CN103390624B

CN103390624B - 用于bsi图像传感器的背面结构

Info

Publication number: CN103390624B
Application number: CN201210513212.0A
Authority: CN
Inventors: 庄俊杰; 杨敦年; 刘人诚; 王文德; 周耕宇; 蔡双吉; 高敏峰
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2032-12-04
Also published as: CN103390624A

Abstract

用于形成图像传感器的方法实施例包括：在支撑光电二极管的半导体的表面上方形成抗反射涂层；在抗反射涂层上方形成蚀刻停止层；在蚀刻停止层上方形成缓冲氧化物层；以及通过蚀刻选择性地去除缓冲氧化物层的一部分，该蚀刻停止层在蚀刻期间保护抗反射涂层。图像传感器实施例包括：设置在阵列区和外围区的半导体，该半导体支撑阵列区中的光电二极管；设置在半导体的表面上方的抗反射涂层；设置在抗反射涂层上方的蚀刻停止层，阵列区中的光电二极管上方的蚀刻停止层的厚度小于外围区中的蚀刻停止层的厚度；以及设置在外围区中的蚀刻停止层上方的缓冲氧化物层。本发明还提供了用于BSI图像传感器的背面结构。

Description

用于BSI图像传感器的背面结构

相关申请交叉参考

该申请要求于2012年5月10号提交的、名称为“Backside Structure forBSI Image Sensor(用于BSI图像传感器的背面结构)”第61/645,384号美国临时申请的权益，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明一般地涉及半导体技术领域，更具体地来说，涉及图像传感器及其形成方法。

背景技术

本领域已知用于改善光刻工艺的底部抗反射涂层(BARC)。在背照式(BSI)图像传感器中，多个随后的工艺步骤可以损害BARC薄膜。

作为实例，如果去除覆盖的缓冲氧化物层的蚀刻工艺继续到BARC薄膜中，则会损害BARC薄膜。对BARC薄膜的损害可以导致不期望的图像传感器中的高泄漏电流。

作为另一实例，如果去除覆盖的缓冲氧化物层的蚀刻工艺在到达BARC薄膜之前停止，则会保留一些非期望的缓冲氧化物层。保留的缓冲氧化物层可以具有不期望的厚度和/或很差的均匀性，从而可以使图像传感器的光学性能劣化。换句话说，没有完全去除覆盖BSI图像传感器阵列的缓冲氧化物层，最终生成的传感器器件的品质因数(QE)和/或信噪比(SNR)会劣化。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种用于形成图像传感器的方法，包括：在半导体表面的上方形成抗反射涂层，所述半导体支撑光电二极管；在所述抗反射涂层的上方形成蚀刻停止层；在所述蚀刻停止层的上方形成缓冲氧化物层；以及通过蚀刻选择性地去除所述缓冲氧化物层的一部分，所述蚀刻停止层在所述蚀刻期间保护所述抗反射涂层。

在该方法中，所述蚀刻停止层的折射率值等于所述抗反射涂层的折射率值。

在该方法中，在所述蚀刻之后，在所述蚀刻停止层的上方形成钝化膜。

在该方法中，所述蚀刻停止层的折射率值等于所述钝化膜的折射率值。

在该方法中，所述蚀刻停止层的折射率值介于所述抗反射涂层的折射率值和所述钝化层的折射率值之间。

在该方法中，所述蚀刻停止层的蚀刻选择性大于所述缓冲氧化物层的蚀刻选择性。

在该方法中，选择性地去除包括：去除所述光电二极管上方的所述缓冲氧化物层的所述一部分。

在该方法中，选择性地去除包括：在不从所述图像传感器的外围区去除所述缓冲氧化物层的情况下，从所述图像传感器的传感器阵列区去除所述缓冲氧化物层。

该方法进一步包括：在所述缓冲氧化物层上方形成金属屏蔽层并且在所述蚀刻工艺期间选择性地去除所述光电二极管上方所述金属屏蔽层的一部分。

在该方法中，所述蚀刻停止层选自主要由氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC)、氮氧化硅(SiON)及它们的组合所组成的组。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于形成图像传感器的方法，包括：在半导体的表面的上方形成抗反射涂层，所述半导体支撑光电二极管；在所述抗反射涂层的上方形成蚀刻停止层；在所述蚀刻停止层的上方形成缓冲氧化物层；在所述缓冲氧化物层的上方形成金属屏蔽层；在所述金属屏蔽层的一部分的上方设置掩模以限定外围区和阵列区，所述阵列区包括所述光电二极管；以及通过蚀刻去除所述阵列区中的所述金属屏蔽层和所述缓冲氧化物层，所述蚀刻停止层在所述蚀刻期间保护所述阵列区中的所述抗反射涂层。

该方法进一步包括：在所述外围区中的所述金属屏蔽层上方以及在所述阵列区中的所述蚀刻停止层上方形成钝化层。

在该方法中，所述蚀刻停止层的折射率值在由所述抗反射涂层的折射率值和所述钝化层的折射率值限定的范围内并且包含所述抗反射涂层的折射率值和所述钝化层的折射率值。

在该方法中，所述缓冲氧化物层和所述蚀刻停止层之间的蚀刻选择性的比率在约3至约10的范围内。

在该方法中，在蚀刻工艺期间，去除所述阵列区中的所述蚀刻停止层的一部分。

在该方法中，实施蚀刻工艺而没有从所述外围区中去除所述缓冲氧化物层和所述金属屏蔽层。

根据又一方面，提供了一种图像传感器，包括：半导体，设置在阵列区和外围区中，所述半导体支撑所述阵列区中的光电二极管；抗反射涂层，设置在所述半导体的表面的上方；蚀刻停止层，设置在所述抗反射涂层的上方，所述阵列区中的所述光电二极管上方的所述蚀刻停止层的厚度小于所述外围区中的所述蚀刻停止层的厚度；以及缓冲氧化物层，设置在所述外围区中的所述蚀刻停止层上方。

在该图像传感器中，所述蚀刻停止层的折射率值介于所述抗反射涂层的折射率值和形成在所述蚀刻停止层上方的钝化层的折射率值之间并且包含所述抗反射涂层的折射率值和所述钝化层的折射率值。

在该图像传感器中，金属屏蔽层设置在所述外围区中的所述缓冲氧化物层和钝化层之间。

在该图像传感器中，所述蚀刻停止层与所述抗反射涂层和所述钝化层中的至少一个由相同的材料形成。

附图说明

为了更完整的理解本发明及其优点，现在将结合附图所进行的以下描述作为参考，其中：

图1示出示例性的CMOS图像传感器芯片的俯视图，更具体地，该芯片包括示例性芯片的像素部；

图2a至图2c示出制造示例性图像传感器器件中示例性工艺步骤的截面图。

除非另有说明，否则不同附图中的相应标号和符号通常指相应部件。将附图绘制成清楚地示出实施例的相关方面而不必按比例绘制。

具体实施方式

下面，详细讨论本优选实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的创造性概念。所讨论的具体实施例仅是示例性的，而不用于限制本发明的范围。

将在具体的下文中参照优选实施例来描述本发明，即，背照式(BSI)图像传感器。然而，本发明的概念也可以应用于其他图像传感器、半导体结构或电路。

现在参照图1，示出了具有更具体的示例性像素部12的示例性图像传感器芯片10的俯视图。图像传感器芯片10(即，图像传感器)通常包括传感器阵列区14和外围区16。如下文中更充分说明的，期望用于形成图像传感器芯片10的工艺步骤包括传感器阵列区14和外围区16之间的多种变化。例如，虽然期望具有覆盖外围区16的背面的顶部缓冲氧化物层和金属屏蔽层，但是期望缓冲氧化物层和金属屏蔽层没有覆盖传感器阵列区14的背面。

现在参照图2a，在截面图中示意性地示出了处于制造的中间阶段的图像传感器芯片10的传感器阵列区14和外围区16。如图所示，半导体18(例如，硅等)通常支撑或结合位于图像传感器芯片10的传感器阵列区14中的光电二极管20。基于操作模式，该光电二极管20通常能够将光转换成电流或者电压。

如图2a所示，底部抗反射涂层(BARC)22形成在半导体18的表面上方(如在这里使用的，术语“在......上方”、“在......上”等是空间相对位置的术语，而不管各个附图中所示出的层添加到标称器件“顶部”或者标称器件“底部”)。如图所示，底部抗反射涂层22形成在图像传感器芯片10的传感器阵列区14和外围区16中。由于底部抗反射涂层22设置在传感器阵列区14中的光电二极管20上方，所以减少了入射光的反射。

再次参照图2a，在底部抗反射涂层22上方形成蚀刻停止层24。在一个实施例中，氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC)、氮氧化硅(SiON)及它们的组合均被视为用于蚀刻停止层24的合适材料。如本领域技术人员一旦通过本发明获知，就可以通过常规实验所知的，也可以使用其他材料。在一个实施例中，蚀刻停止层24和底部抗反射涂层22由相同的或相似的材料形成。在一个实施例中，蚀刻停止层24的折射率值等于底部抗反射涂层22的折射率值。

如图2a所示，在蚀刻停止层24上方形成缓冲氧化(Buffer OX)层26。在一个实施例中，蚀刻停止层24相对于缓冲氧化物层26具有较高的蚀刻选择性。实际上，在一个实施例中，缓冲氧化物层26和蚀刻停止层24之间的蚀刻选择性的比率在约3至约10的范围内。一旦沉积或形成缓冲氧化物层26，金属屏蔽层28就可以添加至图像传感器芯片10。

图2b示意性地示出了通过蚀刻工艺选择性地从传感器阵列区14去除缓冲氧化物层26和金属屏蔽层28的工艺。该蚀刻工艺可以是湿蚀刻工艺或干蚀刻工艺，例如，采用化学蚀刻、等离子体、离子轰击、反应离子蚀刻等。如本领域所知的，相对于缓冲氧化物层26，不同的蚀刻化学物质和工艺将可能用于金属屏蔽层28。诸如光刻胶层、硬掩模等的掩模30覆盖外围区16，从而阻止并防止蚀刻该外围区区中的金属屏蔽层28和缓冲氧化物层26。

如图2b所示，在一个实施例中，蚀刻工艺消耗传感器阵列区14中的一些蚀刻停止层24。如果蚀刻停止层24具有合适的材料(相对于缓冲氧化物层蚀刻剂具有预期的蚀刻选择性)和/或厚度，使得防止蚀刻工艺损害下面的底部抗反射涂层22，则这是可以接受的。值得注意的是，即使蚀刻停止层24在蚀刻工艺期间被损害，蚀刻停止层24也不会使光电二极管20和图像传感器芯片10的性能劣化。

图2c示出了在传感器阵列区14中蚀刻停止层24的剩余部分上方以及图像传感器芯片10的外围区16中的金属屏蔽层28上方形成钝化层32(例如，薄膜)。值得注意的是，在形成钝化层32之前，已经去除图2c的掩模30。在一个实施例中，蚀刻停止层24和钝化层32由相同或相似的材料形成。在一个实施例中，蚀刻停止层24的折射率值介于底部抗反射涂层22的折射率值和钝化层32的折射率值之间。再次参考图2c，可以采用标准工艺来完成制造工艺。

在通常条件下，所示的实施例提供了位于底部抗反射涂层22上方的保护层，该保护层用作蚀刻停止层，用于在随后的工艺步骤期间保护底部抗反射涂层22。同样地，该保护层在这里可以被称为蚀刻停止层24(或ESL)。

应该理解，本文所公开的实施例提供相对简单的结构和简单的工艺，但是却提供了改进的暗电流/信噪比(SNR)性能。这里所提供的教导可以很容易地用于制造图像传感器的当前工艺和未来的生成工艺。

在一个实施例中，提供了用于形成图像传感器的方法。该方法包括：在半导体的表面上方形成抗反射涂层，该半导体支撑光电二极管；在抗反射涂层上方形成蚀刻停止层；在蚀刻停止层上方形成缓冲氧化物层；以及通过蚀刻选择性地去除一部分缓冲氧化物层，蚀刻停止层在蚀刻期间保护抗反射涂层。

在一个实施例中，提供用于形成图像传感器的方法。该方法包括：在半导体的表面上方形成抗反射涂层，该半导体支撑光电二极管；在抗反射涂层上方形成蚀刻停止层；在蚀刻停止层上方形成缓冲氧化物层；在缓冲氧化物层上方形成金属屏蔽层；在一部分金属屏蔽层上方设置光刻胶以限定外围区和阵列区，该阵列区包括光电二极管；以及通过蚀刻去除阵列区中的金属屏蔽层和缓冲氧化物层，该蚀刻停止层在蚀刻期间保护阵列区中的抗反射涂层。

在一个实施例中，提供图像传感器。该图像传感器包括：设置在阵列区和外围区中的半导体，该半导体支撑阵列区中的光电二极管；设置在半导体表面上方的抗反射涂层；设置在抗反射涂层上方的蚀刻停止层，阵列区中的光电二极管上方的蚀刻停止层的厚度小于外围区中的蚀刻停止层的厚度；以及设置在外围区中的蚀刻停止层上方的缓冲氧化物层。

虽然本发明提供了示例性的实施例，但是该描述不旨在理解为限制意义。参照描述，示例性实施例的各种修改和组合以及其他实施例对于本领域技术人员来说是显而易见的。因此，所附权利要求包括任何这样的修改或实施例。

Claims

1.一种用于形成图像传感器的方法，包括：

在半导体的第一表面的上方形成抗反射涂层，所述半导体支撑光电二极管，其中，所述抗反射涂层与所述半导体的第一表面直接接触，所述光电二极管在所述半导体的与所述第一表面相对的第二表面处；

在所述抗反射涂层的上方形成蚀刻停止层；

在所述蚀刻停止层的上方形成缓冲氧化物层；以及

通过蚀刻选择性地去除所述缓冲氧化物层的一部分，所述蚀刻停止层在所述蚀刻期间保护所述抗反射涂层。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述蚀刻停止层的折射率值等于所述抗反射涂层的折射率值。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述蚀刻之后，在所述蚀刻停止层的上方形成钝化膜。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述蚀刻停止层的折射率值等于所述钝化膜的折射率值。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述蚀刻停止层的折射率值介于所述抗反射涂层的折射率值和所述钝化层的折射率值之间。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述蚀刻停止层的蚀刻选择性大于所述缓冲氧化物层的蚀刻选择性。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，选择性地去除包括：去除所述光电二极管上方的所述缓冲氧化物层的所述一部分。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，选择性地去除包括：在不从所述图像传感器的外围区去除所述缓冲氧化物层的情况下，从所述图像传感器的传感器阵列区去除所述缓冲氧化物层。

9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：在所述缓冲氧化物层上方形成金属屏蔽层并且在所述蚀刻工艺期间选择性地去除所述光电二极管上方所述金属屏蔽层的一部分。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述蚀刻停止层选自主要由氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC)、氮氧化硅(SiON)及它们的组合所组成的组。

11.一种用于形成图像传感器的方法，包括：

在所述抗反射涂层的上方形成蚀刻停止层；

在所述蚀刻停止层的上方形成缓冲氧化物层；

在所述缓冲氧化物层的上方形成金属屏蔽层；

在所述金属屏蔽层的一部分的上方设置掩模以限定外围区和阵列区，所述阵列区包括所述光电二极管；以及

通过蚀刻去除所述阵列区中的所述金属屏蔽层和所述缓冲氧化物层，所述蚀刻停止层在所述蚀刻期间保护所述阵列区中的所述抗反射涂层。

12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：在所述外围区中的所述金属屏蔽层上方以及在所述阵列区中的所述蚀刻停止层上方形成钝化层。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述蚀刻停止层的折射率值在由所述抗反射涂层的折射率值和所述钝化层的折射率值限定的范围内并且包含所述抗反射涂层的折射率值和所述钝化层的折射率值。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述缓冲氧化物层和所述蚀刻停止层之间的蚀刻选择性的比率在3至10的范围内。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，在蚀刻工艺期间，去除所述阵列区中的所述蚀刻停止层的一部分。

16.根据权利要求11所述的方法，其中，实施蚀刻工艺而没有从所述外围区中去除所述缓冲氧化物层和所述金属屏蔽层。

17.一种图像传感器，包括：

半导体，设置在阵列区和外围区中，所述半导体支撑所述阵列区中的光电二极管；

抗反射涂层，设置在所述半导体的第一表面的上方，其中，所述抗反射涂层与所述半导体的第一表面直接接触，所述光电二极管在所述半导体的与所述第一表面相对的第二表面处；

蚀刻停止层，设置在所述抗反射涂层的上方，所述阵列区中的所述光电二极管上方的所述蚀刻停止层的厚度小于所述外围区中的所述蚀刻停止层的厚度；以及

缓冲氧化物层，设置在所述外围区中的所述蚀刻停止层上方。

18.根据权利要求17所述的图像传感器，其中，所述蚀刻停止层的折射率值介于所述抗反射涂层的折射率值和形成在所述蚀刻停止层上方的钝化层的折射率值之间并且包含所述抗反射涂层的折射率值和所述钝化层的折射率值。

19.根据权利要求17所述的图像传感器，其中，金属屏蔽层设置在所述外围区中的所述缓冲氧化物层和钝化层之间。

20.根据权利要求17所述的图像传感器，其中，所述蚀刻停止层与所述抗反射涂层和所述蚀刻停止层上方的钝化层中的至少一个由相同的材料形成。