用于图像传感器的光导阵列的制作方法
【专利说明】用于图像传感器的光导阵列
[0001]本申请是申请号为201210245902.2、申请日为2008年12月22日、发明名称为“用于图像传感器的光导阵列”的发明专利申请的分案申请。申请号为201210245902.2的发明专利申请是申请号为200880123359.0、申请日为2008年12月22日、发明名称为“用于图像传感器的光导阵列”的PCT国际发明专利申请的分案申请。
[0002]相关申请案的交叉参考
[0003]本申请案主张2008年3月14日申请的申请案61/069,344号；以及2008年7月16日申请的申请案12/218，749号的优先权。
技术领域
[0004]本发明主要内容大体上涉及用于制造固态图像传感器的结构与方法。
【背景技术】
[0005]摄影设备(例如数字相机与数字摄录像机)可含有电子图像传感器，它们会捉取光以处理成静态或视频图像。电子图像传感器通常含有数百万个光捉取组件，例如光二极管。
[0006]固态图像传感器可为电荷耦合装置(CXD)型或互补金属氧化物半导体(CMOS)型。在任一类型的图像传感器中，光传感器会形成在衬底中且以二维阵列来排列。图像传感器通常含有数百万个像素，用以提供高分辨率图像。
[0007]图1A所示的是现有技术固态图像传感器I的剖面图，图中在CMOS型传感器中显示多个相邻像素，其揭露于美国专利案7，119，319号。每一个像素具有一光电转换单元2。每一个转换单元2位于传输电极3邻近处，其会将电荷传输到浮动扩散单元(未显示)。该结构包含埋置在绝缘层5中的多条电线4。该传感器通常包含位于彩色滤光片8下方的平坦化层6，用以补偿因该等电线4所导致的顶表面不平整，因为平坦表面对借光刻来进行的常规彩色滤光片构成方式来说相当重要。第二平坦化层10被设置在该彩色滤光片8上方，用以提供平坦表面来形成微透镜9。平坦化层6与10加上彩色滤光片8的总厚度约为2.0um0
[0008]光导7被集成到该传感器中，以便将光引导到该等转换单元2上。该等光导7由折射率高于绝缘层5的氮化硅的材料构成。各光导7均具有比该等转换单元2旁边的区域还宽的入口。传感器I还可具有彩色滤光片8与微透镜9。
[0009]微透镜9将光聚焦在光电转换单元2上。如图1B中所示，由于光学衍射的关系，微透镜9可造成衍射光，传导到附近的光电转换单元2并且产生光学串扰(crosstalk)与光损。当彩色滤光片的上方或下方有平坦化层时，会让该微透镜定位在较远离该光导处，串扰的数量便会增加。藉由通过平坦化层(彩色滤光片的上方或下方)或彩色滤光片的侧壁，光可串扰到邻近的像素中。金属屏蔽有时候会被集成到该等像素中，用以阻挡串扰光。此夕卜，微透镜、彩色滤光片、以及光导之间的对准误差也会造成串扰。虽然可改变微透镜的形成、尺寸、以及形状以降低串扰。不过，其必须增加精密微透镜形成工艺的额外成本，串扰却仍无法消除。
[0010]来自衬底界面处的图像传感器的向后反射是造成光接收损失的另一项问题。如图1A中所示，光导会与硅直接接触。此界面可能会造成远离该传感器的非所期望的向后反射。用于图像传感器的常规抗反射结构包含在该硅衬底上方直接插入氧化物加氮化物双层膜堆叠(oxide-plus-nitride dual-layer film stack)、或是具有不同氮氧比例的氮氧化物层，不过仅能减少该硅衬底与高氧化物绝缘体之间的反射。当该界面为硅衬底与氮化物光导时，此方式便不适用。
【发明内容】
[0011]一种图像传感器像素，其包含一由一衬底支撑的光电转换单元以及一位于该衬底邻近的绝缘体。该像素可具有一串联式光导，其中该串联式光导的一部分位于该绝缘体内，而另一部分在该绝缘体上方延伸。该串联式光导可包含一自动对准彩色滤光片。该像素可在该衬底与该串联式光导之间具有一抗反射堆叠。
【附图说明】
[0012]图1A为显示现有技术的两个图像传感器像素的示意图；
[0013]图1B为显示现有技术的相邻像素之间的光串扰的示意图；
[0014]图2为显示本发明的一实施例的两个像素的示意图；
[0015]图3A为显示沿着两个彩色滤光片之间的间隙前进的光的示意图；
[0016]图3B为显示从该间隙处将光再导向到该等彩色滤光片中的示意图；
[0017]图3C为光功率相对于该间隙中的距离的关系图；
[0018]图3D为三种不同颜色的光在间隙中深度为0.6um与1.0um处的间隙功率损失相对于间隙宽度的关系图；
[0019]图3E为最大间隙功率损失相对于深度为1.0um处的间隙宽度的关系图；
[0020]图3F为深度为1.0um处的不同间隙宽度的最大间隙功率损失表；
[0021]图3G为以像素面积百分比来表示不同间隙宽度与不同像素节距的间隙面积的表格；
[0022]图3H为不同间隙宽度与不同像素节距的像素功率损失的表格；
[0023]图31为不同间隙宽度的像素功率损失相对于像素节距的关系图；
[0024]图4A到L为显示用以制造图2中所示的像素的过程的示意图；
[0025]图5为显示图2的像素内的射线路径的示意图；
[0026]图6A为显示该阵列的角落处的像素的示意图；
[0027]图6B为显示图6A的像素内的光线路径的示意图；
[0028]图7为显示阵列内四个像素的俯视示意图；
[0029]图8为传感器像素的一替代实施例，图中有射线路径；
[0030]图9A到M为显不用以制造图8中所不的像素的过程的不意图；
[0031]图1OA到H为显示用以曝光结合垫的过程的示意图；
[0032]图11为显示传感器内的抗反射堆叠的示意图；
[0033]图12A到E为显示用以在该传感器内形成抗反射堆叠的替代过程的示意图；
[0034]图13A为抗反射堆叠的透射系数相对于光波长的关系图；
[0035]图13B为该抗反射堆叠的透射系数相对于光波长的关系图；
[0036]图13C为该抗反射堆叠的透射系数相对于光波长的关系图；
[0037]图14A到G为用以在该传感器内形成两个抗反射堆叠的替代过程的示意图；
[0038]图15A为图14G左手边部分上的第一抗反射堆叠的透射系数相对于光波长的关系图；
[0039]图15B为图14G右手边部分上的第二抗反射堆叠的透射系数相对于光波长的关系图。
【具体实施方式】
[0040]本文揭示一种图像传感器像素，其包含一由一衬底支撑的光电转换单元以及一位于该衬底邻近的绝缘体。该像素包含一位于该绝缘体的一开口内且在该绝缘体上方延伸的光导，使得该光导的一部分具有一空气界面。该空气界面改善该光导的内反射。除此之外，用来建构该光导与一相邻彩色滤光片的工艺会优化该光导的上孔径且降低串扰。该光导的前述特征不需要用到微透镜。除此之外，在该光电转换单元的上方和该光导的下方建构一抗反射堆叠，用以降低经由来自该图像传感器的向后反射造成的光损。可通过修正该抗反射堆叠内的一层膜的厚度以针对抗反射来个别优化两个不同颜色的像素。
[0041]该像素可包含两个光导，其中一者位于另一者上方。第一光导位于该衬底邻近处的绝缘体的第一开口内。第二光导位于一支撑膜的第二开口内，该支撑膜最后在该像素的制造期间被移除。一彩色滤光片被设置在相同的开口内且因而会自动对准该第二光导。该第二光导在该像素阵列的外角落处可偏离该第一光导，以便捉取以相对于垂直轴为非零角度入射的光。
[0042]在相邻彩色滤光片之间，一间隙藉由移除该滤光片邻近处的支撑膜材料而产生。空气的折射率低于该支撑膜并且会增强该彩色滤光片与该光导内的内反射。此外，该间隙经配置以用以将入射在该间隙上的光“弯折”到该彩色滤光片中并且提高被提供给该传感器的光的数量。
[0043]该硅-光导(silicon-light-guide)界面处的反射以在该第一光导下方形成氮化物膜与第一氧化物膜而降低。第二氧化物膜可额外被插入在该氮化物膜下方，用以增宽有效抗反射的光频率范围。该第一氧化物可在施加该光导材料之前被沉积在已