TW201818534A - 背照式影像感測器結構與製造背照式影像感測器結構之方法 - Google Patents
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Abstract
一種背照式影像感測器結構，包含位於基材中的複數個感光二極體、位於基材上的層間介電層、以及直接位於層間介電層上的金屬繞線。金屬繞線包含頂阻障層、直接位於層間介電層上，以定義對應於複數個感光二極體之至少一開口區域的圖案化底阻障層、與覆蓋圖案化底阻障層與至少一開口區域的金屬層，金屬層又被頂阻障層所覆蓋。
Description
本發明大致上關於一種背照式（BSI）影像感測器結構，與製造背照式影像感測器結構之方法。特定言之，本發明則針對一種具有金屬層在金屬繞線中作為高反射層，與視情況需要在金屬繞線中安排有圖案化底阻障層的背照式影像感測器結構，以及製造此等背照式影像感測器結構之方法。
對於背照式互補金氧半導體影像感測器（CIS）而言，感光元件（即感光二極體）是設於厚度範圍在數個微米（2-5微米左右）的矽中。矽基材這樣的厚度，適合用來偵測可見光範圍內的波長（400-700奈米左右）。然而，對於近紅外線光源或是紅外線光源而言，矽中的感光二極體就會因為太過表淺到以至於難以吸收大多數的光子。這樣表淺的感測器的量子效率因此就會太低。
一種顯而易見的解決方式，是增加矽的厚度，使得可以植入較深的感光二極體。然而，這種解決方式的小畫素間距，就現今科技水平而言是有困難的，因為窄摻質沒辦法打的夠深。典型的是，需要百萬電子伏特（MeV）等級的植入能量，來創造幾百個奈米夠窄的畫素對畫素隔離。
有鑑於此，本發明於是提出一種背照式（BSI）影像感測器結構，其具有暴露出來的高反射率金屬層，而在金屬繞線中作為高反射層之用，以解決前述的問題，以及製造此種背照式影像感測器結構之方法。此外，視情況需要，在金屬繞線中還可以有圖案化底阻障層。
具有高反射率的金屬層，能協助近紅外線光或是紅外線光，因為較長的運行距離，而被感光二極體更有效地吸收，好增加背照式影像感測器的量子效率。特別是，本發明製造背照式影像感測器結構之方法，還有與現行標準互補金氧半導體（CMOS）製程相容的優勢。
本發明在第一方面，首先提出一種背照式影像感測器結構。本發明的背照式影像感測器結構，包含基材、複數個感光二極體、層間介電層、以及金屬繞線。複數個感光二極體位於基材中。層間介電層直接位於基材上。金屬繞線則直接位於層間介電層上，並由金屬層與頂阻障層組成。具有高反射率的金屬層，位於層間介電層上，並直接接觸層間介電層。頂阻障層則覆蓋金屬層。
在本發明的一實施方式中，金屬層的反射率對於波長大於600奈米的給定光高於80%。
在本發明的另一實施方式中，金屬層係選自由銀、銅、金與鋁所組成之群組。
本發明在第二方面，又提出另一種背照式影像感測器結構。本發明的背照式影像感測器結構，包含基材、複數個感光二極體、層間介電層、以及金屬繞線。複數個感光二極體位於基材中。層間介電層直接位於基材上。金屬繞線則直接位於層間介電層上，並包含金屬層、圖案化底阻障層與頂阻障層。圖案化底阻障層直接位於層間介電層上，以定義對應於複數個感光二極體中至少一者之至少一開口區域。覆蓋圖案化底阻障層與至少一開口區域的金屬層，則被頂阻障層所覆蓋。
在本發明的一實施方式中，至少一開口區域中填有金屬層，並位於複數個感光二極體其中至少一者的正上方。
在本發明的另一實施方式中，至少一開口區域為方形或圓形。
在本發明的另一實施方式中，金屬層具有比圖案化底阻障層更高之反射率。
在本發明的另一實施方式中，圖案化底阻障層係選自由鈦與氮化鈦所組成之群組。
在本發明的另一實施方式中，金屬層係選自由銀、銅、金與鋁所組成之群組。
本發明在第三方面，則提出一種形成背照式影像感測器結構之方法。首先，提供基材，基材中具有複數個感光二極體，並有層間介電層直接位於基材上。其次，形成金屬層，位於層間介電層上並直接接觸層間介電層，以定義金屬繞線。之後，形成頂阻障層，以覆蓋金屬層。
在本發明的一實施方式中，金屬層係選自由銀、銅、金與鋁所組成之群組。
在本發明的另一實施方式中，在形成金屬層之前，更包含形成圖案化底阻障層。圖案化底阻障層直接位於層間介電層上，以定義對應於複數個感光二極體中至少一者之至少一開口區域，使得金屬層位於圖案化底阻障層與層間介電層兩者上並直接接觸此兩者，以填入至少一開口區域中。
在本發明的另一實施方式中，金屬層具有比圖案化底阻障層更高之反射率。
在本發明的另一實施方式中，至少一開口區域為方形或圓形。
在本發明的另一實施方式中，圖案化底阻障層係選自由鈦與氮化鈦所組成之群組。
本發明在第一方面提供一種形成背照式影像感測器結構之方法。第1圖至第8圖繪示本發明形成背照式影像感測器結構的一種可行的方法。本發明背照式影像感測器結構，特別是具有暴露位於基材中的影像感測器的金屬繞線，而在金屬繞線中高反射金屬層的存在下，有助於促進入射光被影像感測器所吸收。
首先，請參閱第1圖，提供基材110。基材110為一種半導體性質的材料，例如經摻雜之矽、未經摻雜之矽、或是其組合。再者，複數個感光二極體120係建構在基材110中，以及層間介電層130係直接位於基材110上與複數個感光二極體120上，來覆蓋基材110與複數個感光二極體120此兩者。每個感光二極體120都包含在後續步驟中用於電連接至一電路（圖未示）用的接觸墊121。感光二極體120是一種感光元件，例如是一種背照式互補金氧半導體影像感測器。基材的厚度範圍可以是2微米-5微米左右。
層間介電層130是一種絕緣性質的材料，例如氧化矽、氮化矽或是其組合。層間介電層130與感光二極體120這兩者，都可以是以習知之方式來製造，所以製造過程不在此贅述。
其次，請參閱第2圖，在層間介電層130中形成複數個接觸插塞131。每個接觸插塞131對應於一個位於下方的接觸墊121，並直接接觸此接觸墊121。例如，首先在層間介電層130中形成複數個接觸洞（圖未示）。接著，在每個接觸洞（圖未示）中填入一導電材料，來得到接觸插塞131。由於接觸洞（圖未示）與接觸插塞131這兩者，都可以是以習知之方式來製造，所以製造過程不在此贅述。
繼續，請參閱第4圖，視情況需要，形成位在層間介電層130上之底阻障層141。形成視情況需要的底阻障層141，可以用來增加層間介電層130與金屬層（圖未示）之間的附著力。視情況需要的底阻障層141，可以是一種含鈦的材料，例如鈦、氮化鈦或是其組合，而具有數百埃之厚度（Å）。視情況需要的底阻障層141，可以是用印刷法、沉積法或蝕刻法所製得。第3圖至第4圖繪示以蝕刻法形成視情況需要的底阻障層141。
首先，請參閱第3圖，形成一整片的底阻障層141'來覆蓋層間介電層130。其次，請參閱第4圖，以蝕刻法來圖案化底阻障層141'，形成圖案化底阻障層141，並定義對應於下方複數個感光二極體的開口區域142。每個開口區域142可以為多邊形（例如是矩形、方形、八邊形等等）、橢圓形、圓形或是任何其他特定的形狀。如果圖案化底阻障層141是用印刷法或沉積法來製造時，圖案化底阻障層141可以經由一個步驟就製得，所以第3圖中所繪示之步驟即可以省略。
或是，如果層間介電層130與其上的金屬層（圖未示）之間的附著力不是關鍵，則第3圖至第4圖所繪示的步驟亦可以省略跳過。因此，則會接續以下之步驟。
再來，形成金屬層143。形成的金屬層143是作為電路與反射層之用。金屬層143之反射率，比圖案化底阻障層141之反射率還要更高。例如，對於850奈米的波長而言，鋁之反射率80% 是大於 TiN 之反射率60%或是Ti之反射率58%。金屬層143的材料，可以選自由銀、銅、金與鋁所組成之群組。可以使用沉積法填入金屬層143，來形成複數個開口區域142。金屬層143的厚度，視情況需要是可變的，例如，對於0.13微米-0.18微米的技術節點（node）而言，金屬層143的厚度可以是0.2微米-0.3微米。
繼續，請參閱第5圖或第5A圖，在層間介電層130上形成一整片的金屬層143'。如果圖案化底阻障層141是存在的，如第5圖所繪示，形成的一整片金屬層143'會覆蓋圖案化底阻障層141與層間介電層130這兩者。同時，形成的一整片金屬層143'會直接接觸圖案化底阻障層141，並經由開口區域142直接接觸層間介電層130。要不然、如果圖案化底阻障層141是不存在的，如第5A圖所繪示，形成的一整片金屬層143'會只覆蓋下方的層間介電層130，同時直接接觸層間介電層130。
之後，請參閱第6圖或第6A圖，形成頂阻障層145，而位於金屬層143之上。頂阻障層145，類似於底阻障層141'，可以是另一種一整片的層，與一種含鈦的材料，例如鈦、氮化鈦或其組合。頂阻障層145可以具有數百埃之厚度（Å），用印刷法或沉積法所製得。例如，一整片的頂阻障層145用沉積法所製得來覆蓋金屬層143。
如果圖案化底阻障層141是存在的，如第6圖所繪示，形成的一整片的頂阻障層145會位在金屬層143之上，同時直接接觸金屬層143。第6圖繪示金屬層143夾置在圖案化底阻障層141與頂阻障層145之間之範例。要不然、如果圖案化底阻障層141是不存在的，如第6A圖所繪示，形成的一整片的頂阻障層145會位在金屬層143之上，同時直接接觸金屬層143。第6A圖繪示金屬層143夾置在層間介電層130與頂阻障層145之間之範例。
接著，請參閱第7圖或第7A圖，金屬層143、圖案化底阻障層141與頂阻障層145一起被圖案化，以定義金屬繞線149。可以使用蝕刻法，在一蝕刻遮罩（圖未示）的輔助下來形成金屬繞線149。如果圖案化底阻障層141是存在的，如第7圖所繪示，金屬層143、圖案化底阻障層141與頂阻障層145會一起被圖案化而成為金屬繞線149，而金屬層143則成為金屬繞線149中的電路，亦稱為M1（金屬繞線第一階）。第6圖繪示金屬層143、圖案化底阻障層141與頂阻障層145被一起圖案化，而成為具有相同圖案金屬繞線149之範例。
要不然、如果圖案化底阻障層141是不存在的，如第7A圖所繪示，金屬層143與頂阻障層145這兩者一起被圖案化以定義金屬繞線149，而金屬層143則成為金屬繞線149中的電路，亦稱為M1（金屬繞線第一階）。第6A圖繪示只有金屬層143與頂阻障層145這兩者被一起圖案化，而成為具有相同圖案金屬繞線149之範例。無論是哪一個範例，層間介電層130都作為得到背照式影像感測器結構的蝕刻停止層。
然後，例如請參閱第8圖，形成另一個稱為金屬間介電層150的介電層，來覆蓋金屬繞線149並填入金屬繞線149的圖案中，而有助於形成M2（金屬繞線第二階）。因此，多個通孔151形成在金屬間介電層150中，而作為金屬繞線第一階與金屬繞線第二階之間的電連接。因此，金屬繞線第二階之後會形成在金屬間介電層150之上與多個通孔151之上，而得到具有多組金屬繞線階的背照式影像感測器結構。金屬繞線第二階類似金屬繞線第一階，也可以包含另一金屬層、另一視情況需要的圖案化底阻障層與另一頂阻障層。
在經過上述的步驟之後，就可以得到特別適用於長波長光源（大於600奈米）的背照式影像感測器結構。請參閱第7圖或第7A圖，第7圖繪示圖案化底阻障層141是存在的。第7A圖繪示圖案化底阻障層141是不存在的。
背照式影像感測器結構101以及背照式影像感測器結構102分別包含基材110、複數個感光二極體120、層間介電層130、以及金屬繞線149。背照式影像感測器結構101或背照式影像感測器結構102又分別包含金屬間介電層150、多個通孔151與金屬繞線第二階（M2）。
基材110為一種半導體性質的材料，例如經摻雜之矽、未經摻雜之矽、或是其組合。基材的厚度範圍可以是2-5微米左右。複數個感光二極體120係建構在基材110中。每個感光二極體120都包含暴露在基材110外，並經由接觸插塞131電連接至先前金屬繞線149的接觸墊121。感光二極體120是一種感光元件，例如是一種背照式互補金氧半導體影像感測器。層間介電層130直接位於基材110上，來覆蓋基材110與複數個感光二極體120此兩者。層間介電層130是一種絕緣性質的材料，例如氧化矽、氮化矽或其組合。
金屬繞線149直接位在層間介電層130之上。在背照式影像感測器結構101中，金屬繞線149包含金屬層144、圖案化底阻障層141與頂阻障層145。圖案化底阻障層141直接位在層間介電層130之上，以定義對應於複數個感光二極體120之複數個開口區域142，使得開口區域142位於複數個感光二極體120的正上方。每個開口區域142可以為多邊形（例如是矩形、方形、八邊形等等）、橢圓形、圓形或是任何其他特定的形狀。圖案化底阻障層141作為層間介電層130與其上的金屬層間的黏著層，可以是一種含鈦的材料，例如鈦、氮化鈦或其組合。會覆蓋圖案化底阻障層141與層間介電層130這兩者的金屬層143，也會填滿複數個開口區域142。金屬層143作為電路與反射層。金屬層143之反射率，比圖案化底阻障層141之反射率還要更高。例如，對於850奈米的波長而言，鋁之反射率80% 是大於 TiN 之反射率60%或是Ti之反射率58%，所以金屬層143的材料可以選自由銀、銅、金與鋁所組成之群組。
金屬層143更進一步會被頂阻障層145所覆蓋。頂阻障層145類似於底阻障層141，也可以是另一種黏著層，例如一種含鈦的材料，例如鈦、氮化鈦或其組合。金屬層143、視情況需要的圖案化底阻障層141與頂阻障層145一起形成金屬繞線149。
金屬繞線149是背照式影像感測器結構101或背照式影像感測器結構102中的金屬繞線第一階，亦稱為M1，並被圖案化而使得金屬層143作為背照式影像感測器結構101或背照式影像感測器結構102中的電路。在金屬繞線149中，有比圖案化底阻障層141之反射率還要更高的金屬層143，並面向以及經由開口區域142對應下方的複數個感光二極體120。
如第9圖所繪示，在背照式影像感測器結構101中，暴露出來的金屬層143，也就是說沒有被圖案化底阻障層141遮擋住的金屬層143，協助下方的複數個感光二極體120收集更多從背面109而來而經過反射的入射光，使得感光二極體120關於長波長光源，例如波長大於600奈米，的量子效率能有所增進。
在本發明的一實施方式中，當特定的畫素佈局不允許金屬繞線第一階，安排成足夠大到提供充分的空間來反射光線時，金屬繞線第二階或是更高階的金屬繞線，雖然是遠離矽基材，但還是有可能作為用來反射入射光的候選者的。
第10圖繪示一枚背照式影像感測器的上視圖。從感光二極體120上方通過的金屬繞線149，具有對應於感光二極體120的開口區域142。開口區域142則分別以矩形、八邊形、橢圓形、或圓形的方式例示。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
101‧‧‧背照式影像感測器結構
102‧‧‧背照式影像感測器結構
109‧‧‧背面
110‧‧‧基材
120‧‧‧感光二極體
121‧‧‧接觸墊
130‧‧‧層間介電層
131‧‧‧接觸插塞
141‧‧‧底阻障層
141'‧‧‧一整片的底阻障層
142‧‧‧開口區域
143‧‧‧金屬層
143'‧‧‧一整片的金屬層
145‧‧‧頂阻障層
149‧‧‧金屬繞線
150‧‧‧金屬間介電層
151‧‧‧通孔
M2‧‧‧金屬繞線第二階
第1圖至第8圖繪示本發明形成背照式影像感測器結構的一種可行的方法。 第5A圖繪示一整片的金屬層只覆蓋下方的層間介電層，同時直接接觸層間介電層。 第6A圖繪示，只有金屬層與頂阻障層這兩者被一起圖案化，而成為具有相同圖案金屬繞線之範例。 第7A圖繪示，金屬層與頂阻障層這兩者一起被圖案化以定義金屬繞線，而金屬層則成為金屬繞線中的電路。 第9圖繪示，在背照式影像感測器結構中，暴露出來的金屬層，協助下方的複數個感光二極體收集更多從背面而來的經過反射的入射光。 第10圖繪示本發明背照式影像感測器的上視圖。
Claims (12)
- 一種背照式影像感測器結構，包含： 一基材； 複數個感光二極體(Photodiode)，位於該基材中； 一層間介電層，直接位於該基材上；以及 一金屬繞線，直接位於該層間介電層上，並包含： 一頂阻障層； 一圖案化底阻障層，直接位於該層間介電層上，以定義對應於複數個該感光二極體中至少一者之至少一開口區域；以及 一金屬層，覆蓋該圖案化底阻障層與該至少一開口區域，又被該頂阻障層所覆蓋。
- 如請求項1之背照式影像感測器結構，其中該至少一開口區域中填有該金屬層，並位於複數個該感光二極體中至少一者的正上方。
- 如請求項1之背照式影像感測器結構，其中該至少一開口區域為一多邊形、一橢圓形或一圓形。
- 如請求項1之背照式影像感測器結構，其中該金屬層具有比該圖案化底阻障層更高之反射率。
- 如請求項1之背照式影像感測器結構，其中該圖案化底阻障層係選自由鈦與氮化鈦所組成之群組。
- 如請求項1之背照式影像感測器結構，其中該金屬層係選自由銀、銅、金與鋁所組成之群組。
- 一種形成背照式影像感測器結構之方法，包含： 提供一基材，其具有複數個位於該基材中的感光二極體，並具有直接位於該基材上之一層間介電層； 形成一金屬層，位於該層間介電層上並直接接觸之，以定義一金屬繞線；以及 形成一頂阻障層，以覆蓋該金屬層。
- 如請求項7形成背照式影像感測器結構之方法，其中該金屬層係選自由銀、銅、金與鋁所組成之群組。
- 如請求項7形成背照式影像感測器結構之方法，在形成該金屬層之前，更包含： 形成一圖案化底阻障層，直接位於該層間介電層上，以定義對應於複數個該感光二極體中至少一者之至少一開口區域，使得該金屬層位於該圖案化底阻障層與該層間介電層兩者上並直接接觸兩者，以填入該至少一開口區域中。
- 如請求項9形成背照式影像感測器結構之方法，其中該金屬層具有比該圖案化底阻障層更高之反射率。
- 如請求項9形成背照式影像感測器結構之方法，其中該至少一開口區域為一多邊形、一橢圓形或一圓形。
- 如請求項9形成背照式影像感測器結構之方法，其中該圖案化底阻障層係選自由鈦與氮化鈦所組成之群組。
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