TW201013915A - Image sensor and method for manufacturing the same - Google Patents

Description

201013915 碡 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種影像感測器及其製造方法。 【先前技術】 影像感測器係為一種將光學影像轉換為電訊號之半導體裝 置。影像感測器一般可分為電荷耦合元件（charge coupled Device ’ CCD )影像感測器及互補金屬氧化半導體（c〇mplementary

Metal Oxide Semiconductor，CMOS )影像感測器（CIS )。 在影像感測器之製造期間，可使用離子注入於基板中形成光 一極體。為了在不增加晶片尺寸之情況下增加畫素之數目，可減 少光二極體之尺寸，隨著光二極體之尺寸的減少，光接收部分之 面積也會減少，由此會產生影像質量之降低。 而且’由於堆疊厚度不像光接收部分之面積減少那樣大，因 此入射於光接收部分上的光子數目也會因為被稱作艾瑞盤（Aijy disk)的光線之衍射而減少。 為了克服此限制，業内已嘗試使用非晶矽（Si)形成光二極體， 或使用例如晶片對晶片之結合的方法在矽（si)基板中形成讀取電 路’以及在讀取電路之上和/或上方形成光二極體（稱為三維(3D) 影像感測器）°此光二極體透過金屬連接線路與讀取電路相連。 在習知技術t ’由於轉移電晶體之源極及汲極被大量地掺雜 有N逛雜質’因此會出現電荷共用現象。當出現電荷共用現象時， 201013915 會降低輸出影像之敏感度並且會產生影像錯誤。 而且，因為光電荷不容易在光二極體與讀取電路之間移動， 因此會產生暗電流和/或減少飽和度及敏感度。 • 此外，連接讀取電路與光二極體之接觸插塞會於光二極體中 ' 發生短路。 【發明内容】 因此，鑒於上述問題，本發明之實施例在於提供一種影像感 〇 測器及其製造方法，此種影像感測器於增加填充因子時不會產生 電荷共用。 本發明之實施例還在於提供一種影像感測器及其製造方法， 此種影像感測器透過在光二極體與讀取電路之間形成光電荷之平 滑轉移路徑，由此能夠使得暗電流最小化源並且能夠抑制飽和度 減少及敏感度降低。 本發明之實施例還在於提供一種影像感測器及其製造方法， Ο 此種影像感測器能夠防止連接讀取電路與影像感測裝置之接觸插 塞發生短路。 在本發明之一實施例中，一種影像感測器包含有：一位於一 *第一基板中的讀取電路；一電連接區域，係與第一基板上之讀取 _電路電連接；一連接線路，係位於設置在第一基板上的中間層電 介質中，此連接線路電連接至電連接區域；以及一影像感測裝置， 係包含位於連接線路上的第一導電型層及第二導電型層。一接觸 201013915 插塞係透過穿郷像制裝置之通孔連接第_導電型層至連接線 路，並且對應於通孔之第二導電型層的側壁上設置有侧壁電介 質，藉以將接觸插塞與第二導電型層電絕緣。 在本發明之另一實施例中，一種影像感測器之製造方法包· 含·於一第一基板中形成一讀取電路；於第一基板上形成一與讀 取電路電連接之電連接區域，在第一基板上开》成一中間層電介 質藉以於中間層電介質中形成一連接線路，此連接線路電連接 至電連接區域；以及形成-影像感測裝置，此影像感測裝置係包馨 含位於中間層電介質上的第—導電型層及第二導電型層。同時形 成有貫穿部分影像感測裝置之第一通孔，並且於第一通孔中的 第-導電型層之讎上可形成有健電介質。穿過影像感測裝置 還形成有第二通孔藉以曝露出連接線路，並且形成有接觸插塞藉 以將第一導電型層與連接線路電連接。 本發明之-個或多個實施例之細節將結合圖式在以下的說明 書中進行描述。其他特徵將從說明書及圖式以及所附之專利申請❹ 範圍中變得明顯。 【實施方式】 以下’將結合圖式部分描述本發明之實施例之影像感測器及. 其製造方法。 在本發明之實施例之描述中，可以理解的是當一層（或膜） 被稱作位於另-層或基板、上，時，其可直接位於另一層或基 201013915 板之上，或者可具有中間夾層。進一步而言，可以理解的是合一 層被稱作位於另一層"之下夕時，其可直接位於另一層之下，或 者可具有一個或多個中間夾層。此外，還可以理解的是當一層被 稱作位於兩層夕之間〃時，在這兩層之間可僅具有這一層，或者 可具有一個或多個中間***層。 「第1圖」係為本發明之第一實施例之影像感測器之橫截面 圖。 〇 在本發明之第一實施例之影像感測器中可包含：位於第一基 板100上的讀取電路120;電連接區域140，係與第一基板1〇〇上 之讀取電路120電連接；連接線路150，係位於設置在第一基板 100上的中間層電介質160中並且電連接至電連接區域14〇 :第二 中間層電介質162 ’係設置於連接線路150之上；以及影像感測裝 置210’係包含位於第二中間層電介質162上的第一導電型層214 及第二導電型層216。 ® 帛—實施例之影像感測器可進-步包含：接觸插塞230,係透 過穿過影像感測裝置210之通孔連接第一導電型層2Μ至連接線 路150 ;以及側壁電介質226，係設置於對應於通孔之第二導電型 層216的侧壁之上。 影像感測裝置210可為一光二極體，但是並不限制於此，其 也可為一光閘，或者可為光二極體與光閘之結合。本發明之實施 例以形成於結晶半導體層中的光二極體為實例 。然而，本發明之 201013915 實施例並不限制於此，並且舉例而言，也可包含有形成於一非晶 半導體層中的光二極體。 以下’將結合「第2圖」至「第12圖」對本發明之第一實施 例之影像感測器之製造方法加以描述。 「第2圖」為配置有連接線路150及讀取電路之第一基板1〇〇 之示意圖。「第3圖」為「第2圖」之詳細示意圖。下面，將基於 「第3圖」加以說明。 如「第3圖」所示’可透過在第一基板1〇〇中形成一裝置隔 離層110藉以定義一活性區。讀取電路12〇可包含有轉移電晶體 (Tx) 12卜重設電晶體（Rx) 123、驅動電晶體（Dx) 125以及 選擇電晶體（Sx) 127。可為每一電晶體形成一離子注入區13〇， 離子注入區130包含有浮置擴散區（FD)131及源極/沒極區133、 135 及 137。 依據本發明一實施例，在第一基板1〇〇上可形成電連接區域 140，並且在電連接區域14()之上部可形成與連接線路15()相連接 之第一導電型連線147。 舉例而言，電連接區域14〇可為一 pN接面，但是本發明之實 施例並不限做此。例如，f連接區域14G可包含有—形成於第 -導電型井或-第二導電料延層之上的第—導電型離子注 入層143,以及-械於第—導電型離子注人層⑷之上的第二導 電型離子注人層145。舉例而言，如「第3圖」所示，電連接區域 201013915 140 的 PN接面可為一 P0( 145)/:^(143)/^-(^)之接面， 但是本發明之實施例並不限制於此。此外，第一基板1〇〇可為_ 第二導電型基板，但是本發明之實施例並不限制於此。 根據本發明之一實施例，此影像感測器設計為在轉移電晶髏 (Tx)之源極與沒極之間具有一電勢差’由此能夠全部卸載光電 荷。因此，光二極體中產生之光電荷係卸載於浮置擴散區中，由 此可增加輸出影像之敏感度。 〇 也就是說，如「第3圖」所示，在具有讀取電路12〇的第一 基板100中形成電連接區域140係用以在轉移電晶體（τχ) 121 之源極與汲極之間產生一電勢差，由此能夠實現光電荷之全卸載。 特別是’影像感測裝置210中產生之電子係被轉移至電連接 區域140之ΡΝΡ接面，並且被轉移至浮置擴散區（FD) 131結點 用以當轉移電晶體（Tx) 121打開時轉化為一電壓。 電連接區域140的Ρ0/Ν-/Ρ-接面之最大電虔變為刺穿電壓 © (P&ing voltage) ’並且浮置擴散區（FD) 131結點之最大電壓變 為Vdd電壓減去重設電晶體（Rx)之閥值電壓（Vt}l)。由於轉移 電晶體（Tx) 121之源極與汲極之間的電勢差，無電荷共用，因 此在晶片上產生於影像感測裝置210中的電子能夠完全被卸載於 -浮置擴散區（FD) 131結點。 因此，與習知技術將一光二極體簡單連接至一 N+型接面之情 況不同’本發明之實施例能夠防止飽和度減少及敏感度降低。 9 201013915 第導電型連線147可形成於光二極體與讀取電路之間用以 產生-光電荷之平滑轉移路徑’由此能夠使暗電流源最小化並且 防止飽和度減少及敏感度降低。 為此’本發明之第一實施例可形成- N+攙雜區作為第-導電 i連線147以用於電連接區域之卩籠-❿接面之表面上的歐姆 接觸’型第一導電型連線（147)可形成為使其穿透p〇區（145) 以與N-區（143)相接觸。 第-導電型連線147之寬度可最小化以防止第-導電型連線 成為/¾漏源。為此，在餘刻第一金屬觸頭151&之接觸孔之 後可執行-插塞植人，但是本發明之實侧並不關糾卜例如， 可幵/成離子注入圖案（圖未示），並且該離子注入圖案可用作一 離子〉主入光罩藉以形成第一導電型連線147。 接著，可於第一基板1〇〇之上形成一中間層電介質16〇可形 成，並且可形成連接線路150。連接線路15〇可包含有第一金屬觸 頭151a、第一金屬（Ml) 15卜第二金屬（M2) 152及第三金屬 (M3) 153，但是本發明之實施例並不限制於此。 於連接線路150上形成有第二中間層電介質162。例如，第二 中間層電介質162可由氧化物層或紐騎等電介質形成。第二 中間層電介質162增強了配置有影像感測裝置21〇之第二基板（圖 未示）與第一基板1〇〇之結合力。 請參考「第4圖」，包含有第一導電型層214及第二導電型層 201013915 216之影像感測裝置210係形成於第二中間層電介質162之上。 例如’第二基板（圖未示）之結晶半導體層可配置有包含队 層（214)及P+層（216)之光二極體。此外，還可配置有用於歐 •姆接觸的一第一導電型層212之一 N+層。依據本發明之-實施 例第-導電型層214之厚度係大於第二導電型層加之厚度， 藉以增加電荷儲存容量。 一第一基板與第一基板相結合且光二極體被曝露於第一基 © 板上’將進行藉由畫賴分影像❹懷置21()之侧製程藉以 透過晝素間分隔層250填充介於晝素__部分j一實施例 中’晝素間分隔層2S0可由電介質，如氧化物層形成，但本發明 之實施例並不以此為限。例如，晝素間分隔層25〇也可透過離子 注入形成。在另-個實施例中，畫素間分隔層25〇可於形成接觸 插塞230之後形成。 考「第5圖」’於影像感測裝置21〇上係形成有第一電介 ❹質222 ’並且將形成用以形成第一通孔m (請參考「第ό圖」）之 光阻圖案310。舉例而言，第一電介質拉可包含氧化物層或氣化 物層’但本發明之實施例並不以此為限。 明參考「第6圖」，第-通孔H1係透過部分地去除影像感測 裝置210之第二導電型層216而形成。例如，第一通孔H1可透過 使用光阻圖案31〇作為姓刻光罩來部分地去除p+層（2丨6)而形 成，藉以曝露出N·層（214)。第-通孔H1可具有能夠穿過第二 11 201013915 導電型層216之深度，但不會到達高濃度之第一導電型層212。 請參考「第7圖」，光阻圖案310係被去除。 請參考「第8圖」’侧壁電介質226係形成於第二導電型層216 的侧壁之上。例如，氧化物層之類的第二電介質224係形成於第. 一通孔H1。然後，可於第二電介質224上進行毯式蝕刻，例如深 餘刻製程，藉以在第二導電型層216之側壁上形成侧壁電介質 226。 依據本發明之第一實施例，穿過影像感測裝置21〇之接觸插❹ 塞230係透過侧壁電介質226加以絕緣，進而避免在接觸插塞 連接讀取電路120與影像感測裝置21〇時發生短路。 請參考「第9圖」’係使用侧壁電介質226作為蝕刻光罩來形 成穿過第一通孔H1藉以曝露出連接線路150之第二通孔H2。舉 例而言，可形成穿過影像感測裝置210及第二中間層電介質162 藉以曝露出連接線路150之上部的第二通孔H2。 請參考「第10圖」’可於第二通孔H2上形成連接第一導電型參 層214與連接線路150之接觸插塞230。舉例而言，填充第二通孔 H2之接觸插塞230可由金屬，如鎢（W)與鈦（Ti)形成。 請參考「第11圖」，對應於第二導電型層216之區域上的部 分接觸插塞230可被去除藉以形成第三通孔H3。舉例而言，對應 於P+層（216)之區域上的部分接觸插塞230可透過毯式姓刻被 去除。 12 201013915 請參考「第12圖」’可於第三通孔H3中形成第三電介質228。 舉例而言’形成於第三通孔Η3中的第三電介質228係可為氣化物 層。 • 此後，可於第二導電型層216上進行接地製程。 依據本發明之第一實施例，穿過影像感測裝置21〇之接觸插 塞230係透過侧壁電介質226加以絕緣，進而避免在接觸插塞23〇 連接讀取電路120與影像感測裝置210時發生短路。 © 第丨3圖」及「第14圖」係為本發明之第二實施例之影像 感測器之製造方法之橫截面圖。 第二實施例可採用第一實施例之技術特徵。 下面，將詳細描述第一實施例與第二實施例之間的差異。 請參考「第13圖」，接觸插塞230係透過用金屬填充第二通 孔Η2而形成於第-通孔m (與「第1〇圖」所描述之步驟相似）。 請參考「第14圖」，依據本發明之第二實施例，用以形成接 ©觸插塞230之材料係從影像感測裝置21〇之上部被去除，同時會 殘留於整個第二通孔H2 +。然後，可於接觸插塞23〇之上形成第 三電介質228 ’並在第二導電型層216上進行接地製程。 依據本發明之第二實施例，接觸插塞23G係透過侧壁電介質 226而與第一導電型層216電絕緣。因此，儘管當僅有與影像感測 裝置210之上#相對應的部分接觸插塞被去除時，仍可避免 發生短路並能夠提高生產效率。 13 201013915 第15圖」係為本發明之第三實酬之影雜聰之橫截面 圖。其中詳細表示了配置有連接線路15〇之第一基板1〇〇。 第-實施例可採用第一實施例與第二實施例之技術特徵。 第三實施例與第一實施例之差異在於第-導電型連線148係 連接至電連接區域140之一側。 N+型的第-導電型連線可形成於電連接區域14〇的 PO/N /P·接面以用於歐姆接觸。在形成N+型的第一導電型連線Mg 及第一金屬觸頭151a之製程中可產生一洩漏源。而且，當n+型 的第一導電型連線148形成於電連接區域14〇之ρ〇/Ν·/ρ_接面之表 面上時，由於Ν+/Ρ0接面148/145，會另外產生一電場。此電場 也可變為一洩漏源。 因此，第三實施例中第一金屬觸頭丨5丨a係形成於一活性區之 中，該活性區不摻雜有P0層，但是具有與第一導電型離子注入層 143的N-接面電連接之N+型的第一導電型連線148。 依據本發明之第三實施例，該電場不產生於矽（Si)表面之上 和/或上方，因此這將有助於減少三維（3D)整合之互補金屬氧 化半導體影像感測器（CIS)的暗電流。 依據本發明之實施例’電連接區域係形成於包含有讀取電路 之第一基板中’藉以在轉移電晶體（Tx)之源極與汲極之間提供 一電勢差，由此實現光電荷之全卸載。 另外’依據本發明之實施例’第一導電型連線能夠形成於光 201013915 二極體與讀取電路之間藉以產生一光電荷之平滑轉移路徑，由此 能夠最小化一暗電流源並且防止飽和度減少及敏感度降低。 依據本發明之實施例’穿過影像感測裝置之接觸插塞係透過 側壁電介質加以絕緣，進而避免在接觸插塞連接讀取電路與影像 •感測裝置時發生短路。 本說明書中所提及的>"一個實施例夕、"一實施例，實施 例 示範性實施例〃等等，係表示與該實施例有關的一特定特 ❹徵結構、或特性乃包含於本發明之至少一個實施例中。本說明 書中不同地方出現的這些詞語不一定僅關於同一實施例。進一步 而吕，當關於任何實施例之一特定特徵、結構、或特性進行描述 時’本領域之技術人買可⑽這些特定特徵、結構、或特性應用 於其他實施例。 雖然本發明之實施_示雛之實施賴露如上，然而本領 域之技術人員應當意識到在不脫離本發明所附之申請專利範圍所 揭示之本發明之精神和範圍的情況下，所作之更動與潤倚，均屬 本發明之專利保魏L制是可在本_書、圖式部分及 所附之申請專利範圍中進行構成部分與，或組合配置方式的不同 變化及修改。除了構成部分與/或配置方式的變化及修改之外， 本領域之技術人員也應當意_構成部分與/或配置方式的替換 使用。 15 201013915 【圖式簡單說明】 第1圖係為本發明之第一實施例之影像感測器之橫截面圖； 第2圖至第12圖係為本發明之第一實施例之影像感測器之製 造方法之橫截面圖； 第13圖至第14圖係為本發明之第二實施例之影像感測器之 製造方法之橫截面圖；以及 第15囷係為本發明之第二 【主要元件符號說明】 L實施例之影像感測器之橫截面圖。 100 第一基板 110 裝置隔離層 120 讀取電路 121、Tx 轉移電晶體 123、Rx 重設電晶體 125、〇x 驅動電晶體 127、Sx 選擇電晶體 130 離子注入區 131 >FD 浮置擴散區 133、135、137 源極/汲極區 140 電連接區域 141 第二導電型井 143 第一導電型離子注入層 201013915

145 第二導電型離子注入層 147 第一導電型連線 148 第一導電型連線 150 連接線路 151 ' Ml 第一金屬 151a 第一金屬觸頭 152、M2 第二金屬 153、M3 第三金屬 160 中間層電介質 162 第二中間層電介質 210 影像感測裝置 212 第一導電型層 214 第一導電型層 216 第二導電型層 222 第一電介質 224 第二電介質 226 側壁電介質 228 第三電介質 230 接觸插塞 250 畫素間分隔層 310 光阻圖案 17 201013915 HI H2 H3 第一通孔 第二通孔 第三通孔

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Claims (1)

1. 201013915 七、申請專利範圍： 1. 一種影像感測器，係包含有： 一讀取電路，係配設於一第一基板中； • 一電連接區域，係與該第一基板上之讀取電路電連接； - 一連接線路’係位於設置在該第一基板上的一中間層電介 質中，該連接線路電連接至該電連接區域； 一影像感測裝置，係包含位於該連接線路上的一第一導電 0 型層及一第二導電型層； 一接觸插塞’係透過穿過該影像感測裝置之一通孔連接該 第一導電型層至該連接線路；以及 一側壁電介質，係位於對應於該通孔之該第二導電型層的 侧壁之上。 2. 如請求項第丨項所述之影像感測器，其中該讀取電路包含一電 晶體，其中該電連接區域設置於該電晶體之源極，藉以使該電 ❹ 晶體之源極與汲極之間具有一電勢差。 3. 如請求項第1項所述之影像感測H，於該電連接區域與該連接 線路之間還包含—第—導電㉝連線’該第―導電型連線電連接 該電連接區域至該連接線路。 4. 如睛求項第3項所述之影像感測器，其中該第一導電型連線設 置於該電連接區域之上部或一侧。 5. 如請求項第1項所述之影像感測器，更包含有-第三電介質， 201013915 係用以填充位於該側壁電介質上的通孔， 其中該接觸插塞係與該第一導電型層相接觸。 6. 如請求項第丨項所述之影像感測器，其中該侧壁電介質係設置 於該接觸插塞與該第二導電型層之間，並且該接觸插塞具有能· 夠抵達該第二導電型層之上側的高度。 、 7. 如請求項第6項所述之影像感測器，於該接觸插塞上還包含一 第三電介質。 8· —種影像感測器之製造方法，係包含： 於一第一基板中形成一讀取電路； 於該第-基板上形成一與該讀取電路電連接之電連接區 域； 在該第-基板上形成—巾間層電介質，並且於該中間層電 介質中域-連接線路’該連接線路電連接至該電連接區域； 形成-影像感測裝置，該影像感測裝置係包含位於該中間 層電介質上的一第一導電型層及一第二導電型層：以及 痛 部分地去除該影像感測裝置之該第二導電型層，藉以形成 一第一通孔； 於該第二導電型層之上形成一讎 電介質； ’ 使用該側壁電〃質作為糊光罩部分地侧該第-導電、 ^層及該中間層電介質，藉以形成一用於曝露出該連接線路之 第二通孔；以及 20 201013915 形成-接觸插塞，藉以透過該第二通孔電連接該第一導電 型層至該連接線路。 • 9.如請求項第8項所述之影像感測器之製造方法，更包含於該電 連接區域與該連接線路之娜成―第—導電型舰，藉以電連 接該電連接區域至該連接線路。 10.如請求項第8項所述之影像感測器之製造方法，於形成該接觸 插塞之後更包含： 〇 去除對應於該第二導電型層之區域上的部分該接觸插 塞’藉以形成一第三通孔；以及 於該第三通孔中形成一第三電介質。 21