CN102664185A - Cmos图像传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种CMOS图像传感器及其制作方法，通过形成于感光器件表面的、或形成于介质层中的、或形成于金属布线层中的纳米金属颗粒层，利用纳米金属颗粒层的表面等离子体激元，增强位于其下的感光器件对光的吸收效率；通过控制表面金属颗粒层的纳米金属颗粒的大小，增强对于特定波长光的吸收。本发明不仅增强了CMOS图像传感器原本可吸收波段光的吸收效率，而且有效地提高了该图像传感器对波长在500~1000nm之间的较长波长光的吸收效率。

Description

CMOS图像传感器及其制作方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及一种CMOS图像传感器及其制作方法，特别是涉及一种利用纳米金属颗粒表面等离子体激元增强光吸收的CMOS图像传感器及其制作方法。

背景技术

SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上硅）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。

CMOS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，一般由感光器件和CMOS信号处理电路（包括像素读出电路）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），其中又分为三管像素读出电路（3T，包括复位晶体管、源跟随晶体管和行选择晶体管）和四管像素读出电路（4T，包括转移晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管和行选择晶体管）两大类。

如图1a所示，为一种现有基于SOI工艺的4T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路结构图，至少包括：感光器件104、复位晶体管M1、源跟随晶体管M2、选择晶体管M3、转移晶体管1061。

图1a中，作为感光器件104的光电二极管（Photo Diode，PD）104，用于在曝光时进行光电转换，将接收到的光信号转换成电信号，所述光电二极管104包括P型区和N型区，所述P型区接地。

复位晶体管M1，用于在曝光前对所述感光器件（光电二极管）104进行复位，复位由复位信号Reset信号进行控制。在图1a中，所述复位晶体管M1选用一个NMOS管，所述复位晶体管M1的源极和所述感光器件（光电二极管）104的N型区相连，所述复位晶体管M1的源极同时也为一感应节点N1又称为浮动扩散区（Floating Diffusion，FD）105；所述复位晶体管M1的漏极接电源V_dd，所述电源V_dd为一正电源。当所述复位信号Reset为高电平时，所述复位晶体管M1导通并将所述感光器件（光电二极管）104的N型区连接到电源V_dd，在所述电源V_dd的作用下，使所述感光器件（光电二极管）104反偏并会清除所述感光器件（光电二极管）104的全部累积的电荷，实现复位。所述复位晶体管M1也可以由多个NMOS管串联形成、或由多个NMOS管并联形成，也可以用PMOS管代替所述NMOS管。

源跟随晶体管M2，也为一源极跟随器，用于将所述感光器件（光电二极管）104产生的电信号进行放大。在图1a中，所述源跟随晶体管M2选用一NMOS管，所述源跟随晶体管M2的栅极接所述感光器件（光电二极管）104的N型区，所述源跟随晶体管M2的漏极接所述电源V_dd，所述源跟随晶体管M2的源极为放大信号的输出端。所述源跟随晶体管M2也可以由多个NMOS管串联形成、或由多个NMOS管并联形成。

行选择晶体管M3，用于将所述源跟随晶体管M2的源极输出的放大信号输出。在图1a中，所述行选择晶体管M3选用一NMOS管，所述行选择晶体管M3的栅极接行选择信号Rs，所述行选择晶体管M3的源极接所述源跟随晶体管M2的源极，所述行选择晶体管M3的漏极为输出端。

对应图1a，图1b为所述现有4T型结构的CMOS图像传感器的结构示意图，其中，包括SOI的支撑衬底101、绝缘埋层102、顶层半导体层103、位于顶层半导体层内的感光器件（光电二极管）104、位于顶层半导体层内的浮动扩散区105（对应图1a中的感应节点N1）、位于顶层半导体层内的转移晶体管的1061、位于顶层半导体层内的除转移晶体管的1061像素读出电路106（图1b中未画出具体电路结构仅以一个复位晶体管M1图示所述复位晶体管M1、源跟随晶体管M2和行选择晶体管M3），其中，所述像素读出电路106中的复位晶体管M1的源极与所述浮动扩散区105通过引线107进行连接。所述感光器件（光电二极管）104的有效感光区全部位于SOI的顶层半导体层103内部。

当在SOI上制作CMOS图像传感器，且感光器件位于顶层硅中时，CMOS图像传感器通过位于顶层硅中的感光器件的有效感光区来收集光生载流子。但是，为了避免“kink”效应的发生，要使用全耗尽型SOI器件，顶层硅的厚度一般小于200nm。

由于SOI材料的顶层硅太薄，大大限制了感光器件的有效感光区的深度，导致普通的感光器件无法在顶层硅的深度方向得到足够的耗尽区，从而迫使基于SOI工艺的CMOS图像传感器的光吸收效率下降，尤其是对于波长在500~1000nm之间的较长波长光（如绿光至红光或近红外光）吸收效率极低，成像质量很不理想。

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CMOS图像传感器及其制作方法，用于解决现有技术中CMOS图像传感器的光吸收效率下降、成像质量不理想的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种CMOS图像传感器，所述图像传感器至少包括：

半导体衬底；

感光器件，位于所述半导体衬底中，以将光信号转换成电信号；

像素读出电路，位于所述半导体衬底中，以将感光器件产生的电信号读出；

隔离结构，位于所述半导体衬底中且位于所述感光器件和像素读出电路的各相邻器件之间；

介质层和金属布线层，位于所述感光器件及半导体衬底表面，以实现各该器件的电连接；

纳米金属颗粒层，在垂直方向上位于所述感光器件上方，形成于所述感光器件表面，或形成于所述介质层中，或形成于所述金属布线层中，以提高所述感光器件对光的吸收效率。

可选地，所述半导体衬底为硅衬底或为具有支撑衬底、位于所述支撑衬底之上的绝缘埋层、及位于所述绝缘埋层之上的顶层半导体层的半导体衬底。可选地，所述感光器件至少包括光电二极管及光电门中的一种。

可选地，所述的感光器件、像素读出电路及隔离结构均位于所述顶层半导体层中。

可选地，所述纳米金属颗粒层材料至少包括银、铝、金、和铜中的任意一种。

可选地，所述纳米金属颗粒层厚度等于金属颗粒的直径。

可选地，所述纳米金属颗粒层为非致密纳米金属颗粒层，其占空比范围为0.1~0.9。

可选地，所述纳米金属颗粒层的占空比范围为0.1~0.5。

本发明还提供一种CMOS图像传感器的制作方法，所述制作方法至少包括以下步骤：

1）提供一半导体衬底，在所述半导体衬底中制作感光器件和像素读出电路，并形成相邻器件之间的隔离结构；

2）在所述感光器件表面形成纳米金属颗粒层，以提高所述感光器件对光的吸收效率；

3）在所述覆盖有纳米金属颗粒层的半导体衬底上形成介质层，而后进行金属布线，实现各器件之间的电连接。

可选地，通过化学气相沉积方法或物理气相沉积方法在所述感光器件表面形成纳米金属颗粒层。

可选地，所述半导体衬底为硅衬底或为具有支撑衬底、位于所述支撑衬底之上的绝缘埋层、及位于所述绝缘埋层之上的顶层半导体层的半导体衬底。

可选地，述感光器件及所述像素读出电路均位于所述顶层半导体层中。

如上所述，本发明的CMOS图像传感器及其制作方法，具有以下有益效果：通过形成于感光器件表面的、或形成于介质层中的、或形成于金属布线层中的纳米金属颗粒层，利用纳米金属颗粒层的表面等离子体激元，以增强位于其下的半导体衬底中的感光器件对光的吸收效率，其中，所述半导体衬底为硅衬底或具有绝缘埋层的半导体衬底，感光器件制作在硅衬底中或制作在具有绝缘埋层的半导体衬底的顶层半导体层中；进一步，通过控制表面金属颗粒层的纳米金属颗粒的大小（直径大小），以增强对于特定波长光的吸收；另外，当像素读出电路制作在具有绝缘埋层的半导体衬底的顶层半导体层中时，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。本发明不仅增强了CMOS图像传感器原本可吸收波段光的吸收效率，而且有效地提高了CMOS图像传感器的对波长较长光（尤其是波长在500~1000nm之间的光）的吸收效率。

附图说明

图1a显示为现有技术中的CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路结构示意图。

图1b显示为现有技术中的CMOS图像传感器的结构示意图。

图2a至图2b显示为本发明CMOS图像传感器在实施例一中的结构示意图。

图2c显示为本发明CMOS图像传感器在实施例一中的纳米金属颗粒层的俯视示意图。

图3a显示为本发明CMOS图像传感器在实施例二中的结构示意图。

图3b显示为本发明CMOS图像传感器在实施例二中的纳米金属颗粒层的俯视示意图。

元件标号说明

101、201、301    支撑衬底

102、202、302    绝缘埋层

103、203、303    顶层半导体层

104、204、304    感光器件

105、205         浮动扩散区

106、206、306    像素读出电路

1061、2061       转移晶体管

107、207、305    引线

208、307         隔离结构

209、308         纳米金属颗粒层

2091、3081       纳米银颗粒

M1               复位晶体管

M2               源跟随晶体管

M3               行选择晶体管

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。

本发明提供一种CMOS图像传感器及其制作方法，通过形成于感光器件表面的、或形成于介质层中的、或形成于金属布线层中的纳米金属颗粒层，利用纳米金属颗粒表面等离子体激元增强光吸收，提高了位于其下的半导体衬底中的所述感光器件对光的吸收效率，进一步，可通过控制表面金属颗粒层的纳米金属颗粒的大小（直径大小），以增强对于特定波长光的吸收。

请参阅图2a至图3b。需要说明的是，以下具体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

如图2a至图2c所示，本发明提供一种CMOS图像传感器制作方法，该方法至少包括以下步骤：

如图2a所示，首先执行步骤1），提供一半导体衬底，所述半导体衬底为硅衬底或为具有支撑衬底201、位于所述支撑衬底201之上的绝缘埋层202、及位于所述绝缘埋层202之上的顶层半导体层203的半导体衬底；在所述半导体衬底中制作感光器件204和像素读出电路206，并形成相邻器件之间的隔离结构208，其中，当所述半导体衬底为具有绝缘埋层的半导体衬底时，所述感光器件204、像素读出电路206和隔离结构208均制作在顶层半导体层203中。具体地，在本实施例一中，所述半导体衬底为具有绝缘埋层的半导体衬底，如图2a所示，所述的感光器件204、像素读出电路206和隔离结构208均制作在顶层半导体层203中，其中，像素读出电路206未画出具体电路结构，仅以一个晶体管图示所述像素读出电路206中的晶体管。

需要说明的是，所述顶层半导体层203的材料为用于制作半导体器件的半导体材料，至少包括硅、应变硅、锗及硅锗中的任意一种；所述绝缘埋层202为单层结构或叠层结构，其中的所述单层结构或所述叠层结构中的每一层的材料为氧化硅、氮化硅及氮氧化硅中的任意一种；所述支撑衬底201为普通半导体衬底，至少包括硅衬底和蓝宝石衬底的任意一种；所述具有支撑衬底201、绝缘埋层202以及顶层半导体层203的半导体衬底，可通过注氧隔离工艺、注氢键合工艺、注氧键合工艺或常规键合工艺制作而成，具体地，在本实施例一中，所述半导体衬底为具有绝缘埋层的半导体衬底，所述顶层半导体层203为硅，所述绝缘埋层202为单层结构的氮化硅，所述支撑衬底201为蓝宝石衬底，所述具有绝缘埋层的半导体衬底通过常规键合工艺制作而成。

所述像素读出电路206为三管像素读出电路（3T）、四管像素读出电路（4T）或其他由MOS晶体管组成的像素读出电路，其中，所述三管像素读出电路包括复位晶体管（ResetTransistor,RST）、源跟随晶体管（Source Follower，SF）和行选择晶体管（Row Select,RS），所述四管像素读出电路包括转移晶体管（Transfer Transistor,TX）、复位晶体管（RST）、源跟随晶体管（SF）和行选择晶体管（RS）。具体地，在本实施例一中，所述像素读出电路206为四管像素读出电路（4T），所述像素读出电路206位于所述顶层半导体层203中，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。其中，图2a中，仅以一个复位晶体管图示所述像素读出电路206中的复位晶体管、源跟随晶体管和行选择晶体管，另，所述转移晶体管2061与浮动扩散区205和感光器件204紧邻，且所述像素读出电路206中的复位晶体管的源极与所述浮动扩散区205通过引线207进行连接。

所述四管像素读出电路（4T）206工作原理为：先用像素读出电路206中的复位晶体管将浮动扩散区205内的电子全部吸入电源，使其电位变高；曝光开始后，光子照射到感光器件204的有效感光区，并于其内生成电子和空穴对；曝光结束后，转移晶体管2061上加高电平，将感光器件204的有效感光区中的光生载流子转移到浮动扩散区205，使其电位降低，最后通过像素读出电路206中的源跟随晶体管和行选择晶体管（图2a中未画出源跟随晶体管和行选择晶体管具体电路结构，仅以复位晶体管图示像素读出电路）将光生电压信号输出。相关三管像素读出电路（3T）的工作原理与四管像素读出电路（4T）206工作原理类似，故不再一一赘述。

所述感光器件204用于将光信号转换成电信号，至少包括光电二极管（Photo diode，PD）及光电门（Photogate）中的一种，其中，所述光电二极管（PD）还包括横向PN结光电二极管、纵向PN结光电二极管、横向PIN结光电二极管及纵向PIN结光电二极管，在本实施例一中，所述感光器件204为传统的纵向PN结光电二极管，并位于所述顶层半导体层203中，如图2a所示。

所述隔离结构208为浅沟道隔离（Shallow Trench Isolation，STI）或绝缘介质隔离，具体地，在本实施例一中，所述隔离结构208为硅岛隔离结构，为绝缘介质隔离中的一种，所述隔离结构208位于所述顶层半导体层203中，且位于所述感光器件204和像素读出电路206的各相邻器件之间。接着执行步骤2）。

在步骤2）中，如图2b所示，通过化学气相沉积方法或物理气相沉积方法，在所述感光器件204表面形成纳米金属颗粒层209，以提高所述感光器件204对光的吸收效率。其中，所述纳米金属颗粒层209材料至少包括银、铝、金、和铜中的任意一种；所述纳米金属颗粒为球形；所述纳米金属颗粒层209的厚度等于金属颗粒的直径，所述金属颗粒的直径为400~1000nm；所述纳米金属颗粒层209为非致密的纳米金属颗粒层，且纳米金属颗粒为随机不规则分布的，其占空比范围为0.1~0.9，优选的所述占空比范围为0.1~0.5，以保证所述纳米金属颗粒层209有足够的透光性。在本实施例一中，如图2b至2c所示，采用化学气相沉积方法，将球形纳米银颗粒2091随机不规则地分布在所述感光器件204表面上，形成所述纳米金属颗粒层209；所述纳米金属颗粒层209的占空比约为0.3（请参阅图2c）；所述纳米金属颗粒层209的厚度为所述纳米银颗粒2091的直径，其中，在所述感光器件204表面形成的纳米银颗粒2091的直径为435~480nm、595~605nm、或750~800nm，容后详述。

需要说明的是，为了提高CMOS图像传感器光吸收效率，提出了在垂直于所述感光器件204所在平面的方向上，在所述感光器件的上方增加一层纳米金属颗粒层209的方法，其原理在于：利用纳米金属颗粒层209的表面等离子体激元，以增强位于其下的感光器件204对光的吸收效率，即在不影响原本光生电载流子的机制（势垒效应，即结光电效应：光照射PN结时，若光子能量hf大于等于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，电子偏向N区外侧，空穴偏向P区外侧，使P区带正电，N区带负电，形成光生电动势）的基础上，引入了新的吸收机制，其中，表面等离子体激元有两种形式：局域表面等离子体激元（Localized Surface Plasmon，LSP）和表面等离子体极化激元（Surface Plasmon Polariton，SPP）。

在入射光的照射下，在纳米金属颗粒或者金属表面具有微结构或缺陷中，会形成局域化的表面等离子体共振，称为LSP共振。纳米金属颗粒激发的表面等离子体共振频率主要在电磁光谱的可见光或红外区，即纳米金属颗粒在可见光或红外光范围表现出很强的宽带光吸收特征，其实质是由于费米能级附近导带上的自由电子在电磁场（光波为电磁波的一种）的作用下发生集体振荡，共振状态下电磁场的能量被有效地转换为金属自由电子的集体振动能，为一种区别于结光电效应的能量转化机制，即新的吸收机制，进一步，由于纳米金属颗粒表面的等离子体共振将会被局限在纳米颗粒表面，因此可以利用表面等离子体激元增强CMOS图像传感器对可见光或红外区域的光的吸收。

需要进一步说明的是，金属颗粒发生集体振荡的强弱可由金属颗粒的表面的极化率（Polarizability）α表示，极化率越高则金属和半导体的表面共振现象越明显，进而促使能量转化越明显即光的吸收率越高，其中，表示极化率α的具体公式如下：

$\mathrm{\α}={4\mathrm{\πd}}^3\frac{\mathrm{\ϵ}-{\mathrm{\ϵ}}_m}{\mathrm{\ϵ}+2{\mathrm{\ϵ}}_m}---\left(1\right)$

其中，金属颗粒周围各向同性介质的非吸收介电常数为ε_m，金属颗粒的节点响应简写为ε，金属颗粒的直径为d。

由公式（1）可知，当介质（本实施例一中的顶层半导体层203）周围的球形纳米金属颗粒的直径d与入射光的波长λ满足d=λ时，即可以通过控制形成的纳米金属颗粒的大小来增强对于特定波长光的吸收效率。

在本实施例一中，当入射光照射到纳米金属颗粒层209表面，自由电子在电磁场（光波为电磁波的一种）的驱动下，在金属和介质界面（顶层半导体层203表面）上发生集体振荡，产生表面等离子体激元，它们能够局域在纳米金属颗粒周围或者在平坦的金属表面传播，进而增强位于顶层半导体层203中的感光器件204的光吸收效率。具体地，当所述球形纳米金属颗粒的直径为400~500nm时，对所述感光器件204原本可吸收波段光（如紫光至蓝绿光波段）的吸收效率进一步的提高，本实施例一中纳米银颗粒2091的直径为435~480nm对应增强感光器件204对蓝光波段的吸收效率；当所述球形纳米金属颗粒的直径为500~700nm时，即可提高所述感光器件204在波长较长光（尤其是波长在500~700nm之间的可见光）的吸收效率，本实施例一中纳米银颗粒2091的直径为595~605nm对应增强感光器件204对红光波段的吸收效率；当所述球形纳米金属颗粒的直径为700~1000nm时，即可提高所述感光器件204对红外光（尤其是波长在700~1000nm之间的近红外光）的吸收效率，本实施例一中纳米银颗粒2091的直径为750~800nm对应增强感光器件204对近红外光波段的吸收效率。接着执行步骤3）。

在步骤3）中，进行常规的工艺流程，在所述覆盖有纳米金属颗粒层的半导体衬底上形成介质层（未图示），而后进行金属布线（未图示），实现各器件之间的电连接。

本实施例一提供的CMOS图像传感器的制作方法，通过在感光器件表面形成纳米金属颗粒层，利用纳米金属颗粒层的表面等离子体激元，以增强位于其下的所述顶层半导体层中的感光器件对光的吸收效率，其中，所述顶层半导体层位于具有支撑衬底、绝缘埋层以及顶层半导体层的半导体衬底的顶层，不仅增强了CMOS图像传感器原本可吸收波段光的吸收效率，而且有效地提高了CMOS图像传感器的对波长较长光（尤其是波长在500~1000nm之间的光）的吸收效率；像素读出电路制作顶层半导体层中，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。

实施例二

如图3a至3b所示，本发明提供一种CMOS图像传感器，所述图像传感器至少包括：半导体衬底、感光器件304、像素读出电路306、隔离结构307、介质层（未图示）和金属布线（未图示）、纳米金属颗粒层308。

所述半导体衬底为硅衬底或为具有支撑衬底301、位于所述支撑衬底301之上的绝缘埋层302、及位于所述绝缘埋层302之上的顶层半导体层303的半导体衬底；所述顶层半导体层303的材料为用于制作半导体器件的半导体材料，至少包括硅、应变硅、锗及硅锗中的任意一种；所述绝缘埋层302为单层结构或叠层结构，其中的所述单层结构或所述叠层结构中的每一层的材料为氧化硅、氮化硅及氮氧化硅中的任意一种；所述支撑衬底301为普通半导体衬底，至少包括硅衬底和蓝宝石衬底的任意一种。具体地，在本实施例二中，所述半导体衬底为具有绝缘埋层的半导体衬底，所述顶层半导体层303为锗，所述绝缘埋层302为单层结构的氧化硅，所述支撑衬底301为硅衬底。

所述感光器件304位于所述半导体衬底中，当所述半导体衬底为具有绝缘埋层的半导体衬底时，所述感光器件304位于所述顶层半导体层303中；所述感光器件304用于将光信号转换成电信号，至少包括光电二极管（Photo diode，PD）及光电门（Photogate）中的一种，其中，所述光电二极管（PD）还包括横向PN结光电二极管、纵向PN结光电二极管、横向PIN结光电二极管及纵向PIN结光电二极管。具体地，在本实施例二中，所述半导体衬底为具有绝缘埋层的半导体衬底，所述感光器件304位于具有绝缘埋层的半导体衬底的顶层半导体层303中，所述感光器件304为传统的纵向PN结光电二极管，如图3a所示。

所述像素读出电路306为三管像素读出电路（3T）、四管像素读出电路（4T）或其他由MOS晶体管组成的像素读出电路，均位于所述半导体衬底中，当所述半导体衬底为具有绝缘埋层的半导体衬底时，所述像素读出电路306位于所述具有绝缘埋层的半导体衬底的顶层半导体层303中。所述像素读出电路306为三管像素读出电路（3T）时，包括连接所述感光器件304的复位晶体管（Reset Transistor,RST）、连接所述复位晶体管（RST）及感光器件304的源跟随晶体管（Source Follower），以及连接所述源跟随晶体管（SF）的行选择晶体管（RowSelect,RS）（具体电路结构未图示）；所述像素读出电路306为四管像素读出电路（4T）时，所述像素读出电路306还包括连接于所述感光器件304与复位晶体管（RST）之间的、及连接于所述感光器件304与源跟随晶体管（SF）之间的转移晶体管（Transfer Transistor,TX）（具体电路结构未图示）；所述像素读出电路306还可以或其他由MOS晶体管组成的像素读出电路，在此不一一赘述。具体地，在本实施例二中，所述像素读出电路306为三管像素读出电路（3T），其中，图3a中，仅以一个复位晶体管图示所述像素读出电路306中的复位晶体管、源跟随晶体管和行选择晶体管，且所述像素读出电路306位于所述顶层半导体层303中，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。

所述三管像素读出电路（3T）306工作原理为：先用为像素读出电路306中的复位晶体管的复位信号Reset提供高电平，使所述复位晶体管导通，将所述感光器件304内的电子全部吸入电源，清除所述感光器件304内的全部累积的电荷，实现复位；曝光开始后，光子照射到感光器件304的有效感光区，并于其内生成电子和空穴对；曝光结束后，将感光器件304的有效感光区中的光生载流子，通过像素读出电路306中引线305连接至源跟随晶体管和行选择晶体管（图3a中未画出源跟随晶体管和行选择晶体管具体电路结构，仅以复位晶体管图示像素读出电路）将光生电压信号输出。

所述隔离结构307位于所述半导体衬底中且位于所述感光器件304和像素读出电路306的各相邻器件之间，当所述半导体衬底为具有绝缘埋层的半导体衬底时，所述隔离结构307位于所述具有绝缘埋层的半导体衬底的顶层半导体层303中。所述隔离结构307为浅沟道隔离（Shallow Trench Isolation，STI）或绝缘介质隔离，具体地，在本实施例二中，所述隔离结构307位于所述顶层半导体层303中，且位于所述感光器件304和像素读出电路306的各相邻器件之间，所述隔离结构307为硅岛隔离结构，为绝缘介质隔离中的一种。

所述介质层（未图示）和金属布线（未图示）位于所述的纳米金属颗粒层及半导体衬底表面，以实现各该器件的电连接。

所述纳米金属颗粒层308，在垂直所述感光器件304所在平面的方向上且位于所述感光器件上方，形成于所述感光器件304表面，或形成于所述介质层中，或形成于所述金属布线层中，用于提高所述感光器件304对光的吸收效率。其中，所述纳米金属颗粒层308的材料至少包括银、铝、金、和铜中的任意一种；所述纳米金属颗粒为球形；所述纳米金属颗粒层308的厚度等于金属颗粒的直径，所述金属颗粒的直径为400~1000nm；所述纳米金属颗粒层308为非致密纳米金属颗粒层，且纳米金属颗粒为随机不规则分布的，其占空比范围为0.1~0.9，优选的所述占空比范围为0.1~0.5，以保证所述纳米金属颗粒层308有足够的透光性。在本实施例二中，如图3a至3b所示，所述纳米金属颗粒层308形成于所述感光器件304表面，由一层非致密的随机不规则分布的球形纳米银颗粒3081构成，所述纳米金属颗粒层308的占空比约为0.3（请参阅图3b），所述纳米金属颗粒层308的厚度为纳米银颗粒3081的直径，其中，在所述感光器件304表面形成的纳米银颗粒3081的直径为435~480nm、595~605nm、或750~800nm，容后详述。

需要指出的是，当所述纳米金属颗粒层形成于所述金属布线层中时，所述纳米金属颗粒层与所述金属布线可同时制作，即在金属布线刻蚀时，在对应感光器件所在位置处的所述金属布线层中，同时刻蚀形成非致密的球形纳米金属颗粒，在所述金属布线层中形成所述纳米金属颗粒层，以增强位于其下的感光器件对光的吸收效率。

需要说明的是，在垂直于所述感光器件304所在平面的方向上且位于所述感光器件上方，在感光器件304表面、或所述介质层中，或所述金属布线层中增加所述纳米金属颗粒层308，利用其表面等离子体激元，增强位于其下的感光器件304对光的吸收效率的具体原理请参见实施例一，在此不再一一赘述。

需要进一步说明的是，在本实施例二中，当入射光照射到纳米金属颗粒层308表面，自由电子在电磁场（光波为电磁波的一种）的驱动下，在金属和介质界面（顶层半导体层303表面）上发生集体振荡，产生表面等离子体激元，它们能够局域在纳米金属颗粒周围或者在平坦的金属表面传播，进而增强位于顶层半导体层303中的感光器件304的光吸收效率。具体地，当所述球形纳米金属颗粒的直径为400~500nm时，对所述感光器件304原本可吸收波段光（如紫光至蓝绿光波段）的吸收效率进一步的提高，本实施例二中纳米银颗粒3081的直径为435~480nm对应增强感光器件304对蓝光波段的吸收效率；当所述球形纳米金属颗粒的直径为500~700nm时，即可提高所述感光器件304在波长较长光（尤其是波长在500~700nm之间的可见光）的吸收效率，本实施例二中纳米银颗粒3081的直径为595~605nm对应增强感光器件304对红光波段的吸收效率；当所述球形纳米金属颗粒的直径为700~1000nm时，即可提高所述感光器件304对红外光（尤其是波长在700~1000nm之间的近红外光）的吸收效率，本实施例二中纳米银颗粒3081的直径为750~800nm对应增强感光器件304对近红外光波段的吸收效率。

本实施例二提供的CMOS图像传感器，在感光器件表面增加纳米金属颗粒层，利用纳米金属颗粒层的表面等离子体激元，以增强位于其下的所述顶层半导体层中的感光器件对光的吸收效率，其中，所述顶层半导体层位于具有支撑衬底、绝缘埋层以及顶层半导体层的半导体衬底的顶层，不仅增强了CMOS图像传感器原本可吸收波段光的吸收效率，而且有效地提高了CMOS图像传感器的对波长较长光（尤其是波长在500~1000nm之间的光）的吸收效率；像素读出电路位于所述顶层半导体层中，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。

综上所述，本发明的CMOS图像传感器及其制作方法，通过形成于感光器件表面的、或形成于介质层中的、或形成于金属布线层中的纳米金属颗粒层，利用纳米金属颗粒层的表面等离子体激元，以增强位于其下的半导体衬底中的感光器件对光的吸收效率，其中，所述半导体衬底为硅衬底或具有绝缘埋层的半导体衬底，感光器件制作在硅衬底中或制作在具有绝缘埋层的半导体衬底的顶层半导体层中；进一步，通过控制表面金属颗粒层的纳米金属颗粒的大小（直径大小），以增强对于特定波长光的吸收；另外，当像素读出电路制作在具有绝缘埋层的半导体衬底的顶层半导体层中时，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。本发明不仅增强了CMOS图像传感器原本可吸收波段光的吸收效率，而且有效地提高了CMOS图像传感器的对波长较长光（尤其是波长在500~1000nm之间的光）的吸收效率。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 (11)

1.一种CMOS图像传感器，其特征在于，所述图像传感器至少包括：

半导体衬底；

感光器件，位于所述半导体衬底中，以将光信号转换成电信号；

像素读出电路，位于所述半导体衬底中，以将感光器件产生的电信号读出；

隔离结构，位于所述半导体衬底中且位于所述感光器件和像素读出电路的各相邻器件之间；

介质层和金属布线层，位于所述感光器件及半导体衬底表面，以实现各该器件的电连接；

纳米金属颗粒层，在垂直方向上位于所述感光器件上方，形成于所述感光器件表面，或形成于所述介质层中，或形成于所述金属布线层中，以提高所述感光器件对光的吸收效率。

2.根据权利要求1的CMOS图像传感器，其特征在于：所述半导体衬底为硅衬底或为具有支撑衬底、位于所述支撑衬底之上的绝缘埋层、及位于所述绝缘埋层之上的顶层半导体层的半导体衬底。

3.根据权利要求2的CMOS图像传感器，其特征在于：所述的感光器件、像素读出电路及隔离结构均位于所述顶层半导体层中。

4.根据权利要求1或2所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述纳米金属颗粒层材料至少包括银、铝、金、和铜中的任意一种。

5.根据权利要求1或2所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述纳米金属颗粒层厚度等于金属颗粒的直径。

6.根据权利要求1或2所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述纳米金属颗粒层为非致密纳米金属颗粒层，其占空比范围为0.1~0.9。

7.根据权利要求6所述的CMOS图像传感器，其特征在于：所述纳米金属颗粒层的占空比范围为0.1~0.5。

8.一种CMOS图像传感器的制作方法，其特征在于，所述制作方法至少包括以下步骤：

1）提供一半导体衬底，在所述半导体衬底中制作感光器件和像素读出电路，并形成相邻器件之间的隔离结构；

2）在所述感光器件表面形成纳米金属颗粒层，以提高所述感光器件对光的吸收效率；

3）在所述覆盖有纳米金属颗粒层的半导体衬底上形成介质层，而后进行金属布线，实现各器件之间的电连接。

9.根据权利要求8所述的CMOS图像传感器的制作方法，其特征在于：通过化学气相沉积方法或物理气相沉积方法在所述感光器件表面形成纳米金属颗粒层。

10.根据权利要求8所述的CMOS图像传感器的制作方法，其特征在于：所述半导体衬底为硅衬底或为具有支撑衬底、位于所述支撑衬底之上的绝缘埋层、及位于所述绝缘埋层之上的顶层半导体层的半导体衬底。

11.根据权利要求10所述的CMOS图像传感器的制作方法，其特征在于：所述感光器件及所述像素读出电路均位于所述顶层半导体层中。

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