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：
图像传感器是一种将光图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器大 致可被划分为电荷耦合器件(CCD)图像传感器和互补型金属氧化物硅 (complementary metal oxide silicon, CMOS )图像传感器(CIS )。
通常，CIS包括形成在单位像素中的光电二极管和至少一个MOS晶体 管，并通过切换方式顺序地检测单位像素的电信号以获得图像。
在现有技术的CIS结构中，光电二极管和晶体管是水平排列的。
尽管现有技术的水平型CIS己经解决了 CCD图像传感器的许多局限性， 但是水平型CIS仍然存在一些问题。
首先，典型地，现有技术的水平型CIS具有水平地、彼此相邻地形成在 衬底上的光电二极管和晶体管。因此，需要有一个用于形成光电二极管的附 加区域，该附加区域可以减小填充因数并限制可能的分辨率。
并且，在现有技术的水平型CIS中，通常难以达到同时形成光电二极管 和晶体管的最佳工艺。
发明内容
本发明的实施例涉及一种图像传感器及其制造方法，该图像传感器及其 制造方法提供了一种电路和光电二极管的新的集成方式。 这些实施例可同时提高图像传感器的分辨率和灵敏度。 一些实施例涉及使用垂直型光电二极管来增强垂直型光电二极管与图像传感器的电路之间的物理接触和电接触这两种接触的图像传感器及其制 造方法。
其它实施例涉及一种采用了垂直型光电二极管的图像传感器及其制造 方法，其可防止否则的话会可能在垂直型光电二极管中产生的缺陷。
本发明的实施例涉及一种图像传感器，该图像传感器可包括至少一个如
下的结构第一衬底；电路，包括位于所述第一衬底之上的金属互连件；金 属离子注入绝缘层，位于所述金属互连件之上；以及光电二极管，包括位于 所述金属离子注入绝缘层之上的结晶半导体层。
本发明的实施例还涉及一种图像传感器的制造方法，可包括至少一个如 下的步骤在第一衬底之上形成包括金属互连件的电路；在第二衬底之上形 成光电二极管；在所述光电二极管之上形成金属离子注入绝缘层；将所述第 二衬底与所述第一衬底相接合，使得所述金属互连件接触所述金属离子注入 绝缘层；通过去除所述第二衬底的下部，暴露所述光电二极管；以及通过选 择性地去除部分所述光电二极管和部分所述金属离子注入绝缘层，将所述光 电二极管和所述金属离子注入绝缘层图案化成分隔开的像素。
本发明提供了一种电路和光电二极管的新的集成方法，同时可提高图像 传感器的分辨率和灵敏度。
图1示出根据本发明的示例性实施例的图像传感器。
图2至图8示出根据本发明的实施例的制造图像传感器的示例性方法。
具体实施例方式
下面将参考附图详细地描述根据本发明实施例的图像传感器及其制造 方法。
图1是根据本发明实施例的示例性图像传感器的剖面图。
如图1中的实例所示，根据一些实施例的图像传感器可包括第一衬底 100，其上和/或之上具有包括金属互连件110的电路(未示出)；金属离子
注入绝缘层220，位于金属互连件IIO上或之上；以及光电二极管210，形 成在(例如包括)位于金属离子注入绝缘层220上和/或之上的结晶半导体层
5中(例如见图3中的半导体层210a)。
通过将金属离子注入到绝缘层中而形成的金属离子注入绝缘层220，可 具有电导率。例如，绝缘层(insulator)可包括氧化物层，并且金属离子可 为(但不限于)Co离子和/或Ti离子。
通常，金属离子注入绝缘层220的宽度与光电二极管210的宽度相同。 或者，金属离子注入绝缘层220的宽度可与金属互连件110的宽度相同，或 者为介于光电二极管210与金属互连件110的宽度之间的任意宽度。
在某些实施例中，通过在上面形成有光电二极管的一个衬底与上面形成 有电路的另一个衬底之间插入金属离子注入绝缘层，可增强衬底之间的接合 力。同样，通过使用金属离子注入绝缘层，在功能为电互连的金属互连件(例 如钨插塞)与包含光电二极管的结晶半导体层之间形成欧姆接触，即可提供 稳定的图像传感器。
在一些实施例中，结晶半导体层120a可为(但不限于)单个结晶半导 体层。例如，结晶半导体层120a可为多晶半导体层。
尽管第一衬底100的电路未示出，但实施例可容易地被应用到每一单位 像素具有l个晶体管(lTrCIS)、每一单位像素具有3个晶体管(3TrCIS)、每 一单位像素具有5个晶体管(5 TrCIS)、或每一单位像素具有1个半晶体管(1.5 Tr CIS，或晶体管共享CIS,其中2个或多个单位像素共享某些输出晶体管) 的CIS器件中，以及每一单位像素具有4个晶体管(4 Tr CIS)的CIS器件中。
同样，位于第一衬底100上和/或之上的金属互连件110可包括金属化层 (包括多条线或互连线；未示出)和插塞(适用于连接相邻的金属层；未示 出)。金属互连件110的最上部可作为光电二极管的下电极。
接着，光电二极管210可包括位于结晶半导体层210a (见图3)中的第 一导电类型导电层214和位于结晶半导体层210a中的第二导电类型导电层 216。例如，光电二极管210可包括位于结晶半导体层210a中的低浓度N' 型导电层214，以及位于结晶半导体层210a中的低浓度N-型导电层214上和 /或之上的高浓度F型导电层216，但不限于此。也就是说，第一导电类型可 不为N'型，而为P'型。
在各种实施例中，光电二极管210可还包括位于第一导电类型导电层214 下的高浓度第一导电类型导电层212。例如，高浓度第一导电类型导电层212可为^导电层，该N"导电层可有助于欧姆接触。
在其它实施例中，可还在光电二极管210上和/或之上形成顶部金属层 (未示出)和/或滤色镜层。在进一步的实施例中，将每个光电二极管210和 金属离子注入绝缘层220分隔成单位像素，从而防止串扰。
图2至图8示出根据各种实施例的图像传感器的制造方法。 如图2中的实例所示，制造这种图像传感器的方法可包括提供第一衬底 100，其上和/或之上形成有金属互连件IIO和电路(未示出)。尽管位于第 一衬底100上的电路未示出，但是根据实施例的CIS可为但不限于4 Tr CIS。 位于第一衬底100上和/或之上的金属互连件110可包括金属层(例如，图中 的阴影水平框)以及一个或多个插塞(例如位于阴影水平框上方和下方的小 框)。
金属层可包括铝或铝合金(例如,含有4wt。/。的Cu,、 2wt。/。的Ti、和/或 1 wt。/。的Si的Al)，通过在传统的粘合剂和/或阻挡层(例如像Ti上TiN双 层(TiN-on-Tibilayer)这样的Ti和/或TiN)上溅射来沉积，和/或被传统的 粘合剂、阻挡层、小丘抑制和/或抗反射层(例如Ti、 TiN、 WN、 TiW合金， 或其组合，如Ti上TiN双层或Ti上TiW双层(TiW-on-Ti bilayer))所覆盖。 每个插塞可包含钨(通过化学气相(CVD)沉积)，位于传统的粘合剂和/ 或阻挡层(例如像Ti上TiN双层这样的Ti和/或TiN)上。可通过CVD或 溅射法沉积该Ti、 TiN和TiW层。可选择地，金属层和插塞可包括"双镶 嵌"的铜，其通过电镀形成在传统的粘合剂、阻挡层和/或籽晶层(例如分 别为Ta、 TaN和/或Cu)上。
可在介电层(未示出)上或中形成金属层和插塞。介电层可包括最下部、 保形蚀刻停止层(例如氮化硅)、保形缓冲器和/或间隙填充层(例如，富硅 氧化硅(SRO) 、 TEOS (例如通过CVD由正硅酸乙酯(tetraethyl orthosilicate) 和氧形成的硅氧化物)、无掺杂硅玻璃(USG)或其组合)以及体介电层(bulk dielectric layer)(例如， 一层或多层掺杂硼和/或磷的的硅氧化物层(BSG, PSG 和/或BPSG))。可选择地，体介电层可包括低介电常数(low-k)电介质， 例如氟硅酸盐玻璃(fluorosilicate glass, FSG)、碳氧化硅(silicon oxycarbide， SiOC)或氢化碳氧化硅(hydrogenated silicon oxycarbide, SiOCH)，以上任 一种体介电层可包括位于中间蚀刻停止层(例如氮化硅)上方的上部低介电
7常数介电层和下方的下部低介电常数介电层。介电层还可包括覆盖层，该覆
盖层例如由TEOS、 USG、等离子体硅烷(plasma silane)(例如通过等离子 体辅助CVD由硅垸和氧形成的二氧化硅)构成或由它们的化合物构成，例 如为位于USG或TEOS上的等离子体硅烷的双层，或位于TEOS上的USG双层。
接着，如图3中的实例所示，在第二衬底200上和/或之上形成结晶半导 体层210a。由于在结晶半导体层210a中形成光电二极管210，所以可防止 光电二极管内部的缺陷。
例如，通过外延生长方法，在第二衬底200上形成结晶半导体层210a。 之后，将氢离子注入到第二衬底200与结晶半导体层210a之间的界面，以 形成氢离子注入层207a。可在注入杂质离子以形成光电二极管210后，执行 氢离子的注入。
接着，如图4中的实例所示，将杂质离子注入到结晶半导体层210a中， 以形成体光电二极管210。例如，在结晶半导体层210a中，结晶半导体层 210a与第二衬底200的界面处或界面附近，形成具有第二导电类型的导电层 216。第二导电类型的导电层216可为高浓度F型导电层，例如，可在无需 掩模的条件下，通过执行第一毯覆式离子注入到所述第二衬底200的整个表 面中，来形成高浓度P-型导电层216。例如，可在结深小于约0.5 )Lim处形成 第二导电类型的导电层216。
之后，在无需掩模的条件下，通过执行第二毯覆式离子注入到所述第二 衬底200的整个表面中，在导电层216上和/或之上形成具有第一导电类型的 导电层214。第一导电类型的导电层214可为低浓度N'型导电层。可在结深 范围约为1.0 pm至2.0pm处形成低浓度第一导电类型214。
如图4所示，实施例还可包括在第一导电类型导电层214上和/或之上形 成相对于第一导电类型杂质具有高浓度的导电层212。高浓度第一导电类型 导电层212可为高浓度W导电层。例如，可在无需掩模的条件下，通过执行 第三毯覆式离子注入到所述第二衬底200的整个表面中，在第一导电类型的 导电层214上和/或之上形成N"导电层212，使得N+导电层212能够有助于 与后续的沉积材料的欧姆接触。
接着，在光电二极管210上和/或之上形成金属离子注入绝缘层220。形成金属离子注入绝缘层220的方法如下首先，在光电二极管210上形成绝 缘层。绝缘层可为但不限于氧化物层(例如二氧化硅、氧化铝、氧化铟锡等
等)，并可通过化学气相沉积(CVD，可为等离子体辅助型CVD、等离子 体增强型CVD、或高密度等离子体(HDP) CVD)而形成。
之后，将金属离子注入到绝缘层中。用于金属离子注入的金属可为但不 限于Co或Ti。替代金属包括Ni、 Zn、 Zr、 Hf、 Ta、 V、 Cr、 Mo、 Sr、 Sn、 In、它们的混合物，等等。将金属离子的注入能量和剂量调整到足以在绝缘 层中产生漏电的程度。在某些实施例中，金属离子注入绝缘层220接触金属 互连件110的顶部插塞，从而与光电二极管210形成欧姆接触，使得在光电 二极管210中产生的电子可通过金属互连件IIO被有效地传送到位于第一衬 底100中的电路中。
在很多实施例中，将金属离子注入到绝缘层中可包括在绝缘层的整个表 面上执行毯覆式离子注入。在后续的接合工艺期间，毯覆式离子注入与金属 互连件IIO之间可以无需严格的对准工艺(alignmentprocess)。
或者，可采用离子注入掩模(例如暴露出与金属互连件110相对应的区 域的光致抗蚀剂图案)，通过选择性地将金属离子注入到绝缘层中，来实现 将金属离子注入到绝缘层中。在后续的接合工艺中，这种采用掩模的离子注 入可能需要对准(例如在严格裕度的条件下)。
接着，如图5所示，将第一衬底100和第二衬底200彼此接合，使得金 属离子注入绝缘层220接触金属互连件110。例如，上述接合可通过将第一 衬底100与第二衬底200彼此接触，然后再通过等离子体执行激活 (activation)来执行，从而增加接合表面中的表面能量(或反之亦然；例如， 当可选地在30-150 。C的温度加热时，通过物理(Ar+离子)和/或化学(例 如，IT、 NH3、 N2、 SiH4或其它的还原剂(reducing)或化学活化试剂)等 离子体处理，激活第一衬底100和/或第二衬底200的接合表面以增加其表面 能量，然后，将上述衬底彼此接触，并在例如2-1000 Pa，优选3-100 Pa的 压力下，接合上述衬底)。
如图6所示，之后，通过在第二衬底200上执行热处理，可将上述形成 在第二衬底200中的氢离子注入层220变成含氢气层207，如本领域所公知 的。
9接着，如图7所示，然后，可去除全部或部分第二衬底200，而保留光 电二极管210 (也就是图6中位于含氢体层207之下的层)，从而可暴露光 电二极管210。也可采用、或可进一步包括采用气体切割装置如刀片，来执 行第二衬底200的去除。
如图8所示，然后，可执行将光电二极管210和金属离子注入绝缘层220 分隔成或图案化成多个单位像素的蚀刻工艺。然后，可采用像素间电介质(例 如二氧化硅、氮化硅、透明抗蚀剂或光阻抗蚀剂等等)来填充被蚀刻的部分。 被图案化的金属离子注入绝缘层220可具有与光电二极管210相同的宽度和 /或长度。
与此同时，在仅将金属离子注入到绝缘层的与金属互连件IIO对应的那 一部分中的情况下，仍然必须图案化光电二极管210，以形成各单位像素， 但无需去除金属离子注入绝缘层220的任何部分。这是因为绝缘层的金属离 子注入部分的宽度等于或稍大于金属互连件的宽度，但绝缘层的保留部分仍 然是无需去除的绝缘层。
之后，可执行用于形成上电极(未示出)、滤色镜(未示出)以及微透 镜(未示出)的工艺。
根据本发明实施例的制造图像传感器的方法可提供垂直集成的电路和 光电二极管。同样，通过使用垂直型光电二极管，其中光电二极管设置在电 路上和/或之上并且形成在结晶半导体层中，本发明的制造图像传感器的方法 可防止光电二极管中的缺陷。
而且，通过在其上面或之上形成光电二极管的衬底与上面或之上形成电 路的衬底之间插入金属离子注入绝缘层，根据本发明实施例的制造图像传感 器的方法可增强这两个衬底之间的接合力。
而且，根据各种实施例，电路和光电二极管的垂直集成可能获得接近 100%的填充因数，并可提供高于现有技术中的灵敏度。
此外与现有技术相比，根据本发明的某些实施例可减少用于获得选定的 或预定的分辨率的制造成本。同样，每个单位像素可实现更复杂的电路，而 不会减小灵敏度。
尽管本发明的实施例通常涉及互补型金属氧化物半导体(CMOS)图像 传感器，但这些实施例并不限于相同的图像传感器，并可容易地应用到任何使用光电二极管的图像传感器。
尽管此处描述了本发明的各种实施例，但是应该理解，由本领域普通技 术人员所设计的各种其它修改和实施例也属于本发明原理的精神和范围内。 更具体地，在本公开内容、附图和所附权利要求的范围内，可以对主要组成 配置的组件部分和/或排列进行各种改变和修改。除了对组成部分和/或排列 的改变和修改之外，替代物的使用对于本领域普通技术人员也是清楚的。
权利要求
1. 一种图像传感器，包括第一衬底；电路，包括位于所述第一衬底之上的金属互连件；金属离子注入绝缘层，位于所述金属互连件之上；以及光电二极管，位于在所述金属离子注入绝缘层之上的结晶半导体层中。
2. 如权利要求1所述的图像传感器，其中所述金属离子注入绝缘层具有 电导率。
3. 如权利要求1所述的图像传感器，其中所述金属离子注入绝缘层包括 注入到绝缘层中的金属离子。
4. 如权利要求3所述的图像传感器，其中所述绝缘层包括氧化物层。
5. 如权利要求4所述的图像传感器，其中所述金属离子包括Co或Ti。
6. 如权利要求1所述的图像传感器，其中所述金属离子注入绝缘层的宽 度约等于所述金属互连件的宽度。
7. 如权利要求3所述的图像传感器，其中所述金属离子注入绝缘层的宽 度约等于所述光电二极管的宽度。
8. 如权利要求3所述的图像传感器，其中所述金属离子注入绝缘层的宽 度与所述金属互连件的宽度相同。
9. 如权利要求3所述的图像传感器，其中所述金属离子注入绝缘层的宽 度与所述金属互连件的宽度相同。
10. 如权利要求1所述的图像传感器，其中所述光电二极管和所述结晶 半导体层被图案化成多个单位像素。
11. 一种图像传感器的制造方法，包括如下步骤 在第一衬底上或之上形成包括金属互连件的电路； 在第二衬底上或之上形成光电二极管； 在所述光电二极管之上形成还包括金属离子的绝缘层； 将所述第二衬底接合到所述第一衬底，使得所述金属互连件接触所述绝缘层；通过去除所述第二衬底，暴露所述光电二极管；以及 通过选择性地去除部分所述光电二极管和部分所述绝缘层，图案化所述光电二极管和所述绝缘层，以形成多个像素。
12. 如权利ll所述的方法，其中所述绝缘层具有电导率。
13. 如权利11所述的方法，其中在所述光电二极管之上形成所述绝缘层包括如下步骤在所述光电二极管之上沉积所述绝缘层；以及将金属离子注入到所述绝缘层中。
14. 如权利13所述的方法，其中所述绝缘层包括氧化物层。
15. 如权利13所述的方法，其中所述金属离子包括Co或Ti。
16. 如权利13所述的方法，其中将所述金属离子注入到所述绝缘层中 包括在无需掩模的条件下，将所述金属离子毯覆式离子注入到所述绝缘层 的整个表面中。
17. 如权利13所述的方法，其中将所述金属离子注入到所述绝缘层中中包括通过暴露出对应于金属互连件的区域的掩模，选择性地将金属离子注入到所述绝缘层中。
18. 如权利13所述的方法，其中所述掩模包括光致抗蚀剂图案。
全文摘要
本发明提供了一种图像传感器及其制造方法，其中该图像传感器包括电路、金属互连件、第一衬底、金属离子注入绝缘层以及光电二极管。在所述第一衬底上和/或之上形成电路，并在所述金属互连件上和/或之上形成金属离子注入绝缘层。在位于金属离子注入绝缘层之上的结晶半导体层中形成光电二极管。本发明可同时提高图像传感器的分辨率和灵敏度。
文档编号H01L27/146GK101465362SQ20081017808
公开日2009年6月24日 申请日期2008年12月19日 优先权日2007年12月21日
发明者李相彧 申请人:东部高科股份有限公司