专利名称：图像传感器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及图像传感器及其制造方法。
背景技术：
图像传感器是将光学图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器主要被分为电 荷耦合器件(CCD)图像传感器以及互补金属氧化物硅(CMOS)图像传感器(CIS)。
CMOS图像传感器通过使用切换方法顺序地检测每个单位像素的电信号来产生图 像。在每个单位像素中形成至少一个光电二极管和至少一个MOS晶体管。CMOS图像传感器
可具有这样一种结构，其中将输入光信号转换成电信号的光电二极管区与处理电信号的晶 体管区为水平布置。 在水平型CMOS图像传感器中，光电二极管和晶体管形成为在衬底上彼此水平地 相邻。因此，需要用于形成光电二极管的附加区域，从而感光区的填充因数下降并且分辨率 受限。
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。根据实施例的一种图像传 感器可包括在由InSb制成的第一衬底上方形成的读出电路，该第一衬底包括像素部和外 围部。可在包括所述读出电路的所述第一衬底上方形成布线和层间介电层。可在所述层间 介电层上方并在所述第一衬底的所述像素部上方形成光电二极管，并且上电极层可与所述 光电二极管连接。 根据实施例的一种图像传感器的制造方法可包括在由InSb制成的第一衬底上 方形成读出电路和层间介电层，该层间介电层包括与该读出电路电连接的布线，该第一衬 底包括像素部和外围部；形成包括光电二极管的第二衬底；将包括所述光电二极管的所述 第二衬底接合至所述层间介电层上；去除所述第二衬底，使所述光电二极管存留在所述层 间介电层上；形成与所述光电二极管和在所述外围区处形成的所述布线连接的上电极层； 以及在所述上电极层上方形成钝化层。 本发明的图像传感器在夜晚也能够反映物体的形状，能够提供晶体管电路和光电 二极管的垂直集成，能够最小化暗电流源并防止饱和度和灵敏度降低。
示例性图1-图15为示出根据本发明实施例的图像传感器制造方法的侧剖视图和 平面图。
具体实施例方式
将参考附图详细描述根据本发明实施例的图像传感器及其制造方法。实施例不限 于CMOS图像传感器，并且可被应用于需要光电二极管的所有图像传感器(包括CCD图像传感器)。 示例性图15为示出根据实施例的图像传感器的剖视图。如示例性图15所示，根 据实施例的图像传感器可包括设置在包括像素部A和外围部B的第一衬底100上方的布线 150以及层间介电层160。光电二极管200可设置在第一衬底100的像素部A的上方。上 电极层260可与光电二极管200连接。第一衬底100可由化合物半导体InSb制成。
参见示例性图1-图15，在下文中描述根据实施例的图像传感器的制造方法。示例 性图1为形成有布线150的第一衬底100的示意图，示例性图2为示例性图1的细节图，描 述将基于示例性图2。 如示例性图1所示，限定了像素部A和外围部B。可在包括读出电路(readout circuit) 120的第一衬底100的上方形成布线150、层间介电层160以及金属层210。
第一衬底100可由化合物半导体InSb制成。第一衬底100可掺杂有p-型掺杂 物或n-型掺杂物。由于第一衬底100由化合物半导体InSb制成，从而能够制造可感知 0. 78-1000 ym波长的光的红外传感器。即，其能够制造即使在夜间也可用作图像传感器的 传感器。 可通过在第一衬底IOO上方形成器件隔离层来限定有源区。可在有源区中形成 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以及选择晶体管(Sx)127。离子注入区130可形成为包括浮 置扩散区(FD) 131和晶体管的源极/漏极区133、 135和137。读出电路120还可采取3Tr 结构或5Tr结构的形式。 在第一衬底100上方形成读出电路120的步骤可包括在第一衬底100上方形成电 结(electrical junction)区140的步骤、以及在电结区140上形成与布线150连接的第 一导电连接区147的步骤。例如，电结区140可为PN结，但是不限于此。并且，例如，电结 区140可包括在第二导电阱141或第二导电外延层上形成的第一导电离子注入层143，以及 在第一导电离子注入层143上形成的第二导电离子注入层145。例如，如示例性图2所示， PN结140可为P0(145)/N-(143)/P-(141)结，但是不限于此。 根据实施例，通过设计器件使得转移晶体管(Tx)的源极/漏极两端之间存在电势 差，全部倾泻(dump)光电荷变成可能。因此，光电二极管产生的光电荷被倾泻至浮置扩散 区内，从而可以提高输出图像的灵敏度。 也就是说，通过在具有读出电路120的第一衬底100上形成电结区140使得在转 移晶体管(Tx) 121两端处的源极/漏极之间存在电势差，能够实现全部倾泻光电荷。参见 示例性图2和图3，在下文中详细描述光电荷的倾泻结构。 在实施例中，与浮置扩散区(FD)131的节点(其为N+结)不同，P/N/P电结区140 并未被提供全部的施加电压，并在预定电压处夹止(pinched-off)。此电压被称作"钉扎电 压(pinning voltage)"，其取决于PO (145)和N-(143)的掺杂浓度。 具体地，由光电二极管200产生的电子移动到PNP结140，并且当转移晶体管 (Tx) 121开启时，这些电子被传输到FD 131的节点并被转换成电压。PO/N-/P-结140的最 大电压值为钉扎电压，并且FD 131的节点的最大电压值为Vdd-Rx Vth。如示例性图3所 示，由于Tx 121两端之间的电势差，由芯片上的光电二极管产生的电子可被倾泻至FD 131 的节点，而没有电荷共享。
也就是说，在实施例中，在第一11^13衬底100上方形成？0/^-/ 阱结(而不是^/ 阱结)的理由是在4-Tr APS复位(reset)中，正电压被施加至P0/N-/P阱结处的N_143， 并且地电压被施加至P0145和P阱141，因此，？0/^-/ 阱双结在预定电压处夹止，与BJT结 构类似。 再次说明，这被称为"钉扎电压"。因此，在Tx 121源极/漏极两端之间产生电势 差，从而当Tx开启/关闭时光电荷通过Tx被完全从N-阱倾泻至FD，从而防止电荷共享。
根据公知技术的图像传感器，光电二极管被简单地连接至N+结。而根据本发明实 施例，能够消除例如降低饱和度和灵敏度的问题。 然后，根据实施例，在光电二极管和读出电路120之间形成第一导电连接区147， 以形成用于使光电荷的移动畅通的通道。暗电流源被最小化，并且可以防止饱和度和灵敏 度降低。为此目的，根据实施例，能够在？0/^/^-结140的表面上形成N+掺杂区作为用于 欧姆接触的第一导电连接区147。可形成N+区147以穿过PO与N-143接触。
还能够最小化第一导电连接区的宽度，以最小化第一导电连接区147中的泄露。 为此目的，在实施例中，可在蚀刻第二金属接触件151a之后执行插塞植入，但是不限于此。 例如，可以形成离子注入图案，并将离子注入图案用作掩模来形成第一导电连接区147。
也就是说，仅对形成接触的部分进行部分地施加N+掺杂，能够平滑地形成欧姆接 触并最小化暗信号。与公知技术相同，当整个Tx源极被实施N+掺杂时，暗信号可通过衬底 表面的悬挂键(dangling bond)而增加。 示例性图4示出读出电路的另一结构。如示例性图4所示，可在电结区140的一 侧形成第一导电连接区148。可在P0/N-/P-结140中形成用于欧姆接触的N+连接区148， 其中形成N+连接区148和M1C接触151a的过程会成为泄露源。由于使用施加至P0/N-/ P-结140的反向偏置来执行操作，从而可在衬底表面上形成电场，在电场中形成接触的过 程中产生的晶体缺陷会成为泄漏源。 此外，当N+连接区148在P0/N-/P-结140的表面上形成时，通过N+/P0结148和 145增加电场，从而也可能成为泄漏源。也就是说，在由N+连接区148形成的有源区处形成 第一接触插塞151a的部分不和P0层一起被掺杂，并且其与N-结143连接。因此，不在第 一衬底100的表面上产生电场，这将有助于降低三维集成CIS的暗电流。
再次参见示例性图2，布线150可包括第二金属接触件151a、第一金属件(Ml) 151、 第二金属件(M2)152以及第三金属件(M3)153，但是不限于此。当形成布线150的第三金 属件(M3) 153时，可在外围部B的上方形成焊盘(pad) 155。可通过顺序地沉积Ti (100 A )-TiN(220 A)-Al(lOO 6000 A:)来形成金属层210。 形成金属层210，以提高其与之后将要接合(bonded)的光电二极管的接合力，并 且其可由能够增加第一衬底100和光电二极管之间的接合力的材料制成。金属层210不限 于上述材料，并且其可由诸如Al、 Ti、 TiN、 W、 Ta、 TaN、 Cu、 Cr、 Mn、 Zn、 Pb、 Sn以及Ge的金属 或这些金属的合金制成。进一步地，金属层210可被氧化物层代替。 如示例性图5所示，可在第二衬底20之下形成光电二极管200。第二衬底20为单 晶或多晶硅衬底。衬底可掺杂有p-型掺杂物或n-型掺杂物。在实施例中，第二衬底20可 为p-型衬底。进一步地，第一衬底100和第二衬底20可为相同大小(面积)。此外，可在 第二衬底20上方形成外延层。
在第二衬底20内部形成光电二极管200。光电二极管200可包括n_型掺杂区和 P-型掺杂区。n-型掺杂区和p-型掺杂区形成为彼此接触，从而光电二极管200具有PN结。
可在第二衬底20和光电二极管200之间形成氢离子层。设置氢离子层以分离第 二衬底20和光电二极管200，并且可通过氢离子的离子注入来形成氢离子层。
进一步地，可另外在光电二极管200上方形成金属层，以增加其与第一衬底100的 接合力。可通过顺序地沉积TiN(220 A)-A1(100 6000 A )来形成在光电二极管200上 方形成的金属层。用于增加与第一衬底100的接合力的层不限于金属层，并且可以在光电 二极管200上方形成介电层，以增加其与第一衬底100的接合力。 之后，如示例性图6所示，结合了第一衬底100和包括光电二极管200的第二衬底 20。可通过将第一衬底100和第二衬底20进行接合来结合。尤其，在第二衬底20之下形 成的光电二极管200的表面位于金属层210 (其为第一衬底100的表面)上方，接着通过将 第一衬底100和第二衬底20进行接合来将它们结合。当结合第一衬底100和第二衬底20 时，金属层210和光电二极管200电连接。 如示例性图7所示，第二衬底20可被去除，而将光电二极管200存留在第一衬底 100上方。当第二衬底20被去除时，光电二极管200存留在第一衬底100上方。因此，金属 层210和光电二极管200存留在第一衬底100上方，从而第一衬底100和光电二极管200 被垂直地集成。由于在第二衬底20和光电二极管200之间形成氢离子层，从而第二衬底20 和光电二极管200可沿着形成氢离子层的部分被分离。 由于第一衬底100可由化合物半导体InSb制成，并且在第一衬底100上方形成光 电二极管200，从而光电二极管200可感知可见光，并且第一衬底100可感知红外光。进一 步地，尽管结合了第一衬底100和光电二极管200，但是能够分离地形成和使用与光电二极 管200连接的电路以及识别第一衬底100中的红外光并产生信号的电路、或可以共同使用 一个电路。 然后，如示例性图8所示，可在光电二极管200上方形成器件隔离图案240。器件 隔离图案240可由位于光电二极管200上方的介电层(例如氧化物层)形成。进一步地， 器件隔离图案240选择地暴露光电二极管200，并可通过图案化将要被分给多个单位像素 的介电层来形成。器件隔离图案240还可暴露外围部B上的光电二极管200。器件隔离图 案240可形成具有3000 A的厚度。 如示例性图9所示，可在光电二极管200上方形成器件隔离沟槽235。通过将器件 隔离图案240用作蚀刻掩模来蚀刻光电二极管200，可形成器件隔离沟槽235。因此，位于 像素部A上方的光电二极管200被器件隔离沟槽235分开并可与被分给多个单位像素的布 线150连接。进一步地，位于外围部B上方的光电二极管200和金属层210可被去除。
如示例性图10所示，可在包括器件隔离沟槽235的第一衬底IOO上方形成器件隔 离层250。可通过在第一衬底100上方沉积厚度约为4000 A的介电层(例如氧化物层)来 形成器件隔离层250。可在第一衬底100上方形成器件隔离层250并填充到沟槽235内部， 从而光电二极管200可被分成多个单位像素。通过在第一衬底100的整个顶部表面形成器 件隔离层250，从而能够保护在光电二极管200表面上方形成的器件以及在外围部B上方形 成的层间介电层160。 如示例性图11所示，可在器件隔离层250中形成第一和第二通孔255和257。艮卩，
6形成第一通孔255以暴露光电二极管200表面的一部分，并且形成第二通孔257以暴露与 位于外围部B处的布线150连接的插塞。 如示例性图12所示，可在包括第一和第二通孔255和257的器件隔离层250上方 形成上电极层260。通过在包括第一和第二通孔255和257的器件隔离层250上方沉积导 电材料并接着图案化该导电材料，可形成上电极层260。 例如，上电极层260可由厚度约为IOOOA的导电材料(例如钛、铝、铜、钴以及钨) 制成。上电极层260可通过第一通孔255与光电二极管200电连接。进一步地，上电极层 260可通过第二通孔257与位于外围部B处的布线150电连接。 示例性图13为形成有上电极层260的图像传感器的平面图，其中上电极层260可 形成为网孔形状以包围光电二极管200。 如图14所示，可在包括上电极层260的第一衬底100上方形成第一钝化层270和 第二钝化层280。第一钝化层270可与器件隔离层250接触。例如，可由约为1000 A厚度 的氧化物层或氮化物层形成第一钝化层270。可在包括第一钝化层270的第一衬底100上 方形成第二钝化层280。例如，可由约为1000 A厚度的氧化物层或氮化物层形成第二钝化 层280。 如示例性图15所示，可在包括焊盘孔285的第一衬底100上方形成焊盘钝化层 290，其暴露位于外围部B上方的焊盘155。焊盘孔285可暴露焊盘155，并可通过去除位于 焊盘155上方的层间介电层160、器件隔离层250、第一钝化层270以及第二钝化层280而 形成。 在包括焊盘孔285的第一衬底100上方形成焊盘钝化层290之后，可在位于像素 部A处的焊盘钝化层290上方形成滤色器300。形成滤色器300，用于使单位像素从入射光 分离颜色，并且颜色可由红、绿、蓝三种颜色形成。 在形成滤色器300之后，通过去除在焊盘孔285上方形成的焊盘钝化层290 ，也可 暴露焊盘155。焊盘钝化层290防止在形成滤色器300和微透镜的过程期间焊盘155被污 染。可在形成微透镜之后暴露焊盘155。进一步地，在形成微透镜之前可另外在滤色器300 上方形成平坦化层，并且接着可形成微透镜。 如上文所述，在根据实施例的图像传感器及其制造方法中，在层间介电层上方形 成晶体硅，从而形成能感知可见光的光电二极管。进一步地，由于形成底部电路的第一衬底 (其为化合物半导体)由InSb制成，从而其能够感知可见光和红外光。因此，即使在夜晚也 能够反映物体的形状。进一步地，能够提供晶体管电路和光电二极管的垂直集成。
通过设计器件，还能够实现全部倾泻光电荷，从而在转移晶体管(Tx)两端处的源 极/漏极之间产生电势差。进一步地，根据多个实施例，通过在光电二极管和读出电路之间 形成电荷连接区以形成用于使光电荷的移动畅通的通道，其能够最小化暗电流源并防止饱 和度和灵敏度降低。 对于本领域技术人员而言显然并且显而易见的是，可在公开的各实施例中做出各 种修改和变化。因此，公开的各实施例意图涵盖对本发明做出的显然并且显而易见的修改 和变化，只要它们落在所附的权利要求及其等同方案的范围内。
权利要求
一种装置，包括在由InSb制成的第一衬底上方形成的读出电路，该第一衬底包括像素部和外围部；在包括所述读出电路的所述第一衬底上方形成的布线和层间介电层；在所述层间介电层上方并在所述第一衬底的所述像素部上方形成的光电二极管；以及与所述光电二极管连接的上电极层。
2. 根据权利要求1所述的装置，其中所述光电二极管是通过由P-型掺杂物和n_型掺 杂物中的一种来掺杂晶体硅衬底而形成的，其中所述光电二极管包括用于将所述光电二极管分成多个单位像素的器件隔离层。
3. 根据权利要求1所述的装置，包括与所述读出电路电连接的电结区， 其中所述读出电路在源极和漏极两端之间具有电势差。
4. 一种方法，包括在由InSb制成的第一衬底上方形成读出电路和层间介电层，该层间介电层包括与该 读出电路电连接的布线，该第一衬底包括像素部和外围部； 形成包括光电二极管的第二衬底；将包括所述光电二极管的所述第二衬底接合至所述层间介电层上； 去除所述第二衬底，使所述光电二极管存留在所述层间介电层上； 形成与所述光电二极管和在所述外围区处形成的所述布线连接的上电极层；以及 在所述上电极层上方形成钝化层。
5. 根据权利要求4所述的方法，包括在将所述光电二极管接合至所述层间介电层上之前，在所述层间介电层上方形成金属 层，其中当所述第二衬底被接合至所述层间介电层时，所述金属层设置在所述层间介电层 和所述第二衬底之间。
6. 根据权利要求4所述的方法，包括在将所述光电二极管接合至所述层间介电层上之前，在所述层间介电层上方形成氧化 物层，其中当所述第二衬底被接合至所述层间介电层时，所述氧化物层设置在所述层间介 电层和所述第二衬底之间。
7. 根据权利要求4所述的方法，其中所述第二衬底为多晶硅衬底。
8. 根据权利要求4所述的方法，包括在所述光电二极管上方形成器件隔离层，使所述光电二极管被分成多个单位像素。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中通过在所述光电二极管中形成器件隔离沟槽来形 成所述器件隔离层，并且在该器件隔离沟槽内和所述光电二极管上方沉积介电层，其中，当形成所述器件隔离沟槽时，去除位于所述外围部上方的所述光电二极管并暴 露位于所述外围部处的所述布线。
10. 根据权利要求4所述的方法，包括形成与所述读出电路电连接的电结区， 其中所述读出电路在晶体管的源极和漏极两端之间具有电势差。
全文摘要
图像传感器可包括在由InSb制成的第一衬底上方形成的读出电路，第一衬底包括像素部和外围部。可在包括读出电路的第一衬底上方形成布线和层间介电层。可在层间介电层上方并在第一衬底的像素部上方形成光电二极管，并且上电极层可与光电二极管连接，从而在夜晚也能够反映物体的形状，能够提供晶体管电路和光电二极管的垂直集成，最小化暗电流源并防止饱和度和灵敏度降低。
文档编号H01L21/8258GK101794795SQ20091026607
公开日2010年8月4日 申请日期2009年12月31日 优先权日2008年12月31日
发明者全承镐 申请人:东部高科股份有限公司