一种提升背照式图像传感器近红外量子效率的结构和方法

技术领域

本发明属于半导体图像传感器技术领域，特别是涉及一种提升背照式图像传感器近红外量子效率的结构和方法。

背景技术

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，而背照式图像传感器(Backside illuminated CIS，BSI)是指入射光从硅片背面进入光电二极管的图像传感器，具体是将硅片减薄后，在光电二极管(photodiode)背面搭建彩色滤光器(color filter，CF)及微透镜(Micro Len)，光线由背面射入，增大了光电元件感光面积，减少了光线经过布线时的损失，可以大幅提高CIS在弱光环境下的感光能力，提高像素单元的灵敏度。另外，背照式结构更适用于小尺寸像素，更易集成到常规半导体过程中以降低成本、减小尺寸及提高集成度。

人眼对波长400nm～700nm的电磁波敏感，波长在700nm～2500nm的都可以称为近红外波段(NIR)。对于基于硅的CMOS来说，能够响应的最大波长约为1100nm，对于近红外波段的监控，主要应用为安防和医疗，如安防相机在晚上依然可以正常为人们的安全保驾护航。

图像传感器主要是光活性表面利用来自入射光子的能量来产生电子-空穴对。量子效率(Quantum Efficiency，QE)是描述光电器件光电转换能力的一个重要参数，是对光敏器件电光敏性的一种测量，指的是单位光子数产生的光电流与入射光电流比值，通过量子效率可以量化其光电转换能力。通常的，量子转换效率越高，则CMOS传感器的成像质量越高。现有的背照式CMOS传感器的量子转换效率较传统的前照式CMOS传感器要好，但是，随着用户要求的愈发提高，现有的背照式CMOS传感器的成像质量，尤其是对一些特殊用途，如安防/车载高端芯片和军事等领域，近红外波段的量子效率已不再能满足用户的需求。因此，为了获取更高的成像质量，需要继续提高背照式图像传感器的量子转换效率。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种提升背照式图像传感器近红外量子效率的结构和方法，用于解决现有技术中背照式图像传感器在近红外波段的量子效率仍不够高的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种提升背照式图像传感器近红外量子效率的结构，所述结构至少包括：衬底和多个光电二极管，所述光电二极管形成于所述衬底中，每个所述光电二极管表面制作有单元深沟槽隔离结构。

作为本发明提升背照式图像传感器近红外量子效率的结构的一种优化的方案，所述单元深沟槽隔离结构的横截面形状包括田字形和米字形中的一种或两种的组合。

作为本发明提升背照式图像传感器近红外量子效率的结构的一种优化的方案，所述单元深沟槽隔离结构的深度范围介于0.3um～1.5um之间，特征尺寸的范围介于100nm～200nm之间。

作为本发明提升背照式图像传感器近红外量子效率的结构的一种优化的方案，所述光电二极管之间由深沟槽隔离区隔离，所述单元深沟槽隔离结构的深度小于所述深沟槽隔离区的深度。

作为本发明提升背照式图像传感器近红外量子效率的结构的一种优化的方案，所述结构还包括依次位于所述光电二极管表面的彩色滤光器和微透镜、以及位于所述光电二极管另一表面的金属线结构。

本发明还提供一种提升背照式图像传感器近红外量子效率的方法，所述方法至少包括：

提供一衬底，在所述衬底中制作形成多个光电二极管；

在每个所述光电二极管表面制作单元深沟槽隔离结构。

作为本发明提升背照式图像传感器近红外量子效率的方法的一种优化的方案，所述单元深沟槽隔离结构的横截面形状包括田字形和米字形中的一种或两种的组合。

作为本发明提升背照式图像传感器近红外量子效率的方法的一种优化的方案，所述单元深沟槽隔离结构的深度范围介于0.3um～1.5um之间，特征尺寸的范围介于100nm～200nm之间。

作为本发明提升背照式图像传感器近红外量子效率的方法的一种优化的方案，利用光刻和刻蚀工艺，在每个所述光电二极管表面制作单元深沟槽隔离结构。

作为本发明提升背照式图像传感器近红外量子效率的方法的一种优化的方案，所述方法还包括在所述光电二极管之间形成深沟槽隔离区的步骤，所述单元深沟槽隔离结构的深度小于所述深沟槽隔离区的深度。

作为本发明提升背照式图像传感器近红外量子效率的方法的一种优化的方案，所述方法还包括步骤：

在所述光电二极管表面依次形成彩色滤光器和微透镜；

在所述另一表面形成金属线结构。

如上所述，本发明的提升背照式图像传感器近红外量子效率的结构和方法，所述结构至少包括：衬底和多个光电二极管，所述光电二极管形成于所述衬底中，每个所述光电二极管表面制作有单元深沟槽隔离结构。所述单元深沟槽隔离结构的横截面形状包括田字形和米字形中的一种或两种的组合。本发明通过在光电二极管表面制作单元深沟槽隔离结构，利用单元深沟槽隔离结构可以增加光线在光电二极管中的散射，从而提升光程，增加入射光特别是近红外波长光的吸收，大幅提高产品量子效率和拍照水平。

附图说明

图1～图4为实施例中提升背照式图像传感器近红外量子效率的方法流程所呈现的结构示意。其中，图4为本发明提升背照式图像传感器近红外量子效率的结构示意图；

图5为本发明中田字形单元深沟槽隔离结构示意图；

图6为本发明中米字形单元深沟槽隔离结构示意图；

图7为四种图像传感器的量子效率对比图。

元件标号说明

1 衬底

2 光电二极管

3 单元深沟槽隔离结构

4 深沟槽隔离区

5 彩色滤光器

6 微透镜

7 金属线结构

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

如图4所示，本实施例提供一种提升背照式图像传感器近红外量子效率的结构，所述结构至少包括：衬底1和多个光电二极管2，所述光电二极管2形成于所述衬底1中，每个所述光电二极管2表面制作有单元深沟槽隔离结构3(Cell deep trench isolation，CDTI)。

作为优化的技术方案，所述单元深沟槽隔离结构3的横截面形状包括田字形和米字形中的一种或两种的组合。请参照图5，图5所展示的是田字形的单元深沟槽隔离结构3的SEM照片。再请参照图6，图6所展示的是米字形的单元深沟槽隔离结构3的SEM照片。在具体实施例中，单元深沟槽隔离结构3选择为田字形或者米字形，优选为米字形。

作为示例，所述单元深沟槽隔离结构3的深度范围介于0.3um～1.5um之间，特征尺寸(CD)的范围介于100nm～200nm之间。在一实施例中，所述单元深沟槽隔离结构3的深度为0.5um，特征尺寸为120nm。在另一实施例中，所述单元深沟槽隔离结构3的深度为0.8um，特征尺寸为150nm。在又一实施例中，所述单元深沟槽隔离结构3的深度为0.8um，特征尺寸为150nm。

本发明利用所述单元深沟槽隔离结构3来增加光散射，从而增加光程，提高近红外波段光的量子效率。

作为示例，如图4所示，所述光电二极管2之间由深沟槽隔离区4(Deep trenchisolation，DTI)隔离。所述光电二极管2可以阵列排列于所述衬底1中，所述深沟槽隔离区4主要起隔离光电二极管2的作用，防止像素间串扰，提高成像质量，深度很深(>2um)，而所述单元深沟槽隔离结构3主要用来增加光散射，不需要太深。因此，一般来说，所述单元深沟槽隔离结构3的深度小于所述深沟槽隔离区4的深度。

作为示例，如图4所示，所述结构还包括依次位于所述光电二极管2表面的彩色滤光器5和微透镜6、以及位于所述光电二极管2另一表面的金属线结构7。需要说明的是，图4仅展示了一个光电二极管2表面的彩色滤光器5和微透镜6，但应知晓，其他光电二极管2表面也均有彩色滤光器5和微透镜6。所述金属线结构7可以用于连接至外部结构。

如表1所示为四种图像传感器的量子效率数据，四种图像传感器分别为：无单元深沟槽隔离结构(CDTI)、包含口字形CDTI、包含田字形CDTI以及包含米字形CDTI。每种图像传感器测试了两个样品。

表1

由上可见，在相同条件下测试的产品量子效率(QE)性能如下(取两个样品的平均值)：

无CDTI波长850nmQE为19.8％，波长940nmQE为7.9％；口字形CDTI波长850nm QE为26.8％，波长940nm QE为15.4％；田字形CDTI波长850nm QE为36.6％，波长940nm QE为23.0％；米字形CDTI波长850nm QE为47.2％，波长940nm QE为28.2％。

图7更为直观的展示了四种产品QE的变化。经过对比发现，田字形CDTI比口字形波长850nm QE提升了37％，波长940nm QE提升了49％；米字形CDTI比口字形波长850nm QE提升了76％，波长940nm QE提升了83％。

目前，本公司针对背照式近红外(NIR BSI)平台田字形和米字形CDTI设计都有产品进入量产，得到了客户认可。

总之，CDTI结构设计对光程影响大，不同的结构，QE水平差异很大。本专利在原有工艺和设备基础上，通过优化CDTI设计提升QE，提出田字形和米字型CDTI，可以大幅提升产品性能。

实施例二

如图1～图4所示，本实施例一种提升背照式图像传感器近红外量子效率的方法，可以获得上述提升背照式图像传感器近红外量子效率的结构，所述方法至少包括如下步骤：

如图1所示，首先执行步骤一，提供一衬底1，在所述衬底1中制作形成多个光电二极管2。

如图2所示，然后执行步骤二，在每个所述光电二极管2表面制作单元深沟槽隔离结构3。

作为优化的技术方案，所述单元深沟槽隔离结构3的横截面形状包括田字形和米字形中的一种或两种的组合。请参照图5，图5所展示的是田字形的单元深沟槽隔离结构3的SEM照片。再请参照图6，图6所展示的是米字形的单元深沟槽隔离结构3的SEM照片。在具体实施例中，单元深沟槽隔离结构3选择为田字形或者米字形，优选为米字形。

作为示例，所述单元深沟槽隔离结构3的深度范围介于0.3um～1.5um之间，特征尺寸的范围介于100nm～200nm之间。在一实施例中，所述单元深沟槽隔离结构3的深度为0.5um，特征尺寸为120nm。在另一实施例中，所述单元深沟槽隔离结构3的深度为0.8um，特征尺寸为150nm。在又一实施例中，所述单元深沟槽隔离结构3的深度为0.8um，特征尺寸为150nm。

本发明利用所述单元深沟槽隔离结构3来增加光散射，从而增加光程，提高近红外波段光的量子效率。

作为示例，可以利用光刻和刻蚀工艺，在每个所述光电二极管2表面制作单元深沟槽隔离结构3。本发明需根据不同CDTI设计结构调整光刻和刻蚀工艺条件，保证工艺窗口。

如图1所示，所述方法还包括在所述光电二极管2之间形成深沟槽隔离区4的步骤，所述光电二极管2可以阵列排列于所述衬底1中，所述深沟槽隔离区4主要起隔离光电二极管2的作用，防止像素间串扰，提高成像质量，深度很深(>2um)，而所述单元深沟槽隔离结构3主要用来增加光散射，不需要太深。因此，一般来说，所述单元深沟槽隔离结构3的深度小于所述深沟槽隔离区4的深度。

作为示例，如图3和图4所示，所述方法还包括步骤如下步骤：

如图3所示，在所述光电二极管2表面依次形成彩色滤光器5和微透镜6；

如图4所示，在所述另一表面形成金属线结构7。

需要说明的是，图3和图4仅展示了一个光电二极管2表面的彩色滤光器5和微透镜6，但应知晓，其他光电二极管2表面也均有彩色滤光器5和微透镜6。所述金属线结构7可以用于连接至外部结构。

田字形和米字型CDTI的量子效率的提升数据及效果，在实施例一中已列出和阐述，在此不再赘述。

综上所述，本发明提供一种提升背照式图像传感器近红外量子效率的结构和方法，所述结构至少包括：衬底1和多个光电二极管2，所述光电二极管2形成于所述衬底1中，每个所述光电二极管2表面制作有单元深沟槽隔离结构3。所述单元深沟槽隔离结构3的横截面形状包括田字形和米字形中的一种或两种的组合。本发明通过在光电二极管2表面制作单元深沟槽隔离结构3，利用单元深沟槽隔离结构3可以增加光线在光电二极管2中的散射，从而提升光程，增加入射光特别是近红外波长光的吸收，大幅提高产品的量子效率和拍照水平。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。