CN112635498A - 影像感测装置及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种影像感测装置及其形成方法，影像感测装置包含基底、感光元件、介电层、反射层、彩色滤光层以及微透镜结构。前述基底具有第一像素及邻近第一像素的第二像素，且基底具有前侧及相对于前侧的背侧。前述感光元件设置于基底中。前述介电层设置于基底的背侧上。前述反射层设置于基底的前侧上且具有抛物面。前述彩色滤光层设置于介电层上。前述微透镜结构设置于彩色滤光层上。

Description

影像感测装置及其形成方法
技术领域
本发明实施例是有关于一种影像感测装置(image sensing device)，且特别地是有关于背照式(back side illumination，BSI)影像感测装置。
背景技术
影像感测装置已在各式影像捕捉装置中被广泛使用，例如摄影机、数字相机及类似装置。影像感测装置，例如电荷耦合装置(charge-coupled device，CCD)影像感测装置或互补式金氧半导体(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)影像感测装置，具有感光元件用于将入射光转换成电信号。影像感测装置具有像素阵列，且每一个像素具有一个感光元件。影像感测装置也具有逻辑电路，用于传送和处理电信号。
虽然现存的影像感测装置可大致满足它们原先预定的用途，但其仍未在各个方面皆彻底地符合需求。例如，当入射光穿过含有感光元件的基底时，入射光并不会反射回去至基底，且当光的波长太长或基底的厚度不够时，其通常会发生前述现象。因此，会在导线层损失大部分的能量。
因此，需要一种新颖的影像感测装置，来减少能量在导线层的损失。
发明内容
根据本发明的实施例，提供一种影像感测装置及其形成方法。本发明实施例的影像感测装置包含反射层设置于背照式影像感测装置的前侧上。当入射光穿过基底后，能反射回基底，而增加入射光在基底中的吸收路径，借此减少能量在导线层损失。此外，由于反射层具有抛物面，所以还可避免入射光反射至其他像素中，从而避免串扰(crosstalk)。
根据本发明的一些实施例，提供一种影像感测装置，包含：基底、感光元件、介电层、反射层、彩色滤光层以及微透镜结构。前述基底具有第一像素及邻近第一像素的第二像素，且基底具有前侧及相对于前侧的背侧。前述感光元件设置于基底中。前述介电层设置于基底的背侧上。前述反射层设置于基底的前侧上且具有抛物面。前述彩色滤光层设置于介电层上。前述微透镜结构设置于彩色滤光层上。
根据本发明的一些实施例，提供影像感测装置的形成方法。此方法包含提供基底，其中基底具有第一像素及邻近第一像素的第二像素，且基底具有前侧及相对于前侧的背侧；形成感光元件于基底中；形成介电层于基底的背侧上；形成反射层于基底的前侧上且反射层具有抛物面；形成彩色滤光层于介电层上；以及形成微透镜结构于彩色滤光层上。
附图说明
本发明实施例可通过以下详细描述和范例配合所附附图而更充分了解，其中：
图1至图11是根据本发明的一些实施例所绘示的形成影像感测装置100A的不同阶段的剖面图；
图12是根据本发明的另一些实施例所绘示的影像感测装置100B的剖面图；
图13是根据本发明的另一些实施例所绘示的影像感测装置100C的剖面图。
【符号说明】
100A、100B、100C～影像感测装置；
102～基底；
102B～背侧；
102F～前侧；
102P-1～第一像素；
102P-2～第二像素；
104～感光元件；
106～介电层；
106’～图案化的介电层；
108～第一硬遮罩；
110～反射层；
112～导线层；
114～介电层；
116～彩色滤光层；
116R～红色滤光部件；
116G～绿色滤光部件；
118～微透镜材料；
118’～微透镜结构；
120～第二硬遮罩；
122～深沟槽隔离区；
124～次波长光栅；
L～入射光。
具体实施方式
以下针对本发明实施例的影像感测装置及其形成方法做详细说明。应了解的是，以下的叙述提供许多不同的实施例或例子，用以实施本发明实施例的不同态样。以下所述特定的元件及排列方式仅为简单清楚描述本发明的一些实施例。当然，这些仅用以举例而非本发明的限定。此外，在不同实施例中可能使用类似及/或对应的标号标示类似及/或对应的元件，以清楚描述本发明实施例。然而，这些类似及/或对应的标号的使用仅为了简单清楚地叙述本发明的一些实施例，不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间具有任何关联性。
此外，实施例中可能使用相对性用语，例如“较低”或“底部”或“较高”或“顶部”，以描述附图的一个元件对于另一元件的相对关系。可理解的是，如果将附图的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“较低”侧的元件将会成为“较高”侧的元件。
此外，附图的元件或装置可以发明所属技术领域具有通常知识者所熟知的各种形式存在。此外，应理解的是，虽然在此可使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来叙述各种元件、组件、区域、层、及/或部分，这些元件、组件、区域、层、及/或部分不应被这些用语限定。这些用语仅是用来区别不同的元件、组件、区域、层或部分。因此，以下讨论的一“第一”元件、组件、区域、层或部分可在不偏离本发明实施例的教示的情况下被称为“第二”元件、组件、区域、层或部分。
在此，“约”、“大约”、“大抵”的用语通常表示在一给定值的+/-20％之内，较佳是+/-10％之内，且更佳是+/-5％之内，或+/-3％之内，或+/-2％之内，或+/-1％之内，或+/-0.5％之内。在此给定的数值为大约的数值，亦即在没有特定说明“约”、“大约”、“大抵”的情况下，此给定的数值仍可隐含“约”、“大约”、“大抵”的含义。
在本发明实施例中，相对性的用语例如“下”、“上”、“水平”、“垂直”、“之下”、“之上”、“顶部”、“底部”等等应被理解为该实施例以及相关附图中所绘示的方位。此相对性的用语是为了方便说明之用，并不表示所叙述的装置需以特定方位来制造或运作。此外，关于接合、连接的用语，例如“连接”、“互连”等，除非特别定义，否则可表示两个结构直接接触，或者亦可表示两个结构并非直接接触，而是有其它结构设置于此两个结构之间。另外，关于接合、连接的用语，亦可包含两个结构都可移动，或者两个结构都固定的实施例。
除非另外定义，在此使用的全部用语(包含技术及科学用语)具有与本发明所属技术领域的技术人员通常理解的相同涵义。能理解的是，这些用语例如在通常使用的字典中定义用语，应被解读成具有与相关技术及本发明的背景或上下文一致的意思，而不应以一理想化或过度正式的方式解读，除非在本发明实施例有特别定义。
应注意的是，在后文中“基底”一词可包括半导体晶圆上已形成的元件与覆盖在晶圆上的各种膜层，其上方可以已形成任何所需的半导体元件，不过此处为了简化附图，仅以平整的基底表示之。此外，“基底表面、”包含半导体晶圆之上最上方且暴露出的膜层，例如硅表面、绝缘层及/或金属线。
本发明实施例可配合附图更佳地理解，在此揭露的附图亦被视为揭露说明的一部分。需了解的是，在此揭露的附图并未必按照实际装置及元件的比例绘示。在附图中可能夸大实施例的形状与厚度以便清楚表现出本发明实施例的特征。此外，附图中的结构及装置是以示意的方式绘示，以便清楚表现出本发明实施例的特征。
虽然所述的一些实施例中的步骤以特定顺序进行，这些步骤亦可以其他合逻辑的顺序进行。在不同实施例中，可替换或省略一些所述的步骤，亦可于本发明实施例所述的步骤之前、之中、及/或之后进行一些其他操作。本发明实施例中的影像感测装置可加入其他的特征。在不同实施例中，可替换或省略一些特征。
本发明实施例提供一种影像感测装置及其形成方法。通过在含有感光元件的基底的前侧下设置具有抛物面的反射层，使入射光穿过基底后，能反射回基底，而增加入射光在含有感光元件的基底中的吸收路径，借此能减少能量在导线层损失。此外，由于反射层具有抛物面，所以可避免入射光反射至其他像素中，而进一步避免串扰(crosstalk)。
图1至图11是根据本发明的一些实施例所绘示的形成影像感测装置100A的不同阶段的剖面图。影像感测装置100A包含基底102。如图1所示，基底102具有第一像素102P-1及邻近第一像素102P-1的第二像素102P-2。基底102具有前侧102F及相对于前侧102F的背侧102B。本发明所属技术领域中具有通常知识者可理解的是，影像感测装置含有多个像素，而为了简化附图本发明实施例仅绘示出两个像素。
在本发明的一些实施例中，基底102是主体(bulk)半导体基底，例如半导体晶圆。举例而言，基底102是硅晶圆。基底102可包含硅或另一元素半导体材料，例如锗。在一些其它实施例中，基底102包含化合物半导体。化合物半导体可包含砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)、砷化铟(InAs)、磷化铟(InP)、磷化镓(GaP)、另一合适的材料或前述的组合。
在一些实施例中，基底102包含绝缘体上的半导体(semiconductor-on-insulator，SOI)基底，可使用植氧分离(separation by implantation of oxygen，SIMOX)制程、晶圆接合制程、另一合适的方法或前述的组合来制造绝缘体上的半导体(SOI)基底。在一些实施例中，基底102是未掺杂的基底。
影像感测装置100A包含对应至一个像素的感光元件104。感光元件104设置于基底102中。详细而言，感光元件104的底面104B可大致上与基底102的前侧102F共平面。在一些实施例中，感光元件104的顶面104T可大致上与基底102的背侧102B共平面。在另一些实施例中，感光元件104的顶面104T不与基底102的背侧102B共平面，且感光元件104的底面104B不与基底102的前侧102F共平面；换句话说，感光元件104可埋置于基底102中。
在一些实施例中，感光元件104可包含光电二极管(photodiode)，但不限于此。感光元件104可接收入射光，并将其转换为电信号。详细而言，根据一些实施例，所述光电二极管可包含p+/n/p-二极管、n+/p/n-二极管、金属氧化物半导体(MOS)晶体管(未绘示)的源极与漏极，且源极与漏极可将电流传输至其它组件，如其它金属氧化物半导体晶体管。
此外，在一些实施例中，感光元件104可包含传输栅极(transfer gate)、重置栅极(reset gate)、源极随耦器栅极(source-follow gate)、行选择栅极(row-select gate)、或前述的组合。再者，感光元件104可进一步与外部装置耦接，将数字信号传输至外部装置，例如信号处理器。
接着，请参阅图2，在基底102的前侧102F上形成介电层106。介电层106的材料可包含，但不限于有机透明材料、介电材料、任何其它合适的透明材料或前述的组合。在一些实施例中，介电材料包含SiO2、SiN3、SiON、Al2O3、MgO、Sc2O3、HfO2、HfSiO、HfSiON、HfTaO、HfTiO、HfZrO、LaO、ZrO、TiO2、ZnO2、ZrO2、AlSiN3、SiC、Ta2O5、其他适当的介电材料或前述的组合。
在一些实施例中，通过使用化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)、溅镀(sputtering)、电阻热蒸镀(resistive thermal evaporation)、电子束蒸镀(electronbeam evaporation)、其他合适的方法或前述的组合，来沉积介电层106。在本发明的一些实施例中，化学气相沉积可包含，但不限于低压化学气相沉积(low-pressure chemicalvapor deposition，LPCVD)、低温化学气相沉积(low-temperature chemical vapordeposition，LTCVD)、快速加热化学气相沉积(rapid thermal chemical vapordeposition，RTCVD)、电浆增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapordeposition，PECVD)、原子层沉积法(atomic layer deposition，ALD)等。
接下来请参阅图3，将通过合适的制程例如旋转涂布或化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法、分子束沉积法、电浆增强化学气相沉积法、其他合的方法或前述的组合，将光阻材料形成于介电层106的底面上，接着执行光学曝光、曝光后烘烤和显影，以移除部分的光阻材料而形成图案化的光阻层，图案化的光阻层将作为用于蚀刻的第一硬遮罩108。可执行双层或三层的光阻。
然后，在介电层106上执行蚀刻制程。在一些实施例中，第一硬遮罩108与介电层106的蚀刻选择比(etching selectivity ratio)可约为1：0.8，并且蚀刻制程可为干式蚀刻，此干式蚀刻可使用以氟为基础的制程气体，例如CF4、CHF3等气体进行。在蚀刻制程之后，介电层106的上方部分会被蚀刻，并且被塑造成抛物面，而介电层106的下方部分则不会被蚀刻，并且保留在基底102上。此时，第一硬遮罩108也会被移除，形成如图4所示的图案化的介电层106’，并且图案化的介电层106’的相邻区域的底部互相连接。
接下来请参阅图5，在图案化的介电层106’上顺应性地形成反射层110。在一些实施例中，通过使用化学气相沉积、溅镀、电阻热蒸镀、电子束蒸镀、其他合适的方法或前述的组合，来沉积反射层110。在本发明的一些实施例中，化学气相沉积可包含，但不限于低压化学气相沉积、低温化学气相沉积、快速加热化学气相沉积、电浆增强化学气相沉积、原子层沉积法等。然后，对反射层110执行平坦化制程，例如化学机械研磨(chemical mechanicalpolishing)制程。
反射层110的材料可包含铜、铝、钼、钨、金、铬、镍、铂、钛、铱、铑、其它导电性佳的金属材料、前述的合金或前述的组合。
如图5所示，反射层110具有抛物面110S。反射层110的抛物面110S的曲率半径可介于0.3μm和10μm之间。例如，抛物面110S的曲率半径可介于1μm和5μm之间。
接下来请参阅图6，在基底102的前侧102F上形成导线层112。详细而言，反射层110是设置于基底102与导线层112之间。导线层112包含内连线结构(未绘示)。
接下来请参阅图7，在基底102的背侧102B上形成介电层114。在一些实施例中，通过使用化学气相沉积、溅镀、电阻热蒸镀、电子束蒸镀、其他合适的方法或前述的组合，来沉积介电层114。在本发明的一些实施例中，化学气相沉积可包含，但不限于低压化学气相沉积、低温化学气相沉积、快速加热化学气相沉积、电浆增强化学气相沉积、原子层沉积法等。
介电层114的材料包含SiO2、SiN3、SiON、Al2O3、MgO、Sc2O3、HfO2、HfSiO、HfSiON、HfTaO、HfTiO、HfZrO、LaO、ZrO、TiO2、ZnO2、ZrO2、AlSiN3、SiC、Ta2O5、其他适当的介电材料或前述的组合。
接下来请参阅图8，在介电层114上形成彩色滤光层116。彩色滤光层116包含数个彩色滤光部件，例如分别红色滤光部件116R和绿色滤光部件116G。在一些实施例中，彩色滤光部件可具有其他颜色，且这些不同颜色的彩色滤光部件可采用其他排列方式排列。每一个彩色滤光部件是各自对应至每一个像素中的一个感光元件104。
接下来请参阅图9，在彩色滤光层116上形成微透镜材料118。在一些实施例中，通过使用化学气相沉积、溅镀、电阻热蒸镀、电子束蒸镀、其他合适的方法或前述的组合，来沉积微透镜材料118。在本发明的一些实施例中，化学气相沉积可包含，但不限于低压化学气相沉积、低温化学气相沉积、快速加热化学气相沉积、电浆增强化学气相沉积、原子层沉积法等。微透镜材料118的材料包含透明有机材料。
接下来请参阅图10，将通过合适的制程例如旋转涂布或化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法、分子束沉积法、电浆增强化学气相沉积法、其他合的方法或前述的组合，将光阻材料形成于微透镜材料118上。接着执行光学曝光、曝光后烘烤和显影，以移除部分的光阻材料而形成图案化的光阻层，图案化的光阻层将作为用于蚀刻的第二硬遮罩120。可执行双层或三层的光阻。
然后，在微透镜材料118上执行蚀刻制程。在一些实施例中，第二硬遮罩120与微透镜材料118的蚀刻选择比(etching selectivity ratio)可约为1：0.8，并且蚀刻制程可为干式蚀刻，此干式蚀刻可使用以氟为基础的制程气体，例如CF4、CHF3等气体进行。在蚀刻制程之后，微透镜材料118的上方部分会被蚀刻，并且被塑造成抛物面，而微透镜材料118的下方部分则不会被蚀刻，并且保留在彩色滤光层116上。此时，第二硬遮罩120也会被移除，形成如图11所示的微透镜结构118’。微透镜结构118’具有凸面轮廓表面。
如图11所示，通过在含有感光元件104的基底102的前侧102F上设置具有抛物面110S的反射层110，当入射光L穿过基底102后，能反射回基底102，而增加入射光L在含有感光元件104的基底102中的吸收路径，借此能减少能量在导线层112损失。此外，由于反射层110具有抛物面110S，所以可避免入射光L反射至其他像素中，而进一步避免串扰(crosstalk)。入射光L的路径仅作为示例性说明。
在一些实施例中，如图12所示，影像感测装置100B还包含在基底102中且在感光元件104之间形成深沟槽隔离区122。
详细而言，在形成介电层114之前，例如图6的剖面图，执行图案化制程。通过合适的制程例如旋转涂布或化学气相沉积制程、原子层沉积制程、物理气相沉积制程、分子束沉积制程、电浆增强化学气相沉积或其他合适的沉积制程或前述的组合或其它合适的沉积制程，将光阻材料形成于基底102的背侧102B上，接着执行光学曝光、曝光后烘烤和显影，以移除部分的光阻材料，而形成图案化的光阻层，图案化的光阻层将作为用于蚀刻的蚀刻遮罩。可执行双层或三层的光阻。然后，使用任何可接受的蚀刻制程，例如反应离子蚀刻、中性束蚀刻、类似蚀刻或前述的组合，来蚀刻穿过部分基底102，以在基底102中且在感光元件104之间形成沟槽。在一些实施例中，沟槽可穿过基底102。接着，可通过蚀刻或其他合适的方法，来移除图案化的光阻层。
接下来，通过合适的沉积制程，例如化学气相沉积制程、原子层沉积制程、物理气相沉积制程、分子束沉积制程、电浆增强化学气相沉积或其他合适的沉积制程或前述的组合，将绝缘材料填入沟槽中，以形成深沟槽隔离区122。在一些实施例中，深沟槽隔离区122的绝缘材料可以是绝缘材料，例如氧化硅(silicon oxide)、氮化硅(silicon nitride)、氮氧化硅(silicon oxynitride)或类似材料或前述的组合。
如图12所示，通过设置深沟槽隔离区122于感光元件104之间(图1的第一像素102P-1及第二像素102P-2之间)，以进一步避免入射光L被反射层110反射至其他像素中的感光元件104。在一些实施例中，深沟槽隔离区122可穿过基底102。入射光L的路径仅作为示例性说明。本发明所属技术领域中具有通常知识者可理解的是，可根据实际情况而在适当的制程之间形成深沟槽隔离区。举例而言，亦可通过蚀刻基底102的前侧102F，来形成深沟槽隔离区122。
在一些实施例中，请参阅图13，图13与图12的差异在于，影像感测装置100C还包含在基底102的背侧102B形成次波长光栅(subwavelength grating)124，以使入射光L散射，而进一步增加入射光L的总吸收路径。入射光L的路径仅作为示例性说明。在一些实施例中，次波长光栅可形成于基底102的前侧102F和反射层110之间。例如，可在图6剖面图形成深沟槽隔离区122和次波长光栅124。本发明所属技术领域中具有通常知识者可理解的是，可根据实际情况而在适当的制程之间形成深沟槽隔离区和次波长光栅。
相较于习知技术，本发明实施例所提供的影像感测装置至少具有以下优点：
(1)通过在含有感光元件的基底的前侧上设置具有抛物面的反射层，使入射光穿过基底后，能反射回基底，而增加入射光在含有感光元件的基底中的吸收路径，借此能减少能量在导线层损失。此外，由于反射层具有抛物面，所以可避免入射光反射至其他像素中，而避免串扰(crosstalk)。
(2)此外，通过设置深沟槽隔离区于感光元件之间，以进一步避免入射光反射至其他像素中的感光元件。
(3)另外，通过在基底的背侧形成次波长光栅(subwavelength grating)，以使入射光散射而增加入射光的总吸收路径，并且在基底中设置深沟槽隔离区，可同时减少能量在导线层损失且进一步避免入射光反射至其他像素中的感光元件。
虽然本发明已揭露较佳实施例如上，然其并非用以限定本发明，在此技术领域中具有通常知识者当可了解，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (14)

1.一种影像感测装置，其特征在于，包括：
一基底，具有一第一像素及邻近该第一像素的一第二像素，且该基底具有一前侧及相对于该前侧的一背侧；
多个感光元件，设置于该基底中；
一介电层，设置于该基底的该背侧上；
一反射层，设置于该基底的该前侧上且具有一抛物面；
一彩色滤光层，设置于该介电层上；以及
一微透镜结构，设置于该彩色滤光层上。
2.根据权利要求1所述的影像感测装置，其特征在于，该反射层的该抛物面的曲率半径介于0.3μm至10μm之间。
3.根据权利要求1所述的影像感测装置，其特征在于，还包括一深沟槽隔离区，设置于该基底中且于该多个感光元件之间。
4.根据权利要求3所述的影像感测装置，其特征在于，该基底包括一次波长光栅于该基底的该背侧。
5.根据权利要求1所述的影像感测装置，其特征在于，还包括一深沟槽隔离区，设置于该第一像素及该第二像素之间。
6.根据权利要求1所述的影像感测装置，其特征在于，还包括一导线层，设置于该基底的该前侧上。
7.根据权利要求6所述的影像感测装置，其特征在于，该反射层设置于该基底与该导线层之间。
8.一种影像感测装置的形成方法，其特征在于，包括：
提供一基底，其中该基底具有一第一像素及邻近该第一像素的一第二像素，且该基底具有一前侧及相对于该前侧的一背侧；
形成多个感光元件于该基底中；
形成一介电层于该基底的该背侧上；
形成一反射层于该基底的该前侧上，且该反射层具有一抛物面；
形成一彩色滤光层于该介电层上；以及
形成一微透镜结构于该彩色滤光层上。
9.根据权利要求8所述的影像感测装置的形成方法，其特征在于，该抛物面的曲率半径介于0.3μm至10μm之间。
10.根据权利要求8所述的影像感测装置的形成方法，其特征在于，还包括形成一深沟槽隔离区于该基底中且于该多个感光元件之间。
11.根据权利要求10所述的影像感测装置的形成方法，其特征在于，还包括形成一次波长光栅于该基底的该背侧。
12.根据权利要求8所述的影像感测装置的形成方法，其特征在于，还包括形成一深沟槽隔离区于该第一像素及该第二像素之间。
13.根据权利要求8所述的影像感测装置的形成方法，其特征在于，还包括形成一导线层于该基底的该前侧上。
14.根据权利要求13所述的影像感测装置的形成方法，其特征在于，该反射层设置于该基底与该导线层之间。
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