CN101640211A - 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。该图像传感器包括具有彼此相对的第一表面和第二表面的半导体衬底、用于限定有源区同时从所述第一表面向所述第二表面延伸的隔离层、在所述有源区中从所述第一表面向所述第二表面延伸的光电二极管、设置为与所述第一表面相邻并对应于所述光电二极管的反射部以及形成为与所述第二表面相邻的透镜部。

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
近来，CMOS图像传感器作为下一代图像传感器而成为焦点。CMOS图像传感器是一种利用MOS晶体管采用切换模式来顺序地检测各单位像素的输出的器件，其中通过使用外围器件(诸如控制器和信号处理器)的CMOS技术，在半导体衬底上形成对应于单位像素的MOS晶体管。CMOS图像传感器在各单位像素内包括光电二极管和MOS晶体管，并且在切换模式下顺序地检测各单位像素的电信号以获得图像。
由于CMOS图像传感器是使用CMOS技术制造的，从而其具有低功耗的优点。此外，由于需要较少数量的光学处理步骤(photo-processing steps)，所以可以简化CMOS图像传感器的制造工艺。另外，由于控制器、信号处理器、模拟/数字转换器等可以集成在CMOS图像传感器芯片上，从而CMOS图像传感器可以使得产品的尺寸最小化。因此，CMOS图像传感器广泛地应用于包括数码照相机、数码摄像机等的各个领域。
发明内容
本发明的实施例提供了一种图像传感器及其制造方法，该图像传感器能够增加感测效率并防止相邻像素之间的干扰。
根据实施例，图像传感器包括：具有彼此相对的第一表面和第二表面的半导体衬底、用于限定有源区同时从所述第一表面向所述第二表面延伸的隔离层、在所述有源区中从所述第一表面向所述第二表面延伸的光电二极管、设置为与所述第一表面相邻并对应于所述光电二极管的反射部以及形成为与所述第二表面相邻的透镜部。
根据实施例，图像传感器的制造方法包括：制备半导体衬底，该半导体衬底形成有由隔离层限定的有源区；在所述有源区中形成光电二极管；在所述光电二极管上形成反射部；在所述半导体衬底上形成像素电路部；以及在所述半导体衬底下方形成透镜部。
根据实施例，图像传感器包括：半导体衬底、形成在半导体衬底上同时限定有源区的隔离层、形成在有源区中的光电二极管、设置在半导体衬底上同时覆盖光电二极管的反射部、电连接至光电二极管并设置在半导体衬底上的像素电路部、设置在像素电路部上的支撑衬底(support substrate)以及设置在半导体衬底下的透镜部。
根据实施例的图像传感器包括反射部，从而已经从外部穿过光电二极管的光可被反射回光电二极管。
根据实施例，反射部可形成为与光电二极管接触，从而反射部与光电二极管之间的漏电流能够最小化。因此，根据实施例的图像传感器能够防止由漏电流导致的相邻像素相互干扰。
尤其，在背侧照明图像传感器的情况下，反射部能够防止已经穿过光电二极管的光由于金属互连件而被反射并且接着被入射到相邻像素的光电二极管上。
另外，无论金属互连件的位置如何，根据实施例的图像传感器都能够增大光电二极管的面积。
因此，根据实施例的图像传感器能够增加感测效率并防止相邻像素相互干扰。
另外，由于当形成栅电极时反射部可与该栅电极一同形成，所以不需要用于反射部的额外工艺。
附图说明
图1是根据一个实施例的图像传感器的电路图；
图2是示出图1的图像传感器布局的平面图；
图3是沿图2的线I-I′所取的剖视图；
图4a-图4e是示出根据实施例的CMOS图像传感器的制造方法的剖视图；
图5是示出根据另一实施例的CMOS图像传感器布局的平面图；以及
图6是沿图5的线II-II`所取的剖视图。
具体实施方式
在实施例的描述中，需要理解，当衬底、图案、区域或层涉及位于另一衬底、另一图案、另一区域或另一层“上”或者“下”时，其可以“直接”或“间接”位于另一衬底、图案、区域或层上，或者也可以存在一个或多个中间层。进一步地说，位于每一层“上”或者“下”是基于附图来确定的。另外，附图中所示的层的厚度或尺寸可以为了清楚解释的目的而简化或夸大。另外，每个元件的尺寸可以比其真实尺寸减小或放大。
图1是示出根据一实施例的图像传感器的电路图。图2是示出图1的图像传感器布局的平面图。图3是沿图2的线I-I′所取的剖视图。
参见图1和图2，图像传感器的像素P包括：光电二极管PD，用于检测外部光；以及多个晶体管，用于控制存储在光电二极管PD中的电荷的转移和/或输出。根据本实施例，例如，像素P可包括四个晶体管。
像素P包括：用于检测光的光电二极管PD、转移晶体管Tx、复位晶体管Rx、选择晶体管Sx以及存取晶体管Ax。
光电二极管PD串联连接至转移晶体管Tx和复位晶体管Rx。转移晶体管Tx的源极连接至光电二极管PD，转移晶体管Tx的漏极430连接至复位晶体管Rx的源极。电源电压(supply voltage)Vdd施加至复位晶体管Rx的漏极430。
转移晶体管Tx的漏极430作为浮置扩散层FD。浮置扩散层FD连接至选择晶体管Sx的栅极。选择晶体管Sx与存取晶体管Ax串联连接。换言之，选择晶体管Sx的源极连接至存取晶体管Ax的漏极430。电源电压Vdd施加至存取晶体管Ax的漏极430和复位晶体管Rx的源极。选择晶体管Sx的漏极430对应于输出端，并且选择信号施加至选择晶体管Sx的栅极。
在下文中，将简要描述具有上述结构的图像传感器的像素P的运作。在复位晶体管Rx开启从而浮置扩散层FD具有与电源电压Vdd相同的电势(electric potential)之后，将复位晶体管Rx关闭。此操作称为复位操作。
如果外部光入射到光电二极管PD上，在光电二极管PD中产生电子空穴对(EHP)，从而在光电二极管PD中存储信号电荷。之后，当转移晶体管Tx开启，存储在光电二极管PD中的信号电荷输出至浮置扩散层FD并存储在浮置扩散层FD中。因此，浮置扩散层FD的电势与从光电二极管PD输出的信号电荷的电荷量成比例变化，从而存取晶体管Ax的栅极电势发生变化。在此情况下，如果选择晶体管Sx由选择信号Row开启，则数据输出至输出端Out。在已经输出了数据之后，像素P执行复位操作。像素P重复上述操作，以将光转变为电信号并输出该电信号。
参见图3，CMOS图像传感器包括半导体衬底100、隔离层200、光电二极管PD、像素电路部400、反射部500、支撑衬底600以及透镜部700。
半导体衬底100具有平板形形状，并由硅制成。半导体衬底100非常薄以使光从其中穿过。半导体衬底100具有彼此相对的顶部表面101和底部表面102。
隔离层200形成在顶部表面101上。更详细地，隔离层200从顶部表面101向底部表面102延伸。可通过浅沟槽隔离(STI)工艺形成隔离层200。隔离层200限定了半导体衬底100的有源区AR和非有源区(NR)。
光电二极管PD形成在半导体衬底100上。更详细地，光电二极管PD形成在有源区AR中。光电二极管PD从顶部表面101向底部表面102延伸。
光电二极管PD包括掺杂有低浓度n型杂质的区域310以及掺杂有低浓度p型杂质的区域320。
像素电路部400形成在半导体衬底100上。像素电路部400与顶部表面101相邻。像素电路部400包括晶体管、绝缘层441、442和443以及金属互连件。
晶体管包括转移晶体管Tx、复位晶体管Rx、选择晶体管Sx以及存取晶体管Ax。在这些晶体管中，转移晶体管Tx和复位晶体管Rx示于图3。选择晶体管Sx和存取晶体管Ax具有与转移晶体管Tx和复位晶体管Rx大体上相同的结构。
转移晶体管Tx包括栅电极410、间隔件420以及漏极430。
栅电极410设置在半导体衬底100上，并且可由诸如多晶硅和硅化物的之类的材料制成。栅极绝缘层可插入到栅电极410和半导体衬底100之间。
间隔件420设置在栅电极410的侧表面处。通过将低浓度和高浓度的杂质注入到半导体衬底100内而形成漏极430。将漏极430作为浮置扩散层FD。
绝缘层441、442以及443形成在半导体衬底100上，同时覆盖晶体管和反射部500。
金属互连件450可设置在绝缘层441、442以及443之间和/或设置在绝缘层441、442以及443的内部。金属互连件450可电连接至栅电极410和漏极430。
反射部500形成在半导体衬底100上。反射部500与顶部表面101相邻同时对应于光电二极管PD。更详细地，反射部500与光电二极管PD接触。
反射部500可由诸如多晶硅和硅化物之类的材料制成。反射部500可由与晶体管的栅电极410的材料相同的材料制成。
例如，反射部500可包括硅化物。
另外，反射部500与晶体管的栅电极410设置在同一个层上。
反射部500覆盖光电二极管PD。反射部500具有比光电二极管PD更宽的平面区(plan area)。
反射部500将穿过光电二极管PD的光阻挡，并且将光反射回光电二极管PD。
支撑衬底600附于像素电路部400上。支撑衬底600支撑半导体衬底100、像素电路部400以及透镜部700。
透镜部700设置于半导体衬底100下方。更详细地，透镜部700与底部表面102相邻。透镜部700包括保护层710、滤色镜720以及微透镜730。
保护层710形成于半导体衬底100下方。
滤色镜720形成于保护层720下方，以对穿过该滤色镜720的外部光进行过滤，从而仅特定颜色的光可以穿过滤色镜720。
微透镜730形成在滤色镜720下，以聚集外部光并将外部光输出至光电二极管PD。微透镜730可为具有凸曲线表面的凸透镜。
外部光在微透镜730上聚集并且接着经由底部表面102入射至半导体衬底100上。使已经入射至半导体衬底100上的光入射至光电二极管PD上。
入射至光电二极管PD上的一部分光穿过光电二极管PD。已经穿过光电二极管PD的光反射部500反射并且接着再次入射至光电二极管PD上。
因此，根据实施例，光电二极管PD可以将大量的光转换成信号电荷，并且CMOS图像传感器可有效地感应外部光。
由于反射部500与光电二极管PD接触，所以反射部500与光电二极管PD之间的漏电流可最小化。因此，在根据实施例的CMOS图像传感器中，可以最小化由漏电流导致的相邻像素之间的干扰。
尤其，反射部500可防止已经穿过光电二极管PD的光从金属互连件450反射并接着入射至相邻像素的光电二极管上。
因此，根据实施例的CMOS图像传感器能够增加感测效率并防止相邻像素彼此干扰。
图4a-图4e为示出根据实施例的CMOS图像传感器的制造方法的剖视图。
参见图4a，经由STI工艺在半导体衬底100上形成隔离层200，以限定半导体衬底100上的有源区AR和非有源区NR。
将低浓度n型杂质和低浓度p型杂质选择性地注入到深度不同的有源区AR中，从而形成包括掺杂有低浓度n型杂质的区域310以及掺杂有低浓度p型杂质的区域320的光电二极管PD。
参见图4b，在形成光电二极管PD之后，在半导体衬底100上形成多晶硅层。之后，将多晶硅层图案化，从而在半导体衬底100上形成初始反射部500a和多晶栅410a。在此情况下，初始反射部500a覆盖光电二极管PD。初始反射部500a具有比光电二极管PD更宽的平面区。
参见图4c，在多晶栅410a的侧表面上形成间隔件420。之后，将高浓度n型离子选择性地注入到所得结构内，从而形成漏极430。
接着，在初始反射部500a和多晶栅410a上形成金属层，该金属层并且通过热处理工艺与该初始反射部500a和该多晶栅410a反应。
从而，形成了由硅化物制成的反射部500和栅电极410。
参见图4d，形成绝缘层441、442以及443以覆盖半导体衬底100，并且在绝缘层441、442以及443之间形成金属互连件。
之后，将支撑衬底600附于最上面的绝缘层443。
参见图4e，研磨半导体衬底100的下部，从而使半导体衬底100的厚度足以允许光从其中穿过。在此情况下，半导体衬底100通过化学抛光(CMP)工艺被抛光。
然后，在将半导体衬底100倒转之后，在半导体衬底100上形成保护层710、滤色镜720以及微透镜730。
由于当形成栅电极410时，反射部500与该栅电极410一同形成，从而根据实施例的CMOS图像传感器的制造方法不使用额外掩模工艺而提供了具有改进的感测效率的CMOS图像传感器。
图5是示出根据另一实施例的CMOS图像传感器布局的平面图，并且图6是沿图5的线II-II`所取的剖视图。在此实施例中，将关注反射部作出描述，并且将不再进一步描述在前述实施例中描述过的元件和结构，以避免重复。
参见图5和图6，反射部510形成在与半导体衬底100相邻的绝缘层441上。换言之，绝缘层441插入到反射部510和半导体衬底100之间。
反射部510覆盖整个光电二极管PD。反射部510形成在与栅电极410不同的层上。
详细地说，当在半导体衬底100上形成晶体管和绝缘层441之后，在所得结构上形成反射部510。
因此，无论栅电极410的位置如何，反射部510都可形成为更广。
与图5和图6不同，可在与金属互连件相同的层上形成反射部510。反射部510可由与金属互连件的材料相同的材料制成。反射部可与金属互连件一同形成。
更详细地，反射部510可由与设置在第一绝缘层441上的金属互连件的材料相同的材料制成，并且与该金属互连件形成在相同的层上。另外，反射部510可形成在第一绝缘层411上。
因此，由于在形成金属互连件的工艺中形成了反射部510，所以不需要额外的工艺来形成反射部510。
从而，可以容易地形成反射部510。
因此，根据本实施例的CMOS图像传感器可以有效地将已经穿过光电二极管PD的光反射至光电二极管PD，从而可以有效地感测外部光。
本说明书中所涉及的“一实施例”、“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、结构或特性均包括在本发明的至少一个实施例中。说明书中出现于各处的这些短语并不一定都涉及同一个实施例。此外，当结合任何实施例描述特定特征、结构或特性时，都认为其落在本领域技术人员结合其它实施例可以实现这些特征、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，本领域普通技术人员可以推导出落在此公开原理的精神和范围内的大量的其它变化和实施例。更具体地，可以在此公开、附图以及所附权利要求书的范围内对组件和/或主要组合排列中的设置进行各种改变与变化。除了组件和/或设置的改变与变化之外，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 (10)

1.一种图像传感器，包括：
半导体衬底，具有彼此相对的第一表面和第二表面；
隔离层，用于限定有源区同时从所述第一表面向所述第二表面延伸；
光电二极管，在所述有源区中从所述第一表面向所述第二表面延伸；
反射部，设置为与所述第一表面相邻并对应于所述光电二极管；以及
透镜部，形成为与所述第二表面相邻。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
像素电路部，形成为与所述第一表面相邻；以及
支撑衬底，附着于所述像素电路部。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述反射部包括多晶硅或硅化物并覆盖所述光电二极管。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述反射部的平面区比所述光电二极管的平面区更宽，并且所述反射部与所述光电二极管直接接触。
5.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述像素电路部包括多个栅电极，并且所述反射部形成在与所述栅电极的层相同的层上。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括绝缘层，所述绝缘层插入在所述反射部和所述光电二极管之间。
7.一种图像传感器的制造方法，所述方法包括：
制备半导体衬底，所述半导体衬底形成有由隔离层限定的有源区；
在所述有源区中形成光电二极管；
在所述光电二极管上形成反射部；
在所述半导体衬底上形成像素电路部；以及
在所述半导体衬底下方形成透镜部。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括：
将支撑衬底附着于所述像素电路部；以及
研磨所述半导体衬底的下部。
9.根据权利要求8所述的方法，其中形成所述反射部包括：
在所述光电二极管上形成硅层；以及
将所述硅层硅化。
10.根据权利要求8所述的方法，其中形成所述像素电路部包括：
在所述半导体衬底上形成栅电极，其中所述栅电极和所述反射部被同时形成；
在所述半导体衬底上形成栅电极；以及
在所述半导体衬底上形成覆盖所述栅电极的绝缘层，其中所述反射部形成在所述绝缘层上。
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