[发明专利]增强近红外感光性能的背照式像素单元结构及形成方法

说明书

本发明公开了一种增强近红外感光性能的背照式像素单元结构及形成方法，通过增加硅衬底的厚度，并在背面的硅衬底中增设背面光电二极管，从而增加了用于光电转换的硅衬底区域的深度，提高了像素单元的近红外感光性能；同时，通过增加背面传输管、背面悬浮漏极以及双深槽隔离结构，使得背面悬浮漏极与正面悬浮漏极、背面传输管与正面传输管分别通过深槽隔离连接在一起，只需在正面传输管上进行时序控制就可以同时控制背面传输管，从而保证了背面光电二极管中的电荷能够顺利传输到正面悬浮漏极，避免了由于硅衬底厚度增加而无法将完成光电转换的电荷从背面光电二极管中传出而造成图像残影和噪声的问题。

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，更具体地，涉及一种可增强近红外感光性能的背照式像素单元结构及形成方法。

背景技术

图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置，通常大规模商用的图像传感器芯片包括电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器芯片两大类。

CMOS图像传感器和传统的CCD传感器相比，具有低功耗、低成本和与CMOS工艺兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用。现在CMOS图像传感器不仅用于消费电子领域，例如微型数码相机(DSC)、手机摄像头、摄像机和数码单反(DSLR)中，而且在汽车电子、监控、生物技术和医学等领域也得到了广泛的应用。

CMOS图像传感器的像素单元是图像传感器实现感光的核心器件。最常用的像素单元为包含一个光电二极管和多个晶体管的有源像素结构。一种常规的CMOS图像传感器像素单元的电路结构如图1所示，通常包括光电二极管PD和传输管TX、复位管RX、源极跟随管DX和行选管SX等其它的MOS晶体管。其中，光电二极管是感光单元，实现对光线的收集并负责光电转换，将光子转换为电子；其它的MOS晶体管是控制单元，主要实现对光电二极管的选中、复位、信号放大和读出的控制，其中传输管负责将光电二极管中产生的电子传输到悬浮漏极FD，并转换为电压信号输出。

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，而背照式是指入射光从硅片背面进入光电二极管的图像传感器。

在CMOS图像传感器中，像素单元的灵敏度直接和像素单元中光电二极管的面积占整个像素单元面积的比例成正比，我们把这个比例定义为填充因子。通常的前照式图像传感器由于光电二极管之间存在用于信号控制的多个晶体管，因此占用了大量的面积。通常CMOS图像传感器中像素单元的填充因子在20％到50％之间，这就意味着50％到80％面积上的入射光是被屏蔽掉的，不能参与光电转换的过程，因而造成了入射光的损失和像素单元灵敏度的降低。同时，像素单元上面有后道金属互连和介质层覆盖，入射光需要穿过介质层才能到达光电二极管表面，从而造成了入射光的损耗和降低了灵敏度。

为了提高CMOS图像传感器中光电二极管的面积和减少介质层对入射光的损耗，我们可以采用背照式CMOS图像传感器工艺，即入射光从硅片的背面进入光电二极管，从而减小介质层对入射光的损耗，提高像素单元的灵敏度。

如图2所示，其显示一种常规背照工艺中用于挡光的金属层版图结构。其金属挡光层17呈网格状排布，由于金属不透光，因此可用于隔离像素之间的光学串扰。网格中间的空白区域为进光窗口16，入射光线可从进光窗口进入到下方的光电二极管。

如图3所示，其显示沿图2“A-B”向的结构截面图。其中金属挡光层17位于结构最上方，用于屏蔽像素之间的串扰。高K介质层18用于降低暗电流和白色像素。光电二极管19位于减薄后的硅衬底13中，传输管20位于光电二极管和悬浮漏极15之间的硅衬底上，像素之间通过位于硅衬底中的浅槽隔离14进行电学隔离。图3中以具有两层金属互连层为例，在后道介质层12中设有金属互连布线21和通孔11等互连结构。载片10用于在背照工艺中减薄硅衬底时提供支撑作用。