CN111146221A - 一种宽光谱图像传感器结构及形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽光谱图像传感器结构及形成方法，图像传感器结构包括：设于半导体衬底正面上的感光单元；设于所述半导体衬底正面，自下而上依次位于所述感光单元中的宽禁带半导体材料层、第一半导体层、窄禁带半导体材料层和第二半导体层；其中，入射光由半导体衬底背面进入感光单元，利用宽禁带半导体材料层对入射光中的短波段光进行吸收，利用窄禁带半导体材料层对入射光中的长波段光进行吸收，以同时提高短波段和长波段的量子效率。本发明通过采用复合结构的感光单元，既能提高短波段的量子效率，也能增强近红外波段的量子效率。

Description

一种宽光谱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，特别是涉及一种宽光谱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，进而可以避免对周围环境的干扰，但是可以用于照亮物体。
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，提供一种宽光谱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：
一种宽光谱图像传感器结构，包括：
半导体衬底；
设于所述半导体衬底正面上的感光单元；
设于所述半导体衬底正面，自下而上依次位于所述感光单元中的宽禁带半导体材料层、第一半导体层、窄禁带半导体材料层和第二半导体层；
其中，入射光由所述半导体衬底背面进入所述感光单元，利用所述宽禁带半导体材料层对所述入射光中的短波段光进行吸收，利用所述窄禁带半导体材料层对所述入射光中的长波段光进行吸收，以同时提高短波段和长波段的量子效率。
进一步地，所述半导体衬底正面上设有凹槽，所述感光单元位于所述凹槽中，所述宽禁带半导体材料层、第一半导体层和窄禁带半导体材料层自所述凹槽底部向上依次设于所述凹槽中，所述第二半导体层同时覆盖于所述半导体衬底正面表面和所述凹槽中的所述窄禁带半导体材料层上。
进一步地，所述宽禁带半导体材料层、第一半导体层、窄禁带半导体材料层和第二半导体层自所述感光单元中延伸出并依次覆盖于所述半导体衬底正面表面上。
进一步地，所述宽禁带半导体材料层为SiC或GaN。
进一步地，所述窄禁带半导体材料层为SiGex，0＜x≤1。
进一步地，所述感光单元为光电二极管。
进一步地，所述半导体衬底、第一半导体层和第二半导体层材料为硅。
进一步地，还包括：设于所述半导体衬底正面上的转移栅极、浮动扩散极，以及设于所述半导体衬底正面上的层间介质层，所述层间介质层中设有金属互连层。
一种宽光谱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；
在所述凹槽中向上依次形成相接触的宽禁带半导体材料层、第一半导体层和窄禁带半导体材料层，并由所述窄禁带半导体材料层将所述凹槽填满；
在所述半导体衬底正面表面上形成第二半导体层，并接触覆盖在所述凹槽中的所述窄禁带半导体材料层上；
由所述第二半导体层正面向下通过离子注入方式形成位于所述凹槽中的感光单元，使所述感光单元中含有所述宽禁带半导体材料层、第一半导体层、窄禁带半导体材料层和第二半导体层；
在所述半导体衬底正面上形成转移栅极和浮动扩散极；
在所述第二半导体层正面上形成层间介质层，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；
在减薄后的所述半导体衬底背面上形成抗反射层。
一种宽光谱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依次形成相接触的宽禁带半导体材料层、第一半导体层、窄禁带半导体材料层和第二半导体层；
由所述第二半导体层正面向下通过离子注入方式形成感光单元，使所述感光单元中含有所述宽禁带半导体材料层、第一半导体层、窄禁带半导体材料层和第二半导体层；
在所述半导体衬底正面上形成转移栅极和浮动扩散极；
在所述第二半导体层正面上形成层间介质层，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；
在减薄后的所述半导体衬底背面上形成抗反射层。
从上述技术方案可以看出，本发明通过在感光单元内部形成宽禁带半导体材料层和窄禁带半导体材料层，当光线由半导体衬底背面入射进入到感光单元区域时，光线首先进入宽禁带半导体材料层中，入射光中的短波如紫外波段的吸收系数会被增加，进而提高了量子效率；而入射光中的长波段如近红外波段会穿过宽禁带半导体材料层进入到窄禁带半导体材料层中，增加了长波长如近红外波段的吸收系数，进而使得更多的近红外波段存储于感光单元中，提高了近红外光的量子效率。因此，本发明的感光单元通过采用复合结构，既提高了短波段的量子效率，也增强了近红外波段的量子效率。
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宽光谱图像传感器结构示意图。
图3-图11是本发明一较佳实施例的一种宽光谱图像传感器结构形成方法的工艺步骤示意图。
图12是本发明一较佳实施例二的一种宽光谱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宽光谱图像传感器结构示意图。如图2所示，本发明的一种宽光谱图像传感器结构，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)。本发明的宽光谱图像传感器结构，可包括：
半导体衬底20；
设于半导体衬底20正面上的感光单元25；
设于半导体衬底20正面，自下而上依次位于感光单元25中的宽禁带半导体材料层27、第一半导体层22、窄禁带半导体材料层23和第二半导体层24。
其中，在半导体衬底20正面上设有凹槽21，感光单元25位于凹槽21区域中。宽禁带半导体材料层27、第一半导体层22和窄禁带半导体材料层23除了位于感光单元25中之外，还同时位于凹槽21中，且自凹槽21底部向上依次设于凹槽21中。第二半导体层24同时覆盖于半导体衬底20正面表面和凹槽21中的窄禁带半导体材料层23上。
当光线由半导体衬底20背面入射进入到感光单元25区域时，光线首先进入宽禁带半导体材料层27中，入射光中的短波如紫外波段的吸收系数会被增加，进而提高了量子效率；而入射光中的长波段如近红外波段会穿过宽禁带半导体材料层27进入到窄禁带半导体材料层23中，增加了长波长如近红外波段的吸收系数，进而使得更多的近红外波段存储于感光单元25中，提高了近红外光的量子效率。因此，本发明的感光单元25通过采用由宽禁带半导体材料层27、第一半导体层22、窄禁带半导体材料层23和第二半导体层24组成的复合结构，既提高了短波段的量子效率，也增强了近红外波段的量子效率。
作为可选的实施方式，宽禁带半导体材料层27可为SiC或GaN。窄禁带半导体材料层23可为SiGex，其中，0＜x≤1。本发明不限于此。
进一步地，感光单元25可采用光电二极管(PD)25，接收入射光在光电二极管25中，将光信号转换成电信号，产生光电子。
进一步地，半导体衬底20、第一半导体层22和第二半导体层24材料可以采用硅材料。例如，半导体衬底20可以采用硅片衬底20，第一半导体层22和第二半导体层24可以采用硅层。
请参考图2。在半导体衬底20正面上还可设有浅槽隔离33、转移栅极31和浮动扩散极32。其中，浅槽隔离33用于光电二极管25之间的物理隔离。转移栅极31用于实现光电二极管25中产生的电荷转移到浮动扩散极32，浮动扩散极32用于接收储存从光电二极管25中产生的电荷，并转换成电压信号输出。
在半导体衬底20正面上还可设有层间介质层26；层间介质层26中可设有一至多层金属互连层。
下面通过具体实施方式并结合附图，对本发明的一种宽光谱图像传感器结构形成方法进行详细说明。
请参考图3-图11，图3-图11是本发明一较佳实施例的一种宽光谱图像传感器结构形成方法的工艺步骤示意图。如图3-图11所示，本发明的一种宽光谱图像传感器结构形成方法，可用于制作上述例如图2的宽光谱图像传感器结构。以在硅衬底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25的位置形成凹槽21。形成的凹槽21深度可在3微米以内。
接着，如图4-图6所示，可通过淀积方式，在凹槽21中向上依次形成相接触的宽禁带半导体材料层27、第一半导体层22和窄禁带半导体材料层23，并由窄禁带半导体材料层23将凹槽21填满。其中，宽禁带半导体材料层27可采用SiC或GaN，其淀积厚度可小于1微米。窄禁带半导体材料层23可采用SiGex，其中，0＜x≤1，其淀积厚度可小于1微米。第一半导体层22可采用硅层，其淀积厚度可小于1微米。
然后，如图7所示，继续在硅衬底20正面表面上淀积形成第二半导体层24，并使第二半导体层24接触覆盖在凹槽21中的窄禁带半导体材料层23上。第二半导体层24可采用薄硅层，其厚度约为20～90纳米。
接着，如图8所示，可使用CMOS图像传感器工艺流程，由第二半导体层24正面向下通过离子注入方式形成位于凹槽21中的感光单元25，使感光单元25中含有宽禁带半导体材料层27、第一半导体层22、窄禁带半导体材料层23和第二半导体层24。
接着，如图9所示，可通过光刻、刻蚀工艺，由第二半导体层24正面形成向下延伸进入硅衬底20中的浅槽隔离33。
并且，可通过栅极材料的淀积，光刻及刻蚀工艺，在硅衬底20正面上形成转移栅极31。具体地，转移栅极31形成于第二半导体层24表面上。栅极材料可采用多晶硅，从而形成多晶硅转移栅极31。
以及，可通过光刻及离子注入，由第二半导体层24正面向下形成浮动扩散极32。
接着，如图10所示，在第二半导体层24正面上淀积形成层间介质层26，并使用常规的CMOS图像传感器工艺，在层间介质层26中形成一至多层金属互连层。
然后，如图11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。
最后，还可使用背照式工艺，在减薄后的硅衬底20背面上淀积形成抗反射层。
请参考图12，图12是本发明一较佳实施例二的一种宽光谱图像传感器结构示意图。如图12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宽禁带半导体材料层27、第一半导体层22和窄禁带半导体材料层23的凹槽，而是将宽禁带半导体材料层27、第一半导体层22和窄禁带半导体材料层23直接沉积在硅衬底20正面的表面上，并在窄禁带半导体材料层23上全片沉积第二半导体层24。当通过离子注入方式，由第二半导体层24正面向下形成感光单元25时，感光单元25中即包含了相堆叠的宽禁带半导体材料层27、第一半导体层22、窄禁带半导体材料层23和第二半导体层24，从而形成具有复合结构的感光单元25。此时，宽禁带半导体材料层27、第一半导体层22、窄禁带半导体材料层23和第二半导体层24还自感光单元25中延伸出来，并依次覆盖于半导体衬底20正面表面上。
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)

1.一种宽光谱图像传感器结构，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感光单元；
设于所述半导体衬底正面，自下而上依次位于所述感光单元中的宽禁带半导体材料层、第一半导体层、窄禁带半导体材料层和第二半导体层；
其中，入射光由所述半导体衬底背面进入所述感光单元，利用所述宽禁带半导体材料层对所述入射光中的短波段光进行吸收，利用所述窄禁带半导体材料层对所述入射光中的长波段光进行吸收。
2.根据权利要求1所述的宽光谱图像传感器结构，其特征在于，所述半导体衬底正面上设有凹槽，所述感光单元位于所述凹槽中，所述宽禁带半导体材料层、第一半导体层和窄禁带半导体材料层自所述凹槽底部向上依次设于所述凹槽中，所述第二半导体层同时覆盖于所述半导体衬底正面表面和所述凹槽中的所述窄禁带半导体材料层上。
3.根据权利要求1所述的宽光谱图像传感器结构，其特征在于，所述宽禁带半导体材料层、第一半导体层、窄禁带半导体材料层和第二半导体层自所述感光单元中延伸出并依次覆盖于所述半导体衬底正面表面上。
4.根据权利要求1所述的宽光谱图像传感器结构，其特征在于，所述宽禁带半导体材料层为SiC或GaN。
5.根据权利要求1所述的宽光谱图像传感器结构，其特征在于，所述窄禁带半导体材料层为SiGex，0＜x≤1。
6.根据权利要求1所述的宽光谱图像传感器结构，其特征在于，所述感光单元为光电二极管。
7.根据权利要求1所述的宽光谱图像传感器结构，其特征在于，所述半导体衬底、第一半导体层和第二半导体层材料为硅。
8.根据权利要求1所述的宽光谱图像传感器结构，其特征在于，还包括：设于所述半导体衬底正面上的转移栅极、浮动扩散极，以及设于所述半导体衬底正面上的层间介质层，所述层间介质层中设有金属互连层。
9.一种宽光谱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；
在所述凹槽中向上依次形成相接触的宽禁带半导体材料层、第一半导体层和窄禁带半导体材料层，并由所述窄禁带半导体材料层将所述凹槽填满；
在所述半导体衬底正面表面上形成第二半导体层，并接触覆盖在所述凹槽中的所述窄禁带半导体材料层上；
由所述第二半导体层正面向下通过离子注入方式形成位于所述凹槽中的感光单元，使所述感光单元中含有所述宽禁带半导体材料层、第一半导体层、窄禁带半导体材料层和第二半导体层；
在所述半导体衬底正面上形成转移栅极和浮动扩散极；
在所述第二半导体层正面上形成层间介质层，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；
在减薄后的所述半导体衬底背面上形成抗反射层。
10.一种宽光谱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依次形成相接触的宽禁带半导体材料层、第一半导体层、窄禁带半导体材料层和第二半导体层；
由所述第二半导体层正面向下通过离子注入方式形成感光单元，使所述感光单元中含有所述宽禁带半导体材料层、第一半导体层、窄禁带半导体材料层和第二半导体层；
在所述半导体衬底正面上形成转移栅极和浮动扩散极；
在所述第二半导体层正面上形成层间介质层，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；
在减薄后的所述半导体衬底背面上形成抗反射层。
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