CN101383368B - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种图像传感器及其制造方法。所述图像传感器可以包括第一基板、图像感测器件以及光屏蔽层。所述第一基板包括读出电路和互连连接。所述图像感测器件被形成在所述互连连接上。所述光屏蔽层被形成在所述图像感测器件的在像素之间的边界上的部分中。
Description
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。图像传感器被大致分类为电荷耦合器件(CCD)图像传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)。
在相关技术的CIS中，光电二极管是使用离子注入在具有读出电路的基板中形成的。由于为了增加像素数量而不增加芯片尺寸起见，光电二极管的尺寸日益减小，因此光接收部分的面积减小，从而降低了图像质量。
此外，由于堆积高度并未降低到如同光接收部分的面积的减少一样的程度，因此入射到光接收部分的光子数量也由于被称为艾里斑(airy disk)的光衍射而减少。
作为用于克服该缺陷的替代方案，已经进行了这样的尝试(被称为“三维(3D)图像传感器”)：使用非晶硅(Si)来形成光电二极管，或者在硅(Si)基板上形成读出电路，并使用诸如晶片-晶片接合之类的方法在读出电路上形成光电二极管。光电二极管通过互连连接而与读出电路连接。
同时，根据相关技术，在像素之间存在干扰问题。
此外，根据相关技术，由于在转移晶体管两侧的源极和漏极均大量掺杂有N型杂质，因此发生了电荷共享现象。当发生电荷共享现象时，输出图像的灵敏度降低，并且可能产生图像错误。
此外，根据相关技术，由于光电荷不容易在光电二极管与读出电路之间移动，因此，产生了暗电流，或者降低了饱和度和灵敏度。
发明内容
本发明的实施例提供了一种图像传感器及其制造方法，该图像传感器可以防止像素间的干扰问题，同时可以提高填充系数。
实施例还提供了一种图像传感器及其制造方法，该图像传感器可以减少电荷共享的发生，同时可以提高填充系数。
实施例还提供了一种图像传感器及其制造方法，该图像传感器可以通过提供光电荷在光电二极管和读出电路之间的快速移动路径，来最小化暗电流源以及防止饱和度和灵敏度的降低。
在一个实施例中，一种图像传感器可以包括：包括读出电路和互连连接的第一基板；在所述互连连接上的图像感测器件；以及在像素之间的边界上的光屏蔽层。
在另一实施例中，一种用于制造图像传感器的方法可以包括：在第一基板上形成读出电路和互连连接；在第二基板中形成图像感测器件；在所述图像感测器件中形成沟槽；在所述沟槽的表面上形成第二导电型离子注入层；在所述第二导电型离子注入层上形成光屏蔽层；将第一基板与第二基板相接合，其中所述互连连接与所述图像感测器件相连通(correspond)；以及选择性地去除第二基板的一部分，以使得所述图像感测器件保留在第一基板上。
在附图和下面的描述中提供了一个或更多个实施例的细节。从该描述和附图以及权利要求来看，其它的特征将会是显而易见的。
附图说明
图1是根据实施例的图像传感器的横断面视图；
图2-9是根据实施例的用于制造图像传感器的方法的横断面视图；
图10是根据另一实施例的图像传感器的横断面视图；
图11是根据还有的另一实施例的图像传感器的横断面视图。
具体实施方式
在下文中，参照附图描述了图像传感器及其制造方法的实施例。
在对实施例的描述中，应当理解，当层(或膜)被称为在另一层或基板“上”时，该层(或膜)可以直接在另一层或基板上，或者也可能存在中间层。此外，应当理解，当层被称为在另一层“下方”时，该层可以直接在另一层下方，或者也可能存在一个或更多个中间层。此外，还应当理解，当层被称为在两层“之间”时，该层可以是这两层之间的唯一层，或者也可能存在一个或更多个中间层。
应当注意，本公开并不限定于互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，而是可以容易地应用于任何需要光电二极管的图像传感器。
参照图1，一种图像传感器可以包括：包括读出电路(未示出)和互连连接150的第一基板100；在互连连接150上的图像感测器件210；以及在像素之间的边界上的光屏蔽层222。
图像感测器件210可以是(但不限于)光电二极管。例如，图像感测器件210可以是光栅或是光电二极管和光栅的组合。同时，尽管实施例描述了光电二极管210在晶体半导体层中形成，但是所述光电二极管并不限于此，而是可以在非晶半导体层中形成。
尚未说明的图1中的附图标记在下面的制造方法中描述。
在下文中，参照图2至9描述了根据实施例的用于制造图像传感器的方法。
图2是图像传感器的简要的横断面视图，其示出了包括互连连接150的第一基板100。图3是该图像传感器的一个实施例的详细的横断面视图，其示出了包括读出电路120和互连连接150的第一基板100。现在将描述如图3所示的根据实施例的图像传感器。
制备了在其中形成有互连连接150和读出电路120的第一基板100。例如，参照图3，可以在第二导电型的第一基板100中形成器件绝缘层110，以便限定有源区。然后可以在该有源区中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。然后，可以形成浮动扩散区FD131以及包括各个晶体管的源极/漏极区133、135和137的离子注入区130。此外，根据实施例，可以添加噪声消除电路(未示出)以改进灵敏度。
第一基板100上形成读出电路120，可包括：在第一基板100中形成电结区(electrical junction region)140，以及在电结区140上形成与互连连接150连接的第一导电型连接区147。
电结区140可以是(但不限于)PN结140。例如，电结区140可包括：在第二导电型阱141(或第二导电型外延层)上形成的第一导电型离子注入层143、以及在第一导电型离子注入层143上形成的第二导电型离子注入层145。例如，所述PN结140可以是(但不限于)如图3所示的P0(145)/N-(143)/P-(141)结。在某些实施例中，第一基板100可以是第二导电型基板。
根据实施例，器件被设计成使得在转移晶体管Tx两侧的源极和漏极之间存在电势差，以使光电荷可以被充分地转储(dump)。因此，从光电二极管产生的光电荷被充分地转储到浮动扩散区，使得能够改进输出图像的灵敏度。
换言之，根据实施例，在形成有读出电路120的第一基板100中形成电结区140，以允许在转移晶体管Tx121的源极和漏极之间产生电势差，从而使得光电荷可以被充分地转储。
在下文中，详细描述了根据实施例的光电荷转储结构。
与作为N+结的浮动扩散FD131的节点不同，作为电结区140、并且所施加的电压未被充分传输给其的PNP结140在预定电压时被夹断。该电压被称为阻塞电压(pinning voltage)，其取决于P0区145和N-区143的掺杂浓度。
具体地，从光电二极管210产生的电子移动到PNP结140，并且在转移晶体管Tx121被接通时被转移到浮动扩散FD131的节点并被转换成电压。
由于P0/N-/P-结140的最大电压值变成阻塞电压，并且浮动扩散FD131的节点的最大电压值变成Vdd-Rx123的阈值电压Vth，因此，通过实现转移晶体管Tx131的两侧之间的电势差，可以将从芯片上部中的光电二极管210产生的电子充分转储到浮动扩散FD131的节点而不会产生电荷共享。
换言之，根据实施例，在第一基板100中形成P0/N-/P-阱结而非N+/P-阱结，以允许在4-Tr有源像素传感器(APS)复位操作期间向该P0/N-/P-阱结的N-区143施加+电压、以及向P0145和P-阱141施加地电压，从而使得如同在双极结晶体管(BJT)结构中一样地、在预定电压或预定电压以上时在该P0/N-/P-阱双结处产生夹断。该电压被称为阻塞电压。因此，在转移晶体管Tx121的源极和漏极之间产生了电势差，以防止在转移晶体管Tx的通/断操作期间的电荷共享现象。
因此，不同于相关技术中的将光电二极管简单地与N+结连接的情形，根据上述实施例，诸如饱和度降低和灵敏度降低之类的缺陷可以被避免。
在形成P0/N-/P-结140之后，可以在光电二极管和读出电路之间形成第一导电型连接区147，以提供光电荷的快速移动路径，从而使暗电流源被最小化，并且可以防止饱和度降低和灵敏度降低。
为此目的，可以在P0/N-/P-结140的表面上形成用于欧姆接触的第一导电型连接区147。N+区147可被形成为穿过P0区145并接触N-区143。
同时，为了防止第一导电型连接区147变成泄漏源，可以最小化第一导电型连接区147的宽度。为此目的，在一个实施例中，可以在蚀刻了用于第一金属接触部151a的通孔之后执行插塞注入。然而，实施例不局限于此。例如，可以形成离子注入图案(未示出)，然后可以使用离子注入图案作为离子注入掩膜来形成第一导电型连接区147。
换言之，在上述实施例中仅仅对接触形成部分使用N型杂质来进行局部大量掺杂的原因是为了在最小化暗信号的同时有利于欧姆接触形成。在对整个转移晶体管源极进行大量掺杂的情况下，暗信号可能经由Si表面不饱和键而增大。
可以在第一基板100上形成层间电介质160，并且可以形成互连连接150。互连连接150可以包括(但不限于)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。
可以使用如图4所示的离子注入方法在第二基板200上的晶体半导体层中形成光电二极管210。例如，可以在晶体半导体层的下部中形成第二导电型导电层216。然后，可以在第二导电型导电层216上形成第一导电型导电层214。
接下来，参照图5，可以在光电二极管210中形成沟槽T。沟槽T可以位于像素之间的边界处，以防止干扰。
接下来，可以在沟槽T的表面上形成第二导电型离子注入层221。例如，可以通过高掺杂的P型离子注入而在沟槽T的表面上形成第二导电型离子注入层221(P+)。
根据实施例，可以通过在光电二极管210与光屏蔽层222之间形成第二导电型离子注入层221，来防止电子或空穴的干扰，同时还可以通过第二导电型离子注入层221而实现电绝缘。
接下来，可以通过在沟槽中的第二导电型离子注入层221上形成金属屏蔽层，来在第二导电型离子注入层221上形成光屏蔽层222。例如，可以通过在沟槽T上的P+层221上形成不透明金属屏蔽层来形成光屏蔽层222。然后，可以通过CMP或内蚀刻来平坦化光屏蔽层222。
接下来，参照图7，将第一基板100与第二基板200相接合，以使得光电二极管210与互连连接150相连通。在这点上，在将第一基板100与第二基板200相互接合之前，可以通过经由等离子体的激活而增加要接合的表面的表面能来执行所述接合。在某些实施例中，可以使用布置在接合界面上的电介质或金属层来执行所述接合，以改善接合力。
此外，不需要在光屏蔽层222与互连连接150之间进行对准。
接下来，可以使用刀片或通过减薄来去除第二基板200的一部分，以使得光电二极管210可以如图8所示地露出。
同时，在另一实施例中，光屏蔽层222和第二导电型离子注入层221可以在第一基板100与第二基板200的接合之后形成。
在去除所述第二基板200的一部分之后，可以针对每单位像素而执行分离光电二极管的蚀刻。然后，可以用像素间电介质(未示出)来填充被蚀刻的部分。
接下来，参照图9，可以执行用于形成上部电极240和滤色片(未示出)的工艺。
图10是根据另一实施例的图像传感器的横断面视图。
本实施例可以采用前述实施例的技术特征。
同时，根据该实施例，可以在形成沟槽之前在第一导电型导电层214上形成高浓度的第一导电型导电层212。例如，还可以通过无掩膜地在第二基板200的整个表面上执行表面层离子注入，来在第一导电型导电层214上形成高浓度的N+型导电层212。
图11是根据另一实施例的图像传感器的横断面视图，并且详细示出了包括互连连接150的第一基板。
根据实施例的图像传感器可以包括如图11所示的、包括读出电路120和互连连接150的第一基板100。这些结构可以用于代替参照图3所描绘的结构。
本实施例可以采用前述实施例的技术特征。
同时，不同于参照图3所描述的实施例，第一导电型连接区148被形成在电结区140的一侧。
根据实施例，用于欧姆接触的N+连接区148可以被形成为接近于P0/N-/P-结140。在这点上，由于器件工作在向P0/N-/P-结140上施加反向偏压的情况下，因此形成N+连接区148和M1C接触部151a的工艺可能提供泄漏源，从而可以在Si表面上产生电场EF。这是由于在电场内在接触形成工艺期间产生的晶体缺陷充当泄漏源而发生的。
此外，在N+连接区148被形成在P0/N-/P-结140的表面上的情况下，增添了由于N+/P0结148/145而导致的电场。该电场也充当了泄漏源。
因此，具有在未掺杂有P0层但包括N+连接区148的有源区中形成第一接触插塞151a的布置(layout)。该第一接触插塞151a经由N+连接区148与N-结143连接。
根据该实施例，在Si表面上未产生电场。此外，可以减少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”等等的任何引用意味着结合该实施例而描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。这种措辞在本说明书中各处的出现并不一定都指的是同一实施例。此外，在结合任意实施例描述了特定特征、结构或特性时，认为结合其它实施例来实现这种特征、结构或特性是在本领域的技术人员的能力范围之内的。
尽管已经参照实施例的诸多示例性实施方式来描述了实施例，但是，应当理解，本领域的技术人员可以想到落入本公开的原理的精神和范围之内的、大量其它的修改和实施方式。更具体地，可以在本公开、附图和所附的权利要求的范围之内、在主题组合布置的部件和/或布置中进行各种变化和修改。除了在部件和/或布置中的变化和修改之外，替代的用途对于本领域的技术人员而言也将是显而易见的。
Claims (20)
1.一种图像传感器，包括：
第一基板，其包括读出电路和互连连接；
在所述互连连接上的图像感测器件；以及
在所述图像感测器件的在像素之间的边界上的部分中的光屏蔽层。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：在光屏蔽层的两侧的第二导电型离子注入层。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述光屏蔽层包括不透明金属屏蔽层。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：在第一基板中将所述互连连接与所述读出电路电连接的电结区。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中所述电结区包括：
在第一基板中的第一导电型离子注入区；以及
在第一导电型离子注入区上的第二导电型离子注入区。
6.根据权利要求4所述的图像传感器，其中所述电结区提供了在所述读出电路的晶体管的两侧的漏极与具有所述电结区的源极之间的电势差。
7.根据权利要求4所述的图像传感器，其中所述电结区包括PN结。
8.根据权利要求4所述的图像传感器，还包括：在所述电结区与所述互连连接之间的第一导电型连接区。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中所述第一导电型连接区包括在所述电结区上与所述互连连接电连接的第一导电型连接区。
10.根据权利要求8所述的图像传感器，其中所述第一导电型连接区包括在所述电结区的一侧与所述互连连接电连接的第一导电型连接区。
11.一种用于制造图像传感器的方法，所述方法包括：
在第一基板中形成读出电路和互连连接；
在第二基板中形成图像感测器件；
在所述图像感测器件中形成沟槽；
在所述沟槽的表面上形成第二导电型离子注入层；
在所述沟槽中在所述第二导电型离子注入层上形成光屏蔽层；
将第一基板与第二基板相接合，其中所述互连连接与所述图像感测器件相连通；以及
选择性地去除第二基板，以使得所述图像感测器件保留在所述第一基板上。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述光屏蔽层包括不透明金属屏蔽层。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述光屏蔽层被形成在像素之间的边界上，以及其中所述第二导电型离子注入层被形成在所述光屏蔽层的两侧。
14.根据权利要求11所述的方法，还包括：在第一基板中形成与所述读出电路电连接的电结区。
15.根据权利要求14所述的方法，其中形成电结区包括：
在第一基板中形成第一导电型离子注入区；以及
在所述第一导电型离子注入区上形成第二导电型离子注入区。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述电结区被形成以提供在所述读出电路的晶体管的两侧的漏极与具有所述电结区的源极之间的电势差。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述电结区包括PN结。
18.根据权利要求14所述的方法，还包括：在所述电结区与所述互连连接之间形成第一导电型连接区。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一导电型连接区包括在所述电结区上与所述互连连接电连接的第一导电型连接区。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一导电型连接区包括在所述电结区的一侧与所述互连连接电连接的第一导电型连接区。
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