CN111129048A - 一种近红外增强的cmos图像传感器结构及形成方法 - Google Patents

一种近红外增强的cmos图像传感器结构及形成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种近红外增强的CMOS图像传感器结构及形成方法，图像传感器结构包括：设于所述半导体衬底正面上的第一感光单元；设于所述半导体衬底正面上，且位于所述第一感光单元上方并与其相接触的近红外光吸收层；其中，入射光由所述半导体衬底背面进入所述第一感光单元，利用所述近红外光吸收层对所述入射光中的近红外光进行吸收，降低所述近红外光入射深度，并存储在所述第一感光单元中。本发明通过形成近红外光吸收层增加近红外波段的吸收系数，降低近红外波段的入射深度，进而使得更多的近红外波段存储于感光单元中，从而能提高近红外光的量子效率。

Description

一种近红外增强的CMOS图像传感器结构及形成方法
技术领域
本发明涉及图像传感器技术领域，特别是涉及一种近红外增强的CMOS图像传感器结构及形成方法。
背景技术
近红外(NIR)图像传感器在两个领域有着重要的应用。第一个领域是安防监控系统，在低光环境下，近红外光子比可见光子更多，因此捕获的图像分辨率更高，可以捕获更清晰的入侵者的图像。第二个领域是机器视觉的应用，近红外光人眼看不见，可以避免对周围环境的干扰，但却可以用于照亮物体。
近红外成像系统的一个关键性参数是量子效率(QE)，图像传感器的量子效率是捕获的光子与转换成电子的比值。量子效率越高，近红外照明能达到的距离越远，图像亮度越高。
请参考图1，图1是现有的一种背照式图像传感器像素单元结构示意图。如图1所示，背照式图像传感器中，光是从硅衬底10背面直接入射进入光电二极管11，无需经过金属互连层及介质层12，进而避免了光损耗，提高了量子效率。
硅衬底对入射光的吸收深度与入射光的波长密切相关，波长越长，吸收系数越小，入射深度越深。像素单元通常使用的是红光，绿光及蓝光这3种光。其中蓝光的波长为450纳米，在硅衬底中入射深度约为0.32微米，绿光波长为550纳米，在硅衬底中入射深度约为0.79微米，红光波长为650纳米，在硅衬底中入射深度约为3微米。而近红外光波长为780～1100纳米，在硅衬底中入射深度大于6微米。
由于上述现有背照式图像传感器中硅衬底的厚度一般在3微米左右，这就造成近红外的入射光会直接穿过硅衬底进入介质层，进而导致近红外光量子效率很低。
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，提供一种近红外增强的CMOS图像传感器结构及形成方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种近红外增强的CMOS图像传感器结构，包括：
半导体衬底；
设于所述半导体衬底正面上的第一感光单元；
设于所述半导体衬底正面上，且位于所述第一感光单元上方并与其相接触的近红外光吸收层；
其中，入射光由所述半导体衬底背面进入所述第一感光单元，利用所述近红外光吸收层对所述入射光中的近红外光进行吸收，降低所述近红外光入射深度，并存储在所述第一感光单元中。
进一步地，所述第一感光单元上方的所述半导体衬底正面上设有凹槽，所述凹槽的底面与所述第一感光单元的顶面相接，所述近红外光吸收层填充于所述凹槽内。
进一步地，所述近红外光吸收层位于所述半导体衬底正面的表面上，所述第一感光单元的顶面露出于所述半导体衬底的正面表面。
进一步地，所述近红外光吸收层之上还设有半导体层，所述半导体层上设有第二感光单元，所述第二感光单元与所述近红外光吸收层和所述第一感光单元依次相接。
进一步地，转移栅极设于所述半导体层正面上，浮动扩散极由所述半导体层正面延伸进入所述半导体衬底中。
进一步地，还包括：设于所述半导体层之上的层间介质层，以及设于所述层间介质层中的金属互连层。
进一步地，还包括：由所述半导体层正面延伸进入所述半导体衬底中的第一浅槽隔离，以及由所述半导体衬底背面进入所述半导体衬底中的第二浅槽隔离，所述第一浅槽隔离与所述第二浅槽隔离上下对应并相连。
进一步地，所述近红外光吸收层为SiGex层，其中：0＜x≤1；所述第一感光单元和所述第二感光单元为光电二极管；所述半导体衬底和所述半导体层为硅。
一种近红外增强的CMOS图像传感器结构形成方法，包括以下步骤：
提供一半导体衬底，在所述半导体衬底正面上形成凹槽；
在所述凹槽中填充形成近红外光吸收层；
在所述半导体衬底正面表面上形成一层半导体层；
由所述半导体层正面向下通过离子注入方式形成感光单元，所述感光单元包括形成于所述半导体层中的第二感光单元和形成于所述半导体衬底中的第二感光单元，使所述第二感光单元、所述近红外光吸收层和所述第一感光单元上下依次相接；
由所述半导体层正面形成向下延伸进入所述半导体衬底中的第一浅槽隔离；
通过栅极材料的淀积，光刻及刻蚀工艺，在所述半导体层正面上形成转移栅极；
通过光刻及离子注入，由所述半导体层正面形成向下延伸进入所述半导体衬底中的浮动扩散极；
在所述半导体层正面上形成层间介质层，使用常规的CMOS图像传感器工艺，在所述层间介质层中形成金属互连层；
将所述半导体衬底翻转后粘合到载片上，对所述半导体衬底背面进行减薄；
由所述半导体衬底背面形成进入所述半导体衬底中的第二浅槽隔离，使所述第一浅槽隔离与所述第二浅槽隔离上下对应并相连。
一种近红外增强的CMOS图像传感器结构形成方法，包括以下步骤：
提供一半导体衬底，在所述半导体衬底正面上形成近红外光吸收层；
在所述近红外光吸收层上形成一层半导体层；
由所述半导体层正面向下通过离子注入方式形成感光单元，所述感光单元包括形成于所述半导体层中的第二感光单元和形成于所述半导体衬底中的第二感光单元，使所述第二感光单元、所述近红外光吸收层和所述第一感光单元上下依次相接；
由所述半导体层正面形成向下延伸进入所述半导体衬底中的第一浅槽隔离；
通过栅极材料的淀积，光刻及刻蚀工艺，在所述半导体层正面上形成转移栅极；
通过光刻及离子注入，由所述半导体层正面形成向下延伸进入所述半导体衬底中的浮动扩散极；
在所述半导体层正面上形成层间介质层，使用常规的CMOS图像传感器工艺，在所述层间介质层中形成金属互连层；
将所述半导体衬底翻转后粘合到载片上，对所述半导体衬底背面进行减薄；
由所述半导体衬底背面形成进入所述半导体衬底中的第二浅槽隔离，使所述第一浅槽隔离与所述第二浅槽隔离上下对应并相连。
从上述技术方案可以看出，本发明通过在感光单元区域内形成近红外光吸收层，当光线入射进入到感光单元区域时，形成的近红外光吸收层增加了长波长例如近红外波段的吸收系数，降低了近红外波段的入射深度，进而使得更多的近红外波段存储于感光单元中，从而提高了近红外光的量子效率。
附图说明
图1是现有的一种背照式图像传感器像素单元结构示意图。
图2是本发明一较佳实施例一的一种近红外增强的CMOS图像传感器结构示意图。
图3-图9是本发明一较佳实施例的一种近红外增强的CMOS图像传感器结构形成方法的工艺步骤示意图。
图10是本发明一较佳实施例二的一种近红外增强的CMOS图像传感器结构示意图。
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，请参考图2，图2是本发明一较佳实施例一的一种近红外增强的CMOS图像传感器结构示意图。如图2所示，本发明的一种近红外增强的CMOS图像传感器结构，采用背照式图像传感器结构形式，入射光由半导体衬底的背面照射并进入半导体衬底中(图示为半导体衬底的倒置形式，下面以图像传感器结构正置时的相对物理位置对其各组成结构进行说明)。本发明的近红外增强的CMOS图像传感器结构，可包括：
半导体衬底20；
设于半导体衬底20正面上的第一感光单元23；
设于半导体衬底20正面上，且位于第一感光单元23上方并与第一感光单元23相接触的近红外光吸收层21；其中，在第一感光单元23上方的半导体衬底20正面上设有凹槽，凹槽的底面与第一感光单元23的顶面相接，近红外光吸收层21填充于凹槽内。
当入射光由半导体衬底20背面照射并进入第一感光单元23时，可利用近红外光吸收层21对入射光中的近红外光进行吸收，降低近红外光的入射深度，使得更多的近红外光能存储在第一感光单元23中，从而增加了近红外光的量子效率(QE)。
半导体衬底20可采用硅衬底20；第一感光单元23可为光电二极管(PD)，接收入射光在光电二极管23中，将光信号转换成电信号，产生光电子；近红外光吸收层21可采用SiGex层制作，其中：0＜x≤1。本发明不限于此。
请参考图2。进一步地，在近红外光吸收层21之上还可设有半导体层22。半导体层22上设有第二感光单元(第二感光单元包含在半导体层22中)；第二感光单元与近红外光吸收层21和第一感光单元23位置上下对应，并依次相接。
半导体层22也可采用硅材料制作；第二感光单元可为光电二极管。本发明不限于此。
图像传感器的转移栅极26设于半导体层22正面上，用于实现光电二极管中产生的电荷转移到浮动扩散极27；浮动扩散极27由半导体层22正面延伸进入半导体衬底20中，用于接收储存从光电二极管中产生的电荷，并转换成电压信号输出。
在半导体层22之上还可设有层间介质层25；层间介质层25中可设有一至多层金属互连层。
图像传感器结构中还设有第一浅槽隔离28和第二浅槽隔离24结构。其中，第一浅槽隔离28由半导体层22正面延伸进入半导体衬底20中，第二浅槽隔离24由半导体衬底20背面进入半导体衬底20中；第一浅槽隔离28与第二浅槽隔离24上下对应并相连。第一浅槽隔离28和第二浅槽隔离24用于光电二极管之间的物理隔离。
下面通过具体实施方式并结合附图，对本发明的一种近红外增强的CMOS图像传感器结构形成方法进行详细说明。
请参考图3-图9，图3-图9是本发明一较佳实施例的一种近红外增强的CMOS图像传感器结构形成方法的工艺步骤示意图。如图3-图9所示，本发明的一种近红外增强的CMOS图像传感器结构形成方法，可用于制作上述例如图2的近红外增强的CMOS图像传感器结构。以在硅衬底20上制作图像传感器结构为例，可包括以下步骤：
首先，如图3所示，可通过光刻、刻蚀方式，在硅衬底20正面上对应感光单元的位置形成凹槽29。形成的凹槽29深度可在1微米以内。
接着，如图4所示，可通过淀积方式，在凹槽29中填充形成近红外光吸收层21。近红外光吸收层21可采用SiGex层制作，其中：0＜x≤1。
然后，如图5所示，可通过淀积方式，在硅衬底20正面表面上再覆盖形成一层半导体层22，例如硅层。硅层可采用薄硅层22，厚度约为20～90纳米。
接着，如图6所示，可使用CMOS图像传感器工艺流程，通过离子注入方式，由薄硅层22正面向下形成感光单元，例如形成光电二极管。如此形成的感光单元包括形成于薄硅层22中的第二感光单元和形成于薄硅层22下方硅衬底20中的第一感光单元23，即第二感光单元和第一感光单元23是通过一次注入同时形成的，并使得第二感光单元、近红外光吸收层21和第一感光单元23上下依次相接。即通过离子注入方式，可使得近红外光吸收层21位于形成的感光单元内部，并使得吸收的近红外光能存储在感光单元中。
接着，如图7所示，通过光刻、刻蚀工艺，由薄硅层22正面形成向下延伸进入硅衬底20中的第一浅槽隔离28。
之后，通过栅极材料的淀积，光刻及刻蚀工艺，在薄硅层22正面上形成转移栅极26。栅极材料可采用多晶硅，从而形成多晶硅转移栅极26。
接下来，可通过光刻及离子注入，由薄硅层22正面形成向下延伸进入硅衬底20中的浮动扩散极27。
接着，如图8所示，在薄硅层22正面上淀积形成层间介质层25，并使用常规的CMOS图像传感器工艺，在层间介质层25中形成一至多层金属互连层。各金属互连层之间以通孔相连接(图略)。
然后，如图9所示，将硅衬底20翻转后粘合到载片上，对硅衬底20背面进行减薄，直至硅衬底20厚度在3微米左右的常规厚度。
在第一浅槽隔离28深度不够的情况下，还可由硅衬底20背面形成进入硅衬底20中的第二浅槽隔离24，并使第一浅槽隔离28与第二浅槽隔离24上下对应并相连。
最后，还可使用背照式工艺，在减薄后的硅衬底20背面淀积抗反射层。
请参考图10，图10是本发明一较佳实施例二的一种近红外增强的CMOS图像传感器结构示意图。如图10所示，本实施例二与图2实施例一之间的区别在于，在硅衬底20正面上不形成用于填充近红外光吸收层的凹槽，而是将近红外光吸收层21’直接沉积在硅衬底20正面的表面上，并在近红外光吸收层21’上全片沉积薄硅层22。当通过离子注入方式，由薄硅层22正面向下形成感光单元时，形成于薄硅层22中的第二感光单元和形成于薄硅层22下方硅衬底20中的第一感光单元将同时与近红外光吸收层21’相连，相当于第一感光单元23的顶面是露出于硅衬底20的正面表面。
本实施例二与图2实施例一的其他结构及对应的形成方法可相同，不再一一赘述。
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)

1.一种近红外增强的CMOS图像传感器结构，其特征在于，包括：
半导体衬底；
设于所述半导体衬底正面上的第一感光单元；
设于所述半导体衬底正面上，且位于所述第一感光单元上方并与其相接触的近红外光吸收层；
其中，入射光由所述半导体衬底背面进入所述第一感光单元，利用所述近红外光吸收层对所述入射光中的近红外光进行吸收。
2.根据权利要求1所述的近红外增强的CMOS图像传感器结构，其特征在于，所述第一感光单元上方的所述半导体衬底正面上设有凹槽，所述凹槽的底面与所述第一感光单元的顶面相接，所述近红外光吸收层填充于所述凹槽内。
3.根据权利要求1所述的近红外增强的CMOS图像传感器结构，其特征在于，所述近红外光吸收层位于所述半导体衬底正面的表面上，所述第一感光单元的顶面露出于所述半导体衬底的正面表面。
4.根据权利要求1所述的近红外增强的CMOS图像传感器结构，其特征在于，所述近红外光吸收层之上还设有半导体层，所述半导体层上设有第二感光单元，所述第二感光单元与所述近红外光吸收层和所述第一感光单元依次相接。
5.根据权利要求4所述的近红外增强的CMOS图像传感器结构，其特征在于，转移栅极设于所述半导体层正面上，浮动扩散极由所述半导体层正面延伸进入所述半导体衬底中。
6.根据权利要求4所述的近红外增强的CMOS图像传感器结构，其特征在于，还包括：设于所述半导体层之上的层间介质层，以及设于所述层间介质层中的金属互连层。
7.根据权利要求4所述的近红外增强的CMOS图像传感器结构，其特征在于，还包括：由所述半导体层正面延伸进入所述半导体衬底中的第一浅槽隔离，以及由所述半导体衬底背面进入所述半导体衬底中的第二浅槽隔离，所述第一浅槽隔离与所述第二浅槽隔离上下对应并相连。
8.根据权利要求1所述的近红外增强的CMOS图像传感器结构，其特征在于，所述近红外光吸收层为SiGex层，其中：0＜x≤1；所述第一感光单元和所述第二感光单元为光电二极管；所述半导体衬底和所述半导体层为硅。
9.一种近红外增强的CMOS图像传感器结构形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一半导体衬底，在所述半导体衬底正面上形成凹槽；
在所述凹槽中填充形成近红外光吸收层；
在所述半导体衬底正面表面上形成一层半导体层；
由所述半导体层正面向下通过离子注入方式形成感光单元，所述感光单元包括形成于所述半导体层中的第二感光单元和形成于所述半导体衬底中的第一感光单元，使所述第二感光单元、所述近红外光吸收层和所述第一感光单元上下依次相接；
由所述半导体层正面形成向下延伸进入所述半导体衬底中的第一浅槽隔离；
通过栅极材料的淀积，光刻及刻蚀工艺，在所述半导体层正面上形成转移栅极；
通过光刻及离子注入，由所述半导体层正面形成向下延伸进入所述半导体衬底中的浮动扩散极；
在所述半导体层正面上形成层间介质层，使用常规的CMOS图像传感器工艺，在所述层间介质层中形成金属互连层；
将所述半导体衬底翻转后粘合到载片上，对所述半导体衬底背面进行减薄；
由所述半导体衬底背面形成进入所述半导体衬底中的第二浅槽隔离，使所述第一浅槽隔离与所述第二浅槽隔离上下对应并相连。
10.一种近红外增强的CMOS图像传感器结构形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一半导体衬底，在所述半导体衬底正面上形成近红外光吸收层；
在所述近红外光吸收层上形成一层半导体层；
由所述半导体层正面向下通过离子注入方式形成感光单元，所述感光单元包括形成于所述半导体层中的第二感光单元和形成于所述半导体衬底中的第一感光单元，使所述第二感光单元、所述近红外光吸收层和所述第一感光单元上下依次相接；
由所述半导体层正面形成向下延伸进入所述半导体衬底中的第一浅槽隔离；
通过栅极材料的淀积，光刻及刻蚀工艺，在所述半导体层正面上形成转移栅极；
通过光刻及离子注入，由所述半导体层正面形成向下延伸进入所述半导体衬底中的浮动扩散极；
在所述半导体层正面上形成层间介质层，使用常规的CMOS图像传感器工艺，在所述层间介质层中形成金属互连层；
将所述半导体衬底翻转后粘合到载片上，对所述半导体衬底背面进行减薄；
由所述半导体衬底背面形成进入所述半导体衬底中的第二浅槽隔离，使所述第一浅槽隔离与所述第二浅槽隔离上下对应并相连。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108288626A (zh) * 2018-01-30 2018-07-17 德淮半导体有限公司 图像传感器及形成图像传感器的方法
CN109346494A (zh) * 2018-11-20 2019-02-15 德淮半导体有限公司 相位对焦图像传感器及其形成方法
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