背照式图像传感器及其形成方法与流程

本发明涉及图像传感器，特别涉及一种背照式图像传感器及其形成方法。

背景技术：

半导体图像传感器被用于感测诸如光的辐射。互补金属氧化物半导体(cmos)图像传感器(cis)和电荷耦合器件(ccd)传感器被广泛用于应用于静态数码相机、照相手机、数码摄像机、医疗用摄像装置(例如胃镜)、车用摄像装置。这些设备利用衬底中的像素(可包括光电二极管(感光区)和晶体管)阵列来吸收投向衬底的辐射并且将所感测到的辐射转换为电信号。

背照式(bsi)图像传感器件是图像传感器件的一种类型。背照式(bsi)图像传感器件可用于检测来自衬底背侧的光。与前照式(fsi)图像传感器件相比，bsi图像传感器件具有更好的性能，尤其在低光照条件下。然而，现有制造背照式(bsi)图像传感器件的方法制作的背照式(bsi)图像传感器件仍存在缺陷，例如为了减小相邻像素的串扰，通常在半导体衬底的正面形成若干像素后，会在半导体衬底的背面形成金属格栅；然后在金属格栅上形成滤色器，这种制作工艺较为复杂，并且防串扰的效果有待提升。

技术实现要素：

本发明解决的问题是在达到较好的防串扰效果的同时，怎样简化背照式(bsi)图像传感器的制作。

为解决上述问题，本发明提供了一种背照式图像传感器的形成方法，包括：

提供半导体衬底，所述半导体衬底包括第一侧和与第一侧相对的第二侧，所述第一侧的半导体衬底中形成有若干分立的感光区，所述感光区适于感测从第二侧入射的光线；在所述半导体衬底的第二侧表面形成第一介质层；在部分数量的感光区上方的第一介质层表面对应形成透明滤色层；形成覆盖所述透明滤色层和第一介质层表面的吸光材料层；无掩膜刻蚀所述吸光材料层，在所述透明滤色层的侧壁表面形成不透光侧墙；在透明滤色层之间的第一介质层表面形成彩色滤色层。

可选的，所述吸光材料层的材料为无定形硅、炭黑或具有吸光特性的高分子材料。

可选的，相邻的感光区之间还形成有深沟槽隔离结构，所述不透光侧墙位于深沟槽隔离结构的上方。

可选的，相邻的感光区之间还形成有深沟槽隔离结构，且所述深沟槽隔离结构从半导体衬底的第二侧表面延伸到半导体衬底中，所述不透光侧墙位于深沟槽隔离结构的上方。

可选的，相邻的感光区之间还形成有深沟槽隔离结构，且所述深沟槽隔离结构从半导体衬底的第一侧表面延伸到半导体衬底中，所述不透光侧墙位于深沟槽隔离结构的上方，所述深沟槽隔离结构和不透光侧墙之间的第一介质层和半导体衬底中还形成有不透光隔离区。

可选的，所述不透光隔离区的形成过程包括：在形成第一介质层后，在所述第一介质层上形成掩膜层，所述掩膜层中具有暴露出深沟槽隔离结构上方的部分第一介质层表面的开口；沿开口刻蚀所述第一介质层和半导体衬底，形成沟槽，所述沟槽露出沟槽隔离结构的底部；在沟槽中填充满不透光材料，形成不透光隔离区。

可选的，所述不透光隔离区的形成过程包括：在形成第一介质层后，在所述第一介质层上形成掩膜层，所述掩膜层中具有暴露出深沟槽隔离结构上方的部分第一介质层表面的开口；沿开口对所述半导体衬底进行非晶化，形成不透光隔离区。

可选的，所述非晶化采用离子注入，所述离子注入采用的离子为硅离子、锗离子、碳离子或氮离子。

本发明还提供了一种背照式图像传感器，包括：

半导体衬底，所述半导体衬底包括第一侧和与第一侧相对的第二侧，所述第一侧的半导体衬底中具有若干分立的感光区，所述感光区适于感测从第二侧入射的光线；位于所述半导体衬底的第二侧表面的第一介质层；位于部分数量的感光区上方的第一介质层表面的透明滤色层；位于所述透明滤色层的侧壁表面的不透光侧墙，所述不透光侧墙的材料为吸光材料；位于透明滤色层之间的第一介质层表面的彩色滤色层。

可选的，所述吸光材料为无定形硅、炭黑或具有吸光特性的高分子材料。

可选的，相邻的感光区之间还形成有深沟槽隔离结构，且所述深沟槽隔离结构从半导体衬底的第二侧表面延伸到半导体衬底中，所述不透光侧墙位于深沟槽隔离结构的上方。

可选的，相邻的感光区之间还形成有深沟槽隔离结构，且所述深沟槽隔离结构从半导体衬底的第一侧表面延伸到半导体衬底中，所述不透光侧墙位于深沟槽隔离结构的上方，所述深沟槽隔离结构和不透光侧墙之间的第一介质层和半导体衬底中还形成有不透光隔离区。

可选的，所述不透光隔离区为通过在第一介质层和半导体衬底中形成的沟槽中填充不透光材料形成或者通过对所述半导体衬底进行非晶化形成。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明的背照式图像传感器及其形成方法，在半导体衬底的表面形成第一介质层后，形成覆盖所述透明滤色层和第一介质层表面的吸光材料层；无掩膜刻蚀所述吸光材料层，在所述透明滤色层的侧壁表面形成不透光侧墙，所述不透光侧墙用于吸收不必要的光线，防止相邻像素之间的串扰，本申请中形成吸光材料层时仅需要形成吸光材料层和无掩膜刻蚀吸光材料层的步骤，无需额外形成掩膜层，因而工艺简单，并且不透光侧墙的材料为吸光材料，当光线入射到不透光侧墙中时，使得光线被不透光侧墙吸收，从而防止光线入射或被反射到相邻的像素区，相对于现有的金属栅格，防止或减弱由于反射引起的串扰。

另外，不透光侧墙是位于透明滤色层的侧壁表面即与透明滤色层是位于同一层无需占据额外的厚度或高度空间形成不透光侧墙，有利于提高器件的集成度，并且由于透明滤色层本身的厚度(高度)较大，因而形成的不透光侧墙也会具有较大的厚度(高度)，相应的不透光侧墙的宽度可以较小，使得感光区的曝光面积增大(感光区的面积可以做得更大，从而可以接收更多的入射光)。

进一步，不透光侧墙的材料为无定形硅，由于无定形硅的晶格(晶粒)是无序的，当光线入射到无定形硅材料的不透光侧墙中时，光线在无序的晶粒间多次反射而被消耗，使得光线被不透光侧墙吸收，使得不透光侧墙的防止或减弱由于反射引起的串扰的效果较佳，并且不透光侧墙易于形成。进一步，所述深沟槽隔离结构和不透光侧墙之间的第一介质层和半导体衬底中还形成有不透光隔离区，因而不透光侧墙、不透光隔离区和深沟槽隔离结构构成连续的结构，能进一步或更好的防止入射光线传输到相邻的感光区中，从而进一步或更好的达到防串扰的效果。

附图说明

图1-7是本发明第一实施例背照式图像传感器形成过程的结构示意图；

图8-10是本发明第二实施例背照式图像传感器形成过程的结构示意图。

具体实施方式

如背景技术所言，背照式(bsi)图像传感器制作工艺较为复杂，并且防串扰的效果有待提升。

研究发现，现有在制作金属格栅时需要进行步骤：在半导体衬底的正面形成若干像素；在半导体衬底的背面形成介质层；在介质层上形成金属层；在金属层上形成图形化的掩膜层；以所述图形化的掩膜层为掩膜，刻蚀所述金属层，形成金属格栅，所述金属格栅位于相邻像素之间的介质层表面。前述形成金属格栅的工艺较为复杂。

并且，由于金属格栅是通过反射不需要的光线以避免相邻像素之间的串扰，反射时光线仍有可能反射到相邻的像素区，使得防串扰的效果仍有待提升。另外，为了达到防止串扰的作用，金属格栅需要满足一定的宽度和厚度要求，这就使得金属格栅占据较大的面积和体积不利于器件集成度的提升并使得感光区的曝光面积减小。

为此本发明提供了一种背照式图像传感器及其形成方法，在半导体衬底的表面形成第一介质层后，形成覆盖所述透明滤色层和第一介质层表面的吸光材料层；无掩膜刻蚀所述吸光材料层，在所述透明滤色层的侧壁表面形成不透光侧墙，所述不透光侧墙用于吸收不必要的光线，防止相邻像素之间的串扰，本申请中形成吸光材料层时仅需要形成吸光材料层和无掩膜刻蚀吸光材料层的步骤，无需额外形成掩膜层，因而工艺简单，并且不透光侧墙的材料为吸光材料，当光线入射到不透光侧墙中时，使得光线被不透光侧墙吸收，从而防止光线入射或被反射到相邻的像素区，相对于现有的金属栅格，防止或减弱由于反射引起的串扰。

另外，不透光侧墙是位于透明滤色层的侧壁表面即与透明滤色层是位于同一层无需占据额外的厚度或高度空间形成不透光侧墙，有利于提高器件的集成度，并且由于透明滤色层本身的厚度(高度)较大，因而形成的不透光侧墙也会具有较大的厚度(高度)，相应的不透光侧墙的宽度可以较小，使得感光区的曝光面积增大(感光区的面积可以做得更大，从而可以接收更多的入射光)。

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。在详述本发明实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明的保护范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

第一实施例

图1-7是本发明第一实施例背照式图像传感器形成过程的结构示意图。

参考图1，提供半导体衬底201，所述半导体衬底201包括第一侧21和与第一侧21相对的第二侧22，所述第一侧21的半导体衬底201中形成有若干分立的感光区202，所述感光区202适于感测从第二侧22入射的光线。

所述半导体衬底201材料可以为硅(si)、锗(ge)、或硅锗(gesi)、碳化硅(sic)；也可以是绝缘体上硅(soi)，绝缘体上锗(goi)；或者还可以为其它的材料，例如砷化镓等ⅲ-ⅴ族化合物。

所述半导体衬底201中掺杂有杂质离子，根据的图像传感器的像素结构的类型，选择不同类型的杂质离子，具体的，图像传感器的像素结构的类型为n型时，所述半导体衬底201中掺杂有p型杂质离子，所述p型杂质离子为硼离子、镓离子或铟离子中的一种或几种。

所述感光区202感测从第二侧22入射的光线产生光生载流子，所述感光区202通过离子注入形成，感光区202的掺杂类型与半导体衬底201的掺杂类相反，感光区202与半导体衬底201之间形成pn结构成光电二极管，比如当半导体衬底201掺杂有p型杂质离子时，所述感光区205掺杂有n型杂质离子。

每个感光区202为一个像素的一部分，在一实施例中，一个像素通常包含一个光电二极管和3个或4个mos晶体管，称为3t型或4t型。目前市场上大部分cmos图像传感器是4t型，4t型图像传感器包括：4个mos晶体管和1个光电二极管pd，所述4个mos晶体管分别为复位晶体管、放大晶体管、选择晶体管的和传输晶体管。4t型图传感器的像素单元的工作原理为：首先，在接收光照前，复位晶体管和传输晶体管导通，其他晶体管关断，对浮置扩散区和光电二极管进行复位；然后，所有晶体管关断，光电二极管接收光照，并且进行光电转换形成光生载流子；然后传输晶体管导通，其他晶体管关断，光生载流子自光电二极管转移到浮置扩散区；接着，放大晶体管和选择晶体管导通，光生载流子依次从浮置扩散区经过放大晶体管和选择晶体管输出，完成一次光信号的采集与传输。图1中仅示出了传输晶体管的栅极结构205作为示意，栅极结构205包括位于第一侧21的半导体衬底表面栅介质层和位于栅介质层上的栅电极，在一实施例中，可以通过沉积和刻蚀工艺在第一侧的半导体衬底表面形成栅极结构205(复位晶体管、放大晶体管、选择晶体管的栅极也可以同步形成)，然后在栅极结构205的一侧形成感光区202，在栅极结构205的另一侧形成浮置扩散区(图中未示出，复位晶体管、放大晶体管、选择晶体管对应的源漏区也可以同步形成)。

请继续参考图1，所述第一侧的半导体衬底201表面还可以形成介质层203，所述介质层203中形成有互连结构206。所述介质层203可以为单层或多层堆叠结构，介质层203的材料可以为氧化硅、低k或超低k介电材料，所述互连结构206用于连接第一侧的半导体衬底201上形成的器件，比如选择晶体管的栅极、浮置扩散区，复位晶体管、放大晶体管、选择晶体管的栅极和源漏区等，所述互连结构206可以包括插塞、金属互连线或者大马士革结构。

所述介质层203表面还键合有支撑基板207，所述支撑基板207适于保护半导体衬底201的第一侧形成的器件和结构，并在半导体衬底201的第二侧制作器件时作为支撑用。

在形成支撑基板207后，对半导体衬底201的第二侧进行减薄，去除部分厚度的半导体衬底。

所述相邻的感光区202之间还形成有深沟槽隔离结构204，所述深沟槽隔离结构204用于电学隔离和/或光学隔离相邻的感光区202，所述深沟槽隔离结构204可以为氮化物、氧化物、氮氧化物或者金属。

本实施例中，所述深沟槽隔离结构204从半导体衬底201的第二侧22表面延伸到半导体衬底中。在一实施例中所述深沟槽隔离结构204形成方法包括：在第一侧21的半导体衬底201表面形成相应的结构(支撑基板207)后，对半导体衬底201的第二侧22进行减薄；沿减薄后的第二侧22的半导体衬底表面刻蚀所述半导体衬底201，在所述半导体衬底201中形成若干沟槽；在沟槽中填充满隔离材料，形成若干深沟槽隔离结构204。

需要说明的是，第一侧21的半导体衬底201中的相邻感光区之间还可以形成浅沟槽隔离结构。

在其他实施例中，请参考图2，所述深沟槽隔离结构204从半导体衬底201的第一侧21表面延伸到半导体衬底中，所述深沟槽隔离结构204可以在感光区202形成之前或感光区202形成之后形成。在一实施例中，所述深沟槽隔离结构204的形成方法包括：沿第一侧的半导体衬底表面刻蚀所述半导体衬底，在所述半导体衬底中形成若干沟槽；在沟槽中填充满隔离材料，形成若干深沟槽隔离结构204。本实施例中，所述深沟槽隔离结构204的底部与半导体衬底201的第二侧22的表面未接触。需要说明的是，图2和图1的区别仅是深沟槽隔离结构204的位置和形成过程不相同，不影响后续第一介质层、第二介质层和不透光侧墙的形成工艺的进行。

参考图3和图4，图3是在图1的基础上进行，在所述半导体衬底201的第二侧22表面形成第一介质层208；在部分数量的感光区202上方的第一介质层208表面对应形成透明滤色层210。

所述第一介质层208用于后续形成滤色层与半导体衬底201之间的隔离，第一介质层208的材料可以为氧化硅。

在一实施例中，所述透明滤色层210的形成过程为：在所述第一介质层208上形成透明材料层209；在所述透明材料层209表面形成图形化的掩膜层(硬掩膜层，材料为氮化硅、氮化钛等)；以图形化的掩膜层为掩膜，刻蚀所述透明材料层209，形成若干透明滤色层210，若干透明滤色层210相应的覆盖在部分数量的感光区202上的第一介质层208。

所述透明滤色层210的材料为透明的材料，可以为透明的氧化物、氮化物或氮氧化物，具体可以为透明的氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。在一实施例中，所述透明滤色层210的厚度为3000埃-20000埃，使得后续透明滤色层210侧壁表面形成的不透光侧墙的高度能较高，不透光侧墙的宽度相应的可以较小，使得感光区的曝光面积增大(感光区的面积可以做得更大，从而可以接收更多的入射光)。

在一实施例中，若干所述透明滤色层210交替的覆盖感光区202上的第一介质层208，透明滤色层210的宽度大于对应的感光区202的宽度。在其他实施例中，可以采用其他的覆盖方式。

参考图5，形成覆盖所述透明滤色层210和第一介质层208表面的吸光材料层219。

所述吸光材料层219用于形成不透光侧墙，本实施例中，所述吸光材料层219的材料为无定形硅，吸光材料层219的形成工艺可以为物理气相沉积或化学气相沉积，在一实施例中，吸光材料层219的厚度为60nm-200nm。

在其他实施例中，所述吸光材料层219的材料可以为炭黑或具有吸光特性的高分子材料。

参考图6，无掩膜刻蚀所述吸光材料层219(参考图5)，在所述透明滤色层210的侧壁表面以及第一介质层表面形成不透光侧墙211。

在一实施例中，所述形成的不透光侧墙211的宽度为50nm～200nm，形成的不透光侧墙211相应的位于深沟槽隔离结构204上方，可以为正上方或斜上方，即不透光侧墙211和深沟槽隔离结构204在半导体衬底上的投影至少有部分重叠。

本申请中，通过沉积和无掩膜刻蚀在透明滤色层210的侧壁表面形成不透光侧墙211，不透光侧墙的材料为吸光材料，当光线入射到不透光侧墙中时，使得光线被不透光侧墙吸收，从而防止光线入射或被反射到相邻的像素区，相对于现有的金属栅格，防止或减弱由于反射引起的串扰，并且形成不透光侧墙211，不透光侧墙的材料为吸光材料，当光线入射到无定形硅材料的不透光侧墙中时无需额外形成掩膜层，因而形成不透光侧墙211的形成工艺简单。

并且，不透光侧墙211的材料为无定形硅，由于无定形硅的晶格(晶粒)是无序的，当光线入射到无定形硅材料的不透光侧墙中时，光线在无序的晶粒间多次反射而被消耗，使得不透光侧墙的防止或减弱由于反射引起的串扰的效果较佳，并且不透光侧墙易于形成。

并且，由于不透光侧墙211是位于透明滤色层210的侧壁表面即与透明滤色层210是位于同一层无需占据额外的厚度或高度空间形成不透光侧墙211，有利于提高器件的集成度，并且由于透明滤色层本身的厚度(高度)较大(3000埃～20000埃)，因而形成的不透光侧墙211也会具有较大的厚度(高度)，相应的不透光侧墙的宽度可以较小(60nm-200nm)，使得感光区202的曝光面积增大(感光区的面积可以做得更大，从而可以接收更多的入射光)。

参考图7，在透明滤色层210之间的第一介质层208表面形成彩色滤色层212。

所述彩色滤色层212为红色滤色层、绿色滤色层或蓝色滤色层中的一种，可以根据实际需要选择彩色滤色层的种类。所述彩色滤色层212填充不透光侧墙211之间的空间，并覆盖不透光侧墙211的侧壁表面。

第二实施例

图8-10是本发明第二实施例背照式图像传感器形成过程的结构示意图，图8是在图2的基础上进行。本实施例与前述实施例的区别在于，所述深沟槽隔离结构204和不透光侧墙211之间的第一介质层208和半导体衬底201中还形成有不透光隔离区220，因而不透光侧墙211、不透光隔离区220和深沟槽隔离结构204构成连续的结构(参考图10)，能进一步或更好的防止入射光线传输到相邻的感光区202中，从而进一步或更好的达到防串扰的效果。

参考图8，在半导体衬底201的第二侧22表面形成第一介质层208；在形成第一介质层208后，在所述第一介质层208上形成掩膜层(图中未示出)，所述掩膜层中具有暴露出深沟槽隔离结构204上方的部分第一介质层208表面的开口；沿开口刻蚀所述第一介质层208和半导体衬底201，形成沟槽，所述沟槽露出深沟槽隔离结构204的底部；在沟槽中填充满不透光材料，平坦化(比如化学机械研磨工艺)去除第一介质层表面的不透光材料，形成不透光隔离区220，不透光隔离区220位于深沟槽隔离结构204上方，可以为正上方或斜上方，即不透光隔离区220和深沟槽隔离结构204在半导体衬底上的投影至少有部分重叠。

在一实施例中，所述不透光材料为金属，所述金属可以为铜、铝、钴或镍，不透光隔离区220材料为金属时，所述不透光隔离区220通过反射光线防止光线传输到相邻的像素带来串扰。

在另一实施例中，所述不透光隔离区的形成过程包括：在形成第一介质层后，在所述第一介质层上形成掩膜层，所述掩膜层中具有暴露出深沟槽隔离结构上方的部分第一介质层表面的开口；沿开口对所述半导体衬底进行非晶化，形成不透光隔离区。

所述非晶化采用离子注入，所述离子注入采用的离子为硅离子、锗离子、碳离子或氮离子。

通过非晶化使得半导体衬底的晶格变成非晶硅，非晶硅的晶格或晶粒是无序的，使得入射的光线被无序的晶格或晶粒多次反射而被消耗，因而形成的不透光隔离区通过吸收光线防止光线传输到相邻的像素带来串扰。

参考图9和图10，在所述不透光隔离区220和第一介质层208表面形成透明材料层209；在所述透明材料层209表面形成图形化的掩膜层；以图形化的掩膜层为掩膜，刻蚀所述透明材料层209，形成若干透明滤色层210，若干透明滤色层210相应的覆盖在部分数量的感光区202上的第一介质层208，且透明滤色层210不覆盖不透光隔离区220的表面或者仅覆盖部分不透光隔离区220的表面；形成覆盖所述透明滤色层210、不透光隔离区220和第一介质层208表面的吸光材料层；无掩膜刻蚀所述吸光材料层，在所述透明滤色层210的侧壁表面以及不透光隔离区220形成不透光侧墙211，不透光侧墙211位于深沟槽隔离结构204和不透光隔离区220的上方；在相邻的透明滤色层210之间形成彩色滤色层212。

本发明实施例还提供了一种背照式图像传感器，请参考图7、图10，包括：

半导体衬底201，所述半导体衬底201包括第一侧21和与第一侧21相对的第二侧22，所述第一侧21的半导体衬底201中具有若干分立的感光区202，所述感光区202适于感测从第二侧22入射的光线；

位于所述半导体衬底201的第二侧22表面的第一介质层208；

位于部分数量的感光区202上方的第一介质层208表面的透明滤色层210；

位于所述透明滤色层210的侧壁表面的不透光侧墙211，所述不透光侧墙211的材料为吸光材料；

位于透明滤色层210之间的第一介质层208表面的彩色滤色层212。

在一实施例中，所述吸光材料为无定形硅、炭黑或具有吸光特性的高分子材料。

参考图7，相邻的感光区202之间还形成有深沟槽隔离结构204，且所述深沟槽隔离结构204从半导体衬底201的第二侧22表面延伸到半导体衬底中，所述不透光侧墙211位于深沟槽隔离结构204的上方。

参考图10，相邻的感光区202之间还形成有深沟槽隔离结构204，且所述深沟槽隔离结构204从半导体衬底的第一侧21表面延伸到半导体衬底中，所述不透光侧墙211位于深沟槽隔离结构204的上方，所述深沟槽隔离结构204和不透光侧墙211之间的第一介质层和半导体衬底中还形成有不透光隔离区220。

所述不透光隔离区220为通过在第一介质层和半导体衬底中形成的沟槽中填充不透光材料形成或者通过对所述半导体衬底进行非晶化形成。

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。