图像传感器的制作方法

1.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。


背景技术：

2.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。
3.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cmos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。
4.cmos图像传感器的像素单元是图像传感器实现感光的核心器件。最常用的像素单元为包含一个光电二极管和多个晶体管的有源像素结构。这些器件中光电二极管是感光单元，实现对光线的收集和光电转换，其它的mos晶体管是控制单元，主要实现对光电二极管的选中，复位，信号放大和读出的控制。
5.cmos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。
6.为了提高cmos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cmos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。
7.硅材料对入射光的吸收系数随波长的增强而减小。常规像素单元通常使用红、绿、蓝三原色的滤光层。其中红光在硅片中的吸收位置最深，而蓝光最浅。蓝光在最靠近硅片表面的位置被吸收，其吸收系数最高；红光进入硅片最深，其吸收系数最低；绿光的吸收系数介于蓝光和红光两者之间，而近红外光的吸收需要大于2.3微米的吸收厚度。所以，现有的背照式cmos图像传感器对于接收红色光线及近红外光线的性能较差，导致暗场效果的光线捕捉能力及成像能力较差。
8.现有的背照式cmos图像传感器为了增加对收红色光线及近红外光线的接收性能，通常会在背照式cmos图像传感器上通过加厚感光元件的厚度或在感光元件上增加些微结构进行光线发散，虽然这增强了背照式cmos图像传感器对收红色光线及近红外光线的接收性能，但也会增加了光学串扰，影响成像。


技术实现要素：

9.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，以解决现有技术中图像传感器存在光学串扰的问题。
10.本实用新型的目的通过下述技术方案实现：
11.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该电路
连接层和该光学结构层之间的半导体结构层，该半导体结构层内具有呈阵列分布的感光像素区以及将多个该感光像素区间隔开并贯穿半导体结构层的沟槽隔离结构，该感光像素区内设有感光元件，该沟槽隔离结构包括相互对应的反射结构和吸光结构，该反射结构位于该沟槽隔离结构靠近该光学结构层的一端并用于反射光线，该吸光结构位于该沟槽隔离结构靠近该电路连接层的一端并用于吸收光线。
12.进一步地，该电路连接层和该半导体结构层之间设有绝缘层，该电路连接层包括金属互联层和第一介质层，该第一介质层位于该金属互联层和该绝缘层之间，该吸光结构远离该反射结构的一端与该绝缘层的表面接触。
13.进一步地，该电路连接层和该半导体结构层之间设有绝缘层，该电路连接层包括金属互联层和第一介质层，该第一介质层位于该金属互联层和该绝缘层之间，该吸光结构的一端朝向该电路连接层一侧延伸并穿过该绝缘层和该第一介质层与该金属互联层的表面接触。
14.进一步地，该反射结构的高度大于该沟槽隔离结构高度的二分之一。
15.进一步地，该反射结构由折射率低于该半导体结构层的折射率的材料制成，该吸光结构采用钨或氮化钛制成。
16.进一步地，该吸光结构的横截面为多个相互间隔的段状结构或多个相互交叉的条状结构。
17.进一步地，该沟槽隔离结构还包括保护层结构，该保护层结构位于所述半导体结构层内并覆盖在该反射结构和该吸光结构的表面。
18.本实用新型有益效果在于：通过在半导体结构层内设置沟槽隔离结构，沟槽隔离结构靠近光学结构层的一端为具有反射光线的反射结构，以增加光线的接收性能，还可避免或减少光线在靠近光学结构层附近产生光学串扰，沟槽隔离结构靠近电路连接层的一端为具有吸收光线的吸光结构，吸光结构可以吸收射入电路连接层附近的光线，从而避免或减少光线在电路连接接层结构附近发生串扰。
附图说明
19.图1是本实用新型实施例一中图像传感器的纵截面结构示意图；
20.图2是本实用新型实施例一中图像传感器的横截面结构示意图；
21.图3a-3i是本实用新型实施例一中图像传感器的制作方法的结构流程图之一；
22.图4a-4j是本实用新型实施例一中图像传感器的制作方法的结构流程图之二；
23.图5是本实用新型实施例二中图像传感器的横截面结构示意图；
24.图6是本实用新型实施例三中图像传感器的纵截面结构示意图；
25.图7a-7k是本实用新型实施例三中图像传感器的制作方法的结构流程图。
具体实施方式
26.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：
27.[实施例一]
[0028]
图1是本实用新型实施例一中图像传感器的纵截面结构示意图，图2是本实用新型实施例一中图像传感器的横截面结构示意图。
[0029]
如图1至图2所示，本实用新型实施例一提供的一种图像传感器，包括电路连接层10、光学结构层30以及位于电路连接层10和光学结构层30之间的半导体结构层20，半导体结构层20内具有呈阵列分布的感光像素区21以及将多个感光像素区21间隔开并贯穿半导体结构层20的沟槽隔离结构22，沟槽隔离结构22为框架结构将多个感光像素区21间隔开，感光像素区21内设有感光元件(光电二极管)。沟槽隔离结构22包括相互对应的反射结构221和吸光结构222，反射结构221位于沟槽隔离结构22靠近光学结构层30的一端并用于反射光线，吸光结构222位于沟槽隔离结构22靠近电路连接层10的一端并用于吸收光线，即沟槽隔离结构22分为两个部分，靠近光学结构层30的部分为反射结构221，靠近电路连接层10的部分为吸光结构222。
[0030]
本实用新型通过在半导体结构层20内设置沟槽隔离结构22，沟槽隔离结构22靠近光学结构层30的一端为具有反射光线的反射结构221，通过光线在反射结构221之间发生反射，使感光元件可以接受更多的光线，以增加对收红色光线及近红外光线的接收性能，同时还可避免或减少光线穿沟槽隔离结构22射入其他感光像素区21内，防止靠近光学结构层30附近的光学串扰，即防止顶部光学串扰。沟槽隔离结构22靠近电路连接层10的一端为具有吸收光线的吸光结构222，吸光结构222可以吸光射入电路连接层10附近的光线，从而避免或减少光线从电路连接层10其他感光像素区21内，防止靠近电路连接层10附近的光学串扰，即防止底部光学串扰。
[0031]
其中，图像传感器为背照式(bsi，backside illumination)图像传感器，电路连接层10包括金属互联层11和第一介质层12，金属互联层11用于将感光元件的信息进行处理和传输，金属互联层11包括插塞和多层金属导线层。光学结构层30包括滤色层31和微透镜阵列结构32，滤色层31包括红(r)、绿(g)、蓝(b)三色滤色层并呈阵列分布，每个滤色层31对应一个像素单元，微透镜阵列结构32具有聚光作用，使光线汇聚至感光元件上。其中，每个像素单元可以包括一个像素，也可以包括多个共享像素。至于背照式图像传感器更详细的介绍请参考现有技术，这里不再赘述。
[0032]
本实施例中，电路连接层10和半导体结构层20之间设有绝缘层40，第一介质层12位于金属互联层11和绝缘层40之间，吸光结构222远离反射结构221的一端与绝缘层40的表面接触，即吸光结构222的底面与半导体结构层20的底面平齐。半导体结构层20与光学结构层30之间设有第二介质层50，滤色层31设于第二介质层50与微透镜阵列结构32之间。
[0033]
进一步地，反射结构221的高度大于沟槽隔离结构22高度的二分之一，吸光结构222的高度小于沟槽隔离结构22高度的二分之一。本实施例中，半导体结构层20的厚度和沟槽隔离结构22的高度均为2～10um，沟槽隔离结构22的宽度是0.1～0.3um。
[0034]
进一步地，反射结构221由折射率低于半导体结构层20的折射率的材料制成，吸光结构222采用钨(w)或氮化钛(tin)制成。优选地，反射结构221的折射率n小于2.5，使反射结构221与半导体结构层20之间形成全反射，反射结构221可以采用氧化物(ox)、氮化硅(sin)、高介电材料或空气。当然，吸光结构222也可以采用其他吸光材料。在一个实施例中，所述吸光结构222还可包含有挡光材料，比如铜(cu)或者铝(al)，所述吸光结构222可用于吸收光线和阻挡光线。
[0035]
本实施例中，如图2所示，吸光结构222的横截面为连续式结构，即，吸光结构222的横截面为多个相互交叉的条状结构，每个像素单元周围的吸光结构222上没有间隙。
[0036]
进一步地，沟槽隔离结构22还包括保护层结构223，保护层结构223覆盖在反射结构221和吸光结构222的表面。
[0037]
如图3a-3i所示，本实施例还提供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：
[0038]
如图3a所示，在半导体衬底20a的其中一侧形成第一沟槽201。具体地，半导体衬底20a具有相对的第一表面和第二表面，在半导体衬底20a的第一表面蚀刻并形成第一沟槽201，第一沟槽201的俯视形状与沟槽隔离结构22的俯视形状相同。
[0039]
如图3b所示，在第一沟槽201的内壁上形成绝缘保护层223a。具体地，半导体衬底20a上覆盖一层绝缘层，绝缘层覆盖在半导体衬底20a的第一表面和第一沟槽201的内壁上，然后去除掉覆盖在半导体衬底20a第一表面的绝缘层，保留第一沟槽201内壁上的绝缘层并形成绝缘保护层223a。
[0040]
如图3c所示，在第一沟槽201内填充光吸收材料222a并形成吸光结构222。具体地，在半导体衬底20a上覆盖一层吸光材料222a，然后去除掉覆盖在半导体衬底20a第一表面的吸光材料222a，保留第一沟槽201内的吸光材料222a，吸光材料222a与第一沟槽201的内壁之间通过绝缘保护层223a隔开。
[0041]
如图3d和3e所示，在半导体衬底20a形成绝缘层40并遮盖住第一沟槽201，然后在绝缘层40上形成电路连接层10，制作好电路连接层10后将半导体衬底20a反转，使具有电路连接层10的一侧朝下，即使半导体衬底20a的第二表面朝上。
[0042]
如图3f所示，在半导体衬底20a远离电路连接层10的一侧形成第二沟槽202。具体地，在半导体衬底20a的第二表面蚀刻并形成第二沟槽202，第二沟槽202的俯视形状与沟槽隔离结构22的俯视形状相同。
[0043]
如图3g所示，在第二沟槽202的内壁上形成绝缘保护层223a。具体地，半导体衬底20a上覆盖一层介质层，介质层覆盖在半导体衬底20a的第二表面和第二沟槽202的内壁上，然后去除掉覆盖在半导体衬底20a第二表面上的介质层，保留第二沟槽202内壁上的介质层并形成绝缘保护层223a。绝缘保护层223a和绝缘保护层223a共同形成保护层结构223。
[0044]
如图3h所示，在第二沟槽202内填充反光材料221a并形成反射结构221，反光材料221a的折射率低于半导体衬底20a的折射率，位于该半导体结构层(20)中的反射结构221与吸光结构222共同形成沟槽隔离结构22的内部中间结构。具体地，在半导体衬底20a上覆盖一层反光材料221a，然后去除掉覆盖在半导体衬底20a第二表面上的反光材料221a，保留第二沟槽202内的反光材料221a，反光材料221a与第二沟槽202的内壁之间通过绝缘保护层223a隔开。
[0045]
如图3i所示，在半导体衬底20a形成第二介质层50并遮盖住第二沟槽202，然后在第二介质层50上形成光学结构层30。
[0046]
如图4a-4j所示，本实施例还提供另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：
[0047]
如图4a所示，在半导体衬底20a的其中一侧形成第一沟槽201。具体地，半导体衬底20a具有相对的第一表面和第二表面，在半导体衬底20a的第一表面蚀刻并形成第一沟槽
201，第一沟槽201的俯视形状与沟槽隔离结构22的俯视形状相同。
[0048]
如图4b所示，在第一沟槽201的内壁上形成绝缘保护层223a。具体地，半导体衬底20a上覆盖一层绝缘层，绝缘层覆盖在半导体衬底20a的第一表面和第一沟槽201的内壁上，然后去除掉覆盖在半导体衬底20a第一表面的绝缘层，保留第一沟槽201内壁上的绝缘层并形成绝缘保护层223a。
[0049]
如图4c所示，在第一沟槽201内填充介质填充层222b。具体地，在半导体衬底20a上覆盖一层介质层，然后去除掉覆盖在半导体衬底20a第一表面的介质层，保留第一沟槽201内的介质层并形成介质填充层222b，介质填充层222b与第一沟槽201的内壁之间通过绝缘保护层223a隔开。
[0050]
如图4d-4e所示，在半导体衬底20a形成绝缘层40并遮盖住第一沟槽201，然后在绝缘层40上形成电路连接层10，制作好电路连接层10后将半导体衬底20a反转，使具有电路连接层10的一侧朝下，即使半导体衬底20a的第二表面朝上。
[0051]
如图4f所示，在半导体衬底20a远离电路连接层10的一侧对半导体衬底20a和介质填充层222b进行蚀刻并形成第二沟槽202。具体地，在半导体衬底20a的第二表面对半导体衬底20a和介质填充层222b进行蚀刻并形成第二沟槽202，第二沟槽202的俯视形状与沟槽隔离结构22的俯视形状相同，第二沟槽202与第一沟槽201相对应。
[0052]
如图4g所示，在第二沟槽202的内壁上形成绝缘保护层223a。具体地，半导体衬底20a上覆盖一层介质层，介质层覆盖在半导体衬底20a的第二表面和第二沟槽202的内壁上，然后去除掉覆盖在半导体衬底20a第二表面上的介质层，保留第二沟槽202内壁上的介质层并形成绝缘保护层223a。绝缘保护层223a和绝缘保护层223a共同形成保护层结构223。
[0053]
如图4h所示，在第二沟槽202内填充光吸收材料222a并形成吸光结构222，吸光结构222的高度小于第二沟槽202深度的二分之一。具体地，在半导体衬底20a上覆盖一层吸光材料222a，然后去除掉覆盖在半导体衬底20a第一表面上的吸光材料222a，保留第二沟槽202底部的吸光材料222a，吸光材料222a与第二沟槽202的内壁之间通过绝缘保护层223a隔开。可以理解地是，光吸收材料222a并没有完全填充第二沟槽202，而是只填充第二沟槽202的下半部分。
[0054]
如图4i所示，在第二沟槽202内填充反光材料221a并形成反射结构221，反光材料221a的折射率低于半导体衬底20a的折射率，位于该半导体结构层(20)中的反射结构221与吸光结构222共同形成沟槽隔离结构22的内部中间结构。具体地，在半导体衬底20a上覆盖一层反光材料221a，然后去除掉覆盖在半导体衬底20a第二表面上的反光材料221a，保留第二沟槽202内的反光材料221a，反光材料221a与第二沟槽202的内壁之间通过绝缘保护层223a隔开。可以理解地是，反光材料221a只填充第二沟槽202的上半部分，并与吸光材料222a上下重叠。
[0055]
如图4j所示，在半导体衬底20a形成第二介质层50并遮盖住第二沟槽202，然后在第二介质层50上形成光学结构层30。
[0056]
[实施例二]
[0057]
图5是本实用新型实施例二中图像传感器的横截面结构示意图。如图5所示，本实用新型实施例二提供的图像传感器与实施例一(图1至图4j中的图像传感器基本相同，不同之处在于，在本实施例中，吸光结构222的横截面为分段式结构，吸光结构222上设有多个间
隙，即吸光结构222的横截面为多个相互间隔的段状结构，每个像素单元周围的吸光结构222是由多个独立的柱状结构间隔分布而组成的。
[0058]
本领域的技术人员应当理解的是，本实施例的其余结构以及工作原理均与实施例一相同，这里不再赘述。
[0059]
[实施例三]
[0060]
图6是本实用新型实施例三中图像传感器的纵截面结构示意图。如图6所示，本实用新型实施例三提供的图像传感器与实施例一(图1至图4j)中的图像传感器基本相同，不同之处在于，在本实施例中，吸光结构222的一端朝向电路连接层10一侧延伸并穿过绝缘层40和第一介质层12与金属互联层11的表面接触。本实施例中，沟槽隔离结构22的高度为半导体结构层20、绝缘层40以及第一介质层12厚度的三者之和，即沟槽隔离结构22的一端插入了电路连接层10之中。
[0061]
相对于实施例一，增加了沟槽隔离结构22的长度，而且吸光结构222一部分在半导体结构层20中，一部分穿过绝缘层40进入到电路连接层10中，从而具有更好的防止光线串扰的效果。
[0062]
如图7a-7k所示，本实施例还提供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：
[0063]
如图7a所示，在半导体衬底20a的其中一侧形成第一沟槽201。具体地，半导体衬底20a具有相对的第一表面和第二表面，在半导体衬底20a的第一表面蚀刻并形成第一沟槽201，第一沟槽201的俯视形状与沟槽隔离结构22的俯视形状相同。
[0064]
如图7b所示，在第一沟槽201的内壁上形成绝缘保护层223a。具体地，半导体衬底20a上覆盖一层绝缘层，绝缘层覆盖在半导体衬底20a的第一表面和第一沟槽201的内壁上，然后去除掉覆盖在半导体衬底20a第一表面的绝缘层，保留第一沟槽201内壁上的绝缘层并形成绝缘保护层223a。
[0065]
如图7c所示，在第一沟槽201内填充介质填充层222b。具体地，在半导体衬底20a上覆盖一层介质层，然后去除掉覆盖在半导体衬底20a第一表面的介质层，保留第一沟槽201内的介质层并形成介质填充层222b。
[0066]
如图7d所示，在半导体衬底20a形成绝缘层40并遮盖住第一沟槽201，然后在绝缘层40上形成第一介质层12。
[0067]
如图7e所示，在半导体衬底20a对应第一沟槽201的区域对第一介质层12、绝缘层40以及介质填充层222b进行蚀刻并形成第二沟槽202。具体地，在半导体衬底20a的第一表面对第一介质层12、绝缘层40以及介质填充层222b进行蚀刻并形成第二沟槽202，第二沟槽202的俯视形状与沟槽隔离结构22的俯视形状相同，第二沟槽202与第一沟槽201相对应，第一沟槽201变为第二沟槽202的一部分。
[0068]
如图7f所示，在第二沟槽202内填充光吸收材料222a并形成吸光结构222。具体地，在半导体衬底20a上覆盖一层吸光材料222a，然后去除掉覆盖在半导体衬底20a第一表面的吸光材料222a，保留第一沟槽201和第二沟槽202内的吸光材料222a，吸光材料222a与第一沟槽201的内壁之间通过绝缘保护层223a隔开，而吸光材料222a与第一介质层12和绝缘层40直接接触。
[0069]
如图7g所示，在半导体衬底20a上形成金属互联层11并遮盖住第二沟槽202，金属
互联层11与第一介质层12共同形成电路连接层10，制作好金属互联层11后将半导体衬底20a反转，使具有电路连接层10的一侧朝下，即使半导体衬底20a的第二表面朝上。
[0070]
如图7h所示，在半导体衬底20a远离电路连接层10的一侧形成第三沟槽203。具体地，在半导体衬底20a的第二表面蚀刻并形成第三沟槽203，第三沟槽203的俯视形状与沟槽隔离结构22的俯视形状相同，第三沟槽203与第二沟槽202相对应。
[0071]
如图7i所示，在第三沟槽203的内壁上形成绝缘保护层223a。具体地，半导体衬底20a上覆盖一层介质层，介质层覆盖在半导体衬底20a的第二表面和第三沟槽203的内壁上，然后去除掉覆盖在半导体衬底20a第二表面上的介质层，保留第三沟槽203内壁上的介质层并形成绝缘保护层223a。位于该半导体结构层(20)中的绝缘保护层223a和绝缘保护层223a共同形成保护层结构223的内部中间结构。
[0072]
如图7j所示，在第三沟槽203内填充反光材料221a并形成反射结构221，反光材料221a的折射率低于半导体衬底20a的折射率，反射结构221与吸光结构222共同形成沟槽隔离结构22。具体地，在半导体衬底20a上覆盖一层反光材料221a，然后去除掉覆盖在半导体衬底20a第二表面上的反光材料221a，保留第三沟槽203内的反光材料221a，反光材料221a与第三沟槽203的内壁之间通过绝缘保护层223a隔开。
[0073]
如图7k所示，在半导体衬底20a形成第二介质层50并遮盖住第三沟槽203，然后在第二介质层50上形成光学结构层30。
[0074]
本领域的技术人员应当理解的是，本实施例的其余结构以及工作原理均与实施例一相同，这里不再赘述。
[0075]
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技术请求保护的范围。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。
[0076]
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。