CN104218044A - 影像感测器及其制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种影像感测器及其制作工艺，该影像感测器包含一透镜、一基底、一第一介电层、一第二介电层以及一彩色滤光片。透镜用以接收光。基底包含一光感测元件于一光感测区，用以接收入射至透镜的光。第一介电层以及第二介电层由下而上堆叠于基底上，其中第二介电层具有一凹槽，此凹槽位于第一介电层上，且位于透镜以及光感测元件之间的一光路径上。彩色滤光片设置于凹槽中。此外，本发明又提供一种影像感测制作工艺用以形成前述的影像感测器。

Description

影像感测器及其制作工艺

技术领域

本发明涉及一种影像感测器及其制作工艺，且特别是涉及一种形成一彩色滤光片于一金属介电层中的影像感测器及其制作工艺。

背景技术

由于CMOS影像感测器即基于互补金属氧化物半导体(CMOS)技术而制造，因此采用CMOS电路制作工艺制作的CMOS影像感测器可将影像感测器以及其所需要的周边电路加以整合，因而被广泛使用。

典型的影像感测器可依其功能划分为一光感测区与一周边电路区，其中光感测区通常设有多个成阵列排列的感光二极管(photodiode)，并分别搭配重置晶体管(reset transistor)、电流汲取元件(current source follower)及列选择开关(row selector)等的MOS晶体管，用来接收外部的光线并感测光照的强度，而周边电路区则用来串接内部的金属内连线及外部的连接线路。影像感测器的感光原理是将入射光线区分为各种不同波长光线的组合，再分别由半导体基底上的多个感光元件予以接收，并转换为不同强弱的数字信号。例如，将入射光区分为红、蓝、绿三色光线的组合，再由相对应的感光二极管予以接收，进而转换为数字信号。

其中一种CMOS影像感测器是采用前照式（Front Side Illumination,FSI）技术来制造像素阵列上的像素，其入射光经过像素的前端（front side）到达光感测区域（photo-sensing area）。也就是说，CMOS影像感测器的结构，使得入射光先通过介电层、金属层之后到达光感测区域，因此透镜、彩色滤光片以及光感测区域等布局对于改善所形成的影像感测器的品质，例如增加量子效率（quantum efficiency）、减少像素间的交叉干扰（cross talk）以及降低暗电流（dark current）等等，具有重大的影响。

发明内容

本发明的目的在于提出一种影像感测器及其制作工艺，其形成一彩色滤光片于一金属介电层(inter metal dielectric,IMD)中，并且通过控制用以放置此彩色滤光片的凹槽的深度及位置来调整彩色滤光片的位置。

为了达上述目的，本发明提供一种影像感测器，其包含一透镜、一基底、一第一介电层、一第二介电层以及一彩色滤光片。透镜用以接收光。基底包含一光感测元件于一光感测区中，用以接收入射至透镜的光。第一介电层以及第二介电层由下而上堆叠于基底上，其中第二介电层具有一凹槽，而凹槽位于第一介电层上，且位于透镜以及光感测元件之间的一光路径上。彩色滤光片设置于凹槽中。

本发明提供一种影像感测制作工艺，包含下述步骤。首先，提供一基底，包含一光感测元件于一光感测区中。接着，依序形成一第一介电层以及一第二介电层堆叠于基底上。之后，形成一凹槽于第二介电层中。其后，形成一彩色滤光片于第一介电层上的凹槽中。而后，形成一透镜于彩色滤光片上方，以使光感测元件接收入射至透镜并且通过彩色滤光片的光。

基于上述，本发明提出一种影像感测器及其制作工艺，其形成一凹槽于一第二介电层中，以使彩色滤光片设置于凹槽中及第一介电层上，以优化通过彩色滤光片至一光感测元件的一光路径。再者，通过控制凹槽的深度、尺寸及位置可调整光路径以及彩色滤光片的厚度，进而提升所形成的影像感测器的感光度以及分色光的能力。

附图说明

图1-图9是绘示本发明一实施例的影像感测制作工艺的剖面示意图；

图10是绘示本发明另一实施例的影像感测制作工艺的剖面示意图。

主要元件符号说明

10：隔离结构

20：光感测元件

30：MOS晶体管

32：栅极

34：源/漏极

40：选择性接触洞蚀刻停止层

50：介电层

100：影像感测器

110：基底

120：第一介电层

122、142、144：金属内连线结构

124、132：部分

130、150：蚀刻停止层

140：第二介电层

146：盖层结构

148、149：图案化的介电层

160：彩色滤光片

170、170a：材料层

172a：延伸部

180：透镜

A：光感测区

B：周边区

C1：接触插塞

P1、P2：蚀刻制作工艺

R：凹槽

S1：正面

S2：平坦的顶面

S3：平坦的底面

具体实施方式

图1-图9是绘示本发明一实施例的影像感测制作工艺的剖面示意图。如图1所示，进行一影像感测制作工艺的前端制作工艺，其可包含下述步骤。首先，提供一基底110，具有一正面S1，其中在本实施例的正面S1为一主动面。基底110可以后续形成于其上的结构的用途区分为一光感测区A，以及一周边区B，位于光感测区A旁。基底110例如是一硅基底、一含硅基底、一三五族覆硅基底(例如GaN-on-silicon)、一石墨烯覆硅基底(graphene-on-silicon)或一硅覆绝缘(silicon-on-insulator，SOI)基底等半导体基底。接着，形成一隔离结构10于基底110的正面S1，以电性绝缘光感测区A以及周边区B，其中隔离结构10可为浅沟隔离结构，且其可以一浅沟隔离制作工艺形成，但本发明不以此为限。而后，形成一光感测元件20，例如多个成阵列排列的感光二极管，于隔离结构10一侧的光感测区A中，用以接收入射光，以及形成至少一MOS晶体管30于隔离结构10的另一侧，其可为配重置晶体管(reset transistor)、电流汲取元件(current source follower)及列选择开关(row selector)等的MOS晶体管，用以将感测光线转换为数字信号，或者是位于周边电路区内的逻辑MOS晶体管等，本实施例不一一举例。MOS晶体管30可包含一栅极32位于基底110上，以及一源/漏极34位于栅极32侧边的基底110中。形成一选择性接触洞蚀刻停止层(contact etch stoplayer,CESL)40顺应覆盖基底110以及MOS晶体管30。选择性接触洞蚀刻停止层40可例如为一已掺杂的氮化层，但本发明不以此为限。在本实施例中，仅绘示单一隔离结构10、单一光感测元件20以及单一MOS晶体管30等于图示中，但此些元件的数量非限于此。

全面形成一介电层50于基底110的正面S1(或选择性接触洞蚀刻停止层40上)。介电层50可例如为一层间介电层，而其可为一氧化层，但本发明不以此为限。接续，例如以蚀刻等方式形成接触洞（未绘示）于介电层50中，并再填入例如铜或钨等导电材料于接触洞中，以形成接触插塞C1分别连接MOS晶体管30的栅极32以及源/漏极34。再者，其他半导体元件也可设置于基底110上以及介电层50中。例如，其他内连线结构或者其他元件（未绘示）可设置于介电层50中，在此不再赘述。

如图2所示，形成一第一介电层120于介电层50以及接触插塞C1上。详细而言，形成一第一介电层（未绘示）全面覆盖介电层50以及接触插塞C1；然后，进行一平坦化制作工艺以形成第一介电层120。其后，例如以蚀刻等方法形成孔洞（未绘示）第一介电层120中，再填入例如铜等金属于孔洞中以形成一金属内连线结构122于对应周边区B的第一介电层120中，并电连接接触插塞C1。在本实施例中，第一介电层120仅为单一图案化金属介电层且具有金属内连线结构122位于其中；但在其他实施例中，第一介电层120可包含多层图案化金属介电层且具有金属内连线结构位于其中。

如图3所示，形成一蚀刻停止层130于第一介电层120以及金属内连线结构122上。蚀刻停止层130可例如为一氮化层、一富硅氧化层、一碳化硅层或一掺杂碳的氮化硅层，但本发明不以此为限。在本实施例中，此时不先蚀刻蚀刻停止层130的一部分132，其对应下方位于光感测区域A的光感测元件20，而是在后续以蚀刻停止层130形成位于其上的凹槽之后，才会移除蚀刻停止层130的部分132。然而，在其他实施例中，当欲形成凹槽于蚀刻停止层130上但不直接接触蚀刻停止层130时，即可在此时先移除蚀刻停止层130的部分132，如此则会暴露出位于下方的第一介电层120的一部分124，其位于光感测元件20及后续形成的透镜之间的一光路径上，但本发明不以此为限。

如图4所示，形成一第二介电层140于蚀刻停止层130上，且第二介电层140具有金属内连线结构142与144以及一盖层结构146于其中。详细而言，可先形成一图案化的介电层148全面覆盖蚀刻停止层130；然后，例如以蚀刻等方法形成孔洞（未绘示）于图案化的介电层148中，再填入铜等金属于孔洞中以形成金属内连线结构142于对应周边区B的图案化的介电层148中。在本实施例中，蚀刻停止层130是用以作为停止形成孔洞的蚀刻制作工艺，而蚀刻停止层130会再被同一制作工艺或者其他制作工艺吃穿，以使金属内连线结构142电连接金属内连线结构122，但本发明不以此为限。同样地，可例如以类似的方法形成一图案化的介电层149，其具有金属内连线结构144以及盖层结构146于其中。在本实施例中，第二介电层140包含多层的图案化金属介电层，且具有金属内连线结构于其中；但在其他实施例中，第二介电层140可仅为单一层的图案化金属介电层，且具有一金属内连线结构于其中，但本发明不以此为限。再者，可另形成一蚀刻停止层150于图案化的介电层148与149之间，并可在形成金属内连线结构144时图案化蚀刻停止层150，以使金属内连线结构142与144相互电连接。蚀刻停止层150可例如为一氮化层、一富硅氧化层、一碳化硅层或一掺杂碳的氮化硅层；盖层结构146可例如为铝，但本发明不以此为限。

如图5所示，形成一凹槽R于第二介电层140中，并暴露出蚀刻停止层130的部分132。在本实施例中，可进行一蚀刻制作工艺P1以形成凹槽R，且以蚀刻停止层130作为掩模以停止蚀刻，但本发明不以此为限。蚀刻制作工艺P1可包含多次的蚀刻步骤用以分别蚀刻此些材料层，其例如包含第二介电层140以及蚀刻停止层150等。因此，蚀刻制作工艺P1可包含干蚀刻制作工艺或/且湿蚀刻制作工艺等。

进行一蚀刻制作工艺P2以蚀刻蚀刻停止层130的部分132，因而暴露出第一介电层120的部分124，如图6所示。在此强调，由于蚀刻停止层130的部分132是位于光感测元件20以及后续形成的透镜之间的一光路径上，故当蚀刻停止层130由非透明材料组成时，部分132必须移除以使光穿透。在其他实施例中，当蚀刻停止层130由透明材料组成时，则不须移除部分132。

形成一彩色滤光片160于位于第一介电层120上的凹槽R中，如图7所示。彩色滤光片160可包含红、蓝及绿等彩色滤光单元，用以区分出红光、蓝光及绿光，但本发明不以此为限。较佳者，彩色滤光片160的厚度可介于1微米(micrometer,μm)～2微米(micrometer,μm)，以具有较佳的感光度及各波段的色分能力。因为当彩色滤光片160的厚度较厚时，彩色滤光片160的感光度会劣化；但当彩色滤光片160的厚度较薄时，则不易将白光区分出红光、蓝光、绿光或其他波段的光。因此，可通过调整形成于第二介电层140中以及第一介电层120上的凹槽R的深度、尺寸及位置来控制彩色滤光片160的厚度以及通过彩色滤光片160至光感测元件20的光路径。

如图8所示，可形成一材料层170于彩色滤光片160上。材料层170可例如为一钝化层，用以提供一平坦的顶面S2，以使透镜可形成于其上。材料层170可例如为一透明材料或者一光致抗蚀剂，但本发明不以此为限。再者，可通过选择材料层170的反射率以及折射率，而优化通过材料层170至彩色滤光片160以及光感测元件20的光路径，进而增进光感测元件20的光接收量。

在本实施例中，材料层170具有一平坦的底面S3。然而，材料层170可更具有一延伸部172a，而形成一材料层170a，填充凹槽R并接触彩色滤光片160，如图10所示。如此一来，不仅可通过调整凹槽R的深度、尺寸以及位置，来控制彩色滤光片160的位置，并且还可将彩色滤光片160固定为具有例如1微米～2微米的最佳厚度，然后搭配填入凹槽R中并覆盖彩色滤光片160的延伸部172a。

如图9所示，形成一透镜180于彩色滤光片160上，以集中光线，使光感测元件20可接收入射至透镜180并通过彩色滤光片160的光。透镜180较佳为覆盖整个彩色滤光片160，以充分集中入射光。如此一来，则可形成一影像感测器100。

综上所述，本发明提出一种影像感测器及其制作工艺，其形成一凹槽于一第二介电层中，以使彩色滤光片设置于凹槽中以及第一介电层上，以优化通过彩色滤光片至一光感测元件的一光路径。再者，通过控制凹槽的深度、尺寸及位置可调整光路径以及彩色滤光片的厚度，进而提升所形成的影像感测器的感光度以及分色光的能力。

再者，可形成一材料层于透镜以及彩色滤光片之间，且材料层可另包含一延伸部，填入凹槽中并覆盖彩色滤光片，如此即可通过凹槽以及材料层调整光路径以及彩色滤光片的厚度与位置。

另外，第一及第二介电层可为单一层或多层的堆叠的金属介电层，并且具有蚀刻停止层位于各层之间。如此一来，则可例如以蚀刻等方法，并搭配蚀刻停止层控制蚀刻停止的位置，而形成凹槽于第二介电层中。再者，可再选择性进行一蚀刻制作工艺，以吃穿位于一光路径上的部分的蚀刻停止层。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (20)

1.一种影像感测器，包含：

透镜，用以接收光；

基底，包含一光感测元件于一光感测区，用以接收入射至该透镜的光；

第一介电层以及第二介电层，由下而上堆叠于该基底上，其中该第二介电层具有一凹槽，该凹槽位于该第一介电层上及于该透镜以及该光感测元件之间的一光路径上；以及

彩色滤光片，设置于该凹槽中。

2.如权利要求1所述的影像感测器，其中该基底具有一周边区，位于该光感测区旁。

3.如权利要求2所述的影像感测器，其中该第一介电层具有对应该周边区的一金属内连线结构。

4.如权利要求3所述的影像感测器，还包含：

蚀刻停止层，位于该第一介电层以及该第二介电层之间，以覆盖该金属内连线结构但暴露出该第一介电层的一部分，而该部分位于该透镜以及该光感测元件之间的光路径上。

5.如权利要求4所述的影像感测器，其中该凹槽暴露出该第一介电层的该部分，因此该彩色滤光片直接设置于该第一介电层上。

6.如权利要求4所述的影像感测器，其中该蚀刻停止层包含氮化层、富硅氧化层、碳化硅层或掺杂碳的氮化硅层。

7.如权利要求1所述的影像感测器，其中该第二介电层包含一堆叠的介电层。

8.如权利要求1所述的影像感测器，还包含：

材料层，位于该透镜以及该彩色滤光片之间。

9.如权利要求8所述的影像感测器，其中该材料层具有一延伸部，填充该凹槽并接触该彩色滤光片。

10.如权利要求8所述的影像感测器，其中该材料层包含一透明材料或一光致抗蚀剂。

11.如权利要求1所述的影像感测器，其中该彩色滤光片的厚度介于1微米（micrometer,μm）～2微米（micrometer,μm）。

12.一种影像感测制作工艺，包含：

提供一基底，包含一光感测元件于一光感测区中；

依序形成一第一介电层以及一第二介电层堆叠于该基底上；

形成一凹槽于该第二介电层中；

形成一彩色滤光片于该第一介电层上的该凹槽中；以及

形成一透镜于该彩色滤光片的上方，以使该光感测元件接收入射至该透镜并且通过该彩色滤光片的光。

13.如权利要求12所述的影像感测制作工艺，其中该基底具有一周边区，位于该光感测区旁。

14.如权利要求13所述的影像感测制作工艺，其中该第一介电层具有对应该周边区的一金属内连线结构。

15.如权利要求12所述的影像感测制作工艺，还包含：

形成一蚀刻停止层于该第一介电层以及该第二介电层之间，以覆盖该金属内连线结构但暴露出该第一介电层的一部分，而该部分位于该透镜以及该光感测元件的一光路径上。

16.如权利要求12所述的影像感测制作工艺，还包含：

形成一蚀刻停止层于该第一介电层以及该第二介电层之间，以停止用以形成该凹槽的一蚀刻制作工艺。

17.如权利要求16所述的影像感测制作工艺，在形成该凹槽之后，还包含：

进行一蚀刻制作工艺，以蚀刻该蚀刻停止层的一部分，而该部分位于该透镜以及该光感测元件之间的一光路径上。

18.如权利要求16所述的影像感测制作工艺，其中该蚀刻停止层包含氮化层、富硅氧化层、碳化硅层或掺杂碳的氮化硅层。

19.如权利要求12所述的影像感测制作工艺，在形成该透镜之前，还包含：

形成一材料层于该彩色滤光片的上方。

20.如权利要求19所述的影像感测制作工艺，其中该材料层具有一延伸部，填充该凹槽并接触该彩色滤光片。