近红外图像传感器及其制备方法与流程

1.本发明涉及半导体器件技术领域，更为具体来说，本发明涉及一种近红外(nir)图像传感器及其制备方法。


背景技术：

2.背照式互补式金属氧化物半导体(bsi
‑
cmos)图像传感器已经变成手机相机的主流，对于应用于虹膜验证、面部识别以及动态捕获的近红外(nir)图像传感器的需求也是与日俱增。背照式图像传感器是更适合近红外(nir)的传感器，但是由于近红外的应用波长较长(700nm～1000nm)，传统的像素结构在nir波段量子效率较低，比如在850nm波段量子效率为10％左右而且在940nm波段量子效率为4％左右，因此增强nir的敏感度变得尤为重要。最简单的方法是增加入射光子吸收层的厚度，但是例如高能注入等工艺限制使得这种方法很难做到。
3.传统的前照式图像传感器由于光电二极管深度较浅也同样面临着红光量子效率低的情况，所以提高红光以及近红外光的吸收效率成了亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明创新地提供了一种近红外(nir)图像传感器及其制备方法，通过引进第二材料外延层能够显著提高近红外波段光的吸收效率。
5.为实现上述的技术目的，一方面，本发明公开了一种近红外图像传感器。所述近红外图像传感器包括衬底，所述衬底由第一材料制成，所述衬底包括各个光电二极管区域，其中，所述光电二极管区域包括在所述衬底上形成的沟槽、以及位于所述沟槽的内壁上的u型第二材料层，所述第二材料的禁带宽度小于所述第一材料的禁带宽度。
6.进一步地，对于所述近红外图像传感器，所述光电二极管区域还包括填充在所述第二材料层内的第一材料层。
7.进一步地，对于所述近红外图像传感器，所述第一材料为硅，所述第二材料为锗硅。
8.进一步地，所述近红外图像传感器为前照式图像传感器或者背照式图像传感器。
9.进一步地，所述近红外图像传感器还包括位于相邻沟槽之间由介质填充形成的背面深沟道隔离区和/或位于相邻沟槽之间的衬底区域。
10.进一步地，对于所述近红外图像传感器为背照式图像传感器的情况，所述近红外图像传感器还包括形成在所述衬底的背面上的介质层、在所述介质层内的金属栅格、以及在所述介质层的背面上的微透镜。
11.进一步地，所述近红外图像传感器还包括形成在所述衬底的正面上的转移栅极。
12.为实现上述的技术目的，另一方面，本发明公开了一种近红外图像传感器的制备方法。所述近红外图像传感器的制备方法包括：提供衬底，所述衬底由第一材料制成，所述衬底包括各个光电二极管区域；在所述衬底的所述光电二极管区域形成沟槽；在所述沟槽
的内壁外延生长u型第二材料层，所述第二材料的禁带宽度小于所述第一材料的禁带宽度。
13.进一步地，对于所述近红外图像传感器的制备方法，在所述沟槽的内壁外延生长u型第二材料层之后，还包括：在所述u型第二材料层内外延生长所述第一材料，以填满所述沟槽。
14.进一步地，对于所述近红外图像传感器的制备方法，所述第一材料为硅，所述第二材料为锗硅。
15.本发明的有益效果为：
16.本发明实施例提供的近红外(nir)图像传感器及其制备方法中，近红外图像传感器中沟槽侧壁的第二材料层不止提高了正入射的近红外光的吸收，还有利于斜入射时在侧壁积累的光子的吸收，既减小了串扰又提高了nir波段的量子效率。
附图说明
17.图中，
18.图1为本发明实施例1提供的近红外图像传感器的结构示意图；
19.图2为本发明一个示例提供的具有背面深沟道隔离结构的近红外图像传感器吸收的光子数密度的仿真图；
20.图3为本发明实施例2提供的近红外图像传感器的结构示意图；
21.图4为本发明实施例3提供的近红外图像传感器的结构示意图
22.图5a
‑
图5f为本发明实施例4提供的近红外图像传感器的制备方法的流程图。
具体实施方式
23.下面结合说明书附图对本发明提供的近红外图像传感器及其制备方法进行详细的解释和说明。
24.图1为本发明一个实施例提供的近红外图像传感器的结构示意图。如图1所示，该实施例提供的近红外(nir)图像传感器包括衬底，衬底由第一材料制成。衬底包括各个光电二极管区域110。其中，光电二极管区域110包括在衬底上形成的沟槽、以及位于沟槽的内壁上的u型第二材料层120。其中，第二材料的禁带宽度小于第一材料的禁带宽度。
25.作为一种可选实施方式，该实施例的光电二极管区域110还可以包括填充在u型第二材料层120内的第一材料层。
26.该实施例中，衬底可以为硅基衬底，即第一材料可以为硅，第二材料可以为锗硅。由于锗硅的禁带宽度小于硅的禁带宽度，对于波长较长、单光子能量较小的近红外波段，吸收效率更高。外延生长的u型锗硅层不止提高了正入射的近红外光的吸收，还有利于斜入射时在侧壁积累的光子的吸收，既减小了串扰又提高了量子效率。
27.该实施例的近红外图像传感器还可以包括位于相邻沟槽之间由介质填充形成的背面深沟道隔离区130和/或位于相邻沟槽之间的衬底区域。
28.该实施例的近红外图像传感器可以为前照式图像传感器或者背照式图像传感器。
29.图1为本发明实施例1提供的近红外图像传感器的结构示意图。如图1所示，实施例1的近红外图像传感器为背照式图像传感器。实施例1的近红外(nir)图像传感器包括衬底，衬底由第一材料制成。衬底包括各个光电二极管区域110。其中，光电二极管区域110包括在
衬底上形成的沟槽、以及位于沟槽的内壁上的u型第二材料层120。光电二极管区域110还可以包括填充在u型第二材料层120内的第一材料层。该实施例的近红外图像传感器还包括背面深沟道隔离(bdti，back
‑
side deep trench isolation)结构130。该实施例的近红外图像传感器还可以包括形成在衬底的背面上的介质层140、在介质层140内的金属栅格(metal grid)150、以及在介质层140的背面上的微透镜(ml，microlense)160。该实施例的近红外图像传感器还可以包括形成在衬底的正面上的转移栅极170。如图2所示，有角度入射的光由于bdti结构的阻挡会在侧壁积累，有效地吸收这部分光既可以提高量子效率还能减小光串扰。
30.图3为本发明实施例2提供的近红外图像传感器的结构示意图。如图3所示，实施例2的近红外图像传感器为背照式图像传感器，实施例2的近红外图像传感器结构与实施例1的近红外图像传感器结构的主要区别在于：去掉了实施例1的近红外图像传感器中的bdti结构。实施例2的近红外图像传感器不包括背面深沟道隔离(bdti)结构。外延形成的第二材料层可以很好地吸收掉相邻像素(pixel)过来的光，从而由于电场的作用电学上不会有电子从pixel内部跑到相邻的pixel中，从而有效地避免了光串扰的产生。通过第二材料层把侧壁的光吸收掉，提高量子效率的同时减小串扰，而且具有bdti结构的近红外图像传感器与省略掉bdti结构的近红外图像传感器相比暗电流更小。
31.图4为本发明实施例3提供的近红外图像传感器的结构示意图。如图4所示，实施例3的近红外图像传感器为前照式图像传感器。实施例3的近红外(nir)图像传感器包括衬底，衬底由第一材料制成。衬底包括各个光电二极管区域110。其中，光电二极管区域110包括在衬底上形成的沟槽、以及位于沟槽的内壁上的u型第二材料层120。光电二极管区域110还可以包括填充在u型第二材料层内的第一材料层。实施例3的近红外图像传感器还可以包括形成在衬底的正面上的金属层450、金属层之间的介质层440、介质层440内的转移栅极470、形成在金属层450的正面上的抗反射介质层480、形成在抗反射介质层480的正面上的滤光器490、以及形成在滤光器490的正面上的微透镜460。
32.图5a
‑
图5f为本发明实施例4提供的近红外图像传感器的制备方法的流程图。
33.如图5a
‑
图5f所示，在步骤1，提供衬底，衬底由第一材料制成，衬底包括各个光电二极管区域110。
34.在步骤2，在衬底的光电二极管区域110形成沟槽。具体来说，可以在衬底上对应近红外(nir)像素的区域挖槽。
35.在步骤3，在沟槽的内壁外延生长u型第二材料层120，第二材料的禁带宽度小于第一材料的禁带宽度。
36.该实施例的近红外图像传感器的制备方法在步骤3之后，还可以包括步骤：在u型第二材料层120内外延生长第一材料，以填满沟槽。
37.该实施例的近红外图像传感器的制备方法，在u型第二材料层120内外延生长第一材料以填满沟槽之后，还可以包括以下步骤：在光电二极管区域110进行离子注入(implant)；多晶硅沉积(poly deposit)形成转移栅极170；形成侧墙(spacer)；形成介电层(ild，inter layer dielectric)；形成金属互连层。
38.该实施例的近红外图像传感器的制备方法，在形成金属互连层之后，还可以包括以下步骤：衬底背面减薄；做背面结构。对于近红外图像传感器为背照式图像传感器的情
况，第二材料层120可以作为背面减薄的停止层。
39.对于近红外图像传感器为背照式图像传感器而且包括背面深沟道隔离结构的情况，做背面结构的步骤可以进一步包括以下步骤：形成背面深沟道隔离结构130；沉积形成介质层140；形成金属栅格(metal grid)150；钝化(passivation)；形成微透镜(ml，microlense)160。
40.该实施例中，第一材料可以为硅，第二材料可以为锗硅。锗硅工艺与现有的硅基工艺兼容，因此比较容易应用在现有的图像传感器工艺中，mos器件仍然做在硅基衬底上。锗硅层中锗的配比可以调节进而调节锗硅层的禁带宽度，使得nir的吸收效率更高。
41.本发明实施例提供的近红外(nir)图像传感器及其制备方法中，近红外图像传感器中沟槽侧壁的第二材料层不止提高了正入射的近红外光的吸收，还有利于斜入射时在侧壁积累的光子的吸收，既减小了串扰又提高了nir波段的量子效率。
42.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
43.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
44.在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任至少一个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
45.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
46.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种近红外图像传感器，其特征在于，包括衬底，所述衬底由第一材料制成，所述衬底包括各个光电二极管区域，其中，所述光电二极管区域包括在所述衬底上形成的沟槽、以及位于所述沟槽的内壁上的u型第二材料层，所述第二材料的禁带宽度小于所述第一材料的禁带宽度。2.根据权利要求1所述的近红外图像传感器，其特征在于，所述光电二极管区域还包括填充在所述u型第二材料层内的第一材料层。3.根据权利要求1或2所述的近红外图像传感器，其特征在于，所述第一材料为硅，所述第二材料为锗硅。4.根据权利要求1所述的近红外图像传感器，其特征在于，所述近红外图像传感器为前照式图像传感器或者背照式图像传感器。5.根据权利要求1所述的近红外图像传感器，其特征在于，所述近红外图像传感器还包括位于相邻沟槽之间由介质填充形成的背面深沟道隔离区和/或位于相邻沟槽之间的衬底区域。6.根据权利要求1所述的近红外图像传感器，其特征在于，对于所述近红外图像传感器为背照式图像传感器的情况，所述近红外图像传感器还包括形成在所述衬底的背面上的介质层、在所述介质层内的金属栅格、以及在所述介质层的背面上的微透镜。7.根据权利要求6所述的近红外图像传感器，其特征在于，还包括形成在所述衬底的正面上的转移栅极。8.一种近红外图像传感器的制备方法，其特征在于，包括：提供衬底，所述衬底由第一材料制成，所述衬底包括各个光电二极管区域；在所述衬底的所述光电二极管区域形成沟槽；在所述沟槽的内壁外延生长u型第二材料层，所述第二材料的禁带宽度小于所述第一材料的禁带宽度。9.根据权利要求8所述的近红外图像传感器的制备方法，其特征在于，在所述沟槽的内壁外延生长u型第二材料层之后，还包括：在所述u型第二材料层内外延生长所述第一材料，以填满所述沟槽。10.根据权利要求8或9所述的近红外图像传感器的制备方法，其特征在于，所述第一材料为硅，所述第二材料为锗硅。
技术总结
本发明公开了一种近红外图像传感器及其制备方法。该近红外图像传感器包括衬底，衬底由第一材料制成，衬底包括各个光电二极管区域，其中，光电二极管区域包括在衬底上形成的沟槽、以及位于沟槽的内壁上的U型第二材料层，第二材料的禁带宽度小于第一材料的禁带宽度。该制备方法包括：提供衬底，衬底由第一材料制成，衬底包括各个光电二极管区域；在衬底的光电二极管区域形成沟槽；在沟槽的内壁外延生长U型第二材料层，第二材料的禁带宽度小于第一材料的禁带宽度。近红外图像传感器中沟槽侧壁的第二材料层不止提高了正入射的近红外光的吸收，还有利于斜入射时在侧壁积累的光子的吸收，既减小了串扰又提高了近红外波段的量子效率。率。率。


技术研发人员：方欣欣 黄晓橹
受保护的技术使用者：联合微电子中心有限责任公司
技术研发日：2021.03.10
技术公布日：2021/6/24