CN108766973B - 增强型cmos传感器发光二极管单元结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强型CMOS传感器发光二极管单元结构，包括一P型基底，P型基底的上表面开设有一倒圆锥型槽；一N型掺杂层，形成在倒圆锥型槽的表面；一P型掺杂层，形成在N型掺杂层的表面，P型掺杂层的上端面与N型掺杂层的上端面以及P型基底的上表面平齐；一氮化层，形成在P型掺杂层的表面以及形成在相互平齐的P型掺杂层上端面、N型掺杂层上端面、和P型基底上表面的表面，并构成倒圆锥型部分和倒圆锥型部分上端外围的平面部分；一氧化层，形成在氮化层的倒圆锥型部分和平面部分的表面；二金属电极，其中一金属电极与N型掺杂层接触，另一金属电极与P型掺杂层接触。本发明能够增强量子转换效率，降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及图像传感器领域，具体说是一种增强型CMOS传感器发光二极管单元结构。
背景技术
CMOS图像芯片在像素级把电荷转换成电压，而大部分的功能则集成进芯片。这样所有功能可通过单一电源工作，并能够实现依照感兴趣区域或是开窗灵活读出图像。
CMOS图像传感器基本上是嵌入了如模数转换(ADC)、相关双采样(CDS)、时钟生成、稳压器等系统级芯片(System-On-Chip，SOC)结构，或是影像后处理等功能，而这些以前都是应用系统级设计才有的功能。现在的CIS通常是依照从180nm到近期55nm的1P5M工艺生产，允许像素设计加入非常高的转换因子，便于结合列增益放大。进而CIS芯片衬底偏压稳定性差且芯片上的电路更多，所以带有更显著的噪声干扰。
噪声主要由两个因素造成：1/f闪烁噪声和热噪声。在MOS器件和各放大单元中，闪烁噪声是技术工艺误差生成的缺陷，将电荷困于栅极氧化物内所造成的结果。电荷进出这些“陷阱”，造成晶体管通道内的电流不稳定。这些是本证工艺伴随的噪声缺陷。对于CIS芯片，除去减少本证逻辑电路的噪声干扰，提升像素区光电转换过程中本身的量子效率对于提高信噪比和光感灵敏度有很大帮助。
量子效率(Qμantμm efficiency,QE)是直接影响图像传感器光电性能的因素，因为光电转换效率的任何损耗都会直接减低信噪比(Signal-To-Noise-Ratio，SNR)。它的影响是多方面的，因为当散粒噪声(信号的平方根)是主要噪声源时，量子效率不单是信噪比的被除数(信号)，同时也是除数(噪声)。
CIS在量子效率改进方面累积的技术工艺发展相对较迟缓。基于硅物质的物理特性，较长的波长能穿透光敏转换地带，所以可以使用厚的外延材料来增加红色和近红外线波长的量子效率。
根据比尔朗伯定律(Beer-Lambert law)，被吸收的能量是与介质的厚度成指数关係。高端CIS利用较厚的硅物质和背照(back side illμmination,BSI)工艺以恢复高宽带量子效率和近红外线(near infrared,NIR)敏感度。然而Si外延层厚度可控范围小且对蓝光和红光成反向量子效率对应关系。
像素区光电二极管Si表面的特殊图形结构化是可以减少入射光反射提高衍射和散射几率增强吸收强度进而增强光电量子转换效率的最佳工艺手法。
针对增强的量子效率，要求c-Si内的强衍射和抗反射效应，延长c-Si内的光路长度，在此基础上需要严苛和复杂的工艺用以制备具有绝对临界角度的内嵌式倒角Si结构。
现有主流Si表面特殊图形化工艺瓶颈和挑战如下：
c-Si中具有低反射率和高吸收效率的随机针状表面；而小节距尺寸的CIS像素包含随机但有限数量的结构，导致像素特性的大偏差，例如PRNΜ(光响应不均匀性)，不适合高质量均匀的2D成像功能。
内嵌式倒角Si结构的绝对临界角度制成严苛致使制备工艺复杂成本高且均匀性面临极大挑战。
在传统的设计结构中(如图1所示)，由于si介质表面为平面，光经过反射，折射，只有一次光吸收，光的吸收效率低，量子转换效率也低。
因此有必要发明一种CMOS传感器发光二极管单元结构，移增强量子转换效率的并同时严控成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种增强型CMOS传感器发光二极管单元结构，能够增强量子转换效率，降低成本。
为实现上述目的，本发明提供一种增强型CMOS传感器发光二极管单元结构，包括一P型基底，所述P型基底的上表面开设有一倒圆锥型槽；
一N型掺杂层，沿着倒圆锥型槽的轮廓形成在倒圆锥型槽的表面；
一P型掺杂层，沿着倒圆锥型的N型掺杂层的轮廓形成在N型掺杂层的表面，P型掺杂层的上端面与N型掺杂层的上端面以及P型基底的上表面平齐；
一氮化层，沿着倒圆锥型的P型掺杂层的轮廓形成在P型掺杂层的表面以及形成在相互平齐的P型掺杂层上端面、N型掺杂层上端面、和P型基底上表面的表面，并构成倒圆锥型部分和倒圆锥型部分上端外围的平面部分；
一氧化层，形成在氮化层的倒圆锥型部分和平面部分的表面，并且氮化层的倒圆锥型部分的表面的氧化层和氮化层的平面部分的表面的氧化层的上表面平齐；
二金属电极，其中一金属电极与N型掺杂层接触，另一金属电极与P型掺杂层接触，二金属电极均朝上贯通氮化层并达到氧化层表面，二金属电极分布在倒圆锥型槽的两相对侧。
作为本发明的进一步改进，所述P型基底的上表面开设有一沉槽，倒圆锥型槽开设在沉槽的中部，N型掺杂层还形成在沉槽的表面，并且形成在沉槽表面的N型掺杂层与形成在倒圆锥型槽表面的N型掺杂层结合为一体，氮化层还形成在沉槽表面的N型掺杂层上表面。
作为本发明的更进一步改进，所述沉槽的底壁为弧形结构，形成在沉槽表面的N型掺杂层的下表面为与沉槽底壁相适应的弧形结构，形成在沉槽表面的N型掺杂层的上表面在倒圆锥型槽的一侧为平面结构一，在倒圆锥型槽的另一对侧为凹弧面结构和衔接凹弧面结构的平面结构二，氮化层形成在沉槽表面的N型掺杂层的平面结构一和平面结构二的上表面。
作为本发明的更进一步改进，所述P型掺杂层还形成在凹弧面结构的上表面，形成在凹弧面结构上表面的P型掺杂层的下表面为与凹弧面结构相适应的弧形面，形成在凹弧面结构上表面的P型掺杂层的上表面为平面，形成在凹弧面结构上表面的P型掺杂层与形成在倒圆锥型的N型掺杂层表面的P型掺杂层结合为一体，氮化层还形成在凹弧面结构表面的P型掺杂层的平面的上表面。
作为本发明的更进一步改进，所述的其中一金属电极与形成在沉槽表面的上表面是平面结构的N型掺杂层接触，另一金属电极与形成在凹弧面结构上表面的P型掺杂层接触。
作为本发明的更进一步改进，所述金属电极分为电极一和电极二，分别与N型掺杂层和P型掺杂层接触的是电极一，电极一朝上贯通氮化层并达到氧化层，电极二嵌入氧化层内，并且电极二的下表面与相应的电极一接触，电极二的上表面与氧化层上表面平齐。
作为本发明的更进一步改进，所述电极一采用金属钨材质，电极二采用金属铝或金属铜材质。
作为本发明的进一步改进，所述倒圆锥型槽的深度为1-3μm，上端开口大小为1.5μm×15μm。
作为本发明的进一步改进，所述P型基底材料为硅，P型基底材料的厚度为700μm。
作为本发明的进一步改进，所述N型掺杂层的掺杂元素为砷，掺杂浓度为3.0×1016cm-3，掺杂深度1.5μm，能量为E＝150keV，砷的剂量为ND(As)＝1.3×1013cm–2。
作为本发明的进一步改进，所述P型掺杂层的掺杂元素为硼，掺杂浓度为3.0×1016cm-3，掺杂深度0.25μm，能量为E＝60keV，硼的剂量为ND(B)＝1.0×1013cm–2。
与现有技术相比，本发明的增强型CMOS传感器发光二极管单元结构的有益效果如下：
(1)由于采用倒圆锥体结构，使得Si介质表面为斜面，光经过反射，折射，再反射，再折射，三反射，三折射，每次入射光至少经过两次吸收周期，有些角度的入射光可以得到三次吸收，增加光吸收的表面积，大大提高了光的吸收效率，从而增加量子效率(QE)，增加信噪比。
(2)采用倒圆锥体结构，结构简单，可以简化制造工艺，且不需要增加Si厚度，无需获得复杂光刻和蚀刻工艺的Si像素强制内侧壁轮廓的临界角，不仅降低了成本，而且能够在c-Si内实现降低散射、多次反射、多次折射，从而延长c-Si内的光路长度，提高光的吸收；实现折射光在像素区侧壁多次反射，多次折射，进而延长Si衬底内的有效光路长度伸长，从而获得增强的灵敏度和量子效率(QE)。
(3)倒圆锥体结构，可以减少边缘的散射，同时由于圆锥体的尺寸在微米量级，而衍射发生的条件为障碍物的尺寸小于波长，障碍物的线度越大衍射现象越不明显，所以圆锥体可以有效的减少可见光的衍射。
通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
图1为传统的发光二极管单元结构示意图；
图2为本发明的发光二极管单元结构示意图；
图3为本发明的发光二极管单元结构光吸收示意图；
图4为本发明发光二极管单元结构与传统的发光二极管单元结构光电转换测试结果对比图；
其中，P型基底1，倒圆锥型槽11，沉槽12，N型掺杂层2，弧形结构21，平面结构一22，凹弧面结构23，平面结构二24，P型掺杂层3，氮化层4，倒圆锥型部分41，平面部分42，氧化层5，金属电极6，电极一61，电极二62。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。
请参考图2-4，所述的增强型CMOS传感器发光二极管单元结构包括一P型基底1，所述P型基底1的上表面开设有一倒圆锥型槽11，倒圆锥型槽11的深度为1-3μm，上端开口大小为1.5μm×15μm。所述P型基底1的上表面开设有一沉槽12，倒圆锥型槽11开设在沉槽12的中部。所述沉槽12的底壁为弧形结构。所述P型基底1的材料为硅，P型基底1的厚度为700μm。
一N型掺杂层2，沿着倒圆锥型槽11的轮廓形成在倒圆锥型槽11的表面。N型掺杂层2还形成在沉槽12的表面，并且形成在沉槽12表面的N型掺杂层2与形成在倒圆锥型槽11表面的N型掺杂层2结合为一体。形成在沉槽12表面的N型掺杂层2的下表面为与沉槽12底壁相适应的弧形结构21，形成在沉槽12表面的N型掺杂层2的上表面在倒圆锥型槽11的一侧为平面结构一22，在倒圆锥型槽11的另一对侧为凹弧面结构23和衔接凹弧面结构的平面结构二24。平面结构一22和平面结构二24与P型基底1的上表面平齐。所述N型掺杂层1的掺杂元素为砷，掺杂浓度为3.0×1016cm-3，掺杂深度1.5μm，能量为E＝150keV，砷的剂量为ND(As)＝1.3×1013cm–2。
一P型掺杂层3，沿着倒圆锥型的N型掺杂层2的轮廓形成在N型掺杂层2的表面，构成倒圆锥型的P型掺杂层3，P型掺杂层3的上端面与N型掺杂层2的上端面以及P型基底1的上表面平齐。所述P型掺杂层3还形成在凹弧面结构23的上表面，形成在凹弧面结构23上表面的P型掺杂层的3下表面为与凹弧面结构23相适应的弧形面，形成在凹弧面结构23上表面的P型掺杂层3的上表面为平面，形成在凹弧面结构23上表面的P型掺杂层3与形成在倒圆锥型的N型掺杂层2表面的P型掺杂层3结合为一体。具体而言，倒圆锥型的P型掺杂层3的两边一边高一边低，高的这边的上端表面与P型基底1的上表面平齐，低的这边与形成在凹弧面结构23上表面的P型掺杂层3结合为一体。所述P型掺杂层3的掺杂元素为硼，掺杂浓度为3.0×1016cm-3，掺杂深度0.25μm，能量为E＝60keV，硼的剂量为ND(B)＝1.0×1013cm–2。
一氮化层4，沿着倒圆锥型的P型掺杂层3的轮廓形成在P型掺杂层3的表面以及形成在相互平齐的P型掺杂层3上端面、N型掺杂层2上端面、和P型基底1上表面的表面，并构成倒圆锥型部分41和倒圆锥型部分41上端外围的平面部分42。氮化层4还形成在沉槽12表面的N型掺杂层2上表面。具体是，氮化层4形成在沉槽12表面的N型掺杂层2的平面结构一22和平面结构二24的上表面。氮化层4还形成在凹弧面结构23表面的P型掺杂层3的平面的上表面。
一氧化层5，形成在氮化层4的倒圆锥型部分41和平面部分42的表面，并且氮化层4的倒圆锥型部分41的表面的氧化层5和氮化层4的平面部分42的表面的氧化层5的上表面平齐，氧化层5在氮化层4的倒圆锥型部分41的表面是一个圆锥体结构。
二金属电极6，其中一金属电极6与N型掺杂层2接触，该金属电极6具体是与形成在沉槽12表面的下表面是弧形结构21、上表面是平面结构的N型掺杂层2接触。另一金属电极6与P型掺杂层3接触，该另一金属电极6具体是与形成在凹弧面结构23上表面的P型掺杂层接触。二金属电极6均朝上贯通氮化层4并达到氧化层5表面，二金属电极6分布在倒圆锥型槽11的两相对侧。所述金属电极6分为电极一61和电极二62，分别与N型掺杂层2和P型掺杂层3接触的是电极一61，电极一61朝上贯通氮化层4并达到氧化层5，电极二62嵌入氧化层5内，并且电极二62的下表面与相应的电极一61接触，电极二62的上表面与氧化层5上表面平齐。所述电极一61采用金属钨材质，电极二62采用金属铝或金属铜材质。
图4为倒圆锥形硅阵列发光二极管单元器件和传统的平面结构发光二极管单元器件的光电转换测试结果图，从图中可以看出在同一束光的照射下，在相同的反偏电压下，倒锥形硅阵列发光二极管单元器件吸收光，并转化为电流的值明显高于传统的平面结构。两种结构并列位于Si上，并且相邻很近，大约为5μm，所以可以认为光到达样品表面的总量相同。因此电流的不同主要是不同的结构产生的。测试结果明显表明倒锥形硅阵列结构的光吸收效率明显高于传统平面。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。
Claims (10)
1.一种增强型CMOS传感器发光二极管单元结构，包括：
一P型基底，所述P型基底的上表面开设有一倒圆锥型槽；
一N型掺杂层，沿着倒圆锥型槽的轮廓形成在倒圆锥型槽的表面；
一P型掺杂层，沿着倒圆锥型的N型掺杂层的轮廓形成在N型掺杂层的表面，P型掺杂层的上端面与N型掺杂层的上端面以及P型基底的上表面平齐；
一氮化层，沿着倒圆锥型的P型掺杂层的轮廓形成在P型掺杂层的表面以及形成在相互平齐的P型掺杂层上端面、N型掺杂层上端面、和P型基底上表面的表面，并构成倒圆锥型部分和倒圆锥型部分上端外围的平面部分；
一氧化层，形成在氮化层的倒圆锥型部分和平面部分的表面，并且氮化层的倒圆锥型部分的表面的氧化层和氮化层的平面部分的表面的氧化层的上表面平齐；
二金属电极，其中一金属电极与N型掺杂层接触，另一金属电极与P型掺杂层接触，二金属电极均朝上贯通氮化层并达到氧化层表面，二金属电极分布在倒圆锥型槽的两相对侧；
所述P型基底的上表面开设有一沉槽，倒圆锥型槽开设在沉槽的中部，N型掺杂层还形成在沉槽的表面，并且形成在沉槽表面的N型掺杂层与形成在倒圆锥型槽表面的N型掺杂层结合为一体，氮化层还形成在沉槽表面的N型掺杂层上表面。
2.如权利要求1所述的增强型CMOS传感器发光二极管单元结构，其特征在于：所述沉槽的底壁为弧形结构，形成在沉槽表面的N型掺杂层的下表面为与沉槽底壁相适应的弧形结构，形成在沉槽表面的N型掺杂层的上表面在倒圆锥型槽的一侧为平面结构一，在倒圆锥型槽的另一对侧为凹弧面结构和衔接凹弧面结构的平面结构二，氮化层形成在沉槽表面的N型掺杂层的平面结构一和平面结构二的上表面。
3.如权利要求2所述的增强型CMOS传感器发光二极管单元结构，其特征在于：所述P型掺杂层还形成在凹弧面结构的上表面，形成在凹弧面结构上表面的P型掺杂层的下表面为与凹弧面结构相适应的弧形面，形成在凹弧面结构上表面的P型掺杂层的上表面为平面，形成在凹弧面结构上表面的P型掺杂层与形成在倒圆锥型的N型掺杂层表面的P型掺杂层结合为一体，氮化层还形成在凹弧面结构表面的P型掺杂层的平面的上表面。
4.如权利要求3所述的增强型CMOS传感器发光二极管单元结构，其特征在于：所述的其中一金属电极与形成在沉槽表面的上表面是平面结构的N型掺杂层接触，另一金属电极与形成在凹弧面结构上表面的P型掺杂层接触。
5.如权利要求4所述的增强型CMOS传感器发光二极管单元结构，其特征在于：所述金属电极分为电极一和电极二，分别与N型掺杂层和P型掺杂层接触的是电极一，电极一朝上贯通氮化层并达到氧化层，电极二嵌入氧化层内，并且电极二的下表面与相应的电极一接触，电极二的上表面与氧化层上表面平齐。
6.如权利要求5所述的增强型CMOS传感器发光二极管单元结构，其特征在于：所述电极一采用金属钨材质，电极二采用金属铝或金属铜材质。
7.如权利要求1所述的增强型CMOS传感器发光二极管单元结构，其特征在于：所述倒圆锥型槽的深度为1-3μm，上端开口大小为1.5μm×15μm。
8.如权利要求1所述的增强型CMOS传感器发光二极管单元结构，其特征在于：所述P型基底材料为硅，P型基底材料的厚度为700μm。
9.如权利要求1所述的增强型CMOS传感器发光二极管单元结构，其特征在于：所述N型掺杂层的掺杂元素为砷，掺杂浓度为3.0×1016cm-3，掺杂深度1.5μm，能量为E＝150keV，砷的剂量为ND(As)＝1.3×1013cm–2。
10.如权利要求1所述的增强型CMOS传感器发光二极管单元结构，其特征在于：所述P型掺杂层的掺杂元素为硼，掺杂浓度为3.0×1016cm-3，掺杂深度0.25μm，能量为E＝60keV，硼的剂量为ND(B)＝1.0×1013cm–2。
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Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
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