CN201725796U

CN201725796U - 背面照光的cmos图像传感器

Info

Publication number: CN201725796U
Application number: CN2010202221294U
Authority: CN
Inventors: 霍介光
Original assignee: Galaxycore Shanghai Ltd Corp
Current assignee: Galaxycore Shanghai Ltd Corp
Priority date: 2010-06-01
Filing date: 2010-06-01
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2020-06-01

Abstract

本实用新型提供背面照光的CMOS图像传感器，包括：半导体衬底，所述半导体衬底具有第一表面和与之相对的第二表面；所述半导体衬底包括至少一个像素单元区域；隔离结构，位于相邻像素单元区域之间；其中，所述隔离结构为深沟槽隔离结构，所述深沟槽隔离结构贯穿所述半导体衬底的第一表面和第二表面。本实用新型减少了相邻像素单元区域之间的电信号的串扰，改善了CMOS图像传感器的显示褪色，提高了成像质量。

Description

背面照光的CMOS图像传感器

技术领域

本实用新型涉及图像传感器，特别涉及背面照光的CMOS图像传感器。

背景技术

图像传感器是组成数字摄像头的重要组成部分，根据元件不同分为电荷耦合(CCD，Charge Coupled Device)图像传感器和金属氧化物半导体(CMOS，Complementary Metal-Oxide Semiconductor)图像传感器。其中，由于CMOS图像传感器集成度高，容易与标准的CMOS制作工艺兼容，并且功耗低，随着CMOS制作工艺的改进，CMOS图像传感器成为目前图像传感器的主流技术。

在申请号为200710148796.5的中国专利申请中公开了一种现有的CMOS图像传感器。现有的CMOS图像传感器包括半导体衬底，所述半导体衬底通常包括若干呈矩阵排布的像素单元区域，相邻的像素单元区域之间具有浅沟槽隔离结构(STI)。请参考图1，图1是现有的CMOS图像传感器结构示意图，所述CMOS图像传感器包括：半导体衬底100，所述半导体衬底100包括若干像素单元区域103，图中以2个像素单元区域103为例进行说明；相邻像素单元区域103之间具有浅沟槽隔离结构106。其中所述像素单元区域103用于形成像素，通常所述像素单元区域103包括光电二极管区域104和晶体管区域105，所述光电二极管区域104用于形成光电二极管，所述光电二极管用于光电转换；所述晶体管区域105用于形成晶体管，所述晶体管用于将光电二极管转换的电信号放大后输出。所述浅沟槽隔离结构106用于相邻像素的隔离。所述半导体衬底100包括第一表面101和与之相对的第二表面102。光线从第二表面102进入像素单元区域103内。本领域技术人员将所述CMOS图像传感器称为背面照光的(Backside illuminated)CMOS图像传感器。

在实际中发现，上述背面照光的CMOS图像传感器具有显示褪色的问题，影响了成像质量。

因此，需要一种背面照光的CMOS图像传感器，能够改善显示褪色的问题，提高CMOS图像传感器的成像质量。

实用新型内容

本实用新型解决的问题是提供了一种背面照光的CMOS图像传感器，能够改善显示褪色的问题，提高CMOS图像传感器的成像质量。

为解决上述问题，本实用新型提供一种背面照光的CMOS图像传感器，包括：

半导体衬底，所述半导体衬底具有第一表面和与之相对的第二表面；

所述半导体衬底包括至少一个像素单元区域；

隔离结构，位于相邻像素单元区域之间；

其中，所述隔离结构为深沟槽隔离结构，所述深沟槽隔离结构贯穿所述半导体衬底的第一表面和第二表面。

可选的，所述深沟槽隔离结构的宽度小于等于0.25微米。

可选的，所述深沟槽隔离结构的深度范围为1.5～4微米。

可选的，所述深沟槽隔离结构内填充物为电介质。

可选的，所述电介质的折射率小于所述半导体衬底的折射率的0.8倍。

可选的，所述半导体衬底的依次形成有滤光片和微透镜，所述滤光片和微透镜位于所述半导体衬底的第二表面。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

通过在相邻像素单元区域之间设置贯穿半导体衬底的第一表面和第二表面的深沟槽隔离结构，进行相邻像素间的隔离，避免了像素单元区域内的光生载流子扩散至相邻像素单元区域，减少对相邻像素单元区域造成电信号的串扰，改善了CMOS图像传感器的显示褪色，提高了成像质量。

进一步地，所述深沟槽隔离结构内的填充物为电介质，所述电介质的折射率小于半导体衬底折射率的0.8倍，光线在深沟槽隔离结构和半导体衬底的界面形成全反射，避免光线经深沟槽隔离结构进入相邻的像素单元区域，减小了对相邻像素单元区域的光信号的串扰，进一步改善了CMOS图像传感器的显示褪色，提高了成像质量；所述深沟槽隔离结构填充电介质为氧化硅，与半导体衬底的硅具有不同的颜色，在进行光刻工艺形成滤光片和微透镜的过程中，深沟槽隔离结构可以作为光刻的对准标记，无需专门的对准层，节省了工艺步骤，降低了生产成本。

附图说明

图1是现有技术CMOS图像传感器结构示意图。

图2是本实用新型的一个实施例的CMOS图像传感器结构示意图。

图3是光线在深沟槽隔离结构与半导体衬底界面形成全反射原理示意图。

具体实施方式

现有的背面照光的(Backside illuminated)CMOS图像传感器存在显示褪色的问题。经发明人研究发现，褪色的原因是相邻像素的串扰(crosstalk)。所述串扰的原因之一是现有的浅沟槽隔离结构无法有效隔离相邻的像素单元之间光生载流子扩散。由于采用背面照光的CMOS图像传感器的入射光线经过微透镜和滤光片进入半导体衬底的像素单元区域，现有技术为了提高像素单元区域内的光电二极管的有效感光面积，通常光电二极管的深度较大，其深度可达10000埃以上，而现有的浅沟槽隔离结构的深度范围通常为2000～5000埃。在进行光电转换时，所述光电二极管光电转换所产生的光生载流子可能扩散，而现有的浅沟槽隔离结构无法有效隔离光生载流子，从而光生载流子可能至相邻像素，对相邻像素造成电信号的串扰，从而导致CMOS图像传感器的显示褪色。

本实用新型提供的背面照光的CMOS图像传感器解决了电信号的串扰，改善了CMOS图像传感器的显示褪色问题，所述背面照光的CMOS图像传感器包括：

所述半导体衬底包括至少一个像素单元区域；

隔离结构，位于相邻像素单元区域之间；

下面将结合具体的实施例对本实用新型的技术方案进行详细的说明。请参考图2，图2是本实用新型一个实施例的CMOS图像传感器结构示意图。

所述CMOS图像传感器包括半导体衬底200，所述半导体衬底200的材料可以是硅、SOI、氮化镓或者砷化镓。所述半导体衬底200具有第一表面201和与之相对的第二表面202。本实施例中，所述半导体衬底200为具有P型导电类型的硅衬底。

如图2，所述半导体衬底200包括至少一个像素单元区域203，为了便于说明，以2个像素单元区域203为例进行说明。相邻的像素单元区域203之间具有深沟槽隔离结构206。所述深沟槽隔离结构206贯穿所述半导体衬底200的第一表面201和第二表面202。半导体衬底200的像素单元区域203形成有滤光片209和微透镜210。本实施例中，所述微透镜210的折射率范围为1.2～4，其材质可以为氮化硅SiN_X、氧化锆ZrO₂、氧化铪HfO₂、氧化钛TiO₂、氧化铝Al₃O₂、氧化锌ZnO₂等，所述滤光片209的折射率范围为1.4～2，其材质可以为光阻材料。所述滤光片209和微透镜210通过光刻工艺形成，在形成滤光片的光刻工艺过程中，深沟槽隔离结构206可以作为光刻的对准标记使用。

仍参考图2，所述像素单元区域203用于形成像素。所述像素单元区域203包括光电二极管区域204和晶体管区域205。所述光电二极管区域204用于形成光电二极管，所述光电二极管用于进行光电转换，将从第二表面202入射的光信号转换为相应的电信号，产生光生载流子。所述晶体管区域205用于形成晶体管，所述晶体管用于将所述光电二极管转换的电信号放大、输出。根据实际情况，所述晶体管区域205内包括3个或3个以上晶体管，所述晶体管之间具有浅沟槽隔离结构，用于像素内的晶体管之间相互隔离。所述浅沟槽隔离结构的深度范围为2000～5000埃。

本实施例中，所述深沟槽隔离结构206贯穿所述半导体衬底200的第一表面201和第二表面202。作为一个实施例，所述半导体衬底200的厚度范围为1.5～4微米，所述深沟槽隔离结构206的厚度应与所述半导体衬底200的深度相同，即为1.5～4微米。作为优选的实施例，所述半导体衬底200的厚度为2～3微米，以使得像素单元区域203内的光电二极管能更好的吸收入射光线，相应地，所述深沟槽隔离结构206的深度范围优选为2～3微米。由于所述深沟槽隔离结构206贯穿所述半导体衬底200的第一表面201和第二表面202，因此，深沟槽隔离结构206可以有效阻止像素的光电二极管在光电转换时产生的光生载流子扩散至相邻像素，减少对相邻像素的电信号的串扰，改善CMOS图像传感器的像素褪色，提高了CMOS图像传感器的成像质量。

所述深沟槽隔离结构206的宽度小于或等于现有技术的浅沟槽隔离结构的宽度，以节约芯片面积。作为一个实施例，所述深沟槽隔离结构206的宽度范围为小于等于0.25微米。

所述深沟槽隔离结构206内填充物为电介质，所述电介质的折射率小所述半导体衬底的折射率的0.8倍。这样入射光线进入像素单元区域203时在深沟槽隔离结构203与半导体衬底200的界面形成全反射，避免入射光线经过深沟槽隔离结构206进入相邻像素单元区域203，对相邻像素单元区域203造成光信号的串扰，进一步改善CMOS图像传感器的显示褪色的问题。为了便于说明光线在深沟槽隔离结构和半导体衬底的界面形成全反射的原理，对图2中CMOS图像传感器的部分区域300进行放大说明。所述部分区域300包括像素单元区域203、与之对应的滤光片209、微透镜210、以及像素单元区域203两侧的深沟槽隔离结构206。请参考图3，图3是光线在深沟槽隔离结构与半导体衬底界面形成全反射原理示意图。

如图3所示，光线A自空气经过微透镜210、滤光片209、半导体衬底200的第二表面202进入像素单元区域203，理想的状况是，光线A被像素单元区域203的光电二极管吸收，但是，由于光线A可能具有一定倾斜角因此光线可能会入射深沟槽隔离结构206与半导体衬底200的界面。由于通常空气、微透镜210、滤光片209、半导体衬底200的材质不同而折射率不同，光线A到达深沟槽隔离结构206与半导体衬底200的界面发生多次光的折射。具体地，在微透镜210和空气界面的法线为O1，在空气中光线A与所述法线O1的夹角为a1，经过折射，在微透镜210内光线A与法线O1的夹角为a2；光线A在微透镜210内传输至微透镜210和滤光片209的界面，所述微透镜210和滤光片209的界面的法线为O2，在微透镜210内光线A与所述法线O2的夹角为a3，经过折射，在滤光片209内光线A与所述法线O2的夹角为aa4；光线A在滤光片209内传输至滤光片209与半导体衬底200的界面，所述滤光片209与半导体衬底200的界面的法线为O3，在滤光片209内所述光线A与所述法线O3的夹角为a5，经过折射，在半导体衬底200内光线A与法线O3的夹角a6；在半导体衬底200内，所述光线A传输至半导体衬底200与所述深沟槽隔离结构206的界面，所述半导体衬底200与所述深沟槽隔离结构206的界面的法线为O4，在半导体衬底200内光线A与法线O4的夹角为β。本实施例中，深沟槽隔离结构206与半导体衬底200的界面垂直于滤光片209与半导体衬底200的界面，因此，法线O4与法线O3垂直，从而，角度β与角度a6互为余角。

由于在实际中，本领域技术人员对微透镜210的厚度、滤光片209的厚度进行优化设置，可以使得使得角度a6与角度a1相同。角度a1的最大值称为主光线倾斜角(chief ray angle，CRA)，而主光线倾斜角的角度范围为0～35°。因此，角度a6倾斜角度范围为0～35°，角度a6的余角β的角度范围为55～90°，即光线与法线O4的入射角范围为55～90°。因此，假设全反射临界角为α，若要光线在半导体衬底200与深沟槽隔离结构206的界面形成全反射，α应小于为55°，以保证在光线与法线O4的入射角范围为55～90°时，任一入射角均大于α，从而光线与法线O4的入射角为55～90°时可以形成全反射。假设全反射临界角为55°，半导体衬底200的折射率为x，深沟槽隔离结构206内填充的电介质的折射率为y，则根据全反射计算公式：sin55°/sin90°＝y/x

y＝sin55°*x＝0.8*x

由上述分析可知，当全反射临界角为55°时，对应的深沟槽隔离结构206内填充的电介质的折射率为半导体衬底200的折射率的0.8倍。

由于全反射的临界角α取决于半导体衬底200的折射率和深沟槽隔离结构206内填充电介质的折射率关系。具体地，在半导体衬底200的折射率一定的情况下，深沟槽隔离结构206内填充的电介质的折射率越小，全反射的临界角α越小。由前面的分析可知，在全反射的临界角为55°时对应的深沟槽隔离结果206内的电介质的折射率为半导体衬底200折射率的0.8倍。若要使得全反射临界角小于55°，深沟槽隔离结构206内填充的电介质的折射率应小于半导体衬底200折射率的0.8倍，以保证光线A在深沟槽隔离结构206和半导体衬底200的界面发生全反射。从而，光线A留在像素单元区域203内，避免光线A经过深沟槽隔离结构206对相邻像素单元区域造成串扰，进一步改善现有的CMOS图像传感器的显示褪色现象。

作为一个实施例，所述半导体衬底200的材质为硅时，所述深沟槽隔离结构206的填充物可以为氧化硅，并且所述氧化硅的折射率可以小于等于硅的折射率的0.8倍。本实施例中，硅的折射率为3.46，氧化硅的折射率为1.46，这样入射光线在深沟槽隔离结构206和半导体衬底200的界面可以形成全反射。可替代地，在深沟槽隔离结构206内填充的电介质的折射率小于等于硅衬底的折射率的0.8倍前提下，深沟槽隔离结构206内填充的电介质可以为其他材质。当半导体衬底200的材质为其他半导体材料时，深沟槽隔离结构206内填充的电介质的材质还可以为其他材质，但是深沟槽隔离结构206内填充的电介质的折射率应小于半导体衬底200折射率的0.8倍，以保证在深沟槽隔离结构206和半导体衬底200的界面形成全反射。

综上，本实用新型提供了一种背面照光的CMOS图像传感器，所述背面照光的CMOS图像传感器的像素单元区域之间具有深沟槽隔离结构，所述深沟槽隔离结构贯穿所述半导体衬底的第一表面和与之相对的第二表面，从而有效隔离相邻像素，避免了相邻像素电信号的串扰，改善了CMOS图像传感器的显示褪色问题，提高了成像质量。进一步地，所述深沟槽隔离结构内部填充电介质，所述电介质的折射率小于半导体衬底的折射率的0.8倍，光线在深沟槽隔离结构和半导体衬底的界面上形成全反射，避免光线进入相邻像素，对相邻像素造成光信号的串扰，更加改善了CMOS图像传感器的显示褪色问题，提高了成像质量。同时，在形成滤光片和微透镜的光刻工艺时，所述深沟槽隔离结构可以作为光刻对准的标记，减少了工艺步骤。

本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本实用新型的保护范围应当以本实用新型权利要求所界定的范围为准。

Claims

1.一种背面照光的CMOS图像传感器，包括：

所述半导体衬底包括至少一个像素单元区域；

隔离结构，位于相邻像素单元区域之间；

其特征在于，所述隔离结构为深沟槽隔离结构，所述深沟槽隔离结构贯穿所述半导体衬底的第一表面和第二表面。

2.如权利要求1所述的背面照光的CMOS图像传感器，其特征在于，所述深沟槽隔离结构的宽度小于等于0.25微米。

3.如权利要求1所述的背面照光的CMOS图像传感器，其特征在于，所述深沟槽隔离结构的深度范围为1.5～4微米。

4.如权利要求1所述的背面照光的CMOS图像传感器，其特征在于，所述深沟槽隔离结构内填充物为电介质。

5.如权利要求4所述的背面照光的CMOS图像传感器，其特征在于，所述电介质的折射率小于所述半导体衬底的折射率的0.8倍。

6.如权利要求1所述的背面照光的CMOS图像传感器，其特征在于，所述半导体衬底的依次形成有滤光片和微透镜，所述滤光片和微透镜位于所述半导体衬底的第二表面。