CN116435325A - 背照式图像传感器及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种背照式图像传感器及其形成方法，所述背照式图像传感器包括衬底，提供一衬底，衬底包括正面和背面，衬底的正面包括多个像素区域，衬底的背面形成有多个用于隔离相邻所述像素区域的深沟槽；对衬底的背面执行刻蚀工艺形成第一内置透镜，第一内置透镜与像素区域相对应；在第一内置透镜的顶部形成第二内置透镜；形成填充层，填充层填充深沟槽并覆盖所述第二内置透镜；去除第二内置透镜上方的所述填充层，深沟槽处保留的填充层构成深沟槽隔离结构。通过设置双内置透镜，极大减少了辐射光损耗，并结合衬底背面的深沟槽隔离方式将相邻像素区域的光串扰现象降到最低，从而提高背照式图像传感器的成像质量。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种背照式图像传感器及其形成方法。
背景技术
图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置。按照其依据的原理不同，可以区分为CCD(电荷耦合元件)图像传感器以及CMOS(金属氧化物半导体元件)图像传感器。由于CMOS图像传感器是采用传统的CMOS电路工艺制作，因此可将图像传感器以及其所需要的外围电路加以整合，从而使得CMOS图像传感器具有更广泛的应用前景。
按照接受光线的位置的不同，CMOS图像传感器可以被分为前照式图像传感器以及背照式图像传感器。由于在背照式图像传感器中，辐射光从背面进入，而诸如金属布线层等可能影响辐射光接收的部件形成在正面，因此背照式图像传感器显著地提高了低辐射照条件下的拍摄效果。
半导体工业正努力减小背照式图像传感器中的像素间距，以减小器件尺寸，增加像素密度。在此情形下，如何提高辐射光吸收量，同时减少感光区的光串扰己成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种背照式图像传感器及其形成方法，以提高辐射光吸收量并减少感光区的光串扰。
为解决上述技术问题，本发明提供一种背照式图像传感器的形成方法，包括：
提供一衬底，所述衬底包括正面和背面，所述衬底的正面包括多个像素区域，所述衬底的背面形成有多个用于隔离相邻所述像素区域的深沟槽；
对所述衬底的背面执行刻蚀工艺形成第一内置透镜，所述第一内置透镜与所述像素区域相对应；
在所述第一内置透镜的顶部形成第二内置透镜；
形成填充层，所述填充层填充所述深沟槽并覆盖所述第二内置透镜；
去除所述第二内置透镜上方的所述填充层，所述深沟槽处保留的填充层构成深沟槽隔离结构。
可选的，每个所述像素区域内形成有至少一个所述第一内置透镜。
可选的，所述第一内置透镜和所述第二内置透镜的曲率相同。
可选的，每个所述像素区域内形成有多个所述第一内置透镜。
可选的，所述刻蚀工艺中，将掩模板上的图形转移到所述衬底的背面，且每个所述像素区域内形成多个所述第一内置透镜的掩模板中的图形纵截面的宽度小于每个所述像素区域内形成一个所述第一内置透镜的掩模板中的图形纵截面的宽度。
可选的，所述第一内置透镜和所述第二内置透镜均为凸透镜。
可选的，所述第一内置透镜和所述第二内置透镜的曲率不同。
可选的，采用化学气相沉积工艺形成所述第二内置透镜。
可选的，所述填充层的材质为氧化硅、高K介电层和金属中的至少一种。
可选的，所述第二内置透镜的材质为氧化硅。
基于同一发明构思，本发明还提供一种背照式图像传感器，采用上述任一项所述的背照式图像传感器的形成方法形成，包括：
衬底，所述衬底包括正面和背面，所述衬底的正面包括多个像素区域；
第一内置透镜，位于所述衬底的背面且与所述像素区域相对应；
第二内置透镜，位于所述衬底的背面且位于所述第一内置透镜的顶部；
深沟槽隔离结构，用于隔离相邻的所述像素区域。
在本发明提供的一种背照式图像传感器及其形成方法中，在背照式图像传感器中设置第一内置透镜和第二内置透镜，即双内置透镜。意想不到的效果是，将辐射光进行二次聚光，减少了辐射光损耗，并结合衬底背面的深沟槽隔离结构将相邻像素区域的光串扰现象降到最低，以达到最大程度的光吸收量，从而提高背照式图像传感器的成像质量。进一步的，每个像素区域形成多个第一内置透镜，以使能量低的辐射光得到聚集而被光电二极管转换成对应的电信号。
附图说明
本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。其中：
图1是本发明实施例的背照式图像传感器的形成方法流程图。
图2是本发明实施例的形成缓冲层后的背照式图像传感器结构示意图。
图3是本发明实施例的形成深沟槽后的背照式图像传感器结构示意图。
图4是本发明实施例的形成第一内置透镜后的背照式图像传感器结构示意图。
图5是本发明实施例的每个像素区域上形成多个第一内置透镜后的背照式图像传感器结构示意图。
图6是本发明实施例的形成第二内置透镜的背照式图像传感器结构示意图。
图7是本发明实施例的形成填充层后的背照式图像传感器结构示意图。
图8是本发明实施例的形成深沟槽隔离结构后的背照式图像传感器结构示意图。
图9是本发明实施例的背照式图像传感器的结构示意图。
附图中：10-衬底；10a-正面；10b-背面；11-像素单元；12-缓冲层；13-深沟槽；14-第一内置透镜；15-第二内置透镜；16-填充层；16a-深沟槽隔离结构；17-滤色片；17a-开口。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征。此外，如在本发明中所使用的，一元件设置于另一元件，通常仅表示两元件之间存在连接、耦合、配合或传动关系，且两元件之间可以是直接的或通过中间元件间接的连接、耦合、配合或传动，而不能理解为指示或暗示两元件之间的空间位置关系，即一元件可以在另一元件的内部、外部、上方、下方或一侧等任意方位，除非内容另外明确指出外。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1是本发明实施例的背照式图像传感器的形成方法流程图。本发明实施例提供一种背照式图像传感器的形成方法，包括：
步骤S10，提供一衬底，所述衬底包括正面和背面，所述衬底的正面包括多个像素区域，所述衬底的背面形成有多个用于隔离相邻所述像素区域的深沟槽；
步骤S20，对所述衬底的背面执行刻蚀工艺形成第一内置透镜，所述第一内置透镜与所述像素区域相对应；
步骤S30，在所述第一内置透镜的顶部形成第二内置透镜；
步骤S40，形成填充层，所述填充层填充所述深沟槽并覆盖所述第二内置透镜；
步骤S50，去除所述第二内置透镜上方的所述填充层，所述深沟槽处保留的填充层构成深沟槽隔离结构。
下面结合图2至图9对本实施例所提供的一种背照式图像传感器的形成方法进行详细介绍。
如图2所示，首先执行步骤S10，提供一衬底10，衬底10可以是硅衬底或绝缘体上硅衬底等。衬底10也可以包括其他半导体元素或包括半导体化合物，例如包括碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、磷化铟(InP)、砷化铟(InAs)、锑化铟(InSb)中的至少一种 ，或包括磷化砷镓(GaAsP)、砷化铟铝(AlInAs)、砷化镓铝(AlGaAs)、砷化铟镓(GaInAs)、磷化铟镓(GaInP)、、磷砷化铟镓(GaInAsP)中的至少一种。
衬底10包括正面10a和背面10b，正面10a和背面10b相对。衬底的正面10a形成有多个用于定义像素单元11的像素区域，每个像素区域形成有像素单元11。像素单元11例如是光电二极管，用于将光信号转换成电信号。像素单元11上还可以形成有互连层（例如是金属互连层），用于实现像素单元11的电连接。相邻的像素单元11之间还可以形成有浅沟槽隔离结构（图2中未示出），用于电性隔离相邻的像素单元11。
进一步的，衬底10的背面10b上可以形成有缓冲层12，缓冲层12可以作为后续生长的膜层所需的黏附缓冲层。缓冲层12例如是氧化层。缓冲层12的厚度例如是20埃~30埃。
如图3所示，衬底的背面10b形成有多个深沟槽13。具体的，可以先在缓冲层12上形成光刻胶层，再通过光刻工艺得到图形化的光刻胶，以暴露出待刻蚀的缓冲层12；接着执行刻蚀工艺，依次刻蚀缓冲层12和衬底10，形成深沟槽13。深沟槽13的深度例如是在2μm~2.2μm之间。深沟槽13的例如呈倒梯形，深沟槽13的底部的宽度例如是在10nm~100nm之间。
接着，对衬底10的背面10b执行刻蚀工艺，以在每个像素区域内形成至少一个第一内置透镜14。所述刻蚀工艺例如是干法刻蚀工艺，刻蚀工艺的刻蚀气体包括HBr、He和O2，刻蚀工艺的射频电源的功率（Source RF）例如是在300W~500W之间。优选的，可通过调节刻蚀机台的每个像素区域的中心位置（Center）、边缘位置（Edge）、中心和边缘的位置（Middle）的刻蚀气体和射频电源的功率的比例来控制第一内置透镜14的曲率，即，刻蚀气体和射频电源的功率的比例对应第一内置透镜14的曲率。每个像素区域内，第一内置透镜14的中心位置（Center）、中心和边缘中间的位置（Middle）和边缘位置（Edge）的刻蚀速率依次升高。
如图4所示，在一个实施例中，在每个像素区域内形成一个第一内置透镜14。第一内置透镜14为顶部呈圆弧形的凸透镜。由于曲率和曲率半径互为倒数，因此，若采用曲率半径表达曲率，第一内置透镜14的曲率半径例如是100nm~200nm。
如图5所示，在另一个实施例中，在每个像素区域内形成多个第一内置透镜14。每一个第一内置透镜14的曲率半径例如是100nm~150nm。第一内置透镜14距离像素单元11更近，聚光效果更好，以便能量低的辐射光得到聚集而被光电二极管转换成对应的电信号。每个像素区域内形成多个第一内置透镜14方案中的掩模板上的图形纵截面的宽度相比于每个像素区域内形成一个第一内置透镜的掩模板上的图形纵截面的宽度小，也即每个像素区域内形成的第一内置透镜14的数量越多，每个第一内置透镜14对应的掩模板上的图形的纵截面的宽度越小。具体刻蚀工艺以及刻蚀参数参照每个像素区域内形成一个内置透镜的实施例，本领域技术人员可以根据实际需要进行微小调整，在此不在赘述。
接着，如图6所示，在第一内置透镜14的顶部上形成第二内置透镜15。第二内置透镜15的材质例如是氧化层。具体的，可采用化学气相沉积工艺形成氧化层，所述氧化层覆盖所述第一内置透镜14的顶部和深沟槽13的侧壁和底部，所述第一内置透镜14顶部的氧化层构成第二内置透镜15。第二内置透镜15的厚度例如是200埃~400埃。第二内置透镜15的曲率半径例如是100nm~200nm。
在一个实施例中，第一内置透镜14和第二内置透镜15的曲率相同，第二内置透镜15承接了其下方的第一内置透镜14的结构影响，下方的第一内置透镜14是凸透镜，不加干预的情况下，其上方的第二内置透镜15也是凸透镜。
在另一个实施例中，第一内置透镜14和第二内置透镜15的曲率不同。可以通过调节化学气相沉积工艺在沉积过程中机台对应的每个像素区域的中心位置（Center）、边缘位置（Edge），以及中心和边缘中间的位置（Middle）的膜层生长速率，调节第二内置透镜15的曲率。
接着，如图7所示，执行步骤S40，形成填充层16，填充层16填充深沟槽并覆盖第二内置透镜15。填充层16的材质例如是氧化硅、高K介电层和金属中的一种。
接着，如图8所示，执行步骤S50，去除第二内置透镜15上方的填充层16，形成开口17a，所述开口17a暴露出第二内置透镜15的顶部，深沟槽13内以及深沟槽上方的填充层（即第二内置透镜15两侧保留的填充层16）构成深沟槽隔离结构16a。开口17a的深度，也即深沟槽隔离结构16a与第二内置透镜15的高度差大于600nm，且相邻深沟槽隔离结构16a之间的尺寸（开口17a的底部宽度），也即第二内置透镜15顶部的宽度大于130nm，以满足滤色片所需深度的需求。采用刻蚀工艺打开填充层16，在填充层16上形成图形化的光刻胶，暴露出第二内置透镜15正上方的填充层16，执行刻蚀工艺，刻蚀暴露出的填充层16，当填充层16为氧化层时，步骤50中刻蚀工艺只需通过计算刻蚀速率来刻蚀一定的时间即可，也即通过第二内置透镜15顶部的介质层的厚度和刻蚀工艺的刻蚀速率，计算刻蚀时间，此时不需要区分填充层16和第二内置透镜15的界限；当填充层16为金属时，步骤50刻蚀通过终点检测传感器（End Point Detector，EPD）模式刻蚀，即机台内部刻蚀时抓取金属信号，一旦金属信号消失则停止刻蚀，此时即能达到我们所需结构要求。
如图9所示，在第二内置透镜15上形成滤色片17并安装微透镜（图9中未示出），具体的，在第二内置透镜15上沉积滤色液以形成滤色片17，滤色片17的曲率和第二内置透镜15的曲率相同。滤色片17完全盖在第二内置透镜15上方，滤色片17的厚度不受深沟槽隔离结构16a与第二内置透镜15的高度差的影响，滤色片17的厚度例如是1800埃~2400埃。
图9是本发明实施例的背照式图像传感器的结构示意图。如图9所示，本实施例提供一种背照式图像传感器，包括：
衬底10，衬底10包括正面10a和背面10b（结合图3所示），正面10a和背面10b相对，衬底的正面10a上形成有多个用于定义像素单元11的像素区域；
像素单元11，位于像素区域内；
第一内置透镜14，所述第一内置透镜14形成于衬底的背面10b，并位于像素单元11的受光面上；
第二内置透镜15，位于第一内置透镜14的顶部；
深沟槽隔离结构16a，用于隔离相邻的像素区域，防止相邻像素单元11之间光串扰；
滤色片17，位于第二内置透镜15的受光面上；
微透镜，位于滤色片的受光面上。
具体的，第一内置透镜14和第二内置透镜15均为凸透镜。第一内置透镜14的曲率半径例如是100nm~200nm。第二内置透镜15的曲率半径例如是100nm~200nm。
在一个实施例中，第一内置透镜14和第二内置透镜15的曲率相同。每个像素区域内一个第一内置透镜14和一个第二内置透镜15，将辐射光进行二次聚光，极大减少了辐射光损耗。在另一个实施例中，第一内置透镜14和第二内置透镜15的曲率不同。每个像素区域内形成多个第一内置透镜14，第一内置透镜14的曲率半径例如是100nm ~150nm，以便能量低的辐射光得到聚集而被光电二极管转换成对应的电信号。
综上可见，在本发明实施例提供的一种背照式图像传感器及其形成方法中，通过在背照式图像传感器中设置第一内置透镜和第二内置透镜，即双内置透镜。意想不到的效果是，将辐射光进行二次聚光，极大减少了辐射光损耗，并结合衬底背面的深沟槽隔离方式将相邻像素区域的光串扰现象降到最低，以达到最大程度的光吸收量，从而提高背照式图像传感器的成像质量。进一步的，每个像素区域形成多个第一内置透镜，以使能量低的辐射光得到聚集而被光电二极管转换成对应的电信号。
需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可，此外，各个实施例之间不同的部分也可互相组合使用，本发明对此不作限定。
此外还应该认识到，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。
Claims (10)
1.一种背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：
提供一衬底，所述衬底包括正面和背面，所述衬底的正面包括多个像素区域，所述衬底的背面形成有多个用于隔离相邻所述像素区域的深沟槽；
对所述衬底的背面执行刻蚀工艺形成第一内置透镜，所述第一内置透镜与所述像素区域相对应；
在所述第一内置透镜的顶部形成第二内置透镜；
形成填充层，所述填充层填充所述深沟槽并覆盖所述第二内置透镜；
去除所述第二内置透镜上方的所述填充层，所述深沟槽处保留的填充层构成深沟槽隔离结构。
2.根据权利要求1所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，每个所述像素区域内形成有至少一个所述第一内置透镜。
3.根据权利要求2所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一内置透镜和所述第二内置透镜的曲率相同。
4.根据权利要求2所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，每个所述像素区域内形成有多个所述第一内置透镜。
5.根据权利要求4所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，所述刻蚀工艺中，将掩模板上的图形转移到所述衬底的背面，且每个所述像素区域内形成多个所述第一内置透镜的掩模板中的图形纵截面的宽度小于每个所述像素区域内形成一个所述第一内置透镜的掩模板中的图形纵截面的宽度。
6.根据权利要求1所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一内置透镜和所述第二内置透镜均为凸透镜。
7.根据权利要求1所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，采用化学气相沉积工艺形成所述第二内置透镜。
8.根据权利要求1所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，所述填充层的材质为氧化硅、高K介电层和金属中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第二内置透镜的材质为氧化硅。
10.一种背照式图像传感器，其特征在于，采用如权利要求1~9任一项所述的背照式图像传感器的形成方法形成，包括：
衬底，所述衬底包括正面和背面，所述衬底的正面包括多个像素区域；
第一内置透镜，位于所述衬底的背面且与所述像素区域相对应；
第二内置透镜，位于所述衬底的背面且位于所述第一内置透镜上；
深沟槽隔离结构，用于隔离相邻的所述像素区域。
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