增强图像传感器近红外性能的像素单元结构和形成方法技术

技术编号:20114459 阅读:40 留言:0更新日期:2019-01-16 11:31
本发明专利技术公开了一种增强图像传感器近红外性能的像素单元结构,包括:硅衬底;设于硅衬底正面的光电二极管和传输管栅极;设于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和金属反射层,金属反射层对应位于光电二极管的下方;金属反射层具有面向光电二极管设置的弧形凹面,弧形凹面用于对自硅衬底背面入射的光线进行聚光,并再次反射至光电二极管中实现光电转换,保证了近红外光在硅衬底里吸收比例的大幅上升,从而实现了对近红外入射光线的有效收集,明显提高了像素单元近红外的量子效率,增强了图像传感器的近红外性能。本发明专利技术还公开了一种增强图像传感器近红外性能的像素单元结构的形成方法。

Pixel Unit Structure and Formation Method for Enhancing Near Infrared Performance of Image Sensors

The invention discloses a pixel unit structure for enhancing near infrared performance of image sensor, which includes: silicon substrate; photodiode and transporter gate on the front of silicon substrate; interlayer dielectric layer under the front of silicon substrate; metal interconnection layer and metal reflective layer in the interlayer dielectric layer, and metal reflective layer corresponding to the lower part of photodiode; There are arc concave surfaces for photodiodes. The arc concave surfaces are used to concentrate the light incident from the back of self-silicon substrate and re-reflect it to the photodiodes to realize photoelectric conversion, which ensures that the absorption ratio of near infrared light in the silicon substrate increases greatly, thus realizing the effective collection of near infrared incident light and improving the near infrared quantum efficiency of the pixel unit. It enhances the near infrared performance of image sensor. The invention also discloses a method for forming a pixel unit structure to enhance the near infrared performance of an image sensor.

【技术实现步骤摘要】
增强图像传感器近红外性能的像素单元结构和形成方法
本专利技术涉及图像传感器
,更具体地,涉及一种增强图像传感器近红外性能的像素单元结构和形成方法。
技术介绍
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强而减小。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通常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,以增强图像传感器的近红外性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷,提供一种增强图像传感器近红外性能的像素单元结构和形成方法。为实现上述目的,本专利技术的技术方案如下:本专利技术提供了一种增强图像传感器近红外性能的像素单元结构,包括:硅衬底;设于所述硅衬底正面的光电二极管和传输管栅极;设于所述硅衬底正面下方的层间介质层;设于所述层间介质层中的金属互连层和金属反射层,所述金属反射层对应位于光电二极管的下方;其中;所述金属反射层具有面向光电二极管设置的弧形凹面,所述弧形凹面用于对自硅衬底背面入射的光线进行聚光,并再次反射至光电二极管中。进一步地,所述弧形凹面数量为多个,各所述弧形凹面在所述金属反射层面向光电二极管的表面上水平连续设置。进一步地,所述弧形凹面数量为1个,并占据所述金属反射层面向光电二极管的整个表面。进一步地,所述弧形凹面按在垂直方向上将光电二极管完全覆盖设置。进一步地,所述金属反射层与金属互连层的第一层同层设置。进一步地,所述金属反射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。本专利技术还提供了一种增强图像传感器近红外性能的像素单元结构的形成方法,包括:提供一硅衬底,在所述硅衬底的正面形成光电二极管、传输管栅极、悬浮漏极和浅槽隔离;在所述硅衬底的正面表面淀积层间介质层,在对应光电二极管上方位置的层间介质层中形成具有一至多个弧形凸面底部的沟槽,以及在层间介质层中形成用于制作第一层金属互连层的单大马士革结构;在具有弧形凸面底部的沟槽和单大马士革结构中进行互连金属的填充和化学机械抛光,形成具有面向光电二极管的弧形凹面的金属反射层和第一层金属互连层结构;在层间介质层中继续形成通孔和第二层金属互连层;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;在减薄后的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,形成具有一至多个弧形凸面底部的沟槽的方法,包括:在所述层间介质层表面涂布光刻胶;通过曝光,在对应后续形成沟槽的位置形成一至多个第一光刻胶图形;对第一光刻胶图形进行热处理,使第一光刻胶图形产生收缩,形成具有弧形凸面的第二光刻胶图形;通过刻蚀,将第二光刻胶图形的弧形形态传递到层间介质层上,在层间介质层中形成具有一至多个弧形凸面底部的沟槽结构。从上述技术方案可以看出,本专利技术通过在光电二极管下方设置具有一个或连续多个弧形凹面的金属反射层,通过金属弧形凹面的聚光和反射作用,将穿过硅衬底进入层间介质中的近红外入射光线反射回光电二极管实现光电转换,保证了近红外光在硅衬底里吸收比例的大幅上升,从而实现了对近红外入射光线的有效收集,明显提高了像素单元近红外的量子效率,增强了图像传感器的近红外性能。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是本专利技术第一较佳实施例的一种增强图像传感器近红外性能的像素单元结构示意图。图3是本专利技术第二较佳实施例的一种增强图像传感器近红外性能的像素单元结构示意图。图4-图10是本专利技术一较佳实施例的一种增强图像传感器近红外性能的像素单元结构的形成方法的工艺步骤示意图。图11-图14是本专利技术一较佳实施例的形成具有多个弧形凸面底部的沟槽的方法的工艺步骤示意图。具体实施方式下面结合附图,对本专利技术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,在详述本专利技术的实施方式时,为了清楚地表示本专利技术的结构以便于说明,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专利技术的限定来加以理解。在以下本专利技术的具体实施方式中,请参阅图2,图2是本专利技术第一较佳实施例的一种增强图像传感器近红外性能的像素单元结构示意图。如图2所示,本专利技术的一种增强图像传感器近红外性能的像素单元结构,是一个建立在硅衬底20上的背照式CMOS图像传感器像素单元结构。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、悬浮漏极23、浅槽隔离22等结构。在硅衬底20的正面上还设有各MOS晶体管。例本文档来自技高网
...

【技术保护点】
1.一种增强图像传感器近红外性能的像素单元结构,其特征在于,包括:硅衬底;设于所述硅衬底正面的光电二极管和传输管栅极;设于所述硅衬底正面下方的层间介质层;设于所述层间介质层中的金属互连层和金属反射层,所述金属反射层对应位于光电二极管的下方;其中;所述金属反射层具有面向光电二极管设置的弧形凹面,所述弧形凹面用于对自硅衬底背面入射的光线进行聚光,并再次反射至光电二极管中。

【技术特征摘要】
1.一种增强图像传感器近红外性能的像素单元结构,其特征在于,包括:硅衬底;设于所述硅衬底正面的光电二极管和传输管栅极;设于所述硅衬底正面下方的层间介质层;设于所述层间介质层中的金属互连层和金属反射层,所述金属反射层对应位于光电二极管的下方;其中;所述金属反射层具有面向光电二极管设置的弧形凹面,所述弧形凹面用于对自硅衬底背面入射的光线进行聚光,并再次反射至光电二极管中。2.根据权利要求1所述的增强图像传感器近红外性能的像素单元结构,其特征在于,所述弧形凹面数量为多个,各所述弧形凹面在所述金属反射层面向光电二极管的表面上水平连续设置。3.根据权利要求1所述的增强图像传感器近红外性能的像素单元结构,其特征在于,所述弧形凹面数量为1个,并占据所述金属反射层面向光电二极管的整个表面。4.根据权利要求1所述的增强图像传感器近红外性能的像素单元结构,其特征在于,所述弧形凹面按在垂直方向上将光电二极管完全覆盖设置。5.根据权利要求1所述的增强图像传感器近红外性能的像素单元结构,其特征在于,所述金属反射层与金属互连层的第一层同层设置。6.根据权利要求1所述的增强图像传感器近红外性能的像素单元结构,其特征在于,所述金属反射层通过金属互连层引出并接地。7.根据权利要求1所述的增强图像传感器近红外性能的像素单元结构,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...

【专利技术属性】
技术研发人员:顾学强周雪梅奚鹏程
申请(专利权)人:上海集成电路研发中心有限公司成都微光集电科技有限公司
类型:发明
国别省市:上海,31

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1