CN114664876A - 一种图像传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种图像传感器及其制作方法，属于半导体技术领域。所述图像传感器包括：衬底；多个光电二极管，设置在所述衬底内；以及多个微透镜，设置在所述衬底上，且所述微透镜与所述衬底接触。通过本发明提供的一种图像传感器及其制作方法，提高图像传感器的性能。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种图像传感器及其制作方法。
背景技术
互补金属氧化物图像传感器(Complementary Metal Oxide SemiconductorContact Image Sensor，CIS)具有集成度高、供电的电压低和技术门槛低等优势，被广泛应用于摄影摄像、安防系统、智能便携电话、传真机、扫描仪以及医疗电子等领域。随着集成电路的不断发展，CIS图像传感器中的光电二极管（Photo Diode，PD）的尺寸越来越小，单个光电二极管的感光能力降低，整个CIS图像传感器感光效率下降，在低光照环境下图像质量差。
因此，如何获得高质量的图像传感器成为急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种图像传感器及其制作方法，通过本发明提供的图像传感器及其制作方法，可以提高图像传感器的性能。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供一种图像传感器，其至少包括：
衬底；
多个光电二极管，设置在所述衬底内；以及
多个微透镜，设置在所述衬底上，且所述微透镜与所述衬底接触。
在本发明一实施例中，所述光电二极管包括：
第一阱区，设置在所述衬底内；以及
第二阱区，设置在所述第一阱区上；其中，所述微透镜设置在所述第二阱区上。
在本发明一实施例中，每个所述光电二极管上设置2~6个所述微透镜。
在本发明一实施例中，所述图像传感器还包括传输门，且所述传输门设置在部分所述第一阱区和部分所述衬底上。
在本发明一实施例中，所述微透镜的上下凸面的最大距离为100nm~200nm，所述微透镜的直径为0.8μm~1.1μm。
在本发明一实施例中，相邻所述微透镜的边缘之间最短距离为40nm~120nm。
在本发明一实施例中，所述微透镜的材料为氧化硅。
本发明的另一个目的还在于，提供一种图像传感器的制作方法，包括
提供一衬底；
在所述衬底内形成多个光电二极管；以及
在所述衬底上形成多个微透镜，且所述微透镜与所述衬底接触。
在本发明一实施例中，所述光电二极管的形成过程包括以下步骤：在所述衬底中依次形成第一阱区和第二阱区，所述第二阱区位于所述第一阱区上。
在本发明一实施例中，形成所述微透镜的制作方法包括以下步骤：
在所述衬底上形成光阻层；
对所述光阻层进行曝光显影，以使所述光阻层具有第一开口；
去除所述第一开口侧面的部分所述光阻层，形成图案化的光阻层，所述图案化的光阻层具有第二开口，所述第二开口的尺寸大于所述第一开口的尺寸；
以所述图案化的光阻层为掩模蚀刻所述衬底，形成凹部；
氧化所述凹部中的所述衬底，形成所述微透镜。
本发明提供的一种图像传感器及其制作方法，在形成微透镜时，先在衬底内形成凹部，从而形成类似双凸镜的微透镜，提高单位面积的微透镜的捕光效率，提高捕捉光线的范围，增加光电转化效率，提高图像传感器的性能。同时，制作工艺简单，降低制作成本。该技术同样可以应用在背面照度技术中，提高光线捕捉效率，提高背照式图像传感器的性能。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一实施例中垫氧化层和垫氮化层结构示意图。
图2为一实施例中浅沟槽隔离结构示意图。
图3为一实施例中单个光电二极管中阱区分布示意图。
图4为一实施例中第一开口结构示意图。
图5为图4的俯视图。
图6为一实施例中第二开口结构示意图。
图7为一实施例中凹部结构示意图。
图8为一实施例中微透镜结构示意图。
图9为一实施例中多晶硅层示意图。
图10为一实施例中传输门结构示意图。
标号说明：
10衬底；11垫氧化层；12垫氮化层；13浅沟槽隔离结构；14第一阱区；15第二阱区；16第三阱区；17光阻层；171第一开口；172第二开口；173凹部；18微透镜；19多晶硅层；20侧墙结构；21传输门。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
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，遂图式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。
在本发明中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”仅用于描述和区分目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明提供的一种图像传感器及其制作方法，通过制备出高性能的图像传感器，例如为集成度高的CIS图像传感器，且图像传感器感光性能较好，并具有体积小、重量轻、集成度高、分辨率高、功耗低、寿命长以及价格低等优点。本发明提供的图像传感器可广泛应用在摄影摄像、安防系统、智能便携电话、传真机、扫描仪以及医疗电子等领域。
请参阅图1所示，在本发明一实施例中，在图像传感器中包括多个光电二极管及其他电子元器件，在本实施例中，以图像传感器中的一个光电二极管（Photo diode，PD）为例，对图像传感器的制备过程进行说明。首先提供衬底10，其中，衬底10可以为任意适用的半导体材料，例如为碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氮化铝（AlN）、氮化铟（InN）、硅锗（GeSi）、蓝宝石或硅片等基板，还包括这些半导体构成的叠层结构等，或者为绝缘体上硅，绝缘体上层叠硅、绝缘体上层叠锗化硅、绝缘体上锗化硅以及绝缘体上锗等，具体可根据图像传感器的制备要求进行选择。在本实施例中，衬底10例如为带有外延结构的硅片半导体衬底，且外延结构例如为同质外延层。
请参阅图1所示，在本发明一实施例中，在衬底10上形成垫氧化层11，垫氧化层11例如为致密的氧化硅等材料，例如可以通过热氧化法或原位水汽生长法等方法在衬底10上形成垫氧化层11。在本实施例中，将衬底10放入温度例如为900℃~1150℃的炉管内，向炉管内通入氧气，衬底10与氧气在高温下反应，生成致密的垫氧化层11。且垫氧化层11的厚度例如为5nm~15nm，具体例如6nm、8nm、10nm或14nm等。
请参阅图1所示，在本发明一实施例中，在垫氧化层11形成后，在垫氧化层11上形成垫氮化层12，垫氮化层12例如为氮化硅或氮化硅和氧化硅的混合物等，在本实施例中，垫氮化层12例如为氮化硅。其中，垫氧化层11作为缓冲层可以改善衬底10与垫氮化层12之间的应力。在本实施例中，例如可以通过低压化学气相淀积法（Low Pressure ChemicalVapor Deposition，LPCVD）或等离子体增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition，PECVD)等方法形成垫氮化层12于垫氧化层11上。具体例如将带有垫氧化层11的衬底10放置于充有二氯硅烷与氨气的炉管内，在压力例如为2T~10T，且在温度例如为700℃~800℃下反应，沉积垫氮化层12。且可以通过控制加热时间调整垫氮化层12的厚度，在一些实施例中，垫氮化层12的厚度例如为40nm~120nm，具体例如为60nm、80nm、100nm或120nm等。垫氮化层12可以在刻蚀过程中，保护衬底10不受损害。
请参阅图2所示，在本发明一实施例中，在形成垫氮化层12后，在衬底10上形成多个浅沟槽隔离结构13。具体地，在垫氮化层12形成光阻层（图中未显示），通过曝光显影等工艺，形成图案化光阻层，以用于定义浅沟槽隔离结构13的位置。以该图案化光阻层为掩膜，利用干法刻蚀、湿法刻蚀或干法刻蚀和湿法刻蚀相结合等刻蚀方式定量地去除位于图案化光阻层下的垫氮化层12、垫氧化层11和部分衬底10，得到浅沟槽。在本实施例中，例如采用干法刻蚀形成浅沟槽，且刻蚀的气体例如为氯气（Cl2）、三氟甲烷（CHF3）、二氟甲烷（CH2F2）、三氟化氮（NF3）、六氟化硫（SF6）、溴化氢（HBr）或氧气（O2）等中的一种或几种的组合。在形成浅沟槽后，在浅沟槽内例如通过高密度等离子体化学气相淀积（High Density PlasmaCVD，HDP-CVD）或高深宽比化学气相淀积（High Aspect Ratio Process CVD，HARP-CVD）等方式沉积隔离介质，且隔离介质例如为氧化硅等绝缘物质。在隔离介质沉积完成后，例如通过化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）等平坦化工艺以将隔离介质和垫氮化层12的顶部位于同一平面，再对隔离介质和垫氮化层12进行刻蚀，形成多个浅沟槽隔离结构13，且浅沟槽隔离结构13与两侧的垫氧化层11齐平。通过设置多个浅沟槽隔离结构13，对图像传感器中的多个光电二极管或与其他半导体器件之间进行隔离，减少半导体器件间的相互干扰，提高图像传感器的性能。
请参阅图3所示，在本发明一实施例中，在浅沟槽隔离结构13形成后，对衬底10进行离子注入，形成不同的阱区。其中，在浅沟槽隔离结构13之间的衬底10中，以高注入能量注入第一类型杂质离子，形成第一阱区14，且第一阱区14与浅沟槽隔离结构13不相邻。以低注入能量，在第一阱区14上注入第二类型杂质离子，以形成第二阱区15，因注入能量不同，第二阱区15形成在第一阱区14上，即第一阱区14的深度大于第二阱区15的深度。在本实施例中，第一类型杂质离子与第二类型杂质离子的类型不同，其中，第一类型杂质离子例如为磷（P）或砷（As）等N型杂质，第二类型杂质离子例如为硼（B）等P型杂质，即第一阱区14和第二阱区15的掺杂类型不同。在其他实施例中，第一类型杂质离子也可以为P型杂质，第二类型杂质离子可以为N型杂质，可根据图像传感器的制作要求进行选择。在本实施例中，确保形成的第二阱区15的掺杂浓度小于第一阱区14的掺杂浓度，形成由第一阱区14指向第二阱区15的内建电场，在内建电场的作用下，第二阱区15中产生的信号电子扩散进入第一阱区14，通过第一阱区14将产生的电荷输送至传输门，减少第二阱区15中的电荷积累。第二阱区15和第一阱区14构成一个PN结，在图像传感器工作时，确保光电二极管将光信号转化为电信号。同时，促进信号电子的传输，消除传输边缘势垒造成的不利影响，减少图像拖尾现象。
请参阅图3所示，在本发明一实施例中，在浅沟槽隔离结构13的外侧，以高注入能量注入杂质离子，形成第三阱区16，且杂质离子例如为硼（B）等P型杂质，也例如可以为磷（P）或砷（As）等N型杂质，确保第三阱区16的掺杂类型与第一阱区14的掺杂类型相同即可。在本实施例中，第三阱区16包裹浅沟槽隔离结构13，且第三阱区16的深度与第一阱区14的深度相同，以作为光电二极管之间的隔离，进一步提高光电二极管之间的隔离效果，减少光电二极管之间的相互干扰。
请参阅图4至图5所示，在本发明一实施例中，在衬底10中形成多个阱区后，在垫氧化层11和浅沟槽隔离结构13上形成光阻层17，通过曝光显影等工艺在光阻层17中形成多个第一开口171，且第一开口171保暴露至垫氧化层11，以定义单个光电二极管中微透镜的个数和位置。在本实施例中，多个第一开口171设置在第二阱区15上，第一开口171例如设置为圆形，以提高后期制备的微透镜的聚光效果，且第一开口171的直径例如为0.5μm~0.8μm，第一开口171的个数例如为2~6个，又例如为4个。在其他实施例中，可依据图像传感器的制作要求，对单个光电二极管所在衬底区域中的第一开口171的个数和尺寸进行调整。
请参阅图4和图6所示，在本发明一实施例中，在形成第一开口171的过程中，由于受曝光和显影等设备对第一开口171的制作尺寸限制，第一开口171的尺寸较小，且第一开口171之间的距离较大，对光电二极管的感光区域的面积利用率较低。因此，在第一开口171形成后，需要对第一开口171进行修整，去除第一开口171侧面的部分光阻层，以扩大开口面积，提高感光区域的面积利用率。在本实施例中，将带有第一开口171的衬底10放入反应室中，将反应温度控制在例如为400℃~500℃，向反应室中通入含氧气体，例如通入氧气和含氟气体的混合气体。其中，含氟气体例如为三氟化氮（NF3）、四氟化碳（CF4）、三氟甲烷（CHF3）或六氟乙烷（C2F6）等中的一种或几种混合，对第一开口171进行修整，以去除第一开口171侧面的部分光阻层，完成光阻层17的图案化过程，形成图案化的光阻层。图案化的光阻层上形成有第二开口172，且第二开口172的尺寸大于第一开口171的尺寸。在本实施例中，第二开口172的直径例如为0.7μm~1μm，且第二开口172之间的最短距离例如为50nm~150nm。在其他实施例中，第二开口172的尺寸可以根据光电二极管的尺寸进行调整，确保第二开口172将第二阱区15的面积利用率达到最大。本发明通过对光阻层17上的开口尺寸进行修整，增大图案密度，以提高后期制备的微透镜对可见光和近红外光的灵敏度，提高图像传感器的感光性能，提高图像传感器的分辨率。
请参阅图7所示，在本发明一实施例中，以图案化的光阻层为掩膜，向衬底10方向进行刻蚀，形成多个凹部173。在本实施例中，例如通过干法刻蚀形成凹部173，且刻蚀气体例如为氯气（Cl2）、三氟甲烷（CHF3）、二氟甲烷（CH2F2）、三氟化氮（NF3）、六氟化硫（SF6）、溴化氢（HBr）或氧气（O2）等中的一种或几种组合，具体例如为Cl2和O2的混合气体，刻蚀完成后，去除光阻层17。在其他实施例中，也可以采用湿法刻蚀或干法刻蚀和湿法刻蚀相结合的刻蚀方法，形成凹部173。在本实施例中，在刻蚀过程中，将衬底10的刻蚀量控制在例如为40nm~90nm，即凹部173位于衬底10中的深度例如为40nm~90nm，且凹部173的直径例如为0.7μm~1μm，凹部173之间的最短距离例如为50nm~150nm。在其他实施例中，可通过控制刻蚀时间来控制衬底10的刻蚀量，即控制凹部173位于衬底10中的深度，以控制形成微透镜的尺寸。
请参阅图7至图8所示，在本发明一实施例中，在凹部173形成后，在凹部173内形成微透镜18，其中，微透镜18例如通过干氧氧化法、水汽氧化法或湿氧氧化法等方法形成。在本实施例中，将带有凹部173的衬底10放入反应腔室内，例如放入炉管中，先将炉管内压力控制在例如为10T~20T，炉管温度加热到例如为750℃~1000℃，又例如800℃，向炉管内通入混有少量氢气（H2）的氧气（O2）。氢气和氧气在高温低压下形成水蒸气、OH自由基、O自由基等物质的混合物，由于氢气和氧气的反应产物与垫氧化层11不发生反应，所以氢气和氧气反应生成的水蒸气、OH自由基、O自由基等物质只与凹部173的底部和侧壁的硅衬底的表面反应，生成氧化硅，从而发生体积膨胀。
请参阅图7至图8所示，在本发明一实施例中，将反应时间控制在例如20min~60min，又例如为30min，凹部173的底部和侧壁上的衬底10与氧气发生反应，向衬底10的内部和外部膨胀。由于凹部173位于衬底10中的深度较浅，在反应过程中，凹部173的侧壁表面很快形成一层氧化硅，而凹部173的直径较大，在侧壁的表面形成一层氧化硅后，凹部173的底部生成氧化硅的速度大于侧壁表面生成氧化硅的速度，因此，凹部173的底部生成的氧化硅向上膨胀形成顶部凸起的微透镜18。在反应过程中，凹部173的底部生成的氧化硅也会向衬底10的方向凸起，即形成的微透镜18的底部和顶部均发生弯曲，形成类似双凸透镜的形貌。在本实施例中，微透镜18的上下凸面的最大距离例如为100nm~200nm，微透镜18的直径例如为0.8μm~1.1μm，相邻微透镜18边缘之间的最短距离例如为40nm~120nm。在其他实施例中，可通过控制凹部173的尺寸和距离，对微透镜18的尺寸和距离进行调整。
请参阅图8所示，在本发明一实施例中，在图像传感器工作时，在相同的单位面积内，类似双凸透镜的微透镜18可以捕捉更多的光线，增加了图像传感器的光电转化效率，且类似双凸透镜的微透镜18的聚光性能较好，在低光照条件下，微透镜18的感光能力明显提升，以使图像传感器在提高捕捉可见光的同时，也可以捕捉近红外光，增加了微透镜18捕捉光线的范围，可以将更多的光信号转化为电信号，提高了图像传感器的性能。本发明中的微透镜的制作方法，在衬底10上直接形成类似双凸透镜的微透镜18，可以间接替代最后在介质层上形成的微透镜的功能，且本发明提供的制作方法简单，容易实现，简化图像传感器的制作工艺，同时降低图像传感器的制作成本。在其他实施例中，同样可以将该技术应用在背面照度技术（Backside Illumination，BSI）中，当应用在背面照度技术中时，光线从晶圆的背面进入，在经过类双凸透镜的微透镜时，光线可被更好的捕捉，同样可以提高背照式图像传感器的性能。
请参阅图9所示，在本发明一实施例中，在微透镜18形成后，在衬底10上形成多晶硅层19，多晶硅层19可以为P型，也可以为N型。在本实施例中，多晶硅层19例如为N型，且多晶硅层19的厚度例如为200nm~400nm，在其他实施例中，多晶硅层19的掺杂类型和厚度可以根据实际需要进行设定。具体的，在垫氧化层11、浅沟槽隔离结构13和微透镜18上形成多晶硅材料层，将多晶硅材料层进行平坦化工艺，后在多晶硅材料层上形成图案化光阻层（图中未显示）。然后通过例如干法刻蚀工艺、湿法刻蚀工艺或干法刻蚀工艺与湿法刻蚀工艺相结合来刻蚀多晶硅材料层，以形成多晶硅层19。在本实施例中，例如采用干法刻蚀工艺的各向异性刻蚀多晶硅材料层，形成多晶硅层19，且垫氧化层11和微透镜18可以作为多晶硅材料层的刻蚀停止层。在刻蚀到垫氧化层11和微透镜18时，停止刻蚀。即形成的多晶硅层19位于垫氧化层11上，且多晶硅层19横跨在部分第一阱区14和衬底10上。
请参阅图10所示，在本发明一实施例中，在多晶硅层19两侧形成侧墙结构20，将多晶硅层19和侧墙结构20定义为传输门21。具体地，在多晶硅层19、垫氧化层11、浅沟槽隔离结构13和微透镜18上形成侧墙介质层（图中未显示），且侧墙介质层的材料例如为氧化硅、氮化硅或者氧化硅和氮化硅叠层等材料。形成侧墙介质层之后，例如可采用光刻等刻蚀工艺去除多晶硅层19、浅沟槽隔离结构13、微透镜18以及部分垫氧化层11上的侧墙介质层，保留位于多晶硅层19两侧的侧墙介质层，形成侧墙结构20。且侧墙结构20的高度与多晶硅层19的高度一致，侧墙结构20的宽度由多晶硅层19的顶部至底部逐渐增加，通过设置绝缘性的侧墙结构20，防止产生漏电现象。在本实施例中，侧墙结构20的形状例如为圆弧状，在其他实施例中，侧墙结构20的形状还可以为其他形状，可根据制作要求进行选择。在图像传感器工作时，每个光电二极管通过相应的传输门21与浮动区（图中未显示）连接，光电二极管将光信号转化为电信号，信号电子通过传输门21传送至浮动区，从而实现了光信号到电信号的转化。
综上所述，本发明提供一种图像传感器及其制作方法，在形成微透镜时，先在衬底内形成凹部，从而形成类似双凸镜的微透镜，提高单位面积的微透镜的捕光效率，提高捕捉光线的范围，增加了光电转化效率，提高图像传感器的性能。同时，制作工艺简单，降低制作成本。
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (10)
1.一种图像传感器，其特征在于，包括：
衬底；
多个光电二极管，设置在所述衬底内；以及
多个微透镜，设置在所述衬底上，且所述微透镜与所述衬底接触。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述光电二极管包括：
第一阱区，设置在所述衬底内；以及
第二阱区，设置在所述第一阱区上；其中，所述微透镜设置在所述第二阱区上。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，每个所述光电二极管上设置2~6个所述微透镜。
4.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器还包括传输门，且所述传输门设置在部分所述第一阱区和部分所述衬底上。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述微透镜的上下凸面的最大距离为100nm~200nm，所述微透镜的直径为0.8μm~1.1μm。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，相邻所述微透镜的边缘之间最短距离为40nm~120nm。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述微透镜的材料为氧化硅。
8.一种图像传感器的制作方法，其特征在于，包括：
提供一衬底；
在所述衬底内形成多个光电二极管；以及
在所述衬底上形成多个微透镜，且所述微透镜与所述衬底接触。
9.根据权利要求8所述的图像传感器的制作方法，其特征在于，所述光电二极管的形成过程包括以下步骤：在所述衬底中依次形成第一阱区和第二阱区，所述第二阱区位于所述第一阱区上。
10.根据权利要求8所述的图像传感器的制作方法，其特征在于，形成所述微透镜的制作方法包括以下步骤：
在所述衬底上形成光阻层；
对所述光阻层进行曝光显影，以使所述光阻层具有第一开口；
去除所述第一开口侧面的部分所述光阻层，形成图案化的光阻层，所述图案化的光阻层具有第二开口，所述第二开口的尺寸大于所述第一开口的尺寸；
以所述图案化的光阻层为掩模蚀刻所述衬底，形成凹部；
氧化所述凹部中的所述衬底，形成所述微透镜。
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