CN107919372A - 一种背照式cmos图像传感器像素单元及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种背照式CMOS图像传感器像素单元及其制作方法，该像素单元从下而上依次包括含有光电二极管的衬底、第一介质层、电荷存储层、第二介质层和金属层，还包括贯穿所述第一介质层、电荷存储层和第二介质层，且侧壁与衬底垂直的接地窗口，所述接地窗口在垂直方向上不与衬底中的光电二极管重合，所述金属层覆盖所述接地窗口和第二介质层表面，所述电荷存储层与接地窗口之间填充侧壁隔离区，确保所述电荷存储层不与接地窗口中的金属层直接接触。本发明提供的一种背照式CMOS图像传感器像素单元能够防止金属层和电荷存储层直接接触，从而避免接地金属层中的电荷和电荷存储层中电荷发生中和。
Description
技术领域
本发明涉及CMOS图像传感器领域，具体涉及一种背照式CMOS图像传感器像素单元及其制作方法。
背景技术
通常，图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置。图像传感器包括电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器芯片。CMOS图像传感器和传统的CCD传感器相比具有的低功耗，低成本和与CMOS工艺兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用。现在CMOS图像传感器不仅用于消费电子领域，例如微型数码相机(DSC)，手机摄像头，摄像机和数码单反(DSLR)中，而且在汽车电子，监控，生物技术和医学等领域也得到了广泛的应用。
CMOS图像传感器按照入射光进入光电二极管的路径不同，可以分为前照式和背照式两种图像传感器，前照式是指入射光从硅片正面进入光电二极管的图像传感器，而背照式是指入射光从硅片背面进入光电二极管的图像传感器。通过采用背照式CMOS图像传感器工艺，使得入射光从硅片的背面进入光电二极管，从而减小介质层对入射光的损耗和增加CMOS图像传感器中光电二极管的面积，提高了像素单元的灵敏度，因此背照式工艺被越来越多的CMOS图像传感器所采用。
对CMOS图像传感器而言，用于感光的像素单元结构的特性直接决定了最终图像传感器的性能。通常用于定义像素单元性能的参数包括量子效率、暗电流、动态范围和信噪比等，其中暗电流指的是像素单元在没有入射光条件下的输出信号，暗电流越大，像素单元的信噪比越低，而且像素单元的暗电流随温度呈指数上升，在高温条件下，如果暗电流太大，则暗电流信号可能完全淹没像素单元的光电信号，造成图像失真，图像质量下降，因此如何降低暗电流一直是CMOS图像传感器像素单元的最大挑战。
根据CMOS图像传感器制造工艺过程的不同，像素单元的暗电流可能来自用于感光的光电二极管周围和用于传输光电信号的传输管，而绝大部分暗电流通常由光电二极管周围的晶格缺陷造成。为了减小暗电流，如图1所示，在背照工艺中，通常使用二氧化铪、氧化铝等高介电常数的材料在第一介质层和第二介质层之间形成电荷存储层和抗反射层，并且通过工艺控制，在电荷存储层中可以存储负电荷，这些负电荷将硅衬底中的正电荷吸引到表面，形成光电二极管表面正电荷的积累，从而屏蔽光电二极管表面的晶格缺陷和载流子产生复合中心，降低了背照式像素单元的暗电流。但同时如图1所示背照工艺中需要金属层通过硅衬底接地，从而防止金属刻蚀中的等离子体损伤造成像素单元性能的退化，但金属层中由于经过了干法刻蚀工艺，其中会聚集正电荷，而金属层由于直接和电荷存储层接触，因此容易造成电荷存储层中的负电荷被金属层中的正电荷中和，从而使得光电二极管表面无法形成正电荷的积累，造成了背照式像素单元的暗电流上升和白色像素增加等图像传感器性能的退化，因此需要一种结构和形成方法来防止电荷存储层中的电荷被金属层中的电荷中和。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种背照式CMOS图像传感器像素单元及其制作方法，本发明中的背照式CMOS图像传感器像素单元能够防止金属层和电荷存储层直接接触，从而避免接地金属层中的电荷和电荷存储层中电荷发生中和，能够减小像素单元的暗电流和防止像素单元性能劣化。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种背照式CMOS图像传感器像素单元，从下而上依次包括含有光电二极管的衬底、第一介质层、电荷存储层、第二介质层和金属层，还包括贯穿所述第一介质层、电荷存储层和第二介质层，且侧壁与衬底垂直的接地窗口，所述接地窗口在垂直方向上不与衬底中的光电二极管重合，所述金属层覆盖所述接地窗口和第二介质层表面，所述电荷存储层与接地窗口之间填充侧壁隔离区，确保所述电荷存储层不与接地窗口中的金属层直接接触。
进一步地，所述侧壁隔离区与第二介质层材质相同。
进一步地，所述电荷存储层窗口的线宽为m，接地窗口的线宽为n，且m>n，侧壁隔离区的横向宽度为(m-n)/2。
进一步地，所述第一介质层材质和第二介质层均为氮化硅、二氧化硅、氮氧化硅或碳化硅中的一种或多种。
进一步地，所述电荷存储层用于存储负电荷。
进一步地，所述电荷存储层材质为二氧化铪、氧化铝或氧化钽等材料中的一种或多种。
进一步地，所述金属层为铝或钨。
本发明提供的一种背照式CMOS图像传感器像素单元的制作方法，包括以下步骤：
S01：对衬底进行加工，形成含有光电二极管的衬底；
S02：在衬底上依次沉积第一介质层和电荷存储层；
S03：对电荷存储层进行光刻和刻蚀，形成电荷存储层窗口，所述电荷存储层窗口在垂直方向上不与光电二极管重合；
S04：在电荷存储层窗口中填充侧壁隔离层，并在侧壁隔离层和电荷存储层上方沉积第二介质层；
S05：在电荷存储层窗口的正上方刻蚀形成贯穿所述第一介质层、电荷存储层和第二介质层，且侧壁与衬底垂直的接地窗口，且接地窗口的线宽小于电荷存储层窗口的线宽，使得第二介质层在电荷存储层靠近接地窗口的侧壁形成侧壁隔离区；
S06：在接地窗口中以及第二介质层上表面沉积金属层。
进一步地，步骤S04中侧壁隔离层和第二介质层材质相同，具体填充步骤为：在电荷存储层上方沉积第二介质层，并且第二介质层将电荷存储层窗口覆盖。
进一步地，步骤S05中使用各向异性的干法刻蚀形成接地窗口。
本发明的有益效果为：发明中的背照式CMOS图像传感器像素单元，通过两次干法刻蚀，在电荷存储层靠近接地窗口的位置形成侧壁隔离区，通过这个侧壁隔离区，避免了金属层和电荷存储层的直接接触，保证了电荷存储层中存储的电荷不被金属层中的电荷中和，减小了图像传感器的的暗电流。同时由于接地窗口刻蚀工艺只需要针对第一介质层和第一介质层进行介质层刻蚀的优化，而不用考虑电荷存储层，因此简化了接地窗口的刻蚀工艺，提高了工艺的稳定性。
附图说明
图1为现有技术中的背照式CMOS图像传感器像素单元的结构示意图。
图2为本发明一种背照式CMOS图像传感器像素单元的结构示意图。
图3-图7为本发明一种背照式CMOS图像传感器像素单元的制作方法示意图。
图中：1衬底，11光电二极管，2第一介质层，3电荷存储层，31，电荷存储层窗口，4第二介质层，5金属层，6接地窗口，7侧壁隔离区，71侧壁隔离层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
如附图2所示，本发明提供的一种背照式CMOS图像传感器像素单元，从下而上依次包括含有光电二极管的衬底1、第一介质层2、电荷存储层3、第二介质层4和金属层5，还包括贯穿第一介质层2、电荷存储层3和第二介质层4，且侧壁与衬底1垂直的接地窗口6，接地窗口6在垂直方向上不与衬底中的光电二极管11重合，金属层5覆盖接地窗口和6第二介质层4表面，电荷存储层3与接地窗口6之间填充侧壁隔离区7，确保电荷存储层2不与接地窗口6中的金属层5直接接触。
本发明的核心思想为电荷存储层不与接地窗口中填充的金属进行接触，我们定义接地窗口的横向宽度为接地窗口的线宽，电荷存储层在接地窗口中不连续的部分为电荷存储层窗口，电荷存储层窗口的横向宽度为电荷存储层窗口的线宽。本发明中只需要使得电荷存储层窗口的线宽大于接地窗口的线宽，且在电荷存储层靠近接地窗口的位置填充侧壁隔离区，确保电荷存储层靠近接地窗口的侧壁上形成侧壁隔离区，从而使得电荷存储层和接地窗口中的金属层不发生接触。这中涉及思路可以避免了电荷存储层和金属层之间的直接接触，保证了电荷存储层中存储的电荷不被金属层中的电荷中和，减小了图像传感器的暗电流。
本发明中侧壁隔离区为绝缘介质层，只要能够隔离电荷存储层和金属层中的电荷即可。为了使得制作过程简便，我们可以使用第二介质层形成侧壁隔离区，溅射接地窗口的线宽为n，电荷存储层窗口的线宽为m，为了形成侧壁隔离区，m必然会大于n，为了使得两侧的电荷存储层均不与接地窗口中的金属层接触，m大于n的部分是分摊在电荷存储层窗口的两侧的，在本实施例中，我们通过版图设计可以使得两侧的侧壁隔离区横向宽度相等，这样，侧壁隔离区的横向宽度均为(m-n)/2。
本发明中的电荷存储层可以通过工艺控制实现负电荷的存储，具体工艺控制方法采用现有技术中控制方法，在此不做详细说明。
请参考图3-7，本发明还提供了一种背照式CMOS图像传感器像素单元的制作方法，本实施例以硅衬底为例进行说明，具体包括以下步骤：
S01：完成前道光电二极管等像素单元器件加工工艺的硅衬底，形成含有光电二极管11的衬底1。
S02：如图3所示，在含有光电二极管11的硅衬底1上依次沉积第一介质层2和电荷存储层3；其中第一介质层可以使用氮化硅、二氧化硅、氮氧化硅或碳化硅中的一种或多种的复合结构，电荷存储层可以使用二氧化铪、氧化铝或氧化钽等材料中的一种或多种复合的结构，通过工艺控制电荷存储层中实现负电荷的存储。
S03：如图4所示，对电荷存储层3进行光刻和刻蚀，形成电荷存储层窗口31，所述电荷存储层窗口在垂直方向上不与光电二极管重合。具体地，在审生产过程中，通过版图设计，在接地窗口的位置先进行电荷存储层窗口的光刻和刻蚀，为了保证后续的第二介质层在电荷存储层侧壁形成侧壁隔离区，电荷存储层窗口的线宽m需要大于后续的接地窗口的线宽，通过干法刻蚀的终点检测，电荷存储层的刻蚀停止在第一介质层上方。
S04：如图5所示，在电荷存储层窗口中填充侧壁隔离层71，并在侧壁隔离层71和电荷存储层上方沉积第二介质层4；其中，侧壁隔离层71采用绝缘材质，具体地，为了简化工艺，在电荷存储层上方直接沉积第二介质层4；第二介质层可以使用氮化硅、二氧化硅、氮氧化硅或碳化硅中的一种或多种的复合结构，其中第二介质层4将前面刻蚀形成的电荷存储层窗口31完成填充，如此一来，侧壁隔离层71和第二介质层4合二为一，简化了工艺步骤，并且能够达到本发明的发明目的。
S05：如图6所示，在电荷存储层窗口的正上方刻蚀形成贯穿所述第一介质层、电荷存储层和第二介质层，且侧壁与衬底垂直的接地窗口6，且接地窗口6的线宽小于电荷存储层窗口31的线宽，使得第二介质层4在电荷存储层靠近接地窗口6的侧壁形成侧壁隔离区7；具体地，使用各向异性的干法刻蚀进行接地窗口的刻蚀，为了保证第二介质层侧壁隔离区的形成，通过版图设计，接地窗口的线宽n需要小于前面电荷存储层窗口的线宽m，最终形成的侧壁隔离区的横向宽度为二分之一的(m-n)。同时由于其刻蚀工艺只需要针对第一介质层和第一介质层进行介质层刻蚀的优化，而不用考虑电荷存储层，因此简化了接地窗口的刻蚀工艺，提高了工艺的稳定性。
S06：如图7所示，进行金属层5的淀积、光刻和刻蚀，其中金属层可以使用铝或钨等金属材料，由于使用第二介质层形成的侧壁隔离区将金属层和电荷存储层进行了物理隔离，从而避免了电荷存储层中的电荷被金属层中和的问题，降低了像素单元的暗电流。具体金属层的沉积、光刻和刻蚀参照现有技术进行，在此不做详细的说明。
以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种背照式CMOS图像传感器像素单元，其特征在于，从下而上依次包括含有光电二极管的衬底、第一介质层、电荷存储层、第二介质层和金属层，还包括贯穿所述第一介质层、电荷存储层和第二介质层，且侧壁与衬底垂直的接地窗口，所述接地窗口在垂直方向上不与衬底中的光电二极管重合，所述金属层覆盖所述接地窗口和第二介质层表面，所述电荷存储层与接地窗口之间填充侧壁隔离区，确保所述电荷存储层不与接地窗口中的金属层直接接触。
2.根据权利要求1所述的一种背照式CMOS图像传感器像素单元，其特征在于，所述侧壁隔离区与第二介质层材质相同。
3.根据权利要求1所述的一种背照式CMOS图像传感器像素单元，其特征在于，所述电荷存储层窗口的线宽为m，接地窗口的线宽为n，且m>n，侧壁隔离区的横向宽度为(m-n)/2。
4.根据权利要求1所述的一种背照式CMOS图像传感器像素单元，其特征在于，所述第一介质层材质和第二介质层均为氮化硅、二氧化硅、氮氧化硅或碳化硅中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种背照式CMOS图像传感器像素单元，其特征在于，所述电荷存储层用于存储负电荷。
6.根据权利要求1所述的一种背照式CMOS图像传感器像素单元，其特征在于，所述电荷存储层材质为二氧化铪、氧化铝或氧化钽等材料中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种背照式CMOS图像传感器像素单元，其特征在于，所述金属层为铝或钨。
8.一种制作权利要求1所述的背照式CMOS图像传感器像素单元的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：对衬底进行加工，形成含有光电二极管的衬底；
S02：在衬底上依次沉积第一介质层和电荷存储层；
S03：对电荷存储层进行光刻和刻蚀，形成电荷存储层窗口，所述电荷存储层窗口在垂直方向上不与光电二极管重合；
S04：在电荷存储层窗口中填充侧壁隔离层，并在侧壁隔离层和电荷存储层上方沉积第二介质层；
S05：在电荷存储层窗口的正上方刻蚀形成贯穿所述第一介质层、侧壁隔离层和第二介质层，且侧壁与衬底垂直的接地窗口，且接地窗口的线宽小于电荷存储层窗口的线宽，使得第二介质层在电荷存储层靠近接地窗口的侧壁形成侧壁隔离区；
S06：在接地窗口中以及第二介质层上表面沉积金属层。
9.根据权利要求8所述的一种背照式CMOS图像传感器像素单元的制作方法，其特征在于，步骤S04中侧壁隔离层和第二介质层材质相同，具体填充步骤为：在电荷存储层上方沉积第二介质层，并且第二介质层将电荷存储层窗口覆盖。
10.根据权利要求8所述的一种背照式CMOS图像传感器像素单元的制作方法，其特征在于，步骤S05中使用各向异性的干法刻蚀形成接地窗口。
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