图像传感器及其形成方法技术

一种图像传感器及其形成方法，所述图像传感器包括：半导体衬底，所述半导体衬底内形成有逻辑器件；金属互连层，位于所述半导体衬底的表面，所述金属互连层内具有金属互连结构；多层堆叠的感光元件层，位于所述金属互连层的表面，每层感光元件层中包含多个感光元件，不同的感光元件经由所述金属互连结构电连接至不同的逻辑器件；其中，每个感光元件包括堆叠的第一透明电极层、PIN二极管、第二透明电极层。本发明专利技术可以不依赖于光电二极管、滤光片、有机光敏薄膜等材料，即可实现光电转换功能且对光生载流子进行收集，有助于降低生产成本，减少工艺复杂度。少工艺复杂度。少工艺复杂度。

【技术实现步骤摘要】
图像传感器及其形成方法


[0001]本专利技术涉及半导体制造
，尤其涉及一种图像传感器及其形成方法。

技术介绍

[0002]图像传感器是摄像设备的核心部件，通过将光信号转换成电信号实现图像拍摄功能。以互补金属氧化物半导体图像传感器(CMOS Image Sensors，CIS)器件为例，由于其具有低功耗和高信噪比的优点，因此在各种领域内得到了广泛应用。
[0003]在现有的一种CIS技术中，为了实现彩色成像，通常在像素单元表面加上滤光片(Color Filter)，在现有的另一种CIS技术中，基于有机光敏薄膜(Organic Photoconductive Films，OPFs)的堆叠式无滤光片彩色CIS。具体地，将分别能对蓝色、红色以及绿色做出光电响应的有机薄膜在纵向上进行堆叠，可以实现无滤光片的彩色成像，同时可以有效提高像素密度，提高分辨率。
[0004]然而，由于滤光片对光柱的吸收率有限，因此滤光片的厚度具有一定的下限，难以形成非常小的像素单元，同时滤光片多属于有机物，在紫外线的照射下或高温中容易退化；而有机光敏薄膜的耐用性较差，且与CMOS集成工艺难以兼容。

技术实现思路

[0005]本专利技术解决的技术问题是提供一种图像传感器及其形成方法，可以不依赖于光电二极管、滤光片、有机光敏薄膜等材料，即可实现光电转换功能且对光生载流子进行收集，有助于降低生产成本，减少工艺复杂度。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术实施例提供一种图像传感器，包括：半导体衬底，所述半导体衬底内形成有逻辑器件；金属互连层，位于所述半导体衬底的表面，所述金属互连层内具有金属互连结构；多层堆叠的感光元件层，位于所述金属互连层的表面，每层感光元件层中包含多个感光元件，不同的感光元件经由所述金属互连结构电连接至不同的逻辑器件；其中，每个感光元件包括堆叠的第一透明电极层、PIN二极管、第二透明电极层。
[0007]可选的，所述PIN二极管是采用多晶硅材料形成的。
[0008]可选的，不同的感光元件层中的感光元件用于吸收不同波长的光线；其中，越邻近所述半导体衬底的感光元件层中的感光元件吸收的光线的波长越长。
[0009]可选的，所述感光元件的横截面面积越大，所述感光元件吸收的光线的波长越长。
[0010]可选的，所述多层堆叠的感光元件层为三层，且沿着远离所述半导体衬底的方向排列，第一感光元件层的感光元件吸收的光线为红光，第二感光元件层的感光元件吸收的光线为绿光，第三感光元件层的感光元件吸收的光线为蓝光；其中，第一感光元件层的感光元件的横截面面积大于第二感光元件层的感光元件的横截面面积，第二感光元件层的感光元件的横截面面积大于第三感光元件层的感光元件的横截面面积。
[0011]可选的，所述感光元件的横截面为圆形；所述感光元件的横截面的直径满足以下一项或多项：第一感光元件层的感光元件的横截面的直径选自130～150nm；第二感光元件
层的感光元件的横截面的直径选自110～130nm；第三感光元件层的感光元件的横截面的直径选自60～100nm。
[0012]可选的，相邻的感光元件层中的感光元件在垂直于半导体衬底表面的方向上中心点重合，且相邻的感光元件之间均具有间隔。
[0013]可选的，相邻的感光元件层中的感光元件在垂直于半导体衬底表面的方向上中心点不重合，且在所述相邻的感光元件层中，下层感光元件的第二透明电极层与上层的第一透明电极层位于同一层且之间具有间隔；其中，下层感光元件为邻近所述半导体衬底的感光元件，上层感光元件为远离所述半导体衬底的感光元件。
[0014]可选的，所述半导体衬底内具有光电二极管。
[0015]为解决上述技术问题，本专利技术实施例提供一种图像传感器的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底内形成有逻辑器件；在所述半导体衬底的表面形成金属互连层，所述金属互连层内具有金属互连结构；在所述金属互连层的表面形成多层堆叠的感光元件层，每层感光元件层中包含多个感光元件，不同的感光元件经由所述金属互连结构电连接至不同的逻辑器件；其中，每个感光元件包括堆叠的第一透明电极层、PIN二极管、第二透明电极层。
[0016]可选的，在所述金属互连层的表面形成多层堆叠的感光元件层包括：依次形成各层感光元件层，且形成任意一层感光元件层包括：淀积介质层；对所述介质层进行刻蚀，以得到多个感光元件沟槽；在所述感光元件沟槽内形成感光元件，以得到所述感光元件层。
[0017]可选的，所述多层堆叠的感光元件层至少包括三层，且沿着远离所述半导体衬底的方向排列；在所述金属互连层的表面形成多层堆叠的感光元件层包括：在所述金属互连层的表面形成第一感光元件层，且所述第一感光元件层的感光元件吸收的光线为红光；在所述第一感光元件层的表面形成第二感光元件层，且所述第二感光元件层的感光元件吸收的光线为绿光；在所述第二感光元件层的表面形成第三感光元件层，且所述第三感光元件层的感光元件吸收的光线为蓝光；其中，第一感光元件层的感光元件的横截面面积大于第二感光元件层的感光元件的横截面面积，第二感光元件层的感光元件的横截面面积大于第三感光元件层的感光元件的横截面面积。
[0018]可选的，在所述金属互连层的表面形成多层堆叠的感光元件层包括：在所述金属互连层的表面形成第一感光元件层以及第二感光元件层的第一透明电极层，所述第二感光元件层的第一透明电极层与所述第一感光元件层的第二透明电极层是采用同一张掩膜版形成的，且所述第二感光元件层的第一透明电极层与所述第一感光元件层的第二透明电极层之间具有间隔；在所述第一感光元件层的表面形成第二感光元件层的剩余部分以及第三感光元件层的第一透明电极层，所述第三感光元件层的第一透明电极层与所述第二感光元件层的第二透明电极层是采用同一张掩膜版形成的，且所述第三感光元件层的第一透明电极层与所述第二感光元件层的第二透明电极层之间具有间隔；依次在第N感光元件层的表面形成第N+1感光元件层的剩余部分以及第N+2感光元件层的第一透明电极层，所述第N+2感光元件层的第一透明电极层与所述第N+1感光元件层的第二透明电极层是采用同一张掩膜版形成的，且所述第N+2感光元件层的第一透明电极层与所述第N+1感光元件层的第二透明电极层之间具有间隔；其中，N为正整数，且N≥2。
[0019]可选的，所述多层堆叠的感光元件层至少包括三层，且沿着远离所述半导体衬底
的方向排列；在所述金属互连层的表面形成多层堆叠的感光元件层包括：在所述金属互连层的表面形成第一感光元件层，且所述第一感光元件层的感光元件吸收的光线为红光；在所述第一感光元件层的表面形成第二感光元件层，且所述第二感光元件层的感光元件吸收的光线为绿光；在所述第二感光元件层的表面形成第三感光元件层，且所述第三感光元件层的感光元件吸收的光线为蓝光；其中，第一感光元件层的感光元件的横截面面积大于第二感光元件层的感光元件的横截面面积，第二感光元件层的感光元件的横截面面积大于第三感光元件层的感光元件的横截面面积。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种图像传感器，其特征在于，包括：半导体衬底，所述半导体衬底内形成有逻辑器件；金属互连层，位于所述半导体衬底的表面，所述金属互连层内具有金属互连结构；多层堆叠的感光元件层，位于所述金属互连层的表面，每层感光元件层中包含多个感光元件，不同的感光元件经由所述金属互连结构电连接至不同的逻辑器件；其中，每个感光元件包括堆叠的第一透明电极层、PIN二极管、第二透明电极层。2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述PIN二极管是采用多晶硅材料形成的。3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，不同的感光元件层中的感光元件用于吸收不同波长的光线；其中，越邻近所述半导体衬底的感光元件层中的感光元件吸收的光线的波长越长。4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述感光元件的横截面面积越大，所述感光元件吸收的光线的波长越长。5.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述多层堆叠的感光元件层为三层，且沿着远离所述半导体衬底的方向排列，第一感光元件层的感光元件吸收的光线为红光，第二感光元件层的感光元件吸收的光线为绿光，第三感光元件层的感光元件吸收的光线为蓝光；其中，第一感光元件层的感光元件的横截面面积大于第二感光元件层的感光元件的横截面面积，第二感光元件层的感光元件的横截面面积大于第三感光元件层的感光元件的横截面面积。6.根据权利要求5所述的图像传感器，其特征在于，所述感光元件的横截面为圆形；所述感光元件的横截面的直径满足以下一项或多项：第一感光元件层的感光元件的横截面的直径选自130～150nm；第二感光元件层的感光元件的横截面的直径选自110～130nm；第三感光元件层的感光元件的横截面的直径选自60～100nm。7.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，相邻的感光元件层中的感光元件在垂直于半导体衬底表面的方向上中心点重合，且相邻的感光元件之间均具有间隔。8.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，相邻的感光元件层中的感光元件在垂直于半导体衬底表面的方向上中心点不重合，且在所述相邻的感光元件层中，下层感光元件的第二透明电极层与上层的第一透明电极层位于同一层且之间具有间隔；其中，下层感光元件为邻近所述半导体衬底的感光元件，上层感光元件为远离所述半导体衬底的感光元件。9.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述半导体衬底内具有光电二极管。10.一种图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底内形成有逻辑器件；在所述半导体衬底的表面形成金属互连层，所述金属互连层内具有金属互连结构；
在所述金属互连层的表面形成多层堆叠的感光元件层，每层感光元件层中包含多个感光元件，不同的感光元件经由所述金属互连结构电连接至不同的逻辑器件；其中，每个感光元件包括堆叠的第一透明电极层、PIN二极管、第二透明电极层。11.根据权利要求10所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，在所述金属互连层的表面形成多层堆叠的感光元件层包括：依次形成各层感光元件层，...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡欢，陈世杰，张斌，
申请(专利权)人：联合微电子中心有限责任公司，
类型：发明
国别省市：