CN101471361B - 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。根据实施方案，图像传感器可包括金属互连、读出电路、第一衬底、金属层和图像传感器件。在第一衬底上和/或上方可形成金属互连和读出电路。图像传感器件可包括第一导电型导电层和第二导电型导电层并且可电连接至金属层。根据实施方案，在Si表面上和/或上方可以不产生电场。这可有助于3D集成CMOS图像传感器的暗电流的减小。
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。图像传感器可分类为诸如电荷耦合器件(CCD)图像传感器和互补金属氧化物硅(CMOS)图像传感器(CIS)。
在图像传感器的制造工艺期间，可使用离子注入在衬底中形成光电二极管。光电二极管的尺寸可减小以在不增加芯片尺寸的条件下增加像素数目。这可减小光接收部分的面积。图像质量可由此降低。
由于堆叠高度减小的幅度可能不和光接收部分面积减小的幅度一样多，所以由于称为艾里斑(Airy disk)的光衍射而使得入射到光接收部分的光子数目可也减小。
为解决该限制，可使用非晶硅(Si)形成光电二极管。此外，使用诸如晶片-至-晶片接合的方法可在硅(Si)衬底中形成读出电路，并且可在读出电路上和/或上方形成光电二极管(称为三维(3D)图像传感器)。光电二极管可以通过金属互连与读出电路相连接。
根据相关技术，可能难以将光电二极管电连接至读出电路。即，可在读出电路上和/或上方形成金属互连，和可进行晶片-至-晶片的接合，使得金属互连可接触光电二极管。因此，金属互连之间的接触可能是困难的，并且金属互连和光电二极管之间的欧姆接触可能是困难的。
由于在转移晶体管两侧的源极和漏极二者可重掺杂有N-型杂质，所以可发生电荷共享现象。当发生电荷共享现象时，输出图像的灵敏度可降低并且可产生图像误差。此外，由于光电荷可不易于在光电二极管和读出电路之间移动，所以可产生暗电流和/或饱和度以及灵敏度可降低。
发明内容
一些实施方案涉及在增加填充因子的同时可增加光电二极管和金属互连之间的物理和电接触的图像传感器及其制造方法。一些实施方案涉及在增加填充因子的同时可防止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，所述图像传感器及其制造方法通过提供用于光电二极管和读出电路之间的光电荷的相对快速的移动路径，可最小化暗电流源并可防止饱和度和灵敏度的降低。
根据一些实施方案，图像传感器可包括以下中的至少一个。在第一衬底上方的金属互连和读出电路。在所述金属互连上和/或上方的金属层。包括第一导电型导电层和第二导电型导电层并电连接至所述金属层的图像传感器件。
根据一些实施方案，制造图像传感器的方法可包括以下步骤中的至少一个。在第一衬底上方形成金属互连和读出电路。在所述金属互连上方形成金属层。形成包括第一导电型导电层和第二导电型导电层的图像传感器件。接合所述金属层和所述图像传感器件，使得所述金属层接触所述图像传感器件。
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
将参考附图描述根据一些实施方案的图像传感器和制造图像传感器的方法。
示例性图1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1，图像传感器可包括在第一基材100上和/或上方的金属互连150和读出电路120(见图2B)。在金属互连150上和/或上方可提供金属层160。图像传感器件210可电连接至金属层160，图像传感器件210可包括第一导电型导电层214和第二导电型导电层216。
根据一些实施方案，图像传感器件210可以是光电二极管、光栅或其任何组合。为描述简单起见，其称为光电二极管210。根据一些实施方案，可在晶体半导体层中形成光电二极管。根据一些实施方案，光电二极管可不限于此，但是可以形成在包括无定形半导体层的其它类型的层中。
示例性图2A是根据一些实施方案的可包括金属互连150和读出电路120的第一衬底100的示意图。示例性图2B是根据一些实施方案的第一衬底100的另一个视图。
参考示例性图2B，根据一些实施方案的制造图像传感器的方法可包括准备第一衬底100。在第一衬底100上和/或上方可形成金属互连150和读出电路120。根据一些实施方案，第一衬底100可以是第二导电型衬底。根据一些实施方案，第一衬底100可不限于第二导电型衬底，而是可以是任何导电型的。
根据一些实施方案，在第二导电型第一衬底100中可形成器件隔离层110，并且器件隔离层110可限定有源区。可在有源区中形成可包括至少一个晶体管的读出电路120。根据一些实施方案，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。可形成可包括各个晶体管的源极/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，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140、和在电结区140的上部区域中形成第一导电型连接区域147。根据一些实施方案，第一导电型连接区域147可电连接至金属互连150。
根据一些实施方案，电结区140可以是PN结，但可不限于此。根据一些实施方案，电结区140可包括在第二导电型阱141和/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，并且可包括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。根据一些实施方案，PN结140可以是P0(145)/N-(143)/P-(141)结。PN结140可不限于这样的构造，而是，可以是任何的结构造。
根据一些实施方案，器件可设计为使得在转移晶体管(Tx)121两侧上的源极和漏极之间可存在电位差。这可使得完全转储光电荷。因此，由光电二极管产生的光电荷可完全转储至浮置扩散区域。这可最大化输出图像的灵敏度。
电结区140可形成在第一衬底100中，并且位置可接近读出电路120。电结区140可准许在转移晶体管(Tx)121两侧上的源极和漏极之间产生电位差。这可使得光电荷完全地转储。
以下，将根据一些实施方案进一步描述光电荷的转储结构。和可以是N+结的浮置扩散区(PD)131的节点不同，可以是电结区140并且施加的电压可以不完全转移至其的P/N/P结140可在预定电压下夹断。该电压可称为钉扎电压(pinning voltage)，并且可取决于P0区域145和N-区域143的掺杂浓度。
根据一些实施方案，由光电二极管210产生的电子可移动至PNP结140，并且可转移至浮置扩散区(FD)131的节点。如果转移晶体管(Tx)121打开，则所述电子可随后转化为电压。
根据一些实施方案，由于P0/N-/P-结140的最大电压值可变为截断电压，浮置扩散区(FD)131的节点的最大电压值可变为Vdd-Rx 123的阈值电压Vth，所以由芯片上部中的光电二极管210产生的电子可完全转储至浮置扩散区(FD)131的节点。由于转移晶体管(Tx)131两侧之间的电位差，这可在没有电荷共享的情况下实现。
根据一些实施方案，在诸如第一衬底100的硅衬底中可形成P0/N-/P-阱结而不是N+/P-阱结。因此，在4-Tr有源像素传感器(APS)重置操作期间，+电压可施加于P0/N-/P-阱结的N-143，接地电压可施加于P0145和P-阱141。因此在预定电压或更大电压下，对P0/N-/P-阱双结可产生截断。这可类似于双极结晶体管(BJT)结构。这可称为截断电压。根据一些实施方案，在转移晶体管(Tx)121的两个侧面处的源极和漏极之间可产生电势差，这可防止在转移晶体管(Tx)121的开/关操作期间的电荷共享现象。
根据一些实施方案，和光电二极管可简单地连接至N+结的情况不同，可避免诸如饱和度降低和灵敏度降低的限制。
根据一些实施方案，第一导电型连接区域147可形成在光电二极管和读出电路之间并且可提供光电荷的相对快速移动的通路。这可最小化暗电流源，并且可防止饱和度降低和灵敏度降低。
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，例如N+区域147。可形成N+区域147，并且N+区域147可贯穿P0区域145并接触N-区域143。根据一些实施方案，为防止第一导电型连接区域147变为泄漏源，可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，可在蚀刻第一金属接触151a之后，进行插塞注入。根据一些实施方案，工艺可不限于此。例如，可形成离子注入图案，然后可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。
根据一些实施方案，通过用N-型杂质仅局部重掺杂接触形成部分，可在最小化暗信号的同时促进欧姆接触的形成。如果整个转移晶体管源极是重掺杂的，那么通过Si表面悬键可提高暗信号。
根据一些实施方案，可在第一衬底100上和/或上方形成层间电介质160。可形成金属互连150，并且金属互连150可贯穿层间电介质160并且可电连接至第一导电型连接区域147。根据一些实施方案，金属互连150可包括第一金属接触151a、第一金属151、第二金属152和第三金属153。根据一些实施方案，可以使用其它结构。根据一些实施方案，金属层160可形成在第一衬底100上和/或上方并且可接触金属互连150。
根据一些实施方案，通过插入在第一衬底100和光电二极管210之间的金属层160可增强衬底之间的接合力。根据一些实施方案，金属层160可以是铝(Al)层。根据一些实施方案，金属层160可由其它金属形成。
根据一些实施方案，如果金属互连150未暴露在第一衬底100的上表面上，那么金属层160可包括通过孔可接触金属互连150的插塞金属层160a。在第一衬底100和光电二极管210之间可插入第一金属层160b。根据一些实施方案，如果没有插塞第一衬底100中的金属互连150就不暴露出来，那么可通过形成可暴露金属互连150的孔来形成插塞金属层160a和第一金属层160b。在第一衬底100上和/或上方可形成Al层，并且Al层可具有约500-的厚度。根据一些实施方案，还可以使用其它类似的工艺。然后可平坦化金属层160。
根据一些实施方案，如果金属互连150暴露于第一衬底100的上表面上，那么金属层160可仅包括插入在第一衬底100和光电二极管210之间的第一金属层160b。根据一些实施方案，如果没有插塞的条件下第一衬底100中的金属互连150也暴露出来，那么可通过在第一衬底100上和/或上方形成可具有约500～
的厚度的金属层例如Al层来形成第一金属层160b。然后可平坦化金属层160。
根据一些实施方案，通过使用垂直型光电二极管并且在结合之前在垂直光电二极管和金属互连之间插入金属层，可获得在光电二极管和金属互连之间具有改善的物理接合力和电学接合力的图像传感器。
参考示例性图3，可在第二衬底200上和/或上方形成晶体半导体层210a。根据一些实施方案，在晶体半导体层210a中可形成光电二极管210。因此，图像传感器件可采用位于读出电路上和/或上方的3-维(3D)图像传感器。这可提高填充因子。根据一些实施方案，在晶体半导体层内部可形成图像传感器件，这可防止在图像传感器件内部发生缺陷。
根据一些实施方案，使用外延生长可在第二衬底200上和/或上方形成晶体半导体层210a。在第二衬底200和晶体半导体层210a之间可注入氢离子。这可形成插入在第二衬底200和晶体半导体层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，可进行氢离子的注入。
参考示例性图4，使用离子注入可在晶体半导体层210a中形成光电二极管210。根据一些实施方案，在晶体半导体层210a的下部中和在氢离子注入层207a上和/或上方(可与氢离子注入层207a接触)形成第二导电型导电层216。通过在第二衬底200的表面例如整个表面上和/或上方无掩模地进行第一无掩模离子注入，可以在晶体半导体层210a的下部中形成高浓度P-型导电层216。
根据一些实施方案，在第二导电型导电层216上和/或上方可形成第一导电型导电层214。例如，通过在第二衬底200的整个表面上和/或上方无掩模地进行第二无掩模离子注入，可在第二导电型导电层216上和/或上方形成低浓度N-型导电层214。根据一些实施方案，例如通过在第二衬底200的整个表面上和/或上方无掩模地进行第三无掩模离子注入，可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。这可使得第一导电型导电层214有利于欧姆接触。
参考示例性图5，可接合第一衬底100和第二衬底200。根据一些实施方案，光电二极管210可因此接触金属互连150。在第一衬底100和第二衬底200可彼此接合之前，可通过增加待接合表面的表面能(例如通过等离子体活化)进行接合。根据一些实施方案，接合可以进行为在接合界面上和/或上方设置有电介质和金属层中的至少一个。这可最大化接合力。
参考示例性图6，通过对第二衬底200进行热处理，氢离子注入层207a可转变为氢气层。
参考示例性图7，然后可移除第二衬底200的一部分。根据一些实施方案，光电二极管210可保留在氢气层下方并且可暴露光电二极管210。根据一些实施方案，可使用切割设备诸如刀片进行第二衬底200的除去。
参考示例性图8，可进行蚀刻工艺并且可分开用于每个单位像素的光电二极管。根据一些实施方案，蚀刻后的部分可填充有像素间电介质。根据一些实施方案，可进行形成上电极和滤色器的工艺。
示例性图9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9，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/或上方的金属互连150和读出电路120。在金属互连150上和/或上方可提供金属层160。可包括第一导电型导电层214和第二导电型导电层216的图像传感器件210可电连接至金属层160。在示例性图9中说明的实施方案可采用在示例性图1～8中说明的实施方案的技术特性。
根据一些实施方案，在示例性图9中说明的实施方案中的金属层162可包括：可接触金属互连150的插塞金属层162a、以及可选择性插入在第一衬底100和光电二极管210之间的第二金属层162b。根据一些实施方案，金属层162可以是钛(Ti)层。根据一些实施方案，金属层可以是任何其它适合的金属。
根据一些实施方案，和在示例性图1～8中说明的实施方案中的第一金属层160b不同，在示例性图9中说明的实施方案中的第二金属层162b可部分存在于光电二极管210和第一衬底100之间。
根据一些实施方案，如果在第一衬底100和光电二极管210之间插入厚度为约50-的薄的Ti层，那么可增强第一衬底100和光电二极管210之间的粘附力。
根据一些实施方案，由于第二金属层162b可相对地非常薄，所以在第一衬底100和光电二极管210之间设置第二金属层162b可能不会影响空隙等的产生。
然后，根据一些实施方案，将描述形成金属层162的工艺。根据一些实施方案，如果金属互连150未暴露于第一衬底100的上表面上和/或上方，那么可形成暴露金属互连150的孔。根据一些实施方案，可形成金属层162。金属层162可包括：接触金属互连150的插塞金属层162a和在第一衬底100上和/或上方的第二金属层162b。然后可平坦化第二金属层162b。
根据一些实施方案，可选择性移除第二金属层162b，这可留下连接至插塞金属层162a的部分。例如，第二金属层162b可图案化为具有大于金属互连150的宽度的宽度。
根据一些实施方案，如示例性图3和4所示，可准备在其上和/或上方可形成光电二极管210的第二衬底200。根据一些实施方案，如示例性图5～7所示，第一衬底100和第二衬底200可彼此接合。然后可暴露光电二极管210。
参考示例性图9，可进行分开用于每个单位像素的光电二极管210的蚀刻工艺。蚀刻后的部分可填充有像素间电介质。根据一些实施方案，可进行用于形成上电极和滤色器的工艺。
根据在示例性图9中说明的实施方案，由于金属互连150和光电二极管210之间插入的金属层160，所以金属互连150和光电二极管210之间的电学接合力和物理接合力可增强。根据一些实施方案，由于在像素之间的边界处可不存在金属层162，所以可不需要分开用于每个单位像素的金属层162的蚀刻工艺。
示例性图10是根据一些实施方案的图像传感器的截面图。示例性图10可说明其上和/或上方可形成金属互连150的第一衬底。在示例性图10中说明的实施方案可包括在示例性图1～8中说明的实施方案的某些技术特性。
例如，由于在示例性图10中说明的实施方案可使用垂直型光电二极管并且可在垂直型光电二极管和金属互连之间插入金属层，所以可获得具有增强的物理接合力和电学接合力的图像传感器。
根据在示例性图10中说明的实施方案，器件可设计为在转移晶体管(Tx)两侧上的源极和漏极之间可存在电位差。这可使得光电荷完全转储。根据一些实施方案，在光电二极管和读出电路之间可形成电荷连接区域。这可提供光电荷的相对快速移动的途径，这可最小化暗电流源，并且可防止饱和度降低和灵敏度降低。
和示例性图1～8中说明的实施方案不同，在电结区140的一侧上可横向间隔开地形成第一导电型连接区域148。或者，根据一些实施方案，可在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。由于器件可用施加于P0/N-/P-结140的反偏压操作，所以形成N+连接区域148和M1C接触151a的工艺可能提供泄漏源。因此，在Si表面上和/或上方可产生电场(EF)。在接触形成工艺期间可产生的晶体缺陷在电场内可作为泄漏源。
根据一些实施方案，如果在P0/N-/P-结140的表面上和/或上方形成N+连接区域148，那么由于N+/P0结148/145，所以可产生电场。该电场也可作为泄漏源。
根据示例性图10的实施方案，可提供如下布局：在未掺杂有P0层但是包括N+连接区域148的有源区中可形成第一接触插塞151a，第一接触插塞151a可连接至N-结143。
根据一些实施方案，在Si表面上和/或上方可以不产生电场。这可有助于减小3D集成CIS的暗电流。
尽管已经相对于互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器描述了一些实施方案，但是实施方案不限于此。根据实施方案，可使用任何需要光电二极管的图像传感器。
对本领域技术人员明显的是：在公开的实施方案中可进行各种改变和变化。因此，公开的实施方案意图覆盖这些显然和明显的改变和变化，只要它们在所附权利要求和它们等同物的范围之内。
Claims (6)
1.一种图像传感器，包括：
在第一衬底上方的金属互连和读出电路；
在所述金属互连上方的金属层；
电连接至所述金属层并包括第一导电型导电层和第二导电型导电层的图像传感器件；和
电连接至电结区上方的所述金属互连的第一导电型连接区域，
其中所述读出电路包括晶体管，并且其中在所述晶体管两侧处的源极和漏极之间存在电位差，
其中由图像传感器件产生的电子完全转储至所述晶体管的漏极，
其中所述读出电路包括在所述第一衬底中的电结区，并且其中所述电结区包括：
在所述第一衬底中的第一导电型离子注入区域；和
在所述第一导电型离子注入区域上方的第二导电型离子注入区域，
其中所述电结区包括PNP结，
其中所述第一导电型连接区域贯穿所述第二导电型离子注入区域并接触所述第一导电型离子注入区域。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述金属互连暴露于所述第一衬底的上表面上，并且其中所述金属层包括在所述第一衬底和所述图像传感器件之间的第一金属层。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述晶体管包括转移晶体管，并且其中所述晶体管的所述源极的离子注入浓度低于浮置扩散区的离子注入浓度。
4.一种制造图像传感器的方法，包括：
在第一衬底上方形成金属互连和读出电路；
在所述金属互连上方形成金属层；
在电结区上方形成连接至所述金属互连的第一导电型连接区域；
在所述金属层上方形成图像传感器件，所述图像传感器件包括第一导电型导电层和第二导电型导电层；和
接合所述金属层和所述图像传感器件，使得所述金属层接触所述图像传感器件，
其中所述读出电路包括晶体管，并且其中在所述晶体管两侧处的源极和漏极之间存在电位差，
其中由图像传感器件产生的电子完全转储至所述晶体管的漏极，
其中所述读出电路包括在所述第一衬底中的电结区，并且其中所述电结区包括：
在所述第一衬底中的第一导电型离子注入区域；和
在所述第一导电型离子注入区域上方的第二导电型离子注入区域，
其中所述电结区包括PNP结，
其中所述第一导电型连接区域贯穿所述第二导电型离子注入区域并接触所述第一导电型离子注入区域。
5.根据权利要求4所述的制造图像传感器的方法，其中所述金属互连暴露于所述第一衬底的上表面上。
6.根据权利要求5所述的制造图像传感器的方法，其中形成所述金属层包括：在所述第一衬底上形成接触所述金属互连的第一金属层。
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