CN105206638B - 一种背照式cmos图像传感器及其形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种背照式CMOS图像传感器及其形成方法。所述背照式CMOS图像传感器包括：形成有光电二极管的前端结构；位于所述前端结构的正面的辅助结构及介电层，所述辅助结构被所述前端结构及介电层包围；其中，所述辅助结构的折射率低于所述前端结构及介电层的折射率。本发明获得的背照式CMOS图像传感器，入射光在穿过光电二极管后，被全反射的部分增加，其可以再次入射光电二极管，有效提高光电二极管吸收的光子，提高量子转换效率。

Description

一种背照式CMOS图像传感器及其形成方法

技术领域

本发明涉及成像领域，特别涉及一种背照式CMOS图像传感器及其形成方法。

背景技术

图像传感器是在光电技术基础上发展起来的，所谓图像传感器，就是能够感受光学图像信息并将其转换成可用输出信号的传感器。图像传感器可以提高人眼的视觉范围，使人们看到肉眼无法看到的微观世界和宏观世界，看到人们暂时无法到达处发生的事情，看到超出肉眼视觉范围的各种物理、化学变化过程，生命、生理、病变的发生发展过程，等等。可见图像传感器在人们的文化、体育、生产、生活和科学研究中起到非常重要的作用。可以说，现代人类活动已经无法离开图像传感器了。

图像传感器可依据其采用的原理而区分为电荷耦合装置(Charge-CoupledDevice)图像传感器(亦即俗称CCD图像传感器)以及CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor)图像传感器，其中CMOS图像传感器基于互补型金属氧化物半导体(CMOS)技术而制造。由于CMOS图像传感器是采用传统的CMOS电路工艺制作，因此可将图像传感器以及其所需要的外围电路加以整合，从而使得CMOS图像传感器具有更广的应用前景。

如图1所示，其为现有技术的背照式CMOS图像传感器的剖面示意图。该背照式CMOS图像传感器包括：半导体基底1、形成于所述半导体基底1中的光电二极管2、形成于所述半导体基底1一表面的金属连线层3、依次形成于所述半导体基底1另一表面的滤光片4及微透镜5。入射光顺次经过微透镜5、滤光片4到达光电二极管2，光电二极管2吸收光子的多少制约着成像的质量。

然而，随着小型化需求的愈发强烈，可吸收光的面积所占比例下降，这对量子转换效率(Quantum Efficiency，QE)产生了影响。如何满足对成像质量要求愈发提高的社会需求，成为一大难题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种背照式CMOS图像传感器及其形成方法，以提高量子转换效率。

为解决上述技术问题，本发明提供一种背照式CMOS图像传感器，包括：

形成有光电二极管的前端结构；

位于所述前端结构的正面的辅助结构及介电层，所述辅助结构被所述前端结构及介电层包围；

其中，所述辅助结构的折射率低于所述前端结构及介电层的折射率。

可选的，对于所述的背照式CMOS图像传感器，所述辅助结构至少覆盖所述光电二极管。

可选的，对于所述的背照式CMOS图像传感器，所述辅助结构为腔体，所述腔体为真空状态或者填充有惰性气体。

可选的，对于所述的背照式CMOS图像传感器，所述腔体的高度为

可选的，对于所述的背照式CMOS图像传感器，所述辅助结构为掺杂的二氧化硅层、多孔二氧化硅层、金属氟化物层或青铜中的一种或组合。

可选的，对于所述的背照式CMOS图像传感器，所述辅助结构的厚度为

可选的，对于所述的背照式CMOS图像传感器，还包括：

形成于所述前端结构的正面与光电二极管相连接的金属连线层，所述金属连线层穿过所述介电层；以及

形成于所述前端结构的背面的滤光片和微透镜。

可选的，对于所述的背照式CMOS图像传感器，所述金属连线层的材质包括钨、铜或铝。

相应的，本发明还提供一种如上所述的背照式CMOS图像传感器的形成方法，包括：

提供形成有光电二极管的前端结构；以及

在所述前端结构的正面形成辅助结构及介电层，所述辅助结构被所述前端结构及介电层包围；

其中，所述辅助结构的折射率低于所述前端结构及介电层的折射率。

可选的，对于所述的背照式CMOS图像传感器的形成方法，在形成介电层后，还包括：

在所述前端结构的正面形成连接光电二极管的金属连线层，所述金属连线层穿过所述介电层；以及

在所述前端结构的背面形成滤光片和微透镜。

在本发明提供的背照式CMOS图像传感器及其形成方法中，在前端结构的正面形成辅助结构及介电层，所述辅助结构被所述前端结构及介电层包围，所述辅助结构的折射率低于所述前端结构及介电层的折射率，并在这一基础上进一步完成背照式CMOS图像传感器的制作。相比现有技术，本发明获得的背照式CMOS图像传感器，入射光在穿过光电二极管后，被全反射的部分增加，其可以再次入射光电二极管，有效提高光电二极管吸收的光子，提高量子转换效率。

附图说明

图1为现有技术中的背照式CMOS图像传感器的的结构示意图；

图2为本发明中的背照式CMOS图像传感器的结构示意图；

图3为本发明中的背照式CMOS图像传感器的形成方法的流程图；

图4-图7为本发明中的背照式CMOS图像传感器在形成过程中的结构示意图；

图8为本发明中的背照式CMOS图像传感器的光路图；

图9为现有技术中背照式CMOS图像传感器的光路图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的背照式CMOS图像传感器及其形成方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想是：提供一种背照式CMOS图像传感器及其形成方法，在形成有光电二极管的前端结构的正面形成辅助结构及介电层，所述辅助结构被所述前端结构及介电层包围，所述辅助结构的折射率低于所述前端结构及介电层的折射率。从而使得入射光在穿过光电二极管后，还存在着被全反射的部分，再次入射光电二极管，有效提高光电二极管吸收的光子，提高量子转换效率。

以下列举所述背照式CMOS图像传感器及其形成方法的较优实施例，以清楚说明本发明的内容，应当明确的是，本发明的内容并不限制于以下实施例，其他通过本领域普通技术人员的常规技术手段的改进亦在本发明的思想范围之内。

请参考图2，图2为本发明中的背照式CMOS图像传感器的结构示意图。本发明实施例的背照式CMOS图像传感器包括：形成有光电二极管11的前端结构10，位于所述前端结构10正面的辅助结构13及介电层12，所述辅助结构13被所述前端结构10及介电层12包围，所述辅助结构13的折射率低于所述前端结构10及介电层12的折射率。在所述前端结构10的正面还形成有金属连线层16，以及在所述前端结构10的背面形成有滤光片17和微透镜18。

请参考图3并结合图2、图4-图8，对本发明提供的背照式CMOS图像传感器的形成方法进行说明。其中，图2为本发明中的背照式CMOS图像传感器的结构示意图；图3为本发明中的背照式CMOS图像传感器的形成方法的流程图；图4-图7为本发明中的背照式CMOS图像传感器在形成过程中的结构示意图；图8为光入射本发明中的背照式CMOS图像传感器后的光路图。

如图3所示，本实施例的背照式CMOS图像传感器的形成方法，包括如下步骤：

首先，执行步骤S101：提供形成有光电二极管的前端结构。如图4所示，所述前端结构10的材质可以为硅，光电二极管11可以按照现有技术形成，例如通过离子注入等工艺形成。

接着，执行步骤S102：如图5所示，在所述前端结构10的正面形成辅助结构13及介电层12，所述辅助结构13被所述前端结构10及介电层12包围，所述辅助结构13的折射率低于所述前端结构10及介电层12的折射率。所述介电层12例如为氧化硅，或者氮化硅。在本发明的较佳选择中，所述辅助结构13为腔体，例如是真空腔体，可以在介电层12中形成该真空腔体，且以该真空腔体紧贴所述前端结构10为佳；所述腔体还可以是充入有惰性气体，例如氮气、氩气等。在本发明的其他选择中，该辅助结构13可以是折射率较低并且性质较为稳定的膜层，例如，可以是掺杂的二氧化硅层、多孔二氧化硅层、金属氟化物层或青铜中的一种或组合等，其中金属氟化物例如为氯化钾、氟化镁、氟化钙等，这些填充材料的折射率低于所述介电层12，从而当光照射到辅助结构13时，可以增大全反射角，提高二次进入光电二极管11中光子的数量。

请继续参考图5，可见所述辅助结构13至少覆盖所述光电二极管11，即所述辅助结构13的正投影覆盖所述光电二极管11。在本发明的较佳选择中，使得所述辅助结构13与光电二极管11一一对应。当然，也可以是辅助结构13为一个整体结构，全面覆盖前端结构10中的光电二极管。本领域技术人员可以依据实际需要进行灵活的选择和设置。优选的，所述辅助结构的厚度为例如等。

请参考图6-图7，在形成介电层12后，还包括：

执行步骤S103：在所述前端结构10的正面形成连接光电二极管11的金属连线层16，所述金属连线层16穿过所述介电层12。具体的，可以是首先在介电层12中形成插塞14，该插塞14连接所述光电二极管11的栅极(未图示)；然后形成另一层介电层15及与插塞14接通的金属层，所述介电层15的材质可以与介电层12相同，且可以为多层，以使得形成金属连线层16的多层金属层、各层之间的插塞14逐一形成。本步骤可以按照现有技术进行，例如，所述插塞的材质为金属钨，所述金属层的材质为铜或铝，本发明在此不进行详细描述。

最后，执行步骤S104：在所述前端结构10的背面依次形成滤光片17和微透镜18。同样的，该步骤可以按照现有技术进行。

至此，可以获得如图2所示的背照式CMOS图像传感器，其结构可参见上文描述。

接着，请参考图8，对本发明的优势进行分析。以前端结构10的主要材质为硅、辅助结构13为填充有氮气的腔体、介电层12为氧化硅为例，可知光自前端结构入射辅助结构时会产生全反射，如入射光a，有着临界角α。如图9所示，在原有结构中，在硅材质的半导体基底1与氧化硅31的交界处发生的全反射，如入射光b，有着临界角β。由于本发明中引入了辅助结构13，因而临界角α小于临界角β，因此，在本发明中增大了全反射区间，可以有效的增加经过全反射二次进入到光电二极管11中光子的数量，也就提高了光电二极管11吸收光子的数量，从而使得量子转换效率得以提高。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种背照式CMOS图像传感器，其特征在于，包括：

形成有光电二极管的前端结构；

位于所述前端结构的正面的辅助结构及介电层，所述辅助结构紧贴所述前端结构，所述辅助结构被所述前端结构及介电层包围，所述辅助结构至少覆盖所述光电二极管，所述辅助结构为腔体，所述腔体为真空状态或者填充有惰性气体；

其中，所述辅助结构的折射率低于所述前端结构及介电层的折射率。

2.如权利要求1所述的背照式CMOS图像传感器，其特征在于，所述腔体的高度为

3.如权利要求1所述的背照式CMOS图像传感器，其特征在于，还包括：

形成于所述前端结构的正面与光电二极管相连接的金属连线层，所述金属连线层穿过所述介电层；以及

形成于所述前端结构的背面的滤光片和微透镜。

4.如权利要求3所述的背照式CMOS图像传感器，其特征在于，所述金属连线层的材质包括钨、铜或铝。

5.一种如权利要求1-4中任意一项所述的背照式CMOS图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：

提供形成有光电二极管的前端结构；以及

在所述前端结构的正面形成辅助结构及介电层，所述辅助结构被所述前端结构及介电层包围；

其中，所述辅助结构的折射率低于所述前端结构及介电层的折射率。

6.如权利要求5所述的背照式CMOS图像传感器的形成方法，其特征在于，在形成介电层后，还包括：

在所述前端结构的正面形成连接光电二极管的金属连线层，所述金属连线层穿过所述介电层；以及

在所述前端结构的背面形成滤光片和微透镜。