CN105185800B - 互补金属氧化物半导体图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种互补金属氧化物半导体图像传感器，它包括滤光片、感光工作电路单元、硅衬底、微透镜阵列、金属互联介质层、金属互联层、硅衬底外延层，微透镜阵列的每块微透镜下方对应的硅衬底外延层及对应硅衬底外延层区域内的感光工作电路单元为一个像素单元，还包括设置在硅衬底底面的硅衬底反射曲面块阵列，硅衬底反射曲面块阵列的曲面表层设有反射介质层，相邻两个像素单元之间设置有像素间隔绝势垒，每个像素间隔绝势垒向下延伸至穿过硅衬底。本发明能够提高光电转换量子效率，同时降低载流子信号串扰，提高图像传感器在暗场环境下的成像质量。
Description
技术领域
本发明属于半导体固态成像器件技术领域，具体涉及一种互补金属氧化物半导体图像传感器及其制造方法。
技术背景
互补金属氧化物图像传感器因其制造工艺与信号处理芯片等制造工艺相兼容，易于集成片上系统，同时功耗相较于电荷耦合器件类传感器有较大优势，利用图像处理降噪算法可以提高信噪比，因此已在图像传感器应用领域占有优势地位。
图像传感器一个重要的特征指标就是感光度，特别在低照度应用环境下，对于图像质量起关键作用。现有图像传感器，如图1所示，包括滤光片2、感光工作电路单元4、硅衬底6、设置在滤光片2顶面的微透镜阵列1、设置在滤光片2底面的金属互联介质层3、与感光工作电路单元4匹配并位于金属互联介质层3内的金属互联层5、位于硅衬底6顶面的硅衬底外延层7，所述感光工作电路单元4设置在硅衬底外延层7内，所述硅衬底外延层7的顶面设置在金属互联介质层3底面，微透镜阵列1的每块微透镜下方对应的硅衬底外延层7及对应硅衬底外延层7区域内的感光工作电路单元4为一个像素单元，相邻两个像素单元之间设有像素间隔绝势垒8。
对于这种传统的图像传感器要想提高光电转换的量子效率，特别是长波长的量子效率，通常采用的方法是增加硅外延层中PN结的耗尽区深度，比如采用较深的离子注入或低掺杂硅衬底外延层。但此种途径硅衬底的耗尽深度仍然有限。而且因为长波长光线吸收深度较大，衬底深处产生的载流子容易超出漂移电场的控制区域，横向扩散到相邻像素中，产生信号串扰。另外，对于衬底深处的区域若相邻像素间隔绝势垒做不到足够深的话，阻挡不了光生载流子横向扩散，也容易产生信号串扰。这种横向扩散带来的信号串扰会对暗光下的成像分辨率和色彩噪音产生不良影响。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术问题，提供一种互补金属氧化物半导体图像传感器及其制造方法，该传感器能够提高光电转换量子效率，同时降低载流子信号串扰，提高图像传感器在暗场环境下的成像质量。
为实现此目的，本发明所设计的互补金属氧化物半导体图像传感器，它包括滤光片、感光工作电路单元、硅衬底、设置在滤光片顶面的微透镜阵列、设置在滤光片底面的金属互联介质层、与感光工作电路单元匹配并位于金属互联介质层内的金属互联层、位于硅衬底顶面的硅衬底外延层，感光工作电路单元设置在硅衬底外延层内，硅衬底外延层的顶面设置在金属互联介质层底面，微透镜阵列的每块微透镜下方对应的硅衬底外延层及对应硅衬底外延层区域内的感光工作电路单元为一个像素单元，其特征在于：它还包括设置在硅衬底底面的硅衬底反射曲面块阵列，微透镜阵列中的每块微透镜与硅衬底反射曲面块阵列中的每个硅衬底反射曲面块一一对应且同轴设置，硅衬底反射曲面块阵列的曲面表层设有反射介质层；
相邻两个像素单元之间设置有像素间隔绝势垒，每个像素间隔绝势垒向下延伸至穿过硅衬底。
所述硅衬底反射曲面块阵列与反射介质层之间形成的反射率范围为20～50％。
一种上述互补金属氧化物半导体图像传感器的制造方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：设置硅衬底，并在硅衬底上以外延生长的方式生成硅衬底外延层；
步骤2：在硅衬底外延层中制造像素单元；
步骤3：在相邻两个像素单元之间采用深槽隔离或者离子注入形成像素间隔绝势垒，每个像素间隔绝势垒向下延伸至穿过硅衬底；
步骤4：在硅衬底外延层的顶面设置金属互联介质层，在金属互联介质层内制作与像素单元中的感光工作电路单元匹配的金属互联层；
步骤5：在形成金属互联层后，将金属互联介质层顶面采用临时键合的方式设置临时载体晶圆，然后将硅衬底减薄至1～20微米；
步骤6：在硅衬底减薄后，在硅衬底底面设置硅衬底反射曲面块阵列；
步骤7：在硅衬底反射曲面块阵列上淀积反射介质层；
步骤8：在反射介质层的底面再键合载片晶圆层，然后将将金属互联介质层顶面的临时载体晶圆剥离，剥离之后，在金属互联介质层顶面制作滤光片，在滤光片顶面制作微透镜阵列。
本发明的有益效果是：
本发明利用了硅与高折射率的介质层的界面反射效应(即硅衬底反射曲面块阵列与反射介质层之间形成的反射率范围为20～50％)，可以将硅衬底中深处的光线部分地重新反射到硅衬底吸收区中，使之再次吸收并转换成光生载流子，同时由于硅衬底反射曲面块阵列的三维弧形界面对光线的反射汇聚作用，可以控制反射光线不要进入或很少进入到相邻像素单元的衬底吸收区中。而且因为硅衬底反射曲面块阵列(三维弧形界面)，在像素与像素相邻的区域，硅衬底较薄，而介质层较厚，加上像素间采用深槽或者离子注入形成的隔绝势垒，阻挡光生载流子的横向扩散。因此在提高光电转换量子效率的同时，提高了光学和电学的双重防信号串扰的能力。
附图说明
图1为现有互补金属氧化物图像传感器的结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图中e表示电子的走向，电子在衬底深处的左右扩散会带来信号串扰的不良影响。
其中、1—微透镜、2—滤光片、3—金属互联介质层、4—感光工作电路单元、5—金属互联层、6—硅衬底、7—硅衬底外延层、8—像素间隔绝势垒、9—反射介质层、10—硅衬底反射曲面块阵列、11—载片晶圆层。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明的互补金属氧化物半导体图像传感器，如图2所示，它包括滤光片2、感光工作电路单元4、硅衬底6、设置在滤光片2顶面的微透镜阵列1(由多个微透镜并排布置形成)、设置在滤光片2底面的金属互联介质层3、与感光工作电路单元4匹配并位于金属互联介质层3内的金属互联层5、位于硅衬底6顶面的硅衬底外延层7，感光工作电路单元4设置在硅衬底外延层7内，感光工作电路单元4用于控制互补金属氧化物半导体图像传感器成像所需的像素单元操作、信号放大和信号传输，硅衬底外延层7的顶面设置在金属互联介质层3底面，微透镜阵列1的每块微透镜下方对应的硅衬底外延层7及对应硅衬底外延层7区域内的感光工作电路单元4为一个像素单元(包括光电二极管，复位晶体管，传输晶体管、源极跟随器晶体管、像素单元阵列的行选通晶体管等)，其特征在于：它还包括设置在硅衬底6底面的硅衬底反射曲面块阵列10(由多个硅衬底反射曲面块并排布置形成)，微透镜阵列1中的每块微透镜与硅衬底反射曲面块阵列10中的每个硅衬底反射曲面块一一对应且同轴设置，硅衬底反射曲面块阵列10的曲面表层设有反射介质层9，所述硅衬底反射曲面块阵列10与反射介质层9之间形成的反射率范围为20～50％；该反射率范围在能保证本发明具有上述有益效果的前提下，制造工艺相对较简单，利于量产。
相邻两个像素单元之间设置有像素间隔绝势垒8，每个像素间隔绝势垒8向下延伸至穿过硅衬底6，效果是深处的电子不能穿越像素间隔绝势垒8而到达相邻像素，从而减少了电学串扰。本发明的上述技术方案能够提高光电转换的量子效率，特别是长波长光线的量子效率，同时减少长波长光信号的串扰，包括光学串扰和电子串扰。从而有效提高图像传感器在低光照度的感光度，以及长波长特别是红光及近红外光的成像质量。
上述技术方案中，所述反射介质层9的底面设有载片晶圆层11。载片晶圆层11保证了本发明在使用、制造和运输过程中具有一定的强度。
上述技术方案中，所述反射介质层9对400～1100纳米光波的折射率为1.4～2.3。该折射率范围在能保证本发明具有上述有益效果的前提下，制造工艺相对较简单，利于量产。
上述技术方案中，所述硅衬底6的厚度为1～20微米；所述硅衬底反射曲面块阵列10中每个硅衬底反射曲面块的起伏高度相等且起伏高度的范围均为0.5～5微米。该尺寸范围有利于硅衬底反射曲面块的曲率与像素边长相匹配。
上述技术方案中，所述硅衬底6和硅衬底反射曲面块阵列10的材料相同均为硅晶体，硅衬底6和硅衬底反射曲面块阵列10的片状阻值在1～2000欧姆*厘米之间，也可选渐变参杂浓度的衬底；
所述反射介质层9为氧化硅层或氮化硅层或氧化氮硅或氧化硅、氮化硅和氧化氮硅的混合层；
上述技术方案中，所述反射介质层9还为氧化铝层或氧化铪层或氧化钽层；
或者，反射介质层9也为由氧化硅、氮化硅、氧化氮硅、氧化铝、氧化铪、氧化钽金属铝和金属钨组成的混合反射介质层。
上述反射介质层9可以在低折射率介质层或者高折射率介质层上覆盖金属层，金属层为铝层或钨层。上述反射介质层9可继续做化学机械研磨，提高平整度。然后可在反射介质层9上继续淀积或者键合光吸收层，以进一步减少像素间杂光信号的串扰。
上述技术方案中，所述硅衬底外延层7是N型半导体或者P型半导体，掺杂浓度在1E+12原子/立方厘米至1E+16原子/立方厘米。硅衬底外延层7掺杂也可采用渐变浓度。
一种上述互补金属氧化物半导体图像传感器的制造方法，它包括如下步骤：
步骤1：设置硅衬底6，并在硅衬底6上以外延生长的方式生成硅衬底外延层7；
步骤2：在硅衬底外延层7中制造像素单元；
步骤3：在相邻两个像素单元之间采用深槽隔离或者离子注入形成像素间隔绝势垒8，每个像素间隔绝势垒8向下延伸至穿过硅衬底6；
步骤4：在硅衬底外延层7的顶面设置金属互联介质层3，在金属互联介质层3内制作与像素单元中的感光工作电路单元4匹配的金属互联层5；
步骤5：在形成金属互联层5后，将金属互联介质层3顶面采用临时键合的方式设置临时载体晶圆(设置的临时载体晶圆方便后续硅衬底反射曲面块阵列10和淀积反射介质层9的制作)，然后将硅衬底6减薄至1～20微米(光在硅衬底6中的吸收深度大约在1～5um，长波长的吸收深度更大，如果减得不够薄，像素间隔绝势垒8就达不到隔离电子的作用，并且难以控制反射介质层9反射光的路线)；
步骤6：在硅衬底6减薄后，在硅衬底6底面设置硅衬底反射曲面块阵列10；为减少硅衬底6表面复合中心产生暗电流，影响图像质量，可以在硅衬底6表面进行离子注入，并予以退火；
步骤7：在硅衬底反射曲面块阵列10上淀积反射介质层9；因为硅衬底反射曲面块阵列10(硅晶体)和反射介质层9折射率的较大差异，在两种物质的界面形成反射效应，可以很大程度地将光反射到硅衬底6中，折射率差异越大，界面反射率越大，反射光在硅衬底6中重新被吸收，提高了光转换量子效率，特别对于长波长的光，效果尤为显著；
另外，由于反射介质层9具有类似于凹面镜的效果，反射的光绝大部分只反射到自身的像素(硅衬底反射曲面块对应的像素)中，因此减小光学串扰，同时因为光电二极管所需的结深并没有增加，没有影响到载流子传输效率，另外，由于曲面形状，在相邻两个像素单元之间部分的硅衬底6的厚度相对较小，而反射介质层9(电介质)较厚，产生的载流子难以越过势垒扩散到相邻像素单元中，因此电学串扰也受到显著抑制；
步骤7.1：将反射介质层9采用化学机械研磨的方式平坦化；
步骤8：在反射介质层9的底面再键合载片晶圆层11，然后将将金属互联介质层3顶面的临时载体晶圆剥离，剥离之后，在金属互联介质层3顶面制作滤光片2，在滤光片2顶面制作微透镜阵列1。
上述技术方案中，所述步骤6中在硅衬底6底面设置硅衬底反射曲面块阵列10的方法为采用光阻材料曝光，显影后热烘烤的方式先形成曲面块微表面，然后采取等离子蚀刻的方法将曲面形状转移到硅衬底6上，在硅衬底6上形成硅衬底反射曲面块10。
上述技术方案的步骤5中，将硅衬底6采用研磨、化学或等离子蚀刻的方法减薄至1～20微米。也可采用研磨、化学或等离子蚀刻的混合方法减薄。
上述互补金属氧化物半导体图像传感器制作方法在提高光电转换的量子效率的同时，没有影响到载流子传输效率，而且可以显著地抑制像素间信号串扰，从而提高成像质量，特别是暗光下的成像质量。
以上对本发明实施例所提供的一种互补金属氧化物半导体图像传感器制造方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种互补金属氧化物半导体图像传感器，它包括滤光片(2)、感光工作电路单元(4)、硅衬底(6)、设置在滤光片(2)顶面的微透镜阵列(1)、设置在滤光片(2)底面的金属互联介质层(3)、与感光工作电路单元(4)匹配并位于金属互联介质层(3)内的金属互联层(5)、位于硅衬底(6)顶面的硅衬底外延层(7)，感光工作电路单元(4)设置在硅衬底外延层(7)内，硅衬底外延层(7)的顶面设置在金属互联介质层(3)底面，微透镜阵列(1)的每块微透镜下方对应的硅衬底外延层(7)及对应硅衬底外延层(7)区域内的感光工作电路单元(4)为一个像素单元，其特征在于：它还包括设置在硅衬底(6)底面的硅衬底反射曲面块阵列(10)，微透镜阵列(1)中的每块微透镜与硅衬底反射曲面块阵列(10)中的每个硅衬底反射曲面块一一对应且同轴设置，硅衬底反射曲面块阵列(10)的曲面表层设有反射介质层(9)；
相邻两个像素单元之间设置有像素间隔绝势垒(8)，每个像素间隔绝势垒(8)向下延伸至穿过硅衬底(6)。
2.根据权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于：所述硅衬底反射曲面块阵列(10)与反射介质层(9)之间形成的反射率范围为20～50％。
3.根据权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于：所述反射介质层(9)的底面设有载片晶圆层(11)。
4.根据权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于：所述反射介质层(9)对400～1100纳米光波的折射率为1.4～2.3。
5.根据权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于：所述硅衬底(6)的厚度为1～20微米；所述硅衬底反射曲面块阵列(10)中每个硅衬底反射曲面块的起伏高度相等且起伏高度的范围均为0.5～5微米。
6.根据权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于：所述硅衬底(6)和硅衬底反射曲面块阵列(10)的材料相同均为硅晶体；
所述反射介质层(9)为氧化硅层或氮化硅层或氧化氮硅或氧化硅、氮化硅和氧化氮硅的混合层。
7.根据权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于：所述反射介质层(9)为氧化铝层或氧化铪层或氧化钽层；
或者，反射介质层(9)为由氧化硅、氮化硅、氧化氮硅、氧化铝、氧化铪、氧化钽金属铝和金属钨组成的混合反射介质层。
8.一种权利要求1所述互补金属氧化物半导体图像传感器的制造方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：设置硅衬底(6)，并在硅衬底(6)上以外延生长的方式生成硅衬底外延层(7)；
步骤2：在硅衬底外延层(7)中制造像素单元；
步骤3：在相邻两个像素单元之间采用深槽隔离或者离子注入形成像素间隔绝势垒(8)，每个像素间隔绝势垒(8)向下延伸至穿过硅衬底(6)；
步骤4：在硅衬底外延层(7)的顶面设置金属互联介质层(3)，在金属互联介质层(3)内制作与像素单元中的感光工作电路单元(4)匹配的金属互联层(5)；
步骤5：在形成金属互联层(5)后，将金属互联介质层(3)顶面采用临时键合的方式设置临时载体晶圆，然后将硅衬底(6)减薄至1～20微米；
步骤6：在硅衬底(6)减薄后，在硅衬底(6)底面设置硅衬底反射曲面块阵列(10)；
步骤7：在硅衬底反射曲面块阵列(10)上淀积反射介质层(9)；
步骤8：在反射介质层(9)的底面再键合载片晶圆层(11)，然后将将金属互联介质层(3)顶面的临时载体晶圆剥离，剥离之后，在金属互联介质层(3)顶面制作滤光片(2)，在滤光片(2)顶面制作微透镜阵列(1)。
9.根据权利要求8所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于：所述步骤6中在硅衬底(6)底面设置硅衬底反射曲面块阵列(10)的方法为采用光阻材料曝光，显影后热烘烤的方式先形成曲面块微表面，然后采取等离子蚀刻的方法将曲面形状转移到硅衬底(6)上，在硅衬底(6)上形成硅衬底反射曲面块阵列(10)。
10.根据权利要求8所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其特征在于：所述步骤5中，将硅衬底(6)采用研磨、化学或等离子蚀刻的方法减薄至1～20微米；所述硅衬底外延层(7)是N型半导体或者P型半导体，掺杂浓度在1E+12原子/立方厘米至1E+16原子/立方厘米。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |