CN102969326A

CN102969326A - 图像传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN102969326A
Application number: CN2012105182755A
Authority: CN
Inventors: 田犁; 方娜; 汪辉; 苗田乐; 陈杰
Original assignee: Shanghai Advanced Research Institute of CAS
Current assignee: Shanghai Advanced Research Institute of CAS
Priority date: 2012-12-05
Filing date: 2012-12-05
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2032-12-05
Also published as: CN102969326B

Abstract

本发明涉及半导体技术领域，公开了一种图像传感器及其制备方法。本发明中，在每个感光区域的感光器件上方的介质层中分布有多个柱状通孔，形成将光导入感光器件的导光区域，可将入射光束缚在该导光区域中，避免光线在传播过程中入射到相邻像素点感光区域中而造成光串扰，从而提高入射光在该导光区域中的传播路线；通过控制该导光区域内通孔的孔径大小、介质材料和分布密度等参数及通孔的排列方式，可调整该导光区域的传输特性，进而达到提高入射进入到上述感光区域内的光强的效果。此外，基于传统图像传感器电路，使用刻蚀和垫积工艺在感光区域上方的介质层中形成多个通孔，操作简便，易于批量生产。

Description

图像传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种具有导光区域的图像传感器。

背景技术

众所周知，图像传感器是一种能将光学图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器大体上可以分为电荷耦合元件（Charge-Coupled Device，简称“CCD”）和互补金属氧化物半导体（Complementary Metal OxideSemiconductor，简称“CMOS”）图像传感器两类。

根据其读出方式，现有的CMOS图像传感器大致可以分为无源式像素传感器（Passive Pixel Sensor，简称“PPS”）、有源式像素传感器（ActivePixel Sensor，简称“APS”）和数字像素传感器（Digital Pixel Sensor，简称“DPS”）三种类型。

图1和图2分别为理想状况下和实际情况中图像传感器结构中的感光情况。

如图1所示，在图像传感器中，特别是在CMOS图像传感器中，由于将CMOS像素读出电路与感光器件集成在同一半导体衬底上，鉴于电路的金属互联需求，感光区域表面通常覆盖有一定厚度的介质层，并在介质层表面制备滤色器和微透镜，分别实现滤光和聚光，以使得特定范围内的光较为集中的入射到相应像素的感光区域。其中附图标记1、2和3表示的是半导体器件的金属互连层，金属互连层之间是层间介质层。

然而，在实际工作中，由于相对于需探测的外界环境而言，像素单元尺寸极小，微透镜聚光作用有限，大量光线进入层间介质层后，不仅会入射到对应像素的感光区域，还会进入相邻像素的感光区域，如图2所示，从而引起串扰，并降低感光区域的有效感光效率。随着CMOS图像传感器像素尺寸越来越小，图像传感器像素之间串扰现象越来越严重。CMOS图像传感器中，串扰的大小会影响到图像传感器最终输出图像的质量，串扰越大，最终的图像质量越差，并随着目前像素单元尺寸的逐渐减小，光串扰和电荷串扰都会越来越严重。而且随着图像传感器尺寸的减小，可供入射光线射入感光区域的光线也越来越少。

在现有技术中，曾有人提出，在感光区域上方的介质层周围，刻蚀形成空气孔，从而在感光区域上方形成类波导的光通路，将大部分入射光限制在该通路中传输，但该方法对光的限制有限，尤其是感光区域上方的介质层通常为低介电常数材料，折射率通常较低（一般为1.5左右）；此外，也有人曾提出，在感光区域上方的介质层周围，采用连续的金属层作为反射层，以防止入射光对相邻像素的影响，但金属对电磁波有一定的吸收作用，随着CMOS图像传感器尺寸的进一步缩小，对于某些极限波长的光，可以近似地视作电磁波，金属的吸收作用不可忽视。

发明内容

本发明的目的在于提供一种图像传感器及其制备方法，避免光串扰，同时提高入射进入到感光区域内的光强。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式公开了一种图像传感器，包括多个像素区域，每个像素区域中有一感光器件，每个感光器件表面上方的介质层中分布有多个柱状通孔，形成将光导入感光器件的导光区域。

本发明的实施方式还公开了一种图像传感器的制备方法，该方法包括以下步骤：

在一半导体衬底中形成一图像传感器电路，并在该图像传感器电路上形成金属互连层；

在金属互连层中选定图像传感器的像素区域进行刻蚀，刻蚀厚度为金属互连层厚度，其中每个像素区域中有一感光器件；

在每个像素区域的感光器件表面上方垫积形成一介质层，该介质层厚度与金属互连层厚度相同；

在介质层中选定区域进行刻蚀，形成多个通孔，形成将光导入感光器件的导光区域。

本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

在每个感光区域的感光器件上方的介质层中分布有多个柱状通孔，形成将光导入感光器件的导光区域，可将入射光束缚在该导光区域中，避免光线在传播过程中入射到相邻像素点感光区域中而造成光串扰，从而提高入射光在该导光区域中的传播路线。

基于传统图像传感器电路，使用刻蚀和垫积工艺在感光区域上方的介质层中形成多个通孔，操作简便，易于批量生产。

进一步地，通过控制导光区域内通孔的孔径大小、介质材料和分布密度等参数及通孔的排列方式，可调整该导光区域的传输特性，进而达到提高入射进入到感光区域内的光强的效果。

进一步地，介质层使用透明材料，便于更多的入射光进入到感光区域。

附图说明

图1是理想状况下图像传感器结构中的感光情况示意图；

图2是实际情况中图像传感器结构中的感光情况示意图；

图3是本发明第一实施方式中一种图像传感器的结构示意图；

图4是本发明第一实施方式中一种图像传感器中一介质层的俯视图；

图5是本发明第一实施方式中一种图像传感器中一介质层的俯视图；

图6是本发明第一实施方式中一种图像传感器中一介质层的俯视图；

图7是一种3T型结构的像素读出电路的结构示意图；

图8是一种4T型结构的像素读出电路的结构示意图；

图9是本发明第二实施方式中一种图像传感器的制备方法的流程示意图；

图10是本发明第二实施方式中一种图像传感器的制备方法中一步骤示意图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明第一实施方式涉及一种图像传感器。图3是该图像传感器的结构示意图，图4、图5、图6分别是该图像传感器中一介质层的俯视图，示出了不同的通孔排列形式。

具体地说，如图3、图4所示，该图像传感器包括多个像素区域，每个像素区域中有一感光器件，每个感光器件表面上方的介质层中分布有多个柱状通孔，形成将光导入感光器件的导光区域。

在本实施方式中，介质层由透明材料制成，便于更多的入射光进入到感光区域。可以理解，在本发明的其他实施方式中，介质层也可由非透明材料制成。常见的介质材料为SiO₂、Si₃N₄、SiC、含C的SiO₂、TEOS或含F氧化硅玻璃等。

在上述导光区域中，通孔孔径为波长量级，通孔中介质折射率小于介质层折射率。通过控制该导光区域内通孔的排列形式以及通孔的孔径大小、介质材料和分布密度等参数，可调整该导光区域的传输特性，进而达到提高入射进入到感光区域内的光强的效果。具体地说：

在导光区域中，通孔可如图5所示排列，即外部的通孔密度大而内部的通孔密度较小，其中心部分的相对光折射系数小于四周的部分，因此光在这个区域内传播的过程中会被束缚在特定的区域内，减小了串扰现象。可以理解，在本发明的其他实施方式中，通孔还可以以复合六边形、椭圆孔六边形、圆形等对称形式排列。鉴于上述各通孔排列形式下的导光区域的传输特性不同，可根据实际需要进行选择。

此外，通过调节通孔的孔径大小、介质材料和分布密度等参数，可进一步获得较佳的传输特性。

在一个优选的例子中，如图6所示，通孔以复合正六边形排列，该通孔排列形式具有三个可调节的参量，即大空气孔穴（直径d2）、小空气孔穴（直径d1）和孔间距W。其中空气孔的折射率为n1＝1，介质层材料的折射率是随波数(或波长)变化的，其变化关系为n2=n(w)。

为了研究该通孔结构对于导光区域色散特性的影响，对图6所示结构进行了数值模拟，采用基于半矢量有限差分算法的仿真软件APSS计算此导光区域的色散特性，分别探讨了随着大小空气孔的直径d1、d2与孔间距W的取值的变化，对其色散特性的影响。模拟结果显示，随着小空气孔直径d1的变化，色散系数D数值整体变化不大，但在波长小于1.5μm范围内，色散系数D变大，零色散波长向短波长方向移动，且色散曲线变平坦；随着大空气孔直径d2的增大，色散系数D数值整体变化不大，零色散波长向短波长方向移动，且大空气孔径d2的增大对色散系数D的影响比小空气孔径d1变化所带来的影响较小。由上述发现，某一层空气孔变大则意味着波导色散作用的增强，因而零色散波长向短波长方向移动，反之零色散波长则向长波长方向移动。由于该导光区域的模场分布主要在中心周围的第一、二层空气孔之间的介质材料中，因而当小孔孔径变化对应第一层空气孔径变化时，对色散的影响比较明显。通过适当的调节上述参量可获得近零超平坦色散。

可以理解，在本发明的其他实施方式中，可以以类似的方式对其他通孔排列形式的各参数进行调节，以获得较佳的传输特性。

由以上所述可以看到，本发明提供了一种具有导光区域的图像传感器，在每个感光区域的感光器件上方的介质层中分布有多个柱状通孔，形成将光导入感光器件的导光区域，可将入射光束缚在该导光区域中，避免光线在传播过程中入射到相邻像素点感光区域中而造成光串扰，从而提高入射光在该导光区域中的传播路线。该图像传感器包括：制备在半导体衬底上的感光器件和像素读出电路，半导体衬底为硅衬底、锗衬底、SOI衬底、GOI衬底、SGOI衬底或sSOI衬底等。感光器件为感光二极管、本征半导体结构或光电门等；像素读出电路为3T、4T或5T结构等。

根据一个像素读出电路所包含的晶体管的数目，适用于本发明实施方式的CMOS图像传感器分为3T型结构和4T型结构，还可以有5T型结构。下面举几个例子。

如图7所示，一种3T型结构的CMOS图像传感器的像素读出电路的等效电路结构图，包括：一个光电二极管（Photo Diode，简称“PD”）10，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10包括P型区和N型区，所述P型区接地。

一个复位晶体管M1，用于在曝光前对所述光电二极管10进行复位，复位由复位信号Reset信号进行控制。在图7中，所述复位晶体管M1选用一个N型金属-氧化物-半导体（N Metal-Oxide-Semiconductor，简称“NMOS”）管，所述复位晶体管M1的源极和所述光电二极管10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，又称为浮空扩散区（FloatingDiffusion，简称“FD”）；所述复位晶体管M1的漏极接电源Vdd，所述电源Vdd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导通并将所述光电二极管10的N型区连接到电源Vdd，在所述电源Vdd的作用下，使所述光电二极管10反偏并会清除所述光电二极管10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N MOS管串联形成，或由多个N MOS管并联形成，也可以用PMOS管代替所述N MOS管。

一个放大晶体管M2，也为一源极跟随器，用于将所述光电二极管10产生的电信号进行放大。在图7中，所述放大晶体管M2选用一N MOS管，所述放大晶体管M2的栅极接所述光电二极管10的N型区，所述放大晶体管M2的漏极接所述电源Vdd，所述放大晶体管M2的源极为放大信号的输出端。所述放大晶体管M2也可以由多个N MOS管串联形成或由多个N MOS管并联形成。

一个行选择晶体管M3，用于将所述放大晶体管M2的源极输出的放大信号输出。在图7中，所述行选择晶体管M3选用一N MOS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的源极接所述放大晶体管M2的源极，所述行选择晶体管M3的漏极为输出端。

如图8所示，为一种4T型结构的CMOS图像传感器的像素读出电路的等效电路结构图。相比于3T型结构，该4T型结构的CMOS图像传感器的像素读出电路结构图增加了一个转移晶体管M4，所述转移晶体管M4用于将所述光电二极管10产生的电信号输入到所述感应节点N1。在图8中，所述转移晶体管M4选用一N MOS管，所述转移晶体管M4的栅极接转移信号TX，所述转移晶体管M4的源极接所述光电二极管10的N型区，所述转移晶体管M4的漏极接所述复位晶体管M1的源极即所述感应节点N1。

所述感光器件及像素读出电路表面具有金属互连层及层间介质层，且在每个感光区域的感光器件上方的介质层中分布有多个柱状通孔，形成将光导入感光器件的导光区域。

本发明第二实施方式涉及一种图像传感器的制备方法。图9是该图像传感器的制备方法的流程示意图，图10是该图像传感器的制备方法中一步骤示意图。

具体地说，该图像传感器的制备方法包括以下步骤：

在步骤901中，在一半导体衬底中形成一图像传感器电路（感光器件和像素读出电路），并在该图像传感器电路上形成金属互连层。可以理解，金属互连层为一层或多层。

此后进入步骤902，在金属互连层中选定图像传感器的像素区域进行刻蚀，刻蚀厚度为金属互连层厚度，其中每个像素区域中有一感光器件。

此后进入步骤903，在每个像素区域的感光器件表面上方垫积形成一介质层，如图10所示，该介质层厚度与金属互连层厚度相同。

此后进入步骤904，在介质层中选定区域进行刻蚀，形成多个通孔，形成将光导入感光器件的导光区域，如图3所示。

此后结束本流程。

在本实施方式中，具有通孔结构的介质层是在形成所有金属互连层后经刻蚀、垫积制成。可以理解，在本发明的其他实施方式中，该具有通孔结构的介质层也可以随着每一层金属互连层的制备，一层一层的刻蚀、垫积制成。根据不同金属和介质材料，可采用等离子体刻蚀、湿法腐蚀等工艺进行刻蚀，采用化学气相淀积（chemical vapor deposition，简称“CVD”）、电镀、溅射等工艺进行垫积。

此外，该制备方法还包括以下步骤：

在通孔内填充折射率小于介质层折射率的材料；

在介质层上形成微透镜和滤光片。

在上述导光区域中，通孔孔径为波长量级，介质层由透明材料制成或由非透明材料制成。通孔可以以如图5所示的形式排列，即外部通孔密度小于内部通孔密度，也可以以复合六边形、椭圆孔六边形、圆形等对称形式排列。

基于传统图像传感器电路，使用刻蚀和垫积工艺在感光区域上方的介质层中形成多个通孔，操作简便，易于批量生产。上述通孔在上述介质层中形成将光导入感光器件的导光区域，可将入射光束缚在该导光区域中，避免光线在传播过程中入射到相邻像素点感光区域中而造成光串扰，从而提高入射光在该导光区域中的传播路线。

本实施方式是与第一实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种图像传感器，其特征在于，包括多个像素区域，每个像素区域中有一感光器件，每个感光器件表面上方的介质层中分布有多个柱状通孔，形成将光导入感光器件的导光区域。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，在所述导光区域中，外部通孔密度大于内部通孔密度。

3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述通孔以对称形式排列。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的图像传感器，其特征在于，所述通孔结构中的通孔孔径为波长量级。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的图像传感器，其特征在于，所述通孔中介质折射率小于所述介质层折射率。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的图像传感器，其特征在于，所述介质层由透明材料制成。

7.一种图像传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

在所述金属互连层中选定所述图像传感器的像素区域进行刻蚀，刻蚀厚度为所述金属互连层厚度，其中每个像素区域中有一感光器件；

在每个像素区域的感光器件表面上方垫积形成一介质层，该介质层厚度与所述金属互连层厚度相同；

在所述介质层中选定区域进行刻蚀，形成多个通孔，形成将光导入感光器件的导光区域。

8.根据权利要求7所述的图像传感器的制备方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：

在所述介质层上形成微透镜和滤光片；

其中在所述导光区域中，外部通孔密度小于内部通孔密度。

9.根据权利要求7所述的图像传感器的制备方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：

在所述介质层上形成微透镜和滤光片。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的图像传感器的制备方法，其特征在于，在所述介质层中选定区域进行刻蚀，形成多个通孔，形成将光导入感光器件的导光区域的步骤后，还包括以下步骤：

在所述通孔内填充折射率小于所述介质层折射率的材料；

其中所述通孔孔径为波长量级，所述介质层由透明材料制成或由非透明材料制成。