CN100573850C

CN100573850C - 图像传感器结构及其制造方法

Info

Publication number: CN100573850C
Application number: CNB2006101700923A
Authority: CN
Inventors: 张锦维; 王鸿宪
Original assignee: Powerchip Semiconductor Corp
Current assignee: Lijing Jicheng Electronic Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2006-11-03
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2009-12-23
Anticipated expiration: 2026-12-18
Also published as: CN101174580A

Abstract

本发明涉及图像传感器结构及其制造方法。本发明提供的图像传感器结构的制造方法，包括：提供一基板；于上述基板上依序形成一图像传感器电路结构、一分隔层以及一图案化电极层；移除未被上述图案化电极层覆盖的上述分隔层，以形成一图案化分隔层，其中上述图案化分隔层的侧壁是凹陷于上述图案化电极层的侧壁；于上述图案化电极层上形成一第一掺杂非晶硅层，其中上述第一掺杂非晶硅层为一不连续层。

Description

图像传感器结构及其制造方法

技术领域

本发明有关于一种图像传感器结构的制造方法，特别有关于一种有源像素上覆光导物(Photoconductor on active pixel，POAP)型图像传感器的光电二极管层(Photodiode layer)的制造方法。

背景技术

有源像素上覆光导物(Photoconductor on active pixel，POAP)型图像传感器(image sensor)(以下简称为POAP型图像传感器)已广泛使用于许多应用领域，例如数码相机(digital camera)、数码摄影机(digital video camera)、监视器(monitor)、移动电话(mobile phone)等。POAP型图像传感器主要利用覆盖于有源像素(active pixel)阵列或图像传感单元(image sensor cell)阵列上的光导物(Photoconductor)，其包括光电二极管(Photodiode)，以将入射的图像光能转换成数字数据。

POAP型图像传感器可感测例如可见光、X光(X-ray)、紫外光(ultraviolet，UV)、红外光(infrared ray，IR)等不同波长的光线，且由于POAP型图像传感器是以位于顶部的光导物将入射的图像光激发出电子，并电性传导至其下的图像感测电路，具有较现有图像传感器高的光敏感度(sensitivity)，且具有优异的光吸收性(light collection)，因而可具有较高的像素密度(pixel density)。图1为美国专利号码2004/0041930的POAP型图像传感器结构10，像素区(pixel area)中的入射图像光是经由透明导电层145传至其下的光电二极管结构135，转换成电子讯号传递至基板11中的有源区130。

就POAP型图像传感器而言，必须达成的性能要件包括高图像画质且具低串扰及杂讯，并且能在低环境光源情况下提供高画质图像。然而，于上述现有的POAP型图像传感器结构中，由于不同像素区(pixel area)中的光电二极管结构135为一连续层，入射图像光激发的电子会经由光电二极管结构135传递至相邻像素区(pixel area)，例如一入射图像光以大角度射入像素(N-1，1)并且其激发电子传递至对应相邻像素(N，1)的有源区130，因而发生串扰(cross talk)，造成感测图像的失真，降低感测像素的解析度，以及致使感测像素的对应色彩变调，降低图像传感器的性能表现。现有技术中，串扰的测量乃藉由一不透明光罩设置于光感测元件阵列上，仅容许光线进入其中的一光感测像素上。测量由该光感测像素邻近的另一感测像素所接收到的感测信号，并且将此讯号除以原传感器应感测到的讯号，此比值称串扰(crosstalk)。随着集成化程度增加，像素的面积缩小且采用多层介电层结构使整个图像传感器的密度增加，会使串扰的现象更为恶化。

因此，有需要一种低串扰的图像传感器结构，以解决现有技术的缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种图像传感器结构，以改善不同图像传感器之间的串扰(cross talk)现象，以提升图像传感器的性能表现。

为达成发明的上述目的，本发明提供一种图像传感器结构的制造方法，包括：提供一基板；于上述基板上依序形成一图像传感器电路结构、一分隔层以及一图案化电极层；移除未被上述图案化电极层覆盖的上述分隔层，以形成一图案化分隔层，其中上述图案化分隔层的侧壁是凹陷于上述图案化电极层的侧壁；于上述图案化电极层上形成一第一掺杂非晶硅层，其中上述第一掺杂非晶硅层为一不连续层。

为达成发明的另一目的，本发明提供一种图像传感器结构，包括：一基板；一图像传感器电路结构、一图案化分隔层以及一图案化电极层，依序形成于上述基板上，其中上述图案化分隔层具有一第一厚度，且上述图案化分隔层的侧壁与上述图案化电极层的侧壁相距一第一距离；以及一第一掺杂非晶硅层，形成于上述图案化电极层上，其中上述第一掺杂非晶硅层为一不连续层。

附图说明

图1为现有的POAP型图像传感器结构。

图2a至2f为本发明优选实施例的图像传感器结构的工艺剖面图。

附图标记说明

10～图像传感器结构；11～基板；130～有源区；135～光电二极管结构；145～透明导电层；100～图像传感器结构；110～基板；200～图像传感器电路结构；210～像素区；120～CMOS晶体管；122～浅沟槽隔离物；124～源/漏极区；126～层间介电层；128～接触孔；132～介层孔；136～金属内连线；302～蚀刻停止层；304～分隔层；304a～图案化分隔层；306～电极层；306a～图案化电极层；310～第一掺杂非晶硅层；312～未掺杂非晶硅层；314～第二掺杂非晶硅层；300～光电二极管层；316～透明导电层；d₁～第一厚度；l₁～第一距离。

具体实施方式

以下利用工艺剖面图，以更详细地说明本发明优选实施例的图像传感器及其形成方法，在本发明各实施例中，相同的符号表示相同的元件。

请参考图2a至2f，其显示本发明优选实施例的图像传感器结构100的一系列工艺剖面图。请参考图2a，形成本发明优选实施例的图像传感器结构100主要的元件包含一基板110，其包括多个像素区210，基板110可为硅基板、绝缘层上硅(silicon on insulator，SOI)基板或其他半导体材料基板。多个浅沟槽隔离物(shallow trench isolation，STI)122，形成于基板110中。一或多个图像传感器电路结构200，分别形成于每一个像素区210中。上述图像传感器电路结构200包括CMOS晶体管120，以及其上的层间介电层126、接触孔128、金属内连线136和介层孔132，其中上述接触孔128、金属内连线136和介层孔132用以电连接像素区210中的CMOS晶体管120的栅极及其源/漏极区124。层间介电层126可包括二氧化硅(SiO₂)、氮化硅(SiN_X)、氮氧化硅(SiON)、磷硅玻璃(PSG)、硼磷硅玻璃(BPSG)、含氟的二氧化硅(F-containing SiO₂)或其他类型的介电常数(dielectric constant，k)约小3.9的低介电常数材料。金属内连线136可包括铝、铝合金、铜、铜合金或其他铜基导电材料。接触孔128和介层孔132可为钨、铝、铜或硅化物。一蚀刻停止层302、一分隔层304和一电极层306，依序形成于图像传感器电路结构200上，其中位于每一个像素区210中的介层孔132穿过蚀刻停止层302、分隔层304以电连接至电极层306。上述蚀刻停止层302和分隔层304两者优选地具有一蚀刻选择比(etch selectivity ratio)为1～1000，更佳为50～500，最佳为100～300。可以适当地选择蚀刻选择比不同的材质组合以形成蚀刻停止层302和分隔层304，举例来说，当蚀刻停止层302为例如氮化物时，该分隔层304则可为氧化物，或当蚀刻停止层302为氧化物，该分隔层304为氮化物。分隔层304具有一厚度d1，其优选为

电极层306可为例如氮化钛(TiN)、铝、铝合金、铜、铜合金或其他铜基导电材料，其厚度优选为

蚀刻停止层302是做为于后续移除分隔层304工艺中的停止层，其为一可选择的元件，也可以直接形成分隔层304于图像传感器电路结构200上，仅须注意分隔层304与层间介电层126两者具有优选的蚀刻选择比，使得后续移除分隔层304工艺不致损伤图像传感器电路结构200。

请参考图2b，以光刻及蚀刻方式，于每一个像素区210中形成一图案化电极层306a。接着，请参考图2c，利用位于每一个像素区210中的图案化电极层306a做为蚀刻硬掩模(hard mask)，可利用例如含有氢氟酸(HF)的蚀刻液，以湿蚀刻(wet etching)方式，形成一图案化分隔层304a，且暴露出一部分的蚀刻停止层302。由于图案化电极层306a和图案化分隔层304a具有一较高的蚀刻选择比(etch selectivity ratio)，因此可以于形成一图案化分隔层304a时，维持图案化电极层306a的轮廓(profile)。此外，利用湿蚀刻工艺的等向性(isotropic)蚀刻特性，移除部分图案化分隔层304a的侧壁，以使图案化分隔层304a的侧壁凹陷(recess)于图案化电极层306a的侧壁；且图案化分隔层304a侧壁凹陷的距离l₁和其厚度d₁须具有一适当的比值(以下简称为深宽比(aspect ratio))。如图2c所示，图案化分隔层304a的侧壁凹陷的深宽比(l₁/d₁)优选为1～50，更佳为2～40，最佳为3～30。

请参考图2d，可用例如等离子体增强型化学气相沉积(plasma enhancedchemical vapor deposition，PECVD)、低压化学气相沉积(low pressure chemicalvapor deposition，LPCVD)、大气压化学气相沉积或其他的沉积方式，形成一第一掺杂非晶硅(α-Si)层310于图案化电极层306a上以及暴露的蚀刻停止层302上，并且第一掺杂非晶硅层310的厚度优选小于

举例来说，可以利用控制图案化分隔层304a的湿蚀刻时间或厚度d₁，适当地选择上述图案化分隔层304a的深宽比。举例来说，由于PECVD具有较差的填充(gap fill)能力，因此当深宽比超过一预定值，第一掺杂非晶硅层310不于图案化分隔层304a的侧壁上形成，而成为一被图案化分隔层304a自然切断(cut offnaturally)的不连续层。

接着，请参考图2e，可用例如等离子体增强型化学气相沉积(plasmaenhanced chemical vapor deposition，PECVD)、低压化学气相沉积(low pressurechemical vapor deposition，LPCVD)、大气压化学气相沉积或其他的沉积方式，依序形成一未掺杂非晶硅层312、一第二掺杂非晶硅层314于第一掺杂非晶硅层310上，以形成一光电二极管层(photodiode layer)300。换句话说，光电二极管层300为一组合层，其包括第一掺杂非晶硅层310、未掺杂非晶硅层312和第二掺杂非晶硅层314。上述的第一掺杂非晶硅层310和第二掺杂非晶硅层314为相反的导电类型，举例来说，当第一掺杂非晶硅层310的导电类型为n型时，第二掺杂非晶硅层314的导电类型则为p型，或当第一掺杂非晶硅层310的导电类型为p型时，第二掺杂非晶硅层314的导电类型则为n型。

请参考图2f，可用例如真空蒸镀法(vacuum evaporation)、溅镀法(sputtering)、化学蒸镀法(chemical vapor deposition)或溶胶-凝胶程序的浸渍涂布法(dip coating)等方式形成一透明导电层316于光电二极管层300上。透明导电层316可为铟锡氧化物(indium tin oxide，ITO)、氧化锡或其他类似的材料。一般是经由透明导电层316外加一反向偏压(reverse bias)于光电二极管层300上，使其可将光电二极管层300感测到的光激发出电子并电性传导至位于像素区210中的图像传感器电路结构200，以电子讯号输出感测到的图像，以形成本发明优选实施例的图像传感器结构100。

如上所述的图像传感器结构100，包括：一基板110，其包括多个像素区210；一图像传感器电路结构200，分别形成于每一个像素区210中；一图案化分隔层304a，部分覆盖于图像传感器电路结构200上；一图案化电极层306a，形成于图案化分隔层304a上，且分别形成于每一个像素区210中，其中图案化分隔层304a具有一第一厚度d₁，且图案化分隔层304a的侧壁与图案化电极层306a的侧壁相距一第一距离l₁；一第一掺杂非晶硅层310，形成于每一个像素区210的该图案化电极层306a上，并且为一不连续层。一未掺杂非晶硅层312，形成于第一掺杂非晶硅层310上；一第二掺杂非晶硅层314，形成于未掺杂非晶硅层312上，其中第一掺杂非晶硅层310、未掺杂非晶硅层312、以及第二掺杂非晶硅层314共同构成一光电二极管层300，并且第一掺杂非晶硅层310与第二掺杂非晶硅层314为相反的导电类型。一透明导电层316，形成于光电二极管层300上。

本发明优选实施例图像传感器结构100的第一掺杂非晶硅层310为一不连续层，所以不同像素区210中图像传感器120感测到的图像信号并不会互相干扰，可以改善串扰(cross talk)现象；因此可以藉由增加第一掺杂非晶硅层310的掺杂物浓度，使第一掺杂非晶硅层310和图案化电极层306a之间具有较低的接触电阻，形成欧姆接触(ohmic contact)，以提升图像传感器120的性能表现。本发明优选实施例图像传感器100的第一掺杂非晶硅层310经由适当地控制图案化分隔层304a的深宽比(l₁/d₁)而被自然切断(cut offnaturally)，不须额外的光罩步骤形成，可以大幅地节省工艺成本。

虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但是其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可做些许更动与润饰，因此本发明的保护范围当以所附的权利要求所界定的为准。

Claims

1.一种图像传感器结构的制造方法，包括下列步骤：

提供一基板；

于该基板上依序形成一图像传感器电路结构、一分隔层以及一图案化电极层；

移除未被该图案化电极层覆盖的该分隔层，以形成一图案化分隔层，其中该图案化分隔层的侧壁凹陷于该图案化电极层的侧壁；

于该图案化电极层上形成一第一掺杂非晶硅层，其中该第一掺杂非晶硅层为一不连续层。

2.如权利要求1所述的图像传感器结构的制造方法，还包括下列步骤：

于该图像传感器电路结构上形成一蚀刻停止层；以及

利用该图案化电极层作为掩模，蚀刻未被该图案化电极层覆盖的该分隔层，直至该蚀刻停止层。

3.如权利要求1所述的图像传感器结构的制造方法，其中移除该分隔层是利用湿蚀刻法进行。

4.如权利要求1所述的图像传感器结构的制造方法，其中该图案化分隔层具有一第一厚度，该图案化分隔层的侧壁与该图案化电极层的侧壁相距一第一距离，且该第一距离与该第一厚度具有一比值为1～50。

5.如权利要求1所述的图像传感器结构的制造方法，更包括下列步骤：

于该第一掺杂非晶硅层上形成一未掺杂非晶硅层；

于该未掺杂非晶硅层上形成一第二掺杂非晶硅层，以形成一光电二极管层，其包括该第一掺杂非晶硅层、该未掺杂非晶硅层和该第二掺杂非晶硅层。

6.如权利要求5所述的图像传感器结构的制造方法，其中还包括：

形成一透明导电层于该光电二极管层上。

7.如权利要求5所述的图像传感器结构的制造方法，其中该第一掺杂非晶硅层的导电类型为n型，该第二掺杂非晶硅层的导电类型为p型，或该第一掺杂非晶硅层的导电类型为p型，该第二掺杂非晶硅层的导电类型为n型。

8.如权利要求1所述的图像传感器结构的制造方法，其中形成该第一掺杂非晶硅层的方法为等离子体增强型化学气相沉积工艺，并且该第一掺杂非晶硅层被该图案化分隔层切断而成为一不连续层。

9.一种图像传感器结构，包括：

一基板；

一图像传感器电路结构、一蚀刻停止层、一图案化分隔层以及一图案化电极层，依序形成于该基板上，其中该图案化分隔层具有一第一厚度，该图案化分隔层的侧壁凹陷于该图案化电极层的侧壁，且该图案化分隔层的侧壁与该图案化电极层的侧壁相距一第一距离；以及

一不连续的第一掺杂非晶硅层，其中部分该第一掺杂非晶硅层形成于该图案化电极层上，并且部分该第一掺杂非晶硅层形成于该蚀刻停止层上。

10.如权利要求9所述的图像传感器结构，其中该蚀刻停止层为氮化物，该图案化分隔层为氧化物，或该蚀刻停止层为氧化物，该图案化分隔层为氮化物。

11.如权利要求9所述的图像传感器结构，其中该图案化电极层为氮化钛、铝、铝合金、铜、铜合金。

12.如权利要求9所述的图像传感器结构，其中该第一距离与该第一厚度具有一比值，其为1～50。

13.如权利要求9所述的图像传感器结构，其中还包括：

一未掺杂非晶硅层，形成于该第一掺杂非晶硅层上；

一第二掺杂非晶硅层，形成于该未掺杂非晶硅层上，以形成一光电二极管层，其包括该第一掺杂非晶硅层、该未掺杂非晶硅层和该第二掺杂非晶硅层。

14.如权利要求13所述的图像传感器结构，其中该第一掺杂非晶硅层的导电类型为n型，该第二掺杂非晶硅层的导电类型为p型，或该第一掺杂非晶硅层的导电类型为p型，该第二掺杂非晶硅层的导电类型为n型。

15.如权利要求13所述的图像传感器结构，其中还包括一透明导电层，形成于该光电二极管层上。

16.如权利要求15所述的图像传感器结构，其中该透明导电层为铟锡氧化物或氧化锡。