CN110211978A - 一种cmos图像传感器结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CMOS图像传感器结构，自下而上包括设于衬底正面上的pn结感光区域、第一介质层、第一压电材料层和第二介质层，所述第一压电材料层的两端设有第一压电材料电极；其中，通过在所述第一压电材料电极上施加一定电压，使所述第一压电材料层产生形变，并对所述pn结感光区域产生应力作用，以从垂直方向调节所述pn结感光区域材料的晶格常数，从而调整其吸收光子的能量范围，可以有效扩充传感器色域空间，并提升其性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路和传感器技术领域，更具体地，涉及一种CMOS图像传感器结构。
背景技术
传统CMOS图像传感器是使用pn结来接收外部入射光线，产生电子空穴对，并被施加的外加电场分别收集，产生电学信号。
由于Si是间接半导体，其吸收光的机理是光子的能量被能带间隙和晶格振动所吸收，而其价带顶和导带底能带间隙是固定的。
对常规半导体材料而言，其光吸收对应一个最低能量(频率)或最大波长。原因是因为一般而言，其光吸收对应着电子从价带顶跃迁到导带底，从而形成导带电子，该带隙即是半导体材料的禁带宽度。
对于直接带隙半导体而言，入射光能量只要满足大于等于禁代宽度，即可激发一个价带电子到导带，其效率较高。而对间接半导体而言，除了满足光子能量大于等于禁代宽度外，还需要额外的声子(晶格震动)来参与，故效率较低。
禁代宽度与晶格常数成反比，当原子间距较小时，其价键较强，即原子间作用力越强，价电子需要更高的能量才能跃迁到导带，故禁带宽度越大。因此可以通过调节晶格常数来调整禁带宽度，也即是调整最小吸收的光子能量。
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CMOS图像传感器结构。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种CMOS图像传感器结构，自下而上包括设于衬底正面上的pn结感光区域、第一介质层、第一压电材料层和第二介质层，所述第一压电材料层的两端设有第一压电材料电极；其中，通过在所述第一压电材料电极上施加一定电压，使所述第一压电材料层产生形变，并对所述pn结感光区域产生应力作用，以从垂直方向调节所述pn结感光区域材料的晶格常数，从而调整其吸收光子的能量范围。
进一步地，所述pn结感光区域与第一介质层之间还设有金属层，所述金属层与pn结感光区域接触，形成金属-半导体势垒接触结构，以形成感应光的入射的耗尽区。
进一步地，所述第一介质层、第一压电材料层和第二介质层的宽度依次缩小，所述第一压电材料电极与所述第一介质层、第一压电材料层和第二介质层的两端同时接触。
进一步地，所述pn结感光区域两侧的所述衬底中设有垂直沟槽，所述垂直沟槽中填充有第二压电材料层，所述第二压电材料层两侧填充有第二压电材料电极；其中，通过在所述第二压电材料电极上施加一定电压，使所述第二压电材料层产生形变，并对所述pn结感光区域产生应力作用，以从水平方向进一步调节所述pn结感光区域材料的晶格常数，从而调整其吸收光子的能量范围。
进一步地，所述垂直沟槽贯通所述衬底的上下两端设置。
进一步地，所述衬底正面上还设有层间介质层，所述第一介质层、第一压电材料层、第二介质层和第一压电材料电极设于所述层间介质层中。
进一步地，所述衬底正面上还设有至少一个晶体管器件，所述晶体管器件自下而上包括设于所述衬底正面上的源漏区、栅介质层和栅电极层，所述源漏区与所述pn结感光区域相连。
进一步地，所述第一压电材料电极和栅电极层上分设有接触孔，所述接触孔自所述层间介质层的上端引出。
进一步地，所述pn结感光区域及晶体管器件的两侧还设有沟槽隔离结构，所述沟槽隔离结构贯通所述衬底的上下两端设置。
进一步地，所述衬底材料为Si、Ge、SiGe、GaAs或SiC。
从上述技术方案可以看出，本发明通过在pn结感光区域外围设置由压电材料层和压电材料电极构成的压电器件，利用压电器件对传感器pn结感光区域产生应力，改变其晶格常数，从而影响其吸收光子的能量范围，可以有效扩充传感器色域空间，并提升其性能。
附图说明
图1是本发明一较佳实施例一的一种CMOS图像传感器结构示意图。
图2是本发明一较佳实施例二的一种CMOS图像传感器结构示意图。
图3是本发明一较佳实施例三的一种CMOS图像传感器结构示意图。
图4是本发明一较佳实施例四的一种CMOS图像传感器结构示意图。
图5是压电材料在电场作用下发生形变产生应力作用时的模拟示意图。
具体实施方式
本发明通过在CMOS图像传感器结构的pn结感光区域外围设置由压电材料层和压电材料电极构成的压电器件，利用压电器件对传感器pn结感光区域产生应力，改变其晶格常数，从而影响其吸收光子的能量范围，可以有效扩充传感器色域空间，并提升其性能。
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，请参考图1，图1是本发明一较佳实施例一的一种CMOS图像传感器结构示意图。如图1所示，本发明的一种CMOS图像传感器结构，自下而上包括衬底10、设于衬底10正面上的pn结感光区域11，依次设于衬底10正面表面上的第一介质层12、第一压电材料层13和第二介质层14。在第一压电材料层13的两端设有第一压电材料电极16；第一压电材料层13与第一压电材料电极16构成压电器件。
请参考图1。衬底10材料可为Si、Ge、SiGe、GaAs或SiC，或者其他适用的半导体衬底。以硅衬底10为例，图示硅衬底10的下表面侧为光线入射方向，即CMOS图像传感器采用了背照式结构。pn结感光区域11形成在硅衬底10中，并可延伸至硅衬底10的上表面上。这样，在pn结感光区域11的硅衬底10下表面上就形成背照式感光区。
在硅衬底10的上表面上形成有器件区；器件区中包括压电器件，以及在压电器件以外区域设置的至少一个用于控制的晶体管器件(例如传输管等)18至20。其中的一个晶体管器件(例如传输管)18至20，自下而上包括设于硅衬底10正面上的源漏区(源区和漏区)20、栅介质层19和栅电极层18。源漏区(源区或漏区)20与pn结感光区域11相连。
在硅衬底10的正面表面上还设有层间介质层15；压电器件和晶体管器件18至20都设于层间介质层15中。
请参考图1。第一介质层12、第一压电材料层13和第二介质层14的宽度可依次缩小；第一压电材料电极16与第一介质层12、第一压电材料层13和第二介质层14的两端同时接触。其中，第一压电材料电极16的下端可位于第一介质层12两端的上表面上，第一压电材料电极16的上端可部分位于第二介质层14两端的上表面上。
在上述的背照式CMOS传感器中，可利用与CMOS工艺兼容的方案，在硅衬底10的上表面上先形成栅介质层19和栅电极层18，并图形化，形成用于晶体管器件18至20的栅介质层19和栅电极层18，并去除位于感光区域11上的部分栅电极层18。其中，利用位于感光区域11上的部分栅介质层19作为用于隔离压电器件的第一介质层12。
然后，在第一介质层12上，依次沉积压电材料和介质隔离材料，并图形化，去除位于压电材料两侧的部分介质隔离材料，形成第一压电材料层13和第二介质层14。
接着，沉积电极材料，并图形化，在第一压电材料层13的两侧形成第一压电材料电极16。
之后，可在第一压电材料电极16和栅电极层18上的层间介质层15中分别形成接触孔17，作为压电器件和控制晶体管18至20的引出。
在pn结感光区域11及晶体管器件18至20两侧的硅衬底10中还可设置用于像素间隔离的沟槽隔离结构21；沟槽隔离结构21的上下两端可分别自减薄后的硅衬底10的上下表面露出。
当在压电器件的第一压电材料电极16上施加一定电压时，即可使第一压电材料层13产生形变，并对下方的pn结感光区域11产生应力作用，这样就可从垂直方向调节pn结感光区域11材料的晶格常数，从而可调整pn结感光区域11吸收光子的能量范围。
图5显示压电材料在电场作用下发生形变，并产生应力(p)作用时的模拟示意图。其中，图5a显示当压电材料未通电时，其将保持正常状态，不会产生形变。图5b和图5c显示当在压电材料两端分别施加正反方向电压时，压电材料受到不同方向的电场作用，将产生拉伸或压缩形变，从而产生拉应力或压应力，由此可对下方的pn结感光区域11的晶格常数起到调节作用，从而可调整pn结感光区域11吸收光子的能量范围。
在压电器件上施加的具体电压大小，可根据设计需要进行试验确定。
请参考图2，图2是本发明一较佳实施例二的一种CMOS图像传感器结构示意图。如图2所示，本实施例与上述实施例一的一种CMOS图像传感器结构之间的区别在于，在pn结感光区域11与第一介质层12之间还设有金属层22。其中，金属层22与pn结感光区域11相接触，形成金属-半导体势垒接触结构。本实施例采用金属-半导体势垒接触(M-S接触)形成耗尽区，来感应光的入射。
金属-半导体势垒接触结构可增强压电器件形变对pn结感光区域11的影响
本实施例需要在与pn结感光区域11对应的硅衬底10上表面上单独形成金属层22，接着再在金属层22上形成一层较薄的第一介质层12；之后，再形成其他相关结构。
请参考图3，图3是本发明一较佳实施例三的一种CMOS图像传感器结构示意图。如图3所示，本实施例与上述实施例一的一种CMOS图像传感器结构之间的区别在于，在pn结感光区域11两侧的硅衬底10中还设有垂直沟槽25(图中略去了沟槽隔离结构21)。在垂直沟槽25中填充有第二压电材料层23，在第二压电材料层23两侧填充有第二压电材料电极24，形成金属、压电金属的器件。
通过在第二压电材料电极24上施加一定电压，使第二压电材料层23产生形变，并对pn结感光区域11产生应力作用，可以与上方的压电器件配合，从水平方向进一步调节pn结感光区域11材料的晶格常数，从而可更优化调整其吸收光子的能量范围。
垂直沟槽25可贯通硅衬底10的上下两端设置。也可在垂直沟槽25内壁表面先形成介质隔离层，从而形成可与沟槽隔离结构21复用的结构，以节约面积。
请参考图4，图4是本发明一较佳实施例四的一种CMOS图像传感器结构示意图。如图4所示，本实施例与上述实施例二的一种CMOS图像传感器结构之间的区别在于，在pn结感光区域11两侧的硅衬底10中还设有垂直沟槽25(图中略去了沟槽隔离结构21)。在垂直沟槽25中填充有第二压电材料层23，在第二压电材料层23两侧填充有第二压电材料电极24，形成金属、压电金属的器件。
通过在第二压电材料电极24上施加一定电压，使第二压电材料层23产生形变，并对pn结感光区域11产生应力作用，可以与上方的压电器件以及金属-半导体势垒接触结构配合，从水平方向进一步调节pn结感光区域11材料的晶格常数，从而可更优化调整其吸收光子的能量范围。
以上的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CMOS图像传感器结构，其特征在于，自下而上包括设于衬底正面上的pn结感光区域、第一介质层、第一压电材料层和第二介质层，所述第一压电材料层的两端设有第一压电材料电极；其中，通过在所述第一压电材料电极上施加一定电压，使所述第一压电材料层产生形变，并对所述pn结感光区域产生应力作用，以从垂直方向调节所述pn结感光区域材料的晶格常数，从而调整其吸收光子的能量范围。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器结构，其特征在于，所述pn结感光区域与第一介质层之间还设有金属层，所述金属层与pn结感光区域接触，形成金属-半导体势垒接触结构，以形成感应光的入射的耗尽区。
3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器结构，其特征在于，所述第一介质层、第一压电材料层和第二介质层的宽度依次缩小，所述第一压电材料电极与所述第一介质层、第一压电材料层和第二介质层的两端同时接触。
4.根据权利要求1、2或3所述的CMOS图像传感器结构，其特征在于，所述pn结感光区域两侧的所述衬底中设有垂直沟槽，所述垂直沟槽中填充有第二压电材料层，所述第二压电材料层两侧填充有第二压电材料电极；其中，通过在所述第二压电材料电极上施加一定电压，使所述第二压电材料层产生形变，并对所述pn结感光区域产生应力作用，以从水平方向进一步调节所述pn结感光区域材料的晶格常数，从而调整其吸收光子的能量范围。
5.根据权利要求4所述的CMOS图像传感器结构，其特征在于，所述垂直沟槽贯通所述衬底的上下两端设置。
6.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器结构，其特征在于，所述衬底正面上还设有层间介质层，所述第一介质层、第一压电材料层、第二介质层和第一压电材料电极设于所述层间介质层中。
7.根据权利要求1或6所述的CMOS图像传感器结构，其特征在于，所述衬底正面上还设有至少一个晶体管器件，所述晶体管器件自下而上包括设于所述衬底正面上的源漏区、栅介质层和栅电极层，所述源漏区与所述pn结感光区域相连。
8.根据权利要求7所述的CMOS图像传感器结构，其特征在于，所述第一压电材料电极和栅电极层上分设有接触孔，所述接触孔自所述层间介质层的上端引出。
9.根据权利要求7所述的CMOS图像传感器结构，其特征在于，所述pn结感光区域及晶体管器件的两侧还设有沟槽隔离结构，所述沟槽隔离结构贯通所述衬底的上下两端设置。
10.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器结构，其特征在于，所述衬底材料为Si、Ge、SiGe、GaAs或SiC。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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