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CN113380844A - 图像传感器及其形成方法 - Google Patents

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CN113380844A
CN113380844A CN202110593957.1A CN202110593957A CN113380844A CN 113380844 A CN113380844 A CN 113380844A CN 202110593957 A CN202110593957 A CN 202110593957A CN 113380844 A CN113380844 A CN 113380844A
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Abstract

用于子像素的多个光伏结可以形成在半导体衬底中。在减薄半导体衬底的背面之后，可以在减薄的半导体衬底的背侧表面上形成至少一个透明折射结构。每个透明折射结构具有可变厚度，该可变厚度随着距离穿过子像素的第二导电型柱结构的几何中心的垂直轴线的横向距离的减小而减小。包括光学透镜的子像素光学组件可以在至少一个透明折射结构上方形成。每个透明折射结构可以减小向下传播到光电探测器中的光的倾斜角，增加光的全内反射并提高光电探测器的效率。本申请的实施例还涉及图像传感器及其形成方法。

Description

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测电磁辐射，诸如可见光、红外辐射和/或紫外线。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，诸如数码相机或移动设备中的嵌入式相机。这些设备利用图像像素阵列(可能包括光电二极管和晶体管)来利用电子-空穴对的光生来检测辐射。
发明内容
本申请的一些实施例提供了一种图像传感器，包括位于半导体衬底上的图像像素阵列，其中：所述图像像素阵列内的每个图像像素包括至少一个子像素；每个子像素包括多个光伏结、感测电路、被配置为将入射光引导到所述多个光伏结上并包括光学透镜的子像素光学组件，以及至少一个透明折射结构；所述多个光伏结中的每个包括相应的第一导电型固定层和相应的第二导电型柱结构；并且所述至少一个透明折射结构在锥形界面处与所述第二导电型柱结构接触。
本申请的另一些实施例提供了一种图像传感器，包括：位于半导体衬底上的图像像素阵列，其中：所述图像像素阵列中的每个图像像素包括至少一个子像素；每个子像素包括：位于所述半导体衬底的正面与背侧表面之间的多个光伏结、感测电路、位于所述背侧表面上面并被配置为将入射光引导到所述多个光伏结上并包括光学透镜的子像素光学组件，以及位于所述光学透镜与所述背侧表面之间并且具有可变厚度的透明折射结构，所述可变厚度随着距离穿过所述光学透镜的焦点的垂直轴线的横向距离的减小而减小；以及所述多个光伏结中的每个包括相应的第一导电型固定层和相应的第二导电型柱结构。
本申请的又一些实施例提供了一种形成图像传感器的方法，包括：通过掺杂所述半导体衬底的部分来形成用于半导体衬底中的子像素的多个光伏结，其中，所述多个光伏结中的每个包括相应的第一导电型固定层和相应的第二导电型柱结构；在所述半导体衬底的正面上形成感测电路；通过减薄所述半导体衬底的背面来物理地暴露所述第二导电型柱结构，其中，减薄的半导体衬底的背侧表面被物理地暴露；在所述减薄的半导体衬底的所述背侧表面上形成至少一个透明折射结构，其中，所述至少一个透明折射结构中的每个具有可变厚度，所述可变厚度随着距离穿过所述第二导电型柱结构的几何中心的垂直轴线的横向距离的减小而减小；以及在所述至少一个透明折射结构上方形成包括光学透镜的子像素光学组件，其中，所述子像素光学组件被配置为将入射光引导到所述多个光伏结上。
附图说明
当结合附图进行阅读时，从以下详细描述可最佳理解本发明的各方面。应该注意，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1A是根据本发明的实施例的图像传感器的图像像素阵列的第一配置的平面图。
图1B是根据本发明的另一实施例的用于图像传感器的图像像素阵列的第二配置的平面图。
图2A是根据本发明的实施例的在示例性结构中的子像素的区域内的前侧传感器组件的平面图。
图2B是沿着图2A的铰接垂直平面B–B’–B”–B’”–B””的示例性结构的垂直截面图。
图3A至图3D是根据本发明的实施例的在第二导电类型的柱结构的水平处的图像像素的各种配置的水平截面图。
图4是根据本发明的实施例的在互连级介电层内形成的金属互连结构的在形成以及载体衬底的附接之后的示例性结构的垂直截面图。
图5是根据本发明的实施例的在减薄半导体衬底之后的示例性结构的垂直截面图。
图6A是根据本发明的实施例的在形成深沟槽之后的图像像素的区的垂直截面图。示出垂直轴线A、A’和A”。
图6B是图6A的图像像素的俯视图。铰接的垂直平面A–A’–A”对应于图6A的垂直截面图的平面，该平面包括垂直轴线A、A’和A”。
图7是根据本发明的第一实施例的在形成深槽隔离结构之后的图像像素的区的垂直截面图。
图8A是根据本发明的第一实施例的在形成倒角区之后的图像像素的区的垂直截面图。示出垂直轴线A、A’和A”。
图8B是图8A的图像像素的俯视图。铰接的垂直平面A–A’–A”对应于图8A的垂直截面图的平面，该平面包括垂直轴线A、A’和A”。
图9A是根据本发明的第一实施例的在形成透明介电材料层之后的图像像素的区的垂直截面图。示出垂直轴线A、A’和A”。
图9B是图9A的图像像素的俯视图。铰接的垂直平面A–A’–A”对应于图9A的垂直截面图的平面，该平面包括垂直轴线A、A’和A”。
图10A是根据本发明的第一实施例的在形成透明折射结构之后的图像像素的区的垂直截面图。示出垂直轴线A、A’和A”。
图10B是图10A的图像像素的俯视图。铰接的垂直平面A–A’–A”对应于图10A的垂直截面图的平面，该平面包括垂直轴线A、A’和A”。
图11A和图11B是在与图10A和图10B的处理步骤相对应的处理步骤下的可选配置中的图像像素的俯视图。
图12A是根据本发明的第一实施例的在形成子像素光学组件之后的图像像素的区的垂直截面图。示出垂直轴线A、A’和A”。
图12B是图12A的图像像素的俯视图。铰接的垂直平面A–A’–A”对应于图12A的垂直截面图的平面，该平面包括垂直轴线A、A’和A”。
图13A是根据本发明的第二实施例的在形成倒角区之后的图像像素的区的垂直截面图。示出垂直轴线A、A’和A”。
图13B是图13A的图像像素的俯视图。铰接的垂直平面A–A’–A”对应于图13A的垂直截面图的平面，该平面包括垂直轴线A、A’和A”。
图14A是根据本发明第二实施例的在形成透明折射结构之后的图像像素的区的垂直截面图。示出垂直轴线A、A’和A”。
图14B是图14A的图像像素的俯视图。铰接的垂直平面A–A’–A”对应于图14A的垂直截面图的平面，该平面包括垂直轴线A、A’和A”。
图15是根据本发明的第二实施例的在形成深沟槽之后的图像像素的区的垂直截面图。
图16是根据本发明第二实施例的在形成深槽隔离结构之后的图像像素的区的垂直截面图。
图17是根据本发明的第二实施例的在形成子像素光学组件之后的图像像素的区的垂直截面图。
图18A是根据本发明第三实施例的在形成透明介电材料层和图案化光刻胶层之后的图像像素的区的垂直截面图。
图18B是图18A的图像像素的俯视图。铰接的垂直平面A–A’–A”对应于图18A的垂直截面图的平面，该平面包括垂直轴线A、A’和A”。
图19A是根据本发明第三实施例的在形成透明折射结构之后的图像像素的区的垂直截面图。
图19B是图19A的图像像素的俯视图。铰接的垂直平面A–A’–A”对应于图19A的垂直截面图的平面，该平面包括垂直轴线A、A’和A”。
图20是根据本发明的第三实施例的在形成子像素光学组件之后的图像像素的区的垂直截面图。
图21是示出根据本发明的实施例的用于形成图像传感器的示例性处理序列的工艺流程图。
具体实施方式
以下公开内容提供了许多用于实现所提供主题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，在以下描述中，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。此外，本发明可在各个实例中重复参考标号和/或字符。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。
而且，为了便于描述，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。器件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。
半导体图像传感器用于感测光。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)传感器广泛用于各种应用中，诸如数码相机或移动电话相机应用。这些图像传感器器件利用包括光电二极管和晶体管的衬底中的像素阵列，该像素阵列可吸收朝向衬底投射的辐射并将感测到的辐射转换成电信号。背照式(BSI)图像传感器器件是图像传感器器件的一种类型。由于晶体管器件尺寸随着每一代技术的发展而缩小，现有的BSI图像传感器器件可能开始遇到关于串扰和光晕的问题。这些问题可能是由BSI图像传感器的相邻像素之间的隔离不足所引起的，尤其是对于具有全相位检测自动聚焦(PDAF)功能的像素阵列架构。因此，尽管现有的制造BSI图像传感器器件的方法通常已经足以满足其预期的目的，但它们不是在所有方面都已完全令人满意的。
本文公开的各个实施例涉及半导体器件，并且具体地涉及包括在光学透镜下方的透明折射结构的图像传感器。各个实施例的图像传感器可被配置为使光朝向垂直方向折射，以增加在光电二极管层和深槽隔离结构之间的界面处的全反射的可能性。各个实施例包括其制造方法。通常，子像素内保留的光子百分比越高，逸出到相邻图像像素并导致图像分辨率降低的光子百分比就越低。根据实施例，可通过增加撞击到每个子像素中的光子的全反射的可能性来增强图像传感器的图像分辨率。根据实施例，除了光学透镜之外，还可使用透明折射结构以沿着垂直方向对准入射光子的方向，从而增加光电二极管层与深槽隔离结构之间的垂直界面处的光子的入射角，并且增加了光电二极管层与深槽隔离结构之间的垂直界面处的全反射的可能性。因此，入射到子像素中的光子在被子像素内的光电二极管层检测之前具有更高的可能性停留在子像素内。因此可提供具有更高图像分辨率的图像传感器。
参考图1A和图1B，在相应的平面图中示出图像传感器的图像像素900的阵列1000的第一配置和图像传感器的图像像素900的阵列1000的第二配置。图像传感器可以是背照式(BSI)图像传感器器件。然而，应该意识到，本发明的实施例可用在前照式(FSI)图像传感器中。
为了从图像传感器生成图像，每个图像像素900表示最小的单位面积。包括图像像素900的阵列1000的区在本文中被称为图像像素阵列区。图像像素阵列区中的图像像素900可以成行和列布置。例如，图像像素阵列区可包括M行和N列，其中M和N是从在1到216范围内(诸如从28到214)的整数。图像像素900的行可以用范围从1到M的整数连续编号，图像像素900的列可以用范围从1到N的整数连续编号。图像像素Pij是指第i行和第j列的图像像素900。
每个图像像素900包括至少一个光检测器，该光检测器被配置为检测给定波长范围的辐射。每个图像像素900可包括被配置为检测相应波长范围的辐射的多个光检测器，其可不同于多个光检测器中的每个光检测器。在一实施例中，每个图像像素900可包括多个子像素，每个子像素包括光检测器和被配置为检测入射到光检测器中的辐射的电子电路的相应组合。例如，图像像素900可包括被配置为检测以红色波长范围(诸如在635nm到700nm的范围内)辐射的子像素、被配置为检测以绿色波长范围(诸如在520nm到560nm的范围内)辐射的子像素，以及被配置为检测以蓝色波长范围(诸如在450nm到490nm的范围内)辐射的子像素。这些子像素分别称为红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素。
通常，图像像素900生成关于单位检测区域的入射辐射的信息。子像素生成关于在单位检测区域的区内检测到的特定波长范围内的入射辐射强度的信息。单色图像像素900可仅包括单个子像素。被配置为检测入射辐射的光谱分布的图像像素900包括具有至少两个不同检测波长范围的多个子像素。图像像素阵列区中的光检测器可包括光电二极管、互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器、电荷耦合器件(CCD)传感器、有源传感器、无源传感器、其他适用的传感器，或其组合。
图像传感器的图像像素900的每个阵列1000内的图像像素900的主要子集包括图像像素，其是用于生成二维图像的图像像素。图像传感器的图像像素900的每个阵列1000内的图像像素900的另一子集可包括黑色电平校正(BLC)图像像素，其是用于确定黑色电平校正信号的图像像素。通常，在没有入射光的情况下，BLC图像像素内的每个子像素测量在相应的光电二极管区内积聚的电荷。在一实施例中，可将BLC图像像素布置在图像传感器的图像像素900的阵列1000的框架周围。在说明性示例中，BLC图像像素可包括第一行图像像素(诸如，图像像素P1j，其中，索引j从1到N变化)、最后一行图像像素(诸如，第M行图像像素PMj，其中，索引j从1到N变化)、第一列图像像素(诸如，图像像素Pi1，其中，索引i从1到M变化)和最后一列图像像素(诸如，图像像素PiN，其中，索引i从1到M变化)。
图2A是根据本发明的实施例的在示例性结构中的子像素的区域内的前侧传感器组件的平面图。图2B是沿着图2A的铰接垂直平面B–B’–B”–B’”–B””的示例性结构的垂直截面图。一起参考图2A和图2B，示出示例性结构中的光检测器电路，其在子像素的区域内包括一组前侧传感器组件600。前侧传感器组件600是指可形成在半导体衬底500的正面609上或者可形成在衬底半导体层601内的图像传感器的所有组件。光检测器电路包括光检测器(包括传输晶体管630)和感测电路(640、650、660)，感测电路包括复位晶体管640、源极跟随器晶体管650和选择晶体管660。
每个子像素包括相应的光检测器电路，该光检测器电路包括可位于子像素的区域内的一组前侧传感器组件600。一组至少一个子像素800可用于图像像素900。每个子像素包括单位单元(“UC”)，可沿着至少一个水平方向重复该单位单元，以提供用于单个图像像素的前侧传感器组件600，该单个图像像素可包括单个子像素、两个子像素或三个或更多个像素子像素。在一实施例中，单位单元UC的多个实例可沿着至少一个水平方向重复。例如，单位单元UC可被重复为单位单元UC的二维阵列，其以沿着第一水平方向hd1的第一周期性和沿着第二水平方向hd2的第二周期性被复制。如以上参考图1A和图1B所讨论，二维阵列可以是矩形阵列或六边形阵列。如此，第二水平方向hd2可垂直于第一水平方向hd1，也可不垂直凹部于第一水平方向hd1。
再次参考图2A和图2B，半导体衬底500包括衬底半导体层601。每个子像素可形成在具有正面609和背侧表面的衬底半导体层601上或其中。衬底半导体层601包括半导体材料，诸如硅、锗、硅锗合金、化合物半导体材料或带间隙不超过待检测光子的能量的另一种半导体材料。可基于待由子像素检测的光子的能量范围来选择衬底半导体层601内的材料。在一实施例中，衬底半导体层601可包括单晶硅。可将可商购的单晶半导体衬底用作半导体衬底500。在该处理步骤中提供的半导体衬底500具有足够高的厚度，以能够经受标准的互补金属氧化物半导体(CMOS)处理步骤。例如，半导体衬底500的厚度可在200微米至1mm的范围内，尽管也可使用更小和更大的厚度。
可适当地掺杂衬底半导体层601的顶部以具有第一导电类型，该第一导电类型可以是p型或n型。例如，可执行外延半导体沉积工艺以在衬底半导体层的上部形成单晶外延半导体材料层，使得第一导电类型的掺杂剂的原子浓度在1.0×1013/cm3至1.0×1016/cm3的范围内，尽管也可使用更小和更大的原子浓度。单晶外延半导体材料层的厚度可在1微米至10微米的范围内。
可通过在随后可形成浅沟槽隔离结构620的区周围进行离子注入来形成第一导电类型的阱。在第一导电类型的阱中的第一导电类型的掺杂剂的原子浓度可在1.0×1015/cm3至1.0×1018/cm3的范围内，尽管也可使用更小和更大的原子浓度。可形成浅沟槽隔离结构620以提供与子像素内的各个组件之间的电隔离。
可使用至少一种掩蔽离子注入工艺通过半导体衬底500的正面609注入第二导电类型的掺杂剂。第二导电类型与第一导电类型相反。例如，如果第一导电类型是p型，则第二导电类型是n型，反之亦然。通过至少一个掩蔽离子注入工艺形成具有第二导电类型的掺杂的各个掺杂区。源极第二导电类型的光电二极管层602可形成在每个单位单元UC中的半导体衬底500的正面609下方，使得源极第二导电类型的光电二极管层602的外围在平面图中与传输栅电极605的边缘重叠。源极第二导电类型的光电二极管层602的横向范围可限于随后要形成的传输栅电极的一侧。因此，源极第二导电类型的光电二极管层602的边缘可与浅沟槽隔离结构620横向间隔开，其中，可随后形成传输栅电极和浮置扩散区的区。
通过以比形成源极第二导电类型的光电二极管层602的注入工艺期间更高的注入能量注入第二导电类型的掺杂剂，可在第一导电类型的阱的底部的深度处在源极第二导电类型的光电二极管层602下方形成第二导电类型的柱结构606。第二导电类型的柱结构606可邻接第一导电类型的阱。在一实施例中，每个第二导电类型的柱结构606可具有与第一导电类型的阱邻接的外围。将第二导电类型的柱结构606和源极第二导电类型的光电二极管层602的每个组合统称为第二导电类型的光电二极管层(602、606)。
在一实施例中，第二导电类型的柱结构606的顶面的深度可介于400nm至1,500nm的范围内，尽管也可使用更小和更大的深度。在一实施例中，第二导电类型的柱结构606的底面的深度可介于800nm至2,500nm的范围内，尽管也可使用更小和更大的深度。
衬底半导体层601的覆盖第二导电类型的柱结构606的未注入部分可具有第一导电类型的掺杂，并且可随后用作传输晶体管的主体区。如此，将衬底半导体层601的覆盖第二导电类型的柱结构606的未注入部分称为传输晶体管主体区611。在一实施例中，第二导电类型的柱结构606可具有与要随后形成的传输晶体管630相同的横向范围，并且可与浅沟槽隔离结构620的围绕源极第二导电类型的光电二极管层602和传输晶体管主体区611组合的部分重合。
可通过对包括栅极介电层和栅电极层的层堆叠件进行沉积和图案化来在半导体衬底500的正面609上方形成栅极堆叠结构(614、605、615)。层堆叠件的每个图案化部分构成栅极堆叠结构(614、605、615)，该栅极堆叠结构可以是传输栅极堆叠结构(614T、605)和控制栅极堆叠结构(614、615)。每个传输栅极堆叠结构(614T、605)包括栅极电介质(在此称为传输栅极电介质614T)和栅电极(在此称为传输栅电极605)。每个传输栅极堆叠结构(614T、605)位于源极第二导电类型的光电二极管层602与浮置扩散区608之间。每个控制栅极堆叠结构(614、615)包括栅极电介质614和栅电极615。
每个控制栅极堆叠结构(614、615)包括感测电路中的其他晶体管的栅极电介质614和栅电极615的相应层堆叠件，该层堆叠件可包括复位晶体管640、源极跟随器晶体管650、选择晶体管660以及可用于放大由子像素的光检测器产生的信号的其他合适的晶体管。
可形成具有第二导电类型的掺杂的各种有源区(608、612)。各个有源区(608、612)可包括用作传输晶体管630的漏极区的浮置扩散区608。源极第二导电类型的光电二极管层602与浮置扩散区608之间的电流可由传输栅电极605控制。
源极第二导电类型的光电二极管层602可在感测期间(即，当子像素出于取得帧或拍照的目的而主动检测撞击在其上的光子时)积聚电荷(诸如第二导电类型为n型的实施例中的电子)，并且可用作传输晶体管630的源极区。有源区612包括感测电路中的各个晶体管(640、650、660)的源极区和漏极区。浮置扩散区608可通过传输晶体管主体区611与第二导电类型的柱结构606垂直间隔开。
可通过使用掩蔽离子注入工艺对第二导电类型的掺杂剂进行离子注入来形成每个单位单元UC的浮置扩散区608和有源区612。相应图案化光刻胶层与栅极堆叠结构(614、605、615)的组合可在离子注入工艺期间用作离子注入阻挡结构(即，掩模结构)。浮置扩散区608的底面的深度可介于100nm至400nm的范围内，诸如150nm到250nm，尽管也可使用更小和更大的深度。有源区612的底面的深度可介于100nm至600nm的范围内，诸如150nm到400nm，尽管也可使用更小和更大的深度。
第一导电类型的固定层603可通过离子注入第一导电类型的掺杂剂来直接形成在源极第二导电类型的光电二极管层602的顶部上。第一导电类型固定层603抑制源极第二导电类型的光电二极管层602与第一导电类型固定层603之间的界面的耗尽，并且电稳定化源极第二导电类型的光电二极管层602。在本发明的各种示例性结构的所有俯视图中，省略第一导电类型的固定层603，以便清楚地示出位于第一导电类型的固定层603下方的源极第二导电类型的光电二极管层602的横向范围。第一导电类型的固定层603与源极第二导电类型的光电二极管层602之间的p-n结的深度可介于5nm至100nm的范围内，尽管也可使用更小和更大的深度。除了在源极第二导电类型的光电二极管层602与衬底半导体层601之间的p-n结之外，第一导电类型的固定层603与源极第二导电类型的光电二极管层602形成附加的p-n结。
互连级介电层670可形成在半导体衬底500的正面609上方，并且可在每个子像素内形成连接晶体管(630、640、650、660)的各个节点的金属互连结构680。互连级介电层670可包括相应的介电材料，诸如非掺杂硅酸盐玻璃、掺杂硅酸盐玻璃、有机硅酸盐玻璃、多孔介电材料或它们的组合。可在互连层介电层670中可选地使用包括各种介电材料(诸如氮化硅、氮氧化硅、碳化硅和/或电介质金属氧化物)的介电衬垫。金属互连结构680可包括各种金属通孔结构682(680)和各种金属线结构684(680)。例如，每个浮置扩散区608可通过金属互连结构680的子集连接至相应的源极跟随器晶体管650的栅电极615。光检测器可包括传输晶体管630，并且可连接至包括附加晶体管(640、650、660)的感测电路。
感测电路(640、650、660)包括一组复位晶体管640、源极跟随器晶体管650和选择晶体管660。通常，每个子像素的感测电路(640、650、660)可设置在单位单元UC的区域内。在一实施例中，可为每个子像素800提供一个感测电路(640、650、660)。在一实施例中，感测电路的每组互连的晶体管(640、650、660)可并排布置在相应条的区域内，该相应条靠近单位单元UC的边缘定位并沿着单位单元UC的侧面的整个长度的或沿着单位单元UC的侧面的长度的至少30％延伸。在另一实施例中，感测电路的每组互连的晶体管(640、650、660)可在靠近单位单元UC的拐角定位的块的区域内布置在传输晶体管630的浮置扩散区608周围。
根据本发明的实施例，可通过掺杂半导体衬底500的部分来为半导体衬底500中的子像素800形成多个光伏结。多个光伏结中的每个包括相应的第一导电类型的固定层603和相应的第二导电类型的柱结构606，并可包括相应的源极第二导电类型的光电二极管层602。可在半导体衬底500的正面上为每个子像素800形成感测电路(640、650、660)。
图3A至图3D示出第二导电类型的柱结构606的水平处的图像像素900的各种配置。
参考图3A，示出图像像素900的第一配置。每个图像像素900可包括一个或多个子像素800。在一实施例中，每个图像像素900可包括第一子像素801、第二子像素802、第三子像素803和第四子像素804。在非限制性说明性示例中，第一子像素801可以是被配置为检测635nm至700nm的波长范围内的光的红色图像像素，第二子像素802和第三子像素可以是被配置为检测520nm至560nm的波长范围内的光的绿色图像像素，并且第四子像素804可以是被配置为检测450nm至490nm的波长范围内的光的蓝色图像像素。
根据本发明的实施例，每个子像素800可包括多个第二导电类型的柱结构606。多个第二导电类型的柱结构606可围绕垂直轴线VA布置，该垂直轴线VA在每个子像素800内穿过多个第二导电类型的柱结构606的几何中心。根据本发明的实施例，每个垂直轴线VA可位于第二导电类型的柱结构606之间，并且可不与第二导电类型的柱结构606相交。第二导电类型的柱结构606可具有垂直侧壁。在一实施例中，可为每个子像素800提供四个第二导电类型的柱结构606，并且每个第二导电类型的柱结构606可具有通过切割相应矩形形状的拐角来得到的五边形水平截面形状。对应于矩形的切角的一侧可面对并可接近穿过子像素800的第二导电类型的柱结构606的几何中心的垂直轴线VA。子像素800的第二导电类型的柱结构606的几何中心是子像素800的第二导电类型的柱结构606的重心的位置，并且可位于子像素800的第二导电类型的柱结构606的体积之间。
参考图3B，示出图像像素900的第二配置。通过将每个子像素800的相邻对的第二导电类型的柱结构606合并成单个第二导电类型的柱结构606，可从图3A的图像像素900的第一配置得到图像像素900的第二配置。在此实施例中，每个子像素800可包括两个第二导电类型的柱结构606。子像素800的第二导电类型的柱结构606的几何中心是子像素800的第二导电类型的柱结构606的重心的位置，并且可位于子像素800的第二导电类型的柱结构606的体积之间。
参考图3C，示出图像像素900的第三配置。可通过改变在矩形水平形状的拐角处的切口的形状来从图3A的图像像素900的第一配置得到图像像素900的第三配置。例如，每个切口的切屑可具有两个侧面，并且可围绕垂直轴线VA形成具有大体上矩形的水平截面形状的区，该垂直轴线VA穿过每个子像素800的第二导电类型的柱结构606的几何中心。
参考图3D，示出图像像素900的第四配置。通过不围绕穿过每个子像素800的第二导电类型的柱结构606的几何中心的垂直轴线VA切割每个子像素800的第二导电类型的柱结构606的拐角部分，可从图像像素的第一配置得到图像像素900的第四配置。在此实施例中，每个第二导电类型的柱结构606可具有相应的矩形水平形状。
通常，可在每个子像素800内设置多个第二导电类型的柱结构606，并且可在穿过多个第二导电类型的柱结构606的几何中心的垂直轴线VA处或周围设置并非多个第二导电类型的柱结构606的一部分的区。由多个第二导电类型的柱结构606横向包围的每个子像素800的体积可被衬底半导体层601占据。要随后形成的光学透镜的焦点可在每个子像素800的垂直轴线VA内的一点处。尽管在本发明中示出图像像素900的四个配置，但应当理解，每个子像素800内的多个第二导电类型的柱结构606可具有各种几何形状。每个第二导电类型的柱结构606可由相应的垂直侧壁组横向限制，并且衬底半导体层601的由多个第二导电类型的柱结构606横向包围的一部分可位于穿过子像素800的多个第二导电类型的柱结构606的几何中心的垂直轴线VA周围。
图4是根据本发明的实施例的在互连级介电层内形成的金属互连结构的在形成以及载体衬底的附接之后的示例性结构的垂直截面图。参考图4，可在半导体衬底500的正面上形成附加的互连层介电层670和附加的金属互连结构680。半导体衬底500、互连层介电层670以及在其中形成的结构的组件的正面可接合至载体衬底690。可将载体衬底690临时附接至半导体衬底500和互连层介电层670的组件，以提供半导体衬底500的后续减薄，并提供对减薄的半导体衬底510和互连层介电层670的组件的后续处理。载体衬底690可包括半导体材料、绝缘材料或金属材料，并且可具有300微米至1mm的范围内的厚度，尽管也可使用更小和更大的厚度。
可使用任何合适的接合方法来将载体衬底690接合至互连层介电层670的正面。可用于将载体衬底690接合至互连级介电层670的示例性接合方法包括但不限于氧化物对氧化物接合、氧化物对半导体接合、熔接、复合接合、阳极接合、直接接合、其他合适的接合工艺和/或它们的组合。可选地，可使用包括中间接合材料(例如，氧化硅、氮化硅或半导体材料)的接合缓冲层689提供互连级介电层670与载体衬底690之间的接合。
图5是根据本发明的实施例的在减薄半导体衬底之后的示例性结构的垂直截面图。参考图5，可例如通过研磨、抛光、各向同性蚀刻工艺和/或各向异性蚀刻工艺来减薄半导体衬底500的背面。载体衬底690可在减薄工艺期间向半导体衬底500提供机械支撑。第二导电类型的柱结构606的底面通过使半导体衬底500的背面减薄物理地暴露。
在一实施例中，可将半导体衬底500减薄至1微米至12微米范围内的厚度，诸如1.5微米至8微米。在减薄工艺之后减薄的半导体衬底500在本文中被称为减薄的半导体衬底510或半导体衬底510。通常，减薄的半导体衬底510的背侧表面709可物理地暴露。减薄的半导体衬底510的厚度可由随后将在减薄的半导体衬底510的背面上形成的深沟槽的最大深度决定。在一实施例中，可选择减薄的半导体衬底510的厚度，使得将随后在半导体衬底510的背面上形成的深沟槽到达浅沟槽隔离结构620的近侧表面。可对减薄的半导体衬底510的背侧表面709进行抛光，以提供与减薄的半导体衬底510的正面609平行的平面水平表面。随后可将示例性结构上下颠倒以进行进一步处理。
图6A是根据本发明的实施例的在形成深沟槽之后的图像像素的区的垂直截面图。示出垂直轴线A、A’和A”。图6B是图6A的图像像素的俯视图。铰接的垂直平面A–A’–A”对应于图6A的垂直截面图的平面，该平面包括垂直轴线A、A’和A”。参考图6A和图6B并且根据本发明的第一实施例，光刻胶层(未示出)可施加在减薄的半导体衬底510的背侧表面709上方，并可被光刻图案化以形成横向围绕第二导电类型的柱结构606的区域的开口。在一实施例中，光刻胶层中的开口的图案可以是第二导电类型的柱结构606的图案的补充。
可通过执行各向异性蚀刻工艺来蚀刻半导体衬底510的未掩蔽部分，该各向异性蚀刻工艺将光刻胶层中的开口的图案转印至半导体衬底510中。可通过在围绕第二导电类型的柱结构606的区域中从背面蚀刻减薄的半导体衬底510的部分来形成互连的深沟槽79。第二导电类型的柱结构606的垂直侧壁物理地暴露于深沟槽79。深沟槽79的深度可介于1微米至10微米的范围内，诸如1.5微米至8微米的范围内。可在半导体衬底510中形成深沟槽。随后可例如通过灰化除去光刻胶层。
图7是根据本发明的第一实施例的在形成深槽隔离结构之后的图像像素的区的垂直截面图。参考图7，可在深沟槽79中并在减薄的半导体衬底510的背侧表面709上方沉积诸如氧化硅或聚合物材料等至少一种光学透明介电材料，以形成深槽隔离结构76。深槽隔离结构76可在子像素800内横向包围每个第二导电类型的柱结构606。在一实施例中，深槽隔离结构76可与浅沟槽隔离结构620的底面接触。深槽隔离结构76与浅沟槽隔离结构620的组合可在每对相邻的光伏结之间、在相邻的子像素对800之间以及在相邻的图像像素对900之间提供电隔离。
图8A是根据本发明的第一实施例的在形成倒角区之后的图像像素的区的垂直截面图。示出垂直轴线A、A’和A”。图8B是图8A的图像像素的俯视图。铰接的垂直平面A–A’–A”对应于图8A的垂直截面图的平面，该平面包括垂直轴线A、A’和A”。参考图8A和图8B，可在深槽隔离结构76上方施加光刻胶层73，并且可对光刻胶层73进行光刻图案化以形成以穿过每个子像素800的第二导电类型的柱结构606的几何中心的垂直轴线VA为中心的离散开口。在一实施例中，光刻胶层73中的覆盖相应子像素800的每个离散开口的形状可复制衬底半导体层601的由子像素800的第二导电类型的柱结构606横向包围的底层区的外边界的形状。例如，如果由子像素800的第二导电类型的柱结构606横向包围的衬底半导体层601的底层区具有菱形形状(即，钻石形)，则每个离散的形状在光刻胶层73中的开口可具有相同尺寸、更大尺寸或更小尺寸的菱形形状。
可执行蚀刻工艺以蚀刻深槽隔离结构76和第二导电类型的柱结构606的下层部分。蚀刻工艺使用诸如湿蚀刻工艺等各向同性蚀刻工艺，并且可以可选地使用各向异性蚀刻工艺。各向同性蚀刻工艺可包括至少一种干蚀刻工艺(诸如化学干蚀刻工艺)和/或至少一种湿蚀刻工艺。例如，在深槽隔离结构76包括氧化硅的实施例中，各向同性蚀刻工艺可包括使用稀氢氟酸的第一湿蚀刻步骤和使用热三甲基-2羟乙基氢氧化铵(“热TMY”)、四甲基氢氧化铵(TMAH)或氢氧化钾的第二湿蚀刻步骤。第一湿蚀刻步骤可使深槽隔离结构76的近侧部分垂直和横向凹陷，并且第二湿蚀刻步骤可围绕光刻胶层73中的每个开口使第二导电类型的柱结构606的半导体材料垂直和横向凹陷。通过除去深槽隔离结构76和第二导电类型的柱结构606的近侧部分来在每个体积内形成凹腔。凹腔可形成在覆盖垂直轴线VA的区中，该垂直轴线VA穿过相应子像素800的第二导电类型的柱结构606的几何中心。可例如通过灰化除去光刻胶层73。
图9A是根据本发明的第一实施例的在形成透明介电材料层之后的图像像素的区的垂直截面图。示出垂直轴线A、A’和A”。图9B是图9A的图像像素的俯视图。铰接的垂直平面A–A’–A”对应于图9A的垂直截面图的平面，该平面包括垂直轴线A、A’和A”。参考图9A和图9B，透明介电材料层78L可沉积在凹槽中和深槽隔离结构76的水平顶面上方。透明介电材料层78L包括光学透明材料。在一实施例中，透明介电材料层78L可包括具有比深槽隔离结构76的材料的折射率高的折射率的介电材料。在一实施例中，透明介电材料层78L可包括氧化硅、氧化硅或介电金属氧化物。可选择透明介电材料层78L的厚度使得每个凹腔的整个体积被填充。
图10A是根据本发明的第一实施例的在形成透明折射结构之后的图像像素的区的垂直截面图。示出垂直轴线A、A’和A”。图10B是图10A的图像像素的俯视图。铰接的垂直平面A–A’–A”对应于图10A的垂直截面图的平面，该平面包括垂直轴线A、A’和A”。参考图10A和图10B，可执行诸如化学机械平坦化(CMP)工艺等平坦化工艺，以从包括深槽隔离结构76的顶面的水平面上方除去透明介电材料层78L的部分。透明介电材料层78L的每个剩余部分包括透明折射结构78。每个透明折射结构78可形成在减薄的半导体衬底510的背侧表面709上。在一实施例中，每个透明折射结构78可具有可变厚度，该可变厚度随着与穿过相应子像素800的第二导电类型的柱结构606的几何中心的垂直轴线VA的横向距离而减小。通常，每个透明折射结构78的水平截面形状可与衬底半导体层601的下层部分的边界形状相同或类似，该下层部分由子像素800内的一组第二导电类型的柱结构606横向限定。例如，如果衬底半导体层601网格结构由子像素800内的一组第二导电类型的柱结构606横向限定的下层部分的边界具有菱形形状，则上覆的透明折射结构78可具有菱形的水平截面形状。
图11A和图11B是在与图10A和图10B的处理步骤相对应的处理步骤下的可选的配置中的图像像素的俯视图。参考图11A，对应于与图10A和图10B的处理步骤的处理步骤中示出可选的配置中的图像像素900。在此可选的配置中，透明折射结构78可具有矩形的相应水平截面形状，该矩形的侧面与底层的第二导电类型的柱结构606的侧壁平行。
参考图11B，对应于与图10A和图10B的处理步骤的处理步骤中示出另一个可选的配置中的图像像素900。在此可选的配置中，透明折射结构78可具有圆形或椭圆形的相应水平截面形状。
通常，可通过在图8A和图8B的处理步骤中改变光刻胶层73中的开口的形状来改变透明折射结构78的水平截面形状。每个透明折射结构78可具有围绕垂直轴线VA的旋转对称性，该垂直轴线VA穿过子像素800的底层的一组第二导电类型的柱结构606的几何中心。
图12A是根据本发明的第一实施例的在形成子像素光学组件之后的图像像素的区的垂直截面图。示出垂直轴线A、A’和A”。图12B是图12A的图像像素的俯视图。铰接的垂直平面A–A’–A”对应于图12A的垂直截面图的平面，该平面包括垂直轴线A、A’和A”。参考图12A和图12B，可在每个子像素800的外围周围形成包括至少一种光学反射材料的网格结构740。通过对诸如至少一层金属材料层等至少一层反射材料层进行沉积和图案化，可形成网格结构740。
具有平坦顶面的光学透明层770可形成在网格结构740上方。可通过沉积诸如可流动氧化物(FOX)等自平坦化介电材料来形成光学透明层770。可选地，可例如通过化学机械平坦化对透明介电材料以进行沉积和平坦化提供光学透明层770。
各种滤色材料可施加在光学透明层770上方，并可被图案化以形成各种滤色器780。滤色器780可包括形成在第一子像素801的区内的第一类型滤色器781(780)、形成在第二子像素802的区内的第二类型滤色器782(780)、形成在第三子像素803的区内的第三类型滤色器以及形成在第四子像素804的区内的第四类型滤色器。可选择每种滤色材料的组分，使得目标波长范围内的光穿过滤色材料，而目标波长范围之外的光被滤色材料吸收。
可通过在滤色器780上方施加光学透明的材料并通过将光学透明的材料图案化成具有凸面的材料部分来在滤色器780上方形成光学透镜790，该等凸面在网格结构740内的底层开口中的相应开口上居中上。
光学透镜790、滤色器780和光学透明层770的下层部分的每种组合构成子像素光学组件，该子像素光学组件被配置为将光过滤并聚焦至子像素800的一组相应的底层光伏结上。通常，可在每个透明折射结构78上方形成包括光学透镜790的子像素光学组件(770、780、790)。每个子像素800中的子像素光学组件(770、780、790)可被配置为将入射光引导至下面的多个光伏结上。在一实施例中，每个子像素800中的子像素光学组件(770、780、790)的焦点FP可位于垂直轴线VA上，该垂直轴线VA穿过子像素800的第二导电类型的柱结构606的集合的几何中心。
通常，每个子像素800内的每个透明折射结构78与第二导电类型的柱结构606之间的光学界面可以是锥形的，即，不是垂直的也不是水平的。可选择透明折射结构78的与第二导电类型的柱结构606接触的侧壁的锥角，使得入射到透明折射结构78的侧壁上的光的入射角比至任何垂直表面或任何水平表面上的入射角更小。入射角是入射光的方向与透明折射结构78的相应侧壁的表面法线之间的角度。因此，由于透明折射结构78的存在，较高部分的入射光在位于透明折射结构78的侧壁处的光学界面处折射。
可将载体衬底690和接合缓冲层689(如果存在)与互连层介电层670分离。在从半导体衬底510分离载体衬底690之前或之后，可将半导体衬底510及其上的器件结构分割为离散图像传感器。
图13A是根据本发明的第二实施例的在形成倒角区之后的图像像素的区的垂直截面图。示出垂直轴线A、A’和A”。图13B是图13A的图像像素的俯视图。铰接的垂直平面A–A’–A”对应于图13A的垂直截面图的平面，该平面包括垂直轴线A、A’和A”。参考图13A和图13B，示出根据本发明的第二实施例的在形成倒角区之后的图像像素900的区。通过在减薄的半导体衬底510的背侧表面709上方施加光刻胶层173并对其进行光刻图案化并通过将光刻胶层173用作蚀刻掩模来执行蚀刻工艺，可从图5的得到图13A和图13B所示的结构。光刻胶层173中的光刻图案可以是可用于在图8A和图8B的处理步骤中对光刻胶层73进行图案化的任何图案。
蚀刻工艺蚀刻减薄的半导体衬底510中的半导体材料的下层部分。具体地，可通过蚀刻工艺除去衬底半导体层601和第二导电类型的柱结构606的与光刻胶层173中的开口最接近的部分。蚀刻工艺使用诸如湿蚀刻工艺等各向同性蚀刻工艺，并且可以可选地使用各向异性蚀刻工艺。各向同性蚀刻工艺可包括至少一种干蚀刻工艺(诸如化学干蚀刻工艺)和/或至少一种湿蚀刻工艺。例如，各向同性蚀刻工艺可包括使用热三甲基-2羟乙基氢氧化铵(“热TMY”)、四甲基氢氧化铵(TMAH)或氢氧化钾的湿蚀刻步骤。取决于蚀刻化学，可在衬底半导体层601和第二导电类型的柱结构606的蚀刻表面上形成或不形成晶体学小平面。通过除去衬底半导体层601和第二导电类型的柱结构606的近侧部分来在每个体积内形成凹腔。凹腔可形成在覆盖垂直轴线VA的区中，该垂直轴线VA穿过相应子像素800的第二导电类型的柱结构606的几何中心。可例如通过灰化除去光刻胶层173。
图14A是根据本发明第二实施例的在形成透明折射结构之后的图像像素的区的垂直截面图。示出垂直轴线A、A’和A”。图14B是图14A的图像像素的俯视图。铰接的垂直平面A–A’–A”对应于图14A的垂直截面图的平面，该平面包括垂直轴线A、A’和A”。参考图14A和图14B，可在凹槽中沉积透明介电材料层。透明介电材料层包括光学透明材料。在一实施例中，透明介电材料层78L可包括具有比要随后形成的深槽隔离结构的材料的折射率高的折射率的介电材料。在一实施例中，透明介电材料层可包括氧化硅、氧化硅或介电金属氧化物。可选择透明介电材料层的厚度，使得每个凹腔的整个体积被填充。
执行诸如化学机械平坦化(CMP)工艺等平坦化工艺，以从包括减薄的半导体衬底510的背侧表面709的水平面上方除去透明介电材料层的部分。透明介电材料层的每个剩余部分包括透明折射结构78。每个透明折射结构78可形成在减薄的半导体衬底510的背侧表面709上。在一实施例中，每个透明折射结构78可具有可变厚度，该可变厚度随着与穿过相应子像素800的第二导电类型的柱结构606的几何中心的垂直轴线VA的横向距离而减小。通常，每个透明折射结构78的水平截面形状可与衬底半导体层601的下层部分的边界形状相同或类似，该下层部分由子像素800内的一组第二导电类型的柱结构606横向限定。例如，如果衬底半导体层601网格结构由子像素800内的一组第二导电类型的柱结构606横向限定的下层部分的边界具有菱形形状，则上覆的透明折射结构78可具有菱形的水平截面形状。
图15是根据本发明的第二实施例的在形成深沟槽之后的图像像素的区的垂直截面图。参考图15，光刻胶层(未示出)可施加在减薄的半导体衬底510的背侧表面709上方，并可被光刻图案化以形成开口的图案。光刻胶层中的开口的图案可与在图6A和图6B的处理步骤中使用的光刻胶层中的开口的图案相同。在一实施例中，光刻胶层中的开口的图案可以是第二导电类型的柱结构606的图案的补充。
可通过执行各向异性蚀刻工艺来蚀刻半导体衬底510的未掩蔽部分，该各向异性蚀刻工艺将光刻胶层中的开口的图案转印至半导体衬底510中。可通过在围绕第二导电类型的柱结构606的区域中从背面蚀刻减薄的半导体衬底510的部分来形成互连的深沟槽79。可通过各向异性蚀刻工艺蚀刻透明折射结构78的中心部分。在一实施例中，每个透明折射结构78可分成多个透明折射结构78。第二导电类型的柱结构606和透明折射结构78的垂直侧壁可物理地暴露于深沟槽79。深沟槽79的深度可介于1微米至10微米的范围内，诸如1.5微米至8微米的范围内。可在半导体衬底510中形成深沟槽。随后可例如通过灰化除去光刻胶层。
图16是根据本发明第二实施例的在形成深槽隔离结构之后的图像像素的区的垂直截面图。参考图16，可在深沟槽79中并在减薄的半导体衬底510的背侧表面709上方沉积诸如氧化硅或聚合物材料等至少一种光学透明介电材料，以形成深槽隔离结构76。深槽隔离结构76可在子像素800内横向包围每个第二导电类型的柱结构606和每个透明折射结构78。在一实施例中，深槽隔离结构76可与浅沟槽隔离结构620的底面接触。深槽隔离结构76与浅沟槽隔离结构620的组合可在每对相邻的光伏结之间、在相邻的子像素对800之间以及在相邻的图像像素对900之间提供电隔离。
图17是根据本发明的第二实施例的在形成子像素光学组件之后的图像像素的区的垂直截面图。参考图17，可执行图12A和图12B的处理步骤以形成网格结构740和子像素光学组件(770、780、790)。可将载体衬底690和接合缓冲层689(如果存在)与互连层介电层670分离。在从半导体衬底510分离载体衬底690之前或之后，可将半导体衬底510及其上的器件结构分割为离散图像传感器。
参考图1A至图17，并且根据本发明的各个实施例，可提供包括位于半导体衬底510上的图像像素阵列900的图像传感器。图像像素阵列900内的每个图像像素900包括至少一个子像素800。每个子像素800包括多个光伏结(602、606、603)；感测电路(640、650、660)，被配置为将入射光引导至多个光伏结602、606、603)上的子像素光学组件(770、780、790)并包括光学透镜790；以及至少一个透明折射结构78。多个光伏结(602、606、603)中的每个包括相应的第一导电类型的固定层603和相应的第二导电类型的柱结构606。至少一个透明折射结构78在锥形界面处与第二导电类型的柱结构606接触。
在一实施例中，第一导电类型的固定层603位于半导体衬底510的正面609上，并且第二导电类型的柱结构606位于半导体衬底510的背侧表面709上。在一实施例中，每个子像素800包括深槽隔离结构76，该深槽隔离结构76横向包围并接触每个第二导电类型的柱结构606。
根据本发明的第一实施例，至少一个透明折射结构78包括与每个子像素800内的每个第二导电类型的柱结构606接触的单个透明折射结构78。在一实施例中，单个透明折射结构78包括锥形侧壁，该等锥形侧壁与沟槽隔离结构76的覆盖并接触半导体衬底510的背侧表面709的水平延伸部分接触。在一实施例中，单个透明折射结构78的水平表面与深槽隔离结构76的水平延伸部分接触，并与半导体衬底510的背侧表面709垂直间隔。
根据本发明的第二实施例，至少一个透明折射结构78包括与每个子像素800内的第二导电类型的柱结构606中的相应柱结构接触的多个透明折射结构78。在一实施例中，深槽隔离结构76的垂直延伸部分横向包围多个透明折射结构78，并且深槽隔离结构76的水平延伸部分覆盖并接触多个透明折射结构78中的每个。在一实施例中，多个透明折射结构78中的每个包括位于包括半导体衬底510的背侧表面709的水平面内的水平表面，并与深槽隔离结构76的水平延伸部分接触。
在一实施例中，至少一个透明折射结构78具有可变厚度，该可变厚度随着与穿过每个子像素800内的光学透镜790的焦点FP的垂直轴线VA的横向距离的减小而减小。通常，可在每个透明折射结构78上方形成包括光学透镜790的子像素光学组件(770、780、790)。每个子像素800中的子像素光学组件(770、780、790)可被配置为将入射光引导至下面的多个光伏结上。在一实施例中，每个子像素800中的子像素光学组件(770、780、790)的焦点FP可位于垂直轴线VA上，该垂直轴线VA穿过子像素800的第二导电类型的柱结构606的集合的几何中心。
图18A是根据本发明第三实施例的在形成透明介电材料层和图案化光刻胶层177图像像素的区的垂直截面图。图18B是图18A的图像像素的俯视图。铰接的垂直平面A–A’–A”对应于图18A的垂直截面图的平面，该平面包括垂直轴线A、A’和A”。参考图18A和图18B，示出根据本发明的第三实施例的图像像素900的区。通过在深槽隔离结构76的水平顶面上方沉积透明介电材料层78L，可从图7的结构得到图18A和图18B所示的结构。透明介电材料层178L包括光学透明材料。在一实施例中，透明介电材料层178L可包括具有比深槽隔离结构76的材料的折射率高的折射率的介电材料。在一实施例中，透明介电材料层178L可包括氧化硅、氧化硅或介电金属氧化物。透明介电材料层178L的厚度可介于200nm至2,000nm的范围内，诸如400nm至1,000nm的范围内，尽管也可使用更小或更大的厚度。
图19A是根据本发明第三实施例的在形成透明折射结构之后的图像像素的区的垂直截面图。图19B是图19A的图像像素的俯视图。铰接的垂直平面A–A’–A”对应于图19A的垂直截面图的平面，该平面包括垂直轴线A、A’和A”。参考图19A和图19B，光刻胶层(未示出)可施加在透明介电材料层178L上方，并且可被光刻图案化以覆盖穿过相应子像素800内的第二导电类型的柱结构606的几何中心的每个垂直轴线VA周围的离散区域。光刻胶层的每个图案化部分的水平截面形状可以是菱形、圆形、矩形或具有n倍旋转对称性的任何二维形状，其中n是底层子像素800中的第二导电类型的柱结构606的总数。
可执行各向同性蚀刻工艺以蚀刻透明介电材料层178L的未掩蔽部分。在一实施例中，各向同性蚀刻工艺可使用对深槽隔离结构76的材料选择性地蚀刻透明介电材料层178L的材料的蚀刻剂。例如，如果深槽隔离结构76包括氧化硅，并且如果透明介电材料层178L包括氮化硅，则可执行使用热磷酸的湿蚀刻工艺。在各向同性蚀刻工艺之后，透明介电材料层178L的每个剩余部分包括透明折射结构178。透明介电材料层178L的侧壁是锥形的，并且可以是凹进的或可以是平面的。
每个透明折射结构178可形成在减薄的半导体衬底510的背侧表面709上方，并且可形成在深槽隔离结构76的水平延伸部分上方。在一实施例中，每个透明折射结构178可具有可变厚度，该可变厚度随着与穿过相应子像素800的第二导电类型的柱结构606的几何中心的垂直轴线VA的横向距离而减小。在一实施例中，透明折射结构178包括位于穿过光学透镜790的焦点FP的垂直轴线VA上的顶点。通常，每个透明折射结构178的水平截面形状可与衬底半导体层601的下层部分的边界形状相同或类似，该下层部分由子像素800内的一组第二导电类型的柱结构606横向限定。例如，如果衬底半导体层601网格结构由子像素800内的一组第二导电类型的柱结构606横向限定的下层部分的边界具有菱形形状，则上覆的透明折射结构78可具有菱形的水平截面形状。
图20是根据本发明的第三实施例的在形成子像素光学组件之后的图像像素的区的垂直截面图。参考图20，可执行图12A和图12B的处理步骤以形成网格结构740和子像素光学组件(770、780、790)。可将载体衬底690和接合缓冲层689(如果存在)与互连层介电层670分离。在从半导体衬底510分离载体衬底690之前或之后，可将半导体衬底510及其上的器件结构分割为离散图像传感器。
通常，可在每个透明折射结构78上方形成包括光学透镜790的子像素光学组件(770、780、790)。每个子像素800中的子像素光学组件(770、780、790)可被配置为将入射光引导至下面的多个光伏结上。在一实施例中，每个子像素800中的子像素光学组件(770、780、790)的焦点FP可位于垂直轴线VA上，该垂直轴线VA穿过子像素800的第二导电类型的柱结构606的集合的几何中心。
参考图1A至图7和图18A至图20，并且根据本发明的各个实施例，可提供包括位于半导体衬底510上的图像像素阵列900的图像传感器。图像像素阵列900内的每个图像像素包括至少一个子像素800。每个子像素800包括：位于半导体衬底510的正面609与背侧表面709之间的多个光伏结(602、606、603)、感测电路(640、650、660)、覆盖背侧表面709并被配置为将入射光引导至多个光伏结602、606、603)上并包括光学透镜790的子像素光学组件(770、780、790)，以及位于光学透镜790与背侧表面709之间并且具有可变厚度的透明折射结构78、178，该可变厚度随着距离穿过光学透镜790的焦点FP的垂直轴线VA的横向距离的减小而减小。多个光伏结(602、606、603)中的每个包括相应的第一导电类型的固定层603和相应的第二导电类型的柱结构606。
在一实施例中，每个子像素800包括深槽隔离结构76，该深槽隔离结构76横向包围并接触每个第二导电类型的柱结构606。每个子像素800中的透明折射结构178覆盖深槽隔离结构76的水平延伸部分，该部分与半导体衬底510的背侧表面709接触。
在一实施例中，透明折射结构178的底面与深槽隔离结构76的水平延伸部分的水平表面接触。在一实施例中，透明折射结构178包括位于穿过光学透镜790的焦点FP的垂直轴线VA上的顶点。
参考图21，工艺流程图示出根据本发明实施例的用于形成图像传感器的示例性处理序列。参考步骤2110以及图2A、图2B和图3A至图3D，可通过掺杂半导体衬底500的部分来在半导体衬底500中形成用于子像素800的多个光伏结(602、606、603)。多个光伏结(602、606、603)中的每个包括相应的第一导电类型的固定层603和相应的第二导电类型的柱结构606。参考步骤2120以及图2A、图2B和图3A至图3D，感测电路(640、650、660)可形成在半导体衬底500的正面609上。参考步骤2130以及图4和图5，可通过减薄半导体衬底500的背面来物理地暴露第二导电类型的柱结构606。减薄的半导体衬底510的背侧表面709物理地暴露。参考步骤2140以及图6A至图11B、图13A至图16和图18A至图19B，可在减薄的半导体衬底510的背侧表面709上形成至少一个透明折射结构(78、178)。至少一个透明折射结构(78、178)中的每个具有可变厚度，该可变厚度随着据穿过第二导电类型的柱结构606的几何中心的垂直轴线VA的横向距离而减小。参考步骤2150以及图12A和图12B、图17和图20，可在至少一个透明折射结构(78、178)上方形成包括光学透镜790的子像素光学组件(770、780、790)。光学组件(770、780、790)被配置为将入射光引导至多个光伏结(602、606、603)上。
本发明的各个实施例可用于提供子像素800，其中，穿过光学透镜790的入射光在与第二导电类型的柱结构606的锥形界面处被至少一个透明折射结构(78、178)进一步折射，使得第二导电类型的柱结构606的侧壁处的反射以及第二导电类型的柱结构606内的光的方向更有利于全反射。因此，使用本发明的透明折射结构(78、178)的图像传感器可提供更高的光捕获效率和更高的图像分辨率。
本申请的一些实施例提供了一种图像传感器，包括位于半导体衬底上的图像像素阵列，其中：所述图像像素阵列内的每个图像像素包括至少一个子像素；每个子像素包括多个光伏结、感测电路、被配置为将入射光引导到所述多个光伏结上并包括光学透镜的子像素光学组件，以及至少一个透明折射结构；所述多个光伏结中的每个包括相应的第一导电型固定层和相应的第二导电型柱结构；并且所述至少一个透明折射结构在锥形界面处与所述第二导电型柱结构接触。在一些实施例中，所述第一导电型固定层位于所述半导体衬底的正面上；并且所述第二导电型柱结构位于所述半导体衬底的背侧表面上。在一些实施例中，每个子像素包括深槽隔离结构，所述深槽隔离结构横向地围绕并接触所述第二导电型柱结构中的每个。在一些实施例中，所述至少一个透明折射结构包括单个透明折射结构，所述单个透明折射结构接触每个子像素内的所述第二导电型柱结构中的每个。在一些实施例中，所述单个透明折射结构包括锥形侧壁，所述锥形侧壁接触深槽隔离结构的水平延伸部分，所述水平延伸部分位于所述半导体衬底的所述背侧表面上面并接触所述半导体衬底的所述背侧表面。在一些实施例中，所述单个透明折射结构的水平表面接触所述深槽隔离结构的水平延伸部分。在一些实施例中，所述至少一个透明折射结构包括多个透明折射结构，所述多个透明折射结构接触每个子像素内的所述第二导电型柱结构中的相应一个。在一些实施例中，所述深槽隔离结构的垂直延伸部分横向地围绕所述多个透明折射结构；以及所述深槽隔离结构的水平延伸部分位于所述多个透明折射结构中的每个上面并接触所述多个透明折射结构中的每个。在一些实施例中，所述多个透明折射结构中的每个包括水平表面，并且接触所述深槽隔离结构的水平延伸部分，所述水平表面位于包括所述半导体衬底的所述背侧表面的水平面内。在一些实施例中，所述至少一个透明折射结构具有可变厚度，所述可变厚度随着距离穿过每个子像素内的所述光学透镜的焦点的垂直轴线的横向距离的减小而减小。
本申请的另一些实施例提供了一种图像传感器，包括：位于半导体衬底上的图像像素阵列，其中：所述图像像素阵列中的每个图像像素包括至少一个子像素；每个子像素包括：位于所述半导体衬底的正面与背侧表面之间的多个光伏结、感测电路、位于所述背侧表面上面并被配置为将入射光引导到所述多个光伏结上并包括光学透镜的子像素光学组件，以及位于所述光学透镜与所述背侧表面之间并且具有可变厚度的透明折射结构，所述可变厚度随着距离穿过所述光学透镜的焦点的垂直轴线的横向距离的减小而减小；以及所述多个光伏结中的每个包括相应的第一导电型固定层和相应的第二导电型柱结构。在一些实施例中，每个子像素包括深槽隔离结构，所述深槽隔离结构横向地围绕并接触所述第二导电型柱结构中的每个；以及每个子像素中的所述透明折射结构位于所述深槽隔离结构的水平延伸部分上面，所述水平延伸部分接触所述半导体衬底的所述背侧表面。在一些实施例中，所述透明折射结构的底面接触所述深槽隔离结构的水平延伸部分。在一些实施例中，所述透明折射结构包括顶点，所述顶点位于穿过所述光学透镜的焦点的垂直轴线上。
本申请的又一些实施例提供了一种形成图像传感器的方法，包括：通过掺杂所述半导体衬底的部分来形成用于半导体衬底中的子像素的多个光伏结，其中，所述多个光伏结中的每个包括相应的第一导电型固定层和相应的第二导电型柱结构；在所述半导体衬底的正面上形成感测电路；通过减薄所述半导体衬底的背面来物理地暴露所述第二导电型柱结构，其中，减薄的半导体衬底的背侧表面被物理地暴露；在所述减薄的半导体衬底的所述背侧表面上形成至少一个透明折射结构，其中，所述至少一个透明折射结构中的每个具有可变厚度，所述可变厚度随着距离穿过所述第二导电型柱结构的几何中心的垂直轴线的横向距离的减小而减小；以及在所述至少一个透明折射结构上方形成包括光学透镜的子像素光学组件，其中，所述子像素光学组件被配置为将入射光引导到所述多个光伏结上。在一些实施例中，方法还包括：通过在围绕所述第二导电型柱结构的区域中从所述背面蚀刻所述减薄的半导体衬底的部分来形成深沟槽；以及通过在形成所述至少一个透明折射结构之前或之后在所述深沟槽中沉积介电材料来形成深槽隔离结构。在一些实施例中，在形成所述至少一个透明折射结构之前形成所述深槽隔离结构；所述方法包括通过在包括穿过所述第二导电型柱结构的所述几何中心的所述垂直轴线的区域中蚀刻所述深槽隔离结构的部分和所述第二导电型柱结构的部分来形成凹腔；以及所述至少一个透明折射结构通过沉积透明介电材料而形成在所述凹腔中。在一些实施例中，方法还包括：在包括穿过所述第二导电型柱结构的所述几何中心的所述垂直轴线的区域中形成凹腔；以及在所述凹腔中沉积透明介电材料，其中，所述深沟槽形成为穿过所述透明介电材料的部分，并且所述透明介电材料的其余部分包括所述至少一个透明折射结构。在一些实施例中，所述深槽隔离结构包括形成在所述减薄的半导体衬底的所述背侧表面上的水平延伸部分；以及所述至少一个透明折射结构形成在所述深槽隔离结构的所述水平延伸部分上。在一些实施例中，所述光学透镜的焦点位于穿过所述第二导电型柱结构的所述几何中心的所述垂直轴线上；所述方法包括在所述至少一个透明折射结构上或上方形成滤色器；以及所述光学透镜形成在所述滤色器上方。
上面概述了若干实施例的特征，使得本领域技术人员可以更好地理解本发明的方面。本领域技术人员应该理解，它们可以容易地使用本发明作为基础来设计或修改用于实施与本文所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优势的其它工艺和结构。本领域技术人员也应该意识到，这种等同构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，本文中它们可以做出多种变化、替换以及改变。

Claims (10)

1.一种图像传感器，包括位于半导体衬底上的图像像素阵列，其中：
所述图像像素阵列内的每个图像像素包括至少一个子像素；
每个子像素包括多个光伏结、感测电路、被配置为将入射光引导到所述多个光伏结上并包括光学透镜的子像素光学组件，以及至少一个透明折射结构；
所述多个光伏结中的每个包括相应的第一导电型固定层和相应的第二导电型柱结构；并且
所述至少一个透明折射结构在锥形界面处与所述第二导电型柱结构接触。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中：
所述第一导电型固定层位于所述半导体衬底的正面上；并且
所述第二导电型柱结构位于所述半导体衬底的背侧表面上。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，每个子像素包括深槽隔离结构，所述深槽隔离结构横向地围绕并接触所述第二导电型柱结构中的每个。
4.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，所述至少一个透明折射结构包括单个透明折射结构，所述单个透明折射结构接触每个子像素内的所述第二导电型柱结构中的每个。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中，所述单个透明折射结构包括锥形侧壁，所述锥形侧壁接触深槽隔离结构的水平延伸部分，所述水平延伸部分位于所述半导体衬底的所述背侧表面上面并接触所述半导体衬底的所述背侧表面。
6.根据权利要求4所述的图像传感器，其中，所述单个透明折射结构的水平表面接触所述深槽隔离结构的水平延伸部分。
7.根据权利要求3所述的图像传感器，其中，所述至少一个透明折射结构包括多个透明折射结构，所述多个透明折射结构接触每个子像素内的所述第二导电型柱结构中的相应一个。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其中：
所述深槽隔离结构的垂直延伸部分横向地围绕所述多个透明折射结构；以及
所述深槽隔离结构的水平延伸部分位于所述多个透明折射结构中的每个上面并接触所述多个透明折射结构中的每个。
9.一种图像传感器，包括：位于半导体衬底上的图像像素阵列，其中：
所述图像像素阵列中的每个图像像素包括至少一个子像素；
每个子像素包括：位于所述半导体衬底的正面与背侧表面之间的多个光伏结、感测电路、位于所述背侧表面上面并被配置为将入射光引导到所述多个光伏结上并包括光学透镜的子像素光学组件，以及位于所述光学透镜与所述背侧表面之间并且具有可变厚度的透明折射结构，所述可变厚度随着距离穿过所述光学透镜的焦点的垂直轴线的横向距离的减小而减小；以及
所述多个光伏结中的每个包括相应的第一导电型固定层和相应的第二导电型柱结构。
10.一种形成图像传感器的方法，包括：
通过掺杂所述半导体衬底的部分来形成用于半导体衬底中的子像素的多个光伏结，其中，所述多个光伏结中的每个包括相应的第一导电型固定层和相应的第二导电型柱结构；
在所述半导体衬底的正面上形成感测电路；
通过减薄所述半导体衬底的背面来物理地暴露所述第二导电型柱结构，其中，减薄的半导体衬底的背侧表面被物理地暴露；
在所述减薄的半导体衬底的所述背侧表面上形成至少一个透明折射结构，其中，所述至少一个透明折射结构中的每个具有可变厚度，所述可变厚度随着距离穿过所述第二导电型柱结构的几何中心的垂直轴线的横向距离的减小而减小；以及
在所述至少一个透明折射结构上方形成包括光学透镜的子像素光学组件，其中，所述子像素光学组件被配置为将入射光引导到所述多个光伏结上。
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