CN101383362B - 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。该图像传感器包括：层间电介质、线路以及包括光电二极管和器件隔离区的结晶半导体层。层间电介质可以形成在包括读出电路的第一衬底上。线路贯穿该层间电介质以与读出电路连接，并且每个线路根据单位像素形成。该结晶半导体层可以接合在包括线路的层间电介质上。形成在结晶半导体层中的光电二极管与线路电连接。器件隔离区域包括导电杂质，并且形成在结晶半导体层内，从而根据单位像素分隔光电二极管。本发明能够解决暗电流特性。
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信号转换成电信号的半导体器件。图像传感器大致分为电荷藕合器件(CCD)图像传感器或者互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)。
在图像传感器中，通常利用离子注入在具有晶体管电路的衬底中形成光电二极管。随着为了在不增加芯片尺寸的情况下增加像素数量而越来越大程度地减小光电二极管，光接收部分的面积也减小，从而使图像质量降低。
此外，由于层叠高度没有像光接收部分的面积减小地那样多，入射到光接收部分的光子数量也由于光的衍射而减少，这称为空气盘(airy disk)。
已经进行了利用非晶硅(Si)形成光电二极管、或者在Si衬底中形成读出电路并且利用诸如晶片间(wafer-to-wafer)接合等方法在读出电路上形成光电二极管的尝试(称为“三维(3D)图像传感器”)，作为克服这种局限的替换方案。光电二极管通过金属线与读出电路连接。
然而，根据现有技术，当利用蚀刻工艺形成沟槽并且形成隔离区以为每个单位像素形成光电二极管时，由于蚀刻工艺在光电二极管的表面上可能产生缺陷，从而产生暗电流。
同时，根据现有技术，当光电二极管的表面电压被入射光降低时，电压感测(sensing)部分的表面电压也同时降低。之后，当转移晶体管Tx打开以及然后关闭时，转移晶体管的源极和漏极电压变得相等，并且漏极的电势差通过驱动晶体管放大。根据现有技术，由于转移晶体管的源极和漏极都重掺杂有N型杂质，因此出现电荷共用现象。当出现电荷共用现象时，输出图像的灵敏度降低，并且产生图像错误。
此外，根据现有技术，由于光电荷不会在光电二极管与读出电路之间快速移动，因此产生暗电流，或者饱和度和灵敏度降低。
发明内容
本发明实施例提供一种图像传感器及其制造方法，这种图像传感器能够在增加填充因子同时通过杂质的注入为每个单位像素形成器件隔离区域用于光电二极管的隔离，来解决暗电流特性。
本发明实施例也提供一种图像传感器及其制造方法，这种图像传感器能够在增加填充因子同时抑制电荷共用现象出现。
本发明实施例也提供一种图像传感器及其制造方法，这种图像传感器能够通过在光电二极管与读出电路之间提供光电荷的快速移动路径来最小化暗电流，并且能够抑制饱和度以及灵敏度的降低。
在一个实施例中，图像传感器包括：层间电介质，位于包括读出电路的第一衬底上；线路，贯穿该层间电介质以与该读出电路连接，所述线路形成为用于每个单位像素；结晶半导体层，位于该层间电介质上；光电二极管，位于该结晶半导体层内，所述光电二极管与所述线路中对应的一个线路电连接；以及器件隔离区域，包括导电杂质，该器件隔离区域形成在该结晶半导体层内，从而根据单位像素分隔所述光电二极管。
在另一个实施例中，一种图像传感器的制造方法包括以下步骤：在第一衬底上形成读出电路；在包括读出电路的第一衬底上形成层间电介质；在层间电介质中形成与该读出电路连接的线路；制备包括结晶半导体层的第二衬底；在该结晶半导体层内形成光电二极管；在该结晶半导体层中注入导电杂质以形成器件隔离区，从而根据单位像素分隔所述光电二极管；接合该第一衬底与该第二衬底，从而使该第一衬底的线路与该结晶半导体层的光电二极管中对应的光电二极管电连接；以及去除该第二衬底的一部分，从而使该结晶半导体层留在该第一衬底上。
下面在附图和说明中阐述一个或多个实施例的细节。通过说明书和附图以及权利要求书，其它特征变得很明显。
附图说明
图1至图11为示出根据实施例的图像传感器的制造工艺的横截面图。
图12为根据另一实施例的图像传感器的横截面图。
具体实施方式
下面参照附图描述根据实施例的图像传感器及其制造方法的实施例。
当在此使用术语“上”或者“上方”时，在涉及层、区域、图案或者结构的情况下，应该理解所述层、区域、图案或者结构可以直接位于另一层或者结构上，或者也可以存在中间层、区域、图案或者结构。当在此使用术语“下”或者“下方”时，在涉及层、区域、图案或者结构的情况下，应该理解所述层、区域、图案或者结构可以直接位于另一层或者结构下，或者也可以存在中间层、区域、图案或者结构。
图11是根据实施例的图像传感器的横截面图。
参照图11，图像传感器包括：层间电介质160，位于包括读出电路120的第一衬底100上；线路150，贯穿层间电介质160以与读出电路120连接，对于每个单位像素都形成线路150；结晶半导体层200，位于包括线路150的层间电介质160上；多个光电二极管230，位于结晶半导体层200内部，所述多个光电二极管230中的一个光电二极管与线路150电连接；以及器件隔离区域240，包括导电杂质，该器件隔离区域形成在结晶半导体层200内部，从而根据单位像素分隔所述多个光电二极管230。
第一衬底100的读出电路120可以包括：形成在第一衬底100中的电结区140；以及电结区140上与线路150连接的第一导电类型连接区域147。
在结晶半导体层200内部形成包括第一杂质区210(n型)和第二杂质区220(p型)的光电二极管。
器件隔离区域240可以设置在光电二极管230的侧面。在一个实施例中，器件隔离区240可以由高浓度p型杂质P+形成。
具有第一沟槽253的第一钝化层250可以设置在光电二极管230上。此外，与光电二极管230连接的上电极260可以设置在光电二极管230上并且通过第一沟槽与光电二极管接触。上电极260可以通过位于光电二极管230的边缘的第一沟槽253设置在光电二极管230的一部分上，从而确保光电二极管的光接收区域尽可能大。
第二钝化层270可以设置在光电二极管230和上电极260上。滤色镜280可以设置在第二钝化层对应于光电二极管230的部分上。
根据实施例，光电二极管230可以形成在结晶半导体层200中，因此，通过采用3D图像传感器(其中，光电二极管230位于读出电路120上)来增加填充因子。此外，由于光电二极管230形成在结晶半导体层200中，因此可以减少光电二极管230的缺陷。
此外，由于用于分隔每个单位像素的光电二极管230的器件隔离区域240可以通过注入p型杂质而形成，因此可以减少光电二极管中产生的缺陷，进而可以抑制暗电流。
根据实施例，以在转移晶体管Tx的源极与漏极之间形成电势差的方式设计器件，从而可以充分转出光电荷。因此，当光电二极管产生的光电荷被转出到浮置扩散区时，输出图像的灵敏度提高。
即，在形成有读出电路120的第一衬底100中形成电结区140，以在转移晶体管Tx121侧面的源极与漏极之间产生电势差，从而可以充分转出光电荷。在一个实施例中，读出电路120可以包括转移晶体管Tx121、复位晶体管Rx123、驱动晶体管Dx125以及选择晶体管Sx127。
下面详细描述根据实施例的光电荷的转出结构。
电结区140可以包括：第一导电类型离子注入层143，形成在第二导电类型阱141(或者第二导电类型外延层(未示出))上；以及第二导电类型离子注入层145，形成在第一导电类型离子注入层143上。例如，电结区140可以是PN结或者PNP结，但是不限于此。
不同于浮置扩散区FD131的节点(其为N+结)，PNP结140(其为电结区140，并且施加的电压没有向其充分转移)在预定电压下夹断(pinch off)。这个电压被称为钳位电压(pinning voltage)，其取决于P0区145和N区143的掺杂浓度。
具体来说，从光电二极管230产生的电子移动到PNP结140，并且在转移晶体管Tx121导通时转移到浮置扩散区FD131并转换为电压。
由于P0/N-/P-阱结区140的最大电压值成为钳位电压，并且浮置扩散区FD131的节点的最大电压值变为Vdd-Rx123的阈值电压Vth，因此通过在转移晶体管Tx121的源极与漏极之间形成电势差，将在芯片的上部由光电二极管230产生的电子能够充分转出到浮置扩散区FD131的节点，而没有电荷共用。
即，根据实施例，在第一衬底100中形成P0/N-/P-阱结而不是N+/P-阱，以允许在4-Tr有源像素传感器(APS)的复位操作期间将正(+)电压施加到P0/N-/P-阱结的N区143以及将地电压施加到P-阱141，从而在预定电压或更高电压下在P0/N-/P阱双结处产生夹断，如同在双极结型晶体管(BJT)结构中一样。这被称为钳位电压。因此，在转移晶体管Tx121的源极与漏极之间产生电势差，从而在转移晶体管Tx的导通/截至操作期间抑制电荷共用现象。
因此，不同于简单使用N+结连接光电二极管的情况(如同在现有技术中)，可以避免饱和度降低和灵敏度降低等局限。
接下来，第一导电类型连接区域147可以形成在光电二极管与读出电路之间以提供光电荷的快速移动路径，从而使暗电流源最小化，并且能够抑制饱度降低和灵敏度降低。
为此，用于欧姆接触的第一导电类型连接区域147可以形成在P0/N-/P-阱结区140的表面上。同时，为了抑制第一导电类型连接区域147成为泄露源，可以将第一导电类型连接区域147的宽度最小化。通过这样，可以减小3D图像传感器的暗电流。
即，根据实施例用，N型杂质仅局部重掺杂接触形成部分的原因是便于形成欧姆接触，同时最小化暗信号。在重掺杂整个转移晶体管(Tx源极)的情况下，由于Si表面摇摆接合(dangling bond)使暗信号增大。
图11没有说明的附图标记在以下的制造方法中说明。
参照图1至图11描述图像传感器的制造方法。
参照图1，在第一衬底100上形成读出电路120。
在第一衬底100中形成用于限定有源区和场区的器件隔离层110。在第一衬底100的有源区上形成包括晶体管的读出电路120。例如，读出电路120可以包括转移晶体管Tx121、复位晶体管Rx123、驱动晶体管Dx125以及选择晶体管Sx127。在形成晶体管的栅极之后，形成包括各个晶体管的源极/漏极区的浮置扩散区FD131和离子注入区130。
在第一衬底100上形成读出电路120可以包括：在第一衬底100中形成电结区140；以及形成与线路150连接的第一导电类型连接区域147。
电结区140可以为PN结140，但是不限于此。例如，电结区140可以包括：第一导电类型离子注入层143，形成在第二导电类型阱141(或者第二导电类型外延层)上；以及第二导电类型离子注入层145，形成在第一导电类型离子注入层143上。因此，PN结140可以是如图1所示的P0(145)/N-(143)/P-(141)结，但是不限于此。此外，第一衬底100可以是第二导电类型衬底，但是不限于此。
根据实施例，电结区140可以形成在形成有读出电路120的第一衬底100中，以允许在转移晶体管Tx121的源极与漏极之间产生电势差，从而充分转出光电荷。
即，根据实施例，以在转移晶体管Tx的源极与漏极之间形成电势差的方式设计器件，从而可以充分转出光电荷。例如，以通过使N区143的掺杂浓度低于浮置扩散区FD131的掺杂浓度而在转移晶体管Tx的源极与漏极之间产生电势差的方式设计器件。
接下来，根据实施例，用于欧姆接触的第一导电类型连接区域147可以形成在P0/N-/P-阱结区140的表面上。例如，用于欧姆接触的N+区147可以形成在P0/N-/P-阱结区140的表面上。N+区147可以形成为贯穿P0区145以与N区143接触。
同时，为了抑制第一导电类型连接区域147成为泄露源，可以将第一导电类型连接区域147的宽度最小化。为此，在蚀刻用于第一金属接触部151a的通孔之后进行插塞注入。然而，本发明的实施例不限于此。例如，可以在第一衬底100上形成离子注入图案(未示出)，然后利用离子注入图案作为离子注入掩模形成第一导电类型连接区域147。
根据实施例，第一导电类型连接区域147可以形成在光电二极管与读出电路120之间以使暗电流源最小化，并且抑制饱和度降低和灵敏度降低。
在第一衬底100上可以形成层间电介质160，并且形成线路150。线路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，但是不限于此。
对于每个单位像素均形成线路150，用以将光电二极管230(下文将描述)与读出电路120连接，以及转移光电二极管230的光电荷。在形成与读出电路120连接的线路150时，可以同时形成与用于信号处理的外围电路区域连接的线路170。
线路150可以由包括金属、合金以及硅化物的各种导电材料形成。例如，线路150可以由铝、铜、钴或者钨形成。
参照图2，制备包括结晶半导体层200的第二衬底20。第二衬底20可以是单晶或者多晶硅衬底，并且可以是掺有p型杂质或者n型杂质的衬底。结晶半导体层200可以形成在第二衬底200上。例如，结晶半导体层200可以通过外延生长形成在第二衬底20上。
虽然图中没有示出，但是通过将氢离子注入到第二衬底与结晶半导体层200之间的边界可以形成氢离子注入层，。即使在用于光电二极管的离子注入之后，也可以进行氢离子的注入。
参照图3，在结晶半导体层200内部可以形成光电二极管230。光电二极管230可以包括第一杂质区210和第二杂质区220。
在实施例中，通过在结晶半导体层200的表面附近，将n型杂质注入到结晶半导体层200的浅区可以形成第一杂质区210，通过将p型杂质注入到结晶半导体层200的深区可以形成第二杂质区220。在一个实施例中，首先形成第二杂质区220，然后在第二杂质区220上形成第一杂质区210。第二杂质区220和第一杂质区210提供PN结结构。
参照图4，在结晶半导体层200的表面处的第一杂质区210上可以额外形成欧姆接触层205。欧姆接触层205可以通过注入高浓度n型杂质(n+)形成。欧姆接触层205能够降低光电二极管230与线路150之间的接触电阻。下面，采用省去光电二极管230下的欧姆接触层205的实例进行描述。
参照图5，在结晶半导体层200内部形成器件隔离区域240，以根据单位像素分割光电二极管230。通过在结晶半导体层200上形成离子注入掩模(图中没有示出)，然后进行离子注入，来形成器件隔离区域240。注入到器件隔离区域240的离子可以是高浓度p型杂质。由于采用离子注入工艺形成器件隔离区域240，因此能够减少光电二极管230内部产生的缺陷，进而能够解决暗电流特性。
参照图6，包括结晶半导体层200的第一衬底100和第二衬底20可以彼此接合。尤其是，将第一衬底100与第二衬底20彼此接合，使得对于单位像素分隔的光电二极管230对应于各自的线路150。此时，在第一衬底100与第二衬底20彼此接合之前，通过等离子体的激活增加接合表面的表面能量来进行接合。同时，在特定实施例中，通过在接合界面上设置电介质或者金属层提高接合力来进行接合。
在将第一衬底100和第二衬底20接合时，第四金属接触部154a和光电二极管230的第一杂质区210可以彼此连接。因此，光电二极管230产生的光电荷可以通过线路150转移到读出电路120。
特别地，由器件隔离区域240为各个单位像素分隔的光电二极管230可以连接到第一衬底100中为各个单位像素设置的各个第四金属接触部154a。
之后，对于包括氢离子注入层的实施例，通过进行热处理将氢离子注入层转变为氢气层，但是图中没有示出。
参照图7，去除第二衬底20，使得结晶半导体层200留在第一衬底100上。即，利用氢气层(图中没有示出)作为参考，使用刀片去除第二衬底20的一部分，而将光电二极管230留在第一衬底100上，从而露出光电二极管230。
因此，包括光电二极管230和器件隔离区域240的结晶半导体层200可以留在第一衬底100上。
参照图8，通过去除结晶半导体层200的一部分形成暴露部分115，暴露部分115暴露出外围区域的层间电介质160和线路170部分。此时，位于芯片周边区域的光电二极管230的横侧也暴露。
参照图9，在形成有结晶半导体层200和暴露部分115的层间电介质160上形成包括第一沟槽253的第一钝化层250。可以通过在形成有光电二极管230的层间电介质160上沉积氧化物层或者氮化物层来形成第一钝化层250。
第一沟槽253可以利用光刻工艺和蚀刻工艺形成在第一钝化层250中，以选择性暴露光电二极管230的表面。第一沟槽253可以形成在光电二极管230的边缘区域，使其不会掩蔽光电二极管230的光接收区域。此外，在形成第一沟槽253时，可以同时形成第二沟槽255，以暴露外围电路区域的线路170。
参照图10，在第一钝化层250上以及在第一沟槽253中可以形成上电极260。上电极260可以形成在第一沟槽253中，使其能够与光电二极管230电连接。
由于上电极260通过第一沟槽253与光电二极管230的一部分选择性连接，因此上电极260可以形成为不会掩蔽入射到光电二极管230的光。此外，上电极260可以通过第二沟槽255与外围电路区域的线路170连接。此外，由于上电极260掩蔽光电二极管230的横侧，因此其能够阻挡光。在特定实施例中，上电极260可以由包括铝、铜、钛以及钨的各种导电材料形成。
参照图11，第二钝化层270可以形成在第一钝化层250和上电极260上。例如，第二钝化层270可以是氮化物层或者氧化物层。
此外，滤色镜280可以形成在第二钝化层270与每个单位像素的光电二极管230对应的部分上。
图12是根据另一实施例的图像传感器的横截面图。
参照图12，图像传感器可包括：包括线路150和读出电路120的第一衬底100；以及包括形成在读出电路120上的光电二极管和器件隔离区域的结晶半导体层200。第一衬底100的读出电路120可以包括：形成在第一衬底100中的电结区140；以及在电结区140的一侧与线路150连接的第一导电类型连接区域148。
如图12所示的实施例可采用参照图1至图11描述的实施例的技术特征。
根据如图12所示的实施例，以在转移晶体管Tx的源极与漏极之间形成电势差的方式设计器件，从而可以充分转出光电荷。因此，由于光电二极管产生的光电荷被转出到浮置扩散区时，提高了输出图像的灵敏度。
此外，根据实施例，电荷连接区域可以形成在光电二极管与读出电路之间以提供光电荷的快速移动路径，从而使暗电流源最小化，并且能够抑制饱和度降低和灵敏度降低。
同时，不同于参照图11描述的实施例，本实施例在第一衬底100中电结区140的一侧提供第一导电类型连接区域148。
根据实施例，用于欧姆接触的N+连接区域148可以形成在P0/N-/P-结140上。此时，形成N+连接区域148和MIC接触部151a的工艺可能提供泄露源，这是因为器件通过施加在P0/N-/P-结140上的反向偏压运行，从而在Si表面上产生电场EF。在接触部形成工艺期间在电场内产生的晶体缺陷起到泄露源的作用。
此外，根据实施例，在N+连接区域148形成在P0/N-/P-结140的表面上的情况下，增加由于N+/P0结148/145产生的电场。这个电场也用作泄露源。
因此，提供一种布局，其中第一接触塞151a形成在有源区中，有源区未掺杂有P0层，但是包括N+连接区域148。然后，第一接触塞151a通过N+连接区域148与N-结143连接。
根据实施例，在Si表面不产生电场，这有助于减小3D集成CIS的暗电流。
本说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等等的引用，意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书的各个地方出现这样的短语，不一定全是指同一实施例。此外，当结合任何实施例描述特定特征、结构或特性时，认为它是在本领域技术人员可以结合其它实施例实现这样的特征、结构或特性的范围内。
尽管通过参考多个示例性实施例对本发明的实施例进行了描述，但应该理解为本领域技术人员可设计出许多其它修改和实施例，这些修改和实施例落入本发明原理的精神和范围之内。更加特别地，在说明书、附图和随附的权利要求书的范围之内的主题结合排列的组成部分和/或排列中，可以进行变化和修改。除了组成部分和/或排列的变化和修改之外，对本领域技术人员而言可替代的用途是显然的。
Claims (14)
1.一种图像传感器，包括：
第一衬底，包括读出电路；
层间电介质，位于该第一衬底上；
多个线路，贯穿该层间电介质以与该读出电路连接，所述多个线路形成为用于每个单位像素；
结晶半导体层，位于该层间电介质上；
多个光电二极管，位于该结晶半导体层内，所述多个光电二极管与所述多个线路电连接；
器件隔离区域，包括导电杂质，该器件隔离区域设置在该结晶半导体层内，从而根据多个单位像素分隔所述多个光电二极管，
其中该读出电路包括位于该第一衬底中与所述多个线路中各个线路和该读出电路电连接的电结区，该电结区包括：位于该第一衬底中的第一导电类型离子注入区域；以及位于该第一导电类型离子注入区域上的第二导电类型离子注入区域；以及
所述图像传感器还包括：第一导电类型连接区域，在该电结区上或在该电结区的一侧与各个线路电连接。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中在该读出电路的晶体管的源极与漏极之间提供电势差。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中该晶体管包括转移晶体管，并且该晶体管的源极的离子注入浓度小于该晶体管的漏极处浮置扩散区的离子注入浓度。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
钝化层，在该光电二极管上由电介质形成，其中该钝化层包括选择性暴露该光电二极管的沟槽；以及
上电极，位于该钝化层上并且通过该沟槽与该光电二极管连接。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中该光电二极管包括：
第一杂质区，位于该结晶半导体层的一部分中，该第一杂质区与所述线路连接；以及
第二杂质区，位于该第一杂质区上。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其中该器件隔离区和该第二杂质区由相同材料形成。
7.根据权利要求5所述的图像传感器，还包括位于该第一杂质区下的欧姆接触层，该欧姆接触层由高浓度n型杂质形成。
8.一种图像传感器的制造方法，该方法包括步骤：
在第一衬底上形成读出电路；
在该第一衬底上形成层间电介质；
在层间电介质中形成与该读出电路连接的多个线路；
制备包括结晶半导体层的第二衬底；
在该结晶半导体层内形成多个光电二极管；
在该结晶半导体层中注入导电杂质以形成器件隔离区，从而根据多个单位像素分隔所述多个光电二极管；
将该第一衬底与该第二衬底接合，使该第一衬底上的该多个线路中各个线路与该结晶半导体层的多个光电二极管中的一个光电二极管电连接；
去除该第二衬底的一部分，从而使该结晶半导体层留在该第一衬底上，
其中形成该读出电路的步骤包括：在该第一衬底中形成与所述多个线路中各个线路和该读出电路电连接的电结区，形成该电结区的步骤包括：
在该第一衬底中形成第一导电类型离子注入区域；以及
在该第一导电类型离子注入区域上形成第二导电类型离子注入区域；以及
所述图像传感器的制造方法还包括：在该第一衬底中形成与该电结区上或位于该电结区一侧的线路连接的第一导电类型连接区域。
9.根据权利要求8所述的方法，其中形成该第一导电类型连接区域的步骤是在用于该线路的接触蚀刻之后进行。
10.根据权利要求8所述的方法，还包括：
在该光电二极管上形成钝化层；
在该钝化层中形成沟槽以选择性暴露该光电二极管；以及
在该沟槽中形成上电极以与该光电二极管电连接。
11.根据权利要求10所述的方法，其中该上电极接触该光电二极管的端部区域的一部分。
12.根据权利要求8所述的方法，其中形成所述光电二极管的步骤包括：
在该结晶半导体层中形成第一杂质区；以及
在该结晶半导体层中形成第二杂质区。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：在该第一杂质区上形成欧姆接触层。
14.根据权利要求12所述的方法，其中该第二杂质区包括与该器件隔离区域相同类型的导电杂质。
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