图像传感器及其制造方法.pdf

提供了图像传感器及其制造方法。该图像传感器包括读出电路、互连件、接触插塞和图像感测器件。读出电路形成在第一衬底中。互连件在第一衬底上方电连接至读出电路。接触插塞形成在互连件上方，在其上侧的区域处包括绝缘层。图像感测器件形成在接触插塞上。

1.  一种图像传感器，包括：
读出电路，在第一衬底中；
互连件，在所述第一衬底上方电连接至所述读出电路；
接触插塞，在所述互连件上方，在其上侧中部分地包括绝缘层；以及
图像感测器件，在所述接触插塞上方。

2.  根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述接触插塞包括在其表面上的孔，所述孔被填充有绝缘层。

3.  根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述绝缘层具有占所述接触插塞的整个顶表面面积的约5％至约30％的表面面积。

4.  根据权利要求1所述的图像传感器，还包括电连接所述读出电路和所述互连件的电结区。

5.  根据权利要求4所述的图像传感器，还包括在所述电结区和所述互连件之间的第一传导连接区。

6.  根据权利要求5所述的图像传感器，其中，所述第一传导连接区在所述电结区的一侧，并将所述互连件电连接至所述电结区。

7.  根据权利要求4所述的图像传感器，其中，所述读出电路在晶体管的源极和漏极之间具有电位差，所述电结区在所述晶体管的源极。

8.  一种用于制造图像传感器的方法，包括：
在第一衬底中形成读出电路；
在所述第一衬底上方形成连接至所述读出电路的互连件；
在所述互连件上方形成在其上部中部分地包括绝缘层的接触插塞；以及
在所述接触插塞上方形成图像感测器件。

9.  根据权利要求8所述的方法，其中，形成所述接触插塞包括：
在所述互连件上方形成金属层，所述金属层包括在沟槽中；
在所述沟槽上方在所述金属层的表面中形成孔；
用绝缘层填充所述孔；以及
通过对所述金属层进行平面化在所述沟槽中形成所述接触插塞，其中，在对所述金属层进行平面化之后所述孔中的所述绝缘层的一部分保留。

10.  根据权利要求8所述的方法，还包括形成在所述第一衬底中并电连接至所述读出电路的电结区，以及
还包括在所述电结区和所述互连件之间形成第一传导连接区，所述第一传导连接区将所述互连件电连接至所述电结区。

图像传感器及其制造方法
技术领域
本公开涉及图像传感器以及用于制造该图像传感器的方法。
背景技术
图像传感器是用于将光信号转换为电信号的半导体器件。图像传感器可以被分为电荷耦合器件(CCD)图像传感器和互补金属氧化物(CMOS)图像传感器(CIS)。
在图像传感器的制作过程中，可以使用离子注入在衬底中形成光电二极管。由于为了增加像素数量而不增加芯片尺寸的目的而使光电二极管的尺寸变小，所以光接收部的面积也随之减小，从而导致图像质量的下降。
此外，由于堆叠高度没有像光接收部的面积减小一样减小那么多，所以入射到光接收部的光子的数量也由于被称作艾里斑(Airy disk)的光的衍射而减少。
作为克服这种限制的可选办法，已经试图使用非晶硅(Si)来形成光电二极管，或者使用诸如晶片间结合(wafer-to-wafer bonding)的方法来在硅(Si)衬底中形成读出电路，并在读出电路上和/或上方形成光电二极管(称为三维(3D)图像传感器)。
在相关技术中，在3D图像传感器的制造过程中通过金属线来连接光电二极管和读出电路。在光电二极管和读出电路结合之前在金属线上方形成钨插塞(W插塞)。因此，与光电二极管的结合面积由于在钨CMP处理中生成的CMP凹陷而减小，这导致结合效率的劣化。因此，存在由于读出电路的金属线和光电二极管之间的较差接触而对获取欧姆接触的限制。
此外，在相关技术中，存在对包括读出电路的下衬底的接触插塞与光电二极管的金属之间的较差结合强度的限制。
由于在相关技术中的转移晶体管两侧的源极和漏极被重掺杂有N型杂质，所以发生电荷共享现象。当发生电荷共享现象时，输出图像的灵敏度降低，并且会产生图像误差。此外，由于光电荷不容易在光电二极管与读出电路之间移动，所以生成暗电流和/或降低了饱和度和灵敏度。
发明内容
实施例提供了一种图像传感器及其制造方法，该图像传感器能够通过减少图像感测器件与互连件(interconnection)的接触插塞之间的接触面凹陷来获得互连件和图像感测器件之间的欧姆接触。
另一实施例提供了一种图像传感器及其制造方法，该图像传感器能够增加下衬底的接触插塞与上衬底的图像感测器件之间的结合强度。
实施例还提供了一种图像传感器及其制造方法，其中，不会发生电荷共享同时增加填充因数。实施例还提供了一种图像传感器及其制造方法，该图像传感器能够通过在光电二极管与读出电路之间形成光电荷的平滑转移路径来使暗电流源最小并抑制饱和度的降低和灵敏度的劣化。
在一个实施例中，图像传感器包括：读出电路，在第一衬底中；互连件，在第一衬底上方电连接至读出电路；接触插塞，在互连件上方，在其上侧中部分地包括绝缘层；以及图像感测器件，在接触插塞上方。
在另一个实施例中，图像传感器的制造方法包括：在第一衬底中形成读出电路；在第一衬底上方形成连接至读出电路的互连件；在互连件上方形成在其上部中部分地包括绝缘层的接触插塞；以及在接触插塞上方形成图像感测器件。
在以下的附图和描述中阐述一个或多个实施例的细节。其他特征将根据描述和附图以及权利要求而变得清楚。
附图说明
图1是示出根据实施例的图像传感器的截面图。
图2至图8是示出根据第一实施例的图像传感器的制造方法的截面图。
图9是示出根据第二实施例的图像传感器的示图。
具体实施方式
以下，将参照附图描述图像传感器及其制造方法。
在实施例的描述中，应该理解，当提到层(或膜)在另一层或衬底“上”时，其可以直接在另一层或衬底上，或者可以存在中间插入层。此外，应该理解，当提到层在另一层“下方”时，其可以直接在另一层的下方，并且也可以存在一个或多个中间插入层。此外，还应该理解，当提到层在两层“之间”时，可以在这两层之间仅有该层，或者还可以存在一个或多个中间插入层。
图1是示出根据实施例的图像传感器的截面图。在示出的实施例中，第一衬底100其上设置有图像感测器件210。图像感测器件210经由互连件150和在图像感测器件210与互连件150之间的接触插塞170电连接到在第一衬底中的读取电路，其中接触插塞170在该接触插塞170的上侧部中部分地包括绝缘层190。图2B示出了根据第一实施例的第一衬底的详细示图。
根据实施例，图像传感器可包括：读出电路120，设置在第一衬底100中；互连件150，设置在第一衬底100上方，电连接至读出电路120；接触插塞170，在其上侧中部分地包括绝缘层190，并设置在互连件150上方；以及图像感测器件210，设置在接触插塞170上方。
图像感测器件210可以是光电二极管，但不限于此，而是可以是光门(photogate)，或者是光电二极管和光门的组合。实施例包括以晶体半导体层形成的图像感测器件210作为实例。然而，实施例不限于于此，可以包括以非晶半导体层形成的光电二极管。
在图1中未进行解释的参考标号将参照以下示出图像传感器的制造方法的附图进行描述。
在根据实施例的图像传感器及其制造方法中，以金属镶嵌(damascene)形式设置用于处于上部的图像感测器件与处于下部的读出电路之间的连接的互连件的接触插塞。这里，接触插塞表面中的区域被回蚀(etch back)并填充有绝缘层，从而减少了插塞的平面化处理中的凹陷现象。因此，由于结合效率的提高而可以获得互连件和图像感测器件之间的欧姆接触。
在实施例中，可以通过在下衬底的接触插塞的部分表面处包括绝缘层来增加接触插塞和图像感测器件之间的结合强度。
在实施例中，可以将图像传感器设计为在转移晶体管(Tx)的源极和漏极之间提供电位差，从而能够进行光电荷的完全倾卸(full dumping)。在实施例中，在光电二极管和读出电路之间形成电荷连接区域，以创建光电荷的平滑转移路径，从而使暗电流源最小并抑制饱和度的降低和灵敏度的劣化。
以下，将参照图2至图8描述根据第一实施例的图像传感器的制造方法。
参照图2A，可制备具有连接到读出电路的互连件150的第一衬底100。如图2B所示，制备包括互连件150和读出电路120的第一衬底100。图2B是示出具有互连件150和读出电路120的第一衬底的详细示图。以下，将参照图2B进行详细描述。
参照图2B，制备形成有互连件150和读出电路120的第一衬底100。例如，通过在第一衬底100中形成器件分离层110来限定有源区。在有源区中形成包括晶体管的读出电路120。例如，读出电路120可包括转移晶体管(Tx)121、复位晶体管(Rx)123、驱动晶体管(Dx)125和选择晶体管(Sx)127。此后，可以形成浮动扩散区(FD)131以及包括用于每个晶体管的源极/漏极区133、135和137的离子注入区130。
在第一衬底100中形成读出电路120可包括：在第一衬底100中形成电结区140，以及形成在电结区140的上部处连接至互连件的第一传导连接区147。
例如，电结区140可以是PN结140，但不限于此。例如，电结区140可包括形成在第二类型传导阱141或第二传导类型外延层上的第一传导类型离子注入143，以及形成在第一传导类型离子注入143上的第二传导类型离子注入层145。例如，PN结140可以是P0(145)/N-(143)/P-(141)结，但不限于此。第一衬底100可以是第二传导类型衬底，但不限于此。
在实施例中，可以将图像传感器设计为在转移晶体管(Tx)的源极和漏接之间提供电位差，从而能够使光电荷完全倾卸。因此，在光电二极管中生成的光电荷被倾卸至浮动扩散区，从而增加了输出图像灵敏度。
即，如图2B所示，在包括读出电路120的第一衬底100中形成电结区140，以在转移晶体管(Tx)121的源极和漏极之间提供电位差，从而能够使光电荷完全倾卸。
下面，将详细描述根据实施例的光电荷的倾卸结构。
在实施例中，不同于N+结的浮动扩散(FD)131节点，电结区140的P/N/P结140被以预定电压夹断，而没有将施加电压完全转移至其。该电压被称作钉扎电压(pinning voltage)。钉扎电压取决于P0(145)和N-(143)掺杂浓度。
具体地，在第二图像感测器件220中生成的电子被转移至PNP结140，并且当转移晶体管(Tx)121导通时，它们被转移至浮动扩散(FD)131节点，以将其转换为电压。
P0/N-/P-结140的最大电压为钉扎电压，并且FD 131节点的最大电压为Vdd-Vth_Rx。因此，由于Tx 121的源极和漏极之间的电位差，在芯片上的第二光电二极管210中生成的电子可以被完全倾卸至FD 131节点而不存在电荷共享。
即，根据实施例，在第一衬底100的硅衬底(Si衬底)中生成P0/N-/P-结而不是N+/P-阱结的原因在于，在4-Tr(四个晶体管)有源像素传感器(APS)复位操作中，正(+)电压被施加到P0/N-/P-阱结中的N-区域(143)，而将地电压施加到P0区域(145)和P-阱(141)，因此，P0/N-/P-阱双结如在BJT结构中一样以预定电压或更高的电压来生成夹断电压。这被称为钉扎电压。因此，在第二Tx 121的源极和漏极之间产生电位差，从而能够抑制在Tx导通/截止操作中的电荷共享现象。
因此，不同于将光电二极管简单连接至N+结的相关技术的情况，本发明的实施例能够抑制饱和度的降低和灵敏度的劣化。
此后，可以在光电二极管和读出电路之间形成第一传导连接区147，以创建光电荷的平滑转移路径，从而能够使暗电流源最小，并抑制饱和度的降低和灵敏度的劣化。
为此，第一实施例可形成第一传导连接区147用于在P0/N-/P-结140的表面上的欧姆接触。N+区域(147)可形成为穿透P0区域(145)以接触N-区域(143)。
第一传导连接147的宽度可以被最小化以抑制第一传导连接147成为泄露源。为此，在蚀刻了第一金属接触151a的接触孔之后可以执行插塞注入，但实施例不限于此。例如，可通过另一种方法形成离子注入图案(未示出)，并且该离子注入图案可以被用作离子注入掩模，以形成第一传导连接区147。
即，仅接触成形区域的局部N+掺杂的原因是使暗信号最小化并实现欧姆接触的平滑成形。如果整个Tx源极区如相关技术一样为N+掺杂的，则由于Si表面悬挂键(dangling bond)而可以使暗信号增加。
接下来，可以在第一衬底100上形成层间介电层160，并且可以形成互连件150。互连件150可包括第一金属接触151a、第一金属151、第二金属152、第三金属153，但实施例不限于此。
下文，将参照图3至图7描述在其上形成包括绝缘层190的接触插塞170的过程。
如图3所示，在互连件150上形成接触插塞金属层170a。例如，通过金属镶嵌工艺形成沟槽T，以及在包括沟槽T的第一衬底100上形成金属层170a。金属层170a可以由钨形成，但不限于此。
如图4所示，形成光刻胶图案180以露出金属层170a的部分表面。
如图5所示，通过使用光刻胶图案180作为蚀刻掩模来蚀刻露出的金属层170a，在金属层170a中形成孔H。例如，可使用光刻胶图案180作为掩模来执行回蚀过程以在金属层170a中形成孔H，但方法不限于此。
如图6所示，可以在包括孔H的第一衬底100上形成绝缘材料190a。例如，可以在包括孔H的第一衬底100上形成氧化物材料190a，但绝缘材料不限于此。
如图7所示，绝缘材料190a和金属层170a被顺序平面化，以形成在其上部中包括绝缘层190的接触插塞170，但该方法步骤不限于此。可以在为晶片结合(例如，图像感测器件的结合)所准备的第一衬底的顶面处露出在其一部分中具有绝缘层190的接触插塞170。
在根据实施例的图像传感器及其制造方法中，以金属镶嵌的形式设置用于处于上部的图像感测器件与处于下部的读出电路之间的连接的互连件的接触插塞。这里，接触表面的区域被蚀刻以减少接触表面凹陷。因此，由于结合效率的提高而可以获得互连件与图像感测器件之间的欧姆接触。
根据实施例，可以通过在下衬底中的接触插塞170的上部中包括绝缘层190来增加接触插塞170与其上的图像感测器件210之间的结合强度。绝缘层190的表面面积可以占接触插塞170的整个顶表面面积的约5％至约30％，从而增加结合强度而不限制其传导性。
如图8所示，图像感测器件210形成在接触插塞170上方。
例如，可通过将离子注入第二衬底(未示出)的晶体半导体层中来形成包括高浓度P型传导层216、低浓度N型传导层214和高浓度N型传导层212的光电二极管210，但实施例不限于此。
接下来，在形成有图像感测器件210的第二衬底被结合至接触插塞170之后，去除第二衬底，以留下图像感测器件210。
图9是示出根据第二实施例的图像传感器的截面图，并且是示出形成有互连件150的第一衬底的详细示图。
图像传感器可包括：读出电路120，设置在第一衬底100中；互连件150，设置在第一衬底100上方，电连接至读出电路120；接触插塞170，在其上侧中包括绝缘层190，并设置在互连件150上方；以及图像感测器件210，设置在接触插塞170上方。
第二实施例可采用第一实施例的技术特征。
例如，在根据第二实施例的图像传感器及其制造方法中，以金属镶嵌的形式提供用于处于上部的图像感测器件与处于下部的读出电路之间的连接的互连件的接触插塞。这里，接触表面的一部分在该区域被回蚀以减少接触表面凹陷。因此，由于结合效率的提高而可以获得互连件与图像感测器件之间的欧姆接触。
此外，可以通过在下衬底上的接触插塞的上部中包括绝缘层来增加在接触插塞与其上的图像感测单元之间的结合强度。
此外，图像传感器可以被设计为在转移晶体管(Tx)的源极和漏极之间提供电位差，从而能够进行光电荷的完全倾卸。在实施例中，在光电二极管与读出电路之间形成电荷连接区以创建光电荷的平滑转移路径，从而使暗电流源最小化并抑制饱和度的降低和灵敏度的劣化。
不同于第一实施例，第二实施例提供了在电结区140的一侧形成的第一传导连接区148。
N+连接区148可形成在P0/N-/P-结140处用于到互连件150的欧姆接触。形成N+连接区148和M1C接触151a的过程可以提供泄露源。这是因为由于在将反偏压施加到P0/N-/P-结140时进行的操作会在Si表面上生成电场(EF)。在电场内的接触形成过程期间生成的晶体缺陷会成为泄露源。
此外，当在P0/N-/P-结140的表面上形成N+连接区148时，由于N+/P0结148/145会附加地生成电场。该电场也会成为泄露源。
因此，第二实施例提出了一种布局，其中，第一接触插塞151a被形成在没有掺杂P0层但包括电连接至N-结143的N+连接区148的有源区中。
根据第二实施例，在Si表面上和/或上方未生成电场，这会有助于减少3D集成CIS的暗电流。
本说明书中“一个实施例”、“实施例”、“实例实施例”等的任意描述是指结合实施例描述的具体特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。在说明书各个地方出现的这种措辞并不必指同一实施例。此外，当结合任意实施例描述具体特征、结构或特性时，可以认为，结合其他实施例实现这种特征、结构或特性在本领域的技术人员的能力范围内。
尽管已经参照其多个示例性实施例描述了实施例，但应该理解，本领域的技术人员可以设计其他修改和实施例，它们均落入本公开原理的精神和范围内。更具体地，在本公开、附图和所附权利要求的范围内，可以对主题组合配置的部件部分和/或配置进行各种变化和修改。除对部件部分和/或配置的变化和修改之外，可替换用途对本领域的技术人员来说也是明显的。