TW202127642A - 影像感測器結構及其製造方法 - Google Patents

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陳俊良
黃晉德
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Abstract

一種影像感測器結構，包括基底、感光元件、濾光結構與隔離牆。感光元件位在基底中。濾光結構位在感光元件上方。濾光結構包括主濾光層與第一輔助濾光層。隔離牆圍繞濾光結構的側壁。濾光結構的折射率大於隔離牆的折射率。

Description

影像感測器結構及其製造方法
本發明是有關於一種半導體元件及其製造方法，且特別是有關於一種影像感測器結構及其製造方法。
利用半導體製程製作的影像感測元件可用來感測光線，例如互補式金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)等。上述影像感測元件利用感測單元陣列來接收光能量並轉換為數位資料。然而，如何提升影像感測器的光電轉換效率以及防止在影像感測器產生光學串擾(optical crosstalk)為目前業界努力的目標。
本發明提供一種影像感測器結構及其製造方法，其可提升光電轉換效率並防止光學串擾。
本發明提出一種影像感測器結構，包括基底、感光元件、濾光結構與隔離牆(separation wall)。感光元件位在基底中。濾光結構位在感光元件上方。濾光結構包括主濾光層與第一輔助濾光層。隔離牆圍繞濾光結構的側壁。濾光結構的折射率大於隔離牆的折射率。
依照本發明的一實施例所述，在上述影像感測器結構中，主濾光層可為彩色濾光層。
依照本發明的一實施例所述，在上述影像感測器結構中，濾光結構更可包括第二輔助濾光層。主濾光層、第一輔助濾光層與第二輔助濾光層可堆疊在基底上。
依照本發明的一實施例所述，在上述影像感測器結構中，第一輔助濾光層可為紅外線截止濾光層(IR cut filter)與紫外線截止濾光層(UV cut filter)中的一者。第二輔助濾光層可為紅外線截止濾光層與紫外線截止濾光層中的另一者。
依照本發明的一實施例所述，在上述影像感測器結構中，隔離牆的材料例如是氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、低介電常數材料(low dielectric constant material)或其組合。
依照本發明的一實施例所述，在上述影像感測器結構中，在隔離牆中可具有孔洞。
依照本發明的一實施例所述，在上述影像感測器結構中，更可包括隔離結構。隔離結構位在基底中。
依照本發明的一實施例所述，在上述影像感測器結構中，隔離牆可連接至隔離結構。
依照本發明的一實施例所述，在上述影像感測器結構中，基底的折射率可大於隔離結構的折射率。
依照本發明的一實施例所述，在上述影像感測器結構中，隔離結構可貫穿基底。
依照本發明的一實施例所述，在上述影像感測器結構中，更可包括介面層。介面層位在濾光結構與基底之間。
依照本發明的一實施例所述，在上述影像感測器結構中，更可包括微透鏡層。微透鏡層位在濾光結構上。
依照本發明的一實施例所述，在上述影像感測器結構中，影像感測器結構可為背照式影像感測器(backside illuminated image sensor，BSI image sensor)結構或前照式影像感測器(front side illuminated image sensor，FSI image sensor)結構。
本發明提出一種影像感測器結構的製造方法，包括以下步驟。在基底中形成感光元件。在感光元件上方形成濾光結構。濾光結構包括主濾光層與第一輔助濾光層。形成圍繞濾光結構的側壁的隔離牆。濾光結構的折射率大於隔離牆的折射率。
依照本發明的一實施例所述，在上述影像感測器結構的製造方法中，濾光結構的形成方法可包括以下步驟。在基底上形成濾光結構層。濾光結構層可包括主濾光材料層與第一輔助濾光材料層。在濾光結構層上形成圖案化罩幕層。以圖案化罩幕層為罩幕，移除部分濾光結構層，而形成濾光結構與環繞濾光結構的開口。
依照本發明的一實施例所述，在上述影像感測器結構的製造方法中，濾光結構層更可包括第二輔助濾光材料層。主濾光材料層、第一輔助濾光材料層與第二輔助濾光材料層可堆疊在基底上。
依照本發明的一實施例所述，在上述影像感測器結構的製造方法中，隔離牆可封住開口。
依照本發明的一實施例所述，在上述影像感測器結構的製造方法中，隔離牆的形成方法可包括以下步驟。形成填入開口的隔離材料層。移除位在開口外部的隔離材料層。
依照本發明的一實施例所述，在上述影像感測器結構的製造方法中，在基底中可具有隔離結構。
依照本發明的一實施例所述，在上述影像感測器結構的製造方法中，開口可暴露出隔離結構。隔離牆可連接至隔離結構。
基於上述，在本發明所提出的影像感測器結構及其製造方法中，隔離牆圍繞濾光結構的側壁，且濾光結構的折射率大於隔離牆的折射率。如此一來，當光進入濾光結構並傳遞到濾光結構與隔離牆的介面時，光會在此介面產生全反射，藉此可產生光管效果。由於上述光管效果可提升照射到所對應的感光元件的光量，因此可提升影像感測器的光電轉換效率。此外，藉由上述光管效果可防止光照射到其他感光元件，因此可防止光學串擾。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1A至圖1E為本發明一實施例的影像感測器結構的製造流程剖面圖。圖2為圖1C中的濾光結構與開口的上視圖。圖3為圖1E中的濾光結構與隔離牆的上視圖。在圖2與圖3中分別省略圖1C與圖1E中的部分構件，以清楚繪示出圖2與圖3中的各構件之間的配置關係。
影像感測器結構可為背照式影像感測器結構或前照式影像感測器結構。在本實施例中，影像感測器結構是以背照式影像感測器結構為例來進行說明，但本發明並不以此為限。
請參照圖1A，在基底100中形成感光元件102。基底100例如是半導體基底，如矽基底。基底100可具有相對的第一面S1與第二面S2。第一面S1可為基底100的正面與背面中的一者，且第二面S2可為基底100的正面與背面中的另一者。在本實施例中，第一面S1是以基底100的正面為例，且第二面S2是以基底100的背面為例，但本發明並不以此為限。感光元件102例如是光二極體(photodiode)。感光元件102的形成方法例如是離子植入法。
此外，在基底100中可具有隔離結構104。基底100的折射率可大於隔離結構104的折射率。如此一來，當光進入基底100並傳遞到基底100與隔離結構104的介面時，光會在此介面產生全反射，藉此可產生光管效果。由於上述光管效果可提升照射到所對應的感光元件102的光量，因此可提升影像感測器的光電轉換效率。此外，藉由上述光管效果可防止光照射到其他感光元件102，因此可防止光學串擾。舉例來說，以波長為633 nm的光進行量測時，基底100的折射率可約為3.8，且隔離結構104的折射率可為1至3。
隔離結構104可為深溝渠隔離結構(deep trench isolation DTI)或深溝渠隔離結構與淺溝渠隔離結構(shallow trench isolation，STI)的組合。隔離結構104的材料可包括介電材料(如，氧化矽)。在一些實施例中，導體材料(如，鎢等金屬或摻雜多晶矽)(未示出)可設置在隔離結構104的內部，且隔離結構104可位在導體材料與基底100之間，以將導體材料與基底100進行隔離。隔離結構104可貫穿基底100，但本發明並不以此為限。在另一實施例中，隔離結構104可不貫穿基底100。
另外，在基底100的第一面S1可具有電路層106。電路層106可包括介電層106a、閘極結構106b與內連線結構106c，但本發明並不以此為限。閘極結構106b與內連線結構106c位在介電層106a中。在另一實施例中，閘極結構106b可為位在基底100中的凹入式閘極(recess gate)結構。
接著，可在基底100的第二面S2上形成介面材料層108。介面材料層108的折射率可小於基底100的折射率。介面材料層108的材料例如是氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、氧化鈦(TiO2)或高介電常數的透光材料。介面材料層108的形成方法例如是化學氣相沉積法。
請參照圖1B，在基底100上形成濾光結構層110。在本實施例中，濾光結構層110可形成在基底100的第二面S2上。舉例來說，濾光結構層110可形成在介面材料層108上。濾光結構層110可包括主濾光材料層112與輔助濾光材料層114。此外，濾光結構層110更可包括輔助濾光材料層116。主濾光材料層112、輔助濾光材料層114與輔助濾光材料層116分別可用以過濾特定波長的光。
舉例來說，主濾光材料層112可為彩色濾光材料層。主濾光材料層112可包括至少一個濾光單元1120。在本實施例中，主濾光材料層112是以包括多個濾光單元1120為例。濾光單元1120分別可為紅色濾光單元、綠色濾光單元或藍色濾光單元中的一者。主濾光材料層112的材料例如是光阻材料。主濾光材料層112的形成方法為所屬技術領域具有通常知識者所周知，於此不再說明。
此外，輔助濾光材料層114可為紅外線截止濾光材料層與紫外線截止濾光材料層中的一者，且輔助濾光材料層116可為紅外線截止濾光材料層與紫外線截止濾光材料層中的另一者。在本實施例中，輔助濾光材料層114是以紅外線截止濾光材料層為例，且輔助濾光材料層116是以紫外線截止濾光材料層為例，但本發明並不以此為限。在另一實施例中，輔助濾光材料層114可為紫外線截止濾光材料層，且輔助濾光材料層116可為紅外線截止濾光材料層。紅外線截止濾光材料層的材料例如是可濾除紅外線的光阻材料或多層膜。紫外線截止濾光材料層的材料例如是可濾除紫外線的光阻材料或多層膜。上述多層膜可由高折射率層與低折射率層交替堆疊而成。紅外線截止濾光材料層與紫外線截止濾光材料層的形成方法為所屬技術領域具有通常知識者所周知，於此不再說明。
主濾光材料層112、輔助濾光材料層114與輔助濾光材料層116可依任意順序堆疊在基底100上。在本實施例中，以輔助濾光材料層116、主濾光材料層112與輔助濾光材料層114依序堆疊在基底100上為例，亦即輔助濾光材料層116、主濾光材料層112與輔助濾光材料層114可依序形成在基底100上，但本發明並不以此為限。在另一實施例中，濾光結構層110可不包括輔助濾光材料層116。在濾光結構層110不包括輔助濾光材料層116的情況下，主濾光材料層112與輔助濾光材料層114可依任意順序堆疊在基底100上。
請參照圖1C，在濾光結構層110上形成圖案化罩幕層118。圖案化罩幕層118的材料例如是氧化矽、氮化矽或氮氧化矽等硬罩幕材料。圖案化罩幕層118的形成方法例如是組合使用沉積製程、微影製程與蝕刻製程。上述沉積製程例如是化學氣相沉積製程，如電漿增強化學氣相沉積(plasma-enhanced chemical vapor deposition，PECVD)製程。
接下來，請參照圖1C與圖2，以圖案化罩幕層118為罩幕，移除部分濾光結構層110，而形成濾光結構110a與環繞濾光結構110a的開口120。藉此，可在感光元件102上方形成濾光結構110a。部分濾光結構層110的移除方法例如是乾式蝕刻法。在本實施例中，雖然濾光結構110a的形成方法是以上述方法為例來進行說明，但本發明並不以此為限。
此外，開口120可暴露出隔離結構104。舉例來說，在形成開口120的製程中，更可移除部分介面材料層108，而形成介面層108a並暴露出隔離結構104。開口120的上視形狀可為環狀，如方環狀或圓環狀。在本實施例中，如圖2所示，開口120的上視形狀是以方環狀為例，但本發明並不以此為限。
濾光結構110a包括主濾光層112a與輔助濾光層114a。此外，濾光結構110a更可包括輔助濾光層116a。主濾光層112a、輔助濾光層114a與輔助濾光層116a可依任意順序堆疊在基底100上。在本實施例中，以輔助濾光層116a、主濾光層112a與輔助濾光層114a依序堆疊在基底100上為例，但本發明並不以此為限。在另一實施例中，濾光結構110a可不包括輔助濾光層116a。在濾光結構110a不包括輔助濾光層116a的情況下，主濾光層112a與輔助濾光層114a可依任意順序堆疊在基底100上。
主濾光層112a可為彩色濾光層。舉例來說，主濾光層112a分別可為紅色濾光層、綠色濾光層或藍色濾光層中的一者。輔助濾光層114a可為紅外線截止濾光層與紫外線截止濾光層中的一者。輔助濾光層116a可為紅外線截止濾光層與紫外線截止濾光層中的另一者。在本實施例中，輔助濾光層114a是以紅外線截止濾光層為例，且輔助濾光層116a是以紫外線截止濾光層為例，但本發明並不以此為限。在另一實施例中，輔助濾光層114a可為紫外線截止濾光材料層，且輔助濾光材料層116a可為紅外線截止濾光層。輔助濾光層114a與輔助濾光層116a可分別用以提升訊躁比(signal-to-noise ratio，SNR)。
請參照圖1D，形成填入開口120的隔離材料層122。隔離材料層122的材料例如是氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、低介電常數材料或其組合。此外，在隔離材料層122中可具有孔洞124。隔離材料層122的形成方法例如是化學氣相沉積法，如電漿增強化學氣相沉積或可流動性化學氣相沉積法(flowable chemical vapor deposition，FCVD)。
請參照圖1E與圖3，移除位在開口120外部的隔離材料層122，而形成圍繞濾光結構110a的側壁的隔離牆122a。位在開口120外部的隔離材料層122的移除方法例如是化學機械研磨法或回蝕刻法。
濾光結構110a的折射率大於隔離牆122a的折射率。在濾光結構110a中，主濾光層112a的折射率、輔助濾光層114a的折射率與輔助濾光層116a的折射率可分別大於濾光結構110a的折射率，而使得濾光結構110a的整體折射率大於隔離牆122a的折射率。如此一來，當光進入濾光結構110a並傳遞到濾光結構110a與隔離牆122a的介面時，光會在此介面產生全反射，藉此可產生光管效果。由於上述光管效果可提升照射到所對應的感光元件102的光量，因此可提升影像感測器的光電轉換效率。此外，藉由上述光管效果可防止光照射到其他感光元件102，因此可防止光學串擾。
舉例來說，以波長為633 nm的光進行量測時，主濾光層112a的折射率、輔助濾光層114a的折射率與輔助濾光層116a的折射率分別可為1.4至1.8，且隔離牆122a的折射率可為1至1.45。
在本實施例中，在隔離牆122a中可具有孔洞124，但本發明並不以此為限。在隔離牆122a中具有孔洞124的情況下，由於孔洞124中具有空氣，因此隔離牆122a的整體折射率可介於空氣的折射率與隔離牆122a的材料的折射率之間。在另一實施例中，隔離牆122a可完全填滿開口120，而不具有孔洞124。在一實施例中，隔離牆122a可封住開口120(圖1E)。在另一實施例中，在移除位在開口120外部的隔離材料層122的製程中，亦可使孔洞124暴露出來。
此外，隔離牆122a的上視形狀可為環狀，如方環狀或圓環狀。在本實施例中，如圖3所示，隔離牆122a的上視形狀是以方環狀為例，但本發明並不以此為限。另外，隔離牆122a可連接至隔離結構104，藉此隔離牆122a與隔離結構104可形成連續結構，進而產生更佳的光管效果。
在本實施例中，雖然隔離牆122a的形成方法是以上述方法為例來進行說明，但本發明並不以此為限。在另一實施例中，可省略位在開口120外部的隔離材料層122的移除步驟，亦即可維持整層的隔離材料層122，且隔離材料層122填入開口120中的部分可作為隔離牆122a。
此外，可移除圖案化罩幕層118，但本發明並不以此為限。圖案化罩幕層118的移除方法例如是化學機械研磨法或回蝕刻法。在另一實施例中，可省略圖案化罩幕層118的移除步驟，亦即可保留圖案化罩幕層118。
接著，在濾光結構110a上形成微透鏡層126。微透鏡層126的折射率可小於濾光結構110a的折射率。舉例來說，以波長為633 nm的光進行量測時，微透鏡層126的折射率可為1.4至1.8。微透鏡層126的材料例如是光阻材料。微透鏡層126的形成方法為所屬技術領域具有通常知識者所周知，於此不再說明。
以下，藉由圖1E來說明本實施例的影像感測器結構10。此外，雖然影像感測器結構10的形成方法是以上述方法為例來進行說明，但本發明並不以此為限。
請參照圖1E，影像感測器結構10包括基底100、感光元件102、濾光結構110a與隔離牆122a。感光元件102位在基底100中。濾光結構110a位在感光元件102上方。濾光結構110a包括主濾光層112a與輔助濾光層114a，且更可包括輔助濾光層116a。隔離牆122a圍繞濾光結構110a的側壁。濾光結構110a的折射率大於隔離牆122a的折射率。此外，影像感測器結構10更可包括隔離結構104、電路層106、介面層108a與微透鏡層126中的至少一者。隔離結構104位在基底100中。電路層106位在基底100的第一面S1上。介面層108a位在濾光結構110a與基底100之間。微透鏡層126位在濾光結構110a上。此外，影像感測器結構10中的各構件的材料、設置方式、形成方法與功效等已於上述實施例進行詳盡地說明，於此不再說明。
基於上述實施例可知，在影像感測器10及其製造方法中，隔離牆122a圍繞濾光結構110a的側壁，且濾光結構110a的折射率大於隔離牆122a的折射率。如此一來，當光進入濾光結構110a並傳遞到濾光結構110a與隔離牆122a的介面時，光會在此介面產生全反射，藉此可產生光管效果。由於上述光管效果可提升照射到感光元件102的光量，因此可提升影像感測器的光電轉換效率。此外，藉由上述光管效果可防止光照射到其他感光元件102，因此可防止光學串擾。
圖4為本發明另一實施例的影像感測器結構的剖面圖。
請參照圖1E與圖4，圖4的影像感測器結構20與圖1的影像感測器結構10的差異如下。影像感測器結構10為背照式影像感測器結構，而影像感測器結構20為前照式影像感測器結構。影像感測器結構10的介面層108a、濾光結構110a、隔離牆122a與微透鏡層126位在基底100的第二面S2上，而影像感測器結構20的介面層108a、濾光結構110a、隔離牆122a與微透鏡層126位在基底100的第一面S1上。舉例來說，在影像感測器結構20中，介面層108a、濾光結構110a、與微透鏡層126可依序設置在電路層106上，且隔離牆122a圍繞濾光結構110a的側壁。此外，在影像感測器結構20中，隔離牆122a未連接於隔離結構104。在影像感測器結構20中，可選擇性地在介電層106a中設置光管結構128。如此一來，由濾光結構110a與隔離牆122a所形成的光管結構與其下方的光管結構128可彼此連接，藉此可進一步提升光管效果。光管結構128的材料例如是折射率大於鄰近的介電材料的折射率的透光材料。另外，在影像感測器結構20與影像感測器結構10中，相同的構件以相同的符號表示並省略其說明。
綜上所述，在上述實施例的影像感測器結構及其製造方法中，由於隔離牆圍繞濾光結構的側壁，且濾光結構的折射率大於隔離牆的折射率，藉此可產生光管效果，進而提升影像感測器的光電轉換效率並防止光學串擾。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10,20:影像感測器結構 100:基底 102:感光元件 104:隔離結構 106:電路層 106a:介電層 106b:閘極結構 106c:內連線結構 108:介面材料層 108a:介面層 110:濾光結構層 110a:濾光結構 112:主濾光材料層 112a:主濾光層 114,116:輔助濾光材料層 114a,116a:輔助濾光層 118:圖案化罩幕層 120:開口 122:隔離材料層 122a:隔離牆 124:孔洞 126:微透鏡層 128:光管結構 S1:第一面 S2:第二面
圖1A至圖1E為本發明一實施例的影像感測器結構的製造流程剖面圖。 圖2為圖1C中的濾光結構與開口的上視圖。 圖3為圖1E中的濾光結構與隔離牆的上視圖。 圖4為本發明另一實施例的影像感測器結構的剖面圖。
10:影像感測器結構
100:基底
102:感光元件
104:隔離結構
106:電路層
106a:介電層
106b:閘極結構
106c:內連線結構
108a:介面層
110a:濾光結構
112a:主濾光層
114a,116a:輔助濾光層
120:開口
122a:隔離牆
124:孔洞
126:微透鏡層
128:光管結構
S1:第一面
S2:第二面

Claims (20)

  1. 一種影像感測器結構，包括： 基底； 感光元件，位在所述基底中； 濾光結構，位在所述感光元件上方，且包括主濾光層與第一輔助濾光層；以及 隔離牆，圍繞所述濾光結構的側壁，其中所述濾光結構的折射率大於所述隔離牆的折射率。
  2. 如請求項1所述的影像感測器結構，其中所述主濾光層包括彩色濾光層。
  3. 如請求項1所述的影像感測器結構，其中所述濾光結構更包括： 第二輔助濾光層，其中所述主濾光層、第一輔助濾光層與所述第二輔助濾光層堆疊在所述基底上。
  4. 如請求項3所述的影像感測器結構，其中所述第一輔助濾光層為紅外線截止濾光層與紫外線截止濾光層中的一者，且所述第二輔助濾光層為所述紅外線截止濾光層與所述紫外線截止濾光層中的另一者。
  5. 如請求項1所述的影像感測器結構，其中所述隔離牆的材料包括氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、低介電常數材料或其組合。
  6. 如請求項1所述的影像感測器結構，其中在所述隔離牆中具有孔洞。
  7. 如請求項1所述的影像感測器結構，更包括： 隔離結構，位在所述基底中。
  8. 如請求項7所述的影像感測器結構，其中所述隔離牆連接至所述隔離結構。
  9. 如請求項7所述的影像感測器結構，其中所述基底的折射率大於所述隔離結構的折射率。
  10. 如請求項7所述的影像感測器結構，其中所述隔離結構貫穿所述基底。
  11. 如請求項1所述的影像感測器結構，更包括： 介面層，位在所述濾光結構與所述基底之間。
  12. 如請求項1所述的影像感測器結構，更包括： 微透鏡層，位在所述濾光結構上。
  13. 如請求項1所述的影像感測器結構，其中所述影像感測器結構包括背照式影像感測器結構或前照式影像感測器結構。
  14. 一種影像感測器結構的製造方法，包括： 在基底中形成感光元件； 在所述感光元件上方形成濾光結構，其中所述濾光結構包括主濾光層與第一輔助濾光層；以及 形成圍繞所述濾光結構的側壁的隔離牆，其中所述濾光結構的折射率大於所述隔離牆的折射率。
  15. 如請求項14所述的影像感測器結構的製造方法，其中所述濾光結構的形成方法包括： 在所述基底上形成濾光結構層，其中所述濾光結構層包括主濾光材料層與第一輔助濾光材料層； 在所述濾光結構層上形成圖案化罩幕層；以及 以所述圖案化罩幕層為罩幕，移除部分所述濾光結構層，而形成所述濾光結構與環繞所述濾光結構的開口。
  16. 如請求項15所述的影像感測器結構的製造方法，其中濾光結構層更包括： 第二輔助濾光材料層，其中所述主濾光材料層、所述第一輔助濾光材料層與所述第二輔助濾光材料層堆疊在所述基底上。
  17. 如請求項15所述的影像感測器結構的製造方法，其中所述隔離牆封住所述開口。
  18. 如請求項15所述的影像感測器結構的製造方法，其中所述隔離牆的形成方法包括： 形成填入所述開口的隔離材料層；以及 移除位在所述開口外部的所述隔離材料層。
  19. 如請求項15所述的影像感測器結構的製造方法，其中在所述基底中具有隔離結構。
  20. 如請求項19所述的影像感測器結構的製造方法，其中所述開口暴露出所述隔離結構，且所述隔離牆連接至所述隔離結構。
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