專利名稱：圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及圖像傳感器。
背景技術(shù)：
眾所周知，圖像傳感器是一種能將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件。圖像傳感器大體上可以分為電荷稱合元件(Charge-Coupled Device,簡(jiǎn)稱“CO)”)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,簡(jiǎn)稱 “CMOS”)圖像傳感器。不論是哪ー種類型的圖像傳感器，都需要在感光器件上方加濾色器(color filter),以達(dá)到區(qū)分不同顔色光線的目的。現(xiàn)有技術(shù)中，是利用不同顔色的樹(shù)脂制作濾色器，在硅片制備完成后，再在每個(gè)獨(dú) 立的芯片上添加。圖I是現(xiàn)有技術(shù)中圖像傳感器的濾色器分布平面圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)中圖像傳感器的濾色器截面圖。具體地說(shuō)，如圖I和圖2所示，現(xiàn)有圖像傳感器包括半導(dǎo)體襯底、位于半導(dǎo)體襯底上的圖像傳感器電路和感光元件、用于連接感光元件的金屬互連層、位于金屬互連層之間的絕緣介質(zhì)層以及用于電路保護(hù)和絕緣的鈍化層，在鈍化層上設(shè)置有濾色器。圖2中附圖標(biāo)記21和22表示的就是金屬互連層，絕緣介質(zhì)層及鈍化層即為該結(jié)構(gòu)的層間介質(zhì)層。然而，現(xiàn)有技術(shù)中，由于需要將濾色器和半導(dǎo)體襯底上的感光元件對(duì)準(zhǔn)和連接，且樹(shù)脂濾色器與CMOSエ藝并不兼容，大大増加了芯片封裝的復(fù)雜程度，此外，采用不同顔色的樹(shù)脂作為濾色器，其濾色效率取決于樹(shù)脂材料本身，可控性較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供ー種圖像傳感器，可以簡(jiǎn)化工藝，提高成品率，而且具有較高的濾色效率。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的實(shí)施方式公開(kāi)了ー種圖像傳感器，包括多個(gè)像素區(qū)域，像素區(qū)域包括感光結(jié)構(gòu)，在感光結(jié)構(gòu)的垂直上方設(shè)置有濾色結(jié)構(gòu)，該濾色結(jié)構(gòu)包括第一介質(zhì)材料和第二介質(zhì)材料交替形成的周期性疊層結(jié)構(gòu)，其中第一介質(zhì)材料和第二介質(zhì)材料的介電常數(shù)不同。本發(fā)明實(shí)施方式與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要區(qū)別及其效果在于在圖像傳感器結(jié)構(gòu)上直接制備包括第一介質(zhì)材料和第二介質(zhì)材料交替形成的周期性疊層結(jié)構(gòu)的濾色結(jié)構(gòu)，可以簡(jiǎn)化工藝，提高成品率，而且具有較高的濾色效率。進(jìn)ー步地，采用ABAB...疊層作為濾色結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)材料和周期實(shí)現(xiàn)對(duì)不同范圍入射光的濾色，使濾色結(jié)構(gòu)具有較高的濾色效率，并提高入射光的傳輸效率以及吸收效率。進(jìn)ー步地，濾色結(jié)構(gòu)的表面積大于等于感光結(jié)構(gòu)的表面積，可以更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的濾色，提聞濾色效率。
進(jìn)ー步地，多個(gè)周期性疊層結(jié)構(gòu)的濾色結(jié)構(gòu)，進(jìn)ー步增大了禁帶寬度，更容易實(shí)現(xiàn)特定波長(zhǎng)或波段入射光的需求。進(jìn)ー步地，可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求調(diào)整材料或結(jié)構(gòu)參數(shù)，以滿足濾色要求，適應(yīng)性強(qiáng)。進(jìn)ー步地，將濾色結(jié)構(gòu)置于層間介質(zhì)層中，在提供濾色的同時(shí)，進(jìn)ー步縮短了曝光過(guò)程中入射光在介質(zhì)層中傳播的光程，提高了曝光效率，使圖像傳感器具有更高的靈敏度。


圖I是現(xiàn)有技術(shù)中圖像傳感器的濾色器分布平面圖；圖2是是現(xiàn)有技術(shù)中圖像傳感器的濾色器截面圖；圖3是本發(fā)明第一實(shí)施方式中一種圖像傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本發(fā)明第一實(shí)施方式中ー種圖像傳感器的濾色結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是ー種3T型結(jié)構(gòu)的像素讀出電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是ー種4T型結(jié)構(gòu)的像素讀出電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明第一實(shí)施方式中一種圖像傳感器的濾色結(jié)構(gòu)的透射譜示意圖；圖8是本發(fā)明第二實(shí)施方式中ー種圖像傳感器的濾色結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是本發(fā)明第三實(shí)施方式中ー種圖像傳感器的濾色結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10是本發(fā)明第四實(shí)施方式中一種圖像傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式在以下的敘述中，為了使讀者更好地理解本申請(qǐng)而提出了許多技術(shù)細(xì)節(jié)。但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，即使沒(méi)有這些技術(shù)細(xì)節(jié)和基于以下各實(shí)施方式的種種變化和修改，也可以實(shí)現(xiàn)本申請(qǐng)各權(quán)利要求所要求保護(hù)的技術(shù)方案。為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)ー步地詳細(xì)描述。本發(fā)明第一實(shí)施方式涉及ー種圖像傳感器。圖3是該圖像傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。具體地說(shuō)，如圖3所示，該圖像傳感器包括多個(gè)像素區(qū)域，像素區(qū)域包括感光結(jié)構(gòu)，在感光結(jié)構(gòu)的垂直上方設(shè)置有濾色結(jié)構(gòu)31，該濾色結(jié)構(gòu)31包括第一介質(zhì)材料和第二介質(zhì)材料交替形成的周期性疊層結(jié)構(gòu)，其中第一介質(zhì)材料和第二介質(zhì)材料的介電常數(shù)不同。周期性疊層結(jié)構(gòu)的周期大于等于4。周期性疊層結(jié)構(gòu)，則周期大于等于2，優(yōu)選的，周期大于等于4，更優(yōu)的，周期等于10。在濾色結(jié)構(gòu)31中，第一介質(zhì)材料和第二介質(zhì)材料的厚度可以相等，也可以不等。濾色結(jié)構(gòu)為第一介質(zhì)材料和第二介質(zhì)材料交替形成的周期性疊層結(jié)構(gòu)，第一、第ニ介質(zhì)材料具有不同的折射率，分別為nl、n2，各第一介質(zhì)層厚度均為dl，各第二介質(zhì)層厚度均為d2，dl、d2可以相等，也可以不等。該周期性疊層結(jié)構(gòu)周期N彡2，優(yōu)選的，N彡4，更優(yōu)的，N=IO。圖4是ー種圖像傳感器的濾色結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，A表示第一介質(zhì)材料，厚度為dl ;B表示第二介質(zhì)材料，厚度為d2。采用ABAB...疊層作為濾色結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)材料和周期實(shí)現(xiàn)對(duì)不同范圍入射光的過(guò)濾，使濾色結(jié)構(gòu)具有較高的濾色效率，并提高入射光的傳輸效率以及吸收效率。濾色結(jié)構(gòu)31的表面積大于等于感光結(jié)構(gòu)的表面積。濾色結(jié)構(gòu)的表面積大于等于感光結(jié)構(gòu)的表面積，可以更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的濾色，提高濾色效率。感光結(jié)構(gòu)用于在曝光時(shí)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。在本實(shí)施方式中，感光結(jié)構(gòu)為光電ニ極管，例如可以是PN結(jié)感光二極管、PIN本征半導(dǎo)體ニ極管或金屬-半導(dǎo)體接觸光電ニ極管等。在本發(fā)明的其它某些實(shí)施方式中，感光結(jié)構(gòu)也可以為光電門。光電門，又稱光門(photogate)。每個(gè)像素區(qū)域中，在感光結(jié)構(gòu)的上方，還包括用于連接感光結(jié)構(gòu)的金屬互連層33，金屬互連層之間是層間介質(zhì)層32。層間介質(zhì)層32的存在，可以使得特定范圍內(nèi)的光較為集中地入射到相應(yīng)像素的感光區(qū)域。如圖3中所示，層間介質(zhì)層32位于感光結(jié)構(gòu)和濾色結(jié)構(gòu)31之間。在圖像傳感器結(jié)構(gòu)上直接制備包括第一介質(zhì)材料和第二介質(zhì)材料交替形成的周期性疊層結(jié)構(gòu)的濾色結(jié)構(gòu)，可以簡(jiǎn)化工藝，提高成品率，而且具有較高的濾色效率。此外，該圖像傳感器中還包括半導(dǎo)體襯底34和形成于半導(dǎo)體襯底表面的像素讀出電路。半導(dǎo)體襯底34可以為硅、鍺、鍺硅、應(yīng)變硅或者帶有絕緣埋層的硅、鍺、鍺硅、應(yīng)變娃中的任意一種。像素讀出電路可以為3T、4T或5Τ結(jié)構(gòu)等。根據(jù)ー個(gè)像素讀出電路所包含的晶體管的數(shù)目，現(xiàn)有的CMOS圖像傳感器分為3T型結(jié)構(gòu)和4T型結(jié)構(gòu)，還可以有5T型結(jié)構(gòu)。圖5是ー種現(xiàn)有3T型結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器的像素讀出電路的等效電路結(jié)構(gòu)圖，包括一個(gè)光電ニ極管10，用于在曝光時(shí)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，所述光電ニ極管10包括P型區(qū)和N型區(qū)，所述P型區(qū)接地。一個(gè)復(fù)位晶體管Ml，用于在曝光前對(duì)所述光電ニ極管10進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位由復(fù)位信號(hào)Reset信號(hào)進(jìn)行控制。在圖5中，所述復(fù)位晶體管Ml選用ー個(gè)N型金屬-氧化物-半導(dǎo)體(N Metal-Oxide-Semiconductor,簡(jiǎn)稱“NM0S”)管,所述復(fù)位晶體管Ml的源極和所述光電ニ極管10的N型區(qū)相連；所述復(fù)位晶體管Ml的漏極接電源Vdd，所述電源Vdd為一正電源。當(dāng)所述復(fù)位信號(hào)Reset為高電平時(shí)，所述復(fù)位晶體管Ml導(dǎo)通并將所述光電ニ極管10 的N型區(qū)連接到電源Vdd，在所述電源Vdd的作用下，使所述光電ニ極管10反偏并會(huì)清除所述光電ニ極管10的全部累積的電荷，實(shí)現(xiàn)復(fù)位。所述復(fù)位晶體管Ml也可以由多個(gè)NMOS管串聯(lián)形成，或由多個(gè)NMOS管并聯(lián)形成，也可以用PMOS管代替所述NMOS管。一個(gè)放大晶體管M2，也為一源極跟隨器，用于將所述光電ニ極管10產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行放大。在圖5中，所述放大晶體管M2選用ー NMOS管，所述放大晶體管M2的柵極接所述光電ニ極管10的N型區(qū)，所述放大晶體管M2的漏極接所述電源Vdd，所述放大晶體管M2的源極為放大信號(hào)的輸出端。所述放大晶體管M2也可以由多個(gè)NMOS管串聯(lián)形成或由多個(gè)NMOS管并聯(lián)形成。
一個(gè)行選擇晶體管M3，用于將所述放大晶體管M2的源極輸出的放大信號(hào)輸出。在圖5中，所述行選擇晶體管M3選用ー NMOS管，所述行選擇晶體管M3的柵極接行選擇信號(hào)Rs，所述行選擇晶體管M3的源極接所述放大晶體管M2的源極，所述行選擇晶體管M3的漏極為輸出端。圖6是ー種現(xiàn)有4T型結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器的像素讀出電路的等效電路結(jié)構(gòu)圖。相比于3T型結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有4T型結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器的像素讀出電路結(jié)構(gòu)圖增加了一個(gè)轉(zhuǎn)移晶體管M4，所述轉(zhuǎn)移晶體管M4用于將所述光電ニ極管10產(chǎn)生的電信號(hào)輸入到所述感應(yīng)節(jié)點(diǎn)NI。在圖6中，所述轉(zhuǎn)移晶體管M4選用ー NMOS管，所述轉(zhuǎn)移晶體管M4的柵極接轉(zhuǎn)移信號(hào)TX，所述轉(zhuǎn)移晶體管M4的源極接所述光電ニ極管10的N型區(qū)，所述轉(zhuǎn)移晶體管M4的漏極接所述復(fù)位晶體管Ml的源極即所述感應(yīng)節(jié)點(diǎn)NI。根據(jù)光學(xué)傳輸矩陣法，對(duì)于TE波，單層介質(zhì)的特征矩陣為
權(quán)利要求
1.ー種圖像傳感器，其特征在干，包括多個(gè)像素區(qū)域，所述像素區(qū)域包括感光結(jié)構(gòu)，在所述感光結(jié)構(gòu)的垂直上方設(shè)置有濾色結(jié)構(gòu)，該濾色結(jié)構(gòu)包括第一介質(zhì)材料和第二介質(zhì)材料交替形成的周期性疊層結(jié)構(gòu)，其中第一介質(zhì)材料和第二介質(zhì)材料的介電常數(shù)不同。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的圖像傳感器，其特征在于，所述周期性疊層結(jié)構(gòu)的周期大于等于4。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感器，其特征在于，所述濾色結(jié)構(gòu)的表面積大于等于所述感光結(jié)構(gòu)的表面積。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的圖像傳感器，其特征在于，在所述濾色結(jié)構(gòu)中，第一介質(zhì)材料和第二介質(zhì)材料的厚度相等。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的圖像傳感器，其特征在于，在所述濾色結(jié)構(gòu)中，第一介質(zhì)材料和第二介質(zhì)材料的厚度不等。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的圖像傳感器，其特征在干，所述第一介質(zhì)材料為Ag，厚度為IOnm ;所述第二介質(zhì)材料為MgF2,厚度為IlOnm,周期為4。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的圖像傳感器，其特征在于，所述第一介質(zhì)材料為TiO2，厚度為50nm ;所述第二介質(zhì)材料為SiO2,厚度為120nm,周期為8。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的圖像傳感器，其特征在于，所述濾色結(jié)構(gòu)直接或者間隔ー層或多層層間介質(zhì)層覆蓋在感光結(jié)構(gòu)表面上方。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至8中任ー項(xiàng)所述的圖像傳感器，其特征在于，在所述濾色結(jié)構(gòu)中包括至少2個(gè)由第一介質(zhì)材料和第二介質(zhì)材料交替形成的周期性疊層結(jié)構(gòu),其中，第一介質(zhì)材料和第二介質(zhì)材料中，至少有一介質(zhì)材料在不同周期性疊層結(jié)構(gòu)中的厚度不等。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至8中任ー項(xiàng)所述的圖像傳感器，其特征在于，在所述濾色結(jié)構(gòu)中，還包括第三介質(zhì)材料和第四介質(zhì)材料交替形成的周期性疊層結(jié)構(gòu)，其中，第三介質(zhì)材料和第四介質(zhì)材料的介電常數(shù)不同。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種圖像傳感器。本發(fā)明中，在圖像傳感器結(jié)構(gòu)上直接制備包括第一介質(zhì)材料和第二介質(zhì)材料交替形成的周期性疊層結(jié)構(gòu)的濾色結(jié)構(gòu)，可以簡(jiǎn)化工藝，提高成品率，而且具有較高的濾色效率。采用ABAB...疊層作為濾色結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)材料和周期實(shí)現(xiàn)對(duì)不同范圍入射光的濾色，使濾色結(jié)構(gòu)具有較高的濾色效率，并提高入射光的傳輸效率以及吸收效率。將濾色結(jié)構(gòu)置于層間介質(zhì)層中，在提供濾色的同時(shí)，進(jìn)一步縮短了曝光過(guò)程中入射光在介質(zhì)層中傳播的光程，提高了曝光效率，使圖像傳感器具有更高的靈敏度。
文檔編號(hào)H04N5/374GK102693995SQ20121020584
公開(kāi)日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月20日
發(fā)明者方娜, 李國(guó)宏, 汪輝, 苗田樂(lè), 陳杰 申請(qǐng)人:上海中科高等研究院