一种低噪声高灵敏度近红外图像传感器的制作方法

1.本发明涉及一种图像传感器结构，尤其涉及一种低噪声高灵敏度近红外图像传感器。


背景技术：

2.人眼对400nm～700nm的可见光波段较为敏感，700nm～2500nm为近红外波段。在较为黑暗的环境中，近红外光子多余可见光子，因此，近红外图像传感器在航空航天、夜视安防等领域有着极为广泛的应用。近红外灵敏度作为图像传感器的重要指标，决定了传感器对夜间图像的捕获能力。
3.由于硅材料对近红外波长吸收率较低，为了提升像素近红外灵敏度，一方面可以增大传感器尺寸，增加外延厚度；另一方面可以引入对入射进行反射、折射或衍射的红外增强结构。目前最为有效的方式是采用背面散射技术(backside scattering technology,bst)，通过增加bst结构，使光信号在像素中进行多次反射，从而提升光程，增加硅材料的光吸收，提升近红外灵敏度。
4.目前，常见的bst结构如图1a、图1b所示，以“十字型”bst结构为例，其中心位置位于像素透镜的聚光处。如图2a所示，经该结构折射或反射的光线具有更大的入射角度，因此在底面更容易发生反射。
5.但是，简单bst结构的设计更适用于小尺寸、透镜聚光能力较强的像素，对于如图3所示的大尺寸像素而言，需要考虑光学损失或工艺规则，透镜高度和平坦层高度往往被限制。单一的结构无法对入射光进行充分的折射和反射(如图3所示)，灵敏度提升有限。因此，大尺寸像素的需要复杂图形或周期性排列的bst结构以增强对入射光的折射与反射作用。
6.然而，bst结构引入了更多的界面态，如图2b所示，若大尺寸像素采用周期性排列的bst结构，会导致像素暗电流的增大。
7.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供了一种低噪声高灵敏度近红外图像传感器，以解决现有技术中存在的上述技术问题。
9.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
10.本发明的低噪声高灵敏度近红外图像传感器，图像传感器像素基于硅材料106制备，像素背面最顶层为像素的微透镜100，其下方为光学平坦层101，平坦层下方为红光滤光片102，红光滤光片102两侧为像素间的金属网格103，红光滤光片102下方为氧化层104；
11.像素两侧沟槽为深沟槽隔离结构105，像素感光区域的n型区域109位于像素正面中心，感光区域的耗尽区110向像素背面方向延伸，像素背面设置多道不同深度的bst结构107。
12.与现有技术相比，本发明所提供的低噪声高灵敏度近红外图像传感器，通过像素
结构与像素工艺的设计，可以在保证像素近红外灵敏度提升的同时，减小像素暗电流噪声。
附图说明
13.图1a、图1b分别为两种常见的bst形状示意图；
14.图2a为小尺寸像素“十字型”bst结构光学机理示意图；
15.图2b为像素工艺结构示意图；
16.图3为大尺寸像素“十字型”bst结构光学机理示意图；
17.图4为本发明实施例的bst掩模版形状示意图；
18.图5为本发明实施例的像素工艺结构示意图；
19.图6为本发明实施例的像素光学机理示意图示意图；
20.图中：
21.100：微透镜
22.101：光学平坦层
23.102：红光滤光片
24.103：金属网格
25.104：氧化层
26.105：深沟槽隔离结构
27.106：硅
28.107：bst结构
29.108：p 注入
30.109：像素感光区域的n型区域
31.110：耗尽区
具体实施方式
32.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
33.首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
34.术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，x和/或y表示既包括“x”或“y”的情况也包括“x和y”的三种情况。
35.术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
36.术语“由
……
组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子
句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。
37.除另有明确的规定或限定外，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，或一体地连接；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。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文中的具体含义。
38.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”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，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明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文的限制。
39.本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
40.本发明的低噪声高灵敏度近红外图像传感器，图像传感器像素基于硅材料106制备，像素背面最顶层为像素的微透镜100，其下方为光学平坦层101，平坦层下方为红光滤光片102，红光滤光片102两侧为像素间的金属网格103，红光滤光片102下方为氧化层104；
41.像素两侧沟槽为深沟槽隔离结构105，像素感光区域的n型区域109位于像素正面中心，感光区域的耗尽区110向像素背面方向延伸，像素背面设置多道不同深度的bst结构107。
42.多道bst结构107的深度根据耗尽区110边界设计，每道bst结构107的深度恰与所述耗尽区110边界相接。
43.bst结构107的深度自耗尽区110中部的位置向两侧依次加深。
44.bst结构107的深度自耗尽区110中部的位置向两侧依次为0.2～0.4um、0.5～0.7um、0.8～1.0um。
45.在bst沟槽刻蚀完成后，增加一道浅p型重离子注入，使bst结构107的沟槽表面为浅p 注入108。
46.所述bst结构107采用周期性分布的“十字型”形状。
47.所述多道bst结构107“十字型”形状采用多层掩模版进行制备，用于将bst沟槽刻蚀为不同深度。
48.综上可见，本发明实施例的低噪声高灵敏度近红外图像传感器，适用于大尺寸像素的高灵敏度低噪声bst像素结构，在周期性bst结构增强像素灵敏度的基础上，通过变化的bst深度和bst沟槽的p型离子注入，减小像素暗电流噪声。
49.为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的进行详细描述。
50.实施例1
51.适用于大尺寸像素的高灵敏度低噪声bst像素结构，bst形状如图4所示：采用周期性分布的“十字型”形状，为了将bst刻蚀为不同深度，采用3层掩模版进行制备。其中，最外
层“十字型”采用掩模版1(mask 1)，次外层“十字型”采用掩模版2(mask2)，中心“十字型”采用掩模版3(mask 3)。
52.基本的器件结构如图5所示(沿图4虚线的纵截面)：像素基于硅材料106制备，采用背照式结构。
53.下面对器件各部的作用和效果进行详细的描述：
54.背面最顶层为像素的微透镜100，下方为光学平坦层101；
55.平坦层下方为红光滤光片102，用于透过红光波段，滤除其他波段的入射光；
56.滤光片两侧为像素间的金属网格103，用于给衬底施加电压，并划分像素减小光学串扰；
57.滤光片下方为氧化层104；
58.像素两侧沟槽为深沟槽隔离结构(dti)105，用于减小电学串扰；
59.像素感光区域的n型区域109位于像素正面中心，感光区域的耗尽区110向像素背面方向延伸；
60.bst结构107具有不同的深度，沟槽表面为浅p 注入108。
61.本发明的原理是：
62.适当增加bst深度可以强化入射光的反射、折射，增加灵敏度，但bst与硅材料交接位置产生的界面态会增加像素暗电流。耗尽区是光生电子的主要产生区域，减小bst结构与该区域的接触有利于减小暗电流，因此本发明将bst结构根据耗尽区边界设计为不同深度。
63.具体实施例中，像素中心耗尽区较深的位置bst深度较浅(深度约0.2～0.4um，对应mask 3)，次外层bst深度增加(深度约0.5～0.7um，对应mask2)，最外层耗尽区最浅的位置bst深度较深(深度约为0.8～1.0um，对应mask1)。
64.此外，在bst沟槽刻蚀完成后，增加一道浅p型重离子注入，使bst表面缺陷被空穴占据的概率极大提升，从而降低像素暗电流，减小噪声。
65.图6为本发明结构的感光示意图：
66.相比于传统的“十字型”结构，周期性分布的“十字型”bst结构的引入使大尺寸像素分中心区域入射光的折射和反射作用增强，增加了大尺寸像素的光程。
67.由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明通过像素bst结构与工艺的改进设计，可以在保证像素近红外灵敏度提升的同时，减小像素暗电流噪声。
68.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。