CN101728325A - 图像传感器的制造方法 - Google Patents
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Abstract
在图像传感器的制造方法中，在第一衬底中形成读出电路。在第一衬底上方形成第一层间电介质。在第一层间电介质处形成互连件，并且该互连件电连接到读出电路。在互连件上方形成第二层间电介质。利用光致抗蚀剂图案作为蚀刻掩模，通过蚀刻第二层间电介质的一部分，形成暴露互连件上侧的导通孔。在导通孔中形成接触插塞，而留下该光致抗蚀剂图案。然后去除该光致抗蚀剂图案。在接触插塞上方形成图像感测器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种图像传感器的制造方法。
背景技术
图像传感器是一种用于将光图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器可大致分成电荷耦合器件(CCD)图像传感器和互补型金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)。
在图像传感器的制作期间，可以利用离子注入在衬底中形成光电二极管。由于为了在不增加芯片尺寸的情况下增加像素的数目，光电二极管的尺寸减小了，因此光接收部分的面积也减小了，从而导致图像质量的降低。
此外，由于堆叠高度不会与光接收部分的面积减少成比例地减小，所以由于光的艾里斑(Airy disk)衍射，入射到光接收部分的光子数目也减少了。
作为克服这种局限性的选择方式，进行了以下尝试：利用非晶硅(Si)形成光电二极管，利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，或者在读出电路上和/或上方形成光电二极管(称为“三维(3D)图像传感器”)。通过金属互连件将光电二极管与读出电路相连。
根据相关现有技术，当形成有读出电路的逻辑衬底和形成有光电二极管的上部衬底之间的均匀度(uniformity)和粘附性良好时，能够达到令人满意的Si接合。为此，在将逻辑衬底接合到上部衬底之前，在位于顶层的导通孔(via hole)区域中形成接触插塞。在这种情况下，为了在该导通孔区域中形成接触插塞，需要在导通孔中填充金属。应当通过CMP工艺或者湿法工艺将表面的粗糙度或均匀度维持不变。然而，实际上，不可能将衬底的总体均匀度控制在均方根(RMS)为大约3nm或者大约5nm或更小。
另外，由于在相关现有技术中转移晶体管的源极和漏极都重掺杂有N-型杂质，所以会出现电荷共享(charge sharing)现象。当电荷共享现象出现时，就会降低输出图像的灵敏度并且可能产生图像错误。此外，因为光电荷不容易在光电二极管与读出电路之间移动，所以会产生暗电流和/或降低饱和度及灵敏度。
发明内容
实施例提供一种图像传感器的制造方法，即使通过CMP或者湿法工艺(wet process)没有改善粗糙度或均匀度，该方法也能够达到精细图案化，同时增加填充因数。实施例还提供一种图像传感器的制造方法，该方法能够增加填充因数并且避免电荷共享现象。
实施例还提供一种图像传感器的制造方法，该方法通过在光电二极管和读出电路之间形成顺畅的光电荷转移路径，能够将暗电流源减到最小并且抑制饱和度的降低和灵敏度的下降。
在实施例中，一种图像传感器的制造方法可以包括如下步骤：在第一衬底上形成读出电路，在所述第一衬底上方形成第一层间电介质，在所述第一层间电介质处形成互连件，所述互连件电连接到所述读出电路，在所述互连件上方形成第二层间电介质，利用光致抗蚀剂图案作为蚀刻掩模，通过蚀刻所述第二层间电介质的一部分，形成暴露所述互连件上侧的导通孔，在所述导通孔中形成接触插塞，去除所述光致抗蚀剂图案，以及在所述接触插塞上方形成图像感测器件。
实施例涉及一种设备，该设备可以配置为：在第一衬底上形成读出电路，在所述第一衬底上方形成第一层间电介质，在所述第一层间电介质处形成互连件，所述互连件电连接到所述读出电路，在所述互连件上方形成第二层间电介质，利用光致抗蚀剂图案作为蚀刻掩模，通过蚀刻所述第二层间电介质的一部分，形成暴露所述互连件上侧的导通孔，在所述导通孔中形成接触插塞，去除所述光致抗蚀剂图案，以及在所述接触插塞上方形成图像感测器件。
附图说明
示例性图1至图6是示出根据实施例的图像传感器的制造方法的横截面图。
示例性图7是根据实施例的图像传感器的横截面图。
具体实施方式
在下文中，将参照示例性图1至图6来详细描述根据实施例的图像传感器制造方法。示例性图1是形成有互连件150的第一衬底100的示意图，示例性图2是示出形成有该互连件150的该第一衬底100的细节图。
如示例性图2所示，第一衬底100可以包括互连件150和读出电路120。例如，通过在第二导电类型的第一衬底100中形成器件隔离层110，可以限定有源区。可以在该有源区中形成包括晶体管的读出电路120。例如，该读出电路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和选择晶体管(Sx)127。可以形成离子注入区130，其中该离子注入区130包括浮置扩散区(FD)131和每个晶体管的源极/漏极区133、135以及137。
图像传感器的制造方法可以包括在第一衬底100中形成电结区(electrical junction region)140，以及在该电结区140的上部形成连接到互连件150的第一导电类型连接件147。例如，电结区140可以是P-N结140，但是并不局限于此。例如，电结区140可以包含：第一导电类型离子注入区143，形成于第二导电类型阱141或者第二导电类型外延层上；以及第二导电类型离子注入层145，形成于第一导电类型离子注入区143上。例如，如示例性图2所示，P-N结140可以是P0(145)/N-(143)/P-(141)结，但是并不局限于此。第一衬底100可以是第二导电类型，但是并不局限于此。
根据实施例，可以设计器件以在转移晶体管(Tx)的源极和漏极之间提供电势差，从而实现光电荷的全部倾卸(full dumping)。因此，光电二极管中产生的光电荷被倾卸到浮置扩散区，从而增加输出图像灵敏度。
也就是说，如示例性图2所示，实施例在包括读出电路120的第一衬底100中形成电结区140，以在转移晶体管(Tx)121的源极和漏极之间提供电势差，从而实现光电荷的全部倾卸。因此，不同于简单地将光电二极管连接到N+结的现有技术情况，实施例能够防止饱和度的降低和灵敏度的下降。
之后，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件147，以生成顺畅的(smooth)光电荷转移路径，从而能够将暗电流源减到最小并且防止饱和度的降低和灵敏度的下降。
为此目的，实施例可以形成n+掺杂区作为第一导电类型连接件147，以在P0/N-/P-结140的表面上获得欧姆接触。可以形成N+区(147)，使它穿透P0区(145)以接触N-区(143)。
另一方面，可以将第一导电类型连接件147的宽度减到最小，以防止第一导电类型连接件147变成泄漏源(leakage source)。为此目的，实施例可以包括在蚀刻第一金属接触部151a之后，进行插塞植入(plug implant)工艺，但是并不局限于此。例如，可以通过另外的方法形成离子注入图案，并且可将该离子注入图案用作离子注入掩模，以形成第一导电类型连接件147。
也就是说，仅在接触形成区上进行N+掺杂的原因是为了将暗信号减到最小并且促进欧姆接触顺畅的形成。如果像现有技术那样，整个Tx源极区都是N+掺杂的，那么由于Si表面的悬挂键(dangling bond)，暗信号可能会增加。
接着，可以在第一衬底100上方形成层间电介质160，并且可以形成互连件150。互连件150可以包括：第一金属接触部151a、第一金属151、第二金属152、以及第三金属153，但是实施例并不局限于此。之后，可以在互连件150上方形成第二层间电介质162。
接着，如示例性图3所示，可以在第二层间电介质162上方形成光致抗蚀剂图案310。利用该光致抗蚀剂图案310作为蚀刻掩模，通过蚀刻第二层间电介质162的一部分，可以形成导通孔H，以暴露互连件150的上侧。例如，利用光致抗蚀剂图案310作为蚀刻掩模，通过蚀刻位于第三金属153上方的第二层间电介质162，可以暴露第三金属153的表面。
接着，如示例性图4所示，可以在导通孔H中形成接触插塞170，以留下光致抗蚀剂图案。例如，通过沉积Ti(171)/TiN(173/Al(175)可以形成接触插塞170，而留下光致抗蚀剂图案310。
即使通过CMP或者湿法工艺没有改善粗糙度或均匀度，但是通过仅在导通孔而不是整个衬底中形成用于接触插塞的金属，而不去除光致抗蚀剂图案，该图像传感器的制造方法提出了一种能够进行精细图案化的方法，从而改善了3D图像传感器的特性。
接着，如示例性图5所示，去除光致抗蚀剂图案310。例如，利用H2SO4∶H2O2＝2～10∶1的混合溶液，通过大约5分钟至大约30分钟的处理，可以去除该光致抗蚀剂图案。换言之，该混合溶液包含约2至10份H2SO4比一份H2O2。
在去除光致抗蚀剂图案310之后，利用TMH(Trimethylammoniumhydroxide，三甲基氢氧化铵)∶H2O2∶H2O＝1∶2～10∶30～50的混合溶液进行清洗工艺。因而，减小了第一衬底100的粗糙度并且去除了颗粒，从而改善了上部衬底到图像感测器件的接合强度。
接着，如示例性图6所示，可以在接触插塞170上方形成图像感测器件210。例如，可以在第二衬底的结晶半导体层上方形成包括高浓度第一导电类型层212、第一导电类型层214、以及第二导电类型层216的光电二极管。例如，可以形成包括N+层212、N-层214、以及P-层216的光电二极管。
接着，将第一衬底100和第二衬底彼此结合，从而使得图像感测器件210可以与接触插塞170相对应，并且去除第二衬底以留下图像感测器件210。在这种情况下，可以在第一衬底100和第二衬底之间插入绝缘层或者金属层。
之后，可以进行用于将图像感测器件210划分成像素的蚀刻工艺，以在像素被蚀刻的部分中填充像素间绝缘层，从而将图像感测器件210分隔成多个像素。接着，可以进行形成上电极和滤色镜的工艺。
示例性图7是根据实施例的图像传感器的横截面图，并且是形成有互连件150的第一衬底的细节图。只要不另作具体说明，示例性图7中示出的实施例可以采用示例性图1-图6中所示的实施例的技术特征。
示例性图7中所示的实施例包括在电结区140的一侧形成第一导电类型连接件148的实例。可以在P0/N-/P-结140处形成N+连接区148，以获得欧姆接触。在形成N+连接区148和M1C接触部151a的工艺中，可能出现泄漏源。这是因为：在将反偏压施加到P0/N-/P-结140时，由于操作，可能在Si表面上方产生电场(EF)。在电场内的接触形成工艺期间所产生的晶体缺陷可能变成泄漏源。
此外，当在P0/N-/P-结140的表面上方形成N+连接区148后，由于N+/P0结148/145，可能额外产生电场。该电场可能也会变成泄漏源。
因此，实施例提出了如下布局：其中第一接触插塞151a形成在没有掺杂P0层但是包括N+连接区148的有源区中，并且连接到N-结143。根据实施例，不会在Si表面上和/或上方产生电场，其有助于减少3-D集成CIS中的暗电流。
对于本领域技术人员而言显而易见和明显的是，可以对所揭示的实施例进行各种改进和变化。因此，在所附权利要求及其等效替换的范围内，本发明所揭示的实施例旨在涵盖显而易见和明显的改进和变化。
Claims (10)
1.一种方法，包括如下步骤：
在第一衬底上形成读出电路；
在所述第一衬底上方形成第一层间电介质；
在所述第一层间电介质处形成互连件，所述互连件电连接到所述读出电路；
在所述互连件上方形成第二层间电介质；
利用光致抗蚀剂图案作为蚀刻掩模，通过蚀刻所述第二层间电介质的一部分，形成暴露所述互连件上侧的导通孔；
在所述导通孔中形成接触插塞；
去除所述光致抗蚀剂图案；以及
在所述接触插塞上方形成图像感测器件。
2.如权利要求1所述的方法，其中，去除所述光致抗蚀剂图案的步骤包括：利用H2SO4和H2O2的混合溶液处理大约5分钟至大约30分钟。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述混合溶液以介于2份和10份之间的H2SO4比一份H2O2的比率相混合。
4.如权利要求1所述的方法，包括步骤：在去除所述光致抗蚀剂图案之后，利用三甲基氢氧化铵、H2O2、以及H2O的混合溶液进行清洗工艺。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述混合溶液以一份三甲基氢氧化铵比介于2份和10份之间的H2O2、比介于30份和50份之间的H2O的比率相混合。
6.如权利要求1所述的方法，包括步骤：在所述第一衬底处形成电结区，所述电结区电连接到所述读出电路；
其中，所述读出电路在晶体管的源极和漏极之间具有电势差。
7.如权利要求1所述的方法，包括步骤：在所述第一衬底处形成电结区，所述电结区电连接到所述读出电路；
其中，所述晶体管是转移晶体管；
其中，所述晶体管源极的离子注入浓度小于浮置扩散区的离子注入浓度。
8.如权利要求6所述的方法，包括步骤：在所述电结区和所述互连件之间形成第一导电类型连接件；
其中，所述第一导电类型连接件在所述电结区的上部或者一侧电连接到所述互连件。
9.一种设备，配置为：
在第一衬底上形成读出电路；
在所述第一衬底上方形成第一层间电介质；
在所述第一层间电介质处形成互连件，所述互连件电连接到所述读出电路；
在所述互连件上方形成第二层间电介质；
利用光致抗蚀剂图案作为蚀刻掩模，通过蚀刻所述第二层间电介质的一部分，形成暴露所述互连件上侧的导通孔；
在所述导通孔中形成接触插塞；
去除所述光致抗蚀剂图案；以及
在所述接触插塞上方形成图像感测器件。
10.如权利要求9所述的设备，配置为在所述第一衬底处形成电结区，所述电结区电连接到所述读出电路；
其中，所述读出电路在晶体管的源极和漏极之间具有电势差。
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