[发明专利]硅基CMOS图像传感器三维感光像素结构及其制备方法

说明书

本发明属于图像传感器领域，涉及一种硅基CMOS图像传感器三维感光像素结构及其制备方法。本发明可以有效提高光线入射效率，扩大光线空间角，从而有效提高前照式CMOS结构的综合感光性能；其纳米柱结构的感光像素结构，由于陷光效应和共振吸收增强效应，可有效提高光吸收利用率；由于硅纳米柱为内外型体PN结结构，因此相比相同横截面积的平面PN结感光像素，其具有更大面积的势垒区，可提高其满阱容量；因此同时实际入射光存在垂直以外的其他入射角度，使得其侧壁势垒区也可以响应入射光线，从而有效提高综合弱光响应能力；该结构制备方法难度较小，适合整合应用到成熟IC工业产线，从而有效提高硅基CMOS图像传感器的像素感光性能。

技术领域

本发明属于图像传感器领域，具体来说，涉及一种硅基CMOS图像传感器三维感光像素结构及其制备方法。

背景技术

图像传感器作为一种把光学图像信息转换成电信号的像素矩阵集成芯片，在摄影摄像设备中发挥了关键作用。随着硅基IC制造工艺的飞速发展以及移动终端的普及，CMOS工艺的图像传感器更是成为当前图像传感器的主流。

CMOS图像传感器采用硅基光电二极管(Photo-Diode，PD)作为基本的光电转换单元，同时与相应的像素控制读出电路相连接，形成一个完整的像素结构。其中光电二极管模块作为光电转换部分，对光信息的采集质量起到决定作用。目前，商用CMOS中PD目前都采用平面的PN结构，通过在P硅的上层进行N型注入产生薄N+层，借助PN结界面形成的势垒区俘获入射光子并产生光致载流子；随后在PD周围构建层级连接的控制读出电路，最终将信号传导至外部电路。为了有效降低PD表面暗电流带来的暗噪声，部分公司提出将一层薄P+扩散层“埋入”PD的N型掺杂区上层，通过表面修饰以降低光电二极管的表面缺陷与暗电流(US5567632A)。该结构也被称为埋入型光电二极管，是目前高端CMOS图像传感器中PD的主要形式。

上述CMOS像素感光结构也被称为前照式结构。由于周围电路中多层导电总线形成几十纳米高的金属“墙”，使光电二极管深陷入“井”形结构，其接受光线空间角小，降低了光线入射效率，造成暗光响应弱、感光能力差，动态范围低等问题。为解决此问题，研究者提出一种背照式CMOS图像传感器结构(US8378440B2、US7425460B2、US7750280B2)，将感光层与电路层调换并采用很薄的硅基底，使光线从背面入射，这样可以有效降低前照式CMOS像素的“井”效应影响。但该工艺为确保光线透过，衬底厚度必须极薄(仅为前照式的1/100)，因此技术要求极高，且良品率低，仅有索尼等少数科技公司可以实现。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种硅基CMOS图像传感器三维感光像素结构及其制备方法，该像素结构在保持前照式中PD与金属电路同向的总体布局下，通过构建三维感光PD，从而提高光线入射效率，扩大光线空间角，同时增加光线吸收效率，在不显著增加工艺复杂度的基础上解决了基础前照式结构的典型局限问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种硅基CMOS图像传感器三维感光像素结构，其组成包括一块P硅衬底、衬底上方的硅纳米柱、衬底表面的掩蔽层、硅纳米柱底部侧壁的圆环状电极和联通衬底的电极。

所述衬底上方的硅纳米柱，其与硅衬底为一整片P硅制成，纳米柱的上表面及侧表面为N型掺杂层，内部为与衬底同参数的P硅材料。

所述硅衬底表面的掩蔽层，为P硅衬底上表面的钝化层，以实现干扰隔绝的作用。其材质中常用为氧化生长的SiO₂层，当为SiO₂层时其厚度为20～50nm。

所述硅纳米柱底部侧壁圆环状电极和联通衬底的电极位于P硅衬底上表面，且P硅衬底上对应位置没有掩蔽层，其材质包括铝、铝铜合金、多晶硅等通用IC电极材料。

一种硅基CMOS图像传感器三维感光像素结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将一块P硅片进行表面进行预处理，去掉表面杂质。