專利名稱：圖像傳感器和其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像傳感器和其制造方法。
背景技術(shù)：
圖像傳感器是將光學圖像轉(zhuǎn)化為電信號的半導(dǎo)體器件。圖像傳感器主要分類為CCD (電荷耦合器件)圖像傳感器或CMOS (互補金屬氧化物 硅)圖像傳感器。
CMOS圖像傳感器包括在每個單元像素中的光電二極管和MOS晶體 管，并且以轉(zhuǎn)換模式依次檢測每個單元像素的電信號以實現(xiàn)圖像。
CMOS圖像傳感器包括用于將光信號轉(zhuǎn)化為電信號的光電二極管區(qū)域 和用于處理所述電信號的晶體管。通常，光電二極管區(qū)域和晶體管在半導(dǎo) 體襯底上水平地對準。
根據(jù)水平CMOS圖像傳感器，光電二極管和晶體管在襯底上水平i^J" 準使得它們彼此鄰近。因此，對于每個單元像素需要襯底的另外區(qū)域以形 成光電二極管。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施方案提供能夠提供晶體管電路和光電二極管的垂直層疊 結(jié)構(gòu)的圖像傳感器及其制造方法。
根據(jù)一個實施方案的圖像傳感器包括包括單元像素的半導(dǎo)體襯底； 包括對應(yīng)于該單元像素在半導(dǎo)體襯底上形成的金屬互連的層間介電層；在 該層間介電層上形成的與單元像素對應(yīng)的多個底部電極，所述多個底部電 極包括具有至少兩個不同尺寸的底部電極；在包括所述多個底部電極的層 間介電層上形成的光電二極管；和在該光電二極管上形成的對應(yīng)于單元像 素的濾色器。
根據(jù)一個實施方案的制造圖像傳感器的方法包括在半導(dǎo)體襯底上形
成包括對應(yīng)于單元像素的金屬互連的層間介電層；在該層間介電層上形成 對應(yīng)于各個單元像素的多個底部電極，所述多個底部電極包括彼此具有不 同尺寸的底部電極；在包括所述多個底部電極的層間介電層上形成光電二 極管；和對應(yīng)于單元像素在該光電二極管上形成濾色器。


圖1 ~ 6是顯示根據(jù)一個實施方案制造圖像傳感器的方法的橫截面圖。
圖7是根據(jù)一個實施方案的圖像傳感器的平面圖。
圖8是根據(jù)一個實施方案的包括微透鏡的圖像傳感器的橫截面圖。
圖9是根據(jù)另一實施方案的圖像傳感器的橫截面圖。
圖10g一才艮據(jù)如圖9所示的實施方案的圖傳 降感器的平面圖。
具體實施例方式
以下，將參考附圖描述圖像傳感器及其制造方法的實施方案。
在本發(fā)明中使用"上"或"之上"的時候，當涉及層、區(qū)域、圖案或 結(jié)構(gòu)的時候，理解為所述層、區(qū)域、圖案或結(jié)構(gòu)可以直接在另一層或結(jié)構(gòu) 上，或也可存在插入其間的層、區(qū)域、圖案或結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明中使用"下" 或"之下"時，當涉及層、區(qū)域、圖案或結(jié)構(gòu)時，理解為所述層、區(qū)域、 圖案或結(jié)構(gòu)可以直接在另一層或結(jié)構(gòu)下，或也可存在插入其間的層、區(qū)域、 圖案或結(jié)構(gòu)。
應(yīng)理解本發(fā)明實施方案的附圖和描述已經(jīng)進行簡化以說明與清楚理解 本發(fā)明相關(guān)的要素/元件，而為了清楚省略可公知的其它要素/元件。本領(lǐng) 域技術(shù)人員應(yīng)理解為了實施本發(fā)明其它元件可以是期望的和/或需要的。然 而，由于這樣的元件在本領(lǐng)域中另_公知的，并且由于它們并不利于更好地 理解本發(fā)明，所以本發(fā)明中沒有對這樣的元件進行描述。
圖6是顯示根據(jù)一個實施方案的圖像傳感器的橫截面圖。
參考圖6，可在包括第一像素A和第二像素B的半導(dǎo)體襯底10上形 成包括第一金屬互連31和第二金屬互連32的層間介電層20。第一金屬互 連31可4^供在第一4象素A中，第二金屬互連32可提供在第二4象素B中。
在半導(dǎo)體襯底20上形成的第一像素A和第二像素B的每一個中提供 連接至光電二歐管以將光電荷轉(zhuǎn)化為電信號的CMOS電路(未顯示)。
層間介電層20可具有多層結(jié)構(gòu)。根據(jù)一些實施方案，第一金屬互連 31和第二金屬互連32可插入多層結(jié)構(gòu)中使得第一金屬互連31和第二金屬 互連32可分別連接至第一像素A和第二像素B。此外，可使用多個金屬 層形成第一金屬互連31和第二金屬互連32.
具有不同尺寸的第 一底部電極41和第二底部電極42可形成在層間介 電層20上，使得第一底部電極41連接至第一金屬互連31，第二底部電極 42連接至第二金屬互連32。在一個實施方案中，第一底部電極41的尺寸 可小于第二底部電極42的尺寸。在另一實施方案中，如圖9中所示，第二 底部電極42的尺寸可小于第一底部電極41的尺寸。
在包括第 一底部電極41和第二底部電極42的層間介電層20上可設(shè)置 光電二極管。該光電二極管可包括笫一導(dǎo)電層50、 ^層60和第二導(dǎo)電 層70。在一個實施方案中，第一導(dǎo)電層50包括N-型硅層，#層60包 括非晶硅層，第二導(dǎo)電層70包括P-型硅層。
通過形成尺寸彼此不同的第一底部電極41和第二底部電極42，第一 底部電極41和第二底部電極42之間的距離可以變長。因此，可抑制由光 電二極管產(chǎn)生的光電荷轉(zhuǎn)移至相鄰像素，使得可減小圖像傳感器的串擾。
頂部電極80可設(shè)置在光電二極管上。頂部電極80可以是由例如ITO (氧化錫銦)、CTO (氧化鎘錫)或Zn02 (氧化鋅)形成的透明電極。
在頂部電極80上對應(yīng)于第一像素A和第二像素B可提供第一濾色器 91和第二濾色器92。第一濾色器91可以是綠色濾色器，第二濾色器92 可以是紅色濾色器或藍色濾色器。因此，綠色濾色器形成在第一像素A上， 紅色或藍色濾色器形成在第二4象素B上。
參考圖8，在第一濾色器91上可形成 :鏡110。在一個諸如圖9所 示的替代實施方案中，微透鏡120可形成在第二濾色器92上。
即，可在設(shè)置于具有較小尺寸的底部電極(例如，底部電極41與142) 上的濾色器上形成M鏡。因此，可改善對應(yīng)于具有較小尺寸的底部電極 的光電二極管的聚光率，使得可改善圖^象傳感器的光學特性。
以下，將參考圖1~8描述根據(jù)一個實施方案的制造圖像傳感器的方 法。
參考圖1，可在包括第一像素A和第二像素B的半導(dǎo)體襯底10上形 成包括第一金屬互連31和第二金屬互連32的層間介電層20。
在形成于半導(dǎo)體襯底20上的第一像素A和第二像素B中提供連接至 光電二極管以將光電荷轉(zhuǎn)化為電信號的CMOS電路(未顯示)。在某些實 施方案中，CMOS電路可以是3Tr-、 4Tr-或5Tr-型電路。
在層間介電層20中可形成另外的金屬互連以提供至電源線或信號線 的電連接。
層間介電層20可具有多層結(jié)構(gòu)。例如，層間介電層20可包括一個或 更多個的氮化物層和/或一個或更多個氧化物層。
此外，第一金屬互連31和第二金屬互連32可具有多層結(jié)構(gòu)。第一金 屬互連31可連接至第一像素A,第二金屬連接32可連接至第二像素B。 第一金屬互連31和第二金屬互連32將由光電二極管產(chǎn)生的電子傳輸至在 光電二極管之下根據(jù)單元像素對準的CMOS電路。雖然附圖中沒有顯示， 但是第一金屬互連31和第二金屬互連32可連接至在半導(dǎo)體襯底10的下部 部分處形成的雜質(zhì)區(qū)域。
多個第一金屬互連31和第二金屬互連32可以形成為穿過層間介電層 20。第一金屬互連31和第二金屬互連32可由本領(lǐng)域已知的任何適合的材 料形成，并且可包括金屬、^ir或包括硅化物的導(dǎo)電材料。在一個實施方 案中，第一金屬互連31和第二金屬互連32可包括例如鋁、銅、鈷或鵠。
參考圖2,可在層間介電層20上形成底部電極層40。底部電極層40 可電連接至第一金屬互連31和第二金屬互連32。底部電極層40可包括金 屬諸如鉻(Cr)、鈦(Ti)、鈥-鴒合金(TiW)或鉭(Ta)。
可在底部電極層40上形成第一光刻膠圖案210和第二光刻膠圖案220 以對應(yīng)于每個像素圖案化底部電極層40。第一光刻膠圖案210和第二光刻 膠圖案220覆蓋對應(yīng)于第一金屬互連31和第二金屬互連32的區(qū)域上的底 部電極層40。
第一光刻膠圖案210和第二光刻膠圖案220彼此可具有不同的尺寸。 例如，第一光刻膠圖案210的尺寸可小于第二光刻膠圖案220的尺寸?；?者，笫一光刻膠圖案210的尺寸可大于第二光電二極管圖案220的尺寸。
可以通過使用第一光刻膠圖案210和第二光刻膠圖案220作為蝕刻掩 模來蝕刻底部電極層40，以形成第一電極41和第二電極42。
參考圖3，第一底部電極41和第二底部電極42可對應(yīng)于每個像素形 成在層間介電層20上。第一底部電極41可以連接至第一金屬互連31,第 二底部電極42可以連接至第二金屬互連32。根據(jù)一個實施方案，第一底 部電極41的尺寸可小于第二底部電極42的尺寸。例如，第一底部電極41 的尺寸比第二底部電極42的尺寸小約10~75%，使得第一底部電極41的 尺寸是第二底部電極42的尺寸的約25 ~卯％。
通過形成小于第二底部電極42的第一底部電極41，可減小入射到光 電二極管上的入射光的串擾。
參考圖4，可在包括第一底部電極41和第二底部電極42的層間介電 層20上形成光電二極管。
根據(jù)一個實施方案，光電二極管可以是NIP二極管。所述NIP二極管 可具有n-型非晶硅層、^iE非晶硅層和p-型非晶珪層的連接結(jié)構(gòu)。
NIP 二極管指的是在p-型硅層和金屬或n-型硅層之間提供為純半導(dǎo)體 層的^4iE非晶硅層的光電二極管。插入p-型珪層和金屬或n-型硅層之間的 ;^扭非晶硅層可作為M區(qū)，使得電荷易于產(chǎn)生和儲存。
根據(jù)一些實施方案，光電二極管可具有P-I-N結(jié)構(gòu)、N-I-P結(jié)構(gòu)或I-P 結(jié)構(gòu)。在如下所述的實施方案中使用具有N-I-P結(jié)構(gòu)的光電二極管。因此， 在以下描述中，第一導(dǎo)電層50可以是n-型非晶硅層，#層60可以是本 征非晶珪層，第二導(dǎo)電層可以是p-型非晶硅層。當然，本發(fā)明的實施方案 不限于此。
以下，將描述形成光電二極管的方法。
根據(jù)一個實施方案，可以在層間介電層20上形成第一導(dǎo)電層50。在 某些實施方案中，可省略第一導(dǎo)電層50，可以實施后續(xù)工藝而無需形成第 一導(dǎo)電層50。
第一導(dǎo)電層50可以作為N-I-P二極管的N-層。即，第一導(dǎo)電層50是 N-型導(dǎo)電層。然而，本發(fā)明的實施方案不限于此。
可以在第一導(dǎo)電層50上形成本征層60。在所述實施方案中，#層 60可以作為N-I-P二極管的I-層?？梢酝ㄟ^使用^4￡非晶硅形成4^iE層60。
vMt層60的厚度可以是第一導(dǎo)電層的厚度的10 ~ 1000倍。通過使用 厚的本征層60, pin 二極管的耗盡區(qū)可以放大使得可以容易地產(chǎn)生并儲存 更大量的光電荷?？稍?層60上形成第二導(dǎo)電層70。在一個實施方案中，可以與本 征層60同時形成第二導(dǎo)電層70。在所述實施方案中，第二導(dǎo)電層60可以 作為N-I-P二極管的P-層。即，笫二導(dǎo)電層70是P-型導(dǎo)電層，但是本發(fā) 明的實施方案不限于此。因此，第一像素A和第二像素B以及光電二極管可以垂直地層疊在半 導(dǎo)體襯底10上，使得光電二極管的填充因子可以達到接近100%。參考圖5，可在包括光電二極管的半導(dǎo)體襯底10上形成頂部電極80。頂部電極80可以是具有優(yōu)異的透光率和電導(dǎo)率的透明電極。例如，頂 部電極80可由ITO (氧化銦錫)、CTO (氧化鎘錫)或ZnO;j (氧化鋅) 形成。參考圖6，可在頂部電極80上形成濾色器。可以通過4吏用可染色的光 刻膠在每個像素上形成濾色器以乂AA^射光中過濾顏色。第一濾色器91可以形成在第一〗象素A上，第二濾色器92可以形成在 第二像素B上。根據(jù)一個實施方案，第一濾色器91是綠色濾色器，第二 濾色器92是紅色濾色器。此外，雖然附圖中沒有顯示，但是可以在第三像 素上形成第三濾色器，并且可以是藍色濾色器。此外，第三像素可以設(shè)置 有較大尺寸的底部電極(類似于第二^象素B)。因此，已經(jīng)穿過第一濾色器91的光通過第一底部電極41和第一金屬 互連31作為電荷傳輸至第一像素A。此外，已經(jīng)穿過第二濾色器92的光 通過光電二極管、第二底部電極42和第二金屬互連32作為電荷傳輸至笫 二像素B。第一底部電極41和第二底部電極42具有不同的尺寸并且彼此 間隔開預(yù)定距離，所以由光電二極管產(chǎn)生的光電子可以傳輸至第一底部電 極41和第二底部電極42。即，由于第一底部電極41的尺寸小于第二底部 電極42的尺寸，所以第一底部電極41和第二底部電極42之間的間距變大， 使得可以對應(yīng)于每個像素分開光電二極管。因此，可抑制由光電二極管產(chǎn) 生的光電子傳輸至相鄰底部電極，以減少串擾。圖7是顯示形成在所述第一像素A和第二像素B上的第一底部電極 41于第二底部電極42和第一濾色器91與第二濾色器92的區(qū)域的平面圖。 如圖7所示，在第一〗象素A上形成的第一底部電極41的尺寸小于在 第二像素B上形成的第二底部電極42的尺寸?？梢蕴峁┒鄠€第一型像素 和第二型像素。在一個實施方案中，像素可以具有交替的較小尺寸的和較 大尺寸的底部電極的棋盤(checkerboard,國際跳棋棋盤)狀外觀。因此， 在第一像素A上形成的底部電極41的尺寸可以小于在第三像素C上形成 的第三底部電極的尺寸。此外，第三像素C可以是第二型像素(類似于第 二像素B)。參考圖8，可在第一濾色器91上形成微透鏡110。微透鏡110可以僅 形成在第一濾色器91 (及對應(yīng)于較小尺寸底部電極的其它濾色器)上，以 將入射光聚焦到光電二極管上使得入射光可以傳輸至底部電極41 。由于相對于第二底部電極42的尺寸，第一底部電極41的尺寸較小， 所以傳輸至第一底部電極41的光電子的量小于傳輸至第二底部電極42的 光電子的量。鑒于此，微透鏡110形成在第一濾色器91上。如果^it:鏡 110形成在第一濾色器91上，那么較大量的光可以入射到對應(yīng)于第一底部 電極41的光電二極管區(qū)域中，使得可以增加導(dǎo)向第一底部電極41的光的 量。圖9和10是根據(jù)另外的實施方案的圖像傳感器的橫截面圖和平面圖。參考圖9和10,在第一像素A上形成的第一底部電極141的尺寸大于 在第二像素B上形成的第二底部電極142的尺寸。此外，在第一〗象素A上 形成的第一底部電極141的尺寸可以大于在第三像素C上形成的底部電極 的尺寸。由于第一底部電極141的尺寸相對大于第二底部電極142的尺寸， 所以與電極都是大尺寸的情況相比，在第一底部電極141和第二底部電極 142之間可以形成較大的間隙。根據(jù)圖9和10中說明的實施方案，第一像 素A可以具有形成于其上的綠色濾色器，第二像素B以及第三像素C可 以具有形成于其上的紅色和藍色濾色器。由于第一底部電極141與第二底部電極142間隔開預(yù)定距離，所以可 以對應(yīng)于每個像素分開光電二極管。因此，由光電二極管產(chǎn)生的光電子可 傳輸至特定區(qū)域的相應(yīng)底部電極，并且可減少串擾。此外，可以在第二濾色器92上形成微透鏡120。在此情況下，對應(yīng)于 第二底部電極142的光電二極管的聚光率可以得到改善，使得可以相對增 加傳輸至第二底部電極142的光的量。
根據(jù)一些實施方案，將光電二極管的光電子傳輸至在光電二極管之下 對準的電路的第一底部電極和第二底部電極可以形成為彼此具有不同的 尺寸，在減少串擾的同時使第 一底部電極和第二底部電極之間的間距變 大。此外，可在具有較小尺寸的底部電極上形成微透鏡，使得可以改善圖 像傳感器的圖像特性。根據(jù)圖像傳感器及其制造方法的實施方案，可以垂直地層疊晶體管電 路和光電二極管。此外，由于晶體管電路和光電二極管的垂直層疊結(jié)構(gòu)，所以填充因子可以接近于約100%。另外，由于垂直層疊結(jié)構(gòu)，所以與相關(guān)技術(shù)相比可以獲得較高的靈敏度。此外，當與相關(guān)技術(shù)比較時，本發(fā)明的一些實施方案可以降低對于相 同分辨率的加工成本。此外，在一些實施方案中，每個像素可以形成有另外的或復(fù)雜的電路 而不降低其靈敏度。在一個另外的實施方案中，可以提供另外的芯片上(on-chip)電路， 使得可以改善圖像傳感器的性能，可以最小化器件并且可以降低制造成 本。在該說明書中對"一個實施方案"、"實施方案"、"實例性實施方案" 等的任何引用，表示關(guān)于該實施方案描述的具體的特征、結(jié)構(gòu)或性能包括 于本發(fā)明的至少一個實施方案中。在說明書不同地方出現(xiàn)的這些術(shù)語不必 都涉及相同的實施方案。另外，當關(guān)于任何實施方案描述具體的特征、結(jié) 構(gòu)或性能時，認為將這些特征、結(jié)構(gòu)或性能與其它實施方案關(guān)M本領(lǐng)域 技術(shù)人員的范圍之內(nèi)。盡管已經(jīng)參考本發(fā)明的許多說明性實施方案描述了實施方案，但M 理解本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知道4艮多其它的改變和實施方案，這些改變和實 施方案也在本公開原理的精神和范圍內(nèi)。更具體地，在本公開、附圖和所 附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)，對象組合布置的構(gòu)件和/或布置中能夠有不同的變 化和改變。除構(gòu)件和/或布置的變化和改變之外，替代的用途對于本領(lǐng)域技
術(shù)人員也是明顯的。
權(quán)利要求
1. 一種圖像傳感器，包括在半導(dǎo)體襯底上的包括金屬互連的層間介電層，其中所述金屬互連根據(jù)單元像素布置；在所述層間介電層上的與所述單元像素對應(yīng)的多個底部電極，其中所述多個底部電極包括彼此具有不同尺寸的底部電極；在包括所述底部電極的層間介電層上的光電二極管；和根據(jù)所述單元像素布置在所述光電二極管上的濾色器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的圖像傳感器，其中所述底部電極中的至少一個 的尺寸比所述多個底部電極的其它底部電極的尺寸小。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感器，其中在具有所述較小尺寸的所述 至少一個底部電極上對準的所述濾色器是綠色濾色器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感器，其中在具有所述較小尺寸的所述 至少 一個底部電極上對準的所述濾色器是紅色濾色器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感器，其中在具有所述較小尺寸的所述 至少 一個底部電極上對準的所述濾色器M色濾色器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感器，還包括僅設(shè)置在對應(yīng)于具有所述 較小尺寸的所述至少一個底部電極的濾色器的每一個上的^it鏡。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的圖像傳感器，其中所述多個底部電極布置為較 小尺寸底部電極和較大尺寸底部電極的棋盤圖案。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的圖像傳感器，其中所述濾色器包括綠色濾色器、 紅色濾色器和藍色濾色器，其中所述綠色濾色器在所述較小尺寸的底部電 極上對準，所述紅色濾色器和藍色濾色器在所述較大尺寸的底部電極上對 準。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的圖像傳感器，其中所述濾色器包括綠色濾色器、 紅色濾色器和藍色濾色器，其中所述綠色濾色器在所述較W寸的底部電 極上對準，所述紅色濾色器和藍色濾色器在所述較小尺寸的底部電極上對準。
10. —種制造圖像傳感器的方法，所述方法包括 在半導(dǎo)體襯底上形成包括對應(yīng)于單元像素的金屬互連的層間介電層； 在所述層間介電層上形成多個底部電極，所述底部電極對應(yīng)于所述單 元像素布置，其中所述多個底部電極包括具有至少兩個不同尺寸的底部電極；在包括所述底部電極的所述層間介電層上形成光電二極管；和 對應(yīng)于所述單元4象素在所述光電二極管上形成濾色器。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述底部電極的形成包括 在所述層間介電層上形成底部電極層；和圖案化所述底部電極層以形成連接至相應(yīng)的金屬互連的底部電極，其 中所述多個底部電極的相鄰的底部電極具有不同的尺寸。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，其中在具有較小尺寸的所述底部電極上 對準的所述濾色器是綠色濾色器。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中在具有較小尺寸的所述底部電極上 對準的所述濾色器是紅色濾色器。
14. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，其中在具有較小尺寸的所述底部電極上 對準的所述濾色器是藍色濾色器。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述底部電極形成為具有兩個尺 寸，其中所述濾色器的形成包括形成綠色濾色器、紅色濾色器和藍色濾 色器，其中所述綠色濾色器在所述較小尺寸的底部電極上對準，所述紅色 濾色器和藍色濾色器在所述較大尺寸的底部電極上對準。
16. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述底部電極形成為具有兩個尺 寸，其中所述濾色器的形成包括形成綠色濾色器、紅色濾色器和藍色濾 色器，其中所述綠色濾色器在所述較大尺寸的底部電極上對準，所述紅色 濾色器和藍色濾色器在所述較小尺寸的底部電極上對準。
17. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括僅在對應(yīng)于具有較小尺寸的所述 底部電極的所述濾色器上形成m鏡。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種圖像傳感器和其制造方法。所述圖像傳感器包括包括單元像素的半導(dǎo)體襯底，在半導(dǎo)體襯底上形成的包括金屬互連的層間介電層，在層間介電層上形成的與單元像素對應(yīng)的多個底部電極，所述多個底部電極包括具有至少兩個不同尺寸的底部電極，在包括所述底部電極的層間介電層上形成的光電二極管，和在光電二極管上形成的對應(yīng)于單元像素的濾色器。
文檔編號H04N5/369GK101399278SQ20081016681
公開日2009年4月1日 申請日期2008年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月28日
發(fā)明者韓昌勛 申請人:東部高科股份有限公司