專利名稱：圖像傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種圖像傳感器及其制造方法。
背景技術(shù)：
圖像傳感器是能將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號的半導(dǎo)體器件。這些圖像傳感器典型地可被分為電荷耦合器件(CCD)或互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器(CIS)。
在制造圖像傳感器的過程中，可用離子注入在襯底中形成光電二極管。為了在不增大芯片尺寸的前提下增加像素個數(shù)，光電二極管尺寸減小，所以光接收部的面積也減小，因此導(dǎo)致圖像質(zhì)量的下降。 此外，因為堆疊高度減小的程度與光接收部面積的減小不同，所以入射到光接收部的光子個數(shù)也由于被稱為艾里斑(Airy disk)的光衍射而減小。 作為克服此限制的一種可替換的方法，已有使用非晶硅(Si)形成光電二極管、或使用例如晶片-晶片接合(wafer-toiafer bonding)的方法在硅(Si)襯底中形成讀出電路、以及在讀出電路上和/或上方形成光電二極管的嘗試(被稱為"三維(3D)圖像傳感器")。光電二極管通過金屬互連件連接于讀出電路。 根據(jù)一種相關(guān)技術(shù)制造3D圖像傳感器的方法，在以下操作中存在困難，即執(zhí)行位
于芯片上部的光電二極管與在硅襯底中形成的讀出電路單元之間的晶片_晶片對準，以及
保證由于讀出電路單元的互連件與光電二極管之間的不良接觸導(dǎo)致的歐姆接觸。 此外，還存在局限，即圖像缺陷是由圖像感測器件的損壞(諸如蝕刻損壞)而產(chǎn)生
的，這是由于在相關(guān)技術(shù)中像素隔離區(qū)是通過使用器件隔離層而形成的。 根據(jù)相關(guān)技術(shù)，還存在局限，即可能發(fā)生電荷共享現(xiàn)象，這是由于轉(zhuǎn)移晶體管的源
極和漏極都被重摻雜了 N型雜質(zhì)。電荷共享現(xiàn)象可導(dǎo)致降低輸出圖像靈敏度以及產(chǎn)生圖像
錯誤。此外，在光電二極管與讀出電路之間，光電荷可能不會平滑地移動，導(dǎo)致暗電流(dark
current)的產(chǎn)生以及飽和度與靈敏度的降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例提供了一種圖像傳感器及其制造方法，其無需在圖像傳感器上部的圖像感測器件與下部的讀出電路之間用于連接的晶片_晶片對準，且可獲得讀出電路的互連件與圖像感測器件之間的歐姆接觸。 本發(fā)明的實施例還提供了一種圖像傳感器及其制造方法，其可有效地、穩(wěn)定地形成用于圖像感測器件的像素隔離區(qū)。 本發(fā)明的實施例還提供了 一種圖像傳感器及其制造方法，其可在沒有電荷共享現(xiàn)象的情況下提高填充因子(fill factor)。 本發(fā)明的實施例還提供了 一種圖像傳感器及其制造方法，其可通過在圖像感測器件與讀出電路之間形成光電荷的平滑轉(zhuǎn)移路徑來最小化暗電流源并抑制飽和降低和靈敏度下降。
在一個實施例中，圖像傳感器包括第一襯底中的讀出電路；第一襯底上方的互連件，所述互連件電連接至所述讀出電路；互連件上方的圖像感測器件，所述圖像感測器件包括第一導(dǎo)電類型導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電類型導(dǎo)電層；圖像感測器件的第二導(dǎo)電類型導(dǎo)電層的一部分中的第一導(dǎo)電類型離子注入層；以及穿透第一導(dǎo)電類型離子注入層并將第一導(dǎo)電類型導(dǎo)電層連接至互連件的通路插塞。 在另一實施例中，一種制造圖像傳感器的方法包括以下步驟在第一襯底中形成
讀出電路；在第一襯底上方形成互連件，所述互連件電連接至所述讀出電路；在互連件上
方形成圖像感測器件，所述圖像感測器件包括第一導(dǎo)電類型導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電類型導(dǎo)電
層；在第二導(dǎo)電類型導(dǎo)電層的一部分中形成第一導(dǎo)電類型離子注入層；以及形成穿透第一
導(dǎo)電類型離子注入層并將第一導(dǎo)電類型導(dǎo)電層連接至互連件的通路插塞。 下面結(jié)合附圖對一個或多個實施例進行詳細描述。通過說明書、附圖和權(quán)利要求
書，其它特征也會變得明顯。


圖1是根據(jù)第一實施例的圖像傳感器的剖視圖。 圖2至圖8是根據(jù)第一實施例制造圖像傳感器的方法的剖視圖。 圖9是根據(jù)第二實施例的圖像傳感器的剖視圖。
具體實施例方式
在下文中，將參考附圖描述圖像傳感器及其制造方法的實施例。 在實施例的描述中，需要理解的是，當一層(或膜)被稱為在另一層或襯底"上"，
則其既可以直接位于另一層或襯底上，或者也可存在中間層。進一步地，需要理解的是，當
一層被稱為位于另一層"下方"，則其既可以直接位于另一層下方，或者也可存在一層或多
層中間層。此外，需要理解的是，當一層被稱為位于兩層"之間"，則其既可以是位于兩層之
間的唯一層，或者也可存在一層或多層中間層。
圖1是根據(jù)第一實施例的圖像傳感器的剖視圖。 參見圖1，圖像傳感器可包括位于第一襯底100中的讀出電路120 ;位于第一襯底100上方的互連件150，互連件150電連接至讀出電路120 ;位于互連件150上方的圖像感測器件210，圖像感測器件210包括第一導(dǎo)電類型導(dǎo)電層214和第二導(dǎo)電類型導(dǎo)電層216 ;位于圖像感測器件210的第二導(dǎo)電類型導(dǎo)電層216的一部分中的第一導(dǎo)電類型離子注入層240 ;以及穿透第一導(dǎo)電類型離子注入層240并將第一導(dǎo)電類型導(dǎo)電層214連接至互連件150的通路插塞(via plug) 230。 圖像感測器件210可以是光電二極管，但不限于此，也可以是光電柵(photogate)，或光電二極管與光電柵的組合。實施例包括在結(jié)晶半導(dǎo)體層中形成的圖像感測器件210作為實例，但不限于此，也可包括在非晶半導(dǎo)體層中形成的光電二極管。
將參考附圖描述圖1中尚未解釋的附圖標記，其中所述附圖示出了如下制造圖像傳感器的方法。 在下文中，將參考圖2至圖8描述根據(jù)第一實施例制造圖像傳感器的方法。
參見圖2，將圖像感測器件210形成在第二襯底200上。例如，可通過將離子注入結(jié)晶半導(dǎo)體層來形成包括P型導(dǎo)電層216和低濃度N型導(dǎo)電層214的光電二極管210，但實施例不限于此。 如圖3A所示，準備形成有互連件150和讀出電路120的第一襯底100。圖3B是根據(jù)一個實施例示出了形成有互連件150和讀出電路120的第一襯底100的詳細視圖。在下文中，將參考圖3B進行詳細描述。 參見圖3B，準備包括互連件150和讀出電路120的第一襯底100。例如，在第一襯底100中形成器件隔離層110以界定出有源區(qū)。在有源區(qū)中形成包括晶體管的讀出電路120。例如，讀出電路120可包括轉(zhuǎn)移晶體管(Tx)121、復(fù)位晶體管(Rx)123、驅(qū)動晶體管(Dx)125和選擇晶體管(Sx)127?？尚纬砂ǜ≈脭U散區(qū)131和分別用于各個晶體管的源極/漏極區(qū)133、135和137的離子注入?yún)^(qū)130。 第一襯底100中讀出電路120的形成可包括在第一襯底100中形成電結(jié)(electrical junction)區(qū)140、以及形成第一導(dǎo)電類型連接件147，該第一導(dǎo)電類型連接件147在電結(jié)區(qū)140的上部連接至互連件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可包括在第二導(dǎo)電類型阱141或第二導(dǎo)電類型外延層上形成的第一導(dǎo)電類型離子注入層143，和在第一導(dǎo)電類型離子注入層143上形成的第二導(dǎo)電類型離子注入層145。例如，如圖3B所示，P-N結(jié)140可以是P0(145)/N-(143)/P-(141)結(jié)，但不局限于此。第一襯底100可以為第二導(dǎo)電類型，但不局限于此。 根據(jù)實施例，器件可被設(shè)計為在轉(zhuǎn)移晶體管(Tx)的源極和漏極之間提供電勢差，從而使得能全部倒出(full dumping)光電荷(photo charge)。因而，光電二極管中產(chǎn)生的光電荷可被倒出至浮置擴散區(qū)，因此提高了輸出圖像的靈敏度。 也就是說，正如參照圖3B所描述的，可在包括讀出電路120的第一襯底100中形成電結(jié)區(qū)140，從而在轉(zhuǎn)移晶體管(Tx)121的源極和漏極之間提供電勢差，因而使得能全部倒出光電荷。 在下文中，將詳細描述根據(jù)實施例的光電荷倒出結(jié)構(gòu)。 根據(jù)實施例，與N+結(jié)的第二浮置擴散(FD) 131節(jié)點不同，電結(jié)區(qū)140的P/N/P結(jié)140在一預(yù)定電壓處被夾斷(pinched off)，而沒有完全傳送(delivery)施加的電壓。此電壓被稱為銷鎖電壓(pinning voltage)。銷鎖電壓取決于P0 (145)和N-(143)摻雜濃度。
因此，與相關(guān)技術(shù)中光電二極管僅用N+結(jié)連接的情形不同，此實施例能避免飽和度降低和靈敏度下降。 此后，在光電二極管與讀出電路之間形成第一導(dǎo)電類型連接件147，以創(chuàng)建光電荷的平滑(smooth)轉(zhuǎn)移路徑，從而能夠最小化暗電流源并抑制飽和度降低和靈敏度下降。
為此，在第一實施例中，可在P0/N-/P-結(jié)140的表面上形成用于歐姆接觸的第一導(dǎo)電類型連接件147?？尚纬赏ㄟ^P0145接觸N-143的N+區(qū)147。 第一導(dǎo)電類型連接件147的寬度可被最小化，以抑制第一導(dǎo)電類型連接件147成為泄漏源。為此，在實施例中，在蝕刻第一金屬接觸件151a的接觸孔之后，可執(zhí)行插塞注入(plug implant)，但不限于此。作為另一實例，可形成離子注入圖案(未示出)，然后可將離子注入圖案用作離子注入掩模來形成第一導(dǎo)電類型連接件147。 也就是說，在第一實施例中描述的僅在接觸形成區(qū)上局部執(zhí)行N+摻雜的原因包
5括最小化暗信號和促進歐姆接觸的形成。如果整個Tx源極區(qū)都如相關(guān)技術(shù)一樣摻雜了 N+型，則暗信號可能因為Si表面懸掛鍵(dangling bond)而增大。 下面，可在第一襯底100上形成層間電介質(zhì)160，也可形成互連件150?；ミB件150可包括第一金屬接觸件151a、第一金屬151、第二金屬152和第三金屬153，但實施例不限于此。 下面，如圖4所示，在互連件150上方接合形成有圖像感測器件210的第二襯底
200，然后去除第二襯底200的一部分，余下圖像感測器件210，如圖5所示。 然后，如圖6所示，在暴露的圖像感測器件210的第二導(dǎo)電類型導(dǎo)電層的一部分中
形成第一導(dǎo)電類型離子注入層240。例如，可在第二導(dǎo)電類型導(dǎo)電層216中形成高濃度N-型
(n+)離子注入層240，促進通路插塞230的形成。 也就是說，在根據(jù)實施例形成圖像傳感器的方法中，對圖像感測器件與讀出電路的連接不做晶片-晶片對準，工藝被有效地執(zhí)行。此外，在N+離子注入之后，可經(jīng)由連接至互連件的通路插塞向圖像感測器件施加電壓，從而獲得讀出電路的互連件與圖像感測器件之間的歐姆接觸。 可形成第一導(dǎo)電類型離子注入層240，其深度大于第二導(dǎo)電類型導(dǎo)電層216的深度，從而抑制下面描述的由通路插塞引起的短路。 下面，如圖7所示，可在圖像感測器件210的像素之間的邊界形成像素隔離離子注
入層250。例如，可由第二導(dǎo)電類型離子注入形成像素隔離離子注入層250。 根據(jù)實施例，不需晶片_晶片對準工藝即可形成用于圖像感測器件的像素隔離
區(qū)。另外，因為經(jīng)由在N+離子注入之后形成的通路插塞向光電二極管施加電壓，所以形成
通路插塞的工藝可被簡化。 此后，接合(bonding)之后形成的離子注入層可通過例如激光退火的熱處理被活化(activate)。因為通過激光退火的熱處理是局部進行的，所以熱處理對第一襯底的各個元件不會有不利的熱效應(yīng)。例如，激光退火可在約600mJ/cm2至約1200mJ/cm2的能量下進行，以活化第一導(dǎo)電類型離子注入層240和像素隔離離子注入層250，但實施例不限于以上能量。 下面，如圖8所示，可形成穿透第一導(dǎo)電類型離子注入層240和第一導(dǎo)電類型導(dǎo)電層214的通路插塞230，從而將第一導(dǎo)電類型導(dǎo)電層214電連接至互連件150。
例如，可在位于芯片上部的圖像感測器件210內(nèi)的孔中形成通路插塞230，從而向圖像感測器件210施加電壓并向硅襯底的讀出電路120傳送光電荷。 在這種情況下，因為在第二導(dǎo)電類型導(dǎo)電層216中形成了高濃度N-型(n+)離子注入層240，所以可抑制通路插塞230與第二導(dǎo)電類型導(dǎo)電層216之間的短路，且可不需要單獨的工藝以去除通路插塞230的上側(cè)。 圖9是根據(jù)第二實施例的圖像傳感器的剖視圖，也是形成有讀出電路120、電結(jié)區(qū)140和互連件150的第一襯底100的詳細視圖。
第二實施例可采用第一實施例的技術(shù)特征。 在與第一實施例不同的第二實施例中，在電結(jié)區(qū)140的一側(cè)形成第一導(dǎo)電類型連接件148。 可在PO/NVP-結(jié)140處形成N+連接區(qū)148用于歐姆接觸。形成N+連接區(qū)和第一金屬接觸件151a的工藝可能提供泄漏源。這是因為當反偏壓(reverse bias)施加至PO/N-/P-結(jié)140時，由于操作可在硅表面上方產(chǎn)生電場(EF)。電場內(nèi)的接觸形成工藝期間產(chǎn)生的晶體缺陷可成為泄漏源。 還有，當在P0/N-/P-結(jié)140表面上方形成N+連接區(qū)時，因為N+/P0結(jié)148/145可額外產(chǎn)生電場。這個電場也可成為泄漏源。 因此，第二實施例提出了一種布置(layout)，其在沒有摻雜PO層、但包括連接至N-結(jié)143的N+連接區(qū)148的有源區(qū)中形成第一接觸插塞151a。 根據(jù)第二實施例，在硅表面上和/或上方不產(chǎn)生電場，這有助于降低3D集成CIS的暗電流。 本說明書中所指的" 一個實施例"、"實施例"、"實例"等意指連同實施例描述的特定的特征、結(jié)構(gòu)或性質(zhì)被包括在本發(fā)明的至少一個實施例中。說明書中各處這種用語的出現(xiàn)不一定指代同樣的實施例。此外，當連同任何實施例描述特定的特征、結(jié)構(gòu)或性質(zhì)時，就認為這些特征、結(jié)構(gòu)或性質(zhì)落在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員連同其它實施例實現(xiàn)這些特征、結(jié)構(gòu)或性質(zhì)的范圍內(nèi)。 盡管對實施例的描述中結(jié)合了其中多個示例性實施例，但可以理解的是，在本公開內(nèi)容的原理的精神和范圍之內(nèi)，本領(lǐng)域技術(shù)人員完全可以推導(dǎo)出許多其它變化和實施例。尤其是，可以在該公開、附圖和所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)對組件和/或附件組合設(shè)置中的排列進行多種變化和改進。除組件和/或排列的變化和改進之外，其它可選擇的應(yīng)用對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言也是顯而易見的。
權(quán)利要求
一種圖像傳感器，包括位于第一襯底中的讀出電路；位于所述第一襯底上方的互連件，所述互連件電連接至所述讀出電路；位于所述互連件上方的圖像感測器件，所述圖像感測器件包括第一導(dǎo)電類型導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電類型導(dǎo)電層；位于所述圖像感測器件的所述第二導(dǎo)電類型導(dǎo)電層的一部分中的第一導(dǎo)電類型離子注入層；以及穿透所述第一導(dǎo)電類型離子注入層和所述第一導(dǎo)電類型導(dǎo)電層的通路插塞，所述通路插塞將所述第一導(dǎo)電類型導(dǎo)電層電連接至所述互連件。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中所述第一導(dǎo)電類型離子注入層形成為其深度大于所述第二導(dǎo)電類型導(dǎo)電層的深度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，還包括位于所述圖像感測器件的像素邊界的像素隔離離子注入層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，還包括所述第一襯底中的電結(jié)區(qū)，所述電結(jié)區(qū)將所述互連件電連接至所述讀出電路。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像傳感器，還包括位于所述電結(jié)區(qū)與所述互連件之間的第一導(dǎo)電類型連接件，所述第一導(dǎo)電類型連接件在所述電結(jié)區(qū)的上部電連接至所述互連件。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像傳感器，還包括位于所述電結(jié)區(qū)與所述互連件之間的第一導(dǎo)電類型連接件，所述第一導(dǎo)電類型連接件在所述電結(jié)區(qū)的一側(cè)電連接至所述互連件。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像傳感器，其中所述讀出電路包括晶體管，以及其中所述電結(jié)區(qū)位于所述晶體管的源極區(qū)，且所述電結(jié)區(qū)的離子注入濃度小于位于所述晶體管的漏極區(qū)的浮置擴散區(qū)的離子注入濃度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像傳感器，其中所述讀出電路包括晶體管，其中所述電結(jié)區(qū)位于所述晶體管的源極，且在所述晶體管的源極與漏極之間提供電荷電勢差。
9. 一種制造圖像傳感器的方法，包括以下步驟在第一襯底中形成讀出電路；在所述第一襯底上方形成互連件，所述互連件電連接至所述讀出電路；在所述互連件上方形成圖像感測器件，所述圖像感測器件包括第一導(dǎo)電類型導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電類型導(dǎo)電層；在所述第二導(dǎo)電類型導(dǎo)電層的一部分中形成第一導(dǎo)電類型離子注入層；以及形成穿透所述第一導(dǎo)電類型離子注入層和所述第一導(dǎo)電類型導(dǎo)電層的通路插塞，所述通路插塞將所述第一導(dǎo)電類型導(dǎo)電層電連接至所述互連件。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括在所述第一襯底中形成電結(jié)區(qū)，所述電結(jié)區(qū)將所述互連件電連接至所述讀出電路；其中所述讀出電路包括晶體管，以及其中所述電結(jié)區(qū)形成在所述晶體管的源極區(qū)，且所述電結(jié)區(qū)的離子注入濃度小于所述晶體管的漏極區(qū)處形成的浮置擴散區(qū)的離子注入濃度。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種圖像傳感器及其制造方法。該圖像傳感器包括讀出電路、互連件、圖像感測器件、第一導(dǎo)電類型離子注入層和通路插塞。在第一襯底中形成讀出電路。在第一襯底上方形成互連件?；ミB件電連接至讀出電路。然后在互連件上方形成圖像感測器件。圖像感測器件包括第一導(dǎo)電類型導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電類型導(dǎo)電層。在圖像感測器件的第二導(dǎo)電類型導(dǎo)電層的一部分中形成第一導(dǎo)電類型離子注入層。通路插塞穿透第一導(dǎo)電類型離子注入層和第一導(dǎo)電類型導(dǎo)電層，從而將第一導(dǎo)電類型導(dǎo)電層電連接至互連件。
文檔編號H04N5/335GK101752397SQ20091025377
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月17日
發(fā)明者沈喜成 申請人:東部高科股份有限公司