專利名稱：Cmos圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電轉(zhuǎn)換方法，尤其涉及使用適合與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)集成的基于硅的器件進(jìn)行光檢測(cè)。
背景技術(shù)：
常規(guī)的電荷耦合器件(CCD)和CMOS圖像傳感器(CIS)包含幾個(gè)對(duì)于高性能圖像傳感至關(guān)重要的元件。將光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光電二極管，處理模擬信號(hào)、將其轉(zhuǎn)換成一個(gè)數(shù)字信號(hào)并且執(zhí)行數(shù)字信號(hào)處理的CMOS器件和電路，彩色濾波器等。CIS的技術(shù)具有這樣一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即這些元件能被單片集成在同一“晶粒(die)”或“芯片(chip)”上，而CCD只能單片集成彩色濾波和光吸收。
在常規(guī)CIS技術(shù)中，在CMOS器件制造期間形成的內(nèi)建的垂直pn結(jié)、源-井和漏-井結(jié)被用于光檢測(cè)的光電二極管。光檢測(cè)能力取決于硅的本征能帶結(jié)構(gòu)屬性，例如吸收系數(shù)，并且取決于結(jié)的幾個(gè)特征，例如摻雜分布、結(jié)深度、隔離結(jié)構(gòu)深度(LOCOS或STI)等。
硅進(jìn)行光吸收的效率很大程度上取決于波長(zhǎng)。與具有較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光子(具有較小能量的光子)相比，較短波長(zhǎng)的光子(具有較高能量的光子)在距離表面較短的距離內(nèi)被吸收。對(duì)于硅來說，在可見光范圍內(nèi)，藍(lán)色的光子被非常有效地吸收，但是紅色的光子卻不是這樣，從而要求一個(gè)長(zhǎng)得多的“吸收深度”。因此，紅色的光子的吸收對(duì)于光吸收區(qū)域的最小厚度提出了限制。
另一方面，進(jìn)步中的CMOS技術(shù)在于縮小晶體管的側(cè)向尺寸，這也要求垂直方向中的結(jié)構(gòu)的縮小，即更淺的、更高摻雜的結(jié)。本質(zhì)上較小的MOSFET要求幾乎或完全簡(jiǎn)并地?fù)诫s的源和漏區(qū)。因此，在這些半導(dǎo)體區(qū)域中，電場(chǎng)是非常弱的或者完全被阻擋的，從而導(dǎo)致只經(jīng)由擴(kuò)散的電荷傳輸。由于對(duì)于CIS器件來說，光是在一個(gè)MOSFET的源/漏區(qū)中被吸收的，因此很短的波長(zhǎng)(短于藍(lán)色)的吸收發(fā)生在很靠近表面處，從而電子-空穴對(duì)具有很短的壽命，即高復(fù)合率。因此聚集的電荷量只是光生成的總量的一小部分。這解釋了為什么對(duì)于硅非常高效吸收的波長(zhǎng)(例如UV輻射)，CIS器件的量子效率較低。
對(duì)于較長(zhǎng)波長(zhǎng)的高效光吸收以及由較短波長(zhǎng)光生成的載流子的高效聚集的要求，與CMOS技術(shù)的繼續(xù)縮放要求相沖突，即使在大塊襯底上也是這樣。
廣泛認(rèn)識(shí)到薄膜SOI襯底非常有益，或許是制造高性能90nm以下的CMOS的器件的一個(gè)必需。CMOS技術(shù)越高級(jí)，利用薄膜襯底的優(yōu)勢(shì)就越大。但是，常規(guī)的CCD和CIS器件利用硅晶片的大體積進(jìn)行光吸收，而對(duì)于薄膜SOI，用于制造CMOS器件的最頂層的硅膜不能有效地吸收可見光中的波長(zhǎng)，因?yàn)樗×?，即吸收膜?nèi)的光程太短。
因此，可以說常規(guī)CIS技術(shù)與薄膜SOI襯底是根本上不相容的，因此也與高性能90nm以下CMOS技術(shù)的要求不相容。于是可以得出結(jié)論，常規(guī)的CMOS圖像傳感器將不能利用也稱為“摩爾定律”的CMOS縮放在速度、密度、功率耗散和成本方面的各種公知好處。
更高級(jí)的CMOS器件在傳感器矩陣的像素內(nèi)和外圍都是很重要的?；顒?dòng)像素傳感器需要像素內(nèi)晶體管，它占用了對(duì)光吸收無貢獻(xiàn)的面積。傳感器面積對(duì)像素總面積之比被稱為“填充因子”。不能縮放CMOS器件的尺寸將最終導(dǎo)致不能縮放CIS的像素的尺寸。因此這也將對(duì)對(duì)于一個(gè)給定的分辨率整個(gè)圖像傳感器能夠多小提出限制，這又對(duì)光學(xué)系統(tǒng)(透鏡)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生的限制，從而影響了整個(gè)系統(tǒng)的尺寸、重量、成本等等。
CMOS圖像傳感器的像素尺寸的縮放也受透鏡系統(tǒng)的分辨率所限。如果像素尺寸變得小于透鏡系統(tǒng)可能分辨的最小特征，則被一個(gè)CCD或CMOS圖像傳感器矩陣捕捉的圖像的質(zhì)量惡化。因此把像素尺寸縮小到透鏡系統(tǒng)能夠分辨的大小之下是沒有意義的。另一方面對(duì)于較高分辨率的透鏡，一個(gè)透鏡系統(tǒng)的成本增加。
用于常規(guī)透鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的光學(xué)物理的原理是“衍射有限”。這意味著不可能設(shè)計(jì)一個(gè)分辨率接近要聚焦的光的波長(zhǎng)的透鏡系統(tǒng)，即使是在不現(xiàn)實(shí)地假設(shè)可以以無限的精度制造透鏡的情況下。
常規(guī)CIS結(jié)構(gòu)由使一個(gè)MOSFET的源/漏-井(垂直)pn結(jié)也作為一個(gè)光電二極管而組成。這種結(jié)構(gòu)無法在薄膜絕緣體上硅(TF-SOI)襯底中實(shí)現(xiàn)，TF-SOI也被稱為完全耗盡SOI(FD-SOI)，其中不存在這種(垂直)pn-結(jié)，因?yàn)镸OSFET的源和漏區(qū)是在埋入的氧化物上直接形成的，而不是在用相反極性的雜質(zhì)摻雜的一個(gè)半導(dǎo)體區(qū)域上形成的。但是，即使這種結(jié)確實(shí)存在于薄膜SOI CMOS器件上，由于晶狀硅膜是如此之薄，通常小于30nm，可見光范圍中的光的吸收也會(huì)非常低效，并且不足以對(duì)圖像傳感器有實(shí)際用途。
本發(fā)明公布了一種使能利用薄膜SOI襯底制造高性能CMOS圖像傳感器的方案。除了得自更高級(jí)的CMOS器件的優(yōu)點(diǎn)以外，例如速度、功耗和減小的尺寸，SOI襯底與大塊襯底相比有一個(gè)質(zhì)的差異去除SOI襯底的背面并且用一個(gè)對(duì)光透明的不同襯底替代它是很容易的。即使用厚膜SOI和薄膜SOI都可能做到這一點(diǎn)，用薄膜SOI襯底的優(yōu)點(diǎn)也更多，正如下文都要描述的那樣。
在常規(guī)CCD和CIS中，彩色濾波是通過制造一個(gè)稱為“Bayer圖案”的棋盤圖案來實(shí)現(xiàn)的，其中用于不同顏色(通常是紅、綠和藍(lán))的濾波器在相鄰像素間交替。補(bǔ)充的原色青、黃和品紅也可被使用。彩色濾波器不需要被局限或限制于通常的三原色像素。由于常規(guī)彩色CMOS圖像傳感器是在塊硅晶片上，因此只可能進(jìn)行正面光照。
用于制造彩色濾波器的材料與硅處理不相容，以及常規(guī)彩色CIS讓彩色濾波器產(chǎn)生在一個(gè)鈍化層之上，該鈍化層是在最后一層金屬化層之上沉積成的。隨著金屬層的數(shù)目增加，硅晶片表面(光在這里被吸收)與彩色濾波器之間的距離也增加。更多的金屬層導(dǎo)致相鄰像素之間更多的顏色串?dāng)_，因?yàn)楦嘁赃h(yuǎn)離法向的角度撞擊襯底的光子經(jīng)過彩色濾波器、并且在不屬于相同像素的光電二極管中被吸收。這是一個(gè)非常重要的因素，實(shí)際上它將金屬層的數(shù)目限制為3或4，而前沿CMOS技術(shù)可以具有6或7層金屬層。金屬層數(shù)目上的限制對(duì)可被制造在同一晶粒上從而與圖像傳感器單片集成的“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”產(chǎn)生了嚴(yán)重的后果。例如圖像壓縮所需的高級(jí)的數(shù)字信號(hào)處理要求有微處理器和/或數(shù)字信號(hào)處理器核，這通常要求多于3或4層的金屬層。
“正面”光照也要求光傳感區(qū)域不被金屬線所阻擋，從而對(duì)把像素內(nèi)電路連接到外圍電路的金屬線產(chǎn)生了嚴(yán)重的約束。對(duì)于像素和外圍之間的互連的這一限制限制了像素-外圍通信可用的最大帶寬，這又對(duì)諸如最大幀速率、動(dòng)態(tài)范圍等的參數(shù)具有有害后果。
在薄膜SOI上制成的光電二極管的背面光照是一個(gè)可能對(duì)圖像傳感器的整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生許多級(jí)聯(lián)效應(yīng)的結(jié)構(gòu)特征。有可能在埋入的氧化物背面單片集成許多類型的結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)用大塊襯底是不可能完成的，因?yàn)樗鼈円笳婀庹铡?br> 某些這樣的結(jié)構(gòu)不要求正面上有任何特別的布局或處理特征。例子有常規(guī)彩色濾波器和納米光學(xué)結(jié)構(gòu)，例如表面等離極化激元(Surface Plasmon Polariton，SPP)結(jié)構(gòu)。其他結(jié)構(gòu)，比如共振腔，可能要求正面上的層厚度的特定布局。必須強(qiáng)調(diào)這些結(jié)構(gòu)中任何一種本身，或者以某種方式結(jié)合，都不可能用大塊襯底實(shí)現(xiàn)。正如稍后將描述的，處理晶片的背面和背面光照可被利用于實(shí)現(xiàn)突破常規(guī)光學(xué)系統(tǒng)的局限的全新的結(jié)構(gòu)，包括制造能夠進(jìn)行亞波長(zhǎng)分辨的單片集成的透鏡系統(tǒng)，從而激發(fā)亞波長(zhǎng)大小的像素的發(fā)展并證明其合理性，這反過來又要求更高級(jí)的CMOS技術(shù)。
因此，將TF-SOI或TF-GeOI襯底用于CMOS圖像傳感器，使得能夠進(jìn)行背面光照，是克服由圖像傳感器、波長(zhǎng)濾波器和透鏡組構(gòu)成的常規(guī)成像系統(tǒng)的基本局限的全新的結(jié)構(gòu)和技術(shù)的基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一目的是一個(gè)在薄膜絕緣體上硅(TF-SOI)或薄膜絕緣體上鍺(TF-GEOI)襯底上制造CMOS圖像傳感器工藝結(jié)構(gòu)。
光電二極管活動(dòng)層被外延地生成在襯底的正面，并且致密金屬互聯(lián)被制造在襯底的正面上的傳感器矩陣之上。在對(duì)TF-SOI或TF-GeOI襯底的正面完全處理之后，襯底材料被從埋入的絕緣體(埋入的氧化物)之下去除。然后單片集成的結(jié)構(gòu)被制造在埋入的氧化物的背面。然后背面被粘合到一個(gè)對(duì)感興趣的波長(zhǎng)透明的新襯底。例如，石英、藍(lán)寶石、玻璃或塑料適于可見光范圍。從而傳感器矩陣的背面光照被允許，光穿過在與制成CMOS的一側(cè)相反的襯底背面上制造的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的一個(gè)第二目的是一個(gè)在TF-SOI或TF-GeOI襯底上制造背面光照的彩色CMOS圖像傳感器的工藝結(jié)構(gòu)，其中常規(guī)彩色濾波器被制造在埋入的氧化物背面之上。
本發(fā)明的一個(gè)第三目的是一個(gè)在TF-SOI或TF-GeOI襯底上制造背面光照的彩色CMOS圖像傳感器的工藝結(jié)構(gòu)，其中表面等離極化激元(SPP)結(jié)構(gòu)(以下稱為“SPP光漏斗”)被制造在埋入的氧化物背面，從而與傳感器矩陣單片集成。SPP光漏斗元件可對(duì)可見光、UV和IR范圍內(nèi)的波長(zhǎng)提供以下功能中的任一種或全部1.波長(zhǎng)濾波2.偏振濾波3.波導(dǎo)和將光束限于亞波長(zhǎng)尺寸本發(fā)明的一個(gè)第四目的是一個(gè)在TF-SOI或TF-GeOI襯底上制造背面光照的彩色CMOS圖像傳感器的工藝結(jié)構(gòu)，其中平面或厚片狀的并且能夠進(jìn)行亞波長(zhǎng)分辨的“超級(jí)透鏡”被制造在襯底的背面，從而與傳感器矩陣單片集成。


圖1顯示了一個(gè)包括金屬化的完全處理后的TF-SOI晶片的示意性圖示，在其上制成CMOS器件和SAM-APD。
圖2顯示了有CMOS器件和SAM-APD在正面的薄膜SOI或薄膜GeOI晶片的示意性圖示，其中埋入的氧化物之下的半導(dǎo)體襯底已經(jīng)被去除，常規(guī)彩色濾波器被制成在埋入的氧化物之上，并且已經(jīng)與一個(gè)新的透明襯底粘合。
圖3顯示了在光電二極管層上外延地生成的像素內(nèi)同質(zhì)或異質(zhì)結(jié)電容層的示意性圖示。
圖4顯示了直接在光電二極管層上制成的像素內(nèi)MOS電容的示意性圖示。
圖5顯示了SPP光漏斗的第一實(shí)施方式的示意性圖示，其中SPP光漏斗可以遠(yuǎn)離光電二極管。
圖6顯示了SPP光漏斗的第二實(shí)施方式的示意性圖示，其中SPP光漏斗可以遠(yuǎn)離光電二極管。
圖7顯示了與背面光照的薄膜SOI CMOS圖像傳感器以及與根據(jù)本發(fā)明中描述的第一實(shí)施方式制造的SPP光漏斗單片集成的一個(gè)厚片狀超級(jí)透鏡的示意性圖示。
圖8A至8H顯示了SPP漏斗的第一實(shí)施方式的一個(gè)典型工藝流程。
圖9A至9H顯示了SPP漏斗的第二實(shí)施方式的一個(gè)典型工藝流程。
圖10A至10E，顯示了超級(jí)透鏡與背面光照的TF-SOI CMOS圖像傳感器以及根據(jù)第一實(shí)施方式的SPP光漏斗單片集成的一個(gè)典型工藝流程。
具體實(shí)施例方式
背面光照的TF-SOI CMOS圖像傳感器這里通過引用結(jié)合的WO 02/033755和共同待審的申請(qǐng)PCT/EP/03/10346中公布的新發(fā)明可以被結(jié)合以生成一種全新的CMOS圖像傳感器(CIS)，其中SAM-APD被制成在TF-SOI或TF-GeOI上。圖1顯示了一個(gè)完全處理后的TF-SOI晶片的示意性圖示，其中CMOS器件、光電二極管層和完全金屬化堆疊已經(jīng)被制成。
在SOI和GeOI襯底中，埋入的氧化物之下的晶片只被用作埋入的氧化物和頂部的晶狀半導(dǎo)體(Si或Ge)膜的一個(gè)機(jī)械支撐，它對(duì)于要在頂部的晶狀半導(dǎo)體膜上制造的CMOS器件的屬性具有非常小的影響。由于此原因埋入的氧化物之下的晶片塊易被一個(gè)不同的機(jī)械襯底所替代，該機(jī)械襯底對(duì)比如UV、可見光、IR等感興趣的波長(zhǎng)中的光透明。
SOI襯底的通常不被認(rèn)為是對(duì)SOI上制造的純電CMOS電路非常相關(guān)的一個(gè)特別的方面是，SOI晶片中的埋入的氧化物對(duì)于埋入的氧化物下的厚硅襯底的去除工藝提供了一個(gè)極好的“標(biāo)記層”。從工藝技術(shù)觀點(diǎn)來看，該“標(biāo)記層”的存在使得很容易用一種對(duì)IR、可見光和UR光透明的材料(例如石英、藍(lán)寶石等)來替代厚的硅襯底。根據(jù)所尋求的應(yīng)用，透光材料也可以是玻璃或塑料，它們可能輕得多，甚至是能變形的。必須強(qiáng)調(diào)用一個(gè)對(duì)特定波長(zhǎng)透明的不同的機(jī)械襯底來進(jìn)行所述替代要在所有處理已經(jīng)在晶片正面上被完成之后被完成。因此不需要修改或開發(fā)用于在晶片正面上制造CMOS器件和光電二極管的新的處理技術(shù)。還應(yīng)該記住去除TF-SOI(或TF-GeOI)的埋入的氧化物下的襯底并將它粘合到一個(gè)不同的襯底可以在非常低的溫度甚至室溫之下完成，以使得對(duì)于在TF-SOI(或TF-GeOI)晶片的正面上制造的材料和結(jié)構(gòu)沒有影響。
去除埋入的氧化物下的厚晶片的過程去除了對(duì)于埋入的氧化物和頂部的晶狀半導(dǎo)體膜的機(jī)械支撐。由于此原因，在去除埋入的氧化物下的晶片的過程中，器件層將被暫時(shí)粘到正面上的一個(gè)機(jī)械支持物，直到將器件層粘合到最終的透明襯底。
有了背面光照的TF-SOI圖像傳感器，就有可能在埋入的氧化物背面上制造結(jié)構(gòu)，同時(shí)不影響晶片的正面的處理，CMOS器件和光電二極管通過該正面的處理被制造，只要溫度被保持在正面上的互連的制造過程中使用的最大溫度以下。
在大塊晶片上的標(biāo)準(zhǔn)CMOS處理中，第一步驟之一是產(chǎn)生被所有后續(xù)的模制步驟所使用的對(duì)齊標(biāo)記。對(duì)齊標(biāo)記是通過將凹槽蝕刻在塊硅晶片中產(chǎn)生的。此過程也可被應(yīng)用于SOI晶片，在這種情況下凹槽被蝕刻，穿過頂部的薄硅膜、埋入的氧化物并且深入到埋入的氧化物之下的硅襯底。
如果埋入的氧化物下的硅晶片被去除，則對(duì)齊標(biāo)記消失。因此，額外的對(duì)齊標(biāo)記可以被產(chǎn)生在其他層上，例如聚合層或第一金屬層，這些層可用作在埋入的氧化物的背面上執(zhí)行的模制步驟的對(duì)齊標(biāo)記。此對(duì)齊可以與在晶片的正面上執(zhí)行的不同的模制步驟之間的對(duì)齊一樣好。
根據(jù)埋入的氧化物的厚度和根據(jù)要制造的結(jié)構(gòu)，可能首選在制造可為不同類型或性質(zhì)的新結(jié)構(gòu)之前將透光材料的膜直接沉積到埋入的氧化物上。
在去除埋入的氧化物下的厚晶片后，但是在將器件層粘合到最終的透明襯底之前，可能直接在埋入的氧化物上制造額外的結(jié)構(gòu)。例如，非常希望制造很接近光電二極管的彩色濾波器，因?yàn)榧词乖跊_擊的光子具有非常傾斜的角度時(shí)它也能抑制顏色串?dāng)_。圖2示意性地顯示了在埋入的氧化物上制造的、與晶片的正面之上的光電二極管對(duì)齊的常規(guī)彩色濾波器。
背面光照相對(duì)于正面光照的另一個(gè)極重要的優(yōu)點(diǎn)是，它允許了傳感器矩陣正面上的密集金屬互連，從而允許了矩陣內(nèi)的像素和傳感器矩陣的外圍處的電路之間的可用帶寬的重大提高。
背面光照還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可能在襯底正面、光電二極管頂上放置一面鏡子，例如一層金屬膜。該鏡子具有加倍吸收效率的潛能，因?yàn)樗鼘⒐夥瓷浠毓怆姸O管層，從而有效地加倍了吸收層內(nèi)的光程。
背面光照另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可能直接在光電二極管頂上制造電容。這種“像素內(nèi)”電容是被垂直堆疊在光電二極管上的，因此不會(huì)強(qiáng)加任何面積代價(jià)。根據(jù)光電二極管的橫向尺寸和模制步驟的臨界尺寸，可以在光電二極管頂上模制電容膜，以便在單個(gè)光電二極管頂上產(chǎn)生并排的多個(gè)更小的電容。電容可以與光電二極管串聯(lián)或并聯(lián)。
像素內(nèi)電容可以緊接光電二極管的外延層生成之后，用在原地外延生成的同質(zhì)和/或異質(zhì)結(jié)制成。圖3顯示了在光電二極管層上外延生成的像素內(nèi)電容層的示意性圖示。
像素內(nèi)電容也可作為金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)結(jié)構(gòu)制成。MOS結(jié)構(gòu)可以通過直接在光電二極管的電極層上生成或沉積一層絕緣膜來制成，之后是沉積一種金屬或簡(jiǎn)并摻雜的半導(dǎo)體材料。簡(jiǎn)并摻雜的半導(dǎo)體的頂部金屬的模制可在單個(gè)光電二極管的頂部之上提供幾個(gè)MOS結(jié)構(gòu)。像素內(nèi)電容也可用金屬絕緣體金屬(MIM)結(jié)構(gòu)制成。這些結(jié)構(gòu)是在處理的金屬化階段期間制成的。作為直接在光電二極管層上制成的結(jié)電容或MOS電容的替代或補(bǔ)充，可形成MIM電容。根據(jù)像素的橫向尺寸和MIM制造過程的臨界尺寸，可能在單個(gè)像素的面積上制造多個(gè)MIM電容。
“厚膜”SOI襯底與“薄膜”SOI襯底共享背面光照、埋入的氧化物上制成的波長(zhǎng)濾波器和具有在正面處的像素面積上的密集互連的許多金屬層的優(yōu)點(diǎn)。但是，用埋入的氧化物頂上的較厚的晶狀硅膜，對(duì)于可見光和UV中的較短波長(zhǎng)具有較強(qiáng)的吸收。因此，在超出頂部硅膜的一個(gè)特定厚度之外，沒有足夠的這些波長(zhǎng)的光子到達(dá)沉積在該層上的外延層。由于這些原因，優(yōu)選使用薄膜SOI來實(shí)現(xiàn)結(jié)合WO02/033755和PCT/EP/03/10346中公開的新發(fā)明中的所有優(yōu)點(diǎn)，正如本公開所述。
一個(gè)透明的襯底允許光電二極管除捕捉來自正面的光外，還捕捉來自襯底背面的光。這為CMOS圖像傳感器的設(shè)計(jì)開放了新的可能性1.僅用于背面光照的1D或2D傳感器陣列中的光電二極管。
2.用于背面或正面光照的1D或2D傳感器陣列中的光電二極管。
3.1D或2D傳感器陣列中的兩套光電二極管，一套專用于正面光照，而另一套專用于背面光照。
必須強(qiáng)調(diào)這些結(jié)合僅背面光照或背面光照和/或正面光照的選項(xiàng)對(duì)于在背面對(duì)于相關(guān)波長(zhǎng)的光不透明的襯底上制成的圖像傳感器是不可能的。
背面光照的圖像傳感器的結(jié)構(gòu)是通過以下幾點(diǎn)而成為可能的1.用TF-SOI或TF-GeOI作為初始襯底；2.在晶片正面執(zhí)行制造CMOS器件和光電二極管所必須的完全處理，包括多層金屬互連。
3.將晶片的正面貼附到一個(gè)臨時(shí)的機(jī)械支撐物上；4.去除TF-SOI或TF-GeOI晶片的埋入的氧化物下的半導(dǎo)體襯底。
5.在埋入的氧化物背面制造另外的結(jié)構(gòu)。背面之上的所有制造步驟是在低到不足以干擾晶片正面的結(jié)構(gòu)、器件和材料的溫度下被執(zhí)行的。背面之上的所有模制步驟與晶片正面上制成的標(biāo)記(例如用金屬-1結(jié)構(gòu)制成)對(duì)齊，并且與正面之上執(zhí)行的任何一個(gè)模制步驟具有相同的對(duì)齊容差。
6.在完成背面的處理后，執(zhí)行晶片粘合，將器件層粘合到一個(gè)透光的襯底，并且從正面上的臨時(shí)機(jī)械支撐物上松開。
7.切塊并封裝。
SPP光漏斗適于在一個(gè)SOI晶片的埋入的氧化物背面制造的一類結(jié)構(gòu)是一個(gè)常規(guī)彩色濾波器圖案。此結(jié)構(gòu)的制造在于沉積并模制提供彩色濾波的膜，正如目前為了塊硅晶片的正面光照在金屬層頂上完成的那樣。
另一種結(jié)構(gòu)是通過沉積并模制金屬膜以便制造表面等離極化激元(Surface Plasmon Polariton，SPP)結(jié)構(gòu)而獲得的。SPP結(jié)構(gòu)通常由按使之可用作光學(xué)器件的方式而模制的薄金屬膜構(gòu)成，并且通常被稱為“等離子體激元光學(xué)器件”。SPP結(jié)構(gòu)可用于以常規(guī)光學(xué)器件或者甚至光子能帶隙材料(也稱為光子晶體，只用電介質(zhì)材料制成)不可能實(shí)現(xiàn)的方式操縱電磁波。不同金屬支持不同波長(zhǎng)范圍中的表面等離子體激元鋁在UV中，金、銀和銅在可見光中，不同化合物比如銦錫氧化物(ITO)在紅外線中。膜厚度通常是幾十毫微米。
在金屬和膜厚度方面的這些要求與用于晶片正面的金屬化技術(shù)不相容。即使鋁和銅是適合的金屬，膜厚度也與用于互連電路元件的金屬線或通孔的厚度不相容。因此，只可能在一個(gè)SOI晶片的背面上制造用于光學(xué)用途而被最優(yōu)化的SPP結(jié)構(gòu)。
金屬、膜厚度、圖案大小、圖案間距、金屬與之接口的電介質(zhì)的特定組合導(dǎo)致了顯著的光學(xué)屬性，例如1.通過金屬膜中的亞波長(zhǎng)孔傳輸電磁波，其光學(xué)透射比“小孔”衍射理論預(yù)言的幅度大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。所報(bào)告的零階傳輸頻譜的特征是由達(dá)孔直徑的十倍的波長(zhǎng)處的良好定義的傳輸最大值來表現(xiàn)的，其效率超過1。
2.波長(zhǎng)濾波可用2D金屬柵格實(shí)現(xiàn)。
3.偏振濾波也可用2D金屬柵格實(shí)現(xiàn)。
4.電磁波聚焦在橫向尺寸遠(yuǎn)小于輻射波長(zhǎng)的斑上。
5.共振波長(zhǎng)可通過改變與金屬接口的電介質(zhì)來調(diào)整。
SPP結(jié)構(gòu)的所有這些非常的特征都可被單獨(dú)或一起采用，以改進(jìn)UV、可見光、SWIR、MWIR和LWIR波長(zhǎng)范圍上的圖像傳感器的性能和/或功能。
因此本發(fā)明公開了一種由SPP結(jié)構(gòu)制成的新的器件概念，以下稱為“SPP光漏斗”，它可具有至少兩種不同的實(shí)施方式。兩種實(shí)施方式都可被排列成1D或2D陣列，并且通過以下描述的工藝結(jié)構(gòu)與圖像傳感器單片集成。由于本公開里已經(jīng)解釋的原因，在TF-SOI或TF-GeOI襯底上制成的背面光照的CMOS圖像傳感器是結(jié)合新的SPP光漏斗的首選的圖像傳感器。
在一個(gè)常規(guī)單片數(shù)字成像照相機(jī)中，傳感器矩陣被放在由透鏡系統(tǒng)形成的圖像的焦平面處。利用SPP光漏斗元件的一個(gè)2D陣列(矩陣)，焦平面中出現(xiàn)的光子不被直接耦合到傳感器矩陣的光傳感器(光電二極管)中，而是首先被耦合到單獨(dú)的SPP光漏斗元件，然后光漏斗元件將光子引導(dǎo)和耦合到光電二極管。在耦合透鏡系統(tǒng)在焦平面處形成的圖像時(shí)添加此中間步驟，使能了以下更詳細(xì)描述的幾個(gè)獨(dú)特的特征。
在一個(gè)結(jié)合SPP光漏斗的系統(tǒng)中，可以定義兩種不同類型的像素1.“傳感器像素”-包含一個(gè)或多個(gè)光電二極管和多個(gè)晶體管的光傳感器元件。
2.“SPP像素”-可被排列在透鏡的像平面處的一個(gè)陣列中的SPP光漏斗元件。
在以下描述的兩種實(shí)施方式中，傳感器像素和SPP像素都可以是正方形的、矩形的、六邊形的或者使之適于重復(fù)的任何其他幾何形狀并且占據(jù)焦平面的整個(gè)面積。這些SPP像素中的每一個(gè)可以與屬于相同傳感器像素的一個(gè)或多個(gè)光電二極管相關(guān)聯(lián)。在一個(gè)典型配置中，在傳感器像素和SPP像素之間將有一對(duì)一的關(guān)系。兩種像素都共享同樣的幾何形狀、大小和間距，并且兩類像素都被排列成具有相同行列數(shù)目的陣列。
圖5描繪了SPP光漏斗元件，它具有橫截面為T形的方形像素的一個(gè)陣列。SPP光漏斗頂視圖顯示了薄金屬膜的一個(gè)矩陣。每個(gè)SPP像素是一個(gè)金屬膜，與相鄰的模制后的金屬膜(相鄰的SPP像素)隔離。SPP像素可以被模制或不被模制。對(duì)SPP像素模制是調(diào)整表面等離子體激元共振的波長(zhǎng)的一種方法。調(diào)整表面等離子體激元共振波長(zhǎng)的另一種方法是選擇與金屬膜接口的電介質(zhì)層。不同的介電常數(shù)將導(dǎo)致共振波長(zhǎng)的改變。
如果與“T”底部耦合的光不是被上述方法之一濾波的波長(zhǎng)，則單獨(dú)的波長(zhǎng)濾波元件可結(jié)合SPP像素的此實(shí)施方式被使用。例如，常規(guī)彩色濾波器可以被形成在SPP像素上，或者直接在金屬膜上或者被一層薄的電介質(zhì)膜隔離開。應(yīng)該記住其他結(jié)構(gòu)，例如光柵，也可被沉積在金屬表面頂上，改進(jìn)光照區(qū)域和表面等離子體激元之間的耦合，并且提供波長(zhǎng)濾波。
當(dāng)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于表面等離子體激元的共振波長(zhǎng)的光撞擊到SPP像素上時(shí)，該激勵(lì)從頂部金屬膜傳播到具有低介電常數(shù)的材料中的孔底部。該孔的底部被放置得與一個(gè)光電二極管充分接近，以便有一個(gè)高效的電磁能量耦合。在同一金屬膜方形下添加第二個(gè)孔允許與兩個(gè)光電二極管產(chǎn)生耦合。在單個(gè)SPP像素的頂部金屬膜下添加多個(gè)孔使得共振表面等離子體激元能夠耦合到多個(gè)光電二極管。
金屬膜被放置在一個(gè)透鏡的像平面處，并且定義SPP像素的面積，這是由兩個(gè)因素確定的1.產(chǎn)生像平面的透鏡的分辨率。對(duì)于衍射有限光學(xué)器件，分辨率的最終極限是被聚焦的光的波長(zhǎng)。
2.可能在晶片正面上制成的最小傳感器像素尺寸。最小傳感器像素尺寸是由最小的可能光電二極管和每個(gè)像素內(nèi)的CMOS器件的數(shù)目和尺寸確定的。一般地，更高級(jí)的CMOS技術(shù)將允許具有更小尺寸的傳感器像素。
SPP光漏斗的此實(shí)施方式的物理過程的正確性及其工作原理的驗(yàn)證可以在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。這些仿真還指出將由“SPP光漏斗”生成的表面等離子體激元耦合到一個(gè)吸收介質(zhì)只在SPP光漏斗元件和該吸收介質(zhì)(在本發(fā)明中是一個(gè)光電二極管)之間的距離極短(10nm量級(jí))時(shí)才可能。
組成SPP像素的“T”結(jié)構(gòu)和屬于對(duì)應(yīng)的傳感器像素的光電二極管之間的距離限制是非常嚴(yán)格的。這排除了在大塊襯底上制成的正面光照的圖像傳感器，因?yàn)橐环矫鍿PP光漏斗將必須被放置得極靠近光檢測(cè)器，另一方面反面的金屬表面必須在透鏡系統(tǒng)的像平面中，這不會(huì)與幾個(gè)金屬化層的存在相容，這是因?yàn)檫@種層堆疊造成的厚度或高度。因此此實(shí)施方式看起來絕對(duì)要求背面光照的圖像傳感器，這用在TF-SOI或TF-GeOI晶片上制造的光電二極管實(shí)施起來最佳。
圖6描繪了一個(gè)實(shí)施方式，它顯示了橫截面為矩形的正方形像素的一個(gè)陣列。SPP光漏斗的頂視圖顯示了模制到一個(gè)像素矩陣的一層薄的金屬膜。每個(gè)像素是一個(gè)模制的金屬膜，與相鄰的模制的金屬膜(相鄰像素)隔離。構(gòu)成一個(gè)像素的金屬膜上的圖案選擇共振波長(zhǎng)。中央亞波長(zhǎng)縫/孔和側(cè)邊槽確定了要被傳輸波長(zhǎng)，以及被傳輸?shù)墓馐陌l(fā)散度。側(cè)邊槽的數(shù)目越大，光束將會(huì)越準(zhǔn)直。對(duì)于模制的金屬膜的優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)，將有一束橫截面遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的透射光束。然后該光束被在TF-SOI或TF-GeOI晶片的正面上制造的光電二極管所吸收。結(jié)構(gòu)化的金屬層的頂面被放置在焦平面處，并且定義了像素面積。此實(shí)施方式不要求SPP光漏斗和光傳感器材料之間的極端物理接近。因此，此SPP光漏斗可被用于正面光照的圖像傳感器。
SPP光漏斗概念的兩種實(shí)施方式都導(dǎo)致以下新穎特征1.透射的光束可被金屬膜(SPP像素)的模制圖案波長(zhǎng)濾波，而不是必須為要濾波的每個(gè)波長(zhǎng)沉積一種不同的材料。
2.通過SPP結(jié)構(gòu)進(jìn)行的波長(zhǎng)濾波可為任何波長(zhǎng)范圍設(shè)計(jì)，并且對(duì)于可見光或不可見光輻射，與常規(guī)的彩色濾波器相比帶寬窄得多。
3.相鄰但隔離的金屬膜(SPP像素)可具有不同的圖案，因此透射不同的波長(zhǎng)(可見光或不可見光)。
4.透射的光束可被金屬膜(SPP)的模制圖案偏振濾波。
5.相鄰但隔離的金屬膜(SPP像素)可具有不同的圖案，因此透射不同的偏振。
6.透射的光束的橫截面可以遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)。
7.光電二極管的面積只需要略大于透射的光束的橫截面。因此光電二極管的面積可以遠(yuǎn)小于SPP像素的面積。
8.對(duì)于一個(gè)給定的光子能量，被光電二極管吸收的光子數(shù)目是由SPP像素的面積而不是光電二極管的面積所確定的。
9.有了SPP光電漏斗，定義為光電二極管的面積和傳感器像素的總面積之比的填充因子變得無關(guān)緊要了。
10.其他每一點(diǎn)都相同的情況下，光生成的信號(hào)的信噪比隨著SPP像素面積對(duì)光電二極管面積之比增大而增大。
11.SPP結(jié)構(gòu)已被報(bào)告為對(duì)入射光束沒有反射。這使得SPP結(jié)構(gòu)，包括SPP光漏斗，成為了理想的抗反射涂層。
12.SPP結(jié)構(gòu)已被報(bào)告為具有大于1的透射比，因此實(shí)現(xiàn)了入射光束的放大。
用SPP結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)濾波與常規(guī)彩色濾波器相比有許多優(yōu)點(diǎn)。也許最重要的優(yōu)點(diǎn)是SPP結(jié)構(gòu)可提供常規(guī)彩色濾波器性能拙劣或者不存在的頻譜范圍中的波長(zhǎng)濾波，并且用更高的頻譜純度(濾波器具有更窄的帶寬)來完成這一點(diǎn)，這是可見光范圍中的彩色濾波/再現(xiàn)中的一個(gè)非常重要的因素。用SPP結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的波長(zhǎng)濾波器的頻譜純度應(yīng)該與超頻譜成像所需的濾波器的要求相容。因?yàn)椴⑴胖圃煸S多不同的波長(zhǎng)濾波器是簡(jiǎn)單易懂的，所以SPP波長(zhǎng)濾波結(jié)構(gòu)是覆蓋UV、可見光、SWIR和LWIR頻譜范圍的多頻譜成像的一個(gè)理想解決方案。此外，選中的波長(zhǎng)的透射比可以高于1，這與常規(guī)波長(zhǎng)濾波器中發(fā)現(xiàn)的常見的反射和吸收問題形成鮮明對(duì)比。所有這些特性都使得用SPP結(jié)構(gòu)進(jìn)行的波長(zhǎng)濾波比起常規(guī)解決方案來簡(jiǎn)單得多并且成本效率也高得多。
使用SPP結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)對(duì)于偏振濾波甚至更重要，因?yàn)槌Ｒ?guī)技術(shù)不適合于“偏振濾波器”與圖像傳感器的單片集成。
某些適于檢測(cè)LWIR波長(zhǎng)的光檢測(cè)器是異質(zhì)結(jié)內(nèi)部光電效應(yīng)(HIP)器件，正如PCT/EP/03/10346中所描述的那樣，其特征在于相當(dāng)大的暗電流。此外，典型LWIR檢測(cè)的特征在于非常低的信號(hào)。這兩個(gè)因素導(dǎo)致相當(dāng)?shù)偷男旁氡?SNR)。SPP光漏斗本身可顯著增加LWIR檢測(cè)的SNR，因?yàn)樗沟霉鈾z測(cè)器的面積能夠遠(yuǎn)小于像素的面積。這導(dǎo)致了暗電流的一個(gè)急劇降低，其是與光檢測(cè)器的面積成正比的一個(gè)泄漏電流，而信號(hào)被遠(yuǎn)大于光電二極管的一個(gè)模制金屬膜(SPP像素)所聚集。因此，保持信號(hào)和降低噪聲(暗電流)導(dǎo)致正比于SPP像素的面積對(duì)光檢測(cè)器的面積之比的對(duì)數(shù)的SNR的增大。
一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算可提供“漏斗效應(yīng)”對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響的概念將光電二極管的面積從100μm×100μm縮小到一個(gè)0.12μm×0.12μm的面積導(dǎo)致暗電流的～695,000倍的減小，同時(shí)保持光信號(hào)不變。與暗電流的平方根的倒數(shù)成正比的檢測(cè)靈敏度增加～833倍。從這一點(diǎn)來看，SPP光漏斗可被視為一個(gè)“降噪器件”，因?yàn)樗ㄟ^降低光電二極管的備用電流增強(qiáng)了光檢測(cè)的信噪比。這可應(yīng)用于HIP器件以及PIN器件，因此它可被應(yīng)用于可見光、UV和IR范圍上的光和圖像檢測(cè)。
此外也有關(guān)于成本的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)?通常是外延生成的器件的)光檢測(cè)器的制造所固有的缺陷指數(shù)地依賴于“器件面積”。因此減小光檢測(cè)器的“器件面積”導(dǎo)致更少的缺陷，引向了增大的產(chǎn)量和降低的成本。
圖像傳感器和超級(jí)透鏡的單片集成正如前述章節(jié)中提到的那樣，整個(gè)成像系統(tǒng)的分辨率取決于兩個(gè)基本因素1)傳感器像素可以有多小；2)透鏡系統(tǒng)的分辨率。
在常規(guī)成像系統(tǒng)中，圖像傳感器和透鏡組是兩個(gè)很不相同的元件，涉及很不相同的技術(shù)，因而是被分開制造的。按照它們的性質(zhì)，常規(guī)圖像傳感器和常規(guī)透鏡是不可能被單片集成的。
最近光學(xué)物理的發(fā)展具有徹底改革制造透鏡的性能以及方法的潛力。所述新概念通常被稱為一個(gè)“理想透鏡”或“超級(jí)透鏡”，它是平面或厚片狀的，并且分辨率小于光的波長(zhǎng)。亞波長(zhǎng)分辨率可通過構(gòu)造能夠處理光學(xué)“衰逝波”或光學(xué)“近場(chǎng)”的光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。常規(guī)透鏡只在遠(yuǎn)場(chǎng)電磁波上起作用。近場(chǎng)輻射包含亞波長(zhǎng)細(xì)節(jié)，這要求常規(guī)透鏡不可能實(shí)現(xiàn)的放大或共振。
“超級(jí)透鏡”的幾種替換實(shí)施方式已經(jīng)被提出了。某些提議是基于“負(fù)折射”的，它可用具有負(fù)折射系數(shù)的材料實(shí)現(xiàn)。還顯示了負(fù)折射可在無負(fù)折射系數(shù)材料的情況下實(shí)現(xiàn)，例如用金屬電介質(zhì)光子晶體實(shí)現(xiàn)。
還提出了一種帶有近場(chǎng)波的光學(xué)放大的負(fù)折射透鏡，它可補(bǔ)償由于實(shí)際材料和器件的非理想性引起的不可避免的損耗。
已提出了一種完全不同的方法來用光學(xué)相位共軛實(shí)現(xiàn)超級(jí)透鏡亞波長(zhǎng)分辨率。此概念還使能了一個(gè)平面透鏡，要求能夠進(jìn)行波混合的非線性或活動(dòng)材料片。
即使超級(jí)透鏡的幾種概念上的實(shí)施方式對(duì)操縱衰逝波的問題提出了不同的技術(shù)方案，它們也有幾個(gè)共同的特征1.超級(jí)透鏡能夠進(jìn)行亞波長(zhǎng)分辨，2.超級(jí)透鏡是平面或厚片狀的，3.超級(jí)透鏡可以用被微電子使用的技術(shù)而不是用于制造常規(guī)透鏡的技術(shù)來制造。
因此本發(fā)明公開了用于圖像傳感器矩陣和超級(jí)透鏡的單片集成的一種制造結(jié)構(gòu)。尤其地，提議的制造結(jié)構(gòu)強(qiáng)調(diào)一個(gè)超級(jí)透鏡與在TF-SOI或TF-GeOI襯底上制成的背面光照的CMOS圖像傳感器的單片集成，其中CMOS圖像傳感器的傳感器像素小于要被吸收的光的波長(zhǎng)。
提議的結(jié)構(gòu)也可具有放置在像平面的“SPP光漏斗”元件或“SPP像素”，其方式如本發(fā)明的前述章節(jié)中所討論。這允許了具有亞波長(zhǎng)橫向尺寸的“SPP像素”。
圖7顯示了一個(gè)厚片狀超級(jí)透鏡的示意性圖示，該超級(jí)透鏡與背面光照的薄膜SOI CMOS圖像傳感器和根據(jù)本發(fā)明中所描述的第一實(shí)施方式制造的SPP光漏斗單片集成。
與背面光照的圖像傳感器單片集成的超級(jí)透鏡的制造，與常規(guī)的由一個(gè)或多個(gè)圖像傳感器和一個(gè)單獨(dú)的衍射有限的透鏡組組成的數(shù)字成像系統(tǒng)相比，可提供系統(tǒng)的尺寸、重量和成本方面的極大的優(yōu)勢(shì)。
為超級(jí)透鏡所設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)可模仿常規(guī)的衍射有限的透鏡所設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)要求光學(xué)元件之間距離受控變化，諸如聚焦和變焦的情況那樣，所述光學(xué)系統(tǒng)也可用本發(fā)明的工藝結(jié)構(gòu)通過制造可被微電機(jī)致動(dòng)器致動(dòng)的懸浮的薄膜來實(shí)施。這種結(jié)構(gòu)的制造目前是一種已被良好掌握的技術(shù)。
最后，與用于背面光照的在TF-SOI或TF-GeOI襯底上制成的高級(jí)CMOS器件(例如45nm設(shè)計(jì)規(guī)則)單片集成的很高級(jí)的SAM-APD傳感器(如PCT/EP/03/10346中描述的那樣)與在埋入的氧化物背面制造的SPP光漏斗和超級(jí)透鏡的結(jié)合，使得能夠產(chǎn)生能夠捕捉由超級(jí)透鏡傳遞的近場(chǎng)的精微細(xì)節(jié)的亞波長(zhǎng)SPP像素和傳感器像素。例如，對(duì)于可見光中的最長(zhǎng)波長(zhǎng)，紅色(λ≈650nm)，λ/3的分辨率可被轉(zhuǎn)化為約0.20μm×0.2μm的像素。制造如此小的像素的能力鼓勵(lì)了非常大的傳感器矩陣的制造，其中所有電子變焦可以具有比常規(guī)光學(xué)透鏡的變焦更好的性能，從而避免了制造MEMS元件來提供圖像放大。
工藝結(jié)構(gòu)以下給出的對(duì)一個(gè)“超級(jí)透鏡”與一個(gè)圖像傳感器矩陣的單片集成的描述采用在TF-SOI或TF-GeOI上制成的背面光照的CMOS圖像傳感器的預(yù)處理以及可選的SPP光漏斗的預(yù)處理。
所述描述在SPP光漏斗的制造之后立即開始。背面上的所有處理是在一個(gè)低到不足以干擾在晶片的正面出現(xiàn)的任何結(jié)構(gòu)和材料的溫度下執(zhí)行的。
一個(gè)“超級(jí)透鏡的”制造過程，不是制造一個(gè)會(huì)聚的單個(gè)透鏡，而是被重復(fù)多次，以便實(shí)現(xiàn)一個(gè)“超級(jí)透鏡組”，其功能與常規(guī)透鏡組的功能相似。以下描述中針對(duì)單個(gè)“超級(jí)透鏡”。
制造流程以下參考示意圖描述典型工藝流程。在這些圖中，要注意層和圖案不是按比例繪制的。
SPP光漏斗的第一實(shí)施方式的工藝流程此典型工藝流程是用于在TF-SOI或TF-GeOI襯底上制成的背面光照的CMOS圖像傳感器的。晶片的正面的完全處理，根據(jù)用于背面光照?qǐng)D像傳感器的PCT/EP/03/10346中所示的典型工藝流程(圖8A)。
背面的處理開始于去除埋入的氧化物下的塊硅。塊硅為埋入的氧化物和頂部的硅膜提供機(jī)械支撐，由于該原因襯底的頂側(cè)需要被(暫時(shí))粘附到一個(gè)與后續(xù)處理相容的機(jī)械支撐上。
塊硅的去除可以通過在埋入的氧化物上選擇性地濕法蝕刻完成。幾種通常使用的化學(xué)制劑滿足上述要求，例如包括KOH。此步驟暴露用作平版印刷工具的“標(biāo)記層”對(duì)齊用于微制造的幾個(gè)掩膜步驟。通常這些“標(biāo)記層”是被蝕刻到襯底(大塊或SOI)中的槽，它們?cè)谔幚砥陂g被諸如SiO2和Si3N4這樣的材料所填充，在硅體被蝕刻掉時(shí)不會(huì)消失，并且將被用于要在襯底背面上執(zhí)行的平版印刷步驟的對(duì)齊(圖8B)。
“阻擋材料”1)在埋入的氧化物的暴露的表面上，可能便于形成一種化學(xué)穩(wěn)定的阻擋材料(最好具有一個(gè)非常寬的帶隙)的一層薄膜，以便在后續(xù)的處理中保護(hù)埋入的氧化物。在幾種可能的材料中，Al2O3看起來是一個(gè)極佳的候選者。自然，沉積必須發(fā)生在低溫下(圖8C)。
“光集中器”2)沉積(用無論哪種適當(dāng)?shù)姆椒?，例如PVD、CVD、旋壓等)一種對(duì)所有感興趣的波長(zhǎng)都具有非常小的折射系數(shù)的電介質(zhì)材料(圖8D)。
3)照相平版，只從具有非常低的折射系數(shù)的材料將被從中去除的區(qū)域暴露(去除光阻材料)；4)對(duì)具有非常低的折射系數(shù)的材料的模制蝕刻，停止在Al2O3阻擋層上；5)光阻材料剝離和清理(圖8E)。
“像素和波長(zhǎng)濾波器的定義”6)沉積(用無論哪種適當(dāng)?shù)姆椒?，例如PVD、CVD、旋壓等)一種對(duì)所有感興趣的波長(zhǎng)的折射系數(shù)都充分高于先前沉積的電介質(zhì)的折射系數(shù)的電介質(zhì)材料(圖8F)。
7)沉積金屬成分和厚度適合于所有感興趣的波長(zhǎng)；8)照相平版，只從金屬可被從中去除的區(qū)域暴露(去除光阻材料)；9)金屬的模制蝕刻，停止在具有高折射系數(shù)的電介質(zhì)上；10)光阻材料剝離和清理(圖8G)；11)沉積(用無論哪種適當(dāng)?shù)姆椒?，例如PVD、CVD、旋壓等)一種適合在與一個(gè)透明襯底粘合時(shí)做接口材料的電介質(zhì)材料；12)低溫晶片粘合到一個(gè)透明襯底，并且隨后與晶片正面處的機(jī)械支撐物分離(圖8H)。
由于通過晶片粘合進(jìn)行的SOI襯底制造以及由于集成電路的3D堆疊，用于這類處理的處理設(shè)備、工藝、化學(xué)制劑等已經(jīng)變得更常見了。SOI襯底的制造僅涉及其上沒有制造任何器件的層。但是，對(duì)于集成電路的3D堆疊，在被堆疊的幾個(gè)晶片或單獨(dú)的IC之間具有高精度對(duì)齊是必需的。
SPP光漏斗的第二實(shí)施方式的工藝流程此典型工藝流程是用于在TF-SOI或TF-GeOI襯底或大塊襯底上制成的正面光照的CMOS圖像傳感器的。用于正面光照?qǐng)D像傳感的晶片正面的完全處理。光電二極管的理想摻雜和異質(zhì)結(jié)分布在PCT/EP/03/10346中定義(圖9A)。
“阻擋材料”1)在制造最后的用于互連的金屬層后，一層絕緣膜被沉積。此膜的厚度并不重要，例如一微米。絕緣體膜應(yīng)該是一種化學(xué)上穩(wěn)定的阻擋材料(最好具有非常寬的帶隙)，它不會(huì)與其下的金屬或電介質(zhì)起反應(yīng)，也不會(huì)與在其上沉積的金屬或絕緣體起反應(yīng)。沉積的溫度必須足夠低，以便與已經(jīng)存在的材料相容。此材料可以是例如SiO2或Al2O3(圖9B)。
“輸出波紋”2)沉積(用無論哪種適當(dāng)?shù)姆椒ǎ鏟VD、CVD、PE-CVD等)一種電介質(zhì)材料，其厚度與作為光束的“出口側(cè)”的金屬膜的底面的波紋的深度匹配。此絕緣體膜-一個(gè)硬掩膜層-應(yīng)該易于選擇性地在上一步驟中沉積的“阻擋材料”上蝕刻。此材料可以是例如Si3N4(圖9C)；3)照相平版，只暴露(去除光阻材料)材料要被去除的區(qū)域；4)折射系統(tǒng)非常低的材料的模制蝕刻，停止在阻擋材料上；5)光阻材料剝離和清理(圖9D)。
“輸入波紋”2)通過例如PVD沉積一層適當(dāng)?shù)慕饘倌?，例如銀膜或金膜，其厚度是由所需的光學(xué)屬性定義的。此厚度總是遠(yuǎn)大于“輸入波紋”和“輸出波紋”的深度之和(圖9E)；3)照相平版，只暴露(去除光阻材料)金屬要被去除的區(qū)域；4)金屬的模制蝕刻，停止在波紋所需的深度處；5)光阻材料剝離和清理(圖9F)。
“中心孔/縫&像素隔離”10)照相平版，只暴露(去除光阻材料)金屬要被去除的區(qū)域；11)頂部電介質(zhì)膜的模制蝕刻，整個(gè)金屬膜厚度，停止在金屬層之前沉積的“阻擋材料”處。此蝕刻定義了中心孔/縫，并且定義了單個(gè)像素，即帶有中心孔/縫的雙面波紋的金屬膜的隔離的區(qū)域；12)光阻材料剝離和清理(圖9G)。
13)沉積(用無論哪種適當(dāng)?shù)姆椒?，例如PVD、CVD、旋壓等)一種適合作為對(duì)下面的金屬的接口材料的電介質(zhì)材料。此材料填滿金屬中的溝槽(波紋)并且平面化表面(圖9H)；14)沉積鈍化層。
超級(jí)透鏡的制造的工藝流程此典型工藝流程描述了一個(gè)與背面光照的TF-SOI或TF-GeOI CMOS圖像傳感器單片集成的“超級(jí)透鏡”的制造。即使這不是一個(gè)必要條件，也將假定“超級(jí)透鏡”的制造之前是根據(jù)如本公開中其他地方所描述的第一實(shí)施方式的SPP光漏斗的制造。SPP光漏斗被放置在“超級(jí)透鏡”的像平面中。以下描述的工藝流程立即開始于SPP光漏斗的制造之后，并且開始于將晶片粘合到一個(gè)透明襯底之前(圖10A)1.電介質(zhì)膜的沉積，例如SiO2。
此膜的厚度對(duì)應(yīng)于SPP光漏斗元件放置其中的像平面與光通過其離開透鏡的透鏡后表面之間的理想距離(圖10B)。
超級(jí)透鏡的制造正如已經(jīng)提到的，可通過不同的概念獲得“超級(jí)透鏡效應(yīng)”。以下兩種這樣的概念被提供作為選擇。
選項(xiàng)2A-金屬電介質(zhì)光子晶體2D光子晶體的制造可以按“逐層”的方式容易地完成。3D光子晶體的制造可以通過不同的制造結(jié)構(gòu)、技術(shù)和流程完成。例如“木料堆”結(jié)構(gòu)使其本身適于按一種“逐層”的方式構(gòu)建。“逐層”方式是用于常規(guī)硅微電子中的處理步驟的首選方法。在圖中，光子晶體的內(nèi)部細(xì)節(jié)不會(huì)被顯示(圖10C)；
選項(xiàng)2B-光學(xué)相位共軛制造一個(gè)光學(xué)相位共軛介質(zhì)等于制造一個(gè)薄片形式的非線性光學(xué)介質(zhì)，它可以是執(zhí)行三波混合的一個(gè)活動(dòng)器件。三波混合可以用非晶體材料實(shí)現(xiàn)，例如“手性液體”，這種材料是自修復(fù)的，并且適于“濕”合成方法。此選項(xiàng)未顯示在圖中。
3.晶片粘合到一個(gè)透明襯底，從而向“超級(jí)透鏡”提供一個(gè)機(jī)械支撐和一個(gè)保護(hù)層。粘合過程必須在一個(gè)低到足以防止TF-SOI或TF-GeOI襯底的兩面上制造的任何結(jié)構(gòu)和材料的損壞的溫度下執(zhí)行(圖10D)。
4.將機(jī)械支撐物從襯底的正面去除(圖10E)。
5.單個(gè)“芯片”的切塊和封裝。
權(quán)利要求
1.制造允許背面光照的CMOS圖像傳感器的工藝方法，包括以下步驟(a)選擇一個(gè)薄膜絕緣體上硅(TF-SOI)或薄膜絕緣體上鍺(TF-GeOI)襯底，(b)在襯底的正面外延地生成光電二極管活動(dòng)層，(c)在襯底的正面，在傳感器矩陣之上制造密集金屬互連，(d)在完全處理TF-SOI或TF-GeOI襯底的正面之后，去除埋入的絕緣體(埋入的氧化物)下的襯底，(e)在埋入的氧化物背面制造單片集成的結(jié)構(gòu)，(f)將背面粘合到一個(gè)對(duì)感興趣的波長(zhǎng)透明的新的機(jī)械襯底。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝方法，其中所述背面結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)常規(guī)彩色濾波器，嵌入在所述的埋入的氧化物和所述的透明機(jī)械襯底之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝方法，其中像素內(nèi)同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)外延電容直接在所述的外延生成的光電二極管層上被制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝方法，其中像素內(nèi)MOS電容直接在所述的外延生成的光電二極管層上被制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝方法，其中所述的像素內(nèi)MIM電容在所述的互連的制造期間、在所述像素的區(qū)域之上被制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝方法，其中所述的背面結(jié)構(gòu)是一個(gè)單片集成的表面等離極化激元(SPP)結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的工藝方法，其中被安排進(jìn)1D或2D陣列的所述表面等離極化激元(SPP)器件包括-在一種具有高介電常數(shù)的絕緣材料的一層膜上形成的導(dǎo)電材料的薄膜，所述絕緣材料的膜被形成在在另一種具有低介電常數(shù)的絕緣材料的一層膜上；-所述的低介電常數(shù)材料具有穿過所述膜的整個(gè)厚度的孔，所述孔被所述高介電常數(shù)材料所填充，在那些區(qū)域中所述的高介電常數(shù)材料具有一個(gè)T形的橫截面；-所述的低介電常數(shù)材料中的孔與所述的光傳感器對(duì)齊，電磁輻射將被耦合到所述光傳感器；-在所述的高介電常數(shù)材料上沉積的所述金屬膜被模制成可以被重復(fù)以完全填充一個(gè)表面的諸如正方形、矩形或六邊形的規(guī)則形狀的隔離的像素的一個(gè)陣列；-所述低介電常數(shù)材料中的孔遠(yuǎn)小于所述的隔離的金屬膜-像素的面積；-所述的隔離的金屬膜-像素的陣列被放置在一個(gè)透鏡的像平面，而被所述的高介電常數(shù)材料填充的所述孔的底部被放置在盡可能靠近一個(gè)光傳感器的吸收區(qū)域處；-共振表面等離極化激元被入射到所述的隔離的金屬膜的頂面上的電磁輻射所激勵(lì)，并且傳播到所述孔的底部，在這里所述的電磁輻射被耦合到一個(gè)光傳感器，并且被所述光傳感器吸收；-作為一種調(diào)整操作波長(zhǎng)的方法，所述金屬膜的頂面被具有不同介電常數(shù)的不同的絕緣體材料所覆蓋；-金屬膜結(jié)構(gòu)的1D或2D矩陣被制造在背面光照的TF-SOI或TF-GeOI襯底的埋入的氧化物上，高精度地與在所述襯底的正面上制造的器件對(duì)齊，尤其與所述光電二極管對(duì)齊。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的工藝方法，其中聚集光的所述金屬膜的表面和泄漏光的所述孔的表面遠(yuǎn)小于光的波長(zhǎng)，不發(fā)生衍射。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的工藝方法，其中所述金屬膜被具有所需的形狀、大小和間距的縫和/或孔打孔，以便增強(qiáng)波長(zhǎng)選擇性和/或偏振選擇性。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的工藝方法，其中排列成1D或2D陣列的所述表面等離極化激元(SPP)器件包括-導(dǎo)體膜，其具有至少一個(gè)位于中央的并且被在膜的正面和背面對(duì)稱排列的波紋所環(huán)繞的縫或孔；所述像素的頂視圖具有可以被復(fù)制以完全填充一個(gè)表面的一個(gè)規(guī)則形狀，例如一個(gè)正方形、一個(gè)矩陣或一個(gè)六邊形。-所述金屬膜的底面和頂面能夠與具有相當(dāng)不同的介電常數(shù)的多種絕緣材料接口；-所述膜的頂面被放置在一個(gè)透鏡的像平面，而離開所述底面的光束具有亞波長(zhǎng)橫截面和非常低的發(fā)散度；-每個(gè)隔離的導(dǎo)體膜中，在底面處光束以非常低的發(fā)散度從中離開的所述的孔或縫高精度地與所述傳感器像素內(nèi)的所述光電二極管對(duì)齊。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的工藝方法，其中聚集光的所述金屬膜的表面和泄漏光的所述孔的表面遠(yuǎn)小于光的波長(zhǎng)，不發(fā)生衍射。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的工藝方法，其中所述金屬膜被具有所需的形狀、大小和間距的縫和/或孔打孔，以便增強(qiáng)波長(zhǎng)選擇性和/或偏振選擇性。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的工藝方法，其中所述表面等離極化激元(SPP)器件，其中所述1D或2D陣列被制造在背面光照的TF-SOI或TF-GeOI襯底的埋入的氧化物上，高精度地與在所述襯底的正面制造的器件尤其是所述光電二極管對(duì)齊。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的工藝方法，其中所述的1D或2D陣列被制造在提供所述晶片的正面上的互連的完整的金屬堆疊的最后的金屬層上形成的一個(gè)電介質(zhì)層的頂上，適于正面光照，不論襯底類型為何種。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝方法，其中所述的背面結(jié)構(gòu)包括一個(gè)單片集成的“理想透鏡”或“超級(jí)透鏡”結(jié)構(gòu)。
17.根據(jù)前述任何一條權(quán)利要求所述的工藝方法制造的CMOS圖像傳感器。
全文摘要
光傳感器件與薄膜絕緣體上硅(TF－SOI)或薄膜絕緣體上鍺(TF－GeOI)襯底上的CMOS器件單片集成。光電二極管活動(dòng)層被外延地生成在襯底的正面，在完全處理襯底正面以后，埋入的絕緣體(埋入的氧化物)下的襯底材料被去除。然后單片集成的襯底被制造在埋入的氧化物的背面。然后背面被粘合到一個(gè)對(duì)感興趣的波長(zhǎng)透明的新的襯底。例如，石英、藍(lán)寶石、玻璃或塑料適合于可見光范圍。從而允許了傳感器矩陣的背面光照，光穿過在與產(chǎn)生CMOS的一側(cè)相對(duì)的襯底的背面上制造的結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)H01L31/0216GK1723572SQ200380105462
公開日2006年1月18日 申請(qǐng)日期2003年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月9日
發(fā)明者卡洛斯·J·R·P.·奧古斯托 申請(qǐng)人:量子半導(dǎo)體有限公司