CN102610621A - 带有抗反射层的图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种图像传感器，该图像传感器包括设置在硅衬底上的吸收层，吸收层具有至少SiGe或Ge之一，和直接设置在吸收层上的反射层。
Description
技术领域
本发明涉及一种图像传感器，更具体的，本发明涉及一种带有抗反射层的图像传感器及其制造方法。
背景技术
本发明大体上涉及一种图像传感器，更具体地说，是涉及一种用于改进像素性能的，具有提高的吸收系数的图像传感器，以及制造该图像传感器的方法。
由于互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的某些内在优势，CMOS图像传感器比传统的电荷耦合器件(CCDs)更受欢迎。具体地说，CMOS图像传感器一般需要较低的电压，消耗较少的功率，可以实现对图像数据的随机存取，可以使用兼容的CMOS工艺制造，并且可以实现集成的单芯片照相机。
CMOS图像传感器利用光敏CMOS电路将光能转换成电能并且可以将CMOS图像传感器设计成从前表面被照明或从背表面被照明。光敏CMOS电路一般包括形成在硅衬底中的光电二极管。当光电二极管暴露给光时，在光电二极管中引发电荷。光电二极管一般与MOS开关晶体管连接，MOS开关二极管用于采样光电二极管的电荷。通过在光敏CMOS电路的上方放置过滤器可以确定颜色。
CMOS图像传感器的像素接收的光通常基于三个原色：红，绿，和蓝(R，G，B)，以各种组合和亮度可以识别和/或创造其他的颜色(例如，当红和绿重叠时形成黄)。图1是示出蓝光，绿光，和红光的波长与它们各自的量子效率之间关系的图。具有长波长的入射光例如红光(约600nm的波长)具有降低的吸收系数。由于像素性能取决于光电二极管的吸收特征，该降低的吸收系数导致降低的红光信号和颜色比率的不平衡。
另外，随着CMOS图像传感器的像素的尺寸降低，接收入射光的像素灵敏度降低，而且入射光导致在不同的像素之间的干扰，尤其是对于具有长波长的入射光，从而降低CMOS图像传感器的像素的整体性能。
因此，需要的是提供增加的吸收系数和因此改进的像素性能的改进的图像传感器，尤其是对于具有长波长的光。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种图像传感器，包括：形成在衬底上的吸收层，所述吸收层包括至少SiGe或Ge之一；以及直接设置在所述吸收层上的抗反射层。
根据本发明所述的图像传感器，其中所述衬底包括硅。
根据本发明所述的图像传感器，其中所述衬底的厚度在约0.1μm到10μm之间。
根据本发明所述的图像传感器，其中使用外延化学汽相沉积工艺生长所述吸收层。
根据本发明所述的图像传感器，其中使用Ge注入工艺形成所述吸收层，其中在室温下，在真空压力室中经历从约10-8托到约10-7托的压力来实施Ge注入，工艺时间从约10分钟到180分钟。
根据本发明所述的图像传感器，其中所述吸收层的厚度在约0.5nm到约500nm之间。
根据本发明所述的图像传感器，其中所述吸收层的Ge浓度从约0.1％到约100％并且所述吸收层在从约500℃到约1000℃的温度下生长。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述抗反射层包括氮化硅(SiN)。
根据本发明所述的一种背照式图像传感器，包括：形成在硅衬底上的层，所述层包括至少SiGe或Ge之一，所述层用于提高入射光吸收能力并且改进所述图像传感器的量子效率；以及直接设置在所述层上的抗反射层。
根据本发明所述的图像传感器，其中所述硅衬底的厚度在约0.1μm到10μm之间。
根据本发明所述的图像传感器，其中使用外延化学汽相工艺形成所述层。
根据本发明所述的图像传感器，其中使用Ge注入工艺形成所述层，其中在室温下，在真空压力室中经历从约10-8托到约10-7托的压力来实施Ge注入，而且工艺时间从约10分钟到180分钟。
根据本发明所述的图像传感器，其中所述层的厚度在约5埃到约5000埃之间。
根据本发明所述的图像传感器，其中所述层的Ge浓度是从约0.1％到约100％并且所述吸收层在从约500℃到约1000℃的温度下生长。
根据本发明所述的图像传感器，其中所述抗反射层包括氮化硅(SiN)。
根据本发明所述的一种形成图像传感器的方法，包括：在硅衬底上形成吸收层，所述吸收层包括至少SiGe或Ge之一；以及直接在所述吸收层上形成抗反射层。
根据本发明所述的方法，其中使用外延化学汽相沉积工艺形成所述吸收层。
根据本发明所述的方法，其中使用Ge注入工艺形成所述吸收层。
根据本发明所述的方法，其中所述吸收层的厚度在约5埃到约5000埃之间。
根据本发明所述的方法，其中所述吸收层的Ge浓度从约0.1％到约100％并且所述吸收层在从约500℃到约1000℃的温度下形成。
附图说明
从以下详细的描述，所附的权利要求，和附图可以更明显地发现本发明的特征，各个方面和优势，其中：
图1是示出蓝、绿、和红光的波长λ(nm)的量子效率(％)的图。
图2根据本发明的实施例示出图像像素阵列区域和图像传感器的环绕的逻辑区域。
图3是根据本发明的实施例的一部分图像传感器的横截面视图。
图4是示出在不同波长(μm)下具有各种Ge含量的SiGe层的光吸收系数(cm-1)的关系的图。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了许多特定的细节从而提供了本公开的实施例的完全理解。然而，本领域的普通技术人员应意识到没有这些特定的细节也可实施本公开的实施例。在一些例子中，没有详细描述公知的结构和工艺从而避免了本公开的不必要的模糊的实施例。
整个本说明书中引用“一个实施例”或“某个实施例”意味着本公开的至少一个实施例包括关于所述实施例而描述的特定部件、结构或特征。因此在本说明书的各个位置出现的短语“在一个实施中”或“在某个实施例中”不一定指同一个实施例。而且，在一个或多个实施例中可以以任何合适的方式组合特定部件、结构或特征。应理解，以下附图没有按比例绘制；而这些附图只是为了阐明。
现参考图2，示出了图像传感器100，该图像传感器包括背照式像素区域102的网格或阵列。每个像素区域102可以包括光敏二极管300(图2中未示出，但是在图3中示出)，光敏二级管300产生信号，该信号与冲击光敏二级管300的光的强度或亮度相关。
图像传感器100可以还包括与像素区域102的阵列相邻的逻辑区域104。逻辑区域104可以具有额外的电路和触点，这些电路和触点用于对像素区域102的阵列的输入连接和来自像素区域102的阵列的输出连接。利用逻辑区域104为像素区域102提供运行环境和缓和像素区域102的阵列和外部器件(未示出)之间的通信。
图3示出图像传感器100的单个像素区域102的简化的横截面视图。虽然可以将像素区域102和逻辑区域104(图2)制造成互相毗邻，但是也可以将像素区域102和逻辑区域104形成在图像传感器100的隔开部分中。像素区域102和逻辑区域104两者都形成在同一个衬底302上。衬底302可以形成在载具晶圆304之上，衬底302和载具晶圆304之间具有绝缘层306。绝缘层306可以包括多个金属线308，金属线308用于像素区域102，逻辑区域104，和/或其他器件之间的通信。绝缘层306可以由层间电介质和/或金属层间介电层构成。
衬底302的厚度可以是约0.1μm和10μm之间，而且衬底302可以是例如硅、锗、金刚石等半导体材料。可选地，也可以使用硅锗，碳化硅，砷化镓，砷化铟，磷化铟，硅锗碳，磷化镓砷，磷化镓铟，这些的组合等半导体材料。可选地，衬底302可以包括绝缘体上硅(SOI)衬底。衬底302可以掺杂p-型掺杂剂，例如硼，铝，镓等，如本领域所公知的，尽管基板302可以可选地掺杂n-型掺杂剂。
衬底302额外地包括多个隔离结构310，隔离结构310设计成隔开和隔离各种形成在衬底302上或衬底302中的器件，而且也设计成隔开像素区域102和逻辑区域104。如本领域所公知的，隔离结构310可以是浅沟槽隔离，一般通过蚀刻衬底302形成沟槽，然后用介电材料填充沟槽来形成浅沟槽隔离。晶体管，源极/漏极区域，栅极结构，金属层，和/或钝化层也形成在衬底302中的像素区域102内，不描述这些的细节，以免模糊本发明的实施例。在其中衬底302是p-型衬底的实施例中，可以通过注入合适的n-型掺杂剂如磷，砷，锑等形成源极/漏极区域。应该注意到，本领域的普通技术人员将意识到所有合适的可以应用到图像传感器中的晶体管，源极/漏极区域，栅极结构，金属层，钝化层，和/或配置以及它们的工艺和步骤都将要被包括在本发明的范围内。
像素区域102可以包括光敏二极管300，光敏二极管300感应从衬底302的背部冲击光敏二极管300的光的数量，而且可以包括置顶的层光电二极管。如本领域的技术人员可以认识到的，也可以使用其他光敏二极管。例如，可以可选地使用非置顶的层光电二极管。本发明可以使用任何合适的光电二极管，而且所有这些光电二极管都将要包括在本发明的范围内。
形成在衬底302之上的是半导体材料层，硅锗(SiGe)层312。由于具有较低的能带隙，SiGe层312提高图像传感器的入射光吸收能力和改进图像传感器的量子效率，尤其是对于长波长的光，例如红光。SiGe层312可以包括从约0.1％Ge到约100％Ge。图4是示出在各种波长(μm)下具有各种Ge含量的SiGe层的光吸收系数(cm-1)的关系的图，图来自S.J.Koester et al.，“IEEE J.of Quantum Electronics，”vol.12，No.16，p.1489，2006。从图中观察到随着Ge含量的增加光吸收系数增加。
SiGe层312可以具有从约5埃到约5000埃的厚度，而且可以在原位使用外延化学汽相沉积(CVD)方法使SiGe层选择性地生长在图像传感器的衬底302上。在一个实施例中，外延层312可以具有从约0.5nm和约500nm的厚度。在一些实施例中，外延层312可以具有从约1nm到约100nm的厚度。SiGe层312中的Ge浓度应该基于生产工艺的热预算确定，在一些实施例中，由于温度是从约500℃到约1000℃，因此Ge浓度是从约0.1％到约100％。如果制造工艺将要达到高达1000℃的温度，SiGe层312中的Ge浓度应该保持在10％和40％之间。如果工艺温度将保持在500℃之下，可以使用纯Ge代替。
除了外延生长，通过注入Ge类到硅衬底302中，SiGe层312也可以形成在硅衬底302上。根据本发明的一个实施例，室温条件下，在压力是从约10-8托到约10-7托的真空压力室中实施Ge注入，并且工艺时间是从约10分钟到180分钟。需要的Ge剂量越高，则需要的工艺时间越长。然而，使用Ge注入工艺很难使SiGe层312中获得的Ge含量大于约10％。为了形成具有较高Ge含量的SiGe层312以获得较好的光吸收能力，在一些实施例中，优选使用外延方法制造SiGe层312，因为可以获得大于10％的高Ge含量，例如20％，50％，或甚至高达100％。也可以使用其他本领域技术人员公知的方法。
生长SiGe层312之后，图像传感器100可以穿过熔炉或快速热退火(RTA)工艺。熔炉退火工艺在氮气(N2)氛，氢气(H2)氛或N2和H2的组合中实施。
为了防止进入的光子从光电二极管300的表面反射出去，从而不能显示电荷，可以在SiGe层312之上形成抗反射层314。抗反射层314可以包括氮化硅(SiN)。
尽管已经详细地描述了本发明及其优势，但应该理解，可以在不背离所附权利要求限定的本发明主旨和范围的情况下，做各种不同的改变，替换和更改。例如，可以使用电荷耦合器件(CCDs)代替图像传感器中的CMOS器件，光电二极管可以使用不同的材料，或各个层和器件可以使用不同的形成方法。这些器件，步骤，和材料可以变化而仍然保持在本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种图像传感器，包括：
形成在衬底上的吸收层，所述吸收层包括至少SiGe或Ge之一；以及
直接设置在所述吸收层上的抗反射层。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述衬底包括硅。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述衬底的厚度在约0.1μm到10μm之间。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中使用外延化学汽相沉积工艺生长所述吸收层。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中使用Ge注入工艺形成所述吸收层，其中在室温下，在真空压力室中经历从约10-8托到约10-7托的压力来实施Ge注入，工艺时间从约10分钟到180分钟。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述吸收层的厚度在约0.5nm到约500nm之间。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述吸收层的Ge浓度从约0.1％到约100％并且所述吸收层在从约500℃到约1000℃的温度下生长。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述抗反射层包括氮化硅(SiN)。
9.一种背照式图像传感器，包括：
形成在硅衬底上的层，所述层包括SiGe和Ge中的至少之一，所述层用于提高入射光吸收能力并且改进所述图像传感器的量子效率；以及
直接设置在所述层上的抗反射层。
10.一种形成图像传感器的方法，包括：
在硅衬底上形成吸收层，所述吸收层包括SiGe和Ge中的至少之一；以及
直接在所述吸收层上形成抗反射层。
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