CN101471353B - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种图像传感器及其制造方法，所述图象传感器包括第一衬底、读出电路、电结区域、金属互连和图像传感器件。读出电路形成在第一衬底上和/或上方，电结区域形成在第一衬底中并且电连接至读出电路。金属互连电连接至电结区域。图像传感器件形成在金属互连上和/或上方。
Description
技术领域
本发明涉及图象传感器及其制造方法。
背景技术
图像传感器是用于将光学图像转化为电信号的半导体器件。图像传感器可大致分为电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)。在图像传感器的制造期间，可以使用离子注入在衬底中形成光电二极管。随着为了在不增加芯片尺寸的情况下增加像素数目而减小光电二极管的尺寸，接收光的部分的面积也减小，由此导致图像品质降低。而且，由于堆叠高度的降低没有与接收光的部分的面积的减小一样多，所以由于称为艾里斑(airy disk)的光衍射而导致入射至接收光的部分的光子数目也减少。
作为消除该限制的替代方案，已经尝试使用非晶硅(Si)形成光电二极管，或使用诸如晶片-至-晶片结合(wafer-to-wafer bonding)的方法在硅(Si)衬底中形成读出电路并在形成的所述读出电路上和/或上方形成光电二极管(称为“三维(3D)图像传感器”)。光电二极管通过金属互连与读出电路连接。
由于在转移晶体管两侧中的源极和漏极二者是用N-型杂质高度掺杂的，所以发生电荷共享现象。当发生电荷共享现象时，输出图像的灵敏度降低并且可产生图像失真。而且，由于光电荷不易在光电二极管和读出电路之间移动，所以产生暗电流和/或降低饱和度以及灵敏度。
发明内容
一些实施方案涉及在增加填充因子的同时防止发生电荷共享的图像传感器及其制造方法。
一些实施方案涉及图像传感器及其制造方法，其通过在光电二极管和读出电路之间提供用于光电荷的迅速移动通路来最小化暗电流源并且防止饱和度和灵敏度的降低。
一些实施方案涉及图像传感器，该图像传感器可包括以下中的至少一个：在第一衬底上和/或上方的读出电路；在所述第一衬底中的电结区域，所述电结区域电连接至所述读出电路；电连接至所述电结区域的金属互连；和在所述金属互连上和/或上方的图像传感器件。
一些实施方案涉及图像传感器，该图像传感器可包括以下中的至少一个：第二导电型衬底；在所述第二导电型衬底上形成的读出电路；在所述第二导电型衬底中形成的并且电连接至所述读出电路的电结区域，所述电结区域包括在所述第二导电型衬底中形成的第二导电型阱、在所述第二导电型阱中形成的第一导电型离子注入层、和在所述第一导电型离子注入层上形成的第二导电型离子注入层；形成为延伸穿过所述第二导电型离子注入层的第一导电型连接区域；在所述第二导电型衬底上形成的并且通过所述第一导电型连接区域电连接至所述电结区域的金属互连；和在所述金属互连上形成的图像传感器件，该图像传感器件包括形成在所述金属互连上并且与所述金属互连接触的高浓度第一导电型导电层、在所述高浓度第一导电型导电层上形成的第一导电型导电层、和在所述第一导电型导电层上形成的第二导电型导电层。
一些实施方案涉及制造图像传感器的方法，所述方法可包括以下步骤中的至少一个：在第一衬底上和/或上方形成读出电路；然后在所述第一衬底中形成电连接至所述读出电路的电结区域；然后在所述第一衬底上和/或上方形成电连接至所述电结区域的金属互连；然后在所述金属互连上和/或上方形成图像传感器件。
一些实施方案涉及制造图像传感器的方法，所述方法可包括以下步骤中的至少一个：在第一衬底上和/或上方形成读出电路；然后在所述第一衬底中形成电结区域并且电连接至所述读出电路；然后在所述第一衬底上形成金属互连并且电连接至所述电结区域；然后在所述金属互连上形成图像传感器件并与所述金属互连接触。
附图说明
示例性图1～9说明根据一些实施方案的图像传感器及制造图像传感器的方法。
具体实施方式
如示例性图1所示，根据一些实施方案的图像传感器可包括：在第一衬底100上和/或上方形成的读出电路120、在第一衬底100中形成的并且电连接至读出电路120的电结区域140、电连接至电结区域140的金属互连150、和在金属互连150上和/或上方形成的图像传感器件210。第一衬底100可以为但是不限于第二导电型衬底。图像传感器件210可以是但不限于光电二极管。图像传感器件210可以是光电二极管、光栅(photogate)或其任意组合。虽然实施方案描述了形成为结晶半导体层的光电二极管，但是光电二极管不限于此，而且可以形成为无定形半导体层。
如示例性图2～7所示，根据一些实施方案的制造这样的图像传感器的方法可包括：提供其中形成有金属互连150和读出电路120的第一衬底100。第一衬底100可以是但不限于第二导电型衬底。例如，在第二导电型第一衬底100中形成器件隔离层110，以由此限定有源区。在有源区中形成包括至少一个晶体管的读出电路120。例如，读出电路120可包括转移晶体管(Tx)121、重置晶体管(Rx)123、驱动晶体管(Dx)125和选择晶体管(Sx)127。然后可形成包括相应晶体管的源极/漏极区133、135和137的离子注入区域130的浮置扩散区(FD)131。根据一些实施方案，可以形成去噪电路(noise removal circuit)以最大化灵敏度。
在第一衬底100上和/或上方形成读出电路120可包括：在第一衬底100中形成电结区域140，并且形成插入金属互连150和电结区域140之间并电连接至金属互连150和电结区域140的第一导电型连接区域147。电结区域140可以是但不限于PN结。例如电结区域140可包括：在第二导电型阱141或第二导电型外延层上和/或上方形成的第一导电型离子注入层143、和在第一导电型离子注入层143上和/或上方形成的第二导电型离子注入层145。如示例性图2所示，PN结140可以是但不限于P0(145)/N-(143)/P-(141)结。
根据一些实施方案，设计器件使得在转移晶体管(Tx)121的两侧上在源极和漏极之间存在电位差，使得可以全部转储光电荷。因此，由光电二极管产生的光电荷全部转储至浮置扩散区，使得可以最大化输出图像的灵敏度。意味着：在第一衬底100中形成电结区域140，其中读出电路120允许在转移晶体管(Tx)121的两侧上在源极和漏极之间产生电位差，使得可以全部转储光电荷。
以下，详细描述根据一些实施方案的光电荷的转储结构。和作为N+结的浮置扩散(FD)节点131不同，作为电结区域140并且施加于其的电压没有全部转移的P/N/P结140在预定电压下被截断(pinch off)。该电压被称作钉扎电压(pinning voltage)，其取决于P0区域145和N-区域143的掺杂浓度。具体地，由光电二极管210产生的电子移动至PNP结140，并且转移至浮置扩散(FD)节点131，并且当转移晶体管Tx121导通时转化为电压。由于P0/N-/P-结140的最高电压值变成钉扎电压，并且浮置扩散(FD)节点131的最大电压值变成Vdd-Rx123的阈值电压Vth，所以由芯片上部中的光电二极管210产生的电子可以全部转储至浮置扩散(FD)节点131，而没有被转移晶体管(Tx)131两侧之间的电位差共享的电荷。这意味着：根据一些实施方案，在硅衬底诸如第一衬底100中形成P0/N-/P-阱结而不是N+/P-阱结，以使得在4-Tr有源像素传感器(APS)的重置操作期间a+电压施加于P0/N-/P-阱结的N-143，接地电压施加于P0145和P-阱141，使得如在双极结型晶体管(BJT)结构中一样在预定电压或更大电压下对P0/N-/P-阱双结产生截断。这称作钉扎电压。因此，在转移晶体管(Tx)121两侧在源极和漏极之间产生电位差，以防止在转移晶体管(Tx)121的开/关操作期间的电荷共享现象。因此，和光电二极管简单地连接至N+结的情况不同，根据一些实施方案可以避免诸如饱和度减小和灵敏度降低的限制。
然后，在光电二极管和读出电路之间形成第一导电型连接区域147以提供光电荷迅速移动通路，使得最小化暗电流源并且可防止饱和度减小和灵敏度降低。为此，根据一些实施方案，可在P0/N-/P-结140的表面上和/或上方形成用于欧姆接触的第一导电型连接区域147。N+区域147可以形成为延伸穿过P0区域145和接触N-区域143。为了防止第一导电型连接区域147变成泄漏源，可以最小化第一导电型连接区域147的宽度。因此，根据一些实施方案，在蚀刻第一金属接触151a之后可以实施插塞注入，但是工艺不限于此。例如，可以形成离子注入图案，并且然后使用所述离子注入图案作为离子注入掩模形成第一导电型连接区域147。这意味着：根据实施方案的用N-型杂质局部和重掺杂仅接触形成部分的原因是在最小化暗信号的同时促进欧姆接触的形成。在重掺杂整个转移晶体管源极的情况下，通过Si表面悬键可提高暗信号。
然后，可在第一衬底100上和/或上方形成层间电介质160。然后金属互连150可形成为延伸穿过层间电介质160并且电连接至第一导电型连接区域147。金属互连150可包括但不限于第一金属接触151a、第一金属151、第二金属152、第三金属153和第四金属接触154a。
如示例性图3所示，然后，在第二衬底200上和/或上方形成结晶半导体层210a。根据一些实施方案，在结晶半导体层210a中形成光电二极管210。因此，图像传感器件采用位于读出电路上和/或上方的三维(3D)图像传感器以提高填充因子，并且图像传感器件形成在结晶半导体层内部使得可以防止图像传感器件内部的缺陷。例如，使用外延生长在第二衬底200上和/或上方形成结晶半导体层210a。然后，在第二衬底200和结晶半导体层210a之间注入氢离子以形成插入第二衬底200和结晶半导体层210a之间的氢离子注入层207a。在用于形成光电二极管210的离子注入之后可以实施氢离子的注入。
如图4所示，然后，使用离子注入在结晶半导体层210a中形成光电二极管210。例如，在结晶半导体层210a的下部中在氢离子注入层207a上和/或上方形成与氢离子注入层207a接触的第二导电型导电层216。通过在第二衬底200的整个表面上无掩模地实施第一无掩模离子注入(blanket-ion implantation)，可在结晶半导体层210a的下部中形成高浓度P-型导电层216。然后，通过在第二衬底200的整个表面上无掩模地实施第二无掩模离子注入在第二导电型导电层216上和/或上方形成第一导电型导电层214。然后，通过在第二衬底200的整个表面上无掩模地实施第三无覆盖离子注入在第一导电型导电层214上和/或上方形成高浓度第一导电型导电层212，使得第一导电型导电层214可有助于欧姆接触。
如示例性图5所示，然后，接合第一衬底100和第二衬底200使得光电二极管210接触金属互连150。在第一衬底100和第二衬底200彼此接合之前，可通过利用等离子体活化增加待接合表面的表面能实施所述接合。可以用设置在接合界面上和/或上方的电介质或金属层实施接合，以最大化接合力。
如示例性图6所示，然后，通过对第二衬底200实施热处理，可将氢离子注入层207a转化为氢气层。然后可以移除第二衬底200的一部分并保留氢气层之下的光电二极管210，在使得可以暴露光电二极管210。可以使用切割设备诸如刀片实施第二衬底200的除去。然后可实施隔离每个单元像素的光电二极管的蚀刻工艺。然后可用像素间电介质填充蚀刻的部分。
如示例性图7所示，然后可实施用于形成上部电极240和滤色器的工艺。
在根据一些实施方案的图像传感器和其制造方法中，设计器件使得在转移晶体管Tx两侧在源极和漏极之间存在电位差，使得可以全部转储光电荷。而且，在光电二极管和读出电路之间形成电荷连接区域，以提供光电荷迅速移动通路，使得最小化暗电流源并且可防止饱和度减小和灵敏度降低。而且，也可以加入去噪电路使得可以最大化灵敏度。
如示例性图8所示，根据实施方案的图像传感器可以包括：在第一衬底100上和/或上方形成的读出电路120以及在第一衬底中形成的并且电连接至读出电路120的电结区域140。金属互连150可以形成为电连接至电结区域140，图像传感器件210可以形成在金属互连150上和/或上方。在示例性图8中说明的实施方案可以采用示例性图2～7中说明的实施方案的技术特性。例如，设计器件，使得在转移晶体管(Tx)两侧在源极和漏极之间存在电位差，使得可以全部转储光电荷。而且，在光电二极管和读出电路之间形成电荷连接区域，以提供光电荷迅速移动通路，使得最小化暗电流源，并且可防止饱和度减小和灵敏度降低。和示例性图2～7中说明的实施方案不同，在电结区域140的一侧上和/或上方横向间隔开地形成第一导电型连接区域148。或者，可以在P0/N-/P-结140上和/或上方形成用于欧姆接触的N+连接区域148。
由于用施加于P0/N-/P-结140的反偏压操作器件，因而可在Si表面上和/或上方产生电场(EF)，所以形成N+连接区域148和M1C接触151a的工艺可提供泄漏源。在电场内部在接触形成工艺期间产生的晶体缺陷作为泄漏源。此外，在P0/N-/P-结140的表面上和/或上方形成N+连接区域148的情况下，可以因N+/P0结148/145而产生电场。该电场也作为泄漏源。因此，一些实施方案提出如下布局：在未掺杂P0层但是包括N+连接区域148的有源区中形成第一接触插塞151a并且连接至N-结143。根据一些实施方案，在Si表面上和/或上方未产生电场，这可有助于减小3D集成的CIS的暗电流。
如示例性图9所示，根据一些实施方案的图像传感器可以包括：在第一衬底100上和/或上方形成的读出电路120、以及在第一衬底100中形成的并且电连接至读出电路120的电结区域140。金属互连150形成为电连接至电结区域140，图像传感器件210形成在金属互连150上和/或上方。在示例性图9中说明的实施方案可以采用示例性图2～8中说明的实施方案的技术特性。例如，器件设计为在转移晶体管(Tx)两侧在源极和漏极之间存在电位差，使得可以全部转储光电荷。而且，在光电二极管和读出电路之间形成电荷连接区域以提供光电荷迅速移动通路，使得最小化暗电流源，并且可防止饱和度减小和灵敏度降低。
根据一些实施方案，如下更详细地描述在第一衬底100上和/或上方的读出电路120的形成。在第一衬底100上和/或上方间隔开地形成可包括第一晶体管121a和第二晶体管121b的转移晶体管Tx。第一晶体管121a和第二晶体管121b可以是但不限于转移晶体管Tx。第一晶体管121a和第二晶体管121b可同时或依次地形成。然后，在第一晶体管121a和第二晶体管121b之间的间隔中在第一衬底100中形成电结区域140。例如，电结区域140可以是但不限于PN结140。PN结140可以包括：在第二导电型外延层(或阱)141中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上和/或上方形成的第二导电型离子注入层145。PN结140可以是但不限于在示例性图2中说明的P0/N-(143)/P-(141)结。
然后，在第二晶体管121b的一侧上在衬底100中形成连接至金属互连150的高浓度第一导电型连接区域131b。高浓度第一导电型连接区域131b是高浓度N+离子注入区域(N+结)并且可以作为但不限于第二浮置扩散区(FD 2)131b。根据一些实施方案，读出电路包括：用于移动由芯片上部中的光电二极管产生的电子至其中形成读出电路的第一衬底100的N+结131b的部分、和此时用于移动N+结131b的电子至N-结143的部分，使得可以实现4Tr操作。
分别形成P0/N-/P-结140和N+结131b的原因如下。当在P0/N-/P-外延层140的P/N/P结140中形成N+掺杂和接触时，通过N+层131b和接触蚀刻损伤产生暗电流。为防止该暗电流，作为接触形成部分的N+结131b已经与P/N/P结140分离。意味着：当在P/N/P结140的表面上实施N+掺杂和接触蚀刻时，形成泄漏源。为防止这些泄漏源，已经在N+/P-外延结131b中形成接触。由于第二晶体管(Tx2)121b的栅极在信号读出操作期间导通，所以由芯片上部中的光电二极管210产生的电子穿过P0/N-/P-外延结140并且移动至第一浮置扩散区(FD 1)131a，使得可以实现相关双采样。
虽然一些实施方案一般性涉及互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，但是这样的实施方案不限于此，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。
尽管此处已经描述了一些实施方案，但是应理解本领域技术人员可以知道很多其它的改变和实施方案，这些也在本公开原理的精神和范围内。更尤其是，在本公开、附图和所附权利要求的范围内，对象组合布置的构件和/或布置中可能有不同的变化和改变。除构件和/或布置的变化和改变之外，替代的用途对于本领域技术人员也是显而易见的。
Claims (1)
1.一种图像传感器，包括：
第二导电型衬底；
在所述第二导电型衬底上形成的读出电路；
在所述第二导电型衬底中形成的并且电连接至所述读出电路的电结区域，所述电结区域包括在所述第二导电型衬底中形成的第二导电型阱、在所述第二导电型阱中形成的第一导电型离子注入层和在所述第一导电型离子注入层上形成的第二导电型离子注入层；
形成为延伸穿过所述第二导电型离子注入层和接触所述第一导电型离子注入层的第一导电型连接区域；
在所述第二导电型衬底上形成的并且通过所述第一导电型连接区域电连接至所述电结区域的金属互连；和
在所述金属互连上形成的图像传感器件，所述图像传感器件包括在所述金属互连上形成的并与所述金属互连接触的高浓度第一导电型导电层、在所述高浓度第一导电型导电层上形成的第一导电型导电层、和在所述第一导电型导电层上形成的第二导电型导电层。
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