CN117238941A - 背照式图像传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种背照式图像传感器及其制备方法，背照式图像传感器包括半导体衬底，所述半导体衬底具有第一面，所述半导体衬底的第一面上具有多个用于定义像素单元的像素区域；像素单元，位于所述半导体衬底的第一面上，分别用于吸收不同颜色光信号并转换为电信号，用于吸收不同颜色光的所述像素单元所在的像素区域的衬底厚度不同；内置透镜，不同像素区域的所述内置透镜的厚度不同以使不同像素区域的所述内置透镜的顶面最高点齐平；以及，滤色片，位于所述内置透镜上。意想不到的技术效果是，背照式图像传感器能够使光的三原色达到最大程度的吸收转化，通过设置内透镜，减少光路中的光损耗。
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制备方法。
背景技术
随着具有图像传感功能的集成电路越来越多地应用于各种现代电子器件中，对于高像素质量的图像传感器的需要与日俱增，从而图像传感器技术的一个重要转折点背照式图像传感器脱颖而出。背照式图像传感器与传统式图像传感器的区别在于，背照式图像传感器的金属线路层设置在光电二极管上方，从而减少了金属线路层的遮挡，从而提高光线利用率。但研究表明，光的三原色在单晶硅中的吸收深度不同，若背照式图像传感器具有同样的硅衬底的厚度，无法对不同波长三原色光有效的吸收。
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制备方法，以解决背照式图像传感器无法对不同波长三原色光有效吸收的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种背照式图像传感器，包括：
半导体衬底，所述半导体衬底具有第一面，所述半导体衬底的第一面上具有多个用于定义像素单元的像素区域；
像素单元，位于所述半导体衬底的第一面上，分别用于吸收不同颜色光信号并转换为电信号，用于吸收不同颜色光的所述像素单元所在的像素区域的衬底厚度不同；
内置透镜，不同像素区域的所述内置透镜的厚度不同以使不同像素区域的所述内置透镜的顶面最高点齐平；以及，
滤色片，位于所述内置透镜上。
可选的，所述像素区域包括蓝色像素区域、绿色像素区域和红色像素区域。
可选的，所述蓝色像素区域的衬底厚度最薄，所述红色像素区域的衬底厚度最厚。
可选的，所述蓝色像素区域的衬底与所述像素单元厚度差为0.28微米至0.32微米，所述绿色像素区域的衬底与所述像素单元厚度差为0.71微米至0.79微米，所述红色像素区域的衬底与所述像素单元厚度差为2.7微米至3微米。
可选的，所述内置透镜的曲率半径为100纳米至200纳米。
可选的，所述背照式图像传感器还包括微透镜，所述微透镜位于所述滤色片上。
可选的，所述滤色片与所述内置透镜之间还设置有抗反射层。
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：
提供一半导体衬底，所述半导体衬底具有第一面，所述半导体衬底的第一面上具有多个像素区域，所述像素区域内形成有像素单元；
刻蚀所述半导体衬底，以使用于吸收不同颜色光的像素单元所在的像素区域的衬底厚度不同；
在所述像素区域形成内置透镜，不同像素区域的所述内置透镜的厚度不同以使不同像素区域的内置透镜的顶面最高点齐平；以及，
在所述内置透镜上形成滤色片。
可选的，在所述像素区域形成内置透镜的步骤包括：
在远离所述半导体衬底第一面的一面上形成介质层；
对所述介质层进行化学机械研磨工艺，以使不同像素区域的所述介质层具有同一水平的顶面；
在相邻的所述像素区域之间形成深沟槽隔离结构；
对具有同一水平的顶面的所述介质层进行刻蚀，以形成内置透镜。
可选的，在所述内置透镜上形成滤色片之前，在所述内置透镜上形成抗反射层。
在本发明提供的一种背照式图像传感器及其制备方法中，不同颜色的像素区域的衬底与所述像素单元的厚度差不同，并且在不同像素区域上设置内置透镜，不同像素区域的所述内置透镜的厚度不同，使得不同像素区域的内置透镜的顶面最高点齐平。意想不到的技术效果是，背照式图像传感器能够合理利用光的三原色在硅衬底中的有效吸收深度，使光的三原色达到最大程度的吸收转化，减少短波和长波光生电子串扰现象，通过设置内置透镜，器件表面不会出现高度差，且将辐射光进行二次聚光，减少光路中的光损耗。
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结构示意图。
图2是本发明实施例的背照式图像传感器的制备方法流程图。
图3是本发明实施例的形成像素单元的背照式图像传感器的结构示意图。
图4是本发明实施例的形成不同高度的像素区域的背照式图像传感器的结构示意图。
图5是本发明实施例的形成介质层的背照式图像传感器的结构示意图。
图6是本发明实施例的形成深沟槽的背照式图像传感器的结构示意图。
图7是本发明实施例的形成深沟槽隔离结构的背照式图像传感器的结构示意图。
图8是本发明实施例的形成内置透镜的背照式图像传感器的结构示意图。
图9是本发明实施例的形成抗反射层的背照式图像传感器的结构示意图。
附图中：
10-半导体衬底；10a-第一面；10b-第二面；10c-第一像素区域；10d-第二像素区域；10e-第三像素区域；
11-像素单元；
12-介质层；
12a-第一内置透镜；12b-第二内置透镜；12c-第三内置透镜；
13-深沟槽；13a-深沟槽隔离结构；
14-抗反射层；
15-滤色片。
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。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。
光的三原色在单晶硅中的吸收深度不同，例如，红光的硅衬底吸收深度远大于蓝光和绿光的硅衬底吸收深度，从而导致其在短波的激发区域很难做到长波的等效吸收。因此，若背照式图像传感器具有同样的硅衬底的厚度，无法对不同波长三原色光有效的吸收。基于上述研究，本发明提供一种背照式图像传感器，不同颜色的像素区域的衬底与所述像素单元的厚度差不同，并且在不同像素区域上设置内置透镜，使得不同像素区域的内置透镜获得同一水平高度的顶点，因此，背照式图像传感器能够合理利用光的三原色在硅衬底中的有效吸收深度，使光的三原色达到最大程度的吸收转化，减少短波和长波光生电子串扰现象，通过设置内置透镜，器件表面不会出现高度差，且将辐射光进行二次聚光，减少光路中的光损耗。
图1是本发明实施例的背照式图像传感器的结构示意图。如图1所示，本实施例提供一种背照式图像传感器，包括：
半导体衬底10，所述半导体衬底10包括相对设置的第一面10a（正面）和第二面10b（背面），所述半导体衬底的第一面10a上设置有多个阵列分布且用于定义像素单元的像素区域，所述像素区域包括不同颜色的像素区域；
像素单元11，位于所述半导体衬底的第一面10a上，用于吸收不同颜色光信号并转换为电信号，用于吸收不同颜色光的像素单元11所在的像素区域的衬底厚度不同；
内置透镜，不同像素区域的所述内置透镜的厚度不同以使不同像素区域的内置透镜的顶面最高点齐平（即远离半导体衬底第一面10a的一面具有同一水平高度的顶点）；
滤色片15，位于所述内置透镜上。
进一步的，所述背照式图像传感器还包括微透镜，所述微透镜位于所述滤色片上。
在一些实施例中，所述像素区域包括第一像素区域10c、第二像素区域10d和第三像素区域10e。所述第三像素区域10e例如是蓝色像素区域、第二像素区域10d例如是绿色像素区域，所述第一像素区域10c例如是红色像素区域。在第一像素区域10c内，入射光通过微透镜和滤色片15后形成红色入射光，被红色像素区域内的像素单元吸收。在第二像素区域10d内，入射光通过微透镜和滤色片15后形成绿色入射光，被绿色像素区域内的像素单元吸收。在第三像素区域10e内，入射光通过微透镜和滤色片15后形成蓝色入射光，被蓝色像素区域内的像素单元吸收。
不同入射光线的波长在硅衬底中存在不同的有效吸收深度。例如，红光的硅衬底吸收深度远大于蓝光和绿光的，因此，所述蓝色像素区域的衬底与所述像素单元的厚度差例如是0.28μm~0.32μm。所述绿色像素区域的衬底与所述像素单元的厚度差为0.71μm~0.79μm。所述红色像素区域的衬底与所述像素单元的厚度差为2.7μm~3μm。不同像素区域的衬底与所述像素单元的厚度差为不同像素单元与衬底第二面刻蚀之后的表面的距离。
如图1所示，不同像素区域的衬底与内置透镜总高度相同，由于不同像素区域内置透镜下方的半导体衬底的厚度不同，因此使位于不同颜色的像素区域上的内置透镜厚度不同，通过设置不同厚度的内置透镜弥补不同像素区域的半导体衬底的厚度差。
优选方案中，所述内置透镜是凸结构（类似凸透镜），并在内置透镜上沉积一层抗反射层14，从而将辐射光进行二次聚光，减少光路中的光损耗。在本实施例中，所述内置透镜的曲率半径例如是100nm~200nm。
图2是本发明实施例的背照式图像传感器的制备方法流程图。如图2所示，本实施例提供一种背照式图像传感器的制备方法，包括：
步骤S10，提供一半导体衬底，所述半导体衬底包括第一面，所述半导体衬底的第一面上具有多个像素区域，所述像素区域内形成有像素单元；
步骤S20，刻蚀所述半导体衬底，以使用于吸收不同颜色光的像素单元所在的像素区域的衬底厚度不同；
步骤S30，在所述像素区域形成内置透镜，不同像素区域的所述内置透镜的厚度不同以使不同像素区域的所述内置透镜的顶面最高点齐平（即远离半导体衬底第一面10a的一面具有同一水平高度的顶点）；
步骤S40，在所述内置透镜上形成滤色片。
下面结合图3至图9对本实施例所提供的一种背照式图像传感器的制备方法进行详细介绍。
如图3所示，首先执行步骤S10，提供一半导体衬底10。半导体衬底10可以是硅衬底、绝缘体上硅衬底等等。半导体衬底10也可以包括其他半导体元素或包括半导体化合物，例如：碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、磷化铟(InP)、砷化铟(InAs)或锑化铟(InSb) ，或包括其他半导体合金，例如：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)、和/或磷砷化铟镓(GaInAsP)或其组合。
半导体衬底10包括第一面10a和第二面10b，第一面10a为半导体衬底10的正面，第二面10b为半导体衬底10的背面。半导体衬底的第一面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上还形成金属互连层，用于实现像素单元11的电连接。相邻的像素单元11之间还形成有浅沟槽隔离结构（图中未示出），用于电性隔离相邻像素单元11。
如图4所示，执行步骤S20，刻蚀所述半导体衬底，以使用于吸收不同颜色光的像素单元所在的像素区域的衬底厚度不同，换言之，不同像素区域的衬底与所述像素单元的厚度差为不同像素单元与衬底第二面刻蚀之后的表面的距离。具体的，刻蚀半导体衬底的第二面10b，以使用于吸收不同颜色光的像素单元所在的像素区域的衬底厚度不同。在一些实施例中，所述像素区域包括第一像素区域10c、第二像素区域10d和第三像素区域10e，所述第三像素区域10e例如是蓝色像素区域、第二像素区域10d例如是绿色像素区域，以及所述第一像素区域10c例如是红色像素区域。在第一像素区域10c内，入射光通过微透镜和滤色片15后形成红色入射光，被红色像素区域内的像素单元吸收，在第二像素区域10d内，入射光通过微透镜和滤色片15后形成绿色入射光，被绿色像素区域内的像素单元吸收，在第三像素区域10e内，入射光通过微透镜和滤色片15后形成蓝色入射光，被蓝色像素区域内的像素单元吸收。不同入射光线的波长在硅衬底中存在不同的有效吸收深度。例如，红光的硅衬底吸收深度远大于蓝光和绿光的，因此，所述蓝色像素区域的衬底与所述像素单元的厚度差例如是0.28μm~0.32μm。所述绿色像素区域的衬底与所述像素单元的厚度差例如是0.71μm~0.79μm。所述红色像素区域的衬底与所述像素单元的厚度差例如是2.7μm~3μm。
如图5~图8所示，执行步骤S30，在所述像素区域形成内置透镜，不同像素区域的所述内置透镜的厚度不同以使不同像素区域的内置透镜的顶面最高点齐平，所述内置透镜的顶面为远离所述半导体衬底第一面10a的一面。在本实施例中，所述内置透镜的曲率半径例如是100纳米至200纳米。不同像素区域的衬底与内置透镜总高度相同，由于不同像素区域内置透镜下方的半导体衬底的厚度不同，因此使位于不同颜色的像素区域上的内置透镜厚度不同，通过设置不同厚度的内置透镜弥补不同像素区域的半导体衬底的厚度差。并且由于内置透镜是凸结构（类似凸透镜），从而将辐射光进行二次聚光，减少光路中的光损耗。
具体实施时，在所述像素区域形成内置透镜的步骤可以包括以下子步骤S31至S34，下面结合图5至图7进行详细地介绍。
如图5所示，执行步骤S31，在远离所述半导体衬底的第一面的一面上形成介质层12。进一步的，对所述介质层12进行化学机械研磨工艺，以使不同像素区域具有同一水平的顶面（即不同像素区域的顶面是平整的）。所述介质层例如是氧化层，可以采用化学气相沉积工艺形成。具体地，可以采用等离子体增强化学气相沉积工艺或高密度等离子体化学气相沉积工艺形成氧化层。
如图6所示，执行步骤S32，在相邻的所述像素区域之间形成深沟槽13。具体的，可以采用干法刻蚀工艺形成深沟槽13，刻蚀工艺采用的气体包括C4F8、C4F6、O2和CH2F2所构成的群组中的一种或多种。
如图7所示，执行步骤S33，在相邻的所述像素区域之间的深沟槽内形成深沟槽隔离结构13a。深沟槽隔离结构13a填充的材质例如是氧化硅、高K介电层和金属中的一种。当深沟槽隔离结构13a填充的材质是氧化硅和高K介电层时，可以采用化学气相沉积工艺形成。当深沟槽隔离结构13a填充的材质是金属时，可以采用物理气相沉积工艺形成。深沟槽隔离结构13a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。
如图7和图8所示，执行步骤S34，对不同所述像素区域具有同一水平的顶面的介质层12刻蚀，以形成内置透镜。首先在介质层12上形成图形化的光刻胶，暴露出第一像素区域10c、第二像素区域10d和第三像素区域10e的介质层12，刻蚀暴露出的介质层12形成内置透镜。所述刻蚀工艺例如是干法刻蚀工艺，刻蚀工艺的刻蚀气体CF4、Ar和H2，刻蚀工艺的射频电源的功率（Source RF）例如是500W~900W，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）的刻蚀气体和射频电源的功率的比例，刻蚀气体和射频电源的功率的比例对应内置透镜的曲率，每个像素区域内，内置透镜的中心位置（Center）、和边缘位置（Edge）的刻蚀速率依次升高，高能反应离子轰击侧壁与上凸界面时离子大多被反射到侧壁边界底部，形成上凸聚集效应。因此，内置透镜为顶部呈圆弧形的凸透镜。由于曲率和曲率半径互为倒数，可采用曲率半径表达曲率，内置透镜的曲率半径例如是100nm~200nm。在形成内置透镜之后，图形化的光刻胶层可能被消耗殆尽，也可能还有残留。如果图形化的光刻胶层还未消耗殆尽，则可执行去除光刻胶工艺，通常可采用灰化工艺或者剥离的方式去除残留的光刻胶。如图8所示，在本实施例中，第一像素区域10c内形成第一内置透镜12a，第二像素区域10d内形成第二内置透镜12b，第三像素区域10e内形成第三内置透镜12c，第一内置透镜12a、第二内置透镜12b和第三内置透镜12c的曲率可以相同。
如图9所示，在步骤S40之前，在内置透镜上沉积一层抗反射层14。所述抗反射层14的材质例如是氮氧化硅，可以采用化学气相沉积工艺形成。具体地，可以采用等离子体增强化学气相沉积工艺或高密度等离子体化学气相沉积工艺形成氧化层。所述抗反射层14的厚度例如是200埃~400埃。所述抗反射层14可用于防止入射光照射到内置透镜上后被反射掉，所述抗反射层14有利于降低光的反射率，进一步降低光路上辐射光的损耗，增加了光的吸收率，从而提高背照式传感器的成像质量。
接着，如图1所示，执行步骤S40，在所述内置透镜上形成滤色片15。进一步的，在滤色片15上安装微透镜。具体的，在内置透镜上沉积滤色液以形成滤色片15，滤色片15的曲率和内置透镜的曲率相同。滤色片15的厚度例如是1800埃~2400埃。
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制备方法中，不同颜色的像素区域的衬底与所述像素单元的厚度差不同，并且在不同像素区域上设置内置透镜，不同像素区域的所述内置透镜的厚度不同，使得不同像素区域的内置透镜的顶面最高点齐平。意想不到的技术效果是，背照式图像传感器能够合理利用光的三原色在硅衬底中的有效吸收深度，使光的三原色达到最大程度的吸收转化，减少短波和长波光生电子串扰现象，通过设置内置透镜，器件表面不会出现高度差，且将辐射光进行二次聚光，减少光路中的光损耗，并且抗反射层对光的低反射性，进一步降低光路上辐射光的损耗，从而提高背照式传感器的成像质量。
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，其特征在于，包括：
半导体衬底，所述半导体衬底具有第一面，所述半导体衬底的第一面上具有多个用于定义像素单元的像素区域；
像素单元，位于所述半导体衬底的第一面上，分别用于吸收不同颜色光信号并转换为电信号，用于吸收不同颜色光的所述像素单元所在的像素区域的衬底厚度不同；
内置透镜，不同像素区域的所述内置透镜的厚度不同以使不同像素区域的所述内置透镜的顶面最高点齐平；以及，
滤色片，位于所述内置透镜上。
2.根据权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述像素区域包括蓝色像素区域、绿色像素区域和红色像素区域。
3.根据权利要求2所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述蓝色像素区域的衬底厚度最薄，所述红色像素区域的衬底厚度最厚。
4.根据权利要求3所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述蓝色像素区域的衬底与所述像素单元厚度差为0.28微米至0.32微米，所述绿色像素区域的衬底与所述像素单元的厚度差为0.71微米至0.79微米，所述红色像素区域的衬底与所述像素单元的厚度差为2.7微米至3微米。
5.根据权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述内置透镜的曲率半径为100纳米至200纳米。
6.根据权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述背照式图像传感器还包括微透镜，所述微透镜位于所述滤色片上。
7.根据权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述滤色片与所述内置透镜之间还设置有抗反射层。
8.一种背照式图像传感器的制备方法，其特征在于，包括：
提供一半导体衬底，所述半导体衬底具有第一面，所述半导体衬底的第一面上具有多个像素区域，所述像素区域内形成有像素单元；
刻蚀所述半导体衬底，以使用于吸收不同颜色光的像素单元所在的像素区域的衬底厚度不同；
在所述像素区域形成内置透镜，不同像素区域的所述内置透镜的厚度不同以使不同像素区域的所述内置透镜的顶面最高点齐平；以及，
在所述内置透镜上形成滤色片。
9.根据权利要求8所述的背照式图像传感器的制备方法，其特征在于，在所述像素区域形成内置透镜的步骤包括：
在远离所述半导体衬底第一面的一面上形成介质层；
对所述介质层进行化学机械研磨工艺，以使不同像素区域的所述介质层具有同一水平的顶面；
在相邻的所述像素区域之间形成深沟槽隔离结构；
对具有同一水平的顶面的所述介质层进行刻蚀，以形成内置透镜。
10.根据权利要求8所述的背照式图像传感器的制备方法，其特征在于，在所述内置透镜上形成滤色片之前，在所述内置透镜上形成抗反射层。
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