TW201830679A - 影像感測器積體晶片及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本發明實施例是有關於一種影像感測器積體晶片，所述影像感測器積體晶片具有減弱影像感測器晶片的各畫素區之間的串擾的柵格結構。在一些實施例中，所述積體晶片具有安置於基底內的影像感測元件。沿基底的背面設置有吸收增強結構。在吸收增強結構之上排列有柵格結構。柵格結構界定安置於影像感測元件之上的開口，且自吸收增強結構之上延伸至吸收增強結構內的位置。藉由使柵格結構延伸至吸收增強結構中，柵格結構能夠藉由阻擋自所述吸收增強結構的非平面表面反射出的輻射行進至相鄰的畫素區，來減弱相鄰的影像感測元件之間的串擾。

Description

影像感測器積體晶片及其形成方法
具有影像感測器的積體電路（integrated circuit，IC）已廣泛使用在像是（舉例而言）照相機及蜂巢式電話等現代電子裝置中。近年來，已開始廣泛使用互補金屬氧化物半導體（complementary metal-oxide semiconductor，CMOS）影像感測器，其在極大程度上取代了電荷耦合裝置（charge-coupled device，CCD）影像感測器。相較於電荷耦合裝置影像感測器，CMOS影像感測器因功耗低、尺寸小、資料處理快、資料直接輸出以及製造成本低而愈來愈受歡迎。CMOS影像感測器的某些類型包括正面照明式（front-side illuminated，FSI）影像感測器及背面照明式（back-side illuminated，BSI）影像感測器。
以下揭露內容提供諸多不同的實施例或實例，以用於實行所提供標的的不同特徵。以下闡述部件及排列的具體實例以簡化本揭露內容。當然，該些僅為實例且不旨在限制。舉例而言，以下說明中將第一特徵形成於第二特徵「之上（over）」或第二特徵「上（on）」可包括其中第一特徵與第二特徵被形成為直接接觸的實施例，且亦可包括其中第一特徵與第二特徵之間可形成有附加特徵、進而使得所述第一特徵與所述第二特徵可能不直接接觸的實施例。另外，本揭露內容可能在各種實例中重複參考編號及/或字母。此種重複是出於簡潔及清晰的目的，而不是自身表示所論述的各種實施例及/或配置之間的關係。
此外，為易於說明，本文中可能使用例如「在…之下（beneath）」、「在…下面（below）」、「下部的（lower）」、「上方（above）」、「上部的（upper）」等空間相對性用語來闡述圖中所示的一個元件或特徵與另一（其他）元件或特徵的關係。所述空間相對性用語旨在除圖中所繪示的定向外亦囊括裝置在使用或操作中的不同定向。設備可具有其他定向（旋轉90度或處於其他定向）且本文中所用的空間相對性描述語可同樣相應地進行解釋。
CMOS影像感測器包括多個畫素區，所述多個畫素區分別具有影像感測元件。在諸多現代影像感測器中，彩色濾光片安置在CMOS影像感測器的影像感測元件之上。所述彩色濾光片經配置以過濾提供至CMOS影像感測器內的不同的影像感測元件的入射光。舉例而言，CMOS影像感測器可具有第一彩色濾光片及第二彩色濾光片等，所述第一彩色濾光片被配置成安置於第一影像感測元件之上以使紅色光通過，所述第二彩色濾光片被配置成安置於第二影像感測元件之上以使藍色光通過。
大體而言，CMOS影像感測器（CIS）積體晶片中的畫素區的數目隨著時間而增加。當CMOS影像感測器積體晶片中的畫素區的數目增加時，積體晶片捕捉的影像的解析度亦增加。然而，當畫素區的尺寸變小時，各畫素區變得愈來愈近且相鄰的畫素區之間的串擾會增強。當一個畫素區不合期望地感測到射向另一畫素區的入射光時會出現串擾，從而使CMOS影像感測器積體晶片捕獲的影像的品質劣化。應理解，排列於彩色濾光片與影像感測元件之間的中間層可能會增強相鄰的畫素區之間的串擾。此是由於當相鄰的中間層具有不同的折射率時，各個層可根據菲涅爾公式（Fresnel’s equation）來折射（即，改變光波行進的方向）入射光線。若介面並非平面，則折射光可沿側方向行進且最終相鄰的影像感測元件會感測到所述折射光，從而導致串擾增強。
本發明是有關於一種影像感測器積體晶片，所述影像感測器積體晶片包括用以減弱影像感測器晶片的各畫素區之間的串擾的柵格結構。在一些實施例中，所述積體晶片包括安置於基底內的影像感測元件。吸收增強結構沿基底的背面設置。在吸收增強結構之上安置有柵格結構。所述柵格結構界定安置於影像感測元件之上的開口，且自吸收增強結構之上延伸至吸收增強結構內的位置。藉由將柵格結構延伸至吸收增強結構中，柵格結構能夠藉由阻擋及/或反射自所述吸收增強結構的非平面表面反射出的輻射，來防止反射輻射行進至相鄰的畫素區，以減弱相鄰的影像感測元件之間的串擾。
圖1繪示影像感測器積體晶片100的一些實施例的剖視圖，影像感測器積體晶片100包括用以減弱各畫素區之間的串擾的柵格結構。
影像感測器積體晶片100包括基底102，基底102具有多個畫素區103a至103b。所述多個畫素區103a至103b分別包括影像感測元件104，影像感測元件104經設置以將入射輻射（例如，光子）轉換成電訊號（即，由入射輻射產生電子-電洞對）。在一些實施例中，影像感測元件104可包括光二極體。所述多個畫素區103a至103b可以包括列及/或行的陣列形式安置於基底102內。在一些實施例中，所述多個畫素區103a至103b可被隔離結構106隔開，隔離結構106安置於基底102內、所述多個畫素區103a至103b中的相鄰的畫素區103a、103b之間的位置處。
後段（back-end-of-the-line，BEOL）金屬化堆疊108沿基底102的正面102f安置。後段金屬化堆疊108包括環繞多個金屬內連線層112的介電結構110。介電結構110包括多個堆疊式層間介電（stacked inter-level dielectric，ILD）層，而所述多個金屬內連線層112包括導電介層窗與導電線交替的層。
吸收增強結構114沿基底102的背面102b安置。吸收增強結構114經配置以藉由改善影像感測元件104對光子的吸收來提高下伏影像感測元件104的量子效率。在一些實施例中，吸收增強結構114可界定矽奈米柱陣列（nano-pillar array，NPA）或光子晶體陣列。
柵格結構116自吸收增強結構114的上表面向外凸出。柵格結構116包括界定上覆在影像感測元件104上的開口118的側壁。柵格結構116自吸收增強結構114之上垂直延伸至吸收增強結構114內的位置。柵格結構116藉由延伸至吸收增強結構114中，能夠阻擋在吸收增強結構114內沿側向方向（即，與基底102的背面102b平行的方向）行進的輻射。藉由在吸收增強結構114內阻擋輻射的側向行進，柵格結構116能夠減輕相鄰的畫素區103a至103b之間的串擾，藉此提高影像感測器積體晶片100的效能。
圖2說明影像感測器積體晶片200的一些其他實施例的剖視圖，所述影像感測器積體晶片200包括用以減弱各畫素區之間的串擾的柵格結構。
影像感測器積體晶片200包括具有多個畫素區103a至103b的基底102。所述多個畫素區103a至103b分別具有用以將入射輻射220轉換成電訊號的影像感測元件104。沿基底102的正面102f安置有多個電晶體裝置202。沿基底102的正面102f亦安置有包括多個金屬內連線層112的介電結構110。所述多個金屬內連線層112電性耦合至所述多個電晶體裝置202。介電結構110包括一或多個堆疊式層間介電（ILD）層。在各種實施例中，堆疊式層間介電層可包括低k介電層（即，介電常數小於約3.9的介電質）、超低k介電層、或氧化物（例如，氧化矽）中的一或多者。所述多個金屬內連線層112包括金屬導線與金屬介層窗交替的層。在各種實施例中，所述多個金屬內連線層112可包含導電金屬，例如（舉例而言）銅、鋁、及/或鎢。
吸收增強結構212沿基底102的背面102b安置。在一些實施例中，基底102的背面102b可包括非平面表面。舉例而言，在一些實施例中，基底102的背面102b可包括非平面表面，所述非平面表面用於界定以週期性圖案安置的多個凹陷部208，而吸收增強結構212包括多個凸出部，所述多個凸出部安置於週期性圖案內且在凹陷部208內延伸。在其他實施例中，基底102的背面102b可包括非平面表面，所述非平面表面用於界定以週期性圖案安置的多個凸出部，而吸收增強結構212包括多個凹陷部，所述多個凹陷部安置於週期性圖案內且環繞所述凸出部。
在一些實施例中，所述多個凹陷部208包括錐形凹陷部（即，具有一或多個錐形側壁的凹陷部），所述錐形凹陷部被設置成上覆在影像感測元件104上的週期性圖案。舉例而言，所述多個凹陷部208可包括圓錐形或稜錐形（例如，具有n邊形基底，其中n=3,4,5,6,…）形狀的凹陷部，所述凹陷部安置於影像感測元件104之上。在此類實施例中，所述多個凹陷部208可具有在峰與谷之間交替的鋸齒形輪廓。在其他實施例中，所述多個凹陷部208可包括其他形狀，例如（舉例而言）圓柱形。在一些實施例中，所述鋸齒輪廓可安置於沿畫素區103a至103b的周界安置的平面凸緣（planar ledge）210之間。在一些實施例中，吸收增強結構212可包含磊晶矽及/或另一種半導體材料。在其他實施例中，吸收增強結構212可包含介電材料（例如，SiO2 ）。
吸收增強結構212的形貌會使基底102對輻射的吸收增強。藉由增強基底102對輻射的吸收，可提高下伏影像感測元件104的量子效率（即，影像感測器產生的載子的數目對以給定的能量/波長入射於影像感測器上的光子的數目的比率）。舉例而言，在可見光譜範圍內，吸收增強結構212可將峰值量子效率提高至達近似40%。
在一些實施例中，吸收增強結構212可界定矽奈米柱陣列（silicon nano-pillar array，Si-NPA）。晶體矽為不能夠在不產生或消耗光子的條件下（由於動量守恆）吸收光子的間接帶隙半導體，相較於晶體矽，矽奈米柱陣列可因矽奈米柱陣列的矽奈米晶體中的載子的量子限域效果（quantum confinement effect）而為直接帶隙半導體。矽奈米柱陣列的直接帶隙半導體能夠直接吸收光子，藉此提高影像感測元件的效率。在一些此類實施例中，影像感測元件104可延伸至與矽奈米柱陣列接觸的位置。
在其他實施例中，吸收增強結構212可被配置成充當二維光子晶體陣列來陷獲向基底102傳輸的光子。舉例而言，包括二維光子晶體的吸收增強結構212會藉由選擇性地傳輸處於某一能量範圍內（例如，具有某一波長範圍）的光子、同時阻擋處於所述能量範圍外的光子的傳輸來阻擋向基底102中傳輸光子以及自基底102向外傳輸光子。二維光子晶體可用於將光子傳輸至基底102且用於阻擋重新發射（reemitted）的光子，藉此有效地將重新發射的光子陷獲於基底102內部。所陷獲的光子隨後（例如，當產生或吸收光子時）被基底102重新吸收，此會提高吸收率。
柵格結構116自吸收增強結構212的上表面向外凸出。柵格結構116包括界定上覆在影像感測元件104上的開口118的側壁。柵格結構116自吸收增強結構212之上的頂表面垂直延伸至吸收增強結構212內的底表面。在一些實施例中，柵格結構116可具有底表面，所述底表面位於基底102的最高點（例如，基底102的頂峰）下方。在一些實施例中，柵格結構116的底表面與沿畫素區103a至103b的周界安置的平面凸緣210實質上對齊。
在一些實施例中，柵格結構116可包含導電材料，例如金屬（例如，鋁、鈷、銅、銀、金、鎢等）。在其他實施例中，柵格結構116可包含非金屬化材料。在一些實施例中，柵格結構116可包含經配置以反射輻射的材料（例如，例如金、銀、銅等金屬）。在此類實施例中，柵格結構116可將自吸收增強結構212折射的輻射朝影像感測元件104反射回，藉此提高與影像感測元件104相關聯的量子效率。在一些實施例中，在電磁頻譜的綠色區及/或紅色區中，相對於具有完全安置於下伏吸收增強結構之上的柵格結構的影像感測器積體晶片而言，柵格結構116可將與影像感測元件104相關聯的峰值量子效率提高最多達近似5%（或者相對於不具有吸收增強結構的影像感測器積體晶片而言，提高最多近似30%至40%）。舉例而言，所揭露的柵格結構116可在電磁頻譜的綠色區內將峰值量子效率自近似77%提高至近似80%。在其他實施例中，峰值量子效率的提高可更大或更小。應理解，柵格結構116亦可在電磁頻譜的其他區中提高峰值量子效率，例如（舉例而言），在電磁頻譜的近紅外（near infrared，NIR）區（即，電磁輻射具有介於近似700奈米與近似1400奈米之間的波長的區）中。
在一些實施例中，介電平坦化結構214可安置於吸收增強結構212之上。介電平坦化結構214具有實質上平坦的上表面214u。在各種實施例中，介電平坦化結構214可包括一或多個堆疊式介電層214a至214b。舉例而言，在一些實施例中，介電平坦化結構214可包括第一介電層214a及第二介電層214b，第一介電層214a包含第一材料，第二介電層214b堆疊於第一介電層214a上且包含第二材料。在一些實施例中，第一材料及/或第二材料例如可包含氧化物（例如，SiO2 ）或氮化物。在一些實施例中，柵格結構116可延伸至所述一或多個堆疊式介電層214a至214b中的至少一者中。在一些實施例中，柵格結構116可延伸至第一介電層214a中，但不會延伸至第二介電層214b（以使柵格結構116具有被第一介電層214a覆蓋的頂表面）。
在基底102的背面102b之上安置有多個彩色濾光片216a至216b。所述多個彩色濾光片216a至216b分別被配置成傳輸入射輻射220的特定波長。舉例而言，第一彩色濾光片216a可傳輸波長處於第一範圍內的輻射，而第二彩色濾光片216b可傳輸波長處於不同於第一範圍的第二範圍內的輻射。在所述多個彩色濾光片216a至216b之上安置有多個微透鏡218。各自的微透鏡218與彩色濾光片216a至216b側向對齊，且位於畫素區103a至103b之上。
所述多個微透鏡218被配置成使入射輻射220（即，光）朝畫素區103a至103b聚焦。當入射輻射220撞擊吸收增強結構212與基底102之間的介面時，入射輻射220的一部分被折射為折射輻射222，折射輻射222以與入射輻射220的角度不同的角度行進。吸收增強結構212內的柵格結構116被配置成阻擋折射輻射222向相鄰的畫素區行進，藉此減弱相鄰的畫素區103a至103b之間的串擾。舉例而言，柵格結構116阻擋在第一畫素區103a內產生的折射輻射222向第二畫素區103b行進。
藉由在吸收增強結構212內阻擋折射輻射222的側向傳播，柵格結構116能夠減輕相鄰的畫素區103a至103b之間的串擾，藉此提高影像感測器積體晶片200的效能。舉例而言，在一些實施例中，在可見光譜範圍內（即，波長介於近似400奈米與近似700奈米之間的範圍），相對於具有完全安置於下伏吸收增強結構之上的柵格結構的影像感測器積體晶片而言，柵格結構116可使影像感測器積體晶片200的串擾降低達到接近50%。在一些實施例中，柵格結構116可使影像感測器積體晶片200的串擾程度與不具有吸收增強結構的影像感測器積體晶片實質上相等（例如，處於小於接近1%的範圍內）。
由於串擾對影像感測器的解析度具有有害影響，因此串擾減弱可提高影像感測器積體晶片200的解析度。舉例而言，串擾減弱可將影像感測器積體晶片200的調變轉移函數（modulation transfer function，MTF）提高至接近40%（相對於具有完全安置於下伏吸收增強結構之上的柵格結構的影像感測器積體晶片而言）。因此，所揭露的柵格結構116能夠提供具有高量子效率與調變轉移函數二者的影像感測器積體晶片。
圖3繪示COMS影像感測器（CIS）積體晶片300的一些其他實施例的剖視圖，所述COMS影像感測器積體晶片300具有用以減弱各畫素之間的串擾的柵格結構。
CIS晶片300包括沿基底102的正面102f安置的多個閘極結構301。在各種實施例中，基底102可包括任意類型的半導體主體（例如，矽/CMOS塊、SiGe、絕緣體上矽等），例如半導體晶圓或位於晶圓上的一或多個晶粒、以及任意其他類型的半導體，及/或形成於任意其他類型的半導體上的磊晶層，及/或以其他方式與任意其他類型的半導體相關聯的磊晶層。
在一些實施例中，所述多個閘極結構301可對應於轉移電晶體、源極隨耦電晶體（圖中未示出）、列選擇電晶體（圖中未示出）、及/或重置電晶體（圖中未示出）。所述多個閘極結構301具有沿基底102的正面102f設置的閘極介電層302及安置於閘極介電層302上的閘極電極304。在一些實施例中，在閘極電極304的相對兩側上安置有側壁間隔壁306。
在一些實施例中，對應於轉移電晶體的閘極結構301側向安置於光二極體308與浮置擴散井310之間。在此類實施例中，光二極體308可包括第一區307及鄰接的第二區309，第一區307位於具有第一摻雜類型（例如，n型摻雜）的基底102內，鄰接的第二區309位於具有與第一摻雜類型不同的第二摻雜類型（例如，p型摻雜）的基底102內。閘極結構301被配置成控制電荷自光二極體308至浮置擴散井310的轉移。若浮置擴散井310內的電荷位準足夠高，則源極-隨耦電晶體（圖中未示出）被活化，且根據用於定址的列選擇電晶體（圖中未示出）的操作而選擇性地輸出電荷。重置電晶體（圖中未示出）被配置成在曝光週期之間對光二極體308進行重設。
沿基底102的正面102f亦安置有後段金屬化堆疊108。後段金屬化堆疊108包括被安置成與閘極電極304電性接觸的導電接觸窗312。導電接觸窗312進一步耦合至安置於介電結構110中的一或多個其他金屬內連線層314。介電結構110藉由接觸刻蝕終止層（contact etch stop layer）318與基底102隔開。在一些實施例中，介電結構110耦合至載體基底316。載體基底316經配置以對CMOS影像感測器積體晶片300提供結構支撐。載體基底316具有較基底102的厚度ts 大的厚度tc 。在一些實施例中，載體基底316可包含矽。
在基底102的正面102f內安置有多個淺溝渠隔離（shallow trench isolation，STI）結構204且在基底102的背面102b內安置有多個背面深溝渠隔離（back-side deep trench isolation，BDTI）結構206。所述多個淺溝渠隔離結構204位於畫素區103a至103b的相對兩側上，且被配置成在相鄰的畫素區103a至103b之間提供隔離。所述多個淺溝渠隔離結構204包含一或多種介電材料（例如，SiO2 ），所述一或多種介電材料安置於基底102的正面102f中的溝渠內。所述多個背面深溝渠隔離（BDTI）結構206自基底102的背面102b延伸至上覆在所述多個淺溝渠隔離結構204上的位置。所述多個背面深溝渠隔離結構206包含一或多種介電材料（例如，SiO2 ），所述一或多種介電材料配置於基底102的背面102b中的溝渠內。在一些實施例中，所述多個背面深溝渠隔離結構206中的各者可具有較所述多個淺溝渠隔離結構204中的相應各者的寬度小的寬度。
於相鄰的畫素區103a至103b之間可安置一或多個隔離井區以提供附加隔離。在一些實施例中，所述一或多個隔離井區可包括深井區320及單元井區322。深井區320安置於基底102中與淺溝渠隔離結構204及背面深溝渠隔離結構206側向對齊的位置。單元井區322安置於基底102中在垂直方向上位於深井區320與淺溝渠隔離結構204之間的位置。深井區320及單元井區322可具有一或多種摻雜類型，所述一或多種摻雜類型以接面隔離（junction isolation）方式在相鄰的畫素區103a至103b之間提供進一步隔離。
吸收增強結構212沿基底102的背面102b安置。柵格結構324直接設置於背面深溝渠隔離結構206之上且自吸收增強結構212內垂直延伸至吸收增強結構212之上。柵格結構324包括界定開口328a至328b的側壁，開口328a至328b在畫素區103a至103b上。在一些實施例中，柵格結構324在吸收增強結構212內可包括第一寬度w1 且在吸收增強結構212上方可包括第二寬度w2 ，第二寬度w2 大於第一寬度w1 。在一些實施例中，第一寬度w1 與第二寬度w2 之間的差可使柵格結構324具有與吸收增強結構212的上表面接觸的水平表面。
在一些實施例中，柵格結構324可具有界定一或多個空隙326的內表面，所述一或多個空隙326安置於背面深溝渠隔離結構206之上。空隙326是不包含柵格結構324的導電材料的區。在一些實施例中，所述一或多個空隙326安置於吸收增強結構212的側壁之間。在一些實施例中，所述一或多個空隙326在垂直方向上跨越基底102的最高點。
接地區332設置在相對於畫素區103a至103b側向偏離的位置處。接地區332包括接地結構330，接地結構330包括經由吸收增強結構212延伸至基底102的導電層。在製作CMOS影像感測器積體晶片300期間，撞擊柵格結構324的離子（例如，來自乾刻蝕製程的離子）可產生電荷，所述電荷會積聚在基底102內。接地區332被配置成使所積聚電荷放電，藉此提高CMOS影像感測器積體晶片300的效能。在一些實施例中，接地結構330的導電層具有底表面，其沿平行於基底表面的線與柵格結構324的下表面實質上對齊。
圖4至圖13繪示形成影像感測器積體晶片的方法的一些實施例的剖視圖，所述影像感測器積體晶片包括用以減弱各畫素區之間的串擾的柵格結構。
如圖4所示剖視圖400所示，分別在基底402的畫素區103a至103b內形成影像感測元件。在一些實施例中，影像感測元件可包括光二極體308a至308b。光二極體308a至308b可藉由將一或多種摻雜劑物種植入至基底402的正面402f中來形成。舉例而言，光二極體308a至308b可藉由以下步驟形成：選擇性地執行第一植入製程以形成具有第一摻雜類型（例如，n型）的第一區307；以及接著執行第二植入製程以形成與第一區307鄰接且具有與第一摻雜類型不同的第二摻雜類型（例如，p型）的第二區309。在一些實施例中，第一區307可垂直地鄰接第二區309。在一些實施例中，可根據罩幕層（圖中未示出）對基底402進行選擇性植入。在一些實施例中，浮置擴散井310亦可使用第一植入製程或第二植入製程中的一者來形成。在其他實施例中，浮置擴散井310可藉由單獨植入製程形成。
在畫素區103a至103b內沿基底402的正面402f形成一或多個閘極結構301。在一些實施例中，所述一或多個閘極結構301可對應於轉移電晶體、源極隨耦電晶體（圖中未示出）、列選擇電晶體（圖中未示出）、及重置電晶體（圖中未示出）。在一些實施例中，可藉由在基底402的正面402f上沈積閘極介電膜及閘極電極膜來形成所述一或多個閘極結構301。接著將閘極介電膜及閘極電極膜圖案化以形成閘極介電層302及閘極電極304。在閘極電極304的外側壁上可形成側壁間隔壁306。在一些實施例中，側壁間隔壁306可藉由將氮化物沈積至基底402的正面402f上並選擇性地刻蝕氮化物來形成。
在一些實施例中，可在基底402的正面402f內、在畫素區103a至103b的相對兩側上形成一或多個淺溝渠隔離（STI）結構204。所述一或多個淺溝渠隔離結構204可藉由以下步驟來形成：選擇性地刻蝕基底402的正面402f以形成溝渠；以及接著在溝渠內形成一或多種介電材料。在一些實施例中，所述一或多個淺溝渠隔離結構204可在形成所述一或多個閘極結構301、光二極體308a至308b、及/或浮置擴散井310之前形成。
如圖5所示剖視圖500所示，在沿基底402的正面402f形成的介電結構110內形成多個金屬內連線層112。在一些實施例中，所述多個金屬內連線層112可藉由以下步驟形成：在基底402的正面402f之上形成堆疊式層間介電層；接著刻蝕所述堆疊式層間介電層以形成介層窗孔及/或金屬溝渠；以及利用導電材料填充介層窗孔及/或金屬溝渠。在一些實施例中，在形成介電結構110之前可在閘極結構301及/或基底402之上形成接觸刻蝕終止層318。在一些實施例中，堆疊式層間介電層可藉由物理氣相沈積技術（例如，物理氣相沈積（physical vapor deposition，PVD）、化學氣相沈積（chemical vapor deposition，CVD）、電漿增強化學氣相沈積（plasma enhanced chemical vapor deposition，PE-CVD）、原子層沈積（atomic layer deposition，ALD）等）來沈積，而導電材料可使用沈積製程及/或鍍敷製程（例如，電鍍、無電鍍敷等）來形成。在各種實施例中，所述多個金屬內連線層可包含例如鎢、銅、或銅鋁。
如圖6中的剖視圖600所示，減小基底402的厚度以形成基底602。將基底402的厚度自第一厚度t1 減小至第二厚度t2 ，使基底402薄化可以使得輻射經由基底602的背面傳遞至光二極體308。在一些實施例中，基底402薄化可藉由刻蝕基底402的背面402b來實施。在其他實施例中，基底402薄化可藉由對基底402的背面402b進行機械研磨來實施。
在一些實施例中，在使基底402薄化之前，將介電結構110結合至載體基底316。在一些實施例中，結合製程可使用安置於介電結構與處理基底之間的中間結合氧化物層（圖中未示出）。在一些實施例中，結合製程可包括融合結合製程（fusion bonding process）。在一些實施例中，載體基底316可包括矽晶圓。在一些實施例中，載體基底316在薄化之後可具有較基底602的第二厚度t2 大的厚度tc 。
如圖7所示剖視圖700所示，沿基底702的背面702b形成非平面表面。所述非平面表面具有多個凹陷部208及/或凸出部，所述多個凹陷部208及/或凸出部安置成上覆在影像感測元件104上的週期性圖案。在一些實施例中，所述多個凹陷部208及/或凸出部可藉由選擇性地刻蝕基底702的背面702b來形成。在一些實施例中，所述多個凹陷部208包括錐形凹陷部（即，具有在某一點處交會的一或多個錐形側壁的凹陷部），所述錐形凹陷部被設置成上覆在影像感測元件104上的週期性圖案。在一些實施例中，所述多個凸出部可包括錐形凸出部（即，具有在某一點處交會的一或多個錐形側壁的凸出部），所述錐形凸出部被設置成上覆在影像感測元件104上的週期性圖案。在一些實施例中，可在相鄰的畫素區103a至103b之間沿基底702的背面702b形成實質上平的表面704。在一些實施例中，實質上平的表面704可在凸出部的頂表面下方凹陷。在其他實施例（圖中未示出）中，實質上平的表面704可位於凸出部的頂表面處或位於凸出部的頂表面上方（例如，沿與凸出部相鄰的脊部的頂部）。
如圖8中的剖視圖800所示，在基底702的背面702b內形成背面深溝渠隔離（BDTI）結構206。在一些實施例中，背面深溝渠隔離結構206藉由選擇性地刻蝕基底702的背面702b以在基底702的背面702b內形成深溝渠來形成。在一些實施例中，基底702的背面702b進行刻蝕可藉由在未被罩幕層覆蓋的區中將基底702的背面702b暴露於刻蝕劑來實施。深溝渠實質上被填充以一或多種介電材料。在一些實施例中，背面深溝渠隔離結構206可形成在位於相鄰的畫素區103a至103b之間的基底702的實質上平的表面704內。
在一些實施例中，在相鄰的畫素區103a至103b之間的基底702內可形成一或多個隔離井區以提供附加隔離。在一些實施例中，所述一或多個隔離井區可包括深井區320及單元井區322。深井區320可藉由執行第一隔離植入製程來形成，以在與淺溝渠隔離結構204及背面深溝渠隔離結構206側向對齊的位置處選擇性地提供摻雜劑物種（dopant species）。單元井區322可藉由執行第二隔離植入製程來形成，以在垂直方向上位於深井區320與淺溝渠隔離結構204之間的位置處選擇性地提供摻雜劑物種。在一些實施例中，第一隔離植入製程及第二隔離植入製程可植入摻雜類型與基底102的相鄰區的摻雜類型不同的摻雜劑物種。
如圖9中的剖視圖900所示，在基底702的背面702b之上形成吸收增強結構902。吸收增強結構902可藉由將半導體（例如，矽、矽鍺、砷化鎵等）或介電材料（例如，矽氧化物、正矽酸乙酯（tetraethyl orthosilicate，TEOS）等）沈積至基底702的背面上來形成。在各種實施例中，吸收增強結構902可包括多個凸出部904及/或凹陷部。所述多個凸出部904可延伸至基底702的背面702b內的凹陷部208。在一些實施例中，在沈積半導體或介電材料之後可執行平坦化製程（例如，化學機械平坦化製程）以使吸收增強結構902具有實質上平的上表面。
如圖10中的剖視圖1000所示，選擇性地刻蝕吸收增強結構212，以同時形成多個柵格結構開口1002及接地結構開口1004。在一些實施例中，所述多個柵格結構開口1002具有較接地結構開口1004小的尺寸（例如，寬度及/或面積）。在一些實施例中，可使用柵格結構罩幕1006來刻蝕吸收增強結構212，柵格結構罩幕1006選擇性暴露接下來將用作刻蝕罩幕的感光性罩幕層1010（例如，光阻層）。柵格結構罩幕1006包括與多個柵格結構開口1002及接地結構開口1004相關聯的罩幕特徵1008（例如，位於玻璃罩幕上的鉻特徵）。由於柵格結構開口1002及接地結構開口1004二者延伸穿過吸收增強結構212，因此能夠使用同一罩幕來形成所述多個柵格結構開口1002及接地結構開口1004，藉此達成後續柵格結構的成本效益製造。
如圖11中的剖視圖1100所示，在吸收增強結構212之上沈積導電材料1102。導電材料1102在吸收增強結構212的頂表面之上延伸且延伸至柵格結構開口（圖10所示1002）及接地結構開口1004內。在一些實施例中，由於柵格結構開口（圖10所示1002）的高縱橫比，可在吸收增強結構212的側壁之間的導電材料1102內形成一或多個空隙326。導電材料1102在接地結構開口（圖10所示1004）內界定凹陷部1104。在一些實施例中，導電材料1102可進一步界定在柵格結構開口（圖10所示1002）之上安置於導電材料1102的上表面內的凹槽1106。在一些實施例中，導電材料1102可包括金屬，例如鋁、銅、鎢、鈷、銀等。
如圖12中的剖視圖1200所示，選擇性地刻蝕導電材料（圖11所示1102）以在接地區332內形成柵格結構324及接地結構330。柵格結構324界定在光二極體308上的開口328a至328b。在一些實施例中，柵格結構324可包括在吸收增強結構212內的第一寬度w1 且包括在吸收增強結構212上方的第二寬度w2 ，第二寬度w2 大於第一寬度w1 。在一些實施例中，可藉由根據罩幕層（圖中未示出）將導電材料暴露至刻蝕劑，以選擇性地刻蝕導電材料（圖11所示1102）。
如圖13中的剖視圖1300所示，可在吸收增強結構212之上形成介電平坦化結構214。介電平坦化結構214填充由柵格結構324界定的開口（圖12所示開口328a至328b）以及在接地區332內界定的空腔。介電平坦化結構214可進一步覆蓋柵格結構324的頂表面及接地結構330的頂表面。在各種實施例中，介電平坦化結構214可藉由執行一或多種沈積製程（例如，化學氣相沈積、電漿增強化學氣相沈積、物理氣相沈積、原子層沈積等）以形成一或多個堆疊式介電層214a至214b來形成。在沈積頂部介電層214b之後可接著執行平坦化製程（例如，化學機械平坦化製程）以使介電平坦化結構214具有實質上平的上表面214u。在一些實施例中，可將接地區332內的介電平坦化結構214移除，而在其他實施例中，可將介電平坦化結構214保留在接地區332內。在一些實施例中，所述一或多個堆疊式介電層214a至214b可包含例如氧化物（例如，SiO2 ）或氮化物。
將多個彩色濾光片216a至216b形成至介電平坦化結構214上位於柵格結構324內的開口328a至328b之上的位置處。在一些實施例中，所述多個彩色濾光片216a至216b可藉由形成彩色濾光片層並將所述彩色濾光片層圖案化來形成。彩色濾光片層由容許具有特定波長範圍的輻射（例如，光）的傳輸、同時阻擋所規定範圍外的波長的光的材料來形成。
在所述多個彩色濾光片216a至216b之上形成多個微透鏡218。在一些實施例中，所述多個微透鏡218可藉由在所述多個彩色濾光片上方沈積（例如，藉由旋塗方法或沈積製程）微透鏡材料來形成。於微透鏡材料上方將具有彎曲的上表面的微透鏡模板（圖中未示出）圖案化。在一些實施例中，微透鏡模板可包含光阻材料，使用分佈式曝光劑量對所述光阻材料進行曝光（例如，對負性光阻而言，在彎曲部分的底部曝光較多光線且在彎曲部分的頂部曝光較少光線）、顯影及烘烤以形成圓形形狀。接著藉由根據微透鏡模板選擇性地刻蝕微透鏡材料來形成所述多個微透鏡218。
圖14說明形成影像感測器積體晶片的方法1400的一些實施例的流程圖，所述影像感測器積體晶片包括用以減弱各畫素區之間的串擾的柵格結構。
儘管本文中說明並闡述了所揭露的方法1400作為一系列動作或事件，然而應理解，該些動作或事件的說明次序不應被解釋為具有限制意義。舉例而言，某些動作可以不同的次序出現及/或與除本文中說明及/或闡述的動作或事件之外的其他動作或事件同時出現。另外，並非所有的所說明動作均是對於實作本文說明的一或多個態樣或實施例而言所必需的。另外，可以一或多個單獨的動作及/或階段來施行本文所繪示的動作中的一或多者。
在1402處，在基底的畫素區內形成影像感測元件。圖4繪示與動作1402對應的一些實施例的剖視圖400。
在1404處，在沿基底的正面安置的介電結構內形成多個金屬內連線層。圖5繪示與動作1404對應的一些實施例的剖視圖500。
在1406處，在基底的背面內在上覆在影像感測元件上的位置處形成多個凹陷部或凸出部。所述多個凹陷部或凸出部具有使基底對輻射的吸收增強的形貌。在一些實施例中，所述多個凹陷部或凸出部可安置成週期性結構以界定矽奈米柱陣列（silicon nano-pillar array；NPA）或光子晶體陣列。圖7繪示與動作1406對應的一些實施例的剖視圖700。
在1408處，在基底的背面內形成背面深溝渠隔離（BDTI）結構。圖8繪示與動作1408對應的一些實施例的剖視圖800。
在1410處，在基底的背面之上形成吸收增強結構。圖9繪示與動作1410對應的一些實施例的剖視圖900。
在1412處，形成金屬結構罩幕。所述金屬結構罩幕包括與吸收增強結構內的開口相關的罩幕特徵，所述罩幕特徵界定接地結構且亦界定柵格結構。
在1414處，基於金屬結構罩幕來選擇性地刻蝕所述吸收增強結構，以在吸收增強結構內同時界定多個柵格結構開口及接地結構開口。圖10繪示與動作1414對應的一些實施例的剖視圖1000。
在1416處，在吸收增強結構內分別在所述多個柵格結構開口及接地結構開口內形成柵格結構及接地結構。
在一些實施例中，在1418處，柵格結構及接地結構可藉由在基底之上形成導電材料來形成。導電材料延伸至所述多個柵格結構開口及接地結構開口內且位於吸收增強結構的頂表面之上。圖11繪示與動作1418對應的一些實施例的剖視圖1100。
在1420處，接著刻蝕所述導電材料來界定柵格結構及接地結構。圖12繪示與動作1420對應的一些實施例的剖視圖1200。
因此，本揭露是有關於一種影像感測器積體晶片，所述影像感測器積體晶片包括用以減弱影像感測器晶片的各畫素區之間的串擾的柵格結構。
在一些實施例中，本揭露是有關於一種影像感測器積體晶片。所述積體晶片包括影像感測元件，所述影像感測元件安置於基底內。吸收增強結構安置於所述基底的背面之上。界定開口的柵格結構安置於所述影像感測元件之上。所述柵格結構自所述吸收增強結構之上延伸至所述吸收增強結構內的位置。
在其他實施例中，本揭露是有關於一種影像感測器積體晶片。所述積體晶片包括影像感測元件，所述影像感測元件安置於基底內。所述基底的背面包括非平面表面，所述非平面表面具有在所述影像感測元件之上以週期性圖案安置的多個錐形凹陷部或凸出部。吸收增強結構沿所述基底的所述背面安置且包括與所述基底面對的非平面表面。包括多個金屬內連線層的介電結構沿所述基底的正面安置。界定開口的柵格結構安置於所述影像感測元件之上。所述柵格結構自所述吸收增強結構之上延伸至所述吸收增強結構內的位置。
在又一些其他實施例中，本發明是有關於一種形成影像感測器積體晶片的方法。所述方法包括：在基底內形成影像感測元件，以及在所述基底的背面之上形成吸收增強結構。所述方法更包括選擇性地刻蝕所述吸收增強結構，以在所述吸收增強結構內同時界定多個柵格結構開口及接地結構開口。所述方法更包括分別在所述多個柵格結構開口及所述接地結構開口內形成柵格結構及接地結構。所述柵格結構自所述吸收增強結構之上延伸至所述吸收增強結構內的位置。
以上概述了若干實施例的特徵，以使熟習此項技術者可更佳地理解本發明的各個態樣。熟習此項技術者應知，他們可容易地使用本發明作為設計或修改其他製程及結構的基礎來施行與本文中所介紹的實施例相同的目的及/或達成與本文中所介紹的實施例相同的優點。熟習此項技術者亦應認識到，該些等效構造並不悖離本發明的精神及範圍，而且他們可在不悖離本發明的精神及範圍的條件下對其作出各種改變、代替及變更。
100、200‧‧‧影像感測器積體晶片
102、402、602、702‧‧‧基底
102b、402b、702b‧‧‧基底的背面
102f、402f‧‧‧基底的正面
103a、103b‧‧‧畫素區
104‧‧‧影像感測元件
106‧‧‧隔離結構
108‧‧‧後段金屬化堆疊
110‧‧‧介電結構
112、314‧‧‧金屬內連線層
114、212、902‧‧‧吸收增強結構
116、324‧‧‧柵格結構
118、328a、328b‧‧‧開口
202‧‧‧電晶體裝置
204‧‧‧淺溝渠隔離結構
206‧‧‧背面深溝渠隔離結構
208、1104‧‧‧凹陷部
210‧‧‧平面凸緣
214‧‧‧介電平坦化結構
214a‧‧‧第一介電層
214b‧‧‧第二介電層
214u‧‧‧實質上平的上表面
216a、216b‧‧‧彩色濾光片
218‧‧‧微透鏡
220‧‧‧入射輻射
222‧‧‧折射輻射
300‧‧‧CMOS影像感測器積體晶片
301‧‧‧閘極結構
302‧‧‧閘極介電層
304‧‧‧閘極電極
306‧‧‧側壁間隔壁
307‧‧‧第一區
308、308a、308b‧‧‧光二極體
309‧‧‧第二區
310‧‧‧浮置擴散井
312‧‧‧導電接觸窗
316‧‧‧載體基底
318‧‧‧接觸刻蝕終止層
320‧‧‧深井區
322‧‧‧單元井區
326‧‧‧空隙
330‧‧‧接地結構
332‧‧‧接地區
400、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300‧‧‧剖視圖
704‧‧‧實質上平的表面
904‧‧‧凸出部
1002‧‧‧柵格結構開口
1004‧‧‧接地結構開口
1006‧‧‧柵格結構罩幕
1008‧‧‧罩幕特徵
1010‧‧‧感光性罩幕層
1102‧‧‧導電材料
1106‧‧‧凹槽
1400‧‧‧方法
1402、1404、1406、1408、1410、1412、1414、1416、1418、1420‧‧‧動作
t1‧‧‧第一厚度
t2‧‧‧第二厚度
tc、ts‧‧‧厚度
w1‧‧‧第一寬度
w2‧‧‧第二寬度
結合附圖閱讀以下詳細說明，會最佳地理解本發明的各個態樣。應注意，根據本領域中的標準慣例，各種特徵並非按比例繪製。事實上，為論述清晰起見，可任意增大或減小各種特徵的尺寸。 圖1繪示影像感測器積體晶片的一些實施例的剖視圖，所述影像感測器積體晶片包括用以減弱各畫素區之間的串擾的柵格結構。 圖2繪示影像感測器積體晶片的一些其他實施例的剖視圖，所述影像感測器積體晶片包括用以減弱各畫素區之間的串擾的柵格結構。 圖3繪示COMS影像感測器（COMS image sensor，CIS）積體晶片的一些實施例的剖視圖，所述COMS影像感測器積體晶片包括用以減弱各畫素區之間的串擾的柵格結構。 圖4至圖13繪示形成影像感測器積體晶片的方法的一些實施例的剖視圖，所述影像感測器積體晶片包括用以減弱各畫素區之間的串擾的柵格結構。 圖14繪示形成影像感測器積體晶片的方法的一些實施例的流程圖，所述影像感測器積體晶片包括用以減弱各畫素區之間的串擾的柵格結構。

Claims (20)

  1. 一種影像感測器積體晶片，包括： 影像感測元件，安置於基底內； 吸收增強結構，安置於所述基底的背面之上；以及 界定開口的柵格結構安置於所述影像感測元件之上，其中所述柵格結構自所述吸收增強結構之上延伸至所述吸收增強結構內的位置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器積體晶片，其中所述基底的所述背面具有非平面表面，所述非平面表面包括以週期性圖案安置的多個錐形凹陷部或多個錐形凸出部。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器積體晶片，更包括： 介電平坦化結構，安置於所述吸收增強結構之上，其中所述介電平坦化結構環繞所述柵格結構的側壁及頂表面。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器積體晶片，其中： 所述柵格結構具有頂表面及底表面，所述頂表面上覆在所述吸收增強結構上，所述底表面處於所述吸收增強結構內以及所述基底的最高點正下方的位置。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器積體晶片，其中所述柵格結構包括金屬。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器積體晶片，其中所述柵格結構包括在所述吸收增強結構內的第一寬度且包括在所述吸收增強結構上方的第二寬度，所述第二寬度大於所述第一寬度。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器積體晶片，其中： 所述柵格結構包括與所述吸收增強結構的上表面接觸的水平表面。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器積體晶片，其中： 沿所述柵格結構的頂表面安置有凹槽。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器積體晶片，其中所述柵格結構具有底表面，所述底表面與沿所述基底的所述背面安置的凸緣實質上對齊。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器積體晶片，更包括： 介電結構，所述介電結構包括沿所述基底的正面安置的多個金屬內連線層。
  11. 一種影像感測器積體晶片，包括： 影像感測元件，安置於基底內，其中所述基底的背面包括非平面表面，所述非平面表面具有在所述影像感測元件之上以週期性圖案安置的多個錐形凹陷部或多個錐形凸出部； 吸收增強結構，所述吸收增強結構沿所述基底的所述背面安置且包括面對所述基底的非平面表面； 介電結構，所述介電結構包括沿所述基底的正面安置的多個金屬內連線層；以及 界定開口的柵格結構，安置於所述影像感測元件之上，其中所述柵格結構自所述吸收增強結構之上延伸至所述吸收增強結構內的位置。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的影像感測器積體晶片，更包括： 介電層，所述介電層安置於所述吸收增強結構之上且在所述柵格結構的側壁之間的位置。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的影像感測器積體晶片，其中： 所述柵格結構具有頂表面及底表面，所述頂表面上覆在所述吸收增強結構上，所述底表面處於所述吸收增強結構內、所述基底的最高點垂直下方的位置
  14. 如申請專利範圍第11項所述的影像感測器積體晶片，更包括多個背面深溝渠隔離結構，所述多個背面深溝渠隔離結構自所述基底的所述背面延伸至所述基底內，其中所述柵格結構直接設置於所述多個背面深溝渠隔離結構之上
  15. 如申請專利範圍第11項所述的影像感測器積體晶片，其中所述基底的所述背面包括凸緣，所述凸緣具有安置於所述背面深溝渠隔離結構與所述非平面表面之間的平面表面。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的影像感測器積體晶片，其中所述柵格結構具有頂表面及底表面，所述頂表面上覆在所述吸收增強結構上，且所述底表面與所述凸緣實質上對齊。
  17. 如申請專利範圍第11項所述的影像感測器積體晶片，其中： 所述柵格結構包括在所述吸收增強結構內的第一寬度且包括在所述吸收增強結構上方的第二寬度，所述第二寬度大於所述第一寬度。
  18. 一種形成影像感測器積體晶片的方法，包括： 在基底內形成影像感測元件； 在所述基底的背面之上形成吸收增強結構； 選擇性地刻蝕所述吸收增強結構，以在所述吸收增強結構內同時界定多個柵格結構開口及接地結構開口；以及 分別在所述多個柵格結構開口及所述接地結構開口內形成柵格結構及接地結構，其中所述柵格結構自所述吸收增強結構之上延伸至所述吸收增強結構內的位置。
  19. 如申請專利範圍第18項所述的形成影像感測器積體晶片的方法，更包括： 在所述基底的所述背面內形成多個錐形凹陷部，其中所述多個錐形凹陷部以上覆在所述影像感測元件上的週期性圖案的方式安置。
  20. 如申請專利範圍第18項所述的形成影像感測器積體晶片的方法，在介電結構內形成沿所述基底的正面安置的多個金屬內連線層。
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