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：
图像传感器是用于将光学图像转换为电信号的半导体器件。可以大致将图像传 感器分为电荷耦合器件(CCD)图像传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器 (CIS)。 在图像传感器的制造期间，可以使用离子注入法在衬底中形成光电二极管。由于 为了在增加像素数的同时不增大芯片尺寸而减小了光电二极管的尺寸，所以光接收部分的 面积也减小，从而导致图像质量的降低。 此外，由于堆积高度并未减小得像光接收部分面积的减小那样多，所以由于光的
衍射(被称作埃里斑(Airy disk))，入射到光接收部分上的光子的数量也减少。 作为克服此弱点的可选方法，已经尝试使用非晶硅(Si)来形成光电二极管，或使
用诸如晶片与晶片结合的方法在硅(Si)衬底中形成读出电路，并在读出电路上和/或上方
形成光电二极管(被称作三维(3D)图像传感器)。该光电二极管通过金属互连与读出电路
相连接。 在相关技术领域中，由于转移晶体管的源极和漏极都重掺杂有N型杂质，所以出 现电荷共享现象。当电荷共享现象出现时，输出图像的灵敏度降低，并可能产生图像误差。
此外，由于光电荷在光电二极管和读出电路之间的移动并不容易，因而产生暗电 流和/或降低饱和度和灵敏度。 另外，连接读出电路和光电二极管的接触塞可能导致光电二极管中发生短路。
发明内容
实施例提供了一种图像传感器，其中不会出现电荷共享，同时增大了填充因数。实 施例还提供了一种用于制造该图像传感器的方法。 实施例还提供了一种图像传感器，通过在光电二极管和读出电路之间形成顺畅的 光电荷转移路径，能够最小化暗电流源并抑制饱和度降低和灵敏度恶化。实施例还提供了 一种用于制造该图像传感器的方法。 实施例还提供了一种图像传感器，其能够抑制在连接读出电路与图像感测器件的 接触塞处发生短路。实施例还提供了一种用于制造该图像传感器的方法。
在一个实施例中，一种图像传感器包括位于第一衬底处的读出电路；位于第一 衬底处、与读出电路电连接的电气结区；位于在第一衬底上设置的层间电介质中的互连，所 述互连与电气结区电连接；以及位于互连上的图像感测器件，其包括第一导电型层和第二 导电型层。接触塞通过过孔把第一导电型层连接到互连，所述过孔穿过图像感测器件，以及 与所述过孔相对应地在第二导电型层的侧壁上设置侧壁电介质，以使接触塞与第二导电型 层电隔离。
在另一实施例中，一种用于制造图像传感器的方法包括在第一衬底处形成读出 电路；在第一衬底处形成与读出电路电连接的电气结区；在第一衬底上形成层间电介质， 以在层间电介质中形成互连，所述互连与电气结区电连接；以及在所述层间电介质上形成 包括第一导电型层和第二导电型层的图像感测器件。形成穿过图像感测器件的一部分的初 级过孔，并且可以在初级过孔中形成位于第二导电型层的侧壁处的侧壁电介质。形成穿过 图像感测器件的次级过孔，以暴露互连，并形成接触塞，以把第一导电型层与互连电连接。
在附图和下文的描述中提到一个或多个实施例的细节。其他特征从说明书和附图 以及从权利要求书中将会变得明显。
图1是示出根据第一实施例的图像传感器的截面图； 图2至12是示出用于制造根据第一实施例的图像传感器的方法的截面图；
图13至14是示出用于制造根据第二实施例的图像传感器的方法的截面图；以及
图15是示出根据第三实施例的图像传感器的截面图。
具体实施例方式
在下文中，将参考附图来描述图像传感器以及用于制造该图像传感器的方法的实 施例。 在对实施例的描述中，应当理解的是，当层(或膜)被称作位于另一层或衬底"上" 时，它可以直接位于另一层或衬底上，或者也可以存在中间层。此外，应当理解的是，当层被 称作位于另一层"下"时，它可以直接位于另一层下，或者也可以存在一个或多个中间层。另 外，还应当理解的是，当层被称作位于两层"之间"时，它可以是两层之间仅有的层，或者也 可以存在一个或多个中间层。
图1是示出根据第一实施例的图像传感器的截面图。 根据第一实施例的图像传感器可以包括位于第一衬底100处的读出电路120 ;位 于第一衬底100处、与读出电路120电连接的电气结区140 ;设置在第一层间电介质160中 的互连150，该第一层间电介质160被设置在第一衬底100上，该互连150与电气结区140 电连接；设置在互连150上的第二层间电介质162 ;以及在第二层间电介质162上的图像感 测器件210，包括第一导电型层214和第二导电型层216。 根据第一实施例的图像传感器还可以包括经由过孔把第一导电型层214连接到 互连150的接触塞230，所述过孔穿过图像感测器件210 ;以及与所述过孔相对应的、设置在 第二导电型层216的侧壁上的侧壁电介质226。 图像感测器件210可以是光电二极管(但不限于此)，可以是光电门或光电二极管
和光电门的组合。作为示例，实施例包括在结晶半导体层中形成的光电二极管。然而，实施
例不限于此，而是可以包括例如在非晶半导体层中形成的光电二极管。 在下文中，将参考图2至12来描述用于制造根据第一实施例的图像传感器的方法。 图2是示出设置有互连150和读出电路的第一衬底100的示意图。图3是图2的 详细视图。在下文中，将基于图3进行描述。
如图3中所示，通过在第一衬底100中形成器件隔离层110来限定有源区。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。可以形成针对每一个晶体管的离子注入区130，其包括浮动扩散区 (FD)131和源极/漏极区133、 135和137。 根据一个实施例，可以在第一衬底100上形成电气结区140，并且可以在电气结区 140的上部形成与互连150相连的第一导电型连接147。 例如，电气结区140可以是PN结140，但不限于此。例如，电气结区140可以包括 在第二导电型阱141或第二导电型外延层上形成的第一导电型离子注入层143，以及在第 一导电型离子注入层143上形成的第二导电型离子注入层145。例如，如图3中所示，PN结 140可以是P0(145)/N-(143)/P-(141)结，但是实施例并不限于此。第一衬底100可以是第 二导电型衬底，但不限于此。 根据一个实施例，器件被设计成提供在转移晶体管(Tx)的源极和漏极之间的电 势差，从而能够完全泄放光电荷。因此，把光电二极管中产生的光电荷泄放到浮动扩散区， 从而增大输出图像灵敏度。 也就是说，如图3中所示，电气结区140形成在包括读出电路120的第一衬底100 中，以提供转移晶体管(Tx)121的源极和漏极之间的电势差，从而实现光电荷的完全泄放。
具体说来，光电二极管210中产生的电子转移到PNP结140，然后在转移晶体管 (Tx) 121导通时被转移到浮动扩散(FD) 131节点，以便被转换为电压。 PO/N-/P-结140的最大电压成为钉扎电压(pinning vol tage)，以及FD 131节 点的最大电压成为减去复位晶体管(Rx)的阈值电压(Vth)的Vdd。因此，由于Tx 121的源 极和漏极之间的电势差，不会出现电荷共享，因此在芯片上的光电二极管210中产生的电 子可以被完全泄放到FD 131节点。 因此，与相关技术中将光电二极管简单地连接到N+结的情况不同，本发明的实施 例能够抑制饱和度降低以及灵敏度恶化。 第一导电型连接147可以形成在光电二极管和读出电路之间，以产生光电荷的顺
畅转移路径，从而能够最小化暗电流源并抑制饱和度降低以及灵敏度恶化。 为此，第一实施例可以形成N+掺杂区作为第一导电型连接147，用于？0/^-/ -结
140的表面上的欧姆接触。N+区(147)可以形成为使其穿过PO区(145)，以接触N-区
(143)。 第一导电型连接147的宽度可以最小化，以抑制第一导电型连接147成为泄漏源。 为此，在蚀刻用于第一金属接触151a的接触孔之后，可以执行塞注入，但实施例不限于此。 作为另一个示例，可以形成离子注入图案(未示出)，而且可以将该离子注入图案用作离子 注入掩模，以形成第一导电型连接147。 接下来，可以在第一衬底IOO上形成层间电介质160，并可以形成互连150。互连 150可以包括第一金属接触151a、第一金属151、第二金属152以及第三金属153，但实施例 不限于此。 在互连150上形成第二层间电介质162。例如，第二层间电介质162可以由诸如氧 化物层或氮化物层的电介质形成。第二层间电介质162增大了设置有图像感测器件210的 第二衬底(未示出)与第一衬底100的结合力。
参考图4，在第二层间电介质162上形成包括第一导电型层214和第二导电型层 216的图像感测器件210。 例如，第二衬底(未示出)的结晶半导体层可以设置有包括N-层(214)和P+层 (216)的光电二极管。还可以设置第一导电型层的N+层212，用于欧姆接触。根据一个实 施例，第一导电型层214的厚度大于第二导电型层216的厚度，以便增大电荷储存能力。
—旦将第二衬底结合到第一衬底，并且将光电二极管暴露在第一衬底上，就执行 蚀刻工艺，其中按像素划分图像感测器件210，以便用像素间分隔层250填充像素之间的被 蚀刻部分。在一个实施例中，像素间分隔层250可以由诸如氧化物层的电介质形成，但实施 例不限于此。例如，可以通过离子注入来形成像素间分隔层250。在另一实施例中，可以在 形成接触塞230之后形成像素间分隔层250。 参考图5，第一电介质222形成在图像感测器件210上，并形成用于形成第一过孔 Hl(参考图6)的光刻胶图案310。例如，第一电介质222可以包括氧化物层或氮化物层，但 实施例不限于此。 参考图6，通过部分地去除图像感测器件210的第二导电型层216来形成第一过 孔H1。例如，通过使用光刻胶图案310作为蚀刻掩模来部分地去除P+层(216)，可以形成 第一过孔Hl，从而暴露N-层(214)。第一过孔H1可以具有穿过第二导电型层216、但未到 达高浓度的第一导电型层212的深度。
参考图7，去除光刻胶图案310。 参考图8，在第二导电型层216的侧壁上形成侧壁电介质226。例如，在第一过孔 Hl处形成诸如氧化物层的第二电介质224。然后，可以在第二电介质224上执行毯式蚀刻， 例如回蚀工艺，以在第二导电型层216的侧壁上形成侧壁电介质226。 根据第一实施例，使用侧壁电介质226来使得穿过图像感测器件210的接触塞230 绝缘，从而避免在连接读出电路120与图像感测器件210的接触塞230处发生短路。
参考图9，使用侧壁电介质226作为蚀刻掩模来形成第二过孔H2，其穿过第一过孔 Hl以暴露互连150。例如，可以形成穿过图像感测器件210和第二层间电介质162的第二 过孔H2，以暴露出互连150的上部。 参考图10，可以在第二过孔H2处形成连接第一导电型层214与互连150的接触塞 230。例如，填充第二过孔H2的接触塞230可以由诸如钨(W)和钛(Ti)的金属形成。
参考图11，可以去除在与第二导电型层216相对应的区域处的一部分接触塞230， 以形成第三过孔H3。例如，可以通过毯式蚀刻来去除在与P+层(216)相对应的区域处的一 部分接触塞230。 参考图12，可以在第三过孔H3中形成第三电介质228。例如，在第三过孔H3处形
成的第三电介质228可以是氧化物层。 之后，可以在第二导电型层216上执行接地工艺。 根据第一实施例，使用侧壁电介质226来使得穿过图像感测器件210的接触塞230 绝缘，从而避免在连接读出电路120与图像感测器件210的接触塞230处发生短路。
图13和14是示出用于制造根据第二实施例的图像传感器的方法的截面图。
第二实施例可以采用第一实施例的技术特征。
以下，将详细描述第一实施例和第二实施例之间的区别。
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参考图13，通过用金属来填充第二过孔H2，在第一过孔H1处形成接触塞230 (类
似于参考图io所描述的步骤)。 参考图14，根据第二实施例，从图像感测器件210的上侧去除用于形成接触塞230 的材料，同时留下整个第二过孔H2中的材料。然后，可以在接触塞230上形成第三电介质 228，并且可以在第二导电型层216上执行接地工艺。 根据第二实施例，通过侧壁电介质226使接触塞230与第二导电型层216电绝缘。 因此，即使当仅仅去除接触塞230中与图像感测器件210的上侧相对应的部分时，也能够避 免短路并提高制造效率。 图15是示出根据第三实施例的图像传感器的截面图。详细示出了设置有互连150 的第一衬底100。 第三实施例可以采用第一实施例和第二实施例的技术特征。 第三实施例与第一实施例的不同之处在于第一导电型连接148连接到电气结区 140的侧面。 可以在PO/N-/P-结140处形成N+连接区148，用于欧姆接触。在这种情况下，在 N+连接区148和MIC接触151a的形成工艺期间可能产生泄漏源。此外，当N+连接区148 形成在PO/N-/P-结140的表面上方时，由于^/ 0结148/145，可能会额外地产生电场。该 电场也可能成为泄漏源。 因此，第三实施例提出了这样一种布局其中第一接触塞151a形成在不是随着PO 层被掺杂、而是包括与N-结143电连接的N+连接区148的有源区中。
根据第三实施例，在Si表面上和/或上方没有产生电场，从而有助于减小3D集成 的CIS的暗电流。 根据该实施例，在包括读出电路的第一衬底中形成电气结区，以提供转移晶体管 (Tx)的源极和漏极之间的电势差，从而实现光电荷的完全泄放。 另外，根据该实施例，第一导电型连接可以形成于光电二极管和读出电路之间，以 产生光电荷的顺畅转移路径，从而能够最小化暗电流源并抑制饱和度降低以及灵敏度恶 化。 根据该实施例，使用侧壁电介质来使得穿过图像感测器件的接触塞绝缘，从而避 免在连接读出电路与图像感测器件的接触塞处发生短路。 本说明书中提及的"一个实施例"、"实施例"、"该实施例"、"示例实施例"等等是指 结合实施例而描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。该些短 语在说明书中的多处出现并不一定全部是指相同的实施例。此外，当结合任意实施例来描 述特定的特征、结构或特性时，应当认为其属于本领域的技术人员结合各实施例的其他特 征、结构或特性而实现该特征、结构或特性的范围内。 尽管已经参考若干示意性实施例对实施例进行了描述，应当理解的是，本领域的 技术人员能够设想出多种其他的修改和实施例，均落入本发明原理的精神和范围内。更具 体地，在说明书、附图和所附权利要求的范围内，可以对主题组合配置的组件部分和/或配 置进行各种改变和修改。除了组件部分和/或配置的改变和修改以外，替选用途对于本领 域的技术人员也是明显的。
权利要求
一种图像传感器，包括位于第一衬底处的读出电路；位于第一衬底处的与所述读出电路电连接的电气结区；位于在第一衬底上设置的层间电介质中的互连，所述互连与所述电气结区电连接；位于所述互连上的图像感测器件，其包括第一导电型层和第二导电型层；接触塞，通过穿过所述图像感测器件的过孔把第一导电型层连接到所述互连；以及与所述过孔相对应的位于第二导电型层的侧壁上的侧壁电介质。
2. 根据权利要求l所述的图像传感器，其中，所述读出电路包括晶体管，其中所述电气结区被设置在所述晶体管的源极处，由此提供所述晶体管的所述源极与漏极之间的电势差。
3. 根据权利要求1所述的图像传感器，还包括在所述电气结区和所述互连之间的第一导电型连接，所述第一导电型连接把电气结与所述互连电连接。
4. 根据权利要求3所述的图像传感器，其中，第一导电型连接被设置在所述电气结区的上部或侧面处。
5. 根据权利要求l所述的图像传感器，还包括在所述侧壁电介质上的填充所述过孔的第三电介质，其中，所述接触塞与第一导电型层接触。
6. 根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述侧壁电介质被设置在所述接触塞和第二导电型层之间，而且所述接触塞具有到达第二导电型层的上侧的高度。
7 根据权利要求6所述的图像传感器，还包括所述接触塞上的第三电介质。
8. —种用于制造图像传感器的方法，所述方法包括在第一衬底处形成读出电路；在第一衬底处形成与所述读出电路电连接的电气结区；在第一衬底上形成层间电介质，并在所述层间电介质中形成互连，所述互连与所述电气结区电连接；在所述层间电介质上形成包括第一导电型层和第二导电型层的图像感测器件；以及部分地去除所述图像感测器件的第二导电型层，以形成第一过孔；在第二导电型层的侧壁上形成侧壁电介质；使用所述侧壁电介质作为蚀刻掩模，部分地蚀刻第一导电型层和所述层间电介质，以形成使所述互连暴露的第二过孔；以及形成通过第二过孔把第一导电型层与所述互连电连接的接触塞。
9. 根据权利要求8所述的方法，还包括在所述电气结区与所述互连之间形成第一导电型连接，以把所述电气结区电连接至所述互连。
10. 根据权利要求8所述的方法，还包括，在形成所述接触塞后去除在与第二导电型层相对应的区域处的一部分接触塞，以形成第三过孔；以及在第三过孔中形成第三电介质。
全文摘要
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、电气结区、互连以及图像感测器件。读出电路被设置在第一衬底处。电气结区在第一衬底处与读出电路电连接。互连被设置在于第一衬底上设置的层间电介质中，并与电气结区电连接。图像感测器件包括互连上的第一导电型层和第二导电型层。通过穿过图像感测器件的接触塞把第一导电型层电连接到互连。
文档编号H04N5/335GK101715074SQ20091017856
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