CN101320741A - 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。像素区域和外围电路区域在半导体衬底上具有阶梯差。互补金属氧化物半导体(CMOS)电路设置于所述像素区域上，并且层间介电层设置于所述像素区域和所述外围电路区域上。光电二极管这样设置于所述像素区域的层间介电层上，以使所述光电二极管的顶部、或者所述光电二极管的本征层顶部，与所述外围电路区域的层间介电层的顶部基本齐平。本发明可以在半导体衬底上形成具有PIN结构的光电二极管，并将晶体管电路和光电二极管垂直集成，因此，填充系数接近100％。在相同的像素尺寸下，本发明可以提供比现有技术更高的灵敏度。
Description
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
通常，互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的每个像素单元中包括光电二极管和金属氧化物半导体(MOS)晶体管。CMOS图像传感器以切换方式依次检测每个像素单元的电信号以获得图像。
CMOS图像传感器包括用于接收光学信号并将其转换为电信号的光电二极管区域以及用于处理该电信号的晶体管区域。
现有技术中通常的CMOS图像传感器具有一种结构，其中光电二极管和晶体管水平设置于半导体衬底上。这样，大量入射光不会到达该光电二极管，导致低填充系数。
因此，在本技术领域中需要一种改进的图像传感器及其制造方法。
发明内容
本发明的实施例提供一种能够垂直集成晶体管电路和光电二极管的图像传感器及其制造方法。
在一个实施例中，图像传感器包括，位于半导体衬底上的像素区域和外围电路区域，在此，该像素区域的半导体衬底的上表面低于外围电路区域的半导体衬底的上表面。互补金属氧化物半导体(CMOS)电路设置于该像素区域上，并且层间介电层设置于该像素区域和该外围电路区域上。光电二极管设置于像素区域的该层间介电层上，其中该光电二极管的上表面或该光电二极管的本征层的上表面与该外围电路区域的层间介电层的上表面基本齐平。
在一个实施例中，图像传感器的制造方法包括：在半导体衬底上形成像素区域和外围电路区域，使像素区域的半导体衬底的上表面低于外围电路区域的半导体衬底的上表面；在该像素区域上形成晶体管电路；在该像素区域和该外围电路区域上形成层间介电层；以及在该像素区域的层间介电层上形成光电二极管，其中该光电二极管的上表面与该外围电路区域的层间介电层的上表面基本齐平。
根据本发明的实施例，可以在半导体衬底上形成具有PIN结构的光电二极管，并将晶体管电路和光电二极管垂直集成。因此，填充系数接近100％。在相同的像素尺寸下，本发明的多个实施例可以提供比现有技术更高的灵敏度。根据本发明的图像传感器的每个像素单元可以实现复杂电路而不降低灵敏度。由于光电二极管的上表面与外围电路区域的层间介电层的上表面基本齐平，所以可以很容易地形成该彩色滤光片和微透镜。
附图说明
图1至图6是显示根据本发明实施例的图像传感器的制造方法的剖面图。
具体实施方式
当在此采用词语“之上”或“上方”时，如果涉及多个层、多个区域、多个图案或多个结构，可以理解的是，该层、区域、图案或结构可以直接位于另一个层或结构之上，或者也可以存在多个中间层、中间区域、中间图案或中间结构。当在此采用词语“之下”或“下方”时，如果涉及多个层、多个区域、多个图案或多个结构，可以理解的是，该层、区域、图案或结构可以直接位于另一个层或结构之下，或者也可以存在多个中间层、中间区域、中间个图案或中间结构。
图5是显示根据本发明实施例的图像传感器的剖面图。
在一个实施例中，将像素区域A和外围电路区域B设置在半导体衬底10上，且使得在像素区域A和外围电路区域B之间形成阶梯差D部分。
设置有像素区域A的半导体衬底10部分低于设置有外围电路区B域的半导体衬底10部分。
互补金属氧化物半导体(CMOS)电路12和13设置在像素区域A和外围电路区域B中。
层间介电层20设置在像素区域A和外围电路区域B两者之上。
金属互连30和31设置在位于像素区域A和外围电路区域B两者之中的层间介电层20中。焊垫32设置在外围电路区域B中的层间介电层20上。
光电二极管80设置在像素区域A中的层间介电层20上。
该光电二极管80包括第一导电型导电层50、本征层60和第二导电型导电层70。
在一个实施例中，这样形成该光电二极管80的本征层60，使其上表面与外围电路区域B中的层间介电层20的上表面基本齐平。
上电极90形成在该光电二极管80上以及该外围电路区域B的层间介电层20的至少一部分上。
彩色滤光片100设置在像素区域A的上电极上。同样，微透镜110设置在该彩色滤光片100上。
参见图6，在另一个实施例中，这样形成该光电二极管80的第二导电型导电层71，使其上表面与该外围电路区域B中的层间介电层20的上表面基本齐平。
参见图1，在半导体衬底上形成光致抗蚀剂图案200以形成像素区域A和外围电路区域B。该半导体衬底可以是本领域公知的任何适用衬底，例如，P型衬底(p++衬底)。在一个实施例中，在该半导体衬底10中形成低浓度p型外延层(p-epi层)。
该光致抗蚀剂图案200在覆盖设置有外围电路区域B的半导体衬底10的至少一部分的同时，暴露设置有像素区域A的半导体衬底10的至少一部分。
参见图2，用该光致抗蚀剂图案200作为蚀刻掩模来蚀刻该半导体衬底10。因此，在像素区域A和外围电路区域B之间形成阶梯差D。
这样，设置有像素区域A的半导体衬底10的高度比设置有外围电路区域B的半导体衬底10的高度更低。
随后形成于像素区域A中的透镜区域具有与阶梯差D的高度大约相同的厚度。这样，如果随后形成多个彩色滤光片和多个微透镜，有阶梯差D的存在就会很有帮助。如果没有在像素区域A和外围电路区域B之间的半导体衬底10中形成阶梯差D，光电二极管的上表面会比外围电路区域B的上表面更高，导致难以形成该彩色滤光片和微透镜。
因此，如果设置有像素区域A的半导体衬底10形成得比设置有外围电路区域B的半导体衬底10更低，随后就可以更容易形成彩色滤光片和微透镜。
该半导体衬底10可以，例如，通过干法蚀刻工艺或湿法蚀刻工艺进行蚀刻。
在一个实施例中，通过干法蚀刻工艺蚀刻该半导体衬底10，并且通过调节RF功率或注入气体，使得在像素区域A和外围电路区域B之间的阶梯差D部分倾斜。
在另一个实施例中，通过湿法蚀刻工艺蚀刻该半导体衬底10，并且通过调节蚀刻剂的量，使得在像素区域A和外围电路区域B之间的阶梯差D部分倾斜。
然后移除该光致抗蚀剂图案200。
参见图3，在像素区域A和外围电路区域B中的半导体衬底10上形成隔离层11和CMOS电路12和13。该隔离层11可以，例如通过浅沟槽隔离(STI)工艺而形成。
在像素区域A中的多个像素单元中形成多个CMOS电路12。在外围电路区域B中也形成CMOS电路13。
该像素区域A的CMOS电路12包括，例如，选择晶体管、驱动晶体管、复位晶体管和传输晶体管，以将由光电二极管产生的光电荷转换为电信号。
在像素区域A和外围电路区域B上形成层间介电层20和金属互连30和31。
由于像素区域A比外围电路区域B低，形成在像素区域A上的层间介电层20的部分低于形成在外围电路区域B上的层间介电层20的部分。
该层间介电层20可以具有本领域公知的任何适用的结构，例如，多层结构。在具有多层层间介电层20的实施例中，在该层间介电层20中形成多个金属互连30和31。
在一个实施例中，金属互连30和31可以在同一工艺期间在像素区域A和外围电路区域B上一起形成。在另一个实施例中，在像素区域A上的金属互连30则是与形成在外围电路区域B上的金属互连分别形成的。
像素区域A的金属互连30这样设置在每个像素单元中，使每个CMOS电路12连接到光电二极管。
金属互连30和31由金属、合金、硅化物或任何其它本领域公知的适用材料形成。例如，该金属互连30和31由铝(Al)、铜(Cu)或钨(W)形成。
在形成金属互连31时，在外围电路区域B中形成焊垫32。
因此，在形成包括金属互连30和31的层间介电层20之后，像素区域A中的层间介电层20的上表面比外围电路区域B中的层间介电层20的上表面低大约阶梯差D这么多。
参见图4，在一个实施例中，在像素区域A的层间介电层20上这样形成下电极40，使该下电极40可以电连接到该金属互连30。该下电极40由任何本领域公知的适用材料，例如，铬(Cr)、钛(Ti)、钛钨(TiW)或钽(Ta)而形成。在另一个实施例中，没有形成该下电极。
在像素区域A的层间介电层20上形成光电二极管80。
在像素区域A的层间介电层20上这样形成该光电二极管80，使该光电二极管80可以接收外部光并将其转化为电荷。在一个实施例中，该光电二极管80为PIN二极管。
PIN二极管具有p型非晶硅、本征非晶硅和n型非晶硅的结结构。
光电二极管的性能通常由其接收外部光以将其转换为电学形式的效率以及整个电荷电容所决定。相应的光电二极管在由P-N、N-P、N-P-N和P-N-P异质结中产生的耗尽区中产生和保存电荷。P-I-N光电二极管是这样的光电二极管，其中本征非晶硅层可以结合在p型硅层和n型硅层之间。该本征非晶硅层可以成为耗尽区，从而产生和保存电荷。
根据本发明的实施例，采用PIN二极管作为光电二极管80，并且该PIN二极管具有P-I-N结构、N-I-P结构或I-P结构。例如，该PIN二极管具有P-I-N结构，并且将n型非晶硅层、本征非晶硅层、以及p型非晶硅层分别作为第一导电型导电层、本征层和第二导电型导电层。当然，本发明的实施例不限于此。例如，该p型非晶硅层可以作为第一导电型导电层，而该n型非晶硅层作为第二导电型导电层。
在像素区域A中的层间介电层20上形成该第一导电型导电层50。在一个实施例中，如果该下电极40存在的话，该第一导电型导电层50还可以围绕下电极40而形成。
在一个实施例中，采用该第一导电型导电层50作为PIN二极管的N层。
例如，第一导电型导电层50可以用N掺杂非晶硅，例如非晶Si:H(α-Si:H)、α-SiGe:H、α-SiC、α-SiN:H、或者α-SiO:H形成。
该第一导电型导电层50可以通过，例如等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺等化学气相沉积(CVD)工艺而形成。在一个实施例中，该第一导电型导电层50包括N掺杂非晶硅，该N掺杂非晶硅可以通过将SiH4与PH3和P2H5混合然后通过PECVD工艺在约100℃至400℃的温度下沉积该混合物而获得。
在一个实施例中，在按照像素单元分开的金属互连30的顶部形成第一导电型导电层50，从而按照该像素单元将光电二极管80分开。
像素单元A中的第一导电型导电层50的上表面低于外围电路区域B中的层间介电层20的上表面。
在第一导电型导电层50上形成本征层60。在一个实施例中，本征层60作为PIN二极管的I层。
本征层60由非晶硅形成。例如，通过采用SiH4的PECVD工艺，用本征非晶硅形成本征层60。
在一个实施例中，本征层60具有比第一导电型导电层50的厚度大10到1000倍左右的厚度。当本征层60的厚度增加时，可以扩大PIN二极管的耗尽区，从而可以产生和保存大量光电荷。
本征层60的上表面低于外围电路区域B的层间介电层20的上表面或与之基本齐平。
在一个实施例中，在本征层60上实施化学机械研磨(CMP)工艺，从而使本征层60的上表面低于外围电路区域B的层间介电层20的上表面或与之基本齐平。
另外，在实施该CMP工艺之后，过蚀刻本征层60。
再次参见图4，在本征层60上形成第二导电型导电层70。
采用第二导电型导电层70作为PIN二极管的P层。
第二导电型导电层70可以用，例如P掺杂非晶硅而形成。
第二导电型导电层70可以通过，例如PECVD工艺等CVD工艺而形成。例如，第二导电型导电层70包括P掺杂非晶硅，该P掺杂非晶硅可以通过用BH3或B2H6与SiH4混合并经由PECVD工艺沉积该混合产物而获得。
这样，光电二极管80包括形成在像素区域A上的第一导电型导电层50、本征层60以及第二导电型导电层70。
该光电二极管80电连接到像素区域A上的CMOS电路12和金属互连30，以实现垂直集成。
在包括光电二极管80的层间介电层20上形成上电极90。
上电极90可以是具有良好透光性和导电特性的透明电极。例如，该上电极90可以由铟锡氧化物(ITO)、镉锡氧化物(CTO)、氧化锌(ZnO2)或其它任何本领域公知的适用材料形成。
上电极90形成在光电二极管80上，以及形成在外围电路区域B的包括金属互连31的层间介电层20的至少一部分上，从而电信号可以提供到光电二极管80和外围电路区域B的金属互连31上。
形成在外围电路区域B的金属互连31上的焊垫32被暴露出来。在一个实施例中，在形成彩色滤光片和/或微透镜之后暴露该焊垫32。
在位于光电二极管80之上的上电极90上形成彩色滤光片100。
彩色滤光片100可以通过，例如在该上电极80上覆盖彩色滤光片层并用图案掩模实施曝光和显影工艺而形成。彩色滤光片100形成在每个像素单元中，以从入射光中过滤预定的颜色。每个彩色滤光片100代表不同的颜色，例如红色、绿色或蓝色。
在该彩色滤光片100上形成微透镜110。
该微透镜110可以通过，例如在彩色滤光片100上对用于微透镜的光致抗蚀剂膜实施自旋工艺而形成。在一个实施例中，在对该光致抗蚀剂膜实施曝光和显影工艺之后，经回流工艺而形成该微透镜110。
在一个实施例中，例如图5中所示，光电二极管80的本征层60的上表面与外围电路区域B的层间介电层的上表面基本齐平。另外，由于第二导电型导电层70和上电极90相对较薄，像素区域A的上表面可以与外围电路区域B的上表面基本齐平。
这样，像素区域A和外围电路区域B之间的阶梯差D大约与光电二极管80的厚度一样，从而像素区域A的上表面可以与外围电路区域B的上表面基本齐平。
因此，彩色滤光片100和微透镜110能够很容易地形成在该光电二极管80上。
另外，由于彩色滤光片100和微透镜110形成在基本平坦的表面上，从而彩色滤光片100和微透镜110可以形成为所希望的形状。
参见图6，在一个实施例中，这样形成本征层61和第二导电型导电层71，使该第二导电型导电层71的上表面与该外围电路区域B的层间介电层20的上表面基本齐平。
在该实施例中，在第一导电型导电层50上形成该本征层60之后，通过CMP工艺过蚀刻该本征层60，以使该本征层61的上表面比该外围电路区域B的层间介电层20的上表面低。
在该实施例中，当在本征层61上形成该第二导电型导电层70时，在该第二导电型导电层70上实施CMP工艺，从而使该第二导电型导电层71的上表面与该外围电路区域B的层间介电层20的上表面基本齐平。
因此，在该实施例中，光电二极管80包括第一导电型导电层50、本征层61、和第二导电型导电层71，该光电二极管80的上表面与外围电路区域B的层间介电层20的上表面基本齐平。
然后，上电极90形成在光电二极管80上，以及形成在外围电路区域B的层间介电层20的至少一部分上。在位于光电二极管80上的上电极90上形成彩色滤光片100，并且在该彩色滤光片100上形成微透镜110。
因此，由于是将彩色滤光片100和微透镜110形成在像素区域A和外围电路区域B之间的阶梯差D已经被降低的平坦表面上，所以可以更容易地实施该彩色滤光片100和微透镜110的形成工艺。
根据本发明的实施例，可以在半导体衬底上形成具有PIN结构的光电二极管，并且将晶体管电路和光电二极管垂直集成。因此，填充系数接近100％。
另外，在相同的像素尺寸下，本发明的多个实施例可以提供比现有技术更高的灵敏度。
同样，根据本发明的图像传感器的每个像素单元可以实现复杂电路而不降低灵敏度。
而且，由于光电二极管的上表面与外围电路区域的层间介电层的上表面基本齐平，所以可以很容易地形成该彩色滤光片和微透镜。
说明书中所涉及的任何“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等，其含义是结合实施例描述的特定特征、结构、或特性包括在本发明的至少一个实施例中。本说明书中出现于各个位置的这些短语的特征不一定都涉及同一个实施例。此外，当结合任何实施例说明特定特征、结构或特性时，认为其落在本领域技术人员结合其它实施例就可以实现这些特征、结构、或特性的范围内。
尽管对实施例的描述中结合了其中多个示例性实施例，但可以理解的是本领域技术人员完全可以推导出多个其他变化和实施例，而落入本公开内容的原理的精神和范围之内。尤其是，可以在本公开、附图和所附权利要求的范围内对组件和/或附件组合配置中的排列进行各种变化和改进。除组件和/或排列的变化和改进之外，其他可选择的应用对于本领域技术人员而言也是显而易见的。
Claims (18)
1、一种图像传感器，包括：
半导体衬底，具有像素区域和外围电路区域，其中所述外围电路区域的半导体衬底的上表面高于所述像素区域的半导体衬底的上表面；
互补金属氧化物半导体电路，位于所述像素区域中的半导体衬底上；
层间介电层，位于所述像素区域和所述外围电路区域中的半导体衬底上；
光电二极管，位于所述像素区域的层间介电层上；
其中所述光电二极管包括本征层，并且其中所述光电二极管的上表面或所述光电二极管的本征层的上表面与所述外围电路区域的层间介电层的上表面基本齐平。
2、根据权利要求1所述的图像传感器，进一步包括CMOS电路，位于所述外围电路区域中的所述半导体衬底上。
3、根据权利要求1所述的图像传感器，进一步包括焊垫和穿过所述层间介电层的金属互连。
4、根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述像素区域的层间介电层的上表面部分低于所述外围电路区域的层间介电层的上表面部分。
5、根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述光电二极管进一步包括位于所述本征层之下的第一导电型导电层以及位于所述本征层之上的第二导电型导电层。
6、根据权利要求5所述的图像传感器，其中所述光电二极管的第二导电型导电层的上表面与所述外围电路区域的层间介电层的上表面基本齐平。
7、根据权利要求1所述的图像传感器，进一步包括下电极，位于所述光电二极管下方的层间介电层之上。
8、根据权利要求1所述的图像传感器，进一步包括上电极，位于所述光电二极管上以及位于所述外围电路区域的层间介电层的至少一部分上。
9、根据权利要求8所述的图像传感器，进一步包括：
彩色滤光片，位于所述光电二极管上的所述上电极上；以及
微透镜，位于所述彩色滤光片上。
10、根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述光电二极管是PIN二极管、NIP二极管或IP二极管。
11、一种图像传感器的制造方法，包括：
在半导体衬底上形成像素区域和外围电路区域，其中所述外围电路区域的半导体衬底的上表面高于所述像素区域的半导体衬底的上表面；
在所述像素区域上形成晶体管电路；
在所述像素区域和所述外围电路区域上形成层间介电层；以及
在所述像素区域的层间介电层上形成光电二极管；
其中所述光电二极管的上表面与所述外围电路区域的层间介电层的上表面基本齐平。
12、根据权利要求11所述的方法，进一步包括在所述外围电路区域上形成晶体管电路。
13、根据权利要求11所述的方法，进一步包括形成焊垫和穿过所述层间介电层的金属互连。
14、根据权利要求11所述的方法，其中在所述半导体衬底上形成所述像素区域和所述外围电路区域包括蚀刻所述像素区域的半导体衬底。
15、根据权利要求11所述的方法，其中形成所述光电二极管包括：
在所述像素区域的层间介电层上形成第一导电型导电层；
在所述第一导电型导电层上形成本征层；以及
在所述本征层上形成第二导电型导电层。
16、根据权利要求15所述的方法，进一步包括，在形成所述本征层之后实施化学机械研磨工艺，其中实施所述化学机械研磨工艺直到所述本征层的上表面与所述外围电路区域的层间介电层的上表面基本齐平。
17、根据权利要求15所述的方法，进一步包括，在形成所述第二导电型导电层之后实施化学机械研磨工艺，其中实施所述化学机械研磨工艺直到所述第二导电型导电层的上表面与所述外围电路区域的层间介电层的上表面基本齐平。
18、根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
在所述光电二极管上以及所述外围电路区域的层间介电层的至少一部分上形成上电极；
在位于所述光电二极管上方的上电极上形成彩色滤光片；以及
在所述彩色滤光片上形成微透镜。
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