CN105702690B - 背侧照射和连接的图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及背侧照射和连接的图像传感器。一种图像传感器包括：半导体层；安置在半导体层的背侧上的绝缘层的堆叠；沿着堆叠的高度的一部分延伸并且与堆叠的暴露的表面齐平的导电层部分、从半导体层的前侧穿过其延伸并且穿透到所述层部分中的侧面绝缘的导电指、将像素区域分离的侧面绝缘的导电壁，这些壁从半导体层的前侧穿过其延伸并且具有比指低的高度以及安置在半导体层的前侧上并且包括与指接触的过孔的互连结构。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年12月15日提交的法国专利申请号14/62456的优先权，其内容在法律允许的最大程度上通过整体引用并入于此。
技术领域
本公开涉及图像传感器并且涉及用于制造图像传感器的方法。
背景技术
已知一种图像传感器，包括半导体层，该半导体层具有旨在接收光照的被叫做背侧的第一侧并且具有涂覆有互连结构的被叫做前侧的第二侧。此外，诸如晶体管的部件当前形成在前侧上。这里考虑绝缘连接穿过半导体层从互连结构向上延伸到背侧的这种图像传感器。一般地，在与形成在图像传感器的像素区域之间的绝缘壁的宽度相比为宽的开口中形成这种绝缘连接，绝缘壁从前侧形成并且宽开口从背侧形成。
这种类型的图像传感器具有各种缺点，本文期望克服其中的一些缺点。
发明内容
因此，实施例包括图像传感器，该图像传感器包括半导体层；安置在半导体层的背侧上的绝缘层的堆叠；沿着该堆叠的高度的一部分延伸并且与堆叠的暴露出的表面齐平的导电层；从半导体层的前侧穿过半导体层延伸并且穿透到所述层部分内的侧面绝缘的导电指；将像素区域分离的侧面绝缘的导电壁，该壁从半导体层的前侧穿过半导体层延伸并且具有比指低的高度；以及安置在半导体层的前侧上并且包括与指接触的过孔的互连结构。
根据实施例，半导体层由硅制成。
根据实施例，堆叠连续地包括安置在背侧上的第一氧化硅层、氮化硅层和第二氧化硅层。
根据实施例，壁穿过第一氧化层并且穿透到氮化硅层中，指穿过第一氧化层和氮化硅层并且所述层部分沿着第二氧化层的整个高度延伸。
根据实施例，壁和指由内衬有绝缘层的掺杂多晶硅制成。
根据实施例，壁和指的宽度小于0.5μm。
实施例提供了制造图像传感器的方法，该方法包括连续的步骤：
a)在半导体层的背侧上形成绝缘层的堆叠；
b)从半导体层的前侧同时刻蚀出第一沟槽和比第一沟槽浅的第二沟槽，第一沟槽穿透到所述堆叠中，第二沟槽将图像传感器的像素区域分离；
c)在第一沟槽和第二沟槽的壁上形成绝缘层；
d)利用第一导电材料填充第一沟槽和第二沟槽；
e)在半导体层的前侧上，形成包括与填充每个第一沟槽的第一导电材料接触的过孔的互连结构；
f)在堆叠中刻蚀腔，以暴露出填充第一沟槽中的每一个的第一导电材料；以及
g)利用第二导电材料填充所述腔。
根据实施例，在步骤b)中，在前侧上形成包括第一开口和第二开口的掩膜层，第一开口比第二开口更宽。
根据实施例，所述堆叠连续地包括安置在背侧上的第一氧化硅层、氮化硅层和第二氧化硅层，并且在步骤b)中，刻蚀第一沟槽直到第二氧化硅层中，在步骤f)中使用氮化物层作为刻蚀停止层。
前述的和其他特征和优点将在下面的与附图相关的特定实施例的非限制性描述中详细地讨论。
附图说明
图1是示意性地示出图像传感器的示例的横截面图；
图2是示意性地示出图像传感器的实施例的横截面图；以及
图3A到图3E是图示图2的图像传感器的制造方法的连续步骤的简化横截面图。
具体实施方式
在各个附图中，已经利用相同的附图标记指定相同的元件并且进一步地，各个附图不成比例。
在下面的描述中，当参考由诸如“左手”、“右手”、“底部”、“上方”、“下方”、“上”、“下”等的描述定位和定向的术语构成时，参考在参考的附图中的有关的元件的代表。
图1是示意性地示出图像传感器的示例的横截面图。
图像传感器包括P型掺杂的半导体层1，半导体层1具有旨在接收光照并且涂覆有绝缘层3的它的背侧F1并且具有涂覆有互连结构5的它的前侧F2。在支撑7上安装半导体层1、绝缘层3和互连结构的组件，互连结构在支撑7和半导体层1之间延伸。仅部分示出的互连结构5由通过过孔13所穿过的绝缘层11分离的金属层9的部分形成。
在图1的右手侧上，半导体层1包括光电二极管15和形成在前侧F2上的诸如晶体管的部件。与像素和晶体管的栅极17对应的两个光电二极管被示出。每个光电二极管包括形成在半导体层1中的N型掺杂的层19。绝缘层3被用作抗反射层并且在每个光电二极管15的前面涂覆有顶上具有透镜23的彩色滤光片21。由内衬有绝缘层29的半导体材料27制成的壁25从半导体层1的前侧F2穿过半导体层1延伸并且将光电二极管彼此分离。在前侧F2的水平处，图像传感器部件和壁25的导电材料27与互连结构5的过孔13接触。
在图1的左手侧上，绝缘连接31使得能够在互连结构5的元件和形成在图像传感器的背侧上的未示出的焊盘之间创建接触。绝缘连接31由具有涂覆有绝缘层35的它的侧壁的开口33以及涂覆绝缘层35和开口33的底部的金属层37形成。开口33比壁25更宽，例如，是壁23的100倍宽。开口33从绝缘层的堆叠3的暴露的表面延伸直到半导体层1的前侧F2并且穿过在半导体层1的前侧F2上形成在半导体层1中的氧化硅层39。在开口33的底部处，金属层37与通过过孔13连接到互连结构的元件的掺杂多晶硅层41接触。
在实践中，该图像传感器包括许多绝缘连接31，并且在未示出的俯视图中，绝缘连接31被布置在图像传感器的具有光电二极管15和形成在其中的相关联的部件的中心区域的周围。
为了制造图1的图像传感器，从半导体层1的前侧F2形成壁25，在此之后在侧F2上形成互连结构。然后在如在图1中示出的支撑7上安装半导体层1和互连结构5的组件。然后，只有开口33通过反应离子刻蚀从堆叠3的暴露的表面或者传感器的背侧形成，并且绝缘连接31在开口33中形成。
该制造方法意味着提供从传感器的背侧执行的连续的步骤以形成开口33和从该背侧延伸到半导体层的前侧F2的绝缘连接31。这使传感器制造方法变得复杂并且带来数个缺点。由于开口从传感器的背侧形成并且它们具有显著的宽度(目前大于50μm的边长或直径)的这一事实，要获得具有平坦背侧的传感器是困难的，这使在该侧上形成滤光片21和透镜23变得复杂。通过反应离子刻蚀形成开口33将固定电荷引入到半导体层1中并且到传感器的部件中，这扰乱了它的正常操作。进一步地，在刻蚀开口33时，可能过刻蚀多晶硅层41，这可能使在互连结构5和绝缘连接31之间的电连接的质量降低。
图2是示出图像传感器的实施例的横截面图。
图像传感器在支撑7上包括互连结构5、P型掺杂的半导体层1和绝缘层的堆叠3。元件1、3、5和7以与图1中相同的方式相对于彼此布置。更特别地，在该示例中，堆叠3连续地包括绝缘层51、53和55，层51安置在半导体层1的背侧F1上。
在图2的右手侧上，传感器包括光电二极管15、诸如晶体管的部件、将光电二极管分离的壁25和与光电二极管相对地安置在堆叠3上的滤光片21，每个过滤器顶上具有透镜23。如之前描述的，壁25由内衬有绝缘层29的并且从半导体层1的前侧F2穿过半导体层1延伸的导电材料27制成。在该示例中，壁25穿透到堆叠3的绝缘层53中。在前侧F2的水平处，图像传感器部件和壁25连接到互连结构5的过孔13。
在图2的左手侧上，由侧面内衬有绝缘层29的导电材料27制成的指57使得能够在互连结构5的元件和形成在图像传感器的背侧上的金属焊盘59之间创建接触。每个指57从半导体层1的前侧F2延伸并且穿透到焊盘59中，并且指的穿透到焊盘中的部分没有内衬绝缘层29。金属焊盘59与传感器的背侧齐平，并且在该示例中沿着绝缘层55的整个高度延伸。在前侧F2上，半导体层1可以包括利用内衬每个指57的下部部分的绝缘体61来填充的浅凹槽。在前侧F2的水平处，指57通过过孔13连接到互连结构5的元件。因此，指57被用作形成在传感器的背侧上的焊盘59和布置在半导体层1的前侧F2上的互连结构的过孔13之间的绝缘连接。
图3A到图3E是图示图2的图像传感器的实施例的连续步骤的简化横截面图。
图3A示出了连续地包括半导体层1，连续的绝缘层51、53和55的堆叠3和诸如硅晶圆的柄或支撑63，安置在半导体层1的侧F1上的绝缘层51的结构。在半导体层1的与它的侧F1相对的侧F2上已经沉积了掩膜层65。掩膜层65在期望形成指和壁的位置分别包括开口67和69。在该示例中，半导体层包括在侧F2上、在开口67上方形成的由绝缘体61填充的浅凹槽。分别通过从开口67和开口69刻蚀，同时形成穿过半导体层1直到绝缘层51、53和55的堆叠3中的沟槽71和沟槽73。开口67被选为比开口69更宽使得沟槽71比沟槽73更深。在该示例中，沟槽71穿过绝缘层51和53并且穿透到绝缘层55中，并且沟槽73穿过绝缘层51并且穿透到绝缘层53中。
半导体层1可以由硅、锗或能够形成图像传感器的任何其他半导体材料制成。在该示例中，层1是P型掺杂的。堆叠3可以由通过热氧化形成的氧化硅层51、氮化硅层53和沉积氧化硅层55形成。沟槽71和73的宽度例如小于2μm，优选地小于0.5μm并且可以分别等于0.35μm和0.2μm。半导体层1的厚度可以在从2μm到5μm的范围内，并且例如等于3μm。热氧化层51的厚度可以在从5nm到20nm的范围内，并且例如等于7.5nm。氮化硅层53的厚度可以在从30nm到80nm的范围内，并且例如等于55nm。沉积氧化层55的厚度可以在从80nm到200nm的范围内，并且例如等于100nm。
图3B示出了在沉积了覆盖沟槽71和沟槽73的壁的绝缘层29，并且随后沉积了填充沟槽71和沟槽73的导电材料27的层之后的图3A的结构。由此形成绝缘连接的指57以及绝缘的导电壁25。已经从表面F2去除了材料27、绝缘层29和掩膜层65。在形成壁25和指57之前或之后，在半导体层1中、从它的表面F2形成图像传感器部件。例如，这些部件包括：每个均包括在壁25之间延伸的N型掺杂的层19的光电二极管15，以及图示出其栅极17的晶体管。
作为示例，导电材料27可以是例如P型的重掺杂的多晶硅，其中掺杂剂原子浓度可以大于1019at.cm-3。绝缘层29由涂覆有用作扩散壁垒的氮化硅层的氧化硅层形成。绝缘层29的厚度可以在从5nm到30nm的范围，例如等于25nm。
图3C示出了通过沉积和刻蚀绝缘层11和金属层的连续的步骤在半导体层1的侧F2上形成互连结构5之后的图3B的结构。执行这些步骤使得互连结构5包括连接到图像传感器的部件并且连接到壁25和指57的导电材料27的元件，例如过孔13。
图3D示出了翻转并且固定到诸如硅晶圆的柄或支撑7的图3C的结构，其中互连结构5在支撑7和半导体层1之间延伸。支撑63已经被去除。在指57上方，已经在绝缘堆叠3中刻蚀出腔79，使得每个指57的导电材料27的一部分突出到腔79的底部上方。在该示例中，使用堆叠3的绝缘层53作为刻蚀停止层，并且腔79沿着绝缘层55的整个高度延伸。
图3E示出了在腔79中形成例如包括顶上具有铝层的钽和/或氮化钽层的导电焊盘59之后的图3D的结构。焊盘59与堆叠3的暴露的表面齐平，并且传感器具有平坦的背侧。在接下来未示出的步骤中，在传感器的与每个光电二极管相对的背侧上形成顶上具有透镜23的彩色滤光片21的组件。
如之前联系着图3A到图3E所描述的，在制造图2中的类型的图像传感器的方法中，从半导体层1的同一前侧F2同时形成绝缘的导电壁25和由指57形成的绝缘连接。
从传感器的前侧同时形成这种绝缘的导电壁25和连接的指57具有许多优点。首先，与图1中的类型的传感器相比，它导致图2中的类型的图像传感器的制造步骤的数量的减少。另一个优点是传感器的背侧是平坦的并且因此在该表面上形成彩色滤光片21和透镜23的步骤比在图1中的类型的传感器中更容易实施。
进一步地，为了将图1中的类型的绝缘连接与图2中的类型的绝缘连接进行比较，由发明人执行的测试已经示出图2中的类型的绝缘连接具有小于图2中的类型的绝缘连接的总的接入电阻。这可以特别地归因于图2中的类型的绝缘连接的导电指57和互连结构5的过孔13之间的接触电阻特别地低的事实。
已经描述特定实施例。本领域技术人员将容易想到各种替换、修改和改进。特别地，应当理解，在该半导体层中形成不同于图像传感器的器件(例如，不包括光电二极管的器件)的情况下，指57可以用作在半导体层两个相对侧之间的绝缘连接。
之前作为示例指示的各种区域的尺寸、导电类型和材料可以由本领域技术人员做适应性调整。例如，半导体层1可以是N型掺杂的、然后每个光电二极管15的层19是P型掺杂的。也可以提供包括除了之前指示的那些以外的其他层的绝缘层的堆叠3。
可以修改、增加或删减制造方法的步骤，并且执行这些步骤的顺序可以由本领域技术人员做适应性调整。特别地，开口69和开口71的宽度可以根据期望形成的沟槽71和沟槽73的厚度做适应性调整，并且这些沟槽可以穿透到绝缘层的堆叠3中直到与之前指出的那些不同的水平。在半导体层1中可以不形成绝缘体61。
这种替换、修改和改进旨在成为本公开的一部分并且旨在落入本发明的精神和范围内。因此，前文的描述是仅仅通过示例的方式，并且不旨在限制。本发明仅按照在以下权利要求及其等价方案中限定的而被限制。
Claims (9)
1.一种图像传感器，包括：
半导体层(1)；
绝缘层(51、53、55)的堆叠(3)，安置在所述半导体层的背侧(F1)上；
导电层部分(59)，沿着所述堆叠(3)的高度的一部分延伸并且与所述堆叠的暴露的表面齐平；
侧面绝缘的导电指(57)，从所述半导体层(1)的前侧(F2)穿过所述半导体层(1)延伸并且穿透到所述导电层部分(59)中；
侧面绝缘的导电壁(25)，将像素区域分离，这些壁从所述半导体层(1)的前侧(F2)穿过所述半导体层(1)延伸并且具有低于所述指(57)的高度；以及
互连结构(5)，安置在所述半导体层(1)的前侧(F2)上并且包括与所述指(57)接触的过孔(13)。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述半导体层(1)由硅制成。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述堆叠连续地包括安置在所述背侧(F1)上的第一氧化硅层(51)、氮化硅层(53)以及第二氧化硅层(55)。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其中所述壁(25)穿过所述第一氧化硅层(51)并且穿透到所述氮化硅层(53)中，所述指(57)穿过所述第一氧化硅层和所述氮化硅层，并且所述导电层部分(59)沿着所述第二氧化硅层(55)的整个高度延伸。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述壁和所述指由内衬有绝缘层(29)的掺杂多晶硅(27)制成。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述壁(25)和所述指(57)的宽度小于0.5μm。
7.一种制造图像传感器方法，包括以下连续步骤：
a)在半导体层的背侧(F1)上形成绝缘层(51、53、55)的堆叠(3)；
b)从所述半导体层的前侧(F2)同时刻蚀出第一沟槽(71)和比所述第一沟槽更浅的第二沟槽(73)，所述第一沟槽穿透到所述堆叠中，所述第二沟槽将所述图像传感器的像素区域分离；
c)在所述第一沟槽和所述第二沟槽的壁上形成绝缘层(29)；
d)利用第一导电材料(27)填充所述第一沟槽和所述第二沟槽；
e)在所述半导体层(1)的所述前侧(F2)上，形成互连结构(5)，所述互连结构包括与填充每个第一沟槽(71)的所述第一导电材料接触的过孔(13)；
f)在所述堆叠中刻蚀出腔(79)以暴露填充所述第一沟槽(71)中的每个沟槽的所述第一导电材料(27)；以及
g)利用第二导电材料(59)填充所述腔。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其中在步骤b)中，在所述前侧(F2)上形成包括第一开口(67)和第二开口(69)的掩膜层(65)，所述第一开口比所述第二开口(69)更宽。
9.根据权利要求7所述的制造方法，其中所述堆叠(3)连续地包括安置在背侧(F1)上的第一氧化硅层(51)、氮化硅层(53)和第二氧化硅层(55)，并且在步骤b)处，刻蚀所述第一沟槽直到所述第二氧化硅层中，在步骤f)处使用所述氮化硅层作为刻蚀停止层。
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