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)：
圖像傳感器是將光學圖像轉(zhuǎn)換為電信號的半導體器件。這樣的圖像傳感器一般 可分為電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器或互補式金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器 (CIS)。 在制作圖像傳感器時，可通過離子注入在襯底中形成光電二極管。在為了增加像 素數(shù)量而不增加整體芯片尺寸的目的而縮小光電二極管的尺寸時，光接收部分的區(qū)域也會 隨之縮小，這樣將導致圖像質(zhì)量的下降。此外，由于堆疊高度不如光接收部分的區(qū)域縮小的 那么多，入射至光接收部分的光子數(shù)量會由于被稱為愛里斑(airy disk)的光衍射而減少。
已進行過嘗試來作為克服該缺陷的選擇方案，所述嘗試包括用非晶硅(Si)形成 光電二極管，或者采用諸如晶片間接合(wafer-toiafer bonding)方法等在硅(Si)襯底 中形成讀出電路(readout circuitry)，并在讀出電路上和/或上方形成光電二極管(被稱 作"三維(3D)圖像傳感器")。該光電二極管通過金屬互連件連接至該讀出電路。
由于圖像傳感器甚至會將人眼不可見的紅外線轉(zhuǎn)換為光電子，因此圖像傳感器產(chǎn) 生的圖像與人眼所看到的圖像不相同，例如，看起來發(fā)紅。 為了克服這一缺陷，在制作圖像傳感器的模塊時往往使用紅外濾色鏡來消除紅外 線。然而，當將此方法應(yīng)用于將光接收單元形成于互連件結(jié)構(gòu)上和/或上方的圖像傳感器 (例如3D圖像傳感器)時，圖像傳感器模塊的制造成本會大幅增加。此外，由于在該模塊 中嵌入了所述紅外濾色鏡，該模塊的尺寸也會增加，使其難以實現(xiàn)小型化。此外，還有這樣 的缺陷，由于該遷移晶體管的源極和漏極都重摻雜有N型雜質(zhì)，因此會產(chǎn)生電荷共享效應(yīng) (chargesharing phenomenon)。電荷共享效應(yīng)可導致輸出圖像靈敏度的降低和像差(image error)的產(chǎn)生。此外，由于光電荷(photocharge)不能在光電二極管和讀出電路之間平滑 移動，從而導致暗電流(dark current)的產(chǎn)生和飽和度及靈敏度的降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例涉及一種圖像傳感器及其制造方法，其降低了模塊的整體制造成 本，同時通過在該圖像傳感器上和/或上方提供紅外濾色鏡而仍能實現(xiàn)小型化，在該圖像 傳感器中，光接收單元形成于互連件結(jié)構(gòu)上和/或上方。 本發(fā)明的實施例涉及一種圖像傳感器及其制造方法，其提高了填充因數(shù)(fill factor)而不會出現(xiàn)電荷共享效應(yīng)。 本發(fā)明的實施例涉及一種圖像傳感器及其制造方法，其最小化暗電流源，并通過 在光電二極管和讀出電路之間形成平滑的光電荷遷移路徑(transfer path)而抑制飽和度 的減少和靈敏度的下降。 根據(jù)實施例，圖像傳感器至少包括以下元件之一 讀出電路，被形成于第一襯底
3中；電結(jié)區(qū)(electrical junction region)，被形成于該第一襯底中，該電結(jié)區(qū)電連接至該 讀出電路；互連件，被形成于該電結(jié)區(qū)上和/或上方；圖像感測器件，被形成于該互連件上 和/或上方；以及紅外濾色鏡，被形成于該圖像感測器件上和/或上方，該紅外濾色鏡具有 多個薄膜。 根據(jù)實施例，制造圖像傳感器的方法至少包括以下步驟之一在第一襯底中形成 讀出電路；在該第一襯底中形成電結(jié)區(qū)，該電結(jié)區(qū)電連接至該讀出電路；在該電結(jié)區(qū)上和/ 或上方形成互連件；在該互連件上和/上方形成圖像感測器件；以及在該圖像感測器件上 和/或上方形成紅外濾色鏡，該紅外濾色鏡包括多個薄膜。 根據(jù)本發(fā)明的實施例，是在制造其光接收單元形成于互連件結(jié)構(gòu)上和/或上方的 圖像傳感器的晶片期間制造紅外濾色鏡。因此，能夠節(jié)約在模塊中設(shè)置獨立的紅外濾色鏡 時的成本。還有，由于紅外濾色鏡被排除在模塊之外，能夠?qū)崿F(xiàn)模塊的最小化。進一步地， 可將器件設(shè)計為在遷移晶體管(Tx)的源極和漏極之間具有電位差，從而使能光電荷的完 全轉(zhuǎn)儲。在光電二極管和讀出電路之間形成電荷連接件以生成平滑的光電荷遷移路徑，從 而能夠最小化暗電流及抑制飽和度的減少和靈敏度的降低。


示例性圖l-圖8示出根據(jù)本發(fā)明實施例的圖像傳感器及制造圖像傳感器的方法。
具體實施例方式
以下將參考附圖詳細描述根據(jù)實施例的圖像傳感器及其制造方法。 在對實施例的描述中，應(yīng)理解的是當提及一層(或膜)位于另一層或襯底"上"時，
其可以直接位于另一層或襯底上，或者還可存在另外的中介層。還應(yīng)理解的是當提及一層
位于另一層"下"時，其可以直接位于另一層下，以及還可存在一層或多層中間層。另外，也
應(yīng)理解的是當提及一層位于兩層"之間"時，其可以是所述兩層之間的唯一層，或者還存在
一層或多層中介層。 示例性圖1為根據(jù)實施例的圖像傳感器的剖面圖。 如圖1所示，根據(jù)實施例的圖像傳感器可包括讀出電路120，位于第一襯底100 中；電結(jié)區(qū)140，位于第一襯底100中，該電結(jié)區(qū)140電連接至讀出電路120 ;互連件150，位 于電結(jié)區(qū)140上和/或上方；圖像感測器件210，位于互連件150上和/或上方；以及紅外 濾色鏡230，位于圖像感測器件210上和/或上方，該紅外濾色鏡230具有多個薄膜。
圖像感測器件210可以是光電二極管，但不僅限于此，其也可以是光柵 (photogate)，或者是光電二極管和光柵的組合。根據(jù)實施例，雖然作為實例描述的是將光 電二極管形成在晶體半導體層中，但該光電二極管也可以形成在非晶半導體層中。
以下，將參考示例性圖2至圖7來描述根據(jù)實施例的圖像傳感器的制造方法。
如圖2所示，制備其上形成有互連件150和讀出電路120的第一襯底100。例如， 在第二導電型第一襯底100中形成器件隔離層110以限定有源區(qū)。在該有源區(qū)中形成包 含晶體管的讀出電路120。例如，讀出電路120可以包含遷移晶體管(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?？梢葬槍Ω骶w管形成離子注入?yún)^(qū) 130，該離子注入?yún)^(qū)130包含浮置擴散區(qū)131和第一源極/漏極區(qū)133、第二源極/漏極區(qū)135及第三源極/漏極區(qū)137。根據(jù)實施例，可以增設(shè)噪聲消除電路以增強整體的靈敏度。
在第一襯底100中的讀出電路120的形成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的上部形成連接至互連件150的第一導電型連接件147。例 如，電結(jié)區(qū)140可以是P-N結(jié)140，但不限于此。電結(jié)區(qū)140可以包含形成在第二導電型阱 141或第二導電型外延層上和/或上方的第一導電型離子注入層143，以及形成在第一導電 型離子注入層143上和/或上方的第二導電型離子注入層145。 P-N結(jié)140可以是P0 145/ N-143/P-141結(jié)，但不限于此。第一襯底100的導電性可以是第二導電型，但不限于此。
根據(jù)本發(fā)明實施例，可將該器件設(shè)計為在遷移晶體管(Tx)的源極和漏極之間 具有電位差(potential difference)，從而使能(enable)光電荷的完全轉(zhuǎn)儲(full dumping)。因此，光電二極管中產(chǎn)生的光電荷可以被轉(zhuǎn)儲至浮置擴散區(qū)，從而提高輸出圖像 的靈敏度。這意味著可以在包含讀出電路120的第一襯底100中形成電結(jié)區(qū)140，以在遷移 晶體管(Tx)121的源極和漏極之間提供電位差，從而使能光電荷的完全轉(zhuǎn)儲。不同于僅使 用N+結(jié)連接光電二極管的情形，本發(fā)明的實施例能夠避免飽和度的減少和靈敏度的降低。
然后，在光電二極管和讀出電路之間形成第一導電型連接件147，以生成平滑的光 電荷遷移路徑，因此而能夠最小化暗電流源并抑制飽和度減少和靈敏度降低。為此，可在 P0/NVP-結(jié)140的表面上和/或上方形成作為第一導電型連接件147的n+摻雜區(qū)(用于 歐姆接觸)。N+區(qū)147可穿過P0 145以接觸N-143。 另一方面，可以最小化第一導電型連接件147的寬度以防止第一導電型連接件 147變?yōu)樾孤┰?leakage source)。為此，可在蝕刻第一金屬接觸件(metal contact) 151a 之后執(zhí)行插塞注入(plug implant)，但不限于此。作為另一個實例，可以形成離子注入圖 案，然后利用該離子注入圖案作為離子注入掩模而形成第一導電型連接件147。這意味著如 本發(fā)明實施例所述僅在接觸件形成區(qū)(contact formation region)局部執(zhí)行N+摻雜的原 因是為了最小化暗信號(dark signal)和利于歐姆接觸的形成。如果對整個Tx源極區(qū)摻 雜N+型，暗信號可由于硅表面懸掛鍵(dangling bond)而增加。 可接著在第一襯底100上和/或上方形成層間電介質(zhì)160。然后將互連件150形 成為貫穿層間電介質(zhì)160。互連件150可包含第一金屬接觸件151a、第一金屬151、第二金 屬152、第三金屬153、第四金屬接觸件154a，但是實施例不限于此。 如示例性圖3所示，在第二襯底200上和/或上方可形成晶體半導體層210a。根 據(jù)實施例，在晶體半導體層210a中形成光電二極管210。因此，實施例可采用其中圖像感 測器件位于讀出電路上和/或上方的3D圖像傳感器，從而增加填充因數(shù)。而且，根據(jù)實施 例，在晶體半導體層210a中可形成該圖像感測器件，從而抑制圖像感測器件中的缺陷。例 如，通過外延成長工藝在第二襯底200上和/或上方形成晶體半導體層210a。然后向介于 第二襯底200與晶體半導體層210a之間的邊界區(qū)(boundary region)注入氫離子以形成 氫離子注入層207a?？稍谟糜谛纬晒怆姸O管210的離子注入之后執(zhí)行該氫離子注入。
如示例性圖4所示，可通過將離子注入至晶體半導體層210a中而形成光電二極管 210?？稍诰w半導體層210a的下部形成第二導電型導電層216。這意味著可通過無掩模 毯覆式(blanket)方法在第二襯底200的整個表面上和/或上方注入離子，以形成高濃度 P型導電層216?？稍谛∮诩sO. 5 iim的結(jié)深(junction d印th)處形成第二導電型導電層 216。
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然后可在第二導電型導電層216上和/或上方形成第一導電型導電層214。例如， 可通過無掩模毯覆式(blanket)方法在第二襯底200的整個表面上方注入離子，從而形成 低濃度N型導電層214。可在介于約0. 1 ii m至2. 0 ii m的范圍內(nèi)的結(jié)深處形成低濃度第一 導電型導電層214。 根據(jù)實施例，可形成厚度比第二導電型導電層216大的第一導電型導電層214，從 而增加電荷存儲容量(charge storing c即acity)。這意味著可形成具有較大厚度的N_層 214，從而增加容納光電子的容量。 然后，可在第一導電型導電層214上和/或上方形成高濃度第一導電型導電層 212。例如，可在介于約0. 05 ii m至0. 2 ii m的范圍內(nèi)的結(jié)深處形成高濃度第一導電型導電 層212?？赏ㄟ^無掩模毯覆式方法在第二襯底200的整個表面上和/或上方進一步注入離 子，從而形成高濃度N+型導電層212，其可利于歐姆接觸。 如示例性圖5所示，隨后可將第一襯底100和第二襯底200相互接合，使得光電二 極管210接觸互連件150。這樣，在第一襯底100和第二襯底200相互接合之前，可通過等 離子體活化作用(plasma activation)增加接合表面的表面能量(surface energy)。可在 接合界面(bonding interface)處插入絕緣層或金屬層之一以提高接合強度。
如示例性圖6所示，可通過對第二襯底200進行熱處理而將氫離子注入層207a轉(zhuǎn) 變?yōu)闅錃鈱印Ｈ缓?，可使用刀?blade)在氫氣層處移除部分第二襯底200，讓光電二極管 210暴露出來。接著，執(zhí)行將光電二極管210分離為像素的工藝。例如，可在像素之間的邊 界注入離子，或者形成器件絕緣層。 如示例性圖7所示，接著可依次在圖像感測器件210上和/或上方形成濾色鏡220 和紅外濾色鏡230。紅外濾色鏡230的形成步驟可包括在濾色鏡220上形成具有第一折 射率的第一薄膜231 ;以及在第一薄膜上和/或上方形成具有第二折射率的第二薄膜232。 例如，可將具有不同折射率的薄膜交替形成為約三至十層的堆疊結(jié)構(gòu)(staked structure) 以形成紅外濾色鏡230。可在低于35(TC的溫度下通過用以形成半導體薄膜的工藝來形成 紅外濾色鏡230，以保護諸如將濾色鏡220置于紅外濾色鏡230下方等的PR結(jié)構(gòu)。
可采用具有相對較小的折射率(介于約1. 3至1. 7范圍之間)的膜來形成應(yīng)用于 紅外濾色鏡230的第一薄膜231。例如，第一薄膜230可由氧化硅(Si02)組成，但不限于 此。另一方面，可采用具有相對較大的折射率(介于約1.8至2.2范圍之間)的膜來形成 第二薄膜232，例如，第二薄膜232可由氮化硅(SiN)組成，但不限于此。紅外濾色鏡230 的第一薄膜231可形成有介于300 A至1500 A范圍之間的厚度，并且第二薄膜232可形成 有介于100 A至1000 A范圍之間的厚度。這樣，可選擇性地組合第一薄膜231和第二薄膜 232的厚度以優(yōu)化紅外濾色鏡230的整體厚度。例如，第一薄膜231由厚度介于約1200A 至1400 A范圍之間的Si02組成，并且第二薄膜232由厚度介于約700 A至800 A范圍之間 的SiN組成。 根據(jù)實施例，在制造其中將光接收單元形成于互連件結(jié)構(gòu)上和/或上方的圖像傳 感器的晶片期間制造紅外濾色鏡。因此，能夠節(jié)約在模塊中設(shè)置獨立的紅外濾色鏡的成本。 還有，由于紅外濾色鏡被排除在模塊之外，能夠?qū)崿F(xiàn)模塊的最小化。進一步地，可將器件設(shè) 計為在遷移晶體管(Tx)的源極和漏極之間具有電位差，從而使能光電荷的完全轉(zhuǎn)儲。在光 電二極管和讀出電路之間形成電荷連接件以生成平滑的光電荷遷移路徑，從而能夠最小化暗電流及抑制飽和度的減少和靈敏度的降低。 示例性圖8為根據(jù)實施例的圖像傳感器的剖面圖，且該示例性圖8是其中形成有 互連件150的第一襯底的詳細視圖。示例性圖8所示的實施例可采用示例性圖2-圖7示 出的技術(shù)特征。以下，將基于有別于示例性圖2-圖7所示的特征來進行詳細描述。
如示例性圖8所示，根據(jù)實施例，在P0/N-/P-結(jié)140處形成N+連接件區(qū)148，以用 于歐姆接觸。這樣，在形成N+連接件區(qū)148和MIC接觸件151a的工藝期間可能會出現(xiàn)泄漏 源。這是由于將反向偏壓(reverse bias)施加于P0/N-/P-結(jié)140時的操作可能會在硅襯 底的表面上方產(chǎn)生電場(EF)。在電場中形成接觸件的工藝期間產(chǎn)生的晶體缺陷(crystal defect)可變?yōu)樾孤┰础＿€有，當在P0/N-/P-結(jié)140的表面上和/或上方形成N+連接件區(qū) 148時，可能會由于N+/P0結(jié)148/145而額外產(chǎn)生電場。這個電場也可變?yōu)樾孤┰?。因此?本發(fā)明的實施例提出這樣一種布局，在該布局中，第一接觸插塞151a形成在包含N+連接件 區(qū)148(該N+連接件區(qū)148未摻雜有P0層)的有源區(qū)中，并將該第一接觸插塞151a連接 至N-結(jié)143。根據(jù)實施例，在硅襯底的表面上和/或上方不會產(chǎn)生電場，從而有利于減少 3D集成CIS中的暗電流。 盡管對實施例的描述中結(jié)合了實施例的多個示例性實施例，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)域普通技術(shù)人員完全可以推導出許多其它變化 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，其他可選擇的應(yīng) 用對于本 域普通技術(shù)人員而言也是顯而易見的。
權(quán)利要求
一種裝置，包括讀出電路，被形成于第一襯底中；電結(jié)區(qū)，被形成于所述第一襯底中且被電連接至所述讀出電路；互連件，被形成于所述電結(jié)區(qū)上方；圖像感測器件，被形成于所述互連件上方；以及紅外濾色鏡，被形成于所述圖像感測器件上方且包含多個薄膜。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述紅外濾色鏡包括 第一薄膜，具有第一折射率；以及第二薄膜，形成于所述第一薄膜上方，所述第二薄膜具有大于所述第一折射率的第二 折射率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中將所述第一薄膜和所述第二薄膜交替堆疊為約3 層至10層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述讀出電路包括晶體管，在該晶體管的源極和 漏極之間具有電位差。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述晶體管包括遷移晶體管，并且所述晶體管的 源極的離子注入濃度小于浮置擴散區(qū)的離子注入濃度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，進一步包括第一導電型連接件，形成于所述電結(jié)區(qū)和 所述互連件之間，且該第一導電型連接件在所述電結(jié)區(qū)的上部被電連接至所述互連件。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，進一步包括第一導電型連接件，形成于所述電結(jié)區(qū)和 所述互連件之間，且該第一導電型連接件在所述電結(jié)區(qū)的一側(cè)被電連接至所述互連件。
8. —種方法，包括以下步驟 在第一襯底中形成讀出電路；在所述第一襯底中形成電結(jié)區(qū)并將該電結(jié)區(qū)電連接至所述讀出電路； 在所述電結(jié)區(qū)上方形成互連件； 在所述互連件上方形成圖像感測器件；以及 在所述圖像感測器件上方形成包含多個薄膜的紅外濾色鏡。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中形成所述紅外濾色鏡的步驟包括將第一薄膜和第 二薄膜交替形成為約3至10層的堆疊結(jié)構(gòu)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述讀出電路包含晶體管，在該晶體管的源極和 漏極之間具有電位差。
全文摘要
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、電結(jié)區(qū)、互連件、圖像感測器件和紅外濾色鏡。該讀出電路和該電結(jié)區(qū)被形成于第一襯底中并相互電連接。該互連件被形成于該電結(jié)區(qū)上方且該圖像感測器件被形成于該互連件上方。該紅外濾色鏡被形成于該圖像感測器件上方且包括多個薄膜。本發(fā)明能夠最小化暗電流及抑制飽和度的減少和靈敏度的降低。
文檔編號H01L27/146GK101771060SQ20091026528
公開日2010年7月7日 申請日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者鄭承萬 申請人:東部高科股份有限公司