專利名稱：減少來自紅外輻射的圖像偽影的背面硅晶片設計的制作方法
減少來自紅外輻射的圖像偽影的背面硅晶片設計技術領域無背景技術半導體產(chǎn)業(yè)目前使用不同類型的基于半導體的成像器，例如電荷耦合裝置(CCD)、 互補金屬氧化物半導體(CMOS)裝置、光電二極管陣列、電荷注入裝置以及混合焦平 面陣列等等。固態(tài)圖像傳感器(也被稱為成像器)在60年代晚期和70年代早期得以開發(fā)，主要 用于電視圖像獲取、傳輸和顯示。成像器吸收特定波長的入射輻射(例如光子、x射線 或類似物)，并產(chǎn)生對應于所吸收輻射的電信號。存在許多不同類型的基于半導體的成像 器，包含CCD、光電二極管陣列、電荷注入裝置(CID)、混合焦平面陣列以及CMOS 成像器。固態(tài)成像器的當前應用包含照相機、掃描儀、機器視覺系統(tǒng)、車輛導航系統(tǒng)、 視頻電話、計算機輸入裝置、監(jiān)視系統(tǒng)、自動聚焦系統(tǒng)、星象跟蹤儀、運動檢測器系統(tǒng)、 圖像穩(wěn)定系統(tǒng)以及其它基于圖像的系統(tǒng)。這些成像器通常由含有光電傳感器的像素單元陣列組成，其中每個像素單元產(chǎn)生信 號，所述信號對應于當圖像聚焦在所述陣列上時撞擊在所述元件上的光的強度。接著， 這些信號可用來(例如)將對應圖像顯示在監(jiān)視器上，或以其它方式用來提供關于光學 圖像的信息。所述光電傳感器通常是光電門、光電晶體管、光電導體或光電二極管，其 中所述光電傳感器的傳導性或存儲在擴散區(qū)域中的電荷對應于撞擊在所述光電傳感器上 的光的強度。因此，每個像素單元產(chǎn)生的信號的量值與撞擊在光電傳感器上的光的量成 比例。舉例來說，在第5,471,515號美國專利中描述有源像素傳感器(APS)成像裝置，所 述專利以引用的方式并入本文中。這些成像裝置包含布置成行和列的像素單元陣列，其 將光能轉換成電信號。每個像素包含一個光電檢測器和一個或一個以上有源晶體管。所 述晶體管除產(chǎn)生從單元輸出的電信號之外，通常還提供放大、讀出控制和復位控制。雖然CCD技術具有廣泛應用，但CMOS成像器正越來越多地被用作低成本成像裝 置。實現(xiàn)成像陣列與相關聯(lián)的處理電路的更高程度集成的完全兼容CMOS傳感器技術對 許多數(shù)字成像器應用來說都將是有益的。CMOS成像器電路包含像素單元的焦平面陣列，所述單元中的每一者包含光電轉換 裝置，例如光電門、光電導體、光電晶體管或用于使光生電荷累積在襯底的一部分中的 光電二極管。讀出電路連接到每個像素單元，且包含至少一輸出晶體管，其接收來自摻 雜擴散區(qū)域的光生電荷，并產(chǎn)生輸出信號，通過像素存取晶體管周期性地讀出所述輸出 信號。成像器可視情況包含晶體管，其用于將電荷從光電轉換裝置轉移到擴散區(qū)域，或 擴散區(qū)域可直接連接到光電轉換裝置或成為光電轉換裝置的一部分。晶體管通常還被提 供用于使擴散區(qū)域在接收經(jīng)光電轉換的電荷之前復位到預定電荷電平。在CMOS成像器中，像素單元的有源元件執(zhí)行以下必要功能(1)光子到電荷的轉 換；(2)圖像電荷的累積；(3)伴有電荷放大的情況下，將電荷轉移到浮動擴散區(qū)域；(4)使浮動擴散區(qū)域復位到已知狀態(tài)；(5)選擇像素單元供讀出；以及(6)輸出并放 大表示像素單元電荷的信號。當光電荷從初始電荷累積區(qū)域移動到浮動擴散區(qū)域時，所 述光電荷可放大。通常通過源極跟隨器輸出晶體管將浮動擴散區(qū)域處的電荷轉換成像素 輸出電壓。每個像素單元接收通過一個或一個以上微透鏡聚焦的光。CMOS成像器上的微透鏡 有助于增加光學效率，并減少像素單元之間的串擾。像素單元的尺寸的減小允許更大數(shù) 目的像素單元布置在特定像素單元陣列中，從而增加陣列的分辨率。在形成微透鏡的一 種工藝中，每個微透鏡的半徑與像素單元的尺寸相關。因此，當像素單元的尺寸減小時， 每個微透鏡的半徑也減小。微透鏡將入射輻射折射到光電傳感器區(qū)域，從而增加到達光電傳感器的光的量。微 透鏡陣列的其它用途包含加強非發(fā)光顯示裝置(例如液晶顯示裝置)的像素單元上的照明光，以增加顯示器(與照相機相關聯(lián)的顯示器)的亮度；形成將在液晶或發(fā)光二極 管打印機中打印的圖像；以及作為用于將發(fā)光裝置或接收裝置耦合到光纖的聚焦構件。圖像裝置的一個問題是偽影的產(chǎn)生。紅外(m)輻射穿透到襯底可在圖像傳感器中產(chǎn)生偽影?，F(xiàn)代成像裝置通常使用所謂的"暗像素"，其遮蔽入射光，并充當用于黑色電 平校準、暗電流減除和逐行噪聲校正的參考像素。在從約800nm到約1150nm的光譜范 圍內(nèi)的IR輻射(在襯底中的吸收非常小)可穿透整個襯底，從晶片的背面(而且從電路 小片下的反射表面)反射，并擊中"暗像素"。經(jīng)反射的IR輻射被暗像素吸收可在現(xiàn)代 圖像裝置中產(chǎn)生圖像偽影，盡管在此光譜范圍內(nèi)，吸收本身是非常小的。由于用于計算 參考信號的暗像素的數(shù)目較少，所以通常通過求32個或64個暗像素的平均值來計算暗 參考信號，來自暗像素的信號的較小變化也可產(chǎn)生較大的圖像偽影。參看圖l，其示意性地說明現(xiàn)有技術的固態(tài)成像器10,并說明暗像素中經(jīng)反射的IR 輻射的累積的問題。成像器IO包含有源像素12和暗像素11。 IR輻射101通過微透鏡13 聚焦到有源像素12。輻射101中的一些穿過襯底18，并從襯底18的背面反射，作為經(jīng) 反射的輻射103，并累積在暗像素11中。如上文所述，經(jīng)反射的IR輻射被暗像素11吸 收可在現(xiàn)代圖像裝置中產(chǎn)生圖像偽影，盡管在此光譜范圍內(nèi)，吸收本身是非常小的。800 nm到1150 rnn范圍內(nèi)的經(jīng)反射的IR輻射的問題對于較薄的背景晶片來說會增 加，因為擊中暗像素的IR輻射的總光徑較小。因此當襯底較薄時，由于來自襯底背面的 反射的緣故，更多的具有較短波長的IR輻射可到達"暗像素"。本發(fā)明揭示一種襯底，其實質上減少了圖像傳感器中來自穿透到襯底中的IR輻射的 圖像偽影。本發(fā)明改進極端光條件下的圖像質量，顯著減少由于經(jīng)反射的IR光與暗像素 的相互作用而導致的圖像偽影，且允許使用具有較薄襯底的成像裝置。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明通過顯著減少穿透到成像器襯底中的IR輻射或使所述IR輻射改變方向且因 此減少與暗像素接觸的IR,而提供具有減少的圖像偽影的成像裝置。具體地說，本發(fā)明 適用于需要高質量微透鏡的任何微電子或微光學裝置，例如CCD成像器或CMOS成像 器。本發(fā)明提供一種用于減少具有像素單元陣列的固態(tài)成像器中的圖像偽影的方法，其 中通過顯著減少穿透到成像器襯底中的IR輻射或使所述IR輻射改變方向來減少圖像偽 影。在本發(fā)明的一個實施例中，通過將抗反射涂層和/或吸收層施加到成像器襯底的背面 來顯著減少IR輻射或使IR輻射改變方向。在本發(fā)明的另一實施例中，通過修改成像器襯底的背面表面來顯著減少IR輻射或使 IR輻射改變方向。在本發(fā)明的另一實施例中，通過修改成像器中有源像素與暗像素的間距來顯著減少 IR輻射或使IR輻射改變方向。還提供用于形成本發(fā)明的具有減少的圖像偽影的成像裝 置的方法。根據(jù)說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例的以下具體實施方式
和附圖，將明白本發(fā)明的額外優(yōu) 勢和特征。


圖1是說明現(xiàn)有技術的固態(tài)成像器的側部橫截面圖。圖2是說明根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的在襯底的背面上具有抗反射層和吸收層的固態(tài)成像器的主要元件的側部橫截面圖。圖3是說明根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的在襯底的背面上具有吸收層的固態(tài)成像器的 主要元件的側部橫截面圖。圖4是說明根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的具有經(jīng)磨蝕的襯底背面的固態(tài)成像器的主要 元件的側部橫截面圖。圖5A是用根據(jù)現(xiàn)有技術的具有經(jīng)拋光的背面表面的成像裝置取得的圖像。圖5B是 用根據(jù)本發(fā)明的具有粗糙背面表面的成像裝置取得的圖像。圖6是說明根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的具有經(jīng)磨蝕的襯底背面的固態(tài)成像器的主要 元件的側部橫截面圖。圖7是說明根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的暗像素與有源像素分離的固態(tài)成像器的主要 元件的側部橫截面圖。圖8說明根據(jù)本發(fā)明示范性實施例構造的具有彩色濾光片陣列的CMOS成像器像素 單元的示意性橫截面圖。圖9是圖8的CMOS成像器像素單元的代表圖。圖10說明根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的經(jīng)歷成像器裝置的形成過程的半導體晶片的 橫截面圖。圖11說明在圖10中所示的處理階段之后的處理階段時圖10的半導體晶片。 圖12說明在圖11中所示的處理階段之后的處理階段時圖10的半導體晶片。 圖13說明在圖12中所示的處理階段之后的處理階段時圖10的半導體晶片。 圖14說明在圖13中所示的處理階段之后的處理階段時圖10的半導體晶片。 圖15說明根據(jù)本發(fā)明另一實施例的在圖12中所示的處理階段之后的處理階段時圖 IO的半導體晶片。圖16說明根據(jù)本發(fā)明另一實施例的在圖12中所示的處理階段之后的處理階段時圖io的半導體晶片。圖17說明根據(jù)本發(fā)明另一實施例的在圖12中所示的處理階段之后的處理階段時圖 IO的半導體晶片。圖18展示根據(jù)本發(fā)明實施例而構造的成像器。圖19是根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的具有圖像偽影被減少的成像器的成像系統(tǒng)的說明。
具體實施方式
在以下詳細具體實施方式
中，參考附圖，所述附圖形成其一部分，并以說明的方式 展示可實踐本發(fā)明的特定實施例。以充分的細節(jié)來描述這些實施例，以使所屬領域的技 術人員能夠實施本發(fā)明，且應了解，可利用其它實施例，且可在不脫離本發(fā)明的精神和 范圍的情況下，作出結構、邏輯和電氣改變。所描述的處理步驟的進展是對本發(fā)明實施 例的示范；然而，步驟序列并不限于本文所陳述的步驟序列且可改變(如此項技術中已 知)，除了必需以某一次序發(fā)生的步驟之外。術語"晶片"和"襯底"應被理解為包含硅、絕緣體上硅(SOI)或藍寶石上硅(SOS) 技術、摻雜或未摻雜半導體、由底部半導體基礎支撐的外延硅層以及其它半導體結構。 此外，當在以下描述內(nèi)容中參考"晶片"和"襯底"時，可能已經(jīng)利用了先前處理步驟 來形成底部半導體結構或基礎中的區(qū)域或結。另外，半導體無需是基于硅的，而是可基 于硅-鍺、鍺、砷化鎵或其它半導體材料。術語"像素"或"像素單元"是指含有用于將電磁輻射轉換成電信號的光電轉換裝 置的像素單位單元。通常，圖像傳感器中的所有像素單元的制造將以類似方式同時進行。最后，當參考CMOS成像器來描述本發(fā)明時，應了解，本發(fā)明可應用于需要高質量 微透鏡的任何微電子或微光學裝置，以獲得優(yōu)化的性能。其它合適的微光學裝置包含CCD 和顯示器?，F(xiàn)參看附圖，其中相同元件由相同參考標號表示?，F(xiàn)參看圖2，其示意性地展示根 據(jù)本發(fā)明第一實施例的固態(tài)成像器20。成像器20包括形成于作為同一襯底30 (其可以 是上文所描述類型的襯底中的任何一種)的一部分的像素單元陣列26上的彩色濾光片層 100和隔離物層25。微透鏡陣列70形成于彩色濾光片層100和隔離物層25上。像素單 元陣列26包括形成于襯底30的第一表面中或上的多個像素傳感器單元28，且由保護層 24覆蓋，所述保護層24包含用于成像器20的鈍化和平面化層，以及用于連接的各種金 屬化層。包含在保護層24中的鈍化層可以是一層BPSG、 PSG、 BSG、 二氧化硅、氮化 硅、聚酰亞胺或其它眾所周知的透光絕緣體。作為保護層24的一部分的金屬化層和相關 聯(lián)的介電層可由此項技術中已知的任何常規(guī)材料形成。由于經(jīng)反射的IR輻射的大部分源自硅襯底與電路小片下的空氣(或環(huán)氧樹脂層)之 間的折射率的差異，所以成像器20進一步包括形成于襯底30的第二表面32上的抗反射 層80。如下文所陳述，抗反射層80可由任何合適材料形成，如所屬領域的技術人員所 了解。吸收層82形成于抗反射層80上。吸收層82可由吸收約800 mn到約1150 nm之 間的波長的IR輻射的任何合適材料形成。雖然圖2展示抗反射層80和吸收層82兩者，但應了解，可只用吸收層82來制造所述裝置。當襯底30的厚度減小時，反射的IR輻射的問題增加。舉例來說，由于來自670 nm 厚的襯底中的晶片背面的反射而到達暗像素的波長為1000 nm的光子的量導致暗像素中 的3個電子從成像器20的原始曝光累積到IOO,OOO個光子。此累積將導致暗信號中的1 最低有效拍(Lowest Significant Beat, LSB)變化。相比而言，對于100 pm厚的襯底30 來說，反射并到達暗像素的光子的數(shù)量增加到473個電子以上，其累積在暗像素中，導 致142 LSB的暗信號變化?？稍诔上衿?0中使用任何抗反射層80。抗反射層80應經(jīng)設計以有效地減少光子從 襯底30的背面的內(nèi)反射。所屬領域的技術人員將了解用于抗反射層80的材料的類型。 抗反射層80的合適材料的實例包含已經(jīng)沉積在襯底30的表面32上的各種抗反射涂層。 經(jīng)沉積的抗反射涂層(DARC)是合適的抗反射層80的一個實例。經(jīng)沉積的抗反射涂層 通常將包括硅和氮，且可(例如)由硅、氮和(視情況)氫組成。DARC或者可包括硅、 氧和(在一些情況下)氫。用于形成抗反射層80的其它合適材料包含氮化鈦與鋁的分層 結構，例如TiN/Al/TiN的堆疊層?？狗瓷鋵?0的另一種合適材料包含Ti02?？狗瓷鋵?80的厚度應足夠大，以便避免穿過襯底30傳入的IR光子的反射。優(yōu)選的是，抗反射層 80的厚度從約0.1 nm到約5 nm，優(yōu)選從約0.1 pm到約2.5 |im，最優(yōu)選從約0.1 pm到約 0.5 nm。在第6,887,648號、第6,444,588號、第6,713,404號、第6,869,747號、第6,767,689 號、第6,753,584號和第6,614,085號美國專利中揭示可以使用的抗反射材料的實例，所 述美國專利中的每一者的揭示內(nèi)容以引用的方式并入本文中。雖然將抗反射層80說明為 單個層，但應了解，抗反射層可由多個層形成，所述多個層可由相同或不同材料形成。吸收層82可沉積在抗反射層80上。吸收層82吸收從約800 nm到約1150 nm的光 譜范圍內(nèi)的IR輻射。吸收層82可由吸收IR輻射的許多不同材料中的一者或一者以上形 成。吸收層82可由(例如)鍺(Ge)形成。然而，可形成吸收層82的其它材料包含或 SiGe、 SiC或類似物。吸收層82的厚度應足夠大，以便吸收穿過襯底30傳入的所有IR 光子。優(yōu)選的是，吸收層82的厚度從約0.5 nm到約8 優(yōu)選從約1 nm到約6 pm， 最優(yōu)選約2 pm到約5 pm。雖然將吸收層82說明為單個層，但應了解，吸收層82可由 多個層形成，且可由相同或不同材料形成?，F(xiàn)參看圖3，其示意性地說明本發(fā)明的固態(tài)成像器20的第二實施例。所說明的圖3 實施例包括形成于彩色濾光片層100和隔離物層25上的微透鏡陣列70，彩色濾光片層 100和隔離物層25形成于像素單元陣列26上，像素單元陣列26形成于襯底30的第一表面中和/或上，襯底30可以是上文所述的襯底類型中的任何一種。成像器20進一步包 括形成于襯底30的第二表面32上的吸收層84。吸收層84可由吸收波長在約800 nm到 約1150nm之間的IR輻射的任何合適材料形成。優(yōu)選的是，吸收層84由Ge、 SiGe、 SiC 或類似物形成。最優(yōu)選的是，吸收層84由鍺形成，因為出于這些目的，可使用標準真空 沉積技術將鍺沉積在襯底30的表面上。雖然將吸收層84說明為單個層，但應了解，吸 收層84可由多個層形成，且可由相同或不同材料形成。如所述，在最優(yōu)選實施例中，吸收層84由鍺(Ge)形成。雖然不希望受理論束縛， 但相信來自襯底/吸收層的Si/Ge邊界的內(nèi)反射小于3%，這對于成像器，使所反射的光 的量減少10倍以上，且對于封裝/模塊設計，使所反射的光的量減少20倍以上。通過將 吸收層84沉積在襯底30的第二表面32上，相信100 pm厚的襯底的所累積電荷的最終 數(shù)量不會超過44e，其中暗信號的對應改變在最高增益處不會多于13LSB。現(xiàn)參看圖4，其示意性地說明本發(fā)明的固態(tài)成像器20的第三實施例。所說明的實施 例包括一種成像裝置，其具有形成于彩色濾光片層100和隔離物層25上的微透鏡陣列 70，彩色濾光片層100和隔離物層25形成于像素單元陣列26上，像素單元陣列26形成 于襯底30的第一表面中和/或上。成像器20進一步包括粗糙的第二襯底表面85。在相對于第二表面32的垂直方向上將第二襯底表面85粗糙化提供了 IR輻射的散 射，而不是直接反射到暗像素。因此，可通過使光子104散射遠離暗像素，來減少擊中 暗像素的光子101的量。圖5說明展示用襯底30的經(jīng)粗糙化的第二表面85來減少來自 亮鹵素燈(行條帶)的圖像偽影的實驗結果。圖5A是用具有拋光的背面表面的成像裝置 取得的圖像。圖5B是用根據(jù)本發(fā)明的具有粗糙背面表面的成像裝置取得的圖像。可通過已知方法(例如，化學機械拋光技術)來在襯底30中形成經(jīng)粗糙化的第二表 面85。在典型的化學機械平面化(CMP)工藝中，將被拋光的襯底表面放置成與旋轉的 拋光墊接觸。在拋光工藝期間，所述墊旋轉，同時抵著所述襯底維持向下的力。將拋光 劑施加到拋光墊與被拋光的襯底表面之間的界面?？赏ㄟ^將拋光劑施加到拋光墊表面、 施加到被拋光的襯底表面或施加到兩者，來將拋光劑施加到所述界面?？蓪伖鈩╅g斷 地或連續(xù)地施加到所述界面，且可在使拋光墊與被拋光的襯底表面接觸之前或之后，開 始拋光劑的施加。拋光工藝進一步需要磨蝕材料來輔助去除襯底表面的一部分，以形成經(jīng)粗糙化的第 二表面84。磨蝕劑可并入到拋光墊中，例如第6,121,143號美國專利中所揭示的拋光墊， 所述專利以引用的方式并入本文中，所述磨蝕劑可并入到拋光劑中或并入到兩者中。拋光劑或漿料中的成分通過與被拋光的襯底的表面上的材料起化學反應來開始拋光工藝。 當將化學反應拋光劑或漿料提供到襯底/墊界面時，通過使墊相對于襯底進行移動來促進 拋光工藝。拋光以此方式繼續(xù)，直到實現(xiàn)經(jīng)粗糙化的第二表面85的所需的粗糙度為止。拋光墊相對于襯底的移動可依據(jù)經(jīng)粗糙化的第二表面85的所需的拋光最終結果而 改變。通常，拋光墊襯底旋轉，而被拋光的襯底的表面保持靜止?；蛘?，拋光墊和被拋 光的襯底兩者可相對于彼此而移動。拋光襯底且尤其是本發(fā)明的拋光墊可以線性方式移 動，它們可以軌道或旋轉方式移動，或它們可以多個方向組合的方式移動。將拋光劑配制成包含與被拋光的材料的表面起反應并使其軟化的化學物。拋光劑或 漿料的選擇是CMP步驟中的重要因素。依據(jù)成分(例如氧化劑、酸、堿、表面活性劑、 絡合劑、磨蝕劑和其它有用的添加劑)的選擇，拋光漿料可適合以所需的拋光速率提供 對襯底層的有效拋光。此外，拋光劑可經(jīng)選擇以提供對表面的受控拋光選擇性。第6,068,787號、第6,063,306號、第6,033,596號、第6,039,891號、第6,015,506號、 第5,954,997號、第5,993,686號、第5,783,489號、第5,244,523號、第5,209,816號、第 5,340,370號、第4,789,648號、第5,391,258號、第5,476,606號、第5,527,423號、第5,354,4卯 號、第5,157,876號、第5,137,544號和第4，956，313號美國專利中揭示CMP拋光劑和漿 料的實例，所述專利中的每一者的說明書以引用的方式并入本文中?，F(xiàn)參看圖6，其示意性地說明本發(fā)明的固態(tài)成像器20的第四實施例。如上文參考圖 2到圖4所陳述，所說明的實施例包括一種成像裝置，其具有形成于彩色濾光片層100 和隔離物層25上的微透鏡陣列70，彩色濾光片層100和隔離物層25形成于像素單元陣 列26上，像素單元陣列26形成于襯底30的第一表面中和/或上。成像器20進一步包括 形成于襯底30的第二表面上的至少一個成形光柵86。圖6說明若干成形光柵86。成形 光柵86優(yōu)選與襯底30的第二表面32以角度P對準。成形光柵86通過經(jīng)選擇以使光子 反射遠離暗像素的成形光柵的角度和定向，來減少累積在暗像素中的IR光子的量?？赏ㄟ^此項技術中已知的任何化學或機械方法(例如，如上文所述的化學機械拋光) 來形成成形光柵86。如上文所論述，所述拋光經(jīng)選擇以提供對表面的受控的拋光選擇性， 以便以使IR輻射反射遠離暗像素所需的角度形成成形光柵86。成形光柵86優(yōu)選與襯底 30的第二表面32以角度e對準，其中角度e優(yōu)選從約10度到約75度，更優(yōu)選從約20 度到約55度，更優(yōu)選從約35度到約45度。因此，穿過襯底30的光子101反射回來103， 遠離暗像素。因此，成形光柵86減少了光子在暗像素中的累積。現(xiàn)參看圖7，其示意性地說明本發(fā)明的固態(tài)成像器20的第五實施例。根據(jù)本發(fā)明，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在成像器20中的有源像素陣列27與暗像素29之間提供間距X可減少與暗像素 29接觸的IR輻射的量。有源像素陣列27與暗像素29之間的間距X優(yōu)選由吸收層83和 不透明層85覆蓋。吸收層83可由(例如)Ge、 SiGe、 SiC或類似物形成。吸收層83的 厚度應足夠厚以吸收所反射的輻射103,且優(yōu)選厚度從約0.5 lam到約8Hm，優(yōu)選從約l nm 到約6nm,最優(yōu)選從約2pm到約5 pm。不透明層85可以是防止輻射101穿透到襯底中 的任何合適的不透明材料，例如鉤、鋁或類似物等金屬。吸收層83和不透明層83防止 光和IR輻射穿透到襯底中。吸收層83進一步防止IR光子隨后反射回到襯底，并進入暗 像素29中。成像器中的有源像素陣列27與暗像素29之間的間距X的寬度可由以下等式 計算X = 2'D'tan(a)其中D是晶片的厚度，且a是襯底中的IR輻射的最大射線角?，F(xiàn)參看圖8到圖17。圖8展示上文所論述的固態(tài)成像器的展開圖。圖2到圖4以及 圖6到圖7中所示的像素陣列26包括形成于襯底30中和上的多個像素傳感器單元28， 且由充當成像器20的鈍化、平面化和金屬化層的保護層24覆蓋。層24可包含一個或一 個以上鈍化層和金屬化層。保護層24的鈍化部分可以是一層BPSG、 PSG、 BSG、 二氧 化硅、氮化硅、聚酰亞胺或其它眾所周知的透光絕緣體。彩色濾光片層100形成于保護層24上。彩色濾光片層IOO包括紅光、藍光和綠光敏 感元件的陣列，其可以所屬領域的技術人員理解的圖案布置，如第6,783,900號和第 3,971,065號美國專利所示范，所述專利以引用的方式并入本文中。如圖8到圖9中所示，每個像素傳感器單元含有光電傳感器34，其可以是光電二極 管、光電門或類似物。在圖8到圖9中描繪光電門光電傳感器34。將控制信號PG施加 到光電門34，以使得當呈光子形式的輻射101穿過彩色濾光片層IOO并撞擊光電傳感器 34時，光致電子累積在光電傳感器34下的摻雜區(qū)域36中。轉移晶體管42靠近光電傳 感器34而定位，且具有源極和漏極區(qū)域36， 40，以及由轉移信號TX控制的柵極堆疊 43。漏極區(qū)域40還被稱為浮動擴散區(qū)域，且其將接收到的電荷從光電傳感器34傳遞到 輸出晶體管44， 46，且接著傳遞到讀出電路48。復位晶體管50包括摻雜區(qū)域40， 52， 且柵極堆疊54由復位信號RST控制，復位信號RST操作以使浮動擴散區(qū)域40剛好在信 號讀出之前復位到預定初始電壓。像素傳感器單元的上述元件的形成和功能的細節(jié)可(例 如)在第6,376,868號和第6,333,205號美國專利中找到，所述專利的揭示內(nèi)容以引用的 方式并入本文中。如圖8中所說明，轉移晶體管42和復位晶體管50的柵極堆疊43， 54包含位于襯底30 (在此實例中是p型襯底)上的二氧化硅或氮化硅絕緣體56、位于絕緣層56上的摻 雜多晶硅、鎢或其它合適材料的導電層58、以及(例如)二氧化硅、氮化硅或ONO (氧 化物-氮化物-氧化物)的絕緣蓋層60。如果需要的話，可在多晶硅層58與蓋60之間使 用硅化物層59。還在柵極堆疊42， 54的側面上形成絕緣側壁62。這些側壁62可由(例 如)二氧化硅、氮化硅或ONO形成。圍繞像素傳感器單元28的場氧化物層64用于使像 素傳感器單元28與陣列中的其它像素單元隔離。第二柵極氧化物層57可在硅襯底30上 生長，且光電門半透明導體66從此層被圖案化。在光電傳感器是光電二極管的情況下， 不需要第二柵極氧化物層57和光電門半透明導體66。此外，轉移晶體管42是可選的， 在此情況下，擴散區(qū)域36和40連接在一起。上文參看圖2到圖4以及圖6到圖7描述的圖像裝置20通過如下描述且在圖10到 圖17中所說明的工藝制造?，F(xiàn)參看圖10，提供襯底30 (其可以是上文所述的襯底類型中的任何一種)，其具有 像素單元陣列26、外圍電路、觸點以及通過眾所周知的方法形成于其上的配線。BPSG、 BSG、 PSG、 二氧化硅、氮化硅或類似物的保護層24形成于像素單元陣列26上，以使其 鈍化且提供經(jīng)平面化的表面。彩色濾光片層IOO形成于保護層24上，如還在圖11中展示。彩色濾光片層100可 由用作透光材料的彩色抗蝕劑或丙烯酸材料形成。舉例來說，彩色濾光片層100可由多 個彩色濾光片層形成，所述多個彩色濾光片層中的每一者由紅色濾光片區(qū)域(未圖示)、 綠色濾光片區(qū)域(未圖示)以及藍色濾光片區(qū)域(未圖示)組成，其(例如)由具有相 應濾色質量的抗蝕劑或丙烯酸材料形成。由此，可使用紅色敏感抗蝕劑材料、藍色敏感 抗蝕劑材料以及綠色敏感抗蝕劑材料來形成所述形成彩色濾光片層100的多個彩色濾光 片層中的每一者的紅色、藍色和綠色敏感元件。這些紅色、藍色和綠色元件可以所屬領 域的技術人員已知的任何圖案形成。其它實施例可使用其它著色材料，例如油漆或染料， 如此項技術中已知。彩色濾光片層100可通過(例如)常規(guī)沉積或旋涂方法形成于保護 層24上。如圖ll中所說明，隔離層25形成于彩色濾光片層IOO上。如圖12中所示，接著， 透鏡70可由(例如)透鏡形成層形成，使得每個透鏡70上覆于一個像素單元28上面。 本發(fā)明還包含其中透鏡70上覆于多個像素單元28上面的替代構造。還應了解，前面的 實例論述本發(fā)明的一個實施例。當然，應了解，可如參考圖2到圖4以及圖6到圖7所 論述的那樣類似地制造本發(fā)明的其它實施例。雖然已經(jīng)參考CMOS成像器裝置描述了所述工藝，但應了解，所述工藝還可與其它 類型的成像器(例如與CCD成像器)的像素單元一起使用。因此，如上文所述形成的像 素單元可用于CCD圖像傳感器以及CMOS圖像傳感器中。本發(fā)明的成像器裝置還可形 成為不同尺寸的兆像素成像器，例如具有在約O.l兆像素到約20兆像素的范圍內(nèi)的陣列 的成像器。如圖13中所說明，抗反射層80形成于襯底30的第二表面32上?？拱l(fā)射層80經(jīng)設 計以減少光子從襯底30的背面32上的內(nèi)反射?？拱l(fā)射層80的合適材料的實例包含各種 抗反射涂層，例如經(jīng)沉積的抗反射涂層(DARC)。經(jīng)沉積的抗反射涂層通常將包括硅和 氮，且可(例如)由硅、氮和(視情況)氫組成。DARC或者可包括硅、氧和(在一些 情況下)氫。用于形成抗反射層80的其它合適材料包含氮化鈦與鋁的分層結構，例如 TiN/Al/TiN的堆疊層。抗反射層80的另一種合適材料包含Ti02。抗反射層80的厚度應 足夠大，以便避免穿過襯底30傳入的IR光子的反射。優(yōu)選的是，抗反射層80的厚度從 約0.1 pm到約5 nm，優(yōu)選從約0.1 到約2.5最優(yōu)選從約0.1 (xm到約0.5 pm。如圖14中所說明，吸收層82形成于抗反射層80上。吸收層82可由吸收IR輻射的 許多不同材料(例如Ge、 SiGe、 SiC或類似物)中的一者或一者以上形成。吸收層82 的厚度應足夠大，以便吸收穿過襯底30傳入的所有IR光子。優(yōu)選的是，吸收層82的厚 度從約0.5 pm到約8 pm，優(yōu)選從約1 pm到約6 pm,最優(yōu)選約2 到約5 nm。圖15說明根據(jù)本發(fā)明第二實施例的成像器處于圖12中所說明的處理階段之后的處 理階段。吸收層84形成于襯底30的第二表面32上。吸收層84可由吸收波長在約800 nm 到約1150nm之間的IR輻射的任何合適材料形成。優(yōu)選的是，吸收層84由Ge、 SiGe、 SiC或類似物形成。最優(yōu)選的是，吸收層84由鍺形成，因為出于這些目的，可使用標準 真空沉積技術將鍺沉積在襯底30的表面上。優(yōu)選的是，吸收層84的厚度從約0.5pm到 約8 |xm，優(yōu)選從約0.5 pm到約3.5 ^m。圖16說明處于圖12中所說明的處理階段之后的處理階段的根據(jù)本發(fā)明第三實施例 的成像器。將襯底的第二表面32粗糙化，以形成經(jīng)粗糙化的第二表面85。通過已知方 法(例如化學機械拋光技術)來形成經(jīng)粗糙化的第二表面85。在典型的化學機械平面化 (CMP)工藝中，將被拋光的襯底表面放置成與旋轉拋光墊接觸。將拋光劑施加到拋光 墊與被拋光的襯底表面之間的界面?？商砑幽ノg材料以輔助去除襯底表面的一部分，以 形成經(jīng)粗糙化的第二表面85。當將化學反應拋光劑或漿料提供到襯底/墊界面時，通過墊 相對于襯底的移動來促進拋光工藝。以此方式繼續(xù)進行拋光，直到實現(xiàn)經(jīng)粗糙化的第二表面85的所需粗糙度為止。圖17說明處于圖12中所說明的處理階段之后的處理階段的根據(jù)本發(fā)明第四實施例 的成像器。成像器20進一步包括形成于襯底30的第二表面32上的至少一個成形光柵 86。圖17說明若干光柵86。成形光柵86優(yōu)選以角度e與襯底30的第二表面32對準。 成形光柵86通過反射光子使其遠離暗像素來減少累積在暗像素中的IR光子的量。可通過此項技術中已知的任何化學或機械方法(例如上文所述的化學機械拋光)來 形成成形光柵86。如上文所論述，所述拋光經(jīng)選擇以提供對表面的受控拋光選擇性，以 便以使IR輻射反射遠離暗像素所需的角度形成成形光柵86。成形光柵86優(yōu)選以角度e 與襯底30的第二表面32對準，其中角度e優(yōu)選從約IO度到約75度，更優(yōu)選從約20度 到約55度，更優(yōu)選從約35度到約45度。圖18說明可利用本發(fā)明任何實施例的示范性成像器700。成像器700具有像素陣列 705,其包括如上文相對于圖2到圖4以及圖5到圖17所述而構造的像素。行線由行驅 動器710響應于行地址解碼器720而選擇性地啟動。列驅動器760和列地址解碼器770 也包含在成像器700中。成像器700由時序與控制電路750操作，時序與控制電路750 控制地址解碼器720， 770?？刂齐娐?50還控制行和列驅動器電路710， 760。與列驅動器760相關聯(lián)的取樣和保持電路761讀取用于選定像素的像素復位信號 Vrst和像素圖像信號Vsig。差分信號(Vrst-Vsig)由每個像素的差分放大器762放大， 且由模擬到數(shù)字轉換器775 (ADC)數(shù)字化。模擬到數(shù)字轉換器775將經(jīng)數(shù)字化的像素 信號供應到形成數(shù)字圖像的圖像處理器780。如果需要的話，成像器20可與處理器(例如CPU、數(shù)字信號處理器或微處理器)組 合。成像器20和微處理器可形成于單個集成電路中。圖19中說明使用具有根據(jù)本發(fā)明 的濾光片陣列的CMOS成像器的示范性處理器系統(tǒng)400。基于處理器的系統(tǒng)示范具有數(shù) 字電路的系統(tǒng)，其可包含CMOS或其它成像器裝置。在不具有限制性的情況下，此類系 統(tǒng)可包含計算機系統(tǒng)、照相機系統(tǒng)、掃描儀、機器視覺系統(tǒng)、車輛導航系統(tǒng)、視頻電話、 監(jiān)視系統(tǒng)、自動聚焦系統(tǒng)、星象跟蹤儀系統(tǒng)、運動檢測系統(tǒng)、圖像穩(wěn)定系統(tǒng)以及其它圖 像處理系統(tǒng)。如圖19中所示，示范性處理器系統(tǒng)400(例如照相機)通常包括中央處理單元(CPU) 444 (例如微處理器)，其通過總線452與輸入/輸出(I/O)裝置446通信。成像器20也 通過總線452與系統(tǒng)通信。計算機系統(tǒng)400還包含隨機存取存儲器(RAM) 448，且可包 含外圍裝置，例如軟盤驅動454、光盤(CD) ROM驅動器456或快閃存儲器458，其也通過總線452與CPU 444通信。軟盤454、 CD ROM 456或快閃存儲器458存儲由成像 器20俘獲的圖像。成像器20優(yōu)選構造為集成電路，具有或不具有存儲裝置，如先前相 對于圖2到圖4以及圖5到圖17所描述。雖然已經(jīng)結合當時已知的示范性實施例詳細描述了本發(fā)明，但應容易理解，本發(fā)明 并不限于此類所揭示的實施例。相反，本發(fā)明可經(jīng)修改以并入在此之前未描述的任何數(shù) 目的改變、變更、替代或等效布置，但所述改變、變更、替代或等效布置與本發(fā)明的精 神和范圍相稱。因此，本發(fā)明不應被視為受前文描述內(nèi)容限制，而是僅受所附權利要求 書的范圍限制。
權利要求
1.一種成像器，其包括像素傳感器單元陣列，其包括形成于襯底的第一表面處的多個像素單元，所述像素單元包含成像像素單元和暗電流像素單元；以及層，其形成于所述襯底的第二表面上，用于減少從所述第二表面反射回所述暗電流像素單元的光的量。
2. 根據(jù)權利要求1所述的成像器，其中所述層是抗反射涂層。
3. 根據(jù)權利要求2所述的成像器，其中所述抗反射涂層是經(jīng)沉積的抗反射涂層。
4. 根據(jù)權利要求2所述的成像器，其中所述抗反射涂層是氮化鈦與鋁的分層結構。
5. 根據(jù)權利要求2所述的成像器，其中所述抗反射涂層由Ti02形成。
6. 根據(jù)權利要求2所述的成像器，其中所述抗反射涂層具有從約O.l pm到約5 pm的 厚度。
7. 根據(jù)權利要求2所述的成像器，其進一步包括形成于所述抗反射涂層上的吸收層。
8. 根據(jù)權利要求7所述的成像器，其中所述吸收層吸收波長在約800 nm到約1150 nm 之間的IR輻射。
9. 根據(jù)權利要求7所述的成像器，其中所述吸收層由選自由Ge、 SiGe和SiC組成的 群組的材料形成。
10. 根據(jù)權利要求7所述的成像器，其中所述吸收層具有從約2pm到約5pm的厚度。
11. 根據(jù)權利要求1所述的成像器，其中所述層是吸收層。
12. 根據(jù)權利要求11所述的成像器，其中所述吸收層吸收波長在約800nm到約1150 nm 之間的IR輻射。
13. 根據(jù)權利要求12所述的成像器，其中所述吸收層由選自由Ge、 SiGe和SiC組成的 群組的材料形成。
14. 根據(jù)權利要求12所述的成像器，其中所述吸收層由鍺形成。
15. 根據(jù)權利要求14所述的成像器，其中所述吸收層具有從約2pm到約5^im的厚度。
16. —種成像器，其包括襯底，其具有第一表面和第二表面；以及像素傳感器單元陣列，其包括形成于襯底的第一表面處的多個像素單元，所述像 素單元包括成像像素單元和暗電流像素單元；其中在所述第二表面中形成有表面磨蝕，以用于減少從所述第二表面反射回所述暗電流像素單元的光的量。
17. 根據(jù)權利要求16所述的成像器
18. 根據(jù)權利要求16所述的成像器
19. 根據(jù)權利要求18所述的成像器 到約75度的角度形成。
20. 根據(jù)權利要求18所述的成像器 到約55度的角度形成。
21. —種成像器，其包括-像素傳感器單元陣列，其包括形成于襯底的第一表面處的多個有源像素單元和暗 電流像素單元，其中所述有源像素單元和所述暗電流像素單元在所述襯底中分開預 定距離。
22. 根據(jù)權利要求21所述的成像器，其中所述距離通過以下公式計算 2'D'tan(a)其中D是所述襯底的厚度，且a是IR輻射進入所述襯底中的最大角度。
23. 根據(jù)權利要求22所述的成像器，其進一步包括形成于所述暗像素和所述分開距離 上的吸收層。
24. 根據(jù)權利要求23所述的成像器，其中所述吸收層由選自由Ge、 SiGe和SiC組成的 群組的材料形成。
25. 根據(jù)權利要求23所述的成像器，其進一步包括形成于所述吸收層上的不透明層。
26. 根據(jù)權利要求25所述的成像器，其中所述不透明層由金屬形成。
27. 根據(jù)權利要求26所述的成像器，其中所述金屬選自由鎢和鋁組成的群組。
28. —種處理器系統(tǒng)，其包括-像素傳感器單元陣列，其包括形成于襯底的第一表面處的多個像素單元，所述像 素單元包含成像像素單元和暗電流像素單元；以及層，其形成于所述襯底的第二表面上，用于減少從所述第二表面反射回所述暗電流像素單元的光的量；以及處理器，其用于接收并處理表示圖像的數(shù)據(jù)。
29. 根據(jù)權利要求28所述的處理器系統(tǒng)，其中所述陣列和所述處理器形成于單個襯底 上。
30. 根據(jù)權利要求28所述的處理器系統(tǒng)，其中所述層是抗反射涂層。
31. 根據(jù)權利要求30所述的處理器系統(tǒng)，在這里所述抗反射涂層是經(jīng)沉積的抗反射涂，其中所述表面磨蝕包含垂直粗糙化。，其中所述表面磨蝕包含形成于其中的成形光柵。，其中所述成形光柵以與所述第二表面成從約10度，其中所述成形光柵以與所述第二表面成從約20度層。
32. 根據(jù)權利要求30所述的處理器系統(tǒng)，其中所述抗反射涂層是氮化鈦與鋁的分層結 構。
33. 根據(jù)權利要求30所述的處理器系統(tǒng)，其中所述抗反射涂層由TiCh形成。
34. 根據(jù)權利要求30所述的處理器系統(tǒng)，其中所述成像器進一步包括形成于所述抗反 射涂層上的吸收層。
35. 根據(jù)權利要求34所述的處理器系統(tǒng)，其中所述吸收層吸收波長在約800 nm到約 1150 nm之間的IR輻射。
36. 根據(jù)權利要求35所述的處理器系統(tǒng)，其中所述吸收層由選自由Ge、 SiGe和SiC組 成的群組的材料形成。
37. 根據(jù)權利要求28所述的處理器系統(tǒng)，其中所述層是吸收層。
38. 根據(jù)權利要求37所述的處理器系統(tǒng)，其中所述吸收層吸收波長在約800 nm到約 1150 nm之間的IR輻射。
39. 根據(jù)權利要求37所述的處理器系統(tǒng)，其中所述吸收層由選自由Ge、 SiGe和SiC組 成的群組的材料形成。
40. —種處理器系統(tǒng)，其包括-襯底，其具有第一表面和第二表面；像素傳感器單元陣列，其包括形成于襯底的第一表面處的多個像素單元，所述像 素單元包含成像像素單元和暗電流像素單元；其中在所述第二表面中形成有表面磨蝕，以用于減少從所述第二表面反射回所述 暗電流像素單元的光的量；以及處理器，其用于接收并處理表示圖像的數(shù)據(jù)。
41. 根據(jù)權利要求40所述的處理器系統(tǒng)，其中所述陣列和所述處理器形成于單個襯底上。
42. 根據(jù)權利要求40所述的處理器系統(tǒng)，其中所述表面磨蝕包含垂直粗糙化。
43. 根據(jù)權利要求40所述的處理器系統(tǒng)，其中所述表面磨蝕包含形成于其中的成形光娜。
44. 根據(jù)權利要求43所述的處理器系統(tǒng)，其中所述成形光柵以與所述第二表面成從約 10度到約75度的角度形成。
45. 根據(jù)權利要求43所述的處理器系統(tǒng)，其中所述成形光柵以與所述第二表面成從約35度到約45度的角度形成。
46. —種處理器系統(tǒng)，其包括像素傳感器單元陣列，其包括形成于襯底的第一表面處的多個有源像素單元和暗像素單元，其中所述有源像素單元和所述暗像素單元在所述襯底中分開預定距離； 以及處理器，其用于接收并處理表示圖像的數(shù)據(jù)。
47. 根據(jù)權利要求46所述的處理器系統(tǒng)，其中所述陣列和所述處理器形成于單個襯底 上。
48. 根據(jù)權利要求47所述的處理器系統(tǒng)，其中所述距離通過以下公式計算2 D * tan(a)其中D是所述襯底的厚度，且a是IR輻射進入所述襯底中的最大角度。
49. 根據(jù)權利要求46所述的處理器系統(tǒng)，其進一步包括形成于所述暗像素和所述分開 距離上的吸收層。
50. 根據(jù)權利要求49所述的處理器系統(tǒng)，其進一步包括形成于所述吸收層上的不透明 層。
51. —種減少成像裝置中的圖像偽影的方法，所述方法包括以下步驟-使穿透所述成像裝置的襯底并反射到所述成像裝置中的暗像素的IR輻射的量最 小化，以減少所述成像器中的圖像偽影。
52. 根據(jù)權利要求51所述的方法，其中通過提供具有像素傳感器單元陣列的成像襯 底，所述像素傳感器單元陣列包括形成于襯底的第一表面處的多個像素單元；形成 于所述襯底的第二表面上的抗反射涂層；以及形成于所述抗反射涂層上的吸收層， 來使IR輻射最小化。
53. 根據(jù)權利要求51所述的方法，其中通過提供具有像素傳感器單元陣列的成像襯 底，所述素傳感器單元陣列包括形成于襯底的第一表面處的多個像素單元，以及形 成于所述襯底的第二表面上的吸收層，來使IR箱射最小化。
54. 根據(jù)權利要求51所述的方法，其中通過提供具有第一表面和第二表面的襯底來使 IR輻射最小化，所述襯底具有像素傳感器單元陣列，所述像素傳感器單元陣列包括 形成于襯底的第一表面處的多個像素單元；其中在所述第二表面中形成有表面磨 蝕。
55. 根據(jù)權利要求54所述的方法，其中所述表面磨蝕包含垂直粗糙化。
56. 根據(jù)權利要求55所述的方法，其中通過CMP來形成所述表面磨蝕。
57. 根據(jù)權利要求54所述的方法，其中所述表面磨蝕包含形成于其中的成形光柵。
58. 根據(jù)權利要求51所述的方法，其中通過提供成像器來使IR輻射最小化，所述成像 器具有像素傳感器單元陣列，所述像素傳感器單元陣列包括形成于襯底的第一表面處的多個有源像素單元和暗像素單元，其中所述有源像素單元和所述暗像素單元在 所述襯底中分開預定距離。
59. 根據(jù)權利要求58所述的方法，其中所述距離通過以下公式計算-<formula>formula see original document page 6</formula>其中D是所述襯底的厚度，且a是IR輻射進入所述襯底中的最大角度。
全文摘要
本發(fā)明揭示具有減少的圖像偽影的成像裝置。通過使穿過所述成像裝置的IR輻射改變方向、吸收所述IR輻射或使所述IR輻射散射以避免光在襯底的背面上反射并累積在暗像素中，來減少所述成像裝置中的所述圖像偽影。
文檔編號H01L27/146GK101268552SQ200680034837
公開日2008年9月17日 申請日期2006年7月27日 優(yōu)先權日2005年8月3日
發(fā)明者伊戈爾·卡拉肖夫, 根納季亞·A·阿格拉諾夫 申請人:美光科技公司