CN101383366B - 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。在该图像传感器中，第一衬底具有下部金属连线及其上的电路。结晶半导体层接触下部金属连线并与第一衬底相接合。光电二极管设置在该结晶半导体层中并且与下部金属连线电连接。在该光电二极管的区域中形成像素隔离层。利用本发明，可提供垂直集成的晶体管电路和光电二极管，能够抑制光电二极管多个像素之间的串扰，并可改善分辨率和灵敏度。
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
通常，图像传感器是一种将光图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器一般划分为电荷耦合器件(CCD)图像传感器或互补型金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)。
在现有技术的图像传感器中，采用离子注入在具有晶体管电路的衬底中形成光电二极管。由于为了在不增加芯片尺寸的情况下增加像素的数目，光电二极管的尺寸越来越减小，所以光接受部分的面积也减小，使得图像质量降低。
此外，因为堆叠高度减少的程度没有达到光接收部分面积减少的程度，所以由于光衍射，入射到光接收部分的光子数目也减少，这种现象称为艾里斑(airy disk)。
在根据现有技术的水平型CMOS图像传感器中，光电二极管和晶体管水平地、彼此相邻地形成在衬底上。因此，需要有一个用于光电二极管的附加区域，该附加区域会减小填充因数区域并限制可能的分辨率。
此外，根据现有技术的水平型CMOS图像传感器可能引起像素之间的串扰问题。
而且，在根据现有技术的水平型CMOS图像传感器中，很难达到同时形成光电二极管和晶体管的最佳工艺。
作为克服这种局限的一种选择，进行了以下尝试：采用非晶硅(Si)形成光电二极管，或者在硅衬底上形成读出电路以及采用例如晶片与晶片接合的方法在读出电路上形成光电二极管(称为“三维(3D)图像传感器”)。通过金属连线(line)将光电二极管与读出电路相连。
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，其可提供垂直集成的晶体管电路和光电二极管。
本发明的实施例还提供一种图像传感器及其制造方法，其使用一种能够抑制光电二极管多个像素之间串扰的垂直型光电二极管。
本发明的实施例还提供一种图像传感器及其制造方法，其可改善分辨率和灵敏度。
本发明的实施例还提供一种图像传感器及其制造方法，其使用一种垂直型光电二极管，该垂直型光电二极管中能够减少缺陷。
在一实施例中，一种图像传感器可包括：第一衬底，具有下部金属连线及位于其上的电路；结晶半导体层，接触下部金属连线，并与第一衬底相接合；光电二极管，设置于结晶半导体层中，并与下部金属连线电连接；以及像素隔离层，位于光电二极管中。
在一实施例中，一种图像传感器的制造方法可包括步骤：制备其上具有下部金属连线及电路的第一衬底；制备其上具有光电二极管的第二衬底；在所述第二衬底的所述光电二极管中形成像素隔离层；接合所述第一衬底至所述第二衬底，使得其中形成有所述像素隔离层的所述光电二极管电接触所述下部金属连线；以及移除接合后的第二衬底的下部，以将所述光电二极管留在所述第一衬底上。
在另一实施例中，一种图像传感器的制造方法可包括步骤：制备其上具有下部金属连线及电路的第一衬底；制备其上具有光电二极管的第二衬底；接合所述第一衬底至所述第二衬底，使得所述光电二极管接触所述下部金属连线；移除一部分接合后的第二衬底，以暴露所述光电二极管；以及在暴露的光电二极管中形成像素隔离层。
以下附图和说明书中将阐述一个或多个实施例的细节。根据说明书和附图以及根据权利要求书，其它特征将变得清楚。
附图说明
图1是根据第一实施例的图像传感器的横截面图。
图2至图8是示出根据第一实施例的图像传感器制造方法的横截面图。
图9是根据所述第一实施例的另一实施例的图像传感器的横截面图。
图10是根据第二实施例的图像传感器的横截面图。
图11至图15是示出根据第二实施例的图像传感器制造方法的横截面图。
图16是根据第二实施例的另一实施例的图像传感器的横截面图。
图17是根据第三实施例的图像传感器的横截面图。
图18是示出根据第三实施例的图像传感器制造方法的横截面图。
图19是根据第三实施例的另一实施例的图像传感器的横截面图。
具体实施方式
将参照附图详细描述图像传感器及其制造方法的实施例。
在实施例的描述中，应当理解，当提及一个层(或膜)在另一个层或衬底“上”时，其可以直接在另一个层或衬底上，或者也可以存在中间层。此外，应当理解，当提及一个层在另一个层“下”时，其可以直接在另一个层下，或者也可以存在一个或多个中间层。另外，还应当理解，当提及一个层在两个层“之间”时，其可以是在两个层之间的唯一层，或者也可以存在一个或多个中间层。
图1是根据第一实施例的图像传感器的横截面图。
根据第一实施例的图像传感器可包括：第一衬底100，其上具有下部金属连线110及电路(未示出)；结晶半导体层210a(见图3)，接触所述下部金属连线110，并与所述第一衬底100相接合；光电二极管210，设置于所述结晶半导体层210a中，并与所述下部金属连线110电连接；以及像素隔离层222，位于所述光电二极管210中，用于根据单位像素分离所述光电二极管210。
根据实施例的图像传感器通过使用一种将光电二极管安置于电路之上的垂直型光电二极管，并且在结晶半导体层中形成光电二极管，可以减少光电二极管中的缺陷。
此外，根据实施例的图像传感器通过使用垂直型光电二极管以及在像素之间形成像素隔离层222，可以抑制由于入射光引起的像素之间的串扰。在实施例中，像素隔离层222可以是浅沟槽隔离(STI)层，但实施例并不局限于此。
此外，虽然图1示范性地显示像素隔离层222的上宽比像素隔离层222的下宽窄，但实施例并不局限于此。
根据实施例，结晶半导体层可以是单晶半导体层，但实施例并不局限于此。例如，结晶半导体层可以是多晶半导体层。
尽管第一衬底100的电路未示出，但对于CIS，电路并不局限于具有四个晶体管的4Tr CIS，也可适用于1Tr CIS、3Tr CIS、5Tr CIS、1.5Tr CIS(晶体管共享CIS)等。
此外，形成在第一衬底100上的下部金属连线110可包括下部金属(未示出)和下部插塞(未示出)。下部金属连线110的最上部可用作光电二极管的下电极。
光电二极管210可包括位于结晶半导体层210a中的第一导电类型导电层214，以及位于结晶半导体层中第一导电类型导电层214之上的第二导电类型导电层216。
例如，光电二极管210可包括形成在结晶半导体层210a中的轻掺杂N型导电层214，以及形成在结晶半导体层中的重掺杂的P型导电层216，但实施例并不局限于此。例如，第一导电类型并不局限于N型，也可以是P型。
此外，在如图9所示的另一实施例中，光电二极管210可还包括位于结晶半导体层中第一导电类型导电层214之下的重掺杂的第一导电类型导电层212。重掺杂的第一导电类型导电层212可形成为用于与第一衬底100欧姆接触。
例如，光电二极管210可还包括形成在结晶半导体层中的重掺杂的N型导电层212。
在另一实施例中，可在光电二极管210上形成顶部金属240和/或可在光电二极管210上形成滤色镜(未示出)。
以下参照图2至图8描述根据第一实施例的图像传感器的制造方法。
如图2所示，可制备具有下部金属连线110和电路(未示出)的第一衬底100。虽然第一衬底100的电路未示出，但是对于CIS，电路并不仅局限于所描述的具有四个晶体管的4Tr CIS。
此外，下部金属连线110可包括下部金属(未示出)和下部插塞(未示出)。
如图3所示，可在第二衬底200上形成结晶半导体层210a。通过在该结晶半导体层210a中形成光电二极管，能减少光电二极管中的缺陷。在一实施例中，第二衬底200可包括插入到第二衬底200和结晶半导体层210a之间的绝缘层。在一实施例中，可以在第二衬底200上外延生长结晶半导体层210a。
或者，也可以将第二衬底200本身的上部用作结晶半导体层，在其中形成光电二极管。
接着，如图4所示，将离子注入到结晶半导体层210a中以形成光电二极管210。例如，可在该结晶半导体层210a的下部形成第二导电类型导电层216。例如，在没有掩模的情况下，可通过执行毯覆式(blanket)离子注入第二衬底200(包括结晶半导体层210a)到结晶半导体层210a的下部的方式，形成重掺杂的P型导电层216。例如，可形成具有小于或等于约0.5μm的结深度的第二导电类型导电层216。可在结晶半导体层210a中接近第二衬底200的表面处形成第二导电类型导电层216。
然后，可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，在没有掩模的情况下，可通过执行毯覆式离子注入到第二衬底200的整个表面，在第二导电类型导电层216上形成轻掺杂N型导电层214。例如，可形成具有大约从1.0μm到2.0μm范围的结深度的轻掺杂第一导电类型导电层214。
在如图9所示另一实施例中，可在第一导电类型导电层214上形成重掺杂的第一导电类型导电层212。例如，在没有掩模的情况下，可通过执行毯覆式离子注入到第二衬底200的整个表面，在第一导电类型导电层214上形成重掺杂的N型导电层212。例如，可形成具有大约从0.05μm到0.2μm范围的结深度的重掺杂的第一导电类型导电层212。
接着，如图5所示，在形成有光电二极管210的结晶半导体层210a中形成像素隔离层，该像素隔离层可抑制像素之间的串扰。
例如，可通过在形成有光电二极管210的结晶半导体层210a中形成沟槽T并且用绝缘层填充沟槽T，来形成像素隔离层222。例如，可通过在结晶半导体层210a中形成沟槽T，在沟槽T上形成衬垫氧化层(未示出)，在沟槽T上沉积氧化材料层并且平坦化所得到的结构，来形成像素隔离层222。
接着，参见图6，第二衬底200可与第一衬底100相接合，使得具有像素隔离层222的第二衬底200的光电二极管210接触第一衬底100的下部金属连线110。
例如，在一实施例中，可通过使第一衬底100与第二衬底200相接触，然后执行等离子体激活的方式，接合第一衬底100至第二衬底200。然而，实施例并不局限于此。
此时，如果第二衬底200的绝缘层221和第一衬底100的层间绝缘层由相同材料制成，则执行接合会更容易。
此外，如果第一衬底100和第二衬底200彼此接合，则像素隔离层222和下部金属连线110排列为使得像素隔离层222不接触下部金属连线110。
接着，如图7所示，移除一部分接合后的第二衬底200以暴露并留下光电二极管210。例如，在第二衬底200中包括插入到第二衬底200和结晶半导体层之间的绝缘层的情况下，可以通过背面研磨移除该部分第二衬底200，并且通过蚀刻使在第一衬底100上仅留下光电二极管210，可移除在移除第二衬底200下部之后暴露的绝缘层。
或者，在部分第二衬底200本身用作结晶半导体层(其中形成光电二极管)的情况下，在将第一衬底100与第二衬底200相接合之前，可将氢离子(H+)注入形成有光电二极管的结晶半导体层的下部，并且在与第一衬底100相接合之后，可对第二衬底200进行热退火，以将氢离子(H+)转化为氢气(H2)，从而仅留下光电二极管并移除第二衬底。
接着，如图8所示，可在光电二极管210上形成顶部金属230，然后可执行钝化(未示出)。此外，可在光电二极管210上进一步形成滤色镜(未示出)，还可在滤色镜上进一步形成微透镜。
此外，在另一实施例中，可以在光电二极管210和顶部金属240之间形成透明导电层(未示出)，使得顶部金属不会覆盖各像素。在此实施例中，透明导电层执行顶部金属的功能。在一实施例中，透明导电层可由铟锡氧化物(ITO)形成，但实施例并不局限于此。可以形成透明导电层，该透明导电层与至少两个像素区域重叠。在其他实施例中，也可以省略透明导电层。
根据上述实施例的图像传感器及其制造方法，通过使用一种将光电二极管安置于电路之上的垂直型光电二极管，并且在结晶半导体层中形成光电二极管，可以减少光电二极管中的缺陷。
此外，根据本发明的实施例，通过使用垂直型光电二极管并在像素之间形成像素隔离层，可抑制像素之间的串扰。
图10是根据第二实施例的图像传感器的横截面图，图11至图15是示出根据所述第二实施例的图像传感器制造方法的横截面图。
第二实施例可使用第一实施例的技术特征。
例如，根据第二实施例的图像传感器可包括：第一衬底100，具有下部金属连线110及电路(未示出)；结晶半导体层210a(见图3)，接触所述下部金属连线110，并与所述第一衬底100相接合；光电二极管210，设置于所述结晶半导体层210a中，并与所述下部金属连线110电连接；以及像素隔离层224，位于所述光电二极管210中，根据单位像素分离所述光电二极管210。
本图像传感器通过使用一种将光电二极管安置于电路之上的垂直型光电二极管并且在结晶半导体层中形成光电二极管，可以减少光电二极管中的缺陷。
此外，通过使用垂直型光电二极管并在像素之间形成像素隔离层224，本图像传感器可抑制像素之间的串扰。
同时，与第一实施例不同的是，在第二实施例中，是在第一衬底100和第二衬底200相接合之后，在光电二极管210中形成像素隔离层224。因此，第二实施例中的像素隔离层224可成形为使得其上部比其下部宽。然而，实施例并不局限于此。
在具体实施例中，如图11A所示，可制备具有下部金属连线110和电路(未示出)的第一衬底100。下部金属连线110可包括下部金属(未示出)和下部插塞(未示出)。
此外，如图11B所示，可在第二衬底200上形成结晶半导体层210a(见图3)。在结晶半导体层210a中形成光电二极管210。
在一实施例中，第二衬底200可包括插入到第二衬底200和结晶半导体层210a之间的绝缘层。
在另一实施例中，也可将第二衬底200本身的上部用作结晶半导体层，在其中形成光电二极管。
可通过将离子注入到结晶半导体层210a中形成光电二极管210。
例如，可在该结晶半导体层210a的下部形成第二导电类型导电层216。然后，在第二导电类型导电层216上形成第一导电类型导电层214。
在如图16所示的另一实施例中，可在第一导电类型导电层214上形成重掺杂的第一导电类型导电层212。
接着，如图12所示，第二衬底200可与第一衬底100相接合，使得第二衬底200的光电二极管210接触第一衬底100的下部金属连线110。
例如，可通过使第一衬底100和第二衬底200相接触，然后执行等离子体激活的方式，接合第一衬底100至第二衬底200。然而，实施例并不局限于此。
接着，如图13所示，移除一部分接合后的第二衬底200以暴露和留下第一衬底上100上的光电二极管210。
例如，在第二衬底200包括插入到第二衬底200和结晶半导体层之间的绝缘层的情况下，可以通过背面研磨移除该部分第二衬底200，并且通过蚀刻使第一衬底100上仅留下光电二极管210，可移除在移除该部分第二衬底200之后暴露的绝缘层。
或者，在部分第二衬底200本身用作结晶半导体层(其中形成光电二极管)的情况下，在将第一衬底100与第二衬底200相接合之前，可将氢离子(H+)注入形成有光电二极管的结晶半导体层的下部，并且在与第一衬底100相接合之后，可对第二衬底200热退火，以将氢离子(H+)转化为氢气(H2)，从而仅留下光电二极管并移除第二衬底。
接下来，如图14所示，在移除第二衬底200的部分之后，可在保留在第一衬底100上的光电二极管210中形成可抑制像素之间串扰的像素隔离层224。
例如，可通过在光电二极管210中形成沟槽并且用绝缘层填充沟槽来形成像素隔离层224。
接着，如图15所示，可在光电二极管210上形成顶部金属240，然后可执行钝化。此外，可在光电二极管210上进一步形成滤色镜(未示出)，还可在滤色镜上进一步形成微透镜。
此外，在本实施例中，可以在光电二极管210和顶部金属240之间形成透明导电层(未示出)，使得在各像素中不形成顶部金属，而是由透明导电层执行顶部金属的功能。在一实施例中，透明导电层可由铟锡氧化物(ITO)形成，但实施例并不局限于此。在一实施例中，可以形成透明导电层，该透明导电层与至少两个像素区域重叠。
图17是根据第三实施例的图像传感器的横截面图。
根据第三实施例的图像传感器可使用根据第一实施例的图像传感器及其制造方法的技术特征。
与第一实施例不同的是，在第三实施例中，图像传感器可还包括光电二极管210和像素隔离层222之间的第二导电类型离子注入层221。
例如，根据第三实施例的图像传感器通过将第二导电类型离子注入层221插入到光电二极管210和像素隔离层222之间，可进一步抑制光电二极管210中产生的像素之间的电子或空穴串扰。
为达此目的，如图18所示，可在第二衬底200的单晶层中形成光电二极管210，可形成用于像素隔离层的沟槽T，然后可重注入P型离子以形成P+离子注入层221。之后，填充沟槽形成像素隔离层222。
或者，在像素隔离层222形成后，可将P型离子重注入到光电二极管210和像素隔离层222之间的界面以形成P+离子注入层221。
图19是根据所述第三实施例的另一实施例的图像传感器的横截面图。
在本实施例中，为了在形成光电二极管210时进行欧姆接触，可进一步形成重掺杂的第一导电类型导电层212。
根据第三实施例，第二导电类型离子注入层221可与像素隔离层222一起形成，从而更有效的抑制光电二极管210中产生的像素之间的电子或空穴串扰。
在本说明书中对于“一个实施例”、“一实施例”、“实例性实施例”等的任意引用表示结合该实施例所描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。在说明书中各个位置中的这种短语的出现不必都涉及相同的实施例。此外，当结合任意实施例描述特定特征、结构或特性时，可认为在本领域普通技术人员所属范围内，可结合其它实施例影响这种特征、结构或特性。
尽管参照本发明多个示例性实施例描述了本发明的实施例，但是应该理解，由本领域普通技术人员所设计的各种其它修改和实施例也属于本发明原理的精神和范围内。更具体地，在本发明、附图和所附权利要求的范围内，可以对主要组成配置的组件部分和/或排列进行各种改变和修改。除了在组成部分和/或排列的改变和修改之外，替代物的使用对于本领域普通技术人员也是清楚的。
Claims (8)
1.一种图像传感器的制造方法，包括以下步骤：
制备其上具有下部金属连线及电路的第一衬底；
制备其上具有光电二极管的第二衬底；
在所述第二衬底的所述光电二极管中形成像素隔离层，所述像素隔离层根据像素分离所述光电二极管；
接合所述第一衬底至所述第二衬底，使得其中形成有所述像素隔离层的所述光电二极管电接触所述下部金属连线；
移除一部分接合后的第二衬底，以将所述光电二极管留在所述第一衬底上；以及
在所述光电二极管与所述像素隔离层之间的横侧区域中形成第二导电类型离子注入层；
其中所述光电二极管在所述电路上方垂直形成，
其中形成所述像素隔离层的步骤包括：在与像素之间的区域相对应的所述光电二极管中形成沟槽，在所述沟槽中填充绝缘层，
其中形成所述第二导电类型离子注入层的步骤包括：将第二导电类型离子注入位于像素之间的区域的所述光电二极管，以在所述沟槽与所述光电二极管之间的横侧区域提供所述第二导电类型离子。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述制备第二衬底的步骤包括：
在一衬底上形成结晶半导体层；以及
在所述结晶半导体层中形成光电二极管。
3.如权利要求2所述的方法，其中在所述结晶半导体层中形成光电二极管的步骤包括：
在所述结晶半导体层中形成第二导电类型导电层；以及
在所述第二导电类型导电层上的所述结晶半导体层中形成第一导电类型导电层。
4.如权利要求3所述的方法，其中在所述结晶半导体层中形成光电二极管的步骤还包括：
在形成所述第一导电类型导电层之后，在所述第一导电类型导电层上的所述结晶半导体层中形成重掺杂的第一导电类型导电层。
5.一种图像传感器的制造方法，包括以下步骤：
制备其上具有下部金属连线及电路的第一衬底；
制备其上具有光电二极管的第二衬底；
接合所述第一衬底至所述第二衬底，使得所述光电二极管接触所述下部金属连线；
移除一部分接合后的第二衬底，以将所述光电二极管暴露在所述第一衬底上；
在暴露的所述光电二极管的部分中形成像素隔离层，以根据像素分离所述光电二极管；以及
在所述光电二极管与所述像素隔离层之间的横侧区域中形成第二导电类型离子注入层；
其中所述光电二极管在所述电路上方垂直形成，
其中形成所述像素隔离层的步骤包括：在与像素之间的区域相对应的所述光电二极管中形成沟槽，在所述沟槽中填充绝缘层，
其中形成所述第二导电类型离子注入层的步骤包括：将第二导电类型离子注入位于像素之间的区域的所述光电二极管，以在所述沟槽与所述光电二极管之间的横侧区域提供所述第二导电类型离子。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述制备第二衬底的步骤包括：
在一衬底上形成结晶半导体层；以及
在所述结晶半导体层中形成光电二极管。
7.如权利要求6所述的方法，其中在所述结晶半导体层中形成光电二极管的步骤包括：
在所述结晶半导体层中形成第二导电类型导电层；以及
在所述第二导电类型导电层上的所述结晶半导体层中形成第一导电类型导电层。
8.如权利要求7所述的方法，其中在所述结晶半导体层中形成光电二极管的步骤还包括：
在形成所述第一导电类型导电层之后，在所述第一导电类型导电层上的所述结晶半导体层中形成重掺杂的第一导电类型导电层。
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