CN101944533A - 影像感测元件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种影像感测元件及其制作方法。该影像感测元件包含光学像素与电子电路，其中该光学像素包含：基板；影像感测区，形成于该基板内部；屏蔽层，该屏蔽层位于该影像感测区上方，且该屏蔽层是于该影像感测元件的电子电路制造过程中所形成；以及光通道结构，该光通道结构位于该屏蔽层上方，用以增加该影像感测区的感测能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种影像感测元件，也涉及此种影像感测元件的制作方法。
背景技术
影像感测元件的结构如图1所示，其中包含光学像素与电子电路；电子电路目前多采用CMOS制程来制作。形成光学像素的制作步骤剖面图大致如图2A至图2D所示：
(一)如图2A所示，在基板11内部，形成影像感测区12，其上方分别为氧化层13a、复晶硅层13b、以及多层介电层14；氧化层13a、复晶硅层13b的材质配合电子电路的CMOS制程而选用与栅极介电层和栅极导电层相同的材质。
(二)如图2B所示，以复晶硅层13b作为蚀刻阻挡层(etch stop)，蚀刻影像感测区12上方的介电层14以形成光通道15(light passage)，以使光能更充分地穿透介电层14到达影像感测区12，使影像感测区12能接收更多的光。
(三)如图2C所示，因复晶硅层13b不透光，因此必须移除复晶硅层13b，以增加影像感测区12的光感测能力。但此蚀刻制程会损害该影像感测区12表面，使影像感测能力受到限制。
(四)如图2D所示，在完成蚀刻该复晶硅层13b后，在最上层介电层14的上方以钝化层(passivation layer)19遮蔽，钝化层19之上为滤色层(colorfilter)20，滤色层20之上为微透镜(micro-lens)21。
有关光通道及CMOS影像传感器，在美国专利第6861686，7205623，7400003，7462507，7193289，7342268号，及公开案第2007/0262366号中均有论及。
上述各现有技术中，多重的蚀刻制程会损伤影像感测区12的表面，使该表面粗糙，因此其影像感测的效果较弱，是其缺点。
发明内容
本发明的一目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种影像感测元件，其能保护影像感测区的表面，增加该影像感测元件的影像感测能力。
本发明的另一目的在于，提出一种影像感测元件的制作方法。
为达上述目的，就本发明的其中一个观点而言，提供了一种影像感测元件，包含光学像素与电子电路，其中该光学像素包含：基板；影像感测区，形成于该基板内部；屏蔽层，该屏蔽层位于该影像感测区上方，且该屏蔽层是于该影像感测元件的电子电路制造过程中所形成；以及光通道结构，该光通道结构位于该屏蔽层上方，用以增加该影像感测区的感测能力。
上述影像感测元件可更包含：钝化层，形成于该光通道结构上；滤色层，形成于该钝化层上；以及微透镜，形成于该滤色层上。
就本发明的另一个观点而言，提供了一种影像感测元件的制作方法，包含下列步骤：提供一基板；于该基板内部，形成一影像感测区；于该影像感测区上，形成一屏蔽层；于该屏蔽层上沉积介电层；蚀刻该介电层，停止于该屏蔽层，以于该屏蔽层上方形成一光通道结构；以及保留而不完全移除该屏蔽层。
上述影像感测元件与制作方法中，该影像感测区可为一光电二极管、或为一光栅极。
上述影像感测元件与制作方法中，该屏蔽层可由下列材质的至少一材质形成：氧化物、氮化物、氮氧化物、碳化物、硅酸物、铝酸物、复晶硅、或金属。
上述影像感测元件与制作方法中，影像感测区与该屏蔽层之间，可具有一中间层，该中间层由下列材质的至少一材质形成：氧化物、氮化物、氮氧化物、碳化物、或硅酸物。
上述影像感测元件与制作方法中，影像感测元件可进一步包含一光谐振结构，形成于该屏蔽层上方光通道结构内部，该光谐振结构例如为一法布立-拍若谐振镜(Fabry-Perot resonator)。
在其中一个实施例中，该光谐振结构包含上方反射层与下方反射层，该下方反射层由前述屏蔽层构成，该上方反射层为一金属层。
在其中一个实施例中，该光谐振结构包含：一第一金属层，形成于该屏蔽层上方；一第一非金属层，形成于该第一金属层上方；一第二金属层，形成于该第一非金属层上方；以及一第二非金属层，形成于该第二金属层上方。在其中一个实施例中，屏蔽层与第一金属层之间尚可再包含一第三非金属层。
上述实施例中，各金属层可由下列材质的至少一材质形成：金、银、钛、钽、铜、铝、或以上金属的碳化物、氧化物、氮化物。
上述影像感测元件与制作方法中，各非金属层可由下列材质的至少一材质形成：氧化物、氮氧化物、或碳化物。
下面通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。
附图说明
图1与2A-2D显示现有技术；
图3A-3C示出本发明的第一实施例；
图4A-4D示出本发明的第二实施例；
图5A-5D示出本发明的第三实施例；
图6A-6D示出本发明的第四实施例。
图中符号说明
11 基板
12 影像感测区
13a 栅极介电层
13b 栅极导电层
13c 屏蔽层
14 介电层
15 光通道
16 钝化层
17 滤色层
18 微透镜
19a 第一透光层
19b 反射层
19c 第二透光层
20a 第一金属层
20b 第一非金属层
20c 第二金属层
20d 第二非金属层
20e 第三非金属层
具体实施方式
本发明中的图式均属示意，主要意在表示制程步骤以及各层之间的上下次序关系，至于形状、厚度与宽度则并未依照比例绘制。
本发明的特点之一为：在影像感测区表面上形成一屏蔽层，且在最终所形成的影像感测元件中，保留该屏蔽层而不完全移除，以节省蚀刻步骤，并可避免多重的蚀刻制程损伤影像感测元件的表面。该屏蔽层宜为电子电路制造过程中所需要的一层，例如为栅极介电层、栅极导电层、介电层、金属层、牺牲层、或蚀刻阻挡层，因此形成该屏蔽层并不需要额外增加沉积或蚀刻步骤。
本发明的另一特点为：可在影像感测区上方形成一光谐振结构，例如为法布立-拍若谐振镜(Fabry-Perot resonator)，以过滤特定频率的光波。该法布立-拍若谐振镜可利用前述屏蔽层做为其下方反射层，或在屏蔽层上方另行形成下方反射层与上方反射层。
以下举数个实施例说明本发明的结构与制程。参阅实施例之后，本领域技术人员当可作各种类推应用。
请参照图3A至图3C，首先说明本发明的第一实施例。在本实施例中，以电子电路的栅极介电层13a作为光学像素的屏蔽层。首先如图3A所示，提供一基板11作为影像感测区12与电子电路(例如为CMOS元件)的基板，在基板11上，形成影像感测区12，其上方分别形成栅极介电层13a以及多层介电层14，介电层14例如为氧化硅(SiO2)或低介电常数材料。栅极介电层13a则可为高介电常数材料，例如为氧化物如氧化铝(Al2O3)、氧化铪(HfO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化镧(La2O3)、氧化钽(Ta2O5)、氧化钛(TiO2)、氧化铈(CeO2)；氮化物如氮化硅(Si3N4)；、氮氧化物如氮氧化硅(SiOxNy)；碳化物如碳化硅(SiC)；硅酸物如硅酸锆(ZrSixOy)、硅酸铪(HfSixOy)、硅酸铝(AlSixOy)；及铝酸物如铝酸锆(ZrAlxOy)、铝酸铪(HfAlxOy)等、或以上材料的复合层。如图3B所示，高介电常数材料相较于氧化硅(SiO2)或低介电常数材料较不易蚀刻，因此可以栅极介电层13a作为蚀刻阻挡层，蚀刻影像感测区12上方的介电层14以形成光通道15(lightpassage)，以使光能充分穿透介电层14到达影像感测区12，使影像感测区12能接收更多的光。蚀刻介电层14时可以混用时间控制方式(time-modeetch)，以使蚀刻停止在栅极介电层13a的上方，而不致损及影像感测区12。接着如图3C所示，沉积钝化层16、滤色层17、以及微透镜18，即完成了影像感测元件。
请参照图4A至图4D，以栅极导电层13b作为屏蔽层来说明本发明的第二实施例。在本实施例中，如图4A所示，首先提供一基板11作为影像感测区12与电子电路(例如为CMOS元件)的基板，在基板11上，形成影像感测区12，其上方配合电子电路制程而分别形成栅极介电层13a、栅极导电层13b、以及多层介电层14，其中，栅极介电层13a的材料可为氧化硅或前述高介电常数材料，栅极导电层13b的材料可为复晶硅或金属。如图4B所示，以栅极导电层13b作为蚀刻阻挡层，蚀刻影像感测区12上方的介电层14以形成光通道15(light passage)，以使光能充分穿透介电层14到达影像感测区12，使影像感测区12能接收更多的光。接着如图4C所示，保留该栅极导电层13b，并于其上依序沉积第一透光层19a及反射层19b，该透光层19a例如可使用非金属材质制作，该反射层19b例如可使用金属材质制作，此外为保护反射层19b，宜在反射层19b上再沉积第二透光层19c，此第二透光层19c可为非金属。栅极导电层13b与反射层19b构成一法布立-拍若谐振镜，此为光谐振结构的一种，在栅极导电层13b与反射层19b间构成反射腔，仅具有特定频率的光波才能穿透。其中，该反射层19b例如可由下列材质的至少一材质形成：金、银、钛、钽、铜、铝或以上金属的碳化物、氧化物、氮化物；该第一透光层19a及第二透光层19c例如可由下列材质的至少一材质形成：氧化硅(SiO2)、氮氧化硅(SiOxNy)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)等。如图4D所示，接着于该光谐振结构上，沉积钝化层16、滤色层17、以及微透镜18，即完成了影像感测元件。
请参照图5A至图5D，以下说明本发明的第三实施例。在本实施例中，于屏蔽层上方另形成光谐振结构。首先如图5A所示，提供一基板11作为影像感测区12与电子电路(例如为CMOS元件)的基板，在基板11上，形成影像感测区12，其上方分别形成栅极介电层13a、屏蔽层13c、以及多层介电层14，其中栅极介电层13a的材料可为氧化硅或前述高介电常数材料，屏蔽层13c的材料可为栅极导电层的材料如复晶硅或金属；或是，栅极介电层13a的材料可为氧化硅，而屏蔽层13c的材料可为前述高介电常数材料。在前者情况下，屏蔽层13c将与光谐振结构的下方金属层构成复合反射层的一部份，而在前者情况下，屏蔽层13c将与栅极介电层13a构成复合透光层的一部份。接着如图5B所示，蚀刻影像感测区12上方的介电层14以形成光通道15(light passage)，以使光能充分穿透介电层14到达影像感测区12，使影像感测区12能接收更多的光。如图5C所示，保留该屏蔽层13c，并于其上依序沉积第一金属层20a、第一非金属层20b、第二金属层20c、以及第二非金属层20d于该光通道15中，以形成一光谐振结构，其具有过滤特定频率光波的功能，且该光谐振结构为一法布立-拍若谐振镜。其中，该第一金属层20a及第二金属层20c例如可由下列材质的至少一材质形成：金、银、钛、钽、铜、铝或以上金属的碳化物、氧化物、氮化物；该第一非金属层20b以及第二非金属层20d例如可由下列材质的至少一材质形成：氧化硅(SiO2)、氮氧化硅(SiOxNy)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)等。如图5D所示，于该光谐振结构上，沉积钝化层16、滤色层17、以及微透镜18，即完成了影像感测元件。
图6A至图6D显示本发明的第四实施例，本实施例与第三实施例的结构与制程步骤大致相同，仅在屏蔽层13c与第一金属层20a之间再设置一第三非金属层20e，该第三非金属层20e例如可由下列材质的至少一材质形成：氧化硅(SiO2)、氮氧化硅(SiOxNy)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)等。
以上已针对较佳实施例来说明本发明，只是以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。对于本领域技术人员，当可在本发明精神内，立即思及各种等效变化。举例而言，以上所述各实施例中的材料、金属层数等皆为举例，还有其它各种等效变化的可能。又，与光学像素整合的电子电路不限于以CMOS元件制作，亦可包含双极晶体管等。又如，屏蔽层亦可为其它材料层如栅极结构完成前的牺牲层、或阻障层等。再如，屏蔽层可为复合结构层而不限于为单一材料层。故凡依本发明的概念与精神所为之均等变化或修饰，均应包括于本发明的权利要求书的范围内。
Claims (21)
1.一种影像感测元件，包含光学像素与电子电路，其特征在于，该光学像素包含：
基板；
影像感测区，形成于该基板内部；
一屏蔽层，该屏蔽层位于该影像感测区的一表面上，该屏蔽层是于该影像感测元件的电子电路制造过程中所形成；以及
光通道结构，该光通道结构位于该屏蔽层上方，用以增加该影像感测区的感测能力。
2.如权利要求1所述的影像感测元件，其中，该屏蔽层由下列材质的至少一材质形成：氧化物、氮化物、氮氧化物、碳化物、硅酸物、铝酸物、复晶硅、或金属。
3.如权利要求1所述的影像感测元件，其中，该影像感测区与该屏蔽层之间，具有一中间层，该中间层由下列材质的至少一材质形成：氧化物、氮化物、氮氧化物、碳化物、硅酸物、或铝酸物。
4.如权利要求1所述的影像感测元件，其中，进一步包含一光谐振结构，该光谐振结构形成于该屏蔽层上方光通道结构内部。
5.如权利要求4所述的影像感测元件，其中，该光谐振结构为一法布立-拍若谐振镜。
6.如权利要求4所述的影像感测元件，其中，该光谐振结构包含上方反射层与下方反射层，该下方反射层由前述屏蔽层构成。
7.如权利要求4所述的影像感测元件，其中，该光谐振结构包含：
一第一金属层，形成于该屏蔽层上方；
一第一非金属层，形成于该第一金属层上方；
一第二金属层，形成于该第一非金属层上方；及
一第二非金属层，形成于该第二金属层上方。
8.如权利要求7所述的影像感测元件，其中，该光谐振结构还包含：
一第三非金属层，形成于该屏蔽层与第一金属层之间。
9.如权利要求7或8所述的影像感测元件，其中，各金属层由下列材质的至少一材质形成：金、银、钛、钽、铜、铝、以上金属的碳化物、以上金属的氧化物、或以上金属的氮化物。
10.如权利要求7或8所述的影像感测元件，其中，各非金属层由下列材质的至少一材质形成：氧化物、氮化物、氮氧化物、或碳化物。
11.一种影像感测元件的制作方法，其特征在于，包含下列步骤：
提供一基板；
于该基板内部，形成一影像感测区；
于该影像感测区上方，形成一屏蔽层；
于该屏蔽层上沉积介电层；
蚀刻该介电层，停止于该屏蔽层，以于该屏蔽层上方形成一光通道结构；以及
保留而不完全移除该屏蔽层。
12.如权利要求11所述的影像感测元件的制作方法，其中，该影像感测元件包含光学像素与电子电路，且该屏蔽层是于电子电路制造过程中所形成。
13.如权利要求11所述的影像感测元件的制作方法，其中，该屏蔽层由下列材质的至少一材质形成：氧化物、氮化物、氮氧化物、碳化物、硅酸物、铝酸物、复晶硅、或金属。
14.如权利要求11所述的影像感测元件的制作方法，其中，该影像感测区与该屏蔽层之间，具有一中间层，该中间层由下列材质的至少一材质形成：氧化物、氮化物、氮氧化物、碳化物、硅酸物、或铝酸物。
15.如权利要求11所述的影像感测元件的制作方法，其中，进一步包含：于该屏蔽层上方光通道结构内部形成一光谐振结构。
16.如权利要求15所述的影像感测元件的制作方法，其中，该光谐振结构为一法布立-拍若谐振镜。
17.如权利要求15所述的影像感测元件的制作方法，其中，该光谐振结构包含上方反射层与下方反射层，该下方反射层由前述屏蔽层构成。
18.如权利要求15所述的影像感测元件的制作方法，其中，形成该光谐振结构的步骤包含：
于该屏蔽层上方，形成一第一金属层；
于该第一金属层上方，形成一第一非金属层；
于该第一非金属层上方，形成一第二金属层；及
于该第二金属层上方，形成一第二非金属层。
19.如权利要求18所述的影像感测元件的制作方法，其中，形成该光谐振结构的步骤还包含：
于该屏蔽层与第一金属层间，形成一第三非金属层。
20.如权利要求18或19所述的影像感测元件的制作方法，其中，各金属层由下列材质的至少一材质形成：金、银、钛、钽、铜、铝、以上金属的碳化物、以上金属的氧化物、或以上金属的氮化物。
21.如权利要求18或19所述的影像感测元件的制作方法，其中，各非金属层由下列材质的至少一材质形成：氧化物、氮化物、氮氧化物、或碳化物。
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