一種高靈敏度圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)及制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種高靈敏度圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)及制作方法，像素結(jié)構(gòu)包括硅基底，所述硅基底中設(shè)有多個(gè)感光器件，相鄰的感光器件之間設(shè)有淺槽隔離槽，所述多個(gè)感光器件的上方和下方分別設(shè)有正面平坦層和背面平坦層，所述正面平坦層的上面形成正面介質(zhì)淺槽，所述背面平坦層的下面依次形成背面窄槽和背面寬槽，所述背面窄槽中設(shè)有多個(gè)背面微透鏡，每個(gè)背面微透鏡對(duì)應(yīng)一個(gè)感光器件。能有效的提高入射光的吸收效率，改善圖像傳感器的靈敏度和圖像性能。
【專利說(shuō)明】一種高靈敏度圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)及制作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種圖像傳感器，尤其涉及一種高靈敏度圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)及制作 方法。

【背景技術(shù)】
[0002] CMOS (互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體）圖像傳感器被廣泛地應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、移動(dòng)手 機(jī)、兒童玩具、醫(yī)療器械、汽車電子、安防及其航空航天等諸多領(lǐng)域。CMOS圖像傳感器的廣泛 應(yīng)用驅(qū)使其尺寸向越來(lái)越小的方向發(fā)展。然而隨著像素（Pixel)尺寸的縮小，光線吸收效 率的降低使得感光二極管（Photodiode)的靈敏度（Sensitivity)下降，導(dǎo)致圖像質(zhì)量很大 程度的惡化，因此提高CMOS圖像傳感器，尤其是小尺寸（pixel尺寸小于1. 4um)圖像傳感 器的感光靈敏度成為現(xiàn)有CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)的難點(diǎn)之一。
[0003] 現(xiàn)有CMOS圖像傳感器，如圖1所示，包括硅基底100,相鄰的三個(gè)感光器件1021? 1023,淺槽隔離槽101，正面的金屬互連線104?106,正面金屬互連線介質(zhì)層103,平坦層 107,正面彩色濾光片1081?1083,正面微透鏡1091?1093,同時(shí)圖1給出了一束入射光 線110,當(dāng)入射光110經(jīng)過(guò)微透鏡1091匯聚，依次穿過(guò)彩色濾光片1081、平坦層107和正面 介質(zhì)層103到達(dá)感光器件1021。圖1所示現(xiàn)有圖像傳感器所存在的不足之處有兩點(diǎn)，一是 現(xiàn)有圖像傳感器介質(zhì)層103相對(duì)較厚，當(dāng)入射光110經(jīng)過(guò)介質(zhì)層103時(shí)會(huì)有損失，103越厚， 入射光損失越嚴(yán)重。第二點(diǎn)不足之處是對(duì)于波長(zhǎng)較長(zhǎng)的入射光，如紅色光會(huì)穿過(guò)感光二極 管1021而造成入射光吸收率下降?，F(xiàn)有圖像傳感器以上兩點(diǎn)不足均會(huì)導(dǎo)致感光二極管的 靈敏度下降而造成圖像質(zhì)量惡化。因此，提高入射光的吸收率對(duì)高性能圖像傳感器，尤其是 對(duì)小尺寸（Pixel尺寸小于1.4um)圖像傳感器的尤為重要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種能提高入射光吸收率和感光靈敏度的高靈敏度圖像傳 感器像素結(jié)構(gòu)及制作方法。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0006] 本發(fā)明的高靈敏度圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，包括硅基底，所述硅基底中設(shè)有多個(gè)感 光器件，相鄰的感光器件之間設(shè)有淺槽隔離槽，所述多個(gè)感光器件的上方和下方分別設(shè)有 正面平坦層和背面平坦層，所述正面平坦層的上面形成正面介質(zhì)淺槽，所述背面平坦層的 下面依次形成背面窄槽和背面寬槽，所述背面窄槽中設(shè)有多個(gè)背面微透鏡，每個(gè)背面微透 鏡對(duì)應(yīng)一個(gè)感光器件。
[0007] 本發(fā)明的上述的高靈敏度圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)的制作方法，所述感光器件上面形 成正面介質(zhì)淺槽的方法包括步驟：
[0008] A.旋涂光刻膠；
[0009] B.曝光并顯影，去除像素陣列區(qū)域上面的光刻膠；
[0010] C.進(jìn)一步的，采用刻蝕工藝去除像素陣列上面無(wú)光刻膠區(qū)域的部分介質(zhì)層，形成 正面介質(zhì)淺槽；
[0011] D.清洗光刻膠，將所有光刻膠去除；
[0012] E.在減薄介質(zhì)層上面制作平坦層；
[0013] F.在平坦層上制作彩色濾光片；
[0014] G.在濾光片上面制作微透鏡。
[0015] 由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例提供的高靈敏度圖像傳感 器像素結(jié)構(gòu)及制作方法，由于感光器件上面的正面介質(zhì)淺槽縮短了入射光到達(dá)感光器件的 距離，因此入射光的吸收效率得以提高；同時(shí)，由于感光器件下面的背面微透鏡得存在，當(dāng) 長(zhǎng)波入射光穿過(guò)感光器件后被背面微透鏡進(jìn)一步匯聚返回至感光器件從而提高了入射光 的吸收效率，因此，本發(fā)明提供的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)有效的提高了入射光的吸收效率，從 而改善了圖像傳感器的靈敏度和圖像性能。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的高靈敏度圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0018] 圖3?圖13為本發(fā)明實(shí)施例二中高靈敏度圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)制作方法的流程 示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0020] 本發(fā)明的高靈敏度圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其較佳的【具體實(shí)施方式】是：
[0021] 包括硅基底，所述硅基底中設(shè)有多個(gè)感光器件，相鄰的感光器件之間設(shè)有淺槽隔 離槽，所述多個(gè)感光器件的上方和下方分別設(shè)有正面平坦層和背面平坦層，所述正面平坦 層的上面形成正面介質(zhì)淺槽，所述背面平坦層的下面依次形成背面窄槽和背面寬槽，所述 背面窄槽中設(shè)有多個(gè)背面微透鏡，每個(gè)背面微透鏡對(duì)應(yīng)一個(gè)感光器件。
[0022] 所述正面介質(zhì)淺槽的深度為1?2um，所述背面寬槽的深度為100?300um，所述 背面窄槽的深度為20?50um。
[0023] 所述背面窄槽位于所述背面寬槽內(nèi)，所述背面窄槽邊緣距離所述背面寬槽的邊緣 2 ?5um〇
[0024] 所述背面平坦層位于所述背面窄槽內(nèi)，所述背面平坦層的厚度為0. 5?lum。
[0025] 所述背面微透鏡位于所述背面平坦層的下面。
[0026] 本發(fā)明的上述的高靈敏度圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)的制作方法，其較佳的具體實(shí)施方 式是：
[0027] 所述感光器件上面形成正面介質(zhì)淺槽的方法包括步驟：
[0028] A.旋涂光刻膠；
[0029] B.曝光并顯影，去除像素陣列區(qū)域上面的光刻膠；
[0030] C.進(jìn)一步的，采用刻蝕工藝去除像素陣列上面無(wú)光刻膠區(qū)域的部分介質(zhì)層，形成 正面介質(zhì)淺槽；
[0031] D.清洗光刻膠，將所有光刻膠去除；
[0032] E.在減薄介質(zhì)層上面制作平坦層；
[0033] F.在平坦層上制作彩色濾光片；
[0034] G.在濾光片上面制作微透鏡。
[0035] 所述感光器件下面形成背面寬槽、背面窄槽以及背面微透鏡方法包括步驟：
[0036] A1.對(duì)感光器件背面的襯底進(jìn)行CMP和濕法腐蝕；
[0037] B1.在減薄后的背面襯底旋涂光刻膠；
[0038] C1.曝光并顯影，去除像素陣列區(qū)域上面的光刻膠；
[0039] D1.進(jìn)一步的，采用刻蝕工藝去除像素陣列上面無(wú)光刻膠區(qū)域的部分硅襯底，形成 背面寬槽；
[0040] E1.清洗光刻膠，將所有光刻膠去除；
[0041] F1.進(jìn)一步的，在減薄后的襯底上旋涂光刻膠；
[0042] G1.曝光并顯影，去除距離寬槽邊緣2?5um以內(nèi)的光刻膠；
[0043] H.采用刻蝕工藝去除無(wú)光刻膠區(qū)域的部分襯底硅，形成背面窄槽；
[0044] I.清洗光刻膠，將所有光刻膠去除；
[0045] J.在窄槽內(nèi)制作背面平坦層；
[0046] K.在背面平坦層上面制作背面微透鏡；
[0047] L.在背面微透鏡上面加載玻璃遮擋層；
[0048] M.在玻璃遮擋層上淀積介質(zhì)層直至填滿背面寬槽；
[0049] N.采用化學(xué)機(jī)械研磨和濕法腐蝕，對(duì)這個(gè)背面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨。
[0050] 本發(fā)明的高靈敏度圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)及制作方法，由于感光器件上面的正面介 質(zhì)淺槽縮短了入射光到達(dá)感光器件的距離，因此入射光的吸收效率得以提高。同時(shí)，由于感 光器件下面的背面微透鏡得存在，當(dāng)長(zhǎng)波入射光穿過(guò)感光器件后被背面微透鏡進(jìn)一步匯聚 返回至感光器件從而提高了入射光的吸收效率，因此，本發(fā)明提供的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu) 有效的提高了入射光的吸收效率，從而改善了圖像傳感器的靈敏度和圖像性能。能提高入 射光吸收率和感光靈敏度。
[0051] 具體實(shí)施例：
[0052] 實(shí)施例一：
[0053] 如圖2所示，本實(shí)施例的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)包括：硅基底310,相鄰的三個(gè)感光 器件3121?3123,淺槽隔離槽311，正面的金屬互連線321?323,正面金屬互連線介質(zhì)層 320,正面介質(zhì)淺槽330,正面平坦層340,正面彩色濾光片3501?3503,正面微透鏡3601? 3603,背面寬槽3701，背面窄槽3702,背面平坦層380,背面微透鏡3811?3813,背面玻璃 載體382,背面介質(zhì)層383,同時(shí)圖2給出了一組入射光線390。其中，正面介質(zhì)淺槽330位 于像素陣列上方，其深度為1?2um，當(dāng)入射光390通過(guò)正面微透鏡3601匯聚到感光器件 表面的距離縮短了，因此感光器件的靈敏度得以提高。背面寬槽3701覆蓋整個(gè)像素陣列， 其深度約為1〇〇?300um，背面窄槽3702位于背面窄槽3701內(nèi)，3702邊緣距離3701約為 2?5um，3702深度約為20?50um。背面玻璃載體382覆蓋3702,用以保護(hù)背面窄槽3702 內(nèi)的背面微透鏡3811。背面介質(zhì)層383淀積在玻璃載體上面并填充整個(gè)背面寬槽3701，其 目的在于是背面硅表面處于同一平面。由于背面微透鏡3811的制作，當(dāng)長(zhǎng)波入射光穿過(guò)感 光器件后被背面透鏡進(jìn)一步匯聚返回至感光器件從而提高了入射光的吸收效率，因此，本 發(fā)明提供的圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)有效的提高了入射光的吸收效率，從而改善了圖像傳感器 的靈敏度和圖像性能。
[0054] 實(shí)施例二：
[0055] 圖3至圖13詳細(xì)表征了本發(fā)明高靈敏度圖像傳感器像素的制作工藝流程之一。
[0056] 圖3示出的是制作本發(fā)明圖像傳感器的基底210,按照傳統(tǒng)的集成電路經(jīng)過(guò)光刻、 刻蝕等工藝步驟后形成用于隔離器件的淺槽隔離槽（STI)211，其深度約為0. 3um-0. 5um。 通過(guò)光刻、注入等工藝形成像素陣列，2121?2123分別代表紅色、綠色和藍(lán)色三種像素。
[0057] 圖4示出的是基于圖3的進(jìn)一步制作工藝，當(dāng)器件和電路在基底210上面形成后， 需要通過(guò)金屬連線221?223把信號(hào)源引致表面端口，金屬連線間需要淀積介質(zhì)層220用 以隔離金屬。
[0058] 圖5示出的是基于圖4的進(jìn)一步制作工藝，在圖4的基礎(chǔ)上通過(guò)光刻、刻蝕等工 藝將像素區(qū)頂部的部分介質(zhì)去掉形成正面介質(zhì)淺槽230,所述正面介質(zhì)淺槽230的深度為 l_2um〇
[0059] 圖6示出的是基于圖5的進(jìn)一步制作工藝，通過(guò)淀積、光刻、刻蝕等工藝在正面介 質(zhì)淺槽230內(nèi)形成平坦層240,所述平坦層的厚度約為0. 5?lum。
[0060] 圖7示出的是基于圖6的進(jìn)一步制作工藝，在平坦層240上形成彩色濾光層 2501?2503,分別代表紅色、綠色和藍(lán)色。
[0061] 圖8示出的是基于圖7,進(jìn)一步的在彩色濾光層2501?2503上形成微透鏡2601? 2603。
[0062] 圖9示出的是基于圖8的進(jìn)一步制作工藝，首先，將襯底硅材料的厚度（一般來(lái) 說(shuō)，傳統(tǒng)集成電路上所用的直徑為8英寸的襯底硅的厚度約為730um)減薄400?600um，其 次，如圖9所示，通過(guò)光刻、刻蝕等工藝將感光器件上面的硅基底打開(kāi)，形成背面寬槽2701， 所述背面寬槽2701的深度約為100?300um，進(jìn)一步的，在寬槽內(nèi)，距離寬槽2701邊緣約 2?5um處，通過(guò)光刻、刻蝕等工藝形成背面窄槽2702,所述背面窄槽2702的深度約為20? 50um〇
[0063] 進(jìn)一步的，如圖10所示，在背面窄槽2702內(nèi)形成背面平坦層280,所述背面平坦層 280的厚度約為0. 5?lum。
[0064] 進(jìn)一步的，如圖11所示，在背面平坦層280上面形成背面微透鏡2811?2813。
[0065] 如圖12所示，為了保護(hù)背面微透鏡2811?2813,進(jìn)一步的，在所述背面微透鏡上 面嵌入玻璃載體282,所述玻璃載體的厚度約為50?200um。
[0066] 圖13示出的是基于圖12的進(jìn)一步工藝，為了得到平整的硅基底底面，通過(guò)淀積工 藝，將介質(zhì)材料283填充至玻璃載體282上面的寬槽2701，在通過(guò)化學(xué)機(jī)械研磨、腐蝕等工 藝得到平整的基底底面。
[0067] 以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范 圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1. 一種高靈敏度圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，包括硅基底，所述硅基底中設(shè)有多個(gè)感光器件， 相鄰的感光器件之間設(shè)有淺槽隔離槽，所述多個(gè)感光器件的上方和下方分別設(shè)有正面平坦 層和背面平坦層，其特征在于，所述正面平坦層的上面形成正面介質(zhì)淺槽，所述背面平坦層 的下面依次形成背面窄槽和背面寬槽，所述背面窄槽中設(shè)有多個(gè)背面微透鏡，每個(gè)背面微 透鏡對(duì)應(yīng)一個(gè)感光器件。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述正面介質(zhì) 淺槽的深度為1?2um，所述背面寬槽的深度為100?300um，所述背面窄槽的深度為20? 50um〇
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高靈敏度圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述背面窄槽 位于所述背面寬槽內(nèi)，所述背面窄槽邊緣距離所述背面寬槽的邊緣2?5um。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高靈敏度圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述背面平坦 層位于所述背面窄槽內(nèi)，所述背面平坦層的厚度為〇. 5?lum。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的高靈敏度圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述背面微透 鏡位于所述背面平坦層的下面。
6. -種權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的高靈敏度圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)的制作方法，其特 征在于，所述感光器件上面形成正面介質(zhì)淺槽的方法包括步驟 ： A. 旋涂光刻膠； B. 曝光并顯影，去除像素陣列區(qū)域上面的光刻膠； C. 進(jìn)一步的，采用刻蝕工藝去除像素陣列上面無(wú)光刻膠區(qū)域的部分介質(zhì)層，形成正面 介質(zhì)淺槽； D. 清洗光刻膠，將所有光刻膠去除； E. 在減薄介質(zhì)層上面制作平坦層； F. 在平坦層上制作彩色濾光片； G. 在濾光片上面制作微透鏡。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的高靈敏度圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所 述感光器件下面形成背面寬槽、背面窄槽以及背面微透鏡方法包括步驟： A1.對(duì)感光器件背面的襯底進(jìn)行CMP和濕法腐蝕； B1.在減薄后的背面襯底旋涂光刻膠； C1.曝光并顯影，去除像素陣列區(qū)域上面的光刻膠； D1.進(jìn)一步的，采用刻蝕工藝去除像素陣列上面無(wú)光刻膠區(qū)域的部分硅襯底，形成背面 寬槽； E1.清洗光刻膠，將所有光刻膠去除； F1.進(jìn)一步的，在減薄后的襯底上旋涂光刻膠； G1.曝光并顯影，去除距離寬槽邊緣2?5um以內(nèi)的光刻膠； H. 采用刻蝕工藝去除無(wú)光刻膠區(qū)域的部分襯底硅，形成背面窄槽； I. 清洗光刻膠，將所有光刻膠去除； J. 在窄槽內(nèi)制作背面平坦層； K. 在背面平坦層上面制作背面微透鏡； L. 在背面微透鏡上面加載玻璃遮擋層； Μ.在玻璃遮擋層上淀積介質(zhì)層直至填滿背面寬槽； Ν.采用化學(xué)機(jī)械研磨和濕法腐蝕，對(duì)這個(gè)背面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨。
【文檔編號(hào)】H01L21/77GK104157662SQ201410406693
【公開(kāi)日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月18日
【發(fā)明者】陳多金, 曠章曲, 陳杰, 劉志碧 申請(qǐng)人:北京思比科微電子技術(shù)股份有限公司