背面照射型集成图像传感器的制作方法 专利技术说明

电气元件制品的制造及其应用技术1.实现方式和实施例涉及背面照明(bsi)，并且更具体地涉及其量子效率的增强，特别是在红外范围内。背景技术：2.集成图像传感器包括在衬底中的像素阵列，该像素阵列与关于由像素提供的信号的控制和处理电子器件相关联。3.当图像传感器要被通过衬底的背面的光信号照射时，称其为背面照射型。4.像素的量子效率由生成的电子数与当像素吸收光信号时接收的光子数之比限定。5.效率越高，传感器的灵敏度越好，并且信噪比越好。6.因此，需要提高背面照射型集成图像传感器的量子效率。7.还需要在由像素之间的光耦合引起的串扰(从一个像素反射或衍射到其相邻像素的干涉光信号)方面和在调制传递函数方面提供增益，以便在图像上获得优异的对比度。技术实现要素：8.本公开的实施例至少解决上述问题中的一些问题。9.根据本公开的一个方面，提供了一种背面照射型集成图像传感器，包括：衬底，具有背面并且包含第一半导体材料，背面被配置为被光信号照射，第一半导体材料具有第一光学折射率；以及在衬底中的像素阵列；其中每个像素具有光敏有源区；其中每个光敏有源区是折射对比区，折射对比区包括由第一半导体材料形成的基质和嵌入在基质中的周期性结构，周期性结构在基质中从背面延伸；其中周期性结构在与背面平行的平面中具有二维周期性；其中二维周期性的值与光信号的波长相关联，并且与第一光学折射率相关联；以及周期性结构由多个元件形成，多个元件由第二光学透明材料制成，第二光学透明材料具有小于第一折射率的第二折射率，多个元件位于由二维周期性限定的位置处；以及其中光敏有源区包括在由二维周期性限定的位置中的一个位置处的区域，区域没有元件中的对应的元件。10.在一些实施例中，区域是中心区域。11.在一些实施例中，周期性结构在二维周期性的平面中具有元件的蜂窝布置。12.在一些实施例中，在二维周期性的平面中，所有元件的晶体密度占据光敏区的表面积的至少50％。13.在一些实施例中，元件是杆。14.在一些实施例中，第一半导体材料包括硅结构。15.在一些实施例中，光信号的波长等于940nm，并且二维周期性的平面中的元件之间的间距为400nm的量级。16.在一些实施例中，第二光学透明材料包括二氧化硅结构。17.在一些实施例中，每个杆具有截面，截面具有为200nm的量级的直径。18.在一些实施例中，结构在基质中延伸到位于距衬底的前面一距离处的位置。19.在一些实施例中，背面照射型集成图像传感器还包括光学反射镜，光学反射镜定位成面对与背面相对的每个光敏区。20.在一些实施例中，像素阵列具有周期性布置，周期性布置具有与周期性结构的周期的成整数比的间距。21.在一个实施例中，每个像素形成有光子周期性结构，该光子周期性结构在与背面平行的平面中具有二维周期性，该光子结构例如在其中心区域的水平处具有缺陷。22.因此，根据一个方面，提出了一种背面照明型集成图像传感器。23.该传感器旨在由光信号照射，例如(但非限制性地)波长为940nm的红外范围内的信号。24.该传感器包括具有背面并包含具有第一光学折射率的第一半导体材料(例如硅)的衬底。25.传感器包括衬底中的像素阵列。26.每个像素具有光敏有源区。27.每个光敏有源区是折射率反差区，其包括由第一半导体材料(例如硅)形成的基质和嵌入在所述基质中的由折射率低于第一材料的第二材料(例如二氧化硅)形成的周期性结构。28.该周期性结构从背面延伸到所述基质中，并且在与背面平行的平面中具有二维周期性。29.该二维周期性沿平面的两个正交方向不一定相同。30.该周期性结构被称为光子晶体，因为周期性的值与光信号的波长和第一折射率相关联，第一材料引导光信号传播通过光敏区。31.因此，典型地，该周期性值至少基本上等于光信号的波长和第一材料的折射率之间的比率。也就是说，为了进一步增强性能，可以将该周期性值取为等于所述比率增加百分之几十，例如30％。32.该周期性结构具有由第二光学透明(即，非吸收性)材料形成并具有小于第一折射率的第二折射率的多个元件，例如杆。33.此外，该周期性结构具有没有这些元素中的至少一种的区域，例如中心区域。34.因此，由于在该中心区域中存在该缺陷(不存在至少一个低折射率和光学透明元件)，光辐射将被限制在像素的特定体积中，例如在像素的中心，并且周期性结构将减慢其在第一材料(例如硅)中的传播。35.因此，这将导致在该第一材料中更大的吸收，并因此导致在像素积分时间期间产生更大量的电子，从而导致量子效率的增强。36.周期性结构在其周期性平面中具有例如元件的蜂窝结构。37.此外，特别有利的是，在周期性平面中，所有光学透明元件的晶体密度占据光敏区的表面积的至少50％。38.这使得可以进一步提高量子效率。39.如上所述，元件可以是杆，其在周期性平面中具有各种形状的截面(圆形，矩形，星形等)。40.当第一材料是硅并且光信号的波长等于940nm时，周期性平面中的光学透明元件之间的间距可以是400nm的量级(即，在+/－30％内等于400nm)。41.第二光学透明材料可以是例如二氧化硅。42.每个杆可具有另一个直径为200nm(即，200nm在+/－25％内)的截面。43.为了确保产生到处理电子器件的晶体管的电荷的正确收集，优选的是，该结构在所述基质中延伸到位于距衬底前侧一定距离处的位置。44.此外，为了进一步提高第一材料中的吸收效率，有利的是，传感器还包括光学反射镜，该光学反射镜面向每个光敏区，与背面相对。45.当像素阵列具有间距为n的周期性布置时，有利的是进一步增强传感器的操作，该间距n与周期性结构的周期的积分比成比例(即，等于周期性结构的周期的k倍，k是整数)。附图说明46.本实用新型的进一步的优点和特征将在研究绝非限制性的实现方式和实施例的详细描述以及附图中显现，其中：47.图1示意性地示出了集成图像传感器；48.图2是像素的截面图；49.图3是沿图2的线iii－iii的截面图；50.图4示意性地示出了与波长相关联的周期性的值；以及51.图5到8说明用于制造像素的方法的实现方式。具体实施方式52.在图1中，附图标记cpt表示集成图像传感器，其非常示意性地示出包括例如由硅制成的衬底1，衬底1具有背面far和前面fav。53.背面far旨在通常借助于光学设备，诸如透镜，可选地彩色滤光器，偏振装置，由例如红外信号的光信号sl照射，这些示例不是限制性的。54.传感器在衬底1中包括像素阵列pxar。55.这里，像素阵列具有在像素px之间具有间距n的周期性布置。56.图像传感器cpt在衬底1的前面上包括互连部分2，其通常由本领域技术人员使用缩写beol(线的后端)来表示。57.该部分2通常包括用于提供传感器的不同元件之间的互连的金属轨道和通孔，特别是像素，以及关于由像素发射的信号的控制和处理电子器件的晶体管，出于简化的目的，这些控制电子器件在此未示出。58.也就是说，这些控制电子器件具有本身已知的常规结构。59.图2示意性地示出了像素阵列pxar的像素px的截面图。60.像素px包括折射对比光敏区，折射对比光敏区形成由第一半导体材料(通常为衬底的硅)形成的基质50。61.此外，该折射对比光敏区包括嵌入在基质50中的周期性结构5，并且包括由例如二氧化硅的第二光学透明(非吸收性)材料形成的多个元件51。62.当第一材料(硅)的光学折射率不同于第二材料(二氧化硅)的折射率时，该光敏区被称为是折射率对比的。63.形成基质50的第一材料的折射率具有大于第二光学透明材料的折射率的折射率。64.例如，硅的折射率接近3.4，并且二氧化硅的折射率接近1.46。65.如图2所示，周期性结构5的元件51从衬底的背面far延伸的深度小于衬底的深度。66.换句话说，元件51(通常为杆)在距衬底的正面fav距离d处停止。该距离d例如为1至2微米的量级。67.在光敏区的背面far上，设置光学器件4，例如这里的透镜。68.除了金属轨道20之外，互连部分2还包括光学金属反射镜3，该光学金属反射镜3设置成面对像素的光敏区，更具体地面对正面fav。69.该金属反射镜有利地由该互连部分的金属层的金属形成。70.如图3所示，图3是沿着图2的线iii－iii的截面图，周期性结构5在平面中具有二维周期性，该平面是图3的平面，并且该平面是与背面far平行的平面。71.周期性结构在其周期性平面中在由周期性/间距和基质限定的位置处具有元件51的蜂窝布置，并且在此具有中心区域500，中心区域500具有缺陷(即，没有元件51中的至少一个元件的区域)。72.换句话说，中心区域500包括第一材料，这里是硅。73.如图4中示意性示出的，周期性的值与光信号sl的波长相关联，并且与第一材料(这里是硅)的第一折射率相关联。74.为了增加第二材料的密度，如蜂窝结构的情况下，平面方向上的周期性可以可选地不同于在其它正交方向上的周期性。75.更具体地，对于与红外线相对应的等于940nm的光信号sl的波长，周期性平面中的元件51之间的间距为400nm±30％内的量级(连接三个杆51的中心的等边三角形的边)。76.为了进一步增强传感器的操作，像素px的间距n有利地与元件51之间的间距成整数比。77.此外，杆51的直径为200nm±25％内的量级，并且所有杆的截面的晶体密度占据光敏区的表面积的至少50％，并且例如50％。78.周期性结构的缺陷，优选地周期性结构的中心(即，在优选为中心区域500中的一个位置处不存在至少一个杆，否则该位置将具有根据所限定的间距或周期性的杆)形成用于光辐射sl的波导，并且围绕该波导的周期性结构将减慢光信号在硅中的传播速率，并因此增加像素的吸收时间和量子效率。79.因此，与不具有在光敏区中具有缺陷的周期性结构的像素相比，可以获得25％的量子能量增加。80.在操作中，光信号照射传感器的背面，在通过透镜4之后进入光敏区的中心区域500，并在上述波导中传播，在金属反射镜3上反射并在波导中分布。波导中的这种返回进一步增加了硅中的吸收时间，并且因此进一步增加了像素的量子能量。由于波导的存在(并且不衍射到相邻像素)，对相同像素的反射质量也提供了串扰和调制传递函数方面的增益。81.现在更具体地参考图5到8来说明用于制造这种像素的方法的实现。82.显然，所有像素是同时实现的，但是图5至8仅示出针对一个像素的步骤。83.在图5中，提供了包括具有例如6至9微米高度的硅的外延区50(基质)的衬底。84.光敏区的前面(基质50的前面)fav支撑包括金属反射镜3的互连部分2。85.在基质50的背面上，形成掩模7，例如树脂掩模，其孔界定未来二氧化硅杆的位置(见图6)。86.然后，如图7所示，通过掩模7的孔对基质50的硅进行本身已知的常规蚀刻，并且用二氧化硅填充由此形成的孔以形成杆51。87.这里应当注意，如上所述，特别有利的是，杆51的端部以及由此由蚀刻产生的孔的端部位于距基质50的前面的不为零的距离d(例如1至2微米的量级)处，以便促进由光信号在硅中的吸收产生的电子的良好收集。88.然后，如图8所示，移除掩模7，抛光背面，并将透镜4固定到像素的背面，从而形成图2所示的像素。89.本实用新型不限于所描述的实现和实施例，而是包括所有变体。90.因此，即使具有缺陷的周期性结构的区域优选为中心区域，特别是出于制造原因，该区域也可以不是中心的。91.此外，其它第一材料也是可能的，诸如锗或硅/锗合金。另外的第二材料是可能的，诸如氮化硅或高介电常数电介质，本领域技术人员已知为“高k”。92.此外，光信号sl的其它波长(可选地在可见范围内)也是可能的，以交换周期性结构尺寸的调节。93.方面1.一种用于制造背面照射型集成图像传感器的方法，包括：在具有旨在被光信号照射的背面并且包含具有第一光学折射率的第一半导体材料的衬底中：94.形成包括针对每个像素的光敏有源区的像素阵列；95.在每个光敏有源区中形成周期结构，所述周期结构被嵌入在由所述第一半导体材料形成的基质中；96.其中所述周期性结构在所述基质中从所述背面延伸并且在与所述背面平行的平面中具有二维周期性；97.其中所述二维周期性的值与所述光信号的波长相关联，并且与所述第一折射率相关联；98.其中形成所述周期性结构包括：99.产生由第二光学透明材料形成的多个元件，所述第二光学透明材料具有小于所述第一折射率的第二折射率，所述多个元件位于由所述二维周期性限定的位置处；以及100.在由所述二维周期性限定的所述位置中的一个位置处限定区域，所述区域没有所述元件中的对应的元件。101.方面2.根据方面1所述的方法，其中所述区域是中心区域。102.方面3.根据方面1所述的方法，其中形成所述周期性结构包括：103.在所述背面上形成限定所述元件的位置的掩模；104.通过所述掩模蚀刻所述基质；以及105.利用所述第二材料填充由所述蚀刻产生的孔。106.方面4.根据方面3所述的方法，其中对所述基质的所述蚀刻在距所述衬底的前面一距离处停止。107.方面5.根据方面1所述的方法，其中所述第一材料是硅，并且所述第二材料是二氧化硅。108.方面6.根据方面1所述的方法，还包括提供面向所述像素的光敏区的光学反射镜，所述光敏区与所述背面相对。









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