[发明专利]基于硅基柱状体阵列的CIS传感器、制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种基于硅基柱状体阵列的CIS传感器、制备方法及应用，属于光电传感器技术领域，能够提高电荷的收集效率和CIS传感器整体量子效率，有效提高探测面积和占空比，大大减少相邻像素件的串扰，提高成像质量；该传感器包括位于底部的硅晶圆层、位于顶部的导电薄膜层和位于所述硅晶圆层和所述导电薄膜层之间的二维硅基微/纳柱阵列；所述二维硅基微/纳柱阵列包括若干竖向设置外周具有一定光滑度的硅基柱状体，所述硅基柱状体的底端与所述硅晶圆层上表面连接，顶端与所述导电薄膜层的下表面连接；不同硅基柱状体之间的间隙由空气填充；每个所述硅基柱状体均具有竖向的p‑i‑n结构。

技术领域

本发明涉及光电传感器技术领域，尤其涉及一种基于硅基柱状体阵列的CIS传感器及制备方法。

背景技术

光电传感器是现代智能化设备不可或缺的关键器件。其中，CIS(CMOS ImageSensor)图像传感器在数字相机、机器视觉、消费级移动终端设备(如手机、平板电脑和智能可穿戴设备等)、便携式光电检测设备、激光雷达、安防、远程医疗、高端全自动化制造设备(包括自动化产品质量监控设备)、高端科研设备(高端光谱仪、高端荧光显微镜、高端天文探测设备)等众多领域，有着广泛而深入的应用。

传统的CIS图像传感器是利用CMOS集成电路便于大规模生产的优势，将大量的光电二极管与相关的信号读取电路集成在一块硅基芯片上，经过不断地优化设计最终达到高速、高精度和高动态范围的理想状态。因为CIS图像传感器的光电转换元件是二极管，它本身就是CMOS电路的核心元件之一，所以CIS图像传感器芯片的制备与传统芯片的制备完全可以无缝匹配。从上个世纪90年代至今，经过30多年的不断发展，CIS图像传感器已经可以实现高分辨率、全色域、低数字噪声等优异的图像传感特性，加之前文已提及的高速、高精度和高动态范围，CIS已经取代电荷转移模式图像传感器(CCD)成为数字化图像传感器中的绝对统治者。而且，由于其完全适合CMOS工艺的大规模生产，其成本优势非常明显。

CMOS光电图像传感器采用的是传统的数字逻辑电路制造工艺，在平面的硅基半导体晶圆上制备光电传感元件，并将之与驱动和读出电路系统集成在一起。这使得相应的CIS传感器可用的有效采光面积，或占空比(Fill Factor，FF)收到限制，大多数CIS的FF10％，最先进的CIS也不过达到20％左右。即使是采用了背向照明(BSI)方案的CIS器件，FF可以相对提高，但所有的光电探测单元都是在同一器件平面上制备的，相互之间存在空间上的物理连接。当探测单元受到光照射的时候，光电效应产生的电荷总会有一定几率扩散到相邻的探测单元，从而产生像素的弥散和图像的模糊，降低图像的分辨率。尤其是在弱光检测时，为了提高每个像素的敏感度，加之每个光电二极管的偏压均很高(几十伏甚至更高)，每个传感器中光电子获得的平均动能更高，这种弥散效应也更为显著。传统的CMOS工艺中，可以采用离子注入法在相邻的感光像素点之间引入氧化绝缘层，或是通过等离子体反应刻蚀(ICP-RIE)的方法在感光像素点间引入空间隔离槽，从而减少电荷弥散效应。但是前者通常需要占用较大的芯片面积，进一步降低CIS传感器的占空比，而且全芯片范围的一致性和横向尺寸的精度都不可能达到太高。后者则容易造成器件壁十分粗糙，影响光吸收和光电转化效率，甚至可能会损坏晶圆的晶体结构影响整个器件的性能。

因此，有必要研究一种新的基于硅基柱状体阵列的三维CIS传感器来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于硅基柱状体阵列的三维CIS传感器、制备方法及应用，能够提高电荷的收集效率和CIS传感器整体量子效率，有效提高探测面积和占空比，大大减少相邻像素件的串扰，提高成像质量。

一方面，本发明提供一种基于硅基柱状体阵列的CIS传感器，其特征在于，所述CIS传感器包括位于底部的硅晶圆层、位于顶部的导电薄膜层和位于所述硅晶圆层和所述导电薄膜层之间的二维硅基微/纳柱阵列；