CN115995474A - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents

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林夏珍
田钟珉
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Abstract

本公开提供了一种图像传感器及其制造方法。一种图像传感器包括：基板；多个单位像素，提供在基板的像素区上；多个器件隔离图案，在像素区上限定所述多个单位像素；遮光层，提供在基板的顶表面上并包括限定多个光透射区的栅格结构；多个滤色器，提供在遮光层的所述多个光透射区上；以及多个微透镜，提供在所述多个滤色器上。遮光层包括：遮光图案；提供在遮光图案上的低折射图案；以及保护层，提供在基板上并覆盖遮光图案和低折射图案。低折射图案包括多孔硅化合物。在低折射图案中的每个孔具有约0.2nm至约1nm的直径。

Description

图像传感器及其制造方法
技术领域
本公开的示例实施方式涉及一种图像传感器及其制造方法。
背景技术
图像传感器可以是将光学图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器可以分类为电荷耦合器件(CCD)型和互补金属氧化物半导体(CMOS)型。CMOS图像传感器(CIS)是CMOS型图像传感器的简称。CIS可以包括二维排列的多个像素。每个像素包括光电二极管(PD)。光电二极管用于将入射光转换成电信号。
发明内容
提供了一种能够避免图像缺陷的图像传感器。
附加方面将部分地在以下描述中阐述，并且部分地将从该描述变得明显，或者可以通过实践所呈现的实施方式而获知。
根据一示例实施方式的一方面，一种图像传感器可以包括：基板；多个单位像素，提供在基板的像素区上；多个器件隔离图案，在像素区上限定所述多个单位像素；遮光层，提供在基板的顶表面上并包括限定多个光透射区的栅格结构；多个滤色器，提供在遮光层的所述多个光透射区上；以及多个微透镜，提供在所述多个滤色器上。遮光层可以包括：遮光图案；低折射图案，提供在遮光图案上；以及保护层，提供在基板上并覆盖遮光图案和低折射图案。低折射图案可以包括多孔硅化合物。在低折射图案中的每个孔可以具有约0.2nm至约1nm的直径。
根据一示例实施方式的一方面，一种图像传感器可以包括：基板，包括像素区；多个器件隔离图案，在像素区上限定多个单位像素；多个光电转换区，提供在基板中并对应地在所述多个单位像素上；遮光层，提供在基板上并沿着所述多个器件隔离图案，遮光层限定多个光透射区；滤色器，提供在基板的顶表面上；以及微透镜阵列，提供在滤色器上。遮光层可以包括：遮光图案；多孔低折射图案，提供在遮光图案上；以及保护层，提供在基板上并覆盖遮光图案和多孔低折射图案。多孔低折射图案中的每个孔的尺寸可以小于包括在保护层中的第一元素的分子的尺寸和包括在遮光图案中的第二元素的分子的尺寸。多孔低折射图案可以具有约1至约1.46的折射率。
根据一示例实施方式的一方面，一种制造图像传感器的方法可以包括：提供包括像素区的基板；在像素区上形成限定多个单位像素的多个器件隔离图案；用杂质对所述多个单位像素进行掺杂以形成多个光电转换区；在像素区上形成遮光层；以及在像素区上形成多个滤色器。形成遮光层可以包括：在基板上形成遮光膜；使用前体在遮光膜上沉积低折射层，该前体包括包含碳(C)和氢(H)的硅氧烷材料；图案化低折射层和遮光膜以形成包括在遮光层中的低折射图案和遮光图案；允许低折射图案经受氧(O2)灰化工艺，以在低折射图案中形成多个孔；以及在基板上形成覆盖遮光图案和低折射图案的保护层。在低折射图案中的所述多个孔的每个可以具有约0.2nm至约1nm的直径。
根据一示例实施方式的一方面，一种图像传感器可以包括：基板；多个单位像素，提供在基板的像素区上；多个器件隔离图案，在像素区上限定所述多个单位像素；遮光层，提供在基板的顶表面上并包括限定多个光透射区的栅格结构；多个滤色器，提供在遮光层的所述多个光透射区上；以及多个微透镜，在所述多个滤色器上。遮光层可以包括遮光图案、提供在遮光图案上的多孔低折射图案以及提供在基板上并覆盖遮光图案和多孔低折射图案的保护层。多孔低折射图案可以包括硅(Si)、氧(O)、碳(C)和氢(H)的化合物。在该化合物中，碳浓度和氢浓度可以小于氧浓度。
附图说明
从以下结合附图的描述，本公开的某些示例实施方式的以上和其它的方面、特征和优点将更加明显，附图中：
图1是根据一示例实施方式的图像传感器的框图；
图2是根据一示例实施方式的图像传感器的有源像素传感器阵列的电路图；
图3是根据一示例实施方式的图像传感器的平面图；
图4是根据一示例实施方式的图像传感器的剖视图；
图5是根据一示例实施方式的图4的部分A的放大图；
图6是根据一示例实施方式的图像传感器的剖视图；以及
图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14、图15、图16、图17、图18、图19、图20、图21和图22是根据示例实施方式的制造图像传感器的方法的剖视图。
具体实施方式
现在以下将参照附图描述根据本公开的图像传感器。
图1示出根据一示例实施方式的图像传感器的框图。
参照图1，图像传感器可以包括有源像素传感器阵列1、行解码器2、行驱动器3、列解码器4、时序发生器5、相关双采样器(CDS)6、模数转换器(ADC)7和输入/输出缓冲器8。
有源像素传感器阵列1可以包括二维排列的多个单位像素，每个单位像素配置为将光信号转换成电信号。有源像素传感器阵列1可以由多个驱动信号(诸如来自行驱动器3的像素选择信号、复位信号和电荷转移信号)驱动。相关双采样器6可以被提供有所转换的电信号。
根据从行解码器2获得的解码结果，行驱动器3可以向有源像素传感器阵列1提供用于驱动若干单位像素的若干驱动信号。当所述多个单位像素排列成矩阵形状时，驱动信号可以被提供给每行。
时序发生器5可以向行解码器2和列解码器4提供时序信号和控制信号。
相关双采样器6可以接收从有源像素传感器阵列1产生的电信号，并且可以保持所接收的电信号并对其采样。相关双采样器6可以执行双采样操作以采样特定噪声电平和电信号的信号电平，然后可以输出对应于噪声电平和信号电平之间的差异的差分电平。
模数转换器7可以将与从相关双采样器6接收的差分电平相对应的模拟信号转换成数字信号，然后输出所转换的数字信号。
输入/输出缓冲器8可以锁存数字信号，然后可以响应于从列解码器4获得的解码结果将锁存的数字信号依次输出到图像信号处理单元。
图2是根据一示例实施方式的图像传感器的有源像素传感器阵列的电路图。
参照图1和图2，有源像素传感器阵列1可以包括多个单位像素P，所述多个单位像素P可以排列成矩阵形状。每个单位像素P可以包括转移晶体管TX和逻辑晶体管RX、SX和DX。逻辑晶体管RX、SX和DX可以包括复位晶体管RX、选择晶体管SX和驱动晶体管DX。转移晶体管TX可以包括转移栅极TG。每个单位像素P还可以包括光电转换元件PD和浮置扩散区FD。
光电转换元件PD可以与外部入射光的量成比例地产生和累积光电荷。光电转换元件PD可以包括光电二极管、光电晶体管、光电门、被钉扎的光电二极管或其组合。转移晶体管TX可以将光电转换元件PD中产生的光电荷转移到浮置扩散区FD中。浮置扩散区FD可以累积和储存从光电转换元件PD产生和转移的光电荷。驱动晶体管DX可以由在浮置扩散区FD中累积的光电荷的量控制。
复位晶体管RX可以周期性地复位在浮置扩散区FD中累积的光电荷。复位晶体管RX可以具有连接到浮置扩散区FD的漏电极和连接到电源电压VDD的源电极。当复位晶体管RX导通时，可以向浮置扩散区FD供应连接到复位晶体管RX的源电极的电源电压VDD。因此，当复位晶体管RX导通时，累积在浮置扩散区FD中的光电荷可以被耗尽，因此浮置扩散区FD可以被复位。复位晶体管RX可以包括复位栅极RG。
驱动晶体管DX可以用作源极跟随器缓冲放大器。驱动晶体管DX可以放大浮置扩散区FD的电势的变化，并可以将放大的电势的变化输出到输出线VOUT。
选择晶体管SX可以选择要读出的每行单位像素P。当选择晶体管SX导通时，电源电压VDD可以被施加到驱动晶体管DX的漏电极。选择晶体管SX可以包括选择栅极SG。
图3是根据一示例实施方式的图像传感器的平面图。图4是根据一示例实施方式的图像传感器的沿着图3的线I-I'截取的剖视图。图5是根据一示例实施方式的图4的部分A的放大图。
参照图3至图5，根据一些实施方式的图像传感器可以包括光电转换层10、布线层20和光透射层30。光电转换层10可以插置在布线层20和光透射层30之间。光电转换层10可以包括半导体基板100和提供在半导体基板100中的光电转换区110。
半导体基板100可以是其中第一导电类型的外延层形成在第一导电类型的体硅基板上的基板。例如，第一导电类型可以是p型。体硅基板可以在图像传感器制造工艺中被去除，使得半导体基板100可以由第一导电类型的外延层形成。可选地，半导体基板100可以是包括第一导电类型的阱的体硅基板。不同地，半导体基板100可以包括第二导电类型的外延层、第二导电类型的体硅基板或绝缘体上硅(SOI)基板。例如，第二导电类型可以是n型。半导体基板100可以具有彼此相反的第一表面100a和第二表面100b。布线层20可以设置在半导体基板100的第一表面100a上，光透射层30可以设置在半导体基板100的第二表面100b上。
半导体基板100可以包括设置在半导体基板100的中心的像素区AR和围绕像素区AR的外围区。像素区AR可以在其上提供有参照图2讨论的多个单位像素P。外围区可以是在像素区AR周围的部分，该部分在其上没有提供单位像素P。例如，外围区可以在其上提供有图像传感器通过其发送和接收外部信号的一个或更多个焊盘。下面将详细描述单位像素P的配置。
像素区AR可以包括多个单位像素P。当在平面图中观看时，所述多个单位像素P可以在彼此交叉的两个方向上二维地排列。例如，所述多个单位像素P可以沿着所述两个方向排列成矩阵形状。
第一器件隔离图案120可以与半导体基板100的第二表面100b相邻地提供，限定所述多个单位像素P。例如，类似于单位像素P的布置，第一器件隔离图案120可以沿着两个交叉的方向排列。当在平面图中观看时，第一器件隔离图案120的整体形状可以具有栅格结构。例如，第一器件隔离图案120的部分可以在第一方向D1上延伸并可以沿着与第一方向D1交叉的第二方向D2排列，第一器件隔离图案120的其它部分可以在第二方向D2上延伸并可以沿着第一方向D1排列。每个第一器件隔离图案120可以在一对相邻的单位像素P之间穿过。单个单位像素P可以被定义为表示由相邻的第一器件隔离图案120围绕的部分。
第一器件隔离图案120可以提供在穿透半导体基板100的沟槽TR中。沟槽TR可以具有与半导体基板100的厚度基本上相同的深度。例如，沟槽TR可以垂直地穿透半导体基板100。沟槽TR可以具有在从半导体基板100的第二表面100b朝向第一表面100a的方向上逐渐增大的宽度。可选地，沟槽TR的宽度可以是均匀的，而与距半导体基板100的第二表面100b的距离无关。不同地，沟槽TR可以具有在从半导体基板100的第二表面100b朝向第一表面100a的方向上逐渐减小的宽度。在这种情况下，沟槽TR可以垂直地完全穿透半导体基板100，或者可以从半导体基板100的第二表面100b延伸，但是可以不到达半导体基板100的第一表面100a。当沟槽TR没有到达半导体基板的第一表面100a时，沟槽TR的一端可以插入到将在下面讨论的第二器件隔离图案103中，或者可以与第二器件隔离图案103间隔开特定间隔。
第一器件隔离图案120可以在其顶表面上基本上平坦。第一器件隔离图案120的顶表面可以基本上平行于半导体基板100的第一表面100a。此外，第一器件隔离图案120的顶表面可以位于距半导体基板100的第一表面100a的相同的水平处。例如，第一器件隔离图案120的顶表面可以位于一个基本上平坦的平面上。第一器件隔离图案120的顶表面可以与半导体基板100的第二表面100b共面。
每个第一器件隔离图案120可以包括电介质隔离图案122和导电隔离图案124。
电介质隔离图案122可以部分地填充沟槽TR。例如，电介质隔离图案122可以共形地覆盖沟槽TR的内侧表面和底表面。电介质隔离图案122可以包括其折射率比半导体基板100(例如硅(Si))的折射率小的电介质材料。例如，电介质隔离图案122可以包括硅氧化物(SiO)层、硅氮氧化物(SiON)层和/或硅氮化物(SiN)层。
导电隔离图案124可以完全地填充已填充有电介质隔离图案122的沟槽TR的未被占据的部分。例如，导电隔离图案124可以填充沟槽TR，并且在沟槽TR中，电介质隔离图案122可以插置在导电隔离图案124和半导体基板100之间。导电隔离图案124和电介质隔离图案122可以使它们的顶表面与半导体基板100的第二表面100b共面。导电隔离图案124和电介质隔离图案122可以使它们的底表面与半导体基板100的第一表面100a共面。导电隔离图案124可以具有在从半导体基板100的第二表面100b朝向第一表面100a的方向上逐渐增大的宽度。导电隔离图案124可以包括导电材料。例如，导电隔离图案124可以包括n型掺杂的多晶硅或p型掺杂的多晶硅。可选地，导电隔离图案124可以包括金属。根据一些实施方式，如果需要，可以不提供导电隔离图案124。例如，第一器件隔离图案120可以包括完全填充沟槽TR的电介质隔离图案122。
光电转换区110可以提供在对应的单位像素P中。光电转换区110可以是具有与半导体基板100的第一导电类型不同的第二导电类型(例如n型)的杂质区。例如，光电转换区110可以与半导体基板100的第二表面100b相邻并与半导体基板100的第一表面100a垂直地间隔开。光电转换区110可以在与第一表面100a相邻的第一部分和与第二表面100b相邻的第二部分之间具有杂质浓度差。
光电转换区110可以将外部入射光转换成电信号。例如，半导体基板100和光电转换区110可以构成光电二极管。在每个单位像素P中，光电二极管可以由在第一导电类型的半导体基板100和第二导电类型的光电转换区110之间的p-n结构成。构成光电二极管的光电转换区110可以与入射光的强度成比例地产生和累积光电荷。
半导体基板100可以在其中提供有与第一表面100a相邻并限定有源图案的第二器件隔离图案103。每个单位像素P可以包括有源图案。例如，有源图案可以包括将在下面讨论的浮置扩散区FD。
第二器件隔离图案103可以具有在从半导体基板100的第一表面100a朝向第二表面100b的方向上逐渐减小的宽度。第一器件隔离图案120可以垂直地穿透第二器件隔离图案103。第二器件隔离图案103可以包括SiO层、SiON层和/或SiN层。
半导体基板100可以在其第一表面100a上提供有以上参照图2讨论的转移晶体管TX和逻辑晶体管RX、SX和DX。
转移晶体管TX可以提供在每个单位像素P上。转移晶体管TX可以电连接到光电转换区110。转移晶体管TX可以包括转移栅极TG和浮置扩散区FD。转移栅极TG可以包括插入到半导体基板100中的下部，并且还可以包括连接到下部并突出到半导体基板100的第一表面100a上的上部。栅极电介质层GI可以插置在转移栅极TG和半导体基板100之间。浮置扩散区FD可以具有与半导体基板100的第一导电类型相反的第二导电类型(例如n型)。
逻辑晶体管(见图2的RX、SX和DX)可以提供在每个单位像素P上。例如，逻辑晶体管可以包括复位晶体管RX。
布线层20可以包括覆盖转移晶体管TX和逻辑晶体管(见图2的RX、SX和DX)的第一层间电介质层221、第二层间电介质层222和第三层间电介质层223，还可以包括在第一层间电介质层221、第二层间电介质层222和第三层间电介质层223中的第一导电线图案212和第二导电线图案213。第一导电线图案212和第二导电线图案213可以通过下接触插塞BCP电连接到转移晶体管TX和逻辑晶体管(见图2的RX、SX和DX)。
布线层20可以对在光电转换区110中转换的电信号进行信号处理。第一导电线图案212和第二导电线图案213可以分别设置在堆叠于半导体基板100的第一表面100a上的第二层间电介质层222和第三层间电介质层223中。在一些实施方式中，第一导电线图案212和第二导电线图案213可以与光电转换区110的布置无关地设置。当在平面图中观看时，第一导电线图案212和第二导电线图案213可以穿过光电转换区110。
光透射层30可以设置在半导体基板100的第二表面100b上。光透射层30可以包括第一固定电荷层310、第二固定电荷层320、第一保护层330、遮光层340、滤色器350和微透镜360。光透射层30可以聚集并过滤外部入射光，光电转换层10可以被提供有所聚集并过滤的光。
第一固定电荷层310可以设置在半导体基板100的第二表面100b上。半导体基板100的第二表面100b可以与第一固定电荷层310接触。在像素区AR上，第一固定电荷层310可以覆盖半导体基板100的第二表面100b。第一固定电荷层310可以包括包含氧(O)或氟(F)的金属氧化物或金属氟化物的单层或多层，氧(O)或氟(F)的量小于化学计量的量。因此，第一固定电荷层310可以具有负的固定电荷。第一固定电荷层310可以包括包含从铪(Hf)、锆(Zr)、铝(Al)、钽(Ta)、钛(Ti)、钇(Y)和镧系元素中选择的至少一种金属的金属氧化物或金属氟化物的单层或多层。例如，第一固定电荷层310可以包括铪氧化物(HfO)层和铝氧化物(Al2O3)层中的一个或更多个。第一固定电荷层310可以抑制暗电流和白点。
第二固定电荷层320可以堆叠在第一固定电荷层310上。在像素区AR上，第二固定电荷层320可以共形地覆盖第一固定电荷层310。第二固定电荷层320可以包括单层或多层的金属氧化物或金属氟化物。例如，第二固定电荷层320可以包括HfO层和Al2O3层中的一个或更多个。第二固定电荷层320可以用作第一固定电荷层310的加强层或粘附层。
第一保护层330可以堆叠在第二固定电荷层320上。在像素区AR上，第一保护层330可以共形地覆盖第二固定电荷层320。第一保护层330可以包括从等离子体增强正硅酸乙酯(PE-TEOS)、SiO、SiN、硅碳氮化物(SiCN)、HfO和Al2O3中选择的至少一种。第一保护层330可以用作抗反射层和平坦化层中的一种或更多种。
遮光层340可以提供在第一保护层330上。遮光层340可以位于半导体基板100的像素区AR上。遮光层340可以具有与第一器件隔离图案120的平面形状类似的平面形状。例如，遮光层340可以具有栅格结构。例如，当如图3所示地观看时，遮光层340可以包括在第一方向D1上延伸的第一延伸部分340a和在与第一方向D1交叉的第二方向D2上延伸的第二延伸部分340b。第一延伸部分340a和第二延伸部分340b可以彼此相交以限定光透射区LPR。光透射区LPR可以沿着第一方向D1和第二方向D2二维地排列。光透射区LPR可以与单位像素P垂直地重叠。单位像素P可以通过光透射区LPR接收光。因此，遮光层340可以防止相邻像素之间的串扰。遮光层340可以包括遮光图案342、低折射图案344和第二保护层346。
遮光图案342可以设置在第一保护层330上。在像素区AR上，当在平面图中观看时，遮光图案342可以具有栅格结构。遮光图案342可以与第一器件隔离图案120重叠。例如，当在平面图中观看时，遮光图案342可以具有与第一器件隔离图案120的平面形状对应的平面形状。然而，本实施方式不限于此。例如，在像素区AR的中心部分上，遮光图案342可以与第一器件隔离图案120垂直地对准，并且在像素区AR的边缘区上，遮光图案342可以从第一器件隔离图案120水平地偏移。遮光图案342可以包括第一金属。例如，第一金属可以包括钨(W)、铜(Cu)、Hf、Zr、Ti、Ta、Al、钌(Ru)、钯(Pd)、铂(Pt)、钴(Co)和/或镍(Ni)。可选地，遮光图案342可以包括第一金属的氮化物。例如，第一金属的氮化物可以包括钛氮化物(TiN)。
低折射图案344可以设置在遮光图案342上。低折射图案344可以具有与遮光图案342的平面形状相同的平面形状。例如，当在平面图中观看时，低折射图案344可以具有网络形状。低折射图案344可以具有与遮光图案342的侧壁对准的侧壁。
如图5所示，低折射图案344可以具有比将在下面讨论的滤色器350的折射率小的折射率。例如，低折射图案344可以具有约1至约1.46的折射率。低折射图案344可以包括多孔硅化合物。例如，硅化合物可以是Si、O、碳(C)和氢(H)的化合物。在该化合物中的碳浓度和氢浓度可以小于在该化合物中的氧浓度。低折射图案344可以在其中具有孔POR，每个孔POR具有比包括在遮光图案342中的第一元素(例如第一金属或第一金属的氮化物)的分子的尺寸和包括在下面将讨论的第二保护层346中的第二元素的分子的尺寸小的尺寸。低折射图案344中的孔POR可以每个具有约0.2nm至约10nm的直径。例如，低折射图案344中的孔POR可以每个具有约0.2nm至约1nm的直径。
根据一些实施方式，由于低折射图案344由多孔材料制成，所以低折射图案344可以具有小的折射率。例如，低折射图案344的孔POR可以填充有其折射率低的空气，因此低折射图案344可以在整体折射率上降低。此外，由于孔POR被提供为每个具有比包括在遮光图案342中的第一元素的分子的尺寸和包括在第二保护层346中的第二元素的分子的尺寸小的尺寸，所以第一元素和第二元素都不会扩散到低折射图案344中。例如，第一元素和第二元素都不会被引入到低折射图案344的孔POR中。因此，可以防止低折射图案344的介电常数由于低折射图案344周围的材料扩散到低折射图案344中而增大。而且，由于孔POR分散在低折射图案344中，所以可以存在对朝向低折射图案344传播的光的全反射，并且可以存在低折射图案344的光透射率和光吸收率的降低。例如，低折射图案344的光吸收率可以在从约0至约0.1的范围内。上述配置可以为低折射图案344提供折射率，并且遮光图案342和低折射图案344可以促进防止像素之间的串扰。因此，图像传感器可以具有图像缺陷的改善。
仍参照图3至图5，第二保护层346可以堆叠在第一保护层330上。第二保护层346可以共形地覆盖低折射图案344、遮光图案342和第一保护层330。第二保护层346可以包括第二金属的氧化物或氮化物。第二金属的氧化物或氮化物可以是非导电的。例如，第二保护层346可以包括Al2O3。
由于孔POR的尺寸小于包括在遮光图案342中的第一元素(例如第一金属或第一金属的氮化物)的分子的尺寸和包括在第二保护层346中的第二元素(例如第二金属的氧化物)的分子的尺寸，所以第一金属、第一金属的氮化物、第二金属和第二金属的氧化物中的任一个都不会扩散到低折射图案344中。例如，低折射图案344可以既不包含第一金属也不包含第二金属。
滤色器350可以提供在第一保护层330和遮光层340上。滤色器350可以对应地提供在遮光层340的光透射区LPR上。滤色器350可以设置在对应的单位像素P上。如图4所示，滤色器350可以覆盖遮光层340，并且滤色器350的部分可以填充遮光层340的光透射区LPR。可选地，滤色器350可以对应地填充遮光层340的光透射区LPR，并且可以不延伸到遮光层340上。可选地，滤色器350可以掩埋在半导体基板100中。例如，对应于单位像素P的凹陷可以形成在半导体基板100的第二表面100b处，并且第一固定电荷层310、第二固定电荷层320和第一保护层330可以形成为共形地覆盖所述凹陷的内部。在这种情况下，在第一保护层330上，滤色器350可以填充光透射区LPR以及所述凹陷的内部。下面将描述图4所示的实施方式。滤色器350可以构成原色滤色器阵列。例如，滤色器350可以由绿色滤色器、蓝色滤色器和红色滤色器的组合形成。滤色器350可以布置成拜耳图案、2×2Tetra图案和3×3Nona图案中的一种。又例如，滤色器350可以包括不同的颜色，诸如青色、品红色或黄色。
微透镜360可以对应地提供在滤色器350上。平坦化图案305可以插置在滤色器350和微透镜360之间。
图6是根据一示例实施方式的图像传感器的剖视图。
参照图6，根据一些实施方式的图像传感器可以包括光电转换层10，光电转换层10包括具有像素区AR、光学黑区OB和焊盘区PAD的半导体基板100，还可以包括在半导体基板100的第一表面100a上的布线层20和在布线层20上的基底基板40。布线层20可以包括上布线层21和下布线层23。像素区AR可以包括多个单位像素。
像素区AR可以与以上参照图1至图5讨论的像素区基本上相同。例如，半导体基板100可以在其中提供有第一器件隔离图案120，光电转换区110通过第一器件隔离图案120彼此分隔开，并且晶体管可以提供在半导体基板100的第一表面100a上。半导体基板100可以在其第一表面100a上提供有布线层20，布线层20包括导电线图案并且还包括覆盖转移晶体管(见图2的TX)和逻辑晶体管(见图2的RX、SX和DX)的层间电介质层。半导体基板100可以在其第二表面100b上提供有光透射层30，光透射层30包括第一固定电荷层310、第二固定电荷层320、第一保护层330、遮光层340、滤色器350和微透镜360。遮光层340可以与参照图3至图5讨论的遮光层相同。例如，遮光层340可以包括遮光图案、在遮光图案上的低折射图案以及覆盖遮光图案和低折射图案的第二保护层。低折射图案可以包括多孔硅化合物，并且可以在其中具有孔，每个孔具有比包括在遮光图案中的第一元素的分子的尺寸和包括在第二保护层中的第二元素的分子的尺寸小的尺寸。
在光学黑区OB上，半导体基板100可以在其上提供有第一连接结构50、第一导电焊盘81和体滤色器90。第一连接结构50可以包括第一遮光图案51、电介质图案53和第一盖图案55。
第一遮光图案51可以提供在半导体基板100的第二表面100b上。例如，第一遮光图案51可以在第二表面100b上覆盖第一保护层330，并可以共形地覆盖第一沟槽TR1和第二沟槽TR2中的每个的内壁。第一遮光图案51可以穿透光电转换层10和上布线层21，并可以将光电转换层10连接到布线层20。例如，第一遮光图案51可以与在上布线层21和下布线层23中的布线接触并与在光电转换层10中的第一器件隔离图案120接触。因此，第一连接结构50可以电连接到在布线层20中的布线。第一遮光图案51可以包括金属材料(例如W)。第一遮光图案51可以阻挡光入射到光学黑区OB上。
第一导电焊盘81可以提供在第一沟槽TR1中并可以填充第一沟槽TR1的未被占据的部分。第一导电焊盘81可以包括金属材料(例如Al)。第一导电焊盘81可以电连接到图4的导电隔离图案124。负偏置电压可以通过第一导电焊盘81施加到导电隔离图案124。因此，可以防止或减少白点和/或暗电流。
电介质图案53可以填充第二沟槽TR2的未被占据的部分。电介质图案53可以穿透光电转换层10以及布线层20的全部或一部分。第一盖图案55可以提供在电介质图案53的顶表面上。第一盖图案55可以提供在电介质图案53上。
体滤色器90可以提供在第一导电焊盘81、第一遮光图案51和第一盖图案55上。体滤色器90可以覆盖第一导电焊盘81、第一遮光图案51和第一盖图案55。第三保护层71可以提供在体滤色器90上并覆盖体滤色器90。
光电转换区110'和虚设区111可以提供在半导体基板100的光学黑区OB上。光电转换区110'可以掺有不同于第一导电类型的第二导电类型的杂质。例如，第二导电类型可以是n型。在光学黑区OB上的光电转换区110'可以具有与在像素区AR上的光电转换区110的结构类似的结构，并可以不执行与在像素区AR上的光电转换区110的操作相同的操作(例如，从接收到的光产生电信号)。虚设区111可以不掺有杂质。虚设区111可以产生用作消除后续工艺噪声的信息的信号。
在焊盘区PAD上，半导体基板100可以在其上提供有第二连接结构60、第二导电焊盘83和第四保护层73。第二连接结构60可以包括第二遮光图案61、电介质图案63和第二盖图案65。
第二遮光图案61可以提供在半导体基板100的第二表面100b上。例如，第二遮光图案61可以在第二表面100b上覆盖第一保护层330，并可以共形地覆盖第三沟槽TR3和第四沟槽TR4中的每个的内壁。第二遮光图案61可以穿透光电转换层10和上布线层21，并可以将光电转换层10连接到布线层20。例如，第二遮光图案61可以与下布线层23中的布线接触。因此，第二连接结构60可以电连接到布线层20中的布线。例如，第二遮光图案61可以包括金属材料(例如W)。
第二导电焊盘83可以提供在第三沟槽TR3中，并可以填充第三沟槽TR3的未被占据的部分。第二导电焊盘83可以包括金属材料(例如Al)。第二导电焊盘83可以用作电连接路径，图像传感器通过该电连接路径电连接到外部装置。电介质图案63可以填充第四沟槽TR4的未被占据的部分。电介质图案63可以穿透光电转换层10以及布线层20的全部或一部分。第二盖图案65可以提供在电介质图案63上。第四保护层73可以覆盖第二遮光图案61的一部分和第二盖图案65。
经由第二导电焊盘83施加的电流可以通过第二遮光图案61、布线层20中的布线和第一遮光图案51流动到第一器件隔离图案120。光电转换区110和110'以及虚设区111可以产生电信号，并且电信号可以通过布线层20中的布线、第二遮光图案61和第二导电焊盘83向外传输。
图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14、图15、图16、图17、图18、图19、图20、图21和图22是根据示例实施方式的制造图像传感器的方法的剖视图。图7至图14、图16、图18、图20和图22是根据一些实施方式的制造图像传感器的方法的剖视图。图15是图14的部分B的放大图。图17是图16的部分C的放大图。图19是图18的部分D的放大图。图21是图20的部分E的放大图。
参照图7，可以提供具有彼此相反的第一表面100a和第二表面100b的半导体基板100。半导体基板100可以包括设置在其中心的像素区AR和围绕像素区AR的外围区。
可以在半导体基板100的第一表面100a处形成第二器件隔离图案103。第二器件隔离图案103可以限定有源图案。
参照图8，半导体基板100的第一表面100a可以经历蚀刻工艺以形成沟槽TR。沟槽TR可以具有在从半导体基板100的第一表面100a朝向第二表面100b的方向上逐渐减小的宽度。当在平面图中观看时，沟槽TR可以形成为具有栅格结构。沟槽TR可以在像素区AR上限定多个单位像素。
可以形成第一器件隔离图案120以填充沟槽TR。第一器件隔离图案120可以每个包括电介质隔离图案122和导电隔离图案124。电介质隔离图案122和导电隔离图案124的形成可以包括：共形地形成部分地填充沟槽TR的电介质层；在电介质层上形成填充沟槽TR的导电层；以及对电介质层和导电层执行平坦化工艺，直到半导体基板100的第一表面100a被暴露。例如，电介质隔离图案122可以包括SiO层、SiON层和/或SiN层。导电隔离图案124可以包括n型掺杂的多晶硅或p型掺杂的多晶硅。
参照图9，可以用杂质对有源图案进行掺杂以形成浮置扩散区FD和杂质区。可以在有源图案上形成以上参照图2讨论的转移晶体管TX和逻辑晶体管RX、SX和DX。
可以在半导体基板100上形成布线层20。可以在半导体基板100的第一表面100a上形成第一层间电介质层221、第二层间电介质层222和第三层间电介质层223。可以分别在第二层间电介质层222和第三层间电介质层223中形成第一导电线图案212和第二导电线图案213，并且可以形成下接触插塞BCP以连接到第一导电线图案212和第二导电线图案213。
参照图10，半导体基板100的第二表面100b可以经历第一平坦化工艺以暴露第一器件隔离图案120。第一平坦化工艺可以包括化学机械抛光(CMP)工艺。第一平坦化工艺可以去除半导体基板100的一部分，并可以暴露第一器件隔离图案120的顶表面。在此步骤中，第一器件隔离图案120的电介质隔离图案122可以具有暴露的顶表面，并且第一器件隔离图案120的导电隔离图案124可以具有暴露的顶表面。
参照图11，可以在半导体基板100的第二表面100b上共形地形成第一固定电荷层310。可以在第一固定电荷层310上共形地形成第二固定电荷层320。可以在第二固定电荷层320上共形地形成第一保护层330。在像素区AR上，第一器件隔离图案120可以被第一固定电荷层310、第二固定电荷层320和第一保护层330覆盖。第一固定电荷层310可以由包含从Hf、Zr、Al、Ta、Ti、Y和镧系元素中选择的至少一种金属的金属氧化物或金属氟化物形成。第二固定电荷层320可以使用单层或多层金属氧化物或金属氟化物形成。第一保护层330可以由从等离子体增强的PE-TEOS、SiO、SiN、SiCN、HfO和Al2O3中选择的至少一种形成。
参照图12，在像素区AR上，可以在第一保护层330上形成遮光膜341。遮光膜341可以包括第一金属。例如，第一金属可以包括W、Cu、Hf、Zr、Ti、Ta、Al、Ru、Pd、Pt、Co和/或Ni。可选地，遮光膜341可以包括第一金属的氮化物。例如，第一金属的氮化物可以包括TiN。
之后，可以在遮光膜341上沉积低折射材料以形成低折射层343。低折射层343的形成可以包括执行等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺。低折射材料可以包括硅化合物。例如，硅化合物可以是Si、O、C和H的化合物。
参照图13，可以图案化低折射层343和遮光膜341以形成初始低折射图案345和遮光图案342。例如，可以在低折射层343上形成掩模图案MP，然后可以使用掩模图案MP作为掩模来执行蚀刻工艺以蚀刻低折射层343和遮光膜341。掩模图案MP可以具有与第一器件隔离图案120的平面形状类似的平面形状。例如，掩模图案MP可以具有栅格结构。因此，初始低折射图案345和遮光图案342可以每个具有栅格结构，并且可以在通过蚀刻低折射层343和遮光膜341形成的初始低折射图案345和遮光图案342的内侧限定光透射区。
参照图14和图15，可以去除掩模图案MP。
初始低折射图案345可以包括硅化合物。例如，硅化合物可以是Si、O、C和H的化合物。O、C和H可以在硅化合物中具有相同或相似的浓度。此外，初始低折射图案345可以在其中没有孔。
参照图16和图17，初始低折射图案345可以经历灰化工艺以形成多孔低折射图案344。例如，灰化工艺可以包括氧(O2)灰化工艺。由于初始低折射图案345由Si、O、C和H的化合物形成，所以在灰化工艺中，碳原子和氢原子可以从初始低折射图案345释放。例如，在灰化工艺中，初始低折射图案345中的碳和氢可以彼此结合以从初始低折射图案345释放。因此，在灰化工艺之后，初始低折射图案345可以具有降低的碳浓度和降低的氢浓度，并且在初始低折射图案345中，碳浓度和氢浓度可以小于氧浓度。初始低折射图案345可以包括形成在碳和氢从其释放的位置的孔POR。因此，可以形成多孔低折射图案344。
低折射图案344中的孔POR可以每个具有比包括在遮光图案342中的第一元素(例如第一金属或第一金属的氮化物)的分子的尺寸和包括在下面将讨论的第二保护层346中的第二元素的分子的尺寸小的尺寸。低折射图案344中的孔POR可以每个具有约0.2nm至约10nm的直径。例如，低折射图案344中的孔POR可以每个具有约0.2nm至约1nm的直径。
图14至图17绘出低折射层343被图案化以形成初始低折射图案345，然后执行灰化工艺以形成低折射图案344，但是本公开不限于此。
参照图18和图19，如在图12中讨论的，可以在像素区AR上的第一保护层330上依次形成遮光膜341和低折射层343。遮光膜341可以包括第一金属或第一金属的氮化物。之后，可以在遮光膜341上沉积低折射材料以形成低折射层343。低折射层343的形成可以包括执行PECVD工艺。低折射材料可以包括硅化合物。例如，硅化合物可以是Si、O、C和H的化合物。O、C和H可以在硅化合物中具有相同或相似的浓度。此外，低折射层343可以在其中没有孔。
参照图20和图21，低折射层343可以经历灰化工艺以形成多孔低折射层347。例如，灰化工艺可以包括O2灰化工艺。由于低折射层343由Si、O、C和H的化合物形成，所以碳原子和氢原子可以在灰化工艺中从低折射层343释放。例如，在灰化工艺中，低折射层343中的碳和氢可以彼此结合以从低折射层343释放。因此，在灰化工艺之后，低折射层343可以具有降低的碳浓度和降低的氢浓度，并且在低折射层343中，碳浓度和氢浓度可以小于氧浓度。低折射层343可以具有形成在碳和氢从其释放的位置的孔POR。因此，可以形成多孔低折射层347。
此后，可以图案化多孔低折射层347和遮光膜341以形成低折射图案344和遮光图案342。低折射图案344和遮光图案342可以每个具有栅格结构，并且可以在通过蚀刻多孔低折射层347和遮光膜341形成的低折射图案344和遮光图案342的内侧限定光透射区。下面的描述将集中在图14至17的实施方式上。
参照图22，可以在半导体基板100的第二表面100b上共形地形成第二保护层346。第二保护层346可以包括第二金属的非导电氧化物或氮化物。例如，第二保护层346可以包括Al2O3。遮光图案342、低折射图案344和第二保护层346可以构成遮光层340。
根据一些实施方式，由于孔POR被提供为每个具有比包括在遮光图案342中的第一元素的分子的尺寸和包括在第二保护层346中的第二元素的分子的尺寸小的尺寸，所以第一元素和第二元素都不会扩散到低折射图案344中。例如，即使在由于用于形成第二保护层346的沉积工艺、包括退火工艺的后续工艺和/或图像传感器的操作而加热时，第一元素和第二元素都不会扩散到低折射图案344中。
此后，可以在第二保护层346上形成滤色器350。光刻工艺可以被执行若干次以在半导体基板100上形成滤色器350。例如，可以执行第一光刻工艺以同时形成第一滤色器。可以在半导体基板100的第二表面100b上涂覆包含蓝色染料的第一光敏热固性树脂溶液。第一光敏热固性树脂溶液可以被加热和固化以形成第一光致抗蚀剂层。可以执行曝光工艺和显影工艺以形成第一滤色器。随后，可以依次执行与第一光刻工艺相同或类似的第二光刻工艺和第三光刻工艺以分别形成第二滤色器和第三滤色器。
返回参照图4，可以在半导体基板100上形成平坦化图案305。平坦化图案305可以具有基本上平坦的顶表面。
之后，可以在平坦化图案305上形成微透镜360。
根据一些实施方式的图像传感器可以包括由多孔材料形成的低折射图案，该低折射图案通过该多孔材料具有低折射率。此外，孔可以被提供为使它们的尺寸中的每个小于包括在遮光图案中的元素的分子的尺寸和包括在保护层中的元素的分子的尺寸，因此所述元素中的任一种都不会扩散到低折射图案中。因此，可以防止低折射图案的介电常数由于在低折射图案周围的材料扩散到低折射图案中而增大。上述配置可以提供具有低折射率的低折射图案，并且遮光图案和低折射图案可以促进防止像素之间的串扰。因此，图像传感器可以具有图像缺陷的改善。
由诸如图1的附图中的方框表示的部件、元件、模块或单元(在本段中统称为“部件”)中的至少一个可以被实施为执行上述各自功能的各种数量的硬件、软件和/或固件结构。这些部件中的至少一个可以使用直接电路结构(诸如存储器、处理器、逻辑电路、查找表等)，其可以通过一个或更多个微处理器或其它控制装置的控制来执行各自功能。此外，这些部件中的至少一个可以由模块、程序或部分代码(其包含用于执行特定逻辑功能的一个或更多个可执行指令)来具体实现，并由一个或更多个微处理器或其它控制装置来执行。此外，这些部件中的至少一个可以包括处理器或者可以由处理器实现，该处理器诸如是执行相应功能的中央处理单元(CPU)、微处理器等。这些部件中的两个或更多个可以结合成一个单一部件，该单一部件执行所结合的两个或更多个部件的所有操作或功能。此外，这些部件中的至少一个的功能的至少部分可以由这些部件中的另一个来执行。以上示例实施方式的功能方面可以在一个或更多个处理器上运行的算法中实现。此外，由块或处理步骤表示的部件可以采用任何数量的用于电子配置、信号处理和/或控制、数据处理等的相关领域技术。
尽管已经结合附图中示出的一些实施方式描述了本公开，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离本公开的精神和必要特征的情况下，可以在其中进行形式和细节上的变化。因此，以上公开的实施方式应当被认为是说明性的，而不是限制性的。
本申请基于2021年10月18日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2021-0138129号以及2022年1月20日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2022-0008816号并要求它们的优先权，它们的公开内容通过引用整体地结合于此。

Claims (19)

1.一种图像传感器，包括：
基板；
多个单位像素，提供在所述基板的像素区上；
多个器件隔离图案，在所述像素区上限定所述多个单位像素；
遮光层，提供在所述基板的顶表面上，所述遮光层包括限定多个光透射区的栅格结构；
多个滤色器，提供在所述遮光层的所述多个光透射区上；以及
多个微透镜，提供在所述多个滤色器上，
其中所述遮光层包括：
遮光图案；
低折射图案，提供在所述遮光图案上；以及
保护层，提供在所述基板上并覆盖所述遮光图案和所述低折射图案，其中所述低折射图案包括多孔硅化合物，以及
其中在所述低折射图案中的每个孔具有0.2nm至1nm的直径。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中每个所述孔的尺寸小于包括在所述保护层中的第一元素的分子的尺寸和包括在所述遮光图案中的第二元素的分子的尺寸。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述低折射图案具有1至1.46的折射率。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述低折射图案具有0至0.1的光吸收率。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述低折射图案包括硅、氧、碳和氢的化合物，以及
其中，在所述化合物中，碳浓度和氢浓度小于氧浓度。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述保护层包括第一金属的氧化物，以及
其中所述低折射图案不包含所述第一金属。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述遮光图案包括第二金属或所述第二金属的氮化物，以及
其中所述低折射图案不包含所述第二金属。
8.一种图像传感器，包括：
基板，包括像素区；
多个器件隔离图案，在所述像素区上限定多个单位像素；
多个光电转换区，提供在所述基板中并对应地在所述多个单位像素上；
遮光层，提供在所述基板上并沿着所述多个器件隔离图案，所述遮光层限定多个光透射区；
滤色器，提供在所述基板的顶表面上；以及
微透镜阵列，提供在所述滤色器上，
其中所述遮光层包括：
遮光图案；
多孔低折射图案，提供在所述遮光图案上；以及
保护层，提供在所述基板上并覆盖所述遮光图案和所述多孔低折射图案，
其中所述多孔低折射图案中的每个孔的尺寸小于包括在所述保护层中的第一元素的分子的尺寸和包括在所述遮光图案中的第二元素的分子的尺寸，以及
其中所述多孔低折射图案具有1至1.46的折射率。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中所述多孔低折射图案中的每个所述孔具有0.2nm至1nm的直径。
10.根据权利要求8所述的图像传感器，其中所述多孔低折射图案具有0至0.1的光吸收率。
11.根据权利要求8所述的图像传感器，其中所述多孔低折射图案包括硅、氧、碳和氢的多孔化合物，以及
其中，在所述多孔低折射图案的所述多孔化合物中，碳浓度和氢浓度小于氧浓度。
12.根据权利要求8所述的图像传感器，其中所述保护层包括第一金属的氧化物，以及
其中所述多孔低折射图案不包含所述第一金属。
13.根据权利要求8所述的图像传感器，其中所述遮光图案包括第二金属，以及
其中所述多孔低折射图案不包含所述第二金属。
14.一种制造图像传感器的方法，所述方法包括：
提供包括像素区的基板；
在所述像素区上形成限定多个单位像素的多个器件隔离图案；
用杂质对所述多个单位像素进行掺杂以形成多个光电转换区；
在所述像素区上形成遮光层；以及
在所述像素区上形成多个滤色器，
其中形成所述遮光层包括：
在所述基板上形成遮光膜；
使用前体在所述遮光膜上沉积低折射层，所述前体包括包含碳和氢的硅氧烷材料；
图案化所述低折射层和所述遮光膜，以形成包括在所述遮光层中的低折射图案和遮光图案；
使所述低折射图案经受氧灰化工艺，以在所述低折射图案中形成多个孔；以及
在所述基板上形成覆盖所述遮光图案和所述低折射图案的保护层，以及
其中在所述低折射图案中的所述多个孔中的每个具有0.2nm至1nm的直径。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，在所述氧灰化工艺中，在所述低折射图案中的碳和氢被部分地释放。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述多个孔中的每个的尺寸小于包括在所述保护层中的第一元素的分子的尺寸和包括在所述遮光图案中的第二元素的分子的尺寸。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述遮光膜包括第一金属，
其中所述保护层包括第二金属的氧化物，以及
当形成所述低折射图案时以及当形成所述保护层时，所述遮光膜的所述第一金属和所述保护层的所述第二金属都不扩散到所述低折射图案中。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述低折射图案具有1至1.46的折射率。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，在所述低折射图案中，碳浓度和氢浓度小于氧浓度。
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