专利名称：图像传感器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体器件，以及尤其涉及一种图像传感器及其制备方法。
背景技术：
图像传感器，其为将光学图像转换为电信号的半导体器件，广泛分为电 荷耦合器件(CCD)图像传感器和互补型金属氧化物硅(CMOS)图像传感 器(CIS)。在单位像素中形成光电二极管和MOS晶体管，CMOS图像传感器通过以切换方式相继探测在每个单位像素中的电信号。CMOS图像传感器可划分为接收光信号并将其转换为电信号的光电二极 管区域和处理电信号的晶体管区域。CMOS图像传感器为光电二极管和晶体管水平设置在半导体衬底上的结构。利用平面的CMOS图像传感器，光电二极管和晶体管邻近形成以在水平 方向上在衬底上彼此邻近。因此，需要额外的区域，以形成光电二极管。因 而，存在降低填充因子和限定分辨率可能性的问题。同样，利用平面CMOS图像传感器，存在实现工艺优化用于同时制造光 电二极管和晶体管的难题。换句话说，在快速晶体管工艺中，对于低表面电 阻需要浅结，但是该浅结可能对于光电二极管是不适当的。同样，利用平面图像传感器，可将额外的片上功能添加到图像传感器。 然后，应该增加或降低单位像素的尺寸，以保持图像传感器的灵敏性。然而，其具有当单位像素的光电二极管增加时，图像传感器的分辨率降5低的问题。同样，当光电二极管的面积减小时，图像传感器的灵敏性也降低。 发明内容本发明的一个目的是提供一种能够提供晶体管电路和光电二极管的新集 成的图像传感器及其制造方法。本发明的另一个目的是提供一种能够同时提高分辨率和灵敏度的图像传 感器及其制造方法。本发明的另一个目的是提供一种提高后续工艺步骤同时采用垂直光电二 极管的图像传感器及其制造方法。为了实现上述目的，本发明提供了一种图像传感器，包括具有像素区 和外围电路区的半导体衬底；具有形成在半导体衬底上的金属引线和焊盘的 层间介电层；选择性地形成在金属引线上的下电极；形成在像素区的层间介 电层上的光电二极管；以及形成在光电二极管上的上电极。同时，为了实现上述目的，本发明提供了一种根据本发明的图像传感器 的制造方法，包括步骤在半导体衬底上形成像素区和外围电路区；在半导 体衬底上形成具有金属引线和焊盘的层间介电层；在金属引线上选择性地形 成下电极；在像素区的层间介电层上形成光电二极管；以及在光电二极管上 形成上电极。
附图，其包括用于提供对本发明的进一步解释并结合入本申请且作为本 申请的一部分，示出了本发明的实施方式并与说明书一起用于解释本发明的 原理。在附图中图1至图12是根据本发明的第一实施方式的图像传感器的工艺横截面视图；图13至图21是根据本发明的第二实施方式的图像传感器的工艺横截面 视图。
具体实施方式
在以下文中，将参照附图详细描述根据本发明的实施方式的图像传感器及其制造方法。在实施方式的描述中，当任何元件描述为在每一层"之上或上方"时， 其包括元件直接或间接形成于具有插入其它层的每一层之上或上方的所有情 形。在附图中，每层的厚度和尺寸都是夸大或忽略了，并为了简便示意性示 出且便于解释。同样，附图没有按比例绘制且扩大了特定部件以更好地示出 及解释本发明。[第一实施方式]图12是示出根据本发明的第一实施方式的图像传感器的横截面视图。根据本发明实施方式的图像传感器包含具有像素区A和外围电路区B的 半导体衬底10;具有金属引线30和31以及形成与半导体衬底10上的焊盘 32的层间介电层20;选择性形成于金属引线30和31上的下电极40;形成 于像素区A的层间介电层20上的光电二极管71;形成于光电二极管71上的 上电极81;以及形成于上电极81上的钝化层91。光电二极管71由本征层51和导电层61形成。上电极81可仅形成于光 电二极管71的上表面上。钝化层91可配置有分别暴露上电极81和外围区域 B上的下电极40的第一开口孔92和第二开口孔93。连接到上电极81的上引线110可形成于具有第一开口孔92和第二开口 孔93的钝化层91上。滤色片120和保护层130可形成于上电极81上。例如， 钝化层91可由氧化膜和氮化膜的任意一种形成。例如，连接到上电极81的 上引线110可由诸如铝的金属材料形成。在以下文中，将参照图1至图12描述根据实施方式制造图像传感器的方法。参照图1，具有金属引线30和31的层间介电层20形成于其上形成CMOS 电路(未示出)的半导体衬底10上。尽管没有示出，但是半导体衬底10与限定有源区域和场区的器件绝缘层 一起形成，并且像素区A和外围电路区B可形成于有源区域上。单位像素形成于像素区A上并且外围电路单元形成于外围电路区B上以 通过相继检测每个单位像素的电信号而实现图像。CMOS电路，其由连接如以下所述的光电二极管的用于将所接收光线的光电荷转换成电信号的传送晶体管(未示出)、重置晶体管(未示出)、驱 动晶体管(未示出)、选择晶体管(未示出)等构成，可在形成于显示区域 A上的单位像素中形成。
层间介电层20和用于与电源线或信号线连接的金属引线30及31形成于 其上形成CMOS电路的半导体衬底10的上部分上。层间介电层20可由多层 形成。穿过层间介电层20的金属引线30和31可以复数形成。例如，层间介 电层20可由氧化膜形成。同样，金属引线30和31可由多种导电材料形成， 包括金属、合金或硅化物，目卩，铝、铜、钴或钨等。金属引线30和31在每 个单元排列形成以将CMOS电路连接到光电二极管70。另外，当形成金属 引线30和31时，连接到外围电路区B的焊盘32可形成。在层间介电层20 上形成连接到半导体衬底10的CMOS电路的金属引线30和31以及焊盘32 之后，金属引线30可在光电二极管70的每个单位像素构图。因此，光电二 极管70形成于具有金属引线30和31的层间介电层20上，从而光电二极管 70电连接到金属引线30和31。
参照图2和图3，在形成光电二极管70之前，下电极40可形成于金属 引线30和31上。例如，下电极40可由金属形成，诸如Cr、 Ti、 TiW和Ta。 当然，下电极40不能形成。在层间介电层20上形成铬(Cr)层之后，下电 极40可通过光刻工艺仅形成于金属引线30和31的上部分上。光电二极管 70形成于具有金属引线30和31以及焊盘32的层间介电层20上。光电二极 管70形成于层间介电层70的上部分上，以接收从外部入射的光线并将其转 化成电形式且以电形式存储。在本发明的实施方式中，作为光电二极管，使 用IP二极管。在金属、本征非晶硅和p型非晶硅结合的结构中形成二极管。 根据将从外部入射的光线转化成电形式的效率和总电荷容量确定光电二极管 的性能。现有的光电二极管产生电荷并在P-N、 N-P、 N-P-N、 P-N-P等异质
结中所产生的耗尽区中存储电荷。然而，IP二极管为具有为纯半导体的本征 非晶硅的结构的光电二极管，在p型硅和金属之间的结合。当在p型非晶硅 和金属之间形成的所有本征非晶硅为耗尽区时，IP 二极管具有产生并存储电 荷的优点。在实施方式中，IP二极管用作光电二极管并且二极管的结构可以 P-I-N、 N-I-P、 I-P等的结构形成。特别地，在本发明的实施方式中，例如， 使用具有[-P结构的P-I-N 二极管并且本征非晶硅称为本征层以及p型非晶硅称为导电层。
将参照图4描述使用IP 二极管形成光电二极管70的方法。 本征层50形成于介电层20上。本征层50可起在实施方式中采用的I-P 二极管的I层的作用。本征层50可使用本征非晶硅形成。本征层50可以化 学气相沉积CVD的形式，特别是以等离子体增强CVD (PECVD)等的方式 形成。例如，本征层50可通过PECVD使用硅烷气体(SiH4)等由非晶硅形 成。这里，可形成厚度是导电层60厚度的约10到1000倍的本征层50。这 是因为本征层50的厚度变厚，所以P-I-N二极管的耗尽区增加，使其能存储 并产生大量光电荷。在形成本祉层50之前，n-型导电层可形成，然而，在本 实施方式中省略了其描述。导电层60形成于其上形成本征层50的半导体衬 底10上。导电层60起在本实施方式中采用的I-P二极管的P层的作用。换 句话说，导电层60可以为P-型导电层，但是不限于此。例如，导电层60可 使用P掺杂的非晶硅形成，但是不限于此。导电层60可通过CVD尤其是 PECVD的方式由P掺杂的非晶硅形成，例如，通过将硅垸气体(SiH4)与诸 如BH3或B2H6的气体混合等。由本征层50和导电层60形成的光电二极管 70与在像素区A中的CMOS电路垂直集成，从而光电二极管70的填充因子 可以接近100%。
上电极80形成于其上形成光电二极管70的半导体衬底10的上部分上。 上电极80可由具有良好透光性和高导电透明电极形成。例如，上电极80可 由铟锡氧化物(ITO)、镉锡氧化物(CTO)和Zn02的任意之一形成。
参照图5，对形成于层间介电层20上的光电二极管70和上电极80进行 构图，从而由本征层51和导电层61形成的光电二极管71和上电极81仅形 成在像素区A上。
通过光刻工艺，光电二极管71和上电极81仅形成在像素区A上。然后， 去除在外围电路区B上的本征层50、导电层60和上电极80，从而暴露层间 介电层20和金属引线30、 31或下电极40。
参照图6，钝化层90形成于具有上电极81的层间介电层20上。例如， 钝化层90可由氧化膜(Si02)或氮化膜(SiN)形成。
特别地，在钝化层90形成中，作为钝化层90的氧化膜和氮化膜可形成 以通过PECVD工艺的方式层叠形成。同样，在形成钝化层90之后，可在
9H2气氛下在200到40(TC的温度下执行热处理。在H2下执行热处理的原因在 于H2离子扩散到半导体衬底10的CMOS电路区域中以改进图像传感器的属 性。同样，由于钝化层90形成为围绕光电二极管71的侧部区域，所以其阻 挡入射到光电二极管71的侧部部分的光线，从而可阻挡串扰和噪音产生。
参照图7，选择性蚀刻钝化层90，从而暴露像素区A的上电极81和外 围电路区B的下电极40。
上电极81和下电极40的暴露工艺同时执行，以通过光刻工艺选择性蚀 刻钝化层90形成暴露上电极81的表面的第一开口孔92和暴露下电极40的 表面的第二开口孔93。特别地，第一开口孔92形成在像素区A上形成的上 电极81的上表面的边缘区域处。
参照图8，上引线层100形成于其上形成第一和第二开口孔92和93的 钝化层91上。上引线层100通过第一和第二开口孔92和93电连接到像素区 A的上电极81和外围电路区B的下电极40。例如，上引线层100可由铝形 成。
参照图9，连接到上电极81的上引线110形成于钝化层91的第一和第 二开口孔92和93上。例如，形成上引线110以形成覆盖对于第一和第二开 口孔92和93的区域的光刻胶图案(未示出)。并且，当使用光刻胶图案作 为蚀刻掩模对下部的上引线层100进行蚀刻时，形成上引线110，其电连接 到像素区A的上电极81和与外围电路区B的金属引线连接的下电极40。
上引线110从与第一开口孔92 —块形成的钝化层91到与第二开口孔93 一块形成的钝化层91延伸形成。因此，上引线110分别电连接到像素区A 的上电极81和外围电路区B的下电极40。同样，上引线110形成以选择性 暴露在像素区A上的部分钝化层91以及选择性暴露在外围电路区B的部分 钝化层91。因此，在其没有形成上引线110的钝化层91上执行以下描述的 滤色片形成工艺和焊盘开口工艺。同样，由于上引线110从与第一开口孔92 一块形成的钝化层91到从与第二开口孔93 —块形成的钝化层91延伸形成， 所以其形成以覆盖光电二极管71的侧部区域。因此，入射到光电二极管71 侧部的光线以上引线110的方式受到阻挡，从而阻挡了图像传感器中串扰和 噪音的产生。
参照图10，暴露在外围电路区B上形成的焊盘32。当在用于打开焊盘32的工艺中，在具有对应焊盘32的区域中的开口部 分的光刻胶图案(未示出)形成于钝化层91并且随后使用光刻胶图案作为蚀 刻掩模蚀刻钝化层91和层间介电层20，从而形成焊盘开口孔25，以暴露焊 盘32。参照图ll，滤色片120形成于在像素区A上暴露的钝化层91上。滤色 片120可通过依靠图案掩模曝光并显影滤色片层形成。例如，滤色片120由 三个滤色片形成，以实现彩色图像。由于构成滤色片120的材料，使用染色 的光刻胶并且每个单位像素形成---个滤色片120以从入射光线分离颜色。每 个滤色片120代表不同的颜色并且滤色片由三种颜色诸如红、绿和蓝或红紫 色、青色和黄色形成，从而邻近的滤色片由彼此轻微重叠以具有台阶。参照图12，保护层130形成以补充滤色片120的台阶并保护滤色片120 的表面。例如，保护层130可由低温氧化膜(LTO)或光刻胶膜形成。或者， 保护膜130不能形成。在以下文中，可额外地执行微透镜工艺。在本发明的第一实施方式中，在IP结构中的光电二极管形成于半导体衬 底上以提供晶体管电路和光电二极管的垂直集成，从而填充因子可接近 100%。同样，钝化层形成于光电二极管的上部分上，以保护光电二极管的表 面。另外，在形成钝化层之后，H2离子通过在H2气氛下热处理而扩散到CMOS 电路区域中，使其能改进图像传感器的光学属性。同样，上引线形成于光电 二极管的上电极上和外围电路区上的下电极上，使得可从外部施加电信号。 同样，上引线形成为围绕光电二极管的侧部区域，从而防止来自外部的光线 从光电二极管的侧部入射，从而防止图像传感器中的串扰和噪音。[第二实施方式]图21是根据本发明的第二实施方式的截面图。根据本发明的实施方式的图像传感器包含具有像素区A和外围电路区B 的半导体衬底10;具有金属引线30和31以及形成与半导体衬底10上的焊 盘32的层间介电层20;选择性形成于金属引线30和31上的下电极140;形 成于像素区A的层间介电层20上的光电二极管171;形成于光电二极管171 上的上电极181;以及形成于上电极181上的钝化层191。光电二极管171可由第一导电层145、本征层151和第二导电层161形成。滤色片200和保护层210可形成于钝化层191上。上电极181可在光电 二极管171和在外围电路区B中具有金属引线31的层间介电层20上形成。 钝化层191可形成为围绕上电极181的上部分。例如，钝化层191可由氧化 膜和氮化膜的任意一种形成。在以下文中，将参照图13至图21描述一种用于根据本发明的第二实施 方式的图像传感器的方法。参照图13，具有金属引线30和31的层间介电层20形成于其上形成像 素区A和外围电路区B的半导体衬底10。在形成层间介电层20、金属引线 30和31、焊盘32和形成于半导体衬底10上的下电极140的工艺与以上所述 的实施方式相同，因此，将省略其描述。特别地，在第二实施方式中，下电 极140仅形成于在像素区域A的金属引线30上。参照图14，光电二极管170形成于层间介电层20上。光电二极管170 可由第一导电层145、本征层150和第二导电层160形成。第一导电层145 形成为围绕形成于像素区A的下电极40。第一导电层145可起P-I-N 二极管 的N层的作用。也就是，第一导电层145可以为N型导电层，但是不限于此。 第一导电层145可使用n掺杂的非晶硅形成，但是不限于此。换句话说，第 一导电层145可由a-Si: H、 a-SiGe: H、 a陽SiC、 a-SiN: H、 a-SiO: H等通 过将锗、碳、氮或氧等添加到非晶硅中形成。第一导电层145可由化学气相沉积CVD形成，特别地是通过PECVD形 成。例如，通过将PH3、 P2H5等与硅烷气体(SiH4)并将其在大约100到400 。C下通过PECVD沉积，第一导电层145可由n掺杂的非晶硅形成。第一导 电层145形成以围绕下电极140，从而其仅形成于每个单元显示分离的金属 引线30的上部分上，使其能每一单位像素分离光电二极管170。本征层150 形成于其上形成第一导电层145的层间介电层20上。本征层150与在第一实 施方式中采用的本征层50相同，因此，将省略其描述。第二导电层160形成于其上形成本征层150的层间介电层20上。第二导 电层160与在第一实施方式中采用的导电层60相同，因此，省略其描述。通 过光刻工艺构图以上形成的第一导电层145、本征层150和第二导电层160。 然后，由第一导电层145、本征层151和第二导电层161形成的光电二极管 171仅形成于像素区A上。在光电二极管171中，通过光刻工艺去除在外围电路区B中的第一导电层145、本征层150和第二导电层160，从而光电二极管171仅形成于像素区 A上。然后，暴露外围电路区B的层间介电层20和金属引线31。参照图16,上电极180形成在已经形成有光电二极管171的层间介电 层20上。上电极180能够有具有良好透光性和高导电性的透明电极形成。例如， 上电极180能够由铟锡氧化物(ITO)、镉铟氧化物(CTO)和Zn02中任意之一形成。参照图17，通过蚀刻上电极180，上电极181仅形成在光电二极管171 和外围电路区B的金属引线31上。通过光刻工艺上电极181形成在光电二 极管171的上部和侧部并且在具有外围电路区B的金属引线31的层间介电 层20上。然后，暴露出与外围电路区B的焊盘32相对应的层间介电层20 的上表面。通过上电极181能够向光电二极管171和外围电路区B的金属引 线31施加电信号。参照图18，钝化层190形成在具有上电极181的层间介电层20上。例 如，钝化层190能够通过PECVD由氧化膜(Si02)或氮化膜(SiN)形成。 同时，在形成钝化层190之后，在H2环境下，在200至400T的温度下进 行热处理。然后，H2离子扩散进CMOS电路区以提高图像传感器的特性。 同时，由于钝化层190形成为围绕光电二极管170的侧部区域，它阻挡光入 射至光电二极管170的侧部，从而防止串扰和噪声的产生。参照图19，暴露出形成在外围电路区B上的焊盘32。当在开口工艺中， 具有在对应焊盘32的区域中的开口部分的光刻胶图案(未示出)形成在钝化 层190上，然后使用光刻胶图案作为蚀刻掩模蚀刻钝化层90和层间介电层 20，从而形成焊盘开口孔27，从而暴露出焊盘32。参照图20，在像素区A中的钝化层191上形成滤色片200。每个单位像 素的--个滤色片200形成为对入射光进行分色。参照图21，保护层210形成为以补充滤色片200的台阶并且保护滤色片 200的表面。例如，保护层210能够由低温氧化膜(LTP)或者光刻胶膜形 成。或者，不形成保护膜210。下面附加执行微透镜工艺。在实施方式中，P-I-N结构的光电二极管形成在半导体衬底上以提供晶体管电路和光电二极管的垂直集成，从而填充因数能够达到100%。因此， 钝化层形成在光电二极管的上部以保护光电二极管的表面。此外，在形成钝化层的工艺中，H2离子扩散入CMOS电路区，从而可以提高图像传感器的 光学特性。同时，导电的上电极形成至光电二极管和外围电路区的金属引线 上，从而能够向像素区和外围电路区施加电信号。表示本发明的优选实施方式的详细说明和具体实施例仅用于说明而不是 用于限制。在不脱离本发明精神的情况下在本发明范围内可以有许多变形和 修改并且本发明包括所有这些修改和变形。图像传感器及其制造方法提供了一种晶体管电路和光电二极管的垂直集 成。同时，通过晶体管电路和光电二极管的垂直集成能够实现100%的填充 因子。此外，与现有技术相比，在相同的像素尺寸中通过垂直集成能够实现 更高的灵敏度。另外，在每个单位像素内在不降低灵敏度的情况下，能够实 现更复杂的电路。而且，采用垂直光电二极管，但是阻挡入射到光电二极管 侧表面的光，从而防止像素间的串扰，并且可以图像传感器的可靠性。同时， 在实施光电二极管的单位像素内，在单位像素中的光电二极管的表面区域增 加，从而可以提高光的灵敏性。同时，钝化膜形成在光电二极管的上表，可 以阻挡光，同时提高晶体管区域的光学特性。
权利要求
1、一种图像传感器，包括半导体衬底，具有像素区和外围电路区；层间介电层，具有形成在所述半导体衬底上的金属引线和焊盘；下电极，选择性地形成在所述金属引线上；光电二极管，形成在所述像素区的所述层间介电层上；以及上电极，形成在所述光电二极管上。
2、 根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器进 一步包括形成在所述上电极上的钝化层。
3、 根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述钝化层配有第一开口孔和第二开口孔，所述第一开口孔和第二开口孔分别暴露出上电极和外 围电路区上的下电极。
4、 根据权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，还包括形成在所述 钝化层的所述第一开口孔和所述第二开口孔上的上引线，所述上引线连接至所 述像素区的上电极。
5、 根据权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，所述上引线延伸形成以连接所述像素区的上电极至所述外围电路区的下电极。
6、 根据权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，所述上引线形成为围绕所述光电二极管的外部区域。
7、 根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，还包括 形成在所述上电极上的滤色片；以及 形成在所述滤色片上的保护膜。
8、 根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述光电二极管包括形成在所述像素区的所述层间介电层上的本征层；以及 形成在所述本征层上的导电层。
9、 根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述光电二极管包括形成在所述像素区的所述层间介电层上的第一导电层；形成在所述第一导电层上的本征层；以及 形成在所述本征层上的第二导电层。
10、 根据权利要求9所述的图像传感器，其特征在于，所述第一导电层具 有围绕所述像素区的下电极的结构。
11、 根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述上电极形成在 所述光电极二极管上和具有所述外围电路区的所述金属引线的所述层间介电 层上。
12、 根据权利要求11所述的图像传感器，其特征在于，所述上电极形成 为围绕所述光电二极管的上部和侧表面。
13、 根据权利要求l所述的图像传感器，其特征在于，所述钝化层由氧化 膜和氮化膜至少之一形成。
14、 一种图像传感器的制造方法，包括步骤 在半导体衬底上形成像素区和外围电路区； 在所述半导体衬底上形成具有金属引线和焊盘的层间介电层； 在所述金属弓I线上选择性地形成下电极； 在所述像素区的所述层间介电层上形成光电二极管；以及 在所述光电二极管上形成上电极。
15、 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括 在所述上电极和所述层间介电层上形成钝化层；形成暴露出所述钝化层上的部分上电极的第一开口孔和暴露出在外围电 路区中钝化层上的下电极的第二开口孔；以及在所述钝化层的所述第一开口孔和所述第二开口孔上形成上引线。
16、 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括 在除所述像素区的上引线之外的钝化层上形成滤色片；以及 在所述滤色片上形成保护层。
17、 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述钝化层由氧化膜和 氮化膜至少之一形成。
18、 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括对所述钝化层执 行热处理工艺。
19、 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述钝化层的热处理工艺是在H2环境在200至250°C下执行的。
20、根据权利要求M所述的方法，其特征在于，还包括在所述上电极和 所述外围电路区的所述层间介电层的上部上形成钝化层。
全文摘要
本发明涉及一种图像传感器及其制造方法。一种图像传感器，包括具有像素区和外围电路区的半导体衬底；具有形成在半导体衬底上的金属引线和焊盘的层间介电层；选择性地形成在金属引线上的下电极；形成在像素区的层间介电层上的光电二极管；以及形成在光电二极管上的上电极。因此，本发明能够提供晶体管和光电二管的填充因子接近100％的垂直集成方法，提供比现有技术更高的灵敏度，在不降低各单位像素的灵敏度的情况下实现更复杂的电路，通过防止像素之间的串扰等提高图像传感器的可靠性，通过增加在单位像素中的光电二极管的表面面积而提高光灵敏性的光学特性。
文档编号H01L21/70GK101325206SQ20071030834
公开日2008年12月17日 申请日期2007年12月29日 优先权日2007年6月12日
发明者李玟炯 申请人:东部高科股份有限公司