CN101494231A - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种图像传感器及其制造方法，其中该图像传感器，包括：一基底，包括多个光感测单元形成于其中或其上；多个导光结构，分别对准所述多个光感测单元；以及一堆叠层，包围所述多个导光结构，包括多个具有锐角的顶部，且所述多个顶部与所述多个导光结构的上缘相邻。除了可由此改善光接收效率之外，也可用以防止可能的散射(stray light)光射入邻近的沟槽内所造成的串音(cross－talk)干扰，进而提高光感测单元的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种图像传感器，且特别涉及一种彩色图像传感器的制造方法。
背景技术
许多数字图像装置(例如：数字相机)都须使用图像传感器，例如电子耦合装置(CCD)以及互补式金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。图像传感器包括二维阵列的感光阵列装置(例如：感光单元)，其可将图像转换成电子信号。而显示器可自图像传感器的感光装置接收信号并形成所代表的图像。
由于感光装置可存储信号以反应与图像的光的强度或亮度，因此光灵敏度对于图像传感器而言十分重要。
然而，于图像感测像素中所发生的光辐射的反射或折射现象，往往是造成图像传感器发生串音(cross-talk)的主因。上述光辐射的反射或折射若被其他感测像素所检测，则发生串音，进而造成图像变形。公知技术中，串音的测量乃通过一不透明掩模设置于光感测元件阵列上，仅容许线进入其中的一光感测像素上。测量由该光感测像素邻近的另一感测像素所接收到的感测信号，并且将此信号除以原传感器应感测到的信号，此比值称串音。
利用光学空间限制(optical spatial confinement)技术，并将光线导引至预定目标为一种可减少光学串扰(optical crosstalk)的方法。举例来说，利用光波导(wavequides)可减少例如光传输或光遮蔽，而造成光损失的不利的影响。然而，光波导并没有被广泛使用于聚集光线至图像装置中的传感器。另外，目前所使用的光波导结构的制作还需要额外的制造工艺步骤才可形成，因而增加了制作图像装置的复杂性及制造成本。
发明内容
综上所述，需要有一种可降低串音并提高灵敏度的图像传感器，以解决公知技术的缺点。
本发明提供一种图像传感器，包括：一基底，包括多个光感测单元形成于其中或其上；多个导光结构，分别对准所述多个光感测单元；以及一堆叠层，包围所述多个导光结构，包括多个具有锐角的顶部，且所述多个顶部与所述多个导光结构的上缘相邻。
本发明又提供一种图像传感器的制造方法，包括：提供一基底，包括多个光感测单元形成于其中或其上；形成一堆叠层于该基底之上；图案化该堆叠层，以形成多个沟槽，其中所述多个沟槽分别对准所述多个光感测单元，且余留具有锐角的顶部于所述多个沟槽之间；以及形成多个导光结构于所述多个沟槽中。
本发明除了可由此改善光接收效率之外，也可用以防止可能的散射(straylight)光射入邻近的沟槽内所造成的串音(cross-talk)干扰，进而提高光感测单元的灵敏度。
附图说明
图1至图8D为一系列的按照本发明实施例所制造的图像传感器的剖面图。
其中，附图标记说明如下：
2～基底；4～光感测单元；
7、19、27、～开口；
14～金属间介电层；
15～保护层；15a～顶部；
15b～锐角；16～图案化光致抗蚀剂层；
17～堆叠层；17’～图案化的堆叠层；
18a、18b、18c～沟槽；20、20a～导光图案层；
21～三角形的图案化光致抗蚀剂层；
23～第二光传输层；24R～红色彩色层；
24B～蓝色彩色层；24G～绿色彩色层；
28～第一光传输层；30～微透镜；
32～内连线；40～第三光传输层；
50、100～图像传感器；70～导光结构；
A1～重叠面积；A2～感测面积。
具体实施方式
本发明的实施例提供一种光感测集成电路及图像传感器的制造方法，有关各实施例的制造和使用方式如下所详述，并伴随附图加以说明。其中，附图和说明书中使用的相同的元件编号表示相同或类似的元件。而在附图中，为清楚和方便说明起见，有关实施例的形状和厚度或有不符实际的情形。而以下所描述特别针对本发明的装置的各项元件或其整合加以说明，然而，值得注意的是，上述元件并不特别限定于本文所显示或描述，而是可以熟悉此技术领域的普通技术人员所得知的各种形式，此外，当一材料层是位于另一材料层或基底之上时，其可以是直接位于其表面上或另外插入有其他中介层。
以下利用制造工艺剖面图，以更详细地说明本发明较佳实施例的图像传感器的制造方法。图1至图8D为本发明较佳实施例的图像传感器的制造工艺剖面图。
请参考图1，其显示在一实施例中，基底2包括有多个光感测单元4，设置于其中或其上。首先，提供一基底2。在本实施例中，基底2为硅基底。在另一实施例中，基底2包括绝缘层上覆硅(silicon on insulator，SOI)基底、锗基底、硅化锗(SiGe)基底、或其他半导体基底。接着，于基底2中形成多个光感测单元4以与光线(例如：一光束)反应。这些光感测单元4包括一PN结装置(例如：二极管)，用以将入射光转换为电子信号。另外，这些光感测单元4可具有一绝缘层于其上部(图未显示)。随后，形成一包括有多个金属间介电层(inter-metal dielectric，IMD)14的堆叠层17于这些光感测单元4之上，其中还包括有多个内连线(interconnections)32形成于每个金属间介电层14之中。金属间介电层14可为反射率介于1.5至1.6的介电材料，例如二氧化硅，并可通过原子层沉积法(ALD)、化学气相沉积法(CVD)、等离子体辅助化学气相沉积法(PECVD)、高密度等离子体化学气相沉积法(HDP-CVD)、低压化学气相沉积法(LPCVD)、蒸镀法或其他适当技术形成。内连线32可包括有多个金属线或插塞形成于其上。另外，也可选择性形成例如氮化硅(Si3N4)的保护层15于金属间介电层14上。
接着，如图2至图7B所示，其显示在一实施例中，分别于基底2上形成多个导光结构以对应于这些光感测单元4的形成方法的制造工艺剖面图。如图2至图4所示，图案化堆叠层17，由此形成多个沟槽，例如沟槽18a、18b和18c，且沟槽18a、18b和18c实质上对准这些光感测单元4。
详言之，请参照图2，图案化堆叠层17的步骤包括形成一具有多个开口7的图案化光致抗蚀剂层16于堆叠层17之上。如图3所示，随后切削(trimming)图案化光致抗蚀剂层16，以形成三角形的图案化光致抗蚀剂层21。举例而言，可使用一光刻制造工艺，形成一具有多个开口7的图案化光致抗蚀剂层16，定义出沟槽18a、18b和18c的位置。切削制造工艺可包括利用一含有氧气(O2)的蚀刻剂移除一部份的图案化光致抗蚀剂层16。因此，可将具有多个开口7的图案化光致抗蚀剂层16形成一具有多个开口8的三角形的图案化光致抗蚀剂层21于堆叠层17上。也即，在进行图案化光致抗蚀剂层16的切削制造工艺时，图案化光致抗蚀剂层16的顶部会被消耗掉(consumed)，而余留下三角形的图案化光致抗蚀剂层21。
请参照图4，以三角形的图案化光致抗蚀剂层21为掩模，蚀刻堆叠层17，以将堆叠层17图案化形成沟槽18a、18b和18c，其中这些沟槽18a、18b和18c分别对准光感测单元4，且在沟槽18a、18b和18c之间留下具有锐角15b的顶部15a。在一实施例中，可实施一干蚀刻制造工艺以进行上述堆叠层17的蚀刻步骤，且此干蚀刻制造工艺可在与上述切削制造工艺相同的反应室(chamber)中进行。在较佳实施例中，上述干蚀刻制造工艺可包括一蚀刻步骤和一切削步骤，并通过三角形的图案化光致抗蚀剂层21为掩模来移除部分的堆叠层17，在制造工艺中，蚀刻步骤和切削步骤可依序或交错进行。接着，移除三角形的图案化光致抗蚀剂层21，而形成多个沟槽18a、18b和18c。
因此，这些沟槽18a、18b和18c形成于图案化的堆叠层17’之中，并从沟槽18a、18b和18c底部暴露出部分光感测单元4。值得注意的是，两相邻沟槽的上缘彼此紧密接触，且两相邻沟槽的底部边缘彼此隔开。并且，这些沟槽的底部宽度大体上小于或等于光感测单元4的宽度。
请参照图5至图8，其显示形成多个导光结构70于光感测单元4之上的制造工艺剖面图，且导光结构70包括有多个第一光传输层28，其中这些第一光传输层28的侧壁被多个导光图案层20包围。在一实施例中，可利用公知技术，沉积多个导光图案层20于基底2上，且顺应性覆盖图案化的堆叠层17’及其顶部15a。上述导光图案层20较佳为反射率介于1.6至1.8的介电材料，例如氮化硅(Si3N4)。在一实施例中，这些导光图案层20可利用一般常用的物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)技术形成。
接续上述实施例并请参照图6，可通过用于制造集成电路的公知的光刻及蚀刻技术及材料，移除这些光感测单元4之上表面的导光图案层20，仅余留沟槽18a、18b和18c侧壁上的导光图案层20a。在一实施例中，首先形成图案化光致抗蚀剂层(图未显示)于图案化的堆叠层17’上，且暴露出形成于这些光感测单元4之上的导光图案层20的一部份。之后，实施一蚀刻制造工艺，移除未被图案化光致抗蚀剂层覆盖的导光图案层20，因此仅余留形成于沟槽18a、18b和18c侧壁上的导光图案层20a。
接着，如图7A所示，分别形成含蓝24B、红24R、绿24G三原色的彩色滤光层于沟槽18a、18b和18c内，且对准这些光感测单元4。彩色滤光层的形成步骤，例如首先形成一形成蓝色彩色层24B于沟槽18a内，并施以回蚀刻制造工艺，以在沟槽18a中形成具有一既定高度的蓝色彩色层24B，并从沟槽18a暴露出开口25。接着，形成一红色彩色层24R于沟槽18b内，并施以回蚀刻制造工艺，以在沟槽18b中形成具有一既定高度的红色彩色层24R，并从沟槽18b暴露出开口26。接着，形成绿色彩色层24G于沟槽18c内，并施以回蚀刻制造工艺，以在沟槽18c中形成具有一既定高度的绿色彩色层24G，并从沟槽18c暴露出开口27。一般而言，上述彩色滤光层的形成步骤可利用例如旋转涂布法形成。在一实施例中，上述蓝色彩色层24B、红色彩色层24R以及绿色彩色层24G的厚度约为0.5μm至1μm。
请参阅图7B，其示出可通过旋转涂布法形成多个第一光传输层28于导光图案层20a和红色彩色层24R、绿色彩色层24G以及蓝色彩色层24B上，且填满开口25、26和27。在一较佳的实施例中，这些第一光传输层28可为反射率约为1.5至1.6的透明高分子材料。需注意的是，第一光传输层28具有第一反射率，且第一反射率大于导光图案层20a的反射率至少0.1。
接着，实施一平坦化制造工艺，例如回蚀刻(etching back)或化学机械研磨(CMP)，移除多余的第一光传输层28，使得第一光传输层28具有一大体上平坦的上表面，以提供后续制造工艺所需。因此，这些第一光传输层28和这些导光图案层20a构成多个导光结构70。值得注意的是，上述两相邻的导光结构70的上缘彼此紧密接触，但两相邻的导光结构70底部边缘则彼此隔开。此外，导光结构70和光感测单元4之间的重叠面积A1等于或小于光感测单元4的感测面积A2。
最后，请参照图7C，其显示使用和公知技术大体上相同的方法及材料，分别形成多个微透镜30于上述第一光传输层28上且分别对准每个光感测单元4，因而形成图像传感器50。然而，上述微透镜30也可予以省略，以进一步提高图像传感器的光穿透度(transmittance)。因此，入射光可完全被这些导光结构70收集而不会被这些导光结构70顶部之间的间隙(gap)遮蔽。
图8A至图8D为本发明的另一实施例，其示出可在形成蓝色彩色层24B、红色彩色层24R及绿色彩色层24G于沟槽18a、18b和18c中之前，先形成多个具有一既定高度的第二光传输层23。接续图6并请参阅图8A，首先分别形成多个具有一既定高度的第二光传输层23于沟槽18a、18b、18c及开口19内，且暴露出这些第二光传输层23。这些第二光传输层23可选择使用和上述第一光传输层28的大体相同方法和大体相同材料形成。接着，沉积多个彩色滤光层(color filters)于这些光传输层23上，且这些彩色滤光层不高于导光结构70的上缘。如图8B所示，分别形成红色彩色层24R、绿色彩色层24G和蓝色彩色层24B于第二光传输层23之上，并填满开口19。
之后，形成一平坦层于导光结构70和图案化的堆叠层17’之上。请参阅图8C，其显示可使用例如旋转涂布法毯覆式(blanketly)形成第三光传输层40于红色彩色层24R、绿色彩色层24G以及蓝色彩色层24B上，由此作为平坦层。接着，实施一平坦化制造工艺，例如回蚀刻(etching back)或化学机械研磨(CMP)，移除多余的第三光传输层40，使得第三光传输层40具有一大体上平坦的上表面，以提供后续制造工艺所需。较佳的，红色彩色层24R、绿色彩色层24G以及蓝色彩色层24B的厚度约介于0.5μm至1μm之间，且第三光传输层40的厚度小于0.25μm。
最后，选择性沉积多个微透镜于上述导光结构70之上。请参照图8D，可使用和公知技术大体上相同的方法及材料，形成多个微透镜30于上述第三光传输层40上，且每个微透镜30都对准每个光感测单元4，因而形成图像传感器100。图像传感器100可形成或转换部分图像成为电子信号。详言之，图像传感器100会感测穿过微透镜30、蓝色彩色层24B(或红色彩色层24R或绿色彩色层24G)、以及第二光传输层23的光束而产生电子信号。需注意的是，上述微透镜30也可予以省略，而进一步提高图像传感器100的光穿透度(transmittance)。
如上所述，为了改善这些光感测单元4的灵敏度，需在图像传感器100中形成一完全覆盖沟槽18a、18b及18c的导光图案层20a。除了可由此改善光接收效率之外，也可用以防止可能的散射(stray light)光射入邻近的沟槽内所造成的串音(cross-talk)干扰，进而提高光感测单元4的灵敏度。
此外，本发明的实施例还具有许多优点，例如，移除一般设置于平坦层和微透镜阵列元件之间的彩色滤光层，而将彩色滤光层形成于沟槽内，除了可使得图像感测装置微小化之外，也缩短入射光穿过微透镜到达光感测单元的距离，因而可更进一步提高图像传感器的灵敏度。另外，由于两相邻的导光结构的顶部彼此紧密接触，因此入射光不会被两相邻沟槽之间的顶部区域遮蔽。也即，可通过形成两相邻导光结构的上缘之间实质上无间隙的导光结构来改善光损失。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应当可做变动与润饰，因此本发明的保护范围应当视随附的权利要求所限定的范围为准。
Claims (15)
1.一种图像传感器，其特征在于，包括：
一基底，包括多个光感测单元形成于其中或其上；
多个导光结构，分别对准所述多个光感测单元；以及
一堆叠层，包围所述多个导光结构，包括多个具有锐角的顶部，且所述多个顶部与所述多个导光结构的上缘相邻。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其中两相邻的该导光结构的上缘彼此紧密接触，且两相邻的该导光结构的下缘彼此隔开。
3.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述多个导光结构包括：
多个光传输层，位于所述多个光感测单元之上；以及
多个导光图案包围所述多个光传输层的侧壁。
4.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述多个导光结构实质上对应于所述多个光感测单元，且延伸至所述多个光感测单元的感测面。
5.如权利要求4所述的图像传感器，其中介于所述多个导光结构和所述多个光感测单元之间的重叠面积等于或小于所述多个光感测单元的感测面的面积。
6.如权利要求1所述的图像传感器，还包括多个彩色滤光层，设置于所述多个光传输层之中且不高于所述多个导光结构的上缘。
7.如权利要求1所述的图像传感器，还包括多个微透镜，设置于所述多个导光结构上。
8.如权利要求1所述的图像传感器，还包括一平坦层，设置于所述多个导光结构和该堆叠层之上。
9.如权利要求8所述的图像传感器，还包括多个微透镜，设置于该平坦层上。
10.如权利要求9所述的图像传感器，其中该平坦层延伸自所述多个光传输层。
11.如权利要求3所述的图像传感器，其中所述多个光传输层具有一第一反射率，且该第一反射率大于所述多个导光图案的反射率至少0.1。
12.一种图像传感器的制造方法，其特征在于，包括：
提供一基底，包括多个光感测单元形成于其中或其上；
形成一堆叠层于该基底之上；
图案化该堆叠层，以形成多个沟槽，其中所述多个沟槽分别对准所述多个光感测单元，且余留具有锐角的顶部于所述多个沟槽之间；以及
形成多个导光结构于所述多个沟槽中。
13.如权利要求12所述的图像传感器的制造方法，其中图案化该堆叠层的步骤包括：
形成一图案化光致抗蚀剂层于该堆叠层上；
移除一部份的该图案化光致抗蚀剂层，以形成一三角形的图案化光致抗蚀剂层；以及
利用该三角形的图案化光致抗蚀剂层为掩模，蚀刻该堆叠层，以形成多个沟槽。
14.如权利要求13所述的图像传感器的制造方法，其中移除一部份的该图案化光致抗蚀剂层的步骤包括一切削制造工艺。
15.如权利要求14所述的图像传感器的制造方法，其中该切削制造工艺包括使用含有氧气的蚀刻剂。
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