CN101471373B - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种图像传感器，包括读出电路、第一衬底、第一层间电介质、金属互连件、上部金属、以及图像传感器件。读出电路形成在第一衬底上和/或上方，以及第一层间电介质形成在第一衬底上和/或上方。金属互连件形成在层间电介质中并将其电连接至读出电路。上部金属形成在金属互连件上和/或上方以及图像传感器件形成在上部金属上和/或上方。通过本发明公开的图像传感器的制造方法可以最大化在图像传感器和金属互连件之间的物理接合力和电接合力，可以最小化电荷分享的发生而最大化填充系数，并且可以最小化暗电流源以及最小化饱和度和灵敏度的下降。
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
图像传感器是一种将光学图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器一般可以分为电荷耦合器件(CCD)图像传感器或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。为了在不增加芯片尺寸的情况下增加像素的数量，因而不断地减小光电二极管的尺寸，由此也减小了光接收部分的区域，最终导致图像质量的下降。
然而，因为堆叠高度(stack height)的减小并没有达到光接收部减小的那种程度，所以由光衍射(公知为“艾里斑”(ariy disk))而导致的入射到光接收部的光子的量会减少。现有的图像传感器已经尝试使用非结晶硅(Si)来形成光电二极管，或者使用诸如晶片-晶片接合(wafer-to-waferbonding)等方法在硅(Si)衬底中形成读出电路，并且在所述读出电路上和/或上方形成光电二极管。可以通过金属互连件将光电二极管与读出电路连接。在金属互连件和光电二极管之间可能会出现接合缺陷(bonding failure)并导致在电接合力和物理接合力中的问题。因为位于转移晶体管两侧的源极(source)和漏极(drain)都重掺杂有N型杂质，则可能会出现电荷分享现象(charge sharing phenomenon)。当电荷分享现象发生时，输出图像的灵敏度会下降并且会产生图像错误。而且，因为光电荷可能在光电二极管和读出电路之间不能轻易移动，所以会产生暗电流和/或造成饱和度与灵敏度下降。
发明内容
实施例涉及一种图像传感器及其制造方法，其中所述方法可以最大化在图像传感器件和金属互连件之间的物理接合力和电接合力。实施例涉及一种图像传感器及其制造方法，用以最小化电荷分享的发生而最大化填充系数。
实施例涉及一种图像传感器及其制造方法，用以通过在光电二极管和读出电路之间为光电荷提供快速移动路径，可以最小化暗电流源并且最小化饱和度和灵敏度的下降。
实施例涉及一种图像传感器，其可以包括如下至少之一：读出电路，位于第一衬底上方；第一层间电介质，位于所述第一衬底上方；金属互连件，形成在所述层间电介质中并电连接至所述读出电路；上部金属，位于所述金属互连件上方；以及图像传感器件，位于所述上部金属上方。
实施例涉及一种图像传感器的制造方法，其可以包括如下步骤至少之一：在第一衬底上和/或上方形成读出电路；在所述第一衬底上和/或上方形成第一层间电介质；在所述层间电介质上和/或上方形成金属互连件；在所述金属互连件上和/或上方形成上部金属；以及在上部金属上和/或上方形成图像传感器件。
通过本发明公开的图像传感器的制造方法可以最大化在图像传感器和金属互连件之间的物理接合力和电接合力，可以最小化电荷分享的发生而最大化填充系数，并且可以最小化暗电流源以及最小化饱和度和灵敏度的下降。
附图说明
示例性图1至图6示出根据实施例的图像传感器及其制造方法。
具体实施方式
示例性图1为根据实施例的图像传感器的剖视图。如示例性图1所示，根据实施例的图像传感器可以包括：读出电路120，形成在第一衬底100上和/或上方；第一层间电介质160，形成在第一衬底100上和/或上方；金属互连件150，形成在第一层间电介质160中并电连接至读出电路120；上部金属170，形成在金属互连件150上和/或上方；以及图像传感器件210，形成在上部金属170上和/或上方。图像传感器件210可以是光电二极管、光栅极或者是其任意组合。尽管实施例说明光电二极管形成在结晶半导体层中，但光电二极管并不仅限于此，而是也可以采用其它方式形成，例如光电二极管可以形成在非结晶半导体层中。
如示例性图2所示，第一层间电介质160可以形成在第一衬底100上和/或上方，并且金属互连件150可以形成在第一层间电介质160中。将参照示例性图3说明用于形成读出电路120和金属互连件150的工艺(Processes)。
如示例性图3所示，根据实施例的图像传感器的制造方法可以包括：提供第一衬底100，其上或上方形成有金属互连件150和读出电路120。第一衬底100可以是第二导电类型衬底，但并不仅限于此。例如，可以在第二导电类型第一衬底100中形成器件隔离层110以此来定义有源区。可以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可以包括转移晶体管(Tx)121，复位晶体管(Rx)123，驱动晶体管(Dx)125和选择晶体管(Sx)127。还可以形成离子注入区130的浮置扩散区(FD)131，其中所述离子注入区130包括各个晶体管的源极/漏极区133、135和137。
在第一衬底100上和/或上方形成读出电路120的步骤可以包括：在第一衬底100中形成电结区140，以及在电结区140的上部区域中形成第一导电类型连接区147，并将所述第一导电类型连接区147电连结至金属互连件150。
电结区140可以为PN结，但并不仅限于此。例如，电结区140可以包括：第一导电类型离子注入层143和第二导电类型离子注入层145，其中第一导电类型离子注入层143形成在第二导电类型阱141或者第二导电类型外延层上和/或上方，以及第二导电类型离子注入层145形成在第一导电类型离子注入层143上和/或上方。如示例性图2所示，PN结140可以为P0/N-/P-结(其附图标记为145、143以及141)，但并不仅限于此。
根据实施例，可以设计这样一种器件，使得在转移晶体管(Tx)121两侧的源极和漏极之间存在电势差，从而光电荷实际上可以充分倾注(dumped)。因此，可以将产生于光电二极管的光电荷实际上完全倾注至浮置扩散区，使得输出图像的灵敏度最大化。电结区140可以在第一衬底100中沿读出电路120形成，以允许在转移晶体管(Tx)121两侧上的源极和漏极之间产生电势差，使得光电荷实际上得以完全倾注。
与浮置扩散区(FD)131(其为N+结)的节点(node)不同，P/N/P结140(其为电结区140，并且对其所施加的电压不会完全转移)可以在预定电压处被夹断(pinched-off)。这种电压通常被称为钉扎电压(pinning voltage)，并且该电压可以根据P0区145和N-区143的掺杂浓度选择性地加以控制。具体而言，产生于光电二极管210的电子可以移动至PNP结140，并且当转移晶体管(Tx)121开启时，所产生的电子可以转移至浮置扩散区(FD)131的节点以转变成电压。
由于P0/N-/P-结140的最大电压值变为钉扎电压，并且浮置扩散区(FD)131的节点的最大电压值变为Vdd-Rx 123的阈值电压(threshold voltage)Vth，因此实际上可以完全将从位于芯片上部中的光电二极管210产生的电子倾注至浮置扩散区(FD)131的节点，而不存在由转移晶体管(Tx)131两侧之间的电势差所造成的电荷分享。
也就是说，根据实施例，可以在诸如第一衬底100等硅衬底中形成代替N+/P-阱结的P0/N-/P-阱结，使得在4晶体管(4-Tr)有源像素传感器(APS)复位操作期间，允许将正电压施加至P0/N-/P-阱结的N-区143，并且将接地电压施加至P0区145和P-阱141。结果，就如在双极结晶体管(BJT)结构中一样，可以以预定电压值或更高电压而在P0/N-/P-阱双结(doublejunction)中产生夹断。这被称作钉扎电压。因此，在转移晶体管(Tx)121的开/关运行期间，在转移晶体管(Tx)121两侧上的源极和漏极之间可以产生电势差以防止发生电荷分享现象。因此，与将光电二极管简单连接至N+结的情况不同，根据实施例，可以避免诸如饱和度和灵敏度下降等不利结果。
可以在光电二极管和读出电路之间形成第一导电类型连接区147，以提供光电荷的快速移动路径，使得暗电流源可以最小化，并且使饱和度和灵敏度的下降最小化甚至得以避免。为此目的，可以形成用于欧姆接触的第一导电类型连接区147。例如，根据实施例可以在P0/N-/P-结140的表面上和/或上方形成N+区147，并且可以将所形成的N+区147延伸穿过P0区145并接触N-区143。
为了防止第一导电类型连接区147成为泄漏源，可以最小化第一导电类型连接区147的宽度。因此，根据实施例，在蚀刻第一金属接触件151a之后，可以实施栓塞注入(plug implant)，但是还可以考虑其它技术。例如，可先形成离子注入图案，然后可使用所述离子注入图案作为离子注入掩模来形成第一导电类型连接区147。
根据实施例，仅对接触形成部进行N-型杂质的局部和重掺杂的优点是其有利于形成欧姆接触且最小化暗信号。相比之下，如果对整个转移晶体管源进行重掺杂，会因为硅表面悬挂键(dangling bond)而增加暗信号。
在第一衬底100上和/或上方可以形成层间电介质160。然后，金属互连件150可以形成为延伸穿过层间电介质160并电连接至第一导电类型连接区147。金属互连件150可以包括第一金属接触件151a、第一金属151、第二金属152、第三金属153以及第四金属接触件154a，但并不仅限于此。
如示例性图2所示，可以在金属互连件150上和/或上方形成上部金属170。例如，可以在第一层间电介质160上和/或上方形成第二层间电介质162，然后可以在第二层间电介质162中形成沟槽，以暴露金属互连件150。此后，可以填充沟槽以形成上部金属170。具体而言，可以在第一层间电介质160上和/或上方沉积厚度范围约为3000至5000埃(
)的电介质，然后可以实施沟槽光刻工艺(trench photo process)以在金属互连件150上或上方形成沟槽图案。此后，可以使用诸如钨(W)或铝(Al)等填充沟槽，然后实施化学机械抛光(CMP)以形成上部金属170。此后，可以将所得的(resultant)第一衬底接合至第二衬底以用作光电二极管。
上部金属170和图像传感器件210之间的接合(bonding)使得两个经接合的衬底之间的接触面积最大化，从而接触缺陷(contact failures)得以最小化；并且改变了填充沟槽的金属，从而与仅使用钨(W)的接触工艺相比，可以最小化接触缺陷。此外，由于第二层间电介质16可以在第一层间电介质上和/或上方形成2，因此可以重复进行平坦化工艺，从而可以控制在用作光电二极管(PD)的衬底的接合时所产生的任何空隙(voids)，这种空隙的产生由于划线通道(scribe lane)上的测试图案或光键(photo key)引起的高度差所导致，从而可以最小化诸如图案裂纹(pattern crack)等缺陷。
可选地，位于金属互连件150上和/或上方的上部金属170也可以使用其它技术来形成。例如，可以在第一衬底100上或上方形成第一层间电介质160，然后可以在金属互连件150上和/或上方形成金属层。此后，可以选择性地蚀刻金属层以形成连接至金属互连件150的上部金属170。此后，可以在上部金属170上和/或上方形成第二层间电介质162，然后可以平坦化第二层间电介质162以暴露上部金属170。
如示例性图4所示，可以在上部金属170上和/或上方形成图像传感器件210。例如，图像传感器件210可以在第二衬底的结晶半导体层中形成。图像传感器件210可以包括高浓度第一导电类型导电层212、第一导电类型导电层214和高浓度第二导电类型导电层216。例如，图像传感器件210可以包括N+层212、N-层214和P+层216。N+层212能够有助于欧姆接触。由于第一导电类型导电层214可以比高浓度第二导电类导电层216厚，因此用于捕获光电子的容量可以最大化。然后可以实施蚀刻工艺，分离用于每个单元像素的图像传感器件210。然后可以用像素间(interpixel)电介质填充经蚀刻的部分。
示例性图5为根据实施例的图像传感器的剖视图。如示例性图5所示，由于上部金属172形成为其宽度实际上与用于每个单元像素的经分隔的图像传感器件的宽度相同，因此实施例可最大化电接触力。
示例性图6为根据实施例的图像传感器的剖视图，并且示出了其上方形成有金属互连件150的第一衬底的局部剖视图。如示例性图6所示，根据实施例的图像传感器可以包括：读出电路120，形成在第一衬底100上和/或上方；第一层间电介质160，形成在第一衬底100上和/或上方；金属互连件150，形成在层间电介质160中并电连接至读出电路120；上部金属170，形成在金属互连件150上和/或上方；以及图像传感器件210，形成在上部金属170上和/或上方。
如示例性图6所示，实施例可以包括上部金属，其设置在金属互连件和图像传感器件之间(interposed)，以增加金属接触面积，从而最小化物理接触缺陷和电接触的缺陷。此外，在转移晶体管(Tx)两侧的源极和漏极之间存在电势差，从而可以完全地倾注光电荷。此外，可以在光电二极管和读出电路之间形成电荷连接区以提供光电荷的快速移动路径，从而最小化暗电流源，并且可以使饱和度和灵敏度的下降最小化甚至得以避免。
根据示例性图6，可以在电结区140的一侧的上和/或上方侧向间隔地形成第一导电类型连接区148。可选地，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。
由于器件可以根据施加至P0/N-/P-结140的反向偏压而运行，并由此而在Si表面上和/或上方产生电场(EF)，因此形成N+连接区148和M1C接触件151a的工艺可以提供泄漏源。在接触件形成工艺期间产生于电场内部的晶体缺陷(crystal defect)可以作为泄漏源。并且，随着N+连接区148形成在P0/N-/P-结140表面上和/或上方，因为N+/P0结148/145而产生电场。这样的电场也可以作为泄漏源。因此，根据实施例，可以采取以下的这种布局，其中第一接触栓塞151a可以形成在有源区中，其中所述有源区未掺杂P0层，而是包括N+连接区148，并且可以将第一接触栓塞151a连接至N-结143。因此，根据实施例，在Si表面上和/或上方可以不产生电场，这样可有助于减少3D集成CIS的暗电流。
尽管实施例一般涉及互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，但这些实施例不仅局限于CMOS图像传感器，而是可以很容易地应用于任何一种需要光电二极管的图像传感器。
本领域技术人员显然可以对公开的实施例进行各种修改和改变。因此，公开的实施例能够涵盖明显的修改和改变，并落在所附权利要求及其等效替换的范围内。
Claims (14)
1.一种图像传感器，包括：
读出电路，位于第一衬底上方，其中所述第一衬底包括与所述读出电路电耦合的电结区；
第一层间电介质，位于所述第一衬底上方；
金属互连件，形成在所述第一层间电介质中并且与所述读出电路电耦合；
上部金属，位于所述金属互连件上方；
图像传感器件，位于所述上部金属上方；以及
第一导电类型连接区，位于所述电结区和所述金属互连件之间，
其中所述第一导电类型连接区与所述金属互连件电耦合，
其中所述电结区形成在所述第一导电类型连接区和所述读出电路之间。
2.如权利要求1所述的图像传感器，包括：
第二层间电介质，位于所述第一层间电介质上方并且位于所述图像传感器件和所述金属互连件之间。
3.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述电结区包括：
第一导电类型离子注入区，位于所述第一衬底中；以及，
第二导电类型离子注入区，位于所述第一导电类型离子注入区上方。
4.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述读出电路包括晶体管，使得所述晶体管两侧的源极和漏极之间存在电势差。
5.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述电结区包括PN结。
6.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述第一导电类型连接区与所述电结区的一侧接触。
7.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述图像传感器件包括：
第一导电类型导电层和位于所述第一导电类型导电层上方的第二导电类型导电层，其中所述第一导电类型导电层比所述第二导电类型导电层厚。
8.一种图像传感器的制造方法，包括以下步骤：
在第一衬底上方形成读出电路和与所述读出电路电耦合的电结区；
在所述第一衬底上方形成第一层间电介质；
在所述第一层间电介质上方形成金属互连件；
在所述金属互连件上方形成上部金属；
在所述上部金属上方形成图像传感器件；以及
在所述电结区和所述金属互连件之间形成第一导电类型连接区，
其中所述第一导电类型连接区与所述金属互连件电耦合，
其中所述电结区形成在所述第一导电类型连接区和所述读出电路之间。
9.如权利要求8所述的方法，其中形成所述上部金属的步骤包括：
在所述第一层间电介质上方形成第二层间电介质；
在所述第二层间电介质中形成沟槽，使得所述金属互连件暴露；以及，
填充所述沟槽以形成所述上部金属。
10.如权利要求8所述的方法，其中形成所述上部金属的步骤包括：
在所述金属互连件上方形成金属层；
通过选择性地蚀刻所述金属层，形成所述上部金属；
在所述上部金属上方形成第二层间电介质；以及，
平坦化所述第二层间电介质以暴露所述上部金属。
11.如权利要求8所述的方法，其中形成所述电结区的步骤包括：
在所述第一衬底中形成第一导电类型离子注入区；
在所述第一导电类型离子注入区上方形成第二导电类型离子注入区。
12.如权利要求8所述的方法，其中所述读出电路包括：
晶体管，使得所述晶体管两侧的源极和漏极之间存在电势差。
13.如权利要求8所述的方法，其中所述电结区包括PN结。
14.如权利要求8所述的方法，其中所述第一导电类型连接区与所述电结区的一侧接触。
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