CN101471354A - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例涉及一种图像传感器及其制造方法。根据本发明的实施例，图像传感器可以包括其上形成有电路的第一衬底。图像传感器还可以包括与该第一衬底接合和与该电路电连接的光电二极管，以及位于像素边界处的接触塞，其中该接触塞电连接至该电路和该光电二极管。根据本发明的实施例，该光电二极管可以包括第一导电类型离子注入区和第二导电类型离子注入区，其中该第一导电类型离子注入区被选择性地提供于晶体半导体层中，以及该第二导电类型离子注入区与该第一导电类型离子注入区的一侧表面相接触。
Description
技术领域
本发明涉及一种图像传感器及其制造方法。
背景技术
根据本发明的实施例涉及图像传感器。
互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器可以具有形成在一个单元像素中的光电二极管和金属氧化物半导体(MOS)晶体管。CMOS图像传感器可以通过切换方式连续探测每个单元像素的电信号以产成图像。
现有技术中的CMOS图像传感器可以将光电二极管和晶体管以水平放置的方式配置。现有技术中经水平配置的CMOS图像传感器可以克服电荷耦合器件(CCD)图像传感器的各种限制。然而，现有技术中经水平配置的CMOS图像传感器仍存在许多限制。
例如，现有技术中经水平配置的CMOS图像传感器可通过将光电二极管和晶体管置于彼此水平的位置处并且相互接近的方式制造。因此，当光电二极管需要额外空间时，应当减小填充系数区域(fill factor region)，并且可以对分辨率电压(resolution potential)施加限制。
此外，很难达到这种理想条件，即同时生产用于现有技术中经水平配置的CMOS图像传感器的光电二极管和晶体管。
进一步而言，在根据现有技术的经水平配置的CMOS图像传感器中，当像素尺寸增加时，图像传感器的分辨率会降低；并且当光电二极管的面积减小时，图像传感器的敏感度会降低。
发明内容
本发明的实施例涉及一种图像传感器及其制造方法，其中该方法可提供一种电路和光电二极管的垂直集成(vertical integration)。
本发明的实施例还涉及一种图像传感器及其制造方法，其中该方法可同时提高分辨率和敏感度。根据本发明实施例，图像传感器可以包括经垂直配置的光电二极管，在光电二极管和电路之间具有提高的物理和电接触。
本发明实施例还涉及图像传感器及其制造方法，其中该图像传感器采用经垂直配置的光电二极管。这样可减小或防止光电二极管中的缺陷。
根据本发明的实施例，图像传感器可以包括下列组件中的至少一个。其上形成有电路的第一衬底。与该第一衬底接合并且与该电路电连接的光电二极管。位于像素边界并且电连接至该电路和该光电二极管的接触塞。该光电二极管可以包括第一导电类型离子注入区和第二导电类型离子注入区，其中该第一导电类型离子注入区被选择性地提供于晶体半导体层中，以及该第二导电类型离子注入区与该第一导电类型离子注入区的一侧表面相接触。
根据本发明的实施例，制造图像传感器的方法可以包括下列步骤中的至少一个。制备第一衬底以提供具有导线的电路。制备第二衬底以提供光电二极管。接合该第一衬底和该第二衬底，以使该光电二极管和第一电介质相接触。通过移除经接合的该第二衬底的下边，以暴露该光电二极管。在像素边界处提供接触塞，以电连接该导线和该光电二极管。该光电二极管可以包括第一导电类型离子注入区和第二导电类型离子注入区，其中该第一导电类型离子注入区被选择性地提供于晶体半导体层中，以及该第二导电类型离子注入区与该第一导电类型离子注入区的一侧表面相接触。
附图说明
示例性图1A和图1B分别示出了根据本发明的实施例的图像传感器的剖视图和平面图。
示例性图2至图13分别示出了根据本发明的实施例的制造图像传感器的方法的剖视图。
具体实施方式
在下文中，将接合随附附图描述根据本发明的实施例的图像传感器及其制造方法。图1B示出了根据本发明的实施例的图像传感器的平面图，以及图1A示出了沿图1B中I-I’的图像传感器的剖视图。
根据本发明实施例的图像传感器可以包括第一衬底100和光电二极管210，其中在第一衬底100上形成有电路，以及将光电二极管210接合至第一衬底100并且电连接至电路。该图像传感器还可以包括接触塞240，其中接触塞240形成在像素边界处，以便电连接至电路和光电二极管210。光电二极管210可以包括第一导电类型离子注入区214和第二导电类型离子注入区216，其中所形成的该第一导电类型离子注入区214被选择性地提供于晶体半导体层中，以及所形成的该第二导电类型离子注入区216与该第一导电类型离子注入区214的一侧表面相接触。
如图1A所示，根据本发明的实施例，接触塞240的一侧表面可以与光电二极管的第一导电类型离子注入区214电连接，并且通过第二电介质230可以使接触塞240的另一侧表面绝缘。
根据本发明的实施例，在第二电介质230的一侧表面上和/或上方还可以形成阻挡层220。根据本发明的实施例，第二电介质230可以是氧化物层，并且阻挡层220可以是氮化物层。然而，也可以采用本领域公知的其他合适的材料。
根据本发明的实施例，第一电介质120具有的厚度大约可以介于
之间，并且其可以形成在第一衬底100和光电二极管210之间。如图5所示，第一电介质120可以作为第一衬底100和第二衬底200之间的耦合层。
此外，根据本发明的实施例，高浓度的第一导电类型离子注入区212还可以形成在光电二极管的第一导电类型离子注入区214和接触塞240之间。
如图1B所示，根据本发明的实施例，上电极242可以电连接至光电二极管的第二导电类型离子注入区216。
根据本发明的实施例，如图3所示，半导体层210a可以是单晶体(monocrystalline)半导体层，但也可以是本领域公知的其他合适的材料。根据本发明的实施例，半导体层210a可以是多晶体(polycrystalline)半导体层。
根据本发明的实施例，用于CMOS图像传感器(CIS)的第一衬底100的电路可以为4晶体管CIS(4 Tr CIS)。根据本发明的实施例，第一衬底100的电路还可以为1Tr CIS、3Tr CIS、5Tr CIS、共享晶体管CIS(1.5Tr CIS)或本领域公知的其他任何配置。
根据本发明的实施例，在第一衬底100上和/或上方所形成的导线110可以包括金属和插塞。导线110的最上部可以作为光电二极管的下电极。
根据本发明的实施例，如图1A和图1B所示，可以通过在像素边界处形成接触塞和上电极以增加填充系数。
此外，根据本发明的实施例，可以在像素边界处形成电介质以最小化或防止像素串扰(cross-talk)。此外，根据本发明的实施例，可以通过保护位于像素边界处的接触塞和下导线之间的接触部以增加欧姆接触(ohmiccontact)。本发明的实施例还可以提供一种光电二极管，其可以形成在置于电路上方的晶体半导体(crystalline semiconductor)之内的一侧表面上。
示例性图2至图13示出了根据本发明实施例的制造图像传感器的方法的剖视图。
如图2所示，在所形成的电路上和/或上方制备第一衬底100，其中该电路包括导线110。根据本发明的实施例，电路可以为本领域公知的任意配置。例如，电路可以为4Tr CIS。在第一衬底100上和/或上方所形成的导线110可以包括金属和插塞。
可以在第一衬底100上和/或上方形成第一电介质120以选择性地接触导线110。根据本发明的实施例，形成第一电介质120的步骤不是必需的步骤。第一电介质120可以是诸如二氧化硅(SiO2)等氧化物层，但并不限于此。可以在第一电介质120上进行诸如化学机械抛光(CMP)等平坦化工艺。
根据本发明的实施例，可以将电介质置于光电二极管和电路之间。在以垂直方式配置的光电二极管中，这种方式可以提高光电二极管和电路之间的连通性。此外，根据本发明的实施例，在电路上和/或上方形成电介质并且进行诸如CMP等平坦化工艺之后，可以进行接合工艺。这样可以最小化覆盖误差(overlay errors)并且提高接合和割裂的状态。
如图3所示，可以在第二衬底200上和/或上方形成半导体层210a，其中该半导体层210a可以是晶体半导体。通过在这样的晶体半导体层210a上形成光电二极管，可以最小化或防止光电二极管中的缺陷。
根据本发明的实施例，可以在第二衬底200上和/或上方以外延生长方式形成晶体半导体层210a。然后，可以在第二衬底200和晶体半导体层210a之间的边界处注入氢离子。这样可以形成氢离子注入层207a。
可以在晶体半导体层210a上通过离子注入形成光电二极管210。根据本发明的实施例，晶体半导体层210a可以被形成为第一导电类型层。在形成晶体半导体层210a之后，可以在其整个表面上和/或上方进行第一导电类型离子注入。根据本发明的实施例，在晶体半导体层210a形成之后，可以采用掩模以选择性地形成第一导电类型离子注入区214。根据本发明的实施例，第一导电类型离子注入区214可以为N-区域，但并不以此为限。
可以采用第一感光层图案310作为掩模，以在位于第一导电类型离子注入区214一侧的像素边界处形成高浓度第一导电类型离子注入区212。根据本发明的实施例，通过在像素边界处形成N+区域，可以引发欧姆接触。
如图4所示，可以移除第一感光层图案310，并且采用第二感光层图案320作为掩模，以在位于第一导电类型离子注入区214的另一侧表面上形成第二导电类型离子注入区216。
如图5所示，可以接合第一衬底100和第二衬底200，以使光电二极管210与第一电介质120接触。根据本发明的实施例，在使第一衬底100和第二衬底200接合之前，可以采用等离子体活化作用(plasma activation)以提高接合表面的表面能量(surface energy)。
如图6所示，可以对第二衬底200进行热处理。如图5所示，这样可以将氢离子注入层207a转变成氢气层207。下一步，如图7所示，通过移除位于氢气层207上方的第二衬底200的底部以暴露光电二极管210。
如图8所示，可以进行蚀刻以使光电二极管210成为单个像素。根据本发明的实施例，可以移除位于像素边界处的光电二极管210和第一电介质120，以选择性地暴露导线110并且形成第一接触孔H1。根据本发明的实施例，可以选择性地并且部分性的移除位于像素边界处的高浓度第一导电类型离子注入区212和第二导电类型离子注入区216，以选择性地暴露导线110。
如图9所示，可以在第一接触孔H1和光电二极管210上和/或上方形成阻挡层220。阻挡层220可以是诸如氮化硅(SiN)层等氮化物层，但并不以此为限。
如图10所示，可以形成第二电介质230，以填充位于阻挡层220上和/或上方的第一接触孔H1。第二电介质230可以是诸如SiO2等氧化物层，但并不以此为限。
如图11所示，可以移除第二电介质230以暴露第一接触孔H1的一侧表面和下表面的一侧的阻挡层220，并且形成第二接触孔H2。根据本发明的实施例，可以在第二电介质230和阻挡层上进行第一湿蚀刻，其中该第一湿蚀刻采用具有高蚀刻选择性的蚀刻剂。
如图12所示，可以移除暴露的阻挡层220。这样可以形成第三接触孔H3以选择性地暴露光电二极管210的一侧表面和导线110。根据本发明的实施例，可以在第二电介质230和阻挡层上进行第二湿蚀刻，其中该第二湿蚀刻采用具有高蚀刻选择性的蚀刻剂。根据本发明的实施例，可以移除暴露的阻挡层220以形成第三接触孔H3，从而选择性地暴露第一导电类型离子注入区212的一侧表面和导线110。
根据本发明的实施例，当形成接触部时，采用湿蚀刻，可以最小化或防止可能会在干蚀刻中另外发生的等离子体损坏。与现有技术相比，通过这种方法最终获得的光电二极管的特性会更好。
如图13所示，可以形成接触塞240以填充第三接触孔H3。根据本发明的实施例，可以由钨(W)、Ti单层或Ti/TiN多层形成接触塞240，但并不以此为限。下一步，可以形成一种上电极242，其可以电连接至第二导电类型离子注入区216。根据本发明的实施例，在选择性地移除像素边界以暴露第二导电类型离子注入区216的一侧表面之后，可以形成上电极242以接触第二导电类型离子注入区216。
可以将用于形成上电极242的蚀刻过程与用于形成接触塞240的蚀刻过程一同进行。根据本发明的实施例，用于形成接触塞240和上电极242的材料可以相同。根据本发明的实施例，可以形成第四孔。在通过形成第三接触孔H3以暴露高浓度第一导电类型离子注入区212时，第四孔可以暴露第二导电类型离子注入区216，并且可以同时形成接触塞和上电极以填充第三孔H3和第四孔。
显然对于本领域普通技术人员而言，可以对本发明公开的实施例做出各种修改和变化。因此，这些公开的实施例能够覆盖这些明显的改变和变化，并认定这些明显的改变和变化落入随附权利要求及其等同方式之内。
Claims (20)
1.一种器件，包括：
第一衬底，其上形成有电路；
光电二极管，接合至该第一衬底并且电连接至该电路；以及
接触塞，位于像素边界处并且与该电路和该光电二极管电连接，
其中该光电二极管包括第一导电类型离子注入区和第二导电类型离子注入区，该第一导电类型离子注入区被选择性地提供于晶体半导体层中，而该第二导电类型离子注入区与该第一导电类型离子注入区的一侧表面接触。
2.如权利要求1所述的器件，其中该电路包括一晶体管CMOS图像传感器、二晶体管CMOS图像传感器、三晶体管CMOS图像传感器以及四晶体管CMOS图像传感器中的一种。
3.如权利要求1所述的器件，其中该接触塞的第一侧表面与该第一导电类型离子注入区电接触，而该接触塞的第二侧表面通过电介质而绝缘。
4.如权利要求3所述的器件，包括上电极，与该第二导电类型离子注入区电接触。
5.如权利要求3所述的器件，包括高浓度第一导电类型离子注入区，位于该第一导电类型离子注入区和该接触塞之间。
6.如权利要求1所述的器件，包括高浓度第一导电类型离子注入区，位于该第一导电类型离子注入区和该接触塞之间。
7.如权利要求1所述的器件，其中该接触塞包括以下结构至少之一：钨、钛单层以及钛/氮化钛多层结构。
8.一种方法，包括以下步骤：
制备包括电路和导线的第一衬底；
制备包括光电二极管的第二衬底；
接合该第一衬底和该第二衬底，以使该光电二极管和第一电介质相接触；
通过移除该第二衬底的下侧以暴露该光电二极管；以及
将该导线电连接至该光电二极管，
其中该光电二极管包括第一导电类型离子注入区和第二导电类型离子注入区，其中该第一导电类型离子注入区被选择性地提供于晶体半导体层中，以及该第二导电类型离子注入区与该第一导电类型离子注入区的一侧表面接触。
9.如权利要求8所述的方法，其中该晶体半导体层包括单晶体半导体层。
10.如权利要求8所述的方法，其中将该导线电连接至该光电二极管的步骤包括：在像素边界处形成接触塞。
11.如权利要求10所述的方法，其中该接触塞的第一侧表面与该光电二极管的该第一导电类型离子注入区电接触，而该接触塞的第二侧表面通过第二电介质而绝缘。
12.如权利要求8所述的方法，其中该电路包括一晶体管CMOS图像传感器、二晶体管CMOS图像传感器、三晶体管CMOS图像传感器以及四晶体管CMOS图像传感器中的一种。
13.如权利要求8所述的方法，包括以下步骤：提供上电极，电耦合至该第二导电类型离子注入区。
14.如权利要求8所述的方法，包括以下步骤：在制备该第一衬底之后，在该第一衬底上形成该第一电介质，以选择性地接触该导线。
15.如权利要求14所述的方法，其中通过在像素边界处形成的接触塞将该导线电耦合至该光电二极管，并且该接触塞的第一侧表面电耦合至该第一导电类型离子注入区，而该接触塞的第二侧表面通过第二电介质而绝缘。
16.如权利要求14所述的方法，其中将该导线电连接至该光电二极管的步骤包括：
定义第一接触孔，以通过移除位于像素边界处的该光电二极管和该第一电介质而选择性地暴露该导线；
在该第一接触孔和该光电二极管上方形成阻挡层；
在该阻挡层上方提供第二电介质，以填充该第一接触孔；
通过移除该第二电介质而定义第二接触孔，以暴露位于该第一接触孔的一侧表面和下表面的一侧的该阻挡层；
通过移除暴露的阻挡层而定义第三接触孔，并选择性地暴露该光电二极管的一侧表面和该导线；以及
形成接触塞，以填充该第三接触孔。
17.如权利要求16所述的方法，其中该阻挡层包括氮化硅层。
18.如权利要求16所述的方法，其中移除位于该像素边界处的该光电二极管和该第一电介质的步骤包括：进行湿蚀刻。
19.如权利要求16所述的方法，定义该第一接触孔、第二接触孔和第三接触孔的步骤包括：进行湿蚀刻。
20.如权利要求16所述的方法，其中该接触塞包括以下结构的至少之一：钨、钛单层以及钛/氮化钛多层结构。
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