CN108807443A - 一种具有嵌入式彩色滤色片阵列的图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有嵌入式彩色滤色片阵列的图像传感器。该具有嵌入式彩色滤色片阵列的图像传感器包括：半导体衬底，所述半导体衬底内部设置有光电二极管阵列；第一保护层，所述第一保护层位于所述光电二极管阵列的上方；第一金属格栅，所述第一金属格栅形成于所述第一保护层上，并且具有多个与所述光电二极管阵列中每个光电二极管一一垂直对准的限定腔；彩色滤色片阵列，每个彩色滤色片形成在一个限定腔中；以及挡光格栅，所述挡光格栅设置在所述第一保护层中，且其顶部与所述第一金属格栅的底部抵接。该具有嵌入式彩色滤色片阵列的图像传感器能够有效降低图像传感器中的串光现象，提高图像色彩分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器领域，特别地涉及一种具有嵌入式彩色滤色片阵列的图像传感器。
背景技术
图像传感器是指光学图像转换成像素信号输出的设备。图像传感器包括电荷耦合器件(CCD)与互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。和传统的CCD传感器相比，CMOS图像传感器具有低功耗、低成本和与CMOS工艺兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用。现在CMOS图像传感器不仅用于消费电子领域，例如微型数码相机(DSC)，手机摄像头，摄像机和数码单反(DSLR)，而且在汽车电子，监控，生物技术和医学领域也得到了广泛的应用。
现有的CMOS图像传感器一般分为前照式(FSI)图像传感器和背照式(BSI)图像传感器两种。与传统的前照式图像传感器相比，背照式图像传感可以允许光通过背侧进入并由光电二极管检测，由于光线无需穿过布线层，因此背照式图像传感器可以实现比前照式更高的灵敏度。但是，与此同时，背照式图像传感也存在一个较大的技术难题，即当光从一个像素区域进入相邻的像素区域时会出现光串扰现象，这种光串扰现象在颜色敏感的背照式图像传感器中可能会降低量子效率，角度响应和斜入光线的信噪比(SNR10)，导致颜色混色，并且因此降低捕获图像中的色彩清晰度。尤其随着背照式图像传感器变得越来越小，相邻像素之间的距离变得越来越小，更加增大了光串扰的可能。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有嵌入式彩色滤色片阵列的图像传感器。该具有嵌入式彩色滤色片阵列的图像传感器能够减少光串扰现象。
为了达到前述目的，本发明提供一种具有嵌入式彩色滤色片阵列的图像传感器，其包括：
半导体衬底，所述半导体衬底内部设置有光电二极管阵列；
第一保护层，所述第一保护层位于所述光电二极管阵列的上方；
第一金属格栅，所述第一金属格栅形成于所述第一保护层上，并且具有多个与所述光电二极管阵列中每个光电二极管一一垂直对准的限定腔；
彩色滤色片阵列，每个彩色滤色片形成在一个限定腔中；以及
挡光格栅，所述挡光格栅设置在所述第一保护层中，且其顶部与所述第一金属格栅的底部抵接。
如上所述的具有嵌入式彩色滤色片阵列的图像传感器，由于在半导体衬底和彩色滤色片阵列之间的保护层中进一步设置了挡光格栅，因此，减少了入射光在保护层中的串扰现象；且由于挡光格栅的顶部与第一金属格栅的底部抵接(即接触式连接)，因此，入射光在透过彩色滤光器进入保护层时不会发生过渡串扰。
如上所述的具有嵌入式彩色滤色片阵列的图像传感器，优选地，所述挡光格栅包括第二金属格栅和/或第一低折射率格栅，所述第一低折射率格栅的折射率小于所述第一保护层的折射率。
如上所述的具有嵌入式彩色滤色片阵列的图像传感器，优选地，所述第一金属格栅用于将扩散至相邻像素区域的入射光反射至原像素区域；所述第二金属格栅用于吸收扩散至相邻像素区域的入射光。
上述第二金属格栅的消光系数可大于0，以吸收串扰至相邻像素区域的入射光；上述第一低折射率格栅能够使使一部分可能会扩散到相邻像素区域的光被反射至目标像素中；从而起到防止入射光在第一保护层中的光串扰作用。利用第二金属格栅和第一低折射率格栅结合的结构，例如第一低折射率格栅位于第二金属格栅上方的结构，可以使部分可能被第二金属格栅吸收的入射光在抵达第二金属格栅之前被所述第一低折射率格栅反射至目标像素中，从而提高入射光的采收率。第二金属格栅和第一低折射率格栅的选择需尽可能与CMOS工艺兼容。
如上所述的具有嵌入式彩色滤色片阵列的图像传感器，优选地，所述第一金属格栅为铝格栅，所述第二金属格栅为钨格栅。
如上所述的具有嵌入式彩色滤色片阵列的图像传感器，优选地，所述挡光格栅的底部位于所述第一保护层的内部，且与所述第一保护层的下表面存在间隙。该间隙是指所述挡光格栅的底部不接触所述第一保护层的下表面，尤其，当所述挡光格栅为第二金属格栅时，所述第二金属格栅的底部位于所述第一保护层的内部，不接触所述第一保护层下表面，且所述第一保护层的下表面为平坦化的表面。
如上所述的具有嵌入式彩色滤色片阵列的图像传感器，优选地，所述第一金属格栅外表面包覆有保护层。该保护层能够防止所述第一金属格栅被腐蚀。
如上所述的具有嵌入式彩色滤色片阵列的图像传感器，优选地，所述保护层包括低折射率材料层，所述低折射率材料层的折射率小于每个彩色滤色片的折射率。所述保护层采用折射率小于每个彩色滤色片折射率的低折射率材料，在防止第一金属格栅被腐蚀的同时进一步实现反射入射光，使一部分可能扩散到相邻像素区域的入射光被反射至目标像素区域，从而减少可能被第一金属格栅吸收的光量，提高入射光的采收率。
如上所述的具有嵌入式彩色滤色片阵列的图像传感器，优选地，所述第一金属格栅上形成有第二低折射率格栅，所述第二低折射率格栅的折射率小于每个彩色滤色片的折射率。
如上所述的具有嵌入式彩色滤色片阵列的图像传感器，优选地，所述第一金属格栅的高度小于所述彩色滤色片阵列的高度。
如上所述的具有嵌入式彩色滤色片阵列的图像传感器，优选地，所述半导体衬底与所述第一保护层之间设置有第二保护层，所述第二保护层与所述第一保护层之间设置有高介电层。
如上所述的具有嵌入式彩色滤色片阵列的图像传感器，所述第一保护层和第二保护层可以由本领域常规的相同或不同的材料形成，包括例如氧化硅层(SiO2)，氮氧化硅层(SiON)，或者氧化钽层(HfO2)，氧化铪层(Ta2O5)等。根据需要，所述第一保护层和所述半导体衬底之间还可根据需要设置其他保护层。所述第一低折射率格栅、所述第二低折射格栅以及保护层的材料可以为本领域常规的低折射率材料，包括但不限于由二氧化硅和/或聚合物组成，其中，所述聚合物包括但不限于聚苯乙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚氨酯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、氟化有机物聚合、光刻胶中的一种或几种的组合。所述高介电层的材料可以选自本领域常规的高k介电材料，如氧化铪(HfO)、氧化硅铪(HfSiO)、氧化铝铪(HfAlO)或氧化钽铪(HfTaO)等的组合。根据实际需要，还可以在所述第一保护层和第二保护层之间合适的位置设置钝化层，如抗反射涂层(ARC)，有机聚合物和金属氧化物等。
与现有技术相比，本发明提供的具有嵌入式彩色滤色片阵列的图像传感器在滤色片阵列所在层的下层中进一步设置了挡光格栅，利用金属格栅和挡光格栅结构相连的复合格栅结构，有效抑制了相邻像素区域间的光串扰现象，提高了输出图像的色彩清晰度，有利于图像传感器尤其是背照式图像传感器的小型化发展。
附图说明
下面，将结合附图对本发明的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：
图1是现有技术用以减缓光串扰的图像传感器结构示意图；
图2A是本发明第一实施例抑制光串扰的图像传感器结构示意图；
图2B是第一实施例另一实施方式抑制光串扰的图像传感器结构示意图；
图3是本发明第二实施例抑制光串扰的图像传感器结构示意图；
图4是本发明第三实施例抑制光串扰的图像传感器结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合说明书实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在以下的详细描述中，可以参看作为本说明书一部分用来说明本说明书的特定实施例的各个说明书附图。在附图中的各个实例中可以重复参考数字和/或字母。这种重复仅是为了简明和清楚，其自身并不表示所论述的各个实施例和/或配置之间的关系。此外，为了便于描述，本说明书中可以使用诸如“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“在…上面”、“上部”等的空间关系术语，以描述如图中所示的一个元件或部件与另一元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间关系术语旨在包括器件在使用或操作过程中的不同方位。装置可以以其他方式定位(旋转90度或在其他方位)，并且在本说明书中使用的空间关系描述符可以同样地作相应地解释。本说明书的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本说明书的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。
由于背照式(BSI)图像传感器在捕捉光子中具有更高的效率，在许多现代的光学成像器件中，用背照式(BSI)图像传感器取代前照式图像传感器。BSI图像传感器通常包括布置在半导体衬底中的多个图像传感器和逻辑电路。多个图像传感器设置在半导体衬底的背侧与逻辑电路之间。滤色片布置在多个图像传感器上方，该滤色片将选择性地将特定波长的辐射传输至下面的图像传感器，图像传感器响应于传输的辐射产生电信号。图1提供一种常规用于降低光串扰的图像传感器100结构示意图，如图1所示，BSI图像传感器通常在每个滤色片101(例如GCF、BCF和RCF)周围围绕一层金属栅格102结构。该金属格栅102会吸收(或阻挡)入射光，以使入射光实质上不会扩散至相邻的像素区域中。一般而言，金属格栅102的外表面还设置有一层保护层107，在相邻滤色片之间设置金属格栅的确可以起到减缓串扰的作用，但是由于滤色片与光电二极管不是直接接触，其间还设置有多个功能层，例如保护层103，高介电层(highK层)104、保护层105和Si层106等，因此，入射光在穿过滤色片后到达光电二极管之前还是会有串扰的问题。
本发明提供一种新型的抑制光串扰的图像传感器结构200A，如图2A所示，该抑制光串扰的图像传感器结构200A，包括一半导体衬底206，该半导体衬底内部设置了一光电二极管阵列，在该光电二极管阵列上方形成有第一保护层203。在一实施例中，第一保护层203与半导体衬底206之间还依次设置有高介电层(high K层)204和第二保护层205。high K层204在第二保护层205的上表面。该第一保护层203和第二保护层205可由相同或不同的材料形成。例如，第一保护层203和第二保护层205可由氧化硅层(SiO2)，氮氧化硅层(SiON)，氧化钽层(HfO2)和氧化铪层(Ta2O5)中的任意一种或两种形成。其中，第二保护层205可以作为在形成外围电路区时的刻蚀停止层。在某些实施例中，如果工艺允许，可以省去第二保护层，或者，可以在high K层204和第二保护层205之间设置更多的保护层。high K层204的高介电材料选自氧化铪(HfO)、氧化硅铪(HfSiO)、氧化铝铪(HfAlO)或氧化钽铪(HfTaO)中的任意一种。在第一金属格栅202形成在第一保护层203的上表面，每个金属格栅具有多个限定腔，每个限定腔垂直对应一个光电二极管，并暴露第一保护层的一部分上表面区域。第一金属格栅202的外表面包覆一层保护层207，以防止第一金属格栅202在后续工艺中被腐蚀。彩色滤色片阵列包含多个彩色滤色片201(包括GCF、BCF和RCF)，每个彩色滤色片填充在一个限定腔中。在第一保护层203中，位于第一金属格栅202正下方设置有一第二金属格栅208A，该第二金属格栅208A的每个栅格与第一金属格栅202的每个栅格一一对应，使经过每个滤色片的入射光能够尽可能收集在每个对应的光电二极管中。第二金属格栅208A的顶部与第一金属格栅202的底部无缝连接，入射光从滤色片201进入第一保护层203时不会发生过渡层间的串扰。且第二金属格栅208A的每个侧壁底部都位于第一保护层203内部，与第一保护层203平坦的下表面之间存在垂直间隙。
第一金属格栅202和第二金属格栅208A可由相同或不同的消光金属形成，且形成第二金属格栅的消光金属的消光系数大于0，以有效吸收可能扩散到相邻像素区域的入射光。可选地，形成第一金属格栅与第二金属格栅的消光金属选自铝，钨，锗，铜中的一种或几种。在某些实施例中，第一金属格栅203可由金属铝形成，第二金属格栅208A可由金属钨形成。
为了进一步降低第一金属格栅对入射光的吸收量，提高像素电路的灵敏度，保护层207可以选用低折射率材料，该低射折射率的折射率小于彩色滤色片201的折射率，例如该保护层207与第一保护层203选用同一种材料，包括SiO2等。该保护层207可以含有颜料、染料等掺杂剂以产生低于较低的折射率。部分可能扩散到相邻像素区域的入射光入射在该保护层的界面上，并被该保护层207反射回原彩色滤色片中，并且继续穿过同一彩色滤色片传播到原像素光电二极管中，从而该保护层207降低了入射光的串扰，同时有助于与原彩色滤色对应的光电二极管对入射光进行无损耗检测，提高入射光的量子效率。
一般而言，第一金属格栅202的高度小于彩色滤色片201的高度，但是为了更好得防止串扰，第一金属格栅202或保护层207的顶部也可以略高于彩色滤色片阵列(CFA)的顶部。
在一实施例中，第二金属格栅208A可以由低折射率材料形成的第一低折射率格栅208B代替，如图2B所示的抑制光串扰的图像传感器结构200B。由于第二金属格栅208A是通过吸光防止光串扰，这可能导致降低入射光的量子效率，本实施例采用第一低折射率格栅208B通过反射可能扩散到相邻像素区域的入射光，可以在减少串扰的同时减缓入射光量子效率的降低。该第一低折射率格栅208B可由低于第一保护层203折射率的低折射率材料，例如二氧化硅和/或聚合物形成；所述聚合物包括但不限于聚苯乙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚氨酯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、氟化有机物聚合、光刻胶中的一种或几种的组合。
在第二实施例中，第二金属格栅可以与第一低折射率组合形成一挡光格栅。如图3所示的抑制光串扰的图像传感器结构300。挡光格栅308由第一低折射率格栅308B和第二金属格栅308A构成；第一低折射率格栅308B的顶部与第一金属格栅302的底部抵接，该第一低折射率格栅308B的底部连接第二金属格栅308A的顶部，第二金属格栅308A的底部位于第一保护层303中，并高于该第一保护层的下表面，且第一低折射率格栅308B的折射率小于第一保护层303的折射率。利用该第二金属格栅308A和第一低折射率格栅308B结合的结构可以使部分可能被第二金属格栅308A吸收的入射光在抵达第二金属格栅308A之前被第一低折射率格栅308B反射至目标像素中，从而减少被第二金属格栅308A吸收的入射光，提高入射光的量子效率。在可执行的工艺条件下，第二金属格栅外表面也可包覆一层保护层，该保护层的折射率可低于第一保护层的折射率(图3中未标识)。
与上述挡光结构类似，对于折射率较大的保护层407，为提高入射光的量子效率，减少被金属格栅吸收的入射光，可以利用低折射率材料在隔离相邻彩色滤色片的第一金属格栅402A的顶部形成第二低折射率格栅402B，如图4所示第三实施例的抑制光串扰的图像传感器结构400。该第二低折射率格栅402B的底部与第一金属格栅402A的顶部直接接触。为了降低入射光在相邻滤色片之间的串扰，第二低折射率格栅402B所采用的低折射率材料的折射率应小于滤色片401的折射率，可选地，第二低折射率格栅402B所采用的低折射率材料可由二氧化硅和/或聚合物形成；聚合物包括但不限于聚苯乙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚氨酯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、氟化有机物聚合、光刻胶中的一种或几种的组合。
上述实施例中，所述第二金属格栅可以通过光刻及刻蚀第一保护层然后沉积消光金属形成，在形成第二金属格栅后通过化学研磨平坦化工艺使第二金属格栅的顶部与第一保护层的上表面齐平，形成挡光格栅；然后利用物理气象沉积另一消光金属形成第一金属层，干法刻蚀后形成第一金属格栅；然后在第一金属格栅形成后沉积第二低折射率格栅或保护层，形成格栅组件。根据需要，调节工艺，可以在第二金属格栅形成前先形成第一低折射率格栅或保护层(或在第二金属格栅形成后再形成第一低折射率格栅)，形成复合挡光格栅后再形成第一金属格栅。
上述实施例的抑制光串扰的图像传感器(包括BSI图像传感器)，可以有效提高图像的色彩分辨率，为BSI图像传感器的小型化发展提供了可能。
以上实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本发明公开的范畴。
Claims (10)
1.一种具有嵌入式彩色滤色片阵列的图像传感器，其包括：
半导体衬底，所述半导体衬底内部设置有光电二极管阵列；
第一保护层，所述第一保护层位于所述光电二极管阵列的上方；
第一金属格栅，所述第一金属格栅形成于所述第一保护层上，并且具有多个与所述光电二极管阵列中每个光电二极管一一垂直对准的限定腔；
彩色滤色片阵列，每个彩色滤色片形成在一个限定腔中；以及
挡光格栅，所述挡光格栅设置在所述第一保护层中，且其顶部与所述第一金属格栅的底部抵接。
2.根据权利要求1所述的具有嵌入式彩色滤色片阵列的图像传感器，其特征在于，所述挡光格栅包括第二金属格栅和/或第一低折射率格栅，所述第一低折射率格栅的折射率小于所述第一保护层的折射率。
3.根据权利要求2所述的具有嵌入式彩色滤色片阵列的图像传感器，其特征在于，所述第一金属格栅用于将扩散至相邻像素区域的入射光反射至原像素区域；所述第二金属格栅用于吸收扩散至相邻像素区域的入射光。
4.根据权利要求3所述的具有嵌入式彩色滤色片阵列的图像传感器，其特征在于，所述第一金属格栅为铝格栅，所述第二金属格栅为钨格栅。
5.根据权利要求1所述的具有嵌入式彩色滤色片阵列的图像传感器，其特征在于，所述挡光格栅的底部位于所述第一保护层的内部，且与所述第一保护层的下表面存在间隙。
6.根据权利要求1所述的具有嵌入式彩色滤色片阵列的图像传感器，其特征在于，所述第一金属格栅外表面包覆有保护层。
7.根据权利要求6所述的具有嵌入式彩色滤色片阵列的图像传感器，其特征在于，所述保护层包括低折射率材料层，所述低折射率材料层的折射率小于每个彩色滤色片的折射率。
8.根据权利要求1所述的具有嵌入式彩色滤色片阵列的图像传感器，其特征在于，所述第一金属格栅上形成有第二低折射率格栅，所述第二低折射率格栅的折射率小于每个彩色滤色片的折射率。
9.根据权利要求1所述的具有嵌入式彩色滤色片阵列的图像传感器，其特征在于，所述第一金属格栅的高度小于所述彩色滤色片阵列的高度。
10.根据权利要求1所述的具有嵌入式彩色滤色片阵列的图像传感器，其特征在于，所述半导体衬底与所述第一保护层之间设置有第二保护层，所述第二保护层与所述第一保护层之间设置有高介电层。
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