CN100578800C - 图像传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种图像传感器，其包含衬底、包含多个像素的像素矩阵定义于该衬底上、光导层以及遮蔽电极依序设于各像素的像素电极、以及遮蔽电极位于任二相邻像素的像素电极之间，且遮蔽电极系列成网状物而设于个像素电极外围。
Description
技术领域
本发明涉及一种图像传感器，尤其涉及一种包含遮蔽电极的图像传感器，以解决载流子串扰的问题。
背景技术
互补式金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductors，CMOS)或电荷耦合装置(charge coupled device，CCD)等图像传感器是一种硅半导体装置，设计用来捕捉光子(光线)，并将光子转换成电子。经转换为电子后，电子就会被传输，并再次被转换为可量测的电压，而转成数字数据。业界已进行研究一种以氢化非晶硅(hydrogenated amorphous silicon，α-Si:H)为基础而堆迭于CCD或CMOS元件上的图像传感器，以追求具有优良于传统CCD或CMOS图像传感器的性能，其叙述如下。因其堆迭结构所带来的高集光有效面积比(fill factor)能使得整个像素面积都能用来感测光子，再配合α-Si:H材料有效转换能量的特性，便能达到高量子效率。然而，在已知研究中，此种感测器仍然有串扰(cross-talk)、图像延迟(image lag)以及漏电流信号等问题。其中载流子串扰相邻像素的问题尤其会造成严重的分辨率与均匀性不足的问题，也会在像素间造成色彩上的串扰，导致色彩失真。此外，在α-Si:H材料中的俘获或场发射式载流子输送机制会导致低载流子移动速率，进而很容易发生图像延迟问题，因而在动态图像的画面中产生亮点残影的情形。具体而言，由于一像素的全部信号无法在单一画面中被读取，因此当发生图像延迟问题时，在低信号位阶中不可能再生真实的色彩。再者，漏电流问题主要成因于光导层中由金属电极至p型层(p-layer)或n型层(n-layer)的空穴电子注入遂穿(tunnel)情形，其会在暗幕产生很多杂讯。所以，为了能与传统硅基CCD或CMOS图像传感器相竞争，上述三个主要问题需要被解决，以提供较佳画面品质。
目前使用α-Si:H材料的技术已发展出具有下列材料：
(一)透明导电层，材料如氧化铟锡(Indium Tin Oxide，ITO)；
(二)硼(boron)重掺杂p型层，包含有氢化非晶质碳化硅(hydrogenatedamorphous silicon carbide，α-SiC:H)材料，用来收集在本征层(intrinsic layer，i-layer)产生的光致空穴，传输至ITO；
(三)α-Si:H本征层，主要作为光致电子-空穴对产生层；
(四)磷(phosphorus)重掺杂n型层，包含有氢化碳掺杂非晶硅(hydrogenated carbon doped amorphous silicon)材料，作为从本征层产生的电子的接收者，以传输至金属像素电极；以及
(五)金属像素电极，设于n型层下方且连接于晶体管，其垂直堆迭于位于硅衬底上的CMOS电路上方。
图1显示出具有一本征层/n型层接合的p-i-n异质结面的能带图。电荷对电压转换率主要决定于感测电容的大小，并且藉由增厚本征层而最小化。
为了能在α-Si:H本征层达到较高量子效率，必须在较大厚度中藉由最佳化氢原子的浓度产生较长寿命的少数载流子(minority carrier)以及较高的载流子迁移率来改善光导电性以及光吸收性。同时，位于ITO层下方的硼重掺杂p型层可以甲烷基α-SiC:H(CH4 basedα-SiC:H)层取代，以与α-Si:H本征层形成异质结面。由于碳化硅具有较大的光学能隙(larger optical bandgap，Eopt)，因此能有效增强其透明度，亦能藉由扩大能带间隙以抑制漏电流，进而避免因遂穿效应而造成电子由ITO层发散至p型层。再者，α-SiC:H材料亦可适用于n型层中，以藉由降低像素电极间的n型层导电性而避免像素之间的横向载流子串扰。此设计亦能有效阻挡空穴由氮化钛(titaniumnitride，TiN)像素电极发散至n型层，其相同于电子遂穿至p型层的情况。然而，α-SiC材料的高密度俘获情形(deep trap)会带来漏电流以及图像延迟等问题。
再者，在像素电极的边角与n型层交界处会发生更严重的问题，其系由于电场强度会局部集中而使得能带弯曲，如图2所标示的边缘处。其中因遂穿而造成的空穴迁移机率会变大，进而增加反向偏压情形的漏电流。此外，由α-SiC构成的n型层亦会有效黏附于TiN像素电极上，而不会有脱落(peeling-off)的情形，由于张力的关系，像素电极边角上被施压的α-SiC膜可能会有高密度的陷位，造成和图像延迟同样严重的像素缺陷，如图2所示。
请参考图3(a)至图4，其中图3(a)系为常规具有p-i-n层堆迭结构的图像传感器的侧剖面示意图，图3(b)为图3(a)所示的图像传感器的等效电路图，而图4则为图3(a)所示的像素电极与像素电极间隙的能带示意图。常规图像传感器10包含多个像素电路(图未示)以及氧化硅绝缘(isolation)层24设于衬底(图未示)上、多个像素电极12设于该等像素电路以及氧化硅绝缘层24上、光导层14设于像素电极12上、以及透明电极16设于光导层14上，其中光导层14由下至上包含n型层18、本征层20以及p型层22，形成所谓的堆迭p-i-n层结构。
以下将光导层14与Cpd、Csub、C1以及C2四电容元件一并介绍。这些电容元件系以图3(a)所示n型层/本征层界面位于像素电极12间隙中央的节点而定位。此处，Cpd表示以氧化铟锡(indium tin oxide，ITO)形成的透明电极16的电容元件，Csub表示p型硅衬底(图未示)经氧化硅绝缘层24的电容元件，而C1以及C2则分别表示相邻金属像素电极12的电容元件。常规图像传感器10的装置结构可假想成覆置(flipped)n沟道金属绝缘半导体场效应晶体管(metal insulator semiconductor field effect transistor，MISFET)30，其源极与漏极分别连接于二像素电极12，如图3(b)所示，而衬底偏压系由透明电极16提供至p型层22，而具有栅极电容Csub的接地硅衬底则被视为假想MISFET装置30的栅极。
由于电容元件在实际结构上的高宽比的影响，若与电容C1或C2相比较，电容Cpd以及Csub值不够大，因此在相邻像素电极12之间的电位分布很容易因横向二维效应而被偏压所控制，该偏压接近于施加在相邻像素电极12上的电源供应电压值。所以覆置MISFET 30的沟道电位会藉由像素电极12经电容C1以及C2的耦合而拉高许多，而电容Cpd或Csub并无法使像素电极间隙区域维持在较低电位。因此电子的静电电位势垒高度会低于一维接近势垒高度，产生串扰电流跨跃相邻的像素，如图4所示。
图5为图3(a)所示装置结构的像素电极以及电极间隙区域的垂直能带图，其中该电极间隙表示相邻像素电极12之间隙，而电子沟道层系位于本征层20与n型层18的界面。由于本征层20以及n型层18的材料具有不同的能量导电带高度，形成了异质结面(hetero-junction)带，因此大部分电子会聚集积存此界面处，形成电子沟道层，而光致电子则会流过n型层18导电带至像素电极12。另一方面，本征层20与n型层18界面则会形成跨越相邻像素电极12的水平载流子而造成如图3(a)与图4中所解释的串扰问题。再者，像素电极间隙区域的电位势垒会如图4、5所示而自一维势垒高度降低。以图3(b)所假想的MISFET 30而言，可藉由薄化本征层20或在像素电极12提供高压以藉由增强积体效应(body effect)而抑制此种串扰。然而，图像传感器的灵敏度以及色彩平衡会因较薄的本征层20而被牺牲，而高像素电极电压并不能满足电源供应的电性规格要求。
发明内容
因此本发明的主要目的在于提供一种图像传感器及其至作方法，以解决上述常规图像传感器的问题。
根据本发明的权利要求，本发明提供一种图像传感器，其包含有半导体衬底以及包含定义于该衬底上的多个像素的像素矩阵。图像传感器另包含光导层以及透明导电层依序设于各像素的像素电极之上，以及包含遮蔽电极，设于任二相邻的像素电极，且呈网状物排列于各像素电极外围。
根据本发明的权利要求，还提供了一种制作图像传感器的方法，首先提供衬底，该衬底包含多个像素以及多个像素电路设于其表面。然后于该衬底上形成导电层，进行第一光刻及蚀刻工艺(photolithography-etching process，PEP)以移除部分该导电层，而于各像素中形成像素电极以及于任二相邻像素电极之间形成遮蔽电极。之后于像素电极以及遮蔽电极上形成光导层，并形成透明导电层覆盖该光导层。
由于本发明的遮蔽电极系形成于像素电极之间，所以可以防止发生载流子串扰。因此，光导层的本征层可以增厚而得到良好的图像传感器灵敏度。
附图说明
图1为具α-SiC:H(p型层)/α-Si:H(本征层)/α-SiC:H(n型层)接合的p-i-n异质结面的能带图。
图2为像素电极边缘部分的张力以及遂穿问题的示意图。
图3(a)为常规具有p-i-n层堆迭结构的图像传感器的侧剖面示意图。
图3(b)为图3(a)所示的图像传感器的等效电路图。
图4为图3(a)所示的像素电极与电极间隙的能带示意图。
图5为图3(a)所示装置结构的像素电极以及电极间隙区域的垂直能带图。
图6为本发明一图像传感器的剖面示意图。
图7为图6所示本发明图像传感器的上视图。
图8为图6所示本发明图像传感器的能带图。
图9为图3(a)所示常规图像传感器结构的电位图表。
图10为图6所示本发明图像传感器的电位图表。
图11至图15为本发明图像传感器的工艺示意图。
主要元件符号说明
10图像传感器 12像素电极
14光导层 16透明电极
18n型层 20本征层
22p型层 24绝缘膜
30MISFET 100图像传感器
102半导体晶片 104衬底
106介电层 108像素
110像素矩阵 112像素电路
114像素电极 116遮蔽电极
118绝缘层 120光导层
122透明导电层 124第一平坦层
126彩色滤光层 128第二平坦层
130n型层 132本征层
134p型层 136接触插塞
138导电层
具体实施方式
请参考图6至图7，其中图6为本发明图像传感器100的剖面示意图，而图7为图6所示部分图像传感器100的上视图。图像传感器100系为光导体覆有源像素(photoconductor-on-active-pixel，POAP)图像传感器，其系形成于包含衬底104的半导体晶片102上。图像传感器100包含有设于衬底104上的介电层106以及多个像素108定义于衬底104上，其中像素108系排列成像素矩阵110，如图7所示。每一像素108包含设于介电层106中的像素电路112以及像素电极114，其中像素电路112可包含至少一金属氧化物场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor filed effect transistor，MOSFET)，而像素电极114则包含金属材料，例如氮化钛(titanium nitride，TiN)，并经由接触插塞136而垂直电连接其对应的像素电路112。在不同的实施例中，像素电极114还可包含其他导电材料，例如钨(tungsten，W)、铝(aluminum，Al)或铜(copper，Cu)。此外，相邻像素电极114的边缘之间具有像素间隙区域(electrode gap region)G。
此外，遮蔽电极116系设于电极间隙区域G中，并位于任两相邻的像素电极114之间。所以，遮蔽电极116系排列如网状物(mesh)，而环绕各像素电极114外围，如图7所示。在优选实施例中，遮蔽电极116系设置于电极间隙区域G的中央部分，使得相邻像素电极114与遮蔽电极116具有相同的距离d，且遮蔽电极116系当作相邻像素108的分界线。再者，遮蔽电极116可与像素电极114具有相同的材料，例如TiN，也可利用同样的工艺中与像素电极114一并制作完成。于遮蔽电极116上可提供接地电压电位，藉由设于该像素矩阵110外围的电位供应电路所提供，而在像素区域中的遮蔽电极116并没有电流流过。在此处，遮蔽电极116扮演了一个很重要的角色，其能藉由降低接近像素电极间隙区域G表面的电位而电性隔离相邻的像素108，而传统图像传感器结构在像素之间却具有很大的边缘效应(fringingeffect)，因而造成串扰电流。
根据本发明，绝缘层118系设置于介电层106、遮蔽电极116以及像素电极114之上。绝缘层118可为薄氧化层(例如为二氧化硅，silicon oxide，SiO2)，其仅仅覆盖像素电极114的边缘而暴露出像素电极114的大部分中央区域，使得像素电极114直接电连接于其上方的光导层120。
图像传感器100另包含光导层120以及透明导电层122覆盖于绝缘层118以及像素电极114上。光导层120由下至上包含n型层130、本征层132以及p型层134。其中，本征层132系由α-Si:H材料所构成，而p型层134以及n型层130包含α-SiC:H材料。为了提供良好的图像传感器100灵敏度与色彩平衡，本征层132必须有足够的厚度H，且厚度H可为约5000埃或大于5000埃。透明导电层122系用来当作上电极板，可由氧化铟锡(indiumtin oxide，ITO)所构成。此外，图像传感器100可包含第一平坦层124、彩色滤光层126以及第二平坦层128依序设于光导层120之上，其中彩色滤光层126于不同像素108中可包含不同颜色的彩色滤光片，例如红色、绿色以及蓝色等彩色滤光片。
本发明所提供的功效可藉由图6所示的等效电路来解释。以本征层132与n型层130界面的电极间隙区域G中央节点来考量，Csub表示遮蔽电极116电容，Cpd代表透明电极(ITO)122的电容，而C1以及C2则分别代表相邻金属像素电极114的电容。因此，Csub会变得比没有遮蔽电极116的传统图像传感器者大上许多。所以，遮蔽电极116能有力地使表面电位维持至一低电位，且像素电极间隙区域G的中具有一维势垒高度，能防止图4传统图像传感器载流子在相邻像素间串扰的问题。
图8为图6所示图像传感器100的相邻像素电极114以及遮蔽电极116的能带图。由于遮蔽电极116下的电位会因薄绝缘层118与n型层130而维持在一低电位，很明显地，在电极间隙区域G的内的本征层132与n型层130界面间发生的串扰效应会因高电位势垒高度(例如图8所示的一维势垒高度)而被中断。此作用使得厚本征层132可被应用于本发明结构中，并以现存的偏压条件即可增强量子效率。
另一方面，设于遮蔽电极116上的薄绝缘层118的厚度可根据本征层132以及n型层130间界面的电位来决定，其中较佳藉由调整绝缘层118的厚度以最大化栅极电容(Csub)。此外，决定绝缘层118厚度的另一原则系为了保护像素电极114的边缘转角，以避免因集中电场而造成的异常空穴遂穿，导致发生漏电流情形。再者，薄绝缘层118亦有助于防止因张力压力而造成n型层130的中的俘获情形，其会带来图像延迟问题。请参考图7，遮蔽电极116以及像素电极114的边缘部分皆被绝缘层118所覆盖，因此在n型层130以及像素电极114的接触区域上将不再有强大的电场与拉力压力，所以本发明图像传感器100结构消除了造成像素电极114边角处漏电流问题的基本成因。
图9为图3(a)所示常规图像传感器10结构具有厚度分别为5000埃、7000埃以及10000埃的本征层20的电位图表。如图9所示，两相邻的像素电极12分别具有电位1.2V与2.6V，而二像素电极12之间的间隙区域则不具有电位势垒高度或仅有很小的电位势垒高度。所以，在本征层20中产生的电子很容易由右侧高电位的像素电极12移动到左侧低电位的像素电极12，造成串扰问题。相反的，图10为图6所示本发明图像传感器100的本征层132厚度为5000埃、7000埃以及10000埃的电位图。如图10所示，二相邻像素电极114分别具有1.2V以及2.6V的电位，而像素电极114之间的间隙区域G则具有很大的势垒高度。所以由具有电位差的二相邻像素电极114所产生的横向电场并不会太大，且本发明图像传感器100的遮蔽电极116在相邻二像素电极114之间产生了很大的电位势垒高度，以有效避免串扰问题。因此，具有大于
的厚度的本征层132可应用于本发明图像传感器100中。
请参考图11至图15，图11至图15为本发明图像传感器100的工艺示意图。首先，如图11所示，提供半导体晶片102，其包含有硅衬底104。接着，于衬底104上提供多个电子元件，以形成像素电路112设于介电层106中。接着，于介电层106上形成导电层138，位于像素电路112之上。导电层138可包含金属材料，较佳为TiN，且具有约300埃的厚度。请参考图12，接着进行光刻暨蚀刻工艺，以移除部分导电层138而于各像素108中形成像素电极114，同时于像素电极114之间形成遮蔽电极116。因此，遮蔽电极116与像素电极114系设于同一平面上。再者，遮蔽电极116至邻近像素电极114皆具有相同的距离。在本发明中，遮蔽电极116的宽度为约0.2微米(micrometer，μm)，而与邻近的各像素电极114的距离为约0.2μm。
接着，于衬底104上形成薄绝缘层118，覆盖像素电极114以及遮蔽电极116，如图13所示。绝缘层118可包含绝缘材料，例如氧化硅，且厚度为约200埃。请参考图14，进行另一光刻暨蚀刻工艺，以移除部分绝缘层118并暴露出大部分的像素电极114，然而像素电极114的边缘部分以及遮蔽电极116则仍然被绝缘层118所覆盖。然后，于衬底上依序制作α-SiC:H构成的n型层130、α-Si:H构成的本征层132以及α-SiC:H构成的p型层134，以形成光导层120，其中n型层130电连接于像素电极114，而各像素电极114则经接触插塞136而电连接所对应的像素电路112。在本发明的实施例中，p型层134具有约50埃的厚度，本征层132的厚度为约5000埃，而n型层130的厚度为约100埃。接着，于光导层120上形成透明导电层122。然后，在透明导电层122上依序形成第一平坦层124、彩色滤光层126以及第二平坦层128以完成本发明图像传感器100的制作，如图15所示。
相较于常规技术，本发明提供一图像传感器结构，其在相邻像素电极之间具有高电位势垒，以避免串扰的情形。再者，覆盖于遮蔽电极以及像素电极的边缘部分的绝缘层能避免遂穿效应，以改善图像延迟以及漏电流问题。所以，本发明能提供具有良好图像效果与功能的图像传感器。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (23)
1.一种图像传感器，其包含：
半导体衬底；
像素矩阵，其包含有多个像素定义于该半导体衬底上，且各该像素包含有像素电极；
光导层以及透明导电层依序设于该像素电极上；以及
遮蔽电极设于任二相邻的该像素电极之间且设于相邻的像素电极之间的间隙区域中，其中该遮蔽电极如同网状围绕各该像素电极，
其中该光导层包含有：
n型层设于该像素电极以及该遮蔽电极之上；
本征层设于该n型层之上；以及
p型层设于该本征层之上。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其中该遮蔽电极与该像素电极设于同一平面上。
3.如权利要求1所述的图像传感器，其中该遮蔽电极以及该像素电极包含有相同的材料。
4.如权利要求3所述的图像传感器，其中该遮蔽电极以及该像素电极包含氮化钛。
5.如权利要求1所述的图像传感器，其另包含绝缘层覆盖于该遮蔽电极以及各该像素电极的边缘部分上，而未被该绝缘层覆盖的各该像素电极部分直接设于该光导层的下方。
6.如权利要求5所述的图像传感器，其中该绝缘层的厚度为200埃。
7.如权利要求5所述的图像传感器，其中该绝缘层包含氧化硅。
8.如权利要求1所述的图像传感器，其中该遮蔽电极与相邻的二该像素电极之间距离相等。
9.如权利要求1所述的图像传感器，其中该遮蔽电极的电位藉由设于该像素矩阵外围的电位供应电路所提供。
10.如权利要求1所述的图像传感器，其中该n型层以及该p型层包含氢化非晶质碳化硅材料。
11.如权利要求1所述的图像传感器，其中该本征层包含有氢化非晶硅材料。
12.如权利要求1所述的图像传感器，其中该本征层的厚度为至少5000埃。
13.如权利要求12所述的图像传感器，其中该本征层的厚度为5000至10000埃。
14.一种制作图像传感器的方法，该方法包含有：
提供衬底，其表面包含有多个像素电路，各该像素电路对应于像素；
于该衬底上形成导电层；
进行第一光刻及蚀刻工艺以移除部分该导电层，并形成多个像素电极以及遮蔽电极，该遮蔽电极位于任二相邻的该像素电极之间且设于相邻的像素电极之间的间隙区域中，各该像素电极设于该像素内并电连接于对应的该像素电路；
于该像素电极以及该遮蔽电极之上形成光导层；以及
形成透明导电层覆盖于该光导层上，
其中该光导层包含有：
n型层设于该像素电极以及该遮蔽电极之上；
本征层设于该n型层之上；以及
p型层设于该本征层之上。。
15.如权利要求14所述的方法，其中该方法在形成该光导层之前，另包含有下列步骤：
形成绝缘层覆盖于该像素电极以及该遮蔽电极之上；以及
进行第二光刻及蚀刻工艺，以移除部分该绝缘层并且使得该像素电极的边缘部分以及该遮蔽电极仍被该绝缘层所覆盖。
16.如权利要求15所述的方法，其中该绝缘层的厚度为200埃。
17.如权利要求15所述的方法，其中该绝缘层包含氧化硅材料。
18.如权利要求14所述的方法，其中该遮蔽电极以及该像素电极包含有氮化钛。
19.如权利要求14所述的方法，其中该遮蔽电极与相邻的二该像素电极之间距离相等。
20.如权利要求14所述的方法，其中该p型层以及该n型层包含有氢化非晶质碳化硅材料。
21.如权利要求14所述的方法，其中该本征层包含有氢化非晶硅材料。
22.如权利要求14所述的方法，其中该本征层的厚度至少为5000埃。
23.如权利要求22所述的方法，其中该本征层的厚度为5000至10000埃。
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