图像传感器及其形成方法与流程

本发明涉及半导体制造技术领域，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(imagesensors)是摄像设备的核心部件，通过将光信号转换成电信号实现图像拍摄功能。由于cmos图像传感器(cmosimagesensor，cis)具有低功耗和高信噪比的优点，因此在各种领域内得到了广泛应用。

尤其在前照式(front-sideillumination，fsi)cis中，吸收长波光的量子效率比较低，因为半导体衬底(例如为硅衬底)的吸收系数随着入射光的波长增加而减小，例如在硅中吸收700nm的光需要5um的吸收路径。因此在吸收长波光时会有大部分的光穿透光电二极管(photodiode，pd)区域，导致对长波光的吸收率较低。

技术实现要素：

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，可以使得透射光有机会被二次吸收，从而增加了入射光的吸收量。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种图像传感器的形成方法，包括：提供第一半导体衬底以及第二半导体衬底；在所述第一半导体衬底和/或第二半导体衬底的正面形成反射结构；对所述第一半导体衬底的正面以及第二半导体衬底的正面进行键合；在所述第一半导体衬底或第二半导体衬底的背面形成像素器件，所述像素器件包含有光电二极管；其中，穿过至少一部分光电二极管的光线被所述反射结构反射回所述至少一部分光电二极管。

可选的，在所述第一半导体衬底以及第二半导体衬底中的至少一个的正面形成反射结构包括：在所述第一半导体衬底的正面形成第一底层介质层；形成第一反射层，所述第一反射层覆盖所述第一底层介质层；形成顶层介质层，所述顶层介质层覆盖所述第一反射层。

可选的，对所述第一半导体衬底的正面以及第二半导体衬底的正面进行键合包括：在所述第二半导体衬底的正面形成第一键合介质层；对所述第一半导体衬底的正面以及第二半导体衬底的正面堆叠放置，以基于所述顶层介质层和所述第一键合介质层进行键合。

可选的，在所述第一半导体衬底以及第二半导体衬底中的至少一个的正面形成反射结构包括：在所述第一半导体衬底的正面形成第二底层介质层；形成第二反射层，所述第二反射层覆盖所述第二底层介质层；在所述第二半导体衬底的正面形成第三底层介质层；形成第三反射层，所述第三反射层覆盖所述第三底层介质层。

可选的，对所述第一半导体衬底的正面以及第二半导体衬底的正面进行键合包括：对所述第一半导体衬底的正面以及第二半导体衬底的正面堆叠放置，以基于所述第二反射层和所述第三反射层进行键合。

可选的，在所述第一半导体衬底以及第二半导体衬底中的至少一个的正面形成反射结构包括：在所述第一半导体衬底的正面形成第四底层介质层；对所述第四底层介质层进行刻蚀，以形成反射沟槽；向所述反射沟槽内填充反射材料，所述反射材料的顶部表面与所述第一半导体衬底的正面表面齐平。

可选的，对所述第一半导体衬底的正面以及第二半导体衬底的正面进行键合包括：在所述第二半导体衬底的正面形成第二键合介质层；对所述第一半导体衬底的正面以及第二半导体衬底的正面堆叠放置，以基于所述第四底层介质层和所述第二键合介质层进行键合。

可选的，所述反射结构的材料选自以下一项或多项：钛，铜，铝，钨以及钽。

可选的，所述图像传感器为前照式图像传感器。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种图像传感器，包括：键合的第一半导体衬底以及第二半导体衬底，其中，键合面分别为所述第一半导体衬底的正面以及第二半导体衬底的正面；反射结构，位于所述第一半导体衬底和/或第二半导体衬底的正面；像素器件，位于所述第一半导体衬底或第二半导体衬底的背面，所述像素器件包含有光电二极管；其中，穿过至少一部分光电二极管的光线被所述反射结构反射回所述至少一部分光电二极管。

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：

在本发明实施例中，提供第一半导体衬底以及第二半导体衬底；在所述第一半导体衬底和/或第二半导体衬底的正面形成反射结构；对所述第一半导体衬底的正面以及第二半导体衬底的正面进行键合；在所述第一半导体衬底或第二半导体衬底的背面形成像素器件，所述像素器件包含有光电二极管；其中，穿过至少一部分光电二极管的光线被所述反射结构反射回所述至少一部分光电二极管。采用上述方案，通过设置反射结构，使得穿过至少一部分光电二极管的光线被所述反射结构反射回所述至少一部分光电二极管，可以使得透射光有机会被二次吸收，从而增加了入射光的吸收量，提高了量子效率(quantumefficiency,qe)以及满阱容量。

进一步，采用多种方式设置所述反射结构，有助于用户根据具体情况选择，提高用户便利性。

附图说明

图1是现有技术中一种图像传感器的剖面结构示意图；

图2是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法的流程图；

图3至图5是本发明实施例中第一种图像传感器的形成方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图；

图6至图8是本发明实施例中第二种图像传感器的形成方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图；

图9至图13是本发明实施例中第三种图像传感器的形成方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图。

具体实施方式

如前所述，在现有的图像传感器中，吸收长波光的量子效率比较低，因此在吸收长波光时会有大部分的光穿透光电二极管区域，影响量子效率和满阱容量。

参照图1，图1是现有技术中一种图像传感器的剖面结构示意图。

所述图像传感器可以包括半导体衬底100、隔离结构122以及光电二极管120。

其中，所述隔离结构122位于所述半导体衬底100内，用于隔离相邻的光电二极管120，所述光电二极管120也位于所述半导体衬底100内。

在所述半导体衬底100的表面，所述图像传感器还可以包括金属互连层150，所述金属互连层150内可以包含有金属互连结构152。

在所述金属互连层150的表面，所述图像传感器还可以包括镜头(micro-lens)154。

需要指出的是，为了避免图1过于繁杂，并未在图1中绘制并标注出所述图像传感器的所有器件结构。

如图1所示，箭头用于指示入射光的入射路径，例如光线a的波长可以最短，光线c的波长可以最长，光线b的波长可以为光线a和光线c之间的波长。

本发明的发明人经过研究发现，在媒介(即光电二极管120)一致的前提下，光吸收系数α与入射光的波长λ有关，所述入射光的波长λ越长(例如采用红光入射或者红外线入射)，所述光吸收系数α越小，致使吸收的光越少，难以产生足够的光电子。

进一步地，在上述图像传感器中，光电二极管120的深度受到离子注入工艺的限制，难以无限制地增大。具体地，基于当前离子注入的工艺能力，光电二极管120的掺杂深度在2.5μm左右，光吸收量较少，难以产生足够的光电子，导致图像传感器的灵敏度较低。

在本发明实施例中，提供第一半导体衬底以及第二半导体衬底；在所述第一半导体衬底和/或第二半导体衬底的正面形成反射结构；对所述第一半导体衬底的正面以及第二半导体衬底的正面进行键合；在所述第一半导体衬底或第二半导体衬底的背面形成像素器件，所述像素器件包含有光电二极管；其中，穿过至少一部分光电二极管的光线被所述反射结构反射回所述至少一部分光电二极管。采用上述方案，通过设置反射结构，使得穿过至少一部分光电二极管的光线被所述反射结构反射回所述至少一部分光电二极管，可以使得透射光有机会被二次吸收，从而增加了入射光的吸收量，提高了量子效率以及满阱容量。

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

参照图2，图2是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法的流程图。所述图像传感器的形成方法可以包括步骤s21至步骤s24：

步骤s21：提供第一半导体衬底以及第二半导体衬底；

步骤s22：在所述第一半导体衬底和/或第二半导体衬底的正面形成反射结构；

步骤s23：对所述第一半导体衬底的正面以及第二半导体衬底的正面进行键合；

步骤s24：在所述第一半导体衬底或第二半导体衬底的背面形成像素器件，所述像素器件包含有光电二极管；

其中，穿过至少一部分光电二极管的光线被所述反射结构反射回所述至少一部分光电二极管。

下面结合图3至图13对上述各个步骤进行说明。

图3至图5是本发明实施例中第一种图像传感器的形成方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图。

参照图3，提供第一半导体衬底200，在所述第一半导体衬底200的正面形成第一底层介质层202，形成第一反射层204，所述第一反射层204覆盖所述第一底层介质层202，形成顶层介质层206，所述顶层介质层206覆盖所述第一反射层204。

需要指出的是，在所述第一种图像传感器中，所述反射结构可以包含所述第一反射层204。

其中，所述第一半导体衬底200可以为硅衬底，或者所述第一半导体衬底200的材料还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟等适当的应用于图像传感器的材料，所述第一半导体衬底200还可以为绝缘体表面的硅衬底或者绝缘体表面的锗衬底，或者是生长有外延层(epitaxylayer，epilayer)的衬底。优选地，所述第一半导体衬底200可以为轻掺杂的半导体衬底，且掺杂类型与漏区相反。具体地，可以通过向所述第一半导体衬底200进行离子注入，实现深阱掺杂(deepwellimplant)。

所述第一底层介质层202以及顶层介质层206的材料例如可以为氮化硅与氧化硅的堆叠层，还可以为氮化硅层或氧化硅层。其中，所述氧化硅例如可以为sio2，所述氮化硅例如可以为si3n4。

所述反射结构(也即第一反射层204)的材料可以选自以下一项或多项：钛，铜，铝，钨以及钽。

优选地，可以采用铜或钨形成第一反射层204，以利用其电导特性佳以及硬度高的特点，提高电学性能。

参照图4，在所述第二半导体衬底210的正面形成第一键合介质层212。

在具体实施中，有关第二半导体衬底210以及第一键合介质层212的更多详细内容请参照图3中的第一半导体衬底200以及第一底层介质层202的描述进行执行，此处不再赘述。

参照图5，对所述第一半导体衬底200的正面以及第二半导体衬底210的正面堆叠放置，以基于所述顶层介质层206和所述第一键合介质层212进行键合。

在本发明实施例中，通过对所述顶层介质层206和所述第一键合介质层212进行键合，可以复用现有的介质层键合工艺，由于此类工艺已经较为成熟，有助于获得较好的键合性能。

需要指出的是，在本发明实施例中，对于具体的介质层键合工艺的选择不做限制。

图6至图8是本发明实施例中第二种图像传感器的形成方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图。

参照图6，在所述第一半导体衬底300的正面形成第二底层介质层302；形成第二反射层304，所述第二反射层304覆盖所述第二底层介质层302。

在具体实施中，有关第一半导体衬底300以及第二底层介质层302的更多详细内容请参照图3中的第一半导体衬底200以及第一底层介质层202的描述进行执行，此处不再赘述。

参照图7，在所述第二半导体衬底310的正面形成第三底层介质层312；形成第三反射层314，所述第三反射层314覆盖所述第三底层介质层312。

在具体实施中，有关第二半导体衬底310以及第三底层介质层312的更多详细内容请参照图3中的第一半导体衬底200以及第一底层介质层202的描述进行执行，此处不再赘述。

需要指出的是，在所述第二种图像传感器中，所述反射结构可以包含所述第二反射层304以及第三反射层314。

所述反射结构(也即第二反射层304以及第三反射层314)的材料可以选自以下一项或多项：钛，铜，铝，钨以及钽。

优选地，可以采用铜或钨形成第二反射层304以及第三反射层314，以利用其电导特性佳以及硬度高的特点，提高电学性能。

参照图8，对所述第一半导体衬底300的正面以及第二半导体衬底310的正面堆叠放置，以基于所述第二反射层304以及第三反射层314进行键合。

在本发明实施例中，通过对第二反射层304以及第三反射层314进行键合，可以采用已有的金属键合技术(例如cu-cu晶圆键合技术)实现键合，从而可以利用金属键合工艺为图像传感器带来的优点，提高器件性能。

需要指出的是，在本发明实施例中，对于具体的金属键合工艺的选择不做限制。

图9至图13是本发明实施例中第三种图像传感器的形成方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图。

参照图9，在所述第一半导体衬底400的正面形成第四底层介质层402；对所述第四底层介质层402进行刻蚀，以形成反射沟槽441。

具体地，可以在所述第四底层介质层402的表面形成图形化的掩膜层461，以所述图形化的掩膜层461为掩膜，对所述第四底层介质层402进行刻蚀，以形成反射沟槽441。

在具体实施中，有关第一半导体衬底400以及第四底层介质层402的更多详细内容请参照图3中的第一半导体衬底200以及第一底层介质层202的描述进行执行，此处不再赘述。

参照图10，向所述反射沟槽441(参照图9)内填充反射材料404，所述反射材料404的顶部表面与所述第一半导体衬底400的正面表面齐平。

需要指出的是，在所述第三种图像传感器中，所述反射结构可以包含整层的反射材料404。例如当所述反射沟槽为多个独立沟槽时，填充反射材料404后形成的多个反射块可以统称所述反射结构。

所述反射结构(也即反射材料404)的材料可以选自以下一项或多项：钛，铜，铝，钨以及钽。

优选地，可以采用铜或钨形成反射材料404，以利用其电导特性佳以及硬度高的特点，提高电学性能。

需要指出的是，所述反射材料404的厚度不应当过小，否则反射强度较低，难以实现发明目的；所述反射材料404的厚度不应当过大，否则容易增加生产成本，加大金属污染的风险。其中，所述厚度的方向为垂直于所述第一半导体衬底400的表面的方向。

作为一个非限制性的例子，所述反射材料404的厚度可以为100μm至3mm。

参照图11，在所述第二半导体衬底410的正面形成第二键合介质层412。

在具体实施中，有关第二半导体衬底410以及第二键合介质层412的更多详细内容请参照图3中的第一半导体衬底200以及第一底层介质层202的描述进行执行，此处不再赘述。

参照图12，对所述第一半导体衬底400的正面以及第二半导体衬底410的正面堆叠放置，以基于所述第四底层介质层402和所述第二键合介质层412进行键合。

在本发明实施例中，通过对所述第四底层介质层402和所述第二键合介质层412进行键合，由于反射材料404仅填充于反射沟槽内，第四底层介质层402的表面包含有大量介质层材料区域，因此可以复用现有的介质层键合工艺，相比于金属键合工艺，由于此类工艺更加成熟，有助于获得更好的键合性能；进一步地，采用的反射材料较少，有助于达到成本控制与性能提升之间的平衡。

在本发明实施例中，采用多种方式设置所述反射结构，有助于用户根据具体情况选择，提高用户便利性。

需要指出的是，在本发明实施例中，对于具体的介质层键合工艺的选择不做限制。

参照图13，以图12中键合的第一半导体衬底400以及第二半导体衬底410作为衬底，在第二半导体衬底410的背面形成像素器件，所述像素器件包含有光电二极管420，其中，穿过至少一部分光电二极管420的光线被所述反射结构反射回所述至少一部分光电二极管420。

需要指出的是，反射回所述至少一部分光电二极管420用于指示，从哪个光电二极管420入射的光线，被所述反射结构反射回哪个光电二极管420。

具体地，在第二半导体衬底410的背面形成隔离结构422以及光电二极管420。

其中，所述隔离结构422位于所述第二半导体衬底410内，用于隔离相邻的光电二极管420，所述光电二极管420也位于所述第二半导体衬底410内。

在所述第二半导体衬底410内的表面，所述图像传感器还可以包括金属互连层450，所述金属互连层450内可以包含有金属互连结构452。

在所述金属互连层450的表面，所述图像传感器还可以包括镜头454。

如图13所示，箭头用于指示入射光的入射路径，例如光线a的波长可以最短，光线c的波长可以最长，光线b的波长可以为光线a和光线c之间的波长。

可以理解的是，光线b和c在穿透光电二极管420后会被反射结构反射回光电二极管420，从而使得光电二极管420吸收足够的入射光子，从而产生足够的光电子，提高所述图像传感器的灵敏度，并且提高光电二极管420的满阱容量。

需要指出的是，在本发明实施例中，还可以在第一半导体衬底400的背面形成隔离结构422以及光电二极管420。

在本发明实施例中，通过设置反射结构，使得穿过至少一部分光电二极管420的光线被所述反射结构反射回所述至少一部分光电二极管420，可以使得透射光有机会被二次吸收，从而增加了入射光的吸收量，提高了量子效率以及满阱容量。

进一步地，所述图像传感器可以为前照式图像传感器。

在本发明实施例中，通过设置图像传感器为前照式图像传感器，可以降低对背面入射光线的需求，从而可以设置较大面积的反射材料，提高本发明实施例的实现效果。

在本发明实施例中，提供了一种图像传感器，如图5所示，可以包括：键合的第一半导体衬底200以及第二半导体衬底210，其中，键合面分别为所述第一半导体衬底200的正面以及第二半导体衬底210的正面；反射结构，位于所述第一半导体衬底200和/或第二半导体衬底210的正面；像素器件，位于所述第一半导体衬底200或第二半导体衬底210的背面，所述像素器件包含有光电二极管；其中，穿过至少一部分光电二极管的光线被所述反射结构反射回所述至少一部分光电二极管。

进一步地，所述图像传感器还可以包括：第一底层介质层202，位于所述第一半导体衬底200的正面；第一反射层204，覆盖所述第一底层介质层202；顶层介质层206，覆盖所述第一反射层204。其中，所述反射结构可以为所述第一反射层204。

进一步地，参照图8，所述图像传感器还可以包括：第二底层介质层302，位于所述第一半导体衬底300的正面；第二反射层304，覆盖所述第二底层介质层302；第三底层介质层312，位于所述第二半导体衬底310的正面；第三反射层314，覆盖所述第三底层介质层312。其中，所述反射结构可以为所述第二反射层304以及第三反射层314。

进一步地，参照图13，所述图像传感器还可以包括：第四底层介质层402，位于所述第一半导体衬底400的正面；反射沟槽，位于所述第四底层介质层402内；反射材料404，位于所述反射沟槽内，所述反射材料404的顶部表面与所述第一半导体衬底400的正面表面齐平。其中，所述反射结构可以为所述反射材料404。

关于该图像传感器的原理、具体实现和有益效果请参照前文及图2至图13示出的关于图像传感器的形成方法的相关描述，此处不再赘述。

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。