專利名稱：圖像傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
4^>開涉及圖像傳感器以及用于制造該圖像傳感器的方法.
背景技術(shù)：
困像傳感器是用于將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的半導(dǎo)體器件。圖像傳感器
可以被分為電荷耦合器件(CCD )圖像傳感器和互3hir屬氧化物(CMOS ) 圖像傳感器(CIS)。
在圖像傳感器的制作過程中，可以使用離子注入在襯底中形成光電二 極管，由于為了增加像素?cái)?shù)量而不增加芯片尺寸的目的而使光電二極管的 尺寸變小，所以光接收部的面積也隨之減小，從而導(dǎo)致圖像質(zhì)量的下降。
此外，由于堆疊高度沒有像光接收部的面積減小一樣減小那么多，所 以入射到光接收部的光子的數(shù)量也由于被稱作艾里斑(Airy disk)的光的 ^f射而減少。
作為克服這種P艮制的可選辦法，已經(jīng)試圖使用非晶硅(Si)來形成光 電二極管，或者使用諸如晶片間結(jié)合(wafer-to-wafer bonding)的方法來 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4 管(稱為三維(3D)圖4象傳感器).
在相關(guān)技術(shù)中，在3D圖像傳感器的制造過程中通過金屬線來連接光 電二極管和讀出電路.在光電二極管和讀出電路結(jié)合之前在金屬線上方形 成鴒插塞(W插塞)。因此，與光電4管的結(jié)合面積由于在鴒CMP處 理中生成的CMP凹陷而減小，這導(dǎo)致結(jié)合效率的劣化.因此，存在由于 讀出電路的金屬線和光電二極管之間的較差接觸而對獲取歐姆接觸的限 制。
此夕卜，在相關(guān)技術(shù)中，存在對包M出電路的下襯底的接觸插塞與光 電二極管的金屬之間的較差結(jié)合強(qiáng)度的限制。
由于在相關(guān)技術(shù)中的轉(zhuǎn)移晶體管兩側(cè)的源極和漏極被重?fù)诫s有N型 雜質(zhì)，所以發(fā)生電荷共享現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生電荷共享現(xiàn)象時(shí)，輸出圖像的靈敏度降低，并且會產(chǎn)生圖像誤差。此外，由于光電荷不容易在光電二極管與 讀出電洛之間移動(dòng)，所以生成暗電流和/或降低了飽和度和靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容
實(shí)施例提供了 一種圖像傳感器及其制造方法，該圖像傳感器能夠通過
減少圖像感測器件與互連件(interconnection)的接觸插塞之間的接觸面 凹陷來獲得互連件和圖像感測器件之間的歐姆接觸。
另一實(shí)施例提供了一種圖像傳感器及其制造方法，該圖像傳感器能夠 增加下襯底的接觸插塞與上襯底的圖像感測器件之間的結(jié)合強(qiáng)度。
實(shí)施例還提供了一種圖像傳感器及其制造方法，其中，不會發(fā)生電荷 共享同時(shí)增加填充因數(shù).實(shí)施例還提供了一種圖像傳感器及其制造方法， 該圖像傳感器能夠通過在光電二極管與讀出電漆之間形成光電荷的平滑 轉(zhuǎn)移路徑來使暗電流源最小并抑制飽和度的降低和靈氣變的劣化。
在一個(gè)實(shí)施例中，圖像傳感器包括讀出電路，在第一襯底中；互連 件，在第一襯底上方電連接至讀出電路；接觸插塞，在互連件上方，在其 上側(cè)中部分地包括絕緣層；以及圖傳"感測器件，在接觸插塞上方。
在另一個(gè)實(shí)施例中，圖傳>降感器的制造方法包括在第一襯底中形成 讀出電路；在第一襯底上方形成連接至讀出電路的互連件；在互連件上方 形成在其上部中部分地包括絕緣層的接觸插塞；以及在接觸插塞上方形成 圖像感測器件。
在以下的附圖和描述中闡述一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的細(xì)節(jié)。其他特征將根 據(jù)描述和附圖以及權(quán)利要求而變得清楚。


圖l是示出根據(jù)實(shí)施例的圖像傳感器的截面圖。
圖2至圖8是示出根據(jù)第一實(shí)施例的困像傳感器的制造方法的截面圖。
圖9是示出根據(jù)第二實(shí)施例的圖像傳感器的示圖.具體實(shí)施方式
以下，將參照附圖描述圖像傳感器及其制造方法。
在實(shí)施例的描述中，應(yīng)該理解，當(dāng)提到層(或膜)在另 一層或襯底"上" 時(shí)，其可以直接在另一層或襯底上，或者可以存在中間插入層。此外，應(yīng) 該理解，當(dāng)提到層在另一層"下方"時(shí)，其可以直接在另一層的下方，并 且也可以存在一個(gè)或多個(gè)中間插入層。此外，還應(yīng)該理解，當(dāng)提到層在兩 層"之間"時(shí)，可以在這兩層之間僅有該層，或者還可以存在一個(gè)或多個(gè) 中間插入層。
圖l是示出根據(jù)實(shí)施例的圖像傳感器的截面圖，在示出的實(shí)施例中，
第一襯底100其上設(shè)置有圖像感測器件210。圖^象感測器件210經(jīng)由互連 件150和在圖像感測器件210與互連件150之間的接觸插塞170電連接到 在第一襯底中的讀取電路，其中接觸插塞170在該接觸插塞170的上側(cè)部 中部分地包括絕緣層l卯。圖2B示出了根據(jù)第一實(shí)施例的第一襯底的詳 細(xì)示圖。
根據(jù)實(shí)施例，圖像傳感器可包括讀出電路120，設(shè)置在笫一襯底100 中；互連件150,設(shè)置在第一襯底100上方，電連接至讀出電路120;接 觸插塞170，在其上側(cè)中部分地包括絕緣層l卯，并設(shè)置在互連件150上 方；以及圖像感測器件210，設(shè)置在接觸插塞170上方。
圖像感測器件210可以是光電二極管，但不限于此，而是可以是光門 (photogate)，或者是光電^L管和光門的組合。實(shí)施例包括以晶體半導(dǎo) 體層形成的圖^f象感測器件210作為實(shí)例。然而，實(shí)施例不限于于此，可以 包括以非晶半導(dǎo)體層形成的光電二極管。
在圖1中未進(jìn)行解釋的參考標(biāo)號將參照以下示出圖像傳感器的制造 方法的附圖進(jìn)行描述。
在根據(jù)實(shí)施例的圖像傳感器及其制造方法中，以金屬鑲嵌 (damascene)形式設(shè)置用于處于上部的圖像感測器件與處于下部的讀出 電漆t(yī)間的連接的互連件的接觸插塞。這里，接觸插:g^面中的區(qū)域被回 蝕(etchback)并填充有絕緣層，從而減少了插塞的平面化處理中的凹陷現(xiàn)象。因此，由于結(jié)合效率的提高而可以獲得互連件和圖^測器件之間 的歐姆接觸。
在實(shí)施例中，可以通過在下襯底的接觸插塞的部分表面處包括絕緣層 來增加接觸插塞和圖像感測器件之間的結(jié)合強(qiáng)度.
在實(shí)施例中，可以將圖像傳感器設(shè)計(jì)為在轉(zhuǎn)移晶體管(Tx)的源極 和漏極之間提供電位差，從而能夠進(jìn)行光電荷的完全傾卸(full dumping )。 在實(shí)施例中，在光電二極管和讀出電3ML間形成電荷連接區(qū)域，以創(chuàng)建光 電荷的平滑轉(zhuǎn)移路徑，從而使暗電流源最小并抑制飽和度的降低和靈敏度 的劣化.
以下，將參照圖2至圖8描述根據(jù)第一實(shí)施例的圖像傳感器的制造方法。
參照圖2A，可制備具有連接到讀出電路的互連件150的第一襯底 100.如圖2B所示，制備包括互連件150和讀出電路120的第一襯底100。 圖2B是示出具有互連件150和讀出電路120的笫一襯底的詳細(xì)示圖。以 下，將參照圖2B進(jìn)行詳細(xì)描述，
參照圖2B,制備形成有互連件150和讀出電路120的第一襯底100。 例如，通過在第一襯底100中形成器件分離層110來限定有源區(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(dòng)晶體管(Dx) 125和選擇 晶體管(Sx) 127.此后，可以形成浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)(FD) 131以及包括用于 每個(gè)晶體管的源^L/漏極區(qū)133、 135和137的離子注入?yún)^(qū)130。
在第一襯底100中形成讀出電路120可包括在第一襯底100中形成 電結(jié)區(qū)140，以及形成在電結(jié)區(qū)140的上部處連接至互連件的第一傳導(dǎo)連 接區(qū)147。
例如，電結(jié)區(qū)140可以是PN結(jié)140，但不限于此。例如，電結(jié)區(qū)140 可包括形成在第二類型傳導(dǎo)阱141或第二傳導(dǎo)類型外延層上的第一傳導(dǎo) 類型離子注入143,以及形成在第一傳導(dǎo)類型離子注入143上的第二傳導(dǎo)類型離子注入層145。例如，PN結(jié)140可以是P0 (145 ) /N- (143 ) /P-(141)結(jié)，但不限于此。第一襯底100可以是第二傳導(dǎo)類型襯底，但不 限于此。
在實(shí)施例中，可以將圖像傳感器設(shè)計(jì)為在轉(zhuǎn)移晶體管(Tx)的源極 和漏接之間提供電位差，從而能夠使光電荷完全傾卸。因此，在光電二極 管中生成的光電荷被傾卸至浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)，從而增加了輸出圖像靈M。
即，如圖2B所示，在包括讀出電路120的第一襯底100中形成電結(jié) 區(qū)140，以在轉(zhuǎn)移晶體管(Tx) 121的源極和漏極之間提供電位差，從而 能夠使光電荷完全傾卸。
下面，將詳細(xì)描述根據(jù)實(shí)施例的光電荷的傾卸結(jié)構(gòu)。
在實(shí)施例中，不同于N+結(jié)的浮動(dòng)擴(kuò)散(FD) 131節(jié)點(diǎn)，電結(jié)區(qū)140 的P/N/P結(jié)140被以預(yù)定電壓夾斷，而沒有將施加電壓完全轉(zhuǎn)移至其。該 電壓被稱作釘扎電壓(pinning voltage),釘扎電壓取決于PO (145 )和 N醒(143 )摻雜濃度。
具體地，在第二圖像感測器件220中生成的電子被轉(zhuǎn)移至PNP結(jié)140， 并且當(dāng)轉(zhuǎn)移晶體管(Tx) 121導(dǎo)通時(shí)，它們被轉(zhuǎn)移至浮動(dòng)擴(kuò)散(FD) 131 節(jié)點(diǎn)，以將其轉(zhuǎn)換為電壓。
PO/N-ZP-結(jié)140的最大電壓為釘扎電壓，并且FD 131節(jié)點(diǎn)的最大電 壓為Vdd-VthRx。因此，由于Txl21的源極和漏極之間的電位差，在芯片 上的笫二光電二極管210中生成的電子可以被完全傾卸至FD 131節(jié)點(diǎn)而 不存在電荷共享。
即，根據(jù)實(shí)施例，在第一襯底100的硅襯底(Si襯底)中生成PO/N-/P-結(jié)而不是N+/P-阱結(jié)的原因在于，在4-Tr (四個(gè)晶體管)有源像素傳感器 (APS )復(fù)位操作中，正(+ )電壓被施加到PO/N-/P-阱結(jié)中的N-區(qū)域(143 )， 而將地電壓施加到P0區(qū)域(145)和P-阱(141)，因此，PO/N-ZP-阱雙結(jié) 如在BJT結(jié)構(gòu)中一樣以預(yù)定電壓或更高的電壓來生成夾斷電壓。這被稱 為釘扎電壓。因此，在笫二Tx 121的源極和漏極之間產(chǎn)生電位差，從而能夠抑制在Tx導(dǎo)通/截止^Ht中的電荷共享現(xiàn)象。
因此，不同于將光電二極管簡單連接至N+結(jié)的相關(guān)技術(shù)的情況，本 發(fā)明的實(shí)施例能夠抑制飽和度的降低和靈敏度的劣化。
此后，可以在光電二極管和讀出電漆t(yī)間形成第一傳導(dǎo)連接區(qū)147， 以創(chuàng)建光電荷的平滑轉(zhuǎn)移#，從而能夠使暗電流源最小，并抑制飽和度 的降低和靈敏度的劣化。
為此，第一實(shí)施例可形成第一傳導(dǎo)連接區(qū)147用于在P0/N-ZP-結(jié)140 的表面上的歐姆接觸。N+區(qū)域(147)可形成為穿透P0區(qū)域(145)以接 觸N-區(qū)域(143)。
第 一傳導(dǎo)連接147的寬度可以被最小化以抑制第 一傳導(dǎo)連接147成為 泄露源。為此，在蝕刻了笫一金屬接觸151a的接觸孔之后可以執(zhí)行插塞 注入，但實(shí)施例不限于此。例如，可通過另一種方法形成離子注入圖案(未 示出)，并且該離子注入圖案可以被用作離子注入掩模，以形成第一傳導(dǎo) 連接區(qū)147。
即，僅接觸成形區(qū)域的局部N+摻雜的原因是使暗信號最小化并實(shí)現(xiàn) 歐姆接觸的平滑成形。如果整個(gè)Tx源極區(qū)如相關(guān)技術(shù)一樣為N+摻雜的， 則由于Si表面懸桂鍵(dangling bond)而可以使暗信號增加，
接下來，可以在第一襯底100上形成層間介電層160，并且可以形成 互連件150?；ミB件150可包括笫一金屬接觸151a、第一金屬151、第二 金屬152、笫三金屬153,但實(shí)施例不限于此。
下文，將參照圖3至圖7描述在其上形成包括絕緣層l卯的接觸插塞 170的過程，
如圖3所示，在互連件150上形成接觸插塞金屬層170a。例如，通 過金屬鑲嵌工藝形成溝槽T，以>^包括溝槽T的第一襯底100上形成金 屬層170a。金屬層170a可以由鴒形成，但不限于此.
如圖4所示，形成光刻膠圖案180以露出金屬層170a的部分表面。如圖5所示，通過使用光刻膠圖案180作為蝕刻^^模來燭刻露出的金 屬層170a，在金屬層170a中形成孔H。例如，可使用光刻膠圖案180作 為掩模來執(zhí)行回蝕過程以在金屬層170a中形成孔H，但方法不限于此。
如圖6所示，可以在包括孔H的第一襯底100上形成絕緣材料l卯a(chǎn)。 例如，可以在包括孔H的第一襯底100上形成氧化物材料l卯a(chǎn),但絕緣 材料不限于此。
如圖7所示，絕^#料190a和金屬層170a被順序平面化，以形成在 其上部中包括絕緣層190的接觸插塞170，但該方法步聚不限于此?？梢?在為晶片結(jié)合(例如，圖像感測器件的結(jié)合)所準(zhǔn)備的第一村底的頂面處 露出在其一部分中具有絕緣層190的接觸插塞170。
在根據(jù)實(shí)施例的圖像傳感器及其制造方法中，以金屬鑲嵌的形式設(shè)置 用于處于上部的圖像感測器件與處于下部的讀出電路之間的連接的互連 件的接觸插塞。這里，接觸表面的區(qū)域被蝕刻以減少接觸表面凹陷。因此， 由于結(jié)合效率的提高而可以獲得互連件與圖像感測器件之間的歐姆接觸，
根據(jù)實(shí)施例，可以通過在下襯底中的接觸插塞170的上部中包括絕緣 層190來增加接觸插塞170與其上的圖像感測器件210之間的結(jié)合強(qiáng)度。 絕緣層l卯的表面面積可以占接觸插塞170的整個(gè)頂表面面積的約5%至 約30%，從而增加結(jié)合強(qiáng)度而不限制其傳導(dǎo)性。
如圖8所示，圖像感測器件210形成在接觸插塞170上方.
例如，可通過將離子注入第二襯底(未示出)的晶體半導(dǎo)體層中來形 成包括高濃度P型傳導(dǎo)層216、低濃度N型傳導(dǎo)層214和高濃度N型傳 導(dǎo)層212的光電二極管210，但實(shí)施例不限于此。
接下來，在形成有圖像感測器件210的第二襯底被結(jié)合至接觸插塞 170之后，去除第二襯底，以留下圖像感測器件210。
圖9是示出根據(jù)笫二實(shí)施例的圖像傳感器的截面圖，并且是示出形成 有互連件150的第一襯底的詳細(xì)示圖。
圖像傳感器可包括讀出電路120，設(shè)置在第一襯底100中；互連件150，設(shè)置在第一襯底100上方，電連接至讀出電路120;接觸插塞170， 在其上側(cè)中包括絕緣層190，并設(shè)置在互連件150上方；以及圖像感測器 件210,設(shè)置在接觸插塞170上方.
第二實(shí)施例可采用第 一 實(shí)施例的技術(shù)特征。
例如，在根據(jù)第二實(shí)施例的圖像傳感器及其制造方法中，以金屬鑲嵌
的形式提供用于處于上部的圖像感測器件與處于下部的讀出電路之間的 連接的互連件的接觸插塞。這里，接觸表面的一部分在該區(qū)域被回蝕以減 少接觸表面凹陷。因此，由于結(jié)合效率的提高而可以獲得互連件與圖M 測器件之間的歐姆接觸。
此夕卜，可以通過在下村底上的接觸插塞的上部中包括絕緣層來增加在 接觸插塞與其上的圖像感測單元之間的結(jié)合強(qiáng)度。
此外，圖像傳感器可以被設(shè)計(jì)為在轉(zhuǎn)移晶體管(Tx)的源極和漏極 之間提供電位差，從而能夠進(jìn)行光電荷的完全傾卸。在實(shí)施例中，在光電 二極管與讀出電路之間形成電荷連接區(qū)以創(chuàng)建光電荷的平滑轉(zhuǎn)移路徑，從 而使暗電流源最小化并抑制飽和度的降低和靈敏度的劣化。
不同于第一實(shí)施例，第二實(shí)施例揭^供了在電結(jié)區(qū)140的一側(cè)形成的第 一傳導(dǎo)連接區(qū)148。
N+連接區(qū)148可形成在PO/N-ZP-結(jié)140處用于到互連件150的歐姆 接觸。形成N+連接區(qū)148和MlC接觸151a的過程可以提供泄露源。這 是因?yàn)橛捎谠趯⒎雌珘菏┘拥絇O/N-ZP-結(jié)140時(shí)進(jìn)行的操作會在Si表面 上生成電場(EF)。在電場內(nèi)的接觸形成過程期間生成的晶體缺陷會成為 泄露源。
此外，當(dāng)在P0/N-7P-結(jié)140的表面上形成N+連接區(qū)148時(shí)，由于N+/P0 結(jié)148/145會附加地生成電場。該電場也會成為泄露源。
因此，笫二實(shí)施例提出了一種布局，其中，第一接觸插塞151a被形 成在沒有摻雜P0層但包括電連接至N-結(jié)143的N+連接區(qū)148的有源區(qū) 中。根據(jù)第二實(shí)施例，在Si表面上和/或上方未生成電場，這會有助于減 少3D集成CIS的暗電流。
本說明書中"一個(gè)實(shí)施例"、"實(shí)施例"、"實(shí)例實(shí)施例"等的任意描述 是指結(jié)合實(shí)施例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)或特性包括在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí) 施例中.在說明書各個(gè)地方出現(xiàn)的這種M并不必指同一實(shí)施例。此夕卜， 當(dāng)結(jié)合任意實(shí)施例描述具體特征、結(jié)構(gòu)或特性時(shí)，可以認(rèn)為，結(jié)合其他實(shí) 施例實(shí)現(xiàn)這種特征、結(jié)構(gòu)或特性在本領(lǐng)域的技術(shù)人員的能力范圍內(nèi)。
盡管已經(jīng)參照其多個(gè)示例性實(shí)施例描述了實(shí)施例，但應(yīng)該理解，本領(lǐng) 域的技術(shù)人員可以設(shè)計(jì)其他修改和實(shí)施例，它們均落入_^/>開原理的精神 和范圍內(nèi)。更具體地，在^^S開、附圖和所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)，可以對 主題組合配置的部件部分和/或配置進(jìn)行各種變化和修改。除對部件部分 和/或配置的變化和修改之外，可替換用途對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說也是 明顯的.
權(quán)利要求
1.一種圖像傳感器，包括讀出電路，在第一襯底中；互連件，在所述第一襯底上方電連接至所述讀出電路；接觸插塞，在所述互連件上方，在其上側(cè)中部分地包括絕緣層；以及圖像感測器件，在所述接觸插塞上方。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中，所述接觸插塞包括在 其表面上的孔，所述孔被填充有絕緣層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中，所述絕緣層具有占所 述接觸插塞的整個(gè)頂表面面積的約5%至約30%的表面面積.
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，還包括電連接所述讀出電路 和所述互連件的電結(jié)區(qū).
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像傳感器，還包括在所迷電結(jié)區(qū)和所述 互連件之間的第 一傳導(dǎo)連接區(qū).
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所迷的圖像傳感器，其中，所述第一傳導(dǎo)連接區(qū) 在所述電結(jié)區(qū)的一側(cè)，并將所述互連件電連接至所述電結(jié)區(qū)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像傳感器，其中，所述讀出電路在晶體 管的源極和漏極之間具有電位差，所述電結(jié)區(qū)在所述晶體管的源極。
8. —種用于制造圖傳 降感器的方法，包括 在第一襯底中形成讀出電路；在所述第一襯底上方形成連接至所述讀出電路的互連件； 在所述互連件上方形成在其上部中部分地包括絕緣層的接觸插塞；以及在所述接觸插塞上方形成圖像感測器件。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，形成所述接觸插塞包括 在所述互連件上方形成金屬層，所述金屬層包括在溝槽中； 在所述溝槽上方在所述金屬層的表面中形成孔； 用絕緣層填充所述孔；以及通過對所述金屬層進(jìn)行平面化在所述溝槽中形成所述接觸插塞，其 中，在對所述金屬層進(jìn)行平面化之后所述孔中的所述絕緣層的一部分保 留。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括形成在所述第一襯底中并電 連接至所述讀出電路的電結(jié)區(qū)，以及還包括在所述電結(jié)區(qū)和所述互連件之間形成第一傳導(dǎo)連接區(qū)，所述第 一傳導(dǎo)連接區(qū)將所述互連件電連接至所述電結(jié)區(qū)。
全文摘要
提供了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、接觸插塞和圖像感測器件。讀出電路形成在第一襯底中?；ミB件在第一襯底上方電連接至讀出電路。接觸插塞形成在互連件上方，在其上側(cè)的區(qū)域處包括絕緣層。圖像感測器件形成在接觸插塞上。
文檔編號H01L27/148GK101640208SQ20091015900
公開日2010年2月3日 申請日期2009年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月29日
發(fā)明者任劤爀 申請人:東部高科股份有限公司