CN101471364A - 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形成图像传感器的方法。根据实施方案，图像传感器可包括第一衬底和光电二极管。在第一衬底上和/或上方可形成包括金属互连的电路。光电二极管可形成在第一衬底上方，并且可接触金属互连。第一衬底的电路可包括：第一晶体管、第二晶体管、电结区和第一导电型区域。第一晶体管和第二晶体管可形成在第一衬底上方。根据实施方案，在第一晶体管和第二晶体管之间可形成电结区。第一导电型区域可形成在所述第二晶体管的一侧并且可连接至金属互连。
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。可减小光电二极管的尺寸，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不与光接收部分面积减小的幅度一样大，所以由于称为艾里斑(Airy disk)的光衍射导致入射至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，光电二极管可形成在读出电路上和/或上方(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，在读出电路上和/或上方可形成金属互连，并且可实施晶片-至-晶片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以是困难的，并且金属互连和光电二极管之间的欧姆接触可以是困难的。
由于在转移晶体管两侧的源极和漏极二者都可重度掺杂有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/或饱和度和灵敏度可降低。
发明内容
一些实施方案涉及可防止发生电荷共享并可增加填充因子的图像传感器及其制造方法。
一些实施方案涉及可通过在光电二极管和读出电路之间提供相对迅速的光电荷的移动通路可最小化暗电流源并可防止饱和度和灵敏度降低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。第一衬底，在所述第一衬底上和/或上方可形成包括金属互连的电路。在第一衬底上和/或上方的光电二极管，所述光电二极管接触所述金属互连，其中所述第一衬底的电路可包括：在所述第一衬底上方的第一晶体管和第二晶体管。在所述第一晶体管和所述第二晶体管之间的电结区。在所述第二晶体管一侧的第一导电型区域，所述第一导电型区域连接至所述金属互连。
根据一些实施方案，图像传感器可包括以下中的至少一个。第一衬底，在所述第一衬底上和/或上方可形成包括金属互连的电路。在所述第一衬底上方的光电二极管，所述光电二极管接触所述金属互连。所述第一衬底的所述电路可包括：在所述第一衬底上方的第一晶体管和第二晶体管，在所述第一晶体管和所述第二晶体管之间的电结区，和在所述第二晶体管一侧的第一导电型区域，所述第一导电型区域连接至所述金属互连，其中所述第一衬底具有掺杂有第二导电型杂质的上部。
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包括金属互连的电路。在所述金属互连上方形成光电二极管。形成所述第一衬底的电路可包括以下步骤中的至少一个。在所述第一衬底上方形成第一晶体管和第二晶体管。在所述第一晶体管和所述第二晶体管之间形成电结区。在所述第二晶体管的一侧形成第一导电型区域，所述第一导电型区域连接至所述金属互连。
附图说明
示例性图1～7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
将参考附图详细地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，根据一些实施方案，图像传感器可包括第一衬底100。在第一衬底100上和/或上方可形成金属互连150和电路120。图像传感器还可包括接触金属互连150的光电二极管210。光电二极管210可形成在第一衬底100上和/或上方。根据一些实施方案，第一衬底100的电路120可包括：在第一衬底100上和/或上方形成的第一晶体管121a和第二晶体管121b，在第一晶体管121a和第二晶体管121b之间形成的电结区140，和在第二晶体管121b一侧的连接至金属互连150的高浓度第一导电型区域131b。
根据一些实施方案，可在晶体半导体层210a(示例性图3)中形成光电二极管210。根据一些实施方案，由于图像传感器可实现光电二极管位于电路上方的垂直型光电二极管，并且光电二极管可形成在晶体半导体层中，所以可防止在光电二极管内部产生缺陷。
将参考示例性图2～6描述根据一些实施方案的制造图像传感器的方法。参考示例性图2，第一衬底100可包括金属互连150和读出电路120，并且可首先提供第一衬底100。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可以是任何导电型衬底。
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并且可由此限定有源区。读出电路120可包括至少一个晶体管并且可形成在有源区中。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。然后可形成离子注入区域130。根据一些实施方案，离子注入区域130可包括第一浮置扩散区(FD)131a和源极/漏极区133、135和137。
将描述根据一些实施方案的在第一衬底100上和/或上方形成读出电路120的方法。根据一些实施方案，在第一衬底100上和/或上方可形成第一晶体管121a和第二晶体管121b。根据一些实施方案，第一晶体管121a和第二晶体管121b可分别为第一转移晶体管121a和第二转移晶体管121b。根据一些实施方案，第一晶体管121a和第二晶体管121b可以是任何类型的晶体管。第一晶体管121a和第二晶体管121b可同时形成或依次形成。
根据一些实施方案，在第一晶体管121a和第二晶体管121b之间可形成电结区140。根据一些实施方案，电结区140可以是PN结140。根据一些实施方案，电结区140可以是任何类型的结。
根据一些实施方案，电结区140可包括在第二导电型阱141或第二导电型外延层141上和/或上方形成的第一导电型离子注入层143。电结区140还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。
根据一些实施方案，高浓度第一导电型区域131b可形成在第二晶体管121b的一侧并可连接至金属互连150。根据一些实施方案，可以作为高浓度N+离子注入区域(N+结)的高浓度第一导电型区域131b可用作第二浮置扩散区(FD2)131b。
根据一些实施方案，读出电路120可使得在芯片上和/或上方形成的光电二极管210中产生的电子朝向形成有电路的衬底(Si衬底)的N+结131b移动。根据一些实施方案，读出电路120可使得N+结131B中的电子朝向N-结143移动。这可使得能够进行4Tr操作。
根据一些实施方案，P0/N-/P-结140和N+结131b可彼此分离。根据一些实施方案，这可因为当在P0/N-/P-外延140的P/N/P结中形成N+掺杂区域和接触时，由于N+结131b和接触蚀刻所导致的蚀刻损伤而可产生的暗电流。根据一些实施方案，为防止暗电流产生，接触形成部分，即N+结131b可以与P/N/P结140分离。
即，将N+杂质掺杂到P/N/P结140表面上的工艺和接触蚀刻工艺可产生泄漏源。为此，可在N+/P-外延结131b中形成接触。
当读出信号时，第二晶体管(Tx2)121b的栅极可导通。根据一些实施方案，由在芯片上和/或上方形成的光电二极管210产生的电子可通过P0/N-/P外延结140移动至第一浮置扩散区(FD1)131a的节点。这可使得能够进行相关双采样(CDS)。
根据一些实施方案，在第一衬底100上和/或上方可形成层间电介质160，然后可形成金属互连150。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、第三金属153、和第四金属接触154a。
参考示例性图3，在第二衬底200上和/或上方可形成晶体半导体层210a。由于光电二极管210可形成在晶体半导体层210a中，所以可防止光电二极管内部的缺陷。
根据一些实施方案，可通过外延生长方法在第二衬底200上和/或上方形成晶体半导体层210a。根据一些实施方案，氢离子可注入第二衬底200和晶体半导体层210a之间的界面中。这可形成氢离子注入层207a。根据一些实施方案，氢离子的注入可在注入用于形成光电二极管210的杂质离子之后进行。
参考示例性图4，杂质离子可注入晶体半导体210a中并且可形成光电二极管210。根据一些实施方案，第二导电型导电层216可形成在晶体半导体层210a的上部。第二导电型导电层216可以是高浓度P-型导电层。根据一些实施方案，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，可在晶体半导体层210a上和/或上方形成高浓度P-型导电层216。根据一些实施方案，第二导电型导电层216可形成为小于约0.5μm的结深度。
根据一些实施方案，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，可在第二导电型导电层216下方和/或之下形成第一导电型导电层214。第一导电型导电层214可以是低浓度N-型导电层。根据一些实施方案，低浓度第一导电型导电层214可形成为约1.0μm至约2.0μm的结深度。
根据一些实施方案，高浓度第一导电型导电层212可形成在第一导电型导电层214下方和/或之下。根据一些实施方案，通过对第二衬底200的整个表面无掩模地实施第三无掩模离子注入，可在第一导电型导电层214下方和/或之下形成高浓度N+导电层212。根据一些实施方案，高浓度N+导电层212可有助于欧姆接触。
参考示例性图5，第一衬底100和第二衬底200可彼此接合。根据一些实施方案，光电二极管210可接触金属互连150。根据一些实施方案，通过使第一衬底100和第二衬底200彼此接触然后通过可增加接合表面中的表面能的等离子体进行活化，可实施所述接合。根据一些实施方案，通过对第二衬底200实施热处理，氢离子注入层207a可转变为氢气层。
参考示例性图6，然后可移除第二衬底200的一部分，并且可保留氢气层下方的光电二极管210。由此可暴露光电二极管210。根据一些实施方案，使用切割设备诸如刀片可实施第二衬底200的除去。
根据一些实施方案，可实施隔离用于每个单元像素的光电二极管210的蚀刻工艺。根据一些实施方案，然后可用像素间电介质填充蚀刻的部分。根据一些实施方案，可形成上电极和滤色器。
示例性图7是根据一些实施方案的图像传感器的截面图。根据一些实施方案，在示例性图7中说明的器件可采用在示例性图1～6中说明的实施方案的各种技术特性。
与示例性图1～6中说明的实施方案不同，根据在示例性图7中说明的一些实施方案的图像传感器可包括光电二极管220，光电二极管220可以形成在非晶层中。根据一些实施方案，光电二极管220可包括：电连接至金属互连150的本征层223、和在本征层223上和/或上方的第二导电型导电层225。根据一些实施方案，图像传感器还可包括在下部电极210和本征层223之间的第一导电型导电层221。
将描述根据一些实施方案的形成光电二极管220的方法。与在示例性图1～6中说明的实施方案不同，根据在示例性图7中说明的一些实施方案的图像传感器可包括光电二极管220，光电二极管220可通过在第一衬底100上和/或上方实施沉积工艺形成，第一衬底100上和/或上方可形成有包括金属互连150的读出电路120。根据一些实施方案，所述方法可不包括接合。
根据一些实施方案，在第一衬底100上和/或上方可形成第一导电型导电层221。根据一些实施方案，第一导电型导电层221可接触金属互连150。根据一些实施方案，可以不形成第一导电型导电层221而实施后续工艺。第一导电型导电层221可作为在一些实施方案中实施的PIN二极管的N-层。根据一些实施方案，第一导电型导电层221可以是N-型导电层。根据一些实施方案，第一导电型导电层221可以是任何类型的导电层。
第一导电型导电层221可由n-掺杂的非晶硅形成。根据一些实施方案，方法可不限于此。根据一些实施方案，第一导电型导电层221可由a-Si:H、a-SiGe:H、a-SiC、a-SiN:H、和a-SiO:H中的至少一种形成，所述a-Si:H、a-SiGe:H、a-SiC、a-SiN:H、和a-SiO:H可通过在非晶硅中加入Ge、C、N、和O中的至少一种形成。根据一些实施方案，第一导电型导电层221可由其它类似化合物形成。
根据一些实施方案，第一导电型导电层221可通过CVD形成。根据一些实施方案，第一导电型导电层221可通过PECVD形成。根据一些实施方案，可通过其中PH3、P2H5和/或其它类似化合物可与硅烷(SiH4)气体混合的PECVD，由非晶硅形成第一导电型导电层141。
根据一些实施方案，在第一导电型导电层221上和/或上方可形成本征层223。本征层223可作为在一些实施方案中实施的PIN二极管的I-层。根据一些实施方案，本征层223可由非晶硅形成。根据一些实施方案，本征层223可通过CVD形成。根据一些实施方案，本征层223可通过PECVD形成。根据一些实施方案，本征层223可通过使用硅烷(SiH4)气体的PECVD形成。
根据一些实施方案，在本征层223上和/或上方可形成第二导电型导电层225。第二导电型导电层225和本征层223可原位形成。第二导电型导电层225可作为在一些实施方案中采用的PIN二极管的P-层。根据一些实施方案，第二导电型导电层225可以是P-型导电层。根据一些实施方案，第二导电型导电层225可以是任何类型的导电层。
根据一些实施方案，第二导电型导电层225可由磷(P)掺杂的非晶硅形成。根据一些实施方案，可使用其它方法。第二导电型导电层225可通过CVD形成。根据一些实施方案，第二导电型导电层225可通过PECVD形成。根据一些实施方案，可通过其中硼(B)或其它类似元素可与硅烷(SiH4)气体混合的PECVD，由非晶硅形成第二导电型导电层225。
根据一些实施方案，在第二导电型导电层225上和/或上方可形成上电极240。上电极240可由可具有高透光性和高电导率的透明电极材料形成。根据一些实施方案，上电极240可由氧化铟锡(ITO)、氧化镉锡(CTO)和/或其它类似化合物形成。
根据一些实施方案，图像传感器及其制造方法可提供电路和光电二极管的垂直集成。
根据一些实施方案，制造具有垂直构造的3-维(3D)图像传感器的方法可在最小化暗电流的同时提供基本上类似于4-Tr像素操作的相关双采样(CDS)，所述暗电流可在将芯片上和/或上方形成的光电二极管连接至其上形成有电路的衬底(Si衬底)的接触蚀刻工艺期间以及高浓度N+掺杂工艺期间产生。因此，能够最小化噪音和暗电流。
根据一些实施方案，电路和光电二极管的垂直集成可实现接近100％的填充因子。根据一些实施方案，电路和光电二极管的垂直集成可提供的灵敏度比具有相同像素尺寸的相关技术的灵敏度高。
尽管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CIS。根据一些实施方案，可使用任何需要光电二极管的图像传感器。
对本领域技术人员显然和明显的是：在公开的实施方案中可做出各种改变和变化。因此，只要这些显然和明显的改变和变化在所附权利要求和其等同物的范围之内，则公开的实施方案意图覆盖这些显然和明显的改变和变化。
Claims (20)
1.一种器件，包括：
第一衬底；
在所述第一衬底上方形成的包括金属互连的电路；和
在所述第一衬底上方的光电二极管，所述光电二极管接触所述金属互连，
其中所述第一衬底的所述电路包括：
在所述第一衬底上方的第一晶体管和第二晶体管；
在所述第一晶体管和所述第二晶体管之间的电结区；和
在所述第二晶体管一侧的第一导电型区域，所述第一导电型区域连接至所述金属互连。
2.根据权利要求1所述的器件，其中所述电结区包括：
在所述第一衬底上方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。
3.根据权利要求2所述的器件，其中所述电结区包括PN结。
4.根据权利要求3所述的器件，其中所述PN结包括P0/N-/P-结。
5.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一导电型区域包括N+区域。
6.根据权利要求1所述的器件，包括在所述第一衬底中形成的第一浮置扩散区和第二浮置扩散区，其中所述第二浮置扩散区连接至所述金属互连。
7.根据权利要求1所述的器件，其中所述光电二极管形成在晶体半导体层中并电连接至所述金属互连。
8.根据权利要求7所述的器件，其中所述晶体半导体层形成在第二衬底上方，和其中所述第二衬底接合至所述第一衬底。
9.一种器件，包括：
半导体衬底；
在所述半导体衬底上方形成的包括金属互连的读出电路；和
在所述半导体衬底上方的光电二极管，其中所述光电二极管接触所述金属互连，和
其中所述半导体衬底的所述电路包括：
在所述半导体衬底上方的第一晶体管和第二晶体管；
在所述第一晶体管和所述第二晶体管之间的电结区；和
在所述第二晶体管一侧的第一导电型区域，所述第一导电型区域连接至所述金属互连，
其中所述半导体衬底具有掺杂有第二导电型杂质的上部。
10.根据权利要求9所述的器件，其中所述电结区包括：
在所述半导体衬底的所述第二导电型区域上方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。
11.根据权利要求9所述的器件，其中所述半导体衬底具有掺杂有P-型杂质的上部，所述电结区包括PN结。
12.根据权利要求9所述的器件，其中所述第一晶体管和第二晶体管包括转移晶体管。
13.一种方法，包括：
提供第一衬底；
在所述第一衬底上方形成包括金属互连的电路；和
在所述金属互连上方形成光电二极管，其中形成所述第一衬底的所述电路包括：
在所述第一衬底上方形成第一晶体管和第二晶体管；
在所述第一晶体管和所述第二晶体管之间形成电结区；和
在所述第二晶体管的一侧形成第一导电型区域，所述第一导电型区域连接至所述金属互连。
14.根据权利要求13所述的方法，其中形成所述电结区包括：
在所述第一衬底上方形成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形成第二导电型离子注入区域。
15.根据权利要求14所述的方法，其中形成所述电结区包括形成PN结。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述PN结包括P0/N-/P-结。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一导电型区域包括N+区域。
18.根据权利要求13所述的方法，包括在所述第一衬底中形成第一浮置扩散区和第二浮置扩散区，其中所述第二浮置扩散区连接至所述金属互连。
19.根据权利要求13所述的方法，其中所述光电二极管形成在晶体半导体层中并电连接至所述金属互连。
20.根据权利要求19所述的方法，包括在第二衬底上方形成所述晶体半导体层，和将所述第二衬底接合到所述第一衬底。
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