图像感测装置

技术领域

该专利文献中所公开的技术和实现方式涉及用于测量图像感测装置与被测量物体之间的距离的图像感测装置。

背景技术

随着计算机和通信产业技术的发展，在诸如数码相机和智能手机之类的各种装置中，对高质量、高性能的图像传感器的需求正在迅速增长。

图像传感器可以分为电荷耦合器件(CCD)图像传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。由于CMOS图像传感器相对于CCD图像传感器具有一些优势(包括例如更低的功耗、更低的生产成本以及更小的尺寸)，因此CMOS图像传感器现在被广泛使用。CMOS图像传感器的这种优势使这些传感器更适合于在移动装置中实现。

发明内容

所公开技术的实施方式涉及能够防止在半导体基板中传播的光被金属线反射，从而防止反射光传播到半导体基板的图像感测装置。

根据所公开技术的一个实施方式，一种图像感测装置可以包括：半导体基板，该半导体基板包括位于半导体基板的相对两侧的第一表面和第二表面，并且被配置为包括多个单位像素，每个单位像素被配置为基于入射到第一表面上的光生成像素信号；以及金属线，所述金属线设置在半导体基板的第二表面上方，并且被配置为承载从半导体基板生成的像素信号和用于生成像素信号的电信号。金属线中的至少一条可以包括抗反射结构，该抗反射结构具有将在半导体基板传播并且从金属线反射的光导向除了朝向半导体基板的方向之外的方向的形状。

根据所公开技术的另一实施方式，一种图像感测装置可以包括：基板层，该基板层包括多个单位像素，每个单位像素被配置为基于入射在第一表面上的光生成像素信号；以及金属线，该金属线设置在基板层的背离第一表面设置的第二表面上方，并联接到基板层。金属线可以包括在面对基板层的表面上形成的锯齿状图案。

应该理解，本专利文献中的前述概括描述、附图和以下详细描述是所公开技术的技术特征和实现方式的示例和解释。

附图说明

图1例示了基于所公开技术的一些实现方式的图像感测装置的示例。

图2是例示了图1所示的像素阵列的单位像素区的示例的截面图。

图3A至图3F是例示了用于形成图2的结构的工序的截面图。

图4是例示了基于所公开技术的一些实现方式的另一抗反射结构的截面图。

图5是例示了基于所公开技术的一些实现方式的另一抗反射结构的截面图。

图6是例示了基于所公开技术的一些实现方式的另一抗反射结构的截面图。

具体实施方式

现在将详细参照一些实施方式进行说明，在附图中示出了一些实施方式的示例。尽可能地，在整个附图中将使用相同的附图标记来指代相同或相似的部件。

三维(3D)图像传感器可以用于物体扫描、测量距离、3D摄影等等。在使用图像传感器获取3D图像时，通常使用3D图像的颜色信息以及图像传感器与被测量物体之间的距离(或深度)。

物体和图像传感器之间的距离可以以两种方式获取：被动方法和主动方法。被动方法可以在无需向被测量物体照射光的情况下仅使用该物体的图像信息来获得物体与图像传感器之间的距离。被动方法可以应用于立体相机。

另一方面，主动方法通过光源向物体照射光来测量距离。主动方法的示例包括三角测量方法和飞行时间(TOF)方法。三角测量方法基于照射到物体的光和从物体反射的光来测量距离。TOF方法通过测量照明光的往返时间来测量距离。

图1是例示了基于所公开技术的一些实现方式的图像感测装置的示例的框图。

图像感测装置可以使用飞行时间(TOF)技术来测量图像感测装置与被测量物体之间的距离。图像感测装置可以包括光源100、透镜模块200、像素阵列300和控制电路400。

光源100一旦从控制电路400接收到时钟信号MLS就可以向对象物1照射光。光源100的示例可以包括激光二极管(LD)、用于发射红外光或可见光的发光二极管(LED)、近红外激光(NIR)、点光源、与白灯或单色仪组合的单色光源以及其它激光源的组合。例如，光源100可以照射800nm至1000nm的波长的红外光。虽然为了便于描述，图1仅示出了一个光源100，但是要注意，也可以在透镜模块200的附近布置多个光源。

透镜模块200可以收集从对象物1反射的光，并且可以使所收集的光聚焦到像素阵列300的像素(PX)上。透镜模块200可以包括具有由玻璃或塑料形成的表面的聚焦透镜，或者具有由玻璃或塑料材料形成的表面的其它圆柱光学元件。透镜模块200可以包括具有凸结构的聚焦透镜。

像素阵列300可以包括以二维(2D)阵列布置的多个单位像素(PX)。在一个示例中，单位像素沿着彼此垂直的第一方向和第二方向布置。单位像素(PX)可以形成在半导体基板中，并且每个单位像素PX可以将通过透镜模块200接收的光转换成与所接收的光相对应的电信号，使得每个单位像素可以输出像素信号。在所公开技术的一些实施方式中，像素信号可以包括与到对象物1的距离相关联的信息。单位像素(PX)可以是用于基于电位差来检测由入射光在基板中产生的电子的电流辅助光子解调器(CAPD)像素。在一些情况下，入射光可以穿透形成有像素阵列300的基板，并且在基板中传播的光可能从布置在基板上方的互连件反射。为了减少像素阵列300内的反射，像素阵列300可以进一步包括抗反射结构。在一些实现方式中，抗反射结构可以包括形成在基板上方以携带像素信号和/或控制信号的互连件(例如，金属线)上的锯齿状结构。在一个示例中，可以通过对互连件的至少一侧进行蚀刻以使得互连件的至少一侧包括沿着互连件的至少一侧连续布置的倾斜部来形成抗反射结构。在下文中将详细描述抗反射结构。

控制电路400可以通过控制光源100和相关联的光学器件来向对象物1照射光。控制电路400可以通过操作像素阵列300的单位像素(PX)来处理与从对象物1反射的光相对应的每个像素信号，以测量到对象物1的表面的距离。

控制电路400可以包括行解码器410、光源驱动器420、定时控制器430、光电门控制器440和逻辑电路450。

行解码器410可以用于响应于定时控制器430生成的定时信号而选择像素阵列300的期望的单位像素(PX)。例如，行解码器410可以生成控制信号以选择多条行线中的至少一条。控制信号可以包括用于控制选择晶体管的选择信号和用于控制传输门的传输(Tx)信号。

光源驱动器420可以响应于来自定时控制器430的控制信号而生成可以用于操作光源100的时钟信号MLS。光源驱动器420可以向光电门控制器28提供时钟信号MLS或关于时钟信号MLS的信息中的至少一个。

定时控制器430可以生成定时信号以在期望的定时处控制行解码器410、光源驱动器420、光电门控制器440和逻辑电路450。

光电门控制器440可以基于由定时控制器430生成的控制信号来生成光电门控制信号，以在期望的定时处将光电门控制信号施加到像素阵列300。

逻辑电路450可以响应于定时控制器430的定时信号和控制信号而处理从像素阵列300接收的像素信号。在一些实现方式中，逻辑电路450可以被用于计算到对象物1的距离。逻辑电路450可以包括用于对从像素阵列300生成的像素信号执行相关双采样(CDS)的相关双采样(CDS)电路。在一个示例中，CDS电路可以用于通过对像素进行两次采样以便取这两个采样之间的差，来去除像素的偏移值。另外，逻辑电路450可以包括用于将CDS电路的模拟输出信号转换成数字信号的模数转换器(ADC)。

图2是例示了图1所示的像素阵列300的单位像素区的示例的截面图。

如图2所示，像素阵列300可以包括光接收层310、基板层320和互连层(例如，金属层)330。

光接收层310可以用于将从对象物1反射的光束导向半导体基板321。光接收层310可以包括依次层叠在半导体基板321上方的微透镜312和抗反射层314。抗反射层314可以由例如氮氧化硅(SiON)、碳化硅(SiC)、碳氮化硅(SiCN)或碳氧化硅(SiCO)形成。

基板层320可以包括具有第一表面和第二表面的半导体基板321。可以在半导体基板321的第一表面上方形成光接收层310，并且可以在背离第一表面的第二表面上方形成互连层330。半导体基板321可以基于通过第一表面接收的入射光来生成电子-空穴对。器件隔离层322可以形成为将有源区与相邻有源区和其它组件电隔离。器件隔离层322可以形成在第二表面上。器件隔离层322可以形成为浅沟槽隔离(STI)结构。可以在由器件隔离层322限定的有源区上形成用于读出像素信号的像素晶体管323。此外，有源区中的每一个可以包括联接到互连层330的金属层334的控制区324和检测区325。检测区324可以基于金属线334处的电压在半导体基板321中生成载流子电流(例如，空穴电流)。在一个示例中，当由入射到半导体基板321上的光产生的电子通过载流子电流移动时，检测区325可以捕获移动的电子。控制区324可以包括P型杂质区。控制区324可以包括P(+)扩散区和P阱。检测区325可以包括N型杂质区。检测区325可以包括N(+)扩散区和N阱。

互连层330可以包括多个层叠的层间绝缘层331以及在层间绝缘层331内作为多个层层叠的多条金属线334和337。每个层间绝缘层331可以包括氧化膜或氮化膜中的至少一个。金属线334和337中的每一条可以包括铝(Al)、铜(Cu)或钨(W)中的至少一种。金属线334和337可以被用于承载用于生成像素信号的电信号(电压)并承载从基板层生成的像素信号。不同水平处的金属线334和337可以通过接触插塞336彼此联接。此外，金属线334可以联接至半导体基板321的控制区324、检测区325以及像素晶体管323(通过接触插塞333)。

基于所公开技术的一些实施方式的互连层330可以包括抗反射结构。更详细地，在光首先入射在半导体基板321的第一表面上并且通过半导体基板321传输之后，抗反射结构可以防止在半导体基板321中传播的光被金属线反射，从而防止反射光传播到半导体基板321。

在一些实现方式中，飞行时间(TOF)传感器利用长波长的光。结果，通过光接收层310接收的这种长波长的光更易于在半导体基板321中传播，并且该光可以从互连层330的金属线反射并被导向半导体基板321。在一些实现方式中，TOF传感器可以基于每个相位的信号差来计算图像传感器与被测量物体之间的距离。在这种情况下，当从金属线反射的光束传播到半导体基板时，这种反射光束可以与光束的另一相位而不是原始相位相加，导致在距离计算中出现误差。

所公开技术的一些实施方式能够通过防止光束在金属线处反射和/或通过防止反射光束传播到半导体基板321来避免这种误差。

在一些实现方式中，为了防止光束朝向半导体基板321反射，金属线334可以在其表面处包括锯齿状图案。在一个示例中，金属线334可以在面对半导体基板321的表面处包括锯齿状图案。金属线的锯齿状图案被构造为将在其表面处反射的光导向半导体基板321以外的方向，如图2的箭头所示，反射光可以被导向另一方向，而不是被重新导向半导体基板321。

在所公开技术的一些实施方式中，互连层330可以进一步包括用于降低光在半导体基板321中的传播速度的光延迟膜332。光延迟膜332可以设置在半导体基板321和金属线334之间。光延迟膜332可以包括高介电常数材料膜或高磁导率材料膜中的至少一种。在这种情况下，高介电常数材料膜可以包括氧化铝(Al

在所公开技术的一些实施方式中，可以通过两个步骤来避免光朝向半导体基板321的不期望的反射：(1)已经穿透半导体基板321的光的传播速度由于光延迟膜332而降低；(2)可以将已经通过光延迟膜332的光导向除朝向半导体基板321的方向以外的方向。

在所公开技术的一些实施方式中，可以在金属线334的锯齿状图案的表面上方进一步形成抗反射膜335，使得抗反射膜335能够有效地防止光的反射。

图3A至图3F是例示了用于形成图2的结构的工序的截面图。

如图3A所示，在通过使第二表面图案化并将其蚀刻至预定深度来形成器件隔离沟槽之后，可以形成绝缘层以填充沟槽，从而形成限定有源区的器件隔离层322。

随后，可以在有源区上方形成用于读出像素信号的像素晶体管323。另外，可以将P型杂质和N型杂质注入到每个像素的中心处所形成的有源区中，从而可以形成控制区324和检测区325。

如图3B所示，可以在包括像素晶体管323、控制区324和检测区325的基板层320上方形成第一层间绝缘层331a，并且可以在第一层间绝缘层331a上方形成光延迟膜332。

随后，可以在光延迟膜332上方形成第二层间绝缘层331b。

第一层间绝缘层331a和第二层间绝缘层331b中的每一个可以包括氧化膜或氮化膜中的至少一种。光延迟膜332可以包括高介电常数材料膜或高磁导率材料膜中的至少一种。

如图3C所示，可以通过蚀刻第二层间绝缘层331b的一部分来形成将要形成金属线334的特定区域，从而可以形成具有以锯齿状图案形成的底表面的沟槽。在一些实现方式中，沟槽中的锯齿状图案的斜线区域可以形成为阶梯形状。

在一些实现方式中，在沟槽的底表面上的要用于形成接触插塞的区域中不形成锯齿状图案。

随后，可以在沟槽的底表面的一些区域中形成抗反射膜335。

例如，可以在沟槽的底表面上沿锯齿状图案的斜线区域的表面形成抗反射膜335。

如图3D所示，可以通过蚀刻沟槽的底表面来形成要用于形成接触插塞的特定区域，从而形成接触孔。例如，可以从沟槽的底表面蚀刻没有锯齿状图案的区域，从而形成接触孔。

随后，可以形成导电材料膜以填充接触孔，从而形成联接至控制区324、检测区325和像素晶体管323中的每一个的接触插塞333。在一个示例中，导电材料膜可以包括金属膜(例如，钨W)。

如图3E所示，在第二层间绝缘层331b和抗反射膜335上方形成金属膜以填充沟槽之后，可以对金属膜进行图案化，从而形成金属线334。

随后，可以在金属线334和第二层间绝缘层331b上方形成层间绝缘层331c。随后，可以按照形成接触孔的方式蚀刻层间绝缘层331c以使金属线334暴露，并且可以按照在层间绝缘层331c中形成接触孔336的方式来形成导电材料膜以填充接触孔。

在层间绝缘层331c上方形成金属膜之后，对金属膜进行图案化，从而形成金属线337。随后，可以在金属线337和层间绝缘层331c上方形成层间绝缘层331d。

如图3F所示，可以在半导体基板321的第一表面上方依次形成抗反射膜314和微透镜312。

在图2中以示例的方式示出了锯齿状图案，并且因此，金属线可以具有能够将从金属线的表面反射的光束导向除了朝向半导体基板的方向以外的方向的任何形状。

图4是例示了基于所公开技术的一些实现方式的抗反射结构的另一示例的截面图。

如图4所示，除了形成在金属线334上方的锯齿状图案之外，可以在设置于金属线334上方的另一金属线337上方形成另一锯齿状图案。

图2中示出的示例包括仅形成在金属线334的与基板层320相邻定位的表面处的锯齿状图案。

然而，穿透半导体基板321的光束中的一些可以传播通过相邻金属线334之间的空间，并且这些光束可以从布置在不同水平的金属线337反射，使得反射的光可以到达半导体基板321。

在所公开技术的一些实施方式中，锯齿状图案还可以形成在从金属线334的锯齿状图案逸出的光能够到达(例如，如上所讨论的金属线337)的特定区域(例如，与连续的金属线334之间的空间交叠的区域)中。

图5是例示了基于所公开技术的一些实现方式的抗反射结构的另一示例的截面图。

如图5所示，形成在像素阵列300内的不同位置中的锯齿状图案可以具有不同的形状。

例如，可以在像素阵列300的中央部分(C)处形成各自具有倒金字塔形状的锯齿状图案。换句话说，形成在像素阵列300的中央部分(C)处的金属线334的表面可以在4个方向上沿斜线蚀刻，使得金属线334可以形成为具有倒金字塔形状的锯齿状图案。

换句话说，位于像素阵列300的上区域(U)中的金属线334中的每一条和位于像素阵列300的下区域(D)中的其它金属线334中的每一条可以具有如图2所示的仅在一个方向上被蚀刻的锯齿状图案(即，沿斜线方向蚀刻的锯齿状图案)。形成于上区域(U)中的锯齿状图案和形成于下区域(D)中的锯齿状图案可以沿斜线方向彼此对称。

另外，位于像素阵列300的左区域(L)中的金属线334中的每一条和位于像素阵列300的右区域(R)中的其它金属线334中的每一条可以具有如图2所示的仅在一个方向上被蚀刻的锯齿状图案(即，沿斜线方向蚀刻的锯齿状图案)。形成于左区域(L)中的锯齿状图案和形成于右区域(R)中的锯齿状图案可以沿斜线方向彼此对称。

也就是说，单位像素的锯齿状图案的斜线方向能够根据入射光束方向而改变。

图6是例示了基于所公开技术的一些实现方式的抗反射结构的另一示例的截面图。

图5的实施方式已经公开了分别形成于像素阵列300的区域C、U、D、R和L中的锯齿状图案的斜线具有相同的斜率。

如图6所示，锯齿状图案的斜线可以根据其在像素阵列300内的位置而具有不同的斜率。

例如，位于像素阵列300的中央部分(C)处的金属线334可以具有如图4所示的倒金字塔形状的锯齿状图案。

位于像素阵列300的上区域(U)、下区域(D)、左区域(L)和右区域(R)中的金属线334可以具有仅在一个方向(即，沿斜线方向)上被蚀刻的锯齿状图案。在这种情况下，斜线的斜率可以随着越靠近像素阵列300的边缘区域而逐渐增大。

从以上描述显而易见的是，基于所公开技术的实施方式的图像感测装置能够通过防止在半导体基板中传播的光束被金属线反射并且通过防止光束被导向半导体基板，来避免距离计算误差。

尽管已经描述了许多示例性实施方式，但是应当理解，基于本公开可以设计出许多其它修改和实施方式。特别地，在该专利文献的公开范围内，在组成部件和/或布局中可以进行多种变型和修改。除了组成部分和/或布局的变型和修改之外，替代使用对本领域普通技术人员而言也可以是显而易见的。

相关申请的交叉引用

本专利文献要求于2019年8月23日提交的韩国专利申请No.10-2019-0103667的优先权和权益，该韩国专利申请的全部内容通过引用合并于本文中。