图像传感器及其制备方法与流程

本发明涉及图像传感器技术领域，特别是涉及一种图像传感器及其制备方法。

背景技术：

伴随着移动互联网的飞速发展，人们对智能终端的需求愈来愈庞大，而有着智能终端“眼睛”之称的图像传感器也迎来了前所未有的发展空间。传统的CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)图像传感器由于其功耗较大，市场局限在高性能的数码相机中；CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor，简称CIS)不仅功耗低，速率快，而且易于与现有的半导体工艺相兼容，生产成本较低，这使得CMOS图像传感器占据了图像传感器市场的半壁江山。

CMOS图像传感器遇到的主要问题是近红外光的量子效率(QE，quantum efficiency)较低。量子效率是指一个光子转变成为PD中光生电子的概率。为了提高红外光的量子效率，现有技术中往往会增加硅衬底的整体厚度，然而，采用这种方法得到的CMOS图像传感器的性能不佳。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种图像传感器及其制备方法，可以提高近红外光的量子效率，同时改善CMOS图像传感器的性能。

为解决上述技术问题，本发明提供一种图像传感器的制备方法，包括：

提供一硅衬底，所述硅衬底包括光电二极管区域以及隔离区域；

选择性部分所述硅衬底，在所述光电二极管区域内形成沟槽；以及

在所述沟槽内填充半导体层，所述半导体层的禁带宽度小于所述硅衬底的禁带宽度，所述半导体层用于形成光电二极管。

进一步的，在所述图像传感器的制备方法中，采用外延工艺在所述沟槽内填充所述半导体层。

进一步的，在所述图像传感器的制备方法中，采用外延气相沉积法在所述沟槽内生长掺杂锗的单晶硅。

进一步的，在所述图像传感器的制备方法中，所述半导体层为硅锗层，且所述硅锗层中锗的质量百分比为40％～60％。

进一步的，在所述图像传感器的制备方法中，在所述沟槽内填充半导体层之前，所述图像传感器的制备方法还包括：

在所述沟槽的表面形成一牺牲层；

去除所述牺牲层。

进一步的，在所述图像传感器的制备方法中，所述牺牲层的材料为氧化物，所述牺牲层的厚度为

进一步的，在所述图像传感器的制备方法中，所述图像传感器的制备方法还包括：对所述半导体层进行离子掺杂形成光电二极管。

进一步的，在所述图像传感器的制备方法中，所述沟槽的深度为1μm～5μm。

根据本发明的另一面，还提供一种利用如上任一项图像传感器制备方法制备的图像传感器，包括硅衬底，所述硅衬底包括光电二极管区域以及用于隔离所述电二极管区域的隔离区域，所述电二极管区域内具有沟槽，所述沟槽内填充有半导体层，所述半导体层的禁带宽度小于所述硅衬底的禁带宽度，所述半导体层用于形成光电二极管，所述隔离区域的材料为硅。

进一步的，在所述图像传感器中，所述半导体层包括第一类型掺杂层以及位于所述第一类型掺杂层上的第二类型掺杂层，所述第一类型掺杂层和第二类型掺杂层形成光电二极管。

与现有技术相比，本发明提供的图像传感器及其制备方法具有以下优点：

在所述图像传感器及其制备方法中，在所述光电二极管区域内形成半导体层，所述半导体层的禁带宽度小于硅的禁带宽度，能够更好的吸收近红外光，可以有效提高CMOS图像传感器量子转换效率。进一步的，锗硅外延工艺能与现在的硅单晶制成工艺很好的兼容，因而比较容易应用在目前的CMOS图像传感器工艺中。

附图说明

图1为本发明一实施例中图像传感器的制备方法的流程图；

图2至图9为本发明一实施例的图像传感器的制备方法中器件结构的示意图。

具体实施方式

现有的图像传感器中通过增加硅衬底的整体厚度来提高近红外光的量子效率，然而，采用这种方法得到的CMOS图像传感器的性能不佳。发明人对现有的图像传感器研究发现，现有的图像传感器中通过增加硅衬底的整体厚度来提高近红外光的量子效率，从目前的2um～3um增加到5um～10um。单纯增加单晶硅厚度可以提高量子转换效率，但是随之而来的工艺挑战也不断加剧，比如需要更深的离子注入，而更深的离子注入又会要求更厚的光刻胶，而厚的光刻胶又会降低最小尺寸的分辨率，最终影响到CMOS图像传感器的性能。此外厚的单晶硅又会带来光刻对准的工艺问题，需要增加额外的工艺来实现对准工艺。

发明人进一步研究发现，由于能带结构的固有特性，硅单晶材料对近红外光存在吸收系数低、吸收长度长等问题。尤其是随着半导体器件特征尺寸进入亚微米、深亚微米范围，工作电压越来越小，晶体管P-N结越来越浅，耗尽区离表面越来越近、厚度越来越薄、很难有效吸收入射光信号，并且在衬底深处产生的光生载流子由于没有受到电场牵引会很快复合，对光电流没有贡献，造成制作出来的CMOS图像传感器量子转化效率很低。

发明人深入研究发现，锗硅材料的禁带宽度小于硅的禁带宽度，如果将锗硅材料应用在CMOS图像传感器产品中，能够更好的吸收近红外光，可以有效提高CMOS图像传感器量子转换效率。

根据上述研究，本发明提供一种图像传感器的制备方法，提供一种图像传感器的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤S11，提供一硅衬底，所述硅衬底包括光电二极管区域以及隔离区域；

步骤S12，选择性部分所述硅衬底，在所述光电二极管区域内形成沟槽；以及

步骤S13，在所述沟槽内填充半导体层，所述半导体层的禁带宽度小于所述硅衬底的禁带宽度，所述半导体层用于形成光电二极管。

在所述光电二极管区域内形成半导体层，所述半导体层的禁带宽度小于硅的禁带宽度，能够更好的吸收近红外光，可以有效提高CMOS图像传感器量子转换效率。同时由于锗硅外延工艺能与现在的硅单晶制成工艺很好的兼容，因而比较容易应用在目前的CMOS图像传感器工艺中。

下面将结合示意图对本发明的图像传感器及其制备方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

以下结合图2至图9，具体说明本发明的图像传感器的制备方法，图2至图9为本发明一实施例的图像传感器的制备方法中器件结构的示意图。

首先，进行步骤S11，如图2和图3所示，其中图2为俯视图，图3为图2沿AA’线的剖面图。提供一硅衬底100，所述硅衬底100可以为掺杂的硅衬底100，例如所述硅衬底100具有P型掺杂离子。

所述硅衬底100包括光电二极管区域101以及隔离区域102，其中，所述隔离区域102用于隔离相邻的光电二极管区域101，所述光电二极管区域101用于形成光电二极管。所述硅衬底100中还可以形成其它区域，例如，所述隔离区域102内还可以包括栅极区域103，所述栅极区域103的硅衬底100上用于形成栅极，此为本领域的技术人员可以理解的，在此不作赘述。

在图2中，示意出了一组4个所述光电二极管区域101，分别用于形成R子像素、G子像素、B子像素和NIR子像素，此为本领域的技术人员可以理解的，在此不作赘述。

一般的，在堆栈式图像传感器制备工艺中，需要两片晶圆，一片是逻辑运算电路晶圆，另一片是像素电路晶圆，然后将两片晶圆进行粘合在一起。本实施例中的所述硅衬底100用于制备像素电路晶圆。

然后，进行步骤S12，选择性部分所述硅衬底100，在所述光电二极管区域101内形成沟槽。具体的，如图4所示，先使用图形化的光刻胶110定义出所述光电二极管区域101，即图形化的光刻胶110暴露出所述光电二极管区域101，并覆盖所述隔离区域102；然后，如图5所示，对所述硅衬底100进行刻蚀，形成沟槽110。较佳的，采用干法刻蚀工艺形成所述沟槽110，可以形成形貌较佳的所述沟槽110。较佳的，所述沟槽110的深度H1为1μm～5μm，例如2μm、3μm、4μm，有利于提高所述图像传感器的量子效率。

为了改善所述沟槽110的形貌，使得后续形成的半导体层具有较好的晶型，较佳的，在所述沟槽110内填充半导体层之前，所述图像传感器的制备方法还包括：

如图6所示，在所述沟槽110的表面形成一牺牲层200，较佳的，所述牺牲层200的材料为氧化物，氧化物有很好的表面整形效果，所述牺牲层200的厚度为例如以达到较好的整形效果。优选的，采用炉管工艺生长所述牺牲层200，所述牺牲层200还形成于所述硅衬底100的上表面；

如图7所示，去除所述牺牲层200，一般的，采用湿法刻蚀工艺以将所述牺牲层200完全去除。

接着，进行步骤S13，如图8所示，在所述沟槽110内填充半导体层300，所述半导体层300的禁带宽度小于所述硅衬底100的禁带宽度，即所述半导体层300的材料的禁带宽度小于单晶硅的禁带宽度，所述半导体层300能够更好的吸收近红外光，可以有效提高CMOS图像传感器量子转换效率。

较佳的，所述半导体层300为硅锗层，即所述半导体层300的材料为硅锗，硅锗的禁带宽度小于单晶硅的禁带宽度。在所述硅锗层中，锗的质量百分比为40％～60％，例如50％。优选的，采用外延工艺在所述沟槽110内填充所述半导体层300，在本实施例中，采用外延气相沉积法在所述沟槽110内生长掺杂锗的单晶硅，以形成所述半导体层300。由于锗硅外延工艺能与现在的硅单晶制成工艺很好的兼容，因而比较容易应用在目前的CMOS图像传感器工艺中。

所述半导体层300形成后，可以进行后续工艺，例如，对所述半导体层300进行离子掺杂形成光电二极管，一般的，会在所述半导体层300中分别进行两次离子注入，分别注入N型离子和P型离子，以形成光电二极管。例如，如图9所示，先进行第一类型的离子(例如为N型离子)以形成第一类型掺杂层301，然后再进行第二类型的离子(例如为P型离子)以形成第二类型掺杂层302，所述第一类型掺杂层301和第二类型掺杂层302形成光电二极管。

经过上述步骤，形成了如图9所示的图像传感器1，所述图像传感器1包括硅衬底100，所述硅衬底100包括光电二极管区域101以及用于隔离所述电二极管区域101的隔离区域102，所述电二极管区域101内具有沟槽110，所述沟槽110内填充有半导体层300，所述半导体层300的禁带宽度小于所述硅衬底100的禁带宽度，所述隔离区域102的材料为硅。

优选的，所述沟槽110的深度为1μm～5μm，所述半导体层300为外延硅锗层。在本实施例中，所述半导体层300包括第一类型掺杂层301以及位于所述第一类型掺杂层301上的第二类型掺杂层302，所述第一类型掺杂层301和第二类型掺杂层302形成光电二极管300。

在所述图像传感器1中，所述光电二极管区域101内形成半导体层300，所述半导体层300的禁带宽度小于硅的禁带宽度，能够更好的吸收近红外光，可以有效提高CMOS图像传感器1量子转换效率。进一步的，由于锗硅外延工艺能与现在的硅单晶制成工艺很好的兼容，因而比较容易应用在目前的CMOS图像传感器工艺中。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。