CN109509763B - 一种提高量子效率的图像传感器像素单元结构和形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高量子效率的图像传感器像素单元结构，包括设于硅衬底正面的光电二极管和传输管栅极，设于层间介质层中的金属互连层和聚光反射层，聚光反射层设有聚光层和金属反射层，并对应位于光电二极管的下方，聚光层具有阵列状的多个聚光突起，每个聚光突起具有面向光电二极管设置的弧形凸面表面，用于对自硅衬底背面入射的光线进行聚光，金属反射层具有与每个聚光突起的弧形凸面表面对应的连续弧形状结构，用于将经聚光后的入射光线再次反射至光电二极管中，保证了近红外光在硅衬底里吸收比例的大幅上升，提高了背照式像素单元的近红外量子效率。本发明还公开了一种提高量子效率的图像传感器像素单元结构的形成方法。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器技术领域，更具体地，涉及一种提高量子效率的背照式图像传感器像素单元结构和形成方法。
背景技术
图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置，通常大规模商用的图像传感器芯片包括电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器芯片两大类。
CMOS图像传感器和传统的CCD传感器相比，具有低功耗，低成本和与CMOS工艺兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用。现在CMOS图像传感器不仅用于消费电子领域，例如微型数码相机(DSC)，手机摄像头，摄像机和数码单反(DSLR)中，而且在汽车电子，监控，生物技术和医学等领域也得到了广泛的应用。
CMOS图像传感器的像素单元是图像传感器实现感光的核心器件。最常用的像素单元为包含一个光电二极管和多个晶体管的有源像素结构。这些器件中光电二极管是感光单元，实现对光线的收集和光电转换，其它的MOS晶体管是控制单元，主要实现对光电二极管的选中，复位，信号放大和读出的控制。
CMOS图像传感器按照入射光进入光电二极管的路径不同，可以分为前照式和背照式两种图像传感器，前照式是指入射光从硅片正面进入光电二极管的图像传感器，而背照式是指入射光从硅片背面进入光电二极管的图像传感器。
为了提高CMOS图像传感器中光电二极管的面积和减少介质层对入射光的损耗，我们可以采用背照式CMOS图像传感器工艺，即入射光从硅片的背面进入光电二极管，从而减小介质层对入射光的损耗，提高像素单元的灵敏度。
硅材料对入射光的吸收系数随波长的增强而减小。常规像素单元通常使用红、绿、蓝三原色的滤光层。其中蓝光的波长为450纳米，绿光的波长为550纳米，红光的波长为650纳米。因此红光在硅片中的吸收位置最深，而蓝光最浅。蓝光在最靠近硅片表面的位置被吸收，其吸收系数最高；红光进入硅片最深，大约可以进入硅片2.3微米左右，其吸收系数最低；绿光的吸收系数介于蓝光和红光两者之间，而近红外光的吸收需要大于2.3微米的吸收厚度。
一种常规的背照式CMOS图像传感器像素单元的结构如图1所示。其中，在硅衬底10中形成的光电二极管11为像素单元的感光器件，入射光线中的可见光部分通过光电转换形成的电荷在光电二极管中被收集。由于背照式像素单元的硅衬底10厚度通常在3微米左右，而入射光中的近红外部分需要远大于3微米的硅衬底厚度才能被吸收。因此如图1所示，入射光中的近红外部分(近红外入射光线)将直接穿过硅衬底10，然后进入层间介质12。由于半导体工艺中的层间介质12通常使用二氧化硅等透光材料，因此近红外入射光线将直接穿过硅衬底10和层间介质12，无法实现正常的光电转换，因此量子效率极低。
在目前的安防监控、机器视觉和智能交通***的应用中，夜晚红外补光的光线波长集中在850纳米至940纳米，常规背照式像素单元对这一波段的光线不敏感。
因此，需要设计新的背照式像素单元结构和形成方法，以提高近红外波段的灵敏度和量子效率，提升产品的夜视效果。
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，提供一种提高量子效率的图像传感器像素单元结构和形成方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种提高量子效率的图像传感器像素单元结构，包括：
硅衬底；
设于所述硅衬底正面的光电二极管和传输管栅极；
设于所述硅衬底正面下方的层间介质层；
设于所述层间介质层中的金属互连层和聚光反射层，所述聚光反射层对应位于光电二极管的下方；
其中，所述聚光反射层设有聚光层和位于聚光层下方的金属反射层；所述聚光层设有阵列状的多个聚光突起，每个聚光突起具有面向光电二极管设置的平面底面和背向光电二极管设置的弧形凸面表面，用于对自硅衬底背面入射的光线进行聚光，所述金属反射层具有与每个聚光突起的弧形凸面表面对应的连续弧形状结构，用于将经聚光后的入射光线再次反射至光电二极管中。
进一步地，所述聚光突起的材料为多晶硅。
进一步地，各所述聚光突起在所述硅衬底的正面表面上水平密集排列设置。
进一步地，所述聚光突起具有与其弧形凸面表面相圆滑过渡衔接的侧墙。
进一步地，所述金属反射层沿阵列状的多个聚光突起的轮廓从下方将其完全包裹设置。
进一步地，所述聚光突起与传输管栅极同层设置。
进一步地，所述金属反射层通过金属互连层引出并接地。
进一步地，还包括：设于所述硅衬底背面上并位于像素单元之间的金属挡光层，以及设于所述硅衬底背面表面和金属挡光层之间的抗反射层。
一种提高量子效率的图像传感器像素单元结构的形成方法，包括：
提供一硅衬底，在所述硅衬底的正面形成光电二极管、传输管栅极、悬浮漏极和浅槽隔离，以及在对应位于光电二极管上方的所述硅衬底的正面上形成阵列状的多个聚光突起，每个聚光突起具有面向光电二极管设置的平面底面和背向光电二极管设置的弧形凸面表面；
在所述硅衬底的正面表面淀积金属反射层材料，将聚光突起完全包裹，通过聚光突起的弧形凸面表面形貌，形成金属反射层的连续弧形状结构；
通过光刻和刻蚀，将光电二极管区域以外的金属反射层材料去除，保留光电二极管上方包裹聚光突起部分的金属反射层材料，形成金属反射层；
在所述硅衬底的正面表面淀积层间介质层，并在层间介质层中形成金属互连层；
将所述硅衬底翻转后粘合到载片上，然后对所述硅衬底的背面执行减薄工艺；
在减薄后的所述硅衬底的背面表面淀积抗反射层，以及在抗反射层上形成金属挡光层。
进一步地，在形成传输管栅极的同时，同层形成所述聚光突起。
从上述技术方案可以看出，本发明通过在光电二极管下方设置包括多晶聚光层和金属反射层的聚光反射层，可利用聚光层对自硅衬底背面入射的光线进行聚光，同时利用金属反射层将经聚光后的入射光线再次反射至光电二极管中实现光电转换，保证了穿透光电二极管的近红外入射光没有可以穿透的间隙，实现了对近红外入射光的聚焦和反射，保证了近红外光在硅衬底里吸收比例的大幅上升，提高了背照式像素单元的近红外量子效率。
附图说明
图1是现有的一种背照式CMOS图像传感器像素单元的结构示意图。
图2是本发明一较佳实施例的一种提高量子效率的图像传感器像素单元结构示意图。
图3-图8是本发明一较佳实施例的一种提高量子效率的图像传感器像素单元结构的形成方法的工艺步骤示意图。
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，请参阅图2，图2是本发明一较佳实施例的一种提高量子效率的图像传感器像素单元结构示意图。如图2所示，，本发明的一种提高量子效率的图像传感器像素单元结构，是一个建立在硅衬底20上的背照式CMOS图像传感器像素单元结构。其中，在硅衬底20的正面，并位于硅衬底20中设置有CMOS图像传感器像素单元的光电二极管21、悬浮漏极23、浅槽隔离22等结构。在硅衬底20的正面上还设有各MOS晶体管。例如在硅衬底20的正面上还设有传输管的多晶栅极24等结构。
在硅衬底20的正面表面上(硅衬底20正面下方)还设置有层间介质层27。层间介质层27中设置有金属互连层。以使用两层金属互连层31、33的像素单元为例，各层的金属互连层31、33之间通过通孔32进行互连。
其中，光电二极管21是感光单元，实现对光线的收集并负责光电转换，将光子转换为电子；其他的MOS晶体管是控制单元，主要实现对光电二极管21的选中、复位、信号放大和读出的控制，可包括例如传输管、复位管、源极跟随管和行选管等。其中传输管负责将光电二极管21中产生的电子传输到悬浮漏极23，并转换为电压信号输出。浅槽隔离22用于隔离光电二极管21，即用于对像素进行隔离。
请参阅图2。在层间介质层27中还设置有聚光反射层30。聚光反射层30对应位于光电二极管21的下方；聚光反射层30设有聚光层和位于聚光层下方的金属反射层29。其中，聚光层具有阵列状的多个聚光突起28结构；每个聚光突起28具有面向光电二极管21设置的平面底面和背向光电二极管21设置的弧形凸面表面，用于对自硅衬底20背面入射的光线进行聚光。金属反射层29具有与每个聚光突起28的弧形凸面表面对应的连续弧形状结构，用于将经聚光后的入射光线再次反射至光电二极管21中实现光电转换。这样就实现了对近红外入射光的聚焦和反射(如图示虚线箭头所指)，保证了近红外光在硅衬底20里吸收比例的大幅上升，提高了背照式像素单元的近红外量子效率。
入射光的吸收能力直接和硅衬底收集区域的厚度相关，而近红外光由于波长较长，其吸收的深度远大于常规的蓝绿红三色。为了增强像素单元对近红外光的吸收能力，需要将穿通硅衬底的近红外入射光反射回光电二极管后实现光电转换。
常规光电二极管下方为透光的层间介质，无法实现对入射光的反射。因此，本发明通过在光电二极管下方设置由阵列状的多个聚光突起28和连续弧形金属结构29组合而成的聚光反射层30，形成对近红外入射光线进行聚光和反射，入射光线被连续弧形金属反射后，重新进入光电二极管21感光区域，并发生光电反应，反应产生的电荷被光电二极管21的内建电势收集，形成电信号，从而实现了近红外入射光线的收集，提高了像素单元近红外的量子效率。同时，由于连续弧形金属29本身也具有一定的聚光作用，使得本发明提供的聚光反射层30结构可以更加有效地收集穿过光电二极管21的近红外入射光线。
作为可选的实施方式，各聚光突起28在硅衬底20的正面表面上水平密集排列设置，并占据聚光反射层30面向光电二极管21的整个表面，以对光线进行最大程度的反射。
聚光突起28的材料可为多晶硅，即可与传输管的多晶栅极24的材料相同。
此外，聚光突起28可与传输管栅极24同层设置，并可在聚光突起28外侧同样具有侧墙等结构。其中，聚光突起28侧墙应与聚光突起28的弧形凸面表面相圆滑过渡衔接，以保证聚光反射层30对光线进行聚焦及反射的总体效果。
为了实现对近红外入射光线的充分反射，金属反射层29可沿阵列状的多个聚光突起28的轮廓从下方将每个聚光突起28完全包裹起来，保证穿透光电二极管21的近红外入射光没有可以穿透的间隙，以保证对入射光的充分反射。
同时，为了避免聚光反射层30因光线照射产生寄生电荷，并影响到光电二极管21的正常工作，可将金属反射层29通过金属互连层31(金属一)引出并接地。
此外，在硅衬底20的背面上并位于像素单元之间还可设置金属挡光层25；每个金属挡光结构25在对应光电二极管21的上方形成开口，以便引导光线从该开口进入并照射至光电二极管21。
根据需要，在硅衬底20的背面表面和金属挡光层25之间还可设置抗反射层26。
下面通过具体实施方式及附图，对本发明的一种提高量子效率的图像传感器像素单元结构的形成方法进行详细说明。
请参阅图3-图8，图3-图8是本发明一较佳实施例的一种提高量子效率的图像传感器像素单元结构的形成方法的工艺步骤示意图。如图3-图8所示，本发明的一种提高量子效率的图像传感器像素单元结构的形成方法，可用于形成上述的提高量子效率的图像传感器像素单元结构，并可包括以下步骤：
以使用两层金属互连层31、33的像素单元结构为例，首先，如图3所示，提供一硅衬底20，可使用CMOS图像传感器工艺流程，在硅衬底20的正面形成光电二极管21、传输管多晶栅极24及侧墙、悬浮漏极23和浅槽隔离22等结构。其中，在形成传输管多晶栅极24及侧墙的同时，在硅衬底的正面上同步形成对应位于光电二极管上方的阵列状的多个聚光突起28以及聚光突起28的侧墙。利用常规的工艺，即可使得每个聚光突起28及其侧墙的组合形成具有背向光电二极管21的弧形凸面表面的形貌，用于后续金属反射层29结构的形成。
然后，如图4所示，在硅衬底的正面表面上全片淀积金属反射层材料29’，将聚光突起28及其侧墙完全包裹。通过聚光突起28结构的弧形凸面表面形貌，形成后续金属反射层29的连续弧形状结构。金属反射层材料29’可以使用铜、钨、铝、氮化钽或氮化钛等不透光的金属或金属化合物。
接着，如图5所示，可通过光刻和刻蚀，将光电二极管区域以外的金属反射层材料29’去除，仅保留光电二极管上方包裹聚光突起28部分的金属反射层材料29’，利用聚光突起28结构的弧形凸面表面形貌，即可形成连续弧形的金属反射层29结构，从而形成聚光反射层30。
随后如图6所示，在硅衬底20的正面表面上淀积层间介质层27。然后，可使用常规CMOS金属互连工艺，在层间介质层27中形成金属互连层31、33和通孔32结构。
接着，如图7所示，将硅衬底20翻转后粘合到载片34上，然后对硅衬底20的背面执行减薄工艺。减薄后的硅衬底20厚度在3微米左右。
最后，如图8所示，使用背照工艺，在减薄后的硅衬底20的背面表面淀积形成抗反射层26，以及通过铝、钨和铜等金属材料的淀积，光刻、刻蚀等工艺过程，在抗反射层26上形成金属挡光层25。
综上所述，本发明通过在光电二极管下方设置包括多晶聚光层和金属反射层的聚光反射层，可利用聚光层对自硅衬底背面入射的光线进行聚光，同时利用金属反射层将经聚光后的入射光线再次反射至光电二极管中实现光电转换，保证了穿透光电二极管的近红外入射光没有可以穿透的间隙，实现了对近红外入射光的聚焦和反射，保证了近红外光在硅衬底里吸收比例的大幅上升，提高了背照式像素单元的近红外量子效率。
以上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 (8)
1.一种提高量子效率的图像传感器像素单元结构，其特征在于，包括：
硅衬底；
设于所述硅衬底正面的光电二极管和传输管栅极；
设于所述硅衬底正面下方的层间介质层；
设于所述层间介质层中的金属互连层和聚光反射层，所述聚光反射层对应位于光电二极管的下方；
其中，所述聚光反射层设有聚光层和位于聚光层下方的金属反射层；所述聚光层设有阵列状的多个聚光突起，每个聚光突起具有面向光电二极管设置的平面底面和背向光电二极管设置的弧形凸面表面，用于对自硅衬底背面入射的光线进行聚光，所述金属反射层具有与每个聚光突起的弧形凸面表面对应的连续弧形状结构，用于将经聚光后的入射光线再次反射至光电二极管中，所述聚光突起与传输管栅极同层设置且材料相同。
2.根据权利要求1所述的提高量子效率的图像传感器像素单元结构，其特征在于，所述聚光突起的材料为多晶硅。
3.根据权利要求1所述的提高量子效率的图像传感器像素单元结构，其特征在于，各所述聚光突起在所述硅衬底的正面表面上水平密集排列设置。
4.根据权利要求1所述的提高量子效率的图像传感器像素单元结构，其特征在于，所述聚光突起具有与其弧形凸面表面相圆滑过渡衔接的侧墙。
5.根据权利要求1所述的提高量子效率的图像传感器像素单元结构，其特征在于，所述金属反射层沿阵列状的多个聚光突起的轮廓从下方将其完全包裹设置。
6.根据权利要求1所述的提高量子效率的图像传感器像素单元结构，其特征在于，所述金属反射层通过金属互连层引出并接地。
7.根据权利要求1所述的提高量子效率的图像传感器像素单元结构，其特征在于，还包括：设于所述硅衬底背面上并位于像素单元之间的金属挡光层，以及设于所述硅衬底背面表面和金属挡光层之间的抗反射层。
8.一种提高量子效率的图像传感器像素单元结构的形成方法，其特征在于，包括：
提供一硅衬底，在所述硅衬底的正面形成光电二极管、传输管栅极、悬浮漏极和浅槽隔离，以及在对应位于光电二极管上方的所述硅衬底的正面上形成阵列状的多个聚光突起，每个聚光突起具有面向光电二极管设置的平面底面和背向光电二极管设置的弧形凸面表面；其中，在形成传输管栅极的同时，同层形成所述聚光突起，所述聚光突起的材料与传输管栅极的材料相同；
在所述硅衬底的正面表面淀积金属反射层材料，将聚光突起完全包裹，通过聚光突起的弧形凸面表面形貌，形成金属反射层的连续弧形状结构；
通过光刻和刻蚀，将光电二极管区域以外的金属反射层材料去除，保留光电二极管上方包裹聚光突起部分的金属反射层材料，形成金属反射层；
在所述硅衬底的正面表面淀积层间介质层，并在层间介质层中形成金属互连层；
将所述硅衬底翻转后粘合到载片上，然后对所述硅衬底的背面执行减薄工艺；
在减薄后的所述硅衬底的背面表面淀积抗反射层，以及在抗反射层上形成金属挡光层。
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