CN102142448A - 图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种图像传感器。图像传感器包括：基板，光电转换器件形成在其中；在基板上的互连结构，互连结构包括多个金属间电介质层和安置在多个金属间电介质层中的多个金属互连，互连结构限定相应于光电转换器件对准的槽；吸湿阻挡层，共形地形成在互连结构的顶部上以及在槽中；和光导单元，形成在吸湿阻挡层上并包括填充槽的透光材料，其中吸湿阻挡层在槽的底部和两个侧部上以及在多个金属间电介质层的顶表面上以均匀厚度形成。

Description

图像传感器
技术领域
示例实施方式涉及图像传感器、其制造方法以及包括图像传感器的装置。
背景技术
图像传感器将光子图像转换成电信号。在计算机与通信产业方面的新发展已经导致对于在各种消费电子设备中的高性能图像传感器的强烈需要，各种消费电子设备包括数码相机、可携式摄像机、PCS(个人通信系统)、游戏机、保安摄影机和医用微型照相机。
特别地，MOS图像传感器能被容易地驱动并能利用各种扫描方法来实现。此外，由于数字信号处理电路能被集成到单个芯片中所以能最小化产品的尺寸，生产成本能降低，并能重复使用MOS工艺技术。此外，小功耗使得MOS图像传感器易于应用到电池供电的产品。因此，随着在实现高分辨率MOS图像传感器方面的进展，已经迅速地增大了MOS图像传感器的使用。
发明内容
示例实施方式提供了具有改进的光子特性的图像传感器。
示例实施方式还提供了制造具有改进的光子特性的图像传感器的方法。
然而，示例实施方式的方面、特征和优点不限于这里的阐述。通过参考下面给出的示例实施方式的详细描述，对于示例实施方式所属技术领域的一般技术人员而言，示例实施方式的上述和其他方面、特征和优点将变得更加明显。
根据示例实施方式的方面，提供了一种图像传感器。图像传感器包括：基板，光电转换器件形成在其中；互连结构，形成在基板上并包括多个金属间电介质层和在多个金属间电介质层中的多个金属互连，互连结构限定相应于光电转换器件对准的槽的至少一部分；吸湿阻挡层，共形地形成在互连结构的顶部上以及在槽中；和光导单元，形成在吸湿阻挡层上并包括填充槽的透光材料，其中吸湿阻挡层在槽的底部和两个侧部上以及在多个金属间电介质层的顶表面上以均匀厚度形成。
根据示例实施方式的另一方面，提供了一种图像传感器。图像传感器包括：基板，光电转换器件形成在其中；互连结构，形成在基板上并包括多个金属间电介质层和在多个金属间电介质层中的多个金属互连；层间电介质层，在互连结构与基板之间并包括电连接到内侧的多个互连的栅结构；吸湿阻挡层，形成在包括互连结构的基板的整个表面上；和滤色器，形成在吸湿阻挡层上。
根据示例实施方式的另一方面，提供了一种图像传感器。该图像传感器包括：基板，在其中光电转换器件与基板的第一表面相邻地形成；互连结构，形成在第一表面上并包括多个金属间电介质层和在多个金属间电介质层中的多个金属互连；背侧层间电介质层，形成在基板的第二表面上，基板的第二表面在基板关于第一表面的相反侧上；吸湿阻挡层，形成在背侧层间电介质层的整个表面上；和滤色器，沿着光电转换器件对准并且形成在吸湿阻挡层上。
附图说明
通过参考附图详细描述示例实施方式，示例实施方式的上述和其他特征和优点将变得更加明显。附图旨在描绘示例实施方式而不应解释为限制权利要求的范围。除非明确地表示，附图不应被理解为按比例绘画。
图1为示出根据示例实施方式的图像传感器的方框图；
图2为与图1中的有源像素传感器(APS)阵列相应的等效电路图；
图3为示出根据示例实施方式的图像传感器的概念视图；
图4A至图4C为示出根据示例实施方式的图像传感器的截面图；
图5A和图5B为示出根据另一示例实施方式的图像传感器的截面图；
图6A和图6B为示出根据另一示例实施方式的图像传感器的截面图；
图7A和7B为示出根据另一示例实施方式的图像传感器的截面图；
图8至图11为中间步骤的结构的截面图，示出根据示例实施方式的图像传感器的制造方法；
图12和图13为中间步骤的结构的截面图，示出根据另一示例实施方式的图像传感器的制造方法；
图14至图17为中间步骤的结构的截面图，示出根据另一示例实施方式的图像传感器的制造方法；
图18至图20为包括根据示例实施方式的图像传感器的基于处理器的装置。
图21A至图22为示出实验示例的结果的图形。
具体实施方式
在此公开详细的示例实施方式。然而，这里公开的特定结构和功能细节仅是代表性的，用于描述示例实施方式。示例实施方式可以以许多替换的形式实现且不应解释为仅限于这里阐述的实施方式。
因此，示例实施方式能有各种变形和替换形式，其实施方式以举例的方式显示在附图中并且将在此详细描述。然而，应当理解，不意图将示例实施方式限制为所公开的具体形式，相反，示例实施方式覆盖落入示例实施方式的范围内的所有变形、等价物和替换。整个附图的描述中，相似的附图标记指示相似的元件。
可以理解虽然术语第一、第二等可以用于此来描述各种元件，这些元件应不受这些术语限制。这些术语只用于区分一个元件与另一元件。例如，第一元件能被称为第二元件，相似地，第二元件能被称为第一元件，而不脱离示例实施方式的范围。这里所用的术语“和/或”包括相关列举项目的一个或更多的任何和所有组合。
可以理解当元件被称为“连接到”或“耦接到”另一元件或层时，它可以直接连接到、耦接到其他元件，或者可以存在中间的元件。相反，当元件被称为“直接连接到”或“直接耦合到”另一元件时，则没有中间元件存在。用于描述元件之间的关系的其他词语应当以相似的方式理解(例如，“在...之间”与“直接在...之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。
这里所使用的术语是只为了描述具体的实施方式的目的且不旨在限制示例实施方式。如这里所用，单数形式也旨在包括复数形式，除非内容清楚地指示另外的意思。可以进一步理解当在此使用时术语“包括”和/或“包含”说明所述特征、区域、整体、步骤、操作、元件和/或组分的存在，但是不排除存在或添加一个或更多其他特征、区域、整体、步骤、操作、元件、组分和/或其组。
应当注意，在一些替换实施中，说明的功能/行动可以不以附图中示出的顺序发生。例如，连续示出的两个附图可以实际上被基本同时的执行，或者可以有时根据所涉及的功能性/行动而以相反的顺序执行。
除非另有界定，这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)可以具有本领域技术人员共同理解的相同的意思。此外，一般字典中定义的术语不应解释为理想化或过度正式的意义，除非在这里明确地如此界定。
在下文，通过参考附图、图像传感器及其制造方法来解释示例实施方式。
图1为示出根据示例实施方式的图像传感器的方框图。
参考图1，根据示例实施方式的图像传感器包括传感器阵列10、定时脉冲发生器20、行解码器30、行驱动器40、相关双采样器CDS 50、模拟数字转换器ADC60、锁存单元70和列解码器80，传感器阵列10由具有光电转换器件的像素的二维阵列组成。
传感器阵列10包括以二维布置的单元像素。单元像素将光子图像转换成电信号。有源像素传感器(APS)阵列10由来自行驱动器40的包括行选择信号、复位信号和电荷传输信号的多个驱动信号驱动。而且，电转换的输出信号通过垂直信号线被传送到相关双采样器50。
定时脉冲发生器20向行解码器30和列解码器80提供定时信号和控制信号。
根据由行解码器30产生的解码结果，行驱动器40向APS阵列10提供多个驱动信号以驱动单元像素。通常，在以矩阵方式布置单元像素的情况下，驱动信号被提供到每行。
相关双采样器50通过垂直信号线接收由APS阵列10产生的输出信号并执行保留和取样操作。更详细地描述，相关双采样器50双采样由APS阵列产生的一定噪声电平和信号电平并输出噪声电平与信号电平之间的差值电平。
模拟数字转换器60通过将差值电平的模拟信号转换为数字信号来输出数字信号。
锁存单元70根据来自列解码器80的解码结果来锁存数字信号并且被锁存的信号顺序地发送到图像信号处理器(未示出)。
图2为与图1中的APS阵列相应的等效电路图。
参考图2，像素以矩阵方式布置从而形成传感器阵列10。每个像素P包括光电转换器件11、浮置扩散区13、电荷传输器件15、驱动器件17、复位器件18和选择器件19。利用第i行像素P(i，j)，P(i，j+1)，P(i，j+2)，P(i，j+3)，...来描述这些器件的功能。
光电转换器件11吸收入射光并积累与入射光的量相应的电荷。光电转换器件11能包括光电二极管、光电晶体管、光电栅(photo gate)、钉扎光电二极管(pinned photo diode)以及这些器件的组合。在图中示出了光电二极管。
每个光电转换器件11与将积累的电荷传输到浮置扩散区13的电荷传输器件15耦接。浮置扩散区FD 13是将电荷转换为电压的区域，由于浮置扩散区FD 13具有寄生电容，所以电荷被累积地存储。
以源极跟随器放大器作为例子的驱动器件17放大浮置扩散区13中的电势变化并输出到输出线Vout，浮置扩散区13接收在每个光电转换器件11中积累的电荷。
复位器件18周期性地重置浮置扩散区13。复位器件18能由MOS晶体管组成，通过用于施加偏压(例如，复位信号)的复位线RX(i)来提供偏压从而驱动该MOS晶体管。当复位器件18被复位线RX(i)提供的偏压开启时，施加到复位器件18的漏极的电势，例如，源电压VDD，被传送到浮置扩散区13。
选择器件19选择每行中将被读取的像素P。选择器件19能由MOS晶体管组成，通过用于施加偏压(例如，行选信号)的行选择线SEL(i)来提供偏压从而驱动该MOS晶体管。当选择器件19被行选线SEL(i)提供的偏压开启时，施加到选择器件19的漏极的电势，例如源电压VDD，被传送到驱动器件17的漏极。
施加偏压到电荷传输器件15的传输线TX(i)、施加偏压到复位器件18的复位线RX(i)和施加偏压到复位器件18的行选择线SEL(i)能在行方向上彼此平行地延伸和布置。
在下文，参考图3至4C，描述根据示例实施方式的图像传感器。图3和4A为概念图和截面图，示出根据示例实施方式的图像传感器。图4B和4C为截面图，示出根据图4A所示的图像传感器的其他示例的图像传感器。为帮助理解，图4A和4B主要示出以光电转换器件作为中心的传感器阵列区的一部分。
首先，参考图3，例如，外围电路区II可以是形成图1的相关双采样器CDS 50、模拟数字转换器ADC 60和锁存单元70的区域，传感器阵列区I可以是形成图1的传感器阵列10的区域。而且，如附图所示，外围电路区II可以形成为围绕传感器阵列区I；然而，并不限于此。
参考图4A，根据示例实施方式的图像传感器1_1包括基板110、互连结构140、槽150、吸湿阻挡层160和光导单元170。
基板110例如可以是第一导电类型(例如，p型)基板。虽然未示出，外延层能形成在基板110上，或者多个阱能形成在基板110内部。例如，SOI(绝缘体上硅)基板包括底硅基板、形成在底硅基板上的掩埋电介质层和形成在掩埋电介质层上的硅半导体层。
器件隔离区形成在基板110中，有源区能被器件隔离区限定。器件隔离区可以是利用LOCOS(硅的局部氧化)方法形成的FOX(场氧化物)或者STI(浅沟槽隔离)。器件隔离区能划分单元像素。
光电转换器件120形成在基板110中。光电转换器件120吸收穿过滤色器190的彩色的光并产生和/或积累与光量相应的电荷。光电晶体管、光电栅、光电二极管、钉扎光电二极管或其组合能被用作光电转换器件120。在此示例实施方式中，光电二极管被用于示出光电转换器件120。此外，未在附图中示出，用于读出在光电转换器件120中积累的电荷的浮置扩散区能形成在基板110中。
层间电介质层130能形成在基板110上，多个栅结构135能安置在层间电介质层130中。层间电介质层130能包括硅氮化物层和/或硅氧化物层。此外，多个栅结构例如能是晶体管。多个晶体管能包括电荷传输器件、选择器件、驱动器件和复位器件。例如，在图3中，读取器件能被安置在传感器阵列区I中，MOS器件、电阻器和电容器能被安置在外围电路区II中。由于其能以不同形式实施且该实施对本领域技术人员是显而易见的，所以省略了对其的描述。
互连结构140形成在层间电介质层130上。互连结构140包括多层的金属间电介质层140a、140b和140c、安置在多个金属间电介质层140a、140b和140c中的多个金属互连M1和M2。互连结构140能包括第一金属间电介质层140a、形成在第一金属间电介质层140a中的第一金属互连M1、形成在第一金属互连M1上的第二金属间电介质层140b、形成在第二金属间电介质层140b中的第二金属互连M2和形成在第二金属互连M2上的第三金属间电介质层140c。这里，多个金属互连M1和M2能是铜互连或铝互连；然而，并不限于此。例如，多个金属互连M1和M2能是镶嵌(damascene)互连。多层的金属互连M1和M2能通过通道接触(via contact)VIA1而连接。
第一金属间电介质层140a，第二金属间电介质层140b和第三金属间电介质层140c能是多个电介质层的堆叠结构。例如，第一金属间电介质层140a能包括顺序形成在层间电介质层130上的硅氮化物层和/或硅氧化物层。
而且，附图未示出，扩散阻挡层能形成在多个金属间电介质层140a、140b和140c的每个之间。因此，扩散阻挡层能分别形成在第一金属间电介质层140a和第二金属间电介质层140b之间以及第二金属间电介质层140b和第三金属间电介质层140c之间。这种扩散阻挡层防止多个金属互连M1和M2中的金属原子扩散。例如，当多个金属互连M1和M2是铜互连时，扩散阻挡层能防止铜原子的扩散。
而且，扩散阻挡层能在形成金属互连期间起到蚀刻停止层的作用。因此，扩散阻挡层和多个金属间电介质层140a、140b和140c能具有不同的蚀刻速率。例如，多个金属间电介质层140a、140b和140c能是硅氧化物层，扩散阻挡层能是硅氮化物层。后文描述的槽150能通过穿透包括扩散阻挡层的多个金属间电介质层140a，140b和140c来形成。
例如，蚀刻停止层137能形成在互连结构140和层间电介质层130之间。蚀刻停止层137能形成在层间电介质层130上，互连结构140能形成在蚀刻停止层137上。例如，蚀刻停止层137能包括硅氮化物层或硅氧化物层。蚀刻停止层137能用于控制后文在图9中描述的槽150的深度。
槽150穿透互连结构140并沿着光电转换器件120对准。具体地，由于在形成为多个层的多个金属间电介质层140a，140b和140c的每个和层间电介质层130之间存在界面，这种界面会防止由滤色器190提供的光到达光电转换器件120。而且，由于扩散阻挡层，例如硅氮化物层，具有低透光率，它会防止光到达光电转换器件120。因此，通过穿透光电转换器件120上的互连结构140形成的槽150能最小化阻碍因素并增大到达光电转换器件120的光量以及光敏性。
如图4A所示，槽150能通过穿透蚀刻停止层137和一部分层间电介质层130而形成。而且，槽150具有侧坡并且能形成为底部的宽度比顶部的宽度窄。而且，槽150的底侧能形成为平坦的。然而，根据示例实施方式，槽150不局限于图4A示出的结构。例如，槽150能形成为没有侧坡，并且底侧能形成为凹入或凸起的而不是平坦的。
吸湿阻挡层160共形地形成在形成于互连结构140中的槽150上。例如，吸湿阻挡层160能形成在包括槽150的侧壁和底侧的基板110的整个表面上，除了部分区域之外，该部分区域例如是外围电路区II的焊垫区。另外，吸湿阻挡层160能沿着金属间电介质层140c共形地形成而不在槽150的侧壁和底侧上。
虽然形成在包括槽150的互连结构140上的吸湿阻挡层160被暴露在相对高的温度和湿气下，其能防止传感器阵列10的饱和电平退化。这里，饱和电平能表示光电转换器件120利用进入到光电转换器件120的光产生的光子电荷超过标准电平的状态。
具体地，吸湿阻挡层160能由抵抗湿气吸收的材料形成，例如，铝氧化物层(例如，Al2O3)或钛氧化物层(例如，TiO2)，并且能通过防止传感器阵列10的饱和电平退化来改善器件可靠性。
在基板110上，吸湿阻挡层160的厚度实际上会是均匀的。因此，吸湿阻挡层160能以均匀厚度形成在槽150上，其能以均匀厚度形成在槽150的两侧和底部上以及在多个金属间电介质层140a、140b和140c上。在此步骤中，吸湿阻挡层160的厚度例如能在约
Figure BDA0000041784310000081
至约
Figure BDA0000041784310000082
之间。
通过在槽150的两侧和底部上以及在多个金属间电介质层140a、140b和140c上形成具有均匀厚度的吸湿阻挡层160，槽150的轮廓能基本保持相同。结果，能防止不必要的增大其中形成有吸湿阻挡层160之处的槽150的高宽比。因此，因增大高宽比导致的低亮度特征能得到改善。
如附图所示，由于槽150导致在互连结构140中存在高度差。由于通过穿透至少一部分互连结构140而形成槽150，所以互连结构140的顶层140c、槽150的侧壁和槽150的底部形成高度差。结果，能使用例如具有优良阶梯覆盖特性的原子层沉积(ALD)在包括高度差的互连结构140上形成具有均匀厚度的吸湿阻挡层160。当通过利用ALD工艺形成吸湿阻挡层160时，与通过等离子体工艺形成的情况相比，施加到器件的应力能最小化并且能降低暗电平(dark level)。
光导单元170形成在吸湿阻挡层160上并包括填充槽150的透光材料。因此，槽150被填充透光材料，透光材料形成在吸湿阻挡层160上。如图4A所示，光导单元170的透光材料填充槽150，并能沿着作为互连结构140的顶层的金属间电介质层140c的上侧形成。因此，吸湿阻挡层160共形地形成在槽150的两个侧壁及底部上并且在互连结构140的顶部上，透光材料能形成在吸湿阻挡层160上以填充槽150。
光导单元170能稳定地引导穿过滤色器190之后进入槽150的入射光到达光电转换器件120。因此，为了使入射光容易地穿过透光材料，透光材料例如能由诸如具有环形结构的含氟聚合物(CytopTM)的有机聚合物化合物、聚硅氧烷树脂、钛氧化物和PMMA聚合物构成。
而且，光导单元170的透光材料能是比形成多个金属间电介质层140a、140b和140c的材料的折射率高的材料。例如，光导单元170的透光材料的折射率能与吸湿阻挡层160的折射率相似。因此，进入光导单元170的入射光可以被全反射到槽150的内侧，结果进入的入射光能稳定地到达光电转换器件120。例如，光导单元170的透光材料能具有等于或大于约1.65的折射率。
如图4B所示，在根据另一示例实施方式的图像传感器12中，光导单元173能被埋入槽150中。因此，与图4A所示的其中光导单元170沿着互连结构140的顶部形成的示例图像传感器不同，光导单元173能安置在槽150中。这里，光导单元173的透光材料填充槽150，透光材料仅能存在于由槽150形成的空间中。如附图所示，透光材料的顶表面能与互连结构140的顶表面存在于基本相同的平面上。
此外，虽然附图未示出，在另一示例实施方式中，透光材料的顶表面能与互连结构140的顶表面存在于不同的平面上。例如，当光导单元173的透光材料部分地填充槽150时，透光材料的顶表面能与互连结构140的顶表面存在于不同的平面上。在此步骤中，吸湿阻挡层160能沿着透光材料和互连结构140的顶表面共形地形成。在该情况下，通过利用包括形成平坦化层的后续工艺能补充高度差。
参考图4A和4B，下平坦化层180、滤色器190、上平坦化层192、透镜194和保护层能顺序形成在光导单元170和173上。在图4A中，虽然示出了平坦化层180和192形成在滤色器190的上侧和下侧上，但是并不限于此。例如，平坦化层192能仅形成在滤色器190的上侧上，平坦化层不是形成在上侧和下侧上。
透镜194能由诸如感光树脂的有机材料或无机材料构成。当透镜194由有机材料形成时，例如有机材料图案能形成在上平坦化层192上随后进行热工艺以形成透镜194。通过热工艺，有机材料图案变成透镜形状。
虽然附图未示出，保护层能形成在透镜194上。保护层能保护透镜194不受外部冲击。保护层能是无机氧化物层。例如，能使用硅氧化物层、钛氧化物层、锆氧化物层(ZrO2)、铪氧化物层(HfO2)或其叠层或者其组合层。特别地，LTO(低温氧化物)作为保护层，其是一种硅氧化物层。由于LTO在约100℃至约200℃的低温下被制造，结果能对下面的层损坏较少，所以采用LTO。而且，由于LTO是非晶的，所以它不粗糙。因此，能减少入射光的反射/折射/漫射。
当透镜194由有机材料构成时，它对于外部冲击而言是软弱的。因此，保护层能保护透镜194不受外部冲击。小的空间会存在于相邻的透镜194之间，保护层能填充该空间。当相邻透镜194之间的空间被填充时，能改善入射光集中的性能。这是因为到达相邻透镜194之间的空间的入射光的反射/折射/漫射能减少。
此外，粘合层(未示出)能额外地形成在光导单元170的透光材料上。粘合层能改善下面的光导单元170与上面的滤色器190之间的粘着力并在透光材料和滤色器190之间提供更稳固的结合。
根据示例实施方式的图像传感器包括共形地形成在具有槽的互连结构上的吸湿阻挡层，该吸湿阻挡层防止传感器阵列的饱和电平因吸收湿气而退化。结果，图像传感器的可靠性能得到改善。同样，当吸湿阻挡层通过ALD工艺形成时，能最小化应力对器件的冲击，并且暗电平能得到改善。此外，由于共形形成的吸湿阻挡层具有基本相同的厚度，所以尤其包括互连结构的顶部、槽的侧壁和槽的底部的高度差区域的阶梯覆盖是优良的。结果，能防止高宽比不必要的增大，并能更加改善低亮度敏感特性。
参考图4C，根据上文参考图4A和4B讨论的示例的变化的图像传感器1_3，层间电介质层130、互连结构140和吸湿阻挡层160能形成在基板110的外围电路区II上。如上所述，吸湿阻挡层160能形成在整个基板110上，除了基板110的至少一部分，例如，外围电路区II的焊垫区域之外。在图4C中，虽然示出了图4A所示的示例结构应用于传感器阵列区I，但是不限于此，能够应用各种结构。
而且，光导单元170的透光材料和上平坦化层192能顺序地堆叠在外围电路区II上形成的吸湿阻挡层160上。然而，根据传感器阵列区I的结构，堆叠在吸湿阻挡层160上的材料能改变。例如，当仅有下平坦化层180形成在传感器阵列区I的吸湿阻挡层160上时，仅有下平坦化层180形成在外围电路区II的吸湿阻挡层160上。由于这是示例，能应用各种方法。而且，如图4C所示，与传感器阵列区I相比，更多层的金属互连M1，M2、M3和M4能形成在外围电路区II中。此外，金属互连M1、M2、M3和M4能电连接通道接触VIA1、VIA2和VIA3。
参考图5A和5B，描述根据另一示例实施方式的图像传感器2_1和2_2。图5A和5B是示出根据另一示例实施方式的图像传感器的截面图。为了帮助理解，图5A主要示出光电转换器件和一部分的传感器阵列区域。
参考图5A，根据另一示例实施方式的图像传感器2_1不同于其他图像传感器之处在于：吸湿阻挡层161形成在透光材料和滤色器190之间。在下文，整个说明书中，相似的附图标记指代相似的元件，对于与上文参考图4A-C讨论的示例实施方式相同的内容，将省略或简化描述。
包括透光材料的光导单元171形成在具有槽150的互连结构140上。具体地，光导单元171的透光材料填充槽150的内部。透光材料延伸到互连结构140的顶部并形成在包括互连结构140的基板110的整个表面上。如前文所述，在图4A-4C示出的示例图像传感器中，光导单元171的透光材料能形成为掩埋在槽150中，下平坦化层(参考图4C的180)能形成在互连结构140的顶部金属间电介质层140c上以及在透光材料上。
在形成于槽150内部的光导单元171的透光材料上和在互连结构140的顶部上形成吸湿阻挡层161。吸湿阻挡层161例如能包括铝氧化物层或钛氧化物层，然而，如果ALD工艺能应用于该材料则吸湿阻挡层161不限于此。而且，吸湿阻挡层161能包括抵抗湿气吸收的材料。
吸湿阻挡层161能以基本相同的厚度形成在光导单元171的透光材料上，例如，厚度能在约
Figure BDA0000041784310000111
至约之间。
此外，滤色器190形成在吸湿阻挡层161上。
参考图5B，图5A的结构形成在基板110的传感器阵列区I上，层间电介质层130、互连结构140、光导单元171的透光材料和吸湿阻挡层161能形成在外围电路区II上。如上所述，吸湿阻挡层161能形成在一部分基板110上或整个基板110上。因此，具有相同厚度和材料的吸湿阻挡层161能形成在传感器阵列区I和外围电路区II上。
根据另一示例实施方式的图像传感器包括形成在光导单元的透光材料上的吸湿阻挡层，由于吸湿阻挡层能防止传感器阵列的饱和电平退化，图像传感器的可靠性能得到改善。而且，当吸湿阻挡层通过利用ALD工艺形成时，对于器件的应力能减小，结果暗电平能得到改善。
参考图6A和6B，描述根据另一示例实施方式的图像传感器3_1和3_2。图6A和6B是示出根据另一示例实施方式的图像传感器的截面图。为帮助理解，图6A主要示出以光电转换器件作为中心的传感器阵列区的一部分。
参考图6A，根据另一示例实施方式的图像传感器3_1与前文所述的图4A-5B示出的示例图像传感器的不同之处在于：槽(参考图5的150)没有形成在互连结构140的内部，吸湿阻挡层162形成在互连结构140和滤色器190之间。
如图6A所示，在根据示例实施方式的另一图像传感器3_1中，吸湿阻挡层162形成在互连结构140和滤色器190之间。例如，吸湿阻挡层162能直接形成在互连结构140的顶部上。
而且，由于槽没有形成在互连结构140的内部，在槽形成工艺，例如等离子体处理工艺期间会发生的对器件的应力能被减小，结果能够改善器件的可靠性。
根据图6B示出的图像传感器3_2，图6A的结构形成在基板110的传感器阵列区I上，层间电介质层130、互连结构140和吸湿阻挡层162能形成在外围电路区II上。如上所述，吸湿阻挡层162能形成在一部分基板110上或整个基板110上。因此，具有相同厚度和材料的吸湿阻挡层162能形成在传感器阵列区I和外围电路区II上。参考图7A和7B，描述根据另一示例实施方式的图像传感器4_1和4_2。图7A和7B为示出根据另一示例实施方式的图像传感器4_1和4_2的截面图。为帮助理解，图7A和7B主要示出以光电转换器件作为中心的传感器阵列区的一部分。
参考图7A，根据另一示例实施方式的图像传感器4_1与其他图像传感器的不同之处在于：光通过基板的后侧进入。这种图像传感器被称为后侧照亮的图像传感器。由于在后侧照亮的图像传感器中，金属互连M1和M2没有形成在光穿过其进入的那一侧上，入射光没有被金属互连M1和M2反射。而且，光没有被层间电介质层130和互连结构140吸收。
参考图7A，光电转换器件120形成在基板110内侧，层间电介质层130、金属间电介质层140a、140b和140c、包括金属互连M1和M2的互连结构140形成在基板110的前侧FS。后侧层间电介质层143形成在基板110的后侧BS，吸湿阻挡层163形成在整个后侧层间电介质层143上。因此，吸湿阻挡层163形成在基板110的BS上。
参考图7B，与图7A示出的图像传感器4_1不同，粘合层180能形成在吸湿阻挡层163上。粘合层180允许滤色器190稳固地粘合在吸湿阻挡层163上。
在下文，参考图8至图11和图4，描述根据示例实施方式的图像传感器的制造方法。图8至图11为中间步骤的结构的截面图，示出根据示例实施方式的图像传感器的制造方法。为了帮助理解，以下主要示出光电转换器件和部分的传感器阵列区，与前文描述的内容实际相同的内容将被省略或简化。
参考图8，提供包括形成在内侧的光电转换器件120的基板110，包括多层的金属间电介质层140a、140b和140c以及安置在多层的金属间电介质层140a，140b和140c中的多层的金属互连M1和M2的互连结构140形成在基板110上。
如图8所示，在形成互连结构140之前，能形成包括多个在其内侧的栅结构的层间电介质层130。例如，栅结构能是晶体管，在附图中示出的栅结构能是电荷传输器件135。
包括多个金属间电介质层140a，140b和140c以及安置在多个金属间电介质层140a、140b和140c内侧的多个金属互连M1和M2的互连结构140能通过例如镶嵌工艺形成。因此，虽然附图未示出，扩散阻挡层能被包括在多个金属间电介质层140a、140b和140c之间。此外，形成多个金属互连M1和M2能包括形成铜互连或铝互连；然而，并不限于此。
然后，参考图9，形成沿着光电转换器件120对准并穿透互连结构140的槽150。
具体地，由于在形成为多个层的多个金属间电介质层140a，140b和140c与层间电介质层130之间存在界面，这种界面会防止由滤色器190提供的入射光到达光电转换器件120。因此，在光电转换器件120上形成穿透互连结构140的槽150能最小化阻碍因素。结果，到达光电转换器件120的入射光的量会增大，还能提高光敏性。
此外，如图9所示，槽150能形成为使得其穿透一部分层间电介质层130和形成在层间电介质层130与多个金属间电介质层140a、140b和140c之间的蚀刻停止层137。在该情况下，槽150能通过利用两步蚀刻工艺来形成。
更具体地，此步骤能被分成两步。第一步蚀刻通过蚀刻互连结构140以穿透多个金属间电介质层140a、140b和140c并在蚀刻停止层137停止蚀刻来形成中间槽(未示出)，第二步蚀刻在去除蚀刻停止层137之后通过控制工艺条件(例如蚀刻执行时间)来蚀刻在蚀刻停止层137下面的层间电介质层130。通过控制在蚀刻停止层137下面的层间电介质层130的蚀刻程度，能控制槽150的深度。此外，槽150能完全穿透层间电介质层130。
例如，槽能通过利用等离子体蚀刻工艺形成；然而，并不限于此。
然后，参考图10，吸湿阻挡层160能共形地形成在槽150上。
例如，通过执行原子层沉积(ALD)，吸湿阻挡层160能共形地形成在互连结构140内部形成的槽150的两个侧壁和底部上。如图10所示，通过执行ALD工艺，在形成有槽的整个基板110上，吸湿阻挡层160不仅能形成在槽150的两个侧壁和底部上，还形成在金属间电介质层140c上。
ALD工艺具有良好的阶梯覆盖，并能在保持槽150的轮廓基本相同的同时形成吸湿阻挡层160。因此，形成吸湿阻挡层160之后的高宽比与形成吸湿阻挡层160之前的高宽比能保持几乎相等，因高宽比增大导致的低亮度特性能得到改善。因此，当形成吸湿阻挡层160时，能应用于ALD工艺的材料，例如铝氧化物或钛氧化物能被使用。此外，吸湿阻挡层160能以例如在约至约
Figure BDA0000041784310000142
之间的厚度形成。
此外，当通过利用ALD工艺形成吸湿阻挡层160时，与通过利用等离子体处理来形成吸湿阻挡层160相比，对于器件的应力能最小化并且能改善暗电平。
然后，参考图11，通过形成光穿透材料，填充槽150的光导单元形成在吸湿阻挡层160上。
例如有机聚合物化合物(诸如具有环形结构的含氟聚合物(CytopTM))、聚硅氧烷树脂、钛氧化物和PMMA聚合物能用作透光材料；然而，并不限于此。这里，光穿透材料例如能通过利用旋涂方法来形成；然而，并不限于此。此外，如图11所示，光穿透材料能形成为填充槽150并且延伸到金属间电介质层140c上，在互连结构140的顶部上。
再次参考图4A，下平坦化层180、滤色器190、上平坦化层192和透镜194能顺序形成在光导单元170的光穿透材料上。这里，虽然附图未示出，保护层能额外地形成在透镜194上。
而且，参考图4B，在用光穿透材料填充槽150之后，光穿透材料被去除直到暴露出吸湿阻挡层160，下平坦化层180能形成在暴露的吸湿阻挡层160和插入槽150内部的光穿透材料上。
根据示例实施方式的图像传感器的制造方法，通过在包括槽的互连结构上形成吸湿阻挡层，能防止传感器阵列的饱和电平的退化。因此，能制造改善了可靠性的图像传感器。同样，当ALD工艺被用于形成吸湿阻挡层时，对于器件的应力能最小化，暗电平产生问题能得到改善。而且，通过形成具有均匀厚度的吸湿阻挡层，能制造具有改善的低亮度特性的图像传感器。
在下文，参考图12、13和图5，描述根据另一示例实施方式的图像传感器的制造方法。图12和图13为中间步骤的结构的截面图，示出根据另一示例实施方式的图像传感器的制造方法。
根据另一示例实施方式的图像传感器的制造方法的步骤可以包括与图9的根据示例实施方式的图像传感器制造方法相应的步骤。因此，描述集中在随后的步骤。
参考图12，通过用光穿透材料填充槽150来形成光导单元171。因此，光穿透材料能直接形成在包括槽150的互连结构140上。
在用光穿透材料填充槽150之后，光穿透材料可以被去除直到暴露出互连结构140，吸湿阻挡层161可以形成在暴露的互连结构140和插入槽150内部的光穿透材料上。下文将参考图13描述在图12中所示的结构上形成阻挡层161的替换方法。
参考图13，吸湿阻挡层161形成在光导单元171的光穿透材料上。具体地，例如，吸湿阻挡层161能通过利用ALD工艺形成在包括光导单元171的整个基板110上。
然后，如图5所示，滤色器190、平坦化层192和透镜194能顺序地形成在吸湿阻挡层161上。此外，虽然附图未示出，保护层196能形成在透镜194上。而且，下平坦化层能额外地形成在滤色器190的底部上。
以下简要地解释根据另一示例实施方式的图像传感器的制造方法的描述，因为本领域技术人员能由根据先前描述的示例实施方式的图像传感器制造方法推知该描述。
简短地描述根据另一示例实施方式的图像传感器的制造方法。首先，如图8所示，在互连结构140形成在其内部形成有光电转换器件120的基板110上之后，如图6所示，吸湿阻挡层162形成在包括互连结构140的整个基板110上。吸湿阻挡层162的特性和形成工艺可以与例如包括图10所示示例的上文所述示例相同。
在根据另一示例实施方式的制造图像传感器的方法的情况下，与根据包括例如图8-11所示的示例工艺的先前示例的制造图像传感器的方法不同，不包括在互连结构140内部形成槽(参考图5的150)的步骤。因此，吸湿阻挡层162形成在不包括槽150的互连结构140上。
在下文，参考图14至图17和图7，将描述根据另一示例实施方式的图像传感器的制造方法。图14至图17为中间步骤的结构的截面图，示出根据另一示例实施方式的图像传感器的制造方法。
参考图14，提供了包括光电转换器件120的基板110，该光电转换器件120形成在邻近第一表面，即，邻近前表面FS的一部分基板中，包括多个金属间电介质层140a、140b和140c以及多个金属互连M1和M2的互连结构140形成在基板110的FS上。
参考图15，支撑基板200被附接到互连结构140以支撑基板110。在此步骤中，如图15所示，第一接合层210形成在支撑基板200的一侧上，第二接合层220形成在互连结构140上以将支撑基板200稳固地接合到互连结构140。例如，接合层能仅形成在支撑基板200和互连结构140之一上，支撑基板200还能通过利用各种方法附接到互连结构140。
参考图16，包括附接了支撑基板200的基板110的顶部和底部被颠倒。因此，通过颠倒基板110的顶部和底部，光电转换器件120安置在互连结构140的顶部上。
然后，包括被附接的支撑基板200的基板110的后侧BS的一部分能被去除。具体地，通过利用蚀刻工艺(例如，反应离子蚀刻)或抛光处理(例如，CMP(化学机械抛光)、BGR(背研磨))，基板110的BS的该部分能被去除。通过去除基板110的BS的一部分，减小了基板110的厚度，入射光进入光电转换器件120的路程减小了。结果，光电转换器件120的光敏性能得到改善。
参考图17，后侧金属间电介质层143形成在基板110的整个第二表面，即，BS上，在形成后侧金属间电介质层143的基板110的整个BS上形成吸湿阻挡层163。
通过气相沉积诸如硅氧化物层或硅氮化物层的电介质材料，在基板110的BS上形成后侧金属间电介质层143。例如，能使用化学气相沉积或原子气相沉积；然而，并不限于此。而且，由于形成吸湿阻挡层163的方法可以与上文所述的示例相同，上文所述的示例包括例如图10所示的示例，所以省略了详细描述。
再次参考图7，在形成后侧金属间电介质层143和吸湿阻挡层163的基板110的BS上能顺序形成滤色器190、平坦化层192和透镜194。此外，虽然附图未示出，保护层能额外地形成在透镜194上。而且，下平坦化层能额外地形成在滤色器190的底部上。
在下文、参考图18至图20，描述包括根据示例实施方式的图像传感器的基于处理器的设备。图18示出计算机设备。图19A和19B示出照相机设备。图20示出便携式电话。显然，除先前提到的设备之外，根据示例实施方式的图像传感器能被用于其他设备(例如，扫描仪、机械时钟装置、导航设备、电视电话、监控设备、自动对焦设备、追踪设备、监视设备、图像稳定设备等等。)
参考图18，计算机设备300包括中央处理器CPU 320，诸如微处理器，其能通过总线305与I/O器件通信。图像传感器310能通过总线305或其他的通信连接与设备通信。而且，基于处理器的设备300能额外包括RAM 340和/或端口360，其能通过总线305与CPU 320通信。端口360能与例如显卡、声卡，存储卡和USB器件中的一个或多个耦接，或能执行与其他设备的数据通信。图像传感器310能被集成到具有CPU、数字信号处理器(DSP)或微处理器的芯片中。而且，存储器能一起集成；然而，存储器能被集成到没有处理器的单独芯片中。
参考图19A，照相机设备400包括图像传感器封装410，图像传感器413通过焊接引线被安装到电路板411上。而且，壳420被附接到电路板411，壳420保护电路板411和图像传感器413不受外界环境影响。
在壳420中，形成透镜镜筒421，将要获取的图片经过透镜镜筒421。保护壳422能安装在透镜镜筒421面对外部的外壁上，红外线阻挡和反射防止过滤器423能安装在透镜镜筒421的内壁上。而且，透镜424安装在透镜镜筒421内侧，透镜424能沿着透镜镜筒421的螺旋槽移动。
参考图19B，照相机设备500使用图像封装传感器501，图像封装传感器501利用通路572。当利用通路572时，图像传感器570和电路板560能被电连接而不使用引线接合。
这里没有描述的附图标记520表示第一透镜，附图标记540表示第二透镜。而且，附图标记526和附图标记527表示透镜部件。而且，附图标记505表示支撑件，附图标记545表示光圈(aperture)、附图标记510和附图标记530表示透明基板，附图标记550表示玻璃。
参考图20，图像传感器452被附接到蜂窝式电话系统450的预定位置。对本领域技术人员而言明显的是，图像传感器452能附接到图20所示的位置之外的其他位置。
通过利用以下的具体实验示例对示例实施方式进行更多详细描述，由于本领域技术人员能够在技术上轻易推知所以将在这里省略对这些内容的描述。
<实验示例1>
在此比较实验示例中，在形成槽之后以及在将其中通过在槽上直接填充光穿透材料来形成光导单元的图像传感器暴露到85％湿度和85℃温度之后，测量图像传感器的饱和电平。
在此比较实验示例中，在形成槽接着在槽上形成氮化物层之后以及在将其中通过在氮化物层上方散布光穿透材料以填充槽来形成光导单元的图像传感器暴露到85％湿度和85℃温度之后，测量图像传感器的饱和电平。
结果在图21A和21B中示出。图21A显示，对于比较实验示例中使用的图像传感器进行测量，暴露到先前提到的湿度和温度0小时(0HR)之前、168小时(168HR)之后以及500小时(500HR)之后传感器阵列的饱和电平，以LSB(最低有效位)(编码单位)为单位。图21B显示，对于实验示例中使用的图像传感器进行测量，暴露到先前提到的湿度和温度0小时(0HR)之前、168小时(168HR)之后以及500小时(500HR)之后传感器阵列的饱和电平，以LSB(最低有效位)(编码单位)为单位。
如图21A和21B的右侧条形图所示，比较实验示例的饱和电平显示：与暴露到先前提到的湿度和温度之前的数值相比，在暴露168hr之后发生了大约100LSB编码的饱和退化。然而，实验示例的饱和电平显示：在暴露168hr和500hr之后，发生极少的饱和电平退化。
<实验示例2>
在比较实验示例A(a)中，在形成槽之后，通过在槽上直接填充光穿透材料来形成光导单元，测量输出信号的暗电平(DK电平)。
在比较实验示例B(b)中，在形成槽之后，通过利用等离子体处理，在槽上形成具有
Figure BDA0000041784310000191
厚度的氮化物层，并通过在氮化物层上填充光穿透材料来形成光导单元。然后，测量输出信号的暗电平。
在比较实验示例C(c)中，在形成槽之后，通过利用等离子体处理，在槽上形成具有
Figure BDA0000041784310000192
厚度的氮化物层，并通过在氮化物层上填充光穿透材料来形成光导单元。然后，测量输出信号的暗电平。
在实验示例D(d)中，在形成槽之后，通过执行ALD工艺形成具有
Figure BDA0000041784310000193
厚度的铝氧化物层，并通过在铝氧化物层上填充光穿透材料来形成光导单元。然后，测量输出信号的暗电平。
在实验示例E(e)中，在形成槽之后，通过执行ALD工艺形成具有
Figure BDA0000041784310000194
厚度的铝氧化物层，并通过在铝氧化物层上填充光穿透材料来形成光导单元。然后，测量输出信号的暗电平。
结果在图22中示出。图22是示出具有低于沿水平轴列举的每个值的暗电平值的积累芯片的百分数。如图22所示，在通过利用等离子体处理形成氮化物层的比较实验示例B(b)和C(c)中，暗电平值大于5mV/sec。然而，在实验示例D(d)和E(e)中，暗电平值保持在约2.5mV/sec以下。
比较实验示例A(a)的暗电平值与实验示例的暗电平值相似。如在实验示例1中所示，当在槽上直接形成光穿透材料时(实验示例1的比较实验示例)，发生饱和电平的退化，并且观察到不仅如比较实验示例B、C和实验示例D、E所示在槽上形成层来防止饱和电平的退化(如实验示例1和图21A所示)，另外在实验示例D、E中的暗电平值还保持得比比较实验示例B、C中的低。
虽然已经描述了示例实施方式，但是显然其可以以许多方式改变。这些变化不认为脱离了示例实施方式的意欲的精神和范围，对本领域一般技术人员显而易见的是所有这些修改旨在包括在权利要求的范围内。
本申请要求2009年12月30日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2009-0134039的优先权，其全部内容通过引用结合于此。

Claims (16)

1.一种图像传感器，包括：
基板，包括光电转换器件；
在所述基板上的互连结构，所述互连结构包括一个或多个金属间电介质层和在所述一个或多个金属间电介质层中的一个或多个金属互连，所述互连结构限定槽，使得所述槽相应于所述光电转换器件对准并且具有底部和至少两个侧部；
吸湿阻挡层，在所述互连结构的顶表面上以及在所述槽的内侧；和
在所述吸湿阻挡层上的光导单元，所述光导单元包括填充所述槽的透光材料，其中所述吸湿阻挡层沿着所述槽的所述底部和所述两个侧部以及在所述多个金属间电介质层的顶表面上具有均匀厚度。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述吸湿阻挡层包括铝氧化物层或钛氧化物层。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述吸湿阻挡层的厚度为
Figure FDA0000041784300000011
至
Figure FDA0000041784300000012
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述吸湿阻挡层通过原子层沉积工艺形成。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述透光材料沿着作为所述互连结构的顶层的所述金属间电介质层的上侧延伸。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
在所述互连结构与所述基板之间的层间电介质层；
在所述层间电介质层中并电连接到所述多个金属互连的栅结构；和
在所述互连结构上的蚀刻停止层，其中所述蚀刻停止层、所述层间电介质层的一部分和所述互连结构限定所述槽。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述多个金属互连是多个铜互连，所述互连结构包括在所述多个金属间电介质层的每个之间的扩散阻挡层，所述槽由所述互连结构和所述扩散阻挡层限定。
8.一种图像传感器，包括：
基板，包括光电转换器件；
在所述基板上的互连结构，所述互连结构包括一个或多个金属间电介质层和在所述一个或多个金属间电介质层中的一个或多个金属互连；
在所述互连结构与所述基板之间的层间电介质层，所述层间电介质层包括电连接到所述一个或多个金属互连的栅结构；
吸湿阻挡层，在所述基板和所述互连结构上方；和
滤色器，在所述吸湿阻挡层上方。
9.如权利要求8所述的图像传感器，还包括：
光导单元，包括透光材料，
其中所述互连结构限定相应于所述光导转换器件对准的槽的至少一部分，
所述光导单元包括填充所述槽并沿着所述互连结构与所述吸湿阻挡层之间的间隔延伸的透光材料，和
所述透光材料的折射率高于所述多个金属间电介质层的折射率。
10.如权利要求9所述的图像传感器，还包括在所述互连结构与所述层间电介质层之间的蚀刻停止层，其中所述蚀刻停止层、所述层间电介质层的一部分以及所述互连结构限定所述槽。
11.如权利要求8所述的图像传感器，其中所述吸湿阻挡层通过原子层沉积工艺形成。
12.如权利要求8所述的图像传感器，其中所述吸湿阻挡层由铝氧化物层或钛氧化物层形成。
13.如权利要求8所述的图像传感器，其中所述吸湿阻挡层的厚度在
Figure FDA0000041784300000021
至
Figure FDA0000041784300000022
范围内。
14.一种图像传感器，包括：
基板，包括与所述基板的第一表面相邻的光电转换器件；
在所述第一表面上的互连结构，所述互连结构包括一个或多个金属间电介质层和在所述一个或多个金属间电介质层中的一个或多个金属互连；
在所述基板的第二表面上的背侧层间电介质层，所述基板的第二表面在所述基板关于所述第一表面的相反侧上；
吸湿阻挡层，在所述背侧层间电介质层上；和
在所述吸湿阻挡层上的滤色器，所述滤色器相应于所述光电转换器件对准。
15.如权利要求14所述的图像传感器，其中所述吸湿阻挡层包括铝氧化物层或钛氧化物层。
16.如权利要求14所述的图像传感器，其中所述吸湿阻挡层的厚度在至的范围内。
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