CN101399278B - 图像传感器和其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种图像传感器和其制造方法。所述图像传感器包括：包括单元像素的半导体衬底，在半导体衬底上形成的包括金属互连的层间介电层，在层间介电层上形成的与单元像素对应的多个底部电极，所述多个底部电极包括具有至少两个不同尺寸的底部电极，在包括所述底部电极的层间介电层上形成的光电二极管，和在光电二极管上形成的对应于单元像素的滤色器。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器和其制造方法。
背景技术
图像传感器是将光学图像转化为电信号的半导体器件。图像传感器主要分类为CCD(电荷耦合器件)图像传感器或CMOS(互补金属氧化物硅)图像传感器。
CMOS图像传感器包括在每个单元像素中的光电二极管和MOS晶体管，并且以转换模式依次检测每个单元像素的电信号以实现图像。
CMOS图像传感器包括用于将光信号转化为电信号的光电二极管区域和用于处理所述电信号的晶体管。通常，光电二极管区域和晶体管在半导体衬底上水平地对准。
根据水平CMOS图像传感器，光电二极管和晶体管在衬底上水平地对准使得它们彼此邻近。因此，对于每个单元像素需要衬底的另外区域以形成光电二极管。
发明内容
本发明的实施方案提供能够提供晶体管电路和光电二极管的垂直层叠结构的图像传感器及其制造方法。
根据一个实施方案的图像传感器包括：包括单元像素的半导体衬底；包括对应于该单元像素在半导体衬底上形成的金属互连的层间介电层；在该层间介电层上形成的与单元像素对应的多个底部电极，所述多个底部电极包括具有至少两个不同尺寸的底部电极；在包括所述多个底部电极的层间介电层上形成的光电二极管；和在该光电二极管上形成的对应于单元像素的滤色器。
根据一个实施方案的制造图像传感器的方法包括：在半导体衬底上形成包括对应于单元像素的金属互连的层间介电层；在该层间介电层上形成对应于各个单元像素的多个底部电极，所述多个底部电极包括彼此具有不同尺寸的底部电极；在包括所述多个底部电极的层间介电层上形成光电二极管；和对应于单元像素在该光电二极管上形成滤色器。
附图说明
图1～6是显示根据一个实施方案制造图像传感器的方法的横截面图。
图7是根据一个实施方案的图像传感器的平面图。
图8是根据一个实施方案的包括微透镜的图像传感器的横截面图。
图9是根据另一实施方案的图像传感器的横截面图。
图10是根据如图9所示的实施方案的图像传感器的平面图。
具体实施方式
以下，将参考附图描述图像传感器及其制造方法的实施方案。
在本发明中使用“上”或“之上”的时候，当涉及层、区域、图案或结构的时候，理解为所述层、区域、图案或结构可以直接在另一层或结构上，或也可存在***其间的层、区域、图案或结构。在本发明中使用“下”或“之下”时，当涉及层、区域、图案或结构时，理解为所述层、区域、图案或结构可以直接在另一层或结构下，或也可存在***其间的层、区域、图案或结构。
应理解本发明实施方案的附图和描述已经进行简化以说明与清楚理解本发明相关的要素/元件，而为了清楚省略可公知的其它要素/元件。本领域技术人员应理解为了实施本发明其它元件可以是期望的和/或需要的。然而，由于这样的元件在本领域中是公知的，并且由于它们并不利于更好地理解本发明，所以本发明中没有对这样的元件进行描述。
图6是显示根据一个实施方案的图像传感器的横截面图。
参考图6，可在包括第一像素A和第二像素B的半导体衬底10上形成包括第一金属互连31和第二金属互连32的层间介电层20。第一金属互连31可提供在第一像素A中，第二金属互连32可提供在第二像素B中。
在半导体衬底20上形成的第一像素A和第二像素B的每一个中提供连接至光电二极管以将光电荷转化为电信号的CMOS电路(未显示)。
层间介电层20可具有多层结构。根据一些实施方案，第一金属互连31和第二金属互连32可***多层结构中使得第一金属互连31和第二金属互连32可分别连接至第一像素A和第二像素B。此外，可使用多个金属层形成第一金属互连31和第二金属互连32。
具有不同尺寸的第一底部电极41和第二底部电极42可形成在层间介电层20上，使得第一底部电极41连接至第一金属互连31，第二底部电极42连接至第二金属互连32。在一个实施方案中，第一底部电极41的尺寸可小于第二底部电极42的尺寸。在另一实施方案中，如图9中所示，第二底部电极42的尺寸可小于第一底部电极41的尺寸。
在包括第一底部电极41和第二底部电极42的层间介电层20上可设置光电二极管。该光电二极管可包括第一导电层50、本征层60和第二导电层70。在一个实施方案中，第一导电层50包括N-型硅层，本征层60包括非晶硅层，第二导电层70包括P-型硅层。
通过形成尺寸彼此不同的第一底部电极41和第二底部电极42，第一底部电极41和第二底部电极42之间的距离可以变长。因此，可抑制由光电二极管产生的光电荷转移至相邻像素，使得可减小图像传感器的串扰。
顶部电极80可设置在光电二极管上。顶部电极80可以是由例如ITO(氧化锡铟)、CTO(氧化镉锡)或ZnO2(氧化锌)形成的透明电极。
在顶部电极80上对应于第一像素A和第二像素B可提供第一滤色器91和第二滤色器92。第一滤色器91可以是绿色滤色器，第二滤色器92可以是红色滤色器或蓝色滤色器。因此，绿色滤色器形成在第一像素A上，红色或蓝色滤色器形成在第二像素B上。
参考图8，在第一滤色器91上可形成微透镜110。在一个诸如图9所示的替代实施方案中，微透镜120可形成在第二滤色器92上。
即，可在设置于具有较小尺寸的底部电极(例如，底部电极41与142)上的滤色器上形成微透镜。因此，可改善对应于具有较小尺寸的底部电极的光电二极管的聚光率，使得可改善图像传感器的光学特性。
以下，将参考图1～8描述根据一个实施方案的制造图像传感器的方法。
参考图1，可在包括第一像素A和第二像素B的半导体衬底10上形成包括第一金属互连31和第二金属互连32的层间介电层20。
在形成于半导体衬底20上的第一像素A和第二像素B中提供连接至光电二极管以将光电荷转化为电信号的CMOS电路(未显示)。在某些实施方案中，CMOS电路可以是3Tr-、4Tr-或5Tr-型电路。
在层间介电层20中可形成另外的金属互连以提供至电源线或信号线的电连接。
层间介电层20可具有多层结构。例如，层间介电层20可包括一个或更多个的氮化物层和/或一个或更多个氧化物层。
此外，第一金属互连31和第二金属互连32可具有多层结构。第一金属互连31可连接至第一像素A，第二金属连接32可连接至第二像素B。第一金属互连31和第二金属互连32将由光电二极管产生的电子传输至在光电二极管之下根据单元像素对准的CMOS电路。虽然附图中没有显示，但是第一金属互连31和第二金属互连32可连接至在半导体衬底10的下部部分处形成的杂质区域。
多个第一金属互连31和第二金属互连32可以形成为穿过层间介电层20。第一金属互连31和第二金属互连32可由本领域已知的任何适合的材料形成，并且可包括金属、合金或包括硅化物的导电材料。在一个实施方案中，第一金属互连31和第二金属互连32可包括例如铝、铜、钴或钨。
参考图2，可在层间介电层20上形成底部电极层40。底部电极层40可电连接至第一金属互连31和第二金属互连32。底部电极层40可包括金属诸如铬(Cr)、钛(Ti)、钛-钨合金(TiW)或钽(Ta)。
可在底部电极层40上形成第一光刻胶图案210和第二光刻胶图案220以对应于每个像素图案化底部电极层40。第一光刻胶图案210和第二光刻胶图案220覆盖对应于第一金属互连31和第二金属互连32的区域上的底部电极层40。
第一光刻胶图案210和第二光刻胶图案220彼此可具有不同的尺寸。例如，第一光刻胶图案210的尺寸可小于第二光刻胶图案220的尺寸。或者，第一光刻胶图案210的尺寸可大于第二光电二极管图案220的尺寸。
可以通过使用第一光刻胶图案210和第二光刻胶图案220作为蚀刻掩模来蚀刻底部电极层40，以形成第一电极41和第二电极42。
参考图3，第一底部电极41和第二底部电极42可对应于每个像素形成在层间介电层20上。第一底部电极41可以连接至第一金属互连31，第二底部电极42可以连接至第二金属互连32。根据一个实施方案，第一底部电极41的尺寸可小于第二底部电极42的尺寸。例如，第一底部电极41的尺寸比第二底部电极42的尺寸小约10～75％，使得第一底部电极41的尺寸是第二底部电极42的尺寸的约25～90％。
通过形成小于第二底部电极42的第一底部电极41，可减小入射到光电二极管上的入射光的串扰。
参考图4，可在包括第一底部电极41和第二底部电极42的层间介电层20上形成光电二极管。
根据一个实施方案，光电二极管可以是NIP二极管。所述NIP二极管可具有n-型非晶硅层、本征非晶硅层和p-型非晶硅层的连接结构。
NIP二极管指的是在p-型硅层和金属或n-型硅层之间提供为纯半导体层的本征非晶硅层的光电二极管。***p-型硅层和金属或n-型硅层之间的本征非晶硅层可作为耗尽区，使得电荷易于产生和储存。
根据一些实施方案，光电二极管可具有P-I-N结构、N-I-P结构或I-P结构。在如下所述的实施方案中使用具有N-I-P结构的光电二极管。因此，在以下描述中，第一导电层50可以是n-型非晶硅层，本征层60可以是本征非晶硅层，第二导电层可以是p-型非晶硅层。当然，本发明的实施方案不限于此。
以下，将描述形成光电二极管的方法。
根据一个实施方案，可以在层间介电层20上形成第一导电层50。在某些实施方案中，可省略第一导电层50，可以实施后续工艺而无需形成第一导电层50。
第一导电层50可以作为N-I-P二极管的N-层。即，第一导电层50是N-型导电层。然而，本发明的实施方案不限于此。
可以在第一导电层50上形成本征层60。在所述实施方案中，本征层60可以作为N-I-P二极管的I-层。可以通过使用本征非晶硅形成本征层60。
本征层60的厚度可以是第一导电层的厚度的10～1000倍。通过使用厚的本征层60，pin二极管的耗尽区可以放大使得可以容易地产生并储存更大量的光电荷。
可在本征层60上形成第二导电层70。在一个实施方案中，可以与本征层60同时形成第二导电层70。在所述实施方案中，第二导电层60可以作为N-I-P二极管的P-层。即，第二导电层70是P-型导电层，但是本发明的实施方案不限于此。
因此，第一像素A和第二像素B以及光电二极管可以垂直地层叠在半导体衬底10上，使得光电二极管的填充因子可以达到接近100％。
参考图5，可在包括光电二极管的半导体衬底10上形成顶部电极80。
顶部电极80可以是具有优异的透光率和电导率的透明电极。例如，顶部电极80可由ITO(氧化铟锡)、CTO(氧化镉锡)或ZnO2(氧化锌)形成。
参考图6，可在顶部电极80上形成滤色器。可以通过使用可染色的光刻胶在每个像素上形成滤色器以从入射光中过滤颜色。
第一滤色器91可以形成在第一像素A上，第二滤色器92可以形成在第二像素B上。根据一个实施方案，第一滤色器91是绿色滤色器，第二滤色器92是红色滤色器。此外，虽然附图中没有显示，但是可以在第三像素上形成第三滤色器，并且可以是蓝色滤色器。此外，第三像素可以设置有较大尺寸的底部电极(类似于第二像素B)。
因此，已经穿过第一滤色器91的光通过第一底部电极41和第一金属互连31作为电荷传输至第一像素A。此外，已经穿过第二滤色器92的光通过光电二极管、第二底部电极42和第二金属互连32作为电荷传输至第二像素B。第一底部电极41和第二底部电极42具有不同的尺寸并且彼此间隔开预定距离，所以由光电二极管产生的光电子可以传输至第一底部电极41和第二底部电极42。即，由于第一底部电极41的尺寸小于第二底部电极42的尺寸，所以第一底部电极41和第二底部电极42之间的间距变大，使得可以对应于每个像素分开光电二极管。因此，可抑制由光电二极管产生的光电子传输至相邻底部电极，以减少串扰。
图7是显示形成在所述第一像素A和第二像素B上的第一底部电极41于第二底部电极42和第一滤色器91与第二滤色器92的区域的平面图。
如图7所示，在第一像素A上形成的第一底部电极41的尺寸小于在第二像素B上形成的第二底部电极42的尺寸。可以提供多个第一型像素和第二型像素。在一个实施方案中，像素可以具有交替的较小尺寸的和较大尺寸的底部电极的棋盘(checkerboard，国际跳棋棋盘)状外观。因此，在第一像素A上形成的底部电极41的尺寸可以小于在第三像素C上形成的第三底部电极的尺寸。此外，第三像素C可以是第二型像素(类似于第二像素B)。
参考图8，可在第一滤色器91上形成微透镜110。微透镜110可以仅形成在第一滤色器91(及对应于较小尺寸底部电极的其它滤色器)上，以将入射光聚焦到光电二极管上使得入射光可以传输至底部电极41。
由于相对于第二底部电极42的尺寸，第一底部电极41的尺寸较小，所以传输至第一底部电极41的光电子的量小于传输至第二底部电极42的光电子的量。鉴于此，微透镜110形成在第一滤色器91上。如果微透镜110形成在第一滤色器91上，那么较大量的光可以入射到对应于第一底部电极41的光电二极管区域中，使得可以增加导向第一底部电极41的光的量。
图9和10是根据另外的实施方案的图像传感器的横截面图和平面图。
参考图9和10，在第一像素A上形成的第一底部电极141的尺寸大于在第二像素B上形成的第二底部电极142的尺寸。此外，在第一像素A上形成的第一底部电极141的尺寸可以大于在第三像素C上形成的底部电极的尺寸。由于第一底部电极141的尺寸相对大于第二底部电极142的尺寸，所以与电极都是大尺寸的情况相比，在第一底部电极141和第二底部电极142之间可以形成较大的间隙。根据图9和10中说明的实施方案，第一像素A可以具有形成于其上的绿色滤色器，第二像素B以及第三像素C可以具有形成于其上的红色和蓝色滤色器。
由于第一底部电极141与第二底部电极142间隔开预定距离，所以可以对应于每个像素分开光电二极管。因此，由光电二极管产生的光电子可传输至特定区域的相应底部电极，并且可减少串扰。
此外，可以在第二滤色器92上形成微透镜120。在此情况下，对应于第二底部电极142的光电二极管的聚光率可以得到改善，使得可以相对增加传输至第二底部电极142的光的量。
根据一些实施方案，将光电二极管的光电子传输至在光电二极管之下对准的电路的第一底部电极和第二底部电极可以形成为彼此具有不同的尺寸，在减少串扰的同时使第一底部电极和第二底部电极之间的间距变大。
此外，可在具有较小尺寸的底部电极上形成微透镜，使得可以改善图像传感器的图像特性。
根据图像传感器及其制造方法的实施方案，可以垂直地层叠晶体管电路和光电二极管。
此外，由于晶体管电路和光电二极管的垂直层叠结构，所以填充因子可以接近于约100％。
另外，由于垂直层叠结构，所以与相关技术相比可以获得较高的灵敏度。
此外，当与相关技术比较时，本发明的一些实施方案可以降低对于相同分辨率的加工成本。
此外，在一些实施方案中，每个像素可以形成有另外的或复杂的电路而不降低其灵敏度。
在一个另外的实施方案中，可以提供另外的芯片上(on-chip)电路，使得可以改善图像传感器的性能，可以最小化器件并且可以降低制造成本。
在该说明书中对“一个实施方案”、“实施方案”、“实例性实施方案”等的任何引用，表示关于该实施方案描述的具体的特征、结构或性能包括于本发明的至少一个实施方案中。在说明书不同地方出现的这些术语不必都涉及相同的实施方案。另外，当关于任何实施方案描述具体的特征、结构或性能时，认为将这些特征、结构或性能与其它实施方案关联在本领域技术人员的范围之内。
尽管已经参考本发明的许多说明性实施方案描述了实施方案，但是应理解本领域技术人员可以知道很多其它的改变和实施方案，这些改变和实施方案也在本公开原理的精神和范围内。更具体地，在本公开、附图和所附的权利要求的范围内，对象组合布置的构件和/或布置中能够有不同的变化和改变。除构件和/或布置的变化和改变之外，替代的用途对于本领域技术人员也是明显的。
Claims (17)
1.一种图像传感器，包括：
在半导体衬底上的包括金属互连的层间介电层，其中所述金属互连根据单元像素布置；
在所述层间介电层上的与所述单元像素对应的多个底部电极，其中所述多个底部电极包括具有至少两个不同尺寸的底部电极；
在包括所述底部电极的层间介电层上的光电二极管；和
根据所述单元像素布置在所述光电二极管上的滤色器。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述底部电极中的至少一个的尺寸比所述多个底部电极的其它底部电极的尺寸小。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中在具有所述较小尺寸的所述至少一个底部电极上对准的所述滤色器是绿色滤色器。
4.根据权利要求2所述的图像传感器，其中在具有所述较小尺寸的所述至少一个底部电极上对准的所述滤色器是红色滤色器。
5.根据权利要求2所述的图像传感器，其中在具有所述较小尺寸的所述至少一个底部电极上对准的所述滤色器是蓝色滤色器。
6.根据权利要求2所述的图像传感器，还包括仅设置在对应于具有所述较小尺寸的所述至少一个底部电极的滤色器的每一个上的微透镜。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述多个底部电极布置为较小尺寸底部电极和较大尺寸底部电极的国际跳棋棋盘图案。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其中所述滤色器包括绿色滤色器、红色滤色器和蓝色滤色器，其中所述绿色滤色器在所述较小尺寸的底部电极上对准，所述红色滤色器和蓝色滤色器在所述较大尺寸的底部电极上对准。
9.根据权利要求7所述的图像传感器，其中所述滤色器包括绿色滤色器、红色滤色器和蓝色滤色器，其中所述绿色滤色器在所述较大尺寸的底部电极上对准，所述红色滤色器和蓝色滤色器在所述较小尺寸的底部电极上对准。
10.一种制造图像传感器的方法，所述方法包括：
在半导体衬底上形成包括对应于单元像素的金属互连的层间介电层；
在所述层间介电层上形成多个底部电极，所述底部电极对应于所述单元像素布置，其中所述多个底部电极包括具有至少两个不同尺寸的底部电极；
在包括所述底部电极的所述层间介电层上形成光电二极管；和
对应于所述单元像素在所述光电二极管上形成滤色器。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述底部电极的形成包括：
在所述层间介电层上形成底部电极层；和
图案化所述底部电极层以形成连接至相应的金属互连的底部电极，其中所述多个底部电极的相邻的底部电极具有不同的尺寸。
12.根据权利要求11所述的方法，其中在具有较小尺寸的所述底部电极上对准的所述滤色器是绿色滤色器。
13.根据权利要求11所述的方法，其中在具有较小尺寸的所述底部电极上对准的所述滤色器是红色滤色器。
14.根据权利要求11所述的方法，其中在具有较小尺寸的所述底部电极上对准的所述滤色器是蓝色滤色器。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述底部电极形成为具有两个尺寸，其中所述滤色器的形成包括：形成绿色滤色器、红色滤色器和蓝色滤色器，其中所述绿色滤色器在所述较小尺寸的底部电极上对准，所述红色滤色器和蓝色滤色器在所述较大尺寸的底部电极上对准。
16.根据权利要求11所述的方法，其中所述底部电极形成为具有两个尺寸，其中所述滤色器的形成包括：形成绿色滤色器、红色滤色器和蓝色滤色器，其中所述绿色滤色器在所述较大尺寸的底部电极上对准，所述红色滤色器和蓝色滤色器在所述较小尺寸的底部电极上对准。
17.根据权利要求11所述的方法，还包括仅在对应于具有较小尺寸的所述底部电极的所述滤色器上形成微透镜。
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