CN110957337A - 图像传感器以及用于形成图像传感器的方法 - Google Patents

图像传感器以及用于形成图像传感器的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110957337A
CN110957337A CN201910794239.3A CN201910794239A CN110957337A CN 110957337 A CN110957337 A CN 110957337A CN 201910794239 A CN201910794239 A CN 201910794239A CN 110957337 A CN110957337 A CN 110957337A
Authority
CN
China
Prior art keywords
filter
disposed
gate structure
semiconductor substrate
optical filter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910794239.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110957337B (zh
Inventor
黄正宇
庄君豪
曾建贤
桥本一明
周耕宇
江伟杰
游文谦
张廷诚
吴纹浩
张志光
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Original Assignee
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd filed Critical Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Publication of CN110957337A publication Critical patent/CN110957337A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110957337B publication Critical patent/CN110957337B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462—Coatings
    • H01L27/14621—Colour filter arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14603—Special geometry or disposition of pixel-elements, address-lines or gate-electrodes
    • H01L27/14607—Geometry of the photosensitive area
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462—Coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1463—Pixel isolation structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14636—Interconnect structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H01L27/14645—Colour imagers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14683—Processes or apparatus peculiar to the manufacture or treatment of these devices or parts thereof
    • H01L27/14685—Process for coatings or optical elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14629—Reflectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1464—Back illuminated imager structures

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

本揭露提供一种图像传感器以及用于形成图像传感器的方法。在一些实施例中，图像传感器包含设置于半导体衬底中的光电探测器。具有实质平坦上表面的波导滤波器设置于光电探测器上方。波导滤波器包含设置于滤光器栅结构中的滤光器。滤光器包含半透明且具有第一折射率的第一材料。滤光器栅结构包含半透明且具有小于第一折射率的第二折射率的第二材料。

Description

图像传感器以及用于形成图像传感器的方法
技术领域
本揭露涉及一种图像传感器以及用于形成图像传感器的方法。
背景技术
许多现代电子装置(例如，数码相机，光学成像装置，等)包括图像传感器。图像传感器将光学图像转换为可表示为数字图像的数字数据。图像传感器包含大量像素传感器，其为用于将光学图像转换成数字数据的单元装置。一些类型的像素传感器包含电荷耦合装置(charge-coupled device,CCD)图像传感器和互补金属氧化物半导体(complementarymetal-oxide-semiconductor,CMOS)图像传感器。与CCD像素传感器相比，CMOS像素传感器由于低功耗、小尺寸、快速数据处理、数据直接输出以及低制造成本而是有利的。
发明内容
根据本揭露的实施例，图像传感器包括设置于半导体衬底中的光电探测器以及具有实质平坦上表面的波导滤波器。波导滤波器设置于光电探测器上方。波导滤波器包括设置于滤光器栅结构中的滤光器。滤光器包括半透明以及具有第一折射率的第一材料。滤光器栅结构包括半透明以及具有小于第一折射率的第二折射率的第二材料。
根据本揭露的实施例，图像传感器包括光电探测器、第一滤光器栅结构、第一滤光器、介电层以及金属栅。光电探测器设置于半导体衬底中。第一滤光器栅结构设置于半导体衬底的背侧上方。半导体衬底的背侧与半导体衬底的前侧相对。金属化结构设置于半导体衬底的前侧上。第一滤光器设置于第一滤光器栅结构中。介电层设置于半导体衬底的背侧上方以及设置于光电探测器与第一滤光器之间。金属栅设置于介电层中。金属栅包括设置于光电探测器的第一侧上的第一部分及设置于与光电探测器的第一侧相对的光电探测器的第二侧上的第二部分。
根据本揭露的实施例，用于形成图像传感器的方法包括：在半导体衬底上形成隔离结构；在隔离结构上形成金属栅；在隔离结构上形成介电层并覆盖金属栅；在介电层上方形成第一滤光器栅结构；在第一滤光器栅结构中形成第一滤光器；在第一滤光器栅结构以及第一滤光器两者上方形成第一界面层；在第一界面层上方形成第二滤光器栅结构；在第二滤光器栅结构中形成第二滤光器；在第二滤光器栅结构及第二滤光器两者上方形成第二界面层；以及在第二界面层上方形成抗反射涂层。抗反射涂层被形成为具有实质平坦上表面。
附图说明
结合附图阅读以下详细描述会最好地理解本揭露的各方面。应注意，根据业界中的标准惯例，各个特征未按比例绘制。实际上，为了论述清楚起见，可任意增大或减小各个特征的尺寸。
图1A到图1B说明包括具有实质平坦上表面的波导滤波器的图像传感器的一些实施例的各个视图。
图2A到图2B说明图1A到图1B的图像传感器的一些其它实施例的各个视图。
图3说明图1A到图1B的图像传感器的一些更详细实施例的横截面视图。
图4说明图3的图像传感器的一些其它实施例的横截面视图。
图5说明图3的图像传感器的一些其它实施例的横截面视图。
图6说明图3的图像传感器的一些其它实施例的横截面视图。
图7A到图7B说明图1A到图1B的图像传感器的一些其它实施例的各个视图。
图8A到图8B说明图7A到图7B的图像传感器的一些其它实施例的各个视图。
图9到图19说明用于形成图6的图像传感器的方法的一些实施例的一系列横截面视图。
图20说明用于形成包括具有实质平坦上表面的波导滤波器的图像传感器的方法的一些实施例的流程图。
附图标号说明
100：图像传感器；
102、702：光电探测器；
104：半导体衬底；
104b：背侧；
104f：前侧；
110、110a、110b：隔离结构；
112：波导滤波器；
114：介电层；
116：金属栅；
118：第一多个滤光器；
118a：第一滤光器；
118b：第二滤光器；
118c：第三滤光器；
120：第一滤光器栅结构；
124：第一界面层；
126：抗反射涂层；
128、130：光；
202：金属化结构；
204：互连结构；
206：层间介电层；
208：半导体装置；
302：中心区；
304：外围区；
306：图案化蚀刻终止层；
602：第二多个滤光器；
604：第二滤光器栅结构；
606：第二界面层；
704：常见滤光器；
1202：蚀刻终止层；
1204：第一滤光器栅层；
1302：第一滤光器沟槽；
1502：第二滤光器栅层；
1602：第二滤光器沟槽；
2000：流程图；
2002、2004、2006、2008：动作；
A：线A-A的端点；
D1：第一距离；
D2：第二距离；
D3：第三距离；
W：宽度；
H：高度；
L：长度；
x、y、z：方向。
具体实施方式
现将参考图式描述本揭露，其中通篇使用相同的图式元件符号指代相同的元件，且其中所示出的结构不一定按比例绘制。应了解，此详细描述和对应图式不以任何方式限制本揭露的范围，且所述详细描述和图式仅仅提供几个实例来说明本揭露概念可体现自身的一些方式。
本揭露提供用于实施本揭露的不同特征的许多不同实施例或实例。下文描述组件和布置的特定实例来简化本揭露。当然，这些只是实例且并不旨在为限制性的。举例来说，在以下描述中，第一特征在第二特征上方或之上的形成可以包含第一特征与第二特征直接接触地形成的实施例，并且还可以包含额外特征可形成于第一特征与第二特征之间从而使得第一特征与第二特征可以不直接接触的实施例。另外，本揭露可能在各个实例中重复图式元件符号和/或字母。此重复是出于简化和清晰的目的，且本身并不规定所论述的各种实施例和/或配置之间的关系。
此外，空间相对术语，例如“在…下部”、“在…下”、“下部”、“在…上”、“上部”及类似者，可在本文中使用以易于描述如图式所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。除了图中所描绘的定向之外，空间相对术语意图涵盖在使用或操作中的装置的不同定向。设备可以其它方式定向(旋转90度或处于其它取向)，且本文中所使用的空间相对描述词同样可相应地进行解释。
一些互补金属氧化物半导体图像传感器(complementary metal-oxidesemiconductor image sensor,CIS)包含多个设置于半导体衬底中的光电探测器。设置于滤光器栅结构中的具有多个滤光器(例如，彩色滤光器)的滤光器阵列(例如，彩色滤光器阵列)设置于光电探测器上方。多个微透镜典型地设置于滤光器阵列上，因此滤光器阵列分离来自光电探测器的微透镜。典型地，微透镜具有圆形上表面，因此微透镜将入射辐射(例如，光子)聚焦到光电探测器上。
以上CIS的挑战在于微透镜所聚焦到光电探测器上的入射辐射的量。为提高CIS的性能(例如，增加像素分辨率，减小外观尺寸，等)，CIS的特征尺寸典型地按比例缩小。然而，随着微透镜按比例缩小(例如，当微透镜的半径按比例缩小为接近/小于入射辐射的波长时)，绕射可能会不利地影响微透镜所聚焦到光电探测器上的辐射的量。因此，随着CIS的特征尺寸继续按比例缩小，微透镜可能会不利地影响CIS的量子效率(quantμm efficiency,QE)。
在各种实施例中，本揭露是针对具有实质平坦上表面的波导滤波器。波导滤波器设置于光电探测器上方且包括设置于滤光器栅结构中的滤光器，滤光器栅结构和滤光器对光(例如，具有介于约10纳米(nm)与1毫米(mm)之间的波长的光子)而言是至少部分半透明的。滤光器包括具有第一折射率的第一材料，且滤光器栅结构包括具有小于第一折射率的第二折射率的第二材料。波导滤波器被配置以将入射光导向光电探测器。
因为滤光器与滤光器栅结构两者是至少部分半透明的，因此滤光器与滤光器栅两者会将光导向光电探测器。此外，因为第一折射率大于第二折射率，所以入射到滤光器的光被限制于滤光器(例如，由于全内反射)并且被引导到光电探测器上。另外，因为第二折射率小于第一折射率，所以大部分入射到滤光器栅结构的光被引导到滤光器并且朝着光电探测器折射，从而将入射到滤光器栅结构的光引导到光电探测器上。因此，波导滤波器会具有实质平坦上表面并且将入射辐射聚焦到光电探测器上，从而减少按比例缩小的微透镜所引起的负绕射效应。因此，波导滤波器可提高具有按比例缩小的特征尺寸(例如，小于约1微米(μm))的CIS的QE。
图1A到图1B说明包括具有实质平坦上表面的波导滤波器的图像传感器100的一些实施例的各个视图。图1A说明沿图1B的线A至A所截取的横截面视图。图1B说明面对半导体衬底背侧的图像传感器100的视图。
如图1A到图1B中所示，图像传感器100包括多个设置于半导体衬底104中的光电探测器102。多个光电探测器102被配置成吸收入射辐射(例如，光子)与产生对应于入射辐射对应的电信号。在进一步的实施例中，半导体衬底104包括任何类型的半导体主体(例如，单晶硅/CMOS块体、硅锗(silicon-germaniμm,SiGe)、绝缘体上硅(silicon on insulator,SOI)，等等)。
在一些实施例中，隔离结构110设置于半导体衬底104上方/半导体衬底104中。在进一步的实施例中，隔离结构110设置于半导体衬底104的背侧104b上。在进一步的实施例中，隔离结构110从半导体衬底104的背侧104b延伸到多个光电探测器102之间的半导体衬底104中。
具有实质平坦上表面的波导滤波器112设置于半导体衬底104上方。在一些实施例中，波导滤波器112设置于半导体衬底104的背侧104b上方。在进一步的实施例中，波导滤波器112包括设置于隔离结构110上的介电层114。
在一些实施例中，金属栅116设置于介电层114中。在进一步的实施例中，金属栅116的第一部分设置于多个光电探测器102的其中之一的第一侧上，且金属栅116的第二部分设置于多个光电探测器102的其中之一中与第一侧相对的第二侧上。在此类实施例中，直接设置于多个光电探测器102的其中之一上方的介电层114的一部分可分离金属栅116的第一部分与金属栅116的第二部分。在进一步的实施例中，金属栅116可包括例如钨、铜、铝或其类似者。
第一多个滤光器118设置于第一滤光器栅结构120中并且设置于多个光电探测器102上方。在一些实施例中，第一多个滤光器118设置于包括多个行与列的第一滤光器阵列中。例如，第一多个滤光器118可以包括被配置以传输具有在第一范围中的波长的光(例如，具有介于约10纳米与1毫米之间的波长的光子)的第一滤光器118a、被配置以传输具有在不同于第一范围的第二范围中的波长的光的第二滤光器118b以及被配置以传输具有在不同于第一范围和第二范围的第三范围中的波长的光的第三滤光器118c。在进一步的实施例中，第一滤光器118a、第二滤光器118b以及第三滤光器118c可以设置于同一行中。在进一步的实施例中，第一多个滤光器118中的每个滤光器对应于多个光电探测器102中的一光电探测器。
在一些实施例中，第一多个滤光器118可为彩色滤光器。举例来说，第一滤光器118a可为红色滤光器，第二滤光器118b可为绿色滤光器，以及第三滤光器118c可为蓝色滤光器。在进一步的实施例中，第一多个滤光器118可为被配置成过滤具有红外(IR)波长的入射辐射的IR滤光器。在进一步的实施例中，第一多个滤光器118可以包括彩色滤光器以与IR滤光器的组合。
在一些实施例中，第一滤光器栅结构120会界定第一多个滤光器118的布局。在进一步的实施例中，第一滤光器栅结构120可以与金属栅116垂直对准。在进一步的实施例中，第一多个滤光器118中的每一者可以具有大致类似的覆盖面积(第一多个滤光器118中的其中一者的面积投影到介电层114上)。在进一步的实施例中，第一滤光器栅结构120的宽度W在滤光器阵列的每列之间会实质相同。在进一步的实施例中，第一滤光器栅结构120的长度L在滤光器阵列的每行之间会实质相同。在进一步的实施例中，第一滤光器栅结构120的宽度W可以不同于第一滤光器栅结构120的长度L。在其它实施例中，宽度W和长度L可以大致相同。
第一界面层124设置于第一多个滤光器118和第一滤光器栅结构120两者上方。在一些实施例中，第一界面层124具有实质平坦上表面。抗反射涂层(anti-reflectivecoating,ARC)126设置于第一界面层124上方。在一些实施例中，ARC 126具有实质平坦上表面。在进一步的实施例中，ARC 126的实质平坦上表面可界定波导滤波器112的最上表面。
在一些实施例中，第一多个滤光器118包括具有第一折射率的第一滤光材料。在进一步的实施例中，第一折射率可以介于约1.4与约4之间。在进一步的实施例中，第一滤光材料可以包括例如光致抗蚀剂(例如，正型/负型光致抗蚀剂)，其包括染料/颜料、分散剂聚合物、聚合单体、和/或其它化学物质(例如，用于聚合反应的化学物质)。在进一步的实施例中，第一多个滤光器118对光而言是至少部分半透明的。
在一些实施例中，第一滤光器栅结构120包括具有小于第一折射率的第二折射率的第一介电材料。在进一步的实施例中，第一折射率的平方减去第二折射率的平方小于约0.25。在进一步的实施例中，第一滤光器栅结构120可以包括例如氧化物(例如，二氧化硅(SiO2))、氮化物(例如，氮化硅(SiN))、氮氧化物(例如，氮氧化硅(SiOXNY))或类似者。在进一步的实施例中，第一折射率的平方减去第二折射率的平方小于约0.25。在进一步的实施例中，第一滤光器栅结构120对光而言是至少部分半透明的。
因为第一多个滤光器118和第一滤光器栅结构120两者是至少部分半透明的，所以第一多个滤光器118和第一滤光器栅结构120两者会将光导向多个光电探测器102。此外，因为第一折射率大于第二折射率，所以入射到第一多个滤光器118的光128分别被限制于第一多个滤光器118(例如，由于全内反射)，且被引导到多个光电探测器102上。另外，因为第二折射率小于第一折射率，所以大部分入射到第一滤光器栅结构120的光130被引导到第一多个滤光器118并且朝多个光电探测器102折射，从而引导大部分入射到第一滤光器栅结构120的光130到多个光电探测器102上。因此，波导滤波器112可以具有实质平坦上表面并且将入射辐射聚焦到多个光电探测器102上，从而减少由按比例缩小的微透镜中的绕射所导致的负效应。因此，波导滤波器112会提高具有按比例缩小的特征尺寸(例如，小于约1微米(μm))的互补金属氧化物半导体图像传感器(CIS)的量子效率(QE)。
在一些实施例中，第一滤光器栅结构120的高度H大于约0.8微米。更具体地，在一些实施例中，第一滤光器栅结构120的高度H介于约0.8微米与2.0微米之间。在进一步的实施例中，如果第一滤光器栅结构120的高度H大于约0.8微米，则第一滤光器栅结构120的高度H足够大以使得入射到第一滤光器栅结构120的光130可以被引导到第一多个滤光器118，从而提高波导滤波器112引导到光电探测器102上的入射辐射的量。在进一步的实施例中，如果第一滤光器栅结构120的高度H小于约2.0微米，则第一滤光器栅结构120的高度H足够小以使得入射到第一滤光器栅结构的光130可以被引导到第一多个滤光器118，第一多个滤光器118具有足够能量，使得第一多个滤光器118可以将入射光130折射到多个光电探测器102上，从而提高波导滤波器112引导到光电探测器102上的入射辐射的量。因此，如果第一滤光器栅结构120的高度H小于约0.8微米和/或大于约2.0微米，则应了解，波导滤波器112引导到光电探测器102上的入射光(例如，入射光128/入射光130)的量可能受到不利影响。
在一些实施例中，第一滤光器栅结构120的宽度W介于多个光电探测器102中的一者的宽度(例如，多个光电探测器102中的一者的相对侧面之间的距离)的约1/6与多个光电探测器102中的一者的宽度的约1/3之间。举例来说，如果多个光电探测器102的宽度分别约0.9微米，则第一滤光器栅结构120的宽度W会介于约0.15微米与约0.3微米之间。在进一步的实施例中，如果第一滤光器栅结构120的宽度W大于多个光电探测器102中的一者的宽度的约1/6，则第一滤光器栅结构120的宽度W足够大以使得入射到第一滤光器栅结构120的光130可以被引导到第一多个滤光器118，从而提高波导滤波器112引导到光电探测器102上的入射辐射的量。在进一步的实施例中，如果第一滤光器栅结构120的宽度W小于多个光电探测器102中的一者的宽度的约1/3，则第一滤光器栅结构120的宽度W足够小以使得入射到第一滤光器栅结构的光130可以被引导到第一多个滤光器118，第一多个滤光器118具有足够能量，使得第一多个滤光器118可以将入射光130折射到多个光电探测器102上，从而提高波导滤波器112引导到光电探测器102上的入射辐射的量。因此，如果第一滤光器栅结构120的宽度W小于多个光电探测器102中的一者的宽度的约1/6和/或大于多个光电探测器102中的一者的宽度的约1/3，则应了解，波导滤波器112引导到光电探测器102上的入射光(例如，入射光128/入射光130)的量可能受到不利影响。
图2A至图2B说明图1A到图1B的图像传感器的一些实施例的各个视图。图2A说明沿图2B的线A-A截取的横截面视图。图2B说明面对半导体衬底的背侧的图像传感器的视图。
如图2A至图2B中所示，第一多个滤光器118可以具有不同覆盖面积。举例来说，第一滤光器118a的覆盖面积可小于第二滤光器118b。在此类实施例中，第一滤光器118a的覆盖面积会与第三滤光器118c大致类似。在进一步的实施例中，第一多个滤光器118中具有较大覆盖面积的一些滤光器可各自引导同一波长范围内的光。例如，第一多个滤光器118中具有较大覆盖面积的一些滤光器可为绿色滤光器，而第一多个滤光器118中具有较小覆盖面积的一些其它滤光器可为红色滤光器和/或蓝色滤光器。因为第一多个滤光器118可以具有不同覆盖面积，所以可以选择性地调整波导滤波器112所引导的总光谱。例如，可以选择性地调整波导滤波器，使得绿光的量子效率(QE)大于红光和/或蓝光的QE。
在一些实施例中，第一滤光器栅结构120可以不与金属栅116垂直对准。例如，在一些实施例中，第一滤光器栅结构120的部分可以分别关于金属栅116的部分而侧向(例如，沿x轴和/或y轴)偏移。例如，第一滤光器栅结构120的第一部分设置于第二滤光器118b与第三滤光器118c之间。在一些实施例中，第一滤光器栅结构120的第一部分可以关于设置在第一滤光器栅结构120的第一部分正下方的金属栅116的一部分，在第一侧向方向上(例如，沿着第一方向上的x轴)偏移。在进一步的实施例中，第一滤光器栅结构120的第二部分设置于第三滤光器118c中与第一滤光器栅结构120的第一部分相对的一侧上。在进一步的实施例中，第一滤光器栅结构120的第二部分可以关于设置在第一滤光器栅结构120的第二部分正下方的金属栅116的一部分，在与第一侧向方向相反的第二侧向方向上(例如，沿着与第一方向相反的第二方向上的x轴)偏移。
在一些实施例中，金属化结构202设置于半导体衬底104的前侧104f上。金属化结构202包括设置于层间介电(interlayer dielectric,ILD)层206中的互连结构204(例如，铜互连件)。互连结构204包括多个导电特征(例如，金属线、金属通孔、金属触点等)，其将多个半导体装置208(例如，转移晶体管、复位晶体管等)电性耦合在一起。
图3说明图1A到图1B的图像传感器的一些更详细实施例的横截面视图。
如图3中所示，图像传感器100包括中心区302和外围区304。外围区304设置于半导体衬底104的边缘与中心区302之间。应了解，多个外围区可以设置于中心区302的相对侧面上，使得外围区设置于半导体衬底104的相对边缘与中心区302之间。
在一些实施例中，隔离结构110包括设置于半导体衬底104上方并沿着半导体衬底104的背侧104b延伸的上隔离结构区110a。在进一步的实施例中，隔离结构110包括从上隔离结构区110a延伸到半导体衬底104中的多个深沟槽隔离结构(deep trench isolation,DTI)110b。在进一步的实施例中，DTL结构110b垂直延伸到多个光电探测器102之间的半导体衬底104中。在进一步的实施例中，隔离结构110可以包括例如氧化物(例如SiO2)、氮化物(例如SiN)、氮氧化物(例如SiOXNY)，或其类似者。在进一步的实施例中，DTI结构110b可以是背侧DTI结构。
在一些实施例中，介电层114可以包括例如氧化物(例如SiO2)、氮化物(例如SiN)、氮氧化物(例如SiOXNY)，或其类似者。在进一步的实施例中，介电层114和隔离结构110可以是同一种材料。在其它实施例中，介电层114可以包括与隔离结构110不同的材料。
在中心区302中，在一些实施例中，金属栅116的布局可与DTI结构110b的布局大致垂直对准。例如，在中心区302中，金属栅116的布局会直接上覆DTI结构110b的布局。在外围区304中，在一些实施例中，金属栅116的布局可关于DTI结构110b的布局朝着中心区302偏移。例如，在外围区304中，金属栅116的布局可关于DTI结构110b的布局(例如，沿x轴和/或y轴)偏移。在进一步的实施例中，外围区304中的金属栅116的布局朝着中心区302偏移第一距离D1。在进一步的实施例中，第一距离D1小于或等于多个光电探测器102中的一者的宽度的约一半。在进一步的实施例中，多个光电探测器102中的一者的宽度可小于或等于约1微米。
在一些实施例中，图案化蚀刻终止层306设置于第一滤光器栅结构120与介电层114之间。在进一步的实施例中，图案化蚀刻终止层306可以包括例如氧化物(例如SiO2)、氮化物(例如SiN)、氮氧化物(例如SiOXNY)，或其类似者。在进一步的实施例中，图案化蚀刻终止层306包括与第一滤光器栅结构120不同的材料。
在中心区302中，在一些实施例中，第一滤光器栅结构120的布局可与金属栅116的布局大致垂直对准。例如，在中心区302中，第一滤光器栅结构120的布局会直接上覆金属栅116的布局。在外围区304中，在一些实施例中，第一滤光器栅结构120的布局可关于金属栅116的布局朝着中心区302(例如，沿x轴和/或y轴)偏移。在进一步的实施例中，外围区304中的第一滤光器栅结构120的布局可以朝着中心区302偏移第二距离D2。在进一步的实施例中，第二距离D2小于或等于多个光电探测器102中的一者的宽度的约一半。在进一步的实施例中，第二距离D2大于第一距离D1。
在一些实施例中，第一滤光器栅结构120的高度与第一多个滤光器118的高度会不同，使得第一滤光器栅结构120的上表面和第一多个滤光器118的上表面是非共平面的。在进一步的实施例中，第一多个滤光器118的上表面可以是非平面的。例如，第一多个滤光器118中的一者的上表面可以是凹面的。
在一些实施例中，第一界面层124被配置成提供后续层可以形成于第一界面层124上的实质平坦表面，使得后续层可以形成实质平坦上表面。例如，第一界面层124可具有实质平坦上表面，同时设置于包括第一滤光器栅结构120的上表面和第一多个滤光器118的上表面的非平面表面上，从而提供ARC126可在其上形成的实质平坦表面。在进一步的实施例中，第一界面层124可以具有自动调平特性，使得第一界面层124填平第一多个滤光器118与第一滤光器栅结构120之间在高度方面的差异。在进一步的实施例中，第一界面层124可以包括例如旋涂式电介质(例如，SiO2)、光致抗蚀剂(例如，正型/负型光致抗蚀剂)、树脂(例如，酚甲醛树脂、环氧树脂等)、聚合物，或其类似者。
在一些实施例中，ARC 126设置于第一界面层124的实质平坦上表面上。在进一步的实施例中，由于第一界面层124的实质平坦上表面，ARC 126的上表面的至少部分是实质上平面的。在进一步的实施例中，ARC 126包括例如氧化物(例如，SiO2)、氮化物(例如，SiN)，或其类似者。
图4说明图3的图像传感器的一些其它实施例的横截面视图。
如图4中所示，金属栅116设置于隔离结构110内。在一些实施例中，金属栅116设置于DTI结构110b内。在进一步的实施例中，金属栅116的上表面设置在半导体衬底104的背侧104b下。在中心区302中，在一些实施例中，金属栅116可以设置于DTI结构110b中，使得设置于相对应的DTI结构中的金属栅116的一部分与相对应的DTI结构的相对侧面大致均匀地间隔开。在外围区304中，在一些实施例中，金属栅116可以设置于DTI结构110b中并且朝着中心区302偏移，使得设置于相对应的DTI结构中的金属栅116的一部分设置为比相对应的DTI结构的相对侧面更接近相对应的DTI结构的一侧。在进一步的实施例中，第一多个滤光器118和图案化蚀刻终止层306可以设置于上隔离结构区110a上。
图5说明图3的图像传感器的一些其它实施例的横截面视图。
如图5中所示，多个降噪结构502设置于介电层114中。多个降噪结构502被配置以降低噪声(例如，串扰)，这可能不利地影响图像传感器100的性能。在一些实施例中，多个降噪结构502中的每一者设置于金属栅116的邻近部分之间。在进一步的实施例中，降噪结构502具有与介电层114高的折射率。在进一步的实施例中，降噪结构502可以包括例如氮化物(例如，SiN)、氮氧化物(例如，SiOXNY)，或其类似者。
在一些实施例中，多个降噪结构502中的每一者可与金属栅116的其中降噪结构设置于其间的邻近部分大致均匀地间隔开。在进一步的实施例中，多个降噪结构502的上表面与介电层114的上表面共面。在又另外的实施例中，第一多个滤光器118、图案化蚀刻终止层306和/或第一滤光器栅结构120可以设置于降噪结构502上。
图6说明图3的图像传感器的一些其它实施例的横截面视图。
如图6中所示，第二多个滤光器602设置于第二滤光器栅结构604中。在一些实施例中，第二多个滤光器602包括具有第三折射率的第二滤光材料。第二滤光材料可以包括例如光致抗蚀剂(例如，正型/负型光致抗蚀剂)，其包括染料/颜料、分散剂聚合物、聚合单体、和/或其它化学物质(例如，用于聚合反应的化学物质)。在进一步的实施例中，第二滤光材料和第一滤光材料可以是同一种材料。在其它实施例中，第二滤光材料和第一滤光材料可以是不同材料。在进一步的实施例中，第二滤光器栅结构604与第一滤光器栅结构120的组合高度大于约0.8微米。更具体地，在一些实施例中，第二滤光器栅结构604和第一滤光器栅结构120的合并高度介于约0.8微米与约2.0微米之间。
在一些实施例中，第三折射率可以介于约1.4与约4之间。在进一步的实施例中，第三折射率可以与第一折射率大致相同。在其它实施例中，第三折射率可以不同于第一折射率。在进一步的实施例中，第二多个滤光器602对光而言是至少部分半透明的。
在一些实施例中，第二滤光器栅结构604包括具有小于第三折射率的第四折射率的第二介电材料。在进一步的实施例中，第二滤光器栅结构604可以包括例如氧化物(例如，SiO2)、氮化物(例如，SiN)、氮氧化物(例如，SiOXNY)，或其类似者。在进一步的实施例中，第二介电材料和第一介电材料可以是同一种材料。在其它实施例中，第二介电材料和第一介电材料可以是不同材料。
在一些实施例中，第三折射率平方减去第四折射率平方小于0.25。在进一步的实施例中，第四折射率可以与第二折射率大致相同。在其它实施例中，第四折射率可不同于第二折射率。在进一步的实施例中，第二滤光器栅结构604对光而言是至少部分半透明的。
在一些实施例中，可以选择性地调整第一折射率、第二折射率、第三折射率和/或第四折射率。在进一步的实施例中，可以通过例如选择性地挑选用于第一滤光材料的特定材料(例如，挑选氧化物或氮化物)，选择性地挑选第一滤光材料的特定组合物(例如，挑选第一滤光材料中特定量的染料/颜料)或其类似者来选择性地调整第一折射。在进一步的实施例中，第三折射率可以通过与第一折射率大致类似的方式来选择性地调整。在进一步的实施例中，可以通过例如选择性地挑选用于第二滤光材料的特定材料(例如，挑选氧化物或氮化物)；选择性地挑选第二滤光材料的特定组合物(例如，挑选第二滤光材料的特定孔隙率)；形成其多个层具有不同折射率的第一滤光器栅结构120(例如，其第一层被第二层覆盖)，使得所述多个层的折射率为特定第二折射率；或其类似者来选择性地调整第二折射率。在进一步的实施例中，第四折射率可以通过与第二折射率大致类似的方式选择性地调整。
在一些实施例中，第一界面层124设置于第二多个滤光器602与第二滤光器栅结构604两者上。在此类实施例中，第一界面层124会填补第二多个滤光器602与第二滤光器栅结构604之间在高度方面的差异。
在一些实施例中，第二界面层606将第一多个滤光器118和第一滤光器栅结构120从第二多个滤光器602和第二滤光器栅结构604分离。在进一步的实施例中，第二界面层606具有实质平坦上表面。在进一步的实施例中，第二界面层606被配置成提供一或多个层可以随后在其上形成的实质平坦上表面，使得所述一或多个后续层可以形成有实质平坦上表面。举例来说，第二界面层606可以具有实质平坦上表面，同时设置于包括第一滤光器栅结构120的上表面和第一多个滤光器118的上表面的非平面表面上。在进一步的实施例中，第二界面层606可具有自动平整(self-leveling)特性，使得第二界面层606填补第一多个滤光器118与第一滤光器栅结构120之间在高度方面的差异。
在一些实施例中，第二界面层606可以包含例如旋涂式电介质(例如，SiO2)、光致抗蚀剂(例如，正型/负型光致抗蚀剂)、树脂(例如，酚甲醛树脂、环氧树脂等)、聚合物，或其类似者。在进一步的实施例中，第二界面层606和第一界面层124可以是同一种材料。在其它实施例中，第二界面层606和第一界面层124可以是不同材料。
在一些实施例中，第二多个滤光器602和第二滤光器栅结构604会设置于第二界面层606上。在进一步的实施例中，第二多个滤光器602可以是彩色滤光器。在进一步的实施例中，第二多个滤光器602可以是被配置成对具有IR波长的入射辐射进行过滤的IR滤光器。在进一步的实施例中，第二多个滤光器602可以包括彩色滤光器与IR滤光器的组合。
在中心区302中，在一些实施例中，第二滤光器栅结构604的布局可与第一滤光器栅结构120的布局大致垂直对准。在外围区304中，在一些实施例中，第二滤光器栅结构604的布局可以朝着中心区302偏移第三距离D3。在进一步的实施例中，第三距离D3小于或等于多个光电探测器102中的一者的宽度的约一半。在又另外的实施例中，第三距离D3与第二距离D2会大致相同。在其它实施例中，第三距离D3会与第二距离D2不同。
在一些实施例中，当波导滤波器112包括第二滤光器栅结构604和第一滤光器栅结构120时，波导滤波器112可以通过例如使外围区304中的第二滤光器栅结构604的布局关于外围区304中的第一滤光器栅结构120的布局偏移(例如，朝着中心区302或远离中心区302偏移)来进一步提高图像传感器的边缘性能。另外，当波导滤波器112包括第二多个滤光器602和第一多个滤光器118两者时，由于包括第二多个滤光器602或第一多个滤光器118中仅一者的波导滤波器112对所述波导滤波器112可以滤波的入射辐射的一定范围的波长进行滤波，所述波导滤波器112可以用于额外的图像传感器应用中。
图7A到图7B说明图1A到图1B的图像传感器的一些其它实施例的各个视图。图7A说明沿图7B的线A-A截取的横截面视图。图7B说明面对半导体衬底的背侧的图像传感器的视图。
如图7A到图7B中所示，一组光电探测器702设置于半导体衬底104中。在一些实施例中，该组光电探测器702中的多个光电探测器102是以包括一或多行和一或多列的光电探测器阵列进行布置。举例来说，光电探测器阵列可以包括两列和两行(例如，2×2结构)。应了解，光电探测器阵列可以包括行与列的其它组合，例如一行与两列(例如，2×1结构)。
在一些实施例中，常见滤光器704设置于一组光电探测器702上。在进一步的实施例中，常见滤光器704至少部分地覆盖一组光电探测器702。因为常见滤光器704至少部分地覆盖一组光电探测器702，所以图像传感器100能够检测入射辐射聚焦到一组光电探测器702中的多个光电探测器102上的情况的差异。因此，图像传感器100可具有自动聚焦功能(例如，相位检测自动聚焦)。
在一些实施例中，常见滤光器704可覆盖一组光电探测器702中的多个光电探测器102中的每一者的部分。在进一步的实施例中，常见滤光器704可以集中设置于一组光电探测器702上方，使得常见滤光器704覆盖一组光电探测器702中的多个光电探测器102中的每一者的尺寸大致类似的部分。在进一步的实施例中，第一多个滤光器118可设置在常见滤光器704的侧面周围。在此类实施例中，设置于常见滤光器704的相对侧面上的第一多个滤光器118中的滤光器可与常见滤光器704间隔大致相同距离。
图8A至8B说明图7A至7B的图像传感器的一些实施例的各个视图。图8A说明沿图8B的线A-A截取的横截面视图。图8B说明面对半导体衬底的背侧的图像传感器的视图。
如图8A至8B中所示，常见滤光器704在侧向方向上(例如，沿x轴)偏移。在一些实施例中，设置在704常见滤光器的侧面周围的第一多个滤光器118可以在侧向方向上偏移。在进一步的实施例中，常见滤光器704在侧向方向上可比第一多个滤光器118偏移更远的距离。在进一步的实施例中，常见滤光器704可覆盖一组光电探测器702中的多个光电探测器102中的一些的各部分，并且不会覆盖一组光电探测器702中的多个光电探测器102中的一些其它光电探测器的各部分。
在一些实施例中，第一滤光器栅结构120的各部分会具有不同宽度。举例来说，在一些实施例中，第一滤光器栅结构120的第一部分设置于常见滤光器704的第一侧上，且第一滤光器栅结构120的第二部分设置于常见滤光器704的与第一侧相对的第二侧上。在此类实施例中，第一滤光器栅结构120的第一部分的宽度可大于第一滤光器栅结构120的第二部分。
在进一步的实施例中，金属栅116的各部分会具有不同宽度。举例来说，在一些实施例中，金属栅116的第一部分设置于常见滤光器704的第一侧上，且金属栅116的第二部分设置于常见滤光器704的第二侧上。在此类实施例中，金属栅116的第一部分的宽度可大于金属栅116的第二部分。
图9到图19说明用于形成图6的图像传感器的方法的一些实施例的一系列横截面视图。
如图9中所示，隔离结构110形成于半导体衬底104上方/半导体衬底104中。在一些实施例中，隔离结构110形成于半导体衬底104的背侧104b上。在进一步的实施例中，用于形成隔离结构110的工艺包括选择性地蚀刻半导体衬底104以在半导体衬底104中形成从半导体衬底104的背侧104b延伸到半导体衬底104中的沟槽。在一些实施例中，通过在半导体衬底104的背侧104b上形成遮蔽层(未图示)，且随后使半导体衬底104暴露于被配置成移除半导体衬底104的未遮蔽部分的蚀刻剂，选择性地蚀刻半导体衬底104。此后，在一些实施例中，剥离遮蔽层。
随后，介电层沉积或生长在半导体衬底104的背侧104b上以及沟槽中，从而形成隔离结构110。在一些实施例中，介电层可以通过例如化学气相沉积(chemical vapordeposition,CVD)、物理气相沉积(physical vapor deposition,PVD)、原子层沉积(atomiclayer deposition,ALD)、热氧化、溅镀、一些其它沉积或生长工艺，或前述各者的组合而沉积或生长。在进一步的实施例中，介电材料可以包括例如氧化物(例如，SiO2)、氮化物(例如，SiN)、氮氧化物(例如，SiOXNY)，或其类似者。在进一步的实施例中，可以在隔离结构110上执行平坦化工艺(例如，化学-机械平坦化(chemical-mechanical planarization,CMP))以形成实质平坦上表面。
如图10中所示，金属栅116形成于隔离结构110上方。在一些实施例中，用于形成金属栅116的工艺包括在隔离结构110上沉积导电层(未图示)。在进一步的实施例中，导电层可以通过例如CVD、PVD、ALD、溅镀、电化学镀敷、无电极电镀、一些其它沉积工艺或前述各者的组合沉积于隔离结构110上。在进一步的实施例中，导电层可包含例如钨、铜、铝或其类似者。此后，通过在导电层上形成遮蔽层(未图示)且随后使导电层暴露于被配置成移除导电层的未遮蔽部分的蚀刻剂来选择性地蚀刻导电层，从而形成金属栅116。在一些实施例中，随后剥离遮蔽层。
如图11中所示，介电层114形成于金属栅116和隔离结构110上方。在一些实施例中，用于形成介电层114的工艺包括在金属栅116和隔离结构110上沉积介电层114。在进一步的实施例中，介电层114可以通过例如CVD、PVD、ALD、溅镀、一些其它沉积工艺或前述各者的组合沉积。在进一步的实施例中，可以在介电层114上执行平坦化工艺(例如，CMP)以形成实质平坦上表面。
如图12中所示，蚀刻终止层1202形成于介电层114上方。在一些实施例中，用于形成蚀刻终止层1202的工艺包括在介电层114上沉积蚀刻终止层1202。在进一步的实施例中，蚀刻终止层1202可以通过例如CVD、PVD、ALD、溅镀、一些其它沉积工艺或前述各者的组合沉积。在进一步的实施例中，蚀刻终止层1202可包括例如氧化物(例如，SiO2)、氮化物(例如，SiN)、氮氧化物(例如，SiOXNY)，或其类似者。
此外示出于图12中，第一滤光器栅层1204形成于蚀刻终止层1202上方。在一些实施例中，用于形成第一滤光器栅层1204的工艺包括沉积第一滤光器栅层1204到蚀刻终止层1202上。在一些实施例中，第一滤光器栅层1204可以通过例如CVD、PVD、ALD、溅镀、一些其它沉积工艺或前述各者的组合沉积于蚀刻终止层1202上。在一些实施例中，第一滤光器栅层1204可包括例如氧化物(例如，SiO2)、氮化物(例如，SiN)、氮氧化物(例如，SiOXNY)，或其类似者。在进一步的实施例中，第一滤光器栅层1204对光而言是至少部分半透明的。
如图13中所示，第一滤光器栅结构120和图案化蚀刻终止层306形成于介电层114上方。此外，在形成第一滤光器栅结构120和图案化蚀刻终止层306的过程中，多个第一滤光器沟槽1302形成于介电层114上方。在一些实施例中，多个第一滤光器沟槽1302中的每一者由介电层114的上表面、第一滤光器栅结构120的侧壁以及图案化蚀刻终止层306的侧壁界定。
在一些实施例中，用于形成第一滤光器栅结构120和图案化蚀刻终止层306的工艺包括选择性地蚀刻第一滤光器栅层1204(参见例如图12)和蚀刻终止层1202(参见例如图12)。在进一步的实施例中，可以通过在第一滤光器栅层1204上形成遮蔽层(未图示)且随后使第一滤光器栅层1204暴露于被配置成移除第一滤光器栅层1204的未遮蔽部分和蚀刻终止层1202的未遮蔽部分的蚀刻剂来选择性蚀刻第一滤光器栅层1204和蚀刻终止层1202，从而形成第一滤光器栅结构120和图案化蚀刻终止层306。在一些实施例中，随后剥离遮蔽层。应了解，在一些实施例中，可以执行多个蚀刻工艺，以形成第一滤光器栅结构120和图案化蚀刻终止层306。
如图14中所示，第一多个滤光器118形成于介电层114上方并形成于第一滤光器栅结构120中。在一些实施例中，用于形成第一多个滤光器118的工艺包括在多个第一滤光器沟槽1302中(参见例如图13)以及在介电层114上沉积第一滤光材料。在一些实施例中，第一滤光材料可以通过例如旋涂工艺、CVD、一些其它沉积工艺或前述各者的组合沉积。在进一步的实施例中，在多个第一滤光器沟槽1302中沉积第一滤光材料会使第一多个滤光器118的上表面与第一滤光器栅结构120的上表面是非平面的(例如由于第一滤光材料是通过旋涂工艺沉积)。
在一些实施例中，第一多个滤光器118(以及因此第一滤光材料)可以形成有第一折射率。在进一步的实施例中，第一折射率会介于约1.4与约4之间。在进一步的实施例中，第一滤光器栅结构120(以及因此第一滤光器栅层1204)可以形成有小于第一折射率的第二折射率。在进一步的实施例中，第一折射率的平方减去第二折射率的平方小于约0.25。
如图15中所示，第二界面层606形成于第一多个滤光器118和第一滤光器栅结构120上方。在一些实施例中，用于形成第二界面层606的工艺包括在第一多个滤光器118和第一滤光器栅结构120上沉积第二界面层606。在进一步的实施例中，第二界面层606可以通过例如旋涂工艺、CVD或一些其它沉积工艺沉积。在进一步的实施例中，第二界面层606可以形成有实质平坦上表面。在进一步的实施例中，第二界面层606可以形成于非平面表面上，所述非平面表面包括第一多个滤光器118的上表面和第一滤光器栅结构120的上表面。
此外示出于图15中，第二滤光器栅层1502形成于第二界面层606上方。在一些实施例中，用于形成第二滤光器栅层1502的工艺包括在第二界面层606上沉积第二滤光器栅层1502。在一些实施例中，第二滤光器栅层1502可以通过例如CVD、PVD、ALD、溅镀、一些其它沉积工艺或前述各者的组合沉积于第二界面层606上。在一些实施例中，第二滤光器栅层1502可以包括例如氧化物(例如，SiO2)、氮化物(例如，SiN)、氮氧化物(例如，SiOXNY)，或其类似者。在进一步的实施例中，第二滤光器栅层1502对光而言是至少部分半透明的。
如图16中所示，第二滤光器栅结构604形成于第二界面层606上方。此外，在形成第二滤光器栅结构604的过程中，多个第二滤光器沟槽1602形成于第二界面层606上方。在一些实施例中，多个第二滤光器沟槽1602中的每一者由第二界面层606的上表面和第二滤光器栅结构604的侧壁界定。
在一些实施例中，用于形成第二滤光器栅结构604的工艺包括选择性地蚀刻第二滤光器栅层1502(参见例如图15)。在进一步的实施例中，可以通过在第二滤光器栅层1502上形成遮蔽层(未图示)以及随后使第二滤光器栅层1502暴露于被配置成移除第二滤光器栅层1502的未遮蔽部分的蚀刻剂来选择性地蚀刻第二滤波器栅层1502，从而形成第二滤光器栅结构604。在一些实施例中，随后剥离遮蔽层。
如图17中所示，第二多个滤光器602形成于第二界面层606上方并形成于第二滤光器栅结构604中。在一些实施例中，用于形成第二多个滤光器602的工艺包括在多个第二滤光器沟槽1602(参见例如图15)中以及在第二界面层606上沉积第二滤光材料。在一些实施例中，第二滤光材料可以通过例如旋涂工艺、CVD、一些其它沉积工艺或前述各者的组合沉积。在进一步的实施例中，在第二滤光器沟槽1602中沉积第二滤光材料会使第二多个滤光器602的上表面与第二滤光器栅结构604的上表面是非平面的(例如，由于第二滤光材料是通过旋涂工艺沉积)。
在一些实施例中，第二多个滤光器602(以及因此第二滤光材料)可以形成有第三折射率。在进一步的实施例中，第三折射率可以介于约1.4与约4之间。在进一步的实施例中，第二滤光器栅结构604(以及因此第二滤光器栅层1502)可以形成有小于第三折射率的第四折射率。在进一步的实施例中，第三折射率的平方减去第四折射率的平方小于约0.25。
如图18中所示，第一界面层124形成于第二多个滤光器602和第二滤光器栅结构604上方。在一些实施例中，用于形成第一界面层124的工艺包括在第二多个滤光器602和第二滤光器栅结构604上沉积第一界面层124。在进一步的实施例中，第一界面层124可以通过例如旋涂工艺、CVD或一些其它沉积工艺沉积。在进一步的实施例中，第一界面层124可以形成有实质平坦上表面。在进一步的实施例中，第一界面层124可以形成于非平面表面上，所述非平面表面包括第二多个滤光器602的上表面和第二滤光器栅结构604的上表面。
如图19中所示，抗反射涂层126(ARC)形成于第一界面层124上。在一些实施例中，用于形成ARC 126的工艺包括在第一界面层124上沉积ARC 126。在进一步的实施例中，ARC126可以通过例如CVD、PVD、ALD、溅镀、一些其它沉积工艺或前述各者的组合沉积于第一界面层124上。在进一步的实施例中，ARC 126形成有实质平坦上表面。在进一步的实施例中，至少部分地归因于第一界面层124的实质平坦上表面，ARC 126可以形成有实质平坦上表面。在进一步的实施例中，在ARC 126形成之后，完成波导滤波器112的形成。
如图20中所示，提供一种用于形成图像传感器的方法的一些实施例的流程图2000，所述图像传感器包括具有实质平坦上表面的波导滤波器。虽然图20的流程图2000在本文中示出且描述为一系列动作或事件，但应了解，这些动作或事件的所示次序不应以限制意义来解释。举例来说，除本文中所示出和/或所描述的动作或事件之外，一些动作可与其它动作或事件以不同次序和/或同时出现。此外，并非需要所有所示的动作来实施本文中的描述的一或多个方面或实施例，且可在一或多个单独动作及/或阶段中执行本文中所描绘的动作中的一或多者。
在2002处，隔离结构形成于半导体衬底上方/半导体衬底中，其中隔离结构延伸至多个光电探测器之间的半导体衬底中。图9说明对应于动作2002的一些实施例的横截面视图。
在2004处，金属栅形成于隔离结构上方。图10说明对应于动作2004的一些实施例的横截面视图。
在2006处，介电层形成于金属栅和隔离结构上方。图11说明对应于动作2006的一些实施例的横截面视图。
在2008处，具有实质平坦上表面的波导滤波器形成于介电层上方。波导滤波器包括具有第一折射率的滤光器栅结构和具有小于第一折射率的第二折射率的多个滤光器。图12至19说明对应于动作2008的一些实施例的一系列横截面视图。
因为第一折射率大于第二折射率，所以入射到多个滤光器的光分别被限制于多个滤光器(例如，由于全内反射)并且被引导到多个光电探测器上。另外，因为第二折射率小于第一折射率，所以入射到滤光器栅结构的光被引导至多个滤光器并且朝着多个光电探测器折射，从而将入射到第一滤光器栅结构的光引导到多个光电探测器上。因此，波导滤波器会具有实质平坦上表面，并且将入射辐射聚焦到多个光电探测器上，从而减少由按比例缩小的微透镜所导致的负绕射效应。因此，波导滤波器可提高具有按比例缩小的特征尺寸(例如小于约1微米(μm))的互补金属氧化物半导体图像传感器(CIS)的量子效率(QE)。
在一些实施例中，本揭露提供图像传感器。图像传感器包括设置于半导体衬底中的光电探测器。具有实质平坦上表面的波导滤波器设置于光电探测器上方。波导滤波器包括设置于滤光器栅结构中的滤光器。滤光器包括半透明并具有第一折射率的第一材料。滤光器栅结构包括半透明并具有小于第一折射率的第二折射率的第二材料。
在一些实施例中，第一折射率的平方减去第二折射率的平方大于约0.25。
在一些实施例中，波导滤波器包括抗反射涂层。抗反射涂层设置于滤光器以及滤光器栅结构两者上方。抗反射涂层具有实质平坦上表面。
在一些实施例中，波导滤波器包括界面层。界面层具有设置于滤光器与滤光器栅结构上的实质平坦上表面。抗反射涂层设置于界面层的实质平坦上表面上。界面层具有在滤光器上方的第一高度及在滤光器栅结构上方不同于第一高度的第二高度。
在一些实施例中，波导滤波器设置于半导体衬底的背侧上。
在一些实施例中，互连结构设置于半导体衬底的前侧上。半导体衬底的前侧与半导体衬底的背侧相对。
在一些实施例中，图像传感器进一步包括隔离结构以及金属栅。隔离结构设置于半导体衬底的背侧上。离结构包括：上部区以及背侧深沟槽隔离结构。上部区将半导体衬底的背侧与滤光器及滤光器栅结构两者分离。背侧深沟槽隔离结构在光电探测器的相对侧面上从上部区延伸到半导体衬底中。金属栅设置于隔离结构中。隔离结构的上部区设置于金属栅的上表面与滤光器及滤光器栅结构两者的底部表面之间。
在一些实施例中，波导滤波器包括蚀刻终止层。蚀刻终止层设置于隔离结构上。蚀刻终止层将滤光器栅结构与隔离结构的上部区分离。
在一些实施例中，滤光器的高度大于约0.8微米。
在一些实施例中，光电探测器具有第一宽度。滤光器具有介于第一宽度的约1/6与第一宽度的约1/3之间的第二宽度。
在一些实施例中，滤光器的高度介于约0.8微米与约2微米之间。
在其它实施例中，本揭露提供图像传感器。图像传感器包括设置于半导体衬底中的光电探测器。第一滤光器栅结构设置于半导体衬底的背侧上。半导体衬底的背侧与半导体衬底的前侧相对。金属化结构设置于半导体衬底的前侧上。第一滤光器设置于第一滤光器栅结构中。介电层设置于半导体衬底的背侧上，并设置于光电探测器与第一滤光器之间。金属栅设置于介电层中，其中金属栅包括设置于光电探测器的第一侧上的第一部分和设置于与光电探测器的第一侧相对的光电探测器的第二侧上的第二部分。
在一些实施例中，图像传感器进一步包括降噪结构。降噪结构设置于第一滤光器与半导体衬底的背侧之间。降噪结构设置于金属栅的第一部分与金属栅的第二部分之间。
在一些实施例中，降噪结构至少部分地覆盖光电探测器。
在一些实施例中，介电层是第一材料。降噪结构是不同于第一材料的第二材料。
在一些实施例中，金属栅的第一部分具有第一宽度。金属栅的第二部分具有小于第一宽度的第二宽度。
在一些实施例中，第一滤光器栅结构的第一区设置于光电探测器的第一侧上。第一滤光器栅结构的第一区具有大于第二宽度的第三宽度。第一滤光器栅结构的第二区设置于光电探测器的第二侧上。第一滤光器栅结构的第二区具有小于第一宽度的第四宽度。
在一些实施例中，图像传感器进一步包括第一界面层、第二滤光器栅结构、第二滤光器、第二界面层以及抗反射涂层。第一界面层设置于第一滤光器以及第一滤光器栅结构两者上方。第二滤光器栅结构设置于第一界面层上。第二滤光器设置于第二滤光器栅结构中以及第一界面层上。第一界面层将第二滤光器栅结构以及第二滤光器两者与第一滤光器以及第一滤光器栅结构两者分离。第二界面层具有设置于第二滤光器栅结构及第二滤光器两者上方实质平坦上表面。抗反射涂层设置于第二界面层的实质平坦上表面上。
在一些实施例中，第一滤光器是彩色滤光器。第二滤光器是红外滤波器。
在其它实施例中，本揭露提供用于形成图像传感器的方法。所述方法包括在半导体衬底上形成隔离结构。金属栅形成于隔离结构上。介电层形成在隔离结构上并覆盖金属栅。第一滤光器栅结构形成于介电层上方。第一滤光器形成于第一滤光器栅结构中。第一界面层形成在第一滤光器栅结构和第一滤光器两者上方。第二滤光器栅构形成于第一界面层上方。第二滤光器形成于第二滤光器栅结构中。第二界面层形成在第二滤光器栅结构和第二滤光器两者上方。抗反射涂层(ARC)形成在第二界面层上方，其中ARC形成有实质平坦上表面。
抗反射涂层(ARC)形成在界面层的实质平坦上表面上，其中ARC形成有实质平坦上表面。
前文概述若干实施例的特征以使本领域的技术人员可更好地理解本揭露的各方面。本领域的技术人员应了解，其可以易于使用本揭露作为设计或修改用于进行本文中所介绍的实施例的相同目的和/或实现相同优势的其它过程和结构的基础。本领域的技术人员还应意识到，此类等效构造并不脱离本揭露的精神及范围，且其可在不脱离本揭露的精神和范围的情况下在本文中进行各种改变、替代及更改。

Claims (10)

1.一种图像传感器，包括：
设置于半导体衬底中的光电探测器；以及
具有实质平坦上表面的波导滤波器，设置于所述光电探测器上方，所述波导滤波器包括设置于滤光器栅结构中的滤光器，其中：
所述滤光器包括半透明以及具有第一折射率的第一材料；以及
所述滤光器栅结构包括半透明以及具有小于所述第一折射率的第二折射率的第二材料。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述波导滤波器包括：
抗反射涂层，设置于所述滤光器以及所述滤光器栅结构两者上方，所述抗反射涂层具有实质平坦上表面。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述波导滤波器包括：
界面层，具有设置于所述滤光器与所述滤光器栅结构上的实质平坦上表面，其中所述抗反射涂层设置于所述界面层的所述实质平坦上表面上，以及其中所述界面层具有在所述滤光器上方的第一高度及在所述滤光器栅结构上方不同于所述第一高度的第二高度。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述波导滤波器设置于所述半导体衬底的背侧上。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中互连结构设置于所述半导体衬底的前侧上，所述半导体衬底的所述前侧与所述半导体衬底的所述背侧相对。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，进一步包括：
隔离结构，设置于所述半导体衬底的所述背侧上，其中所述隔离结构包括：
上部区，其中所述上部区将所述半导体衬底的所述背侧与所述滤光器及所述滤光器栅结构两者分离；以及
背侧深沟槽隔离结构，其中所述背侧深沟槽隔离结构在所述光电探测器的相对侧面上从所述上部区延伸到所述半导体衬底中；以及
金属栅，设置于所述隔离结构中，其中所述隔离结构的所述上部区设置于所述金属栅的上表面与所述滤光器及所述滤光器栅结构两者的底部表面之间。
7.一种图像传感器，包括：
光电探测器，设置于半导体衬底中；
第一滤光器栅结构，设置于所述半导体衬底的背侧上方，所述半导体衬底的所述背侧与所述半导体衬底的前侧相对，其中金属化结构设置于所述半导体衬底的所述前侧上；
第一滤光器，设置于所述第一滤光器栅结构中；
介电层，设置于所述半导体衬底的所述背侧上方以及设置于所述光电探测器与所述第一滤光器之间；以及
金属栅，设置于所述介电层中，其中所述金属栅包括设置于所述光电探测器的第一侧上的第一部分及设置于与所述光电探测器的所述第一侧相对的所述光电探测器的第二侧上的第二部分。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，进一步包括：
降噪结构，所述降噪结构设置于所述第一滤光器与所述半导体衬底的所述背侧之间，所述降噪结构设置于所述金属栅的所述第一部分与所述金属栅的所述第二部分之间。
9.根据权利要求7所述的图像传感器，进一步包括：
第一界面层，设置于所述第一滤光器以及所述第一滤光器栅结构两者上方；
第二滤光器栅结构，设置于所述第一界面层上；
第二滤光器，设置于所述第二滤光器栅结构中以及所述第一界面层上，其中所述第一界面层将所述第二滤光器栅结构以及所述第二滤光器两者与所述第一滤光器以及所述第一滤光器栅结构两者分离；
第二界面层，具有设置于所述第二滤光器栅结构及所述第二滤光器两者上方实质平坦上表面；以及
抗反射涂层，设置于所述第二界面层的所述实质平坦上表面上。
10.一种用于形成图像传感器的方法，包括：
在半导体衬底上形成隔离结构；
在所述隔离结构上形成金属栅；
在所述隔离结构上形成介电层并覆盖所述金属栅；
在所述介电层上方形成第一滤光器栅结构；
在所述第一滤光器栅结构中形成第一滤光器；
在所述第一滤光器栅结构以及所述第一滤光器两者上方形成第一界面层；
在所述第一界面层上方形成第二滤光器栅结构；
在所述第二滤光器栅结构中形成第二滤光器；
在所述第二滤光器栅结构及所述第二滤光器两者上方形成第二界面层；以及
在所述第二界面层上方形成抗反射涂层，其中所述抗反射涂层被形成为具有实质平坦上表面。
CN201910794239.3A 2018-09-26 2019-08-27 图像传感器以及用于形成图像传感器的方法 Active CN110957337B (zh)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201862736779P 2018-09-26 2018-09-26
US62/736,779 2018-09-26
US16/416,583 US11233081B2 (en) 2018-09-26 2019-05-20 Wave guide filter for semiconductor imaging devices
US16/416,583 2019-05-20

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110957337A true CN110957337A (zh) 2020-04-03
CN110957337B CN110957337B (zh) 2024-01-26

Family

ID=69883699

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910794239.3A Active CN110957337B (zh) 2018-09-26 2019-08-27 图像传感器以及用于形成图像传感器的方法

Country Status (3)

Country Link
US (3) US11233081B2 (zh)
CN (1) CN110957337B (zh)
TW (1) TWI713210B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10847564B1 (en) * 2019-07-24 2020-11-24 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Charge release layer to remove charge carriers from dielectric grid structures in image sensors
CN117296153A (zh) * 2021-03-26 2023-12-26 索尼半导体解决方案公司 光检测装置和电子设备
US12046609B2 (en) 2021-10-07 2024-07-23 Visera Technologies Company Limited Solid-state image sensor

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201308585A (zh) * 2011-07-28 2013-02-16 Sony Corp 固體攝像元件及攝像系統
US20140210030A1 (en) * 2013-01-25 2014-07-31 Sony Corporation Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device
US20160043120A1 (en) * 2014-08-06 2016-02-11 Jung Chak Ahn Pixel, image sensor including the same, and portable electronic device including the image sensor
US20160276394A1 (en) * 2015-03-20 2016-09-22 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Composite grid structure to reduce crosstalk in back side illumination image sensors
CN106057835A (zh) * 2015-04-16 2016-10-26 台湾积体电路制造股份有限公司 用于光聚焦的介电栅格底部轮廓
CN106057832A (zh) * 2015-04-16 2016-10-26 台湾积体电路制造股份有限公司 用于使光输入更为一致的堆叠栅格

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8940574B2 (en) * 2012-04-17 2015-01-27 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Metal grid in backside illumination image sensor chips and methods for forming the same
US20140339606A1 (en) * 2013-05-16 2014-11-20 Visera Technologies Company Limited Bsi cmos image sensor
US9437645B1 (en) * 2015-03-20 2016-09-06 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Composite grid structure to reduce cross talk in back side illumination image sensors

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201308585A (zh) * 2011-07-28 2013-02-16 Sony Corp 固體攝像元件及攝像系統
US20140210030A1 (en) * 2013-01-25 2014-07-31 Sony Corporation Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device
US20160043120A1 (en) * 2014-08-06 2016-02-11 Jung Chak Ahn Pixel, image sensor including the same, and portable electronic device including the image sensor
US20160276394A1 (en) * 2015-03-20 2016-09-22 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Composite grid structure to reduce crosstalk in back side illumination image sensors
CN105990384A (zh) * 2015-03-20 2016-10-05 台湾积体电路制造股份有限公司 减少背照式图像传感器中的串扰的复合栅格结构
CN106057835A (zh) * 2015-04-16 2016-10-26 台湾积体电路制造股份有限公司 用于光聚焦的介电栅格底部轮廓
CN106057832A (zh) * 2015-04-16 2016-10-26 台湾积体电路制造股份有限公司 用于使光输入更为一致的堆叠栅格

Also Published As

Publication number Publication date
US20240088182A1 (en) 2024-03-14
US20220139983A1 (en) 2022-05-05
CN110957337B (zh) 2024-01-26
US11233081B2 (en) 2022-01-25
US11862650B2 (en) 2024-01-02
TW202013705A (zh) 2020-04-01
TWI713210B (zh) 2020-12-11
US20200098813A1 (en) 2020-03-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102050016B1 (ko) 이미지 센서용 흡수 강화 구조체를 형성하는 방법
KR102204728B1 (ko) Spad 이미지 센서 및 연관 제조 방법
EP2245662B1 (en) Image sensor reflector
US11004886B2 (en) Stacked grid design for improved optical performance and isolation
KR102208880B1 (ko) 이미지 센서 디바이스들에 대한 컬러 필터 균일도
US11127774B2 (en) Image sensor and associated fabricating method
US11862650B2 (en) Wave guide filter for semiconductor imaging devices
US9130072B1 (en) Backside illuminated image sensor and method of manufacturing the same
US11276716B2 (en) Image sensor with improved near-infrared (NIR) radiation phase-detection autofocus (PDAF) performance
US11335726B2 (en) Lens structure configured to increase quantum efficiency of image sensor
CN114695403A (zh) 集成电路、像素传感器及其形成方法
US9721983B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
US9269733B2 (en) Image sensor device with improved quantum efficiency
CN114388539A (zh) 集成芯片及其形成方法
KR102420729B1 (ko) 이미지 센서의 양자 효율을 증가시키도록 구성되는 렌즈 구조물
US20240055462A1 (en) Image sensor device and manufacturing method thereof
US12027554B2 (en) Composite deep trench isolation structure in an image sensor
CN115207007A (zh) 图像传感器集成芯片及其形成方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TG01 Patent term adjustment