專利名稱：圖像傳感器及其制造方法
技術領域：
本發明涉及圖像傳感器及其制造方法。
背景技術：
圖像傳感器可以是可將光學圖像轉化為電信號的半導體器件。圖像傳
感器可分類為諸如電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器和互補金屬氧化物硅 (CMOS)圖像傳感器(CIS),
在圖像傳感器的制造工藝期間，可使用離子注入在襯底中形成光電二 極管。可減小光電二極管的尺寸，以在不增加芯片尺寸的條件下增加像素 數目。這可減小光接收部分的面積。圖像質量可由此降低。
由于堆疊高度減小的幅度不與光接收部分面積減小的幅度一樣大，所 以由于稱為艾里斑(Airy disk)的光衍射導致入射至光接收部分的光子數 目可也減小。
為解決該限制，可使用非晶硅(Si)形成光電二極管。此外，使用諸 如晶片-至-晶片^的方法可在硅(si)襯底中形成讀出電路，光電二極管 可形成在讀出電路上和/或上方(稱為三維(3D)圖像傳感器)。光電二極 管可以通過金屬互連與讀出電路連接。
根據相關技術，可能難以將光電二極管電連接至讀出電路。即，在讀 出電路上和/或上方可形成金屬互連，并且可實施晶片-至-晶片接^f吏得金 屬互連可接觸光電二極管。因此，金屬互連之間的接觸可以是困難的，并 且金屬互連和光電二極管之間的歐姆接觸可以是困難的。
由于在轉移晶體管兩側的源極和漏極二者都可重度摻雜有N-型雜質， 所以可發生電荷共享現象。當發生電荷共享現象時，輸出圖《象的靈^:度可 降低并且可產生圖像誤差。此外，由于光電荷不易于在光電二極管和讀出 電路之間移動，所以可產生暗電流和/或飽和度和靈敏度可降低。
發明內容
一些實施方案涉及可防止發生電荷共享并可增加填充因子的圖像傳感 器及其制造方法。
一些實施方案涉及可通過在光電二極管和讀出電i^間提供相對迅速 的光電荷的移動通路可最小化暗電流源并可防止飽和度和靈敏度降低的 圖像傳感器及其制造方法。
根據一些實施方案，圖像傳感器可包括以下中的至少一個。第一襯底， 在所述第一襯底上和/或上方可形成包括金屬互連的電路。在第一襯底上和 /或上方的光電二極管，所述光電二極管接觸所述金屬互連，其中所述第一
襯底的電路可包括在所述第一襯底上方的第一晶體管和第二晶體管。在 所述第一晶體管和所述第二晶體管之間的電結區。在所迷第二晶體管一側 的第一導電型區域，所述第一導電型區域連接至所述金屬互連。
根據一些實施方案，圖像傳感器可包括以下中的至少一個。第一襯底， 在所述笫一襯底上和/或上方可形成包括金屬互連的電路。在所述笫一村底 上方的光電二極管，所述光電二極管接觸所述金屬互連。所述第一襯底的 所述電路可包括在所述第一襯底上方的第一晶體管和第二晶體管，在所 述第一晶體管和所述第二晶體管之間的電結區，和在所述第二晶體管一側
的第一導電型區域，所述第一導電型區域連接至所述金屬互連，其中所述 第 一襯底具有摻雜有第二導電型雜質的上部。
根據一些實施方案，制造圖像傳感器的方法可包括以下步驟中的至少 一個。在第一襯底上方形成包括金屬互連的電路。在所述金屬互連上方形 成光電二極管。形成所述第一襯底的電路可包括以下步驟中的至少一個。 在所述第一襯底上方形成笫一晶體管和第二晶體管。在所述第一晶體管和 所述第二晶體管之間形成電結區。在所述第二晶體管的一側形成笫一導電 型區域，所述第一導電型區域連接至所述金屬互連。
示例性圖1~7說明根據一些實施方案的圖像傳感器及制造圖像傳感 器的方法。
具體實施例方式
將參考附圖詳細地描述根據一些實施方案的圖像傳感器和制造圖像傳 感器的方法。
示例性圖l是根據一些實施方案的圖像傳感器的截面圖。參考示例性
圖1，根據一些實施方案，圖像傳感器可包括第一襯底100。在第一襯底 100上和/或上方可形成金屬互連150和電路120。圖像傳感器還可包括接 觸金屬互連150的光電二極管210。光電二極管210可形成在第一襯底100 上和/或上方。根據一些實施方案，第一襯底100的電路120可包括在第 一襯底100上和/或上方形成的第一晶體管121a和第二晶體管121b，在第 一晶體管121a和第二晶體管121b之間形成的電結區140,和在第二晶體 管121b —側的連接至金屬互連150的高濃度第一導電型區域131b。
根據一些實施方案，可在晶體半導體層210a (示例性圖3)中形成光 電二極管210。梠*據一些實施方案，由于圖像傳感器可實現光電二fel管位 于電路上方的垂直型光電二極管，并且光電二極管可形成在晶體半導體層 中，所以可防止在光電二極管內部產生缺陷。
將參考示例性圖2~6描述根據一些實施方案的制造圖像傳感器的方 法。參考示例性圖2，第一襯底100可包括金屬互連150和讀出電路120， 并且可首先提供第一襯底100。根據一些實施方案，第一襯底100可以是 第二導電型襯底。根據一些實施方案，第一襯底100可以是任何導電型襯 底。
根據一些實施方案，在第二導電型第一襯底100中可形成器件隔離層 110并且可由此限定有源區。讀出電路120可包括至少一個晶體管并且可 形成在有源區中。根據一些實施方案，讀出電路120可包括轉移晶體管(Tx ) 121、重置晶體管(Rx) 123、驅動晶體管(Dx) 125、和選擇晶體管(Sx) 127。然后可形成離子注入區域130。4艮據一些實施方案，離子注入區域130 可包括笫一浮置擴散區(FD) 131a和源^L/漏極區133、 135和137。
將描述根據一些實施方案的在第一襯底100上和/或上方形成讀出電路 120的方法。根據一些實施方案，在第一襯底100上和/或上方可形成第一 晶體管121a和第二晶體管121b。 4艮據一些實施方案，第一晶體管121a和 第二晶體管121b可分別為第一轉移晶體管121a和第二轉移晶體管121b。 根據一些實施方案，第一晶體管121a和第二晶體管121b可以是任何類型的晶體管。第一晶體管121a和第二晶體管121b可同時形成或依次形成。
根據一些實施方案，在第一晶體管121a和第二晶體管121b之間可形 成電結區140。根據一些實施方案，電結區140可以是PN結140。根據一 些實施方案，電結區140可以是任何類型的結。
才艮據一些實施方案，電結區140可包括在第二導電型阱141或第二導 電型外延層141上和/或上方形成的第一導電型離子注入層143。電結區140 還可包括在第一導電型離子注入層143上和/或上方形成的第二導電型離 子注入層145。根據一些實施方案，PN結140可以是P0(145)/N-(143)/P-(141) 結。
根據一些實施方案，高濃度第一導電型區域131b可形成在第二晶體管 121b的一側并可連接至金屬互連150。才艮據一些實施方案，可以作為高濃 度N+離子注入區域(N+結)的高濃度第一導電型區域131b可用作第二浮 置擴散區(FD2) 131b。
根據一些實施方案，讀出電路120可使得在芯片上和/或上方形成的光 電二極管210中產生的電子朝向形成有電路的襯底(Si襯底)的N+結131b 移動。根據一些實施方案，讀出電路120可使得N+結131B中的電子朝向 N-結143移動。這可使得能夠進行4Tr操作。
根據一些實施方案，？0/^^-結140和N+結131b可彼此分離。根據 一些實施方案，這可因為當在PO/N-ZP-夕卜延140的P/N/P結中形成N+摻雜 區域和接觸時，由于N+結131b和接觸蝕刻所導致的蝕刻損傷而可產生的 暗電流。根據一些實施方案，為防止暗電流產生，接觸形成部分，即N+ 結131b可以與P/N/P結140分離。
即，將N+雜質摻雜到P/N/P結140表面上的工藝和接觸蝕刻工藝可產 生泄漏源。為此，可在N十/P-外延結131b中形成接觸。
當讀出信號時，第二晶體管(Tx2) 121b的柵極可導通。才艮據一些實 施方案，由在芯片上和/或上方形成的光電二極管210產生的電子可通過 P0/N-ZP外延結140移動至笫一浮置擴散區(FD 1) 131a的節點。這可使 得能夠進行相關雙采樣(CDS )。
才艮據一些實施方案，在第一襯底100上和/或上方可形成層間電介質 160,然后可形成金屬互連150。根據一些實施方案，金屬互連150可包括 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。
參考示例性圖3,在第二襯底200上和/或上方可形成晶體半導體層 210a。由于光電二極管210可形成在晶體半導體層210a中，所以可防止光 電二極管內部的缺陷。
根據一些實施方案，可通過外延生長方法在第二襯底200上和/或上方 形成晶體半導體層210a。才艮據一些實施方案，氫離子可注入第二襯底200 和晶體半導體層210a之間的界面中。這可形成氫離子注入層207a。根據 一些實施方案，氫離子的注入可在注入用于形成光電二極管210的雜質離 子之后進行。
參考示例性圖4,雜質離子可注入晶體半導體210a中并且可形成光電 二極管210。根據一些實施方案，第二導電型導電層216可形成在晶體半 導體層210a的上部。第二導電型導電層216可以是高濃度P-型導電層。 根據一些實施方案，通過在第二襯底200的整個表面上無掩模地實施第一 無掩模離子注入，可在晶體半導體層210a上和/或上方形成高濃度P-型導 電層216。根據一些實施方案，第二導電型導電層216可形成為小于約 0.5nm的結深度。
根據一些實施方案，通過在第二村底200的整個表面上無掩模地實施 第二無4^模離子注入，可在第二導電型導電層216下方和/或之下形成第一 導電型導電層214。第一導電型導電層214可以是低濃度N-型導電層。根 據一些實施方案，低濃度第一導電型導電層214可形成為約l.Opm至約 2.0pm的結'深度。
才艮據一些實施方案，高濃度第一導電型導電層212可形成在第一導電 型導電層214下方和/或之下。根據一些實施方案，通過對第二襯底200的 整個表面無掩模地實施第三無掩模離子注入，可在第一導電型導電層214 下方和/或之下形成高濃度N+導電層212。根據一些實施方案，高濃度N十 導電層212可有助于歐姆接觸。
參考示例性圖5，第一襯底100和第二村底200可彼此接合。根據一 些實施方案，光電二極管210可接觸金屬互連150。根據一些實施方案， 通過使第一襯底100和第二襯底200彼此接觸然后通過可增加"^表面中 的表面能的等離子體進行活化，可實施所述掩^。根據一些實施方案，通 過對第二襯底200實施熱處理，氫離子注入層207a可轉變為氫氣層。參考示例性圖6，然后可移除第二襯底200的一部分，并且可保留氫 氣層下方的光電二極管210。由此可暴露光電二極管210。才艮據一些實施方 案，使用切割設備諸如刀片可實施第二襯底200的除去。
根據一些實施方案，可實施隔離用于每個單元像素的光電二極管210 的蝕刻工藝。根據一些實施方案，然后可用像素間電介質填充蝕刻的部分。 根據一些實施方案，可形成上電極和濾色器。
示例性圖7是根據一些實施方案的圖像傳感器的截面圖。根據一些實 施方案，在示例性圖7中說明的器件可采用在示例性圖1~6中說明的實施 方案的各種技術特性。
與示例性圖1-6中說明的實施方案不同，根據在示例性圖7中說明的 一些實施方案的圖像傳感器可包括光電二極管220,光電二極管220可以 形成在非晶層中。根據一些實施方案，光電二極管220可包括電連接至 金屬互連150的;^層223、和在4^E層223上和/或上方的第二導電型導 電層225。根據一些實施方案，圖像傳感器還可包括在下部電極210和本 征層223之間的第一導電型導電層221。
將描述根據一些實施方案的形成光電二極管220的方法。與在示例性 圖1~6中說明的實施方案不同，根據在示例性圖7中說明的一些實施方案 的圖像傳感器可包括光電二極管220，光電二極管220可通過在第一襯底 100上和/或上方實施沉積工藝形成，第一襯底100上和/或上方可形成有包 括金屬互連150的讀出電路120。根據一些實施方案5所述方法可不包括 齡。
根據一些實施方案，在第一襯底100上和/或上方可形成第一導電型導 電層221。根據一些實施方案，第一導電型導電層221可接觸金屬互連150。 才艮據一些實施方案，可以不形成第一導電型導電層221而實施后續工藝。 第一導電型導電層221可作為在一些實施方案中實施的PIN 二極管的N-層。根據一些實施方案，第一導電型導電層221可以是N-型導電層。根據 一些實施方案，第一導電型導電層221可以^1任何類型的導電層。
第一導電型導電層221可由n-摻雜的非晶珪形成。根據一些實施方案， 方法可不限于此。根據一些實施方案，第一導電型導電層221可由a-Si: H、 a-SiGe: H、 a-SiC、 a-SiN: H、和a-SiO: H中的至少一種形成，所 述a-Si: H、 a國SiGe: H、 a-SiC、 a畫SiN: H、和a-SiO: H可通it^E非晶硅中加入Ge、 C、 N、和O中的至少一種形成。才艮據一些實施方案，第一 導電型導電層221可由其它類似化合物形成。
才艮據一些實施方案，第一導電型導電層221可通過CVD形成。才艮據 一些實施方案，第一導電型導電層221可通過PECVD形成。根據一些實 施方案，可通過其中PH3、 P2Hs和/或其它類似化合物可與硅烷(SiH4)氣 體混合的PECVD，由非晶硅形成第一導電型導電層141。
才艮據一些實施方案，在第一導電型導電層221上和/或上方可形成^ 層223。 ^iE層223可作為在一些實施方案中實施的PIN 二極管的I-層。 根據一些實施方案，本征層223可由非晶硅形成。根據一些實施方案，本 征層223可通過CVD形成。才艮據一些實施方案，本征層223可通過PECVD 形成。根據一些實施方案，本征層223可通過使用硅烷(SiH4)氣體的 PECVD形成。
才艮據一些實施方案，在^層223上和/或上方可形成第二導電型導電 層225。第二導電型導電層225和^層223可原位形成。第二導電型導 電層225可作為在一些實施方案中釆用的PIN 二極管的P-層。根據一些實 施方案，第二導電型導電層225可以是P-型導電層。根據一些實施方案， 第二導電型導電層225可以是4壬何類型的導電層。
根據一些實施方案，笫二導電型導電層225可由磷(P)摻雜的非晶硅 形成。根據一些實施方案，可使用其它方法。第二導電型導電層225可通 過CVD形成。根據一些實施方案，第二導電型導電層225可通過PECVD 形成。根據一些實施方案，可通過其中硼(B)或其它類似元素可與硅烷 (SiH4)氣體混合的PECVD,由非晶硅形成第二導電型導電層225。
才艮據一些實施方案，在第二導電型導電層225上和/或上方可形成上電 極240。上電極240可由可具有高透光性和高電導率的透明電極材料形成。 根據一些實施方案，上電極240可由氧化銦錫(ITO)、氧化鎘錫(CTO) 和/或其它類似化合物形成。
根據一些實施方案，圖像傳感器及其制造方法可提供電路和光電二極 管的垂直集成。
根據一些實施方案，制造具有垂直構造的3-維(3D)圖像傳感器的方 法可在最小化暗電流的同時提供基本上類似于4-Tr像素操作的相關雙采 樣(CDS)，所述暗電流可在將芯片上和/或上方形成的光電二極管連接至
ii其上形成有電路的襯底(Si襯底)的接觸蝕刻工藝期間以及高濃度N+摻 雜工藝期間產生。因此，能夠最小化噪音和暗電流。
根據一些實施方案，電路和光電二極管的垂直集成可實現接近100% 的填充因子。根據一些實施方案，電路和光電二極管的垂直集成可提供的 靈敏度比具有相同像素尺寸的相關技術的靈敏度高。
盡管對于互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器描述了一些實 施方案，但是實施方案不限于CIS。根據一些實施方案，可使用任何需要 光電二極管的圖傳_傳感器。
對本領域技術人員顯然和明顯的是在公開的實施方案中可做出各種 改變和變化。因此，只要這些顯然和明顯的改變和變化在所附權利要求和 其等同物的范圍之內，則公開的實施方案意圖覆蓋這些顯然和明顯的改變 和變化。
權利要求
1. 一種器件，包括第一襯底；在所述第一襯底上方形成的包括金屬互連的電路；和在所述第一襯底上方的光電二極管，所述光電二極管接觸所述金屬互連，其中所述第一襯底的所述電路包括在所述第一襯底上方的第一晶體管和第二晶體管；在所述第一晶體管和所述第二晶體管之間的電結區；和在所述第二晶體管一側的第一導電型區域，所述第一導電型區域連接至所述金屬互連。
2. 根據權利要求l所述的器件，其中所述電結區包括 在所述第一襯底上方的第一導電型離子注入區域；和 在所述第一導電型離子注入區域上方的第二導電型離子注入區域。
3. 根據權利要求2所述的器件，其中所述電結區包括PN結。
4. 根據權利要求3所述的器件，其中所述PN結包括P0/N-ZP-結。
5. 根據權利要求l所述的器件，其中所述第一導電型區域包括N+區域。
6. 根據權利要求1所述的器件，包括在所述第一襯底中形成的第一浮置 擴散區和第二浮置擴散區，其中所述笫二浮置擴散區連接至所述金屬互 連。
7. 根據權利要求1所述的器件，其中所述光電二極管形成在晶體半導體 層中并電連接至所述金屬互連。
8. 根據權利要求7所述的器件，其中所述晶體半導體層形成在第二襯底 上方，和其中所述笫二襯底接合至所述第一襯底。
9. 一種器件，包括 半導體襯底；在所述半導^H"底上方形成的包括金屬互連的讀出電路；和 在所述半導體襯底上方的光電二極管，其中所述光電二極管接觸所述金屬互連，和其中所述半導體襯底的所述電路包括在所述半導體襯底上方的第一晶體管和第二晶體管；在所述第一晶體管和所述第二晶體管之間的電結區；和在所述第二晶體管一側的第一導電型區域，所述第一導電型區域連接 至所述金屬互連，其中所述半導體襯底具有摻雜有第二導電型雜質的上部。
10. 根據權利要求9所述的器件，其中所述電結區包括在所述半導體襯底的所述第二導電型區域上方的第 一導電型離子注入 區域；和在所述第一導電型離子注入區域上方的第二導電型離子注入區域。
11. 根據權利要求9所述的器件，其中所述半導體襯底具有摻雜有P-型雜 質的上部，所述電結區包括PN結。
12. 根據權利要求9所述的器件，其中所述第一晶體管和第二晶體管包括 轉移晶體管。
13. —種方法，包括 提供第一襯底；在所述第一襯底上方形成包括金屬互連的電路；和在所述金屬互連上方形成光電二極管，其中形成所述第一襯底的所述 電路包括在所述第一襯底上方形成第一晶體管和第二晶體管；在所述第一晶體管和所述第二晶體管之間形成電結區；和在所述第二晶體管的一側形成第一導電型區域，所述第一導電型區域 連接至所述金屬互連。
14. 根據權利要求13所述的方法，其中形成所述電結區包括 在所述第一襯底上方形成第一導電型離子注入區域；和 在所述第一導電型離子注入區域上方形成第二導電型離子注入區域。
15. 根據權利要求14所述的方法，其中形成所述電結區包括形成PN結。
16. 根據權利要求15所述的方法，其中所述PN結包括PO/N-ZP-結。
17. 根據權利要求13所述的方法，其中所述第一導電型區域包括N+區域。
18. 根據權利要求13所述的方法，包括在所述第一襯底中形成第一浮置擴 散區和第二浮置擴散區，其中所述第二浮置擴散區連接至所述金屬互連。
19. 根據權利要求13所述的方法，其中所述光電二極管形成在晶體半導體 層中并電連接至所述金屬互連。
20. 根據權利要求19所述的方法，包括在第二襯底上方形成所述晶體半導 體層，和將所述第二襯底^^到所述第一襯底。
全文摘要
實施方案涉及圖像傳感器及形成圖像傳感器的方法。根據實施方案，圖像傳感器可包括第一襯底和光電二極管。在第一襯底上和/或上方可形成包括金屬互連的電路。光電二極管可形成在第一襯底上方，并且可接觸金屬互連。第一襯底的電路可包括第一晶體管、第二晶體管、電結區和第一導電型區域。第一晶體管和第二晶體管可形成在第一襯底上方。根據實施方案，在第一晶體管和第二晶體管之間可形成電結區。第一導電型區域可形成在所述第二晶體管的一側并且可連接至金屬互連。
文檔編號H01L27/146GK101471364SQ20081018653
公開日2009年7月1日 申請日期2008年12月25日 優先權日2007年12月28日
發明者沈喜成, 金光洙, 金升炫, 韓鎮洙, 俊 黃 申請人:東部高科股份有限公司