TW201011907A - Image sensor and method for manufacturing the same - Google Patents

Description

201011907 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】

影像感測器是一種用於將光學影像轉換為電訊號之半導體裝 置。這種影像感測器大體上可分為電子麵合裝置式(CCD，charge coupled device)影像感測器與互補式金氧半導體式(CMOS， Φ complementary metal oxide semiconductor)影像感測器(CIS，CMOS image sensor) ° 在製造影像感測器之過程中，可透過離子植入法於基板中形 成光電二極體。為了需要增加畫素數量而不增大晶片尺寸，隨著 光電二極體之尺寸的減小，光接收部的面積也隨之減小，進而會 降低影像品質。 同時’由於堆疊高度減少的程度未達到光接收部之面積減小 β 的程度，因此減少了射入此光接收部之光子的數量，進而使光照 產生被稱為〃艾瑞盤〃的衍射。 作為用於克服這種限制的替代方案（稱為三維影像感測器）， 人們已嘗試透過非晶矽形成光電二極體，或者透過如：晶圓間接 合之方法於碎基板中形成讀出電路’並於此讀出電路之上和/戈 上方形成光電二極體。其中，這種光電二極體係透過金屬互連與 此讀出電路相連。 、 而在習知技術中，此光電二極體可透過金屬導線與讀出電路 3 201011907 相連。其中，這種金屬線通常包含有遮蔽金屬，藉以防止發生金 屬腐钱。 例如’當這種遮蔽金屬包含有鈦/氮化鈦結構時，位於下層 遮蔽金屬的鈦並未完全發生反應並被保留下來。但是，所保留下 來的鈦可擴散至金屬間介電層(IMD，inter-metal dielectric)中，進 而使所擴散之鈦會成為暗電流源。 此外’由於這種轉移電晶體兩側的源極與没極通常都摻雜了 大量的N型雜質，因此會發生電荷分享效應。當發生電荷分享效 應時，會降低輸出影像之解析度並產生影像誤差。同時，由於光 電荷無法在光電二極體與讀出電路之間自由運動，所以會產生暗 電流和/或並降低飽和度與靈敏度。 【發明内容】 本發明之一目的在於提供一種影像感測器及其製造方法，藉 以透過阻止鈦的擴散，抑制透過所擴散之鈦而產生的暗電流。 本發明之又一目的在於提供一種影像感測器及其製造方法， 藉以在提供填充因數時防止產生電荷分享效應。本發明還提供了 一種影像感測器及其製造方法，藉以透過於光二極體與讀出電路 間為光電何形成通》的傳輸路徑，而最大化地減小暗電流，同時 抑制飽和度的減小與靈敏度的降低。 本發明之一方面在於提供了一種影像感測器，係包含：讀出 電路，係位於第一基板上；層間介電層，係位於此第一基板之上 方；金屬互連’係位於此層間介電層中並電性連接於此讀出電路； 201011907 以及影像感測裝置，係位於此金屬互連之上方並透過此金屬互連 電性連接於讀出電路，其中此金屬互連係包含有：下方遮蔽金屬 層及氮化遮蔽層’係形成於此下方遮蔽金屬層的下方。 本發明之另一方面在於提供了一種影像感測器的製造方法， 係包含：於第一基板上形成讀出電路；於第一基板上方形成層間 介電層；於此層間介電層中形成金屬互連並使其電性連接於讀出 電路；以及於此金屬互連上方形成影像感測裝置並使其透過此金 ® 屬互連電性連接於讀出電路，其中，形成此金屬互連之步驟，係 包含形成氮化遮蔽層，以及於此氮化遮蔽層上形成下方遮蔽金屬 層。 【實施方式】 下面，將結合附圖對本發明實施例之影像感測器及其製造方 法進行詳細描述。 在對本發明實施例進行描述之過程中，應當理解：當述及一 ❹個層位於另-層或基板之H ’所述層可直接位於另一層或 基板之上，其間也可具有多個中間層。還應當理解：當述及一個 層位於另一層或基板之〃下#時，所述層可直接位於另一層或基 板之下，其間也可具有多個中間層。此外，當述及一個層位於兩 個層之間時，這兩個層之間可僅有所述層或有一個或多個中間層。 「第1圖」為本發明實施例之影像感測器的剖面圖。「第2圖」 詳盡地示出了本發明第一實施例中第一基板1〇〇與層間介電層 160。 5 201011907 如「第1圖」與「第2圖」所示，本發明第一實施例之影像 感測器，係包含：讀出電路120,係位於第一基板1〇〇上；層間介 電層160，係位於此第一基板1〇〇之上方；金屬互連15〇，係位於 此層間介電層I60中並電性連接於讀出電路120;以及影像感測裝 置210 ’係位於金屬互連15〇之上方可並透過此金屬互連15〇電性 連接於讀出電路120。如「第1圖」所示，此金屬互連15〇可包含： 下方遮蔽層（153p與153q);以及氮化遮蔽層153n，係形成於下 方遮蔽層（153p與153q)之下方。雖然，「第i圖」示出了第三 金屬層153 ’但這並不對本發明實施例構成限制。例如，還可在於 互連（如：第一金屬層151、第二金屬層152及第三金屬層153) 之各層金屬的下層遮蔽金屬之下方形成氮化遮蔽層。 其中，影像感測裝置210可為光二極體。但這並不對本發明 實施例構成限制。例如，此影像感測裝置21〇可為光閘極，或為 光二極體與光閘極之組合體。雖然，作為一個實例，本發明實施 例可包含有形成於結晶半導體層中之光二極體，但這並不對本發 明實施例構成限制，本發明實施例還可包含有形成於非晶半導體 層中之光二極體。 下面’將結合示出此影像感測器之製造方法的附圖對「第工 圖」中未進行解釋的元件符號加以闡釋。 此處，將結合「第2圖」至「第5圖」對本發明第—實施例 之影像感測器的製造方法進行說明。 如「第2圖」所示，首先置備包含有金屬互連15〇與讀出電 201011907 路120之第一基板ι〇〇。 ❿ 其中，可透過於第一基板1〇〇中形成裝置隔離層no,藉以定 義主動區。進而，可於此主動區上形成讀出電路120,其中，此讀 出電路120可包含：轉移電晶體（Tx)121、重設電晶體（Rx)123、 驅動電晶體（Dx) 125以及選擇電晶體（Sx) 127。同時，可分別 為每一電晶體形成漂移擴散區（FD) 131以及包含有源極/沒極 區133、135、137之離子植入區13〇。在本發明一實施例中，可加 入雜訊移除電路（圖中未示出），藉以提高靈敏度。 其中，於第一基板1〇〇上形成讀出電路12〇之步驟係包含： 於此第-基板1〇〇上形成電接面區140;以及於此電接面區14〇 之頂部形成與金屬互連15G相連的第_導電類型連接147。 例如，此電接面區14〇可為p_N接面，但這並不對本發明實 施例構成關。例如’此電接面區14G可包含有：第—導電類型 離子植入區M3,係形成於第二導電_阱141或第二導電類型晶 膜層上；以及第二導電類型離子植人區145，係形成於此第一導^ 類里離子植人區143上。如「第2圖」所示，例如，此電接面區 140可為Ρ__/ρ·接面（第二導電類型離子植入區㈣第一導電類 型離子植人區⑷/第二導電類贿141的接面），但這並不對本發 明實施例構成限制。此外，此第—基板丨⑻可具有第二導電類型， 但這並不對本發明實施例構成限制。 在本發明實施例中，可對此裝置進行設計，藉以提高轉移電 晶體TX之源極與錄_勢差，糾可使全部的光電荷發生轉 7 201011907 移。因此’產生於光二極體中之光電荷被轉移至漂移擴散區中， 進而增大了輸出影像的靈敏度。 換言之’如「第2圖」所示，此電接面區14〇係形成於包含 有讀出電路12〇之第一基板励上，藉以在轉移電晶體⑵之源 極與汲極間提供勢差，進而使全部的光電荷發生轉移。 下面，將對本發明實施例之光電荷的轉移結構進行詳盡的描 述。 在本發明之-實施例中’與具有一個N型接面的漂移擴散區 131之節點不同的是，電接面區14G^p瓣型接面可在預定電壓 下關閉，而無須將所施加之電壓全部轉移到此接面上。其中，此 電壓被稱為〃備轉電壓〃。並且，此備轉電壓取決於(第二導電 類型離子植入區145)與N-(第-導電類型離子植入區143)之推 雜濃度。 ’ 具體而言，此影像感測裝置21〇中所產生之電子可轉移至電 接面區140’而後這些電子被傳送至漂移擴散區（FD)131的節點， 藉以在轉移電晶體（Τχ) 121開啟時轉化為電壓。 此時，電接面區140之最大電壓變為備轉電壓，而漂移擴散 區131之最大電壓變為裝置電壓與重設電晶體臨界電壓之差。因 此，由於漂移擴散區131之源極與汲極間存在勢差，影像感測襞 置210中所產生之電子可在不發生電荷分享之狀況下全部轉移至 漂移擴散區131。 換言之，在本發明實施例中，第一基板1〇〇之矽基板令所形 201011907 成的是Ρ0/Ν-/Ρ-井接面而不是N+/P-井接面。其原因在於，在四電 日b 體主動畫素感測 (4-Tr APS ’ four transistoi* active pixel senscw) 重設作業中，可向Ρ0/Ν-/Ρ-井接面中之N型區（第一導電類型離 子植入區143)施加正電壓（+ )並向p〇區（第二導電類型離子 植入區145)與P型井（第二導電類型阱141)施加接地電壓，進 而在雙接面電晶體結構（BJT structure )中，Ρ0/Ν-/Ρ-井雙接面可 在預定電壓或高於預定電壓處關閉。這種電壓被稱為備轉電壓。 ❹因此，可於轉移電晶體121之源極與汲極間產生勢差，進而在轉 移電晶體之開/關作業中，由於全部光電荷可透過轉移電晶體1^ 從源極的N-轉移至漂移擴散區，進而可抑制電荷分享效應。 因此’與習知技術中簡單地將光二極體連接至N+接面之狀況 不同，本發明實施例可抑制飽和度的減小並抑制靈敏度的降低。 此處，可於光二極體與讀出電路之間形成第一導電類型連接 147 ’藉以為光電荷形成通暢的傳輸路徑，進而最大化地減小暗電 ® 流源’並抑制飽和度的減小與靈敏度的降低。 為此，本發明第一實施例可將一個N+型攙雜區作為第一導電 類型連接147，藉以在電接面區140之表面上形成歐姆連接。同 時，形成此N+型區域（第一導電類型連接147)可穿過p〇區（第 一導電類型離子植入區145)，進而與N-型區域（第一導電類型離 子植入區143)相接觸。 另一方面，可最大化地減小第一導電類型連接147之寬度， 藉以防止此第一導電類型連接147成為漏電流源。為此，可在為 9 201011907 頭15U_咖孔後，執行_植人，但這並不對 入圖案。在本發明之另—實财’可形成離子植 以步成第料不…’相離子植人圖案作為離子植人光罩，藉 以形成第一導電類型連接147。 、各之，如本發明第-實施例中所述，之所以僅_觸形成 區上部分職行N+_，是_最域地減树訊號並使歐 姆接觸之職過程更為卿。歧，若_習知技射於轉移電 晶體TX之雜區的整體寬度上摻人N+雜質，則會时表面之懸 鍵而使暗訊號增大。 接下來’可於此第一基板1〇〇上形成層間介電層16〇，並形成 金屬互連150。其中，此金屬互連15〇可包含：第一接觸插頭 151a、第-金屬層⑸、第二金屬層152、第三金屬層⑸及第四 金屬觸點154a，但這並不對本發明實施例構成限制。 下面，將結合「第3圖」與「第4圖」對包含有氣化遮蔽層 153η之第三金屬層153的製造方法進行描述。 其中，可於第一基板100上形成第一金屬層151與第二金屬 層152，並於第二金屬層丨52上形成第一層間介電層16〇a。 而後’如「第3圖」所示，可於此第一層間介電層i60a上形 成氮化遮蔽層153η。例如，可於此第一層間介電層i6〇a上形成氮 化矽層’但這並不對本發明實施例構成限制。 進而’透過貫穿此氮化遮蔽層153η之通孔製程，可形成第三 金屬觸點153a。 201011907 如「第4圖」所示，可形成下方遮蔽層，如··下方遮蔽層153p、 下方遮蔽層I53q與第三金屬導線153m，以及上方遮蔽層，如： 上方遮蔽層153r與上方遮蔽層153s。例如，下方遮蔽層I53p與 153<1可具有鈦（下方遮蔽層153p)與氮化鈦（下方遮蔽層i53q) 之堆疊層結構。在本發明實施例中，第三金屬導線153m可為鋁。 此外，上方遮蔽層153r、153s可有鈦（上方遮蔽層I53r)與氮化 鈦（上方遮蔽層153s)之堆疊層結構。當然，這並不對本發明實 〇 施例構成限制。 接下來，在執行金屬圖案加工製程之後，可依次對上方遮蔽 層153r、上方遮蔽層153s、第三金屬導線153m、下方遮蔽層153p 以及下方遮蔽層153q進行蝕刻，藉以形成第三金屬層153。 同時’可透過對下方遮蔽層153p、153q進行上方蝕刻，而在 各畫素中分割氮化遮蔽層153η。 而後’可於經過蝕刻的區域之上（如：第三金屬層153之上 © 或第三金屬層153之間）形成第二層間介電層160b，並在執行用 於曝露出上方遮蔽層（如：上方遮蔽層153r與上方遮蔽層153s) 之通孔製程後，形成第四金屬觸點154a。 本發明實施例提供了一種影像感測器，藉以透過形成用於阻 擋鈦擴散之氮化遮蔽層來抑制暗電流。 如「第5圖」所示’可於此金屬互連150之上方形成影像感 測裝置210。 例如，可透過向第二基板（圖中未示出）之結晶半導體層中 11 201011907 植入離子而形成包含有高濃度P型導電層216、低濃度N蜇導電 層214及高濃度N型導電層212之影像感測裝置210，但這旅不 對本發明實施例構成限制。 接下來’在於形成有此影像感測裝置210之處使第二基板連 接於金屬互連150之後’可移除此第二基板，藉以留下影像感測 裝置210。 而後，可依照單元畫素分割影像感測裝置210，並於此影像感 測裝置210上形成上層電極（圖中未示出）與彩色濾光片（圖中 0 未示出）。 「第6圖」為本發明第二實施例之影像感測器的剖面圖，並 且，此圖示詳盡地出了形成於此影像感測器中之包含有金屬互連 150之第一基板。 其中，本發明第二實施例所提供之影像感測器，係包含：讀 出電路120 ’係位於第一基板1〇〇上；層間介電層16〇，係位於此 第一基板100之上方；金屬互連150 ’係位於此層間介電層ι6〇 ❹ 中並電性連接於讀出電路120 ;以及影像感測裝置210，係位於金 屬互連150之上方並透過此金屬互連150電性連接於讀出電路 12〇。同時，此金屬互連150係包含有形成於下方遮蔽層153p與 下方遮蔽層153q下方之氮化遮蔽層153η。其中，此氮化遮蔽層係 形成於此金屬互連之每一層中金屬所用的下方遮蔽金屬之下方。 此處’本發明第二實施例可採用第一實施例中之技術特徵。 但與本發明第一實施例不同的是’在本發明第二實施例中， 12 201011907 N+型連接區148係形成於電接面區140之一側。 依據本發明第二實施例，可對此裝置進行設計，藉以於轉移 電晶體（Tx)的源極與汲極之間提供勢差，因此可使全部光電荷 發生轉移。 依據本發明第二實施例，可於光二極體與讀出電路之間形成 電荷連接區，藉以為光電荷提供順暢的傳送路徑，進而可最大化 地減小暗電流源，並能抑制飽和度的減小與靈敏度的降低。 ❷ 其中，可於Ρ0/Ν_/Ρ-接面，即電接面區140處形成Ν+型連接 區148，藉以形成歐姆接觸。在這種狀況中，會在形成Ν+型連接 區148與第一接觸插頭15ia之過程中產生漏電流源。這是因為， S向Ρ0/Ν-/Ρ-接面’即電接面區14〇施加反向偏麗時，所進行之作 業可在石夕表面的上方形成電場。因此，當於此電場内部執行連接 形成製程時，所產生之晶體缺陷會變為漏電流源。 同時’當於Ρ0/Ν-/Ρ·接面，即電接面區14〇之表面的上方形成 β N+型連接區148時，N+型連接區148/第二導電類型離子植入區 145會額外地產生電場。而此電場也可變為漏電流源。 因此，本發明第二實施例提出了另一中設計方案，其中可於 主動區中形成第一接觸插頭151a，此處，主動區中未摻入ρ0層， 但包含有連接於第一導電類型離子植入區1432N+型連接區148。 依據本發明第二實施例，不會在矽表面之上和/或上方形成 電場。因此，可進一步減小三維互補式金氧半導體式影像感測器 中的暗電流。 13 201011907 本說明書中，對於"一個實施例"、"一實施例"、，，示範性 實例〃等之引述的意義在於：結合此實施例所描述的指定特徵、 結構或特性都包含於本發明之至少一個實施例中。在本說明書不 同部分所出現之上述措辭不一定引用同一個實施例。此外，當結 合任意一實施例對指定特徵、結構或特性進行描述時，經由本領 域之技術人員結合另外一些實施例也可以達到相同效果。 雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本 發明。在不脫離本發明之精神和範圍内，所為之更動與潤飾，均 屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考 所附之申請專利範圍。 【圖式簡單說明】 第1圖為本發明實施例之影像感測器的剖面圖；以及 第2圖至第5圖為本發明第一實施例之影像感測器的製造方 法；以及 第6圖為本發明另一實施例之影像感剛器的剖面圖。 【主要元件符號說明】 100 .... 110 .... 120 .. 121 > Τχ 123、Rx 125、Dx 201011907 127、Sx............ 130 ................. 131 ' FD........... 133、135、137 140 ................. 141 ................. 143 ................. 〇 145 ................. 147 ................. 148 ................. 150 ................. 151a................. 151 ................. 152 ................. ❹ 153 ................. 153a................. 153p ' 153q...... 153r ' 153s....... 153m................. 153n 154a 160 選擇電晶體 離子植入區 漂移擴散區 源極/汲極區 電接面區 第二導電類型阱 第一導電類型離子植入區 第二導電類型離子植入區 第一導電類型連接 N+型連接區 金屬互連 第一接觸插頭 第一金屬層 第二金屬層 第三金屬層 第三金屬觸點 下方遮蔽層 上方遮蔽層 第三金屬導線 氮化·遮蔽層 第四金屬觸點 層間介電層 15 201011907 160a...........................第一層間介電層 160b...........................第二層間介電層 210 ...........................影像感測裝置 212 ...........................高濃度N型導電層 214 ...........................低濃度N型導電層 216 ...........................高濃度P型導電層

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Claims (1)

1. 201011907 七、申請專利範圍： 1. 一種影像感測器，係包含： 一讀出電路，係位於一第一基板上； 一層間介電層，係位於該第一基板之上方； 一金屬互連，係位於該層間介電層中並電性連接於該讀出 電路；以及 ° -雜朗裝置，係錄該金屬互連上，並且該影像感測 β 裝置透過該金屬互連電性連接於該讀出電路， 其中’該金屬互連，係包含： 一下方遮蔽金屬層；及 1化遮&層’係位於該下方遮蔽金屬層之下方。 Ζ如請求項第1項所述之鱗❹指，其巾該金屬互連，還包含： 一接觸插頭，係貫穿該氮化遮蔽層； 一金屬層，係位於該下方遮蔽金屬層上；以及 上方遮蔽金屬層，係位於該金屬層上。 3.如請求項第2項所述之影像感測器，其中該下方 ==接_獅_，職編頭= 化遮蔽層相接觸。 還包含一電接面區，係位 性連接係用於使該金屬連 器，其t該讀出電路係具有一 17 201011907 電晶體之源極與汲極間的一勢差，且該電接面區係位於該電晶 體之源極中。 6. —種影像感測器的製造方法，係包含： 於一第一基板上形成一讀出電路； 於該第一基板之上方形成一層間介電層； 於該層間介電層中形成一金屬互連，並使該金屬互連電性 連接於該讀出電路；以及 於該金屬互連之上方形成一影像感測裝置，並使該影像感❹ 測裝置透過該金屬互連電性連接於該讀出電路， 其中，形成該金屬互連之步驟，係包含： 形成一下方遮蔽金屬層；及 於該下方遮蔽金屬層之下方形成一氮化遮蔽層。 7·如請求項第6項所述之影像感測器的製造方法，其中形成該金 屬互連之步驟，還包含： 在形成該下方遮蔽金屬層之前，形成貫穿該氮化遮蔽層之❹ 一接觸插頭； 於該下方遮蔽金屬層上形成一金屬層；以及 於該金屬層上形成一上方遮蔽金屬層。 8.如4求項第6項所述之影像感測器的製造方法 ’還包含於該第 基板中形成一電接面區’其中該電接面區係用於使該金屬互 連電性連接於該讀出電路。 9·如清求項第8項所述之轉朗H的製造方法 *還包含於該電 201011907 接面區與該金屬互連之間形成一第一導電類型連接。 10.如請求項第9項所述之影像感測器的製造方法，其中該第一導 電類型連接係形成於該電接面區之一側，而且該第一導電類型 連接係用於使該金屬互連電性連接於該電接面區。

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