TW201338146A - 在背側照明成像感測器中漏光之防止 - Google Patents
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Abstract
一種設備包括一半導體層、一介電層及一光防止結構。該半導體層具有一前表面及一背側表面。該半導體層包括一光感測元件及含有發光元件且不含有該光感測元件之一周邊電路區。該介電層接觸該半導體層之該背側表面之至少一部分。該光防止結構之至少一部分係安置於該光感測元件與該發光元件之間。該光防止結構經定位以防止該發光元件發射之光到達該光感測元件。
Description
本發明大體係關於成像感測器，且特定而言(但不排除其他)係關於背側照明(「BSI」)互補金屬氧化物半導體(「CMOS」)成像感測器。
現今許多半導體成像感測器為前側照明的。亦即，此等感測器包括製造於半導體晶圓之前側上的成像陣列，其中在成像陣列處自同一前側接收入射光。前側照明成像感測器具有若干缺點，例如有限填充因子。
BSI成像感測器為前側照明成像感測器之替代。BSI成像感測器包括製造於半導體晶圓之前表面上的成像陣列，但經由晶圓之背表面接收入射光。在背表面處，入射光之一部分進入裝置晶圓，而入射光之另一部分被反射離開背表面。可利用若干方法來增加入射光之進入裝置晶圓的部分。舉例而言，背表面可藉由背側抗反射塗層(「BARC」)塗覆。在成像陣列周邊之區域中，BARC下方存在緩衝氧化物。
並非外部入射光之光可在裝置晶圓之矽基板內藉由周邊電路元件發射。此內部產生之光可進入包括上文提及之BARC及緩衝氧化物之介電層，在其內橫向行進，且接著再次進入矽基板以到達其中的成
像陣列。此橫向光可產生不合需要之信號，且干擾BSI成像感測器之正常操作。
100‧‧‧背側照明(BSI)成像感測器
110‧‧‧金屬堆疊
120‧‧‧矽(Si)層
121‧‧‧感測器陣列區
122‧‧‧周邊電路區
123‧‧‧發光元件
124‧‧‧光感測元件
130‧‧‧介電層
131‧‧‧背側抗反射塗層(BARC)層
132‧‧‧緩衝層/緩衝氧化物層
140‧‧‧光屏蔽層
150‧‧‧入射光
160‧‧‧光路
200‧‧‧BSI成像感測器
210‧‧‧光阻擋元件
211‧‧‧溝槽
260‧‧‧光路
300‧‧‧BSI成像感測器
340‧‧‧空隙區
360‧‧‧光路
400A‧‧‧BSI成像感測器
400B‧‧‧BSI成像感測器
460‧‧‧光路
500‧‧‧晶片
510‧‧‧光感測陣列
520‧‧‧黑位準參考像素
530‧‧‧光阻擋溝槽
540‧‧‧周邊電路區
參看以下圖式描述本發明之非限制性且非詳盡之實施例，其中除非另外指定，否則貫穿各個圖式中相同參考數字指代相同部分。
圖1為說明光在介電層中橫向傳播之BSI成像感測器之橫截面圖。
圖2為說明根據本發明之實施例的包括溝槽之橫向光阻擋方案之BSI成像感測器的橫截面圖。
圖3為說明根據本發明之實施例的包括光屏蔽層中之空隙區的橫向光防止結構之BSI成像感測器的橫截面圖。
圖4A為說明根據本發明之實施例的橫向光防止結構之BSI成像感測器的橫截面圖。
圖4B為說明根據本發明之實施例的橫向光防止結構之BSI成像感測器的橫截面圖。
圖5為說明根據本發明之實施例的具有溝槽壁之BSI成像感測器之晶片的俯視圖。
圖6為說明根據本發明之實施例的用於製造BSI成像感測器之方法的流程圖。
本文描述用於製造防止漏光之BSI成像感測器之設備及方法的實施例。在以下描述中，陳述眾多特定細節以提供對該等實施例之徹底理解。然而，熟習此項技術者將認識到，本文描述之技術可在無該等特定細節之一或多者的情況下實踐，或藉由其他方法、組件、材料等來實踐。在其他例子中，未詳細展示或描述熟知結構、材料或操作以免混淆特定態樣。
貫穿本說明書中對「一個實施例」或「一實施例」之參考意謂結合該實施例所描述之特定特徵、結構或特性包括於本發明之至少一個實施例中。因此，貫穿本說明書，「在一個實施例中」或「在一實施例中」於各處之出現不一定均指代同一實施例。此外，該等特定特徵、結構或特性可以任何適宜之方式組合於一或多個實施例中。
圖1為說明光在介電層130中橫向傳播之BSI成像感測器100的橫截面圖。如圖1所示，BSI成像感測器100包括金屬堆疊110、半導體或矽(「Si」)層120、介電層130及光屏蔽層140。Si層120包括含有感測光之若干光感測元件124的感測器陣列區121，及含有發光元件123的周邊電路區122。
如圖1所示，介電層130包括背側抗反射塗層(「BARC」)層131及緩衝層132。緩衝層132沈積於Si層120上以提供Si層120與BARC層131之間的緩衝。緩衝氧化物層132可由諸如氧化矽或氮化矽之材料製成。BARC層131沈積於緩衝層132上。BARC層131減少入射光150之反射，藉此提供入射光150至感測器陣列區121中之相對高程度的耦合。BARC層131及緩衝層132兩者可充當光導。在以下揭示內容中，此兩層統稱為介電層130。
圖1中亦展示光屏蔽層140，其可覆蓋若干區域。首先，其覆蓋安置於Si層120中之黑位準參考像素(圖1未圖示)。黑位準參考像素為不接收入射光150之感測器像素，且為BSI成像感測器100提供黑位準參考。黑位準參考像素可安置於周邊電路區122中。第二，光屏蔽層140可覆蓋周邊電路區122。藉由覆蓋周邊電路區122，光屏蔽層140減少或防止入射光150干擾電路操作。
諸如周邊電路區122內之發光元件123之特定元件可發光。發光元件123可藉由各種機制(例如，經由經偏置p-n接面之電致發光)發光，且產生具有近似在紅外(「IR」)或近IR(「NIR」)光譜中之波長
的光。舉例而言，發光元件123可為發射包括接近1.1 μm之波長之光的MOS穿隧二極體。在一個實施例中，發光元件123包括具有離子植入物引發之位錯之前向偏置二極體，從而發射包括接近1.5 μm之波長的光。
發光元件123產生之光可橫向行進以到達感測器陣列區121，藉此產生不合需要之信號。介電層130可為光自發光元件123行進至光感測元件124所經由之管道。認為若干因素會促成此現象。
首先，IR及NIR光具有接近Si能帶間隙之波長，因此允許光在諸如Si、SiO2及SiNx(氮化矽)之介質中行進相對長的距離。光路160可代表IR或NIR光自發光元件123行進至光感測元件124。圖1說明NIR或IR光自發光元件123起源，行進幾微米穿過Si層120，進入介電層130且沿著其橫向行進，且接著再次進入Si層120以最終到達光感測元件124。
第二，光可歸因於全內反射現象在介電層130內以相對少之能量損失進行傳播。當介電層130之折射率大於Si層120之折射率時，介電層130內之全內反射可在Si層120與介電層130之間的界面處發生。若介電層130相對薄，則全內反射可進一步增強。舉例而言，介電層130可僅為零點幾微米至幾微米厚。
第三，光屏蔽層140可由金屬構成，其在反射光方面相對有效率，藉此將光(由發光元件123發射)限制於介電層130內。
第四，隨著上文提及之光傳播穿過Si層120之一部分，其可產生電荷載流子，諸如電子及電洞，該等電荷載流子可擴散至感測器陣列區121中。
總之，諸如上文提及之因素的一個或若干因素及其組合可使發光元件123發射之IR及NIR光在介電層130中沿著光路160以相對低之能量損失傳播相對長的距離，從而到達光感測元件124，如圖1所示。
因此，不合需要之信號可干擾BSI成像感測器100之效能。
揭示用以減少到達BSI成像感測器之光感測元件的內部產生之光之量的光防止結構或方案之實施例。
圖2為說明根據本發明之實施例的包括溝槽之橫向光阻擋結構之BSI成像感測器200的橫截面圖。BSI成像感測器200包括金屬堆疊110、Si層120、介電層130及光屏蔽層140。Si層120包括含有感測光之若干光感測元件124之感測器陣列區121，及含有發光元件123之周邊電路區122。
光阻擋元件210安置於介電層130中，且經定位以實質上阻礙發光元件123與光感測元件124之間的光路260。在所說明之實施例中，光阻擋元件210包括穿透介電層130的溝槽211，及安置於溝槽中及溝槽之側壁上的光屏蔽層140。在一個實施例中，光屏蔽層140是光學不透明的。在一個實施例中，溝槽211僅部分穿透介電層130。溝槽211可位於介電層130之安置於周邊電路區122下方的部分中，如圖2所示。溝槽211亦可位於介電層130之安置於感測器陣列區121下方的部分中，或介電層130之覆蓋含有黑位準參考像素之區(未圖示)的部分中。
在所說明之實施例中，光屏蔽層140係展示為安置於周邊電路區122下方。由於光屏蔽層140安置於周邊電路區122下方，因此其覆蓋周邊電路區122使其免受入射光150照射。發光元件123與光感測元件124之間的光路260實質上由溝槽211阻礙，如圖2所示。當溝槽211含有光屏蔽層140時，可增加對光路260之該阻礙。
圖3為說明根據本發明之實施例之包括光屏蔽層140中之空隙區340之橫向光防止結構之BSI成像感測器300的橫截面圖。BSI成像感測器300包括金屬堆疊110、Si層120、介電層130及光屏蔽層140。Si層120包括含有感測光之若干光感測元件124的感測器陣列區121，及含
有發光元件123的周邊電路區122。
光屏蔽層140實質上覆蓋Si層120之含有發光元件123之部分的背側表面，除了安置於發光元件123下方的間隙區域以外，如圖3所示。
光屏蔽層140中之此間隙為空隙區340。空隙區340之大小及位置使得光路360(源自發光元件123)遇見空隙區340。空隙區340處缺乏光屏蔽層140允許發光元件123發射的光逃逸，而非由光屏蔽層140反射回到介電層130中且經由介電層130朝向光感測元件124橫向行進。在一個實施例中，光屏蔽層140具有一個以上的間隙。
本文揭示用以產生BSI成像感測器300之方法的實例。在一個實例中，將光屏蔽層140沈積於介電層130上，隨後移除光屏蔽層140之安置於光感測元件123下方的部分。在另一實例中，在沈積光屏蔽層140之前，在介電層130之安置於發光元件123下方的區域上形成光阻層。此可藉由諸如影印之製程實現。接著，將光屏蔽層140沈積於介電層130上。最後，移除光阻層以形成空隙區340。
圖4A為說明根據本發明之實施例的橫向光防止結構之BSI成像感測器400A的橫截面圖。BSI成像感測器400A包括金屬堆疊110、Si層120、介電層130及光屏蔽層140。Si層120包括含有感測光之若干光感測元件124之感測器陣列區121，及含有發光元件123之周邊電路區122。光屏蔽層140安置於Si層120上，且覆蓋周邊電路區122。介電層130可安置於Si層120上且覆蓋感測器陣列區121及光屏蔽層140。
圖4B為說明根據本發明之實施例的橫向光防止結構之BSI成像感測器400B的橫截面圖。BSI成像感測器400B包括金屬堆疊110、Si層120、介電層130及光屏蔽層140。在圖4B中，介電層130安置於Si層120之感測器陣列區121上，但不覆蓋光屏蔽層140。
在圖4A及4B之所說明之實例中，藉由防止介電層130與周邊電路區122之間的直接接觸來實現阻擋發光元件123與光感測元件124之間
的光路。如圖4A及4B所示，當源自發光元件123之光到達光屏蔽層140時，阻礙光路460。因此，歸因於在該區域中充當光導之介電層130的缺乏，光朝向光感測元件124之傳播被停止。
本文揭示用以產生BSI成像感測器400A及400B之方法的實例。在一個實例中，將光屏蔽層140沈積於Si層120之周邊電路區122上，隨後將介電層130沈積於Si層120之感測器陣列區121及光屏蔽層140上。在另一實例中，將光屏蔽層140沈積於Si層120之周邊電路區122上，隨後將介電層130沈積於感測器陣列區121上，但不沈積於光屏蔽層140上。方法之此等實例可包括諸如影印之半導體處理方法。
圖5為說明根據本發明之實施例的具有溝槽壁之BSI成像感測器之晶片500的俯視圖。光阻擋元件(例如，溝槽)可定位於光感測陣列及黑位準參考像素周圍以使得其與發光周邊電路隔離。藉由實例，光阻擋元件可包括封圍光感測陣列及黑位準參考像素之溝槽壁。晶片500包括光感測陣列510及黑位準參考像素520。光阻擋溝槽530實質上封圍光感測陣列510及黑位準參考像素520，因此使其與周邊電路區540橫向分離。光阻擋溝槽530之實例在圖2中可見，其中溝槽211安置於介電層130中。光阻擋溝槽530可形成矩形形狀之封圍體，如圖5所示。其他實例包括諸如三角形、梯形、多邊形、圓形、橢圓形等之其他幾何形狀封圍體(未圖示)。在圖5中，當自頂部觀察時，光阻擋溝槽530具有約20 μm之寬度。其他寬度亦為可能的(例如，10 μm、100 μm)，但圖5中未圖示。同樣在圖5中，光阻擋溝槽530定位成距黑位準參考像素520約100 μm，如自頂部觀察。其他距離亦為可能的(例如，10 μm、1000 μm)，但圖5中未圖示。
圖6為說明根據本發明之實施例的用於製造BSI成像感測器之方法的流程圖。製程區塊中之一些或全部在製程600中出現之次序不應認為具有限制性。實情為，得到本發明之益處的一般熟習此項技術者
將理解，該等製程區塊中之一些可以未說明之多種次序執行，或甚至並行執行。
製程600為如何製造BSI成像感測器的一個實例。在製程區塊605中，提供具有前表面及背側表面之半導體層。半導體層(例如，Si層120)包括光感測元件，及含有發光元件之周邊電路區。周邊電路區可不含有任何光感測元件，因為光屏蔽層140可防止光感測元件接收光。在製程區塊610中，在半導體層之背側表面上形成介電層。在製程區塊615中，形成光防止結構。光防止結構之至少一部分安置於光感測元件與發光元件之間。可在形成介電層之後形成光屏蔽層。
本發明之所說明之實施例的以上描述(包括摘要中描述之內容)不意欲為詳盡的或將本發明限於所揭示之精確形式。雖然本文出於說明性目的描述本發明之特定實施例及實例，但如熟習此項技術者將認識到，本發明之範疇內的各種修改為可能的。
可鑒於以上詳細描述對本發明作出此等修改。以下申請專利範圍中使用之術語不應解釋為將本發明限於說明書中揭示之特定實施例。實情為，本發明之範疇應完全由以下申請專利範圍確定，應根據已確立之請求項解釋條款來解釋以下申請專利範圍。
110‧‧‧金屬堆疊
120‧‧‧矽(Si)層
121‧‧‧感測器陣列區
122‧‧‧周邊電路區
123‧‧‧發光元件
124‧‧‧光感測元件
130‧‧‧介電層
140‧‧‧光屏蔽層
200‧‧‧BSI成像感測器
210‧‧‧光阻擋元件
211‧‧‧溝槽
260‧‧‧光路
Claims (20)
- 一種背側照明感測器裝置，其包含：一半導體層，其具有一前表面及一背側表面，該半導體層進一步包括一光感測元件及相對於該光感測元件橫向定位之一發光元件；一介電層，其具有一第一表面及一第二表面，其中該介電層之該第一表面實質上與該半導體層之該背側表面接觸；及一光阻擋元件，其安置在該介電層中介於該光感測元件與該發光元件之間，該光阻擋元件經定位以阻礙該發光元件與該光感測元件之間之一光路。
- 如請求項1之背側照明感測器裝置，其中該光阻擋元件包括一溝槽，該溝槽穿透該介電層之該第二表面。
- 如請求項2之背側照明感測器裝置，其中該光阻擋元件進一步包括安置於該溝槽中及該溝槽之側壁上之一光屏蔽層，其中該光屏蔽層是光學不透明的。
- 如請求項1之背側照明感測器裝置，其中該半導體層之一材料允許入射光自該背側表面進入該半導體層且到達該光感測元件。
- 如請求項1之背側照明感測器裝置，其中該介電層之一第一折射率大於該半導體層之一第二折射率。
- 如請求項1之背側照明感測器裝置，進一步包含實質上與該介電層之該第二表面接觸且安置於該半導體層之一周邊電路區下方之一光屏蔽層，該半導體層之該周邊電路區含有該發光元件且不含有該光感測元件，其中該光屏蔽層實質上防止光通過。
- 如請求項1之背側照明感測器裝置，其中該光阻擋元件實質上圍繞該光感測元件。
- 如請求項7之背側照明感測器裝置，其中該光阻擋元件亦實質上圍繞該背側照明感測器裝置之黑位準參考像素。
- 如請求項1之背側照明感測器裝置，其中該介電層進一步包括一抗反射塗層。
- 一種背側照明感測器裝置，其包含：一半導體層，其具有一前表面及一背側表面，該半導體層包括一光感測元件，及含有一發光元件且不含有該光感測元件之一周邊電路區；一介電層，其接觸該半導體層之該背側表面之至少一部分；及一光防止結構，其中該光防止結構之至少一部分安置於該光感測元件與該發光元件之間，該光防止結構經定位以防止該發光元件發射之光到達該光感測元件。
- 如請求項10之背側照明感測器裝置，其中該光防止結構包括該介電層中之一溝槽。
- 如請求項11之背側照明感測器裝置，其中該光防止結構包括安置於該溝槽中及該溝槽之側壁上之一光屏蔽層。
- 如請求項10之背側照明感測器裝置，其中該光防止結構包括：一光屏蔽層，其安置於該介電層下方；及一空隙區，其安置於該發光元件下方，其中該空隙區為該光屏蔽層中之一間隙，該間隙經定位以允許該發光元件發射之該光逃逸而非朝向該光感測元件橫向行進。
- 如請求項10之背側照明感測器裝置，其中該光感測元件安置於該半導體層之一感測器陣列區中，且該介電層安置於該感測器陣列區下方，且其中該光防止結構包括在該周邊電路區下方接觸該半導體層之該背側表面之一光屏蔽層。
- 如請求項14之背側照明感測器裝置，其中該介電層在該感測器 陣列區下方接觸該半導體層之該背側表面，且其中該介電層安置於該光屏蔽層下方及該周邊電路區下方。
- 如請求項10之背側照明感測器裝置，其中該介電層之一第一折射率大於該半導體層之一第二折射率。
- 如請求項10之背側照明感測器裝置，其中該介電層進一步包括一抗反射塗層。
- 一種製造一背側照明感測器裝置之方法，該方法包含：提供具有一前表面及一背側表面之一半導體層，該半導體層包括一光感測元件，及含有一發光元件且不含有該光感測元件之一周邊電路區；在該半導體層之該背側表面之至少一部分上形成一介電層；及形成一光防止結構，其中該光防止結構之至少一部分安置於該光感測元件與該發光元件之間，該光防止結構經定位以防止該發光元件發射之光到達該光感測元件。
- 如請求項18之方法，其中該光防止結構包括該介電層中之一溝槽。
- 如請求項19之方法，其中該光防止結構包括安置於該溝槽中及該溝槽之側壁上之一光屏蔽層。
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