互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體固態(tài)成像器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器及其制造方法。
技術(shù)背景
[0002]互補(bǔ)金屬氧化物圖像傳感器因其制造工藝與信號處理芯片等制造工藝相兼容，易于集成片上系統(tǒng)，同時功耗相較于電荷耦合器件類傳感器有較大優(yōu)勢，利用圖像處理降噪算法可以提高信噪比，因此已在圖像傳感器應(yīng)用領(lǐng)域占有優(yōu)勢地位。
[0003]圖像傳感器一個重要的特征指標(biāo)就是感光度，特別在低照度應(yīng)用環(huán)境下，對于圖像質(zhì)量起關(guān)鍵作用?，F(xiàn)有圖像傳感器，如圖1所示，包括濾光片2、感光工作電路單元4、硅襯底6、設(shè)置在濾光片2頂面的微透鏡陣列1、設(shè)置在濾光片2底面的金屬互聯(lián)介質(zhì)層3、與感光工作電路單元4匹配并位于金屬互聯(lián)介質(zhì)層3內(nèi)的金屬互聯(lián)層5、位于硅襯底6頂面的硅襯底外延層7，所述感光工作電路單元4設(shè)置在硅襯底外延層7內(nèi)，所述硅襯底外延層7的頂面設(shè)置在金屬互聯(lián)介質(zhì)層3底面，微透鏡陣列I的每塊微透鏡下方對應(yīng)的娃襯底外延層7及對應(yīng)硅襯底外延層7區(qū)域內(nèi)的感光工作電路單元4為一個像素單元，相鄰兩個像素單元之間設(shè)有像素間隔絕勢皇8。
[0004]對于這種傳統(tǒng)的圖像傳感器要想提高光電轉(zhuǎn)換的量子效率，特別是長波長的量子效率，通常采用的方法是增加硅外延層中PN結(jié)的耗盡區(qū)深度，比如采用較深的離子注入或低摻雜硅襯底外延層。但此種途徑硅襯底的耗盡深度仍然有限。而且因為長波長光線吸收深度較大，襯底深處產(chǎn)生的載流子容易超出漂移電場的控制區(qū)域，橫向擴(kuò)散到相鄰像素中，產(chǎn)生信號串?dāng)_。另外，對于襯底深處的區(qū)域若相鄰像素間隔絕勢皇做不到足夠深的話，阻擋不了光生載流子橫向擴(kuò)散，也容易產(chǎn)生信號串?dāng)_。這種橫向擴(kuò)散帶來的信號串?dāng)_會對暗光下的成像分辨率和色彩噪音產(chǎn)生不良影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對上述技術(shù)問題，提供一種互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器及其制造方法，該傳感器能夠提高光電轉(zhuǎn)換量子效率，同時降低載流子信號串?dāng)_，提高圖像傳感器在暗場環(huán)境下的成像質(zhì)量。
[0006]為實現(xiàn)此目的，本發(fā)明所設(shè)計的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器，它包括濾光片、感光工作電路單元、硅襯底、設(shè)置在濾光片頂面的微透鏡陣列、設(shè)置在濾光片底面的金屬互聯(lián)介質(zhì)層、與感光工作電路單元匹配并位于金屬互聯(lián)介質(zhì)層內(nèi)的金屬互聯(lián)層、位于硅襯底頂面的硅襯底外延層，感光工作電路單元設(shè)置在硅襯底外延層內(nèi)，硅襯底外延層的頂面設(shè)置在金屬互聯(lián)介質(zhì)層底面，微透鏡陣列的每塊微透鏡下方對應(yīng)的娃襯底外延層及對應(yīng)硅襯底外延層區(qū)域內(nèi)的感光工作電路單元為一個像素單元，其特征在于:它還包括設(shè)置在硅襯底底面的硅襯底反射曲面塊陣列，微透鏡陣列中的每塊微透鏡與硅襯底反射曲面塊陣列中的每個娃襯底反射曲面塊對應(yīng)且同軸設(shè)置，娃襯底反射曲面塊陣列的曲面表層設(shè)有反射介質(zhì)層；
[0007]相鄰兩個像素單元之間設(shè)置有像素間隔絕勢皇，每個像素間隔絕勢皇向下延伸至穿過硅襯底。
[0008]所述硅襯底反射曲面塊陣列與反射介質(zhì)層之間形成的反射率范圍為20?50%。
[0009]—種上述互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器的制造方法，其特征在于，它包括如下步驟:
[0010]步驟1:設(shè)置硅襯底，并在硅襯底上以外延生長的方式生成硅襯底外延層；
[0011]步驟2:在硅襯底外延層中制造像素單元；
[0012]步驟3:在相鄰兩個像素單元之間采用深槽隔離或者離子注入形成像素間隔絕勢皇，每個像素間隔絕勢皇向下延伸至穿過硅襯底；
[0013]步驟4:在娃襯底外延層的頂面設(shè)置金屬互聯(lián)介質(zhì)層，在金屬互聯(lián)介質(zhì)層內(nèi)制作與像素單元中的感光工作電路單元匹配的金屬互聯(lián)層；
[0014]步驟5:在形成金屬互聯(lián)層后，將金屬互聯(lián)介質(zhì)層頂面采用臨時鍵合的方式設(shè)置臨時載體晶圓，然后將硅襯底減薄至I?20微米；
[0015]步驟6:在硅襯底減薄后，在硅襯底底面設(shè)置硅襯底反射曲面塊陣列；
[0016]步驟7:在娃襯底反射曲面塊陣列上淀積反射介質(zhì)層；
[0017]步驟8:在反射介質(zhì)層的底面再鍵合載片晶圓層，然后將將金屬互聯(lián)介質(zhì)層頂面的臨時載體晶圓剝離，剝離之后，在金屬互聯(lián)介質(zhì)層頂面制作濾光片，在濾光片頂面制作微透鏡陣列。
[0018]本發(fā)明的有益效果是:
[0019]本發(fā)明利用了硅與高折射率的介質(zhì)層的界面反射效應(yīng)(即硅襯底反射曲面塊陣列與反射介質(zhì)層之間形成的反射率范圍為20?50% )，可以將硅襯底中深處的光線部分地重新反射到硅襯底吸收區(qū)中，使之再次吸收并轉(zhuǎn)換成光生載流子，同時由于硅襯底反射曲面塊陣列的三維弧形界面對光線的反射匯聚作用，可以控制反射光線不要進(jìn)入或很少進(jìn)入到相鄰像素單元的襯底吸收區(qū)中。而且因為硅襯底反射曲面塊陣列(三維弧形界面)，在像素與像素相鄰的區(qū)域，硅襯底較薄，而介質(zhì)層較厚，加上像素間采用深槽或者離子注入形成的隔絕勢皇，阻擋光生載流子的橫向擴(kuò)散。因此在提高光電轉(zhuǎn)換量子效率的同時，提高了光學(xué)和電學(xué)的雙重防信號串?dāng)_的能力。
【附圖說明】
[0020]圖1為現(xiàn)有互補(bǔ)金屬氧化物圖像傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖中e表示電子的走向，電子在襯底深處的左右擴(kuò)散會帶來信號串?dāng)_的不良影響。
[0023]其中、I一微透鏡、2—濾光片、3—金屬互聯(lián)介質(zhì)層、4一感光工作電路單兀、5—金屬互聯(lián)層、6—娃襯底、7—娃襯底外延層、8—像素間隔絕勢皇、9一反射介質(zhì)層、10一娃襯底反射曲面塊陣列、11一載片晶圓層。
【具體實施方式】
[0024]以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明:
[0025]本發(fā)明的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器，如圖2所示，它包括濾光片2、感光工作電路單元4、硅襯底6、設(shè)置在濾光片2頂面的微透鏡陣列I (由多個微透鏡并排布置形成)、設(shè)置在濾光片2底面的金屬互聯(lián)介質(zhì)層3、與感光工作電路單元4匹配并位于金屬互聯(lián)介質(zhì)層3內(nèi)的金屬互聯(lián)層5、位于娃襯底6頂面的娃襯底外延層7，感光工作電路單元4設(shè)置在硅襯底外延層7內(nèi)，感光工作電路單元4用于控制互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器成像所需的像素單元操作、信號放大和信號傳輸，硅襯底外延層7的頂面設(shè)置在金屬互聯(lián)介質(zhì)層3底面，微透鏡陣列I的每塊微透鏡下方對應(yīng)的娃襯底外延層7及對應(yīng)娃襯底外延層7區(qū)域內(nèi)的感光工作電路單元4為一個像素單元(包括光電二極管，復(fù)位晶體管，傳輸晶體管、源極跟隨器晶體管、像素單元陣列的行選通晶體管等)，其特征在于:它還包括設(shè)置在娃襯底6底面的娃襯底反射曲面塊陣列10 (由多個娃襯底反射曲面塊并排布置形成)，微透鏡陣列I中的每塊微透鏡與硅襯底反射曲面塊陣列10中的每個硅襯底反射曲面塊—對應(yīng)且同軸設(shè)置，硅襯底反射曲面塊陣列10的曲面表層設(shè)有反射介質(zhì)層9，所述硅襯底反射曲面塊陣列10與反射介質(zhì)層9之間形成的反射率范圍為20?50% ;該反射率范圍在能保證本發(fā)明具有上述有益效果的前提下，制造工藝相對較簡單，利于量產(chǎn)。
[0026]相鄰兩個像素單元之間設(shè)置有像素間隔絕勢皇8，每個像素間隔絕勢皇8向下延伸至穿過硅襯底6，效果是深處的電子不能穿越像素間隔絕勢皇8而到達(dá)相鄰像素，從而減少了電學(xué)串?dāng)_。本發(fā)明的上述技術(shù)方案能夠提高光電轉(zhuǎn)換的量子效率，特別是長波長光線的量子效率，同時減少長波長光信號的串?dāng)_，包括光學(xué)串?dāng)_和電子串?dāng)_。從而有效提高圖像傳感器在低光照度的感光度，以及長波長特別是紅光及近紅外光的成像質(zhì)量。
[0027]上述技術(shù)方案中，所述反射介質(zhì)層9的底面設(shè)有載片晶圓層11。載片晶圓層11保證了本發(fā)明在使用、制造和運輸過程中具有一定的強(qiáng)度。
[0028]上述技術(shù)方案中，所述反射介質(zhì)層9對400?1100納米光波的折射率為1.4?2.3。該折射率范圍在能保證本發(fā)明具有上述有益效果的前提下，制造工藝相對較簡單，利于量產(chǎn)。
[0029]上述技術(shù)方案中，所述硅襯底6的厚度為I?20微米；所述硅襯底反射曲面塊陣列10中每個硅襯底反射曲面塊的起伏高度相等且起伏高度的范圍均為0.5?5微米。該尺寸范圍有利于硅襯底反射曲面塊的曲率與像素邊長相匹配。
[0030]上述技術(shù)方案中，所述硅襯底6和硅襯底反射曲面塊陣列10的材料相同均為硅晶體，硅襯底6和硅襯底反射曲面塊陣列10的片狀阻值在I?2000歐姆*厘米之間，也可選漸變參雜濃度的襯底；
[0031]所述反射介質(zhì)層9為氧化硅層或氮化硅層或氧化氮硅或氧化硅、氮化硅和氧化氮娃的混合層；
[0032]上述技術(shù)方案中，所述反射介質(zhì)層9還為氧化鋁層或氧化鉿層或氧化鉭層；
[0033]或者，反射介質(zhì)層9也為由氧化硅、氮化硅、氧化氮硅、氧化鋁、氧化鉿、氧化鉭金屬鋁和金屬鎢組成的混合反射介質(zhì)層。
[0034]上述反射介質(zhì)層9可以在低折射率介質(zhì)層或者高折射率介質(zhì)層上覆蓋金屬層，金屬層為鋁層或鎢層。上述反射介質(zhì)層9可繼續(xù)做化學(xué)機(jī)械研磨，提高平整度。然后可在反射介質(zhì)層9上繼續(xù)淀積或者鍵合光吸收層，以進(jìn)一步減少像素間雜光信號的串?dāng)_。
[0035]上述技術(shù)方案中，所述