CN115440757A - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了图像传感器及其制造方法，涉及半导体技术领域，一种图像传感器，包括多个光电二极管区，设置于衬底中，且所述光电二极管区的最大边长小于1μm；多个隔离结构，每个所述隔离结构设置于两个相邻的所述光电二极管区之间，所述隔离结构的顶部设置有介质栅格，其中，所述介质栅格采用非金属材质制成。在具有亚微米像素结构的图像传感器中采用非金属材质作为介质栅格，从而降低介质栅格对于光的吸收量，提高光照灵敏度和信噪比，提升图像质量，使图像更加生动明亮。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及图像传感器及其制造方法。
背景技术
小尺寸高分辨率相机要求像素尺寸尽可能的缩小，这样同样分辨率下可以实现更小的芯片尺寸，缩小模组大小，降低成本。即使在缩小像素的情况下，仍要求更高的图像质量，且必须保持像素性能，然而像素的缩小会导致光串扰增加，灵敏度降低，传统上主要通过优化栅极以及彩色滤光片(color filter)来解决光串扰的问题，例如在相邻的彩色滤光片之间使用金属栅格作为隔离结构，但当像素尺寸缩小到亚微米(小于1μm)范围时，由于单位面积上光子数量相同，像素尺寸缩小其接收到的光子就会更少，金属材质对光损耗明显增加，又因衍射极限的存在，即像素透镜的焦光斑尺寸不再随着像素尺寸的减小而相应缩小，正如图1所示的在1.4μm、1.0μm、0.7μm像素尺寸下，金属栅格方案的光吸收占比分别为9％、14％、32％，可以得出在亚微米像素尺寸下，金属栅格的光损失随着像素尺寸的缩小而显著增加，金属栅格表现出的光损耗增加明显，灵敏度降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种图像传感器及其制造方法，以解决像素尺寸的缩小导致的金属栅格的光损失增加问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种图像传感器及其制造方法，包括：
多个光电二极管区，设置于衬底中，且所述光电二极管区的最大边长小于1μm；
多个隔离结构，每个所述隔离结构设置于两个相邻的所述光电二极管区之间，所述隔离结构的顶部设置有介质栅格，其中，所述介质栅格采用非金属材质制成。
优选地，还包括：至少部分地嵌入到相邻的两个所述介质栅格中的滤光片，且所述滤光片设置在所述光电二极管区的顶部。
优选地，所述滤光片及所述介质栅格顶部覆盖有介质层。
优选地，所述介质层的顶部形成有微透镜，且每个所述微透镜对应设置在所述滤光片的顶部。
优选地，形成所述介质栅格的材质包括氧化硅。
优选地，所述隔离结构为深沟槽隔离结构。
本发明还提供了一种图像传感器的制作方法，包括以下步骤：
提供衬底，在所述衬底上形成多个光电二极管区；
在相邻的两个所述光电二极管区之间形成隔离结构，且所述光电二极管区的最大边长小于1μm；
形成非金属层，并刻蚀非金属层，在所述隔离结构的顶部形成介质栅格；
在所述光电二极管区的顶部形成滤光片，所述滤光片至少部分地嵌入到相邻的两个所述介质栅格中。
优选地，在形成所述滤光片之后，还包括：在所述介质栅格和所述滤光片的顶部覆盖介质层，后在所述介质层上设置微透镜，且所述微透镜对应设置在所述滤光片的顶部。
优选地，所述非金属层的材质包括氧化硅。
优选地，所述隔离结构为深沟槽隔离结构。
在本发明提供的图像传感器及其制造方法中，在光电二极管区的最大边长小于1μm，或者说亚微米像素级结构的情况下，通过采用非金属材质的栅格，采用例如高密度等离子体化学气相淀积法形成氧化硅材质栅格，从而降低介质栅格对于光的吸收量，同时能够具有良好的量子效率(QE)表现，进一步提高光照灵敏度和信噪比，提升图像质量，使图像更加生动明亮。
附图说明
图1是具有金属栅格的像素在1.4μm、1.0μm、0.7μm像素尺寸下的各组分光吸收占比的柱形表；
图2是三种波长下测得的具有混合介质栅格和非金属栅的量子效率光谱；
图3是本发明提供的图像传感器的剖面结构示意图。
图中，
1、衬底；11、光电二极管区；12、隔离结构；2、滤光片；3、介质栅格；4、介质层；5、微透镜。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的像素结构及其制造方法、图像传感器作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
发明人研究发现，当像素结构的尺寸缩小的微米级别以下时，一般采用的金属材质的介质栅格，金属材质对于光的损耗明显增加，灵敏度降低。由图1所示的光吸收量的分解表可知，对于金属栅格方案在1.4μm、1.0μm、0.7μm像素尺寸下的光吸收占比分别为9％、14％、32％，结果表明，金属栅格的光损失随着像素尺寸的缩小而显著增加，特别是对于亚微米级像素，虽然混合栅的光吸收占比(0.64μm像素尺寸)的表现较好，正如下表表1所示，光吸收量相对于金属栅格的小，但是如在图2中示出的混合栅(金属材质和非金属材质混合制成)和非金属栅的量子效率(QE)的实例曲线图，可以看出非金属栅的表现明显优于混合栅。
| 项目 | 损失 |
| Si absorption(硅吸收量) | 73％ |
| CF crosstalk(彩色滤光片串扰量) | 11％ |
| Metal absorption(金属部分吸收量) | 16％ |
表1
基此，本发明的核心思想在于，在亚微米级的像素结构下，将介质栅格的材质设置成非金属材质，例如氧化硅，从而减少介质栅格对光的损耗。
请参考图3，其为本发明一种实施例的示意图。如图3所示，一种图像传感器，包括：多个光电二极管区11，设置于衬底1中，且光电二极管区11的最大边长小于1μm；多个隔离结构12，每个隔离结构12设置于两个相邻的光电二极管区11之间，隔离结构12的顶部设置有介质栅格3，其中，介质栅格3采用非金属材质制成。
图像传感器中具有阵列排布的若干个光电二极管区11，邻近的光电二极管区11通过隔离结构12和介质栅格3减少光串扰或电串扰，在亚微米级的像素结构中，采用非金属材质制成介质栅格3，介质栅格3可以采用一种非金属材质制成或是多种非金属材质制成，从而减少介质栅格3的光吸收量，介质栅格3对应设置在隔离结构12的上方。
其中，形成介质栅格3的材质包括氧化硅，且形成氧化硅材质的介质栅格3所采用的工艺是高密度等离子体化学气相淀积(HDPCVD)。在一种实施方式中，隔离结构12为深沟槽隔离结构，在衬底1中刻蚀形成深沟槽，后在深沟槽中填充介质，例如氧化硅，从而形成深沟槽隔离结构。
具体地，还包括：至少部分地嵌入到相邻的两个介质栅格3中的滤光片2，且滤光片2设置在光电二极管区11的顶部。
滤光片2或者说滤波器可使不同波长带(色彩)内的光(例如红色、蓝色、绿色、可见光等)通过。滤光片2设置在对应的光电二极管区11上方，对传入光进行滤波且将光朝向相应光电二极管区11引导。
具体地，滤光片2及介质栅格3顶部覆盖有介质层4，介质层4至少覆盖在滤光片2和介质栅格3的顶部，在位于衬底1的边缘处，介质层4可以包围滤光片2、介质栅格3的边缘。
具体地，介质层4的顶部形成有微透镜5，且每个微透镜5对应设置在滤光片2的顶部。
多个微透镜5可形成在对应的滤光片2及光电二极管区11的顶部，形成对应排布的微透镜5阵列，微透镜5用以将入射光引入到滤光片2中进行滤波，从而将光线传入对应的光电二极管区11中。
例如在一次实验中，为了改善小尺寸像素光损耗采用如上述的非金属材质的介质栅格3，采用氧化硅作为介质栅格3相比传统金属栅格结构，绿色光灵敏度提高29％，信噪比提高1.2dB。
本发明还提供了一种图像传感器的制作方法，包括以下步骤：
S1，提供衬底1，在衬底1上形成多个光电二极管区11，多个光电二极管区11均匀阵列排布在衬底1中。
S2，在相邻的两个光电二极管区11之间形成隔离结构12，且光电二极管区11的最大边长小于1μm。其中，隔离结构12为深沟槽隔离结构，在衬底1中刻蚀形成深沟槽，后在深沟槽中填充介质，例如氧化硅，从而形成深沟槽隔离结构。深沟槽隔离(DTI)结构形成于光电二极管的半导体材料中以将光朝向光电二极管区11引导，因此减小光电二极管区11之间的电串扰及光学串扰。
S3，形成非金属层，并刻蚀非金属层，在隔离结构12的顶部形成介质栅格3。其中，非金属层的材质包括氧化硅，先采用高密度等离子体化学气相淀积工艺在衬底1上形成非金属层，后对非金属层进行刻蚀，以形成暴露出阵列排布的光电二极管区11的介质栅格3。
S4，在光电二极管区11的顶部形成滤光片2，滤光片2至少部分地嵌入到相邻的两个介质栅格3中。
滤光片2或者说滤波器可使不同波长带(色彩)内的光(例如红色、蓝色、绿色、可见光等)通过。滤光片2对传入光进行滤波且将光朝向相应光电二极管区11引导。
S5，在介质栅格3和滤光片2的顶部覆盖介质层4，后在介质层4上设置微透镜5，且微透镜5对应设置在滤光片2的顶部。
采用如上的图像传感器的制作方法，最终形成如图3所示的图像传感器的像素结构。将图像传感器曝光时，从像素结构中的电压值，由读出电路读出，然后进行处理，例如，此处理可包含图像处理、图像滤波、图像提取及操纵、光强度判定等。读出电路可使用各种其它技术(例如串行读出)来读出图像数据。在不同实施例中，读出电路可包含放大电路、模/数转换(ADC)电路或其它电路。
综上可见，在本发明实施例提供的图像传感器及其制造方法中，通过不同材料、不同像素尺寸的栅格隔离结构对比，发现大尺寸像素使用金属栅格结构对光吸收占比较小，小尺寸像素对光吸收占比较大，为了降低小尺寸像素的光损耗采用非金属栅格结构，有效提高了灵敏度和信噪比，图像质量更生动、更明亮。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (10)
1.一种图像传感器，其特征在于，包括：
多个光电二极管区，设置于衬底中，且所述光电二极管区的最大边长小于1μm；
多个隔离结构，每个所述隔离结构设置于两个相邻的所述光电二极管区之间，所述隔离结构的顶部设置有介质栅格，其中，所述介质栅格采用非金属材质制成。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，还包括：至少部分地嵌入到相邻的两个所述介质栅格中的滤光片，且所述滤光片设置在所述光电二极管区的顶部。
3.如权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述滤光片及所述介质栅格顶部覆盖有介质层。
4.如权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述介质层的顶部形成有微透镜，且每个所述微透镜对应设置在所述滤光片的顶部。
5.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，形成所述介质栅格的材质包括氧化硅。
6.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述隔离结构为深沟槽隔离结构。
7.一种图像传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供衬底，在所述衬底上形成多个光电二极管区；
在相邻的两个所述光电二极管区之间形成隔离结构，且所述光电二极管区的最大边长小于1μm；
形成非金属层，并刻蚀非金属层，在所述隔离结构的顶部形成介质栅格；
在所述光电二极管区的顶部形成滤光片，所述滤光片至少部分地嵌入到相邻的两个所述介质栅格中。
8.如权利要求7所述的图像传感器的制作方法，其特征在于，在形成所述滤光片之后，还包括：在所述介质栅格和所述滤光片的顶部覆盖介质层，后在所述介质层上设置微透镜，且所述微透镜对应设置在所述滤光片的顶部。
9.如权利要求7所述的图像传感器的制作方法，其特征在于，所述非金属层的材质包括氧化硅。
10.如权利要求7所述的图像传感器的制作方法，其特征在于，所述隔离结构为深沟槽隔离结构。
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