CN110770908A - 图像传感器及其制作方法、电子设备 - Google Patents

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CN110770908A CN201980001910.2A CN201980001910A CN110770908A CN 110770908 A CN110770908 A CN 110770908A CN 201980001910 A CN201980001910 A CN 201980001910A CN 110770908 A CN110770908 A CN 110770908A
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沈健
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Abstract

本申请实施例提供一种图像传感器及其制作方法、电子设备，涉及半导体技术领域，可以提高对长波段光进行光电转换的量子效率，从而改善图像传感器的成像效果。该图像传感器包括：半导体晶片；设置于半导体晶片中的光敏器件，光敏器件用于光电转换；在垂直于半导体晶片所在平面的方向上，光敏器件具有相对的光入射表面和底面；位于光敏器件的底面一侧且与光敏器件相邻的光疏介质层，光疏介质层和光敏器件的底面相互接触且形成交界面，交界面包括至少一个倾斜平面，倾斜平面与半导体晶片所在平面之间形成锐角，光疏介质层的折射率小于光敏器件的折射率。本方案主要用于成像。

Description

图像传感器及其制作方法、电子设备
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种图像传感器及其制作方法、电子设备。
背景技术
图像传感器是指可将光学图像转化成数字信号的传感器，广泛应用在数码产品、移动终端、安防监控以及科研工业各个领域。图像传感器会吸收光并产生对应的载流子，传统的图像传感器对于可见光的光电转换效果较好，对于更长波段的光的光电转换效果较差，例如近红外(Near Infrared，NIR)光。然而，随着AR/VR眼动追踪、3D面部识别等新技术不断涌现，这些技术中多采用了人眼不可见的近红外光作为光源，因此，传统的图像传感器在相应场景下的成像效果较差。
发明内容
本申请实施例提供一种图像传感器及其制作方法、电子设备，可以提高对长波段光光电转换的量子效率，从而改善图像传感器的成像效果。
一方面，本申请实施例提供一种图像传感器，包括：
半导体晶片；
设置于半导体晶片中的光敏器件，所述光敏器件用于光电转换；
在垂直于所述半导体晶片所在平面的方向上，所述光敏器件具有相对的光入射表面和底面；
位于所述光敏器件的底面一侧且与所述光敏器件相邻的光疏介质层，所述光疏介质层和所述光敏器件的底面相互接触且形成交界面，所述交界面包括至少一个倾斜平面，所述倾斜平面与所述半导体晶片所在平面之间形成锐角，所述光疏介质层的折射率小于所述光敏器件的折射率。
另一方面，本申请实施例还提供一种图像传感器的制作方法，用于制作上述的图像传感器，所述方法包括：
提供半导体晶片，所述半导体晶片具有第一表面；
使用灰度光刻工艺或者纳米压印工艺形成刻蚀掩膜层，通过刻蚀工艺将所述刻蚀掩膜层的形状转移至半导体晶片的第一表面，使所述半导体晶片的第一表面在光敏器件区域形成至少一个倾斜平面，所述倾斜平面与所述半导体晶片所在平面之间形成锐角；
在所述半导体晶片上的光敏器件区域进行元素掺杂，使所述光敏器件区域形成光敏器件；
在所述光敏器件表面形成光疏介质层，使所述至少一个倾斜平面作为所述光敏器件和所述光疏介质层的交界面，所述光疏介质层的折射率小于所述光敏器件的折射率。
再一方面，本申请实施例还提供一种电子设备，包括上述的图像传感器。
本申请实施例中的图像传感器及其制作方法、电子设备，在图像传感器中通过设置光敏器件与光疏介质层之间的交界面包括倾斜平面，且光疏介质层的折射率小于光敏器件的折射率，使得入射光线在倾斜平面处更容易反射回光敏器件内部，即增加了光线在光敏器件内部传输的光程，增强了光在光敏器件内的吸收，从而提高了量子效率，特别是提高了原本吸收效果较差的长波段光光电转换的量子效率，从而改善了图像传感器的成像效果。另外，如果不利用反射，则必须要增加光敏器件本身的厚度，以此来增加光在光敏器件中的光程，对于图像传感器整体的厚度要求较高，而在本申请实施例，由于是通过反射的方式来增加光在光敏器件中的光程，可以在光敏器件厚度不变的基础上，利用本身图像传感器中位于光敏器件出光侧的膜层实现光疏介质层，或者额外增加厚度较小的光疏介质层，同时设置倾斜平面来配合光疏介质层的折射率形成反射界面，通过反射的方式来增加光在光敏器件中的光程，本申请实施例通过反射的方式来增加光程和直接增加光敏器件本身的厚度的方式来增加光程的方式相比，在相同的光程下，对于图像传感器整体的厚度要求较低。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例中一种图像传感器中包括光敏器件的部分区域的一种剖面结构示意图；
图2为图1中结构在另一方向入射光下的传输示意图；
图3为图1中结构在又一方向入射光下的传输示意图；
图4为本申请实施例中另一种图像传感器部分区域的一种剖面结构示意图；
图5为本申请实施例中又一种图像传感器部分区域的一种剖面结构示意图；
图6为本申请实施例中再一种图像传感器部分区域的一种剖面结构示意图；
图7为本申请实施例中一种图像传感器的整体结构框图；
图8为图7的图像传感器中一个像素的等效电路示意图；
图9为图7的图像传感器中一个像素的俯视图；
图10为本申请实施例中一种图像传感器的制作方法流程图；
图11为图10中部分步骤结束时所形成的一种结构示意图；
图12为图10中部分步骤结束时所形成的另一种结构示意图；
图13为图10中部分步骤结束时所形成的又一种结构示意图；
图14为图10中部分步骤结束时所形成的再一种结构示意图；
图15为图4中所示结构的一种变形实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本申请实施例提供一种图像传感器，如图1所示，图1为本申请实施例中一种图像传感器部分区域的一种剖面结构示意图，该图像传感器包括：半导体晶片1，半导体晶片1也可以称为半导体衬底，例如使用单晶硅材料制作的晶片；设置于半导体晶片1中的光敏器件3，光敏器件3用于光电转换，即通过吸收光线来产生载流子，以便于根据对应位置的载流子得到相应的数字信号，例如，图1中半导体晶片1的部分区域为第一元素掺杂区域301，部分区域为第二元素掺杂区域302，两者相邻，共同构成光敏器件3，第一元素掺杂区域301可以为轻掺杂的P型单晶硅衬底部分，第二元素掺杂区域302可以为N型元素掺杂区域，P型元素掺杂区域和N型元素掺杂区域形成PN结，即光电二极管，作为光敏器件3；在垂直于半导体晶片1所在平面的方向上，光敏器件3具有相对的光入射表面31和底面32，半导体晶片1整体呈片状，图1中的x方向即为半导体晶片1所在平面的延伸方向，y方向即为垂直于半导体晶片1所在平面的方向，在图1中，光敏器件3的上表面为光入射表面31，光敏器件3的下表面为底面32，当图像传感器使用时，光线从光入射表面31射入光敏器件3，即在图1中，光线的初始传输方向为从上向下，其中箭头指向为光线的传输方向示意；位于光敏器件3的底面32一侧且与光敏器件3相邻的光疏介质层4，光疏介质层4和光敏器件3的底面32相互接触且形成交界面，交界面包括至少一个倾斜平面51，倾斜平面51与半导体晶片1所在平面之间形成锐角θ，即倾斜平面51与x方向的夹角为锐角θ，光疏介质层4的折射率小于光敏器件3的折射率。需要说明的是，例如，光敏器件3由第一元素掺杂区域301和第二元素掺杂区域302构成时，两者均为单晶硅衬底材料中的不同元素掺杂区域，即便具有折射率差异，也可以忽略不计，光敏器件3的折射率即为半导体晶片1的折射率。另外，由于倾斜平面51的倾斜设置，倾斜平面51与半导体晶片1所在平面(x方向)之间会形成互补的两个角，在本申请实施例中，仅描述其中的锐角θ，以下出现的角度θ均为倾斜平面51与半导体晶片1所在平面之间形成的锐角。
具体地，在图像传感器的使用过程中，沿垂直于半导体晶片1所在平面方向的光最多，图1中示意了沿垂直于半导体晶片1所在平面方向的光线传输方向，这些光线在经过光敏器件3内部并传输至光敏器件3的底面32处，由于光疏介质层4的折射率小于光敏器件3的折射率，即初始光线从光密介质传输至光疏介质的界面，在倾斜平面51处，光线更容易发生反射，从而在倾斜平面51处反射回光敏器件3内部，在图1中，F为初始入射光在倾斜平面51处的法线，根据几何原理分析可知，入射光与法线F之间的夹角同样为θ，根据光学原理可知，入射光与法线F之间的夹角越大，则反射至光敏器件3内部的光线强度越大，即倾斜平面51与半导体晶片1所在平面之间的夹角θ越大，则反射至光敏器件3内部的光线强度越大。光线在光敏器件3中的吸收量满足以下函数公式，
Figure GDA0002332885300000052
其中，
Figure GDA0002332885300000053
为初始入射光强度，R为入射光进入光敏器件3之前被反射掉的强度，α为吸收系数，W为光线在光敏器件3内部的光程，光线在光敏器件3内部的光程和光线在光敏器件3中的吸收量正相关，光线在光敏器件内部的光程越大，则光线在光敏器件中的吸收量越大，即量子效率(Quantum Efficiency,QE)越高，量子效率是描述光敏器件光电转换能力的一个重要参数，它是指在某一特定波长下单位时间内产生的电子数与入射光子数之比。
本申请实施例中的图像传感器，通过设置光敏器件与光疏介质层之间的交界面包括倾斜平面，且光疏介质层的折射率小于光敏器件的折射率，使得入射光线在倾斜平面处更容易反射回光敏器件内部，即增加了光线在光敏器件内部传输的光程，从而提高了量子效率，特别是提高了原本吸收效果较差的长波段光光电转换的量子效率，从而改善了图像传感器的成像效果。另外，如果不利用反射，则必须要增加光敏器件本身的厚度，以此来增加光在光敏器件中的光程，对于图像传感器整体的厚度要求较高，而在本申请实施例，由于是通过反射的方式来增加光在光敏器件中的光程，可以在光敏器件厚度不变的基础上，利用本身图像传感器中位于光敏器件出光侧的膜层实现光疏介质层，或者额外增加厚度较小的光疏介质层，同时设置倾斜平面来配合光疏介质层的折射率形成反射界面，通过反射的方式来增加光在光敏器件中的光程，本申请实施例通过反射的方式来增加光程和直接增加光敏器件本身的厚度的方式来增加光程的方式相比，在相同的光程下，对于图像传感器整体的厚度要求较低。
可选地，倾斜平面51与半导体晶片1所在平面之间形成的锐角为θ，θ≥θC，n1为近红外光在光敏器件3的折射率，n2为近红外光在光疏介质层4的折射率。
具体地，如图1所示，当光线从光密介质射向光疏介质时，存在一个临界角θC，当入射角大于等于该临界角θC时，此时不存在折射光，而只存在反射光，即发生了所谓的全反射。当沿垂直于半导体晶片1所在平面方向传输的近红外光在倾斜平面51处发生全反射时，可以防止由于发生折射而损失的光，以进一步提高近红外光光电转换的量子效率。以850纳米波长的近红外光为例，此波长下单晶硅的折射率为3.64，例如光敏器件3由单晶硅材料制成，光疏介质层4的折射率为1.45，计算出θC为23.5°。倾斜平面51与半导体晶片1所在平面之间形成的夹角θ大于等于临界角23.5°时，便可以让大部分入射光实现全反射。需要说明的是，近红外光通常指波长为780～1100nm的电磁波，在具体的应用场景下，通常会选择特定波长的近红外光作为光源来使用，因此，可以根据所使用的光源的波长以及光疏介质层4和光敏器件3的折射率来计算临界角，以此为依据对倾斜平面51与半导体晶片1所在平面之间形成的夹角角度进行设计。如图2所示，图2为图1中结构在另一方向入射光下的传输示意图，图2中示意的初始入射光从左上方射入光敏器件3，其中，入射光与y方向的夹角为θ1，入射光与倾斜平面51的法线F的夹角为θ1+θ，显然满足全反射条件，因此，图2中从图的左上方射入的光均可以实现全反射。如图3所示，图3为图1中结构在又一方向入射光下的传输示意图，图3中示意的初始入射光从右上方射入光敏器件3，其中，入射光与y方向的夹角为θ2，入射光与倾斜平面51的法线F的夹角为θ2-θ，当θ2-θ≥θC时满足全反射条件，否则会有部分光由于发生折射而无法进入光敏器件3。图1、图2和图3示意了各种角度下入射光的传输路径，根据上述分析可知，本申请实施例中的结构可以使大部分的入射光在倾斜平面51处发生全反射，从而增加光在光敏器件3中的光程，提高光电转换的量子效率。
可选地，如图4所示，图4为本申请实施例中另一种图像传感器部分区域的一种剖面结构示意图，光敏器件3和光疏介质层4的交界面形成多个凸棱50，多个凸棱50可以接续排列，形成类似锯齿状的截面形状。具体的，每个凸棱50的顶角可由相邻的一个倾斜平面51和一个垂直平面52相交形成，垂直平面52可以垂直于半导体晶片1所在平面，任意两个凸棱50中的倾斜平面51相互平行。图4中所示的结构与图1中所示的结构相比，由于光敏器件3和光疏介质层4的交界面形成多个倾斜平面51，在倾斜角度不变的情况下，降低了光疏介质层4的厚度。
可选地，如图5所示，图5为本申请实施例中又一种图像传感器部分区域的一种剖面结构示意图，光敏器件3和光疏介质层4之间的交界面形成多个凸棱50，多个凸棱50可以接续排列，形成类似锯齿状的截面形状。具体的，每个凸棱50的顶角由相邻的一个第一倾斜平面511和一个第二倾斜平面512相交形成，任意两个凸棱50中的第一倾斜平面511相互平行，任意两个凸棱50中的第二倾斜平面512相互平行。图5所示的结构与图4所示的结构类似，但是由于每个凸棱50均由两个倾斜方向相反的倾斜平面组成，虽然第一倾斜平面511和第二倾斜平面512的倾斜方向相反，但是两者与半导体晶片1所在平面之间均形成锐角θ，第一倾斜平面511和第二倾斜平面512分别针对从右上方入射和从左上方入射的光线具有更好的吸收效果，因此，除了可以降低光疏介质层4的厚度外，全反射的触发条件对入射光的角度依赖性下降。
可选地，如图1至图5所示，图像传感器还包括沟槽壁61，光敏器件3具有垂直于半导体晶片1所在平面的侧面33，沟槽壁61与光敏器件3的侧面33相互接触且形成垂直于半导体晶片1所在平面的交界面；在垂直于半导体晶片1所在平面的方向上，沟槽壁61的正投影至少部分围绕光敏器件3的正投影；沟槽壁61的折射率小于光敏器件3的折射率。
具体地，由于沟槽壁61的折射率小于光敏器件3的折射率，因此当光线在光敏器件3中传输并到达与沟槽壁61的交界面时，更容易发生反射，从而进一步提高了光在光敏器件3中的光程，配合倾斜平面51的设置，可以进一步提高光电转换的量子效率。另外，半导体晶片1具有在垂直于半导体晶片1所在平面方向上相对的第一表面11和第二表面12，第一表面11为靠近光敏器件3的光入射表面31的一侧表面，例如第一表面11和光入射表面31可以为同一表面，第二表面12为靠近光敏器件3的底面32一侧的表面，例如，光敏器件3的底面32可以为第二表面12向内凹陷的部分。图像传感器还可以包括沟槽隔离部62，沟槽隔离部62位于沟槽壁61靠近第二表面12的一侧，沟槽隔离部62可以用于使不同的光敏器件3之间相互隔离。本申请实施例中，光敏器件3具体可以通过在P型硅衬底中注入N型元素形成(或者也可以是在N型硅衬底中注入P型元素形成)，此时，光敏器件3和沟槽隔离部62之间设置P型掺杂区，即图1至图5中光敏器件3和沟槽隔离部62之间的部分，目的是将光敏器件3与具有陷阱状态的界面隔离，防止光生载流子在该界面复合。另外，在图1至图5中，沟槽壁61和沟槽隔离部62之间同样设置有硅衬底，即沟槽隔离部62和沟槽壁61相互独立，可以理解地，在其他可实现的实施方式中，沟槽壁和沟槽隔离部也可以为一体结构。
可选地，如图1至图5所示，图像传感器还包括：位于光敏器件3的光入射表面31一侧的抗反射层71(Anti-reflection coating)、滤光片72和微透镜73，光敏器件3、抗反射层71、滤光片72和微透镜73依次层叠设置。其中，抗反射层71用于在光进入光敏器件3之前，减少光的反射，增加透过率，另一方面，在本申请实施例中，当光从光敏器件3中向抗反射层71的方向传输，并到达抗反射层71的表面时，同样会有部分光发生反射，重新进入光敏器件3，以提高光电转换的量子效率。
可选地，光敏器件3包括半导体晶片1中的元素掺杂区域，例如，光敏器件3由半导体晶片1中的第一元素掺杂区域301和相邻的第二元素掺杂区域302构成，在轻掺杂的P型硅衬底中掺杂N型元素，形成N型掺杂区域和P型掺杂区域，N型掺杂区域为第一元素掺杂区域301，P型掺杂区域为第二元素掺杂区域302，N型掺杂区域和与其相邻的P型硅衬底部分构成PN结，即光敏二极管，作为光敏器件3；如图6所示，图6为本申请实施例中再一种图像传感器部分区域的一种剖面结构示意图，图像传感器还包括晶体管8，晶体管8包括位于光敏器件3和浮置扩散区O之间的栅极81；图像传感器还包括位于光疏介质层4远离光入射表面31一侧的金属线9，金属线9通过光疏介质层4上的过孔40电连接于栅极81。晶体管8用于形成图像传感器中的用于实现信号控制的电路，其具体功能和原理会在后文中介绍，金属线9用于传输并提供晶体管8中栅极81所需要的信号。在本申请实施例中，栅极81以及金属线9均位于光敏器件3的底面32一侧，可以避免光线在光敏器件3中传输过程中被金属结构遮挡，另外，光疏介质层4设置于光敏器件3的底面32一侧，可以复用为金属线9和栅极81之间的介质层。
可选地，光敏器件3为光电二极管(Photodiode)。
可选地，如图7、图8和图9所示，图7为本申请实施例中一种图像传感器的整体结构框图，图8为图7的图像传感器中一个像素的等效电路示意图，图9为图7的图像传感器中一个像素的俯视图；图像传感器包括呈阵列分布的多个像素10；每个像素10包括：光敏器件3，光敏器件3的阳极接地；传输晶体管TG，串联于光敏器件3的阴极和浮置扩散区O之间，在等效电路中，浮置扩散区O为一个信号节点，传输晶体管TG的第一端电连接于光敏器件3的阴极，传输晶体管TG的第二端电连接于浮置扩散区O，传输晶体管TG的控制端即为其栅极，参考图6、图7、图8和图9所示，图6可以为图9中AA’向的剖面结构示意图，图6中的晶体管8即为图8和图9中的传输晶体管TG；复位晶体管RST，串联于浮置扩散区O和电源电压端VDD之间，即复位晶体管RST的第一端电连接于浮置扩散区O，复位晶体管RST的第二端电连接于电源电压端VDD；源极跟随晶体管SF，其第一端电连接于电源电压端VDD，其控制端电连接于浮置扩散区O；行选择晶体管RS，其第一端电连接于源极跟随晶体管SF的第二端，其第二端电连接于列信号端Read。图8所示的一个像素10的具体结构即为CMOS(Complementary MetalOxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器的像素结构。每个像素10可以对应一个光敏器件3，相邻像素10中的光敏器件3可以由沟槽壁61和沟槽隔离部62实现相互隔离。
具体地，在上述各晶体管中，晶体管的第一端为源极和漏极中的一者，晶体管的第二端为源极和漏极中的另一者，晶体管的控制端为栅极。其中，复位晶体管RST响应于其栅极的控制信号使浮置扩散区O复位；光敏器件3用于接收光并生成对应的载流子，存储于浮置扩散区O，源极跟随晶体管SF用于产生和浮置扩散区O的电位相关的信号，行选择晶体管RS响应于其栅极的控制信号使源极跟随晶体管SF产生的信号传输至列信号端Read，以使列信号端Read的信号被读取。另外，图像传感器还包括控制电路模块110以及读取电路模块120。控制电路模块110用于控制像素10阵列的操作特性，包括产生一系列的快门信号用于控制像素10的曝光进程。读取电路模块120具体包括放大电路、模数转换电路(ADC)等，用于将像素10中产生的电信号按列读出。需要说明的是，图9中的俯视图仅仅示意出了像素10中的部分结构，而非完整结构，例如，仅包括半导体晶片1的膜层和金属的膜层。另外，图1、图2、图3、图4和图5可以为图9中BB’向的剖面结构示意图。
可选地，光疏介质层4的材料包括以下各项中的一者：二氧化硅、氮氧化硅、磷硅玻璃(Phospho Silicate Glass)以及硼磷硅玻璃(Boro Phospho Silicate Glass)。
如图10、图11、图12和图13所示，图10为本申请实施例中一种图像传感器的制作方法流程图，图11为图10中部分步骤结束时所形成的一种结构示意图，图12为图10中部分步骤结束时所形成的另一种结构示意图，图13为图10中部分步骤结束时所形成的又一种结构示意图，本申请实施例还提供一种图像传感器的制作方法，可以用于制作上述任一实施例的图像传感器，该方法包括：
步骤101、提供半导体晶片1，半导体晶片1具有第一表面11；
步骤102、使用灰度光刻(gray-scale lithography)工艺或者纳米压印(nano-imprinting)工艺形成刻蚀掩膜层，通过刻蚀工艺将刻蚀掩膜层的形状转移至半导体晶片1的第一表面11，使半导体晶片1的第一表面11在光敏器件区域30形成至少一个倾斜平面51，倾斜平面51与半导体晶片1所在平面之间形成锐角；
具体地，例如，半导体晶片1为轻掺杂的P型单晶硅衬底，在形成倾斜平面51之前，还可以在半导体晶片1的第一表面11形成隔离沟槽620，隔离沟槽620用于在后续步骤中形成沟槽隔离部。步骤102结束之后，可以形成如图11所示的结构，另外，还可以参考图1至图6中的结构。
步骤103、在半导体晶片1上的光敏器件区域30进行元素掺杂，使光敏器件区域30形成光敏器件3；
具体地，例如，半导体晶片1为P型元素掺杂衬底，其中的部分区域作为第一元素掺杂区域301，在半导体晶片1的特定区域注入低剂量的N型掺杂元素以形成N型元素掺杂区域，作为第二元素掺杂区域302，第一元素掺杂区域301和第二元素掺杂区域302形成光敏二极管，作为光敏器件3，在步骤103的过程中，还可以同时在另外特定区域注入高剂量的N型元素以形成第三元素掺杂区域303，第三元素掺杂区域303作为浮置扩散区O，然后制作栅极介质层82和栅极81，即形成如图12所示的结构，即图12可以为图10中步骤103结束之后所形成的结构。
步骤104、在光敏器件3表面形成光疏介质层4，使至少一个倾斜平面51作为光敏器件3和光疏介质层4的交界面，光疏介质层4的折射率小于光敏器件3的折射率。光疏介质层4具体可以通过CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积)工艺形成，之后可以通过CMP(Chemical Mechanical Polishing，化学机械抛光)工艺对其表面进行平坦化处理，使得表面变得平坦，便于后续的加工，即形成如图13所示的结构，即图13可以为图10中步骤104结束之后所形成的结构。
最终形成的结构可以参考图1至图6，所形成的图像传感器的具体结构和原理与上述实施例相同，在此不再赘述。可以理解地，上述各步骤的执行顺序仅为举例，本申请实施例对于各步骤的执行顺序不作限定，例如，在其他可实现的实施方式中，在步骤101之后，可以先执行步骤103、再执行步骤102、再执行步骤104，即先在半导体晶片1上进行元素掺杂，得到第二元素掺杂区域302，然后制作倾斜平面51，得到如图12所示的结构，需要说明的是，在离子注入实现元素掺杂的工艺中，由于工艺的原因，各位置处离子注入深度相同，因此，在步骤顺序改变后，元素掺杂区域的结构会改变，例如图12中第二元素掺杂区域302的下表面会变为平面(平行于x方形)，即最终形成的第二元素掺杂区域302会变为梯形，而非图12中所示的平行四边形。例如图1至图6所示的结构，均通过先执行步骤102再执行步骤103所得到，例如在图4所示的结构中，先通过刻蚀工艺得到下方锯齿状的截面，然后在元素掺杂形成光敏元件的过程中，由于掺杂深度相同，因此在上方，得到同样的锯齿状截面，作为第二元素掺杂区域302的上表面；如图15所示，图15为图4中所示结构的一种变形，图15所示的结构为通过先执行步骤103再执行步骤102所得到，先在具有水平面的衬底结构上进行掺杂，所形成的第二元素掺杂区域302的上表面同样为水平结构，然后在通过刻蚀工艺得到下方锯齿状的截面。图4和图15相比较，其他结构均相同，区别仅在于由于工艺的顺序而导致的元素掺杂区域302的上表面的结构差异。
本申请实施例中的图像传感器的制作方法，通过设置光敏器件与光疏介质层之间的交界面包括倾斜平面，且光疏介质层的折射率小于光敏器件的折射率，使得入射光线在倾斜平面处更容易反射回光敏器件内部，即增加了光线在光敏器件内部传输的光程，从而提高了量子效率，特别是提高了原本吸收效果较差的长波段光光电转换的量子效率，从而改善了图像传感器的成像效果。另外，如果不利用反射，则必须要增加光敏器件本身的厚度，以此来增加光在光敏器件中的光程，对于图像传感器整体的厚度要求较高，而在本申请实施例，由于是通过反射的方式来增加光在光敏器件中的光程，可以在光敏器件厚度不变的基础上，利用本身图像传感器中位于光敏器件出光侧的膜层实现光疏介质层，或者额外增加厚度较小的光疏介质层，同时设置倾斜平面来配合光疏介质层的折射率形成反射界面，通过反射的方式来增加光在光敏器件中的光程，本申请实施例通过反射的方式来增加光程和直接增加光敏器件本身的厚度的方式来增加光程的方式相比，在相同的光程下，对于图像传感器整体的厚度要求较低。
可选地，半导体晶片1包括在垂直于半导体晶片1所在平面方向上相对的第一表面11和第二表面12；如图1至图6所示，在上述步骤101、提供半导体晶片11之后，还包括：在半导体晶片1的第二表面12形成沟槽，沟槽为从半导体晶片1的第二表面12向内凹陷的结构；在沟槽中填充小于光敏器件3的折射率的材料，例如二氧化硅材料，形成沟槽壁61，在垂直于半导体晶片1所在平面的方向上，沟槽壁61的正投影至少部分围绕光敏器件3的正投影。形成沟槽并填充以形成沟槽壁61的步骤可以在上述步骤104之后执行，也可以在其他步骤之后执行，本申请实施例对次不做限定。
可选地，如图6以及图14所示，图14为图10中部分步骤结束时所形成的再一种结构示意图，上述步骤104、在光敏器件3表面形成光疏介质层4之前，还包括：
在半导体晶片1的第一表面11形成栅极介质层82；
在栅极介质层82的表面形成栅极81；
形成栅极介质层82和形成栅极81的步骤可以在上述步骤103之后执行。
上述步骤104、在光敏器件3表面形成光疏介质层4之后，还包括：
通过图案化工艺使光疏介质层4形成与栅极81对应的过孔；
在光疏介质层4表面形成金属线9，金属线9通过过孔电连接于栅极81。所形成的结构如图14所示，即图14可以为图10中步骤104结束之后所形成的结构，在图1至图6以及图14中，光疏介质层4远离光敏器件3的一侧还设置有金属介质层401以及其他金属线901(图1至图5中未示出其他金属线901)，其他金属线901用于连接其他器件。金属介质层401可以为一层或多层，在形成如图14所示的结构之后，将半导体晶片1和载片晶圆100键合(bonding)，对半导体晶片1进行减薄(例如减薄至2至3微米)，以及在减薄后的半导体晶片1上依次形成沟槽壁61、抗反射层71、滤光片72和微透镜73等，最终形成的结构可以参考图1至图6。
本申请实施例还提供一种电子设备，包括上述任意实施例中的图像传感器。
其中，图像传感器的具体结构和原理与上述实施例相同，在此不再赘述，该电子设备可以为手机、相机、监控设备等任何用于成像的装置。
本申请实施例中的电子设备，在图像传感器中通过设置光敏器件与光疏介质层之间的交界面包括倾斜平面，且光疏介质层的折射率小于光敏器件的折射率，使得入射光线在倾斜平面处更容易反射回光敏器件内部，即增加了光线在光敏器件内部传输的光程，从而提高了量子效率，特别是提高了原本吸收效果较差的长波段光光电转换的量子效率，从而改善了图像传感器的成像效果。另外，如果不利用反射，则必须要增加光敏器件本身的厚度，以此来增加光在光敏器件中的光程，对于图像传感器整体的厚度要求较高，而在本申请实施例，由于是通过反射的方式来增加光在光敏器件中的光程，可以在光敏器件厚度不变的基础上，利用本身图像传感器中位于光敏器件出光侧的膜层实现光疏介质层，或者额外增加厚度较小的光疏介质层，同时设置倾斜平面来配合光疏介质层的折射率形成反射界面，通过反射的方式来增加光在光敏器件中的光程，本申请实施例通过反射的方式来增加光程和直接增加光敏器件本身的厚度的方式来增加光程的方式相比，在相同的光程下，对于图像传感器整体的厚度要求较低。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (14)

1.一种图像传感器，其特征在于，包括：
半导体晶片；
设置于半导体晶片中的光敏器件，所述光敏器件用于光电转换；
在垂直于所述半导体晶片所在平面的方向上，所述光敏器件具有相对的光入射表面和底面；
位于所述光敏器件的底面一侧且与所述光敏器件相邻的光疏介质层，所述光疏介质层和所述光敏器件的底面相互接触且形成交界面，所述交界面包括至少一个倾斜平面，所述倾斜平面与所述半导体晶片所在平面之间形成锐角，所述光疏介质层的折射率小于所述光敏器件的折射率。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，
所述倾斜平面与所述半导体晶片所在平面之间形成的锐角为θ，θ≥θC，
Figure FDA0002332885290000011
n1为近红外光在所述光敏器件的折射率，n2为近红外光在所述光疏介质层的折射率。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，
所述光敏器件和所述光疏介质层的交界面形成多个凸棱，每个所述凸棱的顶角由相邻的一个所述倾斜平面和一个垂直平面相交形成，所述垂直平面垂直于所述半导体晶片所在平面，任意两个所述凸棱中的所述倾斜平面相互平行。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，
所述光敏器件和所述光疏介质层之间的交界面形成多个凸棱，每个所述凸棱的顶角由相邻的一个第一倾斜平面和一个第二倾斜平面相交形成，任意两个所述凸棱中的所述第一倾斜平面相互平行，任意两个所述凸棱中的所述第二倾斜平面相互平行。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，
还包括沟槽壁，所述光敏器件具有垂直于所述半导体晶片所在平面的侧面，所述沟槽壁与所述光敏器件的侧面相互接触且形成垂直于所述半导体晶片所在平面的交界面；
在垂直于所述半导体晶片所在平面的方向上，所述沟槽壁的正投影至少部分围绕所述光敏器件的正投影；
所述沟槽壁的折射率小于所述光敏器件的折射率。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，
还包括：位于所述光敏器件的光入射表面一侧的抗反射层、滤光片和微透镜，所述光敏器件、所述抗反射层、所述滤光片和所述微透镜依次层叠设置。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，
所述光敏器件包括所述半导体晶片中的元素掺杂区域；
所述图像传感器还包括晶体管，所述晶体管包括栅极；
所述图像传感器还包括位于所述光疏介质层远离所述光入射表面一侧的金属线，所述金属线通过所述光疏介质层上的过孔电连接于所述栅极。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，
所述光敏器件为光电二极管。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，
所述图像传感器包括呈阵列分布的多个像素；
每个所述像素包括：
所述光敏器件，所述光敏器件的阳极接地；
传输晶体管，串联于所述光敏器件的阴极和浮置扩散区之间；
复位晶体管，串联于所述浮置扩散区和电源电压端之间；
源极跟随晶体管，其第一端电连接于所述电源电压端，其控制端电连接于所述浮置扩散区；
行选择晶体管，其第一端电连接于所述源极跟随晶体管的第二端，其第二端电连接于列信号端。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的图像传感器，其特征在于，
所述光疏介质层的材料包括以下各项中的一者：二氧化硅、氮氧化硅、磷硅玻璃以及硼磷硅玻璃。
11.一种图像传感器的制作方法，其特征在于，用于制作如权利要求1至10中任意一项所述的图像传感器，所述方法包括：
提供半导体晶片，所述半导体晶片具有第一表面；
使用灰度光刻工艺或者纳米压印工艺形成刻蚀掩膜层，通过刻蚀工艺将所述刻蚀掩膜层的形状转移至半导体晶片的第一表面，使所述半导体晶片的第一表面在光敏器件区域形成至少一个倾斜平面，所述倾斜平面与所述半导体晶片所在平面之间形成锐角；
在所述半导体晶片上的光敏器件区域进行元素掺杂，使所述光敏器件区域形成光敏器件；
在所述光敏器件表面形成光疏介质层，使所述至少一个倾斜平面作为所述光敏器件和所述光疏介质层的交界面，所述光疏介质层的折射率小于所述光敏器件的折射率。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，
所述半导体晶片包括在垂直于所述半导体晶片所在平面方向上相对的第一表面和第二表面；
在形成所述半导体晶片之后，还包括：
在所述半导体晶片的第二表面形成沟槽；
在所述沟槽中填充小于所述光敏器件的折射率的材料，形成沟槽壁，在垂直于所述半导体晶片所在平面的方向上，所述沟槽壁的正投影至少部分围绕所述光敏器件的正投影。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，
在所述光敏器件表面形成光疏介质层之前，还包括：
在所述半导体晶片的第一表面形成栅极介质层；
在所述栅极介质层的表面形成栅极；
在所述光敏器件表面形成光疏介质层之后，还包括：
通过图案化工艺使所述光疏介质层形成与所述栅极对应的过孔；
在所述光疏介质层表面形成金属线，所述金属线通过所述过孔电连接于所述栅极。
14.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1至10中任意一项所述的图像传感器。
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