CN103367381A - 背照式图像传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种背照式图像传感器及其制作方法，所述背照式图像传感器包括：硅片层，其包括用于感光产生电信号的光电二极管，所述硅片层具有正表面和背表面；后端层，其设置于所述硅片层的正表面，所述后端层包括晶体管栅极、栅氧化层、导线层和介电层；入光层，其包括微透镜层和滤光膜层，所述入光层设置于所述硅片层背表面；所述后端层还包括：吸光层，其设置于所述后端层预设位置，所述吸光层用于吸收从硅片层透射过来的光线。本发明采用的吸光层吸收从器件层透射过来的光线，由此大大降低透射光线被反射到其他像素的机会，从而降低相邻像素之间的相互串扰。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种背照式图像传感器及其制作方法。
背景技术
在传统的图像传感器（Image Sensor）中，在光线的传输中，光线首先通过金属互连层，进一步入射至感光二极管，由于感光二极管位于电路晶体管后方，从而进光量会因金属互连层中的至少一层的层间金属层及相关的栅极结构的遮挡受到影响，为此，随着图像传感器技术的发展，产生了背照式图像传感器，所谓背照式图像传感器就是相对于传统的前照式图像传感器，将图像传感器调转方向，让光线首先入射感光二极管，从而增大感光量，显著提高低光照条件下的成像效果。
背照式（Backside Illuminated）CMOS（complementary metal oxidesemiconductor）图像传感器相比传统的前照式（Frontside Illuminated）CMOS图像传感器，由于其采用从图像传感器芯片背面感光，因而不受图像传感器芯片正面电路挡光影响，可以通过降低入射光遇到金属连线和其他介质损失的量来提高器件性能，在相同芯片尺寸的条件下，具有感光面积大，图像亮度高，暗光下图像清晰的优点。但是，如附图1所示，由于光线”L”可能漫射到邻近的图像传感器芯片或在光线“L”由于通过设置于图像传感器正面外的金属互连层的折射，光线会形成串扰而产生损耗,像素间的串扰是背照式图像传感器的一个相对比较大的问题。
如图1所示，现有技术中的背照式图像传感器，主要包括：（1）电子器件层1，该电子器件层内主要包括用于感光的光电二极管（PD）101，以及起到信号传输与处理的若干晶体管电路102，传统多采用3T、4T或5T的结构，该电子器件层1有相对接收入射光的背面与出射光的正面；（2）后端电路层2，有多层金属互连层203与204，电性连接金属互连层的金属导电柱205以及介电层201组成，该后端电路层2位于电子器件层的正面，其主要功能为将器件层的电信号通过制作出的金属互连层的电路导出；（3）入光层3，主要包括依次置于电子器件层1背面的滤光膜层和微透镜层，该层的主要作用是将入射光汇聚并过滤成单色光，然后将其引入电子器件层感光区。由于通常电子器件层厚度都比较小（2um左右），对于波长较长的光会有一部分穿透电子器件层，这些透射光在后端电路层又会反射回电子器件层，由于角度的原因，这些反射光有可能会反射到相邻的感光区，从而造成相邻像素单元之间信号的串扰，最终造成图像锐度下降，质量变差。
综上所述，提供一种有效降低相邻图像传感器芯片像素单元之间的相互串扰的背照式图像传感器及其制作方法，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
公开于该发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种利用吸光层吸收从器件层透射过来的光线，由此大大降低透射光线被反射到其它像素的机会，从而降低相邻像素之间的相互串扰。
为了达到上述目的，本发明提供一种背照式图像传感器，包括：
硅片层，其包括用于感光产生电信号的光电二极管，所述硅片层具有正表面和背表面；后端层，其设置于所述硅片层的正表面，所述后端层包括晶体管栅极、栅氧化层、导线层和介电层；入光层，其包括微透镜层和滤光膜层，所述入光层设置于所述硅片层背表面；所述后端层还包括：吸光层，其设置于所述后端层预设位置，所述吸光层用于吸收从硅片层透射过来的光线。
优选地，所述吸光层设置于所述后端层的介电层内部的预设区域内。
优选地，所述吸光层设置于所述硅片层正表面与所述介电层之间预设区域内。
优选地，所述吸光层与所述介电层为同一结构层，即所述介电层采用吸光材料构成从而使所述介电层具有绝缘功能的同时又具有吸光功能。
优选地，所述吸光层设置于所述光电二极管所处位置的硅片层正表面下方，所述吸光层横截面的面积不小于所述光电二极管横截面的面积。
优选地，所述吸光材料是对所述传感器的探测波段光吸收率为50%-100%的材料。
优选地，所述吸光材料为石墨、碳或者三氧化铬。
本发明同时提供一种制作背照式图像传感器的方法，包括：制作包括光电二极管与晶体管电路的硅片层，所述硅片层具有正表面和背表面；制作所述后端层，所述后端层形成于所述硅片层的正表面，所述后端层包括晶体管栅极、栅氧化层、导线层和介电层；在所述后端层预设位置形成吸光层；在所述硅片层的背表面制作包括滤光膜层以及微透镜层的入光层。
优选地，所述制作吸光层的步骤包括：在所述硅片层的正表面沉积一层吸光层，去掉预设区域以外的吸光材料，然后在所述硅片层正表面与所述吸光层上形成介电层。
优选地，在制作吸光层步骤中，形成预设厚度的介电层后，在所述预设厚度的介电层的下表面形成预设深度的凹槽，在所述凹槽内填入吸光材料处理光滑后形成吸光层，然后在所述预设厚度的介电层下表面继续形成介电层。
优选地，在制作吸光层步骤中，形成预设厚度的介电层后，在所述预设厚度的介电层的下表面沉积一层吸光层，去掉预设区域以外的吸光材料，然后继续形成后续介电层。
优选地，在制作吸光层步骤中，所述吸光层与所述介电层作为同一结构层，即所述介电层采用吸光材料构成从而使所述介电层具有绝缘功能的同时又具有吸光功能。
优选地，所述吸光层设置于所述光电二极管所处位置的硅片层的正表面下方，所述吸光层横截面的面积不小于所述光电二极管横截面的面积。
优选地，所述吸光材料采用是对所述传感器的探测波段光吸收率为50%-100%的材料。
优选地，所述吸光材料采用石墨、碳或者三氧化铬。
本发明的有益效果是：所述吸光层吸收从器件层透射过来的光线，由此能够大大降低透射光线被反射到其他像素的机会，从而降低相邻像素之间的相互串扰。
附图说明
通过说明书附图以及随后与说明书附图一起用于说明本发明某些原理的具体实施方式，本发明所具有的其它特征和优点将变得清楚或得以更为具体地阐明。
图1为现有技术中背照式图像传感器的剖面图。
图2为本发明结构剖视图。
图3为本发明第一实施例的结构剖视图。
图4A与图4B为本发明第二实施例的结构剖视图。
图5为为本发明第三实施例的结构剖视图。
图6为本发明制作方法形成硅片层的步骤示意图。
图7为本发明制作方法中形成预设厚度的步骤示意图。
图8为本发明制作方法中形成预设深度的步骤示意图。
图9为本发明制作方法中形成吸光层的步骤示意图。
图10为本发明制作方法中形成继续形后端层的步骤示意图。
图11为本发明制作方法中形成入光层的步骤示意图。
应当了解，说明书附图并不一定按比例地显示本发明的具体结构，并且在说明书附图中用于说明本发明某些原理的图示性特征也会采取略微简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。
在说明书附图的多幅附图中，相同的附图标记表示本发明的相同或等同的部分。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
下面，结合附图对本发明的具体实施例进行描述。请参阅图2所示，本发明提供本发明提供一种背照式图像传感器，包括：
硅片层1，其包括用于感光产生电信号的光电二极管101，所述硅片层1具有正表面和背表面，硅片层1还包括用于传输与处理所述电信号的晶体管102；
后端层2，其设置于所述硅片层的正表面，所述后端层包括晶体管导线层203与204、介电层2011与2012以及栅极与栅氧化层（图中未示）；
入光层3，其包括微透镜层301和滤光膜层302，所述入光层设置于所述硅片层1背表面；
所述后端层还包括吸光层202，其设置于所述后端层2预设位置，所述吸光层202用于吸收从硅片层1透射过来的光线L，所述吸光层202可以设置于所述硅片层1正表面与所述介电层（2011或者2012）之间预设区域内，所述吸光层202也可以设置于所述后端层2的介电层201内部的预设区域内，所述吸光层202还可以与所述介电层2011为同一结构层，即所述介电层2011采用吸光材料构成从而使所述介电层具有绝缘功能的同时又具有吸光功能。
优选地，所述吸光层202设置于所述光电二极管101所处位置的硅片层正表面下方，所述吸光层202横截面的面积不小于所述光电二极管101横截面的面积。
对于本发明，所述吸光层202采用的吸光材料是对所述传感器的探测波段光吸收率为50%-100%的材料，所述吸光材料可以为石墨、碳或者三氧化铬。
请参阅图3所示，在本发明第一实施例中，所述背照式图像传感器包括：硅片层1，其包括用于感光产生电信号的光电二极管101，所述硅片层1具有正表面和背表面，硅片层1还包括用于传输与处理所述电信号的晶体管102；后端层2，其设置于所述硅片层的正表面，所述后端层包括晶体管导线层203与204、介电层2011与2012以及栅极与栅氧化层（图中未示）；入光层3，其包括微透镜层301和滤光膜层302，所述入光层设置于所述硅片层1背表面；所述后端层还包括吸光层202，所述吸光层202用于吸收从硅片层1透射过来的光线L。所述吸光层202设置于所述硅片层1正表面与所述介电层2011之间，所述吸光层覆盖于所述光电二极管101对应的硅片层1正表面区域。
请参阅图4A与图4B所示，在本发明第二实施例中，所述吸光层202设置于所述后端层2的介电层2011内部的预设区域内，其它同第一实施例。
请参阅图5所示，在本发明第三实施例中，所述吸光层202与所述介电层2011为同一结构层，即所述介电层采用吸光材料构成从而使所述介电层具有绝缘功能的同时又具有吸光功能，其它同第一实施例。
本发明同时提供一种制作背照式图像传感器的方法：
第一实施例：请参照附图所示：
如图2所示，提供制作包括多个像素单元的硅片层1，每一像素单元中包含光电二极管101与若干晶体管电路102，所述硅片层1具有相对出射光的正表面和相对接收入射光背表面；
通过热氧化工艺或半导体工艺沉积制作所述后端层2。
首先，如图2所示，沉积形成第一介电层2011于硅片层1的正表面，平坦化工艺后并再在第一介电层2011背离于硅片层1的一面上沉积形成完全覆盖于第一介电层2011的吸光层202，可选用的沉积为化学气相沉积或物理气相沉积等，平坦化吸光层再次沉积第二介电层2012于吸光层202，通过掩模、图像化相关的区域，并刻蚀形成多个通孔于第二介电层2012内，并通过在通孔中沉积导电材质形成导电柱205，在第二介电层2012中对应形成导线层203；此后可相应形成多层的导电层204结构，以上步骤中通过对第一介电层2011、吸光层202、第二介电层2012等采用通孔工艺将位于硅片层1的晶体管电路102通过导线电性连接至第二介电层2012的外部；进一步，在所述硅片层1的背表面依次制作包括滤光膜层以及微透镜层的入光层。本实施例中吸光层完全覆盖对应覆盖于第一介电层的表面，特别的根据具体的工艺不同可以此于第二介电层2012外沉积制作第三介电层、第四介电层等多层介电层，以满足具体图像传感器的需求。
第二实施例：如图4所示，本实施例中的步骤与第一实施例基本相同，不同点在于：在第一介电层2011背离于硅片层1的一面上沉积形成完全覆盖于第一介电层2011的吸光层202之后，刻蚀对应于硅片层1非感光区域的吸光层202，暴露出第一介电层2011，相应的吸光层202仅对应于硅片层1的感光区域，吸光层202横截面的面积不小于所述光电二极管101横截面的面积。
第三实施例：如图3所示，首先，沉积形成吸光层202于硅片层1的正表面，通过掩模、图像化相关的区域，刻蚀对应于硅片层1非感光区域的吸光层202，暴露出硅片层1的正表面；再相应的沉积形成覆盖于吸光层的第一介质2011层面，通过通孔工艺并沉积导电材质形成导电层203；此后可相应形成多层的导电层204结构，特别的根据具体的工艺不同可以此于第二介电层2012外沉积制作第三介电层、第四介电层等多层介电层，以满足具体图像传感器的需求，以上步骤中通过对第一介电层2011、吸光层202、以及后续可能布设的多层介电层采用通孔工艺将位于硅片层1的晶体管电路102通过导线电性连接至最外层的介电层的外部；在所述硅片层1的背表面制作包括滤光膜层以及微透镜层的入光层；
在此实施例中，吸光层接触于硅片层1沉积，并且硅片层的区域对应于所述光电二极管所处位置的硅片层1的感光区（光电二极管区域）正表面下方，吸光层横截面的面积不小于所述光电二极管横截面的面积。
第四实施例：如图5所示，本实施例中的步骤与第三实施例基本相同，不同点在于，在刻蚀对应于硅片层1非感光区域的吸光层时，形成对应于硅片层1非感光区域的的沟槽结构。
第五实施例:如图6～图11所示:背照式图像传感器的制作方法包括：
提供制作包括多个像素单元的硅片层1，每一像素单元中包含光电二极管101与若干晶体管电路102，所述硅片层1具有相对出射光的正表面和相对接收入射光背表面；
通过半导体工艺沉积制作所述后端层2；
首先，沉积形成第一介电层2011于硅片层1的正表面，平坦化工艺后再在第一介电层2011背离于硅片层1的一面上通过掩膜、图像化及刻蚀第一介电层2011形成相应的沟槽202’结构，该沟槽202’结构的区域范围与硅片层1的感光区域（光电二极管区域）相对应，沉积相应的吸光材料于沟槽202’内，形成相应的吸光层202，可选用的沉积为化学气相沉积或物理气相沉积等，平坦化吸光层202，再次沉积第二介电层2012于吸光层202，通过掩模、图像化相关的区域，并刻蚀形成多个通孔于第二介电层2012内，并通过在通孔中沉积导电材质形成导电柱205，在第二介质2012层中对应形成导线层203；此后可相应形成多层的导电层结构，以上步骤中通过对第一介电层2011、吸光层202、第二介电层2012等采用通孔工艺将位于硅片层1的晶体管电路102通过导线电性连接至第二介电层2012的外部，特别的根据具体的工艺不同可以此于第二介电层2012外沉积制作第三介电层、第四介电层等多层介电层，以满足具体图像传感器的需求，最终采用通孔工艺将位于硅片层1的晶体管电路102通过导线电性连接至最外层的介电层的外部；进一步，在所述硅片层1的背表面依次制作包括滤光膜层302以及微透镜层301的入光层3。本实施例中吸光层202仅对应于硅片层1的感光区域，吸光层202横截面的面积不小于所述光电二极管101横截面的面积。
对于本发明中，吸光层202采用的吸光材料采用是对所述传感器的探测波段光吸收率为50%-100%的材料，述吸光材料可以采用石墨、碳或者三氧化铬。
特别指出，第一实施例至第五实施例中形成多层的导电层结构可包括通过沉积介电层并在介电层上通过通孔工艺形成通孔在填充沉积铜（Cu）的大马士革工艺；还可以包括首先沉积铝（Al）层，再对铝层进行刻蚀，保留部分连接区域的方式再沉积介电层的步骤进行。
本发明的主要技术手段在于采用在背照式图像传感器的在不同的步骤中可选择的设置吸光层的结构，并且在整个背照式图像传感器的工艺流程中，通过不同的步骤中增加吸光层，由于在第一实施例至第五实施例中采用了不同的步骤、工艺实现吸光层的布设，具有突出的实质性特点和显著地特征，并且吸光层起到了降低甚至防止光线串扰的技术效果，吸光层吸收从器件层透射过来的光线，由此能够大大降低透射光线被反射到其他像素的机会，从而降低相邻像素之间的相互串扰。
上述实施例是用于例示性说明本发明的原理及其功效，但是本发明并不限于上述实施方式。本领域的技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，在权利要求保护范围内，对上述实施例进行修改。因此本发明的保护范围，应如本发明的权利要求书覆盖。
Claims (15)
1.一种背照式图像传感器，包括：
硅片层，其包括用于感光产生电信号的光电二极管，所述硅片层具有正表面和背表面；
后端层，其设置于所述硅片层的正表面，所述后端层包括晶体管栅极、栅氧化层、导线层和介电层；
入光层，其包括微透镜层和滤光膜层，所述入光层设置于所述硅片层背表面；
其特征在于，所述后端层还包括：
吸光层，其设置于所述后端层预设位置，所述吸光层用于吸收从硅片层透射过来的光线。
2.根据权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于：所述吸光层设置于所述后端层的介电层内部的预设区域内。
3.根据权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于：所述吸光层设置于所述硅片层正表面与所述介电层之间预设区域内。
4.根据权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于：所述吸光层与所述介电层为同一结构层，即所述介电层采用吸光材料构成从而使所述介电层具有绝缘功能的同时又具有吸光功能。
5.根据权利要求1-4任一项所述的背照式图像传感器，其特征在于：所述吸光层设置于所述光电二极管所处位置的硅片层正表面下方，所述吸光层横截面的面积不小于所述光电二极管横截面的面积。
6.根据权利要求4所述的背照式图像传感器，其特征在于：所述吸光材料是对所述传感器的探测波段光吸收率为50%-100%的材料。
7.根据权利要求4所述的背照式图像传感器，其特征在于：所述吸光材料为石墨、碳或者三氧化铬。
8.一种制作背照式图像传感器的方法，包括：
制作包括光电二极管与晶体管电路的硅片层，所述硅片层具有正表面和背表面；
制作所述后端层，所述后端层形成于所述硅片层的正表面，所述后端层包括晶体管栅极、栅氧化层、导线层和介电层；
在所述后端层预设位置形成吸光层；
在所述硅片层的背表面制作包括滤光膜层以及微透镜层的入光层。
9.根据权利要求8所述的制作背照式图像传感器的方法，其中，所述制作吸光层的步骤包括：在所述硅片层的正表面沉积一层吸光层，去掉预设区域以外的吸光材料，然后在所述硅片层正表面与所述吸光层上形成介电层。
10.根据权利要求8所述的制作背照式图像传感器的方法，其中，在制作吸光层步骤中，形成预设厚度的介电层后，在所述预设厚度的介电层的下表面形成预设深度的凹槽，在所述凹槽内填入吸光材料处理光滑后形成吸光层，然后在所述预设厚度的介电层下表面继续形成介电层。
11.根据权利要求8所述的制作背照式图像传感器的方法，其中，在制作吸光层步骤中，形成预设厚度的介电层后，在所述预设厚度的介电层的下表面沉积一层吸光层，去掉预设区域以外的吸光材料，然后继续形成后续介电层。
12.根据权利要求8所述的制作背照式图像传感器的方法，其中，在制作吸光层步骤中，所述吸光层与所述介电层作为同一结构层，即所述介电层采用吸光材料构成从而使所述介电层具有绝缘功能的同时又具有吸光功能。
13.根据权利要求8-12任一项所述的制作背照式图像传感器的方法，其中，所述吸光层设置于所述光电二极管所处位置的硅片层的正表面下方，所述吸光层横截面的面积不小于所述光电二极管横截面的面积。
14.根据权利要求12所述的制作背照式图像传感器的方法，其中，所述吸光材料采用是对所述传感器的探测波段光吸收率为50%-100%的材料。
15.根据权利要求12所述的制作背照式图像传感器的方法，其中，所述吸光材料采用石墨、碳或者三氧化铬。
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| PB01 | Publication | ||
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