DE102008063741A1 - Bildsensor und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Ein Bildsensor kann ein erstes Substrat, eine amorphe Schicht und eine Fotodiode enthalten. Ein Schaltkreis, der eine Metall-Verbindung enthält, kann auf dem ersten Substrat ausgebildet werden. Die amorphe Schicht wird über dem ersten Substrat angeordnet und kontaktiert die Metall-Verbindung. Die Fotodiode kann in einer kristallinen Halbleiterschicht ausgebildet werden und ist mit dem ersten Substrat verbunden, so dass die Fotodiode die amorphe Schicht kontaktiert und elektrisch mit der Metall-Verbindung verbunden ist.

Description

  • HINTERGRUND
  • Ausführungen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf einen Bildsensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
  • Ein Bildsensor ist ein Halbleiterbauelement zur Umwandlung eines optischen Bildes in ein elektrisches Signal. Ein Bildsensor kann allgemein als Bildsensor mit ladungsgekoppeltem Bauelement (CCD) oder als Komplementär-Metall-Oxid-Halbleiter-(CMOS)-Bildsensor (CIS) klassifiziert werden.
  • Ein CIS enthält eine Fotodiode und einen MOS-Transistor, die in einer Bildpunkt-Einheit ausgebildet sind, und erfasst ein Bild durch sequentielle Erfassung elektrischer Signale von Bildpunkt-Einheiten mit einem Schaltverfahren. In einer CIS-Struktur nach der verwandten Technik sind eine Fotodiode und ein Transistor horizontal angeordnet.
  • Obwohl der CIS des horizontalen Typs nach der verwandten Technik bestimmte Einschränkungen von CCD-Bildsensoren beseitigt hat, treten bei ihm immer noch einige Probleme auf.
  • Bei einem CIS des horizontalen Typs nach der verwandten Technik sind eine Fotodiode und ein Transistor horizontal benachbart auf einem Substrat ausgebildet. Daher ist ein zusätzlicher Bereich zum Ausbilden der Fotodiode erforderlich, der den Füllfaktor verkleinern und die Auflösung begrenzen kann.
  • Auch ist es beim CIS des horizontalen Typs nach der verwandten Technik sehr schwierig, den optimierten Prozess des gleichzeitigen Ausbildens der Fotodiode und des Transistors zu erreichen. Das heißt, es ist ein flacher Übergang erforderlich, um den geringen Flächenwiderstand in einem schnellen Transistor-Prozess einzuhalten, es kann aber sein, dass ein solcher flacher Übergang für die Fotodiode nicht geeignet ist.
  • Ferner werden beim CIS des horizontalen Typs nach der verwandten Technik zusätzliche Funktionen auf dem Chip zum Bildsensor hinzugefügt, und somit muss die Größe einer Bildpunkt-Einheit erhöht werden, um die Empfindlichkeit des Bildsensors aufrecht zu erhalten, oder die Fläche der Fotodiode muss verringert werden, um die Größe der Bildpunkte aufrecht zu erhalten. Wenn die Größe der Bildpunkte größer wird, verringert sich jedoch die Auflösung des Bildsensors, und wenn die Fläche der Fotodiode kleiner wird, wird die Empfindlichkeit des Bildsensors schlecht.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG
  • Ausführungen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf einen Bildsensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung, die eine neue Integration eines Schaltkreises und einer Fotodiode bereitstellen.
  • Ausführungen beziehen sich auf einen Bildsensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung, die die Auflösung und die Empfindlichkeit verbessern.
  • Ausführungen beziehen sich auf einen Bildsensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung, bei denen eine Fotodiode vom vertikalen Typ verwendet wird, um den physikalischen und elektrischen Kontakt zwischen der Fotodiode vom vertikalen Typ und einem Schaltkreis zu verbessern.
  • Ausführungen beziehen sich auf einen Bildsensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung, bei denen eine Fotodiode vom vertikalen Typ verwendet wird, um die Erzeugung eines Defektes in der Fotodiode zu verringern.
  • Ein Bildsensor gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung kann umfassen: Ein erstes Substrat, auf dem ein Schaltkreis ausgebildet ist, der eine Metall-Verbindung enthält; eine amorphe Schicht über dem ersten Substrat, wobei die amorphe Schicht die Metall-Verbindung kontaktiert; und eine Fotodiode in einer kristallinen Halbleiterschicht, die mit dem ersten Substrat verbunden ist, wobei die Fotodiode die amorphe Schicht kontaktiert und elektrisch mit der Metall-Verbindung verbunden ist.
  • Ein Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung kann umfassen: Bereitstellen eines ersten Substrats, auf dem ein Schaltkreis, der eine Metall-Verbindung enthält, ausgebildet ist; Ausbilden einer amorphen Schicht über dem ersten Substrat, wobei die amorphe Schicht die Metall-Verbindung kontaktiert; Bereitstellen eines zweiten Substrats, auf dem eine Fotodiode ausgebildet ist; Verbinden des ersten und des zweiten Substrats miteinander, um die Fotodiode mit der amorphen Schicht zu kontaktieren; und Entfernen eines Teils des verbundenen zweiten Substrats, um die Fotodiode freizulegen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 bis 9 zeigen einen Bildsensor und ein Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors gemäß Ausführungen der vorliegenden Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Ein Bildsensor und ein Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors gemäß Ausführungen werden im Detail mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
  • In der Beschreibung der Ausführungen versteht sich, dass wenn eine Schicht (ein Film) als "auf" einer anderen Schicht oder einem Substrat bezeichnet wird, sie direkt auf der anderen Schicht oder dem Substrat liegen kann, oder dazwischen liegende Schichten vorhanden sein können. Ferner versteht sich, dass wenn eine Schicht als "unter" einer anderen Schicht bezeichnet wird, sie direkt unter einer anderen Schicht liegen kann, oder eine oder mehrere dazwischen liegende Schichten vorhanden sein können. Zusätzlich dazu versteht sich, dass wenn eine Schicht als "zwischen" zwei Schichten bezeichnet wird, sie die einzige Schicht zwischen den Schichten sein kann, oder ein oder mehrere dazwischen liegende Schichten vorhanden sein können.
  • 1 zeigt eine Querschnitts-Ansicht eines Bildsensors gemäß Ausführungen.
  • Mit Bezug auf 1 kann ein Bildsensor gemäß einer Ausführung enthalten: ein erstes Substrat 100, auf dem ein Schaltkreis (nicht gezeigt), der eine Metall-Verbindung 110 enthält, ausgebildet ist; eine amorphe Schicht 120, die auf dem ersten Substrat 100 angeordnet ist, und eine Fotodiode 210, die die amorphe Schicht 120 kontaktiert.
  • Die amorphe Schicht 120 kann dasselbe Element wie die kristalline Halbleiterschicht 210a (siehe 4), in der die Fotodiode 210 ausgebildet ist, enthalten. Da der Bildsensor gemäß Ausführungen eine Fotodiode vom vertikalen Typ verwendet und zwischen der Fotodiode und dem Schaltkreis die amorphe Schicht enthält, die dasselbe Element wie die Fotodiode enthält, ist es folglich möglich, den physikalischen und elektrischen Kontakt zwischen der Fotodiode und dem Schaltkreis zu verbessern.
  • Zum Beispiel kann in dem Fall, dass das Element Silizium ist, so dass die kristalline Halbleiterschicht, in der die Fotodiode ausgebildet ist, aus kristallinem Silizium besteht, und die amorphe Silizium-Schicht aus amorphem Silizium besteht, eine Verbindungskraft zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat 100 und 200 durch Si-Si-Bindung erhöht werden.
  • In einer weiteren Ausführung kann die amorphe Schicht 120 eine Schicht aus amorphem Silizium eines ersten Leitungstyps hoher Konzentration umfassen. Zum Beispiel kann die amorphe Schicht 120 stark mit N-Typ-Fremdstoffen dotiert sein, so dass es möglich ist, eine Kontaktkraft zwischen dem ersten Substrat 100 und dem zweiten Substrat 200 zu erhöhen (siehe 4) und auch einen ohmschen Kontakt zu erzielen.
  • In bestimmten Ausführungen wird die amorphe Schicht 120 mit einer Dicke ausgebildet, die im Bereich von ungefähr 100 Å bis ungefähr 1.000 Å liegt, so dass die amorphe Schicht 120 korrekt als Kopplungsschicht und als ohmsche Kontaktschicht zwischen dem ersten Substrat 100 und dem zweiten Substrat 200 dienen kann.
  • In Ausführungen kann die kristalline Halbleiterschicht 210a eine einkristalline Halbleiterschicht sein, ist aber nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann die kristalline Halbleiterschicht 210a eine polykristalline Halbleiterschicht sein.
  • Obwohl der Schaltkreis des ersten Substrats 100 nicht gezeigt ist, können Ausführungen leicht auf die Konfigurationen 1 Tr CIS, 3 Tr CIS, 5 Tr CIS oder 1,5 Tr CIS (d. h. CIS mit gemein samer Benutzung von Transistoren), sowie auf eine 4 Tr CIS Konfiguration angewendet werden.
  • Die Metall-Verbindung 110 auf dem ersten Substrat 100 kann auch eine Vielzahl von Metallschichten und Kontakt-Zapfen enthalten. Ein oberster Teil der Metall-Verbindung 110 kann als untere Elektrode der Fotodiode dienen.
  • Die Fotodiode 210 kann eine Leitungsschicht eines ersten Leitungstyps 214, die in einer kristallinen Halbleiterschicht 210a ausgebildet ist (siehe 4), und eine Leitungsschicht eines zweiten Leitungstyps 216, die in der kristallinen Halbleiterschicht 210a ausgebildet ist, enthalten. Zum Beispiel kann die Fotodiode 210 eine N-Typ-Leitungsschicht geringer Konzentration 214, die in der kristallinen Halbleiterschicht 210a ausgebildet ist, und eine P-Typ-Leitungsschicht hoher Konzentration 216, die in der kristallinen Halbleiterschicht 210a ausgebildet ist, enthalten, ist aber nicht darauf beschränkt. Ausführungen sind jedoch nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann der erste Leitungstyp P-Typ anstelle von N-Typ sein.
  • In weiteren Ausführungen können ferner ein oberes Metall (nicht gezeigt) und ein Farbfilter auf der Fotodiode 210 ausgebildet werden. Die Fotodioden 210 können für jeden Bildpunkt durch ein Dielektrikum (nicht gezeigt) getrennt sein, das in der kristallinen Halbleiterschicht und der amorphen Schicht an Bildpunkt-Grenzen angeordnet wird.
  • 2 bis 9 zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors gemäß Ausführungen.
  • Mit Bezug auf 2 kann ein erstes Substrat 100 bereitgestellt werden, auf dem die Metall-Verbindung 110 und der Schaltkreis (nicht gezeigt) ausgebildet werden. Der Schaltkreis kann jeder geeignete Schaltkreis für einen CIS sein. Zum Beispiel kann der Schaltkreis eine 4 Tr CIS Konfiguration sein, ist aber nicht darauf beschränkt.
  • Die Metall-Verbindung 110 kann eine Vielzahl von Metallschichten und Kontakt-Zapfen enthalten.
  • Mut Bezug auf 3 kann eine amorphe Schicht 120 auf dem ersten Substrat 100 ausgebildet werden, die die Metall-Verbindung 110 kontaktiert.
  • Hier kann die amorphe Schicht 120 dasselbe Element enthalten wie die kristalline Halbleiterschicht 210a (siehe 4), in der die Fotodiode 210 ausgebildet ist. Da der Bildsensor gemäß Ausführungen eine Fotodiode vom vertikalen Typ verwendet und zwischen der Fotodiode und dem Schaltkreis die amorphe Schicht enthält, die dasselbe Element wie die Fotodiode enthält, ist es folglich möglich, den physikalischen und elektrischen Kontakt zwischen der Fotodiode und dem Schaltkreis zu verbessern.
  • Zum Beispiel kann in dem Fall, dass das Element Silizium ist, so dass die kristalline Halbleiterschicht, in der die Fotodiode ausgebildet ist, aus kristallinem Silizium gebildet ist, und die amorphe Silizium-Schicht aus amorphem Silizium gebildet ist, eine Verbindungskraft zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat 100 und 200 durch Si-Si-Bindung erhöht werden.
  • Gemäß bestimmten Ausführungen kann eine amorphe Schicht eines ersten Leitungstyps hoher Konzentration in der amorphen Schicht 120 ausgebildet werden, indem Fremdionen eines ersten Leitungstyps mit hoher Konzentration implantiert werden. Zum Beispiel kann eine amorphe N+-Schicht hoher Konzentration 120 ausgebildet werden, indem die amorphe Schicht 120 mit N+-Fremdionen hoher Konzentration dotiert wird. Folglich wird eine Kontaktkraft zwischen dem ersten Substrat 100 und dem zweiten Substrat 200 erhöht, und ein ohmscher Kontakt kann ebenfalls erzielt werden.
  • In Ausführungen kann die amorphe Schicht 120 mit einer Dicke ausgebildet werden, die im Bereich von ungefähr 100 Å bis ungefähr 1.000 Å liegt, so dass die amorphe Schicht 120 korrekt als Kopplungsschicht und als ohmsche Kontaktschicht zwischen dem ersten Substrat 100 und dem zweiten Substrat 200 dienen kann.
  • Mit Bezug auf 4 kann eine kristalline Halbleiterschicht 210a auf einem zweiten Substrat 200 ausgebildet werden. Da eine Fotodiode in der kristallinen Halbleiterschicht 210a ausgebildet wird, kann verhindert werden, dass innerhalb der Fotodiode ein Defekt auftritt.
  • In einer Ausführung kann die kristalline Halbleiterschicht 210a auf dem zweiten Substrat 200 durch ein Epitaxie-Verfahren ausgebildet werden. Danach werden Wasserstoff-Ionen in eine Grenzschicht zwischen dem zweiten Substrat 200 und der kristallinen Halbleiterschicht 210a implantiert, um eine Wasserstoff-Ionenimplantations-Schicht 207a auszubilden.
  • Mit Bezug auf 5 können Fremdionen in die kristalline Halbleiterschicht 210a implantiert werden, um die Fotodiode 210 auszubilden.
  • Zum Beispiel kann eine Leitungsschicht eines zweiten Leitungstyps 216 in einem unteren Teil der kristallinen Halbleiterschicht 210a ausgebildet werden.
  • Zum Beispiel kann die Leitungsschicht des zweiten Leitungstyps 216 eine P-Typ-Leitungsschicht hoher Konzentration sein. Die P-Typ Leitungsschicht hoher Konzentration 216 kann im unteren Teil der kristallinen Halbleiterschicht ausgebildet werden, indem eine erste Ionenimplantation auf der gesamten Oberfläche des zweiten Substrats 200 als flächendeckende Ionenimplantation ohne Maske ausgeführt wird. Zum Beispiel kann die Leitungs-Schicht des zweiten Leitungstyps 212 mit einer Tiefe des Übergangs von weniger als ungefähr 0,5 μm ausgebildet werden.
  • Danach kann eine Leitungs-Schicht des ersten Leitungstyps 214 auf der Leitungs-Schicht des zweiten Leitungstyps 216 ausgebildet werden. Hier kann die Leitungs-Schicht des ersten Leitungstyps 214 eine N-Typ-Leitungs-Schicht geringer Konzentration sein. Zum Beispiel kann die Leitungs-Schicht des ersten Leitungstyps 214 auf der Leitungs-Schicht des zweiten Leitungstyps 216 ausgebildet werden, indem eine zweite Ionenimplantation auf der gesamten Oberfläche des zweiten Substrats 200 als flächendeckende Ionenimplantation ohne Maske ausgeführt wird. Die Leitungs-Schicht des ersten Leitungstyps geringer Konzentration 214 kann mit einer Tiefe des Übergangs im Bereich von ungefähr 1,0 μm bis ungefähr 2,0 μm ausgebildet werden. Als nächstes werden mit Bezug auf 6 das erste Substrat 100 und das zweite Substrat 200 miteinander verbunden, so dass die Fotodiode 210 die amorphe Schicht 120 kontaktiert. Zum Beispiel kann die Verbindung ausgeführt werden, indem das erste Substrat 100 und das zweite Substrat 200 miteinander in Kontakt gebracht werden und dann eine Aktivierung mit Plasma durchgeführt wird, um die Oberflächenenergie in einer Verbindungs-Oberfläche zu erhöhen.
  • Danach kann mit Bezug auf 7 die Wasserstoff-Ionenimplantations-Schicht 207a in eine Wasserstoff-Gas-Schicht 207 umge wandelt werden, indem eine Wärmebehandlung des zweiten Substrats 200 durchgeführt wird.
  • Danach kann mit Bezug auf 8 ein Teil des zweiten Substrates 200 dann entfernt werden, und die Fotodiode 210 kann unter der Schicht aus Wasserstoffgas bleiben, so dass die Fotodiode 210 freigelegt werden kann.
  • Als nächstes wird mit Bezug auf 9 ein Ätz-Prozess zur Trennung der Fotodiode 210 für jede Bildpunkt-Einheit durchgeführt. Der geätzte Teil kann dann mit einem Dielektrikum gefüllt werden. Danach können Prozesse zum Ausbilden einer oberen Elektrode (nicht gezeigt) und eines Farbfilters (nicht gezeigt) ausgeführt werden. Der Bildsensor und das Verfahren zu dessen Herstellung gemäß Ausführungen kann eine vertikale Integration des Schaltkreises und der Fotodiode bereitstellen.
  • Ferner wird bei dem Bildsensor gemäß Ausführungen eine Fotodiode vom vertikalen Typ verwendet, und eine amorphe Schicht, die dasselbe Element wie die Fotodiode enthält, wird zwischen die Fotodiode und einen Schaltkreis eingefügt, so dass es ermöglicht wird, den physikalischen und den elektrischen Kontakt zwischen der Fotodiode und dem Schaltkreis zu verbessern.
  • Darüber hinaus kann gemäß Ausführungen, da der Bildsensor eine Fotodiode vom vertikalen Typ verwendet, wobei die Fotodiode über einem Schaltkreis positioniert ist und die Fotodiode in der kristallinen Halbleiterschicht ausgebildet wird, die Erzeugung eines Defekts innerhalb der Fotodiode verringert werden.
  • Obwohl Ausführungen sich allgemein auf einen Komplementär-Metall-Oxid-Halbleiter-(CMOS)-Bildsertsor beziehen, sind solche Ausführungen nicht auf diesen beschränkt und können leicht auf jeden Bildsensor angewendet werden, der eine Fotodiode erfordert.
  • Obgleich Ausführungsformen hier beschrieben wurden, versteht es sich, dass zahlreiche weitere Abwandlungen und Ausführungen durch Fachleute entworfen werden können, welche unter Prinzip und Umfang der vorliegenden Offenbarung fallen. Insbesondere sind verschiedene 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 (12)

  1. Bildsensor, umfassend: ein erstes Substrat, auf dem ein Schaltkreis, der eine Metall-Verbindung enthält, ausgebildet ist; eine amorphe Schicht über dem ersten Substrat, wobei die amorphe Schicht die Metall-Verbindung kontaktiert; und eine Fotodiode in einer kristallinen Halbleiterschicht, die mit dem ersten Substrat verbunden ist, wobei die Fotodiode die amorphe Schicht kontaktiert und elektrisch mit der Metall-Verbindung verbunden ist.
  2. Bildsensor gemäß Anspruch 1, wobei die amorphe Schicht dieselben Elemente umfasst wie die kristalline Halbleiterschicht.
  3. Bildsensor gemäß Anspruch 2, wobei das Element Silizium ist.
  4. Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die amorphe Schicht eine amorphe Schicht eines ersten Leitungstyps umfasst.
  5. Bildsensor gemäß Anspruch 4, wobei die amorphe Schicht eine Dicke im Bereich von ungefähr 100 Å bis ungefähr 1.000 Å hat.
  6. Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines ersten Substrats, auf dem ein Schaltkreis, der eine Metall-Verbindung enthält, ausgebildet ist; Ausbilden einer amorphen Schicht auf dem ersten Substrat, wobei die amorphe Schicht die Metall-Verbindung kontaktiert; Bereitstellen eines zweiten Substrats, auf dem eine Fotodiode ausgebildet ist; Verbinden des ersten und des zweiten Substrats miteinander, um die Fotodiode mit der amorphen Schicht zu kontaktieren; und Entfernen eines Teils des verbundenen zweiten Substrats, um die Fotodiode freizulegen.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das Ausbilden der amorphen Schicht auf dem ersten Substrat ein Ausbilden einer amorphen Schicht umfasst, die dasselbe Element wie die kristalline Halbleiterschicht enthält.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei das Element Silizium ist.
  9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Ausbilden der amorphen Schicht auf dem ersten Substrat umfasst: Abscheiden einer amorphen Silizium-Schicht auf dem ersten Substrat; und Implantieren von Fremdionen eines ersten Leitungstyps in die amorphe Silizium-Schicht, um eine amorphe Silizium-Schicht eines ersten Leitungstyps auszubilden.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Abscheiden der amorphen Silizium-Schicht auf dem ersten Substrat ein Ausbilden der amorphen Schicht bis zu einer Dicke im Bereich von ungefähr 100 Å bis ungefähr 1.000 Å umfasst.
  11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Ausbilden der amorphen Schicht über dem ersten Substrat umfasst: Abscheiden einer amorphen Schicht auf dem ersten Substrat; und Implantieren von Fremdionen eines ersten Leitungstyps in die amorphe Schicht, um eine amorphe Schicht eines ersten Leitungstyps auszubilden.
  12. Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei das Abscheiden der amorphen Schicht ein Ausbilden der amorphen Schicht bis zu einer Dicke im Bereich von ungefähr 100 Å bis ungefähr 1.000 Å umfasst.
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