本发明涉及成像领域，特别涉及一种背照式cmos图像传感器及其形成方法。
背景技术：
图像传感器是在光电技术基础上发展起来的，所谓图像传感器，就是能够感受光学图像信息并将其转换成可用输出信号的传感器。
图像传感器可依据其采用的原理而区分为电荷耦合装置(charge-coupleddevice)图像传感器(亦即俗称ccd图像传感器)以及cmos(complementarymetaloxidesemiconductor)图像传感器，其中cmos图像传感器基于互补型金属氧化物半导体(cmos)技术而制造。由于cmos图像传感器是采用传统的cmos电路工艺制作，因此可将图像传感器以及其所需要的外围电路加以整合，从而使得cmos图像传感器具有更广的应用前景。
cmos图像传感器(cmosimagesensor)分正面照明类型和背面照明类型两种。背面照明类型最大的优化之处在于将元件内部的结构改变了，其将感光层的元件调转方向，让光能从背面直射进去，避免了传统cmos图像传感器结构中，光线会受到微透镜和光电二极管之间的电路和晶体管的影响，从而显著提高光的效能，大大改善低光照条件下的拍摄效果。
如图1a所示，显示为现有技术中的背照式cmos图像传感器的结构示意图。该背照式cmos图像传感器包括：前端结构1，所述前端结构1包括电路层2及介质层3，形成于所述介质层中的光电二极管4及深沟槽隔离结构，所述深沟槽隔离结构中包括折射层5以及依次形成于所述前端结构1上的滤光层6及微透镜层7。入射光顺次经过所述微透镜层7、滤光层6到达所述介质层3，经沟槽隔离结构中的所述折射层5的反射被光电二极管4吸收，吸收光子的多少制约着成像的质量。
如图1b所示，显示为现有技术中的背照式cmos图像传感器的光路图。入射光a，经介质层3在所述介质层3与折射层5表面发生全反射；入射光b，经介质层3在所述折射层5内发生折射，部分光经所述折射层5发生二次折射，使得该部分光线不能被光电二极管吸收。
然而，随着小型化需求的愈发强烈，光电二极管的有效面积不断缩小，可吸收光的面积所占比例下降，电信干扰和暗电流增强，光电转换效率明显降低，入射光在折射层会发生二次折射，使得该部分光线不能被光电二极管吸收。如何增强光电转换效率成为现在研究的课题。
技术实现要素：
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种背照式cmos图像传感器及其形成方法，用于解决现有技术中光电二极管的有效面积不断缩小，可吸收光的面积所占比例下降，电信干扰和暗电流增强，光电转换效率明显降低，入射光在折射层会发生二次折射，使得该部分光线不能被光电二极管吸收的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种背照式cmos图像传感器，包括：
前端结构，所述前端结构包括介质层及结合于所述介质层的第一表面的电路层，所述介质层内具有光电二极管，且所述介质层还包括与所述第一表面相对的第二表面；
深沟槽隔离结构，所述深沟槽隔离结构从所述介质层的第二表面起始，并往所述介质层的第一表面方向延伸；所述深沟槽隔离结构包括第一折射层、包围所述第一折射层底面与侧面的反射层及包围所述反射层底面及侧面的第二折射层，所述第一折射层、反射层及第二折射层的顶面均与所述第一介质层的第二表面齐平，且所述第二折射层的折射率小于所述介质层的折射率；
像素元件，所述像素元件结合于所述介质层的第二表面。
优选地，所述深沟槽隔离结构延伸至所述介质层的第一表面。
优选地，所述像素元件包括滤光层及微透镜层。
优选地，所述像素元件与所述介质层之间还包括吸收层、抗反射层中的一种或组合。
本发明还提供一种背照式cmos图像传感器的形成方法，包括：
提供前端结构，所述前端结构包括介质层及结合于所述介质层的第一表面的电路层，所述介质层内具有光电二极管，且所述介质层还包括与所述第一表面相对的第二表面；
在所述介质层中形成深沟槽，所述深沟槽从所述介质层的第二表面开口，并往所述介质层的第一表面方向延伸；在所述深沟槽内依次形成第二折射层、反射层及第一折射层，其中，所述反射层包围所述第一折射层的底面与侧面，所述第二折射层包围所述反射层的底面及侧面，所述第一折射层、反射层及第二折射层的顶面均与所述介质层的第二表面齐平，且所述第二折射层的折射率小于所述介质层的折射率；
在所述介质层的第二表面形成像素元件。
优选地，所述介质层的材料包括硅、氧化硅、氮化硅中的一种。
优选地，所述第二折射层的材料包括氧化硅。
优选地，所述第一折射层的材料包括硅、氧化硅中的一种或组合。
优选地，所述反射层的材料包括铝、银中的一种或组合。
优选地，制备所述深沟槽隔离结构包括步骤：
1)采用物理气相沉积、化学气相沉积、等离子增强化学气相沉积、原子层淀积或电镀工艺于所述深沟槽内表面形成所述第二折射层；
2)采用化学气相沉积、等离子增强化学气相沉积、原子层淀积或电镀工艺于所述第二折射层内表面形成所述反射层；
3)去除所述深沟槽外多余的所述第二折射层及多余的所述反射层；
4)采用物理气相沉积、化学气相沉积、等离子增强化学气相沉积、原子层淀积或电镀工艺于所述反射层内表面填充所述第一折射层；
5)去除所述深沟槽外多余的所述第一折射层。
如上所述，本发明的背照式cmos图像传感器及其形成方法，具有以下有益效果：本发明的背照式cmos图像传感器中深沟槽内依次形成有第二折射层、反射层及第一折射层；其中，第二折射层的折射率小于光电二极管所在介质层的折射率，利用全反射原理以减少光的折射；当然还会有少量的光通过第二折射层折射到临近的光电二极管区域，此部分的光利用反射原理，通过反射层的反射将光反射回第二折射层，从而将这部分光收集到光电二极管区域；因此，可提高光电转换效率。
附图说明
图1a显示为现有技术中的背照式cmos图像传感器的结构示意图。
图1b显示为现有技术中的背照式cmos图像传感器的光路图。
图2-图9显示为本发明中的背照式cmos图像传感器在形成过程中的结构示意图，其中：
图2显示为前端结构的结构示意图。
图3显示为形成深沟槽的结构示意图。
图4显示为形成第二折射层的结构示意图。
图5显示为形成反射层的结构示意图。
图6显示为去除深沟槽外多余的所述第二折射层及多余的所述反射层后的结构示意图。
图7显示为填充第一折射层后的结构示意图。
图8显示为去除深沟槽外多余的所述第一折射层后的结构示意图。
图9显示为本发明背照式cmos图像传感器的结构示意图。
图10显示为本发明中的背照式cmos图像传感器的光路图。
元件标号说明
1、100前端结构
2、101电路层
3、200介质层
4、201光电二极管
5折射层
202掩膜层
203第二折射层
204反射层
205第一折射层
6、206滤光层
7、207微透镜层
a、b光线
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2至图10。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
如图9所示，本实施例提供一种背照式cmos图像传感器，包括：前端结构100、深沟槽隔离结构及像素元件。
所述前端结构100包括介质层200及结合于所述介质层200的第一表面的电路层101，所述介质层200内具有光电二极管201，且所述介质层200还包括与所述第一表面相对的第二表面。
作为示例，所述介质层200的材料包括硅、氧化硅、氮化硅中的一种。
作为示例，所述第二折射层203的材料包括氧化硅。
由于当材料的折射率越高，使入射光发生折射的能力越强，光由相对光密介质射向相对光疏介质，且入射角大于临界角，即可发生全反射现象，因此，本实施例中所述介质层200的材料优选为价格低廉且具有折射率较高的硅(约为3.42)以作为光密介质，而采用折射率较低的氧化硅(约为1.55)作为光疏介质。
本实施例一中，所述介质层200还包括在其所述第二表面上沉积的掩膜层202，所述掩膜层202为氮化硅或者氧化硅，在本实施例一中，所述掩膜层202优选为氮化硅。通过所述掩膜窗口对所述介质层200进行蚀刻，以在所述介质层200中形成若干规则排列且相互平行的沟槽，如图3所示。
所述深沟槽隔离结构从所述介质层200的第二表面起始，并往所述介质层200的第一表面方向延伸；所述深沟槽隔离结构包括第一折射层205、包围所述第一折射层205底面与侧面的反射层204及包围所述反射层204底面及侧面的第二折射层203，所述第一折射层205、反射层204及第二折射层203的顶面均与所述介质层200的第二表面齐平，且所述第二折射层203的折射率小于所述介质层200的折射率。
本实施例中，所述深沟槽隔离结构从所述介质层200第二表面上的所述掩膜层202的表面起始，并往所述介质层200的第一表面方向延伸，并被所述介质层200所包围。作为示例，所述深沟槽隔离结构可与所述介质层200的第一表面具有一段距离，也可延伸至所述介质层200的第一表面。
作为示例，所述反射层204的材料包括铝、银中的一种或组合。本实施例中选用价格低廉的铝作为所述反射层204的材料。虽然第二折射层203的折射率小于所述光电二极管201所在的所述介质层200的折射率，光可从光密介质射向光疏介质，再利用全反射原理以减少光的折射，但依然还会有少量的光通过所述第二折射层203折射到临近的所述光电二极管201区域，此部分的光可通过所述反射层204将光反射回所述第二折射层203，从而将这部分光收集到所述光电二极管201区域，可提高光电转换效率。
作为示例，所述第一折射层205的材料包括硅、氧化硅中的一种或组合。本实施例中优选为价格低廉的硅作为所述第一折射层205的材料。
所述像素元件结合于所述介质层200的第二表面。
作为示例，所述像素元件包括滤光层206及微透镜层207。本实施例中，在所述介质层200第二面上的所述掩膜层202上形成所述滤光层206，所述滤光层206上具有若干滤光片(未图示)，每个滤光片只允许特定颜色的入射光通过，该步骤可以按照现有技术进行。
所述滤光层206上方具有所述微透镜层207，且所述滤光片上具有与其相应的微透镜，共同构成像素单元。
作为示例，所述微透镜层207可以是氧化物或有机材料，使用曝光和显影工艺对所述微透镜层207进行图形化；之后，使用回流工艺对图形化后的所述微透镜层207进行处理，以得到表面为凸面的透镜，所述透镜起到聚光作用，通过控制回流工艺中的温度能够实现控制凸面曲率半径，以获得较佳的聚光效果。
作为示例，所述像素元件与所述介质层之间还包括吸收层、抗反射层中的一种或组合。本领域技术人员可根据具体需求制备，此处不再赘述。
本发明提供的背照式cmos图像传感器，一方面，通过第二折射层的折射率小于介质层的折射率，从而利用全反射原理以减少光的折射；另一方面，通过反射层的反射将少量通过第二折射层折射的光反射回第二折射层，从而将这部分光收集到光电二极管区域，防止光串扰到临近的光电二极管区域；因此，可提高光电转换效率。
实施例二
本发明还提供一种背照式cmos图像传感器的形成方法，包括如下步骤：
s1：提供前端结构100，所述前端结构100包括介质层200及结合于所述介质层200的第一表面的电路层101，所述介质层200内具有光电二极管201，且所述介质层200还包括与所述第一表面相对的第二表面；
s2：在所述介质层200中形成深沟槽，所述深沟槽从所述介质层200的第二表面开口，并往所述介质层200的第一表面方向延伸；在所述深沟槽内依次形成第二折射层203、反射层204及第一折射层205，其中，所述反射层204包围所述第一折射层205的底面与侧面，所述第二折射层203包围所述反射层204的底面及侧面，所述第一折射层205、反射层204及第二折射层203的顶面均与所述介质层200的第二表面齐平，且所述第二折射层203的折射率小于所述介质层200的折射率；
s3：在所述介质层200的第二表面形成像素元件。
请参考图2-图9，显示为本发明中的背照式cmos图像传感器在形成过程中的结构示意图。其中，图2显示为所述前端结构100的结构示意图。作为示例，所述前端结构100的形成方法为本领域技术人员所熟知的内容，在此不再赘述。
作为示例，所述介质层200的材料包括硅、氧化硅、氮化硅中的一种。由于当材料的折射率越高，使入射光发生折射的能力越强，光由相对光密介质射向相对光疏介质，且入射角大于临界角，即可发生全反射现象，因此，本实施例中所述介质层200的材料优选为价格低廉且具有折射率较高的硅(约为3.42)以作为光密介质。
本实施例二中，所述介质层200还包括在其所述第二表面上沉积的掩膜层202，沉积所述掩膜层202的方法包括化学气相沉积或物理气相沉积，在本实施例二中，优选采用化学气相沉积。在所述掩膜层202上涂布光刻胶(未图示)并对其曝光、显影，而后对未覆盖光刻胶的部分掩膜层202进行蚀刻形成掩膜窗口，最后去胶。由于光刻、蚀刻工艺为本领域技术人员所熟知的内容，在此不再赘述。所述掩膜层202为氮化硅或者氧化硅，在本实施例二中，所述掩膜层202优选为氮化硅。通过所述掩膜窗口对所述介质层200进行蚀刻，以在所述介质层200中形成若干规则排列且相互平行的沟槽，如图3所示。所述蚀刻工艺为干法蚀刻，其中，所述干法蚀刻至少包括等离子体蚀刻或反应离子蚀刻，在本实施例二中，蚀刻所述介质层200采用反应离子蚀刻。
本实施例中，所述深沟槽隔离结构从所述介质层200第二表面上的所述掩膜层202的表面起始，并往所述介质层200的第一表面方向延伸，并被所述介质层200所包围。所述深沟槽隔离结构可与所述介质层200的第一表面具有一段距离，也可延伸至所述介质层200的第一表面。
作为示例，制备所述深沟槽隔离结构包括步骤：
1)采用物理气相沉积、化学气相沉积、等离子增强化学气相沉积、原子层淀积或电镀工艺于所述深沟槽内表面形成所述第二折射层203。如图4所示，显示为形成所述第二折射层203的结构示意图。
作为示例，所述第二折射层203的材料包括氧化硅。本实施例中，由于氧化硅折射率(约为1.55)低于所述介质层200的折射率，因此，优选氧化硅作为第二折射层203的材料，提供光疏介质。
2)采用化学气相沉积、等离子增强化学气相沉积、原子层淀积或电镀工艺于所述第二折射层203内表面形成所述反射层204。如图5所示，显示为形成所述反射层204的结构示意图。
作为示例，所述反射层204的材料包括铝、银中的一种或组合。本实施例中选用价格低廉的铝作为所述反射层204的材料。虽然第二折射层203的折射率小于所述光电二极管201所在的所述介质层200的折射率，光可从光密介质射向光疏介质，再利用全反射原理以减少光的折射，但依然还会有少量的光通过所述第二折射层203折射到临近的所述光电二极管201区域，此部分的光可通过所述反射层204将光反射回所述第二折射层203，从而将这部分光收集到所述光电二极管201区域，提高光电转换效率。
3)去除所述深沟槽外多余的所述第二折射层203及多余的所述反射层204。如图6所示，显示为去除所述深沟槽外多余的所述第二折射层203及多余的所述反射层204后的结构示意图。
本实施例中，采用机械研磨及清洗的方式，去除所述深沟槽外多余的所述第二折射层203及多余的所述反射层204，并以掩膜层202作为停止层，从而对所述介质层200及所述深沟槽隔离结构起到保护作用。
4)采用物理气相沉积、化学气相沉积、等离子增强化学气相沉积、原子层淀积或电镀工艺于所述反射层204内表面填充所述第一折射层205。如图7所示，显示为填充所述第一折射层205后的结构示意图。
作为示例，所述第一折射层205的材料包括硅、氧化硅中的一种或组合。本实施例中优选为价格低廉的硅作为所述第一折射层205的材料。
5)去除所述深沟槽外多余的所述第一折射层205。如图8所示，显示为去除所述深沟槽外多余的所述第一折射层205后的结构示意图。
本实施例中，采用机械研磨及清洗的方式，去除所述深沟槽外多余的所述第一折射层205，并以掩膜层202作为停止层，从而对所述介质层200及所述深沟槽隔离结构起到保护作用。
作为示例，所述像素元件包括滤光层206及微透镜层207。如图9所示，显示为本发明背照式cmos图像传感器的结构示意图。本实施例中，在所述介质层200第二面上的所述掩膜层202上形成所述滤光层206，所述滤光层206上具有若干滤光片(未图示)，每个滤光片只允许特定颜色的入射光通过，该步骤可以按照现有技术进行。
所述滤光层206上方具有所述微透镜层207，且所述滤光片上具有与其相应的微透镜，共同构成像素单元。
作为示例，所述微透镜层207可以是氧化物或有机材料，使用曝光和显影工艺对所述微透镜层207进行图形化；之后，使用回流工艺对图形化后的所述微透镜层207进行处理，以得到表面为凸面的透镜，所述透镜起到聚光作用，通过控制回流工艺中的温度能够实现控制凸面曲率半径，以获得较佳的聚光效果。
作为示例，所述像素元件与所述介质层200之间还包括吸收层、抗反射层中的一种或组合。本领域技术人员可根据具体需求制备，此处不再赘述。
请参考图1b及图10，对本发明的优势进行分析。图1b显示为现有技术中的背照式cmos图像传感器的光路图。入射光a，经介质层3在所述介质层3与折射层5表面发生全反射；入射光b，经介质层3在所述折射层5内发生折射，部分光经所述折射层5发生二次折射，使得该部分光线不能被光电二极管吸收。
图10显示为本发明中的背照式cmos图像传感器的光路图。以所述介质层200材质为硅、第二折射层203材质为氧化硅及反射层204材质为铝为例，入射光a，经介质层200在所述介质层200与第二折射层203表面发生全反射；入射光b，经介质层200在所述第二折射层203内发生折射，部分光在到达所述第二折射层203的底层临界面时不会发生二次折射，而是由反射层204反射回第二折射层203，而后返回所述介质层200中。提高了光电二极管201吸收光子的数量，从而使得量子转换效率得以提高。
本发明背照式cmos图像传感器的形成方法，提高了光电二极管吸收光子的数量，从而使得量子转换效率得以提高。
综上所述，本发明一种背照式cmos图像传感器及其形成方法，一方面，通过第二折射层的折射率小于介质层的折射率，从而利用全反射原理以减少光的折射；另一方面，通过反射层的反射将少量通过第二折射层折射的光反射回第二折射层，从而将这部分光收集到光电二极管区域，防止光串扰到临近的光电二极管区域；因此，提高了光电二极管吸收光子的数量，从而使得量子转换效率得以提高。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。