专利名称：Cmos图像传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电转换方法，尤其涉及使用适合与互补金属氧化物半导体(CMOS)技术集成的基于硅的器件进行光检测。
背景技术：
常规的电荷耦合器件(CCD)和CMOS图像传感器(CIS)包含几个对于高性能图像传感至关重要的元件。将光转换成电信号的光电二极管，处理模拟信号、将其转换成一个数字信号并且执行数字信号处理的CMOS器件和电路，彩色滤波器等。CIS的技术具有这样一个优点，即这些元件能被单片集成在同一“晶粒(die)”或“芯片(chip)”上，而CCD只能单片集成彩色滤波和光吸收。
在常规CIS技术中，在CMOS器件制造期间形成的内建的垂直pn结、源-井和漏-井结被用于光检测的光电二极管。光检测能力取决于硅的本征能带结构属性，例如吸收系数，并且取决于结的几个特征，例如掺杂分布、结深度、隔离结构深度(LOCOS或STI)等。
硅进行光吸收的效率很大程度上取决于波长。与具有较长波长的光子(具有较小能量的光子)相比，较短波长的光子(具有较高能量的光子)在距离表面较短的距离内被吸收。对于硅来说，在可见光范围内，蓝色的光子被非常有效地吸收，但是红色的光子却不是这样，从而要求一个长得多的“吸收深度”。因此，红色的光子的吸收对于光吸收区域的最小厚度提出了限制。
另一方面，进步中的CMOS技术在于缩小晶体管的侧向尺寸，这也要求垂直方向中的结构的缩小，即更浅的、更高掺杂的结。本质上较小的MOSFET要求几乎或完全简并地掺杂的源和漏区。因此，在这些半导体区域中，电场是非常弱的或者完全被阻挡的，从而导致只经由扩散的电荷传输。由于对于CIS器件来说，光是在一个MOSFET的源/漏区中被吸收的，因此很短的波长(短于蓝色)的吸收发生在很靠近表面处，从而电子-空穴对具有很短的寿命，即高复合率。因此聚集的电荷量只是光生成的总量的一小部分。这解释了为什么对于硅非常高效吸收的波长(例如UV辐射)，CIS器件的量子效率较低。
对于较长波长的高效光吸收以及由较短波长光生成的载流子的高效聚集的要求，与CMOS技术的继续缩放要求相冲突，即使在大块衬底上也是这样。
广泛认识到薄膜SOI衬底非常有益，或许是制造高性能90nm以下的CMOS的器件的一个必需。CMOS技术越高级，利用薄膜衬底的优势就越大。但是，常规的CCD和CIS器件利用硅晶片的大体积进行光吸收，而对于薄膜SOI，用于制造CMOS器件的最顶层的硅膜不能有效地吸收可见光中的波长，因为它太薄了，即吸收膜内的光程太短。
因此，可以说常规CIS技术与薄膜SOI衬底是根本上不相容的，因此也与高性能90nm以下CMOS技术的要求不相容。于是可以得出结论，常规的CMOS图像传感器将不能利用也称为“摩尔定律”的CMOS缩放在速度、密度、功率耗散和成本方面的各种公知好处。
更高级的CMOS器件在传感器矩阵的像素内和外围都是很重要的。活动像素传感器需要像素内晶体管，它占用了对光吸收无贡献的面积。传感器面积对像素总面积之比被称为“填充因子”。不能缩放CMOS器件的尺寸将最终导致不能缩放CIS的像素的尺寸。因此这也将对对于一个给定的分辨率整个图像传感器能够多小提出限制，这又对光学系统(透镜)的设计产生的限制，从而影响了整个系统的尺寸、重量、成本等等。
CMOS图像传感器的像素尺寸的缩放也受透镜系统的分辨率所限。如果像素尺寸变得小于透镜系统可能分辨的最小特征，则被一个CCD或CMOS图像传感器矩阵捕捉的图像的质量恶化。因此把像素尺寸缩小到透镜系统能够分辨的大小之下是没有意义的。另一方面对于较高分辨率的透镜，一个透镜系统的成本增加。
用于常规透镜系统的设计的光学物理的原理是“衍射有限”。这意味着不可能设计一个分辨率接近要聚焦的光的波长的透镜系统，即使是在不现实地假设可以以无限的精度制造透镜的情况下。
常规CIS结构由使一个MOSFET的源/漏-井(垂直)pn结也作为一个光电二极管而组成。这种结构无法在薄膜绝缘体上硅(TF-SOI)衬底中实现，TF-SOI也被称为完全耗尽SOI(FD-SOI)，其中不存在这种(垂直)pn-结，因为MOSFET的源和漏区是在埋入的氧化物上直接形成的，而不是在用相反极性的杂质掺杂的一个半导体区域上形成的。但是，即使这种结确实存在于薄膜SOI CMOS器件上，由于晶状硅膜是如此之薄，通常小于30nm，可见光范围中的光的吸收也会非常低效，并且不足以对图像传感器有实际用途。
本发明公布了一种使能利用薄膜SOI衬底制造高性能CMOS图像传感器的方案。除了得自更高级的CMOS器件的优点以外，例如速度、功耗和减小的尺寸，SOI衬底与大块衬底相比有一个质的差异去除SOI衬底的背面并且用一个对光透明的不同衬底替代它是很容易的。即使用厚膜SOI和薄膜SOI都可能做到这一点，用薄膜SOI衬底的优点也更多，正如下文都要描述的那样。
在常规CCD和CIS中，彩色滤波是通过制造一个称为“Bayer图案”的棋盘图案来实现的，其中用于不同颜色(通常是红、绿和蓝)的滤波器在相邻像素间交替。补充的原色青、黄和品红也可被使用。彩色滤波器不需要被局限或限制于通常的三原色像素。由于常规彩色CMOS图像传感器是在块硅晶片上，因此只可能进行正面光照。
用于制造彩色滤波器的材料与硅处理不相容，以及常规彩色CIS让彩色滤波器产生在一个钝化层之上，该钝化层是在最后一层金属化层之上沉积成的。随着金属层的数目增加，硅晶片表面(光在这里被吸收)与彩色滤波器之间的距离也增加。更多的金属层导致相邻像素之间更多的颜色串扰，因为更多以远离法向的角度撞击衬底的光子经过彩色滤波器、并且在不属于相同像素的光电二极管中被吸收。这是一个非常重要的因素，实际上它将金属层的数目限制为3或4，而前沿CMOS技术可以具有6或7层金属层。金属层数目上的限制对可被制造在同一晶粒上从而与图像传感器单片集成的“系统结构”产生了严重的后果。例如图像压缩所需的高级的数字信号处理要求有微处理器和/或数字信号处理器核，这通常要求多于3或4层的金属层。
“正面”光照也要求光传感区域不被金属线所阻挡，从而对把像素内电路连接到外围电路的金属线产生了严重的约束。对于像素和外围之间的互连的这一限制限制了像素-外围通信可用的最大带宽，这又对诸如最大帧速率、动态范围等的参数具有有害后果。
在薄膜SOI上制成的光电二极管的背面光照是一个可能对图像传感器的整体结构产生许多级联效应的结构特征。有可能在埋入的氧化物背面单片集成许多类型的结构，这一点用大块衬底是不可能完成的，因为它们要求正面光照。
某些这样的结构不要求正面上有任何特别的布局或处理特征。例子有常规彩色滤波器和纳米光学结构，例如表面等离极化激元(Surface Plasmon Polariton，SPP)结构。其他结构，比如共振腔，可能要求正面上的层厚度的特定布局。必须强调这些结构中任何一种本身，或者以某种方式结合，都不可能用大块衬底实现。正如稍后将描述的，处理晶片的背面和背面光照可被利用于实现突破常规光学系统的局限的全新的结构，包括制造能够进行亚波长分辨的单片集成的透镜系统，从而激发亚波长大小的像素的发展并证明其合理性，这反过来又要求更高级的CMOS技术。
因此，将TF-SOI或TF-GeOI衬底用于CMOS图像传感器，使得能够进行背面光照，是克服由图像传感器、波长滤波器和透镜组构成的常规成像系统的基本局限的全新的结构和技术的基础。
发明内容
本发明的第一目的是一个在薄膜绝缘体上硅(TF-SOI)或薄膜绝缘体上锗(TF-GEOI)衬底上制造CMOS图像传感器工艺结构。
光电二极管活动层被外延地生成在衬底的正面，并且致密金属互联被制造在衬底的正面上的传感器矩阵之上。在对TF-SOI或TF-GeOI衬底的正面完全处理之后，衬底材料被从埋入的绝缘体(埋入的氧化物)之下去除。然后单片集成的结构被制造在埋入的氧化物的背面。然后背面被粘合到一个对感兴趣的波长透明的新衬底。例如，石英、蓝宝石、玻璃或塑料适于可见光范围。从而传感器矩阵的背面光照被允许，光穿过在与制成CMOS的一侧相反的衬底背面上制造的结构。
本发明的一个第二目的是一个在TF-SOI或TF-GeOI衬底上制造背面光照的彩色CMOS图像传感器的工艺结构，其中常规彩色滤波器被制造在埋入的氧化物背面之上。
本发明的一个第三目的是一个在TF-SOI或TF-GeOI衬底上制造背面光照的彩色CMOS图像传感器的工艺结构，其中表面等离极化激元(SPP)结构(以下称为“SPP光漏斗”)被制造在埋入的氧化物背面，从而与传感器矩阵单片集成。SPP光漏斗元件可对可见光、UV和IR范围内的波长提供以下功能中的任一种或全部1.波长滤波2.偏振滤波3.波导和将光束限于亚波长尺寸本发明的一个第四目的是一个在TF-SOI或TF-GeOI衬底上制造背面光照的彩色CMOS图像传感器的工艺结构，其中平面或厚片状的并且能够进行亚波长分辨的“超级透镜”被制造在衬底的背面，从而与传感器矩阵单片集成。
图1显示了一个包括金属化的完全处理后的TF-SOI晶片的示意性图示，在其上制成CMOS器件和SAM-APD。
图2显示了有CMOS器件和SAM-APD在正面的薄膜SOI或薄膜GeOI晶片的示意性图示，其中埋入的氧化物之下的半导体衬底已经被去除，常规彩色滤波器被制成在埋入的氧化物之上，并且已经与一个新的透明衬底粘合。
图3显示了在光电二极管层上外延地生成的像素内同质或异质结电容层的示意性图示。
图4显示了直接在光电二极管层上制成的像素内MOS电容的示意性图示。
图5显示了SPP光漏斗的第一实施方式的示意性图示，其中SPP光漏斗可以远离光电二极管。
图6显示了SPP光漏斗的第二实施方式的示意性图示，其中SPP光漏斗可以远离光电二极管。
图7显示了与背面光照的薄膜SOI CMOS图像传感器以及与根据本发明中描述的第一实施方式制造的SPP光漏斗单片集成的一个厚片状超级透镜的示意性图示。
图8A至8H显示了SPP漏斗的第一实施方式的一个典型工艺流程。
图9A至9H显示了SPP漏斗的第二实施方式的一个典型工艺流程。
图10A至10E，显示了超级透镜与背面光照的TF-SOI CMOS图像传感器以及根据第一实施方式的SPP光漏斗单片集成的一个典型工艺流程。
具体实施例方式
背面光照的TF-SOI CMOS图像传感器这里通过引用结合的WO 02/033755和共同待审的申请PCT/EP/03/10346中公布的新发明可以被结合以生成一种全新的CMOS图像传感器(CIS)，其中SAM-APD被制成在TF-SOI或TF-GeOI上。图1显示了一个完全处理后的TF-SOI晶片的示意性图示，其中CMOS器件、光电二极管层和完全金属化堆叠已经被制成。
在SOI和GeOI衬底中，埋入的氧化物之下的晶片只被用作埋入的氧化物和顶部的晶状半导体(Si或Ge)膜的一个机械支撑，它对于要在顶部的晶状半导体膜上制造的CMOS器件的属性具有非常小的影响。由于此原因埋入的氧化物之下的晶片块易被一个不同的机械衬底所替代，该机械衬底对比如UV、可见光、IR等感兴趣的波长中的光透明。
SOI衬底的通常不被认为是对SOI上制造的纯电CMOS电路非常相关的一个特别的方面是，SOI晶片中的埋入的氧化物对于埋入的氧化物下的厚硅衬底的去除工艺提供了一个极好的“标记层”。从工艺技术观点来看，该“标记层”的存在使得很容易用一种对IR、可见光和UR光透明的材料(例如石英、蓝宝石等)来替代厚的硅衬底。根据所寻求的应用，透光材料也可以是玻璃或塑料，它们可能轻得多，甚至是能变形的。必须强调用一个对特定波长透明的不同的机械衬底来进行所述替代要在所有处理已经在晶片正面上被完成之后被完成。因此不需要修改或开发用于在晶片正面上制造CMOS器件和光电二极管的新的处理技术。还应该记住去除TF-SOI(或TF-GeOI)的埋入的氧化物下的衬底并将它粘合到一个不同的衬底可以在非常低的温度甚至室温之下完成，以使得对于在TF-SOI(或TF-GeOI)晶片的正面上制造的材料和结构没有影响。
去除埋入的氧化物下的厚晶片的过程去除了对于埋入的氧化物和顶部的晶状半导体膜的机械支撑。由于此原因，在去除埋入的氧化物下的晶片的过程中，器件层将被暂时粘到正面上的一个机械支持物，直到将器件层粘合到最终的透明衬底。
有了背面光照的TF-SOI图像传感器，就有可能在埋入的氧化物背面上制造结构，同时不影响晶片的正面的处理，CMOS器件和光电二极管通过该正面的处理被制造，只要温度被保持在正面上的互连的制造过程中使用的最大温度以下。
在大块晶片上的标准CMOS处理中，第一步骤之一是产生被所有后续的模制步骤所使用的对齐标记。对齐标记是通过将凹槽蚀刻在块硅晶片中产生的。此过程也可被应用于SOI晶片，在这种情况下凹槽被蚀刻，穿过顶部的薄硅膜、埋入的氧化物并且深入到埋入的氧化物之下的硅衬底。
如果埋入的氧化物下的硅晶片被去除，则对齐标记消失。因此，额外的对齐标记可以被产生在其他层上，例如聚合层或第一金属层，这些层可用作在埋入的氧化物的背面上执行的模制步骤的对齐标记。此对齐可以与在晶片的正面上执行的不同的模制步骤之间的对齐一样好。
根据埋入的氧化物的厚度和根据要制造的结构，可能首选在制造可为不同类型或性质的新结构之前将透光材料的膜直接沉积到埋入的氧化物上。
在去除埋入的氧化物下的厚晶片后，但是在将器件层粘合到最终的透明衬底之前，可能直接在埋入的氧化物上制造额外的结构。例如，非常希望制造很接近光电二极管的彩色滤波器，因为即使在冲击的光子具有非常倾斜的角度时它也能抑制颜色串扰。图2示意性地显示了在埋入的氧化物上制造的、与晶片的正面之上的光电二极管对齐的常规彩色滤波器。
背面光照相对于正面光照的另一个极重要的优点是，它允许了传感器矩阵正面上的密集金属互连，从而允许了矩阵内的像素和传感器矩阵的外围处的电路之间的可用带宽的重大提高。
背面光照还有一个优点是可能在衬底正面、光电二极管顶上放置一面镜子，例如一层金属膜。该镜子具有加倍吸收效率的潜能，因为它将光反射回光电二极管层，从而有效地加倍了吸收层内的光程。
背面光照另一个优点是可能直接在光电二极管顶上制造电容。这种“像素内”电容是被垂直堆叠在光电二极管上的，因此不会强加任何面积代价。根据光电二极管的横向尺寸和模制步骤的临界尺寸，可以在光电二极管顶上模制电容膜，以便在单个光电二极管顶上产生并排的多个更小的电容。电容可以与光电二极管串联或并联。
像素内电容可以紧接光电二极管的外延层生成之后，用在原地外延生成的同质和/或异质结制成。图3显示了在光电二极管层上外延生成的像素内电容层的示意性图示。
像素内电容也可作为金属氧化物半导体(MOS)结构制成。MOS结构可以通过直接在光电二极管的电极层上生成或沉积一层绝缘膜来制成，之后是沉积一种金属或简并掺杂的半导体材料。简并掺杂的半导体的顶部金属的模制可在单个光电二极管的顶部之上提供几个MOS结构。像素内电容也可用金属绝缘体金属(MIM)结构制成。这些结构是在处理的金属化阶段期间制成的。作为直接在光电二极管层上制成的结电容或MOS电容的替代或补充，可形成MIM电容。根据像素的横向尺寸和MIM制造过程的临界尺寸，可能在单个像素的面积上制造多个MIM电容。
“厚膜”SOI衬底与“薄膜”SOI衬底共享背面光照、埋入的氧化物上制成的波长滤波器和具有在正面处的像素面积上的密集互连的许多金属层的优点。但是，用埋入的氧化物顶上的较厚的晶状硅膜，对于可见光和UV中的较短波长具有较强的吸收。因此，在超出顶部硅膜的一个特定厚度之外，没有足够的这些波长的光子到达沉积在该层上的外延层。由于这些原因，优选使用薄膜SOI来实现结合WO02/033755和PCT/EP/03/10346中公开的新发明中的所有优点，正如本公开所述。
一个透明的衬底允许光电二极管除捕捉来自正面的光外，还捕捉来自衬底背面的光。这为CMOS图像传感器的设计开放了新的可能性1.仅用于背面光照的1D或2D传感器阵列中的光电二极管。
2.用于背面或正面光照的1D或2D传感器阵列中的光电二极管。
3.1D或2D传感器阵列中的两套光电二极管，一套专用于正面光照，而另一套专用于背面光照。
必须强调这些结合仅背面光照或背面光照和/或正面光照的选项对于在背面对于相关波长的光不透明的衬底上制成的图像传感器是不可能的。
背面光照的图像传感器的结构是通过以下几点而成为可能的1.用TF-SOI或TF-GeOI作为初始衬底；2.在晶片正面执行制造CMOS器件和光电二极管所必须的完全处理，包括多层金属互连。
3.将晶片的正面贴附到一个临时的机械支撑物上；4.去除TF-SOI或TF-GeOI晶片的埋入的氧化物下的半导体衬底。
5.在埋入的氧化物背面制造另外的结构。背面之上的所有制造步骤是在低到不足以干扰晶片正面的结构、器件和材料的温度下被执行的。背面之上的所有模制步骤与晶片正面上制成的标记(例如用金属-1结构制成)对齐，并且与正面之上执行的任何一个模制步骤具有相同的对齐容差。
6.在完成背面的处理后，执行晶片粘合，将器件层粘合到一个透光的衬底，并且从正面上的临时机械支撑物上松开。
7.切块并封装。
SPP光漏斗适于在一个SOI晶片的埋入的氧化物背面制造的一类结构是一个常规彩色滤波器图案。此结构的制造在于沉积并模制提供彩色滤波的膜，正如目前为了块硅晶片的正面光照在金属层顶上完成的那样。
另一种结构是通过沉积并模制金属膜以便制造表面等离极化激元(Surface Plasmon Polariton，SPP)结构而获得的。SPP结构通常由按使之可用作光学器件的方式而模制的薄金属膜构成，并且通常被称为“等离子体激元光学器件”。SPP结构可用于以常规光学器件或者甚至光子能带隙材料(也称为光子晶体，只用电介质材料制成)不可能实现的方式操纵电磁波。不同金属支持不同波长范围中的表面等离子体激元铝在UV中，金、银和铜在可见光中，不同化合物比如铟锡氧化物(ITO)在红外线中。膜厚度通常是几十毫微米。
在金属和膜厚度方面的这些要求与用于晶片正面的金属化技术不相容。即使铝和铜是适合的金属，膜厚度也与用于互连电路元件的金属线或通孔的厚度不相容。因此，只可能在一个SOI晶片的背面上制造用于光学用途而被最优化的SPP结构。
金属、膜厚度、图案大小、图案间距、金属与之接口的电介质的特定组合导致了显著的光学属性，例如1.通过金属膜中的亚波长孔传输电磁波，其光学透射比“小孔”衍射理论预言的幅度大几个数量级。所报告的零阶传输频谱的特征是由达孔直径的十倍的波长处的良好定义的传输最大值来表现的，其效率超过1。
2.波长滤波可用2D金属栅格实现。
3.偏振滤波也可用2D金属栅格实现。
4.电磁波聚焦在横向尺寸远小于辐射波长的斑上。
5.共振波长可通过改变与金属接口的电介质来调整。
SPP结构的所有这些非常的特征都可被单独或一起采用，以改进UV、可见光、SWIR、MWIR和LWIR波长范围上的图像传感器的性能和/或功能。
因此本发明公开了一种由SPP结构制成的新的器件概念，以下称为“SPP光漏斗”，它可具有至少两种不同的实施方式。两种实施方式都可被排列成1D或2D阵列，并且通过以下描述的工艺结构与图像传感器单片集成。由于本公开里已经解释的原因，在TF-SOI或TF-GeOI衬底上制成的背面光照的CMOS图像传感器是结合新的SPP光漏斗的首选的图像传感器。
在一个常规单片数字成像照相机中，传感器矩阵被放在由透镜系统形成的图像的焦平面处。利用SPP光漏斗元件的一个2D阵列(矩阵)，焦平面中出现的光子不被直接耦合到传感器矩阵的光传感器(光电二极管)中，而是首先被耦合到单独的SPP光漏斗元件，然后光漏斗元件将光子引导和耦合到光电二极管。在耦合透镜系统在焦平面处形成的图像时添加此中间步骤，使能了以下更详细描述的几个独特的特征。
在一个结合SPP光漏斗的系统中，可以定义两种不同类型的像素1.“传感器像素”-包含一个或多个光电二极管和多个晶体管的光传感器元件。
2.“SPP像素”-可被排列在透镜的像平面处的一个阵列中的SPP光漏斗元件。
在以下描述的两种实施方式中，传感器像素和SPP像素都可以是正方形的、矩形的、六边形的或者使之适于重复的任何其他几何形状并且占据焦平面的整个面积。这些SPP像素中的每一个可以与属于相同传感器像素的一个或多个光电二极管相关联。在一个典型配置中，在传感器像素和SPP像素之间将有一对一的关系。两种像素都共享同样的几何形状、大小和间距，并且两类像素都被排列成具有相同行列数目的阵列。
图5描绘了SPP光漏斗元件，它具有横截面为T形的方形像素的一个阵列。SPP光漏斗顶视图显示了薄金属膜的一个矩阵。每个SPP像素是一个金属膜，与相邻的模制后的金属膜(相邻的SPP像素)隔离。SPP像素可以被模制或不被模制。对SPP像素模制是调整表面等离子体激元共振的波长的一种方法。调整表面等离子体激元共振波长的另一种方法是选择与金属膜接口的电介质层。不同的介电常数将导致共振波长的改变。
如果与“T”底部耦合的光不是被上述方法之一滤波的波长，则单独的波长滤波元件可结合SPP像素的此实施方式被使用。例如，常规彩色滤波器可以被形成在SPP像素上，或者直接在金属膜上或者被一层薄的电介质膜隔离开。应该记住其他结构，例如光栅，也可被沉积在金属表面顶上，改进光照区域和表面等离子体激元之间的耦合，并且提供波长滤波。
当波长对应于表面等离子体激元的共振波长的光撞击到SPP像素上时，该激励从顶部金属膜传播到具有低介电常数的材料中的孔底部。该孔的底部被放置得与一个光电二极管充分接近，以便有一个高效的电磁能量耦合。在同一金属膜方形下添加第二个孔允许与两个光电二极管产生耦合。在单个SPP像素的顶部金属膜下添加多个孔使得共振表面等离子体激元能够耦合到多个光电二极管。
金属膜被放置在一个透镜的像平面处，并且定义SPP像素的面积，这是由两个因素确定的1.产生像平面的透镜的分辨率。对于衍射有限光学器件，分辨率的最终极限是被聚焦的光的波长。
2.可能在晶片正面上制成的最小传感器像素尺寸。最小传感器像素尺寸是由最小的可能光电二极管和每个像素内的CMOS器件的数目和尺寸确定的。一般地，更高级的CMOS技术将允许具有更小尺寸的传感器像素。
SPP光漏斗的此实施方式的物理过程的正确性及其工作原理的验证可以在Microelectronic Engineering，No.67-68(2003)，pp.24-30中Olivier J.F.Martin的仿真工作“Surface plasmon illuminationscheme for contact lithography beyond the diffraction limit”中找到。这些仿真还指出将由“SPP光漏斗”生成的表面等离子体激元耦合到一个吸收介质只在SPP光漏斗元件和该吸收介质(在本发明中是一个光电二极管)之间的距离极短(10nm量级)时才可能。
组成SPP像素的“T”结构和属于对应的传感器像素的光电二极管之间的距离限制是非常严格的。这排除了在大块衬底上制成的正面光照的图像传感器，因为一方面SPP光漏斗将必须被放置得极靠近光检测器，另一方面反面的金属表面必须在透镜系统的像平面中，这不会与几个金属化层的存在相容，这是因为这种层堆叠造成的厚度或高度。因此此实施方式看起来绝对要求背面光照的图像传感器，这用在TF-SOI或TF-GeOI晶片上制造的光电二极管实施起来最佳。
图6描绘了一个实施方式，它显示了横截面为矩形的正方形像素的一个阵列。SPP光漏斗的顶视图显示了模制到一个像素矩阵的一层薄的金属膜。每个像素是一个模制的金属膜，与相邻的模制的金属膜(相邻像素)隔离。构成一个像素的金属膜上的图案选择共振波长。中央亚波长缝/孔和侧边槽确定了要被传输波长，以及被传输的光束的发散度。侧边槽的数目越大，光束将会越准直。对于模制的金属膜的优化的结构参数，将有一束横截面远小于波长的透射光束。然后该光束被在TF-SOI或TF-GeOI晶片的正面上制造的光电二极管所吸收。结构化的金属层的顶面被放置在焦平面处，并且定义了像素面积。此实施方式不要求SPP光漏斗和光传感器材料之间的极端物理接近。因此，此SPP光漏斗可被用于正面光照的图像传感器。
SPP光漏斗概念的两种实施方式都导致以下新颖特征1.透射的光束可被金属膜(SPP像素)的模制图案波长滤波，而不是必须为要滤波的每个波长沉积一种不同的材料。
2.通过SPP结构进行的波长滤波可为任何波长范围设计，并且对于可见光或不可见光辐射，与常规的彩色滤波器相比带宽窄得多。
3.相邻但隔离的金属膜(SPP像素)可具有不同的图案，因此透射不同的波长(可见光或不可见光)。
4.透射的光束可被金属膜(SPP)的模制图案偏振滤波。
5.相邻但隔离的金属膜(SPP像素)可具有不同的图案，因此透射不同的偏振。
6.透射的光束的横截面可以远小于波长。
7.光电二极管的面积只需要略大于透射的光束的横截面。因此光电二极管的面积可以远小于SPP像素的面积。
8.对于一个给定的光子能量，被光电二极管吸收的光子数目是由SPP像素的面积而不是光电二极管的面积所确定的。
9.有了SPP光电漏斗，定义为光电二极管的面积和传感器像素的总面积之比的填充因子变得无关紧要了。
10.其他每一点都相同的情况下，光生成的信号的信噪比随着SPP像素面积对光电二极管面积之比增大而增大。
11.SPP结构已被报告为对入射光束没有反射。这使得SPP结构，包括SPP光漏斗，成为了理想的抗反射涂层。
12.SPP结构已被报告为具有大于1的透射比，因此实现了入射光束的放大。
用SPP结构实现波长滤波与常规彩色滤波器相比有许多优点。也许最重要的优点是SPP结构可提供常规彩色滤波器性能拙劣或者不存在的频谱范围中的波长滤波，并且用更高的频谱纯度(滤波器具有更窄的带宽)来完成这一点，这是可见光范围中的彩色滤波/再现中的一个非常重要的因素。用SPP结构产生的波长滤波器的频谱纯度应该与超频谱成像所需的滤波器的要求相容。因为并排制造许多不同的波长滤波器是简单易懂的，所以SPP波长滤波结构是覆盖UV、可见光、SWIR和LWIR频谱范围的多频谱成像的一个理想解决方案。此外，选中的波长的透射比可以高于1，这与常规波长滤波器中发现的常见的反射和吸收问题形成鲜明对比。所有这些特性都使得用SPP结构进行的波长滤波比起常规解决方案来简单得多并且成本效率也高得多。
使用SPP结构的优点对于偏振滤波甚至更重要，因为常规技术不适合于“偏振滤波器”与图像传感器的单片集成。
某些适于检测LWIR波长的光检测器是异质结内部光电效应(HIP)器件，正如PCT/EP/03/10346中所描述的那样，其特征在于相当大的暗电流。此外，典型LWIR检测的特征在于非常低的信号。这两个因素导致相当低的信噪比(SNR)。SPP光漏斗本身可显著增加LWIR检测的SNR，因为它使得光检测器的面积能够远小于像素的面积。这导致了暗电流的一个急剧降低，其是与光检测器的面积成正比的一个泄漏电流，而信号被远大于光电二极管的一个模制金属膜(SPP像素)所聚集。因此，保持信号和降低噪声(暗电流)导致正比于SPP像素的面积对光检测器的面积之比的对数的SNR的增大。
一个简单的计算可提供“漏斗效应”对检测灵敏度的影响的概念将光电二极管的面积从100μm×100μm缩小到一个0.12μm×0.12μm的面积导致暗电流的～695,000倍的减小，同时保持光信号不变。与暗电流的平方根的倒数成正比的检测灵敏度增加～833倍。从这一点来看，SPP光漏斗可被视为一个“降噪器件”，因为它通过降低光电二极管的备用电流增强了光检测的信噪比。这可应用于HIP器件以及PIN器件，因此它可被应用于可见光、UV和IR范围上的光和图像检测。
此外也有关于成本的优点，因为(通常是外延生成的器件的)光检测器的制造所固有的缺陷指数地依赖于“器件面积”。因此减小光检测器的“器件面积”导致更少的缺陷，引向了增大的产量和降低的成本。
图像传感器和超级透镜的单片集成正如前述章节中提到的那样，整个成像系统的分辨率取决于两个基本因素1)传感器像素可以有多小；2)透镜系统的分辨率。
在常规成像系统中，图像传感器和透镜组是两个很不相同的元件，涉及很不相同的技术，因而是被分开制造的。按照它们的性质，常规图像传感器和常规透镜是不可能被单片集成的。
最近光学物理的发展具有彻底改革制造透镜的性能以及方法的潜力。所述新概念通常被称为一个“理想透镜”或“超级透镜”，它是平面或厚片状的，并且分辨率小于光的波长。亚波长分辨率可通过构造能够处理光学“衰逝波”或光学“近场”的光学系统实现。常规透镜只在远场电磁波上起作用。近场辐射包含亚波长细节，这要求常规透镜不可能实现的放大或共振。
“超级透镜”的几种替换实施方式已经被提出了。某些提议是基于“负折射”的，它可用具有负折射系数的材料实现。还显示了负折射可在无负折射系数材料的情况下实现，例如用金属电介质光子晶体实现。
还提出了一种带有近场波的光学放大的负折射透镜，它可补偿由于实际材料和器件的非理想性引起的不可避免的损耗。
已提出了一种完全不同的方法来用光学相位共轭实现超级透镜亚波长分辨率。此概念还使能了一个平面透镜，要求能够进行波混合的非线性或活动材料片。
即使超级透镜的几种概念上的实施方式对操纵衰逝波的问题提出了不同的技术方案，它们也有几个共同的特征1.超级透镜能够进行亚波长分辨，2.超级透镜是平面或厚片状的，3.超级透镜可以用被微电子使用的技术而不是用于制造常规透镜的技术来制造。
因此本发明公开了用于图像传感器矩阵和超级透镜的单片集成的一种制造结构。尤其地，提议的制造结构强调一个超级透镜与在TF-SOI或TF-GeOI衬底上制成的背面光照的CMOS图像传感器的单片集成，其中CMOS图像传感器的传感器像素小于要被吸收的光的波长。
提议的结构也可具有放置在像平面的“SPP光漏斗”元件或“SPP像素”，其方式如本发明的前述章节中所讨论。这允许了具有亚波长横向尺寸的“SPP像素”。
图7显示了一个厚片状超级透镜的示意性图示，该超级透镜与背面光照的薄膜SOI CMOS图像传感器和根据本发明中所描述的第一实施方式制造的SPP光漏斗单片集成。
与背面光照的图像传感器单片集成的超级透镜的制造，与常规的由一个或多个图像传感器和一个单独的衍射有限的透镜组组成的数字成像系统相比，可提供系统的尺寸、重量和成本方面的极大的优势。
为超级透镜所设计的光学系统可模仿常规的衍射有限的透镜所设计的光学系统。光学系统要求光学元件之间距离受控变化，诸如聚焦和变焦的情况那样，所述光学系统也可用本发明的工艺结构通过制造可被微电机致动器致动的悬浮的薄膜来实施。这种结构的制造目前是一种已被良好掌握的技术。
最后，与用于背面光照的在TF-SOI或TF-GeOI衬底上制成的高级CMOS器件(例如45nm设计规则)单片集成的很高级的SAM-APD传感器(如PCT/EP/03/10346中描述的那样)与在埋入的氧化物背面制造的SPP光漏斗和超级透镜的结合，使得能够产生能够捕捉由超级透镜传递的近场的精微细节的亚波长SPP像素和传感器像素。例如，对于可见光中的最长波长，红色(λ≈650nm)，λ/3的分辨率可被转化为约0.20μm×0.2μm的像素。制造如此小的像素的能力鼓励了非常大的传感器矩阵的制造，其中所有电子变焦可以具有比常规光学透镜的变焦更好的性能，从而避免了制造MEMS元件来提供图像放大。
工艺结构以下给出的对一个“超级透镜”与一个图像传感器矩阵的单片集成的描述采用在TF-SOI或TF-GeOI上制成的背面光照的CMOS图像传感器的预处理以及可选的SPP光漏斗的预处理。
所述描述在SPP光漏斗的制造之后立即开始。背面上的所有处理是在一个低到不足以干扰在晶片的正面出现的任何结构和材料的温度下执行的。
一个“超级透镜的”制造过程，不是制造一个会聚的单个透镜，而是被重复多次，以便实现一个“超级透镜组”，其功能与常规透镜组的功能相似。以下描述中针对单个“超级透镜”。
制造流程以下参考示意图描述典型工艺流程。在这些图中，要注意层和图案不是按比例绘制的。
SPP光漏斗的第一实施方式的工艺流程此典型工艺流程是用于在TF-SOI或TF-GeOI衬底上制成的背面光照的CMOS图像传感器的。晶片的正面的完全处理，根据用于背面光照图像传感器的PCT/EP/03/10346中所示的典型工艺流程(图8A)。
背面的处理开始于去除埋入的氧化物下的块硅。块硅为埋入的氧化物和顶部的硅膜提供机械支撑，由于该原因衬底的顶侧需要被(暂时)粘附到一个与后续处理相容的机械支撑上。
块硅的去除可以通过在埋入的氧化物上选择性地湿法蚀刻完成。几种通常使用的化学制剂满足上述要求，例如包括KOH。此步骤暴露用作平版印刷工具的“标记层”对齐用于微制造的几个掩膜步骤。通常这些“标记层”是被蚀刻到衬底(大块或SOI)中的槽，它们在处理期间被诸如SiO2和Si3N4这样的材料所填充，在硅体被蚀刻掉时不会消失，并且将被用于要在衬底背面上执行的平版印刷步骤的对齐(图8B)。
“阻挡材料”1)在埋入的氧化物的暴露的表面上，可能便于形成一种化学稳定的阻挡材料(最好具有一个非常宽的带隙)的一层薄膜，以便在后续的处理中保护埋入的氧化物。在几种可能的材料中，Al2O3看起来是一个极佳的候选者。自然，沉积必须发生在低温下(图8C)。
“光集中器”2)沉积(用无论哪种适当的方法，例如PVD、CVD、旋压等)一种对所有感兴趣的波长都具有非常小的折射系数的电介质材料(图8D)。
3)照相平版，只从具有非常低的折射系数的材料将被从中去除的区域暴露(去除光阻材料)；4)对具有非常低的折射系数的材料的模制蚀刻，停止在Al2O3阻挡层上；5)光阻材料剥离和清理(图8E)。
“像素和波长滤波器的定义”6)沉积(用无论哪种适当的方法，例如PVD、CVD、旋压等)一种对所有感兴趣的波长的折射系数都充分高于先前沉积的电介质的折射系数的电介质材料(图8F)。
7)沉积金属成分和厚度适合于所有感兴趣的波长；8)照相平版，只从金属可被从中去除的区域暴露(去除光阻材料)；9)金属的模制蚀刻，停止在具有高折射系数的电介质上；10)光阻材料剥离和清理(图8G)；11)沉积(用无论哪种适当的方法，例如PVD、CVD、旋压等)一种适合在与一个透明衬底粘合时做接口材料的电介质材料；12)低温晶片粘合到一个透明衬底，并且随后与晶片正面处的机械支撑物分离(图8H)。
由于通过晶片粘合进行的SOI衬底制造以及由于集成电路的3D堆叠，用于这类处理的处理设备、工艺、化学制剂等已经变得更常见了。SOI衬底的制造仅涉及其上没有制造任何器件的层。但是，对于集成电路的3D堆叠，在被堆叠的几个晶片或单独的IC之间具有高精度对齐是必需的。
SPP光漏斗的第二实施方式的工艺流程此典型工艺流程是用于在TF-SOI或TF-GeOI衬底或大块衬底上制成的正面光照的CMOS图像传感器的。用于正面光照图像传感的晶片正面的完全处理。光电二极管的理想掺杂和异质结分布在PCT/EP/03/10346中定义(图9A)。
“阻挡材料”1)在制造最后的用于互连的金属层后，一层绝缘膜被沉积。此膜的厚度并不重要，例如一微米。绝缘体膜应该是一种化学上稳定的阻挡材料(最好具有非常宽的带隙)，它不会与其下的金属或电介质起反应，也不会与在其上沉积的金属或绝缘体起反应。沉积的温度必须足够低，以便与已经存在的材料相容。此材料可以是例如SiO2或Al2O3(图9B)。
“输出波纹”2)沉积(用无论哪种适当的方法，例如PVD、CVD、PE-CVD等)一种电介质材料，其厚度与作为光束的“出口侧”的金属膜的底面的波纹的深度匹配。此绝缘体膜-一个硬掩膜层-应该易于选择性地在上一步骤中沉积的“阻挡材料”上蚀刻。此材料可以是例如Si3N4(图9C)；3)照相平版，只暴露(去除光阻材料)材料要被去除的区域；4)折射系统非常低的材料的模制蚀刻，停止在阻挡材料上；5)光阻材料剥离和清理(图9D)。
“输入波纹”2)通过例如PVD沉积一层适当的金属膜，例如银膜或金膜，其厚度是由所需的光学属性定义的。此厚度总是远大于“输入波纹”和“输出波纹”的深度之和(图9E)；3)照相平版，只暴露(去除光阻材料)金属要被去除的区域；4)金属的模制蚀刻，停止在波纹所需的深度处；5)光阻材料剥离和清理(图9F)。
“中心孔/缝&像素隔离”10)照相平版，只暴露(去除光阻材料)金属要被去除的区域；11)顶部电介质膜的模制蚀刻，整个金属膜厚度，停止在金属层之前沉积的“阻挡材料”处。此蚀刻定义了中心孔/缝，并且定义了单个像素，即带有中心孔/缝的双面波纹的金属膜的隔离的区域；12)光阻材料剥离和清理(图9G)。
13)沉积(用无论哪种适当的方法，例如PVD、CVD、旋压等)一种适合作为对下面的金属的接口材料的电介质材料。此材料填满金属中的沟槽(波纹)并且平面化表面(图9H)；14)沉积钝化层。
超级透镜的制造的工艺流程此典型工艺流程描述了一个与背面光照的TF-SOI或TF-GeOI CMOS图像传感器单片集成的“超级透镜”的制造。即使这不是一个必要条件，也将假定“超级透镜”的制造之前是根据如本公开中其他地方所描述的第一实施方式的SPP光漏斗的制造。SPP光漏斗被放置在“超级透镜”的像平面中。以下描述的工艺流程立即开始于SPP光漏斗的制造之后，并且开始于将晶片粘合到一个透明衬底之前(图10A)1.电介质膜的沉积，例如SiO2。
此膜的厚度对应于SPP光漏斗元件放置其中的像平面与光通过其离开透镜的透镜后表面之间的理想距离(图10B)。
超级透镜的制造正如已经提到的，可通过不同的概念获得“超级透镜效应”。以下两种这样的概念被提供作为选择。
选项2A-金属电介质光子晶体2D光子晶体的制造可以按“逐层”的方式容易地完成。3D光子晶体的制造可以通过不同的制造结构、技术和流程完成。例如“木料堆”结构使其本身适于按一种“逐层”的方式构建。“逐层”方式是用于常规硅微电子中的处理步骤的首选方法。在图中，光子晶体的内部细节不会被显示(图10C)；
选项2B-光学相位共轭制造一个光学相位共轭介质等于制造一个薄片形式的非线性光学介质，它可以是执行三波混合的一个活动器件。三波混合可以用非晶体材料实现，例如“手性液体”，这种材料是自修复的，并且适于“湿”合成方法。此选项未显示在图中。
3.晶片粘合到一个透明衬底，从而向“超级透镜”提供一个机械支撑和一个保护层。粘合过程必须在一个低到足以防止TF-SOI或TF-GeOI衬底的两面上制造的任何结构和材料的损坏的温度下执行(图10D)。
4.将机械支撑物从衬底的正面去除(图10E)。
5.单个“芯片”的切块和封装。
权利要求
1.制造允许背面光照的CMOS图像传感器的工艺方法，包括以下步骤(a)选择一个薄膜绝缘体上硅(TF-SOI)或薄膜绝缘体上锗(TF-GeOI)衬底，(b)在衬底的正面外延地生成光电二极管活动层，(c)在衬底的正面，在传感器矩阵之上制造密集金属互连，(d)在完全处理TF-SOI或TF-GeOI衬底的正面之后，去除埋入的绝缘体(埋入的氧化物)下的衬底，(e)在埋入的氧化物背面制造单片集成的结构，(f)将背面粘合到一个对感兴趣的波长透明的新的机械衬底。
2.根据权利要求1所述的工艺方法，其中所述背面结构包括至少一个常规彩色滤波器，嵌入在所述的埋入的氧化物和所述的透明机械衬底之间。
3.根据权利要求1所述的工艺方法，其中像素内同质结或异质结外延电容直接在所述的外延生成的光电二极管层上被制成。
5.根据权利要求1所述的工艺方法，其中像素内MOS电容直接在所述的外延生成的光电二极管层上被制成。
6.根据权利要求1所述的工艺方法，其中所述的像素内MIM电容在所述的互连的制造期间、在所述像素的区域之上被制成。
7.根据权利要求1所述的工艺方法，其中所述的背面结构是一个单片集成的表面等离极化激元(SPP)结构。
8.根据权利要求7所述的工艺方法，其中被安排进1D或2D阵列的所述表面等离极化激元(SPP)器件包括-在一种具有高介电常数的绝缘材料的一层膜上形成的导电材料的薄膜，所述绝缘材料的膜被形成在在另一种具有低介电常数的绝缘材料的一层膜上；-所述的低介电常数材料具有穿过所述膜的整个厚度的孔，所述孔被所述高介电常数材料所填充，在那些区域中所述的高介电常数材料具有一个T形的横截面；-所述的低介电常数材料中的孔与所述的光传感器对齐，电磁辐射将被耦合到所述光传感器；-在所述的高介电常数材料上沉积的所述金属膜被模制成可以被重复以完全填充一个表面的诸如正方形、矩形或六边形的规则形状的隔离的像素的一个阵列；-所述低介电常数材料中的孔远小于所述的隔离的金属膜-像素的面积；-所述的隔离的金属膜-像素的阵列被放置在一个透镜的像平面，而被所述的高介电常数材料填充的所述孔的底部被放置在尽可能靠近一个光传感器的吸收区域处；-共振表面等离极化激元被入射到所述的隔离的金属膜的顶面上的电磁辐射所激励，并且传播到所述孔的底部，在这里所述的电磁辐射被耦合到一个光传感器，并且被所述光传感器吸收；-作为一种调整操作波长的方法，所述金属膜的顶面被具有不同介电常数的不同的绝缘体材料所覆盖；-金属膜结构的1D或2D矩阵被制造在背面光照的TF-SOI或TF-GeOI衬底的埋入的氧化物上，高精度地与在所述衬底的正面上制造的器件对齐，尤其与所述光电二极管对齐。
9.根据权利要求8所述的工艺方法，其中聚集光的所述金属膜的表面和泄漏光的所述孔的表面远小于光的波长，不发生衍射。
10.根据权利要求8或9所述的工艺方法，其中所述金属膜被具有所需的形状、大小和间距的缝和/或孔打孔，以便增强波长选择性和/或偏振选择性。
11.根据权利要求7所述的工艺方法，其中排列成1D或2D阵列的所述表面等离极化激元(SPP)器件包括-导体膜，其具有至少一个位于中央的并且被在膜的正面和背面对称排列的波纹所环绕的缝或孔；所述像素的顶视图具有可以被复制以完全填充一个表面的一个规则形状，例如一个正方形、一个矩阵或一个六边形。-所述金属膜的底面和顶面能够与具有相当不同的介电常数的多种绝缘材料接口；-所述膜的顶面被放置在一个透镜的像平面，而离开所述底面的光束具有亚波长横截面和非常低的发散度；-每个隔离的导体膜中，在底面处光束以非常低的发散度从中离开的所述的孔或缝高精度地与所述传感器像素内的所述光电二极管对齐。
12.根据权利要求11所述的工艺方法，其中聚集光的所述金属膜的表面和泄漏光的所述孔的表面远小于光的波长，不发生衍射。
13.根据权利要求11或12所述的工艺方法，其中所述金属膜被具有所需的形状、大小和间距的缝和/或孔打孔，以便增强波长选择性和/或偏振选择性。
14.根据权利要求11所述的工艺方法，其中所述表面等离极化激元(SPP)器件，其中所述1D或2D阵列被制造在背面光照的TF-SOI或TF-GeOI衬底的埋入的氧化物上，高精度地与在所述衬底的正面制造的器件尤其是所述光电二极管对齐。
15.根据权利要求11所述的工艺方法，其中所述的1D或2D阵列被制造在提供所述晶片的正面上的互连的完整的金属堆叠的最后的金属层上形成的一个电介质层的顶上，适于正面光照，不论衬底类型为何种。
16.根据权利要求1所述的工艺方法，其中所述的背面结构包括一个单片集成的“理想透镜”或“超级透镜”结构。
17.根据前述任何一条权利要求所述的工艺方法制造的CMOS图像传感器。
全文摘要
光传感器件与薄膜绝缘体上硅(TF－SOI)或薄膜绝缘体上锗(TF－GeOI)衬底上的CMOS器件单片集成。光电二极管活动层被外延地生成在衬底的正面，在完全处理衬底正面以后，埋入的绝缘体(埋入的氧化物)下的衬底材料被去除。然后单片集成的衬底被制造在埋入的氧化物的背面。然后背面被粘合到一个对感兴趣的波长透明的新的衬底。例如，石英、蓝宝石、玻璃或塑料适合于可见光范围。从而允许了传感器矩阵的背面光照，光穿过在与产生CMOS的一侧相对的衬底的背面上制造的结构。
文档编号H01L31/0216GK1723572SQ200380105462
公开日2006年1月18日 申请日期2003年12月9日 优先权日2002年12月9日
发明者卡洛斯·J·R·P.·奥古斯托 申请人:量子半导体有限公司