CN110444552A - 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，所述图像传感器的形成方法包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底的表面形成网格状的格栅结构，所述格栅结构具有多个格栅开口；在至少一个格栅开口内形成包含有非白光滤色镜与白光滤色镜的堆叠滤色镜。本发明方案可以降低光生载流子的溢出效应，且节省芯片空间。
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。
以后照式(Back-side Illumination，BSI)CIS为例，在现有的制造工艺中，先在半导体衬底内及表面形成逻辑器件、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内形成多种滤色镜(Color Filter)，在滤色镜的表面形成透镜结构等。
进一步地，透镜结构捕捉到入射光之后，经过滤色镜过滤，除去非相关光，形成单色光，入射光子到达半导体衬底被像素器件吸收，产生光生载流子。
其中，滤色镜可以包括多种颜色的滤色镜，例如红外线滤色镜(Infrared ColorFilter)、红光滤色镜(Red Color Filter)、绿光滤色镜(Green Color Filter)、蓝光滤色镜(Blue Color Filter)、紫外线滤色镜(UV Color Filter)等。
在现有的一种应用于暗光拍摄的图像传感器技术中，为了增加进光量，采用白光滤色镜替代一部分其他颜色的滤色镜(即非白光滤色镜)，从而提高图像的明亮度。
然而，白光滤色镜容易发生光电子溢出(blooming)现象，导致电学串扰，图像容易发生局部过曝问题或出现异常白斑。
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，可以降低光生载流子的溢出效应，且节省芯片空间。
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；在所述半导体衬底的表面形成网格状的格栅结构，所述格栅结构具有多个格栅开口；在至少一个格栅开口内形成包含有非白光滤色镜与白光滤色镜的堆叠滤色镜。
可选的，所述非白光滤色镜为绿光滤色镜。
可选的，所述白光滤色镜的材料为二氧化硅。
可选的，在至少一个格栅开口内形成包含有非白光滤色镜与白光滤色镜的堆叠滤色镜包括：在所述格栅开口内形成所述非白光滤色镜；在所述非白光滤色镜的表面形成白光滤色镜，以形成所述堆叠滤色镜。
可选的，在所述非白光滤色镜的表面形成白光滤色镜，以形成所述堆叠滤色镜之前，所述的图像传感器的形成方法还包括：采用第一掩膜版，对所述堆叠滤色镜进行光线照射，以硬化所述堆叠滤色镜。
可选的，在所述非白光滤色镜的表面形成白光滤色镜，以形成所述堆叠滤色镜之后，所述的图像传感器的形成方法还包括：在剩余格栅开口中，形成单色光滤色镜；其中，所述单色光滤色镜的顶部表面与所述堆叠滤色镜的顶部表面齐平。
可选的，所述非白光滤色镜的厚度与所述白光滤色镜的厚度的比值根据预设的透光率确定，所述透光率与单位时间内透过所述堆叠滤色镜的光线产生的光生载流子的数量呈正比；其中，所述比值越大，所述透光率越小。
可选的，所述非白光滤色镜的厚度与所述白光滤色镜的厚度的比值选自：0.05至0.5。
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；网格状的格栅结构，位于所述半导体衬底的表面，所述格栅结构具有多个格栅开口；非白光滤色镜与白光滤色镜的堆叠滤色镜，位于至少一个格栅开口内。
可选的，所述非白光滤色镜为绿光滤色镜。
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，通过设置包含有非白光滤色镜与白光滤色镜的堆叠滤色镜，可以降低透过同样厚度的堆叠滤色镜的入射光量，相比于透过白光滤色镜的光产生的光生载流子的数量，透过同样厚度的堆叠滤色镜的光产生的光生载流子的数量更少，从而有助于降低光生载流子的溢出效应。进一步地，相比于额外添加外围电路并采用算法抵消溢出效应，采用本发明实施例的方案，有助于节省芯片空间。
进一步，设置非白光滤色镜为绿光滤色镜，相比于可见光谱中的其他色彩，人类视觉系统对绿波段中的色彩更加敏感，通过设置非白光滤色镜为绿光滤色镜，可以在调整为堆叠滤色镜后，使得增加的色彩为绿色，保持用户观看图像的舒适度。
进一步，设置所述非白光滤色镜的厚度与所述白光滤色镜的厚度的比值根据预设的透光率确定，所述透光率与单位时间内透过所述堆叠滤色镜的光线产生的光生载流子的数量呈正比；其中，所述比值越大，所述透光率越小。在本发明实施例中，可以预先确定为了抵消溢出效应需要对透光率调整至什么范围，然后通过设置适当的非白光滤色镜的厚度与所述白光滤色镜的厚度的比值，实现减少入射光的总量、抑制溢出效应的效果。
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是现有技术中一种光生载流子溢出效应的示意图；
图3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4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是本发明人实施例中一种对光生载流子溢出效应改进后的示意图。
具体实施方式
在现有的一种应用于暗光拍摄的图像传感器技术中，为了增加进光量，采用白光滤色镜替代一部分其他颜色的滤色镜(即非白光滤色镜)，从而提高图像的明亮度。然而，白光滤色镜容易发生光电子溢出(blooming)现象，导致图像发生局部过曝问题或出现异常白斑。
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。
在现有的图像传感器中，可以提供半导体衬底100，在半导体衬底100的表面形成格栅结构104，进而在格栅结构104之间的开口内形成滤色镜，进而在所述滤色镜的表面形成透镜结构108。
其中，在所述半导体衬底100内形成有逻辑器件、像素器件以及金属互连结构103，所述像素器件可以包含有光电二极管102。
其中，所述滤色镜可以包括多种颜色的单色滤色镜，例如可以包括第一滤色镜111、第三滤色镜131以及第四滤色镜141，所述第一滤色镜111、第三滤色镜131以及第四滤色镜141的颜色可以根据需求进行设置，例如可以为单色光滤色镜，还可以为红外线滤色镜、紫外线滤色镜等。
所述滤色镜还可以包括白光滤色镜121，有助于增加进光量，提高图像的明亮度。
本发明的发明人经过研究发现，透过白光滤色镜121的光产生的光生载流子的数量较多，容易发生光生载流子的溢出效应，导致电学串扰，图像容易发生局部过曝问题或出现异常白斑。
参照图2，图2是现有技术中一种光生载流子溢出效应的示意图。
如图所示，由于透过白光滤色镜的光产生的光生载流子的数量较多，容易在对应于白光滤色镜的光电二极管区域(PD1)，发生光生载流子的溢出效应，例如溢出至相邻的光电二极管区域(PD2)，导致电学串扰。
本发明的发明人经过研究进一步发现，在现有技术中，已经存在额外添加外围电路并采用算法抵消溢出效应的方案，然而外围电路会占用芯片空间，不利于芯片尺寸的缩小。
在本发明实施例中，通过设置包含有非白光滤色镜与白光滤色镜的堆叠滤色镜，可以降低透过同样厚度的堆叠滤色镜的入射光量，相比于透过白光滤色镜的光产生的光生载流子的数量，透过同样厚度的堆叠滤色镜的光产生的光生载流子的数量更少，从而有助于降低光生载流子的溢出效应。进一步地，相比于额外添加外围电路并采用算法抵消溢出效应，采用本发明实施例的方案，有助于节省芯片空间。
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3，图3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；
步骤S22：在所述半导体衬底的表面形成网格状的格栅结构，所述格栅结构具有多个格栅开口；
步骤S23：在至少一个格栅开口内形成包含有非白光滤色镜与白光滤色镜的堆叠滤色镜。
下面结合图4至图7对上述各个步骤进行说明。
图4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4，提供半导体衬底200，所述半导体衬底200内可以具有光电二极管202，还可以形成有金属互连结构203，在所述半导体衬底200的表面可以形成网格状的格栅结构204，所述格栅结构204具有多个格栅开口。
在所有格栅开口内形成第一颜色的非白光滤色镜221，然后采用第一掩膜版，对待保留的第一颜色的非白光滤色镜221进行光线照射，以硬化所述待保留的第一颜色的非白光滤色镜221。
其中，所述非白光滤色镜221可以为包含有单种颜色的滤色镜，只能透过单种颜色的光线。
需要指出的是，所述非白光滤色镜221的厚度小于形成完整的滤色镜之后的厚度，所述厚度的方向为垂直于所述半导体衬底200的方向。
作为一个非限制性的例子，所述非白光滤色镜221可以选自：红外线滤色镜、红光滤色镜、绿光滤色镜、蓝光滤色镜以及紫外线滤色镜。从而可以借助非白光滤色镜比白光滤色镜透光量更少的特性，使得透过非白光滤色镜的光产生的光生载流子的数量更少，从而有助于降低光生载流子的溢出效应。
优选地，所述非白光滤色镜可以为绿光滤色镜。
在本发明实施例中，通过设置非白光滤色镜为绿光滤色镜，相比于可见光谱中的其他色彩，人类视觉系统对绿波段中的色彩更加敏感，通过设置非白光滤色镜为绿光滤色镜，可以在调整为堆叠滤色镜后，使得增加的色彩为绿色，保持用户观看图像的舒适度；并且可以在现有的图像传感器普遍采用更多绿光滤色镜的情况下，降低生产成本。
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。
需要指出的是，所述半导体衬底200内可以形成有逻辑器件以及像素器件，所述像素器件可以包含有光电二极管202。
具体地，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，即电子。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。
在图4中，可以采用掩膜版对待保留的第一颜色的非白光滤色镜221进行光线照射，以硬化所述待保留的非白光滤色镜221。
在具体实施中，可以采用I-line光对滤色镜进行照射，以实现在后续工艺中保留经过照射后的滤色镜。
参照图5，采用清洗液体，去除未进行光线照射的第一颜色的非白光滤色镜，以得到保留的所述第一颜色的非白光滤色镜221。
在具体实施中，可以采用负光阻(Photo Resist，PR)材料或相近材料形成所述非白光滤色镜，则可以采用显影液作为所述清洗液体，以对所述未进行光线照射的第一颜色的非白光滤色镜进行去除。
参照图6，在格栅开口内形成白光滤色镜222，所述非白光滤色镜221的表面形成有白光滤色镜222，然后采用第二掩膜版，对待保留的白光滤色镜222进行保护，以去除其他格栅开口内，无需保留的白光滤色镜的材料。
需要指出的是，所述白光滤色镜222的厚度小于形成完整的滤色镜之后的厚度，所述厚度的方向为垂直于所述半导体衬底200的方向。
具体地，通过先形成非白光滤色镜221，再形成白光滤色镜222，可以形成堆叠滤色镜220。
在具体实施中，所述白光滤色镜222的材料可以选自：氧化硅、氮化硅以及氮氧化硅。
优选地，所述白光滤色镜222的材料可以为二氧化硅。
需要指出的是，在本发明实施例中，还可以设置所述白光滤色镜222的材料为常规用于白光滤色镜的适当的材料，本发明实施例对此不做限制。
进一步地，所述非白光滤色镜221的厚度与所述白光滤色镜222的厚度的比值根据预设的透光率确定，所述透光率与单位时间内透过所述堆叠滤色镜的光线产生的光生载流子的数量呈正比；其中，所述比值越大，所述透光率越小。
在本发明实施例中，可以预先确定为了抵消溢出效应需要对透光率调整至什么范围，然后通过设置适当的非白光滤色镜221的厚度与所述白光滤色镜222的厚度的比值，实现减少入射光的总量、抑制溢出效应的效果。相比于透过白光滤色镜222的光产生的光生载流子的数量，透过非白光滤色镜221的光产生的光生载流子的数量更少，所述非白光滤色镜221的厚度与所述白光滤色镜222的厚度的比值越大，透过所述堆叠滤色镜220的光线产生的光生载流子越少，越有助于降低光生载流子的溢出效应。
可以理解的是，所述非白光滤色镜221的厚度与所述白光滤色镜222的厚度的比值不应该过大，否则会失去白光滤色镜透光量大的透光优势；所述非白光滤色镜221的厚度与所述白光滤色镜222的厚度的比值不应该过小，否则仍然容易存在溢出效应、光学干扰的问题
作为一个非限制性的例子，所述非白光滤色镜221的厚度与所述白光滤色镜222的厚度的比值可以选自：0.05至0.5。优选地，可以设置所述非白光滤色镜221的厚度与所述白光滤色镜222的厚度的比值为0.1。
参照图7，在剩余格栅开口中，形成单色光滤色镜；其中，所述单色光滤色镜的顶部表面与所述堆叠滤色镜的顶部表面齐平。
具体地，所述单色光滤色镜可以根据具体需求设置，例如可以包括红光滤色镜211、绿光滤色镜231、蓝光滤色镜241，还可以包括红外线滤色镜、紫外线滤色镜等。
在本发明实施例中，通过设置包含有非白光滤色镜221与白光滤色镜222的堆叠滤色镜220，可以降低透过同样厚度的堆叠滤色镜220的入射光量，相比于透过白光滤色镜的光产生的光生载流子的数量，透过同样厚度的堆叠滤色镜220的光产生的光生载流子的数量更少，从而有助于降低光生载流子的溢出效应。进一步地，相比于额外添加外围电路并采用算法抵消溢出效应，采用本发明实施例的方案，有助于节省芯片空间。
参照图8，图8是本发明实施例中一种对光生载流子溢出效应改进后的示意图。
如图所示，在设置堆叠滤色镜之后，相比于透过同等厚度的白光滤色镜的光产生的光生载流子，透过堆叠滤色镜的光产生的光生载流子的数量更少，在对应于堆叠滤色镜的光电二极管区域(PD3)，相比图2示出的PD1，不容易发生光生载流子的溢出效应至相邻的光电二极管区域(PD4)，也就不容易发生电学串扰。
在本发明实施例中，还公开了一种图像传感器，如图7所示，可以包括：半导体衬底200；网格状的格栅结构204，位于所述半导体衬底200的表面，所述格栅结构204具有多个格栅开口；非白光滤色镜221与白光滤色镜222的堆叠滤色镜220，位于至少一个格栅开口内。
进一步地，所述非白光滤色镜221可以为绿光滤色镜。
进一步地，所述非白光滤色镜221的厚度与所述白光滤色镜222的厚度的比值可以根据预设的透光率确定，所述透光率与单位时间内透过所述堆叠滤色镜220的光线产生的光生载流子的数量呈正比；其中，所述比值越大，所述透光率越小。
进一步地，所述非白光滤色镜221的厚度与所述白光滤色镜222的厚度的比值可以选自：0.05至0.5。
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；
在所述半导体衬底的表面形成网格状的格栅结构，所述格栅结构具有多个格栅开口；
在至少一个格栅开口内形成包含有非白光滤色镜与白光滤色镜的堆叠滤色镜。
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，所述非白光滤色镜为绿光滤色镜。
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，所述白光滤色镜的材料为二氧化硅。
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，在至少一个格栅开口内形成包含有非白光滤色镜与白光滤色镜的堆叠滤色镜包括：
在所述格栅开口内形成所述非白光滤色镜；
在所述非白光滤色镜的表面形成白光滤色镜，以形成所述堆叠滤色镜。
5.根据权利要求4所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，在所述非白光滤色镜的表面形成白光滤色镜，以形成所述堆叠滤色镜之前，还包括：
采用第一掩膜版，对所述堆叠滤色镜进行光线照射，以硬化所述堆叠滤色镜。
6.根据权利要求4所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，在所述非白光滤色镜的表面形成白光滤色镜，以形成所述堆叠滤色镜之后，还包括：
在剩余格栅开口中，形成单色光滤色镜；
其中，所述单色光滤色镜的顶部表面与所述堆叠滤色镜的顶部表面齐平。
7.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，
所述非白光滤色镜的厚度与所述白光滤色镜的厚度的比值根据预设的透光率确定，所述透光率与单位时间内透过所述堆叠滤色镜的光线产生的光生载流子的数量呈正比；
其中，所述比值越大，所述透光率越小。
8.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，
所述非白光滤色镜的厚度与所述白光滤色镜的厚度的比值选自：0.05至0.5。
9.一种图像传感器，其特征在于，包括：
半导体衬底；
网格状的格栅结构，位于所述半导体衬底的表面，所述格栅结构具有多个格栅开口；
非白光滤色镜与白光滤色镜的堆叠滤色镜，位于至少一个格栅开口内。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其特征在于，所述非白光滤色镜为绿光滤色镜。
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