CN101729796A - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种图像传感器及其制造方法。所述图像传感器包括读出电路、第一图像传感装置、互连结构和第二图像传感装置。读出电路布置在第一基片中。第一图像传感装置布置在第一基片的读出电路的一侧。互连结构布置在第一基片的上方，并且电连接到读出电路。第二图像传感装置布置在互连结构的上方。

Description

图像传感器及其制造方法
技术领域
本公开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。图像传感器可以粗略地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)。
在图像传感器的制作过程中，可以采用离子注入在基片中形成光电二极管。为了增加像素数目而不增加芯片尺寸，光电二极管的尺寸减小，因此光接收部分的面积也减小，从而导致图像质量的下降。
而且，由于堆叠高度的减小没有光接收部分的面积的减小那么多，入射到光接收部分的光子的数目也因为称作艾里斑的光的衍射而减少。
作为克服该限制的一种替选，已经进行了如下尝试(称为“三维(3D)”图像传感器)：采用非晶硅(Si)形成光电二极管，或者采用诸如晶片到晶片键合之类的方法在硅(Si)基片上形成读出电路并且在该读出电路上和/或上方形成光电二极管。该光电二极管通过金属互连结构与读出电路相连。
尽管随着CIS的应用扩展到机动车传感器以及移动电话而对具有宽动态范围能够同时表示亮光和暗光的CIS的需求增加，但缺乏能够满足该要求的产品。
此外，由于在相关技术中转移晶体管的源极和漏极两者均是N型杂质重掺杂的，出现了电荷共享现象。当出现电荷共享现象时，输出图像的灵敏度降低并且可能产生图像错误。而且，因为光电荷不容易在光电二极管和读出电路之间移动，产生暗电流并且/或者降低饱和度和灵敏度。
发明内容
本发明的实施例提供了一种具有宽动态范围的图像传感器及其制造方法，采用3D图像传感器来提高填充因子，并且在晶片的上部形成高灵敏度传感器，在该晶片的下部形成低灵敏度传感器。
本发明的实施例也提供了一种在提高填充因子时不出现电荷共享的图像传感器及其制造方法。
本发明的实施例还提供了一种能够最小化暗电流源且通过形成光电二极管和读出电路之间光电荷的平滑转移路径来抑制饱和度下降和灵敏度损失的图像传感器及其制造方法。
在一个实施例中，一种图像传感器包括：读出电路，其在第一基片中；第一图像传感装置，其在所述第一基片的读出电路的一侧；互连结构，其在所述第一基片的上方并且电连接到所述读出电路；以及第二图像传感装置，在所述互连结构的上方。
在另一个实施例中，一种用于制造图像传感器的方法包括：在第一基片中形成读出电路；在所述第一基片的读出电路的一侧形成第一图像传感装置；形成在所述第一基片的上方并且电连接到所述读出电路的互连结构；以及在所述互连结构的上方形成第二图像传感装置。
一个或多个实施例的细节在附图和下面的描述中给出。从下面的描述和附图以及权利要求中其他特征将是显而易见的。
附图说明
图1是根据第一实施例的图像传感器的剖面图。
图2是根据一个实施例的图像传感器的平面图。
图3是示出了根据一个实施例的图像传感器的宽动态范围的图。
图4是根据第二实施例的图像传感器的剖面图。
具体实施方式
下文中，将参照附图描述图像传感器及其制造方法的实施例。
在实施例的描述中，应当理解当一层(或膜)被提到为在另一层或基片“上”时，它可以直接在另一层或基片上，或者也可以存在居间层。另外，应当理解当一层被提到为在另一层“下”时，它可以直接在另一层下，或者也可以存在一个或多个居间层。此外，也应当理解当一层被提到为在两层“之间”时，它可以是两层之间的唯一层，或者也可以存在一个或多个居间层。
图1是根据第一实施例的图像传感器的剖面图。
根据第一实施例的图像传感器可以包括：读出电路120，其在第一基片100中；第一图像传感装置110，其在第一基片100的读出电路120的一侧；互连结构150，其在第一基片100的上方并且电连接到读出电路120；以及第二图像传感装置210，其在互连结构150的上方并且通过互连结构150电连接到读出电路120。
第一图像传感装置110和第二图像传感装置210可以是光电二极管，但是并不限于此，也可以是光电门或者光电二极管和光电门的组合。实施例包括作为示例在晶体半导体层中形成的光电二极管，但是并不限于此，也可以包括在非晶体半导体层中形成的光电二极管。
下文中，将参照图1描述根据一个实施例的制造图像传感器的方法。
参照图1，制备包括互连结构150和读出电路120的第一基片100。例如，通过在第一基片100中形成器件隔离层105限定有源区域。在该有源区域中形成包括晶体管的读出电路120。例如，读出电路120可以包括第一转移晶体管(Tx1)128、第二转移晶体管(Tx2)121、复位晶体管(Rx)123、驱动晶体管(Dx，未示出)和选择晶体管(Sx，未示出)。
可以形成包括用于各个晶体管的第一浮动扩散区域(FD1)139、第二浮动扩散区域(FD2)131和源极/漏极区域133的离子注入区域130。
在第一实施例中，可以在第一基片100的读出电路120的一侧形成第一图像传感装置110。第一图像传感装置110可以包括N-阱113和P0层115，但是并不限于此。
在第一实施例中，与第一图像传感装置110有关的第一浮动扩散区域139和与第二图像传感装置210有关的第二浮动扩散区域131可以被形成为具有相同的电势。例如，通过利用第一金属129连接第一浮动扩散区域139和第二浮动扩散区域131可以将FD节点设计为共享的。
用于制造图像传感器的方法还可以包括在第一基片100中形成电学结区域140、以及在电学结区域140的上部形成连接到互连结构150的第一传导型连接结构147。
例如，电学结区域140可以是P-N结140，但是并不限于此。例如，电学结区域140可以包括在第二传导型阱141上或第二传导型外延层上形成的第一传导型离子注入层143、以及在第一传导型离子注入层143上形成的第二传导型离子注入层145。例如，P-N结140可以是P0(145)/N-(143)/P-(141)结，但是并不限于此。第一基片100可以是第二传导类型，但是并不限于此。
根据一个实施例，装置被设计为提供转移晶体管(Tx2)的源极和漏极之间的电势差，从而执行光电荷的完全转储。因此，在光电二极管中产生的光电荷转储至浮动扩散区域(FD2)，从而提高了输出图像灵敏度。
换言之，参照图1，该实施例在包含读出电路120的第一基片100中形成电学结区域140以提供第二转移晶体管(Tx2)121的源极和漏极之间的电势差，从而执行来自第二图像传感装置210的光电荷的完全转储。
因此，不同于相关技术情形中简单地将光电二极管连接到N+结，该实施例使得可能抑制饱和度降低和灵敏度损失。
其后，第一传导型连接结构147形成于光电二极管和读出电路之间以创建光电荷的平滑转移路径，从而使得可能最小化暗电流源并抑制饱和度降低和灵敏度损失。
为此，第一实施例可以在P0/N-/P-结140的表面上形成第一传导型连接结构147用于欧姆接触。N+区域(147)可以形成为穿透P0区域(145)以接触到N-区域(143)。
可以最小化第一传导型连接结构147的宽度以防止第一传导型连接结构147成为泄漏源。为此，该实施例可以在为第一金属接触151a蚀刻接触孔之后进行插入注入(plug implant)，但是实施例不限于此。例如，可以通过另一种方法形成离子注入式样(未示出)，且该离子注入式样可用作离子注入掩体以形成第一传导型连接结构147。
换言之，为何N+掺杂只在接触形成区域进行的一个原因是最小化暗信号并且帮助欧姆接触的平滑形成。如果整个转移晶体管源区域是如同相关技术中N+掺杂的，则由于Si表面悬浮键(dangling bond)暗信号可能增加。
可以在第一基片100上形成层间电介质160，并且可以形成互连结构150。互连结构150可以包括第一金属接触151a、第一金属151、第二金属152、第三金属153和第四金属接触154a，但是不限于此。
接下来，第二图像传感装置210形成于互连结构150上。第二图像传感装置210可以形成在晶体半导体层上，但是不限于此。例如，第二图像传感装置210可以采用非结晶类型形成。
第二图像传感装置210可以包括高浓度P型传导层216、低浓度N型传导层214和高浓度N+型传导层212。
根据第一实施例，第二图像传感装置可以通过采用置于读出电路的上侧的3-D图像传感器提高填充因子。实施例可以通过在晶体半导体层中形成图像传感装置来防止图像传感装置中的缺陷。
图2是根据一个实施例的图像传感器的平面图。
如图1和图2所示，第二图像传感装置210可以形成于除了垂直地位于第一图像传感装置110的上方的区域之外的区域中。
位于比第一图像传感装置110较高的区域的第二图像传感装置210可以比形成于第一基片100中的第一图像传感装置110接收更多入射光功率。因此，第二图像传感装置210可以成为比第一图像传感装置110更高灵敏度的传感器。
第二图像传感装置210和第一图像传感装置110的灵敏度比值可以通过调整形成于芯片上部的第二图像传感装置210和形成于芯片下部的第一图像传感装置110的面积比值来调整。
通过采用根据本实施例的3-D堆叠结构，用于第一图像传感装置110和第二图像传感装置210的共享结构的读出电路部分布置在由第二图像传感装置210占据的区域的下方，从而提高了图像传感器的填充因子。
图3示出了通过双斜率展示采用根据第一实施例的图像传感器的结构动态范围增大的示例结果。
宽动态范围可以通过设计由低灵敏度传感器和高灵敏度传感器共享的FD节点、并且合成通过转移晶体管定时控制获得的两种类型的灵敏度斜率来实现。
作为合成两种类型信息的一个例子，可以采用一种通过成像装置中的双通道结构直接控制合成的方法，但是实施例不限于此。
例如，在双通道结构中，在产生或操作图像信号两次或更多次之后，图像信号被处理，并且最终合成为一个图像信号。具体地，长通道负责暗部分的处理，而短通道负责亮部分的处理。在最大化保存和处理了从CIS获取的信号之后，信号在最后的阶段根据监视的dB被最优地合成。
或者，在图像装置中的(合成的)直接控制方法中，图像装置根据像素单元直接曝光。具体地，图像装置中的直接控制方法是一种图像装置在信号处理阶段通过控制快门定时直接合成暗部分的长通道信号和亮部分的短通道信号的方法，从而利用比双通道结构简单的系统获得较高动态范围。
通过采用根据实施例的图像传感器及其制造方法，可以通过利用3D图像传感器在最小区域内同时制造高灵敏度像素和低灵敏度像素来提供具有宽动态范围的图像传感器。
图4是根据第二实施例的图像传感器的剖面图。
根据第二实施例的图像传感器可以包括：读出电路120，其在第一基片100中；第一图像传感装置110，其在第一基片100的读出电路120的一侧；互连结构150，其在第一基片100的上方并且电连接到读出电路120；以及第二图像传感装置210，其在互连结构150的上方。
第二实施例可以采用第一实施例的技术特征。
但是，不同于第一实施例，第一传导型连接结构148形成于电学结区域140的一侧。
可以在P0/N-/P-结140上形成N+连接区域148用于欧姆接触。形成N+连接区域和第一金属接触151a的过程可能提供泄漏源。这是因为由于当反向偏置施加到P0/N-/P-结140上时的操作在Si表面的上方可能产生电场(EF)。在电场内的接触形成过程中产生的晶体缺陷可能成为泄漏源。
而且，当N+连接区域(见图1的参考标号147)形成于P0/N-/P-结140的表面的上方时，由于N+/P0结可能会额外产生电场。该电场也可以成为泄漏源。
因此，第二实施例提出了一种设计，其中第一接触插塞151a形成于没有掺杂P0层但是包括连接到N-结143的N+连接区域148的有源区域。
根据第二实施例，在Si表面上和/或上方不产生电场，有助于3D集成CIS的暗电流的减小。
在本说明书中对“一个(one)实施例”、“一个(an)实施例”、“示例实施例”等的任何引用意味着与实施例关联描述的具体特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例中。在说明书中多处出现的这些短语并不一定都指向相同实施例。另外，当与任何实施例相关联地描述具体特征、结构或特性时，认为其在本领域的技术人员能够实现与其他多个实施例相关联的这种特征、结构或特性的范围内。
虽然参照多个说明性实施例描述了本发明的实施例，但是应该理解本领域的技术人员能够想到的多种其他修改和实施例将落入本公开的精神和原理的范围内。更具体地，在本公开、附图和所附权利要求的范围内可能存在部件部分和/或主题组合布局的布置上的多种变型和修改。除了部件部分和/或布置的变型和修改，对于本领域的技术人员，替选的用途也是显而易见的。

Claims (10)

1.一种图像传感器，包括：
读出电路，其在第一基片中；
第一图像传感装置，其在所述第一基片的所述读出电路的一侧；
互连结构，其在所述第一基片的上方并且电连接到所述读出电路；以及
第二图像传感装置，其在所述互连结构的上方并且通过所述互连结构电连接到所述读出电路。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中像素的所述第二图像传感装置形成于除了垂直地位于所述像素的所述第一图像传感装置的上方的区域之外的区域。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述读出电路包括用于所述第一图像传感装置的光电荷转储的第一浮动扩散区域和用于所述第二图像传感装置的光电荷转储的第二浮动扩散区域，其中所述第一浮动扩散区域和第二浮动扩散区域具有相同的电势。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
电学结区域，其在所述读出电路的第二侧电连接到所述读出电路；以及
第一传导型连接结构，其在所述电学结区域和所述互连结构之间，用于电连接所述互连结构至所述电学结区域，
其中所述第一传导型连接结构布置在所述电学结区域的上部或一侧。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中所述读出电路包括晶体管，其中所述电学结区域布置在所述晶体管的源极以提供所述晶体管的源极和漏极之间的电势差。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其中所述晶体管是转移晶体管，并且所述晶体管的源极的离子注入浓度比在所述晶体管的漏极处的浮动扩散区域的离子注入浓度小。
7.一种用于制造图像传感器的方法，包括：
在第一基片中形成读出电路；
在所述第一基片的所述读出电路的一侧形成第一图像传感装置；
形成在所述第一基片的上方并且电连接到所述读出电路的互连结构；以及
在所述互连结构的上方形成第二图像传感装置。
8.根据权利要求7所述的方法，其中形成所述第二图像传感装置包括在除了垂直地位于所述第一图像传感装置的上方的区域之外的区域形成第二图像传感装置。
9.根据权利要求7所述的方法，其中形成所述读出电路包括形成用于所述第一图像传感装置的光电荷转储的第一浮动扩散区域和形成用于所述第二图像传感装置的光电荷转储的第二浮动扩散区域，其中所述第一浮动扩散区域和第二浮动扩散区域被形成为具有相同的电势。
10.根据权利要求7所述的方法，还包括在形成所述互连结构之前在所述读出电路的第二侧形成电连接到所述读出电路的电学结区域。
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