CN102388457A - 电子图像检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电子图像检测装置，所述电子图像检测装置包括：在绝缘层(22)的第一面上的多个金属电极(24)；以及非晶硅区域(26)，所述非晶硅区域(26)在所述绝缘层上延伸于所述金属电极之间。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子图像检测装置。
背景技术
为了进行图像检测，已知的是利用CMOS技术和在半导体衬底中形成包括与晶体管例如预充电晶体管和读取晶体管关联的光电二极管的像素。入射光子产生电子/空穴对，这些电子空穴对中的电子由光电二极管收集。接着这些电子在该像素内转换成电压，之后通过位于像素阵列周边的电子读取电路读取。
在图像传感器用于夜视或提供低亮度而非对光学图像进行检测的情况下，已知的是在相关的电子图像上进行所述夜视或提供低亮度。为了实现此，将光学图像通过光子-电子转化器来转换为电子图像，该光子-电子转化器也称为光阴极并发出电子束阵列。为了提高该传感器的总体灵敏度，可以在光阴极输出处提供电子放大器，该电子放大器将放大的电子图像传输给图像检测装置。
图1是电子图像检测装置的简化透视图。
绝缘层12在支撑件10上延伸。例如，支撑件10由包括CMOS集成电路的有源装置(晶体管和二极管)的半导体衬底构成，在该半导体衬底上形成有将这些有源装置互连的互连层层叠体。绝缘层12可以是该互连层叠体的最后一层的一部分。在所示出的示例中以阵列的形式排列的金属电极14在绝缘层12上延伸。每一电极14通过互连层层叠体中提供的导线和过孔(未示出)连接到在半导体衬底中形成的集成电路的元件。到达图1的装置的表面的电子由金属电极14捕捉且接着被传输到集成电路中以处理和读取。因此，除了像素中传统地提供的元件外，电子图像检测装置的每一像素包括金属电极14和连接到集成电路的金属导线和过孔。
当电子到达未受金属电极14保护的绝缘层12的部分时，它们在绝缘体上产生陷阱电荷(trapped electric charge)，该捕获电荷可以影响图像的质量且可能导致电击穿。存储在绝缘材料中的电荷形成电场，该电场可以使入射光子偏离，因此在图像中导致伪影。为了避免电子到达绝缘材料12，已提供了对金属电极14周围的绝缘材料进行蚀刻并因此使被蚀刻的位置的底部裸露出金属层。该金属层形成防止电子穿进绝缘材料12的屏障且电连到CMOS电路，这能够使收集的电荷排出。还可提供这样的结构：在该结构中，金属电极14位于上方的金属保护层下面。
比如以上讨论的阶梯结构具有两个问题。第一个问题是获得的结构的上表面不平坦的事实。这禁止了随后的任何制造步骤或者使随后的任何制造步骤很困难，该步骤例如为形成提供该衬底上的触点的连接焊盘的制造步骤。而且，电子可以在较低的金属部分上反射并从该结构的台阶式侧面到达绝缘材料层12。因此，电子可以在该绝缘层上产生陷阱电荷并仍导致电击穿和图像中的伪影。
因此，需要一种这样的电子图像检测装置，其具有平坦的上表面且避免电子陷阱和避免存在于金属电极下和/或金属电极之间的介电材料老化。
发明内容
本发明的实施方式的目的是提供一种这样的电子图像检测装置，在该电子图像检测装置中，作为像素的金属电极之间的绝缘材料免受入射光子。
本发明的实施方式的另一目的是提供一种这样的电子图像检测装置：该电子图像检测装置能够具有比现有技术的图像检测装置的上表面平坦的上表面。
因此，本发明的实施方式提供了这样的电子图像检测装置，该电子图像检测装置包括：在绝缘层的第一表面上的多个金属电极；以及非晶硅区域，所述非晶硅区域在所述绝缘层上延伸于所述金属电极之间。
根据本发明的实施方式，所述非晶硅是被氢化的。
根据本发明的实施方式，所述非晶硅是近本征非晶硅。
根据本发明的实施方式，在所述绝缘层中形成位于所述金属电极之闸的槽。
根据本发明的实施方式，在所述绝缘层的第二表面上提供面对至少一个非晶硅区域的至少一个栅电极，所述至少一个栅电极能够连接到偏压源。
根据本发明的实施方式，所述栅电极部分地面对所述金属电极延伸。
根据本发明的实施方式，所述非晶硅的厚度范围在2nm至500nm之间、优选地在10nm至100nm之间。
根据本发明的实施方式，其中所述金属电极以近似为1μm的距离分开。
根据本发明的实施方式，所述金属电极由铝制成。
根据本发明的实施方式，所述绝缘层在其第二表面侧上与支撑件接触，所述支撑件由在半导体衬底上延伸的互连层的层叠体形成。
根据本发明的实施方式，所述金属电极通过形成在所述互连层的层叠体中的导电过孔连接到在所述半导体衬底中形成的电子元件。
本发明的实施方式还提供一种包括光阴极、微通道板和比如上文讨论的电子图像检测装置的图像传感器。
附图说明
结合附图，将在以下具体实施方式的非限制性描述中详细讨论本发明的上述的和其他的目的、特征和优势：
先前描述的图1是传统的电子图像检测装置的简化透视图；
图2是根据本发明的实施方式的电子图像检测装置的剖视图；
图3是根据本发明的实施方式的电子图像检测装置的透视图；
图4是根据本发明的实施方式的变型的电子图像检测装置的透视图；
图5是根据本发明的实施方式的变型的电子图像检测装置的剖视图；
图6是根据本发明的实施方式的另一变型的电子图像检测装置的剖视图；
图7是根据本发明的实施方式地另一变型的电子图像检测装置的剖视图；
图8是局部地示出根据本发明的实施方式的检测装置的元件和在下部的半导体衬底上形成的元件之间的连接的示例的剖视图；以及
图9是示出包括电子图像检测装置的图像传感组件的框图。
为了清楚，在不同的附图中用相同的附图标记指代相同的元件，而且，如通常的集成电路的示意图，各种附图照例不按照比例绘制。
具体实施方式
图2和图3分别是电子图像检测装置的实施方式的剖视图和透视图。
检测装置在支撑件20上形成，支撑件20由在半导体衬底上延伸的互连层层叠体形成。能够处理被检测的电子图像的电子元件形成在该衬底上且通过在该互连层叠体中形成的导线和过孔连接到检测装置。
绝缘层22在支撑件20上延伸，在绝缘层22的表面形成有金属电极24。每一金属电极24对应于检测装置的像素。绝缘层22和金属电极24可以以和下部的互连层相同的方式形成且因此形成支撑件20的互连层叠体的最后一层。作为示例，绝缘层22可以由二氧化硅制成且金属电极24可以由铝制成。作为另一示例，金属电极24可以以阵列的形式分布在绝缘层22的表面上。
根据实施方式，在绝缘层22上由非晶硅形成的区域26在两个相邻的金属电极24之间延伸。区域26覆盖了绝缘层的未由金属电极24覆盖的全部表面以保护绝缘层22的表面部分免受入射电子。在俯视图中，区域26连接到周围的每一电极24。区域26接触电极24且因此通过绕所述电极形成方形而可以在金属电极24的壁和边沿上延伸。
非晶硅优选地处于近本征状态、高度绝缘且常温下的体积电阻率大于109Ω.cm。因此，两个相邻像素的两个电极之间的漏泄电阻很高。非晶硅是半导体，但其允许到达非晶硅区域26的电子朝着最近的金属电极24转移。因此，在电极24之间收集的信号促成了像素检测到的有用信号。
优选地，非晶硅被氢化，使得其体积电阻率大于单纯的非晶硅的体积电阻率，约为1010Ω.cm。其可以在典型地低于400℃的低温中形成，其与在下部的半导体衬底中的成品电子元件的存在兼容(这些元件没有降级)。
氢化非晶硅具有轻微N型的自然倾向。为了避免该属性影响硅区域26的绝缘性质并且为了控制非晶硅层的导电性，图2中的装置可以包括形成于支撑件20和绝缘层22之间的界面处的栅电极28。电极28面对位于电极之间的区域延伸，且优选地在略大于电极间间隔的表面上延伸(即，略微面向金属电极24)。电极28连接到偏压源VG，偏压源VG因金属/绝缘体/半导体层叠体(28/22/26)而能够耗尽氢化非晶硅区域26。因此避免在半导体中出现会导致两个相邻金属电极24之间有过大电荷流的导电通道。应当注意的是，电极28可以与互连层叠体的倒数第二个互连层中存在的导线同时形成。
作为数值的示例，氢化非晶硅26可以具有范围在2nm和500nm之间、优选地10nm和100nm之间的厚度，金属电极24分开的距离可以约为1μm。
图4是一可选择实施方式的透视图，在该可选择实施方式中，非晶硅层26在电极24周围延伸且其厚度与电极24的厚度基本相同。因此，所得的结构是平坦的或近似平坦的。
图5示出了其中非晶硅区域26被非晶硅层30替代的可选择实施方式，非晶硅层30在绝缘层22和电极24上延伸。因此，在俯视图中，非晶硅30形成了在电极阵列上没有开口的层。到达非晶硅层30的电子由所述层朝着下面的金属电极24传输，非晶硅层30有利地确保两个相邻金属电极24之间的绝缘。在支撑件20和绝缘层22之间的界面处形成且连接到偏压源VG的栅电极28可以有助于该绝缘，如以上所述。
图6示出了另一可选择实施方式。为了使两个相邻的电极24绝缘，绝缘层22的两个电极24之间的区域32被蚀刻。非晶硅区域34通过沿着蚀刻区域32在金属电极24之间延伸。在该变型中，金属电极24比先前描述的变型中的金属电极24能够更互相靠近，利用蚀刻区域32中的空气进行的绝缘能够避免两个相邻电极24之间的干扰。
图7示出了装置的上表面平坦的另一可选择实施方式。为了实现此，电极间间隔由绝缘区域36填充，该绝缘区域36例如由与层22的材料相同的材料制成。非晶硅层38均匀地沉积在如此获得的整个平坦表面上。以与图5中的变型相同的方式，到达非晶硅层38的电子可以通过所述层朝着金属电极24传输，非晶硅38还确保两个相邻金属电极24之间的绝缘。
应当注意到，图2-3、图4和图6所示的变型因其长时间的稳定性而比图5和图7中的变型更优选。在这两个变型中，非晶硅并未覆盖整个装置而仅在绝缘层上方存在于相邻电极之间以保护绝缘层免受入射电子。实际上，尽管金属电极24上存在的非晶硅层30、38并不影响从装置的上表面对电子进行检测，但其可以导致在电极上积累一些电子，且因此在非晶硅层上形成浮动的电荷，浮动的电荷可以对所得的图像的质量造成影响。而且，在存在入射光子流的情况下，由于非晶硅的光生成行为，可以在电极24上产生寄生电流。
为了获得图2和图3中的结构，例如可以执行以下连续步骤：在低于200℃的温度下，在一结构(比如图1的结构)上，通过真空等离子沉积硅烷而形成连续的非晶硅层；通过适合的掩模来对形成的非晶硅层进行光刻；以及至少在非晶硅层的中央区域中对非晶硅层进行蚀刻以裸露金属电极24。为了获得图6中的结构，可以在期望的非晶硅区域的层处，预先蚀刻绝缘层22。
为了获得图4的结构，例如可以执行以下连续步骤：在低于200℃的温度下，在一结构(比如图1的结构)上通过真空等离子沉积硅烷来形成连续的非晶硅层；对金属电极上的非晶硅层执行选择性的化学机械抛光以裸露金属电极24的上表面。因此，所得的非晶硅层的厚度可以基本上等于金属电极24的厚度或略小于金属电极24的厚度。
图8是局部地示出图2和图3的电子图像检测装置与下部的半导体衬底中形成的元件之间的可能连接的示例的剖视图。
图8种，更详细地示出了支撑件20。所述支撑件包括硅衬底40、绝缘层22和形成该支撑件的最后一层的电极24，在硅衬底40的表面上形成有互连层层叠体42。每一互连层包括金属层叠体，所述金属层叠体可以通过金属过孔互连。在示出的示例中，每一金属电极24通过层叠体42的过孔和导线连接到衬底40中形成的元件(未示出)，栅电极28也通过层叠体42的导线和过孔互连。应当注意到，栅电极可以由单一金属区域形成且可以通过单一连接而连接到偏压源VG。
图9以框的形式示出了包括电子图像检测装置的图像传感器组件。
该图像传感器组件用来形成物体50的图像。物体50的光子图像54通过例如包括透镜的光学器件52获得，该光学图像54通过光阴极56转化为电子图像58。该电子图像发送给放大器60，例如，微通道板(MCP)。放大器60提供的放大的图像62由电子图像检测装置64(比如本文中所讨论的)检测。选择性地，可以提供显示器66来显示电子图像检测装置64检测的图像。
已描述了本发明的具体实施方式。本领域的专业技术人员会想到各种变化和改动。具体地，应当注意到，本文中给出的数值应用仅作为示例给出。而且，本文讨论的电子图像检测装置可以用在需要检测电子图像的与针对图9讨论的系统不同的任何系统中。而且，对于图2到图7中的每一变型，已规定了位于电极24之间的非晶硅区域能够收集入射电子，且接着将电子传输给相邻的电极。应当注意到，能够将收集的电子排出(例如朝着下部的衬底)的导线和过孔也可提供在位于这些区域下的绝缘层中。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种电子图像检测装置，包括：
在绝缘层(22)的第一表面上的多个金属电极(24)；以及
非晶硅区域(26，34)，所述非晶硅区域在所述绝缘层上延伸于所述金属电极之间，且不在所述金属电极的主要部分上延伸。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述非晶硅(26，34)是被氢化的。
3.如权利要求1或2所述的装置，其中所述非晶硅(26，34)的体积电阻率大于109Ω.cm。
4.如权利要求1到3中任一项所述的装置，其中在所述绝缘层(12)中形成位于所述金属电极之间的槽(32)。
5.如权利要求1到4中任一项所述的装置，其中在所述绝缘层(22)的第二表面上提供面对至少一个非晶硅区域的至少一个栅电极(28)，所述至少一个栅电极能够连接到偏压源(VG)。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述栅电极(28)部分地面对所述金属电极(24)延伸。
7.如权利要求1到6中任一项所述的装置，其中所述非晶硅(26，34)的厚度范围在2nm至500nm之间、优选地在10nm至100nm之间。
8.如权利要求1到7中任一项所述的装置，其中所述金属电极(24)以大致1μm的距离分开。
9.如权利要求1到8中任一项所述的装置，其中所述金属电极(24)由铝制成。
Claims (12)
1.一种电子图像检测装置，包括：
在绝缘层(22)的第一表面上的多个金属电极(24)；以及
非晶硅区域(26，34)，所述非晶硅区域在所述绝缘层上延伸于所述金属电极之间。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述非晶硅(26，34)是被氢化的。
3.如权利要求1或2所述的装置，其中所述非晶硅(26，34)是近本征非晶硅。
4.如权利要求1到3中任一项所述的装置，其中在所述绝缘层(12)中形成位于所述金属电极之间的槽(32)。
5.如权利要求1到4中任一项所述的装置，其中在所述绝缘层(22)的第二表面上提供面对至少一个非晶硅区域的至少一个栅电极(28)，所述至少一个栅电极能够连接到偏压源(VG)。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述栅电极(28)部分地面对所述金属电极(24)延伸。
7.如权利要求1到6中任一项所述的装置，其中所述非晶硅(26，34)的厚度范围在2nm至500nm之间、优选地在10nm至100nm之间。
8.如权利要求1到7中任一项所述的装置，其中所述金属电极(24)以大致1μm的距离分开。
9.如权利要求1到8中任一项所述的装置，其中所述金属电极(24)由铝制成。
10.如权利要求1到9中任一项所述的装置，其中所述绝缘层(22)在其第二表面侧与支撑件(20)接触，所述支撑件(20)由在半导体衬底(40)上延伸的互连层的层叠体(42)形成。
11.如权利要求10所述的装置，其中所述金属电极(24)通过形成在所述互连层的层叠体(42)中的导电过孔连接到在所述半导体衬底(40)中形成的电子元件。
12.一种包括光阴极(56)、微通道板(60)和如权利要求1到11中任一项所述的电子图像检测装置(64)的图像传感器。
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