专利名称：带有绝缘埋层的图像传感器及其制备方法
带有绝缘埋层的图像传感器及其制备方法技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及一种图像传感器及其制备方法，特别是涉及一种带有绝缘埋层的图像传感器及其制备方法。
背景技术：
SOI (Silicon-On-Insulator,绝缘衬底上硅)技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层。通过在绝缘体上形成半导体薄膜，SOI材料具有了传统的体硅材料所无法比拟的优点可以实现集成电路中元器件的介质隔离，彻底消除了体硅CMOS电路中的寄生闩锁效应；采用这种材料制成的集成电路还具有寄生电容小、集成密度高、速度快、工艺简单、短沟道效应小及特别适用于低压低功耗电路等优势。
CMOS图像传感器是一种将光学图像转换为电信号的半导体器件，一般由光学感光器件和CMOS信号处理电路(包括像素读出电路)构成。目前常见的CMOS图像传感器是有源像素型图像传感器(APS)，其中又分为三管像素读出电路(3T，包括复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管)和四管像素读出电路GT，包括转移晶体管、复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管)两大类。
现有的基于SOI工艺的CMOS图像传感器，大致有以下两类
第一类是将感光二极管制作于衬底硅上的CMOS图像传感器，如图1所示。图1 中的像素读出电路采用的是4T型，其原理与3T型基本类似，因此下面以图1所示4T型作介绍，包括S0I的P型掺杂衬底硅101、绝缘层(一般为二氧化硅)102、P型掺杂的顶层硅 103、衬底硅中的N型掺杂阱区107、位于所述N型掺杂阱区以上的衬底硅的表面P型掺杂区108、转移晶体管105、浮动扩散区106、位于衬底硅以上及转移晶体管以下的二氧化硅层 109、以及位于顶层硅上的像素读出电路104(图1中未画出具体电路结构仅以一个晶体管图示像素读出电路)，其中，N型掺杂阱区107的全部、表面P型掺杂区108的部分和衬底硅 101的部分组成了有效感光区110。
其工作原理是，先用像素读出电路104中的复位晶体管将浮动扩散区106内的电子全部吸入电源，使其电位变高；曝光开始后，光子照射到有效感光区110，并于其内生成电子和空穴对；曝光结束后，转移晶体管105上加高电平，将有效感光区110中的光生电子转移到浮动扩散区106，使其电位降低，最后通过像素读出电路104中的放大晶体管和行选择晶体管(图1中未画出具体电路结构仅以一个晶体管图示像素读出电路)将光生电压信号输出。
所述第一类基于SOI工艺的CMOS图像传感器至少存在如下缺点由于感光区域位于衬底硅中并直接与其接触，当所述的图像传感器处于辐射环境中时，高能粒子将会打入衬底硅101中，产生大量的电子空穴对，其中的高能电子容易越过衬底硅101和N型掺杂阱区107所构成的PN结势垒而进入N型掺杂阱区107，形成对图像信号的干扰，降低了所得图像的信噪比和动态范围。
第二类是将感光二极管制作于顶层硅上的CMOS图像传感器结构，如图2所示，包括SOI的衬底硅201、中间绝缘层202、P型掺杂顶层硅203、位于顶层硅内靠近表面的N型掺杂区204、和位于顶层硅层中像素读出电路206。其中N型掺杂区204的靠近顶层硅203 的耗尽部分和顶层硅203的靠近N型掺杂区204的耗尽部分，共同构成有效感光区205，且所述有效感光区全部位于SOI的顶层硅层内部。N型掺杂区204的掺杂浓度比顶层硅203 的掺杂浓度高3个数量级以上，使得大部分耗尽区位于顶层硅203内。
图2所示的基于SOI工艺的CMOS图像传感器通过位于顶层硅内的有效感光区205 来收集光生载流子，其余的工作原理与图1中的图像传感器相同。
所述第二种基于SOI工艺的CMOS图像传感器至少存在以下缺点由于其感光区位于顶层硅中，且为了使用全耗尽型SOI器件，顶层硅203的厚度一般小于200nm，大大限制了有效感光区205的深度，使得此图像传感器的光吸收效率下降，尤其是对于波长大于600nm 的红色，橙色和黄色光，吸收效率极低，成像质量很不理想。发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种带有绝缘埋层的图像传感器及其制备方法，用于解决现有技术中图像传感器的抗辐射性能差降低了所得图像的信噪比和动态范围的问题，以及有效感光区深度受限降低光吸收率的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种带有绝缘埋层的图像传感器的制备方法，该制备方法至少包括以下步骤
1)提供第一半导体衬底和第二半导体衬底，所述第一半导体衬底包括第一支撑衬底、位于所述第一支撑衬底表面上的第一绝缘埋层、以及位于所述第一绝缘埋层表面上的第一顶层半导体层；
2)在所述第二半导体衬底上表面定义出第I区域和第II区域，并在所述第I区域开窗口 ；
3)将所述开窗口的第二半导体衬底上表面对准所述第一半导体衬底的第一顶层半导体层上表面，键合所述第一半导体衬底及第二半导体衬底；
4)将所述第二半导体衬底减薄，直至经由所述第二半导体衬底的第I区域开设的窗口暴露出所述第一顶层半导体层表面，以使减薄后的第二半导体衬底与所述第一顶层半导体层形成厚膜层，位于所述窗口底部的所述第一顶层半导体层为薄膜层；
5)光学传感器件制备在所述厚膜层中，像素读出电路制备在所述薄膜层中，并形成相邻器件间的隔离结构，以完成带有绝缘埋层的图像传感器的制备。
可选地，所述薄膜层的厚度为0. 15 μ m 0. 3 μ m ；所述厚膜层的厚度为0. 5 μ m 5 μ m0
可选地，所述第二半导体衬底为具有绝缘埋层的半导体衬底，包括第二支撑衬底、位于所述第二支撑衬底表面上的第二绝缘埋层、以及位于所述第二绝缘埋层表面上的第二半导体衬底的顶层半导体层；所述步骤幻中，开窗口为直至暴露出所述第二半导体衬底的第二绝缘埋层表面；所述步骤4)中的减薄过程包括依序刻蚀或腐蚀所述第二半导体衬底的第二支撑衬底和第二绝缘埋层。
可选地，所述第二半导体衬底的材料为普通半导体衬底材料，为硅、锗、硅锗、及蓝宝石中的至少一种；所述步骤4)中的减薄过程包括前序的刻蚀或腐蚀过程以及后序的平坦化过程。
可选地，所述光学传感器件至少包括感光二极管及光电门的一种；所述像素读出电路为三管像素读出电路或四管像素读出电路，其中，所述三管像素读出电路包括复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管，所述四管像素读出电路包括转移晶体管、复位晶体管、 放大晶体管和行选择晶体管。
可选地，所述像素读出电路的复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管制备在所述薄膜层中；当所述像素读出电路为四管像素读出电路时，所述像素读出电路的转移晶体管制备在所述厚膜层中。
此外，本发明还提供一种带有绝缘埋层的图像传感器的制备方法，该制备方法至少包括以下步骤
1)提供第一半导体衬底和第二半导体衬底，所述第一半导体衬底包括第一支撑衬底、位于所述第一支撑衬底表面上的第一绝缘埋层、以及位于所述第一绝缘埋层表面上的第一顶层半导体层；
2)在所述第一顶层半导体层中制备像素读出电路；
3)在所述第二半导体衬底表面定义出第I区域和第II区域，并在所述第I区域开窗口 ；
4)将所述开窗口的第二半导体衬底上表面对准所述第一半导体衬底的第一顶层半导体层上表面，键合所述第一半导体衬底及第二半导体衬底，并使所述第二半导体衬底上表面的窗口区域与制备有像素读出电路的第一顶层半导体层表面区域相对应；
5)将所述第二半导体衬底减薄，直至经由所述第二半导体衬底的第I区域开设的窗口暴露出制备有像素读出电路的第一顶层半导体层表面，以使减薄后的第二半导体衬底与所述第一顶层半导体层形成厚膜层，位于所述窗口底部的所述第一顶层半导体层为薄膜层；
6)在所述厚膜层中完成光学传感器件制备，并形成相邻器件间的隔离结构，以完成带有绝缘埋层的图像传感器的制备。
可选地，所述薄膜层的厚度为0. 15 μ m 0. 3 μ m ；所述厚膜层的厚度为0. 5 μ m 5 μ m0
可选地，所述第二半导体衬底为具有绝缘埋层的半导体衬底，包括第二支撑衬底、位于所述第二支撑衬底表面上的第二绝缘埋层、以及位于所述第二绝缘埋层表面上的第二半导体衬底的顶层半导体层；所述步骤幻中，开窗口为直至暴露出所述第二半导体衬底的第二绝缘埋层表面；所述步骤幻中的减薄过程包括依序刻蚀或腐蚀所述第二半导体衬底的第二支撑衬底和第二绝缘埋层。
可选地，所述第二半导体衬底的材料为普通半导体衬底材料，为硅、锗、硅锗、及蓝宝石中的至少一种；所述步骤幻中的减薄过程包括前序的刻蚀或腐蚀过程以及后序的平坦化过程。
可选地，所述光学传感器件至少包括感光二极管及光电门的一种；所述像素读出电路为三管像素读出电路或四管像素读出电路，其中，所述三管像素读出电路包括复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管，所述四管像素读出电路包括转移晶体管、复位晶体管、 放大晶体管和行选择晶体管。
可选地，所述像素读出电路的复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管制备在所述薄膜层中；当所述像素读出电路为四管像素读出电路时，所述像素读出电路的转移晶体管制备在所述厚膜层中。
另外，本发明还提供一种带有绝缘埋层的图像传感器，至少包括
支撑衬底；
绝缘埋层，位于所述支撑衬底表面上；
顶层半导体层，位于所述绝缘埋层表面上，具有凹槽，所述顶层半导体层包括藉由该凹槽底部构成的薄膜层以及除所述薄膜层以外的厚膜层；
光学传感器件，制备在所述厚膜层中；
像素读出电路，制备在所述薄膜层中；
隔离结构，制备在所述光学传感器件和像素读出电路的各相邻器件之间。
可选地，所述薄膜层的厚度为0. 15 μ m 0. 3 μ m ；所述厚膜层的厚度为0. 5 μ m 5 μ m0
可选地，所述光学传感器件至少包括感光二极管及光电门的一种；所述像素读出电路为三管像素读出电路或四管像素读出电路，其中，所述三管像素读出电路包括复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管，所述四管像素读出电路包括转移晶体管、复位晶体管、 放大晶体管和行选择晶体管。
可选地，所述像素读出电路的复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管制备在所述薄膜层中；当所述像素读出电路为四管像素读出电路时，所述像素读出电路的转移晶体管制备在所述厚膜层中。
如上所述，本发明的一种带有绝缘埋层的图像传感器及其制备方法，具有以下有益效果
1)光学传感器件制备在厚膜层中，使其能够实现较深的PN结耗尽区，从而具有较高的光吸收效率。
2)像素读出电路制备在薄膜层中，实现全耗尽MOS晶体管，使像素读出电路具有高速、低功耗、抗闩锁的优良性能。
3)图像传感器的光学传感器件和像素读出电路通过绝缘埋层与支撑衬底实现电学隔离，相邻器件实现全隔离，避免有光生电子进入衬底并通过衬底发生串扰，提高了其抗高能粒子辐射的能力。
4)第一顶层半导体层、薄膜层、厚膜层和顶层半导体层均具有良好的半导体质量和表面质量，与标准硅片或SOI晶圆表面质量无异，进一步保证了图像传感器性能。
图1显示为现有技术中第一类CMOS图像传感器的示意图。
图2显示为现有技术中第二类CMOS图像传感器的示意图。
图3a至图3f显示为本发明带有绝缘埋层的图像传感器制备方法在实施例一中的示意图。
图如至图4g显示为本发明带有绝缘埋层的图像传感器制备方法在实施例二中的示意图。
图fe至图恥显示为本发明带有绝缘埋层的图像传感器在实施例
元件标号说明
11第一支撑衬底
11，支撑衬底
12第一绝缘埋层
12，绝缘埋层
13第一顶层半导体层
1第一半导体衬底
21第二支撑衬底
22第二绝缘埋层
23第二半导体衬底的顶层半导体层
2第二半导体衬底
31薄膜层
32厚膜层
31，顶层半导体层的薄膜层
32，顶层半导体层厚膜层
30，顶层半导体层的凹槽
3，顶层半导体层
4、4，、104、206像素读出电路
5、5，光学传感器件
6、6，隔离结构
7、7，、105转移晶体管
8、8，、106浮动扩散区
101,201衬底硅
102,202绝缘层
103,203P型掺杂的顶层硅
107衬底硅中的N型掺杂阱区
108表面P型掺杂区
109二氧化硅层
110,205有效感光区
204顶层硅的N型掺杂区具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式
加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图3a至图恥。需要说明的是，以下具体实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时9的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
如图3a至图3f所示，本发明提供一种带有绝缘埋层的图像传感器的制备方法，该制备方法至少包括以下步骤
首先执行步骤1)，提供第一半导体衬底1和第二半导体衬底2，其中，如图3a所示，所述第一半导体衬底1包括第一支撑衬底11、位于所述第一支撑衬底11表面上的第一绝缘埋层12、以及位于所述第一绝缘埋层12表面上的第一顶层半导体层13 ；所述第二半导体衬底2为普通半导体衬底或具有绝缘埋层的半导体衬底，在本实施例一中，如图: 所示，所述第二半导体衬底2为具有绝缘埋层的半导体衬底，包括第二支撑衬底21、位于所述第二支撑衬底21表面上的第二绝缘埋层22、以及位于所述第二绝缘埋层22表面上的第二半导体衬底2的顶层半导体层23。
其中，所述第一支撑衬底11和第二支撑衬底21的材料均为普通半导体衬底材料， 为硅、锗、硅锗、及蓝宝石中的至少一种；所述第一绝缘埋层12和第二绝缘埋层22均为单层结构或叠层结构，其中的所述单层结构或所述叠层结构中的每一层的材料为氧化硅、氮化硅及氮氧化硅中的至少一种；所述第一顶层半导体层13和第二半导体衬底的顶层半导体层23的材料均为用于制备半导体器件的半导体材料，为硅、应变硅、锗、及硅锗中的至少一种，且所述第一顶层半导体层13的厚度为0. 15 μ m 0. 3 μ m，所述第二半导体衬底的顶层半导体层23的厚度为0. 35 μ m 4. 7 μ m。具体地，在本实施例一中，所述第一支撑衬底11 为硅材料支撑衬底，所述第一绝缘埋层12为氮化硅单层结构，所述第一顶层半导体层13为单晶硅；所述第二支撑衬底21为蓝宝石材料支撑衬底，所述第二绝缘埋层22为氧化硅单层结构，所述第二半导体衬底的顶层半导体层23为单晶硅，即为衬底材料是蓝宝石的绝缘体上硅，所述第一顶层半导体层13的优选厚度为0. 15 μ m 0. 25 μ m,所述第二半导体衬底的顶层半导体层23的优选厚度为0. 35 μ m 2. 25 μ m。
需要说明的是，在另一实施例中，所述第二半导体衬底2为普通半导体衬底，其材料为硅、锗、硅锗、及蓝宝石中的至少一种。接着执行步骤2)。
如图3c所示，在步骤2、中，在所述第二半导体衬底2上表面定义出第I区域和第 II区域，并在所述第I区域开窗口，其中，对所述第I区域开窗口采用的工艺为常规光刻、刻蚀(至少包括感应耦合等离子体刻蚀或反应离子刻蚀)及腐蚀，在本实施例一中，采用常规光刻、反应离子刻蚀及腐蚀，在所述第二半导体衬底2的上表面(即所述第二半导体衬底2 的顶层半导体层23的上表面)对已定义的所述第I区域开窗口，直至暴露出所述第二半导体衬底2的第二绝缘埋层22上表面。
需要说明的是，在另一实施例中，所述第二半导体衬底2为普通半导体衬底时，前述的步骤2)采用常规光刻、刻蚀(至少包括感应耦合等离子体刻蚀或反应离子刻蚀)及腐蚀，在所述第二半导体衬底2的上表面对已定义的所述第I区域开窗口，开窗口的深度大于等于制备所需光学传感器件需要的最大深度。接着执行步骤3)。
如图3d所示，在步骤幻中，将所述开窗口的第二半导体衬底2上表面对准所述第一半导体衬底1的第一顶层半导体层13上表面，采用常规键合技术，键合所述第一半导体衬底1及第二半导体衬底2。接着执行步骤4)。
如图3d和!Be所示，在步骤4)中，将所述第二半导体衬底2减薄，直至经由所述第二半导体衬底2的第I区域开设的窗口暴露出所述第一顶层半导体层13表面，以使减薄后的第二半导体衬底与所述第一顶层半导体层形成厚膜层32，位于所述窗口底部的所述第一顶层半导体层为薄膜层31。具体地，在本实施例一中，所述第二半导体衬底2为具有绝缘埋层的半导体衬底，其中，所述第二支撑衬底21为蓝宝石材料支撑衬底，所述第二绝缘埋层22为氧化硅单层结构，所述第二半导体衬底的顶层半导体层23为单晶硅，则所述步骤 4)中的减薄过程包括先刻蚀或腐蚀所述第二半导体衬底2的第二支撑衬底21，再刻蚀或腐蚀所述第二半导体衬底2的第二绝缘埋层22，直至经由所述第二半导体衬底2的第I区域开设的窗口暴露出所述第一顶层半导体层13表面，仅保留所述第二半导体衬底2的顶层半导体层23，以使减薄后的第二半导体衬底(即第二半导体衬底2的顶层半导体层23)与所述第一顶层半导体层形成厚膜层32，位于所述窗口底部的所述第一顶层半导体层为薄膜层31，其中，所述薄膜层31的厚度(与所述第一顶层半导体层的厚度相等)为0.15μπι 0. 3 μ m(其优选厚度为0. 15 μ m 0. 25 μ m)，所述厚膜层32的厚度为0. 5 μ m 5 μ m(其优选厚度为0. 5 μ m 2. 5 μ m)，所述薄膜层31和厚膜层32均为硅材料。进一步，在另一个实施例中，刻蚀或腐蚀所述第二半导体衬底2的第二支撑衬底21和第二绝缘埋层22之后， 直至经由所述第二半导体衬底2的第I区域开设的窗口暴露出所述第一顶层半导体层13 表面，对所述第二半导体衬底2的顶层半导体层23再进行平坦化，具体地，所述平坦化采用化学机械抛光方法来实现，以使减薄后的第二半导体衬底与所述第一顶层半导体层形成厚度在0. 5μπι 5μπι之间(优选厚度为0. 5 μ m 2. 5 μ m)的硅材料厚膜层32。
需要说明的是，在另一实施例中，所述第二半导体衬底2为普通半导体衬底时，前述的步骤4)的减薄过程包括前序的刻蚀或腐蚀过程以及后序的平坦化过程，直至经由所述第二半导体衬底2的第I区域开设的窗口暴露出所述第一顶层半导体层13表面，以使减薄后的第二半导体衬底与所述第一顶层半导体层形成厚膜层32，位于所述窗口底部的所述第一顶层半导体层为薄膜层31。接着执行步骤5)。
如图3f所示，在步骤幻中，光学传感器件5制备在所述厚膜层32中，像素读出电路4制备在所述薄膜层31中，并采用浅沟道隔离或绝缘介质隔离方法形成相邻器件间的隔离结构6，以完成带有绝缘埋层的图像传感器的制备。
需要具体说明的是，所述光学传感器件5至少包括感光二极管(至少包括PN结感光二极管或PIN结感光二极管)及光电门中的一种，制备在所述厚膜层32中；所述像素读出电路4为三管像素读出电路或四管像素读出电路或其他由MOS晶体管组成的像素读出电路所述三管像素读出电路包括复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管，制备在所述薄膜层31中；所述四管像素读出电路包括转移晶体管、复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管，其中，所述四管像素读出电路的转移晶体管制备在所述厚膜层32中，所述四管像素读出电路的复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管制备在所述薄膜层31中。具体地，在本实施例一中，如图3f所示，所述光学传感器件5为PN结感光二极管，制备在所述厚膜层 32中；所述像素读出电路4为四管像素读出电路，其中，所述四管像素读出电路的复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管仅以一个晶体管示意(见图3f)，所述四管像素读出电路的转移晶体管7、浮动扩散区8所制备的区域与所述四管像素读出电路的复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管所制备的区域分别在两个不同的区域中。
在本实施例一中，所述薄膜层31和第一顶层半导体层13均为厚度在0. 15 μ m 0.3μπι之间(优选厚度为0. 15 μ m 0.25 μ m)的单晶硅材料，所述第二半导体衬底2为绝缘体上硅(S0I，其衬底材料为蓝宝石)，所述厚膜层32为厚度在0.5μπι 5μπι之间(优选厚度为0. 5 μ m 2. 5 μ m)的单晶硅材料，如图3f所示，所述光学传感器件5为PN结感光二极管，制备在所述厚膜层32中，所述像素读出电路4为四管像素读出电路，其中，所述四管像素读出电路的复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管仅以一个晶体管示意，均制备在所述薄膜层31中，所述四管像素读出电路的转移晶体管7及浮动扩散区8均制备在所述厚膜层32中；形成相邻器件间的隔离结构6采用绝缘介质隔离方法，以完成带有绝缘埋层的图像传感器的制备。
本方法制备的带有绝缘埋层的图像传感器具有良好的抗辐射性能，且该图像传感器的感光区域具有较高的光吸收效率，同时该图像传感器的电路具有高速、低功耗、抗闩锁的优良性能，另外，该图像传感器具有良好的半导体质量和表面质量，进一步保证了其性能，即带有绝缘埋层的图像传感器具有良好的半导体性能。
实施例二
如图如至48所示，本发明还提供一种带有绝缘埋层的图像传感器的制备方法，该制备方法至少包括以下步骤
首先执行步骤1)，提供第一半导体衬底1和第二半导体衬底2，其中，如图如所示，所述第一半导体衬底1包括第一支撑衬底11、位于所述第一支撑衬底11表面上的第一绝缘埋层12、以及位于所述第一绝缘埋层12表面上的第一顶层半导体层13 ；所述第二半导体衬底2为普通半导体衬底或具有绝缘埋层的半导体衬底，在本实施例二中，如图4b所示，所述第二半导体衬底2为普通半导体衬底。
其中，所述第一支撑衬底11和第二半导体衬底2的材料均为普通半导体衬底材料，为硅、锗、硅锗、及蓝宝石中的至少一种；所述第一绝缘埋层12为单层结构或叠层结构， 其中的所述单层结构或所述叠层结构中的每一层的材料为氧化硅、氮化硅及氮氧化硅中的至少一种；所述第一顶层半导体层13的材料为用于制备半导体器件的半导体材料，为硅、应变硅、锗、及硅锗中的至少一种，且所述第一顶层半导体层13的厚度为0. 15μπι 0. 3 μ m，所述第二半导体衬底2的厚度大于制备所需光学传感器件需要的最大深度。具体地，在本实施例二中，所述第一支撑衬底11为蓝宝石材料支撑衬底，所述第一绝缘埋层12 为包括氮化硅和氮氧化硅的双层结构，所述第一顶层半导体层13为锗材料；所述第二半导体衬底2为锗材料衬底；所述第一顶层半导体层13的优选厚度为0. 2 μ m 0. 3 μ m，所述第二半导体衬底2的优选厚度为10 μ m 12 μ m (大于制备所需光学传感器件需要的最大深度)。
需要说明的是，在另一实施例中，所述第二半导体衬底2为具有绝缘埋层的半导体衬底，包括第二支撑衬底(材料为普通半导体衬底材料，为硅、锗、硅锗、及蓝宝石中的至少一种)、位于所述第二支撑衬底表面上的第二绝缘埋层(为单层结构或叠层结构，其中的所述单层结构或所述叠层结构中的每一层的材料为氧化硅、氮化硅及氮氧化硅中的至少一种)、以及位于所述第二绝缘埋层表面上的第二半导体衬底的顶层半导体层(材料为用于制备半导体器件的半导体材料，为硅、应变硅、锗、及硅锗中的至少一种)，且所述第二半导体衬底的顶层半导体层的厚度为0. 35 μ m 4. 7 μ m。接着执行步骤2)。
如图如所示，在步骤幻中，在所述第一顶层半导体层13中制备像素读出电路4， 所述像素读出电路4为三管像素读出电路或四管像素读出电路或其他由MOS晶体管组成的像素读出电路所述三管像素读出电路包括复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管，制备在所述第一顶层半导体层13(所需薄膜层31)中；所述四管像素读出电路包括转移晶体管、复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管，其中，所述四管像素读出电路的复位晶体管、 放大晶体管和行选择晶体管制备在所述第一顶层半导体层13(所需薄膜层31)中，所述四管像素读出电路的转移晶体管后续制备在所需厚膜层32中。具体地，在本实施例二中，如图如所示，所述像素读出电路4为三管像素读出电路，其复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管仅以一个晶体管示意(见图4c)，制备在所述第一顶层半导体层13 (所需薄膜层31) 中。接着执行步骤3)。
如图4d所示，在步骤幻中，在所述第二半导体衬底2表面定义出第I区域和第II 区域，并在所述第I区域开窗口，使开窗口的深度大于等于制备所需光学传感器件需要的最大深度，且使所述窗口的深度大于已制备的像素读出电路4高于所述第一顶层半导体层 13上表面的最大高度，其中，对所述第I区域开窗口采用的工艺为常规光刻、刻蚀(至少包括感应耦合等离子体刻蚀或反应离子刻蚀)及腐蚀，在本实施例二中，采用常规光刻、感应耦合等离子体刻蚀及腐蚀，在所述第二半导体衬底2的上表面对已定义的所述第I区域开窗口，窗口深度为5. 5μπι。
需要说明的是，在另一实施例中，所述第二半导体衬底2为具有绝缘埋层的半导体衬底时，前述的步骤3)采用常规光刻、刻蚀(至少包括感应耦合等离子体刻蚀或反应离子刻蚀)及腐蚀，在所述第二半导体衬底2的顶层半导体上表面对已定义的所述第I区域开窗口，直至暴露出所述第二半导体衬底2的第二绝缘埋层上表面。接着执行步骤4)。
如图如所示，在步骤4)中，将所述开窗口的第二半导体衬底2上表面对准所述第一半导体衬底1的第一顶层半导体层13上表面，采用常规键合技术，键合所述第一半导体衬底1及第二半导体衬底2，并使所述第二半导体衬底2上表面的窗口区域与制备有像素读出电路4的第一顶层半导体层13表面区域相对应。接着执行步骤5)。
如图4f所示，在步骤幻中，将所述第二半导体衬底2减薄，直至经由所述第二半导体衬底2的第I区域开设的窗口暴露出制备有像素读出电路4的第一顶层半导体层13 表面，以使减薄后的第二半导体衬底与所述第一顶层半导体层形成厚膜层32，位于所述窗口底部的所述第一顶层半导体层为薄膜层31。具体地，在本实施例二中，所述第二半导体衬底2为厚度是10 μ m 12 μ m的锗衬底，其开窗口的深度为5. 5 μ m，此时，所述步骤5)中的减薄过程包括前序的刻蚀或腐蚀过程以及后序的平坦化过程，具体地，采用化学机械抛光方法实现所述平坦化，直至经由所述第二半导体衬底2的第I区域开设的窗口暴露出制备有像素读出电路4的第一顶层半导体层13表面，以使减薄后的第二半导体衬底与所述第一顶层半导体层形成厚度在0. 5 μ m 5 μ m之间(优选厚度为3 μ m 5 μ m)的锗材料厚膜层32ο
需要说明的是，在另一实施例中，所述第二半导体衬底2为具有绝缘埋层的半导体衬底时，前述的步骤幻的减薄过程包括先刻蚀或腐蚀所述第二半导体衬底2的第二支撑衬底，再刻蚀或腐蚀所述第二半导体衬底2的第二绝缘埋层，直至经由所述第二半导体衬底2的第I区域开设的窗口暴露出制备有像素读出电路4的第一顶层半导体层表面，仅保留所述第二半导体衬底2的顶层半导体层，以使减薄后的第二半导体衬底(即第二半导体衬底2的顶层半导体层)与所述第一顶层半导体层形成厚膜层32，位于所述窗口底部的所述第一顶层半导体层为薄膜层31。进一步，前述的步骤幻的减薄过程还包括刻蚀或腐蚀过程之后的平坦化过程，即在刻蚀或腐蚀所述第二半导体衬底2的第二支撑衬底和第二绝缘埋层之后，直至经由所述第二半导体衬底2的第I区域开设的窗口暴露出制备有像素读出电路4的第一顶层半导体层表面，对所述第二半导体衬底2的顶层半导体层再进行平坦化，具体地，所述平坦化采用化学机械抛光方法来实现，以使减薄后的第二半导体衬底与所述第一顶层半导体层形成厚膜层32，位于所述窗口底部的所述第一顶层半导体层为薄膜层 31。接着执行步骤6)。
如图4g所示，在步骤6)中，在所述厚膜层32中完成光学传感器件5制备，其中， 所述光学传感器件5至少包括感光二极管(至少包括PN结感光二极管或PIN结感光二极管)及光电门中的一种，并采用浅沟道隔离或绝缘介质隔离方法形成相邻器件间的隔离结构6，以完成带有绝缘埋层的图像传感器的制备。
在本实施例二中，所述薄膜层31和第一顶层半导体层13均为厚度在0. 15 μ m 0.3μπι之间(优选厚度为0.2μπι 0.3μπι)的锗材料，所述第二半导体衬底2为锗衬底， 所述厚膜层32为厚度在0.5μπι 5μπι之间(优选厚度为3μπι 5μπι)的锗材料，如图 4g所示，所述光学传感器件5为PN结感光二极管，制备在所述厚膜层32中，前述像素读出电路4为三管像素读出电路，其复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管仅以一个晶体管示意，均制备在所述薄膜层31中；形成相邻器件间的隔离结构6采用浅沟道隔离方法，以完成带有绝缘埋层的图像传感器的制备。
本方法制备的带有绝缘埋层的图像传感器具有良好的抗辐射性能，且该图像传感器的感光区域具有较高的光吸收效率，同时该图像传感器的电路具有高速、低功耗、抗闩锁的优良性能，另外，该图像传感器具有良好的半导体质量和表面质量，进一步保证了其性能，即带有绝缘埋层的图像传感器具有良好的半导体性能。
实施例三
如图fe和图恥所示，本发明提供一种带有绝缘埋层的图像传感器，至少包括支撑衬底11’、绝缘埋层12’、顶层半导体层3’、像素读出电路4’、光学传感器件5’、以及隔离结构6’。
支撑衬底11’的材料为普通半导体衬底材料，包括硅、锗、硅锗、及蓝宝石中的至少一种。
绝缘埋层12’位于所述支撑衬底11’表面上，所述绝缘埋层12’为单层结构或叠层结构，其中的所述单层结构或所述叠层结构中的每一层的材料为氧化硅、氮化硅及氮氧化硅中的至少一种。
顶层半导体层3，位于所述绝缘埋层12 ’表面上，具有凹槽30 ’，所述顶层半导体层 3’包括藉由该凹槽底部构成的薄膜层31’以及除所述薄膜层31’以外的厚膜层32’，其中， 所述薄膜层31’的厚度为0. 15 μ m 0. 3 μ m，所述厚膜层32，的厚度为0. 5 μ m 5 μ m，所述顶层半导体层3’的材料为用于制备半导体器件的半导体材料，为硅、应变硅、锗、及硅锗中的至少一种。
像素读出电路4’制备在所述顶层半导体层3’的薄膜层31’中，其中，所述像素读出电路4’为三管像素读出电路或四管像素读出电路或其他由MOS晶体管组成的像素读出电路所述三管像素读出电路包括复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管，制备在所述顶层半导体层3’的薄膜层31’中；所述四管像素读出电路包括转移晶体管、复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管，其中，所述四管像素读出电路的转移晶体管制备在所述顶层半导体层3’的厚膜层32’中，所述四管像素读出电路的复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管制备在所述顶层半导体层3’的薄膜层31’中。
光学传感器件5’制备在所述顶层半导体层3’的厚膜层32’中，其中，所述光学传感器件5’至少包括感光二极管(至少包括PN结感光二极管或PIN结感光二极管)及光电门的一种。
隔离结构6’制备在所述光学传感器件5’和像素读出电路4’的各相邻器件之间， 所述隔离结构6’是采用浅沟道隔离或绝缘介质隔离方法形成的。
具体地，在本实施例三中，如图fe所示，所述支撑衬底11’为硅材料支撑衬底，所述绝缘埋层12’为氮化硅单层结构，所述顶层半导体层3’为硅材料，所述顶层半导体层3’ 的薄膜层31，的厚度在0. 15 μ m 0. 3 μ m之间(优选厚度为0. 15 μ m 0. 25 μ m)，所述顶层半导体层3’的厚膜层32’的厚度在0. 5 μ m 5 μ m之间(优选厚度为0. 5 μ m 2. 5 μ m)； 所述光学传感器件5’为PN结感光二极管，制备在所述顶层半导体层3’的厚膜层32’中；所述像素读出电路4为四管像素读出电路，其中，所述四管像素读出电路的复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管仅以一个晶体管示意，均制备在所述顶层半导体层3’的薄膜层31’ 中，所述四管像素读出电路的转移晶体管V及浮动扩散区8，均制备在所述顶层半导体层 3’的厚膜层32’中；所述相邻器件间的隔离结构6’是采用绝缘介质隔离方法形成的，以完成带有绝缘埋层的图像传感器的制备。
需要说明的是，在另一实施例中，如图恥所示，所述支撑衬底11’为蓝宝石材料支撑衬底，所述绝缘埋层12’为包括氮化硅和氮氧化硅的双层结构，所述顶层半导体层3’为锗材料，所述顶层半导体层3’的薄膜层31’的厚度在0. 15 μ m 0. 3 μ m之间(优选厚度为 0. 2 μ m 0. 3 μ m)，所述顶层半导体层3’的厚膜层32’的厚度在0. 5 μ m 5 μ m之间(优选厚度为3μπι 5μπι)；所述光学传感器件5’为PN结感光二极管，制备在所述顶层半导体层3’的厚膜层32’中；所述像素读出电路4’为三管像素读出电路，其复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管仅以一个晶体管示意，均制备在所述顶层半导体层3’的薄膜层31’ 中；所述相邻器件间的隔离结构6’是采用浅沟道隔离方法形成的，以完成带有绝缘埋层的图像传感器的制备。
综上所述，本发明一种带有绝缘埋层的图像传感器及其制备方法，具有以下有益效果
1)光学传感器件制备在厚膜层中，使其能够实现较深的PN结耗尽区，从而具有较高的光吸收效率。
2)像素读出电路制备在薄膜层中，实现全耗尽MOS晶体管，使像素读出电路具有高速、低功耗、抗闩锁的优良性能。
3)图像传感器的光学传感器件和像素读出电路通过绝缘埋层与支撑衬底实现电学隔离，相邻器件实现全隔离，避免有光生电子进入衬底并通过衬底发生串扰，提高了其抗高能粒子辐射的能力。
4)第一顶层半导体层、薄膜层、厚膜层和顶层半导体层均具有良好的半导体质量和表面质量，与标准硅片或SOI晶圆表面质量无异，进一步保证了图像传感器性能。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
权利要求
1.一种带有绝缘埋层的图像传感器的制备方法，其特征在于，该制备方法至少包括以下步骤1)提供第一半导体衬底和第二半导体衬底，所述第一半导体衬底包括第一支撑衬底、位于所述第一支撑衬底表面上的第一绝缘埋层、以及位于所述第一绝缘埋层表面上的第一顶层半导体层；2)在所述第二半导体衬底上表面定义出第I区域和第II区域，并在所述第I区域开窗Π ；3)将所述开窗口的第二半导体衬底上表面对准所述第一半导体衬底的第一顶层半导体层上表面，键合所述第一半导体衬底及第二半导体衬底；4)将所述第二半导体衬底减薄，直至经由所述第二半导体衬底的第I区域开设的窗口暴露出所述第一顶层半导体层表面，以使减薄后的第二半导体衬底与所述第一顶层半导体层形成厚膜层，位于所述窗口底部的所述第一顶层半导体层为薄膜层；5)光学传感器件制备在所述厚膜层中，像素读出电路制备在所述薄膜层中，并形成相邻器件间的隔离结构，以完成带有绝缘埋层的图像传感器的制备。
2.根据权利要求1所述的带有绝缘埋层的图像传感器的制备方法，其特征在于所述薄膜层的厚度为0. 15 μ m 0. 3 μ m ；所述厚膜层的厚度为0. 5 μ m 5 μ m。
3.根据权利要求1所述的带有绝缘埋层的图像传感器的制备方法，其特征在于所述第二半导体衬底为具有绝缘埋层的半导体衬底，包括第二支撑衬底、位于所述第二支撑衬底表面上的第二绝缘埋层、以及位于所述第二绝缘埋层表面上的第二半导体衬底的顶层半导体层；所述步骤幻中，开窗口为直至暴露出所述第二半导体衬底的第二绝缘埋层表面； 所述步骤4)中的减薄过程包括依序刻蚀或腐蚀所述第二半导体衬底的第二支撑衬底和第二绝缘埋层。
4.根据权利要求1所述带有绝缘埋层的图像传感器的制备方法，其特征在于所述第二半导体衬底的材料为普通半导体衬底材料，为硅、锗、硅锗、及蓝宝石中的至少一种；所述步骤4)中的减薄过程包括前序的刻蚀或腐蚀过程以及后序的平坦化过程。
5.根据权利要求1所述的带有绝缘埋层的图像传感器的制备方法，其特征在于所述光学传感器件至少包括感光二极管及光电门中的一种；所述像素读出电路为三管像素读出电路或四管像素读出电路，其中，所述三管像素读出电路包括复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管，所述四管像素读出电路包括转移晶体管、复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管。
6.根据权利要求5所述的带有绝缘埋层的图像传感器的制备方法，其特征在于所述像素读出电路的复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管制备在所述薄膜层中；当所述像素读出电路为四管像素读出电路时，所述像素读出电路的转移晶体管制备在所述厚膜层中。
7.一种带有绝缘埋层的图像传感器的制备方法，其特征在于，该方法至少包括以下步骤1)提供第一半导体衬底和第二半导体衬底，所述第一半导体衬底包括第一支撑衬底、位于所述第一支撑衬底表面上的第一绝缘埋层、以及位于所述第一绝缘埋层表面上的第一顶层半导体层；2)在所述第一顶层半导体层中制备像素读出电路；3)在所述第二半导体衬底表面定义出第I区域和第II区域，并在所述第I区域开窗Π ；4)将所述开窗口的第二半导体衬底上表面对准所述第一半导体衬底的第一顶层半导体层上表面，键合所述第一半导体衬底及第二半导体衬底，并使所述第二半导体衬底上表面的窗口区域与制备有像素读出电路的第一顶层半导体层表面区域相对应；5)将所述第二半导体衬底减薄，直至经由所述第二半导体衬底的第I区域开设的窗口暴露出制备有像素读出电路的第一顶层半导体层表面，以使减薄后的第二半导体衬底与所述第一顶层半导体层形成厚膜层，位于所述窗口底部的所述第一顶层半导体层为薄膜层；6)在所述厚膜层中完成光学传感器件制备，并形成相邻器件间的隔离结构，以完成带有绝缘埋层的图像传感器的制备。
8.根据权利要求7所述的带有绝缘埋层的图像传感器的制备方法，其特征在于所述薄膜层的厚度为0. 15 μ m 0. 3 μ m ；所述厚膜层的厚度为0. 5 μ m 5 μ m。
9.根据权利要求7所述的带有绝缘埋层的图像传感器的制备方法，其特征在于所述第二半导体衬底为具有绝缘埋层的半导体衬底，包括第二支撑衬底、位于所述第二支撑衬底表面上的第二绝缘埋层、以及位于所述第二绝缘埋层表面上的第二半导体衬底的顶层半导体层；所述步骤幻中，开窗口为直至暴露出所述第二半导体衬底的第二绝缘埋层表面； 所述步骤幻中的减薄过程包括依序刻蚀或腐蚀所述第二半导体衬底的第二支撑衬底和第二绝缘埋层。
10.根据权利要求7所述的带有绝缘埋层的图像传感器的制备方法，其特征在于所述第二半导体衬底的材料为普通半导体衬底材料，为硅、锗、硅锗、及蓝宝石中的至少一种；所述步骤幻中的减薄过程包括前序的刻蚀或腐蚀过程以及后序的平坦化过程。
11.根据权利要求7所述的带有绝缘埋层的图像传感器的制备方法，其特征在于所述光学传感器件至少包括感光二极管及光电门中的一种；所述像素读出电路为三管像素读出电路或四管像素读出电路，其中，所述三管像素读出电路包括复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管，所述四管像素读出电路包括转移晶体管、复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管。
12.根据权利要求11所述的带有绝缘埋层的图像传感器的制备方法，其特征在于所述像素读出电路的复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管制备在所述薄膜层中；当所述像素读出电路为四管像素读出电路时，所述像素读出电路的转移晶体管制备在所述厚膜层中。
13.一种带有绝缘埋层的图像传感器，其特征在于，至少包括支撑衬底；绝缘埋层，位于所述支撑衬底表面上；顶层半导体层，位于所述绝缘埋层表面上，具有凹槽，所述顶层半导体层包括藉由该凹槽底部构成的薄膜层以及除所述薄膜层以外的厚膜层；光学传感器件，制备在所述厚膜层中；像素读出电路，制备在所述薄膜层中；隔离结构，制备在所述光学传感器件和像素读出电路的各相邻器件之间。
14.根据权利要求13所述的带有绝缘埋层的图像传感器，其特征在于所述薄膜层的厚度为0. 15 μ m 0. 3 μ m ；所述厚膜层的厚度为0. 5 μ m 5 μ m。
15.根据权利要求13所述的带有绝缘埋层的图像传感器，其特征在于所述光学传感器件至少包括感光二极管及光电门的一种；所述像素读出电路为三管像素读出电路或四管像素读出电路，其中，所述三管像素读出电路包括复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管，所述四管像素读出电路包括转移晶体管、复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管。
16.根据权利要求15所述的带有绝缘埋层的图像传感器，其特征在于所述像素读出电路的复位晶体管、放大晶体管和行选择晶体管制备在所述薄膜层中；当所述像素读出电路为四管像素读出电路时，所述像素读出电路的转移晶体管制备在所述厚膜层中。
全文摘要
本发明提供一种带有绝缘埋层的图像传感器及其制备方法，该制备方法提供第一半导体衬底和第二半导体衬底，在第二半导体衬底上表面定义第I区域和第II区域，并在第I区域开窗口，对准键合第一半导体衬底的上表面及第二半导体衬底的上表面，而后减薄第二半导体衬底形成薄膜层和厚膜层，分别在薄膜层和厚膜层完成像素读出电路和光学传感器件的制备，并形成相邻器件间的隔离结构以完成带有绝缘埋层的图像传感器的制备，使其具有良好的半导体质量和表面质量、较高的光吸收效率、及高速、低功耗、抗闩锁的优良性能。
文档编号H01L27/146GK102544045SQ201210022638
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月1日 优先权日2012年2月1日
发明者任韬, 方娜, 汪辉, 陈杰 申请人:上海中科高等研究院