图像传感器对角隔离结构的制作方法

1.本公开大体上涉及图像传感器，且特定来说(但非排他性地)涉及cmos图像传感器及其应用。


背景技术：

2.图像传感器广泛存在于数码相机、蜂窝电话、安全相机及如用于医疗、汽车及其它应用的其它成像系统中。随着图像传感器被集成到更广泛范围的电子装置中，希望通过改进装置架构设计及图像处理来增强其功能性及性能(例如，分辨率、功耗、动态范围等)。
3.典型图像传感器响应于从外部场景反射的入射在图像传感器上的图像光来操作。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，其吸收入射图像光的一部分并且在吸收图像光时产生图像电荷。由像素光产生的图像电荷光可作为列位线上的模拟输出图像信号来测量，所述图像信号依据入射图像光而变化。换句话说，所产生的图像电荷量与图像光的强度成比例，所述图像光作为模拟图像信号从列位线读出并转换为数字值以产生表示外部场景的数字图像(即，图像数据)。


技术实现要素：

4.一方面，本公开提供一种图像传感器，其包括：电磁辐射源，其安置在衬底上；像素阵列，其安置在所述衬底上且与电磁辐射源热耦合；以及隔离结构，其在所述电磁辐射源与所述像素阵列之间安置在所述衬底上，所述隔离结构界定相对于所述像素阵列的横向轴定向在第一偏置上的第一反射表面及相对于所述横向轴定向在第二偏置上的第二反射表面，其中所述隔离结构经配置以通过将所述第一反射表面及所述第二反射表面对所述电磁辐射的第一反射与第二反射配对来衰减到达所述像素阵列的近端区的残余电磁辐射。
5.另一方面，本公开进一步提供一种隔离结构，其包括：衬底，其包含多个对角隔离结构，所述衬底界定横向轴及垂直于所述横向轴的垂直轴，其中所述多个对角隔离结构中的对角隔离结构界定相对于所述横向轴定向在第一偏置上的第一反射表面及相对于所述横向轴定向在第二偏置上的第二反射表面，且其中所述对角隔离结构经配置以通过将所述第一反射表面及所述第二反射表面对所述电磁辐射的第一反射与第二反射配对来衰减电磁辐射。
附图说明
6.参考以下图式描述本发明的非限制性及非穷尽实例，其中相似参考编号贯穿各种视图指代相似部分，除非另有规定。在适当的情况定下，不一定标记元件的所有例子以免使图式混乱。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在说明所描述的原理上。
7.图1a说明根据本公开的实施例的包含有源像素区、暗像素区、电磁辐射源及对角深沟槽隔离结构的图像传感器的俯视图。
8.图1b说明根据本公开的实施例的图1a中所说明的图像传感器沿线a-a
′
的截面图。
9.图2a到2b说明通常用于减少电磁辐射到有源像素区的有源像素的横向传输的常规深沟槽隔离结构。
10.图3a是说明根据本公开的实施例的包含经配置以改进有源像素的隔离的对角深沟槽隔离结构的实例图像传感器布局的示意图。
11.图3b是说明根据本公开的实施例的经配置为晶格结构的实例对角深沟槽隔离结构的示意图。
12.图3c是说明根据本公开的实施例的包含经配置以改进有源像素的隔离的对角深沟槽隔离结构的实例阵列的示意图。
13.图3d是说明根据本公开的实施例的包含经配置以改进有源像素的隔离的对角深沟槽隔离结构的实例交错阵列的示意图。
14.图4是根据本公开的教示的包含具有多层金属堆叠的图像传感器的成像系统的功能框图。
15.对应参考字符贯穿附图的若干视图指示对应组件。所属领域的技术人员应了解，图式中的元件出于简单及清楚的目的而说明，且未必是按比例绘制。举例来说，图式中一些元件的尺寸相对于其它元件可被夸大以帮助提高对本发明的各种实施例的理解。另外，为了促进对本发明的这些各种实施例的更容易的观察，通常不描绘在商业上可行的实施例中有用的或必需的常见但众所周知的元件。
具体实施方式
16.本文描述各自包含图像传感器或以其它方式与图像传感器相关的设备、系统及方法的实施例，所述图像传感器具有经配置以改进有源像素的电磁隔离的对角深沟槽隔离结构。在以下描述中，阐述众多特定细节以提供对实施例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将认识到，可在不具有一或多个特定细节的情况下或配合其它方法、组件、材料等等实践本文所描述的技术。在其它情况下，未展示或详细地描述众所周知的结构、材料或操作以避免混淆某些方面。
17.贯穿本说明书的对“一个实例”或“一个实施例”的参考意指结合所述实施例所描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书的各种地方的短语“在一个实例中”或“一个实施例”的出现未必都是指同一实施例。此外，特定特征、结构或特性可以合适方式组合于一或多个实施例中。
18.为便于描述如图式中所说明的一个元件或特征相对于另外的元件或特征的关系，在本文中可使用例如“下面”、“之下”、“上方”、“下方”、“之上”，“上”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“中心”、“中间”及类似者的空间相对术语。将理解，空间相对术语希望涵盖除图式中所描绘的定向之外的装置在使用或操作中的不同定向。举例来说，如果图式中的装置被旋转或翻转，那么被描述为在其它元件或特征“之下”、“下面”或“下方”的元件将被定向为在其它元件或特征“之上”。因此，示范性术语“之下”及“下方”可涵盖在之上及之下两个定向。可以其它方式定向装置(旋转九十度或其它定向)，并相应地解释本文中使用的空间相对描述语。另外，还将理解，当一元件被称为在两个其它元件“之间”时，其可为两个其它元件之间的唯一元件，或者也可存在一或多个中间元件。
19.贯穿本说明书，使用若干术语。这些术语应具有其所属的领域的一般含义，除非在
本文明确定义，或其使用背景以其它方式明确指出。应注意，元件名称及符号可贯穿此文献互换使用(例如，si与硅)；然而，两者都具有相同含义。
20.半导体处理技术的进步使得能够制造具有越来越小的特征大小的互补金属氧化物半导体装置(例如，图像传感器、处理器、显示器及类似者)，这使得许多装置能够小型化。对于图像传感器，小型化已经产生这样的装置，在所述装置中包含光电二极管及金属化层的图像传感器组件形成在具有信号处理及控制电路系统(例如专用集成电路(asic)及电源电路)的共享衬底上。小型化的益处之一是图像传感器的功率需求的减少、总体传感器面积的减少及像素密度的增加。也就是说，控制及电源电路系统产生通过共享衬底输送的热量，且在图像传感器像素阵列中诱发暗电流不均匀性。因此，随着小型化增加，用于校正暗电流的常规方法失去有效性。因此，需要用以在半导体衬底中横向输送的电磁辐射到达光电二极管以不均匀地感应暗电流之前衰减所述电磁辐射的技术。
21.本文描述的实施例包含经配置以衰减通过图像传感器的半导体衬底横向输送的电磁辐射的图像传感器。图像传感器包含在图像传感器像素阵列的像素之间形成的对角隔离结构，所述像素可包含有源像素、暗像素及/或虚设像素。对角隔离结构可包含描述大体上线性轴的三角形锯齿图案(例如，三角形“之字形”)，其中所述轴大体上正交于图像传感器的横向轴(例如，图1a的轴a-a')。替代地，对角隔离结构可包含旋转正方形晶格、旋转矩形晶格、旋转菱形晶格或其它几何晶格。有利地，本文所描述的对角隔离结构可由已由cmos制造系统实施的工艺形成，包含(但不限于)光刻图案化、沉积及蚀刻以及平面化。另外，与常规隔离结构(例如经形成以减少光电二极管之间的光学串扰的深沟槽隔离结构)相比，本文所描述的对角隔离结构更有效地反射包含热能的em辐射使其远离图像传感器的像素，所述对角隔离结构通常呈现与图像传感器的垂直及横向对准对准的正方形晶格配置。
22.图1a是说明根据本公开的实施例的包含有源像素区110、暗像素区130及对角深沟槽隔离结构109的实例图像传感器100的平面图的示意图。图像传感器100包含有源像素区110、虚设像素区120、暗像素区130、外围区140、一或多个专用集成电路(asic)190，其中一或多个组件可充当电磁(em)辐射源195。在所说明实施例中，虚设像素区120、暗像素区130及外围区140横向环绕有源像素区110。虚设像素区120被安置在有源像素区110与暗像素区130之间。暗像素区130安置在外围区140与虚设像素区120之间。暗像素区130也安置在外围区140与有源像素区110之间。asic 190及em源195在外围区140内说明。
23.有源像素区110包含一或多个有源像素光电二极管112(参考图1b)，以产生代表外部场景的一或多个图像信号。例如，响应于有源像素区110上的入射光(例如，具有人眼可检测的能量的电磁(em)辐射、人眼不可见的em辐射等)，可由有源像素区110的有源像素光电二极管112收集图像电荷。图像电荷可被读出为转换为数字信号的模拟信号(例如，包含在有源像素区110中的给定一或多个像素的图像信号)。暗像素区130包含暗像素光电二极管132(参考图1b)，以产生一或多个暗电流参考信号(例如，基于包含在暗像素区130中的一或多个暗像素光电二极管的读出)。暗电流参考信号可由暗像素光电二极管132产生，以校正来自有源像素光电二极管112的噪声输出。例如，暗电流可导致图像信号中的升高基线，且可降低图像传感器100的信噪比，从而降低传感器性能。暗电流校正可包含(但不限于)基线校正及/或去噪技术，例如从一或多个图像信号减去暗电流参考信号。
24.在一些实施例中，虚设像素区120可包含在暗像素区130与有源像素区110之间。虚
设像素区120可包含多个虚设像素光电二极管122(参考图1b)，其可对应于非成像光电二极管。例如，虚设像素区120可安置在有源像素区110之间，以将有源像素光电二极管112与暗像素区130、asic 190、em源195、可安置在外围区140内的未说明的其它电路系统或逻辑或图像传感器100的其它组件隔离。
25.虚设像素区120及暗像素区130在图1a中说明为与有源像素区110大体上同心。在一些实施例中，虚设像素区120及暗像素区130可采取不同配置，包含(但不限于)开环形状、矩形形状、圆形形状或其它，如参考图3a更详细地描述。例如，暗像素区130可部分环绕有源像素区110，且可界定一个多个间隙以提供用于形成电路系统或其它组件(例如，asic 190)的额外区域。暗像素区130可具有与包含在有源像素区110中的有源像素光电二极管的行或列对准的矩形。在一些实施例中，包含在有源像素区110中的多个有源像素光电二极管经布置(例如，布置成行及列)使得有源像素区110具有正方形或矩形形状。然而，在其它实施例中，有源像素区110可具有不同形状(例如，圆形形状、六角形形状或另一形状)。
26.图1b说明根据本公开的实施例的图1a中所说明的图像传感器100沿线100-aa
′
的横截面图。图像传感器100包含有源像素区110、虚设像素区120、暗像素区130及外围区140。图像传感器100进一步包含半导体材料101(例如，硅、硅锗合金、锗、碳化硅合金、砷化铟镓合金、由iii-v化合物形成的其它合金、其它半导体材料或合金、其组合、其衬底、其体衬底或其晶片)，其具有第一侧103(例如，背侧)及第二侧105(例如，前侧)、金属层107、隔离结构108、对角沟槽结构109、有源像素光电二极管112(例如，第一有源像素光电二极管112-1及第二有源像素光电管112-2)、虚设像素光电二极管122(例如，第一虚设像素光电二极管122-1)、暗像素光电二极管132(例如，第一暗像素光电二极管132-1及第二暗像素光电二极管132-2)、抗反射(ar)层150、缓冲氧化物层152及一或多个不透明层154及156，以隔离及界定有源像素112、暗像素132、缓冲层172(例如，陶瓷或其它氧化物)、滤色器174(例如，绿色滤色器174-g、红色滤色器174-r或其它滤色器)及微透镜176。
27.对于有源像素区110，不透明层154及156可形成堆叠来阻挡或以其它方式衰减入射在暗像素区130上的em辐射(例如，阻止em辐射到达多个暗像素光电二极管132)。类似地，滤色器174可通过对不透明层154及156的部分进行图案化去除以及对滤色器174材料进行后续沉积来形成。以此方式，不透明层154及156用于减少有源像素区110的相邻光电二极管112之间的串扰，这由隔离结构108的沉积支持，下面更详细地描述。
28.在一或多个实施例中，第一侧103可被称为半导体材料101的被照明表面或侧，且第二侧105可称为半导体材料101的非被照明表面或侧。ar层150可安置在半导体材料101的第一侧103与缓冲氧化物层152之间。在一些实施例中，抗反射层150包含氧化钽(例如，ta2o5)、氧化铪(例如hfo2)、氧化铝(例如，al2o3)、氧化锆(例如，zr2o3)或其组合。抗反射层150可为约10nm厚、约20nm厚、约30nm厚、约40nm厚、约50nm厚、约60nm厚、约70nm厚、约80nm厚、约90nm厚、约100nm厚、约110nm厚、约120nm厚、约130nm厚、约140nm厚、约150nm厚，或更厚，包含其分数及插值。缓冲氧化物层152可安置在抗反射层150与不透明层154及156之间。在一些实施例中，缓冲氧化物层152包含介电氧化物(例如，sio2)，且至少为100nm厚。在一些实施例中，缓冲氧化物层152具有100nm到130nm之间的厚度。缓冲氧化物层152可安置上覆ar层150及下伏滤色器174。因而，可将缓冲氧化物层152平面化到大体上均匀的表面，以改进不同有源像素110之间的一致性。缓冲氧化物层152可将改进的结构完整性以及化学
及/或辐射保护赋予下伏层(例如，抗反射层150、半导体材料101等)。例如，缓冲氧化物层152可以某一厚度安置以在用于平面化的化学机械抛光(cmp)工艺下增强机械强度，且减轻机械应力及对抗反射层150、半导体材料101等的其它损坏。
29.在一些实施例中，半导体材料101包含安置在缓冲氧化物层152下面的一或多个层(例如，在缓冲氧化物层152与半导体衬底101的第一侧103之间)。例如，表面钝化层可安置在ar层152与半导体材料101的第一侧103之间。表面钝化层可由提供固定负电荷(例如，氧化铪、氧化铝或其它钝化氧化物)以提供半导体材料的第一侧103的表面钝化的高-κ材料(例如，具有大于氧化硅的介电常数的介电常数的材料)形成。在此上下文中，表面钝化描述一种减少光电材料中的电荷积累的影响的技术，所述电荷积累可能损害传感器操作且在一些情况下可能导致电介质击穿。
30.在有源像素区110、虚设像素区120及暗像素区130中，隔离结构108(例如，由至少一种氧化物材料形成的深沟槽隔离结构)经布置以电及光隔离个别光电二极管(例如，有源像素光电二极管112、虚设像素光电二极管122及/或暗像素光电二极管132)。隔离结构108可从半导体材料101的第一侧103延伸从第一侧103朝向第二侧105之间距离的至少一部分。在一些实施例中，隔离结构108可通过沉积及去除操作形成，包含(但不限于)半导体材料101的经图案化反应离子蚀刻，随后将填充材料(例如，氧化物材料、低-n材料、不同介电材料或其组合)沉积到形成在半导体材料101中的沟槽中。
31.在一些实施例中，隔离结构108可通过对半导体衬底材料进行经图案化去除且随后沉积一或多种介电材料来形成。在一些实施例中，沉积还可包含金属材料，其可包含为表面膜(例如，通过金属材料的先前沉积)，包含为陶瓷-金属混合物(例如，通过金属及氧化物材料的同时沉积)，或包含为沉积在介电基层上的金属填充材料(例如，通过先前沉积介电材料)。在一些实施例中，隔离结构108(参见例如隔离结构108-o)由抗反射层150、缓冲氧化物层152形成，且可包含抗反射层150与缓冲氧化物层152之间的材料层。以此方式，抗反射层150、缓冲氧化物层152及材料层(如果包含)(例如，扩散势垒、光吸收材料等)可至少部分地垫衬隔离结构108。
32.应了解，在一些实施例中，有源像素区110、虚设像素区120及/或暗像素区130中的至少一个隔离结构108可配置为隔离结构108-o。在一些实施例中，表面钝化层安置在抗反射层150与缓冲氧化物层152之间，以在缓冲氧化物层152附近感应空穴积累区。以此方式，表面钝化层钝化在制造期间可能发生的表面缺陷及沟槽侧壁缺陷，其原本将影响像素光电二极管112及/或132的运行。
33.在一些实施例中，缓冲层172安置在微透镜176与不透明层154及/或156之间。在一些实施例中，缓冲层172是透明(例如，对具有入射可见光及/或不可见光的特性能量的光子透明)介电层，其包含氧化物基材料(例如，sio2)或折射率小于半导体材料101、滤色器174及/或微透镜176的对应折射率的低-n材料。在一些实施例中，缓冲层172的至少一部分具有大于100nm(例如，110nm、125nm、150nm)的厚度。
34.外围区140可容置作为图像传感器100的部分而包含的电子及光学组件，包含(但不限于)对角隔离结构109、asic 190及/或em辐射源195。如前面参考图1a描述，em辐射源195可包含asic 190的组件或元件，其产生em辐射，例如可见光子及/或热能，其可在暗像素区130及/或有源像素区110中感应不均匀暗电流。在一些实施例中，em辐射源190包含经配
置以将供应电力(例如，来自电池)转换为asic 190的输入电力的电源电路元件。例如，电源电路可包含电压步进电路，以将来自电池供应电压的输入电压增加若干数量级。
35.图2a及2b是说明如通常用于减少电磁辐射到有源像素区的有源像素的横向传输的常规隔离结构的示意图。图2a表示对应于图1b中所说明的截面的简化横截面图，其中去除组件以简化视觉解释。因而，图2a省略光电组件，例如光电二极管，以及偏振滤光器、滤色器、微透镜、上覆层及其它组件，以便于重点描述隔离结构与通过图像传感器的衬底输送的电磁辐射的相互作用。
36.图2a中所说明的隔离结构表示常规图像传感器的有源像素区、虚设像素区及/或暗像素区中的常规矩形晶格隔离结构，其中em辐射源作为小型化传感器装置的部分包含在衬底中或衬底上。em辐射源可为或包含在操作期间产生热量的电源电路或其它电子元件。因而，em辐射205被说明为从em辐射源通过衬底朝向暗像素区及/或虚设像素区输送。如参考图1b更详细地描述，形成隔离结构以通过反射及/或吸收通过图像传感器的第一侧接收的入射光子来限制像素之间的串扰。因而，图2a及图2b中所展示的隔离结构通常包含侧壁角度接近垂直于第一侧的垂直角度的侧壁。值得注意的是，图2a中的侧壁角度未按比例缩放，而是被强调以说明隔离结构的特性锥形形状。以此方式，由通过衬底输送的em辐射源产生的em辐照205的至少一部分将以与隔离结构的侧壁大体上垂直的入射角度与隔离结构相互作用。正如光学领域的一般技术人员所理解的那样，em辐射(包含(但不限于)光子)可至少部分地基于形成界面的材料的折射率的比率及相对于反射表面的表面法线的入射角度而透射通过材料界面或从材料界面反射。通常，在界面处反射的光子的比例随着相对于表面法线的入射角的增加而增加(例如，其中表面法线界定零角度条件)。
37.对于安置在外围区中的em辐射205的源，em辐射205的可预测部分将通过数个隔离结构传输，从而允许残余em辐射210到达有源像素，其可包含暗像素及/或有源像素。在一些情况下，光电二极管可检测残余em辐射210，其可以不均匀方式增加有源像素的一部分中的暗电流信号。此不均匀效应可通过以不同方式影响距离em辐射源较近的像素与距离em辐射源较远的像素而降低损害图像传感器的性能。当暗电流用于校正图像数据时，有源像素区110上方的暗电流中的不均匀性可显著降低图像质量。
38.如参考图1a到1b及图3a到3c中所说明的本公开的实施例所描述，即使将隔离结构安置在暗像素及/或有源像素与em辐射源之间，残余em辐射210也将通过矩形规则隔离结构(例如，由隔离结构材料形成的单元的晶格)传输，更不用说具有大体上垂直或窄锥形侧壁的单个隔离结构。可理解的是，在残余em辐射210被衰减到在有源像素的受影响区的光电二极管中感应可忽略的暗电流或在所述受影响区的光电二极管中感应不出暗电流的水平之前，允许残余em辐射210到达有源像素会通过不均匀地影响所述受影响区中的暗电流来降低传感器准确度及性能。
39.图2b是说明矩形晶格隔离结构的俯视平面图以及em辐射205与隔离结构的表面的相互作用的示意图。图2b中所说明的视图表示来自常规图像传感器的表面的视图，所述表面类似于第一表面103或第二表面105。如在图2a中，省略常规图像传感器的组件，以重点描述em辐射205与隔离结构的相互作用。因而，从图2b的示意图省略上覆层、下伏层及填隙材料及结构，但其应理解为描述通过cmos兼容制造工艺(例如填充材料的经图案化蚀刻及沉积)在半导体衬底中形成的隔离结构，如参考图1b更详细地描述。
40.如在图2a，em辐射源产生em辐射205，em辐射205通过半导体衬底朝向隔离结构输送。作为说明性实例，em辐射源被展示为产生em辐射205的各向同性热源(例如，点源)(例如，其中em辐射源是热源，如在其中em辐射光源是发射红外光子的电源电路或其它电子组件的情况下)。在此情况下，em辐射205可在朝向隔离结构的线性方向上通过衬底输送，且可根据光学器件的物理原理(例如部分折射及部分反射)以至少部分取决于衬底的折射率、隔离结构的折射率及em辐射205的入射角度的方式与隔离结构相互作用。
41.如所说明，入射在与em辐射源正交对准的隔离结构的表面上的em辐射将以低入射角度接近所述表面(其中90度对应于所述表面，且零度对应于表面法线)。在此条件下，透射光的比例将是显著的，且可超过反射光的比例，其中隔离结构的材料的折射率低于半导体衬底的材料的折光率。此外，与隔离结构的横向表面相互作用的em辐射205将展现出低入射角度，使得当隔离结构具有相对较低的折射率时，反射变得有利。
42.对于小型cmos图像传感器，em辐射源与隔离结构之间的特性距离可为微米或甚至纳米量级。因而，以升高的暗电流为特性的热像素的形成，或热像素的一或多个区(在所述(若干)区与残余有源像素之间具有不均匀暗电流)的形成在em辐射源的附近比在远离em辐射源的地方更有可能。可理解的是，到达有源像素的残余em辐射210的影响包含降低受影响像素的信噪比，从而通过以不均匀及不稳定的方式(至少部分由于当图像传感器通过em辐射源汲取更大或更少的电力时热产生的动态变化)影响像素暗电流而损害图像处理(例如，暗电流校正)。
43.图3a是说明根据本公开的实施例的包含经配置以改进有源像素110的隔离的对角隔离结构109的实例图像传感器300布局的示意图。实例图像传感器300包含参考图1a描述的组件。例如，实例图像传感器300包含asic 190，其可经配置以安置在至少部分地环绕有源像素区110及暗像素区130的实例图像感应器300的外围区140中。在接下来的描述中，有源像素区110的像素被称为有源像素110，且暗像素区130的像素被称作暗像素130。
44.如参考图1a更详细地描述，实例图像传感器300可包含电源电路310，电源电路310包含一或多个em辐射源195，包含(但不限于)红外辐射源或可在有源像素110中感应升高的暗电流的其它辐射源。安置在有源像素110与电源电路310之间的一或多个对角隔离结构109可经配置以相对于参考图2a到2b所描述的常规图像传感器减少到达有源像素110的近端区315的残余em辐射210(参考图2a到2b)的通量。
45.在说明性实例中，em辐射源195可包含展现出欧姆加热的电阻式元件、经配置以将电压从供应电压(例如，来自电池)升压到asic 190的输入电压的电源电路310的电压转换元件，或作为操作部分产生热量的其它电子组件。在经由衬底101与有源像素110热耦合的情况下，所产生热量可通过各种物理机制(包含(但不限于)传导、辐射等)输送到有源像素的近端区315。在一些实施例中，电源电路可产生包含可见光谱中的高能光子的em辐射205，但可见光子通过衬底101的透射可能是有限的。
46.在这样做时，电源电路310可发射呈各向同性分布或各向异性分布的em辐射205。例如，电源电路310的电阻式元件可表现为热辐射的各向同性点源。以此方式，更接近局部化em辐射源195的对角隔离结构109可接收em辐射205的更高入射通量。因而，虽然展示对角隔离结构109垂直延伸以至少与电源电路310同延，但对角隔离结构109的至少一些部分可省略，且衬底的面积可重新专用于其它目的(例如，asic 190、电源电路310、其它cmos组件，
例如通孔等)，其中em辐射源195可在电源电路310的设计期间识别(例如，通过操作模拟)且辐射传输模式可预先确定。
47.借助于此信息，对角隔离结构109可不连续地安置在定位在em辐射源195的附近的实例图像传感器300的一或多个区中，以衰减到达近端区315的残余em辐射210的水平，同时也为其它用途保留有限的衬底区域。应理解，em辐射源195的特定位置可取决于所使用的电源电路310及/或asic 190的设计。至少由于此原因，可将对角隔离结构109的精确放置确定为整体传感器设计的部分，而不是基于实例图像传感器300的有源像素110及asic 190组件的相对位置的先验规范。
48.在一些实施例中，对角隔离结构可包含倾斜侧壁，以重定向em辐射205使其在第三维度上远离近端区325，例如通过第一侧103出来或通过第二侧105出来。例如，在em辐射205包含热辐射的情况下，对角隔离结构305可经配置以通过第一侧103及/或通过第二侧105使em辐射205朝向与实例图像传感器300的电源电路310热耦合的散热器重定向。
49.图3b是说明根据本公开的实施例的经配置为晶格的实例对角隔离结构320的示意图。隔离结构320界定相对于有源像素110的阵列定向在第一偏置θ1上的第一反射表面321-1及相对于有源像素的阵列定向在第二偏置θ2上的第二反射表面321-2。在此上下文中，术语“偏置”是指反射表面321-1及321-2相对于由用于隔离有源像素区110中的有源像素110的隔离结构108的晶格界定的垂直325轴及横向327轴的相应角度定向。图3b说明可如参考图1b的隔离结构108所描述那样形成的对角隔离结构320的平面图。在说明性实例中，可用两个单独图案来图案化均匀光致抗蚀剂层，第一图案用以在有源像素区110中形成隔离结构108，且第二图案用以在外围区140中形成对角隔离结构320。如参考图1b更详细地描述的后续去除及沉积操作可同时实施， 以形成隔离结构108及对角隔离结构，而不增加制造操作的数目及复杂性。
50.在一些实施例中，第一反射表面321-1及第二反射表面321-2相对于横向轴327偏置相等及相反角度， 以形成的一对互补的反射表面，其经配置以用成对的低角度反射重定向em辐射205使其远离有源像素110。在一些实施例中，第一偏置及第二偏置可为不相等的，作为实现入射em辐射205远离有源像素110及电源电路310的重定向的方法。
51.第一偏置及/或第二偏置可经配置使得与横向轴327对准或近似对准的入射em辐射205以锐角入射角度而不是法线角度(例如，相对于相应反射表面321-1或321-2为90度)与第一反射表面321-1及/或第二反射表面321-2相互作用。如参考图2b所描述，较低的入射角度(例如，更接近掠射角度或相对于表面接近零度的角度)更有可能反射入射辐射，其中反射表面的折射率与辐射行进通过其的介质的折射率相比相对较低。因而，第一偏置及/或第二偏置可经配置使得来自靠近近端区315的em辐射源195的入射em辐射205以可能反射em辐射205的入射角度入射。为此，第一偏置及/或第二偏置可从约10度到约90度，从约15度到约85度，从约20度到约80度，从约25度到约75度，从约30度到约70度，从约30度到约65度，从约30度到约60度，从约35度到约55度，或从约40度到约50度，包含其分数及插值。例如，第一偏置及/或第二偏置可为约1度、约2度、约3度、约4度、约5度、约6度、约7度、约8度、约9度、约10度、约15度、约20度、约25度、约30度、约35度、约40度、约45度、约50度、约55度、约60度、约65度或更大，包含其分数及插值。第一偏置及第二偏置可为相等角度、相反角度或不同角度。如参考图2b更详细地描述，对于相对于入射em辐射205接近正交性的角度下的偏置，当
从较高的折射率过渡到较低的折射率时，与透射相对照，反射将变得不太受欢迎。出于所述原因，可在设计阶段处至少部分基于em辐射源195的位置及预期方向来配置对角隔离结构320，使得em辐射205被重定向及/或反射而远离近端区315。
52.在一些实施例中，可至少部分地基于从斯内尔定律导出的内部反射的临界角度来确定第一偏置及/或第二偏置。例如，在衬底101具有比对角隔离结构320更高的折射率的情况下，存在临界角，其中以大于临界角度的角度入射的em辐射将被反射。以此方式，第一偏置及/或第二偏置可约等于成对材料的临界角度或更小，这由以下表达式描述：其中n1表示较高折射率材料的折射率。
53.对角隔离结构320被说明为由边长330界定的单元的重复晶格，仅展示其中的一部分。图3b的椭圆“···”用于指示晶格可在一或多个方向上扩展以增加对角隔离结构320的大小及单元的数目。在一些实施例中，晶格320可为规则晶格，其为包含反射表面321-1及/或321-2的每一个反射表面321界定大体上均匀的边长，且因此界定构成单元的晶格的单元的大小，所述大小大体上等于由隔离结构108界定的有源像素110的大小。例如，用于对角隔离结构320的制造工艺可包含安置成上覆于有源像素区110及外围区140的均匀光致抗蚀剂层的光学光刻图案化，其中晶格图案被转印到有源像素区110上以稍后界定隔离结构108，之后，衬底相对于光学光刻源(例如，激光器)旋转，且将相同晶格图案转印到外围区140上以稍后界定对角隔离结构320。虽然图3b将对角隔离结构320说明为规则矩形/正方形晶格，但也可通过边长330及/或第一偏置及/或第二偏置的空间变化来提供不规则晶格。有利地，引入晶格几何参数的空间变化可减少em辐射205通过对角隔离结构320中的顶点或其它点的传输，如参考图3d中更详细地描述。
54.为此，边长330可近似于有源像素110的大小，包含(但不限于)约0.1μm、约0.2μm、约0.3μm、约0.4μm、约0.5μm、约0.6μm、约0.7μm、约0.8μm及约0.9μm、约1μm、约1.1μm、约1.2μm、约1.3μm、约1.4μm、约1.5μm、约1.6μm、约1.7μm、约1.8μm、约1.9μm、约2.0μm、约2.5μm、约3.0μm、约3.5μm、约4.0μm、约4.5μm、约5.0μm、约5.5μm、约6.0μm、约6.5μm、约7.0μm、约7.5μm、约8.0μm、约8.5μm、约9.0μm、约9.5μm、约10.0μm、约10.5μm、约11.0μm、约11.5μm、约12.0μm、约12.5μm、约13.0μm、约13.5μm、约14.0μm、约14.5μm、约15.0μm或更大，包含其分数及插值。然而，边长330实际上可通过近端区315与em辐射源195之间的外围区140的空间约束来限制。此外，较小边长330对应于在给定区域上方具有第一反射表面321-1及第二反射表面321-2的更多重复例子的更密集晶格结构。有利地，在em辐射源195与近端区315之间安置更多数目个反射表面可增加em辐射205的衰减，从而减少到达近端区315的残余em辐射210的通量。然而，在边长330的较低可制造性限制下，第一反射表面321-1及第二反射表面321-2可为模糊的。因而，可通过用于制造实例图像传感器300的半导体制造工艺的工艺参数及/或约束来施加边长的有效下限。
55.图3c是说明根据本公开的实施例的经配置以改进有源像素110的隔离的对角隔离结构355的实例阵列350的示意图。如参考图3b更详细地描述，对角隔离结构355可安置在em辐射源195与近端区315之间的外围区140中，使得入射在对角隔离结构355上的em辐射205被衰减，从而将残余em辐射210减少到且包含进入近端区315的残余em辐射的通量在有源像素区110中感应可忽略的不均匀暗电流或在有源像素区110中感应不出不均匀暗电流的程
度。在此上下文中，“可忽略”用于指示在一些例子中，例如，通过校准实例图像传感器300，可容忍近端区315中归因于残余em辐射210的非零暗电流，这对于参考图2a到2b所描述的隔离结构所展现的相对较高通量是不可用的。
56.与对角隔离结构320一样，对角隔离结构355分别根据第一偏置及第二偏置来界定第一反射表面321-1及第二反射表面321-2。类似地，反射表面321-1及/或321-2可通过边长330来描述，如参考图3b更详细地描述。在一些实施例中，对角隔离结构355包含第一反射表面321-1及第二反射表面321-2的多个重复例子，以界定包含多个成对反射表面的“之字形”结构，所述多个成对反射表面一起充当入射em辐射205的反向反射器。与对角隔离结构320一样，椭圆“···”用于指示实例阵列350可包含多于或少于四个对角隔离结构355，且个别对角隔离结构可包含多于或少于反射表面321-1及321-2的四个例子。在一些实施例中，实例阵列350包含一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个或更多对角隔离结构355。可理解地，对角隔离结构355的数目可受到在其下结构将在经制造的图像传感器中不相异的可制造性下限以及由可用于实例阵列350的面积设置的上限的约束。
57.有利地，对角隔离结构355可在衬底101中形成，而不在个别隔离结构355之间桥接。因而，部分传输到对角隔离结构355的材料中的入射em辐射205可在对角隔离结构355内隔离(例如，通过内部反射)，而不输送到更接近近端区315的位置。另外，对角隔离结构355可相对于彼此偏移，如参考图3d更详细地描述，作为限制em辐射205通过接合反射表面321的顶点387(参考图3d)的传输的方法。
58.图3d是说明根据本公开的实施例的经配置以改进有源像素的隔离的对角隔离结构355的实例交错阵列370的示意图。实例交错阵列370是图1a的对角隔离结构109的实例，且与实例阵列350一样，是图3a的对角隔离结构305的实例。交错阵列370包含对角隔离结构355的第一子集375及对角隔离结构355的第二子集380。在实例交错阵列370中，第一子集375沿垂直轴325从第二子集380偏移垂直偏移385，且沿横向轴327偏移横向偏移395。在一些实施例中，横向偏移395可与边长330相当，例如，在约0.1μm到约15μm的范围中。例如，横向偏移可为约0.1μm、约0.2μm、约0.3μm、约0.4μm、约0.5μm、约0.6μm、约0.7μm、约0.8μm、约0.9μm、约1μm、约1.1μm、约1.2μm、约1.3μm、约1.4μm、约1.5μm、约1.6μm、约1.7μm、约1.8μm、约1.9μm、约2.0μm、约2.5μm、约3.0μm、约3.5μm、约4.0μm、约4.5μm、约5.0μm、约5.5μm、约6.0μm、约6.5μm、约7.0μm、约7.5μm、约8.0μm、约8.5μm、约9.0μm、约9.5μm、约10.0μm、约10.5μm、约11.0μm、约11.5μm、约12.0μm、约12.5μm、约13.0μm、约13.5μm、约14.0μm、约14.5μm、约15.0μm或更大，包含其分数及插值。一般来说，较小间距允许在实例阵列350中包含更大数目个对角隔离结构355。间距的下限可至少部分地基于维持对角隔离结构355之间的分隔。间距的上限可至少部分地基于外围区140中的面积约束。
59.如参考实例阵列350描述，实例交错阵列370可包含多于或少于四个对角隔离结构355，且可在任一垂直方向上扩展以包含第一反射表面321-1及/或321-2的多于四个例子。与参考图3b到3c所描述的先前实例隔离结构一样，由对角隔离结构355界定的反射表面321经配置以通过将由第一反射表面321-1及第二反射表面321-2进行的第一反射371-1与第二反射371-2配对来衰减em辐射205。应理解，第一反射371-1可发生在第一反射表面321-1或第二反射表面321-2上，如由em辐射205的不同射线所说明。
60.在反射表面321之间的结合部处，对角隔离结构355可界定顶点381，包含第一顶点
387-1及第二顶点387-2。使用顶点381作为参考，垂直偏移385可为第一顶点387-1与第二顶点387-2之间垂直距离395的约一半。有利地，将交错阵列370配置成具有垂直偏移可允许em辐射205入射在第一子集375的对角隔离结构355的顶点387上，其中em辐射205比入射在反射表面321上的em辐射205更有可能被传输，以由第二子集380的对角隔离结构355反射。其中垂直偏移385为垂直距离395的约一半，成对反射371将重定向通过相邻顶点387的em辐射。
61.在一些实施例中，垂直偏移385可大于或小于垂直距离395。有利地，此配置可用于将em辐射保留在对角隔离结构355之间的衬底101中，以通过第一表面103及/或第二表面105去除，而不是重定向到em辐射源195中。
62.应理解，可使用现有cmos制造技术来实施制备对角隔离结构109(例如，如在图3a到3d中所说明的对角隔离结构305)所涉及的各种工艺步骤，例如(但不限于)光刻、金属沉积(例如，原子层沉积、物理气相沉积、热蒸发、磁控溅射或类似者)、蚀刻技术(例如，干式蚀刻技术，例如等离子体蚀刻、湿式蚀刻技术，例如化学蚀刻或类似者)及平面化技术(例如，化学机械抛光)。应理解，cmos制造系统通常在允许与精确设计存在某种程度偏差的工艺公差内再现图案。边缘放置误差(epe)是用于描述cmos工艺的精确度及准确度的实例优值，其中低于可允许公差的epe值可包含可容忍的偏差。
63.在一些情况下，公差可至少部分地基于所得结构的功能性。例如，对于对角隔离结构320及/或355，低于可容忍水平的残余em辐射210的衰减(例如，通过来自近端区315的不可检测或实际上不可检测的暗信号)可用作确定制造精确度公差的准则。以此方式，如在“大体上对准”、“大体上平行”、“大体上正交”或类似者的上下文中的术语“大体上”可解释为指示在制造公差内展现出所陈述性质的结构。类似地，包含(但不限于)用于描述与所陈述条件或性质的微小或可容忍偏差的“大体上”的术语可理解为适用于根据包含所陈述条件或性质的设计来制造的结构，其中制造工艺可引入可容忍偏差。
64.图4是根据本公开的教示的包含具有对角隔离结构的图像传感器400的成像系统402的功能框图。图像传感器400可具有对应于图1a到1b中所说明的图像传感器100及/或图3a中所说明的实例图像传感器300的结构。成像系统402包含响应于入射光470产生电或图像信号的图像传感器400、具有可调整光功率以聚焦于外部场景403内的一或多个关注点的物镜465，以及尤其控制图像传感器400及物镜465的操作的控制器450。图像传感器400是图1a到1b中所说明的图像传感器100及/或图3a中所说明的实例图像传感器300的一种可能实施方案。图像传感器400是展示半导体材料401(其中多个光电二极管405安置在半导体材料401的相应部分内)、多个滤色器410及多个微透镜415的简化示意图。控制器450包含一或多个处理器452、存储器454、控制电路系统456、读出电路系统458及功能逻辑460。
65.控制器450包含逻辑及/或电路系统以控制成像系统402的各个组件的操作(例如，在图像及/或视频获取的前阶段、后阶段及原位阶段)。控制器450可实施为硬件逻辑(例如，专用集成电路、现场可编程门阵列、芯片上系统等)、在通用微控制器或微处理器上执行的软件/固件逻辑，或硬件及软件/固件两者的组合。在一个实施例中，控制器450包含耦合到存储器454的处理器452，存储器454存储由控制器450及/或成像系统402的一或多个其它组件执行的指令。所述指令在被执行时可致使成像系统402执行与成像系统402的各种功能模块、逻辑块或电路系统相关联的操作，成像系统402包含控制电路系统456、读出电路系统
458、功能逻辑460、图像传感器400、物镜465及成像系统402的另一元件(说明或以其它方式)中的一者或组合。存储器是非暂时性计算机可读媒体，其可包含(但不限于)可由控制器450读取的易失性(例如，ram)或非易失性(例如，rom)存储系统。应进一步了解，控制器450可为单片集成电路、一或多个离散互连电组件或其组合。另外，在一些实施例中，一或多个电组件可耦合在一起以共同用作控制器450以用于编排成像系统402的操作。
66.控制电路系统456可控制光电二极管阵列405的操作特性(例如，曝光持续时间、何时捕获数字图像或视频及类似者)。读出电路系统458读取或以其它方式采样来自个别光电二极管的模拟信号(例如，读出响应于入射光而由多个光电二极管405中的每一者产生的电信号以产生用于捕获图像帧的图像信号及类似者)，且可包含放大电路系统、模/数(adc)电路系统、图像缓冲器或其它。在所说明实施例中，读出电路系统458包含在控制器450中，但在其它实施例中读出电路系统458可与控制器450分离。功能逻辑460耦合到读出电路系统458以接收图像数据以去马赛克图像数据且产生一或多个图像帧。在一些实施例中，电信号及/或图像数据可由功能逻辑460操纵或以其它方式处理(例如，应用后图像效果，例如裁剪、旋转、去除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)。
67.可使用软件及/或硬件来实施上述过程。所描述的技术可构成在有形的或非暂时性机器(例如，计算机)可读存储媒体内体现的机器可执行指令，所述指令在由机器(例如，图4的控制器450)执行时将致使所述机器执行所描述的操作。另外，所述过程可在硬件内体现，例如，专用集成电路(“asic”)、现场可编程门阵列(fpga)或其它方式。
68.有形的机器可读存储媒体包含提供(即，存储)呈机器(例如，计算机、网络装置、个人数字助理、制造工具、具有一或多个处理器的集合的装置等等)可存取的非暂时性形式的信息的机构。举例来说，机器可读存储媒体包含可记录/不可记录媒体(例如，只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、磁盘存储媒体、光学存储媒体、快闪存储器装置等等)。
69.不希望本发明的所说明的实例的以上描述(包含摘要中所描述的内容)为穷尽性或将本发明限于所揭示的具体形式。尽管本文描述本发明的特定实例是出于说明性目的，但所属领域的技术人员将认识到，在本发明范围内各种修改是可能的。
70.依据以上详细描述可对本发明做出这些修改。所附权利要求书中使用的术语不应解释为将本发明限于本说明书中所揭示的特定实例。而是，本发明的范围应全部由所附权利要求书确定，所附权利要求书应根据权利要求解释的既定原则来解释。

技术特征：
1.一种图像传感器，其包括：电磁辐射源，其安置在衬底上；像素阵列，其安置在所述衬底上且与电磁辐射源热耦合；以及隔离结构，其在所述电磁辐射源与所述像素阵列之间安置在所述衬底上，所述隔离结构界定相对于所述像素阵列的横向轴定向在第一偏置上的第一反射表面及相对于所述横向轴定向在第二偏置上的第二反射表面，其中所述隔离结构经配置以通过将所述第一反射表面及所述第二反射表面对所述电磁辐射的第一反射与第二反射配对来衰减到达所述像素阵列的近端区的残余电磁辐射。2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述第一反射表面及所述第二反射表面对红外能量范围中的电磁辐射进行反射。3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述第一偏置描述相对于所述横向轴小于90度的第一角度。4.根据权利要求3所述的图像传感器，其中相对于所述横向轴的所述第一角度是从约30度到约60度。5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中相对于所述横向轴的第一角度为约45度。6.根据权利要求4所述的图像传感器，其中相对于所述横向轴的所述第一角度小于或等于用于所述衬底及所述隔离结构的内部反射的临界角度。7.根据权利要求6所述的图像传感器，其中所述第二偏置描述相对于所述横向轴从约30度到约60度的第二角度。8.根据权利要求6所述的图像传感器，其中相对于所述横向轴的所述第二角度与相对于所述横向轴的所述第一角度对称。9.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述第一反射表面或所述第二反射表面具有从约0.1μm到约20μm的边长。10.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述隔离结构包括对角隔离结构阵列，所述对角隔离结构包括对角隔离结构的第一子集及对角隔离结构的第二子集。11.根据权利要求9所述的图像传感器，其中所述对角隔离结构阵列的对角隔离结构界定定向在所述第一偏置上的第三反射表面，且其中所述第二反射表面邻近于所述第一反射表面及所述第三反射表面。12.根据权利要求9所述的图像传感器，其中所述隔离结构包括氧化硅。13.根据权利要求9所述的图像传感器，其中所述衬底界定横向轴及垂直于所述横向轴的垂直轴，其中对角隔离结构的所述第一子集沿所述横向轴从对角隔离结构的所述第二子集偏移横向偏移，且其中对角隔离结构的所述第一子集沿所述垂直轴从对角隔离结构的所述第二子集偏移垂直偏移。14.根据权利要求13所述的图像传感器，其中对角隔离结构的所述第一子集的对角隔离结构包括第一顶点及第二顶点，且其中所述垂直偏移是所述第一顶点与所述第二顶点之间的垂直距离的约一半。15.一种隔离结构，其包括：衬底，其包含多个对角隔离结构，所述衬底界定横向轴及垂直于所述横向轴的垂直轴，其中所述多个对角隔离结构中的对角隔离结构界定相对于所述横向轴定向在第一偏
置上的第一反射表面及相对于所述横向轴定向在第二偏置上的第二反射表面，且其中所述对角隔离结构经配置以通过将所述第一反射表面及所述第二反射表面对所述电磁辐射的第一反射与第二反射配对来衰减电磁辐射。16.根据权利要求15所述的隔离结构，其中所述第一偏置描述相对于所述横向轴从约30度到约60度的第一角度。17.根据权利要求16所述的隔离结构，其中所述第二偏置描述与相对于所述横向轴的所述第一角度对称的相对于所述横向轴的第二角度。18.根据权利要求15所述的隔离结构，其中所述第一反射表面或所述第二反射表面具有从约0.1μm到约20μm的边长。19.根据权利要求15所述的隔离结构，其中所述多个对角隔离结构中的对角隔离结构的第一子集沿所述垂直轴从所述多个对角隔离结构中的对角隔离结构的第二子集偏移垂直偏移。20.根据权利要求19所述的隔离结构，其中对角隔离结构的所述第一子集的对角隔离结构包括第一顶点及第二顶点，且其中所述垂直偏移是沟槽到所述垂直轴上的投影的所述第一顶点与所述第二顶点之间长度的一半。

技术总结
本公开涉及图像传感器对角隔离结构。提供图像传感器、隔离结构及制造技术。一种图像传感器包含安置在衬底上的电磁辐射源、安置在所述衬底上且与电磁辐射源热耦合的像素阵列，以及在所述电磁辐射源与所述像素阵列之间安置在所述衬底上的隔离结构。所述隔离结构能够界定相对于所述像素阵列的横向轴定向在第一偏置上的第一反射表面及相对于所述横向轴定向在第二偏置上的第二反射表面。所述隔离结构能够经配置以通过将所述第一反射表面及所述第二反射表面对所述电磁辐射的第一反射与第二反射配对来衰减到达所述像素阵列的近端区的残余电磁辐射。残余电磁辐射。残余电磁辐射。


技术研发人员：毛杜立 王勤 比尔
受保护的技术使用者：豪威科技股份有限公司
技术研发日：2023.03.17
技术公布日：2023/9/26