專利名稱：Cmos圖像傳感器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，涉及ー種CMOS圖像傳感器及其制作方法，特別是涉及ー種利用納米金屬顆粒表面等離子體激元增強(qiáng)光吸收的CMOS圖像傳感器及其制作方法。
背景技術(shù)：
SOI (Silicon-On-Insulator,絕緣襯底上娃)技術(shù)是在頂層娃和背襯底之間引入了一層埋氧化層。通過(guò)在絕緣體上形成半導(dǎo)體薄膜，SOI材料具有了傳統(tǒng)的體硅材料所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)集成電路中元器件的介質(zhì)隔離，徹底消除了體硅CMOS電路中的寄 生閂鎖效應(yīng)；采用這種材料制成的集成電路還具有寄生電容小、集成密度高、速度快、エ藝簡(jiǎn)單、短溝道效應(yīng)小及特別適用于低壓低功耗電路等優(yōu)勢(shì)。CMOS圖像傳感器是ー種將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的半導(dǎo)體器件，一般由感光器件和CMOS信號(hào)處理電路(包括像素讀出電路)構(gòu)成。目前常見(jiàn)的CMOS圖像傳感器是有源像素型圖像傳感器(APS)，其中又分為三管像素讀出電路(3T，包括復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管和行選擇晶體管)和四管像素讀出電路(4T，包括轉(zhuǎn)移晶體管、復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管和行選擇晶體管)兩大類。如圖Ia所示，為ー種現(xiàn)有基于SOIエ藝的4T型結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器的像素單元電路的等效電路結(jié)構(gòu)圖，至少包括感光器件104、復(fù)位晶體管Ml、源跟隨晶體管M2、選擇晶體管M3、轉(zhuǎn)移晶體管1061。圖Ia中，作為感光器件104的光電ニ極管(Photo Diode，PD)104，用于在曝光時(shí)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，所述光電ニ極管104包括P型區(qū)和N型區(qū)，所述P型區(qū)接地。復(fù)位晶體管M1，用于在曝光前對(duì)所述感光器件(光電ニ極管)104進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位由復(fù)位信號(hào)Reset信號(hào)進(jìn)行控制。在圖Ia中，所述復(fù)位晶體管Ml選用ー個(gè)NMOS管，所述復(fù)位晶體管Ml的源極和所述感光器件(光電ニ極管)104的N型區(qū)相連，所述復(fù)位晶體管Ml的源極同時(shí)也為ー感應(yīng)節(jié)點(diǎn)NI又稱為浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)(Floating Diffusion, FD) 105 ;所述復(fù)位晶體管Ml的漏極接電源Vdd，所述電源Vdd為一正電源。當(dāng)所述復(fù)位信號(hào)Reset為高電平吋，所述復(fù)位晶體管Ml導(dǎo)通并將所述感光器件(光電ニ極管)104的N型區(qū)連接到電源Vdd，在所述電源Vdd的作用下，使所述感光器件(光電ニ極管)104反偏并會(huì)清除所述感光器件(光電ニ極管)104的全部累積的電荷，實(shí)現(xiàn)復(fù)位。所述復(fù)位晶體管Ml也可以由多個(gè)NMOS管串聯(lián)形成、或由多個(gè)NMOS管并聯(lián)形成，也可以用PMOS管代替所述NMOS管。源跟隨晶體管M2，也為一源極跟隨器，用于將所述感光器件(光電ニ極管)104產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行放大。在圖Ia中，所述源跟隨晶體管M2選用ー NMOS管，所述源跟隨晶體管M2的柵極接所述感光器件(光電ニ極管)104的N型區(qū)，所述源跟隨晶體管M2的漏極接所述電源Vdd，所述源跟隨晶體管M2的源極為放大信號(hào)的輸出端。所述源跟隨晶體管M2也可以由多個(gè)NMOS管串聯(lián)形成、或由多個(gè)NMOS管并聯(lián)形成。
行選擇晶體管M3，用于將所述源跟隨晶體管M2的源極輸出的放大信號(hào)輸出。在圖Ia中，所述行選擇晶體管M3選用ー NMOS管，所述行選擇晶體管M3的柵極接行選擇信號(hào)Rs，所述行選擇晶體管M3的源極接所述源跟隨晶體管M2的源極，所述行選擇晶體管M3的漏極為輸出端。對(duì)應(yīng)圖la，圖Ib為所述現(xiàn)有4T型結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，包括SOI的支撐襯底101、絕緣埋層102、頂層半導(dǎo)體層103、位于頂層半導(dǎo)體層內(nèi)的感光器件(光電ニ極管)104、位于頂層半導(dǎo)體層內(nèi)的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)105(對(duì)應(yīng)圖Ia中的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)NI)、位于頂層半導(dǎo)體層內(nèi)的轉(zhuǎn)移晶體管的1061、位于頂層半導(dǎo)體層內(nèi)的除轉(zhuǎn)移晶體管的1061像素讀出電路106 (圖Ib中未畫出具體電路結(jié)構(gòu)僅以一個(gè)復(fù)位晶體管Ml圖示所述復(fù)位晶體管Ml、源跟隨晶體管M2和行選擇晶體管M3)，其中，所述像素讀出電路106中的復(fù)位晶體管Ml的源極與所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)105通過(guò)引線107進(jìn)行連接。所述感光器件(光電ニ極管)104的有效感光區(qū)全部位于SOI的頂層半導(dǎo)體層 103內(nèi)部。當(dāng)在SOI上制作CMOS圖像傳感器，且感光器件位于頂層硅中吋，CMOS圖像傳感器通過(guò)位于頂層硅中的感光器件的有效感光區(qū)來(lái)收集光生載流子。但是，為了避免“kink”效應(yīng)的發(fā)生，要使用全耗盡型SOI器件，頂層硅的厚度一般小于200nm。由于SOI材料的頂層硅太薄，大大限制了感光器件的有效感光區(qū)的深度，導(dǎo)致普通的感光器件無(wú)法在頂層硅的深度方向得到足夠的耗盡區(qū)，從而迫使基于SOIエ藝的CMOS圖像傳感器的光吸收效率下降，尤其是對(duì)于波長(zhǎng)在50(Tl000nm之間的較長(zhǎng)波長(zhǎng)光(如綠光至紅光或近紅外光)吸收效率極低，成像質(zhì)量很不理想。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供ー種CMOS圖像傳感器及其制作方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中CMOS圖像傳感器的光吸收效率下降、成像質(zhì)量不理想的問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供ー種CMOS圖像傳感器，所述圖像傳感器至少包括半導(dǎo)體襯底；感光器件，位于所述半導(dǎo)體襯底中，以將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；像素讀出電路，位于所述半導(dǎo)體襯底中，以將感光器件產(chǎn)生的電信號(hào)讀出；隔離結(jié)構(gòu)，位于所述半導(dǎo)體襯底中且位于所述感光器件和像素讀出電路的各相鄰器件之間；介質(zhì)層和金屬布線層，位于所述感光器件及半導(dǎo)體襯底表面，以實(shí)現(xiàn)各該器件的電連接；納米金屬顆粒層，在垂直方向上位于所述感光器件上方，形成于所述感光器件表面，或形成于所述介質(zhì)層中，或形成于所述金屬布線層中，以提高所述感光器件對(duì)光的吸收效率?？蛇x地，所述半導(dǎo)體襯底為硅襯底或?yàn)榫哂兄我r底、位于所述支撐襯底之上的絕緣埋層、及位于所述絕緣埋層之上的頂層半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體襯底?？蛇x地，所述感光器件至少包括光電ニ極管及光電門中的ー種。
可選地，所述的感光器件、像素讀出電路及隔離結(jié)構(gòu)均位于所述頂層半導(dǎo)體層中。可選地，所述納米金屬顆粒層材料至少包括銀、鋁、金、和銅中的任意ー種?？蛇x地，所述納米金屬顆粒層厚度等于金屬顆粒的直徑。可選地，所述納米金屬顆粒層為非致密納米金屬顆粒層，其占空比范圍為O. Γο. 9?？蛇x地，所述納米金屬顆粒層的占空比范圍為O. Γ0. 5。本發(fā)明還提供ー種CMOS圖像傳感器的制作方法，所述制作方法至少包括以下步驟
I)提供一半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底中制作感光器件和像素讀出電路，井形成相鄰器件之間的隔離結(jié)構(gòu)；2)在所述感光器件表面形成納米金屬顆粒層，以提高所述感光器件對(duì)光的吸收效率；3)在所述覆蓋有納米金屬顆粒層的半導(dǎo)體襯底上形成介質(zhì)層，而后進(jìn)行金屬布線，實(shí)現(xiàn)各器件之間的電連接?？蛇x地，通過(guò)化學(xué)氣相沉積方法或物理氣相沉積方法在所述感光器件表面形成納米金屬顆粒層。可選地，所述半導(dǎo)體襯底為硅襯底或?yàn)榫哂兄我r底、位于所述支撐襯底之上的絕緣埋層、及位于所述絕緣埋層之上的頂層半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體襯底。可選地，述感光器件及所述像素讀出電路均位于所述頂層半導(dǎo)體層中。如上所述，本發(fā)明的CMOS圖像傳感器及其制作方法，具有以下有益效果通過(guò)形成于感光器件表面的、或形成于介質(zhì)層中的、或形成于金屬布線層中的納米金屬顆粒層，利用納米金屬顆粒層的表面等離子體激元，以增強(qiáng)位于其下的半導(dǎo)體襯底中的感光器件對(duì)光的吸收效率，其中，所述半導(dǎo)體襯底為硅襯底或具有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底，感光器件制作在硅襯底中或制作在具有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底的頂層半導(dǎo)體層中；進(jìn)一歩，通過(guò)控制表面金屬顆粒層的納米金屬顆粒的大小(直徑大小)，以增強(qiáng)對(duì)于特定波長(zhǎng)光的吸收；另外，當(dāng)像素讀出電路制作在具有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底的頂層半導(dǎo)體層中吋，使其MOS晶體管全耗盡，電路具有高速、低功耗、抗閂鎖的優(yōu)良性能。本發(fā)明不僅增強(qiáng)了 CMOS圖像傳感器原本可吸收波段光的吸收效率，而且有效地提高了 CMOS圖像傳感器的對(duì)波長(zhǎng)較長(zhǎng)光(尤其是波長(zhǎng)在50(Tl000nm之間的光)的吸收效率。


圖Ia顯示為現(xiàn)有技術(shù)中的CMOS圖像傳感器的像素單元電路的等效電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖Ib顯示為現(xiàn)有技術(shù)中的CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2a至圖2b顯示為本發(fā)明CMOS圖像傳感器在實(shí)施例一中的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2c顯示為本發(fā)明CMOS圖像傳感器在實(shí)施例一中的納米金屬顆粒層的俯視示意圖。圖3a顯示為本發(fā)明CMOS圖像傳感器在實(shí)施例ニ中的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3b顯示為本發(fā)明CMOS圖像傳感器在實(shí)施例ニ中的納米金屬顆粒層的俯視示意圖。元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明101、201、301支撐襯底102、202、302絕緣埋層103,203,303頂層半導(dǎo)體層104,204,304感光器件105、205浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū) 106,206,306像素讀出電路106U2061轉(zhuǎn)移晶體管107、207、305引線208>307隔離結(jié)構(gòu)209、308納米金屬顆粒層2091、3081納米銀顆粒Ml復(fù)位晶體管M2源跟隨晶體管M3行選擇晶體管
具體實(shí)施例方式以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書(shū)所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的具體實(shí)施方式
加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書(shū)中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。本發(fā)明提供ー種CMOS圖像傳感器及其制作方法，通過(guò)形成于感光器件表面的、或形成于介質(zhì)層中的、或形成于金屬布線層中的納米金屬顆粒層，利用納米金屬顆粒表面等離子體激元增強(qiáng)光吸收，提高了位于其下的半導(dǎo)體襯底中的所述感光器件對(duì)光的吸收效率，進(jìn)ー步，可通過(guò)控制表面金屬顆粒層的納米金屬顆粒的大小(直徑大小)，以增強(qiáng)對(duì)于特定波長(zhǎng)光的吸收。請(qǐng)參閱圖2a至圖3b。需要說(shuō)明的是，以下具體實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為ー種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。實(shí)施例一如圖2a至圖2c所示，本發(fā)明提供ー種CMOS圖像傳感器制作方法，該方法至少包括以下步驟如圖2a所示，首先執(zhí)行步驟I )，提供一半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底為硅襯底或?yàn)榫哂兄我r底201、位于所述支撐襯底201之上的絕緣埋層202、及位于所述絕緣埋層202之上的頂層半導(dǎo)體層203的半導(dǎo)體襯底；在所述半導(dǎo)體襯底中制作感光器件204和像素讀出電路206，并形成相鄰器件之間的隔離結(jié)構(gòu)208，其中，當(dāng)所述半導(dǎo)體襯底為具有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底時(shí)，所述感光器件204、像素讀出電路206和隔離結(jié)構(gòu)208均制作在頂層半導(dǎo)體層203中。具體地，在本實(shí)施例一中，所述半導(dǎo)體襯底為具有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底，如圖2a所示，所述的感光器件204、像素讀出電路206和隔離結(jié)構(gòu)208均制作在頂層半導(dǎo)體層203中，其中，像素讀出電路206未畫出具體電路結(jié)構(gòu)，僅以ー個(gè)晶體管圖示所述像素讀出電路206中的晶體管。需要說(shuō)明的是，所述頂層半導(dǎo)體層203的材料為用于制作半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料，至少包括硅、應(yīng)變硅、鍺及硅鍺中的任意ー種；所述絕緣埋層202為單層結(jié)構(gòu)或疊層結(jié)構(gòu)，其中的所述單層結(jié)構(gòu)或所述疊層結(jié)構(gòu)中的每ー層的材料為氧化硅、氮化硅及氮氧化硅中的任意ー種；所述支撐襯底201為普通半導(dǎo)體襯底，至少包括硅襯底和藍(lán)寶石襯底的任意ー種；所述具有支撐襯底201、絕緣埋層202以及頂層半導(dǎo)體層203的半導(dǎo)體襯底，可通過(guò)注氧隔離エ藝、注氫鍵合エ藝、注氧鍵合エ藝或常規(guī)鍵合エ藝制作而成，具體地，在本實(shí)施例一中，所述半導(dǎo)體襯底為具有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底，所述頂層半導(dǎo)體層203為硅，所述絕緣埋層202為單層結(jié)構(gòu)的氮化硅，所述支撐襯底201為藍(lán)寶石襯底，所述具有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底通過(guò)常規(guī)鍵合エ藝制作而成。 所述像素讀出電路206為三管像素讀出電路(3T)、四管像素讀出電路(4T)或其他由MOS晶體管組成的像素讀出電路，其中，所述三管像素讀出電路包括復(fù)位晶體管(Reset Transistor, RST)、源跟隨晶體管(Source Follower, SF)和行選擇晶體管(RowSelect, RS),所述四管像素讀出電路包括轉(zhuǎn)移晶體管(Transfer Transistor, TX)、復(fù)位晶體管(RST)、源跟隨晶體管(SF)和行選擇晶體管(RS)。具體地，在本實(shí)施例一中，所述像素讀出電路206為四管像素讀出電路(4T)，所述像素讀出電路206位于所述頂層半導(dǎo)體層203中，使其MOS晶體管全耗盡，電路具有高速、低功耗、抗閂鎖的優(yōu)良性能。其中，圖2a中，僅以ー個(gè)復(fù)位晶體管圖示所述像素讀出電路206中的復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管和行選擇晶體管，另，所述轉(zhuǎn)移晶體管2061與浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)205和感光器件204緊鄰，且所述像素讀出電路206中的復(fù)位晶體管的源極與所述浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)205通過(guò)引線207進(jìn)行連接。所述四管像素讀出電路(4T) 206工作原理為先用像素讀出電路206中的復(fù)位晶體管將浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)205內(nèi)的電子全部吸入電源，使其電位變高；曝光開(kāi)始后，光子照射到感光器件204的有效感光區(qū)，并于其內(nèi)生成電子和空穴對(duì)；曝光結(jié)束后，轉(zhuǎn)移晶體管2061上加高電平，將感光器件204的有效感光區(qū)中的光生載流子轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)205，使其電位降低，最后通過(guò)像素讀出電路206中的源跟隨晶體管和行選擇晶體管(圖2a中未畫出源跟隨晶體管和行選擇晶體管具體電路結(jié)構(gòu)，僅以復(fù)位晶體管圖示像素讀出電路)將光生電壓信號(hào)輸出。相關(guān)三管像素讀出電路(3T)的工作原理與四管像素讀出電路(4T) 206工作原理類似，故不再一一贅述。所述感光器件204用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，至少包括光電ニ極管(Photodiode, PD)及光電門(Photogate)中的ー種,其中，所述光電ニ極管(PD)還包括橫向PN結(jié)光電ニ極管、縱向PN結(jié)光電ニ極管、橫向PIN結(jié)光電ニ極管及縱向PIN結(jié)光電ニ極管，在本實(shí)施例一中，所述感光器件204為傳統(tǒng)的縱向PN結(jié)光電ニ極管,并位于所述頂層半導(dǎo)體層203中，如圖2a所示。所述隔離結(jié)構(gòu)208為淺溝道隔離(Shallow Trench Isolation, STI)或絕緣介質(zhì)隔離，具體地，在本實(shí)施例一中，所述隔離結(jié)構(gòu)208為硅島隔離結(jié)構(gòu)，為絕緣介質(zhì)隔離中的ー種，所述隔離結(jié)構(gòu)208位于所述頂層半導(dǎo)體層203中，且位于所述感光器件204和像素讀出電路206的各相鄰器件之間。接著執(zhí)行步驟2)。在步驟2)中，如圖2b所示，通過(guò)化學(xué)氣相沉積方法或物理氣相沉積方法，在所述感光器件204表面形成納米金屬顆粒層209，以提高所述感光器件204對(duì)光的吸收效率。其中，所述納米金屬顆粒層209材料至少包括銀、鋁、金、和銅中的任意ー種；所述納米金屬顆粒為球形；所述納米金屬顆粒層209的厚度等于金屬顆粒的直徑，所述金屬顆粒的直徑為40(Tl000nm ;所述納米金屬顆粒層209為非致密的納米金屬顆粒層，且納米金屬顆粒為隨機(jī)不規(guī)則分布的，其占空比范圍為O.廣0. 9，優(yōu)選的所述占空比范圍為O.廣0.5，以保證所述納米金屬顆粒層209有足夠的透光性。在本實(shí)施例一中，如圖2b至2c所示，采用化學(xué)氣相沉積方法，將球形納米銀顆粒2091隨機(jī)不規(guī)則地分布在所述感光器件204表面上，形成所述納米金屬顆粒層209 ;所述納米金屬顆粒層209的占空比約為O. 3(請(qǐng)參閱圖2c);所述納米金屬顆粒層209的厚度為所述納米銀顆粒2091的直徑，其中，在所述感光器件204表面形成的納米銀顆粒2091的直徑為435 480nm、595 605nm、或75(T800nm，容后詳述。需要說(shuō)明的是，為了提高CMOS圖像傳感器光吸收效率，提出了在垂直于所述感光器件204所在平面的方向上，在所述感光器件的上方増加一層納米金屬顆粒層209的方法， 其原理在于利用納米金屬顆粒層209的表面等離子體激元，以增強(qiáng)位于其下的感光器件204對(duì)光的吸收效率，即在不影響原本光生電載流子的機(jī)制(勢(shì)壘效應(yīng)，即結(jié)光電效應(yīng)光照射PN結(jié)時(shí)，若光子能量hf大于等于禁帶寬度Eg，使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帯，而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在阻擋層內(nèi)電場(chǎng)的作用下，電子偏向N區(qū)外側(cè)，空穴偏向P區(qū)外側(cè)，使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光生電動(dòng)勢(shì))的基礎(chǔ)上，引入了新的吸收機(jī)制，其中，表面等離子體激元有兩種形式局域表面等離子體激元(Localized Surface Plasmon, LSP)和表面等離子體極化激兀(Surface Plasmon Polariton, SPP)。在入射光的照射下，在納米金屬顆?；蛘呓饘俦砻婢哂形⒔Y(jié)構(gòu)或缺陷中，會(huì)形成局域化的表面等離子體共振，稱為L(zhǎng)SP共振。納米金屬顆粒激發(fā)的表面等離子體共振頻率主要在電磁光譜的可見(jiàn)光或紅外區(qū)，即納米金屬顆粒在可見(jiàn)光或紅外光范圍表現(xiàn)出很強(qiáng)的寬帶光吸收特征，其實(shí)質(zhì)是由于費(fèi)米能級(jí)附近導(dǎo)帶上的自由電子在電磁場(chǎng)(光波為電磁波的ー種)的作用下發(fā)生集體振蕩，共振狀態(tài)下電磁場(chǎng)的能量被有效地轉(zhuǎn)換為金屬自由電子的集體振動(dòng)能，為ー種區(qū)別于結(jié)光電效應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化機(jī)制，即新的吸收機(jī)制，進(jìn)一歩，由于納米金屬顆粒表面的等離子體共振將會(huì)被局限在納米顆粒表面，因此可以利用表面等離子體激元增強(qiáng)CMOS圖像傳感器對(duì)可見(jiàn)光或紅外區(qū)域的光的吸收。需要進(jìn)ー步說(shuō)明的是，金屬顆粒發(fā)生集體振蕩的強(qiáng)弱可由金屬顆粒的表面的極化率(Polarizability) α表示,極化率越高則金屬和半導(dǎo)體的表面共振現(xiàn)象越明顯,進(jìn)而促使能量轉(zhuǎn)化越明顯即光的吸收率越高，其中，表示極化率α的具體公式如下
a = 4 mi3-zj^-(I)其中，金屬顆粒周圍各向同性介質(zhì)的非吸收介電常數(shù)為επ，金屬顆粒的節(jié)點(diǎn)響應(yīng)簡(jiǎn)寫為ε，金屬顆粒的直徑為d。由公式(I)可知，當(dāng)介質(zhì)(本實(shí)施例一中的頂層半導(dǎo)體層203)周圍的球形納米金屬顆粒的直徑d與入射光的波長(zhǎng)λ滿足(1=λ吋，即可以通過(guò)控制形成的納米金屬顆粒的大小來(lái)增強(qiáng)對(duì)于特定波長(zhǎng)光的吸收效率。在本實(shí)施例一中，當(dāng)入射光照射到納米金屬顆粒層209表面，自由電子在電磁場(chǎng)(光波為電磁波的ー種)的驅(qū)動(dòng)下，在金屬和介質(zhì)界面(頂層半導(dǎo)體層203表面)上發(fā)生集體振蕩，產(chǎn)生表面等離子體激元，它們能夠局域在納米金屬顆粒周圍或者在平坦的金屬表面?zhèn)鞑?，進(jìn)而增強(qiáng)位于頂層半導(dǎo)體層203中的感光器件204的光吸收效率。具體地，當(dāng)所述球形納米金屬顆粒的直徑為40(T500nm吋，對(duì)所述感光器件204原本可吸收波段光(如紫光至藍(lán)綠光波段)的吸收效率進(jìn)ー步的提高，本實(shí)施例一中納米銀顆粒2091的直徑為435^480nm對(duì)應(yīng)增強(qiáng)感光器件204對(duì)藍(lán)光波段的吸收效率；當(dāng)所述球形納米金屬顆粒的直徑為50(T700nm時(shí)，即可提高所述感光器件204在波長(zhǎng)較長(zhǎng)光(尤其是波長(zhǎng)在50(T700nm之 間的可見(jiàn)光)的吸收效率，本實(shí)施例一中納米銀顆粒2091的直徑為595 605nm對(duì)應(yīng)增強(qiáng)感光器件204對(duì)紅光波段的吸收效率；當(dāng)所述球形納米金屬顆粒的直徑為70(Tl000nm吋，即可提高所述感光器件204對(duì)紅外光(尤其是波長(zhǎng)在70(Tl000nm之間的近紅外光)的吸收效率，本實(shí)施例一中納米銀顆粒2091的直徑為75(T800nm對(duì)應(yīng)增強(qiáng)感光器件204對(duì)近紅外光波段的吸收效率。接著執(zhí)行步驟3)。在步驟3)中，進(jìn)行常規(guī)的エ藝流程，在所述覆蓋有納米金屬顆粒層的半導(dǎo)體襯底上形成介質(zhì)層(未圖示)，而后進(jìn)行金屬布線(未圖示)，實(shí)現(xiàn)各器件之間的電連接。本實(shí)施例一提供的CMOS圖像傳感器的制作方法，通過(guò)在感光器件表面形成納米金屬顆粒層，利用納米金屬顆粒層的表面等離子體激元，以增強(qiáng)位于其下的所述頂層半導(dǎo)體層中的感光器件對(duì)光的吸收效率，其中，所述頂層半導(dǎo)體層位于具有支撐襯底、絕緣埋層以及頂層半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體襯底的頂層，不僅增強(qiáng)了 CMOS圖像傳感器原本可吸收波段光的吸收效率，而且有效地提高了 CMOS圖像傳感器的對(duì)波長(zhǎng)較長(zhǎng)光(尤其是波長(zhǎng)在50(Tl000nm之間的光)的吸收效率；像素讀出電路制作頂層半導(dǎo)體層中，使其MOS晶體管全耗盡，電路具有高速、低功耗、抗閂鎖的優(yōu)良性能。實(shí)施例ニ如圖3a至3b所示，本發(fā)明提供ー種CMOS圖像傳感器，所述圖像傳感器至少包括半導(dǎo)體襯底、感光器件304、像素讀出電路306、隔離結(jié)構(gòu)307、介質(zhì)層(未圖示)和金屬布線(未圖示)、納米金屬顆粒層308。所述半導(dǎo)體襯底為硅襯底或?yàn)榫哂兄我r底301、位于所述支撐襯底301之上的絕緣埋層302、及位于所述絕緣埋層302之上的頂層半導(dǎo)體層303的半導(dǎo)體襯底；所述頂層半導(dǎo)體層303的材料為用于制作半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料，至少包括硅、應(yīng)變硅、鍺及硅鍺中的任意ー種；所述絕緣埋層302為單層結(jié)構(gòu)或疊層結(jié)構(gòu)，其中的所述單層結(jié)構(gòu)或所述疊層結(jié)構(gòu)中的姆ー層的材料為氧化娃、氮化娃及氮氧化娃中的任意ー種；所述支撐襯底301為普通半導(dǎo)體襯底，至少包括硅襯底和藍(lán)寶石襯底的任意ー種。具體地，在本實(shí)施例ニ中，所述半導(dǎo)體襯底為具有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底，所述頂層半導(dǎo)體層303為鍺，所述絕緣埋層302為單層結(jié)構(gòu)的氧化硅，所述支撐襯底301為硅襯底。所述感光器件304位于所述半導(dǎo)體襯底中，當(dāng)所述半導(dǎo)體襯底為具有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底時(shí)，所述感光器件304位于所述頂層半導(dǎo)體層303中；所述感光器件304用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，至少包括光電ニ極管(Photo diode，PD)及光電門(Photogate)中的ー種，其中，所述光電ニ極管(PD)還包括橫向PN結(jié)光電ニ極管、縱向PN結(jié)光電ニ極管、橫向PIN結(jié)光電ニ極管及縱向PIN結(jié)光電ニ極管。具體地，在本實(shí)施例ニ中，所述半導(dǎo)體襯底為具有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底，所述感光器件304位于具有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底的頂層半導(dǎo)體層303中，所述感光器件304為傳統(tǒng)的縱向PN結(jié)光電ニ極管，如圖3a所示。所述像素讀出電路306為三管像素讀出電路(3T)、四管像素讀出電路(4T)或其他由MOS晶體管組成的像素讀出電路，均位于所述半導(dǎo)體襯底中，當(dāng)所述半導(dǎo)體襯底為具有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底吋，所述像素讀出電路306位于所述具有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底的頂層半導(dǎo)體層303中。所述像素讀出電路306為三管像素讀出電路(3T)時(shí)，包括連接所述感光器件304的復(fù)位晶體管(Reset Transistor, RST)、連接所述復(fù)位晶體管(RST)及感光器件304的源跟隨晶體管(Source Follower),以及連接所述源跟隨晶體管(SF)的行選擇晶體管(Row Select1RS)(具體電路結(jié)構(gòu)未圖示)；所述像素讀出電路306為四管像素讀出電路(4T)時(shí)，所述像素讀出電路306還包括連接于所述感光器件304與復(fù)位晶體管(RST)之間的、及連接于所述感光器件304與源跟隨晶體管(SF)之間的轉(zhuǎn)移晶體管(TransferTransistor, TX)(具體電路結(jié)構(gòu)未圖示)；所述像素讀出電路306還可以或其他由MOS晶 體管組成的像素讀出電路，在此不--贅述。具體地，在本實(shí)施例ニ中，所述像素讀出電路
306為三管像素讀出電路(3T)，其中，圖3a中，僅以ー個(gè)復(fù)位晶體管圖示所述像素讀出電路306中的復(fù)位晶體管、源跟隨晶體管和行選擇晶體管，且所述像素讀出電路306位于所述頂層半導(dǎo)體層303中，使其MOS晶體管全耗盡，電路具有高速、低功耗、抗閂鎖的優(yōu)良性能。所述三管像素讀出電路(3T) 306工作原理為先用為像素讀出電路306中的復(fù)位晶體管的復(fù)位信號(hào)Reset提供高電平，使所述復(fù)位晶體管導(dǎo)通，將所述感光器件304內(nèi)的電子全部吸入電源，清除所述感光器件304內(nèi)的全部累積的電荷，實(shí)現(xiàn)復(fù)位；曝光開(kāi)始后，光子照射到感光器件304的有效感光區(qū)，并于其內(nèi)生成電子和空穴對(duì)；曝光結(jié)束后，將感光器件304的有效感光區(qū)中的光生載流子，通過(guò)像素讀出電路306中引線305連接至源跟隨晶體管和行選擇晶體管(圖3a中未畫出源跟隨晶體管和行選擇晶體管具體電路結(jié)構(gòu)，僅以復(fù)位晶體管圖示像素讀出電路)將光生電壓信號(hào)輸出。所述隔離結(jié)構(gòu)307位于所述半導(dǎo)體襯底中且位于所述感光器件304和像素讀出電路306的各相鄰器件之間，當(dāng)所述半導(dǎo)體襯底為具有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底時(shí)，所述隔離結(jié)構(gòu)307位于所述具有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底的頂層半導(dǎo)體層303中。所述隔離結(jié)構(gòu)307為淺溝道_離(Shallow Trench Isolation, STI)或絕緣介質(zhì)_離,具體地,在本實(shí)施例ニ中，所述隔離結(jié)構(gòu)307位于所述頂層半導(dǎo)體層303中，且位于所述感光器件304和像素讀出電路306的各相鄰器件之間，所述隔離結(jié)構(gòu)307為硅島隔離結(jié)構(gòu)，為絕緣介質(zhì)隔離中的一種。所述介質(zhì)層(未圖示)和金屬布線(未圖示)位于所述的納米金屬顆粒層及半導(dǎo)體襯底表面，以實(shí)現(xiàn)各該器件的電連接。所述納米金屬顆粒層308，在垂直所述感光器件304所在平面的方向上且位于所述感光器件上方，形成于所述感光器件304表面，或形成于所述介質(zhì)層中，或形成于所述金屬布線層中，用于提高所述感光器件304對(duì)光的吸收效率。其中，所述納米金屬顆粒層308的材料至少包括銀、鋁、金、和銅中的任意ー種；所述納米金屬顆粒為球形；所述納米金屬顆粒層308的厚度等于金屬顆粒的直徑，所述金屬顆粒的直徑為40(Tl000nm ;所述納米金屬顆粒層308為非致密納米金屬顆粒層，且納米金屬顆粒為隨機(jī)不規(guī)則分布的，其占空比范圍為O. I "O. 9,優(yōu)選的所述占空比范圍為O. I "O. 5,以保證所述納米金屬顆粒層308有足夠的透光性。在本實(shí)施例ニ中，如圖3a至3b所示，所述納米金屬顆粒層308形成于所述感光器件304表面，由一層非致密的隨機(jī)不規(guī)則分布的球形納米銀顆粒3081構(gòu)成，所述納米金屬顆粒層308的占空比約為O. 3 (請(qǐng)參閱圖3b)，所述納米金屬顆粒層308的厚度為納米銀顆粒3081的直徑，其中，在所述感光器件304表面形成的納米銀顆粒3081的直徑為435 480nm、595 605nm、或 75(T800nm，容后詳述。需要指出的是，當(dāng)所述納米金屬顆粒層形成于所述金屬布線層中時(shí)，所述納米金屬顆粒層與所述金屬布線可同時(shí)制作，即在金屬布線刻蝕時(shí)，在對(duì)應(yīng)感光器件所在位置處的所述金屬布線層中，同時(shí)刻蝕形成非致密的球形納米金屬顆粒，在所述金屬布線層中形成所述納米金屬顆粒層，以增強(qiáng)位于其下的感光器件對(duì)光的吸收效率。需要說(shuō)明的是，在垂直于所述感光器件304所在平面的方向上且位于所述感光器件上方，在感光器件304表面、或所述介質(zhì)層中，或所述金屬布線層中増加所述納米金屬顆粒層308，利用其表面等離子體激元，增強(qiáng)位于其下的感光器件304對(duì)光的吸收效率的具體原理請(qǐng)參見(jiàn)實(shí)施例一，在此不再一一贅述。需要進(jìn)ー步說(shuō)明的是，在本實(shí)施例ニ中，當(dāng)入射光照射到納米金屬顆粒層308表面，自由電子在電磁場(chǎng)(光波為電磁波的ー種)的驅(qū)動(dòng)下，在金屬和介質(zhì)界面(頂層半導(dǎo)體層303表面)上發(fā)生集體振蕩，產(chǎn)生表面等離子體激元，它們能夠局域在納米金屬顆粒周圍或者在平坦的金屬表面?zhèn)鞑ィM(jìn)而增強(qiáng)位于頂層半導(dǎo)體層303中的感光器件304的光吸收效率。具體地，當(dāng)所述球形納米金屬顆粒的直徑為40(T500nm吋，對(duì)所述感光器件304原本可吸收波段光(如紫光至藍(lán)綠光波段)的吸收效率進(jìn)ー步的提高，本實(shí)施例ニ中納米銀顆粒3081的直徑為435 480nm對(duì)應(yīng)增強(qiáng)感光器件304對(duì)藍(lán)光波段的吸收效率；當(dāng)所述球形納米金屬顆粒的直徑為50(T700nm吋，即可提高所述感光器件304在波長(zhǎng)較長(zhǎng)光(尤其是波長(zhǎng)在50(T700nm之間的可見(jiàn)光)的吸收效率，本實(shí)施例ニ中納米銀顆粒3081的直徑為595飛05nm對(duì)應(yīng)增強(qiáng)感光器件304對(duì)紅光波段的吸收效率；當(dāng)所述球形納米金屬顆粒的直徑為70(Tl000nm時(shí)，即可提高所述感光器件304對(duì)紅外光(尤其是波長(zhǎng)在70(Tl000nm之間的近紅外光)的吸收效率，本實(shí)施例ニ中納米銀顆粒3081的直徑為75(T800nm對(duì)應(yīng)增強(qiáng)感光器件304對(duì)近紅外光波段的吸收效率。本實(shí)施例ニ提供的CMOS圖像傳感器，在感光器件表面增加納米金屬顆粒層，利用納米金屬顆粒層的表面等離子體激元，以增強(qiáng)位于其下的所述頂層半導(dǎo)體層中的感光器件對(duì)光的吸收效率，其中，所述頂層半導(dǎo)體層位于具有支撐襯底、絕緣埋層以及頂層半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體襯底的頂層，不僅增強(qiáng)了 CMOS圖像傳感器原本可吸收波段光的吸收效率，而且有效地提高了 CMOS圖像傳感器的對(duì)波長(zhǎng)較長(zhǎng)光(尤其是波長(zhǎng)在50(Tl000nm之間的光)的吸收效率；像素讀出電路位于所述頂層半導(dǎo)體層中，使其MOS晶體管全耗盡，電路具有高速、低功耗、抗閂鎖的優(yōu)良性能。綜上所述，本發(fā)明的CMOS圖像傳感器及其制作方法，通過(guò)形成于感光器件表面的、或形成于介質(zhì)層中的、或形成于金屬布線層中的納米金屬顆粒層，利用納米金屬顆粒層的表面等離子體激元，以增強(qiáng)位于其下的半導(dǎo)體襯底中的感光器件對(duì)光的吸收效率，其中，所述半導(dǎo)體襯底為硅襯底或具有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底，感光器件制作在硅襯底中或制作在具有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底的頂層半導(dǎo)體層中；進(jìn)一歩，通過(guò)控制表面金屬顆粒層的納米金屬顆粒的大小(直徑大小)，以增強(qiáng)對(duì)于特定波長(zhǎng)光的吸收；另外，當(dāng)像素讀出電路制作在具有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底的頂層半導(dǎo)體層中時(shí)，使其MOS晶體管全耗盡，電路具有高速、低功耗、抗閂鎖的優(yōu)良性能。本發(fā)明不僅增強(qiáng)了 CMOS圖像傳感器原本可吸收波段光的吸收效率，而且有效地提高了 CMOS圖像傳感器的對(duì)波長(zhǎng)較長(zhǎng)光(尤其是波長(zhǎng)在50(Tl000nm之間的光)的吸收效率。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟 悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所掲示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.ー種CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述圖像傳感器至少包括 半導(dǎo)體襯底； 感光器件，位于所述半導(dǎo)體襯底中，以將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)； 像素讀出電路，位于所述半導(dǎo)體襯底中，以將感光器件產(chǎn)生的電信號(hào)讀出； 隔離結(jié)構(gòu)，位于所述半導(dǎo)體襯底中且位于所述感光器件和像素讀出電路的各相鄰器件之間； 介質(zhì)層和金屬布線層，位于所述感光器件及半導(dǎo)體襯底表面，以實(shí)現(xiàn)各該器件的電連接; 納米金屬顆粒層，在垂直方向上位于所述感光器件上方，形成于所述感光器件表面，或形成于所述介質(zhì)層中，或形成于所述金屬布線層中，以提高所述感光器件對(duì)光的吸收效率。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的CMOS圖像傳感器，其特征在于所述半導(dǎo)體襯底為硅襯底或?yàn)榫哂兄我r底、位于所述支撐襯底之上的絕緣埋層、及位于所述絕緣埋層之上的頂層半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的CMOS圖像傳感器，其特征在于所述的感光器件、像素讀出電路及隔離結(jié)構(gòu)均位于所述頂層半導(dǎo)體層中。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于所述納米金屬顆粒層材料至少包括銀、鋁、金、和銅中的任意ー種。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于所述納米金屬顆粒層厚度等于金屬顆粒的直徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于所述納米金屬顆粒層為非致密納米金屬顆粒層，其占空比范圍為0. ro. 9。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于所述納米金屬顆粒層的占空比范圍為0. ro. 5。
8.—種CMOS圖像傳感器的制作方法，其特征在于，所述制作方法至少包括以下步驟 1)提供一半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底中制作感光器件和像素讀出電路，并形成相鄰器件之間的隔離結(jié)構(gòu)； 2)在所述感光器件表面形成納米金屬顆粒層，以提高所述感光器件對(duì)光的吸收效率； 3)在所述覆蓋有納米金屬顆粒層的半導(dǎo)體襯底上形成介質(zhì)層，而后進(jìn)行金屬布線，實(shí)現(xiàn)各器件之間的電連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的CMOS圖像傳感器的制作方法，其特征在于通過(guò)化學(xué)氣相沉積方法或物理氣相沉積方法在所述感光器件表面形成納米金屬顆粒層。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的CMOS圖像傳感器的制作方法，其特征在于所述半導(dǎo)體襯底為硅襯底或?yàn)榫哂兄我r底、位于所述支撐襯底之上的絕緣埋層、及位于所述絕緣埋層之上的頂層半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體襯底。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的CMOS圖像傳感器的制作方法，其特征在于所述感光器件及所述像素讀出電路均位于所述頂層半導(dǎo)體層中。
全文摘要
本發(fā)明提供一種CMOS圖像傳感器及其制作方法，通過(guò)形成于感光器件表面的、或形成于介質(zhì)層中的、或形成于金屬布線層中的納米金屬顆粒層，利用納米金屬顆粒層的表面等離子體激元，增強(qiáng)位于其下的感光器件對(duì)光的吸收效率；通過(guò)控制表面金屬顆粒層的納米金屬顆粒的大小，增強(qiáng)對(duì)于特定波長(zhǎng)光的吸收。本發(fā)明不僅增強(qiáng)了CMOS圖像傳感器原本可吸收波段光的吸收效率，而且有效地提高了該圖像傳感器對(duì)波長(zhǎng)在500~1000nm之間的較長(zhǎng)波長(zhǎng)光的吸收效率。
文檔編號(hào)H01L27/146GK102664185SQ20121017960
公開(kāi)日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月1日
發(fā)明者方娜, 汪輝, 田犁, 苗田樂(lè), 陳杰 申請(qǐng)人:上海中科高等研究院