CN109786407B - 半导体图像传感器及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例涉及形成偏振光栅结构(例如，偏振器)作为背照式图像传感器器件的栅格结构的一部分的方法。例如，该方法包括在具有辐射感测区域的半导体层上方形成层堆叠件。此外，该方法包括在栅格结构内形成一个或多个偏振光栅结构的光栅元件，其中，形成光栅元件包括(i)蚀刻层堆叠件以形成栅格结构以及(ii)蚀刻层堆叠件以形成定向为偏振角的光栅元件。本发明的实施例还提供了半导体图像传感器及其形成方法。

Description

半导体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，涉及半导体图像传感器及其形成方法。
背景技术
半导体图像传感器用于感测辐射，诸如光。互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)和电荷耦合器件(CCD)传感器被用于各种应用中，诸如数字静态相机或移动电话相机应用。这些器件利用衬底中的像素阵列(其可以包括光电二极管、晶体管和其他组件)以吸收(例如，感测)朝向衬底投射的辐射并将感测到的辐射转换为电信号。背照式图像传感器器件是可以检测来自背面的光的一种图像传感器器件。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种半导体图像传感器器件，包括：半导体层，包括配置为感测辐射的一个或多个感测区域；栅格结构，位于所述半导体层上方，所述栅格结构包括分别与所述一个或多个感测区域对准的一个或多个单元；以及偏振光栅结构，位于所述栅格结构的一个或多个单元中，其中所述偏振光栅结构配置为使入射至所述半导体图像传感器的光偏振。
根据本发明的另一方面，提供了一种半导体图像传感器，包括：一个或多个偏振光栅结构，包括与光偏振角对准的光栅元件，其中，所述一个或多个偏振光栅结构设置在由栅格结构限定的单元中；半导体层，具有感测区域，所述感测区域配置为感测从所述栅格结构进入所述半导体层的辐射，其中，所述半导体层设置在所述栅格结构下方，使得所述栅格结构的每个单元与所述半导体层的感测区域对准；以及微透镜，位于所述栅格结构的每个单元上方。
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，所述方法包括：在具有辐射感测区域的半导体层上方沉积层堆叠件，其中，所述层堆叠件包括底部金属层和顶部抗反射层；图案化所述层堆叠件以形成：栅格结构，包括多个单元；以及偏振光栅结构，位于所述单元内，其中，所述偏振光栅结构包括定向为光偏振角的光栅元件；以及所述光栅元件之间的间隙填充有空气或介电材料；以及不包含偏振光栅结构的单元填充有滤光器。
附图说明
当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以理解本发明。应该强调，根据工业中的标准实践，各种部件没有按比例绘制。实际上，为了清楚论述起见，各种部件的尺寸可被任意的增大或缩小。
图1是根据一些实施例的背照式图像传感器器件的截面图。
图2是根据一些实施例的具有滤光器的组合栅格结构(composite gridstructure)的顶视图。
图3是根据一些实施例的用于在背照式图像传感器器件的组合栅格结构中形成偏振光栅结构的方法的流程图。
图4至图6是根据一些实施例的在形成偏振光栅结构期间部分制造的背照式图像传感器器件的截面图。
图7A至图7D是根据一些实施例的具有以不同的偏振角定向的光栅元件的偏振光栅结构的顶视图。
图8是根据一些实施例的在沉积钝化层之后部分制造的背照式图像传感器器件的截面图。
图9是根据一些实施例的具有偏振光栅结构的背照式图像传感器器件的截面图。
图10至图13是根据一些实施例的具有不同布置的偏振光栅结构的组合栅格结构的顶视图。
具体实施方式
为了实施本发明的不同部件，以下公开内容提供了许多不同的实施例或实例。在下面描述元件和布置的特定实例以简化本发明。当然这些仅是实例并不打算用于限定本发明。例如，在下面的描述中在第二部件上方或者在第二部件上形成第一部件可以包括其中第一部件和第二部件形成为直接接触的实施例，并且也可以包括其中可以在第一和第二部件之间形成额外的部件，使得第一和第二部件可以不直接接触的实施例。
此外，空间相对位置术语，例如“在...下面”、“在...下方”、“下部”、在...上方”、“上部”等在本文中可以用于方便描述以说明如附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。除了附图中描述的方位之外，空间相对位置术语旨在包含器件在使用中或操作中的不同方位。装置可以以其他方式定向(旋转90度或位于其他方位)，相应地，可以同样解释本文中使用的空间相对位置描述符。
本文中使用的术语“标称”是指在产品或工艺的设计阶段期间设置的组件或工艺操作的特征或参数的期望值或目标值，以及高于和/或低于期望值的值的范围。由于制造工艺或公差的轻微变化可以产生值的范围。
本文中使用的术语“基本上”表示给定量的值改变了值的±5％。
本文中使用的术语“约”表示可以基于与主题半导体器件相关联的特定技术节点而变化的给定量的值。基于特定技术节点，术语“约”可以表示在值的例如10-30％(例如，值的±10％、±20％、或±30％)的范围内变化的给定量的值。
半导体图像传感器器件用于感测电磁辐射，诸如光(例如，可见光)。互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)和电荷耦合器件(CCD)传感器被用于各种应用中，诸如数字静态相机或移动电话相机应用。这些器件利用衬底中的像素阵列(其可以包括光电二极管、晶体管和其他组件)以吸收(例如，感测)朝向衬底投射的辐射。吸收的辐射可以通过(在像素中的)光电二极管转换为诸如电荷或电流的电信号，其中，可以通过图像传感器器件的其他模块对该电信号进行进一步分析和/或处理。
一种类型的图像传感器器件是背照式图像传感器器件。在背照式图像传感器器件中，滤光器和微透镜位于衬底的背面(例如，在衬底的电路的相对面上)，使得图像传感器器件可以以最少阻碍或无阻碍的方式收集光。因此，背照式图像传感器器件配置为检测来自衬底背面而不是来自衬底正面的光，其中图像传感器器件的滤光器和微透镜位于衬底的电路和光电二极管之间。与前照式图像传感器器件相比较，背照式图像传感器器件具有弱光条件下的改进性能以及更高的量子效率(QE)(例如，光子至电子的转换百分比)。
图像传感器器件使用滤光器捕获来自入射光线的颜色信息。例如，图像传感器器件通过使用滤光器可以检测可见光谱的红色、绿色和蓝色(RGB)区域。填充有滤光器材料的组合栅格结构可以用于将滤光器材料置于图像传感器器件的光电二极管上方。组合栅格结构可以部分由对可见光透明的氧化物或另一种介电材料制成。
此外，图像传感器还可以配备有外部偏振器以收集入射光的偏振信息。偏振信息可以用于诸如摄影和拍摄的应用中。然而，由于偏振器是外部的并且没有集成到组合栅格结构中，所以偏振器与图像传感器之间的距离可以是相当大的(例如相对于背照式图像传感器器件的尺寸)。这种配置可以影响最终产品的尺寸，并且可能限制尺寸减小的成果。此外，为了获得不同偏振条件下的信息，外部偏振器可以转动或旋转，这可以影响偏振数据获取时间。
根据本发明的各个实施例，提供了将一个或多个偏振器集成在背照式图像传感器器件的组合栅格结构中的一种方法。在一些实施例中，通过将组合栅格结构的一个或多个滤光器替换为组合栅格结构内的偏振光栅结构(栅格偏振器)，将偏振器集成到组合栅格结构中。在一些实例中，偏振光栅结构可以提供沿着以下偏振角的入射光的偏振信息：0°、45°、90°和/或135°。然而，这些方向不是限定性的，并且其他的偏振角是可能的。根据一些实施例，偏振光栅结构的元件(光栅元件)之间的间距可以在从约100纳米(nm)至约500nm(例如，从100nm至500nm)的范围内，每个光栅元件的宽度可以在从约20nm至约300nm(例如，从20nm至300nm)的范围内。基于入射光的波长，上述的范围是优选的。在一些实施例中，偏振光栅结构的光栅元件包括与组合栅格结构相同的材料。在一些实施例中，偏振光栅结构的光栅元件包括与组合栅格结构不同的材料。
图1是根据本发明的一些实施例的背照式图像传感器器件100的简化截面图。背照式图像传感器器件100包括具有辐射感测区域104的半导体层102。半导体层102可以包括掺杂有诸如硼的p型掺杂物的硅材料。可选地，半导体层102可以包括掺杂有诸如磷或砷的n型掺杂剂的硅。半导体层102还可以包括其他的元素半导体，诸如锗或金刚石。可选地，半导体层102可以包括化合物半导体和/或合金半导体。此外，半导体层102可以包括外延层，该外延层可以发生应变以用于提高性能。半导体层102可以包括绝缘体上硅(SOI)结构。
半导体层102具有正面(本文中也称为“底面”)106和背面(本文中也称为“顶面”)108。半导体层102的厚度可以在约100μm至约3000μm的范围内(例如，从100μm至3000μm)。
在半导体层102中形成辐射感测区域104。辐射感测区域104配置为感测辐射，诸如从背面108入射到半导体层102的入射光线。根据本发明的一些实施例，辐射感测区域中的每一个或辐射感测区域104包括可以将光子转换为电荷的光电二极管。在本发明的一些实施例中，辐射感测区域104可以包括光电二极管、晶体管、放大器、其他类似的器件或它们的组合。本文中辐射感测区域104也可以称为“辐射检测器件”或“光传感器”。
为了简化，图1中示出了两个辐射感测区域104，但是可以在半导体层102中实施额外的辐射感测区域104。作为实例而不是限制本发明，可以使用离子注入工艺在半导体层102的正面106形成辐射感测区域104。也可以通过掺杂剂扩散工艺形成辐射感测区域104。
辐射感测区域104通过隔离结构110彼此电隔离。隔离结构110可以是在半导体层102内蚀刻的沟槽并且该沟槽填充有介电材料，诸如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、掺氟硅酸盐玻璃(FSG)、低k介电材料(例如，k值小于3.9的材料)和/或合适的绝缘材料。根据本发明的一些实施例，半导体层102的背面108上的隔离结构110具有抗反射涂层(ARC)112。ARC 112是可以防止入射光线被反射离开辐射感测区域/像素104的衬垫层。ARC 112可以包括高k材料(例如，k值大于3.9的材料)，诸如氧化铪(HfO2)、五氧化二钽(Ta2O5)、二氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)或任何其他的高k材料。可以使用溅射工艺、基于化学气相沉积(CVD)的工艺、基于原子层沉积(ALD)的技术或任何其他合适的沉积技术来沉积ARC 112。在本发明的一些实施例中，ARC112的厚度可以在约
Figure BDA0001802475340000061
至约
Figure BDA0001802475340000062
的范围内(例如，从
Figure BDA0001802475340000063
至
Figure BDA0001802475340000064
)。
如图1所示，背照式图像传感器器件100还包括形成在半导体层102上方(诸如在ARC 112上方)的覆盖层114。在本发明的一些实施例中，覆盖层114可提供平坦表面，其中，在该平坦表面上可以形成背照式图像传感器器件100的额外的层。覆盖层114可以包括介电材料，诸如氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅(SiON)或任何其他合适的介电材料。此外，可以使用CVD或任何其他合适的沉积技术来沉积覆盖层114。在本发明的一些实施例中，覆盖层114的厚度可以在约
Figure BDA0001802475340000065
至约
Figure BDA0001802475340000066
的范围内(例如，从
Figure BDA0001802475340000067
至
Figure BDA0001802475340000068
)。
此外，背照式图像传感器器件100包括形成在覆盖层114上方的组合栅格结构116。根据本发明的一些实施例，组合栅格结构116包括布置为多行和多列的单元118，其中每个单元118与相应的辐射感测区域104对准。如上所述，单元118可以接收红光、绿光或蓝色滤光器120。
图2是根据一些实施例的组合栅格结构116的顶视图。滤光器120在组合栅格结构116中的排列可以基于拜仁(Bayern)模式。例如，组合栅格结构116可以包括50％的绿色滤光器、25％的红色滤光器和25％的蓝色滤光器，其中组合栅格结构116的每隔一个单元118填充有不同的滤光器120。然而，这不是限定性的，相邻的单元118可以由相同颜色滤光器占据(例如，填充)。
参考图1，可以通过以下步骤来形成组合栅格结构116的单元118：沉积底层122和顶部介电层124并选择性地蚀刻掉底层的部分和顶部介电层的部分以形成单元118。作为实例而不是限制本发明，可以如下形成组合栅格结构116：可以在覆盖层114上毯式(blanket，或者均匀地)沉积底层122和顶部介电层124；一个或多个光刻和蚀刻操作可以用于图案化底层122和顶部介电层124以形成单元118的侧壁。可以执行光刻和蚀刻操作，使得组合栅格结构116的每个单元118与半导体层102的相应的辐射感测区域104对准。在一些实施例中，组合栅格结构116的每个单元118的侧壁高度可以在从约200nm至约1000nm的范围内(例如，从200nm至1000nm)。
单元118的底层122可以由钛、钨、铝或铜制成。然而，单元118的底层122可以不限于金属，并且可以包括能够朝向辐射感测区域104反射并引导入射的可见光的其他合适的材料或材料的堆叠件。在本发明的一些实施例中，使用溅射工艺、电镀工艺、蒸发工艺或任何其他合适的沉积方法来形成单元118的底层122。根据本发明的一些实施例，每个单元118的底层122的厚度可以在从约
Figure BDA0001802475340000071
至约
Figure BDA0001802475340000072
的范围内(例如，从
Figure BDA0001802475340000073
至
Figure BDA0001802475340000074
)。
顶部介电层124可以包括一个或多个介电层。在一些实施例中，顶部介电层124可以保护背照式图像传感器器件100的先前形成的层(例如，底层122和覆盖层114)。顶部介电层124可以允许入射光穿过并且到达辐射感测区域104。顶部介电层124可以由透明材料或多种透明材料制成。在本发明的一些实施例中，顶部介电层124可以包括SiO2、Si3N4、SiON或任何其他合适的透明介电材料。根据一些实施例，可以通过CVD或ALD沉积顶部介电层124，该顶部介电层124的沉积厚度可以在从约
Figure BDA0001802475340000075
至约
Figure BDA0001802475340000076
的范围内(例如，从
Figure BDA0001802475340000077
至
Figure BDA0001802475340000078
)。在一些实施例中，组合栅格结构116包括多于两个层，诸如钨的第一层、第一层上方的等离子体增强氧化物(PEOX)的第二层以及第二层上方的氮氧化硅的第三层。
单元118还包括介于滤光器120和单元118的侧壁材料(例如，底层122和顶部介电层124)之间的钝化层126。作为实例而不是限制本发明，可以通过基于CVD或基于ALD的沉积技术共形地沉积钝化层126。钝化层126可以由诸如SiO2、Si3N4或SiON的介电材料形成，并且该钝化层126的厚度可以在约
Figure BDA0001802475340000079
至约
Figure BDA00018024753400000710
之间(例如，从
Figure BDA00018024753400000711
至
Figure BDA00018024753400000712
)。
根据一些实施例，滤光器120的顶面可以与顶部介电层124上的钝化层126的顶面对准。可选的，滤光器120的顶面可以位于顶部介电层124上的钝化层126的顶面之上。为了作为实例和说明的目的，滤光器120的顶面将描述为与顶部介电层124上的钝化层126的顶面对准。
在组合栅格结构116的单元118接收其相应的滤光器120之后，可以在组合栅格结构116和滤光器120上方形成透明材料层128。根据一些实施例，如果滤光器120的顶面与顶部介电层124上方的钝化层126的顶面对准，则透明材料层128可以与钝化层126接触。可选地，在一些实施例中，如果滤光器120的顶面高于顶部介电层124上方的钝化层126的顶面，则透明材料层128与钝化层126不接触。在一些实例中，透明材料层128在组合栅格结构116的每个单元118上方形成微透镜130。微透镜130与相应的辐射感测区域104对准，并且微透镜130形成为覆盖单元118的边界(例如，在每个单元118的侧壁内)内的滤光器120的顶面。
由于微透镜130的曲率，微透镜130比透明材料层128的其他区域(例如，顶部介电层124上方的微透镜130之间的区域)更厚。例如，透明材料层128在滤光器120上方(例如，形成微透镜130的位置)较厚，并且在微透镜130之间的区域(例如，在顶部介电层124上方)较薄。
参考图1，背照式图像传感器器件100还可以包括互连结构132。互连结构132可以包括图案化的介电层和导电层，该导电层形成辐射感测区域104和其他组件(未在图1中示出)之间的互连(例如，布线)。例如，互连结构132可以是嵌入层间介电(ILD)层136中的一个或多个多层互连(MLI)结构134。根据本发明的一些实施例，MLI结构134可以包括接触件/通孔和金属线。为了说明的目的，图1中示出了多条导线138和多个通孔/接触件140。导电线138和通孔/接触件140的位置和配置可以根据设计而变化，并不限于图1的描述。此外，互连结构132可以包括感测器件142。例如，感测器件142可以是电连接至相应的辐射感测区域(或像素)104的场效应晶体管(FET)的阵列和/或存储器单元的阵列，并且该感测器件142配置为读取作为光电转换的结果而在这些辐射感测区域中产生的电信号。
在本发明的一些实施例中，互连结构132可以是部分制造的集成电路(IC)或完全制造的IC的顶层，其中，该IC可以包括互连件、电阻器、晶体管和/或其他半导体器件的多层。因此，互连结构132可以包括前道工序(FEOL)和中间工序(MOL)层。此外，互连结构132可以经由缓冲层(在图1中未示出)附接至载体衬底(在图1中未示出)，该载体衬底可以为在其上制造的结构(例如，互连层132、半导体层102等)提供支撑。例如，载体衬底可以是硅晶圆、玻璃衬底或任何其他合适的材料。
在本发明的一些实施例中，背照式图像传感器器件100的制造可以包括在硅衬底(例如，硅晶圆)上形成半导体层102，并且随后在半导体层102的正面106上方形成互连结构132。在完成互连结构132之前，互连结构132可以经历多次光刻、蚀刻、沉积和平坦化操作。一旦形成了互连结构132，就可以将载体衬底(如上所述)附接至互连结构132的顶部。例如，缓冲层可以用作载体衬底和互连结构132之间的粘附介质。硅衬底可以倒置，并且可以机械研磨和抛光硅衬底直到暴露半导体层102的背面108。随后可以形成半导体层102的背面108上的隔离结构以进一步电隔离辐射感测区域或像素104。覆盖层114和组合栅格结构116一起可以形成在半导体层102的背面108上。
组合栅格结构116可以形成为使得单元118中的每一个与相应的辐射感测区域或像素104对准。例如，可以基于存在于半导体层102的背面108上的对准标记通过光刻操作来实现组合栅格结构116和辐射感测区域或像素104的对准。形成组合栅格结构116可以包括沉积图案化底层122和顶部介电层124，并随后使用光刻和蚀刻操作图案化底层122和顶部介电层124以形成单元118。随后在底层122和顶部介电层124暴露的表面上沉积钝化层126。滤光器120可以填充单元118，并且透明材料层128可以沉积在滤光器120上以形成微透镜130。背照式图像传感器器件100的制造不限于上述操作，可以执行额外的或可选的操作。
根据一些实施例，图3是用于在图像传感器的组合栅格结构内形成一个或多个偏振光栅结构(栅格偏振器)的方法300的流程图。为了作为实例的目的，将在图1的背照式图像传感器器件100的背景下描述方法300。偏振光栅结构可以具有以下任意的偏振方向：0°、45°、90°或135°。然而，这些方向不是限定性的，其他的偏振方向是可能的。方法300不限于背照式图像传感器器件，并且可以扩展到共享类似的材料层和/或几何结构的其他类型的图像传感器器件，诸如前照式图像传感器器件。这些其他类型的图像传感器器件在本发明的精神和范围内。
根据一些实施例，方法300可以在组合栅格结构116的单元118中形成光栅元件。光栅元件可以定向为朝向偏振角，该偏振角可以在从0°至135°的范围内，增量为45°(例如，0°、45°、90°和135°)。方法300不限于下面描述的操作。可以在方法300的各个操作之间执行其他的制造操作，并且为了清楚而省略这些其他的制造操作。
参考图3，方法300从操作302开始，其中在半导体层上方形成层堆叠件。在一些实例中，层堆叠件可以包括多于2层。图4示出了根据方法300部分制造的图像传感器，诸如图1的背照式图像传感器器件100。在图4中并且根据操作302，在半导体层102上方形成包括底层122和顶部介电层124的层堆叠件400。如上所述，底层122可以包括钛、钨、铝或铜。然而，底层122不限于金属，并且可以包括能够朝向半导体层102的辐射感测区域104反射并引导入射的可见光的其他合适的材料或材料的堆叠件。作为实例而不是限制本发明，可以使用溅射工艺、电镀工艺、蒸发工艺、化学气相沉积(CVD)工艺、原子层沉积(ALD)工艺或任何合适的沉积方法来形成底层122。此外，底层122的厚度可以在从约
Figure BDA0001802475340000101
至约
Figure BDA0001802475340000102
的范围内(例如，从
Figure BDA0001802475340000107
至
Figure BDA0001802475340000108
)。底层122不直接沉积在半导体层102上。根据一些实施例，底层122沉积在覆盖层114上方。在一些实施例中，可以在设置在底层122与覆盖层114之间的粘附/阻挡层上沉积底层12。为了简化，图4中未示出粘附/阻挡层。
根据操作302，并且参照图4，可以在底层122上方沉积层堆叠件400的顶部介电层124。在一些实施例中，顶部介电层124可以是一个或多个介电层的堆叠件。在一些实施例中，顶部介电层124允许入射的可见光穿过。换言之，顶部介电层124由透明材料或用作抗反射材料的材料制成。在一些实施例中，顶部介电层124由SiO2、Si3N4、SiON、SiC、聚合物或其它合适的透明介电材料制成。可以通过CVD或ALD沉积顶部介电层124，并且顶部介电层124具有在从约
Figure BDA0001802475340000103
至约
Figure BDA0001802475340000104
范围内(例如，从
Figure BDA0001802475340000105
至
Figure BDA0001802475340000106
)的沉积厚度。可选的，可以在底层122上旋涂顶部介电层124。
参考图3，方法300继续进行操作304，在组合栅格结构(诸如组合栅格结构116)内形成其中具有光栅元件的一个或多个偏振光栅结构。在一些实施例中，与形成组合栅格结构(诸如组合栅格结构116)同时地，执行一个或多个偏振光栅结构的形成。例如，参考图4，可以在层堆叠件400上方沉积光刻胶(PR)层或硬掩模(HM)层。随后图案化PR或HM层，使得在层堆叠件400上方形成图案化结构402和404。图案化结构402可具有在从约100nm至约500nm的范围内(例如，从100nm至500nm)的间距P1，并且图案化结构402可以用于形成偏振光栅结构的光栅元件。如上所述，间距P1的范围确保每个光栅元件的宽度可以在从约20nm至约300nm的范围内(例如，从20nm至300nm)。图案化结构404可以具有大于间距P1的间距P2(例如，P2>P1)，并且图案化结构404可以用于形成组合栅格结构116的单元118的侧壁。作为实例而不是限制本发明，图4中分别示出了四个图案化结构402和404。然而，根据一些实施例，穿过(across)层堆叠件400的额外的图案化结构402和404是可能的。此外，图案化结构402负责形成偏振光栅结构的光栅元件，该图案化结构402可以以相对于负责在组合栅格结构中形成单元118的图案化结构404的角度形成其长度。在一些实施例中，图案化结构402和404之间的角度与可见光的偏振角一致。在一些实施例中，该偏振角可以在从0°至135°的范围内，增量为45°。
为了作为实例的目的，将形成的光栅元件描述为平行于图案化结构404(例如，使得光栅元件具有0°偏振角)的图案化结构402。基于本文的公开，如上所述，可以实施其他的定向角度。这些定向角度在本发明的精神和范围内。
图案化结构402和404用作掩模层，使得随后的蚀刻工艺可以选择性地去除图案化结构402和404之间的层堆叠件400以形成组合栅格结构116。在一些实施例中，蚀刻工艺可以使用用于顶部介电层124和底层122的不同的蚀刻化学剂。在一些实施例中，蚀刻工艺是定点终止；例如，当覆盖层114暴露时，蚀刻工艺可以自动终止。另外，蚀刻工艺可以是定时的，或者可以是定时和定点终止蚀刻工艺的组合。在一些实例中，蚀刻工艺是各向异性的，使得蚀刻部件具有标称的垂直侧壁。此外，蚀刻工艺可以对顶部介电层124和底层122具有高选择性。图5是图4在上述操作304的蚀刻工艺之后的实例结构。
一旦蚀刻工艺完成，可以利用湿法蚀刻化学物质去除图案化结构402和404。在图6中示出了得到的蚀刻结构(例如，光栅元件600和单元118的侧壁)。在一些实施例中，光栅元件600的高度在约200nm与约1000nm之间(例如，从200nm至1000nm)，光栅元件600的宽度在约20nm与约300nm之间(例如，从20nm至300nm)，光栅元件600的间距在约100nm至约500nm之间(例如，从100nm至500nm)。在图6的实例中，偏振光栅结构610的光栅元件600排列为平行于(例如，0°偏振角)复合光栅结构116的单元118的侧壁(例如如图7A所示)，图7A是单元118内的处于0°偏振角的偏振光栅结构610的顶视图。根据图6，偏振光栅结构610可以是组合栅格结构116的一部分。换言之，偏振光栅结构610可以形成在组合栅格结构116的单元118中。如上所述，光栅元件600可以排列为相对于单元118的侧壁具有不同角度，使得偏振光栅结构610可以检测具有额外的偏振角的光。作为实例而不是限制本发明，图7A至图7D是示例性偏振光栅结构610的顶视图，其中，光栅元件600定向为相对于单元118的侧壁具有不同的角度(例如，0°、45°、90°或135°)。如上所述，这些角度可以与相应的入射光的偏振角一致。
此外，组合栅格结构116和偏振光栅结构610的单元118与半导体层102的辐射感测区域104基本对准。此外，穿过组合栅格结构116的额外的偏振光栅结构是可能的。
参考图8，在形成光栅元件600和单元118之后，在单元118的侧壁和光栅元件600上共形地沉积钝化层126。作为实例而不是限制本发明，可以通过基于CVD或基于ALD的沉积方法沉积钝化层126。钝化层126可以由诸如SiO2、Si3N4或SiON的介电材料形成，并且钝化层126可以具有在约
Figure BDA0001802475340000121
至约
Figure BDA0001802475340000122
之间(例如，从
Figure BDA0001802475340000123
至
Figure BDA0001802475340000124
)的厚度。
参考图3，方法300继续进行操作306，其中，偏振光栅结构610的光栅元件600之间的间隙填充有滤光器、空气、介电材料或它们的组合。在一些实施例中，介电材料是由SiO2、Si3N4、SiON、SiC或聚合物制成的透明/抗反射材料。
在操作308中，如图9所示，组合栅格结构116的单元118填充有一个或多个滤光器120。在一些实施例中，滤光器120可以是红色、绿色或蓝色。在图9的实例中，光栅元件600之间的间隙填充有空气。图10和图13示出根据一些实施例的组合栅格结构116中的滤光器120和具有不同偏振角的偏振栅格结构610的示例性布置。图10和图13是非限定性的，额外的布置是可能的并且在本发明的精神和范围内。例如，在拜仁模式中，其中组合栅格结构116可以包括50％的绿色滤光器、25％的红色滤光器和25％的蓝色滤光器，一些绿色滤光器可以由偏振光栅结构代替。
参照图9，可以在每个单元118和偏振光栅结构610上方形成微透镜130。微透镜130将入射的光线朝向半导体层102的辐射感测区域104聚焦到组合栅格结构116的相应的单元118中。
本发明涉及一种将偏振光栅结构(例如，偏振器)的形成描述为背照式图像传感器器件的组合栅格结构的一部分的方法。在一些实施例中，可以通过将组合栅格结构的一个或多个滤光器替换为偏振光栅结构(栅格偏振器)，将偏振光栅结构集成到组合栅格结构中。在一些实施例中，偏振光栅结构可以沿着以下偏振方向提供入射光的偏振信息：0°、45°、90°和/或135°。上述的偏振方向不是限定性的，并且其他的偏振方向是可能的。根据一些实施例，偏振光栅结构的光栅元件之间的间距可以在从约100nm至约500nm(的范围内例如，从100nm至500nm)，并且每个光栅元件的宽度可以在从约20nm至约300nm的范围内(例如，从20nm至300nm)。偏振光栅结构的光栅元件可以由与组合栅格结构相同的材料制成。将偏振器集成到传感器器件的组合栅格结构中可以提供多种益处，包括：图像传感器的紧凑设计、不存在移动部件以及更快地获取光偏振信息(例如，同时收集所有偏振角的偏振信息)。
在一些实施例中，一种半导体图像传感器器件包括：半导体层，具有配置为感测辐射的一个或多个感测区域；栅格结构，位于半导体层上方，具有分别与一个或多个感测区域对准的一个或多个单元；以及偏振光栅结构，位于栅格结构的一个或多个单元中，其中偏振光栅结构配置为使入射至半导体图像传感器的光偏振。
在实施例中，所述偏振光栅结构的偏振角包括0°、45°、90°或135°。
在实施例中，所述偏振光栅结构包括间距在约100纳米(nm)和约500nm之间的光栅元件。
在实施例中，所述偏振光栅结构包括高度在约200nm和约1000nm之间的光栅元件。
在实施例中，所述偏振光栅结构包括宽度在约20nm和约300nm之间的光栅元件。
在实施例中，所述偏振光栅结构包括对光透明的空气、滤光器或介电材料。
在实施例中，所述偏振光栅结构包括由钨、氮氧化硅、氮化硅、碳化硅、氧化硅或聚合物制成的光栅元件。
在实施例中，半导体图像传感器器件还包括：滤光器，设置在所述一个或多个单元中；微透镜，位于所述一个或多个单元中的每一个上方；以及互连结构，位于所述半导体层下方，配置为提供与所述半导体层的一个或多个感测区域的电连接。
在一些实施例中，一种半导体图像传感器包括：一个或多个偏振光栅结构，包括与光偏振角对准的光栅元件，其中，一个或多个偏振光栅结构设置在由栅格结构限定的单元中；半导体层，具有感测区域，感测区域配置为感测从栅格结构进入半导体层的辐射，其中，半导体层设置在栅格结构下方，使得栅格结构的每个单元与半导体层的感测区域对准；以及微透镜，位于栅格结构的每个单元上方。
在实施例中，所述一个或多个偏振光栅结构布置在所述栅格结构的相邻单元中。
在实施例中，所述一个或多个偏振光栅结构被布置在所述栅格结构的非相邻单元中。
在实施例中，所述一个或多个偏振光栅结构占据所述栅格结构中的任何单元。
在实施例中，偏振光栅结构下方的感测区域配置为接收具有偏振角的偏振光，所述偏振角与所述一个或多个偏振光栅结构中的光栅元件的光偏振角一致。
在实施例中，所述一个或多个偏振光栅结构中的每一个设置在所述微透镜和所述半导体层的感测区域之间。
在实施例中，半导体图像传感器还包括：互连结构，设置在所述半导体层的与所述栅格结构相对的一侧上。
在一些实施例中，一种形成图像传感器的方法包括：在具有辐射感测区域的半导体层上方沉积层堆叠件，其中，层堆叠件包括底层和顶部抗反射层。方法还包括：图案化层堆叠件以形成具有单元以及位于单元内的偏振光栅结构的栅格结构，其中，偏振光栅结构包括定向为光偏振角的光栅元件。方法还包括：利用空气或介电材料填充光栅元件之间的光栅结构；以及利用滤光器填充不包含偏振光栅结构的单元。
在实施例中，方法还包括：在所述栅格结构的每个单元上方形成微透镜。
在实施例中，图案化所述层堆叠件包括：在所述层堆叠件上方设置光刻胶层或硬掩模层；图案化所述光刻胶层或所述硬掩模层以形成第一图案化结构和第二图案化结构，其中，所述第一图案化结构具有与所述第二图案化结构不同的间距；通过第一图案化结构蚀刻所述层堆叠件以形成所述栅格结构的单元；以及通过第二图案化结构蚀刻所述层堆叠件以形成所述偏振光栅结构的光栅元件。
在实施例中，所述光栅元件具有在100nm与500nm之间的间距以及在200nm与1000nm之间的高度。
在实施例中，入射至所述图像传感器的光根据所述偏振光栅结构中的所述光栅元件的光偏振角进行偏振。
应该理解，具体实施方式部分(而不是本发明的摘要)旨在用于解释权利要求。本发明的摘要部分可以阐述预期的一个或多个实施例但不是全部示例性实施例，因此不旨在限定所附权利要求。
上述公开概述了若干实施例的部件，使得本领域技术人员可以更好地理解本发明的多个方面。本领域普通技术人员应该理解，可以很容易地使用本发明作为基础来设计或更改其他用于达到与本文所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优点的处理和结构。本领域普通技术人员也应该意识到，这种等效构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离所附权利要求的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。

Claims (20)

1.一种半导体图像传感器器件，包括：
半导体层，包括配置为感测辐射的一个或多个感测区域；
栅格结构，位于所述半导体层上方，所述栅格结构包括分别与所述一个或多个感测区域对准的一个或多个单元；以及
偏振光栅结构，位于所述栅格结构的一个或多个单元中，其中所述偏振光栅结构配置为使入射至所述半导体图像传感器的光偏振并且包括具有直接设置在金属层上的抗反射层的光栅元件。
2.根据权利要求1所述的半导体图像传感器器件，其中，所述偏振光栅结构的偏振角包括0°、45°、90°或135°。
3.根据权利要求1所述的半导体图像传感器器件，其中，所述偏振光栅结构包括间距在约100nm和约500nm之间的光栅元件。
4.根据权利要求1所述的半导体图像传感器器件，其中，所述偏振光栅结构包括高度在约200nm和约1000nm之间的光栅元件。
5.根据权利要求1所述的半导体图像传感器器件，其中，所述偏振光栅结构包括宽度在约20nm和约300nm之间的光栅元件。
6.根据权利要求1所述的半导体图像传感器器件，其中，所述偏振光栅结构包括对光透明的空气、滤光器或介电材料。
7.根据权利要求1所述的半导体图像传感器器件，其中，所述偏振光栅结构包括由钨、氮氧化硅、氮化硅、碳化硅、氧化硅或聚合物制成的光栅元件。
8.根据权利要求1所述的半导体图像传感器器件，还包括：
滤光器，设置在所述一个或多个单元中；
微透镜，位于所述一个或多个单元中的每一个上方；以及
互连结构，位于所述半导体层下方，配置为提供与所述半导体层的一个或多个感测区域的电连接。
9.一种半导体图像传感器，包括：
一个或多个偏振光栅结构，包括与光偏振角对准并且具有直接设置在金属层上的抗反射层的光栅元件，其中，所述一个或多个偏振光栅结构设置在由栅格结构限定的单元中；
半导体层，具有感测区域，所述感测区域配置为感测从所述栅格结构进入所述半导体层的辐射，其中，所述半导体层设置在所述栅格结构下方，使得所述栅格结构的每个单元与所述半导体层的感测区域对准，其中，所述半导体层还具有将所述感测区域彼此电隔离的隔离结构，其中，所述隔离结构分别从所述半导体层的正面和与所述正面相对的背面延伸至所述半导体层内并且通过所述半导体层的一部分间隔开；以及
微透镜，位于所述栅格结构的每个单元上方。
10.根据权利要求9所述的半导体图像传感器，其中，所述一个或多个偏振光栅结构布置在所述栅格结构的相邻单元中。
11.根据权利要求9所述的半导体图像传感器，其中，所述一个或多个偏振光栅结构被布置在所述栅格结构的非相邻单元中。
12.根据权利要求9所述的半导体图像传感器，其中，所述一个或多个偏振光栅结构占据所述栅格结构中的任何单元。
13.根据权利要求9所述的半导体图像传感器，其中，偏振光栅结构下方的感测区域配置为接收具有偏振角的偏振光，所述偏振角与所述一个或多个偏振光栅结构中的光栅元件的光偏振角一致。
14.根据权利要求9所述的半导体图像传感器，其中，所述一个或多个偏振光栅结构中的每一个设置在所述微透镜和所述半导体层的感测区域之间。
15.根据权利要求9所述的半导体图像传感器，还包括：
互连结构，设置在所述半导体层的与所述栅格结构相对的一侧上。
16.一种形成图像传感器的方法，所述方法包括：
在具有辐射感测区域的半导体层上方沉积层堆叠件，其中，所述层堆叠件包括底部金属层和直接设置在所述底部金属层上的顶部抗反射层；
图案化所述层堆叠件以形成：
栅格结构，包括多个单元；以及
偏振光栅结构，位于所述单元内，其中，所述偏振光栅结构包括定向为光偏振角的光栅元件；以及
所述光栅元件之间的间隙填充有空气或介电材料；以及
不包含偏振光栅结构的单元填充有滤光器。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
在所述栅格结构的每个单元上方形成微透镜。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，图案化所述层堆叠件包括：
在所述层堆叠件上方设置光刻胶层或硬掩模层；
图案化所述光刻胶层或所述硬掩模层以形成第一图案化结构和第二图案化结构，其中，所述第一图案化结构具有与所述第二图案化结构不同的间距；
通过第一图案化结构蚀刻所述层堆叠件以形成所述栅格结构的单元；以及
通过第二图案化结构蚀刻所述层堆叠件以形成所述偏振光栅结构的光栅元件。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述光栅元件具有在100nm与500nm之间的间距以及在200nm与1000nm之间的高度。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，入射至所述图像传感器的光根据所述偏振光栅结构中的所述光栅元件的光偏振角进行偏振。
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