CN101459186A - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
实施方案涉及图像传感器及其制造方法，所述图像传感器可包括晶体管、第一电介质、在第一电介质上和/或上方的晶体半导体层、光电二极管、虚拟区、通孔接触和第二电介质。可通过将杂质离子注入对应像素区的晶体半导体层以中形成光电二极管。在除了用于光电二极管的区域之外的晶体半导体层中可形成虚拟区。通孔接触可穿透虚拟区，并且可连接至第一金属互连。第二电介质可包括在晶体半导体层上和/或上方的多个第二金属互连。多个第二金属互连可将通孔接触电连接至光电二极管。
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
图像传感器可以是可将光学图像转化为电信号的半导体器件。图像传感器可规类为电荷耦合器件(CCD)图像传感器、和互补金属氧化物硅(CMOS)图像传感器(CIS)的中的至少一种。
CIS可包括在单元像素中形成的光电二极管和MOS晶体管，并且可通过以切换方式依次检测单元像素的电信号来获得图像。在CIS中，光电二极管区域可将光信号转化为电信号，晶体管可处理所述电信号。光电二极管区域和晶体管可水平地布置在半导体衬底上和/或上方。在根据相关技术的水平型CIS中，光电二极管和晶体管可在衬底上和/或上方彼此邻近地水平形成。因此，可能需要用于形成光电二极管的另外的区域。
发明内容
一些实施方案涉及可使用可提高器件集成度的垂直型光电二极管的图像传感器及其制造方法。
根据一些实施方案，图像传感器可包括以下中的至少一个。在第一衬底的像素区上和/或上方的晶体管。在第一衬底上和/或上方的第一电介质，所述第一电介质包括分别连接至晶体管的第一金属互连。在所述第一电介质上和/或上方的晶体半导体层。通过将杂质离子注入对应于像素区的所述晶体半导体层中形成的光电二极管。在所述晶体半导体层中除了用于所述光电二极管的区域之外的虚拟区(dummy region)。穿透所述虚拟区并连接至所述第一金属互连的通孔接触。在所述晶体半导体层上方的包括多个第二金属互连的第二电介质，所述多个第二金属互连将所述通孔接触电连接至所述光电二极管。
根据一些实施方案，制造图像传感器的方法可包括以下中的至少一个。在第一衬底的像素区上和/或上方形成晶体管。在所述第一衬底上和/或上方形成包括第一金属互连的第一电介质，所述第一金属互连分别连接至所述晶体管。制备包括晶体半导体层的第二衬底。将杂质离子选择性注入所述晶体半导体层中，以在所述晶体半导体层的对应于所述像素区的一部分中形成光电二极管、和在所述晶体半导体层的其它部分中形成虚拟区。将所述第一衬底和第二衬底彼此接合。使所述第二衬底从所述晶体半导体层分离，以将所述晶体半导体层保留在所述第一衬底上。形成可穿透所述虚拟区并且可连接至所述第一金属互连的通孔接触。在所述晶体半导体层上和/或上方形成包括多个第二金属互连的第二电介质，所述多个第二金属互连将通孔接触电连接至所述光电二极管。
一些实施方案涉及可包括以下中的至少一个的器件：在第一衬底的像素区上方的至少一个晶体管；在所述第一衬底上方的第一电介质，所述第一电介质包括分别连接至所述至少一个晶体管的至少一个第一金属互连；在所述第一电介质上方的晶体半导体层；在对应于所述像素区的区域中形成的在所述晶体半导体层中的光电二极管；在所述晶体半导体层中除了所述光电二极管区域以外的虚拟区；穿透所述虚拟区并且连接至所述至少一个第一金属互连的至少一个通孔接触；和在所述晶体半导体层上方包括至少一个第二金属互连使得所述至少一个第二金属互连将所述至少一个通孔接触电连接至所述光电二极管的第二电介质。
一些实施方案涉及可包括以下中的至少一个的器件：在第一衬底的像素区上方形成的晶体管；在所述第一衬底上方形成的包括第一金属互连的第一电介质，所述第一金属互连连接至所述晶体管；在所述第一电介质上方形成的晶体半导体层；通过将杂质离子选择性注入到所述晶体半导体层中，在所述晶体半导体层的对应于所述像素区的第一部分中形成的光电二极管、和在所述晶体半导体层的不对应于所述像素区的第二部分中形成的虚拟区；形成为穿透所述虚拟区并且连接至所述第一金属互连的通孔接触；和在所述晶体半导体层上方形成的包括第二金属互连的第二电介质，所述第二金属互连将所述通孔接触电连接至所述光电二极管。
附图说明
示例性图1～10说明根据一些实施方案的图像传感器以及制造图像传感器的方法。
具体实施方式
示例性图10是根据一些实施方案的图像传感器的截面图。参考示例性图10，晶体管110可设置在第一衬底100的像素区上和/或上方的每个单元像素中。第一衬底100可以是单晶硅衬底和掺杂有p-型或n-型杂质的衬底中的一个。在第一衬底100中可以形成可限定有源区和场区的器件隔离层。这可限定像素区。晶体管110可设置在每个单元像素中。晶体管110可连接至以后将描述的并且可将接收的光电荷转化为电信号的光电二极管。根据一些实施方案，晶体管110可包括转移晶体管、重置晶体管、驱动晶体管和选择晶体管。根据一些实施方案，晶体管可具有3Tr结构、4Tr结构和5Tr结构中的任意一种结构。根据一些实施方案，可使用其它结构。
可在第一衬底100上和/或上方设置可包括接触塞130的金属沉积前电介质120。接触塞130可电连接至设置在每个单元像素中的晶体管110。第一电介质150可包括第一金属互连140并且可设置在金属沉积前电介质120上和/或上方。第一金属互连140可分别连接至接触塞并且可将光电二极管210的光电荷传输至晶体管110。包括光电二极管210的晶体半导体层200可设置在第一电介质150上和/或上方。根据一些实施方案，晶体半导体层200可以是基本上类似于第一衬底100的单晶硅衬底。根据一些实施方案，晶体半导体层200可以是p-型衬底。
根据一些实施方案，光电二极管210可设置在晶体半导体层200中使得其对应于第一衬底100的像素区。光电二极管210可以掺杂有n-型杂质或p-型杂质。光电二极管210可具有p-n结或n-p结。通过在p-型晶体半导体层200中选择性形成n-型杂质区域可对于每个像素分离光电二极管210。由于光电二极管210可形成在晶体半导体层200中以对应于第一衬底100的像素区，所以虚拟区201可形成在晶体半导体层200中可不形成光电二极管210的区域中。通孔接触220可设置在虚拟区201中，并且可电连接至第一金属互连140。通孔接触220可通过将金属材料填充到可形成在虚拟区201中并且可暴露第一金属互连140的通孔205中来形成。
如示例性图7所示，通孔接触230可通过将杂质离子选择性注入虚拟区201和第一电介质150中形成。通孔接触230可连接至第一金属互连140。通孔接触230可使用n-型杂质或p-型杂质形成。通孔接触220可穿透晶体半导体层200的虚拟区201，并且可电连接至第一金属互连140。
第二电介质250可包括多个第二金属互连240。第二电介质250可设置在包括通孔接触220和光电二极管210的晶体半导体层200上和/或上方。第二金属互连240可设置在通孔接触220上和/或上方。第二金属互连240可连接至光电二极管210并且可通过通孔接触220和第一金属互连140将在光电二极管210中产生的光电荷传输至晶体管110。在包括第二金属互连240的第二电介质250上和/或上方可提供钝化层260。
根据一些实施方案，由于可包括光电二极管210的晶体半导体层200可形成在第一衬底100上和/或上方，所以可垂直地集成图像传感器。由于光电二极管可形成在晶体半导体层中，所以图像传感器可减少光电二极管中的缺陷。
在可形成光电二极管210的晶体半导体层200中可形成可将光电二极管210的光电荷传输至晶体管110的通孔接触220。这可使得能够实现相对高的集成度。根据一些实施方案，由于光电二极管210可在第一金属互连140上和/或上方形成，所以可以实现高度集成的器件。
将参考示例性图1～10描述制造图像传感器的方法。参考示例性图1，在第一衬底100的像素区上和/或上方可形成第一电介质150和第一金属互连140。第一衬底100可以是单晶衬底和掺杂有选自p-型或n-型杂质的衬底中的至少一种杂质。在第一衬底100中可形成可限定有源区和场区的器件隔离层。晶体管110可在每个单元像素中形成。晶体管110可连接至以后将描述的可将接收的光电荷转化为电信号的光电二极管。晶体管110可包括转移晶体管、重置晶体管、驱动晶体管和选择晶体管。晶体管110可具有3Tr结构、4Tr结构和5Tr结构中的任意一种结构。根据一些实施方案，可使用其它结构。
可包括接触塞130的金属沉积前电介质120可形成在第一衬底100上和/或上方。金属沉积前电介质120可由氧化物和氮化物中的至少一种形成。接触塞130可穿透金属沉积前电介质120并且可分别连接至可在每个单元像素中形成的晶体管110。可包括第一金属互连140的第一电介质150可形成在包括接触塞130的金属沉积前电介质120上和/或上方。第一电介质150可由氧化物和氮化物中的至少一种形成。第一金属互连140可分别形成在接触塞130上和/或上方。第一金属互连140可由不同的导电材料形成。第一金属连接140可由金属、合金和硅化物中的至少一种形成。第一金属互连可由铝(Al)、铜(Cu)、钴(Co)和钨(W)中的至少一种形成。第一金属互连140可形成在每个单元像素中，并且可将晶体管110电连接至以后将描述的光电二极管210。第一金属互连140可传输光电二极管210的光电荷。
参考示例性图2，可制备第二衬底20。第二衬底可包括晶体半导体层200。第二衬底20可以是单晶硅衬底或多晶硅衬底。第二衬底20可以是掺杂有p-型或n-型杂质的衬底。第二衬底20和第一衬底100可具有基本上相同的面积。
根据一些实施方案，晶体半导体层200可形成在第二衬底20上和/或上方和/或下方。晶体半导体层200可以形成在第二衬底20下方和/或之下。晶体半导体层200可具有单晶或多晶结构。晶体半导体层200可以是掺杂有p-型杂质或n-型杂质的衬底。晶体半导体层200可形成在第二衬底20上和/或上方。晶体半导体层200可以是p-型衬底。
在第二衬底20和晶体半导体层200之间的界面处可形成牺牲层30。牺牲层30可通过注入氢离子形成。根据一些实施方案，光电二极管210可形成在牺牲层30上和/或上方的晶体半导体层200中。光电二极管210可形成在晶体半导体层200中并且可对应于像素区。光电二极管210可包括n-型和p-型杂质区域。光电二极管210可通过将杂质离子注入晶体半导体层200中形成并且可具有p-n结或n-p结。光电二极管210的n-型杂质区域可形成为宽于p-型杂质区域。这可改善光电荷的产生。光电二极管210可通过将n-型杂质离子选择性注入p-型衬底的晶体半导体层200中形成。光电二极管210可形成为使得其对于每个单元像素可以是分离的。这可通过在形成光刻胶图案之后通过将n-型杂质选择性离子注入到晶体半导体层200的深区域中使得n-型杂质区域彼此分离来实现。这可选择性暴露p-型晶体半导体层200。光电二极管210可形成在晶体半导体层200中并且可对应于第一衬底100的像素区。除了用于光电二极管210的区域之外的晶体半导体层200可用作虚拟区201。
参考示例性图3，包括晶体管110的第一衬底可接合至包括光电二极管210的第二衬底20。第一衬底100和第二衬底20可通过接合工艺彼此接合。接合工艺可通过将可以作为光电二极管210表面的第二衬底20的顶部表面置于第一衬底100的第一电介质150上和/或上方来进行。可包括光电二极管210的晶体半导体层200可接合至第一衬底100。第一衬底100和可包括光电二极管210的晶体半导体层200可因此具有垂直结构。
参考示例性图4，可以移除第二衬底20。包括光电二极管210和虚拟区201的晶体半导体层200可保留在第一衬底100上和/或上方。由于在晶体半导体层200和第二衬底20之间可形成牺牲层30，所以第二衬底20可以与晶体半导体层200分离。第二衬底20可通过切割和裂开工艺中的至少一种与晶体半导体层200分离。在第一衬底100上和/或上方可留下可包括光电二极管210和虚拟区201的晶体半导体层200。可进行形成通孔接触的工艺并且可将光电二极管210连接至第一衬底100的晶体管110。通孔接触可使用金属材料或杂质区域形成使得其可连接至第一金属互连140。用金属材料形成的通孔接触可以是第一通孔接触220，并且通过杂质形成的通孔接触可以是第二通孔接触230。
将参考示例性图5和6描述根据一些实施方案的形成第一通孔接触220的方法。参考示例性图5，可形成通孔205，并且通孔205可穿透晶体半导体层200的虚拟区201和第一电介质150。可选择性移除虚拟区201和第一电介质150并且可形成暴露第一金属互连140的通孔205。为形成通孔205，可形成第一光刻胶图案310，第一光刻胶图案310可暴露晶体半导体层200的对应于第一金属互连140的虚拟区201的一部分。可使用氧化物层代替第一光刻胶图案310形成硬掩模图案。可以使用第一光刻胶图案310作为蚀刻掩模蚀刻虚拟区201和第一电介质150。可以形成通孔205，通孔205可延伸穿过晶体半导体层200和第一电介质150并且可暴露第一金属互连140。可使用灰化技术移除第一光刻胶图案310。
参考示例性图6，在通孔205中可形成第一通孔接触220。第一通孔接触220可通过将金属材料填充到通孔205中形成。可通过在晶体半导体层220上和/或上方沉积可包括金属、合金和硅化物中的至少一种的不同导电材料形成第一通孔接触220。然后可进行化学机械抛光(CMP)。第一通孔接触220可由Al、Cu、Co和W中的至少一种形成。根据一些实施方案，可以使用其它材料。第一通孔接触220可形成在第一通孔205中并且可电连接至第一金属互连140。
将参考示例性图7描述形成第二通孔接触230的方法。参考示例性图7，第二光刻胶图案320可形成在晶体半导体层200上和/或上方并且可选择性暴露对应于第一金属互连140的虚拟区201。使用第二光刻胶图案320作为离子注入掩膜，可以将导电杂质离子注入虚拟区201和第一电介质150。注入虚拟区201和第一电介质150的离子可以是n-型杂质或p-型杂质。由此第二通孔接触230可形成在第一电介质150和晶体半导体层200的虚拟区201中并且可电连接至第一金属互连140。由于第一通孔接触220或第二通孔接触230可形成在可形成光电二极管210的晶体半导体层200的虚拟区201中，所以能够实现器件的相对高的集成度。
根据一些实施方案，可省略用于移除晶体半导体层200的除了用于光电二极管210之外的区域的附加工艺，因此可简化制造工艺。由于虚拟区201可形成在光电二极管210周围，所以光电二极管210和虚拟区201可提供平坦化的表面。这可使得在后续工艺期间相对容易地形成滤色器和微型透镜。当形成用于第一通孔接触220的通孔时，可形成可对于每个单元像素分离光电二极管210的沟槽。在用于形成第二通孔接触230的离子注入工艺期间，可形成可对于每个单元像素分离光电二极管210的离子注入区。
根据一些实施方案，将描述使用由金属材料形成的第一通孔接触220的一个示例性情况。参考示例性图8，可在包括第一通孔接触220的晶体半导体层200上和/或上方形成可包括第二金属互连240的第二电介质250。第二金属互连240可用于将第一通孔接触220和光电二极管210彼此连接。第二金属互连240可由可包括金属、合金和硅化物中的至少一种的不同导电材料形成。第二金属互连240可由Al、Cu、Co和W中的至少一种形成。第二金属互连240可形成为使得它们可分别连接至第一通孔接触220。通过在可包括第一通孔接触220的晶体半导体层200上和/或上方沉积金属材料并且图案化所沉积的金属材料可形成第二金属互连240。第二金属互连240可图案化为使得其可连接至光电二极管210。光电二极管210可连接至第二金属互连240。
根据一些实施方案，如示例性图9所示，可图案化第二金属互连240以从第一通孔接触220的上部延伸至光电二极管210的上部。第二金属互连240可连接至光电二极管210的一部分，并且可作为光电二极管210的接地。根据一些实施方案，在光电二极管210中产生的光电子可通过第二金属互连240、第一通孔接触220和第一金属互连140传输至晶体管110。第二电介质250可用于使得第二金属互连240彼此绝缘并且可由氧化物和氮化物中的至少一种形成。
参考示例性图10，在包括第二金属互连240的第二电介质250上和/或上方可形成钝化层260。钝化层260可保护包括第二金属互连240和光电二极管210的器件。第二金属互连240可包括氧化物层、氮化物层及其多层中的至少一种。在钝化层260上和/或上方可形成滤色器和微型透镜。图像传感器通过接合包括电路的第一衬底和包括光电二极管的晶体半导体层可提供垂直集成。由于光电二极管可形成在第一衬底上和/或上方，所以可缩短光电二极管的焦距。这可改善光接收效率。根据一些实施方案的可集成的辅助芯片上(on-chip)电路可提高图像传感器的性能、缩小器件尺寸以及降低制造成本。
根据一些实施方案，由于在采用垂直型光电二极管的同时可通过将杂质离子注入单晶衬底中形成光电二极管，所以能够减少和/或防止在光电二极管中的缺陷。可传输光电二极管的光电荷的通孔接触可形成在形成有光电二极管的晶体半导体层中。这可提供相对高水平的器件集成。光电二极管可形成在可连接至接触塞的第一金属互连上和/或上方。因此能够实现相对高的器件集成度。由于滤色器和微型透镜可形成在平坦化的表面上和/或上方，所以可改善图像传感器的品质。器件可以是互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。根据一些实施方案，器件可以是需要光电二极管的任何图像传感器。
尽管本发明中已经描述了实施方案，但是应理解本领域技术人员可以设计很多其它改变和实施方案，这些也在本公开原理的精神和范围内。更具体地，在公开、附图和所附权利要求的范围内，在本发明的组合布置的构件和/或布置中能够有不同的变化和改变。除构件和/或布置的变化和改变之外，对本领域技术人员而言，可替代的用途也是明显的。
Claims (20)
1.一种器件，包括：
在第一衬底的像素区上方的至少一个晶体管；
在所述第一衬底上方的第一电介质，所述第一电介质包括分别连接至所述至少一个晶体管的至少一个第一金属互连；
在所述第一电介质上方的晶体半导体层；
在对应于所述像素区的区域中形成的在所述晶体半导体层中的光电二极管；
在除了所述光电二极管的所述区域之外的所述晶体半导体层中的虚拟区；
穿透所述虚拟区并且连接至所述至少一个第一金属互连的至少一个通孔接触；和
在所述晶体半导体层上方的包括至少一个第二金属互连的第二电介质，其中所述至少一个第二金属互连将所述至少一个通孔接触电连接至所述光电二极管。
2.根据权利要求1所述的器件，其中所述光电二极管是通过将杂质离子注入对应于所述像素区的区域中的所述晶体半导体层中形成的。
3.根据权利要求1所述的器件，其中所述至少一个通孔接触包括金属。
4.根据权利要求1所述的器件，其中所述至少一个通孔接触包括n-型杂质和p-型杂质中的一种。
5.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一衬底包括单晶硅衬底以及掺杂有选自p-型杂质和n-型杂质中的至少一种杂质的衬底中的一种。
6.根据权利要求5所述的器件，其中所述晶体半导体层包括p-型层。
7.根据权利要求1所述的器件，还包括在包括所述至少一个通孔接触的所述第二电介质上方的钝化层。
8.根据权利要求1所述的器件，其中所述至少一个晶体管包括三晶体管(3Tr)结构、四晶体管(4Tr)结构和五晶体管(5Tr)结构中的一种。
9.根据权利要求1所述的器件，其中所述至少一个第一金属互连和第二金属互连中的每一个都包括铝(Al)、铜(Cu)、钴(Co)和钨(W)中的至少一种。
10.一种方法，包括：
在第一衬底的像素区上方形成晶体管；然后
在所述第一衬底上方形成包括第一金属互连的第一电介质，所述第一金属互连连接至所述晶体管；然后
在所述第一电介质上方形成晶体半导体层；然后
选择性地将杂质离子注入所述晶体半导体层中，以在所述晶体半导体层的对应于所述像素区的第一部分中形成光电二极管、和在所述晶体半导体层的不对应于所述像素区的第二部分中形成虚拟区，然后
形成穿透所述虚拟区并且连接至所述第一金属互连的通孔接触；然后
在所述晶体半导体层上方形成包括第二金属互连的第二电介质，所述第二金属互连将所述通孔接触电连接至所述光电二极管。
11.根据权利要求10所述的方法，其中形成所述晶体半导体层包括：
制备包括晶体半导体层的第二衬底；然后
将所述第一衬底和第二衬底彼此接合；然后
使所述第二衬底与所述晶体半导体层分离，以将所述晶体半导体层保留在所述第一衬底上方。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述晶体半导体层包括p-型层。
13.根据权利要求10所述的方法，其中形成所述通孔接触包括：
在所述晶体半导体层上方形成光刻胶图案，所述光刻胶图案选择性暴露对应于所述第一金属互连的所述虚拟区；然后
使用所述光刻胶图案作为蚀刻掩模选择性蚀刻所述虚拟区和所述第一电介质，以形成暴露所述第一金属互连的通孔；然后
在所述通孔中沉积金属材料。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述金属材料包括铝(Al)、铜(Cu)、钴(Co)和钨(W)中的至少一种。
15.根据权利要求10所述的方法，其中形成所述通孔接触包括：
在所述晶体半导体层上方形成光刻胶图案，所述光刻胶图案暴露对应于所述第一金属互连的所述虚拟区；然后
使用所述光刻胶图案作为离子注入掩模，将导电杂质注入所述虚拟区和所述第一电介质。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述导电杂质包括n-型杂质和p-型杂质中的一种。
17.根据权利要求10所述的方法，还包括在包括所述第二金属互连的所述第二电介质上方形成钝化层。
18.根据权利要求10所述的方法，其中通过将杂质注入所述晶体半导体层的第一部分中以形成p-n结和n-p结中的一种来形成所述光电二极管。
19.根据权利要求10所述的方法，其中形成所述晶体管包括形成三晶体管(3Tr)结构、四晶体管(4Tr)结构和五晶体管(5Tr)结构中的至少一种。
20.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一衬底包括单晶硅衬底以及掺杂有选自p-型杂质和n-型杂质中的至少一种杂质的衬底中的一种。
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