專利名稱：圖像傳感器及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及傳感器，特別涉及圖像傳感器及其制造方法。
背景技術：
圖像傳感器是一種將光學圖像轉換為電信號的半導體器件。圖像傳感器
可大體分類為電荷耦合器件(CCD)或互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖 像傳感器(CIS)。
CIS包括在單元像素中的光電二極管和MOS晶體管。CIS順次以切換方 式檢測單元像素的電信號以實現(xiàn)圖像。
典型的CIS包括對應于每個單元像素水平地設置于半導體襯底上的光電 二極管區(qū)和晶體管。在光電二極管區(qū)中光信號被轉換為電信號，而晶體管處 理電信號。
這種典型的CIS的光電二極管在襯底上水平鄰接于晶體管。因此，要求 對于每個單元像素，襯底有附加部分用于形成光電二極管區(qū)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的實施例提供了一種圖像傳感器及制造圖像傳感器的方法，其中 晶體管電路和光電二極管可垂直整合。
在一個實施例中，圖像傳感器包括下電極，位于連接到在半導體襯底 上的CMOS電路的金屬互連結構上，金屬互連結構形成為穿過層間電介質； 本征層，位于層間電介質和下電極上；自對準硅化物層，位于本征層上；導 電類型傳導層，位于所述自對準硅化物層上；以及上電極，位于導電類型傳 導層上。在進一步的實施例中，本征層可具有凸起形的頂表面部分。
在另一個實施例中，制造圖像傳感器的方法包括在半導體襯底上形成 晶體管電路；在半導體襯底上形成層間電介質和金屬互連結構，金屬互連結 構連接到晶體管電路；在金屬互連結構上形成下電極；在層間電介質和下電
極上形成本征層；在本征層上形成自對準硅化物層；在自對準硅化物層上形 成導電類型傳導層；以及在導電類型傳導層上形成上電極。
以下將以附圖及文字描述來給出一個或多個實施例的細節(jié)。根據文字描 述和附圖，及根據權利要求，其他特征將是明顯的。


圖1到圖IO為剖視圖，示出了根據本發(fā)明實施例制造圖像傳感器的工藝。
具體實施例方式
以下，將參考附圖詳細描述圖像傳感器及其制造方法。
當本說明書在涉及層、區(qū)域、圖案或結構的時候使用術語"上"或"上 方"時，應該理解的是上述的層、區(qū)域、圖案或結構可直接位于另一個層或 結構上，或者也可出現(xiàn)位于中間的層、區(qū)域、圖案或結構。當本說明書在涉 及層、區(qū)域、圖案或結構的時候使用術語"下"或"下方"時，應該理解的 是上述的層、區(qū)域、圖案或結構可直接位于另一個層或結構下，或者也可出 現(xiàn)位于中間的層、區(qū)域、圖案或結構。
圖IO是根據本發(fā)明實施例的圖像傳感器的剖視圖。
參考圖10，半導體襯底10可設置有互補金屬氧化物半導體(CMOS) 電路(以晶體管ll表示)。
可對應于每個單元像素設置CMOS電路。在一個實施例中，CMOS電路 可以是四晶體管型(4-Tr型)的電路。例如，4-Tr型電路包括轉移晶體管、 復位晶體管、驅動晶體管、和選擇晶體管。轉移晶體管連接到光電二極管， 以將接收到的光電荷轉換為電信號。根據一個實施例，晶體管11可以是轉移 晶體管，而轉移晶體管的源極區(qū)可通過金屬互連結構而電連接到設置在 CMOS電路上方的光電二極管，如圖10所示。當然也可采用其他CMOS電 路設計，例如，3-Tr型和5-Tr型電路。
層間電介質20包括金屬互連結構31和焊盤32，設置在半導體襯底10 上。層間電介質20可包括多個層，且金屬互連結構31可設置成多個。某些 金屬互連結構31可用于將光電二極管電連接到CMOS電路。
下電極41可設置在金屬互連結構31的頂表面上。在某些實施例中，下 電極41可由如鉻(Cr)、鈦(Ti)、鈦鎢(TiW)、和鉭(Ta)等金屬形成。 下電極41可設置在金屬互連結構31和層間電介質20上，以覆蓋金屬互
連結構31。下電極41可設置在提供給每個單元像素的金屬互連結構31的上
側。每個單元像素的下電極41可相互之間隔開。
光電二極管80可設置在層間電介質20和下電極41上。
光電二極管80可包括本征層50和導電類型的傳導層70。在一個實施例
中，本征層50可包括本征非晶硅層，而導電類型傳導層70可包括p型非晶硅層。
根據某些實施例，本征層50可具有處于約2000A到約20000A的范圍內 的厚度，而導電類型傳導層70可具有處于約50A到約500A的范圍內的厚度。
本征層50在本征層50的表面處可包括凸起形的聚光部分51 。相應地， 設置在本征層50上的導電類型傳導層70也可具有符合聚光部分51的形狀的 半球形。
所以，光電二極管80的表面可具有凸起形狀，類似于微透鏡的形狀，以 提高光電二極管80的聚光效率。
可在本征層50與導電類型傳導層70之間設置自對準硅化物層65。在一 個特定實施例中，自對準硅化物層65可由Cr或鉬(Mo)形成。在一個特定 實施例中，自對準硅化物層65可具有處于約50A到約500A的范圍內的厚度。
自對準硅化物層65可設置在本征層50上，以除去本征層50中產生的懸鍵。
在進一步的實施例中，上電極90可設置在光電二極管80上。 上電極90可包括具有優(yōu)良的光透射比和高電導率的透明電極。例如，上
電極90可由銦錫氧化物(ITO)、鎘錫氧化物(CTO)或鋅氧化物(Zn02)形成。
如上所述，CMOS電路(以晶體管ll表示)和光電二極管80可垂直整 合，以增加圖像傳感器的占空系數(shù)(fill factor)。
另外，光電二極管80的表面可具有凸起形狀，類似于微透鏡的形狀，以 提高圖像傳感器的聚光效率。
以下將參考附圖描述根據一個實施例的制造圖像傳感器的方法。
參考圖1，包括金屬互連結構31的層間電介質20可形成于包括CMOS
電路(以晶體管ll表示)的半導體襯底10上。
雖然圖中未示，可在半導體襯底10內形成半導體絕緣層，用以限定有源
極區(qū)和場區(qū)。
CMOS電路11可形成于形成于有源極區(qū)中的單元像素內。在一個采用 4-Tr型電路的實施例中，CMOS電路可包括轉移晶體管、復位晶體管、驅動 晶體管、和選擇晶體管。轉移晶體管連接到形成于CMOS電路之上的光電二 極管，用以將所接收到的光電荷轉換為電信號。
層間電介質20和金屬互連結構31形成于包括CMOS電路的半導體襯底 10上，用以根據任何合適的設計連接CMOS電路到電源線和信號線。
層間電介質20可包括多個層。根據許多實施例，層間電介質20可包括 氧化物層。
金屬互連結構31穿過層間電介質20并可形成為多個。在一個實施例中， 金屬互連結構31可由一個或多個包括金屬、合金或自對準硅化物的導電材料 形成。在一個特定實施例中，金屬互連結構31可包括鋁(Al)、銅(Cu)、 鈷(Co)或鴿(W)。
當形成金屬互連結構31時，也可形成焊盤32。在一個實施例中，金屬 互連結構31包括最后的導孔(via)。用于形成層間電介質20、金屬互連結 構31、和焊盤32的方法和層包括任何合適的本領域己知的方法和層。
參考圖2和圖3，下電極41可形成于包括金屬互連結構31的層間電介 質20上。
為了在對應于每個單元像素形成的金屬互連結構31上形成下電極41， 可在層間電介質20上形成、且隨后通過光刻和蝕刻工藝來圖案化金屬層40。 金屬層40例如可以是諸如Cr、 Ti、 TiW或Ta這樣的金屬。在一個特定實施 例中，金屬層40可以是鉻(Cr)層。
可對應于每個單元像素形成金屬互連結構31和下電極41，以將CMOS 電路11連接到光電二極管80,這將在下面描述。
因為金屬互連結構31和下電極41是對應于每個單元像素形成的，所以 可對應于每個單元像素將光電二極管80電圖案化(electrically patterned)。 即，光電二極管80不需要對應于每個單元像素單獨隔離，而是可根據圖案化 的下電極41有效地用于每個單元像素。
光電二極管80可形成于包括金屬互連結構31和下電極41的層間電介質 20上，使得光電二極管80電連接到每個金屬互連結構31。
形成于層間電介質20上的光電二極管80接收從外部入射的光，以將該 入射光電轉換(electrically convert)為電信號并儲存所轉換的電信號。
光電二極管的性能取決于其將入射光轉換為電荷的效率及其電荷容量。 典型的光電二極管產生并在耗盡區(qū)內儲存電荷，耗盡區(qū)是由以P-N結、N-P 結、N-P-N結或P-N-P結的形式提供的結區(qū)產生的。
相反，IP (或PIN) 二極管利用了其疊置結構，其中本征層夾設于p型 非晶硅層與金屬(或n型非晶硅層)之間，以提供耗盡區(qū)。形成于p型非晶 硅層與金屬(或n型非晶硅層)之間的整個本征非晶硅層是耗盡區(qū)。因此， 可有利地產生和儲存電荷。
根據本發(fā)明的實施例，可將PIN二極管用作光電二極管。PIN二極管可 具有諸如p小N或N-I-P這樣的結構。PIN 二極管結構也可采用I-P結構。
以下將參考附圖描述具有I-P結構的PIN 二極管。本征層可以是本征非 晶硅層，而導電類型傳導層可以是p型非晶硅層。但是，實施例不限于此。
參考圖4，可在層間電介質20上形成本征層50。本征層50可供作IP 二 極管的I層。
在一個實施例中，可在形成本征層50之前形成n型導電類型的傳導層， 以提供N-I-P 二極管結構。n型導電類型傳導層可根據本領域任何適合的方 法形成。
如上所述，本征層50可由本征非晶硅形成。本征層50可采用化學蒸汽 沉積(CVD)法例如等離子增強型化學蒸汽沉積(PECVD)來形成。例如， 本征層50可通過執(zhí)行采用硅烷(SiH4)氣的PECVD，由本征非晶硅來形成。
這里，本征層50的厚度可比導電類型傳導層70的厚度高約十倍到約一 千倍。本征層50形成得厚是因為PIN 二極管的耗盡區(qū)隨著本征層50的厚度 增加而增加。因此，可有利地產生和儲存許多光電子。在某些實施例中，本 征層50可具有的厚度在約2000A與約20000A之間。
然后，在一個實施例中，可在本征層50上形成光致抗蝕劑圖案100。
光致抗蝕劑圖案100可通過在本征層50上覆蓋光致抗蝕劑層并根據每個 單元像素來圖案化該光致抗蝕劑而形成。光致抗蝕劑圖案IOO可通過執(zhí)行回
流工藝而形成為具有半球形狀。
參考圖5，可通過采用光致抗蝕劑圖案100作為蝕刻掩模來蝕刻本征層 50，而在本征層50的表面上形成凸起形的聚光部分51。
因為半球形的聚光部分51形成于本征層50的表面上，形成于本征層50 上的導電類型傳導層70和上電極90也可具有凸起或者說半球形狀。
每個單元像素的具有凸起半球形狀的聚光部分51可形成于本征層50上， 以協(xié)助聚集入射到光電二極管上的光。聚光部分51所聚集的光被轉換為電 子，而轉換出的電子通過下電極41和金屬互連結構31傳送給CMOS電路 11。因為入射到光電二極管上的光被聚光部分51聚集，所以可防止光在兩個 鄰接的下電極41之間穿過。因此，可防止發(fā)生串擾和噪聲。
可執(zhí)行干蝕刻或濕蝕刻工藝以在本征層50的表面上形成聚光部分51。 但是，當蝕刻本征層50時，形成本征層50的材料的表面鍵(surface bond) 可能因蝕刻工藝而受損。即，蝕刻工藝可產生懸鍵。
懸鍵產生了這樣一種狀態(tài)其中電荷可因熱力情況而輕易產生^"甚至 沒有輸入入射光。這樣，如果存在多個懸鍵，就會發(fā)生暗電流。因此，圖像 傳感器就通過表現(xiàn)得似乎甚至在沒有任何光的黑暗狀態(tài)下都有入射光的輸 入，而顯示出不正常狀態(tài)。通過在本征層50上形成自對準硅化物層65，就 能夠防止懸鍵和暗電流的缺陷。
參考圖6，可在本征層50上沉積用于形成自對準硅化物層的金屬層60。 在某些實施例中，金屬層60可采用物理蒸汽沉積(PVD)法，由Cr或Mo 來形成。在一個特定實施例中，金屬層60由Cr形成。
參考圖7和圖8，可執(zhí)行熱處理工藝以將形成于本征層50上的金屬層自 對準硅化(salicide)。例如，可在從約200°C到約400°C的溫度執(zhí)行熱處理 工藝。
與本征層50的表面接觸的金屬層60通過熱處理工藝而被自對準硅化， 從而形成自對準硅化物層65。在一個實施例中，自對準硅化物層65可具有 處于約50A到約500A的范圍內的厚度。
因為自對準硅化物層65具有相對薄的、范圍在從約50A到約500A的厚 度，自對準硅化物層65對于從該層穿過而入射到本征層50的光不具有負面 效應。
在自對準硅化物層65的形成過程中，金屬層60變成自對準硅化物，從 而除去了本征層50 (本征層50設置在下面)的表面的懸鍵。
可通過形成自對準硅化物層65來除去產生于本征層50上的懸鍵，以防 止圖像傳感器產生暗電流。
因為本征層50具有半球形的表面，自對準硅化物層65也可具有半球形 或凸起形結構。這樣，可進一步聚集通過自對準硅化物層65入射到本征層 50上的光，以提高聚光效率。
此后，可除去未與本征層50起反應的殘存金屬材料。在一個實施例中， 可采用硝酸鈰銨鹽(eerie ammonium nitrate, (NH4)2Ce(N03) (CAN))來除去在 本征層50上的自對準硅化物層65上的殘存的金屬層60。
參考圖9，可在包括本征層50的半導體襯底10上形成導電類型傳導層70。
根據一個實施例，導電類型傳導層70可供作IP二極管的P層。即，導 電類型傳導層70可包括但不限于p型導電類型的傳導層。
在一個實施例中，導電類型傳導層70可以是p摻雜非晶硅。 導電類型傳導層70可采用CVD法如PECVD來形成。例如，可采用混 合BH3或B2H6的SiH4氣體，通過PECVD，由p摻雜非晶硅形成導電類型傳 導層70。在一個實施例中，導電類型傳導層70可具有處于約50A到約500A 范圍內的厚度。
導電類型傳導層70可具有符合本征層50的形狀的半球類型的形狀，這 是因為導電類型傳導層70是以薄的厚度形成在本征層50和自對準硅化物層 65上的。
包括本征層50和導電類型傳導層70的光電二極管80與CMOS電路11 是垂直整合的。因此，光電二極管80的占空系數(shù)可增加到幾乎100%。
參考圖IO，可在光電二極管80形成上上電極90。
上電極90可包括具有優(yōu)良的光透射比和高電導率的透明電極。例如，上 電極90可由ITO、 CTO或Zn02形成。
雖然圖中未示，可另外在上電極90上形成濾色鏡和微透鏡。
根據一個實施例，因為光電二極管80形成于半導體襯底10之上，CMOS 電路11和光電二極管80可垂直整合，因而增加占空系數(shù)到幾乎100%。
光電二極管80和上電極90可具有類似于微透鏡的凸起形狀，以高效聚 集入射光，從而防止串擾和噪聲。
自對準硅化物層65可形成于光電二極管80的本征層50上，以除去在本 征層50的蝕刻過程中形成的懸鍵，從而改進圖像傳感器的圖像特性。
在本說明書中對"一個實施例""一實施例""示例性實施例"等等的 任何引用都意味著，結合該實施例所描述的特定的特征、結構或特性包含于 本發(fā)明的至少一個實施例中。在本說明書中多處出現(xiàn)的這類詞語不一定全都 指相同的實施例。進一步地，當結合任何實施例描述一個特定的特征、結構 或特性時，應認為結合其他實施例實現(xiàn)這樣的特征、結構或特性是在本領域 技術人員的范圍內的。
雖然以上已經結合其中若干說明性的實施例描述本發(fā)明。應該理解的是 本領域技術人員可設想出無數(shù)其他將落入本發(fā)明公開內容的精神和原理范圍 內的改進方案和實施例。更加特別的是，本發(fā)明說明書、附圖和所附權利要 求范圍內的對象的組合安排的部件和/或布置可以有各種變形和改進。除了部 件和/或布置的變形和改進，替代的應用對于本領域技術人員也將是明顯的。
權利要求
1、一種圖像傳感器，包括下電極，位于電連接到半導體襯底上的CMOS電路的金屬互連結構上；本征層，位于所述下電極上；自對準硅化物層，位于所述本征層上；以及導電類型傳導層，位于所述自對準硅化物層上。
2、 根據權利要求1所述的圖像傳感器，其中所述本征層包括半球形聚光 部分。
3、 根據權利要求2所述的圖像傳感器，其中所述自對準硅化物層根據所 述半球形聚光部分的表面而具有凸起形狀。
4、 根據權利要求3所述的圖像傳感器，其中所述導電類型傳導層根據所 述自對準硅化物層的頂表面而具有凸起形狀。
5、 根據權利要求1所述的圖像傳感器，其中所述自對準硅化物層包含鉻。
6、 根據權利要求1所述的圖像傳感器，其中所述自對準硅化物層包含鉬。
7、 根據權利要求1所述的圖像傳感器，其中所述本征層具有處于約 2000A到約20000A的范圍內的厚度，所述自對準硅化物層具有處于約100A 到約500A的范圍內的厚度，且所述導電類型傳導層具有處于約50A到約 500A的范圍內的厚度。
8、 根據權利要求l所述的圖像傳感器，進一步包括第二導電類型傳導 層，位于所述本征層下面的所述下電極上。
9、 根據權利要求l所述的圖像傳感器，進一步包括上電極，位于所述 導電類型傳導層上。
10、 一種制造圖像傳感器的方法，所述方法包括以下步驟 設置半導體襯底，所述半導體襯底包括CMOS電路，以及層間電介質，其中形成有金屬互連結構； 在所述金屬互連結構上形成下電極； 在所述層間電介質和所述下電極上形成本征層； 在所述本征層上形成自對準硅化物層；以及在所述自對準硅化物層上形成導電類型傳導層。
11、 根據權利要求10所述的方法，進一步包括以下步驟 在所述本征層上形成籽晶微透鏡；以及采用所述籽晶微透鏡作為蝕刻掩模蝕刻所述本征層，以形成聚光部分。
12、 根據權利要求11所述的方法,其中形成所述籽晶微透鏡的步驟包括:用光致抗蝕劑涂覆所述本征層； 圖案化所述光致抗蝕劑，以形成微透鏡圖案；以及 對所述微透鏡圖案執(zhí)行回流工藝，以形成所述籽晶微透鏡。
13、 根據權利要求IO所述的方法，其中形成所述自對準硅化物層的步驟 包括在所述本征層上沉積金屬層；熱處理包括所述金屬層的所述半導體襯底，以形成所述自對準硅化物層；以及除去殘存在所述半導體襯底上的未反應的所述金屬層。
14、 根據權利要求13所述的方法，其中所述金屬層包含鉻。
15、 根據權利要求13所述的方法，其中所述金屬層包含鉬。
16、 根據權利要求13所述的方法，其中熱處理所述半導體襯底的步驟包 括以處于約200。C與約400°C之間的溫度執(zhí)行熱處理。
17、 根據權利要求13所述的方法，其中除去未反應的所述金屬層的步驟 包括采用硝酸鈰銨鹽。
18、 根據權利要求5所述的方法，其中形成的所述本征層的厚度處于約 2000A到約20000A的范圍內，形成的所述自對準硅化物層的厚度處于約 100A到約500A的范圍內，而形成的所述導電類型傳導層的厚度處于約50A 到約500A的范圍內。
19、 根據權利要求10所述的方法，進一步包括在形成所述本征層的步 驟之前，在所述下電極上形成第二導電類型傳導層。
20、 根據權利要求10所述的方法，進一步包括在所述導電類型傳導層 上形成上電極。
全文摘要
提供一種圖像傳感器及其制造方法。所述圖像傳感器可以是垂直設置的圖像傳感器，其中光電二極管設置于襯底上的電路之上。所述光電二極管可形成于下電極上，下電極被設置成電連接到襯底上的CMOS電路。光電二極管可具有包括位于下電極上的本征層和位于本征層上的導電類型層的PIN或PI光電二極管結構。自對準硅化物層可設置于本征層上，而導電類型傳導層可設置于自對準硅化物層上?？尚纬杀菊鲗右援a生聚光部分，從而提供凸起形上表面。本發(fā)明能夠提高圖像傳感器的占空系數(shù)。
文檔編號H01L27/146GK101350359SQ20081013368
公開日2009年1月21日 申請日期2008年7月18日 優(yōu)先權日2007年7月19日
發(fā)明者李玟炯 申請人:東部高科股份有限公司