一种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：

图像传感器是将光学图像信号转换为电信号的半导体器件。在种类繁多的图像传感器中，互补金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor，简称cmos)图像传感器因其体积小、功耗低、价格低廉的优点而得到广泛应用。

现有的cmos图像传感器中包括用于将光信号转换为电信号的光电传感器，所述光电传感器通常为形成于硅衬底中的光电二极管。此外，在形成有光电二极管的硅衬底表面还形成有介质层，所述介质层内形成有金属互联层，所述金属互联层用于使光电二极管与外围电路电连接。对于上述cmos图像传感器来说，所述硅衬底具有介质层和金属互联层的一面为cmos图像传感器的正面，与正面相对的一面为cmos图像传感器的背面，根据光线照射方向的差异，所述cmos图像传感器能够分为前照式(front-sideillumination，简称fsi)cmos图像传感器和后照式(back-sideillumination，简称bsi)cmos图像传感器。其中，后照式cmos图像传感器也可以称为背照式cmos图像传感器。

对于前照式cmos图像传感器，光线照射到cmos图像传感器的正面，然而，基于这样的设计，所述光线需要穿过介质层和金属互联层之后才能够照射到光电二极管，由于光线路径中的介质层和金属互联层较多，会限制光电二极管所吸收的光量，造成量子效率降低。而对于背照式cmos图像传感器，光线自cmos图像传感器的背面入射到光电二极管，可以有效消除光线的损耗，提高光子到电子的转换效率。因而，现有技术中更广泛采用背照式cmos图像传感器，以获得更好的光电转换效果。

然而，现有的背照式cmos图像传感器的串扰问题严重，进而造成光电转换的精确度和稳定性不良。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是如何避免图像传感器发生串扰，以提高器件的稳定性和精确度。

为解决上述问题，本发明实施例提供一种图像传感器，包括：半导体衬底，所述半导体衬底内具有光电二极管；栅格，所述栅格在所述半导体衬底表面围成对应于所述光电二极管的开口，所述栅格包括：金属栅格，所述金属栅格的一端嵌入所述半导体衬底内，另一端自所述半导体衬底的表面伸出；滤色镜，设置于所述开口内。

可选的，所述栅格还包括：堆积栅格，堆叠于所述金属栅格表面，所述堆积栅格的材料为介质材料。

可选的，所述图像传感器还包括：保护介质层，覆盖所述堆积栅格和所述金属栅格伸出所述半导体衬底表面的部分。

可选的，所述半导体衬底内具有沟槽，所述金属栅格的一端位于所述沟槽内。

可选的，所述沟槽的底部填充有绝缘层。

可选的，所述沟槽的内壁覆盖有势垒调节层。

可选的，所述图像传感器还包括：电荷引导层，位于所述半导体衬底表面，并与所述金属栅格电连接。

本发明实施例还提供一种图像传感器的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底内具有光电二极管；形成栅格，所述栅格在所述半导体衬底表面围成对应于所述光电二极管的开口，所述栅格包括：金属栅格，所述金属栅格的一端嵌入所述半导体衬底内，另一端自所述半导体衬底的表面伸出；在所述开口内设置滤色镜。

可选的，所述栅格的形成方法包括：在所述半导体衬底内形成沟槽，所述沟槽的图形与所述栅格的图形对应；在所述沟槽内填充金属层，所述金属层的表面高于所述半导体衬底的表面；对所述半导体衬底表面的金属层进行蚀刻，以形成所述金属栅格。

可选的，所述栅格的形成方法还包括：形成屏蔽介质层，所述屏蔽介质层覆盖所述金属栅格；对所述屏蔽介质层进行蚀刻，以形成堆叠于所述金属栅格表面的堆积栅格。

可选的，所述形成方法还包括：沉积保护介质层，所述保护介质层覆盖所述堆积栅格和所述金属栅格伸出所述半导体衬底表面的部分。

可选的，在所述沟槽内填充金属层之前还包括：在所述沟槽内填充绝缘材料；对所述绝缘材料进行蚀刻，以得到绝缘层，所述金属栅格堆叠于所述绝缘层表面。

可选的，在所述沟槽内填充金属层之前还包括：在沟槽内形成覆盖所述沟槽的内壁的势垒调节层。

可选的，所述形成方法还包括：在所述半导体衬底表面形成电荷引导层，所述电荷引导层与所述金属层电连接。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明实施例所述图像传感器包括：半导体衬底，所述半导体衬底内具有光电二极管；栅格，所述栅格在所述半导体衬底表面围成对应于所述光电二极管的开口，所述栅格包括：金属栅格，所述金属栅格的一端嵌入所述半导体衬底内，另一端自所述半导体衬底的表面伸出；滤色镜，设置于所述开口内。较之现有的图像传感器，本发明实施例所述图像传感器能够通过所述栅格来反射入射光，同时阻挡半导体衬底内的电子扩散或漂移，以有效改善像素区的电子串扰和光线串扰问题。具体而言，所述栅格包括金属栅格，其嵌入所述半导体衬底内的一端能够避免半导体衬底内部的光线串扰，其伸出所述半导体衬底的表面的一端能够有效避免半导体衬底上方的光线串扰，以更好的提升器件(即所述图像传感器)的光电转换稳定性和精确度。

进一步，所述栅格还包括堆积栅格，以辅助所述金属栅格更好地解决像素区的光线串扰问题，从而有效改善大入射角时可能产生的量子效率退化的问题，优化器件信噪比。

附图说明

图1示出本发明实施例的一种图像传感器的剖面结构示意图；

图2示出图1所示图像传感器的俯视图；

图3示出图1所示图像传感器中势垒调节层的结构示意图；

图4是本发明实施例所述图像传感器的立体结构示意图；

图5至图11是本发明实施例所述图像传感器的形成方法中各个步骤对应的器件剖面结构示意图。

具体实施方式

如背景技术所述，现有的图像传感器(尤其是背照式cmos图像传感器)的串扰问题严重，造成光电转换的精确度和稳定性不良。

现有的串扰问题主要包括三种形式：光谱串扰、光线串扰和电子串扰。其中，所述光谱串扰是由于彩色滤光片的特征引起的；所述光线串扰是由于光线入射到相邻像素区引起的；所述电子串扰是由于半导体衬底内的电子扩散或漂移到其他像素区引起的。

为了能够同时解决光线串扰和电子串扰问题，本发明实施例提供一种图像传感器，所述图像传感器包括：半导体衬底，所述半导体衬底内具有光电二极管；栅格，所述栅格在所述半导体衬底表面围成对应于所述光电二极管的开口，所述栅格包括：金属栅格，所述金属栅格的一端嵌入所述半导体衬底内，另一端自所述半导体衬底的表面伸出；滤色镜，设置于所述开口内。较之现有的图像传感器，本发明实施例所述图像传感器能够通过所述栅格来反射入射光，同时阻挡半导体衬底内的电子扩散或漂移，以有效改善像素区的电子串扰和光线串扰问题。进一步，所述栅格包括金属栅格，其嵌入所述半导体衬底内的一端能够避免半导体衬底内部的光线串扰，其伸出所述半导体衬底的表面的一端能够有效避免半导体衬底上方的光线串扰，以更好的提升器件(即所述图像传感器)的光电转换稳定性和精确度。

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1示出本发明实施例的一种图像传感器的剖面结构示意图。其中，所述图像传感器可以包括背照式cmos图像传感器，也可以包括其他具有相同或相近工作原理的图像传感器。

具体地，参考图1、图2和图4，所述图像传感器1可以包括半导体衬底100，所述半导体衬底100内具有光电二极管(图未示)；栅格240，所述栅格240在所述半导体衬底100表面围成对应于所述光电二极管的开口150。其中，所述半导体衬底110可以包括传感器层，所述传感器层可以包括若干光电二极管，通常地，一个像素区的传感器层内具有一个光电二极管，多个所述像素区可以呈阵列排布，以形成图2所示的像素阵列区220。其中，图4为本发明实施例所述图像传感器1的立体结构示意图，未免图例太过复杂而无法清楚显示所有结构，图4仅在前面和侧面标示嵌入所述半导体衬底100内的金属栅格130的嵌入效果，所述图像传感器1内部嵌入所述半导体衬底100内的金属栅格130的嵌入效果可以参考图1所示剖面结构图。

更为具体地，参考图1示出的剖面结构，所述栅格240在垂直于半导体衬底100表面的方向上可以包括：金属栅格130，所述金属栅格130的一端嵌入所述半导体衬底100内，另一端自所述半导体衬底100的表面伸出。为了便于表述，下面将所述金属栅格130分为金属层130a和金属层130b两部分进行详细阐述，其中，可以将所述金属栅格130的下端a至所述半导体衬底100表面所形成的区域称为所述金属层130a，将所述半导体衬底100表面至所述金属栅格130的上端b所形成的区域称为所述金属层130b。需要指出的是，所述金属层130a和金属层130b可以是一体成型的。

进一步地，所述图像传感器1还可以包括滤色镜(图未示)，所述滤色镜可以设置于所述开口150内。优选地，一个像素区的半导体衬底100表面可以具有一个滤色镜，且位于一个像素区的半导体衬底100表面的滤色镜可以为红色滤色镜、绿色滤色镜或蓝色滤色镜。

作为一个非限制性实施例，所述金属层130a的下端a可以齐平于或低于所述光电二极管的下端，以有效反射所有自像素区入射但入射路径指向相邻像素区的入射光。例如，参考图1，经过所述金属层130a的阻挡，能够将入射光r1反射至其入射时通过的滤色镜所属像素区。

作为一个非限制性实施例，所述金属层130b的上端b可以齐平于所述滤色镜的上端，以有效阻挡自像素区上方入射的光线进入相邻像素区。例如，参考图1，经过所述金属层130b的阻挡，能够将入射光r2的入射路径限制在其入射时对应的开口150内。进一步地，当经过所述金属层130b反射并通过滤色镜后的入射光r2的入射路径指向相邻滤色镜对应的像素区时，还可以通过所述金属层130a的反射，将所述入射光r2的入射路径修正至其通过的滤色镜所对应的像素区。

进一步地，所述金属栅格130可以采用各种适当的金属材料，所述金属材料可以包括钨或铝。

由上，采用所述金属栅格130的构造设置，既能够阻挡光线进入相邻像素区，又能够在所述半导体衬底100表面阻挡光线进入相邻的滤色镜，从而同时避免所述半导体衬底100内部和表面的光线串扰，从而有效提升器件(即所述图像传感器1)的光电转换精准度和稳定性。

进一步地，继续参考图1、图2和图4，所述栅格240还可以包括堆积栅格160，堆叠于所述金属栅格130表面，所述堆积栅格160的材料可以为介质材料。例如，参考图1和图4，所述堆积栅格160可以堆叠于所述金属层130b的上端b的表面，以使得栅格240的总体高度增大。

优选地，所述堆积栅格160和所述金属层130b可以共同用于分隔相邻的滤色镜。

作为一个非限制性实施例，所述堆积栅格160的上端c可以齐平于所述滤色镜的上端，或者高于所述滤色镜的上端。本领域技术人员理解，所述堆积栅格160的构造设置使得所述金属栅格130的高度可以适当的降低，极大地降低工艺复杂度。进一步地，采用金属栅格130叠加堆积栅格160形成的隔断层具有易蚀刻的优点，较之金属栅格130，所述堆积栅格160的光阻厚度具有更大的保障，在后续蚀刻过程中不会出现不必要的蚀刻。

进一步地，所述堆积栅格160还可以辅助所述金属栅格130更好地解决所述像素区和滤色镜的光线串扰问题，从而有效改善大入射角时可能产生的量子效率退化的问题，优化器件信噪比。

进一步地，所述介质材料可以包括光学介质材料。优选地，所述光学介质材料可以包括氧化物，如二氧化硅(sio2)等具有一定程度的光线反射效果的材料。例如，所述氧化物可以为金属氧化物，以获得更好的光线反射效果；或者，所述氧化物还可以为非金属氧化物，以进一步降低后续蚀刻时的工艺复杂度。

进一步地，所述图像传感器1还可以包括保护介质层170，覆盖所述堆积栅格160和所述金属栅格130伸出所述半导体衬底表面的部分130b。优选地，所述保护介质层170可以采用氧化物材料形成。例如，所述氧化物材料可以包括sio2。

进一步地，所述半导体衬底100内可以具有沟槽180，所述金属栅格130的一端a位于所述沟槽内。例如，参考图1，所述金属层130a可以是填充于所述沟槽180内的。

作为一个非限制性实施例，所述沟槽180可以是对所述半导体衬底100进行深沟槽隔离(deeptrenchisolation，简称dti)蚀刻获得的。

由上，采用所述沟槽180的构造设置，在相邻像素区之间设置所述沟槽180，能够有效阻挡所述半导体衬底100内像素区的电子扩散或漂移到与该像素区相邻的其他像素区，从而解决了电子串扰的问题。

进一步地，所述沟槽180的底部可以填充有绝缘层120。优选地，用于形成所述绝缘层120的绝缘材料可以包括氧化物，如sio2。

作为一个非限制性实施例，所述绝缘层120的上端(即所述金属层130a的下端a)距离所述半导体衬底100表面的高度h可以占所述沟槽180深度h的30％到40％。例如，所述沟槽180的2/3部分可以填充有所述绝缘层120，剩余1/3部分(即靠近所述半导体衬底100表面的1/3部分)可以填充有金属材料以形成所述金属层130a。

进一步地，所述沟槽180的内壁可以覆盖有势垒调节层110，该势垒调节层110可以是high-k材料层。

进一步地，所述势垒调节层110可以为多层结构。

作为一个非限制性实施例，参考图3，所述势垒调节层110从内至外可以包括低介电常数缓冲介质层1101，表面势垒调节层1102，低介电常数截至介质层1130，以及抗反射介质层1104。其中，所述低介电常数缓冲介质层1101可以采用氧化物(如sio2)材料；所述表面势垒调节层1102可以采用二氧化铪(hfo2)材料；所述低介电常数截至介质层1130可以采用氧化物(如sio2)材料；所述抗反射介质层1104可以采用氮化硅(si3n4)材料。参考图1和图3，所述低介电常数缓冲介质层1101可以与所述绝缘层120接触；所述抗反射介质层1104可以与所述半导体衬底100接触。

由上，采用所述势垒调节层110的构造设置，能够协助所述沟槽180更有效地阻挡电子通过，避免电子自像素区进入与该像素区相邻的像素区而发生电子串扰。

进一步地，所述图像传感器1还可以包括电荷引导层140，位于所述半导体衬底100表面，并与所述金属栅格130电连接。

作为一个非限制性实施例，参考图1和图2，所述电荷引导层140可以设置于所述像素阵列区220外延，例如，可以以多个金属平板230的形式分散的设置于半导体衬底100的逻辑区200的任意位置，并与所述像素阵列区220电连接。其中，逻辑区200是半导体衬底100表面与像素阵列区220并列的区域。优选地，所述电荷引导层140可以采用导电材料并与所述像素阵列区220的金属栅格130相导通，以将积累在所述像素阵列区220的电荷导出至所述电荷引导层140，导出的电荷可以进一步经由所述电荷引导层140接地导出。例如，所述电荷引导层140可以与所述金属栅格130采用同样的金属材料，以确保电荷的快速导出。需要指出的是，虽然图2仅示出4个金属平板230，但在实际应用中，所述金属平板230的数量以及设置位置可以根据实际需要进行调整，在此不予赘述。

进一步地，所述图像传感器1还可以包括位于所述滤色镜表面的透镜结构(图未示)。

进一步地，半导体衬底100中还可以形成有通孔210。例如，当所述半导体衬底100为硅衬底时，所述通孔210可以为硅通孔。

图5至图11是本发明实施例所述图像传感器的形成方法中各步骤对应的器件结构示意图。其中，所述形成过程可以用于形成上述图1至图3所示的图像传感器1；图4为最终形成的图像传感器1的立体结构图；图1是图4沿aa’方向的剖面结构示意图。

具体地，图像传感器的形成过程可以包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底内具有光电二极管；形成栅格，所述栅格可以在所述半导体衬底表面围成对应于所述光电二极管的开口，所述栅格可以包括金属栅格，所述金属栅格的一端嵌入所述半导体衬底内，另一端自所述半导体衬底的表面伸出；在所述开口内设置滤色镜。

作为一个非限制性实施例，所述半导体衬底可以为适于背照式cmos图像传感器的硅衬底。

下面参考图1、图5至图11，对所述图像传感器的形成方法进行详细描述。

参考图5，在所述半导体衬底100内形成沟槽180，所述沟槽180的图形可以与所述栅格的图形对应，亦即相邻沟槽180在二维平面上围成的区域形成所述开口150。

作为一个非限制性实施例，可以对所述半导体衬底100进行深沟槽隔离的蚀刻，以形成所述沟槽180。

进一步地，参考图6，在形成所述沟槽180后，还可以在所述沟槽180内形成覆盖所述沟槽180的内壁的势垒调节层110。具体地，所述势垒调节层110的具体内容可以参考上述图1至图3中的相关描述，在此不予赘述。

进一步地，在形成所述势垒调节层110后，还可以在所述沟槽180内填充绝缘材料。进一步地，对所述绝缘材料进行蚀刻，以得到如图7所示的绝缘层120，所述金属栅格130可以堆叠于蚀刻获得的所述绝缘层120表面。具体地，对所述绝缘材料的蚀刻深度可以占所述沟槽180深度的30％到40％。

或者，为了简化流程，也可以在填充阶段直接将所述绝缘材料填充至所述沟槽180深度的30％到40％处，以省去后续的蚀刻步骤。

更为具体地，所述绝缘层120的具体内容可以参考上述图1至图3中的相关描述，在此不予赘述。

进一步地，参考图8，在形成所述绝缘层120后，还可以继续在所述沟槽180内填充金属层，所述金属层的表面高于所述半导体衬底100的表面。亦即，如图8所示，填充的金属层可以包括在所述沟槽180内的金属层130a，以及所述半导体衬底100表面的金属层130b’，并且两者是一体成型的。

进一步地，参考图9，对所述半导体衬底100表面的金属层130b’进行蚀刻，以形成所述金属栅格130。其中，对所述半导体衬底100表面的金属层130b’蚀刻后可以获得所述金属层130b，由于所述半导体衬底100表面的金属层130b’与所述金属层130a是一体成型的，所以所述金属层130b和金属层130a也是一体成型的。

作为一个非限制性实施例，可以对所述半导体衬底100表面的金属层130b’进行掩膜沉积以获取所述沟槽180表面的金属栅格130的图形并进行蚀刻，完成蚀刻后进行清洗，以获取所述金属层130b，进而获取所述金属栅格130。

进一步地，参考图10，在形成所述金属栅格130后，还可以继续形成屏蔽介质层160’，所述屏蔽介质层160’覆盖所述金属栅格130。优选地，所述屏蔽介质层160’可以覆盖所述金属层130b。

作为一个非限制性实施例，可以在所述金属栅格130上重新生长一层氧化物作为所述屏蔽介质层160’。

进一步地，参考图11，可以对所述屏蔽介质层160’进行蚀刻，以形成堆叠于所述金属栅格130表面的堆积栅格160。优选地，所述堆积栅格160可以堆叠于所述金属层130b表面。

作为一个非限制性实施例，可以对所述屏蔽介质层160’进行掩膜沉积以获取所述金属栅格130的图形并进行蚀刻，完成蚀刻后进行清洗，以获取所述堆积栅格160。

进一步地，参考图1，在获取所述堆积栅格160后，还可以在所述栅格上重新沉积一层氧化层作为保护介质层170，所述保护介质层170覆盖所述堆积栅格160和所述金属层130b。

进一步地，为了能够将所述金属栅格130上累积的电荷导出，还可以在所述半导体衬底100表面形成电荷引导层140，所述电荷引导层140与所述金属层130b’电连接，亦即与对所述金属层130b’蚀刻获得的金属栅格130电连接。

作为一个非限制性实施例，所述电荷引导层140与所述金属栅格130可以是一体成型的。例如，参考图8至图11，形成的所述金属层130b’可以延伸至所述栅格150外延(如图2所示像素阵列区220外延)，在进行蚀刻以获取所述金属栅格130的同时或之后，还可以对所述栅格150外围进行蚀刻，以获取所述电荷引导层140。

或者，所述电荷引导层140也可以在形成金属栅格130之后生成。例如，在形成图11所示堆积栅格160之后(或者，在形成所述保护介质层170之后)，可以在所述像素阵列区220外延生成所述电荷引导层140。

作为一个非限制性实施例，参考图2，所述电荷引导层140可以为设置于像素阵列区220外延的焊盘(pad)层，并且，所述焊盘层与所述像素阵列区220中的金属层130a和/或金属层130b导通。

进一步地，还可以在所述开口150内依次设置滤色镜和透镜结构，以形成所述图像传感器1。

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。