CN107910340A - 一种图像传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种图像传感器及其制备方法，包括：于所述衬底上形成感光元件阵列及位于所述感光元件阵列上的金属互连层；将所述衬底翻转，于各相邻感光元件之间形成隔离沟槽；于各感光元件上形成曲面镜，以提高各感光元件对光的吸收效率；填充所述隔离沟槽形成隔离结构，并于所述隔离结构及所述曲面镜上依次形成介电层、彩色滤光片阵列及微透镜阵列。本发明的图像传感器及其制备方法采用背照式图像传感器结构，在感光元件的受光面及光线的入射面设置曲面镜和微透镜，将入射光线汇聚到感光元件上，以此提高图像传感器中感光元件对光的吸收效率，进而提高图像传感器的光电转化效率，随机噪声和信噪比，最终提高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，特别是涉及一种图像传感器及其制备方法。
背景技术
图像传感器，或称感光元件，是一种将光学图像转换成电子信号的设备，它被广泛地应用在数码相机和其他电子光学设备中。早期的图像传感器采用模拟信号，如摄像管(video camera tube)。随着数码技术、半导体制造技术以及网络的迅速发展，市场和业界都面临着跨越各平台的视讯、影音、通讯大整合时代的到来，勾划着未来人类的日常生活的美景。以其在日常生活中的应用，无疑要属数码相机产品，其发展速度可以用日新月异来形容。短短的几年，数码相机就由几十万像素，发展到400、500万像素甚至更高。不仅在发达的欧美国家，数码相机已经占有很大的市场，就是在发展中的中国，数码相机的市场也在以惊人的速度在增长，因此，其关键零部件--图像传感器产品就成为当前以及未来业界关注的对象，吸引着众多厂商投入。以产品类别区分，图像传感器产品主要分为CCD、CMOS以及CIS传感器三种。
图像传感器的各项性能指标直接影响检测效果，其中，入射光线的转换效率及灵敏度尤为重要。如果照射到图像传感器的光线由于反射或散射而无法被感光元件接收到并有效转化为电信号，则会导致误检，极大影响图像传感器的检测性能。
因此，如何提高入射光线的吸收率，进而提高图像传感器的转换效率及灵敏度已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种图像传感器及其制备方法，用于解决现有技术中图像传感器的光电转换效率低、灵敏度差等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种图像传感器，所述图像传感器至少包括：
感光元件阵列，用于将光信号转换为电信号；
曲面镜阵列，形成于所述感光元件阵列的受光面上，其中，各曲面镜朝入射光线的方向凸起，用于对照射到各感光元件上的光线进行聚光，以提高各感光元件对光的吸收率；
隔离结构，形成于各相邻感光元件之间；
介电层，形成于所述曲面镜阵列及所述隔离结构上；
彩色滤光片阵列，形成于所述介电层的受光面上，各彩色滤光片与各感光元件的位置一一对应，用于对所述入射光线进行滤光；
微透镜阵列，形成于所述彩色滤光片阵列的受光面上，各微透镜朝所述入射光线的方向凸起，用于对所述入射光线进行聚光。
优选地，所述图像传感器还包括金属互连层，形成于所述感光元件阵列的背光面，用于实现各感光元件的电连接。
优选地，所述图像传感器还包括金属栅格，形成于所述介电层的受光面，与各隔离结构的位置一一对应。
优选地，所述隔离结构为深沟槽隔离结构。
优选地，所述感光元件包括光门、PN型光电二极管或PIN型光电二极管。
优选地，所述曲面镜的曲率半径设定为2nm～200nm。
优选地，所述曲面镜的材料为透明材料。
更优选地，所述曲面镜的材料包括硅、二氧化硅或掺锡氧化铟。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种图像传感器的制备方法，所述图像传感器的制备方法至少包括：
提供一衬底，于所述衬底上形成感光元件阵列及位于所述感光元件阵列上的金属互连层；
将所述衬底翻转，于各相邻感光元件之间形成隔离沟槽；
于各感光元件上形成曲面镜，以提高各感光元件对光的吸收效率；
填充所述隔离沟槽形成隔离结构，并于所述隔离结构及所述曲面镜上依次形成介电层、彩色滤光片阵列及微透镜阵列。
优选地，翻转所述衬底后，刻蚀所述衬底以形成所述隔离沟槽，并刻蚀各感光元件上的衬底材料以形成所述曲面镜。
优选地，翻转所述衬底后，于所述衬底上沉积曲面镜材料层，刻蚀所述曲面镜材料层及所述衬底以形成所述隔离沟槽，并刻蚀各感光元件上的所述曲面镜材料层以形成所述曲面镜。
优选地，所述衬底包括硅、绝缘体上硅或碳化硅。
优选地，所述隔离沟槽采用干法刻蚀的方式形成。
优选地，所述隔离结构采用深沟槽隔离技术形成。
优选地，所述曲面镜采用湿法刻蚀或干法刻蚀的方式形成，且各曲面镜的边缘刻蚀速率大于中心刻蚀速率。
如上所述，本发明的图像传感器及其制备方法，具有以下有益效果：
本发明的图像传感器及其制备方法采用背照式图像传感器结构，在感光元件的受光面及光线的入射面设置曲面镜和微透镜，将入射光线汇聚到感光元件上，以此提高图像传感器中感光元件对光的吸收效率，进而提高图像传感器的光电转化效率，随机噪声和信噪比，最终提高图像传感器的成像质量。
附图说明
图1显示为本发明中在衬底上形成感光元件阵列和金属互连层的结构示意图。
图2显示为本发明中翻转衬底后的结构示意图。
图3显示为本发明中形成隔离沟槽的结构示意图。
图4显示为本发明中形成曲面镜的结构示意图。
图5显示为本发明中形成深沟槽隔离结构的示意图。
图6显示为本发明中形成彩色滤光片阵列及微透镜阵列的结构示意图。
元件标号说明
1 图像传感器
11 衬底
12 感光元件
13 金属互连层
14 隔离沟槽
14a 隔离结构
15 曲面镜
16 介电层
17 彩色滤光片
18 金属栅格
19 微透镜
S1～S4 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1～图6所示，本发明还提供一种图像传感器的制备方法，所述图像传感器的制备方法至少包括：
步骤S1：提供一衬底11，于所述衬底11上形成感光元件阵列及位于所述感光元件阵列上的金属互连层13。
具体地，如图1所示，所述衬底11包括但不限于硅、绝缘体上硅或碳化硅，任意适于作为衬底的材料均适用于本申请的所述衬底11。于所述衬底11上形成所述感光元件阵列，所述感光元件阵列中包括多个感光元件12组成的阵列及与各感光元件12一一对应的晶体管(图中未显示)，所述感光元件12包括但不限于光门、PN型光电二极管或PIN型光电二极管，本领域的技术人员可以在确定感光元件类型的基础上采用相应的方法制备所述感光元件12，在此不一一赘述。于所述感光元件阵列上形成所述金属互连层13，用于实现所述感光元件阵列中器件的电连接。
步骤S2：将所述衬底11翻转，于各相邻感光元件12之间形成隔离沟槽14。
具体地，如图2所示，将所述衬底11翻转，使得所述金属互连层13位于所述衬底11的下层。如图3所示，采用干法刻蚀对所述衬底11进行刻蚀，以形成所述隔离沟槽14。在本实施例中，所述隔离沟槽14为深沟槽，在不影响金属互连层13的前提下尽量向下刻蚀，以使得各感光元件12之间的互扰最小。
步骤S3：于各感光元件12上形成曲面镜，以提高各感光元件12对光的吸收效率。
具体地，如图4所示，采用湿法刻蚀或干法刻蚀各感光元件12上的衬底材料，以形成曲面镜15，各曲面镜15的边缘刻蚀速率大于中心刻蚀速率，所述曲面镜15呈现向上凸起的凸透镜结构。在本实施例中，优选湿法刻蚀方式形成所述曲面镜15，在实际应用中，干法刻蚀同样适用于本发明的曲面镜15的形成，由于干法刻蚀对曲面镜表面造成的刻蚀损坏比较大，可通过热处理去除，以此得到满足要求的曲面镜。
在本发明的另一种实施例中，在步骤S2中，将所述衬底11翻转后，对所述衬底11进行减薄工艺，使得所述感光器件阵列上的衬底材料被研磨掉，于所述感光器件阵列上沉积曲面镜材料层，然后采用干法刻蚀对所述曲面镜材料层及所述衬底11进行刻蚀以于各相邻感光元件12之间形成隔离沟槽14；在步骤S3中，湿法刻蚀各感光元件12上的所述曲面镜材料层，以形成曲面镜15。
步骤S4：填充所述隔离沟槽14形成隔离结构14a，并于所述隔离结构14a及所述曲面镜15上依次形成介电层16、彩色滤光片阵列及微透镜阵列。
具体地，如图5所示，于所述隔离沟槽14中沉积绝缘材料以形成隔离结构14a，在本实施例中，所述隔离结构14a为深沟槽隔离结构。如图6所示，于所述隔离结构14a及所述曲面镜15上沉积介电层16；于所述介电层16上形成金属栅格18，所述金属栅格18与所述隔离结构14a的位置相对应，位于所述隔离结构14a的正上方；于所述介电层16沉积彩色滤光材料，以形成彩色滤光片17，多个彩色滤光片17组成彩色滤光片阵列，各彩色滤光片17位于各感光元件12的正上方，各金属栅格18对各彩色滤光片17进行隔离；于所述彩色滤光片阵列上形成微透镜材料层，刻蚀所述微透镜材料层以形成位于各彩色滤光片17上的微透镜19，各微透镜19的边缘刻蚀速率大于中心刻蚀速率，各微透镜19呈现向上凸起的凸透镜结构。
如图6所示，本发明提供一种图像传感器1，所述图像传感器1至少包括：
金属互连层13、感光元件阵列、曲面镜阵列、隔离结构14a、介电层16、彩色滤光片阵列、金属栅格18及微透镜阵列。
如图6所示，所述金属互连层13位于所述感光元件阵列的下层，用于实现各感光元件的电连接。
具体地，在本实施例中，所述金属互连层13位于所述感光元件阵列的背光面，入射光线从上向下照射，无需经过所述金属互连层13后照射到所述感光元件12，避免所述金属互连层13对入射光线产生阻挡。
如图6所示，所述感光元件阵列包括多个感光元件12，用于将光信号转换为电信号。
具体地，在本实施例中，所述感光元件阵列中还包括与各感光元件12一一对应的晶体管(图中未显示)。所述感光元件12包括但不限于光门、PN型光电二极管或PIN型光电二极管。
如图6所示，所述曲面镜阵列形成于所述感光元件阵列的受光面上，用于对照射到各感光元件12上的光线进行聚光，以提高各感光元件12对光的吸收率。
具体地，所述曲面镜阵列与所述感光元件阵列对应，各曲面镜15朝入射光线的方向凸起，各曲面镜15分别位于各感光元件12上，所述曲面镜15的材料为透明材料，包括但不限于硅、二氧化硅或掺锡氧化铟，任意透明材质均适用于本发明的曲面镜15，不以本实施例所列举材料为限。任意能实现将光线会聚到感光元件12的曲面镜15的曲率半径设定均适用于本发明，在本实施例中，将所述曲面镜15的曲率半径优选为2nm～200nm，以得到较好的聚光效果。入射光线进入所述图像传感器并照射到所述曲面镜15表面后，进过折射后光线向透镜的焦点聚拢，并被感光元件12吸收。
如图6所示，所述隔离结构14a形成于各相邻感光元件12之间。
具体地，在本实施例中，所述隔离结构14a为深沟槽隔离结构，通过深沟槽隔离结构将各感光元件12隔离，以避免相邻感光元件12之间的光信号及电信号的串扰。
如图6所示，所述介电层16形成于所述曲面镜阵列及所述隔离结构14a上。
如图6所示，所述彩色滤光片阵列形成于所述介电层16的受光面上，各彩色滤光片17与各感光元件12的位置一一对应，用于对所述入射光线进行滤光。
具体地，所述彩色滤光片阵列包括红绿蓝三种颜色的彩色滤光片17，各彩色滤光片17位于各感光元件12的正上方。
如图6所示，所述金属栅格18形成于所述介电层16的受光面，与各隔离结构14a的位置一一对应。
具体地，所述金属栅格18对各彩色滤光片17进行隔离。
如图6所示，所述微透镜阵列形成于所述彩色滤光片阵列的受光面上，各微透镜19朝所述入射光线的方向凸起，用于对所述入射光线进行聚光。
具体地，所述微透镜阵列与所述感光元件阵列对应，各微透镜19朝入射光线的方向凸起，所述微透镜19采用透明材料，将垂直照射下来的入射光光线会聚。
本发明的图像传感器及其制备方法采用背照式结构，将金属互连层设置于感光阵列的背光面，从而有效避免了光线在通过金属互连层和晶体管层的损失，大大提高了低光照条件下的感光效果，提高量子转化效率；同时采用曲面镜和微透镜两组凸透镜对入射光线进行会聚，使得对应区域的入射光线会聚到相应的感光元件，大大提高入射光线的吸收率；此外，相邻感光元件之间采用深沟槽隔离结构，以减少感光元件之间的光信号和电信号的串扰，提高检测精度；进而提高图像传感器的光电转化效率，随机噪声和信噪比，最终提高图像传感器的成像质量。
综上所述，本发明提供一种图像传感器及其制备方法，包括：感光元件阵列，用于将光信号转换为电信号；曲面镜阵列，形成于所述感光元件阵列的受光面上，其中，各曲面镜朝入射光线的方向凸起，用于对照射到各感光元件上的光线进行聚光，以提高各感光元件对光的吸收率；隔离结构，形成于各相邻感光元件之间；介电层，形成于所述曲面镜阵列及所述隔离结构上；彩色滤光片阵列，形成于所述介电层的受光面上，各彩色滤光片与各感光元件的位置一一对应，用于对所述入射光线进行滤光；微透镜阵列，形成于所述彩色滤光片阵列的受光面上，各微透镜朝所述入射光线的方向凸起，用于对所述入射光线进行聚光。提供一衬底，于所述衬底上形成感光元件阵列及位于所述感光元件阵列上的金属互连层；将所述衬底翻转，于各相邻感光元件之间形成隔离沟槽；于各感光元件上形成曲面镜，以提高各感光元件对光的吸收效率；填充所述隔离沟槽形成隔离结构，并于所述隔离结构及所述曲面镜上依次形成介电层、彩色滤光片阵列及微透镜阵列。本发明的图像传感器及其制备方法采用背照式图像传感器结构，在感光元件的受光面及光线的入射面设置曲面镜和微透镜，将入射光线汇聚到感光元件上，以此提高图像传感器中感光元件对光的吸收效率，进而提高图像传感器的光电转化效率，随机噪声和信噪比，最终提高图像传感器的成像质量。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (15)
1.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器至少包括：
感光元件阵列，用于将光信号转换为电信号；
曲面镜阵列，形成于所述感光元件阵列的受光面上，其中，各曲面镜朝入射光线的方向凸起，用于对照射到各感光元件上的光线进行聚光，以提高各感光元件对光的吸收率；
隔离结构，形成于各相邻感光元件之间；
介电层，形成于所述曲面镜阵列及所述隔离结构上；
彩色滤光片阵列，形成于所述介电层的受光面上，各彩色滤光片与各感光元件的位置一一对应，用于对所述入射光线进行滤光；
微透镜阵列，形成于所述彩色滤光片阵列的受光面上，各微透镜朝所述入射光线的方向凸起，用于对所述入射光线进行聚光。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于：所述图像传感器还包括金属互连层，形成于所述感光元件阵列的背光面，用于实现各感光元件的电连接。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于：所述图像传感器还包括金属栅格，形成于所述介电层的受光面，与各隔离结构的位置一一对应。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于：所述隔离结构为深沟槽隔离结构。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于：所述感光元件包括光门、PN型光电二极管或PIN型光电二极管。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于：所述曲面镜的曲率半径设定为2nm～200nm。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于：所述曲面镜的材料为透明材料。
8.根据权利要求1或7所述的图像传感器，其特征在于：所述曲面镜的材料包括硅、二氧化硅或掺锡氧化铟。
9.一种图像传感器的制备方法，其特征在于，所述图像传感器的制备方法至少包括：
提供一衬底，于所述衬底上形成感光元件阵列及位于所述感光元件阵列上的金属互连层；
将所述衬底翻转，于各相邻感光元件之间形成隔离沟槽；
于各感光元件上形成曲面镜，以提高各感光元件对光的吸收效率；
填充所述隔离沟槽形成隔离结构，并于所述隔离结构及所述曲面镜上依次形成介电层、彩色滤光片阵列及微透镜阵列。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其特征在于：翻转所述衬底后，刻蚀所述衬底以形成所述隔离沟槽，并刻蚀各感光元件上的衬底材料以形成所述曲面镜。
11.根据权利要求9所述的图像传感器，其特征在于：翻转所述衬底后，于所述衬底上沉积曲面镜材料层，刻蚀所述曲面镜材料层及所述衬底以形成所述隔离沟槽，并刻蚀各感光元件上的所述曲面镜材料层以形成所述曲面镜。
12.根据权利要求9所述的图像传感器，其特征在于：所述衬底包括硅、绝缘体上硅或碳化硅。
13.根据权利要求9所述的图像传感器的制备方法，其特征在于：所述隔离沟槽采用干法刻蚀的方式形成。
14.根据权利要求9所述的图像传感器的制备方法，其特征在于：所述隔离结构采用深沟槽隔离技术形成。
15.根据权利要求9所述的图像传感器的制备方法，其特征在于：所述曲面镜采用湿法刻蚀或干法刻蚀的方式形成，且各曲面镜的边缘刻蚀速率大于中心刻蚀速率。
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