CN111710686B - 一种图像传感器及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种图像传感器及其形成方法，该方法包括以下步骤：提供一包含光电二极管阵列的半导体基材，相邻所述光电二极管之间具有隔离结构，接着在所述半导体基材上形成电路布线层，接着对所述半导体基材进行减薄处理；接着在半导体基材的第二表面上形成钝化层以及减反射层；接着在所述减反射层上形成滤光层，通过蚀刻工艺以形成滤光单元，且在相邻的所述滤光单元之间形成间隙；接着对所述滤光单元进行热处理使得所述滤光单元热膨胀，进而使得相邻的所述滤光单元之间的所述间隙的尺寸减小；在保持热处理的温度不变的条件下，在所述滤光单元的侧壁上形成凹槽，接着在所述凹槽和所述间隙中一体形成栅格结构；接着在所述滤光单元上形成透镜结构。
Description
技术领域
本发明涉及半导体封装技术领域，特别是涉及一种图像传感器及其形成方法。
背景技术
图像传感器是一种将光信号转换为电信号的半导体器件。现有的图像传感器分为电荷耦合器件CCD图像传感器和互补金属氧化物CMOS图像传感器。CCD图像传感器特有的工艺，具有低照度效果好、信噪比高、通透感强、色彩还原能力佳等优点，在交通、医疗等高端领域中广泛应用。由于其成像方面的优势，在很长时间内还会延续采用，但同时由于其成本高、功耗大也制约了其市场发展的空间；CMOS图像传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，具有集成度高、功耗小、速度快、成本低等特点，最近几年在宽动态、低照度方面发展迅速。CMOS即互补性金属氧化物半导体，主要是利用硅和锗两种元素所做成的半导体，通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能。这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。现有的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，在背照式图像传感器中，光从图像传感器的背面入射到图像传感器中的感光二极管上，从而将光信号转换为电信号。而随着背照式图像传感器的像素尺寸减小，其性能受到了影响。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种图像传感器及其形成方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种图像传感器的形成方法，包括以下步骤：
1)提供一包含光电二极管阵列的半导体基材，相邻所述光电二极管之间具有隔离结构，所述半导体基材包括第一表面和第二表面。
2)接着在所述半导体基材的所述第一表面上形成电路布线层，所述电路布线层与所述半导体基材中的光电二极管电连接。
3)接着从所述半导体基材的所述第二表面对所述半导体基材进行减薄处理。
4)接着在半导体基材的第二表面上形成钝化层。
5)接着在所述钝化层上形成减反射层。
6)接着在所述减反射层上形成滤光层，通过蚀刻工艺以形成滤光单元，，且在相邻的所述滤光单元之间形成间隙。
7)接着对所述滤光单元进行热处理使得所述滤光单元热膨胀，进而使得相邻的所述滤光单元之间的所述间隙的尺寸减小。
8)在保持热处理的温度不变的条件下，在所述滤光单元的侧壁上形成凹槽，接着在所述凹槽和所述间隙中一体形成栅格结构。
9)接着在所述滤光单元上形成透镜结构。
作为优选，在所述步骤1)中，所述半导体基材的材质是单晶硅、单晶锗、多晶硅、多晶锗、非晶硅、锗化硅或砷化镓。
作为优选，在所述步骤2)中，所述电路布线层包括依次层叠的第一介电层、第一金属导电层、第二介电层、第二金属导电层以及第三介电层，所述第一金属导电层通过所述第一介电层中的开口与所述光电二极管电连接，所述第二金属导电层通过所述第二介电层中的开口与所述第一金属导电层电连接，所述第三介电层具有暴露所述第二导电层的开孔。
作为优选，在所述步骤3)中，减薄后的所述半导体基材的厚度为30-50微米。
作为优选，在所述步骤6)中，所述滤光层的材质包括光刻胶，通过曝光和显影工艺形成所述滤光单元。
作为优选，在所述步骤7)中，所述热处理的温度为80-100℃。
作为优选，在所述步骤8)中，通过湿法刻蚀或干法刻蚀在所述滤光单元的侧壁上形成凹槽，通过热蒸镀、磁控溅射、电子束蒸发或电镀形成所述栅格结构。
本发明还提出一种图像传感器，其采用上述方法形成的。
本发明与现有技术相比具有下列优点：
在本发明的图像传感器的形成方法中，先在所述减反射层上形成滤光层，通过蚀刻工艺以形成滤光单元，且在相邻的所述滤光单元之间形成间隙，然后对所述滤光单元进行热处理使得所述滤光单元热膨胀，进而使得相邻的所述滤光单元之间的所述间隙的尺寸减小，接着在保持热处理的温度不变的条件下，在所述滤光单元的侧壁上形成凹槽，接着在所述凹槽和所述间隙中一体形成栅格结构。通过优化图像传感器的制备方法，让滤光单元先进行一定的热膨胀，然后再在间隙中形成栅格结构，可以有效避免图像传感器在后期使用过程中因为热膨胀效应造成滤光单元错位，同时由于在滤光单元的侧壁上形成有凹槽，进而在所述凹槽和所述间隙中一体形成栅格结构，即使由于热胀冷缩效应，滤光单元在低温环境下发生轻微的收缩，由于栅格结构的主体部两侧具有多个嵌入到滤光单元的凸起，可以确保滤光单元的稳固性。
附图说明
图1-图6为本发明的图像传感器形成过程中各步骤的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。也就是说，本文中的结构及方法是以示例性的方式示出，来说明本公开中的结构和方法的不同实施例。然而，本领域技术人员将会理解，它们仅仅说明可以用来实施的本公开的示例性方式，而不是穷尽的方式。此外，附图不必按比例绘制，一些特征可能被放大以示出具体组件的细节。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
本发明提出一种图像传感器的形成方法，包括以下步骤：
1)提供一包含光电二极管阵列的半导体基材，相邻所述光电二极管之间具有隔离结构，所述半导体基材包括第一表面和第二表面,所述半导体基材的材质是单晶硅、单晶锗、多晶硅、多晶锗、非晶硅、锗化硅或砷化镓。
2)接着在所述半导体基材的所述第一表面上形成电路布线层，所述电路布线层与所述半导体基材中的光电二极管电连接,所述电路布线层包括依次层叠的第一介电层、第一金属导电层、第二介电层、第二金属导电层以及第三介电层，所述第一金属导电层通过所述第一介电层中的开口与所述光电二极管电连接，所述第二金属导电层通过所述第二介电层中的开口与所述第一金属导电层电连接，所述第三介电层具有暴露所述第二导电层的开孔。
3)接着从所述半导体基材的所述第二表面对所述半导体基材进行减薄处理，减薄后的所述半导体基材的厚度为30-50微米。
4)接着在半导体基材的第二表面上形成钝化层。
5)接着在所述钝化层上形成减反射层。
6)接着在所述减反射层上形成滤光层，通过蚀刻工艺以形成滤光单元，，且在相邻的所述滤光单元之间形成间隙，所述滤光层的材质包括光刻胶，通过曝光和显影工艺形成所述滤光单元。
7)接着对所述滤光单元进行热处理使得所述滤光单元热膨胀，进而使得相邻的所述滤光单元之间的所述间隙的尺寸减小，所述热处理的温度为80-100℃。
8)在保持热处理的温度不变的条件下，在所述滤光单元的侧壁上形成凹槽，接着在所述凹槽和所述间隙中一体形成栅格结构，通过湿法刻蚀或干法刻蚀在所述滤光单元的侧壁上形成凹槽，通过热蒸镀、磁控溅射、电子束蒸发或电镀形成所述栅格结构。
9)接着在所述滤光单元上形成透镜结构。
本发明还提出一种图像传感器，其采用上述方法形成的。
下面结合图1至图6描述根据本公开的示例性实施例的图像传感器的形成方法。
如图1所示，提供一包含光电二极管阵列11的半导体基材10，相邻所述光电二极管11之间具有隔离结构12，所述半导体基材10包括第一表面和第二表面,所述半导体基材10的材质是单晶硅、单晶锗、多晶硅、多晶锗、非晶硅、锗化硅或砷化镓，在形成光电二极管11的过程中，通过离子注入或热扩撒工艺在半导体基材10中形成N型掺杂层或P型掺杂层，进而形成PN结光电二极管。所述隔离结构12的制造过程中，利用光刻胶等掩膜对所述光电二极管11进行湿法刻蚀或干法刻蚀，以在所述光电二极管11的周围刻蚀形成凹槽，进而通过PECVD或ALD工艺填充氮化硅、氧化硅等介质材料，以形成所述隔离结构12。
如图2所示，接着在所述半导体基材10的所述第一表面上形成电路布线层20，所述电路布线层20与所述半导体基材10中的光电二极管电连接,所述电路布线层10包括依次层叠的第一介电层、第一金属导电层、第二介电层、第二金属导电层以及第三介电层，所述第一金属导电层通过所述第一介电层中的开口与所述光电二极管电连接，所述第二金属导电层通过所述第二介电层中的开口与所述第一金属导电层电连接，所述第三介电层具有暴露所述第二导电层的开孔。
其中，第一介电层、第二介电层和第三介电层的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝中的一种或多种，第一介电层、第二介电层和第三介电层通过PECVD法、热氧化法或ALD法制备形成，所述第一金属导电层以及所述第二金属导电层的材质为铜、铝、银、硅、钛、钯、金中的一种或多种的合金，具体可以通过电镀铜形成所述第一金属导电层以及所述第二金属导电层。通过湿法刻蚀或干法刻蚀形成所述开孔。
如图3所示，接着从所述半导体基材10的所述第二表面对所述半导体基材10进行减薄处理，减薄后的所述半导体基材的厚度为30-50微米，具体的通过CMP工艺进行减薄处理。
如图4所示，接着在半导体基材10的第二表面上形成钝化层30，具体的通过ALD法沉积氧化铝层以形成所述钝化层30，接着在所述钝化层30上形成减反射层40，所述减反射层40可以是单层薄膜或多层薄膜，且通过PECVD、ALD、磁控溅射或热氧化制备，所述减反射层40的材质为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、氮化铝中的一种或多种。
如图5所示，接着在所述减反射层上形成滤光层，通过蚀刻工艺以形成滤光单元50，且在相邻的所述滤光单元50之间形成间隙，所述滤光层的材质包括光刻胶材料，通过曝光和显影工艺形成所述滤光单元50，具体的通过旋涂工艺在所述减反射层上形成滤光材料层，所述滤光材料层中含有不同颜色的染料，进而可以形成不同颜色的滤光单元50。接着对所述滤光单元50进行热处理使得所述滤光单元热膨胀，进而使得相邻的所述滤光单元之间的所述间隙的尺寸减小，所述热处理的温度为80-100℃，更优选的热处理的温度为85-95℃，更优选的为95℃。
如图6所示，在保持热处理的温度不变的条件下，在所述滤光单元的侧壁上形成一个或多个凹槽，接着在所述凹槽和所述间隙中一体形成栅格结构60，通过湿法刻蚀或干法刻蚀在所述滤光单元的侧壁上形成凹槽，通过热蒸镀、磁控溅射、电子束蒸发或电镀形成所述栅格结构。接着在所述滤光单元50上形成透镜结构70。在具体的实施例中，通过激光烧蚀工艺在所述滤光单元的侧壁上形成凹槽，所述栅格结构的材料为金、银、铜、铝、钨、钛、钯、镍中的一种或多种，所述透镜结构70的材料为有机材料或无机材料。
在本发明的图像传感器的形成方法中，先在所述减反射层上形成滤光层，通过蚀刻工艺以形成滤光单元，且在相邻的所述滤光单元之间形成间隙，然后对所述滤光单元进行热处理使得所述滤光单元热膨胀，进而使得相邻的所述滤光单元之间的所述间隙的尺寸减小，接着在保持热处理的温度不变的条件下，在所述滤光单元的侧壁上形成凹槽，接着在所述凹槽和所述间隙中一体形成栅格结构。通过优化图像传感器的制备方法，让滤光单元先进行一定的热膨胀，然后再在间隙中形成栅格结构，可以有效避免图像传感器在后期使用过程中因为热膨胀效应造成滤光单元错位，同时由于在滤光单元的侧壁上形成有凹槽，进而在所述凹槽和所述间隙中一体形成栅格结构，即使由于热胀冷缩效应，滤光单元在低温环境下发生轻微的收缩，由于栅格结构的主体部两侧具有多个嵌入到滤光单元的凸起，可以确保滤光单元的稳固性。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种图像传感器的形成方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)提供一包含光电二极管阵列的半导体基材，相邻所述光电二极管之间具有隔离结构，所述半导体基材包括第一表面和第二表面；
2)接着在所述半导体基材的所述第一表面上形成电路布线层，所述电路布线层与所述半导体基材中的光电二极管电连接；
3)接着从所述半导体基材的所述第二表面对所述半导体基材进行减薄处理；
4)接着在半导体基材的第二表面上形成钝化层
5)接着在所述钝化层上形成减反射层；
6)接着在所述减反射层上形成滤光层，通过蚀刻工艺以形成滤光单元，且在相邻的所述滤光单元之间形成间隙；
7)接着对所述滤光单元进行热处理使得所述滤光单元热膨胀，进而使得相邻的所述滤光单元之间的所述间隙的尺寸减小；
8)在保持热处理的温度不变的条件下，在所述滤光单元的侧壁上形成凹槽，接着在所述凹槽和所述间隙中一体形成栅格结构；
9)接着在所述滤光单元上形成透镜结构。
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：在所述步骤1)中，所述半导体基材的材质是单晶硅、单晶锗、多晶硅、多晶锗、非晶硅、锗化硅或砷化镓。
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：在所述步骤2)中，所述电路布线层包括依次层叠的第一介电层、第一金属导电层、第二介电层、第二金属导电层以及第三介电层，所述第一金属导电层通过所述第一介电层中的开口与所述光电二极管电连接，所述第二金属导电层通过所述第二介电层中的开口与所述第一金属导电层电连接，所述第三介电层具有暴露所述第二金属导电层的开孔。
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：在所述步骤3)中，减薄后的所述半导体基材的厚度为30-50微米。
5.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：在所述步骤6)中，所述滤光层的材质包括光刻胶，通过曝光和显影工艺形成所述滤光单元。
6.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：在所述步骤7)中，所述热处理的温度为80-100℃。
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：在所述步骤8)中，通过湿法刻蚀或干法刻蚀在所述滤光单元的侧壁上形成凹槽，通过热蒸镀、磁控溅射、电子束蒸发或电镀形成所述栅格结构。
8.一种图像传感器，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的方法制备形成的。
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