CN109427835B - 图像传感器及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一些方面涉及一种图像传感器，包括具有前侧和背侧的半导体衬底。在位于前侧和后侧之间的半导体衬底中布置光电检测器。在半导体衬底的前侧下方布置互连结构，使得在互连结构和半导体衬底的背侧之间布置半导体衬底的前侧。下部环状结构延伸到半导体衬底的背侧中并横向地围绕光电检测器。通过下部环状结构围绕的光栅结构从衬底的背侧延伸至光电检测器内的位置。本发明的实施例还提供了一种图像传感器的形成方法。

Description

图像传感器及其形成方法
技术领域
本发明的实施例一般地涉及半导体技术领域，更具体地，涉及图像传感器及其形成方法。
背景技术
许多现代电子器件包括将光学图像转换为表示光学图像的数字数据的图像传感器。电子器件中常用的一种类型的图像传感器是背照式(BSI)图像传感器。BSI图像传感器包括光电检测器阵列，其中，该光电检测器阵列位于互连结构上方并且配置为在与互连结构相对的一侧接收辐射。这种布置允许辐射投射到不受互连结构中的导电部件阻碍的光电检测器上，从而使得BSI图像传感器对入射辐射具有高灵敏度。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种图像传感器，包括：半导体衬底，具有前侧和背侧，其中，在位于所述前侧和所述背侧之间的所述半导体衬底中布置光电检测器；互连结构，布置在所述半导体衬底的前侧下方，使得在所述互连结构和所述半导体衬底的背侧之间布置所述半导体衬底的前侧；下部环状结构，延伸到所述半导体衬底的背侧中并横向围绕所述光电检测器；以及光栅结构，被所述下部环状结构围绕，并从所述衬底的背侧延伸至所述光电检测器内的位置。
根据本发明的另一方面，提供了一种图像传感器，包括：半导体衬底，具有前侧和背侧，其中，在位于所述前侧和所述背侧之间的所述半导体衬底中布置多个光电检测器；多个金属环状结构，布置在所述半导体衬底的背侧上方，其中，所述多个金属环状结构的外边缘彼此邻接以在与所述半导体衬底的背侧平行的平面中建立金属网状结构，其中，所述金属网状结构的每个金属环状结构围绕投影在所述平面中的光电检测器的投影；以及光栅结构，由所述金属网状结构的第一金属环状结构围绕，从所述衬底的背侧延伸至与所述半导体衬底内的第一光电检测器相对应的深度。
根据本发明的又一方面，提供了一种形成图像传感器的方法，包括：接收半导体衬底；在所述半导体衬底的前侧中形成光电检测器；在所述光电检测器上方和所述半导体衬底的前侧上方形成互连结构；将载体衬底接合在所述互连结构上方；减薄所述半导体衬底的背侧，所述背侧离所述互连结构最远；在所述半导体衬底的减薄的背侧中形成一系列沟槽；在所述一系列沟槽中形成介电层；以及平坦化所述介电层以留下具有平坦化的顶面的所述介电层，其中，平坦化所述介电层使所述介电层分离，以在所述半导体衬底中留下环状介电层且留下由所述环状介电层横向围绕的壁或柱介电结构，其中，所述壁或柱介电结构设置在所述光电检测器上方。
附图说明
当结合附图进行阅读时，从以下详细描述可最佳地理解本发明的各个方面。应该注意，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增大或减小。
图1A示出具有光栅结构的BSI图像传感器的一些实施例的顶视图。
图1B-图1C示出与图1A的BSI图像传感器一致的一些实施例的截面图。
图2-图10示出具有光栅结构的BSI图像传感器的额外的顶视图。
图11A示出包括像素阵列的BSI图像传感器的一些实施例的顶视图，其中，至少一些像素包括光栅结构。
图11B示出与图11A一致的BSI图像传感器的一些实施例的截面图。
图11C-图11D示出包括像素阵列的BSI图像传感器的一些实施例的额外的顶视图，其中，至少一些像素包括光栅结构。
图12A-图12F示出包括像素阵列的BSI图像传感器的一些实施例的一系列顶视图，其中，至少一些像素包括光栅结构。
图13示出像素传感器的一些实施例的电路图。
图14-图23为共同地示出制造具有光栅结构的BSI图像传感器的方法的一些实施例的一系列截面图。
图24示出与形成具有光栅结构的BSI图像传感器的方法的一些实施例一致的流程图。
图25示出前照式(FSI)图像传感器的一些实施例的截面图。
图26示出背照式(BSI)图像传感器的一些实施例的截面图。
具体实施方式
以下公开内容提供了许多用于实现本发明的不同特征的不同实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例，而不旨在限制本发明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括以直接接触的方式形成第一部件和第二部件的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。此外，本发明可在各个实例中重复参考标号和/或字符。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。
而且，为了便于描述，在此可以使用诸如“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“在…之上”、“上部”等空间相对术语以描述如图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，并且在此使用的空间相对描述符可以同样地作出相应的解释。
标准IC制造工艺可以使用前照式(FSI)技术或背照式(BSI)技术生产图像传感器。如图25所示，通过FSI，在光2505进入到衬底2510的前侧2510f并在衬底内的一个或多个光电检测器2512处被收集之前，光2502落在IC的前侧上，并且穿过诸如设置在介电结构2508中的后段制程(BEOL)金属层2506的堆叠件的电互连结构2504。通常在FSI中，BEOL金属层构造为在各个光电检测器上方具有开口(孔)，因为如果BEOL金属层布置在入射光和光电检测器之间，则BEOL金属层的材料可能会另外阻挡光。为了优化穿过这些孔到达光电检测器的光量；通常在BEOL金属层2506上方布置微透镜2514、滤色器2516、沟槽隔离结构2518、波导和/或其他光学部件以最小化反射并帮助将光2502导向相应的光电检测器2512。
如图26所示，在BSI中，不是让光穿过BEOL金属层中的开口/孔，而是从背侧(即衬底2510'的与BEOL金属层2506'的堆叠件相对且与介电结构2508'相对的一侧2510b)照射传感器。与FSI相比，BSI允许光电检测器在衬底2510'的一个面上具有BEOL金属层2506'，并且在衬底2510'的另一面上具有其光学路径(包括滤色器2516'和微透镜2514')，这允许更好地将光学元件与电气元件分离。这意味着可以独立于电气组件优化光学路径，并且反之亦然。除了在BSI中，光电检测器2512'通常更靠近微透镜2514'(其中，微透镜2514'现在设置在减薄的衬底表面的背侧)之外，对BSI的光学限制类似于FSI。而且，因为BSI消除了与BEOL金属层2506'中的孔相关的限制，所以BSI排除了入射光2502'的损失机制，可能为器件提供更高的量子效率。
在本发明中，已经意识到，在BSI技术中使用的减薄的衬底可能具有吸收入射光(诸如在适用于自动驾驶车辆、安全系统等的弱光条件下使用的红外光)的长波长的挑战。例如，在一些情况下，减薄的硅衬底可具有约2-3微米的总厚度。对于接收可见光(例如，波长在400nm和700nm之间)的光电检测器，该厚度通常能够实现足够高的量子效率(QE)。然而，对于诸如波长在850nm和940nm之间的近红外光(并且甚至在一定程度上可见红光)的较长波长的光，光电检测器的QE变得非常低，例如在某些情况下小于10％。允许更好地吸收长波长的光的一种方法是将减薄的衬底的厚度增加至例如约6微米，从而为要吸收的入射光提供更长的光传播路径。但是，增加衬底的厚度会导致若干制造挑战。例如，在处理的后段制程期间，很难蚀刻穿过6微米的衬底，并且当最终在器件的顶面上形成接合焊盘时，增加的衬底厚度会在处理期间引起台阶高度问题。因此，在许多方面，期望继续使用具有2-3微米厚度的减薄Si衬底，但是直到现在，很难提供可以在这种减薄Si衬底的工艺友好环境中针对较长波长的光实现高QE的BSI图像传感器。
因此，本发明提供了一种设置在减薄衬底上的BSI图像传感器，其中，BSI图像传感器包括位于减薄衬底的背侧上的光栅结构。光栅结构通常在衬底内多次反射入射光，因此与假如不存在光栅结构相比较(例如，与入射光遵循从衬底的背侧至光电检测器的单个纯线性路径相比较)，延长了入射光的传播路径。与其他方法相比，通过增加光的传播路径，光栅结构允许更好地检测长波长的光(诸如近红外光或红外光)。因此，光栅结构便于在位于BSI图像传感器中的减薄衬底上使用光电检测器，同时对较长波长的光保持足够高的QE。
参考图1A-图1C，提供了BSI图像传感器100的一些实施例的顶视图(图1A)和截面图(沿着图1A中的线B-B'获取的图1B；以及沿着图1A中的线C-C'获取的图1C)。
如图1A-图1C所示，BSI图像传感器100包括具有前侧102f和背侧102b的半导体衬底102，其中，在位于前侧102f和背侧102b之间的半导体衬底102中布置光电检测器104。光电检测器104配置为吸收投射在其上的入射光116。此外，光电检测器104是或者包括与半导体衬底102的周围区相反掺杂类型的掺杂的半导体区。例如，在一些实施例中，光电检测器104是光电二极管，其包括在pn结处彼此交界(meet，又称相遇)的p型区(阳极)和n型区(阴极)。在其他实施例中，光电检测器104包括p型区(阳极)、n型区(阴极)以及将p型区与n型区分离的绝缘区，从而使得光电二极管包括pin结。当足够能量的光子到达(strike)光电二极管时，创建电子空穴对。如果在结的耗尽区或远离其的一个扩散长度中发生吸收，那么这些载流子通过耗尽区的内置电场扫过结。因此空穴朝着阳极移动并且电子朝着阴极移动，从而产生光电流。
在半导体衬底的前侧102f下方布置互连结构106，从而使得在互连结构106和背侧102b之间布置前侧102f。互连结构106位于光电检测器104、半导体衬底102和半导体衬底102的前侧102f下方。互连结构106包括层间介电(ILD)结构128以及彼此堆叠并穿过ILD结构128的多条金属线(例如，130a、130b、130c)。接触件(例如，140)将第一金属线(例如，130a)电连接至位于衬底102上的栅电极142或电连接至位于衬底102中的有源区，而通孔132将不同金属层的金属线电连接至彼此。在一些实施例中，金属线和通孔包括诸如铜、钛、铬、铌、铅、钯、金、银、铝、钨和/或它们的合金的金属或其他一些导电材料。在一些实施例中，ILD结构128可以是例如二氧化硅、低k电介质(即，介电常数k小于约3.9的电介质)、磷硅酸盐玻璃(PSG)、一些其他电介质或前述的组合。例如，ILD结构128可以包括二氧化硅或PSG层和堆叠在二氧化硅或PSG层下面的多个低k介电层。
在互连结构106的底面上设置诸如氮化硅层或氮氧化硅层的钝化层134。在钝化层134下方设置载体衬底136。载体衬底136的厚度大于衬底102的厚度，以为BSI图像传感器100提供额外的结构刚度。在一些实施例中，例如，衬底102是具有约2-6微米或甚至2-3微米的厚度ds的减薄的单晶硅衬底，而载体衬底136是厚度比减薄的单晶硅衬底的厚度大至少一个数量级或通常几个数量级的半导体或玻璃衬底。
下部环状结构108通常由介电材料制成，并延伸到半导体衬底102的背侧102b中并横向围绕光电检测器104。在一些实施例中，下部环状结构108由二氧化硅制成。在一些实施例中，下部环状结构108延伸至深度ddr，其中，深度ddr为半导体衬底102的总厚度ds的30％至100％。
上部环状结构110在半导体衬底的背侧102b上方延伸并且在下部环状结构108上方对准。上部环状结构110可以完全由金属制成或者可以由金属和介电材料制成。下部环状结构108和上部环状结构110有助于将入射光116导向光电检测器104，并且诸如氮化硅或氮氧化硅层的钝化层118覆盖背侧102b和上部环状结构110。在一些实施例中，下部环状结构108和/或金属环状结构110呈正方形、矩形或多边形的形状，并且从上方观察时可具有圆角。在一些实施例中，金属环状结构110的内侧壁和外侧壁与下部环状结构108的内侧壁和外侧壁对准，从而使得金属环状结构110和下部环状结构108共享共同的中心轴并且具有相等的辐射状壁厚(radial wall thickness)。在其他实施例中，金属环状结构110可以具有大于或小于下部环状结构108的辐射状壁厚，和/或可以具有与下部环状结构108的中心轴偏离的中心轴。
光栅结构114通过下部环状结构108围绕，并且从衬底的背侧102b延伸至光电检测器104内的位置。如图1A的顶视图所示，在一些实施例中，光栅结构114包括多个线性沟槽。多个沟槽可以填充有介电材料或金属以形成彼此隔开的柱或壁(例如，112a、112b、112c)，从而使得多个沟槽的中心线以相等的间隔彼此隔开。在图1A中，多个沟槽的中心线布置为与下部环状结构108的外边缘平行。在图1C中，沟槽的顶部边缘和底部边缘与下部环状结构108的内侧壁直接接触。光导开口122在相邻的柱或壁之间穿过并且由一个或多个柱或壁界定。当入射光116从背侧102b行进至光电检测器104时，一个或多个柱或壁配置为通过光导开口122在半导体衬底102中多次反射入射光116，从而引起穿过半导体衬底102中的光导开口122的第一分段线性光传播路径。在一些实施例中，光栅结构114的深度dgs可以比下部环状结构108的深度ddr更浅或更深。例如，dgs的范围可以是深度ddr的30％-150％。在一些实施例中，使用相同的光刻掩模和相同的蚀刻来制造下部环状结构108和上部环状结构110，因此深度dgs和ddr相等或接近相等，其优势在于，其简化了制造工艺。
在一些实施例中，光栅结构114的深度等于下部环状结构108的深度。在其他实施例中，光栅结构114的深度大于或小于下部环状结构108的深度。光栅结构的柱或壁112可以由金属(例如，Cu、W、Ni、Al)或介电材料(例如，SiO2、Si3N4、高k电介质或低k电介质)或空气(部分或完全)或金属、电介质和/或空气的组合制成。
光栅结构114构造成将入射光116的方向从垂直入射(或接近垂直入射)改变为接近横向传播。例如，在一些实施例中，当投射光116的入射角为23度(其是Si和SiO2之间的全内反射的临界角)时，光路从2.5微米增加至6.4微米，并且对于850-940nm的近红外波长，例如通过可能大于100％显著地改善QE。在一些情况下，反射光可以垂直入射，并且可以重新定向为具有在水平方向的10-40度内的角度，从而实现光学路径长度的显著增加。
图2示出其中通过距离d将沟槽的顶部边缘和底部边缘与下部环状结构108的内侧壁隔开的另一实例。距离d可以小于所示距离，在这种情况下，沟槽的顶部边缘和/或底部边缘位于光电检测器104的最外边缘之外；或者可以大于所示距离，在这种情况下，沟槽的顶部边缘和/或底部边缘在光电检测器104的最外边缘内凹进。
图3示出其中光栅结构114包括填充有介电或金属材料的多个沟槽的另一实施例的顶视图。在图3中，光栅结构114的多个沟槽彼此平行地延伸并以约45度的角度与下部环状结构108的外边缘交界。再次，在图3所示的实施例中，多个沟槽彼此隔开，从而使得多个沟槽的中心线以相等的间隔s彼此隔开。然而，在其他实施例中，沟槽的中心线之间的间隔可以彼此不同。
图4示出其中柱或壁112以在30°至60°的范围内的角度与下部环状结构108交界的另一实施例的顶视图。在一些实施例中，柱或壁112与下部环状结构108交界的角度是45°。
图5-图6提供了其中以布置多行和多列柱或壁112的额外实施例的顶视图。因此，第一组沟槽在第一方向上平行延伸，并且第二组沟槽在与第一方向相交的第二方向上平行延伸。在一些实施例中，第一组沟槽以在30°至60°的范围内的角度与第二组沟槽相交。在一些实施例中，第一组沟槽和第二组沟槽相交的角度是45°。
图7示出其中光栅结构114是单个环状结构并且具有与下部环状结构108的外边缘一致的边缘的另一实施例的顶视图。环状光栅结构114可以填充有介电材料或金属材料。在一些实施例中，环状光栅结构114的直径可以在下部环状结构108的半径的约25％至约80％的范围内。
图8示出其中光栅结构114包括同心的多个环状结构的另一实施例的顶视图。尽管示出了两个同心环，但是像素可以包括任何数量的同心环。在一些实施例中，同心环可以具有彼此相同的环状宽度，并且可以在最近环的最近边之间具有相等的间隔；但是在其他实施例中，同心环可以具有彼此不同的环状宽度；并且可以在最近环的最近边缘之间具有不同的间隔。
图9-图10提供了具有布置为多行和多列的沟槽的额外实施例的顶视图。因此，第一组沟槽在第一方向上平行延伸，并且第二组沟槽在与第一方向垂直的第二方向上平行延伸。在一些情况下，第一组沟槽和第二组沟槽均垂直地与下部环状结构108垂直地相交。
因此，应当理解，对于光栅结构114，许多结构实施例是可能的。在一些实施例中，光栅结构114占据由下部环状结构108界定的总面积的百分之十至百分之六十之间。在一些实施例中，下部环状结构108为正方形或矩形(如图1A的顶视图所示)，然而在其他实施例中，下部环状结构108可以是三角形、六边形、八边形等。此外，在一些实施例中，对于单个像素，光栅结构114在其最外边缘之间的最大宽度在下部环状结构108的最大宽度的5％和30％之间。
图11A-图11B示出根据一些其他实施例的图像传感器。图11A示出图像传感器的顶视图，该图像传感器包括布置为多行和多列的多个像素；而图11B提供了两个相邻像素的相应截面图。
参考图11A，提供了包括像素传感器阵列的图像传感器的一些实施例的顶视图1100。像素传感器802、804、806、808分配有相应的辐射波长。在一些实施例中，像素传感器802、804、806、808交替地分配有辐射的红色波长(例如，约620至约750纳米)、辐射的绿色波长(例如，约495至约570纳米)、辐射的蓝色波长(例如，约450至约495纳米)和辐射的红外线波长(例如，约850nm至约940nm)。例如，标记为“R”的像素传感器802分配为辐射的红色波长，标记为“B”的像素传感器804分配为辐射的蓝色波长，标记为“G”的像素传感器806分配为辐射的绿色波长，标记为“IR”的像素传感器808分配为辐射的红外波长。此外，在一些实施例中，像素传感器802、804、806通常根据拜耳滤色器马赛克(Bayer filter mosaic)在红色、绿色和蓝色波长分配之间交替，但是其中散布有IR像素传感器808以检测红外波长。
光栅结构114选择性地定位在至少一些像素传感器内。例如，光栅结构114位于配置为接收较长波长的光的像素传感器(诸如红外像素传感器808)内，而接收较短波长的像素传感器不具有适当位置处的光栅结构。因此，红色、蓝色和绿色像素传感器802、804、806在衬底中具有较短的光传播路径(例如，由于缺少用于这些像素传感器的光栅结构114而导致在衬底内具有较少反射)，而红外像素传感器808具有较长的光传播路径(例如，由于光栅结构114的存在引起的多次反射而导致的分段线性光传播路径)。
如图11B所示，例如，为了将波长分配给各个像素，像素传感器可以包括配置为根据所分配的辐射波长对入射辐射进行滤光的各个滤色器。例如，如图11B所示，红色像素传感器802包括布置在其上方的红色滤色器902，其允许红光穿过；而衰减或阻挡其他波长的光；而红外像素传感器808包括红外滤色器904(或缺少滤色器)以及光栅结构114，其增加入射的红外线光穿过衬底的光传播路径以允许更好地吸收具有长波长的红外光。位于钝化层118的上表面上的微透镜906、908也可以帮助将入射光导向像素(分别为802、808)的相应光电检测器。
仍然参考图11A-图11B，在半导体衬底的背侧上方布置多个金属环状结构110。多个金属环状结构110的外边缘彼此邻接以在与半导体衬底102的背侧平行的平面中建立金属网状结构。金属网状结构的每个金属环状结构110围绕投影在平面中的光电检测器104的投影。光栅结构114由上部网状结构的第一上部环状结构110a围绕，并且从衬底的背侧延伸至与半导体衬底内的光电检测器104相对应的深度。类似地，下部环状结构108的外边缘彼此邻接以建立嵌入到衬底102的背侧102b内的下部网状结构。
在一些实施例中，每个像素传感器还包括传输晶体管918，其中，传输晶体管918配置为选择性地将抑制电荷(pent up charge)传输至浮置扩散节点(FDN)916。FDN 916配置为存储从光电检测器104传输至其的电荷，并且传输晶体管918配置为选择性地将电荷传输至FDN 916。FDN 916布置在半导体衬底102中，并且是或者以其他方式包括与半导体衬底的周围区相反的掺杂类型的掺杂的半导体区。传输晶体管918包括栅极920，其中，该栅极布置在半导体衬底102上、与光电检测器104横向相邻、并且通过栅极介电层922与半导体衬底102隔开。此外，传输晶体管918包括源极/漏极区，其中，源极/漏极区分别布置在半导体衬底中、分别位于栅极920的相对侧上，以限定位于栅极920上方的沟道区。在一些实施例中，源极/漏极区中的一个对应于光电检测器104，和/或源极/漏极区中的一个对应于FDN 916。在一些实施例中，也可以存在浅沟槽隔离(STI)区924，例如，该STI通常由诸如二氧化硅等的介电材料制成，并且该STI与下部环状结构108和/或金属环状结构110对准。在一些实施例中，STI区924的高度可以小于下部环状结构108和/或金属环状结构110的高度，但是在其他实施例中可以大于下部环状结构108和/或金属环状结构110的高度。
图11A-图11B示出其中只有一些传感器像素具有光栅结构的实例，在其他实施例中，阵列的所有传感器像素均具有光栅结构或者阵列的较少传感器像素具有光栅结构。例如，图11C示出其中八个像素中的一个具有与红外像素相对应的光栅结构的图像传感器的实施例的顶视图1100′，并且图11D示出其中十六个像素中的一个具有与红外像素相对应的光栅结构的图像传感器的实施例的顶视图1100″。其他变化也是可能的，并且说明的情况仅仅是实例。此外，在一些实施例中，不同的像素可以具有其中在光栅结构的最近的相邻壁、柱或沟槽结构的中心线之间具有不同几何形状和/或间隔的光栅结构，以“调谐”用于像素的光传播路径的长度。
在一些实施例中，第一分段线性光传播路径(例如，用于穿过IR像素808的红外光的分段线性光传播路径)和第二光传播路径(例如，用于穿过红色像素802的红光的线性传播路径)之间的长度差值与第一波长和第二波长之间的差值成正比。
钝化层118在半导体衬底102的与互连结构106相对的一侧上布置在半导体衬底102上方。钝化层118包括填充有滤色器(例如，902、904)并通过微透镜(例如，906、908)覆盖的凹槽。钝化层118可以是例如介电层的多层堆叠件，例如堆叠在一对氧化物层之间的氮化物层。
参考图12A-图12F，提供了像素阵列的一些实施例的一系列顶视图。每个顶视图示出像素阵列的部分，并且为了清楚的目的，示出为包括布置为四列(C0-C3)和四行(R0-R3)的像素。在每行和每列的交叉点处是设置在半导体衬底内的光电检测器104。在图12A-图12C中，通过相应的下部环状结构108分别横向地围绕每个光电检测器，从而使得介电环状结构108彼此合并以形成像素阵列上方的介电网格。一些像素包括由柱或壁112构成的光栅结构114(例如，114A-114G)，其中，光栅结构114(例如，114A-114F)配置为在衬底中多次反射光以使分段线性光传播路径改善对较长波长光的吸收。接收较短波长光的其他像素在其光电检测器上方缺少光栅结构。
在一些实施例中，光栅结构可以跨越阵列的多列和多行，并且因此单个光栅结构可以位于多个光电检测器上方。例如，在图12D中，光栅结构114D沿着行R2位于列C1-C2的光电检测器上方，并且位于列C1-C2之间的下部环状结构108中存在“断开”以容纳该光栅结构114D。在图12E中，光栅结构114E沿着行R1-R2位于列C1-C2的光检测器上方，并且位于列C1-C2和行R1-R2之间的下部环状结构108中存在“断开”以容纳该光栅结构114E。图12F示出另一实施例，其中，在像素阵列中包括不同尺寸的光栅结构(114F、114G)。因此，在单个像素上方限定图12F中的第一光栅结构114F；而图12F中的第二光栅结构114G跨越多个像素。第一和第二光栅结构114F-114G可以用于检测不同波长的光。图12A-图12F仅举例说明一些实例，并且其他光栅结构也认为落入本发明的范围内。
参考图13，提供了图11A-图11B的图像传感器中的像素传感器的一些实施例的电路图1300。如图所示，FDN 916通过传输晶体管918选择性地连接至光电检测器104，并且通过复位晶体管1304选择性地连接至电源1302。光电检测器104可以是例如光电二极管，和/或电源1302可以是例如直流(DC)电源。传输晶体管918配置为将累积在光电检测器104中的电荷传输至FDN 916，并且复位晶体管1304配置为清除存储在FDN 916处的电荷。FDN 916控制(grate)源极跟随器晶体管1306以将电源1302选择性地连接至行选择晶体管1408，并且行选择晶体管1308将源极跟随器晶体管1306选择性地连接至输出端子1310。源极跟随器晶体管1306配置为非破坏性地读取和放大存储在FDN 916中的电荷，并且行选择晶体管1308配置为选择用于读出的像素传感器。
尽管在图13中图像传感器描述为具有五个晶体管，但是应当理解，像素传感器的其他实施例可以包括较多或较少的晶体管。例如，图像传感器的其他实施例可以包括两个、三个或六个晶体管。
图14-图23是共同地示出根据一些实施例制造图像传感器件的方法的一系列截面图。该方法可以用于形成图1A-图1C的图像传感器。应当理解，该方法也可以用于图2-图13中的任何一个的实施例。
如图14的截面图1400所示，提供或形成半导体衬底102。在一些实施例中，半导体衬底102是或包括块状硅衬底、一些其他块状半导体衬底或一些其他半导体衬底。半导体衬底102可以是或包括例如单晶硅、纳米多孔硅、一些其他硅、一些其他半导体材料或前述的任何组合。此外，半导体衬底102可以例如具有n型或p型掺杂。
如图15的截面图1500所示，在半导体衬底102附近形成光电检测器104。在一些实施例中，用于形成光电检测器104的工艺包括将掺杂剂注入到衬底102中以形成掺杂的半导体区1502。在一些这样的实施例中，衬底102最初具有单一的掺杂类型，从而使得使用相反掺杂类型的掺杂剂来实施掺杂的半导体区1502的掺杂。例如，可以使用离子注入或一些其他掺杂工艺来实施掺杂，和/或可以例如使用光刻胶掩模来选择性注入掺杂剂。因此，掺杂的半导体区1502在光电二极管结(photo junction)1504处与衬底102交界。在其他实施例中，第一阱和第二阱可以分别具有相对的导电性并且一个在另一个上方注入以在光电二极管结处交界，可以单独地注入以用于光电检测器104。
形成用于每个像素的传输晶体管202。每个传输晶体管202包括栅电极204、栅极介电层206、第一源极/漏极区(未标记)和第二源极/漏极区(未标记)。可以通过例如掺杂的半导体区限定第一源极/漏极区。可以通过例如半导体衬底102中的FDR限定第二源极/漏极区。
如图15的截面图1500所示，互连结构106形成为覆盖每个像素和衬底102。互连结构106包括ILD结构128、多条引线130a、130b和130c和多个通孔132。为了便于说明，只标记一些引线，并且只标记有一些通孔。
在一些实施例中，用于形成互连结构106的工艺包括在衬底102上方重复形成ILD子层(即，ILD结构128的子层)，对ILD结构128的顶面实施平坦化，选择性地蚀刻ILD结构以形成通孔开口和/或引线开口，并且用导电材料填充通孔开口和/或引线开口。可以例如通过热氧化、CVD、PVD、溅射、一些其他沉积工艺或前述的任何组合来形成ILD子层。可以例如通过化学机械抛光(CMP)或一些其他平坦化工艺来实施平坦化。例如，可以使用光刻“选择性地”实施选择性蚀刻。可以例如通过CVD、PVD、电镀、化学镀、一些其他沉积或镀工艺或前述的任何组合来实施填充。在一些实施例中，形成互连结构106的工艺包括重复实施双镶嵌工艺或单镶嵌工艺以形成引线130a、130b和130c和通孔132。镶嵌工艺同时形成两个导电部件(例如，引线和通孔)，而单镶嵌工艺一次形成单个导电部件(例如，引线或通孔)。
如图16的截面图1600所示，在一些实施例中，衬底102的前侧表面通过钝化层134和ILD结构128接合至载体衬底136。载体衬底136可以是例如块状单晶硅衬底、一些其他硅衬底、SOI衬底、半导体衬底或一些其他衬底。在一些实施例中，通过熔融接合工艺或一些其他接合工艺来实施接合工艺。
如图17的截面图1700所示，垂直翻转图16的结构。此外，在背侧表面处减薄衬底102，从而减小衬底102的厚度。在一些实施例中，通过实施蚀刻和/或平坦化(诸如CMP或一些其他平坦化工艺)来减薄衬底102。
如图18的截面图1800所示，在半导体衬底102的背侧中形成多个沟槽124。在一些实施例中，用于形成沟槽124的工艺包括用适当位置的光刻胶剂层对衬底102的背侧表面实施蚀刻，并且随后去除光刻胶层。在一些情况下，在一次蚀刻中蚀刻与像素的外周边相对应的最外部环状沟槽，并且使用不同的蚀刻单独地蚀刻由最外部环状沟槽围绕的一系列内部沟槽。因此，最外部环状沟槽可以具有第一深度，并且一系列内部沟槽可以具有与第一深度不同的第二深度。在其他实施例中，使用单个蚀刻工艺同时形成所有最外部环状沟槽和一系列内部沟槽，并且共享单个深度。
如图19的截面图1900所示，在一系列沟槽中沉积介电材料1902。在一些实施例中，介电材料1902的内表面符合和/或直接接触衬底102的背侧表面。介电材料1902可以是或包括例如二氧化硅、氮化硅、高k电介质、一些其他电介质或前述的任何组合。
在一些实施例中，用于形成介电材料1902的工艺包括在沟槽中沉积介电材料1902。例如，可以通过热氧化、CVD、PVD、溅射或一些其他沉积工艺来实施沉积。
如图20的截面图2000所示，实施对介电材料1902的外表面的平坦化，从而形成由下部环状结构108围绕的介电柱或壁112。可以通过CMP或一些其他平坦化工艺来实施例如平坦化。
如图21的截面图2100所示，在下部环状结构108上方形成金属环状结构110。可以通过以下步骤来形成金属环状结构110：例如在衬底102上方形成诸如氮化硅层的图案化层；并且然后对图案化层进行图案化以在与金属环状结构110的位置相对应的位置处形成开口。然后，通过适当位置的图案化层，可以例如通过溅射、电镀或CVD等在开口中和图案化层上方形成金属。然后可以实施CMP以从图案化层上方去除金属并且暴露图案化层的上表面，同时将金属留在开口中。然后，可以去除图案化层，留下图21中所示的结构。
如图22的截面图2200所示，钝化层118形成为覆盖衬底102的背侧表面并覆盖金属环状结构110。钝化层118可以是或包括例如二氧化硅、氮化硅、高k电介质、一些其他电介质或前述的任何组合。在一些实施例中，用于形成钝化层118的工艺包括在衬底102的背侧表面上沉积钝化层118，并且随后对钝化层118的外表面实施平坦化。例如，可以通过热氧化、CVD、PVD、溅射或一些其他沉积工艺来实施沉积。可以例如通过化学机械抛光(CMP)或一些其他平坦化工艺来实施平坦化。
如图23的截面图2300所示，在钝化层118上形成多个滤色器(例如，902)和多个微透镜(例如，906)。滤色器902分别位于光电检测器104上方，并且微透镜906分别位于滤色器404上方。滤色器902传递分配波长的辐射，同时阻挡未分配波长的辐射。在一些实施例中，通过以下步骤来形成滤色器904：形成用于第一波长辐射的滤色器层、图案化滤色器层、然后针对不同波长的辐射重复前述步骤。
还如图23的截面图2300所示，在滤色器904上形成多个微透镜906。微透镜906位于滤色器904上方，并将入射辐射分别聚焦在像素的光电检测器上。在一些实施例中，用于形成微透镜906的工艺包括在滤色器904上方形成微透镜层，并随后将微透镜层分别地图案化成微透镜906的微透镜模板。
图24示出与形成BSI图像传感器的方法的一些实施例一致的流程图。
在步骤2402处，接收半导体衬底。例如，该步骤的一些实施例可以对应于图14。
在步骤2404处，在衬底的前侧中形成光电检测器，并且在衬底的前侧上方形成互连结构。例如，该步骤的一些实施例可以对应于图15。
在步骤2406处，在互连结构上方形成钝化层。例如，该步骤的一些实施例可以对应于图16。
在步骤2408处，载体衬底通过钝化层接合至互连结构。例如，该步骤的一些实施例可以对应于图16。
在步骤2410处，例如通过CMP减薄半导体衬底的背侧。例如，该步骤的一些实施例可以对应于图17。
在步骤2412处，在半导体衬底的减薄的背侧中形成一系列沟槽。例如，该步骤的一些实施例可以对应于图18。
在步骤2414处，在一系列沟槽中形成介电层。例如，该步骤的一些实施例可以对应于图19。
在步骤2416处，平坦化介电层(例如，使用CMP)以平坦化介电层的顶面。例如，该步骤的一些实施例可以对应于图20。
在步骤2418处，在介电层的平坦化的顶面上方形成金属栅格和钝化层。例如，该步骤的一些实施例可以对应于图21-图22。
在步骤2420处，在钝化层上方形成滤色器和微透镜。例如，该步骤的一些实施例可以对应于图23。
因此，如从上面可以理解的，本发明的一些方面涉及包括具有前侧和背侧的半导体衬底的图像传感器。在位于前侧和后侧之间的半导体衬底中布置光电检测器。互连结构布置在半导体衬底的前侧下方，从而使得在互连结构和半导体衬底的背侧之间布置半导体衬底的前侧。下部环状结构延伸到半导体衬底的背侧并横向围绕光电检测器。通过下部环状结构围绕的光栅结构从衬底的背侧延伸至光电检测器内的位置。
在实施例中，所述光栅结构包括一个或多个柱或壁，所述一个或多个柱或壁具有由所述一个或多个柱或壁界定的光导开口，其中，所述一个或多个柱或壁配置为当入射光从所述背侧行进至所述光电检测器时，在所述半导体衬底中通过所述光导开口多次反射所述入射光，从而引起穿过所述半导体衬底中的所述光导开口的第一分段线性光传播路径。
在实施例中，图像传感器还包括：上部环状结构，在所述半导体衬底的背侧上方延伸并且在所述下部环状结构上方对准。
在实施例中，所述光栅结构包括填充有介电材料的多个沟槽，其中，填充有介电材料的所述多个沟槽彼此隔开，从而使得所述多个沟槽的中心线以相等的间隔彼此隔开并且布置为与所述下部环状结构的外边缘平行。
在实施例中，所述光栅结构包括填充有介电材料的多个沟槽，所述多个沟槽彼此平行地延伸并且以45度的角度与所述下部环状结构的外边缘交界。
在实施例中，填充有介电材料的所述多个沟槽彼此隔开，从而使得所述多个沟槽的中心线以相等的间隔彼此隔开。
在实施例中，所述光栅结构是环状的并且具有与所述下部环状结构的外边缘一致的边缘。
在实施例中，所述光栅结构包括填充有金属并且布置为彼此平行的多个线性沟槽，或是具有与所述下部环状结构的外边缘一致的边缘的环状金属结构。
在实施例中，所述光栅结构的深度等于所述下部环状结构的深度。
在实施例中，所述光栅结构的深度不同于所述下部环状结构的深度。
在实施例中，在所述前侧和所述后侧之间测量的所述光栅结构的深度在所述半导体衬底的总厚度的30％至100％的范围内。
在实施例中，所述下部环状结构呈正方形、矩形或多边形的形状。
在实施例中，所述光栅结构占据由所述下部环状结构界定的总面积的10％至60％之间。
在实施例中，所述光栅结构包括二氧化硅。
其他实施例涉及设置在具有前侧和背侧的半导体衬底中或上的图像传感器。图像传感器包括布置在位于前侧和后侧之间的半导体衬底中的多个光电检测器。在半导体衬底的背侧上方布置多个金属环状结构。多个金属环状结构的外边缘彼此邻接以在与半导体衬底的背侧平行的平面中建立金属网状结构。金属网状结构的每个金属环状结构围绕投影在平面中的光电检测器的投影。由金属网状结构的第一金属环状结构围绕的光栅结构从衬底的背侧延伸至与半导体衬底内的第一光电检测器相对应的深度。
在实施例中，所述金属网状结构的第二金属环状结构在由所述第二金属环状结构界定的区域内是完全开口的，而没有光栅结构设置在所述第二金属环状结构内。
在实施例中，所述光栅结构包括由所述光栅结构的内侧壁限定的一个或多个光导开口，其中，所述光导开口的内侧壁配置为当入射光行进至所述第一光电检测器时，在所述半导体衬底中多次反射所述入射光，从而在所述半导体衬底中引起第一分段线性光传播路径。
在实施例中，图像传感器还包括：多个介电环状结构，延伸到所述半导体衬底的背侧中并且分别在所述多个金属环状结构下方对准，并且其中，每个介电环状结构横向地围绕相应的光电检测器。
其他实施例涉及一种方法。在该方法中，接收半导体衬底。在衬底的前侧中形成光电检测器，并且在光电检测器上方且在衬底的前侧上方形成互连结构。在互连结构上方形成载体衬底。减薄半导体衬底的背侧，背侧离互连结构最远。在半导体衬底的减薄的背侧中形成一系列沟槽。在一系列沟槽中形成介电层，并且平坦化介电层以留下具有平坦化的顶面的介电层。平坦化介电层将介电层分离以在衬底中留下环状介电层并留下由环状介电层横向围绕的壁或柱介电结构。在光电检测器上方设置壁或柱介电结构。
在实施例中，在所述前侧和所述背侧之间测量的所述壁或柱介电结构的深度在所述半导体衬底的总厚度的30％至100％的范围内。
上面概述了若干实施例的特征，使得本领域技术人员可以更好地理解本发明的各方面。本领域技术人员应该理解，他们可以容易地使用本发明作为基础来设计或修改用于实施与在此所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优势的其他工艺和结构。本领域技术人员也应该意识到，这种等同构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，在此他们可以做出多种变化、替换以及改变。

Claims (20)

1.一种图像传感器，包括：
半导体衬底，具有前侧和背侧，其中，在位于所述前侧和所述背侧之间的所述半导体衬底中布置光电转换区，其中，所述光电转换区具有与所述半导体衬底的掺杂类型相反的掺杂类型，并且所述光电转换区和所述半导体衬底形成光电检测器；
互连结构，布置在所述半导体衬底的前侧下方，使得在所述互连结构和所述半导体衬底的背侧之间布置所述半导体衬底的前侧；
下部环状结构，延伸到所述半导体衬底的背侧中并横向围绕所述光电检测器；以及
光栅结构，被所述下部环状结构围绕，并从所述衬底的背侧延伸至所述光电转换区内的位置，
其中，所述光栅结构包括一个或多个柱或壁，所述一个或多个柱或壁具有由所述一个或多个柱或壁界定的光导开口，其中，所述一个或多个柱或壁配置为当入射光从所述背侧行进至所述光电转换区时，在所述半导体衬底中通过所述光导开口多次反射所述入射光，从而引起位于所述光电转换区内且穿过所述半导体衬底中的所述光导开口的第一分段线性光传播路径，
其中，所述光栅结构被布置为：
彼此平行的多个线性沟槽，使得所述多个线性沟槽的中心线以相等的间隔彼此隔开并且布置为与所述下部环状结构的外边缘平行，或者使得所述多个线性沟槽彼此平行地延伸并且以45度的角度与所述下部环状结构的外边缘交界；或者
环状结构，具有与所述下部环状结构的外边缘一致的边缘。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述下部环状结构包括介电材料。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
上部环状结构，在所述半导体衬底的背侧上方延伸并且在所述下部环状结构上方对准。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，在所述光栅结构被布置为彼此平行的所述多个线性沟槽的情况下，所述多个线性沟槽填充有介电材料。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中，所述介电材料包括高k介电材料或低k介电材料。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，在所述光栅结构被布置为彼此平行的所述多个线性沟槽的情况下，所述多个线性沟槽填充有金属材料。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，在所述光栅结构被布置为所述环状结构的情况下，所述环状结构填充有介电材料。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，在所述光栅结构被布置为所述环状结构的情况下，所述环状结构填充有金属材料。
9.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述光栅结构的深度等于所述下部环状结构的深度。
10.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述光栅结构的深度不同于所述下部环状结构的深度。
11.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，在所述前侧和所述背侧之间测量的所述光栅结构的深度在所述半导体衬底的总厚度的30％至100％的范围内。
12.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述下部环状结构呈正方形、矩形或多边形的形状。
13.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述光栅结构占据由所述下部环状结构界定的总面积的10％至60％之间。
14.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述光栅结构包括二氧化硅。
15.一种图像传感器，包括：
半导体衬底，具有前侧和背侧，其中，在位于所述前侧和所述背侧之间的所述半导体衬底中布置多个光电转换区，其中，所述多个光电转换区具有与所述半导体衬底的掺杂类型相反的掺杂类型，并且所述多个光电转换区和所述半导体衬底形成多个光电检测器；
多个金属环状结构，布置在所述半导体衬底的背侧上方，其中，所述多个金属环状结构的外边缘彼此邻接以在与所述半导体衬底的背侧平行的平面中建立金属网状结构，其中，所述金属网状结构的每个金属环状结构围绕投影在所述平面中的光电检测器的投影；以及
光栅结构，由所述金属网状结构的第一金属环状结构围绕，从所述衬底的背侧延伸至所述半导体衬底内的第一光电转换区内，
其中，所述光栅结构包括由所述光栅结构的内侧壁限定的一个或多个光导开口，其中，所述光导开口的内侧壁配置为当入射光行进至所述第一光电转换区时，在所述半导体衬底中多次反射所述入射光，从而在所述第一光电转换区中引起第一分段线性光传播路径，
其中，所述光栅结构包括填充有介电材料的多个沟槽，所述多个沟槽彼此平行地延伸并且以45度的角度与所述多个金属环状结构的外边缘交界。
16.根据权利要求15所述的图像传感器，其中，所述金属网状结构的第二金属环状结构在由所述第二金属环状结构界定的区域内是完全开口的，而没有所述光栅结构设置在所述第二金属环状结构内。
17.根据权利要求15所述的图像传感器，其中，所述介电材料包括高k介电材料或低k介电材料。
18.根据权利要求15所述的图像传感器，还包括：
多个介电环状结构，延伸到所述半导体衬底的背侧中并且分别在所述多个金属环状结构下方对准，并且其中，每个介电环状结构横向地围绕相应的光电检测器。
19.一种形成图像传感器的方法，包括：
接收半导体衬底；
在所述半导体衬底的前侧中形成光电转换区，其中，所述光电转换区具有与所述半导体衬底的掺杂类型相反的掺杂类型，并且所述光电转换区和所述半导体衬底形成光电检测器；
在所述光电检测器上方和所述半导体衬底的前侧上方形成互连结构；
将载体衬底接合在所述互连结构上方；
减薄所述半导体衬底的背侧，所述背侧离所述互连结构最远；
在所述半导体衬底的减薄的背侧中形成一系列沟槽；
在所述一系列沟槽中形成介电层；以及
平坦化所述介电层以留下具有平坦化的顶面的所述介电层，其中，平坦化所述介电层使所述介电层分离，以在所述半导体衬底中留下环状介电层且留下由所述环状介电层横向围绕的壁或柱介电结构，其中，所述壁或柱介电结构设置在所述光电转换区内，
其中，所述壁或柱介电结构具有由所述壁或柱介电结构界定的光导开口，其中，所述壁或柱介电结构配置为当入射光从所述背侧行进至所述光电转换区时，在所述半导体衬底中通过所述光导开口多次反射所述入射光，从而引起位于所述光电转换区且穿过所述半导体衬底中的所述光导开口的第一分段线性光传播路径。
20.根据权利要求19所述的形成图像传感器的方法，其中，在所述前侧和所述背侧之间测量的所述壁或柱介电结构的深度在所述半导体衬底的总厚度的30％至100％的范围内。
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