CN109411497A - 图像传感器及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种图像传感器及其形成方法,所述方法包括:提供半导体衬底,所述半导体衬底内具有像素器件;在所述半导体衬底的表面形成格栅结构,所述格栅结构具有多个网格开口;采用疏水材料形成疏水薄膜,所述疏水薄膜覆盖所述格栅结构的顶部表面和所述网格开口的侧壁和底部表面;在所述网格开口内形成滤色镜。本发明方案可以提高图像传感器的成像品质,并且降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域,尤其涉及一种图像传感器及其形成方法。
背景技术
图像传感器是摄像设备的核心部件,通过将光信号转换成电信号实现图像拍摄功能。以互补金属氧化物半导体图像传感器(CMOS Image Sensors,CIS)器件为例,由于其具有低功耗和高信噪比的优点,因此在各种领域内得到了广泛应用。
以背照式(Back-side Illumination,BSI)CIS为例,在现有的制造工艺中,先在半导体衬底内形成逻辑器件、像素器件以及金属互连结构,然后采用承载晶圆与所述半导体衬底的正面键合,进而对半导体衬底的背部进行减薄,进而在半导体衬底的背面形成CIS的后续工艺,例如在所述像素器件的半导体衬底背面形成网格状的格栅(Grid),在所述格栅之间的网格开口内形成滤色镜(Color Filter)等。
然而,由于滤色镜的材料对格栅的侧壁具有亲水性,导致滤色镜的顶部表面为向下方凹陷的形貌,致使入射光线发散。
在现有技术中,需要形成一层平面层对滤色镜的凹陷区域进行补偿,然后在所述平面层的表面形成微透镜(Micro-Lens)以对入射光线进行聚焦,导致工艺步骤较多,成本较高。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种图像传感器及其形成方法,可以提高图像传感器的成像品质,并且降低成本。
为解决上述技术问题,本发明实施例提供一种图像传感器的形成方法,包括:提供半导体衬底,所述半导体衬底内具有像素器件;在所述半导体衬底的表面形成格栅结构,所述格栅结构具有多个网格开口;采用疏水材料形成疏水薄膜,所述疏水薄膜覆盖所述格栅结构的顶部表面和所述网格开口的侧壁和底部表面;在所述网格开口内形成滤色镜。
可选的,所述滤色镜的顶部表面向远离所述半导体衬底的方向凸起。
可选的,所述滤色镜的顶部表面高于所述格栅结构的顶部表面。
可选的,所述采用疏水材料形成疏水薄膜包括:采用溶剂-非溶剂成膜工艺或溶胶-凝胶法工艺,形成所述疏水薄膜。
可选的,所述疏水材料选自含氟聚合物以及合成高分子聚合物。
可选的,所述疏水薄膜的厚度为10nm至1000nm。
为解决上述技术问题,本发明实施例提供一种图像传感器,包括:半导体衬底,所述半导体衬底内具有像素器件;格栅结构,位于所述半导体衬底的表面,所述格栅结构具有多个网格开口;疏水薄膜,覆盖所述格栅结构的顶部表面和所述网格开口的侧壁和底部表面;滤色镜,位于所述网格开口内。
可选的,所述滤色镜的顶部表面向远离所述半导体衬底的方向凸起。
可选的,所述滤色镜的顶部表面高于所述格栅结构的顶部表面。
可选的,所述疏水薄膜的材料选自含氟聚合物以及合成高分子聚合物。
与现有技术相比,本发明实施例的技术方案具有以下有益效果:
在本发明实施例中,提供半导体衬底,所述半导体衬底内具有像素器件;在所述半导体衬底的表面形成格栅结构,所述格栅结构具有多个网格开口;采用疏水材料形成疏水薄膜,所述疏水薄膜覆盖所述格栅结构的顶部表面和所述网格开口的侧壁和底部表面;在所述网格开口内形成滤色镜。采用上述方案,通过采用疏水材料形成疏水薄膜,所述疏水薄膜覆盖所述格栅结构的顶部表面和所述网格开口的侧壁和底部表面,进而在所述网格开口内形成滤色镜,可以使得填充的滤色镜的顶部表面自动呈现出向上凸起的形貌,从而产生聚焦入射光的效果,由于滤色器的折射率高于微透镜,且相比于现有技术,减少了微透镜、平面层与滤色镜之间的逐层反射,可以使得聚焦效果优于在滤色镜上设置平面层和微透镜的结构,提高图像传感器的成像品质,并且由于减少了平面层和微透镜工艺步骤,因此可以降低成本。
进一步,所述滤色镜的顶部表面高于所述格栅结构的顶部表面,可以避免突出的格栅结构对光线的遮挡,提高对入射光线的吸收,从而提高图像传感器的成像品质。
进一步,采用溶剂-非溶剂成膜工艺形成所述疏水薄膜,可以使得成膜更加方便快速,提高施作便利性,且有助于降低成本。
附图说明
图1至图3是现有技术中一种图像传感器的形成方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图;
图4是图3示出的图像传感器的光线传输示意图;
图5是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法的流程图;
图6至图7是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图;
图8是图7示出的图像传感器的光线传输示意图。
具体实施方式
在现有技术中,在半导体衬底内的表面形成网格状的格栅,在所述格栅之间的网格开口内形成滤色镜,然而由于滤色镜的顶部表面为向下方凹陷的形貌,致使入射光线发散,因此需要形成一层平面层对滤色镜的凹陷区域进行补偿,然后在所述平面层的表面形成微透镜以对入射光线进行聚焦,导致工艺步骤较多,成本较高。
图1至图3是现有技术中一种图像传感器的形成方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图。
参照图1,提供半导体衬底100,在所述半导体衬底100的表面形成介质层110,在所述介质层的表面形成网格状的格栅结构120,在所述格栅结构120的网格开口内滤色镜130。
其中,所述半导体衬底100内具有像素器件102以及金属互连结构105。
具体地,所述像素器件可以包括光电二极管(Photo Diode,PD)以及像素电路。
所述金属互连结构105可以包括多层金属层,所述多层金属层之间可以通过通孔连接且通过层间介质层分隔。
当所述图像传感器为BSI CIS时,还可以采用承载晶圆101与所述半导体衬底100的正面键合,然后对半导体衬底100的背部进行减薄,进而在半导体衬底100的背面形成CIS的后续工艺。
在具体实施中,由于滤色镜130通常包括光刻胶材料,为一种亲水性材料,导致滤色镜130的材料对格栅结构120的侧壁具有亲水性,滤色镜130的顶部表面为向下方凹陷的形貌,致使入射光线容易发散。
参照图2,形成平面层140,所述平面层140覆盖所述滤色镜130以及所述格栅结构120。
在具体实施中,所述平面层140用于对滤色镜130的凹陷区域进行补偿。
参照图3,在所述平面层140的表面形成微透镜150。
在具体实施中,通过在所述平面层140的表面形成微透镜(Micro-Lens)150,可以对入射光线进行聚焦,从而实现传输更多的入射光至像素器件,提高图像品质。
参照图4,图4是图3示出的图像传感器的光线传输示意图。
当光线在图像传感器内传输时,会发生逐层反射,导致光吸收较差,降低聚焦效果。具体地,在微透镜150的表面进行第一次反射(如光线路径a),然后在平面层140的表面进行第二次反射(如光线路径b),然后在滤色镜130的凹陷表面进行第三次反射(如光线路径c)。
本发明的发明人经过研究发现,在现有技术中,由于滤色镜130的材料对格栅结构120的侧壁具有亲水性,滤色镜130的顶部表面为向下方凹陷的形貌,不得不形成平面层140对滤色镜130的凹陷区域进行补偿,然后形成微透镜150对入射光线进行聚焦,导致工艺步骤较多,成本较高,且由于微透镜150、平面层140与滤色镜130之间的逐层反射,导致光吸收较少,聚焦效果较差,成像品质不佳。
在本发明实施例中,提供半导体衬底,所述半导体衬底内具有像素器件;在所述半导体衬底的表面形成格栅结构,所述格栅结构具有多个网格开口;采用疏水材料形成疏水薄膜,所述疏水薄膜覆盖所述格栅结构的顶部表面和所述网格开口的侧壁和底部表面;在所述网格开口内形成滤色镜。采用上述方案,通过采用疏水材料形成疏水薄膜,所述疏水薄膜覆盖所述格栅结构的顶部表面和所述网格开口的侧壁和底部表面,进而在所述网格开口内形成滤色镜,可以使得填充的滤色镜的顶部表面自动呈现出向上凸起的形貌,从而产生聚焦入射光的效果,由于滤色器的折射率高于微透镜,且相比于现有技术,减少了微透镜、平面层与滤色镜之间的逐层反射,可以使得聚焦效果优于在滤色镜上设置平面层和微透镜的结构,提高图像传感器的成像品质,并且由于减少了平面层和微透镜工艺步骤,因此可以降低成本。
为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
参照图5,图5是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法的流程图。所述图像传感器的形成方法可以包括步骤S21至步骤S24:
步骤S21:提供半导体衬底,所述半导体衬底内具有像素器件;
步骤S22:在所述半导体衬底的表面形成格栅结构,所述格栅结构具有多个网格开口;
步骤S23:采用疏水材料形成疏水薄膜,所述疏水薄膜覆盖所述格栅结构的顶部表面和所述网格开口的侧壁和底部表面;
步骤S24:在所述网格开口内形成滤色镜。
下面结合图6至图7对上述各个步骤进行说明。
图6至图7是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图。
参照图6,提供半导体衬底200,在所述半导体衬底200的表面形成格栅结构220,所述格栅结构220具有多个网格开口,采用疏水材料形成疏水薄膜225,所述疏水薄膜225覆盖所述格栅结构220的顶部表面和所述网格开口的侧壁和底部表面。
在本发明实施例的优选方案中,如图6所示,可以在所述半导体衬底200的表面形成介质层210,然后在介质层210的表面形成格栅结构220。
其中,所述介质层210可以选自:氧化硅层、氮化硅层以及氧化硅与氮化硅的叠层。其中,所述氧化硅例如可以为SiO2,所述氮化硅例如可以为Si3N4。
在本发明实施例中,通过在所述半导体衬底200的表面形成介质层210,在所述介质层210的表面形成所述格栅结构220,可以通过所述介质层210对半导体衬底200进行有效保护。
其中,所述半导体衬底200内可以具有像素器件202以及金属互连结构205。
具体地,所述半导体衬底200可以为硅衬底,或者所述半导体衬底200的材料还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟等适当的应用于图像传感器的材料,所述半导体衬底200还可以为绝缘体表面的硅衬底或者绝缘体表面的锗衬底,或者是生长有外延层(Epitaxy layer,Epi layer)的衬底。优选地,所述半导体衬底200可以为轻掺杂的半导体衬底,且掺杂类型与漏区相反。具体地,可以通过向所述半导体衬底200进行离子注入,实现深阱掺杂(Deep Well Implant)。
所述像素器件可以包括光电二极管(Photo Diode,PD)以及像素电路,其中,所述像素电路可以包括形成选择晶体管、重置晶体管以及源随晶体管等各种适当的晶体管的器件,例如可以包括传输栅极(Transfer Gate,TG)以及浮置扩散区(Floating Diffusion,FD)。需要指出的是,在本发明实施例中,对于具体的像素电路的组成不作限制。
所述光电二极管能够在受到外界光强激发的情况下,产生光生载流子,即电子。所述光电二极管能够通过离子注入工艺形成,而且,通过控制离子注入的能量和浓度,能够控制离子注入的深度和注入范围,从而控制光电二极管的深度和厚度。
所述金属互连结构205可以包括多层金属层,所述多层金属层之间可以通过通孔连接且通过层间介质层分隔。
当所述图像传感器为BSI CIS时,还可以采用承载晶圆201与所述半导体衬底200的正面键合,然后对半导体衬底200的背部进行减薄,进而在半导体衬底200的背面形成CIS的后续工艺。
进一步地,所述疏水材料可以选自含氟聚合物以及合成高分子聚合物。
在具体实施中,所述含氟聚合物例如可以包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯以及偏二氟乙烯-四氟乙烯-六氟丙烯共聚物,所述合成高分子聚合物例如可以包括聚烯烃、聚碳酸酯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚酯以及不含氟的丙烯酸酯。
优选地,可以采用含氟聚合物作为所述疏水材料,以利用含氟聚合物更加稳定、高温下氟不容易与其他物质发生反应的特性,提高疏水材料的质量,减轻老化。
进一步地,所述疏水薄膜225的厚度可以为10nm至1000nm。
需要指出的是,在具体实施中,所述疏水薄膜225的厚度不应当过厚,否则容易降低光线传播的穿透效果,致使光学性质变差;所述疏水薄膜225的厚度不应当过薄,否则提高工艺难度。
作为一个非限制性的例子,所述疏水薄膜225的厚度可以为10nm至1000nm,优选地,可以为100nm至500nm。
进一步地,所述采用疏水材料形成疏水薄膜225的步骤可以包括:采用溶剂-非溶剂成膜工艺或溶胶-凝胶法工艺,形成所述疏水薄膜225。
其中,溶剂-非溶剂成膜工艺可以是根据溶解度原理,先将物质溶解于某溶剂,后对溶液进行必要的操作,然后加非溶剂将该物质以结晶或包覆在其他物质表面等形式析出的一种工艺方法。
溶胶-凝胶法工艺可以是将含高化学活性组分的化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化,再经热处理而成的氧化物或其它化合物固体的一种工艺方法。
优选地,可以采用溶剂-非溶剂成膜工艺形成所述疏水薄膜,可以使得成膜更加方便快速,提高施作便利性,且有助于降低成本。
需要指出的是,在本发明实施例的另一种具体实施方式中,还可以在所述介质层210的表面形成Hi-K介质层(图未示)和防反射层(图未示),从而可以有效地降低漏电流,且通过降低反射来提高光线吸收。
参照图7,在所述网格开口内形成滤色镜230。
在具体实施中,由于滤色镜230形成于所述疏水薄膜225的表面,所述滤色镜230的顶部表面会自动向远离所述半导体衬底200的方向凸起,也即向上凸起。
其中,所述滤色镜230的顶部表面可以低于或等于所述格栅结构220的顶部表面,还可以高于所述格栅结构220的顶部表面。
优选地,可以设置所述滤色镜230的顶部表面高于所述格栅结构220的顶部表面,以及所述滤色镜230的顶部表面的最低点也高于所述格栅结构的顶部表面,如图7示出的滤色镜230。
在本发明实施例中,所述滤色镜230的顶部表面高于所述格栅结构220的顶部表面,可以避免突出的格栅结构220对光线的遮挡,提高对入射光线的吸收,从而提高图像传感器的成像品质。
在本发明实施例中,通过采用疏水材料形成疏水薄膜225,所述疏水薄膜225覆盖所述格栅结构220的顶部表面和所述网格开口的侧壁和底部表面,进而在所述网格开口内形成滤色镜230,可以使得填充的滤色镜230的顶部表面自动呈现出向上凸起的形貌,从而产生聚焦入射光的效果,由于滤色器230的折射率高于微透镜,且相比于现有技术,减少了微透镜、平面层与滤色镜之间的逐层反射,可以使得聚焦效果优于在滤色镜上设置平面层和微透镜的结构,提高图像传感器的成像品质,并且由于减少了平面层和微透镜工艺步骤,因此可以降低成本。
参照图8,图8是图7示出的图像传感器的光线传输示意图。
当光线在图像传感器内传输时,仅仅会在微透镜150的表面进行单次反射(如光线路径d),从而相比于现有技术,有助于减少被反射的光线,提高光吸收。
在本发明实施例中,还提供了一种图像传感器,如图7所示,可以包括:半导体衬底200,所述半导体衬底200内具有像素器件202;格栅结构220,位于所述半导体衬底200的表面,所述格栅结构220具有多个网格开口;疏水薄膜225,覆盖所述格栅结构220的顶部表面和所述网格开口的侧壁和底部表面;滤色镜230,位于所述网格开口内。
进一步地,所述滤色镜230的顶部表面可以向远离所述半导体衬底200的方向凸起。
进一步地,所述滤色镜230的顶部表面可以高于所述格栅结构220的顶部表面。
进一步地,所述疏水薄膜的材料可以选自含氟聚合物以及合成高分子聚合物。
进一步地,所述图像传感器还可以包括:介质层210,位于所述半导体衬底200的表面;其中,所述格栅结构220位于所述介质层210的表面,所述疏水薄膜225覆盖所述介质层210的一部分表面。
关于该图像传感器的原理、具体实现和有益效果请参照前文及图5至图8示出的关于图像传感器的形成方法的相关描述,此处不再赘述。
虽然本发明披露如上,但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,均可作各种更动与修改,因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (10)
1.一种图像传感器的形成方法,其特征在于,包括:
提供半导体衬底,所述半导体衬底内具有像素器件;
在所述半导体衬底的表面形成格栅结构,所述格栅结构具有多个网格开口;
采用疏水材料形成疏水薄膜,所述疏水薄膜覆盖所述格栅结构的顶部表面和所述网格开口的侧壁和底部表面;
在所述网格开口内形成滤色镜。
2.根据权利要求1所述的图像传感器的形成方法,其特征在于,所述滤色镜的顶部表面向远离所述半导体衬底的方向凸起。
3.根据权利要求1所述的图像传感器的形成方法,其特征在于,所述滤色镜的顶部表面高于所述格栅结构的顶部表面。
4.根据权利要求1所述的图像传感器的形成方法,其特征在于,所述采用疏水材料形成疏水薄膜包括:
采用溶剂-非溶剂成膜工艺或溶胶-凝胶法工艺,形成所述疏水薄膜。
5.根据权利要求1所述的图像传感器的形成方法,其特征在于,所述疏水材料选自含氟聚合物以及合成高分子聚合物。
6.根据权利要求1所述的图像传感器的形成方法,其特征在于,所述疏水薄膜的厚度为10nm至1000nm。
7.一种图像传感器,其特征在于,包括:
半导体衬底,所述半导体衬底内具有像素器件;
格栅结构,位于所述半导体衬底的表面,所述格栅结构具有多个网格开口;
疏水薄膜,覆盖所述格栅结构的顶部表面和所述网格开口的侧壁和底部表面;
滤色镜,位于所述网格开口内。
8.根据权利要求7所述的图像传感器,其特征在于,所述滤色镜的顶部表面向远离所述半导体衬底的方向凸起。
9.根据权利要求7所述的图像传感器,其特征在于,所述滤色镜的顶部表面高于所述格栅结构的顶部表面。
10.根据权利要求7所述的图像传感器,其特征在于,所述疏水薄膜的材料选自含氟聚合物以及合成高分子聚合物。
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