CN101232031A - 背照式半导体装置与制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种背照式半导体装置与制造方法。上述装置包括：衬底，其具有正面与背面；多个传感器元件，形成于该衬底中，所述多个传感器元件用来接收经引导朝向该背面的光线；以及传感器隔离结构，形成于该衬底中，水平配置于两个相邻的所述传感器元件间，且垂直配置于该背面与正面间。本发明能够减少或排除多个传感器像素之间的干扰。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术，且特别涉及一种背照式半导体装置与其制造方法。
背景技术
在半导体技术中，背照式传感器可用来感应投射至衬底背面的光量。背照式传感器可形成于衬底的正面上，而投射至衬底背面的光线可抵达上述传感器。然而，朝向传感器像素(sensor pixel)的光线也能有一部份被引导至其他像素，因此在多个传感器像素间产生了干扰。因此业界亟需针对背照式传感器和/或相对应衬底进行改良。
发明内容
本发明提供一种背照式半导体装置，包括：衬底，其具有正面与背面；多个传感器元件，形成于该衬底中，所述多个传感器元件用来接收经引导朝向该背面的光线；以及传感器隔离结构，形成于该衬底中，水平配置于两个相邻的所述传感器元件间，且垂直配置于该背面与正面间。
上述背照式半导体装置中，该传感器隔离结构可用来减低所述两个相邻的传感器元件间的光学干扰与电干扰至少其一。
上述背照式半导体装置中，该传感器隔离结构可包括掺杂区。
上述背照式半导体装置中，该掺杂区的掺杂浓度可约为1014-1021原子/cm3。
上述背照式半导体装置中，该传感器隔离结构可使用约-1V至10V的操作偏压。
上述背照式半导体装置中，在操作中该传感器隔离结构可为电性浮接。
上述背照式半导体装置中，该传感器隔离结构可包括插塞。
上述背照式半导体装置中，该插塞可用材料填满，该材料选自以下物质所组成的群组：空气、介电材料、不透光材料、金属材料与上述的组合。
上述背照式半导体装置中，该传感器隔离结构的宽度可为约0.1-10μm，且其深度为该衬底厚度与介电常数材料的约10-90％。
上述背照式半导体装置中，该传感器元件可选自以下器件所组成的群组：CMOS图像传感器、电荷耦合器件传感器、有源像素感测器、无源像素感测器与上述的组合。
上述背照式半导体装置中，该传感器元件可位于该正面，且内连线结构位于该正面上并位于该传感器元件上。
上述半导体装置还可包括微透镜，其位于该背面上以接收朝向该背面的射线且引导该射线至该传感器元件。
本发明提供另一种半导体装置，包括：半导体衬底，其具有正面与背面；传感器元件，位于该正面上；内连线结构，位于该正面上并位于该传感器元件上；以及传感器隔离结构，形成于该半导体衬底中，水平地围绕该传感器元件且垂直地设于该背面与该内连线结构间。
本发明还提供一种制造半导体装置的方法，包括：提供半导体衬底，其具有正面与背面；在该正面上形成传感器元件；在该正面上形成内连线，且该内连线设于该传感器元件上；以及在该半导体衬底中形成传感器隔离结构，该传感器隔离结构水平地围绕该传感器元件且垂直地设于该背面与该内连线结构间。
上述制造半导体装置的方法中，形成该传感器隔离结构可包括形成由材料填满的插塞，该材料选自以下物质所组成的群组：空气、介电材料、不透光材料、金属材料与上述的结合。
上述制造半导体装置的方法中，形成该传感器隔离结构可包括形成掺杂区。
本发明能够减少或排除多个传感器像素之间的干扰。
为了让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，进行详细说明。
附图说明
图1显示本发明实施例的半导体装置的剖面图，其具有多个背照式传感器与传感器隔离结构。
图2显示本发明实施例的半导体装置的俯视图，其具有多个背照式传感器与传感器隔离结构。
其中，附图标记说明如下：
100～半导体装置
110～半导体衬底
120～传感器元件
130～多层内连线
140～层间介电层
150～光线(射线)
160～传感器隔离结构
170～保护层
W～传感器隔离结构160的宽度
D～传感器隔离结构160的深度
具体实施方式
图1显示本发明实施例的半导体装置100的剖面图，半导体装置100具有多个背照式(或背受光)传感器与传感器隔离结构。图2显示实施例半导体装置100的俯视图，半导体装置100具有在半导体装置的背面中形成的多个背照式(或背受光)传感器与传感器隔离结构。为了简化说明，图1的部分结构并未显示于图2中。以下将依照图1与图2来说明半导体装置100。
半导体装置100包括半导体衬底110。上述衬底110包括硅。衬底110可替换地或额外地包括其他元素的半导体，例如锗与钻石。衬底110也包括化合物半导体，例如碳化硅(silicon carbide)、砷化镓(gallium arsenic)、砷化铟(indium arsenic)、磷化铟(indium phosphide)。衬底110也包括合金半导体，例如硅锗(silicon germanium)、碳化硅锗(silicon germaniumcarbide)、磷砷化镓(gallium arsenic phosphide)与磷化锗铟(gallium indiumphosphide)。衬底110可包括多种p型掺杂区和/或n型掺杂区，其可使用例如离子注入(ion implantation)或扩散工艺形成。衬底110可包括此技术领域中熟知的隔离结构，用来隔离形成在衬底110中的不同元件。衬底110可包括其他结构，例如外延层(epi layer)、绝缘层上半导体(semiconductor oninsulator，SOI)结构或上述的组合。
半导体装置100包括形成于半导体衬底110正面“上”的传感器元件120(或传感器像素)。在一实施例中，可将传感器元件配置于衬底110的正面上且延伸进入衬底110中。在另一实施例中，可将传感器元件配置于衬底正面之上。每个传感器元件120可包括光感应区，光感应区可为具有N型和/或P型掺杂物的掺杂区，可通过扩散或离子注入形成于半导体衬底110中。光感应区的掺杂浓度为约1014-1021原子/cm3。光感应区的表面积为相关传感器元件面积的10-80％且用以接收照射于光感应区上的光线(或从被显像的物体来的射线)。传感器120可包括以扩散或其他方式形成于衬底110上的光电二极管(photodiod)、CMOS图像传感器(image sensor)、电荷耦合器件(charge coupling device，CCD)传感器、有源传感器(active sensor)、无源传感器(passive sensor)和/或其他传感器。传感器120可包括传统和/或未来发展出的图像感测装置。传感器元件120可包括多个像素，其配置成传感器阵列或配置在其他合适的结构中。多个传感器像素中，传感器可为不同种类。例如，一组传感器像素为CMOS图像传感器而另一组传感器像素则为无源传感器。此外，传感器元件120可包括彩色图像传感器(color image sensor)和/或单色图像传感器(monochromatic image sensor)。装置100用来接收引导至半导体衬底110背面的光线(或射线)150，以免光径被其他物体(例如栅极结构或金属导线)阻碍，并将照射光线对光感应区的曝光最大化。可薄化衬底110以引导穿过其背面的光线有效地抵达传感器元件120。
半导体装置110还包括连接至传感器元件120的多层内连线(multilayerinterconnect，MLI)130，以使传感器元件120可对照射光线(成像射线(imagingradiation))正确地反应。可在半导体衬底110上形成多层内连线130，且将多层内连线130配置于该半导体衬底的正面并位于传感器元件120上。多层内连线可包括导电材料，例如铝、铝/硅/铜合金、钛、氮化钛、钨、多晶硅、金属硅化物或上述的组合，优选为铝内连线。形成铝内连线的工艺可包括物理气相沉积(或溅镀)、化学气相沉积或上述的组合。其他形成铝内连线的制造技术可包括光刻(photolithography)处理与蚀刻，以将导电材料图案化作垂直(介层孔(via)与接触窗(contact))与水平(导线)的连接。此外，例如热退火(thermal annealing)可使用来形成金属硅化物。或者，可使用铜多层内连线，其包括铜、铜合金、钛、氮化钛、钽、氮化钽、钨、多晶硅、金属硅化物或上述的组合。铜多层内连线可通过包括化学气相沉积、溅镀、电镀或其他适合的工艺来形成。使用于多层内连线的金属硅化物可包括硅化镍、硅化钴、硅化钨、硅化钽、硅化钛、硅化铂、硅化铒、硅化钯或上述的组合。
半导体装置100还包括层间介电层(interlayer dielectric，inter-leveldielectric，ILD)140来隔离位于其中的多层内连线130。层间介电层结构140可包括二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、聚亚酰胺(polyimide)、旋涂玻璃(spin-onglass，SOG)、氟掺杂硅玻璃(fluoride-doped silicate glass，FSG)、碳掺杂氧化硅(carbon doped silicon oxide)、Black
(美国加利福尼亚州SantaClara的Applied Materials公司制造)、干凝胶(Xerogel)、气凝胶(Aerogel)、非晶氟化碳(amorphous fluorinated carbon)、聚对二甲苯(parylene)、双苯并环丁烯(bis-benzocyclobutenes，BCB)、SiLK(美国密歇根州Midland的Dow Chemical公司制造)和/或其他适合的材料。层间介电层140可通过包括旋涂、化学气相沉积、溅镀或其他适合的工艺来形成。多层内连线130与层间介电层140可在包括镶嵌工艺的整合工艺中形成，例如双镶嵌工艺或单镶嵌工艺。
半导体装置100还包括形成于衬底110中的传感器隔离结构160(射线隔离结构或传感器防护环)，且其用来隔离每个传感器元件的目标光线(射线或信号)以及将分散至其他传感器元件的光线最小化。因此减少或排除了多个传感器像素间的干扰。此外，传感器隔离结构160可用来减少在多个传感器像素之间的电性干扰，其中的电子信号可从成像射线信号(imagingradiation signal)转换而成。
从朝向衬底背面的方向俯视，传感器隔离结构160水平配置于两个相邻的该传感器元件间。传感器隔离结构160垂直配置于层间介电层与衬底110的背面间。在图2所示实施例中，传感器隔离结构160是设置成多个方形，且每个方形包围传感器元件。传感器隔离结构160在尺寸上可薄而且深，以占据较小的衬底110面积并提供有效的隔离功能。如图1与图2所示，传感器隔离结构160位于两个相邻的传感器元件之间，且其宽度W约为0.1-10μm。可实质上在衬底背面与层间介电层140之间将传感器隔离结构160垂直延伸。在一实施例中，传感器隔离结构160的深度D为衬底110厚度的约10-90％。从照明与成像效率(imaging efficiency)方面考虑，衬底的厚度约为0.5-500μm。传感器隔离结构160可包括连接或不连接的多个部分，其排列的形式实质上排除了两个相邻传感器元件间的干扰。例如，传感器隔离结构160可包括栅栏结构，栅栏结构具有多个柱状部分，所述多个柱状部分夹设在相邻的传感器元件间且围绕着各个传感器元件。
传感器隔离结构160可包括插塞结构，其中的插塞以适合的材料填满，所填材料包括空气、介电材料、不透光材料、金属材料或上述的组合。介电材料可包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、低介电常数材料或上述的组合。不透光材料可为任何适合的材料，其具有吸收任何越过传感器隔离结构160的成像射线的能力，例如黑色遮蔽材料。金属材料可包括铝、铜、钨、钛、氮化钛、钽、氮化钽、金属硅化物或上述的组合。插塞传感器隔离结构具有在光学上与电性上隔离各个传感器元件的功能。
插塞结构可通过系列的工艺步骤来形成。在一实施例中，使用本技术领域熟知的工艺或未来发展的新技术将衬底图案化，以从衬底背面形成多个沟槽。例如，可在衬底110的背面形成光阻层，并使用光刻工艺(lithographyprocess)将光阻层图案化。可提供各向异性蚀刻技术(例如等离子体蚀刻工艺)以穿过图案化的光阻层中的开口蚀刻衬底，并形成多个沟槽。之后以适合的材料填满沟槽，适合的材料包括介电层、金属、不透光材料或上述的组合。或者，沟槽也可以是空的。
传感器隔离结构160可包括掺杂区，其具有适合的掺杂物。掺杂的传感器隔离结构至少具有在电性上隔离每个传感器元件的功能。传感器隔离结构160的掺杂区的掺杂浓度为约1014-1021原子/cm3。上述掺杂区使用约-1V至10V的操作偏压。或者，在操作中掺杂区为电性浮接(electrically floating)。可通过本技术领域中熟知的方法，例如离子注入，来形成传感器隔离结构的掺杂区。在实施例中，可用硼作为掺杂物来形成传感器隔离结构160中的掺杂区。如果必要的话，为了功能，可使用掺杂区与插塞其中一个，或者是两者共同使用。
装置100可进一步包括保护层(passivation layer)170，此保护层位于多层内连线与层间介电层上。装置100可进一步包括穿透层(transparent layer)，此穿透层附加于半导体衬底110的背面并给该背面以机械性支持，并且在光学性上允许背照光通过。装置100可包括彩色滤光片(color filter)，彩色滤光片夹设在传感器元件120与半导体衬底110的背面之间，用于彩色成像。装置100可包括多个微透镜(micro-lens)，微透镜夹设在传感器元件120与半导体衬底110的背面之间；或假如使用彩色滤光片的话，将微透镜夹设在彩色滤光片与衬底背面之间，以使背照光聚焦于光感应区。传感器隔离结构160可通过多种工艺来形成，而这些工艺与传统工艺技术是相容且可整合在一起的。
在本发明的结构与制作其的方法中，照射光线在应用时不限于可见光束，而是可扩大为其他光学上的光线，例如红外线(infrared，IR)与紫外线(ultraviolet，UV)以及其他适合的射线。因此，可适当地选择与设计传感器隔离结构160，以有效地反射和/或吸收对应射线。
因此本发明提供背照式半导体装置。在一实施例中，上述装置包括衬底，其具有正面与背面；且上述装置具有多个传感器元件，其形成于衬底中。各个传感器元件用来接收经引导朝向衬底背面的光线。上述装置也包括传感器隔离结构，其形成于衬底中，且其水平配置于两个相邻的该传感器元件间，并垂直配置于衬底背面与正面间。
在一些实施例中，传感器隔离结构用来减低两个位置相邻的传感器元件间的光学干扰与电干扰至少其一。传感器隔离结构可包括掺杂区。上述掺杂区的掺杂浓度约为1014-1021原子/cm3。前述传感器隔离结构使用约-1V至10V的操作偏压。或者，可用其他方式设计前述传感器隔离结构以使其在操作中为电性浮接。
在一些实施例中，传感器隔离结构包括插塞。上述插塞可用材料填满，该材料选自以下物质所组成的群组：空气、介电材料、不透光材料、金属材料与上述的组合。上述金属材料可选自以下物质所组成的群组：铝、铜、钨、钛、氮化钛、钽、氮化钽、金属硅化物与上述的组合。上述介电材料可选自以下物质所组成的群组：氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、低介电常数材料与上述的组合。
在一些实施例中，传感器隔离结构的宽度可为约0.1-10μm。传感器隔离结构的深度可为上述衬底厚度与介电常数材料的约10-90％。上述衬底的厚度可为约0.5-500μm。衬底包括一部分选自以下结构所组成的群组：外延层、绝缘层上半导体结构与上述的组合。传感器元件可选自以下器件所组成的群组：CMOS图像传感器、电荷耦合器件传感器、有源像素感测器、无源像素感测器与上述的组合。
在另一实施例中，上述装置包括：半导体衬底，其具有正面与背面；传感器元件，位于衬底正面；内连线结构，位于衬底正面上并位于传感器元件上；以及传感器隔离结构，形成于半导体衬底中，其水平地围绕传感器元件且垂直地设于衬底背面与内连线结构间。
在一实施例中，传感器隔离结构可包括材料，此材料选自以下物质所组成的群组：空气、介电材料、不透光材料、金属材料、掺杂材料与上述的组合。以垂直于半导体装置的方向俯视，传感器隔离结构可实质上包围传感器元件。上述半导体装置可进一步包括微透镜于衬底背面上以接收朝向衬底背面的射线且引导射线至传感器元件。
本发明也提供一种制造半导体装置的方法。在一实施例中，上述方法包括：提供半导体衬底，其具有正面与背面；在衬底正面形成传感器元件；在衬底正面上形成内连线，并将内连线设于传感器元件上；以及在半导体衬底中形成传感器隔离结构，此传感器隔离结构水平地围绕传感器元件且垂直地设于衬底背面与该内连线结构间。
在上述方法的一实施例中，形成传感器隔离结构可包括形成由材料填满的插塞，该材料选自以下物质所组成的群组：空气、介电材料、不透光材料、金属材料与上述的结合。此外形成传感器隔离结构可包括形成掺杂区。
虽然本发明已通过优选实施例公开如上，然而其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，应可作一定的改动与修改，因此本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (15)
1.一种背照式半导体装置，包括：
衬底，其具有正面与背面；
多个传感器元件，形成于该衬底中，所述多个传感器元件用来接收经引导朝向该背面的光线；以及
传感器隔离结构，形成于该衬底中，该传感器隔离结构水平配置于两个相邻的该传感器元件间，且垂直配置于该背面与正面间。
2.如权利要求1所述的背照式半导体装置，其中该传感器隔离结构用来减低所述两个相邻的传感器元件间的光学干扰与电干扰至少其一。
3.如权利要求1所述的背照式半导体装置，其中该传感器隔离结构包括掺杂区。
4.如权利要求3所述的背照式半导体装置，其中该掺杂区的掺杂浓度约为1014-1021原子/cm3。
5.如权利要求3所述的背照式半导体装置，其中该传感器隔离结构使用约-1V至10V的操作偏压。
6.如权利要求3所述的背照式半导体装置，其中在操作中该传感器隔离结构为电性浮接。
7.如权利要求1所述的背照式半导体装置，其中该传感器隔离结构包括插塞。
8.如权利要求7所述的背照式半导体装置，其中该插塞以材料填满，该材料选自以下物质所组成的群组：空气、介电材料、不透光材料、金属材料与上述的组合。
9.如权利要求1所述的背照式半导体装置，其中该传感器隔离结构的宽度为约0.1-10μm，且其深度为该衬底厚度与介电常数材料的约10-90％。
10.如权利要求1所述的背照式半导体装置，其中该传感器元件选自以下器件所组成的群组：CMOS图像传感器、电荷耦合器件传感器、有源像素感测器、无源像素感测器与上述的组合。
11.如权利要求1所述的背照式半导体装置，其中该传感器元件在该正面，且内连线结构位于该正面上并位于该传感器元件上。
12.如权利要求11所述的半导体装置，还包括：微透镜，位于该背面上以接收朝向该背面的射线且引导该射线至该传感器元件。
13.一种制造半导体装置的方法，包括：
提供半导体衬底，其具有正面与背面；
形成传感器元件于该正面；
形成内连线于该正面上，并设于该传感器元件上；以及
形成传感器隔离结构于该半导体衬底中，其水平地围绕该传感器元件且垂直地设于该背面与该内连线结构间。
14.如权利要求13所述的制造半导体装置的方法，其中形成该传感器隔离结构包括形成由材料填满的插塞，该材料选自以下物质所组成的群组：空气、介电材料、不透光材料、金属材料与上述的结合。
15.如权利要求13所述的制造半导体装置的方法，其中形成该传感器隔离结构包括形成掺杂区。
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20080730 |