专利名称：具有在滤色片中形成的波导的图像传感器的制作方法
技术领域：
本发明的实施例涉及图像传感器，尤其涉及图像传感器的滤光器。现有技术常规图像传感器可由互补金属氧化物半导体(CMOS)技术或由电荷耦合器件 (CXD)技术制造。CMOS图像传感器包括置于衬底上的像素阵列，每个像素包括诸如光电二 极管的光敏元件，举例而言，滤光器置于该光敏元件上且微透镜置于该滤光器上。当相关联 的转移晶体管导通时，光敏元件及浮动扩散区域可耦合在一起，以将电荷从光敏元件转移 至浮动扩散。亦可能存在置于衬底上的一个或多个金属层、多晶硅层、扩散层等。典型图像传感器的操作如下。光入射到微透镜上。微透镜经由滤光器将光聚焦至 光敏元件上。光敏元件将光转换成与入射光的强度成比例的电信号。可将该电信号耦合至 诸如CMOS晶体管的放大及读出电路，以基于所捕获的光生成图像。常规图像传感器遭受一些限制。在使用正面照明(FSI)的图像传感器中，金属层、 多晶硅层、扩散层等可置于微透镜与光敏元件之间。在使用FSI技术的图像传感器的制造 期间，因此必须产生用于从微透镜行进至光敏元件的光的信道，从而试图避免金属、多晶 硅、扩散等。一个解决方案为使用背面照明(BSI)。在使用BSI的图像传感器中，金属层、多晶 硅层、扩散层等在衬底的一面上，且光敏元件在衬底的另一面上。因此，无需产生至光敏元 件的避免这些金属、多晶硅、扩散等的路径。光入射到微透镜上，且存在从微透镜和滤光器 至光敏元件的直接的路径。BSI图像传感器也遭受限制。举例而言，随着BSI图像传感器的像素大小变得更 小，微透镜可能难以将入射光聚焦至光敏元件上。结果，在像素之中可能存在串扰。串扰在 图像传感器中产生不合需要的噪声。附图简述参考以下附图，描述本发明的非限制和非详尽的实施例，其中除非另有说明，否则 相似附图标记贯穿各个视图指示相似部件。
图1为根据本发明的一个实施例的图像传感器的截面图。图2为根据本发明的一个实施例的图像传感器的截面图。图3为根据本发明的一个实施例的图像传感器的平面图。图4为根据本发明的一个实施例的示出基于氧化物的波导的计算机仿真光功率 密度的图像传感器的侧视图。图5为根据本发明的一个实施例的示出基于气隙的波导的计算机仿真光功率密 度的图像传感器的侧视图。图6为根据本发明的一个实施例的图像传感器的截面图。图7为根据本发明的一个实施例的图像传感器的截面图。
图8为根据本发明的一个实施例的示出基于气隙的波导的计算机仿真光功率密 度的图像传感器的侧视图。图9为根据本发明的一个实施例的示出基于气隙的波导的计算机仿真光功率密 度的图像传感器的侧视图，其中金属壁耦合至波导壁。
具体实施例方式在以下描述中，呈现诸如特定制程、材料、器件等等的众多特定细节，以提供对本 发明的实施例的透彻理解。然而，本领域普通技术人员将认识到可在不具有特定细节中的 一个或多个的情况下或者用其它方法、组件等来实践本发明的实施例。在其它情况下，未详 细地示出或描述结构或操作以避免混淆对此描述的理解。参考贯穿本说明书的“一个实施例”或“一实施例”意味着与一个实施例结合所 描述的特定特征、结构、工艺、区块或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本 说明书在各个位置中的短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”的出现未必意味这些短 语都指同一实施例。特定特征、结构或特性可按照任何合适方式组合于一个或多个实施例 中。本发明的实施例包括一种具有像素阵列的图像传感器。至少一个像素可包括置于 衬底上的光敏元件、置于该光敏元件上的滤色片，以及置于该滤色片上的微透镜。波导壁可 围绕该滤色片。该波导壁可为包括诸如二氧化硅(SiO2)的氧化物的介电材料。或者，该波 导壁可为气隙。波导壁的折射率可小于滤色片的折射率。滤色片和围绕该滤色片的波导壁 形成波导结构，该结构将光限制成在滤色片中沿着该波导结构传播。此限制减少穿过围绕 该滤色片的该波导壁至相邻滤色片的漏光。换言之，在该波导中引导该光。可对该图像传 感器进行背面照明或正面照明。当光入射于微透镜上时，微透镜将光聚焦至滤色片中。由滤色片和围绕该滤色片 的波导壁所形成的波导结构将该光引导至光敏元件。光敏元件将光转换成电信号。本发明的实施例的一个优点为像素之间的串扰可减少，因为进入滤色片的光被限 制在由该滤色片及围绕该滤色片的波导壁所形成的波导中，且理想地没有光逸出该波导进 入相邻像素。结果为图像传感器具有对色彩的改良的捕获。另一优点为图像传感器可对入 射光更敏感，因为进入滤色片的光被限制在波导中，且理想地光完全入射到光敏元件上。本 发明的其它特征及优点将从所附附图及从以下具体描述中显而易见。图1为根据本发明的一个实施例的图像传感器100的截面图。在所说明的实施例 中，图像传感器100包括衬底101。对于一些实施例，衬底101可为半导体衬底。在所说明的实施例中，示成η型光电二极管102、104及106的三个光敏元件置于 衬底101中。一般而言，图像传感器100包括在衬底101中的行与列的二维阵列中排列的 若干光敏元件。出于清晰的目的，仅示出光敏元件102、104及106。然而，该阵列可包括数 千行和/或列以上，或更多。类似地，该阵列可具有除了列与行以外的其他排列。通常，图像传感器100中的个别像素可包括多层的叠层，该多层包括金属层、平坦 化层等。在所说明的实施例中，在衬底101的一面上，图像传感器100包括具有置于绝缘体 108中的金属导体Ml及金属导体Μ2的金属层。绝缘体108可使这些金属导体与衬底101 绝缘。绝缘体108可为诸如氧化物的任何介电材料。对于一些实施例，介电材料可为氧化硅。金属导体可为铜、铝、铝-铜混合物、钨，或适于运送电信号的其它金属。在衬底101的另一面上，ρ+硅的钝化层112置于衬底101上，且可选的抗反射材料 114置于硅的ρ+层112上。一般而言，硅的P+层112具有增强电荷收集至η型光电二极管 102、104及106中的效果，且防止在背部表面处的暗电流的生成。注意在一些实施例中，P+ 层112为可选的。红色滤光器116、绿色滤光器118及蓝色滤光器120置于抗反射材料114 上。微透镜122置于滤光器116上，微透镜IM置于滤光器118上，且微透镜1 置于滤光 器120上。波导壁130部分地置于蓝色滤光器120中。波导壁132部分地置于蓝色滤光器 120中且部分地置于绿色滤光器118中。波导壁134部分地置于绿色滤光器118中且部分 地置于红色滤光器116中。波导壁136部分地置于红色滤光器116中。在一些实施中，波 导壁比滤色片短(薄)，且如图1所示地置于这些滤色片中。在一些实施中，波导壁可实质 上与滤色片一样高(厚)。对于一些实施例，图像传感器100可具有以下特征。滤光器120的折射率比波导 壁130及132的折射率大。滤光器118的折射率比波导壁132及134的折射率大。滤光器 116的折射率比波导壁134及136的折射率大。在波导壁130、132、134及136为二氧化硅 (SiO2)的实施例中，波导壁130、132、134及136的折射率可为大约从1.46至1.49。在波 导壁130、132、134及136为滤色片之间的气隙的实施例中，波导壁130、132、134及136的 折射率可为大约1.0。在一些实施例中，红色滤光器116可具有大约1. 7的折射率。绿色滤光器118可 具有大约1. 55的折射率。蓝色滤光器120可具有大约1. 6的折射率。微透镜122、IM及1 可具有小于或等于大约1. 75微米(μ m)的直径。波导壁130、132、1；34及136可具有以下尺寸。高度(h)可大于或等于大约0. 1 μ m 且小于或等于大约1. 2 μ m。或者，高度(h)可大于或等于大约0. 2 μ m且小于或等于大约 0. 8 μ m0邻近波导壁之间的距离(w)可大于或等于大约0. 2 μ m且小于或等于大约1. 6 μ m。 或者，邻近波导壁之间的距离(W)可大于或等于大约0.3μπι且小于或等于大约1.2μπι。在一些实施例中，像素间距(ρ)与邻近波导壁之间的距离⑷之间的关系如下。距 离w大于ρ/10且小于9ρ/10。或者，w大于ρ/6且小于5ρ/6。对于一些实施例，像素间距 (P)可小于或等于大约1.75μπι。或者，像素间距(ρ)可小于或等于大约1.4μπι。围绕滤色片的波导壁的横截面可具有正方形、矩形、三角形、梯形、圆形、多边形、 椭圆形的形状或其它合适形状。波导壁可形成正方形/矩形滤色片的栅格/网格。在一个实施例中，图像传感器100操作如下。光入射到微透镜1 上，微透镜1 将光聚焦至蓝色滤光器120中。蓝色滤光器120对该入射光进行滤光及传递蓝光。由被波 导壁130及132所围绕的滤光器120形成的波导可选地穿过抗反射材料114及硅的ρ+层 112而将该蓝光引导并传递至光敏元件106。因为蓝色滤光器120的折射率比波导壁130 及132的折射率大，所以波导壁130及132可使该蓝光充分弯曲，使得将该蓝光被限制在蓝 色滤光器120内。在不具有波导壁130及132的情况下，蓝光可逸出蓝色滤光器120而进 入相邻像素。本发明利用在波导壁与滤色片之间的界面处发生的全内反射效应。当光入射到波 导壁上，其中至该壁的入射角大于临界角(Θ。)时，该光在界面处反射。该临界角定义为
权利要求
1.一种图像传感器，包括像素阵列，其置于半导体衬底中，所述像素阵列进一步包括多个光敏元件，其置于所述半导体衬底中；多个滤色片，其置于所述半导体衬底上；以及多个波导壁，其置于所述多个滤色片中，其中所述多个波导壁围绕着所述多个滤色片 形成多个波导。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述波导壁包括介电材料。
3.如权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述介电材料包括氧化物。
4.如权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，所述介电材料包括二氧化硅。
5.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述波导壁为气隙。
6.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，围绕着给定滤色片的所述波导壁包 括选自正方形、矩形、三角形、圆形、梯形、多边形以及椭圆形中的一形状。
7.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述波导壁包括大于或等于大约0.1 微米且小于或等于大约1. 2微米的高度。
8.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述波导壁包括大于或等于大约0.2 微米且小于或等于大约0. 8微米的高度。
9.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述波导壁比所述滤色片短。
10.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述波导壁实质上与所述滤色片一 样高。
11.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，两个邻近波导壁之间的距离大于或 等于大约0. 2微米且小于或等于大约1. 6微米。
12.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，两个邻近波导壁之间的距离大于或 等于大约0. 3微米且小于或等于大约1. 2微米。
13.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，还包括置于所述多个滤色片上的多 个微透镜。
14.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，还包括置于所述光敏元件与所述波 导壁之间的钝化层。
15.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，还包括置于所述光敏元件与所述波 导壁之间的抗反射层。
16.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述多个滤色片中的单个滤色片及 所述多个波导壁中的单个波导壁相对于对应的单个光敏元件而接近所述像素阵列的边缘 地移位。
17.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述多个滤色片中的单个滤色片及 所述多个波导壁中的单个波导壁接近所述像素阵列的中心地置于各自的光敏元件上。
18.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，随着波导壁进一步远离所述图像传 感器的中心且越来越接近所述图像传感器的边缘，所述两个邻近波导壁之间的距离减小。
19.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述像素阵列在所述半导体衬底的 第一面上，且金属层置在所述半导体衬底的第二面上。
20.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述像素阵列及所述金属层置于所述半导体衬底的同一面上。
21.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，在所述波导壁与所述光敏元件之间 将金属壁耦合至所述波导壁。
22.—种操作图像传感器的方法，包括在置于半导体衬底中的像素阵列处接收光，所述像素阵列具有置于所述半导体衬底中 的多个光敏元件、置于所述半导体衬底上的多个滤色片、以及置于所述多个滤色片中的多 个波导壁，其中所述多个波导壁围绕着所述多个滤色片形成多个波导； 在所述多个滤色片中对光进行滤光及引导；以及 将光从所述多个波导传递至所述多个光敏元件。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述波导壁为气隙。
24.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述波导壁为介电材料。
25.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述波导壁为二氧化硅材料。
26.如权利要求22所述的方法，其特征在于，在所述多个波导壁与所述多个光敏元件 之间将多个金属壁耦合至所述多个波导壁。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，还包括吸收沿着所述多个波导壁传播的光。
28.一种图像传感器，包括像素阵列，其置于半导体衬底中，所述像素阵列进一步包括 多个光敏元件，其置于所述半导体衬底中； 多个滤色片，其置于所述半导体衬底上；多个波导壁，其置于所述多个滤色片中，其中所述多个波导壁围绕着所述多个滤色片 形成多个波导；以及多个金属壁，其在所述多个波导壁与所述多个光敏元件之间耦合至所述多个波导壁。
29.如权利要求28所述的图像传感器，其特征在于，所述波导壁包括介电材料。
30.如权利要求28所述的图像传感器，其特征在于，所述波导壁为气隙。
31.如权利要求28所述的图像传感器，其特征在于，所述多个滤色片中的单个滤色片 及所述多个波导壁中的单个波导壁相对于单个光敏元件而接近所述像素阵列的边缘地移 位。
32.如权利要求28所述的图像传感器，其特征在于，随着波导壁进一步远离所述图像 传感器的中心且越来越接近所述图像传感器的边缘，所述邻近两个波导壁之间的距离减 小。
全文摘要
本发明揭示具有置于衬底中的像素阵列的一种图像传感器。每个像素包括光敏元件、滤色片及波导壁。这些波导壁置于滤色片中且围绕部分滤色片以通过该滤色片形成波导。这些波导壁的折射率比滤色片的折射率小。图像传感器可以是背面照明(BSI)或者是正面照明(FSI)的。在一些实施例中，金属壁可耦合至波导壁。
文档编号H01L27/146GK102097445SQ201010550429
公开日2011年6月15日 申请日期2010年11月8日 优先权日2009年11月9日
发明者吴斐, 野崎秀俊 申请人:美商豪威科技股份有限公司