CN101383370A - 图像传感器和制造图像传感器的方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种图像传感器及制造图像传感器的方法。在图像传感器中，第一衬底具有下金属线和其上的电路。晶体半导体层接触下金属线且与第一衬底结合。光电二极管设置在晶体半导体层中且与下金属线电连接。光屏蔽层形成在光电二极管的区域中。
Description
背景技术
通常，图像传感器是将光图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器通常分为电荷耦合器件(CCD)图像传感器和互补金属氧化硅(CMOS)图像传感器(CIS)。
在现有技术图像传感器中，使用离子注入在具有晶体管电路的衬底中形成光电二极管。由于为了在芯片尺寸不增加的情况下增加像素的数量，光电二极管的尺寸不断减小，所以光接收部的面积减小，使得图像质量下降。
而且，由于堆高度减小没有光接收部的面积减小那么多，所以入射到光接收部的光子的数量也由于光的衍射而减小，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在衬底上彼此相邻地水平形成。因此，需要用于光电二极管的附加区域，这会降低填充系数区域以及限制清晰度的可能性。
而且，根据现有技术的水平型CMOS图像传感器可引起像素间的串扰问题。
而且，在根据现有技术的水平型CMOS图像传感器中，非常难以实现同时形成光电二极管和晶体管的优化工艺。
作为克服该限制的替代方式，已尝试使用非晶硅(Si)形成光电二极管，或者使用诸如晶片对晶片结合的方法在Si衬底上形成读出电路以及在读出电路上形成光电二极管(称为三维(3D)图像传感器)。光电二极管通过金属线与读出电路连接。
发明内容
本发明的实施例提供能够提供晶体管电路和光电二极管的垂直集成的图像传感器和制造图像传感器的方法。
实施例还提供能够采用能够抑制光电二极管像素间的串扰的垂直型光电二极管的图像传感器和制造图像传感器的方法。
实施例还提供能够改善清晰度和灵敏度的图像传感器和制造图像传感器的方法。
实施例还提供能够采用垂直型光电二极管缺陷减少的垂直型光电二极管的图像传感器和制造图像传感器的方法。
在一个实施例中，图像传感器可以包括：第一衬底，具有下金属线和其上的电路；晶体半导体层，其与下金属线接触且与第一衬底结合；光电二极管，其设置在晶体半导体层中且与下金属线电连接；以及光电二极管中的、在像素间区域中的光屏蔽层。
在实施例中，用于制造图像传感器的方法可以包括：制备第一衬底，具有下金属线和其上的电路；制备第二衬底，在第二衬底上具有光电二极管；在第二衬底的光电二极管中形成光屏蔽层；将第一衬底与第二衬底结合，使得其中形成有光屏蔽层的光电二极管被形成为电接触下金属线；以及去除结合的第二衬底的一部分，以使光电二极管留在第一衬底上。
在另一实施例中，用于制造图像传感器的方法可以包括：制备第一衬底，具有下金属线和其上的电路；制备第二衬底，在第二衬底上具有光电二极管；将第一衬底与第二衬底结合，使得光电二极管接触下金属线；去除结合的第二衬底的一部分，以暴露光电二极管；以及在暴露的光电二极管中形成光屏蔽层。
一个或多个实施例的细节在附图和以下描述中予以说明。根据说明和附图，以及根据权利要求书，其它的特征将变得明显。
附图说明
图1根据第一实施例的图像传感器的横截面图。
图2至图9是示出用于制造根据第一实施例的图像传感器的方法的横截面图。
图10是根据第一实施例的另一实施方式的图像传感器的横截面图。
图11是根据第二实施例的图像传感器的横截面图。
图12至图17是示出用于制造根据第二实施例的图像传感器的方法的横截面图。
图18是根据第二实施例的另一实施方式的图像传感器的横截面图。
具体实施方式
图像传感器及其制造方法的实施例将参考附图具体进行说明。
在对各实施例的说明中，应当理解，当提到一层(或者膜)在另一层或衬底“上”时，该层(或者膜)可以直接在另一层或衬底上，或者也可能存在中间层。而且，应当理解，当提到一层在另一层“下面”时，该层可以直接在另一层下面，或者也可能存在一个或多个中间层。另外，应当理解，当提到一层在两层“之间”时，该层可以是这两层之间唯一的层，或者也可能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以包括：第一衬底100，具有下金属线110和其上的电路(未示出)；晶体半导体层210a(见图3)，其接触下金属线110且与第一衬底100结合；光电二极管210，其设置在晶体半导体层210a中且与下金属线110电连接；以及光电二极管210中布置在单元像素之间的边界处的光屏蔽层222。
通过采用其中光电二极管位于电路上的垂直型光电二极管，以及在晶体半导体层中形成光电二极管，根据实施例的图像传感器能够减少光电二极管的缺陷。
而且，通过采用垂直型光电二极管以及在像素之间形成光屏蔽层222，根据实施例的图像传感器能够抑制由于入射光引起的像素间串扰。
在实施例中，光屏蔽层222可以是金属光屏蔽层。但是，各个实施例并不限于此。例如，光屏蔽层222能够由反射入射光且抑制入射光通过的任何合适材料制成。
而且，通过在光电二极管210与光屏蔽层222之间插入绝缘层221，实施例能够保证光屏蔽层222的电绝缘。
而且，尽管图1示出光屏蔽层222的上宽度比光屏蔽层222的下宽度窄，但是各个实施例并不限于此。
晶体半导体层可以是单晶体半导体层，但是各个实施例并不限于此。例如，晶体半导体层可以是多晶半导体层。
虽然第一衬底100的电路未示出，但是，在CIS的情况下，该电路不限于具有四个晶体管的4 Tr CIS，而是可以应用于1 Tr CIS，3 Tr CIS，5 Tr CIS，1.5 Tr CIS(晶体管共享CIS)等。
而且，形成在第一衬底100上的下金属线110可以包括下金属(未示出)和下插销(plug)(未示出)。下金属线110的最上部可以作为光电二极管的下电极。
光电二极管210可以包括晶体半导体层210a中的第一传导型传导层214，以及该晶体半导体层中在第一传导型传导层214上的第二传导型传导层216。
例如，光电二极管210可以包括形成在晶体半导体层210a中的轻掺杂N-型传导层214，以及形成在该晶体半导体层中的重掺杂P-型传导层216，但是各个实施例并不限于此。例如，第一传导型不限于N-型，而是也可以是P-型。
而且，在图10所示的另一实施方式中，光电二极管210还可以包括晶体半导体层中在第一传导型传导层214下面的重掺杂第一传导型传导层212。重掺杂第一传导型传导层212可以被形成用于到第一衬底100的欧姆接触。
例如，光电二极管210还可以包括形成在晶体半导体层中的重掺杂N-型传导层212。
在另外的实施例中，在光电二极管210上可以形成有顶部金属240，并且/或者在光电二极管210上可以形成有滤色器(未示出)。
现在，将参考图2至图9说明制造根据第一实施例的图像传感器的方法。
如图2所示，可以制备具有下金属线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，但是在CIS的情况下，该电路并不仅仅限于具有四个晶体管的4 Tr CIS，如上所述。
此外，下金属线110可以包括下金属(未示出)和下插销(未示出)。
如图3所示，可以在第二衬底200上形成晶体半导体层210a。通过在晶体半导体层210a中形成光电二极管，可以减少光电二极管的缺陷。
在实施例中，第二衬底200可以包括插入在第二衬底200与晶体半导体层210a之间的绝缘层。在一个实施例中，晶体半导体层210a可以外延生长在第二衬底200上。
可替换地，也可以使用第二衬底200自身的上部作为晶体半导体层，在该半导体层中形成光电二极管。
接着，如图4所示，离子可以被注入到晶体半导体层210a中以形成光电二极管210。
例如，可以在晶体半导体层210a的下部形成第二传导型传导层216。例如，通过在没有掩模的情况下向第二衬底200(包括晶体结构层210a)中进行覆盖离子注入(blanket ion implantation)能够在晶体半导体层210a的下部中形成重掺杂P-型传导层216。例如，第二传导型传导层216可以被形成具有小于或者等于大约0.5μm的结深度。第二传导型传导层216可以形成在晶体半导体层210a中，靠近第二衬底200的表面。
然后，可以在第二传导型传导层216上形成第一传导型传导层214。例如，通过在没有掩模的情况下向第二衬底200的整个表面中进行覆盖离子注入，可以在第二传导型传导层216上形成轻掺杂N-型传导层214。例如，轻掺杂第一传导型传导层214可以被形成具有范围为大约1.0μm到2.0μm的结深度。
在如图10所示的另外的实施方式中，可以在第一传导型传导层214上形成重掺杂第一传导型传导层212。例如，通过在没有掩模的情况下向第二衬底200的整个表面中进行覆盖离子注入，可以在第一传导型传导层214上形成重掺杂N-型传导层212。例如，重掺杂N-型传导层212可以被形成具有范围为大约0.05μm到0.2μm的结深度。
接着，如图5所示，可以在其中形成有光电二极管210的晶体半导体层210a中形成沟槽T。
于是，可以在沟槽T中在该沟槽的底部和侧壁形成绝缘层221。在一个实施例中，可以在沟槽T上沉积氧化物层，但是各个实施例并不限于此。在实施例中，绝缘层可以形成在晶体半导体层210a上，包括形成在沟槽T中，并被回蚀以仅仅保留在沟槽T中。
接着，如图6所示，可以在沟槽T的绝缘层221上形成金属光屏蔽层222，以形成光屏蔽层222。
例如，可以通过在沟槽T的绝缘层221上沉积不透光金属光屏蔽层222以及平坦化所沉积的不透光金属光屏蔽层222，形成光屏蔽层222。
所述平坦化可以是化学机械抛光(CMP)或回蚀工艺。
接着参考图7，可以将第二衬底200与第一衬底100结合，使得具有光屏蔽层222的第二衬底200的光电二极管210接触第一衬底100的下金属线110。
例如，在一个实施例中，通过将第一衬底100和第二衬底200接触，然后进行等离子体激活，第一衬底100和第二衬底200可以被结合。但是，各个实施例并不限于此。
此时，当第二衬底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时，可以更加易于进行结合。
此外，当第一衬底100和第二衬底200相互结合时，光屏蔽层222和下金属线110被调整成使得光屏蔽层222不接触下金属线110。
接着，如图8所示，结合的第二衬底200的一部分被去除，以暴露光电二极管210并使其留在第一衬底100上。
例如，在第二衬底200包括插入在第二衬底200与晶体半导体层之间的绝缘层的情况下，通过背磨(back grind)可以去除第二衬底200的下部，并且通过蚀刻可以去除在去除第二衬底200的下部之后暴露的绝缘层，以仅仅使光电二极管210留在第一衬底100上。
可替换地，在第二衬底200自身的一部分用作其中形成有光电二极管的晶体半导体层的情况下，在将第一衬底100与第二衬底200结合之前，可以将氢离子(H+)注入到其中形成有光电二极管的晶体半导体层的下部，并且在第二衬底200与第一衬底100结合后可以将第二衬底200热退火，以将氢离子(H+)转变成氢气(H2)，从而仅仅留下光电二极管且去除第二衬底。
接着，如图9所示，可以在光电二极管210上形成顶部金属230，然后可以进行钝化(未示出)。而且，在光电二极管210上还可以形成滤色器(未示出)，还可以在该滤色器上形成微透镜。
此外，在另外的实施例中，在光电二极管210与顶部金属240之间可以形成透明传导层(未示出)，使得顶部金属不覆盖每个像素。在这样的实施例中，透明传导层实现顶部金属的功能。透明传导层可以形成在绝缘层221上，并且不电接触光屏蔽层222。在一个实施例中，透明传导层可以由铟锡氧化物(ITO)形成，但是各个实施例并不限于此。在某些实施例中，透明传导层可以被形成为覆盖至少两个像素区。但是，在其它实施例中，可以省略透明传导层。
通过采用其中光电二极管位于电路上的垂直型光电二极管，以及在晶体半导体层中形成光电二极管，根据各实施例的图像传感器和制造图像传感器的方法能够减少光电二极管的缺陷。
而且，根据各实施例，通过采用垂直型光电二极管以及在像素之间形成光屏蔽层，能够抑制像素间串扰。
图11是根据第二实施例的图像传感器的横截面图，而图12至图17是示出用于制造根据第二实施例的图像传感器的方法的横截面图。
第二实施例能够采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能够包括：第一衬底100，其具有下金属线110和电路(未示出)；晶体半导体层210a(见图3)，其接触下金属线110且与第一衬底100结合；光电二极管210，其设置在晶体半导体层210a中且与下金属线110电连接；以及光电二极管210中布置在像素之间的边界处的光屏蔽层224。
通过采用其中光电二极管位于电路上的垂直型光电二极管，以及在晶体半导体层中形成光电二极管，本主题图像传感器能够减少光电二极管的缺陷。
而且，通过采用垂直型光电二极管以及在像素之间形成光屏蔽层224，本主题图像传感器能够抑制像素间串扰。
同时，和第一实施例中不同，在第二实施例中，在第一衬底100和第二衬底200结合之后，在光电二极管210中形成光屏蔽层224。因此，第二实施例中的光屏蔽层224可以成形成使得其上部比其下部更加宽。但是，各个实施例并不限于此。
在如图12所示的特定实施例中，可以制备具有下金属线110和电路(未示出)的第一衬底100。下金属线110可以包括下金属(未示出)和下插销(未示出)。
另外，如图13所示，可以在第二衬底200上形成晶体半导体层210a(见图3)。在晶体半导体层210a中可以形成光电二极管210。
在一个实施例中，第二衬底200可以包括插入在第二衬底200和晶体半导体层210a之间的绝缘层。
在另一实施例中，可以使用第二衬底200自身的上部作为其中形成有光电二极管的晶体半导体层。
通过将离子注入晶体半导体层210a中可以形成光电二极管210。
例如，可以在晶体半导体层210a的下部形成第二传导型传导层216。然后，可以在第二传导型传导层216上形成第一传导型传到层214。
在如图18所示的其它实施例中，可以在第一传导型传导层214上形成重掺杂第一传导型传导层212。
接着，如图14所示，可以将第二衬底200与第一衬底100结合，使得第二衬底200的光电二极管210与第一衬底100的下金属线110接触。
例如，可以通过将第一衬底100和第二衬底200接触，然后进行等离子体激活，将第一衬底100和第二衬底200结合。但是，各实施例并不限于此。
接着，如图15所示，去除结合的第二衬底200的一部分，以暴露光电二极管210且使其留在第一衬底100上。
例如，在第二衬底200包括介于第二衬底200和晶体半导体层之间的绝缘层的情况下，可以通过背磨去除第二衬底200的一部分，并且通过蚀刻去除在去除第二衬底200的一部分之后暴露的绝缘层，以仅仅使光电二极管210留在第一衬底100上。
可替换地，在第二衬底200自身的一部分用作其中形成有光电二极管的晶体半导体层的情况下，在将第一衬底100与第二衬底200结合之前，可以将氢离子(H+)注入到其中形成有光电二极管的晶体半导体层的下部，并且在第二衬底200被结合到第一衬底100之后可以将第二衬底200热退火，以将氢离子(H+)转变成氢气(H2)，从而仅仅留下光电二极管且去除第二衬底。
接着如图16所示，在去除第二衬底200的一部分之后，可以在保留在第一衬底100上的光电二极管210中形成能够抑制像素之间的串扰的光屏蔽层224。
例如，通过在光电二极管210中形成沟槽，在沟槽中形成绝缘层223，以及在沟槽中绝缘层223上形成金属光屏蔽层，可以形成光屏蔽层224。
在另一实施例中，通过在光电二极管210中形成沟槽，在沟槽中沉积氧化物层223，以及在沟槽中氧化物层223上形成不透光金属层，可以形成光屏蔽层224。
接着，如图17所示，可以在光电二极管210上形成顶部金属240，然后可以进行钝化。而且，在光电二极管210上还可以形成滤色器(未示出)，并且还可以在滤色器上形成微透镜。
本说明书中任何时候提到“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等，都表示结合该实施例说明的特定特性、结构或特征包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书中各处出现的这样的短语并不一定都指同一实施例。而且，当结合任一实施例说明特定特性、结构或特征时，应当认为，结合各实施例中的其它特性、结构或特征来实现这样的特性、结构或特征是在本领域技术人员的能力范围内的。
虽然参考各个实施例的示例性实施方式说明了各个实施例，但是应当理解，本领域技术人员能够作出的许多其它修改和实施例将落入本公开的原则的精神和范围内。更具体地，在本公开、附图和所附权利要求书的范围内，存在对所述主题组合布置的组成部分和/或布置的变化和修改。除了对组成部分和/或布置的变化和修改外，本领域技术人员还容易想到可替换的用途。
Claims (15)
1.一种图像传感器，包括:
第一衬底，具有下金属线和其上的电路；
晶体半导体层，其与所述下金属线接触且与所述第一衬底结合；
光电二极管，其设置在所述晶体半导体层中且与所述下金属线电连接；以及
晶体半导体层中设置在像素之间的边界处的光屏蔽层。
2.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:
布置在所述晶体半导体层中、相邻光电二极管之间的金属光屏蔽层；以及
在所述金属光屏蔽层和所述光电二极管之间的绝缘层。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述光电二极管包括:
所述晶体半导体层中的第一传导型传导层；以及
所述晶体半导体层中在所述第一传导型传导层上的第二传导型传导层。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其中所述光电二极管还包括所述晶体半导体层中在所述第一传导型传导层与所述下金属线之间的重掺杂第一传导型传导层。
5.一种用于制造图像传感器的方法，包括:
制备第一衬底，具有下金属线和其上的电路；
制备第二衬底，在所述第二衬底上具有光电二极管；
在所述第二衬底的光电二极管中形成光屏蔽层；
将所述第一衬底与所述第二衬底结合，使得其中形成有所述光屏蔽层的所述光电二极管被形成为电接触所述下金属线；以及
去除结合的第二衬底的一部分，以使所述光电二极管留在所述第一衬底上。
6.根据权利要求5所述的方法，其中制备所述第二衬底包括:
在所述第二衬底上形成晶体半导体层；以及
在所述晶体半导体层中形成光电二极管。
7.根据权利要求6所述的方法，其中在所述晶体半导体层中形成光电二极管包括:
在所述晶体半导体层中形成第二传导型传导层；以及
在所述晶体半导体层中、在所述第二传导型传导层上形成第一传导型传导层。
8.根据权利要求7所述的方法，其中在所述晶体半导体层中形成光电二极管还包括:
在形成所述第一传导型传导层后，在所述晶体半导体层中、在所述第一传导型传导层上形成重掺杂第一传导型传导层。
9.根据权利要求5所述的方法，其中在所述第二衬底的光电二极管中形成光屏蔽层包括:
在所述光电二极管中形成沟槽，对应于像素之间的区；
在所述沟槽中形成绝缘层；以及
在所述沟槽中、所述绝缘层上形成金属，以填充所述沟槽。
10.根据权利要求5所述的方法，在去除结合的第二衬底的一部分后，还包括在所述光电二极管上形成透明传导层。
11.一种用于制造图像传感器的方法，包括:
制备第一衬底，具有下金属线和其上的电路；
制备第二衬底，在所述第二衬底上具有光电二极管；
将所述第一衬底与所述第二衬底结合，使得所述光电二极管接触所述下金属线；
去除结合的第二衬底的一部分，以使所述光电二极管暴露在所述第一衬底上；以及
在所暴露的光电二极管的部分中形成光屏蔽层。
12.根据权利要求11所述的方法，其中在所暴露的光电二极管的部分中形成光屏蔽层包括:
在所述光电二极管中形成沟槽，对应于像素之间的区；
在所述沟槽中形成绝缘层；以及
在所述沟槽中、所述绝缘层上形成金属，以填充所述沟槽。
13.根据权利要求11所述的方法，其中制备第二衬底包括:
在所述第二衬底上形成晶体半导体层；以及
在所述晶体半导体层中形成光电二极管。
14.根据权利要求12所述的方法，其中在所述晶体半导体层中形成光电二极管包括:
在所述晶体半导体层中形成第二传导型传导层；以及
在所述晶体半导体层中、在所述第二传导型传导层上形成第一传导型传导层。
15.根据权利要求14所述的方法，其中在所述晶体半导体层中形成所述光电二极管还包括:
在形成所述第一传导型传导层后，在所述晶体半导体层中、在所述第一传导型传导层上形成重掺杂第一传导型传导层。
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