CN108074943A - 背照式图像感测器结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种背照式图像感测器结构及其制造方法，该背照式图像感测器结构包含位于基材中的多个感光二极管、位于基材上的层间介电层、以及直接位于层间介电层上的金属绕线。金属绕线包含顶阻障层、直接位于层间介电层上，以定义对应于多个感光二极管的至少一开口区域的图案化底阻障层、与覆盖图案化底阻障层与至少一开口区域的金属层，金属层又被顶阻障层所覆盖。

Description

背照式图像感测器结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种背照式(BSI)图像感测器结构，与制造背照式图像感测器结构的方法。特定言之，本发明涉及一种具有金属层在金属绕线中作为高反射层，与视情况需要在金属绕线中安排有图案化底阻障层的背照式图像感测器结构，以及制造此等背照式图像感测器结构的方法。

背景技术

对于背照式互补金属氧化物半导体图像感测器(CIS)而言，感光元件(即感光二极管)是设于厚度范围在数个微米(2-5微米左右)的硅中。硅基材这样的厚度，适合用来侦测可见光范围内的波长(400-700纳米左右)。然而，对于近红外线光源或是红外线光源而言，硅中的感光二极管就会因为太过表浅到以至于难以吸收大多数的光子。这样表浅的感测器的量子效率因此就会太低。

一种显而易见的解决方式，是增加硅的厚度，使得可以注入较深的感光二极管。然而，这种解决方式的小像素间距，就现今科技水平而言是有困难的，因为窄掺质没办法打的够深。典型的是，需要百万电子伏特(MeV)等级的注入能量，来创造几百个纳米够窄的像素对像素隔离。

发明内容

有鉴于此，本发明于是提出一种背照式(BSI)图像感测器结构，其具有暴露出来的高反射率金属层，而在金属绕线中作为高反射层之用，以解决前述的问题，以及制造此种背照式图像感测器结构的方法。此外，视情况需要，在金属绕线中还可以有图案化底阻障层。

具有高反射率的金属层，能协助近红外线光或是红外线光，因为较长的运行距离，而被感光二极管更有效地吸收，好增加背照式图像感测器的量子效率。特别是，本发明制造背照式图像感测器结构的方法，还有与现行标准互补金属氧化物半导体(CMOS)制作工艺相容的优势。

本发明在第一方面，首先提出一种背照式图像感测器结构。本发明的背照式图像感测器结构，包含基材、多个感光二极管、层间介电层、以及金属绕线。多个感光二极管位于基材中。层间介电层直接位于基材上。金属绕线则直接位于层间介电层上，并由金属层与顶阻障层组成。具有高反射率的金属层，位于层间介电层上，并直接接触层间介电层。顶阻障层则覆盖金属层。

在本发明的一实施方式中，金属层的反射率对于波长大于600纳米的给定光高于80％。

在本发明的另一实施方式中，金属层是选自由银、铜、金与铝所组成的群组。

本发明在第二方面，又提出另一种背照式图像感测器结构。本发明的背照式图像感测器结构，包含基材、多个感光二极管、层间介电层、以及金属绕线。多个感光二极管位于基材中。层间介电层直接位于基材上。金属绕线则直接位于层间介电层上，并包含金属层、图案化底阻障层与顶阻障层。图案化底阻障层直接位于层间介电层上，以定义对应于多个感光二极管中至少一者的至少一开口区域。覆盖图案化底阻障层与至少一开口区域的金属层，则被顶阻障层所覆盖。

在本发明的一实施方式中，至少一开口区域中填有金属层，并位于多个感光二极管其中至少一者的正上方。

在本发明的另一实施方式中，至少一开口区域为方形或圆形。

在本发明的另一实施方式中，金属层具有比图案化底阻障层更高的反射率。

在本发明的另一实施方式中，图案化底阻障层是选自由钛与氮化钛所组成的群组。

在本发明的另一实施方式中，金属层是选自由银、铜、金与铝所组成的群组。

本发明在第三方面，则提出一种形成背照式图像感测器结构的方法。首先，提供基材，基材中具有多个感光二极管，并有层间介电层直接位于基材上。其次，形成金属层，位于层间介电层上并直接接触层间介电层，以定义金属绕线。之后，形成顶阻障层，以覆盖金属层。

在本发明的一实施方式中，金属层是选自由银、铜、金与铝所组成的群组。

在本发明的另一实施方式中，在形成金属层之前，还包含形成图案化底阻障层。图案化底阻障层直接位于层间介电层上，以定义对应于多个感光二极管中至少一者的至少一开口区域，使得金属层位于图案化底阻障层与层间介电层两者上并直接接触此两者，以填入至少一开口区域中。

在本发明的另一实施方式中，金属层具有比图案化底阻障层更高的反射率。

在本发明的另一实施方式中，至少一开口区域为方形或圆形。

在本发明的另一实施方式中，图案化底阻障层是选自由钛与氮化钛所组成的群组。

附图说明

图1至图8为本发明形成背照式图像感测器结构的一种可行的方法的示意图；

图5A为一整片的金属层只覆盖下方的层间介电层，同时直接接触层间介电层的示意图；

图6A为只有金属层与顶阻障层这两者被一起图案化，而成为具有相同图案金属绕线的范例的示意图；

图7A为金属层与顶阻障层这两者一起被图案化以定义金属绕线，而金属层则成为金属绕线中的电路的示意图；

图9为在背照式图像感测器结构中，暴露出来的金属层，协助下方的多个感光二极管收集更多从背面而来的经过反射的入射光的示意图；

图10为本发明背照式图像感测器的上视图。

符号说明：

101 背照式图像感测器结构

102 背照式图像感测器结构

109 背面

110 基材

120 感光二极管

121 接触垫

130 层间介电层

131 接触插塞

141 底阻障层

141' 一整片的底阻障层

142 开口区域

143 金属层

143' 一整片的金属层

145 顶阻障层

149 金属绕线

150 金属间介电层

151 通孔

M2 金属绕线第二阶

具体实施方式

本发明在第一方面提供一种形成背照式图像感测器结构的方法。图1至图8绘示本发明形成背照式图像感测器结构的一种可行的方法。本发明的背照式图像感测器结构，特别是具有暴露位于基材中的图像感测器的金属绕线，而在金属绕线中高反射金属层的存在下，有助于促进入射光被图像感测器所吸收。

首先，请参阅图1，提供基材110。基材110为一种半导体性质的材料，例如经掺杂的硅、未经掺杂的硅、或是其组合。再者，多个感光二极管120建构在基材110中，以及层间介电层130直接位于基材110上与多个感光二极管120上，来覆盖基材110与多个感光二极管120此两者。每个感光二极管120都包含在后续步骤中用于电连接至一电路(图未示)用的接触垫121。感光二极管120是一种感光元件，例如是一种背照式互补金属氧化物半导体图像感测器。基材的厚度范围可以是2微米-5微米左右。

层间介电层130是一种绝缘性质的材料，例如氧化硅、氮化硅或是其组合。层间介电层130与感光二极管120这两者，都可以是以现有的方式来制造，所以制造过程不在此赘述。

其次，请参阅图2，在层间介电层130中形成多个接触插塞131。每个接触插塞131对应于一个位于下方的接触垫121，并直接接触此接触垫121。例如，首先在层间介电层130中形成多个接触洞(图未示)。接着，在每个接触洞(图未示)中填入一导电材料，来得到接触插塞131。由于接触洞(图未示)与接触插塞131这两者，都可以是以现有的方式来制造，所以制造过程不在此赘述。

继续，请参阅图4，视情况需要，形成位于层间介电层130上的底阻障层141。形成视情况需要的底阻障层141，可以用来增加层间介电层130与金属层(图未示)之间的附着力。视情况需要的底阻障层141，可以是一种含钛的材料，例如钛、氮化钛或是其组合，而具有数百埃的厚度视情况需要的底阻障层141，可以是用印刷法、沉积法或蚀刻法所制得。图3至图4绘示以蚀刻法形成视情况需要的底阻障层141。

首先，请参阅图3，形成一整片的底阻障层141'来覆盖层间介电层130。其次，请参阅图4，以蚀刻法来图案化底阻障层141'，形成图案化底阻障层141，并定义对应于下方多个感光二极管的开口区域142。每个开口区域142可以为多边形(例如是矩形、方形、八边形等等)、椭圆形、圆形或是任何其他特定的形状。如果图案化底阻障层141是用印刷法或沉积法来制造时，图案化底阻障层141可以经由一个步骤就制得，所以图3中所绘示的步骤即可以省略。

或是，如果层间介电层130与其上的金属层(图未示)之间的附着力不是关键，则图3至图4所绘示的步骤也可以省略跳过。因此，则会接续以下的步骤。

再来，形成金属层143。形成的金属层143是作为电路与反射层之用。金属层143的反射率，比图案化底阻障层141的反射率还要更高。例如，对于850纳米的波长而言，铝的反射率80％是大于TiN的反射率60％或是Ti的反射率58％。金属层143的材料，可以选自由银、铜、金与铝所组成的群组。可以使用沉积法填入金属层143，来形成多个开口区域142。金属层143的厚度，视情况需要是可变的，例如，对于0.13微米-0.18微米的技术节点(node)而言，金属层143的厚度可以是0.2微米-0.3微米。

继续，请参阅图5或图5A，在层间介电层130上形成一整片的金属层143'。如果图案化底阻障层141是存在的，如图5所绘示，形成的一整片金属层143'会覆盖图案化底阻障层141与层间介电层130这两者。同时，形成的一整片金属层143'会直接接触图案化底阻障层141，并经由开口区域142直接接触层间介电层130。要不然、如果图案化底阻障层141是不存在的，如图5A所绘示，形成的一整片金属层143'会只覆盖下方的层间介电层130，同时直接接触层间介电层130。

之后，请参阅图6或图6A，形成顶阻障层145，而位于金属层143之上。顶阻障层145，类似于底阻障层141'，可以是另一种一整片的层，与一种含钛的材料，例如钛、氮化钛或其组合。顶阻障层145可以具有数百埃的厚度用印刷法或沉积法所制得。例如，一整片的顶阻障层145用沉积法所制得来覆盖金属层143。

如果图案化底阻障层141是存在的，如图6所绘示，形成的一整片的顶阻障层145会位于金属层143之上，同时直接接触金属层143。图6绘示金属层143夹置在图案化底阻障层141与顶阻障层145之间的范例。要不然、如果图案化底阻障层141是不存在的，如图6A所绘示，形成的一整片的顶阻障层145会位于金属层143之上，同时直接接触金属层143。图6A绘示金属层143夹置在层间介电层130与顶阻障层145之间的范例。

接着，请参阅图7或图7A，金属层143、图案化底阻障层141与顶阻障层145一起被图案化，以定义金属绕线149。可以使用蚀刻法，在一蚀刻掩模(图未示)的辅助下来形成金属绕线149。如果图案化底阻障层141是存在的，如图7所绘示，金属层143、图案化底阻障层141与顶阻障层145会一起被图案化而成为金属绕线149，而金属层143则成为金属绕线149中的电路，也称为M1(金属绕线第一阶)。图6绘示金属层143、图案化底阻障层141与顶阻障层145被一起图案化，而成为具有相同图案金属绕线149的范例。

要不然、如果图案化底阻障层141是不存在的，如图7A所绘示，金属层143与顶阻障层145这两者一起被图案化以定义金属绕线149，而金属层143则成为金属绕线149中的电路，也称为M1(金属绕线第一阶)。图6A绘示只有金属层143与顶阻障层145这两者被一起图案化，而成为具有相同图案金属绕线149的范例。无论是哪一个范例，层间介电层130都作为得到背照式图像感测器结构的蚀刻停止层。

然后，例如请参阅图8，形成另一个称为金属间介电层150的介电层，来覆盖金属绕线149并填入金属绕线149的图案中，而有助于形成M2(金属绕线第二阶)。因此，多个通孔151形成在金属间介电层150中，而作为金属绕线第一阶与金属绕线第二阶之间的电连接。因此，金属绕线第二阶之后会形成在金属间介电层150之上与多个通孔151之上，而得到具有多组金属绕线阶的背照式图像感测器结构。金属绕线第二阶类似金属绕线第一阶，也可以包含另一金属层、另一视情况需要的图案化底阻障层与另一顶阻障层。

在经过上述的步骤之后，就可以得到特别适用于长波长光源(大于600纳米)的背照式图像感测器结构。请参阅图7或图7A，图7绘示图案化底阻障层141是存在的。图7A绘示图案化底阻障层141是不存在的。

背照式图像感测器结构101以及背照式图像感测器结构102分别包含基材110、多个感光二极管120、层间介电层130、以及金属绕线149。背照式图像感测器结构101或背照式图像感测器结构102又分别包含金属间介电层150、多个通孔151与金属绕线第二阶(M2)。

基材110为一种半导体性质的材料，例如经掺杂的硅、未经掺杂的硅、或是其组合。基材的厚度范围可以是2-5微米左右。多个感光二极管120是建构在基材110中。每个感光二极管120都包含暴露在基材110外，并经由接触插塞131电连接至先前金属绕线149的接触垫121。感光二极管120是一种感光元件，例如是一种背照式互补金属氧化物半导体图像感测器。层间介电层130直接位于基材110上，来覆盖基材110与多个感光二极管120此两者。层间介电层130是一种绝缘性质的材料，例如氧化硅、氮化硅或其组合。

金属绕线149直接位于层间介电层130之上。在背照式图像感测器结构101中，金属绕线149包含金属层144、图案化底阻障层141与顶阻障层145。图案化底阻障层141直接位于层间介电层130之上，以定义对应于多个感光二极管120的多个开口区域142，使得开口区域142位于多个感光二极管120的正上方。每个开口区域142可以为多边形(例如是矩形、方形、八边形等等)、椭圆形、圆形或是任何其他特定的形状。图案化底阻障层141作为层间介电层130与其上的金属层间的粘着层，可以是一种含钛的材料，例如钛、氮化钛或其组合。会覆盖图案化底阻障层141与层间介电层130这两者的金属层143，也会填满多个开口区域142。金属层143作为电路与反射层。金属层143的反射率，比图案化底阻障层141的反射率还要更高。例如，对于850纳米的波长而言，铝的反射率80％是大于TiN的反射率60％或是Ti的反射率58％，所以金属层143的材料可以选自由银、铜、金与铝所组成的群组。

金属层143更进一步会被顶阻障层145所覆盖。顶阻障层145类似于底阻障层141，也可以是另一种粘着层，例如一种含钛的材料，例如钛、氮化钛或其组合。金属层143、视情况需要的图案化底阻障层141与顶阻障层145一起形成金属绕线149。

金属绕线149是背照式图像感测器结构101或背照式图像感测器结构102中的金属绕线第一阶，也称为M1，并被图案化而使得金属层143作为背照式图像感测器结构101或背照式图像感测器结构102中的电路。在金属绕线149中，有比图案化底阻障层141的反射率还要更高的金属层143，并面向以及经由开口区域142对应下方的多个感光二极管120。

如图9所绘示，在背照式图像感测器结构101中，暴露出来的金属层143，也就是说没有被图案化底阻障层141遮挡住的金属层143，协助下方的多个感光二极管120收集更多从背面109而来而经过反射的入射光，使得感光二极管120关于长波长光源，例如波长大于600纳米，的量子效率能有所增进。

在本发明的一实施方式中，当特定的像素布局不允许金属绕线第一阶，安排成足够大到提供充分的空间来反射光线时，金属绕线第二阶或是更高阶的金属绕线，虽然是远离硅基材，但还是有可能作为用来反射入射光的候选者的。

图10绘示一枚背照式图像感测器的上视图。从感光二极管120上方通过的金属绕线149，具有对应于感光二极管120的开口区域142。开口区域142则分别以矩形、八边形、椭圆形、或圆形的方式例示。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，都应属本发明的涵盖范围。

Claims (12)

1.一种背照式图像感测器结构，包含：

基材；

多个感光二极管(Photodiode)，位于该基材中；

层间介电层，直接位于该基材上；以及

金属绕线，直接位于该层间介电层上，并包含：

顶阻障层；

图案化底阻障层，直接位于该层间介电层上，以定义对应于多个该感光二极管中至少一者的至少一开口区域；以及

金属层，覆盖该图案化底阻障层与该至少一开口区域，又被该顶阻障层所覆盖。

2.如权利要求1所述的背照式图像感测器结构，其中该至少一开口区域中填有该金属层，并位于多个该感光二极管中至少一者的正上方。

3.如权利要求1所述的背照式图像感测器结构，其中该至少一开口区域为一多边形、一椭圆形或一圆形。

4.如权利要求1所述的背照式图像感测器结构，其中该金属层具有比该图案化底阻障层更高的反射率。

5.如权利要求1所述的背照式图像感测器结构，其中该图案化底阻障层是选自由钛与氮化钛所组成的群组。

6.如权利要求1所述的背照式图像感测器结构，其中该金属层是选自由银、铜、金与铝所组成的群组。

7.一种形成背照式图像感测器结构的方法，包含：

提供一基材，其具有多个位于该基材中的感光二极管，并具有直接位于该基材上的一层间介电层；

形成一金属层，位于该层间介电层上并直接接触之，以定义一金属绕线；以及

形成一顶阻障层，以覆盖该金属层。

8.如权利要求7所述的形成背照式图像感测器结构的方法，其中该金属层是选自由银、铜、金与铝所组成的群组。

9.如权利要求7所述的形成背照式图像感测器结构的方法，在形成该金属层之前，还包含：

形成一图案化底阻障层，直接位于该层间介电层上，以定义对应于多个该感光二极管中至少一者的至少一开口区域，使得该金属层位于该图案化底阻障层与该层间介电层两者上并直接接触两者，以填入该至少一开口区域中。

10.如权利要求9所述的形成背照式图像感测器结构的方法，其中该金属层具有比该图案化底阻障层更高的反射率。

11.如权利要求9所述的形成背照式图像感测器结构的方法，其中该至少一开口区域为一多边形、一椭圆形或一圆形。

12.如权利要求9所述的形成背照式图像感测器结构的方法，其中该图案化底阻障层是选自由钛与氮化钛所组成的群组。