CN115548044A - 一种背照式图像传感器及其制备方法 - Google Patents

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蔡亚果
刘晓蒙
张武志
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Abstract

本发明提供了一种背照式图像传感器及其制备方法，所述背照式图像传感器包括衬底、金属互连层、氧化层及分光层；其中，所述金属互连层覆盖所述衬底的一面，所述氧化层及所述分光层依次覆盖所述衬底的另一面，所述分光层包括三个子区域，每个子区域中均具有若干均匀分布且贯穿所述分光层的通孔，每个所述子区域内，所述通孔的直径以及相邻所述通孔之间的间距均相同，不同的所述子区域之间，所述通孔的直径以及相邻所述通孔之间的间距均不同。通过入射光在分光层内发生等离子激元效应实现单色光的分离及定向传输，有效提高所述背照式图像传感器的可靠性及使用寿命。

Description

一种背照式图像传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种背照式图像传感器及其制备方法。
背景技术
图像传感器是一种将光学图像信号转换为电信号的器件，背照式图像传感器(BSICIS，Back-side Illumination CMOS Image Sensor)将金属互联层与感光层分别设置在衬底的两侧，避免金属互联层对入射光的折射及阻碍，相比于正照式图像传感器(FSI CIS,Frontside Illumination CMOS Image Sensor)具有更好的量子效率和角响应度，使得背照式图像传感器在工业应用中逐渐占据重要地位。
图1为一种背照式图像传感器的结构示意图，如图1所示，所述背照式图像传感器包括：衬底20及分别位于所述衬底20两侧的金属互联层21和感光层，所述感光层包括依次堆叠在所述衬底20上的抗反射层22、氧化层23、彩色滤光层24及透镜层25，所述透镜层25及所述彩色滤光层24将入射的白光过滤为单色光，所述单色光通过所述氧化层23及所述抗反射层22照射在所述衬底20内的光电二极管上，所述光电二极管将所述单色光带有的光学图像信号转换为电学信号。在所述背照式图像传感器工作的过程中，透镜层25及彩色滤光层24的分光及过滤性能对器件的可靠度起着决定性作用，但现有的所述背照式图像传感器的制备工艺中，所述彩色滤光层24及所述透镜层25的制备时间较长，且对工艺环境及器件表面平整度的要求较高，导致所述背照式图像传感器的良率较低；此外，现有的制备工艺中一般会采用掺有颜料的光刻胶制备所述彩色滤光层24，颜料经过长期的光照后会缓慢变性褪色，导致所述背照式图像传感器的光谱发生偏移。
发明内容
本发明的目的在于提供一种背照式图像传感器，以解决现有的背照式图像传感器中彩色滤光层及透镜层引起的器件良率较低及光谱偏移的问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种背照式图像传感器，包括：
衬底、金属互连层、氧化层及分光层；
其中，所述金属互连层覆盖所述衬底的一面，所述氧化层及所述分光层依次覆盖所述衬底的另一面，所述氧化层内具有金属格栅，所述分光层包括三个子区域，每个子区域中均具有若干均匀分布且贯穿所述分光层的通孔；
每个所述子区域内，所述通孔的直径以及相邻所述通孔之间的间距均相同，不同的所述子区域之间，所述通孔的直径以及相邻所述通孔之间的间距均不同。
可选的，每个所述子区域中的所述通孔呈阵列分布。
可选的，还包括：
若干深沟槽隔离结构，位于所述衬底内，以隔离相邻的所述子区域对应的所述衬底；
抗反射层，位于所述衬底及所述氧化层之间且覆盖所述衬底及所述深沟槽隔离结构。
可选的，所述深沟槽隔离结构之间的所述衬底内均具有光电二极管。
可选的，所述分光层的材料为多晶硅。
可选的，所述分光层的厚度为
Figure BDA0003916484040000021
可选的，每个所述子区域内的所述通孔直径与透过所述子区域的光的波长负相关。
基于同一发明构思，本发明还提供一种背照式图像传感器的制备方法，包括：
提供衬底，在所述衬底的一面形成金属互联层，在所述衬底的另一面形成氧化层；
在所述氧化层上形成分光层，所述分光层包括三个子区域，每个子区域中均具有若干均匀分布且贯穿所述分光层的通孔；每个所述子区域内，所述通孔的直径以及相邻所述通孔之间的间距均相同，不同的所述子区域之间，所述通孔的直径以及相邻所述通孔之间的间距均不同。
可选的，在所述衬底上形成金属互联层之后，形成所述氧化层之前，还包括：
刻蚀所述衬底，在所述衬底内形成深沟槽，所述深沟槽隔离相邻的所述子区域对应的所述衬底；
在所述衬底上形成抗反射材料，所述抗反射材料位于所述深沟槽内的部分构成深沟槽隔离结构，所述抗反射材料覆盖所述衬底的部分构成抗反射层。
可选的，形成所述分光层的步骤包括：
在所述氧化层上形成多晶硅材料层，所述多晶硅材料层覆盖所述氧化层；
采用干法刻蚀工艺刻蚀所述多晶硅材料层，以在所述多晶硅材料层内形成若干贯穿的所述通孔，剩余的所述多晶硅材料层构成所述分光层。
在本发明提供的背照式图像传感器中，提供具有若干通孔的分光层，所述分光层包括三个子区域，每个子区域内的所述通孔贯穿所述分光层且均匀分布，每个所述子区域内，所述通孔的直径以及相邻所述通孔之间的间距均相同，不同的所述子区域之间，所述通孔的直径以及相邻所述通孔之间的间距均不同，当所述背照式图像传感器工作时，白光透过所述分光层及所述氧化层射入所述衬底，白光在所述分光层内发生等离子激元效应，通过调整三个子区域内的所述通孔的直径及间距，可以实现对构成白光的红光、蓝光和绿光的筛选及定向传输，每个子区域都将相应的波长的单色光筛选出来并入射至所述衬底的对应区域，从而实现分光；本发明提供的背照式图像传感器不需要具有颜色的滤光片对所述白光进行分光，而是通过光线在所述通孔内的传播特性进行单色光的分离及定向传输，具有较好的稳定性及可靠性，避免所述滤光片变性褪色引起的色谱偏移，提高所述背照式图像传感器的可靠性及使用寿命。
此外，与现有的背照式图像传感器的制备流程相比，本发明提供的所述背照式图像传感器的所述分光层可以在常规的光刻机中进行制备，不需要考虑颜料的掺杂及透镜的安装，极大程度上简化了制备的时间及成本，同时避免制备过程中外界环境对器件性能的影响，提高了产品的良率。
附图说明
图1为一种背照式图像传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的背照式图像传感器的制备方法的流程图；
图3～8为本发明实施例提供的背照式图像传感器的制备方法的相应步骤对应的结构示意图，其中，图7为本发明实施例提供的背照式图像传感器的结构示意图；
其中，附图标记为：
30-蓝光区；31-绿光区；32-红光区；
20、100-衬底；21、101-金属互联层；102-深沟槽隔离结构；22、103-抗反射层；23、104-氧化层；105-分光层；106-通孔；107-多晶硅材料层；24-彩色滤光层；25-透镜层。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，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。
在下文中，术语“第一”“第二”等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换。类似的，如果本文所述的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些所述的步骤可被省略和/或一些文本未描述的其它步骤可被添加到该方法。
图7为本实施例提供的背照式图像传感器的结构示意图，如图7所示，所述背照式图像传感器包括：衬底100、金属互联层101、氧化层104及分光层105。
具体的，金属互联层101覆盖所述衬底100的一面，所述氧化层104及所述分光层105依次覆盖所述衬底100的另一面，且所述氧化层104内具有金属格栅，所述金属格栅的材料包括金属铝，所述金属格栅可以对入射光进行干扰及吸收，改善光学串扰。所述分光层105包括三个子区域，每个子区域中均具有若干均匀分布且贯穿所述分光层的通孔106，每个所述子区域内，所述通孔106的直径以及相邻所述通孔106之间的间距均相同，不同的所述子区域之间，所述通孔106的直径以及相邻所述通孔106之间的间距均不同。
图8为图7所示背照式图像传感器的俯视图，如图7～图8所示，一般的，所述背照式图像传感器的三个子区域分别为红光区32、绿光区31及蓝光区30，所述红光区32及所述蓝光区30位于一条对角线上，所述绿光区31具有两个分区，两个分区位于另一条对角线上，所述红光区32、所述绿光区31及所述蓝光区30内的所述通孔106的直径及间距相同，所述红光区32、所述绿光区31及所述蓝光区30之间的所述通孔106的直径及间距不同。举例来说，所述红光区32内的所述通孔106的直径相同，相邻的所述通孔106之间的间距也相同；所述红光区32内的所述通孔106的直径小于所述蓝光区30内的所述通孔106的直径，所述红光区32内的相邻的所述通孔106之间的间距大于所述蓝光区30内的相邻的所述通孔106之间的间距。
进一步地，每个所述子区域对应的所述衬底100内均具有光电二极管，在本实施例中，所述红光区32、所述绿光区31及所述蓝光区30内的所述衬底100分别具有接收红光、绿光及蓝光的所述光电二极管。
此外，所述背照式图像传感器还包括深沟槽隔离结构102及抗反射层103，所述深沟槽隔离结构102位于所述衬底100内，以隔离相邻的所述子区域对应的所述衬底100及所述衬底100内的所述光电二极管，防止不同所述子区域之间的电信号串扰及光信号串扰；所述抗反射层103位于所述衬底100及所述氧化层104之间，以减少光反射引起的光信号串扰。
当本实施例提供的所述背照式图像传感器工作时，白光透过所述分光层105、所述氧化层104及所述抗反射层103照射所述光电二极管；所述白光一般为由多种波长不同的单色光构成，当所述白光射入具有所述通孔106的所述分光层105时，所述白光在所述分光层105内发生等离子激元效应，不同波长的单色光会产生不同的出射方向，通过调整三个所述子区域内所述通孔106的直径及间距，可以实现对某一固定波长的内的单色光的筛选及定向传输，每个子区域都将相应的波长的单色光筛选出来并入射至所述衬底100的对应区域，进从而实现分光，本实施例则通过所述分光层105，使红光、绿光及蓝光分别射入所述红光区32、所述绿光区31及所述蓝光区30对应的所述光电二极管上。
其中，为了保证入射的所述白光在所述分光层105内发生等离子激元效应，所述分光层105的厚度为
Figure BDA0003916484040000051
所述通孔106的直径为30nm～500nm；所述通孔106的间距为50nm～500nm。进一步地，由于所述分光层105的厚度、所述通孔106的直径及所述通孔106之间的间距对透过所述分光层105的光的波长其决定作用，每个所述子区域内的所述通孔106直径与透过所述子区域的光的波长负相关，为了使所述红光区32、所述绿光区31及所述蓝光区30内的所述光电二极管接收到对应颜色的单色光，在本实施例中，所述分光层105的厚度为80nm，所述红光区32上的所述通孔106的直径为90nm，所述红光区32上的所述通孔106的间距为250nm；所述绿光区31上的所述通孔106的直径为140nm，所述绿光区31上的所述通孔106的间距为180nm；所述蓝光区30上的所述通孔106的直径为240nm，所述蓝光区30上的所述通孔106的间距为170nm。
此外，在本实施例的图示中，所述红光区32、所述绿光区31及所述蓝光区30内的所述通孔106组成的图形均为矩形阵列分布，其中，所述通孔106构成的阵列的行数与列数可以相等或不等，每行及每列所述通孔106的数量也可以相等或不等，仅需保证每个所述子区域内所述通孔106间距及直径相同。在其他可选实施例中，每个所述子区域中的所述通孔106也可以为圆周阵列分布等阵列分布方式。对于不同的单色光选用不同的阵列分布方式可以起到更好的分光效果。
需要说明的是，本实施例中所述分光层105的材料为多晶硅，多晶硅具有良好的透光率，可以减少所述入射光在所述分光层105内由于散射等现象造成的光信号损失；且多晶硅具有良好的稳定性，使所述分光层105经过长期的光照后仍可保证良好的分光效果，提高所述背照式图像传感器的可靠性及使用寿命。
基于此，本实施例还提供了一种背照式图像传感器的制备方法，图1为所述背照式图像传感器的制备方法的流程图。如图1所示，所述背照式图像传感器的制备方法包括：
步骤S1：提供衬底，在所述衬底的一面形成金属互联层，在所述衬底的另一面形成氧化层；
步骤S2：在所述氧化层上形成分光层，所述分光层包括三个子区域，每个子区域中均具有若干均匀分布且贯穿所述分光层的通孔，每个所述子区域内，所述通孔的直径以及相邻所述通孔之间的间距均相同，不同的所述子区域之间，所述通孔的直径以及相邻所述通孔之间的间距均不同。
图3～8为本实施例提供的背照式图像传感器的制备方法的相应步骤的结构示意图。接下来，将结合图3～8对所述背照式图像传感器的制备方法进行详细说明。
如图3所示，提供衬底100，所述衬底100内具有光电二极管，所述光电二极管可以将光信号转换为电信号。在所述衬底100的一面形成金属互联层101，所述金属互联层101与所述光电二级管电性连接，以输出所述光电二极管转换的电信号。
图4为图3所示背照式图像传感器的俯视图，如图3～4所示，所述衬底100具有红光区32、绿光区31及蓝光区30，一般的，所述红光区32及所述蓝光区30分布在一个对角线上，两个所述绿光区31位于另一条对角线上，所述红光区32、所述绿光区31及所述蓝光区30内的所述光电二极管分别将红色、绿色及蓝色的单色光携带的光信号转变为相应的电信号。
如图5所示，刻蚀所述红光区32、所述绿光区31及所述蓝光区30之间的所述衬底100，以在所述衬底100内形成深沟槽，所述深沟槽隔离所述红光区32、绿光区31及蓝光区30内的所述光电二极管。
然后在所述衬底100上形成抗反射材料层，所述抗反射材料充满所述深沟槽的部分以构成深沟槽隔离结构102，所述抗反射材料覆盖所述衬底100的部分构成抗反射层103，所述深沟槽隔离结构102可以避免不同区域内的所述光电二级管之间发生电信号串扰，同时由于所述深沟槽隔离结构102的材料为抗反射材料，所述深沟槽隔离结构102还可以防止不同区域之间的光信号串扰，增强所述背照式图像传感器的可靠性。
如图6所示，在所述抗反射层103上依次形成金属格栅(未图示)、氧化层104及多晶硅材料层107，所述金属格栅位于所述抗反射层103上，所述氧化层104覆盖所述抗反射层103及所述金属格栅，所述多晶硅材料层107覆盖所述氧化层104。
所述氧化层104的厚度为
Figure BDA0003916484040000071
所述多晶硅材料层107的厚度为
Figure BDA0003916484040000072
如图7所示，采用干法刻蚀工艺刻蚀所述多晶硅材料层107以形成若干贯穿所述多晶硅材料层107的通孔106，剩余的所述多晶硅材料层107构成分光层105。图8为图7所示背照式图像传感器的俯视图，如图7所示，所述分光层105具有三个子区域，每个子区域中均具有若干均匀分布且贯穿所述分光层的通孔106，每个所述子区域内，所述通孔106的直径以及相邻所述通孔106之间的间距均相同，不同的所述子区域之间，所述通孔106的直径以及相邻所述通孔106之间的间距均不同。在本实施例中，所述子区域分别对应所述红光区32、所述绿光区31及所述蓝光区30。
其中，所述通孔106的直径为50nm～500nm，所述通孔106的间距为30nm～500nm，本领域相关技术人员可以根据实际需求调整所述分光层105的厚度以及不同所述子区域中所述通孔106的直径和间距，以实现对某一固定波长的单色光的分离及定向传输。
在本实施例中，所述分光层105的材料为多晶硅，多晶硅具有良好的透光率，可以减少所述入射光在所述分光层105内由于散射等现象造成的光信号损失。
与现有的背照式图像传感器的制备流程相比，本实施例提供的所述背照式图像传感器的所述分光层105可以在常规的光刻机中进行制备，不需要考虑颜料的掺杂及透镜的安装，极大程度上简化了制备的时间及成本，同时避免制备过程中外界环境对器件性能的影响，提高了产品的良率。
综上，在本发明实施例提供的背照式图像传感器中，提供具有若干通孔106的分光层105，所述分光层包括三个子区域，每个子区域内的所述通孔106贯穿所述分光层105且均匀分布，每个所述子区域内，所述通孔106的直径以及相邻所述通孔106之间的间距均相同，不同的所述子区域之间，所述通孔106的直径以及相邻所述通孔106之间的间距均不同，当所述背照式图像传感器工作时，白光透过所述分光层105及所述氧化层104射入所述衬底100，白光在所述分光层105内发生等离子激元效应，通过调整三个子区域内的所述通孔106的直径及间距，可以实现对构成白光的红光、蓝光和绿光的筛选及定向传输，每个子区域都将相应的波长的单色光筛选出来并入射至所述衬底100的对应区域，从而实现分光；本发明提供的背照式图像传感器不需要具有颜色的滤光片对所述白光进行分光，而是通过光线在所述通孔106内的传播特性进行单色光的分离及定向传输，具有较好的稳定性及可靠性，避免所述滤光片变性褪色引起的色谱偏移，提高所述背照式图像传感器的可靠性及使用寿命。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种背照式图像传感器，其特征在于，包括：衬底、金属互连层、氧化层及分光层；
其中，所述金属互连层覆盖所述衬底的一面，所述氧化层及所述分光层依次覆盖所述衬底的另一面，所述氧化层内具有金属格栅，所述分光层包括三个子区域，每个子区域中均具有若干均匀分布且贯穿所述分光层的通孔；
每个所述子区域内，所述通孔的直径以及相邻所述通孔之间的间距均相同，不同的所述子区域之间，所述通孔的直径以及相邻所述通孔之间的间距均不同。
2.如权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于，每个所述子区域中的所述通孔呈阵列分布。
3.如权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于，还包括：
若干深沟槽隔离结构，位于所述衬底内，以隔离相邻的所述子区域对应的所述衬底；
抗反射层，位于所述衬底及所述氧化层之间且覆盖所述衬底及所述深沟槽隔离结构。
4.如权利要求3所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述深沟槽隔离结构之间的所述衬底内均具有光电二极管。
5.如权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述分光层的材料为多晶硅。
6.如权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述分光层的厚度为
Figure FDA0003916484030000011
7.如权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于，每个所述子区域内的所述通孔直径与透过所述子区域的光的波长负相关。
8.一种背照式图像传感器的制备方法，其特征在于，包括：
提供衬底，在所述衬底的一面形成金属互联层，在所述衬底的另一面形成氧化层；
在所述氧化层上形成分光层，所述分光层包括三个子区域，每个子区域中均具有若干均匀分布且贯穿所述分光层的通孔，每个所述子区域内，所述通孔的直径以及相邻所述通孔之间的间距均相同，不同的所述子区域之间，所述通孔的直径以及相邻所述通孔之间的间距均不同。
9.如权利要求8所述的背照式图像传感器的制备方法，其特征在于，在所述衬底上形成金属互联层之后，形成所述氧化层之前，还包括：
刻蚀所述衬底，在所述衬底内形成深沟槽，所述深沟槽隔离相邻的所述子区域对应的所述衬底；
在所述衬底上形成抗反射材料，所述抗反射材料位于所述深沟槽内的部分构成深沟槽隔离结构，所述抗反射材料覆盖所述衬底的部分构成抗反射层。
10.如权利要求8所述的背照式图像传感器的制备方法，其特征在于，形成所述分光层的步骤包括：
在所述氧化层上形成多晶硅材料层，所述多晶硅材料层覆盖所述氧化层；
采用干法刻蚀工艺刻蚀所述多晶硅材料层，以在所述多晶硅材料层内形成若干贯穿的所述通孔，剩余的所述多晶硅材料层构成所述分光层。
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