CN102569320A

CN102569320A - 图像传感器的感光区域以及制造方法、图像传感器

Info

Publication number: CN102569320A
Application number: CN2011104545206A
Authority: CN
Inventors: 田犁; 汪辉; 陈杰; 方娜
Original assignee: Shanghai Advanced Research Institute of CAS
Current assignee: Shanghai Advanced Research Institute of CAS
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明提供了一种图像传感器的感光区域以及制造方法、图像传感器。所述图像传感器的感光区域包括设置在支撑衬底表面的一微镜和一光电二极管，所述光电二极管的P型掺杂区域与N型掺杂区域在支撑衬底表面横向布置，入射至图像传感器的入射光朝向所述支撑衬底的表面入射，经过所述微镜反射后形成朝向所述光电二极管侧面反射光，所述微镜的反射光是从所述光电二极管的侧面入射至光电二极管的内部，能够提高所述光电二极管的光俘获效率。本发明的优点在于，入射光能够横向入射，提高入射光吸收区域的深度，从而有效提高了图像传感器的光敏感度和量子效率；并且感光区域中光电二极管上方可以进行金属层布线而不会影响入射光的光路。

Description

图像传感器的感光区域以及制造方法、图像传感器

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，尤其涉及一种图像传感器的感光区域以及制造方法、图像传感器。

背景技术

SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅）技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层。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。

图像传感器是一种将光学图像转换为电信号的半导体器件，一般由感光像素和CMOS信号处理电路构成。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，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，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。

一种现有的制作于SOI衬底上的CMOS图像传感器像素结构如图1所示，采用的是全耗尽结构，包括：衬底100、埋氧层110和器件层130。器件层130包括光电二极管140、复位晶体管150、源极跟随晶体管160和行选晶体管170。此像素结构的感光区主要位于光电二极管140的PN结耗尽区。每个晶体管均包括源极、栅极和漏极等基本结构。上述各个器件的位置关系以及电学连接关系请参考附图1。

参考附图1，现有像素结构的工作原理是：开始工作时，首先将复位晶体管150栅极加高电平，使其导通，曝光时，光电二极管140作为光电子收集区域，当入射光照射时，产生电子空穴对，在完成曝光之后并通过源极跟随晶体管160和行选晶体管170将积分电压信号读出。于是输出电压的值就反映了光信号的强弱。

上述制作于SOI衬底上的CMOS图像传感器像素电路的缺点在于SOI衬底的器件层130很薄，通常只有数十个微米甚至十几个微米，入射光在光电二极管140中的光程很短，导致光吸收效率以及量子效率低下。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种图像传感器的感光区域以及制造方法、图像传感器，能够提高图像传感器的光吸收效率。

为了解决上述问题，本发明提供了一种图像传感器的感光区域，包括设置在支撑衬底表面的一微镜和一光电二极管，所述光电二极管的P型掺杂区域与N型掺杂区域在支撑衬底表面横向布置，入射至图像传感器的入射光朝向所述支撑衬底的表面入射，经过所述微镜反射后形成朝向所述光电二极管侧面反射光，所述微镜的反射光是从所述光电二极管的侧面入射至光电二极管的内部，能够提高所述光电二极管的光俘获效率。

可选的，在入射光的光路上进一步设置一聚焦装置，所述聚焦装置进一步是一透镜或一透镜组，对入射到微镜表面的入射光进行聚焦，在所述聚焦装置和所述微镜之间进一步设置一滤色片。

可选的，所述光电二极管包括一PN结或者一PIN结。

可选的，所述微镜的表面进一步包括一金属反射膜。

可选的，所述支撑衬底包括表面的绝缘埋层，所述微镜和光电二极管进一步是设置在所述绝缘埋层的表面。

本发明进一步提供了一种上述图像传感器的感光区域的制造方法，包括如下步骤：提供半导体衬底；在半导体衬底表面利用各向异性腐蚀形成微镜，所述微镜和半导体衬底表面具有一角度，所述角度大于零度且小于90度；在半导体衬底表面形成光电二极管。

可选的，所述半导体衬底进一步包括衬底、器件层以及上述两者之间的绝缘埋层，所述微镜和光电二极管形成于所述器件层中。

可选的，所述微镜的平面与半导体衬底表面的夹角是45度。

可选的，在形成微镜后，进一步包括在所述微镜表面形成金属反射膜的步骤。

本发明进一步提供了一种图像传感器，包括衬底、器件层以及上述两者之间的绝缘埋层，在所述器件层中至少包括至少一个上述的感光区域。

可选的，所述器件层中包括一棱锥，所述棱锥的底面设置于所述绝缘埋层的表面，所述棱锥的侧面为所述感光区域的微镜，所述光电二极管环绕设置在棱锥周围，所述棱锥为四棱锥，所述棱锥的侧面与绝缘埋层表面之间的夹角为45度。

可选的，所述器件层的厚度范围是50nm～500nm。

可选的，所述器件层中进一步设置有复位晶体管、源极跟随晶体管和行选晶体管。

本发明的优点在于，通过设置微镜改变了入射光的光路，使得入射光线能够横向入射进入位于器件层中的光电二极管内，因为入射光能够横向入射，在横向上PN结耗尽区域可以比较宽，因此能够提高入射光吸收区域的深度，这样有利于波长较长的光吸收从而有效提高了图像传感器的光敏感度和量子效率。并且由于采用了微镜作为光收集组件，感光区域中光电二极管上方可以进行金属层布线而不会影响入射光的光路，故可以进一步提高图像传感器芯片的集成度。

附图说明

图1是一种现有的制作于SOI衬底上的CMOS图像传感器像素结构。

图2是本发明所述图像传感器的具体实施方式的结构示意图。

附图3A是本发明另一具体实施方式所述图像传感器的结构示意图。

附图3B是附图3A所示结构的俯视图。

附图4是本发明另一具体实施方式所述图像传感器的俯视图。

附图5是本发明所述图像传感器的感光区域的制造方法的具体实施方式的实施步骤示意图。

附图6A至附图6B所示是附图5所示方法的工艺示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的图像传感器的感光区域以及制造方法、图像传感器的具体实施方式做详细说明。

首先结合附图给出本发明所述图像传感器的具体实施方式，本具体实施方式中所述的图像传感器进一步具有本发明所述的图像传感器的感光区域。

参考附图2所示是本具体实施方式所述图像传感器的结构示意图，包括支撑衬底200、器件层230以及上述两者之间的绝缘埋层210。在器件层230中包括感光区域250，感光区域250包括微镜251和光电二极管252。器件层230的厚度范围是50nm～500nm。所述器件层230中还可以进一步设置复位晶体管、源极跟随晶体管和行选晶体管（此处从略，请参考附图1）。

光电二极管252的P型掺杂区域与N型掺杂区域在支撑衬底200表面横向布置，入射至图像传感器的入射光朝向所述支撑衬底的表面入射，经过微镜251反射后形成朝向光电二极管252侧面的反射光，微镜251的反射光是从光电二极管252的侧面入射至光电二极管252内部，能够提高光电二极管252的光俘获效率。

本具体实施方式中光电二极管252包括一PN结。在其它的具体实施方式中，也可以是PIN结的结构，微镜251的反射光可以是从光电二极管252的P型掺杂区域入射，也可以是从N型掺杂区域入射，光电二极管252的用于收集微镜251入射光的侧面即可是垂直于器件层230表面的，也可以是具有一角度的，该侧面可以是一平面，也可以是弧面。

上述结构通过设置微镜251改变了入射光的光路，使得入射光线能够横向入射进入位于器件层230中的光电二极管252内，因为入射光能够横向入射，在横向上PN结耗尽区域可以比较宽，因此能够提高入射光吸收区域的深度，这样有利于波长较长的光吸收从而有效提高了图像传感器的光敏感度和量子效率。并且由于采用了微镜251作为光收集组件，感光区域250中光电二极管252上方可以进行金属层布线而不会影响入射光的光路，故可以进一步提高图像传感器芯片的集成度。

在入射光的光路上进一步设置可选的聚焦装置261和滤色片262。聚焦装置261进一步是一透镜或一透镜组，对入射到微镜251表面的入射光进行聚焦，在聚焦装置261和微镜251之间进一步设置滤色片262。

所述微镜251的表面还可以进一步形成金属反射膜，以增强反射效果。若采用单晶硅等晶体材料，并利用各向异性腐蚀工艺形成微镜251，腐蚀表面也会具有较高的反射率。

附图3A所示是本发明另一具体实施方式所述图像传感器的结构示意图，包括支撑衬底200、器件层230以及上述两者之间的绝缘埋层210。在器件层230中包括四个感光区域，附图3A中示出了感光区域350和360。感光区域350包括微镜351和光电二极管352，感光区域360包括微镜361和光电二极管362。

器件层230中包括一四棱锥390，微镜351和361是棱锥390相对的两个侧面，棱锥390的底面设置于绝缘埋层210的表面。所述棱锥的侧面与绝缘埋层表面之间的夹角为45度，这样的角度可以采用单晶硅材料作为器件层230，并通过各向异性腐蚀工艺形成由四个（110）晶面构成的四棱锥390来获得。

附图3B所示是附图3A所示结构的俯视图，从附图3B中可以显示出另外两个感光区域的发光二极管372和382，以及四棱锥390的俯视形貌。为了简化起见，附图3B中仅标出了四个感光区的位置，而对感光区内部结构从略。四个感光区内部结构相同，可以参考附图3A所示内容。

附图4所示是本发明另一具体实施方式所述图像传感器的俯视图，包括棱锥490和光电二极管452，本具体实施方式中，光电二极管452环绕设置在棱锥490周围，可以吸收棱锥490所有反射面的反射光。在本具体实施方式中，棱锥490可以是包括三棱锥和四棱锥在内的任意形状的棱锥体，光电二极管452的俯视形状也不限于是正方形或者矩形，也可以是环形等任何一种可以围拢棱锥490的形状。

接下来结合附图给出本发明所述图像传感器的感光区域的制造方法的具体实施方式。

参考附图5所示是本具体实施方式所述方法的实施步骤示意图，包括：步骤S50，提供半导体衬底；步骤S51，在半导体衬底表面利用各向异性腐蚀形成微镜，所述微镜和半导体衬底表面具有一角度，所述角度大于零度且小于90度；步骤S52，在半导体衬底表面形成光电二极管。

附图6A至附图6B所示是本具体实施方式的工艺示意图。

附图6A所示，参考步骤S50，提供半导体衬底。本具体实施方式中，所述半导体衬底包括支撑衬底200、器件层230以及上述两者之间的绝缘埋层210。在其它的具体实施方式中，也可以是不包含绝缘埋层的体衬底材料，这并不影响后续采用各向异性腐蚀形成微镜的步骤。器件层230的材料可以是包括单晶硅在内的任何一种常见的晶体材料。

附图6B所示，参考步骤S51，在半导体衬底的器件层230表面利用各向异性腐蚀形成四棱锥390，四棱锥390的侧面即为微镜。所述微镜和半导体衬底表面具有一角度，所述角度大于零度且小于90度。对于单晶硅材料而言，可以通过各向异性腐蚀工艺形成由四个（110）晶面构成的四棱锥390，四棱锥390的侧面与绝缘埋层210表面之间的夹角为45度。对于其他晶体类型的材料，或者通过选择其他的腐蚀工艺，也形成三棱锥或六棱锥等形状。若采用各向异性腐蚀，与棱锥对应的表面也会形成斜面，可以进一步采用各向同性刻蚀对棱锥对应的表面角度进行修正，使其同衬底表面垂直。

上述步骤中，若采用激光刻蚀等手段，可以直接在半导体衬底表面形成微镜而不必借助于棱锥的侧面。在步骤S51实施完毕后，还可以在所述微镜表面形成金属反射膜以增强反射率。

参考步骤S52，在半导体衬底表面形成光电二极管。在微镜形成完毕后，后续工艺和现有技术中形成光电二极管的工艺基本相同，故从略。需要指出的是，光电二极管的用于收集微镜入射光的侧面即可是垂直于半导体衬底表面的，也可以是具有一角度的，该侧面可以是一平面，也可以是弧面。

在上述步骤实施完毕后，进一步在器件层230中形成复位晶体管、源极跟随晶体管和行选晶体管，以最终形成图像传感器像素电路。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种图像传感器的感光区域，其特征在于，包括设置在支撑衬底表面的一微镜和一光电二极管，所述光电二极管的P型掺杂区域与N型掺杂区域在支撑衬底表面横向布置，入射至图像传感器的入射光朝向所述支撑衬底的表面入射，经过所述微镜反射后形成朝向所述光电二极管侧面反射光，所述微镜的反射光是从所述光电二极管的侧面入射至光电二极管的内部，能够提高所述光电二极管的光俘获效率。

2.根据权利要求1所述的图像传感器的感光区域，其特征在于，在入射光的光路上进一步设置一聚焦装置，所述聚焦装置进一步是一透镜或一透镜组，对入射到微镜表面的入射光进行聚焦。

3.根据权利要求2所述的图像传感器的感光区域，其特征在于，在所述聚焦装置和所述微镜之间进一步设置一滤色片。

4.根据权利要求1所述的图像传感器的感光区域，其特征在于，所述光电二极管包括一PN结或者一PIN结。

5.根据权利要求1所述的图像传感器的感光区域，其特征在于，所述微镜的表面进一步包括一金属反射膜。

6.根据权利要求1所述的图像传感器的感光区域，其特征在于，所述支撑衬底包括表面的绝缘埋层，所述微镜和光电二极管进一步是设置在所述绝缘埋层的表面。

7.一种权利要求1所述图像传感器的感光区域的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：提供半导体衬底；在半导体衬底表面利用各向异性腐蚀形成微镜，所述微镜和半导体衬底表面具有一角度，所述角度大于零度且小于90度；在半导体衬底表面形成光电二极管。

8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述半导体衬底进一步包括衬底、器件层以及上述两者之间的绝缘埋层，所述微镜和光电二极管形成于所述器件层中。

9.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述微镜的平面与半导体衬底表面的夹角是45度。

10.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，在形成微镜后，进一步包括在所述微镜表面形成金属反射膜的步骤。

11.一种图像传感器，包括衬底、器件层以及上述两者之间的绝缘埋层，其特征在于，在所述器件层中至少包括至少一个权利要求1所述的感光区域。

12.根据权利要求11所述的图像传感器，其特征在于，所述器件层中包括一棱锥，所述棱锥的底面设置于所述绝缘埋层的表面，所述棱锥的侧面为所述感光区域的微镜。

13.根据权利要求12所述的图像传感器，其特征在于，所述光电二极管环绕设置在棱锥周围。

14.根据权利要求12所述的图像传感器，其特征在于，所述棱锥为四棱锥，所述棱锥的侧面与绝缘埋层表面之间的夹角为45度。

15.根据权利要求11所述的图像传感器，其特征在于，所述器件层的厚度范围是50nm～500nm。

16.根据权利要求11所述的图像传感器，其特征在于，所述器件层中进一步设置有复位晶体管、源极跟随晶体管和行选晶体管。