图像传感器及其形成方法

技术领域

本申请的实施例涉及图像传感器及其形成方法。

背景技术

半导体图像传感器用于感应入射的可见或不可见辐射，例如可见光、红外光等。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)传感器用于各种应用中，例如计算机、数码相机、移动电话、平板电脑、护目镜、科学仪器等。这些图像传感器利用像素阵列来吸收(例如感应)入射辐射并将其转换为电信号。图像传感器的一个示例是背侧照明(BSI)图像传感器器件，该器件可检测来自衬底“背侧”的辐射。

发明内容

在一些实施例子，一种方法，包括：在衬底的前侧表面内形成开口；在所述开口的底部和侧壁表面上形成共形的注入层；在所述开口的所述底部和所述侧壁表面上生长第一外延层；在所述第一外延层上沉积第二外延层以填充所述开口，其中所述第二外延层形成辐射感测区；以及在所述第二外延层的暴露表面上沉积堆叠件，其中所述堆叠件包括高折射率材料层和低折射率材料层的交替对。

在一些实施例中，一种图像传感器，包括：衬底，具有前侧表面和相对的背侧表面；微透镜，形成在所述衬底的所述背侧表面上；滤色器，设置在所述微透镜和所述衬底的上述背侧表面之间；辐射感测区域，形成在所述衬底的前表面中的沟槽中，其中，所述辐射感测区域包括外延半导体材料；镜结构，设置在所述外延半导体材料的表面上，并且包括具有第一折射率值的第一材料层和具有不同于所述第一折射率值的第二折射率值的第二材料层的交替层；以及金属化层，形成在所述辐射感测区域和所述镜结构上方的所述衬底的所述前侧表面上。

在一些实施例中，一种图像传感器，包括：衬底，具有前侧表面和相对的背侧表面；沟槽，形成在所述衬底的前侧表面中，其中所述沟槽的底部具有锥形轮廓；辐射感测区域，位于所述沟槽中并且包括具有切面的外延半导体材料层；氧化物层，设置在所述沟槽的表面和所述外延半导体材料层的所述切面之间；以及交替层的堆叠件，设置在所述外延半导体材料层的所述切面上，其中所述交替层包括具有第一折射率的第一材料层和具有第二折射率的第二材料层。

本申请的实施例提供了具有改进的光转换效率的图像传感器。

附图说明

当接合附图进行阅读时，从以下详细描述可最佳理解本发明的各个方面。应该指出，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各个部件的尺寸可以任意地增大或减小。

图1是根据一些实施例的具有背侧照明(BSI)图像传感器装置的堆叠件的截面图，该背侧照明(BSI)图像传感器装置附接到专用集成电路(ASIC)。

图2是根据一些实施例的具有布拉格镜的辐射感测区域的放大截面图。

图3是描述根据一些实施例的在背侧照明(BSI)图像传感器装置中的辐射感测区域上的布拉格镜的形成过程的制造方法的流程图。

根据一些实施例，图4至图11是在背侧照明(BSI)图像传感器装置中的辐射感测区域上的布拉格镜的制造期间的中间结构的截面图。

图12a是根据一些实施例的在背侧照明(BSI)图像传感器装置中的辐射感测区域的多个表面上形成的布拉格镜的截面图。

图12b至图12e是根据一些实施例的在背侧照明(BSI)图像传感器装置中具有多个暴露表面的辐射感测区域的制造期间的中间结构的截面图。

图13是根据一些实施例的形成在背侧照明(BSI)图像传感器装置中的八面体形辐射感测区域上的布拉格镜的截面图。

图14是根据一些实施例的形成在背侧照明(BSI)图像传感器装置中的菱形辐射感测区域上的布拉格镜的截面图。

具体实施方式

以下公开内容提供了许多用于实现本发明的不同特征的不同实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例，而不旨在限制本发明。例如，以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。如本文所使用的在第二部件上形成第一部件，意味着第一部件形成为与第二部件直接接触。另外，本发明可以在各个实例中重复参考数字和/或字母。该重复其本身并不指示所讨论的各种实施例和/或结构之间的关系。

为便于描述，在此可以使用诸如“在…之下”、“在…下方”、“下部”、“在…之上”、“上部”等空间相对术语，以容易地描述如图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，而本文使用的空间相对描述符可以同样地作出相应的解释。

如本文所用，术语“标称”是指在产品或过程的设计阶段设置的，部件或过程操作的特性或参数的期望值或目标值，以及高于和/或低于所需值的值。值的范围可能归因于制造过程和/或公差的微小变化。

在一些实施例中，术语“约”和“基本上”可以指示给定数量的值，该给定数量的值在该值的5％内变化(例如该值的±1％、±2％、±3％、±4％、、±5％)。这些值仅是示例，并不旨在进行限制。应当理解的是，术语“大约”和“基本上”可以指的是如相关(一些)领域的技术人员根据本文的教导所解释的给定数量的值的百分比。

背侧照明(BSI)图像传感器装置包括其中形成有像素或辐射感测区域的阵列的半导体衬底(例如，硅衬底)。如本文所公开的，术语“辐射感测区域”和“像素”可以在全文中互换使用。辐射感测区域(像素)配置为将光子从入射辐射转换为电信号。随后将电信号分配给连接到BSI图像传感器器件的处理组件。因此，像素阵列覆盖多层金属化层，该多层金属化层被配置为将在辐射感测区域内产生的电信号分配给适当的处理组件。多层金属化层形成在半导体衬底的第一表面上，在此被称为半导体衬底的“前侧”表面。此外，像素阵列延伸到半导体衬底中，并且被配置为接收来自半导体衬底的与半导体衬底的前侧表面相对的第二表面的辐射。半导体衬底的接收辐射的第二表面(与半导体衬底的前表面相对)在本文中被称为半导体衬底的“背侧”表面。

半导体衬底中的相邻辐射感测区域(像素)通过隔离结构【例如深沟槽隔离(DTI)结构】电隔离，以最小化辐射感测区域之间的串扰和信号损失。与上述隔离结构对准(并形成在半导体衬底的背表面上)的是各个栅格结构，其在相邻像素或辐射感测区域之间提供光学隔离。相邻的网格结构共同形成单元，这些单元共同形成被配置为接收滤色材料的复合网格结构。

可以选择滤色器材料，使得具有期望波长的光穿过滤色器材料，而具有其他波长的光被滤色器材料吸收。例如，接收未过滤的自然光的绿光的彩色滤光材料将允许绿光部分(介于约495nm和约570nm之间的波长)穿过彩色滤光片，但会吸收所有其他波长。滤色器与各个像素或辐射感测区域对准，以将滤波后的光提供给相应的辐射感测区域。

作为示例而非限制，可以将具有放射线感应区域(像素)、多层金属化层和形成在其上的栅格结构的衬底通过晶片键合结构连接到形成在不同的衬底上的专用集成电路(ASIC)。ASIC可以是例如互补金属氧化物半导体(CMOS)晶圆(与BSI图像传感器器件分开制造)，其配置为执行上述信号处理操作。

BSI图像传感器器件面临的挑战是将光子转换为电信号的效率。这是因为并非所有来自入射辐射的撞击光子都转换为电信号，并且逃逸到辐射感应区域的光子无法“重新捕获”。因此，BSI图像传感器装置可能需要长的辐射暴露时间、大的覆盖区、大量的信号增强或其组合，以在低辐射条件下工作。

为了解决上述缺点，本文描述的实施例针对一种用于在入射辐射的出射路径处的辐射感测区域上形成反射镜微结构的方法。在一些实施例中，反射镜微结构是布拉格反射镜，其增加了辐射感测区域内的入射辐射的光路，从而改善了光子的捕获。在一些实施例中，镜子微结构增加了辐射感测区域内的入射辐射的光路并改善了光子的捕获。根据一些实施例，每个反射镜微结构是布拉格反射镜(或布拉格反射器)，该布拉格反射镜包括具有高折射率(高率)和低折射率(低率)材料加上一个高折射率材料层(2m+1)交替的层的对的堆叠件；其中2m是高率和低率的对的数量。如本文所使用的术语“高率”和“低率”是相对的，并且反映了堆叠件中的层的折射率之间的关系。例如，“高率”材料具有比“低率”材料更高的折射率。作为示例而非限制，堆叠件可以包括在辐射感测区域的制造期间或之后形成的3至21层的高率和低率材料。在一些实施例中，布拉格反射镜中的层的厚度和数量可以基于入射辐射的目标波长和期望的反射率来定制。

图1是根据一些实施例的堆叠件100的截面图，该堆叠件100包括附接到ASIC110的BSI图像传感器装置105。作为示例而非限制，ASIC110可配置为处理BSI图像传感器器件105产生的电信号。在堆叠件100中，入射辐射束115通过微透镜120和滤色镜125进入BSI图像传感器器件105至辐射感测区域或像素130。如上所述，辐射感测区域130被隔离结构135隔开。在一些实施例中，辐射感测区域130包括半导体材料，例如硅(Si)、锗(Ge)或硅锗(SiGe)取决于感兴趣的辐射波长。例如，Si可用于可见光应用(例如，在约380nm至740nm之间)，而Ge可用于红外应用(例如，用于约940nm至约1550nm之间的波长)。SiGe可用于可见光和红外之间的波长。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，将在Ge的背景下描述辐射感测区域130。

在辐射感测区域130内，入射辐射束115被转换成电信号，该电信号又由多层金属化层140和接合结构145分散到ASIC110上。在一些实施例中，ASIC110是制造的CMOS晶片。作为示例而非限制，ASIC110可以包括形成在半导体(例如，硅)衬底160的掺杂区域155上的有源器件(例如，晶体管结构)150。作为示例而非限制，ASIC110可以包括有源器件(例如，晶体管结构)150。此外，通过隔离结构(例如，浅沟槽隔离结构)165在物理上和电气上隔离有源器件150。作为示例而非限制，有源器件150的阵列可用于形成ASIC110中的逻辑和存储电路。如图1所示，有源器件150和BSI图像传感器装置105之间的电连接由形成在有源装置150上方的多层金属化层170提供。作为示例而非限制，ASIC110的多层金属化层170可以类似于BSI图像传感器装置105的多层金属化层140。但是，这不是限制性的，多层金属化层170可以与多层金属化层140不同。例如，具有多层额外的布线层和更紧密的间距(例如，布线之间的距离更短)的多层金属化层170可能比多层金属化层140更复杂。多层金属化层140和170通过由金属或金属合金例如铜、铝-铜、铝-锗或铜-锡制成的接合结构145耦合。

堆叠件100可以通过焊盘结构175和焊料凸块180物理地和电气地连接到外部装置或电路。作为示例而非限制，焊盘结构175可以围绕辐射感应区130设置在BSI图像传感器装置105周围的周围。

在不脱离本公开的精神和范围的情况下，堆叠件100可以包括图1中未示出的附加部件。为了易于说明，这些附加部件在图1中未示出，并且可以包括金属布线、有源和/或无源器件、绝缘层，蚀刻停止层、掺杂区域和其他部件。此外，堆叠件100可以与图1所示的方式不同地布置，并且可以包括附加的ASCI或与ASCI110不同的ASCI。

如图1所示，BSI图像传感器装置105的所有元件形成在衬底185中或周围。例如，在衬底185中形成放射线感应区域130和隔离结构135，而微透镜120在衬底185的与多层金属化层140相反的一侧上形成。如本文所指，衬底185的形成有微透镜120的一侧也称为“背侧表面”，衬底185的形成有多层金属化层的一侧也称为“背侧表面”。

根据一些实施例，BSI图像传感器装置105的每个辐射感测区域130具有布拉格镜190，该布拉格镜190将透射的辐射束115反射回辐射感测区域130以被重新捕获。在一些实施例中，布拉格镜包括具有偶数(2m+1)的高率和低率材料的交替层的堆叠件。其中“m”是高率层或低率层的所需数量，而2m是高率和低率的对的数量。例如，如果所需的高率材料层数为3，则布拉格反射镜堆叠件将总共有7层。更具体地，布拉格反射镜堆叠件将具有6对高率和低率层以及一个附加的高率层，使得布拉格反射镜堆叠件的顶层和底层是高率材料层。在一些实施例中，布拉格反射镜堆叠件的第一(例如，底层)和最后(例如，顶层)层是高率材料层。

根据一些实施例，图2是图1所示的辐射感测区域130和布拉格镜190的放大图。如图2所示，布拉格镜190包括高率材料200的交替层。由于布拉格反射镜190的构造，当入射辐射束115行进通过堆叠件以形成反射辐射束115’时，入射辐射束115从每个高率材料200和低率材料205的界面部分反射。反射的辐射束115'进入辐射感测区域130以进行光子捕获。由于光子的重新捕获过程，一部分反射的辐射束115'将在辐射感测区域130中转换为电信号，并且任何未捕获的辐射束115'的一部分将逃逸出辐射感测区域130。入射辐射束115的第二部分可以被堆叠件(未示出)吸收，并且入射辐射束115的第三部分可以如箭头115”所示地透射到衬底185中。

在一些实施例中，选择高率材料200和低率材料205的数量以及它们各自的厚度，使得入射辐射束115的强度随着其穿过堆叠件而减小。同时，如果堆叠件的吸收率可忽略不计，则反射的辐射束115'的强度增加。如果反射的辐射束115′同相【或具有360°(2π)的倍数的相差】以促进相长干涉，则上述条件是可能的。如果高率材料200和低率材料205的厚度200t和205t分别等于λ/(4n

在一些实施例中，在布拉格反射镜190中获得的反射率由高率材料200和低率材料205的层对(2m)的数量及其折射率对比(例如，高率材料200和低率材料205两者之间的折射率差)确定。例如，在两个具有基本相似的折射率对比度和不同层的对数的布拉格镜之间，具有较大层的对数的布拉格镜可以实现最高的反射率值。此外，在具有相同层的对数和不同折射率折射率的两个布拉格反射镜之间，具有最高折射率对比层的布拉格反射镜可以获得最高的反射率值。因此，如果选择具有高折射率对比度的高率材料200和低率材料205，则可以制造更薄的布拉格反射镜(例如，具有更少的层)。另外，当高率材料200和低率材料205之间的折射率对比度较大时，反射带宽(例如，可以在入射辐射束115的平均波长值λ附近反射的波长的数量)增加。

作为示例而非限制，布拉格反射镜190可以包括(i)作为高率材料200的氧化钛(TiO

在一些实施例中，具有偶数(2m+1)层的布拉格镜190的反射率R由以下所示的公式(1)提供：

其中n

其中n

例如，如果辐射感测区域130包括n

图3是描述图1和图2所示的布拉格镜190的形成过程的制造方法300的流程图。可以在方法300的各种操作之间执行其他制造操作，并且仅出于清楚和便于描述的目的可以省略其他制造操作。这些各种操作在本公开的精神和范围内。此外，可能不需要所有操作来执行本文提供的公开。另外，一些操作可以同时执行，或以与图3所示顺序不同的顺序执行。在一些实施例中，除了当前描述的操作之外或代替当前描述的操作，可以执行一个或多个其他操作。

出于说明性目的和便于描述，将参考单个布拉格镜堆叠件叠件的形成来描述方法300；但是，为了避免重复，将不再赘述。然而，应当理解，可以使用方法300同时形成布拉格反射镜堆的阵列。另外，将使用图4至图11描述方法300。提供用于描述方法300的附图仅用于说明性目的，并且未按比例绘制。此外，这些图可能无法反映真实结构，部件或胶片的实际几何形状。为了说明的目的，一些结构，薄膜或几何形状可能被故意扩大或省略。

参考图3，方法300开始于操作305和在半导体衬底的前侧表面内形成沟槽开口的过程。通过示例而非限制的方式，图4是根据方法300的操作305在形成沟槽开口400之后的衬底185的局部截面图。在一些实施例中，隔离结构135(在沟槽开口400形成之前形成)用作对准沟槽开口400的对准标记。如上所述，可以在操作305期间在衬底185的前侧表面内形成沟槽开口的阵列，如沟槽开口400。在方法300中，辐射感测区域和布拉格镜将形成在相应的沟槽开口中，例如沟槽开口400。在一些实施例中，沟槽开口400的形成需要使用光刻和蚀刻操作。例如，可以在衬底185的前侧表面上沉积硬掩模或光致抗蚀剂(未示出)并对其进行图案化。随后将图案化的硬掩模或光致抗蚀剂用作蚀刻掩模，以在衬底185的前侧表面内形成沟槽开口400。

在一些实施例中，衬底185是光子晶片，例如，由适合于光子应用的材料制成的晶片。作为示例而非限制，衬底185可以包括Si或另一种元素半导体，例如，(i)Ge；(ii)一种化合物半导体，包括SiGe、碳化硅(SiC)、GaAs、磷化镓(GaP)、磷化铟(InP)、砷化铟(InAs)和/或锑化铟(InSb)；(iii)合金半导体，包括磷化砷化镓(GaAsP)、砷化铝铟(AlInAs)、砷化铝镓(AlGaAs)、砷化镓铟(GaInAs)、磷化镓铟(GaInP)和/或磷化砷化镓铟(GaInAsP)；或(iv)其组合。

出于示例目的，将在Si(例如，单晶)的背景下描述衬底185。基于本文的公开内容，可以使用如上所述的其他材料。这些材料在本公开的精神和范围内。

如上所述，隔离结构135被配置为使辐射感测区域之间的串扰和信号损失最小化，并且可以例如通过蚀刻衬底185以形成沟槽开口，随后可以用电介质材料(例如，氧化硅)填充沟槽开口而形成隔离结构135。在一些实施例中，隔离结构135沿z方向比沟槽开口400的高度H高，并且比沿x方向的沟槽开口400的宽度W窄。作为示例而非限制，沟槽开口400的高度H可以在约50nm至约700μm之间，并且宽度W可以在约50nm至约700μm之间。更大或更小的沟槽开口400是可能的。作为示例而非限制，沟槽开口400沿y方向的深度可以为约5μm。

注意，图4所示的衬底185相对于图1所示的衬底185的取向旋转180°。换句话说，图1中的衬底185被“上下颠倒”。在一些实施例中，如本文所述的辐射感测区域的形成是从衬底185的前侧表面执行的。

参考图3，方法300继续操作310以及在沟槽开口400的底部和侧壁表面上形成共性注入层的过程。在一些实施例中，这可以通过沉积和图案化未掺杂的厚度约为75nm的硅玻璃(USG)的来实现。USG在低温下具有高沉积速率，并且具有与氧化硅相似的特性。作为示例而非限制，可以通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、高密度等离子体CVD(HDP-CVD)或亚大气压CVD(SACVD)沉积USG。然后，对USG进行图案化，并在随后的注入工艺中用作注入掩膜。图5示出了在操作310之后的所得结构，其中图案化的USG层500设置在衬底185的前侧表面上，并且注入层505形成在沟槽开口400的侧壁和底部表面上。在一些实施例中，快速热退火(RTA)在掺杂剂(RTA)过程中，由于掺杂剂迁移率的增加，注入层505

因为图案化的USG层500用作注入掩模，所以图案化的USG层500的侧壁不与沟槽开口400的侧壁对准。更具体地说，宽度500w(通过图案化过程在USG层中形成的开口的宽度)比沟槽开口400的宽度W大出约为等于注入层505的厚度的量。换句话说，500

参考图3，方法300继续操作315和在沟槽开口400的底部和侧壁表面上外延生长晶体Si(c-Si)层的过程。在一些实施例中，c-Si外延层是“缓冲层”，其促进辐射感测区域的形成并防止缺陷的形成。作为示例而非限制，可以使用硅烷(SiH

参考图3，方法300继续操作320以及用外延层填充沟槽开口400以形成辐射感测区域130的过程。作为示例而非限制，辐射感测区域130包括外延地成长的Ge。如上所述，可以基于BSI图像传感器装置被配置为检测的波长范围来选择用于放射线感应区域130的材料。作为示例而非限制，可用于辐射感测区域130的附加材料包括III-V族的半导体材料，例如GaAs、InP、GaP和GaN。在一些实施例中，如果将不同于Ge的材料用于辐射感测区域130，则可以用另一更合适的外延层代替c-Si外延层600。因此，在操作315和320中外延层的不同组合可以用于实现基本上无缺陷的辐射感测区域130。在一些实施例中，辐射感测区域130中的缺陷可能影响辐射感测区域130的光子转换性能。

在一些实施例中，可以使用适当的前驱体气体【例如，锗烷(GeH

在参考图3时，方法300继续操作325以及沉积高率层和低率层的交替层以形成布拉格镜堆叠件的过程，如图1和图2所示的布拉格镜190。如图1和2所示，高率和低率层可以从诸如TiO

因此，由不同材料制成并且被配置为响应于不同波长的辐射感测区域需要具有不同类型的层、不同层数、不同层厚度或其组合的布拉格反射镜。在一些实施例中，可以将BSI图像传感器器件划分为每个区域中辐射感测材料不同的区域，以使BSI图像传感器能够检测更大的波长光谱。因此，可以使用光刻，蚀刻和沉积操作的组合为每个放射线感测区域形成具有适当的层特性(例如，层数、层的类型、层的厚度或其组合)的布拉格反射镜。

在一些实施例中，可以使用基于CVD的方法，基于原子层沉积(ALD)的方法或能够实现合适的层厚度控制和厚度均匀性的任何合适的方法来沉积高折射率材料和低折射率材料。厚度控制(例如，在亚纳米级别)、厚度均匀性(例如，在亚纳米级别)以及表面粗糙度控制(例如，在

在一些实施例中，如图1和图8所示，在沉积堆叠件之后，对高率材料和低率材料的层进行图案化以在相应的辐射感测区域130上形成单独的布拉格镜190。此外，如上所述，布拉格反射镜190的顶层和底层是高率材料。

随后，在布拉格镜190上以约40nm的厚度选择性地沉积保护性覆盖层800(例如，硅外延层)，随后进行电介质层805沉积和CMP工艺，以平坦化电介质层805，如图8所示，使得保护覆盖层800上的电介质层805的剩余厚度为约15nm。作为示例而非限制，电介质层805可以是USG、氧化硅或对入射辐射的波长透明的任何其他合适的电介质材料。在一些实施例中，保护性覆盖层800围绕布拉格镜190并且不在图案化的USG层500上生长。

参考图3，方法300继续操作330，并且在如图9所示的耦合到辐射感测区域130的衬底184的前侧表面上形成多层金属化层140的过程。多层金属化层140可以包括任何数量的金属化层(例如，在约1至约9之间)，以用于有效的信号从辐射感测区域130传播到ASCI。在一些实施例中，多层金属化层140的每一层包括通孔和线形式的金属布线网络。通孔(图9中未显示)与辐射感测区域130电耦合，以在入射辐射从衬底185的背侧表面进入BSI图像传感器时传播在光子转换过程中产生的电信号。

接合结构145形成在介电层900中，该介电层900形成在多层金属化层140的顶层上。当两个器件物理和电接合在一起时，接合结构145与ASCI的各自接合结构对齐。形成图1所示的堆叠件100。在一些实施例中，如图9所示，将接合结构145电耦合至多层金属化层140的顶层。

在一些实施例中，为了形成图1所示的BSI图像传感器器件105的附加组件(例如，形成滤色器125、微透镜120和焊盘结构175)，部分制造的BSI图像如图10所示，将图9的传感器装置旋转180°，以使衬底185的背侧表面朝上。如图11所示，一旦形成了这些组件，BSI图像传感器装置105和ASCI110的接合结构就对准并对齐。作为示例而非限制，可以在接合工艺之后形成图1所示的焊料凸块180。

在一些实施例中，布拉格反射镜190的形成可以不限于辐射感测区域130的单个表面(例如，如图8所示的顶表面)。例如，如图12a所示，可以使辐射感测区域130具有多个切面，这些切面随后被布拉格反射镜190的层覆盖。这种结构的好处在于，可以使辐射感测区域130的附加表面积增大。布拉格反射镜190利用“反射器”将透射的入射辐射束反射回辐射感测区域130。在一些实施例中，通过在形成辐射感应区域130之前在沟槽开口的侧壁上形成间隔物1200来促进切面的生长。

参照图12b至图12e，例如可以如下形成间隔物1200。如图12b所示，在形成沟槽开口400和图案化的USG层500之后，热氧化工艺在沟槽开口400的暴露表面上生长氧化硅层1200'。由于衬底185的前侧表面被图案化的USG层500覆盖，因此在沟槽开口400外部的表面上没有形成氧化硅。随后，各向异性蚀刻工艺从沟槽开口400的底部去除氧化硅层1200'的部分以形成间隔物1200。在上述蚀刻操作之后，间隔物1200的剩余厚度小于约10nm。在一些实施例中，较厚的垫片是可能的；然而，较厚的间隔物剥夺了辐射感测区域130的宝贵空间。随后，可以如方法300(图12c所示)中所述形成注入层505和c-Si外延层，然后如图12e所示生长辐射感测区域130。在一些实施例中，间隔物1200的存在促进了在辐射感测区域130中的切面的形成，如图12e所示，并且在图12e的插图中示出了辐射感测区域130的等距视图。

前述的多面辐射感测区域130的形成过程不是限制性的，并且以不同顺序执行的类似操作或者替代的制造操作是可能的，并且在本公开的精神和范围内。例如，可以在形成图案化的USG层500之前或在形成注入层505和c-Si外延层600之后，形成间隔物1200。

在一些实施例中，间隔件1200和沟槽开口400的形状的组合可以产生具有不同数目的切面的多种辐射感测区域形状，例如，分别如图13和图14所示从八面体到金刚石。因此，在其上形成的布拉格镜190将遵循下面的辐射感测区域130的边缘轮廓。在一些实施例中，如图13和图14所示，控制沟槽开口400的侧壁角θ和底部宽度W

注意，本文描述的辐射感测器件和相应的布拉格镜的任何组合可以在单个BSI图像传感器器件内使用。

根据本公开的各种实施例描述了在入射辐射的出射路径处的辐射感测区域上的镜子微结构的形成。在一些实施例中，反射镜微结构是布拉格反射镜，其增加了辐射感测区域内的入射辐射的光路，从而改善了光子的捕获。根据一些实施例，每个布拉格镜包括具有交替的成对的层的堆叠件，所述成对的层对具有高率(high-index)和低率(low-index)材料，以及一层附加的高率材料(2m+1)；其中2m是高折射率层和低折射率层对的数量。在一些实施例中，将这些层的厚度调整为约λ/(4n)；优选地，将厚度调整为约λ/(4n)。其中n是每一层的相应折射率，而λ是要检测的所需波长(例如，入射辐射的波长)。布拉格镜获得的反射率取决于高折射率材料和低折射率材料的层的对数(2m)及其折射率对比度。因此，如果以高折射率对比度选择高折射率材料和低折射率材料，则可以制造更薄的布拉格镜。另外，当高折射率材料和低折射率材料之间的折射率对比度较大时，反射带宽(例如，可以在入射辐射束的平均波长值λ附近反射的波长的数量)增加。作为示例而非限制，堆叠件可以包括在辐射感测区域的制造期间或之后形成的3至21层的高折射率和低折射率材料中的任何层。在一些实施例中，一对高率和低率层分别包括TiO

在一些实施例中，一种方法包括在衬底的前侧表面内形成开口；以及在开口的底部和侧壁表面上形成共形的注入层；在开口的底部和侧壁表面上生长第一外延层；在第一外延层上沉积第二外延层以填充开口，其中第二外延层形成辐射感测区域。该方法还包括在第二外延层的暴露表面上沉积堆叠件，其中该堆叠件包括高折射率材料层和低折射率材料层的交替对。

在一些实施例中，图像传感器包括具有前侧表面和相对的背侧表面的衬底；和在衬底的背侧表面形成的微透镜。滤色器设置在微透镜和衬底的背侧表面之间；形成在衬底的前侧表面中的沟槽中的辐射感测区域，其中辐射感测区域包括外延半导体材料。该图像传感器还包括设置在外延半导体材料的表面上的镜结构，该镜结构具有具有第一折射率值的第一材料层和具有不同于第一折射率值的第二折射率值的第二材料层的交替层。所述金属化层形成在所述辐射感测区域和所述镜结构上方的所述衬底的前侧表面上。

在一些实施例中，图像传感器包括具有前侧表面和相对的背侧表面的衬底；在衬底的前侧表面中形成的沟槽，其中沟槽的底部具有锥形轮廓。图像传感器还包括在沟槽中的辐射感测区域，其中辐射感测区域包括具有切面的外延半导体材料层。另外，图像传感器包括设置在沟槽的表面与外延半导体材料层的切面之间的氧化层；设置在外延半导体材料层的切面上的交替层的堆叠件，其中交替层包括具有第一折射率的第一材料层和具有第二折射率的第二材料层。

在一些实施例子，一种方法，包括：在衬底的前侧表面内形成开口；在所述开口的底部和侧壁表面上形成共形的注入层；在所述开口的所述底部和所述侧壁表面上生长第一外延层；在所述第一外延层上沉积第二外延层以填充所述开口，其中所述第二外延层形成辐射感测区；以及在所述第二外延层的暴露表面上沉积堆叠件，其中所述堆叠件包括高折射率材料层和低折射率材料层的交替对。

在一些实施例中，还包括：在所述堆叠件上沉积覆盖层；以及在所述覆盖层上形成金属化层，其中，所述金属化层电耦合到所述辐射感测区域，并且被配置为将电信号从所述辐射感测区域传播到信号处理装置。在一些实施例中，还包括在与所述前侧表面相对的所述衬底的背侧表面上形成微透镜，其中，所述微透镜被配置为将辐射朝向所述辐射感测区域直接入射到所述衬底的所述背侧表面。在一些实施例中，沉积所述堆叠件包括：沉积高折射率材料层，所述高折射率材料层的厚度基本上等于入射辐射的波长除以四倍的所述高折射率材料层的折射率值；以及沉积低折射率材料层，所述低折射率材料层的厚度基本上等于所述入射辐射的所述波长除以四倍的所述低折射率材料层的折射率值。在一些实施例中，高折射率材料层包括氧化钛(TiO

在一些实施例中，一种图像传感器，包括：衬底，具有前侧表面和相对的背侧表面；微透镜，形成在所述衬底的所述背侧表面上；滤色器，设置在所述微透镜和所述衬底的上述背侧表面之间；辐射感测区域，形成在所述衬底的前表面中的沟槽中，其中，所述辐射感测区域包括外延半导体材料；镜结构，设置在所述外延半导体材料的表面上，并且包括具有第一折射率值的第一材料层和具有不同于所述第一折射率值的第二折射率值的第二材料层的交替层；以及金属化层，形成在所述辐射感测区域和所述镜结构上方的所述衬底的所述前侧表面上。

在一些实施例中，外延半导体材料包括具有三个或更多个切面的锗，并且其中，氧化物层插入在所述外延半导体材料与所述沟槽的表面之间。在一些实施例中，第一材料层的厚度基本上等于由入射到所述辐射感测区域的辐射的波长除以四倍的所述第一折射率值所提供的比率。在一些实施例中，第二材料层的厚度基本上等于由入射到所述辐射感测区域的辐射的波长除以四倍的所述第二折射率值所提供的比率。在一些实施例中，第一折射率值大于所述第二折射率值。在一些实施例中，还包括覆盖层，所述覆盖层覆盖所述镜结构的顶表面和侧壁表面。

在一些实施例中，一种图像传感器，包括：衬底，具有前侧表面和相对的背侧表面；沟槽，形成在所述衬底的前侧表面中，其中所述沟槽的底部具有锥形轮廓；辐射感测区域，位于所述沟槽中并且包括具有切面的外延半导体材料层；氧化物层，设置在所述沟槽的表面和所述外延半导体材料层的所述切面之间；以及交替层的堆叠件，设置在所述外延半导体材料层的所述切面上，其中所述交替层包括具有第一折射率的第一材料层和具有第二折射率的第二材料层。

在一些实施例中，第一材料层比所述第二材料层薄。在一些实施例中，锥形轮廓包括从平行于所述前侧表面和背侧表面的轴线测量的约30°至约60°之间的侧壁角。在一些实施例中，第一材料层包括氧化钛(TiO

应当理解，详细描述部分而非公开摘要旨在用于解释权利要求。公开部分的摘要可以阐述一个或多个但不是所有预期的示例性实施例，因此，并不旨在限制从属权利要求。

前面概述了若干实施例的特征，使得本领域的技术人员可以更好地理解本公开的各个方面。本领域的技术人员应该理解，他们可以容易地使用本公开作为用于设计或修改用于执行与本公开相同或类似的目的和/或实现相同或类似优点的其他工艺和结构的基础。本领域的技术人员还应该意识到，这种等效结构不背离本公开的精神和范围，并且可以进行各种改变、替换和变更而不背离本公开的精神和范围。