CN101350359A - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种图像传感器及其制造方法。所述图像传感器可以是垂直设置的图像传感器，其中光电二极管设置于衬底上的电路之上。所述光电二极管可形成于下电极上，下电极被设置成电连接到衬底上的CMOS电路。光电二极管可具有包括位于下电极上的本征层和位于本征层上的导电类型层的PIN或PI光电二极管结构。自对准硅化物层可设置于本征层上，而导电类型传导层可设置于自对准硅化物层上。可形成本征层以产生聚光部分，从而提供凸起形上表面。本发明能够提高图像传感器的占空系数。
Description
技术领域
本发明涉及传感器，特别涉及图像传感器及其制造方法。
背景技术
图像传感器是一种将光学图像转换为电信号的半导体器件。图像传感器可大体分类为电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)。
CIS包括在单元像素中的光电二极管和MOS晶体管。CIS顺次以切换方式检测单元像素的电信号以实现图像。
典型的CIS包括对应于每个单元像素水平地设置于半导体衬底上的光电二极管区和晶体管。在光电二极管区中光信号被转换为电信号，而晶体管处理电信号。
这种典型的CIS的光电二极管在衬底上水平邻接于晶体管。因此，要求对于每个单元像素，衬底有附加部分用于形成光电二极管区。
发明内容
本发明的实施例提供了一种图像传感器及制造图像传感器的方法，其中晶体管电路和光电二极管可垂直整合。
在一个实施例中，图像传感器包括：下电极，位于连接到在半导体衬底上的CMOS电路的金属互连结构上，金属互连结构形成为穿过层间电介质；本征层，位于层间电介质和下电极上；自对准硅化物层，位于本征层上；导电类型传导层，位于所述自对准硅化物层上；以及上电极，位于导电类型传导层上。在进一步的实施例中，本征层可具有凸起形的顶表面部分。
在另一个实施例中，制造图像传感器的方法包括：在半导体衬底上形成晶体管电路；在半导体衬底上形成层间电介质和金属互连结构，金属互连结构连接到晶体管电路；在金属互连结构上形成下电极；在层间电介质和下电极上形成本征层；在本征层上形成自对准硅化物层；在自对准硅化物层上形成导电类型传导层；以及在导电类型传导层上形成上电极。
以下将以附图及文字描述来给出一个或多个实施例的细节。根据文字描述和附图，及根据权利要求，其他特征将是明显的。
附图说明
图1到图10为剖视图，示出了根据本发明实施例制造图像传感器的工艺。
具体实施方式
以下，将参考附图详细描述图像传感器及其制造方法。
当本说明书在涉及层、区域、图案或结构的时候使用术语“上”或“上方”时，应该理解的是上述的层、区域、图案或结构可直接位于另一个层或结构上，或者也可出现位于中间的层、区域、图案或结构。当本说明书在涉及层、区域、图案或结构的时候使用术语“下”或“下方”时，应该理解的是上述的层、区域、图案或结构可直接位于另一个层或结构下，或者也可出现位于中间的层、区域、图案或结构。
图10是根据本发明实施例的图像传感器的剖视图。
参考图10，半导体衬底10可设置有互补金属氧化物半导体(CMOS)电路(以晶体管11表示)。
可对应于每个单元像素设置CMOS电路。在一个实施例中，CMOS电路可以是四晶体管型(4-Tr型)的电路。例如，4-Tr型电路包括转移晶体管、复位晶体管、驱动晶体管、和选择晶体管。转移晶体管连接到光电二极管，以将接收到的光电荷转换为电信号。根据一个实施例，晶体管11可以是转移晶体管，而转移晶体管的源极区可通过金属互连结构而电连接到设置在CMOS电路上方的光电二极管，如图10所示。当然也可采用其他CMOS电路设计，例如，3-Tr型和5-Tr型电路。
层间电介质20包括金属互连结构31和焊盘32，设置在半导体衬底10上。层间电介质20可包括多个层，且金属互连结构31可设置成多个。某些金属互连结构31可用于将光电二极管电连接到CMOS电路。
下电极41可设置在金属互连结构31的顶表面上。在某些实施例中，下电极41可由如铬(Cr)、钛(Ti)、钛钨(TiW)、和钽(Ta)等金属形成。
下电极41可设置在金属互连结构31和层间电介质20上，以覆盖金属互连结构31。下电极41可设置在提供给每个单元像素的金属互连结构31的上侧。每个单元像素的下电极41可相互之间隔开。
光电二极管80可设置在层间电介质20和下电极41上。
光电二极管80可包括本征层50和导电类型的传导层70。在一个实施例中，本征层50可包括本征非晶硅层，而导电类型传导层70可包括p型非晶硅层。
根据某些实施例，本征层50可具有处于约
到约
的范围内的厚度，而导电类型传导层70可具有处于约
到约
的范围内的厚度。
本征层50在本征层50的表面处可包括凸起形的聚光部分51。相应地，设置在本征层50上的导电类型传导层70也可具有符合聚光部分51的形状的半球形。
所以，光电二极管80的表面可具有凸起形状，类似于微透镜的形状，以提高光电二极管80的聚光效率。
可在本征层50与导电类型传导层70之间设置自对准硅化物层65。在一个特定实施例中，自对准硅化物层65可由Cr或钼(Mo)形成。在一个特定实施例中，自对准硅化物层65可具有处于约
到约
的范围内的厚度。
自对准硅化物层65可设置在本征层50上，以除去本征层50中产生的悬键。
在进一步的实施例中，上电极90可设置在光电二极管80上。
上电极90可包括具有优良的光透射比和高电导率的透明电极。例如，上电极90可由铟锡氧化物(ITO)、镉锡氧化物(CTO)或锌氧化物(ZnO2)形成。
如上所述，CMOS电路(以晶体管11表示)和光电二极管80可垂直整合，以增加图像传感器的占空系数(fill factor)。
另外，光电二极管80的表面可具有凸起形状，类似于微透镜的形状，以提高图像传感器的聚光效率。
以下将参考附图描述根据一个实施例的制造图像传感器的方法。
参考图1，包括金属互连结构31的层间电介质20可形成于包括CMOS电路(以晶体管11表示)的半导体衬底10上。
虽然图中未示，可在半导体衬底10内形成半导体绝缘层，用以限定有源极区和场区。
CMOS电路11可形成于形成于有源极区中的单元像素内。在一个采用4-Tr型电路的实施例中，CMOS电路可包括转移晶体管、复位晶体管、驱动晶体管、和选择晶体管。转移晶体管连接到形成于CMOS电路之上的光电二极管，用以将所接收到的光电荷转换为电信号。
层间电介质20和金属互连结构31形成于包括CMOS电路的半导体衬底10上，用以根据任何合适的设计连接CMOS电路到电源线和信号线。
层间电介质20可包括多个层。根据许多实施例，层间电介质20可包括氧化物层。
金属互连结构31穿过层间电介质20并可形成为多个。在一个实施例中，金属互连结构31可由一个或多个包括金属、合金或自对准硅化物的导电材料形成。在一个特定实施例中，金属互连结构31可包括铝(Al)、铜(Cu)、钴(Co)或钨(W)。
当形成金属互连结构31时，也可形成焊盘32。在一个实施例中，金属互连结构31包括最后的导孔(via)。用于形成层间电介质20、金属互连结构31、和焊盘32的方法和层包括任何合适的本领域已知的方法和层。
参考图2和图3，下电极41可形成于包括金属互连结构31的层间电介质20上。
为了在对应于每个单元像素形成的金属互连结构31上形成下电极41，可在层间电介质20上形成、且随后通过光刻和蚀刻工艺来图案化金属层40。金属层40例如可以是诸如Cr、Ti、TiW或Ta这样的金属。在一个特定实施例中，金属层40可以是铬(Cr)层。
可对应于每个单元像素形成金属互连结构31和下电极41，以将CMOS电路11连接到光电二极管80，这将在下面描述。
因为金属互连结构31和下电极41是对应于每个单元像素形成的，所以可对应于每个单元像素将光电二极管80电图案化(electrically patterned)。即，光电二极管80不需要对应于每个单元像素单独隔离，而是可根据图案化的下电极41有效地用于每个单元像素。
光电二极管80可形成于包括金属互连结构31和下电极41的层间电介质20上，使得光电二极管80电连接到每个金属互连结构31。
形成于层间电介质20上的光电二极管80接收从外部入射的光，以将该入射光电转换(electrically convert)为电信号并储存所转换的电信号。
光电二极管的性能取决于其将入射光转换为电荷的效率及其电荷容量。典型的光电二极管产生并在耗尽区内储存电荷，耗尽区是由以P-N结、N-P结、N-P-N结或P-N-P结的形式提供的结区产生的。
相反，IP(或PIN)二极管利用了其叠置结构，其中本征层夹设于p型非晶硅层与金属(或n型非晶硅层)之间，以提供耗尽区。形成于p型非晶硅层与金属(或n型非晶硅层)之间的整个本征非晶硅层是耗尽区。因此，可有利地产生和储存电荷。
根据本发明的实施例，可将PIN二极管用作光电二极管。PIN二极管可具有诸如P-I-N或N-I-P这样的结构。PIN二极管结构也可采用I-P结构。
以下将参考附图描述具有I-P结构的PIN二极管。本征层可以是本征非晶硅层，而导电类型传导层可以是p型非晶硅层。但是，实施例不限于此。
参考图4，可在层间电介质20上形成本征层50。本征层50可供作IP二极管的I层。
在一个实施例中，可在形成本征层50之前形成n型导电类型的传导层，以提供N-I-P二极管结构。n型导电类型传导层可根据本领域任何适合的方法形成。
如上所述，本征层50可由本征非晶硅形成。本征层50可采用化学蒸汽沉积(CVD)法例如等离子增强型化学蒸汽沉积(PECVD)来形成。例如，本征层50可通过执行采用硅烷(SiH4)气的PECVD，由本征非晶硅来形成。
这里，本征层50的厚度可比导电类型传导层70的厚度高约十倍到约一千倍。本征层50形成得厚是因为PIN二极管的耗尽区随着本征层50的厚度增加而增加。因此，可有利地产生和储存许多光电子。在某些实施例中，本征层50可具有的厚度在约
与约之间。
然后，在一个实施例中，可在本征层50上形成光致抗蚀剂图案100。
光致抗蚀剂图案100可通过在本征层50上覆盖光致抗蚀剂层并根据每个单元像素来图案化该光致抗蚀剂而形成。光致抗蚀剂图案100可通过执行回流工艺而形成为具有半球形状。
参考图5，可通过采用光致抗蚀剂图案100作为蚀刻掩模来蚀刻本征层50，而在本征层50的表面上形成凸起形的聚光部分51。
因为半球形的聚光部分51形成于本征层50的表面上，形成于本征层50上的导电类型传导层70和上电极90也可具有凸起或者说半球形状。
每个单元像素的具有凸起半球形状的聚光部分51可形成于本征层50上，以协助聚集入射到光电二极管上的光。聚光部分51所聚集的光被转换为电子，而转换出的电子通过下电极41和金属互连结构31传送给CMOS电路11。因为入射到光电二极管上的光被聚光部分51聚集，所以可防止光在两个邻接的下电极41之间穿过。因此，可防止发生串扰和噪声。
可执行干蚀刻或湿蚀刻工艺以在本征层50的表面上形成聚光部分51。但是，当蚀刻本征层50时，形成本征层50的材料的表面键(surface bond)可能因蚀刻工艺而受损。即，蚀刻工艺可产生悬键。
悬键产生了这样一种状态：其中电荷可因热力情况而轻易产生——甚至没有输入入射光。这样，如果存在多个悬键，就会发生暗电流。因此，图像传感器就通过表现得似乎甚至在没有任何光的黑暗状态下都有入射光的输入，而显示出不正常状态。通过在本征层50上形成自对准硅化物层65，就能够防止悬键和暗电流的缺陷。
参考图6，可在本征层50上沉积用于形成自对准硅化物层的金属层60。在某些实施例中，金属层60可采用物理蒸汽沉积(PVD)法，由Cr或Mo来形成。在一个特定实施例中，金属层60由Cr形成。
参考图7和图8，可执行热处理工艺以将形成于本征层50上的金属层自对准硅化(salicide)。例如，可在从约200℃到约400℃的温度执行热处理工艺。
与本征层50的表面接触的金属层60通过热处理工艺而被自对准硅化，从而形成自对准硅化物层65。在一个实施例中，自对准硅化物层65可具有处于约
到约
的范围内的厚度。
因为自对准硅化物层65具有相对薄的、范围在从约
到约的厚度，自对准硅化物层65对于从该层穿过而入射到本征层50的光不具有负面效应。
在自对准硅化物层65的形成过程中，金属层60变成自对准硅化物，从而除去了本征层50(本征层50设置在下面)的表面的悬键。
可通过形成自对准硅化物层65来除去产生于本征层50上的悬键，以防止图像传感器产生暗电流。
因为本征层50具有半球形的表面，自对准硅化物层65也可具有半球形或凸起形结构。这样，可进一步聚集通过自对准硅化物层65入射到本征层50上的光，以提高聚光效率。
此后，可除去未与本征层50起反应的残存金属材料。在一个实施例中，可采用硝酸铈铵盐(ceric ammonium nitrate，(NH4)2Ce(NO3)(CAN))来除去在本征层50上的自对准硅化物层65上的残存的金属层60。
参考图9，可在包括本征层50的半导体衬底10上形成导电类型传导层70。
根据一个实施例，导电类型传导层70可供作IP二极管的P层。即，导电类型传导层70可包括但不限于p型导电类型的传导层。
在一个实施例中，导电类型传导层70可以是p掺杂非晶硅。
导电类型传导层70可采用CVD法如PECVD来形成。例如，可采用混合BH3或B2H6的SiH4气体，通过PECVD，由p掺杂非晶硅形成导电类型传导层70。在一个实施例中，导电类型传导层70可具有处于约
到约范围内的厚度。
导电类型传导层70可具有符合本征层50的形状的半球类型的形状，这是因为导电类型传导层70是以薄的厚度形成在本征层50和自对准硅化物层65上的。
包括本征层50和导电类型传导层70的光电二极管80与CMOS电路11是垂直整合的。因此，光电二极管80的占空系数可增加到几乎100％。
参考图10，可在光电二极管80形成上上电极90。
上电极90可包括具有优良的光透射比和高电导率的透明电极。例如，上电极90可由ITO、CTO或ZnO2形成。
虽然图中未示，可另外在上电极90上形成滤色镜和微透镜。
根据一个实施例，因为光电二极管80形成于半导体衬底10之上，CMOS电路11和光电二极管80可垂直整合，因而增加占空系数到几乎100％。
光电二极管80和上电极90可具有类似于微透镜的凸起形状，以高效聚集入射光，从而防止串扰和噪声。
自对准硅化物层65可形成于光电二极管80的本征层50上，以除去在本征层50的蚀刻过程中形成的悬键，从而改进图像传感器的图像特性。
在本说明书中对“一个实施例”“一实施例”“示例性实施例”等等的任何引用都意味着，结合该实施例所描述的特定的特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中多处出现的这类词语不一定全都指相同的实施例。进一步地，当结合任何实施例描述一个特定的特征、结构或特性时，应认为结合其他实施例实现这样的特征、结构或特性是在本领域技术人员的范围内的。
虽然以上已经结合其中若干说明性的实施例描述本发明。应该理解的是本领域技术人员可设想出无数其他将落入本发明公开内容的精神和原理范围内的改进方案和实施例。更加特别的是，本发明说明书、附图和所附权利要求范围内的对象的组合安排的部件和/或布置可以有各种变形和改进。除了部件和/或布置的变形和改进，替代的应用对于本领域技术人员也将是明显的。
Claims (20)
1、一种图像传感器，包括：
下电极，位于电连接到半导体衬底上的CMOS电路的金属互连结构上；
本征层，位于所述下电极上；
自对准硅化物层，位于所述本征层上；以及
导电类型传导层，位于所述自对准硅化物层上。
2、根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述本征层包括半球形聚光部分。
3、根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述自对准硅化物层根据所述半球形聚光部分的表面而具有凸起形状。
4、根据权利要求3所述的图像传感器，其中所述导电类型传导层根据所述自对准硅化物层的顶表面而具有凸起形状。
5、根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述自对准硅化物层包含铬。
6、根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述自对准硅化物层包含钼。
7、根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述本征层具有处于约
到约
的范围内的厚度，所述自对准硅化物层具有处于约
到约
的范围内的厚度，且所述导电类型传导层具有处于约
到约
的范围内的厚度。
8、根据权利要求1所述的图像传感器，进一步包括：第二导电类型传导层，位于所述本征层下面的所述下电极上。
9、根据权利要求1所述的图像传感器，进一步包括：上电极，位于所述导电类型传导层上。
10、一种制造图像传感器的方法，所述方法包括以下步骤：
设置半导体衬底，所述半导体衬底包括：
CMOS电路，以及
层间电介质，其中形成有金属互连结构；
在所述金属互连结构上形成下电极；
在所述层间电介质和所述下电极上形成本征层；
在所述本征层上形成自对准硅化物层；以及
在所述自对准硅化物层上形成导电类型传导层。
11、根据权利要求10所述的方法，进一步包括以下步骤：
在所述本征层上形成籽晶微透镜；以及
采用所述籽晶微透镜作为蚀刻掩模蚀刻所述本征层，以形成聚光部分。
12、根据权利要求11所述的方法，其中形成所述籽晶微透镜的步骤包括：
用光致抗蚀剂涂覆所述本征层；
图案化所述光致抗蚀剂，以形成微透镜图案；以及
对所述微透镜图案执行回流工艺，以形成所述籽晶微透镜。
13、根据权利要求10所述的方法，其中形成所述自对准硅化物层的步骤包括：
在所述本征层上沉积金属层；
热处理包括所述金属层的所述半导体衬底，以形成所述自对准硅化物层；以及
除去残存在所述半导体衬底上的未反应的所述金属层。
14、根据权利要求13所述的方法，其中所述金属层包含铬。
15、根据权利要求13所述的方法，其中所述金属层包含钼。
16、根据权利要求13所述的方法，其中热处理所述半导体衬底的步骤包括以处于约200℃与约400℃之间的温度执行热处理。
17、根据权利要求13所述的方法，其中除去未反应的所述金属层的步骤包括采用硝酸铈铵盐。
18、根据权利要求5所述的方法，其中形成的所述本征层的厚度处于约
到约
的范围内，形成的所述自对准硅化物层的厚度处于约
到约
的范围内，而形成的所述导电类型传导层的厚度处于约
到约的范围内。
19、根据权利要求10所述的方法，进一步包括：在形成所述本征层的步骤之前，在所述下电极上形成第二导电类型传导层。
20、根据权利要求10所述的方法，进一步包括：在所述导电类型传导层上形成上电极。
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