CN101335279A - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种图像传感器及其制造方法。该图像传感器包括：包含电路的衬底；顺次形成在衬底上的下电极和第一导电层；形成在第一导电层上的应变本征层；形成在应变本征层上的第二导电层；以及形成在第二导电层上的上电极。因此，本发明可以提供晶体管电路和光二极管垂直集成的形状；最大化响应和效率；改善电子的迁移率；在黑暗中获得图像；达到100％的占空因数；通过垂直集成在相同的像素尺寸中提供比现有技术高的灵敏度；并且对于相同的分辨率与现有技术相比能够降低制造成本。
Description
本申请要求享有2007年6月25日提交的韩国专利申请No.2007-0062019的权益，这里引入所有内容作为参考。
技术领域
本发明涉及一种半导体器件，尤其涉及一种图像传感器及其制造方法。
背景技术
通常，作为将光学图像转换为电信号的半导体器件的图像传感器主要划分为电荷耦合器件(CCD)图像传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)。
同时，CCD具有复杂驱动方式、高功耗以及由于需要多级光学工艺而导致的复杂制造工艺的缺点。因此，作为用于克服CCD缺点的下一代图像传感器，CMOS图像传感器近来成为亮点。
CMOS图像传感器在单位像素中形成光二极管和MOS晶体管以按照转换方式顺次检测各单位像素的电信号，从而实现图像。
根据现有技术的图像传感器可以分为接收光信号以将其改变为电信号的光二极管区域(未示出)以及处理该电信号的晶体管区域(未示出)。
然而，根据现有技术的CMOS图像传感器具有光二极管与晶体管水平设置的结构。
当然，通过利用水平型CMOS图像传感器已经解决了CCD图像传感器的缺点，但是根据现有技术的水平型CMOS图像传感器仍然存在问题。
换句话说，按照根据现有技术的平面型CMOS图像传感器，光二极管和晶体管制造为在衬底上彼此水平相邻。因此，需要用于光二极管的附加区域。结果，存在占空因数区域降低的问题以及高分辨率方面的限制。
而且，按照根据现有技术的平面型CMOS图像传感器，很难实现同时制造光二极管和晶体管的工艺优化。换句话说，在即时的晶体管工艺中，需要用于低片电阻的浅结，而在光二极管工艺中，该浅结却不合适。
而且，按照根据现有技术的平面型CMOS图像传感器，向图像传感器增加了附加的片上功能，为了保持图像传感器的灵敏度应该增加单位像素的尺寸，并且为了保持像素尺寸应该减小用于光二极管的面积。然而，如果像素尺寸增加，会出现图像传感器的分辨率降低的问题，并且如果光二极管的面积减小，图像传感器的灵敏度就会降低。
发明内容
因此，本发明用于解决上述问题。本发明的目的在于提供一种图像传感器，其能够提供晶体管电路和光二极管的新的集成。
本发明的另一目的在于提供一种图像传感器及其制造方法，其能够通过提高迁移率而最大化响应和效率。
本发明的再一目的在于提供一种图像传感器及其制造方法，其能够同时提高分辨率和灵敏度。
本发明的又一目的在于提供一种图像传感器及其制造方法，其能够通过采用垂直光二极管而防止光二极管中的缺陷。
为了实现上述目的，本发明提供了一种图像传感器，包括：包含电路的衬底；顺次形成在衬底上的下电极和第一导电层；形成在第一导电层上的应变本征层；形成在应变本征层上的第二导电层；以及形成在第二导电层上的上电极。
而且，为了实现上述目的，本发明提供了一种图像传感器，包括：包含电路的衬底；形成在衬底上的下电极；形成在下电极上的硅锗本征层(SiGe本征层)；形成在硅锗本征层上的第二导电层；以及形成在第二导电层上的上电极。
而且，为了实现上述目的，本发明提供了一种制造图像传感器的方法，包括如下步骤；在包含电路的衬底上顺次形成下电极和第一导电层；在第一导电层上形成应变本征层；在应变本征层上形成第二导电层；以及在第二导电层上形成上电极。
附图说明
提供对本发明的进一步理解并组成本申请的一部分的附图阐述了本发明的实施例，并结合描述说明本发明的原理。在这些图中：
图1示出了根据第一实施方式的图像传感器的截面图；
图2A和图2B示出了用于解释根据第一实施方式的图像传感器的机理的图片；
图3示出了根据第二实施方式的图像传感器的截面图；
图4示出了根据第三实施方式的图像传感器的截面图；以及
图5示出了根据第四实施方式的图像传感器的截面图。
具体实施方式
下面将参考附图详细描述根据本发明实施方式的图像传感器及其制造方法。
在实施方式的描述中，当将任何元件描述为形成在各层的“上或者下”时，其包括该元件直接形成在各层的上面或下面或者该元件间接形成在各层的上面或下面而之间插入有其它层的所有情况。
第一实施方式
图1示出了根据本发明第一实施方式的图像传感器的截面图。
根据本发明第一实施方式的图像传感器包括：包含电路(未示出)的衬底110；顺次形成在衬底110上的下电极130和第一导电层142；形成在第一导电层142上的应变本征层150；形成在应变本征层150上的第二导电层160；以及形成在第二导电层160上的上电极180。第一导电层142可以是第一传导类型而第二导电层160可以是第二传导类型。这里，第一传导类型可以与第二传导类型相反。
在第一实施方式中，可以在衬底110上进一步形成层间绝缘层120和金属布线125。之后，在金属布线125上形成下电极130。
下电极130可以由包括金属、合金或者硅化物的各种导电材料形成。例如，下电极130可以使用PVD方法等沉积能够容易形成硅化物的金属，诸如Cr、Ti、TiW和Ta等。
根据本发明第一实施方式的图像传感器在硅本征层(a-Si:H)150的下部上沉积第一导电硅锗(SiGe)142，从而形成应变硅本征层(应变a-Si:H)150以改善迁移率，以便最大化响应和效率。
例如，第一导电层142可以是第一导电硅锗层142。
第一导电层142可以执行在本实施方式中采用的PIN二极管的N层的功能。换句话说，第一导电层142可以是n型导电层，然而其并不限于此。
第一导电层142可以通过向非晶硅(Si)中加入锗(Ge)而形成为SiGe:H。第一导电层142可以通过化学气相沉积(CVD)方法，特别是PECVD(等离子体增强型CVD)等方法形成。
第一导电硅锗层142可以是多晶SiGe或者非晶SiGe。
然后，在包括第一导电层142的衬底110上形成本征层150。本征层150可以执行在本实施方式中采用的PIN二极管的I层的功能。
本征层150可以使用非晶硅形成。可以通过化学气相沉积(CVD)方法，特别是PECVD(等离子体增强型CVD)等方法形成本征层150。例如，本征层150可以利用PECVD方法并且使用硅烷气体(SiH4)等由非晶硅形成。
此时，应变本征层150在晶格常数方面比第一导电层142小。
例如，应变本征层150可以是应变硅本征层150。
图2A和2B示出了用于解释根据第一实施方式的图像传感器的机理的图片。
例如，如图2A所示，由于Ge的原子晶格间隔比Si的大约4.2％，当如图2B所示将Si沉积在具有宽晶格间隔的SiGe(SiGe表示SixGey，其中x+y＝1)上时，原来的Si的晶格间隔变大，从而形成应变硅。
由于硅的晶格间隔宽，容易处理电子，其不与原子碰撞，从而改善了电子的迁移率。
即时在本征层150的晶体结构为非晶体而不是晶体时，具有非晶体结构的本征层150与具有晶体结构的本征层具有相同的特性。
而且，在该实施方式中，硅(a-Si:H)具有大约1.9eV的带隙，而SiGe根据Ge的含量具有低于1.9eV的带隙，从而在能见区以下能够获得光电流，以便即使在没有光的黑暗中也能观察到物体。
接着，在应变硅本征层150中形成第二导电层160。第二导电层可以在与形成本征层150连续的工艺中形成。第二导电层160可以执行在本实施方式中采用的PIN二极管的P层的功能。换句话说，第二导电层160可以是p型导电层，然而，其并不限于此。
可以使用掺杂有P的非晶硅形成第二导电层160，然而，其并不限于此。
第二导电层160可以通过化学气相沉积(CVD)方法，特别是PECVD(等离子体增强型CVD)等方法形成。例如，第二导电层160可以利用PECVD方法并且使用硅烷气体(SiH4)等由非晶硅形成。
之后，在第二导电层160上形成上电极180。上电极180可以由具有高传导性和高透光率的透明电极形成。例如，上透明电极180可以由铟锡氧化物(ITO)或者镉锡氧化物(CTO)等形成。
根据第一实施方式的图像传感器在硅本征层(a-Si:H)的下部上沉积硅锗(SiGe)以形成应变硅(应变a-Si:H)，从而改善了迁移率，使最大化响应和效率成为可能。
换句话说，将本征a-Si:H沉积在n型SiGe上，从而形成应变硅本征层(应变本征a-Si:H)。
因此，通过光由本征层产生的电子快速移动到n型SiGe以降低电子-空穴复合并且然后消失的可能性，从而获得良好的量子效率。
第二实施方式
根据第二实施方式的图像传感器包括：包含电路(未示出)的衬底110；顺次形成在衬底110上的下电极130和第一导电层142；形成在第一导电层142上的应变本征层150；形成在应变本征层150上的第二导电层；以及形成在第二导电层162上的上电极180。
图3示出了根据第二实施方式的图像传感器的截面图。
第二实施方式可以采用第一实施方式的技术特征。
然而，与第一实施方式不同，第二实施方式的特征在于第二导电层为第二导电硅锗层162。
例如，与第一实施方式不同，在应变本征层150上形成第二导电硅锗层162，从而应变本征层150的晶格间隔变窄，以使提高空穴的迁移率成为可能。
换句话说，如图3所示，第二实施方式示出了使用p型SiGe层162作为第二导电层的结构，从而由应变本征层150产生的空穴能够容易地逃离到上电极180。
第三实施方式
根据第三实施方式的图像传感器包括：包含电路(未示出)的衬底110；顺次形成在衬底110上的下电极130和第一导电层142；形成在第一导电层142上的硅锗本征层(SiGe本征层)152；形成在硅锗本征层(SiGe本征层)152上的第二导电层162；以及形成在第二导电层162上的上电极180。
图4示出了根据本发明第三实施方式的图像传感器的截面图。
第三实施方式采用第一实施方式的基本技术特征。
然而，与第一实施方式不同，第三实施方式可以使用具有宽晶格常数的硅锗本征层152作为本征层。
并且，与第一实施方式不同，在第三实施方式中，第二导电层可以是第二导电硅锗层162。而且，第一导电层142可以是第一导电硅锗层142。
换句话说，第三实施方式示出了将具有良好迁移率的多晶SiGe用于整个层的结构。此时，可以不形成第一导电硅锗层142。
第四实施方式
图5示出了根据第四实施方式的图像传感器的截面图。
如图5所示，根据第四实施方式的图像传感器包括：包含电路(未示出)的衬底110；顺次形成在衬底110上的下电极130和第一导电层142；形成在第一导电层142上的硅锗本征层(SiGe本征层)152；形成在硅锗本征层(SiGe本征层)152上的第二导电层162；以及形成在第二导电层162上的上电极180。
第四实施方式可以采用第三实施方式的技术特征。
然而，与第三实施方式不同，第四实施方式还包括形成在下电极130和第一导电层142之间的第一导电硅层140。
换句话说，第四实施方式可以在其下面进一步形成第一导电硅层(n型a-Si:H)140，以获得SiGe本征层152的良好多晶结构。
在不偏离本发明的原理和精神的情况下，可以对参照附图解释的本发明实施方式进行各种修改和变化，本发明的范围由权利要求书及其等同物限定。
根据本发明的图像传感器及其制造方法能够提供晶体管电路和光二极管垂直集成的形状。
而且，通过上述的本发明，在硅本征层(a-Si:H)的下部沉积硅锗(SiGe)以形成应变硅(应变a-Si:H)，从而改善迁移率，使最大化响应和效率成为可能；形成具有宽晶格间隔的硅锗(SiGe)本征层来代替硅本征层(a-Si:H)以改善电子的迁移率；由于多晶SiGe可以在可以进行金属化的温度下形成，从而能够获得更加改善的特性；使用具有低带隙的SiGe，从而可以在黑暗中获得图像；通过晶体管电路和光二极管的垂直集成，可以达到100％的占空因数，并且通过垂直集成，可以在同一像素尺寸中提供比现有技术高的灵敏度，而且对于相同的分辨率，其制造成本相对于现有技术能够降低；在不降低各单位像素的灵敏度的情况下可以在图像传感器中实现更复杂的电路；集成附加的片上电路能够改善图像传感器的性能并且实现制造成本降低和器件的小型化；而且通过应用垂直光二极管可以防止光二极管中的缺陷。
Claims (15)
1、一种图像传感器，包括：
包含电路的衬底；
顺次形成在衬底上的下电极和第一导电层；
形成在第一导电层上的应变本征层；
形成在应变本征层上的第二导电层；以及
形成在第二导电层上的上电极。
2、根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第一导电层为第一导电硅锗层。
3、根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述应变本征层在晶格常数方面比第一导电层小。
4、根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述应变本征层为应变硅本征层(应变Si本征层)。
5、根据权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，所述第二导电层为第二导电硅层。
6、根据权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，所述第二导电层为第二导电硅锗层。
7、根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，还进一步包括形成在下电极和第一导电层之间的第一导电硅层。
8、一种图像传感器，包括：
包含电路的衬底；
形成在衬底上的下电极；
形成在下电极上的硅锗本征层(SiGe本征层)；
形成在硅锗本征层上的第二导电层；以及
形成在第二导电层上的上电极。
9、根据权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，还进一步包括形成在下电极上的第一导电硅锗层。
10、根据权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，所述第二导电层为第二导电硅锗层。
11、根据权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，还进一步包括形成在下电极和第一导电层之间的第一导电硅层。
12、一种制造图像传感器的方法，包括如下步骤：
在包含电路的衬底上顺次形成下电极和第一导电层；
在第一导电层上形成应变本征层；
在应变本征层上形成第二导电层；以及
在第二导电层上形成上电极。
13、根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一导电层为第一导电硅锗层。
14、根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述应变本征层为应变硅本征层(应变Si本征层)。
15、根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述应变本征层为应变硅本征层(应变Si本征层)。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Open date: 20081231 |