CN101471375B - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种图像传感器及其制造方法。在该图像传感器中，半导体衬底上形成有读出电路。包括下金属线的层间绝缘层位于半导体衬底上，下金属线与读出电路电连接。缓冲绝缘层位于层间绝缘层上。下电极贯穿缓冲绝缘层以与下金属线连接。结晶半导体层位于缓冲绝缘层上，结晶半导体层与下电极部分地连接。光电二极管位于结晶半导体层中。本发明的图像传感器可以增加填充因子并且减少在接合表面中产生的缺陷。
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。通常，将图像传感器分为电荷耦合器件(CCD)图像传感器和互补金属氧化硅(CMOS)图像传感器(CIS)。在现有技术的一种图像传感器中，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，由此使得光接收部的面积减小，最终导致图像质量下降。
此外，由于叠层高度的缩小没有达到光接收部面积减小的那种程度，因此由于光衍射(如众所周知的艾里斑或艾里图案)导致入射到光接收部的光子量也会减少。作为解决这类问题的可选方法，已经尝试使用非结晶硅(Si)来形成光电二极管，并且已经尝试使用诸如晶片-晶片接合(wafer-to-waferbonding)等方法在Si衬底中形成读出电路以及在该读出电路上形成光电二极管(称作“三维(3D)图像传感器”)。光电二极管通过金属线与读出电路连接。然而，当实施晶片-晶片接合时，会在光电二极管中产生缺陷，从而可能产生暗电流。
发明内容
实施例涉及一种图像传感器及其制造方法，其可以增加填充因子(fillfactor)并且减少在接合表面中产生的缺陷。实施例涉及一种图像传感器，其包括：半导体衬底，其上形成有读出电路；层间绝缘层，其包括位于半导体衬底上的下金属线，该下金属线与该读出电路电连接；缓冲绝缘层，其位于层间绝缘层上；下电极，其贯穿缓冲绝缘层，以与下金属线连接；结晶半导体层，其位于缓冲绝缘层上，该结晶半导体层与下电极部分地连接；以及光电二极管，其位于结晶半导体层中。
实施例还涉及一种图像传感器的制造方法，其包括以下步骤：在半导体衬底上形成读出电路；在半导体衬底上形成包括下金属线的层间绝缘层，使得下金属线与读出电路电连接；在载体衬底(carrier substrate)上形成结晶半导体层；在结晶半导体层上形成缓冲绝缘层；在结晶半导体层中形成光电二极管；形成贯穿缓冲绝缘层以与光电二极管连接的下电极；将层间绝缘层与载体衬底的缓冲绝缘层接合(bond)，使得下金属线与下电极电连接；以及除去载体衬底，以露出位于半导体衬底上的光电二极管，其中下电极包括：电极部(electrode section)，其具有第一宽度；和通孔接触件(via contact)，其从电极部延伸并且具有比第一宽度窄的第二宽度，通孔接触件的某些部分插入结晶半导体层中，以及使下电极的电极部与下金属线连接。
附图说明
示例性图1至图9是示出了根据实施例的图像传感器的制造方法的剖视图。
示例性图10是根据实施例的图像传感器的局部示图。
具体实施方式
示例性图9是根据实施例的图像传感器的剖视图，其中该图像传感器包括：半导体衬底100，其上形成有读出电路120；层间绝缘层160，其包括位于半导体衬底100上或上方的下金属线150，其中该下金属线150可以与读出电路120电连接。此外，读出电路120可以包括：缓冲绝缘层210，其位于层间绝缘层160上或上方；下电极240，其贯穿缓冲绝缘层210以与下金属线150连接；结晶半导体层200，其设于缓冲绝缘层210上或上方，该结晶半导体层200与下电极240部分地连接；以及光电二极管220，其位于结晶半导体层200中。
图9的光电二极管220仅是一个实例，可以考虑其它光电二极管，例如，光电二极管220可以具有光电二极管和光电门(photogate)的耦合结构。此外，在上述说明中，光电二极管220形成在结晶半导体层200中，然而光电二极管220也可以选择性地形成在例如非结晶硅层中。
下电极240可以包括：电极部241，其与下金属线150连接并且具有第一宽度D1；和通孔接触件242，其从电极部241向上延伸并且具有比该第一宽度D1窄的第二宽度D2，其中通孔接触件242的某些部分延伸到结晶半导体层200中。半导体衬底100的读出电路120可以包括形成在半导体衬底100中的电结区(electrical junction region)140。
参考示例性图1至图9给出根据实施例的图像传感器的制造方法。参见示例性图1，读出电路120可以形成在半导体衬底100上或上方。此外，与读出电路120连接的下金属线150可以形成在半导体衬底100上或上方。示例性图2是半导体衬底100的局部示图，该半导体衬底100上形成有如图1所示的读出电路120和下金属线150。
首先，如图2所示，制备上面形成有下金属线150和读出电路120的半导体衬底100。例如，可以通过在第二导电类型半导体衬底100中形成器件隔离层110来限定有源区，然后可以在有源区中形成包括晶体管的读出电路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以及选择晶体管(Sx)127。此后，可以形成离子注入区130，该离子注入区130包括用于每个晶体管的浮置扩散区(FD)131以及源/漏极区133、135、137。
在半导体衬底100中形成读出电路120的步骤可以包括：在半导体衬底100中形成电结区140，并且形成与位于该电结区140上或上方的下金属线150连接的第一导电类型连接区147。例如，电结区140可以是PN结140，或者也可以例如包括形成在第二导电阱141或第二导电类型外延(epi)层上的第一导电类型离子注入层143、以及形成在第一导电类型离子注入层143上的第二导电类型离子注入层145。例如，如示例性图2所示，PN结140可以是P0/N-/P-结(附图标记145/143/141)。半导体衬底还可以掺杂有第二导电类型杂质，但这不是必须的。
根据实施例，通过将图像传感器设计为使得转移晶体管(Tx)的源极和漏极之间存在电势差，从而能够充分倾注(dump)光电荷。这样，光电二极管中产生的光电荷可以被倾注到浮置扩散区中，从而提高输出图像的灵敏度。换句话说，通过在上面形成有读出电路120的半导体衬底100中形成电结区140，从而在转移晶体管(Tx)的源极和漏极之间产生电势差，由此能够充分倾注光电荷。
与可以为N+结的浮置扩散区(FD)131不同，电结区140可以不完全接收所施加的电压，而是可以在恒定电压处夹断(pinched off)。这种电压被称作“钉扎电压”，并且受P0 145和P-143的掺杂浓度影响。
在光电二极管220(参见示例性图9)中产生的电子迁移至PNP结140，并且当转移晶体管(Tx)121开启时，这些电子转移至FD 131节点(node)并且转换成电压。由于P0/N-/P-结140的最大电压值变成钉扎电压并且FD131节点的最大电压值变成Vdd-Rx Vth，因此在芯片上的光电二极管220中产生的电子由于转移晶体管(Tx)131的源极和漏极之间的电势差而可以在无电荷分享(charge sharing)的情况下被完全倾注到FD 131节点中。
在半导体衬底100中形成P0/N-/P阱结、而不是N+/P阱结的原因之一在于：在4晶体管APS(4-Tr APS)的复位操作中，对P0/N-/P阱结的N-143施加正(+)电压，并且对P0 145和P阱141施加接地电压。因此，在超过恒定电压的电压下，P0/N-/P阱双结就像在BJT结构中一样会被夹断。如上所述，这被称作“钉扎电压”。因此，在转移晶体管(Tx)121的源极和漏极之间产生电势差，从而当转移晶体管(Tx)开启/关闭时，可以防止电荷分享现象。因此，与现有的连接至N+结的光电二极管不同，实施例避免使饱和度和敏感度降低。
接下来，根据实施例，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，以助于光电荷的平稳迁移，从而最小化暗电流源，并且限制或防止饱和度和敏感度降低。因此，在实施例中，可以形成第一导电类型连接区147，以用于在P0/N-/P-结140的表面中进行欧姆接触(ohmic contact)。可以形成N+区147，以便贯穿P0 145并且接触N-143。
为了最小化作为泄漏源的第一导电类型连接区147，可以最小化第一导电类型连接区147的宽度。为此目的，可以先蚀刻第一金属接触部151a，然后注入栓塞(plug)。也可以考虑其它技术，例如通过先形成离子注入图案并且使用所形成的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。这样可以最小化暗信号(dark signal)并且平稳地形成欧姆接触，对接触部实施类似于上文所述的局部N+掺杂。相比而言，如果对转移晶体管(Tx)的整个源极区实施N+掺杂，则可能会由于Si表面的悬挂键(danglingbonds)而使暗信号增加。
接下来，可以在半导体衬底100上或上方形成层间绝缘层160，然后可以形成下金属线150。作为一实例，下金属线150可以包括第一金属接触部151a、第一金属(M1)151、第二金属(M2)152、第三金属(M3)153以及第四金属接触部154，但也可以考虑其它结构。
参见示例性图3，制备包括结晶半导体层200的载体衬底20。该载体衬底20可以是掺杂有p-型或n-型杂质的单结晶或多结晶硅衬底。结晶半导体层200可以是载体衬底20的上部区域。接下来，可以在结晶半导体层200上或上方形成缓冲绝缘层210。例如，缓冲绝缘层210可以由氧化物形成。可以通过使用热氧化或CVD在结晶半导体层200上形成缓冲绝缘层210。然后可以在结晶半导体层200的内部形成光电二极管220。光电二极管220包括第一导电区221和第二导电区222。
可以在结晶半导体层200的内上部区域形成第一导电区221。例如，可以通过注入n-型杂质离子形成第一导电区221。可以在结晶半导体层200的内下部区域形成第二导电区222。例如，可以通过注入p-型杂质离子形成第二导电区222。由于在第一导电区221的下方形成第二导电区222，因此光电二极管220可以具有PN结结构。第一导电区221可以形成为比第二导电区222厚。这样，有利于产生光电荷。作为选择，可以在形成缓冲绝缘层210之前形成光电二极管220。
参见示例性图4，可以形成贯穿缓冲绝缘层210的通孔沟槽215。该通孔沟槽215可以对应下金属线150而形成。也就是说，每个单元像素都可以形成通孔沟槽215。通孔沟槽215可以通过镶嵌工艺(damascene process)形成。通孔沟槽215可以通过以下步骤形成：在缓冲绝缘层210的上部形成浅沟槽，然后形成与沟槽211连接并且贯穿缓冲绝缘层210以露出光电二极管220的通孔212。作为选择，可以通过先形成通孔212、然后形成沟槽211来形成通孔沟槽215。该沟槽211可以具有第一宽度D1，并且通孔212可以具有比第一宽度D1窄的第二宽度D2。通孔212可以露出光电二极管220的第一导电区221。也就是说，通过在通孔212的形成期间除去一些结晶半导体层200，可以选择性地露出光电二极管220的第一导电区221的内部。沟槽211的宽度可以形成为尽可能宽，从而最小化沟槽211之间的间隔。
参见示例性图5，可以在半导体层200上或上方增加欧姆接触层230。也就是说，可以在第一导电区221上或上方形成欧姆接触层230。例如，可以通过注入高浓度的n-型杂质离子来形成欧姆接触层230。当在第一导电区221一侧形成欧姆接触层230时，可以降低光电二极管220和下金属线150之间的接触电阻。作为选择，可以省略以上述方式形成欧姆接触层230的步骤。
如上所述，由于通过将杂质离子注入结晶半导体层200中可以在结晶半导体层200内形成光电二极管220和欧姆接触层230，从而可以减少或防止在光电二极管中产生缺陷以及暗电流的产生。作为选择，可以在形成光电二极管220之后形成欧姆接触层230。
参见示例性图6，可以在缓冲绝缘层210的通孔沟槽215内形成下电极240。可以通过在通孔沟槽215内形成金属层并且平坦化所形成的金属层来形成下电极240。例如，可以通过使用PVD沉积适当的材料来形成下电极240。所述材料可以是诸如Cr、Ti、TiN、Ta、TaN、Al、Cu和W其中之一或它们的化合物。此后，可以实施化学机械抛光(CMP)工艺，直到下电极240的上表面和缓冲绝缘层210的上表面具有基本上相同的高度。
可以使每个单元像素都形成有下电极240，以对应下金属线150。为了助于区分下电极240的不同部分，将下电极240的、形成于沟槽211中的部分称作“电极部”241，并且将下电极240的、形成于通孔212中的部分称作“通孔接触件”242。电极部241可以具有第一宽度D1，并且通孔接触件242可以具有比第一宽度D1小的第二宽度D2。在沟槽211内形成电极部241，并且电极部241可以与缓冲绝缘层210一起露出。电极部241可以形成为以最小的间隔与邻近的电极部241相隔离。因此，由于可以形成具有大面积的电极部241，所以电极部241可以尽可能地聚集产生于光电二极管220中的光子。
由于通孔接触件242的某些部分可以延伸至光电二极管220的第一导电区221的内部，因此能够隔开每个单元像素的光电二极管220。
参见示例性图7，可以使包括下金属线150的半导体衬底100与包括结晶半导体层200的载体衬底20耦合。半导体衬底100和载体衬底20可以通过接合工艺(bonding process)耦合。例如，可以将载体衬底20置于半导体衬底100的层间绝缘层160的上方，使得载体衬底20的缓冲绝缘层210的露出表面接触半导体衬底100的层间绝缘层160，然后实施接合工艺。具体而言，可以实施接合工艺，使得层间绝缘层160的下金属线150与缓冲绝缘层210的下电极240的电极部241对准。这样，包括光电二极管220的结晶半导体层200可以被准确地耦合在半导体衬底100上。因此，可以使半导体衬底100和光电二极管220垂直集成，从而提高填充因子。
此外，每个单元像素的下金属线150和下电极240可以独立地连接。具体而言，由于下电极240的电极部241具有第一宽度D1，因此可以很容易地进行下电极240和下金属线150之间的对准。从而，在光电二极管220中产生的光子可以通过每个像素中的下电极240转移至下金属线150。
由于缓冲绝缘层210保护上面形成有光电二极管220的结晶半导体衬底100的表面，所以可以减小接合工艺中所施加的应力。由于位于光电二极管220下方的缓冲绝缘层210可以直接接触半导体衬底100的层间绝缘层160，因此在接合工艺中缓冲绝缘层210可以作为缓冲层以减少泄漏分量(leakagecomponent)。此外，当缓冲绝缘层210残留在结晶半导体层200上而不是被除去时，可以简化制造工艺。而且，可以避免在除去缓冲绝缘层210时可能对光电二极管220产生的任何潜在的蚀刻损害，从而提高器件的可靠性。
参见示例性图8，可以除去载体衬底20，使得结晶半导体层200残留在半导体衬底100上或上方。在除去载体衬底20之后，缓冲绝缘层210和结晶半导体层200残留在半导体衬底100上。由于包括下电极240的缓冲绝缘层210和包括光电二极管220的结晶半导体层200可以残留在半导体衬底100上，所以可以实现半导体衬底100和光电二极管220的垂直集成。尽管未在图中示出，但可以进一步在光电二极管220上形成作为接地电极的上电极。
参见示例性图9，可以在结晶半导体层200上或上方形成滤色器250。每个单元像素都可以形成滤色器250以过滤来自入射光的颜色。作为选择，可以进一步在滤色器250上形成微透镜。
根据制造图像传感器的实施例，包括下金属线的半导体衬底可以与包括光电二极管的结晶半导体层耦合以实现垂直集成，从而提高光电二极管的填充因子。此外，可集成的额外片上电路(on-chip circuitry)可以提高图像传感器的性能，实现器件小型化，并且降低制造成本。由于使用垂直型光电二极管，所以可以减少或防止在光电二极管中产生缺陷，其中该垂直型光电二极管可以通过将杂质离子注入单晶衬底中而形成。此外，由于缓冲绝缘层形成在内部形成有光电二极管的结晶半导体层上，所以可减小在接合工艺中产生的应力。
示例性图10示出了根据实施例的图像传感器的局部示图，其中该图像传感器包括：半导体衬底100，其上形成有读出电路120；金属线150，其形成在半导体衬底100上或上方，以使半导体衬底100与金属线150电连接；和光电二极管，其与金属线150电连接，并且形成在半导体衬底100上方的结晶半导体层上。
如上所述，由于下电极240的电极部241具有第一宽度D1，所以可以容易地将电极部241与下金属线150对准。因此，在光电二极管220中产生的光子可以通过每个像素中的下电极240转移至下金属线150。此外，由于缓冲绝缘层210保护上面形成有光电二极管220的结晶半导体衬底100的表面，所以可减小在接合工艺中可能产生的应力。
然而，在图10中，也可以在电结区140的一侧形成第一导电类型连接区148。因此，可以在P0/N-/P-结140中形成用于欧姆接触的N+连接区148。此时，N+连接区148和接触部151a可以作为泄漏源。这是因为在操作中，将反向偏压(reverse bias)施加至P0/N-/P-结140，并且在Si衬底的表面中产生电场。在所产生的电场下，在形成接触部的过程中产生的晶体缺陷可以作为泄漏源。此外，在N+连接区148形成于P0/N-/P-结140的表面上的情况下，通过N+/P0结148/145产生额外的电场，其也可以作为泄漏源。
因此，图10可以允许以下这种设计：可以不对P0层实施掺杂。首先，可以在包括N+连接区148的有源区中形成接触栓塞151a，并且可以将接触栓塞151a连接至N-结143。由此，可以不在硅衬底的表面中产生电场，这样能够有利于减少3-D集成CIS中的暗电流。
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 (20)
1.一种图像传感器，包括：
半导体衬底，其上形成有读出电路；
层间绝缘层，位于该半导体衬底上方，该层间绝缘层包括与该读出电路电耦合的下金属线；
缓冲绝缘层，位于该层间绝缘层上方；
下电极，其贯穿该缓冲绝缘层，以与该下金属线连接；
结晶半导体层，位于该缓冲绝缘层上方，该结晶半导体层与该下电极部分地连接；以及
光电二极管，位于该结晶半导体层中。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其中该下电极包括：
电极部，与该下金属线连接并且具有第一宽度；以及
通孔接触件，从该电极部向上延伸并且具有比该第一宽度窄的第二宽度，该通孔接触件的至少一部分延伸到该结晶半导体层中。
3.如权利要求1所述的图像传感器，其中该光电二极管包括：第一导电区，形成在该结晶半导体层的第一区中；以及第二导电区，形成在该结晶半导体层的第二区中，该第一区比该第二区深。
4.如权利要求3所述的图像传感器，其中该下电极与该第一导电区部分地连接。
5.如权利要求1所述的图像传感器，其中该读出电路包括：
电结区，形成在该半导体衬底中，并且该电结区包括：
第一导电类型离子注入区，形成在该半导体衬底中；以及
第二导电类型离子注入区，形成在该第一导电类型离子注入区上方。
6.如权利要求5所述的图像传感器，还包括：
第一导电类型连接区，位于该电结区上方，该第一导电类型连接区与该下金属线电连接。
7.如权利要求5所述的图像传感器，其中该电结区包括PNP结。
8.如权利要求1所述的图像传感器，其中该读出电路在晶体管的源极和漏极之间具有电势差。
9.如权利要求8所述的图像传感器，其中该晶体管是转移晶体管，并且该转移晶体管的源极的离子注入浓度低于浮置扩散区的离子注入浓度。
10.如权利要求5所述的图像传感器，还包括：
第一导电类型连接区，形成在该电结区的一侧并且与该下金属线电耦合。
11.如权利要求10所述的图像传感器，其中该第一导电类型连接区接触器件隔离区并且与该电结区连接。
12.一种图像传感器的制造方法，包括以下步骤：
在半导体衬底上形成读出电路；
在该半导体衬底上方形成包括下金属线的层间绝缘层，使得该下金属线与该读出电路电耦合；
在载体衬底上方形成结晶半导体层；
在该结晶半导体层上方形成缓冲绝缘层；
在该结晶半导体层中形成光电二极管；
形成贯穿该缓冲绝缘层的下电极，并且将该下电极配置为与该光电二极管连接；
将该层间绝缘层接合至该缓冲绝缘层，使得该下金属线与该下电极电耦合；以及
除去该载体衬底，使得该半导体衬底上的光电二极管被暴露，
其中该下电极包括：电极部，具有第一宽度；以及通孔接触件，自该电极部延伸并且具有比该第一宽度窄的第二宽度，该通孔接触件的至少一部分延伸到该结晶半导体层中，并且该电极部与该下金属线电耦合。
13.如权利要求12所述的制造方法，其中形成该下电极的步骤包括：
在该缓冲绝缘层中形成沟槽；
形成沿该沟槽的向下方向延伸的导通孔；以及
在该沟槽和该导通孔中沉积导电材料，以在该沟槽中形成电极部并且在该导通孔中形成该通孔接触件。
14.如权利要求12所述的制造方法，其中形成该光电二极管的步骤包括：
在该结晶半导体层中对应于该缓冲绝缘层的下部形成第一导电区；以及
在该第一导电区下方形成第二导电区。
15. 如权利要求14所述的制造方法，其中该通孔接触件与该第一导电区连接。
16.如权利要求12所述的制造方法，其中形成该读出电路的步骤包括：
在该半导体衬底中形成电结区，包括以下步骤：
在该半导体衬底中形成第一导电类型离子注入区；以及
在该第一导电类型离子注入区上形成第二导电类型离子注入区。
17.如权利要求16所述的制造方法，还包括以下步骤：
形成与该下金属线电耦合的第一导电类型连接区。
18.如权利要求17所述的制造方法，其中在实施用于该下金属线的接触蚀刻之后，实施形成该第一导电类型连接区的步骤。
19.如权利要求16所述的制造方法，还包括：
在该电结区的一侧形成与该下金属线电耦合的第一导电类型连接区。
20.如权利要求19所述的制造方法，其中该第一导电类型连接区形成为接触器件隔离区并且与该电结区电耦合。
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