CN114725142A - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents

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钱俊
孙昌
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Abstract

本发明提供了一种图像传感器及其制造方法，应用于半导体技术领域。在本发明提供的一种图像传感器的新型制造方法中，通过在光电二极管区的外围半导体衬底中设置由压电材料层和压电材料电极构成的压电器件层，并利用压电器件层对图像传感器光电二极管区所对应的半导体衬底产生应力，从而改变其晶格常数，并影响其吸收光子的能量范围，以实现有效扩充图像传感器色域空间，并最终提升CMOS图像传感器的产品性能的目的。

Description

图像传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种图像传感器及其制造方法。
背景技术
图像传感器分为正面照明类型和背面照明类型两种。背面照明类型，又称背照式，最大的优化之处在于将光敏单元调转方向，使入射光从传感器的背面进入，避免了传统背照式图像传感器结构中，从正面射入时会经过电路和晶体管部分而对入射光造成吸收和干扰，影响感光性能和成像质量。
然而，在传统的CMOS图像传感器中，是使用PN结来接收外部光线，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。而其接收外部光线的PN结(光电二极管)是形成在材料特性为间接半导体材料的硅衬底上，而间接半导体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，而其价带和导带底能带间隙是固定的。因此，利用间接半导体材料作为形成光电二极管的衬底材料的图像传感器，就会出现由于其衬底材料的特性影响其吸收光子的能量范围，进而缩小传感器的色域空间，并最终影响CMOS图像传感器性能的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种图像传感器及其制造方法，以通过改变衬底晶格常数，从而改变影响光电二极管吸收光子的能量范围，以扩充CMOS图像传感器的色域空间，并最终提升产品性能。
第一方面，为解决上述技术问题，本发明提供一种图像传感器的制造方法，至少包括以下步骤：
步骤S1，提供一半导体衬底，所述半导体衬底内形成有沟槽隔离结构以及通过所述沟槽隔离结构定义出的至少一个光电二极管区；
步骤S2，在所述光电二极管区的表面上形成压电器件层，以利用所述压电器件层在沿垂直于所述半导体衬底的方向上，调节所述光电二极管区所对应的半导体衬底的晶格常数。
进一步的，所述半导体衬底可以为硅衬底。
进一步的，所述压电器件层可以包括压电材料层和设置在所述压电材料层顶面两端上的压电材料电极层。
进一步的，在步骤S2形成所述压电器件层之前，所述方法还可以包括：在所述光电二极管区的表面上形成第一介质层。
进一步的，所述步骤S2中形成压电器件层的步骤，可以包括：
在所述第一介质层的表面上形成两侧分别具有一底部暴露出部分所述第一介质层的开口的压电材料层；
在所述压电材料层的至少部分表面上形成第二介质层；
在每个所述开口中填充压电材料电极层，以使所述压电材料电极层至少填满所述开口。
进一步的，在所述开口中填满所述压电材料电极层之后，所述方法还可以包括：
刻蚀所述半导体衬底，以在所述压电材料电极层顶面上对应的半导体衬底中形成接触孔；
在所述接触孔中沉积导电材料，以形成将外接电压与所述压电材料电极层电性接触的导电接触插塞。
进一步的，在步骤S1中形成沟槽隔离结构的步骤，可以包括：
提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成图形化的硬掩膜层；
以所述图形化的硬掩膜层为掩膜，刻蚀所述半导体衬底，以形成用于隔离光电二极管区的沟槽；
在所述沟槽中填充隔离介质层，以形成所述沟槽隔离结构。
进一步的，在所述步骤S2中利用所述压电器件层在沿垂直于所述半导体衬底的方向上，调节所述光电二极管区所对应的半导体衬底的晶格常数的步骤，可以包括：
通过所述导电接触插塞和所述压电材料电极层，在所述压电材料层上施加一外接电压，以使所述压电材料层发生变形，并对位于其下方的所述光电二极管区所对应的半导体衬底产生应力作用。
进一步的，所述压电材料层的材料可以包括CdS或ZnO，所述压电材料电极层的材料可以包括Ga或Ge。
第二方面，基于与所述图像传感器的制造方法相同的发明构思，本发明还提供了一种图像传感器；具体的，所述图像传感器可以包括多个像素结构，其中，每个所述像素结构包括至少一个光电二极管区，所述光电二极管区采用如上所述的图像传感器的制造方法形成。
与现有技术相比，本发明的技术方案至少具有以下有益效果之一：
在本发明提供的一种图像传感器的新型制造方法中，通过在光电二极管区的外围半导体衬底中设置由压电材料层和压电材料电极构成的压电器件层，并利用压电器件层对图像传感器光电二极管区所对应的半导体衬底产生应力，从而改变其晶格常数，并影响其吸收光子的能量范围，以实现有效扩充图像传感器色域空间，并最终提升CMOS图像传感器的产品性能的目的。
附图说明
图1为本发明一实施例中的图像传感器的制造方法的流程图；
图2a～图2d为一种图像传感器在制造过程中的结构示意图；
其中，附图标记如下：
100-半导体； 101-沟槽隔离结构；
110-第一介质层； 120-压电器件层；
121-压电材料层； 122-压电材料电极层；
130-第二介质层； 102-开口；
103-接触孔； 140-导电接触插塞；
PD-光电二极管区。
具体实施方式
承如背景技术所述，目前，在传统的CMOS图像传感器中，是使用PN结(光电二极管)来接收外部光线，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。而其接收外部光线的PN结(光电二极管)是形成在材料特性为间接半导体材料的硅衬底上，而间接半导体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，而其价带和导带底能带间隙是固定的。因此，利用间接半导体材料作为形成光电二极管的衬底材料的图像传感器，就会出现由于其衬底材料的特性影响其吸收光子的能量范围，进而缩小传感器的色域空间，并最终影响CMOS图像传感器性能的问题。
针对此问题，本发明研究人员发现硅材料是间接半导体材料，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，而其价带和导带底能带间隙是固定的。对于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。而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(间隙)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。
并且，禁带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，本发明研究人员提出是否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，进而影响其吸收光子的能量范围，以实现有效扩充CMOS图像传感器的色域空间，并最终提升其性能的目的。
基于此，本发明提供了一种图像传感器及其制造方法，以通过改变衬底晶格常数，从而改变影响光电二极管吸收光子的能量范围，以扩充CMOS图像传感器的色域空间，并最终提升产品性能。
例如参考图1所示，本发明所提供的图像传感器的制造方法至少包括以下步骤：
步骤S1，提供一半导体衬底，所述半导体衬底内形成有沟槽隔离结构以及通过所述沟槽隔离结构定义出的至少一个光电二极管区；
步骤S2，在所述光电二极管区的表面上形成压电器件层，以利用所述压电器件层在沿垂直于所述半导体衬底的方向上，调节所述光电二极管区所对应的半导体衬底的晶格常数。
即，在本发明提供的一种图像传感器的新型制造方法中，通过在光电二极管区的外围半导体衬底中设置由压电材料层和压电材料电极构成的压电器件层，并利用压电器件层对图像传感器光电二极管区所对应的半导体衬底产生应力，从而改变其晶格常数，并影响其吸收光子的能量范围，以实现有效扩充图像传感器色域空间，并最终提升CMOS图像传感器的产品性能的目的。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的图像传感器及其制造方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
图2a～图2d为本发明一实施例中的一种图像传感器在制造过程中的结构示意图。
在步骤S1中，具体参考图2a所示，提供一半导体衬底100，所述半导体衬底100内形成有沟槽隔离结构101以及通过所述沟槽隔离结构101定义出的至少一个光电二极管区PD。
在本实施例中，所述图像传感器堆叠结构可以是背照式图像传感器工艺中已经完成部分工艺的半导体结构。其中，所述半导体衬底100可以为硅衬底，由于形成所述背照式CMOS图像传感器的衬底材料的硅衬底为间接(间隙)半导体，因此，其禁带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，从而影响了其吸收光子的能量范围，以及缩了传感器的色域空间，并减低了其性能。为此，本发明研究人员提出了可以采用如下步骤S2的方法解决此问题，详见如下描述。
需要说明的是，尽管本发明提供的附图中未示出，但是本发明实施例中的所述背照式CMOS图像传感器上还可以形成有其它层或构件，例如，栅极结构、层间电介质层、下层金属连线和通孔等等。
进一步的，在本发明实施例中，具体提供了一种步骤S1中形成沟槽隔离结构的实施方式，包括：
步骤S1.1，提供半导体衬底100，在所述半导体衬底100上形成图形化的硬掩膜层(未图示)；
步骤S1.2，以所述图形化的硬掩膜层为掩膜，刻蚀所述半导体衬底100，以形成用于隔离光电二极管区PD的沟槽(未图示)；
步骤S1.3，在所述沟槽中填充隔离介质层，以形成所述沟槽隔离结构101。
可以理解的是，在本发明实施例中，由于本发明形成的是背照式CMOS图像传感器，因此，由光电二极管构成的像素结构(或称为器件层)位于金属电路层的上方，因此，本发明形成的沟槽隔离结构101同样位于所述半导体衬底100中，并且，如下步骤S2中形成的压电器件层120以及导电接触插塞均形成在所述半导体衬底100中，即与形成有PN结的光电二极管区PD形成在同一层中。
在步骤S2中，具体参考图2b～图2d所示，在所述光电二极管区PD的表面上形成压电器件层110，以利用所述压电器件层120在沿垂直于所述半导体衬底100的方向上，调节所述光电二极管区PD所对应的半导体衬底100的晶格常数。
在本实施例中，所述压电器件层120包括压电材料层121和设置在所述压电材料层121顶面两端上的压电材料电极层122。其中，所述压电材料层的材料121包括CdS或ZnO，所述压电材料电极层122的材料包括Ga或Ge。
并且，具体参考图2b所示，在步骤S2形成所述压电器件层120之前，所述方法还包括：在所述光电二极管区PD的表面上形成第一介质层110。其中，所述第一介质层110的材料可以为二氧化硅、氮化硅等隔离材料。
具体的，本发明提供了一种具体形成所述步骤S2中形成压电器件层120的步骤，具体如下：
步骤S2.1，具体参考图2b所示，在所述第一介质层110的表面上形成两侧分别具有一底部暴露出部分所述第一介质层110的开口102的压电材料层121；
步骤S2.2，继续参考图2b所示，在所述压电材料层121的至少部分表面上形成第二介质层130；
步骤S2.3，具体参考图2c所示，在每个所述开口102中填充压电材料电极层122，以使所述压电材料电极层122至少填满所述开口102。
在本实施例中，可以先提供以硅衬底的半导体衬底，然后，利用离子注入工艺在该半导体衬底的中间部分形成一被沟槽隔离结构隔离开的光电二极管(PN结)，然后，在该光电二极管的表面上形成一层一定厚的第一介质层，如二氧化硅，以用于隔离光电二极管和压电器件层，之后再在苏搜第一介质层的中间部分表面上形成一层压电材料层，并暴露出所述第一介质层的两端的部分表面，以用于形成后续的开口，之后，再在该压电材料层的中间部分表面上形成一层一定厚度第二介质层，如二氧化硅，并同时在所述第二介质层的两端的部分区域暴露出位于其下方的压电材料层，以形成如图2b所示的内部一侧呈台阶状的开口102，之后，再在该开口102中填充压电材料电极层，以形成本发明提出的压电器件层120过程的压电器件。
之后，具体参考图2c和图2d所示，再刻蚀所述半导体衬底100，以在所述压电材料电极层122顶面上对应的半导体衬底100中形成接触孔103；并在所述接触孔103中沉积导电材料，以形成将外接电压与所述压电材料电极层122电性接触的导电接触插塞140。
在本实施例中，在形成所述导电接触插塞140之后，便可以通过所述导电接触插塞140和所述压电材料电极层122，在所述压电材料层121上施加一外接电压，以使所述压电材料层121发生变形，并对位于其下方的所述光电二极管区PD所对应的半导体衬底100产生应力作用，以实现从在沿垂直于所述半导体衬底100的方向上调节所述光电二极管区PD所对应的半导体衬底材料的晶格常数，从而调整其吸收光子的能量范围。
此外，基于与上述图像传感器的制造方法的相同的发明构思，本发明还提供了一种图像传感器(未图示)；具体的，所述图像传感器包括多个像素结构(未图示)，而每个所述像素结构包括至少一个光电二极管区PD(未图示)，所述光电二极管区PD可以所述的图像传感器的制造方法形成，具体形成方法参考如上实施例，在此不做累述。
综上所述，在本发明提供的一种图像传感器的新型制造方法中，通过在光电二极管区的外围半导体衬底中设置由压电材料层和压电材料电极构成的压电器件层，并利用压电器件层对图像传感器光电二极管区所对应的半导体衬底产生应力，从而改变其晶格常数，并影响其吸收光子的能量范围，以实现有效扩充图像传感器色域空间，并最终提升CMOS图像传感器的产品性能的目的。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明保护范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于本发明的保护范围。
此外，还应当理解的是，尽管在这里可以使用术语“第一”、“第二”等来描述不同的元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应当受这些术语的限制。这些术语仅是用来将一个元件、组件、区域、层或部分与另一个元件、组件、区域、层或部分区分开来。因此，在不脱离根据本发明的示例性实施例的教导的情况下，以下所讨论的第一元件、组件、区域、层或部分也可以被称作第二元件、组件、区域、层或部分。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之下”、“在……之上”、“下面的”、“在……上方”、“上面的”、“上层”和“下层”等，用来描述如在图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描绘的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他元件或特征下方”或“在其他元件或特征之下”的元件之后将被定位为“在其他元件或特征上方”或“在其他元件或特征之上”。因而，示例性术语“在……下方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述符做出相应解释。
这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本发明的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种图像传感器的制造方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
步骤S1，提供一半导体衬底，所述半导体衬底内形成有沟槽隔离结构以及通过所述沟槽隔离结构定义出的至少一个光电二极管区；
步骤S2，在所述光电二极管区的表面上形成压电器件层，以利用所述压电器件层在沿垂直于所述半导体衬底的方向上，调节所述光电二极管区所对应的半导体衬底的晶格常数。
2.如权利要求1所述的图像传感器的制造方法，其特征在于，所述半导体衬底为硅衬底。
3.如权利要求1所述的图像传感器的制造方法，其特征在于，所述压电器件层包括压电材料层和设置在所述压电材料层顶面两端上的压电材料电极层。
4.如权利要求3所述的图像传感器的制造方法，其特征在于，在步骤S2形成所述压电器件层之前，所述方法还包括：在所述光电二极管区的表面上形成第一介质层。
5.如权利要求4所述的图像传感器的制造方法，其特征在于，所述步骤S2中形成压电器件层的步骤，包括：
在所述第一介质层的表面上形成两侧分别具有一底部暴露出部分所述第一介质层的开口的压电材料层；
在所述压电材料层的至少部分表面上形成第二介质层；
在每个所述开口中填充压电材料电极层，以使所述压电材料电极层至少填满所述开口。
6.如权利要求5所述的图像传感器的制造方法，其特征在于，在所述开口中填满所述压电材料电极层之后，所述方法还包括：
刻蚀所述半导体衬底，以在所述压电材料电极层顶面上对应的半导体衬底中形成接触孔；
在所述接触孔中沉积导电材料，以形成将外接电压与所述压电材料电极层电性接触的导电接触插塞。
7.如权利要求1所述的图像传感器的制造方法，其特征在于，在步骤S1中形成沟槽隔离结构的步骤，包括：
提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成图形化的硬掩膜层；
以所述图形化的硬掩膜层为掩膜，刻蚀所述半导体衬底，以形成用于隔离光电二极管区的沟槽；
在所述沟槽中填充隔离介质层，以形成所述沟槽隔离结构。
8.如权利要求6所述的图像传感器的制造方法，其特征在于，在所述步骤S2中利用所述压电器件层在沿垂直于所述半导体衬底的方向上，调节所述光电二极管区所对应的半导体衬底的晶格常数的步骤，包括：
通过所述导电接触插塞和所述压电材料电极层，在所述压电材料层上施加一外接电压，以使所述压电材料层发生变形，并对位于其下方的所述光电二极管区所对应的半导体衬底产生应力作用。
9.如权利要求3所述的背照式图像传感器的制造方法，其特征在于，所述压电材料层的材料包括CdS或ZnO，所述压电材料电极层的材料包括Ga或Ge。
10.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括多个像素结构，其中每个所述像素结构包括至少一个光电二极管区，所述光电二极管区采用权利要求1至9中任一项所述的图像传感器的制造方法形成。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116169151A (zh) * 2023-04-25 2023-05-26 合肥晶合集成电路股份有限公司 半导体结构、半导体结构的制作方法及图像传感器器件

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