图像传感器及其制造方法

专利名称：图像传感器及其制造方法
图像传感器及其制造方法
背景技术：
图像传感器可以是可将光学图像转换成电信号的半导体器件。图像传
感器可以被分为多类，比如电荷耦合器件(CCD)图像传感器和互补金 属氧化硅(CMOS)图像传感器(CIS),
在图像传感器的制造工艺期间，可以利用离子注入在J41中形成光电 二极管。可以减小光电二极管的尺寸，以增加像素数量而不增大芯片尺寸。 这可能减小光接收部分的面积。由此可能降低图像质量。
由于堆叠高度可能并未减少到与光接收部分的面积的减少一样的程 度，因此入射到光接收部分的光子的数量也可能由于被称为艾里斑(airy disk)的光衍射而减少。
为了克服该缺陷，可以利用非晶硅(Si)来形成光电二极管。此外， 可以利用诸如晶片-晶片接合之类的方法在硅(Si) ^中形成读出电路， 并且可以在读出电路上和/或上方形成光电二极管(被称为三维(3D)图 像传感器)。光电二极管可以通过金属互连连接而与读出电路相连接。
可以在读出电路上和/或上方形成金属互连连接，并且可以执行晶片画 晶片接合，该晶片-晶片接合可以使金属互连连M触光电二极管。可能 难以实现金属互连连接与光电二极管之间的正确的接触，并且也可能难以 实现金属互连连接与光电二极管之间的欧姆接触。
由于在转移晶体管两侧的源极和漏极均可能被重掺杂有N型杂质， 因此可能发生电荷共享现象。当发生电荷共享现象时，输出图像的灵敏度 可能降低，并且可能产生图像误差。此外，由于光电荷不容易在光电二极 管与读出电路之间移动，因此可能产生暗电流，和/或可能降低饱和度和 灵敏度。

发明内容
实施例涉及图像传感器及其制造方法。实施例涉及可以增强光电二极 管与金属互连连接之间的物理掩^力的图像传感器及其制造方法。实施例
4涉及可以提高填充系数和获得欧姆接触的图像传感器及其制造方法。
实施例涉及可以防止电荷共享同时提高填充系数的图像传感器及其
制造方法。实施例涉及这样的图像传感器及其制造方法其可以通过为光 电荷提供在光电二极管和读出电膝之间的相对快速的移动路径，来最小化 暗电流源和防止饱和度和灵敏度的降低。
才艮据实施例， 一种图4象传感器可以包括以下元件中的至少一个在第 一基板上方的金属互连连接和读出电路；在金属互连连接上方的金属层； 电连接到金属层的图^S测器件。
根据实施例，一种用于制造图像传感器的方法可以包括以下步骤中的 至少一个在第一14l上方形成金属互连连接和读出电路；在金属互连连 接上方形成金属层；形成图像感测器件；将金属层与图像感测器件相接合， 以使金属层和图像感测器件接合在一起。


示例性的图1至9示出了根据实施例的图像传感器以及用于制造图傳_ 传感器的方法。
具体实施例方式
下面将参照附图来描述根据实施例的图像传感器和用于制造图像传 感器的方法。
示例图l是根据实施例的图像传感器的剖视图。参照示例图l,图像 传感器可以包括在笫一M 100上和/或上方的金属互连连接150和读出 电路120 (参见图2B )。金属层160可以设于金属互连连接150上和/或上 方。可包括第一导电型导电层214和第二导电型导电层216的图〗象感测器 件210可以电连接到金属层160。
根据实施例，图像感测器件210可以是光电二极管、光电管 (photogate)、或它们的任意组合。为了描述的筒明起见，将图像感测器 件210称为光电二极管210。根据实施例，光电二极管可以在晶体半导体 层中形成。根据实施例，光电二极管可以不限于此，而是可以在其它类型 的层中形成，包括在非晶半导体层中形成。
示例图2A是根据实施例的、可包括金属互连连接150和读出电路120的笫一基K100的示意图。示例图2B是才艮据实施例的第一基仗100的另 一图示。
参照示例图2B，根据实施例的用于制造图像传感器的方法可以包括 制备笫一Ul 100。可以在第一ij敗100上和/或上方形成金属互连连接 150和读出电路120。根据实施例，第一M100可以是第二导电型的基 板。根据实施例，第一基fell00可以不限于第二导电型的J41,而是可以 是任何导电型的基板。
根据实施例，器件绝缘层110可以在第二导电型的第一141100中形 成且可以限定有源区。可以在有源区中形成可包括至少一个晶体管的读出 电路120。根据实施例，读出电路120可以包括转移晶体管(Tx) 121、 复位晶体管(Rx) 123、驱动晶体管(Dx ) 125以及选择晶体管(Sx) 127。 可以形成离子注入区130的浮动扩散区(FD) 131，离子注入区130可以 包括各个晶体管的源极区/漏极区133, 135和137。
根据实施例，在笫一基板100上和/或上方形成读出电路120这一操 作可以包括在第一基板100中形成电结区(electrical junction region) 140，以及在电结区的上部区域120中形成第一导电型连接区147。根据 实施例，第一导电型连接区147可以电连接到金属互连连接150。
根据实施例，电结区140可^是PN结，但是不限于此。根据实施例， 电结区140可以包括在笫二导电型阱141 (和/或第二导电型外延层)上和 /或上方形成的第一导电型离子注入层143，并且可以包括在第一导电型离 子注入层143上和/或上方形成的第二导电型离子注入层145。根据实施 例，PN结140可以为P0(145)/N-(143)/P-(141)结。但是,PN结140可以 不限于这种配置，并且可以是任何结配置。
根据实施例，器件可以被设计成使得在转移晶体管(Tx) 121两侧的 源极和漏极之间可以存在电势差。这可以使得光电荷被充分地转储 (dump)。因此，从光电二极管产生的光电荷可以被充分地转储到浮动扩 散区。这可以最大化输出图像的灵敏度。
电结区140可以在第一1j^ 100中形成，并且位于读出电路120附近。 电结区140可以允许在转移晶体管(Tx) 121两侧的源极和漏极之间产生 电势差。这可以使得光电荷被充分地转储。
在下文中将进一步描述根据实施例的光电荷转储结构。与可以是N十 结的浮动扩散区(FD) 131的节点不同，可以是电结区140且所施加的电
6压未被充分传输给其的P/N/P结140可以在预定电压时被夹断。该电压可 以被称为阻塞电压(pinning voltage),并且可以取决于P0区145和N-区143的掺杂浓度。
根据实施例，从光电二恢管210产生的电子可以移动到PNP结140， 并且可以被转移到浮动扩散区(FD) 131的节点。然后，如果转移晶体管 (Tx)121被接通，则该电子可以被转换成电压。
根据实施例，由于？0/1^-^-结140的最大电压值可以变成阻塞电压， 并且浮动扩散区(FD) 131的节点的最大电压值可以变成Vdd-Rxl23的 阈值电压Vth，因此，可以将从芯片上部中的光电二极管210产生的电子 充分转储到浮动扩散区(FD) 131的节点。由于转移晶体管(Tx) 131的 两侧之间的电势差，这可以完成而不会产生电荷共享。
根据实施例，可以在^J敗比如第一基敗100中形成PO/N-ZP-阱结而 非N十/P-阱结。因此，在4-Tr有源像素传感器(APS )复位操作期间，可 以向？0/]\-^-阱结的N-143施加+电压，以及可以向PO 145和P-阱141 施加地电压。由此可以在预定电压或预定电压以上时在？0/]\-/^-阱双结处 产生夹断。这可能类似于双极结晶体管(BJT)结构。该电压可以被称为 阻塞电压。才艮据实施例，可以在转移晶体管(Tx) 121的两侧处的源极和 漏极之间产生电势差，这可以防止在转移晶体管(Tx) 121的通/断操作 期间的电荷共享现象。
根据实施例，与可以将光电二极管筒单地与N+结相连接的情形不相 同的是，可以避免诸如饱和度降低和灵敏度降低之类的缺陷。
根据实施例，第一导电型连接区147可以在光电二极管和读出电5M^ 间形成，并且可以提供光电荷的相对快速的移动路径。这可以最小化暗电 流源，并且可以防止饱和度降低和灵敏度降低。
根据实施例，可以在PO/N-ZP-结140的表面上和/或上方形成用于欧 ^f接触的第一导电型连接区147,比如N+区147。可以形成N+区147， 并且N+区147可以延伸穿过PO区145并接触N-区143。根据实施例， 为了防止笫一导电型连接区147变成泄漏源，可以最小化第一导电型连接 区147的宽度。因此，根据实施例，可以在蚀刻了第一金属接触部151a 之后执行插塞注入。根据实施例，工艺可以不局限于此。例如，可以形成 离子注入图案，然后可以使用离子注入图案作为离子注入掩膜来形成第一 导电型连接区147。根据实施例，通过仅仅对接触形成部分使用N型杂质来进行局部重 掺杂，可以有利于欧姆接触形成，同时最小化了暗信号。如果对整个转移 晶体管源极进行重掺杂，则暗信号可能经由Si表面不饱和键而增大。
根据实施例，可以在第一J4！ 100上和/或上方形成层间电介质160。 可以形成金属互连连接150，并且金属互连连接150可以延伸穿过层间电 介质160且可以电连接到第一导电型连接区147。根据实施例，金属互连 连接150可以包括第一金属接触部151a、第一金属151、第二金属152、 第三金属153以及第四金属接触部154a。根据实施例，可以使用其它的 结构。
根据实施例，可以在第一J41100上和/或上方形成金属层160,并且 金属层160可以接触金属互连连接150。根据实施例，通过在第一基板100 与光电二极管210之间插入金属层160，可以增强J41之间的接合力。根 据实施例，金属层160可以是铝(Al)层。根据实施例，金属层160可以 由其它金属构成。
才艮据实施例，金属层160可以由铝(Al)构成，并且其厚度范围可以 介于约100A与约500A之间。金属层可以用作金属互连连接150与光电 二极管210之间的^h质。这可以增强可在其处形成光电二极管210的a 200与可在其处形成读出电路120的JjfeSL 100之间的物理备^力和电^^ 力。
根据实施例，金属层160可以由钬(Ti)构成。例如，金属层160可 以由厚度范围介于约50A与500A之间的钛(Ti)构成。金属层160可以 是金属互连连接150与光电二极管210之间的介质。这可以增强可在其处 形成光电二极管210的141200与可在其处形成读出电路120的基板100 之间的物理掩^力和电M力。
根据实施例， 一种图像传感器通过在使用垂直型光电二极管的同时在 光电二极管与金属互连连接之间提M属层并将它们相接合，可以增强光 电二极管与金属互连连接之间的物理接合力和电掩^力。
参照示例图3,可以在第二基长200上和/或上方形成晶体半导体层 210a。根据实施例，在诸如示例图1中示出的图像传感器之类的图像传感 器中，可以在晶体半导体层上和/或上方形成光电二极管210。因此，可以 提高填充系数。这是因为，图像感测器件可以使用布置在读出电路120 上和/或上方的3D图像传感器，并且通过在晶体半导体层中形成图像感测器件可以防止图 <象感测器件中的缺陷。
根据实施例，可以在第二基k 200上和/或上方外延地形成晶体半导 体层210a。根据实施例，通过将氢离子注入到第二基仗200与晶体半导 体层210a之间的边界中，可以形成氢离子注入层207a。可以在用于形成 光电二极管210的离子注入之后执行氢离子的注入。
参照示例图4，可以通过将离子注入到晶体半导体层21溢中来形成 光电二极管210。根据实施例，可以在晶体半导体层210a下面和/或下方 形成第二导电型导电层216。可以通过将离子注入到第二141200中而在 晶体半导体层210a下面和/或下方形成高浓度的P型导电层216。才艮据实 施例，可以无掩膜地执行趙式离子注入。
才艮据实施例，可以在第二导电型导电层216上和/或上方形成第一导 电型导电层。例如，可以通过无掩膜地在第二M200上执行趙式离子注 入而在第二导电型导电层216上和/或上方形成低浓度的N型导电层214。
才艮据实施例，可以在第一导电型导电层214上和/或上方形成高浓度 的第一导电型导电层212。例如，可以通过无掩膜地将离子毯式地注入到 笫二a中而在第一导电型导电层上和/或上方形成高浓度的N+型导电 层212。这可以有利于欧姆接触。
参照示例图5，第一141100和第二^200可以^^在一起，并且 可以通过金属层160而接触光电二极管160。根据实施例，在将第一^41 100与第二a 200相#^之前，可以通过增加M合的表面的表面能(例 如经由等离子体的激活来进行)来执行M。根据实施例，可以通过在接 合边界中插入绝缘层和金属层来执行接合。这可以增强接合力。
参照示例图6，可以通过在第二a 200上和/或上方执行热处理来将 氢离子注入层207a改变成氢气层。
参照示例图7，然后可以去除第二g200的一部分。根据实施例， 可以将光电二极管210留在氢气层下面，并且可以露出光电二极管210。 根据实施例，可以利用诸如刀片之类的切割设备来执行对第二基板200 的去除。
参照示例图8，可以执行蚀刻工艺，并且可以针对每个单位像素而分 离光电二极管。根据实施例，可以用像素间电介质来填充被蚀刻的部分。 根据实施例，可以执行用于形成上部电极和滤色片的工艺。
示例图9是根据实施例的图像传感器的剖视图。示例图9包括可在其上和/或上方形成金属互连连接150的第一基敗100的剖视图。根据实施 例，在示例图1中示出的器件可以采用示例图9所示的实施例的某些技术 特征。
与示例图9所示的实施例不同，4艮据实施例，第一导电型连接区148 可以被形成为在电结区140的一侧横向地隔开。
根据实施例，可以在P0/N-AP-结140上和/或上方形成用于欧姆接触 的N+连接区148。根据实施例，形成N+连接区148和M1C接触151a的 工艺可能提供泄漏源。这是因为，器件可能工作在施加于？0/^^-结140 的反向偏压下，并且可能在Si表面上和/或上方产生电场(EF)。在接触 形成工艺期间在电场内可能产生的晶体缺陷可能充当泄漏源。
才艮据实施例，如果在？0/]\-^-结140的表面上和/或上方形成N+连接 区148，则可能由于N+/P0结148/145而产生电场。该电场也可能充当泄 漏源。
根据实施例，可以提供这样的布局在该布局中可以在未掺杂有P0 层但包括N+连接区148的有源区中形成第一接触插塞151a，并且第一接 触插塞151a可以连接到N-结143。
根据实施例，可以在Si表面上和/或上方产生电场，这可以有利于3D 集成CIS的暗电流的减少。
尽管已经参照互#险属氧化物半导体(CMOS )图像传感器来描述了 实施例，但是实施例并不限于此。根据实施例，可以使用任何需要光电二 极管的图像传感器。
对于本领域的技术人员而言显而易见的是，可以在所公开的实施例中 进行各种修改和变化。因此，在显而易见的修改和变化在所附权利要求及 其等效内容的范围之内的情况下，所公开的实施例旨在涵盖所i^而易见 的修改和变化。
10
权利要求
1. 一种器件，包括在第一基板上方的金属互连连接和读出电路；在所述金属互连连接上方的金属层；以及电连接到所述金属层的图像感测器件。
2. 根据权利要求l所述的器件，其中所述金属层包括铝(Al)。
3. 根据权利要求2所述的器件，其中所述金属层的厚度在从约100A 至500A的范围内变化。
4. 根据权利要求l所述的器件，其中所述金属层包括钬(Ti)。
5. 根据权利要求4所述的器件，其中所述金属层的厚度在从约50A 至500A的范围内变化。
6. 根据权利要求1所述的器件，其中所述读出电路包括在第一J4！ 上方的电结区。
7. 根据权利要求6所述的器件，其中所述电结区包括 在第一M中的第一导电型离子注入区；以及 在第一导电型离子注入区上方的第二导电型离子注入区。
8. 根据权利要求7所述的器件，包括在所述电结区上方的、电连 接到所述金属互连连接的第一导电型连接区。
9. 根据权利要求7所述的器件，包括与所述电结区相隔开且电连 接到所述金属互连连接的第 一导电型连接区。
10. 根据权利要求l所述的器件，其中所述读出电路包括晶体管，所 述晶体管被配置成使得在所述晶体管两侧的源极和漏极之间存在电势差。
11. 根据权利要求10所述的器件，其中所述晶体管包括转移晶体管， 以及其中所述晶体管的源极的离子注入浓度低于浮动扩散区的离子注入 浓度。
12. —种方法，包括:在第一141上方形成金属互连连接和读出电路； 在所述金属互连连接上方形成金属层；在所述金属层上方形成图像感测器件；以及 将所述金属层与图像感测器件#^在一起。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中所述金属层包括铝(Al)。
14. 根据权利要求13所述的方法，包括将所述金属层形成为具有 在约100A至500A的范围内的厚度。
15. 根据权利要求12所述的方法，其中所述金属层包括钬(Ti )。
16. 根据权利要求15所述的方法，包括将所述金属层形成为具有 在约50A至500A的范围内的厚度。
17. 根据权利要求12所述的方法，其中形成读出电路的步骤包括在 第一基敗上方形成电结区，以及其中形成电结区的步骤包括在第一基板中形成第一导电型离子注入区；以及在第一导电型离子注入区上方形成第二导电型离子注入区。
18. 根据权利要求17所述的方法，包括在所述电结区上方形成连 接到所述金属互连连接的第 一导电型连接区。
19. 根据权利要求18所述的方法，包括在形成用于与所述金属互 连连接相耦合的接触之后，形成第一导电型连接区。
20. 根据权利要求18所述的方法，包括形成与所述电结区相隔开且电连接到所述金属互连连接的第 一导电型连接区。
全文摘要
实施例涉及一种图像传感器及其制造方法。根据实施例，一种图像传感器可以包括在第一基板上方的金属互连连接和读出电路、在所述金属互连连接上方的金属层、以及电连接到所述金属层的图像感测器件。根据实施例，不会在Si表面上和/或上方产生电场。这可以有利于3D集成CMOS图像传感器的暗电流的减少。
文档编号H04N5/335GK101471362SQ20081018623
公开日2009年7月1日 申请日期2008年12月17日 优先权日2007年12月28日
发明者俊 黄 申请人:东部高科股份有限公司