CN219267659U

CN219267659U - 图像传感器及电子设备

Info

Publication number: CN219267659U
Application number: CN202320186690.9U
Authority: CN
Inventors: 张豪轩; 戚德奎
Original assignee: Shanghai Sitewei Integrated Circuit Co ltd
Current assignee: Shanghai Sitewei Integrated Circuit Co ltd
Priority date: 2023-02-09
Filing date: 2023-02-09
Publication date: 2023-06-27
Anticipated expiration: 2033-02-09

Abstract

本实用新型公开了一种图像传感器及电子设备，图像传感器包括电路连接层、光学结构层以及位于电路连接层和光学结构层之间的半导体结构层；半导体结构层内具有呈阵列分布的多个感光像素区以及将多个感光像素区间隔开的深沟槽隔离结构和浅沟槽隔离结构，深沟槽隔离结构位于半导体结构层朝向光学结构层的一侧；光学结构层包括栅格结构，栅格结构与深沟槽隔离结构相对应，栅格结构的一端延伸至半导体结构层内并与深沟槽隔离结构的一端相接触。相比于传统的金属栅格直接形成于半导体衬底的表面上，本申请通过将栅格结构的一端延伸至半导体结构层内，半导体衬底和其他膜层可以对栅格结构起到一定支撑作用，使得栅格结构更加稳定，不容易倒塌。

Description

图像传感器及电子设备

技术领域

本实用新型涉及图像传感器技术领域，特别是涉及一种图像传感器及电子设备。

背景技术

图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置，通常大规模商用的图像传感器芯片包括电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器芯片两大类。CMOS图像传感器和传统的CCD传感器相比，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。现在图像传感器不仅用于消费电子领域，例如微型数码相机(DSC)，手机摄像头，摄像机和数码单反(DSLR)中，而且在汽车电子，监控，生物技术和医学等领域也得到了广泛的应用。

图像传感器按照入射光进入光电二极管的路径不同，可以分为前照式和背照式(BSI)两种图像传感器，前照式是指入射光从靠近电路连接层的一面进入光电二极管的图像传感器，而背照式是指入射光从远离电路连接层的一面进入光电二极管的图像传感器。为了提高图像传感器中光电二极管的面积和减少介质层对入射光的损耗，我们可以采用背照式图像传感器工艺，即入射光从硅片的背面进入光电二极管，从而减小介质层对入射光的损耗，提高像素单元的灵敏度。

但是，在背照式工艺中，有一道工艺为BMG(backside metal grid，背面金属格栅)，BMG起到光通道的作用，并且可以固定CF(滤色器)。正常的工艺需要光刻和干刻等多个制程，具体如下：

首先，如图1a和图1b所示，提供半导体衬底100，并在半导体衬底100的背面依次覆盖第一氧化物(二氧化硅，SiO₂)110、氮化钛(TiN)120、金属钨(W)130、第二氧化物(二氧化硅，SiO₂)140以及光刻胶(PR)200；

接着，如图1c所示，提供具有图案的掩模版(图未示)，以掩模版为遮挡对光刻胶200进行曝光显影，使光刻胶200形成与掩模版相对应的图案化结构；

接着，如图1d所示，以图案化的光刻胶200为遮挡分别对氮化钛120、金属钨130以及第二氧化物140进行蚀刻，例如干蚀刻，使氮化钛120、金属钨130以及第二氧化物140形成与光刻胶200相对应的图案化结构；

最后，如图1e和图1f所示，去除图案化的光刻胶200，并覆盖一层第三氧化物(二氧化硅，SiO₂)150，最终在半导体衬底100的背面形成BMG。

另外，现有技术中，还需要额外的工艺制作BDTI(背侧深沟槽隔离结构)，BDTI通常与BMG为上下对应的图案，BDTI一般为金属材质或者多晶硅，金属通常选用铝、铜、钨，相邻两个BDTI之间具有感光元件(PD)，相邻两个BMG之间具有滤色器，当然，现有技术也有将滤色器制作于BMG之上。

由于现有技术中BMG是直接形成于半导体衬底100的表面，不稳固，容易倒塌。

实用新型内容

为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本实用新型的目的在于提供一种图像传感器及电子设备，以解决现有技术中背照式图像传感器结构中背面金属格栅不稳固，且容易倒塌的问题。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：

本实用新型提供一种图像传感器，包括电路连接层、光学结构层以及位于所述电路连接层和所述光学结构层之间的半导体结构层；

所述半导体结构层内具有呈阵列分布的多个感光像素区以及将多个所述感光像素区间隔开的深沟槽隔离结构和浅沟槽隔离结构，所述深沟槽隔离结构位于所述半导体结构层朝向所述光学结构层的一侧，所述浅沟槽隔离结构位于所述半导体结构层朝向所述电路连接层的一侧；

所述光学结构层包括栅格结构，所述栅格结构与深沟槽隔离结构相对应，所述栅格结构的一端延伸至所述半导体结构层内并与所述深沟槽隔离结构的一端相接触。

进一步地，所述栅格结构包括金属硅化物栅格，所述金属硅化物栅格的一端与所述深沟槽隔离结构的一端相接触。

进一步地，所述栅格结构包括金属硅化物栅格和多晶硅层，所述多晶硅层的一端与所述金属硅化物栅格相接触，所述多晶硅层的另一端与所述深沟槽隔离结构相接触。

进一步地，所述金属硅化物栅格的金属硅化物为镍的硅化物、镍铂合金的硅化物、钛的硅化物或钴的硅化物。

进一步地，所述深沟槽隔离结构和所述栅格结构的外壁设有金属氧化物薄膜，所述金属氧化物薄膜位于所述深沟槽隔离结构的侧壁和底壁以及所述栅格结构的侧壁。

进一步地，所述半导体结构层在朝向所述光学结构层的一侧设有间隔层，所述栅格结构的一端穿过所述间隔层。

进一步地，所述半导体结构层朝向所述光学结构层的一侧设有保护层，所述保护层覆盖住所述栅格结构。

进一步地，所述光学结构层还包括滤色层和微透镜阵列结构，所述微透镜阵列结构位于所述滤色层远离所述半导体结构层的一侧。

进一步地，所述电路连接层包括栅极层和导电线路，所述导电线路的一端与所述栅极层导电连接。

本申请还提供一种电子设备，包括如上所述的图像传感器。

本实用新型有益效果在于：相比于传统的金属栅格直接形成于半导体衬底的表面上，本申请通过将栅格结构的一端延伸至半导体结构层内，半导体衬底和其他膜层可以对栅格结构起到一定支撑作用，使得栅格结构更加稳定，不容易倒塌。而且，栅格结构的底端与深沟槽隔离结构的顶端直接接触，在制作栅格结构和深沟槽隔离结构时，可以依次沉积覆盖，使得栅格结构和深沟槽隔离结构的结合力更好，提高栅格结构的稳固性，不容易坍塌。

附图说明

图1a-1f是现有技术中图像传感器的制作方法的结构示意图；

图2是本实用新型中图像传感器的制作方法的工艺流程示意图；

图3是本实用新型中图像传感器的结构示意图；

图4是本实用新型另一实施例中中图像传感器的结构示意图；

图5a-5j是本实用新型中图像传感器的制作方法的结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的图像传感器的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：

图3是本实用新型中图像传感器的结构示意图。图4是本实用新型另一实施例中中图像传感器的结构示意图。

如图3和图4所示，本实用新型提供的一种图像传感器，包括电路连接层400、光学结构层以及位于电路连接层400和光学结构层之间的半导体结构层300。

其中，半导体结构层300内具有呈阵列分布的多个感光像素区以及将多个感光像素区(PD)间隔开的深沟槽隔离结构341和浅沟槽隔离结构380，深沟槽隔离结构341位于半导体结构层300朝向光学结构层的一侧，浅沟槽隔离结构380位于半导体结构层300朝向电路连接层400的一侧。光学结构层包括栅格结构，栅格结构与深沟槽隔离结构341相对应，栅格结构的一端延伸至半导体结构层300内并与深沟槽隔离结构341的一端相接触。

进一步地，栅格结构包括金属硅化物栅格351和多晶硅层350，多晶硅层350的一端与金属硅化物栅格351相接触，多晶硅层350的另一端与深沟槽隔离结构341相接触。其中，金属硅化物栅格351由多晶硅与金属层360发生反应而形成，金属硅化物栅格351与多晶硅层350为一体结构。而深沟槽隔离结构341由隔垫层340形成，多晶硅层350的底端与深沟槽隔离结构341的顶端紧密相连，从而使得金属硅化物栅格351更加稳固，不容易坍塌。金属硅化物栅格351的金属硅化物(Salicide)为镍的硅化物(NiSi)、镍铂合金的硅化物(NiPtSi)、钛的硅化物(TiSi，例如TiSi₂)或钴的硅化物(CoSi，例如CoSi₂)。当然，在其他实施例中，栅格结构包括金属硅化物栅格351，金属硅化物栅格351的一端与深沟槽隔离结构341的一端相接触，即多晶硅与金属层360发生反应时，多晶硅全部形成了金属硅化物。

进一步地，深沟槽隔离结构341和栅格结构的外壁设有金属氧化物薄膜330，金属氧化物薄膜330位于深沟槽隔离结构341的侧壁和底壁以及栅格结构的侧壁。其中，金属氧化物薄膜330采用氧化铝(ALO)或氧化钽(TAO)，金属氧化物薄膜330的厚度不超过550A。由于金属氧化物薄膜330会覆盖于深沟槽隔离结构341的侧壁和底壁以及栅格结构的侧壁，使得栅格结构和深沟槽隔离结构341形成一个整体，增加栅格结构和深沟槽隔离结构341的结合力，使得栅格结构更加稳固，不容易坍塌。

进一步地，半导体结构层300在朝向光学结构层的一侧设有间隔层310，栅格结构的一端穿过间隔层310。其中，间隔层310采用氧化物(OX，Oxide)，例如为二氧化硅(SiO2)。间隔层310可以对半导体衬底301的背面起到一定绝缘和保护作用，同时也可以对栅格结构起到一定支撑作用，提高金属硅化物栅格351的稳定性。

进一步地，半导体结构层300朝向光学结构层的一侧设有保护层370，保护层370覆盖住栅格结构，可以理解地是，保护层370是整面的结构，同时也会覆盖住间隔层310和金属氧化物薄膜330，即间隔层310位于半导体衬底301和介质层320之间。其中，保护层370采用氧化物(OX，Oxide)，例如为二氧化硅(SiO2)，保护层370的厚度为400±50nm，宽度为120±20nm，目的在于保护金属硅化物栅格351，使金属硅化物栅格351与其他膜层绝缘。而且由于保护层370反射率更高，可以配合内部结构(即保护层370与半导体衬底301之间膜层结构，厚度约为200±50nm，宽度约为80±20nm，包括间隔层310、部分金属氧化物薄膜330、部分金属硅化物栅格351)共同实现栅格的光通道作用。

本实施例中，光学结构层包括滤色层510和微透镜阵列结构520，微透镜阵列结构520位于滤色层510远离半导体结构层300的一侧。微透镜阵列结构520用于将更多的光聚集并射向感光像素区，滤色层510用于过滤其他颜色的光线。如图3所示，在本实施例中，滤色层510位于栅格结构之间。当然，在其他实施例中，如图4所示，也可以在半导体结构层300朝向光学结构层的一侧设置平坦层390，平坦层390覆盖住保护层370，从而使得半导体结构层300朝向光学结构层的一侧更加平整，然后滤色层510设于平坦层390之上，即栅格结构之上。

本实施例中，电路连接层400包括栅极层410和导电线路420，导电线路420的一端与栅极层410导电连接。当然，在实际中，电路连接层400还包括其他结构，以形成传输晶体管(M_TX)、复位晶体管(M_RS)、放大晶体管(M_RD)以及其他电路等，这里不再具体陈述。

本申请中还提供一种电子设备，包括如上所述的图像传感器。

图2是本实用新型中图像传感器的制作方法的工艺流程示意图。图5a-5j是本实用新型中图像传感器的制作方法的结构示意图。如图2至图5j所示，本实用新型提供的一种图像传感器的制作方法，该制作方法用于制作如上所述的图像传感器。该制作方法包括：

步骤S1：如图5a和5b所示，提供半导体衬底301，在半导体衬底301的背面覆盖介质层320。其中，半导体衬底301朝向光学结构层的一侧为半导体衬底301的背面，而半导体衬底301朝向电路连接层400(图3)的一侧为半导体衬底301的正面。半导体衬底301例如为硅(Si)基底，半导体衬底301中具有多个感光像素区(PD，又叫光电二极管、像素)，多个感光像素区在半导体衬底301内呈阵列分布。介质层320为氮的硅化物(SIN)，例如为Si₃N₄，设置介质层320的目的在于保证沟槽302的深度，以确保隔离功能。介质层320的沉积方式例如为ALD(原子层沉积，atomic layer deposition)。

进一步地，在覆盖介质层320之前，还包括：在半导体衬底301的背面覆盖间隔层310，间隔层310位于半导体衬底301和介质层320之间。其中，间隔层310采用氧化物(OX，Oxide)，例如为二氧化硅(SiO2)，间隔层310用于将半导体衬底301和介质层320间隔开，可以对半导体衬底301的背面起到一定绝缘和保护作用，同时也可以提高沟槽302的深度，提高金属硅化物栅格351的稳定性。间隔层310的沉积方式例如为ALD(原子层沉积，atomiclayer deposition)。

步骤S2：如图5c所示，对半导体衬底301和介质层320进行蚀刻并形成栅格图案的沟槽302，沟槽302贯穿介质层320并延伸至半导体衬底301中。可以理解的是，沟槽302只是延伸至半导体衬底301内，并没有将半导体衬底301贯穿，同时，沟槽302也贯穿间隔层310。其中，蚀刻的沟槽302目的在于在半导体衬底301内制作BDTI(背侧深沟槽隔离结构)，同时，也为金属硅化物栅格351起到固定作用，使得金属硅化物栅格351更加稳固，不会坍塌。沟槽302为上宽下窄的结构，深度优选为20000A，最大宽度优选为1500±100A，沟槽302的具体尺寸可以根据实际需要进行设置，并不以此为限。

沟槽302的形成可以通过光刻技术，具体先在介质层320顶部覆盖光刻胶层，以具有栅格图案的掩模版为遮挡，光刻胶层进行曝光显影，使光刻胶层形成栅格图案。然后，以具有栅格图案的光刻胶层为遮挡，对介质层320、间隔层310以及半导体衬底301进行蚀刻，以形成具有栅格图案的沟槽302。具体光刻过程与图1b-1d的光刻过程相似，也可以参考现有技术，这里不再赘述。

步骤S3：如图5e-5f所示，在半导体衬底301的背面依次覆盖隔垫层340和多晶硅层350，去除沟槽302之外的隔垫层340和多晶硅层350，并保留沟槽302之内的隔垫层340和多晶硅层350。具体地，在半导体衬底301的背面依次沉积隔垫层340和多晶硅层350后，通过化学机械抛光(CMP，Chemical Mechanical Polishing)将沟槽302之外的隔垫层340和多晶硅层350打磨掉，保留沟槽302之内的隔垫层340和多晶硅层350，使得半导体衬底301的背面更加平整。其中，隔垫层340采用氧化物(OX，Oxide)，例如为二氧化硅(SiO2)，作用是作为BDTI的隔离结构基底，稳定性相比于金属更好，而且与多晶硅层350的结合力更好，使得金属硅化物栅格351更加稳固，不容易坍塌。多晶硅层350作用是为后续自对准工艺形成金属硅化物提供基材。

优选地，一部分多晶硅层350延伸至半导体衬底301里面，即多晶硅层350的底面低于半导体衬底301的背面，从而可以进一步提高金属硅化物栅格351的稳固性。

进一步地，如图5d所示，在覆盖隔垫层340和多晶硅层350之前，还包括：在半导体衬底301的背面覆盖金属氧化物薄膜330，金属氧化物薄膜330覆盖于介质层320的表面以及沟槽302的内壁，即在形成沟槽302后，接着就在半导体衬底301的背面覆盖金属氧化物薄膜330。其中，金属氧化物薄膜330采用氧化铝(ALO)或氧化钽(TAO)，金属氧化物薄膜330的厚度不超过550A，具体可以通过CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积)方式在半导体衬底301的背面形成金属氧化物薄膜330。在沟槽302之内形成隔垫层340和多晶硅层350后，金属氧化物薄膜330会覆盖于隔垫层340的侧壁和底壁以及多晶硅层350的侧壁，使得隔垫层340和多晶硅层350形成一个整体，增加隔垫层340与多晶硅层350的结合力，使得金属硅化物栅格351更加稳固，不容易坍塌。当然，金属氧化物薄膜330也可以对沟槽302和介质层320起到一定保护作用。

进一步地，如图5f所示，在去除沟槽302之外的隔垫层340和多晶硅层350的同时，在介质层320远离半导体衬底301的方向上，去除覆盖于介质层320背面的金属氧化物薄膜330。即在通过化学机械抛光(CMP，Chemical Mechanical Polishing)将沟槽302之外的隔垫层340和多晶硅层350打磨掉时，同时也将沟槽302之外的金属氧化物薄膜330打磨掉，以露出介质层320的背面，便于后续工艺去除介质层320。

步骤S4：如图5g-5h所示，对多晶硅层350进行金属扩散工艺处理，使至少一部分多晶硅层350形成金属硅化物栅格351。即采用自对准工艺对多晶硅层350进行处理，使得至少一部分多晶硅层350形成金属硅化物栅格351。具体地，如图5g所示，在半导体衬底301的背面沉积金属层360并覆盖住多晶硅层350，当然，金属层360也会覆盖住介质层320；然后进行至少两次快速热退火(RTA)处理，使得在垂直于多晶硅层350和金属层360接触面的方向上，至少一部分多晶硅层350与金属层360反应并形成金属硅化物栅格351。其中，金属层360采用镍(Ni)、镍铂合金(NiPt)、钛(Ti)或钴(Co)，并通过PVD(物理气相沉积，Physical VaporDeposition)在在半导体衬底301的背面沉积金属层360。而金属硅化物栅格351的金属硅化物(Salicide)为镍的硅化物(NiSi)、镍铂合金的硅化物(NiPtSi)、钛的硅化物(TiSi，例如TiSi₂)或钴的硅化物(CoSi，例如CoSi₂)。由于金属层360在与多晶硅层350反应时会，金属层360中的金属粒子向多晶硅层350里面扩散，会避开介质层320和金属氧化物薄膜330，只与多晶硅(Poly)反应形成对准区域的金属硅化物(silicide)。然后，如图5h所示，等待预设时间后，可以通过湿蚀刻的工艺去除未与多晶硅层350发生反应的金属层360，此时，多晶硅层350中，至少有一部分多晶硅层350形成金属硅化物，从而金属硅化物形成栅格351，当然，也可以调整反应时间或反应环境，使全部多晶硅层350均形成金属硅化物。

步骤S5：如图5i所示，去除介质层320的至少一部分，以露出金属硅化物栅格351的至少一部分，从而在后续制作滤色层510时，金属硅化物栅格351可以对滤色层510起到一定的限位作用。当然，也可以将介质层320完全去除，以露出更高的金属硅化物栅格351。

步骤S6：如图5j所示，在半导体衬底301的背面覆盖保护层370，保护层370覆盖住金属硅化物栅格351，可以理解地是，保护层370是整面的结构，同时也会覆盖住间隔层310和金属氧化物薄膜330。其中，保护层370采用氧化物(OX，Oxide)，例如为二氧化硅(SiO2)，保护层370的厚度为400±50nm，宽度为120±20nm，目的在于保护金属硅化物栅格351，使金属硅化物栅格351与其他膜层绝缘。而且由于保护层370反射率更高，可以配合内部结构(即保护层370与半导体衬底301之间膜层结构，厚度约为200±50nm，宽度约为80±20nm，包括间隔层310、部分金属氧化物薄膜330、部分金属硅化物栅格351)共同实现栅格的光通道作用。

在本文中，所涉及的上、下、左、右、前、后等方位词是以附图中的结构位于图中的位置以及结构相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。还应当理解，本文中使用的术语“第一”和“第二”等，仅用于名称上的区分，并不用于限制数量和顺序。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型做任何形式上的限定，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰，为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围之内。

Claims

1.一种图像传感器，其特征在于，包括电路连接层(400)、光学结构层以及位于所述电路连接层(400)和所述光学结构层之间的半导体结构层(300)；

所述半导体结构层(300)内具有呈阵列分布的多个感光像素区以及将多个所述感光像素区间隔开的深沟槽隔离结构(341)和浅沟槽隔离结构(380)，所述深沟槽隔离结构(341)位于所述半导体结构层(300)朝向所述光学结构层的一侧，所述浅沟槽隔离结构(380)位于所述半导体结构层(300)朝向所述电路连接层(400)的一侧；

所述光学结构层包括栅格结构，所述栅格结构与深沟槽隔离结构(341)相对应，所述栅格结构的一端延伸至所述半导体结构层(300)内并与所述深沟槽隔离结构(341)的一端相接触。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述栅格结构包括金属硅化物栅格(351)，所述金属硅化物栅格(351)的一端与所述深沟槽隔离结构(341)的一端相接触。

3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述栅格结构包括金属硅化物栅格(351)和多晶硅层(350)，所述多晶硅层(350)的一端与所述金属硅化物栅格(351)相接触，所述多晶硅层(350)的另一端与所述深沟槽隔离结构(341)相接触。

4.根据权利要求2或3所述的图像传感器，其特征在于，所述金属硅化物栅格(351)的金属硅化物为镍的硅化物、镍铂合金的硅化物、钛的硅化物或钴的硅化物。

5.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述深沟槽隔离结构(341)和所述栅格结构的外壁设有金属氧化物薄膜(330)，所述金属氧化物薄膜(330)位于所述深沟槽隔离结构(341)的侧壁和底壁以及所述栅格结构的侧壁。

6.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述半导体结构层(300)在朝向所述光学结构层的一侧设有间隔层(310)，所述栅格结构的一端穿过所述间隔层(310)。

7.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述半导体结构层(300)朝向所述光学结构层的一侧设有保护层(370)，所述保护层(370)覆盖住所述栅格结构。

8.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述光学结构层还包括滤色层(510)和微透镜阵列结构(520)，所述微透镜阵列结构(520)位于所述滤色层(510)远离所述半导体结构层(300)的一侧。

9.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述电路连接层(400)包括栅极层(410)和导电线路(420)，所述导电线路(420)的一端与所述栅极层(410)导电连接。

10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的图像传感器。