CN101715076A

CN101715076A - 图像传感器和用于制造图像传感器的方法

Info

Publication number: CN101715076A
Application number: CN200910178567A
Authority: CN
Inventors: 黄�俊
Original assignee: Dongbu Electronics Co Ltd
Current assignee: DB HiTek Co Ltd
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2010-05-26
Also published as: KR20100036723A; TW201013916A; US8154095B2; KR101024770B1; JP2010087514A; US20100079638A1; DE102009043255A1

Abstract

公开了图像传感器和用于制造图像传感器的方法。提供一种图像传感器，该图像传感器包括读出电路、层间电介质、互连连接、图像传感装置、离子注入区、接触和像素分离层。读出电路被布置在第一衬底上。层间电介质被布置在第一衬底上。互连连接被布置在层间电介质中，并被电连接到读出电路。图像传感装置被布置在互连连接上，并且包括第一导电型的层和第二导电型的层。接触将图像传感装置的第一导电型的层与互连连接电连接。在第二导电型的层中在与接触相对应的区域处形成离子注入区。在图像传感装置的像素边界处布置像素分离层。

Description

图像传感器和用于制造图像传感器的方法

技术领域

本公开涉及图像传感器和用于制造图像传感器的方法。

背景技术

图像传感器是用于将光学图像转换成电信号的半导体装置。图像传感器可被粗略地分类为电荷耦合器件(CCD)图像传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)。

在制造图像传感器期间，可使用离子注入在衬底中形成光电二极管。随着出于增加像素数量而不增大芯片尺寸的目的而减小光电二极管的尺寸，光接收部分的面积也减小，从而导致图像质量的下降。

此外，由于堆叠高度不像光接收部分的面积那样减小那么多，因此入射到光接收部分的光子的数量也由于被称为艾里斑(airy disk)的光衍射而减少。

作为用于克服该限制的替代方案，进行了以下尝试：使用非晶硅(Si)形成光电二极管，或使用诸如晶片-晶片接合之类的方法在硅(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(被称为三维(3D)图像传感器)。该光电二极管通过金属互连连接而与读出电路相连接。

在现有技术中，连接读出电路和光电二极管的接触插塞导致光电二极管中的短路。

此外，由于转移晶体管的源极和漏极均被重掺杂N型杂质，因此发生电荷共享现象。当发生电荷共享现象时，输出图像的灵敏度被降低，并且可能产生图像误差。

另外，由于光电荷不容易在光电二极管与读出电路之间移动，因此产生暗电流，和/或饱和度和灵敏度被降低。

发明内容

实施例提供了可以抑制在连接读出电路与图像传感装置的接触插塞处的短路的图像传感器以及用于制造该图像传感器的方法。

实施例还提供了在增大填充系数的同时不发生电荷共享的图像传感器以及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以及用于制造该图像传感器的方法，其中该图像传感器可通过形成光电荷在光电二极管与读出电路之间的平滑转移路径来最小化暗电流源以及抑制饱和度降低和灵敏度劣化。

在一个实施例中，图像传感器包括：在第一衬底处的读出电路；在第一衬底上的层间电介质；层间电介质中的互连连接，该互连连接电连接到读出电路；在互连连接上的图像传感装置，该图像传感装置包括第一导电型的层和第二导电型的层；将图像传感装置的第一导电型的层与互连连接电连接的接触，该接触通过离子注入区域与第二导电型的层电隔离；以及在图像传感装置的像素边界处的像素分离层。

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；在第一衬底上形成层间电介质，在层间电介质中形成电连接到读出电路的互连连接；在互连连接上形成包括第一导电型的层和第二导电型的层的图像传感装置；在图像传感装置处形成像素分离层；在第二导电型的层中形成第一导电型离子注入区；以及形成将图像传感装置的第一导电型的层电连接到互连连接的接触，该第一导电型离子注入区使得该接触与该图像传感装置的第二导电型的层电隔离。

在以下的附图和描述中提出了一个或多个实施例的细节。从说明书、附图和权利要求中来看，其它的特征将是明显的。

附图说明

图1是示出了根据第一实施例的图像传感器的横截面视图。

图2-7是示出了根据第一实施例的用于制造图像传感器的方法的横截面视图。

图8是示出了根据第二实施例的图像传感器的横截面视图。

具体实施方式

以下将参考附图说明图像传感器及用于制造图像传感器的方法的实施例。

在对实施例的说明中，应当理解，当层(或膜)被称为在另一层或衬底“上”时，其可直接在另一层或衬底上，或者还可存在中间层。进一步地，应当理解，当层被称为在另一层“下”时，其可直接在另一层下，或者还可存在一个或多个中间层。另外，还应当理解，当层被称为在两个层“之间”时，其可以是两个层之间的唯一的层，或者还可存在一个或多个中间层。

本公开不限于互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，因此可应用于包括光电二极管的图像传感器。

图1是示出了根据第一实施例的图像传感器的横截面视图。

根据第一实施例的图像传感器可包括：在图3所示的第一衬底100处的读出电路120；在第一衬底100上的层间电介质160；电连接到读出电路120且被布置在层间电介质160中的互连连接150；在互连连接150上的包括第一导电型的层214和第二导电型的层216的图像传感装置210；将图像传感装置210的第一导电型的层214连接到互连连接150的接触270；在图像传感装置210的像素边界处的像素分离层250。

图像传感装置210可以是光电二极管，但不限于此，还可以是光电门(photogate)或是光电二极管和光电门的组合。实施例包括作为例子的在结晶半导体层中形成的光电二极管。但是实施例不限于此，并且可包括例如在非晶半导体层中形成的光电二极管。在以下对制造方法的说明中将使用图1中末说明的附图标记。

以下将参考图2至9说明根据第一实施例的用于制造图像传感器的方法。

图2是示出了具有互连连接150的第一衬底100的示意图。图3是根据一个实施例的图2的详细视图。以下将基于图3进行说明。

如图3所示，通过在第一衬底100中形成装置隔离层110来限定有源区。读出电路120可包括转移晶体管(Tx)121、重置晶体管(Rx)123、驱动晶体管(Dx)125和选择晶体管(Sx)127。可形成针对每个晶体管而包括浮动扩散区(FD)131和源极/漏极区133、135和137的离子注入区130。

根据实施例，可在第一衬底100上形成电结区(electrical junctionregion)140，并且第一导电型连接147可被形成为在电结区140的较高部分处电连接到互连连接150。

例如，电结区140可以是P-N结140，但不限于此。例如，电结区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、或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所示，P-N结140可以是P0(145)/N-(143)/P-(141)结，但是实施例不限于此。第一衬底100可以是第二导电型衬底，但不限于此。

根据实施例，装置被设计成提供转移晶体管(Tx)的源极与漏极之间的电势差，从而使得能够充分地转储(dump)光电荷。相应地，在光电二极管中产生的光电荷被转储到浮动扩散区，从而提高输出图像灵敏度。

也就是说，如图3所示，根据第一实施例，电结区140被布置在具有读出电路120的第一衬底100处。因此，在转移晶体管(Tx)的源极和漏极之间出现电势差，从而使得能够充分地转储光电荷。

具体地，在光电二极管210中产生的电子被转移到PNP结140，并且该电子在转移晶体管(Tx)121被接通时被转移到浮动扩散(FD)131节点，以被转换成电压。

P0/N-/P-结140的最大电压变为钉扎电压(pinning voltage)，并且FD131节点的最大电压变为Vdd减去重置晶体管(Rx)的阈值电压(Vth)。因此，由于Tx 121的源极和漏极之间的电势差，在没有电荷分享的情况下，在芯片上的光电二极管210中产生的电子可被完全地转储到FD 131节点。

第一导电型连接147可被形成在光电二极管和读出电路之间，以建立光电荷的平滑转移路径，从而使得可以最小化暗电流源以及抑制饱和度减小和灵敏度劣化。

为此，第一实施例可形成N+掺杂区域作为针对P0/N-/P-结140的表面上的欧姆接触的第一导电型连接147。形成该N+区域(147)使得该N+区(147)穿过P0区(145)以接触N-区(143)。

第一导电型连接147的宽度可被最小化，以抑制第一导电型连接147变成泄漏源。为此，在对第一金属接触151a蚀刻接触孔之后可执行插塞注入，但实施例不限于此。作为另一例子，可形成离子注入图案(未示出)，并可使用离子注入图案作为离子注入掩模来形成第一导电型连接147。

接着，可在第一衬底100上形成层间电介质160，并且可形成互连连接150。互连连接150可包括第一金属接触151a、第一金属151、第二金属152和第三金属153，但是实施例不限于此。

在互连连接150上形成第二层间电介质162。例如，第二层间电介质162可由诸如氧化物层或氮化物层之类的电介质形成。第二层间电介质162增大具有图像传感装置210的第二衬底(未示出)与第一衬底100之间的结合力。

参考图4，在第二层间电介质162上形成包括第一导电型的层214和第二导电型的层216的图像传感装置210。在其上形成图像传感装置210的第一衬底(第二层间电介质162)的部分也在图2中示出。

根据实施例，第二衬底的结晶半导体层可具有包括N-层(214)和P+层(216)的光电二极管。可进一步提供用于欧姆接触的第一导电型的层212的N+层。

参考图5，可在布置于互连连接150的较高侧上的第二导电型的层216中形成第一导电型离子注入区230。例如，暴露被布置在互连连接150的较高侧上的第二导电型的层216的光致抗蚀剂图案310被用作用于注入高浓度N型离子的离子注入掩模。

第一导电型离子注入区230可具有与被布置在互连连接150的较高侧上的第二导电型的层216的深度相同的深度。

也就是说，根据第一实施例，在第二导电型的层216中在用于接触接触插塞的区域中形成第一导电型离子注入区230，从而避免在连接读出电路120和图像传感装置210的接触插塞处的短路。

在另一实施例中，第一导电型离子注入区230具有比被布置在互连连接150的较高侧上的第二导电型的层216的深度大的深度，从而更有效地避免在连接读出电路120和图像传感装置210的接触插塞处的短路。

然后，可形成根据像素划分图像传感装置210的像素分离层250。例如，像素分离层250可以是像素间分离电介质或像素间分离离子注入层。可在形成接触270之后形成像素分离层250。

根据实施例，执行针对第一导电型离子注入区230和像素分离层250的离子注入，然后可执行用于激活的激光退火处理，但实施例不限于此。

参考图7，形成将图像传感装置210的第一导电型的层214电连接到互连连接150的接触270。

例如，在互连连接150的较高侧上的图像传感装置210和第二层间电介质162被部分地移除，以形成暴露互连连接150的沟槽。可执行干蚀刻处理或湿蚀刻处理以形成该沟槽。可进行第二蚀刻处理以分离地蚀刻图像传感装置210和第二层间电介质162。

在此情况下，以比第一导电型离子注入区230的宽度更小的宽度移除图像传感装置210的部分，使得第一导电型离子注入区230的部分保持在第二导电型的层216与要形成的接触270之间。

也就是说，根据第一实施例，在接触接触插塞的第二导电型的层216中形成第一导电型离子注入区230，从而避免在连接读出电路120和图像传感装置210的接触插塞处的短路。

然后，可在沟槽的表面上形成障壁金属层271，并可在障壁金属层271上形成接触270，从而形成填充沟槽的接触插塞273。障壁金属层271可以是Ti或TiN的单层，或是Ti/TiN双层，并且接触插塞273可由钨(W)形成，但实施例不限于此。

因此，可在第二导电型层216上执行接地处理。

根据第一实施例，在接触接触插塞的第二导电型层216中形成第一导电型离子注入区230，从而避免在连接读出电路120和图像传感装置210的接触插塞处的短路。

图8是示出了根据第二实施例的图像传感器的横截面视图。详细示出了具有互连连接150的第一衬底100。

第二实施例可采用第一实施例的技术特征。

第二实施例与第一实施例的不同之处在于，第一导电型连接148连接到电结区140的一侧。

N+连接区148可在P0/N-/P-结140处形成以用于欧姆接触。在此情况下，在N+连接区148和第一金属接触151a的形成处理期间可能产生泄漏源。

此外，当N+连接区域148被形成在P0/N-/P-结140的表面之上时，可能由于N+/P0结148/145而另外地产生电场。该电场还可变为泄漏源。

因此，第二实施例提出了如下的布局：在该布局中，在未掺杂P0层的有源区中形成第一接触插塞151a，而第一接触插塞151a包括电连接到N结143的N+连接区148。

根据第二实施例，在Si表面上和/或上方不产生电场，从而有助于减小3D集成CIS的暗电流。

在本说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等的任何提及意味着结合实施例而说明的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在说明书各处出现这种措词不一定都指的是相同的实施例。此外，当结合任何实施例说明了特定的特征、结构或特性时，应当认为结合其它实施例来实现该特征、结构或特性是在本领域技术人员的能力范围之内的。

尽管已经参考实施例的多个示例性实施方式而说明了实施例，应当理解，本领域的技术人员可设想出将落入本公开的原理的精神和范围之内的诸多其它的变型和实施方式。更具体地，在本公开、附图和所附权利要求的范围之内可以进行对主题组合布置的组件部分和/或布置的各种变化和变型。除了对组件部分和/或布置的变化和变型之外，对于本领域技术人员而言，替代性的用途也将是明显的。

Claims

1.一种图像传感器，包括：

在第一衬底处的读出电路；

在所述第一衬底上的层间电介质；

在所述层间电介质中的互连连接，所述互连连接电连接到所述读出电路；

在所述互连连接上的图像传感装置，所述图像传感装置包括第一导电型的层和第二导电型的层；

将所述图像传感装置的所述第一导电型的层与所述互连连接电连接的接触；

在所述第二导电型的层中的离子注入区；以及

在所述图像传感装置的像素边界处的像素分离层。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述接触被布置在穿过所述图像传感装置以暴露所述互连连接的沟槽中。

3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述接触包括：

在所述沟槽的表面上的障壁金属层；以及

在所述障壁金属层上的接触插塞，所述接触插塞填充所述沟槽。

4.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述离子注入区包括第一导电型离子注入区，所述第一导电型离子注入区使所述接触与所述第二导电型的层相分离。

5.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述离子注入区具有与被布置在所述互连连接的较高侧上的所述第二导电型的层的深度相同的深度。

6.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述离子注入区具有比被布置在所述互连连接的较高侧上的所述第二导电型的层的深度更大的深度。

7.根据权利要求2所述的图像传感器，还包括在所述第一衬底处电连接到所述读出电路的电结区，

其中所述读出电路包括晶体管，其中所述电结区被布置在所述晶体管的源极处，由此在所述晶体管的源极和漏极之间提供电势差。

8.根据权利要求2所述的图像传感器，还包括在所述第一衬底处电连接到所述读出电路的电结区，

还包括在所述电结区与所述互连连接之间的第一导电型连接，以电连接所述电结区与所述互连连接，

其中所述第一导电型连接被布置在所述电结区的较高的部分处。

9.根据权利要求2所述的图像传感器，还包括在所述第一衬底处电连接到所述读出电路的电结区，

其中所述第一导电型连接被布置在所述电结区的一侧处。

10.一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；

在所述第一衬底上形成层间电介质，并在所述层间电介质中形成电连接到所述读出电路的互连连接；

在所述互连连接上形成包括第一导电型的层和第二导电型的层的图像传感装置；

在所述图像传感装置处形成像素分离层；

在被布置于所述互连连接的较高侧上的所述第二导电型的层中形成第一导电型离子注入区；以及

形成将所述图像传感装置的所述第一导电型的层电连接到所述互连连接的接触。