专利名称：图像传感器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种图像传感器及其制造方法。
背景技术：
图像传感器是能将光学图像转换为电信号的半导体器件。这些图像传感器典型地可被分为电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)。
在制造图像传感器的过程中，可用离子注入在衬底中形成光电二极管。为了在不增大芯片尺寸的前提下增加像素个数，光电二极管尺寸减小，所以光接收部的面积也减小，因此导致图像质量的下降。 此外，因为堆叠高度减小的程度与光接收部面积的减小不同，所以入射到光接收部的光子个数也由于被称为艾里斑(Airy disk)的光衍射而减小。 作为克服此限制的一种可替换的方法，已有使用非晶硅(Si)形成光电二极管、或使用例如晶片-晶片接合(wafer-toiafer bonding)的方法在硅(Si)衬底中形成读出电路、以及在读出电路上和/或上方形成光电二极管的尝试(被称为"三维(3D)图像传感器")。光电二极管通过金属互连件连接于读出电路。 根据一种相关技术制造3D图像传感器的方法，在以下操作中存在困难，即执行位
于芯片上部的光电二极管与在硅衬底中形成的读出电路单元之间的晶片_晶片对准，以及
保证由于读出电路单元的互连件与光电二极管之间的不良接触导致的欧姆接触。 此外，还存在局限，即图像缺陷是由图像感测器件的损坏(诸如蚀刻损坏)而产生
的，这是由于在相关技术中像素隔离区是通过使用器件隔离层而形成的。 根据相关技术，还存在局限，即可能发生电荷共享现象，这是由于转移晶体管的源
极和漏极都被重掺杂了 N型杂质。电荷共享现象可导致降低输出图像灵敏度以及产生图像
错误。此外，在光电二极管与读出电路之间，光电荷可能不会平滑地移动，导致暗电流(dark
current)的产生以及饱和度与灵敏度的降低。
发明内容
本发明的实施例提供了一种图像传感器及其制造方法，其无需在图像传感器上部的图像感测器件与下部的读出电路之间用于连接的晶片_晶片对准，且可获得读出电路的互连件与图像感测器件之间的欧姆接触。 本发明的实施例还提供了一种图像传感器及其制造方法，其可有效地、稳定地形成用于图像感测器件的像素隔离区。 本发明的实施例还提供了 一种图像传感器及其制造方法，其可在没有电荷共享现象的情况下提高填充因子(fill factor)。 本发明的实施例还提供了 一种图像传感器及其制造方法，其可通过在图像感测器件与读出电路之间形成光电荷的平滑转移路径来最小化暗电流源并抑制饱和降低和灵敏度下降。
在一个实施例中，图像传感器包括第一衬底中的读出电路；第一衬底上方的互连件，所述互连件电连接至所述读出电路；互连件上方的图像感测器件，所述图像感测器件包括第一导电类型导电层和第二导电类型导电层；图像感测器件的第二导电类型导电层的一部分中的第一导电类型离子注入层；以及穿透第一导电类型离子注入层并将第一导电类型导电层连接至互连件的通路插塞。 在另一实施例中，一种制造图像传感器的方法包括以下步骤在第一衬底中形成
读出电路；在第一衬底上方形成互连件，所述互连件电连接至所述读出电路；在互连件上
方形成图像感测器件，所述图像感测器件包括第一导电类型导电层和第二导电类型导电
层；在第二导电类型导电层的一部分中形成第一导电类型离子注入层；以及形成穿透第一
导电类型离子注入层并将第一导电类型导电层连接至互连件的通路插塞。 下面结合附图对一个或多个实施例进行详细描述。通过说明书、附图和权利要求
书，其它特征也会变得明显。
图1是根据第一实施例的图像传感器的剖视图。 图2至图8是根据第一实施例制造图像传感器的方法的剖视图。 图9是根据第二实施例的图像传感器的剖视图。
具体实施例方式
在下文中，将参考附图描述图像传感器及其制造方法的实施例。 在实施例的描述中，需要理解的是，当一层(或膜)被称为在另一层或衬底"上"，
则其既可以直接位于另一层或衬底上，或者也可存在中间层。进一步地，需要理解的是，当
一层被称为位于另一层"下方"，则其既可以直接位于另一层下方，或者也可存在一层或多
层中间层。此外，需要理解的是，当一层被称为位于两层"之间"，则其既可以是位于两层之
间的唯一层，或者也可存在一层或多层中间层。
图1是根据第一实施例的图像传感器的剖视图。 参见图1，图像传感器可包括位于第一衬底100中的读出电路120 ;位于第一衬底100上方的互连件150，互连件150电连接至读出电路120 ;位于互连件150上方的图像感测器件210，图像感测器件210包括第一导电类型导电层214和第二导电类型导电层216 ;位于图像感测器件210的第二导电类型导电层216的一部分中的第一导电类型离子注入层240 ;以及穿透第一导电类型离子注入层240并将第一导电类型导电层214连接至互连件150的通路插塞(via plug) 230。 图像感测器件210可以是光电二极管，但不限于此，也可以是光电栅(photogate)，或光电二极管与光电栅的组合。实施例包括在结晶半导体层中形成的图像感测器件210作为实例，但不限于此，也可包括在非晶半导体层中形成的光电二极管。
将参考附图描述图1中尚未解释的附图标记，其中所述附图示出了如下制造图像传感器的方法。 在下文中，将参考图2至图8描述根据第一实施例制造图像传感器的方法。
参见图2，将图像感测器件210形成在第二衬底200上。例如，可通过将离子注入结晶半导体层来形成包括P型导电层216和低浓度N型导电层214的光电二极管210，但实施例不限于此。 如图3A所示，准备形成有互连件150和读出电路120的第一衬底100。图3B是根据一个实施例示出了形成有互连件150和读出电路120的第一衬底100的详细视图。在下文中，将参考图3B进行详细描述。 参见图3B，准备包括互连件150和读出电路120的第一衬底100。例如，在第一衬底100中形成器件隔离层110以界定出有源区。在有源区中形成包括晶体管的读出电路120。例如，读出电路120可包括转移晶体管(Tx)121、复位晶体管(Rx)123、驱动晶体管(Dx)125和选择晶体管(Sx)127。可形成包括浮置扩散区131和分别用于各个晶体管的源极/漏极区133、135和137的离子注入区130。 第一衬底100中读出电路120的形成可包括在第一衬底100中形成电结(electrical junction)区140、以及形成第一导电类型连接件147，该第一导电类型连接件147在电结区140的上部连接至互连件150。 例如，电结区140可以是P-N结140，但不限于此。例如，电结区140可包括在第二导电类型阱141或第二导电类型外延层上形成的第一导电类型离子注入层143，和在第一导电类型离子注入层143上形成的第二导电类型离子注入层145。例如，如图3B所示，P-N结140可以是P0(145)/N-(143)/P-(141)结，但不局限于此。第一衬底100可以为第二导电类型，但不局限于此。 根据实施例，器件可被设计为在转移晶体管(Tx)的源极和漏极之间提供电势差，从而使得能全部倒出(full dumping)光电荷(photo charge)。因而，光电二极管中产生的光电荷可被倒出至浮置扩散区，因此提高了输出图像的灵敏度。 也就是说，正如参照图3B所描述的，可在包括读出电路120的第一衬底100中形成电结区140，从而在转移晶体管(Tx)121的源极和漏极之间提供电势差，因而使得能全部倒出光电荷。 在下文中，将详细描述根据实施例的光电荷倒出结构。 根据实施例，与N+结的第二浮置扩散(FD) 131节点不同，电结区140的P/N/P结140在一预定电压处被夹断(pinched off)，而没有完全传送(delivery)施加的电压。此电压被称为销锁电压(pinning voltage)。销锁电压取决于P0 (145)和N-(143)掺杂浓度。
因此，与相关技术中光电二极管仅用N+结连接的情形不同，此实施例能避免饱和度降低和灵敏度下降。 此后，在光电二极管与读出电路之间形成第一导电类型连接件147，以创建光电荷的平滑(smooth)转移路径，从而能够最小化暗电流源并抑制饱和度降低和灵敏度下降。
为此，在第一实施例中，可在P0/N-/P-结140的表面上形成用于欧姆接触的第一导电类型连接件147。可形成通过P0145接触N-143的N+区147。 第一导电类型连接件147的宽度可被最小化，以抑制第一导电类型连接件147成为泄漏源。为此，在实施例中，在蚀刻第一金属接触件151a的接触孔之后，可执行插塞注入(plug implant)，但不限于此。作为另一实例，可形成离子注入图案(未示出)，然后可将离子注入图案用作离子注入掩模来形成第一导电类型连接件147。 也就是说，在第一实施例中描述的仅在接触形成区上局部执行N+掺杂的原因包
5括最小化暗信号和促进欧姆接触的形成。如果整个Tx源极区都如相关技术一样掺杂了 N+型，则暗信号可能因为Si表面悬挂键(dangling bond)而增大。 下面，可在第一衬底100上形成层间电介质160，也可形成互连件150。互连件150可包括第一金属接触件151a、第一金属151、第二金属152和第三金属153，但实施例不限于此。 下面，如图4所示，在互连件150上方接合形成有图像感测器件210的第二衬底
200，然后去除第二衬底200的一部分，余下图像感测器件210，如图5所示。 然后，如图6所示，在暴露的图像感测器件210的第二导电类型导电层的一部分中
形成第一导电类型离子注入层240。例如，可在第二导电类型导电层216中形成高浓度N-型
(n+)离子注入层240，促进通路插塞230的形成。 也就是说，在根据实施例形成图像传感器的方法中，对图像感测器件与读出电路的连接不做晶片-晶片对准，工艺被有效地执行。此外，在N+离子注入之后，可经由连接至互连件的通路插塞向图像感测器件施加电压，从而获得读出电路的互连件与图像感测器件之间的欧姆接触。 可形成第一导电类型离子注入层240，其深度大于第二导电类型导电层216的深度，从而抑制下面描述的由通路插塞引起的短路。 下面，如图7所示，可在图像感测器件210的像素之间的边界形成像素隔离离子注
入层250。例如，可由第二导电类型离子注入形成像素隔离离子注入层250。 根据实施例，不需晶片_晶片对准工艺即可形成用于图像感测器件的像素隔离
区。另外，因为经由在N+离子注入之后形成的通路插塞向光电二极管施加电压，所以形成
通路插塞的工艺可被简化。 此后，接合(bonding)之后形成的离子注入层可通过例如激光退火的热处理被活化(activate)。因为通过激光退火的热处理是局部进行的，所以热处理对第一衬底的各个元件不会有不利的热效应。例如，激光退火可在约600mJ/cm2至约1200mJ/cm2的能量下进行，以活化第一导电类型离子注入层240和像素隔离离子注入层250，但实施例不限于以上能量。 下面，如图8所示，可形成穿透第一导电类型离子注入层240和第一导电类型导电层214的通路插塞230，从而将第一导电类型导电层214电连接至互连件150。
例如，可在位于芯片上部的图像感测器件210内的孔中形成通路插塞230，从而向图像感测器件210施加电压并向硅衬底的读出电路120传送光电荷。 在这种情况下，因为在第二导电类型导电层216中形成了高浓度N-型(n+)离子注入层240，所以可抑制通路插塞230与第二导电类型导电层216之间的短路，且可不需要单独的工艺以去除通路插塞230的上侧。 图9是根据第二实施例的图像传感器的剖视图，也是形成有读出电路120、电结区140和互连件150的第一衬底100的详细视图。
第二实施例可采用第一实施例的技术特征。 在与第一实施例不同的第二实施例中，在电结区140的一侧形成第一导电类型连接件148。 可在PO/NVP-结140处形成N+连接区148用于欧姆接触。形成N+连接区和第一金属接触件151a的工艺可能提供泄漏源。这是因为当反偏压(reverse bias)施加至PO/N-/P-结140时，由于操作可在硅表面上方产生电场(EF)。电场内的接触形成工艺期间产生的晶体缺陷可成为泄漏源。 还有，当在P0/N-/P-结140表面上方形成N+连接区时，因为N+/P0结148/145可额外产生电场。这个电场也可成为泄漏源。 因此，第二实施例提出了一种布置(layout)，其在没有掺杂PO层、但包括连接至N-结143的N+连接区148的有源区中形成第一接触插塞151a。 根据第二实施例，在硅表面上和/或上方不产生电场，这有助于降低3D集成CIS的暗电流。 本说明书中所指的" 一个实施例"、"实施例"、"实例"等意指连同实施例描述的特定的特征、结构或性质被包括在本发明的至少一个实施例中。说明书中各处这种用语的出现不一定指代同样的实施例。此外，当连同任何实施例描述特定的特征、结构或性质时，就认为这些特征、结构或性质落在本领域普通技术人员连同其它实施例实现这些特征、结构或性质的范围内。 尽管对实施例的描述中结合了其中多个示例性实施例，但可以理解的是，在本公开内容的原理的精神和范围之内，本领域技术人员完全可以推导出许多其它变化和实施例。尤其是，可以在该公开、附图和所附权利要求的范围内对组件和/或附件组合设置中的排列进行多种变化和改进。除组件和/或排列的变化和改进之外，其它可选择的应用对于本领域技术人员而言也是显而易见的。
权利要求
一种图像传感器，包括位于第一衬底中的读出电路；位于所述第一衬底上方的互连件，所述互连件电连接至所述读出电路；位于所述互连件上方的图像感测器件，所述图像感测器件包括第一导电类型导电层和第二导电类型导电层；位于所述图像感测器件的所述第二导电类型导电层的一部分中的第一导电类型离子注入层；以及穿透所述第一导电类型离子注入层和所述第一导电类型导电层的通路插塞，所述通路插塞将所述第一导电类型导电层电连接至所述互连件。
2. 根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述第一导电类型离子注入层形成为其深度大于所述第二导电类型导电层的深度。
3. 根据权利要求1所述的图像传感器，还包括位于所述图像感测器件的像素边界的像素隔离离子注入层。
4. 根据权利要求1所述的图像传感器，还包括所述第一衬底中的电结区，所述电结区将所述互连件电连接至所述读出电路。
5. 根据权利要求4所述的图像传感器，还包括位于所述电结区与所述互连件之间的第一导电类型连接件，所述第一导电类型连接件在所述电结区的上部电连接至所述互连件。
6. 根据权利要求4所述的图像传感器，还包括位于所述电结区与所述互连件之间的第一导电类型连接件，所述第一导电类型连接件在所述电结区的一侧电连接至所述互连件。
7. 根据权利要求4所述的图像传感器，其中所述读出电路包括晶体管，以及其中所述电结区位于所述晶体管的源极区，且所述电结区的离子注入浓度小于位于所述晶体管的漏极区的浮置扩散区的离子注入浓度。
8. 根据权利要求4所述的图像传感器，其中所述读出电路包括晶体管，其中所述电结区位于所述晶体管的源极，且在所述晶体管的源极与漏极之间提供电荷电势差。
9. 一种制造图像传感器的方法，包括以下步骤在第一衬底中形成读出电路；在所述第一衬底上方形成互连件，所述互连件电连接至所述读出电路；在所述互连件上方形成图像感测器件，所述图像感测器件包括第一导电类型导电层和第二导电类型导电层；在所述第二导电类型导电层的一部分中形成第一导电类型离子注入层；以及形成穿透所述第一导电类型离子注入层和所述第一导电类型导电层的通路插塞，所述通路插塞将所述第一导电类型导电层电连接至所述互连件。
10. 根据权利要求9所述的方法，还包括在所述第一衬底中形成电结区，所述电结区将所述互连件电连接至所述读出电路；其中所述读出电路包括晶体管，以及其中所述电结区形成在所述晶体管的源极区，且所述电结区的离子注入浓度小于所述晶体管的漏极区处形成的浮置扩散区的离子注入浓度。
全文摘要
本发明提供了一种图像传感器及其制造方法。该图像传感器包括读出电路、互连件、图像感测器件、第一导电类型离子注入层和通路插塞。在第一衬底中形成读出电路。在第一衬底上方形成互连件。互连件电连接至读出电路。然后在互连件上方形成图像感测器件。图像感测器件包括第一导电类型导电层和第二导电类型导电层。在图像感测器件的第二导电类型导电层的一部分中形成第一导电类型离子注入层。通路插塞穿透第一导电类型离子注入层和第一导电类型导电层，从而将第一导电类型导电层电连接至互连件。
文档编号H04N5/335GK101752397SQ20091025377
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月17日 优先权日2008年12月17日
发明者沈喜成 申请人:东部高科股份有限公司