TW202234689A - 影像感測器、半導體裝置及其製造方法 - Google Patents

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郭文昌
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Abstract

本揭露提供影像感測器、半導體裝置及其製造方法。一種根據本揭露的半導體裝置，包含：半導體層；多個金屬隔離特徵，安置於半導體層中；金屬柵，直接安置於多個金屬隔離特徵上方；以及多個微透鏡特徵，安置於金屬柵上方。

Description

影像感測器、半導體裝置及其製造方法
半導體積體電路（integrated circuit；IC）行業已經歷指數增長。IC材料及設計的技術進步已產生數代IC，其中每一代具有比前一代更小且更複雜的電路。在IC演進過程中，功能密度（亦即，每晶片面積內連元件的數目）已大體上增加，同時幾何形狀尺寸（亦即，可使用製造過程產生的最小組件（或線路））已減小。此按比例縮小製程通常藉由提高生產效率及降低相關聯成本來提供益處。此按比例縮小亦已增加處理及製造IC的複雜度。
影像感測器，諸如互補金屬氧化物半導體（complementary metal-oxide-semiconductor；CMOS）影像感測器（CMOS image sensor；CIS）常見於現代消費型電子裝置中。由於影像感測器的尺寸縮小以滿足不斷增長的畫素解析度需求，一些現有影像感測器結構可能無法提供足夠的量子效率（quantum efficiency；QE）。因此，儘管現有CMOS感測器通常足以達到其預期目的，但其並非在所有態樣中皆令人滿意。
以下揭露內容提供用於實施所提供主題的不同特徵的許多不同的實施例或實例。下文描述組件及配置的特定實例以簡化本揭露。當然，這些特定實例僅為實例且不意欲為限制性的。舉例而言，在以下描述中，在第二特徵上方或上形成第一特徵可包含第一特徵與第二特徵直接接觸地形成的實施例，且亦可包含可在第一特徵與第二特徵之間形成額外特徵以使得第一特徵與第二特徵可不直接接觸的實施例。另外，本揭露可在各種實例中重複附圖標號及/或字母。此重複是出於簡單及清晰的目的，且本身並不指示所論述的各種實施例及/或組態之間的關係。
為易於描述，本文中可使用諸如「在……之下」、「在……下方」、「下部」、「在……上方」、「上部」以及類似者的空間相對術語來描述如圖式中所示出的一個元件或特徵與另一元件或特徵的關係。除圖式中所描繪的定向之外，空間相對術語亦意欲涵蓋元件在使用或操作中的不同定向。裝置可以其他方式定向（旋轉90度或處於其他定向）且本文中所使用的空間相對描述詞可同樣相應地進行解譯。
此外，當用「約」、「近似」以及類似者來描述數字或數字範圍時，考慮到在製造期間固有出現的如由所屬領域中具有通常知識者理解的變化，術語意欲涵蓋在合理範圍內的數字。舉例而言，基於與製造具有與所述數字相關聯的特性的特徵相關聯的已知製造公差，數字或數字範圍涵蓋包含所描述數字的合理範圍，諸如所描述數字的+/-10%內。舉例而言，厚度為「約5奈米」的材料層可涵蓋在4.25奈米至5.75奈米範圍內的尺寸，其中與沉積材料層相關聯的製造公差由所屬領域中具有通常知識者已知為+/-15%。又另外，本揭露可在各種實例中重複附圖標號及/或字母。此重複是出於簡單及清晰的目的，且本身並不指示所論述的各種實施例及/或組態之間的關係。
近年來，互補金屬氧化物半導體（CMOS）影像感測器（CIS）已流行起來。一些現有CMOS影像感測器包含介電隔離特徵以隔離鄰近畫素。然而，由於畫素尺寸持續縮小，此畫素隔離結構可能無法提供足夠隔離，且因此量子效率（QE）可能受損。本揭露提供一種影像感測器，其包含配置於半導體層中的光偵測器（或光二極體）及配置於光偵測器上方的微透鏡，使得光穿過微透鏡且被引導至光偵測器。光偵測器藉由部分地或完全地延伸穿過半導體層的多個金屬隔離特徵或金屬深溝渠隔離特徵彼此分離。金屬柵或導電特徵的網格安置於多個金屬隔離特徵上且與其直接接觸。可將負偏壓施加至多個金屬隔離特徵以改良電隔離。多個金屬隔離特徵亦可充當反射器以進一步改良量子效率（QE）。總之，本揭露的結構可有助於提高量子效率（QE）、減少串擾且改良效能。本揭露的製程穩定且可用於製造未來幾代甚至更小的影像感測器。
現將參考圖式更詳細地描述本揭露的各種態樣。就此而言，圖1為示出根據本揭露的實施例的在工件上形成影像感測器的方法100的流程圖。方法100僅為範例，且並不意欲將本揭露限於方法100中所明確示出的內容。可在方法100之前、期間以及之後提供額外步驟，且對於所述方法的額外實施例，可替換、消除或移動所描述的一些步驟。為簡單起見，本文中並未詳細描述所有步驟。下文結合圖2至圖11來描述方法100，圖2至圖11為根據方法100的實施例的在不同製造階段處的工件200的局部橫截面圖。因為工件200將在製造過程結束時被製造成半導體裝置或影像感測器，所以工件200亦可按上下文需要稱為半導體裝置200或影像感測器200。另外，在整個本申請案中，除非另外排除，否則相同附圖標號表示相同特徵。
參考圖1及圖2，方法100包含區塊102，其中接收工件200。如圖2中所繪示，工件200包含前側200F及背側200B。當接收工件200時，已對工件200的前側200F進行處理。此類前側處理可包含形成電晶體204（下文進一步描述）及隔離特徵206（下文進一步描述）。工件200包含基底202。基底202可為塊狀矽（Si）基底。替代地，基底202可包含：元素半導體，諸如鍺（Ge）；化合物半導體，諸如碳化矽（SiC）、砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）、磷化銦（InP）、砷化銦（InAs）及/或銻化銦（InSb）；合金半導體，諸如矽鍺（SiGe）、磷砷化鎵（GaAsP）、砷化鋁銦（AlInAs）、砷化鋁鎵（AlGaAs）、砷化鎵銦（GaInAs）、磷化鎵銦（GaInP）及/或磷化鎵銦砷（GaInAsP）；或其組合。在一些實施中，基底202包含一或多種第III-V族材料、一或多種第II-VI族材料或其組合。在又一些情形中，基底202為絕緣體上半導體基底，諸如絕緣體上矽（silicon-on-insulator；SOI）基底、絕緣體上矽鍺（silicon germanium-on-insulator；SGOI）基底或絕緣體上鍺（germanium-on-insulator；GeOI）基底。在又一些實施例中，基底202可為金剛石基底或藍寶石基底。
為了在基底202中形成影像感測裝置240（將在下文描述），基底202可包含各種摻雜區（未繪示），諸如p型摻雜區、n型摻雜區或其組合。因為基底202包含影像感測裝置240，所以基底202亦可稱為感測器基底202。在一個實施例中，基底202可包含p型摻雜物，諸如硼（B）、二氟化硼（BF 2）或其他p型摻雜物，以及n型摻雜物，諸如磷（P）、砷（As）或其他n型摻雜物。在此實施例中，基底202可為可商購的矽基底，其中將p型摻雜物及n型摻雜物引入至基底202的某些區中以便形成影像感測裝置240（圖4中所繪示）。影像感測裝置240亦可稱作光偵測器240或光二極體240。在一些實施例中，基底202可具有在約15微米與約50微米之間的厚度T。
工件200已進行前側處理且包含使用前側處理形成的特徵。在所描繪的實施例中，工件200包含被配置成處理來自影像感測裝置240的信號的多個電晶體204。電晶體204中的每一者包含源極、汲極、安置於源極與汲極之間的通道區以及通道區上方的閘極結構。應注意，圖2中所繪示的電晶體204可表示不同配置的電晶體。舉例而言，電晶體204可為平面電晶體、鰭式場效電晶體（fin-type field effect transistor；FinFET）、多橋接通道（multi-bridge-channel；MBC）電晶體、環繞式閘極（gate-all-around；GAA）電晶體、奈米線電晶體、奈米薄片電晶體、具有奈米結構的電晶體，或其中閘極結構接合通道區的超過一個表面的其他多閘極電晶體。電晶體204的主動區2040可藉由多個隔離特徵206彼此隔離。取決於電晶體204的配置，主動區2040可具有薄片狀形狀、鰭狀形狀，或可包含彼此垂直間隔開的多個通道部件。隔離特徵206亦可稱為淺溝渠隔離（shallow trench isolation；STI）特徵206，且可包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、氟摻雜矽酸鹽玻璃（fluorine-doped silicate glass；FSG）、低k介電質、其組合及/或其他合適材料。在所描繪的實施例中，工件200可更包含安置於電晶體204上方的第一層間介電（interlayer dielectric；ILD）層205。第一ILD層205可包含諸如以下的材料：正矽酸四乙酯（tetraethylorthosilicate；TEOS）氧化物、未經摻雜的矽酸鹽玻璃或經摻雜的氧化矽，諸如硼磷矽玻璃（borophosphosilicate glass；BPSG）、熔融矽石玻璃（fused silica glass；FSG）、磷矽酸鹽玻璃（phosphosilicate glass；PSG）、硼摻雜矽玻璃（boron doped silicon glass；BSG）及/或其他合適的介電材料。
參考圖1及圖3，方法100可視情況包含區塊104，其中將工件200上下翻轉以使得背側200B面朝上。為了將工件200上下翻轉，載體基底（未明確繪示）接合至前側200F。在一些實施例中，載體基底可藉由熔融接合、使用黏著層或其組合接合至工件200。在一些實例中，載體基底可由半導體材料（諸如矽）、藍寶石、玻璃、聚合材料或其他合適材料形成。在使用熔融接合的實施例中，載體基底包含底部氧化物層，且工件200包含頂部氧化物層，諸如第一ILD層205。在處理底部氧化物層及頂部氧化物層兩者之後，將其置放成相互毛絨接觸（plush contact）以用於在室溫下或在高溫下直接接合。一旦載體基底接合至工件200，就翻轉工件200，如圖3中所繪示。
在一些實施例中，省略區塊104處的操作且此時不翻轉工件200。在這些實施例中，對工件200的前側200F而非背側200B執行區塊106至區塊114處的操作。當省略區塊104處的操作時，金屬IDT特徵216自前側200F延伸至基底202中，如圖17至圖18中所繪示。
參考圖1及圖4，方法100包含區塊106，其中在工件200中形成深溝渠209。為了使工件200圖案化以形成深溝渠209，在背側200B上方形成硬罩幕208，其中暴露基底202。在一些實施例中，硬罩幕208可為單層或多層，且可使用化學氣相沉積（chemical vapor deposition；CVD）沉積。在一個實施例中，硬罩幕208可包含氮化矽層及氮化矽層上方的氧化矽層。接著執行微影製程及蝕刻製程以圖案化硬罩幕208。舉例而言，光阻層（未繪示）形成於硬罩幕上方，暴露於合適的微影輻射源且經顯影以形成經圖案化的光阻層。接著使用經圖案化的光阻層作為蝕刻罩幕以圖案化硬罩幕208。接著使用經圖案化的硬遮罩208作為蝕刻罩幕來非等向性蝕刻基底202，藉此形成深溝渠209。如圖4中所繪示，可形成超過一個深溝渠209。非等向性蝕刻可為實施六氟化硫（SF 6）、四氟化碳(CF 4）、三氟化氮（NF 3）、其他含氟氣體、氧氣（O 2）或其混合物的乾式蝕刻製程。深溝渠209可部分或完全地延伸穿過基底202。
當執行區塊104處的操作時，深溝渠209自工件200的背側200B延伸至基底202中。當不執行區塊104處的操作時，深溝渠209自工件200的前側200F延伸至基底202中。在圖4中所示出的一些實施例中，深溝渠209部分延伸穿過基底202且部分延伸至STI特徵206中。在圖15中所繪示的一些實施例中，深溝渠209（現填充有其他結構，諸如金屬深溝渠隔離特徵216）部分延伸穿過基底202，但並未到達STI特徵206。在圖16中所繪示的一些實施例中，深溝渠209（現填充有其他結構，諸如金屬深溝渠隔離特徵216）完全延伸穿過基底202及STI特徵206。在圖17中所繪示的一些實施例中，深溝渠209（現填充有其他結構，諸如金屬深溝渠隔離特徵216）自前側200F完全延伸穿過STI特徵206，但部分穿過基底202。在圖18中所繪示的一些實施例中，深溝渠209（現填充有其他結構，諸如金屬深溝渠隔離特徵216）自前側200F完全延伸穿過STI特徵206及基底202。
參考圖1及圖5，方法100包含區塊108，其中在背側200B上方（包含深溝渠209上方）沉積介電層214。如圖5中所繪示，介電層214可為多層且包含第一介電層210、第一介電層210上方的第二介電層211以及第二介電層211上方的第三介電層212。第一介電層210可包含氧化鋁、氧化鉿、氧化鈦、鈦酸鋇、氧化鋯、氧化鑭、氧化鋇、氧化鍶、氧化釔或其組合，且厚度在2奈米與約20奈米之間。第二介電層211可包含金屬氧化物，諸如氧化鉭（Ta 2O 5）、氧化鈦、氧化鋯或其組合，且厚度在40奈米與約60奈米之間。第三介電層212可包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、碳化矽或其組合，且厚度在約5奈米與約50奈米之間。在一些實施中，可共形地沉積介電層214中的每一層以使得其中的每一者可內襯深溝渠209的底部表面及側壁。舉例而言，可使用原子層沉積（atomic layer deposition；ALD）或化學氣相沉積（CVD）來沉積介電層214中的每一層。應注意，介電層214並未完全填充深溝渠209。
參考圖1及圖6，方法100包含區塊110，其中在深溝渠209中形成金屬深溝渠隔離（DTI）特徵216。在區塊110處，在工件200上方沉積金屬，包含在深溝渠209（圖5中所繪示）上方沉積金屬且將金屬沉積至所述深溝渠209中。可使用物理氣相沉積（physical vapor deposition；PVD）或化學氣相沉積（CVD）執行沉積。在沉積金屬之後，執行化學機械研磨（chemical mechanical polishing；CMP）製程以移除第三介電層212上方的多餘金屬材料，藉此形成金屬DTI特徵216。金屬DTI特徵216可由鋁（Al）、鎢（W）、釕（Ru）、鈷(Co)或銅（Cu）形成。在一個實施例中，金屬DTI特徵216由鋁（Al）形成。當金屬DTI特徵216由高度光學反射金屬（諸如鋁（Al））形成時，金屬DTI特徵216可充當反射器以將光朝向光偵測器240反射，從而提高量子效率（QE）。換言之，在入射光消散、吸收或離開之前，金屬DTI特徵216可允許入射光在光偵測器240中來回反射。如圖6中所示出，金屬DTI特徵216藉由介電層214與基底202間隔開，所述介電層214包含第一介電層210、第二介電層211以及第三介電層212。仍參考圖6。在CMP製程之後，基底202的鄰近背側200B的表面仍然由介電層214覆蓋。
參考圖1及圖7，方法100包含區塊112，其中在背側200B上方沉積頂部介電層218。在形成金屬DTI特徵216之後，方法100在金屬DTI特徵216及第三介電層212上方沉積頂部介電層218。在一些實施例中，頂部介電層218可為氧化矽層且可使用CVD沉積。在一些情況下，頂部介電層218可具有在約30奈米與約50奈米之間的厚度。頂部介電層218的組成可與第一ILD層205類似。
參考圖1及圖8，方法100包含區塊114，其中在頂部介電層218中形成出入開口220以暴露金屬DTI特徵216。為了形成出入開口220，可在頂部介電層218上方形成硬罩幕（未繪示）。類似於硬罩幕208，區塊114中的硬罩幕可為單層或多層，且可使用化學氣相沉積（CVD）沉積。接著執行微影製程及蝕刻製程以圖案化硬罩幕。舉例而言，光阻層（未繪示）形成於硬罩幕上方，暴露於合適的微影輻射源且經顯影以形成經圖案化的光阻層。接著使用經圖案化的光阻層作為蝕刻罩幕以圖案化頂部介電層218上方的硬罩幕。接著使用經圖案化的硬罩幕作為蝕刻罩幕來非等向性蝕刻頂部介電層，藉此形成出入開口220。如圖8中所繪示，形成超過一個出入開口220，且出入開口220中的每一者直接安置於金屬DTI特徵216上方，藉此暴露所述金屬DTI特徵216。非等向性蝕刻可為實施六氟化硫（SF 6）、四氟化碳(CF 4）、三氟化氮（NF 3）、其他含氟氣體、氧氣（O 2）或其混合物的乾式蝕刻製程。
參考圖1及圖9，方法100包含區塊116，其中在背側200B上方（包含出入開口220中）形成金屬柵222。顧名思義，金屬柵222為在若干（若非全部）出入開口220上方延伸的柵狀結構或構架。簡要地參考圖12，其示出自工件200的背側200B看，金屬柵222的局部俯視圖。自俯視圖看，金屬柵222與金屬柵222正下方的金屬DTI特徵216一起界定且隔離光偵測器240。如圖12中所繪示，金屬柵222界定光偵測器240的開口，且所有開口具有相同形狀及尺寸。在一些實施例中，金屬柵222可包含鋁（Al）、鎢（W）、釕（Ru）、鈷(Co)或銅（Cu）。在一個實施例中，金屬柵222由鋁（Al）形成。根據本揭露，金屬柵222可具備兩個功能。第一，金屬柵222可實體地阻擋鄰近光偵測器240之間的光反射且防止相鄰光偵測器240之間的串擾。第二，如下文將進一步描述，金屬柵222可充當最終施加至金屬DTI特徵216的負偏壓的配電網。在這些實施例中，金屬柵222與金屬DTI特徵216直接接觸以便施加負偏壓。施加於金屬DTI特徵216處的負偏壓在相鄰光偵測器240之間提供額外電隔離。
參考圖1及圖10，方法100包含區塊118，其中在工件200的背側200B上方形成彩色濾光片224。彩色濾光片224可由包含著色劑的聚合材料或樹脂形成。在區塊118處，接著在金屬柵222上方形成多個彩色濾光片224以填充金屬柵222中的開口。在一些實施例中，可藉由形成彩色濾光片層以填充金屬柵中的開口且接著圖案化彩色濾光片層來形成多個彩色濾光片224。彩色濾光片層由允許傳輸具有特定範圍的波長的輻射（例如，光）同時阻擋在規定範圍之外的波長的光的材料形成。
參考圖1及圖11，方法100包含區塊120，其中在彩色濾光片224上方沉積平坦化層226。在一些實施例中，平坦化層226可包含對可見光具有高透射率的有機材料或聚合材料。此允許光在極少失真的情況下穿過平坦化層226，使得其可由光偵測器240偵測。平坦化層226可藉由提供均一且均勻的層的旋轉塗佈法形成。
參考圖1及圖11，方法100包含區塊122，其中在平坦化層226上方形成微透鏡特徵228。微透鏡特徵228可由可經圖案化且形成為透鏡的任何材料（諸如高透射率丙烯酸聚合物）形成。在一實施例中，可使用液態材料及旋轉塗佈技術來形成微透鏡層。已發現此方法產生實質上平坦的表面及具有實質上均勻厚度的微透鏡層，藉此在微透鏡特徵228中提供更高的均勻性。亦可使用其他方法，諸如CVD、PVD或類似者。可使用微影及蝕刻技術使微透鏡層的平面材料圖案化以圖案化與光二極體240的陣列相對應的陣列中的平面材料。可接著回焊平面材料以形成微透鏡特徵228的適當彎曲表面。可使用紫外線（UV）處理來固化微透鏡特徵228。
儘管結合圖1及圖11中所繪示的工件200的局部橫截面圖來描述方法100，但方法100可用於形成圖13至圖18中所繪示的替代性半導體結構或影像感測器。
圖13示出影像感測器200，其包含被配置為負偏壓的金屬DTI特徵216。儘管圖13中的影像感測器200與圖11中的影像感測器200類似，但影像感測器200進一步包含電耦接至金屬柵222的負偏壓源250。因為金屬柵222與金屬DTI特徵216直接接觸，所以負偏壓源250可在金屬DTI特徵216處施加負偏壓。如圖13中所繪示，當施加負偏壓時，正電荷或電洞252可吸引至金屬DTI特徵216。經吸引的正電荷或電洞252可在鄰近光二極體240之間提供額外電隔離。
圖14示出影像感測器200，其中省略金屬柵222的一部分以增加入射光的孔徑。儘管圖14中的影像感測器200與圖11中的影像感測器200類似，但金屬柵222並不著陸於每一金屬DTI特徵216上。在一些實施例中，金屬柵222沿著X方向及/或沿著Y方向僅著陸於每一另一金屬DTI特徵216上。金屬柵222在用於防止串擾的同時可減小影像感測器200的總孔徑，使得少量光穿透至光二極體240中。藉由移除金屬柵222的一部分，圖14中的影像感測器200可具有比圖11中的影像感測器更大的總孔徑。與圖13中的影像感測器200類似，圖14中的影像感測器200可包含被配置成在金屬DTI特徵216處施加負偏壓的負偏壓源250。
圖15示出影像感測器200，其中金屬DTI特徵216並不到達STI特徵206。儘管圖15中的影像感測器200與圖11中的影像感測器200類似，但金屬DTI特徵216（或金屬DTI特徵216位於其中的深溝渠209）未達到與前側200F相鄰的STI特徵206。此配置可稱為部分隔離結構，因為金屬DTI特徵216並不使兩個相鄰光二極體240完全隔離。當基底202為厚的且金屬DTI特徵216可由於蝕刻或沉積製程的限制而不能令人滿意地形成時，可實施此部分隔離結構。與圖13中的影像感測器200類似，圖15中的影像感測器200可包含被配置成在金屬DTI特徵216處施加負偏壓的負偏壓源250。
圖16示出影像感測器200，其中金屬DTI特徵216自背側200B延伸且穿過鄰近前側200F的STI特徵206。儘管圖16中的影像感測器200與圖11中的影像感測器200類似，但金屬DTI特徵216（或金屬DTI特徵216位於其中的深溝渠209）完全延伸穿過基底202及STI特徵206。此配置可稱為完全隔離結構，因為金屬DTI特徵216沿著X方向使兩個相鄰光二極體240完全隔離。可實施此完全隔離結構以最大化鄰近光二極體240之間的隔離。與圖13中的影像感測器200類似，圖16中的影像感測器200可包含被配置成在金屬DTI特徵216處施加負偏壓的負偏壓源250。
圖11及圖13至圖16中所示出的金屬DTI特徵216自工件200的背側200B延伸至基底202中且可稱為背側DTI。與圖11及圖13至圖16中的影像感測器200不同，圖17或圖18中的影像感測器200包含自前側200F延伸至基底202中的金屬DTI特徵216。由此，圖17及圖18中所示出的金屬DTI特徵216可稱為前側DTI。如上文所描述，當未在區塊106之前執行方法100的視情況選用的區塊104時，深溝渠可自工件200的前側200F形成。在圖17或圖18中所表示的一些實施例中，深溝渠或金屬DTI特徵216延伸穿過第一ILD層205、STI特徵206以及基底202。在圖17中所表示的一些實施中，金屬DTI特徵216並未完全延伸穿過基底202且可在基底202中終止。在圖18中所表示的一些其他實施中，金屬DTI特徵216完全延伸穿過基底202。
首先參考圖17。與圖11中的影像感測器200不同，圖17中的介電層214沉積於前側200F上方。由此，第一介電層210與基底202、STI特徵206以及第一ILD層205直接接觸。第二介電層211安置於第一介電層210與金屬DTI特徵216之間，且第三介電層212安置於第二介電層211與金屬DTI特徵216之間。歸因於工件200的定向，圖17中的影像感測器200包含底部介電層2180。底部介電層2180的組成及形成製程可與頂部介電層218的組成及形成製程類似。金屬DTI特徵216中的每一者現安置於前部接觸特徵2220上，所述前部接觸特徵2220延伸穿過底部介電層2180以與金屬DTI特徵216直接接觸。在影像感測器200包含負偏壓源250的實施例中，負偏壓源250經由前部接觸特徵2220而非圖11及圖13至圖16中所繪示的金屬柵222將負偏壓施加至金屬DTI特徵。與形成圖12中所繪示的棋盤類構架的金屬柵222不同，前部接觸特徵2220相似於內連線結構中的接觸特徵且並不形成柵。代替金屬柵222，圖17中的影像感測器200可包含複合柵270，所述複合柵270包含嵌入於低折射率（低n）層272中的導電柵274。在一些情況下，低折射率（低n）層272可由多孔氧化矽材料形成，且導電柵274可由金屬（諸如鋁）形成。與圖11及圖13至圖16中所繪示的金屬柵222不同，導電柵274與金屬DTI特徵216隔離。如圖17中所繪示，導電柵274藉由基底202及介電層214與金屬DTI特徵216間隔開。因為金屬DTI特徵216並未完全延伸穿過基底202，所以影像感測器200包含部分隔離結構。第二ILD層260可形成於底部介電層2180及前部接觸特徵2220上方。就組成及形成製程而言，第二ILD層260可與第一ILD層205類似。
接著參考圖18。與圖17中的影像感測器200不同，金屬DTI特徵216上方的介電層214與複合柵270接觸。亦即，圖18中的影像感測器200包含完全隔離結構，其中金屬DTI特徵216以及介電層214使相鄰光二極體240完全隔離。類似於圖17中的影像感測器200，第一介電層210與基底202、STI特徵206以及第一ILD層205直接接觸。第二介電層211安置於第一介電層210與金屬DTI特徵216之間，且第三介電層212安置於第二介電層211與金屬DTI特徵216之間。歸因於工件200的定向，圖17中的影像感測器200包含底部介電層2180。底部介電層2180的組成及形成製程可與頂部介電層218的組成及形成製程類似。金屬DTI特徵216中的每一者現安置於接觸特徵2220上，所述接觸特徵2220延伸穿過底部介電層2180以與金屬DTI特徵216直接接觸。在影像感測器200包含負偏壓源250的實施例中，負偏壓源250經由接觸特徵2220而非圖11及圖13至圖16中所繪示的金屬柵222將負偏壓施加至金屬DTI特徵。與形成圖12中所繪示的棋盤類構架的金屬柵222不同，接觸特徵2220相似於內連線結構中的接觸特徵且並不形成柵。代替金屬柵222，圖18中的影像感測器200可包含複合柵270，所述複合柵270包含嵌入於低折射率（低n）層272中的導電柵274。在一些情況下，低折射率（低n）層272可由多孔氧化矽材料形成，且導電柵274可由金屬（諸如鋁）形成。與圖11及圖13至圖16中所繪示的金屬柵222不同，導電柵274與金屬DTI特徵216隔離。如圖18中所繪示，導電柵274藉由介電層214與金屬DTI特徵216間隔開，所述介電層214包含第一介電層210、第二介電層211以及第三介電層212。第二ILD層260可形成於底部介電層2180及前部接觸特徵2220上方。就組成及形成製程而言，第二ILD層260可與第一ILD層205類似。
本揭露的金屬DTI特徵216為錐形。如圖11及圖13至圖16中所繪示，背側金屬DTI特徵216具有與金屬柵222接觸的背側表面及遠離金屬柵222的前側表面。對於背側金屬DTI特徵216，背側表面大於前側表面。在圖11及圖13至圖16中，背側表面包含沿著X方向的第一背側寬度WB1，且前側表面包含沿著X方向的第一前側寬度WF1。第一背側寬度WB1大於第一前側寬度WF1。亦即，圖11及圖13至圖16中的金屬DTI特徵216自背側表面朝向前側表面逐漸變窄。在一些實例中，第一背側寬度WB1可在約10奈米與約5000奈米之間，且第一前側WF1可在約15奈米與約6000奈米之間。如圖17及圖18中所繪示，前側金屬DTI特徵216具有與接觸特徵2220接觸的前側表面及遠離接觸特徵2220的背側表面。對於前側金屬DTI特徵216，前側表面大於背側表面。在圖17及圖18中，背側表面包含沿著X方向的第二背側寬度WB2，且前側表面包含沿著X方向的第二前側寬度WF2。第二前側寬度WF2大於第二背側寬度WB2。亦即，圖17及圖18中的金屬DTI特徵216自前側表面朝向背側表面逐漸變窄。在一些實例中，第二背側寬度WB2可在約10奈米與約5000奈米之間，且第二前側WF2可在約15奈米與約6000奈米之間。
本揭露的實施例提供益處。舉例而言，本揭露提供在感測器基底中包含光二極體的影像感測器。光二極體由金屬DTI特徵分離，所述金屬DTI特徵可部分或完全地延伸穿過一定厚度的感測器基底。金屬DTI特徵可自感測器基底的前側或感測器基底的背側形成。顧名思義，金屬DTI特徵由金屬形成且可充當反射器以改良影像感測器的量子效率（QE）。另外，金屬DTI特徵可電耦接至被配置成在金屬DTI特徵處施加負偏壓的金屬柵或接觸特徵。負偏壓可改良鄰近光二極體之間的電隔離。因為金屬DTI特徵在形成電晶體之後形成，所以形成金屬DTI特徵的製程可易於與不同技術代的製程整合。
因此，在一些實施例中，本揭露提供一種半導體結構。半導體結構包含：半導體層；多個金屬隔離特徵，安置於半導體層中；金屬柵，直接安置於多個金屬隔離特徵上方且與其接觸；以及多個微透鏡特徵，安置於金屬柵上方。
在一些實施例中，多個金屬隔離特徵部分地延伸至半導體層中。在一些實施例中，多個金屬隔離特徵完全地延伸穿過半導體層。在一些實施中，多個金屬隔離特徵及金屬柵包含鋁。在一些實施中，多個金屬隔離特徵安置於多個介電隔離特徵上方，所述多個介電隔離特徵安置於半導體層中。在一些實例中，多個金屬隔離特徵至少部分地延伸穿過安置於半導體層中的多個介電隔離特徵。在一些實施例中，半導體結構可更包含：第一介電層，安置於半導體層與多個金屬隔離特徵之間；第二介電層，安置於第一介電層與多個金屬隔離特徵之間；以及第三介電層，安置於第二介電層與多個金屬隔離特徵之間。第一介電層的組成與第二介電層的組成及第三介電層的組成不同。在一些實施例中，第一介電層包含氧化鋁、氧化鉿或其組合，第二介電層包含氧化鉭，且第三介電層包含氧化矽。在一些實施例中，半導體裝置可更包含安置於多個金屬隔離特徵及第三介電層上方的頂部介電層，且金屬柵延伸穿過頂部介電層以與多個金屬隔離特徵接觸。在一些實施中，半導體裝置可更包含安置於半導體層與多個微透鏡特徵之間的彩色濾光片以及安置於彩色濾光片與多個微透鏡特徵之間的平坦化層。
本揭露的另一態樣涉及一種影像感測器。影像感測器包含：第一深溝渠隔離（DTI）特徵及第二DTI特徵；光偵測器，安置於第一DTI特徵與第二DTI特徵之間；以及金屬柵，安置於第一DTI特徵及第二DTI特徵上且與其直接接觸。第一DTI特徵、第二DTI特徵以及金屬柵包含鋁。
在一些實施例中，影像感測器可更包含電耦接金屬柵的偏壓源，且偏壓源及金屬柵被配置成將負偏壓施加至第一DTI特徵及第二DTI特徵。在一些實施例中，影像感測器可更包含半導體層。第一DTI特徵及第二DTI特徵部分地延伸至半導體層中，且半導體層包含在約1.5微米與約50微米之間的厚度。在一些實施中，影像感測器可更包含半導體層。第一DTI特徵及第二DTI特徵完全地延伸至半導體層中，且半導體層包含在約1.5微米與約50微米之間的厚度。在一些實例中，影像感測器可更包含第一淺溝渠隔離（STI）特徵、第二STI特徵以及電晶體，所述電晶體安置於光偵測器下方及第一STI特徵與第二STI特徵之間。第一DTI特徵位於第一STI特徵正上方，且第二DTI特徵位於第二STI特徵正上方。
本揭露的又另一態樣涉及一種方法。方法包含：接收基底，所述基底具有鄰近基底的前側的多個電晶體；自基底的背側形成多個深溝渠；在形成多個深溝渠之後，在基底的背側上方沉積第一介電層；在沉積第一介電層之後，在多個深溝渠中形成多個金屬隔離特徵；在多個金屬隔離特徵上方形成頂部介電層；形成多個金屬柵開口以暴露多個金屬隔離特徵；以及在多個金屬柵開口中形成金屬柵。
在一些實施例中，基底包含矽，且基底包含在約1.5微米與約50微米之間的厚度。在一些實施中，形成多個深溝渠包含在基底的背側上方沉積鋁。在一些實例中，方法可更包含在形成多個金屬隔離特徵之前，在第一介電層上方沉積第二介電層及在第二介電層上方沉積第三介電層。在一些實施中，第一介電層包含氧化鋁、氧化鉿或其組合，第二介電層包含氧化鉭，且第三介電層包含氧化矽。
前述具有若干實施例的概述特徵以使得所屬領域中具有通常知識者可更佳地理解隨後的詳細描述。所屬領域中具有通常知識者應瞭解，其可易於使用本揭露作為用於設計或修改用於進行本文中所引入的實施例的相同目的及/或實現相同優點的其他製程及結構的基礎。所屬領域中具有通常知識者亦應認識到，此類等效構造並不脫離本揭露的精神及範疇，且所屬領域中具有通常知識者可在不脫離本揭露的精神及範疇的情況下在本文中作出各種改變、替代以及更改。舉例而言，藉由實施位元線導體及字元線導體的不同厚度，吾人可實現導體的不同電阻。然而，亦可充分利用其他技術來改變金屬導體的電阻。
100:方法 102、104、106、108、110、112、114、116、118、120、122:區塊 200:工件/半導體裝置/影像感測器 200B:背側 200F:前側 202:基底 204:電晶體 205:第一層間介電層 206:隔離特徵/淺溝渠隔離特徵 208:硬罩幕 209:深溝渠 210:第一介電層 211:第二介電層 212:第三介電層 214:介電層 216:金屬深溝渠隔離特徵 218:頂部介電層 220:出入開口 222:金屬柵 224:彩色濾光片 226:平坦化層 228:微透鏡特徵 240:影像感測裝置/光偵測器/光二極體 250:負偏壓源 252:正電荷或電洞 260:第二ILD層 270:複合柵 272:低折射率層 274:導電柵 2040:主動區 2180:底部介電層 2220:前部接觸特徵 T:厚度 WB1:第一背側寬度 WB2:第二背側寬度 WF1:第一前側寬度 WF2:第二前側寬度 X、Y、Z:方向
當結合隨附圖式閱讀時，根據以下詳細描述最佳地理解本揭露的態樣。應強調，根據業界中的標準慣例，各種特徵未按比例繪製。事實上，出於論述清楚的目的，可任意地增大或減小各種特徵的尺寸。亦應強調，隨附圖式僅示出本發明的典型實施例，且因此不應視為限制本發明的範疇，此是因為本發明可同樣充分應用於其他實施例。 圖1為示出根據本揭露的各種態樣的製造影像感測器裝置的方法的流程圖。 圖2至圖11示出根據本揭露的各種態樣的經受根據圖1的方法的各個製造階段的工件的圖解局部橫截面圖。 圖12示出根據本揭露的各種態樣的金屬柵的局部俯視圖。 圖13至圖18示出根據本揭露的各種態樣的影像感測器裝置的替代實施例。
200:工件/半導體裝置/影像感測器
200B:背側
200F:前側
202:基底
204:電晶體
205:第一層間介電層
206:隔離特徵/淺溝渠隔離特徵
210:第一介電層
211:第二介電層
212:第三介電層
214:介電層
216:金屬深溝渠隔離特徵
218:頂部介電層
222:金屬柵
224:彩色濾光片
226:平坦化層
228:微透鏡特徵
240:影像感測裝置/光偵測器/光二極體
WB1:第一背側寬度
WF1:第一前側寬度
X、Y、Z:方向

Claims (20)

  1. 一種半導體裝置，包括： 半導體層； 多個金屬隔離特徵，安置於所述半導體層中； 金屬柵，直接安置於所述多個金屬隔離特徵上方且與其接觸；以及 多個微透鏡特徵，安置於所述金屬柵上方。
  2. 如請求項1所述的半導體裝置，其中所述多個金屬隔離特徵部分地延伸至所述半導體層中。
  3. 如請求項1所述的半導體裝置，其中所述多個金屬隔離特徵完全地延伸穿過所述半導體層。
  4. 如請求項1所述的半導體裝置，其中所述多個金屬隔離特徵及所述金屬柵包括鋁。
  5. 如請求項1所述的半導體裝置，其中所述多個金屬隔離特徵安置於多個介電隔離特徵上方，所述多個介電隔離特徵安置於所述半導體層中。
  6. 如請求項1所述的半導體裝置，其中所述多個金屬隔離特徵至少部分地延伸穿過安置於所述半導體層中的多個介電隔離特徵。
  7. 如請求項1所述的半導體裝置，更包括： 第一介電層，安置於所述半導體層與所述多個金屬隔離特徵之間； 第二介電層，安置於所述第一介電層與所述多個金屬隔離特徵之間；以及 第三介電層，安置於所述第二介電層與所述多個金屬隔離特徵之間， 其中所述第一介電層的組成與所述第二介電層的組成及所述第三介電層的組成不同。
  8. 如請求項7所述的半導體裝置， 其中所述第一介電層包括氧化鋁、氧化鉿或其組合， 其中所述第二介電層包括氧化鉭， 其中所述第三介電層包括氧化矽。
  9. 如請求項7所述的半導體裝置，更包括： 頂部介電層，安置於所述多個金屬隔離特徵及所述第三介電層上方， 其中所述金屬柵延伸穿過所述頂部介電層以與所述多個金屬隔離特徵接觸。
  10. 如請求項7所述的半導體裝置，更包括： 彩色濾光片，安置於所述半導體層與所述多個微透鏡特徵之間；以及 平坦化層，安置於所述彩色濾光片與所述多個微透鏡特徵之間。
  11. 一種影像感測器，包括： 第一深溝渠隔離（DTI）特徵及第二DTI特徵； 光偵測器，安置於所述第一DTI特徵與所述第二DTI特徵之間；以及 金屬柵，安置於所述第一DTI特徵及所述第二DTI特徵上且與其直接接觸， 其中所述第一DTI特徵、所述第二DTI特徵以及所述金屬柵包括鋁。
  12. 如請求項11所述的影像感測器，更包括： 偏壓源，電耦接所述金屬柵， 其中所述偏壓源及所述金屬柵被配置成將負偏壓施加至所述第一DTI特徵及所述第二DTI特徵。
  13. 如請求項11所述的影像感測器，更包括： 半導體層， 其中所述第一DTI特徵及所述第二DTI特徵部分地延伸至所述半導體層中， 其中所述半導體層包括在約1.5微米與約50微米之間的厚度。
  14. 如請求項11所述的影像感測器，更包括： 半導體層， 其中所述第一DTI特徵及所述第二DTI特徵完全地延伸至所述半導體層中， 其中所述半導體層包括在約1.5微米與約50微米之間的厚度。
  15. 如請求項11所述的影像感測器，更包括： 第一淺溝渠隔離（STI）特徵； 第二STI特徵；以及 電晶體，安置於所述光偵測器下方及所述第一STI特徵與所述第二STI特徵之間， 其中所述第一DTI特徵在所述第一STI特徵正上方，且所述第二DTI特徵在所述第二STI特徵正上方。
  16. 一種方法，包括： 接收基底，所述基底包括鄰近所述基底的前側的多個電晶體； 自所述基底的背側形成多個深溝渠； 在形成所述多個深溝渠之後，在所述基底的所述背側上方沉積第一介電層； 在沉積所述第一介電層之後，在所述多個深溝渠中形成多個金屬隔離特徵； 在所述多個金屬隔離特徵上方形成頂部介電層； 形成多個金屬柵開口以暴露所述多個金屬隔離特徵；以及 在所述多個金屬柵開口中形成金屬柵。
  17. 如請求項16所述的方法， 其中所述基底包括矽， 其中所述基底包括在約1.5微米與約50微米之間的厚度。
  18. 如請求項16所述的方法，其中形成所述多個深溝渠包括在所述基底的所述背側上方沉積鋁。
  19. 如請求項16所述的方法，更包括： 在形成所述多個金屬隔離特徵之前，在所述第一介電層上方沉積第二介電層；以及 在所述第二介電層上方沉積第三介電層。
  20. 如請求項19所述的方法， 其中所述第一介電層包括氧化鋁、氧化鉿或其組合， 其中所述第二介電層包括氧化鉭， 其中所述第三介電層包括氧化矽。
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