一種提高光利用率的圖像傳感器及其制備方法與流程

本發明涉及圖像傳感器領域，具體涉及一種提高光利用率的圖像傳感器及其制造方法。

背景技術：

圖像傳感器包括電荷耦合器件(ccd)和互補金屬氧化物半導體(cmos)，ccd制造工藝復雜，成本較高，cmos太容易出現雜點，并且工藝復雜。目前常用的背面照光技術(bsi)型的cmos采用晶片鍵合技術，來改變元件內部的結構，即將感光層的元件調轉方向，讓光能從背面直射進去，避免了傳統cmos傳感器結構中光線會受到微透鏡和光二極管之間的電路和晶體管的影響，從而顯著提高光的效能，大大改善低光照條件下的拍攝效果。

但是在背面照光技術(bsi)型的cmos技術中還存在以下三個缺陷：(1)入射光從晶片背面射入到達光電二極管，在光傳輸過程中，會發生光電轉換，通過一定的設備讀出這些信號；在通常的到達光電二極管的光路中，最顯著的問題是不同的隔離膜界面會出現雙折射現象，或者光從微透鏡到達光電二極管過程中會出現反射或者內散射的情況，這樣就會降低光的利用率。(2)在bsi技術中，在外延片上制作光吸收層，這就對外延片的質量要求十分苛刻，外延片中晶體的錯位或者不規則都會影響光的傳播錯位，從而影響圖像傳感器的質量。(3)在bsi技術中，需要防范鄰近像素之間的載波泄漏，所以一般在結構上生成深的溝道隔離或者先完成溝道，再通過cmp技術拋光，這種工藝復雜繁瑣，造成了成本的大幅度提升。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種提高光利用率的圖像傳感器，通過刻蝕位于光電二極管上方的交替隔離層和填充層形成光通道溝槽，并且光通道溝槽的開口大于光電二極管的采光面積，增加了光利用率，并且工藝簡單，成本低，靈敏度小，噪音小。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：一種提高光利用率的圖像傳感器，包括集成襯底單元和交替隔離層，所述交替隔離層位于所述集成襯底單元的上方，所述集成襯底單元中包括光電二極管和填充層，所述填充層位于所述光電二極管的上方，其中，還包括光通道溝槽和光通道，通過刻蝕位于光電二極管上方的交替隔離層和填充層形成所述光通道溝槽，所述光通道溝槽由位于所述交替隔離層中的光通道溝槽ⅰ和位于所述填充層中的光通道溝槽ⅱ組成，所述光通道溝槽ⅰ的下表面和光通道溝槽ⅱ的上表面完全重合，所述光通道溝槽ⅰ的側壁垂直，且在水平方向上的橫截面積大于光電二極管的采光區域，所述光通道溝槽ⅱ為錐形光通道溝槽，且兩邊側壁與所述光通道溝槽ⅱ的底邊呈相同的鈍角，所述光通道填充在所述光通道溝槽中。

進一步地，所述集成襯底單元還包括半導體襯底、n溝道阻止層、淺溝道隔離、p型埋層、p阱區、n型光電二極管、p型光電二極管、柵氧化層、轉移柵電極、重置柵電極、熱氧化層、n型輕摻雜區、n型源漏區、光電二極管保護膜、填充層、接觸孔和鎢塞。

進一步地，所述光電二極管包括p型光電二極管和n型光電二極管，所述光電二極管的采光區域為靠近所述填充層的p型光電二極管在水平方向上的區域。

進一步地，所述光通道溝槽ⅱ的側壁上沉積有反射薄膜。

進一步地，所述反射薄膜為兩邊薄中間厚具有固定曲率的凸面。

進一步地，所述反射薄膜為tin。

進一步地，所述反射薄膜為al2o3。

進一步地，所述交替隔離層為sin隔離層和sio2隔離層交替沉積形成。

進一步地，所述光通道為sin填充而成。

本發明還提供了一種制備權利要求1所述的提高光利用率的圖像傳感器的方法，包括以下步驟：

s01制作含有光電二極管和填充層的集成襯底單元，且填充層位于光電二極管的上面；

s02在填充層的上面沉積形成交替隔離層；

s03在光電二極管上方的交替隔離層中刻蝕出側壁垂直的光通道溝槽ⅰ，且光通道溝槽ⅰ在水平方向上的橫截面積大于光電二極管的采光區域；

s04在光電二極管上方的填充層中刻蝕出光通道溝槽ⅱ，光通道溝槽ⅱ的兩邊側壁與其底邊呈相同的鈍角，并且光通道溝槽ⅰ的下表面和光通道溝槽ⅱ的上表面完全重合；

s05對上述刻蝕之后的光通道溝槽ⅰ和光通道溝槽ⅱ進行填充，形成光通道。

本發明的有益效果為：通過刻蝕位于光電二極管上方的交替隔離層和填充層，形成在交替隔離層中側壁垂直的光通道溝槽ⅰ和在填充層中側壁與其底邊呈鈍角的光通道溝槽ⅱ，本發明中光通道溝槽的開口大于光電二極管的采光面積，增加了入射光的利用率，縮短了工藝時間；同時在填充層中的錐形光通道溝槽ⅱ沉積有兩邊薄中間厚具有固定曲率的反射薄膜，確保入射光經過光通道最大程度地進入光電二極管，避免了在交替隔離層中出現的雙折射、反射、內散射等光損耗行為，進一步增加了光的利用率。

附圖說明

圖1-8為實施例1中制作圖像傳感器方法的剖面示意圖。

圖9-14為實施例2中制作圖像傳感器方法的剖面示意圖。

圖中：1半導體襯底，2n溝道阻止層，3淺溝道隔離，4p型埋層，5p阱區，6n型光電二極管，7p型光電二極管，8柵氧化層，9轉移柵電極，10重置柵電極，11熱氧化層，12n型輕摻雜區，13n型源漏區，14光電二極管保護膜，15填充層，16接觸孔，17鎢塞，18sin隔離層，19sio2隔離層，20sin隔離層，21sin隔離層，22sio2隔離層，23sin隔離層，24sio2隔離層，25sin隔離層，26sin隔離層，27sio2隔離層，28sin隔離層，29sio2隔離層，30sin隔離層，31sin隔離層，32sio2隔離層，33光刻膠，34刻蝕等離子體，35光通道溝槽，36sin填充層，37光通道，38反射薄膜涂層，39反射薄膜。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖對本發明的具體實施方式做進一步的詳細說明。

一種提高光利用率的圖像傳感器，包括集成襯底單元和交替隔離層，交替隔離層位于集成襯底單元的上方，交替隔離層為sin和sio2交替沉積形成。集成襯底單元中包括光電二極管和填充層，且填充層位于所述光電二極管的上方，其中，還包括光通道溝槽和光通道，通過刻蝕位于光電二極管上方的交替隔離層和填充層形成光通道溝槽，光通道溝槽由位于交替隔離層中的光通道溝槽ⅰ和位于填充層中的光通道溝槽ⅱ組成，光通道溝槽ⅰ的側壁垂直，且在水平方向上的橫截面積大于光電二極管的采光區域，光電二極管的采光區域即為靠近填充層和交替隔離層的p型光電二極管在水平方向上的面積區域。光通道溝槽ⅱ為錐形光通道溝槽，且兩邊側壁與其底邊呈相同的鈍角，光通道溝槽ⅰ的下表面和光通道溝槽ⅱ的上表面完全重合，因此，本發明中光通道溝槽在剖面圖中為上面為長方形，下面為等腰梯形的六邊形，且等腰梯形的下底邊長度小于上底邊長度。sin填充在光通道溝槽中形成光通道。

其中，集成襯底單元還包括半導體襯底、n溝道阻止層、淺溝道隔離、p型埋層、p阱區、n型光電二極管、p型光電二極管、柵氧化層、轉移柵電極、重置柵電極、熱氧化層、n型輕摻雜區、n型源漏區、光電二極管保護膜、填充層、接觸孔和鎢塞。。

其中，位于填充層中的光通道溝槽的側壁上可以沉積反射薄膜。反射薄膜為兩邊薄中間厚具有固定曲率的凸面。反射薄膜為tin或al2o3。

下面以兩個具體實施例為例，說明本發明圖像傳感器的具體制作方法：

實施例1

一種提高光利用率的圖像傳感器的具體制作工藝如下：

請參見圖1，采用n(100)方向，電阻率為80-100ω·m的硅襯底作為半導體襯底1，并使用含有sc1,hf,sc2的清洗液對其進行rca清洗，通過濕法熱氧化在硅半導體襯底1上形成10nm的熱氧化層，在熱氧化層上通過化學氣相沉積的方法依次沉積35nm的多晶硅和15nm的sin隔離層，通過光刻膠掩模，刻蝕出50nm深的溝槽并去除光刻膠，在上述溝槽中形成25nm的sio2氧化層，在所形成的的sio2氧化層上進行離子注入，形成n溝道阻止層2，在n溝道阻止層2里通過化學氣相沉積法形成500nm的sio2層，并在950℃溫度下，氮氣氛圍中退火60分鐘，經過平坦化技術，形成淺溝道隔離3。

在半導體襯底上以光刻膠為掩模，經過刻蝕和硼離子注入形成p型埋層4，并去除光刻膠。在p型埋層4上以光刻膠為掩模，經過刻蝕和硼離子注入形成p阱區5，并去除光刻膠。

以光刻膠為掩模，經過刻蝕和砷離子注入形成n型光電二極管6，并去除光刻膠；同樣以光刻膠為掩模，經過刻蝕和硼離子注入形成p型光電二極管7，之后去除光刻膠，在1000℃條件下對光電二極管熱退火30分鐘。

對退火后的半導體襯底進行rca清洗，并通過原位水氣生成法形成7nm的柵氧化層8，在柵氧化層8上，通過化學氣相沉積法沉積一層200nm的多晶硅。在多晶硅上以光刻膠為掩模，經過刻蝕和砷離子注入形成n型多晶，去除光刻膠；同樣以光刻膠為掩模，經過刻蝕和硼離子注入形成p型多晶，去除光刻膠。之后，以光刻膠作為掩模劑，通過干刻蝕多晶硅并去除光刻膠，形成轉移柵電極9和重置柵電極10。

以光刻膠為掩模，通過磷離子注入并去除光刻膠得到n型輕摻雜區12。在半導體襯底上經過900℃濕氧化形成熱氧化層11。對熱氧化層11進行rca清洗并在表面依次沉積10nm的sio2層和30nm的sin隔離層，并在光電二極管的正上方位置涂覆光刻膠，其余部分的熱氧化層經過干刻蝕去除，形成位于光電二極管上方的光電二極管保護膜14，之后去除光刻膠。將光刻膠涂覆在浮動擴散像素區，以光刻膠為掩模，經過刻蝕和砷離子注入，并去除光刻膠，形成n型源漏區13。最后，在半導體襯底上表面依次沉積80nm的氧化硅和1200nm的硼磷硅玻璃，在825℃的氮氣環境中退火30分鐘，并經過化學機械拋光形成填充層15。

如圖2所示，在填充層15上涂覆光刻膠，以光刻膠掩模，刻蝕出接觸孔16，去除光刻膠。

如圖3所示，在接觸孔16中依次沉積10nm的ti層、7nm的tin層和300nm的w層，并經過cmp去除多余部分的w層，形成鎢塞17。

如圖4所示，在鎢塞17和填充層15的上表面依次沉積28nm的sin隔離層18，200nm的sio2隔離層19和60nm的sin隔離層20，在上述隔離層中進行金屬布線，金屬線采用ta-cu以及cu的混合物。之后再次在sin隔離層20的上表面依次沉積50nm的sin隔離層21，270nm的sio2隔離層22，40nm的sin隔離層23，300nm的sio2隔離層24，80nm的sin隔離層25，在上述隔離層中進行金屬布線，金屬線采用ta-cu以及cu的混合物。之后再次在sin隔離層25的上表面依次沉積50nm的sin隔離層26，270nm的sio2隔離層27，40nm的sin隔離層28，300nm的sio2隔離層29，100nm的sin隔離層30，在上述隔離層中進行金屬布線，金屬線采用ta-cu以及cu的混合物。

如圖5所示，在sin隔離層30的上表面通過化學氣相沉積法依次沉積50nm的sio2隔離層31和220nm的sin隔離層32。之后，在sin隔離層32上方涂覆200nm的底部抗反射涂層、2500nm的光刻膠33和200nm的頂部抗反射涂層。

如圖6所示，交替隔離層為sin隔離層和sio2隔離層交替沉積形成，具體為圖中18-32的sin隔離層和sio2隔離層，分兩步形成光通道溝槽：第一步，以光刻膠33作為掩模劑，采用刻蝕等離子體34各向同性地刻蝕交替隔離層，形成側壁垂直的光通道溝槽ⅰ，并且在交替隔離層中的光通道溝槽在水平方向上的橫截面積大于p型光電二極管在水平方向上的橫截面積；第二步，在第一步刻蝕的基礎上繼續刻蝕填充層15形成錐形光通道溝槽ⅱ，因此，光通道溝槽ⅰ的下表面和光通道溝槽ⅱ的上表面完全重合，且光通道溝槽ⅱ兩邊側壁與其底邊呈相同的鈍角。經過兩步刻蝕，并去除光刻膠33之后形成位于光電二級管上方的光通道溝槽35。

如圖7所示，沿著光通道溝槽35以及sin隔離層32的表面沉積1800nm的sin填充層36，并且sin隔離層36完全填充光通道溝槽33。

如圖8所示，通過化學機械拋光去除多余的sin填充層36，使光通道溝槽35中完全填充sin隔離層36，形成位于光通道溝槽中的光通道37。

實施例2

一種提高光利用率的圖像傳感器的具體制作工藝如下：

同圖1-圖6步驟相同，參照實施例1的描述，不再重復。

如圖9所示，沿著光通道溝槽ⅱ以及sin隔離層32的表面采用物理氣相沉積法沉積一層反射薄膜涂層38，反射薄膜涂層為60nm的tin金屬層或者80nm的al2o3金屬層。

如圖10所示，在反射薄膜涂層38的外表面以及光通道溝槽ⅰ的垂直側壁上涂覆一層100nm的光刻膠33。

如圖11、圖12所示，采用刻蝕等離子體34對光通道溝槽ⅱ中的反射薄膜涂層38進行刻蝕，以光刻膠為掩模，先將位于光通道溝槽ⅱ中反射薄膜涂層38的上半部分刻蝕成圓形，再將反射薄膜涂層38的下半部分刻蝕成圓形。最終在光通道溝槽ⅱ中反射薄膜涂層38的表面刻蝕出兩邊薄中間厚具有固定曲率的反射薄膜39，其余反射薄膜涂層被全部刻蝕掉，之后去除光刻膠33。

如圖13所示，在光通道溝槽35和sin隔離層32的上表面沉積1800nm的sin填充層36，并且sin填充層36完全填充光通道溝槽35。

如圖14所示，通過化學機械拋光去除多余的sin填充層36，使光通道溝槽35中完全填充sin填充層36，形成位于光通道溝槽中的光通道37。

以上所述僅為本發明的優選實施例，所述實施例并非用于限制本發明的專利保護范圍，因此凡是運用本發明的說明書及附圖內容所作的等同結構變化，同理均應包含在本發明所附權利要求的保護范圍內。