CN102610625A - 具有实时显示功能的图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体器件领域，公开了一种具有实时显示功能的图像传感器及其制造方法。本发明通过浮动扩散区的光生电压直接控制显示层中液晶材料层的透光率进行显示，减少了外围读出电路，避免了由读出电路中的晶体管产生的噪声，以及读出电路引入的显示延迟；同时，由于每一个传感像素所需要的面积是光电二极管的面积与相关电路的面积之和，因此相关电路的减少使得每一个传感像素所需要的面积也减小了，换句话说，可以在相同面积上做更多的像素，从而提高了集成度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，特别涉及图像传感器的制造技术。
背景技术
图像传感器是构成数字摄像头的主要部件之一，被广泛应用于数码成像、航空航天以及医疗影像等领域。
图像传感器根据元件的不同，可分为CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合元件)和CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件)两大类。
CCD图像传感器是应用爱因斯坦有关光电效应理论的结果，即光照射到某些物质上，能够引起物质的电性质发生变化，具体地说，CCD作为一种集成电路，具有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。
CCD图像传感器具有较低的读出噪音和暗电流噪音，同时具有高光子转换效率，所以既提高了信噪比，又提高了灵敏度，很低光照强度的入射光也能被侦测到，其信号不会被掩盖。另外，CCD还具有高动态范围，提高系统环境的使用范围，不因亮度差异大而造成信号反差现象，但其的功耗比较大，供给电压不一致，与传统的CMOS工艺不匹配，集成度不高，所以成本偏高。
CCD图像传感器除了大规模应用于数码相机外，还广泛应用于摄像机、扫描仪，以及工业领域等。值得一提的是，在医学中为诊断疾病或进行显微手术等而对人体内部进行的拍摄中，也大量应用了CCD图像传感器及相关设备。在天文摄影与各种夜视设备中，也广泛应用到CCD图像传感器。
CMOS图像传感器在过去几十年中取得了显著的发展。至今CMOS图像传感器已研制出三大类，即CMOS无源像素传感器(CMOS-PPS)、CMOS有源像素传感器(CMOS-APS)和CMOS数字像素传感器(CMOS-DPS)。有源像素结构相对无源像素传感器结构在像素单元里增加了有源放大管，于是减小了读出噪声并且它的读出速度也较快；另外由于有源放大管仅仅在读出状态下才工作，它的功耗也较小；但是有源像素传感器在提高性能的同时也付出了增加像素单元面积和减小“填充系数(Fill Factor)”的代价。近年来，美国斯坦福大学最早提出了一种新的CMOS图像传感器结构一一数字像素传感器(DPS)，即它在像素单元里集成了ADC和存储单元。
CMOS图像传感器正在数码相机、PC摄像机、移动通信产品等领域得到日益广泛的应用。
目前的图像传感器，尤其是CMOS图像传感器的结构都存在读出电路复杂、读出噪声大、读出时间长和集成度低的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有实时显示功能的图像传感器及其制造方法，减少外围读出电路，避免由读出电路中的晶体管产生的噪声以及读出电路引入的显示延迟，并且提高集成度。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式公开了一种具有实时显示功能的图像传感器，包含：
以绝缘介质层间隔的显示层和光学传感层；并且
显示层包含上、下透明导电层，以及位于上、下透明导电层之间的液晶材料层；
光学传感层包含半导体衬底，在半导体衬底上划分有多个像素区域，每一个像素区域中包含：
第一导电类型的第一、第三和第四掺杂区，并且，第一掺杂区中包含第二导电类型的第二掺杂区，第二掺杂区的掺杂浓度高于第一掺杂区的掺杂浓度；
在第三和第四掺杂区之间的半导体衬底表面上包含第一栅极，用于连接复位信号；
在第一和第四掺杂区之间的半导体衬底表面上包含第二栅极，用于连接传输控制信号；
第四掺杂区作为浮动扩散区，并与上、下透明导电层之一连接。
本发明的实施方式还公开了一种具有实时显示功能的图像传感器的制造方法，包含以下步骤：
在由半导体材料制成的光学衬底表面内以离子注入的方式形成第一导电类型的第一掺杂区、第三掺杂区和第四掺杂区，其中，第四掺杂区作为浮动扩散区；
在第一掺杂区的部分区域以离子注入的方式形成具有第二导电类型的第二掺杂区，并且第二掺杂区的掺杂密度大于第一掺杂区；
在第三和第四掺杂区之间的半导体表面上形成用于连接复位信号的第一栅极；
在第一和第四掺杂区之间的半导体表面上形成用于连接传输控制信号的第二栅极；
在半导体衬底的表面形成绝缘介质层；
将半导体衬底减薄到1μm至1mm之间；
在绝缘介质层表面依次形成下透明导电层、液晶材料层、上透明导电层；
将浮动扩散区与下透明导电层连接。
本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：
本发明通过浮动扩散区的光生电压直接控制显示层中液晶材料层的透光率进行显示，减少了外围读出电路，避免了由读出电路中的晶体管产生的噪声，以及读出电路引入的显示延迟；
同时，由于每一个传感像素所需要的面积是光电二极管的面积与相关电路的面积之和，因此相关电路的减少使得每一个传感像素所需要的面积也减小了，换句话说，可以在相同面积上做更多的像素，从而提高了集成度。
进一步地，所述浮动扩散区与下透明导电层连接，布线更加方便。
进一步地，多个传感像素的浮动扩散区信号并联后得以增强，可直接驱动显示层中的同一个显示像素，可以省略放大电路，简化电路结构。
进一步地，通过增加放大电路，对浮动扩散区输出的光生电压进行放大，再驱动显示层，使得光学传感层中的单个传感像素即可以直接控制与之相连的显示层像素。
进一步地，使用不透明材料制成绝缘介质层，可以避免从光学传感层透射的光对显示层的显示所造成的干扰。
进一步地，使用铟锡金属氧化物层(Indium Tin Oxides，简称“ITO”)作为透明导电层时，透过率最高，导电性能最好，而且容易在酸液中蚀刻出细微的图形，其中透光率达90％以上。
进一步地，第二掺杂区为P型半导体可以消除表面缺陷引起的暗电流。
附图说明
图1是本发明第一实施方式中一种具有实时显示功能的图像传感器的结构示意图；
图2是本发明第二实施方式中一种具有实时显示功能的图像传感器的结构示意图；
图3是本发明第三实施方式中一种具有实时显示功能的图像传感器的制造方法的流程示意图；
图4、图5和图6是本发明第三实施方式中一种具有实时显示功能的图像传感器的制造方法的步骤701、步骤702的示意图；
图7是本发明第三实施方式中一种具有实时显示功能的图像传感器的制造方法的步骤703、步骤704的示意图；
图8是本发明第三实施方式中一种具有实时显示功能的图像传感器的制造方法的步骤705的示意图；
图9是本发明第三实施方式中一种具有实时显示功能的图像传感器的制造方法的步骤706的示意图。
具体实施方式
在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
本发明第一实施方式涉及一种具有实时显示功能的图像传感器。图1是该具有实时显示功能的图像传感器的结构示意图。该图像传感器包含
以绝缘介质层400间隔的显示层和光学传感层。绝缘介质层400一般由不透明材料制成。
显示层包含上透明导电层101和下透明导电层103，以及位于上透明导电层101和下透明导电层103之间的液晶材料层102。上透明导电层101、下透明导电层103为铟锡金属氧化物(ITO)层。当然，在本发明的某些其他实施方式中，也可以使用ITO之外的其他透明导电材料。
光学传感层包含半导体衬底500，在半导体衬底上划分有多个像素区域，每一个像素区域中包含：
第一导电类型的第一掺杂区301、第三掺杂区202以及第四掺杂区303，并且，第一掺杂区301中包含第二导电类型的第二掺杂区301’，第二掺杂区301’的掺杂浓度高于第一掺杂区的掺杂浓度。本实施方式中，第一导电类型是N型，第二导电类型是P型。可以理解，在本发明的其他某些实施方式中，第一导电类型可以是P型，第二导电类型是N型。
在第三掺杂区202和第四掺杂区303之间的半导体衬底500的表面上包含第一栅极201，用于连接复位信号。
在第一掺杂区301和第四掺杂区302之间的半导体衬底500的表面上包含第二栅极302，用于连接传输控制信号。
第四掺杂区303作为浮动扩散区(FD)，并与上透明导电层101或下透明导电层103之一连接。如图1所示，在本实施例的一个具体实现方式中，该浮动扩散区与下透明导电层103连接。可以理解，在本发明的某些其他实施方式中，浮动扩散区，即第四掺杂区303也可以与上透明导电层101连接。
光从图1的底部自下而上入射到半导体衬底500中，由第一掺杂区301和第二掺杂区301’构成的PN结中受到入射光的激发而产生光生电荷。当第二栅极302上的传输控制信号为接通时，第一掺杂区301和第二掺杂区301’构成的PN结中的光生电荷进入浮动扩散区303，因为浮动扩散区303起到电容的作用，所以光生电荷进入浮动扩散区303后使其产生电压，该电压被导出到ITO层103，从而驱动ITO层103中的相应液晶像素进行显示。当一个检测周期结束时，第二栅极302上的传输控制信号为关闭，第一栅极201上的连接复位信号为接通，从而将浮动扩散区303中的电荷清空，为下一周期的检测作准备。此后第一栅极201上的连接复位信号为关闭，结束本周期的检测。
与现有技术相比，本发明通过浮动扩散区，即第四掺杂区303的光生电压直接控制显示层中液晶材料层102的透光率进行显示，减少了外围读出电路，避免了由读出电路中的晶体管产生的噪声，以及读出电路引入的显示延迟。
同时，由于每一个传感像素所需要的面积是光电二极管的面积与相关电路的面积之和，因此相关电路的减少使得每一个像素所需要的面积也减小了，换句话说，可以在相同面积上做更多的像素，从而提高了集成度。
需要指出的是，在本发明的实施方式中，光是通过光学传感层这一侧入射的(图1中为自下而上)，而不是从显示层这一侧透过绝缘介质层400入射到光学传感层的。
浮动扩散区，即第四掺杂区303与下透明导电层连接103，布线更加方便。多个传感像素的浮动扩散区产生的信号并联后得以增强，能够直接驱动显示层中的同一个显示像素，因此可以省略放大电路，简化电路结构。使用不透明材料制成绝缘介质层400，可以避免从光学传感层透射的光对显示层显示的干扰。使用ITO作为透明导电层时，透过率最高，导电性能最好，而且容易在酸液中蚀刻出细微的图形，其中透光率达90％以上。第二掺杂区301’为P型半导体可以消除表面缺陷引起的暗电流。具体地说：
优选地，光学传感层中的多个像素区域的浮动扩散区并联后连接到下透明导电层103。例如有1024＊1024个像素区域，分为512＊512个大区域，每个大区域是2＊2个像素区域，每个大区域中2＊2个像素区域的浮动扩散区并联在一起后接入到对应的显示像素(可以是512＊512个显示像素)。
在本发明的实施方式中，优选的，如果光学传感层中有超过5个以上的传感器像素的浮动扩散区并联，信号就足够强，可以不需要放大电路。如果在5个传感器像素以下，浮动扩散区并联后，可以通过放大电路放大后，再驱动同一个显示层的显示像素。
当然，多个像素区域的浮动扩散区的并联只是优选的，并不是必须的，也可以不并联，光学传感层中的每一个像素区域都直接对应一个显示层中的显示像素。
半导体衬底500的材料可以是单晶硅，也可以是锗硅、碳化硅以及各种III-V族化合物半导体材料等，半导体衬底500的导电类型可以是N型或者P型中的任意一种。
在光学传感层每个像素区域的四周有隔离沟槽，为了获得陡直的侧壁，该形成隔离沟槽的工艺优选采用等离子体辅助刻蚀工艺；然后在沟槽中填充绝缘介质，以形成绝缘侧墙，绝缘侧墙的厚度范围是0.01μm至0.5μm。绝缘侧墙的材料选自于氧化硅、氮化硅以及氮氧化硅中的任意一种，形成上述材料的工艺可以采用气相沉积等工艺。此处叙述的为浅沟槽隔离结构，在其他的实施方式中也可以采用局部场氧化隔离结构代替。
本实施方式中，第一掺杂区301的掺杂浓度为1×1012cm-2至5×1013cm-2，第二掺杂区301’的掺杂浓度为1×1012cm-2至5×1013cm-2，并且，半导体衬底500的厚度在1μm至1mm之间。在本发明的优选实施方式中，半导体衬底500的厚度减薄到几十μm以内，最佳值是4-5μm。
此外，可以理解，在本发明的其他实施方式中，第一掺杂区301和第二掺杂区301’也可以使用其他掺杂浓度，只要第二掺杂区301’的掺杂浓度显著高于第一掺杂区301的掺杂浓度。
本发明第二实施方式涉及一种具有实时显示功能的图像传感器。图2是该图像传感器的结构示意图。
第二实施方式在第一实施方式的基础上进行了改进，主要改进之处在于：通过增加放大电路600，对浮动扩散区，即第四掺杂区303输出的光生电压进行放大，再驱动显示层，使得光学传感层中的单个像素都可以直接控制与之相连的显示层像素。具体地说：
如附图2所示，该图像传感器还包含放大电路600，连接在浮动扩散区，即第四掺杂区303与下透明导电层103之间，用于对从浮动扩散区输入的光生电压进行放大后输出到下透明导电层103。
光从图2的底部自下而上入射到半导体衬底500中，由第一掺杂区301和第二掺杂区301’构成的PN结中受到入射光的激发而产生光生电荷。当第二栅极302上的传输控制信号为接通时，第一掺杂区301和第二掺杂区301’构成的PN结中的光生电荷进入浮动扩散区303，因为浮动扩散区303起到电容的作用，所以光生电荷进入浮动扩散区303后使其产生电压，该电压被导出到放大电路600进行放大，再输出到ITO层103，从而驱动ITO层103中的相应液晶像素进行显示。当一个周期结束时，第二栅极302上的传输控制信号为关闭，第一栅极201上的连接复位信号为接通，从而将浮动扩散区303中的电荷清空，为下一周期的检测作准备。此后第一栅极201上的连接复位信号为关闭，结束本周期的检测。
本发明第三实施方式涉及一种具有实时显示功能的图像传感器的制造方法。图3是该具有实时显示功能的图像传感器的制造方法的流程示意图。该具有实时显示功能的图像传感器的制造方法包含以下步骤：
在步骤701，在由半导体材料制成的光学衬底(如图4所示)表面内以离子注入的方式形成第一导电类型的第一掺杂区301、第三掺杂区202和第四掺杂区303，其中，第四掺杂区303作为浮动扩散区。
此后进入步骤702，在第一掺杂区301的部分区域以离子注入的方式形成具有第二导电类型的第二掺杂区301’，如图5所示，并且第二掺杂区301’的掺杂密度大于第一掺杂区。步骤702后的结果如图6所示。
本实施方式中，第一导电类型是N型，第二导电类型是P型。可以理解，在本发明的其他某些实施方式中，第一导电类型可以是P型，第二导电类型是N型。
此后进入步骤703，在第三和第四掺杂区之间的半导体表面上形成用于连接复位信号的第一栅极，如图7所示。
此后进入步骤704，在第一和第四掺杂区之间的半导体表面上形成用于连接传输控制信号的第二栅极，如图7所示。
此后进入步骤705，在半导体衬底的表面形成绝缘介质层，如图8所示。
此后进入步骤706，将半导体衬底减薄到1μm至1mm之间，如图9所示。绝缘介质层是不透明的。使用不透明材料制成绝缘介质层，可以避免从光学传感层透射的光对显示层显示的干扰。
此后进入步骤707，在绝缘介质层表面依次形成下透明导电层103、液晶材料层102、上透明导电层101。上、下透明导电层由铟锡金属氧化物制成。使用ITO作为透明导电层时，透过率最高，导电性能最好，而且容易在酸液中蚀刻出细微的图形，其中透光率达90％以上。此外，可以理解，在本发明的某些其他实施方式中，也可以使用ITO之外的其他透明导电材料。
此后进入步骤708，将浮动扩散区，即第四掺杂区303与下透明导电层103连接。最后得到的结构如图1所示。
通过本方法制成的由于浮动扩散区的光生电压直接用于控制显示层中液晶材料层的透光率，因此减少了外围读出电路，避免了由读出电路中的晶体管产生的噪声，以及读出电路引入的显示延迟，实现实时显示。并且，相关电路的减少还减小了每一个传感像素所需要的面积，换句话说，可以在相同大小的半导体光学衬底表面上做更多的感光像素，从而提高了集成度。
此外，可以理解，在本发明的某些实施方式中，可以使用垫积等方式形成上、下透明导电层、液晶材料层、绝缘介质层。优选地，对光学衬底的减薄可以使用CMP(化学机械平坦化，Chemical-Mechanical Planarization)方式实现。
具体地说：
第一掺杂区离子注入的能量范围是400KeV至2000KeV，掺杂密度为1×1012cm-2至5×1013cm-2，第二掺杂区301’离子注入的能量范围是100KeV至400KeV，掺杂密度为5×1013cm-2至1×1014cm-2。
此外，可以理解，在本发明的其他实施方式中，第一和第二掺杂区301’也可以使用其他掺杂浓度，只要第二掺杂区301’的掺杂浓度显著高于第一掺杂区的掺杂浓度。并且，在本发明的优选实施方式中，半导体衬底的厚度减薄到几十μm以内，最佳值是4-5μm。
本实施方式是与第一实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
本发明第四实施方式涉及一种具有实时显示功能的图像传感器的制造方法。
第四实施方式在第三实施方式的基础上进行了改进，主要改进之处在于：通过增加放大电路，对浮动扩散区输出的光生电压进行放大，再驱动显示层，使得光学传感层中的单个像素都可以直接控制与之相连的显示层像素。具体地说：
将第三实施方式中的步骤708替换为：将浮动扩散区与放大电路输入端连接，将下透明导电层与放大电路输出端连接。
可以理解，在本发明的实施方式中，优选的，如果光学传感层中有超过5个以上的传感器像素的浮动扩散区并联，信号就足够强，可以不需要放大电路。如果在5个传感器像素一下，浮动扩散区并并联后，可以通过放大电路放大后，再驱动同一个显示层的显示像素。
本实施方式是与第二实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第二实施方式互相配合实施。第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第二实施方式中。
虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.一种具有实时显示功能的图像传感器，其特征在于，包含以绝缘介质层间隔的显示层和光学传感层；并且
所述显示层包含上、下透明导电层，以及位于所述上、下透明导电层之间的液晶材料层；
所述光学传感层包含半导体衬底，在所述半导体衬底上划分有多个像素区域，每一个所述像素区域中包含：
第一导电类型的第一、第三和第四掺杂区，并且，所述第一掺杂区中包含第二导电类型的第二掺杂区，所述第二掺杂区的掺杂浓度高于所述第一掺杂区的掺杂浓度；
在所述第三和第四掺杂区之间的半导体衬底表面上包含第一栅极，用于连接复位信号；
在所述第一和第四掺杂区之间的半导体衬底表面上包含第二栅极，用于连接传输控制信号；
所述第四掺杂区作为浮动扩散区，并与所述上、下透明导电层之一连接。
2.根据权利要求1所述的具有实时显示功能的图像传感器，其特征在于，所述浮动扩散区与所述下透明导电层连接。
3.根据权利要求2所述的具有实时显示功能的图像传感器，其特征在于，所述光学传感层中的多个像素区域的浮动扩散区并联后连接到所述下透明导电层。
4.根据权利要求2所述的具有实时显示功能的图像传感器，其特征在于，还包含放大电路，连接在所述浮动扩散区与所述下透明导电层之间，用于对从所述浮动扩散区输入的光生电压进行放大后输出到所述下透明导电层。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的具有实时显示功能的图像传感器，其特征在于，所述绝缘介质层由不透明材料制成。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的具有实时显示功能的图像传感器，其特征在于，所述上、下透明导电层为铟锡金属氧化物层。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的具有实时显示功能的图像传感器，其特征在于，所述第一导电类型是N型，所述第二导电类型是P型。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的具有实时显示功能的图像传感器，其特征在于，所述第一掺杂区的掺杂浓度为1×1012cm-2至5×1013cm-2，所述第二掺杂区的掺杂浓度为5×1013cm-2至1×1014cm-2，并且，所述半导体衬底的厚度在1μm至1mm之间。
9.一种具有实时显示功能的图像传感器的制造方法，其特征在于，包含以下步骤：
在由半导体材料制成的光学衬底表面内以离子注入的方式形成第一导电类型的第一掺杂区、第三掺杂区和第四掺杂区，其中，所述第四掺杂区作为浮动扩散区；
在所述第一掺杂区的部分区域以离子注入的方式形成具有第二导电类型的第二掺杂区，并且所述第二掺杂区的掺杂密度大于第一掺杂区；
在所述第三和第四掺杂区之间的半导体表面上形成用于连接复位信号的第一栅极；
在所述第一和第四掺杂区之间的半导体表面上形成用于连接传输控制信号的第二栅极；
在所述半导体衬底的表面形成绝缘介质层；
将所述半导体衬底减薄到1μm至1mm之间；
在所述绝缘介质层表面依次形成下透明导电层、液晶材料层、上透明导电层；
将所述浮动扩散区与所述下透明导电层连接。
10.根据权利要求9所述的具有实时显示功能的图像传感器的制造方法，其特征在于，所述第一掺杂区离子注入的能量范围是400KeV至2000KeV，掺杂密度为1×1012cm-2至5×1013cm-2，所述第二掺杂区离子注入的能量范围是100KeV至400KeV，掺杂密度为5×1013cm-2至1×1014cm-2。
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