CN110600489A - 半导体图像传感器 - Google Patents

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Abstract

在一些实施例中，本发明实施例涉及图像传感器集成芯片及其形成方法。集成芯片具有布置在衬底的像素区内的图像感测元件。在位于衬底的第一侧内的沟槽中设置第一电介质。通过设置在像素区的相对侧上的第一侧壁限定沟槽。内部反射增强结构布置为沿着衬底的第一侧并且配置为将从衬底射出的辐射反射回衬底中。本发明实施例涉及半导体图像传感器。

Description

半导体图像传感器
技术领域
本发明实施例涉及半导体图像传感器。
背景技术
具有图像传感器的集成电路(IC)广泛用于现代电子器件中。近年来，互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器已经开始广泛使用，主要取代电荷耦合器件(CCD)图像传感器。与CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器由于低功耗、小尺寸、快速数据处理、数据的直接输出以及低制造成本而越来越受欢迎。一些类型的CMOS图像传感器包括前照式(FSI)图像传感器和背照式(BSI)图像传感器。
发明内容
根据本发明的一些实施例，提供了一种图像传感器集成芯片，包括：图像感测元件，布置在衬底的像素区内；第一电介质，设置在位于所述衬底的第一侧中的沟槽内，其中，通过设置在所述像素区的相对侧上的第一侧壁限定所述沟槽；以及内部反射结构，布置为沿所述衬底的第一侧并且配置为将从所述衬底射出的辐射反射回所述衬底中。
根据本发明的另一些实施例，还提供了一种图像传感器集成芯片，包括：衬底，具有前侧和背侧，其中，所述衬底的背侧配置为在入射辐射到达衬底的前侧之前接收在第一方向上传播的所述入射辐射；图像感测元件，布置在所述衬底的像素区内；多个导电互连层，布置在沿所述衬底的前侧设置的介电结构内；以及内部反射结构，沿所述衬底的背侧布置，并且配置为反射在与所述第一方向相对的第二方向上传播的辐射。
根据本发明的又一些实施例，还提供了一种形成图像传感器集成芯片的方法，包括：在衬底内形成图像感测元件；以及沿着所述衬底的背侧形成内部反射结构，其中，所述内部反射结构配置为将从所述衬底射出的辐射反射回所述衬底中。
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-图1B示出具有内部反射增强结构的图像传感器集成芯片的一些实施例，其中，该内部反射增强结构配置为减少来自像素的反向散射光。
图2示出具有内部反射增强结构的图像传感器集成芯片的额外实施例的截面图，其中，该内部反射增强结构包括反射元件。
图3示出具有内部反射增强结构的图像传感器集成芯片的一些实施例的截面图，其中，该内部反射增强结构包括低指数材料反射元件。
图4示出具有内部反射增强结构的图像传感器集成芯片的一些实施例的截面图，其中，该内部反射增强结构包括多层反射结构。
图5A-图8G示出形成具有减少的入射辐射的反向散射的图像传感器集成芯片的方法的一些实施例的截面图。
图9示出形成如本文所公开的图像传感器集成芯片的方法的一些实施例的流程图。
具体实施方式
以下公开内容提供了许多用于实现所提供主题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第一部件和第二部件以直接接触的方式形成的实施例，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。
背照式(BSI)图像传感器表示布置成像元件以增加捕获的光量并且从而改善性能的一类图像传感器。BSI传感器通过在制造期间翻转衬底并且然后减薄其反面来将电路电子器件(例如，晶体管)布置在像素后面，从而使得光可以在不经过电路电子器件的情况下撞击像素。然而，对于近红外辐射(NIR)BSI图像传感器，由于硅中的低吸收，BSI传感器中的前向行进的NIR光可以触摸BSI传感器的前侧处的电路电子器件。然后NIR光可以向后反射穿过衬底。因此，反射的NIR光的部分可以到达BSI传感器的背侧表面并从器件逸出到空气中，从而降低了BSI传感器的量子效率。
在一些实施例中，本发明涉及一种图像传感器集成芯片，其中，该集成芯片具有配置为增加辐射的内部反射的光学设计，以便减少反射的NIR辐射的从芯片逸出的量。图像传感器集成芯片包括布置在衬底内的图像感测元件。还可以沿着衬底的第一侧在图像感测元件上方布置一个或多个突起和/或凹槽。还可以沿着衬底的第一侧布置内部反射增强结构。内部反射增强结构配置为将反射的NIR辐射反射回到衬底中。在各个实施例中，本发明使得NIR辐射能够在包括图像感测元件的衬底内来回反射，以增加器件的量子效率(QE)。
图1A示出具有内部反射增强结构的图像传感器集成芯片100的一些实施例的截面图，其中，该内部反射增强结构配置为减少来自像素的反向散射光。图1B示出沿着截面线A-A'示出的图1A的图像传感器集成芯片的顶视图138。
图像传感器集成芯片100包括具有像素区104的衬底102。在实施例中，衬底102可以包括硅或另一种半导体材料。衬底102具有第一侧102f和第二侧102b。在一些实施例中，第一侧102f可以是衬底102的前侧，并且第二侧102b可以是衬底102的背侧。像素区104可包括图像感测元件105，其中，图像感测元件105配置为将入射辐射(例如，光子)转换为电信号(即，从入射辐射产生电子-空穴对)。在一些实施例中，图像感测元件105可以包括光电二极管。
在实施例中，图像传感器集成芯片100可以包括晶体管器件108。可以沿着衬底102的第一侧102f布置晶体管器件108。在各个实施例中，晶体管器件108可以包括与转移晶体管、源极跟随器晶体管、行选择晶体管和/或复位晶体管相对应的一个或多个晶体管栅极结构。
在一些实施例中，还沿着衬底102的第一侧102f布置介电结构110。介电结构110围绕多个导电互连层112。在一些实施例中，介电结构110包括多个堆叠的层间介电(ILD)层。多个导电互连层112包括导电通孔和导线的交替层，其中，多个导电互连层112布置在堆叠的ILD层内并且电连接至多个晶体管器件108。在一些实施例中，可以在多个ILD层中的相邻ILD层之间布置蚀刻停止层111。在各个实施例中，例如，多个导电互连层112可以包括钨、铜或铝铜。
在一些实施例中，可以在由衬底102的内表面限定的一个或多个沟槽106内设置第一电介质109。在各个实施例中，第一电介质109可包括氧化物(例如，二氧化硅)或氮化物(例如，氮化硅)。一个方面，可以在位于像素区104的相对侧上的沟槽106中设置第一电介质109。
图像传感器集成芯片100可包括位于衬底102的第二侧102b内的凹槽114。在一些实施例中，凹槽114可包括位于像素区104内的单个凹槽。衬底102的第二侧102b包括限定凹槽114的非平坦表面，其中，在包括衬底102的大致平坦的表面116的内部反射增强结构115之间布置凹槽114。在一些实施例中，大致平坦的表面116在凹槽114和一个或多个沟槽106之间延伸。在一些实施例中，凹槽114可包括倾斜侧壁。在实施例中，凹槽114的倾斜侧壁可以相对于衬底102的第二侧102b形成约45度至约55度的角度α1。
在一个实施例中，可以在凹槽114上方布置一个或多个吸收增强层107。在实施例中，一个或多个吸收增强层107可以包括高k材料。在另一实施例中，一个或多个吸收增强层107可包括例如氧化铪材料、氧化钛材料等的氧化物材料。在另一实施例中，一个或多个吸收增强层107可包括具有约2的折射率的材料。一个或多个吸收增强层107中的一个沿着衬底102的第二侧102b和衬底102的侧壁接触衬底102，以增加衬底102对辐射的吸收(例如，通过减少衬底102的第二侧102b对辐射的反射)。增加衬底102对辐射的吸收增加了图像感测元件的量子效率(QE)，并且可以改善图像传感器集成芯片100的性能。
在一个实施例中，图像传感器集成芯片100可包括栅格元件126，其中，栅格元件126可以是栅格结构的部分。在实施例中，图像传感器集成芯片100可以包括由金属构成的栅格元件126。可以在第二电介质118上方或内设置栅格元件126。栅格元件126可以包括金属(例如，铝、钴、铜、银、金、钨等)和/或介电材料(例如，SiO2、SiN等)。在另一实施例中，第二电介质118可包括氧化物。
在一个实施例中，图像传感器集成芯片100可包括滤色器122。另一方面，可以在第二电介质118上布置滤色器122。滤色器122可以配置为传输特定波长的入射辐射。例如，第一滤色器可以传输具有在第一范围内的波长(例如，对应于绿光)的辐射，同时反射具有在与第一范围不同的第二范围内的波长(例如，对应于红光)的辐射等。微透镜124可以布置在滤色器122上方并且布置为与滤色器122横向对准并且位于像素区104上方。
在操作期间，微透镜124配置为将入射辐射130(例如，光)聚焦到凹槽114。对于以大于临界角的入射角撞击衬底102的入射辐射130，凹槽114的倾斜侧壁和/或一个或多个吸收增强层107可用于将入射辐射130反射到凹槽114内，其中，入射辐射的部分132可以撞击衬底102的另一表面并且后续进入到衬底102中。进入的入射辐射132的反射部分134可以在衬底102内反射(例如，通过多个导电互连层112)。进入的入射辐射132的反射部分134沿着凹槽114的相对侧撞击衬底102的大致平坦的表面116。平坦表面116增加反射部分134的内部反射(例如，通过使反射部分以大于临界角的角度撞击表面)，以减少从衬底102射出的反向散射光136的量。通过增加反射部分134的内部反射，衬底102能够吸收更多的辐射，从而提高图像传感器集成芯片100的量子效率。
图2示出具有内部反射增强结构的图像传感器集成芯片200的额外实施例，其中，该内部反射增强结构包括反射元件。
在实施例中，图像传感器集成芯片200可包括沿衬底102的第二侧102b布置的多个凹槽214。可以以周期性图案布置多个凹槽214。在实施例中，多个凹槽214可选地在本文中称为扩散器。在实施例中，图像传感器集成芯片200还可以包括位于衬底102的第二侧102b内的多个突起216。
在实施例中，图像传感器集成芯片200可以包括内部反射增强结构215，其中，内部反射增强结构215包括沿着衬底102的第二侧102b布置的反射元件226。可以在第一电介质109和第二电介质118之间布置反射元件226。
在实施例中，反射元件226可以覆盖多个凹槽214和多个突起216的部分。在另一实施例中，反射元件226可包括一个或多个单独的反射区。一个或多个反射区可以包括为在不同波长的电磁辐射下提供良好的QE而选择的材料。在一些实施例中，一个或多个反射区可包括导电材料。例如，一个或多个反射区可以包括诸如铝(Al)、铑(Rh)、钌(Ru)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、钨(W)、钴(Co)、铁(Fe)、钼(Mo)、钛(Ti)、铬(Cr)的金属。在一些实施例中，一个或多个反射区包括不同的材料。例如，第一反射区可以包括铝，并且相邻的反射区可以包括钨。在其他实施例中，一个或多个反射区中的一个可以包括填充有气体(例如，氧气、氮气等)的气隙。气隙可以在电磁光谱(例如，在约600nm和约940nm之间的波长范围内)的近红外(NIR)区内向图像传感器集成芯片200提供具有良好QE。这是因为气隙反射NIR辐射，同时对NIR辐射具有相对低的吸收(即，对NIR辐射具有比金属更低的吸收)。
在一些实施例中，反射元件226可以从第一电介质109向外延伸，从而使得反射元件226的最上表面位于第一电介质109的最上表面上方。例如，反射元件226可以在第一电介质109的最上表面之上延伸非零距离。在一些实施例中，反射元件226可以不向外延伸超过第二电介质118的最上表面。例如，在各个实施例中，反射元件226可具有最上表面，其中，该最上表面与第二电介质118的最上表面大致共面或凹进到第二电介质118的最上表面下面。在另一实施例中，反射元件226可以具有在从约300埃至约5000埃的范围内的厚度。
反射元件226配置为增加反射部分134的内部反射，以减少从衬底102退出的反向散射光136的量。通过增加反射部分134的内部反射，衬底102能够吸收更多的辐射，从而提高图像传感器集成芯片200的量子效率。
图3示出具有内部反射增强结构的图像传感器集成芯片300的实施例的截面图，其中，该内部反射增强结构包括低指数材料反射元件。
在实施例中，图像传感器集成芯片300可以包括内部反射增强结构315，其中，内部反射增强结构315包括设置在第一电介质109上的低指数材料反射元件322。低指数材料反射元件322的折射率小于第一电介质109的折射率。例如，在一些实施例中，低指数材料反射元件可具有小于约1.5的折射率。在一些额外的实施例中，低指数材料反射元件可具有小于约1.4的折射率。因为低指数材料反射元件322的折射率小于第一电介质109的折射率，所以低指数材料反射元件322将从衬底102射出的辐射(例如，近红外辐射(NIR))反射回衬底102。
在实施例中，可以沿着滤色器122的相对侧壁布置低指数材料反射元件322。在实施例中，低指数材料反射元件322可包括诸如有机材料或介电材料的低指数材料。在一些实施例中，低指数材料反射元件322可具有与滤色器122相同的厚度。在另一实施例中，低指数材料反射元件322可具有在从约300埃至约50000埃的范围内的厚度。
在一些实施例中，低指数材料反射元件322可以具有倾斜侧壁，其中，该倾斜侧壁限定位于衬底102的第二侧102b内的多个凹槽214中的一个或多个上方的开口。随着与多个凹槽214中的一个或多个的距离减小，开口的宽度减小。通过使倾斜侧壁在低指数材料反射元件322中限定开口，低指数材料反射元件322可以增加进入衬底102中的辐射量。
图4示出具有内部反射增强结构的图像传感器集成芯片400的一些实施例的截面图，其中，该内部反射增强结构包括位于衬底的背侧上的多层反射结构。
在实施例中，图像传感器集成芯片400可以包括具有多层结构402的内部反射增强结构415，其中，多层结构402配置为减少从衬底102反向散射的辐射(例如，NIR辐射)。在实施例中，图像传感器集成芯片400可以包括多层结构402。在另一实施例中，多层结构402可具有相对于入射NIR的角度选择性。例如，多层结构402可以允许在第一角度范围内朝向衬底102传输的辐射穿过多层结构402，并且进一步允许在第二角度范围内远离衬底102传输的辐射穿过多层结构402，其中，第二角度范围不同于第一角度范围。
在实施例中，多层结构402可包括第一材料404。在另一实施例中，多层结构402可包括第二材料406。在一个实施例中，第一材料404可包括相对于第二材料406具有相对高的折射率的介电材料。在另一实施例中，第二材料406可包括相对于第一材料404具有较低折射率的介电材料。在实施例中，第一材料404可包括氧化钛材料。在另一实施例中，第二材料406可包括例如氧化硅材料的第二氧化物材料。在一个实施例中，多层结构402可具有在约1000埃至约10000埃之间的范围内的厚度。
在实施例中，图像传感器集成芯片400可以具有沿着衬底102的第一侧102f的多个浅沟槽隔离(STI)结构408。在实施例中，多个STI结构408可以包括沿着衬底102的第一侧102f的沟槽的周期性阵列。在实施例中，多个STI结构408可以用作衬底102的第一侧102f上的扩散器。在实施例中，多个STI结构408可以包括具有大致矩形形状的周期性结构。在另一实施例中，多个STI结构408可具有沿衬底102的第一侧102f以周期性方式布置的例如三角形形状的另一形状。
图5A-图8G示出根据本发明的示例实施例的形成图像传感器集成芯片的方法的一些实施例的截面图。尽管参考一种方法来描述图5A-图8G，但是应当理解，图5A-图8G所示的结构不限制于该方法，而是可以独立于该方法。
图5A-图5F示出形成具有减少的入射辐射(例如，近红外辐射(NIR))的反向散射的图像传感器集成芯片的方法的一些实施例的截面图。
图5A示出图像传感器集成芯片的部分的截面图502。如截面图502所示，图像传感器集成芯片的部分包括衬底102。衬底102可以是任何类型的半导体主体(例如，硅、SiGe、SOI等)以及与其相关的任何其他类型的半导体和/或外延层。例如，在一些实施例中，衬底102可以包括基底衬底和外延层。在一些实施例中，可以减薄衬底102以允许辐射更容易地传递到衬底102内的图像感测元件。在各个实施例中，可以通过蚀刻和/或机械研磨衬底102来减薄衬底102。在实施例中，衬底102可以具有约10微米的初始厚度，并且在减薄时可以减薄至约6至约8微米。
图5B示出图像传感器集成芯片的部分的另一截面图504。如截面图504所示，在衬底102的第二侧102b内形成凹槽114。在实施例中，凹槽114可以用作衬底102上的入射光的扩散器。在一些实施例中，也可以在衬底102的第二侧102b中形成沟槽106。通过衬底102的侧壁和/或下表面限定沟槽106。大致平坦的表面116在凹槽114和沟槽106之间延伸。在一些实施例中，凹槽114可包括布置在大致平坦的表面116之间的单个凹槽。
在一些实施例中，可以根据沿衬底102的第二侧102b形成的图案化的掩蔽层(未示出)通过选择性地蚀刻衬底102的第二侧102b来形成凹槽114和沟槽106。图案化的掩蔽层包括限定布置在衬底102上方的开口的侧壁。在一些实施例中，可以通过在衬底102上方沉积一层光敏材料(例如，正性或负性光刻胶)来形成图案化的掩蔽层。根据光掩模，将光敏材料层选择性地暴露于电磁辐射。电磁辐射改变了光敏材料中曝光区的溶解度以限定可溶区。后续显影光敏材料以通过去除可溶区在光敏材料内限定开口。
额外地，可以根据图案化的掩蔽层对衬底102的第二侧102b实施蚀刻工艺。通过利用位于合适的位置处的图案化的掩蔽层将衬底102暴露于一个或多个蚀刻剂来实施蚀刻工艺。一个或多个蚀刻剂可以去除衬底102的部分以限定凹槽，该凹槽限定衬底102中的凹槽114。在一些实施例中，蚀刻工艺可包括干蚀刻工艺。例如，蚀刻工艺可以包括诸如电感耦合等离子体(ICP)蚀刻工艺或电容耦合等离子体(CCP)蚀刻工艺的耦合等离子体蚀刻工艺。在其他实施例中，蚀刻工艺可以包括湿蚀刻工艺。
额外地，可以在衬底102的像素区内形成图像感测元件105。在一些实施例中，图像感测元件105可以包括通过将一种或多种掺杂剂物质注入到衬底102的第一侧102f中而形成的光电二极管。例如，可以通过选择性地实施第一注入工艺(例如，根据掩蔽层)以形成具有第一掺杂类型(例如，n型)的第一区，并且后续实施第二注入工艺以形成邻接第一区并且具有与第一掺杂类型不同的第二掺杂类型(例如，p型)的第二区来形成光电二极管。在一些实施例中，还可以使用第一注入工艺或第二注入工艺中的一种来形成悬置的扩散阱(未示出)。
图5C示出图像传感器集成芯片的部分的另一截面图506。如截面图506所示，在衬底102的第二侧102b上方且在沟槽106内形成第一电介质109。在一些实施例中，第一电介质109可包括氧化物(例如，氧化硅)、TEOS等。在一些实施例中，第一电介质109可以覆盖凹槽114并填充沟槽106。第一电介质109可经历后续的平坦化工艺(例如，化学机械平坦化工艺)以形成大致平坦的表面。
在实施例中，可以沿着衬底102的第二侧102b形成一个或多个吸收增强层107。在另一实施例中，一个或多个吸收增强层107可包括抗反射材料。抗反射材料可以内衬于包括凹槽114的衬底102的第二侧102b。在一些实施例中，抗反射材料可以进一步内衬于沟槽106的内表面。在一些实施例中，抗反射材料可包括高k介电材料，其中，高k介电材料包括氧化铪(HfO2)、氧化钛(TiO2)、氧化铪锆(HfZrO)、氧化钽(Ta2O3)、氧化铪硅(HfSiO4)、氧化锆(ZrO2)、氧化锆硅(ZrSiO2)等。在一些实施例中，可以通过物理汽相沉积技术(例如，PVD、CVD、PE-CVD、ALD等)来沉积抗反射材料。
图5D示出图像传感器集成芯片的部分的另一截面图508。如截面图508所示，在第一电介质109上方形成栅格元件126。栅格元件126可以包括金属(例如，铝、钴、铜、银、金、钨等)和/或介电材料(例如SiO2、SiN等)。在一些实施例中，可以通过物理汽相沉积技术(例如，PVD、CVD、PE-CVD、ALD等)沉积栅格元件126。
图5E示出图像传感器集成芯片的部分的另一截面图510。如截面图510所示，在第一电介质109和栅格元件126上方形成第二电介质118。在另一实施例中，第二电介质118可以包括氧化物(例如，氧化硅)、TEOS等。在一些实施例中，第二电介质118可以经历后续的平坦化工艺(例如，化学机械平坦化工艺)以形成大致平坦的表面。
图5F示出图像传感器集成芯片的部分的另一截面图512。如截面图512所示，在第二电介质118上方形成滤色器122。滤色器122由允许传递具有特定波长范围的辐射(例如，光)而阻挡特定范围外的波长的光的材料形成。
在另一实施例中，可以在滤色器122上方形成微透镜124。在一些实施例中，通过在滤色器122之上沉积微透镜材料(例如，通过旋涂法或沉积工艺)可以形成微透镜124。在微透镜材料之上图案化具有弯曲的上表面的微透镜模板(未示出)。在一些实施例中，微透镜模板可以包括使用分配曝光剂量(例如，对于负性光刻胶，在曲面的底部处暴露较多的光并在曲面的顶部处暴露较少的光)曝光、显影和烘焙的光刻胶材料，以形成圆形。然后，根据微透镜模板，通过选择性蚀刻微透镜材料来形成微透镜124。
图6A-图6G示出形成图像传感器集成芯片的方法的一些实施例的截面图，其中，图像传感器集成芯片具有减少的入射辐射(例如，近红外辐射(NIR))的反向散射。
图6A示出图像传感器集成芯片的部分的截面图602。如截面图602所示，图像传感器集成芯片的部分包括衬底102。衬底102可包括硅材料或另一种半导体材料。在一些实施例中，可以减薄衬底102以允许辐射更容易地传递到衬底102内的图像感测元件。在各个实施例中，可以通过蚀刻和/或机械研磨衬底102来减薄衬底102。
图6B示出图像传感器集成芯片的部分的另一截面图604。如截面图604所示，可以沿着衬底102的第二侧102b形成多个凹槽214。在另一实施例中，多个凹槽214可以用作衬底102上的入射辐射的扩散器。在实施例中，也可以在衬底102的第二侧102b内形成沟槽106。
在一些实施例中，可以根据图案化的掩蔽层通过对衬底102的第二侧102b实施蚀刻工艺来形成多个凹槽214。通过利用位于合适的位置的图案化的掩蔽层将衬底102暴露于一个或多个蚀刻剂来实施蚀刻工艺。一个或多个蚀刻剂去除衬底102的部分以限定多个凹槽214。一个或多个蚀刻剂可以进一步去除衬底102的部分以在衬底102内限定沟槽106。在一些实施例中，蚀刻工艺可包括干蚀刻工艺。例如，蚀刻工艺可以包括诸如电感耦合等离子体(ICP)蚀刻工艺或电容耦合等离子体(CCP)蚀刻工艺的耦合等离子体蚀刻工艺。在其他实施例中，蚀刻工艺可以包括湿蚀刻工艺。
额外地，可以在衬底102的像素区内形成图像感测元件105。在一些实施例中，图像感测元件105可以包括通过将一种或多种掺杂剂物质注入到衬底102的第一侧102f中而形成的光电二极管。
图6C示出图像传感器集成芯片的部分的另一截面图606。如截面图606所示，在衬底102的第二侧102b上方并且在沟槽106内形成第一电介质109。在另一实施例中，第一电介质109可包括氧化物(例如，氧化硅)、TEOS等。在一些实施例中，第一电介质109可以在多个凹槽214中的相邻凹槽内延伸并填充沟槽106。第一电介质109可经历后续的平坦化工艺(例如，化学机械平坦化工艺)以形成大致平坦的表面。
在另一实施例中，可以沿着衬底102的第二侧102b形成一个或多个吸收增强层107。在另一实施例中，一个或多个吸收增强层107可包括抗反射材料。抗反射材料内衬于包括多个凹槽214的衬底102的第二侧102b。在一些实施例中，抗反射材料可以进一步内衬于沟槽106的内表面。在一些实施例中，抗反射材料可包括通过物理汽相沉积技术(例如，PVD、CVD、PE-CVD、ALD等)沉积的高k介电材料。
图6D示出图像传感器集成芯片的部分的另一截面图608。如截面图608所示，在第一电介质109上方形成栅格元件126。在另一实施例中，栅格元件126可以包括金属(例如，铝、钴、铜、银、金、钨等)和/或介电材料(例如SiO2、SiN等)。在一些实施例中，可以通过物理汽相沉积技术(例如，PVD、CVD、PE-CVD、ALD等)沉积栅格元件126。
图6E示出图像传感器集成芯片的部分的另一截面图610。如截面图610所示，在第一电介质109和栅格元件126上方形成第二电介质118。在另一实施例中，第二电介质118可以包括氧化物(例如，氧化硅)、TEOS等。在一些实施例中，第二电介质118可以经历后续的平坦化工艺(例如，化学机械平坦化工艺)以形成大致平坦的表面。
图6F示出图像传感器集成芯片的部分的另一截面图612。如截面图612所示，在第二电介质118上方形成低指数材料反射元件322。在实施例中，低指数材料反射元件322可包括诸如有机材料或介电材料的低指数材料。在一些实施例中，可以通过物理汽相沉积技术(例如，PVD、CVD、PE-CVD、ALD等)沉积低指数材料反射元件322。
图6G示出图像传感器集成芯片的部分的另一截面图614。如截面图614所示，在第二电介质118上方和低指数材料反射元件322的侧壁之间形成滤色器122。滤色器122由允许传递具有特定波长范围的辐射(例如，光)而阻挡特定范围外的波长的光的材料形成。在一些实施例中，低指数材料反射元件322可具有与滤色器122相同的厚度。可以在滤色器122和低指数材料反射元件322上形成微透镜124。
图7A-图7E示出形成图像传感器集成芯片的方法的一些实施例的截面图，其中，图像传感器集成芯片具有减少的入射辐射(例如，近红外辐射(NIR))的反向散射。
图7A示出图像传感器集成芯片的部分的截面图702。如截面图702所示，图像传感器集成芯片的部分包括衬底102。衬底102可包括硅材料或另一种半导体材料。在一些实施例中，可以减薄衬底102以允许辐射更容易地传递到衬底102内的图像感测元件。在各个实施例中，可以通过蚀刻和/或机械研磨衬底102来减薄衬底102。
图7B示出图像传感器集成芯片的部分的另一截面图704。如截面图704所示，可以沿着衬底102的第二侧102b形成多个凹槽214。在另一实施例中，多个凹槽214可以用作衬底102上的入射辐射(例如，衬底102上的近红外辐射(NIR))的扩散器。在实施例中，图像传感器集成芯片的部分可包括沟槽106。
在一些实施例中，可以根据图案化的掩蔽层通过对衬底102的第二侧102b实施蚀刻工艺来形成多个凹槽214。通过利用位于合适的位置的图案化的掩蔽层将衬底102暴露于一个或多个蚀刻剂来实施蚀刻工艺。一个或多个蚀刻剂去除衬底102的部分以限定多个凹槽214。一个或多个蚀刻剂可以进一步去除衬底102的部分以在衬底102内限定沟槽106。在一些实施例中，蚀刻工艺可包括干蚀刻工艺。例如，蚀刻工艺可以包括诸如电感耦合等离子体(ICP)蚀刻工艺或电容耦合等离子体(CCP)蚀刻工艺的耦合等离子体蚀刻工艺。其他实施例中，蚀刻工艺可以包括湿蚀刻工艺。
额外地，可以在衬底102的像素区内形成图像感测元件105。在一些实施例中，图像感测元件可以包括通过将一种或多种掺杂剂物质注入到衬底102的第一侧102f中而形成的光电二极管。
图7C示出图像传感器集成芯片的部分的另一截面图706。如截面图706所示，在衬底102的第二侧102b上方并且在沟槽106内形成第一电介质109。在另一实施例中，第一电介质109可包括氧化物(例如，氧化硅)、TEOS等。在一些实施例中，第一电介质109可以在多个凹槽214中的相邻凹槽内延伸并填充沟槽106。第一电介质109可经历后续的平坦化工艺(例如，化学机械平坦化工艺)以形成大致平坦的表面。
在另一实施例中，可以沿着衬底102的第二侧102b形成一个或多个吸收增强层107。在另一实施例中，一个或多个吸收增强层107可包括抗反射材料。抗反射材料内衬于包括多个凹槽214的衬底102的第二侧102b。在一些实施例中，抗反射材料可以进一步内衬于沟槽106的内表面。在一些实施例中，抗反射材料可包括通过物理汽相沉积技术(例如，PVD、CVD、PE-CVD、ALD等)沉积的高k介电材料。
图7D示出图像传感器集成芯片的部分的另一截面图708。如截面图708所示，在第一电介质109上方形成反射元件226。在一些实施例中，可以通过物理汽相沉积技术(例如，PVD、CVD、PE-CVD、ALD等)沉积反射元件226。在另一实施例中，反射元件226可以具有在从约300埃至约5000埃的范围内的厚度。
在实施例中，反射元件226可以覆盖多个凹槽214的部分。在另一实施例中，反射元件226可包括一个或多个反射区。一个或多个反射区可以包括为在不同波长的电磁辐射下提供良好的QE而选择的材料。在一些实施例中，一个或多个反射区可包括一种或多种反射填充材料。一种或多种反射填充材料可以包括诸如铝(Al)、铑(Rh)、钌(Ru)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、钨(W)、钴(Co)、铁(Fe)、钼(Mo)、钛(Ti)、铬(Cr)的金属。
图7E示出图像传感器集成芯片的部分的另一截面图710。如截面图710所示，在第一电介质109和反射元件226上方形成第二电介质118。在另一实施例中，第二电介质118可以包括氧化物(例如，氧化硅)、TEOS等。在一些实施例中，第二电介质118可以经历后续的平坦化工艺(例如，化学机械平坦化工艺)以形成大致平坦的表面。
图7F示出图像传感器集成芯片的部分的另一截面图712。如截面图712所示，在第二电介质118上方形成滤色器122。滤色器122由允许传递具有特定波长范围的辐射(例如，光)而阻挡特定范围外的波长的光的材料形成。可以在滤色器122上方形成微透镜124。
图8A-图8G示出形成图像传感器集成芯片的方法的一些实施例的截面图，其中，该图像传感器集成芯片具有减少的入射辐射的反向散射。
图8A示出图像传感器集成芯片的部分的另一截面图802。如截面图802所示，图像传感器集成芯片的部分包括衬底102。衬底102可包括硅材料或另一种半导体材料。在一些实施例中，可以减薄衬底102以允许辐射更容易地传递到衬底102内的图像感测元件。在各个实施例中，可以通过蚀刻和/或机械研磨衬底102来减薄衬底102。
在实施例中，可以沿着衬底102的第一侧102f形成多个STI结构408。在实施例中，多个STI结构408可以用作衬底102的第一侧102f上的扩散器。在一些实施例中，可以通过选择性地蚀刻衬底102的第一侧102f以形成浅沟槽并且后续在浅沟槽内形成一种或多种介电材料来形成多个STI结构408。在一些实施例中，蚀刻工艺可包括干蚀刻工艺。例如，蚀刻工艺可以包括诸如电感耦合等离子体(ICP)蚀刻工艺或电容耦合等离子体(CCP)蚀刻工艺的耦合等离子体蚀刻工艺。在其他实施例中，蚀刻工艺可以包括湿蚀刻工艺。
额外地，可以在衬底102的像素区内形成图像感测元件105。在一些实施例中，图像感测元件105可以包括通过将一种或多种掺杂剂物质注入到衬底102的第一侧102f中而形成的光电二极管。在一些实施例中，可以在形成一个或多个晶体管栅极结构和/或图像感测元件105之前形成多个STI结构408。
图8B示出图像传感器集成芯片的部分的另一截面图804。如截面图804所示，可以在衬底102的第二侧102b内形成沟槽106。可以使用一种或多种蚀刻剂来去除衬底102的部分以限定沟槽106。在一些实施例中，蚀刻工艺可包括干蚀刻工艺。例如，蚀刻工艺可以包括诸如电感耦合等离子体(ICP)蚀刻工艺或电容耦合等离子体(CCP)蚀刻工艺的耦合等离子体蚀刻工艺。其他实施例中，蚀刻工艺可以包括湿蚀刻工艺。在一个实施例中，可以在像素区的相应侧上形成沟槽106。
图8C示出图像传感器集成芯片的部分的另一截面图806。如截面图806所示，可以在沟槽106内形成第一电介质109。在另一实施例中，第一电介质109可包括氧化物(例如，氧化硅)、TEOS等。在一些实施例中，第一电介质109可以填充沟槽106。第一电介质109可经历后续的平坦化工艺(例如，化学机械平坦化工艺)以形成大致平坦的表面。
在另一实施例中，可以沿着衬底102的第二侧102b形成一个或多个吸收增强层107。一个或多个吸收增强层107内衬于衬底102的第二侧102b。在一些实施例中，抗反射材料可以进一步内衬于沟槽106的内表面。在另一实施例中，一个或多个吸收增强层107可包括抗反射涂覆材料。在一些实施例中，抗反射材料可包括通过物理汽相沉积技术(例如，PVD、CVD、PE-CVD、ALD等)沉积的高k介电材料。
图8D示出图像传感器集成芯片的部分的另一截面图808。如截面图808所示，在第一电介质109上方形成多层结构402。多层结构402可包括多个堆叠的介电层。在各个实施例中，多个堆叠的介电层可以包括氧化物(例如，SiO2、SiCO等)、氟硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃(例如，硼磷硅酸盐玻璃)等中一种或多种。
在另一实施例中，多层结构402可以相对于入射辐射(例如，近红外辐射(NIR))具有角度选择性。例如，多层结构402可以允许在第一角度范围内朝向衬底102传输的辐射穿过多层结构402，并且进一步允许在第二角度范围内远离衬底102传输的辐射穿过多层结构402，其中，第二角度范围不同于第一角度范围。
在实施例中，多层结构402可包括第一材料404和第二材料406。在一个实施例中，第一材料404可包括相对于第二材料406具有相对高的折射率的介电材料。在另一实施例中，第二材料406可包括相对于第一材料404具有较低折射率的介电材料。在实施例中，第一材料404可包括氧化钛材料。在另一实施例中，第二材料406可包括例如氧化硅材料的第二氧化物材料。在一个实施例中，多层结构402可具有在约1000埃至约10000埃之间的范围内的厚度。在一些实施例中，可以通过物理汽相沉积技术(例如，PVD、CVD、PE-CVD、ALD等)沉积多层结构402。
图8E示出图像传感器集成芯片的部分的另一截面图810。如截面图810所示，在多层结构402上方形成栅格元件126。在另一实施例中，栅格元件126可以包括金属(例如，铝、钴、铜、银、金、钨等)和/或介电材料(例如SiO2、SiN等)。在一些实施例中，可以通过物理汽相沉积技术(例如，PVD、CVD、PE-CVD、ALD等)沉积栅格元件126。
图8F示出图像传感器集成芯片的部分的另一截面图812。如截面图812所示，在多层结构402和栅格元件126上方形成第二电介质118。在另一实施例中，第二电介质118可以包括氧化物(例如，氧化硅)、TEOS等。在一些实施例中，第二电介质118可以经历后续的平坦化工艺(例如，化学机械平坦化工艺)以形成大致平坦的表面。
图8G示出图像传感器集成芯片的部分的另一截面图814。如截面图814所示，在第二电介质118上方形成滤色器122。也可以在第二电介质118上方形成滤色器122。滤色器122由允许传递具有特定波长范围的辐射(例如，光)而阻挡特定范围外的波长的光的材料形成。可以在滤色器122上方形成微透镜124。
图9示出形成如本文所公开的图像传感器集成芯片的方法900的一些实施例的流程图。
虽然方法900在本文中示出和描述为一系列的步骤或事件，但是将理解，这些步骤或事件的示出的顺序不应解释为限制意义。例如，一些步骤可以以不同的顺序发生和/或与除了本文描述和示出之外的其他步骤或事件同时发生。另外，并不要求所有示出的步骤都用来实施本文所描述的一个或多个方面或实施例。此外，可在一个或多个单独的步骤和/或阶段中执行本文所述步骤的一个或多个。
在902处，减薄衬底以减小衬底的厚度。图5A、图6A、图7A和图8A示出对应于操作902的一些实施例的截面图。
在904处，在衬底的像素区内形成图像感测元件。图5B、图6B、图7B和图8A示出对应于操作904的一些实施例的截面图。
在906a处，在衬底的第二侧内形成一个或多个凹槽。在一些实施例中，可以根据图案化的掩蔽层通过选择性地蚀刻衬底的第二侧来形成多个凹槽。图5B、图6B和图7B示出对应于操作906a的一些实施例的截面图。
可选地，在906b处，可以在衬底的第一侧内形成多个STI结构。在一些实施例中，可以根据图案化的掩蔽层通过选择性地蚀刻衬底的第一侧来形成多个STI结构。图8A示出对应于操作906b的一些实施例的截面图。
在908处，在衬底的第二侧内形成多个沟槽。在一些实施例中，例如根据第二掩蔽层通过选择性地蚀刻衬底的第二侧来形成沟槽。图5B、图6B、图7B和图8B示出对应于操作908的一些实施例的截面图。
在910处，在衬底的第二侧上方形成抗反射层。在一些实施例中，也可以在多个沟槽内形成抗反射层。图5C、图6C、图7C和图8C示出对应于操作910的一些实施例的截面图。
在912处，在抗反射层上形成第一电介质。图5C、图6C、图7C和图8C示出对应于操作912的一些实施例的截面图。
可选地，在914a处，可以在衬底的背侧上在介电材料上形成多层结构。在一些实施例中，可以在介电材料上顺序地沉积额外的介电层来形成多层结构。图8D示出对应于操作914a的一些实施例的截面图。
可选地，在914b处，在第一电介质上形成反射元件。在一些实施例中，反射元件可以覆盖衬底的凹槽和/或突起的部分。图6F和图7E示出对应于操作914b的一些实施例的截面图。
在916处，在像素区上方沿衬底的第二侧形成一个或多个晶体管栅极结构。
在918处，沿衬底的第二侧在介电结构内形成多个导电互连层。
在920处，在介电材料层上方形成滤色器和微透镜。图5F、图6G、图7F、图8G示出对应于操作920的一些实施例的截面图。
因此，本发明涉及一种包括内部反射增强结构的图像传感器集成芯片，其中，该内部反射增强结构配置为减少来自像素的反向散射光。
在一些实施例中，本发明涉及图像传感器集成芯片。图像传感器集成芯片包括布置在衬底的像素区内的图像感测元件。在位于衬底的第一侧内的沟槽中设置第一电介质。通过设置在像素区的相对侧上的第一侧壁限定沟槽。内部反射结构布置为沿衬底的第一侧并且配置为将从衬底射出的辐射反射回到衬底中。
在其他实施例中，本发明涉及图像传感器集成芯片。图像传感器集成芯片包括具有前侧和背侧的衬底。衬底的背侧配置为在入射辐射到达衬底的前侧之前接收在第一方向上传播的入射辐射。在衬底的像素区内布置图像感测元件，并且在沿衬底的前侧设置的介电结构内布置多个导电互连层。内部反射结构布置为沿衬底的背侧，并且配置为反射在与第一方向相对的第二方向上传播的辐射。
在一些实施例中，本发明涉及一种形成图像传感器集成芯片的方法。该方法包括在衬底内形成图像感测元件。该方法还包括沿衬底的背侧形成内部反射结构。内部反射结构配置为将从衬底射出的辐射反射回衬底中。
根据本发明的一些实施例，提供了一种图像传感器集成芯片，包括：图像感测元件，布置在衬底的像素区内；第一电介质，设置在位于所述衬底的第一侧中的沟槽内，其中，通过设置在所述像素区的相对侧上的第一侧壁限定所述沟槽；以及内部反射结构，布置为沿所述衬底的第一侧并且配置为将从所述衬底射出的辐射反射回所述衬底中。
在上述图像传感器集成芯片中，还包括：凹槽，布置为沿所述衬底的第一侧位于所述图像感测元件上方并且通过所述衬底的第二侧壁进行限定，其中，所述内部反射结构包括在限定所述沟槽的所述第一侧壁和限定所述凹槽的所述第二侧壁之间延伸的所述衬底的平坦表面。
在上述图像传感器集成芯片中，所述第二侧壁相对于所述衬底的第一侧形成45度至55度的角度。
在上述图像传感器集成芯片中，所述内部反射结构包括布置在所述衬底的第一侧上方并且在相对方向上横向延伸经过所述第一侧壁的导电材料。
在上述图像传感器集成芯片中，所述内部反射结构包括折射率小于所述第一电介质的折射率的低指数材料反射元件。
在上述图像传感器集成芯片中，所述低指数材料反射元件具有倾斜侧壁，其中，所述倾斜侧壁在所述像素区上方限定开口，所述开口的宽度随着距所述衬底的距离减小而减小。
在上述图像传感器集成芯片中，还包括：滤色器，直接布置在所述倾斜侧壁之间。
在上述图像传感器集成芯片中，还包括：吸收增强层，布置为沿所述衬底的第一侧，其中，所述吸收增强层包括高k介电材料。
在上述图像传感器集成芯片中，所述内部反射结构包括多层结构，其中，所述多层结构配置为允许在第一角度范围内朝向所述衬底传输的辐射穿过所述多层结构，并且进一步允许在第二角度范围内远离所述衬底传输的辐射穿过所述多层结构，其中，所述第二角度范围不同于所述第一角度范围。
根据本发明的另一些实施例，还提供了一种图像传感器集成芯片，包括：衬底，具有前侧和背侧，其中，所述衬底的背侧配置为在入射辐射到达衬底的前侧之前接收在第一方向上传播的所述入射辐射；图像感测元件，布置在所述衬底的像素区内；多个导电互连层，布置在沿所述衬底的前侧设置的介电结构内；以及内部反射结构，沿所述衬底的背侧布置，并且配置为反射在与所述第一方向相对的第二方向上传播的辐射。
在上述图像传感器集成芯片中，所述内部反射结构包括一个或多个反射元件，其中，所述一个或多个反射元件包括通过第一电介质与所述衬底分离的金属。
在上述图像传感器集成芯片中，所述一个或多个反射元件包括钨、铝或铜。
在上述图像传感器集成芯片中，所述一个或多个反射元件具有300埃至5000埃的厚度。
在上述图像传感器集成芯片中，所述内部反射结构包括低指数材料反射元件，其中，所述低指数材料反射元件通过第一电介质与所述衬底分离并且具有小于所述第一电介质的折射率的折射率。
在上述图像传感器集成芯片中，所述低指数材料反射元件包括有机材料。
在上述图像传感器集成芯片中，所述内部反射结构包括多层结构，其中，所述多层结构包括具有第一折射率的第一材料和具有与所述第一折射率不同的第二折射率的第二材料。
在上述图像传感器集成芯片中，还包括：吸收增强层，布置在所述衬底的背侧上方，其中，所述吸收增强层包括高k介电材料。
根据本发明的又一些实施例，还提供了一种形成图像传感器集成芯片的方法，包括：在衬底内形成图像感测元件；以及沿着所述衬底的背侧形成内部反射结构，其中，所述内部反射结构配置为将从所述衬底射出的辐射反射回所述衬底中。
在上述方法中，还包括：在所述衬底的背侧内形成沟槽，其中，通过所述衬底的第一侧壁限定所述沟槽；在位于所述图像感测元件上方的所述衬底的背侧内形成凹槽，其中，通过所述衬底的第二侧壁限定所述凹槽；以及其中，所述内部反射结构包括在限定所述沟槽的第一侧壁和限定所述凹槽的第二侧壁之间延伸的所述衬底的平坦表面。
在上述方法中，还包括：在所述沟槽内形成第一电介质，其中，所述内部反射结构包括折射率小于所述第一电介质的折射率的低指数材料反射元件。
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 (10)

1.一种图像传感器集成芯片，包括：
图像感测元件，布置在衬底的像素区内；
第一电介质，设置在位于所述衬底的第一侧中的沟槽内，其中，通过设置在所述像素区的相对侧上的第一侧壁限定所述沟槽；以及
内部反射结构，布置为沿所述衬底的第一侧并且配置为将从所述衬底射出的辐射反射回所述衬底中。
2.根据权利要求1所述的图像传感器集成芯片，还包括：
凹槽，布置为沿所述衬底的第一侧位于所述图像感测元件上方并且通过所述衬底的第二侧壁进行限定，其中，所述内部反射结构包括在限定所述沟槽的所述第一侧壁和限定所述凹槽的所述第二侧壁之间延伸的所述衬底的平坦表面。
3.根据权利要求2所述的图像传感器集成芯片，其中，所述第二侧壁相对于所述衬底的第一侧形成45度至55度的角度。
4.根据权利要求1所述的图像传感器集成芯片，其中，所述内部反射结构包括布置在所述衬底的第一侧上方并且在相对方向上横向延伸经过所述第一侧壁的导电材料。
5.根据权利要求1所述的图像传感器集成芯片，其中，所述内部反射结构包括折射率小于所述第一电介质的折射率的低指数材料反射元件。
6.根据权利要求5所述的图像传感器集成芯片，其中，所述低指数材料反射元件具有倾斜侧壁，其中，所述倾斜侧壁在所述像素区上方限定开口，所述开口的宽度随着距所述衬底的距离减小而减小。
7.根据权利要求6所述的图像传感器集成芯片，还包括：
滤色器，直接布置在所述倾斜侧壁之间。
8.根据权利要求1所述的图像传感器集成芯片，还包括：
吸收增强层，布置为沿所述衬底的第一侧，其中，所述吸收增强层包括高k介电材料。
9.一种图像传感器集成芯片，包括：
衬底，具有前侧和背侧，其中，所述衬底的背侧配置为在入射辐射到达衬底的前侧之前接收在第一方向上传播的所述入射辐射；
图像感测元件，布置在所述衬底的像素区内；
多个导电互连层，布置在沿所述衬底的前侧设置的介电结构内；以及
内部反射结构，沿所述衬底的背侧布置，并且配置为反射在与所述第一方向相对的第二方向上传播的辐射。
10.一种形成图像传感器集成芯片的方法，包括：
在衬底内形成图像感测元件；以及
沿着所述衬底的背侧形成内部反射结构，其中，所述内部反射结构配置为将从所述衬底射出的辐射反射回所述衬底中。
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