CN101471371A - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种图像传感器及其制造方法,所述图像传感器包括电路、基板、电结区、高浓度第一导电型区、以及光电二极管。所述电路包括晶体管且形成于所述基板上和/或上方。所述电结区形成在晶体管的一侧。所述高浓度第一导电型区形成在电结区上和/或上方。所述光电二极管形成在所述电路上方。
Description
背景技术
图像传感器是用于将光学图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器通常可被分类为电荷耦合器件(CCD)图像传感器或互补金属氧化物硅(CMOS)图像传感器(CIS)。
在图像传感器的制造期间,可以使用离子注入在基板中形成光电二极管。为增加像素数量而不增大芯片尺寸起见,光电二极管的尺寸被减小,因此光接收部分的面积也被减小,由此造成了图像质量的降低。此外,由于堆叠高度的降低可能不如光接收部分的面积的减少那样多,因此入射到光接收部分的光子的数量也可能会由于被称为“艾里斑”(airy disk)的光衍射而被减少。
相关的图像传感器可尝试使用非晶硅(Si)来形成光电二极管,或者使用诸如晶片键合之类的方法在硅(Si)基板中形成读出电路,然后在读出电路上和/或上方形成光电二极管。然后,所述光电二极管可以通过金属互连物而与所述读出电路连接。由于在转移晶体管两侧的源极和漏极均可被重掺杂有N型杂质,因此可能发生电荷共享现象。当发生这种电荷共享现象时,输出图像的灵敏度可能会被降低,以及可能产生图像误差。此外,由于光电荷可能不易于在光电二极管与读出电路之间移动,因此,可能产生暗电流,和/或可能降低饱和度和灵敏度。
发明内容
实施例涉及一种提供了电路和光电二极管的新的集成的图像传感器及其制造方法。实施例涉及一种图像传感器及其制造方法,其中可以由非晶半导体形成垂直型光电二极管,且使用了有效地传输在所述垂直型光电二极管中产生的电子的电路。
实施例涉及一种图像传感器,其可包括以下中的至少一个:在基板上方的包括晶体管的电路;在所述晶体管一侧的电结区;在所述电结区上方的高浓度第一导电型区;以及在该电路上方的光电二极管。
实施例涉及一种用于制造图像传感器的方法,其可以包括以下步骤中的至少一个:在基板上和/或上方形成包括晶体管的电路;在所述晶体管的一侧形成电结区;在所述电结区上和/或上方形成高浓度第一导电型区;以及在所述电路上和/或上方形成光电二极管。
附图说明
示例性图1至3示出了根据实施例的图像传感器以及用于制造图像传感器的方法;
示例性图4示出了根据实施例的图像传感器的效果。
具体实施方式
示例性图1是根据实施例的图像传感器的截面图。如图1所示,图像传感器可包括:在基板100上方的包括晶体管120的电路;在晶体管120一侧的电结区140;在电结区140上方的高浓度第一导电型区147;以及在所述电路上方的光电二极管220。因此,如示例性图1所示,存在所述电路和光电二极管的垂直集成。
尽管实施例描述了使用无定形层形成的光电二极管,但是所述光电二极管并不限于此,而是也可以以晶体层形成。例如,在所述电路上和/或上方的光电二极管220可包括:电连接到该电路的本征层223以及在本征层223上和/或上方的第二导电型导电层225,但是不限于此。
电结区140可以是(但不限于)PN结。例如,电结区140可以是(但不限于)诸如P0(145)/N-(143)/P-(141)结之类的PNP结。高浓度第一导电型导电区147可以通过插塞注入(plug implant)被部分地形成于电结区140上和/或上方,但是不限于此。例如,高浓度第一导电型导电区147可以是(但不限于)通过经由接触孔的插塞注入而部分地形成于电结区140上和/或上方的N+区。
根据实施例,可提供电路和光电二极管的垂直集成。此外,由于在垂直型光电二极管中产生的电子被传输穿过电结区,因此可以提高图像质量。
如示例性图2所示,根据实施例的用于制造图像传感器的方法可包括制备第一基板100,在所述第一基板100中形成有包括金属互连物150的电路。第一基板100可以是(但不限于)第二导电型基板。例如,可以在第二导电型的第一基板100中形成器件绝缘层110,以由此限定有源区。可在所述有源区中形成包括至少一个晶体管的电路。例如,所述电路可包括转移晶体管(Tx)121、复位晶体管(Rx)123、驱动晶体管(Dx)125和选择晶体管(Sx)127。然后还可形成包括相应晶体管的源/漏区133、135和137的离子注入区130的浮动扩散区(FD)131。
在第一基板100上和/或上方形成电路可包括:在第一基板100中形成电结区140,以及在电结区140的上部中形成电连接到金属互连物150的高浓度第一导电型连接区147。电结区140可以是(但不限于)PN结。
例如,电结区140可包括:在第二导电型阱141或第二导电型外延层上和/或上方形成的第一导电型离子注入层143、以及在第一导电型离子注入层143上和/或上方形成的第二导电型离子注入层145。如示例性图2所示,PN结140可以是(但不限于)P0(145)/N-(143)/P-(141)结。
可以在第一基板100上和/或上方形成层间电介质160。然后可形成延伸穿过层间电介质160且电连接到第一导电型连接区147的金属互连物150。金属互连物150可包括(但不限于)第一金属接触151a、第一金属151、第二金属152、第三金属153以及第四金属接触154a。
如示例性图3所示,可在所述电路上和/或上方形成电连接到金属互连物150的光电二极管220。尽管实施例将光电二极管220描述成以无定形层形成,但是光电二极管220不限于此,而是也可以以晶体层形成。
例如,光电二极管220可以包括:电连接到金属互连物150的本征层223,以及在本征层223上和/或上方的第二导电型导电层225。根据实施例,图像传感器还可包括连接到金属互连150的下部电极210。例如,金属互连物150可进一步包括由Cr等形成的下部电极210。或者,根据实施例,图像传感器还可包括在下部电极210与本征层223之间的第一导电型导电层221。
下部电极210可由Cr等形成,使得下部电极210接触或电耦合到第四金属接触154a。第一导电型导电层221可以在下部电极210上或上方形成。如果需要,可在不形成第一导电型导电层221的情况下执行后续工序。第一导电型导电层221可用作在实施例中采用的PIN二极管的N-层。也就是说,第一导电型导电层221可以是(但不限于)N-型导电层。
第一导电型导电层221可以由n-掺杂的非晶硅形成,但是不限于此。也就是说,可以由a-Si:H、a-SiGe:H、a-SiC、a-SiN:H、a-SiO:H等形成第一导电型导电层221,所述a-Si:H、a-SiGe:H、a-SiC、a-SiN:H、a-SiO:H等可通过向非晶硅添加Ge、C、N、O等而形成。
第一导电型导电层221可以通过化学气相沉积(CVD)形成,并且可以例如通过等离子体增强型CVD(PECVD)形成。例如,可以通过其中将PH3、P2H5等与硅烷(SiH4)气体相混合的PECVD来由非晶硅形成第一导电型导电层221。
可以在第一导电型导电层221上和/或上方形成本征层223。本征层223可用作在实施例中采用的PIN二极管的I-层。本征层223可由非晶硅形成,并且可以通过诸如PECVD之类的CVD来形成。例如,可以通过使用硅烷(SiH4)气体的PECVD来由非晶硅形成本征层223。
可以在本征层223上形成第二导电型导电层225。第二导电型导电层225和本征层223可以例如原位形成。第二导电型导电层225可用作在实施例中采用的PIN二极管的P-层。即,第二导电型导电层225可以是(但不限于)P-型导电层。第二导电型导电层225可由诸如PECVD之类的CVD形成。例如,可以通过其中将硼(B)等与硅烷(SiH4)气体相混合的PECVD来由非晶硅形成第二导电型导电层225。
可以在第二导电型导电层225上和/或上方形成上部电极240。所述上部电极240可以由具有高的光透射和高的导电性的透明电极材料形成。例如,上部电极150可以由氧化铟锡(ITO)、氧化镉锡(CTO)等形成。
示例性图4示出了根据实施例的图像传感器的效果。即,示例性图4示出了当在比较性示例(旧的)中以及根据实施例(新的)的图像传感器中形成N+注入和接触时钉扎电压(pinning voltage)(Vpin)的差别。
例如,在图像传感器是包括四个晶体管的4Tr CIS的情况下,可以在基板的界面中形成转移晶体管(Tx),将信号传输至驱动晶体管以将光电二极管(PD)接收到的光转换成信号,并且必须在基板的表面中形成朝向浮动扩散区(FD)的电流通路,所述形成电流通路是通过高浓度第一导电型离子注入(比如N+注入(XN imp))来完成的。
在相关的图像传感器中,由于可能对转移晶体管(Tx)下面的部分进行N+注入,因此耗尽区可能会变窄,这对平滑钉扎带来不利的影响。从示例行图4的实验结果可以看到对平滑钉扎(smooth pinning)的影响。即,在比较性示例(旧的)中,测量到3.21V的钉扎电压,该值接近于3.3V的扫描值。所测量到的钉扎电压表明在接近于转移晶体管(Tx)端部的区域处产生耗尽,且可能形成强电场,使得不可能进行正常的晶体管(Tr)操作。
同时,根据实施例(新的),在形成电结区140之后,可形成第一金属接触孔,并且可通过使用接触孔的插塞注入由N+注入使N+区147与转移晶体管(Tx)间隔开,使得可以形成穿过电结区140的电流通路。结果,在转移晶体管(Tx)下方的强电场的形成被最小化,以形成耗尽空间,由此导致正常的操作。在示例性图4的测试结果中,根据实施例的图像传感器的钉扎电压为1.748V,该值类似于正常CIS的钉扎电压。
尽管正常CIS可具有约1.4V的平均钉扎电压,但是,为了获得该钉扎电压,杂质离子被注入使得使用圆形、椭圆形、多边形的掩膜用于N+注入,在电结区140的大约中心处形成N+区。通过使用在形成M1接触之后的工序来这样做,可使由于在形成M1接触之后所具有的接触尺寸和均一性而可能产生的故障最小化。
根据实施例的图像传感器及其制造方法可提供电路和光电二极管的垂直集成,并且由于在该垂直型光电二极管中产生的电子可被传输穿过电结区而可增强图像质量。此外,根据实施例,电路和光电二极管的垂直集成允许填充系数接近于100%。
此外,根据实施例,电路和光电二极管的垂直集成可以提供比具有大致相等的像素尺寸的相关传感器的灵敏度更高的灵敏度。此外,根据实施例,可最小化用于获得所选分辨率的制造成本。
此外,根据实施例,每单位像素可实现更复杂的电路,而不会降低灵敏度。此外,根据实施例,可集成的附加的芯片上电路可最大化图像传感器的性能、最小化器件尺寸、以及最小化制造成本。
尽管实施例主要涉及互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器,但是这种实施例并不是只限于CMOS图像传感器,而是可以包括任何需要光电二极管的图像传感器。
对于本领域的技术人员而言,显然可以在所公开的实施例中进行各种修改和变化。因此,在所述显然的修改和变化在所附权利要求及其等同内容的范围之内的情况下,所公开的实施例旨在涵盖所述显然的修改和变化。
Claims (20)
1.一种图像传感器,包括:
在基板上方的包括晶体管的电路;
在所述晶体管一侧的电结区;
在所述电结区上方的高浓度第一导电型区;以及
在所述电路上方的光电二极管。
2.根据权利要求1所述的图像传感器,其中所述电结区包括PN结。
3.根据权利要求1所述的图像传感器,其中所述电结区包括PNP结。
4.根据权利要求1所述的图像传感器,其中所述高浓度第一导电型区通过注入被至少部分地形成在所述电结区上方。
5.根据权利要求1所述的图像传感器,其中所述光电二极管包括:
电连接到所述电路的本征层;以及
在所述本征层上方的第二导电型导电层。
6.根据权利要求2所述的图像传感器,其中所述光电二极管包括:
电连接到所述电路的本征层;以及
在所述本征层上方的第二导电型导电层。
7.根据权利要求1所述的图像传感器,包括:
在所述高浓度第一导电型区上方形成且电耦合到所述电结区和所述光电二极管的金属互连物。
8.根据权利要求7所述的图像传感器,包括:
在所述电结区和所述高浓度第一导电型区上方形成的层间介电层,其中所述金属互连物延伸穿过所述层间介电层。
9.一种用于制造图像传感器的方法,包括:
在基板上方形成包括晶体管的电路;
在所述晶体管的一侧形成电结区;
在所述电结区上方形成高浓度第一导电型区;以及
在所述电路上方形成光电二极管。
10.根据权利要求9所述的方法,其中形成所述电结区包括形成PN结。
11.根据权利要求9所述的方法,其中形成所述电结区包括形成PNP结。
12.根据权利要求9所述的方法,其中所述高浓度第一导电型区通过使用接触孔的插塞注入而被至少部分地形成于所述电结区上方。
13.根据权利要求9所述的方法,其中所述高浓度第一导电型区在形成接触孔之前通过使用掩膜图案的注入而被至少部分地形成于所述电结区上方。
14.根据权利要求9所述的方法,其中在所述电路上方形成光电二极管包括:
形成与所述电路电耦合的本征层;以及
在所述本征层上方形成光电二极管。
15.根据权利要求14所述的方法,其中所述本征层的形成包括化学气相沉积。
16.根据权利要求15所述的方法,其中所述化学气相沉积包括等离子体增强型化学气相沉积。
17.根据权利要求14所述的方法,其中所述第二导电型导电层的形成包括化学气相沉积。
18.根据权利要求9所述的方法,包括:
形成金属互连物,所述金属互连物被配置用于电耦合所述光电二极管和所述高浓度第一导电型区。
19.根据权利要求18所述的方法,包括:
在所述高浓度第一导电型区和所述电结区上方形成层间介电层,所述金属互连物延伸穿过所述层间介电层。
20.根据权利要求9所述的方法,其中所述光电二极管的至少一部分是使用非晶硅形成的。
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