像素區域上具有電容器的背照式圖像傳感器的製作方法
2023-06-21 10:42:36 1
專利名稱：像素區域上具有電容器的背照式圖像傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及圖像傳感器，更特別地，涉及背照式圖像傳感器及形成該背照式圖像 傳感器的製造方法。
背景技術：
由於互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器固有的某些優勢，CMOS圖像傳感 器越來越比傳統的電荷耦合器件(⑶Ds)通用。尤其是，CMOS圖像傳感器通常需要較低電 壓，消耗較少的能量，能夠隨機存取圖像數據，可以使用兼容的CMOS工藝製造，以及能夠被 集成為單片照相機。通常，CMOS圖像傳感器利用感光CMOS電路將光能轉換成電能。感光 CMOS電路通常包括在矽襯底中形成的光電二極體。當光電二極體暴露於光時，在光電二極 管中感應出電荷。光電二極體通常被連接到MOS開關電晶體，用來採樣光電二極體的電荷。 可以通過在感光CMOS電路上方放置濾色器來確定顏色。通常，利用光電二極體內的電容和各個電晶體連接之間產生的浮地電容製造CMOS 圖像傳感器。然而，這些電容的特徵在於具有較小的電容值，導致對於噪聲的高敏感度並且 減小了最大輸出信號。已經做了努力試圖增大光電二極體產生的信號，但是這也增多了光 電二極體產生的電荷，並且不必要地增大了輸出信號。而且，通常利用具有多晶矽柵極和氮 化矽隔離件的MOS電晶體製造CMOS圖像傳感器。然而，這種類型的電晶體引入了矽表面陷 阱和洩漏。結果，增大了輸出信號上的噪聲和暗信號。CMOS圖像傳感器通常每個像素陣列中需要有一個或多個電容器。在傳統的前照 式(FSI)圖像傳感器應用中，在相同的製造工藝期間，在一個晶片上實現光電二極體區域、 電晶體區域和電容器區域，並且由於在電晶體區域和電容器區域上形成的後段製程(BEOL) 金屬線使得透鏡到光電二極體的距離變大，所以進入到光電二極體區域的光信號的損失很 大。電晶體區域和電容器區域共存於一個圖像傳感器器件中，導致入射在區域中的光不能 完全被吸收而是有所損失。
發明內容
考慮到上述問題而做出本發明，為此，本發明提供了一種背照式圖像傳感器，包 括半導體襯底，具有正面和背面；傳感器元件，上覆半導體襯底的正面而形成；以及電容 器，上覆傳感器元件而形成。在該背照式圖像傳感器中，電容器包括MIM電容器。可選地，電容器包括MOM電容 器。半導體襯底包括像素區域，並且傳感器元件形成在像素區域中。電容器形成在像素區 域中。傳感器元件包括在半導體襯底的正面上的像素區域中的感光區域。傳感器元件包括 在半導體襯底的正面上的電晶體結構。此外，該背照式圖像傳感器還包括多個介電層，上覆傳感器元件；以及互連結 構，形成在多個介電層中，其中，互連結構的至少兩個金屬層和在至少兩個金屬層之間的多 個介電層中的至少一個形成電容器。
在該背照式圖像傳感器中，電容器被電連接到傳感器元件，並且互連結構的至少 一個金屬層包括銅。此外，本發明還提供另一種背照式圖像傳感器，包括半導體襯底，具有正面和背 面，其中像素區域限定在正面上；電晶體結構，在上覆半導體襯底的正面的像素區域中，其 中電晶體結構包括形成在半導體襯底的正面上的柵電極和在半導體襯底的正面中橫向鄰 近柵電極形成的源極/漏極區域；感光元件，形成在源極/漏極區域中的一個上；以及電容 器，上覆電晶體結構而形成並電連接到電晶體結構。在該背照式圖像傳感器中，電容器包括MIM電容器。可選地，電容器包括MOM電容 器。電容器形成在像素區域中，並且感光區域是光電二極體區域。此外，該背照式圖像傳感器還包括多個介電層，上覆電晶體結構和感光元件；以 及互連結構，形成在多個介電層中，其中，互連結構的至少兩個金屬層和在至少兩個金屬層 之間的多個介電層中的至少一個形成電容器。在該背照式圖像傳感器中，電容器包括底部電極、頂部電極和形成在底部電極和 頂部電極之間的電容器介電層，並且底部電極和頂部電極中的至少一個包括銅。由此可知，本發明中的背照式圖像傳感器克服了現有技術中入射在區域中的光不 能完全被吸收而是有所損失的缺陷。
通過下面結合附圖具體描述的示例性實施例，本發明的上述目的和特徵將變得顯 而易見，其中圖1為描述具有MIM電容器的背照式圖像傳感器的示例性實施例的截面圖；以及圖2為描述具有MOM電容器的背照式圖像傳感器的示例性實施例的截面圖。
具體實施例方式在下面的描述中，詳細地闡述了很多具體細節以提供本發明提供的全面理解。然 而，本領域的普通技術人員應認識到，本發明可以脫離這些具體細節而實現。在一些實例 中，沒有詳細描述熟知結構和工藝以避免對本發明造成不必要的混淆。貫穿整個說明書中提及的「一個實施例」或「某一個實施例」表示與實施例一起描 述的特定部件、結構或特徵包括在至少一個實施例中。因此，在貫穿整個說明書中的各個地 方出現的短語「一個實施例」或「某一個實施例」不是必須表示同樣的實施例。而且，在一 個或多個實施例中，特定部件、結構或特徵可以以任意合適的方式組合。應理解，下面的附 圖不是按比例繪製的；當然，這些附圖僅僅是為了說明。示例性實施例示出了用於感測射向襯底後表面的露出光光量的背照式(BSI)圖 像傳感器。像素被放置在襯底的正面上，並且襯底足夠薄使得射向襯底背面的光能夠到達 像素。與前照式圖像傳感器相比，背照式圖像傳感器提供高佔空因數和減小的相消幹涉。下 面，將提供包括電容器的背照式圖像傳感器的實施例。電容器可選自金屬_絕緣體_金屬 (MIM)電容器、金屬-氧化物-金屬(MOM)電容器、或其組合。此處，圖1的截面圖描述了在像素區域中包括有電容器的背照式(BSI)圖像傳感 器的示例性性實施例。設置具有正面IOa和背面IOb的半導體襯底10。正面IOa是在其上形成有電路設計的有源表面，光L將射向背面IOb以到達像素區域P。半導體襯底10具有 第一導電類型。在一個實施例中，半導體襯底10包括ρ型矽襯底。半導體襯底10可以以 適當的程度被摻雜來形成器件，然而，如果必要的話，也可形成雜質阱(未示出)。在一個 實施例中，半導體襯底10包括生長在相對較高濃度的ρ型襯底上的相對較低濃度的ρ型外 延矽層。電路設計形成在半導體襯底10的前表面IOa(有源表面)上。電路設計包括傳感 器元件、金屬互連件、金屬接觸件、金屬焊盤和其他電路，並且金屬互連件形成在介電層和/ 或鈍化層的內部。應理解，可使用傳統的工藝和設備來製造傳感器元件、金屬互連件、金屬 接觸件、金屬焊盤和其他電路。在半導體襯底10的預定部分中形成隔離結構12來分離形成在半導體襯底10中 和/或上的不同器件，從而限定有源區域。在一個實施例中，隔離結構12形成在P型襯底 上生長的P型外延矽層中。在一個實施例中，隔離結構12是通常延伸至半導體襯底10的 預定深度並用氧化物或其他介電材料填充的淺槽隔離(STI)結構。可在隔離結構12的側 壁和/或底面上形成溝道截斷區(未示出)。溝道截斷區可形成為與半導體襯底10具有相 同類型的雜質區域，並且可用來去除電荷的暗源(dark source) 0在半導體襯底10的有源表面上形成一個或多個傳感器元件20。在一個實施例中， 傳感器元件20設置在正面IOa上方的像素區域P中並延伸至半導體襯底10內。每個傳感 器元件20可包括感光區域(或光敏區域)，感光區域可以是通過如擴散或離子注入的方法 形成在半導體襯底10內的具有η型和/或ρ型摻雜劑的摻雜區域。傳感器元件20可包括 光電二極體、固定層光電二極體、非固定層光電二極體、復位電晶體、源極跟隨器電晶體、轉 移電晶體、選擇電晶體、互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器、電荷耦合器件(CCD)傳 感器、有源像素傳感器、無源像素傳感器、散布或其他方法形成在半導體襯底10中的其他 傳感器、其他被配置且連接以提供適當功能(如成像和/或感測)的有源和/或無源部件、 和/或其組合。這樣，傳感器元件20可包括傳統的和/或未來開發的圖像感測器件。傳感 器元件可包括以傳感器陣列或其他適當配置布置的多個像素。多個傳感器像素可被設計成 具有不同的傳感器類型。例如，一組傳感器像素可以是CMOS圖像傳感器，並且另一組傳感 器像素可以是無源傳感器。而且，傳感器元件可包括彩色圖像傳感器和/或單色圖像傳感 器。通常，鄰近傳感器元件設置附加電路和輸入/輸出，用於為傳感器元件提供運行環境以 及支持與傳感器元件進行的外部通信。例如，傳感器元件還可包括或被連接到部件(如，電 路)使得傳感器元件可被操作來提供對照明光的適當響應。在一些實施例中，每個傳感器 元件均可被配置成響應特定光的波長，例如感測紅光波長的傳感器元件、感測綠光波長的 傳感器元件以及感測藍光波長的傳感器元件。如圖1所描述的，每個像素區域中的傳感器元件20均包括形成在襯底10中和/ 或上的感光區域16和電晶體結構14。電晶體結構14包括形成在柵極介電層22上方的柵 電極18。沿著柵電極18的側壁形成隔離件24。在半導體襯底10上橫向鄰近柵電極18形 成源極/漏極區域26。在一個實施例中，隔離件24由氧化矽、氮化矽或其組合形成。柵極 介電層22可由氧化矽、氮化矽或高k介電材料形成，並且柵電極18可由摻雜的多晶矽、金 屬或任何其他導電材料形成。然而，也可以使用其他材料。感光區域16形成在電晶體結構14的源極區域26上並被連接到源極區域26。感 光區域16可通過使用離子注入工藝向襯底10中注入雜質以形成諸如PN結光電二極體、PNP光電電晶體、NPN光電電晶體等而形成。在一個實施例中，向鄰近柵電極18的一側的有 源區域中注入η型雜質而形成η光電二極體區域，然後向η光電二極體區域的表面注入P 型雜質而形成P光電二極體區域，從而完成感光區域16。此處，形成η光電二極體區域和ρ 光電二極體區域的雜質注入可以通過如傾斜離子注入完成。包括金屬互連件、金屬接觸件和其他電路的多層互連結構30被設置在在半導體 襯底10上的傳感器元件20上形成的多個層間介電層28內部。層間介電層28形成在半導 體襯底10上來隔離互連結構30。多個蝕刻阻止/勢壘層介於相鄰的層間介電層28之間以 提供在嵌入工藝利用的蝕刻阻止功能或勢壘功能來消除向互連結構30的溼度擴散和向層 間介電層28的銅遷移。阻止/勢壘層可包括氮化矽、氮氧化矽、或其他合適的材料。層間介電層28可包括二氧化矽，如無摻雜的矽玻璃(USG)、氮化矽、氮氧化矽、聚 醯亞胺、旋塗式玻璃(SOG)、摻雜氟化物的矽酸鹽玻璃(FSG)、摻雜碳的氧化矽(如SiCOH)、 Black Diamond (Applied Materials of Santa Clara,California)、幹凝膠、氣凝膠、氟 化非晶碳、聚對二甲苯、BCB (雙苯並環丁烯)、SiLK(Dow Chemical，Midland，Michigan)、和 /或其他合適的材料。層間介電層28可通過包括旋塗、CVD、濺射、或其他合適的工藝的任 何技術形成。例如，可利用等離子增強(PE)CVD來通過矽烷(SiH4)或正矽酸乙酯(TE0S，四 乙氧基甲矽烷)形成氧化矽。在另一實例中，可利用高密度等離子(HDP)CVD。互連結構30和層間介電層28可形成在稱作嵌入工藝的集成工藝中，如雙嵌入工 藝或單嵌入工藝。互連結構30被連接到在半導體襯底10上形成的傳感器元件20和其他電 單元。互連結構30包括配置在金屬層和半導體襯底10之間的各種接觸部件和金屬部件。 互連結構30還包括每個配置在相鄰金屬層之間的過孔，以將相鄰的金屬層彼此連接起來。 在本發明的示例性實施例中，互連結構30包括銅。互連結構30可選地或可共同地包括其 他導電材料，如銅合金、鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、鎢、多晶矽、金屬矽化物、或其組合。金屬矽 化物可包括矽化鎳、矽化鈷、矽化鎢、矽化鉭、矽化鈦、矽化鉬、矽化鉺、矽化鈀、或其組合。互 連結構30可包括多層結構，如勢壘層、銅晶種層和塊狀銅(bulk copper) 0在一個實例中， 頂層金屬層包括鋁，其餘的金屬層包括銅。互連結構30可通過如化學汽相沉積、物理汽相 沉積(PVD或濺射)、電鍍、其他合適的工藝、或其組合的技術形成。例如，可使用PVD來形成 銅晶種層，然後可利用電鍍工藝來沉積用於互連的塊狀銅。圖1中的金屬層僅是為了舉例 和簡化。在不同的實施例中，互連結構30可包括少於或多於三個金屬層。設置在包括金屬互連件、金屬接觸件和其他電路的多層互連結構30內部的金屬 層被設置在多個層間介電層28的內部以形成位於半導體襯底10的正面IOa上方的像素區 域P中的一個或多個電容器32。MIM電容器是用來增大電容的一個器件結構。它最簡單的 配置是，多個水平平行的金屬板被堆疊成被電介質分離的若干層。板是導電的並且可選地 連接以形成電容器的相對電極。垂直堆疊的板很容易構建，並且相比於兩個單獨的導電錶 面提供更大的每單位面積電容。圖1是描述了利用金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器的像 素區域P的一部分的截面圖。在利用MIM電容器作為疊層電容器的實施例中，MIM電容器 32形成在層間介電層28的一個層上，例如第一層間介電層28a。MIM電容器32包括底部電 極32b、形成在底部電極32b上方的電容器介電層28c和形成在電容器介電層28c上方的頂 部電極32t。頂部電極和底部電極可由導電材料形成，如TiN、TaN、釕、鋁、鎢、銅等，並可通 過PVD、ECP或CVD的方法形成。例如，可使用Al、Ti/TiN/Al/Ti/TiN層結構、Ti/Al/Ti/TiN層結構、Ti/Al/TiN 層結構、Ti/TiN/Al/Ti 層結構、Ti/TiN/Al/TiN 層結構、Cu、或 TaN/Cu/ TaN層結構來形成頂部電極和底部電極。電容器介電層28c由至少一層的層間介電層28形 成，例如形成在第一層間介電層28a上方的第二層間介電層28b。電容器介電層28c可由含 氧化物薄膜、氮化物薄膜、BPSG薄膜、TEOS層使用各種源(例如，電爐、CVD方法、或PVD方 法)製成。電容器介電層28c可由高介電常數的介電薄膜製成。過孔34可穿過一個或多 個的層間介電層28而形成來為下層電路提供電連通性。在一個實施例中，過孔34可形成 在底部電極32b和/或頂部電極32t上來為電晶體結構14的漏極區域26提供電連通性。在位於背照式(BSI)圖像傳感器的像素區域P中的正面IOa上方的BEOL金屬路 徑中形成MIM電容器32來增加每單位面積的電容。例如，當FWC(滿阱容量)增大時，電容 器可有助於FD電容器中電容的增大。電容器可以滿足其他電路設計需求，如A/D轉換等。 相比於具有在像素區域和周圍區域中的電容器的正面照明(FSI)圖像傳感器，形成在背照 式(BSI)圖像傳感器的像素區域P中的正面IOa上方的MIM電容器32具有以下優勢。首 先，由於射向背照式(BSI)圖像傳感器的背面IOb的光L不會被阻擋，所以在像素區域P中 的BEOL金屬路徑中無需有大面積的開放區域。在背照式圖像傳感器的像素區域P中的正 面IOa上方形成電容器32的設計不會降低像素功能也不會增大單個晶片的尺寸。因此，無 需在襯底的周邊區域增加電容器。而且，很容易在背照式圖像傳感器工藝中開發電容器工 藝，因此，很容易延伸至下一代技術節點。應理解，可在半導體襯底10的背面IOb和互連結構30的上方形成附加部件。可在 襯底10的背面IOb上執行晶片減薄工藝以使襯底10足夠薄，從而射向襯底10的背面IOb 的光L可以到達像素。例如，在互連結構30的上方形成鈍化結構、接合焊盤和外部連接。在 襯底10的背面IOb上設置濾色器層和多個透鏡。支持幾種不同濾色器(例如，紅色、綠色 和藍色)的濾色器可對應於襯底10上的不同傳感器元件20。透鏡(如微透鏡)被布置在 傳感器元件20和/或濾色器的各個位置，使得入射光可以聚焦在感光區域16上。還可在 襯底的背面上形成其他適當的成像部件。圖2是描述具有像素區域中的MOM電容器的背照式圖像傳感器的示例性實施例的 截面圖，而省略與圖1中的描述相同或類似部分的解釋。相比於形成在背照式(BSI)圖像傳 感器中的MIM電容器，MOM電容器32」包括具有以可替換方式放置的電容器指(capacitor
finger) 32fi和的電容器板，相鄰指之間的間距非常小。區域28d將相鄰的指32fI和 分開。區域28d由至少一層的層間介電層28形成，例如形成在第一層間介電層28a上 方的第二層間介電層28b。區域28d可以是含氧化物介電區域或空氣間隙區域。該MOM電 容器32」需要複雜的設計，但是其形成是高效的並且所需的工藝步驟通常已經包含在標準 半導體器件製造工藝中。MOM電容器32」可延伸至穿過多個金屬化層，但是它也可形成在僅 一個金屬化層中。因此，電容器板可在多個金屬化層中重複，並且在不同金屬化層中的電容 器板是互連的。圖2中所示的MOM電容器32」僅僅是一個實例，有很多不同形式的MOM電 容器可應用於背照式(BSI)圖像傳感器的像素區域。在位於背照式(BSI)圖像傳感器的像素區域P中的正面IOa上方的BEOL金屬路 徑中形成MIM電容器32來增加每單位面積的電容。例如，當FWC(滿阱容量)增大時，電容 器可有助於FD電容器中電容的增大。電容器可以滿足其他電路設計需求，如A/D轉換等。 相比於具有在像素區域和周圍區域中的電容器的正面照明(FSI)圖像傳感器，形成在背照式(BSI)圖像傳感器的像素區域P中的正面IOa上方的MOM電容器32」具有以下優勢。首 先，由於射向背照式(BSI)圖像傳感器的背面IOb的光L不會被阻擋，所以在像素區域P中 的BEOL金屬路徑中無需有大面積的開放區域。在背照式圖像傳感器的像素區域P中的正 面IOa上方形成MOM電容器32」的設計不會降低像素功能也不會增大單個晶片的尺寸。因 此，無需在襯底的周邊區域增加電容器。而且，很容易在背照式圖像傳感器工藝中開發電容 器工藝，因此，很容易延伸至下一代技術節點。 在上面的詳細描述中，本發明是結合其具體示例性實施例描述的。然而，很明顯， 可以在不背離所附權利要求限定的本發明主旨和範圍的情況下，做各種不同的替換、結構、 工藝和改變。因此，說明書和附圖被看作是說明性的而沒有限制性。應理解，本發明可以在 此處描述的發明概念的範圍內使用其他組合和環境並且可以做改變或替換。
權利要求
1.一種背照式圖像傳感器，包括 半導體襯底，具有正面和背面；傳感器元件，上覆所述半導體襯底的正面而形成；以及 電容器，上覆所述傳感器元件而形成。
2.根據權利要求1所述的背照式圖像傳感器，其中，所述電容器包括MIM電容器。
3.根據權利要求1所述的背照式圖像傳感器，其中，所述電容器包括MOM電容器。
4.根據權利要求1所述的背照式圖像傳感器，其中，所述半導體襯底包括像素區域，並 且所述傳感器元件形成在所述像素區域中。
5.根據權利要求4所述的背照式圖像傳感器，其中，所述電容器形成在所述像素區域中。
6.根據權利要求4所述的背照式圖像傳感器，其中，所述傳感器元件包括在所述半導 體襯底的正面上的所述像素區域中的感光區域。
7.根據權利要求4所述的背照式圖像傳感器，其中，所述傳感器元件包括在所述半導 體襯底的正面上的電晶體結構。
8.根據權利要求1所述的背照式圖像傳感器，還包括 多個介電層，上覆所述傳感器元件；以及互連結構，形成在所述多個介電層中，其中，所述互連結構的至少兩個金屬層和在所述至少兩個金屬層之間的所述多個介電 層中的至少一個形成所述電容器。
9.根據權利要求1所述的背照式圖像傳感器，其中，所述電容器被電連接到所述傳感 器元件，並且所述互連結構的至少一個金屬層包括銅。
10.一種背照式圖像傳感器，包括半導體襯底，具有正面和背面，其中像素區域限定在所述正面上； 電晶體結構，在上覆所述半導體襯底的正面的所述像素區域中，其中所述電晶體結構 包括形成在所述半導體襯底的正面上的柵電極和在所述半導體襯底的正面中橫向鄰近所 述柵電極形成的源極/漏極區域；感光元件，形成在所述源極/漏極區域中的一個上；以及 電容器，上覆所述電晶體結構而形成並電連接到所述電晶體結構。
11.根據權利要求10所述的背照式圖像傳感器，其中，所述電容器包括MIM電容器。
12.根據權利要求10所述的背照式圖像傳感器，其中，所述電容器包括MOM電容器。
13.根據權利要求10所述的背照式圖像傳感器，其中，所述電容器形成在所述像素區 域中，並且所述感光區域是光電二極體區域。
14.根據權利要求10所述的背照式圖像傳感器，還包括 多個介電層，上覆所述電晶體結構和所述感光元件；以及 互連結構，形成在所述多個介電層中，其中，所述互連結構的至少兩個金屬層和在所述至少兩個金屬層之間的所述多個介電 層中的至少一個形成所述電容器。
15.根據權利要求14所述的背照式圖像傳感器，其中，所述電容器包括底部電極、頂部 電極和形成在所述底部電極和所述頂部電極之間的電容器介電層，並且所述底部電極和所述頂部電極中的至少一個包括銅。
全文摘要
一種背照式圖像傳感器包括半導體襯底，具有正面和背面；傳感器元件，上覆半導體襯底的正面而形成；以及電容器，上覆傳感器元件而形成。
文檔編號H01L27/146GK102005464SQ20101027224
公開日2011年4月6日 申請日期2010年8月31日 優先權日2009年9月1日
發明者劉人誠, 楊敦年, 林政賢, 王文德, 莊俊傑 申請人:臺灣積體電路製造股份有限公司