TW201914046A - 影像感測器及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本發明實施例的一些方面為有關於影像感測器，影像感測器包含半導體基底具有前側和背側。光偵測器設置於半導體基底的前側與背側之間。內連線結構設置於半導體基底的前側下方，使得半導體基底的前側設置於內連線結構與半導體基底的背側之間。下方環結構延伸進入半導體基底的背側中，並橫向地圍繞光偵測器。光柵結構被下方環結構圍繞，並從半導體基底的背側延伸至光偵測器中的一位置。

Description

影像感測器及其形成方法
本發明實施例係有關於半導體技術，且特別是有關於影像感測器及其形成方法。
許多現代電子裝置包括影像感測器，影像感測器將光學影像轉變為代表光學影像的數位資料。常用於電子裝置中的一種類型的影像感測器為背照式(backside illumination，BSI)影像感測器。背照式影像感測器包括光偵測器的陣列，光偵測器的陣列在內連線結構上方，且被配置為接收在與內連線結構相對側上的輻射。此佈置可使輻射在未受內連線結構中的導電部件阻礙的情況下照射至光偵測器，使得背照式影像感測器對入射輻射具有高靈敏度。
在一些實施例中，提供一種影像感測器，影像感測器包含半導體基底，具有前側和背側，其中光偵測器設置於半導體基底的前側與背側之間；內連線結構，設置於半導體基底的前側下方，使得半導體基底的前側設置於內連線結構與半導體基底的背側之間；下方環結構，延伸進入半導體基底的背側中，並橫向地圍繞光偵測器；以及光柵結構，被下方環結構 圍繞，並從半導體基底的背側延伸至光偵測器中的一位置。
在一些其他實施例中，提供一種影像感測器，影像感測器包含半導體基底，具有前側和背側，其中複數個光偵測器設置於半導體基底的前側與背側之間；複數個金屬環結構，設置於半導體基底的背側上方，其中金屬環結構的外側邊緣彼此鄰接，以建立金屬網格結構在平行於半導體基底的背側的平面中，其中當投影於平面時，金屬網格結構的金屬環結構的每一者圍繞光偵測器的投影；以及光柵結構，被金屬網格結構的第一金屬環結構圍繞，並從半導體基底的背側延伸至對應於半導體基底中的第一光偵測器的深度。
在另外一些實施例中，提供一種影像感測器的形成方法，此方法包含接收半導體基底；在半導體基底的前側形成光偵測器；在光偵測器上方和半導體基底的前側上方形成內連線結構；在內連線結構上方接合承載基底；從半導體基底的背側將半導體基底薄化，背側最遠離內連線結構；在半導體基底薄化的背側形成一系列的溝槽；在此系列的溝槽中形成介電層；以及將介電層平坦化，使介電層有著平坦化頂表面，其中將介電層平坦化的步驟將介電層分割，以在半導體基底中留下環狀介電層以及被環狀介電層橫向地圍繞的牆壁或柱狀介電結構，牆壁或柱狀介電結構設置於光偵測器上方。
100‧‧‧背照式影像感測器
102‧‧‧半導體基底
102b‧‧‧背側
102f、2510f‧‧‧前側
104、2512、2512’‧‧‧光偵測器
106、2504‧‧‧內連線結構
108‧‧‧下方環結構
110‧‧‧上方環結構
112a、112b、112c‧‧‧柱狀物或牆壁
114、114A、114B、114C、114D、114E、114F、114G‧‧‧光柵結構
116、2502、2502’‧‧‧入射光
118、134‧‧‧保護層
122‧‧‧導光開口
128‧‧‧層間介電結構
130a、130b、130c‧‧‧金屬線
132‧‧‧導通孔
136‧‧‧承載基底
140‧‧‧接點
142‧‧‧閘極電極
ds‧‧‧厚度
ddr、dgs‧‧‧深度
802、804、806、808‧‧‧畫素感測器
902、904、2516、2516’‧‧‧彩色濾光片
906、908、2514、2514’‧‧‧微透鏡
916‧‧‧浮動擴散節點
918‧‧‧轉換電晶體
920‧‧‧閘極
922‧‧‧閘極介電層
924‧‧‧淺溝槽隔離區
1100‧‧‧上視圖
1300‧‧‧電路圖
1302‧‧‧電源
1304‧‧‧重置電晶體
1306‧‧‧源極隨耦器電晶體
1308‧‧‧列選擇電晶體
1310‧‧‧輸出端
1400、1500、1600、1700、1800、1900、2000、2100、2200、2300‧‧‧剖面示意圖
2400‧‧‧流程圖
2402、2404、2406、2408、2410、2412、2414、2416、2418、2420‧‧‧操作
2506、2506’‧‧‧後段製程金屬層
2508、2508’‧‧‧介電結構
2510、2510’‧‧‧基底
2510b‧‧‧一側
2518‧‧‧溝槽隔離結構
C0、C1、C2、C3‧‧‧行
R0、R1、R2、R3‧‧‧列
根據以下的詳細說明並配合所附圖式可以更加理解本發明實施例。應注意的是，根據本產業的標準慣例，圖示中的各種部件(feature)並未必按照比例繪製。事實上，可能任 意的放大或縮小各種部件的尺寸，以做清楚的說明。
第1A圖顯示有著光柵結構的背照式影像感測器的一些實施例的上視圖。
第1B-1C圖顯示與第1A圖的背照式影像感測器一致的一些實施例的剖面示意圖。
第2-10圖顯示有著光柵結構的背照式影像感測器的額外的上視圖。
第11A圖顯示包含畫素陣列的背照式影像感測器的一些實施例的上視圖，其中至少一些畫素包含光柵結構。
第11B圖顯示與第11A圖的背照式影像感測器一致的一些實施例的剖面示意圖。
第11C-11D圖顯示包含畫素陣列的背照式影像感測器的一些實施例的額外的上視圖，其中至少一些畫素包含光柵結構。
第12A-12F圖顯示包含畫素陣列的背照式影像感測器的一些實施例的上視圖，其中至少一些畫素包含光柵結構。
第13圖顯示畫素感測器的一些實施例的電路圖。
第14-23圖顯示一系列剖面示意圖，這些剖面示意圖共同顯示有著光柵結構的背照式影像感測器的製造方法的一些實施例。
第24圖顯示與有著光柵結構的背照式影像感測器的形成方法的一些實施例一致的流程圖。
第25圖顯示前照式(front-side illumination，FSI)影像感測器的一些實施例的剖面示意圖。
第26圖顯示背照式(BSI)影像感測器的一些實施例的剖面 示意圖。
要瞭解的是本說明書以下的揭露內容提供許多不同的實施例或範例，以實施揭露內容的不同部件。而本說明書以下的揭露內容是敘述各個構件及其排列方式的特定範例，以求簡化揭露內容的說明。當然，這些特定的範例並非用以限定本發明。例如，以下的揭露內容敘述了將一第一部件形成於一第二部件上方或之上，即表示其包含了所形成的上述第一部件與上述第二部件是直接接觸的實施例，亦包含了尚可將附加的部件形成於上述第一部件與上述第二部件之間，而使上述第一部件與上述第二部件可能未直接接觸的實施例。此外，揭露內容中不同範例可能使用重複的參考符號及/或用字。這些重複符號或用字係為了簡化與清晰的目的，並非用以限定各個實施例及/或所述外觀結構之間的關係。
再者，為了方便描述圖式中一元件或部件與另一(複數)元件或(複數)部件的關係，可使用空間相關用語，例如“在...之下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”及類似的用語。除了圖式所顯示的方位之外，空間相關用語也涵蓋裝置在使用或操作中的不同方位。所述裝置也可被另外定位(例如，旋轉90度或者位於其他方位)，並對應地解讀所使用的空間相關用語的描述。
標準的積體電路(integrated circuit，IC)製造過程可產生使用前照式(FSI)技術或背照式(BSI)技術的影像感測器。如第25圖所示，使用前照式技術，入射光2502落在積體電 路的前側，並在進入基底2510的前側2510f且被收集於基底中的一個或多個光偵測器2512之前，先經過電性內連線結構2504，例如設置於介電結構2508中的後段製程(back end of line，BEOL)金屬層2506的堆疊。通常在前照式技術中，後段製程金屬層被構造為在個別的光偵側器上方具有開口(孔)，否則如果後段製程金屬層設置於入射光與光偵測器之間，後段製程金屬層的材料可能阻擋光。為了優化通過這些孔到達光偵測器的光量，微透鏡2514、彩色濾光片2516、溝槽隔離結構2518、波導器及/或其他光學部件通常設置於後段製程金屬層2506上方，以最小化反射並幫助將入射光2502引導至對應的光偵測器2512。
如第26圖所示，在背照式裝置中，不是讓光通過後段製程金屬層中的開口/孔，而是讓感測器從背側(即基底2510’之與後段製程金屬層2506’的堆疊相反且與介電結構2508’相反的一側2510b)照射到光。相較於前照式技術，背照式技術使光偵測器具有後段製程金屬層2506’於基底2510’的一個面上，而光偵測器的光學路徑(包含彩色濾光片2516’和微透鏡2514’)在基底2510’的另一側上，其使得光學元件更佳地與電性元件分開。這意味著光學路徑可獨立於電性組件進行優化，反之亦然。背照式裝置的光學約束相似於前照式裝置，除了在背照式裝置中的光偵測器2512’通常位於靠近微透鏡2514’，微透鏡2514’在背照式裝置中設置於被薄化的基底表面的背側上。再者，因為背照式裝置移除了與後段製程金屬層2506’中的孔相關的限制，背照式裝置消除了入射光2502’的損失機制，因 此潛在地為裝置提供更高的量子效率。
在本發明實施例中，可以理解的是，使用背照式技術之薄化的基底可能在吸收入射光的長波長(例如用於自動駕駛車輛、安全系統和類似環境之低亮度條件下的紅外光)時會有挑戰。舉例來說，在一些情況中，薄化的矽基底可具有總厚度為大致2-3μm。此厚度對於接收可見光(例如波長在約400nm與700nm之間)的光偵測器一般能夠達到足夠高的量子效率(quantum efficiency，QE)。然而，對於較長波長的光，例如具有波長在850nm與940nm之間的近紅外光(在某種程度上甚至是可見的紅光)，光偵測器的量子效率變得非常低，在一些情況中，光偵測器的量子效率小於10%。讓長波長的光的吸收更好的一種方法是增加薄化的基底的厚度，例如增加至約6μm，進而為要吸收的入射光提供更長的光傳播路徑。然而，增加基底的厚度會導致一些製造上的挑戰。舉例來說，在後段製程期間，難以蝕刻穿過6μm的基底，且當在裝置的頂表面上最終形成接合墊時，基底增加的厚度會在加工期間導致階梯高度問題。因此，在許多方面上，期望繼續使用具有厚度2-3μm之薄化的矽基底，但是直到現在，仍然很難提供能夠在這種薄化的矽基底的良好製程中達到較長波長的光之高量子效率的背照式影像感測器。
因此，本發明實施例提供背照式影像感測器設置於薄化的基底上，其中背照式影像感測器包含光柵結構在薄化的基底的背側上。光柵結構通常在基底中多次反射入射光，進而與不存在光柵結構的情況相比(例如入射光沿單一純直線路 徑從基底的背側到達光偵測器)，延長了入射光的傳播路徑。透過增加光線的傳播路徑，相較於其他方法，光柵結構能夠較佳地偵測長波長的光線，例如近紅外光或紅外光。因此，光柵結構幫助了背照式影像感測器中薄化的基底上之光偵測器的使用，同時對較長波長的光保有足夠高的量子效率。
請參照第1A-1C圖，提供背照式影像感測器100之一些實施例的上視圖(第1A圖)和剖面示意圖(第1B圖為沿第1A圖中的線B-B’所得，而第1C圖為沿第1A圖中的線C-C’所得)。
如第1A-1C圖所示，背照式影像感測器100包含具有前側102f和背側102b的半導體基底102(有時也被簡稱為基底)，其中光偵測器104設置於半導體基底102中位於前側102f與背側102b之間。光偵測器104被配置為吸收撞擊於其上的入射光116。再者，光偵測器104為或包含摻雜半導體區，其摻雜類型與周圍區域的半導體基底102的摻雜類型相反。舉例來說，在一些實施例中，光偵測器104為光二極體，此光二極體包含p型區(陽極)和n型區(陰極)，p型區(陽極)和n型區(陰極)在pn接面相接。在其他實施例中，光偵測器104包含p型區(陽極)、n型區(陰極)以及將p型區(陽極)和n型區(陰極)分開的絕緣區，使得光二極體包含pin接面。當足夠能量的光子撞擊光二極體時，產生電子電洞對。如果吸收發生在接面的空乏區中或距離接面的空乏區一擴散距離，那麼這些載子透過空乏區的內建電場從接面掃出。因此，電洞朝陽極移動而電子朝陰極移動，因而產生光電流。
內連線結構106設置於半導體基底102的前側102f 下方，使得前側102f在內連線結構106與背側102b之間。內連線結構106在光偵測器104、半導體基底102和半導體基底102的前側102f下方。內連線結構106包括層間介電(interlayer dielectric，ILD)結構128和複數個彼此堆疊並穿過層間介電結構128的金屬線(例如金屬線130a、130b、130c)。接點(例如接點140)將第一金屬線(例如金屬線130a)電性連接至半導體基底102上的閘極電極142，而導通孔132將不同金屬層的金屬線彼此電性連接。在一些實施例中，金屬線和導通孔包括金屬，例如銅、鈦、鉻、鈮、鉛、鈀、金、銀、鋁、鎢及/或前述之合金或一些其他導電材料。在一些實施例中，層間介電結構128可例如為二氧化矽、低介電常數(κ)介電質(即有著介電常數κ小於約3.9的介電質)、磷矽酸鹽玻璃(phosphosilicate glass，PSG)、一些其他介電質或前述之組合。舉例來說，層間介電結構128可包括二氧化矽或磷矽酸鹽玻璃層和複數個低介電常數介電質層堆疊於二氧化矽或磷矽酸鹽玻璃層下方。
保護層134(例如氮化矽層或氮氧化矽層)設置於內連線結構106的底表面上。承載基底136設置於保護層134之下。承載基底136具有大於半導體基底102的厚度，以為背照式影像感測器100提供額外的結構剛性。在一些實施例中，舉例來說，薄化的單晶矽基底具有厚度ds約2-6μm(或甚至2-3μm)，而承載基底136為具有至少一個數量級厚度的半導體或玻璃基底，且通常比薄化的單晶矽基底的厚度大數個數量級。
通常由介電材料製成的下方環結構108延伸至半導體基底102的背側102b中，並橫向地圍繞光偵測器104。在一 些實施例中，下方環結構108由二氧化矽製成。在一些實施例中，下方環結構108延伸至深度ddr，深度ddr為半導體基底102的整體厚度ds的30%至100%。
上方環結構110(有時也被稱為金屬環結構)延伸於半導體基底102的背側102b上方，且與下方環結構108對齊。上方環結構110可全部由金屬製成，或可由金屬和介電材料製成。下方環結構108和上方環結構110幫助將入射光116引導至光偵測器104，且保護層118(例如氮化矽或氮氧化矽層)覆蓋背側102b和上方環結構110。在一些實施例中，從上視來看，下方環結構108及/或上方環結構110為正方形、矩形或多邊形，且可具有圓角。在一些實施例中，上方環結構110具有內側壁和外側壁與下方環結構108的內側壁和外側壁對齊，使得上方環結構110和下方環結構108分享共同的中心軸，且具有相等的徑向壁厚(radial wall thickness)。在其他實施例中，上方環結構110可具有徑向壁厚大於或小於下方環結構108的徑向壁厚，及/或可具有中心軸偏離下方環結構108的中心軸。
被下方環結構108圍繞的光柵結構114從半導體基底102的背側102b延伸至光偵測器104中的位置。如第1A圖的上視圖所示，在一些實施例中，光柵結構114包含複數個線形溝槽。複數個溝槽可以介電材料或金屬填充，以形成彼此間隔開的柱狀物或牆壁(例如柱狀物或牆壁112a、112b、112c)，使得複數個溝槽的中心線以相等間距彼此間隔開。在第1A圖中，複數個溝槽的中心線平行於下方環結構108的外側邊緣。在第1C圖中，溝槽的頂部和底部邊緣直接接觸下方環結構108的內 壁。在相鄰柱狀物或牆壁之間通過的導光開口122以一個或多個柱狀物或牆壁為邊界。當入射光116從背側102b行進至光偵測器104時，一個或多個柱狀物或牆壁被配置為透過導光開口122在半導體基底102中多次反射入射光116，進而誘發穿過半導體基底102的導光開口122的第一分段線性光傳播路徑。在一些實施例中，光柵結構114的深度dgs可比下方環結構108的深度ddr淺或深。舉例來說，深度dgs可在深度ddr的30%-150%的範圍中。在一些實施例中，下方環結構108和光柵結構114透過使用相同的光微影遮罩和相同蝕刻製造，因此深度dgs和深度ddr可相等或接近相等，其有利於簡化製造過程。
在一些實施例中，光柵結構114的深度等於下方環結構108的深度。在其他實施例中，光柵結構114的深度大於或小於下方環結構108的深度。光柵結構114的柱狀物或牆壁112可由金屬(例如Cu、W、Ni、Al)或介電材料(例如SiO2、Si3N4、高介電常數介電質或低介電常數介電質)或(部份或全部為)空氣或前述金屬、介電質及/或空氣之組合。
光柵結構114被配置為將入射光116的方向從垂直入射(或接近垂直入射)變為接近橫向傳播。舉例來說，在一些實施例中，當入射光116的入射角為23度時(此入射角為Si與SiO2之間全內反射的臨界角)，光學路徑從2.5μm增加至6.4μm，並顯著地改善了量子效率，例如對於850-940nm的近紅外光波長可能改善超過100%。在一些情況中，入射光可為垂直入射，且可被重新定向為具有在水平面的10-40度內的角度，進而顯著地增加光學路徑長度。
第2圖顯示另一範例，其中溝槽的頂部和底部邊緣與下方環結構108的內壁隔開距離d。距離d可小於圖中顯示的距離，在此情況下，溝槽的頂部及/或底部邊緣位於光偵測器104的最外邊緣之外。或者，距離d可大於圖中顯示的距離，在此情況下，溝槽的頂部及/或底部邊緣內凹在光偵測器104的最外邊緣之內。
第3圖顯示另一實施例的上視圖，其中光柵結構114包括以介電質或金屬材料填充的複數個溝槽。在第3圖中，光柵結構114的複數個溝槽彼此平行延伸，且以角度大致45度與下方環結構108的外側邊緣相交。再者，在第3圖顯示的實施例中，複數個溝槽彼此間隔開，使得複數個溝槽的中心線以相等間距S彼此間隔開。然而，在其他實施例中，溝槽的中心線之間的間距可彼此不同。
第4圖顯示另一實施例的上視圖，其中柱狀物或牆壁112以角度30°-60°與下方環結構108相交。在一些實施例中，柱狀物或牆壁112與下方環結構108相交的角度為45°。
第5-6圖顯示另外的實施例的上視圖，其中柱狀物或牆壁112按行列設置。因此，第一組溝槽在第一方向中平行延伸，且第二組溝槽在與第一方向相交的第二方向中平行延伸。在一些實施例中，第一組溝槽以角度30°-60°與第二組溝槽相交。在一些實施例中，第一組溝槽與第二組溝槽相交的角度為45°。
第7圖顯示另外的實施例的上視圖，其中光柵結構114為單一環結構，且具有與下方環結構108的外側邊緣相同形 狀的邊緣。環狀的光柵結構114可以介電質或金屬材料填充。在一些實施例中，環狀的光柵結構114可具有直徑為下方環結構108的半徑的約25%至約80%。
第8圖顯示另外的實施例的上視圖，其中光柵結構114包含同心的多個環狀結構。雖然顯示為兩個同心環，一個畫素可包含任何數目的同心環。在一些實施例中，同心環可具有彼此相同的環形寬度，且在最近的環的最近邊緣之間可具有相等間距；但是在其他實施例中，同心環可具有彼此不同的環形寬度，且在最近的環的最近邊緣之間可具有不同間距。
第9-10圖顯示另外的實施例的上視圖，其中溝槽按行列設置。因此，第一組溝槽在第一方向中平行延伸，且第二組溝槽在與第一方向垂直的第二方向中平行延伸。在一些情況中，第一組溝槽和第二組溝槽各自與下方環結構108垂直相交。
因此，可以理解的是，可能有光柵結構114的許多結構的實施例。在一些實施例中，光柵結構114佔據由下方環結構108界定的總面積的10%至60%。在一些實施例中，下方環結構108為正方形或矩形(如第1A圖)，然而，在其他實施例中，下方環結構108可為三角形、六邊形、八邊形等。再者，在一些實施例中，對單一畫素來說，光柵結構114在其最外邊緣之間的最大寬度為下方環結構108的最大寬度的5%至30%。
第11A-11B圖顯示依據一些其他實施例的影像感測器。第11A圖顯示影像感測器的上視圖，影像感測器包含複數個畫素按行列設置，而第11B圖提供兩相鄰畫素的對應剖面示意圖。
請參照第11A圖，提供影像感測器的一些實施例的上視圖1100，影像感測器包含畫素感測器的陣列。畫素感測器802、804、806、808用於接收各自的輻射波長。在一些實施例中，畫素感測器802、804、806、808交替地用於接收輻射的紅光波長(例如約620至約750nm)、輻射的綠光波長(例如約495至約570nm)、輻射的藍光波長(例如約450至約495nm)以及輻射的紅外光波長(例如約850至約940nm)。舉例來說，標記為“R”的畫素感測器802用於接收輻射的紅光波長，標記為“B”的畫素感測器804用於接收輻射的藍光波長，標記為“G”的畫素感測器806用於接收輻射的綠光波長，而標記為“IR”的畫素感測器808用於接收輻射的紅外光波長。再者，在一些實施例中，畫素感測器802、804、806一般依據拜耳濾光片馬賽克(Bayer filter mosaic)交替用於接收紅光、綠光和藍光波長，但有著接收紅外光的畫素感測器808設置於其中來偵測紅外光波長。
光柵結構114選擇性地位於至少一些畫素感測器中。舉例來說，光柵結構114位於配置為接收長波長光的畫素感測器(例如紅外光畫素感測器808)中，而接收較短波長的畫素感測器不具有光柵結構。因此，紅光、藍光和綠光畫素感測器802、804、806在基底中具有較短的光傳播路徑(例如因為對於這些畫素感測器來說，缺少光柵結構114使得基底中的反射較少)，而紅外光畫素感測器808具有較長的光傳播路徑(例如因為具有光柵結構114，使得反射較多而具有分段線性光傳播路徑)。
為了將各種波段分配給各種畫素，畫素感測器可 包括各自的彩色濾光片，這些彩色濾光片被配置為依據所分配的輻射的波長來過濾入射輻射，如第11B圖所示。舉例來說，在第11B圖中，紅光畫素感測器802包括紅色的彩色濾光片902設置於其上方，使得紅光穿透，同時減弱或阻擋其他波長的光。紅外光畫素感測器808包括紅外光濾光片904(或缺乏濾光片)和光柵結構114，使得入射的紅外光通過基底的光傳播路徑增加，以更佳地吸收具有長波長的紅外光。在保護層118的上表面上的微透鏡906、908可幫助將入射光分別導引至畫素對應的光偵測器(分別導引至畫素感測器802、808)。
繼續參照第11A-11B圖，複數個上方環結構110設置於半導體基底102的背側102b上方。複數個上方環結構110的外側邊緣彼此鄰接，以建立金屬網格結構在平行於半導體基底102的背側102b的平面中。當投影於平面時，金屬網格結構的每個上方環結構110圍繞光偵測器104的投影。被上方網格結構的上方環結構110圍繞的光柵結構114從基底的背側延伸至對應於半導體基底中的光偵測器104的深度。相似地，下方環結構108的外側邊緣彼此鄰接，以建立埋置於半導體基底102的背側102b中的下方網格結構。
在一些實施例中，每個畫素感測器更包括轉換(transfer)電晶體918，轉換電晶體918被配置為選擇性地將抑制電荷傳輸至浮動擴散節點(floating diffusion node，FDN)916。浮動擴散節點916被配置為儲存從光偵測器104向其傳輸的電荷，且轉換電晶體918被配置為選擇性地將電荷傳輸至浮動擴散節點916。浮動擴散節點916設置於半導體基底102中，且為 或包含與周圍區域的半導體基底的摻雜類型相反的摻雜半導體區。轉換電晶體918包括設置於半導體基底102上的閘極920，閘極920橫向地與光偵測器104相鄰，且透過閘極介電層922與半導體基底102隔開。再者，轉換電晶體918包括源極/汲極區設置於半導體基底中，源極/汲極區分別在閘極920的兩側，以定義閘極920上方的通道區。在一些實施例中，源極/汲極區的其中一個對應於光偵測器104，及/或源極/汲極區的其中一個對應至浮動擴散節點916。通常由介電材料(例如二氧化矽)製成的淺溝槽隔離(shallow trench isolation)區924也可存在於一些實施例中，且淺溝槽隔離區924與下方環結構108及/或上方環結構110對齊。在一些實施例中，淺溝槽隔離區924的高度可小於下方環結構108及/或上方環結構110的高度。但是在其他實施例中，淺溝槽隔離區924的高度可大於下方環結構108及/或上方環結構110的高度。
雖然第11A-11B圖顯示僅一些畫素感測器具有光柵結構，在其他實施例中，陣列中的所有畫素感測器可具有光柵結構，或者陣列中之更少的畫素感測器可具有光柵結構。舉例來說，第11C圖顯示畫素感測器的實施例，其中八個畫素中的一個具有對應於紅外光畫素的光柵結構，而第11D圖顯示畫素感測器的實施例，其中十六個畫素中的一個具有對應於紅外光畫素的光柵結構。也可能為其他變化，且顯示的情況僅為範例。再者，在一些實施例中，不同畫素在最近的相鄰牆壁、柱狀物或光柵結構的溝槽結構之間可具有不同幾何形狀及/或間隔，以“調整”畫素的光傳播路徑的長度。
在一些實施例中，第一分段線性光傳播路徑(例如紅外光通過紅外光畫素感測器808的分段線性光傳播路徑)與第二光傳播路徑(例如紅光通過紅光畫素感測器802的線性光傳播路徑)之間的長度的差異和第一波長與第二波長之間的差異成比例。
保護層118設置於半導體基底102上方，且保護層118和內連線結構106在半導體基底102的兩側。保護層118包括以彩色濾光片(例如彩色濾光片902、904)填充的凹口並被微透鏡(例如微透鏡906、908)覆蓋。保護層118可例如為介電層的多層堆疊(例如氮化物層堆疊在一對氧化層之間)。
請參照第12A-12F圖，其提供畫素陣列的一些實施例的一系列上視圖。每個上視圖描繪畫素陣列的一部分，且為了清楚起見，將這些圖式繪示為包含以四行C0-C3和四列R0-R3設置的畫素。在每一行列的交接點為光偵測器104，光偵測器104設置於半導體基底中。在第12A-12C圖中，每個光偵測器分別被對應的下方環結構108橫向地圍繞，使得下方環結構108彼此合併，以在畫素陣列上方形成介電網格。一些畫素包含由柱狀物或牆壁112組成的光柵結構114(例如光柵結構114A-114F)，光柵結構被配置為在基底中多次地反射光線，誘發分段線性光傳播路徑，以改善較長波長光的吸收。接收較短波長的光的其他畫素在光偵測器上方缺乏光柵結構。
在一些實施例中，光柵結構可以跨越陣列的多個列和行，因此，單一個光柵結構可以覆蓋多個光偵測器。舉例來說，在第12D圖中，光柵結構114D沿著列R2覆蓋行C1-C2的 光偵測器，且在行C1-C2之間的下方環結構108中存在“間斷”，以容納光柵結構114D。在第12E圖中，光柵結構114E沿著列R1-R2覆蓋行C1-C2的光偵測器，且在行C1-C2以及列R1-R2之間的下方環結構108中存在“間斷”，以容納光柵結構114E。第12F圖顯示另一實施例，其中不同尺寸的光柵結構(例如光柵結構114F、114G)包含在畫素陣列中。因此，第12F圖中的第一光柵結構114F在單一個畫素上方，而第12F圖中的第二光柵結構114G跨越多個畫素。第一和第二光柵結構114F-114G可用於偵測光的不同波長。第12A-12F圖僅顯示一些範例，其他光柵結構也是屬於本發明實施例的範圍。
請參照第13圖，提供第11A-11B圖的影像感測器中的畫素感測器的一些實施例的電路圖1300。如圖所示，浮動擴散節點916透過轉換電晶體918選擇性地耦接至光偵測器104，且浮動擴散節點916透過重置(reset)電晶體1304選擇性地耦接至電源1302。光偵測器104可例如為光二極體，且/或電源1302可例如為直流電(direct current，DC)電源。轉換電晶體918被配置為將光偵測器104中累積的電荷轉移至浮動擴散節點916，而重置電晶體1304被配置為清除儲存在浮動擴散節點916的電荷。浮動擴散節點916對源極隨耦器(source follower)電晶體1306進行控制，源極隨耦器電晶體1306將電源1302選擇性地耦接至列選擇(row select)電晶體1308，且列選擇電晶體1308將源極隨耦器電晶體1306選擇性地耦接至輸出端1310。源極隨耦器電晶體1306被配置為非破壞性地讀取並放大儲存在浮動擴散節點916中的電荷，而列選擇電晶體1308被配置為選擇要讀取 的畫素。
雖然將在第13圖中的影像感測器描述為具有5個電晶體，可以理解的是，在其他實施例中，影像感測器可包含較多或較少的電晶體。舉例來說，在其他實施例中，影像感測器可包含2個、3個或6個電晶體。
第14-23圖描繪一系列剖面示意圖，這些剖面示意圖共同顯示依據一些實施例之影像感測器的製造方法。可應用此方法來形成第1A-1C圖的影像感測器。可以理解的是，此方法也可與第2-13圖中的任何一個實施例一起使用。
如第14圖的剖面示意圖1400所示，提供或形成半導體基底102。在一些實施例中，半導體基底102為或包括塊材(bulk)矽基底、一些其他塊材半導體基底或一些其他半導體基底。半導體基底102可為或包括例如單晶矽、奈米多孔矽、一些其他矽材料、一些其他半導體材料或前述之任何組合。再者，半導體基底102可例如具有n型或p型摻雜。
如第15圖的剖面示意圖1500所示，靠近半導體基底102形成光偵測器104。在一些實施例中，用於形成光偵測器104的製程包括將摻雜物植入半導體基底102中，以形成摻雜半導體區。在一些這樣的實施例中，半導體基底102起初具有單一摻雜類型，使得摻雜半導體區的摻雜透過使用相反摻雜類型的摻雜物進行。此摻雜可例如透過使用離子佈植或一些其他摻雜製程進行，且/或例如使用光阻遮罩來選擇性地植入摻雜物。因此，摻雜半導體區在光接面(photo junction)1504與半導體基底102交會。在其他實施例中，可分別植入用於光偵測器 104的第一井和第二井，第一井和第二井具有相反的導電型並且一個接一個地植入以在光接面處相接。
在每個畫素形成轉換電晶體202。每個轉換電晶體202包括閘極電極204、閘極介電層206、第一源極/汲極區(未標示)和第二源極/汲極區(未標示)。第一源極/汲極區可例如透過摻雜半導體區定義。第二源極/汲極區可例如透過半導體基底102中的浮動擴散節點定義。
如第15圖的剖面示意圖1500所示，形成內連線結構106覆蓋每個畫素和半導體基底102。內連線結構106包括層間介電結構128、複數個導線130a-130c和複數個導通孔132。為了方便顯示，僅標示一些導線，且僅標示一些導通孔。
在一些實施例中，用於形成內連線結構106的製程包括在半導體基底102上方重複地形成層間介電子層(即層間介電結構128的子層)，在層間介電結構128的頂表面上進行平坦化，選擇性蝕刻層間介電結構以形成導通孔開口及/或導線開口，以及以導電材料填充導通孔開口及/或導線開口。層間介電子層可例如透過熱氧化、化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)、物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)、濺鍍、一些其他沉積製程或前述之任何組合形成。平坦化可例如透過化學機械研磨(chemical mechanical polish，CMP)或一些其他平坦化製程進行。選擇性蝕刻可例如透過使用光微影技術“選擇性地”進行。填充的步驟可例如透過化學氣相沉積、物理氣相沉積、電鍍、無電電鍍、一些其他沉積或電鍍製程或前述之任何組合進行。在一些實施例中，用於形成內連線 結構106的製程包括重複地進行雙鑲嵌製程或單鑲嵌製程，以形成導線130a-130c和導通孔132。雙鑲嵌製程同時形成兩個導電部件(例如導線和導通孔)，而單鑲嵌製程一次形成單一個導電部件(例如導線或導通孔)。
如第16圖的剖面示意圖1600所示，在一些實施例中，透過保護層134和層間介電結構128將半導體基底102的前側102f接合至承載基底136。承載基底136可例如為塊材單晶矽基底、一些其他矽基底、絕緣層上覆矽(silicon on insulator，SOI)基底、半導體基底或一些其他基底。在一些實施例中，接合製程透過熔融接合製程或一些其他接合製程進行。
如第17圖的剖面示意圖1700所示，將第16圖的結構垂直翻轉。再者，在背側表面將半導體基底102薄化，進而減少半導體基底102的厚度。在一些實施例中，半導體基底102透過進行蝕刻及/或平坦化(例如化學機械研磨或一些其他平坦化製程)來薄化。
如第18圖的剖面示意圖1800所示，在半導體基底102的背側形成複數個溝槽124。在一些實施例中，用於形成溝槽124的製程包括在光阻層在合適的位置的情況下蝕刻進入半導體基底102的背側表面，並隨後移除光阻層。在一些情況中，在一次蝕刻中蝕刻出對應至畫素外周邊的最外環形溝槽，且使用不同蝕刻分別蝕刻出被最外環形溝槽圍繞的一系列內溝槽。因此，最外環形溝槽可具有第一深度，且一系列內溝槽可具有不同於第一深度的第二深度。在其他實施例中，使用單一蝕刻製程同時形成最外環形溝槽和一系列內溝槽，且最外環形 溝槽和一系列內溝槽具有單一深度。
如第19圖的剖面示意圖1900所示，在一系列溝槽中沉積介電材料1902。在一些實施例中，介電材料1902的內表面順應及/或直接接觸半導體基底102的背側表面。介電材料1902可為或包括例如二氧化矽、氮化矽、高介電常數介電質、一些其他介電質或前述之任何組合。
在一些實施例中，用於形成介電材料1902的製程包括在溝槽中沉積介電材料1902。沉積製程可例如透過熱氧化、化學氣相沉積、物理氣相沉積、濺鍍或一些其他沉積製程來進行。
如第20圖的剖面示意圖2000所示，在介電材料1902的外側表面進行平坦化，進而形成被下方環結構108圍繞的介電柱狀物或牆壁112。平坦化可例如透過化學機械研磨或一些其他平坦化製程來進行。
如第21圖的剖面示意圖2100所示，在下方環結構108上方形成上方環結構110。上方環結構110可例如透過以下步驟來形成：在半導體基底102上方形成圖案化層(例如氮化矽層)，接著將圖案化層圖案化以形成開口對應至上方環結構110的位置。接著，在圖案化層在合適的位置的情況下，金屬可例如透過濺鍍、電鍍或化學氣相沉積形成於開口中和圖案化層上方。接著，可進行化學機械研磨來移除圖案化層上方的金屬，並暴露出圖案化層的上表面，同時將金屬留在開口中。接著，可移除圖案化層，留下第21圖顯示的結構。
如第22圖的剖面示意圖2200所示，形成保護層118 覆蓋半導體基底102的背側表面以及覆蓋上方環結構110。保護層118可例如為或包括二氧化矽、氮化矽、高介電常數介電質、一些其他介電質或前述之任何組合。在一些實施例中，用於形成保護層118的製程包括在半導體基底102的背側表面上沉積保護層118，且後續在保護層118的外表面進行平坦化。沉積製程可例如透過熱氧化、化學氣相沉積、物理氣相沉積、濺鍍或一些其他沉積製程來進行。平坦化可例如透過化學機械研磨(CMP)或一些其他平坦化製程來進行。
如第23圖的剖面示意圖2300所示，在保護層118上形成複數個彩色濾光片902和複數個微透鏡906。彩色濾光片902分別覆蓋光偵測器104，且微透鏡906分別覆蓋彩色濾光片902。彩色濾光片902使指定的輻射波長通過，同時阻擋未指定的輻射波長。在一些實施例中，彩色濾光片902透過形成用於輻射的第一波長的彩色濾光層，將彩色濾光層圖案化，且接著針對輻射的不同波長重複前述步驟來形成。
如第23圖的剖面示意圖2300所示，在彩色濾光片902上形成複數個微透鏡906。微透鏡906覆蓋彩色濾光片902，並將入射輻射分別聚焦在畫素的光偵測器上。在一些實施例中，用於形成微透鏡906的製程包括在彩色濾光片902上方形成微透鏡層，且後續將微透鏡層圖案化為各自獨立的微透鏡906的微透鏡模板。
第24圖顯示與背照式影像感測器的形成方法的一些實施例一致的流程圖2400。
在操作2402中，接收半導體基底。舉例來說，此 操作的一些實施例可對應至第14圖。
在操作2404中，在基底的前側形成光偵測器，且在基底的前側上方形成內連線結構。舉例來說，此操作的一些實施例可對應至第15圖。
在操作2406中，在內連線結構上方形成保護層。舉例來說，此操作的一些實施例可對應至第16圖。
在操作2408中，透過保護層將承載基底接合至內連線結構。舉例來說，此操作的一些實施例可對應至第16圖。
在操作2410中，例如透過化學機械研磨從半導體基底的背側將半導體基底薄化。舉例來說，此操作的一些實施例可對應至第17圖。
在操作2412中，在半導體基底薄化的背側形成一系列的溝槽。舉例來說，此操作的一些實施例可對應至第18圖。
在操作2414中，在一系列的溝槽中形成介電層。舉例來說，此操作的一些實施例可對應至第19圖。
在操作2416中，(例如使用化學機械研磨)將介電層的頂表面平坦化。舉例來說，此操作的一些實施例可對應至第20圖。
在操作2418中，在介電層的平坦化頂表面上方形成金屬格柵和保護層。舉例來說，此操作的一些實施例可對應至第21-22圖。
在操作2420中，在保護層上方形成彩色濾光片和微透鏡。舉例來說，此操作的一些實施例可對應至第23圖。
因此，如上所述可以理解的是，本發明實施例的 一些方面為有關於影像感測器，其包含的半導體基底具有前側和背側。光偵測器設置於半導體基底的前側與背側之間。內連線結構設置於半導體基底的前側下方，使得半導體基底的前側設置於內連線結構與半導體基底的背側之間。下方環結構延伸進入半導體基底的背側中，並橫向地圍繞光偵測器。光柵結構被下方環結構圍繞，並從半導體基底的背側延伸至光偵測器中的一位置。
在一些其他實施例中，其中光柵結構包含一個或多個柱狀物或牆壁，且有著複數個導光開口以柱狀物或牆壁為邊界，其中柱狀物或牆壁被配置為當一入射光從背側行進至光偵測器時，透過導光開口在半導體基底中多次反射入射光，進而誘發第一分段線性光傳播路徑穿過半導體基底中的導光開口。
在一些其他實施例中，上述影像感測器更包含上方環結構延伸於半導體基底的背側上方，並與下方環結構對齊。
在一些其他實施例中，其中光柵結構包括填充介電材料的複數個溝槽，其中填充介電材料的溝槽彼此間隔開，使得溝槽的中心線以相等間距彼此間隔開，且溝槽的中心線平行於下方環結構的外側邊緣。
在一些其他實施例中，其中光柵結構包含填充介電材料的複數個溝槽，溝槽彼此平行延伸，且以角度大致45度與下方環結構的外側邊緣相交。
在一些其他實施例中，其中填充介電材料的溝槽 彼此間隔開，使得溝槽的中心線以相等間距彼此間隔開。
在一些其他實施例中，其中光柵結構為環形，且具有與下方環結構的外側邊緣相同形狀的邊緣。
在一些其他實施例中，其中光柵結構包含複數個線形溝槽填充金屬且彼此平行設置，或光柵結構為環狀金屬結構具有與下方環結構的外側邊緣相同形狀的邊緣。
在一些其他實施例中，其中光柵結構的深度等於下方環結構的深度。
在一些其他實施例中，其中光柵結構的深度不同於下方環結構的深度。
在一些其他實施例中，其中光柵結構的深度為半導體基底的整體厚度的30%至100%，半導體基底的整體厚度從前側量測至背側。
在一些其他實施例中，其中下方環結構的形狀為正方形、矩形或多邊形。
在一些其他實施例中，其中光柵結構佔據由下方環結構界定的總面積的10%至60%。
在一些其他實施例中，其中光柵結構包含二氧化矽。
一些其他實施例為有關於影像感測器設置於半導體基底中或半導體基底上，半導體基底具有前側和背側。影像感測器包含複數個光偵測器設置於半導體基底的前側與背側之間。複數個金屬環結構設置於半導體基底的背側上方，金屬環結構的外側邊緣彼此鄰接，以建立金屬網格結構在平行於半 導體基底的背側的平面中。當投影於平面時，金屬網格結構的金屬環結構的每一者圍繞光偵測器的投影。光柵結構被金屬網格結構的第一金屬環結構圍繞，並從半導體基底的背側延伸至對應於半導體基底中的第一光偵測器的深度。
在一些其他實施例中，其中金屬網格結構的第二金屬環結構在由第二金屬環結構界定的區域內完全開放，且沒有光柵結構設置於第二金屬環結構中。
在一些其他實施例中，其中光柵結構包含一個或多個導光開口以光柵結構的內側壁為邊界，其中光柵結構的內側壁被配置為當入射光行進至第一光偵測器時，在半導體基底中多次反射入射光，進而誘發第一分段線性光傳播路徑於半導體基底中。
在一些其他實施例中，上述影像感測器更包含複數個介電環結構延伸進入半導體基底的背側，並分別與金屬環結構對齊，且其中介電環結構的每一者橫向地圍繞對應的光偵測器。
一些其他實施例為有關於影像感測器的形成方法。在此方法中，接收半導體基底。在半導體基底的前側形成光偵測器，且在光偵測器上方和半導體基底的前側上方形成內連線結構。在內連線結構上方接合承載基底。從半導體基底的背側將半導體基底薄化，背側最遠離內連線結構。在半導體基底薄化的背側形成一系列的溝槽。在一系列的溝槽中形成介電層，並將介電層平坦化，使介電層有著平坦化頂表面，介電層平坦化的步驟將介電層分割，以在半導體基底中留下環狀介電 層以及被環狀介電層圍繞的牆壁或柱狀介電結構，牆壁或柱狀介電結構設置於光偵測器上方。
在一些其他實施例中，其中牆壁或柱狀介電結構的深度為半導體基底的整體厚度的30%至100%，半導體基底的整體厚度從前側量測至背側。
前述內文概述了許多實施例的特徵，使本技術領域中具有通常知識者可以從各個方面更加了解本發明實施例。本技術領域中具有通常知識者應可理解，且可輕易地以本發明實施例為基礎來設計或修飾其他製程及結構，並以此達到相同的目的及/或達到與在此介紹的實施例等相同之優點。本技術領域中具有通常知識者也應了解這些相等的結構並未背離本發明的發明精神與範圍。在不背離本發明的發明精神與範圍之前提下，可對本發明實施例進行各種改變、置換或修改。

Claims (20)

  1. 一種影像感測器，包括：一半導體基底，具有一前側和一背側，其中一光偵測器設置於該半導體基底的該前側與該背側之間；一內連線結構，設置於該半導體基底的該前側下方，使得該半導體基底的該前側設置於該內連線結構與該半導體基底的該背側之間；一下方環結構，延伸進入該半導體基底的該背側中，並橫向地圍繞該光偵測器；以及一光柵結構，被該下方環結構圍繞，並從該半導體基底的該背側延伸至該光偵測器中的一位置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該光柵結構包含一個或多個柱狀物或牆壁，且有著複數個導光開口以該或該些柱狀物或牆壁為邊界，其中該或該些柱狀物或牆壁被配置為當一入射光從該背側行進至該光偵測器時，透過該些導光開口在該半導體基底中多次反射該入射光，進而誘發一第一分段線性光傳播路徑穿過該半導體基底中的該些導光開口。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，更包括：一上方環結構，延伸於該半導體基底的該背側上方，並與該下方環結構對齊。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該光柵結構包括填充介電材料的複數個溝槽，其中填充介電材料的該些溝槽彼此間隔開，使得該些溝槽的中心線以相等間距彼 此間隔開，且該些溝槽的中心線平行於該下方環結構的外側邊緣。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該光柵結構包括填充介電材料的複數個溝槽，該些溝槽彼此平行延伸，且以角度大致45度與該下方環結構的外側邊緣相交。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之影像感測器，其中填充介電材料的該些溝槽彼此間隔開，使得該些溝槽的中心線以相等間距彼此間隔開。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該光柵結構為環形，且具有與該下方環結構的外側邊緣相同形狀的邊緣。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該光柵結構包括複數個線形溝槽填充金屬且彼此平行設置，或該光柵結構為環狀金屬結構具有與該下方環結構的外側邊緣相同形狀的邊緣。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該光柵結構的深度等於該下方環結構的深度。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該光柵結構的深度不同於該下方環結構的深度。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該光柵結構的深度為該半導體基底的整體厚度的30%至100%，該半導體基底的整體厚度從該前側量測至該背側。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該下方環結構的形狀為正方形、矩形或多邊形。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該光柵結構佔據由該下方環結構界定的總面積的10%至60%。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該光柵結構包含二氧化矽。
  15. 一種影像感測器，包括：一半導體基底，具有一前側和一背側，其中複數個光偵測器設置於該半導體基底的該前側與該背側之間；複數個金屬環結構，設置於該半導體基底的該背側上方，其中該些金屬環結構的外側邊緣彼此鄰接，以建立一金屬網格結構在平行於該半導體基底的該背側的一平面中，其中當投影於該平面時，該金屬網格結構的該些金屬環結構的每一者圍繞一光偵測器的投影；以及一光柵結構，被該金屬網格結構的一第一金屬環結構圍繞，並從該半導體基底的該背側延伸至對應於該半導體基底中的一第一光偵測器的深度。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之影像感測器，其中該金屬網格結構的一第二金屬環結構在由該第二金屬環結構界定的區域內完全開放，且沒有光柵結構設置於該第二金屬環結構中。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之影像感測器，其中該光柵結構包含一個或多個導光開口以該光柵結構的內側壁為邊界，其中該光柵結構的內側壁被配置為當一入射光行進至該第一光偵測器時，在該半導體基底中多次反射該入射光，進而誘發一第一分段線性光傳播路徑於該半導體基底 中。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之影像感測器，更包括：複數個介電環結構，延伸進入該半導體基底的該背側，並分別與該些金屬環結構對齊，且其中該些介電環結構的每一者橫向地圍繞一對應的光偵測器。
  19. 一種影像感測器的形成方法，包括：接收一半導體基底；在該半導體基底的一前側形成一光偵測器；在該光偵測器上方和該半導體基底的該前側上方形成一內連線結構；在該內連線結構上方接合一承載基底；從該半導體基底的一背側將該半導體基底薄化，該背側最遠離該內連線結構；在該半導體基底薄化的該背側形成一系列的溝槽；在該系列的溝槽中形成一介電層；以及將該介電層平坦化，使該介電層有著一平坦化頂表面，其中將該介電層平坦化的步驟將該介電層分割，以在該半導體基底中留下一環狀介電層以及被該環狀介電層圍繞的一牆壁或柱狀介電結構，該牆壁或柱狀介電結構設置於該光偵測器上方。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之影像感測器的形成方法，其中該牆壁或柱狀介電結構的深度為該半導體基底的整體厚度的30%至100%，該半導體基底的整體厚度從該前側量測至該背側。
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