圖像傳感器的感光區域以及製造方法、圖像傳感器的製作方法
2023-04-25 09:11:16 1
專利名稱：圖像傳感器的感光區域以及製造方法、圖像傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及圖像傳感器領域，尤其涉及一種圖像傳感器的感光區域以及製造方法、圖像傳感器。
背景技術：
SOI (Silicon-On-Insulator，絕緣襯底上的矽)技術是在頂層矽和背襯底之間引入了一層埋氧化層。通過在絕緣體上形成半導體薄膜，SOI材料具有了傳統的體矽材料所無法比擬的優點可以實現集成電路中元器件的介質隔離，徹底消除了體矽CMOS電路中的寄生閂鎖效應；採用這種材料製成的集成電路還具有寄生電容小、集成密度高、速度快、工藝簡單、短溝道效應小及特別適用於低壓低功耗電路等優勢。圖像傳感器是一種將光學圖像轉換為電信號的半導體器件，一般由感光像素和 CMOS信號處理電路構成。目前常見的CMOS圖像傳感器是有源像素型圖像傳感器(APS)，其中又分為三管圖像傳感器(3T，包括復位電晶體、放大電晶體和行選擇電晶體)和四管圖像傳感器(4T，包括轉移電晶體、復位電晶體、放大電晶體和行選擇電晶體)兩大類。一種現有的製作於SOI襯底上的CMOS圖像傳感器像素結構如圖1所示，採用的是全耗盡結構，包括襯底100、埋氧層110和器件層130。器件層130包括光電二極體140、 復位電晶體150、源極跟隨電晶體160和行選電晶體170。此像素結構的感光區主要位於光電二極體140的PN結耗盡區。每個電晶體均包括源極、柵極和漏極等基本結構。上述各個器件的位置關係以及電學連接關係請參考附圖1。參考附圖1，現有像素結構的工作原理是開始工作時，首先將復位電晶體150柵極加高電平，使其導通，曝光時，光電二極體140作為光電子收集區域，當入射光照射時，產生電子空穴對，在完成曝光之後並通過源極跟隨電晶體160和行選電晶體170將積分電壓信號讀出。於是輸出電壓的值就反映了光信號的強弱。上述製作於SOI襯底上的CMOS圖像傳感器像素電路的缺點在於SOI襯底的器件層130很薄，通常只有數十個微米甚至十幾個微米，入射光在光電二極體140中的光程很短，導致光吸收效率以及量子效率低下。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，提供一種圖像傳感器的感光區域以及製造方法、 圖像傳感器，能夠提高圖像傳感器的光吸收效率。為了解決上述問題，本發明提供了一種圖像傳感器的感光區域，包括設置在支撐襯底表面的一微鏡和一光電二極體，所述光電二極體的P型摻雜區域與N型摻雜區域在支撐襯底表面橫向布置，入射至圖像傳感器的入射光朝向所述支撐襯底的表面入射，經過所述微鏡反射後形成朝向所述光電二極體側面反射光，所述微鏡的反射光是從所述光電二極體的側面入射至光電二極體的內部，能夠提高所述光電二極體的光俘獲效率。可選的，在入射光的光路上進一步設置一聚焦裝置，所述聚焦裝置進一步是一透鏡或一透鏡組，對入射到微鏡表面的入射光進行聚焦，在所述聚焦裝置和所述微鏡之間進
一步設置一濾色片。可選的，所述光電二極體包括一 PN結或者一 PIN結。可選的，所述微鏡的表面進一步包括一金屬反射膜。可選的，所述支撐襯底包括表面的絕緣埋層，所述微鏡和光電二極體進一步是設置在所述絕緣埋層的表面。本發明進一步提供了一種上述圖像傳感器的感光區域的製造方法，包括如下步驟提供半導體襯底；在半導體襯底表面利用各向異性腐蝕形成微鏡，所述微鏡和半導體襯底表面具有一角度，所述角度大於零度且小於90度；在半導體襯底表面形成光電二極體。可選的，所述半導體襯底進一步包括襯底、器件層以及上述兩者之間的絕緣埋層， 所述微鏡和光電二極體形成於所述器件層中。可選的，所述微鏡的平面與半導體襯底表面的夾角是45度。可選的，在形成微鏡後，進一步包括在所述微鏡表面形成金屬反射膜的步驟。本發明進一步提供了一種圖像傳感器，包括襯底、器件層以及上述兩者之間的絕緣埋層，在所述器件層中至少包括至少一個上述的感光區域。可選的，所述器件層中包括一稜錐，所述稜錐的底面設置於所述絕緣埋層的表面， 所述稜錐的側面為所述感光區域的微鏡，所述光電二極體環繞設置在稜錐周圍，所述稜錐為四稜錐，所述稜錐的側面與絕緣埋層表面之間的夾角為45度。可選的，所述器件層的厚度範圍是50nm 500nm。可選的，所述器件層中進一步設置有復位電晶體、源極跟隨電晶體和行選電晶體。本發明的優點在於，通過設置微鏡改變了入射光的光路，使得入射光線能夠橫向入射進入位於器件層中的光電二極體內，因為入射光能夠橫向入射，在橫向上PN結耗盡區域可以比較寬，因此能夠提高入射光吸收區域的深度，這樣有利于波長較長的光吸收從而有效提高了圖像傳感器的光敏感度和量子效率。並且由於採用了微鏡作為光收集組件，感光區域中光電二極體上方可以進行金屬層布線而不會影響入射光的光路，故可以進一步提高圖像傳感器晶片的集成度。
圖1是一種現有的製作於SOI襯底上的CMOS圖像傳感器像素結構。圖2是本發明所述圖像傳感器的具體實施方式
的結構示意圖。附圖3A是本發明另一具體實施方式
所述圖像傳感器的結構示意圖。附圖;3B是附圖3A所示結構的俯視圖。附圖4是本發明另一具體實施方式
所述圖像傳感器的俯視圖。附圖5是本發明所述圖像傳感器的感光區域的製造方法的具體實施方式
的實施步驟示意圖。附圖6A至附圖6B所示是附圖5所示方法的工藝示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明提供的圖像傳感器的感光區域以及製造方法、圖像傳感器的具體實施方式
做詳細說明。首先結合附圖給出本發明所述圖像傳感器的具體實施方式
，本具體實施方式
中所述的圖像傳感器進一步具有本發明所述的圖像傳感器的感光區域。參考附圖2所示是本具體實施方式
所述圖像傳感器的結構示意圖，包括支撐襯底 200、器件層230以及上述兩者之間的絕緣埋層210。在器件層230中包括感光區域250，感光區域250包括微鏡251和光電二極體252。器件層230的厚度範圍是50nm 500nm。所述器件層230中還可以進一步設置復位電晶體、源極跟隨電晶體和行選電晶體(此處從略， 請參考附圖1)。光電二極體252的P型摻雜區域與N型摻雜區域在支撐襯底200表面橫向布置， 入射至圖像傳感器的入射光朝向所述支撐襯底的表面入射，經過微鏡251反射後形成朝向光電二極體252側面的反射光，微鏡251的反射光是從光電二極體252的側面入射至光電二極體252內部，能夠提高光電二極體252的光俘獲效率。本具體實施方式
中光電二極體252包括一 PN結。在其它的具體實施方式
中，也可以是PIN結的結構，微鏡251的反射光可以是從光電二極體252的P型摻雜區域入射，也可以是從N型摻雜區域入射，光電二極體252的用於收集微鏡251入射光的側面即可是垂直於器件層230表面的，也可以是具有一角度的，該側面可以是一平面，也可以是弧面。上述結構通過設置微鏡251改變了入射光的光路，使得入射光線能夠橫向入射進入位於器件層230中的光電二極體252內，因為入射光能夠橫向入射，在橫向上PN結耗盡區域可以比較寬，因此能夠提高入射光吸收區域的深度，這樣有利于波長較長的光吸收從而有效提高了圖像傳感器的光敏感度和量子效率。並且由於採用了微鏡251作為光收集組件，感光區域250中光電二極體252上方可以進行金屬層布線而不會影響入射光的光路，故可以進一步提高圖像傳感器晶片的集成度。在入射光的光路上進一步設置可選的聚焦裝置261和濾色片沈2。聚焦裝置261 進一步是一透鏡或一透鏡組，對入射到微鏡251表面的入射光進行聚焦，在聚焦裝置261和微鏡251之間進一步設置濾色片沈2。所述微鏡251的表面還可以進一步形成金屬反射膜，以增強反射效果。若採用單晶矽等晶體材料，並利用各向異性腐蝕工藝形成微鏡251，腐蝕表面也會具有較高的反射率。附圖3A所示是本發明另一具體實施方式
所述圖像傳感器的結構示意圖，包括支撐襯底200、器件層230以及上述兩者之間的絕緣埋層210。在器件層230中包括四個感光區域，附圖3A中示出了感光區域350和360。感光區域350包括微鏡351和光電二極體 352，感光區域360包括微鏡361和光電二極體362。器件層230中包括一四稜錐390，微鏡351和361是稜錐390相對的兩個側面，稜錐390的底面設置於絕緣埋層210的表面。所述稜錐的側面與絕緣埋層表面之間的夾角為 45度，這樣的角度可以採用單晶矽材料作為器件層230，並通過各向異性腐蝕工藝形成由四個(110)晶面構成的四稜錐390來獲得。附圖;3B所示是附圖3A所示結構的俯視圖，從附圖中可以顯示出另外兩個感光區域的發光二極體372和382，以及四稜錐390的俯視形貌。為了簡化起見，附圖中僅標出了四個感光區的位置，而對感光區內部結構從略。四個感光區內部結構相同，可以參考附圖3A所示內容。附圖4所示是本發明另一具體實施方式
所述圖像傳感器的俯視圖，包括稜錐490 和光電二極體452，本具體實施方式
中，光電二極體452環繞設置在稜錐490周圍，可以吸收稜錐490所有反射面的反射光。在本具體實施方式
中，稜錐490可以是包括三稜錐和四稜錐在內的任意形狀的稜錐體，光電二極體452的俯視形狀也不限於是正方形或者矩形，也可以是環形等任何一種可以圍攏稜錐490的形狀。接下來結合附圖給出本發明所述圖像傳感器的感光區域的製造方法的具體實施方式
。參考附圖5所示是本具體實施方式
所述方法的實施步驟示意圖，包括步驟S50， 提供半導體襯底；步驟S51，在半導體襯底表面利用各向異性腐蝕形成微鏡，所述微鏡和半導體襯底表面具有一角度，所述角度大於零度且小於90度；步驟S52，在半導體襯底表面形成光電二極體。附圖6A至附圖6B所示是本具體實施方式
的工藝示意圖。附圖6A所示，參考步驟S50，提供半導體襯底。本具體實施方式
中，所述半導體襯底包括支撐襯底200、器件層230以及上述兩者之間的絕緣埋層210。在其它的具體實施方式
中，也可以是不包含絕緣埋層的體襯底材料，這並不影響後續採用各向異性腐蝕形成微鏡的步驟。器件層230的材料可以是包括單晶矽在內的任何一種常見的晶體材料。附圖6B所示，參考步驟S51，在半導體襯底的器件層230表面利用各向異性腐蝕形成四稜錐390，四稜錐390的側面即為微鏡。所述微鏡和半導體襯底表面具有一角度，所述角度大於零度且小於90度。對於單晶矽材料而言，可以通過各向異性腐蝕工藝形成由四個(110)晶面構成的四稜錐390，四稜錐390的側面與絕緣埋層210表面之間的夾角為45 度。對於其他晶體類型的材料，或者通過選擇其他的腐蝕工藝，也形成三稜錐或六稜錐等形狀。若採用各向異性腐蝕，與稜錐對應的表面也會形成斜面，可以進一步採用各向同性刻蝕對稜錐對應的表面角度進行修正，使其同襯底表面垂直。上述步驟中，若採用雷射刻蝕等手段，可以直接在半導體襯底表面形成微鏡而不必藉助於稜錐的側面。在步驟S51實施完畢後，還可以在所述微鏡表面形成金屬反射膜以增強反射率。參考步驟S52，在半導體襯底表面形成光電二極體。在微鏡形成完畢後，後續工藝和現有技術中形成光電二極體的工藝基本相同，故從略。需要指出的是，光電二極體的用於收集微鏡入射光的側面即可是垂直於半導體襯底表面的，也可以是具有一角度的，該側面可以是一平面，也可以是弧面。在上述步驟實施完畢後，進一步在器件層230中形成復位電晶體、源極跟隨電晶體和行選電晶體，以最終形成圖像傳感器像素電路。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種圖像傳感器的感光區域，其特徵在於，包括設置在支撐襯底表面的一微鏡和一光電二極體，所述光電二極體的P型摻雜區域與N型摻雜區域在支撐襯底表面橫向布置，入射至圖像傳感器的入射光朝向所述支撐襯底的表面入射，經過所述微鏡反射後形成朝向所述光電二極體側面反射光，所述微鏡的反射光是從所述光電二極體的側面入射至光電二極體的內部，能夠提高所述光電二極體的光俘獲效率。
2.根據權利要求1所述的圖像傳感器的感光區域，其特徵在於，在入射光的光路上進一步設置一聚焦裝置，所述聚焦裝置進一步是一透鏡或一透鏡組，對入射到微鏡表面的入射光進行聚焦。
3.根據權利要求2所述的圖像傳感器的感光區域，其特徵在於，在所述聚焦裝置和所述微鏡之間進一步設置一濾色片。
4.根據權利要求1所述的圖像傳感器的感光區域，其特徵在於，所述光電二極體包括一 PN結或者一 PIN結。
5.根據權利要求1所述的圖像傳感器的感光區域，其特徵在於，所述微鏡的表面進一步包括一金屬反射膜。
6.根據權利要求1所述的圖像傳感器的感光區域，其特徵在於，所述支撐襯底包括表面的絕緣埋層，所述微鏡和光電二極體進一步是設置在所述絕緣埋層的表面。
7.—種權利要求1所述圖像傳感器的感光區域的製造方法，其特徵在於，包括如下步驟提供半導體襯底；在半導體襯底表面利用各向異性腐蝕形成微鏡，所述微鏡和半導體襯底表面具有一角度，所述角度大於零度且小於90度；在半導體襯底表面形成光電二極體。
8.根據權利要求7所述的製造方法，其特徵在於，所述半導體襯底進一步包括襯底、器件層以及上述兩者之間的絕緣埋層，所述微鏡和光電二極體形成於所述器件層中。
9.根據權利要求7所述的製造方法，其特徵在於，所述微鏡的平面與半導體襯底表面的夾角是45度。
10.根據權利要求7所述的製造方法，其特徵在於，在形成微鏡後，進一步包括在所述微鏡表面形成金屬反射膜的步驟。
11.一種圖像傳感器，包括襯底、器件層以及上述兩者之間的絕緣埋層，其特徵在於，在所述器件層中至少包括至少一個權利要求1所述的感光區域。
12.根據權利要求11所述的圖像傳感器，其特徵在於，所述器件層中包括一稜錐，所述稜錐的底面設置於所述絕緣埋層的表面，所述稜錐的側面為所述感光區域的微鏡。
13.根據權利要求12所述的圖像傳感器，其特徵在於，所述光電二極體環繞設置在稜錐周圍。
14.根據權利要求12所述的圖像傳感器，其特徵在於，所述稜錐為四稜錐，所述稜錐的側面與絕緣埋層表面之間的夾角為45度。
15.根據權利要求11所述的圖像傳感器，其特徵在於，所述器件層的厚度範圍是 50nm 500nmo
16.根據權利要求11所述的圖像傳感器，其特徵在於，所述器件層中進一步設置有復位電晶體、源極跟隨電晶體和行選電晶體。
全文摘要
本發明提供了一種圖像傳感器的感光區域以及製造方法、圖像傳感器。所述圖像傳感器的感光區域包括設置在支撐襯底表面的一微鏡和一光電二極體，所述光電二極體的P型摻雜區域與N型摻雜區域在支撐襯底表面橫向布置，入射至圖像傳感器的入射光朝向所述支撐襯底的表面入射，經過所述微鏡反射後形成朝向所述光電二極體側面反射光，所述微鏡的反射光是從所述光電二極體的側面入射至光電二極體的內部，能夠提高所述光電二極體的光俘獲效率。本發明的優點在於，入射光能夠橫向入射，提高入射光吸收區域的深度，從而有效提高了圖像傳感器的光敏感度和量子效率；並且感光區域中光電二極體上方可以進行金屬層布線而不會影響入射光的光路。
文檔編號H04N5/374GK102569320SQ201110454520
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月30日 優先權日2011年12月30日
發明者方娜, 汪輝, 田犁, 陳杰 申請人:上海中科高等研究院