CN101715082A

CN101715082A - 图像传感器及其制造方法

Info

Publication number: CN101715082A
Application number: CN200910179139A
Authority: CN
Inventors: 黄�俊
Original assignee: Dongbu Electronics Co Ltd
Current assignee: DB HiTek Co Ltd
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2010-05-26
Also published as: KR101024815B1; KR20100036729A; US20100079640A1; TW201015710A

Abstract

本发明提供了一种图像传感器及其制造方法。图像传感器可包括：位于第一衬底上的读出电路，位于所述第一衬底上并电连接至所述读出电路的金属线，位于所述金属线上的绝缘层，位于所述绝缘层上的电极，位于所述电极上的图像传感器件，以及位于所述图像传感器件中的像素分离区域。

Description

图像传感器及其制造方法

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。图像传感器可被分为电荷耦合器件(CCD)图像传感器以及互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)。

在制造图像传感器期间，可使用离子注入在衬底中形成光电二极管。由于光电二极管的尺寸持续减小的目的是增加像素的数量而不会增加芯片的尺寸，从而也减小了图像传感器中的光接收部的面积。这导致了图像质量的下降。

另外，由于堆叠(stack)高度并不及光接收部面积的减少得那么多，因此入射至光接收部的光子数量也减少了。这是由于光的衍射，有时将其称作艾里斑(Airy disk)。

为了克服此限制，可使用非晶硅(Si)形成光电二极管，或可使用诸如晶片-晶片接合(wafer-to-wafer bonding)的方法在硅(Si)衬底中形成读出电路。或者，可在读出电路上和/或上方形成光电二极管(称作三维(3D)图像传感器)。光电二极管可通过金属线与读出电路进行连接。

在现有技术中，经常在光电二极管和金属线之间出现接触故障，从而需要执行在光电二极管和金属线之间形成接触的工艺。然而，这导致了暗电流的增加。

进一步地，转移晶体管的源极和漏极均重掺杂有N型杂质，这导致了电荷共享现象。当电荷共享现象产生时，输出图像的灵敏度降低并且会产生图像误差。

另外，由于光电荷不能容易地在光电二极管和读出电路之间移动，因此产生了暗电流和/或降低了饱和度与灵敏度。

发明内容

本发明的实施例提供了一种图像传感器及其制造方法，在该图像传感器中读出电路和图像传感器件可通过电容彼此连接。

实施例还提供了一种图像传感器及其制造方法，该图像传感器可抑制电荷共享现象并增加填充因数。

实施例还提供了一种图像传感器及其制造方法，通过在光电二极管和读出电路之间形成光电荷的平稳转移路径，该图像传感器可最小化暗电流源并抑制饱和度降低与灵敏度退化。

在一实施例中，一种图像传感器可包括：位于第一衬底的读出电路；位于所述第一衬底上的金属线，该金属线电连接至所述读出电路；位于所述金属线上的绝缘层；位于所述绝缘层上的电极；位于所述电极上的图像传感器件；以及位于所述图像传感器件中的像素分离区域。

在另一实施例中，一种图像传感器的制造方法可包括：在第一衬底上形成读出电路；在所述第一衬底上形成金属线，该金属线电连接至所述读出电路；在第二衬底上形成图像传感器件；在所述图像传感器件上形成电极；在所述电极上形成绝缘层；将所述第一衬底和所述第二衬底接合，以使所述第二衬底的绝缘层接触所述第一衬底；以及在所述图像传感器件中形成像素分离区域。

在又一实施例中，一种图像传感器的制造方法可包括：在第一衬底上形成读出电路；在所述第一衬底上形成金属线，该金属线电连接至所述读出电路；在所述金属线上形成电极；在所述电极上形成绝缘层；在第二衬底上形成图像传感器件；将所述第一衬底和所述第二衬底接合，以使所述电极接触所述图像传感器件；以及在所述图像传感器件中形成像素分离区域。

在附图和下文的详细描述中阐述了一个或者多个实施例的细节。对于本领域普通技术人员而言，通过详细的说明书、附图和所附权利要求书，其它的特征是显而易见的。

附图说明

图1为示出根据本发明一实施例的图像传感器的剖视图。

图2-图8为示出用于制造根据本发明一实施例的图像传感器的方法的剖视图。

图9为示出根据本发明一实施例的图像传感器的剖视图。

具体实施方式

当本文中使用术语“上”或“上方”并涉及层、区域、图案或结构时，需要理解层、区域、图案或结构可以直接位于另一层或结构上，或者也可以存在中间层、中间区域、中间图案或中间结构。当本文使用术语“下”或“下方”并涉及层、区域、图案或结构时，需要理解层、区域、图案或结构可以直接位于另一层或结构下方，或者也可以存在中间层、中间区域、中间图案或中间结构。

图1为示出根据本发明一实施例的图像传感器的剖视图。

参见图1，在一实施例中，图像传感器可以包括：设置在第一衬底100的读出电路120(如图5B中所示)；设置在第一衬底100上并电连接至读出电路120的金属线150；设置在金属线150上的绝缘层(insulation layer)230；设置在绝缘层230上的电极220；设置在电极220上的图像传感器件210；以及设置在图像传感器件210中的像素分离区域250。

图像传感器件210可以是光电二极管，然而本发明的实施例不限于此。例如，图像传感器件210可为光电栅(photogate)，或光电二极管与光电栅的组合。在一实施例中，图像传感器件210可为形成在晶体半导体层中的光电二极管。在另一实施例中，图像传感器件210可为形成在非晶体半导体层中的光电二极管。

此处，将参见图2-图8描述根据一实施例的图像传感器的制造方法。

参见图2，图像传感器件210可形成于第二衬底200上。例如，图像传感器件210可为通过向晶体半导体层上注入离子而形成的包括重掺杂P型导电层216以及轻掺杂N型导电层214的光电二极管，然而本发明的实施例并不限于此。另外，为了欧姆接触的目的，重掺杂N型(N+)导电层212可形成在轻掺杂N型导电层214上。

然后，参见图3，电极220可形成在图像传感器件210上。例如，电极220可形成在图像传感器件210的N+导电层212上。电极220可由本领域公知的任意适合的材料而形成，例如，金属(如Ti、TiN、Al、Ti和/或TiN)、多晶硅或硅化物。

参见图4，绝缘层230可形成在电极220上。绝缘层230可由本领域公知的任意适合的材料而形成，例如，氧化物、氮化物/氧化物或氧化物/氮化物/氧化物。

然后，参见图5A，可制备其中形成有金属线150和读出电路120的第一衬底100。图5B为其中形成有金属线150和读出电路120的第一衬底100的详细视图，并将在下文中进行更详细地描述。

参见图5B，可制备其中形成有金属线150和读出电路120的第一衬底100。例如，可通过在第二导电类型的第一衬底100中形成器件隔离层110而限定有源区，并且可在该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。可形成包括浮置扩散区(FD)131和晶体管的源极/漏极区133、135以及137的离子注入区130。另外，在一实施例中，可增加噪音消除电路(未示出)以提高灵敏度。

在一实施例中，图像传感器的制造方法可包括：在第一衬底100中形成电结区(electrical junction region)140，并在该电结区140的上部形成连接至金属线150的第一导电类型连接件147。

例如，电结区140可为P-N结140，然而本发明的实施例不限于此。在一实施例中，电结区140可包括形成在第二导电类型阱141或第二导电类型外延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，电结区140可为P0(145)/N-(143)/P-(141)结，然而本发明的实施例不限于此。第一衬底100可为第二导电类型衬底，然而本发明的实施例不限于此。

在一实施例中，可将器件设计为在转移晶体管(Tx)的源极和漏极之间提供电势差，从而使光电荷能够全部倾卸(dump)。因此，在光电二极管中产生的光电荷可被倾卸至浮置扩散区，从而提高输出图像的灵敏度。

更具体地，在光电二极管210中产生的电子可被转移至电结区140，并且当转移晶体管(Tx)121导通时，电子可被转移至浮置扩散区(FD)131节点以被转换成电压。

电结区140(例如P0/N-/P-结)的最大电压可变为锁定电压，并且FD 131节点的最大电压可变为Vdd减去复位晶体管(Rx)的阈值电压(Vth)，即Vdd-Rx Vth。因此，由于转移晶体管(Tx)131的源极和漏极之间的电势差，在没有电荷共享的情况下，在芯片上的光电二极管210中产生的电子可被完全倾卸到FD 131节点。

从而，与光电二极管仅连接至N+结的现有技术的器件不同的，本发明的实施例能够抑制饱和度降低和灵敏度退化。

第一导电类型连接件147形成在光电二极管和读出电路之间，以产生光电荷的平稳转移路径，从而能够最小化暗电流源并抑制饱和度降低与灵敏度退化。

为此，在一实施例中，可在电结区140(例如P0/N-/P-结)的表面上形成N+掺杂区作为用于欧姆接触的第一导电类型连接件147。N+区(147)可形成为穿透P0区(145)以接触N-区(143)。

在一实施例中，第一导电类型连接件147的宽度可被最小化，以抑制第一导电类型连接件147成为泄漏源。为此，可在蚀刻用于第一金属接触件151a的接触孔之后执行插塞注入，然而本发明的实施例不限于此。例如，可形成离子注入图案(未示出)，并且当形成第一导电类型连接件147时可将离子注入图案用作离子注入掩模。

然后，可在第一衬底100上形成层间电介质160，并且可形成金属线150。例如，金属线150可包括第一金属接触件151a、第一金属件151、第二金属件152以及第三金属件153，然而本发明的实施例不限于此。

在一实施例中，顶部金属件(例如第三金属件153)可大体地形成并且可具有比电极220小的宽度，从而能够增加电容的电容量，并且由于光的反射也可增加图像传感器件的光接收能力。

然后，参见图6，第一衬底100和第二衬底200可彼此接合，从而使绝缘层230接触第一衬底100。例如，可通过插入绝缘层230来执行第一衬底100和第二衬底200的接合，从而金属线150不接触图像传感器件210。

参见图7，可去除第二衬底200(而不去除图像传感器件210)。例如，可切下位于被接合的芯片上的第二衬底200，从而暴露重掺杂P型(P+)导电层216。

参见图8，可在芯片上方的图像传感器件210中形成像素分离区域250，以实现像素对像素的隔离。可通过在蚀刻像素之间的边界之后填充绝缘层的浅沟槽隔离(STI)技术而形成像素分离区域250。可选择地，可通过在像素之间的边界中注入第二导电类型(例如，P-型)的离子而形成像素分离区域250。

然后，设置在芯片上方的P+导电层216可通过随后的工艺连接至接地线。

在根据一实施例的电路运行期间，当在光结合(light integration)期间产生光电子时，光电二极管的电压降低。可通过在芯片上方的金属(例如，第三金属件153-M3)和电极220之间形成的电容，将光电子转移至硅衬底的读出电路120。因此，可感测依据光产生的电子数量的电压变化，从而实现图像信号。

在一实施例中，第一衬底100的读出电路120中的晶体管的高度约是接合之后的金属线150和电极220之间的距离的5到15倍。因此，依据由光产生的电子的电压变化可被有效地转移至读出电路120。

在根据本发明一实施例的图像传感器及其制造方法中，可使用电容将芯片上方的图像传感器件和硅衬底的读出电路彼此连接。从而，执行在图像传感器件和金属线之间形成接触的工艺不是必需的。因此，可有利于3-D图像传感器的制造工艺，并且也能够抑制由于形成接触而引起的暗电流。

在本发明的特定实施例中，绝缘层230和电极220可依次形成在金属线150上。

然后，图像传感器件210可形成在第二衬底200上，并且可将第一衬底100和第二衬底200接合，从而使电极220与图像传感器件210接触。

根据此实施例，可使用电容将芯片上方的图像传感器件和硅衬底的读出电路彼此连接。从而，不需要执行在图像传感器件和金属线之间形成接触的工艺。因此，可有利于3-D图像传感器的制造工艺，并且还能够抑制由于形成接触而引起的暗电流。

图9为示出根据本发明一实施例的图像传感器的剖视图。图9更具体地示出具有金属线150的第一衬底的详细视图。

参见图9，第一导电类型连接件148可设置在电结区140的一侧(并电连接至电结区140)。

第一导电类型连接件148(例如可为N+连接区)可形成在电结区140(例如P0/N-/P-结)的一侧，用于欧姆接触。在此情况下，在形成N+连接区148和第一金属接触件151a的工艺期间，有时可能会产生泄漏源。另外，当在PNP(P0/N-/P-)结140的表面上方形成N+连接区148时，由于N+/P0结148/145，也会产生电场。此电场也可变为泄漏源。

因此，在本发明的一实施例中，提供了布局，在该布局中第一接触插塞151a可形成在未与P0层掺杂的有源区中，而该布局包括电连接至N-层143的N+连接区148。

根据此实施例，可能不在Si表面上和/或上方产生电场，并且此实施例可有利于减少3D集成CIS的暗电流。

说明书中所涉及的“一实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等，其含义是结合实施例描述的特定特征、结构或特性均包括在本发明的至少一个实施例中。说明书中出现于各处的这些短语并不一定都涉及同一个实施例。此外，当结合任何实施例描述特定特征、结构或特性时，都认为其落在本领域技术人员结合其它实施例就可以实现这些特征、结构或特性的范围内。

虽然以上参考本发明的多个示例性实施例而对实施例进行了描述，但应理解的是，本领域普通技术人员可以推导出落在此公开原理的精神和范围内的大量的其它变化和实施例。更具体地，可以在此公开、附图以及所附权利要求书的范围内对主要组合排列进行各种改变与变化。除了组件和/或排列的改变与变化之外，本发明的其他应用对本领域技术人员而言也是显而易见的。

Claims

1.一种图像传感器，包括：

位于第一衬底的读出电路；

位于所述第一衬底上的金属线，该金属线电连接至所述读出电路；

位于所述金属线上的绝缘层；

位于所述绝缘层上的电极；

位于所述电极上的图像传感器件；以及

位于所述图像传感器件中的像素分离区域。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述读出电路中的晶体管的高度约是所述电极和所述金属线之间的距离的5倍到15倍。

3.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括位于所述第一衬底中的电结区，该电结区电连接至所述读出电路。

4.根据权利要求3所述的图像传感器，其中所述电结区包括：

位于所述第一衬底中的第一导电类型离子注入区；以及

位于所述第一导电类型离子注入区上的第二导电类型离子注入区。

5.根据权利要求3所述的图像传感器，还包括位于所述电结区和所述金属线之间的第一导电类型连接件。

6.根据权利要求5所述的图像传感器，其中所述第一导电类型连接件设置在所述电结区上或设置在所述电结区的一侧，并电连接至所述金属线。

7.根据权利要求3所述的图像传感器，其中所述读出电路包括至少一个晶体管，所述晶体管具有源极和漏极，并且其中所述读出电路在所述至少一个晶体管的所述源极和所述漏极之间具有电势差。

8.根据权利要求7所述的图像传感器，其中所述晶体管为转移晶体管，并且

其中所述晶体管的源极的离子注入浓度比所述读出电路的浮置扩散区的离子注入浓度小。

9.一种图像传感器的制造方法，该方法包括：

在第一衬底上形成读出电路；

在所述第一衬底上形成金属线，该金属线电连接至所述读出电路；

在第二衬底上形成图像传感器件；

在所述图像传感器件上形成电极；

在所述电极上形成绝缘层；

将所述第一衬底和所述第二衬底接合，以使所述第二衬底的绝缘层接触所述第一衬底；以及

在所述图像传感器件中形成像素分离区域。

10.一种图像传感器的制造方法，该方法包括：

在第一衬底上形成读出电路；

在所述金属线上形成电极；

在所述电极上形成绝缘层；

在第二衬底上形成图像传感器件；

将所述第一衬底和所述第二衬底接合，以使所述电极接触所述图像传感器件；以及

在所述图像传感器件中形成像素分离区域。