DE102008046260A1

DE102008046260A1 - Bildsensor und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102008046260A1
Application number: DE102008046260A
Authority: DE
Inventors: Seoung Hyun Pocheon Kim
Original assignee: Dongbu HitekCo Ltd
Current assignee: DB HiTek Co Ltd
Priority date: 2007-09-10
Filing date: 2008-09-08
Publication date: 2009-04-09
Also published as: CN101388360B; KR100860141B1; TW200915550A; JP2009071310A; US20090065829A1; CN101388360A

Abstract

Es werden Bildsensoren und ein Verfahren zu deren Herstellung bereitgestellt. Der Bildsensor kann ein Halbleitersubstrat, das eine Metallleitung und einen Auslese-Schaltkreis hat, die darauf ausgebildet sind; eine Fotodiode auf dem Halbleitersubstrat, wobei die Fotodiode einen ersten Störstellen-Bereich und einen zweiten Störstellen-Bereich enthält, die horizontal in einem kristallinen Bereich angeordnet sind; und einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt, die die Fotodiode durchdringen, enthalten. Der erste Kontakt kann den ersten Störstellen-Bereich der Fotodiode durchdringen, und der zweite Kontakt kann den zweiten Störstellen-Bereich durchdringen, um die Verbindung zur Metallleitung herzustellen.

Description

HINTERGRUND
Ein Bildsensor ist ein Halbleiterbauelement zur Umwandlung eines optischen Bildes in ein elektrisches Signal. Bildsensoren können grob in Bildsensoren mit ladungsgekoppelten Bauelementen (CCD) und in Komplementär-Metall-Oxid-Halbleiter(CMOS)-Bildsensoren (CIS) klassifiziert werden.
In einer CIS verwandten Technik wird eine Fotodiode in einem Substrat mit Transistorschaltungen unter Verwendung von Ionenimplantation ausgebildet. Da sich die Abmessungen einer Fotodiode immer mehr verringern, um die Anzahl von Bildpunkten zu erhöhen, ohne die Chipfläche zu vergrößern, verringert sich die Fläche eines Licht empfangenden Teilbereichs, so dass sich die Bildqualität verschlechtert.
Da sich die Stapelhöhe nicht so viel verringert, wie sich die Fläche des Licht empfangenden Teilbereichs verringert, verringert sich auch die Anzahl der Photonen, die auf den Licht empfangenden Teilbereich einfallen, durch Beugung des Lichtes, Beugungsscheibchen (Airy Disk) genannt.
Als Alternative zur Beseitigung dieser Einschränkung wurde der Versuch unternommen, eine Fotodiode unter Verwendung von amorphem Silizium (Si) auszubilden, oder einen Auslese-Schaltkreis in einem Si-Substrat auszubilden und eine Fotodiode auf dem Auslese-Schaltkreis unter Verwendung eines Verfahrens, wie z. B. Wafer-Wafer-Ronden, auszubilden (als "Dreidimensionaler (3D) Bildsensor" bezeichnet). Die Fotodiode ist durch eine Metallleitung mit dem Auslese-Schaltkreis verbunden.
Inzwischen tritt in einer verwandten Technik, da sowohl Source, als auch Drain des Transfer-Transistors des Auslese-Schaltkreises stark mit N-Typ-Fremdatomen dotiert sind, ein Ladungs-Verteilungs-Phänomen auf. Wenn das Ladungs-Verteilungs-Phänomen auftritt, wird die Empfindlichkeit eines ausgegebenen Bildes verringert und es können Bildfehler auftreten.
Ebenfalls wird in der verwandten Technik, da eine Fotoladung sich nicht leicht zwischen der Fotodiode und dem Auslese-Schaltkreis bewegt, ein Dunkelstrom erzeugt, oder die Sättigung und die Empfindlichkeit verringern sich.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
Ausführungen der vorliegenden Erfindung können einen Bildsensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung liefern.
In einer Ausführung kann ein Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors folgendes umfassen:
Bereitstellen eines ersten Substrates, auf dem Metallleitungen und ein Auslese-Schaltkreis ausgebildet sind;
Bereitstellen einer Fotodiode, die einen ersten Störstellen-Bereich und einen zweiten Störstellen-Bereich in einem kristallinen Bereich auf dem ersten Substrat enthält; und
Ausbilden einer Vielzahl von ersten Kontakten und einer Vielzahl von zweiten Kontakten, die die Fotodiode durchdringen, die mit entsprechenden der Metallleitungen zu verbinden sind und einen Abstand voneinander haben, wobei die Vielzahl der ersten Kontakte in Kontakt mit dem ersten Störstellen-Bereich ist und die Vielzahl der zweiten Kontakte in Kontakt mit dem zweiten Störstellen-Bereich ist.
Der erste Störstellen-Bereich und der zweite Störstellen-Bereich können lateral im kristallinen Bereich ausgebildet sein.
In einer anderen Ausführung kann ein Bildsensor folgendes umfassen:
Ein Halbleitersubstrat, das eine Metallleitung und einen Auslese-Schaltkreis hat, die darauf ausgebildet sind;
eine Fotodiode auf dem Halbleitersubstrat, wobei die Fotodiode einen ersten Störstellen-Bereich und einen zweiten Störstellen-Bereich in einem kristallinen Bereich enthält; und
einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt, die die Fotodiode durchdringen, wobei der erste Kontakt den ersten Störstellen-Bereich durchdringt und der zweite Kontakt den zweiten Störstellen-Bereich durchdringt, um die Metallleitung anzuschließen.
Die Metallleitung kann die Fotodiode elektrisch mit dem Auslese-Schaltkreis verbinden.
In einer Ausführung kann der zweite erste Kontakt den zweiten Störstellen-Bereich mit peripheren Schaltkreisen oder einer Elektrode zum Anwenden einer Rücksetz-Operation verbinden.
Die Details einer oder mehrerer Ausführungen werden in den begleitenden Zeichnungen und der unten stehenden Beschreibung dargelegt. Weitere Eigenschaften sind aus der Beschreibung und den Zeichnungen, sowie aus den Ansprüchen ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die 1 bis 7 sind Querschnitts-Ansichten, die ein Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors gemäß einer Ausführung veranschaulichen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungen eines Bildsensors und ein Verfahren zu dessen Herstellung werden mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen detailliert beschrieben.
In der Beschreibung der Ausführungen versteht sich, dass wenn eine Ebene (oder Schicht) als "auf" einer anderen Ebene oder einem Substrat bezeichnet wird, sie sich direkt auf der anderen Ebene oder dem Substrat befinden kann, oder auch dazwischen liegende Ebenen vorhanden sein können. Ferner versteht sich, dass wenn eine Ebene als "unter" einer anderen Ebene bezeichnet wird, sie sich direkt unter der anderen Ebene befinden kann, oder auch ein oder mehrere dazwischen liegende Ebenen vorhanden sein können. Außerdem versteht sich, dass wenn eine Ebene als "zwischen" zwei Ebenen bezeichnet wird, sie die einzige Ebene zwischen den zwei Ebenen sein kann, oder auch ein oder mehrere dazwischen liegende Ebenen vorhanden sein können.
Die vorliegenden Ausführungen sind nicht auf einen CMOS-Bildsensor beschränkt und können auf andere Bildsensoren angewendet werden, die eine Fotodiode enthalten.
Mit Bezug auf 5A enthält ein Bildsensor gemäß einer Ausführung eine Schaltkreis-Schicht 20, eine Metallleitungs- Schicht 30, eine Fotodiode 70 und erste und zweite Kontakte 81 und 82 auf einem ersten Substrat 100.
5B zeigt eine detaillierte Ansicht des ersten Substrates 100, auf dem die Schaltkreis-Schicht 20 und eine Metallleitung 150 der Metallleitungs-Schicht 30 ausgebildet sind, und zeigt einen Teil einer Bildpunkt-Einheit gemäß einer Ausführung.
Die Schaltkreis-Schicht 20 kann einen Schaltkreis aufweisen, der einen Auslese-Schaltkreis 120 umfasst, und die Metallleitungs-Schicht 30 kann die Metallleitung 150 enthalten, die mit dem Schaltkreis verbunden ist.
Wie in den 5A–5B gezeigt, kann die Fotodiode in einem kristallinen Substrat ausgebildet werden und einen ersten Störstellen-Bereich 71, einen zweiten Störstellen-Bereich 72 und einen dritten Störstellen-Bereich 73 enthalten.
Der erste Störstellen-Bereich 71 kann unter Verwendung von p-Typ-Fremdatomen ausgebildet werden, der zweite Störstellen-Bereich 72 kann unter Verwendung von n-Typ-Fremdatomen mit hoher Konzentration ausgebildet werden, und der dritte Störstellen-Bereich 73 kann unter Verwendung von n-Typ-Fremdatomen mit geringer Konzentration ausgebildet werden.
Dabei kann der zweite Störstellen-Bereich 72 für einen ohmschen Kontakt ausgebildet werden. In bestimmten Ausführungen kann jedoch einer der n-Typ-Bereiche weggelassen werden.
Obwohl die vorliegende Ausführung die Fotodiode 70 als den ersten, zweiten und dritten Störstellen-Bereich 71, 72 und 73 enthaltend zeigt und beschreibt, ist sie zum Beispiel nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann die Fotodiode 70 nur durch den ersten und zweiten Störstellen-Bereich 71 und 72 ausgebildet werden.
Der erste Kontakt 81 durchdringt den ersten Störstellen-Bereich 71, und der zweite Kontakt 82 durchdringt den zweiten Störstellen-Bereich 72.
Dabei kann die Fotodiode 70 zwischen dem ersten Kontakt 81 und dem zweiten Kontakt 82 positioniert sein und kann symmetrisch zu einer anderen benachbarten Fotodiode ausgebildet sein. Zum Beispiel können benachbarte Fotodioden symmetrisch zur Längsachse jedes Kontaktes sein.
Der zweite Kontakt 82, der den ersten Störstellen-Bereich 71 kontaktiert, kann dazu benutzt werden, Löcher im ersten Störstellen-Bereich 71 zu entfernen, und der erste Kontakt 81, der den zweiten Störstellen-Bereich 72 kontaktiert, kann ein Signal, das in der Fotodiode 70 erzeugt wird, zu einem Schaltkreis-Bereich übertragen. Der zweite Kontakt 82 kann über die Metallleitungs-Schicht 30 mit einer Stromversorgungs-/Masse-Leitung oder einem Schaltkreis verbunden sein. In einer Ausführung kann der zweite Kontakt 82 angeschlossen sein, um während einer Reset-Operation ein Potential oder Masse anzulegen, so dass Löcher aus dem ersten Störstellen-Bereich 71 entfernt werden können.
Obwohl in den Zeichnungen nicht gezeigt, können ferner eine Farbfilter-Anordnung und eine Mikrolinse auf der Fotodiode 70 ausgebildet werden.
Die 1 bis 5 sind Querschnitts-Ansichten, die ein Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors gemäß einer Ausführung zeigen.
Wie in den 1A und 1B gezeigt, können ein erstes Substrat 100, das eine Schaltkreis-Schicht 20 und eine Metallleitungs-Schicht 30 enthält, bereitgestellt werden.
1A ist eine Querschnitts-Ansicht des ersten Substrates 100, das die Schaltkreis-Schicht 20 und die Metallleitungs-Schicht 30 enthält, und 1B ist eine detaillierte Ansicht gemäß einer Ausführung des ersten Substrates 100, auf dem die Schaltkreis-Schicht 20 und eine Metallleitung 150a der Metallleitungs-Schicht 30 ausgebildet sind.
Die Schaltkreis-Schicht 20 kann einen Auslese-Schaltkreis 120 enthalten, und die Metallleitungs-Schicht 30 kann die mit dem Schaltkreis verbundene Metallleitung 150a enthalten.
Mit Bezug auf 1B kann das erste Substrat 100, auf dem die Metallleitung 150a und der Auslese-Schaltkreis 120 ausgebildet sind, bereitgestellt werden. Das erste Substrat kann einen p-Typ-Bereich oder eine p-Wanne 141 enthalten. In einer Ausführung kann eine Bauelemente-Isolationsschicht 110 im ersten Substrat 100 ausgebildet werden, um einen aktiven Bereich zu definieren, und der Auslese-Schaltkreis 120, der einen Transistor enthält, kann auf dem aktiven Bereich ausgebildet werden. Zum Beispiel kann der Auslese-Schaltkreis 120 einen Transfer-Transistor (Tx) 121, einen Reset-Transistor (Rx) 123, einen Ansteuerungs-Transistor (Dx) 125 und einen Auswahl-Transistor (Sx) 127 enthalten. Nach dem Ausbilden der Gates für die Transistoren können ein Ionenimplantations-Bereich 130, der einen Floating-Diffusions-Bereich (FD) 131 enthält, und Source- und Drain-Bereiche 133, 135, 137 für die entsprechenden Transistoren ausgebildet werden. Gemäß einer Ausführung kann ferner ein Rauschfilter-Schaltkreis (nicht gezeigt) bereitgestellt werden, um die Empfindlichkeit zu verbessern.
Das Ausbilden des Auslese-Schaltkreises 120 im ersten Substrat 100 kann das Ausbilden eines elektrischen Sperrschicht-Bereichs 140 im ersten Substrat 100 und das Ausbilden eines Verbindungs-Bereichs eines ersten Leitungstyps 147, der mit der Metallleitung 150a verbunden ist, auf dem elektrischen Sperrschicht-Bereich 140 umfassen.
Der elektrische Sperrschicht-Bereich 140 kann ein PN-Übergang 140 sein, Ausführungen sind aber nicht darauf beschränkt. In einer Ausführung kann der elektrische Sperrschicht-Bereich 140 eine Ionenimplantations-Schicht eines ersten Leitungstyps 143 auf einer Wanne eines zweiten Leitungstyps 141 (oder einer Epitaxieschicht eines zweiten Leitungstyps) und eine Ionenimplantations-Schicht eines zweiten Leitungstyps 145 auf der Ionenimplantations-Schicht des ersten Leitungstyps 143 umfassen. Zum Beispiel kann der PN-Übergang ein P0(145)/N–(143)/P–(141)-Übergang sein, wie in 1B gezeigt, Ausführungen sind aber nicht darauf beschränkt. In einer Ausführung kann das erste Substrat 100 ein Substrat eines zweiten Leitungstyps sein, Ausführungen sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Gemäß der vorliegenden Ausführung kann es möglich sein, eine Fotoladung von der Fotodiode vollständig zu entladen, indem man erlaubt, dass zwischen Source und Drain des Transfer-Transistors Tx eine Potentialdifferenz erzeugt wird. Somit kann, da die von der Fotodiode erzeugte Fotoladung in den Floating-Diffusions-Bereich entladen wird, die Empfindlichkeit eines ausgegebenen Bildes verbessert werden.
Das heißt durch Ausbilden des elektrischen Sperrschicht-Bereichs 140 im ersten Substrat 100, auf dem der Auslese-Schaltkreis 120 ausgebildet ist, kann eine Potentialdifferenz zwischen Source und Drain des Transfer-Transistors (Tx) 121 erzeugt werden, um die Fotoladung vollständig zu entladen.
Im Folgenden wird eine Struktur zum Entladen der Fotoladung gemäß einer Ausführung detaillierter beschrieben.
Anders als bei einem Knoten des Floating-Diffusions-Bereichs (FD) 131, der ein N+-Übergang ist, wird in dieser Ausführung ein PNP-Übergang 140, der der elektrische Sperrschicht-Bereich ist, bei einer konstanten Spannung abgeschnürt, bevor eine angelegte Spannung vollständig übertragen wird. Diese konstante Spannung wird als "Haftspannung (Pinning-Spannung)" bezeichnet und ist abhängig von den Dotierungs-Konzentrationen des P0-Bereichs 145 und des N–-Bereichs 143.
Insbesondere bewegen sich Elektronen, die in der Fotodiode 70 (siehe 5B) erzeugt werden, zum PNP-Übergang 140, und wenn der Transfer-Transistor (Tx) 121 eingeschaltet wird, werden die Elektronen zum Knoten FD 131 übertragen und dann in eine Spannung umgewandelt.
Da eine maximale Spannung des P0/N–/P–-Übergangs 140 die Pinning-Spannung wird, und eine maximale Spannung des Knotens FD 131 die Schwellspannung Vdd-Rx 123 wird, können die in der Fotodiode 70 erzeugten Elektronen durch die Potentialdifferenz zwischen den Seiten des Transfer-Transistors (Tx) 131 vollständig entladen werden, ohne dass eine Ladungs-Verteilung auftritt.
Das heißt, gemäß einer Ausführung wird der P0/N–/P–-Wannen-Übergang im ersten Substrat 100 ausgebildet, um es zu ermöglichen, eine positive (+)-Spannung an den N–-Bereich 143 des P0/N–/P–-Wannen-Übergangs anzulegen, und während einer Reset-Operation eines aktiven Bildpunkte-Sensors mit 4 Transistoren (APS) eine Massespannung an den P0-Bereich 145 und die P-Wanne 141 anzulegen, so dass am doppelten P0/N–/P–-Wannen-Übergang bei einer Spannung über einer vorher festgelegten Spannung, wie in einer BJT-Struktur eine Abschnürung hervorgerufen wird. Diese Spannung wird als "Haftspannung (Pinning-Spannung)" bezeichnet. Folglich wird zwischen Source und Drain an den Seiten des Transfer-Transistors (Tx) 121 eine Potentialdifferenz erzeugt. Außerdem kann das Ladungs-Verteilungs-Phänomen während der Ein-/Aus-Operationen des Transfer-Transistors (Tx) verhindert werden.
Daher können, anders als nach der verwandten Technik, bei dem die Fotodiode einfach mit einem N+-Übergang verbunden wird, Ausführungen der vorliegenden Erfindung die Verringerung der Sättigung und der Empfindlichkeit verhindern.
Gemäß einer Ausführung kann auch ein Verbindungs-Bereich eines ersten Leitungstyps 147 zwischen der Fotodiode und dem Auslese-Schaltkreis ausgebildet werden, um einen Pfad für die leichte Bewegung der Fotoladung bereitzustellen, und dadurch eine Dunkelstrom-Quelle zu minimieren und ferner die Verringerung der Sättigung und der Empfindlichkeit zu verhindern.
Zu diesem Zweck kann auf einem Teil der Oberfläche des P0/N–/P–-Übergangs 140 der Verbindungs-Bereich des ersten Lei tungstyps 147 für einen ohmschen Kontakt ausgebildet werden. Der N+-Bereich 147 kann so ausgebildet werden, dass er den P0-Bereich 145 durchläuft und den N–-Bereich 143 kontaktiert.
Um zu verhindern, dass der Verbindungs-Bereich des ersten Leitungstyps 147 eine Leckstrom-Quelle wird, kann unterdessen die Breite des Verbindungs-Bereichs des ersten Leitungstyps 147 minimiert werden. Zu diesem Zweck kann in einer Ausführung eine Zapfen-Implantation durchgeführt werden, nachdem ein Durchkontaktierungs-Loch für einen ersten Metallkontakt 151a geätzt wurde. In einer anderen Ausführung kann ein Ionenimplantations-Muster auf dem ersten Substrat ausgebildet werden, und der Verbindungs-Bereich des ersten Leitungstyps 147 kann dann ausgebildet werden, indem das Ionenimplantations-Muster als Ionenimplantations-Maske verwendet wird.
Das heißt, ein Grund dafür, dass N+-Fremdatome lokal in nur einen Teil, in dem der Kontakt gebildet wird, dotiert werden, ist es, ein Dunkelsignal zu minimieren und die Bildung eines ohmschen Kontaktes zu erleichtern. Wenn der gesamte Bereich der Source des Transfer-Transistors Tx N+ – dotiert wird, kann das Dunkelsignal durch ungesättigte Bindungen auf dem Si-Substrat vergrößert werden.
Eine Zwischenschicht-Isolations-Schicht 160 kann auf dem ersten Substrat 100 ausgebildet werden, und eine Metallleitung 150a kann in der Zwischenschicht-Isolations-Schicht 160 ausgebildet werden. Die Metallleitung 150a kann den ersten Metall-Kontakt 151a, ein erstes Metall 151, ein zweites Metall 152 und ein drittes Metall 153 enthalten, Ausführungen sind aber nicht darauf beschränkt.
Mit Bezug auf 2 kann ein erster Störstellen-Bereich 71 in einem zweiten Substrat 50 ausgebildet werden.
In einer Ausführung kann das zweite Substrat 50 aus kristallinem Silizium vom n-Typ ausgebildet werden, das schwach mit n-Typ-Fremdatomen dotiert ist. In einer weiteren Ausführung kann eine Oxidschicht auf dem zweiten Substrat 50 bereitgestellt werden.
Gemäß einer Ausführung kann der erste Störstellen-Bereich 71 ausgebildet werden, indem ein erstes Fotolack-Muster 61 auf dem zweiten Substrat 50 ausgebildet wird und p-Typ-Fremdatome mit einem ersten Ionenimplantations-Prozess in das erste Substrat 50 implantiert werden.
Danach kann mit Bezug auf 3 das erste Fotolack-Muster 61 entfernt werden, dann kann ein zweites Fotolack-Muster 62 auf dem zweiten Substrat 50 ausgebildet werden, und ein zweiter Ionenimplantations-Prozess kann ausgeführt werden, um einen zweiten Störstellen-Bereich 72 im zweiten Substrat 50 auszubilden.
Der zweite Störstellen-Bereich 72 kann durch Implantation von n-Typ-Fremdatomen mit hoher Konzentration ausgebildet werden.
Hierbei wird für Ausführungen, bei denen das zweite Substrat ein kristallines Silizium vom n-Typ ist, der dritte Störstellen-Bereich 73, der schwach mit n-Typ-Fremdatomen dotiert ist, zwischen dem ersten Störstellen-Bereich 71 und dem zweiten Störstellen-Bereich 72 durch das schwach dotierte n-Typ-Substrat bereitgestellt, so dass eine Fotodiode 70 ausgebildet wird.
Der zweite Störstellen-Bereich 72 kann für einen ohmschen Kontakt ausgebildet werden. In bestimmten Ausführungen kann der zweite Störstellen-Bereich 72 weggelassen werden, und der dritte Störstellen-Bereich 73 kann als der zweite Störstellen-Bereich benutzt werden.
Um den ersten, zweiten und dritten Störstellen-Bereich 71, 72 und 73 zu aktivieren, kann ein thermisches Ausheilen durchgeführt werden.
Obwohl die vorliegende Ausführung beschreibt, dass das zweite Substrat 50 aus kristallinem Silizium vom n-Typ ausgebildet ist, ist sie nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann das zweite Substrat 50 aus kristallinem Silizium vom p-Typ ausgebildet sein.
Wenn das zweite Substrat 50 das n-Typ-Substrat ist, können der erste Störstellen-Bereich 71 und der zweite Störstellen-Bereich 72 durch einen Ionenimplantations-Prozess ausgebildet werden. Wenn das zweite Substrat 50 jedoch ein p-Typ-Substrat ist, kann die Fotodiode 70 ausgebildet werden, indem n-Typ-Fremdatome mit geringer Konzentration implantiert werden, um den dritten Störstellen-Bereich 73 auszubilden und indem n-Typ-Fremdatome mit hoher Konzentration implantiert werden, um den zweiten Störstellen-Bereich 72 auszubilden.
Obwohl die vorliegende Beschreibung zeigt und beschreibt, dass die Fotodiode 70 den ersten Störstellen-Bereich 71, der mit p-Typ-Fremdatomen dotiert ist, den dritten Störstellen-Bereich 73, der schwach mit n-Typ-Fremdatomen dotiert ist, und den zweiten Störstellen-Bereich 72, der stark mit n-Typ-Fremdatomen dotiert ist, enthält, sind Ausführungen nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann die Fotodiode 70 nur den ersteh Störstellen-Bereich 71 und den dritten Störstellen-Bereich 73 enthalten.
Danach kann das zweite Fotolack-Muster 62 entfernt werden, und das zweite Substrat 50, das die Fotodiode 70 enthält, kann mit dem ersten Substrat 100 verbunden werden, wie in 4 gezeigt.
Als Folge davon kann die Fotodiode 70 auf der Metallleitungs-Schicht 30 bereitgestellt werden.
Obwohl die Fotodiode 70 als auf dem gesamten Bereich des zweiten Substrates 50 ausgebildet beschrieben wird, kann die Fotodiode 70 lokal in einem Teil des zweiten Substrates 50 ausgebildet sein. Für den Fall, dass die Fotodiode 70 lokal in einem Teil des zweiten Substrates 50 ausgebildet ist, können dann die restlichen Teile des zweiten Substrates 50, die nicht die Fotodiode 70 sind, entfernt werden.
Als nächstes können, wie in 5A gezeigt, ein erster Kontakt 81 und ein zweiter Kontakt 82, die die Fotodiode 70 durchdringen und das dritte Metall (M3) kontaktieren, ausgebildet werden.
5A ist eine Querschnitts-Ansicht des ersten Substrates 100, das die Schaltkreis-Schicht 20, die Metallleitungs-Schicht 30 und die Fotodiode 70 enthält, und 5B ist eine detaillierte Ansicht gemäß einer Ausführung des ersten Substrates 100, auf dem die Schaltkreis-Schicht 20 und die Metallleitung 150a der Metallleitungs-Schicht 30 ausgebildet sind.
Der erste und der zweite Kontakt 81 und 82 können ausgebildet werden, indem ein Ätzprozess zum Ausbilden eines Durchkontaktierungs-Lochs, das die Fotodiode 70 durchdringt, ausgeführt wird. Dann kann das Durchkontaktierungs-Loch mit Metall, wie z. B. Wolfram (W), Titannitrid (TiN) oder Aluminium (Al), gefüllt werden.
Der erste Kontakt 81 kann ausgebildet werden, um den ersten Störstellen-Bereich 71 zu durchdringen, und der zweite Kontakt 82 kann ausgebildet werden, um den zweiten Störstellen-Bereich 72 zu durchdringen.
Wenn der erste Kontakt 81 und der zweite Kontakt 82 ausgebildet werden, kann der zweite Kontakt 82 einen Teil der Metallleitungs-Schicht 30 durchdringen, um das dritte Metall M3 (153) zu kontaktieren.
Die Fotodiode 70 ist zwischen dem ersten Kontakt 81 und dem zweiten Kontakt 82 positioniert und kann bezüglich einer benachbarten Fotodiode symmetrisch zum ersten Kontakt 81 oder zum zweiten Kontakt 82 angeordnet sein.
Der erste Kontakt 82 kann dazu benutzt werden, ein in der Fotodiode 70 erzeugtes Signal vom zweiten Störstellen-Bereich 72 durch die Metallleitung 150 zu einem Schaltkreis-Bereich zu übertragen.
Danach können, obwohl in den Zeichnungen nicht gezeigt, eine Elektrode, eine Farbfilter-Anordnung und eine Mikrolinse auf der Fotodiode 70 ausgebildet werden. In einer Ausführung kann der zweite Kontakt 82 mit der Elektrode verbunden sein und/oder kann mit einem Peripherie-Schaltkreis-Bereich (nicht gezeigt) verbunden sein.
6 ist eine Querschnitts-Ansicht eines Bildsensors gemäß einer anderen Ausführung und ist eine detaillierte Ansicht eines ersten Substrates, auf dem eine Metallleitung 150 ausgebildet ist.
Die vorliegende Ausführung kann die technischen Charakteristiken der Ausführungen, die mit Bezug auf die 1 bis 5 beschrieben wurden, verwenden.
Zum Beispiel kann gemäß der vorliegenden Ausführung ein Bauelement so konstruiert werden, dass eine Potentialdifferenz zwischen Source und Drain des Transfer-Transistors Tx erzeugt wird, so dass Fotoladungen vollständig entladen werden.
Gemäß einer Ausführung kann auch ein Ladungs-Verbindungs-Bereich zwischen der Fotodiode und dem Auslese-Schaltkreis ausgebildet werden, um den Durchfluss der Fotoladung zu erleichtern, wodurch eine Dunkelstrom-Quelle minimiert wird und die Verringerung der Sättigung und der Empfindlichkeit verhindert wird.
Anders als bei den mit Bezug auf 5B beschriebenen Ausführungen zeigt die vorliegende Ausführung beispielhaft, dass ein Verbindungs-Bereich eines ersten Leitungstyps 148 an einer Seite des elektrischen Sperrschicht-Bereichs 140 ausgebildet werden kann.
Gemäß Ausführungen kann ein N+-Verbindungsbereich 148 für einen ohmschen Kontakt neben dem P0/N–/P–-Übergang 140 ausgebildet werden. Dabei können der N+-Verbindungsbereich 148 und ein M1C-Kontakt 151a als Leckstrom-Quelle wirken. Der Grund dafür ist, dass im Betrieb an den P0/N–/P–-Übergang 140 eine Rückwärts-Vorspannung angelegt wird und ein elektrisches Feld EF in der Oberfläche des Si-Substrates erzeugt wird. In dem elektrischen Feld wirkt ein Kristalldefekt, der beim Ausbilden des Kontaktes erzeugt wird, als Leckstrom-Quelle.
Auch im Fall, dass der N+-Verbindungsbereich 148 auf einer Oberfläche des P0/N–/P–-Übergangs 140 ausgebildet wird, wird durch den N+/P0-Übergang 148/145 ein zusätzliches elektrisches Feld erzeugt, das auch als Leckstrom-Quelle wirken kann.
Folglich liefert die vorliegende Ausführung ein Layout, bei dem keine Dotierung in die P0-Schicht durchgeführt wird. Stattdessen wird ein erster Kontakt-Zapfen 151a auf einem aktiven Bereich ausgebildet, der den N+-Verbindungsbereich 148 enthält, und der erste Kontakt-Zapfen 151a wird über den N+-Verbindungsbereich 148 mit der N–-Sperrschicht 143 verbunden.
Gemäß der vorliegenden Ausführung wird auf einer Oberfläche des Silizium-Substrates kein elektrisches Feld erzeugt, was zu einer Verringerung des Dunkelstroms des dreidimensionalen integrierten CIS beitragen kann.
7 ist eine Querschnitts-Ansicht eines Bildsensors gemäß noch einer anderen Ausführung und ist eine detaillierte Ansicht eines ersten Substrates, auf dem eine Metallleitung 150 ausgebildet ist.
Die vorliegende Ausführung kann die technischen Charakteristiken der Ausführungen, die mit Bezug auf die 1 bis 5 beschrieben wurden, verwenden.
Zum Beispiel kann gemäß der vorliegenden Ausführung ein Bauelement so konstruiert werden, dass eine Potentialdifferenz zwischen Source und Drain des Transfer-Transistors Tx erzeugt wird, so dass Fotoladungen vollständig entladen werden.
Gemäß einer Ausführung kann auch ein Ladungs-Verbindungs-Bereich zwischen der Fotodiode und dem Auslese-Schaltkreis ausgebildet werden, um den Durchfluss der Fotoladung zu erleichtern, wodurch eine Dunkelstrom-Quelle minimiert wird und die Verringerung der Sättigung und der Empfindlichkeit verhindert wird.
Der Auslese-Schaltkreis 120 auf dem ersten Substrat 100 gemäß einer Ausführung wird mit Bezug auf 7 detaillierter beschrieben.
Insbesondere können ein erster Transistor 121a und ein zweiter Transistor 121b auf dem ersten Substrat 100 ausgebildet werden. Zum Beispiel können der erste Transistor 121a und der zweite Transistor 121b ein erster Transfer-Transistor, bzw. ein zweiter Transfer-Transistor sein, Ausführungen sind aber nicht darauf beschränkt. Der erste Transistor 121a und der zweite Transistor 121b können gleichzeitig oder nacheinander ausgebildet werden.
Danach kann ein elektrischer Sperrschicht-Bereich 140 zwischen dem ersten Transistor 121a und dem zweiten Transistor 121b ausgebildet werden. In einer Ausführung kann der elektrische Sperrschicht-Bereich 140 ein PN-Übergang 140 sein, Ausführungen sind aber nicht darauf beschränkt.
Zum Beispiel kann der PN-Übergang 140 gemäß einer Ausführung eine Ionenimplantations-Schicht eines ersten Leitungstyps 143 auf einer Epitaxieschicht (oder einer Wanne) eines zweiten Leitungstyps 141 und eine Ionenimplantations-Schicht eines zweiten Leitungstyps 145 auf der Ionenimplantations-Schicht des ersten Leitungstyps 143 umfassen.
In einer speziellen Ausführung kann der PN-Übergang 140 ein P0(145)/N–(143)/P–(141)-Übergang sein.
Ein Verbindungsbereich eines ersten Leitungstyps hoher Konzentration 131b, der mit der Metallleitung 150 verbunden ist, kann an einer Seite des zweiten Transistors 121b ausgebildet werden. Der Verbindungsbereich des ersten Leitungstyps hoher Konzentration 131b ist ein N+-Übergang hoher Konzentration und kann als Floating-Diffusions-Bereich (FD2) 131b dienen.
In dieser Ausführung kann der Auslese-Schaltkreis eine 4Tr-Operation ausführen, indem er Elektronen, die in der Fotodiode erzeugt wurden, zum N+-Übergang 131b des Silizium-Substrates 100 bewegt und die Elektronen des N+-Übergangs 131b wieder zum N–-Übergang 143 bewegt.
In dieser Ausführung werden der P0/N–/P–-Übergang 140 und der N+-Übergang 131b getrennt voneinander ausgebildet, wie in 7 gezeigt.
Durch Trennen des N+-Übergangs 131b und des PNP-Übergangs 140 kann verhindert werden, dass ein Dunkelstrom erzeugt wird.
Folglich kann ein Kontakt im N+/P–Epi-Übergang 131b ausgebildet werden.
Beim Auslesen eines Signals wird ein Gate des zweiten Transistors (Tx2) 121b eingeschaltet, und ein Gate des ersten Transistors (Tx1) 121a wird eingeschaltet, so dass die in der Fotodiode 70 auf einem Chip erzeugten Elektronen zum P0/N–/P–-Übergang 140 übertragen werden und sich zum ersten Floating-Diffusions-Bereich (FD1) 131a bewegen, wodurch ein korreliertes doppeltes Abtasten (CDS) möglich ist.
Wie oben beschrieben, kann das Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors gemäß einer Ausführung die Dunkel-Charakteristik verbessern und die Empfindlichkeit des Bildsensors erhöhen, indem ein zweites kristallines Substrat, auf dem eine Fotodiode ausgebildet ist, mit einem ersten Substrat verbunden wird, auf dem ein Schaltkreis, der eine untere Metallleitung enthält, ausgebildet ist.
In der vorliegenden Beschreibung bedeutet jeder Verweis auf "eine Ausführung", "Ausführung", "beispielhafte Ausführung", usw., dass ein spezielles Merkmal, eine Struktur oder eine Eigenschaft, welches bzw. welche in Verbindung mit der Ausführung beschrieben wird, in mindestens einer Ausführung der Erfindung enthalten ist. Das Auftreten derartiger Ausdrucksweisen an verschiedenen Stellen in der Beschreibung verweist nicht notwendig sämtlich auf die gleiche Ausführung. Ferner sei bemerkt, dass, wenn ein besonderes Merkmal, eine Struktur oder eine Eigenschaft beschrieben wird, es sich innerhalb des Bereichs der Möglichkeiten eines Fachmanns befindet, ein derartiges Merkmal, eine Struktur oder ein Kennmerkmal in Verbindung mit anderen der Ausführungen zu bewirken.
Obwohl Ausführungen mit Bezug auf eine Anzahl erläuternder Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, sei bemerkt, dass zahlreiche weitere Abwandlungen und Ausführungen durch Fachleute entworfen werden können, welche unter Prinzip und Umfang der vorliegenden Offenbarung fallen. Insbesondere sind viele Änderungen und Abwandlungen der Bauteile und/oder der Anordnungen der fraglichen Kombinationsanordnung innerhalb des Umfangs der Offenbarung, der Zeichnungen und der beigefügten Ansprüche möglich. Zusätzlich zu Änderungen und Abwandlungen der Bauteile und/oder der Anordnungen sind alternative Verwendungen gleichfalls für Fachleute ersichtlich.

Claims

Ein Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors, umfassend: Bereitstellen eines ersten Substrates, auf dem eine Metallleitung und ein Auslese-Schaltkreis ausgebildet sind; Bereitstellen einer Fotodiode, die einen ersten Störstellen-Bereich und einen zweiten Störstellen-Bereich auf dem ersten Substrat enthält; und Ausbilden eines ersten Kontaktes und eines zweiten Kontaktes, die die Fotodiode durchdringen, wobei der erste Kontakt den ersten Störstellen-Bereich der Fotodiode durchdringt, wobei der zweite Kontakt den zweiten Störstellen-Bereich der Fotodiode durchdringt, um die Metallleitung zu kontaktieren.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Bereitstellen der Fotodiode folgendes umfasst: Ausbilden der Fotodiode in einem zweiten Substrat; und Verbinden der Fotodiode mit dem ersten Substrat.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Fotodiode ferner einen dritten Störstellen-Bereich zwischen dem ersten Störstellen-Bereich und dem zweiten Störstellen-Bereich enthält, wobei das Ausbilden der Fotodiode folgendes umfasst: Bereitstellen eines schwach dotierten kristallinen Substrates vom n-Typ, wobei das zweite Substrat das schwach dotierte kristalline Substrat vom n-Typ umfasst; Implantieren von p-Typ-Fremdatomen in das schwach dotierte kristalline Substrat vom n-Typ, um den ersten Störstellen-Bereich auszubilden; und Implantieren von n-Typ-Fremdatomen in das schwach dotierte kristalline Substrat vom n-Typ in einem Bereich, der einen Abstand von einer Seite des ersten Störstellen-Bereichs hat, wobei das schwach dotierte kristalline Substrat vom n-Typ zwischen dem ersten Störstellen-Bereich und dem zweiten Störstellen-Bereich den dritten Störstellen-Bereich bereitstellt.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Fotodiode ferner einen dritten Störstellen-Bereich zwischen dem ersten Störstellen-Bereich und dem zweiten Störstellen-Bereich enthält, wobei das Ausbilden der Fotodiode folgendes umfasst: Bereitstellen eines p-Typ-dotierten kristallinen Substrates, wobei das zweite Substrat das p-Typ-dotierte kristalline Substrat umfasst; Implantieren von n-Typ-Fremdatomen in das p-Typ-dotierte kristalline Substrat, um den dritten Störstellen-Bereich auszubilden; und Implantieren von n-Typ-Fremdatomen in das geschlossene kristalline Substrat vom p-Typ, um den zweiten Störstellen-Bereich auszubilden, der eine höhere Konzentration als der dritte Störstellen-Bereich hat, wobei verbleibende Bereiche des p-Typ-dotierten kristallinen Substrates den ersten Störstellen-Bereich bereitstellen.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Fotodiode ferner einen dritten Störstellen-Bereich zwischen dem ersten Störstellen-Bereich und dem zweiten Störstellen-Bereich enthält.
Das Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei der erste Störstellen-Bereich, der dritte Störstellen-Bereich und der zweite Störstellen-Bereich der Fotodiode symmetrisch zu einer Längsachse des ersten Kontaktes bereitgestellt werden.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Bereitstellen des ersten Substrates folgendes umfasst: Ausbilden des Auslese-Schaltkreises auf dem ersten Substrat; Ausbilden eines elektrischen Sperrschicht-Bereichs im ersten Substrat, so dass der elektrische Sperrschicht-Bereich elektrisch mit dem Auslese-Schaltkreis verbunden ist; und Ausbilden der Metallleitung auf dem ersten Substrat, so dass die Metallleitung elektrisch mit dem elektrischen Sperrschicht-Bereich verbunden ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei das Ausbilden des elektrischen Sperrschicht-Bereichs folgendes umfasst: Ausbilden eines Ionenimplantations-Bereichs eines ersten Leitungstyps im ersten Substrat; und Ausbilden eines Ionenimplantations-Bereichs eines zweiten Leitungstyps auf dem Ionenimplantations-Bereich des ersten Leitungstyps.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 8, das ferner das Ausbilden eines Verbindungs-Bereichs eines ersten Leitungstyps im ersten Substrat zwischen dem elektrischen Sperrschicht-Bereich und der Metallleitung umfasst, wobei der Verbindungs-Bereich des ersten Leitungstyps elektrisch mit der Metallleitung verbunden ist.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der elektrische Sperrschicht-Bereich eine Ionenimplantations-Konzentration hat, die kleiner ist als die eines Floating-Diffusions-Bereichs des Auslese-Schaltkreises.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei der Auslese-Schaltkreis des ersten Substrates einen ersten Transistor und einen zweiten Transistor umfasst, die ausgebildet sind, um auf dem ersten Substrat in Reihe geschaltet zu sein, und wobei der elektrische Sperrschicht-Bereich zwischen dem ersten Transistor und dem zweiten Transistor ausgebildet ist.
Ein Bildsensor, umfassend: ein Halbleitersubstrat, das eine Metallleitung und einen Auslese-Schaltkreis hat, die darauf ausgebildet sind; eine Fotodiode auf dem Halbleitersubstrat, wobei die Fotodiode einen ersten Störstellen-Bereich und einen zweiten Störstellen-Bereich in einem kristallinen Bereich enthält; und einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt, die die Fotodiode durchdringen, wobei der erste Kontakt den ersten Störstellen-Bereich der Fotodiode durchdringt, wobei der zweite Kontakt den zweiten Störstellen-Bereich der Fotodiode durchdringt, um die Verbindung zur Metallleitung herzustellen.
Der Bildsensor gemäß Anspruch 12, der ferner eine Oxidschicht zwischen dem Halbleitersubstrat, auf dem die Metallleitung und der Auslese-Schaltkreis ausgebildet sind, und der Fotodiode enthält.
Der Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 12 bis 13, wobei der erste Störstellen-Bereich p-Typ-Fremdatome und der zweite Störstellen-Bereich n-Typ-Fremdatome enthalten.
Der Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14 wobei die Fotodiode ferner einen dritten Störstellen-Bereich zwischen dem ersten Störstellen-Bereich und dem zweiten Störstellen-Bereich enthält.
Der Bildsensor gemäß Anspruch 15, wobei der erste Störstellen-Bereich p-Typ-Fremdatome enthält, wobei der zweite Störstellen-Bereich n-Typ-Fremdatome mit hoher Konzentration enthält, und wobei der dritte Störstellen-Bereich n-Typ-Fremdatome mit einer geringen Konzentration enthält.
Der Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei der Auslese-Schaltkreis einen elektrischen Sperrschicht-Bereich enthält, der im ersten Substrat ausgebildet ist, wobei der elektrische Sperrschicht-Bereich folgendes umfasst: Einen Ionenimplantations-Bereich eines ersten Leitungstyps, der im ersten Substrat ausgebildet ist; und einen Ionenimplantations-Bereich eines zweiten Leitungstyps auf dem Ionenimplantations-Bereich des ersten Leitungstyps.
Der Bildsensor gemäß Anspruch 17, der ferner einen Verbindungsbereich eines ersten Leitungstyps zwischen den elektrischen Sperrschicht-Bereich und der Metallleitung enthält, wobei der Verbindungsbereich des ersten Leitungstyps elektrisch mit der Metallleitung verbunden ist.
Der Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei der Auslese-Schaltkreis eine Potentialdifferenz hat, die zwischen einer Source und einem Drain eines Transistors bereitgestellt wird.
Der Bildsensor gemäß Anspruch 19, wobei der Transistor ein Transfer-Transistor ist und Source des Transistors eine Ionenimplantations-Konzentration hat, die kleiner ist als die eines Floating-Diffusions-Bereichs am Drain des Transistors.