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(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號的半導(dǎo)體器件。這樣的圖像傳感器主 要包括電荷耦合器件(charge coupled device, CCD)圖像傳感器和互補(bǔ)金屬氧化硅 (complementary metal oxide silicon, CMOS)圖像傳感器。 在相關(guān)的領(lǐng)域中，通過離子注入在襯底上形成光電二極管。在這一點(diǎn)上，光電二極 管的尺寸逐漸減小以增加像素的數(shù)量而不增大像素芯片尺寸。這種在光電二極管尺寸上的 減小導(dǎo)致了光接受區(qū)(light-receiving region)的減小，從而導(dǎo)致了圖像質(zhì)量的惡化。
此外，相應(yīng)于減小的光接受區(qū)，疊層(stack)的高度并沒有減小，從而引起了被稱 為Airy斑的光的折射現(xiàn)象，導(dǎo)致了發(fā)射到光接收區(qū)的光子減少。 在解決這個問題的嘗試中，光電二極管沉積有非晶硅(Si)，或通過諸如晶片-晶 片鍵合(wafer-to-wafer bonding)的方法在硅襯底上形成讀出電路(readout circuitry) 并且在該讀出電路上形成光電二極管(在下文中，稱作三維圖像傳感器)。通過金屬線將光 電二極管連接到讀出電路。 在相關(guān)的領(lǐng)域中，光電荷(photocharge)不能在光電二極管和讀出電路之間順利 地傳輸，從而不利地引起暗電流的產(chǎn)生或飽和度和靈敏度的惡化。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明針對一種圖像傳感器及其制造方法，該圖像傳感器及其制造方法充 分地避免了由于相關(guān)技術(shù)的限制和缺點(diǎn)而引起的一個或多個問題。 本發(fā)明的一個目的在于提供一種圖像傳感器及其制造方法以實(shí)現(xiàn)在晶體管電路 和光電二極管之間的垂直集成(verticalintegration)。 本發(fā)明的另一 目的在于提供一種圖像傳感器及其制造方法以防止漏電流。 本發(fā)明的另一目的在于提供一種圖像傳感器及其制造方法，其中，在設(shè)置有讀出
電路的半導(dǎo)體襯底上沉積用來形成光電二極管的硅層，并且該硅層通過激光輻射而結(jié)晶。 本發(fā)明的另一目的在于提供一種圖像傳感器及其制造方法，該圖像傳感器包括設(shè)
置在硅層之下的激光吸收層以防止在激光誘導(dǎo)(laser-induced)結(jié)晶的過程中硅層影響
下部襯底。 本發(fā)明的另一目的在于提供一種圖像傳感器及其制造方法，其中，雜質(zhì)被注入到
硅層中相鄰的單元像素的界面中以在每個單元像素中將光電二極管彼此隔離。 本發(fā)明的另一目的是提供一種圖像傳感器及其制造方法，其中，能夠使光電荷順
4利傳輸?shù)臏系辣辉O(shè)置在在光電二極管和讀出電路之間，以最小化暗電流并防止飽和度和靈 敏度的惡化，從而提高了圖像的性能。 為了實(shí)現(xiàn)這些目的和其他優(yōu)點(diǎn)以及根據(jù)本發(fā)明的目的，如在本文中所體現(xiàn)和概括 描述的，提供的圖像傳感器包括設(shè)置在半導(dǎo)體襯底上的讀出電路；覆蓋讀出電路并包含 金屬線的層間介電膜；設(shè)置在層間介電膜上的緩沖層；設(shè)置在緩沖層上的結(jié)晶硅層；離子 注入層，用來隔離對應(yīng)于結(jié)晶硅層中的單元像素的光電二極管區(qū)；以及金屬插塞，設(shè)置在緩 沖層的通孔中，以將光電二極管區(qū)電連接至金屬線。 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供的制造圖像傳感器的一種方法包括在半導(dǎo)體襯底 上形成讀出電路；形成設(shè)置有金屬線的層間介電膜以便層間介電膜覆蓋讀出電路；在層間 介電膜上形成緩沖層；在緩沖層上形成硅層；在硅層上形成掩膜圖樣；利用掩膜圖樣作為 一個掩膜圖樣將雜質(zhì)離子注入到硅層中以形成離子注入層；以及利用激光退火硅層以使硅
層結(jié)晶。 可以理解的是，本發(fā)明的上述總體描述和以下的具體描述都是示例性的和說明性 的，并且旨在提供對所要求的本發(fā)明的進(jìn)一步解釋。


附圖被包括用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并結(jié)合于此而構(gòu)成本申請的一部
分。本發(fā)明的示例性實(shí)施例連同描述都用來解釋本發(fā)明的原理。在附圖中 圖1至圖7是示出了制造根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的圖像傳感器的過程的截面圖。
具體實(shí)施例方式
在下文中，將參照附圖詳細(xì)示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施例的圖像傳感器及其制 造方法。 在本發(fā)明實(shí)施例的描述中，應(yīng)該理解，當(dāng)一層被稱為在另一層"上/上方"時，它可 以直接在另一層上或通過存在于層間的插入層(intervening layer)間接在另一層上。
在附圖中，為了更好地理解本發(fā)明以及清晰度，各層的厚度和尺寸是放大的、省略 的或簡化的。此外，元件的尺寸不一定表示其實(shí)際尺寸。 圖1至圖7是示出了制造根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的圖像傳感器的過程的截面 圖。 如圖1所示，在設(shè)置有讀出電路20的半導(dǎo)體襯底10上形成包括金屬線40的層間 介電膜30。 連接到光電二極管以將接收的光電荷轉(zhuǎn)換為電信號的讀出電路20可以設(shè)置在半 導(dǎo)體襯底10上的每個像素單元中。例如，讀出電路20可以是3Tr、4Tr或5Tr。
讀出電路20可以包括多個晶體管。 這些晶體管可以包括傳輸晶體管、復(fù)位晶體管、驅(qū)動晶體管以及選擇晶體管。
此外，讀出電路20可以包括浮置擴(kuò)散區(qū)(floating diffusion area)和有源區(qū)， 其中，在 浮置擴(kuò)散區(qū)，雜質(zhì)離子被注入到半導(dǎo)體襯底10中，所述有源區(qū)包括用于各個晶 體管的源極/漏極區(qū)。
可以在設(shè)置有讀出電路20的半導(dǎo)體襯底IO上形成金屬前介電膜(pre-metal dielectric)(PMD)。 在設(shè)置有讀出電路20的半導(dǎo)體襯底10上設(shè)置層間介電膜30，其中，介電膜30設(shè)
置有連接至電源或信號線的金屬線40。 層間介電膜30可以是多層形式。例如，層間介電膜30可以包括氮化膜、氧化膜或 氮氧化膜。 金屬線40用來將在光電二極管中產(chǎn)生的電荷傳輸?shù)皆O(shè)置在其下方的讀出電路 20。金屬線40可以被連接到設(shè)置在半導(dǎo)體襯底10下方的雜質(zhì)區(qū)。 金屬線40穿過層間介電膜30。金屬線40可以由包括金屬、合金和硅化物的各種 導(dǎo)電材料制成。例如，金屬線40可以由鋁、銅、鈷或鎢制成。 在層間介電膜30上設(shè)置包括第一緩沖層51、第二緩沖層52和第三緩沖層53的
緩沖層50。第一緩沖層51可以是氮化硅(SiN)膜，第二緩沖層52可以是氮氧化硅(SiON)
膜，第三緩沖層53可以是氮化硅(SiN)膜。 第一緩沖層51可以具有100埃到500埃的厚度。 第二緩沖層52可以具有200埃到1000埃的厚度。 第三緩沖層53可以具有100埃到500埃的厚度。 例如，第二緩沖層52可以具有比第一緩沖層51和第三緩沖層53更厚的厚度，而 第一緩沖層51的厚度可以與第三緩沖層53的厚度相等。
緩沖層50還可以包括附加的緩沖層。 緩沖層50不會將激光脈沖傳輸?shù)较虏繉娱g介電膜30和金屬線40，而是將其吸收 或反射，其中，激光脈沖在隨后的準(zhǔn)分子激光退火(excimer laser annealing)過程中發(fā)射 (emit)。 結(jié)果，緩沖層50用作激光吸收層(laser-absorbing layer)(或激光反射層 (laser-reflecting layer))以防止激光在準(zhǔn)分子激光退火過程中輻射到下部襯底，從而 保護(hù)線和晶體管。 如圖2所示，將緩沖層50圖樣化以形成通孔55，通過通孔55金屬線40被暴露。
在緩沖層50上形成光刻膠膜并且選擇性地將該光刻膠膜暴露在光線下以形成光 刻膠圖樣。利用光刻膠圖樣作為掩膜選擇性地刻蝕緩沖層50，然后去除刻蝕掉的緩沖層 50。 如圖3所示，在緩沖層50上沉積阻擋膜60a，在阻擋膜60a上形成金屬膜60b。
阻擋膜60a形成在上部介電圖樣(u卯er dielectric pattern) 57的上表面上，沿 著通孔的內(nèi)側(cè)并與由通孔暴露的金屬線40接觸。 阻擋膜60a可以由從Ta、 TaN、 TaAlN、 TaSiN、 Ti、 TiN、 WN、 TiSiN禾口 TCu組成的組 中選出的至少一種制成。 阻擋膜60a可以是雙層的形式，例如Ti膜/TiN膜。
阻擋膜60a可以具有50埃到300埃的厚度。 金屬膜60b可以包括選自由鋁、鈦、銅、鎢和鋁合金組成的組中的至少一種。 金屬膜60b設(shè)置在通孔中，并通過阻擋膜60a電連接至金屬線40。 如圖4所示，通過化學(xué)機(jī)械拋光(chemical mechanical polishing, CMP)拋光金
6屬膜60b，從而暴露上部介電圖樣57表面。 結(jié)果，在通孔中形成了用于阻擋膜60a和金屬膜60b的圖樣，從而形成了插塞60
以在隨后的工藝中將金屬線40連接至插塞60。 插塞60可以設(shè)置在每個像素單元中。 如圖5所示，在緩沖層50和插塞60上沉積硅層70a。 硅層70a可以具有3， 000埃到5， 000埃的厚度。 如圖6所示，在硅層70a上形成掩膜圖樣80。利用掩膜圖樣80作為掩膜將雜質(zhì)離 子注入到掩模圖樣80中以形成離子注入?yún)^(qū)72。 雜質(zhì)可以是第三族(Group III)元素。例如，雜質(zhì)可以是硼。
可以相對于硅層70a的上表面以一定的角度實(shí)施離子注入。
可以相對于硅層70a的上部表面以直角實(shí)施離子注入。 離子注入?yún)^(qū)72形成在相鄰的各個像素單元的界面上以將單元像素彼此隔開。
可以利用硼(11B+)，以15到350KeV的能量、1X 1012 to 1 X 1013atoms/cm2的劑量 來實(shí)施離子注入。 如圖7所示，通過準(zhǔn)分子激光輻射(excimer laser irradiation)將包括離子注 入?yún)^(qū)72的硅層70a退火以形成結(jié)晶硅層70b。 以1， 000到1， 500納米的波長、2J/cm2到10J/cm2的能量持續(xù)1到10秒來實(shí)施準(zhǔn) 分子激光退火。 因此，在由離子注入?yún)^(qū)72隔離開的光電二極管區(qū)中產(chǎn)生的光電子通過插塞60和 金屬線40被傳輸?shù)较虏恳r底。 可以在去除掩膜圖樣80之后實(shí)施準(zhǔn)分子激光退火以在硅層70a上形成離子注入 區(qū)72。 在準(zhǔn)分子激光退火過程中，離子注入?yún)^(qū)72可以擴(kuò)散到相鄰的區(qū)域中。
盡管未示出，但可以在結(jié)晶硅層70b上形成濾色器和微透鏡。 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，相鄰的單元像素被彼此隔離以改善噪聲特性并且無需刻蝕 工藝，從而提高了工藝的穩(wěn)定性并簡化了全部工藝。 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在設(shè)置有讀出電路20的半導(dǎo)體襯底10上沉積用來形成光
電二極管的硅層，并且在其下設(shè)置激光吸收層以在利用激光結(jié)晶的過程中保護(hù)下部襯底。 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在光電二極管和讀出電路之間設(shè)置使光電荷順利傳輸?shù)臏?br> 道，以將暗電流最小化并防止飽和度和靈敏度的惡化，從而提高圖像的性能。 在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)可以作各種修改及變形，這對于本領(lǐng)域的技術(shù)人
員而言是顯而易見的。因此，本發(fā)明意在涵蓋在所附權(quán)利要求及其等同替換的范圍內(nèi)的對
本發(fā)明的修改和變形。
權(quán)利要求
一種圖像傳感器，包括讀出電路，設(shè)置在半導(dǎo)體襯底上；層間介電膜，覆蓋所述讀出電路并包含金屬線；緩沖層，設(shè)置在所述層間介電膜上；結(jié)晶硅層，設(shè)置在所述緩沖層上；離子注入?yún)^(qū)，用來隔離對應(yīng)于在所述結(jié)晶硅層中的單元像素的光電二極管區(qū)；以及金屬插塞，設(shè)置在所述緩沖層的通孔中，以將所述光電二極管區(qū)電連接至所述金屬線。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中，所述金屬線電連接至所述讀出電路。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中，通過離子注入第三族元素形成所述離子注入?yún)^(qū)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中，所述離子注入?yún)^(qū)形成在相鄰單元像素的界面上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中，所述緩沖層包括由氮化膜制成的第一緩沖層、由氮氧化膜制成的第二緩沖層以及由氮化膜制成的第三緩沖層。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的圖像傳感器，其中，所述第二緩沖層具有比所述第一緩沖層和所述第三緩沖層的厚度更厚的厚度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的圖像傳感器，其中，所述第一緩沖層的所述厚度與所述第三緩沖層的所述厚度相等。
8. —種用于制造圖像傳感器的方法，包括在半導(dǎo)體襯底上形成讀出電路；形成設(shè)置有金屬線的層間介電膜，以便所述層間介電膜覆蓋所述讀出電路；在所述層間介電膜上形成緩沖層；在所述緩沖層上形成硅層；在所述硅層上形成掩膜圖樣；利用所述掩膜圖樣作為一個掩膜圖樣將雜質(zhì)離子注入到所述硅層中以形成隔離單元像素的離子注入?yún)^(qū)；以及利用激光退火所述硅層以使所述硅層結(jié)晶。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，進(jìn)一步包括在所述緩沖層上形成通孔以便所述通孔暴露所述金屬線；在設(shè)置有所述通孔的所述緩沖層上形成阻擋膜和金屬膜；拋光所述金屬膜以在所述緩沖層中形成金屬插塞。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，形成所述緩沖層的步驟包括在所述層間介電膜上形成由氮化膜制成的第一緩沖層；在所述第一緩沖層上形成由氮氧化膜制成的第二緩沖層；在所述第二緩沖層上形成由氮化膜制成的第三緩沖層。
11. 根據(jù)權(quán)利要求io所述的方法，其中，形成所述第二緩沖層以具有比所述第一緩沖層和所述第三緩沖層更厚的厚度。
12. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的方法，其中，形成所述第一緩沖層和第三緩沖層以便所述第一緩沖層的所述厚度與所述第三緩沖層的所述厚度相等。
13. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，通過將第三族元素離子注入到所述硅層中來實(shí) 施所述離子注入?yún)^(qū)的所述形成。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，利用硼(11B+)，以15到350KeV的能量、1 X 1012 到1 X 1013atoms/cm2的劑量實(shí)施所述離子注入。
15. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，以1， 000到1， 500納米的波長、2J/cm2到10J/cm2 的能量持續(xù)1到10秒來實(shí)施所述硅層的所述結(jié)晶。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種圖像傳感器及其制造方法。該圖像傳感器包括設(shè)置在半導(dǎo)體襯底上的讀出電路；層間介電膜，覆蓋讀出電路并包含金屬線；設(shè)置在層間介電膜上的緩沖層；設(shè)置在緩沖層上的結(jié)晶硅層；離子注入?yún)^(qū)，用來隔離對應(yīng)于在結(jié)晶硅層中的單元像素的光電二極管區(qū)；以及金屬插塞，設(shè)置在緩沖層的通孔中，以將光電二極管區(qū)電連接至金屬線。根據(jù)該方法，能夠使光電荷順利傳輸?shù)臏系辣辉O(shè)置在光電二極管和讀出電路之間，以最小化暗電流并防止飽和度和靈敏度的惡化，從而提高了圖像的性能。
文檔編號H04N5/335GK101715078SQ20091017880
公開日2010年5月26日 申請日期2009年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月1日
發(fā)明者鄭伍珍 申請人:東部高科股份有限公司