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CN107919374A - 一种图像传感器及其形成方法 - Google Patents

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CN107919374A
CN107919374A CN201711351450.5A CN201711351450A CN107919374A CN 107919374 A CN107919374 A CN 107919374A CN 201711351450 A CN201711351450 A CN 201711351450A CN 107919374 A CN107919374 A CN 107919374A
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CN
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photodiode
dielectric layer
semiconductor substrate
thin film
photoelectric conversion
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穆钰平
陈世杰
黄晓橹
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Huaian Imaging Device Manufacturer Corp
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Huaian Imaging Device Manufacturer Corp
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Abstract

一种图像传感器及其形成方法，所述图像传感器包括：半导体衬底，所述半导体衬底内具有光电二极管；介质层，所述介质层位于所述半导体衬底表面，所述介质层内形成有光电转换薄膜；其中，所述光电转换薄膜的位置与所述光电二极管的位置一一对应，以使得穿过所述光电二极管的光线传输至对应的光电转换薄膜。通过本发明提供的方案能够有效提高图像传感器的量子效率。

Description

一种图像传感器及其形成方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种图像传感器及其形成方法。
背景技术
图像传感器是将光学图像信号转换为电信号的半导体器件。在种类繁多的图像传感器中，互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，简称CMOS)图像传感器因其体积小、功耗低、价格低廉的优点而得到广泛应用。
现有的CMOS图像传感器主要包括前照式(Front-side Illumination，简称FSI)CMOS图像传感器和后照式(Back-side Illumination，简称BSI)CMOS图像传感器两种。其中，后照式CMOS图像传感器因其更好的光电转换效果(即量子转化效率高)而获得的更广泛的应用，所述后照式CMOS图像传感器也可以称为背照式CMOS图像传感器。
但是，在实际应用中，光线在到达CMOS图像传感器的感光二极管(也可称为光电二极管)后，还存在着少量的光子(如波长较长的红光)会穿透感光二极管并进入到感光二极管以下的结构(例如金属层连线)中。这些少量光子的存在导致现有CMOS图像传感器无法完全吸收所有的进光量，影响器件的量子效率。
发明内容
本发明解决的技术问题是如何提高图像传感器的量子效率。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种图像传感器，包括：半导体衬底，所述半导体衬底内具有光电二极管；介质层，所述介质层位于所述半导体衬底表面，所述介质层内形成有光电转换薄膜；其中，所述光电转换薄膜的位置与所述光电二极管的位置一一对应，以使得穿过所述光电二极管的光线传输至对应的光电转换薄膜。
可选的，所述光电转换薄膜为有机光电转换薄膜。
可选的，所述半导体衬底内还形成有MOS晶体管，所述介质层覆盖所述MOS晶体管的栅极。
可选的，所述光电转换薄膜的感光面积不小于对应的光电二极管的感光面积。
可选的，所述光电二极管的输出端与对应的光电转换薄膜电连接。
可选的，所述光电转换薄膜的边缘朝向对应的光电二极管弯折。
本发明实施例还提供一种图像传感器的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底内具有光电二极管；在所述半导体衬底表面形成介质层，所述介质层内具有光电转换薄膜；其中，所述光电转换薄膜的位置与所述光电二极管的位置一一对应，以使得穿过所述光电二极管的光线传输至对应的光电转换薄膜。
可选的，所述光电转换薄膜为有机光电转换薄膜。
可选的，所述在所述半导体衬底表面形成介质层包括：在所述半导体衬底表面形成第一介质层；对所述第一介质层进行刻蚀以形成凹槽，所述凹槽的位置与所述光电二极管的位置一一对应；在所述凹槽内填充所述光电转换薄膜；形成第二介质层，所述第二介质层覆盖所述光电转换薄膜和第一介质层；其中，所述介质层包括所述第一介质层和第二介质层。
可选的，所述光电转换薄膜的边缘朝向对应的光电二极管弯折。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
本发明实施例提供一种图像传感器，包括：半导体衬底，所述半导体衬底内具有光电二极管；介质层，所述介质层位于所述半导体衬底表面，所述介质层内形成有光电转换薄膜；其中，所述光电转换薄膜的位置与所述光电二极管的位置一一对应，以使得穿过所述光电二极管的光线传输至对应的光电转换薄膜。较之现有的图像传感器，本实施例所述图像传感器通过光电二极管实现光电转换的基础上，还设置有所述光电转换薄膜，以将穿透所述光电二极管的入射光(即捕捉被光电二极管遗漏的光线)转换为光生电荷，确保入射光线能够尽可能被完全吸收，有效提高图像传感器的量子效率。进一步，所述光电转换薄膜与光电二极管是一一对应的，能够有效避免相邻像素间的光线串扰。
进一步，所述光电二极管的输出端与对应的光电转换薄膜电连接，以在曝光周期内将光电二极管和对应的光电转换薄膜采集到的光生电荷集合至一起进行传输，避免产生图像拖尾现象。
进一步，所述光电转换薄膜的边缘朝向对应的光电二极管弯折，以更好地避免相邻像素间的光线串扰。
进一步，本发明实施例还提供一种图像传感器的形成方法，以形成上述图像传感器，所述形成方法包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底内具有光电二极管；在所述半导体衬底表面形成介质层，所述介质层内具有光电转换薄膜；其中，所述光电转换薄膜的位置与所述光电二极管的位置一一对应，以使得穿过所述光电二极管的光线传输至对应的光电转换薄膜。本领域技术人员理解，较之现有图像传感器的制备流程，本实施例所述形成方法在形成图像传感器的过程中，在形成于半导体衬底表面的介质层中形成有光电转换薄膜，以捕捉被对应的光电二极管漏掉的光线，从而提高最终形成的图像传感器的量子效率。
附图说明
图1示出本发明实施例的一种图像传感器的剖面结构示意图；
图2示出本发明实施例的一种图像传感器的形成方法的流程图；
图3至图8示出本发明实施例所述图像传感器的形成方法中各个步骤对应的器件剖面结构示意图；
图9示出本发明实施例所述图像传感器中单个像素单元的工作原理示意图；
图10示出图9所示像素单元的电路示意图；
图11示出图9所示像素单元的电路工作时序图。
具体实施方式
本领域技术人员理解，如背景技术所言，现有的图像传感器无法完全吸收入射光，量子效率低。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种图像传感器，包括：半导体衬底，所述半导体衬底内具有光电二极管；介质层，所述介质层位于所述半导体衬底表面，所述介质层内形成有光电转换薄膜；其中，所述光电转换薄膜的位置与所述光电二极管的位置一一对应，以使得穿过所述光电二极管的光线传输至对应的光电转换薄膜。
本领域技术人员理解，本实施例所述图像传感器通过光电二极管实现光电转换的基础上，还设置有所述光电转换薄膜，以将穿透所述光电二极管的入射光(即捕捉被光电二极管遗漏的光线)转换为光生电荷，确保入射光线能够被完全吸收，有效提高图像传感器的量子效率。
进一步地，所述光电转换薄膜与光电二极管是一一对应的，能够有效避免相邻像素间的光线串扰。
为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
图1示出本发明实施例的一种图像传感器的剖面结构示意图。其中，所述图像传感器可以包括背照式互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，简称CMOS)图像传感器，也可以包括前照式CMOS图像传感器，还可以包括其他具有相同或相近工作原理的图像传感器。
接下来以背照式CMOS图像传感器为例进行具体阐述。
具体地，参考图1，图像传感器100可以包括：半导体衬底110，所述半导体衬底110内可以具有光电二极管111；介质层120，所述介质层120位于所述半导体衬底110表面，所述介质层120内可以形成有光电转换薄膜121；其中，所述光电转换薄膜121的位置与所述光电二极管111的位置一一对应，以使得穿过所述光电二极管111的光线l1能够传输至对应的光电转换薄膜121。
更为具体地，由于所述图像传感器100为背照式CMOS图像传感器，光电二极管111可以形成于半导体衬底110的背面，所述介质层120可以位于所述半导体衬底110的正面，在图1所示的位置下，所述光电转换薄膜121位于对应的光电二极管111的下方。其中，所述下方是以入射光l2的传输路径为基准确定的，亦即，就所述入射光l2的传输路径而言，所述入射光l2在进入所述图像传感器100后，首先到达所述光电二极管111，然后，其中部分光线(即穿透所述光电二极管111的那部分光线)再到达所述光电转换薄膜121。
进一步地，所述图像传感器100还可以包括栅格112，所述栅格112在所述半导体衬底110内围成对应于所述光电二极管111的开口。
进一步地，所述图像传感器100还可以包括滤色镜160以及透镜170，所述滤色镜160和透镜170位于所述栅格112围成的开口中。
优选地，所述滤色镜160可以为滤光薄膜(color filter)，所述透镜170可以为微透镜(micro lens)。
进一步地，所述滤色镜160可以为红色滤色镜、绿色滤色镜或蓝色滤色镜。
在一个优选例中，所述栅格112可以至少齐平于所述滤色镜160，以更好的避免光线串扰。
作为一个非限制性实施例，对于不同颜色的滤色镜，位于其所处开口的光电二极管111所对应的光电转换薄膜121的感光厚度和/或感光面积可以不相同。
例如，针对波长较长的红光，设置于红色滤色镜所处开口内的光电二极管111对应的光电转换薄膜121的感光厚度可以较厚，以充分吸收投射过所述光电二极管111的红光。
优选地，所述光电转换薄膜121可以为有机光电转换薄膜(OrganicPhotoconductive Thin-film，简称OPF)。优选地，有机光电转换薄膜中的活性层中含有高分子化合物，可以单独含有一种高分子化合物，也可以含有2种以上高分子化合物。所述高分子化合物可以是供电子性化合物和/或受电子性化合物。为了提高所述活性层的电荷传输性，也可以在所述活性层中混合使用供电子性化合物和受电子性化合物。其中，优选地，活性层中含有共轭高分子化合物和富勒烯衍生物。例如，可以使用含有共轭高分子化合物和富勒烯衍生物的有机薄膜作为活性层。
进一步地，所述半导体衬底110内还可以形成有MOS晶体管，所述介质层121可以覆盖所述MOS晶体管的栅极130。
作为一个非限制性实施例，所述介质层121可以为层间介质(Inter LayerDielectric，简称ILD)层，以作为所述半导体衬底110与第一层金属之间的隔离。
进一步地，所述光电转换薄膜121的感光面积可以不小于对应的光电二极管111的感光面积，以确保能够捕捉到所有穿透所述光电二极管111的光线l2。例如，在半导体衬底110表面所处的平面内，所述光电转换薄膜121的平面面积不小于对应的(例如位于光电转换薄膜121上方的)光电二极管111的感光面积。
图2示出本发明实施例的一种图像传感器的形成方法的流程图。其中，所述形成过程可以用于形成上述图1所示的图像传感器100中的至少一部分结构。
具体地，在本实施例中，所述图像传感器的形成方法可以包括如下步骤：
步骤S101，提供半导体衬底，所述半导体衬底内具有光电二极管。
步骤S102，在所述半导体衬底表面形成介质层，所述介质层内具有光电转换薄膜。
其中，所述光电转换薄膜的位置与所述光电二极管的位置一一对应，以使得穿过所述光电二极管的光线传输至对应的光电转换薄膜。
作为一个非限制性实施例，所述半导体衬底可以为适用于背照式CMOS图像传感器的硅衬底。下面参考图1、图3至图8对形成图1所示图像传感器100的形成方法进行详细描述。
参考图3，首先提供半导体衬底110，其中具有光电二极管111，并形成有MOS晶体管。相邻光电二极管111之间通过屏蔽材料形成的栅格112隔开，以防止光线串扰和电子串扰。
接下来，在所述半导体衬底110的表面(例如正面)沉积介质材料1201’，以覆盖暴露出所述半导体衬底110的表面的MOS晶体管的栅极130。。
优选地，所述介质材料1201’可以采用二氧化硅材料。
优选地，所述屏蔽材料可以为氧化物等绝缘材料，还可以包括金属等防光线串扰的屏蔽材料。
进一步地，参考图4，对所述介质材料1201’的表面进行平坦化处理，以在所述半导体衬底110的表面形成第一介质层1201。
优选地，可以基于化学机械研磨工艺实现所述平坦化处理。
进一步地，参考图5，在所述第一介质层1201的表面旋涂抹光阻剂(如黄光光阻剂)后曝光，以在所述第一介质层1201的表面定义所述光电转换薄膜121的图形；对所述第一介质层1201进行刻蚀以形成凹槽123，形成于所述第一介质层1201表面的所有凹槽123共同形成所述光电转换薄膜121的图形，并且，所述凹槽123的位置与所述光电二极管111的位置一一对应。
优选地，可以采用干法刻蚀工艺刻蚀形成所述凹槽123。
进一步地，参考图6，在所述第一介质层1201表面和凹槽123内形成光电转换薄膜材料121’。具体而言，可以使用含有上述活性层构成材料和溶剂的溶液通过涂布法形成光电转换薄膜材料121’。例如可以使用含有共轭高分子化合物、富勒烯衍生物和溶剂的溶液通过涂布法形成。溶剂可以是甲苯、二甲苯等烃系溶剂，四氯化碳、氯仿，二氯甲烷等卤化饱和烃系溶剂，氯苯、二氯苯、三氯苯等卤化不饱和烃系溶剂、四氢呋喃、四氢吡喃等醚类溶剂。所述活性层的构成材料的溶液的涂布方法例如可以是旋涂法。
进一步地，参考图7，对所述光电转换薄膜材料121’的表面进行平坦化处理，直至暴露出所述第一介质层1201。其中，未暴露出所述第一介质层1201的部分，亦即所述凹槽123的位置即形成所述光电转换薄膜121。
光电转换薄膜材料121’的平坦化方法可以是本领域技术人员公知的各种适当方法。
进一步地，参考图8，在暴露出的所述第一介质层1201和光电转换薄膜121表面再次沉积介质材料1201’；对所述介质材料1201’进行平坦化处理，以在所述暴露出的所述第一介质层1201和光电转换薄膜121表面形成第二介质层，所述第二介质层覆盖所述光电转换薄膜和第一介质层；其中，所述第一介质层1201和第二介质层共同形成所述介质层121。
优选地，所述第一介质层1201和本步骤沉积形成的第二介质层可以采用相同的介质材料1201’。
进一步地，在获得图8所示的器件结构后，可以继续在所述介质层121的表面形成金属互联结构140；在所述半导体衬底110的背面(即未形成所述介质层121的表面)放置滤色镜160和透镜170，以最终形成图1示出的图像传感器100。
作为一个非限制性实施例，所述滤色镜160和半导体衬底110之间可以形成有第三介质层150，以对所述半导体衬底110进行隔离保护。优选地，所述第三介质层150可以采用高介电常数(High-K)材料。
进一步地，参考图1，所述金属互联结构140可以包括三层金属层141，相邻两层金属层141之间可以通过导通孔142键合。
进一步地，所述金属互联结构140可以通过连接线122与所述MOS晶体管的栅极130电连接。优选地，所述连接线122可以为铜线。
作为一个变化例，所述金属互联结构140可以是预先制备获得的，并在形成图8所示的器件结构后整体键合至所述介质层121的表面。
作为一个非限制性实施例，所述光电转换薄膜121的边缘可以朝向对应的光电二极管111弯折，以使穿过所述光电二极管111的光线l1不会被对应的光电转换薄膜121反射或折射至相邻的光电二极管111处，从而更好地避免相邻像素(即光电二极管121)间的光线串扰。
例如，在形成图5所示的凹槽123时，可以采用分次刻蚀的方式，所述凹槽123的边缘处的蚀刻深度可以深于其他区域的时刻深度，以使所述凹槽123的边缘朝向对应的光电二极管111弯折。
或者，所述刻蚀深度可以维持不变，而是通过分次定义光电转换薄膜121的图形的方式来获得边缘朝向对应的光电二极管111弯折的凹槽123。
进一步地，所述光电二极管111的输出端可以与对应的光电转换薄膜121电连接，以在曝光周期内将光电二极管111和对应的光电转换薄膜121采集到的光生电荷集合至一起进行传输，避免产生图像拖尾现象。
作为一个变化例，所述光电转换薄膜121的表面(如被所述光线l1照射到的面)还可以是波浪形的，这同样可以避免相邻像素间的光线串扰。
图9示出本发明实施例所述图像传感器中单个像素单元的工作原理示意图。其中，所述像素单元可以包括上述图1所示图像传感器100中的光电二极管111和对应的光电转换薄膜121。
具体地，所述光电二极管111可以位于所述图像传感器的耗尽区，对应的光电转换薄膜121位于所述光电二极管111表面，在入射光l2的传输路径上，先通过所述光电二极管111，后通过所述光电转换薄膜121。
更为具体地，所述半导体衬底110可以为P型衬底，在所述半导体衬底110上可以形成有P型阱，所述P型阱内形成有浅槽隔离(shallow trench isolation，简称STI)区。所述光电二极管111与所述STI区之间的距离通过嵌入距离(recessed distance)衡量。
进一步地，光电二极管111的输出端和对应的光电转换薄膜121均可以连接至所述图像传感器中MOS晶体管的栅极130。优选地，所述栅极130位于所述像素单元的漂浮(FD)节点上。
结合图9至图10，以4T(transistor)型图像传感器为例，在一个典型的应用场景中，图1所示的图像传感器100中的每一由光电二极管111及对应的光电转换薄膜121构成的像素单元均可以与形成于所述半导体衬底110内的一对应的MOS晶体管(在本应用场景中为传输管TG，也可称为传输管TX)的栅极130电连接，因而，所述漂浮节点上的电位大小可以直接决定源跟随管SF的栅极上的电位大小，进而决定最终输出的电流大小。
进一步地，在本应用场景中，通过图11所示的一个曝光周期内的时序电路，能够控制在所述曝光周期内，所述光电二极管111和对应的光电转换薄膜121采集转化获得的光生电荷能够通过所述传输管TG传输到漂浮节点。
进一步地，在本应用场景中，除了所述传输管TG和源跟随管SF之外，所述4T型图像传感器还可以包括复位管RS(也可称为RSVT)以及选通管SE(也可称为SEL)，其中，所述选通管SE的源极接输出阵列。
进一步地，在本应用场景中，在图11所示的时序图中的时间(Time)处于T1至T4期间，所述像素单元处于曝光阶段，所述传输管TG处于关闭状态。
进一步地，在T2至T7期间，所述选通管SEL被打开，所述像素单元执行读出操作。
进一步地，在T2至T3期间，所述选通管SEL和复位管RS均处于开启状态，以对所述漂浮节点进行复位操作。
进一步地，在T4至T5期间，在所述选通管SEL打开的状态下，所述传输管TG也被打开，以读出所述像素单元在T1至T4时间段内积累的光积分信号(即采集转化到的光生电荷)。
进一步地，在T6至T7期间，在所述光积分信号转移完毕后，所述选通管SEL、所述复位管RS以及所述传输管TG被同时打开，以将所述光电二极管111和光电转换薄膜121复位，将所述像素单元中残留的光生电荷全部转移至所述选通管SE的源极，以避免这一帧信号对下一帧输出产生图像拖尾影响。
由上，采用本实施例的方案获得的图像传感器能够在通过光电二极管实现光电转换的基础上，还通过新增的所述光电转换薄膜捕捉穿透所述光电二极管的入射光(即被光电二极管所遗漏的光线)并转换为光生电荷，确保入射光线能够被完全吸收，有效提高图像传感器的量子效率。
进一步地，所述光电转换薄膜与光电二极管是一一对应的，能够有效避免相邻像素间的光线串扰。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种图像传感器，其特征在于，包括：
半导体衬底，所述半导体衬底内具有光电二极管；
介质层，所述介质层位于所述半导体衬底表面，所述介质层内形成有光电转换薄膜；
其中，所述光电转换薄膜的位置与所述光电二极管的位置一一对应，以使得穿过所述光电二极管的光线传输至对应的光电转换薄膜。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述光电转换薄膜为有机光电转换薄膜。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述半导体衬底内还形成有MOS晶体管，所述介质层覆盖所述MOS晶体管的栅极。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述光电转换薄膜的感光面积不小于对应的光电二极管的感光面积。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述光电二极管的输出端与对应的光电转换薄膜电连接。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述光电转换薄膜的边缘朝向对应的光电二极管弯折。
7.一种图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底内具有光电二极管；
在所述半导体衬底表面形成介质层，所述介质层内具有光电转换薄膜；
其中，所述光电转换薄膜的位置与所述光电二极管的位置一一对应，以使得穿过所述光电二极管的光线传输至对应的光电转换薄膜。
8.根据权利要求7所述的形成方法，其特征在于，所述光电转换薄膜为有机光电转换薄膜。
9.根据权利要求7所述的形成方法，其特征在于，所述在所述半导体衬底表面形成介质层包括：
在所述半导体衬底表面形成第一介质层；
对所述第一介质层进行刻蚀以形成凹槽，所述凹槽的位置与所述光电二极管的位置一一对应；
在所述凹槽内填充所述光电转换薄膜；
形成第二介质层，所述第二介质层覆盖所述光电转换薄膜和第一介质层；
其中，所述介质层包括所述第一介质层和第二介质层。
10.根据权利要求7所述的形成方法，其特征在于，所述光电转换薄膜的边缘朝向对应的光电二极管弯折。
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