CN101471374B - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例公开一种图像传感器及其制造方法。根据实施例，图像传感器可以包括第一衬底、光电二极管以及离子注入隔离层。根据实施例，包括金属互连件的电路可设置在第一衬底上方。可在接合到第一衬底的结晶半导体层中设置光电二极管，包括位于结晶半导体层中的第二导电类型导电层以及位于第二导电类型导电层上方的第一导电类型导电层，并且电连接到金属互连件。在光电二极管中可设置离子注入隔离层，包括位于第一导电类型导电层下方的第二导电类型第一离子注入隔离层和位于光电二极管的像素之间的界面处的第二导电类型第二离子注入隔离层。本发明可阻止因晶体缺陷而引起的暗电流，提高衬底之间的接合性和对准裕度，并且增强分辨率和灵敏度。
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图像转变成电信号的半导体器件。图像传感器可被划分为电荷耦合器件(CCD)图像传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)。
CIS包括形成在单位像素中的光电二极管和MOS晶体管。CIS可通过以切换的方式顺序地检测单位像素的电信号而获取图像。在CIS结构中，光电二极管区可将光信号转换为电信号，晶体管可处理电信号。CMOS图像传感器可包括形成在单位像素中的光电二极管和MOS晶体管，以顺序检测每个单位像素的电信号，从而实现图像。光电二极管区和晶体管可以水平排列在半导体衬底中。
在根据现有技术的水平型CIS中，光电二极管和晶体管可以水平地、彼此相邻地形成在衬底上和/或上方。因此，可能需要用于形成光电二极管的附加区域。
同样地，在现有技术的水平型CIS中，可能难以达到同时形成光电二极管和晶体管的最佳优化工艺。也就是说，可能需要浅结(shallow junction)来满足快速晶体管工艺中的低薄层电阻(low sheet resistance)，但是这种浅结不一定适合光电二极管。
此外，在现有技术的水平型CIS中，可在图像传感器上添加额外的片上功能。因此，可能需要增加单位像素的尺寸以保持图像传感器的灵敏度，或者需要减小光电二极管的面积以保持像素尺寸。但是，如果像素尺寸增加，图像传感器的分辨率就可能降低。如果光电二极管的面积减小，图像传感器的灵敏度就可能变差。
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，其可提供垂直集成的电路和光电二极管。本发明的实施例涉及一种图像传感器及其制造方法，其可在具有结晶结构的垂直型光电二极管中阻止暗电流。
实施例涉及一种图像传感器及其制造方法，其可实现垂直型光电二极管，这可以提高衬底间的接合性(bondability)和对准裕度(alignment margin)。实施例涉及一种图像传感器及其制造方法，其可增强分辨率和灵敏度。
实施例涉及一种图像传感器及其制造方法，其可实现垂直型光电二极管，这可以阻止在光电二极管中产生缺陷。
根据实施例，一种图像传感器可以包括至少一个如下结构：可在第一衬底上和/或上方形成的包括金属互连件的电路。位于接合到第一衬底的结晶半导体层中的光电二极管，其中光电二极管可电连接到金属互连件。位于光电二极管中的离子注入隔离层。其中光电二极管包括：位于结晶半导体层中的第二导电类型导电层，以及位于第二导电类型导电层上方的第一导电类型导电层。其中离子注入隔离层包括位于第一导电类型导电层下方的第二导电类型第一离子注入隔离层，以及位于光电二极管的像素之间的界面处的第二导电类型第二离子注入隔离层。
根据实施例，一种的图像传感的器制造方法可以包括至少一个如下步骤：可在第一衬底上和/或上方形成包括金属互连件的电路。在第二衬底的结晶半导体层中形成光电二极管。在光电二极管中形成离子注入隔离层。将第一与第二衬底彼此接合，这样可将光电二极管连接到金属互连件。去除第二衬底的下部以暴露光电二极管。其中形成光电二极管的步骤包括：在结晶半导体层中形成第二导电类型导电层，以及在第二导电类型导电层上方形成第一导电类型导电层。其中在光电二极管中形成离子注入隔离层的步骤包括：在第一导电类型导电层上方形成第二导电类型第一离子注入隔离层，在光电二极管的像素之间的界面处形成第二导电类型第二离子注入隔离层。
本发明提供了一种垂直集成的电路和光电二极管，可阻止因晶体缺陷而引起的暗电流，提高衬底之间的接合性和对准裕度，并且增强分辨率和灵敏度。
附图说明
示例性图1至图8示出根据本发明实施例的图像传感器及其制造方法。
具体实施方式
以下将参考附图描述根据实施例的图像传感器及其制造方法。
示例性图1是根据实施例的图像传感器的剖视图。参考示例性图1，图像传感器包括第一衬底100，在第一衬底上和/或上方可形成包括金属互连件的电路。根据实施例，光电二极管210可设置在结晶半导体层中，其可接合到第一衬底100，并可电连接到金属互连件。可在光电二极管210中设置离子注入隔离层220。
根据实施例，光电二极管210可包括第二导电类型导电层212和第一导电类型导电层214，其中第二导电类型导电层212位于结晶半导体层中，而第一导电类型导电层214位于第二导电类型导电层212上和/或上方。根据实施例，通过实现垂直型光电二极管，其中光电二极管可设置在电路上方，可最小化或阻止光电二极管中的缺陷。根据实施例，光电二极管210可形成在结晶半导体层中。
根据实施例，离子注入层220可包括第二导电类型第二离子注入隔离层220b，第二导电类型第二离子注入隔离层220b可设置在光电二极管210的像素之间的界面处。根据实施例，离子注入隔离层220可包括第二导电类型第一离子注入隔离层220a，第二导电类型第一离子注入隔离层220a可设置在第一导电类型导电层214下和/或下方。
根据实施例，光电二极管210(可用n型杂质来轻掺杂)的侧面和/或底部可使用离子注入隔离层绝缘。这样可达到像素至像素的隔离。根据实施例，离子注入隔离层可为P0层220。根据实施例，可使用离子注入隔离层220，而不是使用现有技术的浅沟槽隔离(STI)工艺。根据实施例，可能因在蚀刻工艺期间产生的晶体缺陷而引起的暗电流可以被最小化。
根据实施例，图像传感器可进一步包括位于光电二极管210下的第二电介质260和位于第二电介质260中的金属焊盘270。根据实施例，在实现垂直型光电二极管的图像传感器的制造中，在形成电介质260和金属焊盘270后，可接合衬底。这样能够提高衬底之间的接合性和对准裕度。
以下将参考示例性图2至图8描述根据实施例的图像传感器制造方法。参考示例性图2，光电二极管210可形成在第二衬底200的结晶半导体层中。根据实施例，由于光电二极管210可形成在结晶半导体层中，所以能够最小化或阻止光电二极管内的缺陷。
根据实施例，可通过外延生长法形成第二衬底200。根据实施例，可将氢离子注入到第二衬底200与结晶半导体层间的界面处。这样可形成氢离子注入层。根据实施例，可在注入杂质离子以形成光电二极管210后，注入氢离子。
根据实施例，可将杂质离子注入到结晶半导体层中。这样可形成光电二极管210。根据实施例，第二导电类型导电层212可形成在结晶半导体层的下部。第二导电类型导电层212可为高浓度P型导电层。根据实施例，高浓度P型导电层212可形成在结晶半导体层的下部。根据实施例，这可以在不需要掩模的条件下，通过在第二衬底200的整个表面上和/或上方执行第一毯覆式(blanket)离子注入而完成。根据实施例，第二导电类型导电层212可形成在结深小于大约0.5μm处。
根据实施例，第一导电类型导电层214可形成在第二导电类型导电层212上和/或上方，例如在不需要掩模的条件下，通过在第二衬底200的整个表面上和/或上方执行第二毯覆式离子注入而形成。根据实施例，第一导电类型导电层214可为低浓度N型导电层。根据实施例，低浓度第一导电类型导电层214可形成在范围为从大约1.0μm到大约2.0μm的结深处。
根据实施例，图像传感器的制造方法还可包括在第一导电类型导电层214上和/或上方形成第二导电类型第一离子注入隔离层220a。根据实施例，可在不需要掩模的条件下执行离子注入，可形成第二导电类型第一离子注入隔离层220a。根据实施例，这可为第一P0层220a。
参考示例性图3，第二导电类型第二离子注入隔离层220b可形成在光电二极管210的像素之间的界面处。根据实施例，可使用光刻(photolithographic)工艺与离子注入工艺，在像素之间的界面处形成第二P0层220b。第二P0层220b可用作N-层214的像素至像素间的隔离件，也可用于地线连接，其中N-层214可为用作光电二极管的第一导电类型导电层214。
参考示例性图4，可选择性地形成高浓度第一导电类型离子注入区230。根据实施例，第一导电类型导电层214可连接到第二导电类型第一离子注入隔离层220a。根据实施例，可使用光刻工艺与离子注入工艺形成N+层230。N-层214可充当光电二极管210。根据实施例，第一P0层220a与第二P0层220b可用作地线和像素至像素间的隔离件。根据实施例，N+层230可用作像素所产生的电子的电子运动(electron movement)路径，并且有助于欧姆接触(ohmic contact)。
参考示例性图5，第一电介质240可形成在第二衬底200上和/或上方。根据实施例，接着可形成金属塞(metal plug)250。根据实施例，氧化物层可以形成在第二衬底200上和/或上方。根据实施例，金属塞250可由钨形成，但可不限于此。
参考示例性图6，第二电介质260可形成在第二衬底200的光电二极管210上和/或上方。根据实施例，金属焊盘270可形成在第二电介质260中。根据实施例，在实现垂直型光电二极管的图像传感器的制造中，可在形成电介质260和金属焊盘270后，接合衬底。这可以提高衬底之间的接合性和对准裕度。根据实施例，金属焊盘270可由钨(W)、铝(Al)、铜(Cu)等形成。
参考示例性图7，制备第一衬底100，第一衬底100可包括金属互连件和电路。根据实施例，通过晶片级(wafer-level)的接合，可将第一衬底100接合到第二衬底200。第一衬底100的金属互连件可包括金属件110和插塞120。
根据实施例，上述接合可通过将第一衬底100与第二衬底200彼此接触，然后再通过等离子体执行激活(activation)来执行。根据实施例，这可增加接合表面中的表面能量。
参考示例性图8，可在第二衬底200中形成氢离子注入层，可将该氢离子注入层变为氢气层。根据实施例，这可通过对第二衬底200执行热处理来完成。根据实施例，然后可去除一部分第二衬底200。根据实施例，光电二极管210可保留在氢气层下。这可暴露光电二极管210。根据实施例，可使用切割装置，例如刀片(blade)，来去除第二衬底200。
根据实施例，可在接合第一衬底与第二衬底之后，通过执行切割(cleaving)或背部薄化(backside thinning)工艺，去除P外延层，其中P外延层可位于第二衬底200的上部。根据实施例，在后续工艺期间，光电二极管210的最上层可连接到地线，光电二极管210的最上层可为P+层212。
根据实施例，图像传感器及其制造方法可提供垂直集成的电路和光电二极管。根据实施例，为达到像素至像素之间的隔离，光电二极管的用n型杂质轻掺杂的部分可使用P0层而不是使用现有技术中的STI工艺来彼此绝缘。根据实施例，能够最小化因在蚀刻工艺期间产生的晶体缺陷而引起的暗电流。
根据实施例，在实现垂直型光电二极管的图像传感器的制造中，可在形成电介质和金属焊盘之后，接合衬底。这可提高衬底之间的接合性和对准裕度。
根据实施例，垂直集成的电路和光电二极管能够获得接近100％的填充因数，并能够最大化灵敏度。
尽管针对互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)描述上述实施例，但实施例并不限于CIS。根据实施例，任何需要光电二极管的图像传感器都可以使用上述实施例。
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，在所附权利要求及其等效替换的范围内，公开的实施例能够涵盖明显的修改和改变。
Claims (12)
1.一种图像传感器，包括：
衬底；
电路，位于所述衬底上方，所述电路包括金属互连件；
光电二极管，位于与所述衬底接合的结晶半导体层中，所述光电二极管与所述金属互连件电连接；以及
离子注入隔离层，位于所述光电二极管中，
其中所述光电二极管包括：
第二导电类型导电层，位于所述结晶半导体层中；以及
第一导电类型导电层，位于所述第二导电类型导电层上方，
其中所述离子注入隔离层包括位于所述第一导电类型导电层下方的第二导电类型第一离子注入隔离层，
其中所述离子注入隔离层包括位于所述光电二极管的像素之间的界面处的第二导电类型第二离子注入隔离层。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述第二导电类型导电层形成在结深小于0.5μm处。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述第一导电类型导电层形成在范围为1.0μm到2.0μm的结深处。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述离子注入隔离层包括P0层。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，包括：
电介质，位于所述光电二极管与所述金属互连件之间；以及
金属焊盘，位于所述电介质中。
6.一种图像传感器的制造方法，包括如下步骤：
提供第一衬底；
在所述第一衬底上方形成包括金属互连件的电路；
在第二衬底的结晶半导体层中形成光电二极管；
在所述光电二极管中形成离子注入隔离层；
将所述第一衬底接合到所述第二衬底，以将所述光电二极管连接到所述金属互连件；以及
去除所述第二衬底的下部以暴露所述光电二极管，
其中形成所述光电二极管的步骤包括：
在所述结晶半导体层中形成第二导电类型导电层；以及
在所述第二导电类型导电层上方形成第一导电类型导电层，
其中在所述光电二极管中形成所述离子注入隔离层的步骤包括：在所述第一导电类型导电层上方形成第二导电类型第一离子注入隔离层，
其中在所述光电二极管中形成所述离子注入隔离层的步骤包括：在所述光电二极管的像素之间的界面处形成第二导电类型第二离子注入隔离层。
7.根据权利要求6所述的方法，包括在结深小于0.5μm处形成所述第二导电类型导电层。
8.根据权利要求6所述的方法，包括在范围为1.0μm到2.0μm的结深处形成所述第一导电类型导电层。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述离子注入隔离层包括P0层。
10.根据权利要求6所述的方法，包括如下步骤：
在接合所述第一衬底和所述第二衬底之前，在所述第二衬底的所述光电二极管上方形成电介质；以及
在所述电介质中形成金属焊盘。
11.根据权利要求6所述的方法，其中将所述第一衬底接合到所述第二衬底的步骤包括：将所述第一衬底与所述第二衬底彼此接触并且通过等离子体执行激活。
12.根据权利要求6所述的方法，其中形成包括所述金属互连件的所述电路的步骤包括：在所述第一衬底上方形成金属件和插塞。
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