專利名稱：圖像傳感器及其制造方法
技術領域：
本公開涉及一種圖像傳感器及其制造方法。
背景技術：
圖像傳感器是一種用于將光學圖像轉換為電信號的半導體器件。圖像傳感器可以粗略地分類為電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器和互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器(CIS)。 在圖像傳感器的制作過程中，可以采用離子注入在基片中形成光電二極管。為了增加像素數(shù)目而不增加芯片尺寸，光電二極管的尺寸減小，因此光接收部分的面積也減小，從而導致圖像質量的下降。 而且，由于堆疊高度的減小沒有光接收部分的面積的減小那么多，入射到光接收部分的光子的數(shù)目也因為稱作艾里斑的光的衍射而減少。 作為克服該限制的一種替選，已經(jīng)進行了如下嘗試(稱為"三維(3D)"圖像傳感器)采用非晶硅(Si)形成光電二極管，或者采用諸如晶片到晶片鍵合之類的方法在硅(Si)基片上形成讀出電路并且在該讀出電路上和/或上方形成光電二極管。該光電二極管通過金屬互連結構與讀出電路相連。 盡管隨著CIS的應用擴展到機動車傳感器以及移動電話而對具有寬動態(tài)范圍能
夠同時表示亮光和暗光的CIS的需求增加，但缺乏能夠滿足該要求的產(chǎn)品。 此外，由于在相關技術中轉移晶體管的源極和漏極兩者均是N型雜質重摻雜的，
出現(xiàn)了電荷共享現(xiàn)象。當出現(xiàn)電荷共享現(xiàn)象時，輸出圖像的靈敏度降低并且可能產(chǎn)生圖像
錯誤。而且，因為光電荷不容易在光電二極管和讀出電路之間移動，產(chǎn)生暗電流并且/或者
降低飽和度和靈敏度。
發(fā)明內容
本發(fā)明的實施例提供了一種具有寬動態(tài)范圍的圖像傳感器及其制造方法，采用3D圖像傳感器來提高填充因子，并且在晶片的上部形成高靈敏度傳感器，在該晶片的下部形成低靈敏度傳感器。 本發(fā)明的實施例也提供了一種在提高填充因子時不出現(xiàn)電荷共享的圖像傳感器及其制造方法。 本發(fā)明的實施例還提供了一種能夠最小化暗電流源且通過形成光電二極管和讀出電路之間光電荷的平滑轉移路徑來抑制飽和度下降和靈敏度損失的圖像傳感器及其制造方法。 在一個實施例中，一種圖像傳感器包括讀出電路，其在第一基片中；第一圖像傳感裝置，其在所述第一基片的讀出電路的一側；互連結構，其在所述第一基片的上方并且電連接到所述讀出電路；以及第二圖像傳感裝置，在所述互連結構的上方。 在另一個實施例中，一種用于制造圖像傳感器的方法包括在第一基片中形成讀出電路；在所述第一基片的讀出電路的一側形成第一圖像傳感裝置；形成在所述第一基片 的上方并且電連接到所述讀出電路的互連結構；以及在所述互連結構的上方形成第二圖像 傳感裝置。 —個或多個實施例的細節(jié)在附圖和下面的描述中給出。從下面的描述和附圖以及 權利要求中其他特征將是顯而易見的。
圖1是根據(jù)第一實施例的圖像傳感器的剖面圖。 圖2是根據(jù)一個實施例的圖像傳感器的平面圖。 圖3是示出了根據(jù)一個實施例的圖像傳感器的寬動態(tài)范圍的圖。 圖4是根據(jù)第二實施例的圖像傳感器的剖面圖。
具體實施例方式
下文中，將參照附圖描述圖像傳感器及其制造方法的實施例。 在實施例的描述中，應當理解當一層(或膜)被提到為在另一層或基片"上"時， 它可以直接在另一層或基片上，或者也可以存在居間層。另外，應當理解當一層被提到為在 另一層"下"時，它可以直接在另一層下，或者也可以存在一個或多個居間層。此外，也應當 理解當一層被提到為在兩層"之間"時，它可以是兩層之間的唯一層，或者也可以存在一個 或多個居間層。
圖1是根據(jù)第一實施例的圖像傳感器的剖面圖。 根據(jù)第一實施例的圖像傳感器可以包括讀出電路120，其在第一基片100中；第 一圖像傳感裝置IIO，其在第一基片100的讀出電路120的一側；互連結構150，其在第一基 片100的上方并且電連接到讀出電路120 ;以及第二圖像傳感裝置210，其在互連結構150 的上方并且通過互連結構150電連接到讀出電路120。 第一 圖像傳感裝置110和第二圖像傳感裝置210可以是光電二極管，但是并不限 于此，也可以是光電門或者光電二極管和光電門的組合。實施例包括作為示例在晶體半導 體層中形成的光電二極管，但是并不限于此，也可以包括在非晶體半導體層中形成的光電
二極管。 下文中，將參照圖1描述根據(jù)一個實施例的制造圖像傳感器的方法。
參照圖l，制備包括互連結構150和讀出電路120的第一基片100。例如，通過在 第一基片100中形成器件隔離層105限定有源區(qū)域。在該有源區(qū)域中形成包括晶體管的 讀出電路120。例如，讀出電路120可以包括第一轉移晶體管(Txl)128、第二轉移晶體管 (Tx2)121、復位晶體管(Rx)123、驅動晶體管(Dx，未示出)和選擇晶體管(Sx，未示出)。
可以形成包括用于各個晶體管的第一浮動擴散區(qū)域(FD1) 139、第二浮動擴散區(qū)域 (FD2) 131和源極/漏極區(qū)域133的離子注入?yún)^(qū)域130。 在第一實施例中，可以在第一基片100的讀出電路120的一側形成第一圖像傳感 裝置110。第一圖像傳感裝置110可以包括N-阱113和PO層115，但是并不限于此。
在第一實施例中，與第一圖像傳感裝置110有關的第一浮動擴散區(qū)域139和與第 二圖像傳感裝置210有關的第二浮動擴散區(qū)域131可以被形成為具有相同的電勢。例如，通過利用第一金屬129連接第一浮動擴散區(qū)域139和第二浮動擴散區(qū)域131可以將FD節(jié)點設計為共享的。 用于制造圖像傳感器的方法還可以包括在第一基片100中形成電學結區(qū)域140、以及在電學結區(qū)域140的上部形成連接到互連結構150的第一傳導型連接結構147。
例如，電學結區(qū)域140可以是P-N結140，但是并不限于此。例如，電學結區(qū)域140可以包括在第二傳導型阱141上或第二傳導型外延層上形成的第一傳導型離子注入層143、以及在第一傳導型離子注入層143上形成的第二傳導型離子注入層145。例如，P-N結140可以是P0(145)/N-(143)/P-(141)結，但是并不限于此。第一基片IOO可以是第二傳導類型，但是并不限于此。 根據(jù)一個實施例，裝置被設計為提供轉移晶體管(Tx2)的源極和漏極之間的電勢差，從而執(zhí)行光電荷的完全轉儲。因此，在光電二極管中產(chǎn)生的光電荷轉儲至浮動擴散區(qū)域(FD2)，從而提高了輸出圖像靈敏度。 換言之，參照圖l，該實施例在包含讀出電路120的第一基片100中形成電學結區(qū)域140以提供第二轉移晶體管(Tx2) 121的源極和漏極之間的電勢差，從而執(zhí)行來自第二圖像傳感裝置210的光電荷的完全轉儲。 因此，不同于相關技術情形中簡單地將光電二極管連接到N+結，該實施例使得可能抑制飽和度降低和靈敏度損失。 其后，第一傳導型連接結構147形成于光電二極管和讀出電路之間以創(chuàng)建光電荷
的平滑轉移路徑，從而使得可能最小化暗電流源并抑制飽和度降低和靈敏度損失。 為此，第一實施例可以在PO/N-/P-結140的表面上形成第一傳導型連接結構147
用于歐姆接觸。N+區(qū)域(147)可以形成為穿透PO區(qū)域(145)以接觸到N-區(qū)域(143)。 可以最小化第一傳導型連接結構147的寬度以防止第一傳導型連接結構147成為
泄漏源。為此，該實施例可以在為第一金屬接觸151a蝕刻接觸孔之后進行插入注入(plug
implant)，但是實施例不限于此。例如，可以通過另一種方法形成離子注入式樣(未示出)，
且該離子注入式樣可用作離子注入掩體以形成第一傳導型連接結構147。 換言之，為何N+摻雜只在接觸形成區(qū)域進行的一個原因是最小化暗信號并且?guī)?br>
助歐姆接觸的平滑形成。如果整個轉移晶體管源區(qū)域是如同相關技術中N+摻雜的，則由于
Si表面懸浮鍵(dangling bond)暗信號可能增加。 可以在第一基片IOO上形成層間電介質160，并且可以形成互連結構150?；ミB結構150可以包括第一金屬接觸151a、第一金屬151、第二金屬152、第三金屬153和第四金屬接觸154a，但是不限于此。 接下來，第二圖像傳感裝置210形成于互連結構150上。第二圖像傳感裝置210可以形成在晶體半導體層上，但是不限于此。例如，第二圖像傳感裝置210可以采用非結晶類型形成。 第二圖像傳感裝置210可以包括高濃度P型傳導層216、低濃度N型傳導層214和高濃度N+型傳導層212。 根據(jù)第一實施例，第二圖像傳感裝置可以通過采用置于讀出電路的上側的3-D圖像傳感器提高填充因子。實施例可以通過在晶體半導體層中形成圖像傳感裝置來防止圖像傳感裝置中的缺陷。
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圖2是根據(jù)一個實施例的圖像傳感器的平面圖。 如圖1和圖2所示，第二圖像傳感裝置210可以形成于除了垂直地位于第一圖像 傳感裝置110的上方的區(qū)域之外的區(qū)域中。 位于比第一圖像傳感裝置110較高的區(qū)域的第二圖像傳感裝置210可以比形成于 第一基片100中的第一圖像傳感裝置IIO接收更多入射光功率。因此，第二圖像傳感裝置 210可以成為比第一圖像傳感裝置110更高靈敏度的傳感器。 第二圖像傳感裝置210和第一圖像傳感裝置110的靈敏度比值可以通過調整形成 于芯片上部的第二圖像傳感裝置210和形成于芯片下部的第一圖像傳感裝置110的面積比 值來調整。 通過采用根據(jù)本實施例的3-D堆疊結構，用于第一圖像傳感裝置110和第二圖像 傳感裝置210的共享結構的讀出電路部分布置在由第二圖像傳感裝置210占據(jù)的區(qū)域的下 方，從而提高了圖像傳感器的填充因子。 圖3示出了通過雙斜率展示采用根據(jù)第一實施例的圖像傳感器的結構動態(tài)范圍 增大的示例結果。 寬動態(tài)范圍可以通過設計由低靈敏度傳感器和高靈敏度傳感器共享的FD節(jié)點、
并且合成通過轉移晶體管定時控制獲得的兩種類型的靈敏度斜率來實現(xiàn)。 作為合成兩種類型信息的一個例子，可以采用一種通過成像裝置中的雙通道結構
直接控制合成的方法，但是實施例不限于此。 例如，在雙通道結構中，在產(chǎn)生或操作圖像信號兩次或更多次之后，圖像信號被處 理，并且最終合成為一個圖像信號。具體地，長通道負責暗部分的處理，而短通道負責亮部 分的處理。在最大化保存和處理了從CIS獲取的信號之后，信號在最后的階段根據(jù)監(jiān)視的 dB被最優(yōu)地合成。 或者，在圖像裝置中的(合成的)直接控制方法中，圖像裝置根據(jù)像素單元直接曝 光。具體地，圖像裝置中的直接控制方法是一種圖像裝置在信號處理階段通過控制快門定 時直接合成暗部分的長通道信號和亮部分的短通道信號的方法，從而利用比雙通道結構簡 單的系統(tǒng)獲得較高動態(tài)范圍。 通過采用根據(jù)實施例的圖像傳感器及其制造方法，可以通過利用3D圖像傳感器 在最小區(qū)域內同時制造高靈敏度像素和低靈敏度像素來提供具有寬動態(tài)范圍的圖像傳感 器。 圖4是根據(jù)第二實施例的圖像傳感器的剖面圖。 根據(jù)第二實施例的圖像傳感器可以包括讀出電路120，其在第一基片100中；第 一圖像傳感裝置IIO，其在第一基片100的讀出電路120的一側；互連結構150，其在第一基 片100的上方并且電連接到讀出電路120 ;以及第二圖像傳感裝置210，其在互連結構150 的上方。 第二實施例可以采用第一實施例的技術特征。 但是，不同于第一實施例，第一傳導型連接結構148形成于電學結區(qū)域140的一 可以在PO/N-/P-結140上形成N+連接區(qū)域148用于歐姆接觸。形成N+連接區(qū) 域和第一金屬接觸151a的過程可能提供泄漏源。這是因為由于當反向偏置施加到PO/N-/P-結140上時的操作在Si表面的上方可能產(chǎn)生電場(EF)。在電場內的接觸形成過程中產(chǎn) 生的晶體缺陷可能成為泄漏源。 而且，當N+連接區(qū)域(見圖1的參考標號147)形成于PO/N-/P-結140的表面的 上方時，由于^/ 0結可能會額外產(chǎn)生電場。該電場也可以成為泄漏源。
因此，第二實施例提出了一種設計，其中第一接觸插塞151a形成于沒有摻雜P0層 但是包括連接到N-結143的N+連接區(qū)域148的有源區(qū)域。 根據(jù)第二實施例，在Si表面上和/或上方不產(chǎn)生電場，有助于3D集成CIS的暗電 流的減小。 在本說明書中對"一個(one)實施例"、"一個(an)實施例"、"示例實施例"等的任 何引用意味著與實施例關聯(lián)描述的具體特征、結構或特性包含于本發(fā)明的至少一個實施例 中。在說明書中多處出現(xiàn)的這些短語并不一定都指向相同實施例。另外，當與任何實施例 相關聯(lián)地描述具體特征、結構或特性時，認為其在本領域的技術人員能夠實現(xiàn)與其他多個 實施例相關聯(lián)的這種特征、結構或特性的范圍內。 雖然參照多個說明性實施例描述了本發(fā)明的實施例，但是應該理解本領域的技術 人員能夠想到的多種其他修改和實施例將落入本公開的精神和原理的范圍內。更具體地， 在本公開、附圖和所附權利要求的范圍內可能存在部件部分和/或主題組合布局的布置上 的多種變型和修改。除了部件部分和/或布置的變型和修改，對于本領域的技術人員，替選 的用途也是顯而易見的。
權利要求
一種圖像傳感器，包括讀出電路，其在第一基片中；第一圖像傳感裝置，其在所述第一基片的所述讀出電路的一側；互連結構，其在所述第一基片的上方并且電連接到所述讀出電路；以及第二圖像傳感裝置，其在所述互連結構的上方并且通過所述互連結構電連接到所述讀出電路。
2. 根據(jù)權利要求1所述的圖像傳感器，其中像素的所述第二圖像傳感裝置形成于除了 垂直地位于所述像素的所述第一圖像傳感裝置的上方的區(qū)域之外的區(qū)域。
3. 根據(jù)權利要求1所述的圖像傳感器，其中所述讀出電路包括用于所述第一圖像傳感 裝置的光電荷轉儲的第一浮動擴散區(qū)域和用于所述第二圖像傳感裝置的光電荷轉儲的第 二浮動擴散區(qū)域，其中所述第一浮動擴散區(qū)域和第二浮動擴散區(qū)域具有相同的電勢。
4. 根據(jù)權利要求1所述的圖像傳感器，還包括電學結區(qū)域，其在所述讀出電路的第二側電連接到所述讀出電路；以及 第一傳導型連接結構，其在所述電學結區(qū)域和所述互連結構之間，用于電連接所述互 連結構至所述電學結區(qū)域，其中所述第一傳導型連接結構布置在所述電學結區(qū)域的上部或一側。
5. 根據(jù)權利要求4所述的圖像傳感器，其中所述讀出電路包括晶體管，其中所述電學 結區(qū)域布置在所述晶體管的源極以提供所述晶體管的源極和漏極之間的電勢差。
6. 根據(jù)權利要求5所述的圖像傳感器，其中所述晶體管是轉移晶體管，并且所述晶體 管的源極的離子注入濃度比在所述晶體管的漏極處的浮動擴散區(qū)域的離子注入濃度小。
7. —種用于制造圖像傳感器的方法，包括 在第一基片中形成讀出電路；在所述第一基片的所述讀出電路的一側形成第一圖像傳感裝置； 形成在所述第一基片的上方并且電連接到所述讀出電路的互連結構；以及 在所述互連結構的上方形成第二圖像傳感裝置。
8. 根據(jù)權利要求7所述的方法，其中形成所述第二圖像傳感裝置包括在除了垂直地位 于所述第一圖像傳感裝置的上方的區(qū)域之外的區(qū)域形成第二圖像傳感裝置。
9. 根據(jù)權利要求7所述的方法，其中形成所述讀出電路包括形成用于所述第一圖像傳 感裝置的光電荷轉儲的第一浮動擴散區(qū)域和形成用于所述第二圖像傳感裝置的光電荷轉 儲的第二浮動擴散區(qū)域，其中所述第一浮動擴散區(qū)域和第二浮動擴散區(qū)域被形成為具有相 同的電勢。
10. 根據(jù)權利要求7所述的方法，還包括在形成所述互連結構之前在所述讀出電路的 第二側形成電連接到所述讀出電路的電學結區(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種圖像傳感器及其制造方法。所述圖像傳感器包括讀出電路、第一圖像傳感裝置、互連結構和第二圖像傳感裝置。讀出電路布置在第一基片中。第一圖像傳感裝置布置在第一基片的讀出電路的一側?；ミB結構布置在第一基片的上方，并且電連接到讀出電路。第二圖像傳感裝置布置在互連結構的上方。
文檔編號H04N5/335GK101729796SQ20091017578
公開日2010年6月9日 申請日期2009年10月13日 優(yōu)先權日2008年10月14日
發(fā)明者沈喜成 申請人:東部高科股份有限公司