图像传感器的器件、光学相机的图像传感器和光学相机的制作方法

1.本公开涉及成像。特别地，示例涉及图像传感器的器件、光学相机的图像传感器和光学相机。


背景技术：

2.在光学相机中，像素阵列中的个体像素被来自物镜的光照亮。来自物镜的光不以相同角度到达所有像素。特别地，光不以90
°
的角度到达每个像素。光的主光线角(cra)被转移到像素的光敏部分(例如，硅材料)。由于cra，光到达相邻像素的光敏部分并且引起串扰。此外，在像素阵列的正面照射的情况下，光需要穿过电解质堆叠以布线像素的光敏部分，使得光被布线遮蔽并且不能完全到达像素的光敏部分。


技术实现要素：

3.因此，可能需要改进入射光朝向光敏区域的引导。
4.该需要可以通过所附权利要求的主题来满足。
5.一个示例涉及一种用于图像传感器的器件。该器件包括半导体器件，该半导体器件包括被配置为基于入射光生成电信号的光敏区域。此外，该器件包括光学元件，该光学元件包括第一表面以及第二表面，该第一表面用于接收入射光，第二表面与第一表面相对并且转向光敏区域。第一表面与第二表面相对于彼此以倾斜角倾斜，以将穿过光学元件的入射光的传播方向修改为朝向光敏区域的中心，以补偿入射光的主光线角。
6.另一示例涉及一种用于光学相机的图像传感器。图像传感器包括光敏像素阵列，其中光敏像素阵列包括第一像素以及第二像素，第一像素包含根据所提出的技术的第一器件，第二像素包含根据所提出的技术的第二器件的第二像素。与第二像素相比，第一像素位于距阵列的中心更小的横向距离处。第一像素的光学元件的倾斜角小于第二像素的光学元件的倾斜角。
7.另外的示例涉及一种包括根据所提出的技术的图像传感器的光学相机。此外，光学相机包括被配置为将入射光聚焦在图像传感器上的一个或多个物镜。
附图说明
8.以下将仅通过示例并且参考附图来描述装置和/或方法的一些示例，在附图中
9.图1示出了用于图像传感器的器件的第一示例；
10.图2示出了用于图像传感器的器件的第二示例；
11.图3示出了用于图像传感器的器件的第三示例；
12.图4示出了用于图像传感器的器件的第四示例；
13.图5示出了用于图像传感器的器件的第五示例；
14.图6a和图6b示出了光学元件的示例；
15.图7示出了用于图像传感器的器件的第六示例；
16.图8示出了图像传感器的示例；以及
17.图9示出了光学相机的示例。
具体实施方式
18.现在将参考其中示出一些示例的附图更全面地描述各种示例。在图中，为了清楚起见，线、层和/或区域的厚度可能被夸大。
19.因此，虽然另外的示例能够具有各种修改和替代形式，但是其一些特定示例在图中示出并且随后将被详细描述。然而，该详细描述并不将另外的示例限制为所描述的特定形式。另外的示例可以涵盖落入本公开的范围内的所有修改、等同物和替代物。贯穿附图的描述，相同或相似的数字指代相似或相似的元素，当提供相同或相似功能时，它们可以彼此相同地或以修改形式来实现。
20.应当理解，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，该元件可以经由一个或多个中间元件直接连接或耦合。如果两个元素a和b使用“或”组合，则应当理解为公开所有可能组合，即，仅a、仅b以及a和b，如果没有明确或隐含地另外定义。相同组合的替代措辞是“a和b中的至少一个”或“a和/或b”。这同样适用于两个以上元素的组合(经必要修改后)。
21.本文中用于描述特定示例的术语而不旨在限制另外的示例。每当使用诸如“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”等单数形式并且仅使用单个元素既没有明确也没有隐含地定义为强制时，另外的示例也可以使用多个元素来实现相同功能。同样，当功能随后被描述为使用多个元素实现时，另外的示例可以使用单个元素或处理实体来实现相同功能。应当进一步理解，术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包括(includes)”和/或“包括(including)”在使用时指定所述特征、整体、步骤、操作、过程、动作、元素和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、过程、动作、元素、组件和/或其任何组的存在或添加。
22.除非另有定义，否则所有术语(包括技术和科学术语)在本文中均以其示例所属领域的普通含义使用。
23.图1示出了用于光学相机的图像传感器的器件100。器件100包括半导体器件110，该半导体器件110包括形成在半导体器件110的半导体材料112中的光敏区域111。光敏区域111被配置为基于入射(进入)光101生成电信号。当入射光101撞击光敏区域111的半导体材料时，光敏区域111基于内部光电效应而发射电子或其他电荷载流子。所发射的电子或其他电荷载流子引起电信号，该电信号取决于入射光101。光敏区域111可以对任何期望(目标)波长的入射光101敏感。例如，光敏区域111可以对红外光、可见光或紫外光中的一种或多种敏感。光敏区域111(和半导体材料112的其他部分)可以由诸如硅或砷化镓等任何期望半导体材料构成。
24.除了半导体材料112，半导体器件100可以可选地包括另外的层或区域，诸如图1所示的非半导体材料114。例如，包括多个金属层m1、
……
、mq的金属化堆叠113可以是形成在非半导体材料114中，以与光敏区域111电接触。例如，金属化堆叠113可以用于将读出电路和/或驱动电路(例如，为光敏区域111提供偏压或调制信号)耦合到光敏区域111。
25.入射光100来自包括一个或多个物镜的光学相机的物镜装置。光学相机/物镜装置的光轴在图1中由虚线102表示。光学相机的光轴平行于半导体器件110的厚度方向从图
1可以看出，入射光101相对于光轴102以一定角度到达器件100。入射光101相对于光轴102的该角度是入射光101的cra。
26.为了补偿cra，器件100另外包括专用光学元件120。光学元件120包括用于接收入射光的第一表面121。此外，光学元件120包括与第一表面121相对的第二表面122。第二表面122转向光敏区域111。换言之，第二表面122面向光敏区域111。从图1可以看出，第二表面122用于将入射光101射向光敏区域111。
27.第一表面121与第二表面122相对于彼此以倾斜角α倾斜，以将穿过光学元件120的入射光101的传播方向修改为朝向光敏区域111的中心c，以便(至少部分地)补偿入射光101的cra。
28.光学元件120允许将入射光101的传播方向修改为朝向半导体元件110的厚度方向使得穿过光学元件120的入射光101聚焦到光敏区域111的中心c。因此，入射光101的传播方向基本平行于半导体器件110的厚度方向因此，可以避免入射光101传播到相邻光敏区域。因此，可以减少光敏区域111与相邻光敏区域之间的串扰。此外，可以省略诸如半导体器件110中的沟槽等用于抑制串扰的措施。这允许降低复杂性和成本。此外，可以增加光敏区域111的厚度(即，沿半导体器件110的厚度方向的延伸部)。这可以允许进一步减少光敏区域111与相邻光敏区域之间的串扰。此外，由于在金属化堆叠113中入射光101的传播方向也基本平行于半导体器件110的厚度方向因此可以避免金属化堆叠113的布线产生的遮蔽。
29.在图1的示例中，光学元件120布置在半导体器件110的前表面115上。具体地，光学元件120的第二表面122形成在半导体器件110的表面115上，使得光学元件120的第二表面122平行于半导体器件110的表面115。
30.从图1可以看出，光学元件120的横向位置基本等于光敏区域111的横向位置。光学元件120的横向延伸部与光敏区域111的横向延伸部部分地重叠。
31.光学元件120和接触光学元件120的材料的折射率彼此不同，使得光学元件120通过光学折射而将入射光101的传播方向改变为朝向光敏区域111的中心c。在图1的示例中，半导体器件110和形成在半导体器件110上的氧化物层130接触光学元件120。因此，光学元件120的折射率η
oe
不同于半导体器件110的折射率η
sd
和氧化物层130的折射率η
ol
。例如，部分包围光学元件120的氧化物层130可以由氧化硅制成，使得η
ol
＝1.46。光学元件120可以例如由表现出比氧化硅更高的折射率的材料制成，诸如氮化硅、多晶硅、非晶硅、单晶硅或聚合物材料。例如，光学元件120可以由非晶硅制成，使得η
oe
＝3.6。在其他示例中，可以使用表现出比氧化硅更低的折射率的材料(或包围光学元件120的任何其他材料)。在替代示例中，光学元件120可以包围腔体(图1中未示出)，该腔体被抽空(在真空下是空的)或填充有预定义气体(空气或其他气体)。
32.倾斜角α与cra和接触光学元件120的材料的折射率有关。图1中所示的角度β表示入射光101相对于第一表面121的表面法线123的角度并且如下定义：
33.β＝cra α
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
34.考虑到角度β的上述定义，倾斜角α可以使用斯涅尔定律如下确定：
35.η
ol
·
sinβ＝η
oe
·
sinα
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
36.η
ol
·
sin(cra α)＝η
oe
·
sinα
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0037][0038]
在图1的示例中，光学元件120部分地形成在氧化物层120中，并且布置在半导体器件110与用于将入射光101聚焦到光学元件120的第一表面121上的微透镜140之间。微透镜140是直径最大为光敏区域111的横向延伸部的十倍、五倍、三倍或更小的小透镜。在图1的示例中，微透镜140通过构造氧化物层120来形成，即，微透镜140形成在氧化物层120中。然而，应当注意，备选地，微透镜140可以与氧化物层120分开形成。此外，应当注意，在其他示例中，微透镜140可以形成在光学元件120与光敏区域111之间。换言之，根据一些示例，光学元件120可以布置在微透镜140上方。
[0039]
光学元件120可以至少部分覆盖有抗反射膜(涂层)，以抑制入射光在光学元件120的表面处的反射。
[0040]
上面结合图1描述的器件100用于正面照射，使得金属化堆叠113沿半导体器件110的厚度方向布置在光敏区域111与光学元件120之间。然而，所提出的用于补偿入射光的cra的技术也可以用于背面照射。这在图2中示出，图2示出了用于光学相机的图像传感器的另一器件200。在图2的示例中，光学元件120布置(形成)在半导体器件110的背表面116上。与图1的示例相反，光敏区域111布置在在器件200中的金属化堆叠113与光学元件120之间。
[0041]
氧化物层130形成在半导体器件110的背表面116上，并且部分地包围光学元件120，通过倾斜光敏区域111的表面，光学元件120直接形成在形成光敏区域111的检测器半导体材料之上(例如，作为其一部分)。
[0042]
在图1和图2的示例中，光学元件120的第二表面122平行于半导体器件110的表面115、116，而光学元件120的第一表面121相对于半导体器件110的相应表面115、116倾斜。然而，所提出的技术不限于此。图3示出了根据所提出的技术的用于光学相机的图像传感器的另一器件300。与图1和图2的示例相比，光学元件120的第一表面121平行于半导体器件110的表面115，而光学元件120的第二表面122相对于半导体器件110的表面115倾斜。
[0043]
此外，光学元件120完全形成在氧化物层130中，使得氧化物层130完全包围光学元件120。光学元件120沿半导体器件110的厚度方向远离半导体器件110的表面115布置，这与图1和图2的示例相反，在图1和图2的示例中，光学元件120形成在半导体器件110的相应表面115、116上。图3的示例也允许将入射光的传播方向改变到半导体元件110的厚度方向以将穿过光学元件120的入射光101朝向光敏区域111的中心c聚焦，以补偿入射光101的cra。
[0044]
图4示出了根据所提出的技术的用于光学相机的图像传感器的另一器件400。在图4的示例中，光学元件120的第一表面121和第二表面122都相对于半导体器件110的表面115倾斜，即，光学元件120的第一表面121和第二表面122都没有平行于半导体器件110的表面115。类似于图3的示例，光学元件120完全形成在氧化物层130中，使得光学元件120布置为沿半导体器件110的厚度方向远离半导体器件110的表面115。
[0045]
类似于图1和图2的示例，光学元件120的横向位置基本等于图3和图4的示例中的光敏区域111的横向位置。光学元件120的横向延伸部也与光敏区域111的横向延伸部部分地重叠。
[0046]
图5示出了根据所提出的技术的用于光学相机的图像传感器的另一器件500。器件500用于背面照射。补偿入射光101的cra的光学元件120布置为远离半导体器件110的背表面116。金属化堆叠布置在被另一氧化物层150覆盖的半导体器件的前表面115处。
[0047]
在上述示例中，光学元件120与微透镜140一起用于将入射光朝向光敏区域111的中心c聚焦，以补偿入射光101的cra。这在图6a中示意性地示出。将微透镜140的功能实现到光学元件120中的替代示例在图6b中示出。虽然在图6a的示例中第一表面121是平面(平坦)表面，但是在图6b的示例中第一表面121是用作微透镜的弯曲表面。
[0048]
图7示出了根据所提出的技术的用于光学相机的图像传感器的另一器件700。在器件700中，光学元件120部分地形成在半导体器件110的前表面115中的凹部117中。因此，光学元件120的第二表面122部分地在凹部117中并且部分地在形成在半导体器件110的前表面115上的氧化物层130中延伸。
[0049]
此外，光学元件120覆盖有抗反射膜117，以便减轻入射光在光学元件120的表面处的反射。在图7的示例中，抗反射膜117是氮化物涂层。然而，应当注意，也可以使用任何其他合适的抗反射涂层。此外，应当注意，根据一些示例，光学元件120的仅一部分可以被抗反射膜117覆盖。
[0050]
还示出了用于钝化器件100的氮化物材料的两个钝化膜118-1和118-2。钝化膜118-1部分地覆盖半导体器件110的前表面115，其中表面115在金属化堆叠113的横向位置(即，光敏区域(未示出)的横向位置)处没有被钝化膜118-1覆盖。钝化膜118-2在光学元件120与微透镜140之间横向延伸。
[0051]
图7还示出了光敏区与外部的电接触。耦合到金属化堆叠113的多层触点结构160在图7的右侧部分示出。多层触点结构160耦合到用于读出和驱动(例如，偏置或选通)器件700的光敏区域的逻辑和驱动电路装置。
[0052]
光学元件120的上述倾斜表面可以使用各种半导体制造工艺生成。例如，为了在抗蚀剂材料内生成倾斜表面，可以使用灰度光刻。替代地，可以使用机械印章技术。此外，倾斜表面可以通过蚀刻工艺转移到其他材料。蚀刻工艺可以允许调节(调谐)倾斜角。此外，以上描述的光学元件中的一个以上可以用于将入射光的传播方向修改为朝向光敏区域的中心，以补偿入射光的cra。
[0053]
使用所提出技术的图像传感器800的示例在图8中示出。图像传感器800包括光敏像素810-1、810-2、
……
、810-25的阵列。应当注意，所提出的技术不限于如图8所示的包括25个光敏像素的阵列。图8所示的光敏像素的数目仅仅是示例性的。通常，可以使用任何数目n≥2的光敏像素。
[0054]
光敏像素810-1、810-2、
……
、810-25中的两个或更多个光敏像素使用根据所提出的技术的器件。在图8的示例中，所有光敏像素810-1、810-2、
……
、810-25都使用根据所提出的技术的相应器件。
[0055]
下面将参考光敏像素810-14和810-15(称为第一像素和第二像素)来描述图像传感器800的另外的细节。
[0056]
第一像素810-14包括如上所述的第一器件，而第二像素810-15包括如上所述的第二器件。
[0057]
第一像素810-14和第二像素810-15位于距阵列的中心c'的不同横向距离处。到达第一像素810-14和第二像素810-15的入射光的cra通常取决于像素在阵列内的位置。换言之，像素810-14和810-15以不同cra被照射。因此，第一像素810-14和第二像素810-15的倾斜角被选择为彼此不同。特别地，第一像素810-14和第二像素810-15的倾斜角取决于相应像素在像素阵列内的位置。由于第一像素810-14与第二像素810-15相比位于距阵列的中心c'较小的横向距离处，所以第一像素810-14的光学元件820的倾斜角α1小于第二像素810-15的光学元件820的倾斜角α2。第一器件和第二器件的光学元件的折射率相等。换言之，图像传感器800使用光学堆叠内的倾斜表面的布置以通过光学折射将入射光传输到垂直方向中。
[0058]
图像传感器800因此可以允许补偿入射光的cra。
[0059]
像素阵列的个体像素的光学元件820朝向阵列的中心c定向。因此，对于第一像素810-14和第二像素810-14中的每个像素，相应光学元件的厚度随着到阵列的中心c'的横向距离的减小而增加，如图8所示。换言之，对于第一像素810-14和第二像素810-14中的每个像素，沿保持光敏区的半导体器件的厚度方向的光学器件的第一表面与第二表面之间的距离随着距阵列的中心c'的横向距离的减小而增加。
[0060]
位于阵列的中心c'的像素810-13包括光学元件820'，光学元件820'的底面和顶面平行于保持光敏区域的下方的半导体器件的表面，假定入射光的cra在阵列的中心c'为0
°
。
[0061]
图9中示出了使用所提出的用于补偿cra的技术的光学相机900的示意性示例。
[0062]
光学相机900包括如上所述的图像传感器920。此外，光学相机包括物镜装置，该物镜装置具有被配置为将入射光901聚焦在图像传感器920上的至少一个物镜911。如图9所示，光学相机900可以包括用于将入射光901聚焦在图像传感器920上的另外的物镜912、913
……
。
[0063]
光学相机900还可以包括其他硬件——传统的和/或定制的。例如，光学相机900可以包括用于处理由图像传感器920的个体像素的光敏区域输出的电信号的电路装置、或用于驱动(例如，偏置或选通)图像传感器920的个体像素的电路装置。
[0064]
所提出的技术可以允许通过在光学元件的倾斜表面处用光学折射补偿cra来有效且廉价地处理聚焦在图像传感器920上的入射光的大cra。可以省略传统的昂贵方法，诸如用于串扰抑制或背面照射的沟槽。然而，应当注意，所提出的技术也可以与背面照射一起使用。
[0065]
光学相机900可以用于任何种类的二维或三维图像捕获。例如，图像传感器920可以是用于可见光或红外光的二维成像器。在其他示例中，图像传感器920可以是用于飞行时间测量的三维成像器。
[0066]
相机900可以比传统相机具有更小的尺寸，因为可以在没有诸如串扰等缺点的情况下实现更高的cra。例如，相机的可用空间、尤其是可用高度在智能电话中受到严格限制。因此，相机900可以适用于智能电话，因为它可以以小尺寸构建。此外，随着光敏区域的厚度可以增加(参见上文)，相机900可以实现灵敏度增加。例如，如果将硅用作光敏区域的检测器材料并且要检测红外光，则由于红外光在硅中的高度穿透深度，增加光敏区域的厚度可
能是有益的。
[0067]
如本文所述的示例可以概括如下：
[0068]
一些示例涉及一种用于图像传感器的器件。该器件包括半导体器件，该半导体器件包括被配置为基于入射光生成电信号的光敏区域。此外，该器件包括光学元件，该光学元件包括第一表面以及第二表面，第一表面用于接收入射光，第二表面与第一表面相对并且转向光敏区域。第一表面和第二表面相对于彼此以倾斜角倾斜，以将穿过光学元件的入射光的传播方向修改为朝向光敏区域的中心，以补偿入射光的主光线角。
[0069]
在一些示例中，光学元件的第一表面和第二表面中的一个表面平行于半导体器件的表面。
[0070]
在替代示例中，光学元件的第一表面和第二表面均相对于半导体器件的表面倾斜。
[0071]
根据一些示例，光学元件被布置在半导体器件的表面上，或者光学元件被布置为远离半导体器件的表面。
[0072]
在一些示例中，光学元件的横向延伸部与光敏区域的横向延伸部至少部分重叠。
[0073]
根据一些示例，光学元件与接触光学元件的材料的折射率彼此不同。
[0074]
在一些示例中，该器件还包括微透镜，该微透镜被配置为将入射光聚焦到光学元件的第一表面上。
[0075]
在替代示例中，光学元件的第一表面是用作微透镜的弯曲表面。
[0076]
根据一些示例，该器件还包括形成在半导体器件上的氧化物层。
[0077]
在一些示例中，光学元件至少部分形成在氧化物层中，使得氧化物层至少部分包围光学元件。
[0078]
根据一些示例，光学元件完全形成在氧化物层中，使得氧化物层完全包围光学元件。
[0079]
根据替代示例，光学元件部分地形成在半导体器件的表面中的凹部中，使得光学元件的第二表面部分地在凹部中并且部分地在氧化物层中延伸。
[0080]
根据另外的替代示例，光学元件的第二表面被形成在半导体器件的表面上。
[0081]
在一些示例中，光学元件与氧化物层的折射率彼此不同。
[0082]
根据一些示例，光学元件至少部分覆盖有抗反射膜。
[0083]
在一些示例中，光学元件包围腔体，并且其中腔体被抽真空或填充有预定义气体。
[0084]
根据一些示例，该器件还包括金属化堆叠，该金属化堆叠被形成在半导体器件的非半导体材料中，用于电接触光敏区域，其中：金属化堆叠被布置在光敏区域与光学元件之间；或者，光敏区域被布置在金属化堆叠与光学元件之间。
[0085]
其他示例涉及一种用于光学相机的图像传感器。图像传感器包括光敏像素阵列，其中光敏像素阵列包括：第一像素以及第二像素，第一像素包含根据所提出的技术的第一器件，第二像素包含根据所提出的技术的第二器件。与第二像素相比，第一像素位于距阵列的中心更小的横向距离处。第一像素的光学元件的倾斜角小于第二像素的光学元件的倾斜角。
[0086]
在一些示例中，第一像素和第二像素的光学元件的折射率相等。
[0087]
另外的示例涉及一种包括根据所提出的技术的图像传感器的光学相机。此外，光
学相机包括被配置为将入射光聚焦在图像传感器上的一个或多个物镜。
[0088]
根据所提出的技术的示例可以允许通过光学元件来补偿成像器中的cra。
[0089]
与一个或多个先前详述的示例和附图一起提及和描述的各方面和特征也可以与一个或多个其他示例组合以替换其他示例的类似特征或者另外将该特征引入另一示例。
[0090]
描述和附图仅说明本公开的原理。此外，本文中引用的所有示例主要明确地旨在仅用于说明目的，以帮助读者理解本公开的原理和发明人为进一步推进本领域所贡献的概念。本文中叙述本公开的原理、方面和示例及其具体示例的所有陈述旨在涵盖其等效物。
[0091]
应当理解，说明书或权利要求中公开的多个动作、过程、操作、步骤或功能的公开不得解释为在特定顺序内，除非另有明确或隐含说明，例如出于技术原因。因此，除非由于技术原因而导致这些动作或功能而不可互换，否则多个动作或功能的公开不会将这些限制为特定顺序。此外，在一些示例中，单个动作、功能、过程、操作或步骤可以分别包括或可以分解为多个子动作、子功能、子过程、子操作或子步骤。除非明确排除，否则这样的子动作可以被包括，并且是该单一动作的公开的一部分。
[0092]
此外，所附权利要求特此并入详细描述中，其中每项权利要求可以独立作为单独的示例。虽然每项权利要求都可以独立作为单独的示例，但应当注意——尽管从属权利要求可以在权利要求中引用与一个或多个其他权利要求的特定组合——其他示例也可以包括从属权利要求与每个其他从属或独立权利要求的主题的组合。除非声明不打算进行特定组合，否则本文中明确提出这样的组合。此外，任何其他独立权利要求也旨在包括某个权利要求的特征，即使该权利要求不是直接根据该独立权利要求而作出的。