包括晶片级无机电介质和有机滤色器的混合的光学传感器器件的制作方法

包括晶片级无机电介质和有机滤色器的混合的光学传感器器件的制作方法
【专利摘要】本文中描述了单片光学传感器器件和用于制造这些器件的方法。在实施例中，一种半导体晶片衬底包括多个光电检测器（PD）区域。晶片级无机电介质滤光器被沉积并由此形成在多个PD区域的至少子集上。一个或多个晶片级有机滤色器被沉积并由此形成在位于选定PD区域之上的晶片级无机电介质滤光器的一个或多个选定部分上。例如，有机红过滤器、有机绿过滤器以及有机蓝过滤器可分别位于处在第一、第二和第三PD区域之上的晶片级无机电介质滤光器的部分之上。
【专利说明】包括晶片级无机电介质和有机滤色器的混合的光学传感器器件
[0001]优先权要求
[0002]本申请要求2012年6月28日提交的美国专利申请N0.13/535,925的优先权。
【技术领域】
[0003]本发明的实施例一般涉及单片光传感器器件，其包括光电检测器、一个或多个晶片级图案化的无机电介质滤光器、以及一个或多个晶片级图案化的有机滤色器。
【背景技术】
[0004]光检测器可用作环境光传感器(ALS)，例如用作显示器的节能光传感器、用于控制诸如移动电话和膝上计算机之类的便携设备中的背光、以及用于许多其它类型的光级测量和管理。作为更具体的示例，ALS能用于通过检测明亮和暗淡的环境光状况来降低显示系统的总功耗并提高液晶显示器(LCD)光源的寿命，作为控制显示器和/或键区背光的手段。在没有ALS的情况下，IXD显示器背光控制通常手动地完成，藉此当周围环境变得更亮时用户将提高LCD的亮度。通过使用ALS，用户能将LCD亮度调节至他们的偏好，从而当周围环境变化时，显示器亮度调节以使显示器在相同的可感知水平上看起来一致；这使得电池寿命被延长、用户眼疲劳减少、以及LCD寿命延长。同样，在没有ALS的情况下，键区背光的控制非常依赖于用户和软件。例如，可通过触发器或定时器将键区背光打开10秒，其中触发器可通过按压键区触发。在使用ALS的情况下，键区背光仅当周围环境暗淡的时候被打开，这将导致更长的电池寿命。为实现更好的环境光感测，ALS优选具有接近人眼响应的光谱响应，而且具有优秀的红外(IR)噪声抑制(也称为IR拒绝)。这样的光谱响应通常被称为“真实人眼响应”或“适光响应(photopic response)”。
[0005]使用光电检测器(诸如光电二极管)作为ALS时存在的潜在问题是，它既检测可见光又检测诸如红外(IR)光之类的不可见光(开始于约700nm)。相反，人眼不检测IR光。因此，尤其当光由白炽光产生时(包括大量IR光)，光电检测器的响应会显著不同于人眼的响应。如果光电检测器被用作ALS以例如调节背光等，则这将提供显著低于最优调节的调节。因此，已经尝试了各种技术来提供具有接近人眼的光谱响应的光传感器(也称为光学传感器)，以使此类光传感器能用于例如适当地调整显示器的背光，或用于类似用途。这些技术中的一些涉及用滤光器覆盖光电检测器。
[0006]如从上述讨论中所能理解，对光电检测器的一种潜在的期望响应是适光响应。然而，这仅仅是一种示例性响应。例如，可能期望一个光电检测器的响应指示检测到多少红光、另一光电检测器的响应指示检测到多少绿光、以及又一光电检测器的响应指示检测到多少蓝光。这三种光电检测器的响应可被组合，例如用于提供适光响应。替代地，这三种光电检测器的响应可单独地被用作反馈，以用于调节使用数字照相机和/或数字视频记录仪捕捉的数字图像中的颜色，例如使得所捕捉的图像/视频更逼真地相似于操作照相机/视频记录仪的人所真实看到的内容。这三种光电检测器的响应还可用于LED背光系统或LED投影仪的色彩调节、用于色彩检测和/或用于白平衡调节。对光电检测器的另一种潜在的期望响应是检测IR光并且拒绝可见光，例如，如果该光电检测器被用于基于IR的接近度和/或运动检测器的情况。不管实际想要的响应为何，如果能以提供高准确度和高产量的方式制造具有任何特定期望响应的光电检测器，则将是有益的。
[0007]低成本的半导体光传感器通常是位于单层有机滤色器下方的硅光电二极管。例如，常规的传感器设计通常包括染色的有机过滤器(也称为有机滤色器)，该有机过滤器直接被沉积在覆盖光电二极管传感器区域的钝化层上。该钝化层典型地位于也覆盖光电二极管传感器区域的一个或多个金属间电介质(MD)层上。染色的有机过滤器吸收特定光频率范围，其具有低成本和容易集成到常规集成电路(IC)制造流程中的优点。染色的有机过滤器的缺点是，它们允许过量的红外(IR)能量透射。换言之，染色的有机过滤器在吸收大于700nm波长方面不够好。然而，在存在提供适光响应或提供指示特定可见颜色(例如红色、绿色和/或蓝色)的响应的需求的情况下，也需要滤掉或以其它方式拒绝大于700nm的波长。此外，通常想要将ALS和基于IR的接近度传感器二者包括在同一封装内。在这种情况下，需要在同一封装内既提供拒绝IR光的光电二极管，又提供检测IR光的光电二极管。

【发明内容】

[0008]在以下详细描述中，参考形成本说明书一部分的附图，其中通过图示示出了特定图解说明实施例。应理解，可利用其它实施例，且可作出机械和电气改变。因此，以下详细描述不应按照限制的意义来理解。在以下描述中，在全部附图中将使用相似的标号或参考标注来指示相似的部分或要素。此外，参考标号的第一位标识该参考标号首先出现的附图。
[0009]以下描述的本发明的某些实施例涉及单片光学传感器器件，该单片光学传感器器件包括光电检测器(例如光电二极管)、一个或多个晶片级图案化无机电介质滤光器、以及一个或多个晶片级图案化有机滤色器。以下描述的本发明的某些实施例使一个或多个光电检测器能拒绝IR光，同时一个或多个其他光电检测器能检测IR光，即使所有这些光电检测器和过滤器在共同半导体晶片衬底上/之中制造。
[0010]图1A示出根据本发明实施例的单片光学传感器器件102。参考图1A，示出了半导体晶片衬底104，该半导体晶片衬底104包括五个光电检测器(PD)区域，标注为ro1、PD2,PD3、PD4和TO5。每个ro区域可以是(例如)光电二极管、光敏电阻器、光伏电池、光电晶体管、或电荷耦合器件(CCD )，但不限于此，且可用于产生指示所检测的光的电流或电压。对于该讨论的余下部分，假定每个ro区域是光电二极管，除非另有声明。每个ro区域也可能由彼此连接(例如串联或并联)的多个光电二极管(或光敏电阻器、CCD等)的阵列组成，以使它们共同产生指示所检测光的电流或电压。
[0011]晶片衬底104的整个表面被一个或多个金属间电介质(IMD)层覆盖,金属间电介质层可包括一种或多种氧化物和/或氮化物，但不限于此。在最上方的MD层106上可能存在一个或多个钝化层。钝化层典型地被分类为“硬”或“软”。硬钝化典型地是氮化硅，而软钝化典型地是通常沉积在硬钝化层上的聚酰亚胺。替代的钝化材料也是可能的。硬钝化层可以或可以不利用CMP (化学机械抛光)来平坦化。优选地，钝化表面在光学传感器应用中是平坦的，但本发明并不要求平坦的钝化。MD层和钝化层共同标注为106。
[0012]晶片级无机电介质滤光器108被图案化以覆盖ro1、PD2, PD3和TO4，但不覆盖PD5。图案化的晶片级无机电介质滤光器108包括多层无机电介质薄膜。各薄膜厚度典型地从约IOnm到300nm,但不限于此。电介质滤光器的总厚度可以(例如)在2 μ m至10 μ m的范围内，但不限于此。这样的无机电介质膜可使用常规的半导体加工来沉积，以获得(例如)交替折射率的高一低一高一低(HLHL)模式。可采用各种常规沉积方法来对晶片级无机电介质滤光器108进行图案化，诸如化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、等离子体增强 CVD (PECVD)JgSCVD (LPCVD)、金属有机 CVD (MOCVD)、分子束外延(MBE)、外延、蒸镀、溅射、原子层沉积(ALD )、原位射流气相沉积(JVD )或类似方法。
[0013]用于形成晶片级无机电介质滤光器108的电介质材料可包括二氧化硅(Si02)、氢化娃(SixHy )、氮化娃(SixNy )、氧氮化娃(SixOzNy )、氧化钽(TaxOy )、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)以及类似物。滤光器中的交替层可具有贯穿该滤光器叠层的恒定或变化的膜厚度，以实现所期望的光学响应。通过小心地选择这些层的实际组分、厚度以及数量，有可能将该滤光器的反射率和透射率调整为产生几乎任何期望的光谱特性。例如，可使反射率增大至超过99.99%，以产生高反射(HR)涂层。反射水平也可被调谐至任何特定值，例如用于产生在某些波长范围上反射落在其上的光的90%且透射该光的10%的反射镜。这样的反射镜常被用作分束器，且用作激光器中的输出耦合器。替代地，晶片级无机电介质滤光器108可被设计成使该反射镜仅在窄波长带中反射光，从而产生反射性滤光器。
[0014]一般而言，高折射率材料和低折射率材料的层上下交替。该周期性或交替的结构显著增强了该表面在特定波长范围中的反射率(称为带阻)，该波长范围的宽度仅由所使用的两个折射率之比确定(对于四分之一波系统)，而最大反射率通过该叠层中的多个层增大至接近高达100%。这些层的厚度一般是四分之一波(如此，相比于由相同材料组成的非四分之一波系统，它们产生最宽的高反射带)，设置成使所反射的光束彼此相长地干涉，以使反射最大化且使透射最小化。利用上述结构，高反射性涂层能在宽波长范围(可见光谱范围中的数十纳米)中实现非常高的反射率(例如99.9%)，在其它波长范围上实现较低的反射率，由此实现期望的光谱响应。通过操纵反射性叠层中层的实际厚度和组分，可将反射特性调谐至期望的光谱响应，且可既包含高反射性波长区域又包含抗反射性波长区域。晶片级无机电介质滤光器108可被设计为长`通或短通滤光器、带通或陷波滤光器、或具有特定反射率的反射镜。在本发明的特定实施例中，晶片级无机电介质滤光器108被设计为短通滤光器，该短通滤光器通过小于700nm的可见波长，并拒绝700nm以上的波长(例如包括IR波长)，在该情况下该晶片级无机电介质滤光器108可被称为IR截止滤光器。
[0015]仍参考图认，？01、？02、？03和^)4中的每一个被示为也被不同的晶片级图案化有机滤色器Iio覆盖。这样的图案化有机滤色器可以在组分上类似于光阻，且可具有例如0.5至2 μ m的厚度。这些有机滤色器典型地是旋涂的光敏有机膜，其具有色素添加剂从而导致吸收期望的光频率(例如蓝色、绿色或红色)。在图1A中，PDl被晶片级无机电介质滤光器108和晶片级有机红过滤器IlOR 二者覆盖。PD2被晶片级无机电介质滤光器108和晶片级有机绿过滤器IlOG 二者覆盖。PD3被晶片级无机电介质滤光器108和晶片级有机监过滤器IlOB 二者覆盖。PD4被晶片级无机电介质滤光器108和晶片级有机黑过滤器IlOBk 二者覆盖。PD5未被晶片级无机电介质滤光器108覆盖，且未被任何有机滤色器110覆盖。在图1A和图2-8中，各层未按比例绘制。例如，IMD层和钝化层106加起来有可能比晶片级无机电介质滤光器108和/或有机滤色器110厚。[0016]注意，诸如滤光器108之类的晶片级无机电介质滤光器通常实现起来相对较昂贵，因为交替电介质材料在非常精细的几何形状(数十到数百纳米)下的沉积过程(例如溅射或蒸镀)(且要对层厚度和材料组分进行精确控制)通常花费若干小时。此外，晶片级无机电介质滤光器通常是利用在化学溶剂浴中的光阻剥离来图案化的，由于在光阻溶剂浴中相对长的驻留时间(即浸泡持续时间)以及相对窄的工艺裕量，这通常成本高。因此，如果期望利用单个单片光学传感器器件实现多种(例如三种或更多种)不同的光电检测器响应，则利用多个不同的晶片级无机电介质滤光器来实现多种不同响应将会成本很高。这是因为可能需要多次沉积和多次剥离工艺来在共同半导体衬底上形成多个不同的晶片级无机电介质滤光器，这将需要非常长的循环时间。本文中描述的本发明的特定实施例利用了多种期望响应中的共同特性，例如IR拒绝，从而利用共同的晶片级无机电介质滤光器并结合多个有机滤色器，使用单个单片光学传感器器件实现了多种不同的光电检测器响应。
[0017]图1B示出了红、绿和蓝有机过滤器的示例性透射光谱。图1C示出被设计为短波通过滤光器的电介质滤光器的示例性透射光谱，该短波通过滤光器也可被称为IR截止滤光器，因为它截止或拒绝IR光。图1D示出可通过在无机电介质滤光器上图案化各种有机滤色器而实现的透射光谱。有利地，无机电介质滤光器能被用于拒绝、更具体而言反射700nm以上的波长。这使得H)区域能被红、绿和蓝有机过滤器(以及电介质滤光器)覆盖，以分别主要检测红光、绿光和蓝光。
[0018]图2示出根据本发明另一实施例的单片光学传感器器件202。在图2中，再次示出半导体晶片衬底104，其包括标注为PD1、PD2、PD3、PD4和TO5的五个H)区域。该晶片衬底的整个表面也被一个或多个MD层和钝化层(共同标注为106)覆盖。晶片级无机电介质滤光器108也被图案化以覆盖PD1、PD2、PD3和TO4，但不覆盖H)5。PDl被晶片级无机电介质滤光器108和晶片级有机红过滤器IlOR 二者覆盖。PD2被晶片级无机电介质滤光器108和晶片级有机绿过滤器IlOG以及晶片级有机红过滤器IlOR覆盖。换言之，有机绿和有机红过滤器上下层叠在一起，且该叠层在无机电介质滤光器108之上。PD3被无机电介质滤光器108和有机绿过滤器IlOG 二者覆盖。PD4被无机电介质滤光器108和有机黑过滤器IlOBk二者覆盖。PD5既未被无机电介质滤光器108覆盖，也未被任何有机滤色器110覆盖。
[0019]图3示出单片光学传感器器件302，在该器件302中，标注为OFl、0F2、0F3以及0F4的多个晶片级无机电介质滤光器以不同的组合被层叠。虽然未在图3中示出，但也向该电介质滤光器的叠层中添加一个或多个有机滤色器。其示例在图4中示出，图4示出了作为图2和3的实施例的组合的单片光学传感器器件402。与本文中描述的其它实施例相t匕，图3和4的实施例可能成本更高，因为它们需要多次沉积和剥离工艺来提供多个晶片级无机电介质滤光器(例如0F1、0F2、0F3和0F4)。图4还包括附加的H)区域PD6和TO7。
【专利附图】

【附图说明】
[0020]图1A示出根据本发明的实施例的单片光学传感器器件。
[0021]图1B示出用于红、绿和蓝有机过滤器的示例性透射光谱。
[0022]图1C示出被配置为短波通过滤光器的无机电介质滤光器的示例性透射光谱，该短波通过滤光器也可被称为IR截止滤光器。
图1D示出可通过在无机电介质滤光器上图案化各种有机滤色器而实现的透射光谱。[0023]图2示出根据本发明另一实施例的单片光学传感器器件。
[0024]图3示出根据本发明另一实施例的单片光学传感器器件。
[0025]图4示出根据本发明又一实施例的单片光学传感器器件。
[0026]图5A-5E用于说明如何制造根据本发明多个实施例的单片光学传感器器件
[0027]图6示出根据本发明特定实施例的单片光学传感器器件。
[0028]图7示出根据本发明另一特定实施例的单片光学传感器器件。
[0029]图8示出根据本发明又一特定实施例的单片光学传感器器件。
[0030]图9是用于概括根据本发明某些实施例的用于制造单片光学传感器器件的方法的高级流程图。
[0031]图10示出根据本发明的实施例的包括单片光学传感器器件的系统。
[0032]附图标记说明
[0033]
【权利要求】
1.一种用于制造单片光学传感器器件的方法，包括: (a)在半导体晶片衬底中的多个光电检测器(PD)区域之上沉积并由此形成一个或多个金属间电介质(MD)层； (b)在位于所述多个H)区域的至少子集之上的最上方的所述MD层的至少一部分上沉积并由此形成晶片级无机电介质滤光器；以及 (c)在位于选定H)区域之上的所述晶片级无机电介质滤光器的一个或多个选定部分上沉积并由此形成一个或多个晶片级有机滤色器。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于: 步骤(a)包括在所述半导体晶片衬底中的第一 ro区域、第二 ro区域和第三ro区域上沉积并由此形成一个或多个金属间电介质(IMD)层； 步骤(b)包括在位于所述第一、第二和第三ro区域之上的最上方的所述MD层的至少一部分上沉积并由此形成所述晶片级无机电介质滤光器；以及步骤(C)包括 在位于所述第一 ro区域之上的所述晶片级无机电介质滤光器的至少一部分上沉积并形成第一晶片级有机滤色器； 在位于所述第二 ro区域之上的所述晶片级无机电介质滤光器的至少一部分上沉积并形成第二晶片级有机滤色器；以及 在位于所述第三ro区域之上的所述晶片级无机电介质滤光器的至少一部分上沉积并形成第三晶片级有机滤色器；` 其中所述第一、第二和第三晶片级有机滤色器彼此颜色不同。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述晶片级无机电介质滤光器包括配置成拒绝红外(IR)光并通过可见光的IR截止滤光器。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于: 所述第一晶片级有机滤色器是红色的； 所述第二晶片级有机滤色器是绿色的；以及 所述第三晶片级有机滤色器是蓝色的。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于: 步骤(a)还包括在所述半导体晶片衬底中的第四ro区域上沉积并由此形成所述一个或多个MD层；以及还包括 (e)在位于所述第四H)区域之上的最上方的所述MD层的至少一部分上沉积并由此形成第二晶片级无机电介质滤光器； 其中所述第二晶片级无机电介质滤光器包括配置成通过IR光并拒绝可见光的IR通过滤光器。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于: 步骤(a)还包括在所述半导体晶片衬底中的第四PD区域上沉积并由此形成所述一个或多个MD层；以及 还包括在位于所述第四H)区域之上的最上方的所述MD层的至少一部分上沉积并由此形成一个或多个晶片级有机滤色器。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括: 在步骤(b)与(c)之间，在最上方的所述MD层上沉积并由此形成一个或多个钝化层；其中，在步骤(c)，在最上方的所述钝化层上沉积并由此形成所述一个或多个晶片级有机滤色器。
8.一种用于制造多个单片光学传感器器件的方法，包括: (a)在形成于半导体晶片衬底中的多个H)区域上沉积并由此形成晶片级无机电介质滤光器； (b)在位于所述多个ro区域的第一子集之上的所述晶片级无机电介质滤光器的部分上沉积并由此形成第一晶片级有机滤色器； (c)在位于所述多个ro区域的第二子集之上的所述晶片级无机电介质滤光器的另外的部分上沉积并由此形成第二晶片级有机滤色器；以及 (d)将所述半导体晶片衬底切割成多个单片光学传感器器件，每个单片光学传感器器件包括 至少一个所述ro区域，既被所述晶片级无机电介质滤光器覆盖又被所述第一晶片级有机滤色器覆盖，以及 至少一个所述ro区域，既被所述晶片级无机电介质滤光器覆盖又被所述第二晶片级有机滤色器覆盖。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述单片光学传感器器件中的每一个还包括未被在步骤(a)中形成的所述晶片级无机电介质滤光器覆盖的至少一个ro区域。`
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括在步骤(a)之前，在所述半导体晶片衬底中的所述多个ro区域上沉积并由此形成一个或多个金属间电介质(MD)层。
11.一种单片光学传感器器件，包括: 半导体晶片衬底，包括多个光电检测器(PD)区域； 一个或多个金属间电介质(MD)层，位于所述多个ro区域之上； 晶片级无机电介质滤光器，在位于所述多个ro区域的至少子集之上的最上方的所述MD层的至少一部分之上；以及 一个或多个晶片级有机滤色器，在位于选定ro区域之上的所述晶片级无机电介质滤光器的一个或多个选定部分之上。
12.如权利要求11所述的单片光学传感器器件，其特征在于: 所述半导体晶片衬底至少包括第一 ro区域、第二 ro区域和第三ro区域； 所述一个或多个MD层位于至少所述第一、第二和第三ro区域之上； 所述晶片级无机电介质滤光器位于最上方的所述MD层的至少一部分之上，所述MD层位于所述第一、第二和第三ro区域之上； 第一晶片级有机滤色器在位于所述第一 ro区域之上的所述晶片级无机电介质滤光器的至少一部分之上； 第二晶片级有机滤色器在位于所述第二 ro区域之上的所述晶片级无机电介质滤光器的至少一部分之上；以及 第三晶片级有机滤色器在位于所述第三ro区域之上的所述晶片级无机电介质滤光器的至少一部分之上；其中所述第一、第二和第三晶片级有机滤色器彼此颜色不同。
13.如权利要求12所述的单片光学传感器器件，其特征在于，所述晶片级无机电介质滤光器包括配置成拒绝红外(IR)光并通过可见光的IR截止滤光器。
14.如权利要求13所述的单片光学传感器器件，其特征在于: 所述第一晶片级有机滤色器是红色的； 所述第二晶片级有机滤色器是绿色的；以及 所述第三晶片级有机滤色器是蓝色的。
15.如权利要求13所述的单片光学传感器器件，其特征在于: 所述半导体晶片衬底还包括第四H)区域；以及 还包括第二晶片级无机电介质滤光器，在位于所述第四ro区域之上的最上方的所述IMD层的至少一部分之上； 其中所述第二晶片级无机电介质滤光器包括配置成通过IR光并拒绝可见光的IR通过滤光器。
16.如权利要求13所述的单片光学传感器器件，其特征在于: 所述半导体晶片衬底还包括第四ro区域；以及 还包括一个或多个晶片级有机滤色器，在位于所述第四ro区域之上的最上方的所述IMD层的至少一部分之上。
17.如权利要求11所述的单 片光学传感器器件，其特征在于，还包括: 一个或多个钝化层，位于最上方的所述MD层与所述晶片级无机电介质滤光器之间。
18.一种单片光学传感器器件，包括: 半导体晶片衬底，包括多个光电检测器(PD)区域； 晶片级无机电介质滤光器，位于所述多个H)区域的至少子集之上；以及一个或多个晶片级有机滤色器，在位于选定ro区域之上的所述晶片级无机电介质滤光器的一个或多个选定部分之上。
19.如权利要求18所述的单片光学传感器器件，其特征在于: 所述半导体晶片衬底至少包括第一 ro区域、第二 ro区域和第三ro区域； 第一晶片级有机滤色器在位于所述第一 ro区域之上的所述晶片级无机电介质滤光器的至少一部分之上； 第二晶片级有机滤色器在位于所述第二 ro区域之上的所述晶片级无机电介质滤光器的至少一部分之上；以及 第三晶片级有机滤色器在位于所述第三ro区域之上的所述晶片级无机电介质滤光器的至少一部分之上； 其中所述第一、第二和第三晶片级有机滤色器彼此颜色不同。
20.如权利要求18所述的单片光学传感器器件，其特征在于，还包括: 一个或多个IMD层和一个或多个钝化层，位于所述半导体晶片衬底与所述晶片级无机电介质滤光器之间。
【文档编号】H01L27/146GK103515399SQ201210266127
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年7月30日 优先权日:2012年6月28日
【发明者】M·I-S·孙, F·希伯特, K·C·戴尔, E·S·李 申请人:英特赛尔美国有限公司