CN101266988B - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种图像传感器及其制造方法，该图像传感器包括具有晶体管电路和多个下部互连件的衬底。多个第一互连件在衬底上彼此隔开的形成，并通过所述多个下部互连件电连接到CMOS电路。多个第一导电层形成在所述多个第一互连件上。在所述多个第一互连件之间形成多个平坦化的绝缘层以隔开各个单元像素。在包括所述多个绝缘层以及所述多个第一导电层的衬底上形成本征层，以及在所述本征层上形成第二导电层。所述多个第一互连件、所述本征层和所述第二导电层提供了用于所述图像传感器的光电二极管。根据本发明的图像传感器及其制造方法，能够提高分辨率和灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种图像传感器及其制造方法。
背景技术
一般而言，图像传感器是用于将光学图像转换成电信号的半导体器件，并且主要分为电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)。
该CIS在每个单元像素中包括光电二极管和MOS晶体管。从而，在开关模式中，该CIS依次检测各个单元像素的电信号，从而获得图像。
所述的CIS包括，接收光信号以将其转换成电信号的光电二极管区域，以及处理该电信号的晶体管区域。
所述的CIS具有这样的结构，在其中该光电二极管和该晶体管是水平设置的。
所述的CIS克服了该CCD图像传感器的缺点，但是仍有问题须待解决。
尤其是，根据所述的具有水平结构的CIS，在衬底上彼此水平相邻地形成光电二极管和晶体管。这样，该CIS在衬底上需要用于光电二极管的额外区域。从而，该CIS减少了对应于填空系数的区域，并限制了增加其分辨率的可能性。
此外，根据所述的具有水平结构的CIS，很难实现同时形成光电二极管和晶体管的工艺的优化。换句话说，形成晶体管的工艺需要应用浅结以实现低的片阻，但是该浅结对形成光电二极管的工艺是不适合的。
另外，根据所述的具有水平结构的CIS，额外提供有片上功能。因此，为了保持该CIS的灵敏度，就要增加该单元像素的尺寸，或者，为了保持像素尺寸，就要减小用于光电二极管的面积。然而，当增加该像素尺寸时，该CIS的分辨率减小。此外，当减小用于光电二极管的面积时，该CIS的灵敏度则减小。
发明内容
因此，为提高图像传感器的填空系数，本发明的实施例涉及图像传感器及其制造方法，能够提供晶体管电路和光电二极管的垂直集成。
根据本发明的多个实施例的图像传感器及其制造方法，能够提高分辨率和灵敏度。
根据本发明的多个实施例，提供图像传感器及其制造方法，能够应用垂直光电二极管以及防止发生与光电二极管有关的缺陷。
根据实施例，图像传感器包括，衬底，具有包括多个下部互连件的晶体管电路；第一互连件，形成在该晶体管电路之上并电连接到相应的下部互连件；多个第一导电层，形成在多个第一互连件上；多个绝缘层，在多个该第一互连件之间被平坦化；本征层，形成在包括该多个绝缘层以及多个第一导电层的该衬底上；以及第二互连件导电层，形成在该本征层上。
而且，根据实施例，图像传感器的制造方法包括，在衬底上形成包括多个下部互连件的晶体管电路；在该衬底上形成电连接到互连件相应的下部互连件的多个第一互连件，该多个下部互连件彼此隔开；在多个第一互连件上形成多个第一导电层；在该多个第一互连件上形成多个绝缘层；平坦化该多个绝缘层；在该多个平坦化的绝缘层以及多个第一导电层上形成本征层；以及在该本征层上形成第二导电层。
附图说明
图1至图5是描述根据本发明实施例的图像传感器的制造方法的剖面图。
具体实施方式
在下文中，将结合附图说明根据本发明实施例的图像传感器及其制造方法。
在说明书中，可以理解的是，当指称某层在另一个层或衬底“之上/上方”时，它可以是直接在另一个层或衬底之上/上方，或者也可以存在一个或多个中间层。
图5是描述根据实施例的图像传感器的剖面图。
该图像传感器包括，衬底，具有互补金属氧化物半导体(CMOS)电路(未示出)。下部互连件120，其形成用以将多个光电二极管连接到该CMOS电路。该图像传感器的多个光电二极管部分，包括多个第一互连件140、在该多个第一互连件140之间平坦化的多个绝缘层160、形成在该多个第一互连件140和该多个绝缘层160上的本征层170、以及形成在该本征层170上的第二导电层180。第一导电层150，额外形成在该多个第一互连件140之上。
应该注意的是，在图5中示出的该多个光电二极管为PIN二极管，该多个光电二极管形成在该中间介电层110的上表面上并从外部接收入射光以将其转换和存储成电能形式。
将n型非晶硅、本征非晶硅、以及p型非晶硅结合而形成该PIN二极管的结构。该光电二极管的性能取决于从外部接收光并将其转换成电能形式的效率，以及整体电荷容量。形成在衬底上的所述光电二极管在产生于肖特基结中的耗尽区中产生和存储电荷，该肖特基结例如为P-N、N-P、N-P-N、和P-N-P。然而，因为形成在该p型非晶硅和n型非晶硅之间的整个本征非晶硅都变成耗尽区，所以该PIN二极管有利于产生和存储该电荷。
当用PIN二极管作为该光电二极管时，该PIN二极管的结构可以是P-I-N或N-I-P的结构。尤其是，在所述多个实施例中，通过示例方式采用具有该P-I-N结构的PIN二极管，并且该n型非晶硅作为该第一导电层150，该本征非晶硅作为该本征层170，以及该p型非晶硅作为该第二导电层180。在另外的实施例中采用PIM二极管。PIM二极管不同于PIN二极管，它不使用n型导电层(“N”)。而是采用金属层的下电极(该“M”)。该金属层可以是任何能够在低温下被硅化的金属，该低温例如为，低于400℃并且优选低于300℃。例如，该金属层由Cr、Mo、或W形成。在多个采用PIM结构的实施例中，该多个第一互连件140可以用作该PIM二极管的“M”层。
在根据本发明实施例的图像传感器中，晶体管电路和光电二极管为垂直集成的。因此，该图像传感器使填空系数能够接近100％，并且与相同像素尺寸的现有的图像传感器相比，能提供更高的灵敏度。
此外，相对于现有技术的图像传感器，根据本发明实施例的图像传感器能够进一步减小实现相同分辨率的工艺成本，以及在每个单元像素中实现更复杂的晶体管电路而不减小灵敏度。
而且，可以集成额外的芯片上的电路以增加该图像传感器的性能，以及进一步获得器件的小型化以及产品成本的降低。
另外，根据上述的实施例，在平坦化的多个绝缘层160上形成该本征层170，并因而避免额外的平坦化工序。因此，该图像传感器可以防止发生在光电二极管中的缺陷。
参见图1，在衬底(未示出)上形成CMOS电路(未示出)，该CMOS电路包括形成在中间介电层(ILD)110中的多个下部互连件120。
在一个实施例中，在该ILD110上形成阻挡金属130。该阻挡金属130由，例如，Ta、Tan、Ti、Tin、TiSiN、或TaSiN形成。在另外的实施例中，可以省略该阻挡金属130。
然后，在该阻挡金属130上形成用于多个第一互连件140的材料层。该用于多个第一互连件140的材料层可以由包括金属、合金、和硅化物在内的各种导电材料中的至少一种形成。例如，该用于多个第一互连件140的材料层由铝、铜、铬、或钴形成。
随后，在该第一互连件层140上形成第一导电层150。在某些实施例中，可以省略该第一导电层150。该第一导电层150可以作为PIN二极管的“N”层。换句话说，该第一导电层150可以包括N型导电型导电层，但是不限于此。
该第一导电层150由n掺杂的非晶硅形成，但不限于此。例如，该第一导电层150由将Ge、C、N2、或O2加入到非晶硅而形成的材料形成，该材料例如为Si:H、SiGe:H、SiC、SiN:H、SiO:H等。
通过化学气相沉积(CVD)法，例如等离子体增强CVD(PECVD)法，形成该第一导电层150。例如，通过采用将PH3或P2H5与硅烷(SiH4)气体混合获而得的混合气体，经PECVD法，由非晶硅形成该第一导电层150。
在实施例中，该第一导电层150可以形成为
左右的厚度。
下一步，参见图2，形成多个第一互连件140。
具体而言，在该第一导电层150上形成第一掩模图案(未示出)。然后，用该第一掩模图案(未示出)作为蚀刻掩模，蚀刻该第一导电层150、该第一互连件层140和该阻挡金属130，从而形成多个第一导电层150、多个第一互连件层140和多个阻挡金属130。
将该多个第一互连件140(以及该第一导电层150和阻挡膜130)分离为多个图案的该工艺可以防止多个单元像素之间的色度亮度干扰。
然后，参见图3，在包括该多个隔开的第一导电层的衬底上形成绝缘层160。该绝缘层160肯定可以使多个单元像素之间绝缘。例如，该第一绝缘层160由氧化物、氮化物或低k值介电材料形成。
下一步，参见图4，执行该绝缘层160的平坦化工序。
根据这样的一个实施例，平坦化该绝缘层160用以为本征层提供平坦的表面，并因而不需要对随后工序中形成的本征层170进行平坦化。因此，减少了光电二极管中产生的缺陷，并且进而防止由这些缺陷导致的暗电流的发生。
平坦化该绝缘层160的方法可以是化学机械研磨(CMP)工艺。
在实施该平坦化工艺之后，执行包括该平坦化的绝缘层160的衬底的清洗工序。
下一步，参见图5，在包括该平坦化的绝缘层160的衬底上形成本征层170。该本征层170作为PIN二极管的“I”层。
由非晶硅形成该本征层170。可以由CVD方法，例如PECVD法，形成该本征层170。例如，采用硅烷(SiH4)气体，经PECVD法，由非晶硅形成该本征层170。
该本征层170形成为
或更厚的厚度。这是因为，当该本征层170的厚度小于
时，具有
或更长波长的光不会被该本征层17吸收。在实施例中，该本征层170形成为
左右至
左右的厚度。
然后，在该本征层170上形成第二导电层180。该第二导电层180可以作为PIN二极管的“P”层。换句话说，该第二导电层180可以包括P型导电性导电层，但不限于此。
该第二导电层180可以由，例如p掺杂的非晶硅形成。
通过CVD法，例如PECVD法，形成该第二导电层180。例如，采用将硼与硅烷(SiH4)气体混合而获得的混合气体，经PECVD法，由非晶硅形成该第二导电层180。
该第二导电层180形成为
或更薄的厚度。这是因为，当该第二导电层180的厚度为
或更厚时，具有
或更长波长的光会被该第二导电层180吸收，并且由此不会有效的产生由该第二导电层180产生的光-电子。在实施例中，该第二导电层180形成为
左右至
左右的厚度，从而它能作为最佳的P型导电型导电层。
在进一步的实施例中，在有光电二极管形成其上的衬底的上表面形成上电极(未示出)。该上电极由具有良好光传输和导电性的透明电极形成。例如，该上电极由ITO、CTO、或ZnO2形成。可以额外提供彩色滤光器和多个微透镜。
在图像传感器的制造方法中，该晶体管电路和该光电二极管为垂直集成的，因此该方法使得填空系数能够接近100％左右，并且进一步能够提供比具有相同像素尺寸的现有的图像传感器更高的灵敏度。
而且，相比于现有的方法，根据实施例的该方法进一步减少了用于实现同样分辨率的工艺成本，并且在每个单元像素中实现了更复杂的晶体管电路而不减少灵敏度。
而且，可以集成额外的芯片上的电路以提高该图像传感器的性能，并进一步获得器件的小型化和产品成本的降低。
另外，在平坦化的绝缘层上形成该本征层，从而不需要额外的平坦化工作。因此，该方法能防止在光电二极管中发生的缺陷。
说明书中所涉及的任何“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等，其含义是结合实施例描述的特定特征、结构、或特性包括在本发明的至少一个实施例中。本说明书中出现于各个位置的这些短语的特征不一定都涉及同一个实施例。此外，当结合任何实施例说明特定特征、结构或特性时，认为其落在本领域技术人员结合其它实施例就可以实现这些特征、结构、或特性的范围内。
尽管对实施例的描述中结合了其中多个示例性实施例，但可以理解的是本领域技术人员完全可以推导出多个其他变化和实施例，而落入本公开内容的原理的精神和范围之内。尤其是，可以在本公开、附图和所附权利要求的范围内对组件和/或附件组合配置中的排列进行各种变化和改进。除组件和/或排列的变化和改进之外，其他可选择的应用对于本领域技术人员而言也是显而易见的。
Claims (15)
1.一种图像传感器，包括：
衬底，具有形成在其中的晶体管电路；
多个第一互连件，在所述衬底上彼此隔开，并通过多个下部互连件电连接到所述晶体管电路；
多个第一导电层，形成在所述多个第一互连件上；
多个绝缘层，在所述多个第一互连件之间被平坦化；
本征层，形成在包括所述多个绝缘层以及所述多个第一导电层的所述衬底上；以及
第二导电层，形成在所述本征层上。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个第一互连件包括能够在低温下被硅化的金属层。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，进一步包括阻挡金属，形成在所述多个第一互连件与所述多个下部互连件之间。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个第一导电层的顶面与所述多个绝缘层的顶面具有相同高度。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中，所述多个第一导电层包含掺杂的非晶硅。
6.一种图像传感器的制造方法，包括：
在衬底上形成晶体管电路和多个下部互连件；
在所述衬底上形成彼此隔开、并经所述多个下部互连件电连接到所述晶体管电路的多个第一互连件；
在所述多个第一互连件上形成多个第一导电层；
在所述衬底上形成绝缘层；
平坦化所述绝缘层，以在所述多个第一互连件之间形成多个平坦化的绝缘层；
在所述多个平坦化的绝缘层以及所述多个第一导电层上形成本征层；以及
在所述本征层上形成第二导电层。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，形成多个第一互连件包括：
在所述衬底上沉积金属层；以及
用蚀刻掩模覆盖所述金属层位于所述多个下部互连件上的多个区域，蚀刻所述金属层。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述金属层包括能在低温下被硅化的金属。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，平坦化所述绝缘层包括实施化学机械研磨。
10.根据权利要求6所述的方法，进一步包括，在形成所述多个第一互连件之前，在所述衬底上形成阻挡金属，其中所述阻挡金属形成在每个被隔开的第一互连件下面。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，形成所述阻挡金属、形成所述多个第一互连件以及形成所述多个第一导电层包括：
在包括所述多个下部互连件的所述衬底上沉积阻挡金属；
在所述阻挡金属上沉积用于所述多个第一互连件的金属层；
在所述金属层上形成第一导电层；
在所述第一导电层上形成蚀刻掩模，使所述蚀刻掩模覆盖所述第一导电层位于所述多个下部互连件上的多个区域；以及
使用所述蚀刻掩模蚀刻所述第一导电层、所述金属层、以及所述阻挡金属。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，形成所述第一导电层包括：在所述衬底上沉积掺杂的非晶硅层。
13.根据权利要求6所述的方法，其中，形成所述多个第一互连件和形成所述多个第一导电层包括：
在所述衬底上沉积金属层；
在所述金属层上形成第一导电层；
在所述第一导电层上形成蚀刻掩模，使所述蚀刻掩模覆盖所述第一导电层位于所述多个下部互连件上的多个区域；以及
使用所述蚀刻掩模蚀刻所述第一导电层和所述金属层。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，形成所述第一导电层包括：
在所述衬底上沉积掺杂的非晶硅。
15.根据权利要求6所述的方法，进一步包括，在平坦化所述绝缘层之后，清洗所述衬底。
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