图像传感器及其制造方法技术

本发明专利技术提供一种图像传感器及其制造方法。在该图像传感器中，半导体衬底上形成有读出电路。包括下金属线的层间绝缘层位于半导体衬底上，下金属线与读出电路电连接。缓冲绝缘层位于层间绝缘层上。下电极贯穿缓冲绝缘层以与下金属线连接。结晶半导体层位于缓冲绝缘层上，结晶半导体层与下电极部分地连接。光电二极管位于结晶半导体层中。本发明专利技术的图像传感器可以增加填充因子并且减少在接合表面中产生的缺陷。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种。
技术介绍
图像传感器是一种将光学图像转换成电信号的半导体器件。通常，将图像传感器分为电荷耦合器件(CCD)图像传感器和互补金属氧化硅(CMOS) 图像传感器(CIS)。在现有技术的一种图像传感器中，使用离子注入在衬 底中形成光电二极管。为了在不增加芯片尺寸的情况下增加像素的数量，因 而不断地减小光电二极管的尺寸，由此使得光接收部的面积减小，最终导致 图像质量下降。此外，由于叠层高度的縮小没有达到光接收部面积减小的那种程度，因 此由于光衍射(如众所周知的艾里斑或艾里图案)导致入射到光接收部的 光子量也会减少。作为解决这类问题的可选方法，已经尝试使用非结晶硅(Si) 来形成光电二极管，并且已经尝试使用诸如晶片-晶片接合(wafer-to-wafer bonding)等方法在Si衬底中形成读出电路以及在该读出电路上形成光电二 极管(称作三维(3D)图像传感器)。光电二极管通过金属线与读出电 路连接。然而，当实施晶片-晶片接合时，会在光电二极管中产生缺陷，从而 可能产生暗电流。
技术实现思路
实施例涉及一种，其可以增加填充因子(fill factor)并且减少在接合表面中产生的缺陷。实施例涉及一种图像传感器，其 包括半导体衬底，其上形成有读出电路；层间绝缘层，其包括位于半导体 衬底上的下金属线，该下金属线与该读出电路电连接；缓冲绝缘层，其位于 层间绝缘层上；下电极，其贯穿缓冲绝缘层，以与下金属线连接；结晶半导 体层，其位于缓冲绝缘层上，该结晶半导体层与下电极部分地连接；以及光5电二极管，其位于结晶半导体层中。实施例还涉及一种图像传感器的制造方法，其包括以下步骤在半导体 衬底上形成读出电路；在半导体衬底上形成包括下金属线的层间绝缘层，使得下金属线与读出电路电连接；在载体衬底(carrier substrate)上形成结晶 半导体层；在结晶半导体层上形成缓冲绝缘层；在结晶半导体层中形成光电 二极管；形成贯穿缓冲绝缘层以与光电二极管连接的下电极；将层间绝缘层 与载体衬底的缓冲绝缘层接合(bond)，使得下金属线与下电极电连接；以 及除去载体衬底，以露出位于半导体衬底上的光电二极管，其中下电极包括: 电极部(electrode section)，其具有第一宽度；和通孔接触件(via contact),其从电极部延伸并且具有比第一宽度窄的第二宽度，通孔接触件的某些部分 插入结晶半导体层中，以及使下电极的电极部与下金属线连接。附图说明示例性图1至图9是示出了根据实施例的图像传感器的制造方法的剖视图。示例性图IO是根据实施例的图像传感器的局部示图。 具体实施例方式示例性图9是根据实施例的图像传感器的剖视图，其中该图像传感器包括半导体衬底100，其上形成有读出电路120;层间绝缘层160，其包括位于半导体衬底100上或上方的下金属线150,其中该下金属线150可以与读 出电路120电连接。此外，读出电路120可以包括缓冲绝缘层210，其位 于层间绝缘层160上或上方；下电极240，其贯穿缓冲绝缘层210以与下金 属线150连接；结晶半导体层200，其设于缓冲绝缘层210上或上方，该结 晶半导体层200与下电极240部分地连接；以及光电二极管220，其位于结 晶半导体层200中。图9的光电二极管220仅是一个实例，可以考虑其它光电二极管，例如， 光电二极管220可以具有光电二极管和光电门(photogate)的耦合结构。此 外，在上述说明中，光电二极管220形成在结晶半导体层200中，然而光电 二极管220也可以选择性地形成在例如非结晶硅层中。下电极240可以包括电极部241，其与下金属线150连接并且具有第 一宽度D1;和通孔接触件242，其从电极部241向上延伸并且具有比该第一 宽度D1窄的第二宽度D2，其中通孔接触件242的某些部分延伸到结晶半导 体层200中。半导体衬底100的读出电路120可以包括形成在半导体衬底100 中的电结区(electrical junction region) 140。参考示例性图1至图9给出根据实施例的图像传感器的制造方法。参见 示例性图l，读出电路120可以形成在半导体衬底100上或上方。此外，与 读出电路120连接的下金属线150可以形成在半导体衬底IOO上或上方。示 例性图2是半导体衬底100的局部示图，该半导体衬底100上形成有如图1 所示的读出电路120和下金属线150。首先，如图2所示，制备上面形成有下金属线150和读出电路120的半 导体衬底IOO。例如，可以通过在第二导电类型半导体衬底IOO中形成器件 隔离层110来限定有源区，然后可以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可以包括转移晶体管(Tx) 121、复位晶体管(Rx) 123、驱动晶体管(Dx) 125以及选择晶体管(Sx) 127。此后，可以形成离 子注入区130，该离子注入区130包括用于每个晶体管的浮置扩散区(FD) 131以及源/漏极区133、 135、 137。在半导体衬底100中形成读出电路120的步骤可以包括在半导体衬底 100中形成电结区140，并且形成与位于该电结区140上或上方的下金属线 150连接的第一导电类型连接区147。例如，电结区140可以是PN结140， 或者也可以例如包括形成在第二导电阱141或第二导电类型外延(epi)层上 的第一导电类型离子注入层143、以及形成在第一导电类型离子注入层143 上的第二导电类型离子注入层145。例如，如示例性图2所示，PN结140可 以是P0/N-7P-结(附图标记145/143/141)。半导体衬底还可以掺杂有第二导 电类型杂质，但这不是必须的。根据实施例，通过将图像传感器设计为使得转移晶体管(Tx)的源极和 漏极之间存在电势差，从而能够充分倾注(dump)光电荷。这样，光龟二极 管中产生的光电荷可以被倾注到浮置扩散区中，从而提高输出图像的灵敏 度。换句话说，通过在上面形成有读出电路120的半导体衬底100中形成电 结区140，从而在转移晶体管(Tx)的源极和漏极之间产生电势差，由此能够充分倾注光电荷。与可以为N+结的浮置扩散区(FD) 131不同，电结区140可以不完全 接收所施加的电压，而是可以在恒定电压处夹断(pinched off)。这种电压 被称作钉扎电压，并且受P0 145和P- 143的掺杂浓度影响。在光电二极管220 (参见示例性图9)中产生的电子迁移至PNP结140， 并且当转移晶体管(Tx) 121开启时，这些电子转移至FD131节点(node) 并且转换成电压。由于P0/N-ZP-结140的最大电压值变成钉扎电压并且FD 131节点的最大电压值变成Vdd-RxVth，因此在芯片上的光电二极管220中 产生的电子由于转移晶体管(Tx) 131的源极和漏极之间的电势差而可以在 无电荷分享(charge sharing)的情况下被完全倾注到FD 131节点中。在半导体衬底100中形成P0/N-/P阱结、而不是N+ZP阱结的原因之一在 于在4晶体管APS (4-TrAPS)的复位操作中，对P0/N-/P阱结的N- 143 施加正(+)电压，并且对P0 145和P阱141施加接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种图像传感器，包括：　半导体衬底，其上形成有读出电路；　层间绝缘层，位于该半导体衬底上方，该层间绝缘层包括与该读出电路电耦合的下金属线；　缓冲绝缘层，位于该层间绝缘层上方；　下电极，其贯穿该缓冲绝缘层，以与该下金属 线连接；　结晶半导体层，位于该缓冲绝缘层上方，该结晶半导体层与该下电极部分地连接；以及　光电二极管，位于该结晶半导体层中。

【技术特征摘要】
KR 2007-12-27 10-2007-01392141. 一种图像传感器，包括半导体衬底，其上形成有读出电路；层间绝缘层，位于该半导体衬底上方，该层间绝缘层包括与该读出电路电耦合的下金属线；缓冲绝缘层，位于该层间绝缘层上方；下电极，其贯穿该缓冲绝缘层，以与该下金属线连接；结晶半导体层，位于该缓冲绝缘层上方，该结晶半导体层与该下电极部分地连接；以及光电二极管，位于该结晶半导体层中。2. 如权利要求l所述的图像传感器，其中该下电极包括-电极部，与该下金属线连接并且具有第一宽度；以及通孔接触件，从该电极部向上延伸并且具有比该第一宽度窄的第二宽度，该通孔接触件的至少一部分延伸到该结晶半导体层中。3. 如权利要求l所述的图像传感器，其中该光电二极管包括第一导电区，形成在该结晶半导体层的第一区中；以及第二导电区，形成在该结晶半导体层的第二区中，该第一区比该第二区深。4. 如权利要求3所述的图像传感器，其中该下电极与该第一导电区部分地连接。5. 如权利要求l所述的图像传感器，其中该读出电路包括电结区，形成在该半导体衬底中，并且该电结区包括第一导电类型离子注入区，形成在该半导体衬底中；以及第二导电类型离子注入区，形成在该第一导电类型离子注入区上方。6. 如权利要求5所述的图像传感器，还包括第一导电类型连接区，位于该电结区上方，该第一导电类型连接区与该下金属线电连接。7. 如权利要求5所述的图像传感器，其中该电结区包括PNP结。8. 如权利要求1所述的图像传感器，其中该读出电路在晶体管的源极和漏极之间具有电势差。9. 如权利要求8所述的图像传感器，其中该晶体管是转移晶体管，并且该转移晶体管的源极的离子注入浓度低于浮置扩散区的离子注入浓度。10. 如权利要求5所述的图像传感器，还包括第一导电类型连接区，形成在该电结区的一侧并且与该下金属线电耦合。11. 如权利要求io所述的图像传感器，其中该第一导电类型连接区接触器件隔离区并且与该电结区...

【专利技术属性】
技术研发人员：任劲赫，
申请(专利权)人：东部高科股份有限公司，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]