CN116247068A - 图像传感器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种图像传感器及制备方法。该图像传感器包括：半导体衬底，半导体衬底内具有感光单元；位于半导体衬底的表面的第一介质层；位于第一介质层上的超表面膜层，超表面膜层具有负折射率特性，位于感光单元的旁侧，超表面膜层包括多个阵列排布的图形单元；位于超表面膜层的表面的第二介质层；位于第二介质层上的滤镜结构和微透镜结构。该图像传感器的超表面膜层具有负折射率特性，照射到超表面膜层上的光将发生负折射后再折回，入射到相应的感光单元从而被吸收。且即使相邻像素的光都入射到同一片超表面膜层上，仍可以相互独立折射，从而避免了光线入射到相邻的感光单元中，能够有效降低光学串扰。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种图像传感器及制备方法。
背景技术
图像传感器是摄像设备的核心部件，通过将光信号转换成电信号实现图像拍摄功能。以CMOS图像传感器(CMOSImageSensors，CIS)器件为例，由于其具有低功耗和高信噪比的优点，因此在各种领域内得到了广泛应用。
在现有技术中，以后照式(Back-sideIllumination，简称BSI)CIS的制造工艺为例，包括：先在半导体衬底内及表面形成逻辑器件、像素器件以及金属互连结构，然后采用承载晶圆与所述半导体衬底的正面键合，进而对半导体衬底的背部进行减薄，在半导体衬底的背面形成CIS的后续工艺，例如在像素器件的半导体衬底背面形成介质层、网格状的金属格栅(Grid)，在金属格栅之间的网格内形成滤镜结构(ColorFilter)、透镜结构(MicroLens)等。
通过上述制造工艺形成的图像传感器的应用中，光信号经过镜头模组到达透镜结构进行聚焦，然后通过滤镜结构过滤，滤镜滤光后到达像素进行光电转换。其中，当透镜结构捕捉到入射光之后，经过滤镜结构过滤，除去非相关光，形成单色光，入射光子到达半导体衬底被像素器件吸收，产生光生载流子。由于在光到达硅衬底之前，容易发生光学串扰导致影响成像效果，因此需要在半导体衬底的表面形成金属格栅以隔离入射光。
一种在半导体衬底表面形成有金属格栅的图像传感器的结构如图1所示，图像传感器包括微透镜100，滤镜结构101，金属光栅结构102，介质层103，半导体衬底104和光电二极管105。然而在实际应用中发现，由于金属格栅不能与光电二极管紧靠，之间存在间隔，例如存在介质层和半导体衬底的一部分，当光线传播至滤镜结构的边缘时，容易导致光线射入相邻的光电二极管，产生光学串扰，从而会影响图像传感器的成像效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种图像传感器及制备方法，用以改善图像传感器容易产生光学串扰影响成像效果的问题。
本发明提供的图像传感器，包括：半导体衬底，所述半导体衬底内具有感光单元；第一介质层，位于所述半导体衬底的表面；位于所述第一介质层上的超表面膜层，所述超表面膜层具有负折射率特性，位于所述感光单元的旁侧，所述超表面膜层包括多个阵列排布的图形单元；第二介质层，位于所述超表面膜层的表面；位于所述第二介质层上的滤镜结构和微透镜结构。
本发明提供的图像传感器的有益效果在于：超表面膜层具有负折射率特性，照射到超表面膜层上的光将发生负折射后再折回，入射到相应的感光单元从而被吸收。且即使相邻像素的光都入射到同一片超表面膜层上，仍可以相互独立折射，从而避免了光线入射到相邻的感光单元中，能够有效降低光学串扰。
可选地，所述超表面膜层为金属材料。
所述超表面膜层为介电质材料。
示例性地，所述图形单元为垂直角结构。
示例性地，所述超表面膜层的宽度与入射光的最大入射角度成正比，与所述第二介质层、所述滤镜结构及所述微透镜结构的厚度之和成正比，且与所述第一介质层的厚度成反比。超表面膜层的大小发生变化，能够使超表面膜层无论设置于任一可能设置的位置时均能实现入射光的最大入射角度能入射到负折射率超表面膜层中。
本发明还提供了一种图像传感器的制备方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底中形成有感光单元；在所述半导体衬底上形成第一介质层；在所述第一介质层上形成具有负折射率的超表面膜层，所述超表面膜层包括多个阵列排布的图形单元；在所述超表面膜层上形成第二介质层；在所述第二介质层上形成滤镜结构和微透镜结构。
示例性地，在所述第一介质层上形成具有负折射率的超表面膜层，包括：在所述第一介质层上沉积金属材料或介电质材料；对所述金属材料或介电质材料进行图形化刻蚀，形成具有负折射率的超表面膜层。
所述图形单元为垂直角结构。
附图说明
图1为现有技术的图像传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的图像传感器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的图像传感器的工作示意图；
图4为本发明实施例提供的超表面膜层发生负折射的示意图；
图5为本发明实施例提供的超表面膜层的一种结构示意图；
图6为本发明实施例的图像传感器中应用的负折射率超表面膜层的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的图像传感器制备方法的流程示意图；
图8为本发明实施例提供的根据制备方法制备图像传感器的结构变化示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
针对现有技术存在的问题，本发明的实施例提供了一种图像传感器及制备方法。
本实施例提供了一种图像传感器。参见说明书附图2，该图像传感器包括：半导体衬底201，第一介质层202，超表面膜层203，第二介质层204，滤镜结构205和微透镜结构206。其中，半导体衬底内具有感光单元207，第一介质层202位于半导体衬底201的表面。超表面膜层203位于第一介质层202上，且位于感光单元207的旁侧，超表面膜层203具有负折射率特性，超表面膜层203上包括多个阵列排布的图像单元。第二介质层204位于超表面膜层203的表面，滤镜结构205位于第二介质层204的表面，微透镜结构206位于滤镜结构205上。
在本实施例中，第一介质层202和第二介质层204的材料相同。
参见说明书附图3，为本实施例的图像传感器的工作示意图，可以看出：本实施例的图像传感器应用时，当光从聚透镜射入到滤镜结构205后，大部分光会支架透过介质层到达感光单元207，一部分由于衍射效应会从介质层照射到超表面膜层203上。由于超表面膜层203具有负折射率特性，且超表面膜层203与半导体衬底201表面平行，照射到超表面膜层203上的光将发生负折射后再折回，入射到相应的感光单元207从而被吸收。且即使相邻像素的光都入射到同一片超表面膜层203上，仍可以相互独立折射，从而避免了光线入射到相邻的感光单元207中，能够有效降低光学串扰。
一种可能的实施例中，超表面膜层203为全角度负折射超表面膜层203，对所有方向的入射光都能够发生负折射。该超表面膜层203发生负折射的示意图参照说明书附图4所示。因此，能够实现将各自像素入射的光束缚在对应的光电二极管中，降低光学串扰。
超表面膜层203是对一种厚度小于入射光波长的人工层状结构，可以将光在极短的位移中进行调控。能够具有负折射率特性的是一种包括特殊结构的超表面膜层203，其特殊之处在于超表面膜层203的结构以及材料。
可选地，超表面膜层203可以为金属材料，或，超表面膜层203为介电质材料。例如，可以是铝、金等金属，也可以是二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)等介电质材料。
超表面膜层203包括多个阵列排布的图形单元。图形单元可以是如图5和图6所示的垂直角结构，也可以是其它的可以使超表面膜层203具有负折射率特性的结构。图形单元可以是简单排布形成矩形阵列，也可以是沿像素的边界阵列排布。
图5显示了一种简单的具有负折射率特性的超表面膜层203的具体结构。一些其他的图形结构或者材料也可以完成全角度负折射率的特性。图6显示了本实施例的图像传感器中应用的具有负折射率特性的超表面膜层203的具体结构。
在一个具体的实施例中，超表面膜层203是在第一介质层202和第二介质层204之间用金属材料加工而成的多个垂直角结构阵列排布的薄膜，具有全角度负折射率特性。
超表面膜层203设置为能够使入射光的最大入射角度能入射到具有负折射率特性的超表面膜层203中即可。超表面膜层203设置的位置可以是靠近半导体衬底201，也可以是靠近滤镜结构205，也可以是位于半导体衬底201和滤镜结构205之间的中间位置。即，可以是第一介质层202的厚度小于第二介质层204的厚度，也可以是第一介质层202的厚度大于第二介质层204的厚度，也可以是第一介质层202的厚度等于第二介质层204的厚度。
一种可能的实施例中，超表面膜层203设置于不同位置时，超表面膜层203的大小也会发生变化，以使超表面膜层203无论设置于任一可能设置的位置时均能实现入射光的最大入射角度能入射到负折射率超表面膜层203中。
一种可能的实施例中，超表面膜层203设置于不同位置时，超表面膜层203的尺寸受图像传感器的其他结构影响的具体关系为：超表面膜层203的宽度与入射光的最大入射角度成正比，与第二介质层204、滤镜结构205及微透镜结构206的厚度之和成正比，且与第一介质层202的厚度成反比。即，入射光的最大入射角度越大，超表面膜层203的宽度越宽；第二介质层204、滤镜结构205及微透镜结构206的厚度之和越大，超表面膜层203的宽度越宽；第一介质层202的厚度越小，超表面膜层203的宽度越宽。以此，才能够求得超表面膜层203的最佳尺寸。需要说明的是，本实施例中提及的影响超表面膜层203宽度的几种因素相互约束影响，考虑超表面膜层203的尺寸变化时，需要同时结合本实施例中提及的所有因素进行考虑。在本实施例中，超表面膜层203的宽度指超表面膜层203在其排列的方向上的尺寸，参见图2和图3所示，图中示出的为超表面膜层203的宽度。根据图2和图3可以看出，图2中图像传感器的超表面膜层203的宽度小于图3中图像传感器的超表面膜层203的宽度。
超表面膜层203的厚度为十几纳米至几百纳米均可，使得沉积形成超表面膜层203时的难度较低。
一种可能的实施例中，半导体衬底201是已经完成图像传感器的像素器件、逻辑器件以及金属互连结构的制备，具有感光单元207的结构。其中，感光单元207为光电二极管。
参见图7和图8，本实施例还提供了一种图像传感器的制备方法，该方法用于制备上述实施例所提供的图像传感器。该制备方法包括：
S1：提供半导体衬底201，半导体衬底201中形成有感光单元207。
在S1中，一种可能的实施例中，半导体衬底201为已经完成图像传感器的像素器件、逻辑器件以及金属互连结构的制备，具有感光单元207的结构。
一种可能的实施例中，感光单元207为光电二极管。
S2：在半导体衬底201上形成第一介质层202。
在S2中，一种可能的实施例中，通过在半导体衬底201上沉积一层介质层形成第一介质层202。
S3：在第一介质层202上形成具有负折射率的超表面膜层203，超表面膜层203包括多个阵列排布的图形单元。
在S3中，一种可能的实施例中，在第一介质层202上形成具有负折射率的超表面膜层203，包括：在第一介质层202上沉积金属材料或介电质材料；对金属材料或介电质材料进行图形化刻蚀，形成具有负折射率的超表面膜层203。
一种可能的实施例中，金属材料可以是铝、金等金属，介电质材料可以是二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)等介电质材料。
一种可能的实施例中，对金属材料或介电质材料进行图形化刻蚀具体为：对金属材料或介电质材料进行曝光、刻蚀形成多个阵列排布的图形单元。参见图6，为对金属材料或介电质材料进行刻蚀形成多个阵列排布的图形单元后的结构示意图。
在一个具体的实施例中，可以是设计超表面结构版图具有多个阵列排布的图形单元，然后根据设计的超表面结构版图对金属材料或介电质材料进行曝光、刻蚀以形成多个阵列排布的图形单元，从而形成具有负折射率的超表面膜层203。
一种可能的实施例中，图形单元为垂直角结构。图形单元可以是简单排布形成矩形阵列，也可以是沿像素的边界阵列排布。
S4：在超表面膜层203上形成第二介质层204。
在S4中，一种可能的实施例中，在超表面膜层203上沉积一层介质层形成第二介质层204，并磨平。
S5：在第二介质层204上形成滤镜结构205和微透镜结构206。
在S5中，一种可能的实施例中，在第二介质层204上继续加工滤镜结构205和微透镜结构206，完成图像传感器的后续工艺加工。
以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何在本申请实施例揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种图像传感器，其特征在于，包括：
半导体衬底，所述半导体衬底内具有感光单元；
第一介质层，位于所述半导体衬底的表面；
位于所述第一介质层上的超表面膜层，所述超表面膜层具有负折射率特性，位于所述感光单元的旁侧，所述超表面膜层包括多个阵列排布的图形单元；
第二介质层，位于所述超表面膜层的表面；
位于所述第二介质层上的滤镜结构和微透镜结构。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述超表面膜层为金属材料。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述超表面膜层为介电质材料。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述图形单元为垂直角结构。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述超表面膜层的宽度与入射光的最大入射角度成正比，与所述第二介质层、所述滤镜结构及所述微透镜结构的厚度之和成正比，且与所述第一介质层的厚度成反比。
6.一种图像传感器的制备方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底中形成有感光单元；
在所述半导体衬底上形成第一介质层；
在所述第一介质层上形成具有负折射率的超表面膜层，所述超表面膜层包括多个阵列排布的图形单元；
在所述超表面膜层上形成第二介质层；
在所述第二介质层上形成滤镜结构和微透镜结构。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在所述第一介质层上形成具有负折射率的超表面膜层，包括：
在所述第一介质层上沉积金属材料或介电质材料；
对所述金属材料或介电质材料进行图形化刻蚀，形成具有负折射率的超表面膜层。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述图形单元为垂直角结构。
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