CN101308862A - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种图像传感器及其制造方法。该图像传感器可以包括位于衬底上的晶体管电路和设置在该晶体管电路上方的光电二极管。该光电二极管可以包括碳纳米管和位于碳纳米管上的导电聚合物层。可以将透明导电电极设置在碳纳米管上。本发明可以提高量子效率。

Description

图像传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种图像传感器及其制造方法。
背景技术
典型CMOS图像传感器包括用于接收光学信号以将光学信号转换为电信号的光电二极管区域和用于处理电信号的晶体管区域。
依据现有技术，光电二极管和晶体管被水平设置在CMOS图像传感器中。
换言之，在依据现有技术的CMOS图像传感器中，将光电二极管和晶体管设置在衬底上，以使它们水平地互相邻近。因此，需要额外的用于光电二极管的区域。因此，可能减小填充系数区域(fill factor area)，进而使分辨率受到限制。
另外，在同时制造光电二极管和晶体管时，依据现有技术的CMOS图像传感器难以使制造工艺最优化。
此外，在依据现有技术的CMOS图像传感器中，如果像素的尺寸增加，则CMOS图像传感器的分辨率会降低。同样地，如果用于光电二极管的区域减小，则图像传感器的灵敏度会减小。
发明内容
本发明的实施例涉及一种图像传感器及其制造方法。
本发明的实施例提供一种图像传感器及其制造方法，该图像传感器包括能够提升量子效率的光电二极管。
依据实施例，提供一种能够提高分辨率和灵敏度的图像传感器及其制造方法。
本发明实施例采用垂直设置的光电二极管。此外，实施例可以防止在光电二极管中形成某些缺陷。
依据实施例的图像传感器可包括：衬底上的电路、连接至该衬底上的电路的低互连、低互连上的碳纳米管(carbon nanotube)、碳纳米管上的导电聚合物层和碳纳米管上的透明导电电极。
依据实施例的制造图像传感器的方法可包括：在衬底上形成电路；在衬底上形成连接至电路的低互连；在低互连上形成碳纳米管；在碳纳米管上形成导电聚合物层；以及在碳纳米管上形成透明导电电极。
本发明能够提高量子效率。
附图说明
图1是显示依据本发明实施例的图像传感器的横截面视图。
图2A至图2F是用于描述依据本发明实施例的图像传感器的制造方法的横截面视图。
图3是依据本发明实施例的图像传感器的横截面视图。
图4是依据本发明实施例的图像传感器的横截面视图。
图5是依据本发明实施例的图像传感器的横截面视图。
图6是依据本发明实施例的图像传感器的横截面视图。
具体实施方式
此后，将参考所附附图描述依据实施例的图像传感器及其制造方法。
在实施例的描述中，应理解的是，在层被称为在另一层或衬底“上”时，它可以直接在另一层或衬底上，或者还可以存在中间层。另外，应理解的是，在层被称为在另一层“下”时，它可以直接在另一层下，或者还可以存在一层或多层中间层。此外，还应理解的是，在层被称为在两层“之间”时，它可以是在这两层之间的唯一层，或者还可以存在一层或多层中间层。
参考图1，图像传感器可以包括形成在衬底110上的光电二极管。光电二极管可以包括碳纳米管150和形成在碳纳米管150上的导电聚合物层(conductive polymer layer)160。透明导电电极(TCE)170可以形成在碳纳米管150和导电聚合物层160上。尽管在图中没有示出，但衬底110配置有用于各个像素的电路。低互连(lower interconnection)140可以通过例如形成在位于衬底110上的层间介电层120上的互连130而将光电二极管连接到衬底110上的电路。
依据实施例，在碳纳米管150中传送电子的过程可以如下。具体地，可以通过外部光而在导电聚合物层160中产生电子和空穴。然后，可方便地、快速地通过碳纳米管150将电子传送至低互连140。
根据碳纳米管150的结构，其可以具有金属性质或半导体性质。
此外，碳纳米管150可以具有单壁结构或多壁结构。在这种情况中，单壁结构指的是以单圆柱形结构制造碳纳米管150，多壁结构指的是碳纳米管150具有多层结构。
在另一实施例中，图像传感器可以包括像素之间的绝缘体180，以禁止像素之间的串扰(cross-talk)。在实施例中，可以在光电二极管之间设置绝缘体180。在具体实施例中，绝缘体180包括第一绝缘部件182、金属部件184和第二绝缘部件186。
在又一实施例中，可以在光电二极管上形成滤色镜190和微透镜200。
因此，本发明可以将晶体管电路和光电二极管垂直集成。
依据本发明的实施例，可以使用碳纳米管来形成光电二极管。通过使用碳纳米管，可以升高量子效率。
此外，由于晶体管电路和光电二极管的垂直集成，因此填充因数可以接近100％。
依据题述(subject)图像传感器的实施例，其灵敏度高于同样像素尺寸的现有技术的灵敏度。
此外，与常规技术的制造成本相比，在实现同样的分辨率时，依据题述图像传感器的实施例可以降低制造成本。
因为电路和光电二极管的垂直集成，在不降低灵敏度下，可以在各个单位像素中实现更复杂的电路。
此外，可以在光电二极管下方设置附加的片上电路(on-chip circuitry)以提高图像传感器的性能。另外，可以实现小尺寸元件并且降低制造成本。
因为可以采用垂直集成的光电二极管，所以可以减少光电二极管中出现的缺陷。
此后，将参考图2A至图2F来描述依据实施例的图像传感器的制造方法。
参考图2A，可以将衬底110设置为具有形成在其上的电路(未示出)。
可以在衬底110上形成层间介电层120和互连130。
可以在层间介电层120上形成低互连层140，以与互连130电连接。
接下来，可以在低互连140上形成催化剂层152。在某些实施例中，催化剂层152可以包括具有铁磁性质的钴(Co)、铁(Fe)或镍(Ni)。
依据实施例，由于可以在包含具有铁磁性质的Co、Fe或Ni的层上沉积碳纳米管150，所以可以利用催化剂层152选择性地沉积碳纳米管150。
因此，如图2B中所示，通过光刻工艺可以选择性地将催化剂层152和低互连140图案化，提供将沉积碳纳米管150的区域。
参考图2C，可以接着将碳纳米管150选择性地沉积在剩余的催化剂层152上。例如，可以在催化剂层152上垂直沉积厚度在
Figure A20081009929600071
至
Figure A20081009929600072
范围内的碳纳米管150。
依据实施例，在沉积碳纳米管150之前，可以通过等离子体处理来激活催化剂层152。激活的等离子体处理可以促使碳纳米管150的选择性沉积。
参照图2D，可以使用导电聚合物层160来涂敷碳纳米管150。导电聚合物层160可以包括共轭聚合物(conjugated polymer)。
例如，导电聚合物层160可以包括但不限于聚噻吩(polythiophene)及其衍生物(诸如3，4-乙烯二氧噻吩(3，4-ethylenedioxythiophene))和聚苯胺及其衍生物(诸如聚吡咯(polypyrrol))。可选择地，导电聚合物层160可以包括具有共轭结构的聚合物。通过热固化工艺或UV固化工艺，可以将聚合物材料涂敷在衬底上，。在一个实施例中，实质上，可以通过将上述导电聚合物的单体涂敷在原位置上来形成导电聚合物层160。
接下来，可以在碳纳米管150上沉积透明导电电极(TCE)170。
参考图2E，通过光刻和蚀刻工艺，可以将所得到的结构图案化，以形成包含有碳纳米管150的光电二极管，其中该光电二极管被例如单位像素分离。
参考图2F，可以设置绝缘体180以阻止像素之间的串扰。绝缘体180可以包括第一绝缘部件182、金属部件184和第二绝缘部件186。第一绝缘部件182和第二绝缘部件186可以为氧化层。
在一个实施例中，可以通过顺序形成第一氧化层、金属层和第二氧化层，然后实施诸如化学机械抛光工艺的回蚀处理，来形成绝缘体180。
在另一实施例中，可以在透明导电电极170上形成滤色镜190。
在某些实施例中，可以通过在透明导电电极170上涂敷可染色的树脂并且实施曝光和显影工艺，来形成滤色镜190。滤色镜190可以为RGB(红-绿-蓝)滤色镜，用于过滤各个对应波长的光线。在又一实施例中，可以在透明导电电极170上另外形成绝缘层(未示出)，接着在该绝缘层上形成滤色镜190。
在利用RGB滤色镜的实施例中，为了确保用于焦距调整和形成透镜层的平整度，可以在滤色镜层190上另外形成平坦化层(未示出)。
此外，可以设置微透镜200。在实施例中，可以将用于微透镜的光致抗蚀剂层(未示出)涂敷在滤色镜190上，然后通过曝光和显影工艺选择性地将该光致抗蚀剂层图案化，以形成微透镜光致抗蚀剂图案(未示出)。
此后，可以相对于微透镜光致抗蚀剂图案来实施回流工艺(reflowprocess)，从而形成依据本发明的一个实施例的微透镜。该回流工艺可以通过以下步骤来实施：在热板(hot plate)上安置具有微透镜光致抗蚀剂图案的衬底110，然后以150℃或更高的温度加热衬底110以形成具有半球形状的微透镜200。
随后，可以在微透镜200上形成保护层(未示出)。在一个实施例中，保护层可以为透明氧化层。
在依据本发明实施例的图像传感器的制造方法中，可以垂直集成晶体管电路和用于各个像素的相应光电二极管。此外，可以使用碳纳米管形成光电二极管，从而可以提高量子效率。
图3是示出依据第二实施例的图像传感器的横截面视图。
依据第二实施例的图像传感器可以利用依据上述实施例的图像传感器的基本特性。
但是，在依据第二实施例的图像传感器中，碳纳米管150a可以掺杂有第二导电类型材料。依据具体实施例，可以在低互连140上形成第一导电类型导电层210，可以在形成第一导电类型导电层210上第二导电类型碳纳米管150a。
在一个实施例中，第一导电类型导电层210可以包括n掺杂非晶硅。然而，实施例不限制于此。
依据某些实施例，第一导电类型导电层210包括但不限于通过对非晶硅添加锗、碳、氮或氧来获得的a-Si:H、a-SiGe:H、a-SiC、a-SiN:H或a-SiO:H。
通过例如等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺的化学气相沉积(CVD)工艺，可以形成第一导电类型导电层210。例如，可以通过应用硅烷气(SiH4)和PH3或P2H5的混合物的PECVD工艺，使用非晶硅形成第一导电类型导电层210。
在一个实施例中，碳纳米管150a可以掺杂有P型材料。然而，实施例不限于此。
图4是示出依据第三实施例的图像传感器的横截面视图。
依据第三实施例的图像传感器可以利用依据上述实施例的图像传感器的基本特性。
然而，依据第三实施例的图像传感器可进一步包括形成在第一导电类型导电层210上的本征层220。第二导电类型碳纳米管150a可以形成在本征层220上。
在一个实施例中，使用非晶硅可以形成本征层220。通过例如PECVD的CVD可以形成本征层220。例如，可以通过应用SiH4的PECVD工艺，使用非晶硅形成本征层220。
图5是显示依据第四实施例的图像传感器的横截面视图。
依据第四实施例的图像传感器可以采用依据上述实施例的图像传感器的基本特性。
然而，依据第四实施例的图像传感器可以包括第一导电类型碳纳米管150b。在实施例中，可以在第一导电类型碳纳米管150b上形成第二导电类型导电层230。在另一实施例中，图像传感器可以包括形成在第一导电类型碳纳米管150b上的本征层220，以及形成在本征层220上的第二导电类型导电层230。
在一个实施例中，碳纳米管150b可掺杂有N型材料。然而，实施例不限于此。
在形成本征层220的工艺之后，可以形成第二导电类型导电层230。在一个实施例中，可以使用p掺杂的非晶硅来形成第二导电类型导电层230。然而，实施例不限于此。
依据实施例，通过例如PECVD工艺的CVD工艺，可以形成第二导电类型导电层230。例如，，通过应用SiH4和硼(B)的混合物的PECVD工艺，使用非晶硅可以形成第二导电型导电层230。
图6是显示依据实施例的图像传感器的横截面图。
参看图6，导电聚合物(图1、图3、图4和图5中的160)可以包括第一颜色导电聚合物162、第二颜色导电聚合物164和第三颜色导电聚合物166。在利用颜色聚合物的实施例中，可以省略滤色镜(例如图1中的190)。
例如，依据实施例，导电聚合物可以为红色(R)导电聚合物162、绿色(G)导电聚合物164和蓝色(B)导电聚合物166。
因此，由于可以采用利用彩色聚合物的导电聚合物，所以，无需添加滤色镜就可以进行颜色过滤。
在本说明书中提到的“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等，都意味着结合实施例所描述的特定的特征、结构、或特性被包含在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处出现的这些词语并不一定都指同一个实施例。此外，当结合任一实施例来描述特定的特征、结构、或特性时，则认为其落入本领域技术人员可以结合其它的实施例来实施这些特征、结构或特性的范围内。
虽然以上参考本发明的多个示例性实施例而对实施例进行了描述，但应理解的是，本领域人员可以导出落在此公开文件的原理的精神和范围内的许多其它改型和实施例。更具体地说，在此公开文件、附图以及所附权利要求书的范围内，能够对组件和/或附件组合排列中的排列进行各种变更与改型。除了组件和/或排列的变更与改型之外，本发明的其他应用对本领域技术人员而言也是显而易见的。

Claims (20)

1.一种图像传感器，包括：
衬底，包括晶体管电路；
低互连，位于所述衬底上，连接至所述晶体管电路；
碳纳米管，位于所述低互连上；和
导电聚合物层，位于所述碳纳米管上。
2.依据权利要求1所述的图像传感器，其中所述碳纳米管掺杂有第二导电类型材料。
3.依据权利要求2所述的图像传感器，进一步包括第一导电类型导电层，位于所述低互连上且位于所述碳纳米管下。
4.依据权利要求3所述的图像传感器，进一步包括本征层，位于所述第一导电类型导电层上且位于所述碳纳米管下。
5.依据权利要求1所述的图像传感器，其中碳纳米管掺杂有第一导电类型材料。
6.依据权利要求5所述的图像传感器，进一步包括第二导电类型导电层，位于所述碳纳米管上。
7.依据权利要求6所述的图像传感器，进一步包括本征层，位于所述碳纳米管上且位于第二导电类型导电层下。
8.依据权利要求1所述的图像传感器，其中所述导电聚合物层包括彩色聚合物。
9.依据权利要求1所述的图像传感器，进一步包括在碳纳米管上的透明导电电极。
10.一种图像传感器的制造方法，包括步骤：
提供包括晶体管电路的衬底；
在所述衬底上形成低互连，所述低互连连接到所述晶体管电路；
在所述低互连上形成碳纳米管；和
在所述碳纳米管上形成导电聚合物层。
11.依据权利要求10所述的方法，其中在所述低互连上形成所述碳纳米管的步骤包括：
在所述低互连上形成催化剂层；和
在所述催化剂层上沉积所述碳纳米管。
12.依据权利要求11所述的方法，进一步包括在将所述碳纳米管沉积在所述催化剂层上之前，根据单位像素将所述催化剂层和所述低互连图案化。
13.依据权利要求10所述的方法，进一步包括以所述第二导电类型材料对所述碳纳米管掺杂。
14.依据权利要求13所述的方法，进一步包括在形成所述碳纳米管之前，在所述低互连上形成第一导电类型导电层。
15.依据权利要求14所述的方法，进一步包括在形成所述碳纳米管之前，在所述第一导电类型导电层上形成本征层。
16.依据权利要求10所述的方法，进一步包括使用所述第一导电类型材料对碳纳米管掺杂。
17.依据权利要求16所述的方法，进一步包括在所述碳纳米管上形成第二导电类型导电层。
18.依据权利要求17所述的方法，进一步包括在形成所述第二导电类型导电层之前，在所述碳纳米管上形成本征层。
19.依据权利要求10所述的方法，其中所述导电聚合物层包括彩色聚合物。
20.依据权利要求10所述的方法，进一步包括在所述碳纳米管上形成透明导电电极。
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