本发明大体涉及图像传感器，且特定来说但非排它性地，涉及堆叠式图像传感器。
背景技术：
图像传感器已变得无处不在。它们广泛用于数码相机、蜂窝电话、监控摄像机以及医疗、汽车和其它应用中。图像传感器的装置架构归因于对更高分辨率、更低功率消耗、增加的动态范围等的增加需求而持续快速发展。这些需求也鼓励图像传感器进一步小型化和集成到这些装置中。
典型图像传感器操作如下。来自外部场景的图像光经入射于图像传感器上。图像传感器包含多个光敏元件，使得每一光敏元件吸收入射图像光的一部分，所述部分表示待捕获的外部场景的一部分。包含于图像传感器中的光敏元件(例如光电二极管)在吸收图像光之后产生图像电荷。所产生的图像电荷量与图像光的强度成比例。图像电荷可用于基于图像光产生图像。
图像传感器的参数是动态范围。图像传感器的动态范围描述最大和最小可测量图像光强度之间的比率。例如，具有低动态范围的图像传感器可能只能够在十分特定图像光强度下产生图像，而具有高动态范围的图像传感器可能够在各种图像光强度下产生图像。大部分应用期望高动态图像传感器，尤其是需要在各种图像光条件下捕获图像的汽车和安全应用。
技术实现要素：
一方面，本发明描述一种堆叠式图像传感器，其包括：第一多个光电二极管，其包含安置在第一半导体材料中的第一光电二极管和第二光电二极管，其中所述第一半导体材料靠近所述第一光电二极管的厚度小于所述第一半导体材料靠近所述第二光电二极管的厚度；第二多个光电二极管，其经安置在第二半导体材料中，其中所述第二多个光电二极管与所述第一多个光电二极管光学对准；以及互连层，其经安置在所述第一半导体材料与所述第二半导体材料之间，其中所述互连层包含安置在所述第二光电二极管和包含于所述第二多个光电二极管中的第三光电二极管之间的光学屏蔽件，且其中所述光学屏蔽件防止图像光的第一部分到达所述第三光电二极管。
另一方面，本发明描述一种成像系统，其包括：第一多个光电二极管，其经安置在第一半导体晶片中且包含第一光电二极管和第二光电二极管，其中所述第一半导体晶片靠近所述第一光电二极管的厚度小于所述第一半导体晶片靠近所述第二光电二极管的厚度；第二多个光电二极管，其经安置在第二半导体晶片中且包含第三光电二极管，其中所述第二多个光电二极管与所述第一多个光电二极管光学对准；第一互连层和第二互连层，其中所述第一互连层经安置在所述第一半导体晶片与所述第二互连层之间，其中所述第二互连层经安置在所述第一互连层与所述第二半导体晶片之间；以及光学屏蔽件，其经安置在所述第二互连层中，其中所述光学屏蔽件与所述第一半导体晶片的所述第二光电二极管以及所述第二半导体晶片的所述第三光电二极管光学对准且防止图像光的部分传播通过所述第三光电二极管。
附图说明
参考以下诸图描述本发明的非限制性及非穷尽性实例，其中相似参考数字指代贯穿各种视图的相似部分，除非另有指定。
图1a是根据本发明的教示的实例堆叠式图像传感器的横截面说明。
图1b是根据本发明的教示的图1a中的堆叠式图像传感器的实例电路图。
图2是说明根据本发明的教示的包含图1a的图像传感器的成像系统的一个实例的框图。
图3是根据本发明的教示的用于形成图1a的堆叠式图像传感器的实例方法。
对应参考数字指示贯穿图式的若干视图的对应组件。技术人员应了解，为简单明了起见而说明图中的元件且不必按照比例绘制。例如，图中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件是放大的，以便改善对本发明的各种实施例的理解。而且，在商业可行实施例中有用或必要的普通而易于理解的元件通常没有描绘，以便促进对本发明的这些各种实施例的较不受妨碍的观察。
具体实施方式
在本文中描述用于堆叠式图像传感器的设备和方法的实例。在以下描述中，阐述数个细节以提供对实例的充分理解。然而，所属领域的技术人员应认识到，可以在没有所述一或多个特定细节的情况下或在利用其它方法、组件、材料等的情况下来实践本文中描述的技术。在其它情况中，没有详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作以避免模糊某些方面。
贯穿此说明书对“一个实例”或“一个实施例”的参考意指结合实例描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实例中。因此，在贯穿此说明书的不同位置中出现的短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”不必完全是指相同实例。此外，在一或多个实例中，可以任何合适方式组合特定特征、结构或特性。
贯穿此说明书使用若干技术术语。除非本文中特别定义或在使用它们的上下文中清楚地提出，否则所有术语具有其所来自的领域中的普通含义。应注意，可贯穿此文献可互换地使用元素名称和符号(例如si对硅)；然而，它们都具有相同含义。
图1a是实例堆叠式图像传感器102的横截面说明。堆叠式图像传感器102包含图像传感器110和图像传感器150。图像传感器110包含多个微透镜112、彩色滤光器120、电介质材料122、多个光电二极管(包含光电二极管124、126和128)、半导体材料130和互连层132。图像传感器150包含互连层152、光学屏蔽件156、多个光电二极管(包含光电二极管162、164和166)和半导体材料170。
如所说明，堆叠式图像传感器102包含图像传感器110和图像传感器150。图像传感器110包含安置在半导体材料130中的第一多个光电二极管(包含光电二极管124、126和128)。半导体材料130靠近光电二极管124的厚度小于半导体材料130靠近光电二极管128的厚度。在一个实例中，半导体材料130靠近光电二极管124的厚度是半导体材料130靠近光电二极管128的厚度的一半。图像传感器150包含安置在半导体材料170中的第二多个光电二极管(包含光电二极管162、164和166)。第一多个光电二极管和第二多个光电二极管光学对准，使得第一多个光电二极管中的每一光电二极管和第二多个光电二极管中的相应光电二极管光学对准。光电二极管的光学对准允许第一和第二多个光电二极管中的相应光电二极管吸收表示外部场景的相同部分的图像光。在所说明的实例中，光电二极管124与光电二极管162光学对准，光电二极管126与光电二极管164光学对准，且光电二极管128与光电二极管166光学对准。例如，表示外部场景的相同部分的图像光可被光电二极管124部分吸收。表示外部场景的相同部分的经吸收图像光可传播通过光电二极管124且可被光电二极管162吸收。
互连层经安置在半导体材料130与半导体材料170之间。互连层可为单层或可包含接合到互连层152的互连层132。光学屏蔽件156经安置在光电二极管128与光电二极管166之间以防止图像光的部分到达光电二极管166。
如所说明，堆叠式图像传感器102的图像传感器110可包含多个微透镜112以朝向多个光电二极管中的每一光电二极管引导图像光。彩色滤光器120可经安置在多个微透镜112与半导体材料130之间。在一个实例中，彩色滤光器112可包含蓝色、绿色和红色彩色滤光器，它们可布置成拜耳图案、exr图案、x-trans图案或类似图案。然而，在不同或相同实例中，彩色滤光器112可包含红外线滤光器、紫外线滤光器或隔离电磁频谱的部分的其它滤光器。电介质材料122可经安置在彩色滤光器112与半导体材料130之间。半导体材料130可经安置在电介质材料122与互连层132之间。半导体材料130和电介质材料122的组合厚度可为均匀的，使得电介质材料填充由半导体材料130靠近光电二极管124和光电二极管126的厚度差所引起的凹陷中。在一个实例中，朝向多个光电二极管引导图像光的金属网格可经安置在电介质材料122中。
在所说明的实例中，堆叠式图像传感器102是可见光谱的高动态范围图像传感器。彩色滤光器120包含与光电二极管124和162光学对准的蓝色滤光器114、与光电二极管126和164光学对准的绿色滤光器116以及与光电二极管128和166光学对准的红色滤光器118。在一个实例中，彩色滤光器的横向尺寸与半导体材料130和半导体材料170中的多个光电二极管的横向尺寸相同。表示来自堆叠式图像传感器102的光电二极管124和162的经吸收蓝光、来自光电二极管126和164的经吸收绿光和来自光电二极管128和166的经吸收红光的光生图像电荷可经组合以获得入射图像光的全色光谱信息。图像传感器110可为背侧照明图像传感器以在低图像光条件或正常图像光条件下提供对图像光的高灵敏度。图像传感器150可为前侧照明图像传感器且经安置以接收和吸收传播通过图像传感器110的未吸收入射光的部分。图像传感器150可通过在高图像光条件下提供额外图像光信息而提供堆叠式图像传感器102的进一步增强动态范围。
例如，在高图像光条件下，由半导体材料130中的多个光电二极管中的光电二极管光致产生的图像电荷可饱和。然而，堆叠式图像传感器102进一步包含图像传感器150，其经安置以接收传播通过图像传感器110的入射图像光。图像传感器150对图像光的灵敏度可比图像传感器110小十倍。因此，使图像传感器110中的多个光电二极管饱和的图像光的强度小于使安置在图像传感器150中的多个光电二极管饱和的图像光的强度。堆叠式图像传感器102可具有比图像传感器110或图像传感器150的个别动态范围更高的动态范围。
在所说明的实施例中，半导体材料130和半导体材料170是硅。由于蓝光比绿光或红光传播通过更小硅厚度，半导体材料130靠近光电二极管124(其可接收蓝光)的厚度小于半导体材料130靠近光电二极管126(其可接收绿光)的厚度。因此，光电二极管162对蓝色图像光的灵敏度与光电二极管164对绿色图像光的灵敏度实质上相同。类似地，由于红光比绿光或蓝光传播通过更大硅厚度，光学屏蔽件156可经安置在半导体材料130与半导体材料170之间以防止图像光的一部分到达光电二极管166(其可接收红光)。光学屏蔽件156可经安置在互连层132、互连层152中或安置为半导体材料130与半导体材料170之间的单独层。光学屏蔽件156可吸收、反射或折射图像光，使得防止图像光的部分到达光电二极管166。替代地或另外，可调整光学屏蔽件156的几何大小作为控制经阻挡图像光的部分的另一途径。例如，光学屏蔽件156的横向尺寸可小于光电二极管166的横向尺寸。因此，光电二极管166对红色图像光的灵敏度与光电二极管164对绿色图像光的灵敏度实质上相同。通过控制半导体材料130的厚度及包含光学屏蔽件156，图像传感器150具有对红色图像光、绿色图像光及蓝色图像光的实质上相同灵敏度。
图1b是图1a中的图像传感器110的电路图。图1b的论述可返回参考图1a的元件以进一步阐明图像传感器110的操作。如在图1b中说明，图像传感器110包含：半导体材料130、多个光电二极管107(例如包含图1a的光电二极管124、126和128)、多个转移栅极113、浮动扩散区121、复位晶体管123、放大器晶体管131和行选择晶体管133。多个光电二极管107经安置在半导体材料130中以积累响应于引导到多个光电二极管107中的入射图像光而光致产生的图像电荷。在一个实例中，半导体材料130可包含硅，但可包含其它合适半导体材料和掺杂剂原子。多个转移栅极113也经安置在半导体材料130中，且多个转移栅极113中的个别转移栅极113经耦合到多个光电二极管107中的个别光电二极管107。浮动扩散区121经安置在半导体材料130中，且浮动扩散区121经耦合到多个转移栅极113以响应于依序施加到每一个别转移栅极113的控制端子的转移信号而从多个光电二极管107接收图像电荷。换句话来说，在所描绘的实例中，将转移信号施加到顶部转移栅极113的控制端子，接着将转移信号施加到从顶部数第二个转移栅极113的控制端子，以此类推。复位晶体管123经耦合到浮动扩散区121以从浮动扩散区121提取图像电荷。此外，放大器晶体管131经耦合到浮动扩散区121，且行选择晶体管133经耦合在放大器晶体管131的输出和位线输出之间。在一个实例中，放大器晶体管131包含源极跟随器耦合晶体管。
尽管没有在图1a中描绘，但是读出电路可经至少部分安置在互连层132中。例如，转移栅极113和浮动扩散区121可经至少部分安置在互连层132中以从安置在半导体材料130中的多个光电二极管读出图像电荷。替代地或另外，类似于图1b中描绘的元件也可包含于图像传感器150中。例如，读出电路可经至少部分安置在互连层152中以从安置在半导体材料170中的多个光电二极管读出图像电荷。
在所描绘的实例中，多个光电二极管107包含通过转移栅极113耦合到浮动扩散区121的四个光电二极管107。然而，在不同实例中，任何数目的光电二极管107可经耦合到包含两个、六个和八个光电二极管107的浮动扩散区121。在所描绘的实例中，四个光电二极管107包含经安置以吸收绿色图像光的两个光电二极管107、经安置以吸收蓝色图像光的一个光电二极管107和经安置以吸收红色图像光的一个光电二极管107。
图2是说明包含图1a的图像传感器的成像系统200的一个实例的框图。图2的论述可返回参考图1a的元件以进一步阐明堆叠式图像传感器102的操作。成像系统200包含像素阵列205、控制电路221、读出电路211和功能逻辑215。在一个实例中，像素阵列205是堆叠式光电二极管或图像传感器像素(例如像素p1、p2…、pn)的二维(2d)阵列，其包含安置在半导体材料130中的多个光电二极管和安置在半导体材料170中的多个光电二极管。如所说明，光电二极管经布置成行(例如行r1到ry)和列(例如列c1到cx)以获得人员、位置、对象等的图像数据，其可接着用于呈现人员、位置、对象等的2d图像。然而，光电二极管不必布置成行和列且可采用其它配置。
在一个实例中，在像素阵列205中的每一图像传感器光电二极管/像素获得其图像数据或图像电荷之后，图像数据由读出电路211读出且接着被转移到功能逻辑215。读出电路211可包含至少部分安置在互连层132中的第一读出电路和至少部分安置在互连层152中的第二读出电路。第一读出电路可经耦合以从由安置在半导体材料130中的多个光电二极管光致产生的第一图像电荷读出第一图像数据且第二读出电路可经耦合以从由安置在半导体材料170中的多个光电二极管光致产生的第二图像电荷读出第二图像数据。在各种实例中，读出电路211可包含放大电路、模/数(adc)转换电路或其它电路。功能逻辑215可简单存储图像数据或甚至通过施加图像后效果(例如裁剪、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它效应)来操纵图像数据。在一个实例中，读出电路211可沿着读出列线每次读出一行图像数据(已经说明)或可使用各种其它技术读出图像数据(未说明)，例如同时对所有像素进行串行读出或同时完全并行读出所有像素。在一个实例中，堆叠图像传感器堆叠式图像传感器经配置以捕获高动态范围图像和低动态范围图像。例如，堆叠图像传感器堆叠式图像传感器可经配置以捕获具有高保真度的亮图像区域和暗图像区域。在另一实例中，功能逻辑经耦合到第一读出电路和第二读出电路。响应于接收第一图像数据和第二图像数据，功能逻辑将第一图像数据和第二图像数据转换成对应于高动态范围图像的数据集。
在一个实例中，控制电路221经耦合到像素阵列205以控制像素阵列205中的多个光电二极管的操作。控制电路221可包含至少部分安置在互连层132中的第一控制电路和至少部分安置在互连层152中的第二控制电路。第一控制电路控制安置在半导体材料130中的多个光电二极管的操作且第二控制电路控制安置在半导体材料170中的多个光电二极管的操作。例如，控制电路221可产生用于控制图像获取的快门信号。在一个实例中，快门信号是用于同时启用像素阵列205内的所有像素以在单获取窗口期间同时捕获其相应图像数据的全局快门信号。在另一实例中，快门信号是滚动快门信号，使得在连续获取窗口期间依序启用像素的每一行、每一列或每一群组。在另一实例中，图像获取与发光效应(例如闪光)同步。
在一个实例中，成像系统200可包含于数码相机、手机、膝上型计算机、汽车或类似物中。另外，成像系统200可经耦合到其它件硬件，例如处理器(通用或其它)、存储器元件、输出(usb端口、无线发射器、hdmi端口等)、发光/闪光、电输入(键盘、触摸显示器、触摸板、鼠标、麦克风等)和/或显示器。其它件硬件可将指令递送到成像系统200，从成像系统200提取图像数据或操纵由成像系统200供应的图像数据。
图3说明用于形成图1a的堆叠式图像传感器的实例方法300。一些或所有过程框在方法300中出现的顺序不应视为限制性。而是，受益于本发明的所属领域的技术人员将理解，方法300中的一些可按没有说明的各种顺序或甚至并行执行。此外，方法300可省略某些过程框，以便避免模糊某些方面。替代地，方法300可包含在本发明的一些实施例/实例中可不必要的额外过程框。
过程框301到309说明形成堆叠式图像传感器102的图像传感器110。过程框301说明提供第一晶片。在一个实例中，晶片可为硅晶片。
过程框303展示在第一晶片中形成多个凹陷。在一个实例中，可使用等离子体蚀刻剂(例如cf4)蚀刻硅晶片。可使用形成凹陷的其它方法，例如湿式化学蚀刻、等离子体蚀刻、离子研磨、溅镀等。在一个实例中，具有凹陷的硅是1.5μm厚而不具有凹陷的硅是2到3μm厚。
过程框305描绘经由离子植入在半导体材料中形成多个光电二极管。然而，在其它实例中，在半导体材料生长期间由掺杂剂包含形成多个光电二极管(例如，在化学气相沉积半导体生长过程中并入砷基玻璃)。
过程框307展示在第一晶片的第一侧上形成电介质层且电介质层与晶片的组合厚度是均匀的。可经由热氧化、化学气相沉积或其它方法生长电介质层。电介质层可包含氧化物，例如氧化硅(sio2)、氧化铪(hfo2)或类似物。可使用其它电介质，例如可溶液加工的有机物，如聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚苯乙烯等。另外，相关领域的技术人员将认识到，可使用满足所需电阻率的任何电介质。金属网格也可经安置在电介质层中以用于朝向多个光电二极管引导光。
框309描绘在第一晶片的第二侧上形成互连层。第一晶片经安置在互连层与电介质层之间。读出电路经至少部分安置在互连层中，所述读出电路经耦合以从多个光电二极管提取图像电荷(如在图1a中说明)。此外，过程框309说明形成光学堆叠。光学堆叠可包含彩色滤光器、微透镜和其它二次光学结构以优化通过图像传感器的图像获取。
过程框311到315说明形成堆叠式图像传感器102的图像传感器150。过程框311说明提供第二晶片。在一个实例中，晶片可为硅晶片。
过程框313描绘经由离子植入在半导体材料中形成多个光电二极管。然而，在其它实例中，在半导体材料生长期间由掺杂剂包含形成多个光电二极管(例如，在化学气相沉积半导体生长过程中并入砷基玻璃)。
过程框315说明在第二晶片的第一侧上形成互连层。读出电路至少部分经安置在互连层中，所述读出电路经耦合以从多个光电二极管提取图像电荷(如在图1a中说明)。此外，过程框315描绘形成光学屏蔽件。光学屏蔽件可经安置在互连层中或可安置为靠近互连层的单独层。
过程框321描绘形成堆叠式图像传感器102。图像传感器110的互连层可堆叠于图像传感器150的互连层上，所以入射图像光传播通过图像传感器110到图像传感器150。第一晶片和第二晶片可在图像传感器110的互连层和图像传感器150的互连层的界面处接合在一起。替代地，第一晶片和第二晶片可通过所属领域的技术人员已知的其它方法来连接。
本发明的所说明实例的上述描述(包含在摘要中描述的内容)不意在为穷尽性或将本发明限于所揭示的精确形式。如相关技术的技术人员将认识到，虽然出于说明性目的在本文中描述本发明的特定实例，但是在本发明的范围内的各种修改是可行的。
可根据上文具体实施方式对本发明作出这些修改。在所附权利要求书中使用的术语不应解释为将本发明限于说明书中揭示的特定实例。而是，应完全由所附权利要求书确定本发明的范围，所附权利要求书根据权利要求书解释的制定原则进行解释。