图像传感器的光波导器技术领域
本实施例是关于一种集成电路制作，更特定而言是关于制作更有效的CMOS图像传
感器。
背景技术
一图像传感器具有大量相同传感器元件(像素)，一般而言在一个笛卡尔(方形)
网格中有大于100万像素。毗邻像素之间的距离称为间距(p)。一像素的面积为p2。光
敏元件的面积(亦即，像素的对光敏感可将光转换至一电信号的面积)通常仅是像素的
表面面积的20％至30％。
对一设计者的挑战是将尽可能多的入射于像素上的光引导至像素的光敏元件上。诸
多因素可以减少到达光敏元件的光的量的。一个因素是构造图像传感器的方式。互补式
金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器可以通过在晶体硅的顶部上蚀刻且沉积诸多硅
的氧化物、金属及氮化物层的制程来制作。一典型传感器的层列举于表I中且显示于图
1中。
表I
在表I中，通常一硅衬底上的第一层是ILD层且最顶层是覆盖层。在表I中，ILD
是指层间的介电层；金属1、金属2及金属3是指不同金属层；IMD1B、IMD2B及IMD5B
是指不同金属间的介电层(其等是间隔件层)；PASS1、PASS2及PASS3指不同钝化层
(通常是介电层)。
在图像传感器的硅衬底上面的层的总厚度是图像传感器的堆叠高度，堆叠高度是单
个层的厚度的总和。在表I的实例中，单个层的厚度的总和是大约11.6微米(μm)。
在一像素的光敏元件上面的空间必须是透光的，以允许来自一全色彩场景的入射光
入射于位于硅衬底中的光敏元件上。因此，不能安排金属层横跨一个像素的光敏元件，
确保让光敏元件正上面的层是透明的。
像素间距与堆叠高度的比率(p/s)决定了可被像素接受且可被输送至硅上的光敏元
件的光锥(F数目)。当像素变得更小且堆叠高度增加，此比率数目减少，因此像素的效
率下降。
更重要地，由于金属层的数目增加导致的堆叠高度增高，会遮蔽光线，尤其是以一
一定角度入射到感测器组件的光线，使其不能透过该堆叠到达光敏元件。一个解决方案
是降低堆叠高度达一显著量(亦即，＞2μm)。然而，在标准CMOS制程中此解决方案
难以达成。
另一个限制常用图像传感器性能的问题是入射到图像传感器上的光的约三分之一
或更少的光被透射至诸如一光电二极管的光敏元件。在传统的图像传感器中，为区别光
的三种成份以便可再现来自一全色彩场景的色彩，使用一滤光器针对每一像素滤掉光的
成份中的两种。举例而言，红色像素具有吸收绿色光及蓝色光仅允许红色光通过到达传
感器的一滤光器。
发明内容
附图说明
图1显示一常用图像传感器的一剖面图。
图2显示一图像传感器的一实施例的一剖面图。
图3显示具有一微透镜的一图像传感器的另一实施例的一剖面图。
图4显示具有两个图像传感器的一复合像素的一示意性横截面，该两个图像传感器
具有两个孔径(d1及d2)及用于引导具有不同波长(λB及λR)的光的光管。
图5显示显示一图像传感器的一实施例的构造的不同示意性剖面图。
图6显示包含一第一光电二极管及一第二光电二极管的一双光电二极管的一实施例
的一示意性剖面图，该第一光电二极管具有与光管的横截面面积大致相同的一横截面面
积且位于该光管下面，该第二光电二极管具有与堆叠中的孔径的横截面面积大致相同或
比其大的横截面面积且位于该第一光电二极管下面，且其中该第一光电二极管及该第二
光电二极管是藉由一实体障壁分离以防止串扰。
图7显示可操作地耦合至一图像传感器的一光耦合器的一实施例的一示意性剖面
图。
图8显示可操作地耦合至一图像传感器的一光耦合器的一实施例的构造的不同示意
性剖面图。俯视图及仰视图是产生色彩的两个互补像素(具有不同直径的2管光)的横
截面。
图9显示含有本文所揭示的实施例的图像传感器的一装置的一示意性俯视图，每一
图像传感器具有代表互补色彩的两个输出。
具体实施方式
在以下详细说明中，参照形成本发明一部分的附图。在图式中，类似符号通常识别
类似组件，除非上下文以其他方式规定。在详细说明中、图式中及申请专利范围中所阐
述的说明性实施例并不意指具有限制性。在不脱离本文所呈现主题的精神或范畴的情形
下可利用其他实施例且可做出其他改变。
除此之外，本揭示内容延伸至与一图像传感器及复合像素相关的方法、装置、系统
及器件。一实施例是关于一种用于增加一图像传感器的效率的方法。另一实施例提供一
种用于去除滤色器以便多于入射光三分之一的光用于产生电信号的方式。另一实施例是
一种藉由增加诸如入射于图像传感器上的光的电磁辐射的量来增加图像传感器的效率
的方法。图像传感器的一实施例包含一光学管，例如一将入射于图像传感器上的电磁辐
射传送至位于图像传感器的衬底上或其内的光敏元件的光学管。光学管包括具有一较低
折射率包覆层和一较高折射率核心。光学管毗邻于光敏元件的末端具有与光敏元件大约
相同的大小以便该光学管中的大部分电磁辐射或全部电磁辐射入射于光敏元件上。一可
呈微透镜形状的耦合器可位于光学管上以有效地收集电磁辐射且将电磁辐射引导至光
学管中。
另一实施例是关于使用光学管以去除吸收约2/3入射于图像传感器上的光的滤色
器。光学管的核心及包覆层可用作波导器。虽然波导器不像滤色器一样吸收光，但其可
经设计以选择性地透射选定波长。
一波导器具有一截止波长，其为波导器可传播的最低频率。因此，在核心中的其截
止波长处于绿色的一波导器将不传播红色光，且在核心中的其截止波长处于蓝色的一波
导器将不传播红色及绿色光。在一个实施方案中，一蓝色波导器及一蓝色/绿色波导器可
嵌入可位于包覆层中的一白色波导器内。举例而言，任何蓝色光可保留在一核心中的蓝
色波导器中，任何蓝色或绿色光可保留在另一核心中的绿色/蓝色波导器中，且剩余部分
的光可保留在一个或多个包覆层中的白色波导器中。
一实施例是关于一种图像传感器，其包含：(a)一光学管，其包含一核心及一包覆
层，及(b)一对光敏元件，其包含一中央光敏元件及一周边光敏元件，其中该中央光
敏元件是可操作地耦合至该核心且该周边光敏元件是可操作地耦合至包覆层。较佳地，
图像传感器不包含滤色器，或视情况其可包含一滤色器。较佳地，光学管是圆形的、非
圆形的或圆锥形的。较佳地，核心具有一核心折射率(n1)且包覆层具有一包覆层折射
率(n2)，且进一步其中n1大于n2。较佳地，光学管以一截止波长为界将入射于图像传
感器上的一电磁辐射束分配到核心和包覆层上。较佳地，光学管在不使用滤色器的情形
下光学管以一截止波长为界将入射于图像传感器上的一电磁辐射束分配到核心和包覆
层上。较佳地，光学管的电磁辐射束接收端包含一曲面。较佳地，核心在电磁辐射束接
收端处具有比在电磁辐射束发射端处大的横截面面积。较佳地，该对光敏元件是位于一
衬底上或其内。
图像传感器可进一步包含位于光学管上方的一透镜结构或一光学耦合器，其中该透
镜结构或光学耦合器是可操作地耦合至光学管。较佳地，核心包含一第一波导器，其具
有一截止波长以使得波长大于该截止波长的电磁辐射自该核心泄漏至包覆层中。较佳
地，包覆层包含一第二波导器，其准许波长大于截止波长的电磁辐射保留于包覆层中且
被透射至周边光敏元件。较佳地，核心在核心的一电磁辐射束发射端的一横截面面积是
大致等于中央光敏元件的一面积。较佳地，包覆层在包覆层的一电磁辐射束发射端的一
横截面面积是大致等于周边光敏元件的一面积。
图像传感器可进一步包含在光学管周围的一堆叠，该堆叠包含嵌入在介电层中的金
属层，其中该介电层具有比包覆层的折射率低的一折射率。较佳地，堆叠的一表面包含
一反射表面。较佳地，图像传感器为一互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。
较佳地，光学管亦可用于电荷耦合装置(CCD)。较佳地，被透射至光敏元件的入射于
图像传感器上的一电磁辐射束的量大于入射于图像传感器上的电磁辐射束的约三分之
一。较佳地，核心具有一核心折射率(n1)，包覆层具有一包覆层折射率(n2)，且堆叠
具有一堆叠折射率(n3)，且进一步其中n1＞n2＞n3。较佳地，光敏元件包含一光电二极管。
较佳地，核心为第一波导器且包覆层为第二波导器。较佳地，透镜结构或光学耦合器包
含一曲面及一平面以使得透镜结构或光学耦合器成形为一静止液滴状。较佳地，透镜结
构或光学耦合器包含一第一开口及一第二开口以及在该第一开口与该第二开口之间延
伸的一连接表面，其中该第一开口大于该第二开口。较佳地，第一开口的直径是与覆层
的直径大致相同且第二开口的直径与核心的直径大致相同。较佳地，连接表面为扁平的
或弯曲的。较佳地，连接表面包含一反射表面。
另一实施例为关于一种复合像素，其包含至少两个不同图像传感器，每一图像传感
器包含(a)一光学管，其包含一核心及一包覆层，及(b)一对光敏元件，其包含一中
央光敏元件及一周边光敏元件，其中该中央光敏元件为可操作地耦合至该核心且该周边
光敏元件为可操作地耦合至该包覆层，其中至少两个不同图像传感器中的每一者以一截
止波长分离入射于该复合像素上的电磁辐射束的波长，且该复合像素可以重构电磁辐射
束的波长的光谱。较佳地，核心包含一第一波导器，其具有截止波长以使得波长大于截
止波长的电磁辐射自核心泄漏至包覆层中，进一步其中至少两个不同图像传感器中的每
一者的核心的截止波长是不同的，以使得至少两不同图像传感器以不同截止波长分离入
射于复合像素上的电磁辐射束。较佳地，包覆层包含一第二波导器，其准许波长大于截
止波长的电磁辐射保留于包覆层内且被透射至周边光敏元件。较佳地，包覆层在包覆层
的一电磁辐射束发射端的横截面面积是大致等于周边光敏元件的面积。复合像素可进一
步包含金属层与非金属层的一堆叠，该堆叠在至少两个不同光学传感器中的每一者的光
学管周围。
另一实施例是关于一种复合像素，其包含至少一第一图像传感器及一第二图像传感
器，其中该第一图像传感器在不使用任一滤色器的情形下提供以一第一截止波长对入射
于图像传感器上的一电磁辐射束的第一分离，该第二图像传感器在不使用任一滤色器的
情形下提供以第二截止波长对入射于图像传感器上的电磁辐射束的第二分离，该第一截
止波长不同于该第二截止波长，且该复合像素重构电磁辐射束的波长的光谱。较佳地，
第一图像传感器包含一第一波导器，其具有第一截止波长以使得波长大于第一截止波长
的电磁辐射自该第一波导器泄漏，其中第二图像传感器包含一第二波导器，其具有第二
截止波长以使得波长大于该第二截止波长的电磁辐射自该第二波导器泄漏，进一步其中
该第一截止波长是不同于该第二截止波长。较佳地，第一图像传感器进一步包含一第一
白色波导器，其准许波长大于第一截止波长的电磁辐射保留于第一白色波导器内；且第
二图像传感器进一步包含一第二白色波导器，其准许波长大于第二截止波长的电磁辐射
保留于第二白色波导器内。较佳地，第一图像传感器包含一第一对光敏元件且第二图像
传感器包含一第二对光敏元件。复合像素可进一步包含在第一波导器与第二波导器附近
的金属层与非金属层的一堆叠。较佳地，两个不同图像传感器包含具有不同直径的核心。
较佳地，第一图像传感器包含具有不同于第二图像传感器的直径的一核心。
另一实施例是关于一种制作一图像传感器的方法，其包含(a)形成包含一中央光
敏元件及一周边光敏元件的一对光敏元件，及(b)形成包含一核心及一包覆层的一光
学管，其中该中央光敏元件是可操作地耦合至该核心且该周边光敏元件是可操作地耦合
至该包覆层。
该等实施例是关于一种高效率图像传感器及一种用于增加一图像传感器的效率的
方法。当更多的入射于一图像传感器上的光被光敏元件接收且转换为一电信号时，可增
加效率。
制作图像传感器的一实施例(图2)的方法包含使用一光纤波导器原理形成一光学
管。如于图2中所显示，一光学管包含一高折射率核心通道(22)，其自图像传感器的
接收入射电磁辐射束的端(例如，覆盖层(15))向下延伸至衬底(20)上或其内的光
敏元件(24)，其中较低折射率材料的一包覆层(26)在该核心周围。在本文所揭示的
实施例的图像传感器中，图2中的滤色器(12)可是任选的，且较佳地实施例为不包括
滤色器的实施例。
光敏元件(光传感器)中的每一者通常包含一光电二极管，但不仅限于一光电二极
管。通常，当使用一适当的掺杂剂时，可将光电二极管掺杂至一浓度，该浓度为自每立
方厘米约1e(E)16至约1e(E)18掺杂剂原子。
图2中的层1-层11图解说明类似于图1的层1-层11的不同堆叠层。该堆叠层包含
含介电材料层及含金属的层。介电材料包括但不限于具有介电常数(在真空中量测)约
4至约20之间的硅的氧化物、氮化物及氧氮化物。同样包括且亦不限于具有一介电常数
自约20至至少约100之间的一般较高介电常数栅电极介电材料。此等较高介电常数介
电材料可包括但不限于氧化铪、硅酸铪、氧化钛、钛酸钡锶(BST)及锆钛酸铅(PZT)。
可使用对其等组成材料适当的方法来形成含介电材料的层。方法的非限制实例包括
热氧化或等离子体氧化或热氮化或等离子体氮化法、化学气相沉积法(包括原子层化学
气相沉积法)及物理气相沉积法。
含金属的层可用作电极。非限制实例包括特定金属、金属合金、金属硅化物及金属
氮化物，以及经掺杂多晶硅材料(亦即，具有自每立方厘米约1e18掺杂剂原子至约1e22
掺杂剂原子的一掺杂剂浓度)及多晶硅化物(亦即，经掺杂多晶硅/金属硅化物堆叠)材
料。可使用若干方法中的任一种来沉积含金属的层。非限制实例包括化学气相沉积法(亦
包括原子层化学气相沉积法)及物理气相沉积法。含金属的层可包含范围在约1000埃
至约1500埃的一经掺杂多晶硅材料(具有通常在1000埃至1500埃的范围中的一厚度)。
电介质及金属化堆叠层包含一系列介电钝化层。同样嵌入于该堆叠层中的为互连金
属化层。用于互连金属化层组合的组件包括但不限于接触柱、互连层、互连柱。
可用于互连金属化层内的个别金属化互连柱及金属化互连层可包含常用于半导体
制造技术中的若干金属化材料中的任一者。非限制实例包括特定金属、金属合金、金属
氮化物及金属硅化物。最常见的为铝金属化材料及铜金属化材料，该两者中的任一者通
常包括一障壁金属化材料，如下文更详细地论述。金属化材料的类型可随着其在一半导
体结构中的大小及位置而不同。较小及下部敷设金属化特征通常包含含铜的导体材料。
较大及上部敷设金属化特征通常包含含铝导体材料。
该系列介电钝化层亦可包含常用于半导体制造技术中的若干介电材料中的任一者。
包括在内的为具有自4至约20的一介电常数的一般较高介电常数介电材料。包含于此
群组中的非限制实例是硅的氧化物、硅的氮化物及硅的氧氮化物。举例而言，该系列介
电层亦可包含具有自约2至约4的一介电常数的一般较低介电常数介电材料。包括于此
群组中但不限于此的是水凝胶、气凝胶、倍半氧硅烷旋涂玻璃介电材料、氟化玻璃材料
及有机聚合物材料。
通常，电介质及金属化堆叠层包含含铜金属化材料及铝金属化材料中的至少一者的
互连金属化层及分立金属化层。电介质及金属化堆叠层还包含介电钝化层，该介电钝化
层亦包含上文所揭示的一般较低介电常数介电材料中的至少一者。电介质及金属化堆叠
层可具有自约1微米至约4微米的一总厚度。其一堆叠中可以包含范围在约2至约4的
分立水平电介质及金属化组件层。
可使用常用于半导体制造技术中且对形成该系列介电钝化层的材料适当的方法及
材料图案化堆叠层的若干层，以形成经图案化电介质及金属化堆叠层。图案化电介质及
金属化堆叠层不可在包括一金属化特征完全位于其中的一位置处进行。可使用湿式化学
蚀刻法、干式等离子体蚀刻法或综合方法图案化电介质及金属化堆叠层。倘若需要尺寸
极其小，则干式等离子体蚀刻法及电子束蚀刻通常较佳，只要其方法在形成该系列图案
化电介质及金属化堆叠层时提供增强的侧壁轮廓控制。
平坦化层11可包含若干透光平坦化材料中的任一者。非限制实例包括旋涂玻璃平
坦化材料及有机聚合物平坦化材料。平坦化层11可在光学管上面延伸以使得平坦化层
11将具有足以至少平坦化光学管22的开口的一厚度，由此提供用于制造CMOS图像传
感器(其示意性剖面图说明于图2中)内的额外结构的一平面。可图案化平坦化层以形
成经图案化平坦化层。
视情况，如于图2中所显示，一系列滤色器层12可存在于经图案化平坦化层11上。
滤色器层相对于光传感器区24对准。尽管存在以上情况，但滤色器层12亦不相对于任
何光传感器区对准。该系列滤色器层(若存在)将通常包括红色、绿色及蓝色的主要色
彩或者黄色、青色及紫红色的互补色彩。该系列滤色器层将通常包含一系列经染色或着
色的经图案化的光阻剂层，该层经本征成像以形成该系列滤色器层。或者，该系列滤色
器层可包含经染色或着色的有机聚合物材料，该材料以别的方式透光，但当使用一适当
的遮罩层时其非本征成像。亦可使用替代滤色器材料。该滤光器亦可用于一黑色及白色
或红外传感器的滤光器，其中该滤光器主要截断可见光但是红外光可以通过。
间隔件层(13)可由实体地但不是光学上将堆叠层与微透镜(14)分离的任何材料
形成一个或多个层。间隔件层可由一介电间隔件材料或层压的介电间隔件材料形成，亦
已知间隔件层由导体材料形成的情况也存在。硅的氧化物、氮化物及氧氮化物通常用作
介电间隔件材料。不排除其他元素的氧化物、氮化物及氧氮化物。可使用与上文所阐述
的方法类似、等效或相同的方法沉积成为介电间隔件材料。可使用毯覆层沉积及回蚀法
形成具有向内尖锐形状的特性的间隔件层。
微透镜(14)可包含该项技术中已知的若干透光透镜材料中的任一者。透镜层可包
含该项技术中已知的若干透光透镜材料中的任一者。非限制实例包括透光无机材料、透
光有机材料及透光合成材料。最常见的为透光有机材料。通常透镜层可经易于图案化且
回流的有机聚合物材料形成，该有机聚合物材料的玻璃转变温度低于该系列滤色器层12
(倘若存在)或经图案化平坦化层11的玻璃转变温度。
在光学管22中，高折射率材料可(举例而言)为具有约2.0的一折射率的硅氮化物。
较低折射率包覆层材料可(举例而言)为一玻璃，(举例而言)选自表II具有约1.5的
一折射率的一材料。
表II
在表II中，PESiN指等离子体增强的SiN且PESiO指等离子体增强的SiO。
较佳地，光学管的毗邻于光敏元件端的横截面面积约与光敏元件的面积相同大小。
否则，经引导透过光敏元件外部的光学管的电磁辐射可入射于衬底的非敏感区上，因此
降低转换为电信号的光量且降低图像传感器的效率。
视情况，一微透镜可位于光学管上接近于图像传感器的入射电磁辐射束接收端处。
微透镜的功能或更一般而言为一耦合器，亦即，将入射电磁辐射束耦合至光学管中。若
选择一微透镜作为耦合器，则微透镜距光学管的距离将远短于至光敏元件的距离，因此
对微透镜的曲率的约束是更加不严格的，由此使其可由现有制作技术实施。
光学管的形状可针对不同实施例而不同。在一个组态中，光学管可为圆柱形的，亦
即管的直径沿光学管的长度保持大致相同。在另一组态中，光学管可为圆锥形的，其中
光学管的横截面面积的上部直径可大于光学管的横截面面积的下部直径。术语“上部”
及“下部”指光学管的位于更靠近图像传感器的入射电磁辐射束接收端及出射端。其他
形状包括圆锥层面的一堆叠。
表II列举若干不同玻璃及其折射率。此等玻璃可用于制作光学管以使得核心的折射
率比包覆层的折射率高。可在不使用着色的滤色器的情形下使用具有不同折射率的不同
透明玻璃制作实施例的CMOS图像传感器。由于实施例的波导器不像滤色器那样吸收
光，但波导器可经设计选择性地透射选定波长，光学管的光透射效率可为至少50％、较
佳地为至少75％、最佳为至少99％，亦即，大致100％。借助波导器在实施例的光学管
中的适合配置，可更有效地将入射于影像传感上的电磁辐射束透射至光敏元件，因此增
加传感器的敏感性。
在某些实施例中，光学管在截面或横截面上可为圆形的以便用作一圆形波导器，其
特征在于以下参数：(1)核心半径(Rc)；(2)核心折射率(n1)；及(3)包覆层折射
率(n2)。此等参数可大体确定可透过波导器传播的光的波长。波导器具有一截止波长，
λct。入射电磁辐射的具有长于截止波长的波长部分将不受核心限定。因此，用作其截止
波长处于绿色的波导器的光学管将不透过核心传播红色光，且用作其波长处于蓝色的波
导器的光学管将不透过核心传播红色光及绿色光。
藉由嵌套用作波导器的光学管及使用一微透镜耦合器(如于图3中所显示)，一图
像传感器阵列可经配置以获得具有在每一图像传感器的每一光学管的核心及包覆层中
以一截止波长分离电磁辐射波长的互补色彩。互补色彩一般是以适合的比例混合时产生
一中性色彩(灰色、白色或黑色)的两种色彩。此配置亦能够捕捉入射于微透镜上的电
磁辐射入射束中的大多数且将其引导至位于光学管的下端的光敏元件(亦即，光电二极
管)。具有不同色彩互补分离的两个毗邻或大致毗邻的图像传感器可提供用以根据本文
所阐述的实施例重构一全色彩场景的完全信息。本文所揭示实施例的此技术可进一步取
代用于图像传感的基于色素的色彩重构，基于色素的色彩重构的缺陷是失去了在(透过
吸收)针对每一像素的非选定色彩进而效率低下。。
含有本文所揭示实施例的一图像传感器的装置的每一实体像素将具有代表互补色
彩的两个输出，例如指定为输出类型1的(青色、红色)，或指定为输出类型2的(黄
色、蓝色)。此等输出将配置如下：
1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2...
2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1...
1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2...
......................
......................
每一实体像素将具有藉由组合其两个互补输出而获得的全亮度信息。因此，同一图
像传感器可用作一全解析度黑色及白色传感器，或全色彩传感器。
在本文所揭示的图像传感器的实施例中，入射电磁辐射束波长的全光谱(例如，入
射光的全色彩信息)可藉由适当地组合两个水平地或垂直地毗邻像素而获得，此不同于
针对常用的贝尔(Bayer)图案的4个像素。
本文所揭示的实施例的图像传感器将对CMOS图像传感器技术的未来具有三重影
响。
第一重影响为将增加焦比(F-number)或每一像素的光接受锥，因此增加传感器的
总效率。同样，籍助本文所揭示的实施例，传感器的焦比将对堆叠高度相对不敏感(微
透镜的表面至光电二极管的距离)。由此，可易于适应10微米或更大的堆叠高度。
第二重影响为将去除滤色器(除非期望用于某些其他目的)，滤色器光吸收特性会
将常用图像传感器的敏感度减少到约原来的三分之一。
第三重影响将源于高级CMOS制造过程使用了可损害电磁辐射束(诸如透过堆叠在
诸如光电二极管的光电组件的顶部上的全部金属层传播的光)的透明度的金属及材料的
事实。本文所揭示的实施例的一光学管将提供对此问题的解决方案。同样，本文所揭示
实施例的系统将脱离图像传感器(亦即，光学管)的光路径，以避免在制造图像传感器
的经图案化堆叠层期间引入的杂质。然而，光学管本身的制造应该使用诸如玻璃的低透
射损耗材料。
根据最小晶体管大小，含有本文所揭示的实施例的一图像传感器的每一像素在间距
上可小至1微米或更小，且又具有充分敏感度。这样可开创用于诸如生物系统的极小结
构的接触成像的方法。
在以下说明的上下文中将进一步详细地阐述包括复数个图像传感器(较佳一CMOS
图像传感器)的实施例及用于制造方法的实施例。该说明可以在以上所阐述的图式的上
下文中进一步理解。图式为用于说明的目的，因此不必按比例绘示。
图4显示一复合像素的一实施例的示意性横截面，该复合像素具有两个图像传感器
(其具有两个孔径(d1及d2))及用于引导不同波长(λB及λR)的光的光管。在每一孔径
下面构造两个光电二极管以捕捉波长λB(或λR)的光及波长λw-B(或λw-R)的光。注意
(w)是指白色光的波长。来自4个光电二极管(位于2个像素中)的信号用于构造色彩。
图5(A)至图5(G)显示一系列示意性剖面图，其图解说明了根据本发明的一实
施例的CMOS图像传感器中的进展阶段的结果。特定而言，图5(A)显示在制造早期
阶段，当构造光电二极管时的CMOS图像传感器的示意性剖面图。光电二极管的面积与
经制造覆于光电二极管上的光管的面积相一致。
图5(A)显示一半导体衬底。该衬底可包括一相反-掺杂井(其具有不同于半导体
衬底的导电类型)，该相反-掺杂井位于该半导体衬底内(未显示于图5(A)中)。一系
列隔离区亦可位于该半导体衬底内。该半导体衬底可包含一第一区R1，其包含一光活
性区(显示于图5(A)中)；及一横向毗邻第二区R2，其包含一电路区(未显示于图5
(A)中)。
在光活性区R1中，该系列隔离区分离一系列光传感器区(亦即，显示于图5(A)
中的双光电二极管)。在电路区R2中，该系列隔离区可分离一对作用区。该对作用区可
包括位于其中且制造于其中的一第一场效应晶体管T1及一第二场效应晶体管T2。场效
应晶体管T1及T2可包含一对CMOS晶体管，此乃因晶体管T1可位于且制造于半导体
衬底内且晶体管T2可位于且制造于掺杂井中(其具有不同于半导体衬底的导电类型)。
最终，存在一毯覆蚀刻中止层，其经保形地定位覆盖该第一区R1及包含场效应晶体管
T1及T2的结构的该第二区R2。
在光活性区R1及电路区R2两者中，该系列隔离区12可包含常用的半导体制造技
术中的材料、具有常用的半导体制造技术中的尺寸，且使用以常用的半导体制造技术中
的方法形成。
该系列隔离区可包含但不限于局部硅氧化(LOCOS)隔离区、浅沟槽隔离区(亦即，
具有最大约为5000埃的一深度)及深沟槽隔离区(亦即，具有最大约为60000埃的一
深度)。通常，第一实施例使用位于浅隔离沟槽中的浅沟槽隔离区。隔离区(无论是位
于浅隔离沟槽中或深隔离沟槽中)可包含若干介电材料中的任一者。通常包括硅的氧化
物、氮化物及氧氮化物，以及其层压的组合及其组合物。不排除其它元素的氧化物、氮
化物及氧氮化物。
可至少部分使用毯覆层沉积及平坦化法形成该系列隔离区。可使用热氧化或等离子
体氧化或热氮化或等离子体氮化法、化学气相沉积法及物理气相沉积法形成适当的毯覆
层。平坦化法可包括但不限于机械平坦化法及化学机械抛光(CMP)平坦化法。最常见
的是化学机械抛光平坦化法。
在光活性区R1中，该系列光传感器区中的每一者可包含以其它方式一般常用于半
导体制造技术中的光传感器。尽管本发明不限于仅作为光电二极管的一光传感器区，但
光传感器的每一者通常包含一光电二极管。当使用适当的掺杂剂时，光电二极管可被掺
杂至一浓度，其为自每立方厘米约1e(E)16掺杂原子至约1e(E)18掺杂原子。
在电路区R2中，该对场效应晶体管T1及T2中的每一者可包含位于半导体衬底上
的一栅电极介电层。一栅电极可位于栅电极介电层上。间隔件层可定位于邻接于栅电极
介电层及栅电极的侧壁处。最终，第一晶体管T1及第二晶体管T2中的每一者可包含由
位于栅电极下面的一沟道区分离的一对源极/漏极区。
包含该第一晶体管T1及第二晶体管T2的前述层及结构中的每一者可包含常用于半
导体制造技术中的材料，且具有常用于半导体制造技术中的尺寸。亦可使用常用于半导
体制造技术中的方法形成包含第一晶体管T1及第二晶体管T2的前述层及结构中的每一
者。
栅电极介电层可包含若干栅电极介电材料中的任一者。包括但不限于一般较低介电
常数栅电极介电材料，诸如但不限于具有自约4至约20(在真空中量测)的介电常数的
硅的氧化物、氮化物及氧氮化物。同样包括且亦不限于具有自约20至至少约100的介
电常数的一般较高介电常数栅电极介电材料。此等较高介电常数介电材料可包括但不限
于氧化铪、硅酸铪、氧化钛、钛酸钡锶(BST)及锆钛酸铅(PZT)。
可使用对其组成材料适当的方法形成前述栅电极介电材料。方法的非限制实例包括
热氧化或等离子体氧化或热氮化或等离子体氮化法、化学气相沉积法(包括原子层化学
气相沉积法)及物理气相沉积法。典型地，栅电极介电层可包含具有自约20埃至约70
埃的厚度的一热硅氧化物栅电极介电材料。
栅电极亦可类似地包含若干栅电极导体材料中的任一者。非限制实例包括特定金
属、金属合金、金属硅化物及金属氮化物，以及经掺杂多晶硅材料(亦即，具有自每立
方厘米约1e18掺杂剂原子至约1e22掺杂剂原子的一掺杂剂浓度)及多晶硅化物(亦即，
经掺杂多晶硅/金属硅化物堆叠)材料。可使用若干方法中的任一者沉积栅电极材料。非
限制实例包括化学气相沉积法(亦包括原子层化学气相沉积法)及物理气相沉积法。通
常，栅电极18中的每一者皆包含具有自约1000埃至约1500埃的厚度的经掺杂多晶硅
材料。
间隔件层可通常由一介电间隔件材料或介电间隔件材料的层压形成，但亦已知间隔
件层由导体材料形成。硅的氧化物、氮化物及氧氮化物是通常用作介电间隔件的材料。
不排除其它元素的氧化物、氮化物及氧氮化物。可使用与用于形成栅电极介电层的方法
类似、等效或相同的方法沉积介电间隔件材料。典型地，可使用毯覆层沉积及回蚀法形
成具有向内尖锐形状的特性的间隔件层。
可使用两步骤离子注入法形成源极/漏极区。源极/漏极可以通过离子注入形成适合
的极性以形成一场效晶体管。在有间隔件层及无间隔件层的情形下，该两步骤离子注入
法使用栅电极作为一遮罩。源极/漏极区中的典型掺杂剂浓度可为自每立方厘米约1c(E)
15掺杂剂原子至约1c(E)22掺杂剂原子。
毯覆蚀刻中止层可包含常用于半导体制造技术中的蚀刻中止材料。非限制实例亦包
括硅的氧化物、氮化物及氧氮化物。亦不排除其它元素的氧化物、氮化物及氧氮化物。
可根据位于且形成在蚀刻中止层其上的材料组成选择蚀刻中止层的特定组成。由此依据
以下其它揭示内容，毯覆蚀刻中止层可包含一氮化物蚀刻中止材料，但本发明并未如此
限制。可使用若干方法中的任一者形成毯覆蚀刻中止层。非限制实例包括化学气相沉积
法或物理气相沉积法。通常，毯覆蚀刻中止层包含一硅氮化物材料，其具有自约100埃
至约300埃的厚度。
图5(B)显示CMOS图像传感器(其示意性剖面图是图解说明于图5(A)中)的
进一步处理结果。图5(B)显示被图案化且由通常用于制造CMOS传感器的材料制成
的电介质及金属连接堆叠。
图5(B)显示位于CMOS图像传感器(其示意性剖面图的图解说明于图5(A)中)
上的一电介质及金属化堆叠层。电介质及金属化堆叠层包含一系列介电钝化层。嵌入于
该系列介电钝化层中的包括互连金属化层。用于互连金属化层的组件包括但不限于接触
柱CA、第一互连层M1、第一互连柱V1、第二互连层M2、第二互连柱V2、第三互连
层M3、终端互连柱V3及终端金属化层M4。一个互连金属化层可连接至晶体管T1的
一源极/漏极区且另一个互连金属化层可连接至晶体管T2的一源极/漏极区。一对第一互
连层M1、一对第二互连层M2及一对第三互连层M3亦远端地位于光传感器区R1中，
但仍嵌入于图5(B)中所显示的电介质及金属化堆叠层中。
可用于互连金属化层中的个别金属化互连柱及金属化互连层CA、M1、V1、M2、
V2、M3、V3及M4可包含常用于半导体制造技术中的若干金属化材料中的任一者。非
限制实例包括特定金属、金属合金、金属氮化物及金属硅化物。最常见的是铝金属化材
料及铜金属化材料，该两者中的任一者经常包括一障壁金属化材料，如下文更详细的论
述。金属化材料的类型可随着其在一半导体结构中的大小及位置而不同。较小及下部敷
设金属化特征通常包含含铜导体材料。较大及上部敷设金属化特征通常包含含铝导体材
料。
该系列介电钝化层堆叠亦可包含常用于半导体制造技术中的若干介电材料中的任
一者。包括具有自4至约20的介电常数的一般较高介电常数介电材料。包括于此群组
中的非限制实例是硅的氧化物、氮化物及氧氮化物。该系列介电层亦可包含具有自约2
至约4的介电常数的一般较低介电常数介电材料。包括于此群组中但不限于此的材料是
水凝胶、气凝胶、倍半氧硅烷旋涂玻璃介电材料、氟化玻璃材料及有机聚合物材料。
电介质及金属化堆叠层可包含铜金属化材料及铝金属化材料中的至少一者的互连
金属化层及分立金属化层M1、M2及M3。电介质及金属化堆叠层亦可包含介电钝化层，
该介电钝化层亦包含上文揭示的一般较低介电常数介电材料中的至少一者。电介质及金
属化堆叠层可具有自约1至约4微米(μm)的总厚度。其在一堆叠中可通常包含自约2
至约4的分立水平电介质及金属化组件层。
图5(C)显示图解说明进一步处理CMOS图像传感器(其示意性剖面图的图解说
明于图5(B)中)的结果的一示意性剖面图。
图5(C)显示图案化电介质及金属化堆叠层的结果是形成了包含一系列经图案化
介电钝化层的图案化电介质及金属化堆叠层。图案化电介质及金属化堆叠层具有位于其
中且与该系列光传感器区对准的一系列孔径A1及A2。
电介质及金属化堆叠层的图案化可使用常用于半导体制造技术中的适当方法及对
形成该系列介电钝化层材料适当的材料。可使用湿式化学蚀刻法、干式等离子体蚀刻法
或其综合方法图案化电介质及金属化堆叠层。干式等离子体蚀刻法就其在形成该系列经
图案化电介质及金属化堆叠层时提供增强的侧壁轮廓控制而言通常较佳。如于图5(C)
中图解说明，电介质及金属化堆叠层可使用一蚀刻中止层作为一中止层被图案化以形成
经图案化电介质及金属化堆叠层。
图5(D)显示进一步处理CMOS图像传感器(其示意性剖面图的图解说明于图5
(C)中)的结果。
图5(D)显示填充有具有高光折射率(n1)的材料的孔径。视情况，在一个实施
例中，可形成具有反射表面的一反射层，其反射表面保形地且连续地给孔径A1及A2
中的每一者(包括其的底部及侧壁)加衬里，且亦保形地且连续地覆盖该经图案化电介
质及金属化堆叠层的顶部表面。该反射层亦可钝化一终端金属层M4。
该系列经图案化电介质及金属化堆叠层中的介电材料通常具有自约1.4至约1.6的
介电常数(例如，当由硅氧化物组成时)。具有高光折射(n1)的孔径填充材料可具有
自约1.6至约2.1的一介电常数。一硅氮化物介电材料通常具有自约2.0至约2.1的一介
电常数，且其可用于形成填充孔径的高光折射材料，但实施例并不限制于此。
图5(E)显示进一步处CMOS图像传感器(其示意性剖面图图解说明于图5(D)
中)的结果。具体而言，图5(E)显示图案化孔径A1及A2中的高光折射材料从而移
除材料以留下具有高光折射率(n1)的一光管结构的结果。可使用常用于此技术中的方
法及材料实施前述图案化。非限制实例包括湿式化学蚀刻法及材料、干式等离子体蚀刻
法及材料、及其综合方法及材料。不排除其它替代方法。
图5(F)显示进一步处理CMOS图像传感器(其示意性剖面图是图解说明于图5
(E)中)的结果。具体而言，图5(F)显示用折射率为(n2＜n1)的材料填充光管周围
的体积。视情况，在一个实施例中，亦可剩余此体积不被填充。
视情况，在一个实施例中，一平坦化层可位于反射层上及/或经填充孔径上面。平坦
化层可包含若干透光平坦化材料中的任一者。非限制实例包括旋涂玻璃平坦化材料及有
机聚合物平坦化材料。平坦化层可具有足以至少平坦化该系列孔径A1及A2的一厚度，
由此提供用于制造CMOS图像传感器中的额外结构的一平面。
图5(G)显示其中一反射层可沉积于堆叠上(如上文所论述)以使得孔径的侧壁
具有反射层的实施例。该反射层可增强图像传感器的光收集效率。
视情况，可在孔径图案化之后将一系列滤色器层设置于该孔径上。可相对于光传感
器区对准滤色器层。该系列滤色器层可通常包括红色、绿色及蓝色的主要色或者黄色、
青色及紫红色的互补色。该系列滤色器层可包含一系列经染色或经着色的经图案化光阻
剂层，该层本征成像以形成该系列滤色器层。另一选择为，该系列滤色器层可包含经染
色或经着色的有机聚合物材料，该材料以其他方式透光但当使用一适当的遮罩层时其非
本征成像。亦可使用替代滤色器材料。
图6显示在每一孔径下面的一双光电二极管的实施例。较佳地，在每一孔径下面存
在2个光电二极管PDB(或PDR)及PDW-B(或PDW-R)。每一光电二极管捕捉由不同波
长(λB(或λR)及λw-B(或λw-R))的光激励的电荷载流子。该两个光电探测器(光电二
极管)的拓扑结构使来自光谱的不同区的载流子不串扰。这是由于形成诸如沟槽的实体
障壁或藉由掺杂以形成高阻抗区域来达成。
为达成良好光探测，实现光至光电二极管的良好耦合是要达到的期望。在一个实施
例中，此可藉由将一微透镜放置于像素的顶部上或形成一单片耦合器来达成。在有微透
镜或无微透镜的情形下，可在图像传感器的实施例中不使用滤色器，或视情况(如上文
所解释)在有微透镜或无微透镜的情形下，在传感器的实施例中亦可使用滤色器。
应将微透镜放置于适当的高度处，这样光较佳地聚焦于光管的顶部。图7显示藉由
使用具有特定厚度的一聚合物层作为间隔件而位于最佳距离(Z)处的微透镜的示意图。
然后光聚焦于光管的顶部，该光管再将光引导至光电二极管。可使用用于CMOS传感器
的标准方法形成此实施例中的微透镜。
图8(A)至(C)显示可藉由在一较深蚀刻中填充透镜材料形成的一单片耦合结构。
图8(A)显示具有一较深蚀刻的孔径，且光管不延伸至结构的顶部。图8(B)显示光
管顶部上的区域填充有具有适当的表面张力及黏度的一聚合物以在用于形成微透镜的
正常过程中形成透镜。图8(C)(俯视)显示复数个单片耦合结构且图8(C)(仰视)
显示在复数个光管孔径上图案化的复数个微透镜。
图像传感器的实施例的微透镜可包含在此技术中已知的若干透光透镜材料中的任
一者。非限制实例包括透光无机材料、透光有机材料及透光合成材料。最常见的为透光
有机材料。微透镜层可经易于图案化及回流的有机聚合物材料形成，该有机聚合物材料
的玻璃转变温度比该系列滤色器层(倘若存在)或经图案化的平坦化层的玻璃转变温度
(通常存在于图像传感器的实施例中)低。
图像传感器的实施例对色彩及亮度的识别可藉由色彩重构完成。每一复合像素具有
藉由组合其两个互补输出获得的全亮度信息。因此，同一图像传感器可用于一全解析度
黑色及白色传感器或全色彩传感器。
可借助适当地组合两个水平或者垂直毗邻像素(其可为一复合像素的一个实施例)
来进行色彩重构以获得全色彩信息。获得色彩信息所藉由的依据为小于两个像素的尺寸
而非针对贝尔(Bayer)图案的4个像素的尺寸。
含有本文所揭示的实施例的一图像传感器的装置的每一实体像素将具有代表互补
色彩的两个输出，例如指定为输出类型1的青色、红色(C、R)，指定为输出类型2的
黄色、蓝色(Y、B)(如图9中显示)。一复合像素的两个像素的此等4个输出可经解析
以重构由含有本文所阐述的实施例的图像传感器的装置观察到的影像的全色彩场景。
前述详细说明已经由使用图、流程图及/或实例阐释装置及/或制程的各种实施例。
在此等图、流程图及/或实例含有一个或多个功能及/或操作的情形下，熟习此项技术者
应理解可籍助一宽广范围的硬件、软件、固件或几乎其任一组合个别地及/或集体地实施
此等图、流程图及/或实例中的每一功能及/或操作。在一个实施例中，本文所阐述的主
题的若干部分可经由专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处
理器(DSP)来实施。然而，熟习此项技术者将认识到本文所揭示的实施例的某些方面
可作为在一个或多个电脑上运行的一个或多个电脑程序(例如，在一个或多个电脑系统
上运行的一个或多个程序)、在一个或多个处理器上运行的一个或多个程序(例如，在
一个或多个微处理器上运行的一个或多个程序)、固件、或几乎其任一组合全部或部分
地等效实施于集成电路中，且根据此揭示内容，设计电路及/或写入用于软件及/或固件
的代码将肯定在熟习此项技术者的技能范围内。另外，熟习此项技术者将了解本文所阐
述的主题的机制是能够被分布为各种形式的一程序产品，且无论用于实际执行该分布的
信号承载媒体的特定类型如何，均应用本文所阐述的主体的一说明性实施例。信号承载
媒体的实例包括但不限于以下：诸如软盘、硬盘驱动器、光盘(CD)、数字视频磁盘、
数位磁带、电脑内存等等的可记录类型媒体；及诸如数字及/或模拟通信媒体(例如，光
纤电缆、波导器、有线通信连接、无线通信连接等等)的传输类型媒体。
熟习此项技术者将认识到在此项技术中以本文阐释的方式阐述装置及/或制程，且此
后使用工程实践将此等所阐述装置及/或制程整合入资料处理系统也是常见的。亦即，本
文所阐述的装置及/或制程的至少一部分可经由一合理量的实验被整合入一数据处理系
统内。熟习此项技术者将认识到典型数据处理系统一般包括以下装置中的一者或多者：
系统单元外壳、视频显示装置、诸如易失性或者非易失性内存、诸如微处理器及数字信
号处理器的处理器、诸如操作系统、驱动器、图形用户界面及应用程序的计算实体、诸
如触摸板或屏幕的一个或多个互动装置，及/或包括回馈环路及控制电机(例如，用于传
感位置及/或速率的回馈；用于移动及/或调整组件及/或数量的控制电机)的控制系统。
一典型数据处理系统可利用任一市场上可购得的适合组件(诸如通常发现于数据计算/
通信及/或网路计算/通信系统中组件)来实施。
本文所阐述的主题有时图解说明含在不同其它组件中的不同组件或与不同其它组
件连接的不同组件。应理解，此等所绘示结构仅是例示性，且实际上诸多其它架构可实
施达成相同的功能性。在概念意义上，达成相同功能性的任一组件配置皆有效地“关联”
从而达成所期望的功能性。因此，本文中经组合以达成一特定功能性的任何两个组件可
视为彼此“相关联”从而达成所期望的功能性，无论结构或中间组件如何。同样，如此
相关联的任何两个组件亦可视为彼此“可操作地连接”或“可操作地耦合”以达成所期
望的功能性，且能够如此相关联的任何两个组件亦可视为彼此“可操作地耦合”以达成
所期望的功能性。可操作地耦合的具体实例包括但不限于光学耦合以准许光传递，举例
而言经由一光学管或光纤、实体互动组件及/或可无线互动组件及/或无线互动组件及/或
逻辑互动组件及/或可逻辑互动组件透射。
关于本文中大致使用任一复数及/或单数术语，熟习此等技术者可根据上下文及/或
应用将复数转变成单数及/或将单数转变成复数。为清晰起见，本文明确地阐释各种单数
/复数变更。
熟习此项技术者应理解，一般而言本文所使用及尤其是在随附申请专利范围(例如，
随附申请专利范围的主题)中所使用的术语通常意欲为“开放”术语(例如，术语“包
括(including)”应解释为“包括但不限于”，术语“具有(having)”应解释为“至少具
有”、术语“包括(includes)”应解释为“包括但不限于”等等)。熟习此项技术者将进
一步理解，倘若意图使一所说明的请求要件为一具体数目，则将在权利要求中明确指明
此种意图，而在无此种指明时，则不存在此种意图。举例而言，作为有助于理解的下文
随附申请专利范围可含有使用说明性片语“至少一个(at least one)”及“一个或多个(one
or more)”来说明请求要件。然而，此等片语的使用不应解释为暗指由不定冠词“一(a)”
或“一(an)”说明的一请求要件限制含有此说明请求要件的任一特定权利要求为仅含
有一个此要件的发明，即使当相同权利要求包括说明性片语“一个或多个”或“至少一
个”且诸如“一(a)”或“一(an)”的不定冠词(例如，“一(a)”及/或“一(an)”
应通常解释为意指“至少一个”或“一个或多个”)；对于用于说明请求要件的定冠词
的使用亦如此。另外，即使明确陈述所说明请求要件的一具体数目，则彼等熟习此项技
术者将认识到此陈述应通常解释为意指至少该所陈述数目(例如，“两个要件”的裸陈
述(无其他修饰成分)通常意指至少两个要件或两个或更多个要件)。此外，在其中使
用类似于“A、B及C中的至少一者”的常用语的例子中，一般而言此一构造意欲指熟
习此项技术者将理解该习语的含义(例如，“具有A、B及C中的至少一者的一系统”
将包括但不限于仅具有A、仅具有B、仅具有C，同时具有A及B、同时具有A及C、
同时具有B及C，及/或同时具有A、B及C等等的系统)在其中使用类似于“A、B或
C中的至少一者”的习语的彼等例子中，一般而言此一构造意欲指熟习此项技术者将理
解该常用语的含义(例如，“具有A、B或C中的至少一者的一系统”将包括但不限于
仅具有A、仅具有B、仅具有C，同时具有A及B、同时具有A及C、同时具有B及C，
及/或同时具有A、B及C等等的系统)熟习此项技术者将进一步理解几乎任一表示两个
或更多个替代术语的转折字及/或片语(无论是在说明中、申请专利范围中或图式中)应
被理解为预期包括该等术语中的一者、该等术语中的任一者或两个术语的可能性。举例
而言，片语“A或B”将被理解为包括“A”或“B”或“A及B”的可能性。
所有参考资料(包括但不限于专利、专利申请案、及非专利文献)皆以全文引用方
式并入本文中。
尽管本文已揭示各种方面及实施例，但对熟习此项技术者而言，其他方面及实施例
将是显而易见的。本文所揭示的各种方面及实施例皆出于说明的目的且并不意欲具有限
制性，其中本发明的真实范畴及精神皆由所附权利要求书来指示。