CN104064575B - 背照式cmos影像传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种背照式CMOS影像传感器及其制造方法。所述背照式CMOS影像传感器包括二极管阵列，其中，所述二极管阵列包括成阵列状排布的无机光电二极管及围绕所述无机光电二极管的有机光电二极管。本发明中，在无机光电二极管的上方周围形成了有机光电二极管，通过有机光电二极管和无机二极管的混合，充分的利用像素阵列的面积，提高了量子转换效率。

Description

背照式CMOS影像传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及影像传感器技术领域，特别涉及一种背照式CMOS影像传感器及其制造方法。

背景技术

影像传感器是在光电技术基础上发展起来的，所谓影像传感器，就是能够感受光学图像信息并将其转换成可用输出信号的传感器。影像传感器可以提高人眼的视觉范围，使人们看到肉眼无法看到的微观世界和宏观世界，看到人们暂时无法到达处发生的事情，看到超出肉眼视觉范围的各种物理、化学变化过程，生命、生理、病变的发生发展过程，等等。可见影像传感器在人们的文化、体育、生产、生活和科学研究中起到非常重要的作用。可以说，现代人类活动已经无法离开影像传感器了。

影像传感器可依据其采用的原理而区分为电荷耦合装置(Charge-CoupledDevice)影像传感器(亦即俗称CCD影像传感器)以及CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor)影像传感器，其中CMOS影像传感器即基于互补型金属氧化物半导体(CMOS)技术而制造。由于CMOS影像传感器是采用传统的CMOS电路工艺制作，因此可将影像传感器以及其所需要的外围电路加以整合，从而使得CMOS影像传感器具有更广的应用前景。

如图1a所示，其为现有技术的背照式CMOS影像传感器的剖面示意图。包括：半导体基底101，所述半导体基底101中形成有无机光电二极管(LED，未图示)，形成于所述半导体基底101一表面的金属连线层102，形成于所述半导体基底101另一表面的滤光片103及微透镜104。通过入射光顺次经过微透镜104、滤光片103到达无机光电二极管。

如图1b所示，其为现有技术的背照式CMOS影像传感器的一个像素的俯视图，在一个像素(pixel)中，包括四个无机光电二极管201，而无机光电二极管201的周围区域202则不被用做使用区域。随着小型化需求的愈发强烈，可吸收光的面积所占比例下降，这制约着器件的量子转换效率(Quantum Efficiency，QE)。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种背照式CMOS影像传感器及其制造方法，以提高背照式CMOS影像传感器的使用面积，提高量子转换效率。

为解决上述技术问题，本发明提供一种背照式CMOS影像传感器，包括二极管阵列，其中，所述二极管阵列包括成阵列状排布的无机光电二极管及围绕所述无机光电二极管的有机光电二极管。

可选的，对于所述的背照式CMOS影像传感器，所述无机光电二极管和有机光电二极管分别占所述二极管阵列的比例为大于等于65％和小于等于35％。

可选的，对于所述的背照式CMOS影像传感器，所述有机光电二极管为红色、绿色或蓝色中的一种，所述无机光电二极管为红色、绿色或蓝色中不同于有机光电二极管的另外两种颜色。

相应的，本发明提供一种背照式CMOS影像传感器的制造方法，包括：

提供前端结构，所述前端结构形成有无机光电二极管；

在所述前端结构中形成信号线；

在所述前端结构上形成下电极、有机光电转换层及上电极；所述下电极和上电极分别与一个信号线接通，所述有机光电转换层位于所述下电极和上电极之间。

可选的，对于所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，所述前端结构包括：

半导体基底，所述半导体基底具有正面与背面，所述无机光电二极管形成于所述半导体基底中；

所述半导体基底的正面形成有金属连线层。

可选的，对于所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，所述半导体基底的背面经过减薄处理，达到2.3μm～3.0μm的预定厚度。

可选的，对于所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，在所述前端结构中形成信号线包括：

刻蚀所述半导体基底形成通孔；

在所述通孔中填充金属导体以形成所述信号线。

可选的，对于所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，所述金属导体为铝或钨。

可选的，对于所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，在刻蚀所述半导体基底形成通孔之前，还包括：在所述半导体基底背面沉积一层氧化层；在形成通孔时，所述氧化层被贯穿。

可选的，对于所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，在所述前端结构上形成下电极、有机光电转换层及上电极的步骤包括：

在所述氧化层上沉积第一电极层，所述第一电极层与所述信号线相连接；

刻蚀所述第一电极层，使得所述第一电极层在两个信号线之间断开，形成第一部分及下电极；

在所述下电极上、两个信号线之间形成有机光电转换层；

沉积第二电极层，所述第二电极层覆盖所述有机光电转换层，所述第二电极层的一端连接所述第一部分，形成上电极。

可选的，对于所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，在形成第一部分及下电极之后，在所述下电极上、两个信号线之间形成有机光电转换层之前，还包括：

在断开处及下电极上分别形成隔离氧化物层。

可选的，对于所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，所述有机光电转换层位于所述隔离氧化物层之间，并覆盖于所述隔离氧化物层上。

可选的，对于所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，所述第一电极层和第二电极层的材料为TiN或ITO。

可选的，对于所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，所述有机光电转换层的材料为基于部花青或若丹红的颜料，基于酞菁的颜料及基于香豆素的颜料中的一种。

可选的，对于所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，在形成上电极之后，还包括：

形成覆盖层，及

在所述覆盖层上形成微透镜。

与现有技术相比，本发明提供的背照式CMOS影像传感器及其制造方法中，在无机光电二极管的上方周围形成了有机光电二极管，通过有机光电二极管和无机二极管的混合，充分的利用像素阵列的面积，明显的提高了量子转换效率。

附图说明

图1a为现有技术中背照式CMOS影像传感器的剖面示意图；

图1b为现有技术的背照式CMOS影像传感器的一个像素的俯视图；

图2为本发明中背照式CMOS影像传感器的一个像素的俯视图；

图3为为本发明一实施例中的背照式CMOS影像传感器的制造方法的流程图；

图4～图13为本发明一实施例中的背照式CMOS影像传感器制造过程中的剖面示意图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的背照式CMOS影像传感器及其制造方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

发明人经过长期的研究发现，目前，背照式CMOS影响传感器的量子转换效率已经成为瓶颈。在反复研究现有结构后，发明人认为在一个像素中的无机光电二极管周围还是存在着一些区域，但是无机光电二极管对此区域却无能为力。而有机光电二极管则可以通过在半导体基底的背面进行加工制造，使之占据这些区域，从而大大的提高了有效光照面积(即使用面积)，从而使得量子转换效率提高。

以下列举所述背照式CMOS影像传感器及其制造方法的较优实施例，以清楚说明本发明的内容，应当明确的是，本发明的内容并不限制于以下实施例，其他通过本领域普通技术人员的常规技术手段的改进亦在本发明的思想范围之内。

请参考图2～图13，本发明提供一种背照式CMOS影像传感器及其制造方法，其中，图2为本发明中背照式CMOS影像传感器的一个像素的俯视图；图3为本发明一实施例中的背照式CMOS影像传感器的制造方法的流程图；图4～13为本发明一实施例中的背照式CMOS影像传感器制造过程中的剖面示意图。

如图2中，在所述背照式CMOS影像传感器的俯视图中可见，在一个像素中，包括有四个无机光电二极管1，围绕在所述无机光电二极管1周围的是有机光电二极管3。所述背照式CMOS影像传感器是具有多个像素，因此构成二极管阵列，具体为所述二极管阵列包括成阵列状排布的无机光电二极管1及围绕所述无机光电二极管1的有机光电二极管3。

较佳的，所述无机光电二极管1和有机光电二极管3分别占所述二极管阵列的比例为大于等于65％和小于等于35％，例如无机光电二极管1可以占所述二极管阵列的65％，70％，72％等。所述有机光电二极管3为红色、绿色或蓝色中的一种，所述无机光电二极管1则为红色、绿色或蓝色中不同于有机光电二极管的另外两种颜色，具体的，这一设计可以实现在每个像素中，这样确保在每个像素中都存在红绿蓝三色，从而获得较佳的光线。

所述有机光电二极管3的信号可以引入至半导体基底正面的逻辑电路中并读出。

下面结合图3～图13，对所述背照式CMOS影像传感器在制造过程中的结构进行剖视说明。

所述背照式CMOS影像传感器的制造方法，包括：

步骤S101：提供前端结构，所述前端结构形成有无机光电二极管。具体的，请结合图4，所述前端结构包括：半导体基底11，所述半导体基底具有正面与背面。所述半导体基底11可以是未掺杂的单晶硅、掺杂有杂质的单晶硅、绝缘体上硅(SOI)等。作为示例，在本实施例中，半导体基底11选用单晶硅材料构成，所述半导体基底11中形成有无机光电二极管(未图示)，以及相应的隔离结构。所述半导体基底的正面形成有金属连线层10，目前现有工艺中形成金属连线层10已经成熟，可选择适当的工艺完成。

所述半导体基底的背面经过减薄处理，例如可以是化学机械研磨，从而达到预定厚度。这一厚度可以根据实际生产需要，针对不同的产品来加以改变，较佳的，所述预定厚度可以是2.3μm～3.0μm。

然后进行步骤S102：在所述前端结构中形成信号线。如图5所示，在所述半导体基底11的背面上沉积一层氧化层12，所述氧化层12的材料例如可以是氧化硅。

接着，请结合图6，刻蚀所述氧化层12、半导体基底11形成通孔13，优选的，采用干法刻蚀工艺完成。

接着，在所述通孔中填充金属导体以形成所述信号线14，如图7所示。较佳的，所述金属导体为铝或钨。

上述形成通孔13及填充金属导体的工艺过程在目前已经有着较为成熟的工艺，在此不作赘述。

接下来进行步骤S103：在所述前端结构上形成下电极、有机光电转换层及上电极；所述下电极和上电极分别与一个信号线接通，所述有机光电转换层位于所述下电极和上电极之间。

具体的，如图8所示，先在所述氧化层12上沉积第一电极层15，所述第一电极层与所述信号线14相连接；所述第一电极层15的材料为TiN或ITO。

然后，刻蚀所述第一电极层15，使得所述第一电极层15在两个信号线14之间断开，形成第一部分及下电极。请参看图9，所述第一电极层15中形成有开口16，其中开口16左侧为第一部分，右侧围下电极。

接着如图10所示，在断开处及下电极上分别形成隔离氧化物层17。所述隔离氧化物层的材料可以与所述氧化层12的材料相同。

然后沉积形成有机光电转换层18，请参看图11，所述有机光电转换层18位于所述隔离氧化物层17上及隔离氧化物层17之间的下电极上。所述有机光电转换层18用于发出红色、蓝色或者绿色中的一种。优选的，所述有机光电转换层18的材料为基于部花青或若丹红的颜料，用于发出绿光，相应的，无机光电二极管则发光为红色和蓝色；所述有机光电转换层18的材料为基于酞菁的颜料，用于发出红光，相应的，无机光电二极管则发光为绿色和蓝色；以及所述有机光电转换层18的材料为基于香豆素的颜料，用于发出蓝光，相应的，无机光电二极管则发光为红色和绿色。

然后，如图12所示，沉积第二电极层19，所述第二电极层19覆盖所述有机光电转换层18，所述第二电极层19的一端连接所述第一部分，形成上电极。较佳的，所述第二电极层的材料为TiN或ITO。

在形成上电极之后，还包括：形成覆盖层20，所述覆盖层20覆盖所述上电极，所述覆盖层20可以是氧化层。之后，在所述覆盖层20上形成微透镜21。至此，便可形成如图2中所示的结构。

与现有技术相比，本发明提供的背照式CMOS影像传感器及其制造方法中，在无机光电二极管的上方周围形成了有机光电二极管，通过有机光电二极管和无机二极管的混合，充分的利用像素阵列的面积，明显的提高了量子转换效率。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (15)

1.一种背照式CMOS影像传感器，包括二极管阵列，其中，所述二极管阵列包括成阵列状排布的无机光电二极管及围绕所述无机光电二极管的有机光电二极管。

2.如权利要求1所述的背照式CMOS影像传感器，其特征在于，所述无机光电二极管和有机光电二极管分别占所述二极管阵列的比例为大于等于65％和小于等于35％。

3.如权利要求1所述的背照式CMOS影像传感器，其特征在于，所述有机光电二极管为红色、绿色或蓝色中的一种，所述无机光电二极管为红色、绿色或蓝色中不同于有机光电二极管的另外两种颜色。

4.一种背照式CMOS影像传感器的制造方法，包括：

提供前端结构，所述前端结构形成有无机光电二极管；

在所述前端结构中形成信号线；

形成有机光电二极管，包括在所述前端结构上形成下电极、有机光电转换层及上电极；所述下电极和上电极分别与一个信号线接通，所述有机光电转换层位于所述下电极和上电极之间，所述有机光电二极管围绕所述无机光电二极管。

5.如权利要求4所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，其特征在于，所述前端结构包括：

半导体基底，所述半导体基底具有正面与背面，所述无机光电二极管形成于所述半导体基底中；

所述半导体基底的正面形成有金属连线层。

6.如权利要求5所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，其特征在于，所述半导体基底的背面经过减薄处理，达到2.3μm～3.0μm的预定厚度。

7.如权利要求5所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，其特征在于，在所述前端结构中形成信号线包括：

刻蚀所述半导体基底形成通孔；

在所述通孔中填充金属导体以形成所述信号线。

8.如权利要求7所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，其特征在于，所述金属导体为铝或钨。

9.如权利要求7所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，其特征在于，在刻蚀所述半导体基底形成通孔之前，还包括：在所述半导体基底背面沉积一层氧化层；在形成通孔时，所述氧化层被贯穿。

10.如权利要求9所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，其特征在于，在所述前端结构上形成下电极、有机光电转换层及上电极的步骤包括：

在所述氧化层上沉积第一电极层，所述第一电极层与所述信号线相连接；

刻蚀所述第一电极层，使得所述第一电极层在两个信号线之间断开，形成第一部分及下电极；

在所述下电极上、两个信号线之间形成有机光电转换层；

沉积第二电极层，所述第二电极层覆盖所述有机光电转换层，所述第二电极层的一端连接所述第一部分，形成上电极。

11.如权利要求10所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，其特征在于，在形成第一部分及下电极之后，在所述下电极上、两个信号线之间形成有机光电转换层之前，还包括：

在断开处及下电极上分别形成隔离氧化物层。

12.如权利要求11所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，其特征在于，所述有机光电转换层位于所述隔离氧化物层之间，并覆盖于所述隔离氧化物层上。

13.如权利要求10所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层的材料为TiN或ITO。

14.如权利要求10所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，其特征在于，所述有机光电转换层的材料为基于部花青或若丹红的颜料，基于酞菁的颜料及基于香豆素的颜料中的一种。

15.如权利要求10所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，其特征在于，在形成上电极之后，还包括：

形成覆盖层，及

在所述覆盖层上形成微透镜。