專利名稱：圖像傳感器和用于制造圖像傳感器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及圖像傳感器和用于制造圖像傳感器的方法。
背景技術(shù)：
圖像傳感器是用于將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號的半導(dǎo)體裝置。圖像傳感器可被粗 略地分類為電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器 (CIS)。 在制造圖像傳感器期間，可使用離子注入在襯底中形成光電二極管。隨著出于增 加像素?cái)?shù)量而不增大芯片尺寸的目的而減小光電二極管的尺寸，光接收部分的面積也減 小，從而導(dǎo)致圖像質(zhì)量的下降。 此外，由于堆疊高度不像光接收部分的面積那樣減小那么多，因此入射到光接收 部分的光子的數(shù)量也由于被稱為艾里斑(airy disk)的光衍射而減少。
作為用于克服該限制的替代方案，進(jìn)行了以下嘗試使用非晶硅(Si)形成光電二 極管，或使用諸如晶片-晶片接合之類的方法在硅(Si)襯底中形成讀出電路，并在讀出電 路上和/或上方形成光電二極管(被稱為三維(3D)圖像傳感器)。該光電二極管通過金屬 互連連接而與讀出電路相連接。 在現(xiàn)有技術(shù)中，連接讀出電路和光電二極管的接觸插塞導(dǎo)致光電二極管中的短 路。 此外，由于轉(zhuǎn)移晶體管的源極和漏極均被重?fù)诫sN型雜質(zhì)，因此發(fā)生電荷共享現(xiàn) 象。當(dāng)發(fā)生電荷共享現(xiàn)象時(shí)，輸出圖像的靈敏度被降低，并且可能產(chǎn)生圖像誤差。
另外，由于光電荷不容易在光電二極管與讀出電路之間移動(dòng)，因此產(chǎn)生暗電流，和 /或飽和度和靈敏度被降低。

發(fā)明內(nèi)容
實(shí)施例提供了可以抑制在連接讀出電路與圖像傳感裝置的接觸插塞處的短路的 圖像傳感器以及用于制造該圖像傳感器的方法。 實(shí)施例還提供了在增大填充系數(shù)的同時(shí)不發(fā)生電荷共享的圖像傳感器以及用于 制造該圖像傳感器的方法。 實(shí)施例還提供了一種圖像傳感器以及用于制造該圖像傳感器的方法，其中該圖像 傳感器可通過形成光電荷在光電二極管與讀出電路之間的平滑轉(zhuǎn)移路徑來最小化暗電流 源以及抑制飽和度降低和靈敏度劣化。 在一個(gè)實(shí)施例中，圖像傳感器包括在第一襯底處的讀出電路；在第一襯底上的 層間電介質(zhì)；層間電介質(zhì)中的互連連接，該互連連接電連接到讀出電路；在互連連接上的 圖像傳感裝置，該圖像傳感裝置包括第一導(dǎo)電型的層和第二導(dǎo)電型的層；將圖像傳感裝置 的第一導(dǎo)電型的層與互連連接電連接的接觸，該接觸通過離子注入?yún)^(qū)域與第二導(dǎo)電型的層 電隔離；以及在圖像傳感裝置的像素邊界處的像素分離層。
在另一實(shí)施例中，一種用于制造圖像傳感器的方法，包括在第一襯底處形成讀出 電路；在第一襯底上形成層間電介質(zhì)，在層間電介質(zhì)中形成電連接到讀出電路的互連連接； 在互連連接上形成包括第一導(dǎo)電型的層和第二導(dǎo)電型的層的圖像傳感裝置；在圖像傳感裝 置處形成像素分離層；在第二導(dǎo)電型的層中形成第一導(dǎo)電型離子注入?yún)^(qū)；以及形成將圖像 傳感裝置的第一導(dǎo)電型的層電連接到互連連接的接觸，該第一導(dǎo)電型離子注入?yún)^(qū)使得該接 觸與該圖像傳感裝置的第二導(dǎo)電型的層電隔離。 在以下的附圖和描述中提出了一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的細(xì)節(jié)。從說明書、附圖和權(quán)利 要求中來看，其它的特征將是明顯的。


圖1是示出了根據(jù)第一實(shí)施例的圖像傳感器的橫截面視圖。 圖2-7是示出了根據(jù)第一實(shí)施例的用于制造圖像傳感器的方法的橫截面視圖。 圖8是示出了根據(jù)第二實(shí)施例的圖像傳感器的橫截面視圖。
具體實(shí)施例方式
以下將參考

圖像傳感器及用于制造圖像傳感器的方法的實(shí)施例。
在對實(shí)施例的說明中，應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)層(或膜)被稱為在另一層或襯底"上"時(shí)，其 可直接在另一層或襯底上，或者還可存在中間層。進(jìn)一步地，應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)層被稱為在另一 層"下"時(shí)，其可直接在另一層下，或者還可存在一個(gè)或多個(gè)中間層。另外，還應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng) 層被稱為在兩個(gè)層"之間"時(shí)，其可以是兩個(gè)層之間的唯一的層，或者還可存在一個(gè)或多個(gè) 中間層。 本公開不限于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器，因此可應(yīng)用于包括光 電二極管的圖像傳感器。 圖1是示出了根據(jù)第一實(shí)施例的圖像傳感器的橫截面視圖。 根據(jù)第一實(shí)施例的圖像傳感器可包括在圖3所示的第一襯底100處的讀出電路 120 ;在第一襯底100上的層間電介質(zhì)160 ;電連接到讀出電路120且被布置在層間電介質(zhì) 160中的互連連接150 ;在互連連接150上的包括第一導(dǎo)電型的層214和第二導(dǎo)電型的層 216的圖像傳感裝置210 ;將圖像傳感裝置210的第一導(dǎo)電型的層214連接到互連連接150 的接觸270 ;在圖像傳感裝置210的像素邊界處的像素分離層250。 圖像傳感裝置210可以是光電二極管，但不限于此，還可以是光電門(photogate) 或是光電二極管和光電門的組合。實(shí)施例包括作為例子的在結(jié)晶半導(dǎo)體層中形成的光電二 極管。但是實(shí)施例不限于此，并且可包括例如在非晶半導(dǎo)體層中形成的光電二極管。在以 下對制造方法的說明中將使用圖1中末說明的附圖標(biāo)記。 以下將參考圖2至9說明根據(jù)第一實(shí)施例的用于制造圖像傳感器的方法。 圖2是示出了具有互連連接150的第一襯底100的示意圖。圖3是根據(jù)一個(gè)實(shí)施
例的圖2的詳細(xì)視圖。以下將基于圖3進(jìn)行說明。 如圖3所示，通過在第一襯底100中形成裝置隔離層110來限定有源區(qū)。讀出電 路120可包括轉(zhuǎn)移晶體管(Tx)121、重置晶體管(Rx)123、驅(qū)動(dòng)晶體管(Dx)125和選擇晶體 管(Sx) 127。可形成針對每個(gè)晶體管而包括浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)(FD) 131和源極/漏極區(qū)133、 135
5和137的離子注入?yún)^(qū)130。 根據(jù)實(shí)施例，可在第 一 襯底100上形成電結(jié)區(qū)(electrical junctionregion)140，并且第一導(dǎo)電型連接147可被形成為在電結(jié)區(qū)140的較高部分處電 連接到互連連接150。 例如，電結(jié)區(qū)140可以是P-N結(jié)140，但不限于此。例如，電結(jié)區(qū)140可以包括在第 二導(dǎo)電型阱141或第二導(dǎo)電型外延層上形成的第一導(dǎo)電型離子注入層143、或在第一導(dǎo)電 型離子注入層143上形成的第二導(dǎo)電型離子注入層145。例如，如圖3所示，P-N結(jié)140可 以是P0(145)/N-(143)/P-(141)結(jié)，但是實(shí)施例不限于此。第一襯底IOO可以是第二導(dǎo)電 型襯底，但不限于此。 根據(jù)實(shí)施例，裝置被設(shè)計(jì)成提供轉(zhuǎn)移晶體管(Tx)的源極與漏極之間的電勢差，從 而使得能夠充分地轉(zhuǎn)儲(chǔ)(dump)光電荷。相應(yīng)地，在光電二極管中產(chǎn)生的光電荷被轉(zhuǎn)儲(chǔ)到浮 動(dòng)擴(kuò)散區(qū)，從而提高輸出圖像靈敏度。 也就是說，如圖3所示，根據(jù)第一實(shí)施例，電結(jié)區(qū)140被布置在具有讀出電路120 的第一襯底100處。因此，在轉(zhuǎn)移晶體管(Tx)的源極和漏極之間出現(xiàn)電勢差，從而使得能 夠充分地轉(zhuǎn)儲(chǔ)光電荷。 具體地，在光電二極管210中產(chǎn)生的電子被轉(zhuǎn)移到PNP結(jié)140，并且該電子在轉(zhuǎn)移 晶體管(Tx) 121被接通時(shí)被轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散(FD) 131節(jié)點(diǎn)，以被轉(zhuǎn)換成電壓。
P0/N-/P-結(jié)140的最大電壓變?yōu)獒斣妷?pinning voltage)，并且FD131節(jié)點(diǎn) 的最大電壓變?yōu)閂dd減去重置晶體管(Rx)的閾值電壓(Vth)。因此，由于Tx 121的源極和 漏極之間的電勢差，在沒有電荷分享的情況下，在芯片上的光電二極管210中產(chǎn)生的電子 可被完全地轉(zhuǎn)儲(chǔ)到FD 131節(jié)點(diǎn)。 第一導(dǎo)電型連接147可被形成在光電二極管和讀出電路之間，以建立光電荷的平 滑轉(zhuǎn)移路徑，從而使得可以最小化暗電流源以及抑制飽和度減小和靈敏度劣化。
為此，第一實(shí)施例可形成N+摻雜區(qū)域作為針對P0/N-/P-結(jié)140的表面上的歐姆 接觸的第一導(dǎo)電型連接147。形成該N+區(qū)域(147)使得該N+區(qū)(147)穿過P0區(qū)(145)以 接觸N-區(qū)(143)。 第一導(dǎo)電型連接147的寬度可被最小化，以抑制第一導(dǎo)電型連接147變成泄漏源。 為此，在對第一金屬接觸151a蝕刻接觸孔之后可執(zhí)行插塞注入，但實(shí)施例不限于此。作為 另一例子，可形成離子注入圖案(未示出)，并可使用離子注入圖案作為離子注入掩模來形 成第一導(dǎo)電型連接147。 接著，可在第一襯底100上形成層間電介質(zhì)160，并且可形成互連連接150。互連 連接150可包括第一金屬接觸151a、第一金屬151、第二金屬152和第三金屬153，但是實(shí)施 例不限于此。 在互連連接150上形成第二層間電介質(zhì)162。例如，第二層間電介質(zhì)162可由諸如 氧化物層或氮化物層之類的電介質(zhì)形成。第二層間電介質(zhì)162增大具有圖像傳感裝置210 的第二襯底(未示出)與第一襯底100之間的結(jié)合力。 參考圖4，在第二層間電介質(zhì)162上形成包括第一導(dǎo)電型的層214和第二導(dǎo)電型的 層216的圖像傳感裝置210。在其上形成圖像傳感裝置210的第一襯底(第二層間電介質(zhì) 162)的部分也在圖2中示出。
6
根據(jù)實(shí)施例，第二襯底的結(jié)晶半導(dǎo)體層可具有包括N-層(214)和P+層(216)的
光電二極管?？蛇M(jìn)一步提供用于歐姆接觸的第一導(dǎo)電型的層212的N+層。 參考圖5，可在布置于互連連接150的較高側(cè)上的第二導(dǎo)電型的層216中形成第一
導(dǎo)電型離子注入?yún)^(qū)230。例如，暴露被布置在互連連接150的較高側(cè)上的第二導(dǎo)電型的層
216的光致抗蝕劑圖案310被用作用于注入高濃度N型離子的離子注入掩模。 第一導(dǎo)電型離子注入?yún)^(qū)230可具有與被布置在互連連接150的較高側(cè)上的第二導(dǎo)
電型的層216的深度相同的深度。 也就是說，根據(jù)第一實(shí)施例，在第二導(dǎo)電型的層216中在用于接觸接觸插塞的區(qū) 域中形成第一導(dǎo)電型離子注入?yún)^(qū)230，從而避免在連接讀出電路120和圖像傳感裝置210的 接觸插塞處的短路。 在另一實(shí)施例中，第一導(dǎo)電型離子注入?yún)^(qū)230具有比被布置在互連連接150的較 高側(cè)上的第二導(dǎo)電型的層216的深度大的深度，從而更有效地避免在連接讀出電路120和 圖像傳感裝置210的接觸插塞處的短路。 然后，可形成根據(jù)像素劃分圖像傳感裝置210的像素分離層250。例如，像素分離 層250可以是像素間分離電介質(zhì)或像素間分離離子注入層。可在形成接觸270之后形成像 素分離層250。 根據(jù)實(shí)施例，執(zhí)行針對第一導(dǎo)電型離子注入?yún)^(qū)230和像素分離層250的離子注入， 然后可執(zhí)行用于激活的激光退火處理，但實(shí)施例不限于此。 參考圖7，形成將圖像傳感裝置210的第一導(dǎo)電型的層214電連接到互連連接150 的接觸270。 例如，在互連連接150的較高側(cè)上的圖像傳感裝置210和第二層間電介質(zhì)162被 部分地移除，以形成暴露互連連接150的溝槽?？蓤?zhí)行干蝕刻處理或濕蝕刻處理以形成該 溝槽?？蛇M(jìn)行第二蝕刻處理以分離地蝕刻圖像傳感裝置210和第二層間電介質(zhì)162。
在此情況下，以比第一導(dǎo)電型離子注入?yún)^(qū)230的寬度更小的寬度移除圖像傳感裝 置210的部分，使得第一導(dǎo)電型離子注入?yún)^(qū)230的部分保持在第二導(dǎo)電型的層216與要形 成的接觸270之間。 也就是說，根據(jù)第一實(shí)施例，在接觸接觸插塞的第二導(dǎo)電型的層216中形成第一 導(dǎo)電型離子注入?yún)^(qū)230，從而避免在連接讀出電路120和圖像傳感裝置210的接觸插塞處的 短路。 然后，可在溝槽的表面上形成障壁金屬層271，并可在障壁金屬層271上形成接觸 270，從而形成填充溝槽的接觸插塞273。障壁金屬層271可以是Ti或TiN的單層，或是Ti/ TiN雙層，并且接觸插塞273可由鎢(W)形成，但實(shí)施例不限于此。
因此，可在第二導(dǎo)電型層216上執(zhí)行接地處理。 根據(jù)第一實(shí)施例，在接觸接觸插塞的第二導(dǎo)電型層216中形成第一導(dǎo)電型離子注 入?yún)^(qū)230，從而避免在連接讀出電路120和圖像傳感裝置210的接觸插塞處的短路。
圖8是示出了根據(jù)第二實(shí)施例的圖像傳感器的橫截面視圖。詳細(xì)示出了具有互連 連接150的第一襯底100。 第二實(shí)施例可采用第一實(shí)施例的技術(shù)特征。 第二實(shí)施例與第一實(shí)施例的不同之處在于，第一導(dǎo)電型連接148連接到電結(jié)區(qū)140的一側(cè)。 N+連接區(qū)148可在？0/^-/ -結(jié)140處形成以用于歐姆接觸。在此情況下，在^ 連接區(qū)148和第一金屬接觸151a的形成處理期間可能產(chǎn)生泄漏源。 此夕卜，當(dāng)N+連接區(qū)域148被形成在P0/N-/P-結(jié)140的表面之上時(shí)，可能由于N+/ P0結(jié)148/145而另外地產(chǎn)生電場。該電場還可變?yōu)樾孤┰础?因此，第二實(shí)施例提出了如下的布局在該布局中，在未摻雜PO層的有源區(qū)中形 成第一接觸插塞151a，而第一接觸插塞151a包括電連接到N結(jié)143的N+連接區(qū)148。
根據(jù)第二實(shí)施例，在Si表面上和/或上方不產(chǎn)生電場，從而有助于減小3D集成 CIS的暗電流。 在本說明書中對"一個(gè)實(shí)施例"、"實(shí)施例"、"示例實(shí)施例"等的任何提及意味著結(jié) 合實(shí)施例而說明的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性被包括在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。在說明書 各處出現(xiàn)這種措詞不一定都指的是相同的實(shí)施例。此外，當(dāng)結(jié)合任何實(shí)施例說明了特定的 特征、結(jié)構(gòu)或特性時(shí)，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為結(jié)合其它實(shí)施例來實(shí)現(xiàn)該特征、結(jié)構(gòu)或特性是在本領(lǐng)域技術(shù) 人員的能力范圍之內(nèi)的。 盡管已經(jīng)參考實(shí)施例的多個(gè)示例性實(shí)施方式而說明了實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域 的技術(shù)人員可設(shè)想出將落入本公開的原理的精神和范圍之內(nèi)的諸多其它的變型和實(shí)施方 式。更具體地，在本公開、附圖和所附權(quán)利要求的范圍之內(nèi)可以進(jìn)行對主題組合布置的組件 部分和/或布置的各種變化和變型。除了對組件部分和/或布置的變化和變型之外，對于 本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，替代性的用途也將是明顯的。
權(quán)利要求
一種圖像傳感器，包括在第一襯底處的讀出電路；在所述第一襯底上的層間電介質(zhì)；在所述層間電介質(zhì)中的互連連接，所述互連連接電連接到所述讀出電路；在所述互連連接上的圖像傳感裝置，所述圖像傳感裝置包括第一導(dǎo)電型的層和第二導(dǎo)電型的層；將所述圖像傳感裝置的所述第一導(dǎo)電型的層與所述互連連接電連接的接觸；在所述第二導(dǎo)電型的層中的離子注入?yún)^(qū)；以及在所述圖像傳感裝置的像素邊界處的像素分離層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中所述接觸被布置在穿過所述圖像傳感裝置以暴露所述互連連接的溝槽中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感器，其中所述接觸包括在所述溝槽的表面上的障壁金屬層；以及在所述障壁金屬層上的接觸插塞，所述接觸插塞填充所述溝槽。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感器，其中所述離子注入?yún)^(qū)包括第一導(dǎo)電型離子注入?yún)^(qū)，所述第一導(dǎo)電型離子注入?yún)^(qū)使所述接觸與所述第二導(dǎo)電型的層相分離。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感器，其中所述離子注入?yún)^(qū)具有與被布置在所述互連連接的較高側(cè)上的所述第二導(dǎo)電型的層的深度相同的深度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感器，其中所述離子注入?yún)^(qū)具有比被布置在所述互連連接的較高側(cè)上的所述第二導(dǎo)電型的層的深度更大的深度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感器，還包括在所述第一襯底處電連接到所述讀出電路的電結(jié)區(qū)，其中所述讀出電路包括晶體管，其中所述電結(jié)區(qū)被布置在所述晶體管的源極處，由此在所述晶體管的源極和漏極之間提供電勢差。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感器，還包括在所述第一襯底處電連接到所述讀出電路的電結(jié)區(qū)，還包括在所述電結(jié)區(qū)與所述互連連接之間的第一導(dǎo)電型連接，以電連接所述電結(jié)區(qū)與所述互連連接，其中所述第一導(dǎo)電型連接被布置在所述電結(jié)區(qū)的較高的部分處。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感器，還包括在所述第一襯底處電連接到所述讀出電路的電結(jié)區(qū)，還包括在所述電結(jié)區(qū)與所述互連連接之間的第一導(dǎo)電型連接，以電連接所述電結(jié)區(qū)與所述互連連接，其中所述第一導(dǎo)電型連接被布置在所述電結(jié)區(qū)的一側(cè)處。
10. —種用于制造圖像傳感器的方法，所述方法包括在第一襯底處形成讀出電路；在所述第一襯底上形成層間電介質(zhì)，并在所述層間電介質(zhì)中形成電連接到所述讀出電路的互連連接；在所述互連連接上形成包括第一導(dǎo)電型的層和第二導(dǎo)電型的層的圖像傳感裝置；在所述圖像傳感裝置處形成像素分離層；在被布置于所述互連連接的較高側(cè)上的所述第二導(dǎo)電型的層中形成第一導(dǎo)電型離子注入?yún)^(qū)；以及形成將所述圖像傳感裝置的所述第一導(dǎo)電型的層電連接到所述互連連接的接觸。
全文摘要
公開了圖像傳感器和用于制造圖像傳感器的方法。提供一種圖像傳感器，該圖像傳感器包括讀出電路、層間電介質(zhì)、互連連接、圖像傳感裝置、離子注入?yún)^(qū)、接觸和像素分離層。讀出電路被布置在第一襯底上。層間電介質(zhì)被布置在第一襯底上?；ミB連接被布置在層間電介質(zhì)中，并被電連接到讀出電路。圖像傳感裝置被布置在互連連接上，并且包括第一導(dǎo)電型的層和第二導(dǎo)電型的層。接觸將圖像傳感裝置的第一導(dǎo)電型的層與互連連接電連接。在第二導(dǎo)電型的層中在與接觸相對應(yīng)的區(qū)域處形成離子注入?yún)^(qū)。在圖像傳感裝置的像素邊界處布置像素分離層。
文檔編號H04N5/335GK101715076SQ20091017856
公開日2010年5月26日 申請日期2009年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月30日
發(fā)明者黃 俊 申請人:東部高科股份有限公司