具有波導的圖像傳感器及其制造方法

專利名稱：具有波導的圖像傳感器及其制造方法
技術領域：
本發明涉及具有作為入射光行進路徑的波導的圖像傳感器及其制造方法，更具體 地涉及具有波導的圖像傳感器及其制造方法，在具有波導的圖像傳感器中，單獨的布線層 形成于光電二極管上，從而當通過蝕刻形成波導時確保蝕刻的均勻性并防止在蝕刻過程中 由等離子體離子產生暗電流。
背景技術：
圖像傳感器是將光圖像轉換為電信號的半導體裝置。典型的圖像傳感器包括電荷 耦合裝置(CXD)和CMOS圖像傳感器。在這兩種圖像傳感器之間，CMOS圖像傳感器代表通過使用CMOS制造技術將光圖 像轉換為電信號的裝置。CMOS圖像傳感器采用這樣的切換方案，其中M0S晶體管由多個像 素構成，隨后通過CMOS晶體管檢測輸出。當與迄今為止已經廣泛用作圖像傳感器的(XD圖像傳感器相比時，在CMOS圖像傳 感器中使用簡單的驅動方案，并且可以實現各種掃描方案。此外，由于信號處理電路可以集 成在單個芯片中，因此使得產品小型化成為可能，而且由于利用了兼容的CMOS技術，因此 可降低制造成本并且可顯著減少功率消耗。CMOS傳感器由檢測光的光電二極管和將檢測到的光轉換為作為數據的電信號的 CMOS邏輯電路組成。為了提高圖像傳感器的感光度，已經努力增大光電二極管面積與整個 圖像傳感器面積的比率(通常被稱為填充系數)。然而，由于不能省略CMOS邏輯電路，因此 在增加該比率中必然存在困難。在這種情形下，現有技術已經公開了這樣的聚光技術，其中將入射到并非光電二 極管的點上的光路改變為指向光電二極管以提高光敏性。典型的技術包括微透鏡形成技術 和使用波導的技術。在通過微透鏡進行聚光的情況下，隨著目前集成像素數量增加，微透鏡與置于微 透鏡下方的光電二極管之間的距離也逐漸增大。由于這一方面，因為不能光電二極管上形 成焦點，所以引起的問題是已經穿過微透鏡的光不能有效地傳遞至光電二極管。同時，已經致力于如下技術進行了研究在入射光的行進路徑上提供波導和允許 入射到光電二極管上的光穿過波導，從而使入射光的損耗最小并抑制相鄰像素之間的串 擾。圖1是圖示傳統的具有波導的圖像傳感器的剖視圖。參照圖1，可以看到，傳統的具有波導的圖像傳感器被配置為使得形成于光電二極 管11上的層間介電層16被蝕刻并由此形成波導19。然而，在傳統的具有波導的圖像傳感器中，由于在形成波導19時被蝕刻的層間介 電層16的量非常大并且蝕刻深度是實質性的，因此蝕刻均勻性不能得到保證。這種非均勻 性導致光電二極管11的非均勻性，從而圖像傳感器的特性可能惡化。而且，在形成波導19的蝕刻過程中所需的等離子體離子的量增加，一部分等離子體離子被引入光電二極管11中并成為導致光電二極管11中缺陷的因素，從而整個圖像傳 感器的特性可能進一步惡化。

發明內容
因此，本發明致力于解決在本領域中出現的問題，本發明的目的是提供具有波導 的圖像傳感器及其制造方法，在該具有波導的圖像傳感器中，布線層形成于光電二極管上， 使得該布線層可在形成波導過程中用作蝕刻停止層從而可避免蝕刻深度的非均勻性，還使 得在蝕刻過程中產生的帶電等離子體離子可以放電至半導體襯底從而可以防止帶電等離 子體離子引入光電二極管中并且可抑制暗電流的產生。為了實現上述目的，根據本發明的一方面，提供了具有波導的圖像傳感器，該圖像 傳感器包括半導體襯底，形成有光電二極管和外圍電路區域；抗反射層，形成于半導體襯 底上；絕緣層，形成于抗反射層上；布線層，形成于絕緣層上并連接至半導體襯底；至少一 個層間介電層，堆疊在布線層上；以及波導，通過穿過在光電二極管上形成的層間介電層和 布線層連接至絕緣層。為了實現上述目的，根據本發明的另一方面，提供了一種制造具有波導的圖像傳 感器的方法，該方法包括以下步驟(a)在形成有光電二極管和外圍電路區域的半導體襯 底上形成抗反射層；(b)在抗反射層上形成絕緣層；(c)在絕緣層上形成布線層；(d)在布 線層上形成至少一個層間介電層；(e)對選層間介電層擇性地進行蝕刻直到布線層暴露， 以在光電二極管上方形成波導；以及(f)對在步驟(e)中暴露的布線層選擇性地進行蝕刻， 直到形成于光電二極管上方的絕緣層暴露。


在結合附圖閱讀以下詳細描述之后，本發明的上述目的、其它特征和優點將變得 更加顯而易見，在附圖中圖1是圖示具有波導的傳統圖像傳感器的剖視圖；圖2是圖示根據本發明的實施方式的具有波導的圖像傳感器的剖視視圖；圖3是圖示根據本發明的該實施方式的具有波導的圖像傳感器的平面視圖；圖4是圖示根據本發明另一實施方式的制造具有波導的圖像傳感器的方法的流 程圖；以及圖5是圖示在根據本發明的制造具有波導的圖像傳感器的過程中帶電等離子體 離子通過布線層放電至半導體襯底的狀態的剖視圖。
具體實施例方式更詳細地參照本發明的優選實施方式，在附圖中示出了本發明的示例。在可能的 情況下，在附圖和說明書中相同的標號用于指示相同或相似的部件。圖2是圖示根據本發明的實施方式的具有波導的圖像傳感器的剖視圖。參照圖2，根據本發明的實施方式的具有波導的圖像傳感器200包括半導體襯底 20、抗反射層22、絕緣層22-1、布線層25、層間介電層26、和波導29。在半導體襯底20中形成有光電二極管21和外圍電路區域。由于形成于半導體襯電路區域與傳統CMOS圖像傳感器的相同，因此本文省略其 詳細描述。抗反射層22形成于半導體襯底20上，絕緣層22-1形成于抗反射層22上，布線層 25形成于絕緣層22-1上。優選地，布線層25由如鎢(W)、鋁(A1)、鈦(Ti)和氮化硅(SiN) 的材料形成。布線層25連接至形成于半導體襯底20中的阱24。在半導體襯底20是P型襯底 的情況下，阱24通過N+/P結形成，在半導體襯底20是N型襯底的情況下，阱24通過P+/N 結形成。至少一個層間介電層26堆疊在布線層25上，優選地，在最上面的層間介電層26 上進一步形成有鈍化層27。波導29被形成為穿過布線層25、層間介電層26和鈍化層27 直到波導29到達形成于光電二極管21上方的絕緣層22-1。在波導29所穿過的鈍化層27上形成有濾色器，在該濾色器上形成有微透鏡28從 而提高聚光效率。如圖2所示，在根據本發明的該實施方式的具有波導的圖像傳感器200中，在已經 穿過微透鏡28和濾色器的光入射到波導29上之后，入射光由包含在波導29中的物質在波 導29中全部反射并在使入射光的損耗最小化的情況下傳遞至光電二極管21。由于布線層25連接至阱24的事實，因此在形成波導29的過程中產生的大量帶電 等離子體離子未被引入光電二極管21中，而是通過阱24放電至半導體襯底20，從而提供了 可以改善光電二極管21特性的優點。圖3是圖示根據本發明的該實施方式的具有波導的圖像傳感器的平面視圖。參照附圖3，在根據本發明的該實施方式的具有波導的圖像傳感器200中，可以看 到，包括用于波導29的開口的布線層25形成于光電二極管21上方并連接至形成于半導體 襯底20中的下側N+/P型或P+/N型阱。圖4是圖示根據本發明另一實施方式的制造具有波導的圖像傳感器的方法的流 程圖。參照圖4，根據本發明另一實施方式的制造具有波導的圖像傳感器的方法包括 抗反射層形成步驟S410、絕緣層形成步驟S420、布線層形成步驟S430、層間介電層形成步 驟S440、層間介電層蝕刻步驟S450和布線層蝕刻步驟S460。在抗反射層形成步驟S410中，在形成有光電二極管21和外圍電路區域的半導體 襯底20上形成抗反射層22。然后，出于絕緣目的在抗反射層22上形成絕緣層22-1 (S420)。在布線層形成步驟S430中，在絕緣層22-1上形成布線層25。布線層25連接至形 成于半導體襯底20中的阱24，從而在形成波導過程中產生的大量帶電等離子體離子未被 引入光電二極管21中，而是通過阱24放電至半導體襯底20。在層間介電層形成步驟S440中，在布線層25上形成至少一個層間介電層26。優 選地，在最上面的層間介電層26上形成鈍化層27。在層間介電層蝕刻步驟S450中，為了在光電二極管21上方形成波導29，對層間介 電層26和鈍化層27選擇性地進行蝕刻。之后，實施布線層蝕刻步驟S460，其中，對在層間介電層蝕刻步驟S450中暴露的 布線層25選擇性地進行蝕刻，直到形成于光電二極管21上方的絕緣層22-1暴露。
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在限定了用于波導29的開口之后，優選地，實施在鈍化層27上形成濾色器和微透 鏡28的步驟。同時，在必要時通過對絕緣層在布線層蝕刻步驟S460中暴露的一部分進行選擇 性地蝕刻，可以進一步降低入射到光電二極管21上的光的損耗。本發明的基本思想在于，在形成波導之前預先在光電二極管上方以使布線層連接 至N+/P型或P+/N型阱的方式形成布線層，使得在形成波導過程中產生的帶電等離子體離 子通過N+/P型或P+/N型阱放電至半導體襯底，從而防止了帶電等離子體離子被引入到光 電二極管中。由于預先形成于光電二極管上的布線層在形成波導的過程中用作蝕刻停止層，因 此可以對形成于光電二極管上的波導進行蝕刻以具有均勻的開口深度。此后，當對已經用 作蝕刻停止層的布線層進行蝕刻以限定波導時，用于形成波導的開口程序完成。也就是說，在通過蝕刻為層間介電層實施開口程序直到使布線層暴露之后，通過 對已經用作蝕刻停止層的布線層進一步進行開口而完成用于波導形成的開口程序。圖5是圖示在根據本發明的制造具有波導的圖像傳感器的過程中通過布線層將 帶電等離子體離子放電至半導體襯底的狀態的剖視圖。參照圖5，可以看到，在對波導進行開口的程序中產生的帶電等離子體離子未被引 入到光電二極管31中，而是通過N+/P型或P+/N型阱34放電至半導體襯底30。通過以上描述，顯然，根據本發明的具有波導的圖像傳感器及其制造方法提供的 優點在于，由于布線層形成于光電二極管上方并在形成波導的過程中用作蝕刻停止層，因 此可以避免蝕刻深度的非均勻性，而且由于這個事實，可以改善光電二極管的成像特性。而且，由于在蝕刻過程中使用的帶電等離子體離子通過布線層放電至半導體襯 底，因此可以防止引入可能導致光電二極管中缺陷的起因，從而可以抑制暗電流的產生。盡管已經出于說明目的對本發明的優選實施方式進行了描述，但是本領域技術人 員可以理解，在不偏離所附權利要求中公開的本發明的范圍和精神的前提下可以進行各種 修改、添加和替換。
權利要求
一種具有波導的圖像傳感器，包括半導體襯底，形成有光電二極管和外圍電路區域；抗反射層，形成于所述半導體襯底上；絕緣層，形成于所述抗反射層上；布線層，形成于所述絕緣層上并連接至所述半導體襯底；至少一個層間介電層，堆疊在所述布線層上；以及波導，穿過在所述光電二極管上方形成的所述層間介電層和所述布線層連接至所述絕緣層。
2.根據權利要求1所述的圖像傳感器，其中，所述布線層包括導電層，所述導電層連接 至在所述半導體襯底中形成的阱。
3.根據權利要求2所述的圖像傳感器，其中，當所述半導體襯底是P型襯底時，所述阱 通過N+/P結形成，當所述半導體襯底是N型襯底時，所述阱通過P+/N結形成。
4.根據權利要求2所述的圖像傳感器，還包括鈍化層，形成于最上面的層間介電層上使得所述波導穿過所述鈍化層。
5.根據權利要求4所述的圖像傳感器，還包括 濾色器，形成于所述波導穿過的所述鈍化層上；以及 微透鏡，形成于所述濾色器上。
6.根據權利要求2所述的圖像傳感器，其中，所述布線層由鎢(W)、鋁(Al)、鈦(Ti)或 氮化硅(SiN)形成。
7.—種制造具有波導的圖像傳感器的方法，包括以下步驟(a)在形成有光電二極管和外圍電路區域的半導體襯底上形成抗反射層；(b)在所述抗反射層上形成絕緣層；(c)在所述絕緣層上形成布線層；(d)在所述布線層上形成至少一個層間介電層；(e)對所述層間介電層選擇性地進行蝕刻直到所述布線層暴露，以在所述光電二極管 上方形成波導；以及(f)對在步驟(e)中暴露的所述布線層選擇性地進行蝕刻，直到形成于所述光電二極 管上方的所述絕緣層暴露。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，步驟(c)包括以下步驟 (Cl)將所述布線層連接至在所述半導體襯底中形成的阱。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，步驟(d)包括以下步驟 (dl)在最上面的層間介電層上形成鈍化層。
10.根據權利要求8所述的方法，其中，當所述半導體襯底是P型襯底時，所述阱通過 N+/P結形成，當所述半導體襯底是N型襯底時，所述阱通過P+/N結形成。
11.根據權利要求8所述的方法，其中，在步驟(C)中，使用鎢(W)、鋁(Al)、鈦(Ti)或 氮化硅(SiN)形成所述布線層。
12.根據權利要求8所述的方法，還包括以下步驟(g)對所述絕緣層在所述布線層蝕刻步驟中暴露的一部分進行蝕刻。
13.根據權利要求8所述的方法，還包括以下步驟(h)在所述鈍化層上形成濾色器；以及 (i)在所述濾色器上形成微透鏡。
全文摘要
本發明涉及具有波導的圖像傳感器及其制造方法。具有波導的圖像傳感器包括半導體襯底，形成有光電二極管和外圍電路區域；抗反射層，形成于半導體襯底上；絕緣層，形成于抗反射層上；布線層，形成于絕緣層上并連接至半導體襯底；至少一個層間介電層，堆疊在布線層上；以及波導，通過穿過在光電二極管上形成的層間介電層和布線層連接至絕緣層。
文檔編號H01L27/146GK101866937SQ201010152199
公開日2010年10月20日 申請日期2010年4月16日 優先權日2009年4月17日
發明者元俊鎬, 全寅均, 吳世仲, 安熙均 申請人:(株)賽麗康