CN109860219A - 图像传感器及其形成方法 - Google Patents

Abstract

一种图像传感器及其形成方法，方法包括：提供衬底，所述衬底包括像素区和隔离区，所述像素区与隔离区相邻，且所述隔离区包围所述像素区；在所述衬底像素区内形成感光结构；在所述衬底隔离区表面形成初始栅格层，所述初始栅格层内具有暴露出像素区的初始凹槽；对所述初始栅格层的侧壁进行减薄，以在所述隔离区表面形成栅格层，且所述栅格层内具有暴露出像素区的凹槽。所述方法提高了图像传感器的性能。

Description

图像传感器及其形成方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种图像传感器及其形成方法。

背景技术

图像传感器是一种将光信号转化为电信号的半导体器件。图像传感器分为互补金属氧化物(CMOS)图像传感器和电荷耦合器件(CCD)图像传感器。CMOS图像传感器具有工艺简单、易与其它器件集成、体积小、重量轻、功耗小和成本低等优点。目前，CMOS图像传感器已经广泛应用于静态数码相机、数码摄像机、医疗用摄像装置和车用摄像装置等。

CMOS图像传感器包括前照式(FSI)图像传感器和背照式(BSI)图像传感器。在背照式图像传感器中，光从图像传感器的背面入射到图像传感器中的感光二极管上，从而将光能转化为电能。

图像传感器中采用栅格层隔离滤光层以减小相邻像素单元之间的串扰，然而随着器件集成度的提高，图像传感器中像素单元密度随之增大，栅格层尺寸较大，影响了图像传感器的性能。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种图像传感器及其形成方法，以提高图像传感器的性能。

为解决上述技术问题，本发明提供一种图像传感器的形成方法，包括：提供衬底，所述衬底包括像素区和隔离区，所述像素区与隔离区相邻，且所述隔离区包围所述像素区；在所述衬底像素区内形成感光结构；在所述衬底隔离区表面形成初始栅格层，所述初始栅格层内具有暴露出像素区的初始凹槽；对所述初始栅格层的侧壁进行减薄，以在所述隔离区表面形成栅格层，且所述栅格层内具有暴露出像素区的凹槽。

可选的，所述初始栅格层和初始凹槽的形成方法包括：在所述衬底像素区和隔离区表面形成初始栅格材料层；在所述初始栅格材料层表面形成图形化层，所述图形化层暴露出像素区初始栅格材料层；以所述图形化层为掩膜刻蚀所述初始栅格材料层，直至暴露出衬底表面，形成初始栅格层和初始凹槽，所述初始凹槽暴露出衬底表面。

可选的，形成初始栅格材料层之前，还包括：在所述衬底像素区和隔离区表面形成保护层；所述初始栅格材料层位于所述保护层表面；所述初始凹槽暴露出保护层表面。

可选的，对所述初始栅格层进行减薄的工艺包括：各向同性的湿法刻蚀工艺或者各向同性的干法刻蚀工艺。

可选的，所述像素区沿第一方向排布，所述第一方向平行于衬底表面，所述栅格层在所述第一方向上具有第一尺寸，所述第一尺寸为0.1um～0.15um。

可选的，所述像素区沿第一方向排布，所述第一方向平行于衬底表面，所述栅格层在所述第一方向上具有第一尺寸，所述初始栅格层在所述第一方向上具有第二尺寸，所述第二尺寸与第一尺寸的差大于零且小于等于0.1um。

可选的，还包括：在所述凹槽内形成滤光层；在所述滤光层表面形成透镜层。

可选的，在形成滤光层之前，在所述栅格层表面形成阻挡层；所述滤光层位于所述阻挡层表面。

可选的，所述阻挡层的材料包括：氧化硅、氮化硅、氮碳化硅、氮硼化硅、氮碳氧化硅或氮氧化硅；所述阻挡层的厚度为300埃～500埃。

可选的，所述衬底包括第一面和第二面；所述初始栅格层位于所述衬底隔离区的第一面表面；所述图像传感器的形成方法还包括：在所述衬底的隔离区内形成隔离结构，所述衬底第二面暴露出所述隔离结构；形成隔离结构后，在所述衬底第二面表面形成互连层。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

本发明技术方案提供的图像传感器的形成方法中，凹槽后续用于形成滤光层，用来形成栅格层和滤光层占用的空间面积既定，对栅格层侧壁进行减薄，后续形成的滤光层的面积增大，通过滤光层的光线增加，从而增加了图像传感器的入光量。同时，栅格层减薄后，凹槽面积增大，进入到像素区的光线的CRA(chief ray angle主光线角度)增大，增加了图像传感器的入光量。综上，使得图像传感器的性能得到提升。

附图说明

图1是一种图像传感器的剖面结构示意图；

图2至图7是本发明一实施例中图像传感器形成过程的剖面结构示意图；

图8至图9是本发明另一实施例中图像传感器形成过程的剖面结构示意图。

具体实施方式

正如背景技术所述，现有技术的图像传感器的性能较差。

图1是一种图像传感器实施例的剖面结构示意图，请参考图1，所述图像传感器包括：位于衬底100表面的多个像素单元，所述像素单元包括：互联层130、感光结构110和受光结构，所述衬底100具有相对的第一面和第二面，所述感光结构110位于所述衬底100内，所述互联层130与衬底100第一面相接触，所述受光结构位于衬底100第二面上，所述受光结构包括透镜层160、滤光层150和栅格层140，透镜层160位于滤光层150表面，栅格层140位于相邻滤光层150之间；所述图像传感器还包括隔离层120，所述隔离层120位于相邻的像素单元的衬底100之间。

上述图像传感器中，所述栅格层140的形成方法包括：在所述衬底100第二面形成金属层；在所述金属层表面形成图形化层；以所述图形化层为掩膜，刻蚀所述金属层，形成栅格层。

所述图形化层的材料为光刻胶，图形化形成栅格层的过程中受到光阻工艺的限制，所述栅格层140的光刻胶掩膜尺寸难以缩小，因此所述栅格层140的尺寸不能进一步减小。栅格层140和滤光层150所占用的空间面积既定，故栅格层140尺寸难以缩小的情况下，位于栅格层140之间的滤光层150占用面积有限，所述图像传感器的进光量有限，从而导致图像传感器形成较差。

本发明实施例，形成初始栅格层后，刻蚀去除部分初始栅格层形成栅格层，所述栅格层尺寸较小，则位于栅格层之间的凹槽较大，后续在凹槽内形成滤光层，所述滤光层尺寸较大，增大了图像传感器的入光量，所述方法提高了图像传感器的性能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

图2至图7是本发明一实施例中图像传感器形成过程的剖面结构示意图。

请参考图2，提供衬底200。

所述衬底200具有相对的第一面和第二面，所述衬底200内包括多个像素区和多个隔离区，所述隔离区与像素区相邻，且所述隔离区围绕所述像素区。

在所述衬底200的像素区内形成感光结构210，所述衬底200第二面暴露出感光结构210。

所述像素区用于采集光线，并对所采集的光线进行光电转换。本实施例中，所述多个像素区用于构成像素阵列。

所述衬底200用于为所述感光结构210的形成提供工艺基础。

本实施例中，所述衬底200的材料为单晶硅。所述衬底200还可以是多晶硅或非晶硅。所述衬底200的材料还可以为锗、锗化硅、砷化镓等半导体材料。

在其它实施例中，所述衬底200的还可以为绝缘体上的硅衬底、绝缘体上的锗衬底或玻璃衬底等其他类型的衬底。

所述感光结构210用于吸收光线并进行光电转换。

本实施例中，所述感光结构210为感光二极管。其他实施例中，所述感光结构还可以是感光MOS管等其他实现光电转换功能的元器件。

在所述衬底200隔离区表面形成初始栅格层，所述初始栅格层内具有暴露出像素区的初始凹槽。所述初始栅格层和初始凹槽的形成方法，如图3至图5所示。

请参考图3，在所述衬底200像素区和隔离区表面形成初始栅格材料层202。

具体为，在所述衬底200像素区和隔离区第一面表面形成初始栅格材料层202。

所述初始栅格材料层202为后续形成初始栅格层提供材料层。

所述初始栅格材料层202的材料包括：金属材料；所述金属材料包括：铜、钨、镍、铬、钛、钽和铝中的一种或多种组合。

本实施例中，所述初始栅格材料层202的材料为钨。

本实施例中，形成初始栅格材料层202之前，还包括在所述衬底200像素区和隔离区第一面表面形成保护层201，所述初始栅格材料层202位于所述保护层201表面。在其它实施例中，不形成所述保护层。

所述保护层201用于保护衬底200。

所述保护层201的材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、碳氮化硅或碳氮氧化硅。

本实施例中，所述保护层201的材料为氧化硅。

所述保护层201的厚度为300埃～500埃。

所述保护层201的厚度小于300埃，保护衬底的效果有限；所述保护层201厚度大于500埃，透光性变弱，影响进入到感光结构的入光量。

本实施例中，形成保护层201之前，还包括：在半导体衬底200第二面表面形成介电增透层，所述介电增透层用于增加光线的透过率。

其他实施例中，不形成介电增透层。

本实施例中，还包括：在所述介电增透层表面形成抗反射涂层，所述抗反射涂层用于减少光线的反射。

其他实施例中，不形成抗反射涂层。

请参考图4，在所述初始栅格材料层202表面形成图形化层203，所述图形化层203暴露出像素区初始栅格材料层202。

本实施例中，所述图形化层203的材料为光刻胶。

形成所述图形化层203的过程包括：在初始栅格材料层202表面旋涂形成初始图层(未图示)；对所述初始图层进行曝光处理；对曝光后的初始图层进行显影处理，去除部分初始图层，暴露出像素区的初始栅格材料层202表面，形成所述图形化层203。

在一实施例中，所述图形化层为硬掩膜层，所述硬掩膜层的材料包括：氮化硅或者氧化硅。

请参考图5，以所述图形化层203为掩膜刻蚀所述初始栅格材料层202，直至暴露出衬底200表面，形成初始栅格层240和初始凹槽204，所述初始凹槽204位于相邻初始栅格层240之间，且所述初始凹槽204暴露出像素区。

本实施例中，以所述图形化层203为掩膜刻蚀所述初始栅格材料层202，直至暴露出保护层201表面，形成初始栅格层240和初始凹槽204，所述初始凹槽204暴露出像素区保护层201表面。

以所述图形化层203为掩膜刻蚀所述初始栅格材料层202的工艺包括干法刻蚀工艺或者湿法刻蚀工艺。

本实施例中，以所述图形化层203为掩膜刻蚀所述初始栅格材料层202的工艺为各向异性的干法刻蚀工艺。

本实施例中，形成所述初始栅格层240后还包括：去除所述图形化层203，去除所述图形化层203的工艺为灰化工艺。

请参考图6，对初始栅格层240的侧壁进行减薄，以在所述隔离区表面形成栅格层241，且所述栅格层241内具有暴露出像素区的凹槽205。

对初始栅格层240的侧壁进行减薄的工艺包括：各向同性的湿法刻蚀工艺或者各向同性的干法刻蚀工艺。

本实施例中，对初始栅格层240的侧壁进行减薄的工艺为湿法刻蚀工艺，所述湿法刻蚀的刻蚀液为磷酸、硝酸、乙酸和水的混合溶液。

保护层201在刻蚀去除部分初始栅格层240形成栅格层241的过程中用于保护衬底200。

其他实施例中，对初始栅格层240的侧壁进行减薄的工艺为各向同性的干法刻蚀工艺；所述干法刻蚀的气体包括NF₃气体和SiCl₄气体。

所述像素区呈阵列排布，所述像素区沿第一方向排布，所述第一方向平行于衬底200表面，所述像素区还沿第二方向排布，所述第二方向垂直于第一方向，且第二方向平行于衬底200表面。

本实施例中，所述栅格层241在所述第一方向上具有第一尺寸，所述第一尺寸为0.1um～0.15um。

所述初始栅格层240在所述第一方向上具有第二尺寸，所述第二尺寸与第一尺寸的差大于零且小于等于0.1um。

初始栅格层240减薄后，栅格层241之间的凹槽205尺寸较大，进入到感光结构210的光线的CRA(chief ray angle主光线角度)增大，主光线角度是指主光线入射在像素阵列上的角度，图像传感器中主光线角度与像素区的透镜层的设计、滤光层所占用的面积和感光结构的尺寸相关。在透镜层的设计和感光结构的尺寸不变动的情况下，滤光层所占用的面积增大，则透镜层和感光结构间的相对面积增大，透过透镜层后的光线进入滤光层的角度增大，从而增大了进入到感光结构210的光线的CRA。增加了图像传感器的入光量，使得图像传感器的性能得到提升。

请参考图7，形成栅格层241后，在所述凹槽205内形成滤光层250；在所述滤光层250表面形成透镜层260。

在本实施例中，形成栅格层241后，形成滤光层250前，在所述栅格层241表面形成阻挡层242；所述滤光层250位于所述阻挡层242表面。在其它实施例中，不形成所述阻挡层。

所述阻挡层242的材料包括：氧化硅、氮化硅、氮碳化硅、氮硼化硅、氮碳氧化硅或氮氧化硅。

本实施例中，所述阻挡层242的材料为氧化硅。所述阻挡层242的厚度为300埃～500埃。所述阻挡层242的厚度小于300埃，对栅格层241的保护作用有限；所述阻挡层242的厚度大于500埃，光线的透过率减少，则影响感光结构的入光量，从而影响图像传感器的性能。

所述阻挡层242用于保护栅格层241。

所述滤光层250的材料包括掺杂有颜料的有机材料。所述掺杂有颜料的有机材料，可以根据掺杂颜料的不同，选择可以通过的单色光。

自然光为多个颜色光的集合而成的白光，自然光经过滤光层后，仅部分特定波长的单色光可以通过，从而产生特定的单色光。

所述透镜层260用于会聚光线，使得光线沿特定的光路进入滤光层250和感光结构210。

用来形成栅格层和滤光层占用的空间面积既定。对初始栅格层240侧壁进行减薄后，所述凹槽205的尺寸较大。后续在凹槽205内形成滤光层250，滤光层250尺寸也较大，通过滤光层250的光线增加，从而增加了图像传感器的入光量，使得图像传感器的性能得到提升。

图8至图9是本发明另一实施例的图像传感器形成过程的剖面结构示意图。

请参考图8，提供衬底300，所述衬底300包括像素区和隔离区，所述像素区与隔离区相邻，且所述隔离区包围所述像素区。

在所述衬底300的像素区内形成感光结构310，所述衬底300第二面暴露出感光结构310。

所述像素区用于采集光线，并对所采集的光线进行光电转换。本实施例中，所述多个像素区用于构成像素阵列。

所述衬底300用于为所述感光结构310的形成提供工艺基础。

本实施例中，所述衬底300的材料为单晶硅。所述衬底300还可以是多晶硅或非晶硅。所述衬底300的材料还可以为锗、锗化硅、砷化镓等半导体材料。

在其它实施例中，所述衬底300的还可以为绝缘体上的硅衬底、绝缘体上的锗衬底或玻璃衬底等其他类型的衬底。

所述感光结构310用于吸收光线并进行光电转换。

本实施例中，所述感光结构310为感光二极管。其他实施例中，所述感光结构还可以是感光MOS管等其他实现光电转换功能的元器件。

在本实施例中，所述衬底300包括第一面和第二面。

所述图像传感器形成方法还包括：在所述衬底300的隔离区内形成隔离结构320，所述衬底300第二面暴露出所述隔离结构320；形成隔离结构320后，在所述衬底300第二面表面形成互连层330。

本实施例中，形成初始栅格层之前形成所述浅沟槽隔离层320。

在一实施例中，形成透镜层后，形成浅沟槽隔离层。

所述浅沟槽隔离层320实现感光结构310之间的隔离，防止相邻感光结构之间漏电。

所述浅沟槽隔离层320的材料包括氧化硅。

所述互联层330用于将感光结构310的信息进行处理和传输。

所述互联层330包括插塞和多层金属导线层，所述金属导线层的材料为铜。

请参考图9，在所述衬底300隔离区表面形成初始栅格层，所述初始栅格层内具有暴露出像素区的初始凹槽；对所述初始栅格层的侧壁进行减薄，以在所述隔离区表面形成栅格层241，且所述栅格层241内具有暴露出像素区的凹槽。

本实施例中，形成初始栅格层之前，还包括：在所述衬底300像素区和隔离区第一面表面形成保护层201。

本实施例中，形成栅格层241后，还包括：在所述凹槽内形成滤光层250；在所述滤光层250表面形成透镜层260。

本实施例中，形成栅格层241后，形成滤光层250前，在所述栅格层241表面形成阻挡层242；所述滤光层250位于所述阻挡层242表面。

所述保护层201、栅格层241、阻挡层242、滤光层250和透镜层260的材料、结构和形成方法如图9及前述实施例所述，在此不做赘述。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：

提供衬底，所述衬底包括像素区和隔离区，所述像素区与隔离区相邻，且所述隔离区包围所述像素区；

在所述衬底像素区内形成感光结构；

在所述衬底隔离区表面形成初始栅格层，所述初始栅格层内具有暴露出像素区的初始凹槽；

对所述初始栅格层的侧壁进行减薄，以在所述隔离区表面形成栅格层，且所述栅格层内具有暴露出像素区的凹槽。

2.根据权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述初始栅格层和初始凹槽的形成方法包括：在所述衬底像素区和隔离区表面形成初始栅格材料层；在所述初始栅格材料层表面形成图形化层，所述图形化层暴露出像素区初始栅格材料层；以所述图形化层为掩膜刻蚀所述初始栅格材料层，直至暴露出衬底表面，形成初始栅格层和初始凹槽，所述初始凹槽暴露出衬底表面。

3.根据权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，形成初始栅格材料层之前，还包括：在所述衬底像素区和隔离区表面形成保护层；所述初始栅格材料层位于所述保护层表面；所述初始凹槽暴露出所述保护层表面。

4.根据权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，对所述初始栅格层进行减薄的工艺包括：各向同性的湿法刻蚀工艺或者各向同性的干法刻蚀工艺。

5.根据权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述像素区沿第一方向排布，所述第一方向平行于衬底表面，所述栅格层在所述第一方向上具有第一尺寸，所述第一尺寸为0.1um～0.15um。

6.根据权利要求1或5所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述像素区沿第一方向排布，所述第一方向平行于衬底表面，所述栅格层在所述第一方向上具有第一尺寸，所述初始栅格层在所述第一方向上具有第二尺寸，所述第二尺寸与第一尺寸的差大于零且小于等于0.1um。

7.根据权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，还包括：在所述凹槽内形成滤光层；在所述滤光层表面形成透镜层。

8.根据权利要求7所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，在形成滤光层之前，在所述栅格层表面形成阻挡层；所述滤光层位于所述阻挡层表面。

9.根据权利要求8所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述阻挡层的材料包括：氧化硅、氮化硅、氮碳化硅、氮硼化硅、氮碳氧化硅或氮氧化硅；所述阻挡层的厚度为300埃～500埃。

10.根据权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述衬底包括第一面和第二面；所述初始栅格层位于所述衬底隔离区的第一面表面；所述图像传感器的形成方法还包括：在所述衬底的隔离区内形成隔离结构，所述衬底第二面暴露出所述隔离结构；形成隔离结构后，在所述衬底第二面表面形成互连层。