CN113130517A - 影像传感器结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种影像传感器结构及其制造方法，其中该影像传感器结构包括基底、感光元件、滤光结构与隔离墙。感光元件位于基底中。滤光结构位于感光元件上方。滤光结构包括主滤光层与第一辅助滤光层。隔离墙围绕滤光结构的侧壁。滤光结构的折射率大于隔离墙的折射率。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体元件及其制造方法，且特别是涉及一种影像传感器结构及其制造方法。
背景技术
利用半导体制作工艺制作的影像感测元件可用来感测光线，例如互补式金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)等。上述影像感测元件利用感测单元阵列来接收光能量并转换为数字数据。然而，如何提升影像传感器的光电转换效率以及防止在影像传感器产生光学串扰(optical crosstalk)为目前业界努力的目标。
发明内容
本发明提供一种影像传感器结构及其制造方法，其可提升光电转换效率并防止光学串扰。
本发明提出一种影像传感器结构，包括基底、感光元件、滤光结构与隔离墙(separation wall)。感光元件位于基底中。滤光结构位于感光元件上方。滤光结构包括主滤光层与第一辅助滤光层。隔离墙围绕滤光结构的侧壁。滤光结构的折射率大于隔离墙的折射率。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器结构中，主滤光层可为彩色滤光层。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器结构中，滤光结构还可包括第二辅助滤光层。主滤光层、第一辅助滤光层与第二辅助滤光层可堆叠在基底上。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器结构中，第一辅助滤光层可为红外线截止滤光层(IR cut filter)与紫外线截止滤光层(UV cut filter)中的一者。第二辅助滤光层可为红外线截止滤光层与紫外线截止滤光层中的另一者。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器结构中，隔离墙的材料例如是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、低介电常数材料(low dielectric constant material)或其组合。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器结构中，在隔离墙中可具有孔洞。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器结构中，更可包括隔离结构。隔离结构位于基底中。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器结构中，隔离墙可连接至隔离结构。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器结构中，基底的折射率可大于隔离结构的折射率。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器结构中，隔离结构可贯穿基底。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器结构中，还可包括界面层。界面层位于滤光结构与基底之间。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器结构中，还可包括微透镜层。微透镜层位于滤光结构上。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器结构中，影像传感器结构可为背照式影像传感器(backside illuminated image sensor，BSI image sensor)结构或前照式影像传感器(front side illuminated image sensor，FSI image sensor)结构。
本发明提出一种影像传感器结构的制造方法，包括以下步骤。在基底中形成感光元件。在感光元件上方形成滤光结构。滤光结构包括主滤光层与第一辅助滤光层。形成围绕滤光结构的侧壁的隔离墙。滤光结构的折射率大于隔离墙的折射率。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器结构的制造方法中，滤光结构的形成方法可包括以下步骤。在基底上形成滤光结构层。滤光结构层可包括主滤光材料层与第一辅助滤光材料层。在滤光结构层上形成图案化掩模层。以图案化掩模层为掩模，移除部分滤光结构层，而形成滤光结构与环绕滤光结构的开口。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器结构的制造方法中，滤光结构层还可包括第二辅助滤光材料层。主滤光材料层、第一辅助滤光材料层与第二辅助滤光材料层可堆叠在基底上。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器结构的制造方法中，隔离墙可封住开口。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器结构的制造方法中，隔离墙的形成方法可包括以下步骤。形成填入开口的隔离材料层。移除位于开口外部的隔离材料层。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器结构的制造方法中，在基底中可具有隔离结构。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器结构的制造方法中，开口可暴露出隔离结构。隔离墙可连接至隔离结构。
基于上述，在本发明所提出的影像传感器结构及其制造方法中，隔离墙围绕滤光结构的侧壁，且滤光结构的折射率大于隔离墙的折射率。如此一来，当光进入滤光结构并传递到滤光结构与隔离墙的界面时，光会在此界面产生全反射，由此可产生光管效果。由于上述光管效果可提升照射到所对应的感光元件的光量，因此可提升影像传感器的光电转换效率。此外，通过上述光管效果可防止光照射到其他感光元件，因此可防止光学串扰。
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1E为本发明一实施例的影像传感器结构的制造流程剖视图；
图2为图1C中的滤光结构与开口的上视图；
图3为图1E中的滤光结构与隔离墙的上视图；
图4为本发明另一实施例的影像传感器结构的剖视图。
符号说明
10,20:影像传感器结构
100:基底
102:感光元件
104:隔离结构
106:电路层
106a:介电层
106b:栅极结构
106c:内连线结构
108:界面材料层
108a:界面层
110:滤光结构层
110a:滤光结构
112:主滤光材料层
112a:主滤光层
114,116:辅助滤光材料层
114a,116a:辅助滤光层
118:图案化掩模层
120:开口
122:隔离材料层
122a:隔离墙
124:孔洞
126:微透镜层
128:光管结构
S1:第一面
S2:第二面
具体实施方式
图1A至图1E为本发明一实施例的影像传感器结构的制造流程剖视图。图2为图1C中的滤光结构与开口的上视图。图3为图1E中的滤光结构与隔离墙的上视图。在图2与图3中分别省略图1C与图1E中的部分构件，以清楚绘示出图2与图3中的各构件之间的配置关系。
影像传感器结构可为背照式影像传感器结构或前照式影像传感器结构。在本实施例中，影像传感器结构是以背照式影像传感器结构为例来进行说明，但本发明并不以此为限。
请参照图1A，在基底100中形成感光元件102。基底100例如是半导体基底，如硅基底。基底100可具有相对的第一面S1与第二面S2。第一面S1可为基底100的正面与背面中的一者，且第二面S2可为基底100的正面与背面中的另一者。在本实施例中，第一面S1是以基底100的正面为例，且第二面S2是以基底100的背面为例，但本发明并不以此为限。感光元件102例如是光二极管(photodiode)。感光元件102的形成方法例如是离子注入法。
此外，在基底100中可具有隔离结构104。基底100的折射率可大于隔离结构104的折射率。如此一来，当光进入基底100并传递到基底100与隔离结构104的界面时，光会在此界面产生全反射，由此可产生光管效果。由于上述光管效果可提升照射到所对应的感光元件102的光量，因此可提升影像传感器的光电转换效率。此外，通过上述光管效果可防止光照射到其他感光元件102，因此可防止光学串扰。举例来说，以波长为633nm的光进行测量时，基底100的折射率可约为3.8，且隔离结构104的折射率可为1至3。
隔离结构104可为深沟槽隔离结构(deep trench isolation DTI)或深沟槽隔离结构与浅沟槽隔离结构(shallow trench isolation，STI)的组合。隔离结构104的材料可包括介电材料(如，氧化硅)。在一些实施例中，导体材料(如，钨等金属或掺杂多晶硅)(未示出)可设置在隔离结构104的内部，且隔离结构104可位于导体材料与基底100之间，以将导体材料与基底100进行隔离。隔离结构104可贯穿基底100，但本发明并不以此为限。在另一实施例中，隔离结构104可不贯穿基底100。
另外，在基底100的第一面S1可具有电路层106。电路层106可包括介电层106a、栅极结构106b与内连线结构106c，但本发明并不以此为限。栅极结构106b与内连线结构106c位于介电层106a中。在另一实施例中，栅极结构106b可为位于基底100中的凹入式栅极(recess gate)结构。
接着，可在基底100的第二面S2上形成界面材料层108。界面材料层108的折射率可小于基底100的折射率。界面材料层108的材料例如是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化钛(TiO2)或高介电常数的透光材料。界面材料层108的形成方法例如是化学气相沉积法。
请参照图1B，在基底100上形成滤光结构层110。在本实施例中，滤光结构层110可形成在基底100的第二面S2上。举例来说，滤光结构层110可形成在界面材料层108上。滤光结构层110可包括主滤光材料层112与辅助滤光材料层114。此外，滤光结构层110还可包括辅助滤光材料层116。主滤光材料层112、辅助滤光材料层114与辅助滤光材料层116分别可用以过滤特定波长的光。
举例来说，主滤光材料层112可为彩色滤光材料层。主滤光材料层112可包括至少一个滤光单元1120。在本实施例中，主滤光材料层112是以包括多个滤光单元1120为例。滤光单元1120分别可为红色滤光单元、绿色滤光单元或蓝色滤光单元中的一者。主滤光材料层112的材料例如是光致抗蚀剂材料。主滤光材料层112的形成方法为所属技术领域具有通常知识者所周知，于此不再说明。
此外，辅助滤光材料层114可为红外线截止滤光材料层与紫外线截止滤光材料层中的一者，且辅助滤光材料层116可为红外线截止滤光材料层与紫外线截止滤光材料层中的另一者。在本实施例中，辅助滤光材料层114是以红外线截止滤光材料层为例，且辅助滤光材料层116是以紫外线截止滤光材料层为例，但本发明并不以此为限。在另一实施例中，辅助滤光材料层114可为紫外线截止滤光材料层，且辅助滤光材料层116可为红外线截止滤光材料层。红外线截止滤光材料层的材料例如是可滤除红外线的光致抗蚀剂材料或多层膜。紫外线截止滤光材料层的材料例如是可滤除紫外线的光致抗蚀剂材料或多层膜。上述多层膜可由高折射率层与低折射率层交替堆叠而成。红外线截止滤光材料层与紫外线截止滤光材料层的形成方法为所属技术领域具有通常知识者所周知，于此不再说明。
主滤光材料层112、辅助滤光材料层114与辅助滤光材料层116可依任意顺序堆叠在基底100上。在本实施例中，以辅助滤光材料层116、主滤光材料层112与辅助滤光材料层114依序堆叠在基底100上为例，亦即辅助滤光材料层116、主滤光材料层112与辅助滤光材料层114可依序形成在基底100上，但本发明并不以此为限。在另一实施例中，滤光结构层110可不包括辅助滤光材料层116。在滤光结构层110不包括辅助滤光材料层116的情况下，主滤光材料层112与辅助滤光材料层114可依任意顺序堆叠在基底100上。
请参照图1C，在滤光结构层110上形成图案化掩模层118。图案化掩模层118的材料例如是氧化硅、氮化硅或氮氧化硅等硬掩模材料。图案化掩模层118的形成方法例如是组合使用沉积制作工艺、光刻制作工艺与蚀刻制作工艺。上述沉积制作工艺例如是化学气相沉积制作工艺，如等离子体增强化学气相沉积(plasma-enhanced chemical vapordeposition，PECVD)制作工艺。
接下来，请参照图1C与图2，以图案化掩模层118为掩模，移除部分滤光结构层110，而形成滤光结构110a与环绕滤光结构110a的开口120。由此，可在感光元件102上方形成滤光结构110a。部分滤光结构层110的移除方法例如是干式蚀刻法。在本实施例中，虽然滤光结构110a的形成方法是以上述方法为例来进行说明，但本发明并不以此为限。
此外，开口120可暴露出隔离结构104。举例来说，在形成开口120的制作工艺中，更可移除部分界面材料层108，而形成界面层108a并暴露出隔离结构104。开口120的上视形状可为环状，如方环状或圆环状。在本实施例中，如图2所示，开口120的上视形状是以方环状为例，但本发明并不以此为限。
滤光结构110a包括主滤光层112a与辅助滤光层114a。此外，滤光结构110a还可包括辅助滤光层116a。主滤光层112a、辅助滤光层114a与辅助滤光层116a可依任意顺序堆叠在基底100上。在本实施例中，以辅助滤光层116a、主滤光层112a与辅助滤光层114a依序堆叠在基底100上为例，但本发明并不以此为限。在另一实施例中，滤光结构110a可不包括辅助滤光层116a。在滤光结构110a不包括辅助滤光层116a的情况下，主滤光层112a与辅助滤光层114a可依任意顺序堆叠在基底100上。
主滤光层112a可为彩色滤光层。举例来说，主滤光层112a分别可为红色滤光层、绿色滤光层或蓝色滤光层中的一者。辅助滤光层114a可为红外线截止滤光层与紫外线截止滤光层中的一者。辅助滤光层116a可为红外线截止滤光层与紫外线截止滤光层中的另一者。在本实施例中，辅助滤光层114a是以红外线截止滤光层为例，且辅助滤光层116a是以紫外线截止滤光层为例，但本发明并不以此为限。在另一实施例中，辅助滤光层114a可为紫外线截止滤光材料层，且辅助滤光材料层116a可为红外线截止滤光层。辅助滤光层114a与辅助滤光层116a可分别用以提升信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)。
请参照图1D，形成填入开口120的隔离材料层122。隔离材料层122的材料例如是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、低介电常数材料或其组合。此外，在隔离材料层122中可具有孔洞124。隔离材料层122的形成方法例如是化学气相沉积法，如等离子体增强化学气相沉积或可流动性化学气相沉积法(flowable chemical vapor deposition，FCVD)。
请参照图1E与图3，移除位于开口120外部的隔离材料层122，而形成围绕滤光结构110a的侧壁的隔离墙122a。位于开口120外部的隔离材料层122的移除方法例如是化学机械研磨法或回蚀刻法。
滤光结构110a的折射率大于隔离墙122a的折射率。在滤光结构110a中，主滤光层112a的折射率、辅助滤光层114a的折射率与辅助滤光层116a的折射率可分别大于滤光结构110a的折射率，而使得滤光结构110a的整体折射率大于隔离墙122a的折射率。如此一来，当光进入滤光结构110a并传递到滤光结构110a与隔离墙122a的界面时，光会在此界面产生全反射，由此可产生光管效果。由于上述光管效果可提升照射到所对应的感光元件102的光量，因此可提升影像传感器的光电转换效率。此外，通过上述光管效果可防止光照射到其他感光元件102，因此可防止光学串扰。
举例来说，以波长为633nm的光进行测量时，主滤光层112a的折射率、辅助滤光层114a的折射率与辅助滤光层116a的折射率分别可为1.4至1.8，且隔离墙122a的折射率可为1至1.45。
在本实施例中，在隔离墙122a中可具有孔洞124，但本发明并不以此为限。在隔离墙122a中具有孔洞124的情况下，由于孔洞124中具有空气，因此隔离墙122a的整体折射率可介于空气的折射率与隔离墙122a的材料的折射率之间。在另一实施例中，隔离墙122a可完全填满开口120，而不具有孔洞124。在一实施例中，隔离墙122a可封住开口120(图1E)。在另一实施例中，在移除位于开口120外部的隔离材料层122的制作工艺中，亦可使孔洞124暴露出来。
此外，隔离墙122a的上视形状可为环状，如方环状或圆环状。在本实施例中，如图3所示，隔离墙122a的上视形状是以方环状为例，但本发明并不以此为限。另外，隔离墙122a可连接至隔离结构104，由此隔离墙122a与隔离结构104可形成连续结构，进而产生更佳的光管效果。
在本实施例中，虽然隔离墙122a的形成方法是以上述方法为例来进行说明，但本发明并不以此为限。在另一实施例中，可省略位于开口120外部的隔离材料层122的移除步骤，亦即可维持整层的隔离材料层122，且隔离材料层122填入开口120中的部分可作为隔离墙122a。
此外，可移除图案化掩模层118，但本发明并不以此为限。图案化掩模层118的移除方法例如是化学机械研磨法或回蚀刻法。在另一实施例中，可省略图案化掩模层118的移除步骤，亦即可保留图案化掩模层118。
接着，在滤光结构110a上形成微透镜层126。微透镜层126的折射率可小于滤光结构110a的折射率。举例来说，以波长为633nm的光进行测量时，微透镜层126的折射率可为1.4至1.8。微透镜层126的材料例如是光致抗蚀剂材料。微透镜层126的形成方法为所属技术领域具有通常知识者所周知，于此不再说明。
以下，通过图1E来说明本实施例的影像传感器结构10。此外，虽然影像传感器结构10的形成方法是以上述方法为例来进行说明，但本发明并不以此为限。
请参照图1E，影像传感器结构10包括基底100、感光元件102、滤光结构110a与隔离墙122a。感光元件102位于基底100中。滤光结构110a位于感光元件102上方。滤光结构110a包括主滤光层112a与辅助滤光层114a，且还可包括辅助滤光层116a。隔离墙122a围绕滤光结构110a的侧壁。滤光结构110a的折射率大于隔离墙122a的折射率。此外，影像传感器结构10还可包括隔离结构104、电路层106、界面层108a与微透镜层126中的至少一者。隔离结构104位于基底100中。电路层106位于基底100的第一面S1上。界面层108a位于滤光结构110a与基底100之间。微透镜层126位于滤光结构110a上。此外，影像传感器结构10中的各构件的材料、设置方式、形成方法与功效等已于上述实施例进行详尽地说明，于此不再说明。
基于上述实施例可知，在影像传感器10及其制造方法中，隔离墙122a围绕滤光结构110a的侧壁，且滤光结构110a的折射率大于隔离墙122a的折射率。如此一来，当光进入滤光结构110a并传递到滤光结构110a与隔离墙122a的界面时，光会在此界面产生全反射，由此可产生光管效果。由于上述光管效果可提升照射到感光元件102的光量，因此可提升影像传感器的光电转换效率。此外，通过上述光管效果可防止光照射到其他感光元件102，因此可防止光学串扰。
图4为本发明另一实施例的影像传感器结构的剖视图。
请参照图1E与图4，图4的影像传感器结构20与图1的影像传感器结构10的差异如下。影像传感器结构10为背照式影像传感器结构，而影像传感器结构20为前照式影像传感器结构。影像传感器结构10的界面层108a、滤光结构110a、隔离墙122a与微透镜层126位于基底100的第二面S2上，而影像传感器结构20的界面层108a、滤光结构110a、隔离墙122a与微透镜层126位于基底100的第一面S1上。举例来说，在影像传感器结构20中，界面层108a、滤光结构110a、与微透镜层126可依序设置在电路层106上，且隔离墙122a围绕滤光结构110a的侧壁。此外，在影像传感器结构20中，隔离墙122a未连接于隔离结构104。在影像传感器结构20中，可选择性地在介电层106a中设置光管结构128。如此一来，由滤光结构110a与隔离墙122a所形成的光管结构与其下方的光管结构128可彼此连接，由此可进一步提升光管效果。光管结构128的材料例如是折射率大于邻近的介电材料的折射率的透光材料。另外，在影像传感器结构20与影像传感器结构10中，相同的构件以相同的符号表示并省略其说明。
综上所述，在上述实施例的影像传感器结构及其制造方法中，由于隔离墙围绕滤光结构的侧壁，且滤光结构的折射率大于隔离墙的折射率，由此可产生光管效果，进而提升影像传感器的光电转换效率并防止光学串扰。
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 (20)
1.一种影像传感器结构，其特征在于，包括：
基底；
感光元件，位于所述基底中；
滤光结构，位于所述感光元件上方，且包括主滤光层与第一辅助滤光层；以及
隔离墙，围绕所述滤光结构的侧壁，其中所述滤光结构的折射率大于所述隔离墙的折射率。
2.如权利要求1所述的影像传感器结构，其中所述主滤光层包括彩色滤光层。
3.如权利要求1所述的影像传感器结构，其中所述滤光结构还包括：
第二辅助滤光层，其中所述主滤光层、第一辅助滤光层与所述第二辅助滤光层堆叠在所述基底上。
4.如权利要求3所述的影像传感器结构，其中所述第一辅助滤光层为红外线截止滤光层与紫外线截止滤光层中的一者，且所述第二辅助滤光层为所述红外线截止滤光层与所述紫外线截止滤光层中的另一者。
5.如权利要求1所述的影像传感器结构，其中所述隔离墙的材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、低介电常数材料或其组合。
6.如权利要求1所述的影像传感器结构，其中在所述隔离墙中具有孔洞。
7.如权利要求1所述的影像传感器结构，还包括：
隔离结构，位于所述基底中。
8.如权利要求7所述的影像传感器结构，其中所述隔离墙连接至所述隔离结构。
9.如权利要求7所述的影像传感器结构，其中所述基底的折射率大于所述隔离结构的折射率。
10.如权利要求7所述的影像传感器结构，其中所述隔离结构贯穿所述基底。
11.如权利要求1所述的影像传感器结构，还包括：
界面层，位于所述滤光结构与所述基底之间。
12.如权利要求1所述的影像传感器结构，还包括：
微透镜层，位于所述滤光结构上。
13.如权利要求1所述的影像传感器结构，其中所述影像传感器结构包括背照式影像传感器结构或前照式影像传感器结构。
14.一种影像传感器结构的制造方法，包括：
在基底中形成感光元件；
在所述感光元件上方形成滤光结构，其中所述滤光结构包括主滤光层与第一辅助滤光层；以及
形成围绕所述滤光结构的侧壁的隔离墙，其中所述滤光结构的折射率大于所述隔离墙的折射率。
15.如权利要求14所述的影像传感器结构的制造方法，其中所述滤光结构的形成方法包括：
在所述基底上形成滤光结构层，其中所述滤光结构层包括主滤光材料层与第一辅助滤光材料层；
在所述滤光结构层上形成图案化掩模层；以及
以所述图案化掩模层为掩模，移除部分所述滤光结构层，而形成所述滤光结构与环绕所述滤光结构的开口。
16.如权利要求15所述的影像传感器结构的制造方法，其中滤光结构层还包括：
第二辅助滤光材料层，其中所述主滤光材料层、所述第一辅助滤光材料层与所述第二辅助滤光材料层堆叠在所述基底上。
17.如权利要求15所述的影像传感器结构的制造方法，其中所述隔离墙封住所述开口。
18.如权利要求15所述的影像传感器结构的制造方法，其中所述隔离墙的形成方法包括：
形成填入所述开口的隔离材料层；以及
移除位于所述开口外部的所述隔离材料层。
19.如权利要求15所述的影像传感器结构的制造方法，其中在所述基底中具有隔离结构。
20.如权利要求19所述的影像传感器结构的制造方法，其中所述开口暴露出所述隔离结构，且所述隔离墙连接至所述隔离结构。
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