TW202312473A - 影像感測器 - Google Patents

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朴燦鎬
邊炅來
李昌圭
張鍾光
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Abstract

本發明提供一種影像感測器，包含：半導體基底，包含多個像素區；抗反射層，位於半導體基底上；彩色濾光片，設置於抗反射層上及像素區中；以及柵欄結構，安置於彩色濾光片中的鄰近者之間，其中柵欄結構包含：下部部分，穿透抗反射層；上部部分，位於抗反射層上；以及中間部分，位於下部部分與上部部分之間，其中柵欄結構具有底切區，所述底切區設置於中間部分的兩側處且位於柵欄結構的上部部分與抗反射層的頂部表面之間。

Description

影像感測器及其製造方法
[相關申請案的交叉參考]
本美國非臨時專利申請案根據35 U.S.C. §119主張2021年9月2日在韓國智慧財產局申請的韓國專利申請案第10-2021-0116977號的優先權，所述韓國專利申請案的揭露內容以全文引用的方式併入本文中。
本揭露是關於一種影像感測器及其製造方法，且特定而言，是關於一種具有改良的電特性的影像感測器及其製造方法。
影像感測器為將光信號轉換成電信號的裝置。舉例而言，影像感測器為偵測及傳送用於形成影像的資訊的感測器。目前，在諸如數位攝影機、攝錄影機、個人通信系統、遊戲機、安全攝影機、用於醫療應用的微攝影機及/或機器人的多種應用中存在對高效能影像感測器的逐漸增加的需求。
兩種主要類型的電子影像感測器為電荷耦合裝置（charge-coupled device；CCD）及互補金屬氧化物半導體（complementary metal-oxide semiconductor；CMOS）影像感測器。CCD及CMOS感測器均基於MOS技術，其中CCD基於MOS電容器，且CMOS感測器基於MOS場效電晶體（MOS field-effect transistor；MOSFET）放大器。CMOS影像感測器可以簡化方式操作，且由於CMOS影像感測器的信號處理電路可整合於單一晶片上，因此有可能減小其大小。另外，由於CMOS影像感測器可消耗低量功率，因此其可容易地應用於具有有限電池容量的電子裝置。此外，由於CMOS影像感測器可使用現有CMOS製造技術製造，因此有可能減少其製造成本。此外，由於CMOS影像感測器可以高解析度製造，因此其使用快速增加。
本發明概念的實施例提供一種具有改良的電特性的影像感測器及其製造方法。
根據本發明概念的實施例，一種影像感測器包含：半導體基底，包含多個像素區；抗反射層，位於所述半導體基底上；彩色濾光片，設置於所述抗反射層上及所述像素區中；以及柵欄結構，安置於所述彩色濾光片中的鄰近者之間，其中所述柵欄結構包含：下部部分，穿透所述抗反射層；上部部分，位於所述抗反射層上；以及中間部分，位於所述下部部分與所述上部部分之間，其中所述柵欄結構具有底切區，所述底切區設置於所述中間部分的兩側處且位於所述柵欄結構的所述上部部分與所述抗反射層的頂部表面之間。
根據本發明概念的實施例，一種影像感測器包含：半導體基底，包含多個像素區；抗反射層，位於所述半導體基底上；彩色濾光片，設置於所述抗反射層上及所述像素區中；以及柵欄結構，安置於所述彩色濾光片中的鄰近者之間，所述柵欄結構包含氣隙，其中所述柵欄結構包含：第一柵欄圖案，設置於所述抗反射層中以界定所述氣隙的下部區；障壁圖案，設置於所述抗反射層的頂部表面上以覆蓋所述第一柵欄圖案的相對側表面的部分；以及第二柵欄圖案，設置於所述第一柵欄圖案及所述障壁圖案上以界定所述氣隙的上部區，其中所述障壁圖案設置於底切區中。
根據本發明概念的實施例，一種影像感測器包含：半導體基底，具有彼此相對的第一表面及第二表面且具有第一導電性類型，所述半導體基底包含光接收區、光阻擋區以及襯墊區；像素隔離結構，設置於所述光接收區及所述光阻擋區中以界定多個像素區；光電轉換區，設置於所述像素區中；多個微透鏡，安置於所述半導體基底的所述第二表面上且設置於所述像素區中；彩色濾光片，安置於所述微透鏡與所述半導體基底的所述第二表面之間且設置於所述像素區中；抗反射層，安置於所述彩色濾光片與所述半導體基底的所述第二表面之間；以及柵欄結構，安置於所述彩色濾光片中的鄰近者之間，其中所述柵欄結構包含：下部部分，穿透所述抗反射層的一部分；上部部分，在所述抗反射層上方突出；以及中間部分，位於所述下部部分與所述上部部分之間，其中所述柵欄結構具有底切區，所述底切區設置於所述中間部分的兩側處且位於所述柵欄結構的所述上部部分與所述抗反射層的頂部表面之間。
根據本發明概念的實施例，一種製造影像感測器的方法包含：在包含多個像素區的半導體基底上形成抗反射層；在所述抗反射層上依序形成障壁層及第一柵欄層；藉由圖案化所述抗反射層、所述障壁層以及所述第一柵欄層來形成溝渠；形成第二柵欄層以覆蓋所述第一柵欄層的頂部表面及所述溝渠的內部表面；在所述第二柵欄層上形成第三柵欄層，所述第三柵欄層包含所述溝渠上的氣隙；以及藉由圖案化所述第三柵欄層、所述第二柵欄層、所述第一柵欄層以及所述障壁層來形成柵欄結構。
現將參考隨附圖式更充分地描述本發明概念的實例實施例。
圖1為示出根據本發明概念的實施例的影像感測器的方塊圖。
參考圖1，影像感測器可包含主動像素感測器陣列1、列解碼器2、列驅動器3、行解碼器4、時序產生器5、相關雙取樣器（correlated double sampler；CDS）6、類比至數位轉換器（analog-to-digital converter；ADC）7以及輸入/輸出（input/output；I/O）緩衝器8。
主動像素感測器陣列1可包含經二維配置以將光信號轉換成電信號的多個單元像素。主動像素感測器陣列1可由自列驅動器3傳輸的多個驅動信號（諸如，像素選擇信號、重設信號以及電荷傳輸信號）驅動。可將經轉換電信號提供至CDS 6。
列驅動器3可經組態以基於列解碼器2的解碼結果而將用於驅動多個單元像素的驅動信號提供至主動像素感測器陣列1。在單元像素以矩陣形狀（例如，以列及行）配置的情況下，可將驅動信號提供至各別列。
時序產生器5可經組態以將時序信號及控制信號提供至列解碼器2及行解碼器4。
CDS 6可經組態以接收在主動像素感測器陣列1中產生的電信號，且對所接收電信號執行保持及取樣操作。舉例而言，CDS 6可對電信號中的至少一者的特定雜訊位準及信號位準執行雙取樣操作，且可輸出對應於雜訊位準與信號位準之間的差的差位準。
ADC 7可經組態以將對應於自CDS 6輸出的差位準的類比信號轉換成數位信號，且接著將經轉換數位信號輸出至I/O緩衝器8。
I/O緩衝器8可經組態以鎖存數位信號且基於行解碼器4的解碼結果而將經鎖存數位信號依序輸出至影像信號處理單元。
圖2A及圖2B為示出根據本發明概念的實施例的影像感測器的單元像素的電路圖。
參考圖2A，單元像素P可包含多個光電轉換裝置PD1及光電轉換裝置PD2、多個轉移電晶體TX1及轉移電晶體TX2、第一浮動擴散區FD1及第二浮動擴散區FD2以及多個像素電晶體。
在本發明概念的實施例中，單元像素P可包含第一光電轉換裝置PD1及第二光電轉換裝置PD2、第一轉移電晶體TX1及第二轉移電晶體TX2以及共同連接至第一轉移電晶體TX1及第二轉移電晶體TX2的第一浮動擴散區FD1。
像素電晶體可包含重設電晶體RX、源極隨耦器電晶體SF、選擇電晶體SEL以及雙轉換增益電晶體DCX。圖2A示出單元像素P中的各者包含四個像素電晶體的實例，但本發明概念不限於此實例。舉例而言，各單元像素P中的像素電晶體的數目可不同地改變以包含多於或少於四個像素電晶體。
第一光電轉換裝置PD1及第二光電轉換裝置PD2可經組態以回應於入射光而產生電荷且累積地儲存電荷。第一光電轉換裝置PD1及第二光電轉換裝置PD2中的各者可為例如光電二極體、光電晶體、光閘、固定光電二極體（pinned photodiode；PPD）以及其組合。
第一轉移電晶體TX1及第二轉移電晶體TX2可經組態以將儲存於第一光電轉換裝置PD1及第二光電轉換裝置PD2中的電荷轉移至第一浮動擴散區FD1。第一轉移電晶體TX1及第二轉移電晶體TX2可由第一轉移信號TG1及第二轉移信號TG2控制。舉例而言，第一轉移信號TG1及第二轉移信號TG2可分別應用於第一轉移電晶體TX1及第二轉移電晶體TX2的閘極。第一轉移電晶體TX1及第二轉移電晶體TX2可共用第一浮動擴散區FD1。換言之，第一轉移電晶體TX1及第二轉移電晶體TX2可連接至第一浮動擴散區FD1。
第一浮動擴散區FD1可經組態以接收在第一光電轉換裝置PD1或第二光電轉換裝置PD2中產生的電荷，且累積地儲存電荷。源極隨耦器電晶體SF可由儲存於第一浮動擴散區FD1中的光電荷的量控制。
重設電晶體RX可回應於施加至重設電晶體RX的閘極電極的重設信號RG而週期性地重設儲存於第一浮動擴散區FD1及第二浮動擴散區FD2中的電荷。在本發明概念的實施例中，重設電晶體RX可包含連接至雙轉換增益電晶體DCX的汲極端子及連接至像素功率電壓VDD的源極端子。若重設電晶體RX及雙轉換增益電晶體DCX接通，則可將像素功率電壓VDD施加至第一浮動擴散區FD1及第二浮動擴散區FD2。因此，儲存於第一浮動擴散區FD1及第二浮動擴散區FD2中的電荷可經放電，且因此，可重設第一浮動擴散區FD1及第二浮動擴散區FD2。
雙轉換增益電晶體DCX可設置於第一浮動擴散區FD1與第二浮動擴散區FD2之間且連接至第一浮動擴散區FD1及第二浮動擴散區FD2。舉例而言，雙轉換增益電晶體DCX的第一端子可連接至第二浮動擴散區FD2，且雙轉換增益電晶體DCX的第二端子可連接至第一浮動擴散區FD1。雙轉換增益電晶體DCX可經由第二浮動擴散區FD2串聯連接至重置電晶體RX。換言之，雙轉換增益電晶體DCX可設置於第一浮動擴散區FD1與重設電晶體RX之間且連接至第一浮動擴散區FD1及重設電晶體RX。雙轉換增益電晶體DCX可經組態以回應於雙轉換增益控制信號DCG而改變第一浮動擴散區FD1的電容CFD1，且藉此改變單元像素P的轉換增益。
舉例而言，在成像過程期間，不僅低亮度的光而且高亮度的光可入射至像素陣列中，或不僅高強度的光而且低強度的光可入射至像素陣列中。因此，各像素中的轉換增益可取決於入射光而變化。舉例而言，當雙轉換增益電晶體DCX斷開時，單元像素P可具有第一轉換增益，且當雙轉換增益電晶體DCX接通時，單元像素P可具有高於第一轉換增益的第二轉換增益。換言之，取決於雙轉換增益電晶體DCX的操作，第一轉換增益模式（或高亮度模式）中的轉換增益可具有不同於第二轉換增益模式（或低亮度模式）中的轉換增益的值。
當雙轉換增益電晶體DCX斷開時，第一浮動擴散區FD1可具有對應於第一電容CFD1的電容。當雙轉換增益電晶體DCX接通時，第一浮動擴散區FD1可連接至第二浮動擴散區FD2，且第一浮動擴散區FD1及第二浮動擴散區FD2的電容可為第一電容CFD1及第二電容CFD2的總和。換言之，當雙轉換增益電晶體DCX接通時，可增加第一浮動擴散區FD1或第二浮動擴散區FD2的電容以減小轉換增益，且當雙轉換增益電晶體DCX斷開時，可減小第一浮動擴散區FD1的電容以增加轉換增益。
源極隨耦器電晶體SF可為源極隨耦器緩衝器放大器，其經組態以產生與第一浮動擴散區FD1中待輸入至源極隨耦器閘極電極的電荷的量成比例的源極汲極電流。源極隨耦器電晶體SF可放大第一浮動擴散區FD1的電位的變化且可經由選擇電晶體SEL將經放大信號輸出至輸出線Vout。源極隨耦器電晶體SF的源極端子可連接至像素功率電壓VDD，且源極隨耦器電晶體SF的汲極端子可連接至選擇電晶體SEL的源極端子。
選擇電晶體SEL可用於選擇待讀出的單元像素PX的每一列以用於讀取操作。當選擇電晶體SEL藉由施加至選擇電晶體SEL的閘極電極的選擇信號SG接通時，經由源極隨耦器電晶體SF的汲極電極輸出的電信號可輸出至輸出線Vout。
參考圖2B，單元像素P可包含第一光電轉換裝置PD1、第二光電轉換裝置PD2、第三光電轉換裝置PD3以及第四光電轉換裝置PD4、第一轉移電晶體TX1、第二轉移電晶體TX2、第三轉移電晶體TX3以及第四轉移電晶體TX4以及第一浮動擴散區FD1。類似於圖2A的實施例，單元像素P可包含四個像素電晶體（例如，RX、DCX、SF以及SEL）。
第一轉移電晶體TX1、第二轉移電晶體TX2、第三轉移電晶體TX3以及第四轉移電晶體TX4可共用第一浮動擴散區FD1。第一轉移電晶體TX1、第二轉移電晶體TX2、第三轉移電晶體TX3以及第四轉移電晶體TX4的閘極電極可分別由第一轉移信號TG1、第二轉移信號TG2、第三轉移信號TG3以及第四轉移信號TG4控制。
圖3為示出根據本發明概念的實施例的影像感測器的一部分的平面視圖。圖4為沿著圖3的線I-I'截取以示出根據本發明概念的實施例的影像感測器的截面視圖。圖5A為示出圖4的部分『A』的放大截面視圖。圖5B為示出圖5A的部分『B』的放大截面視圖。圖6A至圖6D為放大截面視圖，其中的各者示出根據本發明概念的實施例的影像感測器的一部分（例如，圖4的部分『A』）。
參考圖3及圖4，當以豎直截面視圖查看時，根據本發明概念的實施例的影像感測器可包含光電轉換層10、讀出電路層20以及光學透明層30。
當以豎直截面視圖查看時，光電轉換層10可安置於讀出電路層20與光學透明層30之間。光電轉換層10可包含半導體基底100、像素隔離結構PIS以及光電轉換區PD。光電轉換區PD中的各者可經組態以將自外部入射的光轉換成電信號。
半導體基底100可具有彼此相對的第一或頂部表面100a及第二或底部表面100b。半導體基底100可為包含塊狀矽基底及磊晶層的基底，所述塊狀矽基底及磊晶層依序堆疊且具有第一導電性類型（例如，p型）。在塊狀矽基底在製造影像感測器的製程期間經移除的情況下，半導體基底100可僅由p型磊晶層構成。在本發明概念的實施例中，半導體基底100可為其中形成有第一導電性類型的井的塊狀半導體基底。
在像素區PR中的各者中，裝置隔離層105可鄰近於半導體基底100的第一表面100a而安置。裝置隔離層105可界定半導體基底100中靠近半導體基底100的第一表面100a的主動部分。裝置隔離層105可設置於裝置隔離溝渠中，所述裝置隔離溝渠藉由使半導體基底100的第一表面100a凹陷而形成。裝置隔離層105可由絕緣材料形成或包含絕緣材料。
像素隔離結構PIS可安置於半導體基底100中以界定多個像素區PR。在本發明概念的實施例中，像素區PR可包含不同波長的光子入射至的第一像素區、第二像素區以及第三像素區。第一像素區至第三像素區可配置在第一方向D1及第二方向D2上。
像素隔離結構PIS可自半導體基底100的第一表面100a豎直地延伸至半導體基底100的第二表面100b。像素隔離結構PIS可穿透裝置隔離層105的一部分。
像素隔離結構PIS可包含在第一方向D1上延伸為彼此平行的第一部分P1，及在第二方向D2上延伸為彼此平行且與第一部分P1交叉的第二部分P2。第一部分P1及第二部分P2可形成晶格或矩陣結構。當以平面視圖查看時，可提供像素隔離結構PIS以圍封像素區PR中的各者或光電轉換區PD中的各者。
像素隔離結構PIS可具有在半導體基底100的第一表面100a的水平面處的上部寬度且可具有在半導體基底100的底部表面100b的水平面處的下部寬度。下部寬度可實質上等於或小於上部寬度。在本發明概念的實施例中，像素隔離結構PIS的寬度可在自半導體基底100的第一表面100a朝向半導體基底100的第二表面100b的方向上逐漸減小。在本發明概念的另一實施例中，像素隔離結構PIS的寬度可在自半導體基底100的第二表面100b朝向半導體基底100的第一表面100a的方向上逐漸減小。
像素隔離結構PIS可具有在垂直於半導體基底100的頂部表面的方向上（例如，在第三方向D3上）的長度。像素隔離結構PIS的長度可實質上等於半導體基底100的豎直厚度。像素隔離結構PIS可具有約10:1至約15:1的縱橫比。
像素隔離結構PIS可包含襯裡絕緣圖案111、半導體圖案113以及間隙填充絕緣圖案115。
襯裡絕緣圖案111可設置於半導體圖案113與半導體基底100之間。襯裡絕緣圖案111可與半導體基底100直接接觸。襯裡絕緣圖案111可自半導體基底100的第一表面100a延伸至半導體基底100的第二表面100b。襯裡絕緣圖案111可由具有低於半導體基底100的折射率的材料形成或包含所述材料。舉例而言，襯裡絕緣圖案111可由矽類絕緣材料（例如，氮化矽、氧化矽及/或氮氧化矽）及/或高k介電材料（例如，氧化鉿及/或氧化鋁）中的至少一者形成或包含所述矽類絕緣材料及/或高k介電材料中的至少一者。在本發明概念的實施例中，襯裡絕緣圖案111可包含由不同材料形成的多個層。
半導體圖案113可由結晶半導體材料（例如，多晶矽）中的至少一者形成或包含所述結晶半導體材料中的至少一者。在本發明概念的實施例中，半導體圖案113可更含有具有第一導電性類型或第二導電性類型的摻雜劑。半導體圖案113可由未摻雜多晶矽層、摻雜多晶矽層、空氣或其組合中的至少一者形成或包含未摻雜多晶矽層、摻雜多晶矽層、空氣或其組合中的至少一者。
間隙填充絕緣圖案115可安置於半導體圖案113的頂部表面上，且間隙填充絕緣圖案115的頂部表面可位於與裝置隔離層105的頂部表面實質上相同的水平面處。間隙填充絕緣圖案115的底部表面可位於低於或等於裝置隔離層105的底部表面的水平面的水平面處。
間隙填充絕緣圖案115的底部表面可具有圓形形狀。間隙填充絕緣圖案115可由氧化矽、氮氧化矽或氮化矽中的至少一者形成或包含氧化矽、氮氧化矽或氮化矽中的至少一者。間隙填充絕緣圖案115可與半導體圖案113、讀出電路層20以及襯裡絕緣圖案111接觸。
光電轉換區PD可分別設置於像素區PR中。光電轉換區PD可藉由將具有不同於半導體基底100的第二導電性類型的雜質注入至半導體基底100中來形成。第一導電性類型的半導體基底100及第二導電性類型的光電轉換區PD可形成用作光電二極體的pn接面。光電轉換區PD可產生與入射光之強度成比例的光電荷。
在本發明概念的實施例中，光電轉換區PD中的各者可在鄰近於半導體基底100的第一表面100a及第二表面100b的部分之間具有摻雜濃度差，藉此在半導體基底100的第一表面100a與第二表面100b之間具有不為零的電位梯度。舉例而言，光電轉換區PD可包含豎直地堆疊的多個雜質區。
讀出電路層20可安置於半導體基底100的第一表面100a上。讀出電路層20可包含電連接至光電轉換區PD的像素電晶體（例如，金屬氧化物半導體（metal-oxide-semiconductor；MOS）電晶體）。舉例而言，讀出電路層20可包含先前參考圖2A及圖2B描述的重設電晶體RX、選擇電晶體SEL、雙轉換增益電晶體DCX以及源極隨耦器電晶體SF。
在像素區PR中的各者中，轉移閘極電極TG可安置於半導體基底100的第一表面100a上。當以平面視圖查看時，轉移閘極電極TG可位於各像素區PR的中心部分處。轉移閘極電極TG的一部分可安置於半導體基底100中，且閘極絕緣層可插入於轉移閘極電極TG與半導體基底100之間。閘極絕緣層可由氧化矽、氮氧化矽、具有高於氧化矽的介電常數的高k介電材料或其組合中的至少一者形成或包含氧化矽、氮氧化矽、具有高於氧化矽的介電常數的高k介電材料或其組合中的至少一者。
浮動擴散區FD可設置於半導體基底100的位於轉移閘極電極TG的一側處的一部分中。舉例而言，浮動擴散區FD可位於轉移閘極電極TG與裝置隔離層105之間。浮動擴散區FD可藉由將雜質注入至半導體基底100中而形成，且可具有不同於半導體基底100的導電性類型的導電性類型。舉例而言，浮動擴散區FD可為n型雜質區。
至少一個像素電晶體可設置於像素區PR中的各者中以與轉移閘極電極TG間隔開。設置於各像素區PR中的像素電晶體可為參考圖2A及圖2B描述的重設電晶體RX、源極隨耦器電晶體SF、雙轉換增益電晶體DCX以及選擇電晶體SEL中的一者。像素電晶體可包含設置於半導體基底100的位於像素閘極電極的兩側處的部分中的像素閘極電極及源極/汲極區。
轉移閘極電極TG及像素閘極電極可由例如摻雜多晶矽、金屬材料、導電金屬氮化物、導電金屬矽化物材料、導電金屬氧化物材料或其組合中的至少一者形成或包含例如摻雜多晶矽、金屬材料、導電金屬氮化物、導電金屬矽化物材料、導電金屬氧化物材料或其組合中的至少一者。
層間絕緣層210可設置於半導體基底100的第一表面100a上以覆蓋轉移閘極電極TG及像素閘極電極。
連接至讀出電路的互連結構221及互連結構223可安置於層間絕緣層210中。互連結構221及互連結構223可包含金屬線223及將所述金屬線彼此連接的接觸插塞221。
光學透明層30可安置於半導體基底100的第二表面100b上。光學透明層30可包含固定電荷層300、抗反射層310、柵欄結構320、保護層330、彩色濾光片340、微透鏡350以及鈍化層360。光學透明層30可經組態以執行對自外部入射的光進行聚焦及過濾的操作，且將光提供至光電轉換層10。
固定電荷層300可安置於半導體基底100的第二表面100b上。舉例而言，固定電荷層300可直接接觸半導體基底100的第二表面100b。固定電荷層300可防止由存在於半導體基底100的第二表面100b上的缺陷產生的電荷（例如，電子或電洞）移動至光電轉換區PD中。固定電荷層300可具有單層或多層結構。在本發明概念的實施例中，固定電荷層300可由含有至少一種金屬元素的金屬氧化物或金屬氟化物形成，所述金屬元素由下述者所組成的群族中選出：鉿（Hf）、鋯（Zr）、鋁（Al）、鉭（Ta）、鈦（Ti）、釔（Y）以及鑭（La）。舉例而言，固定電荷層300可由氧化鋁層及/或氧化鉿層形成或包含氧化鋁層及/或氧化鉿層。固定電荷層300的厚度可在約1奈米至約50奈米的範圍內。
抗反射層310可安置於固定電荷層300上。舉例而言，抗反射層310可直接接觸固定電荷層300。抗反射層310可包含依序堆疊的第一絕緣層311、第二絕緣層313以及第三絕緣層315。第一絕緣層311、第二絕緣層313以及第三絕緣層315可由透明絕緣材料中的至少一者形成或包含透明絕緣材料中的至少一者。第一絕緣層311、第二絕緣層313以及第三絕緣層315可具有彼此不同的折射率。第一絕緣層311、第二絕緣層313以及第三絕緣層315的厚度可不同地調整以實現抗反射層310的高透射率。
在本發明概念的實施例中，第一絕緣層311及第三絕緣層315可具有相同折射率，且第二絕緣層313可具有不同於第一絕緣層311及第三絕緣層315的折射率。舉例而言，第一絕緣層311及第三絕緣層315可由金屬氧化物材料中的至少一者形成或包含金屬氧化物材料中的至少一者，且第二絕緣層313可由氧化矽形成或包含氧化矽。
在本發明概念的實施例中，第一絕緣層311可比固定電荷層300厚。第二絕緣層313可比第一絕緣層311厚。第三絕緣層315可比第一絕緣層311及第二絕緣層313薄。舉例而言，第一絕緣層311可具有約600埃至約700埃的厚度。第二絕緣層313可具有約650埃至約750埃的厚度。第三絕緣層315可具有約70埃至約150埃的厚度。
柵欄結構320可安置於抗反射層310上。當以平面視圖查看時，柵欄結構320可具有類似於像素隔離結構PIS的柵格或晶格形狀。當以平面視圖查看時，柵欄結構320可與像素隔離結構PIS重疊。換言之，柵欄結構320可包含在第一方向D1上延伸的第一部分P1及在第二方向D2上延伸以與第一部分P1交叉的第二部分P2。柵欄結構320可在抗反射層310上界定分別對應於像素區PR的開口。換言之，各開口可由柵欄結構320的一對第一部分P1及一對第二部分P2界定。各開口可與像素區PR的光電轉換區PD重疊。
柵欄結構320可位於像素區PR的光電轉換區PD之間及彩色濾光片340中的鄰近者之間。柵欄結構320的最小寬度可實質上等於或小於像素隔離結構PIS的最小寬度。
柵欄結構320可經組態以折射經由微透鏡350傾斜入射的光，且藉此允許光入射至像素區PR中的光電轉換區PD中的對應一者。柵欄結構320的縱橫比可在約2:1至約5:1的範圍內。柵欄結構320的高度可在約4000埃至約7000埃的範圍內。柵欄結構320的寬度可在約50奈米至約150奈米的範圍內。
在本發明概念的實施例中，柵欄結構320的底部表面可位於低於抗反射層310的頂部表面的水平面處，且柵欄結構320的頂部表面可位於高於抗反射層310的頂部表面的水平面處。柵欄結構320可包含設置於其中的氣隙AG。當以平面視圖查看時，氣隙AG可類似於柵欄結構320在第一方向D1及第二方向D2上延伸。
更詳細地，參考圖5A及圖5B，柵欄結構320可設置於彩色濾光片340中的鄰近者之間以穿透抗反射層310的至少一部分。柵欄結構320可與像素隔離結構PIS豎直地重疊。柵欄結構320可包含設置於其中的氣隙AG。氣隙AG的最低點可位於低於抗反射層310的頂部表面的水平面處，且氣隙AG的最高點可位於高於抗反射層310的頂部表面的水平面處。舉例而言，氣隙AG的最低點可鄰近於第一絕緣層311。
柵欄結構320可包含：下部部分，設置於穿透抗反射層310的一部分的溝渠中；上部部分，設置於抗反射層310上；以及中間部分，設置於下部部分與上部部分之間。此處，柵欄結構320可具有位於中間部分的兩側處的底切區UC。舉例而言，柵欄結構320的上部部分可與抗反射層310的頂部表面豎直地間隔開，且因此，可在其間界定底切區UC。
柵欄結構320的氣隙AG可包含：下部間隙區AGa，形成於低於抗反射層310的頂部表面的水平面處；以及上部間隙區AGb，形成於高於抗反射層310的頂部表面的水平面處。
柵欄結構320的下部部分可在其底部表面的水平面處具有第一寬度W1，且可具有隨著與抗反射層310的頂部表面的距離減小而增加的寬度。舉例而言，柵欄結構320的下部部分的寬度可增加為更接近於抗反射層310的頂部表面。換言之，柵欄結構320的下部部分可具有傾斜的側表面。
柵欄結構320的中間部分可具有大於第一寬度W1的第二寬度W2。柵欄結構320的上部部分可具有隨著距抗反射層310的頂部表面的距離增加而逐漸減小的寬度。換言之，柵欄結構320的上部部分的寬度可隨著遠離抗反射層310的頂部表面而減小。柵欄結構320可在上部部分的底部水平面處具有大於第二寬度W2的第三寬度W3，且可在上部部分的頂部水平面處具有小於第三寬度W3的第四寬度W4。
柵欄結構320可包含：障壁圖案322，位於抗反射層310上；第一柵欄圖案324，位於障壁圖案322上；第二柵欄圖案326，覆蓋穿透抗反射層310的一部分的溝渠的內部表面；以及第三柵欄圖案328，位於第二柵欄圖案326上。
障壁圖案322可安置於第一柵欄圖案324的底部表面與抗反射層310（例如，第三絕緣層315）的頂部表面之間。障壁圖案322可置放於第二柵欄圖案326的兩側處，且可具有相對於第一柵欄圖案324及第三柵欄圖案328的側表面橫向凹陷的側表面。障壁圖案322可由金屬材料（例如鈦、鉭或鎢）中的至少一者形成或包含所述金屬材料中的至少一者。
第一柵欄圖案324可與抗反射層310的頂部表面豎直地間隔開以界定第一柵欄圖案324的底部表面與抗反射層310的頂部表面之間的底切區UC。抗反射層310的頂部表面可對應於第三絕緣層315的頂部表面315t。第一柵欄圖案324可部分地覆蓋第二柵欄圖案326的相對側表面。第一柵欄圖案324可接觸第二柵欄圖案326的相對側表面。
第二柵欄圖案326可以均勻厚度覆蓋形成為穿透抗反射層310的一部分的溝渠的內部表面。第二柵欄圖案326可在抗反射層310的頂部表面上方突出，同時具有均勻厚度。第二柵欄圖案326可界定抗反射層310的溝渠中的下部間隙區AGa。
第二柵欄圖案326的一部分可安置於第一柵欄圖案324的頂部表面上。換言之，第二柵欄圖案326的最上部部分可與第一柵欄圖案324的頂部表面重疊。第二柵欄圖案326的底部表面可與第一絕緣層311的頂部表面接觸。替代地，第二柵欄圖案326的底部表面可與固定電荷層300接觸。
第三柵欄圖案328可界定第二柵欄圖案326上的上部間隙區AGb。上部間隙區AGb可連接至下部間隙區AGa。第三柵欄圖案328可具有在向上方向上逐漸減小的寬度。第三柵欄圖案328可具有傾斜的側表面。第三柵欄圖案328的頂部表面（例如，柵欄結構320的頂部表面）可不平坦。舉例而言，第三柵欄圖案328的頂部表面可向下突出。
在本發明概念的實施例中，柵欄結構320的下部部分可包含第二柵欄圖案326的下部部分，柵欄結構320的中間部分可包含第二柵欄圖案326及障壁圖案322的部分，且柵欄結構320的上部部分可包含第一柵欄圖案324、第二柵欄圖案326以及第三柵欄圖案328。
第一柵欄圖案324、第二柵欄圖案326以及第三柵欄圖案328可由相同絕緣材料形成，且在此情況下，第一柵欄圖案324、第二柵欄圖案326以及第三柵欄圖案328之間可能不存在可觀測界面。第一柵欄圖案324、第二柵欄圖案326以及第三柵欄圖案328可由氧化矽、氮化矽及/或氮氧化矽中的至少一者形成或包含氧化矽、氮化矽及/或氮氧化矽中的至少一者。第一柵欄圖案324、第二柵欄圖案326以及第三柵欄圖案328可由氧化矽材料（例如，正矽酸四乙酯（tetraethyl orthosilicate；TEOS））形成或包含所述氧化矽材料。
在圖5A及圖5B的實施例中，柵欄結構320的底切區UC可由第一柵欄圖案324的底部表面324b、抗反射層310（例如，第三絕緣層315）的頂部表面315t以及障壁圖案322的側表面界定。
在本發明概念的實施例中，由於柵欄結構320包含氣隙AG，因此柵欄結構320可較少折射傾斜入射光，且因此有可能增加入射至光電轉換區PD中的光的量。
由於柵欄結構320的氣隙AG的一部分位於抗反射層310的頂部表面下方，因此有可能減少像素區PR中的鄰近者之間的串擾問題。換言之，在光電轉換區PD中的各者中，可增加光接收效率且可改良信雜比（signal-to-noise ratio；SNR）性質。
藉由減小可能存在於柵欄結構320的側表面的一部分上的障壁圖案322的大小，有可能最小化由障壁圖案322引起的敏感度的降低。
在圖6A的實施例中，柵欄結構320的第三柵欄圖案328可覆蓋第二柵欄圖案326的下部間隙區AGa的一部分，且因此，柵欄結構320可包含由第三柵欄圖案328圍封的氣隙AG。換言之，柵欄結構320的整個氣隙AG（例如，設置於抗反射層310的頂部表面下方及上方的下部間隙區AGa及上部間隙區AGb兩者）可由第三柵欄圖案328界定。舉例而言，氣隙AG可由第三柵欄圖案328包圍。
在根據圖6B的實施例的柵欄結構320中，障壁圖案322及第一柵欄圖案324可設置為具有彼此對準的側表面，而沒有底切區UC。在此情況下，柵欄結構320的中間部分可具有最大寬度。
在圖6C的實施例中，可自柵欄結構320省略圖5A的障壁圖案322。換言之，底切區UC可由第二柵欄圖案326的相對側表面、第一柵欄圖案324的底部表面以及抗反射層310（例如，第三絕緣層315）的頂部表面界定。另外，柵欄結構320的底切區UC可不對稱地形成於第二柵欄圖案326的兩側處。
在圖6D的實施例中，底切區UC可不對稱地設置於柵欄結構320的相對側表面上。舉例而言，障壁圖案322可位於第二柵欄圖案326的第一側表面上，且可不位於第二柵欄圖案326的第二側表面上。第二柵欄圖案326的第二側表面可與第二柵欄圖案326的第一側表面相對。因此，底切區UC可包含：第一底切區UCa，由抗反射層310的頂部表面、第一柵欄圖案324中的一者的底部表面以及障壁圖案322的側表面界定；以及第二底切區UCb，由抗反射層310的頂部表面、第一柵欄圖案324中的另一者的底部表面以及第二柵欄圖案326的第二側表面界定。
返回參考圖3及圖4，保護層330可設置於抗反射層310上，從而以實質上均勻的厚度覆蓋柵欄結構320。換言之，保護層330可設置為以實質上均勻的厚度覆蓋柵欄結構320的頂部表面及側表面。保護層330可插入於彩色濾光片340的側表面與柵欄結構320的側表面之間，且可延伸至彩色濾光片340的底部表面與抗反射層310之間的區。
保護層330可具有包含氧化鋁層及矽碳氧化物層中的至少一者的單層或多層結構。保護層330可具有約50埃至約150埃的厚度。
彩色濾光片340可經形成以分別對應於像素區PR。彩色濾光片340中的各者可填充由柵欄結構320界定的空間。根據單元像素的位置或種類，彩色濾光片340可包含紅色濾光片、綠色濾光片或藍色濾光片，或洋紅色濾光片、青色濾光片或黃色濾光片。
彩色濾光片340可包含三種或四種彩色濾光片。作為實例，第一彩色濾光片至第三彩色濾光片可分別設置於第一像素區至第三像素區中。第一彩色濾光片至第三彩色濾光片可包含紅色濾光片、綠色濾光片以及藍色濾光片。替代地，第一彩色濾光片至第三彩色濾光片可包含洋紅色（magenta；Mg）濾光片、黃色（yellow；Y）以及青色（cyan；Cy）濾光片。
微透鏡350可安置於彩色濾光片340上。微透鏡350可具有凸面形狀且可具有特定曲率半徑。微透鏡350可由光學透明樹脂形成或包含光學透明樹脂。
鈍化層360可經形成以保形地覆蓋微透鏡350的表面。鈍化層360可由例如無機氧化物材料中的至少一者形成或包含例如無機氧化物材料中的至少一者。
圖7A及圖7B為截面視圖，其中的各者示出根據本發明概念的實施例的影像感測器。為了簡明描述起見，可藉由相同參考數字識別先前所描述的元件而不重複其重疊描述。
參考圖7A，可提供彩色濾光片340a及彩色濾光片340b以分別對應於像素區PR，且在本發明概念的實施例中，至少兩個第一彩色濾光片340a可安置於第二彩色濾光片340b中的鄰近者之間。
舉例而言，柵欄結構320可安置於第一彩色濾光片340a及第二彩色濾光片340b中的鄰近者之間、第一彩色濾光片340a中的鄰近者之間以及第二彩色濾光片340b中的鄰近者之間。換言之，柵欄結構320可設置於相同色彩的彩色濾光片（例如，340a或340b）之間及不同色彩的彩色濾光片340a與彩色濾光片340b之間。
參考圖7B，至少三個第一彩色濾光片340a可安置於第二彩色濾光片340b中的鄰近者之間。另外，柵欄結構320可設置於相同色彩的彩色濾光片（例如，340a或340b）之間及不同色彩的彩色濾光片340a與彩色濾光片340b之間，如上文所描述。
圖8至圖12為沿著圖3的線I-I'截取以示出根據本發明概念的實施例的製造影像感測器的方法的截面視圖。圖13A至圖13E為對應於示出圖4的部分『A』且示出根據本發明概念的實施例的形成影像感測器的柵欄結構的方法的截面視圖。
參考圖3及圖8，可提供第一導電性類型（例如，p型）的半導體基底100。半導體基底100可具有彼此相對的第一表面100a及第二表面100b。
半導體基底100可包含第一導電性類型的塊狀矽基底及磊晶層，所述磊晶層形成於塊狀矽基底上且具有第一導電性類型。此處，磊晶層可藉由使用塊狀矽基底作為晶種的選擇性磊晶成長（selective epitaxial growth；SEG）製程來形成，且磊晶層可在磊晶成長製程期間摻雜有第一導電性類型的雜質。舉例而言，磊晶層可含有p型雜質。
在本發明概念的實施例中，半導體基底100可為包含第一導電性類型的井的塊狀半導體基底。在本發明概念的實施例中，半導體基底100可為絕緣層上矽（silicon-on-insulator；SOI）基底、鍺基底、絕緣層上鍺（germanium-on-insulator；GOI）基底或矽鍺基底。
在各像素區PR中，裝置隔離層105可靠近半導體基底100的第一表面100a形成以界定半導體基底100中的主動部分。裝置隔離層105的形成可包含圖案化半導體基底100的第一表面100a以形成淺溝渠及沈積絕緣材料以填充淺溝渠。可在光電轉換區PD形成之前或之後執行裝置隔離層105的形成。
像素隔離結構PIS可經形成以界定半導體基底100中的像素區PR。像素隔離結構PIS的形成可包含：圖案化半導體基底100的第一表面100a以形成深溝渠；形成襯裡絕緣層以保形地覆蓋深溝渠的內部表面；沈積半導體層以填充覆蓋有襯裡絕緣層的深溝渠；及平坦化襯裡絕緣層及半導體圖案113以暴露半導體基底100的第一表面100a且在深溝渠中形成襯裡絕緣圖案111、半導體圖案113以及間隙填充絕緣圖案115。襯裡絕緣圖案111及間隙填充絕緣圖案115可由氧化矽、氮化矽及/或氮氧化矽中的至少一者形成或包含氧化矽、氮化矽及/或氮氧化矽中的至少一者。半導體圖案113可包含摻雜多晶矽層及/或未摻雜多晶矽層。
其後，第二導電性類型的光電轉換區PD可形成於半導體基底100中。
光電轉換區PD可藉由將具有不同於第一導電性類型的第二導電性類型（例如，n型）的雜質注入至半導體基底100中來形成。光電轉換區PD可與半導體基底100的第一表面100a及第二表面100b間隔開。
已描述在像素隔離結構PIS形成之後形成光電轉換區PD的實例，但在本發明概念的實施例中，可在像素隔離結構PIS形成之前形成光電轉換區PD。
參考圖3及圖9，轉移電晶體及像素電晶體可形成於半導體基底100的第一表面100a上。
舉例而言，轉移閘極電極TG可分別形成於像素區PR中。轉移閘極電極TG的形成可包含：圖案化半導體基底100以在像素區PR中的各者中形成閘極凹陷區；形成閘極絕緣層以保形地覆蓋閘極凹陷區的內部表面；形成閘極導電層以填充閘極凹陷區；及圖案化閘極導電層。
此外，當轉移閘極電極TG藉由圖案化閘極導電層來形成時，像素電晶體的閘極電極亦可形成於像素區PR中的各者中。
在轉移閘極電極TG形成之後，浮動擴散區FD可形成於半導體基底100的部分中，所述部分中的各者位於轉移閘極電極TG的一側。浮動擴散區FD可藉由將具有第二導電性類型的雜質注入至半導體基底100中來形成。另外，當形成浮動擴散區FD時，可形成像素電晶體的源極/汲極雜質區。
參考圖10，層間絕緣層210以及互連結構221及互連結構223可形成於半導體基底100的第一表面100a上。
層間絕緣層210可經形成以覆蓋轉移電晶體及邏輯電晶體。層間絕緣層210可由具有良好間隙填充性質的材料形成且可具有實質上平坦的頂部表面。
連接至浮動擴散區FD或讀出電晶體的接觸插塞221可形成於層間絕緣層210中。金屬線223可形成於層間絕緣層210之間。接觸插塞221及金屬線223可由下述者中的至少一者形成或包含下述者中的至少一者：例如銅（Cu）、鋁（Al）、鎢（W）、鈦（Ti）、鉬（Mo）、鉭（Ta）、氮化鈦（TiN）、氮化鉭（TaN）、氮化鋯（ZrN）、氮化鎢（WN）以及其合金。
參考圖11，可執行移除半導體基底100的一部分的薄化製程以減小半導體基底100的豎直厚度。薄化製程可包含研磨或拋光半導體基底100的第二表面100b及執行非等向性或等向性蝕刻製程。針對薄化製程，半導體基底100可倒置。
作為實例，可執行研磨或拋光製程以移除半導體基底100的塊狀矽基底且暴露半導體基底100的磊晶層。其後，可執行非等向性或等向性蝕刻製程以移除可能存在於磊晶層的暴露表面上的表面缺陷。磊晶層的暴露表面可對應於半導體基底100的第二表面100b。
可對半導體基底100執行薄化製程以暴露靠近半導體基底100的第二表面100b的像素隔離結構PIS的半導體圖案113。因此，半導體圖案113及襯裡絕緣圖案111可具有位於與半導體基底100的第二表面100b實質上相同的水平面處的表面。
接下來，參考圖11，固定電荷層300可形成於半導體基底100的第二表面100b上，對所述半導體基底的第二表面執行薄化製程。固定電荷層300可經形成以直接覆蓋半導體基底100的第二表面100b。換言之，固定電荷層300可直接接觸半導體基底100的第二表面100b。固定電荷層300可藉由沈積金屬氧化物材料（例如，氧化鋁及/或氧化鉿）來形成。固定電荷層300可形成為具有約1奈米至約50奈米的厚度。
抗反射層310可形成於固定電荷層300上。舉例而言，抗反射層310可直接接觸固定電荷層300。抗反射層310可包含多個絕緣層。
在抗反射層310形成之後，可形成包含氣隙AG的柵欄結構320。如上文所描述，當以平面視圖查看時，柵欄結構320可與半導體基底100中的像素隔離結構PIS重疊。將參考圖13A至圖13E更詳細地描述形成柵欄結構320的方法。
接下來，保護層330可經形成以保形地覆蓋柵欄結構320的暴露表面及由柵欄結構320暴露的抗反射層310的頂部表面。保護層330可藉由化學氣相沈積製程或原子層沈積製程形成。保護層330可形成為具有包含氧化鋁及矽碳氧化物中的至少一者的單層或多層結構。
參考圖3及圖12，彩色濾光片340可依序形成於像素區PR中的對應者中。彩色濾光片340中的各者可填充由柵欄結構320界定的空白空間。
彩色濾光片340可藉由重複旋塗製程及圖案化製程若干次來形成。舉例而言，彩色濾光片340的形成可包含依序執行塗佈含有染料或顏料的光阻組成物的製程、軟烘烤製程、曝光製程以及顯影製程。作為實例，第一彩色濾光片可分別形成於第一像素區中，且接著第二彩色濾光片可分別形成於第二像素區中。另外，在第二彩色濾光片形成之後，可在第三像素區中形成第三彩色濾光片。
其後，如圖3及圖4中所繪示，微透鏡350可經形成以分別對應於像素區PR。
微透鏡350的形成可包含：形成具有光學透明性質的光阻層；圖案化光阻層以形成分別對應於像素區PR的光阻圖案；及對光阻圖案進行回焊。因此，微透鏡350可形成為具有特定曲率及向上凸面形狀。在本發明概念的實施例中，在微透鏡350形成期間，具有均勻厚度的平坦化部分可形成於微透鏡350下方。微透鏡350可在彩色濾光片340的頂部表面上具有實質上均勻的曲率。
其後，鈍化層360可經形成以保形地覆蓋微透鏡350。鈍化層360可由例如無機氧化物材料中的至少一者形成或包含例如無機氧化物材料中的至少一者。
圖13A至圖13E為對應於示出圖4的部分『A』且示出根據本發明概念的實施例的形成影像感測器的柵欄結構的方法的截面視圖。
結合圖11參考圖13A，抗反射層310可形成於固定電荷層300上。
抗反射層310可藉由依序堆疊第一絕緣層311、第二絕緣層313以及第三絕緣層315來形成。第一絕緣層311、第二絕緣層313以及第三絕緣層315可由透明絕緣材料中的至少一者形成或包含透明絕緣材料中的至少一者。第一絕緣層311、第二絕緣層313以及第三絕緣層315可具有彼此不同的折射率。第一絕緣層311、第二絕緣層313以及第三絕緣層315的厚度可不同地調整以實現抗反射層310的高透射率。第一絕緣層311、第二絕緣層313以及第三絕緣層315中的各者可藉由化學氣相沈積製程或原子層沈積製程來形成。
作為實例，第一絕緣層311可比固定電荷層300厚。第二絕緣層313可比第一絕緣層311厚。第三絕緣層315可比第二絕緣層313薄。第一絕緣層311可沈積為具有約600埃至700埃的厚度。第二絕緣層313可沈積為具有約650埃至約750埃的厚度。第三絕緣層315可沈積為具有約70埃至約150埃的厚度。
第一絕緣層311可由不同於固定電荷層300的材料形成。第一絕緣層311及第三絕緣層315可具有相同折射率，且第二絕緣層313可具有不同於第一絕緣層311及第三絕緣層315的折射率。
作為實例，固定電荷層300可由氧化鋁形成或包含氧化鋁，第一絕緣層311及第三絕緣層315可由金屬氧化物材料（例如，氧化鉿）中的至少一者形成或包含所述金屬氧化物材料中的至少一者，且第二絕緣層313可由氧化矽形成或包含氧化矽。
接下來，障壁層321及第一柵欄層323可依序形成於抗反射層310上。
障壁層321可由金屬材料（例如鈦、鉭或鎢）中的至少一者形成或包含所述金屬材料中的至少一者。障壁層321可沈積為具有約70埃至約150埃的厚度。
第一柵欄層323可由含矽材料形成或包含含矽材料。含矽材料可包含氧化矽材料（例如，正矽酸四乙酯（TEOS））。第一柵欄層323可藉由例如電漿增強化學氣相沈積（PECVD）方法來形成，但本發明概念不限於此實例。第一柵欄層323可沈積為比障壁層321厚。第一柵欄層323可沈積為具有約500埃至約700埃的厚度。
參考圖13B，溝渠T可藉由圖案化第一柵欄層323、障壁層321以及抗反射層310來形成。溝渠T的底部可暴露第一絕緣層311。
溝渠T可包含在第一方向D1上延伸的多個第一區，及在與第一方向D1交叉的第二方向D2上延伸的多個第二區。溝渠T可具有柵格或晶格形狀。當以平面視圖查看時，溝渠T可與像素隔離結構PIS重疊。
溝渠T的形成可包含在第一柵欄層323上形成遮罩圖案且使用遮罩圖案作為蝕刻遮罩來依序且非等向性地蝕刻第一柵欄層323、障壁層321、第二絕緣層313以及第三絕緣層315。溝渠T可暴露第一絕緣層311的頂部表面。溝渠T可具有在向下方向上逐漸減小的寬度。換言之，溝渠T可具有傾斜的側表面。在本發明概念的實施例中，溝渠T的上部寬度UW可大於柵欄結構320的最小寬度（例如，圖5A的W1）。溝渠T的上部寬度UW可大於第一絕緣層311的暴露表面的寬度。
參考圖13C，第二柵欄層325可經形成以覆蓋溝渠T的內部表面。第二柵欄層325可經沈積以保形地覆蓋溝渠T的內部表面及第一柵欄層323的頂部表面。第二柵欄層325可界定溝渠T中的下部間隙區AGa。
第二柵欄層325可藉由具有良好階梯覆蓋性質的沈積方法來沈積。第二柵欄層325可藉由原子層沈積製程形成。第二柵欄層325的沈積厚度可小於溝渠T的寬度的一半。第二柵欄層325可沈積為具有約70埃至約150埃的厚度。
第二柵欄層325可由氧化矽、氮化矽及/或氮氧化矽中的至少一者形成或包含氧化矽、氮化矽及/或氮氧化矽中的至少一者。作為實例，第二柵欄層325可由與第一柵欄層323相同的材料形成或包含與第一柵欄層323相同的材料。舉例而言，第二柵欄層325可由氧化矽材料（例如，正矽酸四乙酯（TEOS））形成或包含所述氧化矽材料。
參考圖13D，第三柵欄層327可形成於第二柵欄層325上以界定上部間隙區AGb。第三柵欄層327可使用具有不良階梯覆蓋性質的沈積方法來形成。在此情況下，歸因於第三柵欄層327的懸垂現象，可形成氣隙AG區。另外，當沈積第三柵欄層327時，第三柵欄層327可在下部間隙區AGa上具有非平坦頂部表面。舉例而言，第三柵欄層327的頂部表面可在氣隙AG所位於的位置處下沈。第三柵欄層327的上部間隙區AGb可連接至由第二柵欄層325界定的下部間隙區AGa。替代地，參考圖6A，氣隙AG可藉由形成第三柵欄層327以部分地填充第二柵欄層325的下部間隙區AGa來形成。
第三柵欄層327可由氧化矽、氮化矽及/或氮氧化矽中的至少一者形成或包含氧化矽、氮化矽及/或氮氧化矽中的至少一者。第三柵欄層327可由折射率低於彩色濾光片的有機材料形成。作為實例，第三柵欄層327可由與第二柵欄層325相同的材料形成或包含與第二柵欄層325相同的材料。舉例而言，第三柵欄層327可由氧化矽材料（例如，正矽酸四乙酯（TEOS））形成或包含所述氧化矽材料。
參考圖13E，遮罩圖案MP可形成於第三柵欄層327上。遮罩圖案MP可由光阻材料形成或包含光阻材料。
可使用遮罩圖案MP來依序圖案化第三柵欄層327、第二柵欄層325、第一柵欄層323以及障壁層321。因此，柵欄結構320可形成於抗反射層310上。
舉例而言，可對第三柵欄層327、第二柵欄層325以及第一柵欄層323執行使用遮罩圖案MP的非等向性蝕刻製程，且在此非等向性蝕刻製程中，障壁層321可用作蝕刻終止層。因此，第一柵欄圖案324、第二柵欄圖案326以及第三柵欄圖案328可依序形成。
在以過蝕刻方式執行非等向性蝕刻製程的情況下，可蝕刻障壁層321以形成障壁圖案322，且可將抗反射層310的頂部表面暴露於外部。
可調整對障壁層321的蝕刻製程中的蝕刻配方，以便以過蝕刻方式蝕刻障壁層321的側表面，且在此情況下，障壁圖案322的側表面可相對於第一柵欄圖案324、第二柵欄圖案326以及第三柵欄圖案328的側表面橫向地凹陷。因此，可形成底切區UC以暴露抗反射層310的頂部表面與第一柵欄圖案324的底部表面之間的障壁圖案322的側表面。
當執行使用遮罩圖案MP的圖案化製程時，遮罩圖案MP可能與第二柵欄層325的下部間隙區AGa未對準，且在此情況下，底切區UC可形成為具有不對稱形狀，如圖6D中所繪示。
即使在圖案化第三柵欄層327的製程中存在未對準且移除障壁圖案322時，亦有可能防止氣隙AG破裂或爆裂，此係因為下部間隙區AGa由第二柵欄圖案326圍封。
圖14為示出包含根據本發明概念的實施例的半導體裝置的影像感測器的示意性平面視圖。圖15及圖16為沿著圖14的線II-II'截取以示出根據本發明概念的實施例的影像感測器的截面視圖。
參考圖14及圖15，影像感測器可包含感測器晶片C1及邏輯晶片C2。感測器晶片C1可包含像素陣列區R1及襯墊區R2。
像素陣列區R1可包含在兩個不同方向上（例如，在第一方向D1及第二方向D2上）二維地配置的多個單元像素P。單元像素P中的各者可包含光電轉換裝置及讀出裝置。由入射光產生的電信號可自像素陣列區R1的單元像素P中的各者輸出。
像素陣列區R1可包含光接收區AR及光阻擋區OB。當以平面視圖查看時，光阻擋區OB可圍封光接收區AR。舉例而言，當以平面視圖查看時，光阻擋區OB可在四個不同方向（例如，上、下、左及右方向）上圍封光接收區AR。在本發明概念的實施例中，未入射有光的參考像素可設置於光阻擋區OB中，且在此情況下，藉由將自光接收區AR中的單元像素P獲得的電荷量與在參考像素中產生的電荷量進行比較，有可能計算自單元像素P感測到的電信號的量值。
用於輸入或輸出控制信號及光電信號的多個導電襯墊CP可安置於襯墊區R2中。當以平面視圖查看時，襯墊區R2可圍封像素陣列區R1，且在此情況下，有可能促進影像感測器與外部裝置之間的電連接。導電襯墊CP可用於將在單元像素P中產生的電信號傳輸至外部裝置。
在光接收區AR中，感測器晶片C1可經組態以具有與上文所描述的影像感測器相同的技術特徵。換言之，當在豎直方向上查看時，感測器晶片C1可包含讀出電路層20、光學透明層30以及其間的光電轉換層10，如上文所描述。感測器晶片C1的光電轉換層10可包含半導體基底100、界定像素區的像素隔離結構PIS以及設置於像素區中的光電轉換區PD，如上文所描述。像素隔離結構PIS可在光接收區AR及光阻擋區OB上具有實質上相同的結構。
光學透明層30可包含設置於光阻擋區OB中的光阻擋圖案OBP、背側接觸插塞PLG、接觸圖案CT、有機層355以及鈍化層360。像素隔離結構PIS的一部分可在光阻擋區OB中連接至背側接觸插塞PLG。
舉例而言，半導體圖案113可在光阻擋區OB中連接至背側接觸插塞PLG。半導體圖案113可在光阻擋區OB中直接接觸背側接觸插塞PLG。背側接觸插塞PLG可具有大於像素隔離結構PIS的寬度的寬度。背側接觸插塞PLG可由金屬材料及/或金屬氮化物材料中的至少一者形成或包含金屬材料及/或金屬氮化物材料中的至少一者。舉例而言，背側接觸插塞PLG可由鈦及/或氮化鈦中的至少一者形成或包含鈦及/或氮化鈦中的至少一者。
接觸圖案CT可內埋於其中形成有背側接觸插塞PLG的接觸孔中。接觸圖案CT可包含不同於背側接觸插塞PLG的材料。舉例而言，接觸圖案CT可由鋁（Al）形成或包含鋁（Al）。
接觸圖案CT及背側接觸插塞PLG可電連接至像素隔離結構PIS的半導體圖案113。負偏壓可經由接觸圖案CT施加至像素隔離結構PIS的半導體圖案113，且負偏壓可自光阻擋區OB遞送至光接收區AR。因此，有可能減小可能在像素隔離結構PIS與半導體基底100之間的界面處產生的暗電流。
在光阻擋區OB中，光阻擋圖案OBP可自背側接觸插塞PLG連續地延伸且可安置於抗反射層310的頂部表面上。換言之，光阻擋圖案OBP可由與背側接觸插塞PLG相同的材料形成或包含與背側接觸插塞PLG相同的材料。光阻擋圖案OBP可由金屬材料及/或金屬氮化物材料中的至少一者形成或包含金屬材料及/或金屬氮化物材料中的至少一者。舉例而言，光阻擋圖案OBP可由鈦及/或氮化鈦中的至少一者形成或包含鈦及/或氮化鈦中的至少一者。光阻擋圖案OBP可不延伸至像素陣列區R1的光接收區AR。
光阻擋圖案OBP可防止光入射至設置於光阻擋區OB上的光電轉換區PD中。光阻擋區OB的參考像素中的光電轉換區PD可經組態以輸出雜訊信號，而非光電信號。雜訊信號可由電子產生，所述電子由熱或暗電流產生。
保護層330可自像素陣列區R1延伸至襯墊區R2。保護層330可覆蓋光阻擋圖案OBP的頂部表面。
濾光層345可設置於光阻擋區OB上以覆蓋保護層330。濾光層345可經組態以阻擋波長不同於彩色濾光片340的波長的光。舉例而言，濾光層345可阻擋紅外光。在本發明概念的實施例中，濾光層345可包含藍色彩色濾光片，但本發明概念不限於此實例。
有機層355及鈍化層360可設置於保護層330上以及光阻擋區OB及襯墊區R2中。有機層355可由與微透鏡350相同的材料形成或包含所述材料。
第一穿透導電圖案511可設置於光阻擋區OB中以穿透半導體基底100，且可電連接至讀出電路層20的金屬線223及邏輯晶片C2的互連結構1111。第一穿透導電圖案511可具有位於不同水平面處的第一底部表面及第二底部表面。舉例而言，第一穿透導電圖案511的底部表面中的一者可突出至邏輯晶片C2。第一間隙填充圖案521可設置於第一穿透導電圖案511中。第一間隙填充圖案521可由低折射材料中的至少一者形成或包含低折射材料中的至少一者，且可具有絕緣性質。
導電襯墊CP可安置於半導體基底100的位於襯墊區R2中且鄰近於第二表面100b的部分中。導電襯墊CP可內埋於半導體基底100的靠近第二表面100b定位的部分中。在本發明概念的實施例中，導電襯墊CP可設置於襯墊溝渠中，所述襯墊溝渠形成於半導體基底100的第二表面100b中且位於襯墊區R2中。導電襯墊CP可由金屬材料（例如，鋁、銅、鎢、鈦、鉭或其合金）中的至少一者形成或包含所述金屬材料中的至少一者。在影像感測器的安裝過程中，接合線可接合至導電襯墊CP。導電襯墊CP可經由接合線電連接至外部裝置。
第二穿透導電圖案513可設置於襯墊區R2中以穿透半導體基底100且可電連接至邏輯晶片C2的互連結構1111。第二穿透導電圖案513的底部表面可與第一穿透導電圖案511的最下部底部表面處於相同水平面。第二穿透導電圖案513可延伸至半導體基底100的第二表面100b上的區，且可電連接至導電襯墊CP。第二穿透導電圖案513的一部分可覆蓋導電襯墊CP的底部表面及側表面。第二間隙填充圖案523可設置於第二穿透導電圖案513中。第二間隙填充圖案523可由低折射材料中的至少一者形成或包含低折射材料中的至少一者，且可具有絕緣性質。在襯墊區R2中，像素隔離結構PIS可設置於第二穿透導電圖案513周圍。
邏輯晶片C2可包含邏輯半導體基底1000、邏輯電路（TR）、連接至邏輯電路的互連結構1111以及邏輯層間絕緣層1100。邏輯層間絕緣層1100的最上部層可耦接至感測器晶片C1的讀出電路層20。邏輯晶片C2可經由第一穿透導電圖案511及第二穿透導電圖案513電連接至感測器晶片C1。
在本發明概念的實施例中，感測器晶片C1及邏輯晶片C2示出為經由第一穿透導電圖案511及第二穿透導電圖案513彼此電連接，但本發明概念不限於此實例。
在圖16中所繪示的實施例中，可省略圖15的第一穿透導電圖案及第二穿透導電圖案，且感測器晶片C1及邏輯晶片C2可藉由將分別設置於感測器晶片C1及邏輯晶片C2的最上部金屬層中的接合襯墊彼此直接連接而彼此電連接。
舉例而言，影像感測器的感測器晶片C1可包含設置於讀出電路層20的最上部金屬層中的第一接合襯墊BP1，且邏輯晶片C2可包含設置於互連結構1111的最上部金屬層中的第二接合襯墊BP2。第一接合襯墊BP1及第二接合襯墊BP2可由下述者中的至少一者形成或包含下述者中的至少一者：例如鎢（W）、鋁（Al）、銅（Cu）、氮化鎢（WN）、氮化鉭（TaN）或氮化鈦（TiN）。
感測器晶片C1的第一接合襯墊BP1及邏輯晶片C2的第二接合襯墊BP2可以混合接合方式彼此直接連接及彼此電連接。此處，混合接合方式可為將含有相同種類的材料的兩個元件在其間的界面處熔合成單個元件的接合方式。舉例而言，在第一接合襯墊BP1及第二接合襯墊BP2由銅（Cu）形成的情況下，其可以Cu-Cu接合方式彼此實體連接及彼此電連接。另外，感測器晶片C1及邏輯晶片C2的絕緣層可以介電質-介電質接合方式彼此接合。
根據本發明概念的實施例，柵欄結構可包含氣隙，從而允許傾斜地入射至各像素區中的光較少由柵欄結構折射。因此，有可能增加入射至光電轉換區中的光的量。
柵欄結構的氣隙可設置為具有位於抗反射層的頂部表面下方的部分，且此使得有可能更有效地減少像素區中的鄰近者之間的串擾。換言之，可增加各光電轉換區中的光接收效率，且因此可改良信雜比（SNR）性質。
另外，藉由最小化可能存在於柵欄結構的側表面的一部分上的障壁圖案的大小，有可能最小化由障壁圖案引起的敏感度的降低。
此外，由於障壁圖案位於界定氣隙的下部間隙區的第二柵欄圖案的兩側處，因此有可能在障壁圖案的側表面在形成柵欄結構的過程中凹陷時防止氣隙破裂或爆裂。
雖然已特定繪示及描述本發明概念的實例實施例，但所屬領域中具有通常知識者將理解，在不脫離如所附申請專利範圍中所闡述的本發明概念的精神及範疇的情況下，可對其進行形式及細節上的變化。
1:主動像素感測器陣列 2:列解碼器 3:列驅動器 4:行解碼器 5:時序產生器 6:相關雙取樣器 7:類比至數位轉換器 8:輸入/輸出緩衝器 10:光電轉換層 20:讀出電路層 30:光學透明層 100:半導體基底 100a:第一或頂部表面 100b:第二或底部表面 105:裝置隔離層 111:襯裡絕緣圖案 113:半導體圖案 115:間隙填充絕緣圖案 210:層間絕緣層 221:互連結構/接觸插塞 223:互連結構/金屬線 300:固定電荷層 310:抗反射層 311:第一絕緣層 313:第二絕緣層 315:第三絕緣層 315t:頂部表面 320:柵欄結構 321:障壁層 322:障壁圖案 323:第一柵欄層 324:第一柵欄圖案 324b:底部表面 325:第二柵欄層 326:第二柵欄圖案 327:第三柵欄層 328:第三柵欄圖案 330:保護層 340、340a、340b:彩色濾光片 345:濾光層 350:微透鏡 355:有機層 360:鈍化層 511:第一穿透導電圖案 513:第二穿透導電圖案 521:第一間隙填充圖案 523:第二間隙填充圖案 1000:邏輯半導體基底 1100:邏輯層間絕緣層 1111:互連結構 A、B:部分 AG:氣隙 AGa:下部間隙區 AGb:上部間隙區 AR:光接收區 BP1:第一接合襯墊 BP2:第二接合襯墊 C1:感測器晶片 C2:邏輯晶片 CFD1、CFD2:電容 CP:導電襯墊 CT:接觸圖案 D1:第一方向 D2:第二方向 D3:第三方向 DCG:雙轉換增益控制信號 DCX:雙轉換增益電晶體 FD:浮動擴散區 FD1:第一浮動擴散區 FD2:第二浮動擴散區 I-I'、II-II':線 MP:遮罩圖案 OB:光阻擋區 OBP:光阻擋圖案 P:單元像素 P1:第一部分 P2:第二部分 PD:光電轉換區 PD1、PD2、PD3、PD4:光電轉換裝置 PIS:像素隔離結構 PLG:背側接觸插塞 PR:像素區 R1:像素陣列區 R2:襯墊區 RG:重設信號 RX:重設電晶體 SEL:選擇電晶體 SF:源極隨耦器電晶體 SG:選擇信號 T:溝渠 TG:轉移閘極電極 TG1:第一轉移信號 TG2:第二轉移信號 TG3:第三轉移信號 TG4:第四轉移信號 TX1、TX2、TX3、TX4:轉移電晶體 UC:底切區 UCa:第一底切區 UCb:第二底切區 UW:上部寬度 VDD:像素功率電壓 Vout:輸出線 W1:第一寬度 W2:第二寬度 W3:第三寬度 W4:第四寬度
圖1為示出根據本發明概念的實施例的影像感測器的方塊圖。 圖2A及圖2B為示出根據本發明概念的實施例的影像感測器的單元像素的電路圖。 圖3為示出根據本發明概念的實施例的影像感測器的一部分的平面視圖。 圖4為沿著圖3的線I-I'截取以示出根據本發明概念的實施例的影像感測器的截面視圖。 圖5A為示出圖4的部分『A』的放大截面視圖。 圖5B為示出圖5A的部分『B』的放大截面視圖。 圖6A、圖6B、圖6C以及圖6D為放大截面視圖，其中的各者示出根據本發明概念的實施例的影像感測器的一部分（例如，圖4的部分A）。 圖7A及圖7B為截面視圖，其中的各者示出根據本發明概念的實施例的影像感測器。 圖8、圖9、圖10、圖11以及圖12為沿著圖3的線I-I'截取以示出根據本發明概念的實施例的製造影像感測器的方法的截面視圖。 圖13A、圖13B、圖13C、圖13D以及圖13E為對應於圖4的部分『A』且示出根據本發明概念的實施例的形成影像感測器的柵欄結構的方法的截面視圖。 圖14為示出包含根據本發明概念的實施例的半導體裝置的影像感測器的示意性平面視圖。 圖15及圖16為沿著圖14的線II-II'截取以示出根據本發明概念的實施例的影像感測器的截面視圖。
100:半導體基底
100b:第二或底部表面
111:襯裡絕緣圖案
113:半導體圖案
300:固定電荷層
310:抗反射層
311:第一絕緣層
313:第二絕緣層
315:第三絕緣層
320:柵欄結構
322:障壁圖案
324:第一柵欄圖案
326:第二柵欄圖案
328:第三柵欄圖案
330:保護層
A、B:部分
AG:氣隙
AGa:下部間隙區
AGb:上部間隙區
PD:光電轉換區
UC:底切區
W1:第一寬度
W2:第二寬度
W3:第三寬度
W4:第四寬度

Claims (20)

  1. 一種影像感測器，包括： 半導體基底，包含多個像素區； 抗反射層，位於所述半導體基底上； 彩色濾光片，設置於所述抗反射層上及所述像素區中；以及 柵欄結構，安置於所述彩色濾光片中的鄰近彩色濾光片之間， 其中所述柵欄結構包括： 下部部分，穿透所述抗反射層； 上部部分，位於所述抗反射層上；以及 中間部分，位於所述下部部分與所述上部部分之間， 其中所述柵欄結構具有底切區，所述底切區設置於所述中間部分的兩側處且位於所述柵欄結構的所述上部部分與所述抗反射層的頂部表面之間。
  2. 如請求項1所述的影像感測器，其中所述柵欄結構具有氣隙，所述氣隙包含：下部間隙區，位於所述柵欄結構的所述下部部分中；以及上部間隙區，位於所述柵欄結構的所述上部部分中且連接至所述下部間隙區。
  3. 如請求項1所述的影像感測器，其中所述柵欄結構的所述上部部分具有隨著其距所述抗反射層的所述頂部表面的距離增加而減小的寬度，以及 所述柵欄結構的所述下部部分具有隨著其變得更接近於所述抗反射層的底部表面而減小的寬度。
  4. 如請求項1所述的影像感測器，其中所述底切區相對於彼此不對稱。
  5. 如請求項1所述的影像感測器，其中所述柵欄結構的頂部表面不平坦。
  6. 如請求項1所述的影像感測器，其中所述柵欄結構包括： 第一柵欄圖案，穿透所述抗反射層的一部分且界定下部間隙區； 第二柵欄圖案，安置於所述第一柵欄圖案上以界定連接至所述下部間隙區的上部間隙區；以及 障壁圖案，安置於所述抗反射層的所述頂部表面上且安置於所述第一柵欄圖案的相對側表面中的至少一者上， 其中所述障壁圖案的側表面界定所述底切區中的至少一者。
  7. 如請求項6所述的影像感測器，其中所述底切區包括： 第一底切區，形成於所述柵欄結構的第一側處以暴露所述障壁圖案的所述側表面；以及 第二底切區，形成於所述柵欄結構的第二側處以暴露所述第一柵欄圖案的側表面的一部分。
  8. 如請求項6所述的影像感測器，其中所述第一柵欄圖案覆蓋穿透所述抗反射層的一部分的溝渠的內部表面。
  9. 如請求項6所述的影像感測器，其中所述第一柵欄圖案及所述第二柵欄圖案包括氧化矽， 所述障壁圖案包括金屬材料。
  10. 如請求項1所述的影像感測器，其中所述抗反射層包括依序堆疊的第一絕緣層、第二絕緣層以及第三絕緣層，以及 所述柵欄結構的所述下部部分穿透所述第二絕緣層及所述第三絕緣層。
  11. 如請求項10所述的影像感測器，其中所述第二絕緣層比所述第一絕緣層及所述第三絕緣層厚。
  12. 如請求項10所述的影像感測器，其中所述第一絕緣層及所述第三絕緣層包括金屬氧化物，且所述第二絕緣層包括氧化矽。
  13. 一種影像感測器，包括： 半導體基底，包含多個像素區； 抗反射層，位於所述半導體基底上； 彩色濾光片，設置於所述抗反射層上及所述像素區中；以及 柵欄結構，安置於所述彩色濾光片中的鄰近彩色濾光片之間，所述柵欄結構包括氣隙， 其中所述柵欄結構包括： 第一柵欄圖案，設置於所述抗反射層中以界定所述氣隙的下部區； 障壁圖案，設置於所述抗反射層的頂部表面上以覆蓋所述第一柵欄圖案的相對側表面的部分；以及 第二柵欄圖案，設置於所述第一柵欄圖案及所述障壁圖案上以界定所述氣隙的上部區， 其中所述障壁圖案設置於底切區中。
  14. 如請求項13所述的影像感測器，其中所述底切區相對於彼此不對稱。
  15. 如請求項13所述的影像感測器，其中所述第二柵欄圖案在向上方向上具有逐漸減小的寬度，以及 所述第一柵欄圖案在所述向上方向上具有逐漸增加的寬度。
  16. 如請求項13所述的影像感測器，其中所述第一柵欄圖案及所述第二柵欄圖案包括氧化矽，以及 所述障壁圖案包括金屬材料。
  17. 如請求項13所述的影像感測器，更包括第三柵欄圖案，所述第三柵欄圖案設置於所述第一柵欄圖案的一部分與所述障壁圖案的頂部表面之間。
  18. 如請求項13所述的影像感測器，其中所述抗反射層包括依序堆疊的第一絕緣層、第二絕緣層以及第三絕緣層，以及 所述第一柵欄圖案的下部部分穿透所述第二絕緣層及所述第三絕緣層。
  19. 如請求項18所述的影像感測器，其中所述第二絕緣層包括不同於所述第一絕緣層及所述第三絕緣層的絕緣材料，以及 所述第二絕緣層比所述第一絕緣層及所述第三絕緣層厚。
  20. 一種影像感測器，包括： 半導體基底，具有彼此相對的第一表面及第二表面且具有第一導電性類型，所述半導體基底包括光接收區、光阻擋區以及襯墊區； 像素隔離結構，設置於所述光接收區及所述光阻擋區中以界定多個像素區； 光電轉換區，設置於所述像素區中； 多個微透鏡，安置於所述半導體基底的所述第二表面上且設置於所述像素區中； 彩色濾光片，安置於所述微透鏡與所述半導體基底的所述第二表面之間且設置於所述像素區中； 抗反射層，安置於所述彩色濾光片與所述半導體基底的所述第二表面之間；以及 柵欄結構，安置於所述彩色濾光片中的鄰近彩色濾光片之間， 其中所述柵欄結構包括： 下部部分，穿透所述抗反射層的一部分； 上部部分，在所述抗反射層上方突出；以及 中間部分，位於所述下部部分與所述上部部分之間， 其中所述柵欄結構具有底切區，所述底切區設置於所述中間部分的兩側處且位於所述柵欄結構的所述上部部分與所述抗反射層的頂部表面之間。
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