CN101471366B - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
图像传感器及其制造方法，所述图像传感器包括：第一衬底和光电二极管。在第一衬底上方形成包括金属互连的电路。光电二极管形成在第一衬底上方并接触金属互连。第一衬底的电路包括：在第一衬底上方的晶体管，在晶体管侧面的电结区，和第一导电型区域。第一导电型区域连接至金属互连并接触电结区。
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
图像传感器是用于将光学图像转化为电信号的半导体器件。通常，图像传感器可分类为电荷耦合器件(CCD)图像传感器或互补金属氧化物硅(CMOS)图像传感器(CIS)。在图像传感器制造期间，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条件下增加像素数目而减小光电二极管的尺寸，光接收部分的面积也减小，由此导致图像质量的降低。而且，由于堆叠高度的降低幅度不和光接收部分的面积的降低降低一样大，所以由于称为艾里斑(Airy disk)的光衍射作用导致入射到光接收部分的光子数目也减少。
用于形成相关光电二极管的技术包括：使用非晶硅(Si)、或使用诸如晶片-至-晶片接合的方法在硅(Si)衬底中形成读出电路，和在所述读出电路上和/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上的源极和漏极二者都重掺杂有n-型杂质，所以可能发生电荷共享现象。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误差。而且，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/或可使饱和度以及灵敏度降低。
发明内容
一些实施方案涉及在最大化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道来最小化暗电流源并最小化饱和度和灵敏度的降低。
一些实施方案涉及图像传感器，包括：第一衬底，在所述第一衬底上形成有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晶体管；在所述晶体管侧面的电结区；和连接至所述金属互连并接触所述电结区的第一导电型区域。
一些实施方案涉及图像传感器，包括：第一衬底，在所述第一衬底上形成有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，其中所述电路包括：在所述第一衬底上方的晶体管；在所述晶体管侧面的电结区；和连接至所述金属互连并接触所述电结区的第一导电型区域。所述电结区可具有掺杂有第二导电型杂质的上部。
一些实施方案涉及制造图像传感器的方法，包括：在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，其中所述第一衬底的所述电路的形成包括：在所述第一衬底上方形成晶体管；在所述晶体管侧面形成电结区；和形成连接至所述金属互连并与所述电结区接触的第一导电型区域。
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
在此处的实施方案的描述中，应理解当层(或膜)称为在另一层或衬底‘上’的时候，其可以直接在另一层或衬底上，或也可存在插入的层。此外，应理解当层称为在另一层“下”的时候，其可以直接在另一层下，也可存在一个或更多个插入的层。另外，也应理解当层称为在两层“之间”时，其可以是在所述两层之间的仅有的层，或也可存在一个或更多个插入的层。
示例性图1是根据一些实施方案的图像传感器的截面图。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：其上形成有金属互连150和电路的第一衬底100；和在第一衬底100上形成的接触金属互连150的光电二极管210。第一衬底100的电路可包括：在第一衬底100上方的晶体管120；在晶体管120侧面的电结区140；和连接至金属互连150并与电结区140接触的高浓度第一导电型区域147。
在示例性图1中说明的图像传感器中，可在晶体半导体层210a中形成光电二极管210(见示例性图3)。根据一些实施方案，由于图像传感器可使用位于电路上方的光电二极管，并且光电二极管形成在晶体半导体层中，所以可最小化乃至防止在光电二极管内部产生缺陷。电路可包括晶体管120和金属互连150。
以下，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。如示例性图2所示的，根据一些实施方案的制造图像传感器的方法包括：提供其上形成有金属互连150和电路的第一衬底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。在有源区中可形成包括晶体管120的电路。例如，晶体管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。然后可形成包括浮置扩散区(FD)131以及源极/漏极区133、135和137的离子注入区域130。
以下将更全面地描述在一些实施方案中在第一衬底100上形成电路的方法。晶体管120可形成在第一衬底100上，晶体管120可以是但不限于转移晶体管(Tx)。电结区140可形成在晶体管120一个侧面。例如，电结区140可以是但不限于PN结。例如，电结区140可包括：在第二导电型阱141或第二导电型外延层上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上形成的第二导电型离子注入层145。例如，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。
高浓度第一导电型区域147可连接至金属互连150并可接触电结区140。高浓度第一导电型区域147可以是但不限于高浓度N+离子注入区域即N+结。例如，高浓度第一导电型区域147可形成为接触电结区140的侧面，但是不限于此。即，高浓度第一导电型区域147可电连接至电结区140的第一导电型离子注入层143。
在高浓度第一导电型区域147上方可形成金属互连的接触插塞151a。一些实施方案的读出电路允许由设置在芯片上部的光电二极管产生的电子通过金属互连150向衬底100的N+结147移动，并且也允许在N+结147中的电子向N-结143移动。这允许4T操作。
同时，为将在芯片上设置的光电二极管210连接至第一衬底100，重掺杂n-型杂质以形成用于实现欧姆接触的高浓度第一导电型区域147。如果转移晶体管(Tx)121的源极和漏极连接至高浓度第一导电型区域147，那么源极和漏极可具有相同的电势，导致在读出信号时由于电荷共享而使得饱和度降低和灵敏度降低。在一些实施方案中，因此，电结区140例如P0/N-/P-结可形成在第一衬底100中，如示例性图2所示。
与作为N+结的浮置扩散(FD)131的节点不同，P0/N-/P-结140(施加于其的电压没有全部传输的电结区140)在预定电压下夹断。该电压称作钉扎电压(pinning voltage)，并且可取决于P0区域145和N-区域143的掺杂浓度。当转移晶体管Tx 121导通时，由芯片上部中的光电二极管210产生的电子移动至P0/N-/P-结140，并且传递至浮置扩散(FD)131的节点并转化为电压。
由于P0/N-/P-结140的最大电压值变成钉扎电压，并且浮置扩散(FD)131的节点的最大电压值变成通过从Vdd电压中减去重置晶体管(Rx)123的阈值电压(Vth)而获得的电压值，所以由芯片上部中的光电二极管210产生的电子可以通过转移晶体管(Tx)121两侧之间的电位差完全转储至浮置扩散(FD)131的节点而没有电荷共享。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最小化乃至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，可在P0/N-/P-结140的表面上或上方形成用于欧姆接触的N+结147。形成N+结147和M1C接触151a的工艺可产生泄漏源。这是由于用施加于P0/N-/P-结140的反向偏压操作器件，并因此可在Si表面上产生电场。在电场内部在接触形成工艺期间产生的晶体缺陷可作为泄漏源。而且，在N+结147形成于P0/N-/P-结140的表面上的情况下，由于N+/P0结147/141可进一步产生电场，其也提供泄漏源。
因此，在根据一些实施方案的布局中：接触151a可以形成在未掺杂有P0层但是包括N+连接区域147的有源区中并可连接至N-结143。因此，在Si表面上不产生电场，这可有助于3D集成CIS的暗电流的减小。
在第一衬底100上或上方可形成层间电介质160，并且也可以形成金属互连150。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，在第二衬底200上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，所以可最小化乃至防止光电二极管内的缺陷。例如，通过外延生长方法可在第二衬底200上或上方形成结晶半导体层210a。然后，可将氢离子注入第二衬底200和晶体半导体层210a之间的界面中，以形成氢离子注入层207a。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。
如示例性图4所示，杂质离子可注入晶体半导体210a中，以形成光电二极管210。例如，第二导电型导电层216可形成在晶体半导体层210a的上部中。第二导电型导电层216可以是高浓度p-型导电层。例如，通过在第二衬底200的基本整个表面无掩模地实施第一无掩模离子注入(blanket-ion implantation)，可在晶体半导体层210a上或上方形成高浓度P-型导电层216。例如，第二导电型导电层216可形成为小于约0.5μm的结深度。
然后，通过在第二衬底200的基本上整个表面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。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。
然后，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。例如，通过在第二衬底200的基本上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下方形成高浓度N+导电层212，使得高浓度N+导电层212可有助于欧姆接触。
如示例性图5所示，第一衬底100和第二衬底200可彼此接合，使得光电二极管210接触金属互连150。例如，通过使第一衬底100和第二衬底200彼此接触，然后通过等离子体实施活化以增加接合表面中的表面能，可实施所述接合。此后，通过对第二衬底200实施热处理，氢离子注入层207a可变为氢气层。
如示例性图6所示，然后可移除第二衬底200的一部分，并保留氢气层下方的光电二极管210，使得可暴露光电二极管210。例如通过使用切割设备诸如刀片可实施第二衬底200的除去。然后可进行隔离用于每个单元像素的光电二极管210的蚀刻工艺。然后可用像素间电介质填充蚀刻的部分。然后，可实施用于形成上电极和滤色器的工艺。
示例性图7是根据一些实施方案的图像传感器的截面图，其中光电二极管220可形成在非晶层中。例如，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上或上方的第二导电型导电层225。图像传感器还可包括：在金属互连150和本征层223之间的第一导电型导电层221。以下将描述根据一些实施方案形成光电二极管220的工艺。通过在其上形成有包括金属互连150的电路120的第一衬底100上或上方实施沉积工艺，而不是通过接合，可形成光电二极管220。
例如，在第一衬底100上或上方可形成第一导电型导电层221，使得第一导电型导电层221接触金属互连150。如果需要，可在不形成第一导电型导电层221的条件下进行后续工艺。第一导电型导电层221可作为在一些实施方案中使用的PIN二极管的N-层。即，第一导电型导电层221可以是但不限于N-型导电层。
第一导电型导电层221可由n-掺杂的非晶硅形成，但不限于此。即，第一导电型导电层221可由通过在非晶硅中加入Ge、C、N、O或类似物而形成的a-Si:H、a-SiGe:H、a-SiC、a-SiN:H、或a-SiO:H或类似物形成。而且，第一导电型导电层221可通过例如化学气相沉积(诸如等离子体增强CVD)形成。例如，通过其中PH3、P2H5等与硅烷(SiH4)气体混合的PECVD，可由非晶硅形成第一导电型导电层221。
在第一导电型导电层221上或上方可形成本征层223，并且可作为在一些实施方案中采用的PIN二极管的I-层。本征层223可由非晶硅形成，并且可通过CVD例如PECVD形成。例如，本征层223可通过使用硅烷(SiH4)气体的PECVD由非晶硅形成。
然后，在本征层223上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使用的PIN二极管的P-层。即，第二导电型导电层225可以是但不限于p-型导电层。第二导电型导电层225可由P-掺杂的非晶硅形成，但是不限于此。
第二导电型导电层225也可通过CVD例如PECVD形成。例如，第二导电型导电层225可通过其中硼(B)或类似物与硅烷(SiH4)气体混合的PECVD由非晶硅形成。然后，可在第二导电型导电层225上形成上电极240。上电极240可由具有高透光性和高电导率的透明电极材料形成。例如，上电极240可由氧化铟锡(ITO)、氧化镉锡(CTO)等形成。
根据一些实施方案的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与4-Tr像素操作的情况一样的相关双采样(CDS)，所述暗电流可在将于芯片上部中形成的光电二极管连接至形成有电路的衬底(Si-sub)的接触蚀刻工艺以及高浓度N+掺杂工艺期间产生。因此，可最小化噪音和暗电流。
此外，根据一些实施方案，电路和光电二极管的垂直集成可获得接近于100％的填充因子。此外，根据一些实施方案，尽管象素尺寸相同，但是由于垂直集成，电路和光电二极管的垂直集成可提供高于相关传感器的灵敏度。虽然一些实施方案通常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CMOS传感器，而是可以容易地应用于任何利用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，则所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)
1.一种图像传感器，包括：
第一衬底，在所述第一衬底上方形成有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晶体管；
在所述晶体管侧面的电结区；和
连接至所述金属互连并接触所述电结区的第一导电型区域。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述第一导电型区域接触所述电结区的侧面。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中在所述第一导电型区域上方设置有所述金属互连的接触插塞。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述电结区包括PN结。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述电结区包括PNP结。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述电结区具有掺杂有p-型杂质的上部，所述电结区包括PN结。
7.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。
8.一种图像传感器，包括：
第一衬底，在所述第一衬底上方形成有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，
其中所述电路包括：
在所述第一衬底上方的晶体管；
在所述晶体管侧面的电结区；和
连接至所述金属互连并接触所述电结区的第一导电型区域，
其中所述电结区具有掺杂有第二导电型杂质的上部。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中所述第一导电型区域接触所述电结区的侧面。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其中在所述第一导电型区域上方设置有所述金属互连的接触插塞。
11.根据权利要求8所述的图像传感器，其中所述电结区具有掺杂有p-型杂质的上部，所述电结区包括PN结。
12.根据权利要求8所述的图像传感器，其中所述晶体管包括转移晶体管。
13.根据权利要求8所述的图像传感器，其中所述电结区包括PNP结。
14.一种制造图像传感器的方法，所述方法包括：
在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；
其中所述第一衬底的所述电路的形成包括：
在所述第一衬底上方形成晶体管；
在所述晶体管的侧面形成电结区；和
形成连接至所述金属互连并接触所述电结区的第一导电型区域。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一导电型区域的形成包括：
形成所述第一导电型区域以接触所述电结区的侧面。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一导电型区域的形成包括：
在所述第一导电型区域上方形成所述金属互连的接触插塞。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述电结区的形成包括形成PN结。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述电结区的形成包括形成PNP结。
19.根据权利要求14所述的方法，其中所述电结区的形成包括：用第二导电型杂质掺杂上部。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述电结区包括PN结。
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