CN111668243A - 影像传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种影像传感器及其制造方法。影像传感器包括具有主动面与背面的基底、第一与第二隔离结构、光二极管、存储节点、晶体管、反光层以及微透镜。第一隔离结构设置于主动面处的基底中以界定出主动区。光二极管与存储节点设置于主动区中的基底中且彼此间隔开。晶体管设置于光二极管与存储节点之间且分别与两者电连接。第二隔离结构设置于背面处的基底中且与第一隔离结构连接。反光层具有位于主动面上的第一部分、位于第一与第二隔离结构中的第二部分以及位于背面上的第三部分，其中第二部分连接第一与第三部分，且第三部分不与光二极管的整体重叠。微透镜设置于反光层上。

Description

影像传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种影像传感器及其制造方法。
背景技术
随着数字相机、电子扫描机等产品不断地开发与成长，市场上对影像感测元件的需求持续增加。目前常用的影像感测元件包含有电荷耦合感测元件(charge coupleddevice，CCD)以及互补式金属氧化物半导体影像传感器(complementary metal-oxide-semiconductor image sensor，CMOS image sensor，CIS)两大类，其中CMOS影像传感器因具有低操作电压、低功率消耗与高操作效率、可根据需要而进行随机存取等优点，且同时具有可整合于目前的半导体技术以大量制造的优势，因此应用范围非常广泛。
为了避免高速移动的物体的影像产生变形，目前发展出一种全域快门(globalshutter，GS)影像传感器，其主要包括晶体管、光二极管(photodiode，PD)以及用以存储电信号的存储节点(memory node，MN)。
然而，当来自于外部的光进入影像传感器时，部分的光会进入存储节点区域而使得存储节点具有寄生光敏度(parasitic light sensitivity，PLS)。此外，相邻的光二极管之间也会容易因彼此之间的光干扰而导致电信号受到影响。如此一来，影响了影像传感器的效能。
发明内容
本发明提供一种影像传感器，其中光二极管与存储节点的周围被反光层围绕且上方与下方被反光层覆盖。
本发明提供一种影像传感器的制造方法，其用以制造上述的影像传感器。
本发明的影像传感器包括基底、第一与第二隔离结构、光二极管、存储节点、晶体管、反光层以及微透镜。所述基底具有彼此相对的主动面与背面。所述第一隔离结构设置于所述主动面处的所述基底中，以界定出主动区。所述光二极管与所述存储节点设置于所述主动区中的所述基底中，且彼此间隔开。所述晶体管设置于所述光二极管与所述存储节点之间，且分别与两者电连接。所述第二隔离结构设置于所述背面处的所述基底中，且与所述第一隔离结构连接。反光层具有位于所述主动面上的第一部分、位于所述第一隔离结构与所述第二隔离结构中的第二部分以及位于所述背面上的第三部分，其中所述第二部分连接所述第一部分与所述第三部分，且所述第三部分不与所述光二极管的整体重叠。所述微透镜设置于所述反光层上。
在本发明的影像传感器的一实施例中，所述反光层例如为金属层。
在本发明的影像传感器的一实施例中，还包括设置于所述反光层与所述背面之间的介电层。
在本发明的影像传感器的一实施例中，还包括设置于所述反光层与所述微透镜之间的彩色滤光层以及设置于所述彩色滤光层与所述反光层之间的介电层。
在本发明的影像传感器的一实施例中，还包括设置于所述主动面上的内连线结构。所述内连线结构包括覆盖所述晶体管与所述反光层的所述第一部分的介电层以及设置于所述介电层中且与所述晶体管电连接的线路结构。
本发明的影像传感器的制造方法包括以下步骤：提供基底，所述基底具有彼此相对的主动面与背面，其中隔离结构形成于所述主动面处的所述基底中以界定出主动区，光二极管与存储节点形成于所述主动区中的所述基底中且彼此间隔开，晶体管形成于所述光二极管与所述存储节点之间且分别与所述光二极管以及所述存储节点电连接；在所述隔离结构中形成第一沟槽；形成第一反光材料层，以覆盖所述主动面与所述晶体管且填满所述第一沟槽；在所述背面处的所述基底中形成第二沟槽，其中所述第二沟槽至少暴露出所述隔离结构的底部；在所述第二沟槽中与所述背面上形成第二反光材料层，其中所述第二反光材料层不与所述光二极管的整体重叠；于所述背面上形成微透镜。
在本发明的影像传感器的制造方法的一实施例中，所述第一沟槽的形成方法包括以下步骤：在所述主动面上形成图案化掩模层，其中所述图案化掩模层覆盖所述主动面与所述晶体管，且暴露出部分所述隔离结构的顶面；以所述图案化掩模层为掩模，进行蚀刻制作工艺，移除部分所述隔离结构；移除所述图案化掩模层。
在本发明的影像传感器的制造方法的一实施例中，在形成所述第一反光材料层之后以及在形成所述第二沟槽之前，还包括于所述主动面上形成内连线结构。所述内连线结构包括覆盖所述晶体管与所述第一反光材料层的介电层以及形成于所述介电层中且与所述晶体管电连接的线路结构。
在本发明的影像传感器的制造方法的一实施例中，在形成所述第一反光材料层之后以及在形成所述第二沟槽之前，还包括自所述背面处减小所述基板的厚度。
在本发明的影像传感器的制造方法的一实施例中，自所述背面处减小所述基板的厚度的方法例如是对所述背面进行化学机械研磨制作工艺。
在本发明的影像传感器的制造方法的一实施例中，所述第二沟槽的形成方法包括以下步骤：在所述背面上形成第一图案化掩模层，其中所述第一图案化掩模层的暴露区域对应所述隔离结构的位置；以所述第一图案化掩模层为掩模，进行蚀刻制作工艺，移除部分所述基底，以形成第三沟槽，其中所述第三沟槽至少暴露出所述隔离结构的底面；移除所述第一图案化掩模层；在所述背面上形成介电层，其中所述介电层填满所述第三沟槽；在所述介电层上形成第二图案化掩模层，其中所述第二图案化掩模层的暴露区域对应所述隔离结构中的所述第一反光材料层的位置，且所述第二图案化掩模层的暴露区域的面积小于所述第一图案化掩模层的暴露区域的面积；以所述第二图案化掩模层为掩模，进行蚀刻制作工艺，移除部分所述介电层与部分所述隔离结构，以至少暴露出所述隔离结构中的所述第一反光材料层的底面；移除所述第二图案化掩模层。
在本发明的影像传感器的制造方法的一实施例中，所述第二反光材料层的形成方法包括以下步骤：在所述介电层上形成反光材料，其中所述反光材料填满所述第二沟槽；将所述反光材料图案化，以形成开口，其中所述开口对应所述光二极管的位置且不与所述光二极管的整体重叠。
在本发明的影像传感器的制造方法的一实施例中，在形成所述第二反光材料层之后以及在形成所述微透镜之前，还包括以下步骤：在所述第二反光材料层上形成介电层；在所述介电层上形成彩色滤光层。
在本发明的影像传感器的制造方法的一实施例中，所述第一反光材料层例如为金属层。
在本发明的影像传感器的制造方法的一实施例中，所述第二反光材料层例如为金属层。
基于上述，在本发明的影像传感器中，光二极管与存储节点的周围被反光层围绕且上方与下方被反光层覆盖而仅保留光二极管的入光区域。因此当影像传感器曝光时，可确保存储节点具有较佳的寄生光敏抵抗力(immunity)。此外，进入光二极管但未被吸收的杂散光(stray light)可通过光二极管周围的反光层反射并再次进入到光二极管内而被吸收，因此可有效地提高光二极管对于所吸收的入射光的量子效率(quantum efficiency)。另外，由于光二极管与存储节点的周围被反光层围绕且上方与下方被反光层覆盖，因此可有效降低邻近区域之间的光干扰(light crosstalk)效应，进而提高影像的品质。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附的附图作详细说明如下。
附图说明
图1A至图1F为本发明实施例的影像传感器的制造流程剖面示意图。
符号说明
10：影像传感器
100：基底
100a：主动(有源)面
100b：背面
102：隔离结构
104：主动(有源)区
106：光二极管
106a、106b、108a、108b：掺杂区
108：存储节点
110：晶体管
110a：栅介电层
110b：栅极
110c：间隙壁
112：接触窗蚀刻终止层
114、120、124：沟槽
116、126：反光材料层
118：内连线结构
118a、122、128：介电层
118b：接触窗插塞
118c：线路图案
118d：介层窗插塞
126a：开口
130：彩色滤光层
132：微透镜
具体实施方式
下文列举实施例并配合所附的附图来进行详细地说明，但所提供的实施例并非用以限制本发明所涵盖的范围。此外，附图仅以说明为目的，并未依照原尺寸作图。为了方便理解，下述说明中相同的元件将以相同的符号标示来说明。
此外，关于文中所使用「包含」、「包括」、「具有」等等用语，均为开放性的用语，也就是指「包括但不限于」。
另外，文中所提到的方向性用语，例如「上」、「下」等，仅是用以参考附图的方向，并非用来限制本发明。
图1A至图1F为依照本发明实施例的影像传感器的制造流程剖面示意图。
首先，请参照图1A，提供基底100。基底100例如是硅基底。基底100具有彼此相对的主动面100a与背面100b。主动面100a为形成有各种半导体元件的表面。在本实施例中，隔离结构102形成于主动面100a处的基底100中以界定出主动区104，光二极管106与存储节点108形成于主动区104中的基底100中且彼此间隔开，而晶体管110设置于光二极管106与存储节点108之间且分别与光二极管106以及存储节点108电连接。在本实施例中，光二极管106与存储节点108位于基板100中的深度大于隔离结构102位于基板100中的深度，但本发明不限于此。
在本实施例中，隔离结构102例如为浅沟槽隔离结构(shallow trenchisolation，STI)，其具有略高于主动面100a的顶面，但本发明不限于此。此外，在本实施例中，光二极管106由掺杂区106a与掺杂区106b构成。掺杂区106a与掺杂区106b具有彼此相反的导电类型。举例来说，掺杂区106a为p型掺杂区，而掺杂区106b则为n型掺杂区，但本发明不限于此。在其他实施例中，掺杂区106a可以是n型掺杂区，而掺杂区106b可以是p型掺杂区。另外，在本实施例中，存储节点108由掺杂区108a与掺杂区108b构成。掺杂区108a与掺杂区108b具有彼此相反的导电类型。举例来说，掺杂区108a为p型掺杂区，而掺杂区108b则为n型掺杂区，但本发明不限于此。在其他实施例中，掺杂区108a可以是n型掺杂区，而掺杂区108b可以是p型掺杂区。此外，在本实施例中，晶体管110包括栅介电层110a、栅极110b与间隙壁110c。隔离结构102、光二极管106、存储节点108与晶体管110的形成方法为本领域技术人员所熟知，于此不在另行说明。
在本实施例中，当光二极管106曝光时，电荷会累积于光二极管106，而晶体管110则将电荷传送至存储节点108来蓄积电荷。因此，晶体管110通常称为转移晶体管。此外，基底100的主动面100a处还可形成有其他熟知的半导体元件(例如重置晶体管、电容器等)，而为了对本发明清楚说明的目的，图1A中并未绘示出这些熟知的半导体元件。
接着，请参照图1B，视情况可在主动面100a上形成接触窗蚀刻终止层(contactetch stop layer，CESL)112。接触窗蚀刻终止层112例如为氮化物层。接触窗蚀刻终止层112覆盖主动面100a、隔离结构102以及晶体管110。然后，在隔离结构102中形成沟槽114。在本实施例中，沟槽114的形成方法例如是先于接触窗蚀刻终止层112上形成图案化掩模层(未绘示)。图案化掩模层例如是图案化光致抗蚀剂层。图案化掩模层暴露出隔离结构102的顶面上的部分接触窗蚀刻终止层112。接着，以图案化掩模层为掩模，进行各向异性蚀刻制作工艺，以移除暴露出来的接触窗蚀刻终止层112以及位于下方的部分隔离结构102。在本实施例中，沟槽114的深度小于隔离结构102的厚度，但本发明不限于此。在其他实施例中，以上述各向异性蚀刻制作工艺所形成的沟槽也可贯穿隔离结构102，亦即所形成的沟槽的深度可等于隔离结构102的厚度。在形成沟槽114之后，形成反光材料层116，以覆盖主动面100a与晶体管110且填满沟槽114。在本实施例中，反光材料层116例如是金属层。
在另一实施例中，在形成沟槽114时，若沟槽114贯穿隔离结构102，则所形成的反光材料层116会贯穿隔离结构102而与基底100接触。
然后，请参照图1C，在主动面100a上形成内连线结构118。内连线结构118包括形成于反光材料层116上的介电层118a以及形成于介电层118a中且与晶体管110电连接的线路结构，其中线路结构包括接触窗插塞(contact plug)118b、线路图案118c以及介层窗插塞(via plug)118d。触窗插塞118b连接晶体管110与线路图案118c，而介层窗插塞118d则连接各层的线路图案118c。在本实施例中，绘示出二层线路图案118c，但本发明不限于此。在其他实施例中，内连线结构118可包括更多层或更少层的线路图案118c。内连线结构118的结构与形成方法为本领域技术人员所熟知，于此不在另行说明。
接着，请参照图1D，自所述背面100b处减小基板100的厚度。在本实施例中，对背面100b进行化学机械研磨制作工艺，移除部分基底100，以减小基板100的厚度。重要的是，在减小基板100的厚度之后，位于基板100中的隔离结构102、光二极管106与存储节点108并不会被暴露出来。然后，在背面100b处的基底100中形成暴露出隔离结构102的底部的沟槽120。在本实施例中，沟槽120的形成方法例如是先于背面100b上形成图案化掩模层(未绘示)。图案化掩模层例如是图案化光致抗蚀剂层。图案化掩模层的暴露区域对应隔离结构102的位置。在本实施例中，图案化掩模层的暴露区域大于隔离结构102的底面的面积，但本发明不限于此。接着，以图案化掩模层为掩模，进行各向异性蚀刻制作工艺，移除部分基底100，以暴露出隔离结构102的底面。在本实施例中，在进行各向异性蚀刻制作工艺之后，除了暴露出隔离结构102的底面之外，还暴露出隔离结构102的侧壁，但本发明不限于此。在其他实施例中，进行各向异性蚀刻制作工艺之后，可仅暴露出隔离结构102的底面，亦即以隔离结构102的底面作为各向异性蚀刻制作工艺的终止点。之后，移除图案化掩模层。
此外，在反光材料层116贯穿隔离结构102而与基底100接触的实施例中，所形成的沟槽120除了暴露出隔离结构102的底部之外，还会暴露出反光材料层116的底部。
在形成沟槽120之后，在基底100的背面100b上形成介电层122。介电层122填满沟槽120。介电层122例如是氧化物层。在本实施例中，介电层122的形成方法例如是先于背面100b上形成一层介电材料，并使介电材料填满沟槽120，然后再对介电材料进行平坦化制作工艺。在本实施例中，位于基底100中的介电层122可与隔离结构102共同形成围绕主动区104的隔离结构。
然后，请参照图1E，在背面100b处的基底100中形成沟槽124。沟槽124暴露出隔离结构102中的反光材料层116的底部。在本实施例中，沟槽124的形成方法例如是先于介电层122上形成图案化掩模层(未绘示)。图案化掩模层例如是图案化光致抗蚀剂层。图案化掩模层的暴露区域对应隔离结构102中的反光材料层116的位置，其中用于形成沟槽124的图案化掩模层的暴露区域的面积小于用于形成沟槽120的图案化掩模层的暴露区域的面积。接着，以图案化掩模层为掩模，进行各向异性蚀刻制作工艺，移除部分介电层122与部分隔离结构102，以暴露出隔离结构102中的反光材料层116的底面。在本实施例中，在进行各向异性蚀刻制作工艺之后，仅暴露出隔离结构102中的反光材料层116的底面，但本发明不限于此。在其他实施例中，在进行各向异性蚀刻制作工艺之后，除了暴露出隔离结构102中的反光材料层116的底面之外，还暴露出反光材料层116的侧壁。之后，移除图案化掩模层。
此外，在反光材料层116贯穿隔离结构102而与基底100接触的实施例中，上述的各向异性蚀刻制作工艺可仅移除部分介电层122，亦即以反光材料层116的底面作为各向异性蚀刻制作工艺的终止点。
在形成沟槽124之后，在沟槽124中与背面100b上形成反光材料层126，其中反光材料层126不与光二极管106的整体重叠。在本实施例中，反光材料层126例如是金属层。在本实施例中，形成反光材料层126的方法例如是先于介电层122上形成一层反光材料，且使得反光材料填满沟槽124。然后，将反光材料图案化，以形成具有开口126a的反光材料层126，其中开口126a对应光二极管106的位置且不与光二极管106的整体重叠。在本实施例中，开口126a暴露出部分光二极管106，但本发明不限于此。在其他实施例中，开口126a也可暴露出整个光二极管106。
之后，请参照图1F，在反光材料层126上形成介电层128，且介电层128填满开口126a。接着，在介电层128上形成彩色滤光层130。之后，在彩色滤光层130上形成微透镜132，以完成本实施例的影像传感器10的制造。
以下将以影像传感器10为例来对本发明的影像传感器进行说明。
在影像传感器10中，位于基底100中的介电层102可视为隔离结构，其与隔离结构102共同形成围绕主动区104的隔离结构。此外，位于隔离结构102中的反光材料层116与位于介电层122中的反光材料层126连接。因此，在本实施例中，在主动区104的周围设置有围绕其的反光材料层。也就是说，在光二极管106与存储节点108的周围围绕有反光层(反光材料层116与反光材料层126)。因此，在基板100中相邻的主动区之间可通过位于隔离结构中的反光层而分隔开。
此外，在影像传感器10中，基底100的主动面100a上设置有反光材料层116，且基底100的背面100b上设置有反光材料层126，而基底100的背面100b上的反光材料层126具有对应光二极管106的位置的开口126a。也就是说，光二极管106与存储节点108除了周围被反光层围绕之外，上方与下方也被反光层所覆盖，而仅保留光二极管106的入光区域(开口126a)。
如此一来，当影像传感器10曝光时，光仅会由对应光二极管106的位置的开口126a进入光二极管106，而存储节点108则不会曝光。因此，可有效地降低存储节点108的寄生光敏度。此外，部分未进入光二极管106的光可通过光二极管106周围的反光层而反射进入光二极管106，使得影像传感器10可具有更高的光利用率。
另外，由于主动区104可通过位于隔离结构102中的反光层而与邻近的其他主动区分隔开，因此可确保主动区104中的光二极管106不会受到邻近的光干扰而导致电信号受到影响，因而提高了影像传感器10的效能。
虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (15)

1.一种影像传感器，其特征在于，包括：
基底，具有彼此相对的主动面与背面；
第一隔离结构，设置于所述主动面处的所述基底中，以界定出主动区；
光二极管，设置于所述主动区中的所述基底中；
存储节点，设置于所述主动区中的所述基底中，且与所述光二极管间隔开；
晶体管，设置于所述光二极管与所述存储节点之间，且分别与所述光二极管以及所述存储节点电连接；
第二隔离结构，设置于所述背面处的所述基底中，且与所述第一隔离结构连接；
反光层，具有位于所述主动面上的第一部分、位于所述第一隔离结构与所述第二隔离结构中的第二部分以及位于所述背面上的第三部分，其中所述第二部分连接所述第一部分与所述第三部分，且所述第三部分不与所述光二极管的整体重叠；以及
微透镜，设置于所述反光层上。
2.如权利要求1所述的影像传感器，其中所述反光层包括金属层。
3.如权利要求1所述的影像传感器，还包括介电层，设置于所述反光层与所述背面之间。
4.如权利要求1所述的影像传感器，还包括：
彩色滤光层，设置于所述反光层与所述微透镜之间；以及
介电层，设置于所述彩色滤光层与所述反光层之间。
5.如权利要求1所述的影像传感器，还包括内连线结构，设置于所述主动面上，其中所述内连线结构包括：
介电层，覆盖所述晶体管与所述反光层的所述第一部分；以及
线路结构，设置于所述介电层中，且与所述晶体管电连接。
6.一种影像传感器的制造方法，包括：
提供基底，所述基底具有彼此相对的主动面与背面，其中隔离结构形成于所述主动面处的所述基底中以界定出主动区，光二极管与存储节点形成于所述主动区中的所述基底中且彼此间隔开，晶体管形成于所述光二极管与所述存储节点之间且分别与所述光二极管以及所述存储节点电连接；
在所述隔离结构中形成第一沟槽；
形成第一反光材料层，以覆盖所述主动面与所述晶体管且填满所述第一沟槽；
在所述背面处的所述基底中形成第二沟槽，其中所述第二沟槽暴露出所述隔离结构中的所述第一反光材料层的底部；
在所述第二沟槽中与所述背面上形成第二反光材料层，其中所述第二反光材料层不与所述光二极管的整体重叠；以及
在所述背面上形成微透镜。
7.如权利要求6所述的影像传感器的制造方法，其中所述第一沟槽的形成方法包括：
在所述主动面上形成图案化掩模层，其中所述图案化掩模层覆盖所述主动面与所述晶体管，且暴露出部分所述隔离结构的顶面；
以所述图案化掩模层为掩模，进行蚀刻制作工艺，移除部分所述隔离结构；以及
移除所述图案化掩模层。
8.如权利要求6所述的影像传感器的制造方法，其中在形成所述第一反光材料层之后以及在形成所述第二沟槽之前，还包括于所述主动面上形成内连线结构，其中所述内连线结构包括：
介电层，覆盖所述晶体管与所述第一反光材料层；以及
线路结构，形成于所述介电层中，且与所述晶体管电连接。
9.如权利要求6所述的影像传感器的制造方法，其中在形成所述第一反光材料层之后以及在形成所述第二沟槽之前，还包括自所述背面处减小所述基板的厚度。
10.如权利要求9所述的影像传感器的制造方法，其中自所述背面处减小所述基板的厚度的方法包括对所述背面进行化学机械研磨制作工艺。
11.如权利要求6所述的影像传感器的制造方法，所述第二沟槽的形成方法包括：
在所述背面上形成第一图案化掩模层，其中所述第一图案化掩模层的暴露区域对应所述隔离结构的位置；
以所述第一图案化掩模层为掩模，进行蚀刻制作工艺，移除部分所述基底，以形成第三沟槽，其中所述第三沟槽至少暴露出所述隔离结构的底面；
移除所述第一图案化掩模层；
在所述背面上形成介电层，其中所述介电层填满所述第三沟槽；
在所述介电层上形成第二图案化掩模层，其中所述第二图案化掩模层的暴露区域对应所述隔离结构中的所述第一反光材料层的位置，且所述第二图案化掩模层的暴露区域的面积小于所述第一图案化掩模层的暴露区域的面积；
以所述第二图案化掩模层为掩模，进行蚀刻制作工艺，移除部分所述介电层与部分所述隔离结构，以至少暴露出所述隔离结构中的所述第一反光材料层的底面；以及
移除所述第二图案化掩模层。
12.如权利要求6所述的影像传感器的制造方法，其中所述第二反光材料层的形成方法包括：
在所述介电层上形成反光材料，其中所述反光材料填满所述第二沟槽；以及
将所述反光材料图案化，以形成开口，其中所述开口对应所述光二极管的位置且不与所述光二极管的整体重叠。
13.如权利要求6所述的影像传感器的制造方法，其中在形成所述第二反光材料层之后以及在形成所述微透镜之前，还包括：
在所述第二反光材料层上形成介电层；以及
在所述介电层上形成彩色滤光层。
14.如权利要求6所述的影像传感器的制造方法，其中所述第一反光材料层包括金属层。
15.如权利要求6所述的影像传感器的制造方法，其中所述第二反光材料层包括金属层。
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