背照式CMOS图像传感器及其制作方法与流程

本发明涉及图像传感器领域，尤其涉及一种背照式cmos图像传感器及其制作方法。

背景技术：

集成电路技术使计算机、控制系统、通讯和图像等许多领域发生了巨大的变化。在图像领域中，图像传感器是组成数字摄像头的重要组成部分。图像传感器按照感光元件与感光原理的不同，可分为ccd(chargecoupleddevice，电荷耦合元件)图像传感器与cmos(complementarymetaloxidesemiconductor，互补金属-氧化物-半导体)图像传感器。与ccd图像传感器相比，cmos图像传感器能够更好地满足用户对各种应用中图像传感器不断提升的品质要求，如更加灵活的图像捕获、更高的灵敏度、更宽的动态范围、更高的分辨率、更低的功耗以及更加优良的系统集成等。

一般的，cmos图像传感器按照结构分为前照式图像传感器和背照式图像传感器。在前照式cmos图像传感器中，光从传感器的正面入射，穿过层间介质层和互连层，最终落到像素单元中光电二极管上，光路径中的额外的层(例如不透明层和反射金属层)会限制光电二极管所吸收的光量，由此降低了量子效率。相反，背照式cmos图像传感器中光从传感器的背面入射，无需穿过层间介质层和互连层即射向像素单元中的光电二极管，这样使得光线更加直接的进入光电二极管，减少了光线损失，在同一单位时间内，单个像素单元能获取的光能量更大，对画质有明显的提升。然而，申请人研究发现，传统的背照式cmos图像传感器的光电转换效率仍不够理想，量子效率偏低。

技术实现要素：

本发明的技术目的在于，提高背照式cmos图像传感器的量子效率。

为了实现上述目的，本发明的技术方案提出了一种背照式cmos图像传感器，并且提出了这种背照式cmos图像传感器的制作方法。

本发明的技术方案提出一种背照式cmos图像传感器，包括：

第一衬底，具有正面和背面，所述第一衬底的正面上形成有多个像素单元，所述第一衬底的背面上形成有多个凹槽，所述凹槽至少具有一个相对于所述第一衬底的背面倾斜的侧壁；以及

第二衬底，与所述第一衬底在第一衬底的正面方向上键合。

可选的，所述背照式cmos图像传感器还包括形成于所述第一衬底的正面的层间介质层以及互连层，所述层间介质层覆盖所述第一衬底的正面，所述互连层形成于所述层间介质层中。

可选的，所述背照式cmos图像传感器还包括依次形成于所述第一衬底的背面的平坦化层、滤色层以及透镜层，所述平坦化层覆盖所述第一衬底的背面并填充所述凹槽，所述滤色层包括多个滤色单元，所述透镜层包括多个微透镜，所述滤色单元、所述微透镜与所述像素单元在垂直于所述第一衬底背面的方向上一一对应。

可选的，所述第一衬底上形成有第一键合层，所述第二衬底上形成有第二键合层，所述第一衬底和第二衬底通过所述第一键合层和第二键合层实现键合。

可选的，所述凹槽在垂直于第一衬底背面方向的截面形状为v形、w形或梯形中的一种或其任意组合，所述凹槽平行于第一衬底背面方向的截面形状为圆形、椭圆形、十字形、多边形的一种或其任意组合。

可选的，所述凹槽在第一衬底的背面上均匀分布且多个所述凹槽的尺寸相同。

可选的，在第一衬底的背面上对应于每个像素单元的位置分布有一个或多个所述凹槽。

本发明技术方案还提出一种背照式cmos图像传感器的制作方法，具体是这样实现的：

提供一第一衬底和一第二衬底，所述第一衬底具有正面和背面，所述第一衬底的正面上形成有多个像素单元；

将所述第一衬底在正面方向上与所述第二衬底键合；以及

在所述第一衬底的背面上形成若干凹槽，所述凹槽至少具有一个相对于所述第一衬底的背面倾斜的侧壁。

可选的，在所述第一衬底的背面上形成若干凹槽之前，对所述第一衬底的背面进行减薄处理。

可选的，采用干法刻蚀或湿法刻蚀工艺在所述第一衬底的背面上形成若干凹槽。

可选的，在所述第一衬底的背面上形成若干凹槽之后，还在所述第一衬底的背面上依次形成平坦化层、滤色层以及透镜层，所述平坦化层覆盖所述第一衬底的背面并填充所述凹槽，所述滤色层包括多个滤色单元，所述透镜层包括多个微透镜，所述滤色单元、所述微透镜与所述像素单元在垂直于所述第一衬底背面的方向一一对应。

由上述技术方案可见，本发明提出了一种背照式cmos图像传感器及其制作方法，所述背照式cmos图像传感器的第一衬底具有正面和背面，在正面上形成有多个像素单元，第一衬底在正面方向上与第二衬底键合，并且在所述第一衬底的背面上形成有多个凹槽，所述凹槽至少具有一个相对于所述第一衬底的背面倾斜的侧壁。当入射光线进入到所述凹槽时，经一次或多次反射，进入像素单元，与平坦的背面相比，引入凹槽的结构可以增加光入射表面的面积，并且凹槽在一定程度上增加了光线在第一衬底背面的反射次数，减少了光反射损耗，因而增加了入射光量。相对于传统的背照式cmos图像传感器，量子效率得到提高。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的背照式cmos图像传感器的剖面示意图。

图2a至图2c是本发明一实施例提供的背照式cmos图像传感器的三种凹槽剖面示意图。

图3a和图3b是本发明一实施例提供的背照式cmos图像传感器的光入射表面的两种俯视示意图。

图4a至图4d是本发明一实施例提供的背照式cmos图像传感器制作过程中的剖面示意图。

附图标记说明：

10-第一衬底；20-第二衬底；10a-第一衬底的正面；10b-第一衬底的背面；11-凹槽；12-浅沟槽隔离结构；13-层间介质层；14-互连层；15-平坦化层；16-滤镜层；17-透镜层；101-第一键合层；201-第二键合层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

在说明书和权利要求书中的术语“第一”“第二”等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换，例如可使得本文所述的本发明实施例能够不同于本文所述的或所示的其他顺序来操作。类似的，如果本文所述的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些所述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其他步骤可被添加到该方法。图中本发明的实施例的构件若与其他图标中的构件相同，虽然在所有图中都可轻易辨认出这些构件，但为了使图标的说明更为清楚，本说明书不会将所有相同的构件的标号标于每一图中。

背照式cmos图像传感器的量子效率(quantumefficiency)通常指的是所生成的电子的数量与轰击传感器屏幕的光子数量的比值。申请人研究发现，对于背照式cmos图像传感器，由于入射光在到达光电转换元件之前会在衬底的背面反射掉一部分，这部分反射会影响了背照式cmos图像传感器的光电转换效率，导致量子效率偏低。

基于此，本发明提供一种背照式cmos图像传感器，在所述背照式cmos图像传感器的第一衬底背面上形成若干凹槽，所述凹槽至少具有一个相对于所述第一衬底的背面倾斜的侧壁，当入射光线进入到所述凹槽时，经一次或多次反射进入像素单元，可以增加光入射表面的面积，并且凹槽在一定程度上增加了光线在第一衬底背面的反射次数，减少了光反射损耗，因而增加了入射光量。相对于传统的背照式cmos图像传感器，量子效率得到提高。

图1是本发明一实施例提供的背照式cmos图像传感器的剖面示意图。如图1所示，所述背照式cmos图像传感器包括第一衬底10，其具有相对设置的正面10a和背面10b，所述第一衬底10的背面10b上形成有多个凹槽11，所述凹槽11至少具有一个相对于所述第一衬底10的背面10b倾斜的侧壁。所述背照式cmos图像传感器还包括第二衬底20，其与所述第一衬底10在第一衬底10的正面10a方向上键合。

图1中，背照式cmos图像传感器的第一衬底10的正面10a朝下，入射光从第一衬底10的背面10b的方向进入像素单元。具体的，所述第一衬底10和第二衬底20可以为硅衬底，也可以是锗、锗硅、砷化镓衬底或者绝缘体上硅衬底。本领域技术人员可以根据需要选择衬底类型。

继续参考图1，所述第一衬底10的正面10a上形成有多个像素单元(pixelcellorpixelunit)，相邻的像素单元之间被浅沟槽隔离结构12和层间介质层13隔离。每个像素单元例如包括一个光电二极管和多个用作驱动电路的mos晶体管(图中未示出)。单个像素单元往往采用3t(3个晶体管)或4t(4个晶体管)结构。进一步的，在第一衬底10的正面10a形成有层间介质层13以及位于层间介质层13中的多层互连层14，层间介质层13覆盖第一衬底10的正面10a以及像素单元。所述互连层14包括叠置在一起的多层互连金属层和连接相邻两层互连金属层的插塞层(图中未示出)。在形成像素单元时，还在第一衬底10的正面10a形成外围电路，互连层14用于电连接光电二极管、驱动电路和外围电路。光电二极管接收光信号并将其转化为电信号，该电信号传输到驱动电路，驱动电路将电信号传输至外围电路。

所述第一衬底10在其正面10a方向上与第二衬底20键合。所述层间介质层13上形成有第一键合层101，所述第二衬底20上形成有第二键合层201，可通过第一键合层101和第二键合层201使所述第一衬底10和第二衬底20键合。第一键合层101和第二键合层201的材料可以是二氧化硅(sio2)，也可以是其他材料。

继续参考图1，所述第一衬底10的背面10b上形成有多个凹槽11，所述凹槽11至少具有一个相对于所述第一衬底10的背面10b倾斜的侧壁。优选方案中，为了降低第一衬底10的背面10b方向上的衬底对入射光的减弱作用，在所述第一衬底10的背面10b上形成凹槽11之前，对所述第一衬底10的背面10b进行减薄处理，而第二衬底20在后续工艺过程中起到支撑作用。

优选方案中，在第一衬底10的背面10b方向上，还形成有平坦化层15，所述平坦化层15覆盖第一衬底10的背面10b，并填充凹槽11，以保护第一衬底10的背面10b，并且使形成有凹槽11的背面10b平坦化。平坦化层15可以选择对入射光透射性能好但吸收和反射性能较差的材料，如二氧化硅(sio2)，以减小光的反射损耗以及吸收损耗。

此外，在第一衬底10的背面10b方向上还形成有滤色层16以及透镜层17，滤色层16形成于平坦化层15上方，透镜层17形成于滤色层16上方。所述滤色层16包括多个滤色单元(例如是滤光片)，每个滤色单元只允许特定颜色的入射光通过。所述透镜层17包括多个微透镜，所述微透镜起聚光作用。所述滤色单元和微透镜与像素单元在垂直于第一衬底10的背面10b方向上一一对应，以保证能够准确捕捉入射光。在其他实施例中，在平坦化层15与形成滤色层16之间，还可以在平坦化层15上形成透明的电极层，透明的电极层与对应的驱动电路电连接，将电信号传输至外围电路，其中电极层材料可为透明导电氧化物或者铝金属层等。

图2a至图2c是本发明一实施例提供的背照式cmos图像传感器的三种凹槽剖面示意图。图2a中，凹槽11沿垂直于第一衬底10背面10b的截面形状为v形，且凹槽11的两个侧壁沿v形的中轴线对称分布。图2b中，凹槽11沿垂直于第一衬底10背面10b的截面形状仍然为v形，但凹槽11的两个侧壁非对称分布。当光线l1和光线l2分别进入如图2a和图2b所示实施例中的凹槽11时，由于凹槽11至少具有一个相对于所述第一衬底10的背面10b倾斜的侧壁，入射此侧壁的光线经过多次折射和反射，进入像素单元。与在平坦背面入射相比，引入凹槽11可以增加光入射表面的面积，凹槽11在一定程度上限制了光线的反射量(反射光可以多次入射)，因而可以增加单位像素内光线的入射总量，并提高背照式cmos图像传感器的量子效率。凹槽11在垂直于第一衬底10背面10b的截面上的形状不受本实施例提供的图2a和图2b的限制，可以是如图2c所示的w形，还可以是梯型，也可以为v形、w形或梯形中的几种的任意组合。

图3a和图3b是本发明一实施例提供的背照式cmos图像传感器的光入射表面的俯视示意图。如图3a所示，所述凹槽11在第一衬底10的背面10b均匀分布，凹槽11的俯视形状为圆形。如图3b所示，所述凹槽11在第一衬底10的背面10b均匀分布，凹槽11的形状为十字形。本实施例中，凹槽11的截面形状为图2a所示的v形，凹槽11的俯视形状为圆形，凹槽的立体形状为圆锥形。在本发明的其他实施例中，凹槽11的俯视形状也可以是其他形状，比如，可以为椭圆形、十字形、多边形中的一种，或者是上述形状中几种的任意组合。此外，凹槽11在第一衬底10的背面10b上分布有多个，对应每个像素单元的范围内分布有一个或多个，在平行于第一衬底10背面10b的多个凹槽11的形状可以相同也可以不同。

下面结合图4a至图4d以及图1详细介绍本实施例的背照式cmos图像传感器的制作方法。

首先，如图4a所示，提供第一衬底10，所述第一衬底10具有正面10a和背面10b，所述第一衬底10的正面10a上形成有多个像素单元。相邻的像素单元之间被浅沟槽隔离结构12和层间介质层13隔离，互连层14形成于层间介质层13中。具体的，像素单元的形成方法例如包括如下步骤：首先，在第一衬底10的正面10a形成mos晶体管的栅极和位于栅极下的栅介质层；接着，在第一衬底10与栅极相邻的区域形成第一掺杂区，该第一掺杂区的掺杂类型与第一衬底10的掺杂类型相反，如第一衬底10为p型掺杂，则第一掺杂区为n型掺杂，或相反。这样，在垂直于第一衬底10的正面10a上，第一掺杂区和第一衬底10之间形成pn结，形成了一个光电二极管。其中光电二极管的第一衬底部分用于接收入射光，入射光引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号。mos晶体管的源极、漏极可与第一掺杂区在同一步骤中形成，以节省工艺步骤，降低生产成本。应理解，像素单元、浅沟槽隔离结构12、层间介质层13以及互连层14的形成方法为本领域技术人员熟知工艺，此处不再进行更详细的说明，但是本领域技术人员应是知晓的。

接着，如图4b所示，提供第二衬底20。

接着，如图4c所示，将第一衬底10在正面10a方向上与所述第二衬底20键合。具体的键合方法可以是：在层间介质层13上形成第一键合层101，在第二衬底20上形成第二键合层201，将第一键合层201和第二键合层301直接真空键合。第一键合层101和第二键合层201的材料可以是二氧化硅(sio2)，也可以是其他材料。当然，第一衬底10和第二衬底20也可以使用其他半导体工艺中任何可行的键合工艺实现键合，并不限制为真空键合。

接着，如图4d所示，在第一衬底10的背面10b上形成多个凹槽11，所述凹槽11至少具有一个相对于第一衬底10的背面10b倾斜的侧壁。具体的，可以根据工艺条件和需要设计凹槽11的形状和数量，在每个像素单元对应的范围内，凹槽11的数目也可以定义，可以制备一个大的凹槽11，也可以制备多个小的凹槽11，凹槽11的角度和深度也可以根据在背照式cmos图像传感器中的应用效果具体设计。凹槽11在第一衬底10的背面10b上形成的方法可以使用干法刻蚀或者湿法刻蚀工艺形成。干法刻蚀中，采用适当的工艺条件如刻蚀方向、刻蚀速率和刻蚀气体配比等刻蚀出所需的凹槽11；湿法刻蚀中，采用适当的工艺条件如刻蚀液浓度、刻蚀时间等条件刻蚀出所需的凹槽11。本领域技术人员可以根据本申请公开的内容以及本领域的公知常识知晓如何形成上述凹槽，对此不予限制。

优选方案中，在第一衬底10的背面10b上形成多个凹槽11之前，先对第一衬底10的背面10b进行减薄处理。

接下来，如图1所示，在第一衬底10的背面10b上形成平坦化层15，所述平坦化层15覆盖第一衬底10的背面10b，并填充凹槽11，以保护第一衬底10的背面10b，并且使形成有凹槽11的背面10b平坦化。随后，还可以在平坦化层15上形成透明的电极层，并在透明的电极层上依次形成滤色层16以及透镜层17。

需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同和相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于与实施例公开的结构相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见结构部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明权利范围的任何限定，任何本领域技术人员在不脱离本发明的内涵和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。