TWI240436B - Image sensor with vertically integrated thin-film photodiodes and method of fabricating the same - Google Patents
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Description
1240436 案號 93120204 五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種影像感測器，特別是有關於一種 具有垂直結合薄膜光二極體之影像感測器。 月 曰 修正 【先前技術】 、目前應用在如數位相機的固態影像感測器有許多形 Ϊ三^荷耦合元件（Charge coupled device， CCD)影像感 ，、’J益”互補式金氧半（CM0S)影像感測器均為二維晝素陣 ΐ每：畫素包含一可將光影像轉換為電子信號的光感 川裝置，s光子撞擊陣列的光活化區域時，即產生一與入 度ί線性比例的自由電荷*，收集產生電荷的 先子並傳輸至製程的輪出電路。一般 列的形式形成陣列。 兄ι Κ糸以仃與 化=合影像感測器的方法已成為縮小 化興間早化衫像糸統重要的一環， 像感測器以及邏輯與數位_垆# ρ ^，右此成功整合影 糸統：得更便宜、簡便且具有低的電力消Lit 象感測器係將光二極體 素電極係-先-後製作在石夕測：中’光二極體與畫 光二極體與晝素電極需要額夕心向：此將5橫向結合的 件，明顯降低了面積填入因子與；面積以令納該等兀 時進行CMOS電晶體與光二極體的^解析度、。此外，若同 例如’當設計-高速CMqS電路f二’很難達到最適化’ # ^ ’我們要求使用低平板電 $ 6頁 〇5〇3-995nwl(5.〇).ptc 案號 93120204 1240436 五、發明說明（2) 阻的淺接合，然這些接合 致，另若欲增加感測器的額一極體的使用70全不 寸以維持感測器敏感度或減小=能，須利用如增加畫素尺 素尺寸的作法，然若利用ί ^ =二極體佔用面積以維持晝 感測器的解析度將下降，^口思素尺寸來維持敏感度，則 積來維持晝素尺寸，勢必減少光二極體佔用面 在橫向結合的CMOS影以”測器的敏感度。 ί二提高電路密度時，影像感測器的光敏 為先線散射、低填入因子（光價測器面積與書素 则〇的不同介而、^同折射率、η值與使用在 近來，垂直結合的薄膜光_ $ 的光敏感度。 極體已被用來提升感測器 美國專利第6, 288, 435號係蚪认a s $ 教導利用較寬的Ν型非晶矽層封合金屬 々凊形，以及 晶矽的背後接觸以降低垂直漏電流的方法。3、利用摻二雜多 合金屬導線的技術，須增加額外光罩 r、、；而刖者封 非晶石夕層’而後者的㈣，則會增加？1^\此較寬的N型 間的電阻。此外，，晝素尺寸縮二P，IN二件，資料線之 内連線結構是必要的，以便整合各種 夕層金屬層的 上。 仵、電路於一晶片 美國專利第6，0 1 8，1 8 7號係揭露連接_ ” 接觸PIN光二極體的透明導電層的導蝮 了扁壓電路與一 琛不疋一種可靠的連
0503-9951TWFl(5.0).ptc 1240436 ^ 93120204 年月 日 修正 五、發明說明（3) " ' 土。構遂教導一種具有位於晝素感測器與基底之間的可 二i内，線結構的p I N二極體主動畫素感測器，其透明導 技層係藉由一導電插栓以及一連接墊與基底產生電性連 另内層金屬層亦可隨意形成於每一畫素電極與導電插 二之間以降低電阻獲得較佳的電流收集率。然而，若利用 广成内層金屬層來降低p丨N元件與内連線之間的電阻，則 必須增加額外的製程步驟。 因此’本發明係有關於垂直結合光二極體與CMOS電路 、整合，以期具有光罩數量少與低製作成本的優點。 【發明内容】 一 π本發明係提供一具有垂直結合薄膜光二極體之影像顯 =裔，其中連接透明導線與底墊之連接開口係與光二極 開口同時形成。 _本發明亦提供一具有一 ρ I Ν薄膜光二極體之影像顯示 =，其中該PIN薄膜光二極體係由一自我對準以及一 製程製作。 蛾甘入 本發明亦提供一於薄膜光二極體與畫素電極之間具有 低電阻之影像感測器，以在不須額外步驟之情形下， 較佳電流收集率。 本發明亦提供一於不須額 電流之影像感測器。 本發明提供之影像感測器 之薄膜光二極體之下摻雜層， 外步驟情形下具有低垂直漏 係包括一包埋於一介電層中 其中该下推雜層之下表面係
0503-9951TWFl(5.0).ptc 第8頁 1240436 五、發明說^ a 完全接觸於與其相 雜層係由_自我馬之旦素電極。PIN光二極體之下摻 下方之晝素電極不ίί:;:製程製作，·薄膜光二極體 PI N光二極體與一、雨曰、路出本徵層。此外，透明電極係連接 為一上金屬' 底墊之外部底電壓，而該底塾係 、荀巧之一部分。 因此，提供一呈古 器。包括：一美’、广/、有垂直結合薄膜光二極體之影像感測 内連線結槿你土七& 内連線結構，鄰近該基底，其中該 膜光二‘體之^二士金屬層，該上金屬層包含複數個薄 -介電屬塾以及-作為底塾之第二金屬塾； 鱼一第二旻數個設置於該内連線結構上之第一開口 ;上開口；複數個下摻雜層，具有-第-導電型，分 -開…其中每-下掺雜層接觸相對； 一*Μ屬墊且無延伸超過該相對應第一金屬墊之表面； :士徵層’設置於至少-下摻雜層與該介電層_L ; 一上摻 雜層，具有一第二導電型，設置於該本徵層上；以及一透 明電極，設置於該上摻雜層上並通過該介電層中之該第二 開口接觸該第二金屬塾。 本發明亦提供另一影像感測器結構。包括：一用以設 置衫像感測器之基底’具有一底塾區、一晝素陣列區以及 一ASIC電路區；一内連線結構，鄰近該基底，其中該内連 線結構係包括上金屬層，該上金屬層包含複數個位於書素 陣列區中之晝素電極、一位於底墊區中之底墊以及一位^ AS 1C電路區中之電路墊；一介電層，具有複數個設置於該 内連線結構上之第一開口與一第二開口，其中每一第一開
0503-9951TWFl(5.0).ptc 第9頁 1240436 Λ__Ά. 曰 複數個下摻雜層， 一開口中，其中每 本徵層，設置於至 _案號 93]2fl?fM 五、發明說明（5) Ζ之底部係為相對應畫素電極之表面 二有一第一導電型，分別設置於該等 1下摻雜層接觸相對應之晝素電極； 下摻雜層與該介電層上；一上摻雜層，· 上i雜==徵層…及-光穿透電極，設ΐ;; 屬墊。 ；丨罨層中之該弟二開口接觸該第二金 極體根器’薄膜光二極體係為PIN光二 或兩者ίΐ導電型與該第二導電型係分別型與P型 程製：成雜層係由自我對準與謂 後，全面二ί = 層f在介電層中形成開口之 層上並填入該第一與第二二；：：型J:::於該介電 :於該摻雜該第-導電型之摻雜層= ;材 至露Π 塗佈材料與該摻雜該第-導電型之摻雜層 =二；2:=形成一平坦化表面；*定義與形 下文2 …目的、特徵和優點能更明顯易懂， ;文特舉-較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如
1240436 ---塞I虎93120204 车月曰 鉻不_' 五、發明說明（6) " 【實施方式】 實施例 第1 A〜1H圖係為形成一具有垂直接合pIN薄膜光二極體 之影像感測器之剖面示意圖。圖中的區域I係為底墊區、 區域11係為晝素陣列區，而區域丨丨I係為特定應用積體電 路區（Application Specific Integrated Circuit， ASIC)。 如第1A圖所示，提供一具有一内連線結構12的基底 1 0 ’且内連線結構1 2上形成有一上金屬層1 4。形成内連線 結構1 2的方法係為製作積體電路的習知技藝，遂不在此贅 述。上金屬層14可為銅鋁合金，其具有包括如畫素電極 14a、底墊14b與ASIC墊14c等元件。 如第1B圖所示’形成一介電層ΐβ於内連線結構I?與上 金屬層14上且在介電層16中形成複數個開口18並露出上金 屬層14部分表面。上金屬層η上表面至介電層16上表面之 間的介電層厚度大體為1 〇 〇 〇〜1 〇 〇 〇 〇埃。在畫素陣列區丨丨中 的每一開口 18係定義為每一pin元件與其相對應晝素電極 1 4 a的接觸區，畫素陣列區11中每一開口 1 8的尺寸較佳為 〇· 5微米*〇· 5微米〜20微米*20微米。而底墊區I中的每一開 口 18係定義為未來形成的透明導電層與底塾wb的接觸 區〇 如第1C圖所示，藉由例如p E C V D全面性地形成一 n型換 雜的非晶矽層20於介電層1 6上與開口 1 8的側壁及底部並^ 上金屬層14接觸。N型摻雜非晶矽層20的厚度大體為 ’、
0503-9951TWl(5.0).ptc 第11頁 1240436 案號 93120204
五、發明說明（7) 100〜1000埃。覆盡一有機塗佈材料22於N型接雜的非曰碎 層20上並形成一平坦的上表面。有機塗佈材料22的厚度大 體為5 0 0〜8 0 0 0埃，有機塗佈材料2 2可為聚合物、光阻或例 如為聚乙醯胺的樹脂。 / 如第1D圖所示，回蝕刻有機塗佈材料22與^^型摻雜非 晶石夕層20至露出介電層16上表面為止。此處係以乾钱刻或 離子轟擊回钱刻有機塗佈材料22，其中乾蝕刻的蝕刻氣體 可為氯氣或氧氣，而離子轟擊的壓力係為5〜5〇〇毫托，功 率係為25〜250毫瓦。此時，開口18係被全面性沉積的N = 摻雜非晶矽層20與有機塗佈材料22填滿，且介電層16、N 型摻雜非晶矽層20與有機塗佈材料22形成一平坦^的共同 平面。在畫素陣列區II中的每一PIN元件，其N型摻雜^二 矽層2 0係藉由各畫素予以定義。 乂 ’ θθ 如第1Ε圖所示，藉由例如濕蝕刻移除有機塗佈材料“ 以露出全面性沉積的Ν型摻雜非晶矽層2 〇。沉積一厚度 5 0 0 0〜3 0 0 0 0埃的本徵層24於全面性沉積的ν型摻雜=^發 層20與介電層16上。沉積一厚度為100〜1〇〇〇埃的ρ型^ 非晶矽層26於本徵層24上。 少” 如第1F圖所示，圖案化本徵層24與ρ型摻雜非晶矽層 26以定義畫素陣列區丨丨，而在定義本徵層24與？型摻雜/ 晶矽層26後，即移除畫素陣列區π外部份全面性沉積、 型摻雜非晶砍層20 ,遂露出底塾區I中的開口 Μ。、 如第1 G圖所示，沉積一例如為銦錫氧化層28的透明 電層於Ρ型摻雜非晶矽層26與介電層上並填入底墊區j的開
1240436 五、發明說明（8) 口 18。銦錫氧化層28的厚度大體為500〜8000埃。續圖案化 姻錫氧化層28以形成一底墊區I中穿過開口 ι8與底墊i4b接 觸的電極。 如第1 Η圖所示，覆蓋一例如為氧化層3 〇與氮化層32堆 疊的純態保護層34於銦錫氧化層28與介電層1 6上。在鈍態
保護層34與介電層ι6中形成一連接開口36以露出底墊區I 與ASIC區III中上金屬層14的表面，即是底墊145與“1(：墊 14c ° 本貫施例的薄膜光二極體係為N型摻雜非晶矽層2 〇、 本徵層2^4與P型摻雜非晶石夕層2 6所構成的堆疊層，結構相 t的，】堆办宜例如2〇為？型播雜非晶石夕層、24為本徵層以及26 為N 5L 4雜非晶矽層，亦為可實施性。 本κ施例薄膜光一極體的製作係透一 晝Λ電極精準接觸且每-薄膜光』體= 膜/觸區並沒有超出對應晝素電極的上表 面因此’ 4膜光二極體與畫素 使在不須額外層別或製程的愔形τ幻电丨且s降低， 率。 又表缸的匱形T，得到較佳電流收集 透光的透明導電電極可在不須額 接通過薄膜光二極體自我It 卓的If形下，直 觸。 我對準製程形成的該口與底墊接 由於PIN元件下的摻雜非晶 製程所形成，亦即薄膜光二 B係由自我對準與鑲嵌 金屬層並在介電層中形成&口，^形成於覆蓋介電層於上 後，遂每一薄膜光二極體 0503-9951TWFl(5.0).ptc 第13頁 1240436 _案號93120204_年月曰 修正_ 五、發明說明（9) 下方的晝素電極並不會露出本徵層，而大幅降低垂直漏電 流。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 限定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精 神和範圍内，當可作更動與潤飾，因此本發明之保護範圍 當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
0503-9951TWFl(5.0).ptc 第14頁 1240436 曰 i 號 931?ί]9Π/ί 圖式簡單說明 【圖示簡單說明】 且内 連線顯示提供-具有-内連線結構之基底 連線，構上形成有一上金屬層。 再I丞底 第1Β圖係顯示形成一介電 上且在介電層中形成複數個開上上金屬層 面。 卫路出上金屬層部分表 第1 c圖係顯示全面性地形成一 Ν 介電層上與開口的側壁及底部並與上金屬/接非觸曰曰石夕層於 第a圖係顯示回蝕刻有機涂；l f層接觸。 層至^出介電層上表面為止。 r /、N型摻雜非晶矽 義畫= Ξ = 層與^捧雜非晶石夕層以定 後，即移除晝素陣列區丨丨外部 i 4雜非日日矽層 晶石夕層’遂露出底塾區ί中的開口王。面性沉積的_換雜非 與介一摻雜非-層 層於r明層與氮化層堆疊的純態保護 層於化層與氮化層堆疊祕保護 12〜内連線結構 14a〜晝素電極； 主要元件符號說明 10〜基底； 14〜上金屬層； 0503-9951TWFl(5.0).ptc 第15頁 1240436 案號93120204 年月日 修正 圖式簡單說明 14b〜底墊； 16〜介電層； 2 0〜非晶矽層； 2 4〜本徵層； 28〜銦錫氧化層； 3 2〜氮化層； I〜底墊區； III 〜ASIC 區。 14c〜ASIC 墊； 18、36 〜開口； 22〜有機塗佈材料； 2 6〜P型摻雜非晶矽層； 3 0〜氧化層； 3 4〜純態保護層； I I〜晝素陣列區；
0503-9951TWFl(5.0).ptc 第16頁
Claims (1)
1240436
有垂直結合薄膜光二極體之影像感測器，包 一基底； .一内連線 括一上金屬層 一金屬墊以及 介電層 開口與〜第一 等第 複數個下 開 中 墊且無延伸超 本徵層 上摻雜 上；以及 結；，鄰；該基底’其中該内連線結構係包 ，忒上金屬層包含複數個薄臈光二極體之 一作為底墊之第二金屬墊； ’具有複數個設置於該内連線結構上之第一 開口； 摻雜層，具有一第一導電型，分別設置於該 其中母一下換雜層接觸相對應之第一金屬 過該相對應第一金屬墊之表面； ’設置於至少一下摻雜層與該介電層上； 層，具有一第二導電型，設置於該本徵層 μ透明電極’設置於該上摻雜層上並通過該介電層中 之該第-pq , 布一開口接觸該第二金屬墊。 _ 2·如申請專利範圍第1項所述之具有垂直結合薄膜光 一極體之影像感測器，其中該薄膜光二極體係為P I N光二 極體。 3 ·如申睛專利範圍第1項所述之具有垂直結合薄膜光 一極體之影像感測器，更包括一鈍態保護層，覆蓋該透明 電極與該介電層。 4·如申請專利範圍第3項所述之具有垂直結合薄膜光 二極體之影像感測器，更包括/連接開口，通過該鈍態保 1 S I 1 ! S I I 11 0503-9951TWFl(5.0).ptc 第17頁 1240436 _ 案號 93120204 六、申請專利範圍 護層與該介 5·如申 二極體之影 0 · 5微米* 0 · 6 ·如申 二極體之影 於相對應之 7· —種 電層至該 請專利範 像感測器 5微米〜2 0 請專利範 像感測器 第一開口 具有垂直 括： 一基底，具有 路區； 一内連線結構， 該上金 ‘位於底 括上金屬層 晝素電極、 中之電路墊 一介電 開口與一第 晝素電極之 複數個 等第一開口 極 上 一本徵 一上摻 以及 層，具有 —開口 ， 表面； 下摻雜層 中，其中 層，設置 雜層，具 第二金屬塾。 圍第1項所述之具有垂直結合薄膜光 ，其中每一第一開口之尺寸大體介於 微米*20微米。 ' 圍第1項所述之具有垂直結合薄膜光 ’其中母一下推雜層係全面性地沉積 中 。 結合薄膜光二極體之影像感測器，包 底墊區、一畫素陣列區以及一ASIC電 鄰近該基底’其中該内連線結構係包 屬層包含複數個位於畫素陣列區中之 墊區中之底墊以及一位於As丨C電路區 複數個設置於該内連線結構上之第一 其中每一第一開口之底部係為相對應 丄具有一第一導電型，分別設置於該 每一下摻雜層接觸相對應之畫素電 於至少一下摻雜層與該介電層上； 有一第二導電型，設置於該本徵層
0503-9951TOl(5.0).ptc 第18頁 1240436 _案號 六、申請專利範圍 93120204
一光穿透電極，設置於該上摻雜層上並通過該介電層 中之該第二開口接觸該第二金屬墊。 8·如申請專利範圍第7項所述之具有垂直結合薄膜光 二極體之影像感測器，其中該薄膜光二極體係為piN光二 極體。 、， 9·如申請專利範圍第7項所述之具有垂直結合薄膜光 二極體之影像感測器，更包括/鈍態保護層，覆蓋該透明 電極與該介電層。 I 0 ·如申請專利範圍第9項所述之具有垂直結合薄膜光 二極體之影像感測器，更包括/第一連接開口，通過該鈍 態保護層與該介電層至該底墊，以及一第二連接開口，通 過該純態保護層與該介電層至該電路墊。 II ·如申請專利範圍第7項所述之具有垂直結合薄膜光 二極體之影像感測器，其中每/第一開口之尺寸大體介於 0.5微米*0.5微米〜2〇微米)fc2〇微米。 1 2.如申請專利範圍第7項所述之具有垂直結合薄膜光 二極體之影像感測器，其中每/下摻雜層係全面性地沉積 於相對應之第一開口中。 1 3 · —種具有垂直結合薄膜光二極體之影像感測器之 製造方法，包括： 提供一基底； 形成一鄰近該基底之内連線結構，其中該内連線結構 係包括一上金屬層，該上金屬詹包含複數個薄膜光二極體 之第一金屬墊以及一作為底墊之第二金屬墊；
〇503-99511Wl(5.0).ptc 第19頁 1240436 ^^-^3120204
申請專利範圍 形成一介電層於該内連線結構上. 形成複數個第一開口盘一第_ μ 形成複數個具有一望：：道f —開口於該介電層中，· 開口與該第二開口中，其中备二型之下摻雜層於該等第一 -金屬墊f無延伸超過該相對應應之第 形成一由一本徵層與一具有—:义， 所構成之堆疊層，覆蓋於至少一下之上摻雜層 移除該第二開口中之下摻雜層介電層上； 透::電極，㉟置於該上摻雜層上並通過該介電 層中之該第一開口接觸該第二金屬墊。 电 > 14.如申請專利範圍第13項所述之具有垂直結合薄膜 光二極體之影像感測器之製造方法，其中形成下摻雜層之 方法包括： 全面性地形成一摻雜該第一導電型之摻雜層於該介電 層上並填入該第一與第二開口； 覆蓋一有機塗佈材料於該換雜該第一導電型之摻雜層 上並形成一平坦化表面； ’ 移除該有機塗佈材料與該摻雜該第一導電型之換雜層 至露出該介電層之上表面為止，其中該介電層與該有機塗 佈材料以及填入該第一與第二開口中之該摻雜該第一導電 型之摻雜層之上表面共同形成一平坦化表面；以及 移除殘餘之該有機塗佈材料。 1 5 ·如申請專利範圍第1 4項所述之具有垂直結合薄膜 光二極體之影像感測器之製造方法’其中移除該有機塗佈
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材料與遠換雜該第一導電型之摻雜層至露出該介電層上 面之方法係為回蝕刻。 1 6 ·如申請專利範圍第1 3項所述之具有垂直結合薄膜 極體之影像感測器之製造方法，其中形成該由該本徵 :該上摻雜層所構成之堆疊層並覆蓋於至少一下摻雜声 一該介電層上之方法，包括： 曰 形成一本徵材料層於該下摻雜層與該介電層上·， 形成一第二導電型材料層於該本徵材料層上；以及 圖案化該第二導電型材料層與該本徵材料層以形成一 疊J本徵層與該具有該第二導電型之上摻雜層所構成之堆 種具有垂直結合薄膜光二極體之影像感測器之 製造方法，包括： 具有一底墊區、一畫素陣列區以及一 ASIC電路 b之暴底； 包括：ϊ ϋ連ί結構鄰近該基底’㊣中該内連線結構係 之ί音i: 金屬層包含複數個位於晝素陣列區中 之旦素電極、一位於底墊區中之底墊以 區中之電路墊； 狐孓mu電路 形成一介電層於該内連線結構上； 形成複數個第—B B _ <}. ^ — BB 中备U弟^ 口與1一開口於該介電層中，其 汗口之底部係為相對應晝素電極之表面. 形成複數個具有-第-導電型之下掺雜層2等第 開口中，其中每一下摻雜層接觸相對應之晝
0503-9951TWFl(5.0).ptc 第21頁 1240436 , ~^ 案號 93120204_年月 r --- 六、申請專利範圍 素電極； 形成一由^一本徵層與^一具有一第二導電趣上換雜層所 構成之堆疊層並覆蓋於至少一下摻雜層與該介電層上’ 移除該第二開口中之該下摻雜層；以及 形成一光穿透電極於該上摻雜層上並通適該介電層中 之該第二開口接觸該第二金屬墊。 ^ 1 8 ·如申請專利範圍第1 7項所述之具有费直結合薄膜 光二極體之影像感測器之製造方法，其中形成下換雜層之 方法包括： 全面性地形成一摻雜該第一導電型之摻雜層於該介電 層上並填入該第一與第二開口； 、覆蓋一有機塗佈材料於該摻雜該第一導電型之摻雜層 上並形成一平坦化表面； 移除該有機塗佈材料與該摻雜該第一導電型之摻雜層 至露出該介電層之上表面為止，其中該介電層與該有機塗 佈材料以及填入該第一與第二開口中之該摻雜該第一導電 型之摻雜層之上表面共同形成一平坦化表面；以及 移除殘餘之該有機塗佈材料。 “ 1 9 ·如申請專利範圍第1 8項所述之具有垂直結合薄膜 光二極體之影像感測器之製造方法，其中移除該有機塗佈 材料與該摻雜該第一導電型之摻雜層至露出該介電層上表 面之方法係為回蝕刻。 2 0 ·如申請專利範圍第1 7項所述之具有垂直結合薄膜 光二極體之影像感測器之製造方法，其中形成該由該本徵
0503-9951TWFl(5.0).ptc 第22頁 1240436
曰 修正
Τί:上摻雜層所構成之堆疊層並覆蓋於至少-下摻雜； 與該介電層上之方法，包括： #層 形成一本徵材料層於該下摻雜層與該介電層上； 形成一第二導電型材料層於該本徵材料層上；以及 圖案化該第二導電型材料層與該本徵材料層以形成一 由該本徵層與該具有該第二導電型之上摻雜層所構成之堆 疊層。
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