CN209016059U - 背照式图像传感器 - Google Patents

Abstract

一种背照式图像传感器，包括：半导体衬底，所述半导体衬底内形成有由外围电路区域包围的光敏区域，所述外围电路区域与所述光敏区域之间形成有第一隔离结构；背面隔离沟槽，形成于所述半导体衬底背面一侧的半导体衬底中，且与所述第一隔离结构上下对应设置。本实用新型中背照式图像传感器能够有效减少由外围电路区域进入光敏区域的电子数量，降低背照式图像传感器的暗电流，减少白像素的产生，提高了背照式图像传感器的成像效果。

Description

背照式图像传感器

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，尤其涉及一种背照式图像传感器。

背景技术

图像传感器是将光信号转换成电信号的半导体装置。图像传感器包括电荷耦合器件(Charge Coupled Device，简称为CCD)与互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor，简称为CMOS)图像传感器。

与传统的CCD传感器相比，CMOS图像传感器具有低功耗、低成本和与CMOS工艺兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用。现在CMOS图像传感器不仅用于消费电子领域，例如微型数码相机、手机摄像头、摄像机和数码单反，而且在汽车电子、监控、生物技术和医学领域也得到了广泛的应用。

现有的CMOS图像传感器一般分为前照式(Front-Side Illuminated，简称为FSI)图像传感器和背照式(Back-Side Illuminated，简称为BSI)图像传感器两种。与传统的前照式图像传感器相比，背照式图像传感器可以允许光通过背侧进入并由光敏元件检测，由于光线无需穿过金属互连层，因此背照式图像传感器可以实现比前照式图像传感器更高的量子效率。

图1A为现有技术中一背照式图像传感器的俯视图。图1A中背照式图像传感器100包括半导体衬底101，图1A为由背照式图像传感器100的半导体衬底101的背面101b一侧所看到的俯视图。所述半导体衬底101内形成有由外围电路区域103包围的光敏区域105，所述光敏区域105与所述外围电路区域103之间形成有隔离结构107。

图1A中背照式图像传感器100沿BB方向的剖视图如图1B所示。所述半导体衬底101的正面101a形成有金属互连层130，所述金属互连层130中形成有金属互连结构(图未示)，所述金属互连结构与所述光敏区域105中的光敏元件(图未示)以及外围电路区域103中的外围电路(图未示)连接。所述金属互连层130的下方设置有处置衬底140。

对于图1A和图1B中背照式图像传感器100，其外围电路区域103中电子易通过隔离结构107上方的半导体衬底101(图1B中椭圆形虚线区域)进入光敏区域105，导致在没有光照射的状态下，于光敏区域105的光敏元件中形成流动的电流，即暗电流，以及容易造成白像素，影响了背照式图像传感器的成像效果。

为了降低背照式图像传感器内暗电流，减少白像素的产生，以及提高背照式图像传感器的成像效果，本实用新型提出了一种背照式图像传感器。

实用新型内容

本实用新型目的提供一种背照式图像传感器，包括：

半导体衬底，所述半导体衬底内形成有由外围电路区域包围的光敏区域，所述外围电路区域与所述光敏区域之间形成有第一隔离结构；

背面隔离沟槽，形成于所述半导体衬底背面一侧的半导体衬底中，且与所述第一隔离结构上下对应设置。

进一步地，所述背照式图像传感器包括：

保护环结构，形成于所述第一隔离结构和所述外围电路区域之间；

第二隔离结构，形成于所述保护环结构和所述外围电路区域之间。

进一步地，所述保护环结构为P型保护环结构、PN型保护环结构或者PNP型保护环结构；

所述P型保护环结构包括一个P型保护环，所述P型保护环形成于所述第一隔离结构和所述第二隔离结构之间；

所述PN型保护环结构包括一个P型保护环和一个N型保护环，所述P型保护环与所述第一隔离结构相邻，所述N型保护环与所述第二隔离结构相邻，且所述P型保护环与所述N型保护环之间形成有第三隔离结构；

所述PNP型保护环结构包括两个P型保护环和一个N型保护环，一个所述P型保护环与所述第一隔离结构相邻，另一个所述P型保护环与所述第二隔离结构相邻，所述N型保护环位于两个所述P型保护环之间，且每个所述P型保护环与所述N型保护环之间形成有第三隔离结构。

进一步地，所述背照式图像传感器包括：形成于所述半导体衬底背面一侧的半导体衬底中、且与所述第二隔离结构和/或第三隔离结构上下对应设置的背面隔离沟槽。

进一步地，所述背面隔离沟槽的底面为半导体衬底；或者，所述背面隔离沟槽的贯穿所述半导体衬底。

进一步地，所述背照式图像传感器包括：绝缘层，形成于所述背面隔离沟槽的底面和侧壁。

进一步地，所述绝缘层的材料为高k材料。

进一步地，所述背照式图像传感器包括：背面沟槽隔离结构，形成于所述背面隔离沟槽内的绝缘层上。

进一步地，所述背面沟槽隔离结构的材料为氧化硅。

进一步地，所述背照式图像传感器包括：

金属互连层，形成于所述半导体衬底的正面；

处置衬底，设置于所述金属互连层的下方。

本实用新型所提出的背照式图像传感器，对于形成于半导体衬底中外围电路区域和光敏区域之间的第一隔离结构，在半导体衬底背面一侧的半导体衬底中、与第一隔离结构上下对应设置背面隔离沟槽，以减薄第一隔离结构上方的半导体衬底的厚度，从而减少由外围电路区域进入光敏区域的电子数量，降低背照式图像传感器内的暗电流，减少白像素的产生，进而提高背照式图像传感器的成像效果。

另外，所述背面隔离沟槽贯穿第一隔离结构上方的半导体衬底，即去除第一隔离结构上方的半导体衬底，进一步减少由外围电路区域进入光敏区域的电子数量，更有效的降低背照式图像传感器内的暗电流，减少白像素的产生，以及提高背照式图像传感器的成像效果。

附图说明

图1A为现有技术中一背照式背照式图像传感器的俯视图；

图1B为图1A中背照式图像传感器沿BB方向的剖视图；

图2A和图2B为本实用新型一个实施例中背照式图像传感器的剖视图；

图3为本实用新型另一个实施例中背照式图像传感器的剖视图；

图4为本实用新型又一个实施例中背照式图像传感器的剖视图；

图5为本实用新型再一个实施例中背照式图像传感器的剖视图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型提出的内容进行详细说明。

参考图2A和图2B，为本实用新型一个实施例中背照式图像传感器的剖视图。图2A中背照式图像传感器200包括：

半导体衬底201，所述半导体衬底201内形成有由外围电路区域203包围的光敏区域205，所述外围电路区域203与所述光敏区域205之间形成有第一隔离结构207；

背面隔离沟槽209，形成于所述半导体衬底201背面201b一侧的半导体衬底201中，且与所述第一隔离结构207上下对应设置。

本实施例中，所述半导体衬底201为硅衬底。

所述光敏区域205中包括光敏元件(图未示)。所述第一隔离结构207的材料可以为氧化硅，用于光敏区域205与外围电路区域203的相互隔离。

本实施例中，所述背面隔离沟槽209贯穿所述第一隔离结构207上方的半导体衬底201。所述背面隔离沟槽209的底面为第一隔离结构207。

本实施例通过在半导体衬底201背面201b一侧的半导体衬底201中形成背面隔离沟槽209，以去除第一隔离结构207上方的半导体衬底201，减少从外围电路区域203移动至光敏区域205的电子数量，进而降低背照式图像传感器的暗电流，减少白像素的产生，提高背照式图像传感器的成像效果。

在另一个实施例中，所述背面隔离沟槽209的底面为半导体衬底201。即，所述背面隔离沟槽209形成于第一隔离结构207上方的半导体衬底201中，但所述背面隔离沟槽209底面与所述第一隔离结构207的上表面之间仍保留部分厚度的半导体衬底201。通过在半导体衬底201背面201b的半导体衬底201中、与第一隔离结构207上下对应设置背面隔离沟槽209，来减薄第一隔离结构207上方的半导体衬底201的厚度，达到减少由外围电路区域203进入光敏区域205的电子数量的目的，从而降低背照式图像传感器内的暗电流，减少白像素的产生，提高了背照式图像传感器的成像效果。

本实施例中，所述背照式图像传感器进一步包括金属互连层230和处置衬底240。所述金属互连层230形成于所述半导体衬底201的正面201a，所述金属互连层230包括金属互连结构(图未示)，金属互连结构之间形成有介质层(图未示)，所述金属互连结构通过所述介质层绝缘隔离。所述处置衬底240设置于所述金属互连层230的下方。所述处置衬底240可为裸硅片。

本实施例中，所述背照式图像传感器200进一步包括绝缘层211。所述绝缘层211形成于所述背面隔离沟槽209的底面和侧壁。所述绝缘层211的材料为高k材料。所述绝缘层211能够阻挡光敏区域205外的电子进入光敏区域205中；所述绝缘层211能够吸附电子，从而在外围电路区域203中电子向光敏区域205移动时，被所述绝缘层211吸附，有效减少从外围电路区域203进入光敏区域205的电子数量，降低背照式图像传感器的暗电流，减少白像素的产生，进而提高背照式图像传感器的效果。

参考图2B，本实施例中背照式图像传感器200进一步包括背面沟槽隔离结构213，形成于图2A中所述背面隔离沟槽209内的绝缘层211上。所述背面沟槽隔离结构213的材料为绝缘材料，例如氧化硅。背面沟槽隔离结构213能够将外围电路区域203与光敏区域205隔离，以及有效阻止光敏区域205外的电子进入光敏区域205中，降低背照式图像传感器200中的暗电流，以及减少白像素的产生，进一步提高了背照式图像传感器200的成像效果。

在其他实施例中，背照式图像传感器可省略图2B中背面沟槽隔离结构213，仅在图2A的背面隔离沟槽209的底面和侧壁上形成绝缘层211，通过绝缘层211阻挡和吸附光敏区域205外的电子，避免因外围电路区域203的电子进入光敏区域205而导致的暗电流，减少白像素的产生，进而达到提高背照式图像传感器的成像效果的目的。

参考图3，为本实用新型另一个实施例中背照式图像传感器的剖视图。图3中背照式图像传感器300包括：

半导体衬底301，所述半导体衬底301内形成有由外围电路区域303包围的光敏区域305，所述外围电路区域303与所述光敏区域305之间形成有第一隔离结构307；

保护环结构，形成于所述第一隔离结构307和所述外围电路区域303之间；

第二隔离结构315，形成于所述保护环结构和所述外围电路区域303之间；

具体的，本实施例中所述保护环结构为P型保护环结构，所述P型保护环结构包括一个P型保护环317，所述P型保护环形成于所述第一隔离结构307和所述第二隔离结构315之间；

背面隔离沟槽309，形成于所述半导体衬底301背面301b一侧的半导体衬底301中、且与所述第一隔离结构307和第二隔离结构315上下对应设置。

本实施例中，第二隔离结构315的材料可为氧化硅。

所述P型保护环可为现有工艺中的保护环(Guard Ring)结构，在此不做赘述。本实施例中，所述P型保护环结构中P型保护环317能够阻止外围电路区域303中电子进入光敏区域305中，降低背照式图像传感器300的暗电流，提高背照式图像传感器300的成像效果。

本实施例中，在第一隔离结构307和第二隔离结构315上方的半导体衬底301中均形成有背面隔离沟槽309。在其他实施例中，可以仅于第一隔离结构307上方的半导体衬底301中形成背面隔离沟槽。

本实施例中，背面隔离沟槽309的底面为半导体衬底301。在其他实施例中，背面隔离沟槽309可以贯穿第一隔离结构307和第二隔离结构315上方的半导体衬底301，此时，背面隔离沟槽309的底面为第一隔离结构307或者第二隔离结构315。

本实施例中，所述半导体衬底301的正面301a形成有金属互连层330，所述金属互连层330中形成有金属互连结构(图未示)，所述金属互连结构通过介质层(图未示)绝缘隔离。所述金属互连层330下方设置有处置衬底340。所述处置衬底340可为裸硅片。

本实施例中，图3中所述背照式图像传感器300进一步包括绝缘层311，形成于所述背面隔离沟槽309的底面和侧壁。所述绝缘层311的材料可为高k材料。所述绝缘层311能够阻挡光敏区域305外的电子进入光敏区域305中，以及能够吸附电子，从而在外围电路区域303中电子向光敏区域305移动时，被所述绝缘层311吸附，有效减少从外围电路区域303进入光敏区域305的电子数量，降低背照式图像传感器300的暗电流，减少白像素的产生，进而提高背照式图像传感器300的效果。

在其他实施例中，在形成有绝缘层311的背面隔离沟槽309中，可以形成背面沟槽隔离结构(图未示)，背面沟槽隔离结构的材料为绝缘材料，例如氧化硅。背面沟槽隔离结构能够将外围电路区域303与光敏区域305隔离，以及有效阻止光敏区域305外的电子进入光敏区域305中，降低了背照式图像传感器的暗电流，减少白像素的产生，从而提高背照式图像传感器的成像效果。

参考图4，为本实用新型又一个实施例中背照式图像传感器的剖视图。图4中背照式图像传感器400包括：

半导体衬底401，所述半导体衬底401内形成有由外围电路区域403包围的光敏区域405，所述外围电路区域403与所述光敏区域405之间形成有第一隔离结构407；

保护环结构，形成于所述第一隔离结构407和所述外围电路区域403之间；

第二隔离结构415，形成于所述保护环结构和所述外围电路区域403之间；

具体的，本实施例中所述保护环结构为PN型保护环结构，所述PN型保护环结构包括一个P型保护环417和一个N型保护环419，所述P型保护环417与所述第一隔离结构407相邻，所述N型保护环419与所述第二隔离结构415相邻，且所述P型保护环417与所述N型保护环419之间形成有第三隔离结构421；

背面隔离沟槽409，形成于所述半导体衬底401背面401b一侧的半导体衬底401中、且与所述第一隔离结构407、第二隔离结构415和第三隔离结构421上下对应设置。

本实施例中，第二隔离结构415和第三隔离结构421的材料可为氧化硅。

本实施例中，所述保护环结构中的P型保护环417和所述N型保护环419的结构可为现有工艺中的保护环结构，在此不做赘述。所述PN型保护环结构中P型保护环417和N型保护环419能够阻止外围电路区域403中电子进入光敏区域405中，降低背照式图像传感器400的暗电流，提高背照式图像传感器400的成像效果。

本实施例中，在第一隔离结构407、第二隔离结构415和第三隔离结构421上方的半导体衬底401中均形成有背面隔离沟槽409。在其他实施例中，可以仅于第一隔离结构407上方的半导体衬底401中设置背面隔离沟槽；或者于第一隔离结构407和第二隔离结构415上方的半导体衬底401中设置背面隔离沟槽；再或者于第一隔离结构407和第三隔离结构421的上方的半导体衬底401中形成背面隔离沟槽。

本实施例中，背面隔离沟槽409的底面为半导体衬底401。在其他实施例中，背面隔离沟槽409可以贯穿第一隔离结构407、第二隔离结构415和第三隔离结构421上方的半导体衬底401，此时，背面隔离沟槽409的底面为第一隔离结构407、第二隔离结构415或者第三隔离结构421。

本实施例中，所述半导体衬底401的正面401a形成有金属互连层430，所述金属互连层430中形成有金属互连结构(图未示)，所述金属互连结构通过介质层(图未示)绝缘隔离。所述金属互连层430下方设置有处置衬底440。所述处置衬底440可为裸硅片。

本实施例中，图4中所述背照式图像传感器400进一步包括绝缘层411，形成于所述背面隔离沟槽409的底面和侧壁。所述绝缘层411的材料可为高k材料。所述绝缘层411能够阻挡光敏区域405外的电子进入光敏区域405中，以及能够吸附电子，从而在外围电路区域403中电子向光敏区域405移动时，被所述绝缘层411吸附，有效减少从外围电路区域403进入光敏区域405的电子数量，降低背照式图像传感器400的暗电流，减少白像素的产生，进而提高背照式图像传感器400的效果。

在其他实施例中，在形成有绝缘层411的背面隔离沟槽409中，可以形成背面沟槽隔离结构(图未示)，背面沟槽隔离结构的材料为绝缘材料，例如氧化硅。背面沟槽隔离结构能够将外围电路区域403与光敏区域405隔离，以及有效阻止光敏区域405外的电子进入光敏区域405中，降低了背照式图像传感器的暗电流，减少白像素的产生，从而提高背照式图像传感器的成像效果。

参考图5，为本实用新型再一个实施例中背照式图像传感器的剖视图。图5中背照式图像传感器500包括：

半导体衬底501，所述半导体衬底501内形成有由外围电路区域503包围的光敏区域505，所述外围电路区域503与所述光敏区域505之间形成有第一隔离结构507；

保护环结构，形成于所述第一隔离结构507和所述外围电路区域503之间；

第二隔离结构515，形成于所述保护环结构和所述外围电路区域503之间；

具体的，本实施例中所述保护环结构为PNP型保护环结构，所述PNP型保护环结构包括两个P型保护环517和一个N型保护环519，一个所述P型保护环517与所述第一隔离结构507相邻，另一个所述P型保护环517与所述第二隔离结构515相邻，所述N型保护环519位于两个所述P型保护环517之间，且每个所述P型保护环517与所述N型保护环519之间形成有第三隔离结构521。所述保护环结构中的P型保护环517和所述N型保护环519的结构可为现有工艺中的保护环结构，在此不做赘述。

背面隔离沟槽509，形成于所述半导体衬底501背面501b一侧的半导体衬底501中、且与所述第一隔离结构507、第二隔离结构515和第三隔离结构521上下对应设置。

本实施例中，第二隔离结构515和第三隔离结构521的材料可为氧化硅。

本实施例中，所述PNP型保护环结构中两个P型保护环517和一个N型保护环519能够阻止外围电路区域503中电子进入光敏区域505中，降低背照式图像传感器500的暗电流，提高背照式图像传感器500的成像效果。

本实施例中，在第一隔离结构507、第二隔离结构515和第三隔离结构521上方的半导体衬底501中均形成有背面隔离沟槽509；背面隔离沟槽509与第一隔离结构507、第二隔离结构515和第三隔离结构521上下对应设置。

在其他实施例中，可以仅于第一隔离结构507上方的半导体衬底501中设置背面隔离沟槽；或者于第一隔离结构507和第二隔离结构515上方的半导体衬底501中设置背面隔离沟槽；再或者于第一隔离结构507和第三隔离结构521的上方的半导体衬底501中形成背面隔离沟槽。

本实施例中，背面隔离沟槽509的底面为第一隔离结构507、第二隔离结构515或者第三隔离结构521。在其他实施例中，背面隔离沟槽509可以不贯穿第一隔离结构507、第二隔离结构515和第三隔离结构521上方的半导体衬底501，即背面隔离沟槽509下方保留部分厚度的半导体衬底501。此时，背面隔离沟槽509的底面为半导体衬底501。

本实施例中，所述半导体衬底501的正面501a形成有金属互连层530，所述金属互连层530中形成有金属互连结构(图未示)，所述金属互连结构通过介质层(图未示)绝缘隔离。所述金属互连层530下方设置有处置衬底540。所述处置衬底540可为裸硅片。

本实施例中，图5中所述背照式图像传感器500进一步包括绝缘层511，形成于所述背面隔离沟槽509的底面和侧壁。所述绝缘层511的材料可为高k材料。所述绝缘层511能够阻挡光敏区域505外的电子进入光敏区域505中，所述绝缘层511还能够吸附电子，从而在外围电路区域503中电子向光敏区域505移动时，被所述绝缘层511吸附，有效减少从外围电路区域503进入光敏区域505的电子数量，降低背照式图像传感器500的暗电流，减少白像素的产生，进而提高背照式图像传感器500的效果。

在其他实施例中，在形成有绝缘层511的背面隔离沟槽509中，可以形成背面沟槽隔离结构(图未示)，背面沟槽隔离结构的材料为绝缘材料，例如氧化硅。背面沟槽隔离结构能够将外围电路区域503与光敏区域505隔离，以及有效阻止光敏区域505外的电子进入光敏区域505中，降低了背照式图像传感器的暗电流，减少白像素的产生，从而提高背照式图像传感器的成像效果。

上述实施例中背照式图像传感器，通过在第一隔离结构、以及第二隔离结构和/或第三隔离结构上方的半导体衬底中形成背面隔离沟槽，减薄或者去除该位置处的半导体衬底，从而有效减少从外围电路区域进入光敏区域的电子数量，进而降低背照式图像传感器中的暗电流，减少白像素的产生，提高了背照式图像传感器的成像效果。

另外，可以在上述实施例中背面隔离沟槽的底面和侧壁上形成绝缘层，或者进一步的在形成有绝缘层的背面隔离沟槽内形成背面沟槽隔离结构，从而更有效的阻止外围电路区域中电子进入光敏区域中，提高背照式图像传感器的成像效果。

上述本实用新型所提供的附图及实施例说明，并非限定本实用新型所提出的内容和范围。本领域的技术人员可以对实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。基于本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种背照式图像传感器，其特点在于，包括：

半导体衬底，所述半导体衬底内形成有由外围电路区域包围的光敏区域，所述外围电路区域与所述光敏区域之间形成有第一隔离结构；

背面隔离沟槽，形成于所述半导体衬底背面一侧的半导体衬底中，且与所述第一隔离结构上下对应设置。

2.根据权利要求1所述背照式图像传感器，其特征在于，所述背照式图像传感器包括：

保护环结构，形成于所述第一隔离结构和所述外围电路区域之间；

第二隔离结构，形成于所述保护环结构和所述外围电路区域之间。

3.根据权利要求2所述背照式图像传感器，其特征在于，所述保护环结构为P型保护环结构、PN型保护环结构或者PNP型保护环结构；

所述P型保护环结构包括一个P型保护环，所述P型保护环形成于所述第一隔离结构和所述第二隔离结构之间；

所述PN型保护环结构包括一个P型保护环和一个N型保护环，所述P型保护环与所述第一隔离结构相邻，所述N型保护环与所述第二隔离结构相邻，且所述P型保护环与所述N型保护环之间形成有第三隔离结构；

所述PNP型保护环结构包括两个P型保护环和一个N型保护环，一个所述P型保护环与所述第一隔离结构相邻，另一个所述P型保护环与所述第二隔离结构相邻，所述N型保护环位于两个所述P型保护环之间，且每个所述P型保护环与所述N型保护环之间形成有第三隔离结构。

4.根据权利要求3所述背照式图像传感器，其特征在于，所述背照式图像传感器包括：形成于所述半导体衬底背面一侧的半导体衬底中、且与所述第二隔离结构和/或第三隔离结构上下对应设置的背面隔离沟槽。

5.根据权利要求1至4任一所述背照式图像传感器，其特征在于，所述背面隔离沟槽的底面为半导体衬底；或者，所述背面隔离沟槽贯穿所述半导体衬底。

6.根据权利要求5所述背照式图像传感器，其特征在于，所述背照式图像传感器包括：绝缘层，形成于所述背面隔离沟槽的底面和侧壁。

7.根据权利要求6所述背照式图像传感器，其特征在于，所述绝缘层的材料为高k材料。

8.根据权利要求6所述背照式图像传感器，其特征在于，所述背照式图像传感器包括：背面沟槽隔离结构，形成于所述背面隔离沟槽内的绝缘层上。

9.根据权利要求8所述背照式图像传感器，其特征在于，所述背面沟槽隔离结构的材料为氧化硅。

10.根据权利要求5所述背照式图像传感器，其特征在于，所述背照式图像传感器包括：

金属互连层，形成于所述半导体衬底的正面；

处置衬底，设置于所述金属互连层的下方。