CN102820312B - 图像传感器感光单元及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种图像传感器感光单元及其制造方法，所述图像传感器感光单元包括第一覆盖层、第二覆盖层和第一与第二覆盖层之间的介质层，所述介质层中进一步包括器件层和绝缘层，所述器件层和所述第一覆盖层贴合，在所述器件层中设置有至少一光电二极管，所述第二覆盖层为光入射层。本发明的优点在于用了法布里珀罗腔的特点，通过入射光线的多次反射，使其在感光区内被多次吸收，从而提高了基于图像传感器感光单元的光吸收效率。

Description

图像传感器感光单元及其制造方法

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感光单元及其制造方法。

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图像传感器感光单元结构如图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。尤其是对于波长大于600nm的红色，橙色光，吸收效率极低，成像质量很不理想；此外，由于通常采用正面照射技术，光线照射到感光区之前必须越过一定厚度的金属布线层，使得部分斜入射光被遮挡，降低了此像素结构的量子效率。

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感光单元及其制造方法，能够提高光吸收的效率。

为了解决上述问题，本发明提供了一种图像传感器感光单元，包括第一覆盖层、第二覆盖层和第一与第二覆盖层之间的介质层，所述介质层中进一步包括器件层和绝缘层，所述器件层和所述第一覆盖层贴合，在所述器件层中设置有至少一光电二极管，所述第二覆盖层为光入射层。

可选的，所述介质层进一步包括支撑层，所述绝缘层设置在支撑层和器件层之间，所述第二覆盖层与所述支撑层贴合；所述支撑层的厚度小于5μm。

可选的，所述第一覆盖层的材料为反射增强材料；所述第二覆盖层为增透膜，或所述第二覆盖层的材料为单面透射材料，光从介质层外到介质层内的透射率大于从介质层内到介质层外的透射率；所述第一覆盖层和第二覆盖层的厚度范围均为1nm至10nm。

可选的，在所述第二覆盖层的表面进一步设置有光聚焦模块。

本发明进一步提供了一种图像传感器感光单元的制造方法，包括如下步骤：提供一衬底，所述衬底包括支撑层，支撑层表面的绝缘层以及绝缘层表面的器件层；在器件层中制作至少一光电二极管；减薄支撑层；在所述衬底的器件层表面形成第一覆盖层，并在与之相对的表面形成第二覆盖层。

可选的，所述减薄支撑层的步骤中，进一步是将支撑层减薄至一厚度；所述支撑层减薄之后的厚度小于5μm。

可选的，进一步包括一在所述第二覆盖层的表面形成光聚焦模块的步骤。

本发明的优点在于用了法布里珀罗腔的特点，通过入射光线的多次反射，使其在感光区内被多次吸收，从而提高了基于图像传感器感光单元的光吸收效率。

附图说明

附图1是一种现有的制作于SOI衬底上的CMOS图像传感器感光单元结构。

附图2所示是本发明的具体实施方式所述方法的实施步骤示意图。

附图3A至步骤3E所示是附图2所示步骤的工艺示意图。

附图4所示是本发明的具体实施方式所采用的法布里珀罗腔的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的图像传感器感光单元及其制造方法的具体实施方式做详细说明。

附图2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S20，提供一衬底，所述衬底包括支撑层，支撑层表面的绝缘层以及绝缘层表面的器件层；步骤S21，在器件层中制作至少一光电二极管；步骤S22，减薄支撑层至一厚度；步骤S23，在所述衬底的器件层表面形成第一覆盖层，并在与之相对的表面形成第二覆盖层；步骤S24，在所述第二覆盖层的表面形成光聚焦模块。

附图3A至步骤3E所示是附图2所示步骤的工艺示意图。

附图3A所示，参考步骤S20，提供一衬底30，所述衬底30包括支撑层301，支撑层301表面的绝缘层302以及绝缘层302表面的器件层303。所述支撑层301以及器件层303的材料可以是包括单晶硅在内的任意中本领域内常见的衬底材料，并且支撑层301和器件层303的材料可以相同或者不同。所述绝缘层302的材料可以是包括氧化硅、氮化硅以及氮氧化硅在内的任意一种常见的绝缘材料。器件层303的厚度范围通常是50nm到5μm之间；绝缘层302的厚度范围通常是50nm到300nm之间。

附图3B所示，参考步骤S21，在器件层303中制作至少一光电二极管310。本具体实施方式中，器件层303的厚度范围为50nm到500nm，光电二极管310为横向PIN结构。所述光电二极管310包括P型掺杂区311，掺杂浓度大于1×10¹⁸cm^-3；全耗尽区312，采用N型或P型杂质离子注入，且掺杂浓度小于1×10¹⁵cm^-3，或者不掺杂；N型掺杂区313，其掺杂浓度大于1×10¹⁸cm^-3。P型掺杂区311、全耗尽区312、N型掺杂区313依次相邻，P型掺杂区311和N型掺杂区313的掺杂浓度比全耗尽区312的掺杂浓度高三个数量级或以上，且保证全耗尽区312被全部耗尽，作为本具体实施方式中图像传感器感光单元的有效感光区。全耗尽区312的（垂直于深度方向的）长度为1~8μm。

光电二极管310的工作原理大致是在全耗尽区312收集的光生空穴会在内建电场的作用下移向P型掺杂区311，而光生电子也会在内建电场的作用下移向N型掺杂区313。于是，若将上述感光区中的P型掺杂区311，便可将收集于P型掺杂区311中的光生空穴泄入地端；N型掺杂区313连接到光电信号处理电路，可将收集于N型掺杂区313中的光生电子读出。

该步骤中，作为可选实施例，当器件层303厚度大于2μm时，光电二极管310可以为PN结感光二极管或光电门结构。

附图3C所示，参考步骤S22，减薄支撑层301至一厚度。可以采用研磨减薄或者化学腐蚀的方法减薄支撑衬底301。本步骤中，优选将所述支撑层301的厚度减薄至小于5μm，以增强光从支撑层301的透过率。在其他的实施方式中，也可以将支撑层301完全去除以暴露出绝缘层302，这样的优点在于可以利用绝缘层302的自停止作用，保证腐蚀面的平整度，在这样的实施方式中，应当保证绝缘层302和器件层303具有足够的机械强度。

附图3D所示，参考步骤S23，在所述衬底30的器件层303表面形成第一覆盖层321，并在与之相对的表面形成第二覆盖层322。所述第一覆盖层321的材料为反射增强材料，反射率大于80%，可以为银膜，厚度范围均1nm至10nm；所述第二覆盖层322的材料为单面透射材料，可以为聚酰亚胺薄膜，或具有不同折射率材料组成的叠层结构，光从衬底30外到衬底30内的透射率（通常大于70%）大于从衬底30内到衬底30外的透射率（通常小于30%），厚度范围均1nm至10nm。

作为可选实施方式，第二覆盖层322还可以为增透膜，具体可以为氮化硅薄膜、氮氧化硅薄膜、HfO₂薄膜、SiN_xO_y:H薄膜等。

附图3E所示，参考步骤S24，在所述第二覆盖层322的表面形成光聚焦模块390。光聚焦模块390包括滤色片391和位于滤色片391上的微透镜392。滤色片391和微透镜392均为CMOS图像传感器的普遍构成部分。其功能和工艺制作方法均为本领域技术人员的公知技术，不作赘述。所要注意的是，红、绿、蓝三种滤色片所能通过的波长范围，必须覆盖上述推导中所导出的三个最大发射波长，即λ=743nm，对应红色滤色片；λ=437nm，对应绿色滤色片；λ=400nm，对应蓝色滤色片。

附图3E所示即为本具体实施方式所述的图像传感器感光单元，包括第一覆盖层321、第二覆盖层322和第一覆盖层321与第二覆盖层322之间的由支撑层301、绝缘层302以及器件层303构成的介质层。若将支撑层301全部除去，则介质层也可以只包括绝缘层302和器件层303。在所述器件层303中设置有至少一光电二极管310。所述光电二极管310包括P型掺杂区311，掺杂浓度大于1×10¹⁸cm^-3；全耗尽区312，采用N型或P型杂质离子注入，且掺杂浓度小于1×10¹⁵cm^-3，或者不掺杂；N型掺杂区313，其掺杂浓度大于1×10¹⁸cm^-3，所述第二覆盖层322为光入射层。

后续为了形成电学连接，还可以进一步在P型掺杂区311与N型掺杂区313表面的第一覆盖层321中形成通孔，并在通孔中形成金属电极（未图示）。

第一覆盖层321、支撑层301、绝缘层302、器件层303以及第二覆盖层322共同构成了一个法布里珀罗腔。附图4所示是法布里珀罗腔的原理图。当某一特定波长的光射入法布里珀罗腔（感光区）后，会有部分光在腔体内反复折射，另一部分光会从腔体表面的薄膜透出腔外。对于一个法布里珀罗腔来说，总的反射光合透射光的比例取决于腔体表面材料性质和腔体的厚度。通过适当选择材料以及腔体厚度，可以让大部分入射光成为在腔体内的反射光，从而被感光区多次吸收。

本具体实施方式利用了法布里珀罗腔的特点，通过入射光线的多次反射，使其在感光区内被多次吸收，从而提高了基于图像传感器感光单元的光吸收效率。

具体的，若腔体长度为L，入射光波长为λ，入射角为θ，反射膜的反射率（假设两侧的膜反射率相同）为R，腔体为均一折射率材料且折射率为n，则法布里珀罗腔对于该入射光的发射率R_E（所有在腔体内的反射光能量占入射光能量的比例）为 $R_E=\frac{\mathrm{Fs}{\mathrm{in}}^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)}{1+F{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)}.$ 其中 $F=\frac{4R}{{(1-R)}^2},$ 称为细度； $\mathrm{\δ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·2\mathrm{nI}\cos \mathrm{\θ}$ 为相邻两束反射光的相差。

若要使腔体的总反射率R_E取最大值，可以解出：（k取自然数）。而在图像传感器应用中，入射角θ一般为零，于是即入射光取该波长时，法布里珀罗腔有最大的反射率。

注意到，本具体实施方式中的法布里珀罗腔的腔体实际有三层（支撑层301、绝缘层302、器件层303，在其他具体实施方式中若支撑层301被全部去除，则应当有两层），而非均一折射率材料。此时 ${\mathrm{\δ}}^{\′}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·({2n}_1{L}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1+2n_2{L}_2\cos {\mathrm{\θ}}_2+2n_3{L}_3\cos {\mathrm{\θ}}_3).$ 其中n_S为支撑层301和器件层303（简化为两者为同一材料）的折射率，n_O为绝缘层302的折射率。事实上，当入射角为正入射，即θ＝0时， ${\mathrm{\δ}}_0=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·({2n}_S{L}_1+2n_O{L}_2+2n_S{L}_3)=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·2n_{\mathrm{eff}}L.$ 由于在实际工艺中，器件层303厚度L₁和支撑层301的厚度L₃之和远大于绝缘层302厚度L₂，因此n_eff≈n_S＝3.42，即本具体实施方式结构的法布里珀罗腔体可以等效为均一的器件层303介质腔体材料。

适当地取腔体长度L的值，在k取几个不同的自然数的情况下，本发明中的法布里珀罗腔结构可以对红光、绿光和蓝光三个波段的可见光同时具有最大反射率，从而使入射光在感光区内被多次反射，多次吸收。本实施例中，腔体介质为硅，取L=380nm，当k=3时，λ=743nm，对应红光；当k=5时，λ=437nm，对应绿光；当k=6时，λ=400nm，对应蓝光。

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 (8)

1.一种图像传感器感光单元，其特征在于，包括第一覆盖层、第二覆盖层和第一与第二覆盖层之间的介质层，所述介质层中进一步包括器件层和绝缘层，所述器件层和所述第一覆盖层贴合，在所述器件层中设置有至少一光电二极管，所述第二覆盖层为光入射层，所述第一覆盖层的材料为反射增强材料，所述第二覆盖层的材料为单面透射材料，光从介质层外到介质层内的透射率大于从介质层内到介质层外的透射率，所述介质层进一步包括支撑层，所述绝缘层设置在支撑层和器件层之间，所述第二覆盖层与所述支撑层贴合，所述第一覆盖层、支撑层、绝缘层、器件层以及第二覆盖层共同构成了一个法布里珀罗腔，器件层中包括至少一光电二极管。

2.根据权利要求1所述的图像传感器感光单元，其特征在于，所述支撑层的厚度小于5μm。

3.根据权利要求1所述的图像传感器感光单元，其特征在于，所述第一覆盖层和第二覆盖层的厚度范围均为1nm至10nm。

4.根据权利要求1所述的图像传感器感光单元，其特征在于，在所述第二覆盖层的表面进一步设置有光聚焦模块。

5.一种图像传感器感光单元的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供一衬底，所述衬底包括支撑层，支撑层表面的绝缘层以及绝缘层表面的器件层；

在器件层中制作至少一光电二极管；

减薄支撑层；

在所述衬底的器件层表面形成第一覆盖层，并在与之相对的表面形成第二覆盖层，所述第一覆盖层的材料为反射增强材料，所述第二覆盖层的材料为单面透射材料，光从介质层外到介质层内的透射率大于从介质层内到介质层外的透射率，所述第一覆盖层、支撑层、绝缘层、器件层以及第二覆盖层共同构成了一个法布里珀罗腔。

6.根据权利要求5所述的图像传感器感光单元的制造方法，其特征在于，所述减薄支撑层的步骤中，进一步是将支撑层减薄至一厚度。

7.根据权利要求6所述的图像传感器感光单元的制造方法，其特征在于，所述支撑层减薄之后的厚度小于5μm。

8.根据权利要求5所述的图像传感器感光单元的制造方法，其特征在于，进一步包括一在所述第二覆盖层的表面形成光聚焦模块的步骤。