CN110190077A - 背照式图像传感器、像素单元及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种背照式图像传感器、像素单元及其制备方法，包括：位于第一半导体基底中的蓝光、绿光及红光吸收结构；位于红外光基底中的红外光吸收结构；位于第二半导体基底中的第一存储区、第二存储区、第三存储区及第四存储区；第一连接插塞、第二连接插塞、第三连接插塞及第四连接插塞；通过金属互联层电连接的逻辑电路结构。通过设计红外光吸收结构，可选择性捕获可见光辐射(蓝光、绿光及红光)及红外光辐射，可大幅提升图像传感器在多种场景下的成像需求，提高图像传感器的成像质量，同时将四种光的捕获结构集成于同一像素单元，有效降低像素单元的体积，提高图像传感器的集成度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别是涉及一种背照式图像传感器、像素单元及其制备方法。
背景技术
所谓图像传感器，是指将光信号转换为电信号的装置。按照其依据的原理不同，可以区分为CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合元件)图像传感器以及CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件)图像传感器。由于CMOS图像传感器是采用传统的CMOS电路工艺制作，因此可将图像传感器以及其所需要的外围电路加以整合，从而使得CMOS图像传感器具有更广泛的应用前景。
按照接受光线的位置的不同，CMOS图像传感器可以分为前照式图像传感器和背照式图像传感器。与前照式图像传感器相比，背照式图像传感器的优化之处是改变了元件内部的结构，即将感光层的元件入射光路调转方向，让光线从背面直射进去，避免了在前照式图像传感器中，光线会受到微透镜和光电二极管之间的结构和厚度的影响，提高了光纤接收的效能。因此，随着图像传感技术的发展，CMOS背照式图像传感器越来越多地取代CCD背照式图像传感器应用于各类电子产品中。
目前主流的背照式图像传感器设计多采用红、蓝、绿滤光片去过滤采集可见光图像，常规光照条件下可满足需求，但是在暗光条件下，图像传感器的性能受到影响，成像效果不佳。为了提高暗光下背照式图像传感器的成像效果，有必要设计一种可选择性捕获可见光辐射和红外光辐射的背照式图像传感器，以满足图像传感器在多种场景下的成像需求。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种背照式图像传感器、像素单元及其准备方法，用于解决现有技术中背照式图像传感器在低光照条件下，成像效果不佳等的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种背照式图像传感器像素单元，包括：
第一半导体基底，具有相对的第一面和第二面；
位于所述第一半导体基底中，并沿所述第二面指向所述第一面的方向依次层叠的蓝光吸收结构、绿光吸收结构及红光吸收结构；
红外光基底，位于所述第一半导体基底的所述第一面上；
位于所述红外光基底中的红外光吸收结构；
所述蓝光吸收结构用于吸收蓝光，并将其转换为蓝光电信号，所述绿光吸收结构用于吸收绿光，并将其转换为绿光电信号，所述红光吸收结构用于吸收红光，并将其转换为红光电信号，所述红外光吸收结构用于吸收红外光，并将其转换为红外光电信号；
第二半导体基底，位于所述红外光基底表面上；
位于所述第二半导体基底中的第一存储区、第二存储区、第三存储区及第四存储区；
第一连接插塞，同时电连接所述第一存储区与所述蓝光吸收结构，用于将所述蓝光电信号传输至所述第一存储区；
第二连接插塞，同时电连接所述第二存储区与所述绿光吸收结构，用于将所述绿光电信号传输至所述第二存储区；
第三连接插塞，同时电连接所述第三存储区与所述红光吸收结构，用于将所述红光电信号传输至所述第三存储区；
第四连接插塞，同时电连接所述第四存储区与所述红外光吸收结构，用于将所述红外光电信号传输至所述第四存储区；
逻辑电路结构，经由金属互连层与所述第一存储区、第二存储区、第三存储区及第四存储区电连接，实现所述蓝光电信号、绿光电信号、红光电信号及红外光电信号的读出。
可选地，所述红外光基底包括锗基底或锗硅基底。
可选地，所述蓝光吸收结构与所述绿光吸收结构之间、所述绿光吸收结构与所述红光吸收结构之间及所述红光吸收结构与所述红外光吸收结构之间具有绝缘层。
进一步地，所述绝缘层的材料包括二氧化硅。
可选地，所述第一连接插塞贯穿所述绿光吸收结构、所述红光吸收结构及所述红外光吸收结构；所述第二连接插塞贯穿所述红光吸收结构及所述红外光吸收结构；所述第三连接插塞贯穿所述红外光吸收结构。
进一步地，所述第一连接插塞、所述第二连接插塞、所述第三连接插塞及所述第四连接插塞均包括：
连接沟槽；
线性隔离层，覆盖所述连接沟槽的内壁；
填充材料，填充于所述连接沟槽内，所述线性隔离层位于所述填充材料与所述连接沟槽的内壁之间。
进一步地，所述线性隔离层的材料包括二氧化硅，所述填充材料包括多晶硅。
可选地，所述逻辑电路结构位于所述第二半导体基底中。
可选地，所述背照式图像传感器像素单元还包括：
第三半导体基底；
所述逻辑电路结构位于所述第三半导体基底中；
所述金属互连层包括第一金属互连层及第二金属互连层，其中，所述第一金属互连层与所述第一存储区、第二存储区、第三存储区及第四存储区电连接，所述第二金属互连层与所述逻辑电路结构电连接，所述第一金属互连层与所述第二金属互连层电连接。
可选地，所述背照式图像传感器像素单元还包括：位于所述第一半导体基底的所述第二面上的抗反射层及位于所述抗反射层上的微透镜。
可选地，所述第一半导体基底的材料包括硅，所述第二半导体基底的材料包括硅。
本发明还提供一种背照式图像传感器像素单元的制备方法，包括如下步骤：
提供第一半导体基底，所述第一半导体基底具有相对的第一面和第二面；
于所述第一半导体基底中，并沿所述第二面指向所述第一面的方向依次形成蓝光吸收结构、绿光吸收结构及红光吸收结构；
于所述第一半导体基底的所述第一面上形成红外光基底；
于所述红外光基底中形成红外光吸收结构；
所述蓝光吸收结构用于吸收蓝光，并将其转换为蓝光电信号，所述绿光吸收结构用于吸收绿光，并将其转换为绿光电信号，所述红光吸收结构用于吸收红光，并将其转换为红光电信号，所述红外光吸收结构用于吸收红外光，并将其转换为红外光电信号；
于所述红外光基底表面上形成第二半导体基底；
形成第一连接插塞、第二连接插塞、第三连接插塞及第四连接插塞；
于所述第二半导体基底中形成第一存储区、第二存储区、第三存储区及第四存储区；
所述第一连接插塞同时电连接所述第一存储区与所述蓝光吸收结构，以将所述蓝光电信号传输至所述第一存储区，所述第二连接插塞同时电连接所述第二存储区与所述绿光吸收结构，以将所述绿光电信号传输至所述第二存储区，所述第三连接插塞同时电连接所述第三存储区与所述红光吸收结构，以将所述红光电信号传输至所述第三存储区，所述第四连接插塞同时电连接所述第四存储区与所述红外光吸收结构，以将所述红外光电信号传输至所述第四存储区；
形成逻辑电路结构，所述逻辑电路结构经由金属互连层与所述第一存储区、第二存储区、第三存储区及第四存储区电连接，实现所述蓝光电信号、绿光电信号、红光电信号及红外光电信号的读出。
可选地，所述红外光基底包括锗基底或锗硅基底。
可选地，还包括步骤：于所述蓝光吸收结构与所述绿光吸收结构之间、所述绿光吸收结构与所述红光吸收结构之间及所述红光吸收结构与所述红外光吸收结构之间形成绝缘层。
进一步地，采用离子注入的方式形成所述蓝光吸收结构、绿光吸收结构、红光吸收结构、红外光吸收结构及绝缘层。
可选地，所述第一连接插塞贯穿所述绿光吸收结构、所述红光吸收结构及所述红外光吸收结构；所述第二连接插塞贯穿所述红光吸收结构及所述红外光吸收结构；所述第三连接插塞贯穿所述红外光吸收结构。
进一步地，所述第一连接插塞、第二连接插塞、第三连接插塞及第四连接插塞的形成方法包括：
形成连接沟槽；
形成线性隔离层，所述线性隔离层覆盖所述连接沟槽的内壁；
将填充材料填充于所述连接沟槽内，所述线性隔离层位于所述填充材料与所述连接沟槽的内壁之间。
可选地，所述逻辑电路结构形成于所述第二半导体基底中。
可选地，还包括步骤：
提供第三半导体基底；
于所述第三半导体基底中形成所述逻辑电路结构；
所述金属互联层包括第一金属互连层及第二金属互连层，其中，所述第一金属互连层与所述第一存储区、第二存储区、第三存储区及第四存储区电连接，所述第二金属互连层与所述逻辑电路结构电连接；
将所述第一金属互连层与所述第二金属互连层邦定电连接。
可选地，所述背照式图像传感器像素单元还包括：位于所述第一半导体基底的所述第二面上的抗反射层及位于所述抗反射层上的微透镜。
本发明还提供一种背照式图像传感器，所述背照式图像传感器包括至少一个如上所述的背照式图像传感器像素单元。
如上所述，本发明的背照式图像传感器、像素单元及其制备方法，通过设计红外光吸收结构，可选择性捕获可见光辐射(蓝光、绿光及红光)及红外光辐射，可大幅提升图像传感器在多种场景下的成像需求，提高图像传感器的成像质量，同时将四种光的捕获结构集成于同一像素单元，有效降低像素单元的体积，提高图像传感器的集成度。
附图说明
图1显示为本发明的背照式图像传感器像素单元一实施例的结构示意图。
图2显示为本发明的背照式图像传感器像素单元另一实施例的结构示意图。
图3显示为本发明的背照式图像传感器像素单元制备方法的流程图。
图4至图14为图3所示背照式图像传感器像素单元制备方法过程中各步骤对应的结构示意图。
元件标号说明
10 第一半导体基底
10a 第一面
10b 第二面
20 红外光基底
21 蓝光吸收结构
22 绿光吸收机构
23 红光吸收结构
24 红外光吸收结构
25 绝缘层
30 第二半导体基底
31 第一存储区
32 第二存储区
33 第三存储区
34 第四存储区
35 隔离结构
41 第一连接插塞
410 线性隔离层
411 填充材料
42 第二连接插塞
43 第三连接插塞
44 第四连接插塞
50 第三半导体基底
51 逻辑电路结构
52 金属互连层
520 第一金属互连层
521 第二金属互连层
53 抗反射层
54 微透镜
55 钝化层
S1～S8 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图14。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1及图2所示，本实施例提供一种背照式图像传感器像素单元，所述背照式图像传感器像素单元至少包括：
第一半导体基底10，具有相对的第一面10a和第二面10b；
位于所述第一半导体基底10中，并沿所述第二面10b指向所述第一面10a的方向依次层叠的蓝光吸收结构21、绿光吸收结构22及红光吸收结构23；
红外光基底20，位于所述第一半导体基底10的所述第一面10a上，红外光可在所述红外光基底20中激发出红外光电子；
位于所述红外光基底20中的红外光吸收结构24；
所述蓝光吸收结构21用于吸收蓝光，并将其转换为蓝光电信号，所述绿光吸收结构22用于吸收绿光，并将其转换为绿光电信号，所述红光吸收结构23用于吸收红光，并将其转换为红光电信号，所述红外光吸收结构24用于吸收红外光，并将其转换为红外光电信号；
第二半导体基底30，位于所述红外光基底20表面上；
位于所述第二半导体基底30中的第一存储区31、第二存储区32、第三存储区33及第四存储区34；
第一连接插塞41，同时电连接所述第一存储区31与所述蓝光吸收结构21，用于将所述蓝光电信号传输至所述第一存储区31；
第二连接插塞42，同时电连接所述第二存储区32与所述绿光吸收结构22，用于将所述绿光电信号传输至所述第二存储区32；
第三连接插塞43，同时电连接所述第三存储区33与所述红光吸收结构23，用于将所述红光电信号传输至所述第三存储区33；
第四连接插塞44，同时电连接所述第四存储区34与所述红外光吸收结构24，用于将所述红外光电信号传输至所述第四存储区34；
逻辑电路结构51，经由金属互连层52与所述第一存储区31、第二存储区32、第三存储区33及第四存储区34电连接，实现所述蓝光电信号、绿光电信号、红光电信号及红外光电信号的读出。
图1及图2中箭头方向表示光线射入所述背照式图像传感器像素单元的方向。一般情况下，背照式图像传感器中具有至少一个所述背照式图像传感器像素单元，相邻所述背照式图像传感器像素单元之间通过隔离结构进行隔离，以避免相邻像素单元之间的电性串扰。当光线自外界射入所述背照式图像传感器像素单元后，不同波长的光线在所述蓝光吸收结构21、绿光吸收结构22、红光吸收结构23及红外光吸收结构24构成的叠层结构中的不同深度位置被吸收并产生相应的光电子并通过相应的连接插塞将所述相应的光电子传输至相应的存储区，具体地，所述蓝光吸收结构21吸收蓝光产生蓝光光电子并通过所述第一连接插塞41将所述蓝光光电子传输至所述第一存储区31、所述绿光吸收结构22吸收绿光产生绿光光电子并通过所述第二连接插塞42将所述绿光光电子传输至所述第二存储区32、所述红光吸收结构23吸收红光产生红光光电子并通过所述第三连接插塞43将所述红光光电子传输至所述第三存储区33、所述红外光吸收结构24吸收红外光产生红外光光电子并通过所述第四连接插塞44将所述红外光光电子传输至所述第四存储区34，最后通过所述金属互连层52将存储于相应的存储区的光电子传输至所述逻辑电路结构51，从而实现对所述蓝光电信号、绿光电信号、红光电信号及红外光电信号的读出。本实施例通过设计红外光吸收结构，可选择性捕获可见光辐射(蓝光、绿光及红光)及红外光辐射，可大幅提升图像传感器在多种场景下的成像需求，提高图像传感器的成像质量，同时将四种光的捕获结构集成于同一像素单元，有效降低像素单元的体积，提高图像传感器的集成度。
作为示例，所述第一半导体基底10及所述第二半导体基底30可以为硅，或者还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟等适于制备图像传感器的材料。本实施例优选所述第一半导体基底10为硅，所述第二半导体基底30为硅。
作为示例，所述红外光基底20可以是禁带宽度较窄的材料，当红外光入射至形成于所述红外光基底20中的光吸收结构中时可以激发出红外光电子。由于红外光的波长较长，频率较低，所以光能量较低，不易在禁带宽度较大的材料中(例如硅)激发出红外光电子。本实施例优选所述红外光基底20为锗基底或锗硅基底。
作为示例，所述蓝光吸收结构21与所述绿光吸收结构22之间、所述绿光吸收结构22与所述红光吸收结构23之间及所述红光吸收结构23与所述红外光吸收结构24之间具有绝缘层25，以有效防止四层不同光吸收结构之间产生光电子干扰。所述绝缘层25可以为任何适于电隔离的材料，本实施例优选所述绝缘层25为二氧化硅。
作为示例，所述第一连接插塞41贯穿所述绿光吸收结构22、所述红光吸收结构23及所述红外光吸收结构24；所述第二连接插塞42贯穿所述红光吸收结构23及所述红外光吸收结构24；所述第三连接插塞43贯穿所述红外光吸收结构24。相应地，所述第一连接插塞41、所述第二连接插塞42、所述第三连接插塞43及所述第四连接插塞44均包括：连接沟槽；覆盖所述连接沟槽的内壁的线性隔离层410；填充于所述连接沟槽内的填充材料411，所述线性隔离层410位于所述填充材料411与所述连接沟槽的内壁之间。所述线性隔离层410的作用是防止光电子向其他光吸收结构迁移，使光电子沿着填充材料411的方向运动，所以所述线性隔离层140可以是任何适合的绝缘材料，本实施例优选所述线性隔离层410为二氧化硅，所述填充材料411为多晶硅。
如图1所示，作为示例，所述逻辑电路结构51位于所述第二半导体基底30中。这里需要说明的是，本发明中不具体限制所述逻辑电路结构51的具体形式，只要能实现对光电子的读出功能即可。例如，可以是现有常见的3T APS像素电路或4T APS像素电路或者其他。本实施例优选所述逻辑电路结构51为4T APS像素电路，所述逻辑电路结构51包括复位晶体管、源跟随器晶体管及行选晶体管，所述4T APS像素电路的具体结构为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。另外，所述第一半导体基底10与所述红外光基底20的留白区域用于制备图像传感器像素单元的其他逻辑电路，以实现对读出信号的运算控制等功能。
如图2所示，作为另一示例，所述背照式图像传感器像素单元还包括第三半导体基底50，所述逻辑电路结构51位于所述第三半导体基底50中，所述金属互联层52包括第一金属互连层520及第二金属互连层521，其中，所述第一金属互连层521与所述第一存储区31、第二存储区32、第三存储区33及第四存储区34电连接，所述第二金属互连层521与所述逻辑电路结构51电连接，所述第一金属互连层520与所述第二金属互连层521电连接。
这里需要说明的是，由于实现光电子信号读出的所述逻辑电路结构51及实现对读出信号的运算控制等功能的其他逻辑电路均设置于所述第三半导体基底50中，所以所述蓝光吸收结构21、绿光吸收结构22、红光吸收结构23及红外光吸收结构24可设置于整个所述第一半导体基底10及红外光基底20中。
作为示例，所述第一存储区31、第二存储区32、第三存储区33及第四存储区34相互之间设置隔离结构35，以避免相邻存储区之间的相互干扰。同理，在所述逻辑电路结构51中相应设置隔离结构35，避免不同电路之间的串扰。
作为示例，所述背照式图像传感器像素单元还包括：位于所述第一半导体基底10的所述第二面10b上的抗反射层53及位于所述抗反射层53上的微透镜54。
如图1所示，作为示例，所述金属互连层52的表面上形成有钝化层55。如图2所示，作为示例，所述第三半导体基底50的表面上形成有钝化层55。
如图3所示，本实施例还提供一种背照式图像传感器像素单元的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：提供第一半导体基底，所述第一半导体基底具有相对的第一面和第二面；
步骤S2：于所述第一半导体基底中，并沿所述第二面指向所述第一面的方向依次形成蓝光吸收结构、绿光吸收结构及红光吸收结构；
步骤S3：于所述第一半导体基底的所述第一面上形成红外光基底；
步骤S4：于所述红外光基底中形成红外光吸收结构；
所述蓝光吸收结构用于吸收蓝光，并将其转换为蓝光电信号，所述绿光吸收结构用于吸收绿光，并将其转换为绿光电信号，所述红光吸收结构用于吸收红光，并将其转换为红光电信号，所述红外光吸收结构用于吸收红外光，并将其转换为红外光电信号；
步骤S5：于所述红外光基底表面上形成第二半导体基底；
步骤S6：形成第一连接插塞、第二连接插塞、第三连接插塞及第四连接插塞；
步骤S7：于所述第二半导体基底中形成第一存储区、第二存储区、第三存储区及第四存储区；
所述第一连接插塞同时电连接所述第一存储区与所述蓝光吸收结构，以将所述蓝光电信号传输至所述第一存储区，所述第二连接插塞同时电连接所述第二存储区与所述绿光吸收结构，以将所述绿光电信号传输至所述第二存储区，所述第三连接插塞同时电连接所述第三存储区与所述红光吸收结构，以将所述红光电信号传输至所述第三存储区，所述第四连接插塞同时电连接所述第四存储区与所述红外光吸收结构，以将所述红外光电信号传输至所述第四存储区；
步骤S8：形成逻辑电路结构，所述逻辑电路结构经由金属互连层与所述第一存储区、第二存储区、第三存储区及第四存储区电连接，实现所述蓝光电信号、绿光电信号、红光电信号及红外光电信号的读出。
为使本实施例的制备方法更为明显易懂，下面结合附图对本实施例的制备方法做详细说明。
图4至图14为本实施例所述的背照式图像传感器像素单元制备方法过程中各步骤对应的结构示意图。
如图3及图4所示，首先进行步骤S1，提供第一半导体基底10，所述第一半导体基底10具有相对的第一面10a和第二面10b。
作为示例，所述第一半导体基底10可以为硅，或者还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟等适于制备图像传感器的材料。本实施例优选所述第一半导体基底10为硅。
如图3及图5所示，接着进行步骤S2，于所述第一半导体基底10中，并沿所述第二面10b指向所述第一面10a的方向依次形成蓝光吸收结构21、绿光吸收结构22及红光吸收结构23。
作为示例，采用离子注入的方式形成所述蓝光吸收结构21、绿光吸收结构22及红光吸收结构23。本发明中不限定所述蓝光吸收结构21、绿光吸收结构22及红光吸收结构23的形成顺序。本实施例采用正常的形成顺序，即由深到浅(蓝光吸收结构21、绿光吸收结构22及红光吸收结构23)，三层吸收结构使用同一道光罩，多步离子注入完成。
作为示例，为了有效防止四层不同光吸收结构之间产生光电子干扰，所述蓝光吸收结构21与所述绿光吸收结构22之间、所述绿光吸收结构22与所述红光吸收结构23之间及所述红光吸收结构23与所述红外光吸收结构24之间形成绝缘层25。所述绝缘层25可以为任何适于电隔离的材料，本实施例优选所述绝缘层25为二氧化硅。形成上述三层吸收结构后，再通过采用离子注入方式向所述第一半导体基底10中植入氧离子，形成二氧化硅绝缘层25。所述绝缘层25的厚度优选之间。
如图3及图6所示，进行步骤S3，于所述第一半导体基底10的所述第一面10a上形成红外光基底20。
作为示例，可以采用现有任意的外延生长方法形成所述红外光基底20。本实施例中优选采用原子层沉积(Atomic Layer Depositon，ALD)工艺形成所述红外光基底20，由于ALD工艺通常用于进行原子尺寸可控的薄膜生长，对所述红外光基底20的均匀度控制更好，因此后续在所述红外光基底20中形成的红外光吸收结构的性能更佳。
作为示例，所述红外光基底20可以是禁带宽度较窄的材料，当红外光入射至形成于所述红外光基底20中的光吸收结构中时可以激发出红外光电子。由于红外光的波长较长，频率较低，所以光能量较低，不易在禁带宽度较大的材料中(例如硅)激发出红外光电子。本实施例优选所述红外光基底20为锗基底或锗硅基底。
如图3及图7所示，进行步骤S4，于所述红外光基底20中形成红外光吸收结构24。作为示例，采用离子注入的方式形成所述红外光吸收结构24。
所述蓝光吸收结构21用于吸收蓝光，并将其转换为蓝光电信号，所述绿光吸收结构22用于吸收绿光，并将其转换为绿光电信号，所述红光吸收结构23用于吸收红光，并将其转换为红光电信号，所述红外光吸收结构24用于吸收红外光，并将其转换为红外光电信号。
如图3及图8所示，进行步骤S5，于所述红外光基底20表面上形成第二半导体基底30。
作为示例，所述第二半导体基底30可以为硅，或者还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟等适于制备图像传感器的材料。本实施例优选所述第二半导体基底30为硅。可以采用现有任意的外延生长方法形成所述第二半导体基底30。本实施例中优选采用原子层沉积(Atomic Layer Depositon，ALD)工艺形成所述第二半导体基底30。
作为示例，为避免后续在所述第二半导体基底30形成的器件之间的相互干扰，于所述第二半导体基底30中预设若干个隔离结构35。可以采用任意现有的沟槽隔离方法形成所述隔离结构35为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。
如图3及图9所示，进行步骤S6，形成第一连接插塞41、第二连接插塞42、第三连接插塞43及第四连接插塞44。
如图1及图2所示，作为示例，所述第一连接插塞41贯穿所述绿光吸收结构22、所述红光吸收结构23及所述红外光吸收结构24；所述第二连接插塞42贯穿所述红光吸收结构23及所述红外光吸收结构24；所述第三连接插塞43贯穿所述红外光吸收结构24。形成所述第一连接插塞41、所述第二连接插塞42、所述第三连接插塞43及所述第四连接插塞44的方法包括：形成连接沟槽；形成线性隔离层410，所述线性隔离层410，覆盖所述连接沟槽的内壁；将填充材料411填充于所述连接沟槽内，所述线性隔离层410位于所述填充材料411与所述连接沟槽的内壁之间。所述线性隔离层410的作用是防止光电子向其他光吸收结构迁移，使光电子沿着填充材料411的方向运动，所以所述线性隔离层140可以是任何适合的绝缘材料，本实施例优选所述线性隔离层410为二氧化硅，所述填充材料411为多晶硅。
如图3及图10所示，进行步骤S7，于所述第二半导体基底30中形成第一存储区31、第二存储区32、第三存储区33及第四存储区34，其中，所述第一连接插塞41同时电连接所述第一存储区31与所述蓝光吸收结构21，以将所述蓝光电信号传输至所述第一存储区31，所述第二连接插塞42同时电连接所述第二存储区32与所述绿光吸收结构22，以将所述绿光电信号传输至所述第二存储区32，所述第三连接插塞43同时电连接所述第三存储区33与所述红光吸收结构23，以将所述红光电信号传输至所述第三存储区33，所述第四连接插塞44同时电连接所述第四存储区34与所述红外光吸收结构24，以将所述红外光电信号传输至所述第四存储区34。
这里需要说明的是，本实施例中不具体限制各存储区的具体形式，只要能实现对光电子的存储功能即可。例如，可以是现有常见的3T APS像素电路或4T APS像素电路或者其他。本实施例优选为4T APS像素电路，所述第一存储区31、第二存储区32、第三存储区33及第四存储区34中均包括传输晶体管及浮置扩散区实现对相应光电子的存储。
如图3、图11至图14所示，进行步骤S8，形成逻辑电路结构51，所述逻辑电路结构51经由金属互连层52与所述第一存储区31、第二存储区32、第三存储区33及第四存储区34电连接，实现所述蓝光电信号、绿光电信号、红光电信号及红外光电信号的读出。
这里需要说明的是，本发明中不具体限制所述逻辑电路结构51的具体形式，只要能实现对光电子的读出功能即可。例如，可以是现有常见的3T APS像素电路或4T APS像素电路或者其他。本实施例优选所述逻辑电路结构51为4T APS像素电路，所述逻辑电路结构51包括复位晶体管、源跟随器晶体管及行选晶体管，所述4T APS像素电路的具体结构为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。
如图11所示，作为示例，所述逻辑电路结构51形成于所述第二半导体基底30中。所述金属互连层52形成于所述第二半导体基底30的表面，实现相应结构的电连接。
后续工艺还包括对所述第一半导体基底10进行减薄及平坦化至预设厚度等工艺，最后于所述金属互连层52的表面上形成钝化层55。
如图12所示，作为示例，还包括于所述第一半导体基底10的所述第二面10b上依次形成抗反射层53及微透镜54。
如图13a～13c所示，作为示例，形成所述逻辑电路结构51的方法包括：
如图13a所示，提供第三半导体基底50。所述第三半导体基底50可以为硅，或者还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟等适于制备图像传感器的材料。本实施例优选所述第一半导体基底50为硅；
如图13b所示，于所述第三半导体基底50中形成所述逻辑电路结构51；
其中，所述金属互连层52包括第一金属互连层520及第二金属互连层521，其中，所述第一金属互连层520与所述第一存储区31、第二存储区32、第三存储区33及第四存储区34电连接，所述第二金属互连层521与所述逻辑电路结构51电连接；
如图13c所示，将所述第一金属互连层520与所述第二金属互连层521邦定电连接。
这里需要说明的是，形成所述各光吸收结构、所述各存储区及形成所述逻辑电路结构51之间没有顺序限制，即可以在形成所述各光吸收结构、所述各存储区的同时形成所述逻辑电路结构51，也可以先后形成，可根据生产工艺的具体情况确定。
后续工艺还包括对所述第一半导体基底10进行减薄及平坦化至预设厚度等工艺，最后于所述第三半导体50的表面上形成钝化层55。
如图14所示，作为示例，还包括于所述第一半导体基底10的所述第二面10b上依次形成抗反射层53及微透镜54。
综上所述，本发明的背照式图像传感器像素单元及其制备方法，通过设计红外光吸收结构，可选择性捕获可见光辐射(蓝光、绿光及红光)及红外光辐射，可大幅提升图像传感器在多种场景下的成像需求，提高图像传感器的成像质量，同时将四种光的捕获结构集成于同一像素单元，有效降低像素单元的体积，提高图像传感器的集成度。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (21)
1.一种背照式图像传感器像素单元，其特征在于，所述背照式图像传感器像素单元至少包括：
第一半导体基底，具有相对的第一面和第二面；
位于所述第一半导体基底中，并沿所述第二面指向所述第一面的方向依次层叠的蓝光吸收结构、绿光吸收结构及红光吸收结构；
红外光基底，位于所述第一半导体基底的所述第一面上，红外光可在所述红外光基底中激发出红外光电子；
位于所述红外光基底中的红外光吸收结构；
所述蓝光吸收结构用于吸收蓝光，并将其转换为蓝光电信号，所述绿光吸收结构用于吸收绿光，并将其转换为绿光电信号，所述红光吸收结构用于吸收红光，并将其转换为红光电信号，所述红外光吸收结构用于吸收红外光，并将其转换为红外光电信号；
第二半导体基底，位于所述红外光基底表面上；
位于所述第二半导体基底中的第一存储区、第二存储区、第三存储区及第四存储区；
第一连接插塞，同时电连接所述第一存储区与所述蓝光吸收结构，用于将所述蓝光电信号传输至所述第一存储区；
第二连接插塞，同时电连接所述第二存储区与所述绿光吸收结构，用于将所述绿光电信号传输至所述第二存储区；
第三连接插塞，同时电连接所述第三存储区与所述红光吸收结构，用于将所述红光电信号传输至所述第三存储区；
第四连接插塞，同时电连接所述第四存储区与所述红外光吸收结构，用于将所述红外光电信号传输至所述第四存储区；
逻辑电路结构，经由金属互连层与所述第一存储区、第二存储区、第三存储区及第四存储区电连接，实现所述蓝光电信号、绿光电信号、红光电信号及红外光电信号的读出。
2.根据权利要求1所述的背照式图像传感器像素单元，其特征在于：所述红外光基底包括锗基底或锗硅基底。
3.根据权利要求1所述的背照式图像传感器像素单元，其特征在于：所述蓝光吸收结构与所述绿光吸收结构之间、所述绿光吸收结构与所述红光吸收结构之间及所述红光吸收结构与所述红外光吸收结构之间具有绝缘层。
4.根据权利要求3所述的背照式图像传感器像素单元，其特征在于：所述绝缘层的材料包括二氧化硅。
5.根据权利要求1所述的背照式图像传感器像素单元，其特征在于：所述第一连接插塞贯穿所述绿光吸收结构、所述红光吸收结构及所述红外光吸收结构；所述第二连接插塞贯穿所述红光吸收结构及所述红外光吸收结构；所述第三连接插塞贯穿所述红外光吸收结构。
6.根据权利要求5所述的背照式图像传感器像素单元，其特征在于，所述第一连接插塞、所述第二连接插塞、所述第三连接插塞及所述第四连接插塞均包括：
连接沟槽；
线性隔离层，覆盖所述连接沟槽的内壁；
填充材料，填充于所述连接沟槽内，所述线性隔离层位于所述填充材料与所述连接沟槽的内壁之间。
7.根据权利要求6所述的背照式图像传感器像素单元，其特征在于：所述线性隔离层的材料包括二氧化硅，所述填充材料包括多晶硅。
8.根据权利要求1所述的背照式图像传感器像素单元，其特征在于：所述逻辑电路结构位于所述第二半导体基底中。
9.根据权利要求1所述的背照式图像传感器像素单元，其特征在于，所述背照式图像传感器像素单元还包括：
第三半导体基底；
所述逻辑电路结构位于所述第三半导体基底中；
所述金属互连层包括第一金属互连层及第二金属互连层，其中，所述第一金属互连层与所述第一存储区、第二存储区、第三存储区及第四存储区电连接，所述第二金属互连层与所述逻辑电路结构电连接，所述第一金属互连层与所述第二金属互连层电连接。
10.根据权利要求1所述的背照式图像传感器像素单元，其特征在于，所述背照式图像传感器像素单元还包括：位于所述第一半导体基底的所述第二面上的抗反射层及位于所述抗反射层上的微透镜。
11.根据权利要求1所述的背照式图像传感器像素单元，其特征在于：所述第一半导体基底的材料包括硅，所述第二半导体基底的材料包括硅。
12.一种背照式图像传感器像素单元的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供第一半导体基底，所述第一半导体基底具有相对的第一面和第二面；
于所述第一半导体基底中，并沿所述第二面指向所述第一面的方向依次形成蓝光吸收结构、绿光吸收结构及红光吸收结构；
于所述第一半导体基底的所述第一面上形成红外光基底，红外光可在所述红外光基底中激发出红外光电子；
于所述红外光基底中形成红外光吸收结构；
所述蓝光吸收结构用于吸收蓝光，并将其转换为蓝光电信号，所述绿光吸收结构用于吸收绿光，并将其转换为绿光电信号，所述红光吸收结构用于吸收红光，并将其转换为红光电信号，所述红外光吸收结构用于吸收红外光，并将其转换为红外光电信号；
于所述红外光基底表面上形成第二半导体基底；
形成第一连接插塞、第二连接插塞、第三连接插塞及第四连接插塞；
于所述第二半导体基底中形成第一存储区、第二存储区、第三存储区及第四存储区；
所述第一连接插塞同时电连接所述第一存储区与所述蓝光吸收结构，以将所述蓝光电信号传输至所述第一存储区，所述第二连接插塞同时电连接所述第二存储区与所述绿光吸收结构，以将所述绿光电信号传输至所述第二存储区，所述第三连接插塞同时电连接所述第三存储区与所述红光吸收结构，以将所述红光电信号传输至所述第三存储区，所述第四连接插塞同时电连接所述第四存储区与所述红外光吸收结构，以将所述红外光电信号传输至所述第四存储区；
形成逻辑电路结构，所述逻辑电路结构经由金属互连层与所述第一存储区、第二存储区、第三存储区及第四存储区电连接，实现所述蓝光电信号、绿光电信号、红光电信号及红外光电信号的读出。
13.根据权利要求12所述的背照式图像传感器像素单元的制备方法，其特征在于：所述红外光基底包括锗基底或锗硅基底。
14.根据权利要求12所述的背照式图像传感器像素单元的制备方法，其特征在于，还包括步骤：于所述蓝光吸收结构与所述绿光吸收结构之间、所述绿光吸收结构与所述红光吸收结构之间及所述红光吸收结构与所述红外光吸收结构之间形成绝缘层。
15.根据权利要求14所述的背照式图像传感器像素单元的制备方法，其特征在于：采用离子注入的方式形成所述蓝光吸收结构、绿光吸收结构、红光吸收结构、红外光吸收结构及绝缘层。
16.根据权利要求12所述的背照式图像传感器像素单元的制备方法，其特征在于：所述第一连接插塞贯穿所述绿光吸收结构、所述红光吸收结构及所述红外光吸收结构；所述第二连接插塞贯穿所述红光吸收结构及所述红外光吸收结构；所述第三连接插塞贯穿所述红外光吸收结构。
17.根据权利要求16所述的背照式图像传感器像素单元的制备方法，其特征在于，所述第一连接插塞、第二连接插塞、第三连接插塞及第四连接插塞的形成方法包括：
形成连接沟槽；
形成线性隔离层，所述线性隔离层覆盖所述连接沟槽的内壁；
将填充材料填充于所述连接沟槽内，所述线性隔离层位于所述填充材料与所述连接沟槽的内壁之间。
18.根据权利要求12所述的背照式图像传感器像素单元的制备方法，其特征在于：所述逻辑电路结构形成于所述第二半导体基底中。
19.根据权利要求12所述的背照式图像传感器像素单元的制备方法，其特征在于，还包括步骤：
提供第三半导体基底；
于所述第三半导体基底中形成所述逻辑电路结构；
所述金属互联层包括第一金属互连层及第二金属互连层，其中，所述第一金属互连层与所述第一存储区、第二存储区、第三存储区及第四存储区电连接，所述第二金属互连层与所述逻辑电路结构电连接；
将所述第一金属互连层与所述第二金属互连层邦定电连接。
20.根据权利要求12所述的背照式图像传感器像素单元的制备方法，其特征在于，所述背照式图像传感器像素单元还包括：位于所述第一半导体基底的所述第二面上的抗反射层及位于所述抗反射层上的微透镜。
21.一种背照式图像传感器，其特征在于：所述背照式图像传感器包括至少一个如权利要求1至11任一所述的背照式图像传感器像素单元。
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| CN201910446015.3A CN110190077A (zh) | 2019-05-27 | 2019-05-27 | 背照式图像传感器、像素单元及其制备方法 |
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2019
- 2019-05-27 CN CN201910446015.3A patent/CN110190077A/zh active Pending
Patent Citations (3)
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