专利名称：图像传感器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种图像传感器及其制造方法，更具体地，涉及一种将光电 二极管集成在晶体管电路上部的图像传感器及其制造方法。
背景技术：
图像传感器是用于将光学图像转换成电信号的半导体器件，并且主要分为电荷耦合器件(CCD)图像传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)图 像传感器。CMOS图像传感器包括位于每个像素单元中的光电二极管和MOS晶体 管，并且以开关模式依次检测每个像素单元的电信号以获得图像。根据相关技术的CMOS图像传感器包括用于接收光信号并将其转换成 电信号的光电二极管区域，以及用于处理该电信号的晶体管区域。然而，在根据相关技术的CMOS图像传感器中，光电二极管和晶体管是 水平设置的，并且光电二极管与晶体管电路设置于同一平面。尽管根据相关技术的CMOS图像传感器克服了 CCD图像传感器的缺点， 但在该CMOS图像传感器中仍然存在问题。换句话说，在根据相关技术的CMOS图像传感器中，位于衬底上的光电 二极管和晶体管彼此水平邻近。因此，对于光电二极管需要额外的区域。由 此，会减小填充系数区域(fill factor area)，并限制分辨率。而且，在同时制造光电二极管和晶体管时，根据相关技术的CMOS图像 传感器难以优化制造工艺。换句话说，尽管为了实现低的片阻(sheet resistance)，快速晶体管制造工艺需要浅结(shallow junction)，但是对于 光电二极管制造工艺而言，浅结是不稳定的。另外，在根据相关技术的CMOS图像传感器中，由于在CMOS图像传 感器中提供了额外的片上功能，就必须增加像素单元的尺寸以保持图像传感 器的灵敏度，或者必须减小用于光电二极管的面积以保持像素的尺寸。然而，如果增加像素的尺寸，就会减小CMOS图像传感器的分辨率，并且，如果减小用于光电二极管的面积，就会减小图像传感器的灵敏度。 发明内容因此，本发明的实施例提供了图像传感器及其制造方法，能够提供晶体管电路和光电二极管的新的集成方案。本发明可提供能够提高分辨率和灵敏度的图像传感器及其制造方法。 另外，根据实施例，能够提供一种图像传感器及其制造方法，其中光电二极管形成在晶体管电路的上部，从而确保光电二极管的像素单元之间的绝缘性。根据一个实施例，所提供的图像传感器包括衬底，设有晶体管电路和至少两个下部互连件(interconnection);第一上部互连件，电连接到至少两 个下部互连件中的第一下部互连件；第二上部互连件，电连接到至少两个下 部互连件中的第二下部互连件；第一导电型导电层，形成在该第一上部互连 件的至少一个侧壁表面上；第二导电型导电层，形成在该第二上部互连件的 至少一个侧壁表面上；以及本征层，形成在第一和第二导电型导电层之间。该第一导电型导电层、该本征层、以及该第二导电型导电层提供了水平设置 的二极管结构。根据实施例，图像传感器的制造方法包括在衬底上形成晶体管电路和 至少两个下部互连件；在至少两个下部互连件中的第一下部互连件上形成第一上部互连件；在该第一上部互连件的至少一个侧壁表面上形成第一导电型 导电层；在包括该第一导电型导电层和该第一上部互连件的衬底上形成本征 层；对应于至少两个下部互连件中的第二下部互连件，在该本征层中形成沟 槽；在该沟槽的至少一个侧壁表面上形成第二导电型导电层；以及在具有该 第二导电型导电层的沟槽中形成第二上部互连件。根据另一个实施例，图像传感器的制造方法包括在衬底上形成包括下 部互连件的晶体管电路；对应于该衬底上的下部互连件，形成第一和第二互 连件；在该第一互连件的侧面上形成第一导电型导电层；在该第二互连件的 侧面上形成第二导电型导电层；以及在包括第一和第二导电型导电层的衬底 上形成本征层。
图1显示了根据本发明实施例的图像传感器的横截面图； 图2至图6是显示根据本发明实施例的图像传感器的制造过程的横截面 图；以及图7至图11是显示根据本发明另一个实施例的图像传感器的制造过程 的横截面图。
具体实施方式
在下文中，将参照
根据本发明实施例的图像传感器及其制造方法。在以下的说明中，用语"形成在每层的上面/下面"可以包括"直接形成 在每层的上面/下面"和"间接形成在每层的上面/下面"这两种含义。 图1是示出根据实施例的图像传感器的横截面图。参见图1，根据实施例，图像传感器包括第一和第二互连件140和145， 它们在衬底上彼此分离；第一导电型导电层150，形成在该第一互连件140 的侧面；第二导电型导电层180，形成在该第二互连件145的侧面；以及本 征层170，形成在第一导电型导电层150与第二导电型导电层180之间。可以对应于形成在层间介电层(ILD) 110中的下部互连件120，形成该 第一和第二互连件140和145。可以在该第一互连件140的一个侧面或两个或两个以上侧面上形成该第 一导电型导电层150。当在该第一互连件140的两个或两个以上侧面上形成 该第一导电型导电层150时，该第一互连件140可以作为公共互连件或节点。可以在该第二互连件145的一个侧面或两个或两个以上侧面上形成该第 二导电型导电层180。当在该第二互连件145的两个或两个以上侧面上形成 该第二导电型导电层180时，该第二互连件145可以作为公共互连件或节点。在根据这些实施例的图像传感器中，光电二极管位于晶体管电路上方， 从而填充系数能够接近100%，并且相对于相关技术的同样像素尺寸，能够 实现更高的灵敏度。而且，根据实施例，能够降低制造成本以达到与相关技术一样的分辨率， 并且能够用更复杂的电路实现每个像素单元而不减小灵敏度。另外，可以包括额外的片上电路以提高该图像传感器的性能，减小器件 的尺寸，并降低该器件的制造成本。而且，根据本发明的实施例，在晶体管电路上方形成光电二极管，从而 能够确保光电二极管的像素单元之间的绝缘性，以隔离和减小像素单元之间 的色度亮度串扰。在下文中，将参照图2至图6说明根据本发明实施例的图像传感器的制造方法的细节。参见图2，在衬底上形成包括下部互连件120的CMOS电路(未示出)。在一个实施例中，可以在包括该下部互连件120的层间介电层(ILD) 110上形成阻挡金属(未示出)。该阻挡金属例如可以是钩、钛、钽、氮化 钨、氮化钛、或氮化钽。在可选实施例中，可以不形成该阻挡金属。随后，在下部互连件120上形成第一互连件140。该第一互连件140可 以形成为电连接到多个下部互连件120中的一个。该第一互连件140可以由导电材料例如金属、合金、和硅化物形成。例 如，该第一互连件140可以包含铝、铜、或钴。再请参见图2，可以在包括该第一互连件140的衬底的整个表面上形成 第一导电型导电层150。该第一导电型导电层150可以作为PIN二极管的"N"层。尽管将该第 一导电型导电层150描述为N型导电型导电层，但是实施例不限于此。根据一个实施例，该第一导电型导电层150包括N掺杂非晶硅，但是实 施例不限于此。换句话说，该第一导电型导电层150例如可以由用锗、碳、氮、或氧(非 晶硅标记为a-Si)掺杂非晶硅得到的a-Si:H、 a-SiGe:H、 a-SiC:H、 a-SiN:H、 或a-SiO:H形成。可以通过化学气相沉积(CVD)工艺，例如等离子体增强型化学气相沉 积(PECVD)工艺，来形成该第一导电型导电层150。在实施例中，可通过 应用硅烷气体(SiH4) 、 PH3和P2Hs的混合气体，经PECVD工艺，用非晶 硅形成该第一导电型导电层150。然后，参见图3，对该第一导电型导电层150实施回蚀(etch-back)工 艺，以在该第一互连件140的两侧形成该第一导电型导电层。之后，参见图4，在包括该第一导电型导电层150的衬底上形成本征层 170，并且在本征层170中形成沟槽172。这时，根据实施例，该本征层170可作为PIN二极管的"I"层。可以采用非晶硅形成该本征层170。可以通过CVD工艺，例如PECVD 工艺来形成该本征层170。例如，通过应用硅烷气体SiH4，经PECVD工艺， 用非晶硅形成该本征层170。在形成该本征层170之后，在用于第二互连件145的位置形成沟槽172。 对应于下部互连件120形成该第二互连件145。参见图5，第二导电型导电层180形成在该衬底的整个表面上，并包括 形成在本征层170的沟槽172的侧面上。根据实施例，该第二导电型导电层180可以作为该PIN二极管的P层。 尽管将该第二导电型导电层180描述为P型导电型导电层，但是实施例不限 于此。可以通过化学气相沉积(CVD)工艺，例如等离子体增强型化学气相沉 积(PECVD)工艺，来形成该第二导电型导电层180。例如，通过应用硅烷 气体SiH4和硼的混合气体，经PECVD工艺，用非晶硅形成该第二导电型导 电层180。然后，参见图6，在一个实施例中，可以平坦化(planarize)该形成有 第二导电型导电层180的衬底，从而暴露出该第一互连件140。例如，通过 化学机械研磨(CMP)工艺平坦化该衬底。该第二导电型导电层180的形成 在该沟槽172底面的部分也被移除。通过实施蚀刻工艺移除这个部分。在实 施例中，通过回蚀工艺，从该包括本征层170的衬底的表面以及该沟槽172 的底面移除该第二导电型导电层180。在另一个实施例中，也可以移除该第 二导电型导电层180的形成在该沟槽172的其中一个侧壁上的部分。在移除该第二导电型导电层180从而使该第二导电型导电层180仅保留 在该沟槽172的一或多个侧壁上之后，在该沟槽172中形成第二互连件145。 可以用与该第一互连件140相同的材料形成该第二互连件145。因此，在晶体管电路上形成了光电二极管，并能够确保隔离和减小光电 二极管的像素单元之间的色度亮度串扰。而且，由于光电二极管形成在晶体管电路之上并具有水平结构，所以，可以省略用于上部互连件(例如透明电极)的工艺。因此，通过典型的半导 体制造工艺，而不采用用于制造透明电极的额外设备，能够制造根据上述实 施例的图像传感器。图7至图11是显示根据另一个实施例的图像传感器的制造方法的横截 面图。不同于参照图2-图6说明的实施例，参照图7-图11说明的实施例的特 征在于，减少了对于本征层170的蚀刻工序，从而防止在光电二极管中出现 缺陷。参见图7，可以在衬底上形成包括下部互连件120的CMOS电路(未示出)。然后，可以在衬底上形成对应于下部互连件120第一和第二互连件140 和145。之后，参见图8，在该第一互连件140的侧面形成第一导电型导电层150。 为了实施上述工序，可形成覆盖该第二互连件145并暴露出该第一互连件140的第一光致抗蚀剂图案152。然后，在该暴露的第一互连件140上形成该第一导电型导电层150。 之后，对该第一导电型导电层150实施回蚀工艺，从而将该第一导电型导电层150保留在该第一互连件140的侧壁上。然后，移除该第一光致抗蚀剂图案152。下一步，参见图9，在该第二互连件145的侧面形成第二导电型导电层180。为了实施上述工序，可形成覆盖该第一互连件140并暴露出该第二互连 件145的第二光致抗蚀剂图案154。之后，在该暴露的第二互连件145上形成该第二导电型导电层180。然后，参见图IO，对于该第二导电型导电层180实施回蚀工艺，从而将 该第二导电型导电层180保留在该第二互连件145的侧壁上。然后，移除该 第二光致抗蚀剂图案154。下一步，参见图11，在包括该第一导电型导电层150和该第二导电型导 电层180的衬底上形成本征层170。沉积本征层170以填充该第一导电型导 电层150和该第二导电型导电层180之间的空隙。然后，在一个实施例中，平坦化该衬底直到暴露出该第一和第二互连件140和145为止。因此，最大程度地减少了用于本征层170的蚀刻工艺，从而防止在该光电二极管中发生缺陷。在根据本发明实施例的图像传感器及其制造方法中，可以将光电二极管设置于晶体管电路上方。根据实施例，填充系数可以接近100%。另外，对于同样的像素尺寸，可以提供比相关技术更高的灵敏度。 根据某些实施例，为了实现与相关技术同样的分辨率，可以降低制造成本。根据实施例，每个像素单元可以实现为更复杂的电路而不减小灵敏度。 而且，根据实施例集成的额外的片上电路，能够提高图像传感器的性能， 减小器件尺寸，并减小该器件的制造成本。另外，光电二极管形成在晶体管电路之上，从而确保隔离和减少光电二 极管的像素单元之间的色度亮度串扰。在进一步的实施例中，可以在光电二极管上设置滤色器阵列。 说明书中所涉及的任何"一个实施例"、"实施例"、"示例性实施例"等， 其含义是结合实施例描述的特定特征、结构、或特性包括在本发明的至少一 个实施例中。本说明书中出现于各处的这些词语不一定都指同一个实施例。 此外，当结合任何实施例说明特定特征、结构或特性时，认为其落在本领域 技术人员结合其它实施例可以实现这些特征、结构、或特性的范围内。尽管以上参考本发明的多个示例性实施例而对实施例进行了描述，但可 以理解的是，本领域技术人员完全可以推导出许多其它改型和实施例，而落 入本公开内容的原理的精神和范围之内。尤其是，可以在本公开、附图和所 附权利要求的范围内对主要组合配置中的组件和/或配置进行各种变化和改 型。除组件和/或配置的变化和改型之外，其它可选择的应用对于本领域技术 人员而言也是显而易见的。
权利要求
1、一种图像传感器，包括衬底，设有晶体管电路和至少两个下部互连件；第一上部互连件，电连接到所述至少两个下部互连件中的第一下部互连件；第二上部互连件，电连接到所述至少两个下部互连件中的第二下部互连件；第一导电型导电层，形成在该第一上部互连件的至少一个侧壁表面上；第二导电型导电层，形成在该第二上部互连件的至少一个侧壁表面上；以及本征层，形成在该第一导电型导电层和该第二导电型导电层之间；其中，该第一导电型导电层、该本征层、以及该第二导电型导电层提供水平设置的二极管结构。
2、 根据权利要求1所述的图像传感器，其中，该第一导电型导电层形 成在该第一上部互连件的一个侧壁表面上。
3、 根据权利要求1所述的图像传感器，其中，该第一导电型导电层形 成在该第一上部互连件的至少两个侧壁表面上。
4、 根据权利要求3所述的图像传感器，其中，该第一上部互连件作为 一个以上二极管的公共节点。
5、 根据权利要求1所述的图像传感器，其中，该第二导电型导电层形 成在该第二上部互连件的一个侧壁表面上。
6、 根据权利要求1所述的图像传感器，其中，该第二导电型导电层形 成在该第二上部互连件的至少两个侧壁表面上。
7、 根据权利要求6所述的图像传感器，其中，该第二上部互连件作为 一个以上二极管的公共节点。
8、 一种图像传感器的制造方法，包括 在衬底上形成晶体管电路和至少两个下部互连件；在所述至少两个下部互连件中的第一下部互连件上形成第一上部互连件；在该第一上部互连件的至少一个侧壁表面上形成第一导电型导电层；在包括该第一导电型导电层和该第一上部互连件的衬底上，形成本征层；对应于所述至少两个下部互连件中的第二下部互连件，在该本征层中形成沟槽；在该沟槽的至少一个侧壁表面上形成第二导电型导电层；以及 在具有该第二导电型导电层的沟槽中形成第二上部互连件。
9、 根据权利要求8所述的方法，其中，在该第一上部互连件的至少一 个侧壁表面上形成第一导电型导电层的步骤包括在包括该第一上部互连件的衬底的整个表面上形成第一导电型导电层； 对该第一导电型导电层实施回蚀工艺，从而使该第一导电型导电层保留 在该第一上部互连件的侧壁表面上。
10、 根据权利要求8所述的方法，进一步包括在该本征层中形成沟槽 之前，实施平坦化工艺以暴露出该第一上部互连件的顶面。
11、 根据权利要求8所述的方法，其中，在该沟槽的至少一个侧壁表面 上形成第二导电型导电层的步骤包括在包括该沟槽的本征层上形成第二导电型导电层；以及 移除该第二导电型导电层位于该本征层的顶面以及该沟槽的底面的部分。
12、 根据权利要求11所述的方法，其中，移除该第二导电型导电层的 该部分的步骤包括对该第二导电型导电层实施回蚀工艺，从而使该第二导电型导电层保留 在该沟槽的侧壁表面上。
13、 根据权利要求11所述的方法，其中，移除该第二导电型导电层的该部分的步骤包括实施化学机械研磨工艺以移除该第二导电型导电层位于该本征层的顶面的部分；以及实施回蚀工艺以移除该第二导电型导电层位于该沟槽中的部分。
14、 一种图像传感器的制造方法，包括 在衬底上形成晶体管电路和至少两个下部互连件；对应于所述至少两个下部互连件中的第一下部互连件和第二下部互连件，分别在该衬底上形成第一上部互连件和第二上部互连件；在该第一上部互连件的至少一个侧壁表面上，形成第一导电型导电层； 在该第二上部互连件的至少一个侧壁表面上，形成第二导电型导电层；以及在包括该第一导电型导电层和该第二导电型导电层的衬底上形成本征层。
15、 根据权利要求14所述的方法，其中，在该第一上部互连件的至少一个侧壁表面上形成第一导电型导电层的步骤包括在该衬底上形成覆盖该第二上部互连件并暴露出该第一上部互连件的第一光致抗蚀剂图案；在暴露出的第一上部互连件上形成该第一导电型导电层；以及 对该第一导电型导电层实施回蚀工艺，从而在该第一上部互连件的侧壁表面上形成该第一导电型导电层。
16、 根据权利要求14所述的方法，其中，在该第二上部互连件的至少 一个侧壁表面上形成第二导电型导电层的步骤包括在该衬底上形成覆盖该第一上部互连件并暴露出该第二上部互连件的第二光致抗蚀剂图案；在暴露出的第二上部互连件上形成该第二导电型导电层；以及 对该第二导电型导电层实施回蚀工艺，从而在该第二上部互连件的侧壁表面上形成该第二导电型导电层。
17、 根据权利要求14所述的方法，进一步包括平坦化该本征层。
全文摘要
本发明公开了一种图像传感器及其制造方法。所述图像传感器包括衬底，设有晶体管电路；第一和第二互连件，在所述衬底上彼此分离；第一导电型导电层，形成在所述第一互连件的侧面；第二导电型导电层，形成在所述第二互连件的侧面；以及本征层，形成在所述第一和第二导电型导电层之间，从而形成P-I-N结构。根据本发明，光电二极管形成在晶体管电路的上部，从而确保光电二极管的像素单元之间的绝缘性，并且隔离和减小光电二极管的像素单元之间的色度亮度串扰，以提高图像传感器的分辨率和灵敏度。
文档编号H01L21/82GK101262001SQ20071016186
公开日2008年9月10日 申请日期2007年9月24日 优先权日2007年3月9日
发明者金升炫 申请人:东部高科股份有限公司