CN108847418A - 一种增强近红外量子效率的图像传感器结构和形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增强近红外量子效率的图像传感器结构，包括：硅衬底；设于正面的所述硅衬底中的光电二极管；设于所述硅衬底正面的传输管和光反射结构；其中，所述光反射结构对应位于光电二极管的下方；设于所述硅衬底正面下方的层间介质层，设于层间介质层中的金属互连层；其中，所述光反射结构用于将自硅衬底背面入射的光线再次反射至光电二极管中，以实现对近红外入射光线的收集，保证了近红外光在硅衬底里吸收比例的大幅上升，从而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增强近红外量子效率的图像传感器结构的形成方法。

Description

一种增强近红外量子效率的图像传感器结构和形成方法

技术领域

本发明涉及图像传感器技术领域，更具体地，涉及一种可增强近红外量子效率的图像传感器结构和形成方法。

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加而减小。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系统的应用中，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，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，提供一种增强近红外量子效率的图像传感器结构和形成方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种增强近红外量子效率的图像传感器结构，包括：

硅衬底；

设于正面的所述硅衬底中的光电二极管；

设于所述硅衬底正面的传输管和光反射结构；其中，所述光反射结构对应位于光电二极管的下方；

设于所述硅衬底正面下方的层间介质层，设于层间介质层中的金属互连层；其中，

所述光反射结构用于将自硅衬底背面入射的光线再次反射至光电二极管中，以实现对近红外入射光线的收集。

进一步地，所述光反射结构与传输管设有的栅极结构同层设置。

进一步地，所述光反射结构为由不同材料叠设形成的复合反射层。

进一步地，所述光反射结构包括位于上层的多晶硅层和位于多晶硅层下层的金属硅化物层。

进一步地，所述多晶硅层和金属硅化物层通过金属互连层引出并接地。

进一步地，还包括：设于所述硅衬底中并用于隔离光电二极管的浅槽隔离。

进一步地，还包括：设于所述硅衬底背面上并位于像素之间的金属挡光层。

进一步地，还包括：设于所述硅衬底背面表面和金属挡光层之间的抗反射层。

本发明还提供了一种增强近红外量子效率的图像传感器结构的形成方法，包括：

提供一硅衬底，在正面的所述硅衬底中形成光电二极管和浅槽隔离；

在所述硅衬底的正面形成传输管和光反射结构，并使所述光反射结构对应位于光电二极管的上方；

在所述硅衬底的正面淀积层间介质层，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；

使用背照工艺，在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，所述光反射结构的形成方法包括：

在形成传输管时，在所述硅衬底的正面淀积多晶硅材料，通过对多晶硅材料进行光刻和刻蚀，在光电二极管上方形成组成光反射结构的下层多晶硅层，同时形成像素单元传输管的多晶硅栅极；

在所述硅衬底的正面淀积硅化物阻挡层材料，通过对硅化物阻挡层材料进行光刻和刻蚀，以及进行金属淀积和硅化物反应，仅在位于光电二极管上方的多晶硅层上形成组成光反射结构的上层金属硅化物层。

从上述技术方案可以看出，本发明通过在背照式CMOS图像传感器的光电二极管下方设置光反射结构，光反射结构可使用金属硅化物和多晶硅组成复合反射层，实现了对近红外入射光的反射和收集，保证了近红外光在硅衬底里吸收比例的大幅上升，从而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增强近红外量子效率的图像传感器结构示意图；

图3-图10是本发明一较佳实施例的一种增强近红外量子效率的图像传感器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增强近红外量子效率的图像传感器结构示意图。如图2所示，本发明的一种增强近红外量子效率的图像传感器结构，建立在硅衬底20上。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、浅槽隔离22；在硅衬底20的正面上还设有各MOS晶体管，例如传输管24，以及像素单元的悬浮漏极23等；在硅衬底20的正面表面上还设置有层间介质层33，层间介质层33中设置有金属互连层30和32。以使用两层金属互连层30和32的像素单元为例，各层的金属互连层30和32之间通过接触孔29和通孔31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24、复位管、源极跟随管和行选管等；其中传输管24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。在硅衬底20的正面，并位于每个光电二极管21的对应下方，还分别设置有光反射结构27和28。光反射结构27和28用于将自硅衬底20背面入射的光线再次反射至光电二极管21中，以实现对近红外入射光线的收集。

传输管24在硅衬底20的正面表面上设有栅极结构；光反射结构27和28可与传输管24的栅极结构同层设置。

光反射结构27和28可由不同材料进行叠设，从而形成具有复合反射层的光反射结构27和28。例如，传输管24的栅极通常为多晶硅栅极，则光反射结构27和28可包括位于上层的多晶硅层27和位于多晶硅层27下层的金属硅化物层28，形成复合反射层27和28。这样，可利用形成传输管24的多晶硅栅极的同时，形成含有多晶硅层27的光反射结构27和28。

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20的近红外入射光反射回光电二极管21后实现光电转换。

由于常规光电二极管21下方为透光的层间介质33，无法实现对入射光的反射；因此，本发明在光电二极管21下方增加了金属硅化物层28以对入射光进行反射。而由于像素单元的暗电流和白色像素性能和金属沾污直接相关，如果在硅衬底上直接形成金属硅化物作为反射层，会对像素单元的性能造成不利的影响。因此，不能将金属硅化物层28直接形成在光电二极管21下方的硅衬底20上。

本发明利用常规工艺中的多晶硅上的金属硅化物，来实现对近红外入射光的反射。虽然多晶硅是透光的，但位于多晶硅上方(指制作时的相对位置)的金属硅化物却是不透光的，从而在避免金属沾污的同时，实现了对近红外入射光的反射。

为了实现对近红外入射光线的充分反射，用于反射的多晶硅层27和金属硅化物层28的面积要充分覆盖光电二极管21，以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。

本发明通过在光电二极管21下方形成的多晶硅层27和金属硅化物层28结构，形成对近红外入射光线的反射，反射光线进入光电二极管21后发生光电反应，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，由于多晶硅层27和金属硅化物层28形成在光电二极管21下方，多晶硅层27上的电位会直接影响到光电二极管21的内建电势，因此，需要将多晶硅层27和金属硅化物层28通过金属互连层30和32中的例如接触孔29和第一层金属互连层30引出并接地，以避免对光电二极管21正常工作的影响。

此外，在硅衬底20的背面上并位于像素之间还可设置金属挡光层25；每个金属挡光结构在对应光电二极管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，对本发明的一种增强近红外量子效率的图像传感器结构的形成方法进行详细说明。

请参阅图3-图10，图3-图10是本发明一较佳实施例的一种增强近红外量子效率的图像传感器的形成方法的工艺步骤示意图。如图3-图10所示，本发明的一种增强近红外量子效率的图像传感器结构的形成方法，可用于形成上述的增强近红外量子效率的图像传感器结构，并可包括以下步骤：

以使用两层金属互连层的像素单元为例，首先，如图3所示，提供一硅衬底20，使用常规CMOS图像传感器工艺流程，在正面的硅衬底20(硅衬底20的正面)中形成光电二极管21和浅槽隔离22。

然后，如图4所示，通过多晶硅材料淀积、光刻和刻蚀，在硅衬底20的正面形成传输管24和光反射结构27和28。具体可包括：先形成像素单元传输管24的多晶硅栅极24’，同时在光电二极管21上方的硅衬底20正面对应形成组成光反射结构27和28的下层多晶硅层27。

接着，如图5所示，在硅衬底20的正面使用光刻和离子注入，形成像素单元的悬浮漏极23。形成完整的传输管24。

随后如图6所示，在硅衬底20的正面淀积硅化物阻挡层材料，通过对硅化物阻挡层材料进行光刻和刻蚀，以及进行金属淀积和硅化物反应，仅在位于光电二极管21上方的多晶硅层27上形成组成光反射结构27和28的上层金属硅化物层28。形成完整的光反射结构27和28。

接着如图7所示，通过使用常规CMOS金属互连工艺，在硅衬底20的正面表面上淀积层间介质层材料，形成层间介质层33；在层间介质层33中形成两层金属互连层30和32中的第一层金属互连层30，并在光反射结构27和28的下层多晶硅层27和上层金属硅化物层28上形成连接第一层金属互连层30的接触孔29。

然后如图8所示，使用常规CMOS金属互连工艺，继续形成通孔31和第二层金属互连层32。

接着如图9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。减薄后硅衬底20的厚度可在3微米左右。

最后如图10所示，使用背照工艺，在硅衬底20的背面表面淀积抗反射层材料，形成抗反射层26，以及通过铝、钨和铜等金属材料的淀积和光刻、刻蚀等工艺过程，在抗反射层26上形成金属挡光层25的图形结构。

综上所述，本发明通过在背照式CMOS图像传感器的光电二极管下方设置光反射结构，光反射结构可使用金属硅化物和多晶硅组成复合反射层，实现了对近红外入射光的反射和收集，保证了近红外光在硅衬底里吸收比例的大幅上升，从而提高了背照式像素单元的近红外量子效率。

以上的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 (10)

1.一种增强近红外量子效率的图像传感器结构，其特征在于，包括：

硅衬底；

设于正面的所述硅衬底中的光电二极管；

设于所述硅衬底正面的传输管和光反射结构；其中，所述光反射结构对应位于光电二极管的下方；

设于所述硅衬底正面下方的层间介质层，设于层间介质层中的金属互连层；其中，

所述光反射结构用于将自硅衬底背面入射的光线再次反射至光电二极管中，以实现对近红外入射光线的收集。

2.根据权利要求1所述的增强近红外量子效率的图像传感器结构，其特征在于，所述光反射结构与传输管设有的栅极结构同层设置。

3.根据权利要求1所述的增强近红外量子效率的图像传感器结构，其特征在于，所述光反射结构为由不同材料叠设形成的复合反射层。

4.根据权利要求1所述的增强近红外量子效率的图像传感器结构，其特征在于，所述光反射结构包括位于上层的多晶硅层和位于多晶硅层下层的金属硅化物层。

5.根据权利要求4所述的增强近红外量子效率的图像传感器结构，其特征在于，所述多晶硅层和金属硅化物层通过金属互连层引出并接地。

6.根据权利要求1所述的增强近红外量子效率的图像传感器结构，其特征在于，还包括：设于所述硅衬底中并用于隔离光电二极管的浅槽隔离。

7.根据权利要求1所述的增强近红外量子效率的图像传感器结构，其特征在于，还包括：设于所述硅衬底背面上并位于像素之间的金属挡光层。

8.根据权利要求7所述的增强近红外量子效率的图像传感器结构，其特征在于，还包括：设于所述硅衬底背面表面和金属挡光层之间的抗反射层。

9.一种增强近红外量子效率的图像传感器结构的形成方法，其特征在于，包括：

提供一硅衬底，在正面的所述硅衬底中形成光电二极管和浅槽隔离；

在所述硅衬底的正面形成传输管和光反射结构，并使所述光反射结构对应位于光电二极管的上方；

在所述硅衬底的正面淀积层间介质层，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；

使用背照工艺，在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。

10.根据权利要求9所述的增强近红外量子效率的图像传感器结构的形成方法，其特征在于，所述光反射结构的形成方法包括：

在形成传输管时，在所述硅衬底的正面淀积多晶硅材料，通过对多晶硅材料进行光刻和刻蚀，在光电二极管上方形成组成光反射结构的下层多晶硅层，同时形成像素单元传输管的多晶硅栅极；

在所述硅衬底的正面淀积硅化物阻挡层材料，通过对硅化物阻挡层材料进行光刻和刻蚀，以及进行金属淀积和硅化物反应，仅在位于光电二极管上方的多晶硅层上形成组成光反射结构的上层金属硅化物层。