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)：
圖像傳感器是一種將光學圖像轉(zhuǎn)換成電信號的半導體器件。圖像傳感器
一般可以分為電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器或互補金屬氧化物半導體 (CMOS)圖像傳感器(CIS)。在圖像傳感器的制造期間，可以使用離子注 入在襯底中形成光電二極管。為了在不增加芯片尺寸的情況下增加像素的數(shù) 量，因而不斷地減小光電二極管的尺寸，由此也減小了光接收部分的區(qū)域， 最終導致圖像質(zhì)量的下降。
然而，因為堆疊高度(stack height)的減小并沒有達到光接收部減小的 那種程度，所以由光衍射(公知為"艾里斑"(ariy disk))而導致的入射 到光接收部的光子的量會減少?，F(xiàn)有的圖像傳感器已經(jīng)嘗試使用非結(jié)晶硅 (Si)來形成光電二極管，或者使用諸如晶片-晶片接合(wafer-to-wafer bonding)等方法在硅(Si)襯底中形成讀出電路，并且在所述讀出電路上和 /或上方形成光電二極管?？梢酝ㄟ^金屬互連件將光電二極管與讀出電路連 接。在金屬互連件和光電二極管之間可能會出現(xiàn)接合缺陷(bonding failure) 并導致在電接合力和物理接合力中的問題。因為位于轉(zhuǎn)移晶體管兩側(cè)的源極 (source)和漏極(drain)都重摻雜有N型雜質(zhì)，則可能會出現(xiàn)電荷分享現(xiàn) 象(charge sharing phenomenon)。當電荷分享現(xiàn)象發(fā)生時，輸出圖像的靈敏 度會下降并且會產(chǎn)生圖像錯誤。而且，因為光電荷可能在光電二極管和讀出 電路之間不能輕易移動，所以會產(chǎn)生暗電流和/或造成飽和度與靈敏度下降。

發(fā)明內(nèi)容
實施例涉及一種圖像傳感器及其制造方法，其中所述方法可以最大化在 圖像傳感器件和金屬互連件之間的物理接合力和電接合力。實施例涉及一種圖像傳感器及其制造方法，用以最小化電荷分享的發(fā)生而最大化填充系數(shù)。
實施例涉及一種圖像傳感器及其制造方法，用以通過在光電二極管和讀 出電路之間為光電荷提供快速移動路徑，可以最小化暗電流源并且最小化飽 和度和靈敏度的下降。
實施例涉及一種圖像傳感器，其可以包括如下至少之一讀出電路，位 于第一襯底上方；第一層間電介質(zhì)，位于所述第一襯底上方；金屬互連件， 形成在所述層間電介質(zhì)中并電連接至所述讀出電路；上部金屬，位于所述金 屬互連件上方；以及圖像傳感器件，位于所述上部金屬上方。
實施例涉及一種圖像傳感器的制造方法，其可以包括如下步驟至少之 一在第一襯底上和/或上方形成讀出電路；在所述第一襯底上和/或上方形 成第一層間電介質(zhì)；在所述層間電介質(zhì)上和/或上方形成金屬互連件；在所述 金屬互連件上和/或上方形成上部金屬；以及在上部金屬上和/或上方形成圖 像傳感器件。
通過本發(fā)明公開的圖像傳感器的制造方法可以最大化在圖像傳感器和 金屬互連件之間的物理接合力和電接合力，可以最小化電荷分享的發(fā)生而最 大化填充系數(shù)，并且可以最小化暗電流源以及最小化飽和度和靈敏度的下 降。


示例性圖1至圖6示出根據(jù)實施例的圖像傳感器及其制造方法。
具體實施例方式
示例性圖1為根據(jù)實施例的圖像傳感器的剖視圖。如示例性圖1所示， 根據(jù)實施例的圖像傳感器可以包括讀出電路120，形成在第一襯底100上 和/或上方；第一層間電介質(zhì)160，形成在第一襯底100上和/或上方；金屬互 連件150，形成在第一層間電介質(zhì)160中并電連接至讀出電路120;上部金 屬170，形成在金屬互連件150上和/或上方；以及圖像傳感器件210，形成 在上部金屬170上和/或上方。圖像傳感器件210可以是光電二極管、光柵極 或者是其任意組合。盡管實施例說明光電二極管形成在結(jié)晶半導體層中，但 光電二極管并不僅限于此，而是也可以采用其它方式形成，例如光電二極管
5可以形成在非結(jié)晶半導體層中。
如示例性圖2所示，第一層間電介質(zhì)160可以形成在第一襯底100上和 /或上方，并且金屬互連件150可以形成在第一層間電介質(zhì)160中。將參照示 例性圖3說明用于形成讀出電路120和金屬互連件150的工藝(Processes)。
如示例性圖3所示，根據(jù)實施例的圖像傳感器的制造方法可以包括提 供第一襯底100，其上或上方形成有金屬互連件150和讀出電路120。第一 襯底100可以是第二導電類型襯底，但并不僅限于此。例如，可以在第二導 電類型第一襯底100中形成器件隔離層110以此來定義有源區(qū)?？梢栽谟性?區(qū)中形成包括至少一個晶體管的讀出電路120。例如，讀出電路120可以包 括轉(zhuǎn)移晶體管(Tx) 121，復位晶體管(Rx) 123，驅(qū)動晶體管(Dx) 125和 選擇晶體管(Sx) 127。還可以形成離子注入?yún)^(qū)130的浮置擴散區(qū)(FD) 131， 其中所述離子注入?yún)^(qū)130包括各個晶體管的源極/漏極區(qū)133、 135和137。
在第一襯底100上和/或上方形成讀出電路120的步驟可以包括在第一 襯底100中形成電結(jié)區(qū)140，以及在電結(jié)區(qū)140的上部區(qū)域中形成第一導電 類型連接區(qū)147，并將所述第一導電類型連接區(qū)147電連結(jié)至金屬互連件 150。
電結(jié)區(qū)140可以為PN結(jié)，但并不僅限于此。例如，電結(jié)區(qū)140可以包 括第一導電類型離子注入層143和第二導電類型離子注入層145，其中第 一導電類型離子注入層143形成在第二導電類型阱141或者第二導電類型外 延層上和/或上方，以及第二導電類型離子注入層145形成在第一導電類型離 子注入層143上和/或上方。如示例性圖2所示，PN結(jié)140可以為P0/N-/P-結(jié)(其附圖標記為145、 143以及141)，但并不僅限于此。
根據(jù)實施例，可以設計這樣一種器件，使得在轉(zhuǎn)移晶體管(Tx) 121兩 側(cè)的源極和漏極之間存在電勢差，從而光電荷實際上可以充分傾注 (dumped)。因此，可以將產(chǎn)生于光電二極管的光電荷實際上完全傾注至浮 置擴散區(qū)，使得輸出圖像的靈敏度最大化。電結(jié)區(qū)140可以在第一襯底100 中沿讀出電路120形成，以允許在轉(zhuǎn)移晶體管(Tx) 121兩側(cè)上的源極和漏 極之間產(chǎn)生電勢差，使得光電荷實際上得以完全傾注。
與浮置擴散區(qū)(FD) 131 (其為N+結(jié))的節(jié)點(node)不同，P/N/P結(jié) 140 (其為電結(jié)區(qū)140，并且對其所施加的電壓不會完全轉(zhuǎn)移)可以在預定電
6壓處被夾斷(pinched-off)。這種電壓通常被稱為釘扎電壓(pinning voltage)， 并且該電壓可以根據(jù)P0區(qū)145和N-區(qū)143的摻雜濃度選擇性地加以控制。 具體而言，產(chǎn)生于光電二極管210的電子可以移動至PNP結(jié)140，并且當轉(zhuǎn) 移晶體管(Tx) 121開啟時，所產(chǎn)生的電子可以轉(zhuǎn)移至浮置擴散區(qū)(FD) 131 的節(jié)點以轉(zhuǎn)變成電壓。
由于P0/N-7P-結(jié)140的最大電壓值變?yōu)獒斣妷?，并且浮置擴散區(qū)(FD) 131的節(jié)點的最大電壓值變?yōu)閂dd-Rxl23的閾值電壓(threshold voltage) Vth， 因此實際上可以完全將從位于芯片上部中的光電二極管210產(chǎn)生的電子傾注 至浮置擴散區(qū)(FD) 131的節(jié)點，而不存在由轉(zhuǎn)移晶體管(Tx) 131兩側(cè)之 間的電勢差所造成的電荷分享。
也就是說，根據(jù)實施例，可以在諸如第一襯底100等硅襯底中形成代替 N+7P-阱結(jié)的P0/N-7P-阱結(jié)，使得在4晶體管(4-Tr )有源像素傳感器(APS) 復位操作期間，允許將正電壓施加至P0/N-7P-阱結(jié)的N-區(qū)143，并且將接地 電壓施加至PO區(qū)145和P-阱141。結(jié)果，就如在雙極結(jié)晶體管(BJT)結(jié)構(gòu) 中一樣，可以以預定電壓值或更高電壓而在P0/N-7P-阱雙結(jié)(double junction)中產(chǎn)生夾斷。這被稱作釘扎電壓。因此，在轉(zhuǎn)移晶體管(Tx) 121 的開/關(guān)運行期間，在轉(zhuǎn)移晶體管(Tx) 121兩側(cè)上的源極和漏極之間可以產(chǎn) 生電勢差以防止發(fā)生電荷分享現(xiàn)象。因此，與將光電二極管簡單連接至N+ 結(jié)的情況不同，根據(jù)實施例，可以避免諸如飽和度和靈敏度下降等不利結(jié)果。
可以在光電二極管和讀出電路之間形成第一導電類型連接區(qū)147，以提 供光電荷的快速移動路徑，使得暗電流源可以最小化，并且使飽和度和靈敏 度的下降最小化甚至得以避免。為此目的，可以形成用于歐姆接觸的第一導 電類型連接區(qū)147。例如，根據(jù)實施例可以在P0/N-7P-結(jié)140的表面上和/或 上方形成N+區(qū)147，并且可以將所形成的N+區(qū)147延伸穿過P0區(qū)145并接 觸N-區(qū)143。
為了防止第一導電類型連接區(qū)147成為泄漏源，可以最小化第一導電類 型連接區(qū)147的寬度。因此，根據(jù)實施例，在蝕刻第一金屬接觸件151a之 后，可以實施栓塞注入(plug implant)，但是還可以考慮其它技術(shù)。例如， 可先形成離子注入圖案，然后可使用所述離子注入圖案作為離子注入掩模來 形成第一導電類型連接區(qū)147。根據(jù)實施例，僅對接觸形成部進行N-型雜質(zhì)的局部和重摻雜的優(yōu)點是其 有利于形成歐姆接觸且最小化暗信號。相比之下，如果對整個轉(zhuǎn)移晶體管源 進行重摻雜，會因為硅表面懸掛鍵(danglingbond)而增加暗信號。
在第一襯底100上和/或上方可以形成層間電介質(zhì)160。然后，金屬互連 件150可以形成為延伸穿過層間電介質(zhì)160并電連接至第一導電類型連接區(qū) 147。金屬互連件150可以包括第一金屬接觸件151a、第一金屬151、第二 金屬152、第三金屬153以及第四金屬接觸件154a，但并不僅限于此。
如示例性圖2所示，可以在金屬互連件150上和/或上方形成上部金屬 170。例如，可以在第一層間電介質(zhì)160上和/或上方形成第二層間電介質(zhì)162， 然后可以在第二層間電介質(zhì)162中形成溝槽，以暴露金屬互連件150。此后， 可以填充溝槽以形成上部金屬170。具體而言，可以在第一層間電介質(zhì)160 上和/或上方沉積厚度范圍約為3000至5000埃(A)的電介質(zhì)，然后可以實 施溝槽光刻工藝(trench photo process)以在金屬互連件150上或上方形成溝 槽圖案。此后，可以使用諸如鉤(W)或鋁(Al)等填充溝槽，然后實施化 學機械拋光(CMP)以形成上部金屬170。此后，可以將所得的(resultant) 第一襯底接合至第二襯底以用作光電二極管。
上部金屬170和圖像傳感器件210之間的接合(bonding)使得兩個經(jīng)接 合的襯底之間的接觸面積最大化，從而接觸缺陷(contact failures)得以最小 化；并且改變了填充溝槽的金屬，從而與僅使用鎢(W)的接觸工藝相比， 可以最小化接觸缺陷。此外，由于第二層間電介質(zhì)16可以在第一層間電介 質(zhì)上和/或上方形成2，因此可以重復進行平坦化工藝，從而可以控制在用作 光電二極管(PD)的襯底的接合時所產(chǎn)生的任何空隙(voids)，這種空隙 的產(chǎn)生由于劃線通道(scribe lane)上的測試圖案或光鍵(photo key)引起的 高度差所導致，從而可以最小化諸如圖案裂紋(pattern cmck)等缺陷。
可選地，位于金屬互連件150上和/或上方的上部金屬170也可以使用其 它技術(shù)來形成。例如，可以在第一襯底100上或上方形成第一層間電介質(zhì)160， 然后可以在金屬互連件150上和/或上方形成金屬層。此后，可以選擇性地蝕 刻金屬層以形成連接至金屬互連件150的上部金屬170。此后，可以在上部 金屬170上和/或上方形成第二層間電介質(zhì)162，然后可以平坦化第二層間電 介質(zhì)162以暴露上部金屬170。
8如示例性圖4所示，可以在上部金屬170上和/或上方形成圖像傳感器件 210。例如，圖像傳感器件210可以在第二襯底的結(jié)晶半導體層中形成。圖 像傳感器件210可以包括高濃度第一導電類型導電層212、第一導電類型導 電層214和高濃度第二導電類型導電層216。例如，圖像傳感器件210可以 包括N+層212、 N-層214和P+層216。 N+層212能夠有助于歐姆接觸。由 于第一導電類型導電層214可以比高濃度第二導電類導電層216厚，因此用 于捕獲光電子的容量可以最大化。然后可以實施蝕刻工藝，分離用于每個單 元像素的圖像傳感器件210。然后可以用像素間(interpixel)電介質(zhì)填充經(jīng) 蝕刻的部分。
示例性圖5為根據(jù)實施例的圖像傳感器的剖視圖。如示例性圖5所示， 由于上部金屬172形成為其寬度實際上與用于每個單元像素的經(jīng)分隔的圖像 傳感器件的寬度相同，因此實施例可最大化電接觸力。
示例性圖6為根據(jù)實施例的圖像傳感器的剖視圖，并且示出了其上方形 成有金屬互連件150的第一襯底的局部剖視圖。如示例性圖6所示，根據(jù)實 施例的圖像傳感器可以包括讀出電路120，形成在第一襯底100上和/或上 方；第一層間電介質(zhì)160，形成在第一襯底100上和/或上方；金屬互連件150， 形成在層間電介質(zhì)160中并電連接至讀出電路120;上部金屬170，形成在 金屬互連件150上和/或上方；以及圖像傳感器件210，形成在上部金屬170 上和/或上方。
如示例性圖6所示，實施例可以包括上部金屬，其設置在金屬互連件和 圖像傳感器件之間(interposed)，以增加金屬接觸面積，從而最小化物理接 觸缺陷和電接觸的缺陷。此外，在轉(zhuǎn)移晶體管(Tx)兩側(cè)的源極和漏極之間 存在電勢差，從而可以完全地傾注光電荷。此外，可以在光電二極管和讀出 電路之間形成電荷連接區(qū)以提供光電荷的快速移動路徑，從而最小化暗電流 源，并且可以使飽和度和靈敏度的下降最小化甚至得以避免。
根據(jù)示例性圖6，可以在電結(jié)區(qū)140的一側(cè)的上和/或上方側(cè)向間隔地形 成第一導電類型連接區(qū)148。可選地，可以在P0/N-7P-結(jié)140上和/或上方形 成用于歐姆接觸的N+連接區(qū)域148。
由于器件可以根據(jù)施加至PO/N-ZP-結(jié)140的反向偏壓而運行，并由此而 在Si表面上和/或上方產(chǎn)生電場(EF)，因此形成N+連接區(qū)148和M1C接觸件151a的工藝可以提供泄漏源。在接觸件形成工藝期間產(chǎn)生于電場內(nèi)部 的晶體缺陷(crystal defect)可以作為泄漏源。并且，隨著N+連接區(qū)148形 成在P0/N-7P-結(jié)140表面上和/或上方，因為N+/PO結(jié)148/145而產(chǎn)生電場。 這樣的電場也可以作為泄漏源。因此，根據(jù)實施例，可以采取以下的這種布 局，其中第一接觸栓塞151a可以形成在有源區(qū)中，其中所述有源區(qū)未摻雜 PO層，而是包括N+連接區(qū)148，并且可以將第一接觸栓塞151a連接至N-結(jié)143。因此，根據(jù)實施例，在Si表面上和/或上方可以不產(chǎn)生電場，這樣可 有助于減少3D集成CIS的暗電流。
盡管實施例一般涉及互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器，但 這些實施例不僅局限于CMOS圖像傳感器，而是可以很容易地應用于任何一 種需要光電二極管的圖像傳感器。
本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然可以對公開的實施例進行各種修改和改變。因此， 公開的實施例能夠涵蓋明顯的修改和改變，并落在所附權(quán)利要求及其等效替 換的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種圖像傳感器，包括讀出電路，位于第一襯底上方；第一層間電介質(zhì)，位于所述第一襯底上方；金屬互連件，形成在所述第一層間電介質(zhì)中并且與所述讀出電路電耦合；上部金屬，位于所述金屬互連件上方；以及，圖像傳感器件，位于所述上部金屬上方。
2. 如權(quán)利要求l所述的圖像傳感器，包括第二層間電介質(zhì)，位于所述第一層間電介質(zhì)上方并且位于所述圖像傳感器件和所述金屬互連件之間。
3. 如權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中所述第一襯底包括與所述讀出電路電耦合的電結(jié)區(qū)。
4. 如權(quán)利要求3所述的圖像傳感器，其中所述電結(jié)區(qū)包括第一導電類型離子注入?yún)^(qū)，位于所述第一襯底中；以及，第二導電類型離子注入?yún)^(qū)，位于所述第一導電類型離子注入?yún)^(qū)上方。
5. 如權(quán)利要求3所述的圖像傳感器，其中所述讀出電路包括晶體管，使得所述晶體管兩側(cè)的源極和漏極之間存在電勢差。
6. 如權(quán)利要求3所述的圖像傳感器，其中所述電結(jié)區(qū)包括PN結(jié)。
7. 如權(quán)利要求3所述的圖像傳感器，包括第一導電類型連接區(qū)，位于所述電結(jié)區(qū)和所述金屬互連件之間。
8. 如權(quán)利要求7所述的圖像傳感器，其中所述第一導電類型連接區(qū)與所述金屬互連件電耦合。
9. 如權(quán)利要求7所述的圖像傳感器，其中所述第一導電類型連接區(qū)形成為與所述電結(jié)區(qū)間隔開，并且所述第一導電類型連接區(qū)與所述金屬互連件電親合。
10. 如權(quán)利要求l所述的圖像傳感器，其中所述圖像傳感器件包括第一導電類型導電層和位于所述第一導電類型導電層上方的第二導電類型導電層，其中所述第一導電類型導電層比所述第二導電類型導電層厚。
11. 一種圖像傳感器的制造方法，包括以下步驟在第一襯底上方形成讀出電路； 在所述第一襯底上方形成第一層間電介質(zhì)； 在所述第一層間電介質(zhì)上方形成金屬互連件； 在所述金屬互連件上方形成上部金屬；以及， 在所述上部金屬上方形成圖像傳感器件。
12. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其中形成所述上部金屬的步驟包括 在所述第一層間電介質(zhì)上方形成第二層間電介質(zhì)； 在所述第二層間電介質(zhì)中形成溝槽，使得所述金屬互連件暴露；以及， 填充所述溝槽以形成所述上部金屬。
13. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其中形成所述上部金屬的步驟包括 在所述金屬互連件上方形成金屬層； 通過選擇性地蝕刻所述金屬層，形成所述上部金屬； 在所述上部金屬上方形成第二層間電介質(zhì)；以及， 平坦化所述第二層間電介質(zhì)以暴露所述上部金屬。
14. 如權(quán)利要求ll所述的方法，包括以下步驟 形成與所述讀出電路電耦合的電結(jié)區(qū)。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中形成所述電結(jié)區(qū)的步驟包括-在所述第一襯底中形成第一導電類型離子注入?yún)^(qū)； 在所述第一導電類型離子注入?yún)^(qū)上方形成第二導電類型離子注入?yún)^(qū)。
16. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述讀出電路包括 晶體管，使得所述晶體管兩側(cè)的源極和漏極之間存在電勢差。
17. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述電結(jié)區(qū)包括PN結(jié)。
18. 如權(quán)利要求14所述的方法，包括以下步驟 在所述電結(jié)區(qū)和所述金屬互連件之間形成第一導電類型連接區(qū)。
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述第一導電類型連接區(qū)與所述金 屬互連件電耦合。
20. 如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述第一導電類型連接區(qū)形成為與所述電結(jié)區(qū)間隔開，并且所述第一導電類型連接區(qū)與所述金屬互連件電耦 合。
全文摘要
本發(fā)明公開一種圖像傳感器，包括讀出電路、第一襯底、第一層間電介質(zhì)、金屬互連件、上部金屬、以及圖像傳感器件。讀出電路形成在第一襯底上和/或上方，以及第一層間電介質(zhì)形成在第一襯底上和/或上方。金屬互連件形成在層間電介質(zhì)中并將其電連接至讀出電路。上部金屬形成在金屬互連件上和/或上方以及圖像傳感器件形成在上部金屬上和/或上方。通過本發(fā)明公開的圖像傳感器的制造方法可以最大化在圖像傳感器和金屬互連件之間的物理接合力和電接合力，可以最小化電荷分享的發(fā)生而最大化填充系數(shù)，并且可以最小化暗電流源以及最小化飽和度和靈敏度的下降。
文檔編號H01L27/146GK101471373SQ200810189538
公開日2009年7月1日 申請日期2008年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月27日
發(fā)明者張貞烈, 玄祐碩 申請人:東部高科股份有限公司