CN105206629A

CN105206629A - Cmos感光元件及制备方法

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Publication number: CN105206629A
Application number: CN201410273300.7A
Authority: CN
Inventors: 李程; 吴敏; 杨渝书; 秦伟; 高慧慧
Original assignee: Shanghai Huali Microelectronics Corp
Current assignee: Shanghai Huali Microelectronics Corp
Priority date: 2014-06-18
Filing date: 2014-06-18
Publication date: 2015-12-30

Abstract

本发明提供了一种CMOS感光元件及制备方法，通过在感光二极管的上下方各形成一片布拉格反射镜，且两片布拉格反射镜构成了法布里-珀罗谐振腔，当特定光波的光线进入法布里-珀罗谐振腔内，可在两片布拉格反射镜之间不断进行反射,从而使得光线被局限于法布里-珀罗谐振腔之中而进一步被感光二极管层吸收，进而提高感光二极管的对特定波长光线的吸收效率。本发明相比较传统的采用感光二极管直接进行光电转换类型的CMOS感光元件对红光的感光效率可以从20％提升至60％；同时对特定光波以外的光线则影响较小，极大改善图像输出的质量。

Description

CMOS感光元件及制备方法

技术领域

本发明涉及图形传感器制备领域，具体涉及一种CMOS感光元件的设计和制备方法。

背景技术

CMOS图像传感器属于光电元器件，CMOS图像传感器由于其制造工艺和现有集成电路制造工艺兼容，同时其性能比原有的电荷耦合器件(CCD)图像传感器有很多优点，而逐渐成为图像传感器的主流。CMOS图像传感器可以将驱动电路和像素集成在一起，简化了硬件设计，同时也降低了系统的功耗。CMOS图像传感器由于在采集光信号的同时就可以取出电信号，还能实时处理图像信息，速度比CCD图像传感器快，同时CMOS图像传感器还具有价格便宜，带宽较大，防模糊，访问的灵活性和较大的填充系数的优点而得到了大量的使用，广泛应用于工业自动控制和消费电子等多种产品中，如监视器，视频通讯，玩具等。鉴于CMOS图像传感器的诸多优点，现在CIS的研究和发展是要利用其系统集成的优点来实现多功能和智能化；利用其具有访问灵活的优点，可以通过只读出感光面上感兴趣的小区域来实现高的帧速率CMOS；同时CMOS图像传感器宽动态范围，高分辨率和低噪声技术也在不断发展。

日本Canon公司于2013年公开了一种基于谐振原理的提升特定波长感光效率的CMOS感光元件(日本公开专利号No.2013-93553)，其原理为通过在PD层(photodiode，光电二极管，简称PD层)上部构建横向光栅结构，对于特定波长的光线起到谐振效果，从而使得光线在PD层停留更长的时间，从而提升其感光效率。然而该结构，对于特定波长更高的感光效率的提升仍然有限。

中国专利(CN102664185A)公开了一种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。该专利是通过纳米金属颗粒层来增强针对特定波长的光线吸收效率，但是该发明对光线的吸收效率有限，而且制作实现难度也较大。

因此如何在不影响对其他光线的前提下，进一步提高CMOS感光元件对波长较长的光线的感光率，并有效控制生产成本，一直为本领域技术人员孜孜不倦所研究的技术方向。

发明内容

一种CMOS感光元件，其中，所述CMOS感光元件包括一衬底，所述衬底中设置有PD层，位于该衬底顶部设置有一ILD层，位于所述ILD层中设置有第一反射镜，位于所述衬底的下表面设置有第二反射镜；

在所述第一反射镜和第二反射镜之间形成法布里-珀罗谐振腔(Fabry-Perotcavity，简称FP腔)，以提高所述CMOS感光元件对特定光波的感光效率。

上述的CMOS感光元件，其中，所述第一反射镜和第二反射镜均为布拉格反射镜。

上述的CMOS感光元件，其中，所述第一反射镜自下而上依次包括有若干层间隔设置的第一反射层和第二反射层；

所述第二反射镜自下而上依次包括有若干层间隔设置的所述第二反射层和所述第一反射层。

上述的CMOS感光元件，其中，所述第一反射层为SiO₂，所述第二反射层为SiN。

上述的CMOS感光元件，其中，所述特定光波为红光光波。

上述的CMOS感光元件，其中，所述CMOS感光元件还设置有微透镜(U-lens)。

一种CMOS感光元件的制备方法，其中，所述方法包括如下步骤：

提供一衬底，并在所述衬底中制备PD层；

在所述衬底之上沉积一层ILD层；

在所述ILD层的上表面制备第一反射镜；

在所述第一反射镜的上表面沉积一层氧化物后进行接触孔制备工艺，并完成后段制程后作为器件片；

提供一空白晶圆，并在所述空白晶圆的上表面制备第二反射镜，作为支撑片；

对所述器件片背面进行减薄，并将所述器件片的背面和所述支撑片的正面键合；

其中，所述第一反射镜和第二反射镜之间形成法布里-珀罗腔，从而提高所述CMOS感光元件对特定光波的感光效率。

上述的方法，其中，所述第一反射镜和第二反射镜均为布拉格反射镜。

上述的方法，其中，制备所述第一反射镜的步骤如下：

沉积第一反射层覆盖在所述ILD层的上表面，继续沉积第二反射层覆盖在所述第一反射层的上表面，之后进行反复多次沉积所述第一反射层和所述第二反射层，形成所述第一反射镜；以及

制备所述第二反射镜的步骤如下：

沉积所述第二反射层覆盖在所述空白晶圆层的上表面，继续沉积所述第一反射层覆盖在所述第二反射层的上表面，之后进行反复多次沉积所述第二反射层和所述第一反射层，形成所述第二反射镜。

上述的方法，其中，所述第一反射层为SiO₂，所述第二反射层为SiN。

上述的方法，其中，所述特定光波为红光光波。

本发明提供了一种CMOS感光元件，通过在传统的CMOS感光元件的ILD层中和硅基底中的PD层下方，分别引入周期相等、且结构相反的braggreflector(布拉格反射镜)结构，从而形成所谓的法布里-珀罗谐振腔，以限定红光波段的光束滞留在PD层以提高CMOS感光元件对于红光波段的感光效率，对于不在FP腔控制范围内的其他波长的光束的感光效率，则受新添加的反射镜的影响较小。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明提供的一种CMOS感光元件的结构图；

图2为本发明所提供的第一反射镜的示意图；

图3为本发明所提供的第二反射镜的示意图；

图4为本发明提供的一种CMOS感光元件的流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

实施例一

本发明提供了一种CMOS感光元件，参照图1所示，该CMOS感光元件1000包括一衬底100，该衬底100中形成有PD(photodiode，光电二极管)层，位于衬底100顶部设置有一ILD层，该ILD层中设置有金属互连结构；位于ILD层中设置有第一反射镜200，位于PD层的下表面设置有第二反射镜300。同时，该CMOS感光元件1000还设置感光区，位于感光区中的ILD层上方设置有微透镜(U-lens)500。通过该器件结构可有效提升CMOS感光元件对特定光波的吸收效率，在该实施例中，该特定光波为红光光波。

本发明所提供的第一反射镜200和第二反射镜300均为布拉格反射镜(braggreflector)。在本领域中，布拉格反射镜的定义是由两种具有不同折射率的半导体材料以ABAB形式交替排列的周期结构，同时每层材料的光学厚度均相等，则构成了布拉格反射镜，具体不予赘述。

参照图2～3所示，第一反射镜200自下而上依次包括若干层第一反射层201和若干层第二反射层202，第二反射镜300自下而上依次包括若干层第二反射层202和若干层第一反射层201，且第一反射镜200和第二反射镜300所包含的第一、第二反射层均间隔设置；进一步的，上述的第一反射层201为SiO₂，第二反射层202为SiN。T1和T2分别代表第一反射层201和第二反射层202的光学厚度。假设一层第一反射层201和一层第二反射层202构成一个周期，因此，第一反射镜200和第二反射镜300可以视为周期相同，但结构相反。

在本发明的实施例中，采用CVD(ChemicalVaporDeposition，化学气相沉积)工艺来沉积SiO₂和SiN，且形成的SiO₂折射率约为2.5，而制备的SiN折射率约为1.5。在本发明的实施例中，通过控制反应条件来使得沉积的SiO₂和SiN的折射率满足上述要求，具体不予赘述。同时，在进行CVD工艺沉积SiO₂和SiN时，需要控制CVD的反应条件来使得SiO₂和SiN物理厚度的比值要满足一定关系。例如在一个实施例中，沉积的SiN厚度为沉积的SiO₂厚度为而根据公式：光学厚度＝物理厚度*折射率，可得出，第一反射层201的光学厚度T1和第二反射层202的光学厚度T2相等或近似相等，且为红光波长(700nm)的1/4，因此在完成上述的第一反射层201以及第二反射层202的多次沉积工艺后，形成的第一反射镜200和第二反射镜300均为布拉格反射镜，每一层SiN和相邻的SiO₂层构成bragg反射镜的一个周期，bragg反射镜使用的周期数量取决于工艺能力和设计能力，一般来说，周期数量越多，即沉积的第一、第二反射层的层数越多，则CMOS感光元件对于红光的感光效率提升也就越多，具体相关实施例中在此不予赘述。

同时，由于在本实施例中是为了提升感光元件对红光光波的吸收效率，因此还需要保证上下两片布拉格反射镜所包含的各层反射层的光学厚度为红光光波的四分之一的倍数，同时还要小于红光波长的2倍。假设红光光波为m，则n为小于等于8的正整数，进而保证第一、第二反射镜的光学厚度介于红光光波的1/4至2倍之之间，且为红光光波的1/4的倍数。在形成布拉格反射镜的同时，还提高CMOS感光元件对特定光波的吸收效率，而对其他光波的光线则不会造成较大影响。

进一步的，本领域技术人员应当理解，上述采用SiO₂和SiN来分别作为第一、第二反射层仅仅是一种较佳的实施例，由于这两种材料为半导体领域经常需要利用到的材料，因此应用到本发明中能够较容易进行实施，同时有利于节约生产成本，本领域技术人员根据实际需求可采用其他光线折射率不同的半导体材料来作为布拉格反射镜的反射层，对本发明并无影响。

CMOS感光元器件在工作时，光线从入射区照射，通过微透镜(凸透镜)500的聚焦后，通过ILD层并穿过第一反射镜200到达PD层，PD层接收光线由量子效应进行光电信号转换生成光电子，之后再由逻辑电路转化为电信号最后输出图像。由于第一反射镜200和第二反射镜300之间形成法布里-珀罗谐振腔，当具有特定光波的光线进入法布里-珀罗谐振腔时，会首先在第一反射镜200和PD层之间进行反射和折射，进而提高PD层对光线的吸收效率；同时由于PD层的下方也设置有一反射镜，当一部分光线穿过PD层后，同样会在第二反射镜300与PD层之间进行反射和折射，这在很大程度上同样提高了PD层对光线的吸收效率。进一步的，由于第一、第二反射镜均为布拉格反射镜，光线一旦进入法布里-珀罗谐振腔内，会有效地将光线的路径限制在法布里-珀罗谐振腔内，从而使光线尽可能的在PD层与第一、第二反射镜之间进行反射，以被PD层所吸收，从而进一步的提升感光效率。与此同时，由于bragg反射镜的特殊原理，对于不在法布里-珀罗谐振腔控制范围内的其他波长的光线，则受法布里-珀罗谐振腔的影响较小，进而输出更高质量的图像。

采用本发明所提供的CMOS感光元件，能够对于波长范围在600～750nm之间的红光感光效率，可从现有技术的20％提升至60％，同时对于其他波长的光线，影响也较小，极大提升CMOS感光元件输出的图像质量。

实施例二

同时本发明还提供了一种制备上述CMOS感光元件的方法，具体步骤如下。

如图4所示，首先执行步骤S1，提供一衬底，并在衬底中制备形成PD(photodiode，光电二极管)层，具体在衬底中形成PD层采用本领域所惯用的工艺流程，故在此不予赘述。

执行步骤S2，在制备好PD层的衬底上表面沉积厚度约为的ILD层并进行CMP。

进行步骤S3：在ILD层的上方制备第一反射镜。

具体的，制备第一反射镜的具体步骤包括：沉积第一反射层覆盖在ILD层的上表面，继续沉积第二反射层覆盖在第一反射层的上表面，之后进行反复多次沉积第一反射层和第二反射层，形成第一反射镜。例如累计5个周期后，即反复沉积5层第一反射层和5层第二反射层，该沉积的5层第一反射层和5层第二反射层共同作为第一反射镜。

其中，上述的第一反射层为SiO₂，第二反射层为SiN。在本发明的实施例中，采用CVD工艺来沉积SiO₂和SiN，且制备的SiO₂折射率约为2.5，制备的SiN折射率约为1.5，具体采用何种工艺来控制第一反射层和第二反射层的折射率在此不予赘述。同时，在进行CVD工艺沉积SiO₂和SiN时，需要控制CVD的反应条件来使得SiO₂和SiN物理厚度的比值要满足一定关系。例如在一个实施例中，沉积的SiN厚度为沉积的SiO₂厚度为而光学厚度＝物理厚度*折射率，由此可得出，第一反射层和第二反射层的光学厚度相等，因此在完成上述的第一反射层以及第二反射层的多次沉积工艺后，形成的第一反射镜构成了一片布拉格反射镜。

执行步骤S4，在第一反射镜的上表面沉积一层氧化物后进行接触孔制备工艺，并完成后道制程后作为器件片。具体的，采用CVD工艺沉积一层厚度约为的TEOS氧化层用于抵消W(钨)CMP的消耗，之后再进行接触孔的光刻和干刻作业；完成后道制程后作为器件片。相关制程为本领域所公知，故在此不予赘述。

执行步骤S5，提供一空白晶圆，并在空白晶圆的上表面制备第二反射镜，作为支撑片。

具体的，制备第二反射镜的具体步骤包括：沉积一层上述的第二反射层覆盖在空白晶圆的上表面，继续沉积一层上述的第一反射层覆盖在第二反射层的上表面，之后进行反复多次沉积第二反射层和第一反射层，形成第二反射镜。例如累计5个周期后，即反复沉积5层第二反射层和5层第一反射层，该沉积的5层第二反射层和5层第一反射层共同作为第二反射镜。此步骤中的相关工艺与步骤S2基本相同，步骤完成后，在空白晶圆之上形成了与第一反射镜周期相等，但结构相反的布拉格反射镜。

执行步骤S6，将上述所制备的器件片基底背面(即衬底下表面)通过CMP和wetetch(湿法刻蚀)方法减薄至数微米的厚度，然后将器件片的背面和支撑片的正面键合，完成本发明所提供的器件结构。通过制备第一反射镜和第二反射镜，在第一反射镜和第二反射镜之间形成了法布里-珀罗谐振腔，可有效的提高CMOS感光元件对红光的吸收效率；同时本发明形成的第一反射镜和第二反射镜均为布拉格反射镜，因此可有效的将光线限制在法布里-珀罗谐振腔内，从而进一步提高PD层对光线的吸收效率。

实施例三

采用本发明所制备的CMOS感光元件可广泛应用于各种图像传感器的器件中，例如手机、数码相机、DV、监视器等电子设备，同时还可应用于目前具有良好发展前景的可穿戴便携设备中，如智能手表、智能眼镜等，可极大提高图像传感器输出的图像质量。

综上所述，本发明通过在PD层的上下方各自形成一bragg反射镜，两片bragg反射镜之间形成了法布里-珀罗谐振腔，光线通过PD层上方的反射镜进入法布里-珀罗谐振腔内可不断进行反射和折射，进而增加了在PD层的停留时间，从而提高感光效率；同时，由于本发明提供的反射镜为布拉格反射镜，因此可有效的将光线限制在法布里-珀罗谐振腔内进行反射和折射，从而进一步提高PD层对光线的吸收效率。

本发明相比较传统的CMOS感光元件对红光的感光效率从20％提升至了60％；同时对特定光波以外的光线则不会造成任何影响，极大改善图像输出的质量。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种CMOS感光元件，其特征在于，所述CMOS感光元件包括一衬底，所述衬底中设置有PD层，位于该衬底顶部设置有一ILD层，位于所述ILD层中设置有第一反射镜，位于所述衬底的下表面设置有第二反射镜；

在所述第一反射镜和第二反射镜之间形成法布里-珀罗谐振腔(Fabry-Perotcavity)，以提高所述CMOS感光元件对特定光波的感光效率。

2.如权利要求1所述的CMOS感光元件，其特征在于，所述第一反射镜和第二反射镜均为布拉格反射镜。

3.如权利要求2所述的CMOS感光元件，其特征在于，所述第一反射镜自下而上依次包括有若干层间隔设置的第一反射层和第二反射层；

4.如权利要求3所述的CMOS感光元件，其特征在于，所述第一反射层为SiO₂，所述第二反射层为SiN。

5.如权利要求1所述的CMOS感光元件，其特征在于，所述特定光波为红光光波。

6.如权利要求1所述的CMOS感光元件，其特征在于，所述CMOS感光元件还设置有微透镜(U-lens)。

7.一种CMOS感光元件的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

提供一衬底，并在所述衬底中制备PD层；

在所述衬底之上沉积一层ILD层；

在所述ILD层的上表面制备第一反射镜；

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一反射镜和第二反射镜均为布拉格反射镜。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，制备所述第一反射镜的步骤如下：

制备所述第二反射镜的步骤如下：

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一反射层为SiO₂，所述第二反射层为SiN。

11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述特定光波为红光光波。