TW200935595A - Image sensor and method for manufacturing the same - Google Patents

Description

200935595 - 六、發明說明： - 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種影像感測器及其製造方法，且特別是— 種提高光電二極體與金屬内連線之間的物理結合力之影像感測器 及其製造方法。 【先前技術】 影像感測器是用以將光學影像轉換成電子訊號之一半導體裝 ❹置。衫像感測器通常被分類成電何轉合裝置(charge coupled device，CCD)影像感測器或互補式金屬氧化物半導體 、（complementary metal oxide semiconductor , CMOS)影像感測器 (CIS)。 在影像感測器的製造過程中，光電二極體係使用離子植入而 形成於基板十。在不需要增加晶片之尺寸大小的情況下，可減少 光電二極_尺寸大小，藉明加—錄素扣坤。如此—來，光 ® 接收部位的區域將會減少，而影像品質也會因此降低。 由於堆疊的高度係無法像光接收部位的區域一樣減少，一些 光子入射於光接收部位會因為光的衍射而減少，這種現象稱為艾 瑞盤(Aiiy disk)。 為了解決此限制，光電二極體可利用非晶矽(amorphous silicon) 而$成。另外’由於讀取電路系統可利用如晶圓對晶圓 (waWWafe_接合方式形成於—綱基板巾，而光電二極體 係因此形成於讀取電路系統(可參考三維㈣影像感測器)之上，而 5 200935595 光電二極體係藉由金屬内連線而與讀取電路线相連接。 金屬内連線係形成或覆蓋於讀取電路系統之上，並且以晶圓 對晶圓合方式形成，而使金屬魄雜觸於光電二極體。因 此，在金屬内連線與光電二接體之間達到正確的連接是相當固難 的’並且在金屬内連線與先電二極體之間達到歐姆接觸 contact)亦相當地困難。 ❹ 由於在轉移電晶體兩側的源極與祕係大量摻雜著n型雜 質，因而發生電荷分享的縣。當電荷分享的縣發生時，可能 會降低輸出影像的就度，且會產生影像錯誤。糾，由於光電 荷ch零)無法隨時鶴於光電二極體與讀取電路系統之 ]如此來可此會產生暗電流付她c·的，且因而降低餘和 度與感光度。 【發明内容】 依據本發明所揭露之影像感湘及其製造方法，以提高光電 二極體與金屬内連線之間的物理結合力。依據本發明所揭露之影 像感測器及絲造方法，可增加填総數以及_歐姆接觸。 士依據本發明所揭露之影像感測器及其製造方法於填充係數增 加2 ’可防止铺分雜卿㈣咕的發生。依據本發明所揭露 之衫像感·及·造方法，係將㈣來源減至 最小，以及藉由在光電二極體與讀取電路純之間提供一光電荷 (Photo比响快相移祕徑’以防止麵度與感光度降低。 考X月所揭疼之影像感測器包括有一金屬内連線及一讀取電 200935595 路，並且設置於一第一基， 一像__^=㈣她連線上、 本發明所揭露之影像_器及其製造方法包 ,、^ %像感崎置於金屬層上、以及結合金屬 層與祕感猶置’叫麵層與影誠織置相互結合。 有關本發明的特徼歲每^

Q 明如下。配鍾輸實施例詳細說 【實施方式】 …本發贿揭露之影像_器及其製造方法將詳細描述如下， 並請同時參酌圖式以利說明。 「第1圖」為根據本發_揭露的影像感測器之剖面示意圖。 請參考「第1圖」，影像感測器包括有一金屬内連線15㈣—輕 ❹電路__ __12〇(如「第2B圖」所示），並且設置或覆宴 於-第-基板KX)上、-金屬層⑽，係設置或覆蓋於金屬内連線 ISO上、以及-影像感測裝置，包括有—第一傳導型傳導層別 及-第二傳導型傳導層216，並且·連接於金屬層⑽。 根據本實施例，影像感測裝置可為一光電二極體、 __嗔任何及其結合體。為了朗單地描述，將以光雷二極 體2K)來描述。根據本實施例，光電二極體係形成於結晶轉體 層内。根據本實關，光電二賴並抑此為關，也可形成於 其他型態的層内，包括形成於1晶質半導體層(邮峰⑽ 7 200935595 ' semiconductor layer)内。 「第2A圖」為第一基板丨⑻的示意圖，根據本實施例，第一 基板100包括有金屬内連線150與讀取電路12〇。根據本實施例， 「弟2B圖」為第一基板的另一視圖。 睛參考「第2B圖」，根據本發明所揭露影像感測器之製造方 法的步驟係包括有準備一第一基板1〇〇、形成或覆蓋一金屬内連線 150及一讀取電路120於第一基板1〇〇上。根據本實施例，第一基 板100可以疋一第一傳導型基板。根據本實施例，第一基板川〇 並不僅限制為一第二傳導型基板，也可以是任何傳導型基板。根 據本實_ ’賴介電¥(m她yef dlelee㈣1?()係職或覆蓋於 第一基板100上。 根據本實施例，裝置絕緣層(device isolation layer)110形成於 第二傳導型第-基板i00中’因而定義出一主動區(aciiveregi〇n)。 • 包括至少一電晶體之讀取電路12〇係形成於主動區内。根據本實 施例，讀取電路丨2〇包括有一轉移電晶體(Τχ)121、一重設電晶體 (RX)123、—驅動電晶體(Dx)125、以及一選擇電晶體(sx)127。形 成離子植入區130的浮動擴散區(f[oating diffosi〇n，fd) 131包括 各別電晶體的源極/汲極區！33、135、137。 根據本實施例’形成或覆蓋讀取電路120於第一基板1〇〇上 的^驟，包括形成電接面區140於第一基板1〇〇内，以及形成第 一傳導型連接區147於電接面區14〇的一上層區内。根據本實施 例’第—傳導型連接區147電性連接於金屬内連線150。 200935595 根據本實施例’電接面區140可以是_ pN接面，但並不褐限 於此。根據本實施例，電接面區⑽包括第—傳導型離子植入層 143,形成或覆蓋於-第二傳導型井141上以及或者—第二傳導型 蠢晶層上，並且更包括形成錢蓋於第―傳導獅子植入層⑷ 上的-第二傳導型離子植入層145。根據本實施例，pN接面岣 可以疋P0(14d)/N-(143)/P-(141)接面。接面14〇並不僅限制為 一結構，也可以是任何的接面結構。

根據本實施例，影像感測器係設計為於轉移電晶體⑽Μ兩 側的源極與汲極之間具有一電位差㈣加如册㈣岭而使光電 荷完全地__mped)。耻，由光電二極體魅生的光電荷可 以完全地傾倒於浮動擴散區，使—輸出影像的感光度增至最大。 形成電接面區140於第—基板觸中，並且鄰近於讀取電路 !2〇。電接面區140允許電位差發生於轉移電晶體⑽2ι兩側的 源極與汲極之間。如此，可使光電荷完全地傾倒。 光電荷的_結構將更加詳細描述如下。根據本實施例，不 同於浮動紐ϋ卿31㈣點可从_N+接面，p/N/p接面⑽ 可以是-電接_ 140,且剌於電接祕的霞係不片全地轉 換’並且在-既定糕(prcdeteimined她聯)下，會使通道截止 —，。此觀壓係被稱料—_電壓， 且其取決於P0區145與：區143的摻雜濃度。

P/N/P 根據本實施例.，光電二極體21〇所產生的電子會移動至 接面140，並且轉換至浮動擴舰㈣131的節點。當轉移電晶體 9 200935595 (Τχ)121開啟時’電子會轉換成電壓。 根據本實施例’由於Ρ0/Ν_/Ρ_接面14〇之最大電壓數值係變為 一箝位電壓(pinning v〇ltage)，以及浮動擴散區(FD)之節點的最大 電壓數值係變為Vdd-重設電晶體123的臨界電壓(vth)。在一晶片 之上層部的光電二極體21〇所產生的電子會完全地傾倒至浮動擴 散區(FD)131的節點。因此，不會因為轉移電晶體(Τχ)121兩側的 電位差而造成電荷分享。 根據本實施例，一 ρ0/Ν_/ρ_井接面不為一 Ν+/ρ井接面，並且 开>成於石夕基板中，例如第一基板丨⑻中。因此，當4電晶體(4_丁r) 主動像素感測器(activepixel sensor，APS)重置運作時，電壓係 應用於Ρ0/Ν-/Ρ-井接面之N_143，以及接地電壓係應·ρ_井⑷ 之Ρ0145。在一既定電壓(predetermjned v〇ltage)或另外之電壓下， 一夾止(pinch-ofi)會因而產生於雙接面。這是相似於一 f aBB||(bip〇lar junction transistor > , ^ 係被稱作g —H位電師vdtage)。根縣實關，於轉移 電晶體(Tx)121兩側的源極與没極之間具有電位差。因此，當轉移 電晶體(Τχ)121輯作_時，可防止產生電荷分享的現象。 根據本實施例，在不同的例子中，光電二_係僅接於一 N+接面，以避免飽和度與感光度降低的限制。 “根據本實施例’第一傳導型連接區147形成於光電二極體與 頃取電路之間，並且提供找荷相對快速的移動職。如此，一 暗電流來源可減至最小，並且可防止餘和度與感光度 10 200935595 ' 降低。 . 根據本實麵，第—傳導魏接區147可作為歐姆接觸。舉 例而言，N+區147係形成或覆蓋於P0/NVP-接面14〇的表面上牛 形成N+區147 ’並且延伸穿過P0區145及接點N_區⑷。根據 本實施例，為了防止第一傳導型連接區i47變為—渗透源(iea_ ce)，第—傳導型連接區147的寬度係減至最小。因此，根^ 本實施例’於第-金屬接點151a抛彳步驟之後，進行_插塞咖) ❹植人之步驟。根據本實施例，此製程並不以此為限。舉例而言， 形成一離子植入圖案。接著，第一傳導型連接區147係使用離子 植入圖案，例如一離子植入光罩而形成。 根據本實施例，接點的部位係藉由局部且大量推雜著ν•型雜 夤而形成，當暗訊號(darksignal)減至最小時，促使歐姆接觸形成。 右疋整個的轉移電晶體(Τχ)源極係A量摻雜，暗訊號係藉由石夕表面 懸空結合(dangling bond)而增加。 根據本貫施例，層間介電質dielectric)17〇係形成或 覆盍於第一基板1〇〇上。形成金屬内連線15〇，延伸穿過層間介電 質丨70，並且電性連接於第一傳導型連接區147。根據本實施例， 金屬内連線150包括有一第一金屬接點151a、一第一金屬151、 一第二金屬152、一第三金屬I%，以及一第四金屬接點15乜。根 據本貫施例，其他結構亦可使用。 根據本實施例’金屬層160係形成或覆蓋於第一基板1〇〇上， 亚且接觸於金屬崎線150。根據本實關，由於金屬層160介入 11 200935595 • 於第一基板100與光電二極體210之間，而使基板與基板之間的 洁合力增加。根據本實施例，金屬層160為一銘(A1)層。根據本實 施例，金屬層160可由其他金屬形成。 根據本實施例，金屬層160係由鋁(A1)而形成，並且具有約為 埃（人)至500埃（人)之厚度。金屬層可當作金屬内連線15〇與 光電二極體210之間的介質。如此，可提高形成光電二極體21〇 的第二基板2㈧與形成讀取電路120的第一基板100之間的物理 ❹與電性結合力。 根據本實施例，金屬層160係由鈦(Ti)而形成。舉例而言，金 屬層160係由鈦(Tl)而形成，並且具有約為50埃（A)至500埃（人) 之厚度範圍。金屬層160可當作金屬内連線15〇與光電二極體21〇 之間的介質。如此，可提高形成光電二極體21Q的第二基板獅 與形成讀取電路120的第一基板1〇〇之間的物理特性盘電性么士人 B 力。 根據本實施例，當使用垂直型光電二極體時，藉由提供金屬 層於光電二極酿金㈣連狀料使紅減合。如此，普 感測器可提高光電二極體與金屬内連線之間的物理特性與電性結 請參考「第3圖」，結晶半導體層聽形成_於第二基 扳200上。根據本實施例，如「第 命一 弗1圖」所示之影像感測器，光 電一極體210形成或覆蓋於結晶半導邮 , 等杜·層上。因此，可提高填充 係數(fill factor)。由於影像感測裝置係 罝係使用一三維影像感測器，設 200935595 置或fi於讀取f路l2〇 n且形成影像感測裝置於結晶半導 體層内，以防止影像感測裝置内部缺陷的產生。 根據本實施例，結晶半導體層咖係蠢晶(epitaxially)形成或 覆蓋於第二基板上。根據本實麵，於第二紐與結晶 千導體層210a之間的界面中植入—氫離子，以形成一氫離子植入 層207a。於離子植入以形成光電二極體21〇的步驟之後，進行氫 離子的植入步驟。 請參考「第4圖」，植入雜質離子於結晶半導體層釘㈨中， 而形成光電二極體210。根據本實施例，第二傳導型傳導層 係形成於結晶半導體層210a之下。藉域讀子於第二基板2〇〇， 使高濃度P型傳導層216形成於結晶半導體層施之下。根據本 實施例，離子植入不使用光罩而採用毯覆法(blanketm_er)。 根據本實施例，第-料型傳導層形成或覆蓋於第二傳導型 傳導層216上。舉例而言，低濃度$型傳導層214係不用光罩， 藉由離子植人於第二基板上，進行—健歸lantema職）， 而形成或覆蓋於第二傳導型傳導層216上。 根據本實施例，高濃度第一傳導型傳導層m形成或覆蓋於 第-傳導型傳導層叫上。舉例而言，高濃度讲型傳導層犯係 不用光罩，藉㈣子植人於第二基板上進行—毯覆法⑼aite manner)，而形成或覆蓋於第一傳導型傳導層上，因而構成歐姆接 觸(ohmic contact)。 請參考「第5圖」，第-基板100與第二基板2〇〇為互相結合， 13 200935595 以使光電二極體2U)與金朗16G 4目接觸 i爆本貫施咖丨，於V望 —基板100與第二基板200互相結合的 、』於弟 人而μ ± ^θ ”、之月’係藉由增加結 面的表®能Ζ來進行結合，丨 例如透過電漿之活 (activation)。根據本實施例，於έ士人戶_ + 、 '、°〇界®内設置絕緣層盥金屬声來 進行結合，以增加結合力。 立屬層； ----e 货錯由方 0 ❹ 上進行熱處理而改變為一氫氣層2〇7。 請參考「第7圖」，接著，移除第二基板鴻之—部 f貫施例，訂位於細下蝴二極物，叫光電二極體 行第二基板的移除。 例㈣，來進 ，參考％圖」，進行，慣程，轉光電二極體分成每 -個早位像|。根據本實關，綱的部位可用—像素間電介質 (mterpixel dielectric)填滿。根據本實施例，進行—製程，而形 上電極與一彩色據光片。 「「第9圖」為根據本發明所揭露的影像感測器之剖面示意圖。 「第9圖」包括有金屬内連線15Q形成或覆蓋於第—基板⑽上 之剖面示意圖。根據本實施例，「第！圖」所示影像感測器的某些 技術特徵有使「第9圖」實施射。根據本實施例，層齡 電質(mterlayer dielectric)170係形成或覆蓋於第一基板1〇〇上。 「第9圖」說明了不_實施例，根據本實施例，第—傳導 型連接區148係'橫向咖形成於電接面區14〇的一側。 14 200935595 根據本實施例’N+連接區148形成或覆蓋於P〇/N_/p_接面l4〇 上’以達到歐姆接觸。根據本實施例，形成N+連接區Mg及Μι 接點151$的製程係提供一滲透源(leakage source)。由於影像残、、則 器係以一反偏壓(reverse bias)應用於Ρ0/Ν-/Ρ-接面14〇與一雷場 (electncfield，EF)，而產生或覆蓋於一矽表面上。於接點形成製 程中，產生結晶缺陷(crystal defect)於電場内，且電場可當作滲 源。 根據本實施例，若是N+連接區148形成或覆蓋於1>〇放_/1>_接 面140之表面上，由N+/P0接面·148產生電場，而電場亦可 當作滲透源。 根據本實施例，提供-佈局有第一金屬接點，不接雜有 P0層，但包括有N+連接區148而形成於主動_，並且此佈局與 N-接面143相連接。 /、 ❹ 、根據本實施例，電料會產生或覆蓋_表面上。因此，可 減少三維整合型互補式金屬氧化物半導體影像_器的暗電流。 雖然，根據本發明所揭露之影像感測器及其製造方法係應 於互補式金屬氧化物半導體_嫩_ : 雖…、:本發明以前述之較佳實施例揭露 並不加以限制，其可應用於任何有光電二極體的影像感^例 如上，然其並非用以限 定本發明咳何熟f相像技藝者，在 、奸 内’當可作此t 之精神和範圍 本#，因財翻之專梅護範圍項視 本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。隻摩巳圍姐 25 200935595 [圖式簡單說明】 第1圖至第9圖為根據本發明一實施例的影像感測器及其製 造方法之示意圖。 [主要元件符號說明】

100 第一基板 110 裝置絕緣層 120 讀取電路 121 轉移電晶體 123 重設電晶體 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/没極區 140 電接面區 141 第二傳導型井 143 第一傳導型離子植入層 145 第二傳導型離子植入層 147 第一傳導型連接區 148 第一傳導型連接區 150 金屬内連線 151 第一金屬 16 200935595 151a 第一金屬接點 - 152 第二金屬 153 第三金屬 154a 弟四金屬接點 160 金屬層 170 層間介電質 200 第二基板 © 207 氫氣層 207a 氫離子植入層 210 光電二極體 210a 結晶半導體層 212 高濃度第一傳導型傳導層 214 第一傳導型傳導層 216 第二傳導型傳導層 ❹ 17

Claims (1)

1. 200935595 — 七、申請專利範圍： • 1. 一種影像感測器，包括有： 一金屬内連線及一讀取電路，設置於一第一基板上； 一金屬層，設置於該金屬内連線上；以及 一影像感測裝置，電性連接於該金屬層。 2‘如請求項第1項所述之影像感測器，其中該金屬層包含紹(A1)。 3. 如请求項第2項所述之影像感測器，其中該金屬層之厚度乾圍 ❹ 為1〇〇埃(人)至5〇〇埃(A)。 4. 如請求項第1項所述之影像感測器，其中該金屬層包含鈦(Ti)。 5. 如請求項第4項所述之影像感測器，其中該金屬層之厚度範圍 為5〇埃(人)至500埃(人）。 6·如請求項第1項所述之影像感測器，其中該讀取電路包括一電 接面區，係設置於該第一基板上。 7.如請求項第6項所述之影像感測器，其中該電接面區包括有： ® —第一傳導型離子植入區，設置於該第一基板内；以及 一第二傳導型離子植入區，設置於該第一傳導型離子植入 區上。 8. 如請求項第7項所述之影像感測器，更包括一弟一傳導型連接 區’電性連接於該金屬内連線，並且設置於該電接面區上。 9. 如請求項第7項所述之影像感測器，更包括一第〜傳導型連接 區，與該電接面區間隔設置，並且電性連接於診入 10. 如請求項第1項所述之影像感測器，t Λ至屬内連線。 这魏電路包括-電 18 200935595 日曰脸，且配設一電位差存於該電晶體兩側的一源極與一汲極之 間。 11. 如請求項第10項所述之影像感測器，其中該電晶體包括一轉 移電晶體，其中該電晶體的該源極的離子植入濃度低於一浮動 擴散區的離子植入農度。 12. — #里影像感測器之製造方法，包括有以下步驟： 开>成一金屬内連線及一讀取電路於〆第一基板上； 形成一金屬層於該金屬内連線上； 形成一影像感測裝置於該金屬層上；以及 知合該金屬層與該影像感測裝置。 13. 如睛求項第12項所述影像感測器之製造方法’其中該金屬層 包含鋁CAI)。 14. 如清求項第13項所述影像感測器之製造方法，其中形成該金 屬層之厚度範圍為埃（A)至500埃（A)。 15·如請求項第12顿述影倾測器之製造方法，其巾該金屬層 包含鈦(Ti)。 16. 如請求項第i5項所述影像感·之製造方法，其中形成該金 屬層之厚度範圍為50埃（A)至500埃（A)。 17. 如請求項第U項所述影像❹指之製造方法，其中形成該讀 取電路之步驟更包括形成一電接面區於該第一基板上之步 .驟，其中形成該電接面區之步驟包括有： 形成-第-傳導型離子植入區於該第一基板内；以及 19 200935595 形成一第二傳導型離子植入區於該第一傳導型離子植入 * 區上。 18. 如請求項第17項所述影像感測器之製造方法，更包括形成一 第一傳導型連接區，連接於該電接面區上的該金屬内連線。 19. 如請求項第18項所述影像感測器之製造方法，於形成一接點 耦接於該金屬内連線之步驟後，更形成有該第一傳導型連接 區。 © 20.如請求項第18項所述影像感測器之製造方法，更包括形成一 第一傳導型連接區，與該電接面區間隔設置，並且電性連接於 該金屬内連線。

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