CN106057832B - 用于使光输入更为一致的堆叠栅格 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有堆叠栅格偏移的背照式(BSI)图像传感器。像素传感器布置在半导体衬底内。金属栅格部分布置在像素传感器上方并且该金属栅格部分中具有金属栅格开口。金属栅格开口的中心横向偏移于像素传感器的中心。介电栅格部分布置在金属栅格上方并且该介电栅格部分中具有介电栅格开口。介电栅格开口的中心横向偏移于像素传感器的中心。本发明还提供了一种用于制造BSI图像传感器的方法。

Description

用于使光输入更为一致的堆叠栅格
技术领域
本发明总体涉及电子电路领域，更具体地，涉及背照式(BSI)图像传感器及其制造方法。
背景技术
许多现代电子设备包括使用图像传感器的光学成像设备(如，数码相机)。图像传感器将光学图像转换为可以表示图像的数字信号。图像传感器可以包括像素传感器阵列和用作支持的逻辑电路(supporting logic)。像素传感器测量入射辐照(如，光)，而用作支持的逻辑电路有利于读出测量结果。在光学成像设备中常用的一种图像传感器类型是背照式(BSI)图像传感器。可以将BSI图像传感器的制造集成到传统的半导体工艺中来实现低成本、小尺寸和高产量。此外，BSI图像传感器具有低工作电压、低功耗、高量子效率、低读出噪声并且允许随机存取。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种图像传感器，包括：像素传感器，布置在半导体衬底内；金属栅格部分，布置在像素传感器上方并且金属栅格部分中具有金属栅格开口，其中，金属栅格开口的中心横向偏移于像素传感器的中心；以及介电栅格部分，布置在金属栅格上方并且介电栅格部分中具有介电栅格开口，其中，介电栅格开口的中心横向偏移于像素传感器的中心。
优选地，金属栅格开口的中心和介电栅格开口的中心分别以金属栅格偏移量和介电栅格偏移量横向偏移于像素传感器的中心，并且金属栅格偏移量不同于介电栅格偏移量。
优选地，像素传感器是由多个像素传感器组成的像素传感器阵列的一部分；其中，金属栅格部分是金属栅格的一部分，金属栅格由其中具有多个相应的金属栅格开口的多个金属栅格部分组成；其中，介电栅格部分是介电栅格的一部分，介电栅格由其中具有多个相应的介电栅格开口的多个介电栅格部分组成；其中，金属栅格开口的中心和介电栅格开口的中心分别以金属栅格偏移量和介电栅格偏移量横向偏移于像素传感器的中心，并且金属栅格偏移量和介电栅格偏移量与像素传感器与像素传感器阵列的中心之间的距离成比例。
优选地，该图像传感器还包括：像素传感器阵列，包括像素传感器和与像素传感器相邻的第二像素传感器；其中，像素传感器的中心以像素间距距离与第二像素传感器的中心分离，并且金属栅格开口的中心和介电栅格开口的中心分别以金属栅格偏移量和介电栅格偏移量横向偏移于像素传感器的中心，其中，金属栅格偏移量与像素间距距离的比率以及介电栅格偏移量与像素间距距离的比率在大约0和大约3之间。
优选地，该图像传感器还包括：滤色器，布置在介电栅格开口内并且填充介电栅格开口；以及微透镜，具有凸形上表面和基本平坦的下表面，下表面与滤色器的基本平坦的上表面邻接。
优选地，该图像传感器还包括：覆盖层，布置在金属栅格部分上方，并且限定介电栅格开口的下表面；以及蚀刻停止层，覆盖覆盖层，其中，介电栅格部分的侧壁与蚀刻停止层的侧壁对齐。
优选地，该图像传感器还包括：后端制程(BEOL)金属化堆叠件，布置在半导体衬底的与金属栅格部分相对的侧面上。
优选地，该图像传感器还包括：第二像素传感器，布置在半导体衬底内；第二金属栅格部分，其中具有第二金属栅格开口，第二金属栅格开口以第二像素传感器的中心的正上方处为中心；以及第二介电栅格部分，其中具有第二介电栅格开口，第二介电栅格开口以第二像素传感器的中心的正上方处为中心。
根据本发明的另一方面，提供了一种形成图像传感器的方法，该方法包括：提供布置在半导体衬底内的像素传感器；在半导体衬底上方形成金属栅格层；对金属栅格层执行第一蚀刻，以在半导体衬底上方形成限定金属栅格开口的侧壁的金属栅格，金属栅格开口的中心横向偏移于像素传感器的中心；在金属栅格上方形成介电栅格层；以及对介电栅格层执行第二蚀刻，以在金属栅格上方形成限定介电栅格开口的侧壁的介电栅格，介电栅格的中心横向偏移于像素传感器的中心。
优选地，该方法还包括：执行第一蚀刻和第二蚀刻，以形成分别以金属栅格偏移量和介电栅格偏移量横向偏移于像素传感器的中心的金属栅格开口和介电栅格开口，其中，金属栅格偏移量不同于介电栅格偏移量。
优选地，该方法还包括：提供在半导体衬底内的像素传感器阵列，其中，像素传感器阵列包括像素传感器；以及执行第一蚀刻和第二蚀刻，以形成分别以金属栅格偏移量和介电栅格偏移量横向偏移于像素传感器的中心的金属栅格开口和介电栅格开口，其中，金属栅格偏移量和介电栅格偏移量与像素传感器与像素传感器阵列的中心之间的距离成比例。
优选地，该方法还包括：提供在半导体衬底内的像素传感器阵列，其中，像素传感器阵列包括像素传感器；以及执行第一蚀刻和第二蚀刻，以形成分别以金属栅格偏移量和介电栅格偏移量横向偏移于像素传感器的中心的金属栅格开口和介电栅格开口，其中，金属栅格偏移量与像素传感器的像素间距距离的比率以及介电栅格偏移量与像素传感器的像素间距距离的比率在大约0和大约3之间。
优选地，该方法还包括：形成填充介电栅格开口的滤色器；以及形成微透镜，微透镜具有凸形上表面和位于滤色器上方的基本平坦的下表面。
优选地，该方法还包括：形成位于金属栅格上方并且填充金属栅格开口的覆盖层；在覆盖层上方形成蚀刻停止层；在蚀刻停止层上方形成介电栅格层；对介电栅格层执行第二蚀刻直至到达蚀刻停止层，以限定介电栅格开口；以及对蚀刻停止层执行第三蚀刻，以去除蚀刻停止层的在介电栅格开口中暴露的区域。
优选地，该方法还包括：提供布置在半导体衬底内的第二像素传感器；执行第一蚀刻，以限定第二金属栅格开口，第二金属栅格开口以第二像素传感器的中心的正上方处为中心；以及执行第二蚀刻，以限定第二介电栅格开口，第二介电栅格开口以第二像素传感器的中心的正上方处为中心。
根据本发明的又一方面，提供了一种图像传感器，包括：多个像素传感器，在半导体衬底内布置为阵列；多个金属栅格，布置在多个像素传感器的阵列上方并且具有与多个像素传感器对应的多个金属栅格开口，其中，位于阵列的边缘附近的金属栅格开口的中心以金属栅格偏移量横向偏移于对应的像素传感器的中心，金属栅格偏移量与对应的像素传感器与阵列的中心之间的距离成比例；以及多个介电栅格，布置在多个金属栅格上方并且具有与多个像素传感器对应的多个介电栅格开口，其中，位于阵列的边缘附近的介电栅格开口的中心以介电栅格偏移量横向偏移于对应的像素传感器的中心，介电栅格偏移量与对应的像素传感器与阵列的中心之间的距离成比例；其中，相对于一像素传感器的金属栅格偏移量不同于相对于像素传感器的介电栅格偏移量。
优选地，相对于像素传感器的金属栅格偏移量大于相对于像素传感器的介电栅格偏移量。
优选地，像素传感器的阵列中的相邻的像素传感器的中心以像素间距距离相互间隔，并且金属栅格偏移量与像素间距距离的比率以及介电栅格偏移量与像素间距距离的比率在大约0和大约3之间。
优选地，位于阵列的中心区域附近的金属栅格开口的中心与位于阵列的中心区域的对应的像素传感器的中心对齐。
优选地，位于阵列的中心区域附近的介电栅格开口的中心与位于阵列的中心区域的对应的像素传感器的中心对齐。
附图说明
当结合附图进行阅读时，根据以下详细的描述来更好地理解本发明的各个方面。应该强调的是，根据工业中的标准实践，各个部件没有按比例绘制。实际上，为了讨论的清楚，可以任意地增加或减小各个部件的尺寸。
图1A示出了具有堆叠栅格偏移的背照式(BSI)图像传感器的一些实施例的截面图。
图1B示出了不具有堆叠栅格偏移的BSI图像传感器的一些实施例的截面图。
图2示出了BSI图像传感器的一些实施例的顶视图。
图3示出了BSI图像传感器的一些实施例的截面图。
图4示出了用于制造具有堆叠栅格偏移的BSI图像传感器的方法的一些实施例的流程图。
图5至图12示出了处于各个制造阶段的BSI图像传感器的一些实施例的一系列截面图。
具体实施方式
本发明提供了许多不同的实施例或实例，用于实施本发明的不同部件。以下描述组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例而不意欲限制。例如，在以下的描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间形成附件部件使得第一部件和第二部件不直接接触的实施例。另外，本发明可以在各个实例中重复参考标号和/或字母。这些重复是为了简化和清楚的目的，其本身并不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。
此外，为了易于描述，本文中可以使用诸如“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“在…上面”、“上部”等空间关系术语，以描述图中所示的一个元件或部件与另一元件或部件的关系。除图中所示的定向之外，空间关系术语还包括使用或操作中的器件的不同定向。装置可以以其他方式定向(旋转90度或处于其他定向)，本文所使用的空间关系描述符可以同样进行相应的解释。
背照式(BSI)图像传感器通常包括布置在集成电路的半导体衬底内的像素传感器的阵列。像素传感器布置在集成电路的背面与集成电路的后端制程(BEOL)金属化堆叠件之间。金属栅格布置在集成电路的背面且位于对应的像素传感器上方。金属栅格由穴状(cell-like)的多个金属栅格部分组成，其中，多个金属栅格部分各自横向围绕对应于各像素传感器的各金属栅格开口，并且被填充金属栅格开口的覆盖层掩蔽。与像素传感器对应的微透镜和滤色器叠置在覆盖层上方。滤色器被配置为选择性地将分配的辐照(如，光)的颜色或波长传输至对应的像素传感器，而微透镜被配置为将入射辐照聚焦到滤色器上。
前述BSI图像传感器所具有的挑战在于，所有的金属栅格开口通常都以相同的方式相对于对应的像素传感器来定向。例如，金属栅格开口都以对应的像素传感器的中心的正上方为中心。这种结构是基于来自点光源的入射辐照平行地并且以相同(common)入射角照射在BSI图像传感器上的假设而得到的。然而，实际上，对于不同的像素传感器，来自点光源的入射辐照以不同的入射角度照射在BSI图像传感器上。由于金属栅格可以阻挡具有除相同入射角之外的入射角度的辐照，所以该结构会导致各像素传感器的不一致的光输入并且BSI图像传感器的性能劣化。这种挑战的解决方案为：基于对应的像素传感器在像素传感器阵列内的位置而偏移金属栅格开口。然而，对于较大的BSI图像传感器，可能存在对偏移量的限制，使得光输入和性能劣化仍会存在于BSI图像传感器的特定区域中(诸如沿着BSI图像传感器的边缘)。
考虑到上述问题，本发明涉及一种BSI图像传感器(其具有堆叠栅格偏移以提高光输入的一致性)以及用于制造该BSI图像传感器的方法。在一些实施例中，BSI图像传感器包括布置在半导体衬底内的像素传感器。隔离栅格(诸如浅沟槽隔离(STI)栅格或深沟槽隔离(DTI)栅格)横向围绕像素传感器并且延伸到半导体衬底中。金属栅格部分布置在像素传感器上方并且其中具有金属栅格开口，并且介电栅格部分布置在金属栅格部分上方并且其中具有介电栅格开口。此外，金属栅格和介电栅格开口分别以不同的偏移量(取决于像素传感器在像素传感器阵列中的位置)横向偏移于像素传感器。
通过分别将金属栅格和介电栅格开口横向偏移一定量(取决于像素传感器在像素传感器阵列中的位置)，可以有利地增加像素传感器的光输入的一致性。例如，可以根据像素传感器和像素传感器阵列的中心之间的距离而成比例地偏移金属栅格开口和介电栅格开口。光输入一致性的提高进而提高了光学性能(如，SNR-10)。此外，通过横向偏移金属栅格开口和介电栅格开口，增大了较大BSI图像传感器的设计灵活性。
参照图1，提供了具有堆叠栅格偏移的BSI图像传感器的一些实施例的截面图100A。BSI图像传感器包括布置在半导体衬底108内的像素传感器104A的阵列102和隔离栅格106。像素传感器104A在半导体衬底108内布置为行和/或列，并且被配置为将入射辐照转换为电信号。像素传感器104A包括对应的光电检测器110A，并且在一些实施例中包括对应的放大器(未示出)。例如，光电检测器110A可以是光电二极管，而放大器例如可以是晶体管。隔离栅格106延伸到半导体衬底108的下表面中，并且横向围绕像素传感器104A。隔离栅格106被配置为将像素传感器104A相互隔离，并且由邻接的隔离栅格部分(segment)(诸如矩形或正方形)组成。栅格部分对应于像素传感器104A并且横向围绕对应的像素传感器104A。例如，隔离栅格106可以是STI区域和/或注入隔离区域。
抗反射涂层(ARC)114和/或缓冲层116沿着半导体衬底108的上表面布置在半导体衬底108上方。在存在ARC 114和缓冲层116两者的实施例中，缓冲层116通常布置在ARC 114上方。例如，ARC 114可以是有机聚合物或金属氧化物。例如，缓冲层116可以是诸如二氧化硅的氧化物。ARC 114和/或缓冲层116将半导体衬底108与覆盖衬底108的堆叠栅格120A垂直地隔开。
堆叠栅格120A包括金属栅格122A(由形状通常为正方形或矩形的多个邻接的金属栅格部分组成)和介电栅格124A(由覆盖金属栅格122A的多个邻接的介电栅格部分组成)。金属栅格122A和介电栅格124A分别限定对应于像素传感器104A的金属栅格开口126A和介电栅格开口128A的侧壁，并且被配置为将进入开口126A、128A的辐照限制在并且引向对应的像素传感器104A。例如，介电栅格124A被配置为通过全内反射将进入介电栅格开口128A的辐照限制和引向像素传感器104A。金属栅格和介电栅格部分对应于像素传感器104A并且横向围绕对应的金属栅格开口和介电栅格开口126A、128A。
金属栅格开口和介电栅格开口126A、128A以相应的金属栅格偏移量S1、S1’以及介电栅格偏移量S2、S2’横向偏离或偏移对应的像素传感器104A。在一些实施例中，偏移量S1、S2与隔离栅格106、金属栅格122A和介电栅格124A相关。在可选实施例中，偏移量S1’、S2’与像素传感器104A的中心、金属栅格开口126A的中心和介电栅格开口128A的中心相关。偏移量S1、S1’、S2、S2’根据像素传感器阵列102内的像素传感器的位置而变化。例如，偏移量S1、S1’、S2、S2’可以与像素传感器与像素传感器阵列102的中心之间的距离成比例，使得偏移量S1、S1’、S2、S2’可以在像素传感器阵列102的外围处最大。此外，介电栅格偏移量S2、S2’通常超过金属栅格偏移量S1、S1’。在一些实施例中，金属栅格偏移量S1、S1’与像素传感器104A之间的间距P的比率(如，S1/P的比率)在大约0和大约3之间，和/或介电栅格偏移量S2、S2’与间距P的比率(如，S2/P的比率)在大约0和大约3之间。间距P是相邻像素传感器的中心之间的距离。
金属栅格和介电栅格122A、124A分别布置在堆叠在ARC 114和/或缓冲层116上方的金属栅格层和介电栅格层130、132内。金属栅格122A布置在覆盖ARC 114和/或缓冲层116的金属栅格层130内。例如，金属栅格层130可以是钨、铜或铝铜。介电栅格124A布置在堆叠在金属栅格层130上的介电栅格层132内。在一些实施例中，介电栅格124A还布置在介电栅格层132下方的蚀刻停止层134和/或其他一些层(如，一个或多个附加介电栅格层)内。例如，介电栅格层132可以是诸如氧化硅的氧化物。例如，蚀刻停止层134可以是诸如氮化硅的氮化物。
覆盖层136布置在金属栅格层130上方且位于金属栅格层130与介电栅格层132之间。覆盖层136将介电栅格124A与金属栅格122A隔开并且填充金属栅格开口126A。此外，覆盖层136限定介电栅格开口128A的下表面，并且在一些实施例中，部分地限定介电栅格开口128A的侧壁。覆盖层136是诸如二氧化硅的电介质。在一些实施例中，覆盖层136具有或另外包括与缓冲层116和/或介电栅格层132相同的材料。例如，在不具有蚀刻停止层134的一些实施例中，覆盖层136和介电栅格层132可以共用分子结构和/或对应于同一层(如，通过单次沉积形成的层)的不同区域。
与像素传感器104A对应的滤色器140A、142A、144A布置在介电栅格开口128A中，以填充介电栅格开口128A。滤色器140A、142A、144A通常具有平坦的上表面，该上表面与介电栅格层132的上表面近似共面。滤色器140A、142A、144A被分配给辐照(如，光)的相应的颜色或波长，并且被配置为将分配的辐照的颜色或波长传输至对应的像素传感器104A。通常，滤色器在红色、绿色和蓝色之间交替分配，使得滤色器包括蓝色滤色器140A、红色滤色器142A和绿色滤色器144A。在一些实施例中，根据拜耳马赛克(Bayer mosaic)算法，滤色器在红色、绿色和蓝色光之间交替分配。通常，滤色器140A、142A、144A的第一材料的折射率不同于(如，高于)沿着介电栅格开口128A的侧壁与第一材料邻接的第二材料的折射率。例如，第二材料可以是介电栅格层132的材料。
与像素传感器104A对应的微透镜146A布置在滤色器140A、142A、144A和像素传感器104A上方。微透镜146A的中心通常与滤色器140A、142A、144A的中心对齐，但是微透镜146的中心可以横向偏离或偏移于滤色器140A、142A、144A的中心。微透镜146被配置为将入射辐照(如，光)朝着像素传感器104A和/或滤色器140A、142A、144A的方向聚集。在一些实施例中，微透镜146A具有凸形上表面，该凸形上表面被配置为将辐照朝着像素传感器104A和/或滤色器140A、142A、144A的方向聚集。
通过基于像素传感器的位置来偏移金属栅格开口和介电栅格开口126A、128A，可以有利地提高像素传感器104A的光输入的一致性。代替阻挡某些入射辐照，金属栅格和介电栅格122A、124A可以更好地将辐照引导至像素传感器104A。例如，如图所示，来自覆盖像素传感器阵列102的中心的点光源的光线148可以以较大的入射角度(steep angle ofincidence)进入滤色器144A，同时仍然具有至滤色器144A的对应的像素传感器104A的直接路径。此外，通过基于像素传感器的位置偏移金属栅格开口和介电栅格开口126A、128A，可以提高光学性能(如，SNR-10)。此外，通过独立地偏移金属栅格开口和介电栅格开口126A、128A两者，提高了较大的BSI图像传感器的设计灵活性。
参照图1B，提供了不具有堆叠栅格偏移的BSI图像传感器的一些实施例的截面图100B。例如，这些其他的实施例可以被视为具有约等于0的偏移量S1、S1’、S2、S2’。BSI图像传感器包括布置在ARC 114和/或缓冲层116上方的堆叠栅格120B。堆叠栅格120B包括金属栅格122B和覆盖金属栅格122B的介电栅格124B。金属栅格122B和介电栅格124B与横向围绕下面的像素传感器104B(包括对应的光电检测器110B)的隔离栅格106垂直对齐。此外，金属栅格122B和介电栅格124B分别限定金属栅格开口和介电栅格开口126B、128B的侧壁，并且两个栅格开口均以像素传感器104B的中心的正上方处为中心。与像素传感器104B对应的滤色器140B、142B、144B布置在介电栅格开口128B中，而与像素传感器104B对应的微透镜146B布置在滤色器140B、142B、144B上方。
参照图2，提供了BSI图像传感器的一些实施例的顶视图200。BSI图像传感器包括在半导体衬底108内以行/或列布置的像素传感器104A的阵列102。例如，像素传感器阵列102可以包括布置在半导体衬底108中的大约9行和13列。此外，BSI图像传感器包括与像素传感器104A对应的并且堆叠在对应的像素传感器104A上方的金属栅格开口126A和介电栅格开口128A、128B。根据图1B的实施例来配置BSI图像传感器的中心202，并且根据图1A的实施例来配置BSI图像传感器的外围区域。例如，如图所示，偏移量可以从0(在中心202处)增加到BSI图像传感器的边缘处的偏移量。
参照图3，提供了BSI图像传感器的一些实施例的截面图300。BSI图像传感器包括布置在集成电路302的半导体衬底108中的像素传感器104的阵列102和隔离栅格106，该阵列和隔离栅格介于集成电路302的背面与该集成电路302的BEOL金属化堆叠件304之间。像素传感器104在半导体衬底108内布置为行和/或列，并且被配置为将入射辐照(如，光子)转换为电信号。像素传感器104包括对应的光电检测器110，并且在一些实施例中，包括对应的放大器(未示出)。像素传感器104可以对应于图1A的像素传感器104A和/或图1B的像素传感器104B。隔离栅格106延伸到与BEOL金属化堆叠件304邻近的半导体衬底108中，并且横向围绕像素传感器104。隔离栅格106被配置为将各像素传感器104相互隔离，并且由与像素传感器104对应的邻接的隔离栅格部分(诸如矩形或正方形)组成。
BEOL金属化堆叠件304位于半导体衬底108下方并且介于半导体衬底108与载体衬底306之间。BEOL金属化堆叠件304包括堆叠在层间介电(ILD)层312内的多个金属化层308、310。BEOL金属化堆叠件304的一个或多个接触件314从金属化层310处延伸到像素传感器104。此外，BEOL金属化堆叠件304的一个或多个通孔316在金属化层308、310之间延伸，以互连金属化层308、310。例如，ILD层312可以是低k电介质(即，介电常数小于约3.9的电介质)或氧化物。例如，金属化层308、310、接触件314和通孔316可以是诸如铜、铝或铝铜的金属。
沿着集成电路302的背面布置ARC 114和/或缓冲层116，并且堆叠栅格120布置在ARC 114和/或缓冲层116上方。堆叠栅格120可以对应于图1A的堆叠栅格120A和/或图1B的堆叠栅格120B。堆叠栅格120包括金属栅格122和覆盖金属栅格122的介电栅格124。金属栅格122和介电栅格124分别布置在堆叠在ARC 114和/或缓冲层116上方的金属栅格层和介电栅格层130、132内。此外，金属栅格122和介电栅格124分别限定与像素传感器104对应的金属栅格开口126和介电栅格开口128的侧壁。在一些实施例中，金属栅格开口和介电栅格开口126、128均以对应的像素传感器104的中心的正上方处为中心。在其他的实施例中，金属栅格开口和介电栅格开口126、128相对于对应的像素传感器104横向偏移。例如，金属栅格开口和介电栅格开口126、128可以与对应的像素传感器104与像素传感器阵列102的中心的距离成比例地横向偏移。
覆盖层136布置在金属栅格层130上方并且位于金属栅格层130和介电栅格层132之间。此外，与像素传感器104对应的滤色器140、142、144和微透镜146布置在对应的像素传感器104上方。滤色器140、142、144填充介电栅格开口128，而微透镜146掩蔽滤色器140、142、144，以将光聚集到滤色器140、142、144中。
参照图4，提供了具有堆叠栅格偏移的BSI图像传感器的制造方法的一些实施例的流程图400。
在402中，集成电路设置有像素传感器的阵列，该像素传感器阵列布置在集成电路的半导体衬底中并且介于集成电路的背面与集成电路的BEOL金属化堆叠件之间。
在404中，ARC形成在背面上方，缓冲层形成在ARC上方，以及金属栅格层形成在缓冲层上方。
在406中，对金属栅格层执行第一蚀刻，以形成限定金属栅格开口的侧壁的金属栅格。金属栅格开口以金属栅格偏移量横向偏移于对应的像素传感器，该金属栅格偏移量随着对应的像素传感器在像素传感器阵列中的位置而变化。
在408中，覆盖层形成在金属栅格上方并填充金属栅格开口。
在410中，对覆盖层执行化学机械抛光(CMP)，以使覆盖层的上表面平坦化。
在412中，在覆盖层上方形成蚀刻停止层，并且在蚀刻停止层上方形成介电栅格层。
在414中，对介电栅格层执行第二蚀刻直至到达蚀刻停止层，以形成限定介电栅格开口的介电栅格。介电栅格开口以介电栅格偏移量横向偏移于对应的像素传感器，介电栅格偏移量随着对应的像素传感器在像素传感器阵列中的位置而变化。
在416中，对蚀刻停止层执行第三蚀刻，以去除蚀刻停止层的位于介电栅格开口中的暴露区域。
在418中，形成滤色器，以填充介电栅格开口。
在420中，形成覆盖滤色器的微透镜。
通过以取决于像素传感器在像素传感器阵列中的位置的偏移量来横向偏移金属栅格开口和介电栅格开口，可以有利地增加各像素传感器的光输入的一致性。光输入一致性的提高又导致了光学性能(如，SNR-10)的提高。此外，通过横向偏移金属栅格开口和介电栅格开口两者，增大了较大的BSI图像传感器的设计灵活性。
虽然本文将通过流程图400描述的方法示出和描述为一系列步骤或事件，但应该理解，这些步骤或事件的所示顺序不应被解释为限制意义。例如，一些步骤可以以不同的顺序进行和/或与除本文所示和/或所述的步骤或事件之外的其他的步骤或事件同时进行。此外，并不要求所有示出的步骤都用来实施本文描述的一个或多个方面或实施例，并且可以在一个或多个单独的步骤和/或阶段中执行本文所描述的一个或多个方面。
在一些可选实施例中，第二和第三蚀刻可以一起执行(如，具有共同的蚀刻剂)。此外，在一些可选实施例中，可以省略蚀刻停止层和步骤416。在这种实施例中，可以使用已知的蚀刻速率来对第二蚀刻进行定时。此外，在一些可选实施例中，可以省略步骤416，但可以保留蚀刻停止层。此外，在一些可选实施例中，覆盖层和介电栅格层可以对应于公共(common)层的不同区域。在这种实施例中，可以省略步骤408、410、412。取代步骤408、410、412，公共层可以形成在金属栅格上方(如，利用单次沉积)并且填充金属栅格开口。此外，对公共层执行CMP，以使公共层的上表面平面化，并且可以执行步骤414至420。
参照图5至图12，提供了BSI图像传感器在各个制造阶段的一些实施例的截面图，以示出图4的方法。尽管关于该方法描述了图5至图12，但应该理解，图5至图12所公开的结构不限于该方法，而是可以单独作为独立于该方法的结构。类似地，尽管关于图5至图12描述了该方法，但应该理解，该方法不限于图5至图12所公开的结构，而是可以单独作为独立于图5至图12所公开的结构的方法。
图5示出了对应于步骤402的一些实施例的截面图500。如图所示，提供了半导体衬底108，其中，像素传感器104A的阵列102和隔离栅格106布置在衬底108内。在一些实施例中，半导体衬底108是集成电路的一部分，并且像素传感器104A和隔离栅格106布置在集成电路的背面与集成电路的BEOL金属化堆叠件(未示出)之间。像素传感器104A在半导体衬底108内布置为行和/或列，并且包括对应的光电检测器110A。隔离栅格106延伸到半导体衬底108中并且横向围绕像素传感器104A。例如，半导体衬底108可以是块状半导体衬底或绝缘体上硅(SOI)衬底。
图6示出了对应于步骤404的一些实施例的截面图600。如图所示，ARC 114和/或缓冲层116以这种顺序堆叠形成在半导体衬底108上方。此外，金属栅格层130’形成在ARC 114和/或缓冲层116上方。可以通过诸如旋涂或汽相沉积的沉积技术来顺序形成ARC 114、缓冲层116和金属栅格层130’。例如，ARC 114可以由有机聚合物或金属氧化物形成。例如，缓冲层116可以由诸如二氧化硅的氧化物形成。例如，金属栅格层130’可以由钨、铜、铝或铝铜形成。
图7示出了对应于步骤406的一些实施例的截面图700。如图所示，对金属栅格层130’(参见图6)执行第一蚀刻，以形成限定金属栅格开口126A的侧壁的金属栅格122A。金属栅格开口126A对应于像素传感器104A，并且通常至少部分地覆盖对应的像素传感器104A。此外，金属栅格开口126A以金属栅格偏移量S1横向偏移于对应的像素传感器104A。在一些实施例中，如图所示，金属栅格偏移量S1与隔离栅格106和金属栅格122A相关。在可选实施例中，金属栅格偏移量S1与像素传感器104A的中心和金属栅格开口126A的中心相关。金属栅格偏移量S1根据像素传感器在像素传感器阵列102中的位置而变化。例如，金属栅格偏移量S1可以与像素传感器104A与像素传感器阵列102的中心之间的距离成比例。此外，在一些实施例中，金属栅格偏移量S1与各像素传感器104A之间的间距P的比率(即，S1/P的比率)在大约0和大约3之间。
用于执行第一蚀刻的工艺可以包括形成掩蔽金属栅格层130’中对应于金属栅格122A的各区域的第一光刻胶层702。然后，可以根据第一光刻胶层702的图案对金属栅格层130’应用蚀刻剂704，从而限定金属栅格122A。相对于ARC 114和/或缓冲层116，蚀刻剂704对于金属栅格层130’具有蚀刻选择性。此外，例如，蚀刻剂704可以是干蚀刻剂。在应用蚀刻剂704之后，可以去除第一光刻胶层702。
图8示出了对应于步骤408的一些实施例的截面图800。如图所示，覆盖层136’形成在金属栅格122A和剩余的金属栅格层130上方，并且填充金属栅格开口126A。例如，覆盖层136’可以由诸如氧化物的电介质形成，和/或例如可以由与缓冲层116相同的材料形成。此外，例如，可以使用诸如旋涂或汽相沉积的沉积技术来形成覆盖层136’。
图9示出了对应于步骤410和412的一些实施例的截面图900。如图所示，对覆盖层136’(参见图8)执行CMP直至到达剩余的金属栅格层130上方的某处，从而产生基本平坦的上表面。如图所示，蚀刻停止层134’和介电栅格层132’以这种顺序堆叠形成在剩余的覆盖层136上方。例如，可以使用诸如汽相沉积的沉积技术来形成蚀刻停止层134’和介电栅格层132’。例如，蚀刻停止层134’可以由诸如氮化硅的氮化物形成。例如，介电栅格层132’可以由二氧化硅形成，和/或例如可以由与剩余的覆盖层136相同的材料形成。在可选实施例中，可以省略蚀刻停止层134’。
图10示出了对应于步骤414的一些实施例的截面图1000。如图所示，对介电栅格层132’(参见图9)执行第二蚀刻直至到达蚀刻停止层134’，以形成限定介电栅格开口128’的侧壁的介电栅格124A’。介电栅格开口128’对应于像素传感器104A并且以介电栅格偏移量S2横向偏移于对应的像素传感器104A，该介电栅格偏移量通常大于金属栅格偏移量S1。在一些实施例中，如图所示，介电栅格偏移量S2与隔离栅格106和介电栅格124A’相关。在可选实施例中，介电栅格偏移量S2与像素传感器104A的中心和介电栅格开口128A’的中心相关。介电栅格偏移量S2根据像素传感器104A在像素传感器阵列102中的位置而变化。例如，介电栅格偏移量S2可以与像素传感器104与像素传感器阵列102的中心之间的距离成比例。此外，在一些实施例中，介电栅格偏移量S2与各像素传感器104A之间的间距P的比率(即，S2/P的比率)在大约0和大约3之间。
用于执行第二蚀刻的工艺可以包括形成掩蔽介电栅格层132’中与介电栅格124A’对应的各区域的第二光刻胶层1002。然后，可以按照第二光刻胶层1002的图案向介电栅格层132’应用蚀刻剂1004，从而限定介电栅格124A’。相对于蚀刻停止层134’，蚀刻剂1004对于介电栅格层132’具有蚀刻选择性。此外，例如，蚀刻剂1004可以是干蚀刻剂。在应用蚀刻剂1004之后，可以去除第二光刻胶层1002。
图11示出了对应于步骤416的一些实施例的截面图1100。如图所示，穿过介电栅格开口128A’(参见图10)中的暴露区域，对蚀刻停止层134’(参见图10)执行第三蚀刻，直至到达剩余的覆盖层136。第三蚀刻去除蚀刻停止层134’中位于介电栅格开口128A’内的区域。例如，用于执行第三蚀刻的工艺可以包括向蚀刻停止层134’应用蚀刻剂1102。相对于剩余的介电栅格层132和/或剩余的覆盖层136，蚀刻剂1102对于蚀刻停止层134’具有蚀刻选择性。此外，例如，蚀刻剂1102可以是湿蚀刻剂。
图12示出了对应于步骤418和420的一些实施例的截面图1200。
如图12所示，与像素传感器104A对应的滤色器140A、142A、144A形成在对应的像素传感器104A的剩余的介电栅格开口128A中，通常滤色器的上表面与剩余的介电栅格层132的上表面近似齐平。滤色器140A、142A、144A被分配给辐照的对应的颜色或波长(如，根据拜耳马赛克算法)，并且由被配置为将所分配的辐照的颜色或波长传输至对应的像素传感器104A的材料形成。此外，滤色器140A、142A、144A通常由折射率不同于(如，高于)剩余的介电栅格层132’的材料形成。对于每一个不同的滤色器分配来说，用于形成滤色器140A、142A、144A的工艺可以包括形成滤色器层并且图案化滤色器层。可以形成滤色器层，以填充剩余的介电栅格开口并且覆盖剩余的介电栅格层132。然后，在图案化滤色器层之前，可以平坦化(如，通过CMP)和/或回蚀刻滤色器层直到其与剩余的介电栅格层132的上表面大约平齐。
还如图12所示，与各像素传感器104A对应的微透镜146A形成在与各像素传感器104A对应的滤色器140A、142A、144A上方。用于形成微透镜146A的工艺可以包括在滤色器140A、142A、144A上面形成微透镜层(如，通过旋涂方法或沉积工艺)。此外，可以在微透镜层上面图案化具有凸形上表面的微透镜模板(template)。然后，可以根据微透镜模板选择性地蚀刻微透镜层，以形成微透镜146A。
因此，根据上面的内容可以理解，本发明提供了一种图像传感器。像素传感器布置在半导体衬底内。金属栅格部分布置在像素传感器上方并且其中具有金属栅格开口。金属栅格开口的中心横向偏移于像素传感器的中心。介电栅格部分布置在金属栅格上方并且其中具有介电栅格开口。介电栅格开口的中心横向偏移于像素传感器的中心。
在其他的实施例中，本发明提供了一种形成图像传感器的方法。提供布置在半导体衬底内的像素传感器。在半导体衬底上方形成金属栅格层。对金属栅格层执行第一蚀刻，以在半导体衬底上方形成限定金属栅格开口的侧壁的金属栅格。金属栅格开口的中心横向偏移于像素传感器的中心。在金属栅格上方形成介电栅格层。对介电栅格层执行第二蚀刻，以在金属栅格上方形成限定介电栅格开口的侧壁的介电栅格。介电栅格的中心横向偏移于像素传感器的中心。
在又一实施例中，本发明提供了一种图像传感器。多个像素传感器在半导体衬底内布置为阵列。多个金属栅格布置在像素传感器的阵列上方并具有与多个像素传感器相对应的多个金属栅格开口。阵列的边缘附近的金属栅格开口的中心以金属栅格偏移量横向偏移于对应的像素传感器的中心，金属栅格偏移量与对应的像素传感器与阵列的中心之间的距离成比例。多个介电栅格布置在金属栅格上方并具有与多个像素传感器对应的多个介电栅格开口。阵列的边缘附近的介电栅格开口的中心以介电栅格偏移量横向偏移于对应的像素传感器的中心，介电栅格偏移量与对应的像素传感器与阵列的中心之间的距离成比例。像素传感器的金属栅格偏移量不同于像素传感器的介电栅格偏移量。
上面论述了多个实施例的特征使得本领域技术人员能够更好地理解本发明的各个方面。本领域技术人员应该理解，他们可以容易地使用本发明作为基础来设计或修改用于执行与本文所述实施例相同的目的和/或实现相同优点的其他工艺和结构。本领域技术人员还应该意识到，这些等效结构不背离本发明的精神和范围，并且可以在不背离本发明的精神和范围的情况下做出各种变化、替换和改变。

Claims (17)

1.一种图像传感器，包括：
像素传感器，布置在半导体衬底内；
金属栅格部分，布置在所述像素传感器上方并且所述金属栅格部分中具有金属栅格开口，其中，所述金属栅格开口的中心横向偏移于所述像素传感器的中心；以及
介电栅格部分，布置在所述金属栅格上方并且所述介电栅格部分中具有介电栅格开口，其中，所述介电栅格开口的中心横向偏移于所述像素传感器的中心；
所述金属栅格开口的中心和所述介电栅格开口的中心分别以金属栅格偏移量和介电栅格偏移量横向偏移于所述像素传感器的中心，并且所述金属栅格偏移量和所述介电栅格偏移量与所述像素传感器与所述像素传感器阵列的中心之间的距离成比例。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述像素传感器是由多个像素传感器组成的像素传感器阵列的一部分；
其中，所述金属栅格部分是金属栅格的一部分，所述金属栅格由其中具有多个相应的金属栅格开口的多个金属栅格部分组成；
其中，所述介电栅格部分是介电栅格的一部分，所述介电栅格由其中具有多个相应的介电栅格开口的多个介电栅格部分组成。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
像素传感器阵列，包括所述像素传感器和与所述像素传感器相邻的第二像素传感器；
其中，所述像素传感器的中心以像素间距距离与所述第二像素传感器的中心分离，并且所述金属栅格开口的中心和所述介电栅格开口的中心分别以金属栅格偏移量和介电栅格偏移量横向偏移于所述像素传感器的中心，其中，所述金属栅格偏移量与所述像素间距距离的比率以及所述介电栅格偏移量与所述像素间距距离的比率在0和3之间。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
滤色器，布置在所述介电栅格开口内并且填充所述介电栅格开口；以及
微透镜，具有凸形上表面和平坦的下表面，所述下表面与所述滤色器的平坦的上表面邻接。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
覆盖层，布置在所述金属栅格部分上方，并且限定所述介电栅格开口的下表面；以及
蚀刻停止层，覆盖所述覆盖层，其中，所述介电栅格部分的侧壁与所述蚀刻停止层的侧壁对齐。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
后端制程(BEOL)金属化堆叠件，布置在所述半导体衬底的与所述金属栅格部分相对的侧面上。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
第二像素传感器，布置在所述半导体衬底内；
第二金属栅格部分，其中具有第二金属栅格开口，所述第二金属栅格开口以所述第二像素传感器的中心的正上方处为中心；以及
第二介电栅格部分，其中具有第二介电栅格开口，所述第二介电栅格开口以所述第二像素传感器的中心的正上方处为中心。
8.一种形成图像传感器的方法，所述方法包括：
提供布置在半导体衬底内的像素传感器；
在所述半导体衬底上方形成金属栅格层；
对所述金属栅格层执行第一蚀刻，以在所述半导体衬底上方形成限定金属栅格开口的侧壁的金属栅格，所述金属栅格开口的中心横向偏移于所述像素传感器的中心；
在所述金属栅格上方形成介电栅格层；以及
对所述介电栅格层执行第二蚀刻，以在所述金属栅格上方形成限定所述介电栅格开口的侧壁的介电栅格，所述介电栅格的中心横向偏移于所述像素传感器的中心；
其中，执行所述第一蚀刻和所述第二蚀刻，以形成分别以金属栅格偏移量和介电栅格偏移量横向偏移于所述像素传感器的中心的金属栅格开口和介电栅格开口，其中，所述金属栅格偏移量和所述介电栅格偏移量与所述像素传感器与所述像素传感器阵列的中心之间的距离成比例。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：
提供在所述半导体衬底内的像素传感器阵列，其中，所述像素传感器阵列包括所述像素传感器；以及
执行所述第一蚀刻和所述第二蚀刻，以形成分别以金属栅格偏移量和介电栅格偏移量横向偏移于所述像素传感器的中心的金属栅格开口和介电栅格开口，其中，所述金属栅格偏移量与所述像素传感器的像素间距距离的比率以及所述介电栅格偏移量与所述像素传感器的像素间距距离的比率在0和3之间。
10.根据权利要求8所述的方法，还包括：
形成填充所述介电栅格开口的滤色器；以及
形成微透镜，所述微透镜具有凸形上表面和位于所述滤色器上方的平坦的下表面。
11.根据权利要求8所述的方法，还包括：
形成位于所述金属栅格上方并且填充所述金属栅格开口的覆盖层；
在所述覆盖层上方形成蚀刻停止层；
在所述蚀刻停止层上方形成所述介电栅格层；
对所述介电栅格层执行所述第二蚀刻直至到达所述蚀刻停止层，以限定所述介电栅格开口；以及
对所述蚀刻停止层执行第三蚀刻，以去除所述蚀刻停止层的在所述介电栅格开口中暴露的区域。
12.根据权利要求8所述的方法，还包括：
提供布置在所述半导体衬底内的第二像素传感器；
执行所述第一蚀刻，以限定第二金属栅格开口，所述第二金属栅格开口以所述第二像素传感器的中心的正上方处为中心；以及
执行所述第二蚀刻，以限定第二介电栅格开口，所述第二介电栅格开口以所述第二像素传感器的中心的正上方处为中心。
13.一种图像传感器，包括：
多个像素传感器，在半导体衬底内布置为阵列；
多个金属栅格，布置在所述多个像素传感器的阵列上方并且具有与所述多个像素传感器对应的多个金属栅格开口，其中，位于所述阵列的边缘附近的金属栅格开口的中心以金属栅格偏移量横向偏移于对应的像素传感器的中心，所述金属栅格偏移量与所述对应的像素传感器与所述阵列的中心之间的距离成比例；以及
多个介电栅格，布置在所述多个金属栅格上方并且具有与所述多个像素传感器对应的多个介电栅格开口，其中，位于所述阵列的边缘附近的介电栅格开口的中心以介电栅格偏移量横向偏移于所述对应的像素传感器的中心，所述介电栅格偏移量与所述对应的像素传感器与所述阵列的中心之间的距离成比例；
其中，相对于一像素传感器的金属栅格偏移量不同于相对于所述像素传感器的介电栅格偏移量。
14.根据权利要求13所述的图像传感器，其中，相对于所述像素传感器的金属栅格偏移量小于相对于所述像素传感器的介电栅格偏移量。
15.根据权利要求13所述的图像传感器，其中，所述像素传感器的阵列中的相邻的像素传感器的中心以像素间距距离相互间隔，并且所述金属栅格偏移量与所述像素间距距离的比率以及所述介电栅格偏移量与所述像素间距距离的比率在0和3之间。
16.根据权利要求13所述的图像传感器，其中，位于所述阵列的中心区域附近的金属栅格开口的中心与位于所述阵列的中心区域的对应的像素传感器的中心对齐。
17.根据权利要求16所述的图像传感器，其中，位于所述阵列的中心区域附近的介电栅格开口的中心与位于所述阵列的中心区域的所述对应的像素传感器的中心对齐。
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