3D集成光学传感器和制造3D集成光学传感器的方法技术

一种3D集成光学传感器包括半导体衬底(100)、集成电路(200)、布线(300)、滤光器层(400)、透明间隔物层(500)和片上漫射器(600)。半导体衬底(100)具有主表面(110)。集成电路(200)包括至少一个光敏区域(210)并且布置在衬底(100)中主表面(110)处或其附近。布线(300)提供到集成电路(200)的电连接并且连接到该集成电路(200)。布线(300)布置在半导体衬底(100)上或半导体衬底(100)中。滤光器层(400)具有依赖于方向的透射特性并且布置在集成电路(200)上。实际上，滤光器层(400)至少覆盖光敏区域(210)。透明间隔物层(500)布置在主表面(110)上，并且至少部分地包围滤光器层(400)。间隔物厚度设置成限制滤光器层(400)的光谱移动。片上漫射器(600)布置在透明间隔物层(500)上。

3D Integrated Optical Sensor and Method of Manufacturing 3D Integrated Optical Sensor

A 3D integrated optical sensor includes a semiconductor substrate (100), an integrated circuit (200), a wiring (300), a filter layer (400), a transparent spacer layer (500) and an on-chip diffuser (600). The semiconductor substrate (100) has a main surface (110). The integrated circuit (200) includes at least one photosensitive region (210) and is disposed at or near the main surface (110) of the substrate (100). The wiring (300) provides an electrical connection to an integrated circuit (200) and is connected to the integrated circuit (200). The wiring (300) is arranged on a semiconductor substrate (100) or in a semiconductor substrate (100). The filter layer (400) has a directional transmission characteristic and is arranged on an integrated circuit (200). In fact, the filter layer (400) covers at least a photosensitive area (210). The transparent spacer layer (500) is arranged on the main surface (110) and surrounds the filter layer (400) at least partially. The spacer thickness is set to limit the spectral shift of the filter layer (400). The on-chip diffuser (600) is arranged on a transparent spacer layer (500).

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】3D集成光学传感器和制造3D集成光学传感器的方法本专利技术涉及3D集成光学传感器并涉及制造3D集成光学传感器的方法。诸如环境光传感器或真彩色传感器的光学传感器通常配备有一个或更多个光学干涉滤光器。这些滤光器反射一个或更多个光谱带或光谱线而透射其他光谱线，同时保持对于那些感兴趣的波长几乎为零的吸收系数。它们的光学性质归因于具有不同折射率的多个薄介电材料层。通常针对法向入射来设计光学干涉滤光器。然而，当入射光的入射角从零增加时，随着入射角的增加，滤光器的中心波长将朝向更短(即蓝色)波长移动。实际上，角度越大，移动越大。这种所谓的“蓝移”通常是不希望的并且限制了诸如环境光传感器或真彩色传感器的光学传感器的性能。已经提出了不同的解决方案以克服在使用干涉滤光器时光谱移动对光学传感器性能的限制。例如，在光学传感器的顶部安装机械光圈以限制光照射到传感器之前的入射角。然而，这导致通常与移动设备要求不兼容的较大高度。其他解决方案涉及附接到光学传感器的漫射器。然而，为了减少光谱移动，需要在干涉滤光器的设计中对该干涉滤光器进行调整以与漫射器配合工作，即相对于光学和材料特性调节多个薄介电材料层。这通常涉及复杂的仿真，并且通常不能够应用于不同的传感器设计。实现与低光谱移动配对的足够的视场仍然是一个挑战。本原理的目的是提供3D集成光学传感器和制造3D集成光学传感器的方法，其允许减小滤光器光谱移动的范围。该目的通过独立权利要求的主题实现。从属权利要求中描述了进一步的改进和实施例。应当理解，关于任何一个实施例描述的任何特征可以单独使用，也可以与本文描述的其他特征组合使用，并且除非被描述为替代方案，否则还可以与任何其他实施例的一个或更多个特征或者任何其他实施例的任何组合进行组合使用。此外，在不脱离所述3D集成光学传感器和制造3D集成光学传感器的方法的范围的情况下，也可以采用下面未描述的等同物和修改。在至少一个实施例中，3D集成光学传感器包括半导体衬底、集成电路、布线、一个或多个滤光器层、透明间隔物层和片上漫射器。半导体衬底具有主表面。例如，衬底包括诸如硅、二氧化硅、氧化铝、蓝宝石、锗、砷化镓(GaAs)、硅和锗的合金、或磷化铟(InP)等的材料。借助于在晶片级的半导体工艺中的3D集成(例如借助于CMOS工艺)将光学传感器的部件沉积在主表面上或集成到主表面中。术语“3D集成”涉及通过堆叠诸如硅晶片和/或管芯的衬底并且将它们垂直互连来制造集成电路。衬底可以提供用于与传感器接合的附加的电子部件，诸如端子，或另外的片上部件(诸如，驱动电路、A/D转换器等)，即通常用于操作和连接光学传感器的装置。集成电路具有至少一个光敏区域，并且布置在衬底中主表面处或附近。例如，集成电路可以是将电磁辐射转换成传感器信号的半导体器件，例如在光电二极管的情况下，转换成光电流。术语“光”在下文中表示主要在约390至700nm波长的可见光范围内的电磁辐射。在更广泛的意义上，“光”还可以包括红外、可见和/或紫外(UV)的部分。可以在(第一)集成电路旁边实施另外的集成电路，例如以提供传感器阵列。集成电路的示例包括光电二极管、CCD或CMOS光电传感器。布线布置在半导体衬底上或半导体衬底中。布线连接到集成电路，并且因此提供到集成电路的电连接。例如，电子部件能够通过布线连接到光学传感器。滤光器层布置在集成电路上，使其至少覆盖光敏区域。滤光器层具有依赖于方向的透射特性。这表明滤光器层的光学性质依赖于照射光学传感器的光的入射角。例如，法向入射是针对中心波长限定的，而当入射角增加时，该中心波长最终产生光谱移动。透明间隔物层布置在主表面上，使间隔物层至少部分地包围滤光器层。间隔物厚度布置成限制滤光器层的光谱移动。片上漫射器布置在透明间隔物层上。例如，透明间隔物层提供限定滤光器层和漫射器之间的工作距离。通常，光以一定的角度分布离开漫射器，该角度分布由漫射器的材料和光学性质决定。从另一方面来说，滤光器层的透射特性也依赖于照射滤光器的光的角度分布，例如，随着入射角的增加而移动。为了将光谱移动限制到特定程度，需要将漫射器和滤光器层设置在某个预定的工作距离内。例如，该工作距离由透明间隔物层提供。特别地，通过提供由漫射器和滤光器层材料和光学性质确定的足够的间隔物厚度，能够限制光谱移动。这样，能够用漫射器来增加视场，而仍然能够限制照射滤光器层的光的入射角。滤光器层不必具有特别适合于由漫射器提供的角度分布的专用滤光器结构。该方法提供了低的z高度以及低的工艺复杂性和成本。此外，该解决方案同时避免了重新设计滤光器的需要。这由对感兴趣的辐射透明的透明间隔物层来支持，该感兴趣的辐射例如为红外(IR)光、可见光或紫外(UV-A/UV-B)光。优选地，例如，使用透明模具将漫射器和透明间隔物层模制到其他部件(即衬底、集成电路和/或滤光器层)上。透明间隔物层产生在滤光器层和漫射器之间的必要的工作距离或甚至最小足够距离。例如，这使所需模制步骤的数量和复杂性最小化，并且可以是降低制造成本和复杂性的关键进步。通常，在一些实施例中仅需要两个低复杂度的、平面的模具。此外，不需要重新设计滤光器，而仅通过调节间隔物厚度，就能够将给定的滤光器层设计与不同的光学传感器一起使用。对于大多数应用，也不需要机械光圈。由于漫射器以半导体工艺实现在芯片上，因此也不需要外部漫射器。半导体工艺能够在晶片级执行，使得能够同时制造许多光学传感器器件。例如，能够在晶片级实施CMOS兼容的工艺步骤，其额外成本最低。在至少一个实施例中，间隔物厚度小于或等于片上漫射器的厚度。替代地或另外地，间隔物厚度被布置成将滤光器层的光谱移动限制到预定的最大值。例如，能够选择间隔物厚度，以将滤光器层处的入射角限制到大约或小于±10°、±20°或±30°。在至少一个实施例中，透明间隔物层直接布置在滤光器层上。例如，借助于作为3D集成的一部分的晶片级模制直接将透明间隔物层布置在滤光器层上。实际上，在3D集成期间，还在晶片级上将滤光器层(例如多个介电层)施加到衬底上。在至少一个实施例中，透明间隔物层在大于或等于主表面的50％的区域之上延伸。此外，透明间隔物以光敏区域为中心。特别地，间隔物层在大于主表面的60％、70％、80％或90％的区域之上延伸。此外，可以将透明间隔物层布置成使其在主表面的整个区域之上延伸。透明间隔物层的大小对可能进入光学传感器的杂散光有影响。如果使间隔物层小于主表面的整个区域，则衬底边缘处的引用部分能够被漫射器或其他替代结构覆盖。防止不需要的杂散光进入光敏区域。另一方面，使透明间隔物层在主表面的整个区域之上延伸可以允许更容易且因此更经济地制造光学传感器。在至少一个实施例中，透明间隔物层包括透明有机聚合物、硅树脂或环氧树脂材料。替代地或另外地，片上漫射器包括与透明间隔物层相同的材料。然而，漫射器的材料包括光散射颗粒。用于透明间隔物层的材料需要与例如在半导体工艺中的晶片级的制造兼容。透明有机聚合物、硅树脂或环氧树脂材料满足该要求。此外，然而可以使用其他材料(诸如环氧树脂)，但能够控制晶片级应力并确保透明度，优选使用低应力硅树脂，因为它们仅产生在硅晶片顶部的非常低的应力。存在这样的可用的材料：其也是对UV透明的，并且不会随着时间的推移而降解，例如EG6本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种3D集成光学传感器，包括：‑半导体衬底(100)，其具有主表面(110)，‑集成电路(200)，其包括至少一个光敏区域(210)，该集成电路(200)布置在衬底(100)中主表面(110)处或主表面(110)附近，‑布线(300)，其用于提供到集成电路(200)的电连接，该布线(300)布置在半导体衬底(100)上或半导体衬底(100)中，并且连接到集成电路(200)，‑滤光器层(400)，其具有依赖于方向的透射特性，布置在集成电路(200)上，其中，滤光器层(400)至少覆盖光敏区域(210)，‑透明间隔物层(500)，其布置在主表面(110)上并且至少部分地包围滤光器层(400)，其中，间隔物厚度被布置成限制滤光器层(400)的光谱移动，和‑片上漫射器(600)，其布置在透明间隔物层(500)上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.24 EP 16176222.41.一种3D集成光学传感器，包括：-半导体衬底(100)，其具有主表面(110)，-集成电路(200)，其包括至少一个光敏区域(210)，该集成电路(200)布置在衬底(100)中主表面(110)处或主表面(110)附近，-布线(300)，其用于提供到集成电路(200)的电连接，该布线(300)布置在半导体衬底(100)上或半导体衬底(100)中，并且连接到集成电路(200)，-滤光器层(400)，其具有依赖于方向的透射特性，布置在集成电路(200)上，其中，滤光器层(400)至少覆盖光敏区域(210)，-透明间隔物层(500)，其布置在主表面(110)上并且至少部分地包围滤光器层(400)，其中，间隔物厚度被布置成限制滤光器层(400)的光谱移动，和-片上漫射器(600)，其布置在透明间隔物层(500)上。2.根据权利要求1所述的3D集成光学传感器，其中，间隔物厚度-小于片上漫射器(600)的厚度，和/或-布置成将滤光器层(400)的光谱移动限制到预定的最大值。3.根据权利要求1或2所述的3D集成光学传感器，其中，透明间隔物层(500)直接布置在滤光器层(400)上。4.根据权利要求1至3中任一项所述的3D集成光学传感器，其中，透明间隔物层(500)在大于主表面(110)的50％的区域之上以所述光敏区域为中心延伸；特别是大于主表面(110)的60％、70％、80％、90％；或该透明间隔物层(500)在主表面(110)的整个区域之上延伸。5.根据权利要求1至4中任一项所述的3D集成光学传感器，其中，-透明间隔物层(500)包括透明的硅树脂或环氧树脂材料，和/或-片上漫射器(600)包括与透明间隔物层(500)相同的材料，并添加了光散射颗粒。6.根据权利要求1至5中任一项所述的3D集成光学传感器，其中，滤光器层(400)-在大于主表面(110)的50％的区域之上延伸；特别是大于主表面(110)的60％、70％、80％、90％；或-在主表面(110)的整个区域之上延伸。7.根据权利要求1至6中任一项所述的3D集成光学传感器，其中，滤光器层(400)在与透明间隔物层(500)相同的区域之上延伸。8.根据权利要求1至7中任一项所述的3D集成光学传感器，其中，-滤光器层(400)至少部分地框以光阻挡结构(410)，-光阻挡结...

【专利技术属性】
技术研发人员：休伯特·叶尼切尔迈尔，马丁·施雷姆斯，格雷戈尔·托施科夫，托马斯·博德纳，马里奥·曼宁格，
申请(专利权)人：AMS有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利,AT