本發(fā)明大體上涉及圖像傳感器，且更特定來說但不排它地，涉及偏置深溝槽隔離。

背景技術(shù)：

圖像傳感器已變得無所不在。圖像傳感器在數(shù)碼靜態(tài)相機、蜂窩式電話、監(jiān)控攝像機，以及醫(yī)療、汽車及其它應用中廣泛使用。用以制造圖像傳感器的技術(shù)持續(xù)大幅進步。舉例來說，對更高分辨率及更低功耗的需求已經(jīng)促進這些裝置的進一步微型化及集成。

像素串擾當前限制了半導體圖像傳感器裝置的性能。理論上，圖像傳感器中的每一像素作為獨立光子檢測器操作。換句話說，一個像素中的電子/空穴含量不會溢出到相鄰像素(或裝置中的任何其它像素)。在真實圖像傳感器中，情況并非如此。電信號可從一個像素移動到另一像素。此串擾可增加白像素的數(shù)目、降低圖像傳感器靈敏度，并導致彩色信號混合。不幸的是，串擾的許多解決方案通常擴大了暗電流的影響或促成暗電流。暗電流與串擾的組合可造成明顯的圖像劣化。

已經(jīng)采用許多技術(shù)來減輕串擾/暗電流的影響并增強圖像傳感器性能。這些技術(shù)中的一些包含使用重摻雜區(qū)域以隔離個別像素且采用獲取后算法來減少圖像噪聲。然而，這兩種方法仍然無法完全消除像素串擾及暗電流的影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種圖像傳感器，其包括：多個光電二極管，其安置在半導體材料中；穿半導體通孔，其安置在所述半導體材料中且耦合到負電壓源；及深溝槽隔離結(jié)構(gòu)，其安置在所述多個光電二極管中的個別光電二極管之間以電且光學地隔離所述個別光電二極管，其中所述深溝槽隔離結(jié)構(gòu)包含：導電材料，其耦合到所述穿半導體通孔及所述負電壓源；及電介質(zhì)材料，其安置在所述深溝槽隔離結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上且介于所述半導體材料與所述導電材料之間。

本發(fā)明還提供一種成像系統(tǒng)，其包括：多個光電二極管，其安置在半導體材料中；深溝槽隔離結(jié)構(gòu)，其安置在所述多個光電二極管中的個別光電二極管之間，其中所述深溝槽隔離結(jié)構(gòu)包含電介質(zhì)材料，及安置在所述電介質(zhì)材料的中心的導電材料；及穿半導體通孔，其安置在所述半導體材料中且耦合到所述深溝槽隔離結(jié)構(gòu)，其中所述穿半導體通孔耦合到負電壓源，且其中所述負電壓源響應于負電壓的施加而在所述半導體材料中靠近所述深溝槽隔離結(jié)構(gòu)處誘發(fā)正電荷積累。

本發(fā)明還提供一種電互連系統(tǒng)，其包括：多個深溝槽隔離結(jié)構(gòu)，其安置在半導體材料中，其中所述多個深溝槽隔離結(jié)構(gòu)包含電介質(zhì)材料及導電材料，且其中所述電介質(zhì)材料安置在所述導電材料與所述半導體材料之間；穿半導體通孔，其安置在所述半導體材料中且耦合到負電壓源；光學屏蔽件，其安置成靠近所述半導體材料，其中所述光學屏蔽件利用金屬互連件耦合到所述穿半導體通孔及所述多個深溝槽隔離結(jié)構(gòu)。

附圖說明

參考以下圖式描述本發(fā)明的非限制及非詳盡實例，其中相同元件符號貫穿各視圖指

代相同部分，除非另有說明。

圖1a是根據(jù)本發(fā)明的教示的實例圖像傳感器的說明。

圖1b是根據(jù)本發(fā)明的教示的來自圖1a的深溝槽隔離結(jié)構(gòu)的放大視圖。

圖2說明根據(jù)本發(fā)明的教示的包含圖1a的圖像傳感器的成像系統(tǒng)的一個實例。

圖3是說明根據(jù)本發(fā)明的教示的圖像傳感器制造的方法的流程圖。

對應的參考字符貫穿圖式的若干視圖指示對應組件。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應了解，圖中的元件是出于簡單且清楚的目的而說明，且不一定是按比例繪制。例如，圖中一些元件的尺寸可能相對于其它元件而被夸大以幫助改進對本發(fā)明的各種實施例的理解。此外，為了更清楚地觀察本發(fā)明的這些各種實施例，通常不描繪在商業(yè)可行的實施例中有用或必要的常見但好理解的元件。

具體實施方式

本文中描述了用于偏置深溝槽隔離的設(shè)備及方法的實例。在以下描述中，陳述眾多特定細節(jié)以提供對實施例的詳盡理解。然而，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，可在沒有所述具體細節(jié)中的一或多者的情況下實施或以其它方法、組件、材料等等實踐本文中描述的技術(shù)。在其它實例中，未展示或詳細描述眾所周知的結(jié)構(gòu)、材料或操作以避免模糊某些方面。

貫穿此說明書對“一個實例”、或“一個實施例”的參考意味著結(jié)合實例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包含于本發(fā)明的至少一個實例中。因此，在貫穿本說明書的各種地方出現(xiàn)短語“在一個實例中”或“在一個實施例中”不一定都指代同一實例。此外，特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可在一或多個實例中以任何合適方式組合。

觀察本說明書，使用若干技術(shù)術(shù)語。這些術(shù)語具有其所來源于的領(lǐng)域中的一般含義，除非本文中具體定義或其使用背景另有清楚指示。應注意，貫穿此文獻，元件名稱及符號可互換使用(例如，si與硅)；然而，這兩者均具有相同意義。

圖1a是實例圖像傳感器100a的說明。圖像傳感器100a包含安置在半導體材料101中的多個光電二極管111，及安置在半導體材料101中的穿半導體通孔(tsv)103。tsv103耦合到負電壓源。深溝槽隔離結(jié)構(gòu)安置在個別光電二極管111之間以電且光學地隔離光電二極管111。雖然因為圖1a展示圖像傳感器100a的橫截面視圖而未描繪，但是深溝槽隔離結(jié)構(gòu)以柵格狀圖案互連以隔離個別光電二極管111。深溝槽隔離結(jié)構(gòu)包含導電材料113(如將所示，其耦合到穿半導體通孔103)，及安置在深溝槽隔離結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上(介于半導體材料101與導電材料113之間)的電介質(zhì)材料115。在一個實例中，電介質(zhì)材料115包含氧化鉿。在所描繪的實例中，導電材料113響應于從負電壓源施加的負電壓而在半導體材料101中誘發(fā)正電荷。在一個實例中，導電材料113包含鎢。

如所示，圖像傳感器100a還包含安置在圖像傳感器100a的背側(cè)上的光學屏蔽件107以及金屬互連件105。第一金屬互連件105從穿半導體通孔103延伸到光學屏蔽件107，且第二金屬互連件105從光學屏蔽件107延伸到導電材料113。在一個實例中，光學屏蔽件107包含鋁，且金屬互連件105包含鎢及/或銅。

還描繪了微透鏡層151，其與多個光電二極管111光學地對準以將光引導到多個光電二極管111中。彩色濾光片陣列131安置在半導體材料101與微透鏡層151之間。彩色濾光片陣列131可包含紅色、綠色及藍色濾光片，其可布置為拜耳圖案、exr圖案、x轉(zhuǎn)換圖案等。然而，在不同或相同實例中，彩色濾光片陣列131可包含紅外線濾光片、紫外線濾光片或隔離電磁頻譜的不可見部分的其它濾光片。應注意，個別彩色濾光片131是由反射柵格133分離以幫助將光引導到光電二極管111中。此反射柵格133可與深溝槽隔離結(jié)構(gòu)垂直地對準以促進光電二極管111中的光吸收。在一或多個實例中，反射柵格133連接到光學屏蔽件107。在一個實例中，反射柵格133及光學屏蔽件107可包含相同材料且可同時制造。

絕緣層121安置在半導體材料101與彩色濾光片陣列131之間。在所描繪的實例中，絕緣層121還跨半導體材料101的表面延伸到其中tsv103連接到光學屏蔽件107的區(qū)域。此處，金屬互連件105延伸穿過絕緣層121以接觸光學屏蔽件107。在所描繪的實例中，第二絕緣層153安置在彩色濾光片陣列131與微透鏡層151之間。第二絕緣層153可具有與絕緣層121相同或不同的材料成分。

邏輯晶片191(包含邏輯電路)耦合到半導體材料101。邏輯電路耦合到多個光電二極管111以控制多個光電二極管111的操作。如所描繪，結(jié)合界面181提供在半導體材料101與邏輯晶片191之間。穿半導體通孔103從半導體材料101延伸到結(jié)合界面181及邏輯晶片191中。雖然未描繪，但是tsv103可填充有金屬或其它導電材料。金屬可安置在tsv103的中心，而tsv103的側(cè)排有氧化物或其它絕緣材料以防止電流從tsv103流入半導體材料101中。

在所說明的實例中，圖像傳感器100a是背照式圖像傳感器。然而，在其它實例中，圖像傳感器100a可為前照式圖像傳感器。相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員可明白的是，背照式裝置中的電路(例如。包含于邏輯晶片191中的電路)位于光電二極管后面使得電路不會阻斷圖像光。相反地，在前照式裝置中，電路安置在光電二極管與入射圖像光之間。

圖1b是來自圖1a的深溝槽隔離結(jié)構(gòu)的放大視圖(參見100b)。深溝槽隔離結(jié)構(gòu)安置在多個光電二極管111中的個別光電二極管111之間。深溝槽隔離結(jié)構(gòu)包含安置在深溝槽隔離結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上的電介質(zhì)材料115及安置在深溝槽隔離結(jié)構(gòu)的中心的導電材料113。

深溝槽隔離結(jié)構(gòu)耦合到穿半導體通孔(例如，tsv103)，且tsv及深溝槽隔離結(jié)構(gòu)均耦合到光學屏蔽件(例如，光學屏蔽件107)。穿半導體通孔耦合到負電壓源，且負電壓源在半導體材料101中靠近深溝槽隔離結(jié)構(gòu)處誘發(fā)正電荷積累。如所描繪，當負電壓施加于導電材料113時，正電荷積聚在半導體材料101與電介質(zhì)材料115的界面處。電介質(zhì)材料115與半導體材料101的界面處的正電荷可幫助減少光電二極管111之間的串擾，這是因為界面電壓阻斷半導體材料101中的表面狀態(tài)之間的電荷傳輸。因此，防止來自半導體材料101的表面狀態(tài)的電荷在圖像傳感器100a的背側(cè)上的像素之間移動。這減輕了例如暗電流及白像素的非所需電影響。

如先前所討論，電介質(zhì)材料115可包含氧化鉿(hfo2或hfox)；然而，在其它實例中，電介質(zhì)材料115可包含其它氧化物，例如：二氧化硅(sio2)、氮化硅(si3n4)、氮氧化硅(sioxny)、氧化鉭(ta2o5)、二氧化鈦(tio2)、氧化鋯(zro2)、氧化鋁(al2o3)、氧化鑭(la2o3)、氧化鐠(pr2o3)、氧化鈰(ceo2)、氧化釹(nd2o3)、氧化钷(pm2o3)、氧化釤(sm2o3)、氧化銪(eu2o3)、氧化釓(gd2o3)、氧化鋱(tb2o3)、氧化鏑(dy2o3)、氧化鈥(ho2o3)、氧化鉺(er2o3)、氧化銩(tm2o3)、氧化鐿(yb2o3)、氧化镥(lu2o3)、氧化釔等(y2o3)等等。此外，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，根據(jù)本發(fā)明的教示，可在電介質(zhì)材料115中采用上述金屬/半導體及其氧化物/氮化物/氮氧化物的任何化學計量組合。

類似地，導電材料113可包含鎢；然而，導電材料113還可包含例如以下項的金屬：銅、金、鈀、銀、鋁、銦、鉛、鎳、鈦等。相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，上述金屬(及未列舉的其它金屬)的任何化學計量組合可用于形成導電材料113。

圖2說明包含圖1a的圖像傳感器的成像系統(tǒng)200的一個實例。成像系統(tǒng)200包含像素陣列205、控制電路221、讀出電路211及功能邏輯215。在一個實例中，像素陣列205是光電二極管或圖像傳感器像素(例如，像素p1、p2…、pn)的二維(2d)陣列。如所說明，光電二極管布置成行(例如，行r1到行ry)及列(例如，c1到cx)以獲取人物、場所、對象等的圖像數(shù)據(jù)，所述圖像數(shù)據(jù)接著可用于再現(xiàn)所述人物、場所、對象等的2d圖像。

在一個實例中，在像素陣列205中的每一圖像傳感器光電二極管/像素已獲取其圖像數(shù)據(jù)或圖像電荷之后，圖像數(shù)據(jù)由讀出電路211讀出且接著被轉(zhuǎn)移到功能邏輯215。讀出電路211可經(jīng)耦合以從像素陣列205中的多個光電二極管讀出圖像數(shù)據(jù)。在各種實例中，讀出電路211可包含放大電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換(adc)電路或其它。功能邏輯215可簡單地存儲圖像數(shù)據(jù)或甚至通過施加后期圖像效果(例如，剪裁、旋轉(zhuǎn)、移除紅眼、調(diào)整亮度、調(diào)整對比度或其它)來操縱圖像數(shù)據(jù)。在一個實例中，讀出電路211可沿著讀出列線一次讀出一行圖像數(shù)據(jù)(已說明)，或可使用例如串行讀出或同時完全并行讀出所有像素的多種其它技術(shù)(未說明)來讀出所述圖像數(shù)據(jù)。

在一個實例中，控制電路221耦合到像素陣列205以控制像素陣列205中的多個光電二極管的操作。例如，控制電路221可產(chǎn)生用于控制圖像獲取的快門信號。在一個實例中，所述快門信號為全局快門信號，其用于同時啟用像素陣列205內(nèi)的所有像素以在單個獲取窗期間同時俘獲其相應的圖像數(shù)據(jù)。在另一實例中，所述快門信號為滾動快門信號，使得在連續(xù)獲取窗期間循序地啟用像素的每一行、每一列或每一群組。在另一實例中，圖像采集與照明效果(例如閃光)同步。

在一個實例中，成像系統(tǒng)200可包含于數(shù)碼相機、手機、膝上型計算機等中。此外，成像系統(tǒng)200可耦合到其它硬件，例如處理器、存儲器元件、輸出(usb端口、無線發(fā)射器、hdmi端口等等)、照明/閃光、電輸入(鍵盤、觸摸顯示器、跟蹤墊、鼠標、麥克風等等)和/或顯示器。其它的硬件可將指令傳送到成像系統(tǒng)200，從成像系統(tǒng)200提取圖像數(shù)據(jù)或操縱由成像系統(tǒng)200供應的圖像數(shù)據(jù)。

圖3是說明圖像傳感器制造的方法300的流程圖。一些或全部框出現(xiàn)在過程300中的順序不應被視為具有限制性。而是，受益于本發(fā)明的所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將理解，方法300中的一些可以未經(jīng)說明的各種順序執(zhí)行，或甚至并行執(zhí)行。此外，方法300可省略某些框以避免混淆某些方面。替代地，方法300可包含在本發(fā)明的一些實施例/實例中不一定需要的額外框。

框301說明提供半導體材料(例如，半導體材料101)及邏輯晶片(例如，邏輯晶片191)。在一個實例中，由結(jié)合界面(例如，結(jié)合界面181)將這兩個組件結(jié)合在一起。在一個實例中，半導體材料及邏輯晶片均包含硅；然而，在另一實例中，半導體材料及邏輯晶片可包含鍺、砷、鎵等。在此處呈現(xiàn)的實例中，深溝槽隔離結(jié)構(gòu)已經(jīng)安置在半導體材料中。深溝槽隔離結(jié)構(gòu)包含電介質(zhì)材料(例如，電介質(zhì)材料115)及導電材料(例如，導電材料113)，且電介質(zhì)材料安置在導電材料與半導體材料之間。在一個實例中，可通過在半導體材料中蝕刻溝槽且接著用電介質(zhì)材料回填溝槽且緊接著用導電材料回填溝槽來形成深溝槽隔離結(jié)構(gòu)。

框311描述在半導體材料中形成穿半導體通孔(tsv)。在一個實例中，這涉及蝕刻穿過半導體材料的孔以接觸安置在結(jié)合界面及邏輯晶片中的互連件?？椎奈g刻可取決于通孔的幾何形狀及所需蝕刻速率而由濕式或干式蝕刻實現(xiàn)。接著，可用絕緣材料(如二氧化硅等)回填所述孔。接著，在絕緣材料中蝕刻另一孔。接著，用導電材料(例如金屬等)回填此新孔。絕緣材料防止電子從導電材料流動到半導體材料。

框321描繪蝕刻溝槽以接觸tsv及深溝槽隔離結(jié)構(gòu)。在框321之前，在裝置的部分上沉積絕緣層(例如，絕緣層121或絕緣層153)。接著，將孔蝕刻到絕緣層中以接觸tsv及深溝槽隔離結(jié)構(gòu)。

框331說明用鎢填充蝕刻在隔離層中的溝槽。雖然此處的鎢是選擇導電材料，但是在其它實例中，可使用許多其它金屬及半導體。

框341描述將鎢互連件連接到背側(cè)光學屏蔽件。在一個實例中，光學屏蔽件與用于分離彩色濾光片陣列中的個別彩色濾光片的金屬柵格的材料相同。金屬柵格安置在彩色濾光片陣列中的個別彩色濾光片之間，且?guī)椭乐构怆姸O管之間的串擾。使用光學屏蔽件(與金屬柵格同時制造且連接到金屬柵格)將穿半導體通孔連接到深溝槽隔離結(jié)構(gòu)減少連接這兩種裝置架構(gòu)另外需要的過程步驟的數(shù)目。在所描繪的實例中，金屬柵格/光學屏蔽件可通過熱蒸發(fā)沉積且可包含鋁以增強其導電性。然而，在其它實例中，可使用導電性足夠大的其它金屬來形成金屬柵格/光學屏蔽件。

雖然未描繪，但是一旦金屬柵格形成，便可將彩色濾光片陣列沉積在金屬柵格中。此外，微透鏡可形成在彩色濾光片陣列上。微透鏡可由圖案化在彩色濾光片陣列的表面上的光活性聚合物制成。一旦聚合物的矩形塊圖案化在彩色濾光片陣列上，便可熔化(或回流)所述塊以形成微透鏡的穹頂狀結(jié)構(gòu)特性。

對本發(fā)明的所說明的實例的以上描述(包含在說明書摘要中描述的內(nèi)容)不希望為窮舉性的或?qū)⒈景l(fā)明限于所揭示的精確形式。如相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，雖然本文中出于說明目的描述了本發(fā)明的特定實例，但是各種修改在本發(fā)明的范圍內(nèi)是可能的。

在以上詳細描述的背景下可對本發(fā)明做出這些修改。所附權(quán)利要求書中使用的術(shù)語不應被解釋為將本發(fā)明限于說明書中揭示的特定實例。而是，本發(fā)明的范圍應完全由根據(jù)沿用已久的權(quán)利要求解釋規(guī)則來解釋的所附權(quán)利要求書確定。