CN101707898A - 叠层结构的图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供了叠层图像传感器。具体地，提供了在形成外围电路的晶片上部上包括具有光电导薄膜的光敏元件部分的叠层图像传感器，并提供了制造这种叠层图像传感器的方法。在根据本发明的叠层图像传感器中，由于形成电路的晶片和光敏元件部分以叠层结构形成，因此图像传感器的整体尺寸可被减小，并且不会产生由入射光被相邻像素吸收引起的光串扰。此外，由于使用具有高的光吸收度的光电导元件，因此可获得高的光电转换效率。此外，在根据本发明制造叠层图像传感器的方法中，由于上部的光敏元件可通过简单的低温工艺形成，因此可降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及叠层图像传感器，更具体地，涉及在形成外围电路的晶片的上部包括具有光电导薄膜的光敏元件部分的叠层图像传感器，本发明还涉及制造叠层图像传感器的方法。
背景技术
叠层图像传感器是这样一种传感器，即，其中例如光电二极管的光敏元件和例如MOS(金属氧化物半导体)晶体管的外围电路形成为叠层结构。
由于例如光电二极管的光敏元件被置于图像传感器的上部，因此入射光在叠层图像传感器内的路径变短了。因此，不会产生由于相邻像素之间的干扰引起的光串扰。由于光电二极管区域和MOS晶体管区域被置于叠层结构内，因此，可减小图像传感器的尺寸并且可获得高的光电转换效率。
图1是图示了常规叠层图像传感器结构的示意图。
已经提出了制造叠层图像传感器的各种方法。在方法的一个实例中，分别制造形成电路的第一晶片和形成例如光电二极管的光敏元件的第二晶片，这两个晶片通过金属连接进行电连接。
然而，制造叠层图像传感器的上述方法具有复杂的生产工艺和高的生产成本。此外，由于需要以高精确度实现两个晶片的对准，因此本发明用于有限的用途。
作为另一个实例，给出了这样一种方法，即，通过在形成电路的晶片上沉积光敏元件部分的工艺来堆叠光敏元件部分。由于通过掺杂形成晶片上的电极、晶体管的栅极、和金属层，因此存在的问题是不能使用例如晶体生长工艺的高温工艺。
发明内容
技术问题
本发明提供了叠层图像传感器，该叠层图像传感器在形成外围电路的晶片的上部包括具有光电导薄膜的光敏元件部分。
本发明还提供了通过将具有光电导薄膜的光敏元件部分沉积在形成电路的晶片上的简单工艺来制造叠层图像传感器的方法。
技术方案
根据本发明的一个方面，提供了叠层图像传感器，包括：晶片，在晶片中外围电路形成于半导体衬底的上部；以及光敏元件部分202，形成于晶片的上部，其中光敏元件部分具有光电导薄膜。
根据本发明的另一方面，提供了制造叠层图像传感器的方法，包括：形成在半导体衬底的上部上形成外围电路的晶片的步骤；以及在晶片的上部形成具有光电导薄膜的光敏元件部分的步骤。
附图说明
图1是图示了常规叠层图像传感器的示意电路图；
图2是图示了根据本发明的叠层图像传感器的示意电路图；
图3是根据本发明的叠层图像传感器的一个像素的电路图；
图4是图示了图3所示的根据本发明的叠层图像传感器的一个像素的等效电路图；
图5是解释了光电导现象的电路图；
图6是图示了图5A的能带结构的视图；
图7是图示了根据本发明制造叠层图像传感器的方法的流程图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述本发明的实施方式。
图2是图示了根据本发明的叠层图像传感器的示意图。
参照图2，根据本发明的叠层图像传感器包括形成外围电路的晶片201和在晶片上部上形成的光敏元件部分202，光敏元件部分202具有光电导薄膜250。
晶片201包括第一导电型高浓度掺杂的半导体衬底210、形成于半导体衬底上的第一导电型低浓度外延层215、形成于外延层上的栅氧化层230、形成于栅氧化层230上的一个或多个晶体管栅极225、形成于外延层上部的第二导电型电极220、用于与相邻像素隔离的沟道235、用于电连接至电极的金属互连线275、和用于层间绝缘的绝缘层240。
晶片201可通过通用的MOS(金属氧化物半导体)工艺形成，其详细描述被省略。
具有光电导薄膜250的光敏元件部分202通过叠层结构形成于晶片201的上部上。
光敏元件部分202包括形成于晶片201上部上的金属垫245、形成于金属垫的上部的光电导薄膜250、形成于光电导薄膜上部用于电接触的透明导电氧化层260、形成于透明导电氧化层上部的彩色滤光片265、以及形成于彩色滤光片上部的微透镜270。
金属垫245被提供为在晶片201上形成光电导薄膜，金属垫通过金属互连线275电连接至晶片201。
光电导薄膜250形成于金属垫245上。如上所述，叠层图像传感器的光敏元件部分不能通过为高温工艺的晶体生长工艺形成。因此，在本发明中，光电导薄膜250通过使用具有良好光电导的氢化非晶硅薄膜的低温工艺形成。
图3是图示了根据本发明的叠层图像传感器的一个像素电路结构的电路图。图4图示了图3所示的根据本发明的叠层图像传感器的一个像素的等效电路。
在图4中，光电导体(PC)是电阻随入射光的量而变化的光敏元件，Tx和Rx是电连接至PC的MOS晶体管。光电感测操作如下。首先，为晶体管Tx和Rx施加电压，然后在光敏元件PC两端施加预定电压。
接下来，关断晶体管Tx和Rx使之与光敏元件PC电断开。尽管在光敏元件PC上施加有电压，但是仅有暗电流会流过光敏元件PC，这是因为光敏元件PC没有载流子。由于暗电流，因此减小了光敏元件PC两端之间的电压差。在将氢化非晶硅薄膜用作光敏元件PC的情况下，如果光敏元件PC两端的电压为1伏特、其面积为1μm2、且其长度为1μm，则暗电流大约为10-13A。
当光入射到光敏元件PC上时，由入射光子产生的电子和空穴光电荷被强大的电场加速，可产生与吸收的光子量成比例的大量电流。因此，当光入射到光敏元件PC上时，光敏元件PC两端之间与产生的光电荷量成比例的电压差接近0。由此，可通过测量在预定时间内由入射光产生的电子引起的隔离电极的电压来测量由一个像素吸收的光强度。
图5是解释了在使用氢化非晶硅的情况下的光电导现象的电路图，图6是图示了图5的能带结构的视图。
通常，未掺杂的氢化非晶硅薄膜510可在大约300℃下通过使用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)方法来制造。未掺杂的氢化非晶硅具有大约109Ω*cm的电阻率。金属电极520和530置于氢化非晶硅薄膜510的两端，然后在这两端之间施加电压。在这种情况下，在没有光入射的状态下，产生根据电阻率确定的少量电流。
图5B图示了能带结构。当光子在施加了电压的情况下入射到氢化非晶硅薄膜510上时，由于入射光子使得在氢化非晶硅薄膜510中产生电子和空穴。电子和空穴通过外电势朝相应端子移动。
通常，由于氢化非晶硅薄膜510对光的吸收度是硅的50倍多，因此具有大约4000埃
或更薄厚度的薄膜可吸收足够量的可见光。
根据制造方法，氢化非晶硅薄膜的能带隙为1.2eV至1.5eV。大量的阱存在于能带隙中。因此，当光在没有外电场的情况下入射到氢化非晶硅薄膜上时，电子空穴对中的电子和空穴容易重新结合。因此，优选地，在使用氢化非晶硅薄膜的情况下，增加外电压以提高光电转换效率。
另一方面，用于电接触的透明导电氧化层260形成于光电导薄膜250的上部。透明导电氧化层260可用通用氧化物制成的非导电氧化层替代。此外，一部分在光入射方向上打开的部分开放金属电极层225可用于与光电导薄膜250电接触。
形成于透明导电氧化层260上部的彩色滤光片265为像素提供了特定的颜色。形成于彩色滤光片265上部的微透镜270的功能是将入射光会聚在光电导薄膜250上。
图7是图示了制造根据本发明的叠层图像传感器的方法的流程图。
参照图7，制造叠层图像传感器的方法包括：将形成电路的晶片形成在半导体衬底上的步骤S610，以及在晶片的上部上形成光敏元件部分的步骤S620。
形成晶片的步骤610包括：在第一导电型半导体衬底上形成第一导电型低浓度外延层的步骤，在外延层上形成与相邻像素绝缘的沟道的步骤，在外延层上形成栅氧化层的步骤，在外延层上形成第二导电型电极的步骤，在栅氧化层上形成晶体管栅电极的步骤，形成用于电连接至电极的金属互连线的步骤，以及形成用于层间绝缘的绝缘层的步骤。
形成晶片的步骤S601与通用的MOS工艺相同，因此省略其详细描述。
形成光敏元件部分的步骤S620包括：在晶片的上部上形成用于形成光电导薄膜的金属垫的步骤S621；在金属垫的上部上形成光电导薄膜的步骤S622；以及形成用于电连接至光电导薄膜的上部的透明导电氧化层的步骤S623。
在晶片的上部上形成用于形成光电导薄膜的金属垫的步骤S621中，通过金属互连线将金属垫电连接至晶片。
在金属垫的上部上形成光电导薄膜的步骤S622是通过如上所述的氢化非晶硅形成薄膜的步骤.在该步骤中，优选地，将加工温度保持在400℃以使下层金属互连线不会变形.
形成用于电连接至光电导薄膜上部的透明导电氧化层的步骤S623可用如下步骤替换，即，在光电导薄膜的上部上形成非导电氧化层并形成电连接至光电导薄膜的金属电极层。
如果需要，可进一步包括在透明导电氧化层的上部上形成彩色滤光片的步骤S624和在彩色滤光片的上部上形成微透镜的步骤S625。
如上所述，在根据本发明制造叠层图像传感器的方法中，可通过在形成电路的晶片上沉积包括氢化非晶硅薄膜的光敏元件部分的简单工艺来制造叠层图像传感器。
虽然已经参照示例性实施方式具体示出且描述了本发明，但是本领域技术人员可理解，在不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的前提下可对形式和细节进行各种改变。
工业实用性
在根据本发明的叠层图像传感器中，由于形成电路的晶片和光敏元件部分以叠层结构形成，因此图像传感器的整体尺寸可被减小，不会产生由相邻像素对入射光的吸收引起的光串扰。此外，因为使用了具有高的光吸收度的光电导元件，因此可获得高的光电转换效率。
此外，在根据本发明制造叠层图像传感器的方法中，由于上部的光敏元件可通过简单的低温工艺形成，因此可降低生产成本。
Claims (12)
1.一种叠层图像传感器，包括：
晶片，在所述晶片中外围电路形成于半导体衬底的上部；以及
光敏元件部分，形成于所述晶片的上部，
其中，所述光敏元件部分具有光电导薄膜。
2.如权利要求1所述的叠层图像传感器，其中，所述晶片包括：
第一导电型高浓度掺杂的半导体衬底；
第一导电型低浓度外延层，形成于所述半导体衬底上；
栅氧化层，形成于所述外延层上；
一个或多个晶体管栅极，形成于所述栅氧化层上；
第二导电型电极，形成于所述外延层的上部上；
沟道，与相邻的像素隔离；
金属互连线，电连接至所述电极；以及
用于层间绝缘的绝缘层。
3.如权利要求1所述的叠层图像传感器，其中，所述光敏元件部分包括：
金属垫，形成于所述晶片的上部；
光电导薄膜，形成于所述金属垫的上部；
透明导电氧化层，形成于所述光电导薄膜的上部用于电接触；
彩色滤光片，形成于所述透明导电氧化层的上部；以及
微透镜，形成于所述彩色滤光片的上部。
4.如权利要求3所述的叠层图像传感器，其中，所述金属垫通过所述金属互连线电连接至所述晶片。
5.如权利要求3所述的叠层图像传感器，其中，所述光电导传感器是氢化非晶硅薄膜。
6.如权利要求1所述的叠层图像传感器，其中，所述光敏元件部分包括：
金属垫，形成于所述晶片的上部；
光电导薄膜，形成于所述金属垫的上部；
非导电氧化层，形成于所述光电导薄膜的上部；
金属电极层，电连接至所述光电导薄膜；
彩色滤光片，形成于所述非导电氧化层的上部；以及
微透镜，形成于所述彩色滤光片的上部。
7.一种制造叠层图像传感器的方法，包括：
形成晶片的步骤，在所述晶片中外围电路形成在半导体衬底上；以及
在所述晶片的上部上形成具有光电导薄膜的光敏元件部分的步骤。
8.如权利要求7所述的方法，其中，形成晶片的步骤包括：
在第一导电型半导体衬底上形成第一导电型低浓度外延层的步骤；
在所述外延层上形成用于与相邻像素绝缘的沟道的步骤；
在所述外延层上形成栅氧化层的步骤；
在所述外延层上形成第二导电型电极的步骤；
在所述栅氧化层上形成晶体管栅电极的步骤；
形成用于电连接至所述电极的金属互连线的步骤；以及
形成用于层间绝缘的绝缘层的步骤。
9.如权利要求7所述的方法，其中，形成光敏元件部分的步骤包括：
在所述晶片的上部上形成用于形成所述光电导薄膜的金属垫的步骤；
在所述金属垫的上部上形成所述光电导薄膜的步骤；以及
形成用于电连接至所述光电导薄膜的上部的透明导电氧化层的步骤。
10.如权利要求7所述的方法，其中，形成光敏元件部分的步骤包括：
在所述晶片的上部上形成用于形成所述光电导薄膜的金属垫的步骤；
在所述金属垫的上部上形成所述光电导薄膜的步骤；以及
在所述光电导薄膜的上部上形成非导电氧化层并形成电连接至所述光电导薄膜的金属电极层的步骤。
11.如权利要求9或10所述的方法，其中，形成光敏元件部分的步骤进一步包括：
在所述透明导电氧化层的上部上形成彩色滤光片的步骤；以及
在所述彩色滤光片上形成微透镜的步骤。
12.如权利要求9或10所述的方法，其中，形成光电导薄膜的步骤通过使用氢化非晶硅实现。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20100512 |