本發(fā)明涉及圖像傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種背照式cmos圖像傳感器及其制作方法。

背景技術(shù)：

集成電路技術(shù)使計(jì)算機(jī)、控制系統(tǒng)、通訊和圖像等許多領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變化。在圖像領(lǐng)域中，圖像傳感器是組成數(shù)字?jǐn)z像頭的重要組成部分。圖像傳感器按照感光元件與感光原理的不同，可分為ccd(chargecoupleddevice，電荷耦合元件)圖像傳感器與cmos(complementarymetaloxidesemiconductor，互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體)圖像傳感器。與ccd圖像傳感器相比，cmos圖像傳感器能夠更好地滿足用戶對各種應(yīng)用中圖像傳感器不斷提升的品質(zhì)要求，如更加靈活的圖像捕獲、更高的靈敏度、更寬的動態(tài)范圍、更高的分辨率、更低的功耗以及更加優(yōu)良的系統(tǒng)集成等。

一般的，cmos圖像傳感器按照結(jié)構(gòu)分為前照式圖像傳感器和背照式圖像傳感器。在前照式cmos圖像傳感器中，光從傳感器的正面入射，穿過層間介質(zhì)層和互連層，最終落到像素單元中光電二極管上，光路徑中的額外的層(例如不透明層和反射金屬層)會限制光電二極管所吸收的光量，由此降低了量子效率。相反，背照式cmos圖像傳感器中光從傳感器的背面入射，無需穿過層間介質(zhì)層和互連層即射向像素單元中的光電二極管，這樣使得光線更加直接的進(jìn)入光電二極管，減少了光線損失，在同一單位時間內(nèi)，單個像素單元能獲取的光能量更大，對畫質(zhì)有明顯的提升。然而，申請人研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的背照式cmos圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換效率仍不夠理想，量子效率偏低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)目的在于，提高背照式cmos圖像傳感器的量子效率。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案提出了一種背照式cmos圖像傳感器，并且提出了這種背照式cmos圖像傳感器的制作方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案提出一種背照式cmos圖像傳感器，包括：

第一襯底，具有正面和背面，所述第一襯底的正面上形成有多個像素單元，所述第一襯底的背面上形成有多個凹槽，所述凹槽至少具有一個相對于所述第一襯底的背面傾斜的側(cè)壁；以及

第二襯底，與所述第一襯底在第一襯底的正面方向上鍵合。

可選的，所述背照式cmos圖像傳感器還包括形成于所述第一襯底的正面的層間介質(zhì)層以及互連層，所述層間介質(zhì)層覆蓋所述第一襯底的正面，所述互連層形成于所述層間介質(zhì)層中。

可選的，所述背照式cmos圖像傳感器還包括依次形成于所述第一襯底的背面的平坦化層、濾色層以及透鏡層，所述平坦化層覆蓋所述第一襯底的背面并填充所述凹槽，所述濾色層包括多個濾色單元，所述透鏡層包括多個微透鏡，所述濾色單元、所述微透鏡與所述像素單元在垂直于所述第一襯底背面的方向上一一對應(yīng)。

可選的，所述第一襯底上形成有第一鍵合層，所述第二襯底上形成有第二鍵合層，所述第一襯底和第二襯底通過所述第一鍵合層和第二鍵合層實(shí)現(xiàn)鍵合。

可選的，所述凹槽在垂直于第一襯底背面方向的截面形狀為v形、w形或梯形中的一種或其任意組合，所述凹槽平行于第一襯底背面方向的截面形狀為圓形、橢圓形、十字形、多邊形的一種或其任意組合。

可選的，所述凹槽在第一襯底的背面上均勻分布且多個所述凹槽的尺寸相同。

可選的，在第一襯底的背面上對應(yīng)于每個像素單元的位置分布有一個或多個所述凹槽。

本發(fā)明技術(shù)方案還提出一種背照式cmos圖像傳感器的制作方法，具體是這樣實(shí)現(xiàn)的：

提供一第一襯底和一第二襯底，所述第一襯底具有正面和背面，所述第一襯底的正面上形成有多個像素單元；

將所述第一襯底在正面方向上與所述第二襯底鍵合；以及

在所述第一襯底的背面上形成若干凹槽，所述凹槽至少具有一個相對于所述第一襯底的背面傾斜的側(cè)壁。

可選的，在所述第一襯底的背面上形成若干凹槽之前，對所述第一襯底的背面進(jìn)行減薄處理。

可選的，采用干法刻蝕或濕法刻蝕工藝在所述第一襯底的背面上形成若干凹槽。

可選的，在所述第一襯底的背面上形成若干凹槽之后，還在所述第一襯底的背面上依次形成平坦化層、濾色層以及透鏡層，所述平坦化層覆蓋所述第一襯底的背面并填充所述凹槽，所述濾色層包括多個濾色單元，所述透鏡層包括多個微透鏡，所述濾色單元、所述微透鏡與所述像素單元在垂直于所述第一襯底背面的方向一一對應(yīng)。

由上述技術(shù)方案可見，本發(fā)明提出了一種背照式cmos圖像傳感器及其制作方法，所述背照式cmos圖像傳感器的第一襯底具有正面和背面，在正面上形成有多個像素單元，第一襯底在正面方向上與第二襯底鍵合，并且在所述第一襯底的背面上形成有多個凹槽，所述凹槽至少具有一個相對于所述第一襯底的背面傾斜的側(cè)壁。當(dāng)入射光線進(jìn)入到所述凹槽時，經(jīng)一次或多次反射，進(jìn)入像素單元，與平坦的背面相比，引入凹槽的結(jié)構(gòu)可以增加光入射表面的面積，并且凹槽在一定程度上增加了光線在第一襯底背面的反射次數(shù)，減少了光反射損耗，因而增加了入射光量。相對于傳統(tǒng)的背照式cmos圖像傳感器，量子效率得到提高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一實(shí)施例提供的背照式cmos圖像傳感器的剖面示意圖。

圖2a至圖2c是本發(fā)明一實(shí)施例提供的背照式cmos圖像傳感器的三種凹槽剖面示意圖。

圖3a和圖3b是本發(fā)明一實(shí)施例提供的背照式cmos圖像傳感器的光入射表面的兩種俯視示意圖。

圖4a至圖4d是本發(fā)明一實(shí)施例提供的背照式cmos圖像傳感器制作過程中的剖面示意圖。

附圖標(biāo)記說明：

10-第一襯底；20-第二襯底；10a-第一襯底的正面；10b-第一襯底的背面；11-凹槽；12-淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)；13-層間介質(zhì)層；14-互連層；15-平坦化層；16-濾鏡層；17-透鏡層；101-第一鍵合層；201-第二鍵合層。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案、及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并舉實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。

在說明書和權(quán)利要求書中的術(shù)語“第一”“第二”等用于在類似要素之間進(jìn)行區(qū)分，且未必是用于描述特定次序或時間順序。要理解，在適當(dāng)情況下，如此使用的這些術(shù)語可替換，例如可使得本文所述的本發(fā)明實(shí)施例能夠不同于本文所述的或所示的其他順序來操作。類似的，如果本文所述的方法包括一系列步驟，且本文所呈現(xiàn)的這些步驟的順序并非必須是可執(zhí)行這些步驟的唯一順序，且一些所述的步驟可被省略和/或一些本文未描述的其他步驟可被添加到該方法。圖中本發(fā)明的實(shí)施例的構(gòu)件若與其他圖標(biāo)中的構(gòu)件相同，雖然在所有圖中都可輕易辨認(rèn)出這些構(gòu)件，但為了使圖標(biāo)的說明更為清楚，本說明書不會將所有相同的構(gòu)件的標(biāo)號標(biāo)于每一圖中。

背照式cmos圖像傳感器的量子效率(quantumefficiency)通常指的是所生成的電子的數(shù)量與轟擊傳感器屏幕的光子數(shù)量的比值。申請人研究發(fā)現(xiàn)，對于背照式cmos圖像傳感器，由于入射光在到達(dá)光電轉(zhuǎn)換元件之前會在襯底的背面反射掉一部分，這部分反射會影響了背照式cmos圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換效率，導(dǎo)致量子效率偏低。

基于此，本發(fā)明提供一種背照式cmos圖像傳感器，在所述背照式cmos圖像傳感器的第一襯底背面上形成若干凹槽，所述凹槽至少具有一個相對于所述第一襯底的背面傾斜的側(cè)壁，當(dāng)入射光線進(jìn)入到所述凹槽時，經(jīng)一次或多次反射進(jìn)入像素單元，可以增加光入射表面的面積，并且凹槽在一定程度上增加了光線在第一襯底背面的反射次數(shù)，減少了光反射損耗，因而增加了入射光量。相對于傳統(tǒng)的背照式cmos圖像傳感器，量子效率得到提高。

圖1是本發(fā)明一實(shí)施例提供的背照式cmos圖像傳感器的剖面示意圖。如圖1所示，所述背照式cmos圖像傳感器包括第一襯底10，其具有相對設(shè)置的正面10a和背面10b，所述第一襯底10的背面10b上形成有多個凹槽11，所述凹槽11至少具有一個相對于所述第一襯底10的背面10b傾斜的側(cè)壁。所述背照式cmos圖像傳感器還包括第二襯底20，其與所述第一襯底10在第一襯底10的正面10a方向上鍵合。

圖1中，背照式cmos圖像傳感器的第一襯底10的正面10a朝下，入射光從第一襯底10的背面10b的方向進(jìn)入像素單元。具體的，所述第一襯底10和第二襯底20可以為硅襯底，也可以是鍺、鍺硅、砷化鎵襯底或者絕緣體上硅襯底。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要選擇襯底類型。

繼續(xù)參考圖1，所述第一襯底10的正面10a上形成有多個像素單元(pixelcellorpixelunit)，相鄰的像素單元之間被淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)12和層間介質(zhì)層13隔離。每個像素單元例如包括一個光電二極管和多個用作驅(qū)動電路的mos晶體管(圖中未示出)。單個像素單元往往采用3t(3個晶體管)或4t(4個晶體管)結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步的，在第一襯底10的正面10a形成有層間介質(zhì)層13以及位于層間介質(zhì)層13中的多層互連層14，層間介質(zhì)層13覆蓋第一襯底10的正面10a以及像素單元。所述互連層14包括疊置在一起的多層互連金屬層和連接相鄰兩層互連金屬層的插塞層(圖中未示出)。在形成像素單元時，還在第一襯底10的正面10a形成外圍電路，互連層14用于電連接光電二極管、驅(qū)動電路和外圍電路。光電二極管接收光信號并將其轉(zhuǎn)化為電信號，該電信號傳輸?shù)津?qū)動電路，驅(qū)動電路將電信號傳輸至外圍電路。

所述第一襯底10在其正面10a方向上與第二襯底20鍵合。所述層間介質(zhì)層13上形成有第一鍵合層101，所述第二襯底20上形成有第二鍵合層201，可通過第一鍵合層101和第二鍵合層201使所述第一襯底10和第二襯底20鍵合。第一鍵合層101和第二鍵合層201的材料可以是二氧化硅(sio2)，也可以是其他材料。

繼續(xù)參考圖1，所述第一襯底10的背面10b上形成有多個凹槽11，所述凹槽11至少具有一個相對于所述第一襯底10的背面10b傾斜的側(cè)壁。優(yōu)選方案中，為了降低第一襯底10的背面10b方向上的襯底對入射光的減弱作用，在所述第一襯底10的背面10b上形成凹槽11之前，對所述第一襯底10的背面10b進(jìn)行減薄處理，而第二襯底20在后續(xù)工藝過程中起到支撐作用。

優(yōu)選方案中，在第一襯底10的背面10b方向上，還形成有平坦化層15，所述平坦化層15覆蓋第一襯底10的背面10b，并填充凹槽11，以保護(hù)第一襯底10的背面10b，并且使形成有凹槽11的背面10b平坦化。平坦化層15可以選擇對入射光透射性能好但吸收和反射性能較差的材料，如二氧化硅(sio2)，以減小光的反射損耗以及吸收損耗。

此外，在第一襯底10的背面10b方向上還形成有濾色層16以及透鏡層17，濾色層16形成于平坦化層15上方，透鏡層17形成于濾色層16上方。所述濾色層16包括多個濾色單元(例如是濾光片)，每個濾色單元只允許特定顏色的入射光通過。所述透鏡層17包括多個微透鏡，所述微透鏡起聚光作用。所述濾色單元和微透鏡與像素單元在垂直于第一襯底10的背面10b方向上一一對應(yīng)，以保證能夠準(zhǔn)確捕捉入射光。在其他實(shí)施例中，在平坦化層15與形成濾色層16之間，還可以在平坦化層15上形成透明的電極層，透明的電極層與對應(yīng)的驅(qū)動電路電連接，將電信號傳輸至外圍電路，其中電極層材料可為透明導(dǎo)電氧化物或者鋁金屬層等。

圖2a至圖2c是本發(fā)明一實(shí)施例提供的背照式cmos圖像傳感器的三種凹槽剖面示意圖。圖2a中，凹槽11沿垂直于第一襯底10背面10b的截面形狀為v形，且凹槽11的兩個側(cè)壁沿v形的中軸線對稱分布。圖2b中，凹槽11沿垂直于第一襯底10背面10b的截面形狀仍然為v形，但凹槽11的兩個側(cè)壁非對稱分布。當(dāng)光線l1和光線l2分別進(jìn)入如圖2a和圖2b所示實(shí)施例中的凹槽11時，由于凹槽11至少具有一個相對于所述第一襯底10的背面10b傾斜的側(cè)壁，入射此側(cè)壁的光線經(jīng)過多次折射和反射，進(jìn)入像素單元。與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積，凹槽11在一定程度上限制了光線的反射量(反射光可以多次入射)，因而可以增加單位像素內(nèi)光線的入射總量，并提高背照式cmos圖像傳感器的量子效率。凹槽11在垂直于第一襯底10背面10b的截面上的形狀不受本實(shí)施例提供的圖2a和圖2b的限制，可以是如圖2c所示的w形，還可以是梯型，也可以為v形、w形或梯形中的幾種的任意組合。

圖3a和圖3b是本發(fā)明一實(shí)施例提供的背照式cmos圖像傳感器的光入射表面的俯視示意圖。如圖3a所示，所述凹槽11在第一襯底10的背面10b均勻分布，凹槽11的俯視形狀為圓形。如圖3b所示，所述凹槽11在第一襯底10的背面10b均勻分布，凹槽11的形狀為十字形。本實(shí)施例中，凹槽11的截面形狀為圖2a所示的v形，凹槽11的俯視形狀為圓形，凹槽的立體形狀為圓錐形。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，凹槽11的俯視形狀也可以是其他形狀，比如，可以為橢圓形、十字形、多邊形中的一種，或者是上述形狀中幾種的任意組合。此外，凹槽11在第一襯底10的背面10b上分布有多個，對應(yīng)每個像素單元的范圍內(nèi)分布有一個或多個，在平行于第一襯底10背面10b的多個凹槽11的形狀可以相同也可以不同。

下面結(jié)合圖4a至圖4d以及圖1詳細(xì)介紹本實(shí)施例的背照式cmos圖像傳感器的制作方法。

首先，如圖4a所示，提供第一襯底10，所述第一襯底10具有正面10a和背面10b，所述第一襯底10的正面10a上形成有多個像素單元。相鄰的像素單元之間被淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)12和層間介質(zhì)層13隔離，互連層14形成于層間介質(zhì)層13中。具體的，像素單元的形成方法例如包括如下步驟：首先，在第一襯底10的正面10a形成mos晶體管的柵極和位于柵極下的柵介質(zhì)層；接著，在第一襯底10與柵極相鄰的區(qū)域形成第一摻雜區(qū)，該第一摻雜區(qū)的摻雜類型與第一襯底10的摻雜類型相反，如第一襯底10為p型摻雜，則第一摻雜區(qū)為n型摻雜，或相反。這樣，在垂直于第一襯底10的正面10a上，第一摻雜區(qū)和第一襯底10之間形成pn結(jié)，形成了一個光電二極管。其中光電二極管的第一襯底部分用于接收入射光，入射光引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。mos晶體管的源極、漏極可與第一摻雜區(qū)在同一步驟中形成，以節(jié)省工藝步驟，降低生產(chǎn)成本。應(yīng)理解，像素單元、淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)12、層間介質(zhì)層13以及互連層14的形成方法為本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知工藝，此處不再進(jìn)行更詳細(xì)的說明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)是知曉的。

接著，如圖4b所示，提供第二襯底20。

接著，如圖4c所示，將第一襯底10在正面10a方向上與所述第二襯底20鍵合。具體的鍵合方法可以是：在層間介質(zhì)層13上形成第一鍵合層101，在第二襯底20上形成第二鍵合層201，將第一鍵合層201和第二鍵合層301直接真空鍵合。第一鍵合層101和第二鍵合層201的材料可以是二氧化硅(sio2)，也可以是其他材料。當(dāng)然，第一襯底10和第二襯底20也可以使用其他半導(dǎo)體工藝中任何可行的鍵合工藝實(shí)現(xiàn)鍵合，并不限制為真空鍵合。

接著，如圖4d所示，在第一襯底10的背面10b上形成多個凹槽11，所述凹槽11至少具有一個相對于第一襯底10的背面10b傾斜的側(cè)壁。具體的，可以根據(jù)工藝條件和需要設(shè)計(jì)凹槽11的形狀和數(shù)量，在每個像素單元對應(yīng)的范圍內(nèi)，凹槽11的數(shù)目也可以定義，可以制備一個大的凹槽11，也可以制備多個小的凹槽11，凹槽11的角度和深度也可以根據(jù)在背照式cmos圖像傳感器中的應(yīng)用效果具體設(shè)計(jì)。凹槽11在第一襯底10的背面10b上形成的方法可以使用干法刻蝕或者濕法刻蝕工藝形成。干法刻蝕中，采用適當(dāng)?shù)墓に嚄l件如刻蝕方向、刻蝕速率和刻蝕氣體配比等刻蝕出所需的凹槽11；濕法刻蝕中，采用適當(dāng)?shù)墓に嚄l件如刻蝕液濃度、刻蝕時間等條件刻蝕出所需的凹槽11。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)本申請公開的內(nèi)容以及本領(lǐng)域的公知常識知曉如何形成上述凹槽，對此不予限制。

優(yōu)選方案中，在第一襯底10的背面10b上形成多個凹槽11之前，先對第一襯底10的背面10b進(jìn)行減薄處理。

接下來，如圖1所示，在第一襯底10的背面10b上形成平坦化層15，所述平坦化層15覆蓋第一襯底10的背面10b，并填充凹槽11，以保護(hù)第一襯底10的背面10b，并且使形成有凹槽11的背面10b平坦化。隨后，還可以在平坦化層15上形成透明的電極層，并在透明的電極層上依次形成濾色層16以及透鏡層17。

需要說明的是，本說明書中各個實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個實(shí)施例之間相同和相似的部分互相參見即可。對于實(shí)施例公開的方法而言，由于與實(shí)施例公開的結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，所以描述的比較簡單，相關(guān)之處參見結(jié)構(gòu)部分說明即可。

上述描述僅是對本發(fā)明較佳實(shí)施例的描述，并非對本發(fā)明權(quán)利范圍的任何限定，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的內(nèi)涵和范圍內(nèi)，都可以利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。