CN107833900A - 背照式互补金属氧化物半导体图像传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及背照式互补金属氧化物半导体图像传感器及其制造方法。一种背照式互补金属氧化物半导体图像传感器，包括：半导体基底，所述半导体基底包括用于接收入射光的第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；和反射器，设置在所述半导体基底的第二侧。其中，所述反射器被构造成将穿过所述半导体基底的入射光反射回到所述半导体基底中。

Description

背照式互补金属氧化物半导体图像传感器及其制造方法

技术领域

本公开涉及背照式(BSI)互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器及其制造方法。

背景技术

随着半导体技术的发展，背照式互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器被越来越多地采用。背照式CMOS图像传感器使得入射光从背面入射，首先进入感光元件，从而避免了传统的CMOS图像传感器结构中的电路布线层和晶体管的影响。能够显著提高光的效能，大大改善低光照条件下的拍摄效果，使得低光照条件下的对焦能力和画质都有了极大的提升。

发明内容

根据本公开的第一方面，提供了一种背照式互补金属氧化物半导体图像传感器，包括：半导体基底，所述半导体基底包括用于接收入射光的第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；和反射器，设置在所述半导体基底的第二侧。其中，所述反射器被构造成将穿过所述半导体基底的入射光反射回到所述半导体基底中。

根据本公开的第二方面，提供了一种制造背照式互补金属氧化物半导体图像传感器的方法，该方法包括：提供半导体基底，所述半导体基底包括用于接收入射光的第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；和在所述半导体基底的第二侧形成反射器。其中，所述反射器被构造成将透射穿过所述半导体基底的入射光反射回到所述半导体基底中。

通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：

图1示出了根据本公开的一个实施例的背照式互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的示意图。

图2示出了根据本公开的一个实施例的背照式CMOS图像传感器的示意图。

图3示出了根据本公开的一个实施例的制造背照式互补金属氧化物半导体图像传感器的方法的流程图。

图4a-4c示出了根据图3所示的方法的制造背照式互补金属氧化物半导体图像传感器的示意图。

注意，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在本说明书中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于理解，在附图等中所示的各结构的位置、尺寸及范围等有时不表示实际的位置、尺寸及范围等。因此，所公开的发明并不限于附图等所公开的位置、尺寸及范围等。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

随着半导体技术的发展，背照式互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的硅基底正变得越来越薄。但是，本公开的发明人发现，随着硅基底的变薄，入射光的转换效率出现了降低。例如，对于红光而言，当硅基底的厚度为大约2.5μm时，超过30％的入射光没有被转换成电子。

为了解决现有的背照式CMOS图像传感器中存在的问题，本公开提出了一种新型背照式CMOS图像传感器及其制造方法。

图1示出了根据本公开的一个实施例的背照式互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的示意图。如图1所示，该背照式CMOS图像传感器包括半导体基底109，在该半导体基底109中形成例如光电二极管等感光元件，用于感测入射光。半导体基底109具有第一侧和与第一侧相对的第二侧。在第一侧上设置有滤光片，诸如红色滤光片104、绿色滤光片105、蓝色滤光片106。滤光片104-106可以对入射光进行过滤，仅允许对应颜色的光入射到滤光片下面的感光元件(例如光电二极管)上。

在三种颜色的滤光片上分别设置有透镜101、102和103，其中，透镜101位于红色滤光片104上，透镜102位于绿色滤光片105上，透镜103位于蓝色滤光片106上。这样，每个透镜、滤光片及其下方对应的半导体基底部分共同构成了对应颜色的像素。在半导体基底109中还设置有像素隔离件107和108，其中像素隔离件107位于红色像素与绿色像素之间，像素隔离件108位于绿色像素与蓝色像素之间。像素隔离件107和108的作用在于防止不同颜色的入射光进入到相邻的像素中，从而避免相邻像素间的串扰(cross talk)。

根据本公开的图像传感器还包括位于半导体基底109的第二侧的栅极110和一个或多个布线层。如图1所示，示出了三层布线层，即第一布线层(第一金属层M1)111、第二布线层112和第三布线层113。

此外，在半导体基底109的第二侧，还设置有反射器114。如图1所示，反射器114被设置在与红色滤光片对应的位置处。反射器114能够将剩余的红色光(经过红色滤光片过滤且透射穿过半导体基底109的入射光)反射回到半导体基底109中。这样，被反射的红色光能够被半导体基底109再次吸收和转换，从而提高了入射光中红光的转换效率。

在入射光的红光、绿光和蓝光中，由于红光的波长最长，因此，红光最容易透射穿过半导体基底109。在与红色像素对应的位置布置反射器114可以显著地提高红光的转换效率。

虽然图1中示出了在与红色滤光片104对应的位置布置反射器114，并且仅对穿过半导体基底109的红光进行反射。但是，本领域技术人员应当理解，随着半导体基底109的进一步变薄，绿光和/或蓝光也可能透射穿过半导体基底109。因此，为了提高绿光和/或蓝光的转换效率，还可以设置更多的反射器114(例如，在与绿色滤光片105和/或蓝色滤光片106对应的位置处也设置反射器114)，从而对穿过半导体基底109的绿光和/或蓝光进行反射。这样，可以提高所有颜色入射光的吸收和转换效率。在一个可选实施例中，在与红色滤光片104和绿色滤光片105对应的位置处设置反射器114。在另一个可选实施例中，在与红色滤光片104、绿色滤光片和蓝色滤光片106对应的位置处设置反射器114。

在一个可选的实施例中，反射器114可以由导电材料制成，例如金属材料，比如铜、钨、铝、银、金等金属中的至少一种。

在另一个可选的实施例中，反射器114可以被电接地。当反射器114由导电材料制成时，可能会对半导体基底中的光电二极管产生影响，导致光电二极管操作的不稳定。因为光电二极管主要是按照电容性耦合操作的，未接地的反射器114可能变成一种噪声源。因此，把发射器114接地可以减小光电二极管的噪声。

图2示出了根据本公开的一个实施例的背照式CMOS图像传感器的示意图。图2中所示的背照式CMOS图像传感器与图1的背照式CMOS图像传感器之间的区别在于，反射器114设置在多个布线层111-113中最接近半导体基底109的布线层111中。如同后面将描述的，通过把反射器114设置在布线层中，可以在形成布线层的步骤中同时形成反射器114，从而减少背照式CMOS图像传感器的制造步骤，降低制造成本。

此外，如图2所示，反射器114布置在最接近半导体基底109的布线层111中。这样，从半导体基底109透射的光能够直接被反射器114反射回到半导体基底109中，而不必穿过其它布线层，从而减小了光的损耗。此外，由于反射器114与半导体基底109之间的距离小，还能够减少被反射到相邻像素中的光，有利于避免像素间的串扰。当然，本领域技术人员应当理解，本公开不限于此。根据具体设计的需要，反射器114也可以布置在其它布线层中。

此外，在半导体基底109的第二侧的布线层也不限于3层，也可以是1层、2层、4层或更多层。

图3示出了根据本公开的一个实施例的制造背照式互补金属氧化物半导体图像传感器的方法的流程图。图4a-4c示出了根据图3所示的方法制造背照式CMOS图像传感器的示意图。

首先，提供半导体基底，该半导体基底包括用于接收入射光的第一侧和与第一侧相对的第二侧(步骤301)。在半导体基底上可以形成光电二极管和像素隔离件等部件。如图4a所示，半导体基底109中形成有光电二极管(未示出)和像素隔离件107、108等。

然后，在半导体基底109的一侧(即第二侧)形成反射器和布线层(步骤302)。如图4b所示，通过例如化学气相沉积、物理气相沉积或电镀等方法形成反射器104和布线层111-113。如上面所述，反射器104可以由比如金属等导电材料制成，例如铜、钨、铝、银、金等中的至少一种。在一个可选的实施例中，可以先形成反射器，然后形成布线层(一层或多层)，其中，反射器可以在单独的层中(如图4b所示)，也可以和布线层中的一个布线层在同一层(如图2所示)。在另一个可选的实施例中，反射器和布线层中的一个布线层在同一层，并且在制备该布线层时可以同时形成反射器(例如能够反光的金属层)。这样，布线层中的布线和反射器采用相同的金属材料在一个步骤中同时形成，可以减少制备步骤，节省制造成本。

此外，反射器可以被布置在与红色滤光片对应的位置处，并且仅对透射穿过半导体基底109的红光(经过红色滤光片过滤的入射光)进行反射，使其返回半导体基底109中，从而能够再次被半导体基底109中的感光元件(例如光电二极管)吸收和转换。

此外，如上所述，反射器还可以被布置在与绿色滤光片和/或蓝色滤光片对应的位置处。这样，透射穿过半导体基底109的绿光和/或蓝光也可以被反射回到半导体基底109中，从而能够提高绿光和/或蓝光的吸收和转换效率。

最后，在半导体基底109的另一侧(即与第二侧相对的第一侧)形成滤光片和透镜(步骤303)。如图4c所示，在半导体基底109的第一侧形成滤光片(例如红色滤光片104、绿色滤光片105和蓝色滤光片106)和透镜(例如透镜101-103)。

本公开并没有具体描述半导体基底中感光元件(例如光电二极管)的结构及其制造方法，也没有描述如何形成布线层、滤光片和透镜等。但是，这些内容对于本领域技术人员都是熟知的。因此，本公开不再赘述。

在说明书及权利要求中的词语“前”、“后”、“顶”、“底”、“之上”、“之下”等，如果存在的话，用于描述性的目的而并不一定用于描述不变的相对位置。应当理解，这样使用的词语在适当的情况下是可互换的，使得在此所描述的本公开的实施例，例如，能够在与在此所示出的或另外描述的那些取向不同的其他取向上操作。

如在此所使用的，词语“示例性的”意指“用作示例、实例或说明”，而不是作为将被精确复制的“模型”。在此示例性描述的任意实现方式并不一定要被解释为比其它实现方式优选的或有利的。而且，本公开不受在上述技术领域、背景技术、发明内容或具体实施方式中所给出的任何所表述的或所暗示的理论所限定。

如在此所使用的，词语“基本上”意指包含由设计或制造的缺陷、器件或元件的容差、环境影响和/或其它因素所致的任意微小的变化。词语“基本上”还允许由寄生效应、噪音以及可能存在于实际的实现方式中的其它实际考虑因素所致的与完美的或理想的情形之间的差异。

上述描述可以指示被“连接”或“耦合”在一起的元件或节点或特征。如在此所使用的，除非另外明确说明，“连接”意指一个元件/节点/特征与另一种元件/节点/特征在电学上、机械上、逻辑上或以其它方式直接地连接(或者直接通信)。类似地，除非另外明确说明，“耦合”意指一个元件/节点/特征可以与另一元件/节点/特征以直接的或间接的方式在机械上、电学上、逻辑上或以其它方式连结以允许相互作用，即使这两个特征可能并没有直接连接也是如此。也就是说，“耦合”意图包含元件或其它特征的直接连结和间接连结，包括利用一个或多个中间元件的连接。

另外，仅仅为了参考的目的，还可以在下面描述中使用某种术语，并且因而并非意图限定。例如，除非上下文明确指出，否则涉及结构或元件的词语“第一”、“第二”和其它此类数字词语并没有暗示顺序或次序。

还应理解，“包括/包含”一词在本文中使用时，说明存在所指出的特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件以及/或者它们的组合。

在本公开中，术语“提供”从广义上用于涵盖获得对象的所有方式，因此“提供某对象”包括但不限于“购买”、“制备/制造”、“布置/设置”、“安装/装配”、和/或“订购”对象等。

本领域技术人员应当意识到，在上述操作之间的边界仅仅是说明性的。多个操作可以结合成单个操作，单个操作可以分布于附加的操作中，并且操作可以在时间上至少部分重叠地执行。而且，另选的实施例可以包括特定操作的多个实例，并且在其他各种实施例中可以改变操作顺序。但是，其它的修改、变化和替换同样是可能的。因此，本说明书和附图应当被看作是说明性的，而非限制性的。

另外，本公开的实施方式还可以包括以下示例：

1.一种背照式互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，包括：

半导体基底，所述半导体基底包括用于接收入射光的第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；和

反射器，设置在所述半导体基底的第二侧，

其中，所述反射器被构造成将穿过所述半导体基底的入射光反射回到所述半导体基底中。

2.根据1所述的背照式互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，所述反射器由导电材料制成并且被电接地。

3.根据2所述的背照式互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，所述导电材料为金属。

4.根据3所述的背照式互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，所述金属包括铜、钨、铝、银、金中的至少一种。

5.根据1所述的背照式互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，背照式互补金属氧化物半导体图像传感器还包括：

多个布线层，设置在所述半导体基底的第二侧，

其中所述反射器设置在所述多个布线层中最接近所述半导体基底的布线层中。

6.根据1所述的背照式互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，所述背照式互补金属氧化物半导体图像传感器还包括：

红色滤光片，设置在所述半导体基底的第一侧，

其中所述反射器被设置成仅反射穿过所述红色滤光片的入射光。

7.根据1所述的背照式互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，所述背照式互补金属氧化物半导体图像传感器还包括：

红色滤光片和绿色滤光片，所述红色滤光片和所述绿色滤光片设置在所述半导体基底的第一侧，

其中所述反射器被设置成仅反射穿过所述红色滤光片和所述绿色滤光片的入射光。

8.一种制造背照式互补金属氧化物半导体图像传感器的方法，其特征在于，该方法包括：

提供半导体基底，所述半导体基底包括用于接收入射光的第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；和

在所述半导体基底的第二侧形成反射器，

其中，所述反射器被构造成将透射穿过所述半导体基底的入射光反射回到所述半导体基底中。

9.根据8所述的方法，其特征在于，还包括：

使用导电材料形成所述反射器并且使所述反射器电接地。

10.根据9所述的方法，其特征在于，所述导电材料为金属。

11.根据10所述的方法，其特征在于，所述金属包括铜、钨、铝、银、金中的至少一种。

12.根据8所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

在所述半导体基底的第二侧形成多个布线层，

在所述多个布线层中最接近所述半导体基底的布线层中形成所述反射器。

13.根据12所述的方法，其特征在于，同时形成所述反射器和最接近所述半导体基底的布线层。

14.根据8所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

在所述半导体基底的第一侧形成红色滤光片，

其中所述反射器被设置成仅反射穿过所述红色滤光片的入射光。

15.根据8所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

在所述半导体基底的第一侧形成红色滤光片和绿色滤光片，

其中所述反射器被设置成仅反射穿过所述红色滤光片和所述绿色滤光片的入射光。

虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。在此公开的各实施例可以任意组合，而不脱离本公开的精神和范围。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本公开的范围和精神。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种背照式互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，包括：

半导体基底，所述半导体基底包括用于接收入射光的第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；和

反射器，设置在所述半导体基底的第二侧，

其中，所述反射器被构造成将穿过所述半导体基底的入射光反射回到所述半导体基底中。

2.根据权利要求1所述的背照式互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，所述反射器由导电材料制成并且被电接地。

3.根据权利要求2所述的背照式互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，所述导电材料为金属。

4.根据权利要求3所述的背照式互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，所述金属包括铜、钨、铝、银、金中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的背照式互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，背照式互补金属氧化物半导体图像传感器还包括：

多个布线层，设置在所述半导体基底的第二侧，

其中所述反射器设置在所述多个布线层中最接近所述半导体基底的布线层中。

6.根据权利要求1所述的背照式互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，所述背照式互补金属氧化物半导体图像传感器还包括：

红色滤光片，设置在所述半导体基底的第一侧，

其中所述反射器被设置成仅反射穿过所述红色滤光片的入射光。

7.根据权利要求1所述的背照式互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于，所述背照式互补金属氧化物半导体图像传感器还包括：

红色滤光片和绿色滤光片，所述红色滤光片和所述绿色滤光片设置在所述半导体基底的第一侧，

其中所述反射器被设置成仅反射穿过所述红色滤光片和所述绿色滤光片的入射光。

8.一种制造背照式互补金属氧化物半导体图像传感器的方法，其特征在于，该方法包括：

提供半导体基底，所述半导体基底包括用于接收入射光的第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；和

在所述半导体基底的第二侧形成反射器，

其中，所述反射器被构造成将透射穿过所述半导体基底的入射光反射回到所述半导体基底中。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：

使用导电材料形成所述反射器并且使所述反射器电接地。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述导电材料为金属。