[發明專利]圖像傳感器及其制作方法

有效

• 申請號: 200610171714.4
• 申請日: 2006-12-19
• 公開（公告）號: CN101207141A
• 公開（公告）日: 2008-06-25
• 發明（設計）人: 三井田高
• 申請（專利權）人: 力晶半導體股份有限公司
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146;H01L21/822
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所
• 代理人: 陶鳳波

技術領域

本發明涉及一種圖像傳感器，尤其涉及一種包含遮蔽電極的圖像傳感器，以解決載流子串擾的問題。

背景技術

互補式金屬氧化物半導體(complementary?metal?oxide?semiconductors，CMOS)或電荷耦合裝置(charge?coupled?device，CCD)等圖像傳感器是一種硅半導體裝置，設計用來捕捉光子(光線)，并將光子轉換成電子。經轉換為電子后，電子就會被傳輸，并再次被轉換為可量測的電壓，而轉成數字數據。業界已進行研究一種以氫化非晶硅(hydrogenated?amorphous?silicon，α-Si:H)為基礎而堆迭于CCD或CMOS元件上的圖像傳感器，以追求具有優良于傳統CCD或CMOS圖像傳感器的性能，其敘述如下。因其堆迭結構所帶來的高集光有效面積比(fill?factor)能使得整個像素面積都能用來感測光子，再配合α-Si:H材料有效轉換能量的特性，便能達到高量子效率。然而，在已知研究中，此種感測器仍然有串擾(cross-talk)、圖像延遲(image?lag)以及漏電流信號等問題。其中載流子串擾相鄰像素的問題尤其會造成嚴重的分辨率與均勻性不足的問題，也會在像素間造成色彩上的串擾，導致色彩失真。此外，在α-Si:H材料中的俘獲或場發射式載流子輸送機制會導致低載流子移動速率，進而很容易發生圖像延遲問題，因而在動態圖像的畫面中產生亮點殘影的情形。具體而言，由于一像素的全部信號無法在單一畫面中被讀取，因此當發生圖像延遲問題時，在低信號位階中不可能再生真實的色彩。再者，漏電流問題主要成因于光導層中由金屬電極至p型層(p-layer)或n型層(n-layer)的空穴電子注入遂穿(tunnel)情形，其會在暗幕產生很多雜訊。所以，為了能與傳統硅基CCD或CMOS圖像傳感器相競爭，上述三個主要問題需要被解決，以提供較佳畫面品質。

目前使用α-Si:H材料的技術已發展出具有下列材料：

(一)透明導電層，材料如氧化銦錫(Indium?Tin?Oxide，ITO)；

(二)硼(boron)重摻雜p型層，包含有氫化非晶質碳化硅(hydrogenatedamorphous?silicon?carbide，α-SiC:H)材料，用來收集在本征層(intrinsic?layer，i-layer)產生的光致空穴，傳輸至ITO；

(三)α-Si:H本征層，主要作為光致電子-空穴對產生層；

(四)磷(phosphorus)重摻雜n型層，包含有氫化碳摻雜非晶硅(hydrogenated?carbon?doped?amorphous?silicon)材料，作為從本征層產生的電子的接收者，以傳輸至金屬像素電極；以及

(五)金屬像素電極，設于n型層下方且連接于晶體管，其垂直堆迭于位于硅襯底上的CMOS電路上方。

圖1顯示出具有一本征層/n型層接合的p-i-n異質結面的能帶圖。電荷對電壓轉換率主要決定于感測電容的大小，并且藉由增厚本征層而最小化。

為了能在α-Si:H本征層達到較高量子效率，必須在較大厚度中藉由最佳化氫原子的濃度產生較長壽命的少數載流子(minority?carrier)以及較高的載流子遷移率來改善光導電性以及光吸收性。同時，位于ITO層下方的硼重摻雜p型層可以甲烷基α-SiC:H(CH₄?based?α-SiC:H)層取代，以與α-Si:H本征層形成異質結面。由于碳化硅具有較大的光學能隙(larger?optical?bandgap，Eopt)，因此能有效增強其透明度，亦能藉由擴大能帶間隙以抑制漏電流，進而避免因遂穿效應而造成電子由ITO層發散至p型層。再者，α-SiC:H材料亦可適用于n型層中，以藉由降低像素電極間的n型層導電性而避免像素之間的橫向載流子串擾。此設計亦能有效阻擋空穴由氮化鈦(titaniumnitride，TiN)像素電極發散至n型層，其相同于電子遂穿至p型層的情況。然而，α-SiC材料的高密度俘獲情形(deep?trap)會帶來漏電流以及圖像延遲等問題。

再者，在像素電極的邊角與n型層交界處會發生更嚴重的問題，其系由于電場強度會局部集中而使得能帶彎曲，如圖2所標示的邊緣處。其中因遂穿而造成的空穴遷移機率會變大，進而增加反向偏壓情形的漏電流。此外，由α-SiC構成的n型層亦會有效黏附于TiN像素電極上，而不會有脫落(peeling-off)的情形，由于張力的關系，像素電極邊角上被施壓的α-SiC膜可能會有高密度的陷位，造成和圖像延遲同樣嚴重的像素缺陷，如圖2所示。