CN107230682A - Bsi图像传感器及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例提供了背照式(BSI)图像传感器及其形成方法。该方法包括在衬底中形成多个感光像素，该衬底具有第一表面和第二表面，第二表面与第一表面相对，该衬底具有位于第一表面上的一个或多个有源器件。保护第二表面的第一部分。图案化第二表面的第二部分以在衬底中形成凹槽。在凹槽的侧壁上形成抗反射层。在第二表面的第二部分上方形成金属栅格，抗反射层介于衬底和金属栅格之间。

Description

BSI图像传感器及其形成方法
技术领域
本发明的实施例总体涉及半导体领域，更具体地，涉及BSI图像传感器及其形成方法。
背景技术
由于背照式(BSI)图像传感器芯片在捕获光子方面更高效，因此背照式(BSI)图像传感器芯片取代前照式图像传感器芯片。在BSI图像传感器芯片的形成中，在晶圆的半导体衬底中形成图像传感器和逻辑电路，随后在硅芯片的前侧上形成互连结构。
BSI图像传感器芯片中的图像传感器响应于光子的激励而产生电信号。电信号(诸如光电流)的幅值依赖于由相应的图像传感器接收到的入射光的强度。然而，图像传感器遭受非光产生的信号，这些信号包括漏电流信号、热产生的信号、暗电流等。相应地，由图像传感器产生的电信号需要校准，以将不期望的信号从图像传感器的输出信号中剔除。为了剔除非光产生的信号，形成黑参考图像传感器，并且其用于产生非光产生的信号。因此，需要阻止黑参考图像传感器接收光信号。
黑参考图像传感器由金属屏蔽件覆盖，该金属屏蔽件在其中形成有图像传感器的半导体衬底的背侧上形成。此外，还在半导体衬底的背侧上形成背侧金属焊盘以用于接合或测试。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种形成图像传感器的方法，包括：在衬底中形成多个感光像素，所述衬底具有第一表面和第二表面，所述第二表面与所述第一表面相对，所述衬底具有位于所述第一表面上的一个或多个有源器件；保护所述第二表面的第一部分；图案化所述第二表面的第二部分以在所述衬底中形成凹槽；在所述凹槽的侧壁上形成抗反射层；以及在所述第二表面的所述第二部分上方形成金属栅格，所述抗反射层介于所述衬底和所述金属栅格之间。
根据本发明的另一个方面，提供了一种形成图像传感器的方法，包括：在衬底中形成多个感光区域，所述衬底具有第一表面和第二表面，所述第二表面与所述第一表面相对，所述衬底具有位于所述第一表面上的至少一个有源器件；在所述第二表面的第一部分上方形成金属栅格，所述金属栅格暴露所述衬底的部分；使所述衬底的暴露的所述部分凹进以在所述衬底中形成凹槽；在所述凹槽的侧壁和所述金属栅格的侧壁上形成抗反射层；以及用第一介电层填充所述凹槽，所述第一介电层在所述金属栅格的最顶面之上延伸。
根据本发明的又一个方面，提供了一种图像传感器，包括：衬底，所述衬底具有第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面相对；至少一个有源器件，位于所述衬底的所述第一表面上；多个感光区域，位于所述衬底中；多个凹槽，位于所述衬底的所述第二表面中，所述多个凹槽被设置在所述多个感光区域上方；抗反射层，沿着所述多个凹槽的侧壁延伸；以及金属栅格，位于所述多个凹槽上方。
附图说明
当结合附图进行阅读时，从以下详细描述可最佳理解本发明的各个方面。应该指出，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各个部件的尺寸可以任意地增大或减小。
图1至图8是根据一些实施例的BSI图像传感器的制造期间各个工艺步骤的截面图。
图9A至图13B是根据一些实施例的扫描电子显微镜(SEM)图像的示例性立体图和高吸收结构的截面图。
图14示出了根据一些实施例的衬底的背面的反射率。
图15是根据一些实施例的示出形成BSI图像传感器的方法的流程图。
图16至图19是根据一些实施例的BSI图像传感器的制造期间的各个工艺步骤的截面图。
图20是根据一些实施例的示出形成BSI图像传感器的方法的流程图。
具体实施方式
以下公开内容提供了许多用于实现本发明的不同特征的不同实施例或实例。下面描述了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，而不旨在限制本发明。例如，以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实例。此外，本发明可在各个实施例中重复参考标号和/或字符。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。
而且，为便于描述，在此可以使用诸如“在…之下”、“在…下方”、“下部”、“在…之上”、“上部”等空间相对术语，以描述如图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)原件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，而本文使用的空间相对描述符可以同样地作出相应的解释。
根据各个示例性实施例，本发明提供了背照式(BSI)图像传感器及其形成方法。各个实施例包括BSI传感器的背侧上的高吸收(HA)结构以减小反射率并且提高入射电磁辐射的吸收。各个实施例还优化对BSI图像传感器的背侧实施的工艺步骤以提高产生的BSI图像传感器的光学性能。例如，本发明描述的各个实施例减小了产生的BSI图像传感器的光路，这有利地改进了产生的BSI图像传感器的量子效率并且减少了光学串扰。
图1至图8是根据一些实施例的BSI图像传感器100的制造期间各个工艺步骤的截面图。图1示出了根据一些实施例的BSI图像传感器100的中间结构。在一些实施例中，BSI图像传感器100可以是未切割晶圆中包括与BSI图像传感器100类似的附加BSI图像传感器的部分。在示出的实施例中，示出了BSI图像传感器100的具有像素阵列区域103和黑电平校正(BLC)区域105的部分。例如，BSI图像传感器100还可以包括其它区域，诸如接触焊盘(E-pad)区域和诸如划线主要标志(SPM)区域的对准区域，因为它们的包含对于理解本发明描述的各个实施例不是必要的，因此没有明确示出。
在一些实施例中，BSI图像传感器100包括衬底107。例如，衬底107可以包括掺杂或未掺杂的块状硅或绝缘体上半导体(SOI)衬底的有源层。一般地，SOI衬底包括在绝缘层上形成的半导体材料(诸如硅)层。例如，绝缘层可以是埋氧(BOX)层或氧化硅层。在衬底(诸如硅或玻璃衬底)上提供绝缘层。可选地，衬底107可以包括另一元素半导体(诸如锗)；化合物半导体(包括碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟、砷化铟和/或锑化铟)；合金半导体(包括SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP和/或GaInAsP)；或它们的组合。也可以使用诸如多层或梯度衬底的其他衬底。在通篇描述中，表面107A称为衬底107的正面，而表面107B称为衬底107的背面，该背面与BSI图像传感器100的背面一致。
在衬底107的正面107A处形成多个感光像素109(包括109A和109B)。感光像素109包括相应的感光器件(未示出)，例如，可以通过注入合适的杂质离子而形成的感光器件。在一些实施例中，杂质离子可以注入在衬底107内的外延层(未示出)中。感光器件被配置为将光信号(例如，光子)转换为电信号，并且可以是PN结光电二极管、PNP光电晶体管、NPN光电晶体管等。例如，感光器件可以包括在p-型半导体层(例如，至少衬底107的至少一部分)内形成的n-型注入区域。在这种实施例中，p型衬底可以隔离并且减少感光像素109的邻近的光敏区域之间的电串扰。在实施例中，感光像素109从衬底107的正面107A朝向衬底107的背面107B延伸并且形成感光像素阵列。在一些实施例中，自顶向下看(未示出)，感光像素109形成二维矩形阵列。在一些实施例中，每个感光像素109还可以包括传输门晶体管(未示出)和浮置扩散电容器(未示出)。在每个感光像素109中，对应传输门晶体管的第一源极/漏极区域电连接至相应的感光器件，对应传输门晶体管的第二源极/漏极区域电连接至相应的浮置扩散电容器。
在一些实施例中，在衬底107中且位于相邻的感光像素109之间形成隔离区域111以防止各感光像素109之间的电串扰。在一些实施例中，隔离区域111可以包括浅沟槽隔离(STI)结构。在一些实施例中，可以通过图案化衬底107的正面107A以在衬底107中形成沟槽并且用合适的介电材料填充沟槽以形成STI结构来形成STI结构。在一些实施例中，使用合适的光刻和蚀刻工艺来图案化衬底107。在其它实施例中，隔离结构111可以包括使用合适的注入工艺而形成的各个掺杂区域。
在一些实施例中，BSI图像传感器100的像素阵列区域103包括用于由感测的光生成电信号的有源感测像素109A。BSI图像传感器100的BLC区域105包括用于生成参考黑电平信号的参考感光像素109B。在一些实施例中，感光像素109A和109B可以使用类似的方法形成，并且感光像素109A和109B的结构可以彼此相同。
在一些实施例中，除了包括光电二极管器件、传输门晶体管和浮置扩散电容器的感光像素109之外，在衬底107的正面107A上形成一个或多个有源和/或无源器件121(为了说明的目的，在图1中将其描述为单个晶体管)。一个或多个有源和/或无源器件121可以包括各种N-型金属氧化物半导体(NMOS)和/或P-型金属氧化物半导体(PMOS)器件，诸如晶体管、电容器、电阻器、二极管、光电二极管、熔丝等。本领域中普通技术人员将意识到以上提供的实例仅用于说明的目的而不意味着以任何方式限制本发明。对于给定的应用，可以适当地使用其它电路。
可以在衬底107的正面107A上形成互连结构113。互连结构113可以包括层间介电(ILD)层115和/或金属间介电(IMD)层117，金属间介电(IMD)层117包含使用诸如镶嵌、双镶嵌等任何合适的方法而形成的导电部件(例如，包含铜、铝、钨、它们的组合等的导线和通孔)。例如，ILD 115和IMD 117可以包括设置在这些导电部件之间且k值低于约4.0或甚至2.0的低k介电材料。在一些实施例中，例如，ILD 115和IMD 117可以由通过任何合适的方法(诸如旋涂、化学汽相沉积(CVD)、等离子体增强CVD(PECVD)等)而形成的磷硅酸盐玻璃(PSG)、硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)、氟硅酸盐玻璃(FSG)、SiOxCy、旋涂玻璃、旋涂聚合物、硅碳材料、它们的化合物、它们的复合物或它们的组合等制成。互连结构电连接各个有源和/或无源器件(例如，感光像素109的感光器件)以在BSI图像传感器100内形成电路。在一些实施例中，在互连结构113上方形成钝化层119。钝化层119可以由k值大于3.9的非低k介电材料形成。在一些实施例中，钝化层119可以包括氧化硅层、氮化硅层等的一层或多层，并且可以使用CVD、PECVD、热氧化等形成。
图2和图3示出了在像素阵列区域103中且在BSI图像传感器100的背面107B上形成高吸收(HA)结构301。如以下更详细的描述，HA结构301减小了BSI图像传感器100的背面107B的反射。因此，更多光被有源感光像素109A吸收。首先参照图2，翻转BSI图像传感器100并且将其接合至载体衬底201，从而使得衬底107的正面107A面向载体衬底201并且暴露衬底107的背面107B以用于进一步处理。可以采用各种接合技术以实现BSI图像传感器100和载体衬底201之间的接合。在一些实施例中，例如，该接合技术可以包括直接接合工艺(诸如金属至金属接合(例如，铜至铜接合)、电介质至电介质接合(例如，氧化物至氧化物接合)、金属至电介质接合(例如，氧化物至铜接合))、混合接合、粘合接合、阳极接合、任何它们的组合等。在一些实施例中，载体衬底201可以为对衬底107的背面107B实施的工艺步骤提供机械支撑。在一些实施例中，载体衬底201可以由硅或玻璃形成并且可以没有在其上形成的电路。在这样的实施例中，载体衬底201提供了临时支撑并且在完成对衬底107的背面107B实施的工艺步骤之后，从BSI图像传感器100处脱离。在其它实施例中，载体衬底201可以包括半导体衬底(未示出)、半导体衬底上的一个或多个有源器件(未示出)以及该一个或多个有源器件上方的互连结构(未示出)。在这种实施例中，除了提供机械支撑之外，载体衬底201可以根据设计需求对BSI图像传感器100提供额外的电功能。
在BSI图像传感器100和载体衬底201接合之后，可以对BSI图像传感器100的背面107B施加减薄工艺。在实施例中，减薄工艺用以允许更多的光从衬底107的背面107B穿过至感光像素109的光敏区域而没有被衬底107吸收。在外延层中制造感光像素109的实施例中，可以减薄BSI图像传感器100的背面107B直至暴露外延层。可以通过使用诸如研磨、抛光、工序、工序和/或化学蚀刻的合适的技术来实施减薄工艺。在减薄之后，例如，衬底107可以具有约2.5μm的厚度，但是其他实施例在减薄之后可以包括具有不同厚度的衬底107。
进一步参照图2，在BSI图像传感器100的背面107B上形成图案化掩模203。在一些实施例中，图案化掩模203可以由诸如光刻胶或非光刻胶材料(诸如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等或它们的组合)的感光材料形成。在一些图案化掩模203由感光材料形成的实施例中，通过将感光材料暴露于光来图案化图案化掩模203。随后，固化并且显影感光材料以去除感光材料的曝光(或未曝光)的部分。在图案化掩模203由非感光材料形成的其它实施例中，可以使用合适的光刻和蚀刻工艺来图案化非感光材料。
图案化该图案化掩模203以在其中形成多个开口205，从而使得BSI图像传感器100的背面107B在像素阵列区域103中的部分通过开口205暴露，而BSI图像传感器100在BLC区域105中的背面107B完全地由图案化掩模203覆盖。在一些实施例中，图案化掩模203的介于相邻的开口205之间的未去除部分207具有均匀的宽度W1、均匀的间隔S1以及均匀的间距P1，其中，P1等于W1和S1的总和。在一些实施例中，自顶向下看，图案化掩模203的未去除部分207可以形成二维矩形阵列或二维网格。随后，在使用图案化掩模203作为蚀刻掩模的同时使用合适的蚀刻工艺来图案化BSI图像传感器100的背面107B。如以下更详细的描述，可以通过调节图案化掩模203的未去除部分207的宽度W1、间隔S1和间距P1来调节HA结构301的图案。在一些实施例中，宽度W1介于约0.08μm和约0.3μm之间，间隔S1介于约0.72μm和约2.7μm之间，并且间距P1介于约0.8μm和约3μm之间。
参照图3，图案化BSI图像传感器100的背面107B以在BSI图像传感器100的背面107B上形成HA结构301。在一些实施例中，在使用图案化掩模203作为蚀刻掩模的同时使用合适的各向异性湿蚀刻工艺来图案化BSI图像传感器100的背面107B。在衬底107由硅形成的一些实施例中，可以使用氢氧化钾(KOH)、乙二胺邻苯二酚(EPD)、四甲基氢氧化铵(TMAH)或类似物来实施各向异性湿蚀刻。在形成HA结构301之后，去除图案化掩模203。在图案化掩模203由光刻胶形成的一些实施例中，，可以使用灰化工艺和随后的湿清洗工艺来去除图案化掩模203。在图案化掩模203由非光刻胶材料形成的其它实施例中，可以使用合适的蚀刻工艺来去除图案化掩模203。
图案化BSI图像传感器100的背面107B以在衬底107中形成多个沟槽303。在一些实施例中，沟槽303可以具有介于约0.25μm和约1μm之间的深度。在示出的实施例中，衬底107的介于相邻的沟槽303之间的未去除部分305具有曲线图案或锯齿状图案。在一些实施例中，自顶向下看，沟槽303可以围绕HA结构301的未去除部分305形成连续的沟槽，其中，HA结构301的未去除部分305具有以矩形阵列布置的圆锥形状。提供图3中示出的HA结构301的图案仅用于说明的目的并且不意味着以任何方式限制本发明。在以下更详细的描述中，可以通过改变图案化掩模203的未去除部分207的宽度W1、间隔S1和间距P1以及通过改变蚀刻工艺的参数(例如，诸如蚀刻工艺的持续时间)来改变HA结构301的图案。各种HA结构的这种图案在图9A至图13B中示出并且在以下更详细地讨论。
图3示出了在示出的截面中每个有源感光像素109A约有HA结构301的三个未去除部分305。然而，在其它实施例中，每个有源感光像素109A的HA结构301的未去除部分305的数量可以大于三个或小于三个并且可以根据BSI图像传感器100的设计需求而改变。此外，在示出的实施例中，HA结构301的未去除部分305的顶面具有尖角。然而，在其它实施例中，HA结构301的未去除部分305可以具有圆化或平坦的顶面，以下将参照图9A至图13B更详细的讨论。
参照图4，在形成HA结构301之后，在BSI图像传感器100的背面107B上形成底部抗反射涂(BARC)层401。在一些实施例中，BARC层401包括诸如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铪、氧化钽或它们的组合的合适的介电材料，但是也可以使用其它的材料。在一些实施例中，可以使用原子层沉积(ALD)、CVD、PECVD、物理汽相沉积(PVD)、金属有机化学汽相沉积(MOCVD)等形成BARC层401。在BARC层401包括氧化物层的一些实施例中，低温远程等离子体辅助氧化(LRPO)工艺可以用于形成BARC层401。BARC层401用于进一步减小入射光从BSI图像传感器100的背面107B处的反射。在示出的实施例中，BARC层401包括具有介于约和约之间(诸如约)的厚度的HfO2层以及具有介于约和约之间(诸如约)的厚度的Ta2O5层，其中，在HfO2层上方形成Ta2O5层。
参照图5，在BARC层401上方形成第一介电层501。在一些实施例中，例如，第一介电层501可以由氧化硅形成，但是可以使用其它介电材料。在一些实施例中，可以使用ALD、CVD、PECVD等或它们的组合形成第一介电层501。在第一介电层501包括氧化物层的一些实施例中，LRPO可以用于形成第一介电层501。在示出的实施例中，第一介电层501是等离子体增强氧化物(PEOX)层。随后，使用研磨工艺、化学机械抛光工艺(CMP)工艺、蚀刻工艺等来平坦化第一介电层501。在平坦化工艺之后，第一介电层501可以具有介于约和约之间(诸如约)的厚度。第一介电层501也可以称为第一缓冲氧化物层501。
参照图6和图7，在第一介电层501上方形成金属屏蔽件701和金属栅格703，从而使得在BSI图像传感器100的BLC区域中形成金属屏蔽件701而在BSI图像传感器100的像素阵列区域103中形成金属格栅703。首先参照图6，在第一介电层501上方形成阻挡/粘合层601并且在阻挡/粘合层601上方形成导电层603。在一些实施例中，阻挡/粘合层601可以包括钛、氮化钛、钽、氮化钽或它们的多层并且可以使用CVD、PVD、MOCVD等形成。导电层603可以包括铝、铜、镍、钨、它们的合金等并且可以使用PDV、镀等形成。在一些实施例中，阻挡/粘合层601的厚度可以介于约和约之间，并且导电层603的厚度可以介于约和约之间。在示出的实施例中，阻挡/粘合层601包括具有约的厚度的氮化钛并且导电层603包括具有约的厚度的钨。应该注意，整篇描述列举的尺寸仅仅是实例，并且可以改变为不同的值。
在一些实施例中，形成阻挡/粘合层601和导电层603，从而使得阻挡/粘合层601和导电层603电连接至衬底107。这种电连接为阻挡/粘合层601和导电层603以及随后通过图案化阻挡/粘合层601和导电层603而形成的金属屏蔽件701和金属栅格703提供了适当的接地。在这种实施例中，图案化BARC层401和第一介电层501以形成暴露BLC区域105中的衬底107的背面107B的一个或多个开口。在一些实施例中，可以使用合适的光刻和蚀刻工艺来图案化BARC层401和第一介电层501。阻挡/粘合层601和导电层603填充一个或多个开口并且电连接至衬底107。
参照图7，图案化阻挡/粘合层601和导电层603以形成金属屏蔽件701和金属栅格703。图案化工艺在像素阵列区域103中的阻挡/粘合层601和导电层603中形成多个开口705，从而使得第一介电层501通过开口705暴露。在一些实施例中，有源感光像素109A与相应的开口705对准。阻挡/粘合层601和导电层603的剩余在BLC区域105中的部分用作金属屏蔽件701。金属屏蔽件701阻挡光，否则该光将被参考感光像素109B接收。阻挡/粘合层601和导电层603的剩余在像素阵列区域103中的部分形成金属栅格703。金属栅格703防止相邻的有源感光像素109A之间的光学串扰。在一些实施例中，自顶向下看，金属栅格703的壁可以包围每个有源感光像素109A。此外，金属栅格703和金属屏蔽件701可以彼此电连接。
参照图8，第二介电层801在金属栅格703和金属屏蔽件701上方形成并且填充开口705。在一些实施例中，可以使用与以上参照图5所述的第一介电层501类似的材料和方法来形成第二介电层801因此该描述不在此处重复。在一些实施例中，第一介电层501和第二介电层801可以由相同的材料形成。在其它实施例中，第一介电层501和第二介电层801可以由不同的材料形成。随后，使用研磨工艺、化学机械抛光(CMP)工艺、蚀刻工艺等来平坦化第二介电层801。在平坦化工艺之后，第二介电层801可以具有介于约和约之间(诸如约)的厚度。第二介电层801也可以称为第二缓冲氧化物层801。
进一步参照图8，在第二介电层801上方形成滤色片层803。在一些实施例中，滤色片层803包括第三介电层805，例如，其中形成有多个滤色片807的氧化硅层。在一些实施例中，滤色片807与相应的有源感光像素109A对准。滤色片807可以用于允许特定波长的光穿过而反射其它波长的光，从而允许BSI图像传感器100确定被有源感光像素109A接收的光的颜色。滤色片807可以变化，诸如用于拜耳图案中的红色、绿色和蓝色滤色片。也可以使用诸如青色、黄色和品红色的其它组合。不同颜色的滤色片807的数量也可以改变。滤色镜807可以包括包含彩色颜料的聚合物材料或树脂，诸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚缩水甘油酯-甲基丙烯酸酯(PGMA)等。在一些实施例中，沿着滤色片807的侧壁形成反射引导层(未示出)。反射引导层由能够反射光的金属或其它高折射率材料(诸如铜、铝、氮化钽、氮化钛、钨、氮化硅等或它们的组合)形成。
在滤色片层803上方形成微透镜809的阵列。在一些实施例中，微透镜809与相应的滤色片807以及相应的有源感光像素109A对准。微透镜809可以由可图案化并且形成为透镜的任何材料(诸如高透光率丙烯酸聚合物形成)。在实施例中，例如，可以通过旋涂技术且使用液态材料形成微透镜层。也可以使用诸如CVD、PVD等的其它方法。可以使用合适的光刻和蚀刻方法来图案化用于微透镜层的平面材料以将平面材料图案化为对应于有源感光器件的阵列的阵列。之后，可以回流平面材料以形成用于微透镜809的适当的曲面。随后，例如，可以使用UV处理来固化微透镜809。在一些实施例中，在形成微透镜809之后，载体衬底201可以从BSI图像传感器100处脱离并且BSI图像传感器100可以经受诸如封装的进一步处理。
图9A和图9B是根据一些实施例的分别示出了在衬底901的背面上形成的HA结构900的立体图和截面图的扫描电子显微镜(SEM)图像。可以使用与以上参照图2和图3所述的HA结构301类似的方法形成HA结构900因此该描述不在此处重复。在示出的实施例中，使用通过TMAH且持续时间约60s的湿蚀刻来图案化由硅形成的衬底901以形成多个沟槽903。在示出的实施例中，沟槽903具有约的高度。HA结构900的具有圆锥形状的未去除的部件905以矩形阵列布置，从而使得沟槽903形成围绕HA结构900的每个未去除的部件905的连续的沟槽。与图2中示出的图案化掩模203类似的图案化掩模(未示出)用于帮助图案化衬底901。在示出的实施例中，图案化掩模的未去除部件(与图案化掩模203的未去除部分207类似)具有约0.1μm的宽度，约0.4μm的间隔，以及约0.5μm的间距。
图10A和图10B是根据一些实施例的分别示出了在衬底1001的背面上形成的HA结构1000的立体图和截面图的扫描电子显微镜(SEM)图像。可以使用与以上参照图2和图3所述的HA结构301类似的方法形成HA结构1000因此该描述不在此处重复。在示出的实施例中，使用通过TMAH的持续时间约60s的湿蚀刻来图案化由硅形成的衬底1001的背面以形成多个沟槽1003。在示出的实施例中，沟槽1003具有约的高度。HA结构1000的具有圆锥形状的未去除的部件1005以矩形阵列布置，从而使得多个沟槽1003形成围绕HA结构1000的每个未去除的部件1005的连续的沟槽。与图2中示出的图案化掩模203类似的图案化掩模(未示出)用于帮助图案化衬底1001。在示出的实施例中，图案化掩模的未去除部件(与图案化掩模203的未去除部分207类似)具有约0.1μm的宽度，约0.55μm的间隔，以及约0.65μm的间距。
图11A和图11B是根据一些实施例的分别示出了在衬底1101的背面上形成的HA结构1100的立体图和截面图的扫描电子显微镜(SEM)图像。在示出的实施例中，HA结构1100的未去除部件1105形成具有矩形栅格形状的连续部件并且每个开口1103由矩形栅格的壁围绕。可以使用与以上参照图2和图3所述的HA结构301类似的方法形成HA结构1100因此该描述不在此处重复。在示出的实施例中，使用通过TMAH的持续时间约60s的湿蚀刻来图案化由硅形成的衬底1101的背面以形成多个开口1103。与图2中示出的图案化掩模203类似的图案化掩模(未示出)用于帮助图案化衬底1101。在示出的实施例中，图案化掩模的未去除部件(与图案化掩模203的未去除部分207类似)具有约0.3μm的宽度，约0.15μm的间隔，以及约0.45μm的间距。
图12A和图12B是根据一些实施例的分别示出了在衬底1201的背面上形成的HA结构1200的立体图和截面图的扫描电子显微镜(SEM)图像。可以使用与以上参照图2和图3所述的HA结构301类似的方法形成HA结构1200因此该描述不在此处重复。在示出的实施例中，使用通过TMAH的持续时间约60s的湿蚀刻来图案化由硅形成的衬底1201的背面以形成多个沟槽1203。在示出的实施例中，沟槽1203具有约的高度。HA结构1200的具有圆锥形状的未去除的部件1205以矩形阵列布置，从而使得多个沟槽1203形成围绕HA结构1200的每个未去除的部件1205的连续的沟槽。与图2中示出的图案化掩模203类似的图案化掩模(未示出)用于帮助图案化衬底1201。在示出的实施例中，图案化掩模的未去除部件(与图案化掩模203的未去除部分207类似)具有约0.2μm的宽度，约0.4μm的间隔，以及约0.6μm的间距。
图13A和图13B是根据一些实施例的分别示出了在衬底1301的背面上形成的HA结构1300的立体图和截面图的扫描电子显微镜(SEM)图像。可以使用与以上参照图2和图3所述的HA结构301类似的方法形成HA结构1300因此该描述不在此处重复。在示出的实施例中，使用通过TMAH的持续时间约60s的湿蚀刻来图案化由硅形成的衬底1301的背面以形成多个沟槽1303。在示出的实施例中，沟槽1303具有约的高度。HA结构1300的具有圆柱形状的未去除的部件1305以矩形阵列布置，从而使得多个沟槽1303形成围绕HA结构1300的每个未去除的部件1305的连续的沟槽。与图2中示出的图案化掩模203类似的图案化掩模(未示出)用于帮助图案化衬底1301。在示出的实施例中，图案化掩模的未去除部件(与图案化掩模203的未去除部分207类似)具有约0.36μm的宽度，约0.24μm的间隔，以及约0.6μm的间距。
在一些实施例中，与衬底的背面的未图案化的部分相比，通过在衬底的背面上形成HA结构(例如，诸如HA结构301、900、1000、1100、1200和1300)，可以减小衬底的背面的反射率。
图14绘出了各条曲线，这些曲线示出了反射率对入射光的波长的依赖性，其中，入射光相对于垂直于衬底的背面的法线形成约15度角。曲线1401是未经过图案化的衬底的背面的反射率。曲线1403和1405是具有HA结构的衬底的背面的反射率。如图14所示，HA结构可以显著的减小衬底的背面的反射率。在一些实施例中，衬底的背面的反射率可以通过在衬底的背面上形成HA结构减小约30％或更多。此外，光的反射率不仅在可见区域中减小，而且在近红外(NIR)区域中减小，这利于HA图案在NIR器件中的应用。
图15是根据一些实施例的示出形成BSI图像传感器的方法1500的流程图。该方法开始于步骤1501，其中，如以上参照图1所述，在衬底的第一侧(诸如图1中示出的衬底107的正面107A)上形成一个或多个感光区域(诸如图1中示出的感光像素109)。在步骤1503中，如以上参照图2和图3所述，在与衬底的第一侧相对的衬底的第二侧(诸如图1中示出的衬底107的背面107B)上形成高吸收(HA)结构(诸如图3中示出的HA结构301)。在步骤1505中，如以上参照图4至图7所述，在HA结构上方形成金属栅格(诸如图7中示出的金属栅格703)。
图16至图19是根据一些实施例的BSI图像传感器1600的制造期间各个工艺步骤的截面图。图16示出了根据一些实施例的BSI图像传感器1600的中间结构。在一些实施例中，BSI图像传感器1600的中间结构与以上参照图1所述的BSI图像传感器100的中间结构类似，其中，相同的元件由相同的参考标号标记，因此该描述此处不再重复。
参照图17，翻转BSI图像传感器1600并且接合至载体衬底201，从而使得衬底107的正面107A面向载体衬底201而暴露衬底107的背面107B以用于进一步处理。在一些实施例中，BSI图像传感器1600使用与以上参照图2所述的类似的方法接合至载体衬底201因此该描述此处不再重复。在BSI图像传感器1600和载体衬底201接合之后，可以对BSI图像传感器1600的背面107B施加减薄工艺。在一些实施例中，BSI图像传感器1600的背面107B可以使用与以上参照图2所述的类似的方法来减薄BSI图像传感器1600的背面107B因此该描述此处不再重复。
在减薄之后，在衬底107的背面107B上形成第一介电层1701。在一些实施例中，可以使用与以上参照图5所述的与第一介电层501类似的材料和方法形成第一介电层1701因此该描述不在此处重复。在一些实施例中，第一介电层1701的厚度可以介于约和约之间(诸如约 )。在一些实施例中，第一介电层1701的厚度可以小于第一介电层501的厚度，与BSI图像传感器100相比，这可以有利地允许BSI图像传感器1600的光学路径的减小。第一介电层1701也可以称为第一缓冲氧化物层1701。因此，可以有利地增大BSI图像传感器1600的量子效率并且可以有利地减小BSI图像传感器1600的光学串扰。
随后，在第一介电层1701上方形成阻挡/粘合层1703并且在阻挡/缓冲层1703上方形成导电层1705。在一些实施例中，阻挡/粘合层1703和导电层1705可以分别使用与以上参照图6所述的阻挡/粘合层601和导电层603相同的材料和方法来形成因此该描述不在此处重复。在一些实施例中，阻挡/粘合层1703的厚度可以介于约和约之间，并且导电层1705的厚度可以介于约和约之间。在一些示出的实施例中，阻挡/缓冲层1703包括具有约的厚度的氮化钛而导电层1705包括具有约的厚度的钨。应该注意，整篇描述列举的尺寸仅仅是实例，并且可以改变为不同的值。如以下更详细的描述，图案化阻挡/缓冲层1703和导电层1705以形成金属屏蔽件1801和金属栅格1803(见图18)。
在一些实施例中，在导电层1705上方形成第二介电层1707。在一些实施中，第二介电层1707可以使用与以上参照图5所述的第一介电层501类似的材料和方法来形成因此该描述不在此处重复。在一些实施例中，第一介电层1701和第二介电层1707可以由相同的材料形成。在其它实施例中，第一介电层1701和第二介电层1707可以由不同的材料形成。随后，使用研磨工艺、CMP工艺、蚀刻工艺等来平坦化第二介电层1707。在平坦化工艺之后，第二介电层1707可以具有介于约和约之间的厚度。第二介电层1707也可以称为第二缓冲氧化物层1707。
进一步参照图17，在第二介电层1707上方形成图案化掩模1709。在一些实施例中，图案化掩模1709可以使用与以上参照图2所述的图案化掩模203类似的材料和方法来形成因此该描述不在此处重复。在一些实施例中，图案化掩模1709包括暴露第二介电层1707在像素阵列区域103的部分的多个开口1711，而BLC区域中的第二介电层1707由图案化掩模1709完全地覆盖。在一些实施例中，图案化掩模1709的未去除部分1713具有均匀的宽度W2、均匀的间隔S2以及均匀的间距P2，其中，P2等于W2和S2的总和。在一些实施例中，自顶向下看，图案化掩模1709的未去除部分1713可以形成二维矩形阵列。如以下更详细的描述，在图案化第一介电层1701、阻挡/粘合层1703、导电层1705和第二介电层1707时，图案化掩模1709用作蚀刻掩模。在一些实施例中，宽度W2介于约0.08μm和约0.3μm之间，间隔S2介于约0.72μm和约2.7μm之间，并且间距P2介于约0.8μm和约3μm之间。
参照图18，图案化第一介电层1701、阻挡/粘合层1703、导电层1705和第二介电层1707以形成多个开口1805。开口1805延伸穿过第一介电层1701、阻挡/粘合层1703、导电层1705和第二介电层1707，并且暴露衬底107的背面107B在像素阵列区域103的部分。在一些实施例中，在使用图案化掩模1709作为蚀刻掩模的同时，可以使用一种或多种合适的蚀刻工艺图案化第一介电层1701、阻挡/粘合层1703、导电层1705和第二介电层1707。在图案化之后，去除图案化掩模1709。在一些实施例中，可以使用与以上参照图3所述的图案化掩模203类似的方法来去除图案化掩模1709因此该描述不在此处重复。
进一步参照图18，图案化工艺形成了金属屏蔽件1801和金属栅格1803。在示出的实施例中，金属栅格1803的壁可以具有分别与图案化掩模1709的未去除部分1713的宽度W2、间隔S2和间距P2类似的宽度、间隔、间距。如以下更详细的描述，将金属栅格1803与第一介电层1701和第二介电层1707的相应的未去除部分作为掩模以帮助图案化衬底107的背面107B以形成HA结构1901(见图19)。在一些实施例中，在金属栅格1803和金属屏蔽件1801上方形成第三介电层1807以保护金属栅格1803在形成HA结构1901时免受图案化工艺的损坏。在一些实施例中，可以使用与以上参照图5所述的第一介电层501类似的材料和方法形成第三介电层1807因此该描述不在此处重复。在一些实施例中，第一介电层1701、第二介电层1707和第三介电层1807可以由相同的材料形成。在其它实施例中，第一介电层1701、第二介电层1707和第三介电层1807可以由不同的材料形成。
在一些实施例中，在第三介电层1807上方形成图案化掩模1809。在示出的实施例中，图案化掩模1809保护BSI图像传感器1600的在BLC区域105中的金属屏蔽件1801，而暴露BSI图像传感器1600的像素阵列区域103中的金属栅格1803。在一些实施例中，可以使用与以上参照2所述的图案化掩模203类似的材料和方法来形成图案化掩模1809因此该描述不在此处重复。如以下更详细的描述，将金属栅格1803和图案化掩模1809用作组合掩模以帮助图案化衬底107的背面107B。
参照图19，图案化像素阵列区域103中的衬底107的背面107B以形成HA结构1901。在一些实施例中，在使用金属栅格1803和图案化掩模层1809作为组合的蚀刻掩模的同时，使用合适的蚀刻工艺来图案化衬底107的背面107B。在一些实施例中，可以使用与以上参照图3所述的HA结构301类似的蚀刻工艺来形成HA结构1901因此该描述不在此刻重复。在示出的实施例中，HA结构1901包括多个沟槽1903和介于相邻的沟槽1903之间的多个未去除部件1905。在一些实施例中，HA结构1901可以具有以上参照图9A至图13B所述的图案因此该描述不在此处重复。在一些实施例中，形成HA结构1901的图案化工艺也可以去除第三介电层1807的在像素阵列区域103中的第一部分，而第三介电层1807的在BLC区域105中的第二部分保留未被去除。随后，使用与以上参照图2所述的图案化掩模203类似的方法来形成图案掩模1809因此该描述不在此处重复。
进一步参照19，在形成HA结构1901之后，在沟槽1903的侧壁上以及金属栅格1803和金属屏蔽件1801上方形成BARC层1907。在一些实施例中，可以使用与以上参照图4所述的BARC层401类似的材料和方法来形成BARC层1907因此该描述不在此处重复。在示出的实施例中，去除像素阵列区域103中的第三介电层1807并且至少部分BARC层1907接触沟槽1903的侧壁和金属栅格1803的侧壁。
在一些实施例中，在BARC层1907上方形成第四介电层1909。在一些实施例中，可以使用与以上参照图5所述的第一介电层501类似的材料和方法来形成第四介电层1909因此该描述不在此处重复。在一些实施例中，第一介电层1701、第二介电层1707、第三介电层1807和第四介电层1909可以由相同的材料形成。在其它实施例中，第一介电层1701、第二介电层1707、第三介电层1807和第四介电层1909由不同的材料形成。随后，使用研磨工艺、CMP工艺、蚀刻工艺等来平坦化第四介电层1909。在平坦化工艺之后，第四介电层1909可以具有介于约和约之间(诸如约)的厚度。第四介电层1909也可以称为第四缓冲氧化物层1909。
进一步参照图19，在第四介电层1909上方形成滤色片层1911。在一些实施例中，滤色片层1911包括其中形成有多个滤色片1915的第五介电层1913。在一些实施例中，可以分别使用与以上参照图8所述的第三介电层805和滤色片807类似的材料和方法来形成第五介电层1913和滤色片1915因此该描述不在此处重复。随后，在滤色片层1911上方形成微透镜1917，从而使得微透镜1917与相应的滤色片1915和相应的有源感光像素109A对准。在一些实施例中，可以使用与以上参照图8所述的微透镜809类似的方法和材料来形成微透镜1917因此该描述不在此处重复。在一些实施例中，在形成微透镜1917之后，载体衬底201可以从BSI像素传感器1600处脱离并且例如，BSI图像传感器1600可以进一步经受诸如封装的工艺。
图20是根据一些实施例的示出形成BSI图像传感器方法2000的流程图。方法2000开始于步骤2001，其中，如以上参照图16所述，在衬底的第一侧(诸如图16中示出的衬底107的正面107A)上形成一个或多个感光区域(诸如图16中示出的感光像素109)。在步骤2003中，如以上参照图17和图18所述，在衬底的第二侧(诸如图16中示出的衬底107的背面107B)上形成金属栅格(诸如图18中示出的金属栅格1803)，该衬底的第二侧与衬底的第一侧相对。在步骤2005中，在形成金属栅格之后，如以上参照图19所述，在衬底的第二侧上形成高吸收(HA)结构(诸如在图19中示出的HA结构1901)。
本发明描述的各个实施例可以提供若干优势。诸如此处描述的实施例允许用于形成具有在背侧上的高吸收(HA)结构的BSI图像传感器。通过在BSI图像传感器的背侧上形成HA结构，可以改进背侧的光反射率。因此，可以有利地改进BSI图像传感器在可见区域和近红外区域中的性能。此外，此处示出的各个实施例减小了BSI图像传感器的光路，这有利地改进了BSI图像传感器的量子效率并且减小了光学串扰。
根据实施例，该方法包括在衬底中形成多个感光像素，该衬底具有第一表面和第二表面，第二表面与第一表面相对，该衬底具有位于第一表面上的一个或多个有源器件。保护第二表面的第一部分。图案化第二表面的第二部分以在衬底中形成凹槽。在凹槽的侧壁上形成抗反射层。在第二表面的第二部分上方形成金属栅格，抗反射层介于衬底和金属栅格之间。
在一些实施例中，该方法还包括：在所述第二表面的所述第一部分上方形成金属屏蔽件，所述抗反射层介于所述衬底和所述金属屏蔽件之间。
在一些实施例中，形成所述金属栅格包括：在所述第二表面的所述第二部分上方形成金属层；以及图案化所述金属层以在所述金属层中形成开口，所述开口与相应的所述感光像素对准。
在一些实施例中，该方法还包括：在图案化所述第二表面的所述第二部分之后，用介电材料填充所述开口。
在一些实施例中，该方法还包括：在形成所述金属层之前，用介电材料填充所述凹槽，所述抗反射层介于所述凹槽的所述侧壁和所述介电材料之间。
在一些实施例中，图案化所述第二表面的所述第二部分包括：在所述第二表面的所述第二部分上形成图案化掩模，所述图案化掩模暴露所述衬底的部分；以及蚀刻所述衬底的暴露的所述部分以在所述衬底中形成所述凹槽。
在一些实施例中，所述衬底的介于相邻的所述凹槽之间的部分具有均匀的宽度和均匀的间隔。
在一些实施例中，所述凹槽的所述侧壁是倾斜的。根据另一实施例，该方法包括在衬底中形成多个感光区域，该衬底具有第一表面和第二表面，第二表面与第一表面相对，该衬底具有位于第一表面上的至少一个源器件。在第二表面的第一部分上方形成金属栅格，该金属栅格暴露衬底的部分。使衬底的暴露的部分凹进以在衬底中形成凹槽。在凹槽的侧壁和金属栅格的侧壁上形成抗反射层。用第一介电层填充凹槽，第一介电层延伸超过金属栅格的最顶面。
在一些实施例中，该方法还包括：在所述第二表面的第二部分上形成金属屏蔽件，所述第一介电层在所述金属屏蔽件的最顶面之上延伸。
在一些实施例中，该方法还包括：在所述金属屏蔽件的侧壁上形成所述抗反射层。
在一些实施例中，形成所述金属栅格包括：在所述第二表面的所述第一部分上方沉积第二介电层；在所述第二介电层上方沉积金属层；在所述金属层上方沉积第三介电层；以及图案化所述第二介电层、所述第三介电层和所述金属层。
在一些实施例中，使所述衬底的暴露的所述部分凹进包括对所述衬底实施各向异性湿蚀刻。
在一些实施例中，所述衬底的介于相邻的所述凹槽之间的部分以矩形阵列布置。
在一些实施例中，该方法还包括：在使所述衬底的暴露的所述部分凹进之前，在所述金属栅格上方形成第二介电层，所述第二介电层沿着所述金属栅格的所述侧壁延伸。根据又一实施例，器件包括衬底(该衬底具有第一表面和第二表面，第一表面与第二表面相对)、位于衬底的第一表面上的至少一个有源器件以及衬底中的多个感光区域。该器件还包括衬底的第二表面中的多个凹槽(多个凹槽被设置在多个感光区域上方)、沿着多个凹槽的侧壁延伸的抗反射层以及位于多个凹槽上方的金属栅格。
在一些实施例中，该器件还包括：金属屏蔽件，邻近于所述金属栅格，所述金属屏蔽件与所述金属栅格基本齐平。
在一些实施例中，所述抗反射层沿着所述金属屏蔽件的侧壁和所述金属栅格的侧壁延伸。
在一些实施例中，自顶向下看，所述衬底的介于相邻的所述凹槽之间的部分以矩形阵列布置。
在一些实施例中，自顶向下看，所述衬底的介于相邻的所述凹槽之间的部分形成了矩形栅格。
上面概述了若干实施例的特征，使得本领域人员可以更好地理解本发明的方面。本领域人员应该理解，他们可以容易地使用本发明作为基础来设计或修改用于实施与本人所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优势的其他工艺和结构。本领域技术人员也应该意识到，这种等同构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，本文中他们可以做出多种变化、替换以及改变。

Claims (1)

1.一种形成图像传感器的方法，包括：
在衬底中形成多个感光像素，所述衬底具有第一表面和第二表面，所述第二表面与所述第一表面相对，所述衬底具有位于所述第一表面上的一个或多个有源器件；
保护所述第二表面的第一部分；
图案化所述第二表面的第二部分以在所述衬底中形成凹槽；
在所述凹槽的侧壁上形成抗反射层；以及
在所述第二表面的所述第二部分上方形成金属栅格，所述抗反射层介于所述衬底和所述金属栅格之间。
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