DE102008046101A1 - Bildsensor und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Bildsensor bereitgestellt. Der Bildsensor kann einen Auslese-Schaltkreis auf einem ersten Substrat enthalten. Ein Zwischenschicht-Dielektrikum wird auf dem ersten Substrat ausgebildet und enthält darin eine untere Leitung. Eine kristalline Halbleiterschicht wird mit dem Zwischenschicht-Dielektrikum verbunden. Eine Fotodiode kann in der kristallinen Halbleiterschicht ausgebildet werden und enthält einen ersten Störstellen-Bereich und einen zweiten Störstellen-Bereich. Ein Durchkontaktierungs-Loch kann ausgebildet werden, das die kristalline Halbleiterschicht und das Zwischenschicht-Dielektrikum durchläuft, um die untere Leitung freizulegen. Ein Zapfen wird innerhalb des ersten Durchkontaktierungs-Lochs ausgebildet, um nur mit der unteren Leitung und dem ersten Störstellen-Bereich verbunden zu werden. Ein Bauelemente-Isolations-Bereich kann in der kristallinen Halbleiterschicht ausgebildet werden, um die Fotodiode entsprechend der Bildpunkt-Einheiten zu trennen.

Description

  • HINTERGRUND
  • Ein Bildsensor ist ein Halbleiterbauelement zur Umwandlung eines optischen Bildes in ein elektrisches Signal. Bildsensoren können grob in Bildsensoren mit ladungsgekoppelten Bauelementen (CCD) und in Komplementär-Metall-Oxid-Halbleiter-(CMOS)-Bildsensoren (CIS) klassifiziert werden.
  • In einem Bildsensor wird in einem Substrat, in dem sich ein Auslese-Schaltkreis befindet, unter Verwendung von Ionenimplantation eine Fotodiode ausgebildet. Da sich die Abmessungen einer Fotodiode immer mehr verringern, um die Anzahl von Bildpunkten zu erhöhen, ohne die Chipfläche zu vergrößern, verringert sich die Fläche eines Licht empfangenden Teilbereichs, so dass sich die Bildqualität verschlechtert.
  • Da sich die Stapelhöhe nicht so viel verringert, wie sich die Fläche des Licht empfangenden Teilbereichs verringert, verringert sich auch die Anzahl der Photonen, die auf den Licht empfangenden Teilbereich einfallen, durch Beugung des Lichtes, Beugungsscheibchen (Airy Disk) genannt.
  • Als Alternative zur Beseitigung dieser Einschränkung wurde der Versuch unternommen, eine Fotodiode unter Verwendung von amorphem Silizium (Si) auszubilden, oder einen Auslese-Schaltkreis in einem Si-Substrat auszubilden und eine Fotodiode auf dem Auslese-Schaltkreis unter Verwendung eines Verfahrens, wie z. B. Wafer-Wafer-Bonden, auszubilden (als "Dreidimensionaler (3D) Bildsensor" bezeichnet). Die Fotodiode ist durch eine Metallleitung mit dem Auslese-Schaltkreis verbunden.
  • Eine Verbindungs-Oberfläche eines Wafers, der einen Schaltkreis enthält, hat zwei Arten von Schichten, die ein Material für eine Leitung und ein Zwischenschicht-Dielektrikum an einer Wafer-zu-Wafer-Verbindungs-Schnittstelle umfassen.
  • Da nach der verwandten Technik die Materialien der Schnittstelle nicht einheitlich sind (dasselbe Material an der Oberfläche), kann sich die Verbindungskraft verringern, und folglich kann ein Dunkelstrom erzeugt werden.
  • Auch kann nach der verwandten Technik durch das Ätzen eines Grabens in einem Shallow-Trench-Isolation-Prozess (STI) zur Bauelemente-Isolation zwischen Bildpunkten ein Dunkel-Defekt in einer Fotodiode erzeugt werden, was zu einer unvollständigen Bauelemente-Isolation zwischen den Bildpunkten führt.
  • Nach der verwandten Technik tritt, da sowohl Source, als auch Drain des Transfer-Transistors des Auslese-Schaltkreises stark mit N-Typ-Fremdatomen dotiert sind, ein Ladungs-Verteilungs-Phänomen auf. Wenn das Ladungs-Verteilungs-Phänomen auftritt, wird die Empfindlichkeit eines ausgegebenen Bildes verringert und es kann ein Bildfehler erzeugt werden. Ebenfalls kann nach der verwandten Technik, da eine Fotoladung sich nicht schnell zwischen der Fotodiode und dem Auslese-Schaltkreis bewegt, ein Dunkelstrom erzeugt werden, oder die Sättigung und die Empfindlichkeit verringern sich.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG
  • Ausführungen der vorliegenden Erfindung liefern einen Bildsensor, der die Verbindungskraft einer Verbindungsfläche bei einer Wafer-zu-Wafer-Verbindungs-Operation erhöhen kann, während eine vertikale Integration eines Substrates angewendet wird, in dem ein Auslese-Schaltkreis ausgebildet ist, und eine Fotodiode und ein Verfahren zu deren Herstellung.
  • In einer Ausführung kann ein Bildsensor umfassen:
    Ein erstes Substrat, das einen Auslese-Schaltkreis enthält;
    ein Zwischenschicht-Dielektrikum auf dem ersten Substrat, wobei das Zwischenschicht-Dielektrikum darin eine untere Leitung enthält;
    eine kristalline Halbleiterschicht auf dem Zwischenschicht-Dielektrikum;
    eine Fotodiode in der kristallinen Halbleiterschicht, wobei die Fotodiode einen ersten Störstellen-Bereich und einen zweiten Störstellen-Bereich enthält;
    ein erstes Durchkontaktierungs-Loch, das die kristalline Halbleiterschicht und das Zwischenschicht-Dielektrikum durchläuft, um die untere Leitung freizulegen;
    einen Zapfen im ersten Durchkontaktierungs-Loch, um eine Verbindung mit nur der unteren Leitung und dem ersten Störstellen-Bereich herzustellen; und
    einen Bauelemente-Isolations-Bereich in der kristallinen Halbleiterschicht, wobei der Bauelemente-Isolations-Bereich die Fotodiode für jede Bildpunkt-Einheit trennt.
  • In einer anderen Ausführung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors:
    Ausbilden eines Auslese-Schaltkreises in einem ersten Substrat; Ausbilden eines Zwischenschicht-Dielektrikums, das eine untere Leitung enthält, auf dem ersten Substrat;
    Ausbilden eines zweiten Substrates, das eine kristalline Halbleiterschicht enthält;
    Ausbilden einer Fotodiode, die einen ersten Störstellen-Bereich und einen zweiten Störstellen-Bereich enthält, in der kristallinen Halbleiterschicht;
    Verbinden des Zwischenschicht-Dielektrikums des ersten Substrates mit der kristallinen Halbleiterschicht des zweiten Substrates;
    Trennen des zweiten Substrates, so dass die Fotodiode auf dem ersten Substrat freigelegt ist;
    Ausbilden eines ersten Durchkontaktierungs-Lochs, das die Fotodiode und das Zwischenschicht-Dielektrikum durchläuft, um die untere Leitung freizulegen;
    Ausbilden eines Zapfens im ersten Durchkontaktierungs-Loch, so dass der Zapfen mit der unteren Leitung und dem ersten Störstellen-Bereich verbunden ist; und
    Ausbilden eines Bauelemente-Isolations-Bereichs in der kristallinen Halbleiterschicht, so dass die Fotodiode entsprechend der Bildpunkt-Einheit getrennt ist.
  • Die Details einer oder mehrerer Ausführungen werden in den begleitenden Zeichnungen und der unten stehenden Beschreibung dargelegt. Weitere Eigenschaften sind aus der Beschreibung und den Zeichnungen, sowie aus den Ansprüchen ersichtlich.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die 1 bis 13 sind Querschnitts-Ansichten, die einen Herstellungsprozess eines Bildsensors gemäß einer Ausführung zeigen.
  • 14 ist teilweise detaillierte Ansicht eines Bildsensors gemäß einer anderen Ausführung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Ausführungen eines Bildsensors und ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß einer Ausführung werden mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben.
  • 13 ist eine Querschnitts-Ansicht eines Bildsensors gemäß einer Ausführung.
  • Mit Bezug auf 13 kann ein Bildsensor umfassen: Ein erstes Substrat 100, das einen Auslese-Schaltkreis 120 enthält; ein Zwischenschicht-Dielektrikum 160 auf dem ersten Substrat, wobei das Zwischenschicht-Dielektrikum darin eine untere Leitung 150 enthält; eine kristalline Halbleiterschicht 200 auf dem Zwischenschicht-Dielektrikum 160; eine Fotodiode 205 in der kristallinen Halbleiterschicht 200, wobei die Fotodiode aus einem gestapelten ersten Störstellen-Bereich 210 und einem zweiten Störstellen-Bereich 220 ausgebildet ist; ein Durchkontaktierungs-Loch 245, das die kristalline Halbleiterschicht 200 und das Zwischenschicht-Dielektrikum 160 durchläuft, um die untere Leitung 150 freizulegen; einen Zapfen 251, der in nerhalb des ersten Durchkontaktierungs-Lochs 245 ausgebildet ist, um nur mit der unteren Leitung 150 und dem ersten Störstellen-Bereich 210 verbunden zu werden; und einen Bauelemente-Isolations-Bereich 260 in der kristallinen Halbleiterschicht 200, wobei der Bauelemente-Isolations-Bereich die Fotodiode 205 für jeden Bildpunkt trennt.
  • Ein drittes Metall 153 auf dem obersten Teil der unteren Leitung 150 kann innerhalb des Zwischenschicht-Dielektrikums 160 ausgebildet werden, so dass es nicht offen liegt. Durch Bereitstellung des dritten Metalls 153 mit nicht offen liegender oberster Oberfläche hat die Verbindungs-Oberfläche des ersten Substrates 100 eine Art von Schicht für eine verbesserte Verbindungskraft. Die in der kristallinen Halbleiterschicht 200 ausgebildete Fotodiode 205 kann einen Störstellen-Bereich vom n-Typ 210 und einen Störstellen-Bereich vom p-Typ 220 enthalten. Eine erste Passivierungsschicht 240, die eine Oxidschicht oder eine Nitridschicht ist, kann auf der kristallinen Halbleiterschicht 200 angeordnet werden, nachdem die kristalline Halbleiterschicht 200 mit dem ersten Substrat 100 verbunden wurde.
  • Der Zapfen 251 kann selektiv im ersten Durchkontaktierungs-Loch 245 ausgebildet werden, so dass der erste Störstellen-Bereich 210 der Fotodiode 205 mit der unteren Leitung 150 verbunden ist. Das heißt, da der Zapfen 251 nicht mit dem zweiten Störstellen-Bereich 220 verbunden ist, kann ein elektrischer Kurzschluss der Fotodiode 205 verhindert werden.
  • Ein Dielektrikum 255 kann auf dem Zapfen 251 ausgebildet werden, um das erste Durchkontaktierungs-Loch 245 zu füllen.
  • Eine obere Elektrode 270 kann in einem zweiten Durchkontaktierungs-Loch 249 der ersten Passivierungsschicht 240 angeordnet werden. Die obere Elektrode 270 kontaktiert den zweiten Störstellen-Bereich 220 durch das zweite Durchkontaktierungs-Loch 249, um eine elektrische Verbindung mit der Fotodiode 205 herzustellen.
  • In dem Bildsensor gemäß der Ausführung wird ein 3D-Bildsensor verwendet, bei dem eine Fotodiode auf einem Auslese-Schaltkreis angeordnet ist, um einen Füllfaktor zu erhöhen. Eine Fotodiode kann auch in der kristallinen Halbleiterschicht ausgebildet werden, um Defekte der Fotodiode zu verringern. Es kann auch eine Bauelemente-Isolationsschicht in der kristallinen Halbleiterschicht ausgebildet werden, um Übersprechen und die Erzeugung von Rauschen zu verhindern.
  • Gemäß einer Ausführung wird als nächstes ein Bauelement so konstruiert, dass zwischen Source und Drain an Seiten eines Transfer-Transistors Tx eine Potentialdifferenz erzeugt wird, so dass eine Fotoladung vollständig entladen werden kann. Folglich kann, da eine von der Fotodiode erzeugte Fotoladung vollständig in einen Floating-Diffusions-Bereich entladen wird, die Empfindlichkeit eines ausgegebenen Bildes verbessert werden.
  • Das heißt, es kann ein elektrischer Sperrschicht-Bereich 140 im ersten Substrat 100 ausgebildet werden, in dem der Auslese-Schaltkreis 120 ausgebildet ist, um es zu ermöglichen, dass eine Potentialdifferenz zwischen Source und Drain an den Seiten des Transfer-Transistors Tx 121 erzeugt wird, so dass eine Fotoladung vollständig entladen werden kann. Der Auslese-Schaltkreis 120 kann zum Beispiel einen Transfer-Transistor Tx 121, einen Reset-Transistor Rx 123, einen Ansteuer-Transistor Dx 125 und einen Auswahl-Transistor Sx 127 enthalten.
  • Im Folgenden wird eine Entlade-Struktur einer Fotoladung gemäß einer Ausführung detailliert beschrieben.
  • Der elektrische Sperrschicht-Bereich 140 kann eine Ionenimplantations-Schicht 143 eines ersten Leitungstyps, die auf einer Wanne 141 eines zweiten Leitungstyps ausgebildet ist (oder auf einer Epitaxieschicht eines zweiten Leitungstyps (nicht gezeigt)), und eine Ionenimplantations-Schicht 145 eines zweiten Leitungstyps, die auf der Ionenimplantations-Schicht 143 des ersten Leitungstyps ausgebildet ist, umfassen. Zum Beispiel kann der elektrische Sperrschicht-Bereich 140 ein PN-Übergang oder ein PNP-Übergang sein, ist aber nicht darauf beschränkt.
  • Anders als bei einem Knoten des Floating-Diffusions-Bereichs FD 131, der ein N+-Übergang ist, wird ein PNP-Übergang 140, der ein elektrischer Sperrschicht-Bereich 140 ist und an den eine angelegte Spannung nicht vollständig übertragen wird, bei einer bestimmten Spannung abgeschnürt. Diese Spannung wird als Haftspannung (Pinning-Spannung) bezeichnet und ist abhängig von den Dotierungs-Konzentrationen des P0-Bereichs 145 und des N–-Bereichs 143.
  • Insbesondere bewegt sich ein Elektron, das von der Fotodiode 205 erzeugt wird, zum PNP-Übergang 140 und wird zum Knoten des Floating-Diffusions-Bereichs FD 131 übertragen und in eine Spannung umgewandelt, wenn der Transfer-Transistor Tx 121 eingeschaltet wird.
  • Da ein maximaler Spannungswert des P0/N–/P–-Übergangs 140 eine Pinning-Spannung wird, und ein maximaler Spannungswert des Knotens des Floating-Diffusions-Bereichs FD 131 eine Schwellspannung Vth eines Vdd-Rx 123 wird, kann ein Elektron, das von der Fotodiode 205 im oberen Teil eines Chips erzeugt wird, vollständig zum Knoten des Floating-Diffusions-Bereichs FD 131 entladen werden, ohne dass eine Ladungs-Verteilung auftritt, indem eine Potentialdifferenz zwischen den Seiten des Transfer-Transistors Tx 131 implementiert wird.
  • Das heißt, gemäß einer Ausführung wird der P0/N–/P–-Wannen-Übergang, nicht ein N+/P-Wannen-Übergang, im ersten Substrat ausgebildet, um es zu ermöglichen eine positive (+)-Spannung an den N–-Bereich 143 des P0/N–/P–-Wannen-Übergangs anzulegen, und während einer Reset-Operation eines aktiven Bildpunkte-Sensors mit 4 Transistoren (APS) eine Massespannung an P0 145 und die P-Wanne 141 anzulegen, so dass am doppelten P0/N–/P-Wannen-Übergang bei einer vorher festgelegten Spannung oder mehr, wie in einer Transistor-Struktur mit einer bipolaren Sperrschicht (BJT) eine Abschnürung hervorgerufen wird. Dies wird als Haftspannung (Pinning-Spannung) bezeichnet. Daher wird zwischen Source und Drain des Transfer-Transistors Tx 121 eine Potentialdifferenz erzeugt, um ein Ladungs-Verteilungs-Phänomen während der Ein-/Aus-Operationen des Transfer-Transistors Tx zu verhindern.
  • Daher können, anders als im Fall, in dem eine Fotodiode einfach mit einem N+-Übergang wie in der verwandten Technik verbunden wird, bei Bildsensoren gemäß Ausführungen der vorliegenden Erfindung Einschränkungen, wie Sättigungs-Verringerung und Empfindlichkeits-Verringerung vermieden werden.
  • In einer weiteren Ausführung kann ein Verbindungs-Bereich 147 eines ersten Leitungstyps zwischen der Fotodiode und dem Auslese-Schaltkreis ausgebildet werden, um einen Pfad für die schnelle Bewegung einer Fotoladung bereitzustellen, so dass eine Dunkelstrom-Quelle minimiert und die Verringerung der Sättigung und die Verringerung der Empfindlichkeit verhindert werden.
  • Zu diesem Zweck kann gemäß einer Ausführung auf der Oberfläche des P0/N–/P–-Übergangs 140 der Verbindungs-Bereich 147 eines ersten Leitungstyps für den ohmschen Kontakt ausgebildet werden. Um zu verhindern, dass der Verbindungs-Bereich 147 des ersten Leitungstyps eine Leckstrom-Quelle wird, kann unterdessen die Breite des Verbindungs-Bereichs 147 des ersten Leitungstyps minimiert werden. Hierdurch kann ein Dunkelstrom des 3D-Bildsensors verringert werden.
  • Das heißt, ein Grund dafür, nur einen Kontakt bildenden Teil lokal und stark mit N-Typ-Fremdatomen zu dotieren, ist es, die Bildung eines ohmschen Kontaktes zu erleichtern und dabei ein Dunkelsignal zu minimieren. Im Fall einer starken Dotierung des gesamten Transfer-Transistors (Source von Tx) kann ein Dunkelsignal durch eine ungesättigte Bindung der Si-Oberflächenatome vergrößert werden.
  • Referenznummern in 13, die nicht erklärt wurden, werden im folgenden Herstellungsverfahren beschrieben.
  • Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors gemäß einer Ausführung mit Bezug auf die 1 bis 13 beschrieben.
  • Mit Bezug auf 1 kann ein Auslese-Schaltkreis 120 auf dem ersten Substrat 100 ausgebildet werden.
  • Eine Bauelemente-Isolationsschicht 110, die einen aktiven Bereich und einen Feld-Bereich definiert, kann im ersten Substrat 100 ausgebildet werden. Der Auslese-Schaltkreis 120, der einen Transistor enthält, kann auf dem aktiven Bereich des ersten Substrates 100 ausgebildet werden. Zum Beispiel kann der Auslese-Schaltkreis 120 den Transfer-Transistor Tx 121, den Reset-Transistor Rx 123, den Ansteuerungs-Transistor Dx 125 und den Auswahl-Transistor Sx 127 enthalten. Nach dem Ausbilden der Gates für die Transistoren können der Floating-Diffusions-Bereich FD 131 und Ionenimplantations-Bereiche 130, die Source-/Drain-Bereiche der entsprechenden Transistoren enthalten, ausgebildet werden.
  • Das Ausbilden des Auslese-Schaltkreises 120 im ersten Substrat 100 kann das Ausbilden des elektrischen Sperrschicht-Bereichs 140 im ersten Substrat 100 und das Ausbilden des Verbindungs-Bereichs 147 eines ersten Leitungstyps zur Verbindung mit der unteren Leitung 150 auf dem elektrischen Sperrschicht-Bereich 140 umfassen.
  • Der elektrische Sperrschicht-Bereich 140 kann zum Beispiel ein PN-Übergang 140 sein, ist aber nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann der elektrische Sperrschicht-Bereich 140 die Ionenimplantations-Schicht 143 eines ersten Leitungstyps, die auf der Wanne 141 eines zweiten Leitungstyps (oder einer Epitaxieschicht eines zweiten Leitungstyps) ausgebildet ist, und eine Ionenimplantations-Schicht eines zweiten Leitungstyps 145, die auf der Ionenimplantations-Schicht 143 des ersten Leitungstyps ausgebildet ist, umfassen. In einer Ausführung kann der PN-Übergang 140 der in 1 gezeigte P0(145)/N– (143)/P–(141)-Übergang sein. Das erste Substrat 100 kann ein Substrat eines zweiten Leitungstyps sein, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
  • Gemäß einer Ausführung wird der elektrische Sperrschicht-Bereich 140 im ersten Substrat 100 ausgebildet, in dem der Auslese-Schaltkreis 120 ausgebildet wird, um es zu ermöglichen, dass eine Potentialdifferenz zwischen Source und Drain des Transfer-Transistors Tx 121 erzeugt wird, so dass eine Fotoladung vollständig entladen werden kann.
  • Das heißt, gemäß einer Ausführung wird ein Bauelement so konstruiert, dass zwischen Source und Drain des Transfer-Transistors Tx eine Potentialdifferenz vorliegt, so dass eine Fotoladung vollständig entladen werden kann. Zum Beispiel kann ein Bauelement so konstruiert werden, dass eine Potentialdifferenz zwischen Source und Drain des Transfer-Transistors Tx erzeugt wird, indem die Dotierungskonzentration des N-Bereichs 143 kleiner als die Dotierungskonzentration des Floating-Diffusions-Bereichs FD 131 gemacht wird.
  • Als nächstes kann auf dem P0/N–/P–-Übergang 140 der Verbindungs-Bereich 147 eines ersten Leitungstyps für den ohmschen Kontakt ausgebildet werden. Zum Beispiel kann ein N+-Bereich 147 für den ohmschen Kontakt auf der Oberfläche des P0/N–/P–-Übergangs 140 ausgebildet werden. Der N+-Bereich 147 kann so ausgebildet werden, dass er den P0-Bereich 145 durchläuft und den N–-Bereich 143 kontaktiert.
  • Um zu verhindern, dass der Verbindungs-Bereich 147 des ersten Leitungstyps eine Leckstrom-Quelle wird, kann unterdessen die Breite des Verbindungs-Bereichs 147 des ersten Leitungstyps minimiert werden. Zu diesem Zweck kann eine Zapfen- Implantation durchgeführt werden, nachdem ein Durchkontaktierungs-Loch für einen ersten Metallkontakt 151a geätzt wurde. In einer alternativen Ausführung können Ionenimplantations-Muster (nicht gezeigt) ausgebildet werden, und dann kann der Verbindungs-Bereich 147 eines ersten Leitungstyps ausgebildet werden, indem die Ionenimplantations-Muster als Ionenimplantations-Maske verwendet werden.
  • Gemäß Ausführungen wird der Verbindungs-Bereich 147 eines ersten Leitungstyps zwischen der Fotodiode und dem Auslese-Schaltkreis 120 ausgebildet, um einen Pfad für die schnelle Bewegung einer Fotoladung bereitzustellen und somit eine Dunkelstrom-Quelle zu minimieren und die Verringerung der Sättigung und die Verringerung der Empfindlichkeit zu verhindern.
  • Die untere Leitung 150 und das Zwischenschicht-Dielektrikum 160 können auf dem ersten Substrat 100 ausgebildet sein. Die untere Leitung 150 kann den ersten Metall-Kontakt 151a, ein erstes Metall 151, ein zweites Metall 152 und ein drittes Metall 153 enthalten, ist aber nicht darauf beschränkt.
  • Die untere Leitung 150 kann aus verschiedenen leitfähigen Materialien ausgebildet werden, einschließlich Metall, Legierungen und Siliziden. Zum Beispiel kann die untere Leitung 150 aus Aluminium, Kupfer, Kobalt oder Wolfram ausgebildet werden. Das Zwischenschicht-Dielektrikum 160 kann ausgebildet werden, um das dritte Metall 153 der unteren Leitung 150 komplett zu bedecken. Daher kann, da das Zwischenschicht-Dielektrikum 160 auf dem ersten Substrat 100 ausgebildet wird, wenn auf dem Zwischenschicht-Dielektrikum 160 ein Planarisierungs-Prozess ausgeführt wird, das Zwischenschicht-Dielektrikum 160 eine gleichmäßige Oberfläche werden.
  • Mit Bezug auf 2 kann ein zweites Substrat 20, das eine kristalline Halbleiterschicht 200 enthält, bereitgestellt werden. Das zweite Substrat 20 kann ein Einkristall-Substrat oder ein polykristallines Silizium-Substrat sein, und kann ein Substrat sein, das mit p-Typ-Fremdatomen oder n-Typ-Fremdatomen dotiert ist. In einer Ausführung kann die kristalline Halbleiterschicht 200 auf dem zweiten Substrat 20 durch Epitaxie ausgebildet werden.
  • Mit Bezug auf 3 wird die Fotodiode 205 in der kristallinen Halbleiterschicht 200 ausgebildet. Die Fotodiode 205 kann einen ersten Störstellen-Bereich 210 und einen zweiten Störstellen-Bereich 220 enthalten. Der erste Störstellen-Bereich 210 kann ausgebildet werden, indem n-Typ-Fremdatome in einen tiefen Bereich der kristallinen Halbleiterschicht 200 implantiert werden (d. h. nahe an das zweite Substrat). Der zweite Störstellen-Bereich 220 kann ausgebildet werden, indem p-Typ-Fremdatome in einen flachen Bereich der kristallinen Halbleiterschicht 200 implantiert werden (d. h. nahe der Oberfläche der kristallinen Halbleiterschicht 200). Da die Fotodiode 205 einen PN-Übergang hat, kann eine von der Fotodiode 205 erzeugte Fotoladung durch die untere Leitung 150 zum Auslese-Schaltkreis 120 transportiert werden.
  • Mit Bezug auf 4 kann eine ohmsche Kontaktschicht 230 ausgebildet werden, indem n-Typ-Fremdatome in hoher Konzentration (n+) in die Oberfläche des ersten Störstellen-Bereichs 210 implantiert werden. Wenn die ohmsche Kontaktschicht 230 auf dem ersten Störstellen-Bereich 210 ausgebildet wird, kann der Kontaktwiderstand der mit der Fotodiode verbundenen Leitung verringert werden. Im Folgenden erfolgt die Beschreibung mit einem Beispiel, bei dem die ohmsche Kontaktschicht 230 weggelassen wird.
  • Da die Fotodiode 205 in der kristallinen Halbleiterschicht 200 durch Ionenimplantation ausgebildet wird, kann ein Defekt innerhalb der Fotodiode 205 verhindert und die Erzeugung eines Dunkelstroms blockiert werden.
  • Mit Bezug auf 5 werden das erste Substrat 100, das das Zwischenschicht-Dielektrikum 160 enthält, und das zweite Substrat 20, das die kristalline Halbleiterschicht 200 enthält, miteinander verbunden.
  • Wenn das erste Substrat 100 und das zweite Substrat 20 miteinander verbunden werden, wird die Oberfläche des Zwischenschicht-Dielektrikums 160 und der erste Störstellen-Bereich 210 (oder die ohmsche Kontaktschicht 230, falls verwendet) der Fotodiode 205 verbunden.
  • Insbesondere, da das Zwischenschicht-Dielektrikum 160 des ersten Substrates 100 eine planarisierte Oberfläche hat, die keine Metallleitung offen legt, und die Oberfläche der kristallinen Halbleiterschicht 200 des zweiten Substrates 20 eine planarisierte Oberfläche hat, kann sich die Verbindungskraft zwischen dem ersten Substrat 100 und dem zweiten Substrat 200 erhöhen.
  • Mit Bezug auf 6 kann das zweite Substrat 20 entfernt werden, so dass die Fotodiode 205 auf dem ersten Substrat 100 bleibt. In einer Ausführung kann ein Teil des zweiten Substrates 20 unter Verwendung eines Messers entfernt werden, so dass die Fotodiode 205 freigelegt werden kann.
  • Mit Bezug auf 7 wird eine erste Passivierungsschicht 240 auf der kristallinen Halbleiterschicht 200 ausgebildet. Zum Beispiel kann die erste Passivierungsschicht 240 eine Oxid schicht oder eine Nitridschicht sein, und kann insbesondere eine Niedrigtemperatur-Oxidschicht sein.
  • Mit Bezug auf 8 kann ein erstes Durchkontaktierungs-Loch 245, das das dritte Metall 153 des ersten Substrates 100 freilegt, ausgebildet werden. Das erste Durchkontaktierungs-Loch 245 kann ausgebildet werden, indem Teile der ersten Passivierungsschicht 240, der kristallinen Halbleiterschicht 200 und des Zwischenschicht-Dielektrikums 160 entfernt werden. Dann wird das dritte Metall 153 innerhalb des Zwischenschicht-Dielektrikums 160 freigelegt. Zum Beispiel kann das erste Durchkontaktierungs-Loch 245 ausgebildet werden, indem ein Fotolack-Muster auf der ersten Passivierungsschicht 240 ausgebildet und ein Nassätz- oder ein Trockenätz-Prozess durchgeführt wird.
  • Mit Bezug auf 9 kann eine Metallschicht 250 innerhalb des ersten Durchkontaktierungs-Lochs 245 ausgebildet werden. Die Metallschicht 250 wird innerhalb des ersten Durchkontaktierungs-Lochs 245 ausgebildet, um die untere Leitung 150 mit der Fotodiode 205 zu verbinden. Zum Beispiel kann die Metallschicht 250 ausgebildet werden, indem leitfähige Materialien, einschließlich Aluminium, Kupfer, Titan und Wolfram abgeschieden und planarisiert werden.
  • Mit Bezug auf 10 kann ein Zapfen 251 von der Metallschicht 250 ausgebildet werden, indem ein Ätzprozess auf der Metallschicht 250 durchgeführt wird. Der Zapfen 251 wird ausgebildet, um im Teil der Fotodiode 205 nur den ersten Störstellen-Bereich 210 zu kontaktieren, um eine von der Fotodiode 205 erzeugte Fotoladung zur unteren Leitung 150 zu übertragen.
  • Der Zapfen 251 kann ausgebildet werden, indem der obere Bereich der Metallschicht 250 durch Nass- oder Trockenätzen entfernt wird. Dann wird ein erstes Durchkontaktierungs-Loch-Muster 247 auf dem Zapfen 205 ausgebildet, um den zweiten Störstellen-Bereich 220 und eine Seitenwand 240 der ersten Passivierungsschicht 240 offen zu legen.
  • Da der Zapfen 251 keinen Kontakt zum zweiten Störstellen-Bereich 220 der Fotodiode 205 hat, kann ein Kurzschluss der Fotodiode 205 verhindert werden.
  • Mit Bezug auf 11 werden die Lücken des ersten Durchkontaktierungs-Loch-Musters 247 mit einem Dielektrikum 255 gefüllt. Das Dielektrikum 255 kann aus demselben Material ausgebildet werden wie die erste Passivierungsschicht 240.
  • Mit Bezug auf 12 kann in einer Ausführung ein Bauelemente-Isolationsbereich 260 in der ersten Passivierungsschicht 240 und in der kristallinen Halbleiterschicht 200 ausgebildet werden. Der Bauelemente-Isolationsbereich 260 kann durch einen Shallow-Trench-Isolation-Prozess (STI) ausgebildet werden, oder er kann durch Ionenimplantation ausgebildet werden. Im Fall, dass der Bauelemente-Isolationsbereich 260 ein STI ist, kann eine Deckoxidschicht 261 auf dem Bauelemente-Isolationsbereich 260 ausgebildet werden.
  • Folglich wird der Bauelemente-Isolationsbereich 260 in der kristallinen Halbleiterschicht 200 ausgebildet, um die Fotodiode 205 für jede Bildpunkt-Einheit zu trennen.
  • Als nächstes kann eine obere Elektrode 270 auf der ersten Passivierungsschicht 240 ausgebildet werden, um die Fotodiode 205 elektrisch anzuschließen. Die obere Elektrode 270 kontaktiert einen Teil des zweiten Störstellen-Bereichs 220 der Fotodiode 205 durch das zweite Durchkontaktierungs-Loch 249, das in der ersten Passivierungsschicht 240 ausgebildet ist. In einer Ausführung kann die obere Elektrode 270 auch ausgebildet werden, indem eine obere Elektrodenschicht (nicht gezeigt) auf der ersten Passivierungsschicht 240 ausgebildet wird, die das zweite Durchkontaktierungs-Loch 249 enthält, und dann ein Teil der oberen Elektrodenschicht auf einem Bereich der Bildpunkt-Einheit entfernt wird. Obwohl nicht gezeigt, kann das zweite Durchkontaktierungs-Loch 249 für jede Fotodiode 205 für jede Bildpunkt-Einheit getrennt durch den Bauelemente-Isolationsbereich 260 ausgebildet werden.
  • Da die obere Elektrode 270 selektiv auf einem Teil der Fotodiode 205 ausgebildet werden kann, hat die obere Elektrode 270 keinen Einfluss auf einen Licht empfangenden Bereich der Fotodiode.
  • Mit Bezug auf 13 kann eine zweite Passivierungsschicht 280 ausgebildet werden, indem eine Nitridschicht oder eine Oxidschicht auf der ersten Passivierungsschicht 240 abgeschieden wird, auf der die obere Elektrode 270 ausgebildet ist. Auch kann ein Farbfilter 290 auf einem Teil der zweiten Passivierungsschicht 280 ausgebildet werden, der der Fotodiode für eine Bildpunkt-Einheit entspricht.
  • Entsprechend dem Verfahren zur Herstellung des Bildsensors werden das erste Substrat, das die untere Leitung enthält, und die kristalline Halbleiterschicht, die die Fotodiode enthält, durch einen Verbindungs-Prozess miteinander verbunden, so dass eine vertikale Integration erzielt werden kann.
  • Gemäß einer Ausführung wird auch, da die Fotodiode oben auf dem ersten Substrat ausgebildet wird, die Brennweite der Fotodiode verringert, um die Lichtempfangsrate zu verbessern.
  • Durch die Bereitstellung der vertikalen Integration können zusätzliche Schaltkreise auf dem Chip mit dem ersten Substrat integriert werden, um die Leistungsfähigkeit des Bildsensors zu erhöhen. Zusätzlich dazu kann eine weitere Miniaturisierung eines Bauelementes erzielt werden, und die Herstellungskosten können verringert werden.
  • Gemäß Ausführungen kann auch eine Fotodiode ausgebildet werden, indem Ionen in ein getrenntes Substrat implantiert werden, so dass Defekte innerhalb der Fotodiode verringert werden können.
  • Gemäß einer Ausführung kann, weil ein Bauelemente-Isolationsbereich so ausgebildet werden kann, dass die Fotodiode für jede Bildpunkt-Einheit getrennt ist, Übersprechen und die Erzeugung von Rauschen verringert werden.
  • Gemäß Ausführungen kann auch, weil durch die gleichmäßigen Oberflächen des ersten Substrates und des zweiten Substrates eine feste Verbindungs-Oberfläche erzielt wird, wenn der Verbindungs-Prozess durchgeführt wird, die Zuverlässigkeit des Bildsensors verbessert werden.
  • 14 ist eine Querschnitts-Ansicht eines Bildsensors gemäß einer anderen Ausführung.
  • Mit Bezug auf 14 kann ein Bildsensor umfassen: Ein erstes Substrat 100, das eine Leitung 150 und einen Auslese-Schaltkreis 120 enthält; und eine kristalline Halbleiter schicht 200, die eine Fotodiode 205 und einen Bauelemente-Isolationsbereich 260 auf dem Auslese-Schaltkreis 120 enthält. Der Auslese-Schaltkreis 120 des ersten Substrates 100 kann umfassen: einen elektrischen Sperrschicht-Bereich 140, der im ersten Substrat 100 ausgebildet ist; und einen Verbindungsbereich 148 eines ersten Leitungstyps, der an einer Seite des elektrischen Sperrschicht-Bereichs mit der Leitung 150 verbunden ist.
  • Diese Ausführung kann die technischen Charakteristiken der Ausführungen, die mit Bezug auf die 1 bis 13 beschrieben wurden, übernehmen.
  • Gemäß einer Ausführung wird ein Bauelement so konstruiert, dass eine Potentialdifferenz zwischen Source und Drain eines Transfer-Transistors Tx erzeugt wird, so dass eine Fotoladung vollständig entladen werden kann. Folglich kann, da eine von der Fotodiode erzeugte Fotoladung vollständig in einen Floating-Diffusions-Bereich entladen wird, die Empfindlichkeit eines ausgegebenen Bildes erhöht werden.
  • Gemäß einer Ausführung wird auch ein Ladungs-Verbindungs-Bereich zwischen der Fotodiode und dem Auslese-Schaltkreis ausgebildet, um einen Pfad für die schnelle Bewegung einer Fotoladung bereitzustellen, so dass eine Dunkelstrom-Quelle minimiert wird und die Verringerung der Sättigung und die Verringerung der Empfindlichkeit verhindert werden kann.
  • Anders als in der oben beschriebenen Ausführung zeigt die Ausführung in 14 einen Verbindungsbereich eines ersten Leitungstyps 148, der an einer Seite des elektrischen Sperrschicht-Bereichs 140 ausgebildet ist.
  • Gemäß einer Ausführung kann ein N+-Verbindungsbereich 148 für einen ohmschen Kontakt auf dem P0/N–/P–-Übergang 140 ausgebildet werden. An dieser Stelle kann ein Prozess zum Ausbilden des N+-Verbindungsbereichs 148 und eines M1C-Kontaktes 151a für eine Leckstrom-Quelle sorgen, da das Bauelement mit einer an den P0/N–/P–-Übergang 140 angelegten Rückwärts-Vorspannung arbeitet, so dass ein elektrisches Feld EF auf der Si-Oberfläche erzeugt werden kann. Ein Kristalldefekt, der während des Prozesses zum Ausbilden des Kontaktes innerhalb des elektrischen Feldes erzeugt wird, dient als Leckstrom-Quelle.
  • Auch gemäß einer Ausführung wird im Fall, dass der N+-Verbindungsbereich 148 auf der Oberfläche des P0/N–/P–-Übergangs 140 ausgebildet wird, durch den N+/P0-Übergang 148/145 ein elektrisches Feld hinzugefügt. Dieses elektrische Feld dient auch als Leckstrom-Quelle.
  • Daher stellt eine weitere Ausführung der vorliegenden Erfindung ein Layout bereit, in dem ein erster Kontakt-Zapfen 151a in einem aktiven Bereich ausgebildet wird, der nicht mit einer P0-Schicht dotiert ist, sondern einen N+-Verbindungsbereich 148 enthält. Dann wird durch den N+-Verbindungsbereich 148 der erste Kontakt-Zapfen 151a mit der N-Sperrschicht 143 verbunden.
  • Gemäß einer solchen Ausführung wird das elektrische Feld auf der Si-Oberfläche nicht erzeugt, was dazu beitragen kann, einen Dunkelstrom eines dreidimensionalen integrierten CIS zu reduzieren.
  • In der vorliegenden Beschreibung bedeutet jeder Verweis auf "eine Ausführung", "Ausführung", "beispielhafte Ausführung" usw., dass ein spezielles Merkmal, eine Struktur oder eine Eigenschaft, welches bzw. welche in Verbindung mit der Ausführung beschrieben wird, in mindestens einer Ausführung der Erfindung enthalten ist. Das Auftreten derartiger Ausdrucksweisen an verschiedenen Stellen in der Beschreibung verweist nicht notwendig sämtlich auf die gleiche Ausführung. Ferner sei bemerkt, dass, wenn ein besonderes Merkmal, eine Struktur oder eine Eigenschaft beschrieben wird, es sich innerhalb des Bereichs der Möglichkeiten eines Fachmanns befindet, ein derartiges Merkmal, eine Struktur oder ein Kennmerkmal in Verbindung mit anderen der Ausführungen zu bewirken.
  • Obwohl Ausführungen mit Bezug auf eine Anzahl erläuternder Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, sei bemerkt, dass zahlreiche weitere Abwandlungen und Ausführungen durch Fachleute entworfen werden können, welche unter Prinzip und Umfang der vorliegenden Offenbarung fallen. Insbesondere sind viele Änderungen und Abwandlungen der Bauteile und/oder der Anordnungen der fraglichen Kombinationsanordnung innerhalb des Umfangs der Offenbarung, der Zeichnungen und der beigefügten Ansprüche möglich. Zusätzlich zu Änderungen und Abwandlungen der Bauteile und/oder der Anordnungen sind alternative Verwendungen gleichfalls für Fachleute ersichtlich.

Claims (20)

  1. Ein Bildsensor, umfassend: Ein erstes Substrat, das einen Auslese-Schaltkreis enthält; ein Zwischenschicht-Dielektrikum auf dem ersten Substrat, wobei das Zwischenschicht-Dielektrikum darin eine untere Leitung enthält; eine kristalline Halbleiterschicht auf dem Zwischenschicht-Dielektrikum; eine Fotodiode in der kristallinen Halbleiterschicht, wobei die Fotodiode einen ersten Störstellen-Bereich und einen zweiten Störstellen-Bereich enthält; ein erstes Durchkontaktierungs-Loch, das die kristalline Halbleiterschicht und das Zwischenschicht-Dielektrikum durchläuft, um die untere Leitung freizulegen; einen Zapfen im ersten Durchkontaktierungs-Loch, der die untere Leitung mit dem ersten Störstellen-Bereich verbindet, wobei die oberste Oberfläche des Zapfens sich unter dem zweiten Störstellen-Bereich befindet; und einen Bauelemente-Isolations-Bereich in der kristallinen Halbleiterschicht, wobei der Bauelemente-Isolations-Bereich die Fotodiode entsprechend der Bildpunkt-Einheit trennt.
  2. Der Bildsensor gemäß Anspruch 1, der ferner eine Passivierungsschicht auf der kristallinen Halbleiterschicht enthält.
  3. Der Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, der ferner ein Dielektrikum auf dem Zapfen enthält, wobei das Dielektrikum das erste Durchkontaktierungs-Loch füllt.
  4. Der Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Auslese-Schaltkreis einen elektrischen Sperrschicht-Bereich im ersten Substrat enthält, wobei der elektrische Sperrschicht-Bereich folgendes umfasst: Einen Ionenimplantations-Bereich eines ersten Leitungstyps im ersten Substrat; und einen Ionenimplantations-Bereich eines zweiten Leitungstyps auf dem Ionenimplantations-Bereich des ersten Leitungstyps.
  5. Der Bildsensor gemäß Anspruch 4, ferner umfassend einen Verbindungsbereich eines ersten Leitungstyps, der elektrisch mit der unteren Leitung auf dem elektrischen Sperrschicht-Bereich verbunden ist.
  6. Der Bildsensor gemäß Anspruch 5, wobei der elektrische Sperrschicht-Bereich einen PNP-Übergang umfasst.
  7. Der Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Auslese-Schaltkreis so konstruiert ist, dass zwischen Source und Drain eines Transistors eine Potentialdifferenz erzeugt wird.
  8. Der Bildsensor gemäß Anspruch 7, wobei der Transistor einen Transfer-Transistor umfasst, und eine Ionenimplantations-Konzentration der Source des Transistors kleiner ist als eine Ionenimplantations-Konzentration eines Floating-Diffusions-Bereichs am Drain des Transistors.
  9. Der Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, ferner umfassend einen Verbindungsbereich eines ersten Leitungstyps, der elektrisch mit der unteren Leitung an einer Seite des elektrischen Sperrschicht-Bereichs verbunden ist.
  10. Ein Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors, wobei das Verfahren folgendes umfasst: Ausbilden eines Auslese-Schaltkreises auf einem ersten Substrat; Ausbilden eines Zwischenschicht-Dielektrikums, das eine untere Leitung enthält, auf dem ersten Substrat; Ausbilden eines zweiten Substrates, das eine kristalline Halbleiterschicht enthält; Ausbilden einer Fotodiode, die einen ersten Störstellen-Bereich und einen zweiten Störstellen-Bereich enthält, in der kristallinen Halbleiterschicht; Verbinden des Zwischenschicht-Dielektrikums des ersten Substrates mit der kristallinen Halbleiterschicht des zweiten Substrates; Trennen des zweiten Substrates, so dass die Fotodiode auf dem ersten Substrat freigelegt ist; Ausbilden eines ersten Durchkontaktierungs-Lochs, das die Fotodiode und das Zwischenschicht-Dielektrikum durchläuft, um die untere Leitung freizulegen; Ausbilden eines Zapfens im ersten Durchkontaktierungs-Loch, so dass der Zapfen mit der unteren Leitung und dem ersten Störstellen-Bereich verbunden ist; und Ausbilden eines Bauelemente-Isolations-Bereichs in der kristallinen Halbleiterschicht, so dass die Fotodiode entsprechend der Bildpunkt-Einheit getrennt ist.
  11. Das Verfahren gemäß Anspruch 10, das ferner umfasst, nach dem Trennen des zweiten Substrates eine erste Passivierungsschicht auf der kristallinen Halbleiterschicht auszubilden.
  12. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 11, wobei das Ausbilden des Zapfens folgendes umfasst: Entfernen eines Teils der kristallinen Halbleiterschicht und eines Teils des Zwischenschicht-Dielektrikums, um das erste Durchkontaktierungs-Loch auszubilden, das die untere Leitung frei legt; Füllen des ersten Durchkontaktierungs-Lochs mit einer Metallschicht; und Entfernen eines Teils der Metallschicht, um den zweiten Störstellen-Bereich an Seiten des ersten Durchkontaktierungs-Lochs freizulegen.
  13. Das Verfahren gemäß Anspruch 12, das ferner umfasst, nach dem Ausbilden des Zapfens einen verbleibenden Bereich des ersten Durchkontaktierungs-Lochs mit einem Dielektrikum zu füllen.
  14. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der Bauelemente-Isolations-Bereich unter Verwendung eines Shallow-Trench-Isolation-Prozesses ausgebildet wird.
  15. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei der Bauelemente-Isolations-Bereich unter Verwendung eines Ionenimplantations-Verfahrens ausgebildet wird.
  16. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei das Ausbilden des Auslese-Schaltkreises auf dem ersten Substrat es umfasst, einen elektrischen Sperrschicht-Bereich im ersten Substrat auszubilden, wobei das Ausbilden des elektrischen Sperrschicht-Bereichs im Substrat folgendes umfasst: Ausbilden eines Ionenimplantations-Bereichs eines ersten Leitungstyps im ersten Substrat; und Ausbilden eines Ionenimplantations-Bereichs eines zweiten Leitungstyps auf dem Ionenimplantations-Bereich des ersten Leitungstyps.
  17. Das Verfahren gemäß Anspruch 16, das ferner umfasst, einen Verbindungsbereich eines ersten Leitungstyps, der mit der unteren Leitung auf dem elektrischen Sperrschicht-Bereich verbunden ist, auszubilden.
  18. Das Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei das Ausbilden des Verbindungsbereichs des ersten Leitungstyps ausgeführt wird, nachdem eine Kontakt-Ätzung für die untere Leitung durchgeführt wurde.
  19. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, das ferner umfasst, einen Verbindungsbereich eines ersten Lei tungstyps auszubilden, der mit der unteren Leitung an einer Seite des elektrischen Sperrschicht-Bereichs verbunden ist.
  20. Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei der Verbindungsbereich des ersten Leitungstyps zwischen einem Bauelemente-Isolations-Bereich des ersten Substrates und dem elektrischen Sperrschicht-Bereich ausgebildet wird und den Bauelemente-Isolations-Bereich des ersten Substrates und den Sperrschicht-Bereichs kontaktiert.
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