可降低红外反射的图像传感器及其制备方法

摘要

本发明提供一种可降低红外反射的图像传感器，包括半导体衬底，夹层绝缘层，第一氧化层，第一抗反射涂层，平坦层以及微透镜。所述半导体衬底包括像素区域和隔离区域，所述像素区域包括光电转换部分和电荷转移部分；所述夹层绝缘层设置在所述半导体衬底的正面，其上设置有金属布线结构；所述第一氧化层，设置在所述半导体衬底的背面；第一抗反射涂层，设置在所述第一氧化层上；所述平坦层设置在所述第一抗反射涂层上，用于平坦化所述第一抗反射涂层的表面；所述微透镜设置在所述平坦层上，用于聚集入射光线。本发明还提供一种图像传感器的制备方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种图像传感器，尤其涉及可降低红外反射的图像传感器及其制备方法。

背景技术

图像捕获装置包括图像传感器和成像透镜。成像透镜将光聚焦到图像传感器上以形成图像，图像传感器将光信号转换成电信号。图像捕获装置输出电信号给主机系统的其他组件。图像捕获装置和主机系统的其他组件形成图像传感器系统或成像系统。图像传感器的应用已经非常普遍，可以应用在各种电子系统中，例如移动设备，数码相机，医疗设备或计算机。

典型的图像传感器包括二维阵列排列的多个光敏元素（“像素”）。这种图像传感器可以被配置为通过在像素上形成滤色器阵列（CFA）来产生彩色图像。用于制造图像传感器的技术，特别是制造互补型金属氧化物半导体（“CMOS”）图像传感器的技术持续快速的发展。比如，高分辨率和低功耗的要求促进了这种图像传感器的进一步小型化和集成化。然而，小型化的同时会牺牲像素光敏性和动态范围，因此需要新的方法来解决这个问题。

随着像素尺寸的减小，对于一些光，尤其是长波光，基板内的总光吸收深度变得不足。这对于采用背照式（BSI）技术的图像传感器而言，当图像光入射在传感器基板的背面上时，尤其是个问题。在背照式（BSI）技术中，传感器硅基板可能仅为2微米厚，其足以吸收蓝光但非常不足以吸收可能需要10微米厚度才能被完全吸收的红光。现有的图像传感器在入射光波长为940nm左右时红外光的反射率偏高，可高达22%以上，导致成像时杂散光严重，从而影响使用。

发明内容

如下内容描述给出了本发明所做出的贡献。

本发明提供一种可降低红外反射的图像传感器，包括：

半导体衬底，包括像素区域和隔离区域，所述像素区域包括光电转换部分和电荷转移部分，所述隔离区域用于隔离两个相邻的所述像素区域；

夹层绝缘层，设置在所述半导体衬底的正面，其上设置有金属布线结构，用于电路元器件的连接；

第一氧化层，设置在所述半导体衬底的背面，作为所述半导体衬底上元器件之间的绝缘介质；

第一抗反射涂层，设置在所述第一氧化层上，用于降低入射光线的反射率；

平坦层，设置在所述第一抗反射涂层上，用于平坦化所述第一抗反射涂层的表面；以及

微透镜，设置在所述平坦层上，用于聚集入射光线以对应所述像素区域中的光电转换部分。

可选地，所述第一抗反射涂层为一颜色滤波器。

可选地，所述第一抗反射涂层为蓝色光学染料。

可选地，所述第一抗反射涂层的折射率范围为1.7~1.8。

可选地，所述第一抗反射涂层的厚度为0.66~0.875um。

可选地，所述图像传感器还包括第二抗反射涂层，所述第二抗反射涂层设置在所述第一抗反射涂层和所述第一氧化层之间。

可选地，所述第二抗反射涂层的材料为SiN。

可选地，所述第二抗反射涂层的折射率范围为1.8~1.9。

可选地，所述第二抗反射涂层的厚度范围为0~0.13um。

可选地，所述图像传感器为黑白背照式图像传感器。

可选地，所述图像传感器还包括第一介电层，第二介电层以及第二氧化层；所述第二氧化层设置在所述半导体衬底上，所述第一介电层设置在所述第二氧化层上，所述第二介电层设置在所述第一介电层和所述第一氧化层之间。

本发明还提供一种可降低红外反射的图像传感器的制造方法，包括以下步骤：

在半导体衬底内形成像素区域和隔离区域，所述像素区域包括光电转换部分和电荷转移部分；

在所述半导体衬底的正面形成夹层绝缘层并在上面形成金属布线结构用于电路元器件的连接；

在所述半导体衬底的背面形成第一氧化层以作为所述半导体衬底上各个元器件之间的绝缘介质；

在所述第一氧化层上形成第一抗反射涂层；

在所述第一抗反射涂层上形成平坦层以平坦化所述第一抗反射涂层的表面；以及

在所述平坦层上面形成微透镜以聚集入射光线对应于所述像素区域中的光电转换部分。

可选地，所述第一抗反射涂层为一颜色滤波器。

可选地，所述第一抗反射涂层为蓝色光学染料。

可选地，所述第一抗反射涂层的折射率范围为1.7~1.8。

可选地，所述第一抗反射涂层的厚度为0.66~0.875um。

可选地，还包括步骤：在所述第一氧化层和所述第一抗反射涂层之间形成第二抗反射涂层。

可选地，所述第二抗反射涂层的材料为SiN。

可选地，所述第二抗反射涂层的折射率范围为1.8~1.9。

可选地，所述第二抗反射涂层的厚度范围为0~0.13um。

可选地，所述图像传感器为黑白背照式图像传感器。

可选地，所述图像传感器的制备方法还包括以下步骤：

在所述半导体衬底上形成第二氧化层；

在所述第二氧化层上形成第一介电层；以及

在所述第一介电层和所述第一氧化层之间形成第二介电层。

结合附图，通过以下更详细的描述，本发明的其它特征和优点将变得更为明显，附图通过示例的方式示出了本发明的有点。

附图说明

图1为本发明图像传感器中光线反射的示意图；

图2a为本发明一个实施例的图像传感器的结构示意图；

图2b为本发明一个实施例的图像传感器的结构示意图；

图3a为本发明另一个实施例的图像传感器的结构示意图；

图3b为本发明另一个实施例的图像传感器的结构示意图；

图4a为本发明一个实施例的图像传感器的制备方法的流程图；

图4b为本发明一个实施例的图像传感器的制备方法的流程图；

图5a为本发明另一个实施例的图像传感器的制备方法的流程图;以及

图5b为本发明另一个实施例的图像传感器的制备方法的流程图。

具体实施方式

上述附图示出了本发明，一种可降低红外反射的图像传感器及其制备方法。本文揭示了图像传感器不同的实施例。在以下描述中，阐述了众多具体的细节以便更透彻的理解本发明。然而，相关领域的技术人员应当得知，本发明所记载的技术内容能够在没有一个或更多具体细节，或者其他方法、组件、材料等的情况下得以实施。在其它示例中，众所周知的结构、材料或者操作未作详细展示或者描述，以避免模糊特定的内容。一个衬底可以具有正面和背面。任何加工过程从正面的执行操作可看作为正面操作，而从背面的执行操作可看作为背面操作。如光电二极管和相关晶体管的结构或者装置可以形成在衬底的正面。包括金属布线层和导电层的交互层介质堆叠形成在衬底的正面表面。

本发明中所使用的“连接”和“耦合”定义如下。“连接”用于描述两个电路元器件之间的直接连接，例如，按照普通集成电路加工技术形成的金属线。相比之下，“耦合”用于描述两个电路元器件之间直接连接或者间接连接。例如，两个耦合元器件可以通过金属线直接连接，或者通过中间的电路元器件(例如，电容、电阻或者晶体管的源极或者漏极)间接连接。

图1示出本发明图像传感器中光线反射的示意图。本发明利用光干涉相消原理，通过设置图像传感器各层不同的折射率材料并优化各层结构厚度，达到组合后各个层面反射光的光程满足干涉相消来减少入射光线R0的反射率，即减少反射光线R1、R2、R3的产生，提高图像传感器的感光度。

图2a示出了本发明一个实施例的图像传感器200的结构示意图。所述图像传感器200包括夹层绝缘层210，半导体衬底220，第一氧化层230，第一抗反射涂层240，平坦层250，以及微透镜260。所述夹层绝缘层210设置在所述半导体衬底210的正面，其上设置有金属布线结构212，用于电路元器件连接。所述半导体衬底220上设置有像素区域222和隔离区域224。所述像素区域222包括用于将入射光转换成光电电荷的光电转换部分和从所述光电转换部分读取并转移出信号电荷的电荷转移部分，例如光电二极管和多个晶体管。图2中未示出晶体管，但在夹层绝缘层210中示出了晶体管的栅极214以表示晶体管的存在。相邻的所述像素区域222通过所述隔离结构224隔离。所述隔离结构224为氧化区域。在一个实施方式中，所述隔离结构224为STI隔离(Shallow Trench Isolation,浅沟槽隔离)，在另一个实施方式中，所述隔离结构224为LOCOS隔离(Local Oxidation of Silicon，硅的局部氧化)，所述隔离结构224用于降低像素区域222之间的信号串扰及漏电流等问题。

所述第一氧化层230设置在所述半导体衬底220上方。在一个实施方式中，所述第一氧化层230为二氧化硅SiO2，作为半导体衬底220上元器件之间的绝缘介质层。在一个实施方式中，所述第一氧化层230为平面氧化层。所述第一抗反射涂层240设置在所述第一氧化层230上方，用于降低入射光尤其是红外光线的反射率。在一个实施例中，所述第一抗反射涂层240为一种颜色滤波器。在一个实施例中，所述第一抗反射涂层240为蓝色光学染料。在一个实施例中，所述第一抗反射涂层240的折射率范围为1.7~1.8。在一个实施例中，所述第一抗反射涂层240的厚度范围为0.66~0.875um。在一个实施方式中，所述第一抗反射涂层240可只覆盖像素区域222中的光电二极管区域，其他的区域可通过蚀刻去除。所述平坦层250设置在所述第一抗反射涂层240的上方，用于将所述第一抗反射涂层240表面的高度差平坦化，所述微透镜260设置在所述平坦层250上面，用于将入射光线聚集于所述像素区域222中的光电二极管以进行光电转换。所述微透镜260为透光的高分子材料，其具有一定的高度并成半球形设置在所述平坦层250上，用于聚集入射光线。在一个实施方式中，所述微透镜260和所述平坦层250均为透光的树脂材料。所述第一抗反射涂层240和所述氧化层230也均为透光材料，以便入射光线穿透到达半导体衬底220上的光电二极管上。通过使用所述第一抗反射涂层240的材料特性以及设置各层不同的厚度，减少了光电二极管入射光线的反射数量以及提高了光电二极管的感光度。在一实施方式中，所述微透镜260的高度为1.35um，所述平坦层250的厚度为1.05um，所述第一抗反射涂层的厚度为0.85um，所述第一氧化层230的厚度为0.61um。通过这样的设置，入射光线反射率可降低至9.4%。

如图2b所示，在另一个实施方式，所述图像传感器200进一步包括第二氧化层232，第一介电层234，第一介电层236。所述第二氧化层232设置在所述半导体衬底220上，所述第一介电层234设置在第二氧化层232上，所述第二介电层236设置在所述第一介电层234上方。在一个实施方式中，所述第二氧化层232为SiO2材料，所述第一介电层234为TAO(Tantalum Oxide, 氧化钽)材料，所述第二介电层236为HFO(Hafnium Oxide, 氧化铪)材料。所述第二氧化层232，第一介电层234，第二介电层236三层组合用于进一步缓解所述半导体衬底220上各个器件产生的暗电流。在一个实施方式中，所述图像传感器200为黑白背照式图像传感器。

图3a示出了本发明一个实施例的图像传感器300的结构示意图，所述图像传感器300包括夹层绝缘层310，半导体衬底320，第一氧化层330，第一抗反射涂层340，第二抗反射涂层342，平坦层350，以及微透镜360。所述夹层绝缘层210设置在所述半导体衬底310的正面，其上设置有金属布线结构312，用于电路元器件连接。所述半导体衬底320上设置有像素区域322和隔离区域324。所述像素区域322包括用于将入射光转换成光电电荷的光电转换部分和从所述光电转换部分读取并转移出信号电荷的电荷转移部分，例如光电二极管和多个晶体管。图3a中未示出晶体管，但在夹层绝缘层310中示出了晶体管的栅极314以表示晶体管的存在。相邻的所述像素区域322通过所述隔离结构324隔离。所述第一氧化层330设置在所述半导体衬底220上方。所述第一氧化层330为二氧化硅SiO2，作为半导体衬底320上元器件之间的绝缘介质层。在一个实施方式中，所述第一氧化层330为平面氧化层。

与图2a中的图像传感器200不同的是，图3a中图像传感器300中设置有第二抗反射涂层342。所述第二抗反射涂层342设置在所述第一抗反射涂层340和第一氧化层330之间。在一个实施方式中，所述第二抗反射涂层342的材料为SiN。所述第二抗反射涂层342的折射率范围为1.8~1.9。所述第二抗反射涂层342的厚度范围为0~0.13um。在一个实施方式中，所述第一抗反射涂层340和所述第一抗反射涂层342可只覆盖像素区域322中的光电二极管区域，其他的区域可通过蚀刻去除。所述平坦层350设置在所述第一抗反射涂层340的上，用于将所述第一抗反射涂层340表面的高度差平坦化，所述微透镜360设置在所述平坦层350上面，用于将入射光线聚集于半导体衬底320内像素区域322中的光电二极管以进行光电转换。通过使用所述第一抗反射涂层340和第二抗反射涂层342的材料特性以及设置各层不同的厚度，减少了光电二极管入射光线的反射数量以及提高了光电二极管的感光度。在一实施方式中，所述微透镜360的高度为0.95um，所述平坦层350的厚度为1.05um，所述第一抗反射涂层的厚度为0.68um，所述第二抗反射涂层的厚度为0.12um，所述第一氧化层的厚度为0.6um。通过这样的设置，入射光线反射率可降低至8.5%。

如图3b所示，在另一个实施方式，所述图像传感器300进一步包括第二氧化层332，第一介电层334，第二介电层层336。所述第二氧化层332设置在半导体衬底320上方，所述第一介电层334设置在第二氧化层332上方，所述第二介电层336设置在所述第一介电层334上方。在一个实施方式中，所述第二氧化层332为SiO2材料，所述第一介电层334为TAO(Tantalum Oxide, 氧化钽)材料，所述第二介电层336为HFO(Hafnium Oxide, 氧化铪)材料。所述第二氧化层332，第一介电层334，第二介电层336三层组合用于进一步缓解半导体衬底320上各个器件产生的暗电流。在一个实施方式中，所述图像传感器300为黑白背照式图像传感器。

图4a示出了本发明一个实施例的图像传感器的制备方法400的流程示意图。所述图像传感器的制备方法400包括以下步骤。

步骤410：在半导体衬底内形成像素区域和隔离结构。

所述像素区域包括用于将入射光转换成光电电荷的光电转换部分和从所述光电转换部分读取并转移出信号电荷的电荷转移部分，例如光电二极管和多个晶体管。相邻的所述像素区域通过所述隔离结构隔离。所述隔离结构为氧化区域。在一个实施方式中，所述隔离结构为STI隔离(Shallow Trench Isolation,浅沟槽隔离)，在另一个实施方式中，所述隔离结构为LOCOS隔离(Local Oxidation of Silicon，硅的局部氧化)，所述隔离结构用于降低像素区域之间的信号串扰及漏电流等问题。

步骤420：在半导体衬底的正面设置夹层绝缘层并在上面设置金属布线结构。所述金属布线结构用于电路元器件连接。

步骤430：在半导体衬底的背面设置第一氧化层。

所述第一氧化层形成在所述半导体衬底背面。在一个实施方式中，所述第一氧化层为SiO2，作为所述半导体衬底上元器件之间的绝缘介质层。在一个实施方式中，所述第一氧化层为平面氧化层。

步骤440：在所述第一氧化层上面形成第一抗反射涂层。

所述第一抗反射涂层用于降低入射光尤其是红外光线的反射率。在一个实施例中，所述第一抗反射涂为一种颜色滤波器。在一个实施例中，所述第一抗反射涂层为蓝色光学染料。在一个实施例中，所述第一抗反射涂层的折射率范围为1.7~1.8。在一个实施例中，所述第一抗反射涂层的厚度范围为0.66~0.875um。在一个实施方式中，所述第一抗反射涂层可只覆盖像素区域中的光电二极管区域，其他的区域可通过蚀刻去除。

步骤450：在第一抗反射涂层上形成平坦层。

所述平坦层形成在所述第一抗反射涂层上方，用于将所述第一抗反射涂层表面的高度差平坦化。

步骤460：在所述平坦层上面形成微透镜。

所述微透镜设置在所述平坦层上面，用于将入射光线聚集于半导体衬底内像素区域中的光电二极管以进行光电转换。所述微透镜为透光的高分子材料，具有一定的高度并成半球设置在所述平坦层上，用于聚集入射光线。在一个实施方式中，所述微透镜和所述平坦层均为透光的树脂材料。所述第一抗反射涂层240和所述氧化层也为透光材料，以便入射光线穿透到达半导体衬底上的光电二极管上。

通过使用所述第一抗反射涂层的材料特性以及设置各层不同的厚度，减少了光电二极管入射光线的反射数量以及提高了光电二极管的感光度。在本实施方式中，所述微透镜的高度为1.35um，所述平坦层的厚度为1.05 um，所述第一抗反射涂层的厚度为0.85 um，所述第一氧化层的厚度为0.61 um。通过这样的设置，入射光线反射率可降低至9.4%。

图4b示出了本发明一个实施例的图像传感器的制备方法400的流程示意图。在步骤420和430之间还包括以下步骤。

步骤432：在半导体衬底的背面形成第二氧化层。

步骤434：在第二氧化层上面形成第一介电层。

步骤436：在第一介电层和第一氧化层间形成第二介电层。

在一个实施方式中，所述第二氧化层为SiO2材料，所述第一介电层为TAO(Tantalum Oxide, 氧化钽)材料，所述第二介电层为HFO(Hafnium Oxide, 氧化铪)材料。所述第二氧化层，第一介电层，第二介电层三层组合用于进一步缓解半导体衬底上各个器件产生的暗电流。在一个实施方式中，所述图像传感器为黑白背照式图像传感器。

图5a示出了本发明一个实施例的图像传感器的制备方法500的流程示意图。所述图像传感器的制备方法500包括以下步骤。

步骤510：在半导体衬底中形成像素区域和隔离结构。

所述像素区域包括用于将入射光转换成光电电荷的光电转换部分和从所述光电转换部分读取并转移出信号电荷的电荷转移部分，例如光电二极管和多个晶体管。相邻的所述像素区域通过所述隔离结构隔离。

步骤520：在半导体衬底的正面设置夹层绝缘层并在上面设置金属布线结构。所述金属布线结构用于半导体衬底上的电路元器件连接。

步骤530：在半导体衬底的背面设置第一氧化层。

所述第一氧化层形成在所述半导体衬底背面。在一个实施方式中，所述第一氧化层为SiO2，作为所述半导体衬底上元器件之间的绝缘介质层。在一个实施方式中，所述第一氧化层为平面氧化层。

步骤542：在所述第一氧化层上设置第二抗反射涂层。

在一个实施方式中，所述第二抗反射涂层为SiN。所述第二抗反射涂层的折射率范围为1.8~1.9。所述第二抗反射涂层的厚度为0~0.13um。

步骤540：在所述第二抗反射涂层上面设置第一抗反射涂层。

所述第一抗反射涂层用于降低入射光尤其是红外光线的反射率。在一个实施例中，所述第一抗反射涂为一种颜色滤波器。在一个实施例中，所述第一抗反射涂层为蓝色光学染料。在一个实施例中，所述第一抗反射涂层的折射率范围为1.7~1.8。在一个实施例中，所述第一抗反射涂层的厚度范围为0.66~0.875um。在一个实施方式中，所述第一抗反射涂层和所述第二抗反射涂层可只覆盖像素区域中的光电二极管区域，其他的区域可通过蚀刻去除。

步骤550：在第一抗反射涂层上面设置平坦层。

所述平坦层形成在所述第一抗反射涂层上方，用于将所述第一抗反射涂层表面的高度差平坦化。

步骤560：在所述平坦层上面设置微透镜。

所述微透镜设置在所述平坦层上面，用于将入射光线聚集于半导体衬底内像素区域中的光电二极管以进行光电转换。所述微透镜为透光的高分子材料，具有一定的高度并成半球设置在所述平坦层上，用于聚集入射光线。在一个实施方式中，所述微透镜和所述平坦层均为透光的树脂材料。所述第一抗反射涂层和所述氧化层也为透光材料，以便入射光线穿透到达半导体衬底上的光电二极管上。

通过使用所述第一抗反射涂层的材料特性以及设置各层不同的厚度，减少了光电二极管入射光线的反射数量以及提高了光电二极管的感光度。在本实施方式中，所述微透镜的高度为0.95um，所述平坦层的厚度为1.05um，所述第一抗反射涂层的厚度为0.68um，所述第二抗反射涂层的厚度为0.12um，所述第一氧化层的厚度为0.61um。通过这样的设置，入射光线反射率可降低至8.5%。

图5b示出了本发明一个实施例的图像传感器的制备方法500的流程示意图。在步骤520和530之间还包括以下步骤。

步骤532：在半导体衬底的背面设置第二氧化层。

步骤534：在第二氧化层上面设置第一介电层。

步骤536：在第一介电层上设置第二介电层。

在一个实施方式中，所述第二氧化层为SiO2材料，所述第一介电层为TAO(Tantalum Oxide, 氧化钽)材料，所述第二介电层为HFO(Hafnium Oxide, 氧化铪)材料。所述第二氧化层，第一介电层，第二介电层三层组合用于进一步缓解半导体衬底上各个器件产生的暗电流。在一个实施方式中，所述图像传感器为黑白背照式图像传感器。

综上所述，本发明提供一种可降低红外反射的图像传感器及其制备方法，通过在半导体衬底上面的第一氧化层和微透镜下方的平坦层之间设置第一抗反射涂层和第二抗反射涂层，利用光干涉相消原理，通过不同折射率材料和优化结构厚度，达到组合后各个层面反射光的光程满足干涉相消来减少红外反射，提高图像传感器感光度。

在整个说明书中对“一个实施例”，“实施例”，“一个示例”或“示例”的引用意味着结合该实施例或示例描述的特定特征，结构或特性包括在至少一个实施例中。或者本发明的例子。因此，在整个说明书中各处出现的诸如“在一个实施例中”或“在一个示例中”的短语不一定都指代相同的实施例或示例。此外，特定特征，结构或特性可以在一个或多个实施例或示例中以任何合适的方式组合。诸如“顶部”，“向下”，“上方”，“下方”的方向术语用于参考所描述的附图的方向。此外，除非另外特别说明，否则术语“具有”，“包括”，“含有”和类似术语被定义为表示“包含”。特定特征，结构或特性可以包括在集成电路，电子电路，组合逻辑电路或提供所描述的功能的其他合适的组件中。另外，应当理解，此处提供的附图仅用于解释本领域普通技术人员的目的，并且附图不一定按比例绘制。

本发明的所示示例的以上描述（包括摘要中所描述的内容）并非旨在穷举或限于所公开的精确形式。尽管出于说明性目的在本文中描述了本发明的特定实施例和示例，但是在不脱离本发明的更广泛的精神和范围的情况下，可以进行各种等同修改。实际上，应当理解，提供具体的示例结构和材料是出于解释的目的，并且根据本发明的教导，其他结构和材料也可以用于其他实施例和示例中。根据以上详细描述，可以对本发明的实施例进行这些修改。以下权利要求中使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书和权利要求中公开的特定实施例。相反，范围完全由以下权利要求确定，所述权利要求应根据权利要求解释的既定原则来解释。

本发明还提出一种包含上述各实施例中记载的像素电路的图像传感器装置。所述图像传感器装置中包含排多个成行和列的上述多个实施例中给出的像素电路阵列。图像传感器装置还包括外围电路，外围电路主要用于对像素电路的输出进行控制和处理。

本发明实施方案中给出的各实施例，包含但不限于对本发明所提出的发明内容的解释和说明。上述实施例仅用于解释之目的，并不构成对本发明的限制。对本发明各实施例进行的合理的修订或调整均落入本发明所保护的内容范围。