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CN112117291B - 一种背照式电荷域全局快门图像传感器及其制作方法 - Google Patents

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CN112117291B CN202011191650.0A CN202011191650A CN112117291B CN 112117291 B CN112117291 B CN 112117291B CN 202011191650 A CN202011191650 A CN 202011191650A CN 112117291 B CN112117291 B CN 112117291B
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Abstract

本发明提供一种背照式电荷域全局快门图像传感器及其制作方法，该图像传感器包括衬底、光电二极管、电荷存储节点、深沟槽隔离结构、介质层及电荷传输晶体管，其中，光电二极管及电荷存储节点均位于衬底中，且在水平方向上间隔预设距离，深沟槽隔离结构位于光电二极管与电荷存储节点之间，并在垂直方向上贯穿衬底，电荷传输晶体管位于介质层中，且电荷传输晶体管在衬底上的垂直投影与光电二极管及电荷存储节点均部分重叠。本发明采用金属遮光层和贯通衬底的背面深沟槽隔离结构将电荷存储节点完全遮蔽，与光电二极管实现衬底内的完全隔离，并在衬底外制备传输晶体管来实现光电二极管到电荷存储节点的光电子传输，可以有效抑制寄生光效应的影响。

Description

一种背照式电荷域全局快门图像传感器及其制作方法
技术领域
本发明属于图像传感器技术领域，涉及一种背照式电荷域全局快门图像传感器及其制作方法。
背景技术
区别于传统卷帘快门图像传感器(RS-CIS)的逐行曝光方式，全局快门图像传感器(GS-CIS)采用的是全局曝光，然后逐行读出的方式工作，这能有效避免高速成像中的果冻效应。GS-CIS的特点在于其具有信号存储节点(MEM)。根据MEM的位置，可划分为电荷域全局快门(CGS)和电压域全局快门(VGS)。其中，CGS-CIS具有读出噪声小的优点。然而由于其MEM是直接用于光生电子的存储，通常位于光电二极管(PD)的旁边，因此存在较大的寄生光灵敏度(PLS)。在正照式(FSI)结构中通常在MEM的表面做一层遮光层来降低PLS。而在背照式(BSI)结构中，由于遮光层与MEM的距离较远，所以存在较为严重的PLS。因此，对于BSI CGS-CIS而言，如何抑制PLS，对于提升其图像质量至关重要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种背照式电荷域全局快门图像传感器及其制作方法，用于解决现有技术中背照式电荷域全局快门图像传感器存在较为严重的寄生光效应的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种背照式电荷域全局快门图像传感器，包括：
衬底，包括相对设置的第一表面与第二表面；
光电二极管，位于所述衬底中；
电荷存储节点，位于所述衬底中，并在水平方向上与所述光电二极管间隔预设距离；
深沟槽隔离结构，位于所述光电二极管与所述电荷存储节点之间，并在垂直方向上贯穿所述衬底的第一表面与第二表面；
介质层，位于所述衬底的第一表面；
电荷传输晶体管，位于所述介质层中，所述电荷传输晶体管在所述衬底上的垂直投影与所述光电二极管及所述电荷存储节点均部分重叠。
可选地，所述光电二极管及所述电荷存储节点均与所述衬底的第二表面间隔预设距离。
可选地，所述背照式电荷域全局快门图像传感器还包括背面金属遮光层，所述背面金属遮光层位于所述衬底的第二表面，并与所述电荷存储节点两侧的所述深沟槽隔离结构相连。
可选地，所述背照式电荷域全局快门图像传感器还包括滤光片，所述滤光片位于所述衬底的第二表面。
可选地，所述背照式电荷域全局快门图像传感器还包括微透镜，所述微透镜位于所述滤光片表面。
可选地，所述背照式电荷域全局快门图像传感器还包括金属互连层，所述金属互连层位于所述介质层中。
可选地，所述深沟槽隔离结构的材质包括金属。
本发明还提供一种背照式电荷域全局快门图像传感器的制作方法，包括以下步骤：
提供一衬底，所述衬底包括相对设置的第一表面与第二表面；
从所述衬底的第一表面形成光电二极管及电荷存储节点于所述衬底中，所述光电二极管与所述电荷存储节点在水平方向上间隔预设距离；
形成介质层于所述衬底的第一表面，并形成电荷传输晶体管于所述介质层中，所述电荷传输晶体管在所述衬底上的垂直投影与所述光电二极管及所述电荷存储节点均部分重叠；
从所述衬底的第二表面形成深沟槽隔离结构，所述深沟槽隔离结构位于所述光电二极管与所述电荷存储节点之间，并在垂直方向上贯穿所述衬底的第一表面与第二表面。
可选地，所述光电二极管及所述电荷存储节点均与所述衬底的第二表面间隔预设距离。
可选地，还包括形成背面金属遮光层于所述衬底的第二表面的步骤，所述背面金属遮光层与所述电荷存储节点两侧的所述深沟槽隔离结构相连。
可选地，还包括形成滤光片于所述衬底的第二表面的步骤。
可选地，还包括形成微透镜于所述滤光片表面的步骤。
可选地，还包括形成金属互连层于所述介质层中的步骤。
可选地，还包括提供一基板，将所述基板与所述介质层键合的步骤。
可选地，还包括从所述衬底的第二表面减薄所述衬底的步骤。
可选地，所述介质层包括多晶硅层，通过激光照射使得所述多晶硅层的预设区域重结晶以得到所述电荷传输晶体管的有源层。
可选地，所述深沟槽隔离结构的材质包括金属。
如上所述，本发明的背照式电荷域全局快门图像传感器及其制作方法采用金属遮光层和贯通衬底的背面深沟槽隔离结构将电荷存储节点完全遮蔽，与光电二极管实现衬底内的完全隔离，并在衬底外介质层中制备传输晶体管来实现光电二极管到电荷存储节点的光电子传输，该方案可以有效抑制寄生光效应的影响。
附图说明
图1显示为本发明的图像传感器的剖面结构示意图。
图2显示为传统的背照式电荷域全局快门图像传感器的局部剖面图。
图3显示为本发明实施例一中的背照式电荷域全局快门图像传感器的局部剖面图。
图4显示为本发明的图像传感器的制作方法的工艺流程图。
图5显示为本发明的图像传感器的制作方法提供一衬底的示意图。
图6显示为本发明的图像传感器的制作方法从所述衬底的第一表面形成光电二极管及电荷存储节点于所述衬底中的示意图。
图7显示为本发明的图像传感器的制作方法形成介质层于所述衬底的第一表面，并形成电荷传输晶体管于所述介质层中的示意图。
图8显示为本发明的图像传感器的制作方法提供一基板，将所述基板与所述介质层键合的示意图。
图9显示为本发明的图像传感器的制作方法从所述衬底的第二表面减薄所述衬底的示意图。
图10显示为本发明的图像传感器的制作方法从所述衬底的第二表面形成深沟槽隔离结构，并形成背面金属遮光层于所述衬底的第二表面的示意图。
图11显示为本发明的图像传感器的制作方法形成滤光片于所述衬底的第二表面，并形成微透镜于所述滤光片表面的示意图。
元件标号说明
101 衬底
101a 第一表面
101b 第二表面
102 光电二极管
103 电荷存储节点
104 深沟槽隔离结构
105 介质层
106 电荷传输晶体管
106a 电荷传输晶体管栅极
106b 有源层
107 背面金属遮光层
108 红色滤光片
109 蓝色滤光片
110 绿色滤光片
111 微透镜
112 金属互连层
113 光线
114 基板
201 衬底
202 光电二极管
203 电荷存储节点
204 背面金属遮光层
205 介质层
206 电荷传输晶体管栅极
207 光线
S1-S4 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图11。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
本实施例中提供一种背照式电荷域全局快门图像传感器，请参阅图1，显示为该图像传感器的剖面结构示意图，包括衬底101、光电二极管102、电荷存储节点103、深沟槽隔离结构104、介质层105及电荷传输晶体管106，其中，所述衬底101包括相对设置的第一表面101a与第二表面101b，所述光电二极管102及所述电荷存储节点103均位于所述衬底101中，且所述光电二极管102与所述电荷存储节点103在水平方向上间隔预设距离，所述深沟槽隔离结构104位于所述光电二极管102与所述电荷存储节点103之间，并在垂直方向上贯穿所述衬底101的第一表面101a与第二表面101b，所述介质层105位于所述衬底101的第一表面101a，所述电荷传输晶体管106位于所述介质层105中，且所述电荷传输晶体管106在所述衬底101上的垂直投影与所述光电二极管102及所述电荷存储节点103均部分重叠。
具体的，所述衬底101包括但不限于硅衬底，其可以是P型掺杂或N型掺杂。所述光电二极管102用于接收光线并产生光生电子，所述电荷存储节点103用于存储所述光生电子，所述电荷传输晶体管106用于将所述光电二极管产生的光电子由所述衬底外传输至所述电荷存储节点103，所述电荷传输晶体管106包括电荷传输晶体管栅极及有源层，本实施例中，所述介质层105包括多晶硅层，所述有源层可由所述多晶硅层的预设区域激光重结晶而来，与外延硅类似。所述深沟槽隔离结构104用于防止入射至所述衬底104中的光线被折射或散射进所述电荷存储节点103，所述深沟槽隔离结构104的材质可选用不透光的金属，包括但不限于钛、氮化钛、氮化钽、钨、铝、铜、钴和镍中的一种或多种。
作为示例，所述光电二极管102及所述电荷存储节点103均与所述衬底101的第二表面101b间隔预设距离。
作为示例，所述背照式电荷域全局快门图像传感器还包括背面金属遮光层107，所述背面金属遮光层107位于所述衬底101的第二表面101b，并与所述电荷存储节点103两侧的所述深沟槽隔离结构104相连，所述背面金属遮光层107与所述深沟槽隔离结构104相结合，将所述电荷存储节点103完全遮蔽。所述背面金属遮光层107的材质包括但不限于钛、氮化钛、氮化钽、钨、铝、铜、钴和镍中的一种或多种。
作为示例，所述背照式电荷域全局快门图像传感器还包括滤光片，所述滤光片位于所述衬底101的第二表面101b。本实施例中，所述背照式电荷域全局快门图像传感器包括多组滤光片，每组滤光片均包括一红色滤光片108、一蓝色滤光片109及一绿色滤光片110，所述红色滤光片108、所述蓝色滤光片109及所述绿色滤光片110分别面对不同的所述光电二极管102，且各滤光片与其两侧的所述背面金属遮光层107连接。
作为示例，所述背照式电荷域全局快门图像传感器还包括微透镜111，所述微透镜111位于所述滤光片表面，入射光线经过所述微透镜111及所述滤光片进入所述衬底101中，并被所述光电二极管102接收。
作为示例，所述背照式电荷域全局快门图像传感器还包括金属互连层112，所述金属互连层112位于所述介质层105中。
请参阅图2，显示为传统的背照式电荷域全局快门图像传感器的局部剖面图，包括衬底201、光电二极管202、电荷存储节点203、背面金属遮光层204、介质层205及电荷传输晶体管栅极206，所述衬底201位于所述光电二极管202与所述电荷存储节点203之间的部分作为电荷传输晶体管的有源层，光线207照射所述光电二极管202产生的光生电子e-经由所述衬底201位于所述光电二极管202与所述电荷存储节点203之间的部分转移至所述电荷存储节点203。由于所述光电二极管202与所述电荷存储节点203在所述衬底201中未被全部隔离，会产生较为严重的寄生光效应。
请参阅图3，显示为本实施例的背照式电荷域全局快门图像传感器的局部剖面图，包括衬底101、光电二极管102、电荷存储节点103、深沟槽隔离结构104、背面金属遮光层107、介质层105及电荷传输晶体管，所述电荷传输晶体管包括电荷传输晶体管栅极106a及有源层106b，所述有源层106b位于所述衬底101外的所述介质层105中，光线113照射所述光电二极管102产生的光生电子e-经由所述衬底101外的所述有源层106b转移至所述电荷存储节点103。由于所述背面金属遮光层107和所述深沟槽隔离结构104将像素级电荷存储节点103与光电二极管102完全隔离，可以有效抑制寄生光效应的影响。
实施例二
本实施例中提供一种背照式电荷域全局快门图像传感器的制作方法，请参阅图4，显示为该方法的工艺流程图，包括以下步骤：
S1：提供一衬底，所述衬底包括相对设置的第一表面与第二表面；
S2：从所述衬底的第一表面形成光电二极管及电荷存储节点于所述衬底中，所述光电二极管与所述电荷存储节点在水平方向上间隔预设距离；
S3：形成介质层于所述衬底的第一表面，并形成电荷传输晶体管于所述介质层中，所述电荷传输晶体管在所述衬底上的垂直投影与所述光电二极管及所述电荷存储节点均部分重叠；
S4：从所述衬底的第二表面形成深沟槽隔离结构，所述深沟槽隔离结构位于所述光电二极管与所述电荷存储节点之间，并在垂直方向上贯穿所述衬底的第一表面与第二表面。
作为示例，请参阅图5，执行步骤S1：提供一衬底101，所述衬底101包括相对设置的第一表面101a与第二表面101b。所述衬底101包括但不限于硅衬底，其可以是P型掺杂或N型掺杂。
请参阅图6，执行步骤S2：通过离子注入等常规图像传感器工艺从所述衬底101的第一表面101a形成光电二极管102及电荷存储节点103于所述衬底101中，所述光电二极管102与所述电荷存储节点103在水平方向上间隔预设距离。
作为示例，所述光电二极管102及所述电荷存储节点102均与所述衬底101的第二表面101b间隔预设距离，且所述光电二极管102的深度小于所述电荷存储节点103的深度。
请参阅图7，执行步骤S3：采用化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、原子层沉积法(ALD)或其它合适的工艺形成介质层105于所述衬底101的第一表面101a，并形成电荷传输晶体管106于所述介质层中，所述电荷传输晶体管106在所述衬底101上的垂直投影与所述光电二极管102及所述电荷存储节点103均部分重叠。
具体的，所述电荷传输晶体管106包括电荷传输晶体管栅极及有源层，所述有源层位于所述介质层中。本实施例中，所述介质层105包括多晶硅层，通过激光照射使得所述多晶硅层的预设区域重结晶以得到所述电荷传输晶体管106的有源层。
作为示例，采用溅射、电镀、刻蚀等合适的工艺形成金属互连层112于所述介质层105中，所述金属互连层112包括至少一层金属布线层。
请参阅图8，提供一基板114，将所述基板114与所述介质层105键合。
请参阅图9，采用化学机械抛光(CMP)或其它合适的工艺从所述衬底101的第二表面101b减薄所述衬底101。
请参阅图10，执行步骤S4：采用光刻、刻蚀、沉积等工艺从所述衬底101的第二表面101b形成深沟槽隔离结构104，所述深沟槽隔离结构104位于所述光电二极管102与所述电荷存储节点103之间，并在垂直方向上贯穿所述衬底101的第一表面101a与第二表面101b。
具体的，所述深沟槽隔离结构104用于防止入射至所述衬底104中的光线被折射或散射进所述电荷存储节点103，所述深沟槽隔离结构104的材质可选用不透光的金属，包括但不限于钛、氮化钛、氮化钽、钨、铝、铜、钴和镍中的一种或多种。
请继续参阅图10，采用光刻、沉积等合适的工艺形成背面金属遮光层107于所述衬底101的第二表面101b，所述背面金属遮光层107与所述电荷存储节点103两侧的所述深沟槽隔离结构104相连。所述背面金属遮光层107与所述深沟槽隔离结构104相结合，将所述电荷存储节点103完全遮蔽。所述背面金属遮光层107的材质包括但不限于钛、氮化钛、氮化钽、钨、铝、铜、钴和镍中的一种或多种。
请参阅图11，形成滤光片于所述衬底的第二表面，并形成微透镜111于所述滤光片表面。
作为示例，所述背照式电荷域全局快门图像传感器包括多组滤光片，每组滤光片均包括一红色滤光片108、一蓝色滤光片109及一绿色滤光片110，所述红色滤光片108、所述蓝色滤光片109及所述绿色滤光片110分别面对不同的所述光电二极管102，且各滤光片与其两侧的所述背面金属遮光层107连接。入射光线经过所述微透镜111及所述滤光片进入所述衬底101中，并被所述光电二极管102接收。
作为示例，后续可以根据需要去除或保留所述基板114。
综上所述，本发明的背照式电荷域全局快门图像传感器及其制作方法采用金属遮光层和贯通衬底的背面深沟槽隔离结构将电荷存储节点完全遮蔽，与光电二极管实现衬底内的完全隔离，并在衬底外介质层中制备传输晶体管来实现光电二极管到电荷存储节点的光电子传输，该方案可以有效抑制寄生光效应的影响。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (14)

1.一种背照式电荷域全局快门图像传感器，其特征在于，包括：
衬底，包括相对设置的第一表面与第二表面；
光电二极管，位于所述衬底中；
电荷存储节点，位于所述衬底中，并在水平方向上与所述光电二极管间隔预设距离；
深沟槽隔离结构，位于所述光电二极管与所述电荷存储节点之间，并在垂直方向上贯穿所述衬底的第一表面与第二表面；
介质层，位于所述衬底的第一表面；
电荷传输晶体管，位于所述介质层中，所述电荷传输晶体管在所述衬底上的垂直投影与所述光电二极管及所述电荷存储节点均部分重叠；
背面金属遮光层，位于所述衬底的第二表面，并与所述电荷存储节点两侧的所述深沟槽隔离结构相连；
其中，所述介质层包括多晶硅层，所述电荷传输晶体管的有源层是通过激光照射使得所述多晶硅层的预设区域重结晶得到。
2.根据权利要求1所述的背照式电荷域全局快门图像传感器，其特征在于：所述光电二极管及所述电荷存储节点均与所述衬底的第二表面间隔预设距离。
3.根据权利要求1所述的背照式电荷域全局快门图像传感器，其特征在于：所述背照式电荷域全局快门图像传感器还包括滤光片，所述滤光片位于所述衬底的第二表面。
4.根据权利要求3所述的背照式电荷域全局快门图像传感器，其特征在于：所述背照式电荷域全局快门图像传感器还包括微透镜，所述微透镜位于所述滤光片表面。
5.根据权利要求1所述的背照式电荷域全局快门图像传感器，其特征在于：所述背照式电荷域全局快门图像传感器还包括金属互连层，所述金属互连层位于所述介质层中。
6.根据权利要求1所述的背照式电荷域全局快门图像传感器，其特征在于：所述深沟槽隔离结构的材质包括金属。
7.一种背照式电荷域全局快门图像传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一衬底，所述衬底包括相对设置的第一表面与第二表面；
从所述衬底的第一表面形成光电二极管及电荷存储节点于所述衬底中，所述光电二极管与所述电荷存储节点在水平方向上间隔预设距离；
形成介质层于所述衬底的第一表面，并形成电荷传输晶体管于所述介质层中，所述电荷传输晶体管在所述衬底上的垂直投影与所述光电二极管及所述电荷存储节点均部分重叠，其中，所述介质层包括多晶硅层，通过激光照射使得所述多晶硅层的预设区域重结晶以得到所述电荷传输晶体管的有源层；
从所述衬底的第二表面形成深沟槽隔离结构，所述深沟槽隔离结构位于所述光电二极管与所述电荷存储节点之间，并在垂直方向上贯穿所述衬底的第一表面与第二表面；
形成背面金属遮光层于所述衬底的第二表面，所述背面金属遮光层与所述电荷存储节点两侧的所述深沟槽隔离结构相连。
8.根据权利要求7所述的背照式电荷域全局快门图像传感器的制作方法，其特征在于：所述光电二极管及所述电荷存储节点均与所述衬底的第二表面间隔预设距离。
9.根据权利要求7所述的背照式电荷域全局快门图像传感器的制作方法，其特征在于：还包括形成滤光片于所述衬底的第二表面的步骤。
10.根据权利要求9所述的背照式电荷域全局快门图像传感器的制作方法，其特征在于：还包括形成微透镜于所述滤光片表面的步骤。
11.根据权利要求7所述的背照式电荷域全局快门图像传感器的制作方法，其特征在于：还包括形成金属互连层于所述介质层中的步骤。
12.根据权利要求7所述的背照式电荷域全局快门图像传感器的制作方法，其特征在于：还包括提供一基板，将所述基板与所述介质层键合的步骤。
13.根据权利要求7所述的背照式电荷域全局快门图像传感器的制作方法，其特征在于：还包括从所述衬底的第二表面减薄所述衬底的步骤。
14.根据权利要求7所述的背照式电荷域全局快门图像传感器的制作方法，其特征在于：所述深沟槽隔离结构的材质包括金属。
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