专利名称：图像传感器及其制造方法
技术领域：
本申请涉及一种图像传感器及制造方法。
背景技术：
近来，CMOS(互补型金属氧化物半导体)图像传感器被瞩目为下一代图像传感器。 CMOS图像传感器是这样一种设备使用切换方式以依靠MOS晶体管顺序地检测每个单位像 素的输出，其中MOS晶体管通过利用外围设备(例如控制器和信号处理器)的CMOS技术与 单位像素相对应地形成于半导体衬底上。CMOS图像传感器包括每个单位像素中的光电二极 管和MOS晶体管，并且以切换方式顺序地检测每个单位像素的电信号，从而实现图像。
由于CMOS图像传感器是利用CMOS技术制造的，因此它具有低功耗的优点。另夕卜， 由于需要较少的光处理步骤，因此能够简化CMOS图像传感器的制造工艺。此外，因为可以 在一个CMOS图像传感器芯片上集成控制器、信号处理器、模拟/数字转换器等，所以该CMOS 图像传感器就能够将产品的尺寸减到最小。因此，CMOS图像传感器被广泛地应用于诸如数 字照相机和数字摄像机等各个应用领域中。
发明内容
本发明实施例提供一种图像传感器及其制造方法，其能够在抑制相邻的像素之间 相互干扰的同时提高感测效率。 根据一个实施例的图像传感器包括电路层，位于半导体衬底的第一表面上；金 属互连层，位于电路层上；多个沟槽，沿着像素的边界形成在半导体衬底的第二表面中；以 及光线阻挡层，位于沟槽中。 根据一个实施例的图像传感器的制造方法包括如下步骤在半导体衬底的第一表 面上形成电路层；在电路层上形成金属互连层；沿着像素的边界，在半导体衬底的第二表 面中形成多个沟槽；以及通过用金属层填充沟槽形成光线阻挡层。 根据另一个实施例的图像传感器包括电路层，位于半导体衬底的第一表面上； 金属互连层，位于电路层上；多个沟槽，沿着像素的边界形成在半导体衬底的第二表面中； 滤色镜层，具有第一、第二以及第三滤色镜，与像素相对应地形成在半导体衬底的第二表面 上；以及光线阻挡层，通过在沟槽中填充第一滤色镜的材料而获得。 根据另一个实施例的图像传感器的制造方法包括如下步骤在半导体衬底的第一 表面上形成电路层；在所述电路层上形成金属互连层；沿着像素的边界，在所述半导体衬 底的第二表面中形成多个沟槽；在所述半导体衬底的第二表面上形成第一滤色镜层；以及 通过部分地曝光和显影该第一滤色镜层而形成位于沟槽中的光线阻挡层和第一滤色镜。
根据又一个实施例的图像传感器的制造方法包括如下步骤在半导体衬底的第一 表面上形成电路层；在所述电路层上形成金属互连层；沿着像素的边界，在所述半导体衬 底的第二表面中形成多个沟槽；在所述半导体衬底的第二表面上形成第一滤色镜层；通过 部分地曝光和显影该第一滤色镜层而在沟槽中形成光线阻挡层；以及在所述半导体衬底的
3第二表面上形成滤色镜层。该滤色镜层包括第一滤色镜，该第一滤色镜是利用另外的第一 滤色镜层而形成的。
图1至图6是示出根据第一实施例的图像传感器的制造工艺的横截面图；
图7至图10是示出根据第二实施例的图像传感器的制造工艺的横截面图；以及
图11是示出根据第三实施例的图像传感器的横截面图。
具体实施例方式
在实施例的描述中，应当理解，当提及一个层(或膜)在另一个层或衬底"上"时， 其可以直接在另一个层或衬底上，或者也可以存在中间层。此外，应当理解，当提及一个层 在另一个层"下"时，其可以直接在另一个层下，或者也可以存在一个或多个中间层。另外， 还应当理解，当提及一个层在两个层"之间"时，其可以是在两个层之间的唯一层，或者也可 以存在一个或多个中间层。为达到清晰说明的目的，附图中示出的元件或层的尺寸或厚度 可能被放大、省略或示意性地示出，元件或层的实际尺寸可能与附图中示出的元件的尺寸 不同。 图1至图6是示出根据第一实施例的图像传感器的制造工艺的横截面图。
图像传感器的像素包括光电二极管PD和多个晶体管，其中所述光电二极管PD用 于检测光线，所述多个晶体管用于控制存储于光电二极管PD中的电荷的传输和/或输出。 根据本实施例，像素可以包括例如4个晶体管。 S卩，像素包括用于检测光线的光电二极管、转移晶体管Tx、复位晶体管Rx、选择晶 体管Sx以及存取晶体管(access transistor)Ax。 光电二极管PD串联连接到转移晶体管Tx和复位晶体管Rx。转移晶体管Tx的源 极连接到光电二极管PD，而转移晶体管Tx的漏极连接到复位晶体管Rx的源极。电源电压 Vdd被施加到复位晶体管Rx的漏极。 转移晶体管Tx的漏极用作浮置扩散层FD。该浮置扩散层FD连接到存取晶体管 Ax的栅极。该存取晶体管Ax与选择晶体管Sx串联连接。换句话说，存取晶体管Ax的源极 连接到选择晶体管Sx的源极。电源电压Vdd被施加到存取晶体管Ax的漏极和复位晶体管 Rx的漏极。选择晶体管Sx的漏极对应于输出终端0ut，而选择信号Row被施加到选择晶体 管Sx的栅极。 在下文中，将简要地描述具有上述结构的图像传感器的像素的操作。在开启复位 晶体管Rx使得浮置扩散层FD与电源电压Vdd具有相同的电势之后，关闭该复位晶体管Rx。 这种操作称为复位操作。 如果外部光线入射到光电二极管PD上，则会在光电二极管PD中产生电子_空穴 对(EHP)，从而使得信号电荷存储于光电二极管PD中。此后，随着开启转移晶体管Tx，存储 于光电二极管PD中的信号电荷被输出到浮置扩散层FD并且存储于该浮置扩散层FD中。因 此，浮置扩散层FD的电势与从光电二极管PD输出的信号电荷的数量成比例地改变，从而改 变存取晶体管Ax的栅极电势。在这种情况下，如果通过选择信号Row开启选择晶体管Sx， 则数据会被输出到输出终端Out。在数据被输出之后，像素执行复位操作。像素重复上述操作，以将光线转换成电信号并输出该电信号。 参照图l，制备半导体衬底100。半导体衬底100包括第一表面100a和与该第一 表面相对的第二表面100b。第一表面100a可用作顶面，第二表面100b可用作底面。
在半导体衬底100的第一表面上形成有光线接收器件105，该光线接收器件105是 通过注入杂质获得的。 光线接收器件105可包括光电二极管。
光线接收器件105对应于每个像素而设置。 半导体衬底100包括隔离层101。隔离层101从半导体衬底100的第一表面100a 向第二表面100b延伸。可通过STI工艺形成该隔离层101。
隔离层101限定半导体衬底100的有源区和非有源区。
光线接收器件105形成在有源区中。 光线接收器件105可包括掺杂有低浓度n-型杂质的区域和掺杂有低浓度p_型杂 质的区域，以形成PN结构，但是实施例不限于此。 在半导体衬底100的第一表面上设置有电路层120。所述电路层120可包括多个 晶体管。 晶体管可包括转移晶体管、复位晶体管、驱动晶体管以及选择晶体管。 每个晶体管都包括栅极、源极和漏极。 例如，转移晶体管Tx包括栅电极、间隔件以及漏极。 栅电极排列(align)在半导体衬底100上。栅电极可包括多晶硅或硅化物。另夕卜， 还可以在栅电极和半导体衬底100之间插入栅极绝缘层。 间隔件排列在栅电极的一侧。通过将低浓度和高浓度的杂质注入到半导体衬底 100上形成漏极，并且该漏极用作浮置扩散层。光线接收器件105位于转移晶体管Tx的源 极处。 电路层120包括覆盖晶体管的预金属(pre-metallic)电介质(PMD)层。 在电路层120上形成包括金属互连件133和绝缘层135的金属互连层130，使得所
述金属互连件133可以电连接到电路层120。 以使得金属互连件133能够被覆盖有绝缘层135的方式重复地沉积金属互连件 133和绝缘层135。 然后，参照图2，在半导体衬底100的第二表面100b上形成光致抗蚀剂图案170。
通过光致抗蚀剂图案170暴露位于像素的边界处的半导体衬底。
参照图3，利用光致抗蚀剂图案170作为掩模，蚀刻半导体衬底IOO，从而形成多个 沟槽103。 沟槽103的深度大约是1 2 ii m。
然后，去除光致抗蚀剂图案170。 因此，具有预定深度的沟槽103就沿着像素的边界形成在半导体衬底100的第二 表面中。 参照图4，在具有沟槽103的半导体衬底100的第二表面上沉积金属层110a。
金属层110a可包括从如下组中选出的至少一种金属，其中所述组由Cu、W、Ti、Ta、 Co、Al禾口 Mo组成。
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例如，金属层110a包括钨(W)层。 将金属层110a填充到形成于半导体衬底100中的沟槽103中。 然后，通过化学机械抛光工艺抛光金属层llOa，从而暴露半导体衬底100的第二表面。 这样，如图5所示，形成了填充于沟槽103中的光线阻挡层110。 光线阻挡层110从半导体衬底100的第二表面向第一表面延伸。光线阻挡层110垂直地形成，并包围(surround)每个像素，从而抑制倾斜地入射
到每个像素中的光线对相邻的像素施加影响。 然后，如图6所示，在半导体衬底100的第二表面的整个区域上方形成滤色镜层 180，并且在滤色镜层180上形成微透镜190。 可在滤色镜层180和半导体衬底100的第二表面之间插入保护层。
滤色镜层180包括对应于像素的红色滤色镜、绿色滤色镜以及蓝色滤色镜。
入射到微透镜190的光线经过滤色镜层180，然后入射到光线接收器件105。这 时，形成于像素的边界处并且具有预定深度的光线阻挡层110能够抑制倾斜地入射到微透 镜190中的光线对相邻的像素施加影响。 因此，根据实施例的CMOS图像传感器能够在抑制相邻的像素之间相互干扰的同 时提高感测效率。 图7至图10是示出根据第二实施例的图像传感器的制造工艺的横截面图。
参照图7，在半导体衬底200的第一表面200a上形成电路层220和金属互连层 230。 电路层220和金属互连层230与根据第一实施例的电路层和金属互连层具有相同 的结构，所以省略对其的详细描述，以免赘言。 参照图8，可在半导体衬底200的第二表面200b上形成光致抗蚀剂图案，并且利用 光致抗蚀剂图案作为掩模，通过蚀刻半导体衬底200的第二表面，形成多个沟槽203。
沟槽203的深度大约是1 2 ii m。 沟槽203沿着像素的边界从半导体衬底200的第二表面向第一表面延伸。 参照图9，在具有沟槽的半导体衬底200的第二表面上涂覆蓝色滤色镜树脂，从而
形成蓝色滤色镜层281a。 将蓝色滤色镜层28la填充到半导体衬底200的沟槽203中。 然后，部分地曝光和显影蓝色滤色镜层281a，从而形成蓝色滤色镜281和填充于 沟槽203中的光线阻挡层281b。 如图10所示，在具有蓝色滤色镜281的半导体衬底200上形成红色滤色镜282和 绿色滤色镜283，从而形成滤色镜层280。 填充于沟槽203中的蓝色滤色镜树脂表现出低光线透射率，从而能够抑制倾斜地 入射的光线对相邻的像素施加影响。 另外，由于光线阻挡层281b可以与蓝色滤色镜281同时形成，所以能够简化制造工艺。 图11是示出根据第三实施例的图像传感器的横截面图。 根据第三实施例，执行与第二实施例相同的工艺，直到在半导体衬底200中形成沟槽203为止。 沟槽203的深度大约是1 2 ii m。 在具有沟槽203的半导体衬底200的第二表面上涂覆蓝色滤色镜树脂，使得蓝色 滤色镜树脂能够被填充到沟槽203中。 这时，可以完全去除涂覆在第二表面200b上(即不在沟槽203内)的蓝色滤色镜 树脂，或者可以保留其最小厚度。 之后，利用掩模执行曝光工艺，其中所述掩模具有与光线阻挡层相对应的开口 ，并
且对未经历曝光工艺的、保留在像素区的蓝色滤色镜树脂进行显影。 这样，蓝色滤色镜树脂可仅保留在沟槽203中，从而可以形成光线阻挡层381b。 然后，在半导体衬底200的第二表面的整个区域上方形成滤色镜层380，并且在滤
色镜层380上形成微透镜390。 可在滤色镜层380和半导体衬底200的第二表面之间插入保护层。 滤色镜层380包括对应于像素的红色滤色镜、绿色滤色镜以及蓝色滤色镜。蓝色
滤色镜可与光线阻挡层381b分开形成。 入射到微透镜390的光线经过滤色镜层380，然后入射到光电二极管。这时，形成 于像素的边界处、具有预定深度的光线阻挡层能够抑制倾斜地入射到微透镜390中的光线 对相邻的像素施加影响。 因此，根据实施例的CMOS图像传感器能够在抑制相邻的像素之间相互干扰的同 时提高感测效率。 对于本领域技术人员而言明显的是，可以对本发明进行各种改进和变化。因此， 本发明旨在涵盖对于该发明的各种改进和变化，只要它们落入所附权利要求及其等效范围 内。
权利要求
一种图像传感器，包括电路层，位于半导体衬底的第一表面上；金属互连层，位于所述电路层上；多个沟槽，沿着像素的边界形成在所述半导体衬底的第二表面中；以及光线阻挡层，位于所述沟槽中。
2. 如权利要求1所述的图像传感器，还包括滤色镜层，位于具有所述光线阻挡层的所 述第二表面上。
3. 如权利要求2所述的图像传感器，其中所述光线阻挡层是通过将所述滤色镜层的第 一滤色镜的一部分填充到所述沟槽中而获得的。
4. 如权利要求3所述的图像传感器，其中所述第一滤色镜包括蓝色滤色镜树脂。
5. 如权利要求1所述的图像传感器，其中所述光线阻挡层包括蓝色滤色镜树脂。
6. —种图像传感器的制造方法，所述方法包括如下步骤 在半导体衬底的第一表面上形成电路层； 在所述电路层上形成金属互连层；沿着像素的边界，在所述半导体衬底的第二表面中形成多个沟槽；以及 在所述沟槽中形成光线阻挡层。
7. 如权利要求6所述的方法，还包括在所述半导体衬底的第二表面上形成滤色镜层。
8. 如权利要求7所述的方法，其中形成所述光线阻挡层包括如下步骤 在所述半导体衬底的第二表面上形成第一滤色镜层；以及部分地曝光和显影所述第一滤色镜层，使得所述第一滤色镜层保留在所述沟槽中。
9. 如权利要求6所述的方法，其中形成所述光线阻挡层和形成所述滤色镜层包括如下 步骤在所述半导体衬底的第二表面上形成第一滤色镜层；以及部分地曝光和显影所述第一滤色镜层，使得所述第一滤色镜层保留在所述沟槽中并且 形成所述滤色镜层的第 一滤色镜。
10. 如权利要求6所述的方法，其中形成所述光线阻挡层包括如下步骤 在具有所述沟槽的所述半导体衬底的第二表面上形成金属层；以及 抛光所述金属层，使得所述金属层保留在所述沟槽中。
全文摘要
本发明公开了一种图像传感器及其制造方法。该图像传感器包括电路层，位于半导体衬底的第一表面上；金属互连层，位于电路层上；多个沟槽，沿着像素的边界形成在半导体衬底的第二表面中；以及光线阻挡层，位于沟槽中。根据实施例的背照式图像传感器在半导体衬底的后表面具有光线阻挡结构，从而能够在抑制相邻像素之间相互干扰的同时提高感测效率。
文档编号H01L27/146GK101764142SQ20091026634
公开日2010年6月30日 申请日期2009年12月24日 优先权日2008年12月24日
发明者张勋 申请人:东部高科股份有限公司