CN102522416B - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种图像传感器及其制造方法，包括半导体衬底、光学传感器件、像素读出电路，其特征在于，半导体衬底包括支撑衬底、以及依次覆盖在所述支撑衬底表面的第一绝缘埋层、第一半导体层、第二绝缘埋层和第二半导体层；其中，第一半导体层和第二半导体层厚度不同，光学传感器件位于较厚的半导体层，像素读出电路位于较薄的半导体层。本发明的图像传感器具有较高的光吸收效率，电路具有高速、低功耗、抗闩锁的优良性能，同时还具有抗高能粒子辐射的能力。

Description

图像传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体技术，具体涉及图像传感器及其制造方法。

背景技术

一般来说，图像传感器是一种用于将光学图像转换为电信号的半导体器件。图像传感器分成电荷藕合器件(Charge Coupled Device，简称“CCD”)和互补型金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，简称“CMOS”)图像传感器。近来，CMOS图像传感器作为用于克服CCD的缺点的下一代图像传感器引起人们的关注。CMOS图像传感器在单位像素内提供感光二极管和金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor，简称“MOS”)晶体管，以切换模式(switching mode)连续检测每一个单位像素的电信号，从而获得图像。

目前常见的CMOS图像传感器是有源像素型图像传感器(APS)，其中又分为三管图像传感器(3T类型，包括复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管)和四管图像传感器(4T类型，包括转移晶体管、复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管)两大类。

绝缘衬底上的硅(Silicon-On-Insulator，简称“SOI”)技术是在顶层硅和衬底之间引入了一层埋氧层。通过在绝缘体上形成半导体薄膜，SOI材料具有了传统的体硅材料所无法比拟的优点：可以实现集成电路中元器件的介质隔离，彻底消除了体硅CMOS电路中的寄生闩锁效应；采用这种材料制成的集成电路还具有寄生电容小、集成密度高、速度快、工艺简单、短沟道效应小及特别适用于低压低功耗电路等优势。

现有的基于SOI工艺的CMOS图像传感器大致有以下两类：

第一类是将感光二极管制备于衬底硅上的CMOS图像传感器。如图1所示，图中的作为基本感光单元的像素结构采用的是4T型(3T型像素结构的结构原理与4T型基本类似，故不另行说明)，像素结构包括：SOI的P型掺杂衬底硅101、绝缘层(一般为二氧化硅)102、P型掺杂的顶层硅104、衬底硅中的N型掺杂阱区107、位于所述N型掺杂阱区以上，衬底硅的表面P型掺杂区108、转移晶体管105、浮动扩散区106、位于衬底硅以上、转移晶体管以下的二氧化硅层109以及位于顶层硅上的光电信号处理电路元件103(图1中仅示出一个复位晶体管，未示出放大晶体管和行选择晶体管)。其中，N型掺杂阱区107的全部、P型掺杂区108和衬底硅101的部分组成了有效感光区110，感光二极管位于有效感光区110。

其工作原理是，先用光电信号处理电路元件103中的复位晶体管将浮动扩散区106内的电子全部吸入电源，使其电位变高；曝光开始后，光子照射到有效感光区110，并于其内生成电子和空穴对；曝光结束后，转移晶体管105上加高电平，将有效感光区110中的光生电子转移到浮动扩散区106，使其电位降低，最后通过光电信号处理电路元件103中的放大晶体管和行选择晶体管(未示出)将光生电压信号输出。

第二类是将感光二极管制备于顶层硅(半导体层)上的CMOS图像传感器。如图2所示，像素结构包括：SOI的衬底硅201、绝缘层202、P型掺杂顶层硅203、位于顶层硅内靠近表面的N型掺杂区204、和位于顶层硅203中的光电信号处理电路206。其中N型掺杂区204的靠近顶层硅203的耗尽部分和顶层硅203的靠近N型掺杂区204的耗尽部分共同构成有效感光区205，且所述有效感光区205全部位于SOI的顶层硅内。N型掺杂区204的掺杂浓度比顶层硅203的掺杂浓度高3个数量级以上，使得大部分耗尽区位于顶层硅203内。

图2所示的基于SOI工艺的CMOS图像传感器通过位于顶层硅内的有效感光区205来收集光生载流子，其余的工作方式与图1中的图像传感器相同。

上述的现有技术至少存在以下缺点：

上述第一种基于SOI工艺的CMOS图像传感器，由于感光区域位于衬底硅中并直接与其接触，当所述的图像传感器处于辐射环境中时，高能粒子将会打入衬底硅101中，产生大量的电子空穴对，其中的高能电子容易越过衬底硅101、N型掺杂阱区107所构成的PN结势垒而进入N型掺杂阱区107，形成对图像信号的干扰，降低了所得图像的信噪比和动态范围。

上述第二种基于SOI工艺的CMOS图像传感器，由于其感光区位于顶层硅中，且为了使用全耗尽型SOI器件，顶层硅203的厚度一般小于200nm，大大限制了有效感光区205的深度，使得此图像传感器的光吸收效率下降，尤其是对于波长大于600nm的红色，橙色和黄色光，吸收效率极低，成像质量很不理想。

因此，需要提供一种具有大的有效感光区深度，同时具有大的图像信噪比和动态范围的CMOS图像传感器。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有大的有效感光区深度，同时具有大的图像信噪比和高动态范围的图像传感器。

为实现该目的，本发明提供了一种图像传感器，包括半导体衬底、光学传感器件、像素读出电路，其特征在于，

所述半导体衬底包括支撑衬底、以及依次覆盖在所述支撑衬底表面的第一绝缘埋层、第一半导体层、第二绝缘埋层和第二半导体层；

其中，第一半导体层和第二半导体层厚度不同，

所述光学传感器件位于较厚的半导体层，所述的像素读出电路位于较薄的半导体层。

在另一优选实施例中，所述第一半导体层的厚度大于所述第二半导体层的厚度，所述第一半导体层为光学传感层，所述第二半导体层为像素读出电路层。

在另一优选实施例中，所述第二半导体层的厚度大于所述第一半导体层的厚度，所述第二半导体层为光学传感层，所述第一半导体层为像素读出电路层。

在另一优选实施例中，所述光学传感层的厚度为300nm～10μm，所述像素读出电路层的厚度为100nm～300nm。

在另一优选实施例中，所述像素读出电路为4T型CMOS像素读出电路，包括转移晶体管、复位晶体管、放大晶体管、行选择晶体管，所述转移晶体管位于所述光学传感层，所述复位晶体管、放大晶体管、行选择晶体管位于所述读出电路层。

在另一优选实施例中，所述第一、第二半导体层的材料为硅、应变硅、锗、硅锗中任意一种。

本发明还提供了一种图像传感器的制备方法，包括以下步骤：

A、提供一带有第一绝缘埋层的半导体衬底，其中，所述第一绝缘埋层将半导体衬底分为支撑衬底和顶层半导体；

B、在顶层半导体层内形成第二绝缘埋层，将所述顶层半导体层电学隔离为第一半导体层和第二半导体层，所述第一半导体层和第二半导体层具有不同厚度；

C、在所述第二半导体层表面定义两个区域，即第一区域和第二区域，其中第一区域刻蚀开窗口至暴露出第一半导体层表面；

D、第一半导体层和第二半导体层厚度不同，在较厚的半导体层中制备形成光学传感器件，在较薄的半导体层中制备形成像素读出电路。

进一步的，在顶层半导体层内形成第二绝缘层的方法是离子注入方法。

作为可选技术方案，所述半导体衬底中，所述顶层半导体厚度为0.5μm～10μm，所述第一半导体层厚度大于所述第二半导体层厚度，且所述第二半导体层厚度为100nm～300nm。

作为可选实施方案，所述半导体衬底中，所述顶层半导体厚度为0.2μm～0.5μm，所述第二半导体层厚度大于所述第一半导体层厚度，且所述第一半导体层厚度为100nm～300nm。此时，步骤B之后步骤C之前还包括步骤C1：在所述第二半导体层表面外延，使其厚度为0.3μm～10μm。

由于本发明的图像传感器中，光学传感器件位于厚度较厚的半导体层，使其能够实现较深的PN结耗尽区，从而具有较高的光吸收效率。而像素读出电路位于厚度较薄的半导体层，使其MOS晶体管全耗尽，电路具有高速、低功耗、抗闩锁的优良性能。同时，图像传感器的光学传感器件和像素读出电路分别通过第一、第二绝缘埋层与支撑衬底电学隔离，提高了其抗高能粒子辐射的能力。

附图说明

图1是现有技术中4T型CMOS图像传感器剖面图；

图2是现有技术中3T型CMOS图像传感器的剖面图；

图3是本发明的图像传感器一具体实施方式示意图；

图4是4T型CMOS图像传感器一实施例的电路结构图；

图5是3T型CMOS图像传感器一实施例的电路结构图；

图6是本发明的图像传感器一具体实施方式剖面图，为清楚起见，未示出部分结构；

图7是本发明的图像传感器另一实施方式剖面图；

图8a～图8e为本发明提供的图像传感器制备方法各步骤结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

如无特殊说明，本具体实施方式所称“接”和“连接”均指电学连接，意指前后两端口在电学上是导通的。

图3是本发明的图像传感器一具体实施方式的示意图。如图所示，本具体实施方式的图像传感器100包括：半导体衬底12、光学传感器件70、像素读出电路60。其中，半导体衬底12包括支撑衬底10、以及依次覆盖在支撑衬底10表面的第一绝缘埋层20、第一半导体层30、第二绝缘埋层40和第二半导体层50。

第一半导体层30具有较厚的硅厚度，较佳地，厚度范围为：300nm～10μm。

第二半导体层50具有较薄的硅厚度，较佳地，厚度范围为：100nm～300nm。

第一、第二半导体层30、50的材料各自独立地选自于为硅、应变硅、锗、硅锗中任意一种，或其他可用于制备半导体器件的半导体材料。且较佳地，支撑衬底10为硅、锗、硅锗或蓝宝石中任意一种，第一、第二绝缘埋层的材料各自独立地选自于氧化硅、氮化硅以及氮氧化硅中的任意一种或几种的叠层结构。

光学传感器件70位于第一半导体层30，优选地，光学传感器件可为PN结形成的感光二极管，或PIN二极管，或光门(photogate)。

像素读出电路60位于第二半导体层50，像素读出电路包括由MOS晶体管组成的CMOS电路，作为可选实施方案，像素读出电路为3T或4T结构，当然也可以是其它的结构，如5T结构。

图4是4T型CMOS图像传感器一实施例的电路结构图。

如图4所示，4T型CMOS图像传感器电路结构中，感光二极管PD的一端接地，另一端与转移晶体管连接，复位晶体管1源极或漏极中的一极和放大晶体管2的漏极共同连接到电源VDD，复位晶体管1的栅极连接到提供复位信号的复位线。行选择晶体管3的源极连接到放大晶体管2的源极，行选择晶体管3的栅极连接到提供选择信号的行选择线(即读出信号)。转移晶体管4的栅极与转移控制信号连接，源漏极中的一极与感光二极管PD的非接地端相连，另一极与放大晶体管2的栅极连接。其与第二MOS管APS栅极连接的一极为浮动扩散区(floating diffusion)，其与半导体衬底形成一PN结电容，即电容FD，用以存储光生电荷。

其工作原理如下：在未接收光照时，复位晶体管1的栅极接收高电平脉冲信号，对转移晶体管4的漏极浮空扩散区FD进行复位，使其置为高电平；复位晶体管1的栅极脉冲信号转为低电平时，复位结束，然后感光二极管PD在预定时间内接收光照，并根据光照产生载流子；然后，转移晶体管4的栅极接收高电平脉冲信号，将所述载流子从感光二极管PD转移至浮空扩散区FD；然后行选择晶体管3接收的脉冲信号为高电平，所述载流子自浮空扩散区FD经过放大晶体管2和行选择晶体管3输出，完成一次光信号的采集与转移。

图5是3T型CMOS图像传感器一实施例的电路结构图。如图5所示，3T型CMOS图像传感器结构及工作原理与4T型CMOS图像传感器基本相似，仅不包括转移晶体管TX，感光二极管(即光探测器)接收光照产生的自由电荷存直接经放大晶体管AMP和行选择晶体管读出，在此不再赘述。

图6是本发明的图像传感器一具体实施方式结构图，为清楚起见，仅示出与本发明相关部分的结构，其余部分(例如器件隔离层等)由于属于现有技术，故未图示。

如图6所示，一种图像传感器包括：

半导体衬底，包括：支撑衬底10、第一绝缘埋层20、覆盖第一绝缘埋层20表面的第一半导体层30、位于第一半导体层30上的第二绝缘埋层40、覆盖第二绝缘层40表面的第二半导体层50；

光学传感器件，位于第一半导体层30上，在本具体实施方式中，光学传感器件为PN结感光二极管310，包括位于第一半导体层30中的第一导电类型掺杂区307和位于该第一导电类型掺杂区307内、第一半导体层30表面的第二导电类型掺杂区308；以及

像素读出电路，位于第二半导体层50上。

作为最佳实施例，第一半导体层30和第二半导体层50均为P型半导体衬底，且第一半导体层30厚度大于第二半导体层50厚度，第一半导体层30的厚度为300nm～10μm，第二半导体层50的厚度为100nm～300nm，且第一导电类型为N型，第二导电类型为P型。

较佳的，如图6所示，第一半导体层30的厚度为2μm～3μm，第二半导体层50的厚度为150nm～200nm，像素读出电路为4T型CMOS像素读出电路，包括：复位晶体管、放大晶体管、行选择晶体管和转移晶体管，其中，转移晶体管位于第一半导体层30上，包括源掺杂区307、漏掺杂区306以及多晶硅栅305、栅氧化层309；而像素读出电路的其他MOS晶体管，以及图像传感器相关的其他外围电路，均位于第二半导体层50上，图6中仅以MOS晶体管303示意。

作为可选实施方式，如图7所示，第一半导体层30的厚度为3μm～5μm，第二半导体层50的厚度为200nm～250nm，像素读出电路为3T型CMOS像素读出电路。此时，PN结感光二极管310位于第一半导体层30上，像素读出电路位于第二半导体层50上，图7中仅以晶体管303示意。

作为又一可选实施方式，所提供的半导体衬底中，第一半导体层30的厚度为100nm～300nm，第二半导体层50的厚度为300nm～10μm，光学传感器件位于第二半导体层50上，像素读出电路位于第一半导体层30上。

以下详细描述本发明的图像传感器制备方法。

参见图8a-8e，本发明的图像传感器制备方法至少包括以下步骤：

步骤1：提供一带有第一绝缘埋层20的半导体衬底，其中，第一绝缘层将该半导体层分为支撑衬底10和顶层半导体80；如图8a所示。

步骤2：在顶层半导体层80内形成第二绝缘埋层40，将所述顶层半导体层80电学隔离为第一半导体层30和第二半导体层50，所述第一半导体层30和第二半导体层50具有不同厚度；如图8b所示。

步骤3：在所述第二半导体层50表面定义两个区域，即第I区域和第II区域，其中第I区域刻蚀开窗口至暴露出第一半导体层30表面；如图8c所示。

步骤4：分别在较厚的半导体层和较薄的半导体层中制备形成光学传感器件和像素读出电路。如图8d或图8e所示。

上述的制造方法中：

步骤1中，如图8a所示，所提供的半导体衬底包括支撑衬底10、第一绝缘埋层20和顶层半导体层80，其中：支撑衬底10为硅衬底或蓝宝石，也可以为锗、锗硅等半导体材料；第一绝缘埋层20为二氧化硅或氮化硅或氮氧化硅中的任意一种，也可以为上述材料中任意几种组成的叠层结构，用以实现顶层半导体层80和支撑衬底10的电学隔离；顶层半导体层80为单晶硅或应变硅或锗或锗硅，也可以为其他可用于半导体器件制备的半导体材料。

作为最佳实施例，支撑衬底10为硅衬底，第一绝缘埋层20为二氧化硅，顶层半导体层80为厚度0.5μm至10μm的单晶硅。

步骤2中，如图8b所示，第二绝缘埋层40的形成采用离子注入方法实现。离子注入工艺是在真空系统中，通过电场对离子进行加速，并利用磁场改变其运动方向，从而控制离子以一定能量注入半导体层内部，从而在所选择的区域形成一个具有特殊性质的注入层。以顶层半导体层是单晶硅为例，离子注入可以选择氧离子、氮离子或者上述两种离子的混合作为成核离子，离子注入的能量范围为500KeV至1800KeV。较佳地，该步骤中采用氧离子注入形成第二绝缘埋层40，其厚度为10nm～200nm，离子注入完成后还包括退火过程。

作为最佳实施例，初始顶层半导体层80的厚度为2.2μm～5.5μm，该步骤实施后，第二绝缘埋层40的厚度为50nm～150nm，第一半导体层30的厚度大于第二半导体层50的厚度，第一半导体层30的厚度为2μm～5μm，第二半导体层50的厚度为150nm～250nm。

作为可选实施例，初始顶层半导体层80的厚度为0.5μm～2μm，该步骤实施后，第二绝缘埋层40的厚度为100nm～200nm，第一半导体层30的厚度为100nm～300nm，此时，步骤2还包括第二绝缘埋层40形成后对第二半导体层50表面进行的外延步骤，外延至第二半导体层50厚度为0.3μm～10μm。此时，第二半导体层50的厚度大于第一半导体层30的厚度。

步骤3中，如图8c所示，以光刻胶作掩膜，采用光刻方法在第二半导体层50表面定义第I区域和第II区域，并依次去除第I区域的第二半导体层50和第二绝缘埋层40至暴露出第一半导体层30表面。

该步骤中，所采用的光刻胶为正胶或负胶，也可采用其他材料做掩膜；第二半导体层50和第二绝缘埋层40的去除可采用ICP/RIE刻蚀或腐蚀方法实现。

步骤4中，作为较佳实施方式，第一半导体层30厚度大于第二半导体层50厚度，光学传感器件制备在第一半导体层30上，像素读出电路制备在第二半导体层50上，此时，第I区域为光学传感器件区域，第II区域为像素读出电路区域。较佳的，该步骤中各掺杂区的形成采用离子注入方法实现。

作为较佳实施例，如图8d所示，光学传感器件为photogate光门结构，像素读出电路为3T型CMOS像素读出电路。在第I区域的第一半导体层30分别形成一掺杂区和栅极制备完成photogate光门结构311，用作光学传感器件，产生光生电子-空穴对；在第II区域的第二半导体层50完成像素读出电路的制备，图8d中仅以MOS晶体管303示意。该步骤中，图像传感器相关的其他外围电路也制备在第二半导体层50上。

作为可选实施例，如图8e所示，光学传感器件为PN结感光二极管，像素读出电路为4T型CMOS像素读出电路，此时，在第I区域的第一半导体层30内分别形成N掺杂区307和P掺杂区308，完成PN结感光二极管310的制备，4T型CMOS像素读出电路中转移晶体管的源掺杂区即为PN结感光二极管的N掺杂区307，该转移晶体管的漏掺杂区306、多晶硅栅305及栅氧化层309均制备在第I区域第一半导体层30上；4T型CMOS像素读出电路的其他晶体管及图像传感器相关的其他外围电路均制备在第II区域的第二半导体层50上，图8e中仅以MOS晶体管303示意。

作为又一可选实施方式，第一半导体层30的厚度小于第二半导体层50厚度，光学传感器件制备在第二半导体层50上，像素读出电路制备在第一半导体层30上，此时，第I区域为像素读出电路区域，第II区域为光学传感器件区域，具体结构及制备方法与上述基本相同，此处不再赘述。

需要指出的是，上述的制造方法中，还包括MOS晶体管栅极侧墙的形成、相邻器件隔离层(如STI隔离)、器件间的金属互连等的实现，另有诸如掺杂工艺、器件隔离、光刻刻蚀、表面处理等工艺步骤，均属于本领域技术人员公知的现有技术，故此处不再详细描述。

本发明的图像传感器中，光学传感器件位于厚度较厚的半导体层，使其能够实现较深的PN结耗尽区，从而具有较高的光吸收效率。而像素读出电路位于厚度较薄的半导体层，使其MOS晶体管全耗尽，电路具有高速、低功耗、抗闩锁的优良性能。同时，图像传感器的光学传感器件和像素读出电路均通过绝缘埋层与支撑衬底电学隔离，提高了其抗高能粒子辐射的能力。

以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (12)

1.一种图像传感器，包括半导体衬底、光学传感器件、像素读出电路，其特征在于，

所述半导体衬底包括支撑衬底、以及依次覆盖在所述支撑衬底表面的第一绝缘埋层、第一半导体层、第二绝缘埋层和第二半导体层；

其中，第一半导体层和第二半导体层厚度不同，

所述光学传感器件位于较厚的半导体层，所述的像素读出电路位于较薄的半导体层。

2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第一半导体层的厚度大于所述第二半导体层的厚度，所述第一半导体层为光学传感层，所述第二半导体层为像素读出电路层。

3.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第二半导体层的厚度大于所述第一半导体层的厚度，所述第二半导体层为光学传感层，所述第一半导体层为像素读出电路层。

4.如权利要求1-3中任一项所述的图像传感器，其特征在于，所述第一、第二半导体层的材料为硅、应变硅、锗、硅锗中任意一种。

5.如权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，所述较厚的半导体层的厚度为300nm～10μm，所述较薄的半导体层的厚度为100nm～300nm。

6.一种图像传感器的制备方法，包括以下步骤：

A、提供一带有第一绝缘埋层的半导体衬底，其中，所述第一绝缘埋层将半导体衬底分为支撑衬底和顶层半导体；

B、在顶层半导体层内形成第二绝缘埋层，将所述顶层半导体层电学隔离为第一半导体层和第二半导体层，所述第一半导体层和第二半导体层具有不同厚度；

C、在所述第二半导体层表面定义两个区域，即第一区域和第二区域，其中第一区域刻蚀开窗口至暴露出第一半导体层表面；

D、所述第一半导体层和第二半导体层厚度不同，在较厚的半导体层中制备形成光学传感器件，在较薄的半导体层中制备形成像素读出电路。

7.如权利要求6所述的图像传感器的制备方法，其特征在于，在顶层半导体层内形成第二绝缘层的方法是离子注入方法。

8.如权利要求6所述的图像传感器的制备方法，其特征在于，所述半导体衬底中，所述顶层半导体厚度为0.5μm～10μm，所述第一半导体层厚度大于所述第二半导体层厚度，且所述第二半导体层厚度为100nm～300nm。

9.如权利要求6所述的图像传感器的制备方法，其特征在于，所述半导体衬底中，所述顶层半导体厚度为0.2μm～0.5μm，且所述第一半导体层厚度为100nm～300nm；

步骤B之后步骤C之前还包括以下步骤：

在所述第二半导体层表面外延，使其厚度为0.3μm～10μm，所述第二半导体层厚度大于所述第一半导体层厚度。

10.一种图像传感器，包括半导体衬底、光学传感器件、像素读出电路，其特征在于，

所述半导体衬底包括支撑衬底、以及依次覆盖在所述支撑衬底表面的第一绝缘埋层、第一半导体层、第二绝缘埋层和第二半导体层；

其中，第一半导体层和第二半导体层厚度不同，

所述像素读出电路为4T型CMOS像素读出电路，包括转移晶体管、复位晶体管、放大晶体管、行选择晶体管，所述光学传感器件和所述转移晶体管位于较厚的半导体层，所述复位晶体管、放大晶体管、行选择晶体管位于较薄的半导体层。

11.如权利要求10所述的图像传感器，其特征在于，所述第一、第二半导体层的材料为硅、应变硅、锗、硅锗中任意一种。

12.如权利要求11所述的图像传感器，其特征在于，所述较厚的半导体层的厚度为300nm～10μm，所述较薄的半导体层的厚度为100nm～300nm。