CN104157662B - 一种高灵敏度图像传感器像素结构及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度图像传感器像素结构及制作方法，像素结构包括硅基底，所述硅基底中设有多个感光器件，相邻的感光器件之间设有浅槽隔离槽，所述多个感光器件的上方和下方分别设有正面平坦层和背面平坦层，所述正面平坦层的上面形成正面介质浅槽，所述背面平坦层的下面依次形成背面窄槽和背面宽槽，所述背面窄槽中设有多个背面微透镜，每个背面微透镜对应一个感光器件。能有效的提高入射光的吸收效率，改善图像传感器的灵敏度和图像性能。

Description

一种高灵敏度图像传感器像素结构及制作方法

技术领域

本发明涉及一种图像传感器，尤其涉及一种高灵敏度图像传感器像素结构及制作方法。

背景技术

CMOS(互补型金属氧化物半导体)图像传感器被广泛地应用于数码相机、移动手机、儿童玩具、医疗器械、汽车电子、安防及其航空航天等诸多领域。CMOS图像传感器的广泛应用驱使其尺寸向越来越小的方向发展。然而随着像素(Pixel)尺寸的缩小,光线吸收效率的降低使得感光二极管(Photodiode)的灵敏度(Sensitivity)下降，导致图像质量很大程度的恶化，因此提高CMOS图像传感器，尤其是小尺寸(pixel尺寸小于1.4um)图像传感器的感光灵敏度成为现有CMOS图像传感器结构和制造技术的难点之一。

现有CMOS图像传感器，如图1所示，包括硅基底100，相邻的三个感光器件1021～1023，浅槽隔离槽101，正面的金属互连线104～106，正面金属互连线介质层103，平坦层107，正面彩色滤光片1081～1083，正面微透镜1091～1093，同时图1给出了一束入射光线110，当入射光110经过微透镜1091汇聚，依次穿过彩色滤光片1081、平坦层107和正面介质层103到达感光器件1021。图1所示现有图像传感器所存在的不足之处有两点，一是现有图像传感器介质层103相对较厚，当入射光110经过介质层103时会有损失，103越厚，入射光损失越严重。第二点不足之处是对于波长较长的入射光，如红色光会穿过感光二极管1021而造成入射光吸收率下降。现有图像传感器以上两点不足均会导致感光二极管的灵敏度下降而造成图像质量恶化。因此，提高入射光的吸收率对高性能图像传感器，尤其是对小尺寸(pixel尺寸小于1.4um)图像传感器的尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种能提高入射光吸收率和感光灵敏度的高灵敏度图像传感器像素结构及制作方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的高灵敏度图像传感器像素结构，包括硅基底，所述硅基底中设有多个感光器件，相邻的感光器件之间设有浅槽隔离槽，所述多个感光器件的上方和下方分别设有正面平坦层和背面平坦层，所述正面平坦层的上面形成正面介质浅槽，所述背面平坦层的下面依次形成背面窄槽和背面宽槽，所述背面窄槽中设有多个背面微透镜，每个背面微透镜对应一个感光器件。

本发明的上述的高灵敏度图像传感器像素结构的制作方法，所述感光器件上面形成正面介质浅槽的方法包括步骤：

A.旋涂光刻胶；

B.曝光并显影，去除像素阵列区域上面的光刻胶；

C.进一步的，采用刻蚀工艺去除像素阵列上面无光刻胶区域的部分介质层，形成正面介质浅槽；

D.清洗光刻胶，将所有光刻胶去除；

E.在减薄介质层上面制作平坦层；

F.在平坦层上制作彩色滤光片；

G.在滤光片上面制作微透镜。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的高灵敏度图像传感器像素结构及制作方法，由于感光器件上面的正面介质浅槽缩短了入射光到达感光器件的距离，因此入射光的吸收效率得以提高；同时，由于感光器件下面的背面微透镜得存在，当长波入射光穿过感光器件后被背面微透镜进一步汇聚返回至感光器件从而提高了入射光的吸收效率，因此，本发明提供的图像传感器像素结构有效的提高了入射光的吸收效率，从而改善了图像传感器的灵敏度和图像性能。

附图说明

图1为现有技术中的图像传感器像素结构示意图。

图2为本发明实施例提供的高灵敏度图像传感器像素结构的示意图。

图3～图13为本发明实施例二中高灵敏度图像传感器像素结构制作方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的高灵敏度图像传感器像素结构，其较佳的具体实施方式是：

包括硅基底，所述硅基底中设有多个感光器件，相邻的感光器件之间设有浅槽隔离槽，所述多个感光器件的上方和下方分别设有正面平坦层和背面平坦层，所述正面平坦层的上面形成正面介质浅槽，所述背面平坦层的下面依次形成背面窄槽和背面宽槽，所述背面窄槽中设有多个背面微透镜，每个背面微透镜对应一个感光器件。

所述正面介质浅槽的深度为1～2um，所述背面宽槽的深度为100～300um，所述背面窄槽的深度为20～50um。

所述背面窄槽位于所述背面宽槽内，所述背面窄槽边缘距离所述背面宽槽的边缘2～5um。

所述背面平坦层位于所述背面窄槽内，所述背面平坦层的厚度为0.5～1um。

所述背面微透镜位于所述背面平坦层的下面。

本发明的上述的高灵敏度图像传感器像素结构的制作方法，其较佳的具体实施方式是：

所述感光器件上面形成正面介质浅槽的方法包括步骤：

A.旋涂光刻胶；

B.曝光并显影，去除像素阵列区域上面的光刻胶；

C.进一步的，采用刻蚀工艺去除像素阵列上面无光刻胶区域的部分介质层，形成正面介质浅槽；

D.清洗光刻胶，将所有光刻胶去除；

E.在减薄介质层上面制作平坦层；

F.在平坦层上制作彩色滤光片；

G.在滤光片上面制作微透镜。

所述感光器件下面形成背面宽槽、背面窄槽以及背面微透镜方法包括步骤：

A1.对感光器件背面的衬底进行CMP和湿法腐蚀；

B1.在减薄后的背面衬底旋涂光刻胶；

C1.曝光并显影，去除像素阵列区域上面的光刻胶；

D1.进一步的，采用刻蚀工艺去除像素阵列上面无光刻胶区域的部分硅衬底，形成背面宽槽；

E1.清洗光刻胶，将所有光刻胶去除；

F1.进一步的，在减薄后的衬底上旋涂光刻胶；

G1.曝光并显影，去除距离宽槽边缘2～5um以内的光刻胶；

H.采用刻蚀工艺去除无光刻胶区域的部分衬底硅，形成背面窄槽；

I.清洗光刻胶，将所有光刻胶去除；

J.在窄槽内制作背面平坦层；

K.在背面平坦层上面制作背面微透镜；

L.在背面微透镜上面加载玻璃遮挡层；

M.在玻璃遮挡层上淀积介质层直至填满背面宽槽；

N.采用化学机械研磨和湿法腐蚀，对这个背面进行化学机械研磨。

本发明的高灵敏度图像传感器像素结构及制作方法，由于感光器件上面的正面介质浅槽缩短了入射光到达感光器件的距离，因此入射光的吸收效率得以提高。同时，由于感光器件下面的背面微透镜得存在，当长波入射光穿过感光器件后被背面微透镜进一步汇聚返回至感光器件从而提高了入射光的吸收效率，因此，本发明提供的图像传感器像素结构有效的提高了入射光的吸收效率，从而改善了图像传感器的灵敏度和图像性能。能提高入射光吸收率和感光灵敏度。

具体实施例：

实施例一：

如图2所示，本实施例的图像传感器像素结构包括：硅基底310，相邻的三个感光器件3121～3123，浅槽隔离槽311，正面的金属互连线321～323，正面金属互连线介质层320，正面介质浅槽330，正面平坦层340，正面彩色滤光片3501～3503，正面微透镜3601～3603，背面宽槽3701，背面窄槽3702，背面平坦层380，背面微透镜3811～3813，背面玻璃载体382，背面介质层383，同时图2给出了一组入射光线390。其中，正面介质浅槽330位于像素阵列上方，其深度为1～2um，当入射光390通过正面微透镜3601汇聚到感光器件表面的距离缩短了，因此感光器件的灵敏度得以提高。背面宽槽3701覆盖整个像素阵列，其深度约为100～300um，背面窄槽3702位于背面窄槽3701内，3702边缘距离3701约为2～5um,3702深度约为20～50um。背面玻璃载体382覆盖3702，用以保护背面窄槽3702内的背面微透镜3811。背面介质层383淀积在玻璃载体上面并填充整个背面宽槽3701，其目的在于是背面硅表面处于同一平面。由于背面微透镜3811的制作，当长波入射光穿过感光器件后被背面透镜进一步汇聚返回至感光器件从而提高了入射光的吸收效率，因此，本发明提供的图像传感器像素结构有效的提高了入射光的吸收效率，从而改善了图像传感器的灵敏度和图像性能。

实施例二：

图3至图13详细表征了本发明高灵敏度图像传感器像素的制作工艺流程之一。

图3示出的是制作本发明图像传感器的基底210，按照传统的集成电路经过光刻、刻蚀等工艺步骤后形成用于隔离器件的浅槽隔离槽(STI)211，其深度约为0.3um-0.5um。通过光刻、注入等工艺形成像素阵列，2121～2123分别代表红色、绿色和蓝色三种像素。

图4示出的是基于图3的进一步制作工艺，当器件和电路在基底210上面形成后，需要通过金属连线221～223把信号源引致表面端口，金属连线间需要淀积介质层220用以隔离金属。

图5示出的是基于图4的进一步制作工艺，在图4的基础上通过光刻、刻蚀等工艺将像素区顶部的部分介质去掉形成正面介质浅槽230，所述正面介质浅槽230的深度为1-2um。

图6示出的是基于图5的进一步制作工艺，通过淀积、光刻、刻蚀等工艺在正面介质浅槽230内形成平坦层240，所述平坦层的厚度约为0.5～1um。

图7示出的是基于图6的进一步制作工艺，在平坦层240上形成彩色滤光层2501～2503，分别代表红色、绿色和蓝色。

图8示出的是基于图7，进一步的在彩色滤光层2501～2503上形成微透镜2601～2603。

图9示出的是基于图8的进一步制作工艺，首先，将衬底硅材料的厚度(一般来说，传统集成电路上所用的直径为8英寸的衬底硅的厚度约为730um)减薄400～600um，其次，如图9所示，通过光刻、刻蚀等工艺将感光器件上面的硅基底打开，形成背面宽槽2701，所述背面宽槽2701的深度约为100～300um，进一步的，在宽槽内，距离宽槽2701边缘约2～5um处，通过光刻、刻蚀等工艺形成背面窄槽2702，所述背面窄槽2702的深度约为20～50um。

进一步的，如图10所示，在背面窄槽2702内形成背面平坦层280，所述背面平坦层280的厚度约为0.5～1um。

进一步的，如图11所示，在背面平坦层280上面形成背面微透镜2811～2813。

如图12所示，为了保护背面微透镜2811～2813，进一步的，在所述背面微透镜上面嵌入玻璃载体282，所述玻璃载体的厚度约为50～200um。

图13示出的是基于图12的进一步工艺，为了得到平整的硅基底底面，通过淀积工艺，将介质材料283填充至玻璃载体282上面的宽槽2701，在通过化学机械研磨、腐蚀等工艺得到平整的基底底面。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种高灵敏度图像传感器像素结构的制作方法，其特征在于：

所述高灵敏度图像传感器像素结构包括硅基底，所述硅基底中设有多个感光器件，相邻的感光器件之间设有浅槽隔离槽，所述多个感光器件的上方和下方分别设有正面平坦层和背面平坦层，其特征在于，所述正面平坦层的上面形成正面介质浅槽，所述背面平坦层的下面依次形成背面窄槽和背面宽槽，所述背面窄槽中设有多个背面微透镜，每个背面微透镜对应一个感光器件；

所述感光器件上面形成正面介质浅槽的方法包括步骤：

A.旋涂光刻胶；

B.曝光并显影，去除像素阵列区域上面的光刻胶；

C.进一步的，采用刻蚀工艺去除像素阵列上面无光刻胶区域的部分介质层，形成正面介质浅槽；

D.清洗光刻胶，将所有光刻胶去除；

E.在减薄介质层上面制作平坦层；

F.在平坦层上制作彩色滤光片；

G.在滤光片上面制作微透镜；

所述感光器件下面形成背面宽槽、背面窄槽以及背面微透镜方法包括步骤：

A1.对感光器件背面的衬底进行CMP和湿法腐蚀；

B1.在减薄后的背面衬底旋涂光刻胶；

C1.曝光并显影，去除像素阵列区域上面的光刻胶；

D1.进一步的，采用刻蚀工艺去除像素阵列上面无光刻胶区域的部分硅衬底，形成背面宽槽；

E1.清洗光刻胶，将所有光刻胶去除；

F1.进一步的，在减薄后的衬底上旋涂光刻胶；

G1.曝光并显影，去除距离宽槽边缘2～5um以内的光刻胶；

H.采用刻蚀工艺去除无光刻胶区域的部分衬底硅，形成背面窄槽；

I.清洗光刻胶，将所有光刻胶去除；

J.在窄槽内制作背面平坦层；

K.在背面平坦层上面制作背面微透镜；

L.在背面微透镜上面加载玻璃遮挡层；

M.在玻璃遮挡层上淀积介质层直至填满背面宽槽；

N.采用化学机械研磨和湿法腐蚀，对这个背面进行化学机械研磨。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度图像传感器像素结构的制作方法，其特征在于，所述正面介质浅槽的深度为1～2um，所述背面宽槽的深度为100～300um，所述背面窄槽的深度为20～50um。

3.根据权利要求2所述的高灵敏度图像传感器像素结构的制作方法，其特征在于，所述背面窄槽位于所述背面宽槽内，所述背面窄槽边缘距离所述背面宽槽的边缘2～5um。

4.根据权利要求3所述的高灵敏度图像传感器像素结构的制作方法，其特征在于，所述背面平坦层位于所述背面窄槽内，所述背面平坦层的厚度为0.5～1um。

5.根据权利要求4所述的高灵敏度图像传感器像素结构的制作方法，其特征在于，所述背面微透镜位于所述背面平坦层的下面。