CN207303098U - 背面照明图像传感器 - Google Patents

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Abstract

背面照明图像传感器包括在衬底上形成的光电二极管、在衬底的正面表面上形成的第一绝缘层、在第一绝缘层上形成的焊盘和在第一绝缘层和焊盘上形成的第二绝缘层。焊盘由穿过衬底和第一绝缘层的开口部分暴露，且焊盘的边缘部由第一和第二绝缘层支撑。

Description

背面照明图像传感器
技术背景
本公开涉及背面照明图像传感器。
通常，图像传感器是将光学图像转换成电信号的半导体装置，且可归类或划分为电荷耦合器件(CCD)或CMOS图像传感器(CIS)。
CMOS图像传感器包括单位像素，每个单位像素包括光电二极管和MOS晶体管。CMOS图像传感器使用切换方法依次检测单位像素的电信号，由此形成图像。CMOS图像传感器可划分为正面照明图像传感器和背面照明图像传感器。
正面照明图像传感器可包括在衬底上形成的光电二极管、在衬底正面表面上形成的晶体管、在衬底正面表面上形成的布线层和在布线层上形成的色彩滤光片和微透镜阵列。
同时，背面照明图像传感器与正面照明图像传感器相比可具有改进的光接收效率。背面照明图像传感器可包括在衬底正面表面上形成的晶体管和布线层、在衬底背面表面上形成的光阻图案和绝缘层、在绝缘层上形成的钝化层和在钝化层上形成的色彩滤光片和微透镜阵列。
另外，背面照明图像传感器可包括在绝缘层上形成的焊盘，且钝化层可在焊盘上形成且可具有暴露焊盘的开口。焊盘可通过衬底和绝缘层的超级接触与衬底正面表面上的布线层连接。然而，当焊盘具有相对薄的厚度时，焊盘可在线接合工艺中被损坏或从衬底上剥离。
发明内容
本公开体提供具有改进焊盘的背面照明图像传感器。
根据一些示范实施例，背面照明图像传感器可包括设置在衬底上的光电二极管、设置在衬底正面表面上的绝缘层和设置在绝缘层上的焊盘，且焊盘可通过穿过衬底和绝缘层的开口部分暴露。
根据一些示范实施例，背面照明图像传感器还可包括设置在绝缘层上的金属布线层，且焊盘可由与金属布线层相同的材料制成。
根据一些示范实施例，背面照明图像传感器还包括第二绝缘层和第二焊盘，其中第二绝缘层设置在绝缘层、焊盘和金属布线层上且具有部分暴露焊盘的第二开口，且第二焊盘设置在由第二开口所暴露的焊盘的部分和第二绝缘层上。
根据一些示范实施例，焊盘的边缘部可设置在绝缘层和第二绝缘层之间。
根据一些示范实施例，背面照明图像传感器还可包括设置在第二绝缘层上的第二金属布线层，且第二焊盘可由与第二金属布线层相同的材料制成。
根据一些示范实施例，背面照明图像传感器还包括第三绝缘层和第三焊盘，其中第三绝缘层设置在第二绝缘层、第二焊盘和第二金属布线层上且具有部分暴露第二焊盘的第三开口，且第三焊盘设置在由第二开口所暴露的第二焊盘的部分和第三绝缘层上。
根据一些示范实施例，背面照明图像传感器还可包括设置在第三绝缘层上的第三金属布线层，以及设置在第三绝缘层、第三焊盘和第三金属布线层上的第四绝缘层。在此，第三焊盘可由与第三金属布线层相同的材料制成。
根据一些示范实施例，衬底可具有第一导电类型，光电二极管可具有第二导电类型，且具有第一导电类型的正面钉扎层可设置在衬底的正面表面和光电二极管之间。
根据一些示范实施例，具有第一导电类型的背面钉扎层可设置在衬底背面表面和光电二极管之间。
根据一些示范实施例，背面照明图像传感器还可包括设置在衬底背面表面上的色彩滤光片和设置在色彩滤光片上的微透镜。
根据一些示范实施例，背面照明图像传感器还可包括设置在衬底背面表面上的抗反射层、设置在抗反射层上的光阻图案和设置在抗反射层和光阻图案上的钝化层。此时，色彩滤光片可设置在钝化层上，且开口可穿过钝化层和抗反射层。
根据一些示范实施例，背面照明图像传感器还可包括设置在色彩滤光片和钝化层之间的第五绝缘层。
上述关于本公开的概括不意图描述本公开的每一所示实施例或所有实施方式。下文中的详细说明和权利要求更具体地展示了这些实施例。
附图说明
从结合附图的以下说明中可更详细地理解示范实施例，其中附图如下：
图1是显示根据本公开一示范实施例的背面图像传感器的截面图；且
图2-16是显示图1中所示的背面照明图像传感器的制备方法的截面图。
尽管各种实施例可修改成不同的修改和替代形式，其具体实施例已通过附图中的示范例的形式被示出且将予以详细说明。但是，应理解，其意图不在于将所主张的发明限定在所述的特定实施例。相反，其意图是涵盖落入由权利要求限定的主题的实质和范围内的所有修改、等值和替代。
具体实施例
下文中，本发明的实施例将参照附图予以详细说明。然而，本发明不限于以下所述的实施例且可以多种其他形式实施。以下实施例被提供不旨在完整完成本发明，而在于将本发明的范围完整传达给本领域的技术人员。
在说明书中，当提及一个元件在另一元件或层之上或连接至另一元件或层，其可直接在另一元件或层之上或直接连接至另一元件或层，或可存在中间元件或层。相反，应理解当提及一元件直接在另一元件或层之上或直接连接至另一元件或层，则是指不存在中间元件。另外，尽管诸如第一、第二和第三之类的术语在本发明的各种实施例中被用于描述各种区域或层，该区域或层不限于上述术语。
以下使用的技术术语仅用于描述特定的实施例，但不限制本发明。此外，除非本文另有限定，包括技术或科学术语在内的所有的术语可具有本领域技术人员所通常理解的含义。
本发明的实施例是参照理想实施例的示意图来说明的。相应地，从附图形式中可预期制备方法的改变和/或可允许的错误。相应地，本发明的实施例并未描述成限定与附图中的特定形式或区域，且包括所述形式的变形。该区域可以完全是示意性的，且其形式可不描述或描绘任何给定区域的精确形式或结构，且不意图限制本发明的范围。
图1是显示根据本公开一示范实施例的背面照明图像传感器的截面图。
参照图1，根据本公开一示范实施例，背面照明图像传感器100可包括在衬底102上形成且用作电荷聚集区的光电二极管120、在衬底102的正面表面102A上形成的第一绝缘层130和在第一绝缘层130上形成的第一焊盘134。第一焊盘134可由穿过衬底102和第一绝缘层130的第一开口132暴露。
尤其地，第一开口132可部分暴露第一焊盘134的背面表面134B且可比第一焊盘134的宽度窄。例如，第一焊盘134的宽度可以在约40μm-约120μm之间，且第一开口132的宽度可以是第一焊盘132宽度的约50％-约90％且其深度为约2μm-约4μm。
衬底102可具有第一导电类型。例如，衬底102可具有p型外延层106。替代性地，p型衬底可用作衬底102。
光电二极管120可具有第二导电类型。例如，光电二极管120可以是在衬底102上形成的n型掺杂区。另外，具有第一导电类型的正面钉扎层122可在衬底102的正面表面102A和光电二极管120之间形成，且具有第一导电类型的背面钉扎层124可在衬底102的背面表面102B和光电二极管120之间形成。例如，正面和背面钉扎层122和124可以是p型掺杂区。
高浓度掺杂区126可在衬底102的正面表面部102A中形成，且栅结构可在衬底102的正面表面102A上形成。栅结构可包括衬底102的正面表面102A的栅绝缘层110、在栅绝缘层110上形成的栅电极112以及在栅电极112的侧表面上形成的栅间隙壁(gate spacers)114。高浓度掺杂区126可与光电二极管120分隔开，且栅结构可设置在衬底102的正面表面102A上光电二极管120和高浓度掺杂区126之间。
例如，n型高浓度掺杂区126可在衬底102的正面表面部中形成。高浓度掺杂区126可在背面照明图像传感器100是4T(或多于四个晶体管)布局时用作浮置扩散区，或在背面照明图像传感器100是3T(或少于三个晶体管)布局时可用作连接光电二极管120与复位电路的有源区。此外，栅电极112可在背面照明图像传感器100是4T(或多于四个晶体管)布局时用作传送栅电极，或在背面照明图像传感器100是3T(或少于三个晶体管)布局时可用作复位栅电极。
与光电二极管120电连接的第一金属布线层136可在第一绝缘层130上形成，且第一焊盘134可由与第一金属布线层136相同的材料制成。例如，第一金属布线层(未示出)在第一绝缘层130上形成，且第一焊盘134和第一金属布线层136可同时通过图案化第一金属层来形成。
第二绝缘层140可在第一绝缘层130、第一焊盘134和第一金属布线层136上形成，且可具有第二开口142(见图6)，以部分暴露第一焊盘134的正面表面134A。第二焊盘144可在由第二开口142所暴露的第一焊盘134的部分和第二绝缘层140上形成。此外，第二金属布线层146可在第二绝缘层140上形成且可由与第二焊盘144相同的材料制成。例如，第二金属层(未示出)以类似的方式在第二绝缘层140、第二开口142的内表面以及由第二开口142所暴露的第一焊盘134的一部分上形成，且第二焊盘144和第二金属布线层146可同时通过图案化第二金属层来形成。
第三绝缘层150可在第二绝缘层140、第二焊盘144和第二金属布线层146上形成，且可具有第三开口152(见图8)，以部分暴露第二焊盘144。第三焊盘154可在由第三开口152所暴露的第二焊盘144的一部分和第三绝缘层150上形成。此外，第三金属布线层156可在第三绝缘层150上形成，且可由与第三焊盘154相同的材料制成。例如，第三金属层(未示出)可以类似的方式在第三绝缘层150、第三开口152的内表面和由第三开口152所暴露的第二焊盘144的一部分上形成，且第三焊盘154和第三金属布线层156可同时通过图案化第三金属层形成。此外，第四绝缘层160可在第三绝缘层150、第三焊盘154和第三金属布线层156上形成。
例如，第一、第二、第三和第四绝缘层130、140、150和160可由氧化硅形成，且第一、第二、和第三焊盘134、144和154和第一、第二、和第三金属布线层136、146和156可由诸如铝(Al)、铜(Cu)等金属形成。尤其地，第一焊盘134与传统工艺相比可具有相对厚的厚度。例如，第一焊盘134具有的厚度可以是约-约，第二焊盘144具有的厚度可以是约-约，且第三焊盘154具有的厚度可以是约-约。
抗反射层170可在衬底102的背面表面102B上形成。例如，抗反射层170可由氮化硅制成。光阻图案172可在抗反射层170上形成以减少背面照明图像传感器100的串扰，且钝化层174可在抗反射层170和光阻图案172上形成。
第一开口132可形成以穿过钝化层174和抗反射层170。也即是，第一开口132可穿过钝化层174、抗反射层170、衬底102和第一绝缘层130，且因此第一焊盘134的背面表面134B可以由第一开口132部分暴露。
第五绝缘层180可以在钝化层170上形成。例如，第五绝缘层180可由氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等制成。色彩滤光片190可在第五绝缘层180上形成，且微透镜192可在色彩滤光片190上形成。尤其地，第五绝缘层180可以类似的方式在钝化层174、第一开口132的内表面和由第一开口132所暴露的第一焊盘134的部分上形成，且可用作焊盘保护层，用于在形成色彩滤光片190和微透镜192的同时保护第一焊盘134。此外，在形成色彩滤光片190和微透镜192之后，第五绝缘层180的一部分可被移除，以使第一焊盘134由第一开口132部分暴露。
线(wire)200可通过第一开口132结合至第一焊盘134上。替代性地，焊球或焊料凸点可在由第一开口132所暴露的焊盘134的背面部分上形成。
根据当前示范实施例，第一开口132可具有较第一焊盘134窄的宽度。因此，第一焊盘134的边缘部可在第一和第二绝缘层130和140之间被暴露，且因此第一焊盘134可由第一和第二绝缘层130和140稳定地保持。
此外，第二焊盘144的边缘部可在第二和第三绝缘层140和150之间被暴露，且第三焊盘154的边缘部可在第三和第四绝缘层150和160之间被暴露。因此，第一、第二和第三焊盘134、144和154可由第一、第二、第三和第四绝缘层130、140、150和160强有力地支撑，且因此第一焊盘134可在线接合工艺过程中防止被损坏或从衬底102上剥离。
图2-16是显示图1中所示的背面照明图像传感器的制备方法的截面图。
参照图2，器件隔离区108可在衬底102的正面表面部形成，以限定背面照明图像传感器100的源区。衬底102可包括主体硅衬底104和在主体硅衬底104上形成的第一导电类型的外延区106。例如，衬底102可包括p型外延区106。替代性地，p型衬底可用作衬底102。
器件隔离区108可由氧化硅制成且可通过浅沟槽隔离(STI)工艺形成。例如，浅沟槽可在衬底102的正面表面部中形成且随后填充氧化硅以形成器件隔离区108。
栅隔离层110和栅电极112可在衬底102的正面表面102A上形成，且栅间隙壁114可在栅电极112的侧表面上形成。栅电极112可在4T布局时用作传送栅电极且在3T布局时可用作复位栅电极。此外，源极跟随器栅、选择栅等可与栅电极112一同在衬底102的正面表面102A上形成。
参照图3，第二导电类型的光电二极管120可在衬底102上形成。例如，用作n型光电二极管120的n型掺杂区可在p型外延层106中通过离子注入工艺形成。随后，具有第一导电类型的正面钉扎层122可在衬底102的正面表面102A和光电二极管120之间形成。例如，用作p型正面钉扎层122的p型掺杂区可通过离子注入工艺形成。n型光电二极管120和p型正面钉扎层122可通过快速热处理工艺激活。
参照图4，具有第二导电类型的高浓度掺杂区126可在衬底102的正面部中形成，与光电二极管120分隔开。例如，n型高浓度掺杂区126可通过离子注入工艺在衬底102的正面部中形成。高浓度掺杂区126可在4T布局时用作浮置扩散区且在3T布局时可用作连接光电二极管120与复位电路的源区。
同时，栅电极112可设置在衬底102的正面表面102A上光电二极管120和高浓度掺杂区126之间。
参照图5，第一绝缘层130可在衬底102的正面表面102A上形成，且第一焊盘134和第一金属布线层136可随即在第一绝缘层130上形成。例如，第一绝缘层130由氧化硅制成，且第一焊盘134和第一金属布线层136由导电金属如铝(Al)、铜(Cu)等制成。尤其地，第一焊盘134可与第一金属布线层136同时形成。例如，第一金属层(未示出)可在第一绝缘层130上形成且随即被图案化以形成第一焊盘134和第一金属布线层136。
参照图6，第二绝缘层140可在第一绝缘层130、第一焊盘134和第一金属布线层136上形成。然后，第二开口142可通过图案化第二绝缘层140形成以部分暴露第一焊盘134的正面表面134A。尤其地，第一焊盘134的边缘部，即除了由第二开口142所暴露的第一焊盘134的一部分之外的其他部分可设置在第一和第二绝缘层130和140之间。因此，第一焊盘134可由第一和第二绝缘层130和140稳定地支撑。
参照图7，第二焊盘144可在由第二开口142所暴露的第一焊盘134的部分和第二绝缘层140上形成。此外，第二金属布线层146可在第二绝缘层140上形成。第二焊盘144可与第二金属布线层146同时形成。例如，第二金属层(未示出)可在第二绝缘层140、第二开口142的内表面和由第二开口142所暴露的第一焊盘134的部分上形成，且随即被图案化以形成第二焊盘144和第二金属布线层146。尤其地，第二焊盘144的边缘部可设置在第二绝缘层140上。
参照图8，第三绝缘层150可在第二绝缘层140、第二焊盘144和第二金属布线层146上形成。随后，第三开口152可通过图案化第三绝缘层150形成以部分暴露第二焊盘144。尤其地，第二焊盘144的边缘部，即除了由第三开口152所暴露的第二焊盘144的一部分之外的其他部分可设置在第二和第三绝缘层140和150之间。因此，第二焊盘144可由第二和第三绝缘层140和150稳定地支撑。
参照图9，第三焊盘154可在由第三开口152所暴露的第二焊盘144的部分和第三绝缘层150上形成。此外，第三金属布线层156可在第三绝缘层150上形成。第三焊盘154可与第三金属布线层156同时形成。例如，第三金属层(未示出)可在第三绝缘层150、第三开口152的内表面和由第三开口152所暴露的第二焊盘144的部分上形成，且随即被图案化以形成第三焊盘154和第三金属布线层156。尤其地，第三焊盘154的边缘部可设置在第三绝缘层150上。
参照图10，第四绝缘层160可在第三绝缘层150、第三焊盘154和第三金属布线层156上形成。因此，第三焊盘154可由第三和第四绝缘层150和160稳定地支撑。
尤其地，第一、第二和第三焊盘134、144和154如图10所示地彼此连接，且另外第一、第二和第三焊盘134、144和154的边缘部由第一、第二、第三和第四绝缘层130、140、150和160强有力地支撑。因此，在执行线接合工艺的过程中，可防止第一焊盘134被损坏或从衬底102上剥离。
参照图11，可执行背面研磨工艺或化学和机械抛光工艺以减少衬底102的厚度。例如，主体硅衬底104可通过背面研磨工艺被移除。在执行背面研磨工艺之后，可执行湿法蚀刻工艺以从衬底102的背面表面102B上移除污染物。
参照图12，具有第一导电类型的背面钉扎层124可在衬底102的背面表面102B和光电二极管120之间形成。例如，用作p型背面钉扎层124的P型掺杂区可通过离子注入工艺形成，且可随即通过激光退火工艺被激活。
可替代地，背面钉扎层124可在光电二极管120之前形成。例如，在形成背面钉扎层124之后，光电二极管120可在背面钉扎层124上形成，且正面钉扎层122可随即在光电二极管120上形成。在此情况下，背面钉扎层124可与光电二极管120和正面钉扎层122一起通过快速热处理工艺激活。
参照图13，抗反射层170可在衬底102的背面表面102B上形成，且光阻图案172可在抗反射层170上形成。例如，抗反射层170可由氮化硅制成，且光阻图案172可由金属如钨(W)制成，且光阻图案172可设置在如图3所示的光电二极管120之间，以减少背面照明图像传感器100的串扰。
此外，钝化层174可在抗反射层170和光阻图案172上形成。钝化层174可由氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等制成，且可用作平坦化层。
参照图14，钝化层174、抗反射层170、衬底102和第一绝缘层130可通过反应离子刻蚀(RIE)工艺被部分移除，以形成用以部分暴露第一焊盘134的背面表面134B的第一开口132。
尤其地，第一开口132具有的宽度可窄于第一焊盘134，以使第一焊盘134的边缘部由第一绝缘层130支撑，如图4所示。例如，第一焊盘134可具有的宽度为约40μm-约120μm，且第一开口132可具有的宽度为第一焊盘134的约50％-约90％且可具有的深度为约2μm-约4μm。
参照图15，第五绝缘层180可以类似的方式在钝化层174、第一开口132的内表面和由第一开口132所暴露的第一焊盘134的背面部分上形成。例如，第五绝缘层180可以是通过化学蒸汽沉积(CVD)工艺形成的氧化硅层或氮化硅层。
参照图16，色彩滤光片190和微透镜192可依次在第五绝缘层180上形成。此时，第五绝缘层180可用作焊盘保护层，用以在形成色彩滤光片190和微透镜192的过程中保护第一焊盘134。
在形成色彩滤光片190和微透镜192之后，第五绝缘层180的一部分可被移除，以使第一焊盘134的背面部分通过第一开口132被暴露，如图1所示。然后，线可结合至第一焊盘134的背面部分，或焊球或凸点可在第一焊盘134的背面部分上形成。
替代性地，第一开口132可在形成色彩滤光片190和微透镜192之后形成。在此情况下，形成第五绝缘层180的步骤可被省略。
根据如上所述的本公开的示范实施例，背面照明图像传感器100可包括在衬底102上形成的光电二极管120、在衬底102的正面表面102A上形成的第一绝缘层130和在第一绝缘层130上形成的第一焊盘134。第一焊盘134的背面表面134B可由穿过衬底102和第一绝缘层130的第一开口132部分暴露。
具有用以部分暴露第一焊盘134的正面表面134A的第二开口142的第二绝缘层140可在第一绝缘层130和第一焊盘134上形成，且第二焊盘144可在由第二开口142所暴露的第一焊盘134的正面部分和第二绝缘层140上形成。此外，具有用以部分暴露第二焊盘144的第三开口152的第三绝缘层150可在第二绝缘层140和第二焊盘144上形成，且第三焊盘154可在由第三开口152所暴露的第二焊盘144的一部分和第三绝缘层150上形成。此外，第四绝缘层160可在第三绝缘层150和第三焊盘154上形成。
因此，第一、第二和第三焊盘134、144和154可彼此连接，且第一、第二和第三焊盘134、144和154可由第一、第二、第三和第四绝缘层130、140、150和160稳定地支撑。因此，可防止在线被结合至由第一开口132所暴露的第一焊盘134的背面部分上时第一焊盘134被损坏或从衬底102上剥离。
尽管背面照明图像传感器100及其制备方法是参照特定实施例予以说明的，但其不限于所述实施例。因此，本领域的技术人员将理解，可对其作出各种修改和变更而不背离由所附权利要求所限定的本公开的实质和范围。

Claims (12)

1.背面照明图像传感器，包括：
光电二极管，其设置在衬底上；
绝缘层，其设置在所述衬底的正面表面上；和
焊盘，其设置在所述绝缘层上，
其中，所述焊盘由穿过所述衬底和所述绝缘层的开口部分暴露。
2.如权利要求1所述的背面照明图像传感器，还包括：
金属布线层，其设置在所述绝缘层上；
其中所述焊盘由与所述金属布线层相同的材料制成。
3.如权利要求2所述的背面照明图像传感器，还包括：
第二绝缘层，其设置在所述绝缘层、所述焊盘和所述金属布线层上且具有部分暴露所述焊盘的第二开口；
第二焊盘，其设置在由所述第二开口所暴露的所述焊盘的一部分和所述第二绝缘层上。
4.如权利要求3所述的背面照明图像传感器，其中所述焊盘的边缘部设置在所述绝缘层和所述第二绝缘层之间。
5.如权利要求3所述的背面照明图像传感器，还包括：
第二金属布线层，其设置在所述第二绝缘层上，
其中所述第二焊盘由与所述第二金属布线层相同的材料制成。
6.如权利要求5所述的背面照明图像传感器，还包括：
第三绝缘层，其设置在所述第二绝缘层、所述第二焊盘和所述第二金属布线层上且具有部分暴露所述第二焊盘的第三开口；以及
第三焊盘，其设置在由所述第三开口所暴露的所述第二焊盘的一部分和所述第三绝缘层上。
7.如权利要求6所述的背面照明图像传感器，还包括：
第三金属布线层，其设置在所述第三绝缘层上；和
第四绝缘层，其设置在所述第三绝缘层、所述第三焊盘和所述第三金属布线层上，
其中所述第三焊盘由与所述第三金属布线层相同的材料制成。
8.如权利要求1所述的背面照明图像传感器，其中：
所述衬底具有第一导电类型；
所述光电二极管具有第二导电类型；且
具有第一导电类型的正面钉扎层设置在所述衬底的正面表面和所述光电二极管之间。
9.如权利要求8所述的背面照明图像传感器，其中具有第一导电类型的背面钉扎层设置在所述衬底的背面表面和所述光电二极管之间。
10.如权利要求1所述的背面照明图像传感器，还包括：
色彩滤光片，其设置在所述衬底的背面表面上；和
微透镜，其设置在所述色彩滤光片上。
11.如权利要求10所述的背面照明图像传感器，还包括：
抗反射层，其设置在所述衬底的所述背面表面上；
光阻图案，其设置在所述抗反射层上；和
钝化层，其设置在所述抗反射层和所述光阻图案上，
其中所述色彩滤光片设置在所述钝化层上，且所述开口穿过所述钝化层和所述抗反射层。
12.如权利要求11所述的背面照明图像传感器，还包括：
第五绝缘层，其设置在所述色彩滤光片和所述钝化层之间。
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