CN109216388A - 增强图像传感器近红外性能的像素单元结构和形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增强图像传感器近红外性能的像素单元结构，包括：硅衬底；设于硅衬底正面的光电二极管和传输管栅极；设于硅衬底正面下方的层间介质层；设于层间介质层中的金属互连层和金属反射层，金属反射层对应位于光电二极管的下方；金属反射层具有面向光电二极管设置的弧形凹面，弧形凹面用于对自硅衬底背面入射的光线进行聚光，并再次反射至光电二极管中实现光电转换，保证了近红外光在硅衬底里吸收比例的大幅上升，从而实现了对近红外入射光线的有效收集，明显提高了像素单元近红外的量子效率，增强了图像传感器的近红外性能。本发明还公开了一种增强图像传感器近红外性能的像素单元结构的形成方法。

Description

增强图像传感器近红外性能的像素单元结构和形成方法
技术领域
本发明涉及图像传感器技术领域，更具体地，涉及一种增强图像传感器近红外性能的像素单元结构和形成方法。
背景技术
图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置，通常大规模商用的图像传感器芯片包括电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器芯片两大类。
CMOS图像传感器和传统的CCD传感器相比，具有低功耗，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图像传感器的像素单元是图像传感器实现感光的核心器件。最常用的像素单元为包含一个光电二极管和多个晶体管的有源像素结构。这些器件中光电二极管是感光单元，实现对光线的收集和光电转换，其它的MOS晶体管是控制单元，主要实现对光电二极管的选中，复位，信号放大和读出的控制。
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。
为了提高CMOS图像传感器中光电二极管的面积和减少介质层对入射光的损耗，我们可以采用背照式CMOS图像传感器工艺，即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，提高像素单元的灵敏度。
硅材料对入射光的吸收系数随波长的增强而减小。常规像素单元通常使用红、绿、蓝三原色的滤光层。其中蓝光的波长为450纳米，绿光的波长为550纳米，红光的波长为650纳米。因此红光在硅片中的吸收位置最深，而蓝光最浅。蓝光在最靠近硅片表面的位置被吸收，其吸收系数最高；红光进入硅片最深，大约可以进入硅片2.3微米左右，其吸收系数最低；绿光的吸收系数介于蓝光和红光两者之间，而近红外光的吸收需要大于2.3微米的吸收厚度。
一种常规的背照式CMOS图像传感器像素单元的结构如图1所示。其中，在硅衬底10中形成的光电二极管11为像素单元的感光器件，入射光线中的可见光部分通过光电转换形成的电荷在光电二极管中被收集。由于背照式像素单元的硅衬底10厚度通常在3微米左右，而入射光中的近红外部分需要远大于3微米的硅衬底厚度才能被吸收。因此如图1所示，入射光中的近红外部分(近红外入射光线)将直接穿过硅衬底10，然后进入层间介质12。由于半导体工艺中的层间介质12通常使用二氧化硅等透光材料，因此近红外入射光线将直接穿过硅衬底10和层间介质12，无法实现正常的光电转换，因此量子效率极低。
在目前的安防监控、机器视觉和智能交通系统的应用中，夜晚红外补光的光线波长集中在850纳米至940纳米，常规背照式像素单元对这一波段的光线不敏感。
因此，需要设计新的背照式像素单元结构和形成方法，以提高近红外波段的灵敏度，提升产品的夜视效果，以增强图像传感器的近红外性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种增强图像传感器近红外性能的像素单元结构和形成方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种增强图像传感器近红外性能的像素单元结构，包括：
硅衬底；
设于所述硅衬底正面的光电二极管和传输管栅极；
设于所述硅衬底正面下方的层间介质层；
设于所述层间介质层中的金属互连层和金属反射层，所述金属反射层对应位于光电二极管的下方；
其中；所述金属反射层具有面向光电二极管设置的弧形凹面，所述弧形凹面用于对自硅衬底背面入射的光线进行聚光，并再次反射至光电二极管中。
进一步地，所述弧形凹面数量为多个，各所述弧形凹面在所述金属反射层面向光电二极管的表面上水平连续设置。
进一步地，所述弧形凹面数量为1个，并占据所述金属反射层面向光电二极管的整个表面。
进一步地，所述弧形凹面按在垂直方向上将光电二极管完全覆盖设置。
进一步地，所述金属反射层与金属互连层的第一层同层设置。
进一步地，所述金属反射层通过金属互连层引出并接地。
进一步地，还包括：设于所述硅衬底背面上并位于像素之间的金属挡光层。
进一步地，还包括：设于所述硅衬底背面表面和金属挡光层之间的抗反射层。
本发明还提供了一种增强图像传感器近红外性能的像素单元结构的形成方法，包括：
提供一硅衬底，在所述硅衬底的正面形成光电二极管、传输管栅极、悬浮漏极和浅槽隔离；
在所述硅衬底的正面表面淀积层间介质层，在对应光电二极管上方位置的层间介质层中形成具有一至多个弧形凸面底部的沟槽，以及在层间介质层中形成用于制作第一层金属互连层的单大马士革结构；
在具有弧形凸面底部的沟槽和单大马士革结构中进行互连金属的填充和化学机械抛光，形成具有面向光电二极管的弧形凹面的金属反射层和第一层金属互连层结构；
在层间介质层中继续形成通孔和第二层金属互连层；
将所述硅衬底翻转后粘合到载片上，然后对所述硅衬底的背面执行减薄工艺；
在减薄后的所述硅衬底的背面表面淀积抗反射层，以及在抗反射层上形成金属挡光层。
进一步地，形成具有一至多个弧形凸面底部的沟槽的方法，包括：
在所述层间介质层表面涂布光刻胶；
通过曝光，在对应后续形成沟槽的位置形成一至多个第一光刻胶图形；
对第一光刻胶图形进行热处理，使第一光刻胶图形产生收缩，形成具有弧形凸面的第二光刻胶图形；
通过刻蚀，将第二光刻胶图形的弧形形态传递到层间介质层上，在层间介质层中形成具有一至多个弧形凸面底部的沟槽结构。
从上述技术方案可以看出，本发明通过在光电二极管下方设置具有一个或连续多个弧形凹面的金属反射层，通过金属弧形凹面的聚光和反射作用，将穿过硅衬底进入层间介质中的近红外入射光线反射回光电二极管实现光电转换，保证了近红外光在硅衬底里吸收比例的大幅上升，从而实现了对近红外入射光线的有效收集，明显提高了像素单元近红外的量子效率，增强了图像传感器的近红外性能。
附图说明
图1是现有的一种背照式CMOS图像传感器像素单元的结构示意图。
图2是本发明第一较佳实施例的一种增强图像传感器近红外性能的像素单元结构示意图。
图3是本发明第二较佳实施例的一种增强图像传感器近红外性能的像素单元结构示意图。
图4-图10是本发明一较佳实施例的一种增强图像传感器近红外性能的像素单元结构的形成方法的工艺步骤示意图。
图11-图14是本发明一较佳实施例的形成具有多个弧形凸面底部的沟槽的方法的工艺步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图2，图2是本发明第一较佳实施例的一种增强图像传感器近红外性能的像素单元结构示意图。如图2所示，本发明的一种增强图像传感器近红外性能的像素单元结构，是一个建立在硅衬底20上的背照式CMOS图像传感器像素单元结构。其中，在硅衬底20的正面，并位于硅衬底20中设置有CMOS图像传感器像素单元的光电二极管21、悬浮漏极23、浅槽隔离22等结构。在硅衬底20的正面上还设有各MOS晶体管。例如在硅衬底20的正面上还设有传输管的多晶栅极24等结构。
在硅衬底20的正面表面上(硅衬底20正面下方)还设置有层间介质层27。层间介质层27中设置有金属互连层。以使用两层金属互连层30、32的像素单元为例，各层的金属互连层30、32之间通过通孔31进行互连。
其中，光电二极管21是感光单元，实现对光线的收集并负责光电转换，将光子转换为电子；其他的MOS晶体管是控制单元，主要实现对光电二极管21的选中、复位、信号放大和读出的控制，可包括例如传输管、复位管、源极跟随管和行选管等；其中传输管负责将光电二极管21中产生的电子传输到悬浮漏极23，并转换为电压信号输出。浅槽隔离22用于隔离光电二极管21，即用于对像素进行隔离。
请参阅图2。在层间介质层27中还设置有金属反射层29。金属反射层29对应位于光电二极管21的下方；金属反射层29具有面向光电二极管21设置的多个弧形凹面28。弧形凹面28用于对自硅衬底20背面入射的光线进行聚光，并再次反射至光电二极管21中实现光电转换，以保证近红外光在硅衬底20里吸收比例的大幅上升，从而实现对近红外入射光线的有效收集(如图示虚线箭头所指)。
入射光的吸收能力直接和硅衬底收集区域的厚度相关，而近红外光由于波长较长，其吸收的深度远大于常规的蓝绿红三色。为了增强像素单元对近红外光的吸收能力，需要将穿通硅衬底的近红外入射光反射回光电二极管后实现光电转换。
由于常规光电二极管下方为透光的层间介质，无法实现对入射光的反射；因此，本发明在光电二极管21下方增加了具有连续多个弧形凹面28的金属反射层29结构，通过该弧形金属的聚光和反射作用，将近红外入射光线反射回光电二极管21。反射光线进入光电二极管21后发生光电反应，反应产生的电荷被光电二极管21的内建电势收集，形成电信号，从而实现了近红外入射光线的收集，提高了像素单元近红外的量子效率。同时，由于该弧形金属的聚光作用，本发明提供的结构可以更加有效地收集穿过光电二极管21的近红外入射光线。
作为可选的实施方式，各弧形凹面28在金属反射层29面向光电二极管21的表面上可水平排列，并形成连续设置，占据金属反射层29面向光电二极管21的整个表面，以对光线进行最大程度的反射。
请参阅图3，图3是本发明第二较佳实施例的一种增强图像传感器近红外性能的像素单元结构示意图。如图3所示，弧形凹面28的数量也可设置为1个。当弧形凹面28数量为1个时，该弧形凹面28可占据金属反射层29面向光电二极管21的整个表面，以对光线进行最大程度的反射。在结构的其他方面，第二较佳实施例与图2的第一较佳实施例可一致。
为了实现对近红外入射光线的充分反射，用于反射的弧形金属面积(即弧形凹面28面积)需要按在垂直方向上将光电二极管21完全覆盖设置，以充分覆盖光电二极管21，保证穿透光电二极管21的近红外入射光没有可以穿透的间隙。同时，还可尽量增大弧形金属(弧形凹面28)的弧度，使得弧形金属的最外两侧接近硅衬底20的表面，以保证对入射光的充分反射。
请参阅图2和图3。金属反射层29与金属互连层的第一层(第一金属互连层)30可同层设置。
同时，为了避免金属反射层29因光线照射产生寄生电荷，并影响到光电二极管21的正常工作，可将金属反射层29通过金属互连层引出并接地。
此外，在硅衬底20的背面上并位于像素之间还可设置金属挡光层25；每个金属挡光结构25在对应光电二极管21的上方形成开口，以便引导光线从该开口进入并照射至光电二极管21。
根据需要，在硅衬底20的背面表面和金属挡光层25之间还可设置抗反射层26。
下面通过具体实施方式及附图，对本发明的一种增强图像传感器近红外性能的像素单元结构的形成方法进行详细说明。
请参阅图4-图10，图4-图10是本发明一较佳实施例的一种增强图像传感器近红外性能的像素单元结构的形成方法的工艺步骤示意图。如图4-图10所示，本发明的一种增强图像传感器近红外性能的像素单元结构的形成方法，可用于形成上述的增强图像传感器近红外性能的像素单元结构，并可包括以下步骤：
以使用两层金属互连层30、32以及具有连续多个弧形凹面28的金属反射层29的像素单元结构(请参考图2)为例，首先，如图4所示，提供一硅衬底20，可使用CMOS图像传感器工艺流程，在硅衬底20的正面形成光电二极管21、传输管多晶栅极24、悬浮漏极23和浅槽隔离22等结构。
然后，如图4所示，在硅衬底20的正面表面淀积层间介质层27。
接着，如图5所示，通过光刻和刻蚀，在对应光电二极管21上方位置的层间介质层27中形成具有多个连续弧形凸面底部34的沟槽33。其中，沟槽33在整体宽度上需要完全覆盖光电二极管21区域，且沟槽33的两侧可尽量接近硅衬底20表面。
请参阅图11-图14，图11-图14是本发明一较佳实施例的形成具有多个弧形凸面底部的沟槽的方法的工艺步骤示意图。如图11-图14所示，上述形成具有多个弧形凸面底部34的沟槽33的方法，具体可包括：
如图11所示，第一步，在层间介质层27表面涂布光刻胶37。
如图12所示，第二步，通过光刻的曝光，在对应后续形成沟槽33的位置上形成多个并列排布的第一光刻胶图形38；即通过曝光将位于后续各弧形凸面相接部位的部分光刻胶37去除，形成一个个独立的第一光刻胶图形38。
如图13所示，第三步，对第一光刻胶图形进行热处理；通过热处理，使第一光刻胶图形产生收缩，并收缩成弧形，形成多个具有弧形凸面的第二光刻胶图形；
如图14所示，第四步，通过刻蚀，将光刻后形成的第二光刻胶图形的弧形形态传递到层间介质层27上，从而在层间介质层27中形成具有多个连续弧形凸面底部34的沟槽33结构。
接着，如图6所示，采用大马士革工艺，通过光刻和刻蚀，在层间介质层27中沟槽33以外的像素对应位置，形成用于制作第一层金属互连层(第一金属互连层)30的单大马士革结构35。
在上述形成具有多个弧形凸面底部34的沟槽33过程中，弧形沟槽33距离层间介质层27底部的距离，取决于第四步中对层间介质层27介质膜的刻蚀量，刻蚀量越多，则沟槽33离硅衬底20越近，其防漏光效果就越好。
需要形成具有1个弧形凸面底部的沟槽(用于形成具有1个弧形凹面28的金属反射层29)时，请参照上述的方法来实现，区别仅在于只需在沟槽位置先形成1个第一光刻胶图形即可。
随后，如图7所示，在具有多个弧形凸面底部34的沟槽33中和单大马士革结构35中，进行互连金属的填充，例如金属铜的电镀，并在填充后进行化学机械抛光平坦化，最终形成面向光电二极管21并具有多个弧形凹面28的金属反射层29和第一层金属互连层30结构。
然后，如图8所示，可使用常规CMOS金属互连工艺，在第一层金属互连层30结构上方的层间介质层27中，继续形成通孔31和第二层金属互连层(第二金属互连层)32。其中，通孔31用于第一层金属互连层30与第二层金属互连层32的连接。
接着，如图9所示，将硅衬底20翻转后粘合到载片36上，然后对硅衬底20的背面执行减薄工艺。减薄后的硅衬底20厚度在3微米左右。
最后，如图10所示，使用背照工艺，在减薄后的硅衬底20的背面表面淀积抗反射层26，以及通过铝、钨和铜等金属材料的淀积，光刻、刻蚀等工艺过程，在抗反射层26上形成金属挡光层25。
综上所述，本发明通过在光电二极管下方设置具有一个或连续多个弧形凹面的金属反射层，通过金属弧形凹面的聚光和反射作用，将穿过硅衬底进入层间介质中的近红外入射光线反射回光电二极管实现光电转换，保证了近红外光在硅衬底里吸收比例的大幅上升，从而实现了对近红外入射光线的有效收集，明显提高了像素单元近红外的量子效率，增强了图像传感器的近红外性能。
以上仅为本发明的优选实施例，实施例并非用以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的保护范围内。

Claims (10)

1.一种增强图像传感器近红外性能的像素单元结构，其特征在于，包括：
硅衬底；
设于所述硅衬底正面的光电二极管和传输管栅极；
设于所述硅衬底正面下方的层间介质层；
设于所述层间介质层中的金属互连层和金属反射层，所述金属反射层对应位于光电二极管的下方；
其中；所述金属反射层具有面向光电二极管设置的弧形凹面，所述弧形凹面用于对自硅衬底背面入射的光线进行聚光，并再次反射至光电二极管中。
2.根据权利要求1所述的增强图像传感器近红外性能的像素单元结构，其特征在于，所述弧形凹面数量为多个，各所述弧形凹面在所述金属反射层面向光电二极管的表面上水平连续设置。
3.根据权利要求1所述的增强图像传感器近红外性能的像素单元结构，其特征在于，所述弧形凹面数量为1个，并占据所述金属反射层面向光电二极管的整个表面。
4.根据权利要求1所述的增强图像传感器近红外性能的像素单元结构，其特征在于，所述弧形凹面按在垂直方向上将光电二极管完全覆盖设置。
5.根据权利要求1所述的增强图像传感器近红外性能的像素单元结构，其特征在于，所述金属反射层与金属互连层的第一层同层设置。
6.根据权利要求1所述的增强图像传感器近红外性能的像素单元结构，其特征在于，所述金属反射层通过金属互连层引出并接地。
7.根据权利要求1所述的增强图像传感器近红外性能的像素单元结构，其特征在于，还包括：设于所述硅衬底背面上并位于像素之间的金属挡光层。
8.根据权利要求7所述的增强图像传感器近红外性能的像素单元结构，其特征在于，还包括：设于所述硅衬底背面表面和金属挡光层之间的抗反射层。
9.一种增强图像传感器近红外性能的像素单元结构的形成方法，其特征在于，包括：
提供一硅衬底，在所述硅衬底的正面形成光电二极管、传输管栅极、悬浮漏极和浅槽隔离；
在所述硅衬底的正面表面淀积层间介质层，在对应光电二极管上方位置的层间介质层中形成具有一至多个弧形凸面底部的沟槽，以及在层间介质层中形成用于制作第一层金属互连层的单大马士革结构；
在具有弧形凸面底部的沟槽和单大马士革结构中进行互连金属的填充和化学机械抛光，形成具有面向光电二极管的弧形凹面的金属反射层和第一层金属互连层结构；
在层间介质层中继续形成通孔和第二层金属互连层；
将所述硅衬底翻转后粘合到载片上，然后对所述硅衬底的背面执行减薄工艺；
在减薄后的所述硅衬底的背面表面淀积抗反射层，以及在抗反射层上形成金属挡光层。
10.根据权利要求9所述的增强图像传感器近红外性能的像素单元结构的形成方法，其特征在于，形成具有一至多个弧形凸面底部的沟槽的方法，包括：
在所述层间介质层表面涂布光刻胶；
通过曝光，在对应后续形成沟槽的位置形成一至多个第一光刻胶图形；
对第一光刻胶图形进行热处理，使第一光刻胶图形产生收缩，形成具有弧形凸面的第二光刻胶图形；
通过刻蚀，将第二光刻胶图形的弧形形态传递到层间介质层上，在层间介质层中形成具有一至多个弧形凸面底部的沟槽结构。
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