CN113380837A - 具有表面微柱体结构的固态影像传感器暨其制作方法 - Google Patents

具有表面微柱体结构的固态影像传感器暨其制作方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113380837A
CN113380837A CN202010221860.3A CN202010221860A CN113380837A CN 113380837 A CN113380837 A CN 113380837A CN 202010221860 A CN202010221860 A CN 202010221860A CN 113380837 A CN113380837 A CN 113380837A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
photoelectric conversion
image sensor
solid
state image
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010221860.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113380837B (zh
Inventor
李世平
林忆苹
廖郁菁
陈雅婷
童心颖
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Powerchip Technology Corp
Original Assignee
Powerchip Technology Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Powerchip Technology Corp filed Critical Powerchip Technology Corp
Publication of CN113380837A publication Critical patent/CN113380837A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113380837B publication Critical patent/CN113380837B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14601Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462Coatings
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14601Structural or functional details thereof
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14601Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625Optical elements or arrangements associated with the device
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14601Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14627Microlenses
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14601Structural or functional details thereof
    • H01L27/14632Wafer-level processed structures
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14601Structural or functional details thereof
    • H01L27/1464Back illuminated imager structures
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14643Photodiode arrays; MOS imagers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14683Processes or apparatus peculiar to the manufacture or treatment of these devices or parts thereof
    • H01L27/14685Process for coatings or optical elements
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14683Processes or apparatus peculiar to the manufacture or treatment of these devices or parts thereof
    • H01L27/14687Wafer level processing

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

本发明公开一种具有表面微柱体结构的固态影像传感器暨其制作方法,其中该固态影像传感器所具有的像素包含一光电转换部位,由一第二掺杂型半导体层与一半导体材料层构成,并且该第二掺杂型半导体层接触一第一掺杂型半导体基底。一抗反射部位具有多个微柱体位于该半导体材料层上,其中该些微柱体被伸入该光电转换部位的凹部所分隔,各该微柱体的折射率从底部往顶部逐渐变小并小于该半导体材料受光层的折射率。

Description

具有表面微柱体结构的固态影像传感器暨其制作方法
技术领域
本发明涉及一种固态影像传感器,更具体言之,其涉及一种具有表面微柱体结构的固态影像传感器暨其制作方法,其能够增进传感器的量子效率并抑制暗电流。
背景技术
使用具有半导体元件的电子设备对现代人而言是不可或缺的装置。用来感光的电子设备普遍都会涉及到固态(半导体)影像传感器,其中的互补式金属氧化物半导体影像传感器(CMOS image sensor,CIS)被广泛地应用在多种领域,诸如数字相机以及移动电话的摄像头。CMOS影像传感器一般会包含排成阵列型态的图像元件(像素),每个像素会含有晶体管、电容以及光电二极管,其中光电二极管暴露在光环境下会诱发电能,其所产生的电子与落在像素单元上的光量呈一定比例。这些电子在像素中会被转换成电压信号的形式并再进一步转换为数字信号。
CMOS影像传感器被分为前照式(front side illuminated,FSI)与背照式(backside illuminated,BSI)两大类,视其光路径而定。现今背照式影像传感器日益普及,其光是从传感器的基底背面入射,不会受到基底上介电层与互连层的阻挡直接打到光电二极管上。这样的直接入射使得背照式影像传感器具有更高的光敏度。
除此之外,在一些固态影像元件中,作为光电二极管的硅层受光介面处可能会具有一种被称为蛾眼(moth-eye)的细微不平整结构,其被提供来作为避免入射光反射的微结构。
然而,尽管蛾眼结构能够通过避免入射光的反射来增加光敏度,随着科技的进展,影像感测元件的尺寸变得越来越小,同时也具有更强大的功能性以及更大量的集成电路。在这样的情况下背照式影像传感器的像素节距会缩得更小,如此可能导致影像传感器的表现不良。故此,目前业界仍需持续改善背照式影像传感器的结构与制造方法,以进一步改善其性能,例如增进其量子效率,或抑制暗电流和噪声的形成。
发明内容
为了进一步提升固态影像传感器的性能,本发明提出了一种新颖的固态影像传感器结构,其特点在于除了受光面具有突出的微柱体所形成的蛾眼结构外,该些微柱体本身具有由下而上渐减的折射率,且该些微柱体之间的凹部底端被作成特殊的渐缩外型,这样的特征可进一步降低入射光的反射。
本发明的面向之一在于提出一种固态影像传感器,包含一第一掺杂型半导体基底、多个像素位于该第一掺杂型半导体基底上,每个该像素包含一光电转换部位,其中该光电转换部位由一第二掺杂型半导体层与一半导体材料层构成,并且该第二掺杂型半导体层接触该第一掺杂型半导体基底、一抗反射部位,具有多个微柱体位于该半导体材料层上,其中该些微柱体被伸入该光电转换部位的凹部所分隔,各该微柱体的折射率从底部往顶部逐渐变小并小于该半导体材料层的折射率、一微透镜位于该抗反射部位上、以及多个像素间阻挡部位,设置在该些像素之间。
本发明的另一面向在于提出一种固态影像传感器,包含:一第一掺杂型半导体基底、多个像素位于该第一掺杂型半导体基底上,每个该像素包含一光电转换部位,其中该光电转换部位由一第二掺杂型半导体层与一半导体材料层构成,该第二掺杂型半导体层接触该第一掺杂型半导体基底,该半导体材料层具有多个微柱体,该些微柱体为凹部所分隔,且该凹部具有{111}晶面钻石形的底端、一微透镜位于该半导体材料层上、以及多个像素间阻挡部位,设置在该些像素之间。
本发明的又一面向在于提出一种固态影像传感器的制作方法,其步骤包含:提供一第一掺杂型半导体基底、在该第一掺杂型半导体基底上依序形成一第二掺杂型半导体层与一半导体材料层,以构成一光电转换部位、在该半导体材料层上形成一多层结构,其中该多层结构的折射率从底层往顶层逐渐变小并小于该半导体材料层、以及对该多层结构以及该光电转换部位进行一光刻制作工艺,以形成多个微柱体,该些微柱体从该半导体材料层上突出并被伸入该光电转换部位的凹部所分隔。
本发明的又一面向在于提出一种固态影像传感器的制作方法,其步骤包含:提供一第一掺杂型半导体基底、在该第一掺杂型基底上依序形成一第二掺杂型半导体层与一半导体材料层,以构成一光电转换部位、对该光电转换部位进行一光刻制作工艺以形成多个微柱体,该些微柱体被一凹部所分隔、以及进行一湿蚀刻制作工艺在该光电转换部位形成该凹部的{111}晶面钻石形底端。
本发明的这类目的与其他目的在阅者读过下文中以多种图示与绘图来描述的优选实施例的细节说明后应可变得更为明了显见。
附图说明
本说明书含有附图并于文中构成了本说明书的一部分,使阅者对本发明实施例有进一步的了解。该些图示描绘了本发明一些实施例并连同本文描述一起说明了其原理。在该些图示中:
图1至图6为本发明优选实施例中一固态影像传感器的制作流程的截面示意图;
图7为本发明另一实施例中一固态影像传感器的截面示意图;以及
图8为本发明又一实施例中一固态影像传感器的截面示意图。
需注意本说明书中的所有图示都为图例性质,为了清楚与方便图示说明之故,图示中的各部件在尺寸与比例上可能会被夸大或缩小地呈现,一般而言,图中相同的参考符号会用来标示修改后或不同实施例中对应或类似的元件特征。
符号说明
101 半导体基底
103 像素晶体管
105 电路层
107 介电层
108 载片
109 光电转换部位
111 N型半导体层
113 半导体材料层
115 抗反射部位
117 氧化钛层
119 氮化硅层
121 氧化硅层
123 微柱体
125 凹部
127 外延层
129 像素间阻挡部位
131 像素单元
133 微透镜
135 锥形底端
137 钻石形底端
139 抗反射薄膜
具体实施方式
现在下文将详细说明本发明的示例性实施例,其会参照附图示出所描述的特征以便阅者理解并实现技术效果。阅者将可理解文中的描述仅通过例示的方式来进行,而非意欲要限制本案。本案的各种实施例和实施例中彼此不冲突的各种特征可以以各种方式来加以组合或重新设置。在不脱离本发明的精神与范畴的情况下,对本案的修改、等同物或改进对于本领域技术人员来说是可以理解的,并且旨在包含在本案的范围内。
阅者应能容易理解,本案中的「在…上」、「在…之上」和「在…上方」的含义应当以广义的方式被解读,以使得「在…上」不仅表示「直接在」某物「上」而且还包括在某物「上」且其间有居间特征或层的含义,并且「在…之上」或「在…上方」不仅表示「在」某物「之上」或「上方」的含义,而且还可以包括其「在」某物「之上」或「上方」且其间没有居间特征或层(即,直接在某物上)的含义。
此外,诸如「在…之下」、「在…下方」、「下部」、「在…之上」、「上部」等空间相关术语在本文中为了描述方便可以用于描述一个元件或特征与另一个或多个元件或特征的关系,如在附图中示出的。
如本文中使用的,术语「基底」是指向其上增加后续材料的材料。可以对基底自身进行图案化。增加在基底的顶部上的材料可以被图案化或可以保持不被图案化。此外,基底可以包括广泛的半导体材料,例如硅、锗、砷化镓、磷化铟等。
如本文中使用的,术语「层」是指包括具有厚度的区域的材料部分。层可以在下方或上方结构的整体之上延伸,或者可以具有小于下方或上方结构范围的范围。此外,层可以是厚度小于连续结构的厚度的均质或非均质连续结构的区域。例如,层可以位于在连续结构的顶表面和底表面之间或在顶表面和底表面处的任何水平面对之间。层可以水准、竖直和/或沿倾斜表面延伸。基底可以是层,其中可以包括一个或多个层,和/或可以在其上、其上方和/或其下方具有一个或多个层。层可以包括多个层。例如,互连层可以包括一个或多个导体和接触层(其中形成触点、互连线和/或通孔)和一个或多个介电层。
现在下文的实施例将依序根据图1至图6的截面结构来说明本发明固态影像传感器的制作流程。需注意,尽管说明书所提供的图中仅示出了一个像素单元,阅者应能理解实际的固态影像传感器结构可能包含了多个排成二维阵列形态的像素,像素阵列的四周会具有周边电路,其可能包含达成影像传感器运作与处理的各种电路,如垂直驱动电路、栏信号处理电路、水平驱动电路、输出电路、以及控制电路。像素本身会有其对应的晶体管,如传输晶体管、选择晶体管、重置晶体管、以及增幅晶体管等。由于上述该些部件都为现有特征且并非本发明重点之故,文中与图中将不予说明与示出。
首先请参照图1。本发明所提出的固态影像传感器是一种背照式(back sideilluminated,BSI)的MOS影像传感器结构,其光线会从相对于像素晶体管所在前侧的半导体基底背侧进入。如图1所示,首先提供一半导体基底101,其前侧(图中靠近下方的一侧)已预先以一般的半导体制作工艺形成有像素晶体管103与多层的电路层105等结构。多层的电路层105之间有介电层107存在,如层间介电层与金属间介电层,像素晶体管103则是用来读取背侧所形成的光电二极管累积的电荷。在像素晶体管103与电路层105形成后,接着进行接合制作工艺将载片108接合到介电层107上,以作为后续晶背制作工艺的基底并增强晶片的结构强度。载片108可为耐高温的玻璃或类玻璃材质,也可为半导体材质。在完成载片108接合后,接下来就可以将整个晶片翻面来进行晶背制作工艺。
续参照图1。半导体基底101的材质可为硅,如一P型半导体基底。半导体基底101上会形成一光电转换部位(即光电二极管)109,其包含一N型半导体层(如N-掺杂半导体层)111与一半导体材料层113,其中半导体材料层113可以是N型/P型半导体层、本征半导体层(intrinsic semiconductor layer)的其中之一或者组合。在此实施例中,N型半导体层111会与下方的P型半导体基底101接触并且两者具有不同掺杂型,半导体材料层113则位于N型半导体层111上方作为受光层且可累积正电荷来抑制暗电流。在实际制作中,N型半导体层111可经由对P型半导体基底101进行掺杂形成N型阱的方式来形成。
续参照图1。半导体材料层113的上方还形成有一多层结构,特点在于其折射率小于所接触半导体材料层113的折射率并从半导体材料层113往受光面逐渐变小。例如,从半导体材料层113到其受光面依序包含氧化钛层117、氮化硅层119、以及氧化硅层121,其可以化学气相沉积(CVD)或者物理气相沉积(PVD)制作工艺来形成,其中从半导体材料层113开始,在波长为633nm时其折射率约为3.88,氧化钛层117的折射率小于3.88,约为2.6。上方的氮化硅层119与氧化硅层121的折射率分别约为2与1.46,最后到外界空气折射率约为1。通过形成这种折射率往受光面渐小的抗反射结构,可见光波段的光线在入射时被反射的比例可大幅降低,有效增进影像传感器的入光量。
接下来请参照图2。在形成该多层结构后,接着进行光刻制作工艺形成多个从半导体材料层113向上突出的微柱体123结构以构成一抗反射部位115。微柱体123会均匀地分布在整个光电转换部位109表面上,其被伸入半导体材料层113的凹部125所分隔。具体言之,该光刻制作工艺可包含在该多层结构表面形成具有微柱体图案的光致抗蚀剂(未示出),接着以该光致抗蚀剂为掩模进行干蚀刻或湿蚀刻制作工艺移除部分的该多层结构以及半导体材料层113而形成如图所示的微柱体123。该蚀刻制作工艺较佳为各向异性干蚀刻制作工艺,如此所形成的微柱体123可具有较为笔直的侧壁。需注意本发明实施例的特点在于以折射率渐变的多层结构所构成的微柱体123,受光面有微柱体123这种表面不平整结构的存在将有助于增强光线入射时的衍射程度,如同蛾眼结构与黑硅(black silicon)等技术,搭配以折射率渐变的材料来形成微柱体123之技术特征来减少其光反射量,其可大幅增进光电二极管的量子效率,后文中将有进一步的说明。
接下来请参照图3。在一些实施例中,如图所示,可以进行一低温(<400℃)的外延制作工艺在受光层(即半导体材料层113)的凹部125表面形成一层外延层127,如一与半导体基底101相同掺杂型的硅或硅锗(SiGe)外延层,其可抑制介面处产生的暗电流。在其他实施例中,也可于微柱体123以及凹部125表面形成一带有固定负电荷的高介电材料层(如二氧化铪(HfO2)、二氧化锆(ZrO2)、氧化钽(Ta2O5)等…)来取代外延层127。
接下来请参照图4。在微柱体123形成后,接着在光电转换部位109中形成像素间阻挡部位129,或称为深沟槽隔绝结构。像素间阻挡部位129可界定出影像传感器的每个像素单元130,其形成在像素单元的四周并可作为像素单元之间的阻隔墙结构来避免入射该像素的光子以及电子进入周围像素中而导致混色或噪声。再者,搭配前述微柱体123所带来的衍射效果,其可增加如长波长的近红外线光子在像素内的光路径,大幅增进光电二极管的量子效率。
在本发明实施例中,像素间阻挡部位129会从受光面向下延伸至半导体基底101与介电层107的介面处。像素间阻挡部位129的制作工艺可包含下列步骤:进行一光刻制作工艺在抗反射部位115与光电转换部位109中形成深沟槽、在深沟槽中填入阻挡材料、进行一平坦化制作工艺去除表面多余的阻挡材料,如此形成位于深沟槽内的像素间阻挡部位129。上述光刻制作工艺较佳采用各向异性干蚀刻制作工艺,确保所形成的深沟槽有笔直的侧壁。再者,为了让光子碰到像素间阻挡部位129能全反射,阻挡材料的折射率较佳要远小于光电转换部位109的折射率。例如使用氧化硅来形成像素间阻挡部位129,其折射率1.46远小于光电转换部位109的折射率3.88,可确保绝大部分的光线都可在介面产生全反射,而不易漏出至邻近的像素单元。其他可用的阻挡材料还包含氮化硅(SiN)、氮氧化硅(SiON)、二氧化铪(HfO2)、氧化铝(Al2O3)、二氧化锆(ZrO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化钛(TiO2)、氧化镧(La2O3)等介电质。在某些实施例,像素间阻挡部位129还可以上述阻挡材料环绕金属材料或掺杂硅来形成。
需注意在其他实施例中,像素间阻挡部位129也可以在微柱体123之前形成。
接下来请参照图5。像素间阻挡部位129形成后,接着在像素单元上依序形成彩色滤光层131与微透镜133等结构。在形成彩色滤光层131之前,可以先以涂布方式在表面上形成一层透光的有机平坦层(未示出),其材质可为树脂,折射率较佳小于抗反射部位115整体的折射率,之后再形成彩色滤光层131。对于各个像素而言,其彩色滤光层131的颜色可能不同,例如红、绿、蓝等三种不同的颜色,可通过旋涂方式将含有颜料或染料等色素的感光树脂涂布在基底上而形成。彩色滤光层131内的像素之间可能还形成有金属材质的遮光膜(未示出)。每个微透镜133都会对应一个像素单元,其可以如苯乙烯、丙烯酸、硅氧烷等树脂为主的材料来形成。微透镜133可将入射光聚焦在所对应的像素上并进入其光电转换部位109。微透镜133与彩色滤光层131的折射率约为1.5~1.9,与所接触的有机平坦层或是抗反射部位115表面的折射率接近,不会影响到光线的入射。
接下来请参照图6。除了前述折射率渐变的抗反射部位115以及微柱体123等结构,本发明进一步提出了其他可用来增强影像传感器性能的特征。如图6所示,微柱体123之间的凹部125可以形成锥形底端135来进一步增强整体入光面的衍射效果,进而提升光电二极管的量子效率。锥形底端135的范围不限于光电转换部位109的半导体材料层113,也可延伸至下方的N型半导体层111,并于其表面形成如图3所示的外延层127或者带负电荷的高介电材料层。在制作工艺上,锥形底端135可以通过调控蚀刻配方与参数使得其仅在凹部125末端的硅基材质部位开始产生渐缩特征,如此就能与微柱体123以及凹部125在同一道光刻步骤中形成。
在其他实施例中,本发明的凹部衍射结构还可以有其他的变体。如图7所示,凹部125的锥形底端135也可以改成都为{111}晶面的钻石形底端137,钻石形底端137较多晶面的特征可以使得其衍射效果进一步提升。在制作工艺上,钻石形底端137可以在凹部125直接施加一道湿蚀刻制作工艺来形成,不需使用额外的光掩模。更具体言之,在半导体材料层113的材质为Si{100}基底时,使用以氢氧化四甲基铵(TMAH)为主的非等向性蚀刻液来对半导体材料层113进行蚀刻,由于甲基氢氧化铵溶液对于Si{100}晶面的蚀刻速率远大于对Si{111}晶面的蚀刻速率,故最终蚀刻速率会自动趋缓形成如图所示底端形状为钻石型的凹部特征。此外,由于上方微柱体123为介电质材料,其蚀刻速率远比硅来得慢,故不易受到该湿蚀刻制作工艺的影响。
需注意在一些实施例中,如图8所示,可以不形成前述实施例中的该多层结构,而直接在半导体材料层113形成微柱体123以及具有{111}晶面钻石形底端137的凹部125,并且在微柱体123以及凹部125表面形成一与半导体基底101相同掺杂型的外延层或者一带有负电荷的高介电材料(未示出)。再者,可以在整个半导体材料层113的表面上形成一抗反射薄膜139。抗反射薄膜139的折射率小于所接触半导体材料层113的折射率,其也可能以多层材料膜的形式达成如抗反射部位115的折射率渐变效果,如使用氮化硅(SiN)、氮氧化硅(SiON)、二氧化铪(HfO2)、氧化铝(Al2O3)、二氧化锆(ZrO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化钛(TiO2)、氧化镧(La2O3)等材料。
根据上述本发明实施例所述的固态影像传感器及其制作方法,其利用由折射率渐变材质所构成的微柱体结构,可大幅地降低入射光的反射,增加进入光电转换部位的光量。再者,搭配微柱体以及其间特殊外型的凹部特征,可大幅提升光在入射面的衍射程度,使得光子在光电转换部位中行进的光路径增加,进而提升影像传感器的量子效率,是为一兼具区别性特征与功效性特征的发明。
以上所述仅为本发明的优选实施例,凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰,都应属本发明的涵盖范围。

Claims (27)

1.一种固态影像传感器,其特征在于,包含:
第一掺杂型半导体基底;
多个像素,位于该第一掺杂型半导体基底上,每个该像素包含光电转换部位,其中该光电转换部位由第二掺杂型半导体层与半导体材料层构成,并且该第二掺杂型半导体层接触该第一掺杂型半导体基底;
抗反射部位,该抗反射部位具有多个微柱体位于该半导体材料层上,其中该些微柱体被伸入该光电转换部位的凹部所分隔,各该微柱体的折射率从底部往顶部逐渐变小并小于该半导体材料层的折射率;
微透镜,位于该抗反射部位上;以及
多个像素间阻挡部位,设置在该些像素之间。
2.根据权利要求1所述的固态影像传感器,还包含第一掺杂型外延层位于该凹部裸露出的该光电转换部位上。
3.根据权利要求1所述的固态影像传感器,还包含带有负电荷的高介电材料层,位于该些微柱体与凹部上。
4.根据权利要求1所述的固态影像传感器,其中该凹部具有锥形的底端。
5.根据权利要求1所述的固态影像传感器,其中该凹部具有{111}晶面钻石形的底端。
6.根据权利要求1所述的固态影像传感器,其中该微柱体从该半导体材料层往上依序包含氧化钛层、氮化硅层、以及氧化硅层。
7.根据权利要求1所述的固态影像传感器,其中该第一掺杂型半导体基底为P型半导体基底,该第二掺杂型半导体层为N型半导体层。
8.根据权利要求1所述的固态影像传感器,其中该第一掺杂型半导体基底为N型半导体基底,该第二掺杂型半导体层为P型半导体层。
9.根据权利要求1所述的固态影像传感器,其中该半导体材料层为第一掺杂型半导体层、第二掺杂型半导体层、本征半导体层其中之一或者组合。
10.一种固态影像传感器,其特征在于,包含:
第一掺杂型半导体基底;
多个像素,位于该第一掺杂型半导体基底上,每个该像素包含光电转换部位,其中该光电转换部位由第二掺杂型半导体层与半导体材料层构成,该第二掺杂型半导体层接触该第一掺杂型半导体基底,该半导体材料层具有多个微柱体,该些微柱体为凹部所分隔,且该凹部具有{111}晶面钻石形的底端;
微透镜,位于该半导体材料层上;以及
多个像素间阻挡部位,设置在该些像素之间。
11.根据权利要求10所述的固态影像传感器,还包含第一掺杂型外延层,形成在该半导体材料层上。
12.根据权利要求10所述的固态影像传感器,还包含带有负电荷的高介电材料层,形成在该半导体材料层上。
13.根据权利要求10所述的固态影像传感器,其中该第一掺杂型半导体基底为P型半导体基底,该第二掺杂型半导体层为N型半导体层。
14.根据权利要求10所述的固态影像传感器,其中该第一掺杂型半导体基底为N型半导体基底,该第二掺杂型半导体层为P型半导体层。
15.根据权利要求10所述的固态影像传感器,其中该半导体材料层为第一掺杂型半导体层、第二掺杂型半导体层、本征半导体层其中之一或者组合。
16.根据权利要求10所述的固态影像传感器,还包含抗反射薄膜,位于该半导体材料层上,并且该抗反射薄膜的折射率小于该半导体材料层的折射率。
17.一种固态影像传感器的制作方法,包含:
提供第一掺杂型半导体基底;
在该第一掺杂型半导体基底上依序形成第二掺杂型半导体层与半导体材料层,以构成光电转换部位;
在该半导体材料层上形成一多层结构,其中该多层结构的折射率从底层往顶层逐渐变小并小于该半导体材料层;以及
对该多层结构以及该光电转换部位进行光刻制作工艺,以形成多个微柱体,该些微柱体从该半导体材料层上突出并被伸入该光电转换部位的凹部所分隔。
18.根据权利要求17所述的固态影像传感器的制作方法,其中该光刻制作工艺还在该光电转换部位形成该凹部的锥形底端。
19.根据权利要求17所述的固态影像传感器的制作方法,还包含进行湿蚀刻制作工艺在该光电转换部位形成该凹部的{111}晶面钻石形底端。
20.根据权利要求17所述的固态影像传感器的制作方法,还包含进行外延制作工艺在该凹部裸露出的该光电转换部位上形成第一掺杂型外延层。
21.根据权利要求17所述的固态影像传感器的制作方法,还包含在该些微柱体以及该凹部上形成带有固定负电荷的高介电材料层。
22.根据权利要求17所述的固态影像传感器的制作方法,还包含在该光电转换部位以及该多层结构中形成多个像素间阻挡部位并界定出像素,其中该像素间阻挡部位的制作方法包含:
进行另一光刻制作工艺在该光电转换部位以及该多层结构中形成多个深沟槽;以及
在该些深沟槽中填入阻挡材料以形成该些像素间阻挡部位,其中该阻挡材料的折射率小于该光电转换部位的折射率。
23.一种固态影像传感器的制作方法,包含:
提供第一掺杂型半导体基底;
在该第一掺杂型基底上依序形成第二掺杂型半导体层与半导体材料层,以构成光电转换部位;
对该光电转换部位进行光刻制作工艺以形成多个微柱体,该些微柱体被一凹部所分隔;以及
进行湿蚀刻制作工艺在该光电转换部位形成该凹部的{111}晶面钻石形底端。
24.根据权利要求23所述的固态影像传感器的制作方法,还包含进行外延制作工艺在该些微柱体以及该凹部上形成第一掺杂型外延层。
25.根据权利要求23所述的固态影像传感器的制作方法,还包含在该些微柱体以及该凹部上形成带有固定负电荷的高介电材料层。
26.根据权利要求23所述的固态影像传感器的制作方法,还包含在该光电转换部位中形成多个像素间阻挡部位并界定出像素,其中该像素间阻挡部位的制作方法包含:
进行另一光刻制作工艺在该光电转换部位中形成多个深沟槽;以及
在该些深沟槽中填入阻挡材料以形成该些像素间阻挡部位,其中该阻挡材料的折射率小于该光电转换部位的折射率。
27.根据权利要求23所述的固态影像传感器的制作方法,还包含在该半导体材料层上形成抗反射薄膜,并且该抗反射薄膜的折射率小于该半导体材料层的折射率。
CN202010221860.3A 2020-03-10 2020-03-26 具有表面微柱体结构的固态影像传感器暨其制作方法 Active CN113380837B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW109107863A TWI725765B (zh) 2020-03-10 2020-03-10 具有表面微柱體結構的固態影像感測器暨其製作方法
TW109107863 2020-03-10

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113380837A true CN113380837A (zh) 2021-09-10
CN113380837B CN113380837B (zh) 2024-04-23

Family

ID=76604823

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010221860.3A Active CN113380837B (zh) 2020-03-10 2020-03-26 具有表面微柱体结构的固态影像传感器暨其制作方法

Country Status (3)

Country Link
US (2) US11424280B2 (zh)
CN (1) CN113380837B (zh)
TW (1) TWI725765B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3124309A1 (fr) * 2021-06-18 2022-12-23 Stmicroelectronics (Crolles 2) Sas Capteur d’images à illumination face arrière et procédé de fabrication
TW202310382A (zh) * 2021-08-06 2023-03-01 日商索尼半導體解決方案公司 光檢測裝置及其製造方法以及電子機器
US20230411540A1 (en) * 2022-06-16 2023-12-21 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited Semiconductor device and method of making

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1630090A (zh) * 2003-12-08 2005-06-22 台湾积体电路制造股份有限公司 具有光导管的影像感测装置及其制造方法
CN101853868A (zh) * 2009-03-31 2010-10-06 索尼公司 固态成像装置及其制作方法、成像设备以及防反射结构的制作方法
CN101937921A (zh) * 2009-07-02 2011-01-05 采钰科技股份有限公司 图像传感装置及其制造方法
CN205984987U (zh) * 2015-09-11 2017-02-22 半导体元件工业有限责任公司 图像传感器像素阵列、图像传感器和成像器件
CN106611765A (zh) * 2015-10-27 2017-05-03 台湾积体电路制造股份有限公司 用于背侧深沟槽隔离的额外的掺杂区域
DE102017119031A1 (de) * 2017-05-31 2018-12-06 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd. Bildsensor mit einer hochabsorbierenden schicht
CN109585470A (zh) * 2017-09-28 2019-04-05 台湾积体电路制造股份有限公司 具有改进的量子效率表面结构的图像传感器
CN109585466A (zh) * 2017-09-28 2019-04-05 台湾积体电路制造股份有限公司 互补式金属-氧化物-半导体影像传感器及影像传感器的形成方法
CN110729314A (zh) * 2018-07-17 2020-01-24 联华电子股份有限公司 光学感测装置

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017145637A1 (ja) * 2016-02-25 2017-08-31 富士フイルム株式会社 硬化性組成物、硬化膜、光学フィルタ、積層体、固体撮像素子、画像表示装置および赤外線センサ
US10163974B2 (en) * 2017-05-17 2018-12-25 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Method of forming absorption enhancement structure for image sensor
US10585238B2 (en) * 2017-06-13 2020-03-10 The University Of North Carolina At Charlotte Photodetector focal plane array systems and methods based on microcomponents with arbitrary shapes
US10672934B2 (en) * 2017-10-31 2020-06-02 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Ltd. SPAD image sensor and associated fabricating method
US10665627B2 (en) * 2017-11-15 2020-05-26 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Image sensor device and method for forming the image sensor device having a first lens and a second lens over the first lens
NL2020615B1 (en) * 2017-12-26 2019-07-02 Illumina Inc Image sensor structure
JP7362198B2 (ja) * 2018-07-18 2023-10-17 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 受光素子、測距モジュール、および、電子機器
TWI829777B (zh) * 2018-10-15 2024-01-21 日商富士軟片股份有限公司 結構體、固體攝像元件及圖像顯示裝置
TWI841659B (zh) * 2019-01-06 2024-05-11 美商光程研創股份有限公司 用於檢測不同波長的光檢測裝置
US11088185B2 (en) * 2019-02-28 2021-08-10 Samsung Electronics Co., Ltd. Image sensor including particular readout circuit arrangement
US11448891B2 (en) * 2019-10-17 2022-09-20 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Multifunctional collimator for contact image sensors
KR20210054085A (ko) * 2019-11-04 2021-05-13 삼성전자주식회사 이미지 센서
CN113097236B (zh) * 2020-01-08 2024-03-12 联华电子股份有限公司 感光装置

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1630090A (zh) * 2003-12-08 2005-06-22 台湾积体电路制造股份有限公司 具有光导管的影像感测装置及其制造方法
CN101853868A (zh) * 2009-03-31 2010-10-06 索尼公司 固态成像装置及其制作方法、成像设备以及防反射结构的制作方法
CN101937921A (zh) * 2009-07-02 2011-01-05 采钰科技股份有限公司 图像传感装置及其制造方法
CN205984987U (zh) * 2015-09-11 2017-02-22 半导体元件工业有限责任公司 图像传感器像素阵列、图像传感器和成像器件
CN106611765A (zh) * 2015-10-27 2017-05-03 台湾积体电路制造股份有限公司 用于背侧深沟槽隔离的额外的掺杂区域
DE102017119031A1 (de) * 2017-05-31 2018-12-06 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd. Bildsensor mit einer hochabsorbierenden schicht
CN109585470A (zh) * 2017-09-28 2019-04-05 台湾积体电路制造股份有限公司 具有改进的量子效率表面结构的图像传感器
CN109585466A (zh) * 2017-09-28 2019-04-05 台湾积体电路制造股份有限公司 互补式金属-氧化物-半导体影像传感器及影像传感器的形成方法
CN110729314A (zh) * 2018-07-17 2020-01-24 联华电子股份有限公司 光学感测装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20210288094A1 (en) 2021-09-16
TWI725765B (zh) 2021-04-21
TW202135303A (zh) 2021-09-16
US11424280B2 (en) 2022-08-23
US20220344398A1 (en) 2022-10-27
CN113380837B (zh) 2024-04-23
US11749699B2 (en) 2023-09-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102600673B1 (ko) 이미지 센서
KR102204728B1 (ko) Spad 이미지 센서 및 연관 제조 방법
TWI623090B (zh) 背面感光式影像感測器及其形成方法
CN103165633B (zh) 背照式cmos图像传感器
KR101489038B1 (ko) 개선된 반사성의 이미지 센서용 광학 그리드를 위한 방법 및 장치
US11749699B2 (en) Solid-state image sensor with pillar surface microstructure and method of fabricating the same
JP2004047682A (ja) 固体撮像装置
KR102645517B1 (ko) 이미지 센서 및 이를 형성하는 방법
KR20050106939A (ko) 프리즘을 구비한 시모스 이미지센서 및 그 제조방법
TWI713210B (zh) 圖像感測器以及用於形成圖像感測器的方法
CN109148502B (zh) 图像传感器及其形成方法、成像设备
KR20210055145A (ko) 이미지 센서
KR100894390B1 (ko) 이미지 센서 및 그 제조방법
KR101305608B1 (ko) 이미지 센서
TWI782461B (zh) 背照式影像感測器及其製造方法
CN115513230A (zh) 图像传感器及其制作方法
KR100649020B1 (ko) 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법
TWI816534B (zh) 三維互補式金氧半導體影像感測器結構暨其製作方法
KR20080013566A (ko) 이미지 센서 및 그 형성 방법
US20240282792A1 (en) Image sensor
US20230402476A1 (en) Image sensor
WO2023115774A1 (zh) 微透镜组件、光电转换设备及制造方法和成像系统
TW202146943A (zh) 互補式金氧半導體影像感測器結構暨其製作方法
KR100682248B1 (ko) 시모스 이미지센서의 제조방법
KR20230033963A (ko) 이미지 센서 및 그 제조 방법

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant