CN101674425A - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施方案提供一种图像传感器及其制造方法。图像传感器包括读出电路、层间电介质、互连和图像感测器件。所述互连包括下部阻挡金属和在下部阻挡金属之下形成的氮化物阻挡物。穿过氮化物阻挡物，形成电连接下部阻挡金属至下部互连的接触塞阻挡物。
Description
技术领域
本公开内容涉及图像传感器和其制造方法。
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。图像传感器可大致分为电荷耦合器件(CCD)图像传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)。
在图像传感器的制造过程中，可以使用离子注入在衬底中形成光电二极管。由于光电二极管尺寸减小以便增加像素数目而不增加芯片尺寸，因此光接收部分的面积也减小，由此导致图像质量降低。
而且，由于堆叠高度的减小与光接收部分的面积的减小的程度不一样，所以由被称为艾里斑(Airy disk)的光衍射导致入射至光接收部分的光子数目也减少。
作为克服该限制的替代方案，已经尝试使用非晶硅(Si)形成光电二极管或使用诸如晶片-至-晶片接合的方法在硅(Si)衬底中形成读出电路以及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。
在相关技术中，光电二极管和读出电路通过金属线进行连接。金属线通常包括阻挡金属以防止金属腐蚀。
例如，当阻挡金属包含Ti/TiN结构时，下部阻挡金属的Ti没有完全地发生反应并作为钛而余留。然而，余留的Ti可扩散进入金属间电介质(IMD)，使得扩散的Ti变为暗电流源。
此外，由于在转移晶体管两侧的源极和漏极二者通常是用N-型杂质高度掺杂的，所以发生电荷共享现象(sharing phenomenon)。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，由于光电荷在光电二极管和读出电路之间不易于移动，所以产生暗电流和/或降低饱和度以及灵敏度。
发明内容
本发明实施方案提供一种图像传感器及其制造方法，所述图像传感器通过阻挡Ti扩散可抑制由扩散的Ti所产生的暗电流。
本发明实施方案还提供一种图像传感器及其制造方法，所述图像传感器中不发生电荷共享同时增加填充因子(fill factor)。一些实施方案还提供一种图像传感器及其制造方法，所述图像传感器通过在光电二极管和读出电路之间形成光电荷的平滑传输途径，可最小化暗电流源和抑制饱和度减小以及灵敏度降低。
根据一个实施方案，提供一种图像传感器，包括：第一衬底上的读出电路；第一衬底上的层间电介质；在层间电介质中并电连接至读出电路的互连；和在互连上并通过互连电连接至读出电路的图像感测器件，其中所述互连包括：下部阻挡金属和在下部阻挡金属之下形成的氮化物阻挡物。
而且，根据一个实施方案，提供一种制造图像传感器的方法，包括：在第一衬底上形成读出电路；在第一衬底上形成层间电介质；在层间电介质中形成电连接至读出电路的互连；和在互连上形成通过互连电连接至读出电路的图像感测器件，其中形成所述互连包括：形成氮化物阻挡物；和在氮化物阻挡物上形成下部阻挡金属。
附图说明
图1是根据一个实施方案的图像传感器的截面图。
图2至5是说明根据第一实施方案制造图像传感器的方法的视图。
图6是根据另一个实施方案的图像传感器的截面图。
具体实施方式
以下，将参考附图详细说明图像传感器和其制造方法。
在实施方案的描述中，应理解，当层(或膜)称为在另一层或衬底“上”时，其可直接在所述另一层或衬底上，或者也可存在中间层。此外，应理解，当层被称为在另一层“下”时，其可以直接在所述另一层下，或者也可存在一个或多个中间层。另外，也应理解，当层被称为在两层“之间”时，其可以是在所述两层之间仅有的层，或也可存在一个或多个中间层。
图1是根据一个实施方案的图像传感器的截面图。图2显示根据第一实施方案的衬底100和层间电介质160的详图。
参考图1和2，根据第一实施方案的图像传感器包括：在第一衬底100上的读出电路120；在第一衬底100上的层间电介质160；在层间电介质160中并电连接至读出电路120的互连150；在互连150上并通过互连150电连接至读出电路120的图像感测器件210。如图1所示，互连150可包括：下部阻挡金属(层153p、153q)；和在下部阻挡金属(层153p、153q)下形成的氮化物阻挡物153n。虽然图1显示第三金属153，但是实施方案不限于此。例如，氮化物阻挡物可形成在用于互连的每一层金属(例如，第一金属151、第二金属152和第三金属153)的下部阻挡金属之下。
图像感测器件210可为光电二极管。然而，本发明实施方案不限于此。例如，图像感测器件210可为光栅或者光电二极管和光栅的组合。实施方案包括形成在晶体半导体层中的光电二极管作为一个实例(但是不限于此)，包括形成在非晶半导体层中的光电二极管。
以下将参考说明制造图像传感器的方法的附图，描述图1中来说明的附图标记。
以下，将参考图2～5描述根据第一实施方案制造图像传感器的方法。
如图2所示，制备包括互连150和读出电路120的第一衬底100。
通过在第一衬底100中形成器件隔离层110限定有源区。读出电路120在有源区上形成并可包括转移晶体管(Tx)121、重置晶体管(Rx)123、驱动晶体管(Dx)125和选择晶体管(Sx)127。对于每个晶体管，可形成包括浮置扩散区域(FD)131以及源极/漏极区133、135和137的离子注入区域130。在一个实施方案中，可加入噪声排除电路(未显示)以改善灵敏度。
在第一衬底100上形成读出电路120可包括：在第一衬底100上形成电结区140和在电结区140的上部形成连接至互连150的第一导电型连接147。
例如，电结区140可以是P-N结140，但是不限于此。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区域143、以及在第一导电型离子注入区域143上形成的第二导电型离子注入层145。例如，参考图2，P-N结140可以是P0(145)/N-(143)/P-(141)结，但是实施方案不限于此。此外，第一衬底100可以是第二导电型，但是实施方案不限于此。
根据一个实施方案，器件设计为在转移晶体管(Tx)的源极和漏极之间提供电位差，由此使得光电荷能够完全转储(dumping)。因此，在光电二极管中产生的光电荷转储至浮置扩散区域，由此提高输出图像灵敏度。
即，参考图2，在包含读出电路120的第一衬底100中形成电结区140，以提供转移晶体管(Tx)121的源极和漏极之间的电位差，由此实现光电荷的完全转储。
以下，将详细地描述根据一个实施方案的光电荷的转储结构。
在一个实施方案中，和具有N+结的浮置扩散(FD)131节点不同，电结区140的P/N/P结140在预定电压下被截止(夹断)而没有向其完全地转移施加的电压。该电压被称作钉扎电压(pinning voltage)。钉扎电压取决于P0(145)和N-(143)掺杂浓度。
特别地，在光电二极管210中产生的电子转移至PNP结140，并且当转移晶体管(Tx)121导通时它们转移至浮置扩散(FD)131节点以转化为电压。
P0/N-/P-结140的最大电压变为钉扎电压，FD 131节点的最大电压变为Vdd-Vth_Rx。因此，由于Tx 131的源极和漏极之间的电位差，没有电荷共享，在芯片上的光电二极管210中产生的电子可完全转储至FD 131节点。
即，根据该实施方案，在第一衬底100的硅衬底(Si-Sub)中形成P0/N-/P-阱结而不是N+/P-阱结。其原因是，在四晶体管有源像素传感器(4-Tr APS)重置操作中，正(+)电压施加于P0/N-/P-阱结中的N-区域(143)，接地电压施加于P0区域(145)和P-阱(141)，因此P0/N-/P-阱双结在预定电压或更高电压下产生截止，如同在BJT结构中一样。这称为钉扎电压。因此，在Tx 121的源极和漏极之间产生电位差，因此在Tx导通/断开操作中由于光电荷通过Tx从源极处的N-区域全部转储至FD，使得能够抑制电荷共享现象。
因此，和简单地连接光电二极管至N+结的相关技术的情况不同，该实施方案使得能够抑制饱和度减小和灵敏度降低。
此后，在光电二极管和读出电路之间形成第一导电型连接147以产生光电荷的平滑的传输途径，由此使得能够最小化暗电流源并抑制饱和度减小和灵敏度降低。
为此，在P0/N-/P-结140的表面上，第一实施方案可形成N+掺杂区域作为第一导电型连接147用于欧姆接触。可形成N+区域(147)使得其穿透P0区域(145)以接触N-区域(143)。
另一方面，可最小化第一导电型连接147的宽度，以抑制第一导电型连接147成为泄漏源。为此，可在蚀刻用于第一金属接触151a的接触孔之后实施塞注入，但是实施方案不限于此。作为另一个实例，可形成离子注入图案(未显示)，可使用离子注入图案作为离子注入掩模来形成第一导电型连接147。
即，如第一实施方案中所述，仅仅对接触形成区域局部实施N+掺杂的原因是最小化暗信号和实现欧姆接触的平滑形成。如果Tx源极区域的整个宽度是如相关技术一样进行N+掺杂的，那么由于Si表面悬挂键导致暗信号可能增大。
然后，在第一衬底100上可形成层间电介质160，并且可形成互连150。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，但是实施方案不限于此。
以下，将参考图3～4描述制造包括氮化物阻挡物153n的第三金属153的方法。
在第一衬底100上可形成第一金属151和第二金属152，在第二金属152上形成第一层间电介质160a。
然后参考图3，在第一层间电介质160a上形成氮化物阻挡物153n。例如，在第一层间电介质160a上可形成SiN，但是实施方案不限于此。
然后，通过通孔工艺，可穿过氮化物阻挡物153n形成第三金属接触153a。
参考图4，可形成下部阻挡物例如层153p和153q、第三金属线153m和上部阻挡物例如层153r和153s。例如，下部阻挡物153p、153q可以是Ti(153p)和TiN(153q)的堆叠层结构。在一个实施方案中，第三金属线153m可以是Al。此外，上部阻挡物153r、153s可以是Ti(153r)和TiN(153s)的堆叠层结构。当然，实施方案不限于此。
接着，在金属图案化工艺之后，可通过依次地蚀刻上部阻挡物153r、153s、第三金属线153m和下部阻挡物153p、153q形成第三金属153。
此时，可通过过蚀刻下部阻挡物153p、153q使得氮化物阻挡物153n在每个像素中被隔离。
然后，在经蚀刻的间隔上(例如，在第三金属153之上和之间)形成第二层间电介质160b，并且在实施用于暴露上部阻挡物(例如，上部阻挡物的层153r、153s的层153s)的通孔工艺之后，可形成第四金属接触154a。
实施方案提供了通过形成氮化物阻挡物来阻挡Ti扩散从而抑制暗电流的图像传感器。
如图5所示，可在互连150上形成图像感测器件210。
例如，通过注入离子到第二衬底(未显示)的晶体半导体层中，可形成包括高浓度P-型导电层216、低浓度N-型导电层214和高浓度N-型导电层212的图像感测器件210，但是实施方案不限于此。
然后，在其中形成图像感测器件210的第二衬底接合至互连150之后，移除第二衬底以留下图像感测器件210。
然后，图像感测器件210可根据单位像素来隔离，并且在图像感测器件210上可形成上部电极(未显示)和滤色器(未显示)。
图6是根据第二实施方案的图像传感器的截面图，显示包含形成在其中的互连150的第一衬底的详图。
第二实施方案提供一种图像传感器，包括：在第一衬底100上的读出电路120；在第一衬底100上的层间电介质160；在层间电介质160中并电连接至读出电路120的互连150；和在互连150上并通过互连150电连接至读出电路120的图像感测器件210。互连150包括在下部阻挡金属153p、153q之下形成的氮化物阻挡物153n。氮化物阻挡物可形成在用于互连的每一层金属的下部阻挡金属之下。
第二实施方案可采用第一实施方案的技术特征。
然而，和第一实施方案不同，在电结区140的一侧形成第一导电型连接148。
根据第二实施方案，器件设计为在转移晶体管(Tx)的源极和漏极之间提供电位差，由此使得光电荷能够完全转储。
根据第二实施方案，在光电二极管和读出电路之间形成电荷连接区域以产生光电荷的平滑的传输途径，由此使得能够最小化暗电流源并抑制饱和度减小和灵敏度降低。
N+连接区域148可在P0/N-/P-结140处形成，用于欧姆接触。在这种情况下，在N+连接区域148和第一接触塞151a的形成工艺期间可产生泄漏源。这是因为当反向偏压施加于P0/N-/P-结140时，电场(EF)可由于操作而在Si表面上产生。在电场内部在接触形成工艺期间产生的晶体缺陷可变为泄漏源。
而且，当在P0/N-/P-结140的表面上形成N+连接区域148时，由于N+/P0结148/145，可另外产生电场。该电场也可变为泄漏源。
因此，第二实施方案提出一种布局，其中在未掺杂有P0层但是包含连接至N-区域143的N+连接区域148的有源区中形成第一接触塞151a。
根据第二实施方案，在Si表面上和/或上方不产生电场。因此，3D集成CIS的暗电流可进一步减小。
在本说明书中对″一个实施方案″、″实施方案″、″示例性实施方案″等的任何引用，表示与该实施方案相关描述的具体特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施方案中。在说明书不同地方出现的这些措词不必都涉及相同的实施方案。此外，当结合任意实施方案描述具体的特征、结构或特性时，认为结合其它的实施方案实现这种特征、结构或特性均在本领域技术人员的范围之内。
虽然参考大量其说明性的实施方案已经描述了一些实施方案，但是应理解本领域技术人员可设计很多的其它改变和实施方案，这些也将落入本公开的原理的精神和范围内。更具体地，在说明书、附图和所附的权利要求的范围内，在本发明主题组合排列的构件和/或配置中可能具有各种的变化和改变。除构件和/或配置的变化和改变之外，对本领域技术人员而言，可替代的用途也会是显而易见的。
Claims (10)
1.一种图像传感器，包括：
在第一衬底上的读出电路；
在所述第一衬底上的层间电介质；
在所述层间电介质中并电连接至所述读出电路的互连；和
在所述互连上并通过所述互连电连接至所述读出电路的图像感测器件，
其中所述互连包括：
下部阻挡金属；和
在所述下部阻挡金属之下形成的氮化物阻挡物。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述互连还包括：
穿过所述氮化物阻挡物的接触塞；
在所述下部阻挡金属上的金属层；和
在所述金属层上的上部阻挡金属。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述下部阻挡金属形成在所述接触塞和所述氮化物阻挡物上并与所述接触塞和所述氮化物阻挡物接触。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括在所述第一衬底中并电连接所述互连至所述读出电路的电结区。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中所述读出电路在晶体管的源极和漏极之间具有电位差，所述电结区位于所述晶体管的所述源极处。
6.一种制造图像传感器的方法，包括：
在第一衬底上形成读出电路；
在所述第一衬底上形成层间电介质；
在所述层间电介质中形成电连接至所述读出电路的互连；和
在所述互连上形成通过所述互连电连接至所述读出电路的图像感测器件，
其中所述互连的形成包括：
形成下部阻挡金属；和
在所述下部阻挡金属之下形成氮化物阻挡物。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，其中所述互连的形成还包括：
在形成所述下部阻挡金属之前形成穿过所述氮化物阻挡物的接触塞；
在所述下部阻挡金属上形成金属层；和
在所述金属层上形成上部阻挡金属。
8.根据权利要求6所述的方法，还包括在所述第一衬底中形成电结区，其中所述电结区电连接所述互连至所述读出电路。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括在所述电结区和所述互连之间形成第一导电型连接。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一导电型连接在所述电结区的一侧形成并电连接所述互连至所述电结区。
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