CN109348118A - 图像传感器、制作方法以及成像装置 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及图像传感器、制作方法以及成像装置。一种图像传感器包括：衬底，包括逻辑区和像素区，所述逻辑区用于在其中形成有源逻辑器件的至少一部分，所述像素区用于在其中形成像素单元，所述像素单元至少包括感光元件，其中，所述逻辑区的上表面低于所述像素区的上表面。

Description

图像传感器、制作方法以及成像装置
技术领域
本公开涉及图像传感器、制作方法以及成像装置。
背景技术
在背照式图像传感器中，逻辑器件和感光元件基本形成在衬底的相同表面。而逻辑区上有焊盘(PAD)部(包括焊盘以及在焊盘和衬底有源区之间的导电结构)存在，造成逻辑区和像素区之间存有高度差。由于高度差的存在，通常在焊盘周围距离焊盘200～300um甚至更多的区域，如果在其中形成像素的话，则在填充滤色器时均匀性较差。从而这部分区域难以被有效利用。
另外，在靠近PAD的区域填充滤色器的话，由于滤色器表面会产生一定坡度，因此如果在该区域上方设置微透镜会造成微透镜倾斜。这也使得这部分区域难以被利用。
因此，存在对改进的图像传感器、制作方法以及成像装置的需求。
发明内容
根据本公开一个方面，提供了一种图像传感器，包括：衬底，包括逻辑区和像素区，所述逻辑区用于在其中形成有源逻辑器件的至少一部分，所述像素区用于在其中形成像素单元，所述像素单元至少包括感光元件，其中，所述逻辑区的上表面低于所述像素区的上表面。
在一些实施例中，所述图像传感器还包括：滤色器层，所述滤色器层包括多个滤色器，各滤色器设置在对应的像素单元之上；以及微透镜阵列，包括多个微透镜，各微透镜设置在对应的滤色器之上。
在一些实施例中，所述衬底的一部分被去除从而形成所述逻辑区的上表面。
在一些实施例中，所述图像传感器还包括：连接结构，设置在所述逻辑区之上，所述连接结构包括至少一个绝缘层以及至少一个导电部件；以及焊盘，设置在所述连接结构之上。
在一些实施例中，所述图像传感器还包括：连接结构，设置在所述逻辑区之上，所述连接结构包括至少一个绝缘层以及至少一个导电部件；以及焊盘，设置在所述连接结构之上，其中，与所述焊盘紧邻的微透镜距所述焊盘的距离小于或等于200μm。
在一些实施例中，所述图像传感器还包括：在所述像素区之上的功能层，所述功能层至少包括绝缘层。
在一些实施例中，所述图像传感器还包括：在所述像素区之上的功能层；滤色器层，所述滤色器层包括多个滤色器，各滤色器设置在对应的像素单元之上，功能层设置在对应的滤色器和像素单元之间；以及微透镜阵列，包括多个微透镜，各微透镜设置在对应的滤色器之上。
根据本公开的另一方面，提供了一种用于图像传感器的制作方法，包括：提供衬底，所述衬底具有第一主表面和与第一主表面相反的第二主表面，所述衬底包括逻辑区和像素区，所述逻辑区用于在其中形成有源逻辑器件的至少一部分，所述像素区用于在其中形成像素单元；在从所述第二主表面向第一主表面的方向上，将所述逻辑区的上部去除，从而使得所述逻辑区的上表面低于所述像素区的上表面；以及在所述像素区中形成像素单元，其中所述像素单元至少包括感光元件。
在一些实施例中，所述方法还包括：在上部被去除的所述逻辑区中形成有源逻辑器件的部分或全部。
在一些实施例中，所述方法还包括：在所述像素区之上形成功能层，所述功能层至少包括绝缘层。
在一些实施例中，所述方法还包括：形成滤色器层，所述滤色器层包括多个滤色器，各滤色器设置在对应的像素单元之上；以及形成微透镜阵列，所述微透镜阵列包括多个微透镜，各微透镜设置在对应的滤色器之上。
在一些实施例中，所述方法还包括：形成滤色器层，所述滤色器层包括多个滤色器，各滤色器设置在对应的像素单元之上，所述功能层设置在对应的滤色器和像素单元之间；以及形成微透镜阵列，所述微透镜阵列包括多个微透镜，各微透镜设置在对应的滤色器之上。
在一些实施例中，所述方法还包括：在上部被去除的所述逻辑区之上形成连接结构，所述连接结构包括至少一个绝缘层以及至少一个导电部件；以及在所述连接结构之上形成焊盘。
在一些实施例中，所述方法还包括：在上部被去除的所述逻辑区之上形成连接结构，所述连接结构包括至少一个绝缘层以及至少一个导电部件；以及在所述连接结构之上形成焊盘，其中，与所述焊盘紧邻的微透镜距所述焊盘的距离小于或等于200μm。
在一些实施例中，在所述像素区中形成像素单元包括：在像素区中形成用以将像素单元分隔开的沟槽隔离；以及在被沟槽分隔开的像素区的区域中形成像素单元的感光元件。
根据本公开另一方面，一种具有图像传感器的装置，其中所述图像传感器是如本公开中任一实施例所述的图像传感器。
附图说明
附图构成本说明书的一部分，其描述了本公开的示例性实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理，在附图中：
图1示出了根据现有技术的图像传感器的部分截面图；
图2A示出了根据本公开一些实施例的图像传感器的部分截面图；
图2B示出了根据本公开一些实施例的图像传感器的部分截面图；
图3示出了根据本公开一些实施例的图像传感器的部分截面图；
图4A-4G示出了根据本公开一些实施例的图像传感器的制作方法的部分步骤的部分截面图；
图5示出了根据本公开一些实施例的图像传感器的制作方法的示例流程图；以及
图6示出了根据本公开的一些实施例的成像装置的示意框图。
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
以下结合附图详细地描述本公开的具体实施例。但应理解，对实施例的描述仅仅是说明性的，在任何意义上都不是对本申请所要求保护的发明的限制。除非另有具体说明或者上下文或其原理明示或者暗示，在示例性实施例中的组件和步骤的相对布置、表达式和数值等不作为对本申请所要保护的发明的限制。在本说明书中，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说明书的一部分。
本文中所用的术语，仅仅是为了描述特定的实施例，而不意图限制本公开。应理解的是，“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发明的实施例，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。
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。
在本公开中，诸如“第一”、“第二”、“第三”等的序数词是为了避免构成要素的混淆而标记的，而不用于在任何方面上的优先次序。
在下文中，有时使用CMOS图像传感器作为示例来对本发明的某些实施例进行描述，但本发明并不限于此。
图1示出了根据现有技术的图像传感器的部分截面图。如图1所示，现有技术的图像传感器可以包括衬底100。衬底100可以包括逻辑区110和像素区150。本领域技术人员将容易理解，通常，逻辑区可以用于在其中形成有源逻辑器件(在图中未示出)的至少一部分(例如，有源区)。通常，像素区可以用于在其中形成像素单元。一般地，像素单元至少包括感光元件120(诸如，光电二极管等)。
如图1所示，在逻辑区之上形成有焊盘(PAD)，造成逻辑区和像素区之间存有高度差。当在像素区之上形成滤色器层160时，由于高度差的存在，因此，在焊盘附近，例如通常在焊盘周围距离焊盘200～300um甚至更多的区域，所形成的滤色器层表面不均匀。例如，如图中所示，在焊盘附近，滤色器存在一定坡度，如虚线框所指示的区域190中所示的。因此，这部分区域难以被利用来形成像素。此外，在进一步在滤色器之上形成微透镜阵列时，由于滤色器表面会产生一定坡度，因此如果在该区域上方设置微透镜会造成微透镜倾斜。这也使得这部分区域难以被利用。
因此，在现有技术中，焊盘附近的这部分衬底(诸如区域190)难以被利用来在其中制造像素。从而，造成衬底的一部分面积不能被有效利用，使得像素区域的面积受到限制。
针对上述问题中的部分或全部，提出了本公开的发明。
图2A示出了根据本公开一些实施例的图像传感器的部分截面图。如图2A所示，本公开一些实施例的图像传感器可以包括衬底100。衬底100可以包括逻辑区110和像素区150。逻辑区用于在其中形成有源逻辑器件的至少一部分。像素区用于在其中形成像素单元120。
衬底100可以是例如半导体衬底。这里，对衬底没有特别限制，只要其可以用来制作感光元件和逻辑器件即可。另外，这里将包含半导体材料的衬底称为半导体衬底，例如但不限于，体半导体衬底。
衬底100具有第一主表面101和与第一主表面相反的第二主表面103，如从例如图2A、图4A和图4B等所更佳地看到的。
像素单元可以至少包括感光元件，诸如光电二极管。在其他实施例中，像素单元还可以包括与感光元件关联的其他元件，例如开关元件、电荷存储元件等。在图2A中，示意性地示出了四个像素单元120；然而本公开并不限于此。在其他实施例中，可以包括更多或更少的像素单元。
如图中所示，逻辑区的上表面1011低于像素区的上表面1013(从图4B可以更佳地看到)。换而言之，在从第二主表面103向第一主表面101的方向上，逻辑区的上表面1011被设置为比像素区(或者像素单元)的上表面1013更靠近第二主表面103。
在一些实施例中，逻辑区被从第一主表面相对于像素区减薄。
所述图像传感器还可以包括滤色器层160。如图中所示，滤色器层160可以包括多个滤色器165，各滤色器可以分别设置在对应的像素单元之上。所述滤色器可以包括例如但不限于红滤色器、绿滤色器和蓝滤色器。如图中所示，滤色器层160还可以包括用于分隔滤色器的分隔件140。在一些实施例中，分隔件140可以由例如金属形成。
所述图像传感器还可以包括微透镜阵列170。如图中所示，微透镜阵列170可以包括多个微透镜，各微透镜设置在对应的滤色器之上。
在一些实施例中，有源逻辑器件可以被形成为邻接或者邻近所述逻辑区的上表面。例如，有源逻辑器件可以为晶体管(例如，MOS晶体管)，其沟道区、源区和/或漏区可以被形成为邻接或者邻近所述逻辑区的上表面。另外，在一些实施例中，感光元件(例如，光电二极管)可以被形成为邻接或者邻近所述像素区的上表面。例如，光电二极管120可以包括导电类型相反的掺杂区，其中的一个掺杂区可以被形成为邻接或者邻近所述像素区的上表面。
图像传感器还可以包括与像素区关联设置的功能层。在一些实施例一种，所述功能层可以包括隔离和保护结构。所述隔离和保护结构可以包括至少一个绝缘层。在图2A所示的实施例中，隔离和保护结构可以包括第一绝缘层131以及在绝缘层131之上的第二绝缘层133。第一绝缘层131和第二绝缘层133填充衬底中隔离凹槽105(如从图4C更佳地看到的)。因此，隔离和保护结构可以包括位于衬底中的部分以及在衬底之上的部分，如图中的虚线所示意性地分隔的。在一些实施例中，第一绝缘层可以由例如氮化硅形成，第二绝缘层可以由例如氧化硅形成；应理解，本公开并不限于此。
在一些实施例中，所述功能层还可以包括抗反射层(在图中未示出)等。
这里，图2A以及其他的某些附图中，与焊盘(PAD)紧邻的部分并未绘出滤色器层和微透镜阵列。应理解，本公开并不限于此。实际上，在像素区与焊盘相邻的部分中，同样可以形成光电二极管。在不同的实施例中，滤色器层和微透镜阵列可以被配置为一直延伸到与PAD相邻或邻接。
图2B示出了根据本公开另一些实施例的图像传感器的部分截面图。图2B所示的实施例的图像传感器的构成基板与图2A所示的相同或相似，区别在于其隔离和保护结构不同。因此，这里对于图2B所示的实施例的图像传感器的与图2A所示相同的部件不再进行重复说明。
如图2B所示，该图像传感器的隔离和保护结构可以包括位于衬底中的第一部分130以及在衬底上的第二部分(其可以包括层131和层133)。在该实施例中，第一部分130可以包括至少一个绝缘层。在该实施例中，第一部分130可以类似包括两个绝缘层，其中一个可以由例如氮化硅形成，而另一个可以由例如氧化硅形成。隔离和保护结构的第二部分也可以包括至少一个绝缘层。在该实施例中，所述第二部分可以类似地包括两个绝缘层，其中一个(例如，131)可以由例如氮化硅形成，而另一个(133)可以由例如氧化硅形成。应理解，本公开并不限于此。
图3示出了根据本公开另一些实施例的图像传感器的部分截面图。在附图中，相同的部件被以相同的附图标记指示，因此省略对其重复说明。如图3所示，图像传感器还可以包括设置在所述逻辑区之上的连接结构180和设置在所述连接结构之上的焊盘(PAD)113。连接结构180可以包括至少一个绝缘层183以及至少一个导电部件181。该连接结构可以设置在焊盘和衬底(逻辑区)之间，以提供焊盘到衬底的电连接。
在一些实施例中，导电部件181可以是例如金属层，其可以设置在绝缘层183中；然而本公开不限于此。导电部件181也可以包括用于导电连接件185。导电连接件185可以用于连接两个相邻的金属层，或者可以用于连接金属层和有源区。换而言之，导电连接件185可以包括通路(via)或接触件(contact)。在一些实施例中，焊盘可以包括一层或多层金属材料。例如，焊盘可以由铝(Al)形成。
根据本公开的实施例，与所述焊盘紧邻的微透镜距所述焊盘的距离小于或等于200μm；优选地，小于或等于150μm；更优选地，小于或等于100μm；更优选地，小于或等于50μm。
根据本公开的实施例，逻辑区的PAD顶表面的高度相对于像素区被大大减小；甚至，可以使逻辑区的PAD顶表面的高度和像素区基本一样高。从而，减轻或消除了逻辑区和像素区之间的高度差。因此，改善了PAD周围区域滤色器的均匀性。从而，使得焊盘周围的区域也可以用来形成像素，增加了像素区有效使用面积。
根据本公开的实施例，可以使焊盘周围的原本不能有效利用的区域得到有效利用。对于每个焊盘可以使得在其径向上增加200-300微米甚至更多的径向距离对应的有效面积。而该部分面积在现有技术中不能得到有效利用。
另一方面，根据本公开的实施例，由于逻辑区和像素区之间高度差变小，从而可以增加焊盘的厚度，从而可以增加导线接合(wire bonding)时的可靠性。因此，可以提高图像传感器的良品率。
图4A-4G示出了根据本公开一些实施例的图像传感器的制作方法的部分步骤的示意性部分截面图。图5示出了根据本公开一些实施例的图像传感器的制作方法的示例流程图。下面结合图4A-4G以及图5来说明根据本公开一些实施例的图像传感器的制作方法
在步骤S510，提供衬底100。如图4A所示，衬底100可以具有第一主表面101和与第一主表面相反的第二主表面103。衬底100可以是半导体衬底。如图中所示，衬底100可以包括逻辑区110和像素区150。所述逻辑区用于在其中形成有源逻辑器件的至少一部分。所述像素区用于在其中形成像素单元。衬底100可以是例如P型的体硅衬底；显然，本公开并不限于此。
在步骤S512，将所述逻辑区的上部去除，从而使得逻辑区的上表面低于所述像素区的上表面。如图4B所示，在从所述第二主表面103向第一主表面101的方向上(也即，从第一表面101)，将逻辑区110的上部去除，从而使得逻辑区110的上表面低于所述像素区150的上表面。
在步骤S514，可以在所述像素区中形成像素单元。所述像素单元至少包括感光元件。另外，还可以在逻辑区处形成逻辑器件。
在一种具体实现方式中，如图4C-4D所示，可以在像素区中形成沟槽隔离130，例如深沟槽隔离(DTI)。在该实施例中，沟槽隔离件130被示出为包括两层绝缘材料；然而本公开不限于此。
之后，可以在像素区中形成感光元件120，例如光电二极管。作为示例，在一个具体实现方式中，可以通过例如离子注入在衬底中形成掺杂区121。掺杂区121可以具有与衬底相反的导电类型，例如N型。如此，掺杂区121和衬底构成光电二极管。应理解，图4C所示的掺杂区的配置仅仅是示例性的，本领域技术人员可以根据实际应用的需要来对其进行设置。可选地，还可以在掺杂区121之上形成另外的掺杂区123.掺杂区123可以具有与掺杂区121的导电类型相反的导电类型，例如P+型，从而可以和掺杂区121来形成钉扎二极管。掺杂区123可以也通过例如离子注入等工艺步骤来形成。在一些实施例中，可以先形成掺杂区123，之后形成掺杂区121；反之亦可。
所述方法还可以包括：在步骤S516，在逻辑区形成逻辑器件。如图4D中所示，可以在逻辑区110中形成用于器件隔离的隔离件401(例如，浅沟槽隔离(STI)。之后，在逻辑区110上形成栅极绝缘层403，并在栅极绝缘层上形成栅极405。之后，可以以自对准的方式进行离子注入，来在逻辑区中形成源极和漏极405/407。显然，根据本公开形成逻辑器件的方法并不限于此，而是可以利用多种已知的材料和多种已知的工艺形成逻辑器件，这对于本领域普通技术人员是已知的，因此不再对其细节进行进一步的说明。
应理解，逻辑器件和感光元件的图示仅仅是示意性地，可以并不按实际比例绘制。在这些图示中，某些部件可能被相对于其他部件被放大。另外，在后续的图中，为了图示的清楚以及避免对其他要点的模糊，不再绘制出逻辑器件和像素单元的细节。
所述方法还可以包括：在步骤S518，在所述像素区之上形成功能层。如图4E所示，功能层可以包括一个或多个层。在该实施例中，功能层可以包括两个绝缘层131和133。如前所述的，功能层还可以包括其他的层，例如抗反射膜等。
所述方法还可以包括：在步骤S520，在上部被去除的所述逻辑区之上形成连接结构。如图4E所示，在逻辑区110之上形成连接结构180。连接结构180包括至少一个绝缘层183以及至少一个导电部件181或185。
所述方法还可以包括：在步骤S522，在所述连接结构之上形成焊盘(PAD)113，如图4E所示。
所述方法还可以包括：在步骤S524，形成滤色器层，如图4F所示。滤色器层160可以包括多个滤色器。各滤色器可以设置在对应的像素单元之上。所述功能层设置在对应的滤色器和像素单元之间。
所述方法还可以包括：在步骤S526，形成微透镜阵列，如图4G所示。所述微透镜阵列可以包括多个微透镜170，各微透镜设置在对应的滤色器之上。
应理解，图4A-4G和图5中所示的步骤仅仅是示例性。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。
图6示出了根据本公开的一些实施例的成像装置的示意框图。如图6所示，本公开还提供了一种具有图像传感器的装置，例如成像装置，其中所述图像传感器是根据本公开任意实施例所述的图像传感器。所述图像传感器可以包括像素单元的阵列。所述像素单元可以至少包括所述感光元件。
以上已经描述了本公开的各种实施例，但是上述说明仅仅是示例性的，并非穷尽性的，并且本发明也不限于所公开的各种实施例。在此公开的各实施例可以任意地适当组合，而不脱离本发明的精神和范围。根据本发明在此的教导，相关技术领域的普通技术人员可以容易地想到许多修改和变化，这些修改和变化也被涵盖在本发明的精神和范围内。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种图像传感器，包括：
衬底，包括逻辑区和像素区，所述逻辑区用于在其中形成有源逻辑器件的至少一部分，所述像素区用于在其中形成像素单元，所述像素单元至少包括感光元件，
其中，所述逻辑区的上表面低于所述像素区的上表面。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
滤色器层，所述滤色器层包括多个滤色器，各滤色器设置在对应的像素单元之上；以及
微透镜阵列，包括多个微透镜，各微透镜设置在对应的滤色器之上。
3.根据权利要求1或2所述的图像传感器，其中：
所述衬底的一部分被去除从而形成所述逻辑区的上表面。
4.根据权利要求1或2所述的图像传感器，还包括：
连接结构，设置在所述逻辑区之上，所述连接结构包括至少一个绝缘层以及至少一个导电部件；以及
焊盘，设置在所述连接结构之上。
5.根据权利要求2所述的图像传感器，还包括：
连接结构，设置在所述逻辑区之上，所述连接结构包括至少一个绝缘层以及至少一个导电部件；以及
焊盘，设置在所述连接结构之上，
其中，与所述焊盘紧邻的微透镜距所述焊盘的距离小于或等于200μm。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
在所述像素区之上的功能层，所述功能层至少包括绝缘层。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
在所述像素区之上的功能层；
滤色器层，所述滤色器层包括多个滤色器，各滤色器设置在对应的像素单元之上，功能层设置在对应的滤色器和像素单元之间；以及
微透镜阵列，包括多个微透镜，各微透镜设置在对应的滤色器之上。
8.一种用于图像传感器的制作方法，包括：
提供衬底，所述衬底具有第一主表面和与第一主表面相反的第二主表面，所述衬底包括逻辑区和像素区，所述逻辑区用于在其中形成有源逻辑器件的至少一部分，所述像素区用于在其中形成像素单元；
在从所述第二主表面向第一主表面的方向上，将所述逻辑区的上部去除，从而使得所述逻辑区的上表面低于所述像素区的上表面；以及
在所述像素区中形成像素单元，其中所述像素单元至少包括感光元件。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：
在上部被去除的所述逻辑区中形成有源逻辑器件的部分或全部。
10.根据权利要求8所述的方法，还包括：
在所述像素区之上形成功能层，所述功能层至少包括绝缘层。
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