專利名稱：圖像傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像傳感器及其制造方法。
背景技術(shù)：
圖像傳感器是將光圖像轉(zhuǎn)換為電信號的半導(dǎo)體器件。圖像傳感器通?？?br> 以分為電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS) 圖像傳感器(CIS)。
CIS包括每一單位像素的光電二極管和金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體 管，以便以切換(switching)方式依次檢測各單位像素的電信號，從而生成 圖像。
典型地，所述CIS包括將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光電二極管區(qū)域， 和處理所述電信號的晶體管，其中所述光電二極管和晶體管水平地安置 在半導(dǎo)體襯底上。
在所述襯底上，水平型CIS的光電二極管與所述晶體管在水平方向 上相鄰。因此，對每個像素，都需要襯底上的額外區(qū)域來形成光電二極 管區(qū)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例提供一種圖像傳感器以及制造該圖像傳感器的方法，該 圖像傳感器包括垂直層疊的晶體管電路和光電二極管。
在一個實(shí)施例中，圖像傳感器可以包括半導(dǎo)體襯底，在該半導(dǎo)體 襯底上具有晶體管電路；位于所述半導(dǎo)體襯底上并連接至所述晶體管電 路的金屬互連層，其包括金屬互連和層間電介質(zhì)；位于所述金屬互連層 上的光接收單元；位于所述光接收單元上的透鏡型上電極(upper electrode)，所述上電極形成為凸透鏡形狀的透鏡型上電極；以及位于所 述透鏡型上電極上的濾色鏡。根據(jù)實(shí)施例的圖像傳感器的制造方法包括在半導(dǎo)體襯底上形成晶 體管電路；在所述半導(dǎo)體襯底上形成包括金屬互連和層間電介質(zhì)的金屬
互連層；在所述金屬互連層上形成光接收單元；在所述光接收單元上形 成透鏡型上電極，所述上電極形成為凸透鏡形狀的透鏡型上電極；以及 在所述透鏡型上電極上形成濾色鏡。
在本發(fā)明中，通過垂直層疊晶體管電路和光電二極管，填充系數(shù)可以接 近100%。利用這種垂直排列，對于相同大小的像素，可以提供比現(xiàn)有技術(shù) 中水平圖像傳感器更高的敏感度。
將結(jié)合以下附圖和說明書來描述一個或多個實(shí)施例的詳細(xì)內(nèi)容。從說明 書、附圖以及權(quán)利要求中能明顯看出其它特征。


圖1-圖8是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖像傳感器制造工序的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式
以下將參考附圖中示出的例子來說明本發(fā)明實(shí)施例的詳細(xì)內(nèi)容。
參考圖8，根據(jù)實(shí)施例的圖像傳感器可包括半導(dǎo)體襯底10、金屬互連 (interconnection)層20、光電二極管41、凸透鏡型上電極53和濾色鏡80。 半導(dǎo)體襯底10可包括CMOS電路(未示出)。金屬互連層20可包括金屬互 連22和層間電介質(zhì)21，兩者都設(shè)置在所述半導(dǎo)體襯底10上?？梢允褂媒饘?互連22來將信號線和電源線連接到CMOS電路。光電二極管41可以設(shè)置在 金屬互連層20上。凸透鏡型上電極53設(shè)置在光電二極管41上。濾色鏡80 可設(shè)置在透鏡型上電極53上。
在一個實(shí)施例中，光電二極管41可包括設(shè)置在金屬互連層20上的第一 導(dǎo)電型導(dǎo)電層、設(shè)置在第一導(dǎo)電型導(dǎo)電層上的本征層，以及設(shè)置在本征層上 的第二導(dǎo)電型導(dǎo)電層。
在另一個實(shí)施例中，光電二極管41可包括設(shè)置在金屬互連層20上的本 征層，以及設(shè)置在本征層上的第二導(dǎo)電型導(dǎo)電層。
此外，可選擇的下電極(optional lower electrode) 30可以設(shè)置在光電二 極管41與金屬互連層20之間，在金屬互連22上方。透鏡型上電極53可以包括透明電極。透鏡型上電極53可以由例如氧化 銦錫(ITO)或氧化鎘錫(CTO)形成。在一個實(shí)施例中，透鏡型上電極53 具有約500A到約10000A的厚度范圍。
如上所述，凸透鏡型上電極可以設(shè)置在光電二極管上的每個單位像素 中，由此改善入射光的光收集(lightcollection)效率。因?yàn)樯想姌O具有凸形， 不需要微透鏡，所以減少了制造工序的數(shù)量和費(fèi)用。
圖1-圖8是根據(jù)實(shí)施例的圖像傳感器制造工序的橫截面圖。
參考圖l，金屬互連層20包括金屬互連22和層間電介質(zhì)21，其可以形 成在具有CMOS電路(未示出)的半導(dǎo)體襯底10上。
盡管沒有示出，但在半導(dǎo)體襯底10上可以提供定義有源區(qū)和場區(qū)的器 件隔離層。為了形成單位像素，可以在半導(dǎo)體襯底10上形成CMOS電路， 所述CMOS電路例如可以為4T型的圖像傳感器，其包括轉(zhuǎn)移晶體管、重置 晶體管、驅(qū)動晶體管和選擇晶體管。所述轉(zhuǎn)移晶體管將連接至光電二極管， 并使得所接收的光電荷轉(zhuǎn)換為電信號。
金屬互連層20可以形成在CMOS電路上以提供互連。金屬互連層20 可以包括多層，用以將電路區(qū)域連接到電源線或信號線。雖然圖中示出了兩 個金屬線層，但實(shí)施例并不限于此。例如，可以使用一個金屬線層、或三個 或更多金屬線層。
金屬互連層20可以包括位于半導(dǎo)體襯底10上的多個層間電介質(zhì)21，以 及設(shè)置在層間電介質(zhì)21之間的金屬互連22?？梢杂矛F(xiàn)有技術(shù)中任何可行的 方法來形成金屬互連層20。
可以在每個單位像素上設(shè)置金屬互連22，以便CMOS電路連接到光電 二極管?？梢詧D案化金屬互連以對應(yīng)每個單位像素。
可以由各種導(dǎo)電材料形成金屬互連22，所述導(dǎo)電材料包括金屬、合金或 硅化物。例如，金屬互連22可以由包括但不限于鋁、銅、鈷和鴇的金屬形 成。
當(dāng)形成層間電介質(zhì)21和金屬互連22時，還可以形成焊盤23。 相應(yīng)地，可以在金屬互連層20上形成光電二極管41，以便所述光電二 極管41電連接至金屬互連22。
在特定實(shí)施例中，在形成光電二極管41之前，可以在金屬互連22上形成下電極30。例如，下電極30可以由包括Cr、 Ti、 TiW和Ta金屬中的任 何一種金屬形成。需要明白的是下電極30可省略。
在一個實(shí)施例中，為了形成光電二極管41，可以在金屬互連層20上形 成光電二極管層40。根據(jù)特定實(shí)施例，可以使用PIN二極管。
例如，PIN 二極管是使用在n型非晶硅層與p型非晶硅層之間的本征非 晶硅形成的二極管。光電二極管的性能取決于將入射光轉(zhuǎn)換為電輸出和總電 荷容量的效率。在現(xiàn)有技術(shù)的水平光電二極管中產(chǎn)生電荷并將其存儲在由異 質(zhì)結(jié)(heterojunction)產(chǎn)生的耗盡區(qū)中，所述異質(zhì)結(jié)例如為P-N、 N-P、 N-P-N 或P-N-P結(jié)。相反，在n型區(qū)與p型區(qū)之間形成的PIN二極管的本征非晶硅 的全部區(qū)域都提供耗盡區(qū)。因此，可以有利地存儲并產(chǎn)生電荷。
同樣地，根據(jù)許多實(shí)施例，可將PIN二極管用作光電二極管。根據(jù)本發(fā) 明特定實(shí)施例的PIN 二極管可以具有例如P小N、 N小P或I-P的結(jié)構(gòu)。此外， 可以使用金屬電極來替換PIN 二極管的n型層，或除了 PIN 二極管的n型層 外還使用金屬電極。在具有P小N結(jié)構(gòu)的一個實(shí)施例中，第一導(dǎo)電型導(dǎo)電層 可以由n型非晶硅形成，本征層可以由本征非晶硅形成，以及第二導(dǎo)電型導(dǎo) 電層可以由p型非晶硅形成。
盡管未示出，但以下將描述使用PIN二極管結(jié)構(gòu)形成光電二極管的方法。
例如，第一導(dǎo)電型導(dǎo)電層可以在金屬互連層20上形成。
第一導(dǎo)電型導(dǎo)電層可以作為PIN二極管的N層。也就是說，第一導(dǎo)電型 導(dǎo)電層可以是N型導(dǎo)電型導(dǎo)電層，但是實(shí)施例并不限于此。
第一導(dǎo)電型導(dǎo)電層可以由n摻雜的非晶硅形成。
也就是說，通過向非晶硅添加鍺、碳、氮或氧，可以以a-Si:H、 a-SiGe: H、 a-SiC、 a-SiN:H或a-SiO:H的形式提供第一導(dǎo)電型導(dǎo)電層。
在一個實(shí)施例中，第一導(dǎo)電型導(dǎo)電層可以使用化學(xué)氣相沉積(CVD)工 序形成，例如使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)。例如，第一導(dǎo)電 型導(dǎo)電層可以通過混合硅烷氣(SiH4)以及PH3或P2Hs使用PECVD形成。
然后，本征層可以在第一導(dǎo)電型導(dǎo)電層上形成。所述本征層可以作為PIN 二極管的I層。
本征層可由本征非晶硅形成。
本征層可具有約大于第一導(dǎo)電型導(dǎo)電層厚度10到1000倍的厚度。隨著本征層厚度的增加，PIN二極管的耗盡區(qū)增加。相應(yīng)的，可以有利地產(chǎn)生并 存儲大量光電荷。
第二導(dǎo)電型導(dǎo)電層可以在本征層上形成。
第二導(dǎo)電型導(dǎo)電層可以作為PIN二極管的P層。也就是說，第二導(dǎo)電型
導(dǎo)電層可以是p型導(dǎo)電型導(dǎo)電層，但實(shí)施例不限于此。 第二導(dǎo)電型導(dǎo)電層可以由p摻雜的非晶硅形成。
如上所述，例如，光電二極管層40包括第一導(dǎo)電型導(dǎo)電層、本征層以 及第二導(dǎo)電型導(dǎo)電層，光電二極管層40可以形成在半導(dǎo)體襯底IO上并位于 金屬互連層20之上，以便CMOS電路和光電二極管層40垂直層疊，由此改 善圖像傳感器的填充系數(shù)。
盡管上面描述了具有第一導(dǎo)電型導(dǎo)電層、本征層以及第二導(dǎo)電型導(dǎo)電層 的光電二極管層40的示例性實(shí)施例，但所述光電二極管層也可以由其它結(jié) 構(gòu)形成。
由于CMOS電路和光電二極管垂直層疊，因此對于相同大小的像素，本 發(fā)明可以提供比現(xiàn)有技術(shù)中圖像傳感器的敏感度更高的敏感度。
此外，CMOS電路可以包括在更復(fù)雜的電路中，而不降低每個單位像素 的敏感度。
參考圖2，可以在光電二極管層40上涂敷光致抗蝕劑，并且圖案化該光 致抗蝕劑，以使得在像素區(qū)域之外的區(qū)域(如焊盤區(qū))上暴露光電二極管層 40。
然后，可以使用像素掩模100作為蝕刻掩模來蝕刻光電二極管層40。因 此，去除非像素區(qū)域的光電二極管層40的部分，以便光電二極管41僅設(shè)置 在像素區(qū)域上。
在一個實(shí)施例中，可以通過蝕刻光電二極管層40來形成光電二極管41， 光電二極管層40通過像素掩模100使用包括鹵族元素如Cl、 Br和F的蝕刻 氣體而暴露。
參考圖3，可以去除像素掩模IOO，然后在包括光電二極管41的半導(dǎo)體 襯底IO上形成上電極層50。
上電極層50可以形成為具有極好的光傳輸率和高導(dǎo)電率的透明電極。 例如，上電極層50可以由氧化銦錫(ITO)或氧化鎘錫(CTO)形成。在一個實(shí)施例中，上電極層50可以具有約500A到約10000A的厚度。根據(jù)實(shí)施 例，上電極層50可具有大于lO力Ohm.m的電導(dǎo)率。
第一焊盤掩模200可以在上電極層50上形成，以暴露出上電極層50對 應(yīng)于焊盤23區(qū)域的表面。
通過將光致抗蝕劑施加到上電極層50，并圖案化所述光致抗蝕劑，可形 成第一焊盤掩模200。
可以使用第一焊盤掩模200作為蝕刻掩模來蝕刻上電極層50，以去除上 電極層50對應(yīng)于焊盤23區(qū)域的部分。因此，暴露出金屬互連層20對應(yīng)于 焊盤23的部分，并且從上電極層50形成的上電極51形成在像素區(qū)域上。
參考圖4，可以去除第一焊盤掩模200，然后可以形成光致抗蝕劑圖案 60，以在上電極51上形成微透鏡掩模。
通過旋涂(spin)工序以及隨后的光照(photo)工序和顯影工序來施加 光致抗蝕劑，可形成光致抗蝕劑圖案60，用以覆蓋上電極51并暴露層間電 介質(zhì)21對應(yīng)于焊盤23的表面。
參考圖5，通過將設(shè)置在上電極51上的光致抗蝕劑圖案60圖案化為多 個部分，其中每一部分對應(yīng)于每個單位像素，并且執(zhí)行回流工序，以將圖案 化的光致抗蝕劑60的這些部分都形成為圓頂形(dope shape)，因此而形成 對應(yīng)每個單位像素的微透鏡掩模61 。
參考圖6，可以形成透鏡型上電極53。
根據(jù)實(shí)施例，通過使用微透鏡掩模61作為蝕刻掩模，對上電極51執(zhí)行 蝕刻工序，可以形成透鏡型上電極53。
通過在上電極51與微透鏡掩模61之間以1: 1的蝕刻速率來執(zhí)行蝕刻 工序，可形成透鏡型上電極53，由此根據(jù)微透鏡掩模61的形狀，透鏡型上 電極53形成為凸透鏡型上電極。
在一個實(shí)施例中，為了形成透鏡型上電極53，可以在具有CxHyFz (其中 x、 y和z是O或自然數(shù))的蝕刻氣體的室內(nèi)執(zhí)行蝕刻工序。所述蝕刻工序可 以選擇性地包括與蝕刻氣體混合的惰性氣體諸如Ar、 He、 Cb或N2。
如上所述，在每個單位像素的光電二極管41上提供透鏡型上電極53， 由此改善入射光的光收集效率。此外，不需要現(xiàn)有技術(shù)中的微透鏡，由此減 少了制造工序的數(shù)量和成本。參考圖7，可以在具有透鏡型上電極53的半導(dǎo)體襯底10上形成用于暴 露焊盤23的第二焊盤掩模300。
通過在具有透鏡型上電極53的金屬互連層20上施加光致抗蝕劑，并且 圖案化該光致抗蝕劑，可形成第二焊盤掩模300。因此，金屬互連層20對應(yīng) 于輝盤23的表面被暴露出，但是其它區(qū)域由第二焊盤掩模300覆蓋。
然后，使用干蝕刻工序，并將第二焊盤掩模300作為蝕刻掩模，以通過 焊盤通道25暴露焊盤23，因此而去除層間電介質(zhì)21。在一個實(shí)施例中，對 透鏡型上電極53的蝕刻工序可以用作暴露焊盤23的工序。
也就是說，通過使用具有Q3yFz (其中x、 y和z是O或自然數(shù))的蝕 刻氣體對層間電介質(zhì)21執(zhí)行蝕刻工序，可暴露焊盤23。選擇性地，所述蝕 刻工序可以包括與蝕刻氣體混合的惰性氣體諸如Ar、 He、 02或1^2。
參考圖8，濾色鏡80可以在透鏡型上電極53上形成。
可以使用染色抗蝕劑形成濾色鏡80，每個濾色鏡都對應(yīng)于單位像素。濾 色鏡80從入射光中擷取其顏色。
根據(jù)實(shí)施例的圖像傳感器及其制造方法可以垂直層疊晶體管電路和光 電二極管。
相應(yīng)地，通過垂直層疊晶體管電路和光電二極管，填充系數(shù)可以接近 100%。
利用垂直排列，對于相同大小的像素，可以提供比現(xiàn)有技術(shù)中水平圖像 傳感器更高的敏感度。
此外，根據(jù)實(shí)施例的每個單位像素可以包括更復(fù)雜的電路，而不降低敏 感度。
根據(jù)實(shí)施例，可以在光電二極管上形成具有凸透鏡形狀的上電極，由此 改善入射光的光收集效率。
此外，根據(jù)實(shí)施例，不需要形成微透鏡的額外工序，這樣可以減少制造 工序的數(shù)量和成本。
本說明書中對"一個實(shí)施例"、"實(shí)施例"、"示例性實(shí)施例"等的任何引用 表示結(jié)合該實(shí)施例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包括在本發(fā)明的至少一個實(shí) 施例中。在說明書中不同地方出現(xiàn)的這種術(shù)語不必均指相同的實(shí)施例。此外， 當(dāng)結(jié)合任一實(shí)施例描述特定特征、結(jié)構(gòu)或特性時，應(yīng)認(rèn)為其落在本領(lǐng)域技術(shù)人員結(jié)合其它實(shí)施例而實(shí)現(xiàn)這種特征、結(jié)構(gòu)或特性的范圍內(nèi)。
雖然參照多個示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明的各實(shí)施例，應(yīng)理解由本領(lǐng)域 技術(shù)人員想到的各種其它變型和實(shí)施例均應(yīng)落入本發(fā)明的原理的精神和范 圍內(nèi)。更具體地，在說明書、附圖和隨附權(quán)利要求所公開的范圍內(nèi)可以進(jìn)行 主題組合排列的組件和/或排列的各種改變和變化。除了組件和/或排列的各 種改變和變化之外，替代使用對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說也是明顯的。
權(quán)利要求
1.一種圖像傳感器，其包含半導(dǎo)體襯底，在該半導(dǎo)體襯底上形成互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體電路；金屬互連層，其位于包括所述互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體電路的所述半導(dǎo)體襯底上，并包括金屬互連和層間電介質(zhì)；光接收單元，其位于所述金屬互連層上；以及上電極，其位于所述光接收單元上，所述上電極形成為具有凸透鏡形狀的透鏡型上電極。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的圖像傳感器，其中所述光接收單元包括 第一導(dǎo)電型導(dǎo)電層，其位于所述金屬互連層上；本征層，其位于所述第一導(dǎo)電型導(dǎo)電層上；以及 第二導(dǎo)電型導(dǎo)電層，其位于所述本征層上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的圖像傳感器，其中所述光接收單元包括 本征層，其位于所述金屬互連層上；以及 第二導(dǎo)電型導(dǎo)電層，其位于所述本征層上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的圖像傳感器，還包括下電極，其位于處在所述 光接收單元之下的金屬互連上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中所述透鏡型上電極包括透明 電極。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的圖像傳感器，還包括濾色鏡，其位于所述上電 極上。
7. —種制造圖像傳感器的方法，其包含如下步驟 在半導(dǎo)體襯底上形成互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體電路； 在所述半導(dǎo)體襯底上形成包括金屬互連和層間電介質(zhì)的金屬互連層，所述金屬互連為所述互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體電路提供連接； 在所述金屬互連層上形成光接收單元；以及 在所述光接收單元上形成透鏡型上電極。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中形成所述透鏡型上電極的步驟包括在所述光接收單元上沉積電極材料，以形成上電極層；在所述上電極層上形成微透鏡掩模；以及使用所述微透鏡掩模作為蝕刻掩模來蝕刻所述上電極層。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中形成所述微透鏡掩模的步驟包括 對所述半導(dǎo)體襯底施加光致抗蝕劑； 圖案化所述光致抗蝕劑；以及對經(jīng)圖案化的光致抗蝕劑執(zhí)行回流工序。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中在所述上電極層與所述微透鏡掩 模之間的蝕刻速率約是l: 1。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中蝕刻所述上電極層的步驟包括使 用與02、 N2、 Ar和He中的至少一種氣體混合的蝕刻氣體CxHyFz，其中x、 y和z是0或自然數(shù)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述透鏡型上電極包括透明電極。
13. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，還包括如下步驟 在包括所述透鏡型上電極的半導(dǎo)體襯底上形成焊盤掩模；以及 通過使用所述焊盤掩模作為蝕刻掩模來執(zhí)行蝕刻工序，暴露所述金屬互連層的焊盤金屬互連。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中暴露所述焊盤金屬互連的步驟包 括使用與02、 N2和Ar中的至少一種氣體混合的蝕刻氣體CxHyFz，其中x、 y 和z是0或自然數(shù)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，還包括在暴露所述焊盤金屬互連后， 在所述透鏡型上電極上形成濾色鏡。
16. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，還包括在所述透鏡型上電極上形成濾 色鏡。
全文摘要
本發(fā)明公開一種圖像傳感器及其制造方法。圖像傳感器包括半導(dǎo)體襯底、金屬互連層、光接收單元、透鏡型上電極以及濾色鏡。所述半導(dǎo)體襯底可以包括電路區(qū)域。所述金屬互連層可以包括金屬互連和層間電介質(zhì)。所述光接收單元可以是設(shè)置在金屬互連層上的光電二極管。透鏡型上電極可以設(shè)置在光接收單元上并形成凸透鏡形狀。所述濾色鏡可以設(shè)置在所述透鏡型上電極上。在本發(fā)明中，通過垂直層疊晶體管電路和光電二極管，填充系數(shù)可以接近100％。利用這種垂直排列，對于相同大小的像素，可以提供比現(xiàn)有技術(shù)中水平圖像傳感器更高的敏感度。
文檔編號H01L31/0224GK101308859SQ200810097178
公開日2008年11月19日 申請日期2008年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月17日
發(fā)明者柳商旭 申請人:東部高科股份有限公司