CN101271909B - 图像传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种图像传感器，其包含定义于半导体基底上的多个像素、依序设于像素电极上的光导层以及透明导电层、以及设于任意两个相邻的像素电极之间的遮蔽元件。遮蔽元件包含有遮蔽电极与绝缘结构，包覆该遮蔽电极，以使遮蔽电极隔离于像素电极和光导层。

Description

图像传感器及其制作方法

技术领域

本发明提供一种图像传感器，尤指一种包含遮蔽元件的图像传感器，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，并将其转换成电子，经传输后再次转换为可量测的电压，而得到数位数据。目前业界已进行研究一种光导体覆有源像素(photoconductor-on-active-pixel，POAP)图像传感器，其结构以氢化非晶硅(hydrogenated amorphous silicon，α-Si:H)为感光元件基础并堆叠于CCD或CMOS元件上，能得到比传统CCD或CMOS图像传感器具有更良好表现的图像传感器。由于光导体覆有源像素图像传感器具有特殊的堆叠结构，因此有高集光有效面积比(fill factor)的优点，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解析度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。

请参考图1与图2，图1为已知的光导体覆有源像素的图像传感器10的侧剖面示意图，图2为图1所示的像素电极间的模拟电位图。已知图像传感器10包含多个像素14a、14b以及设于基底12上的介电层16、设于各像素14a、14b内的多个像素电路(图未示)、设于这些像素电路以及介电层16上的多个像素电极18a、18b、设于像素电极18a、18b上的光导层20、以及设于光导层20上的透明导电层28，其中光导层20由下至上包含n型层(n-layer)22、本征层(intrinsic layer，i-layer)24以及p型层(p-type layer)26，形成所谓的堆叠p-i-n层结构，用来接受光线并将光线依照强度转换成对应的电荷量。

然而，在照光情形下，已知图像传感器10的不同像素电极16a、16b会具有不同的电压，导致相邻像素14a、14b之间产生具有电压差的电场。举例言之，若照光后像素电极18b具有高电位VH，而像素电极18a具有低电位VL，透明导电层28则处于接地状态，则在相邻像素14a、14b之间则会发生漏电流，由高电位VH的像素电极18b流至相邻具低电位VL的像素电极18a，如图2所示。因此产生串扰问题，而影响到图像感测的正确性，导致感测结果失真。

因此，如何改良光导体覆有源像素的图像传感器结构，以避免相邻像素间的串扰问题而提供良好的图像感测结果，仍然为业界亟需解决的议题。

发明内容

本发明的主要目的，在于提供一种具有遮蔽元件的图像传感器及其制作方法，以改善上述已知图像传感器发生串扰的问题。

根据本发明，本发明图像传感器包含半导体基底、定义于半导体基底上的多个像素、光导层以及透明导电层。其中，各像素包含有像素电极，而光导层与透明导电层依序设于各像素电极之上。本发明图像传感器另包含有设于任意两个相邻的像素电极之间的遮蔽元件，且遮蔽元件包含遮蔽电极以及包覆遮蔽电极的绝缘结构，以使遮蔽电极隔离于像素电极和光导层。

根据本发明，另提供一种制作图像传感器的方法。首先，提供基底，然后在基底表面形成第一导电层，再移除部分第一导电层以形成多个像素电极。接着在基底表面依序形成第一绝缘层以及第二导电层，移除部分设于像素电极表面的第二导电层以及第一绝缘层。然后在基底表面形成第二绝缘层，接着移除部分设于像素电极表面的第二绝缘层，最后在基底之上依序形成光导层与透明导电层。其中，未移除的第二导电层在任意两个相邻的像素电极之间形成遮蔽电极，并且未移除的第一绝缘层与第二绝缘层形成包覆该遮蔽电极的绝缘结构，并且该遮蔽电极与绝缘结构共同形成遮蔽元件。

由于本发明在任意两个相邻的像素或像素电极之间形成遮蔽元件，所以可以防止已知图像传感器中像素间的串扰问题，能有效改善图像传感器的图像感测效果与敏感度。

附图说明

图1为已知的光导体覆有源像素图像传感器的侧剖面示意图。

图2为图1所示的像素电极间的模拟电位图。

图3至图9为本发明图像传感器的结构及工艺示意图。

图10为本发明图像传感器的俯视示意图。

图11为图1所示已知图像传感器与图9所示本发明图像传感器的电位图表。

图12为图9所示本发明图像传感器的相邻像素的电位模拟图。

附图标记说明

10        图像传感器    12   基底

14a、14b  像素          16   介电层

18a、18b  像素电极      20   光导层

22        n型层         24   本征层

26        p型层         28   透明导电层

100       图像传感器    102  半导体芯片

104       半导体基底    106  介电层

108       像素          110  像素电路

112       第一导电层    114  像素电极

116       第一绝缘层    116’蚀刻后第一绝缘层

118       第二导电层    120  补图案

122       遮蔽电极      124  接触孔

126       第二绝缘层    126’蚀刻后第二绝缘层

128       绝缘结构      130  遮蔽元件

132       光导层        134  n型层

136       本征层        138  p型层

140       透明导电层    142  像素矩阵

G         电极间距

具体实施方式

请参考图3至图9，图3至图 9为本发明图像传感器100的结构及工艺示意图。本发明图像传感器100为光导体覆有源像素图像传感器。首先，如图3所示，提供半导体芯片102，其包含有半导体基底104，例如硅基底，且半导体基底104表面定义有多个像素108，形成像素矩阵。接着，在半导体基底104上提供多个电子元件，以形成设于介电层106中的像素电路110。接着，在介电层106上形成第一导电层112，位于像素电路110之上，其中第一导电层112可包含金属材料，优选为氮化钛(titanium nitride，TiN)。接着如图4所示，进行第一光刻工艺，先在半导体基底104表面形成光致抗蚀剂层(图未示)，然后利用具有像素电极图案的光掩模在光致抗蚀剂层上定义出像素电极图案，再进行蚀刻而移除部分第一导电层112，并移除光致抗蚀剂层，以在各像素108中形成像素电极114，通过接触孔124分别电连接对应的像素电路110，且相邻像素电极114之间具有电极间距G。

请参考图5，在半导体基底104上依序形成第一绝缘层116与第二导电层118，覆盖像素电极114以及暴露的介电层106表面。第一绝缘层116可包含氧化材料，例如氧化硅，以沉积方式所形成，而第二导电层118可包含多晶硅材料或金属材料。由于第二导电层118可以沉积方式所形成，因此能以自行对准的方式填于相邻像素电极114之间。接着，如图6所示，进行光刻暨蚀刻工艺(photolithography-etching process，PEP)，其包含第二光刻工艺，先在第二导电层118表面形成光致抗蚀剂层(图未示)，并利用前述具有像素电极图案的光掩模进行曝光光刻，将相反于像素电极图案的互补图案120光刻至该光致抗蚀剂层上。然后利用图案化的光致抗蚀剂层当作蚀刻遮罩，蚀刻移除部分第二导电层118与第一绝缘层116，同时暴露出大部分的像素电极114。未移除的第二导电层118形成遮蔽电极122，设于任意两个相邻的像素电极114之间，且具有“T”字形的剖面形状。此外，蚀刻后留下的第一绝缘层116’则设于遮蔽电极122的下方，将遮蔽电极122与像素电极114以及介电层106隔离。在本发明的优选实施例中，可利用曝光光刻比例而使像素电极图案的互补图案120的宽度稍大于电极间距G，因此像素电极114的边缘部分会被第一绝缘层116’以及遮蔽电极122所覆盖。

接着，请参考图7，在半导体基底104上全面形成第二绝缘层126，其可包含氧化硅或氮化硅材料。然后如图8所示，进行第三光刻工艺：首先在第二绝缘层126表面形成光致抗蚀剂层(图未示)，利用该具有像素电极图案的光掩模进行曝光而在该光致抗蚀剂层上定义出相反于像素电极图案的互补图案。接着，再以图案化光致抗蚀剂层当作蚀刻遮罩，移除部分第二绝缘层126。在优选实施例中，可利用曝光比例的设定使得留下的第二绝缘层126’稍大于遮蔽电极122的宽度以及电极间距G，以覆盖像素电极114的边缘并隔离遮蔽电极122与其他元件。然而，在其他实施例中，亦可利用回蚀刻来移除部分第二绝缘层126而形成图8中的第二绝缘层126’。值得一提的是，由于第一光刻工艺与第二、第三光刻工艺利用同一光掩模定义出两个互补图案，因此所使用的光致抗蚀剂应为不相同的正型光致抗蚀剂或负型光致抗蚀剂。例如，当第一光刻工艺以正型光致抗蚀剂定义出像素电极114的图案时，则第二以及第三光刻工艺即必须使用负型光致抗蚀剂定义出相反于像素电极图案的互补图案，反之亦然。

如图8所示，第一绝缘层116’、第二绝缘层126’及遮蔽电极122形成遮蔽元件130，设于任意两个相邻的像素电极114或任意两个相邻的像素108之间，并覆盖部分像素电极114的边缘而暴露出大部分的像素电极114，其中第一绝缘层116’与第二绝缘层126’为遮蔽元件130的绝缘结构128，包覆于遮蔽电极122的下方以及表面，以使遮蔽电极122与像素电极114以及后续形成的其他元件隔离。此外，由图8可知，绝缘结构128的底面与像素电极114的底面约略位于同一平面上，亦即设于介电层110的表面上。

请参考图9，接着形成设于像素电极114以及遮蔽元件130之上的光导层132，光导层132由下而上依序包含n型层(n-layer)134、本征层(intrinsiclayer，i-layer)136以及p型层(p-type layer)138。n型层134与p型层138可分别包含氢化非晶质碳化硅(hydrogenated amorphous silicon carbide，α-SiC:H)材料，而本征层136则可包含氢化非晶硅(hydrogenated amorphoussilicon，α-Si:H)材料。n型层134可直接与未被遮蔽元件130覆盖的像素电极114相接触而电连接像素电极114。在其他实施例中，光导层132由下至上则可依序包含p型层、本征层以及n型层。接着，再于光导层132之上形成透明导电层140，其可包含氧化铟锡(Indium Tin Oxide，ITO)，以完成本发明图像传感器100的制作。

请参考图10，图10为本发明图像传感器100的俯视示意图。图像传感器100包含像素矩阵142，其具有定义于半导体基底104上的多个像素108，且各像素108皆包含像素电极114。值得注意的是，由于遮蔽元件130覆盖各像素电极114的边缘部分，因此遮蔽元件130如同网状围绕各像素电极114。此外，在优选实施例中，由于遮蔽元件130的图案利用具有像素电极图案的同一光掩模所定义，因此遮蔽元件130与邻近像素电极114的重叠部分的面积大小皆为相同。

本发明遮蔽元件130中的遮蔽电极122处于接地状态(如图9所示)，其0伏电压电位可通过设于像素矩阵142外围的电位供应电路所提供，而像素矩阵142中的遮蔽电极122并没有电流流过。因此遮蔽电极116能通过降低接近电极间隙G表面的电位而电性隔离相邻的像素108。

请参考图11，图11为图1所示已知图像传感器10与图9所示本发明的图像传感器100的电位图表。当两相邻的像素电极分别具有低电位VL(例如：1.2伏特)与高电位VH(例如：2.6伏特)时，已知图像传感器10的两个像素电极18a、18b之间的间隙区域不具有电位能障高度或仅有很小的电位能障高度。所以，在本征层24中产生的电子很容易由右侧高电位的像素电极18a移动到左侧低电位的像素电极18a，造成串扰问题(如图2所示)。相反，由图11可知，图9所示本发明图像传感器100的两个相邻像素电极114虽然具有分别高电位VH与低电位VL，但像素电极114之间的电极间距G则具有很大的能障高度，能有效避免串扰问题。

请参考图12，图12为图9所示本发明的图像传感器100的两相邻像素108之间的电位模拟图。如图12所示，虽然相邻像素电极114分别具有高电位VH与低电位VL，但电流并不会由具有高电位的右侧像素电极114流向具低电位的左侧像素电极114，因此不会发生串扰问题。

与已知技术相比，本发明的图像传感器结构在相邻像素或像素电极之间设置有遮蔽元件，使得电极间距具有高电位阻障，以避免串扰的情形，能有效改善图像传感器的图像感测效果。此外，由于本发明用于制作遮蔽元件的第二、第三光刻暨蚀刻工艺皆使用相同于定义像素电极图案的光掩模，因此并不会增加工艺的光掩模成本。所以，根据本发明制作图像传感器的方法，可以不需增加大量的工艺成本便能制作遮蔽元件结构，以提供感测效果良好的图像传感器。

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等同变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (21)

1.一种图像传感器，其包含：

半导体基底；

定义于该半导体基底上的多个像素，且各该像素包含有像素电极；

依序设于该像素电极上的光导层以及透明导电层；以及

设于任意两个相邻的这些像素电极之间的遮蔽元件，该遮蔽元件包含有：

遮蔽电极；以及

绝缘结构，包覆该遮蔽电极，以使该遮蔽电极隔离于这些像素电极和该光导层，

其中该遮蔽电极处于接地状态。

2.如权利要求1所述的图像传感器，其中该遮蔽电极的剖面形状为“T”字形状。

3.如权利要求1所述的图像传感器，其中该遮蔽电极的材料为多晶硅材料或金属材料。

4.如权利要求1所述的图像传感器，其中该绝缘结构的底面与这些像素电极的底面位于同一平面上。

5.如权利要求1所述的图像传感器，其中该遮蔽元件覆盖这些像素电极的边缘部分，而未被该遮蔽元件覆盖的各该像素电极与该光导层直接接触。

6.如权利要求1所述的图像传感器，其中该遮蔽元件如同网状围绕各该像素电极。

7.如权利要求1所述的图像传感器，其中该绝缘结构包含氧化硅或氮化硅材料。

8.如权利要求1所述的图像传感器，其中该光导层由依序堆叠的n型层、本征层以及p型层形成。

9.如权利要求8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。

10.如权利要求8所述的图像传感器，其中该本征层包含有氢化非晶硅材料。

11.一种制作图像传感器的方法，该方法包含有：

提供基底；

在该基底表面形成第一导电层；

移除部分该第一导电层以形成多个像素电极；

在该基底表面依序形成第一绝缘层以及第二导电层；

移除部分设于该像素电极表面的该第二导电层以及该第一绝缘层；

在该基底表面形成第二绝缘层；

移除部分设于该像素电极表面的该第二绝缘层；以及

在该基底之上依序形成光导层与透明导电层，其中未移除的该第二导电层在任意两个相邻的这些像素电极之间形成遮蔽电极，并且未移除的该第一绝缘层与该第二绝缘层形成包覆该遮蔽电极的绝缘结构，并且该遮蔽电极与该绝缘结构共同形成遮蔽元件，

其中该遮蔽电极处于接地状态。

12.如权利要求11所述的方法，其中该移除部分该第二导电层以及该第一绝缘层的步骤通过光刻暨蚀刻工艺所完成。

13.如权利要求12所述的方法，其中在完成该光刻暨蚀刻工艺之后，未移除的该第一绝缘层隔绝该遮蔽电极与该像素电极。

14.如权利要求11所述的方法，其包含第一光刻工艺，利用光掩模定义这些像素电极图案以形成该像素电极，以及第二光刻工艺以及第三光刻工艺，利用同一光掩模定义相反于这些像素电极图案的互补图案，以形成该遮蔽电极以及该绝缘结构。

15.如权利要求14所述的方法，其中该第一光刻工艺使用正型光致抗蚀剂来进行图案转移，而该第二与该第三光刻工艺分别利用负型光致抗蚀剂来进行图案转移。

16.如权利要求14所述的方法，其中该第一光刻工艺使用负型光致抗蚀剂来进行图案转移，而该第二与该第三光刻工艺分别利用正型光致抗蚀剂来进行图案转移。

17.如权利要求11所述的方法，其中该遮蔽电极的剖面形状为“T”字形状。

18.如权利要求11所述的方法，其中该遮蔽电极包含有多晶硅材料或金属材料。

19.如权利要求11所述的方法，其中该遮蔽电极与该绝缘结构覆盖这些像素电极的边缘部分，而未被该绝缘结构覆盖的各该像素电极直接设于该光导层的下方。

20.如权利要求11所述的方法，其中该遮蔽元件如同网状围绕各该像素电极。

21.如权利要求11所述的方法，其中该光导层由依序堆叠的n型层、本征层以及p型层形成。

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