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学图像转换成电信号的半导体装置。图像传感器可以分为 电荷耦合装置(CCD)图像传感器和互补型金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)。
在图像传感器的制造过程中，可以使用离子注入在衬底中形成光电二极管。为了 在不增加芯片尺寸的情况下达到增加像素数量的目的，光电二极管的尺寸不断变小，从而 图像传感器中光接收部的面积也减小。这导致图像质量降低。 同样，由于堆叠的高度没有像光接收部的面积减小得那样多，所以入射到光接收 部的光子数量也会降低。这是由于光的衍射造成的，光的衍射有时也称作艾里斑(Airy disk)。 为了解决这一局限性，可以使用非晶硅(Si)来形成光电二极管，或者可以使用诸 如晶片间键合(wafer-toiafer bonding)之类的方法在硅(Si)衬底中形成读出电路。而 且，可以在读出电路上和/或上方形成光电二极管(被称作三维(3D)图像传感器)。光电 二极管可以通过金属互连件与读出电路连接。 在现有技术中，当在键合晶片之后执行切割工艺(cleaving process)和用来通 过像素对装置进行分割的蚀刻工艺时，被损坏的晶格结构可能会产生悬挂键(dangling bond)，从而产生暗电流。 另外，转移晶体管的源极和漏极都是用N-型杂质重掺杂的，这会导致电荷分享 (charge sharing)现象。当电荷分享现象发生时，输出图像的灵敏度降低，且可能会产生图 像错误。 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，所以会产生暗电流， 和/或可能降低饱和度和灵敏度。 此外，与读出电路和光电二极管连接的接触栓塞可能引起光电二极管中发生短 路。
发明内容
本发明的实施例提供一种能够抑制硅表面悬挂键出现的图像传感器，以及一种制
造该图像传感器的方法。 本发明的实施例还提供一种可以抑制电荷分享现象同时还能提高填充系数的图
像传感器，以及一种制造该图像传感器的方法。 本发明的实施例还提供一种图像传感器以及制造该图像传感器的方法，该图 像传感器能够通过在光电二极管与读出电路之间形成光电荷的平滑转移通路(smooth transfer path)来最小化暗电流源，并抑制饱和度降低和灵敏度降低。
本发明的实施例还提供一种能够抑制将读取电路和图像感测器件连接的接触栓塞短路的图像传感器，以及用于制造该图像传感器的方法。 在一个实施例中，一种用来制造图像传感器的方法可包括在第一衬底上形成读 出电路；在所述第一衬底上形成层间电介质；在所述层间电介质中形成互连件，该互连件 电连接到所述读出电路；提供具有图像感测器件的第二衬底，该图像感测器件包括第一导 电类型层和第二导电类型层；将所述第二衬底键合在所述层间电介质上；去除所述第二衬 底的不包括所述图像感测器件的一部分；以及在去除所述第二衬底的一部分之后，在所述 图像感测器件的暴露表面上执行第一湿式蚀刻工艺。 在另一实施例中，一种图像传感器可包括读出电路，位于第一衬底上；电接合 区，电连接到所述读出电路；层间电介质，被设置在所述第一衬底上；互连件，该互连件位 于所述层间电介质中且被电连接到所述电接合区；以及所述互连件上的图像感测器件，该 图像感测器件包括第一导电类型层和第二导电类型层。 在附图和下文的详细描述中阐述了一个或多个实施例的细节。通过详细描述、附 图和所附的权利要求书，其它特征对本领域技术人员而言是显而易见的。
图1是显示根据本发明的一实施例的图像传感器的剖视图。 图2-图12是显示根据本发明的一实施例用来制造图像传感器的方法的剖视图。
图13是显示根据本发明的一实施例的图像传感器的剖视图。
具体实施例方式
本文在谈到层、区、图案或结构时，使用术语"在...上"或"在...上方"，应理解 所谈到的层、区、图案或结构可以直接位于另一层或结构上，或者中间还可以插入层、区、图 案或者结构。本文在谈到层、区、图案或结构时使用术语"在...下"或者"在...下方"时，
应理解所谈到的层、区、图案或结构可以直接位于另一层或结构的下面，或者中间还可以插 入层、区、图案或者结构。
图1是显示根据本发明的一实施例的图像传感器的剖视图。 参照图l，在一实施例中，图像传感器可以包括第一衬底100上的读出电路120 ; 电接合区140，其电连接到第一衬底100上的读出电路120 ;第一层间电介质160，其被设置 在第一衬底IOO上；互连件150，其被设置在第一层间电介质160中，并被电连接到电接合 区140 ;第二层间电介质162，其被设置在互连件150上；以及第二层间电介质162上的图像 感测器件210。该图像感测器件210可以包括第一导电类型第二层214和第二导电类型层 216。 图像传感器还可以包括接触栓塞230，其通过穿过图像感测器件210的通孔将第 一导电类型第二层214电连接到互连件150 ;以及侧壁电介质226，其被设置在通孔内的第 二导电类型层216的侧壁上。 图像感测器件210可以是光电二极管，不过本发明的实施例并不局限于此。例如， 图像感测器件210可以是光电门(photogate)或光电二极管和光电门的组合。在一个实施 例中，图像感测器件210可以是形成于晶体半导体层中的光电二极管。在另一实施例中，图 像感测器件210可以是形成于非晶半导体层中的光电二极管。
在下文，将参照图2-图12描述根据一实施例的用来制造图像传感器的方法。
图2是示出设有互连件150的第一衬底100的示意图。图3是包括图2的一些特 征的详细视图。 参照图3，可以通过在第一衬底100中形成器件隔离层110来限定出有源区。读出 电路120可以包括例如转移晶体管(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。离子注入区130可以包括例如浮置扩 散区(FD)131和晶体管的源极/漏极区133、 135、 137。 在一实施例中，可以在第一衬底100上形成电接合区140，且可以在电接合区140 的上部形成连接到互连件150的第一导电类型连接件147。 例如，电接合区140可以是P-N结140，尽管本发明的实施例并不局限于此。在一 实施例中，电接合区140可以包括形成于第二导电类型阱141或者第二导电类型外延层上 的第一导电类型离子注入层143，以及形成于第一导电类型离子注入层143上的第二导电 类型离子注入层145。例如，电接合区140可以是P0(145)/N-(143)/P-(141)结，不过，本发
明的实施例并不局限于此。第一衬底ioo可以是第二导电类型衬底，不过本发明的实施例
并不局限于此。 在一实施例中，可以将器件设计成在转移晶体管(Tx)的源极和漏极之间提供电 势差，从而能够完全释放(dump)光电荷。因此，光电二极管中产生的光电荷可以被释放到 浮置扩散区，从而提高输出图像灵敏度。 具体地，在转移晶体管(Tx)121导通时，光电二极管210中产生的电子可以被转移 到电接合区140，从而可以被转移到浮置扩散(FD)131节点以被转换成电压。
电接合区140 (例如，PO/N-/P-结)的最大电压可以变成钉扎电压 (pinningvoltage)，且FD 131节点的最大电压可以变成Vdd减去复位晶体管(Rx)的门限 电压(Vth)。因此，由于Tx 131的源极和漏极之间的电势差，在电荷不分享情况下，芯片上 的光电二极管210中产生的电子可以被完全释放到FD 131节点。 因此，与将光电二极管连接到N+结的现有技术装置不同，本发明的一实施例可以 抑制饱和度降低和灵敏度降低。 可以在光电二极管和读出电路之间形成第一导电类型连接件147，从而产生光电 荷的平滑转移通路，由此可以最小化暗电流源，并抑制饱和度降低和灵敏度降低。
为此，在一实施例中，可以形成N+掺杂区以作为第一导电类型连接件147，以便在 电接合区140(例如，？0/^-/ -结)的表面上有欧姆接触。可以将N+区(147)形成为使其 穿过PO区(145)以与N-区(143)接触。 在一实施例中，第一导电类型连接件147的宽度可以被最小化，以抑制第一导电 类型连接件147成为泄露源。为此，在蚀刻用于第一金属接触件151a的接触孔之后可以进 行栓塞注入，不过本发明的实施例并不局限于此。例如，可以形成离子注入图案(未显示)， 并且可以在形成第一导电类型连接件147时使用离子注入图案作为离子注入掩模。
接着，可以在第一衬底100上形成层间电介质160，且可以形成互连件150。互连 件150可以包括例如第一金属接触件151a、第一金属件151、第二金属件152以及第三金属 件153，不过本发明的实施例并不局限于此。 可以在互连件150上形成第二层间电介质162。第二层间电介质162可以由本领域已知的任何适当材料形成；例如，诸如氧化层或氮化层等的电介质。第二层间电介质162 可以提高设有第一衬底100和图像感测器件210的第二衬底(未显示)的键合力。
参照图4，可以在第二层间电介质162上形成包括第一导电类型第二层214和第二 导电类型层216的图像感测器件210。 例如，第二衬底的晶体半导体层可以设有包括N-层(第一导电类型第二层214) 和P+层(第二导电类型层216)的光电二极管。还可以设置N+层(第一导电类型第一层 212)，以用于欧姆接触。 在一实施例中，可以执行键合操作，以使第二衬底的图像感测器件210对应于第 一衬底100的互连件150(并直接位于第一衬底100的互连件150的上方)。此后，可以去 除第二衬底的一部分，以便只有图像感测器件210保留在第二衬底上。在这种情况下，根据 一实施例，可以在通过去除第二衬底而暴露出的图像感测器件210的表面上执行第一湿式 蚀刻。例如，可以用四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液来执行第一湿式蚀刻，不过本发明的实施 例并不局限于此。根据本发明的实施例，可以通过湿式蚀刻工艺去除被损坏的硅表面的悬 挂键，从而抑制暗电流的出现。 之后，可以通过像素间分隔层250用像素将图像感测器件210分开。例如，像素间 分隔层250可以由诸如氧化层等的电介质形成，不过本发明的实施例并不局限于此。像素 间分隔层250可以通过例如离子注入形成。在一实施例中，可以在形成接触栓塞230之后 形成像素间分隔层250。 根据一实施例，当通过蚀刻工艺形成像素间分隔层250作为电介质时，可以在通
过蚀刻工艺暴露出的图像感测器件210的像素边界表面上执行第二湿式蚀刻工艺。例如，
可以用TMAH溶液执行第二湿式蚀刻，不过本发明的实施例并不局限于此。根据实施例，可
以通过湿式蚀刻工艺去除损坏的硅表面的悬挂键，以便抑制暗电流的出现。 参照图5，可以在图像感测器件210上形成第一电介质222，且可以形成用来形成
第一通孔的光致抗蚀剂图案310。第一电介质222可以是例如氧化层或者氮化层，不过本发
明的实施例并不局限于此。 参照图6，可以通过局部去除图像感测器件210的第二导电类型层216来形成第一 通孔H1。可以通过将光致抗蚀剂图案310用作蚀刻掩模来局部去除第二导电类型层，从而 形成第一通孔H1，以便暴露第一导电类型第二层214的一部分。第一通孔H1的深度不足以 暴露第一导电类型第二层214下方的第一导电类型第一层212。例如，可以通过将第一光 致抗蚀剂图案310用作蚀刻掩模来局部去除P+层(216)，从而形成第一通孔Hl，以便露出 N-层(214)。第一通孔H1的深度足以穿过第二导电类型层216，但不足以达到具有高浓度 的第一导电类型第一层212。 根据一实施例，可以在通过第一通孔H1露出的图像感测器件210的表面上执行第 三湿式蚀刻工艺。可以用例如TMAH溶液来执行第三湿式蚀刻，不过本发明的实施例并不局 限于此。根据一些实施例，可以通过湿式蚀刻工艺来去除损坏的硅表面的悬挂键，以便抑制 暗电流的出现。 参照图7，可以去除光致抗蚀剂图案310。 参照图8，可以在第二导电类型层216的侧壁上形成侧壁电介质226。也可以在第 一导电类型第二层214的一部分侧壁上形成侧壁电介质。例如，可以在第一通孔H1中形成
7第二电介质224。第二电介质224可以是氧化层，不过本发明的实施例并不局限于此。之 后，可以在第二电介质224上执行诸如回蚀等的毯覆式蚀刻(blanket etch)，从而在第二 导电类型层216的侧壁上形成侧壁电介质226。 在一实施例中，可以使用侧壁电介质226来使穿过图像感测器件210的接触栓塞 230绝缘，从而抑制在连接读出电路120和图像感测器件210的接触栓塞230处出现暗电 流。 参照图9，可以形成至少部分与第一通孔H1 —致的第二通孔H2，以露出互连件
150。可以将侧壁电介质226用作蚀刻掩模来形成第二通孔H2。例如，第二通孔H2可以穿
过图像感测器件210和第二层间电介质162，以露出互连件150的上部。 根据一实施例，可以在通过第二通孔H2露出的图像感测器件210的表面上执行第
四湿式蚀刻工艺。例如，可以用TMAH溶液执行第四湿式蚀刻，不过本发明的实施例并不局
限于此。根据一些实施例，可以通过湿式蚀刻工艺去除损坏的硅表面的悬挂键，以便抑制暗
电流的出现。 参照图10，可以在第二通孔H2中形成将第一导电类型第二层214与互连件150连 接的接触栓塞230。填充第二通孔H2的接触栓塞230可以由例如金属形成，金属例如为钽 (W)和/或钛(Ti)。 参照图ll，可以去除一部分接触栓塞230，以形成第三通孔H3。例如，可以去除一 部分接触栓塞230，使得接触栓塞230的上表面比第二导电类型层216的下表面低。例如， 可以通过毯覆式蚀刻去除一部分接触栓塞230。 参照图12，可以在第三通孔H3中形成第三电介质228。第三电介质228可以是本 领域已知的任何适当材料，例如氧化层。 然后，可以在第二导电类型层216上执行接地工艺。 根据本发明的实施例，可以使用侧壁电介质226来对穿过图像感测器件210的接 触栓塞230进行绝缘，以便避免在连接读出电路120和图像感测器件210的接触栓塞230 处出现短路。 图13是显示根据本发明的一实施例的图像传感器的剖视图。将详细描述具有互 连件150的第一衬底100。 参照图13，可以在电接合区140的一侧形成第一导电类型连接件148，并使其电连 接到电接合区140。 为了形成欧姆接触，可以在？0/^-/ -结140处形成N+连接区148。在这种情况 下，在N+连接区148和M1C接触件151a的形成工艺中可能产生泄露源。
为了形成欧姆接触，可以在电接合区140(例如，PO/NVP-结)的一侧形成第一 导电类型连接件148，该第一导电类型连接件148可以是例如N+连接区。由于^/ 0结 148/145，这可能导致产生电场。该电场可能会成为泄露源。 因此，在本发明的一实施例中，提供这样一种布局第一接触栓塞151a可以在不
掺杂PO层但包括电连接到N-层143的N+连接区148的有源区中形成。 根据一些实施例，在硅表面上和/或上方可能不产生电场；这可能导致3D集成
CIS的暗电流的降低。 根据本发明的一些实施例，可以通过湿式蚀刻工艺去除损坏的硅表面的悬挂键，
8以便抑制暗电流的出现。 此外，根据一些实施例，可以将器件设计成在转移晶体管(Tx)的源极和漏极之间 提供电势差，从而能够完全释放光电荷。 而且，根据一些实施例，可以在光电二极管和读出电路之间形成导电类型连接件， 从而建立光电荷的平滑转移通路，由此可以最小化暗电流源，并抑制饱和度降低和灵敏度 降低。 而且，根据一些实施例，可以使用侧壁电介质使穿过图像感测器件的接触栓塞绝 缘，从而避免在连接读出电路和图像感测器件的接触栓塞处产生短路。 在本说明书中任何时候在提到"一个实施例"，"一实施例""示例性实施例"等时， 是指关于该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。说 明书各处出现的这些短语并不一定全部都指同一实施例。而且，当关于任一实施例描述某 个特定特征、结构或特性时，应认为在其它实施例中实现这些特征、结构或特性属于本领域 技术人员能想到的范围内。 已经参照数个示例性实施例描述了一些实施例，但应理解，本领域技术人员能够 设想到的很多其它改进和实施例都落在本公开原理的范围内。更具体地，在本公开范围内 的组件部分和/或所述组合设置布局中可以进行各种修改和改进。除组件部分和/或布局 的变化和改进之外，可替代用途对本领域技术人员也是显而易见的。
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权利要求
一种图像传感器，包括读出电路，位于第一衬底上；电接合区，电连接到所述读出电路；层间电介质，设置在所述第一衬底上；互连件，位于所述层间电介质中并电连接到所述电接合区；以及所述互连件上的图像感测器件，所述图像感测器件包括第一导电类型层和第二导电类型层。
2. 根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述读出电路包括具有源极和漏极的至 少一个晶体管，并且其中所述读出电路在所述至少一个晶体管的源极和漏极之间具有电势差。
3. 根据权利要求1所述的图像传感器，还包括所述电接合区与所述互连件之间的第一 导电类型连接件。
4. 根据权利要求3所述的图像传感器，其中所述第一导电类型连接件设置在所述电接 合区上，并电连接到所述互连件。
5. 根据权利要求3所述的图像传感器，其中所述第一导电类型连接件设置在所述电接 合区的一侧，并电连接到所述互连件。
6. 根据权利要求l所述的图像传感器，还包括接触栓塞，通过穿过所述图像感测器件的通孔，将所述第一导电类型层电连接到所述 互连件；以及侧壁电介质，位于所述通孔内的所述第二导电类型层的侧壁上。
7. 根据权利要求6所述的图像传感器，还包括填充所述通孔且位于所述侧壁电介质上 的第三电介质；其中所述接触栓塞与所述第一导电类型层接触。
8. 根据权利要求7所述的图像传感器，其中所述侧壁电介质设置在所述接触栓塞与所 述第二导电类型层之间，并且其中所述接触栓塞的上表面比所述第二导电类型层的下表面 低。
9. 一种用于制造图像传感器的方法，该方法包括 在第一衬底上形成读出电路； 在所述第一衬底上形成层间电介质；在所述层间电介质中形成互连件，所述互连件电连接到所述读出电路； 提供具有图像感测器件的第二衬底，所述图像感测器件包括第一导电类型层和第二导 电类型层；在所述层间电介质上键合所述第二衬底；去除所述第二衬底的不包括所述图像感测器件的一部分；以及在去除所述第二衬底的一部分之后，在所述图像感测器件的暴露表面上执行第一湿式 蚀刻工艺。
10. 根据权利要求9所述的方法，还包括形成电接合区，该电接合区电连接到所述第一 衬底上的读出电路；其中所述形成电接合区包括在所述第一衬底上形成第一导电类型离子注入区；以及 在所述第一导电类型离子注入区上形成第二导电类型离子注入区； 其中所述读出电路包括具有源极和漏极的至少一个晶体管，并且其中所述读出电路在 所述至少一个晶体管的源极和漏极之间具有电势差。
全文摘要
本发明提供一种图像传感器及其制造方法。图像传感器包括读出电路、电接合区、互连件以及图像感测器件。读出电路可以被设置在第一衬底上，电接合区可以电连接到第一衬底上的读出电路。互连件可以被设置在第一衬底上的层间电介质中，并电连接到电接合区。图像感测器件可以包括互连件上的第一导电类型层和第二导电类型层。
文档编号H01L21/82GK101715080SQ20091017913
公开日2010年5月26日 申请日期2009年9月29日 优先权日2008年9月30日
发明者黄 俊 申请人:东部高科股份有限公司