具有波导的图像传感器及其制造方法

摘要

本发明涉及具有波导的图像传感器及其制造方法。具有波导的图像传感器包括：半导体衬底，形成有光电二极管和外围电路区域；抗反射层，形成于半导体衬底上；绝缘层，形成于抗反射层上；布线层，形成于绝缘层上并连接至半导体衬底；至少一个层间介电层，堆叠在布线层上；以及波导，通过穿过在光电二极管上形成的层间介电层和布线层连接至绝缘层。

权利要求

1.一种具有波导的图像传感器，包括：半导体衬底，形成有光电二极管和外围电路区域；

抗反射层，形成于所述半导体衬底上；

绝缘层，形成于所述抗反射层上；

布线层，形成于所述绝缘层上并连接至所述半导体衬底，所述布线层包括导电层，并且所述布线层在形成波导的过程中用作蚀刻停止层；

至少一个层间介电层，堆叠在所述布线层上；以及波导，穿过在所述光电二极管上方形成的所述层间介电层和所述布线层连接至所述绝缘层。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述导电层连接至在所述半导体衬底中形成的阱。

3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，当所述半导体衬底是P型衬底时，所述阱通过N+/P结形成，当所述半导体衬底是N型衬底时，所述阱通过P+/N结形成。

4.根据权利要求2所述的图像传感器，还包括：钝化层，形成于最上面的层间介电层上使得所述波导穿过所述钝化层。

5.根据权利要求4所述的图像传感器，还包括：滤色器，形成于所述波导穿过的所述钝化层上；以及微透镜，形成于所述滤色器上。

6.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，所述布线层由钨(W)、铝(Al)、钛(Ti)或氮化硅(SiN)形成。

7.一种制造具有波导的图像传感器的方法，包括以下步骤：(a)在形成有光电二极管和外围电路区域的半导体衬底上形成抗反射层；

(b)在所述抗反射层上形成绝缘层；

(c)在所述绝缘层上形成布线层，所述布线层包括导电层，所述导电层连接至所述半导体衬底，所述布线层在形成波导的过程中用作蚀刻停止层；

(d)在所述布线层上形成至少一个层间介电层；

(e)对所述层间介电层选择性地进行蚀刻直到所述布线层暴露，以在所述光电二极管上方形成所述波导；以及(f)对在步骤(e)中暴露的所述布线层选择性地进行蚀刻，直到形成于所述光电二极管上方的所述绝缘层暴露。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，步骤(c)包括以下步骤：(c1)将所述布线层连接至在所述半导体衬底中形成的阱。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，步骤(d)包括以下步骤：(d1)在最上面的层间介电层上形成钝化层。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，当所述半导体衬底是P型衬底时，所述阱通过N+/P结形成，当所述半导体衬底是N型衬底时，所述阱通过P+/N结形成。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，在步骤(c)中，使用钨(W)、铝(Al)、钛(Ti)或氮化硅(SiN)形成所述布线层。

12.根据权利要求8所述的方法，还包括以下步骤：(g)对所述绝缘层在所述布线层蚀刻步骤中暴露的一部分进行蚀刻。

13.根据权利要求8所述的方法，还包括以下步骤：(h)在所述钝化层上形成滤色器；以及(i)在所述滤色器上形成微透镜。

说明书

具有波导的图像传感器及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及具有作为入射光行进路径的波导的图像传感器及其制造方法，更具体地涉及具有波导的图像传感器及其制造方法，在具有波导的图像传感器中，单独的布线层形成于光电二极管上，从而当通过蚀刻形成波导时确保蚀刻的均匀性并防止在蚀刻过程中由等离子体离子产生暗电流。

背景技术

[0002] 图像传感器是将光图像转换为电信号的半导体装置。典型的图像传感器包括电荷耦合装置(CCD)和CMOS图像传感器。

[0003] 在这两种图像传感器之间，CMOS图像传感器代表通过使用CMOS制造技术将光图像转换为电信号的装置。CMOS图像传感器采用这样的切换方案，其中MOS晶体管由多个像素构成，随后通过CMOS晶体管检测输出。

[0004] 当与迄今为止已经广泛用作图像传感器的CCD图像传感器相比时，在CMOS图像传感器中使用简单的驱动方案，并且可以实现各种扫描方案。此外，由于信号处理电路可以集成在单个芯片中，因此使得产品小型化成为可能，而且由于利用了兼容的CMOS技术，因此可降低制造成本并且可显著减少功率消耗。

[0005] CMOS传感器由检测光的光电二极管和将检测到的光转换为作为数据的电信号的CMOS逻辑电路组成。为了提高图像传感器的感光度，已经努力增大光电二极管面积与整个图像传感器面积的比率(通常被称为填充系数)。然而，由于不能省略CMOS逻辑电路，因此在增加该比率中必然存在困难。

[0006] 在这种情形下，现有技术已经公开了这样的聚光技术，其中将入射到并非光电二极管的点上的光路改变为指向光电二极管以提高光敏性。典型的技术包括微透镜形成技术和使用波导的技术。

[0007] 在通过微透镜进行聚光的情况下，随着目前集成像素数量增加，微透镜与置于微透镜下方的光电二极管之间的距离也逐渐增大。由于这一方面，因为不能光电二极管上形成焦点，所以引起的问题是已经穿过微透镜的光不能有效地传递至光电二极管。

[0008] 同时，已经致力于如下技术进行了研究：在入射光的行进路径上提供波导和允许入射到光电二极管上的光穿过波导，从而使入射光的损耗最小并抑制相邻像素之间的串扰。

[0009] 图1是图示传统的具有波导的图像传感器的剖视图。

[0010] 参照图1，可以看到，传统的具有波导的图像传感器被配置为使得形成于光电二极管11上的层间介电层16被蚀刻并由此形成波导19。

[0011] 然而，在传统的具有波导的图像传感器中，由于在形成波导19时被蚀刻的层间介电层16的量非常大并且蚀刻深度是实质性的，因此蚀刻均匀性不能得到保证。这种非均匀性导致光电二极管11的非均匀性，从而图像传感器的特性可能恶化。

[0012] 而且，在形成波导19的蚀刻过程中所需的等离子体离子的量增加，一部分等离子体离子被引入光电二极管11中并成为导致光电二极管11中缺陷的因素，从而整个图像传感器的特性可能进一步恶化。

发明内容

[0013] 因此，本发明致力于解决在本领域中出现的问题，本发明的目的是提供具有波导的图像传感器及其制造方法，在该具有波导的图像传感器中，布线层形成于光电二极管上，使得该布线层可在形成波导过程中用作蚀刻停止层从而可避免蚀刻深度的非均匀性，还使得在蚀刻过程中产生的带电等离子体离子可以放电至半导体衬底从而可以防止带电等离子体离子引入光电二极管中并且可抑制暗电流的产生。

[0014] 为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提供了具有波导的图像传感器，该图像传感器包括：半导体衬底，形成有光电二极管和外围电路区域；抗反射层，形成于半导体衬底上；绝缘层，形成于抗反射层上；布线层，形成于绝缘层上并连接至半导体衬底；至少一个层间介电层，堆叠在布线层上；以及波导，通过穿过在光电二极管上形成的层间介电层和布线层连接至绝缘层。

[0015] 为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了一种制造具有波导的图像传感器的方法，该方法包括以下步骤：(a)在形成有光电二极管和外围电路区域的半导体衬底上形成抗反射层；(b)在抗反射层上形成绝缘层；(c)在绝缘层上形成布线层；(d)在布线层上形成至少一个层间介电层；(e)对选层间介电层择性地进行蚀刻直到布线层暴露，以在光电二极管上方形成波导；以及(f)对在步骤(e)中暴露的布线层选择性地进行蚀刻，直到形成于光电二极管上方的绝缘层暴露。

附图说明

[0016] 在结合附图阅读以下详细描述之后，本发明的上述目的、其它特征和优点将变得更加显而易见，在附图中：

[0017] 图1是图示具有波导的传统图像传感器的剖视图；

[0018] 图2是图示根据本发明的实施方式的具有波导的图像传感器的剖视视图；

[0019] 图3是图示根据本发明的该实施方式的具有波导的图像传感器的平面视图；

[0020] 图4是图示根据本发明另一实施方式的制造具有波导的图像传感器的方法的流程图；以及

[0021] 图5是图示在根据本发明的制造具有波导的图像传感器的过程中带电等离子体离子通过布线层放电至半导体衬底的状态的剖视图。

具体实施方式

[0022] 更详细地参照本发明的优选实施方式，在附图中示出了本发明的示例。在可能的情况下，在附图和说明书中相同的标号用于指示相同或相似的部件。

[0023] 图2是图示根据本发明的实施方式的具有波导的图像传感器的剖视图。

[0024] 参照图2，根据本发明的实施方式的具有波导的图像传感器200包括半导体衬底20、抗反射层22、绝缘层22-1、布线层25、层间介电层26、和波导29。

[0025] 在半导体衬底20中形成有光电二极管21和外围电路区域。由于形成于半导体衬底20中的光电二极管21和外围电路区域与传统CMOS图像传感器的相同，因此本文省略其详细描述。

[0026] 抗反射层22形成于半导体衬底20上，绝缘层22-1形成于抗反射层22上，布线层25形成于绝缘层22-1上。优选地，布线层25由如钨(W)、铝(Al)、钛(Ti)和氮化硅(SiN)的材料形成。

[0027] 布线层25连接至形成于半导体衬底20中的阱24。在半导体衬底20是P型衬底的情况下，阱24通过N+/P结形成，在半导体衬底20是N型衬底的情况下，阱24通过P+/N结形成。

[0028] 至少一个层间介电层26堆叠在布线层25上，优选地，在最上面的层间介电层26上进一步形成有钝化层27。波导29被形成为穿过布线层25、层间介电层26和钝化层27直到波导29到达形成于光电二极管21上方的绝缘层22-1。

[0029] 在波导29所穿过的钝化层27上形成有滤色器，在该滤色器上形成有微透镜28从而提高聚光效率。

[0030] 如图2所示，在根据本发明的该实施方式的具有波导的图像传感器200中，在已经穿过微透镜28和滤色器的光入射到波导29上之后，入射光由包含在波导29中的物质在波导29中全部反射并在使入射光的损耗最小化的情况下传递至光电二极管21。

[0031] 由于布线层25连接至阱24的事实，因此在形成波导29的过程中产生的大量带电等离子体离子未被引入光电二极管21中，而是通过阱24放电至半导体衬底20，从而提供了可以改善光电二极管21特性的优点。

[0032] 图3是图示根据本发明的该实施方式的具有波导的图像传感器的平面视图。

[0033] 参照附图3，在根据本发明的该实施方式的具有波导的图像传感器200中，可以看到，包括用于波导29的开口的布线层25形成于光电二极管21上方并连接至形成于半导体衬底20中的下侧N+/P型或P+/N型阱。

[0034] 图4是图示根据本发明另一实施方式的制造具有波导的图像传感器的方法的流程图。

[0035] 参照图4，根据本发明另一实施方式的制造具有波导的图像传感器的方法包括：抗反射层形成步骤S410、绝缘层形成步骤S420、布线层形成步骤S430、层间介电层形成步骤S440、层间介电层蚀刻步骤S450和布线层蚀刻步骤S460。

[0036] 在抗反射层形成步骤S410中，在形成有光电二极管21和外围电路区域的半导体衬底20上形成抗反射层22。然后，出于绝缘目的在抗反射层22上形成绝缘层22-1(S420)。

[0037] 在布线层形成步骤S430中，在绝缘层22-1上形成布线层25。布线层25连接至形成于半导体衬底20中的阱24，从而在形成波导过程中产生的大量带电等离子体离子未被引入光电二极管21中，而是通过阱24放电至半导体衬底20。

[0038] 在层间介电层形成步骤S440中，在布线层25上形成至少一个层间介电层26。优选地，在最上面的层间介电层26上形成钝化层27。

[0039] 在层间介电层蚀刻步骤S450中，为了在光电二极管21上方形成波导29，对层间介电层26和钝化层27选择性地进行蚀刻。

[0040] 之后，实施布线层蚀刻步骤S460，其中，对在层间介电层蚀刻步骤S450中暴露的布线层25选择性地进行蚀刻，直到形成于光电二极管21上方的绝缘层22-1暴露。

[0041] 在限定了用于波导29的开口之后，优选地，实施在钝化层27上形成滤色器和微透镜28的步骤。

[0042] 同时，在必要时通过对绝缘层在布线层蚀刻步骤S460中暴露的一部分进行选择性地蚀刻，可以进一步降低入射到光电二极管21上的光的损耗。

[0043] 本发明的基本思想在于，在形成波导之前预先在光电二极管上方以使布线层连接至N+/P型或P+/N型阱的方式形成布线层，使得在形成波导过程中产生的带电等离子体离子通过N+/P型或P+/N型阱放电至半导体衬底，从而防止了带电等离子体离子被引入到光电二极管中。

[0044] 由于预先形成于光电二极管上的布线层在形成波导的过程中用作蚀刻停止层，因此可以对形成于光电二极管上的波导进行蚀刻以具有均匀的开口深度。此后，当对已经用作蚀刻停止层的布线层进行蚀刻以限定波导时，用于形成波导的开口程序完成。

[0045] 也就是说，在通过蚀刻为层间介电层实施开口程序直到使布线层暴露之后，通过对已经用作蚀刻停止层的布线层进一步进行开口而完成用于波导形成的开口程序。

[0046] 图5是图示在根据本发明的制造具有波导的图像传感器的过程中通过布线层将带电等离子体离子放电至半导体衬底的状态的剖视图。

[0047] 参照图5，可以看到，在对波导进行开口的程序中产生的带电等离子体离子未被引入到光电二极管31中，而是通过N+/P型或P+/N型阱34放电至半导体衬底30。

[0048] 通过以上描述，显然，根据本发明的具有波导的图像传感器及其制造方法提供的优点在于，由于布线层形成于光电二极管上方并在形成波导的过程中用作蚀刻停止层，因此可以避免蚀刻深度的非均匀性，而且由于这个事实，可以改善光电二极管的成像特性。

[0049] 而且，由于在蚀刻过程中使用的带电等离子体离子通过布线层放电至半导体衬底，因此可以防止引入可能导致光电二极管中缺陷的起因，从而可以抑制暗电流的产生。

[0050] 尽管已经出于说明目的对本发明的优选实施方式进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，在不偏离所附权利要求中公开的本发明的范围和精神的前提下可以进行各种修改、添加和替换。