CN101715075A - 图像传感器和其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种图像传感器和其制造方法。图像传感器包括：读出电路、层间电介质、互连、图像感测器件以及接触。读出电路形成在第一衬底处。层间电介质形成在第一衬底上。互连形成在层间电介质中。互连电气连接到读出电路。图像感测器件形成在互连上。图像感测器件包括第一导电型层和第二导电型层。接触电气连接图像感测器件的第一导电型层和互连。接触通过在第二导电层中形成的围绕接触的沟槽与第二导电型层隔离。
Description
技术领域
本发明涉及一种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换为电信号的半导体器件。图像传感器可以大致分类为电荷耦合器件(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期间，可以利用离子注入在衬底中形成光电二极管。随着为了在不增大芯片尺寸的情况下增加像素数量而减小光电二极管的大小，也减小了光接收部分的面积，由此导致图像质量的下降。
此外，由于堆叠高度的减小不及光接收部分的面积的减小，入射到光接收部分的光子的数量还由于称为艾里斑(Airy disk)的光的衍射而减小。
作为克服这种缺陷的选择，已经进行利用非晶硅(Si)形成光电二极管，或利用诸如晶圆间键合的方法在硅(Si)衬底中形成读出电路并在该读出电路上和/或上方形成光电二极管(被称为“三维(3D)图像传感器”)的尝试。光电二极管通过金属互联与读出电路连接。
在相关技术中，存在由连接读出电路和光电二极管的接触插塞(contact plug)造成光电二极管中发生电短路的限制。
另外，因为转移晶体管的源极和漏极用N型杂质重掺杂，所以出现电荷分享现象。当出现电荷分享现象时，输出图像的灵敏度降低，并可能产生图像错误。此外，因为光电荷不在光电二极管和读出电路之间容易地移动，所以产生暗电流和/或饱和度和灵敏度下降。
发明内容
本发明的实施例提供一种图像传感器和其制造方法，所述图像传感器能够阻止连接读出电路和图像感测器件的接触插塞中发生电短路。
实施例还提供一种图像传感器和其制造方法，该图像传感器在增加填充因数的同时不发生电荷分享。
实施例还提供一种图像传感器和其制造方法，该图像传感器能够通过形成光电荷在光电二极管和读出电路之间的平顺转移路径来使暗电流源最小以及阻止饱和度减少和灵敏度劣化。
在一个实施例中，图像传感器包括：在第一衬底处的读出电路；在第一衬底上的层间电介质；在层间电介质中的互连，互连电气连接到读出电路；互连上的图像感测器件，该图像感测器件包括第一导电型层和第二导电型层；以及接触，将图像感测器件的第一导电型层和互连电气连接。接触通过去除第二导电层的围绕接触的部分与第二导电型层隔离。
在另一实施例中，本发明提供一种用于制造图像传感器的方法，包括：在第一衬底处形成读出电路；在第一衬底上形成层间电介质，以及在层间电介质中形成电气连接到读出电路的互连；在互连上形成包括第一导电型层和第二导电型层的图像感测器件；形成将图像感测器件的第一导电型层连接到互连的接触；以及去除第二导电型层围绕接触的部分。
在下面的附图和描述中阐述了一个或多个实施例的细节。根据描述和附图、以及权利要求，其它特征将变得明显。
附图说明
图1是根据第一实施例的图像传感器的截面图。
图2到图9是示出根据第一实施例的用于制造图像传感器的方法的截面图。
图10是根据第二实施例的图像传感器的截面图。
具体实施方式
下文中，将参考附图描述图像传感器和其制造方法的实施例。
在实施例的描述中，应理解当提到层(或膜)在另一层或衬底“上”时，可直接位于另一层或衬底上，或还可能存在中间层。此外，应理解当提到层在另一层“下”时，其可以直接位于另一层之下，或还可能存在一个或多个中间层。另外，还应理解当提到层位于两层“之间”时，其可以是两层之间唯一的层，或还可能存在一个或多个中间层。
图1是根据第一实施例的图像传感器的截面图。
参考图1，根据第一实施例的图像传感器包括：在第一衬底100中形成的读出电路120(见图3)；设置在第一衬底100上方的中间电介质160；电气连接到读出电路120的互连150，互连150设置在中间电介质160的上方；包括第一导电型层214和第二导电型层216的图像感测器件210，图像感测器件210设置在互连150上方；以及将图像感测器件210的第一导电型层214和互连150相电气连接的接触230。
图像感测器件210可以是光电二极管，但不限于此，可以是光门，或光电二极管和光门的组合。作为示例，实施例包括在晶体半导体层中形成的光电二极管。然而，实施例不限于此，并可以包括例如在非晶半导体层中形成的光电二极管。
下面将参考示出用于制造图像传感器的方法的图描述图1中未说明的附图标记。
下文中，将参考图2到图13描述根据第一实施例的用于制造图像传感器的方法。
图2是示出形成有互连150的第一衬底100的截面图，以及图3是图2的第一衬底的详细视图。下文中，将参考图3进行详细描述。
如图3所示，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。可以形成包括针对每个晶体管的源/漏区133、135和137和浮动扩散区(FD)131的离子注入区130。
根据实施例，可以在第一衬底100上形成电结区140，并可以在电结区140的上部形成电气连接到互连150的第一导电连接147。
例如，电结区140可以是P-N结140，但不限于此。例如，电结区140可以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，以及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，如图2所示，P-N结140可以是P0(145)/N-(143)/P-(141)结，但实施例不限于此。第一衬底100可以是第二导电型衬底，但不限于此。
根据实施例，器件被设计为在转移晶体管(Tx)的源极和漏极之间提供电势差，由此使得光电荷能够完全倾卸(dumping)。因此，在光电二极管中产生的光电荷被倾卸到浮动扩散区，由此增加输出图像灵敏度。
具体地，在光电二极管210产生的电子被转移到PNP结140，并且当转移晶体管(Tx)121导通时所述电子被转移到浮动扩散(FD)131结点，以转换为电压。
P0/N-/P-结140的最大电压变为栓固电压(pinning voltage)，FD 131结点的最大电压变为Vdd减去复位晶体管(Rx)的阈值电压(Vth)。因此，由于Tx 121的源极和漏极之间的电势差，在没有电荷分享的情况下，在芯片上光电二极管210中产生的电子能够被全部倾卸到FD 131结点。
由此，不同于相关技术的将光电二极管简单连接到N+结的情况，本发明的实施例使得能够阻止饱和度降低和灵敏度劣化。
可以在光电二极管和读出电路之间形成第一导电连接147，以创建光电荷的平顺转移路径，因而使得能够使暗电流源最小，并阻止饱和度降低和灵敏度劣化。
为此，第一实施例可以形成N+掺杂区作为第一导电连接147，以在P0/N-/P-结140的表面形成欧姆接触。可形成N+区域(147)，使其刺入P0区域(145)以接触N-区域(143)。
第一导电连接147的宽度可以被最小化以阻止第一导电连接147成为泄漏源。为此，在蚀刻第一金属接触151a的接触孔之后可以进行插塞注入，但实施例不限于此。作为另一示例，可以形成离子注入图案(未示出)，离子注入图案可以被用作离子注入掩模以形成第一导电连接147。
接下来，可以在第一衬底100上形成第一层间电介质160，并且可以形成互连150。互连150可以包括：第一金属接触151a、第一金属151、第二金属152以及第三金属153，但实施例不限于此。
第二层间电介质162形成在互连150上。例如，第二层间电介质162可以由诸如氧化物层或氮化物层的电介质形成。第二层间电介质162增加设置有图像感测器件210和第一衬底100的第二衬底(未示出)的键合力。
参考图4，在第二层间电介质162上形成包括第一导电型层214和第二导电型层216的图像感测器件210。图2中示出形成有图像感测器件210的第一衬底。
根据实施例，第二衬底的晶体半导体层可以设置有包括N-层(214)和P+层(216)的光电二极管。还可以设置用于欧姆接触的第一导电型层212的N+层。第二衬底可以被键合到第一衬底和设置在第一衬底上的光电二极管。
之后，可以形成像素间分离层(未示出)，以将图像感测器件210分离为像素。例如，可以利用像素间分离电介质或像素间分离离子注入层形成像素间分离层。可以在形成接触230之后形成像素间分离层。
接下来，参考图5，可以通过部分去除图像感测器件210形成曝露互连150的第一沟槽T1。例如，通过利用第一光致抗蚀剂图案310作为蚀刻掩膜部分地去除图像感测器件210和第二层间电介质162，可以曝露互连150的上部。可以通过干法蚀刻或湿法蚀刻进行用于形成第一沟槽T1的蚀刻。可以进行第二蚀刻以分别蚀刻图像感测器件210和第二层间电介质162。
接下来，参考图6，可以去除第一光致抗蚀剂图案310，并且可以形成接触230以填充第一沟槽T1。例如，在于第一沟槽T1的表面上形成阻挡金属层231之后，可以在阻挡金属层231上形成接触插塞233以填充第一沟槽T1。阻挡金属层231可以是由Ti或TiN形成的单层或双层，接触插塞233可以由钨(W)形成，但实施例不限于此。
接下来，参考图7，可以在图像感测器件210上形成第二光致抗蚀剂图案320以去除图像感测器件210的第二导电型层216与接触230相接触的一部分。在这种情况下，被第二光致抗蚀剂图案320曝露的区域可以形成得比接触230的宽度更宽，曝露第二导电型层216与接触区域230相邻的一部分。
接下来，参考图8，可以利用第二光致抗蚀剂图案320作为蚀刻掩膜去除图像感测器件210的第二导电型层216与接触230相接触的一部分。在这种情况下，可以利用对接触230的蚀刻选择性通过湿法蚀刻去除与接触230相接触的第二导电型层216。
随着图像感测器件210与接触230相接触的第二导电型层216被去除，可以形成第二沟槽T2以曝露第一导电型层214和接触230的部分。之后，去除第二光致抗蚀剂图案320。
根据实施例的用于制造图像传感器的方法能够通过去除与接触插塞相接触的第二导电型层来阻止连接读出电路和图像传感器件的接触插塞中的电短路，使得在刺入图像感测器件的接触插塞中不发生电短路。
接下来，参考图9，可以在第二沟槽T2中形成诸如氧化物层和氮化物层的电介质250，以更可靠地阻止接触插塞和第二导电型层216的短路。
之后，可以对第二导电型层216进行接地处理。
图10是根据第二实施例的图像传感器的截面图，以及包括在其中形成的互连150的第一衬底的详细视图。
第二实施例可以采用第一实施例的技术特征。
不同于第一实施例，在电结区140的一侧形成第一导电连接148。
可以在P0/N-/P-结140形成N+连接区148以进行欧姆接触。在这种情况下，在N+连接区148和第一金属接触151a的形成工序期间可能产生泄露源。
此外，当在P0/N-/P-结140上方形成N+连接区148时，由于N+/P0结148/145，可以额外产生电场。该电场也可以变成泄漏源。
因此，第二实施例提出这样的布局：在有源区中形成第一接触插塞151a，所述有源区不掺杂P0层而具有电气连接到N-结143的N+连接区148。
根据第二实施例，不在硅表面上和/或上方产生电场，这可以有助于减少整合了CIS的3D的暗电流。
本说明书中提到的“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等意味着结合该实施例描述的具体特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。这种词语在本说明书中各种位置的出现不一定全部代表同一实施例。此外，当结合任何实施例描述具体特征、结构或特性时，认为结合其它实施例实现该特征、结构或特性是在本领域技术人员的理解范围内。
尽管参考多个示范实施例描述了实施例，应理解本领域技术人员可提出落入本发明的原理的实质和范围内的多种其它变型和实施例。更具体地，本公开、附图和所附的权利要求书的范围内，主题组合排列的组成部分和/或排列中可能有各种变化和变型。除了对组成部分和/或排列的变化和变型外，替换用途对于本领域技术人员也将是明显的。
Claims (10)
1.一种图像传感器，包括：
在第一衬底处的读出电路；
在第一衬底上的层间电介质；
在层间电介质中的互连，所述互连电气连接到所述读出电路；
所述互连上的图像感测器件，所述图像感测器件包括第一导电型层和第二导电型层；以及
接触，将所述图像感测器件的第一导电型层和所述互连电气连接，其中，所述图像感测器件的第二导电型层的与所述接触相接触的部分被去除。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述接触被设置在穿过所述图像感测器件、曝露所述互连的第一沟槽中。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，所述接触包括：
在所述第一沟槽的表面上形成的阻挡金属层；以及
所述阻挡金属层上的接触插塞，所述接触插塞填充所述第一沟槽。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：通过去除所述图像感测器件的第二导电型层的与所述接触相接触的一部分而形成的第二沟槽中的电介质。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括电气连接到所述在第一衬底处的读出电路的电结区，
其中所述电结区包括：
第一衬底处的第一导电型离子注入区；以及
第一导电型离子注入区上的第二导电型离子注入区。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其中所述读出电路包括晶体管，其中所述电结区设置在所述晶体管的源极处，由此在所述晶体管的源极和漏极之间设置电势差。
7.根据权利要求5所述的图像传感器，还包括位于所述电结区和所述互连之间的第一导电型连接，以将所述电结区电气连接到所述互连，
其中，第一导电型连接设置在所述电结区的上部。
8.根据权利要求5所述的图像传感器，还包括位于所述电结区和所述互连之间的第一导电型连接，以将所述电结区电气连接到所述互连，
其中所述第一导电型连接设置在所述电结区的侧部。
9.一种用于制造图像传感器的方法，所述方法包括：
在第一衬底处形成读出电路；
在第一衬底上形成层间电介质，以及在所述层间电介质中形成电气连接到所述读出电路的互连；
在所述互连上形成包括第一导电型层和第二导电型层的图像感测器件；
形成将所述图像感测器件的第一导电型层连接到所述互连的接触；以及
去除第二导电型层围绕所述接触的部分。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：在通过去除第二导电型层的部分而形成的第二沟槽中形成电介质。
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