背照式CMOS图像传感器及其形成方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种背照式CMOS图像传感器及其形成方法。

背景技术

CMOS图像传感器经过20多年的发展，越来越成熟，各项参数都在不断提升，这些参数指标中，近红外响应是非常重要的一项。近红外波段的光信号，人眼是不可见的，但在很多应用中却非常有用。例如，在安防领域，通过近红外补光的方式，安防相机在晚上依然可以正常为人们的安全保驾护航；在医疗领域，通过近红外补光成像的方式，医生可以看到人体的血管信息，方便注射与诊疗。背照式CMOS图像传感器从没有金属布线层的衬底背面接收入射光，避免金属线路和晶体管结构对入射光的阻碍，相比前照式图像传感器具有更大的动态范围以及更好的低光照成像能力，已经成为CMOS图像传感器的主流。

以含硅材料为主的背照式CMOS图像传感器，不同波长的光的入射深度即被吸收的深度不同，随着波长增大，通常入射深度增大，例如，蓝色光的入射深度大约在0.2μm，绿色光的入射深度大约在1μm，红色光的入射深度大约在3μm，而近红外光的入射深度较红色光更大，会穿过光电二极管的耗尽层，而没有形成响应，这也是在近红外波段，随着波长的增加，CMOS图像传感器的量子效率(QE)越来越低的原因。

为了增强近红外波段的响应能力，现有技术采用增加光电二极管的深度(以增大耗尽层的深度，使进入耗尽层外层的光信号被收集)以及改变光信号在光电二极管中的光程的方式，但是，增加光电二极管的深度后，像素内产生的自由电荷容易被临近的像素收集，会加重串扰，而改变光信号在光电二极管中的光程的方式需使光信号在像素内部经过多次反射，大大增加了实际光程，会降低器件量子效率。

发明内容

为了增强背照式CMOS图像传感器对于近红外波段的响应能力，同时不加重串扰以及降低器件量子效率，本发明提供一种背照式CMOS图像传感器以及一种背照式CMOS图像传感器的形成方法。

一方面，本发明提供一种背照式CMOS图像传感器，所述背照式CMOS图像传感器包括：

具有第一掺杂类型的半导体衬底，所述半导体衬底具有相背的正面和背面，所述半导体衬底包括介于所述正面和所述背面之间的多个像素区以及用于隔离相邻所述像素区的沟槽隔离结构；

二极管掺杂区，形成于每个所述像素区内且具有第二掺杂类型，所述二极管掺杂区与周围的对应所述像素区形成PN结；以及

第一红外反射层，形成于所述半导体衬底正面一侧，并且，所述第一红外反射层与所述二极管掺杂区分别在所述半导体衬底正面的正投影至少部分重叠。

可选地，所述二极管掺杂区在所述半导体衬底正面的正投影包含在所述第一红外反射层在所述半导体衬底正面的正投影内。

可选地，所述背照式CMOS图像传感器还包括传输晶体管栅极和电荷累积区，所述传输晶体管栅极形成于所述像素区上，所述传输晶体管栅极与所述二极管掺杂区分别在所述半导体衬底正面的正投影为部分重叠，所述电荷累积区形成于所述像素区顶部且具有第一掺杂类型，所述电荷累积区与所述二极管掺杂区形成PN结，其中，所述第一红外反射层覆盖所述传输晶体管栅极的顶表面以及所述电荷累积区的顶表面。

可选地，所述第一红外反射层与所述电荷累积区之间、以及所述第一红外反射层与所述传输晶体管栅极之间夹设有氧化层。

可选地，所述沟槽隔离结构包括：

形成于所述正面一侧的第一沟槽和填充于所述第一沟槽内的第一隔离介质；以及

形成于所述背面一侧的第二沟槽和填充于所述第二沟槽内的第二隔离介质；

其中，所述第一红外反射层还覆盖部分所述第一隔离介质的顶表面。

可选地，所述第二隔离介质包括填充所述第二沟槽的第二红外反射层。

可选地，所述第二隔离介质还包括介于所述第二沟槽内壁与所述第二红外反射层之间的高k介电层。

可选地，所述第一沟槽和所述第二沟槽在所述半导体衬底内连通。

另一方面，本发明提供一种背照式CMOS图像传感器的形成方法，所述形成方法包括：

形成半导体前端结构，所述半导体前端结构包括具有相背的正面和背面的半导体衬底、形成于所述正面一侧的第一沟槽隔离以及多个晶体管，所述半导体衬底具有第一掺杂类型，所述第一沟槽隔离定义出所述半导体衬底内的多个像素区，每个所述像素区内形成有具有第二掺杂类型的二极管掺杂区，所述二极管掺杂区与周围的对应所述像素区形成PN结；

沿所述半导体前端结构的靠近所述正面一侧覆盖正面红外反射膜；以及

对所述正面红外反射膜进行图形化以形成第一红外反射层，所述第一红外反射层与所述二极管掺杂区分别在所述半导体衬底正面的正投影至少部分重叠。

可选地，形成于所述正面一侧的多个晶体管中，传输晶体管的栅极与所述二极管掺杂区分别在所述半导体衬底正面的正投影为部分重叠，所述第一红外反射层覆盖所述传输晶体管栅极的顶表面。

可选地，所述半导体前端结构中，所述像素区顶部形成有具有第一掺杂类型的电荷累积区，所述电荷累积区与所述二极管掺杂区形成PN结，其中，所述第一红外反射层覆盖所述电荷累积区的顶表面。

可选地，所述半导体前端结构中，所述像素区顶部形成有具有第二掺杂类型的浮置扩散区，所述第一红外反射层暴露所述浮置扩散区。

可选地，所述形成方法还包括：

从所述背面一侧减薄所述半导体衬底；

从所述背面一侧刻蚀所述半导体衬底，形成介于相邻所述像素区之间的第二沟槽；

沿所述第二沟槽内壁以及所述背面形成高k介电层；

在所述第二沟槽内和所述背面形成背面红外反射膜；以及

去除覆盖于所述半导体衬底背面的所述背面红外反射膜，剩余的所述背面红外反射膜位于所述第二沟槽内并构成第二红外反射层，所述第二沟槽以及形成于所述第二沟槽内的所述高k介电层和所述第二红外反射层构成第二沟槽隔离。

本发明提供的背照式CMOS图像传感器及背照式CMOS图像传感器的形成方法中，在半导体衬底正面一侧设置或形成第一红外反射层，所述第一红外反射层与所述二极管掺杂区在所述半导体衬底正面的正投影至少部分重叠。所述第一红外反射层可以增强近红外光的反射，便于将从二极管掺杂区穿至半导体衬底正面的红外光反射回像素区，可以提高传感器的红外响应能力，并且不会加重串扰以及降低器件量子效率，有助于提升CMOS图像传感器的性能。

附图说明

图1是本发明实施例的背照式CMOS图像传感器的形成方法的流程示意图。

图2A至图2G是根据本发明实施例的背照式CMOS图像传感器的形成方法的剖面示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的背照式CMOS图像传感器及其形成方法作进一步详细说明。根据下面的说明，本发明的优点和特征将更清楚。应当理解，说明书的附图均采用了非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。需要说明的是，本文所呈现的方法中各步骤的顺序并非必须是执行这些步骤的唯一顺序，一些所述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其它步骤可被添加到该方法。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的结构被倒置或者以其它不同方式定位(如旋转)，示例性术语“在……上”也可以包括“在……下”和其它方位关系。

以下首先对本发明实施例的背照式CMOS图像传感器的形成方法进行说明。

参照图1和图2A，执行步骤S1，形成半导体前端结构。

所述半导体前端结构用于制作背照式CMOS图像传感器。要制作的背照式CMOS图像传感器包括多个像素。所述像素可采用各种已知的电路结构，如4T-APS结构、5T-APS结构、6T-APS结构、7T-APS结构或者8T-APS结构等，其中每个像素包括用于生成感光电荷的光电二极管、用于存储所述感光电荷的浮置扩散区以及用于导出感光信号的多个晶体管。以4T-APS结构为例，每个像素包括四个晶体管，分别为用于控制所述感光电荷转移至所述浮置扩散区的传输晶体管、用于移除所述浮置扩散区中的感光电荷的重置晶体管、用于控制所述浮置扩散区的电平转换为图像电压信号的源极跟随晶体管、以及控制所述图像电压信号输出至像素级连接结构(如位线)的行选择晶体管。

所述半导体前端结构基于一半导体衬底100形成，所述半导体衬底100可以为硅衬底、锗硅衬底、碳化硅衬底、绝缘体上硅(SOI)衬底、绝缘体上锗衬底、绝缘体上锗硅衬底或Ⅲ-Ⅴ族化合物衬底(例如氮化镓衬底或者砷化镓衬底)等，或者也可以为本领域技术人员熟知的其它用以承载半导体元器件的底材，半导体衬底100中可以根据设计需求具有一定浓度的掺杂离子。所述半导体前端结构可采用半导体制造工艺中的前端工艺(金属布线工序之前的工艺)形成。

半导体衬底100例如具有第一掺杂类型，并且，半导体衬底100布置有多个像素区，以对应于每个像素区形成像素。以下以半导体衬底100为硅衬底、第一掺杂类型为p型为例进行说明，与第一掺杂类型相反的第二掺杂类型为n型。在一些实施例中，第一掺杂类型也可以为n型，相应地，第二掺杂类型为p型。

为便于说明，将半导体衬底100要制作晶体管以及金属布线的表面称为正面，与所述正面相背的表面称为背面。

示例性地，在形成所述半导体前端结构时，首先，在半导体衬底100正面形成保护层(如氧化硅)并对半导体衬底100进行离子注入工序，以对应于各个像素区在半导体衬底100中形成多个二极管掺杂区110，所述二极管掺杂区110与周围的对应像素区形成PN结，即构成用于生成感光电荷的光电二极管，此外，通过执行多次离子注入工序，还可在半导体衬底100中形成位于相邻像素区之间的隔离掺杂区PW、位于各晶体管栅极下方的像素区内的沟道区120以及浮置扩散区FD。所述隔离区PW具有第一掺杂类型(例如为p型)，所述浮置扩散区FD具有第二掺杂类型(例如为n型)。此外，本实施例中，各像素采用钉扎(pinned)型光电二极管，在所述像素区顶部通过第一离子类型注入形成重掺杂的电荷累积区PIN，所述电荷累积区PIN与所述二极管掺杂区110形成PN结。所述电荷累积区PIN和所述浮置扩散区FD分别位于所述传输晶体管的栅极形成区域的两侧。

接着，对应于所述像素区之间的区域在半导体衬底100正面一侧制作第一沟槽，并在所述第一沟槽内填充第一隔离介质，构成用于隔离半导体衬底100内的多个所述像素区的第一沟槽隔离，所述第一沟槽隔离例如为浅沟槽隔离(STI)。所述第一沟槽隔离可采用本领域已知工艺形成。

然后，在半导体衬底100正面制作用于传感器像素的多个晶体管。例如，先在所述像素区表面形成栅介质层和多晶硅材料层，并刻蚀所述多晶硅材料层以形成各个晶体管的栅极，之后在所述栅极侧面形成侧墙，并通过离子注入在半导体衬底100内形成晶体管的源区和漏区。

如图2A所示，通过上述工艺，在各像素区上形成了传输晶体管，所述传输晶体管在传感器像素中用于控制所述感光电荷从二极管掺杂区转移至浮置扩散区。所述传输晶体管的栅极记为传输晶体管栅极TG。在形成传输晶体管栅极TG后，还在传输晶体管栅极TG侧面形成侧墙SP，所述传输晶体管栅极TG与相应像素区内的二极管掺杂区110分别在半导体衬底100正面的正投影例如部分重叠。

参照图1和图2B，执行步骤S2，在所述半导体前端结构的靠近所述正面一侧覆盖正面红外反射膜130。所述正面红外反射膜130采用对近红外光反射能力强的材料，例如可包括二氧化钛(TiO

本实施例中，在形成所述正面红外反射膜130之前，所述半导体前端结构上未进行多层布线工序，因而未形成层间介质层，但本发明不限于此，在另一些实施例中，在形成所述正面红外反射膜130之前，可以在所述半导体前端结构上形成至少一层间介质层，或者形成至少一层金属布线，从而，在另一些实施例中，所述正面红外反射膜130可形成于较如图2B所示的位置更远离半导体衬底100的高度位置。

参照图1和图2C，执行步骤S3，对所述正面红外反射膜130进行图形化以形成第一红外反射层130a，所述第一红外反射层130a与所述二极管掺杂区110分别在半导体衬底100正面的正投影至少部分重叠。

具体地，对所述正面红外反射膜130进行图形化时，可通过光刻定义出第一红外反射层130a的图形，再通过湿法蚀刻或干法蚀刻，刻蚀去除部分区域的正面红外反射膜130，以在所述正面红外反射膜130中形成开口，剩余的所述正面红外反射膜130作为第一红外反射层130a。所述正面红外反射膜130中的所述开口例如位于远离所述二极管掺杂区110的半导体衬底100区域，所述开口在半导体衬底100正面的正投影与所述二极管掺杂区110分别在半导体衬底100正面的正投影不重叠，从光电二极管区穿至半导体衬底100正面的近红外光基本不会到达所述开口的区域，因而不影响对近红外光的反射效果。

本实施例中，所述第一红外反射层130a与所述二极管掺杂区110分别在半导体衬底100正面的正投影至少部分重叠，也即，所述第一红外反射层130a在半导体衬底100正面的正投影至少覆盖所述二极管掺杂区110在半导体衬底100正面的正投影的一部分。进一步地，所述二极管掺杂区110在半导体衬底100正面的正投影例如包含在所述第一红外反射层130a在半导体衬底100正面的正投影内。本实施例中，所述第一红外反射层130a在半导体衬底100正面的正投影包含二极管掺杂区110在半导体衬底100正面的正投影且从多个方向超出所述二极管掺杂区110在半导体衬底100正面的正投影。

本实施例中，所述第一红外反射层130a覆盖所述传输晶体管栅极TG的顶表面且所述第一红外反射层130a与所述传输晶体管栅极TG的顶表面之间夹设有氧化层(如氧化硅)，所述第一红外反射层130a覆盖电荷累积区PIN的顶表面且所述第一红外反射层130a与电荷累积区PIN的顶表面与之间夹设有氧化层(如氧化硅)，所述第一红外反射层130a还覆盖于侧墙SP表面。此外，所述第一红外反射层130a还可覆盖于邻接电荷累积区PIN的所述第一沟槽隔离(即所述第一隔离介质)的表面。本实施例中，所述第一红外反射层130a暴露出所述浮置扩散区FD以及远离二极管掺杂区110的各晶体管以及远离二极管掺杂区110的所述第一沟槽隔离部分。

上述第一红外反射层130a可以有效反射从半导体衬底100背面入射并穿过二极管掺杂区110至半导体衬底100正面的近红外光，提高传感器的红外响应能力。

为了进一步提高传感器的红外响应能力，本实施例中，为了反射从半导体衬底100背面入射并入射至二极管掺杂区110侧面的像素区边界处的近红外光，在像素区之间的沟槽隔离结构内也设置了红外反射层。

具体地，参照图2D，在完成半导体衬底100正面一侧的工艺(包括金属布线工序)后，从半导体衬底100背面一侧减薄所述半导体衬底100；并且，从所述背面一侧刻蚀所述半导体衬底100，形成介于相邻所述像素区之间的第二沟槽，所述第二沟槽的深度可根据具体器件设计确定。本实施例中，所述第二沟槽为深沟槽，记为第二沟槽DT。可选地，如图2D所示，所述第二沟槽DT暴露出形成于半导体衬底100正面一侧的上述第一沟槽隔离(例如浅沟槽隔离STI)中的第一隔离介质，即第二沟槽DT与形成上述第一沟槽隔离的所述第一沟槽在半导体衬底100内连通。如此在第二沟槽DT内填充第二隔离介质而形成第二沟槽隔离后，所述第一沟槽隔离STI与所述第二沟槽隔离可在半导体衬底100内连接，所构成的沟槽隔离结构将两侧的所述像素区完全隔离，有助于降低串扰。

参照图2E，接着，沿所述第二沟槽DT内壁以及半导体衬底100的背面形成高k介电层141(k指介电常数)。所述高k介质层141的介电常数高于氧化硅，例如超过3.9。所述高k介质层140的材料可包括Al

参照图2F，然后，在第二沟槽DT内和半导体衬底100的背面形成背面红外反射膜142。所述背面红外反射膜142在半导体衬底100背面形成的厚度例如为

参照图2G，接着，去除覆盖于半导体衬底100背面的所述背面红外反射膜142，剩余的背面红外反射膜142位于所述第二沟槽DT内并构成第二红外反射层142a。本实施例中，填充于第二沟槽DT内的高k介质层141和第二红外反射层142a构成第二隔离介质，所述第二沟槽DT及所述第二隔离介质构成第二沟槽隔离，所述第二沟槽隔离例如为深沟槽隔离(DTI)。

后续可以进一步在半导体衬底100背面一侧制作光过滤器、微透镜等用于光入射的结构，此处不再赘述。

以下对本发明实施例的背照式CMOS图像传感器进行说明。所述背照式CMOS图像传感器的制作可采用上述实施例描述的背照式CMOS图像传感器的形成方法。

参照图2G，所述背照式CMOS图像传感器包括具有第一掺杂类型的半导体衬底100，所述半导体衬底100具有相背的正面和背面，所述半导体衬底100包括介于所述正面和所述背面之间的多个像素区以及用于隔离相邻像素区的沟槽隔离结构。本实施例中，所述沟槽隔离结构包括形成于所述正面一侧的上述第一沟槽隔离(例如为浅沟槽隔离(STI))以及形成于所述背面一侧的上述第二沟槽隔离(例如为深沟槽隔离(DTI))。本实施方式中，所述第一沟槽隔离为包括形成于所述正面一侧的第一沟槽和填充于所述第一沟槽内的第一隔离介质，所述第二沟槽隔离包括形成于所述背面一侧的第二沟槽DT和填充于所述第二沟槽DT内的第二隔离介质。

二极管掺杂区110形成于每个所述像素区内且具有第二掺杂类型，所述二极管掺杂区与周围的对应所述像素区形成PN结。作为示例，所述第一掺杂类型为p型，第二掺杂类型为n型。所述背照式CMOS图像传感器中的像素例如采用钉扎(Pinned)型光电二极管，因而在所述像素区顶部可形成有具有第一掺杂类型重掺杂的电荷累积区PIN，所述电荷累积区PIN与所述二极管掺杂区110形成PN结。

浮置扩散区FD用于存储在二极管掺杂区110产生的感光电荷，浮置扩散区FD形成于所述像素区顶部且具有第二掺杂类型。

在半导体衬底100正面可对应于各像素区形成用于构成像素电路的多个晶体管，晶体管的数量具体可根据像素电路的设计确定。本实施例中，形成于所述电荷累积区PIN和所述浮置扩散区FD之间的传输晶体管用于控制所述感光电荷从二极管掺杂区110转移至浮置扩散区FD。所述传输晶体管的栅极即传输晶体管栅极TG形成于所述像素区上，所述电荷累积区PIN和所述浮置扩散区FD分别位于所述传输晶体管栅极TG两侧，并且，所述传输晶体管栅极TG与相应所述像素区内的所述二极管掺杂区110分别在所述半导体衬底100正面的正投影例如为部分重叠。

第一红外反射层130a形成于所述半导体衬底100正面一侧，并且，所述第一红外反射层130a与所述二极管掺杂区110分别在所述半导体衬底100正面的正投影至少部分重叠。进一步地，所述二极管掺杂区110在半导体衬底100正面的正投影例如包含在所述第一红外反射层130a在半导体衬底100正面的正投影内。

如图2G所示，作为示例，第一红外反射层130a覆盖所述传输晶体管栅极TG的顶表面以及所述电荷累积区PIN的顶表面(此处“覆盖”可以包括接触式的直接覆盖以及非接触式的间接覆盖)。可选地，为了避免第一红外反射层130a对传输晶体管栅极TG以及电荷累积区PIN的电性产生影响，所述第一红外反射层130a与所述电荷累积区PIN之间、以及所述第一红外反射层130a与所述传输晶体管栅极TG之间夹设有氧化层(如氧化硅)。

可选地，所述背照式CMOS图像传感器包括形成于所述传输晶体管栅极TG两侧的侧墙SP，所述第一红外反射层130a覆盖所述侧墙SP。

在一些实施例中，所述第一红外反射层130a还覆盖于部分所述第一沟槽隔离(即覆盖部分所述第一隔离介质)的表面。更具体地，在同一所述像素区内，所述第一红外反射层130a覆盖距离二极管掺杂区110较近的所述第一沟槽隔离部分并暴露距离二极管掺杂区110较远的所述第一沟槽隔离部分，以对穿透至距离二极管掺杂区110较近的所述第一沟槽隔离区域的近红外光形成反射。

利用第一红外反射层130a，从半导体衬底100背面入射并穿过二极管掺杂区110至半导体衬底100正面的近红外光可以被有效反射回像素区，能够提高传感器的红外响应能力。

在一些实施例中，除了形成于半导体衬底100正面一侧的第一红外反射层130a，在半导体衬底100背面一侧形成所述第二沟槽隔离时，还在所述第二沟槽DT内填充第二红外反射层142a，即所述第二沟槽隔离中的第二隔离介质包括所述第二红外反射层142a，第二红外反射层142a可以对入射至第二沟槽隔离的近红外光形成反射。可选地，所述第二隔离介质还包括介于所述第二沟槽DT内壁与所述第二红外反射层142a之间的高k介电层141。为了增强像素区之间的隔离效果，形成于半导体衬底100正面一侧的所述第一沟槽与形成于半导体衬底100背面一侧的所述第二沟槽DT在半导体衬底100内连通，从而所述第一沟槽隔离和所述第二沟槽隔离在半导体衬底100内连接。

上述实施例描述的背照式CMOS图像传感器及背照式CMOS图像传感器的形成方法中，在半导体衬底100正面一侧设置或形成第一红外反射层130a，所述第一红外反射层130a与二极管掺杂区110分别在半导体衬底100正面的正投影至少部分重叠，此外，还可在用于隔离相邻所述像素区的所述第二沟槽隔离中设置或形成第二红外反射层142a。所述第一红外反射层130a和所述第二红外反射层142a可以增强近红外光的反射，便于将从半导体衬底100背面入射且从二极管掺杂区110穿至半导体衬底100正面或者入射至所述第二沟槽隔离的近红外光反射回像素区，可以提高传感器的红外响应能力，并且不会加重串扰以及降低器件量子效率，有助于提升CMOS图像传感器的性能。

需要说明的是，本说明书中的实施例采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其它实施例的不同之处，相关之处可参见理解。

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精神和范围内，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。