具有电子透镜的光电检测器阵列 背景技术 图像传感器是普遍的。 图像传感器可用于各种各样的应用中， 例如数码照相机、 蜂 窝式电话、 数码相机电话、 安全相机、 光学鼠标以及各种其它医学、 汽车、 军事或其它应用。
串扰是许多图像传感器遇到的一个挑战。 两种常见的串扰形式是电串扰及光学串 扰。
电串扰可在 ( 举例来说 ) 对应于一个光敏区域的区域中所产生的电子扩散、 横向 漂移或另外迁移或移动到相邻光敏区域且由所述相邻光敏区域收集时发生。 所述电子可最 终由所述相邻光敏区域的收集。
光学串扰可在 ( 举例来说 ) 入射在对应于一个光敏区域的表面上的光折射、 反射、 散射或另外引导到相邻光敏区域时发生。所述光可最终由所述相邻光敏区域检测。
此种串扰往往是不期望的， 因为其往往可使图像模糊， 引入瑕疵或另外降低图像 质量。另外， 此种串扰往往随着图像传感器及其像素的大小继续减小而成为更大的挑战。
具有减小的光学及 / 或电串扰的图像传感器将提供某些优点。
发明内容 本发明的一个实施例提供一种设备， 其中该设备包含 ： 用以接收光的表面 ； 安置 在衬底内的光敏区域 ； 耦合在所述表面与所述光敏区域之间的材料， 所述材料用以接收所 述光， 所述光中的至少一些光使所述材料中的电子自由 ； 及耦合在所述表面与所述材料之 间的电子透镜， 所述电子透镜用以朝向所述光敏区域聚焦所述材料中的所述电子。
本发明的另一实施例提供一种设备， 其中所述设备包含 ： 用以接收光的表面 ； 安 置在衬底内的光敏区域 ； 耦合在所述表面与所述光敏区域之间的材料， 所述材料用以接收 所述光， 所述光中的至少一些光用以释放所述材料中的电子 ； 及耦合在所述表面与所述材 料之间的光学与电子透镜， 所述光学与电子透镜用以朝向所述光敏区域聚焦所述材料中的 所述光及所述电子。
本发明的另一实施例提供一种方法， 其中所述方法包含 ： 提供具有前侧部分及背 侧部分的衬底， 所述前侧部分具有安置在其中的光敏区域阵列 ； 在所述背侧部分处形成非 平坦表面， 所述非平坦表面具有凸起物阵列， 所述凸起物中的每一者对应于所述光敏区域 中的相应一者且远离所述相应一者凸出 ； 在所述凸起物阵列上方形成非平坦层， 所述非平 坦层具有凹进部分阵列， 所述凹进部分中的每一者对应于所述光敏区域中的相应一者且远 离所述相应一者后退， 所述非平坦层能够在所述凸起物阵列中产生电场。
本发明的另一实施例提供一种方法， 其中所述方法包含 ： 在表面处接收光 ； 朝向 光敏区域传输所述光 ； 借助所述光使材料中的电子自由 ； 朝向所述光敏区域聚焦所述材料 中的所述电子 ； 及在所述光敏区域处接收所述电子。
附图说明
参照以下说明及附图可最好地理解本发明， 下列附图仅用于图解说明本发明的实施例。图式中 ：
图 1 是根据本发明的实施例的光电检测器的截面侧视图。
图 2 是根据本发明的实施例的使用光电检测器的方法的方框流程图。
图 3 是根据本发明的一个或一个以上实施例的光电检测器阵列的截面侧视图。
图 4 是根据本发明的一个或一个以上实施例的另一光电检测器阵列的截面侧视 图。
图 5 是根据本发明的一个或一个以上实施例的再一光电检测器阵列的截面侧视 图。
图 6 是根据本发明的实施例的制造或制作光电检测器阵列的方法的方框流程图。
图 7A 到 7E 图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例实施图 6 的方法时形成 的各种结构。
图 8A 到 8E 图解说明根据本发明的一个或一个以上其它实施例实施图 6 的方法时 形成的各种结构。
图 9 是图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例光电检测器阵列的两个像 素的实例性像素电路的电路图。
图 10 是图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例的图像传感器单元的框图。
图 11 是图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例的并入有图像传感器的照 明与图像捕获系统的框图。具体实施方式
在以下说明中， 列举了大量具体细节。然而， 应理解， 可在没有这些具体细节的情 况下实践本发明的实施例。 在其它实例中， 为不掩盖对本说明的理解， 未详细显示众所周知 的电路、 结构及技术。
图 1 是根据本发明的实施例的光电检测器 100 的截面侧视图。在各种实施例中， 所述光电检测器可包括光电检测器阵列或图像传感器。
所述光电检测器包括光收集表面 102， 例如一个或一个以上透镜的表面。 在操作期 间， 所述光收集表面可接收光 103。
所述光传感器还包括光敏区域 104。所述光敏区域安置在衬底 106 内。如本文所 使用， 安置在衬底内的光敏区域既定涵盖在所述衬底内形成的光敏区域、 在所述衬底上方 形成的光敏区域或部分在所述衬底内且部分在所述衬底上方形成的光敏区域。通常， 所述 光敏区域安置在所述衬底的半导体材料内。所述衬底也可包括除半导体材料外的其它材 料， 例如有机材料、 金属及非半导体介电质， 此仅为几个实例。
合适的光敏区域的代表性实例包括但不限于光电二极管、 电荷耦合装置 (CCD)、 量子装置光学检测器、 光电门、 光电晶体管及光电导体。相信用于互补金属氧化物半导体 (CMOS) 有源像素传感器 (APS) 中的光敏区域类型尤其合适。在一个实施例中， 所述光敏区 域是光电二极管。合适的光电二极管的代表性实例包括但不限于 P-N 光电二极管、 PIN 光 电二极管及雪崩光电二极管。
再次参照图 1， 所述光电检测器还包括材料 108。所述材料耦合在光收集表面 102与光敏区域 104 之间。在一个或一个以上实施例中， 所述材料可包括半导体材料。在操作 期间， 所述材料用以接收光收集表面 102 所接收的光。所述材料可至少部分地朝向光敏区 域 104 传输所述光。所述光的可能路径以虚线显示。所述光可能会或可能不会完全去到所 述光敏区域， 此取决于材料、 材料的厚度及光的波长。
只要所述材料具有足够的厚度， 那么所述光中的至少一些光往往可使所述材料中 的电子 (e )( 例如， 光电子 ) 自由。举例来说， 由于光电效应， 可在例如半导体材料等材料 中产生电子或使电子自由。为被检测， 所述电子 (e-) 应朝向光敏区域移动。然而， 所述电 子中的一些电子往往可扩散， 横向漂移或另外移动远离光敏区域。 这些电子可不被检测， 此 往往可降低光电检测器 100 的效率。
注意， 根据本发明的实施例， 所述光电检测器还包括电子透镜 110。所述电子透镜 耦合在光收集表面 102 与材料 108 之间。所述电子透镜可包括电子聚焦或会聚元件、 结构、 非平坦层部分、 非平坦表面的凹进部分、 凹面、 成形材料或用于聚焦或会聚电子的其它构 件。所述电子透镜可操作以朝向光敏区域 104 聚焦材料 108 中的电子 (e-)。
在各种实施例中， 所述电子透镜可表示材料 108 的经修改部分或在材料 108 上方 形成的材料。举例来说， 在一个或一个以上实施例中， 所述电子透镜可包括掺杂程度较轻 的经掺杂 ( 例如， p- 型 ) 半导体材料 108 的掺杂程度较重的经掺杂区域 ( 例如， p+ 掺杂区 域 )。作为另一实例， 在一个或一个以上实施例中， 所述电子透镜可包括在材料 108 上方形 成的薄金属层， 其中所述金属层可操作以在材料 108 的邻近部分中形成空穴积累区域 ( 例 如， 金属闪镀栅极 )。 所图解说明的电子透镜具有较接近于光敏区域的第一主要表面 114 及离所述光 敏区域较远的第二主要表面 116。 在本发明的实施例中， 所述电子透镜的至少一个主要表面 不是平坦的。在所述所图解说明的电子透镜中， 第一主要表面 114 是不平坦的且包括远离 光敏区域后退的凹进表面。如图所示， 所述凹进表面可包括面向光敏区域的凹表面。所述 凹表面可以是面向光敏区域的半球体形表面。 所述半球体形表面可类似或近似半球但未必 是半球。在所述所图解说明的电子透镜中， 第二主要表面 116 也是不平坦的， 且与所述光敏 区域相对地凸起。也就是说， 所述所图解说明的电子透镜具有凸 - 凹形状， 其包括面向光敏 区域的凹表面 114 及面向用以接收光的光收集表面 102 的凸表面 116。
在操作期间， 所述电子透镜可产生电场。所述电场导致可操作而作用于电子上的 会聚力线 112。 所述会聚力线被图解说明为多个短箭头， 其中尾部在电子透镜处起始且头部 大体向内指向。所述电场的力线大体朝向光敏区域聚焦或会聚。
所述电子透镜可具有针对电子的焦点。所述焦点 (focus) 可表示焦点 (focal point) 或焦点区域 (focus region)。所述焦点可接近光敏区域。如本文所使用， 对于 2.0 微米 (μm) 或更小的像素， “接近” 光敏区域意指在所述光敏区域内或在所述光敏区域的 0.5μm 内。 对于较大的像素， 可应用较大的距离。 在各种实施例中， 所述焦点可在所述光敏 区域内或在所述光敏区域的 0.3μm 内 ( 举例来说， 在电子透镜与光敏区域之间的材料中所 述光敏区域前方， 或在所述光敏区域后方 )。
所述电子透镜所产生的电场可操作以朝向所述焦点及 / 或朝向光敏区域 104 聚焦 或会聚材料 108 中的电子。所述电场可排斥所述电子或将驱使其离开。由于所述电场向内 且大体朝向所述光敏区域引导， 因此所述电场可迫使或鼓励所述电子向内且大体朝向所述
光敏区域移动。所述电子向内聚焦而且垂直且在三个维度上朝向所述光敏区域聚焦。电子 的此种聚焦可有助于增加光敏区域所收集电子的数量及 / 或检测的效率。如果所述电子透 镜仅仅是平坦结构， 那么所述电场将是平行的且不将聚焦或会聚所述电子。
图 2 是根据本发明的实施例使用光电检测器的方法 200 的方框流程图。通过举例 的方式， 可使用图 1 中所示的光电检测器 100 或一个类似光电检测器执行所述方法。
所述方法包括在块 221 处在所述光电检测器的光收集表面处接收光。在一个或一 个以上实施例中， 所述光电检测器可以是用作图像传感器的光电检测器阵列， 且所述光可 以是由正被成像的对象或表面反射的光， 其可用于产生所述对象或表面的图像。
在块 222 处， 所述光可穿过材料朝向光敏区域传输。在块 223 处， 可通过所述光在 所述材料中使电子自由。 举例来说， 由于光电效应， 可通过所述光在所述材料中使光电子自 由。
在块 224 处， 可朝向光敏区域聚焦所述材料中的电子。在一个或一个以上实施例 中， 可通过驱动电子在三个维度上朝向所述光敏区域会聚的电场在三个维度上朝向所述光 敏区域聚焦所述电子。 如前文所论述， 所述电子会聚电场可由非平坦凹进表面提供， 所述非 平坦凹进表面远离所述光敏区域后退。
在块 225 处， 可在光敏区域处接收所述电子。也可在所述光敏区域处接收任何剩余光。 我们已知， 所述光敏区域可产生表示所收集的电子及光的量的模拟信号。所述模 拟信号可用于各种用途。在一些情形中， 所述光电检测器可以是用作图像传感器的光电检 测器阵列且所述模拟信号可用于产生图像。
为更好地图解说明某些概念， 下文将阐述并入到光电检测器阵列的特定实例中的 电子透镜的若干实例。 这些特定光电检测器阵列是具有特定配置及特定组件的背侧照明式 (BSI) 光电检测器阵列。然而， 应了解， 本发明的范围并不限于这些特定光电检测器阵列。
图 3 是根据本发明的一个或一个以上实施例的光电检测器阵列 300 的截面侧视 图。所述光电检测器阵列是 BSI 光电检测器阵列。
今天， 许多光电检测器阵列是前侧照明 (FSI) 的。 这些 FSI 光电检测器阵列在衬底 的前侧处包括光电检测器阵列， 且在操作期间所述光电检测器阵列从所述前侧接收光。然 而， FSI 光电检测器阵列具有某些缺点， 例如有限的填充因数。
BSI 光电检测器阵列是 FSI 光电检测器阵列的替代方案。BSI 光电检测器阵列在 衬底的前侧处包括光电检测器阵列， 且在操作期间所述光电检测器阵列从所述衬底的背侧 接收光。
再次参照图 3， BSI 光电检测器阵列包括前侧表面 303 及背侧表面 302A、 302B。图 3 中的上部侧及下部侧分别被视为图像传感器 300 的前侧及背侧。 在操作期间， 可在所述背 侧表面处接收光 303。
在一个或一个以上实施例中， 任选微透镜 330A、 330B 阵列可提供所述背侧表面。 所述微透镜具有小于 10μm 的直径。所述微透镜对准以便以光学方式朝向对应光敏区域 304A、 304B 聚焦在所述背侧表面处所接收的光。所述微透镜有助于改善敏感性且减小光学 串扰。然而， 所述微透镜是任选的， 且不作要求。
所述光电检测器阵列还包括光敏区域 304A、 304B 阵列。所述光敏区域阵列安置在
衬底 306 内。前文所阐述的光敏区域是合适的。
所述光电检测器阵列还包括材料 308A、 308B， 例如硅或另一半导体材料， 其耦合在 所述背侧表面与所述光敏区域 304A、 304B 阵列之间。所述光可朝向所述光敏区域阵列传输 到所述材料中。
只要所述材料具有足够的厚度， 那么所述光中的至少一些光往往可使所述材料中 的电子 (e ) 自由。为被检测， 所述电子 (e-) 应向所述光敏区域移动。另外， 材料 308A 中所 产生的电子应优选地朝向对应光敏区域 304A 移动， 且材料 308B 中所产生的电子应优选地 朝向对应光敏区域 304B 移动。然而， 所述电子中的一些电子存在扩散、 横向漂移或另外迁 移或移动远离其对应光敏区域的趋势， 且在一些情形中可由相邻光敏区域收集。在边缘附 近产生的电子往往比在中心附近产生的电子具有迁移到相邻光敏区域的更高可能性。 此种 电串扰可导致模糊、 不良色彩性能或其它图像瑕疵且通常是不期望的。 如下文所论述， 所述 光电检测器阵列具有电子透镜以减小此种串扰。
在所述材料中形成半球体形凸起物或凸面 309A、 309B 阵列。所述凸面或半球体形 凸起物中的每一者对应于所述光敏区域中的相应一者且远离所述相应一者凸出。 在二维截 面图中显示所述凸起物或凸面， 但应理解， 所述凸面或半球体形凸起物具有与对应光敏区 域相对的三维凸起或半球体形表面。
所述光电检测器阵列还包括非平坦层 310。非平坦层 310 耦合在所述背侧表面 302A、 302B 与半球体形凸起物或凸面 309A、 309B 阵列之间。 在所述图解说明中， 所述非平坦 层直接在所述半球体形凸起物或凸面阵列上形成。
所述非平坦层具有凹进部分 310A、 310B 阵列。凹进部分 310A、 310B 中的每一者 对应于光敏区域 304A、 304B 阵列中的相应一者或远离所述相应一者后退。此外， 凹进部分 310A、 310B 中的每一者对应于且依从于半球体形凸起物或凸面 309A、 309B 中的相应一者。
非平坦层 310 的凹进部分 310A、 310B 表示对应光敏区域 304A、 304B 的相应电子透 镜 310A、 310B。电子透镜 310A 具有凹 - 凸形状， 其包括面向光敏区域 304A 的凹表面 314 及 面向微透镜 302A 的凸表面 316。
电子透镜 310A 用以朝向对应光敏区域 304A 聚焦或会聚材料 308A 中的电子。同 样， 电子透镜 310B 用以朝向对应光敏区域 304B 聚焦或会聚材料 308B 中的电子。此可有助 于减小电子将迁移到相邻光敏区域的可能性及 / 或有助于减小电串扰。
所述非平坦层能够在所述半球体形凸起物或凸面阵列中产生电子聚焦或会聚电 场。 所述图解说明的右手侧显示电子透镜 310B 的电场的代表性电子会聚或聚焦力线 312B。 类似的电子会聚或聚焦电场将由电子透镜 310A 产生。
所述非平坦层也能够以光学方式聚焦光。换句话说， 所述电子透镜也是会聚光学 透镜。所述图解说明的左手侧显示箭头所表示的光 303 如何由电子透镜 310A 以光学方式 聚焦。所述光在其从电子透镜 310A 传递到材料 308A 中时可朝向光电检测器 304A 的中心 弯曲。举例来说， 其可由电子透镜 310A 的形状及电子透镜 310A 与平面化层 336 之间的折 射指数差异导致。此光学聚焦可有助于减小光学串扰。
不同类型的层能够在所述材料中产生电场。在一个或一个以上实施例中， 非平坦 层 310 可包括重掺杂半导体材料， 且材料 308A、 308B 可包括掺杂程度较轻的经掺杂半导体 材料。我们已知， 可用掺杂剂掺杂半导体以改变其电性质。掺杂剂可以是受体或施主。
受体掺杂剂元素在半导体中产生过量空穴， 其通过接受来自那些半导体原子的电 子来取代其原子。硅的合适受体包括硼、 铟、 镓、 铝及其组合。
施主掺杂剂元素在半导体中产生过量电子， 其通过将电子捐赠给半导体原子来取 代其原子。硅的合适施主包括磷、 砷、 锑及其组合。
“p- 型半导体” “p- 型传导率半导体” 、 或类似物是指掺杂有受体且其中空穴的浓度 大于自由电子的浓度的半导体。所述空穴大部分是载流子且支配传导率。
“n- 型半导体” “n- 型传导率半导体” 、 或类似物是指掺杂有施主且其中自由电子的 浓度大于空穴的浓度的半导体。所述电子大部分是载流子且支配传导率。
P- 型及 n- 型半导体通常以轻微到中等掺杂剂浓度掺杂。在一个或一个以上实施 例中， p- 型及 n- 型半导体具有小于约 1×1015 掺杂剂 /cm3 的掺杂剂浓度。
“p+ 半导体” 、 “p+ 掺杂半导体” 、 “p+ 传导率半导体” 或类似物是指重掺杂有施主元 素的重掺杂 p- 型半导体。 “n+ 半导体” 、 “n+ 掺杂半导体” 、 “n+ 传导率半导体” 或类似物是 指重掺杂有受体元素的重掺杂 n- 型半导体。在一个或一个以上实施例中， p+ 掺杂半导体 15 3 16 及 n+ 掺杂半导体具有大于约 1×10 掺杂剂 /cm ， 有时大于约 1×10 掺杂剂 /cm3 的掺杂 剂浓度。 在一个或一个以上实施例中， 非平坦层 310 可包括重掺杂半导体材料， 且材料 308A、 308B 可包括轻微到中等掺杂的半导体材料。举例来说， 非平坦层 310 可包括 p+ 掺杂 半导体材料， 且材料 308A、 308B 可包括 p- 型半导体材料。在此种实例中， 光敏区域 304A、 304B 可以是 n- 型。相反的极性配置也是合适的。举例来说， 非平坦层 310 可包括 n+ 掺杂 半导体材料， 材料 308A、 308B 可包括 n- 型半导体材料， 且光敏区域 304A、 304B 可以是 p- 型。
重掺杂半导体材料层的厚度范围可从约 10 纳米 (nm) 到约 400nm。 在一些情形中， 所述厚度范围可从约 50nm 到约 200nm。
在本发明的一个或一个以上实施例中， 跨越非平坦层的厚度可存在任选掺杂浓度 梯度或坡度。 举例来说， 非平坦层在其背侧部分 ( 例如， 316) 处具有较大的掺杂剂浓度且在 其前侧部分 ( 例如， 314) 处具有较小的掺杂剂浓度。在一个或一个以上实施例中， 所述背 17 3 20 侧部分处的较大掺杂剂浓度范围可从约 1×10 掺杂剂 /cm 到约 1×10 掺杂剂 /cm3。在 一个或一个以上实施例中， 所述前侧部分处的较小掺杂剂浓度范围可从约 1×1014 掺杂剂 / cm3 到约 2×1015 掺杂剂 /cm3。相对陡峭的浓度梯度往往工作良好。
所述光电检测器阵列还包括耦合在微透镜 330A、 330B 阵列与非平坦层 310 之间的 第一任选平面化层 336。所述第一平面化层的前侧依从于所述非平坦表面 ( 例如， 316)。所 述第一平面化层具有平面或平坦的背侧表面。所述电子透镜安置在材料 308A、 308B 与平面 化层 336 之间。
所述光电检测器阵列还包括耦合在所述电子透镜 310A、 310B 阵列与所述光学微 透镜 330A、 330B 阵列之间的任选不同滤色器 334A、 334B 阵列。特定来说， 所述滤色器耦合 在所述平面化层的平坦表面与所述光学微透镜之间。滤色器 334A 可操作以过滤与滤色器 334B 不同的色彩。这些滤色器是任选的且不作要求。举例来说， 可在黑色与白色图像传感 器的情形中省略这些滤色器。
所述光电检测器阵列还包括耦合在所述滤色器阵列与所述光学微透镜阵列之间
的第二任选平面化层 332。然而， 所述第二平面化层是任选的且不作要求。
所述光电检测器阵列在其前侧处包括互连部分 342。所述互连部分可包括安置在 介电材料内的一个或一个以上常规金属互连层。任选浅沟槽隔离 (STI)338 包括在邻近光 敏区域之间， 但不对所述 STI 作要求。任选钉扎层 340( 例如， n- 型光敏区域情形中的 p+ 掺 杂区域 ) 安置在所述光敏区域中的每一者的前表面上。
图 4 是根据本发明的一个或一个以上实施例的另一光电检测器阵列 400 的截面侧 视图。所述光电检测器阵列是 BSI 光电检测器阵列。
图 4 中所示的光电检测器阵列 400 具有与图 3 中所示的光电检测器阵列 300 共 同的某些特征。已在认为合适处用来自图 3 的现有参考编号标记图 4 中的某些组件或结 构。除非另外规定， 此指示这些组件或结构可任选地具有前文所阐述的一些或所有特性或 属性。为避免掩盖某些概念， 以下说明将主要聚焦于图 4 中所示光电检测器阵列 400 的不 同结构及特性。
光电检测器阵列 400 与前文所阐述光电检测器阵列 300 之间的显著差异是凸起物 409A、 409B 阵列、 非平坦层 410 及电子透镜 410A、 410B 的形状。
所述光电检测器阵列包括在材料 308A、 308B 中形成的凸起物 409A、 409B 阵列。在 一个或一个以上实施例中， 所述凸起物中的每一者具有平截头形状。所述平截头可表示 ( 举例来说 ) 具有棱锥或平截棱锥形状的凸起物。 通过举例的方式， 所述棱锥可具有三个或 四个侧。 所述光电检测器阵列还包括非平坦层 410。所述非平坦层直接在所述凸起物阵列 上形成。所述非平坦层具有凹进部分 410A、 410B 阵列。凹进部分 410A、 410B 中的每一者对 应于且依从于凸起物 409A、 409B 中的相应一者。此外， 凹进部分 410A、 410B 中的每一者对 应于光敏区域 304A、 304B 阵列中的相应一者且远离所述相应一者后退。
凹进部分 410A、 410B 表示对应光敏区域 304A、 304B 的相应电子透镜 410A、 410B。 电子透镜 410A 具有面向光敏区域 304A 的凹进表面 414。所述凹进表面包括大致依从于具 有平截头形状的对应凸起物 409A 的有角侧壁的有角侧壁。
针对电子透镜 410B 显示电场的代表性电子会聚或聚焦力线 412B。电子力线 412B 从电子透镜 410B 的凹进表面的有角侧壁向内引导。所述电场驱动电子朝向光敏区域 304B 在三个维度上向内聚焦或会聚。类似的电场将由电子透镜 410A 产生。
非平坦层的其它方面 ( 例如， 材料 ( 举例来说， 重掺杂半导体材料 )、 厚度、 掺杂梯 度及类似方面 ) 可任选地如前文所阐述。
图 5 是根据本发明的一个或一个以上实施例的再一光电检测器阵列 500 的截面侧 视图。所述光电检测器阵列是 BSI 光电检测器阵列。
图 5 中所示的光电检测器阵列 500 具有与图 3 中所示的光电检测器阵列 300 及 / 或图 4 中所示的光电检测器阵列 400 共同的某些特征。注意， 图 5 的光电检测器阵列 500 中的凸起物阵列及非平坦层的形状类似于图 4 的光电检测器阵列 400 的凸起物阵列及非平 坦层的形状。已在认为合适处用来自图 3 或图 4 的先前参考编号标记图 5 中的某些组件或 结构。 除非另外规定， 这些组件或结构可任选地具有前文所阐述的一些或所有特性或属性。 为避免掩盖某些概念， 以下说明将主要聚焦于图 5 中所示光电检测器阵列 500 的不同结构 及特性。
光电检测器阵列 500 与前文所述光电检测器阵列 300 及 400 之间的一个显著差异 是用于非平坦层 510 及 / 或电子透镜 510A、 510B 的材料。另一差异是电子透镜产生用于朝 向光敏区域聚焦或会聚电子的电场的方式。
光电检测器阵列 500 包括非平坦层 510。所述非平坦层在凸起物 409A、 409B 阵列 上方形成， 所述凸起物在材料 308A、 308B 中形成。如前文， 所述凸起物中的每一者可具有棱 锥或其它平截头形状。所述非平坦层具有凹进部分 510A、 510B。这些凹进部分表示对应光 敏区域 304A、 304B 的相应电子透镜 510A、 510B。
在本发明的一个或一个以上实施例中， 非平坦层 510 可包括薄金属层。所述层可 足够薄以允许光通过所述层。所述层可操作以在材料 409A、 409B 的邻近部分中形成空穴积 累区域。举例来说， 层 510 可包括具有足够高的功函数以形成所述空穴积累区域的金属。 铂是可操作以在邻近硅材料中形成空穴积累区域的金属的一个具体实例。 在一个或一个以 上实施例中， 非平坦层 510 可包括闪镀栅极。所述闪镀栅极或薄金属层可任选地经负性偏 置以进一步用空穴充填所述邻近材料。闪镀栅极在光电检测器技术中是已知的， 例如结合 CCD。
再次参照图 5， 在材料 409A、 409B 中形成空穴积累区域 544。在材料 409A、 409B 中 形成的空穴积累区域 544 具有比材料 409A、 409B 体大的空穴浓度。此较大空穴浓度可在所 述材料中形成电场。针对电子透镜 510B 显示电场的代表性电子会聚或聚焦力线 512B。类 似的电子会聚或聚焦电场将由电子透镜 510A 产生。 闪镀栅极或其它薄金属层也可任选地用于像图 3 的凸起物及电子透镜那样成形 的凸起物及电子透镜。
另外其它材料也适合于所述电子透镜。在一个或一个以上实施例中， 所述电子透 镜可包括透明导电氧化物 (TCO) 及透镜导电涂层 (TCC) 中的一者或一者以上。合适的 TCO 的实例包括但不限于与锡氧化物组合的铟氧化物 ( 例如， 氧化铟 (III)(In2O3) 加氧化锡 (IV)(SnO2))、 与铝氧化物组合的锌氧化物 ( 例如， 氧化锌 (ZnO) 加氧化铝 (Al2O3))、 与镓氧 化物组合的锌氧化物 ( 例如， 氧化锌 (ZnO) 加氧化镓 (III)(Ga2O3)) 及锡氧化物 ( 例如， 氧 化锡 (SnO2))， 此仅为几个实例。合适的 TCC 的实例包括但不限于薄金膜、 抗热导电塑料及 包括碳纳米管的层， 此仅为几个实例。
当 电 子 透 镜 经 电 负 性 偏 置 时， 材 料 409A/409B 中 的 空 穴 可 朝 向 电 子 透 镜 510A/510B 吸引。 此可在所述材料中产生空穴积累区域， 此又可在材料 409A/409B 中形成电 场。在一个或一个以上实施例中， 可任选地将薄半导体氧化物膜安置在非平坦层 510 与在 材料 409A、 409B 中形成的空穴积累区域 544 之间。在一个方面中， 此氧化物膜可包括硅氧 化物， 例如二氧化硅 (SiO2)。 当电子透镜经负性偏置时， 所述薄半导体氧化物膜有助于改善 装置可靠性及 / 或有助于减小安置在衬底的光检测部分中的装置中的故障。
在光电检测器阵列中， 光的入射角度可从阵列的中心 ( 零度入射角度 ) 向所述阵 列的外围逐渐增加。在一个或一个以上实施例中， 所述光学微透镜及 / 或所述电子透镜可 任选地基于入射光的角度在所述阵列的外围区域中按比例缩放或偏移。举例来说， 朝向所 述阵列的中心的光学微透镜及 / 或电子透镜可相对直接在其对应光敏区域上方或下方对 准， 而所述阵列的外围区域中的光学微透镜及 / 或电子透镜可朝向所述阵列的中心稍微向 内移位以计及不同角度的入射光。此可有助于改善成像， 但此是任选的且不作要求。
图 6 是根据本发明的实施例的制造或制作光电检测器阵列的方法 650 的方框流程 图。可执行方法 650 以制作图 1、 3、 4 或 5 中所示的光电检测器或光电检测器阵列中的任一 者或完全另外的光电检测器阵列。 图 7A 到 7E 图解说明实施方法 650 时可形成的各种结构。 为清晰起见， 将结合图 7A 到 7E 中所示的结构阐述图 6 的方法 650。
方法 650 包括在块 651 处提供衬底。如本文所使用， 术语 “提供” 既定广义地涵盖 至少制作、 从另一者获得、 购买、 进口及以其它方式获取所述衬底。所述衬底具有前侧部分 及背侧部分， 所述前侧部分具有安置在其中的光敏区域阵列。
在块 652 处可在所述衬底的所述背侧部分处形成非平坦表面。所述非平坦表面可 具有凸起物阵列。 所述凸起物中的每一者对应于所述光敏区域中的相应一者且可远离所述 相应一者凸出。
存在形成此种非平坦表面的不同方式。图 7A 到 7D 是图解说明利用可回流材料形 成所述非平坦表面的一个实例性方式的衬底截面侧视图。
图 7A 显示在衬底 700A 的背侧半导体部分 706 上方沉积可回流材料层 756。所述 衬底还具有前侧互连部分 342、 具有安置在其中的光敏区域 304A、 304B 阵列的前侧半导体 部分、 STI 358 及背侧半导体部分 706。这些组件可大致如前文所阐述。在一个实施例中， 所述可回流材料可包含聚乙烯甲基丙烯酸甲酯材料， 但不对此作要求。
图 7B 显示包括经图案化层的衬底 700B， 所述经图案化层包括通过将衬底 700A 的 可回流材料层 756 图案化形成的可回流材料部分 758A、 758B 阵列。可通过光刻术及显影来 执行所述图案化。所述可回流材料部分中的每一者对应于光敏区域 304A、 304B 中的相应一 者。
图 7C 显示包括半球体形可回流材料凸起物 760A、 760B 阵列的衬底 700C， 所述阵列 通过将衬底 700B 的可回流材料部分 758A、 758B 阵列回流而形成。此可通过将所述材料加 热到高于其回流温度的温度来完成。
图 7D 显示具有非平坦背侧表面的衬底 700D， 所述非平坦背侧表面包括在衬底 700C 的背侧半导体部分 706 中蚀刻的半球体形凸起物 309A、 309B 阵列。穿过衬底 700C 的 半球体形可回流材料凸起物 760A、 760B 阵列来执行到背侧半导体部分 706 中的蚀刻。以此 方式， 所述半球体形可回流材料凸起物的非平坦表面转移为背侧半导体部分 706 中的多少 一致的非平坦表面。由于回流弯月面及材料之间的蚀刻速率的可能差异， 所述表面可能不 是精确的半球体形， 但术语 “半球体形” 既定涵盖此类偏差。
图 7A 到 7D 图解说明用于形成所述非平坦表面的一个实例性方法。 作为另一实例， 可通过使用灰阶掩模来形成非平坦表面。作为再一选项， 可任选地利用沿晶面的定向硅蚀 刻。
再次参照图 6， 在块 652 处形成所述非平坦表面之后， 在块 653 处可在所述凸起物 阵列上方形成非平坦层。所述非平坦层可能够在所述凸起物阵列中产生电场。所述非平坦 层可具有凹进部分阵列。 所述凹进部分中的每一者对应于所述光敏区域中的相应一者且可 远离所述相应一者后退。所述凹进部分中的每一者可表示电子透镜。
图 7E 显示具有半球体形凸起物 309A、 309B 阵列上方的非平坦层 310A、 310B 的衬 底 700E。 第一凸起物 309A 上方的所述层的第一部分可表示第一子透镜 310A 且第二凸起物 309B 上方的所述层的第二部分可表示第二电子透镜 310B。在一个或一个以上实施例中， 所述非平坦层可以是重掺杂层， 例如 p+ 掺杂层或 n+ 掺杂层。此种层可通过掺杂形成。可通过离子植入或扩散来执行所述掺杂。可使用退火。 在一个或一个以上实施例中， 所述重掺杂层可经形成而具有从约 10nm 到约 400nm 的厚度范 围， 在一些情形中具有从约 80nm 到约 200nm 的厚度范围。如前文所阐述， 在本发明的一个 或一个以上实施例中， 跨越所述非平坦层的厚度可存在掺杂浓度梯度或坡度。
或者， 在一个或一个以上实施例中， 所述非平坦层可包括金属闪镀栅极或其它薄 金属膜。在一个或一个以上实施例中， 可通过闪镀由约 3 埃到约 20 埃的铂或另一合适金属 来形成所述金属闪镀栅极或薄金属膜。 可任选地负性偏置所述闪镀栅极或薄金属膜以进一 步用空穴充填邻近半导体。
也涵盖如图 6 中所示制造或制作光电检测器阵列的方法 650 的其它实施例。 图 8A 到 8E 图解说明实施图 6 的方法的一个或一个以上其它实施例时形成的各种结构。很明显， 图 8A 到 8E 显示用于在衬底的背侧部分处形成非平坦表面的不同方法。
图 8A 显示在衬底 800A 的背侧半导体部分 806 上方沉积掩模层 890， 例如光致抗蚀 剂。 举例来说， 可通过沉积并旋涂光致抗蚀剂来形成掩模层 890。 所述衬底还具有前侧互连 部分 342、 具有安置在其中的光敏区域 304A、 304B 阵列的前侧半导体部分、 STI 358 及背侧 半导体部分 806。这些组件可大致如前文所阐述。
图 8B 显示包括经图案化掩模层 891A、 891B 的衬底 800B， 所述经图案化掩模层通过 将衬底 800A 的掩模层 890 图案化而形成。 可通过光刻术及显影来执行所述图案化。 所述经 图案化层包括掩模部分 891A、 891B 阵列。所述掩模部分中的每一者对应于光敏区域 304A、 304B 中的相应一者。如图所示， 掩模部分 891A、 891B 阵列之间存在空隙。
图 8C 显示包括在衬底 800B 的背侧部分 806 中蚀刻的沟槽 892A、 892B、 892C 的衬 底 800C。 可通过穿过所述经图案化掩模层将所述沟槽蚀刻到所述背侧部分中来形成所述沟 槽。在一个或一个以上实施例中， 所述沟槽可具有从约 0.1 到约 0.5 微米的深度范围。背 侧部分 806 相对于所述掩模层的具有选择性的各种蚀刻是合适的。
图 8D 显示具有非平坦背侧表面的衬底 800D， 所述非平坦背侧表面包括从衬底 800C 的经蚀刻背侧部分 806 形成的半球体形凸起物 309A、 309B 阵列。 最初， 可通过 ( 例如 ) 剥离来移除所述经图案化掩模层 891A、 891B。 然后， 可通过将剩余背侧半导体部分 806 的表 面部分加热到高于其熔点的温度来将所述表面部分熔化并回流。 在一个或一个以上实施例 中， 熔化的所述表面部分包括硅或另一半导体材料。 在一个或一个以上实施例中， 可通过激 光退火到足以熔化硅的温度来执行此加热。 所述沟槽之间的熔化的表面部分可回流以形成 大体半球体形凸起物阵列， 所述凸起物每一者对应于光敏区域中的一者。
图 8E 显示具有在衬底 800D 的半球体形凸起物 309A、 309B 阵列上方形成的非平坦 层 310A、 310B 的衬底 800E。第一凸起物 309A 上方的所述层的第一部分可表示第一子透镜 310A 且第二凸起物 309B 上方的所述层的第二部分可表示第二电子透镜 310B。可如前文所 阐述形成此非平坦层 310A、 310B。
图 9 是图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例光电检测器阵列的两个 四 - 晶体管 (4T) 像素的实例性像素电路 962 的电路图。所述像素电路是实施这两个像素 的一种可能方式。然而， 本发明的实施例并不限于 4T 像素架构。而是， 3T 设计、 5T 设计及 各种其它像素架构也是合适的。在图 9 中， 像素 Pa 及 Pb 布置成两行及一列。每一像素电路的所图解说明实施例 包括光电二极管 PD、 转移晶体管 T1、 复位晶体管 T2、 源极随耦器 (SF) 晶体管 T3 及选择晶 体管 T4。在操作期间， 转移晶体管 T1 可接收转移信号 TX， 所述转移信号可将在光电二极管 PD 中所积累的电荷转移到浮动扩散节点 FD。在一个实施例中， 浮动扩散节点 FD 可耦合到 用于临时存储图像电荷的存储电容器。
复位晶体管 T2 耦合在电源导轨 VDD 与所述浮动扩散节点 FD 之间以在复位信号 RST 的控制下复位像素 ( 举例来说， 将所述 FD 及所述 PD 放电或充电到预设电压 )。所述浮 动扩散节点 FD 经耦合以控制 SF 晶体管 T3 的栅极。SF 晶体管 T3 耦合在所述电源导轨 VDD 与选择晶体管 T4 之间。SF 晶体管 T3 作为向所述浮动扩散 FD 提供高阻抗连接的源极随耦 器操作。选择晶体管 T4 在选择信号 SEL 的控制下选择性地将像素电路的输出耦合到读出 列线。
在一个实施例中， 所述 TX 信号、 所述 RST 信号及所述 SEL 信号由控制电路产生。 在其中光电检测器阵列与全局快门一同操作的实施例中， 全局快门信号耦合到所述整个阵 列中的每一转移晶体管 T1 的栅极以同时开始电荷从每一像素的光电二极管 PD 的转移。或 者， 卷帘式快门信号可施加到转移晶体管 T1 群组。 图 10 是图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例的背侧照明式图像传感器 单元 1000 的框图。 所述图像传感器单元包括像素阵列 1064、 读出电路 1066、 控制电路 1068 及功能逻辑 1070。在替代实施例中， 功能逻辑 1070 及控制电路 1068 中的一者或其两者可 任选地包括在图像传感器单元外部。
所述像素阵列是二维 (2D) 背侧照明式像素 ( 例如， 像素 P1、 P2、 ...Pn) 阵列。在 一个实施例中， 每一像素是有源像素传感器 (APS)， 例如互补金属氧化物半导体 (CMOS) 成 像像素。如所图解说明， 每一像素布置成行 ( 例如， 行 R1 到 Ry) 及列 ( 例如， 列 C1 到 Cx) 以获取人、 地方或对象的图像数据， 然后可使用所述图像数据再现所述人、 地方或对象的 2D 图像。
在每一像素已获取其图像数据或图像电荷之后， 所述图像数据由读出电路 1066 读出且转移到功能逻辑 1070。所述读出电路可包括放大电路、 模拟数字转换电路或其它电 路。所述功能逻辑可仅存储所述图像数据或甚至通过应用图像后效果 ( 例如， 修剪、 旋转、 去除红眼、 调节亮度、 调节对比度或其它 ) 来操纵所述图像数据。如图所示， 在一个实施例 中， 所述读出电路可沿读出列线一次读出一行图像数据。 或者， 所述读出电路可使用各种其 它技术 ( 例如， 串行读出或所有像素的同时完全并行读出 ) 来读出所述图像数据。
控制电路 1068 耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作特性。举例来说， 所述控制电路可产生用于控制图像获取的快门信号。
图 11 是图解说明根据本发明的一个或一个以上实施例的并入有图像传感器单元 1100 的照明与图像捕获系统 1180 的框图。在各种实施例中， 所述系统可表示数码相机、 数 码相机电话、 网络相机、 安全相机、 光学鼠标、 光学显微镜或扫描仪或可并入到以上各项内， 此仅为几个实例。
所述系统包括光源 1182， 例如多色发光电二极管 (LED) 或其它半导体光源。所述 光源可向正被成像的对象 1183 传输光。
由所述对象反射的至少一些光可穿过外壳 1186 的到图像传感器单元 1100 的窗口
1184 返回到所述系统。所述窗口应广义地解释为透镜、 盖或所述外壳的其它透明部分。所 述图像传感器单元可感测所述光且可输出表示所述光或图像的模拟图像数据。
数字处理单元 1170 可接收所述模拟图像数据。所述数字处理单元可包括模拟数 字 (ADC) 电路以将所述模拟图像数据转换为对应的数字图像数据。
可随后通过软件 / 固件逻辑 1188 存储、 传输或另外操纵所述数字图像数据。所述 软件 / 固件逻辑可在所述外壳内， 或如图所示在所述外壳外部。
在以上说明中且在权利要求书中， 术语 “耦合” 可意指两个或两个以上元件直接物 理或电接触。然而， “耦合” 可替代意指两个或两个以上元件彼此不直接接触， 但仍 ( 举例来 说 ) 通过一个或一个以上介入组件或结构共同操作或彼此互动。举例来说， 电子透镜可通 过一个或一个以上介入材料 ( 举例来说， 平面化层、 滤色器等 ) 耦合在表面与材料之间。
在以上说明中， 出于解释的目的， 列举了大量具体细节以便提供对本发明实施例 的透彻理解。 然而， 所属领域的技术人员将易知， 可在没有这些具体细节中的一些细节的情 况下实践其它实施例。 提供所阐述的特定实施例并非为了限制本发明而是对其进行图解说 明。本发明的范围将不由上文提供的具体实例确定而仅由上文权利要求书确定。在其它实 例中， 已以框图形式或未详细显示众所周知的电路、 结构、 装置及操作以避免掩盖对所述说 明的理解。 整个本说明书中对 “一个实施例 (one embodiment)” 、 “实施例 (an embodiment)” 或 “一个或一个以上实施例 (one or more embodiments)” 的提及 ( 举例来说 ) 意指可包括 在本发明的实践中的特定特征。 类似地， 在本说明中， 出于简化本发明及帮助理解各种发明 性方面的目的， 有时在单个实施例、 图或其说明中将各种特征分组在一起。然而， 本发明的 此方法不应被解释为反映以下意图 ： 本发明要求比每一权利要求中所明确陈述的特征更多 的特征。 而是， 如以上权利要求书反映 ： 发明性方面可在于少于单个所揭示实施例的所有特 征。 因此， 具体实施方式之前的权利要求书在此明确并入本具体实施方式中， 其中每一权利 要求独立地作为本发明的单独实施例。