[發(fā)明專利]增強(qiáng)近紅外感光性能的背照式像素單元結(jié)構(gòu)及形成方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710419265.9
• 申請(qǐng)日: 2017-06-06
• 公開（公告）號(hào): CN107302008B
• 公開（公告）日: 2020-01-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 顧學(xué)強(qiáng);范春暉;奚鵬程
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海集成電路研發(fā)中心有限公司;成都微光集電科技有限公司
• 主分類號(hào): H01L27/146
• 分類號(hào): H01L27/146
• 代理公司: 31275 上海天辰知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙)
• 代理人: 吳世華;張磊

本發(fā)明公開了一種增強(qiáng)近紅外感光性能的背照式像素單元結(jié)構(gòu)及形成方法，通過(guò)增加硅襯底的厚度，并在背面的硅襯底中增設(shè)背面光電二極管，從而增加了用于光電轉(zhuǎn)換的硅襯底區(qū)域的深度，提高了像素單元的近紅外感光性能；同時(shí)，通過(guò)增加背面?zhèn)鬏敼?、背面懸浮漏極以及雙深槽隔離結(jié)構(gòu)，使得背面懸浮漏極與正面懸浮漏極、背面?zhèn)鬏敼芘c正面?zhèn)鬏敼芊謩e通過(guò)深槽隔離連接在一起，只需在正面?zhèn)鬏敼苌线M(jìn)行時(shí)序控制就可以同時(shí)控制背面?zhèn)鬏敼埽瑥亩ＷC了背面光電二極管中的電荷能夠順利傳輸?shù)秸鎽腋÷O，避免了由于硅襯底厚度增加而無(wú)法將完成光電轉(zhuǎn)換的電荷從背面光電二極管中傳出而造成圖像殘影和噪聲的問(wèn)題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及圖像傳感器領(lǐng)域，更具體地，涉及一種可增強(qiáng)近紅外感光性能的背照式像素單元結(jié)構(gòu)及形成方法。

背景技術(shù)

圖像傳感器是指將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，通常大規(guī)模商用的圖像傳感器芯片包括電荷耦合器件(CCD)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器芯片兩大類。

CMOS圖像傳感器和傳統(tǒng)的CCD傳感器相比，具有低功耗、低成本和與CMOS工藝兼容等特點(diǎn)，因此得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在CMOS圖像傳感器不僅用于消費(fèi)電子領(lǐng)域，例如微型數(shù)碼相機(jī)(DSC)、手機(jī)攝像頭、攝像機(jī)和數(shù)碼單反(DSLR)中，而且在汽車電子、監(jiān)控、生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。

CMOS圖像傳感器的像素單元是圖像傳感器實(shí)現(xiàn)感光的核心器件。最常用的像素單元為包含一個(gè)光電二極管和多個(gè)晶體管的有源像素結(jié)構(gòu)。一種常規(guī)的CMOS圖像傳感器像素單元的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，通常包括光電二極管PD和傳輸管TX、復(fù)位管RX、源極跟隨管DX和行選管SX等其它的MOS晶體管。其中，光電二極管是感光單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)光線的收集并負(fù)責(zé)光電轉(zhuǎn)換，將光子轉(zhuǎn)換為電子；其它的MOS晶體管是控制單元，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)光電二極管的選中、復(fù)位、信號(hào)放大和讀出的控制，其中傳輸管負(fù)責(zé)將光電二極管中產(chǎn)生的電子傳輸?shù)綉腋÷OFD，并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。

CMOS圖像傳感器按照入射光進(jìn)入光電二極管的路徑不同，可以分為前照式和背照式兩種圖像傳感器，前照式是指入射光從硅片正面進(jìn)入光電二極管的圖像傳感器，而背照式是指入射光從硅片背面進(jìn)入光電二極管的圖像傳感器。

在CMOS圖像傳感器中，像素單元的靈敏度直接和像素單元中光電二極管的面積占整個(gè)像素單元面積的比例成正比，我們把這個(gè)比例定義為填充因子。通常的前照式圖像傳感器由于光電二極管之間存在用于信號(hào)控制的多個(gè)晶體管，因此占用了大量的面積。通常CMOS圖像傳感器中像素單元的填充因子在20％到50％之間，這就意味著50％到80％面積上的入射光是被屏蔽掉的，不能參與光電轉(zhuǎn)換的過(guò)程，因而造成了入射光的損失和像素單元靈敏度的降低。同時(shí)，像素單元上面有后道金屬互連和介質(zhì)層覆蓋，入射光需要穿過(guò)介質(zhì)層才能到達(dá)光電二極管表面，從而造成了入射光的損耗和降低了靈敏度。

為了提高CMOS圖像傳感器中光電二極管的面積和減少介質(zhì)層對(duì)入射光的損耗，我們可以采用背照式CMOS圖像傳感器工藝，即入射光從硅片的背面進(jìn)入光電二極管，從而減小介質(zhì)層對(duì)入射光的損耗，提高像素單元的靈敏度。

如圖2所示，其顯示一種常規(guī)背照工藝中用于擋光的金屬層版圖結(jié)構(gòu)。其金屬擋光層17呈網(wǎng)格狀排布，由于金屬不透光，因此可用于隔離像素之間的光學(xué)串?dāng)_。網(wǎng)格中間的空白區(qū)域?yàn)檫M(jìn)光窗口16，入射光線可從進(jìn)光窗口進(jìn)入到下方的光電二極管。

如圖3所示，其顯示沿圖2“A-B”向的結(jié)構(gòu)截面圖。其中金屬擋光層17位于結(jié)構(gòu)最上方，用于屏蔽像素之間的串?dāng)_。高K介質(zhì)層18用于降低暗電流和白色像素。光電二極管19位于減薄后的硅襯底13中，傳輸管20位于光電二極管和懸浮漏極15之間的硅襯底上，像素之間通過(guò)位于硅襯底中的淺槽隔離14進(jìn)行電學(xué)隔離。圖3中以具有兩層金屬互連層為例，在后道介質(zhì)層12中設(shè)有金屬互連布線21和通孔11等互連結(jié)構(gòu)。載片10用于在背照工藝中減薄硅襯底時(shí)提供支撐作用。