本发明一般来说涉及半导体图像传感器，且特定来说(但非排他性地)涉及高动态范围图像传感器中的像素隔离结构。
背景技术：
图像传感器已变得无所不在。其广泛地用于数码静态相机、蜂窝式电话、安全摄像机以及医学、汽车及其它应用中。典型图像传感器操作如下。来自外部场景的图像光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。包含在图像传感器中的每一光敏元件(例如，光电二极管)在吸收图像光后即刻产生图像电荷。所产生图像电荷的量与图像光的强度成比例。所产生图像电荷可用于产生表示外部场景的图像。
图像传感器的装置架构因对较高分辨率、较低功率消耗、增大的动态范围等日益增长的需求而一直持续快速地发展。这些需求还促进了图像传感器到这些装置中的进一步小型化及集成。对于高动态范围图像传感器，通常使用组合像素来感测个别电磁辐射波长以便适应宽范围的照明情况。举例来说，在组合红色像素中，一个子像素可用于感测明亮的红色光条件，而另一子像素可用于感测低红色光条件。图像传感器的小型化可导致相邻光敏元件之间的减小的距离。当光敏元件之间的距离减小时，光敏元件之间的光学串扰及电串扰的可能性及量值可增加。
技术实现要素：
在一个方面中，本发明涉及一种像素阵列，所述像素阵列在半导体材料的第一侧与第二侧之间安置在所述半导体材料中，所述像素阵列包括：多个第一组合像素、第二组合像素、介电深沟槽隔离(d-DTI)结构及混合深沟槽隔离(h-DTI)结构；其中所述第一组合像素中的每一者包含经配置以接收第一波长的光的至少两个邻近第一光敏元件，其中所述两个邻近第一光敏元件通过所述d-DTI结构中的一者而分离；其中所述第二组合像素中的每一者包含经配置以接收第二波长的光的至少两个邻近第二光敏元件，其中所述两个邻近第二光敏元件通过所述d-DTI结构中的一者而分离；其中所述第一组合像素中的至少一者邻近于所述第二组合像素中的至少一者；其中所述h-DTI结构中的至少一者安置在所述第一组合像素与所述第二组合像素之间；且其中所述h-DTI结构中的至少一者包含金属区域。
在另一方面中，本发明涉及一种像素阵列制作方法，所述方法包括：提供具有第一侧及与所述第一侧相对的第二侧的半导体材料；蚀刻出至少两个第一沟槽结构及至少一个第二沟槽结构，其中所有沟槽均具有相同几何结构且从所述半导体材料的所述第一侧朝向所述第二侧延伸；扩宽所述第二沟槽结构以形成接近于所述半导体材料的所述第一侧的浅部分以及安置在所述浅部分与所述半导体材料的所述第二侧之间的深部分；将介电材料沉积在所述第二沟槽结构的所述深部分及所述浅部分内且也沉积在所述两个第一沟槽结构内；将金属沉积在所述第二沟槽结构的所述浅部分的区域内，使得所述浅部分内的所述介电材料安置在所述金属与所述半导体材料之间；将第一组合像素在所述半导体材料的所述第一侧与所述第二侧之间安置在所述半导体材料中，其中所述第一组合像素包含经配置以接收第一波长的光的至少两个邻近第一光敏元件，且其中所述第一沟槽结构中的一者安置在所述两个邻近第一光敏元件之间；将第二组合像素在所述半导体材料的所述第一侧与所述第二侧之间安置在所述半导体材料中，其中所述第二组合像素包含经配置以接收第二波长的光的至少两个邻近第二光敏元件，其中所述第一沟槽结构中的另一者安置在所述两个邻近第二光敏元件之间；且其中所述第一组合像素邻近于所述第二组合像素，且所述第二沟槽结构安置在所述第一组合像素与所述第二组合像素之间。
在另一方面中，本发明涉及一种高动态范围图像传感器像素阵列，所述高动态范围图像传感器像素阵列在半导体材料的第一侧与第二侧之间安置在所述半导体材料中，所述高动态范围图像传感器像素阵列包括：多个第一组合像素、第二组合像素、d-DTI结构及h-DTI结构；其中所述第一组合像素中的每一者包含经配置以接收第一波长的光的至少两个邻近第一光电二极管，其中所述两个邻近第一光电二极管通过所述d-DTI结构中的一者而分离，且每一第一光电二极管通过第一转移栅极而耦合到第一浮动扩散部，其中所述第一浮动扩散部在所述至少两个邻近第一光电二极管之间被共享；其中所述第二组合像素中的每一者包含经配置以接收第二波长的光的至少两个邻近第二光电二极管，其中所述两个邻近第二光电二极管通过所述d-DTI结构中的一者而分离，且每一第二光电二极管通过第二转移栅极而耦合到第二浮动扩散部，其中所述第二浮动扩散部在所述至少两个邻近第二光电二极管之间被共享；其中所述第一组合像素中的至少一者邻近于所述第二组合像素中的至少一者；其中所述h-DTI结构中的至少一者安置在所述第一组合像素与所述第二组合像素之间；且其中h-DTI结构中的至少一者包含金属区域。
附图说明
参考以下各图描述本发明的非限制性及非穷尽性实施例，其中除非另有规定，否则在所有各个视图中相似参考编号指代相似部件。
图1是示意性地图解说明根据本发明的实施例的高动态范围(“HDR”)成像系统的一个实例的框图。
图2是多色彩HDR图像传感器的平面图图解，所述多色彩HDR图像传感器包含四个组合色彩像素，每一像素包含具有由介电深沟槽隔离(d-DTI)结构隔离的四个光电二极管的四个HDR子像素。
图3是根据本发明的实施例的多色彩HDR图像传感器的平面图图解，所述多色彩HDR图像传感器包含四个组合色彩像素，每一像素包含具有由混合深沟槽隔离(h-DTI)结构及d-DTI结构两者隔离的四个光电二极管的四个HDR子像素。
图4是根据本发明的实施例的图3中的实例性图像传感器沿着A-A’方向的经放大横截面图解。
图5A-5D图解说明根据本发明的实施例的图4中的图像传感器的实例性制作方法。
贯穿图式的几个视图，对应参考字符指示对应组件。技术人员将了解，图中的元件是为简单及清晰起见而图解说明的，且未必按比例绘制。举例来说，为帮助改进对本发明的各种实施例的理解，各图中的元件中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件被夸大。此外，通常未描绘在商业上可行的实施例中有用或必需的常见而众所周知的元件以便促进对本发明的这各种实施例的较不受阻挡的观察。
具体实施方式
本文中描述具有混合深沟槽隔离结构及介电深沟槽隔离结构两者的图像传感器的设备及方法的实例。在以下说明中，陈述众多特定细节以便提供对实例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将认识到，本文中所描述的技术可在不具有所述具体细节中的一或多者的情况下实践或者可利用其它方法、组件、材料等来实践。在其它例子中，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作以避免使某些方面模糊。
在本说明书通篇中对“一个实例”或“一个实施例”的提及意指结合所述实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例中。因此，在本说明书通篇的各个位置中出现的短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”未必全部是指同一实例。此外，在一或多个实例中可以任何适合方式组合所述特定特征、结构或特性。
在本说明书通篇中，使用数个技术术语。这些术语应理解为其在所属领域中的普通含义，除非本文中另外具体定义或其使用上下文将另外清晰地暗示。应注意，在本文件中，元件名称及符号可互换使用(例如，Si与硅)；然而，其两者具有相同含义。
图1是图解说明成像系统100的一个实例的框图。成像系统100包含像素阵列104、控制电路103、读出电路101及功能逻辑102。在一个实例中，像素阵列104是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。如所图解说明，光电二极管被布置成若干行(例如，行R1到Ry)及若干列(例如，列C1到Cx)以获取人、地点、物体等的图像数据，所述图像数据接着可用于再现所述人、地点、物体等的2D图像。然而，在其它实例中，应了解，所述光电二极管不一定要布置成行及列，且可采取其它配置。
在一个实例中，在像素阵列104中的图像传感器光电二极管/像素已获取其图像数据或图像电荷之后，所述图像数据由读出电路101读出且接着被传送到功能逻辑102。在各种实例中，读出电路101可包含放大电路、模/数转换(ADC)电路或其它。功能逻辑102可仅存储图像数据或甚至通过应用图像后效应(例如，修剪、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)来操纵图像数据。在一个实例中，读出电路101可沿着读出列线一次读出一行图像数据(所图解说明)或可使用多种其它技术读出所述图像数据(未图解说明)，例如串行读出或同时全并行读出所有像素。
在一个实例中，控制电路103耦合到像素阵列104以控制像素阵列104中的多个光电二极管的操作。举例来说，控制电路103可产生用于控制图像获取的快门信号。在一个实例中，所述快门信号为用于同时启用像素阵列104内的所有像素以在单一获取窗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，快门信号为滚动快门信号，使得在连续获取窗期间顺序地启用像素的每一行、每一列或每一群组。在另一实例中，图像获取与例如闪光灯等照明效应同步。
在一个实例中，成像系统100可包含在数码相机、移动电话、膝上型计算机、汽车等中。另外，成像系统100可耦合到其它硬件，例如处理器(通用处理器或其它处理器)、存储器元件、输出(USB端口、无线发射器、HDMI端口等)、照明/闪光灯、电输入(键盘、触摸显示器、跟踪垫、鼠标、麦克风等)及/或显示器。其它硬件可向成像系统100递送指令、从成像系统100提取图像数据或操纵由成像系统100供应的图像数据。
图2是多色彩HDR图像传感器200的平面图图解，所述多色彩HDR图像传感器包含四个组合色彩像素，每一像素包含具有四个光电二极管的四个HDR子像素。四个组合色彩像素包含组合红色像素202、第一组合绿色像素203、第二组合绿色像素204及组合蓝色像素205。每一组合色彩像素包含四个HDR子像素，所述四个HDR子像素包含在色彩像素的中心处共享共同浮动扩散部的4个光电二极管，其中每一光电二极管具有个别转移栅极。作为一个实例，组合红色像素202具有四个光电二极管202a、202b、202c及202d。光电二极管202a具有转移栅极202aa，光电二极管202b具有转移栅极202bb，光电二极管202c具有转移栅极202cc，且光电二极管202d具有转移栅极202dd。光电二极管202a、202b、202c及202d在组合红色像素202的中心处共享共同浮动扩散部202e。存在用以将邻近光电二极管隔离的标准d-DTI结构201以便防止电串扰。然而，此d-DTI结构201可不完全阻挡具有不同彩色滤光器的邻近子像素光敏元件之间的光学串扰，例如，202b与203a、202d与203c、204b与205a或204d与205c之间的光学串扰。期望改善具有不同彩色滤光器的邻近子像素之间的隔离结构以便不仅减少电串扰而且还减少光学串扰以实现更好的成像分辨率。
图3是根据本发明的实施例的多色彩HDR图像传感器300的平面图图解，所述多色彩HDR图像传感器包含四个组合色彩像素，每一像素包含具有由h-DTI结构及d-DTI结构两者隔离的四个光电二极管的四个HDR子像素。在一个实例中，四个组合色彩像素包含组合红色像素302、组合蓝色像素303、组合绿色像素304及组合IR像素305。四个组合色彩像素还可包含组合二次色原色(洋红色、黄色及青色)像素、组合黑色像素及组合白色(或清透)像素。邻近组合色彩像素可为相同组合色彩像素或不同组合色彩像素。每一组合色彩像素包含四个HDR子像素，所述四个HDR子像素包含在组合色彩像素的中心处共享共同浮动扩散部的4个光电二极管，且每一光电二极管具有其自身转移栅极。HDR子像素中的每一者可具有相同物理配置及电路配置。HDR子像素还可具有不同物理配置及电路配置。在每一组合色彩像素内，存在用以将具有相同彩色滤光器的两个邻近子像素的两个邻近光电二极管隔离的d-DTI结构301a以便防止电串扰。具有不同彩色滤光器的两个邻近组合色彩像素之间存在用以将具有不同彩色滤光器的两个邻近子像素的两个邻近光电二极管隔离的h-DTI结构301b以便防止光学串扰及电串扰两者。在一个实例中，每一组合色彩像素在所有侧上由h-DTI结构301b围封。
在图3中所演示的一个实例中，组合红色像素302具有四个光电二极管302a、302b、302c及302d。光电二极管302a具有转移栅极302aa，光电二极管302b具有转移栅极302bb，光电二极管302c具有转移栅极302cc，且光电二极管302d具有转移栅极302dd。光电二极管302a、302b、302c及302d在组合红色像素302的中心处共享共同浮动扩散部302e。组合绿色像素304具有四个光电二极管304a、304b、304c及304d。光电二极管304a具有转移栅极304aa，光电二极管304b具有转移栅极304bb，光电二极管304c具有转移栅极304cc，且光电二极管304d具有转移栅极304dd。光电二极管304a、304b、304c及304d在组合绿色像素304的中心处共享共同浮动扩散部304e。在组合红色像素302内，d-DTI结构301a将光电二极管302a与光电二极管302b、将光电二极管302c与光电二极管302d、将光电二极管302a与光电二极管302c且将光电二极管302b与光电二极管302d隔离。在组合绿色像素304内，d-DTI结构301a将光电二极管304a与光电二极管304b、将光电二极管304c与光电二极管304d、将光电二极管304a与光电二极管304c且将光电二极管304b与光电二极管304d隔离。组合红色像素302邻近于组合绿色像素304。在组合红色像素302与组合绿色像素304之间，存在用以将光电二极管302c与邻近光电二极管304a且将光电二极管302d与邻近光电二极管304b隔离的h-DTI结构301b。组合红色像素302及组合绿色像素304两者在所有侧上均由h-DTI结构301b围封。
图4是根据本发明的实施例的实例性图像传感器400沿着图3中的A-A’方向的横截面图解。图像传感器400包含半导体材料410，半导体材料410具有作为半导体材料410的背侧的第一侧414以及作为半导体材料410的前侧的第二侧408。在第一侧414上，存在介电材料415、多个金属栅格416、多个彩色滤光器402及404以及多个微透镜418。在第二侧408上，存在多个转移栅极419及介电材料407。在半导体材料410中，存在：多个光电二极管401a、401b、401c及01d，其可具有相同或不同物理配置；多个浅沟槽隔离(STI)结构409，其从第二侧408朝向第一侧414延伸；多个深隔离阱411，其安置在第一侧414与第二侧408之间；多个d-DTI结构417，其从第一侧414朝向第二侧408延伸；及多个h-DTI结构420，其从第一侧414朝向第二侧408延伸。
在所图解说明实例中，邻近光电二极管通过深隔离阱411而彼此分离。安置在具有不同彩色滤光器的两个邻近光电二极管之间的第一深隔离阱411a包含相对于法向于半导体材料410的第一侧414的入射光经光学对准的一个相应h-DTI结构420及一个STI结构409。安置在具有相同彩色滤光器的两个邻近光电二极管之间的第二深隔离阱411b包含相对于法向于半导体材料410的第一侧414的入射光经光学对准的一个相应d-DTI结构417及一个STI结构409。
在图4中的所图解说明实例中，d-DTI结构417中的每一者仅包含介电材料且从半导体材料410的第一侧414朝向第二侧408延伸。h-DTI结构420中的每一者包含浅部分413及深部分412。浅部分413从半导体材料410的第一侧414朝向第二侧408延伸。浅部分413包含介电材料区域413a及金属区域413b，使得介电材料区域413a的至少部分安置在金属区域413b与半导体材料410之间。深部分412从浅部分413延伸且安置在浅部分413与半导体材料410的第二侧408之间。深部分412可包含介电材料区域412a，所述介电材料区域可具有与介电材料区域413a中相同或不同的介电材料。介电材料区域412a及413a可包含一种类型的介电材料。介电材料区域412a及413a还可包含利用不同类型的介电材料形成的多层，其中每一层可具有不同类型的介电材料，包含至少一种正电荷介电材料或一种负电荷介电材料。邻接半导体材料410的层在所使用的所有介电材料当中可具有最高介电常数。在一个实例中，多层可包含SiO2层及位于SiO2层与半导体材料410之间的高k材料层。
在一些实例中，金属区域413b可包含由以下各项组成的群组中的任一者：W、Al、Cu、Ag、Au、Ti、Ta、Pb及Pt。d-DTI结构417及h-DTI结构420两者中的介电材料皆可包含氧化物/氮化物，例如氧化硅(SiO2)、氧化铪(HfO2)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅(SiOxNy)、氧化钽(Ta2O5)、氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化镧(La2O3)、氧化镨(Pr2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化钕(Nd2O3)、氧化钷(Pm2O3)、氧化钐(Sm2O3)、氧化铕(Eu2O3)、氧化钆(Gd2O3)、氧化铽(Tb2O3)、氧化镝(Dy2O3)、氧化钬(Ho2O3)、氧化铒(Er2O3)、氧化铥(Tm2O3)、氧化镱(Yb2O3)、氧化镥(Lu2O3)、氧化钇(Y2O3)等等。另外，所属领域的技术人员将认识到，根据本发明的教示，可使用以上金属/半导体以及其氧化物/氮化物/氮氧化物的任何化学计量组合。
邻近光电二极管之间的电串扰的量值可通过将个别光电二极管电隔离而减少。每一个别h-DTI结构420的浅部分413中的介电材料区域413a及深部分412的介电材料区域412a可至少部分地将与不同彩色滤光器光学对准的邻近光电二极管电隔离，所述不同彩色滤光器接近于半导体材料410的第一侧414而安置。浅部分413中的金属区域413b还通过介电材料区域413a而与个别光电二极管电隔离。具有相同彩色滤光器的邻近光电二极管可至少部分地通过每一个别d-DTI结构417而电隔离。
多个光电二极管401a、401b、401c及401d中具有不同彩色滤光器的邻近光电二极管之间的光学串扰的量值在每一个别h-DTI结构420中可通过金属区域413b而减少。金属区域413b可吸收、反射或折射入射光，使得光学串扰得以最小化。在一个实例中，金属区域413b的至少部分比h-DTI结构420的深部分412宽。如所图解说明，个别h-DTI结构420的金属区域413b可从半导体材料410的第一侧414朝向深部分412成锥形。金属区域413b的锥度可经设计使得离轴入射光传播穿过半导体材料410的第一侧414，且由金属区域413b朝向多个光电二极管401a、401b、401c及401d中的每一者反射。
在图4中所图解说明的一个实例中，存在用以使用h-DTI结构420或d-DTI结构417来隔离邻近光电二极管的折衷。对于h-DTI结构420，金属区域413b中的金属材料(例如W)可吸收入射光以便使光学串扰最小化，然而，光吸收还使图像传感器的敏感性降级。对于d-DTI结构417，深沟槽中的介电材料417a可无法吸收、反射或折射入射光以便使光学串扰最小化。为维持图像传感器的敏感性以及减少光学串扰及电串扰，h-DTI结构420仅放在具有不同彩色滤光器的两个邻近光电二极管之间，而d-DTI结构417仅放在具有相同彩色滤光器的两个邻近光电二极管之间。在一个实例中，具有红色滤光器402的光电二极管401b与具有绿色滤光器404的光电二极管401c通过h-DTI结构420而分离，且具有红色滤光器402的光电二极管401a与同样具有红色滤光器的光电二极管401b通过d-DTI结构417而分离。在图3中所图解说明的另一实例中，组合多色彩像素202、203、204及205中的每一者在所有侧上由h-DTI结构301环绕，且在组合多色彩像素中的每一者内，仅存在用以将邻近子像素分离的d-DTI结构302。
图5A-5D图解说明用于制作图4中的图像传感器的实例性方法500。图5A-5D的一些或全部在方法500中出现的次序不应视为限制性。而是，受益于本发明的所属领域的技术人员将理解，可以未图解说明的多种次序或甚至并行地执行方法500的某些过程。此外，方法500可省略某些工艺步骤及图以便不使某些方面模糊。另一选择为，方法500可包含在本发明的一些实施例/实例中可能不必要的额外工艺步骤及图。
图5A图解说明具有与第二侧520相对的第一侧521的半导体材料504。在一个实例中，半导体材料504是硅。多个光电二极管501a、501b、501c及501d安置在半导体材料504中在第一侧521与第二侧520之间。在一个实例中，多个光电二极管通过离子植入而形成。多个深隔离阱502安置在半导体材料504中。每一个别深隔离阱502可从半导体材料504的第一侧521延伸到第二侧520。在一个实例中，个别光电二极管501a、501b、501c及501d安置在个别深隔离阱502之间。在一个实例中，多个深隔离阱502通过离子植入而形成。蚀刻出多个第一沟槽503，所述多个第一沟槽从半导体材料504的第一侧521朝向第二侧520延伸。在一个实例中，在个别深隔离阱502内蚀刻出每一个别第一沟槽503，使得每一个别第一沟槽503安置在对应深隔离阱502内。
图5B图解说明选择性地扩宽多个第一沟槽503中的一些沟槽中的浅部分505以接近于半导体材料504的第一侧521而形成多个第二沟槽503a的步骤，其中具有经扩宽浅部分505的多个第二沟槽503a中的每一者安置在具有不同彩色滤光器的两个邻近光电二极管之间，所述不同彩色滤光器将在图5D中所图解说明的步骤之后的后续步骤中被安置(图5A-5D中未图解说明)。
在一个实例中，光电二极管501a及501b将与红色滤光器光学对准，且光电二极管501c及501d将与绿色滤光器光学对准。第二沟槽503a安置在光电二极管501b与501c之间。第一沟槽503安置在光电二极管501a与501b之间。
在一个实例中，多个第二沟槽503a中的深部分506安置在浅部分505与半导体材料504的第二侧520之间。在一个实例中，浅部分505从半导体材料504的第一侧521朝向第二侧520成锥形，使得接近于第一侧521的浅部分505的宽度大于接近于第二侧520的深部分506的宽度。
图5C图解说明将介电材料508沉积在多个第一沟槽503及第二沟槽503a内。在一个实例中，多个第一沟槽503由介电材料508完全填充。另一方面，多个第二沟槽503a中的深部分506也由介电材料508完全填充。多个第二沟槽503a的浅部分505由介电材料508部分填充，介电材料508安置在第二沟槽503a的浅部分505的侧壁上。在如图5C中所展示沉积介电材料508之后，在浅部分505中间形成空白空间507。
图5D图解说明将金属509沉积在多个第二沟槽503a的浅部分505中以填充图5C中所展示的空白空间507。在一个实例中，图5C中的空白空间507由金属509完全填充。金属509与半导体材料504之间存在介电材料508的至少一部分以将金属509与半导体材料504电隔离。
包含发明摘要中所描述内容的本发明的所图解说明实例的以上说明并非打算为穷尽性的或将本发明限制于所揭示的精确形式。尽管出于说明性目的而在本文中描述了本发明的特定实例，但如所属领域的技术人员将认识到，可在本发明的范围内做出各种修改。
可鉴于以上详细说明对本发明做出这些修改。所附权利要求书中所使用的术语不应理解为将本发明限制于本说明书中所揭示的特定实例。而是，本发明的范围将完全由所附权利要求书来决定，所述权利要求书将根据所创建的权利要求解释原则来加以理解。