CN109411498A - 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，所述图像传感器包括：半导体衬底，所述半导体衬底内具有光电二极管；介质层，位于在所述半导体衬底的表面；多个具有不同滤光颜色的滤光器，设置于所述介质层的表面，所述多个具有不同滤光颜色的滤光器包括红色滤光器；其中，所述介质层被所述红色滤光器覆盖的部分内具有光折射薄膜，所述光折射薄膜的折射率小于所述介质层的折射率，且所述光折射薄膜的透光率大于预设阈值。本发明方案可以提高红光的量子效率，增强红光的光电转换效果。
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CMOS图像传感器(CMOS Image Sensors，简称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，简称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介质层，进而在介质层的表面形成滤光器(Color Filter)等。
其中，滤光器通常包括多个最小重复单元，以拜耳(Bayer)滤光器阵列为例，所述最小重复单元中通常包括绿色滤光器、红色滤光器以及蓝色滤光器。具体而言，红色光线的波长大于绿色光线的波长，绿色光线的波长大于蓝色光线的波长。
然而，由于红光的波长更长，导致在红光穿过光电二极管的过程中，光吸收更少，难以产生足够的光电子，致使灵敏度更低，甚至发生光线进入相邻的光电二极管造成光学串扰的问题。
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，可以提高红光的量子效率，增强红光的光电转换效果。
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光电二极管；介质层，位于在所述半导体衬底的表面；多个具有不同滤光颜色的滤光器，设置于所述介质层的表面，所述多个具有不同滤光颜色的滤光器包括红色滤光器；其中，所述介质层被所述红色滤光器覆盖的部分内具有光折射薄膜，所述光折射薄膜的折射率小于所述介质层的折射率，且所述光折射薄膜的透光率大于预设阈值。
可选的，所述光折射薄膜的面积小于所述红色滤光器的覆盖面积，且所述光折射薄膜在所述介质层被所述红色滤光器覆盖的部分内的位置偏向所述半导体衬底的中心。
可选的，所述光折射薄膜的上表面与所述介质层的上表面齐平和/或所述光折射薄膜的下表面与所述介质层的下表面齐平。
可选的，所述介质层的材料选自：氧化钛，氧化钽、氧化铪以及氮化物。
可选的，所述光折射薄膜的材料选自：氧化物、氧化铪以及氮氧化物。
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光电二极管；在所述半导体衬底的表面形成介质层；在所述介质层的表面形成多个具有不同滤光颜色的滤光器，所述多个具有不同滤光颜色的滤光器包括红色滤光器；其中，所述介质层被所述红色滤光器覆盖的部分内具有光折射薄膜，所述光折射薄膜的折射率小于所述介质层的折射率，且所述光折射薄膜的透光率大于预设阈值。
可选的，在所述半导体衬底的表面形成介质层包括：在所述半导体衬底的表面形成光折射介质初始薄膜；对所述光折射介质初始薄膜进行刻蚀，以在所述红色滤光器覆盖区域内形成所述光折射薄膜；形成介质层，所述介质层覆盖所述光折射薄膜；对所述介质层进行平坦化。
可选的，所述光折射薄膜的面积小于所述红色滤光器的覆盖面积，且所述光折射薄膜在所述介质层被所述红色滤光器覆盖的部分内的位置偏向所述半导体衬底的中心。
可选的，所述光折射薄膜的上表面与所述介质层的上表面齐平和/或所述光折射薄膜的下表面与所述介质层的下表面齐平。
可选的，所述介质层的材料选自：氧化钛，氧化钽、氧化铪以及氮化物。
可选的，所述光折射薄膜的材料选自：氧化物、氧化铪以及氮氧化物。
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，图像传感器包括：半导体衬底，所述半导体衬底内具有光电二极管；介质层，位于在所述半导体衬底的表面；多个具有不同滤光颜色的滤光器，设置于所述介质层的表面，所述多个具有不同滤光颜色的滤光器包括红色滤光器；其中，所述介质层被所述红色滤光器覆盖的部分内具有光折射薄膜，所述光折射薄膜的折射率小于所述介质层的折射率，且所述光折射薄膜的透光率大于预设阈值。采用上述方案，可以通过在介质层被所述红色滤光器覆盖的部分内设置光折射薄膜，使得至少一部分红光经由光折射薄膜，从滤光器传播至光电二极管，由于光折射薄膜的折射率小于所述介质层的折射率，因此红光在折射后出射角变大，使得红光在光电二极管中的传播路径增长，有助于提高红光的量子效率，增强红光的光电转换效果。
进一步，在本发明实施例中，所述光折射薄膜的面积小于所述红色滤光器的覆盖面积，且所述光折射薄膜在所述介质层被所述红色滤光器覆盖的部分内的位置偏向所述半导体衬底的中心，有机会在光源位于半导体衬底的中心时减少入射光线被折射后进入相邻的光电二极管的情况，降低形成光学串扰的可能性。
进一步，在本发明实施例中，通过设置所述光折射薄膜的厚度小于等于所述介质层的厚度，可以根据具体情况，选择适当的光折射薄膜的厚度，有助于控制成本以及光传播路径。
附图说明
图1是现有技术中一种图像传感器的剖面结构示意图；
图2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3至图6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7是图6示出的图像传感器的红光传播路径示意图；
图8是本发明实施例中另一种图像传感器的剖面结构示意图；
图9是本发明实施例中又一种图像传感器的剖面结构示意图；
图10是本发明实施例中一种图像传感器的顶视图。
具体实施方式
在现有的CIS制造工艺中，首先在半导体衬底内形成逻辑器件、像素器件等，然后在半导体衬底的表面形成网格状的格栅，在所述格栅的开口内形成滤镜结构、透镜结构等。进一步地，获取透过透镜结构以及滤镜结构的入射光，然后通过光电二极管对通过滤镜结构的入射光子进行吸收且形成光电流，进而通过逻辑电路进行运算放大后，得到通过滤镜结构的数据并输出得到图像。
然而，由于红光的波长更长，导致在红光穿过光电二极管的过程中，光吸收更少，难以产生足够的光电子，致使灵敏度更低，甚至发生光线进入相邻的光电二极管造成光学串扰的问题。
参照图1，图1是现有技术中一种图像传感器的剖面结构示意图。
所述图像传感器可以包括半导体衬底100、介质层105、格栅110、多个具有不同滤光颜色的滤光器120以及透镜结构130。
需要指出的是，多个具有不同滤光颜色的滤光器120可以包括红色滤光器，还可以包括绿色滤光器、蓝色滤光器以及紫外线滤光器等。
其中，所述半导体衬底100内可以具有光电二极管102，所述介质层105可以位于在所述半导体衬底100的表面，所述格栅110可以位于所述介质层105的表面，所述滤光器120可以位于所述格栅110的开口内，且位于所述光电二极管102的上方。
本发明的发明人经过研究发现，在相邻区域内，红光、绿光以及蓝光穿过光电二极管的光线传播路径长度是相近的，导致红光吸收不足。具体而言，在像素区域的中部区域A，光线传播路径长度可以为L，在像素区域的中心区域C的光线传播路径长度略小于中部区域A的光线传播路径长度，在像素区域的边缘区域B的光线传播路径长度略大于中部区域A的光线传播路径长度，然而差异较为有限。更具体而言，由于红光的波长更长，导致在红光穿过光电二极管的过程中，光吸收更少，难以产生足够的光电子，致使灵敏度更低，甚至发生光线通过折射和反射进入相邻的光电二极管造成光学串扰的问题。
在本发明实施例中，图像传感器包括：半导体衬底，所述半导体衬底内具有光电二极管；介质层，位于在所述半导体衬底的表面；多个具有不同滤光颜色的滤光器，设置于所述介质层的表面，所述多个具有不同滤光颜色的滤光器包括红色滤光器；其中，所述介质层被所述红色滤光器覆盖的部分内具有光折射薄膜，所述光折射薄膜的折射率小于所述介质层的折射率，且所述光折射薄膜的透光率大于预设阈值。采用上述方案，可以通过在介质层被所述红色滤光器覆盖的部分内设置光折射薄膜，使得至少一部分红光经由光折射薄膜，从滤光器传播至光电二极管，由于光折射薄膜的折射率小于所述介质层的折射率，因此红光在折射后出射角变大，使得红光在光电二极管中的传播路径增长，有助于提高红光的量子效率，也即增强红光的光电转换效果。
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2，图2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S23：
步骤S21：提供半导体衬底，所述半导体衬底内具有光电二极管；
步骤S22：在所述半导体衬底的表面形成介质层；
步骤S23：在所述介质层的表面形成多个具有不同滤光颜色的滤光器，所述多个具有不同滤光颜色的滤光器包括红色滤光器，其中，所述介质层被所述红色滤光器覆盖的部分内具有光折射薄膜，所述光折射薄膜的折射率小于所述介质层的折射率，且所述光折射薄膜的透光率大于预设阈值。
下面结合图3至图6对上述各个步骤进行说明。
图3至图6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3，提供半导体衬底200，所述半导体衬底200内具有光电二极管202，在所述半导体衬底200的表面形成光折射介质初始薄膜208。
在具体实施中，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，或是轻掺杂的半导体衬底。
所述光电二极管202能够在受到外界光强激发的情况下，产生光生载流子。所述光电二极管202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202的深度和厚度。
进一步地，在所述光折射介质初始薄膜208的表面形成图形化的掩膜层261。
参照图4，以图形化的掩膜层261为掩膜，对所述光折射介质初始薄膜208(参照图3)进行刻蚀，以在红色滤光器覆盖区域内形成所述光折射薄膜206。
在本发明实施例中，可以通过在红色滤光器覆盖区域内形成所述光折射薄膜206，使得至少一部分红光在折射后出射角变大，进而使得该部分红光在光电二极管202中的传播路径增长，有助于提高红光的量子效率，也即增强红光的光电转换效果。
参照图5，形成介质层205，所述介质层覆盖所述光折射薄膜206，然后对所述介质层205进行平坦化。
其中，所述光折射薄膜206的折射率小于所述介质层205的折射率，且所述光折射薄膜206的透光率大于预设阈值。也即在具体实施中，需要选择能够透光且折射率较低的材料形成所述光折射薄膜206。
需要指出的是，氧化物材料中随着氧含量不同，往往具有不同的折射率，在常规的介质层材料中，氧化硅(例如SiO2)、氮氧化硅(例如SiOxNy)、氮化硅(例如SiN)的折射率通常在1.45至2.3之间，氧化钛(TiO2)的折射率通常在2.35左右，氧化钽(Ta2O5)的折射率通常在2.1左右，氧化铪(HfO2)的折射率通常在1.95左右。
所述预设阈值可以是任何适当的值，但应当确保在高于该预设阈值的情况下，光线能够透过光折射薄膜206。
进一步地，所述介质层205的材料可以选自：氧化钛，氧化钽、氧化铪以及氮化物。
其中，所述氮化物可以为氮化硅。
进一步地，所述光折射薄膜206的材料可以选自：氧化硅、氧化铪以及氮氧化硅。
需要指出的是，由于氧化铪具有影响半导体衬底表面的电荷分布，以及降低暗电流的作用，因此优选用于介质层205。
进一步地，在优选方案中，可以采用氧化硅以及氮氧化硅作为所述光折射薄膜206。
参照图6，在所述介质层205的表面可以形成格栅210、多个具有不同滤光颜色的滤光器220以及透镜结构230。
其中，多个具有不同滤光颜色的滤光器220可以包括红色滤光器221，还可以包括绿色滤光器以及蓝色滤光器等。
所述格栅210可以位于所述介质层205的表面，所述滤光器220可以位于所述格栅210的开口内，且位于所述光电二极管202的上方。
其中，所述格栅210可以为网格状，用于隔离入射光，从而降低通过不同滤光器220接收到的入射光的光学串扰，所述格栅210可以具有多个网格开口，各个滤光器220位于所述格栅210的网格开口内。其中，所述格栅210可以为金属格栅(Metal Grid)。
在具体实施中，红光在通过光折射薄膜206时，由于光折射薄膜206的折射率较小，可以使得折射后出射角变大，进而使得红光在光电二极管202中的传播路径增长。
在具体实施中，当光线从外界传播至光电二极管202时，在不同材料相邻的界面上存在多次折射，例如从外界传播至透镜结构230、从透镜结构230传播至滤光器220、从滤光器220传播至介质层205、从介质层205传播至半导体衬底200或传播至光折射薄膜206、从光折射薄膜206传播至半导体衬底200、从半导体衬底200传播至光电二极管202时，均存在光的折射。
需要指出的是，在本申请文件中，为了避免标识出过多的非必要的折射示意线条以至于影响对方案的理解，仅对光线从滤光器220传播至介质层205，以及从介质层205传播至光折射薄膜206的折射情况进行了描绘。在本发明实施例中，对于光线在其他界面上的折射角度不做限制。
参照图7，图7是图6示出的图像传感器的红光传播路径示意图。
如图所示，当入射光从红色滤光器221传播至介质层205时，通常会根据红色滤光器221与介质层205之间的折射率差异发生折射，图中以折射角a2<入射角a1为例进行说明。
进而第一条光线直接穿过介质层205，进入半导体衬底200及其内部包含的光电二极管202，第二条光线从介质层205传播至光折射薄膜206，并在穿过光折射薄膜206之后进入半导体衬底200及其内部包含的光电二极管202。
由于光折射薄膜206的折射率较小，因此折射角a3<入射角a2。也即第二条光线在光电二极管202中的斜率大于第一条光线，从而使得第二条光线在光电二极管202中的传播路径D1大于第一条光线在光电二极管202中的传播路径D2。
在本发明实施例中，可以通过在介质层205被所述红色滤光器覆盖的部分内设置光折射薄膜206，使得至少一部分红光经由光折射薄膜206，从滤光器221传播至光电二极管202，由于光折射薄膜206的折射率小于所述介质层205的折射率，因此红光在折射后出射角变大，使得红光在光电二极管202中的传播路径增长，有助于提高红光的量子效率。
如图6示出的图像传感器中，所述光折射薄膜206的下表面与所述介质层205的下表面齐平。
在本发明实施例的另一种具体实施方式中，所述光折射薄膜的厚度可以等于所述介质层的厚度。
参照图8，图8是本发明实施例中另一种图像传感器的剖面结构示意图。所述图像传感器可以包括光折射薄膜306，所述光折射薄膜306的厚度等于所述介质层205的厚度，也即所述光折射薄膜306的上表面与所述介质层205的上表面齐平，并且所述光折射薄膜306的下表面与所述介质层205的下表面齐平。
在具体实施中，可以先形成光折射薄膜306，然后形成介质层205，所述介质层205覆盖所述光折射薄膜306，然后对所述介质层205进行平坦化直至暴露出所述光折射薄膜306的表面。
在本发明实施例的又一种具体实施方式中，所述光折射薄膜的上表面可以与所述介质层的上表面齐平。
参照图9，图9是本发明实施例中又一种图像传感器的剖面结构示意图。所述图像传感器可以包括光折射薄膜406，所述光折射薄膜406的厚度小于所述介质层205的厚度，且所述介质层205的上表面暴露出所述光折射薄膜406的一部分。
在具体实施中，可以先形成介质层205，然后对介质层205进行刻蚀，以形成沟槽，进而在所述沟槽内填充所述光折射薄膜406。
在本发明实施例中，通过设置所述光折射薄膜的厚度小于等于所述介质层的厚度，可以根据具体情况，选择适当的光折射薄膜的厚度，有助于控制成本以及光传播路径。
参照图10，图10是本发明实施例中一种图像传感器的顶视图。
所述图像传感器可以包括滤光器220以及光折射薄膜206，其中，所述滤光器220可以包括红色滤光器221。以所述滤光器220形成拜耳阵列为例，每四个滤光器220中包含有一个红色滤光器221。
具体地，所述光折射薄膜206的面积可以小于所述红色滤光器221的覆盖面积，且所述光折射薄膜206在所述介质层被所述红色滤光器221覆盖的部分内的位置偏向所述半导体衬底的中心。
在本发明实施例中，通过设置所述光折射薄膜206在所述介质层被所述红色滤光器221覆盖的部分内的位置偏向所述半导体衬底的中心，有机会在光源位于该图像传感器的半导体衬底的中心时，使折射出的红光，即使在折射角较大的情况下，仍然可以有传播空间，以传播至红色滤光器221下方对应的光电二极管，从而减少入射光线被折射后进入相邻的光电二极管的情况，降低形成光学串扰的可能性。
需要指出的是，在本发明实施例中，所述光折射薄膜206的顶视形状可以为图10示出的长方形，还可以为圆形、椭圆形、正方形、不规则多边形等多种形状。
进一步地，所述光折射薄膜206可以为图10示出的一体结构，还可以为分体结构，例如包含多个分离的光折射薄膜。
在本发明实施例中，还提供了一种图像传感器，如图6所示，可以包括：
半导体衬底200，所述半导体衬底200内可以具有光电二极管202；
介质层205，可以位于在所述半导体衬底200的表面；
多个具有不同滤光颜色的滤光器220，可以设置于所述介质层205的表面，所述多个具有不同滤光颜色的滤光器220可以包括红色滤光器221；
其中，所述介质层205可以被所述红色滤光器221覆盖的部分内具有光折射薄膜206，所述光折射薄膜206的折射率小于所述介质层205的折射率，且所述光折射薄膜206的透光率大于预设阈值。
进一步地，所述光折射薄膜206的面积可以小于所述红色滤光器221的覆盖面积，且所述光折射薄膜206在所述介质层205被所述红色滤光器221覆盖的部分内的位置偏向所述半导体衬底200的中心。
进一步地，所述光折射薄膜206的上表面可以与所述介质层205的上表面齐平和/或所述光折射薄膜206的下表面可以与所述介质层205的下表面齐平。
进一步地，所述介质层205的材料可以选自：氧化钛，氧化钽、氧化铪以及氮化物。
进一步地，所述光折射薄膜206的材料可以选自：氧化物、氧化铪以及氮氧化物。
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1至图6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 (11)
1.一种图像传感器，其特征在于，包括：
半导体衬底，所述半导体衬底内具有光电二极管；
介质层，位于在所述半导体衬底的表面；
多个具有不同滤光颜色的滤光器，设置于所述介质层的表面，所述多个具有不同滤光颜色的滤光器包括红色滤光器；
其中，所述介质层被所述红色滤光器覆盖的部分内具有光折射薄膜，所述光折射薄膜的折射率小于所述介质层的折射率，且所述光折射薄膜的透光率大于预设阈值。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述光折射薄膜的面积小于所述红色滤光器的覆盖面积，且所述光折射薄膜在所述介质层被所述红色滤光器覆盖的部分内的位置偏向所述半导体衬底的中心。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述光折射薄膜的上表面与所述介质层的上表面齐平和/或所述光折射薄膜的下表面与所述介质层的下表面齐平。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述介质层的材料选自：氧化钛，氧化钽、氧化铪以及氮化物。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述光折射薄膜的材料选自：氧化硅、氧化铪以及氮氧化硅。
6.一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光电二极管；
在所述半导体衬底的表面形成介质层；
在所述介质层的表面形成多个具有不同滤光颜色的滤光器，所述多个具有不同滤光颜色的滤光器包括红色滤光器；
其中，所述介质层被所述红色滤光器覆盖的部分内具有光折射薄膜，所述光折射薄膜的折射率小于所述介质层的折射率，且所述光折射薄膜的透光率大于预设阈值。
7.根据权利要求6所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，在所述半导体衬底的表面形成介质层包括：
在所述半导体衬底的表面形成光折射介质初始薄膜；
对所述光折射介质初始薄膜进行刻蚀，以在所述红色滤光器覆盖区域内形成所述光折射薄膜；
形成介质层，所述介质层覆盖所述光折射薄膜；
对所述介质层进行平坦化。
8.根据权利要求6所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述光折射薄膜的面积小于所述红色滤光器的覆盖面积，且所述光折射薄膜在所述介质层被所述红色滤光器覆盖的部分内的位置偏向所述半导体衬底的中心。
9.根据权利要求6所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述光折射薄膜的上表面与所述介质层的上表面齐平和/或所述光折射薄膜的下表面与所述介质层的下表面齐平。
10.根据权利要求6所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述介质层的材料选自：氧化钛，氧化钽、氧化铪以及氮化物。
11.根据权利要求6所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述光折射薄膜的材料选自：氧化硅、氧化铪以及氮氧化硅。
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