图像传感器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及半导体技术领域，公开了一种图像传感器及其制备方法。本发明专利技术中，在每个感光区域的感光器件上方的介质层中分布有多个柱状通孔，形成将光导入感光器件的导光区域，可将入射光束缚在该导光区域中，避免光线在传播过程中入射到相邻像素点感光区域中而造成光串扰，从而提高入射光在该导光区域中的传播路线；通过控制该导光区域内通孔的孔径大小、介质材料和分布密度等参数及通孔的排列方式，可调整该导光区域的传输特性，进而达到提高入射进入到上述感光区域内的光强的效果。此外，基于传统图像传感器电路，使用刻蚀和垫积工艺在感光区域上方的介质层中形成多个通孔，操作简便，易于批量生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体
，特别涉及一种具有导光区域的图像传感器。
技术介绍
众所周知，图像传感器是一种能将光学图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器大体上可以分为电荷稱合元件(Charge-Coupled Device,简称“CO)”)和互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,简称 “CMOS”)图像传感器两类。 根据其读出方式，现有的CMOS图像传感器大致可以分为无源式像素传感器(Passive Pixel Sensor,简称 “PPS”)、有源式像素传感器(Active Pixel Sensor,简称“APS”)和数字像素传感器(Digital Pixel Sensor，简称“DPS”)三种类型。图I和图2分别为理想状况下和实际情况中图像传感器结构中的感光情况。如图I所示，在图像传感器中，特别是在CMOS图像传感器中，由于将CMOS像素读出电路与感光器件集成在同一半导体衬底上，鉴于电路的金属互联需求，感光区域表面通常覆盖有一定厚度的介质层，并在介质层表面制备滤色器和微透镜，分别实现滤光和聚光，以使得特定范围内的光较为集中的入射到相应像素的感光区域。其中附图标记1、2和3表示的是半导体器件的金属互连层，金属互连层之间是层间介质层。然而，在实际工作中，由于相对于需探测的外界环境而言，像素单元尺寸极小，微透镜聚光作用有限，大量光线进入层间介质层后，不仅会入射到对应像素的感光区域，还会进入相邻像素的感光区域，如图2所示，从而引起串扰，并降低感光区域的有效感光效率。随着CMOS图像传感器像素尺寸越来越小，图像传感器像素之间串扰现象越来越严重。CMOS图像传感器中，串扰的大小会影响到图像传感器最终输出图像的质量，串扰越大，最终的图像质量越差，并随着目前像素单元尺寸的逐渐减小，光串扰和电荷串扰都会越来越严重。而且随着图像传感器尺寸的减小，可供入射光线射入感光区域的光线也越来越少。在现有技术中，曾有人提出，在感光区域上方的介质层周围，刻蚀形成空气孔，从而在感光区域上方形成类波导的光通路，将大部分入射光限制在该通路中传输，但该方法对光的限制有限，尤其是感光区域上方的介质层通常为低介电常数材料，折射率通常较低(一般为1.5左右)；此外，也有人曾提出，在感光区域上方的介质层周围，采用连续的金属层作为反射层，以防止入射光对相邻像素的影响，但金属对电磁波有一定的吸收作用，随着CMOS图像传感器尺寸的进一步缩小，对于某些极限波长的光，可以近似地视作电磁波，金属的吸收作用不可忽视。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种，避免光串扰，同时提高入射进入到感光区域内的光强。为解决上述技术问题，本专利技术的实施方式公开了一种图像传感器，包括多个像素区域，每个像素区域中有一感光器件，每个感光器件表面上方的介质层中分布有多个柱状通孔，形成将光导入感光器件的导光区域。本专利技术的实施方式还公开了一种图像传感器的制备方法，该方法包括以下步骤在一半导体衬底中形成一图像传感器电路，并在该图像传感器电路上形成金属互连层；在金属互连层中选定图像传感器的像素区域进行刻蚀，刻蚀厚度为金属互连层厚度，其中每个像素区域中有一感光器件；在每个像素区域的感光器件表面上方垫积形成一介质层，该介质层厚度与金属互连层厚度相同；在介质层中选定区域进行刻蚀，形成多个通孔，形成将光导入感光器件的导光区 域。本专利技术实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于在每个感光区域的感光器件上方的介质层中分布有多个柱状通孔，形成将光导入感光器件的导光区域，可将入射光束缚在该导光区域中，避免光线在传播过程中入射到相邻像素点感光区域中而造成光串扰，从而提高入射光在该导光区域中的传播路线。基于传统图像传感器电路，使用刻蚀和垫积工艺在感光区域上方的介质层中形成多个通孔，操作简便，易于批量生产。进一步地，通过控制导光区域内通孔的孔径大小、介质材料和分布密度等参数及通孔的排列方式，可调整该导光区域的传输特性，进而达到提高入射进入到感光区域内的光强的效果。进一步地，介质层使用透明材料，便于更多的入射光进入到感光区域。附图说明图I是理想状况下图像传感器结构中的感光情况示意图；图2是实际情况中图像传感器结构中的感光情况示意图；图3是本专利技术第一实施方式中一种图像传感器的结构示意图；图4是本专利技术第一实施方式中一种图像传感器中一介质层的俯视图；图5是本专利技术第一实施方式中一种图像传感器中一介质层的俯视图；图6是本专利技术第一实施方式中一种图像传感器中一介质层的俯视图；图7是一种3T型结构的像素读出电路的结构示意图；图8是一种4T型结构的像素读出电路的结构示意图；图9是本专利技术第二实施方式中一种图像传感器的制备方法的流程示意图；图10是本专利技术第二实施方式中一种图像传感器的制备方法中一步骤示意图。具体实施例方式在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术的实施方式作进一步地详细描述。本专利技术第一实施方式涉及一种图像传感器。图3是该图像传感器的结构示意图，图4、图5、图6分别是该图像传感器中一介质层的俯视图，示出了不同的通孔排列形式。具体地说，如图3、图4所示，该图像传感器包括多个像素区域，每个像素区域中有一感光器件，每个感光器件表面上方的介质层中分布有多个柱状通孔，形成将光导入感光器件的导光区域。在本实施方式中，介质层由透明材料制成，便于更多的入射光进入到感光区域。可以理解，在本专利技术的其他实施方式中，介质层也可由非透明材料制成。常见的介质材料为Si02、Si3N4' SiC、含C的Si02、TEOS或含F氧化硅玻璃等。在上述导光区域中，通孔孔径为波长量级，通孔中介质折射率小于介质层折射率。通过控制该导光区域内通孔的排列形式以及通孔的孔径大小、介质材料和分布密度等参数，可调整该导光区域的传输特性，进而达到提高入射进入到感光区域内的光强的效果。具 体地说在导光区域中，通孔可如图5所示排列，S卩外部的通孔密度大而内部的通孔密度较小，其中心部分的相对光折射系数小于四周的部分，因此光在这个区域内传播的过程中会被束缚在特定的区域内，减小了串扰现象。可以理解，在本专利技术的其他实施方式中，通孔还可以以复合六边形、椭圆孔六边形、圆形等对称形式排列。鉴于上述各通孔排列形式下的导光区域的传输特性不同，可根据实际需要进行选择。此外，通过调节通孔的孔径大小、介质材料和分布密度等参数，可进一步获得较佳的传输特性。在一个优选的例子中，如图6所示，通孔以复合正六边形排列，该通孔排列形式具有三个可调节的参量，即大空气孔穴(直径d2)、小空气孔穴(直径dl)和孔间距W。其中空气孔的折射率为nl = 1，介质层材料的折射率是随波数(或波长)变化的，其变化关系为n2=n(w)ο为了研究该通孔结构对于导光区域色散特性的影响，对图6所示结构进行了数值模拟，采用基于半矢量有限差分算法的仿真软件APSS计算此导光区域的色散特性，分别探讨了随着大小空气孔的直径dl、d2与孔间距W的取本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种图像传感器，其特征在于，包括多个像素区域，每个像素区域中有一感光器件，每个感光器件表面上方的介质层中分布有多个柱状通孔，形成将光导入感光器件的导光区域。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：田犁，方娜，汪辉，苗田乐，陈杰，
申请(专利权)人：上海中科高等研究院，
类型：发明
国别省市：