CN102157533B - 具有存储电容结构的非晶硅图像传感器 - Google Patents

Abstract

一种 具有存储电容结构的非晶硅图像传感器 ， 它包括多个像素单元，各像素单元包括： 栅极布线、第一绝缘层、有源层、数据布线、第二绝缘层、存储电容、光敏二极管、钝化层、偏置电压线，该存储电容设置于光敏二极管的下方，存储电容的下电极形成于玻璃基板上或者第一绝缘层上，上电极形成于介电层之上并与源电极相连接；光敏二极管的第一电极与存储电容的上电极共电极，光敏二极管的第二电极与存储电容的下电极以及偏置电压线导通。本发明通过将存储电容布置在光敏二极管的下方，能够在不增加或减小像素尺寸的条件下，增加像素单元的电荷存储容量，即达到在不损失薄膜晶体管矩阵面板的分辨率的前提下，提高薄膜晶体管矩阵面板的信号动态范围。

Description

具有存储电容结构的非晶硅图像传感器

技术领域

本发明涉及一种半导体器件，特别是应用于X射线检测仪的具有存储电容结构的非晶硅图像传感器。

背景技术

图像传感器主要用于采集光线信号，并将其转化为电信号，通过集成电路读出上述电信号，从而获得所采集的图像。

如申请号为200380106054.6的中国专利，公开了一种X射线探测器，其包括薄膜晶体管阵列面板（非晶硅图像传感器）、X射线发生器、读取电路、栅极驱动器，该薄膜晶体管阵列面板包括有多个像素单元，用于探测X射线发生器产生的X射线，每个像素单元均包括光敏二极管（PD）、薄膜晶体管（TFT），该薄膜晶体管用于转换从光敏二极管输出的电信号。读取电路用于采集来自像素单元的电信号，而栅极驱动器随后导通沿行方向排列的薄膜晶体管，从而使读取电路能随后读出来自行方向排列的像素单元的电信号。通过读取电路和栅极驱动电路，能够提取各像素单元上的电信号，并被再次转换为图像信号供显示装置显示或记录。

随着半导体制造工艺的不断进步和对图像分辨率要求的不断提高，非晶硅图像传感器的像素单元的尺寸日趋减小，然而减小像素单元的尺寸将不可避免的减少光敏二极管的有效面积，进而降低光敏二极管上的电容，电容的减少又会降低光敏二极管上下电极间的存储电荷能力，最终导致非晶硅图像传感器的输出信号的动态范围的下降。通过在光敏二极管上并联电容能够增加存储电荷量，进而增加光敏二极管的动态范围，然而如何在不增加像素单元的尺寸的情况下，增加存储电容的电荷量，成为发明人急待解决的技术问题。

发明内容

本发明目的是提供一种在不增加像素单元尺寸的条件下，增加像素单元的存储电容的非晶硅图像传感器。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有存储电容结构的非晶硅图像传感器，它包括设置在所述的图像传感器的有源区内的多个像素单元，各所述的像素单元均包括：

栅极布线，形成于玻璃基板上，所述的栅极布线包括栅极线和与所述的栅极线相连接的栅极电极；

第一绝缘层，形成于所述的栅极布线上；

有源层，形成于所述的第一绝缘层上；

数据布线，形成于所述的第一绝缘层上，所述的数据布线包括数据线、连接到所述的数据线并至少部分设置在所述的有源层上的漏电极、至少部分设置在所述的有源层上并与所述的漏电极间隔开的源电极，所述的栅极电极、第一绝缘层、有源层、源电极、漏电极构成薄膜晶体管；

第二绝缘层，形成于所述的数据布线、有源层、源电极和漏电极上；

存储电容，包括下电极、上电极、位于所述的下电极和上电极之间的介电层，所述的下电极形成于所述的玻璃基板上或者所述的第一绝缘层上，所述的上电极形成于所述的介电层之上并与所述的源电极相连接；

光敏二极管，位于所述的存储电容的上方，且所述的光敏二极管包括第一电极、与所述的第一电极相对的第二电极、位于所述的第一电极和第二电极之间的光电导层，所述的第一电极与所述的存储电容的上电极共用同一电极；

钝化层，形成在所述的第二绝缘层和光敏二极管上；

偏置电压线，设置在所述的钝化层上；

所述的钝化层上具有暴露所述的光敏二极管的第二电极的第二接触孔，所述的钝化层、介电层上均具有暴露所述的存储电容的下电极的第三接触孔；

所述的偏置电压线通过所述的第二接触孔和第三接触孔使所述的光敏二极管的第二电极与所述的存储电容的下电极相连接。

本发明进一步的技术方案是：所述的存储电容的下电极设置于所述的第一绝缘层上，所述的存储电容的上电极设置于所述的第二绝缘层上，位于所述的下电极和上电极之间的所述的第二绝缘层形成所述的介电层。

进一步地，在形成所述的数据线的同时形成所述的存储电容的下电极。

更进一步地，所述的第二绝缘层上具有第一接触孔，所述的存储电容的上电极通过所述的第一接触孔与所述的源电极相连接。

或者，本发明采用另一技术方案：所述的存储电容的下电极设置在所述的玻璃基板上，所述的存储电容的上电极设置于所述的第二绝缘层上，所述的介电层包括位于所述的下电极和上电极之间的所述的第一绝缘层和第二绝缘层。

进一步地，所述的存储电容的下电极与所述的栅极线同时形成。

更进一步地，所述的第二绝缘层上开设有第一接触孔，所述的存储电容的上电极通过所述的第一接触孔与所述的源电极相连接。

本发明还可以采用如下技术方案：所述的存储电容的下电极设置在所述的玻璃基板上，所述的存储电容的上电极设置于所述的第一绝缘层上，位于所述的下电极和上电极之间的所述的第一绝缘层形成所述的介电层。

进一步地，所述的存储电容的下电极与所述的栅极线同时形成，所述的存储电容的上电极与所述的数据线同时形成。

优选地，所述的第二绝缘层上形成有与所述的存储电容的上电极相连接的第三导电层，所述的第三导电层形成该光敏二极管的所述的第一电极。

优选地，所述的像素单元还包括设置在所述的钝化层上以覆盖所述的薄膜晶体管的光遮挡元件。

进一步地，所述的光遮挡元件与所述的偏置电压线同时形成。

优选地，所述的介电层的构成材料为氮化硅、氧化硅。

优选地，所述的介电层的厚度为0.01～2微米。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：本发明通过将存储电容设置在光敏二极管的下方，使存储电容的极板的面积不再受到光敏二极管尺寸的限制，存储电容上存储电荷大小主要取决于介电层的材料和厚度，因此本发明能够在不增加或减小光敏二极管面积的条件下，增加像素单元的电荷存储容量，即达到在不损失薄膜晶体管矩阵面板的分辨率的前提下，提高薄膜晶体管矩阵面板的信号动态范围。

附图说明

附图1为非晶硅图像传感器的电路图；

附图2为非晶硅图像传感器的像素单元的电路结构图；

附图3为本发明的实施例一中像素单元的剖面图；

附图4为本发明的实施例二中像素单元的剖面图；

附图5为本发明的实施例三中像素单元的剖面图；

附图6～15展示了实施例一的制作工艺流程图；

附图16～24展示了实施例一中的像素单元的制造方法的每个工序的布局图。

其中：1、薄膜晶体管；11、栅极电极；111、栅极线；112、扫描端引脚电极；12、第一绝缘层；13、有源层；141、漏电极；142、源电极；143、数据线；144、信号端引脚电极；15、第二绝缘层；151、第一接触孔；16、第三绝缘层；17、有机绝缘层；18、光遮挡元件；

2、存储电容；21、下电极；22、介电层；23、上电极；

3、光敏二极管；31、n型非晶硅薄膜；32、本征非晶硅薄膜；33、p型非晶硅薄膜；34、第三导电层；35、偏置电压线；351、偏置端引脚电极；36、保护层；37、荧光材料层；

10、玻璃基板。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。需要说明的是，本说明书中所述的“上”、“下”位置关系与附图3中所示的上、下位置关系相对应。

本发明的非晶硅图像传感器，包括设置在所述的非晶硅图像传感器的有源区内的多个像素单元，上述像素单元用于将检测到的光信号转换为电信号。图1中示出了非晶硅图像传感器的像素单元的布局，图2示出了像素单元的电路结构。

附图3所示，为本发明的实施例一，各所述的像素单元均包括：

栅极布线，形成于玻璃基板10上，所述的栅极布线包括栅极线111和与所述的栅极线111相连接的栅极电极11，该栅极布线的材料选用如Mo或Cu或Cr或Ta或Ti，或Al-Nd合金，或AL-Nd-AL-Mo合金，或者Mo-AL-Mo合金等材料；

第一绝缘层12，形成于所述的栅极布线上；

有源层13，形成于所述的第一绝缘层12上；

数据布线，形成于所述的第一绝缘层12上，所述的数据布线包括数据线143、连接到所述的数据线143上并至少部分设置在所述的有源层13上的漏电极141、至少部分设置在所述的有源层13上并与所述的漏电极141间隔开的源电极142，该数据布线的材料选用如Mo或Cu或Cr或Ta或Ti，或Al-Nd合金，或AL-Nd-AL-Mo合金，或者Mo-AL-Mo合金等材料；

第二绝缘层15，形成于所述的数据布线、有源层13、源电极142和漏电极141上；

所述的存储电容2，包括下电极21、上电极23、位于所述的下电极21和上电极23之间的介电层22，所述的下电极21与所述的数据线143同时形成，下电极21形成于所述的第一绝缘层12上，所述的存储电容2的上电极23形成于第二绝缘层15之上，第二绝缘层15形成存储电容2的介电层22，所述的第二绝缘层15上开设有第一接触孔P1，存储电容2的上电极23通过该第一接触孔P1与所述的源电极142相连接；

光敏二极管3，位于所述的存储电容2的上方，且所述的光敏二极管3包括第一电极、与所述的第一电极相对的第二电极、位于所述的第一电极和第二电极之间的光电导层，所述的第一电极与所述的存储电容2的上电极23共用同一电极，所述的光电导层包括n型非晶硅薄膜31、本征非晶硅薄膜32、p型非晶硅薄膜33；

钝化层，形成在所述的第二绝缘层15和光敏二极管3上，所述的钝化层包括第三绝缘层16和有机绝缘层17；

偏置电压线35，设置在所述的钝化层上；

所述的钝化层上具有暴露所述的光敏二极管3的第二电极的第二接触孔P2，所述的钝化层、介电层22上均具有暴露所述的存储电容2的下电极21的第三接触孔P3，第二接触孔P2和第三绝缘孔P3都是通过两次蚀刻，先后在有机绝缘层17和第三绝缘层16上打孔形成的；

所述的偏置电压线35通过所述的第二接触孔P2和第三接触孔P3使所述的光敏二极管3的第二电极与所述的存储电容2的下电极21相连接。

所述的栅极电极11、第一绝缘层12、有源层13、源电极142、漏电极141构成薄膜晶体管1，所述的像素单元还包括设置在所述的钝化层上以覆盖所述的薄膜晶体管1的光遮挡元件18。所述的光遮挡元件18与所述的偏置电压线35同时形成。

所述的钝化层和偏置电压线35上还覆盖有透光的保护层36，所述的保护层36上形成有荧光材料层37，所述的保护层36的构成材料为氮化硅或氧化硅，所述的荧光材料层37的构成材料为碘化铯。

所述的第一绝缘层12、第二绝缘层15、第三绝缘层16由氮化硅、氧化硅等材料形成。所述的介电层的厚度为0.01～2微米，优选地，所述的介电层的厚度为0.05～2微米。

附图6～15展示了本发明的实施例一的制作流程图，附图16～24展示了本发明的实施例一的每步工序中的布局图。 

实施例一中的具体工艺步骤如下：

(1)如附图6和附图16所示，在玻璃基板10上沉积第一层金属，利用刻蚀工艺形成栅极电极11和栅极线111；

(2) 如附图7、8、17所示，在玻璃基板10上形成第一绝缘层12、由本征非晶硅薄膜和n型非晶硅薄膜组成的有源层13，利用光刻工艺刻蚀有源层13形成硅岛；

(3)沉积第二层金属；

(4)如附图9、18所示，利用刻蚀工艺形成数据线143、漏电极141、源电极142以及存储电容的下电极21，此时薄膜晶体管1已经形成；

(5)沉积第二绝缘层15，

(6)参见附图10、19，利用光刻工艺在第二绝缘层15上形成第一接触孔P1，使所述的源电极142部分裸露；

(7)参见附图11、20，在所述的第二绝缘层15上沉积第三层金属，第三层金属和源电极142通过第一接触孔P1电连接，该第三金属形成存储电容2的上电极23；

(8) 参见附图12、21，沉积n型非晶硅薄膜31、本征非晶硅薄膜32、p型非晶硅薄膜33、ITO薄膜，ITO薄膜形成光敏二极管2的第二电极，n型非晶硅薄膜31、本征非晶硅薄膜32、p型非晶硅薄膜33构成光电导层，利用光刻工艺刻蚀ITO薄膜、p型非晶硅薄膜33、本征非晶硅薄膜32、n型非晶硅薄膜31至第三层金属，形成PIN节，即光敏二极管2，存储电容2的上电极23与光敏二极管2的第一电极共用同一层第三金属，形成公共电极；

(9)参见附图13、14、22、23，沉积第三绝缘层16、有机绝缘层17；然后，利用刻蚀工艺形成第二接触孔P2和第三接触孔P3，由于有机绝缘层17和第三绝缘层16分别由不同材料形成，因此，第二接触孔P2和第三接触孔P3分别通过两次开孔形成，通过第二接触孔P2使所述的光敏二极管3的第二电极裸露，而在第三接触孔P3处，由于过蚀刻的作用，将会同时去除掉第三绝缘层16和第二绝缘层15，从而使得存储电容2的下电极21暴露；

(10)参见附图15、24，沉积第四层金属，通过蚀刻该第四层金属，在光敏二极管3的上部形成偏置电压线35，并且通过偏置电压线35使光敏二极管3的第二电极和存储电容2的下电极21相导通，至此带存储电容的像素单元形成；

(11)   最后沉积透光保护层36以及荧光材料层37，完成加工。

本实施例中，存储电容2的下电极21在沉积第二层金属时形成，而存储电容2的上电极23在沉积第三层金属时形成，第二层金属和第三层金属之间的第二绝缘层15形成了存储电容的介电层22。其中，第一层金属、第二层金属、第三层金属以及第四层金属可以选用Mo、Mu、Al-Nd合金、Cu、Cr、Ta和Ti等材料。

附图4为本发明的实施例二，其与实施例一的不同之处在于：所述的存储电容2的下电极21与栅极布线同时形成，也就是说下电极21由第一层金属材料直接形成在所述的玻璃基板10上，所述的存储电容2的上电极23由第三层金属形成，第二绝缘层15上开设有第一接触孔P1，所述的存储电容2的上电极23通过第一接触孔P1与所述的源电极142相连接。存储电容2的介电层22包括位于下电极21和上电极23之间的第一绝缘层12和第二绝缘层15。由于本实施例中，存储电容2的介电层22由两层绝缘层组成，因此实施例二中的存储电容2能够存储电荷的量小于实施例一中存储电容2能够存储电荷的量。

附图5为本发明的实施例三，与实施例一的不同之处在于：所述的存储电容2的下电极21由第一层金属形成，所述的存储电容2的上电极23由第二层金属形成，下电极21设置在所述的玻璃基板10上，上电极23设置于所述的第一绝缘层12上，位于所述的下电极21和上电极23之间的所述的第一绝缘层12形成所述的介电层22。第二绝缘层15上开设有介层孔，第三层金属沉积在第二绝缘层15上并与第二层金属实现互联形成第三导电层34，并在第三导电层34上依次沉积n型非晶硅薄膜31、本征非晶硅薄膜32、p型非晶硅薄膜33、ITO薄膜，形成光敏二极管。

如附图1所示，所述的非晶硅图像传感器，它包括M行N列所述的阵列单元，其中，M和N均为大于1的整数；所述的栅极布线还包括与所述的栅极线111相连接的扫描端引脚电极112，所述的数据布线还包括与所述的数据线143相连接的数据端引脚电极144；所述的偏置电压线35的端部还连接有偏置端引脚电极351；其中，所述的栅极线中所有奇数行的栅极线的扫描端引脚电极112位于一列，所述的栅极线中所有偶数行的栅极线的扫描端引脚电极112’位于另外一列；所述的数据线中所有奇数列和偶数列的数据线的信号端引脚电极144位于一行。

通常情况下，在一般的图像传感器的面积较大的X光射线检测仪中，所有奇数行栅极线的扫描端引脚电极112和偶数行栅极线的扫描端引脚电极112’均位于有源区的同一侧；而对于图像传感器的尺寸较小的X光射线检测仪，如乳腺检测仪等，由于图像传感器总体尺寸较小，所有的扫描端引脚电极都布置在同一侧不太容易排布，因此会采用如附图1所示的布置方式：所述的奇数行的栅极线的扫描端引脚电极112和所述的偶数行的栅极线的扫描端引脚电极112’分别位于所述的有源区的两侧。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种具有存储电容结构的非晶硅图像传感器，它包括设置在所述的图像传感器的有源区内的多个像素单元，其特征在于：各所述的像素单元均包括：

栅极布线，形成于玻璃基板上，所述的栅极布线包括栅极线和与所述的栅极线相连接的栅极电极；

第一绝缘层，形成于所述的栅极布线上；

有源层，形成于所述的第一绝缘层上；

数据布线，形成于所述的第一绝缘层上，所述的数据布线包括数据线、连接到所述的数据线并至少部分设置在所述的有源层上的漏电极、至少部分设置在所述的有源层上并与所述的漏电极间隔开的源电极，所述的栅极电极、第一绝缘层、有源层、源电极、漏电极构成薄膜晶体管；

第二绝缘层，形成于所述的数据布线、有源层、源电极和漏电极上；

所述的存储电容，包括下电极、上电极、位于所述的下电极和上电极之间的介电层，所述的下电极形成于所述的第一绝缘层上，所述的存储电容的上电极设置于所述的第二绝缘层上并与所述的源电极相连接，所述的第二绝缘层形成所述的介电层；

光敏二极管，位于所述的存储电容的上方，且所述的光敏二极管包括第一电极、与所述的第一电极相对的第二电极、位于所述的第一电极和第二电极之间的光电导层，所述的第一电极与所述的存储电容的上电极共用同一电极；

钝化层，形成在所述的第二绝缘层和光敏二极管上；

偏置电压线，设置在所述的钝化层上；

所述的钝化层上具有暴露所述的光敏二极管的第二电极的第二接触孔，所述的钝化层、介电层上均具有暴露所述的存储电容的下电极的第三接触孔；

所述的偏置电压线通过所述的第二接触孔和第三接触孔使所述的光敏二极管的第二电极与所述的存储电容的下电极相连接。

2.根据权利要求1所述的具有存储电容结构的非晶硅图像传感器，其特征是：在形成所述的数据线的同时形成所述的存储电容的下电极。

3.根据权利要求1所述的具有存储电容结构的非晶硅图像传感器，其特征是：所述的第二绝缘层上具有第一接触孔，所述的存储电容的上电极通过所述的第一接触孔与所述的源电极相连接。

4.一种具有存储电容结构的非晶硅图像传感器，它包括设置在所述的图像传感器的有源区内的多个像素单元，其特征在于：各所述的像素单元均包括：

栅极布线，形成于玻璃基板上，所述的栅极布线包括栅极线和与所述的栅极线相连接的栅极电极；

第一绝缘层，形成于所述的栅极布线上；

有源层，形成于所述的第一绝缘层上；

数据布线，形成于所述的第一绝缘层上，所述的数据布线包括数据线、连接到所述的数据线并至少部分设置在所述的有源层上的漏电极、至少部分设置在所述的有源层上并与所述的漏电极间隔开的源电极，所述的栅极电极、第一绝缘层、有源层、源电极、漏电极构成薄膜晶体管；

第二绝缘层，形成于所述的数据布线、有源层、源电极和漏电极上；

所述的存储电容，包括下电极、上电极、位于所述的下电极和上电极之间的介电层，所述的下电极设置在所述的玻璃基板上，所述的存储电容的上电极设置于所述的第二绝缘层上并与所述的源电极相连接，所述的介电层包括所述的第一绝缘层和第二绝缘层；

光敏二极管，位于所述的存储电容的上方，且所述的光敏二极管包括第一电极、与所述的第一电极相对的第二电极、位于所述的第一电极和第二电极之间的光电导层，所述的第一电极与所述的存储电容的上电极共用同一电极；

钝化层，形成在所述的第二绝缘层和光敏二极管上；

偏置电压线，设置在所述的钝化层上；

所述的钝化层上具有暴露所述的光敏二极管的第二电极的第二接触孔，所述的钝化层、介电层上均具有暴露所述的存储电容的下电极的第三接触孔；

所述的偏置电压线通过所述的第二接触孔和第三接触孔使所述的光敏二极管的第二电极与所述的存储电容的下电极相连接。

5.根据权利要求4所述的具有存储电容结构的非晶硅图像传感器，其特征是：所述的存储电容的下电极与所述的栅极线同时形成。

6.根据权利要求4所述的具有存储电容结构的非晶硅图像传感器，其特征是：所述的第二绝缘层上开设有第一接触孔，所述的存储电容的上电极通过所述的第一接触孔与所述的源电极相连接。

7.一种具有存储电容结构的非晶硅图像传感器，它包括设置在所述的图像传感器的有源区内的多个像素单元，其特征在于：各所述的像素单元均包括：

栅极布线，形成于玻璃基板上，所述的栅极布线包括栅极线和与所述的栅极线相连接的栅极电极；

第一绝缘层，形成于所述的栅极布线上；

有源层，形成于所述的第一绝缘层上；

数据布线，形成于所述的第一绝缘层上，所述的数据布线包括数据线、连接到所述的数据线并至少部分设置在所述的有源层上的漏电极、至少部分设置在所述的有源层上并与所述的漏电极间隔开的源电极，所述的栅极电极、第一绝缘层、有源层、源电极、漏电极构成薄膜晶体管；

第二绝缘层，形成于所述的数据布线、有源层、源电极和漏电极上；

所述的存储电容，包括下电极、上电极、位于所述的下电极和上电极之间的介电层，所述的下电极设置在所述的玻璃基板上，所述的存储电容的上电极设置于所述的第一绝缘层上并与所述的源电极相连接，所述的第一绝缘层形成所述的介电层；

光敏二极管，位于所述的存储电容的上方，且所述的光敏二极管包括第一电极、与所述的第一电极相对的第二电极、位于所述的第一电极和第二电极之间的光电导层，所述的第一电极与所述的存储电容的上电极共用同一电极；

钝化层，形成在所述的第二绝缘层和光敏二极管上；

偏置电压线，设置在所述的钝化层上；

所述的钝化层上具有暴露所述的光敏二极管的第二电极的第二接触孔，所述的钝化层、介电层上均具有暴露所述的存储电容的下电极的第三接触孔；

所述的偏置电压线通过所述的第二接触孔和第三接触孔使所述的光敏二极管的第二电极与所述的存储电容的下电极相连接。

8.根据权利要求7所述的具有存储电容结构的非晶硅图像传感器，其特征是：所述的存储电容的下电极与所述的栅极线同时形成，所述的存储电容的上电极与所述的数据线同时形成。

9.根据权利要求7所述的具有存储电容结构的非晶硅图像传感器，其特征是：所述的第二绝缘层上形成有与所述的存储电容的上电极相连接的第三导电层，所述的第三导电层形成该光敏二极管的所述的第一电极。

10.根据权利要求l、4、7之一所述的具有存储电容结构的非晶硅图像传感器，其特征是：所述的像素单元还包括设置在所述的钝化层上以覆盖所述的薄膜晶体管的光遮挡元件。

11.根据权利要求l0所述的具有存储电容结构的非晶硅图像传感器，其特征是：所述的光遮挡元件与所述的偏置电压线同时形成。

12.根据权利要求l、4、7之一所述的具有存储电容结构的非晶硅图像传感器，其特征是：所述的介电层的构成材料为氮化硅、氧化硅。

13.根据权利耍求12所述的具有存储电容结构的非晶硅图像传感器，其特征是：所述的介电层的厚度为0.01～2微米。 

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