CN101383360A - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种图像传感器及其制造方法。该传感器包括位于第一衬底上的读出电路，位于第一衬底中的电学结区，电学结区与读出电路电连接，以及位于第一衬底上的互连件。可以形成用于与电学结区相连的互连件。可以在互连件上形成图像传感器件。根据本发明的图像传感器可以抑制电荷共享现象的发生以及提高填充系数，并且可以将暗电流源最小化以及通过在光电二极管和读出电路之间为光电荷提供快速移动通道从而抑制饱和度的降低和灵敏度的降低。
Description
技术领域
本发明涉及一种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。可以将该图像传感器粗略地分为电荷耦合器件(CCD)图像传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)。
在现有技术中，在具有晶体管电路的衬底中通过离子注入形成光电二极管。为了在不增大芯片尺寸的条件下增加像素的数量，需要不断减小二极管的尺寸。因为光电二极管的尺寸不断减小，所以光接收部分的面积也不断减小，使得图像质量降低。
此外，由于叠层高度不能像光接收部分的面积减小的那样多，因此入射至光接收部分的光子数量也由于光的衍射而减少，这种现象被称为艾里斑(airy disk)。
作为克服这种限制的可选方案，尝试采用非晶硅(Si)形成光电二极管，或者在Si衬底中形成读出电路并且在读出电路上采用如晶片-晶片键合的方法形成光电二极管(称为“三维(3D)图像传感器”)。光电二极管通过互连件与读出电路相连。
同时，根据现有技术，由于读出电路的迁移(transfer)晶体管的源极和漏极被N型杂质重度掺杂，因此会发生电荷共享现象。当电荷共享现象发生时，输出图像的灵敏度降低并且会产生图像错误。
此外，根据现有技术，由于光电荷不能在光电二极管和读出电路之间自由移动，因此会产生暗电流，或降低饱和度和灵敏度。
发明内容
本发明的实施例提供一种图像传感器及其制造方法，该图像传感器可以抑制电荷共享现象的发生并且提高填充系数。
实施例还提供一种图像传感器及其制造方法，该图像传感器可以将暗电流源最小化并且通过在光电二极管和读出电路之间为光电荷提供快速移动通道，从而抑制饱和度的降低和灵敏度的降低。
在一个实施例中，图像传感器可以包括：位于第一衬底上的读出电路；位于该第一衬底中的电学结区，将该电学结区电连接至该读出电路；位于该电学结区上的互连件；以及位于该互连件上的图像传感器件。
在另一个实施例中，图像传感器可以包括：读出电路，该读出电路包括：位于第一衬底上的第一晶体管和第二晶体管；位于该第一衬底中且位于该第一晶体管和该第二晶体管之间的电学结区，将该电学结区与该读出电路电连接；互连件，该互连件通过该第二晶体管电连接至该电学结区；以及位于该互连件上的图像传感器件。
下文将结合附图和说明书详细描述一个或多个实施例。显然从说明书和附图，以及从权利要求可以得到其他技术特征。
附图说明
图1为根据一个实施例的图像传感器的剖面图。
图2至图7为根据一个实施例的图像传感器的制造方法的剖面图。
图8为根据另一个实施例的图像传感器的剖面图。
图9为根据又一个实施例的图像传感器的剖面图。
具体实施方式
在下文中，将结合随附附图对图像传感器的实施例进行详细描述。
在对实施例的描述中，当提到层(或膜)位于另一层或衬底“上”时，可以理解为该层(或膜)直接位于另一层或衬底上，或者其中也可以出现中间层。进一步而言，当提及某一层位于另一层“下”时，可以理解为该层可以直接位于另一层下，或者其间也可以插入一层或多层中间层。此外，当提及某一层位于某两层“之间”时，也可以理解为只有该层位于这两层之间，或者其间也可有一层或多层中间层。
本发明公开的内容并不限于互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，而是可以应用于任何需要光电二极管的图像传感器。
图1为根据一个实施例的图像传感器的剖面图。
在一个实施例中，图像传感器可以包括：位于第一衬底100上形成的读出电路120；位于该第一衬底中的电学结区140，将该电学结区140与该读出电路120电连接；位于该电学结区140上的互连件150；以及位于该互连件150上的图像传感器件210。
图像传感器件210可以是光电二极管，但不限于光电二极管。例如，在某个实施例中，图像传感器件210可以是光栅极(photogate)或者是光电二极管与光栅极的组合。
同时，尽管将光电二极管210描述为在结晶半导体层中形成，但是光电二极管并不限于在结晶半导体层中形成。例如，光电二极管210可以在非结晶半导体层中形成。
图1中未作说明的附图标记将在随后的制造方法中加以描述。
在下文中，将结合图2至图7对根据实施例的图像传感器的制造方法进行详细描述。
制备第一衬底100，在第一衬底100中形成有互连件150和读出电路120。例如，可以在第二导电类型的第一衬底100中形成器件隔离层110，以限定有源区。可以在有源区中形成包括晶体管的读出电路120。在一个实施例中，读出电路120可以包括迁移晶体管Tx 121、复位晶体管Rx 123、驱动晶体管Dx 125以及选择晶体管Sx 127。在形成用于晶体管的栅极后，可以形成浮置扩散区FD 131和离子注入区130，该离子注入区130包括各个晶体管的源极区/漏极区133、135以及137。此外，根据实施例，可以增加除噪电路(未示出)以提高灵敏度。
在第一衬底100中形成读出电路120时，可以在第一衬底100中形成电学结区140并且在该电学结区140上形成第一导电类型连接区147，将连接区147与互连件150相连接。
电学结区140可以是PN结，但不以此为限。例如，电学结区140可以包括第一导电类型离子注入层143和第二导电类型离子注入层145，在第二导电类型阱141(或第二导电类型外延层)上形成该第一导电类型离子注入层143，以及在该第一导电类型离子注入层143上形成该第二导电类型离子注入层145。例如，该PN结可以是如图2所示的P0(145)/N-(143)/P-(141)结，但不以此为限。第一衬底100可以是第二导电类型衬底，但并不以此为限。
根据实施例，将器件设计成在迁移晶体管Tx的源极和漏极之间具有一电位差，以便光电荷可以完全倾卸(dumped)。因此，由光电二极管产生的光电荷可以完全倾卸至浮置扩散区，以提高输出图像的灵敏度。
也就是说，根据实施例，如图2所示，电学结区140和读出电路120都形成在第一衬底100中，并且允许位于迁移晶体管Tx 121侧边的源极和漏极之间产生一电位差，以便光电荷完全倾卸。
在下文中，将详细描述根据实施例的光电荷的倾卸结构。
浮置扩散区FD 131的节点为N+结，不同于该浮置扩散区FD 131的节点，PNP结140是电学结区140，并且施加至PNP结140的电压不能完全迁移，而是在其达到预设电压值处被切断(pinched-off)。这种电压被称作钉扎(pinning)电压，该钉扎电压取决于P0区145和N-区143的掺杂浓度。
具体而言，由光电二极管210(参见图1)产生的电子移动至PNP结140，随后当迁移晶体管Tx 121开启时，将电子迁移至浮置扩散区FD 131的节点并转化成电压。
由于P0/N-/P结140的最大电压值变为钉扎电压，并且浮置扩散区FD 131的节点的最大电压值变为Vdd-Rx 123的阈值电压Vth，因此通过在迁移晶体管Tx 121的侧边之间提供一电位差，可以在不发生电荷共享现象的条件下将芯片上部的光电二极管210产生的电子完全倾卸至浮置扩散区FD 131的节点。
也就是说，根据实施例，在第一衬底100中形成P0/N-/P-阱的结，以便在4-Tr有源像素传感器(APS)的复位操作期间，可以将正电压施加至P0/N-/P阱的结的N-区143，并且将接地电压施加至P0 145和P阱141，以便像在双极结晶体管(BJT)结构中一样，在P0/N-/P-阱的双结处以预定电压或更高电压产生切断。这种电压被称作钉扎电压。因此，在迁移晶体管Tx 121侧边的源极和漏极之间产生一电位差，当迁移晶体管Tx进行开/关操作时，该电位差可以抑制电荷共享现象。
因此，不像现有技术中简单地将光电二极管与N+结(N+/P-阱)相连，本发明可以避免诸如饱和度减少和灵敏度减少等局限性。
接下来，根据实施例，可以在光电二极管和读出电路之间形成第一导电类型连接区147，为光电荷提供快速移动通道(path)，以使暗电流源最小化，并且阻止饱和度减少和灵敏度减少。
为此，可以根据实施例在P0/N-/P-结140的表面上形成用于欧姆接触的第一导电类型连接区147。可以形成N+区147以穿过P0区145并且与N-区143接触。
同时，为了避免第一导电类型连接区147成为泄漏源，第一导电类型连接区147的宽度可以最小化。
为此，在一个实施例中，当用于第一金属接触部151a的通孔(via hole)完成蚀刻后，可以进行塞注入(plug implant)。在另一个实施例中，可以在衬底上形成离子注入图案(未示出)，然后可使用该离子注入图案作为离子注入掩模以形成第一导电类型连接区147。
也就是说，为了局部重度掺杂，在此实施例中仅提供具有N型杂质的接触形成部分(contact forming portion)以便于在最小化暗信号的同时促进欧姆接触形成(ohmic contact formation)。假设将整个迁移晶体管的源极重度掺杂，通过Si表面悬挂键(dangling bond)会增加暗信号。
可以在第一衬底100上形成层间介电层160，并且可以在第一衬底100上形成互连件150。互连件150可以包括第一金属接触部151a、第一金属151、第二金属152、第三金属153以及第四金属接触部154a，但互连件150并不限于仅包含前述各部件。
如图3所示，可以在第二衬底200上形成结晶半导体层210a。尽管将光电二极管210描述为在结晶半导体层中形成，但实施例并非以此为限。因此，图像传感器件可以采用位于读出电路上的三维(3D)图像传感器结构以提高填充系数(fill factor)。此外，通过在结晶半导体层中形成光电二极管，可以降低图像传感器件中的缺陷。
例如，可以通过外延生长在第二衬底200上形成结晶半导体层210a。然后，可以将氢离子注入第二衬底200和结晶半导体层210a之间以形成氢离子注入层207a。在一个实施例中，在采用离子注入形成光电二极管210后，可以实施氢离子注入。
接下来，如图4所示，可以采用离子注入在结晶半导体层210a中形成光电二极管210。例如，可以在结晶半导体层210a的下部中形成第二导电类型导电层216。例如，通过在无掩模条件下在第二衬底200的整个表面上实施毯覆式(blanket)离子注入，可以在结晶半导体层210a的下部中形成高浓度P型导电层216。在一个实施例中，第二导电类型导电层216的结的深度可以小于0.5μm。
然后，可以在第二导电类型导电层216上形成第一导电类型导电层214。例如，通过在无掩模条件下在第二衬底200的整个表面上实施毯覆式离子注入可以在第二导电类型导电层216上形成低浓度N型导电层214。在一个实施例中，第一导电类型导电层214的结的深度范围为1.0～2.0μm。
根据实施例，由于第一导电类型导电层214的厚度大于第二导电类型导电层216的厚度，因此可以提高电荷存储容量。通过形成N型导电层214的厚度大于高浓度P型导电层216的厚度，可以提高电荷存储容量，这是因为较厚的N型导电层214扩大了电荷的存储区域。
在进一步的实施例中，可以在第一导电类型导电层214上形成高浓度第一导电类型导电层212。例如，通过在无掩模条件下在第二衬底200的整个表面上实施毯覆式离子注入，可以在第一导电类型导电层214上形成高浓度N+型导电层212。高浓度第一导电类型导电层212有助于在光电二极管210和第一衬底100的互连件150之间形成欧姆接触。
接下来，如图5所示，可以将第一衬底100与第二衬底200键合，以便光电二极管210接触互连件150。基于此点，在第一衬底100和第二衬底200彼此键合之前，可以通过激活等离子体以提高键合接触面的表面能量从而实施键合。同时，在某一实施例中，可以将介电层或金属层置于键合接触面上以提高键合力，从而实施键合。
在第一衬底100和第二衬底200彼此键合之后，通过实施热处理可以将氢离子注入层207a转变成氢气体层(未示出)。在此之后，采用切割刀(blade)移除一部分第二衬底200，而留下位于氢气体层下的光电二极管210，从而如图6所示将光电二极管210暴露。
然后，可以实施蚀刻工艺，以便将用于每个单元像素的光电二极管分开。
在一个实施例中，通过像素间的电介质(未示出)填充被蚀刻的部分。
接下来，如图7所示，可以实施用于形成上电极240和滤色镜(未示出)的制造工艺。
在根据实施例的图像传感器及其制造方法中，将器件设计成在迁移晶体管Tx的源极和漏极之间具有一电位差，以便光电荷可以完全倾卸。
此外，根据实施例，可以在光电二极管和读出电路之间形成电荷连接区，为光电荷提供快速移动通道，以使暗电流源最小化，并且抑制饱和度减少和灵敏度减少。
图8为另一个实施例的图像传感器的剖视图，且该图详细说明包括互连件150的第一衬底。
如图8所示，该图像传感器可以包括：在第一衬底100上形成的读出电路120；位于该第一衬底中的电学结区140，该电学结区140与该读出电路120电连接；互连件150，该互连件150与该电学结区140电连接；以及位于该互连件150上的图像传感器件210。
本实施例可以采用如图1至图7的实施例中的技术特征。
例如，将器件设计成在迁移晶体管Tx的源极和漏极之间具有一电位差，以便光电荷可以完全倾卸。
此外，根据实施例，可以在光电二极管和读出电路之间形成电荷连接区，为光电荷提供快速移动通道，以使暗电流源最小化，并且抑制饱和度减少和灵敏度减少。
同时，与图1中的实施例不同，在电学结区140的侧边形成第一导电类型连接区148。
根据实施例，可以在临近P0/N-/P-结140的地方形成用于欧姆接触的N+连接区148。基于此点，由于通过对P0/N-/P-结140施加反偏压进行器件操作，以在Si表面产生电场EF，因此可以通过形成N+连接区148和第一金属接触部(M1C接触部)151a的制造工艺提供泄漏源。在形成接触部的制造工艺中，位于电场内的结晶缺陷可以作为泄漏源。
此外，在P0/N-/P-结140的表面形成N+连接区148的情况中，可以增加由N+/P0-结148/145引起的电场。该电场作为泄漏源。
因此，所提供的设计布局可以在有源区中形成第一接触塞151a，该有源区未掺杂P0层而是掺杂N+连接区148。然后，第一接触塞151a通过N+连接区148与N-结143相连接。
根据实施例，在Si衬底上不产生电场。从而，可以减小3D集成CIS的暗电流。
图9为根据又一个实施例的图像传感器的剖视图，且该图详细说明包括互连件150的第一衬底。
如图9所示，该图像传感器可以包括：读出电路120，该读出电路120包括位于该第一衬底100上的第一晶体管121a和第二晶体管121b；位于该第一衬底100中且位于该第一晶体管121a和该第二晶体管121b之间的电学结区140，该电学结区140与该读出电路120电连接；互连件150，该互连件150与该电学结区140电连接；以及位于该互连件150上的图像传感器件210。
本实施例可以采用上述实施例中的技术特征。
例如，根据实施例，将器件设计成在迁移晶体管Tx的源极和漏极之间具有一电位差，以便光电荷可以完全倾卸。
此外，根据实施例，可以在光电二极管和读出电路之间形成电荷连接区，为光电荷提供快速移动通道，以使暗电流源最小化，并且抑制饱和度减少和灵敏度减少。
同时，将结合该实施例详细描述在第一衬底100上形成读出电路120的过程。
可以在第一衬底100上形成第一晶体管121a和第二晶体管121b。
例如，该第一晶体管121a可以是一个第一晶体管121a，并且该第二晶体管121b可以是一个第二晶体管121b，但是该第一晶体管121a和该第二晶体管121b并不以此为限。该第一晶体管121a和该第二晶体管121b可以同时形成，也可以顺序形成。
此后，可以在第一晶体管121a和第二晶体管121b之间形成电学结区140。在一个实施例中，电学结区140可以是PN结140。
例如，根据实施例，PN结140可以包括第一导电类型离子注入层143和第二导电类型离子注入层145，在第二导电类型外延层(或阱)141上形成该第一导电类型离子注入层143，以及在该第一导电类型离子注入层143上形成该第二导电类型离子注入层145。
在具体实施例中，PN结140可以是如图2所示的P0(145)/N-(143)/P-(141)结。
可以在第二晶体管121b的一侧形成高浓度第一导电类型连接区131b，该连接区131b与互连件150相连。该高浓度第一导电类型连接区131b可以是高浓度N+离子注入区(N+结)且可以作为第二浮置扩散区FD 2(131b)，但并不以此为限。
根据实施例的读出电路包括用于将从芯片上部的光电二极管产生的电子移动至Si衬底(该读出电路形成在该Si衬底中)的N+结131b的部分；以及用于将电子从N+结131b移动至N-结143的部分，这样该读出电路可以实现4Tr操作。
下文将给出分别形成如图9所示的P0/N-/P-结140和N+结131b的原因。
当在P0/N-/P-结140的PNP结140中形成N+掺杂和一接触部时，会在PNP结140上由N+层产生暗电流，并且会损坏接触部的蚀刻。为了减小该暗电流，使接触形成部分的N+结131b与PNP结140相隔离。
也就是说，当在PNP结140的表面上实施N+掺杂和接触部的蚀刻时，会形成泄漏源。为了抑制这些泄漏源的形成，可以在N+/P-外延结131b上形成接触部。
由于在进行信号读出操作期间会开启第二晶体管Tx 2(121b)的栅极和第一晶体管Tx1(121a)的栅极，因此由芯片上部的光电二极管210产生的电子经过第一导电类型连接区131b，再穿过P0/N-/P-外延结140，移动至第一浮置扩散区FD 1(131a)，以便实现相关的复式取样(correlated doublesampling)。
说明书中所涉及的“一实施例”、“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、或特性均包括在本发明的至少一个实施例中。说明书中出现于各处的这些短语并不一定都涉及同一个实施例。此外，当结合任何实施例描述特定特征、结构或特性时，都认为其落在本领域技术人员结合其它实施例就可以实现这些特征、结构或特性的范围内。
尽管对实施例的描述中结合了其中多个示例性实施例，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变化和实施例，并落入本公开内容的原理的精神和范围之内。尤其是，可以在该公开、附图和所附权利要求的范围内对组件和/或附件组合设置中的排列进行多种变化和改进。除组件和/或排列的变化和改进之外，其他可选择的应用对于本领域技术人员而言也是显而易见的。
Claims (20)
1.一种图像传感器，包括：
读出电路，位于第一衬底上；
电学结区，位于该第一衬底中，该电学结区与该读出电路电连接；
互连件，位于该电学结区上；以及
图像传感器件，位于该互连件上。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中该电学结区包括：
第一导电类型离子注入区，位于该第一衬底中；以及
第二导电类型离子注入区，位于该第一导电类型离子注入区上。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中该电学结区在该读出电路的晶体管的源极和漏极之间提供电位差。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其中该晶体管包括迁移晶体管，位于该晶体管源极处的该电学结区的离子注入浓度低于位于该晶体管漏极处的浮置扩散区的离子注入浓度。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中该电学结区包括PN结。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中该电学结区包括PNP结。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，进一步包括第一导电类型连接区，位于该电学结区和该互连件之间，其中该第一导电类型连接区包括与位于该电学结区上的该互连件电连接的第一导电类型连接区。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，进一步包括第一导电类型连接区，位于该电学结区和该互连件之间，其中该第一导电类型连接区包括与位于该电学结区一侧的该互连件电连接的第一导电类型连接区。
9.根据权利要求1所述的图像传感器，其中该图像传感器件包括：
第一导电类型导电层；以及
第二导电类型导电层，位于该第一导电类型导电层上，其中该第一导电类型导电层的厚度大于该第二导电类型导电层的厚度。
10.一种制造图像传感器的方法，包括如下步骤：
在第一衬底上形成读出电路；
在该第一衬底中形成电学结区，且该电学结区与该读出电路电连接；
在该电学结区上形成互连件；以及
在该互连件上形成图像传感器件。
11.根据权利要求10所述的方法，其中形成该电学结区的步骤包括：
在该第一衬底中形成第一导电类型离子注入区；以及
在该第一导电类型离子注入区上形成第二导电类型离子注入区。
12.根据权利要求10所述的方法，其中形成该电学结区以在该读出电路的晶体管的源极和漏极之间提供电位差。
13.根据权利要求12所述的方法，其中该晶体管包括迁移晶体管，以及位于该晶体管源极处的该电学结区的离子注入浓度低于位于该晶体管漏极处的浮置扩散区的离子注入浓度。
14.根据权利要求10所述的方法，其中该电学结区包括PN结。
15.根据权利要求10所述的方法，其中该电学结区包括PNP结。
16.根据权利要求10所述的方法，进一步包括在该电学结区和该互连件之间形成第一导电类型连接区。
17.根据权利要求16所述的方法，其中该第一导电类型连接区包括与位于该电学结区上的该互连件电连接的第一导电类型连接区。
18.根据权利要求16所述的方法，其中该第一导电类型连接区包括与位于该电学结区一侧的该互连件电连接的第一导电类型连接区。
19.根据权利要求10所述的方法，其中形成该图像传感器件的步骤包括：
形成第一导电类型导电层；以及
在该第一导电类型导电层上形成第二导电类型导电层，
其中该第一导电类型导电层的厚度大于该第二导电类型导电层的厚度。
20.根据权利要求10所述的方法，其中形成该图像传感器件的步骤包括将第二衬底与该第一衬底键合，该第二衬底包括该图像传感器件。
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