專(zhuān)利名稱(chēng)：圖像傳感器的感光區(qū)域以及制造方法、圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種圖像傳感器的感光區(qū)域以及制造方法、圖像傳感器。
背景技術(shù)：
SOI (Silicon-On-Insulator，絕緣襯底上的硅)技術(shù)是在頂層硅和背襯底之間引入了一層埋氧化層。通過(guò)在絕緣體上形成半導(dǎo)體薄膜，SOI材料具有了傳統(tǒng)的體硅材料所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)集成電路中元器件的介質(zhì)隔離，徹底消除了體硅CMOS電路中的寄生閂鎖效應(yīng)；采用這種材料制成的集成電路還具有寄生電容小、集成密度高、速度快、工藝簡(jiǎn)單、短溝道效應(yīng)小及特別適用于低壓低功耗電路等優(yōu)勢(shì)。圖像傳感器是一種將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的半導(dǎo)體器件，一般由感光像素和 CMOS信號(hào)處理電路構(gòu)成。目前常見(jiàn)的CMOS圖像傳感器是有源像素型圖像傳感器(APS)，其中又分為三管圖像傳感器(3T，包括復(fù)位晶體管、放大晶體管和行選擇晶體管)和四管圖像傳感器(4T，包括轉(zhuǎn)移晶體管、復(fù)位晶體管、放大晶體管和行選擇晶體管)兩大類(lèi)。一種現(xiàn)有的制作于SOI襯底上的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用的是全耗盡結(jié)構(gòu)，包括襯底100、埋氧層110和器件層130。器件層130包括光電二極管140、 復(fù)位晶體管150、源極跟隨晶體管160和行選晶體管170。此像素結(jié)構(gòu)的感光區(qū)主要位于光電二極管140的PN結(jié)耗盡區(qū)。每個(gè)晶體管均包括源極、柵極和漏極等基本結(jié)構(gòu)。上述各個(gè)器件的位置關(guān)系以及電學(xué)連接關(guān)系請(qǐng)參考附圖1。參考附圖1，現(xiàn)有像素結(jié)構(gòu)的工作原理是開(kāi)始工作時(shí)，首先將復(fù)位晶體管150柵極加高電平，使其導(dǎo)通，曝光時(shí)，光電二極管140作為光電子收集區(qū)域，當(dāng)入射光照射時(shí)，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在完成曝光之后并通過(guò)源極跟隨晶體管160和行選晶體管170將積分電壓信號(hào)讀出。于是輸出電壓的值就反映了光信號(hào)的強(qiáng)弱。上述制作于SOI襯底上的CMOS圖像傳感器像素電路的缺點(diǎn)在于SOI襯底的器件層130很薄，通常只有數(shù)十個(gè)微米甚至十幾個(gè)微米，入射光在光電二極管140中的光程很短，導(dǎo)致光吸收效率以及量子效率低下。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種圖像傳感器的感光區(qū)域以及制造方法、 圖像傳感器，能夠提高圖像傳感器的光吸收效率。為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種圖像傳感器的感光區(qū)域，包括設(shè)置在支撐襯底表面的一微鏡和一光電二極管，所述光電二極管的P型摻雜區(qū)域與N型摻雜區(qū)域在支撐襯底表面橫向布置，入射至圖像傳感器的入射光朝向所述支撐襯底的表面入射，經(jīng)過(guò)所述微鏡反射后形成朝向所述光電二極管側(cè)面反射光，所述微鏡的反射光是從所述光電二極管的側(cè)面入射至光電二極管的內(nèi)部，能夠提高所述光電二極管的光俘獲效率。可選的，在入射光的光路上進(jìn)一步設(shè)置一聚焦裝置，所述聚焦裝置進(jìn)一步是一透鏡或一透鏡組，對(duì)入射到微鏡表面的入射光進(jìn)行聚焦，在所述聚焦裝置和所述微鏡之間進(jìn)
一步設(shè)置一濾色片。可選的，所述光電二極管包括一 PN結(jié)或者一 PIN結(jié)?？蛇x的，所述微鏡的表面進(jìn)一步包括一金屬反射膜?？蛇x的，所述支撐襯底包括表面的絕緣埋層，所述微鏡和光電二極管進(jìn)一步是設(shè)置在所述絕緣埋層的表面。本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種上述圖像傳感器的感光區(qū)域的制造方法，包括如下步驟提供半導(dǎo)體襯底；在半導(dǎo)體襯底表面利用各向異性腐蝕形成微鏡，所述微鏡和半導(dǎo)體襯底表面具有一角度，所述角度大于零度且小于90度；在半導(dǎo)體襯底表面形成光電二極管?？蛇x的，所述半導(dǎo)體襯底進(jìn)一步包括襯底、器件層以及上述兩者之間的絕緣埋層， 所述微鏡和光電二極管形成于所述器件層中?？蛇x的，所述微鏡的平面與半導(dǎo)體襯底表面的夾角是45度?？蛇x的，在形成微鏡后，進(jìn)一步包括在所述微鏡表面形成金屬反射膜的步驟。本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種圖像傳感器，包括襯底、器件層以及上述兩者之間的絕緣埋層，在所述器件層中至少包括至少一個(gè)上述的感光區(qū)域?？蛇x的，所述器件層中包括一棱錐，所述棱錐的底面設(shè)置于所述絕緣埋層的表面， 所述棱錐的側(cè)面為所述感光區(qū)域的微鏡，所述光電二極管環(huán)繞設(shè)置在棱錐周?chē)?，所述棱錐為四棱錐，所述棱錐的側(cè)面與絕緣埋層表面之間的夾角為45度?？蛇x的，所述器件層的厚度范圍是50nm 500nm?？蛇x的，所述器件層中進(jìn)一步設(shè)置有復(fù)位晶體管、源極跟隨晶體管和行選晶體管。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，通過(guò)設(shè)置微鏡改變了入射光的光路，使得入射光線能夠橫向入射進(jìn)入位于器件層中的光電二極管內(nèi)，因?yàn)槿肷涔饽軌驒M向入射，在橫向上PN結(jié)耗盡區(qū)域可以比較寬，因此能夠提高入射光吸收區(qū)域的深度，這樣有利于波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光吸收從而有效提高了圖像傳感器的光敏感度和量子效率。并且由于采用了微鏡作為光收集組件，感光區(qū)域中光電二極管上方可以進(jìn)行金屬層布線而不會(huì)影響入射光的光路，故可以進(jìn)一步提高圖像傳感器芯片的集成度。


圖1是一種現(xiàn)有的制作于SOI襯底上的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)。圖2是本發(fā)明所述圖像傳感器的具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖3A是本發(fā)明另一具體實(shí)施方式
所述圖像傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖;3B是附圖3A所示結(jié)構(gòu)的俯視圖。附圖4是本發(fā)明另一具體實(shí)施方式
所述圖像傳感器的俯視圖。附圖5是本發(fā)明所述圖像傳感器的感光區(qū)域的制造方法的具體實(shí)施方式
的實(shí)施步驟示意圖。附圖6A至附圖6B所示是附圖5所示方法的工藝示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的圖像傳感器的感光區(qū)域以及制造方法、圖像傳感器的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)說(shuō)明。首先結(jié)合附圖給出本發(fā)明所述圖像傳感器的具體實(shí)施方式
，本具體實(shí)施方式
中所述的圖像傳感器進(jìn)一步具有本發(fā)明所述的圖像傳感器的感光區(qū)域。參考附圖2所示是本具體實(shí)施方式
所述圖像傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，包括支撐襯底 200、器件層230以及上述兩者之間的絕緣埋層210。在器件層230中包括感光區(qū)域250，感光區(qū)域250包括微鏡251和光電二極管252。器件層230的厚度范圍是50nm 500nm。所述器件層230中還可以進(jìn)一步設(shè)置復(fù)位晶體管、源極跟隨晶體管和行選晶體管(此處從略， 請(qǐng)參考附圖1)。光電二極管252的P型摻雜區(qū)域與N型摻雜區(qū)域在支撐襯底200表面橫向布置， 入射至圖像傳感器的入射光朝向所述支撐襯底的表面入射，經(jīng)過(guò)微鏡251反射后形成朝向光電二極管252側(cè)面的反射光，微鏡251的反射光是從光電二極管252的側(cè)面入射至光電二極管252內(nèi)部，能夠提高光電二極管252的光俘獲效率。本具體實(shí)施方式
中光電二極管252包括一 PN結(jié)。在其它的具體實(shí)施方式
中，也可以是PIN結(jié)的結(jié)構(gòu)，微鏡251的反射光可以是從光電二極管252的P型摻雜區(qū)域入射，也可以是從N型摻雜區(qū)域入射，光電二極管252的用于收集微鏡251入射光的側(cè)面即可是垂直于器件層230表面的，也可以是具有一角度的，該側(cè)面可以是一平面，也可以是弧面。上述結(jié)構(gòu)通過(guò)設(shè)置微鏡251改變了入射光的光路，使得入射光線能夠橫向入射進(jìn)入位于器件層230中的光電二極管252內(nèi)，因?yàn)槿肷涔饽軌驒M向入射，在橫向上PN結(jié)耗盡區(qū)域可以比較寬，因此能夠提高入射光吸收區(qū)域的深度，這樣有利于波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光吸收從而有效提高了圖像傳感器的光敏感度和量子效率。并且由于采用了微鏡251作為光收集組件，感光區(qū)域250中光電二極管252上方可以進(jìn)行金屬層布線而不會(huì)影響入射光的光路，故可以進(jìn)一步提高圖像傳感器芯片的集成度。在入射光的光路上進(jìn)一步設(shè)置可選的聚焦裝置261和濾色片沈2。聚焦裝置261 進(jìn)一步是一透鏡或一透鏡組，對(duì)入射到微鏡251表面的入射光進(jìn)行聚焦，在聚焦裝置261和微鏡251之間進(jìn)一步設(shè)置濾色片沈2。所述微鏡251的表面還可以進(jìn)一步形成金屬反射膜，以增強(qiáng)反射效果。若采用單晶硅等晶體材料，并利用各向異性腐蝕工藝形成微鏡251，腐蝕表面也會(huì)具有較高的反射率。附圖3A所示是本發(fā)明另一具體實(shí)施方式
所述圖像傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，包括支撐襯底200、器件層230以及上述兩者之間的絕緣埋層210。在器件層230中包括四個(gè)感光區(qū)域，附圖3A中示出了感光區(qū)域350和360。感光區(qū)域350包括微鏡351和光電二極管 352，感光區(qū)域360包括微鏡361和光電二極管362。器件層230中包括一四棱錐390，微鏡351和361是棱錐390相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面，棱錐390的底面設(shè)置于絕緣埋層210的表面。所述棱錐的側(cè)面與絕緣埋層表面之間的夾角為 45度，這樣的角度可以采用單晶硅材料作為器件層230，并通過(guò)各向異性腐蝕工藝形成由四個(gè)(110)晶面構(gòu)成的四棱錐390來(lái)獲得。附圖;3B所示是附圖3A所示結(jié)構(gòu)的俯視圖，從附圖中可以顯示出另外兩個(gè)感光區(qū)域的發(fā)光二極管372和382，以及四棱錐390的俯視形貌。為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，附圖中僅標(biāo)出了四個(gè)感光區(qū)的位置，而對(duì)感光區(qū)內(nèi)部結(jié)構(gòu)從略。四個(gè)感光區(qū)內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同，可以參考附圖3A所示內(nèi)容。附圖4所示是本發(fā)明另一具體實(shí)施方式
所述圖像傳感器的俯視圖，包括棱錐490 和光電二極管452，本具體實(shí)施方式
中，光電二極管452環(huán)繞設(shè)置在棱錐490周?chē)?，可以吸收棱錐490所有反射面的反射光。在本具體實(shí)施方式
中，棱錐490可以是包括三棱錐和四棱錐在內(nèi)的任意形狀的棱錐體，光電二極管452的俯視形狀也不限于是正方形或者矩形，也可以是環(huán)形等任何一種可以圍攏棱錐490的形狀。接下來(lái)結(jié)合附圖給出本發(fā)明所述圖像傳感器的感光區(qū)域的制造方法的具體實(shí)施方式
。參考附圖5所示是本具體實(shí)施方式
所述方法的實(shí)施步驟示意圖，包括步驟S50， 提供半導(dǎo)體襯底；步驟S51，在半導(dǎo)體襯底表面利用各向異性腐蝕形成微鏡，所述微鏡和半導(dǎo)體襯底表面具有一角度，所述角度大于零度且小于90度；步驟S52，在半導(dǎo)體襯底表面形成光電二極管。附圖6A至附圖6B所示是本具體實(shí)施方式
的工藝示意圖。附圖6A所示，參考步驟S50，提供半導(dǎo)體襯底。本具體實(shí)施方式
中，所述半導(dǎo)體襯底包括支撐襯底200、器件層230以及上述兩者之間的絕緣埋層210。在其它的具體實(shí)施方式
中，也可以是不包含絕緣埋層的體襯底材料，這并不影響后續(xù)采用各向異性腐蝕形成微鏡的步驟。器件層230的材料可以是包括單晶硅在內(nèi)的任何一種常見(jiàn)的晶體材料。附圖6B所示，參考步驟S51，在半導(dǎo)體襯底的器件層230表面利用各向異性腐蝕形成四棱錐390，四棱錐390的側(cè)面即為微鏡。所述微鏡和半導(dǎo)體襯底表面具有一角度，所述角度大于零度且小于90度。對(duì)于單晶硅材料而言，可以通過(guò)各向異性腐蝕工藝形成由四個(gè)(110)晶面構(gòu)成的四棱錐390，四棱錐390的側(cè)面與絕緣埋層210表面之間的夾角為45 度。對(duì)于其他晶體類(lèi)型的材料，或者通過(guò)選擇其他的腐蝕工藝，也形成三棱錐或六棱錐等形狀。若采用各向異性腐蝕，與棱錐對(duì)應(yīng)的表面也會(huì)形成斜面，可以進(jìn)一步采用各向同性刻蝕對(duì)棱錐對(duì)應(yīng)的表面角度進(jìn)行修正，使其同襯底表面垂直。上述步驟中，若采用激光刻蝕等手段，可以直接在半導(dǎo)體襯底表面形成微鏡而不必借助于棱錐的側(cè)面。在步驟S51實(shí)施完畢后，還可以在所述微鏡表面形成金屬反射膜以增強(qiáng)反射率。參考步驟S52，在半導(dǎo)體襯底表面形成光電二極管。在微鏡形成完畢后，后續(xù)工藝和現(xiàn)有技術(shù)中形成光電二極管的工藝基本相同，故從略。需要指出的是，光電二極管的用于收集微鏡入射光的側(cè)面即可是垂直于半導(dǎo)體襯底表面的，也可以是具有一角度的，該側(cè)面可以是一平面，也可以是弧面。在上述步驟實(shí)施完畢后，進(jìn)一步在器件層230中形成復(fù)位晶體管、源極跟隨晶體管和行選晶體管，以最終形成圖像傳感器像素電路。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種圖像傳感器的感光區(qū)域，其特征在于，包括設(shè)置在支撐襯底表面的一微鏡和一光電二極管，所述光電二極管的P型摻雜區(qū)域與N型摻雜區(qū)域在支撐襯底表面橫向布置，入射至圖像傳感器的入射光朝向所述支撐襯底的表面入射，經(jīng)過(guò)所述微鏡反射后形成朝向所述光電二極管側(cè)面反射光，所述微鏡的反射光是從所述光電二極管的側(cè)面入射至光電二極管的內(nèi)部，能夠提高所述光電二極管的光俘獲效率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器的感光區(qū)域，其特征在于，在入射光的光路上進(jìn)一步設(shè)置一聚焦裝置，所述聚焦裝置進(jìn)一步是一透鏡或一透鏡組，對(duì)入射到微鏡表面的入射光進(jìn)行聚焦。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感器的感光區(qū)域，其特征在于，在所述聚焦裝置和所述微鏡之間進(jìn)一步設(shè)置一濾色片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器的感光區(qū)域，其特征在于，所述光電二極管包括一 PN結(jié)或者一 PIN結(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器的感光區(qū)域，其特征在于，所述微鏡的表面進(jìn)一步包括一金屬反射膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器的感光區(qū)域，其特征在于，所述支撐襯底包括表面的絕緣埋層，所述微鏡和光電二極管進(jìn)一步是設(shè)置在所述絕緣埋層的表面。
7.—種權(quán)利要求1所述圖像傳感器的感光區(qū)域的制造方法，其特征在于，包括如下步驟提供半導(dǎo)體襯底；在半導(dǎo)體襯底表面利用各向異性腐蝕形成微鏡，所述微鏡和半導(dǎo)體襯底表面具有一角度，所述角度大于零度且小于90度；在半導(dǎo)體襯底表面形成光電二極管。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體襯底進(jìn)一步包括襯底、器件層以及上述兩者之間的絕緣埋層，所述微鏡和光電二極管形成于所述器件層中。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述微鏡的平面與半導(dǎo)體襯底表面的夾角是45度。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造方法，其特征在于，在形成微鏡后，進(jìn)一步包括在所述微鏡表面形成金屬反射膜的步驟。
11.一種圖像傳感器，包括襯底、器件層以及上述兩者之間的絕緣埋層，其特征在于，在所述器件層中至少包括至少一個(gè)權(quán)利要求1所述的感光區(qū)域。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的圖像傳感器，其特征在于，所述器件層中包括一棱錐，所述棱錐的底面設(shè)置于所述絕緣埋層的表面，所述棱錐的側(cè)面為所述感光區(qū)域的微鏡。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的圖像傳感器，其特征在于，所述光電二極管環(huán)繞設(shè)置在棱錐周?chē)?br> 14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的圖像傳感器，其特征在于，所述棱錐為四棱錐，所述棱錐的側(cè)面與絕緣埋層表面之間的夾角為45度。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的圖像傳感器，其特征在于，所述器件層的厚度范圍是 50nm 500nmo
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的圖像傳感器，其特征在于，所述器件層中進(jìn)一步設(shè)置有復(fù)位晶體管、源極跟隨晶體管和行選晶體管。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種圖像傳感器的感光區(qū)域以及制造方法、圖像傳感器。所述圖像傳感器的感光區(qū)域包括設(shè)置在支撐襯底表面的一微鏡和一光電二極管，所述光電二極管的P型摻雜區(qū)域與N型摻雜區(qū)域在支撐襯底表面橫向布置，入射至圖像傳感器的入射光朝向所述支撐襯底的表面入射，經(jīng)過(guò)所述微鏡反射后形成朝向所述光電二極管側(cè)面反射光，所述微鏡的反射光是從所述光電二極管的側(cè)面入射至光電二極管的內(nèi)部，能夠提高所述光電二極管的光俘獲效率。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，入射光能夠橫向入射，提高入射光吸收區(qū)域的深度，從而有效提高了圖像傳感器的光敏感度和量子效率；并且感光區(qū)域中光電二極管上方可以進(jìn)行金屬層布線而不會(huì)影響入射光的光路。
文檔編號(hào)H04N5/374GK102569320SQ201110454520
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月30日
發(fā)明者方娜, 汪輝, 田犁, 陳杰 申請(qǐng)人:上海中科高等研究院