CN109192745A - 背照式图像传感器及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种背照式图像传感器，包括：器件层，器件层内形成有多个光电二极管；层间介质层，设置于器件层一侧；金属间介质层，形成于层间介质层背离器件层的一侧；凸透镜阵列，配置于层间介质层与金属间介质层之间，其材料的折射率大于层间介质层和金属间介质层的材料的折射率。该背照式图像传感器能够有效偏折原本可能造成串扰的光线，使其经反射后仍旧回到原先的光电二极管，不仅避免了相邻光电二极管之间的串扰，还提高了光的量子效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体设计制造领域，更详细地说，本发明涉及一种背照式图像传感器及其制造方法。
背景技术
相比于正照式图像传感器而言，背照式图像传感器能够有效的减少光线的串扰。尽管如此，从背部入射的光经过光电二极管进行光电转化后，仍有部分光穿射到金属互连层并在金属互连层发生反射。反射回来的光会直射到相邻的光电二极管内，发生光线的串扰，进而影响成像质量。
目前常见的用于隔离相邻的光电二极管之间光线串扰的方法为在串扰光线经过的位置增设垂直方向的吸光结构或隔离结构，然而此类结构的隔离效果依然难以满足要求。
发明内容
鉴于现有技术的上述问题，本发明提供了一种背照式图像传感器，能够有效偏折原本可能造成串扰的光线，使其经反射后仍旧回到原先的光电二极管，不仅避免了相邻光电二极管之间的串扰，还提高了光的量子效率。
该背照式图像传感器包括：
器件层，所述器件层内形成有多个光电二极管；
层间介质层，设置于所述器件层一侧；
金属间介质层，形成于所述层间介质层背离所述器件层的一侧；
凸透镜阵列，配置于所述层间介质层与所述金属间介质层之间，其材料的折射率大于所述层间介质层和所述金属间介质层的材料的折射率。
在层间介质层与金属间介质层之间增设凸透镜阵列，能够使原本可能发生串扰的光线在直射和被反射后的两次经过凸透镜阵列时，均被该凸透镜阵列偏折、汇聚，使其最终回到原先经过的光电二极管。通过以上方式，该背照式图像传感器不仅避免了相邻光电二极管之间的串扰，还使每个光电二极管能够更加高效地吸收经过该光电二极管的光线，提高光的量子效率。
在本发明的较优技术方案中，所述凸透镜阵列的材料为折射率大于2的材料。优选为氮化硅(n≈2.25)、无定型碳(n≈2.42)、无定型硅(n≈3.98)中的一种或多种的组合。采用高折射率材料可以有效提高凸透镜阵列的折光能力，同时减小对凸透镜阵列厚度差的形貌要求，降低工艺的难度。
在本发明的较优技术方案中，所述层间介质层和/或所述金属间介质层的材料为氧化硅。氧化硅材料具有较低的折射率，使光线在其与凸透镜阵列的界面处更易偏折，且氧化硅材料的加工工艺成熟，成本较低。
在本发明的较优技术方案中，所述凸透镜阵列具有若干凸透镜单元，所述凸透镜单元的水平位置对应于所述光电二极管，且所述凸透镜单元沿垂直方向具有大于所述光电二极管的投影面积。较大面积的凸透镜单元能够接收来自更大面积的入射光线，进一步提高对串扰的改善效果。
本发明还提供了一种背照式图像传感器的形成方法，包括以下步骤：
提供其内形成有多个光电二极管的器件层；
在所述器件层一侧形成层间介质层；
在所述层间介质层背离所述器件层的一侧形成凸透镜阵列，所述凸透镜阵列的材料的折射率大于所述层间介质层的折射率；
在所述凸透镜阵列背离所述层间介质层的一侧形成金属间介质层，所述金属间介质层的材料的折射率小于所述凸透镜阵列的材料的折射率。
在本发明的较优技术方案中，所述凸透镜阵列的形成包括以下步骤：
形成高折射率材料膜层；
在所述高折射率材料膜层上涂敷光刻胶层并光刻、显影；
光刻胶回流成型，以使所述光刻胶层的图案单元的顶部整体呈弧形结构；
采用各向异性干法刻蚀工艺，刻蚀所述光刻胶层和所述高折射率材料膜层，将所述光刻胶层去除，并在所述高折射率材料膜层顶部根据所述弧形结构刻蚀形成凸透镜阵列。
在本发明的较优技术方案中，所述各向异性干法刻蚀方法对所述高折射率材料膜层和所述光刻胶的刻蚀选择比为1-3。该刻蚀选择比范围既能一定程度地放大原本弧形结构中心和边缘的厚度差，提高形成的凸透镜对光线的偏折能力，同时防止高折射率材料膜层在光刻胶未去除完全时即被刻穿。
在本发明的较优技术方案中，所述高折射率材料膜层为氮化硅膜层。氮化硅材料具有较高的折射率，同时处理工艺成熟。
进一步地，在本发明的较优技术方案中，所述背照式图像传感器的形成方法还包括以下步骤：干法刻蚀所述凸透镜阵列，形成通孔，该干法刻蚀过程所采用的刻蚀气体至少包括CH3F、O2和Ar。该材料选择和刻蚀气体的组分选择在进行通孔刻蚀时，对氮化硅材料和氧化硅材料具有较高的刻蚀选择比。
在本发明的较优技术方案中，所述层间介质层和/或所述金属间介质层采用旋转涂布玻璃工艺形成。旋转涂布工艺能够简便地获得平整的介质层薄膜，大幅降低了工艺成本。
附图说明
图1是现有技术中背照式图像传感器的结构示意图；
图2是本发明的一个实施例中图像传感器的结构示意图；
图3-图8是图2实施例的图像传感器在形成过程的各步骤中所呈现的结构示意图。
附图标记：100-衬底，102-器件层，200-光电二极管，202-栅极结构，204-层间介质层，206-接触刻蚀停止层，208-接触结构，210-凸透镜阵列，210’-高折射率材料膜层，210a-凸透镜单元，212-底部抗反射层，214-光刻胶层，214a-图案单元，300-金属间介质层，302-金属互连结构。
具体实施方式
如背景技术所述，目前背照式图像传感器相邻的光电二极管200之间容易因金属互连层的光反射引起光学串扰。如图1所示，背照式图像传感器的金属互连结构302、用于电学隔离金属互连结构302的金属间介质层300、晶体管器件结构、器件结构的栅极结构202以及层间介质层204均设置在衬底100的正面(即图1的上面)，图像传感器的背面(即图1的下面)用于接收光线，以减少光线因器件及金属互连结构造成的吸收或串扰，提高光线的量子效率。然而，即使采用背照式结构，光线也难以在首次进入衬底100时被光电二极管200完全吸收，仍然存在部分光穿射到金属互连结构302处，并发生反射。反射回来的光会直射到相邻的光电二极管200内，从而发生串扰。
为了解决上述问题，本发明提供了一种背照式图像传感器，包括：器件层102，所述器件层102内形成有多个光电二极管200；层间介质层204，设置于所述器件层102一侧；金属间介质层，形成于所述层间介质层204背离所述器件层102的一侧；凸透镜阵列210，配置于所述层间介质层204与所述金属间介质层之间，其材料的折射率大于所述层间介质层204和所述金属间介质层的材料的折射率。在层间介质层204与金属间介质层之间增设凸透镜阵列210，能够使原本可能发生串扰的光线在直射和被反射后的两次经过凸透镜阵列210时，均被该凸透镜阵列210偏折、汇聚，使其最终回到原先经过的光电二极管200。通过以上方式，该背照式图像传感器不仅避免了相邻光电二极管200之间的串扰，还使每个光电二极管200能够更加高效地吸收经过该光电二极管200的光线，提高光的量子效率。
以下，一边参照附图一边大致说明本发明的优选实施例。另外，本发明的实施例并不限定于下述实施例，能够采用在本发明的技术构思范围内的各种各样的实施例。
应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
参考图2，本实施例提供了一种背照式图像传感器，该背照式图像传感器包括衬底100，衬底100顶部为形成有光电二极管200以及晶体管源漏结构的器件层102，衬底100上方设置有各晶体管的栅极结构202，各栅极结构202表面还覆盖有接触刻蚀停止层206。接触结构208与栅极结构202电连接，层间介质层204填充于各栅极结构202及其接触结构208之间，用于实现上述结构之间的电隔离。
为了解决现有技术中相邻光电二极管200之间的光学串扰问题，本实施例提供的背照式传感器在层间介质层204与金属间介质层300之间设置有凸透镜阵列210，该凸透镜阵列210材料的折射率大于层间介质层204和金属间介质层300的材料的折射率，使得光线经由该凸透镜阵列210时能够被有效地发生偏折和汇聚。参考图2,原本可能发生串扰的光线将因凸透镜阵列210的存在而被偏折和汇聚，尤其地，光线在从凸透镜阵列210直射入金属间介质层300以及从金属间介质层300回到凸透镜阵列210的过程中，两次经过凸透镜阵列210与金属间介质层300界面处时，光线均会发生偏折，有效地将此类斜向入射、可能造成串扰的光线收集并汇聚至原光电二极管200。通过以上方式，该背照式图像传感器不仅减少或防止了相邻光电二极管200之间的串扰，还使穿过光电二极管200而未被光电二极管200吸收的光线能够再次回到该光电二极管200处而被吸收，使得每个光电二极管200能够更加高效地吸收经过该光电二极管200的光线，提高光的量子效率。
本实施例中，凸透镜阵列210采用氮化硅材料制得，层间介质层204以及金属间介质层300的材料为氧化硅。层间介质层204以及金属间介质层300所采用的氧化硅材料具有较低的折射率(约1.4)，而氮化硅材料则具有相对较高的折射率(约2.3)，提高介质层与凸透镜阵列210的折射率差，可以使光线在其与凸透镜阵列210的界面处更易发生偏折而被汇聚。此外，通过提高折射率差，可以减少对凸透镜阵列210中心到边缘的厚度差要求，降低制作工艺的难度。此外，氮化硅材料和氧化硅材料的形成工艺均已成熟，工艺成本较低。
本实施例中，凸透镜阵列210具有若干个凸透镜单元210a，凸透镜单元210a与其下方的光电二极管200的水平位置相对应，以使原本直射穿过光电二极管200的光线不会因被偏折而射向与之相邻的光电二极管200。同时，凸透镜单元210a沿垂直方向具有大于光电二极管200的投影面积，即凸透镜单元210的横向尺寸大于光电二极管200。较大的横向面积能够接收更多斜向的可能发生串扰的入射光线，提高对光学串扰的改善效果。
本实施例还公开了该图像传感器的形成方法，具体包括以下步骤：
首先，参考图3，提供衬底100，在衬底100中形成多个光电二极管200、晶体管器件(图中未示出)以及各光电二极管200、晶体管器件的电学隔离结构(图中未示出)，形成器件层102。之后，在器件层102上形成各晶体管器件的栅极结构202，并在已形成的半导体结构表面覆盖接触刻蚀停止层206。
在一些实施例中，所述衬底100为高掺杂的p型衬底。衬底100可以由硅、锗、硅锗、梯度硅锗、绝缘体上半导体、碳、石英、蓝宝石、玻璃等形成，并且可以是多层的(例如应变层)。轻掺杂的p型外延层可以生长在高掺杂的p型衬底上。将n型杂质离子注入到p型衬底或外延层中以形成n型光电二极管。另外，将p型杂质离子注入到n型衬底或外延层中以形成p型光电二极管。本实施例中，衬底100为高掺杂的p型硅衬底，通过离子注入在衬底100内部植入若干N埋层，以形成若干光电二极管200结构。
电学隔离结构横向环绕光电二极管200，并且从半导体区域上方垂直延伸到器件层102中。电学隔离结构例如可以是深沟槽隔离(DTI)、浅沟槽隔离(STI)或者注入隔离。在一些实施例中，电学隔离结构包括加衬里于沟槽的沟槽衬里层以及填充沟槽的沟槽填充层。例如，沟槽衬里层可以是电介质，诸如二氧化硅，并且沟槽填充层例如可以是多晶硅或氧化物。此外，在一些实施例中，电学隔离结构包括加衬里于沟槽的掺杂沟槽衬里区域或层和或插入沟槽的沟槽覆盖层。掺杂沟槽衬里区域或层可以是半导体区域的掺杂区域或掺杂外延层。此外，掺杂沟槽衬里区域或层例如可以掺杂有硼。沟槽覆盖层例如可以是电介质，诸如二氧化硅。
参考图4，覆盖接触刻蚀停止层206，填充介质材料，形成层间介质层204。之后，刻蚀层间介质层204，形成凹槽，并在凹槽内形成接触结构208。
层间介质层204，以及后续形成的金属间介质层300，统称介质层。介质层可以采用合适的介质材料制得，诸如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、TEOS氧化物、磷硅酸玻璃(PSG)、硼磷硅酸玻璃(BPSG)、低k介质材料、其他合适的介质材料或其组合。示例性的低k介质材料包括氟化硅玻璃(FSG)、掺杂碳的氧化硅、黑金刚石(Applied Materials of Santa Clara,California)、干凝胶、气凝胶、非晶氟化碳、聚对二甲苯、苯并环丁烯(BCB)、SiLK(DowChemical，Midland，Michigan)、聚酰亚胺、其他合适的材料或其组合。本实施例中，介质层的材料为氧化硅。需要说明的是，在一些实施例中，氧化硅材料可以是采用化学气相沉积得到的氧化硅，也可以是在旋转涂布工艺中，通过SOG材料获得的硅的氧化物SiOx。
介质层可以包括具有多种介质材料的多层结构。介质层由化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)、旋转涂布、其他合适的工艺或其组合形成。本实施例中，介质层采用旋转涂布玻璃(SOG)工艺制得，能够均匀地填充栅极结构202之间的空隙，简单高效地得到平整的介质膜层。
本实施例中，接触结构208为钨塞。
参考图5，在形成的半导体结构表面沉积高折射率材料膜层210’。之后，在该高折射率材料膜层210表面继续形成底部抗反射层212
(BARC)和光刻胶层214。
本实施例中，高折射率材料膜层210’所采用的材料的折射率大于2。优选为氮化硅(n≈2.25)、无定型碳(n≈2.42)、无定型硅(n≈3.98)中的一种或多种的组合，用于后续形成凸透镜阵列210。通常来说，凸透镜越凸(凸透镜中心与边缘的厚度差越大)、凸透镜相比环境的折射率增量越大，焦距越小，折光能力越强。采用高折射率材料可以有效提高凸透镜阵列210的折光能力，同时减小对凸透镜阵列210厚度差的形貌要求，降低工艺的难度。
本实施例中，所述高折射率材料膜层210’采用减压化学气相沉积(SACVD)或等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺形成，在沉积完成所述高折射率材料膜层210’后，还采用化学机械平坦化(CMP)工艺对其进行平坦化处理，以提高高折射率材料膜层210’的平整度和表面性能。
底部抗反射层212可以由氮化物材料、有机材料、氧化物材料等形成。该底部抗反射层212不但可以较少反射和驻波问题，还能够调节光刻胶层212与基底的粘结力，从而调节后续形成的弧形结构的弧度。
本实施例中，光刻胶层214采用玻璃化转变温度约为150℃的正性光刻胶材料AR89制得。当光刻胶层214在高于玻璃化转变温度的一定温度范围内烘烤时，由于表面张力与粘结力的平衡，可以使光刻胶层214顶部的图案单元整体呈弧形结构。本实施例中，光刻胶层214可以采用旋涂工艺形成。
继续参考图6，通过光刻、显影，图案化该光刻胶层214。之后，加热烘烤，使光刻胶回流成型，使图案化后的光刻胶层214的图案单元214a顶部整体呈弧形结构。
本实施例中，光刻胶的回流成型工艺所采用的烘烤温度为150-160℃，烘烤时间为5-10分钟。由于表面张力的作用，光刻胶层214的图案单元214a将形成球形轮廓，而由于其底部与抗反射层的粘结作用，表面张力在三相线处达到平衡，从而使光刻胶层214的图案单元顶部形成一定厚度的凸起，最终整体呈弧形结构。优选地，图案单元中心与边缘的厚度差为50-100nm。
参考图7，采用各向异性干法刻蚀工艺，刻蚀光刻胶层214、底部抗反射层212和高折射率材料膜层210’，将光刻胶层214以及底部抗反射层212完全去除，并根据光刻胶层214顶部弧形结构刻蚀高折射率材料膜层210’，形成凸透镜阵列210。
本实施例中，该各向异性干法刻蚀工艺采用反应离子束刻蚀，选择对光刻胶层214、底部抗反射层212和高折射率材料膜层210’的材料具有低选择比的刻蚀气体及刻蚀参数，使光刻胶层214顶部弧形结构的三维轮廓能够很好地被转移至高折射率材料膜层210’。其中，反应离子束刻蚀采用的刻蚀射频功率为500-800W，硅片衬底偏置射频功率为500-800W，入射角为0°，反应气体包括但不限于氩气、氧气、四氟化碳以及三氟化碳中的多种的组合，反应腔体的压力为20-200mtorr。本实施例中，该反应离子束刻蚀过程对高折射率材料膜层210’和光刻胶层214的刻蚀选择比优选为1-3。当该选择比为1时，光刻胶层214顶部弧形结构的三维轮廓被完整地复制至高折射率材料膜层210’处，而当该选择比略大于1时，该反应离子束刻蚀过程能够一定程度地放大原本弧形结构中心与边缘区域的厚度差，提高形成的凸透镜阵列210对光线的偏折能力，同时防止高折射率材料膜层210’在光刻胶层214未去除完全时即被刻穿。
参考图8，覆盖所述凸透镜阵列210，形成金属间介质层300，干法刻蚀所述金属间介质层300以及所述凸透镜阵列210，形成通孔并继续采用双大马士革工艺在通孔内制作金属互连结构302。
本实施例中，对金属间介质层300和凸透镜阵列210的干法刻蚀所采用的刻蚀气体至少包括CH3F、O2和Ar。由于本实施例中的金属间介质层300的材料为氧化硅，凸透镜阵列210的材料为氮化硅，而接触结构208为钨塞，该材料选择和刻蚀气体的组分选择使得通孔刻蚀具有较高的刻蚀选择比。
通过以上方式，本实施例提供的背照式图像传感器的形成方法采用光刻胶回流工艺配合低选择性的各向异性干法刻蚀，制得顶部具有弧形结构的凸透镜阵列210，制备过程简单高效，有效解决了背照式图像传感器相邻光电二极管200之间的光学串扰问题。
至此，已经结合附图描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种背照式图像传感器，其特征在于，包括：
器件层，所述器件层内形成有多个光电二极管；
层间介质层，设置于所述器件层一侧；
金属间介质层，形成于所述层间介质层背离所述器件层的一侧；
凸透镜阵列，配置于所述层间介质层与所述金属间介质层之间，其材料的折射率大于所述层间介质层和所述金属间介质层的材料的折射率。
2.如权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述凸透镜阵列的材料为氮化硅、无定型碳、无定型硅中的一种或多种的组合。
3.如权利要求1或2所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述层间介质层和/或所述金属间介质层的材料为氧化硅。
4.如权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述凸透镜阵列具有若干凸透镜单元，所述凸透镜单元的水平位置对应于所述光电二极管，且所述凸透镜单元沿垂直方向具有大于所述光电二极管的投影面积。
5.一种背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供其内形成有多个光电二极管的器件层；
在所述器件层一侧形成层间介质层；
在所述层间介质层背离所述器件层的一侧形成凸透镜阵列，所述凸透镜阵列的材料的折射率大于所述层间介质层的折射率；
在所述凸透镜阵列背离所述层间介质层的一侧形成金属间介质层，所述金属间介质层的材料的折射率小于所述凸透镜阵列的材料的折射率。
6.如权利要求5所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，所述凸透镜阵列的形成包括以下步骤：
形成高折射率材料膜层；
在所述高折射率材料膜层上涂敷光刻胶层并光刻、显影；
光刻胶回流成型；
采用各向异性干法刻蚀形成凸透镜阵列。
7.如权利要求6所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，所述各向异性干法刻蚀方法对所述高折射率材料膜层和所述光刻胶的刻蚀选择比为1-3。
8.如权利要求6所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，所述高折射率材料膜层为氮化硅膜层。
9.如权利要求8所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，还包括以下步骤：
干法刻蚀所述凸透镜阵列，形成通孔，该干法刻蚀过程所采用的刻蚀气体至少包括CH3F、O2和Ar。
10.如权利要求5-9中任一项所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，所述层间介质层和/或所述金属间介质层采用旋转涂布玻璃工艺形成。
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