CN101447497B - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种图像传感器包括：下金属线、电路、第一绝缘层、晶体半导体层、光电二极管、接触线、第二绝缘层以及第二沟槽。下金属线和电路形成在第一衬底内部，并且第一绝缘层形成在下金属线和第一衬底上和/或上方。晶体半导体层接触第一绝缘层并接合至第一衬底。光电二极管形成在晶体半导体层中。接触线将光电二极管电连接至下金属线。第二绝缘层形成在该晶体半导体层中以及该晶体半导体层上。第二沟槽，形成在位于该晶体半导体层中的该第二绝缘层中，并暴露该下金属线。通过本发明提供的图像传感器的制造方法可以提高图像传感器的分辨率和灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器及其制造方法。
背景技术
图像传感器是一种用于将光学图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器可以分为电荷耦合器件(CCD)图像传感器或互补金属氧化物(CMOS)图像传感器(CIS)。CIS包括形成在单位像素中的光电二极管和MOS晶体管，并且以切换模式顺序地检测单位像素的电信号来获得图像。在现有技术的CIS结构中，光电二极管和晶体管可以水平排列。尽管现有技术的水平型CIS已经解决CCD图像传感器的局限性，但仍存在问题。例如，由于在水平型CIS中，将光电二极管和晶体管以相邻方式水平地形成在衬底上和/或上方，所以需要额外区域用于形成光电二极管。因此，会使填充系数发生下降并且可能会限制分辨率。此外，在根据现有技术的水平型CIS中，很难实现使同时形成光电二极管和晶体管的工艺最优化。
发明内容
实施例涉及图像传感器及其制造方法，其中该方法提供一种电路和光电二极管的新集成方法。
实施例涉及图像传感器及其制造方法，其中该方法使用晶体硅接合工艺，通过实施接合，很容易确保工艺裕度(process margin)，并且通过形成接触，很容易确保在下金属和晶体硅之间形成欧姆接触。
实施例涉及图像传感器及其制造方法，其中该方法可以最大化分辨率和灵敏度。
实施例涉及图像传感器及其制造方法，其中该方法使用垂直型光电二极管以防止其内产生缺陷。
实施例涉及一种图像传感器，可以包括以下器件中的至少之一：第一衬底，在其内部形成下金属线和电路；第一绝缘层，形成在下金属线和第一衬底上和/或上方；晶体半导体层，接触第一绝缘层并与第一衬底接合；光电二极管，形成在晶体半导体层中；接触线，将光电二极管电连接至下金属线；第二绝缘层，形成在该晶体半导体层中以及该晶体半导体层上；以及第二沟槽，形成在位于该晶体半导体层中的该第二绝缘层中，并暴露该下金属线。
实施例涉及一种器件，可以包括以下元件至少之一：第一衬底；下金属线和电路，形成在第一衬底上方；第一绝缘层，形成在下金属线上方；晶体半导体层，接触第一绝缘层并与第一衬底接合；光电二极管，形成在晶体半导体层中；以及接触线，将光电二极管电连接至下金属线。
实施例涉及一种方法，可以包括以下步骤中的至少之一：提供第一衬底，在其内部形成下金属线和电路；然后在第一衬底上方以及下金属线上方形成第一绝缘层；然后提供第二衬底，在其上方形成光电二极管；然后将第二衬底接合至第一衬底，使得第二衬底的光电二极管接触第一衬底的第一绝缘层；然后通过移除第二衬底的下部暴露光电二极管；然后通过选择性地蚀刻该光电二极管和该第一绝缘层，形成第一沟槽，以暴露该下金属线；以及然后形成接触线，以将该下金属线电连接至该光电二极管。。
实施例涉及一种图像传感器的制造方法，可以包括以下步骤中的至少之一：提供第一衬底，在其上和/或上方形成下金属线和电路；在第一衬底的下金属线上和/或上方形成第一绝缘层；提供第二衬底，在其上和/或上方形成光电二极管；将第二衬底接合至第一衬底，使得第二衬底的光电二极管接触第一衬底的第一绝缘层；以及然后通过移除第二衬底的下部暴露光电二极管。
通过本发明提供的图像传感器的制造方法可以提高图像传感器的分辨率和灵敏度。
附图说明
示例性图1至图10示出了根据实施例的图像传感器及其制造方法。
具体实施方式
下文将参考随附附图详细阐述根据实施例的图像传感器及其制造方法。
如示例性图1所示，根据实施例的图像传感器可以包括：第一衬底100，其上和/或上方形成有下金属线110和电路；第一绝缘层120，形成在下金属线110上和/或上方；晶体半导体层210，接触第一绝缘层120并且与第一衬底100接合；光电二极管210，形成在晶体半导体层210中；以及接触线240，将下金属线110电连接至光电二极管210。
在实施例中，光电二极管210可以包括第一导电类型导电层213和第二导电类型导电层215，其中第一导电类型导电层213形成在晶体半导体层210中，以及第二导电类型导电层215形成在晶体半导体层210中并且位于第一导电类型导电层213上和/或上方。可选地，光电二极管210还可以包括高浓度第一导电类型导电层211，其形成在晶体半导体层210中并且位于第一导电类型导电层213下。
根据实施例的图像传感器还可以包括第二绝缘层230，其形成在晶体半导体层210上和/或上方，并且包括第二沟槽T2和第三沟槽T3，其中第二沟槽T2(参见示例性图8)用于选择性地暴露下金属线110，以及第三沟槽T3(参见示例性图8)用于选择性地暴露光电二极管210。接触线240可以包括第二栓塞241、第三栓塞243和金属线245，其中第二栓塞241和第三栓塞243分别用于填充第二沟槽T2和第三沟槽T3，以及金属线245用于将第二栓塞241连接至第三栓塞243。第二栓塞241可用作偏压接触，以及第三栓塞243可用作信号接触。
可以通过蚀刻第二绝缘层230形成第二沟槽T2，使得暴露下金属线110而不暴露光电二极管210。因此，根据实施例，可以在器件隔离区中形成第二栓塞T2。根据实施例的图像传感器可以提供电路和光电二极管的垂直集成。此外，根据实施例的图像传感器，可以在将第二衬底200接合至第一衬底100的上表面之前，通过在第一衬底100上和/或上方形成绝缘层120(例如氧化物层)，可以最大化第一衬底100和第二衬底之间的接合力顶部。此外，根据实施例的图像传感器，还可以在将第二衬底200接合至第一衬底100的顶部表面之前，通过在第一衬底100上和/或上方形成绝缘层120，可以最佳化接合和分离(cleaving)状态，从而最小化由CMP等引起的高度差。此外，根据实施例的图像传感器，通过在第一衬底100的下金属线和第二衬底200之间形成欧姆接触，从而获得增强的特性。
如示例性图2至图10所示，根据实施例的图像传感器的制造方法可以包括以下步骤：提供第一衬底100，其中形成有下金属线110和电路。根据实施例的图像传感器可以是CIS，但并不仅限于四晶体管CIS。此后，在第一衬底100的下金属线110上和/或上方形成第一绝缘层120。例如，第一绝缘层120可以是氧化层，但并不仅限于此。第一绝缘层120的形成可以增强第一衬底100和与第一衬底100键和的衬底之间的接合力。
如示例性图3所示，下一步，制备其中形成有光电二极管210的第二衬底200，并且将其与第一衬底100接合。下文将更加详细地阐述第二衬底200的制备过程。首先，在第二衬底200上和/或上方形成晶体半导体层210。在晶体半导体层210中形成光电二极管210，从而可以防止光电二极管的内部缺陷。
可以通过下文所述的方法制备第二衬底200。例如，首先通过将氢离子注入第二衬底200中，形成氢离子注入层220。此后，将杂质离子注入晶体半导体层210中，以形成光电二极管210。可选地，首先可以在第二衬底200中形成掩埋绝缘层(buried insulating layer)，然后可以在第二衬底200上和/或上方形成晶体半导体层210。例如，掩埋绝缘层可以是绝缘体上硅(SOI)，但并不仅限于此。
如示例性图4所示，形成光电二极管210的工艺包括在晶体半导体层210中使用离子注入来形成光电二极管210。例如，在晶体半导体层210的下部中形成第二导电类型导电层215。第二导电类型导电层215可以是高浓度P-型导电层。例如，可以无须掩模而在第二衬底200的整个表面上实施第一次毯覆式离子注入(blanket-ion implantation)，以在晶体半导体层210的下部中形成高浓度P-型导电层215。例如，可以形成结深(junction depth)小于约0.5μm的第二导电类型导电层215。
此后，无须掩模而在第二衬底200的整个表面上实施第二次毯覆式-离子注入，以在第二导电类型导电层215上和/或上方形成第一导电类型导电层213。第一导电类型导电层213可以是低浓度N-型导电层。可以形成结深范围约为从1.0μm至0.5μm的低浓度第一导电类型导电层213。
如示例性图3所示，实施例还可以包括在第一导电类型导电层213上和/或上方形成高浓度第一导电类型导电层211。高浓度第一导电类型导电层211可以是高浓度N-型导电层。例如，无须掩模而在第二衬底200的整个表面上实施第三次毯覆式离子注入，以在第一导电类型导电层213上和/或上方形成高浓度第一导电类型导电层211。可以形成结深范围约为0.05μm至0.2μm的高浓度第一导电类型导电层211。如示例性图3所示，然后，接合第一衬底100和第二衬底200，使得第二衬底200的光电二极管210接触第一衬底100的第一绝缘层120。例如，可以通过使第一衬底100和第二衬底200相互接触，然后通过等离子体进行激活(activation)，来实施所述接合，但接合方法并不仅限于此。
如示例性图4所示，此后，移除第二衬底200的下部以保留光电二极管210。例如，通过在第二衬底200上实施热处理，可以将形成在第二衬底200中的氢离子注入层220转变成氢气层。可以轻易地移除在该氢气层附近的第二衬底200的下部，使得光电二极管210得以暴露。在另一实施例中，如图4所示，当第二衬底200具有掩埋绝缘层时，通过背面研磨(back grinding)移除第二衬底的下部以暴露掩埋绝缘层，然后通过蚀刻移除被暴露的掩埋绝缘层，以在第一衬底100上仅保留光电二极管210。例如，可以通过湿法蚀刻移除掩埋绝缘层，但本发明并不仅限于此。
如示例性图5所示，在暴露光电二极管210之后，选择性地蚀刻光电二极管210和第一绝缘层120以形成第一沟槽T1，从而暴露下金属线110。此后，如示例性图10所示，可以形成接触线240，以将光电二极管210电连接至下层金属线110。
如示例性图6所示，形成接触线240的工艺可以包括在第一沟槽T1和光电二极管210上和/或上方形成第二绝缘层230。第二绝缘层230可以是氧化层，但并不仅限于此。如示例性图7所示，下一步，选择性地蚀刻第二绝缘层230以形成第二沟槽T2，从而暴露下金属线110。对第二绝缘层230的蚀刻可以对应于偏压接触蚀刻。为了避免蚀刻光电二极管210，可以蚀刻第二绝缘层230，从而在各个像素的光电二极管之间插入第二绝缘层230，以防止像素之间的串扰。
如示例性图8所示，下一步，选择性地蚀刻第二绝缘层230以形成第三沟槽T3，从而选择性地暴露光电二极管210。对第二绝缘层230的选择性蚀刻可以对应于信号接触蚀刻。如示例性图9所示，下一步，可以分别形成填充第二沟槽T2的第二栓塞241和填充第三沟槽T3的第三栓塞243。第二栓塞241和第三栓塞243可由钨(tungsten)形成，但是本发明并不仅限于此。第二栓塞241用作偏压接触件，并且第三栓塞243用作信号接触件。如示例性图10所示，下一步，可以形成金属线245，以使第二栓塞241和第三栓塞243相互连接。金属线245可以由铝(Al)、铜(Cu)等材料形成，但本发明并不仅限于此。
根据实施例的图像传感器及其制造方法可以提供电路和光电二极管的垂直集成。此外，根据实施例的图像传感器及其制造方法，可以在将第二衬底200接合至第一衬底100的上表面之前，通过在第一衬底上和/或上方形成绝缘层(例如氧化物层)，以最大化第一衬底和第二衬底之间的接合力。此外，根据实施例的图像传感器及其制造方法，还可以在将第二衬底接合至第一衬底的上表面之前，通过在第一衬底上和/或上方形成绝缘层，以改善接合和分离状态，从而最小化由CMP等引起的高度差。此外，根据实施例的图像传感器及其制造方法，通过在第一衬底的下金属线和第二衬底之间形成欧姆接触，以期获得增强的特性。
尽管实施例一般涉及互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，但实施例并不仅限于此，而是可以轻易地适用于任何需要光电二极管的图像传感器。
尽管上文描述了多个实施例，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，并落入本发明公开内容的原理的精神和范围之内。尤其是，可以在该本发明的公开、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设置进行多种变化和改进。除组件和/或设置的变化和改进之外，其它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 (19)
1.一种器件，包括：
第一衬底；
下金属线和电路，形成在该第一衬底内部；
第一绝缘层，形成在该下金属线和该第一衬底上方；
晶体半导体层，接触该第一绝缘层并且与该第一衬底接合；
光电二极管，形成在该晶体半导体层中；
接触线，将该光电二极管电连接至该下金属线；
第二绝缘层，形成在该晶体半导体层中以及该晶体半导体层上；以及
第二沟槽，形成在位于该晶体半导体层中的该第二绝缘层中，并暴露该下金属线。
2.如权利要求1所述的器件，其中该光电二极管包括：
高浓度第一导电类型导电层，形成在该晶体半导体层中；
第一导电类型导电层，形成在该晶体半导体层中并且位于该高浓度第一导电类型导电层上方；以及
第二导电类型导电层，形成在该晶体半导体层中并且位于该第一导电类型导电层上方。
3.如权利要求1所述的器件，其中该光电二极管包括：高浓度第一导电类型导电层，形成在该晶体半导体层中。
4.如权利要求1所述的器件，其中该光电二极管包括：第一导电类型导电层，形成在该晶体半导体层中。
5.如权利要求4所述的器件，其中该光电二极管包括：第二导电类型导电层，形成在该晶体半导体层中并且位于该第一导电类型导电层上方。
6.如权利要求4所述的器件，其中该光电二极管包括：高浓度第一导电类型导电层，形成在该晶体半导体层中并且位于该第一导电类型导电层下方。
7.如权利要求1所述的器件，还包括第三沟槽，该第三沟槽暴露该光电二极管。
8.如权利要求7所述的器件，其中该接触线包括：
第二栓塞，填充该第二沟槽；
第三栓塞，填充该第三沟槽；以及，
金属线，将该第二栓塞连接至该第三栓塞。
9.如权利要求7所述的器件，其中该第二沟槽暴露该下金属线而不暴露该光电二极管。
10.如权利要求7所述的器件，其中该第二栓塞形成在器件隔离区中。
11.如权利要求1所述的器件，其中该器件包括图像传感器。
12.一种方法，包括以下步骤：
提供第一衬底，在其内部形成下金属线和电路；然后
在该第一衬底上方以及该下金属线上方形成第一绝缘层；然后
提供第二衬底，在其上方形成光电二极管；然后
将第二衬底接合至该第一衬底，使得该第二衬底的该光电二极管接触该第一衬底的该第一绝缘层；然后
通过移除该第二衬底的下部，暴露该光电二极管；然后
通过选择性地蚀刻该光电二极管和该第一绝缘层，形成第一沟槽，以暴露该下金属线；以及然后
形成接触线，以将该下金属线电连接至该光电二极管。
13.如权利要求12所述的方法，其中形成该接触线的步骤包括：
在该第一沟槽和该光电二极管上方形成第二绝缘层；然后
通过选择性地蚀刻该第二绝缘层，形成第二沟槽，以暴露该下金属线；然后
通过选择性地蚀刻该第二绝缘层而形成第三沟槽，从而选择性地暴露该光电二极管；然后
形成第二栓塞和第三栓塞，以分别填充该第二沟槽和该第三沟槽；以及然后
形成金属线，将该第二栓塞连接至该第三栓塞。
14.如权利要求13所述的方法，其中形成该第二沟槽的步骤包括：蚀刻该第二绝缘层，使得该光电二极管不被暴露。
15.如权利要求12所述的方法，其中该光电二极管包括：高浓度第一导电类型导电层，形成在该晶体半导体层中。
16.如权利要求12所述的方法，其中该光电二极管包括：第一导电类型导电层，形成在该晶体半导体层中。
17.如权利要求16所述的方法，其中该光电二极管包括：第二导电类型导电层，形成在该晶体半导体中并且位于该第一导电类型导电层上方。
18.如权利要求17所述的方法，其中该光电二极管还包括：高浓度第一导电类型导电层，形成在该晶体半导体层中并且位于该第一导电类型导电层下方。
19.如权利要求12所述的方法，其中该光电二极管包括：
高浓度第一导电类型导电层，形成在该晶体半导体层中；
第一导电类型导电层，形成在该晶体半导体层中并且位于该高浓度第一导电类型导电层上方；以及
第二导电类型导电层，形成该晶体半导体层中并且位于该第一导电类型导电层上方。
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