或光电二极管区214、216、218。像素单元210的所说明实例可被称为4C像素单元。在操作中，小光电二极管(PD1)及大光电二极管(PD2-PD4)经耦合以响应于入射光而光生图像电荷。在实施例中，大及小光电二极管可用于提供高动态范围(HDR)图像的图像数据。例如，小光电二极管(PD1)可用于感测明亮或高强度光条件，而大光电二极管(PD2- PD4)可用于感测较昏暗的低到中强度光条件以提供高动态范围(HDR)图像的图像数据。
在实例实施例中，由光电二极管区214、216、218共同形成的大光电二极管具有比小光电二极管(例如，光电二极管区212)的曝光区域大的曝光区域。在另一实例实施例中，小光电二极管具有比大光电二极管(例如，光电二极管区214、216、218的组合全阱容量)小的全阱容量(FWC)。在另一实例实施例中，小光电二极管包含短积分，而大光电二极管包含长积分。在另一实例实施例中，大光电二极管包含长积分且小光电二极管包含甚至更长的积分以确保例如每个帧中的LED捕获。
在一个实例实施例中，如下文将更详细地描述，LED闪烁减少(LFR)膜或光衰减层仅经安置在小光电二极管(PDl)上方以降低小光电二极管(PDl)的敏感度，而大光电二极管(PD2-4)的敏感度保持不变。因此，大光电二极管的光电二极管区214、216、218对入射光具有更高敏感度且因此可用于更低光强度感测。另一方面，由于小光电二极管(PD1)具有例如更小曝光面积、更小FWC等，且由于存在安置在小型光电二极管(PD1)上方的光衰减层，因此其与大光电二极管(PD2-4)相比对高强度光不太敏感且因此用于更高光强度感测。通过在像素单元210中利用大及小光电二极管两者，实现HDR成像感测。如下文将更详细地描述，例如，降低敏感度的小光电二极管可能导致饱和之前的积分时间增加。
像素单元210还包含：第一转移晶体管的第一转移门220，其与小光电二极管212相关联；第二、第三及第四转移晶体管的第二到第四转移门222、224、226，其分别与大光电二极管的光电二极管214、216、218相关联；及浮动扩散区(FD)228。第一转移门220经耦合以响应于控制信号TX1而将图像电荷从小光电二极管212转移到浮动扩散区228。第二、第三及第四转移门222、224、226经耦合以响应于控制信号TX2、TX3、 TX4而将图像电荷从相应的大光电二极管214、216、218转移到浮动扩散区228。在所描绘布置中，浮动扩散区228是光电二极管212、214、216、218共有的且可被称为共同浮动扩散区228。
复位晶体管230经耦合到共同浮动扩散区228以响应于复位信号RST而复位像素单元210(例如，将光电二极管区212、214、216、218及浮动扩散区228放电或充电到预置电压)。放大器晶体管232的栅极端子也经耦合到浮动扩散区228以响应于浮动扩散区228中的图像电荷而生成图像数据信号。在所说明实例中，放大器晶体管232经耦合为源极跟随器(SF)耦合晶体管。行选择晶体管234经耦合到放大器晶体管SF 232以响应于行选择信号SEL而将图像数据信号输出到输出位线，所述输出位线经耦合到例如图 1的读出电路***104的读出电路***。
控制信号TXl及TX2-4使转移门220、222、224、226能够将电荷从光电二极管区212、214、216、218转移到共同浮动扩散区228。从光电二极管转移到浮动扩散区228 的电荷量可取决于像素单元210的当前操作。例如，在复位操作期间，电荷可为在(若干) 光电二极管的暗状态下生成的电荷，但在积分期间，电荷可为经光生图像电荷。在积分结束时，可将图像电荷读出两次以执行相关双重采样(CDS)，其中在两次读出之间出现一或多个暗读数。
图3是根据本公开的技术及方法的包括一或多个像素单元310A-310N的实例像素阵列302的一部分的布局示意性视图或俯视示意性视图。应明白，图3的单元310可为图2的像素单元210的实例，或图1的像素单元110的实例，且下文所引用的类似命名及编号元件可与上文所描述那样类似地耦合及起作用。
为了简洁及清楚起见，现在将更详细地描述像素阵列302的像素单元310B。将明白，像素阵列302的其它像素单元310与像素单元310B基本上相同地构建，且因此将不单独地进行描述。
在图3的实例实施例中，像素单元310B包含第一光电二极管区312，所述第一光电二极管区312经配置以邻近经配置以共同形成大光电二极管的数个光电二极管区314、316、318形成小光电二极管。因而，像素阵列，例如像素阵列302，包含具有多个小光电二极管，例如光电二极管区312的半导体衬底338，所述多个小光电二极管中的每一者被大光电二极管的多个光电二极管区314、316、318环绕。像素单元的每一光电二极管经调适以响应入射光而光生图像电荷。当然，根据本公开的实施例，像素单元310B或像素阵列302可具有其它光电二极管布局。包含多于一个光电二极管或子像素区的像素单元310的实施例“共享”像素单元310B的像素晶体管区(未展示)，且因此，可被称为共享像素单元。
在所说明实例中，大光电二极管的光电二极管区314、316、318(为了简洁起见称为大光电二极管区314、316、18)对入射光具有比小光电二极管的光电二极管区312(为了简洁起见称为小光电二极管区312)大的敏感度。例如，在图3中所描绘的实例中，光衰减层340，例如金属膜层(例如，Ti/TiN堆叠)经安置在半导体衬底338的表面上方。在实例实施例中，光衰减层340与小光电二极管区312光学对准，使得其阻挡或衰减引导到小光电二极管区312上的一些传入入射光。例如，应明白，在光衰减层340沿着入射光368(图4)到像素单元310的小光电二极管区312的光学路径安置的情况下，进一步降低小光电二极管区312的光敏度。通过衰减传入入射光来降低小光电二极管的光敏度可防止小光电二极管在积分期间饱和。防止在积分期间饱和可导致更长积分时间，这可解决例如LED闪烁问题。
在一个实例实施例中，小光电二极管区312的光吸收可通过光衰减层340减少，例如，减少到1/10或更少。入射光368(图4)穿过光衰减层340的透射率是响应于光衰减层340的厚度。因此，可通过控制光衰减层340的厚度来调整入射光到小光电二极管区 312中的透射率。实际上，光衰减层340的最终厚度可基于透明度与厚度图来选择。如下文将更详细地描述，可经由本公开的方法更好地控制光衰减层340的厚度。
根据本公开的教示，像素阵列302还包含邻近半导体衬底338的多个光电二极管安置的光学隔离栅格结构344，例如光势垒栅格。光学隔离栅格结构344界定安置在半导体衬底338的光电二极管上方的多个开口。在一个实例中，光学隔离栅格结构344可由铝、氮化钛或另一其它合适材料组成以制造金属栅格以引导入射光368(图4)穿过多个开口到半导体衬底338中的相应光电二极管中。
如下文将更详细地描述，光学隔离栅格结构344经放置在邻近彩色滤光器(未展示) 之间以抑制光在邻近彩色滤光器之间的透射。将明白，在缺少光学隔离栅格结构344的情况下，来自场景的光可进入与像素阵列302的一个子像素相关联的一个彩色滤光器且在到达光电二极管的光接收表面之前传播到邻近彩色滤光器。这个过程引起邻近子像素之间的串扰(例如光学串扰)。因此，一般来说，提供光学隔离栅格结构344以用于抑制此串扰以提供改进的色彩清晰度及分辨率。
如下文将更详细地描述，可利用多种材料及制造技术来形成像素阵列302。半导体衬底338可具有Si(例如，单晶或多晶Si)的组合物。栅极可具有包含钨或多晶硅的组合物。电介质层(未展示)可具有SiO2、HfO2或所属领域的一般技术人员已知的任何其它合适介电介质的组合物。接点可由具有低欧姆电阻的任何掺杂材料构成。其它金属、半导体及绝缘材料也可用于像素阵列302，如所属领域的一般技术人员已知。半导体材料的掺杂区可通过植入、热扩散等而形成。将明白，说明性实施例中的掺杂极性或掺杂类型 (P型、N型等)可在替代实施例中颠倒。如所属领域的一般技术人员已知，可利用例如光刻、掩蔽、化学蚀刻、离子植入、热蒸发、等离子体气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积、溅射等的制造技术来制造像素单元310、像素阵列302及/或图像传感器100。
图4是沿着图3的线4-4截取的像素阵列，例如像素阵列302的部分横截面视图。像素阵列302由布置成行及列的多个像素单元，例如像素单元310组成。应明白，像素阵列302是出于解释目的而提供且因此仅表示用于实施像素阵列的一个可能的横截面图解说明，且根据本公开的教示的实例不限于如所展示的特定像素阵列横截面图解说明实例。
在图4中所说明的实施例中，像素阵列302包含具有第一或光接收表面354(例如，背侧354)及相对的第二表面356(例如，前侧356)的半导体衬底338。彩色滤光器层360 经安置在半导体衬底338的光接收表面354上。半导体衬底338包含光电二极管(PD)的阵列，所述光电二极管中的每一者响应于入射光368而生成电荷。在实例实施例中，彩色滤光器层360包含通过光学隔离栅格结构344(被展示为栅格区段344A、344B)而分开的彩色滤光器364(被展示为彩色滤光器364A、364B、364C)的阵列。彩色滤光器364 的阵列可经配准到光电二极管(PD)的阵列，使得每一彩色滤光器364与对应光电二极管协作以形成彩色子像素，即，对某个波长范围内的光敏感的子像素。
光电二极管(PD)的阵列包含由光电二极管区312形成、邻近相应的邻近大光电二极管的一或多个光电二极管区316安置的小光电二极管(PDl)。在实例实施例中，大光电二极管的光电二极管区316相对于小光电二极管的光电二极管区312呈环绕关系。在所说明实例中，大光电二极管区316对入射光具有比小光电二极管区312高的敏感度。
在图4中所描绘的实施例中，每一光电二极管区312、316至少部分地通过沟槽隔离结构，例如深沟槽隔离(DTI)结构374而分开。深沟槽隔离结构374经安置在形成在半导体衬底338的背侧或光接收表面354中的沟槽内。例如，深沟槽隔离结构374可用于通过将光反射回到光电二极管中及防止电荷行进穿过半导体衬底338及在半导体衬底 338的表面上行进到其它光电二极管中来电及/或光学隔离光电二极管。
在实例实施例中，深沟槽隔离结构374包含沉积到形成在半导体衬底338中的沟槽中的电介质填充材料(例如，氧化硅)。在一些实施例中，可提供内衬沟槽的侧及底部的电介质层(未展示)。例如，高k衬垫氧化物等(例如，氧化铪、氧化硅等)可在经沉积电介质填充材料(例如，氧化硅)与光电二极管区312、316等之间产生界面。在一些实例实施例中，深沟槽隔离结构374可代替地包含被高k衬垫氧化物环绕的金属芯。
在图4中所描绘的实施例中，钝化层348可经设置在深沟槽隔离结构374上方且靠近半导体衬底338的光接收表面354。彩色滤光器层360也靠近半导体衬底338的光接收表面354安置且与钝化层348介接。钝化层348可为例如氧化硅膜层等。在实例实施例中，像素阵列302进一步包含安置在彩色滤光器阵列360上的微透镜370的阵列以辅助将入射光368聚焦在光电二极管上。
如上文简要地描述，像素阵列302进一步包含安置在钝化层348上方且将彩色滤光器阵列360分成彩色滤光器364A、364B、364C的光学隔离栅格结构344，被展示为栅格区段344A、344B。光学隔离栅格结构344可例如包含可将光反射到恰当光电二极管中的反射材料，例如金属。例如，在一个实例实施例中，光学隔离栅格结构344可由铝、氮化钛或另一其它合适材料组成以制造金属栅格以将入射光368引导到半导体衬底338 中的相应光电二极管中。在一些实施例中，光学隔离栅格结构344与深沟槽隔离结构374 大体上对准(例如，垂直对准)。在所说明实施例中，光学隔离栅格结构344与深沟槽隔离结构374基本上对准(例如，光学对准)。在一些实例实施例中，可在自对准工艺中形成光学隔离栅格结构344。在一些实施例中，光学隔离栅格结构344的每一栅格区段 344A、344B与对应深沟槽隔离结构374垂直对准。
根据本公开的一方面，像素阵列302进一步包含光衰减层340，所述光衰减层340仅与小光电二极管区312光学对准且在光学隔离栅格结构344的栅格区段344A、344B 之间使得其阻挡或衰减进入到小光电二极管区312中的一些传入入射光368，由此降低小光电二极管区312的敏感度。为了清楚起见，光衰减层340仅覆盖像素阵列302的小光电二极管区312的曝光区域且不覆盖像素阵列302的邻近的大光电二极管(即，光衰减层340不覆盖光电二极管区314、316、318(也参见图3))，从而降低由小光电二极管接收的光强度。
在图4中所描绘的实例中，光衰减层340经安置在彩色滤光器364B与钝化层(例如，氧化物层)348之间，且紧靠(例如，直接邻近)光学隔离栅格结构344的栅格区段 344A、344B的内壁。在一个实例实施例中，根据本公开的教示，光衰减层340可由铝、钨、钛、氮化钛、其组合，例如Ti/TiN，或另一合适的薄金属层膜组成以调整入射光368 的透射率。
在实例实施例中，与小光电二极管区312相关联的每一栅格区段，例如栅格区段334A、344B的底部与光衰减层340对准(例如，水平、齐平等)，这可例如提供改进的光学性能(例如，更好地屏蔽大入射角等)。在实施例中，栅格区段334A、344B经安置在光电二极管区312、314、316、318上方且包围小光电二极管区312的曝光区域。在另一实例实施例中，光学隔离栅格结构344及光衰减层340由于实例形成方法而针对每个像素在结构上连接，如下文将更详细地描述，且因此在考虑所述像素的主光线角时可一起偏移。
像素阵列302进一步包含直接安置在光学隔离栅格结构344的栅格区段344A、344B的侧壁表面上的势垒膜378，例如氮化钛膜。在实例实施例中，势垒膜378直接安置在光学隔离栅格结构344的栅格区段344A、344B的整个内及外侧壁表面上。在所说明实施例中，势垒膜378也直接安置在栅格区段344A、344B的底表面与半导体衬底338的光接收表面354(例如，钝化层348)之间。替代地，在一些实例实施例中，光衰减层340 可在光学隔离栅格结构344之前形成，且因此光衰减层340可代替势垒膜378在栅格区段344A、344B的底表面下方延伸且直接接触所述底表面。
在实例实施例中，势垒膜378的厚度是光衰减层340的厚度的近似一半。在实例实施例中，势垒膜378及光衰减层340均未形成在光学隔离结构344的面向外(例如，入射光)表面上或以其它方式与所述面向外表面直接接触。势垒膜378或光衰减层340在栅格区段344A、344B的顶部上的此缺少使光学隔离栅格结构344能够具有基本上平坦的顶表面，改进像素单元310的制造期间的任何后续光刻工艺。
在一些实例实施例中，氧化物层380包围光学隔离栅格结构344的顶(例如，面向入射光)表面，例如整个顶表面，以在光学隔离栅格结构344的栅格区段344A、344B与彩色滤光器阵列360的彩色滤光器364之间提供隔离。在图4中所描绘的实例中，氧化物层380也经形成在光学隔离栅格结构344的其它部分，包含势垒膜378上方，且经形成在光衰减层340上方。在一些实例实施例中，氧化物层380也可经形成在钝化层348上方以便增加彩色滤光器阵列360与半导体衬底338之间的缓冲区的厚度。
像素阵列302可进一步包含将大及小光电二极管连接到读出电子装置，例如读出电路***104的电连接(未展示)。电连接在光电二极管的与光接收表面354相对的侧上，使得从场景朝向光电二极管传播的入射光368不穿过电连接层。
在图4中所描绘的实例中，光电二极管区PD1、PD3经形成在半导体衬底338的背侧上，且因此，像素阵列302可被称为背照式(BSI)像素阵列。虽然本文中已关于图像传感器的背照式(BSI)像素单元或像素阵列描述了实例，但同样可在图像传感器的前照式 (FBI)像素单元或像素阵列等中采用本公开的方法及技术。
图5是说明根据本公开的教示的用于制造像素阵列，例如像素阵列302的方法的一个实例的流程图。将明白，可以任何顺序或同时执行以下方法步骤，除非以明确方式阐述或鉴于(若干)各种操作的上下文来理解顺序。还可实行额外工艺步骤，包含化学机械抛光、掩蔽、额外掺杂等。当然，在实例实施例中可组合或省略一些方法步骤。为了辅助描述图5中所阐述的方法的一或多个步骤，将参考图6A-6H。
在制造工艺开始时，设置半导体衬底，例如半导体衬底338，其具有多个第一光电二极管，例如小光电二极管区312，及多个第二光电二极管，例如由光电二极管区314、 316、318共同形成的大光电二极管。在一些实例实施例中，设置有半导体衬底的第一光电二极管经布置以被第二光电二极管的区环绕。在实例实施例中，第一多个光电二极管 (例如，小光电二极管)对入射光具有比第二多个光电二极管(例如，大光电二极管)小的敏感度。
接着，可在半导体衬底338的表面上形成钝化层(例如，平坦化层)。在实例实施例中，在半导体衬底338的背侧上且在多个第一及第二光电二极管上方形成钝化层，例如钝化层348。钝化层由例如氧化硅的氧化物材料形成。一旦形成钝化层348，就在所述钝化层上形成光衰减层(LAL)，如图6A中所展示。在一些实例实施例中，光衰减层LAL 可为单层或多层堆叠且包含选自铝、钨、钛、氮化钛等的一材料或若干材料。在实施例中，光衰减层经形成为钛/氮化钛堆叠。因为光衰减层LAL直接形成在平坦钝化层348 上，所以可控制光衰减层LAL的厚度且可更均匀地沉积光衰减层LAL。
在光衰减层LAL上沉积牺牲材料层SML(例如，非晶硅)，如图6A中所展示，接着图案化及蚀刻所述牺牲材料层SML以形成在多个第一与第二光电二极管之间直接邻近钝化层348延伸的开口，如图6B中所展示。在另一实例实施例中，开口延伸到钝化层 348中达一定深度使得开口的底部在光衰减层LAL下面。在替代实施例中，开口延伸到光衰减层LAL中但不完全延伸以便不露出钝化层348。可有利地采用非晶硅，因为其与氧化硅相比展现高蚀刻选择性。在示范性实施例中，在约390摄氏度的低温下沉积非晶硅，使得所述步骤不会引起对已形成的结构的损坏，例如金属互连结构、高k衬垫氧化物中固有的负电荷等。
在实例实施例中，还在深沟槽隔离沟槽结构，例如深沟槽隔离沟槽结构374上方安置开口，所述深沟槽隔离沟槽结构可在沉积钝化层之前设置有半导体衬底338。如下文将更详细地描述，形成在钝化层中的开口随后将用于光学隔离栅格形成。
接下来，在先前工艺中形成的开口的侧壁上沉积势垒膜，例如势垒膜378，如图6B中所展示。在其中开口延伸到钝化层的实例实施例中，还在开口的底部上(例如，直接在钝化层上)沉积势垒膜。在实例实施例中，势垒膜是非硅基膜，例如氮化钛膜。与非晶硅类似，可有利地采用氮化钛(TiN)，因为其与氧化硅相比展现高蚀刻选择性。在实例实施例中，沉积势垒膜使得其厚度小于或等于光衰减层的厚度的约一半(1/2)。
接着，将金属栅格材料，例如钨等沉积到开口中，如图6C中所展示。还沉积金属栅格材料以便覆盖任何经暴露牺牲材料。在金属栅格材料沉积之后，可对经沉积金属栅格材料实行化学机械抛光。
所述制造方法进一步包括对金属栅格材料进行图案化及蚀刻工艺以形成光学隔离势垒栅格结构，例如光学隔离势垒栅格结构344。例如，所述工艺首先将金属栅格材料移除到牺牲材料的水平面(例如，高度)。所述工艺接着移除牺牲材料以暴露光衰减层及势垒膜两者(在金属栅格材料的内及外侧壁上)，如图6D中所展示。在实例实施例中，氢氧化铵(NH4OH)可用于牺牲材料移除工艺中。在实例实施例中，由于首先沉积光衰减层 LAL，因此可在自对准工艺中形成光学隔离栅格结构。由于实例方法，在结构上连接光学隔离栅格结构及光衰减层。在实例中，考虑到主光线角，光学隔离栅格结构及光衰减层可取决于像素阵列中的像素位置一起偏移。
一旦例如通过光致抗蚀剂及蚀刻工艺移除牺牲材料以暴露光衰减层LAL，就移除安置在第二光电二极管(例如，大光电二极管)的区上方的光衰减层的那些部分，如图6F中所展示。当然，可使用光致抗蚀剂PR来保护安置在多个第一光电二极管(例如，小光电二极管)上方的光衰减层(例如，光衰减层340)，如图6E中所展示。
所述方法还可包含其它工艺步骤。例如，可形成额外电介质缓冲层，例如氧化物层380以包围金属栅格材料，例如光学隔离栅格结构344的经暴露表面，如图6G中所展示。这包含在直接在势垒膜378上方的光学隔离栅格结构的侧壁上形成额外缓冲氧化物层。还在保留的光衰减层340(即，小光电二极管上方的光衰减层)上方形成额外缓冲氧化物层。在一些实例实施例中，缓冲层也可经形成在钝化层348上方且耦合到钝化层348 以便增加光电二极管与像素单元的其它结构之间的缓冲厚度。可实行其它工艺步骤，例如彩色滤光器阵列形成及微透镜形成，其结果在图6H中展示。在一些实例实施例中，缓冲层及钝化层可由例如二氧化硅的相同材料形成。
本申请案可引用数量及数目。除非具体地陈述，否则此类数量及数目不应被视为是限制性的，而是例示与本申请案相关联的可能数量或数目。此外，在这方面，本申请案可使用术语“多个”来指代数量或数目。在这方面，术语“多个”意指大于一个的任何数目，例如，两个、三个、四个、五个等。术语“约”、“近似”、“接近”等表示所陈述值的正或负5％。出于本公开的目的，短语“A、B及C中的至少一者”例如表示 (A)、(B)、(C)、(A及B)、(A及C)、(B及C)或(A、B及C)，包含列出大于三个元件时的所有进一步可能排列。且如本文中所使用，术语“及/或”包含相关联所列项目中的一或多者的任何及所有组合。
本公开的所说明实例的以上描述，包含摘要中所描述的内容并非意在是详尽性的或为对所公开精确形式的限制。虽然本文中出于说明性目的而描述本公开的特定实施例及实例，但在不背离如所主张的本公开的更广泛精神及范围的情况下，各种等效修改是可能的。实际上，应明白，特定实例电压、电流、频率、功率范围值、时间等是出于解释目的而提供且在根据本公开的教示的其它实施例及实例中还可采用其它值。
鉴于以上详细描述，可对所公开标的物的实例进行这些修改。所附权利要求书中所使用的术语不应被解释为将所主张标的物限于说明书及权利要求书中所公开的特定实施例。相反，范围将完全由所附权利要求书确定，所附权利要求书将根据权利要求解释的既定原则来解释。本说明书及图因此被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (22)

1.一种***像素单元，其包括：
半导体衬底，其具有光接收表面；
第一光电二极管，其经安置在所述半导体衬底中且响应于入射光而光生图像电荷；
第二光电二极管，其邻近所述第一光电二极管安置在所述半导体衬底中，所述第二光电二极管响应于入射光而光生图像电荷，其中所述第二光电二极管比所述第一光电二极管对入射光更敏感；
第一及第二光学隔离栅格区段，其经安置在所述半导体衬底的所述光接收表面上，包围所述第一光电二极管的曝光区域，所述第一及第二光学隔离栅格区段具有面向所述入射光的顶表面，以及内及外侧壁；
光衰减层，其邻近所述第一及第二光学隔离栅格区段的所述内侧壁安置且与所述第一光电二极管光学对准；及
势垒膜，其直接安置在所述第一及第二光学隔离栅格区段的所述内或外侧壁上。
2.根据权利要求1所述的***像素单元，其进一步包括安置在所述半导体衬底的所述光接收表面上的彩色滤光器层，其中所述第一及第二光学隔离栅格区段将所述彩色滤光器层分成多个彩色滤光器。
3.根据权利要求1所述的***像素单元，其进一步包括在所述半导体衬底中安置在所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间的第一及第二沟槽隔离结构，其中所述第一及第二光学隔离栅格区段与所述第一及第二沟槽隔离结构大体上对准。
4.根据权利要求1所述的***像素单元，其中所述光衰减层紧靠所述第一及第二光学隔离栅格区段的所述内侧壁，且所述光衰减层在结构上与所述第一及第二光学隔离栅格区段连接，覆盖所述第一光电二极管的所述曝光区域。
5.根据权利要求4所述的***像素单元，其中所述势垒膜直接安置在所述第一及第二光学隔离栅格区段的所述内侧壁上，且其中所述***像素单元包含直接安置在所述第一及第二光学隔离栅格区段的所述外侧壁上的第二势垒膜。
6.根据权利要求5所述的***像素单元，其进一步包括安置在所述第一及第二光学隔离栅格区段以及所述光衰减层上方的缓冲层，其中所述缓冲层直接安置在所述第一及第二光学隔离栅格区段的所述顶表面上。
7.根据权利要求1所述的***像素单元，其中所述势垒膜及所述光衰减层包含钛或氮化钛。
8.根据权利要求6所述的***像素单元，其进一步包括直接安置在所述半导体衬底的所述光接收表面上的钝化层，所述钝化层的区段经安置在所述第一光电二极管与所述光衰减层之间，其中所述钝化层经耦合到所述缓冲层。
9.根据权利要求1所述的***像素单元，其进一步包括安置在所述第一光电二极管与所述光衰减层之间的钝化层。
10.根据权利要求1所述的***像素单元，其进一步包括多个光电二极管区，其中所述光电二极管区中的一者经配置为所述第一光电二极管且其余光电二极管区经配置为所述第二光电二极管，其中所述第二光电二极管具有比所述第一光电二极管的全阱容量大的全阱容量。
11.根据权利要求10所述的***像素单元，其中所述第二光电二极管的所述光电二极管区经布置以环绕所述第一光电二极管的所述光电二极管区。
12.根据权利要求1所述的***像素单元，其进一步包括安置在所述半导体衬底的所述光接收表面上的彩色滤光器层，其中所述第一及第二光学隔离栅格区段将所述彩色滤光器层分成多个彩色滤光器，
其中所述光衰减层在所述第一及第二光学隔离栅格区段下面且紧靠所述第一及第二光学隔离栅格区段的所述内侧壁，
其中所述势垒膜紧靠所述第一及第二光学隔离栅格区段的整个内侧壁及外侧壁，且
其中缓冲层进一步直接安置在所述势垒膜上方且在所述第一及第二光学隔离栅格区段的顶表面上方。
13.一种用于制造图像传感器的方法，其包括：
设置具有多个第一光电二极管及多个第二光电二极管的半导体衬底，其中所述第一光电二极管中的每一者经布置以被所述第二光电二极管环绕，其中所述第二多个光电二极管中的每一者对入射光具有比所述第一多个光电二极管大的敏感度；
在所述半导体衬底的第一表面上方形成光衰减层，所述光衰减层跨所述多个第一光电二极管及所述多个第二光电二极管覆盖所述第一表面；此后
在所述半导体衬底上方形成光学隔离栅格结构，所述光学隔离栅格结构经安置在所述多个第一光电二极管及多个第二光电二极管中的每一光电二极管上方及之间，所述光学隔离栅格结构界定各自具有顶表面以及内及外侧壁的多个光学隔离栅格区段；此后
移除所述多个第二光电二极管上方的所述光衰减层的区段，由此留下仅在所述多个第一光电二极管上方的所述光衰减层的第一光电二极管区段；
在所述光学隔离栅格结构及所述光衰减层的所述第一光电二极管区段上方形成缓冲层，其中所述缓冲层直接安置在所述光学隔离栅格区段的所述顶表面上。
14.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括
在所述在所述半导体衬底的所述第一表面上方形成所述光衰减层之前，在所述半导体衬底的所述第一表面上形成钝化层。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述在所述半导体衬底上方形成光学隔离栅格结构包含
在所述光衰减层上沉积牺牲材料层；
在所述牺牲材料中形成开口，所述开口经定位在所述多个第一光电二极管及所述多个第二光电二极管中的每一光电二极管的上方及之间；
将光学隔离栅格材料沉积到所述开口中；及
移除所述牺牲材料层。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述在所述半导体衬底上方形成光学隔离栅格结构进一步包含
在所述光学隔离栅格材料的沉积之前，在所述开口的侧壁及底部上沉积势垒膜。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述开口直接邻近所述钝化层朝向所述半导体衬底的所述第一表面延伸。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述开口延伸到所述钝化层中达深度D。
19.根据权利要求13所述的方法，其中所述半导体衬底包含安置在所述多个第一光电二极管中的每一光电二极管与所述多个第二光电二极管中的每一者之间的深隔离沟槽结构。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述多个光学隔离栅格区段与所述深沟槽隔离结构光学对准。
21.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括
在所述光学隔离栅格结构的所述多个光学隔离栅格区段之间形成彩色滤光器阵列；及
在所述彩色滤光器阵列上形成多个微透镜。
22.根据权利要求13所述的方法，其中所述光衰减层包括钛及氮化钛中的至少一者。
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