TW200913241A - Image sensor and method for manufacturing the same - Google Patents

Description

200913241 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種影像感測器及其製造方法。 【先前技術】 通常，影像感測器係為一種可將光學影像轉化為電訊號之半 導體裝置。一般可將影像感測器可分為兩類：電荷輕合裝置 (CCD，charge coupled device)影像感測器及互補金屬氧化物半導體 (CMOS，complementary metal oxide silicon)影像感測器(CIS， complementary metal oxide silicon image sensor)。 在習知的影像感測器中’可透過離子植入製程於具有電晶體 電路之基板中形成光電二極體。但是，由於需要在增加晝素數量 的同時不使晶片尺寸增大，所以當光電二極體之尺寸減小時，用 於接收光照之部件的面積也隨之減小，進而降低了影像的質量。 同時，由於堆疊高度的減小程度低於光照接收部件之面積的 減小程度，所以光照之繞射會降低射入光照接收部件之光子的數 量，即形成所謂的艾瑞盤（airydisk)。 作為能夠克服上述限制的替代方案，人們試圖透過非晶矽 (Si)成光電二極體，或者於矽基板中形成讀出電路並透過一 種方法，如晶圓間連接法於此讀出電路上形成光電二極體（被稱 為”三維影像感測器”）。其中，光電二極體係透過互連装置與讀 200913241 出電路相連接。 而在習知技術巾，由於此光電二極體之頂部接地，所以無法 有效地使外部電子餅部賴復位。因此，可產生暗電流或復位 雜訊。 同時’在習知技射，錄讀Μ路之轉換電晶體的源極與 汲極中都攙雜了大量_型雜f，進而可引發電荷共驗應。而 f #發生電荷共驗麟，可使輸岭像之靈敏度降低並產生影像 誤差。 而且’在$知技術巾’由於光電荷不易於光電二極體與讀出 電路之間進行移動，所以會產生暗電流或降低飽和度及靈敏度。 【發明内容】 本發明之-目的在於提供-齡彡像制$及其製造方法，進 , 而可在增大填充隨關時降低暗電流與復位雜訊。 本發明之另-目的在於提供—種影像感廳及其製造方法， 藉以在增大填充隨的同時降低電荷共用效應的發生機率。 本發明之又—目的在於提供-種影像制ϋ及其製造方法， 藉以最大化地減小暗電流，並透過於光電二極體與讀出電路之間 元成光電荷之[夬速移動路徑’藉以抑制飽和度降低與靈敏度降低。 本發明之—方面所提供之影像感測器可包含：第-基板，係 包含有互連元件及讀出電路；以及影像Μ裝置，纽於此互連 200913241 元件上，其中可向此影像感測裝置之頂部施加反向偏壓。 本發明之另一方面所提供之影像感測器的製造方法，係包 各·於第一基板上升’成讀出電路及互連元件；以及於互連元件上 形成影像感測裝置’其巾形成此讀出電路之步職包含：於此第 -基板中形成電子接面區，其中形成此電子接面區之步驟係包 含：於此第-基板中形絲_導電_離子植人區；及於此第一 導電類型離子植人區上形成第二導電類型離子植人區。此外，可 向此影像感測裝置之頂部施加反向偏壓。 本發明之又-方面所提供之影像感測器可包含：第一基板， 此第-基㈣、包含錢元件及如祕；从影縣職置，係 Γ於此互連讀上’其中此第—基板係攙雜了第二導電類塑雜 質’其中此讀出電路係包含：電晶體，係位於第—基板上；及電 子接面區，係位於此電晶體之—側的第—基板中。此外，可向此 影像感測裝置之頂部施加反向偏壓。 =明之—個或多個實施例將結合圖式部份於以下的說明書 仃评細闡34。本發_其他雛將從 份以及本發明之紐細帽得更加清楚。kb及圖W 【實施方式】 下面 ’將結合附圖對本發明實施例之旦彡你A 法進行_。 ^域之讀❹指及其製造方 200913241 在對本發明實施酬進行之描述巾，應當理解：當述及-個 ^ (或膜）位於另一個層或另一個基板"上，，時，這個層（或膜） 可直接位於另—個層或另—個基板的上方，也可於二者間插入其 匕的層料’應當理解：當述及一個層（或膜）位於另一個層 或另個基板下’時，這個層（或膜）可直接位於另一個層或 另-個基板的下方’也可於二者間插人—個或多個其它的層。此 外退應虽理解：當述及一個層位於兩個層"之間，，時，可以僅 將化-個層插人所述的兩個層之間，也可於職的兩個層之間插 入一個或多個層。 如此處，本發明並不僅限於互補金屬氧化物半導體影像感測 器’而且，本發明實施例可需要使絲電二極體的任意-種 影像感測器。 「第1圖」為本發明實施例之影像感測器的剖面圖。 /如「第1圖」所示，此影像感測器係包含：第—基板刚， 係包含有互連元件15〇與讀出電路m;以及影像❹樣置罵， 係位於互連元件15G上。其中，位於影像感測裝置加上之上方 電極240係與此影像感測裝i 21〇之頂部相連，藉以可向此影像 感測裝置210之頂部施加反向偏壓。 其中，此影像感測裝置210可為光電二極體。在本發明另一 實施例中，此影像感測裝置21〇可為光電管或光電二極體與光電 200913241 官之組合。_，_在本綱t之描述巾此影料㈣置別 係形成於結晶铸體射，但這並顿本發日轉施例之光電二極 體構成限制。例如，此光電二極體還可形成於非晶半導體層中。 下面將在對本發明貫施例之影像感測器的 述的過程中對「第！圖」中未涉及之元件符號加以說明。進^田 、此處’將結合「第2圖」至「第6圖」對本發明實施例之影 像感測器的製造方法進行說明。 如「第2圖」所示，可置備其中形成有互連元件15〇與讀出 電路120之第一基板1〇〇。例如，可於具有第二導電類型的第一 基板動中形成裝置隔離層⑽，藉以對主動區進行定義。同時， 可於此主動區中形成包含有電晶體之讀出電路120。在本發明一 實施例中，此讀出電路120可包含··轉換電晶體⑵、復位電晶 體123、驅動電晶體125及選擇電晶體127。進而，在為多個電晶 體形成閘極之後，可形成浮動擴散區131及離子植入區130 ,其 中此離子植入區130係包含有各電晶體之源極/錄區133、135 及137。同時，在本發明一實施例中，還可添置雜訊移除電路（圖 中未示出）’藉以增強靈敏度。 而於此第一基板1〇〇中形成讀出電路12〇之步驟，係包含： 於此第一基板100中形成電子接面區140 ;以及於此電子接面區 140上形成第一導電類型連接區147，其中此第一導電類型連接區 10 200913241 147係與互連元件15〇相連。 …其中，此電子接面區140可為PN接面，但這並不對本發明 貫施例構成限制。例如，此電子接面區14()可包含：第一導電類 型離子植人層143 ’係形成於第二物酬⑷_二導電類 型蟲晶層）上；以及第二導電類型離子植人層145，係形成於此 第一導電類型離子植入層143上。例如，如「第2圖」所示，此 電子接面區⑽可為卿接面，即第二導電_離子植入層145 /第-導電類型離子植人層143//第二導電類鶴ΐ4ι之接面， 但這並不對本侧實_構成關。在本㈣—實棚中，此第 一基板100可為第二導電類型基板。 依據本發明—實施例，在此影像感測器中，由於轉換電晶體 121之源極與祕之間存在縣。所以可充分地使錢荷發生轉 移:因此’可將從光電二極體舰生之光電荷充分地轉移至浮動 擴散區’進而可提高輸出影像之靈敏度。 々換言之’在本發明一實施例中，可於形成有讀出電路120之 第基板100中形成電子接面區14〇，藉以於轉換電晶體121之 源極與汲極間形成，進而充分地使光钱發生轉移。 下面，將對本發明實施例之光電荷的轉移結構進行詳盡的描 述。 其中’與作為N·面的浮動擴散區m之節點不同，此電 11 200913241 子接面區陶為無法充分傳送所施加之電壓的·接面，進而 在達到駭的紐時，此電子接祕14Q被卿。這觀壓被成 為閉合電壓（pinning VGltage)，射，_合碰魏決於第二 導電類型離子植入層145與第—導電類型離子植入層143之纔雜 濃度。 具體而言’由影像感測裝置21G所產生之電子可移動至電子 接面區_並被傳送至浮動擴散區131之節點，進而可在轉換電 晶體121開啟時將這些電子轉化為電壓。 …此處，由於此電子接面區14〇之最大電壓值成為了閉合電 壓，且浮動擴散區131之節點的最大電壓成為了復位電晶體⑵ 之閥值糕，所以，位於晶片頂部中的影像感測裝置加内所產 生之電子可充分地轉移至浮動擴散區131之節點，同時不會出現 因浮動擴散區131 _之勢差而共用電荷的狀況。 換言之，依據本發明一實施例，可於第-基板雇中形成 Ρ0/Ν/Ρ贿面’ *不是N+㈣接面，細在四電晶體主動式畫 素感測器(APS，active pixd记―進行復位作業時，將正電壓施 加㈣/N-/P姻面之第一導電類型離子植入層⑷，並將接地電 壓施加於第二導電類型離子植入層145與第二導電類㈣⑷， 進而’可在預定電壓或更高的電壓下於雙極接面電晶體(BJT， transist〇r)結構中使卯财__妾面關閉。這便是 月的閉σ電壓。因此，轉換電晶體121之源極與沒極間所產生 12 200913241 的勢差可在此轉換電晶體進行·/關作業之過程中抑制共用 因此，與習知技術巾簡單地將光電二極體與N+接面相連之狀 況不同，可以避免如飽和度降低及靈敏度降低這樣的限制。 接下來，健本㈣-實施例，可於光電二歸與讀出電路 之間形成第-導電麵連接區147，藉以配設光電荷之快速移動 路徑，進柯最尬地減小暗電_，_射抑她 與靈敏度降低。 啤低 為了達到這-目的’在本發明—實施例中，可於此電子接面 區H〇之表面上形成第-導電類型連接區147，藉以作為歐姆接 觸。進而，此第-導電類型連接區147可貫穿此第二導電類型離 子植入層145與第-導電類聽子植人層⑷。 同時，為了防止此第-導電類型連接區147變為茂漏源，可 最大化地減小此第-導電類型連接區147之寬度。為了達到這一 目的’在本發明-實施例中，可在為第—金屬接觸元件⑸㈣刻 出通孔之後執行插孔植人。在本㈣另—實施财，首先可於第 -基板⑽上職離子植人麵（财未示幻，而後以此離子植 3U水作為離子植入光罩，形成第一導電類型連接區μ7。 換言之，在本發明實施财，之所以透過僅在局部對接觸形 成部份大攙雜N型雜質，是因為這有助於形成歐姆連接並可 13 200913241 使暗訊號達到最小化。在對全部轉換電晶體之源極進行大量攙雜 之狀況中，可透過石夕表面懸鍵增大暗訊號。 此處，可於第一基板100上形成層間介電層16〇，並形成互 連元件150。其中’此互連元件150可包含有：第一金屬接觸元 件151a、第一金屬層15卜第二金屬層152、第三金屬層153及 第四金屬接觸元件154a ’但這並不對本發财_構成限制。 如「第3圖」所示，可於第二基板2〇〇上形成結晶半導體層 210a。而後’於此結晶半導體層中形成影像感測裝置21〇。因此， 依據本!§明-貝施例’這種影像感測器可用於位於讀出電路中之 三維(3D)影像感測器，藉以提高填充因數。此外，透過於此結晶 半導體層细彡成影像感峨置21G，可減少此影像感難置内的 故障。 在本發明—實施射，可透縣晶生長法於此第二基板200 上形成結晶半導體層21Gae而後，可於此第二基板勘與結晶半 導體層210a之間植入氫離子，藉以形成氫離子植入層鳩。在本 么月貝細例中’可在植入用於形成影像感測裝置⑽之離子後 執行氫離子的植入。 首接下來*「第4圖」所示，可透過離子植入製程於結晶半 ^體€ 〇a中升’成影像感測裝置21〇。例如，可於此結晶半導體 層21〇&之底部中形成第二導電類型導電層216。在本發明一實施 14 200913241 例中’在不制光罩之狀況下，透過於此第二基板 200之全部表 面^行緩衝層離子_，可於此結晶半導體層2·之底部中形 成&農度之第二導電類型（P型）導電層216。 曾而後可於此第二導電類型導電層216上形成第一導電類型 導電層^14。例如，在不使用光罩之狀況中，透過於此第二基板 =之全部表面上執行緩衝層離子_製程，可於此第二導電類 '、電曰I6上开> 成低濃度之第一導電類型（N型）導電層214。 而在本發㈣—實麵巾，可於此低濃度第—導電類型導電 層214上形成高濃度第—導電類型導電層212。例如，在不使用 光罩之狀况中’透過於此第二基板細之全部表面上執行緩衝層 離子植入製程，可於此低濃度第一導電類型導電層別上形成高 濃度第-導電類鳄電層212，這會有助於進行歐姆連接。 而後，如「第5圖」所示，可使此第一基板1〇〇與第二基板 相結合，私使影_樣置加歧連元件陶目接觸。 由此看來，在請減合之前，可 :電漿活化製程增強將要進行結合之表面的表面能，藉以進行 =製程。而在本發明之某些實施财，可透過位於結合界面上 之，》電層或金屬層進行結合，藉以增強結合力。 =’透過執行_理製程，可將氫離子植人層胤 氮氣層（圖中未示出）。而後，如「第6圖」所示，透過使用如匕用為 200913241 於將影像感測裝置210保留於氫氣層下方的葉片⑽㈣，可移除 此第一絲200之科，藉以曝露出此影像感測裝置加。 而後，可執行钱刻製程，藉以為各單元晝素分割光電二極體， 同時可於祕刻之部分中填入晝素内電介質（圖中未示出）。 —接下來T執行用於形成上方電極細與彩色滤光片（圖中 未示出）之製程。 、在本發明—實關之影像感·及其製造方法巾，這種影像 感測器可透過向此影像感概置之頂部施加較強的反向偏壓，藉 以抑制暗電流與復位雜·^ D進而可在執行復位作業之過程中有效 地移除額外的電子與電洞。 德、之依據本發明一貫施例，這種影像感測器可透過向影 ^道置之H部施加較_反向驗，藉以有效地移除額外的 或額外的電洞’進而在進行復位作業之過程中，形成較強的 电％0

電壓（伏特) 光電二極體之乏層的距離（μιη)

不出了依據本發明之實施例向光電二極體施加反向 16 200913241 偏壓時的效果。 如「表1」所示’若僅使此光電二極體之頂部接地（即，施 加0.0V電壓），則像在習知技術之影像感測器—樣，位於此光電 二極體之邊沿處的乏層距離約為0.2ΐμπ!。 同時，依據本發明一實施例，若向此光電二極體所施加之電 壓為·〇·3伏特，則此光電二極體之邊沿處的乏層距離約為 0.158μιη。若向此光電二極體所施加之電壓為_〇 5伏特，則此光電 二極體之邊沿處的乏層距離約為〇·147μη1。因此，如若向此光電 二極體施加反向偏壓，則可以使乏區擴大。 換言之，依據本發明實施例，可向此影像感測裝置之頂部施 加較強的反向題，藉以形成較強的電場。其中，在執行復位作 業（轉換電晶體121糊啟狀態，且復位電晶體123也為開啟狀 態）之過程中’光電二極體之壓差(VG腺)會因這種較強的 電場而升高。 依據本發明實_，這郷像❹指可透過向影像感測裝置 之頂部施加㈣的反向遞，在執行復位之雜巾形成較強的電 場。此外，可透軸此影賴職置之卿施純強岐向偏屢， 藉以擴大乏區。 同時，依據本發明-實施例，在這種裝置中可使轉換電晶體 之源極與汲極間形成勢差’進而可轉移全部的光電荷。 17 200913241 並且，依據本發明一實施例，可於光電二極體與讀出電路之 間·成電何連接區，猎以為光電何提供快速移動路徑，夢以最大 化地減小暗電流源’同時還可抑制飽和度降低與靈敏度降低。 苐7圖」為本發明另一實施例之影像感測器的剖面圖，其 中詳盡地示出了包含有互連元件150之第一基板。 如「第7圖」所示，這種影像感測器可包含有：第一基板丨⑽， (係包含互連元件150及讀出電路12〇 ;以及影像感測裝置21〇，係 位於此互連元件150上，其中可向此劍象感測裝置2ι〇之頂部施 加反向偏壓。 —其中，本發明實施例可採用「第i圖」至「第6圖」所示之 實施例的技術特徵。 同時，與上述本發明實施例不同，可於此電子接面區⑽之 一側上形成第一導電類型連接區148。 依據本發明-實施例，可於電子接面請上形成作為歐姆 連接之第-導電類型連接區148。從這—點來看，由於辭 施加於電子接面區⑽之反向偏壓中進行㈣，所娜絲 =====與第—金屬接觸元件i5ia之過程中可形成渗 中〜”夕表面上產生電場邱。同時，在形成接觸之過程 中’電場内之晶體缺陷可視。 枉 同時’在於電子接面區⑽之表面上形成第_導電類型連接 18 200913241 區148之狀況中，還可添置由第一導電類型連接區i48/第二導 電類型離子植人層145所形成的㈣G接面。其中，此電場可視 為滲漏源。 因此’本發明實施例提供了一種佈局，在這種佈局中第一金 屬接觸元件151a係形成於未攙雜有Pq層而包含有第一導電類型 連接區148之主動區中。而後，此第一金屬接觸元件⑸a可透過 N+連接區與第—導電類型離子植人層M3相連。 依據本發明實施例，由於電場未形成树表面上，進而有助 於減小三維積體互補金屬氧化物半導體影像感靡之暗電流。 —本《兒月窃所提及之—實施例/，、示例性實施例//、,，具體 實_等表示與本實施例相關之具體的特徵、結構或特性包含 於本發明之至少—實施辦。在本說縣林同位置歧的此種 服並不—定表簡—實施例。而且，當—具體的舰、結構或 特性描述為與任何實施例相_，本領域之技術人聽 這些特徵、結縣雜轉其财__。 u制 —雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限 =本^明’任何熟習娜技藝者，在不麟本發明之精神和範圍 ，虽可作些許之更動翻飾，因此本發明 本說明書_增梅_姆鱗。乾圍舰 19 200913241 【圖式簡單說明】 第1圖為本發明一實施例之影像感測器的剖面圖； 第2圖至第6圖為用於對本發明一實施例之影像感測 造方法進行說明的剖面 圖；以及 第7圖為本發明另 【主要元件符號說明】 一實施例之影像感測器的剖面圖。 100 苐一基板 110 裝置隔離層 120 讀出電路 121 轉換電晶體 123 復位電晶體 125 驅動電晶體 127 選擇電晶體 130 離子植入區 131 浮動擴散區 133 、 135 、 137 源極/汲極區 140 電子接面區 141 第一導電類型阱 143 第一導電類型離子植入層 145 第二導電類型離子植入層 147 、 148 第一導電類型連接區 20 200913241 150 151 151a 152 153 154a 160 f 200 207a 210 210a 212 214 216 t 240 互連元件 第一金屬層 第一金屬接觸元件 第二金屬層 第三金屬層 第四金屬接觸元件 層間介電層 第二基板 氫離子植入層 影像感測裝置 結晶半導體層 高濃度第一導電類型導電層 低濃度第一導電類型導電層 第二導電類型導電層 上方電極 21

Claims (1)

1. 200913241 十、申請專利範園： 1· 一種影像感測器，係包含： 一第一基板，縣含：―互連元件及1出電路； 一影像感測裝置，係位於該互連元件上；以及 一上方電極，係位於所連接之該影像_器上 行一復位作業之過程中將—反向偏错以在進 頂部。 俗、主4像感測裝置之 2♦如請求们所述之影像感测器，其t該第 基板。 土板係包含一P型 之 3.如請求们所叙潍，射施加麵 頂部的該反向偏壓係為_3伏特至_5伏特。m則裝置 第一導電類型連接 導電類型連接區係 導電類型連接區係 22 200913241 位於該電子接面區之一 8.如請求項4所述之 PNP接面。 匈的該第一基板中。 象鐵挪為，其令該電子接面區係包含有一 9.如請求項〗所述之影像 -源極與-汲極之間係配設二勢:該讀出電路之-電晶體的 感測器，其中該電晶體係包含有一轉換 極的—離子植人濃度舰於該電晶體 之沒極處-浮動擴散區之—離子植入濃度。 11·-種影像感測H的製造方法，係包含： 於第-基板之中形成一讀出電路與一互連元件； 於該互連兀件上形成一影像感測裝置，·以及 於該影像感職置上形成—上方電極，藉以與—反向偏塵 相連接，在進行餘作業之棘巾，飯向通舰加於該影 像感測器之一頂部。 12.如請求項n所述之影像感測器的製造方法，其中形成該讀出電 路之步驟，係包含：於與該互連元件進行電性連接之該第一基 板中形成一電子接面區。 13.如請求項12所述之影像感測器的製造方法，其中形成該電子接 面區之步驟係包含：於該第一基板中形成一第一導電類梨離子 植入區；以及於該第一導電類型離子植入區上形成一第二導電 類型離子植入區。 23 200913241 14. 如請求項12所述之影像感測器的製造方法，還包含於該電子接 面區與該互連元件之間形成一第一導電類型連接區。 15. 如請求項14所述之影像感測器的製造方法，其中該第一導電類 型連接區係形成於該電子接面區之一部分上。 16. 如請求項15所述之影像感測器的製造方法，其中在對該互連元 件進行一接觸蝕刻後，形成該第一導電類型連接區。 17. 如請求項14所述之影像感測器的製造方法，其中該第一導電類 型連接區係形成於該電子接面區之一側上的該第一基板中。 24