圖像傳感器及其製備方法
2023-05-08 00:12:21 3
專利名稱：圖像傳感器及其製備方法
技術領域：
本發明涉及半導體技術領域，特別涉及一種具有導光區域的圖像傳感器。
背景技術：
眾所周知，圖像傳感器是一種能將光學圖像轉換成電信號的半導體器件。圖像傳感器大體上可以分為電荷稱合元件(Charge-Coupled Device,簡稱「CO)」)和互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,簡稱 「CMOS」)圖像傳感器兩類。
根據其讀出方式，現有的CMOS圖像傳感器大致可以分為無源式像素傳感器(Passive Pixel Sensor,簡稱 「PPS」)、有源式像素傳感器(Active Pixel Sensor,簡稱「APS」)和數字像素傳感器(Digital Pixel Sensor，簡稱「DPS」)三種類型。圖I和圖2分別為理想狀況下和實際情況中圖像傳感器結構中的感光情況。如圖I所示，在圖像傳感器中，特別是在CMOS圖像傳感器中，由於將CMOS像素讀出電路與感光器件集成在同一半導體襯底上，鑑於電路的金屬互聯需求，感光區域表面通常覆蓋有一定厚度的介質層，並在介質層表面製備濾色器和微透鏡，分別實現濾光和聚光，以使得特定範圍內的光較為集中的入射到相應像素的感光區域。其中附圖標記1、2和3表示的是半導體器件的金屬互連層，金屬互連層之間是層間介質層。然而，在實際工作中，由於相對於需探測的外界環境而言，像素單元尺寸極小，微透鏡聚光作用有限，大量光線進入層間介質層後，不僅會入射到對應像素的感光區域，還會進入相鄰像素的感光區域，如圖2所示，從而引起串擾，並降低感光區域的有效感光效率。隨著CMOS圖像傳感器像素尺寸越來越小，圖像傳感器像素之間串擾現象越來越嚴重。CMOS圖像傳感器中，串擾的大小會影響到圖像傳感器最終輸出圖像的質量，串擾越大，最終的圖像質量越差，並隨著目前像素單元尺寸的逐漸減小，光串擾和電荷串擾都會越來越嚴重。而且隨著圖像傳感器尺寸的減小，可供入射光線射入感光區域的光線也越來越少。在現有技術中，曾有人提出，在感光區域上方的介質層周圍，刻蝕形成空氣孔，從而在感光區域上方形成類波導的光通路，將大部分入射光限制在該通路中傳輸，但該方法對光的限制有限，尤其是感光區域上方的介質層通常為低介電常數材料，折射率通常較低(一般為1.5左右)；此外，也有人曾提出，在感光區域上方的介質層周圍，採用連續的金屬層作為反射層，以防止入射光對相鄰像素的影響，但金屬對電磁波有一定的吸收作用，隨著CMOS圖像傳感器尺寸的進一步縮小，對於某些極限波長的光，可以近似地視作電磁波，金屬的吸收作用不可忽視。
發明內容
本發明的目的在於提供一種圖像傳感器及其製備方法，避免光串擾，同時提高入射進入到感光區域內的光強。為解決上述技術問題，本發明的實施方式公開了一種圖像傳感器，包括多個像素區域，每個像素區域中有一感光器件，每個感光器件表面上方的介質層中分布有多個柱狀通孔，形成將光導入感光器件的導光區域。本發明的實施方式還公開了一種圖像傳感器的製備方法，該方法包括以下步驟在一半導體襯底中形成一圖像傳感器電路，並在該圖像傳感器電路上形成金屬互連層；在金屬互連層中選定圖像傳感器的像素區域進行刻蝕，刻蝕厚度為金屬互連層厚度，其中每個像素區域中有一感光器件；在每個像素區域的感光器件表面上方墊積形成一介質層，該介質層厚度與金屬互連層厚度相同；在介質層中選定區域進行刻蝕，形成多個通孔，形成將光導入感光器件的導光區 域。本發明實施方式與現有技術相比，主要區別及其效果在於在每個感光區域的感光器件上方的介質層中分布有多個柱狀通孔，形成將光導入感光器件的導光區域，可將入射光束縛在該導光區域中，避免光線在傳播過程中入射到相鄰像素點感光區域中而造成光串擾，從而提高入射光在該導光區域中的傳播路線。基於傳統圖像傳感器電路，使用刻蝕和墊積工藝在感光區域上方的介質層中形成多個通孔，操作簡便，易於批量生產。進一步地，通過控制導光區域內通孔的孔徑大小、介質材料和分布密度等參數及通孔的排列方式，可調整該導光區域的傳輸特性，進而達到提高入射進入到感光區域內的光強的效果。進一步地，介質層使用透明材料，便於更多的入射光進入到感光區域。
圖I是理想狀況下圖像傳感器結構中的感光情況示意圖；圖2是實際情況中圖像傳感器結構中的感光情況示意圖；圖3是本發明第一實施方式中一種圖像傳感器的結構示意圖；圖4是本發明第一實施方式中一種圖像傳感器中一介質層的俯視圖；圖5是本發明第一實施方式中一種圖像傳感器中一介質層的俯視圖；圖6是本發明第一實施方式中一種圖像傳感器中一介質層的俯視圖；圖7是一種3T型結構的像素讀出電路的結構示意圖；圖8是一種4T型結構的像素讀出電路的結構示意圖；圖9是本發明第二實施方式中一種圖像傳感器的製備方法的流程示意圖；圖10是本發明第二實施方式中一種圖像傳感器的製備方法中一步驟示意圖。
具體實施例方式在以下的敘述中，為了使讀者更好地理解本申請而提出了許多技術細節。但是，本領域的普通技術人員可以理解，即使沒有這些技術細節和基於以下各實施方式的種種變化和修改，也可以實現本申請各權利要求所要求保護的技術方案。為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明的實施方式作進一步地詳細描述。
本發明第一實施方式涉及一種圖像傳感器。圖3是該圖像傳感器的結構示意圖，圖4、圖5、圖6分別是該圖像傳感器中一介質層的俯視圖，示出了不同的通孔排列形式。具體地說，如圖3、圖4所示，該圖像傳感器包括多個像素區域，每個像素區域中有一感光器件，每個感光器件表面上方的介質層中分布有多個柱狀通孔，形成將光導入感光器件的導光區域。在本實施方式中，介質層由透明材料製成，便於更多的入射光進入到感光區域。可以理解，在本發明的其他實施方式中，介質層也可由非透明材料製成。常見的介質材料為Si02、Si3N4' SiC、含C的Si02、TEOS或含F氧化矽玻璃等。在上述導光區域中，通孔孔徑為波長量級，通孔中介質折射率小於介質層折射率。通過控制該導光區域內通孔的排列形式以及通孔的孔徑大小、介質材料和分布密度等參數，可調整該導光區域的傳輸特性，進而達到提高入射進入到感光區域內的光強的效果。具 體地說在導光區域中，通孔可如圖5所示排列，S卩外部的通孔密度大而內部的通孔密度較小，其中心部分的相對光折射係數小於四周的部分，因此光在這個區域內傳播的過程中會被束縛在特定的區域內，減小了串擾現象。可以理解，在本發明的其他實施方式中，通孔還可以以複合六邊形、橢圓孔六邊形、圓形等對稱形式排列。鑑於上述各通孔排列形式下的導光區域的傳輸特性不同，可根據實際需要進行選擇。此外，通過調節通孔的孔徑大小、介質材料和分布密度等參數，可進一步獲得較佳的傳輸特性。在一個優選的例子中，如圖6所示，通孔以複合正六邊形排列，該通孔排列形式具有三個可調節的參量，即大空氣孔穴(直徑d2)、小空氣孔穴(直徑dl)和孔間距W。其中空氣孔的折射率為nl = 1，介質層材料的折射率是隨波數(或波長)變化的，其變化關係為n2=n(w)ο為了研究該通孔結構對於導光區域色散特性的影響，對圖6所示結構進行了數值模擬，採用基於半矢量有限差分算法的仿真軟體APSS計算此導光區域的色散特性，分別探討了隨著大小空氣孔的直徑dl、d2與孔間距W的取值的變化，對其色散特性的影響。模擬結果顯示，隨著小空氣孔直徑dl的變化，色散係數D數值整體變化不大，但在波長小於I. 5μπι範圍內，色散係數D變大，零色散波長向短波長方向移動，且色散曲線變平坦；隨著大空氣孔直徑d2的增大，色散係數D數值整體變化不大，零色散波長向短波長方向移動，且大空氣孔徑d2的增大對色散係數D的影響比小空氣孔徑dl變化所帶來的影響較小。由上述發現，某一層空氣孔變大則意味著波導色散作用的增強，因而零色散波長向短波長方向移動，反之零色散波長則向長波長方向移動。由於該導光區域的模場分布主要在中心周圍的第一、二層空氣孔之間的介質材料中，因而當小孔孔徑變化對應第一層空氣孔徑變化時，對色散的影響比較明顯。通過適當的調節上述參量可獲得近零超平坦色散。可以理解，在本發明的其他實施方式中，可以以類似的方式對其他通孔排列形式的各參數進行調節，以獲得較佳的傳輸特性。由以上所述可以看到，本發明提供了一種具有導光區域的圖像傳感器，在每個感光區域的感光器件上方的介質層中分布有多個柱狀通孔，形成將光導入感光器件的導光區域，可將入射光束縛在該導光區域中，避免光線在傳播過程中入射到相鄰像素點感光區域中而造成光串擾，從而提高入射光在該導光區域中的傳播路線。該圖像傳感器包括製備在半導體襯底上的感光器件和像素讀出電路，半導體襯底為矽襯底、鍺襯底、SOI襯底、GOI襯底、SGOI襯底或sSOI襯底等。感光器件為感光二極體、本徵半導體結構或光電門等；像素讀出電路為3T、4T或5Τ結構等。根據一個像素讀出電路所包含的電晶體的數目，適用於本發明實施方式的CMOS圖像傳感器分為3T型結構和4T型結構，還可以有5T型結構。下面舉幾個例子。如圖7所示，一種3T型結構的CMOS圖像傳感器的像素讀出電路的等效電路結構圖，包括一個光電二極體(Photo Diode,簡稱「H)」)10,用於在曝光時進行光電轉換,將接收到的光信號轉換成電信號，所述光電二極體10包括P型區和N型區，所述P型區接地。—個復位電晶體Ml，用於在曝光前對所述光電二極體10進行復位，復位由復位信號Reset信號進行控制。在圖7中，所述復位電晶體Ml選用一個N型金屬-氧化物-半導體(N Metal-Oxide-Semiconductor,簡稱「NM0S」)管,所述復位電晶體Ml的源極和所述光 電二極體10的N型區相連，所述復位電晶體Ml的源極同時也為一感應節點NI，又稱為浮空擴散區(Floating Diffusion,簡稱「FD」);所述復位電晶體Ml的漏極接電源Vdd，所述電源Vdd為一正電源。當所述復位信號Reset為高電平時，所述復位電晶體Ml導通並將所述光電二極體10的N型區連接到電源Vdd，在所述電源Vdd的作用下，使所述光電二極體10反偏並會清除所述光電二極體10的全部累積的電荷，實現復位。所述復位電晶體Ml也可以由多個N MOS管串聯形成，或由多個N MOS管並聯形成，也可以用PMOS管代替所述N MOS管。一個放大電晶體M2，也為一源極跟隨器，用於將所述光電二極體10產生的電信號進行放大。在圖7中，所述放大電晶體M2選用一 N MOS管，所述放大電晶體M2的柵極接所述光電二極體10的N型區，所述放大電晶體M2的漏極接所述電源Vdd，所述放大電晶體M2的源極為放大信號的輸出端。所述放大電晶體M2也可以由多個N MOS管串聯形成或由多個N MOS管並聯形成。—個行選擇電晶體M3，用於將所述放大電晶體M2的源極輸出的放大信號輸出。在圖7中，所述行選擇電晶體M3選用一 N MOS管，所述行選擇電晶體M3的柵極接行選擇信號Rs，所述行選擇電晶體M3的源極接所述放大電晶體M2的源極，所述行選擇電晶體M3的漏極為輸出端。如圖8所示，為一種4T型結構的CMOS圖像傳感器的像素讀出電路的等效電路結構圖。相比於3T型結構，該4T型結構的CMOS圖像傳感器的像素讀出電路結構圖增加了一個轉移電晶體M4，所述轉移電晶體M4用於將所述光電二極體10產生的電信號輸入到所述感應節點NI。在圖8中，所述轉移電晶體M4選用一 N MOS管，所述轉移電晶體M4的柵極接轉移信號TX，所述轉移電晶體M4的源極接所述光電二極體10的N型區，所述轉移電晶體M4的漏極接所述復位電晶體Ml的源極即所述感應節點NI。所述感光器件及像素讀出電路表面具有金屬互連層及層間介質層，且在每個感光區域的感光器件上方的介質層中分布有多個柱狀通孔，形成將光導入感光器件的導光區域。本發明第二實施方式涉及一種圖像傳感器的製備方法。圖9是該圖像傳感器的製備方法的流程示意圖，圖10是該圖像傳感器的製備方法中一步驟示意圖。
具體地說，該圖像傳感器的製備方法包括以下步驟在步驟901中，在一半導體襯底中形成一圖像傳感器電路(感光器件和像素讀出電路)，並在該圖像傳感器電路上形成金屬互連層。可以理解，金屬互連層為一層或多層。此後進入步驟902，在金屬互連層中選定圖像傳感器的像素區域進行刻蝕，刻蝕厚度為金屬互連層厚度，其中每個像素區域中有一感光器件。此後進入步驟903，在每個像素區域的感光器件表面上方墊積形成一介質層，如圖10所示，該介質層厚度與金屬互連層厚度相同。此後進入步驟904，在介質層 中選定區域進行刻蝕，形成多個通孔，形成將光導入感光器件的導光區域，如圖3所示。此後結束本流程。在本實施方式中，具有通孔結構的介質層是在形成所有金屬互連層後經刻蝕、墊積製成。可以理解，在本發明的其他實施方式中，該具有通孔結構的介質層也可以隨著每一層金屬互連層的製備，一層一層的刻蝕、墊積製成。根據不同金屬和介質材料，可採用等離子體刻蝕、溼法腐蝕等工藝進行刻蝕，採用化學氣相澱積(chemical vapor deposition,簡稱「CVD」)、電鍍、濺射等工藝進行墊積。此外，該製備方法還包括以下步驟在通孔內填充折射率小於介質層折射率的材料；在介質層上形成微透鏡和濾光片。在上述導光區域中，通孔孔徑為波長量級，介質層由透明材料製成或由非透明材料製成。通孔可以以如圖5所示的形式排列，S卩外部通孔密度小於內部通孔密度，也可以以複合六邊形、橢圓孔六邊形、圓形等對稱形式排列。基於傳統圖像傳感器電路，使用刻蝕和墊積工藝在感光區域上方的介質層中形成多個通孔，操作簡便，易於批量生產。上述通孔在上述介質層中形成將光導入感光器件的導光區域，可將入射光束縛在該導光區域中，避免光線在傳播過程中入射到相鄰像素點感光區域中而造成光串擾，從而提高入射光在該導光區域中的傳播路線。本實施方式是與第一實施方式相對應的方法實施方式，本實施方式可與第一實施方式互相配合實施。第一實施方式中提到的相關技術細節在本實施方式中依然有效，為了減少重複，這裡不再贅述。相應地，本實施方式中提到的相關技術細節也可應用在第一實施方式中。雖然通過參照本發明的某些優選實施方式，已經對本發明進行了圖示和描述，但本領域的普通技術人員應該明白，可以在形式上和細節上對其作各種改變，而不偏離本發明的精神和範圍。
權利要求
1.一種圖像傳感器，其特徵在於，包括多個像素區域，每個像素區域中有一感光器件，每個感光器件表面上方的介質層中分布有多個柱狀通孔，形成將光導入感光器件的導光區域。
2.根據權利要求I所述的圖像傳感器，其特徵在於，在所述導光區域中，外部通孔密度大於內部通孔密度。
3.根據權利要求I所述的圖像傳感器，其特徵在於，所述通孔以對稱形式排列。
4.根據權利要求I至3中任一項所述的圖像傳感器，其特徵在於，所述通孔結構中的通孔孔徑為波長量級。
5.根據權利要求I至3中任一項所述的圖像傳感器，其特徵在於，所述通孔中介質折射率小於所述介質層折射率。
6.根據權利要求I至3中任一項所述的圖像傳感器，其特徵在於，所述介質層由透明材料製成。
7.一種圖像傳感器的製備方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟 在一半導體襯底中形成一圖像傳感器電路，並在該圖像傳感器電路上形成金屬互連層； 在所述金屬互連層中選定所述圖像傳感器的像素區域進行刻蝕，刻蝕厚度為所述金屬互連層厚度，其中每個像素區域中有一感光器件； 在每個像素區域的感光器件表面上方墊積形成一介質層，該介質層厚度與所述金屬互連層厚度相同； 在所述介質層中選定區域進行刻蝕，形成多個通孔，形成將光導入感光器件的導光區域。
8.根據權利要求7所述的圖像傳感器的製備方法，其特徵在於，該方法還包括以下步驟 在所述介質層上形成微透鏡和濾光片； 其中在所述導光區域中，外部通孔密度小於內部通孔密度。
9.根據權利要求7所述的圖像傳感器的製備方法，其特徵在於，該方法還包括以下步驟 在所述介質層上形成微透鏡和濾光片。
10.根據權利要求7至9中任一項所述的圖像傳感器的製備方法，其特徵在於，在所述介質層中選定區域進行刻蝕，形成多個通孔，形成將光導入感光器件的導光區域的步驟後，還包括以下步驟 在所述通孔內填充折射率小於所述介質層折射率的材料； 其中所述通孔孔徑為波長量級，所述介質層由透明材料製成或由非透明材料製成。
全文摘要
本發明涉及半導體技術領域，公開了一種圖像傳感器及其製備方法。本發明中，在每個感光區域的感光器件上方的介質層中分布有多個柱狀通孔，形成將光導入感光器件的導光區域，可將入射光束縛在該導光區域中，避免光線在傳播過程中入射到相鄰像素點感光區域中而造成光串擾，從而提高入射光在該導光區域中的傳播路線；通過控制該導光區域內通孔的孔徑大小、介質材料和分布密度等參數及通孔的排列方式，可調整該導光區域的傳輸特性，進而達到提高入射進入到上述感光區域內的光強的效果。此外，基於傳統圖像傳感器電路，使用刻蝕和墊積工藝在感光區域上方的介質層中形成多個通孔，操作簡便，易於批量生產。
文檔編號H01L27/146GK102969326SQ20121051827
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月5日 優先權日2012年12月5日
發明者田犁, 方娜, 汪輝, 苗田樂, 陳杰 申請人:上海中科高等研究院