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：
图像传感器是将光学图像转换为电信号的半导体器件。这样的图像传感器主 要包括电荷耦合器件(charge coupled device, CCD)图像传感器和互补金属氧化硅 (complementary metal oxide silicon, CMOS)图像传感器。 在相关的领域中，通过离子注入在衬底上形成光电二极管。在这一点上，光电二极 管的尺寸逐渐减小以增加像素的数量而不增大像素芯片尺寸。这种在光电二极管尺寸上的 减小导致了光接受区(light-receiving region)的减小，从而导致了图像质量的恶化。
此外，相应于减小的光接受区，叠层(stack)的高度并没有减小，从而引起了被称 为Airy斑的光的折射现象，导致了发射到光接收区的光子减少。 在解决这个问题的尝试中，光电二极管沉积有非晶硅(Si)，或通过诸如晶片-晶 片键合(wafer-to-wafer bonding)的方法在硅衬底上形成读出电路(readout circuitry) 并且在该读出电路上形成光电二极管(在下文中，称作三维图像传感器)。通过金属线将光 电二极管连接到读出电路。 在相关的领域中，光电荷(photocharge)不能在光电二极管和读出电路之间顺利 地传输，从而不利地引起暗电流的产生或饱和度和灵敏度的恶化。
发明内容
因此，本发明针对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充 分地避免了由于相关技术的限制和缺点而引起的一个或多个问题。 本发明的一个目的在于提供一种图像传感器及其制造方法以实现在晶体管电路 和光电二极管之间的垂直集成(verticalintegration)。 本发明的另一 目的在于提供一种图像传感器及其制造方法以防止漏电流。 本发明的另一目的在于提供一种图像传感器及其制造方法，其中，在设置有读出
电路的半导体衬底上沉积用来形成光电二极管的硅层，并且该硅层通过激光辐射而结晶。 本发明的另一目的在于提供一种图像传感器及其制造方法，该图像传感器包括设
置在硅层之下的激光吸收层以防止在激光诱导(laser-induced)结晶的过程中硅层影响
下部衬底。 本发明的另一目的在于提供一种图像传感器及其制造方法，其中，杂质被注入到
硅层中相邻的单元像素的界面中以在每个单元像素中将光电二极管彼此隔离。 本发明的另一目的是提供一种图像传感器及其制造方法，其中，能够使光电荷顺
4利传输的沟道被设置在在光电二极管和读出电路之间，以最小化暗电流并防止饱和度和灵 敏度的恶化，从而提高了图像的性能。 为了实现这些目的和其他优点以及根据本发明的目的，如在本文中所体现和概括 描述的，提供的图像传感器包括设置在半导体衬底上的读出电路；覆盖读出电路并包含 金属线的层间介电膜；设置在层间介电膜上的缓冲层；设置在缓冲层上的结晶硅层；离子 注入层，用来隔离对应于结晶硅层中的单元像素的光电二极管区；以及金属插塞，设置在缓 冲层的通孔中，以将光电二极管区电连接至金属线。 根据本发明的另一方面，提供的制造图像传感器的一种方法包括在半导体衬底 上形成读出电路；形成设置有金属线的层间介电膜以便层间介电膜覆盖读出电路；在层间 介电膜上形成缓冲层；在缓冲层上形成硅层；在硅层上形成掩膜图样；利用掩膜图样作为 一个掩膜图样将杂质离子注入到硅层中以形成离子注入层；以及利用激光退火硅层以使硅
层结晶。 可以理解的是，本发明的上述总体描述和以下的具体描述都是示例性的和说明性 的，并且旨在提供对所要求的本发明的进一步解释。
附图被包括用来提供对本发明的进一步理解，并结合于此而构成本申请的一部
分。本发明的示例性实施例连同描述都用来解释本发明的原理。在附图中 图1至图7是示出了制造根据本发明的一个实施例的图像传感器的过程的截面图。
具体实施例方式
在下文中，将参照附图详细示出根据本发明的优选的实施例的图像传感器及其制 造方法。 在本发明实施例的描述中，应该理解，当一层被称为在另一层"上/上方"时，它可 以直接在另一层上或通过存在于层间的插入层(intervening layer)间接在另一层上。
在附图中，为了更好地理解本发明以及清晰度，各层的厚度和尺寸是放大的、省略 的或简化的。此外，元件的尺寸不一定表示其实际尺寸。 图1至图7是示出了制造根据本发明的一个实施例的图像传感器的过程的截面 图。 如图1所示，在设置有读出电路20的半导体衬底10上形成包括金属线40的层间 介电膜30。 连接到光电二极管以将接收的光电荷转换为电信号的读出电路20可以设置在半 导体衬底10上的每个像素单元中。例如，读出电路20可以是3Tr、4Tr或5Tr。
读出电路20可以包括多个晶体管。 这些晶体管可以包括传输晶体管、复位晶体管、驱动晶体管以及选择晶体管。
此外，读出电路20可以包括浮置扩散区(floating diffusion area)和有源区， 其中，在 浮置扩散区，杂质离子被注入到半导体衬底10中，所述有源区包括用于各个晶 体管的源极/漏极区。
可以在设置有读出电路20的半导体衬底IO上形成金属前介电膜(pre-metal dielectric)(PMD)。 在设置有读出电路20的半导体衬底10上设置层间介电膜30，其中，介电膜30设
置有连接至电源或信号线的金属线40。 层间介电膜30可以是多层形式。例如，层间介电膜30可以包括氮化膜、氧化膜或 氮氧化膜。 金属线40用来将在光电二极管中产生的电荷传输到设置在其下方的读出电路 20。金属线40可以被连接到设置在半导体衬底10下方的杂质区。 金属线40穿过层间介电膜30。金属线40可以由包括金属、合金和硅化物的各种 导电材料制成。例如，金属线40可以由铝、铜、钴或钨制成。 在层间介电膜30上设置包括第一缓冲层51、第二缓冲层52和第三缓冲层53的
缓冲层50。第一缓冲层51可以是氮化硅(SiN)膜，第二缓冲层52可以是氮氧化硅(SiON)
膜，第三缓冲层53可以是氮化硅(SiN)膜。 第一缓冲层51可以具有100埃到500埃的厚度。 第二缓冲层52可以具有200埃到1000埃的厚度。 第三缓冲层53可以具有100埃到500埃的厚度。 例如，第二缓冲层52可以具有比第一缓冲层51和第三缓冲层53更厚的厚度，而 第一缓冲层51的厚度可以与第三缓冲层53的厚度相等。
缓冲层50还可以包括附加的缓冲层。 缓冲层50不会将激光脉冲传输到下部层间介电膜30和金属线40，而是将其吸收 或反射，其中，激光脉冲在随后的准分子激光退火(excimer laser annealing)过程中发射 (emit)。 结果，缓冲层50用作激光吸收层(laser-absorbing layer)(或激光反射层 (laser-reflecting layer))以防止激光在准分子激光退火过程中辐射到下部衬底，从而 保护线和晶体管。 如图2所示，将缓冲层50图样化以形成通孔55，通过通孔55金属线40被暴露。
在缓冲层50上形成光刻胶膜并且选择性地将该光刻胶膜暴露在光线下以形成光 刻胶图样。利用光刻胶图样作为掩膜选择性地刻蚀缓冲层50，然后去除刻蚀掉的缓冲层 50。 如图3所示，在缓冲层50上沉积阻挡膜60a，在阻挡膜60a上形成金属膜60b。
阻挡膜60a形成在上部介电图样(u卯er dielectric pattern) 57的上表面上，沿 着通孔的内侧并与由通孔暴露的金属线40接触。 阻挡膜60a可以由从Ta、 TaN、 TaAlN、 TaSiN、 Ti、 TiN、 WN、 TiSiN禾口 TCu组成的组 中选出的至少一种制成。 阻挡膜60a可以是双层的形式，例如Ti膜/TiN膜。
阻挡膜60a可以具有50埃到300埃的厚度。 金属膜60b可以包括选自由铝、钛、铜、钨和铝合金组成的组中的至少一种。 金属膜60b设置在通孔中，并通过阻挡膜60a电连接至金属线40。 如图4所示，通过化学机械抛光(chemical mechanical polishing, CMP)抛光金
6属膜60b，从而暴露上部介电图样57表面。 结果，在通孔中形成了用于阻挡膜60a和金属膜60b的图样，从而形成了插塞60
以在随后的工艺中将金属线40连接至插塞60。 插塞60可以设置在每个像素单元中。 如图5所示，在缓冲层50和插塞60上沉积硅层70a。 硅层70a可以具有3， 000埃到5， 000埃的厚度。 如图6所示，在硅层70a上形成掩膜图样80。利用掩膜图样80作为掩膜将杂质离 子注入到掩模图样80中以形成离子注入区72。 杂质可以是第三族(Group III)元素。例如，杂质可以是硼。
可以相对于硅层70a的上表面以一定的角度实施离子注入。
可以相对于硅层70a的上部表面以直角实施离子注入。 离子注入区72形成在相邻的各个像素单元的界面上以将单元像素彼此隔开。
可以利用硼(11B+)，以15到350KeV的能量、1X 1012 to 1 X 1013atoms/cm2的剂量 来实施离子注入。 如图7所示，通过准分子激光辐射(excimer laser irradiation)将包括离子注 入区72的硅层70a退火以形成结晶硅层70b。 以1， 000到1， 500纳米的波长、2J/cm2到10J/cm2的能量持续1到10秒来实施准 分子激光退火。 因此，在由离子注入区72隔离开的光电二极管区中产生的光电子通过插塞60和 金属线40被传输到下部衬底。 可以在去除掩膜图样80之后实施准分子激光退火以在硅层70a上形成离子注入 区72。 在准分子激光退火过程中，离子注入区72可以扩散到相邻的区域中。
尽管未示出，但可以在结晶硅层70b上形成滤色器和微透镜。 根据本发明的实施例，相邻的单元像素被彼此隔离以改善噪声特性并且无需刻蚀 工艺，从而提高了工艺的稳定性并简化了全部工艺。 根据本发明的实施例，在设置有读出电路20的半导体衬底10上沉积用来形成光
电二极管的硅层，并且在其下设置激光吸收层以在利用激光结晶的过程中保护下部衬底。 根据本发明的实施例，在光电二极管和读出电路之间设置使光电荷顺利传输的沟
道，以将暗电流最小化并防止饱和度和灵敏度的恶化，从而提高图像的性能。 在不脱离本发明的精神和范围内可以作各种修改及变形，这对于本领域的技术人
员而言是显而易见的。因此，本发明意在涵盖在所附权利要求及其等同替换的范围内的对
本发明的修改和变形。
权利要求
一种图像传感器，包括读出电路，设置在半导体衬底上；层间介电膜，覆盖所述读出电路并包含金属线；缓冲层，设置在所述层间介电膜上；结晶硅层，设置在所述缓冲层上；离子注入区，用来隔离对应于在所述结晶硅层中的单元像素的光电二极管区；以及金属插塞，设置在所述缓冲层的通孔中，以将所述光电二极管区电连接至所述金属线。
2. 根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述金属线电连接至所述读出电路。
3. 根据权利要求1所述的图像传感器，其中，通过离子注入第三族元素形成所述离子注入区。
4. 根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述离子注入区形成在相邻单元像素的界面上。
5. 根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述缓冲层包括由氮化膜制成的第一缓冲层、由氮氧化膜制成的第二缓冲层以及由氮化膜制成的第三缓冲层。
6. 根据权利要求5所述的图像传感器，其中，所述第二缓冲层具有比所述第一缓冲层和所述第三缓冲层的厚度更厚的厚度。
7. 根据权利要求5或6所述的图像传感器，其中，所述第一缓冲层的所述厚度与所述第三缓冲层的所述厚度相等。
8. —种用于制造图像传感器的方法，包括在半导体衬底上形成读出电路；形成设置有金属线的层间介电膜，以便所述层间介电膜覆盖所述读出电路；在所述层间介电膜上形成缓冲层；在所述缓冲层上形成硅层；在所述硅层上形成掩膜图样；利用所述掩膜图样作为一个掩膜图样将杂质离子注入到所述硅层中以形成隔离单元像素的离子注入区；以及利用激光退火所述硅层以使所述硅层结晶。
9. 根据权利要求8所述的方法，进一步包括在所述缓冲层上形成通孔以便所述通孔暴露所述金属线；在设置有所述通孔的所述缓冲层上形成阻挡膜和金属膜；抛光所述金属膜以在所述缓冲层中形成金属插塞。
10. 根据权利要求8所述的方法，其中，形成所述缓冲层的步骤包括在所述层间介电膜上形成由氮化膜制成的第一缓冲层；在所述第一缓冲层上形成由氮氧化膜制成的第二缓冲层；在所述第二缓冲层上形成由氮化膜制成的第三缓冲层。
11. 根据权利要求io所述的方法，其中，形成所述第二缓冲层以具有比所述第一缓冲层和所述第三缓冲层更厚的厚度。
12. 根据权利要求IO所述的方法，其中，形成所述第一缓冲层和第三缓冲层以便所述第一缓冲层的所述厚度与所述第三缓冲层的所述厚度相等。
13. 根据权利要求8所述的方法，其中，通过将第三族元素离子注入到所述硅层中来实 施所述离子注入区的所述形成。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中，利用硼(11B+)，以15到350KeV的能量、1 X 1012 到1 X 1013atoms/cm2的剂量实施所述离子注入。
15. 根据权利要求8所述的方法，其中，以1， 000到1， 500纳米的波长、2J/cm2到10J/cm2 的能量持续1到10秒来实施所述硅层的所述结晶。
全文摘要
本发明披露了一种图像传感器及其制造方法。该图像传感器包括设置在半导体衬底上的读出电路；层间介电膜，覆盖读出电路并包含金属线；设置在层间介电膜上的缓冲层；设置在缓冲层上的结晶硅层；离子注入区，用来隔离对应于在结晶硅层中的单元像素的光电二极管区；以及金属插塞，设置在缓冲层的通孔中，以将光电二极管区电连接至金属线。根据该方法，能够使光电荷顺利传输的沟道被设置在光电二极管和读出电路之间，以最小化暗电流并防止饱和度和灵敏度的恶化，从而提高了图像的性能。
文档编号H04N5/335GK101715078SQ20091017880
公开日2010年5月26日 申请日期2009年9月25日 优先权日2008年10月1日
发明者郑伍珍 申请人:东部高科股份有限公司