專利名稱：圖像傳感器及其制造方法
圖像傳感器及其制造方法
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)體器件。圖像傳感
器被大致分類為電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器或互補(bǔ)金屬氧化物半 導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器(CIS)。
在相關(guān)技術(shù)的CIS中，光電二極管是使用離子注入在具有讀出電路 的J^L中形成的。由于為了增加像素?cái)?shù)量而不增加芯片尺寸起見，光電二 極管的尺寸日益減小，因此光接收部分的面積減小，從而降低了圖像質(zhì)量。
此外，由于堆積高度并未降低到如同光接收部分的面積的減少一樣的 程度，因此入射到光接收部分的光子數(shù)量也由于被稱為艾里斑(airy disk) 的光衍射而減少。
作為用于克服該缺陷的替代方案，已經(jīng)進(jìn)行了這樣的嘗試(被稱為"三 維(3D)圖像傳感器")使用非晶硅(Si)來形成光電二極管，或者在硅 (Si)14l上形成讀出電路，并使用諸如晶片-晶片#^之類的方法在讀 出電路上形成光電二極管。光電二極管通過互連連接而與讀出電路連接。
同時(shí)，根據(jù)相關(guān)技術(shù)，在像素之間存在干擾問題。
此夕卜，根據(jù)相關(guān)技術(shù)，由于在轉(zhuǎn)移晶體管兩側(cè)的源極和漏極均大量摻 雜有N型雜質(zhì)，因此發(fā)生了電荷共享現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生電荷共享現(xiàn)象時(shí)，輸 出圖4象的靈^t度降低，并且可能產(chǎn)生圖像M。
此外，根據(jù)相關(guān)技術(shù)，由于光電荷不容易在光電二極管與讀出電3Ml 間移動，因此，產(chǎn)生了暗電流，或者降低了飽和度和靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例提供了 一種圖像傳感器及其制造方法，該圖像傳感器 可以防止像素間的干擾問題，同時(shí)可以提高填充系數(shù)。
實(shí)施例還提供了 一種圖像傳感器及其制造方法，該圖像傳感器可以減 少電荷共享的發(fā)生，同時(shí)可以提高填充系數(shù)。
實(shí)施例還提供了一種圖像傳感器及其制造方法，該圖像傳感器可以通 過提供光電荷在光電二極管和讀出電^間的快速移動路徑，來最小化暗 電流源以及防止飽和度和靈敏度的降低。
在一個實(shí)施例中， 一種圖像傳感器可以包括包括讀出電路和互連連 接的第一基板；在所述互連連接上的圖像感測器件；以及在像素之間的邊 界上的光屏蔽層。
在另一實(shí)施例中， 一種用于制造圖像傳感器的方法可以包括在第一 基&上形成讀出電路和互連連接；在第二基&中形成圖像感測器件；在所 述圖像感測器件中形成溝槽；在所述溝槽的表面上形成第二導(dǎo)電型離子注 入層；在所述第二導(dǎo)電型離子注入層上形成光屏蔽層；將第一J41與第二 基板相接合，其中所述互連連接與所述圖像感測器件相連通 (correspond);以及選擇性地去除第二14l的一部分，以使得所述圖像 感測器件保留在第 一基&上。
在附圖和下面的描述中提供了一個或更多個實(shí)施例的細(xì)節(jié)。從該描述 和附圖以及權(quán)利要求來看，其它的特征將會是顯而易見的。


圖l是根據(jù)實(shí)施例的圖像傳感器的橫斷面視圖2-9是根據(jù)實(shí)施例的用于制造圖4象傳感器的方法的橫斷面視圖IO是根據(jù)另一實(shí)施例的圖像傳感器的橫斷面視圖ll是根據(jù)還有的另一實(shí)施例的圖像傳感器的橫斷面視圖。
具體實(shí)施例方式
在下文中，參照附圖描述了圖像傳感器及其制造方法的實(shí)施例。
在對實(shí)施例的描述中，應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)層(或膜)被稱為在另一層或基 板"上"時(shí)，該層(或膜)可以直接在另一層或基板上，或者也可能存在 中間層。此外，應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)層被稱為在另一層"下方，，時(shí)，該層可以直 接在另一層下方，或者也可能存在一個或更多個中間層。此外，還應(yīng)當(dāng)理 解，當(dāng)層被稱為在兩層"之間"時(shí)，該層可以是這兩層之間的唯一層，或 者也可能存在一個或更多個中間層。
應(yīng)當(dāng)注意，本公開并不限定于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像 傳感器，而是可以容易地應(yīng)用于任何需要光電二極管的圖像傳感器。
參照圖l， 一種圖4象傳感器可以包括包括讀出電路(未示出)和互 連連接150的第一基&100;在互連連接150上的圖像感測器件210;以 ^LjM象素之間的邊界上的光屏蔽層222。
圖像感測器件210可以是(但不限于)光電二極管。例如，圖像感測 器件210可以是光柵或是光電二極管和光柵的組合。同時(shí)，盡管實(shí)施例描 述了光電二極管210在晶體半導(dǎo)體層中形成，但是所述光電二極管并不限 于此，而是可以在非晶半導(dǎo)體層中形成。
尚未說明的圖1中的附圖標(biāo)記在下面的制造方法中描述。
在下文中，參照圖2至9描述了根據(jù)實(shí)施例的用于制造圖像傳感器的 方法。
圖2是圖像傳感器的簡要的橫斷面視圖，其示出了包括互連連接150 的第一M 100。圖3是該圖像傳感器的一個實(shí)施例的詳細(xì)的橫斷面視圖， 其示出了包括讀出電路120和互連連接150的第一基敗100?，F(xiàn)在將描述 如圖3所示的根據(jù)實(shí)施例的圖像傳感器。
制備了在其中形成有互連連接150和讀出電路120的第一J4！ 100。 例如，參照圖3,可以在第二導(dǎo)電型的第一基^100中形成器件絕緣層IIO， 以便限定有源區(qū)。然后可以在該有源區(qū)中形成包括晶體管的讀出電路 120。例如，讀出電路120可以包括轉(zhuǎn)移晶體管Tx 121、復(fù)位晶體管Rx123、 驅(qū)動晶體管Dxl25以及選擇晶體管Sx127。然后，可以形成浮動擴(kuò)散區(qū) FD 131以及包括各個晶體管的源^l/漏極區(qū)133、 135和137的離子注入?yún)^(qū) 130。此外，根據(jù)實(shí)施例，可以添加噪聲消除電路(未示出)以改進(jìn)靈敏 度。
第一141100上形成讀出電路120， 電結(jié)區(qū)(electrical junction region ) 140， 連接150連接的第一導(dǎo)電型連接區(qū)147。
可包括在第一J41100中形成 以及在電結(jié)區(qū)140上形成與互連
電結(jié)區(qū)140可以是(但不限于)PN結(jié)140。例如，電結(jié)區(qū)140可包 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、以及在第一導(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，所述PN結(jié)140可以是(但不限于)如圖3所示的 P0(145)/N-(143)/P-(141)結(jié)。在某些實(shí)施例中，第一基板100可以是第二
導(dǎo)電型M。
根據(jù)實(shí)施例，器件被設(shè)計(jì)成使得在轉(zhuǎn)移晶體管Tx兩側(cè)的源極和漏極 之間存在電勢差，以使光電荷可以被充分地轉(zhuǎn)儲(dump )。因此，從光電 二極管產(chǎn)生的光電荷被充分地轉(zhuǎn)儲到浮動擴(kuò)散區(qū)5使得能夠改進(jìn)輸出圖像 的靈敏度。
換言之，根據(jù)實(shí)施例，在形成有讀出電路120的第一基板IOO中形成 電結(jié)區(qū)140,以允許在轉(zhuǎn)移晶體管Tx 121的源極和漏極之間產(chǎn)生電勢差， 從而使得光電荷可以被充分地轉(zhuǎn)儲。
在下文中，詳細(xì)描述了才艮據(jù)實(shí)施例的光電荷轉(zhuǎn)儲結(jié)構(gòu)。
與作為N+結(jié)的浮動擴(kuò)散FD131的節(jié)點(diǎn)不同，作為電結(jié)區(qū)140、并且 所施加的電壓未被充分傳輸給其的PNP結(jié)140在預(yù)定電壓時(shí)被夾斷。該 電壓被稱為阻塞電壓(pinning voltage )，其取決于P0區(qū)145和N-區(qū)143 的摻雜濃度。
具體地，從光電二極管210產(chǎn)生的電子移動到PNP結(jié)140，并且在 轉(zhuǎn)移晶體管Tx 121被接通時(shí)被轉(zhuǎn)移到浮動擴(kuò)散FD 131的節(jié)點(diǎn)并被轉(zhuǎn)換成 電壓。
由于P0/N-ZP-結(jié)140的最大電壓值變成阻塞電壓，并且浮動擴(kuò)散FD 131的節(jié)點(diǎn)的最大電壓值變成Vdd-Rx 123的閾值電壓Vth,因此，通過 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移晶體管Tx 131的兩側(cè)之間的電勢差，可以將從芯片上部中的光 電二極管210產(chǎn)生的電子充分轉(zhuǎn)儲到浮動擴(kuò)散FD 131的節(jié)點(diǎn)而不會產(chǎn)生 電荷共享。
換言之,根據(jù)實(shí)施例，在第一基fcl 100中形成P0/N-ZP-阱結(jié)而非N+/P-阱結(jié)，以允許在4-Tr有源像素傳感器(APS )復(fù)位^Mt期間向該P(yáng)0/N-/P-阱結(jié)的N-區(qū)143施加+電壓、以及向PO 145和P-阱141施加地電壓，從 而使得如同在雙極結(jié)晶體管(BJT)結(jié)構(gòu)中一樣地、在預(yù)定電壓或預(yù)定電 壓以上時(shí)在該？0^-^-阱雙結(jié)處產(chǎn)生夾斷。該電壓被稱為阻塞電壓。因此， 在轉(zhuǎn)移晶體管Tx 121的源極和漏極之間產(chǎn)生了電勢差，以防止在轉(zhuǎn)移晶 體管Tx的通/斷操作期間的電荷共享現(xiàn)象。
因此，不同于相關(guān)技術(shù)中的將光電二極管簡單地與N+結(jié)連接的情形， 根據(jù)上述實(shí)施例，諸如飽和度降低和靈敏度降低之類的缺陷可以被避免。
在形成？0/]\-^-結(jié)140之后，可以在光電二極管和讀出電路之間形成 第一導(dǎo)電型連接區(qū)147，以提供光電荷的快速移動路徑，從而使暗電流源
被最小化，并且可以防止飽和度降低和靈敏度降低。
為此目的，可以在P0/N-ZP-結(jié)140的表面上形成用于歐^f接觸的第一 導(dǎo)電型連接區(qū)147。N+區(qū)147可被形成為穿過PO區(qū)145并接觸N-區(qū)143。
同時(shí)，為了防止第一導(dǎo)電型連接區(qū)147變成泄漏源，可以最小化第一 導(dǎo)電型連接區(qū)147的寬度。為此目的，在一個實(shí)施例中，可以在蝕刻了用 于第一金屬接觸部151a的通孔之后執(zhí)行插塞注入。然而，實(shí)施例不局限 于此。例如，可以形成離子注入圖案(未示出)，然后可以使用離子注入 圖案作為離子注入掩膜來形成第一導(dǎo)電型連接區(qū)147。
換言之，在上述實(shí)施例中僅M接觸形成部分使用N型雜質(zhì)來進(jìn)行 局部大量摻雜的原因是為了在最小化暗信號的同時(shí)有利于歐姆接觸形成。 在對整個轉(zhuǎn)移晶體管源極進(jìn)行大量摻雜的情況下，暗信號可能經(jīng)由Si表 面不飽和鍵而增大。
可以在第一基板100上形成層間電介質(zhì)160，并且可以形成互連連接 150?；ミB連接150可以包括(但不限于)第一金屬接觸部151a、第一金 屬151、第二金屬152、第三金屬153以及第四金屬接觸部154a。
可以使用如圖4所示的離子注入方法在第二基板200上的晶體半導(dǎo)體 層中形成光電二極管210。例如，可以在晶體半導(dǎo)體層的下部中形成第二 導(dǎo)電型導(dǎo)電層216。然后，可以在第二導(dǎo)電型導(dǎo)電層216上形成第一導(dǎo)電 型導(dǎo)電層214。
接下來，參照圖5，可以在光電二極管210中形成溝槽T。溝槽T可 以位于像素之間的邊界處，以防止干擾。
接下來，可以在溝槽T的表面上形成第二導(dǎo)電型離子注入層221。例 如，可以通過高摻雜的P型離子注入而在溝槽T的表面上形成第二導(dǎo)電 型離子注入層221 (P+)。
根據(jù)實(shí)施例，可以通過在光電二極管210與光屏蔽層222之間形成第 二導(dǎo)電型離子注入層221,來防止電子或空穴的干擾，同時(shí)還可以通過第 二導(dǎo)電型離子注入層221而實(shí)現(xiàn)電絕緣。
接下來，可以通過在溝槽中的第二導(dǎo)電型離子注入層221上形成金屬 屏蔽層，來在第二導(dǎo)電型離子注入層221上形成光屏蔽層222。例如，可 以通過在溝槽T上的P+層221上形成不透明金屬屏蔽層來形成光屏^i: 222。然后，可以通過CMP或內(nèi)蝕刻來平坦化M^i:222。
接下來，參照圖7，將第一ai00與第二l^L200相^，以使得 光電二極管210與互連連接150相連通。在這點(diǎn)上，在將第一^S4SL 100與 第二^L200相互^之前，可以通過經(jīng)由等離子體的激活而增加^^ 的表面的表面能來執(zhí)行所述掩^。在某些實(shí)施例中，可以使用布置在^ 界面上的電介質(zhì)或金屬層來執(zhí)行所述掩^，以改4#^力。
此外，不需要在光屏蔽層222與互連連接150之間進(jìn)行對準(zhǔn)。
接下來，可以使用刀片或通過減薄來去除第二基板200的一部分，以 4吏得光電二極管210可以如圖8所示地露出。
同時(shí)，在另一實(shí)施例中，光屏蔽層222和第二導(dǎo)電型離子注入層221 可以在第一^i^1100與第二^41200的^^之后形成。
在去除所述第二141200的一部分之后，可以針對每單位像素而執(zhí)行 分離光電二極管的蝕刻。然后，可以用像素間電介質(zhì)(未示出)來填充被 蝕刻的部分。
接下來，參照圖9，可以執(zhí)行用于形成上部電極240和濾色片(未示 出)的工藝。
圖IO是根據(jù)另一實(shí)施例的圖像傳感器的橫斷面視圖。 本實(shí)施例可以釆用前述實(shí)施例的技術(shù)特征。
同時(shí)，根據(jù)該實(shí)施例，可以在形成溝槽之前在第一導(dǎo)電型導(dǎo)電層214 上形成高濃度的第一導(dǎo)電型導(dǎo)電層212。例如，還可以通過無掩膜地在第 二l板200的整個表面上執(zhí)行表面層離子注入，來在第一導(dǎo)電型導(dǎo)電層 214上形成高濃度的N+型導(dǎo)電層212。
圖ll是根據(jù)另一實(shí)施例的圖像傳感器的橫斷面視圖，并且詳細(xì)示出 了包括互連連接150的第一基&。
根據(jù)實(shí)施例的圖像傳感器可以包括如圖11所示的、包M出電路120 和互連連接150的第一a 100。這些結(jié)構(gòu)可以用于代替參照圖3所描繪 的結(jié)構(gòu)。
本實(shí)施例可以采用前述實(shí)施例的技術(shù)特征。
同時(shí)，不同于參照圖3所描述的實(shí)施例，第一導(dǎo)電型連接區(qū)148被形 成在電結(jié)區(qū)140的一側(cè)。
根據(jù)實(shí)施例，用于歐姆接觸的N+連接區(qū)148可以被形成為接近于
0/1\-/^-結(jié)140。在這點(diǎn)上，由于器件工作在向？0/1^-/ -結(jié)140上施加反 向偏壓的情況下，因此形成N+連接區(qū)148和MlC接觸部151a的工藝可 能提供泄漏源，從而可以在Si表面上產(chǎn)生電場EF。這是由于在電場內(nèi)在 接觸形成工藝期間產(chǎn)生的晶體缺陷充當(dāng)泄漏源而發(fā)生的。
此夕卜，在N+連接區(qū)148被形成在P0/N-ZP-結(jié)140的表面上的情況下， 增添了由于N+/P0結(jié)148/145而導(dǎo)致的電場。該電場也充當(dāng)了泄漏源。
因此，具有在未摻雜有P0層但包括N+連接區(qū)148的有源區(qū)中形成 第一接觸插塞151a的布置(layout )。該第一接觸插塞151a經(jīng)由N+連接 區(qū)148與N-結(jié)143連接。
才艮據(jù)該實(shí)施例，在Si表面上未產(chǎn)生電場。此外，可以減少3D集成 CIS的暗電流。
本說明書中對"一個實(shí)施例"、"實(shí)施例"、"示例實(shí)施例"等等的任何 引用意味著結(jié)合該實(shí)施例而描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性被包括在本發(fā)明 的至少一個實(shí)施例中。這種措辭在本i兌明書中各處的出現(xiàn)并不一定都指的 是同一實(shí)施例。此外，在結(jié)合任意實(shí)施例描述了特定特征、結(jié)構(gòu)或特性時(shí)， 認(rèn)為結(jié)合其它實(shí)施例來實(shí)現(xiàn)這種特征、結(jié)構(gòu)或特性是在本領(lǐng)域的技術(shù)人員 的能力范圍之內(nèi)的。
盡管已經(jīng)參照實(shí)施例的諸多示例性實(shí)施方式來描述了實(shí)施例，但是， 應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以想到落入4^>開的原理的精神和范圍之 內(nèi)的、大量其它的修改和實(shí)施方式。更具體地，可以在本公開、附圖和所 附的權(quán)利要求的范圍之內(nèi)、在主題組合布置的部件和/或布置中進(jìn)行各種 變化和修改。除了在部件和/或布置中的變化和修改之外，替代的用途對 于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言也將是顯而易見的。
權(quán)利要求
1. 一種圖像傳感器，包括:第一基板，其包括讀出電路和互連連接；在所述互連連接上的圖像感測器件；以及在所述圖像感測器件的在像素之間的邊界上的部分中的光屏蔽層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，還包括在光屏蔽層的兩側(cè) 的第二導(dǎo)電型離子注入層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中所述光屏蔽層包括不透 明金屬屏蔽層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，還包括在第一基&中將所 述互連連接與所述讀出電路電連接的電結(jié)區(qū)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像傳感器，其中所述電結(jié)區(qū)包括 在第-"i^l中的第一導(dǎo)電型離子注入?yún)^(qū)；以及 在第一導(dǎo)電型離子注入?yún)^(qū)上的第二導(dǎo)電型離子注入?yún)^(qū)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像傳感器，其中所述電結(jié)區(qū)提供了在所 述讀出電路的晶體管的兩側(cè)的漏極與具有所述電結(jié)區(qū)的源極之間的電勢 差。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖傳_傳感器，其中所述電結(jié)區(qū)包括PN結(jié)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像傳感器，還包括在所述電連接區(qū)與 所述互連連接之間的第 一導(dǎo)電型連接區(qū)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的圖像傳感器，其中所述第一導(dǎo)電型連接區(qū) 包括在所述電結(jié)區(qū)上與所述互連連接電連接的第一導(dǎo)電型連接區(qū)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的圖像傳感器，其中所述第一導(dǎo)電型連接區(qū) 包括在所述電結(jié)區(qū)的 一側(cè)與所述互連連接電連接的第 一導(dǎo)電型連接區(qū)。
11. 一種用于制造圖像傳感器的方法，所述方法包括 在第-"i4l中形成讀出電路和互連連接； 在第二J41中形成圖像感測器件； 在所述圖像感測器件中形成溝槽； 在所述溝槽的表面上形成第二導(dǎo)電型離子注入層；在所述第二導(dǎo)電型離子注入層上的溝槽中形成光屏蔽層；將第一基板與第二141相掩^，其中所述互連連接與所述圖像感測器 件相連通；以及選擇性地去除第二基板，以使得所述圖像感測器件保留在所述第一基 板上。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述光屏蔽層包括不透明金
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述光屏蔽層被形成在像素 之間的邊界上，以及其中所述第二導(dǎo)電型離子注入層被形成在所述光屏蔽 層的兩側(cè)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括在第一基fcl中形成與所 述讀出電路電連接的電結(jié)區(qū)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中形成電結(jié)區(qū)包括 在第一M中形成第一導(dǎo)電型離子注入?yún)^(qū)；以及 在所述第一導(dǎo)電型離子注入?yún)^(qū)上形成第二導(dǎo)電型離子注入?yún)^(qū)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述電結(jié)區(qū)被形成以提供在 所述讀出電路的晶體管的兩側(cè)的漏極與具有所述電結(jié)區(qū)的源極之間的電 勢差。
17. 根據(jù)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. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括在所述電結(jié)區(qū)與所述互 連連接之間形成第 一導(dǎo)電型連接區(qū)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述第一導(dǎo)電型連接區(qū)包括 在所述電結(jié)區(qū)上與所述互連連接電連接的第一導(dǎo)電型連接區(qū)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述第一導(dǎo)電型連接區(qū)包括 在所述電結(jié)區(qū)的一側(cè)與所述互連連接電連接的第一導(dǎo)電型連接區(qū)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種圖像傳感器及其制造方法。所述圖像傳感器可以包括第一基板、圖像感測器件以及光屏蔽層。所述第一基板包括讀出電路和互連連接。所述圖像感測器件被形成在所述互連連接上。所述光屏蔽層被形成在所述圖像感測器件的在像素之間的邊界上的部分中。
文檔編號H01L27/146GK101383368SQ200810215648
公開日2009年3月11日 申請日期2008年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月7日
發(fā)明者俊 黃 申請人:東部高科股份有限公司