CN101266995A - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及图像传感器及其制造方法。其中，一种装置，能够有效地在高温下工作，其包括CMOS图像传感器、形成于所述CMOS图像传感器下方用于选择性冷却所述图像传感器的热电半导体和形成于所述热电半导体下方的散热器。

Description

图像传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及图像传感器。
背景技术
图像传感器是将光学图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器分为电荷耦合器件(CCD)和互补型金属氧化物硅(CMOS)图像传感器(CIS)。
注意到CCD具有复杂的驱动过程和过量的能耗。由于其需要多个光刻步骤，所以CCD具有复杂的制造工艺。因此，已经提出使用CIS以克服CCD的缺点。
CIS可包括在每个单位像素中的光电二极管和金属氧化物硅(MOS)晶体管，从而以切换方式顺序检测各个单位像素的电信号，从而实现图像。CIS还可包括光电二极管区域和晶体管区域。光电二极管区域用于接收光学信号并将光学信号转换成能够被晶体管区域处理的电信号。虽然CIS能克服CCD的缺点，但是其具有诸如由暗电流而产生的噪声的缺点。与漏电流类似，暗电流趋于根据温度的增加而快速地产生。
发明内容
本实施方式涉及能防止由于温度升高而引起的暗电流的图像传感器及其制造方法。
实施方式涉及包括以下至少其中之一的图像传感器：互补型金属氧化物半导体图像传感器；冷却器件，形成于所述互补型金属氧化物半导体图像传感器之下，用于选择性冷却所述互补型金属氧化物半导体图像传感器；以及散热器，形成于所述冷却器件下方。
实施方式涉及用于制造图像传感器的方法，该方法包括以下步骤其中至少之一：形成互补型金属氧化物半导体图像传感器；在所述互补型金属氧化物半导体图像传感器下方形成直流、PN结热电器件，用于选择性冷却所述互补型金属氧化物半导体图像传感器；以及在所述直流、PN结热电器件下方形成冷却装置。
实施方式涉及包括以下至少其中之一的图像传感器：CMOS图像传感器；热电半导体，形成于所述互补型金属氧化物半导体图像传感器之下，用于选择性冷却所述CMOS图像传感器，所述热电半导体包括在上传导层和下传导层之间延伸的多个N-型传导层和多个P-型传导层，以及夹在各个N-型传导层和各个P-型传导层之间的绝缘层，其中上传导层和下传导层电连接所述N-型传导层与所述P-型传导层；散热器，形成于所述热电半导体下方；以及感应机构，用于感应并控制所述热电半导体、所述CMOS图像传感器和所述散热器的至少其中之一的温度。
附图说明
图1示例性示出了根据实施方式的图像传感器；以及
图2至12示例性示出了根据实施方式制造图像传感器的方法。
具体实施方式
在以下文中，将参照附图详细描述根据实施方式的图像传感器及其制造方法。在说明书中，应当理解，当层(或膜)称为在另一层或基板“之上”时，其可以直接位于另一层或基板之上，或者也可以在它们之间存在中间层。另外，应当理解，当层称为在另一层“之下”时，其可以直接位于另一层之下，也可以在它们之间存在一个或多个中间层。另外，还应当理解，当层称为在两个层“中间”时，其可以是两个层中间的唯一层，或者也可以在该两上层之间还存在一个或多个中间层。
如在实施例图1中所示，根据实施方式的图像传感器包括互补型金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器200、形成于CMOS图像传感器200之下的冷却器件100，和形成于冷却器件100之下的冷却装置300，诸如散热器。
冷却器件100可形成为热电半导体，诸如直流PN结热电半导体。如果冷却器件100形成为热电半导体，则该热电半导体100可包括形成于相同平面上的第一传导型传导层142和第二传导型传导层144，夹在第一传导型传导层142和第二传导型传导层144之间的分隔层150，电连接第一传导型传导层142和第二传导型传导层144的下传导层130和上传导层135。
分隔层150可以由电绝缘材料组成。虽然第一传导型传导层142和第二传导型传导层144可以分别形成为N-型传导层和P-型传导层，但是他们不限于此并且可由不同的材料组成。
根据实施方式的图像传感器还可包括用于感应并控制冷却器件100、CMOS图像传感器200和冷却装置300的温度的控制器。而且，通过包括诸如水的冷却液的流动以及使用冷却盘等，冷却装置300可执行冷却功能。
从CMOS图像传感器200吸收热量的载体电子可以通过从P型传导层144移动到N型传导层142并且通过将热量暴露至冷却装置300来冷却图像传感器200，其中冷却装置300将热量从CMOS图像传感器200传递走。电源(V)为载体电子提供能量以移过热电半导体100。
因此，根据实施方式的CMOS图像传感器通过使用热电半导体将CMOS图像传感器冷却至适当的温度甚至能够在高温下工作。同样，感应品质可通过由于该CMOS图像传感器使用热电半导体而防止产生暗电流的能力提高放大容量而增强。
图2至图8是根据本发明的第一实施方式的图像传感器的制造工艺。
如在示例性图2至图8中所示，根据实施方式制造图像传感器的方法可包括形成CMOS图像传感器200，在CMOS图像传感器200之下形成冷却器件100，以及然后在冷却器件100之下形成冷却装置300。
在CMOS图像传感器200之下形成冷却器件100的步骤包括在CMOS图像传感器200之下形成热电半导体。冷却器件100形成为直流PN结热电半导体。形成为该热电半导体的冷却器件100是通过将N-型或P-型离子注入到P-型传导层或N-型传导层中而形成的。
如在示例性图2中所示，第一绝缘体120形成于基板105上方。第一绝缘体120通过氧化基板105而在基板105上方形成为硅绝缘体。第一绝缘体120为电绝缘体和/或热传导层。然后第一热传导层130和本征层140顺序地形成于第一绝缘体120上方。在没有任何N-型杂质或P-型杂质的情况下，形成本征层140。
如在示例性图3中所示，通过选择性蚀刻本征层140形成暴露第一导电层130的最上表面的第一沟槽T1。第一沟槽T1通过在第一导电层130和本征层140之间具有高选择性的蚀刻工艺而形成。
然后，通过选择性蚀刻本征层140和第一导电层130形成暴露第一绝缘体120的最上表面的成对的第二沟槽T2。第二沟槽T2是通过使用在第一导电层130和本征层140之间具有低选择性的干刻工艺而形成的。
然后通过分别填充第一沟槽T1和第二沟槽T2形成包括成对的第一分隔层151和第二分隔层152的分隔层150。分隔层150由电绝缘材料形成。
如在示例性图4中所示，通过注入第一传导离子在本征层140的区域中形成成对的第一传导型传导层142。例如，第一传导型传导层142是通过使用成对的第一光刻胶162作为注入掩模注入第一传导离子而形成的。第一光刻胶162通过在分隔层150和本征层140的第一区域上方延伸以及还在分隔层150和本征层140的第二区域的上方延伸而形成。第一传导型传导层142形成为N-型传导层。
如在示例性的图5中所示，在去除第一光刻胶162之后，然后通过注入第二传导离子在本征层140的剩余区域中形成成对的第二传导型传导层144。例如，第二传导型传导层144是通过使用成对的第二光刻胶164作为注入掩模注入第二传导离子而形成。第二光刻胶164是通过在第一传导型传导层142其中之一和分隔层150上方延伸以及还在分隔层150和第一传导型传导层142中另一个上方延伸而形成。第二传导型传导层144形成为P-型传导层。
因此，对于该工艺，分隔层150夹在第一传导型传导层142和第二传导型传导层144之间。
如在示例性图6中所示，然后形成成对的第二导电层135，以电连接第一传导型传导层142和第二传导型传导层144。第二导电层135是通过使用第三光刻胶(未示出)作为蚀刻掩模选择性蚀刻形成于基板105上方的第二导电层135而形成。
如在示例性图7中所示，然后第二绝缘体170形成于包括第二导电层135、第一传导型传导层142、第二传导型传导层144和分隔层150的基板105上方。第二绝缘体170为电绝缘和热传导材料中至少之一。然后热吸收板180形成于第二绝缘体170上方。
如在示例性图8中所示，在去除基板105之后，在冷却器件100之下形成冷却装置300并且在冷却器件100之上形成CMOS图像传感器200，以完成器件。
如在示例性图9和图10中所示，根据实施方式的图像传感器包括通过将P-型离子注入到N-型传导层中而形成的热电半导体。
如在示例性图9中所示，第一绝缘体120、第二传导层130和第二传导型传导层142顺序形成于基板105之上。第一传导型传导层142为N-型传导层。
如在示例性图10中所示，通过选择性蚀刻第一传导型传导层142和第一传导层130形成第一沟槽T1和成对的第二沟槽T2。然后，可以通过填充第一沟槽T1和第二沟槽T2形成包括第一分隔层151和第二分隔层152的分隔层150。分隔层150为电绝缘体。
通过使用选择性暴露第一传导型传导层142的成对的第一光刻胶166作为注入掩模注入第二传导型离子在第一传导型传导层142的两个区域中形成第二传导型传导层144。因此，第一传导型传导层142和第二传导型传导层144可以形成为包括插入分隔层150。
如在示例性图11和图12中所示，根据实施方式的图像传感器包括通过注入N-型离子到P-型传导层中而形成的热电半导体。
如在示例性图11中所示，第一绝缘体120、第二导电层130和第二传导型传导层144顺序形成于基板105之上。第二传导型传导层144为P-型传导层。
如在示例性图12中所示，通过选择性蚀刻第二传导型传导层144和第一导电层130形成第一沟槽T1和成对的第二沟槽T2。然后，通过填充第一沟槽T1和第二沟槽T2而形成包括第一分隔层151和第二分隔层152的分隔层150。分隔层150是电绝缘体。
然后，通过使用选择性暴露第二传导型传导层144的成对的光刻胶168作为注入掩模注入第一传导离子在第二传导型传导层144的两个区域中形成第一传导型传导层142。因此，第一传导型传导层142和第二传导型传导层144形成为具有插入分隔层150。
因此，根据实施方式的CMOS图像传感器及其制造方法通过使用热电半导体将CMOS图像传感器冷却到适当的温度甚至能够在高温下工作。
由于该CMOS图像传感器使用热电半导体防止产生暗电流，所以该CMOS图像传感器通过提高放大容量而增强感应品质。
尽管已经在此描述了实施方式，但是应该理解本领域的普通技术人员可以设计落入本发明公开内容的精神和范围内的多个其它变型和实施方式。更特别地是，在本公开内容、附图和附属的权利要求范围内，在主题的组成部分和/或设置的排列结合方面可以有各种变化和变型。除了组成部分和/或设置方面的变化和变型之外，对于本领域的普通技术人员来说，使用其它变型也是显而易见的。

Claims (20)

1、一种装置，包括：
互补型金属氧化物半导体图像传感器；
冷却器件，形成于所述互补型金属氧化物半导体图像传感器之下，用于选择性冷却所述互补型金属氧化物半导体图像传感器；以及
散热器，形成于所述冷却器件下方。
2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冷却器件包含直流、PN结热电半导体。
3、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述直流、PN结热电半导体包含：
由第一传导型材料组成的第一传导层，邻近所述第一传导层并且由第二传导型材料组成的第二传导层，邻近所述第二传导层并且由所述第一传导型材料组成的第三传导层，以及邻近所述第三传导层并且由所述第二传导型材料组成的第四传导层；
夹在邻近的传导层之间的分隔层；以及
电连接所述传导层的下传导层。
4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一传导型材料包含N-型材料，以及所述第二传导型材料包含P-型材料。
5、根据权利要求4所述的装置，其特征在于，进一步包含：
上传导层，设置在所述第一、第二、第三和第四传导层上方并与所述第一、第二、第三和第四传导层接触，
其中所述下传导层设置在所述第一、第二、第三和第四传导层下方并与所述第一、第二、第三和第四传导层接触。
6、根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述上传导层包含：
第一上传导层，设置在所述第一和第二传导层上方并与所述第一和第二传导层接触；以及
第二上传导层，设置在所述第三和第四传导层上方并与所述第三和第四传导层接触。
7、根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述下传导层包含：
第一下传导层，设置在所述第一传导型下方并与所述第一传导层接触；
第二下传导层，设置在所述第二和第三传导层下方并与所述第二和第三传导层接触；以及
第三下传导层，设置在所述第四传导层下方并与所述第四传导层接触。
8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于，进一步包含：
下绝缘体层，设置在所述下传导层和所述散热器之间；以及
上绝缘体层，设置在所述上传导层和所述互补型金属氧化物半导体图像传感器之间，
其中所述上绝缘体层设置在所述第二和第三传导层以及第一和第二上传导层上方并且与所述第二和第三传导层以及第一和第二上传导层接触。
9、根据权利要求8所述的装置，其特征在于，进一步包含热吸收板，设置在所述上绝缘体层和所述互补型金属氧化物半导体图像传感器之间。
10、一种方法，包含：
形成互补型金属氧化物半导体图像传感器；
在所述互补型金属氧化物半导体图像传感器下方形成直流、PN结热电器件，用于选择性冷却所述互补型金属氧化物半导体图像传感器；
在所述直流、PN结热电器件下方形成冷却装置。
11、根据权利要求10所述的方法，其特征在于，形成所述直流、PN结热电器件的步骤包含：
在基板上方形成下绝缘层；
在所述下绝缘层上方顺序形成下传导层和本征层；
蚀刻所述本征层和下传导层以暴露所述下绝缘层的一部分以及还暴露所述第一传导层的一部分；
在下绝缘层的已暴露部分和下传导层的已暴露部分上方形成分隔层；
在所述本征层中通过注入具有第一传导型的传导离子而形成成对的交替第一传导层；以及
在所述本征层中通过注入具有第二传导型的传导离子而形成成对的交替第二传导层。
12、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，形成所述直流、PN结热电器件的步骤还包含：
在所述第一和第二传导层上方形成上传导层，以电连接所述第一和第二传导层。
13、根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述分隔层夹在所述第一和第二传导层之间。
14、根据权利要求10所述的方法，其特征在于，形成所述直流、PN结热电器件的步骤包含：
在基板上方形成下绝缘层；
在所述下绝缘层上方顺序形成下传导层和具有第一传导型的第一传导层；
蚀刻所述第一传导层和下传导层以暴露出所述下绝缘层的一部分以及还暴露出所述下传导层的一部分；
在所述下绝缘体层的已暴露部分和所述下传导层的已暴露部分上方形成分隔层；以及
在所述第一传导层中通过使用暴露所述第一传导层的掩模注入具有第二传导型的传导离子而形成成对的交替的第二传导层。
15、根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述分隔层夹在所述第一和第二传导层之间。
16、根据权利要求14所述的方法，其特征在于，具有第一传导型的所述传导离子包含N-型离子，以及具有第二传导型的传导离子包含P-型离子。
17、根据权利要求10所述的方法，其特征在于，形成所述直流、PN结热电器件的步骤包含：
在基板上方形成下绝缘层；
在所述下绝缘层上方顺序形成下传导层和具有第二传导型的第二传导层；
蚀刻所述第二传导层和下传导层以暴露所述下绝缘层的一部分以及还暴露出所述下传导层的一部分；
在所述下绝缘层中已暴露的部分上方和所述下传导层中已暴露的部分上方形成分隔层；以及
在所述第二传导层中通过使用暴露所述第二传导层的掩模注入具有第一传导型的传导离子而形成成对的交替的第一传导层。
18、根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述分隔层夹在所述第一和第二传导层之间。
19、根据权利要求17所述的方法，其特征在于，具有第一传导型的所述传导离子包含N-型离子，以及具有第二传导型的传导离子包含P-型离子。
20、一种装置，包括：
互补型金属氧化物半导体图像传感器；
热电半导体，形成于所述互补型金属氧化物半导体图像传感器之下，用于选择性冷却所述互补型金属氧化物半导体图像传感器，所述热电半导体包括在上传导层和下传导层之间延伸的多个N-型传导层和多个P-型传导层，以及夹在各个N-型传导层和各个P-型传导层之间的绝缘层，所述上传导和下传导层电连接所述N-型传导层与所述P-型传导层；
散热器，形成于所述热电半导体下方；以及
感应机构，用于感应并控制所述热电半导体、所述互补型金属氧化物半导体图像传感器和所述散热器中至少之一的温度。
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