TW202333367A - 在背側表面上具有隔離光電二極體的壁的高動態範圍、背照式、低串擾影像感測器 - Google Patents

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Abstract

一種背照式影像感測器，包括在光電二極體區域中的光電二極體，所述光電二極體被填充的溝槽電學隔離，介電層中的開口在光電二極體之上。影像傳感器具有在溝槽之上對準的金屬柵格，該金屬柵格在溝槽的80奈米內。該影像感測器透過以下步驟形成：在具有電晶體的源-汲區域的矽基板的前側的光電二極體區域中製造光電二極體，光電二極體透過深溝槽電學隔離，每個光電二極體在基板的光電二極體區域內；在半導體基板的背側中形成填充的溝槽；在半導體基板的背側之上形成保護性氧化物和製程停止層；在深溝槽之上沉積金屬柵格，從光電二極體區域之上移除製程停止層；以及在光電二極體區域之上沉積濾色器。

Description

在背側表面上具有隔離光電二極體的壁的高動態範圍、背照式、低串擾影像感測器
本發明涉及影像感測器相關技術，特別是一種在背側表面上具有隔離光電二極體的高動態範圍、背照式、低串擾影像感測器。
背照式影像感測器通常在影像感測器的背側上具有濾色器層，使得存在位於每個光電二極體與入射光之間的濾色器，並且濾色器被配置成在入射光可與光電二極體相互作用之前過濾傳入的光。這些濾色器通常佈置成圖案；在一些相機中，使用三種濾色器的“拜耳(Bayer)”圖案，諸如四光電二極體佈置中的一個紅色濾色器、兩個綠色濾色器和一個藍色濾色器，或者一個紅色濾色器、一個透明濾色器、一個藍色濾色器和一個綠色濾色器，而高光譜相機(hyperspectral cameras)可以具有涉及以四個、八個、十二個或十六個光電二極體圖案組織的多於三種濾色器的圖案。透過確定由具有不同濾色器的相鄰光電二極體測量的亮度差異來實現顏色感測。如果光沒有穿過光電二極體的濾色器，而是在光已經穿過相鄰光電二極體的濾色器之後到達該光電二極體，這種光學串擾(optical crosstalk)可能會破壞顏色對比度。如果使用高光譜相機同時對螢光刺激光和螢光發射光成像，這種光學串擾會模糊螢光發射影像中的細節。
為了提供擴展的動態範圍，一些背照式影像感測器為每個像素提供兩個成對的光電二極體，一個具有高敏感度，一個具有低敏感度。在操作中，低敏感度光電二極體用於解析影像的亮部分中的像素資料，而在一些系統中具有比低敏感度光電二極體更大的表面積的高敏感度光電二極體，解析影像的暗淡或黑暗部分中的像素資料。一些這樣的背照式影像傳感器具有光衰減濾光器，該光衰減濾光器定位成過濾入射到低敏感度光電二極體上的光；如果光在沒有穿過光衰減濾光器的情況下到達低敏感度光電二極體，這種光學串擾可能會減小動態範圍。
在一個實施例中，一種背照式影像感測器包括形成在半導體基板中的光電二極體陣列，每個單獨的光電二極體透過隔離結構與其他光電二極體電學隔離，保護性介電層設置在半導體基板的背側上在半導體基板背側上的金屬柵格(metal grid)與半導體基板的背側表面之間，從而可減少相鄰光電二極體之間的串擾。金屬柵格在隔離結構之上對準，並限定與光電二極體的相應光感測區域對準的複數個孔口。保護性介電層具有與複數個孔口對準的開口，使得每個單獨的光電二極體的敏感度不受保護性介電層的影響。
在一個實施例中，影像感測器包括：第一光電二極體，該第一光電二極體設置在半導體基板中；隔離結構，該隔離結構設置在半導體基板中與第一光電二極體相鄰，該隔離結構從半導體基板的背側延伸到半導體基板中，並且電學隔離第一光電二極體和任何相鄰的器件；金屬柵格，該金屬柵格設置在半導體基板的背側上，該金屬柵格限定與第一光電二極體對準的第一孔口，該金屬柵格與隔離結構垂直對準；以及第一介電層，該第一介電層設置在半導體基板的背側上並且在金屬柵格與隔離結構之間，其中第一介電層具有與第一孔口對準的第一開口。
在另一個實施例中，一種製造背照式影像感測器的方法包括：從半導體基板的背側表面並且在半導體基板中的第一光電二極體與第二光電二極體之間形成溝槽；沉積基於氧化物的襯墊材料層以襯在溝槽上；將第一製程停止層沉積到溝槽中在基於氧化物的襯墊材料層上和在半導體基板的背側表面上；將填充材料沉積到溝槽中和在半導體基板的背側表面上，形成隔離結構；對半導體基板的背側表面應用化學機械拋光製程，以移除半導體基板的背側表面上的溝槽外部的填充材料；在半導體基板的背側表面和第一製程停止層上沉積第二製程停止層；在第二製程停止層上形成金屬柵格，其中金屬柵格限定與第一光電二極體對準的第一孔口和與第二光電二極體對準的第二孔口；以及移除金屬柵格的第一孔口和第二孔口內的第二製程停止層的部分。
在以下描述中，闡述了許多具體細節以提供對實施例的全面理解。然而，相關領域的技術人員將認識到，本文描述的技術可以在沒有一個或複數個具體細節的情況下實施，或者利用其他方法、元件、材料等實施。在其他情況下，沒有詳細示出或描述習知的結構、材料或操作，以避免模糊某些方面。
貫穿本說明書中對“一個實施例”或“實施例”的引用意味著結合該實施例描述的特定特徵、結構或特性包括在本發明的至少一個實施例中。因此，短語“在一個實施例中”或“在實施例中”在本說明書各處的出現不一定都指同一實施例。此外，在一個或複數個實施例中，特定的特徵、結構或特性可以以任何合適的方式組合。
貫穿本說明書，使用了若干術語。這些術語將採用它們在所屬領域中的普通含義，除非在本文特別定義或者它們使用的上下文清楚地表明不是這樣。應當注意，在本檔中，元素名稱和符號可以互換使用(例如，Si和矽)；然而，兩者含義完全相同。
為了便於描述，在本文中可以使用空間相對術語，諸如“下方”、“之下”、“下部”、“下面”、“上方”、“上部”等，來描述一個元件或特徵與另外的(一個或複數個)元件或特徵的關係，如附圖中所圖示的。應當理解，除了附圖中描繪的取向之外，空間相對術語旨在涵蓋使用或操作中器件的不同取向。例如，如果附圖中的器件被翻轉，那麼被描述為在其他元件或特徵的“之下”或“下方”或“下面”的元件將被定向在其他元件或特徵的“上方”。因此，術語“之下”和“下面”可以涵蓋上方和下方的取向。該器件可以以其他方式定向(旋轉90度或處於其他取向)，並且在此使用的空間相對描述詞被相應地解釋。此外，還應當理解，當一個層被稱為在兩個層“之間”時，它可以是兩個層之間的唯一層，或者也可以存在一個或複數個中間層。
術語隔離結構可以指設置在像素陣列中光電二極體之間的隔離結構，用於在相鄰光電二極體之間提供電學和/或光學隔離。隔離結構可以以遵循光電二極體的形狀的柵格形式互連。隔離結構可以是氧化物填充的隔離溝槽結構、金屬填充的隔離結構或其組合。隔離結構可以是從基板前側向基板背側延伸的前側深溝槽隔離結構，或者是從基板背側向基板前側延伸的背側深溝槽隔離結構。
每像素兩個光電二極體的背照式影像感測器可透過添加中性密度(neutral-density )、光吸收(light-absorbing)濾光器來降低每對兩個光電二極體中的小光電二極體的光敏感度，從而增加其動態範圍。當使用這種存在的光吸收濾光器對影像的亮照明的像素成像時，申請人已經觀察到一些透過相鄰的大光電二極體進入影像感測器陣列的光洩漏到小光電二極體中，導致串擾，該串擾透過在小光電二極體中感應光電流來限制影像感測器的動態範圍，並且甚至在影像感測器的積分期間使小光電二極體飽和。
背照式影像感測器100(圖1)包括半導體基板101，在半導體基板101中形成有複數個光電二極體區域108、110。複數個光電二極體區域108、110可以以陣列形式佈置。光電二極體區域110中的每一個被佈置成與光電二極體區域108相鄰。在一些實施例中，光電二極體區域110被光電二極體區域108包圍。每個光電二極體區域108、110包括光電二極體108A、110A以及相關聯的像素電晶體。在四電晶體配置的範例中，像素電晶體包括選擇電晶體、重置電晶體、源級隨耦器電晶體和列選擇(row select)電晶體，在圖1中僅顯示出其中的選擇電晶體，這在影像感測器陣列領域中是常見的。
在實施例中，背側101a可稱為背照式影像感測器100的照明側，並且前側101b可稱為背照式影像感測器100的非照明側。包括在光電二極體區域108中的光電二極體108A可以被稱為大光電二極體(large photodiode)或微光感測光電二極體(low-light sensing photodiode)，用於感測影像的微光部分。包括在光電二極體區域110中的光電二極體110A可以被稱為小光電二極體(small photodiode)或亮光感測光電二極體(bright-light sensing photodiode)，用於感測影像的亮光部分。在一些實施例中，每個單獨的光電二極體110A的滿阱容量(full well capacity, FWC)小於每個單獨的光電二極體108A的滿阱容量。滿阱容量(FWC)可以指光電二極體在達到飽和之前其可以累積的電荷或電子的數量。換句話說，光電二極體108A可以具有比光電二極體110A更大的電荷存儲容量，並且能夠存儲比光電二極體110A更多的光生電荷。
在實施例中，光電二極體108A和相鄰光電二極體110A在背照式影像感測器100中形成高動態範圍(HDR)像素，以實現寬動態範圍成像。
選擇電晶體也可稱為轉移電晶體。在一個實施例中，選擇電晶體具有諸如轉移閘極103的閘極，其將諸如光電二極體108A的光電二極體耦合到相應的浮動擴散區104，並且被配置為選擇性地將來自諸如光電二極體108A的光電二極體的光生電荷轉移到耦合的浮動擴散區104，用於影像訊號讀出。
允許進入的光在光電二極體陣列的光電二極體108A、110A中感應光電流。光電二極體陣列的各個光電二極體110A、108A中的光電流透過形成在半導體基板101的前側101b上的電晶體來感測。這些電晶體由控制電路系統控制，其中控制電路系統可以透過多層金屬互連結構耦合到像素電晶體。在操作中，在控制電路系統的控制下，透過多層金屬互連結構(為簡單起見在圖中省略)，光電二極體重置、選擇或轉移來自光電二極體的訊號，並輸出從光電二極體中的光電流生成的訊號。在形成在半導體基板101的前側101b上的絕緣氧化物130之上形成多層互連結構。可以形成附加的絕緣氧化物層和金屬互連線用於訊號路由(signal routing)。
在實施例中，背照式影像感測器100包括金屬柵格134，金屬柵格134形成與複數個光電二極體區域108和110對準的複數個孔口。濾色器116、118中的每一個可以與相應的光電二極體區域108、110對準，並且設置在金屬柵格134的對應孔口內。
可選的光衰減或中性密度濾光器122可與低敏感度光電二極體(例如，每像素兩個光電二極體的寬動態範圍影像感測器中的光電二極體110A)相關聯的一個或複數個濾色器116串聯定位，以降低入射光的強度並降低亮光光電二極體110A的光敏感度。光電二極體區域108中包括的光電二極體108A旨在主要回應影像的暗照明部分，缺少中性密度濾光器122，並且可以具有比光電二極體區域110的光電二極體110A更大的表面感測面積。重申的是，例如由微透鏡142向光電二極體區域110引導的入射光在進入光電二極體區域110並被光電二極體110A吸收之前，穿過濾色器116和中性密度濾光器122。例如由微透鏡144向光電二極體區域108A引導的入射光在進入光電二極體區域108並被光電二極體108A吸收之前穿過相應的濾色器118。
在許多影像感測器器件中，隔離結構132用於將光電二極體108A、110A彼此隔離，並消除電學串擾(electrical crosstalk)，諸如，如果允許一個光電二極體區域(例如，光電二極體區域108)中生成的載流子對遷移至另一個光電二極體區域(例如，光電二極體區域110)，則會出現這種電學串擾。隔離結構132可以是包圍光電二極體區域108、110的陣列中的每個單獨的光電二極體區域的溝槽柵格形式的溝槽式結構。在一些實施例中，隔離結構132是氧化物填充的隔離溝槽或金屬填充的隔離溝槽或其組合。在實施例中，隔離結構132至少在垂直於半導體基板101的前側101b表面的方向上與金屬柵格134對準。
背照式影像感測器100還包括在影像感測器100的照明側上在金屬柵格134與半導體基板101的背側表面之間的透明緩衝氧化物層102。設置緩衝氧化物層102以提供1)金屬柵格134與半導體基板101之間的隔離，2)用於後續製程(例如，金屬柵格、濾色器處理)的平坦化表面，以及3)保護下面的材料層免受應力引起的損傷，諸如由化學機械拋光引起的應力，影響表面鈍化和抗反射(為簡單起見未圖示)以及基板表面。在實施例中，緩衝氧化物層102通常需要具有至少約130奈米的足夠厚度，以承受處理引起的應力。
然而，向光電二極體區域108引導的一些光(例如，以高角度入射的光)可能沿路徑124進入，路徑124穿過濾色器118，穿透緩衝氧化物層102並到達相鄰的光電二極體區域110，導致光學串擾。這種光學串擾會模糊色差，導致從影像的亮點亮區域到影像的相鄰暗點亮區域的閃光，模糊螢光發射，因為螢光發射被相鄰光電二極體的螢光刺激光淹沒，並且在每像素兩個光電二極體的寬動態範圍影像感測器中干擾亮光光電二極體。
在具有金屬柵格134的影像感測器中，金屬柵格134設置在緩衝氧化物層102上並在相鄰濾色器118、116之間以有助於透過反射和/或吸收降低這種光學串擾，由於光可透過緩衝氧化物層102洩漏，因此一些光學串擾會持續存在。
背照式影像感測器200(圖2)，允許光透過濾色器陣列，諸如濾色器216、218，穿過半導體基板201的背側201a，進入形成於半導體基板201中的光電二極體區域208和210的陣列。圖2中具有與上文參考圖1描述的附圖標記相似的附圖標記的形狀具有與圖1中對應形狀相似的功能。光電二極體區域208和210中的每一個都包括相應的光電二極體和相關聯的選擇電晶體、重置電晶體、源極隨耦器電晶體和行選擇電晶體，其中只有選擇電晶體(由柵電極226表示)在圖2中示出。每個光電二極體區域210被佈置成與光電二極體區域208相鄰。每個光電二極體區域208包括光電二極體208A，並且每個光電二極體區域210包括光電二極體210A。雖然在圖2中圖示了平面選擇電晶體，但是備選的器件可以具有垂直選擇電晶體。在特定實施例中，轉移閘極226具有延伸到半導體基板101中的至少一個垂直電極。
在實施例中，光電二極體區域210可稱為亮光光電二極體感測區域，並且光電二極體區域208可稱為暗光或微光光電二極體感測區域。光電二極體區域210可以被佈置成被光電二極體區域208包圍。在實施例中，亮光光電二極體感測區域210旨在主要回應於影像的亮照明部分，並且除了濾色器116之外還可以具有中性密度濾光器122，以降低向光電二極體210A引導的入射光的強度；而暗光或微光光電二極體感測區域208旨在主要回應於影像的暗照明部分，並且缺少中性密度濾光器122。光電二極體208A中的每一個可以具有比光電二極體210A中的每一個更大的滿阱容量，以提高敏感度。在一些範例中，光電二極體208A可以具有比鄰近小光電二極體210A的曝光區更大的曝光區。
在實施例中，光電二極體208A中的每一個稱為大光電二極體，並且光電二極體210A中的每一個稱為小光電二極體。在一些實施例中，光電二極體210A和相鄰的光電二極體208A形成HDR像素。
在背照式影像感測器200(圖2)的實施例中，申請人發現，透過剝離影像感測器200的包含光電二極體區域108、110的主動像素區域內的金屬柵格234與半導體基板201的背側201a之間的氧化物層102(圖1)，同時留下在周邊區域區塊下方存在的氧化物層102，有助於保護周邊區域區塊免受污染。剝離主動像素區域內的氧化物層102可以減少或消除具有穿透氧化物層102的光學路徑的相鄰光電二極體區域之間的光學串擾。在光電二極體區域208、210的主動像素陣列區域中，大約130奈米厚的氧化物層被1至20奈米厚的蝕刻停止層212代替。在實施例中，蝕刻停止層212包括相對於後續沉積材料和半導體基板具有高蝕刻選擇性的材料，後續沉積材料諸如為用於周邊區域處理的氧化矽、用於金屬柵格234的金屬材料(例如，鎢或鋁)。在實施例中，蝕刻停止層212包括氮化矽(SiN)、碳化矽(SiC)、氧化鉿(HfO 2)或其組合。影像感測器200還可以包括覆蓋光電二極體區域208、210的光感測區域的介電層214。介電層214設置在蝕刻停止層212下方，使得蝕刻停止層212可以用作保護性介電層，並且例如在金屬柵格234的形成過程中為下面的介電層214提供處理保護。介電層214可以包括一個或複數個材料層。在一些實施例中，介電層214是表面鈍化層，包括介電常數大於3.9的材料或具有負電荷密度(negative charges density)的材料。在一些實施例中，介電層214是抗反射層，其用於增加至少一個感興趣的波長進入相應光電二極體區域208、210的透射。
在一些實施例中，濾色器216和218中的每一個均可為紅色、藍色、綠色、青色、品紅色(cyan)、黃色、紅外或全色(panchromatic)濾色器中的一種，用於過濾對應的波長。在一些實施例中，濾色器216、218的陣列根據拜耳圖案佈置。在每像素n個單光電二極體中，濾色器216和218通常具有不同的通帶，例如但不限於，濾色器216可以使紅光通過而阻擋綠光，並且濾色器118可以使綠光通過但阻擋紅光。在每像素兩個光電二極體的情況下，相鄰的濾色器216、218可以具有相同的波長通帶，例如，二者都是紅色濾色器，或者二者都是藍色濾色器，或者二者都是綠色濾色器。背照式影像感測器200通常允許光穿過諸如濾光器216、218的濾色器陣列，穿過半導體基板201的背側201a表面進入形成在半導體基板201中的光電二極體區域208和210的陣列。
背照式影像感測器200包括金屬柵格234和設置在金屬柵格234上的介電層236。金屬柵格234和介電層236共同限定了複數個開口或孔口238a、238b，每個孔口與複數個光電二極體區域208和210對準。濾色器216、218中的每一個可以與相應的光電二極體區域208、210對準，並且設置在金屬柵格234的對應孔口238a、238b內。金屬柵格234和介電層236分隔相鄰的濾色器216、218。介電層236可以由折射率低於濾色器的材料(諸如氧化矽)形成，以引起內反射效應，從而增加光電二極體208A、210A的光敏感度。
光衰減或中性密度濾光器222設置在孔口238b內，與光電二極體區域210對準。衰減或中性密度濾光器222的一部分設置在金屬柵格234與介電層236之間。在實施例中，蝕刻停止層212具有與光電二極體區域208、210對準的複數個開口，即，蝕刻停止層212沒有任何部分保留在孔口238a、238b內。重申的是，蝕刻停止層212具有僅在金屬柵格234與背側201a表面之間的部分，因為這種蝕刻停止層212不影響光電二極體208A、210A的敏感度。
在影像感測器200(圖2)中，進入濾色器218中的每一個且未被光衰減或中性密度濾光器222吸收的光僅被引導至與濾色器218對應的光電二極體區域208。由微透鏡142引導穿過孔口238b的光在到達光電二極體區域210之前首先被光衰減或中性密度濾光器222吸收並被濾色器216過濾，而由微透鏡144引導穿過孔口238a的光在到達光電二極體區域208之前被濾色器218過濾。在實施例中，光衰減或中性密度濾光器222具有位於金屬柵格234與介電材料層236之間的部分。
隔離結構232，隔離結構132的範例，用於將相鄰的光電二極體208A、210A彼此隔離，並消除電學串擾，如果在一個光電二極體區域208中生成的載流子對在光電二極體陣列的光電二極體中作為光電流收集之前遷移到另一光電二極體區域210，則會出現這種電學串擾。在實施例中，隔離結構232是溝槽式隔離結構，並且在半導體基板201中形成包圍光電二極體區域208、210中的每一個的溝槽柵格。在一些實施例中，隔離結構232的深度與半導體基板201的厚度基本相同。在一些實施例中，隔離結構232的深度小於半導體基板201的厚度。在實施例中，影像感測器半導體基板201的厚度範圍從2.5 µm到7 µm，並且隔離結構232延伸到半導體基板201中的深度範圍可以從1 µm到5 µm。在實施例中，隔離結構232可以具有襯在溝槽表面上的一個或複數個襯墊材料層。例如，介電層214可以是襯在隔離結構232的溝槽表面上的襯墊材料層的部分。隔離結構232可以是氧化物填充的隔離溝槽結構或金屬填充的隔離溝槽結構。
透過移除緩衝氧化物層102，減少金屬柵格234與半導體基板201的背側表面201a之間的垂直間隙距離，以高角度入射的向光電二極體區域208引導的光可透過吸收或反射被金屬柵格234更有效地阻擋，而不會偏離到光電二極體區域210並被光電二極體210A吸收；串擾路徑124在圖2的實施例中不存在。
鑒於圖4A至圖4J，根據方法300(圖3)形成圖2所圖示的影像感測器結構。此影像感測器的背側結構的製造在晶片或半導體基板上的前側結構的製造301之後開始，製造(製程步驟)301包括形成影像感測器中用於電晶體的源-汲區域、接地接觸件、電晶體閘極、浮動擴散區、形成光電二極體陣列的光電二極體。例如，光電二極體408、410、412的陣列、用於電晶體的源-汲區域和浮動擴散區透過遮罩和向半導體基板402的前側402b內離子注入導電類型與半導體基板402相反的雜質(圖4A)而形成在半導體基板402中。光電二極體408和412類似於光電二極體108A、208A，並且光電二極體410類似於光電二極體110A、210A。光電二極體408和412各自可以具有滿阱容量或者比光電二極體410更大。光電二極體408和412可以稱為大光電二極體，並且光電二極體410可以稱為小光電二極體。半導體基板402可以包括矽、矽鍺合金、鍺、碳化矽合金、砷化銦鎵合金、由III-V族化合物形成的任何其他合金、其他半導體材料或合金、它們的組合以及它們的體基板。
半導體基板402可進一步具有閘極絕緣層420，閘極絕緣層420透過熱氧化製程、和多晶矽閘極材料沉積和蝕刻形成於半導體基板402的前側402b上，以在閘極絕緣層420上形成電晶體閘電極422。閘極420形成在半導體基板402的前側402b表面上。在實施例中，半導體基板402還具有從前側402b延伸到半導體基板402中的淺隔離結構(未顯示)，從而在光電二極體區域與電晶體區域之間提供附加的隔離。此外，製造(製程步驟)301可以進一步包括沉積和蝕刻金屬互連線(製程步驟)3011，然後重複執行沉積層間介電質、遮罩和蝕刻通孔以及沉積、遮罩和蝕刻每個相繼的金屬互連層的序列，以形成多層金屬互連結構。例如，由第一層金屬互連441和第二層金屬互連441形成的兩層金屬互連結構嵌入在半導體基板402的前側402b上的金屬間介電層440中。金屬間介電層440可以進一步封裝柵電極422。儘管這裡圖示了兩個金屬互連層，但是應該理解，金屬互連層的數量基於訊號路由的要求，並且可以包括更多或更少的金屬互連層。
在前端處理完成後，將晶片翻轉至其背側，並進行進一步的後端處理，如圖4A所圖示。透過遮罩和蝕刻製程(製程步驟)302在晶片的背側上形成複數個背側隔離溝槽。在一個範例中，透過蝕刻製程從半導體基板的背側移除對應部分來形成每個背側隔離溝槽，並且每個背側隔離溝槽從半導體基板的背側延伸一定深度。例如，在半導體基板402的背側402a上在相鄰光電二極體408、410、412之間形成複數個背側隔離溝槽430T。在實施例中，複數個背側隔離溝槽430T互連，形成包圍每個單獨的光電二極體408、410、412的溝槽柵格。
向複數個背側隔離溝槽中沉積(製程步驟)304基於氧化物的襯墊，基於氧化物的襯墊襯在相應的背側隔離溝槽的表面上。如圖4B所圖示，背側隔離溝槽430T和半導體基板402的背側402a表面襯有該沉積的介電質氧化物432。介電質氧化物432是厚度小於或等於15奈米的相對薄層。
在將基於氧化物的襯墊(第一襯墊層)襯在背側隔離溝槽上後，在一些實施例中，高介電常數(高k)材料的第二襯墊層(圖4B)沉積(製程步驟)306到複數個背側隔離溝槽中在基於氧化物的襯墊上，並進一步延伸到晶片的背側表面上。高k材料的第二襯墊層434被沉積到複數個背側隔離溝槽430T中在介電質氧化物432上。第二襯墊層434進一步沉積在半導體基板402的背側402a表面上，覆蓋光電二極體408、410、412的光感測區域。第二襯墊層434可以是襯在背側隔離溝槽430T和半導體基板402的背側402a表面上的連續層。第二襯墊層434可以包括一個或複數個高k材料層。介電質氧化物432(第一襯墊層)可以用作將第二襯墊層434附接到每個相應的背側隔離溝槽430T的溝槽表面上的粘合層。在實施例中，第二襯墊層434是選自氧化鋁(Al 2O 3)、氧化鉿(HfO 2)、氧化鉭(TaO)或其組合的材料。
然後，將化學機械拋光(CMP)停止層沉積(製程步驟)308到複數個背側隔離溝槽中和在晶片的背側表面上在第二襯墊之上(圖4C)，化學機械拋光(CMP)停止層被配置成停止CMP製程，諸如常常用於平坦化積體電路基板表面的CMP製程。CMP停止層436沉積在第二襯墊434之上。CMP停止層436可以是1到20奈米厚。在備選實施例中，CMP停止層436可在基於氧化物的襯墊沉積(例如，介電質氧化物432)之後首先沉積，並頂部蓋以第二襯墊層434。
一旦CMP停止層436和第二襯墊層434就位，例如透過化學氣相沉積將諸如二氧化矽的介電質填充材料沉積(製程步驟)310到複數個背側隔離溝槽中和在晶片的背側表面上在CMP停止層和第二襯墊層之上(圖4D)，隨後執行CMP製程，例如從背側隔離溝槽外部的晶片背側區塊，包括從光電二極體之上移除過量的介電質填充材料(圖4E)。在移除過量介電質填充材料的CMP製程期間，CMP停止層436可充當終點檢測CMP製程的層材料。諸如氧化矽或低n介電質材料(例如，折射率低於半導體基板402的介電質材料)的介電質填充材料438被沉積到複數個背側隔離溝槽430T內在填充背側隔離溝槽430T的CMP停止層436和第二襯墊層434之上和在半導體基板402的背側402a表面上在光電二極體408、410、412之上。在一些實施例中，CMP停止層436是由不同於介電質填充材料的材料形成的層。例如，CMP停止層436可以由相對於介電質填充材料438和半導體基板402具有高選擇性的材料形成，從而允許選擇性移除過量介電質填充材料438，例如，CMP停止層436可以具有低於介電質填充材料的拋光速率。用於CMP停止層436的材料可以包括氮化矽(SiN)、碳化矽(SiC)或氧化鉿(HfO 2)。
例如，隨後在半導體基板402的背側402a表面上執行CMP製程，CMP製程從背側隔離溝槽430T外部的半導體基板402的背側402a的區塊移除介電質填充材料438，僅在複數個背側隔離溝槽430T中留下介電質填充材料438，形成背側隔離結構430，在相鄰光電二極體408、410、412之間提供電學和光學隔離。
在一些實施例中，介電質填充材料的頂表面與CMP停止層436或第二襯墊層434的頂表面齊平，這取決於沉積順序。例如，當在沉積第二襯墊層434之後沉積CMP停止層436時，介電質填充材料438的頂表面與CMP停止層436齊平。例如，當在沉積第二襯墊層434之前沉積CMP停止層436時，介電質填充材料438的頂表面與第二襯墊層434齊平。當第二襯墊層434由多層疊堆形成時，介電質填充材料438的頂表面與第二襯墊層434的最頂層齊平。換句話說，介電質填充材料438的頂表面和在背側隔離溝槽430T中與其緊鄰的層材料齊平。在一些實施例中，在CMP製程之後，介電質填充材料438的頂表面略低於CMP停止層436或第二襯墊層434的頂表面。
在沉積步驟(製程步驟)312中，蝕刻停止層沉積在晶片背側之上，覆蓋介電質填充背側隔離結構和光電二極體(圖4F)。蝕刻停止層450沉積在半導體基板402的背側402a上，覆蓋主動像素區域中的複數個背側隔離結構430和光電二極體408、410、412。蝕刻停止層450可以由相對於介電質填充材料438和半導體基板402具有高蝕刻選擇性的材料形成。在實施例中，蝕刻停止層450是介電質材料層。蝕刻停止層450可以由氮化矽(SiN)、碳化矽(SiC)或氧化鉿(HfO2)形成。蝕刻停止層450進一步覆蓋主動像素區域中的區塊，允許進行用於周邊區域的附加製程，諸如絕緣層沉積和接觸焊盤形成。在實施例中，蝕刻停止層450的厚度範圍為從一奈米到二十奈米。
在實施例中，半導體基板402包括主動像素區域405A和周邊區域405P，其中周邊區域405P包圍主動像素區域405A。在一些實施例中，周邊區域405P佈置成與像素區域405A相鄰。在一些實施例中，在周邊區域405P與像素區域405A之間存在一個或複數個中間區域，諸如虛設像素區域或光學黑色像素區域。在實施例中，蝕刻停止層450沉積在主動像素區域405A內，並且不延伸到周邊區域405P中。蝕刻停止層450透過允許周邊區域405P中的背側接觸結構470與主動像素區域405A的製程分隔來為主動像素區域405A提供保護。
例如，在主動像素區域405A中沉積蝕刻停止層450後，在半導體基板402的背側420a上在周邊區域405P內形成複數個背側接觸結構470。
背側接觸結構470中的每一個可從背側420a向前側402b延伸，並接觸多層互連結構中的對應金屬互連445，用於訊號連接。背側接觸結構470中的每一個透過絕緣層472(例如，氧化矽)與半導體基板402電學隔離。
在一個實施例中，用於形成複數個背側接觸結構470的製程包括：在主動像素區域405A的蝕刻停止層450上和周邊區域405P中的半導體基板402上完全(blankly)沉積介電質材料(例如，氧化矽)，遮罩(masking)和蝕刻穿過沉積的介電質材料和半導體基板402的複數個溝槽或開口，向複數個接觸溝槽中沉積絕緣襯墊材料(insulating liner material)，形成絕緣層472，將導電材料沉積到複數個接觸溝槽中以形成背側接觸結構470，並形成覆蓋背側接觸結構470的硬遮罩層。
在晶片的背側之上沉積(製程步驟)314附加的保護性氧化物層，接著進行遮罩和蝕刻，以形成包圍背側接觸結構的保護層(圖4G)。保護性氧化物層473沉積並形成在半導體基板402的背側402a之上。保護性氧化物層473和絕緣層472可以由相同的材料形成。保護性氧化物層473和背側接觸結構470頂部蓋有硬遮罩層474，諸如氮化矽硬遮罩，接著是另一蝕刻製程，以移除主動像素區域405A之上的氮化矽硬遮罩474和保護性氧化物層473的部分，作為保護性氧化物保留在包圍背側接觸結構470的周邊區域405P之上。移除主動像素區域405A中的保護性氧化物層473的部分的此蝕刻製程在蝕刻停止層450處停止，因此蝕刻不會侵蝕到主動像素區域405A和背側隔離結構430中沉積的材料層中。硬遮罩層474進一步保護背側接觸結構470免受主動像素區域405A中的後續製程的影響。
接下來，將金屬材料沉積(製程步驟)316在晶片的背側上在蝕刻停止層和塗覆在背側接觸結構上的硬遮罩層之上，圖案化並蝕刻以形成金屬柵格(圖4G至圖4H)。金屬材料460首先完全沉積在半導體基板402的背側402a上，在主動像素區域405A和周邊區域405P之上。此後，金屬材料460被圖案化和蝕刻以在背側隔離結構430之上的蝕刻停止層450上形成金屬柵格462。金屬柵格462限定了與光電二極體408、410、412的光感測區域對準的複數個孔口464A、464B、464C。例如，孔口464A與光電二極體408的光感測區域對準，孔口464B與光電二極體410的光感測區域對準，並且孔口464C與光電二極體412的光感測區域對準。金屬柵格462進一步與背側隔離結構430對準。在特定實施例中，金屬材料460包括鋁(Al)或鎢(W)。金屬柵格462還具有從主動像素區域405A延伸到周邊區域405P中在硬遮罩層474上的部分462a。硬遮罩層474可以具有與位於主動像素區域405A中的金屬柵格462的頂表面齊平的頂表面。
一旦金屬柵格被遮罩和蝕刻，可從主動像素區域中的光電二極體區域之上移除(製程步驟)318蝕刻停止層，以避免因蝕刻停止層中的光吸收而造成的顏色干擾或光敏感度降低(圖4I)。在形成金屬柵格462之後，例如透過另一蝕刻製程移除形成在光電二極體408、410、412之上的蝕刻停止層450的部分。換句話說，複數個孔口464A、464B、464C內的蝕刻停止層450的部分被移除，而金屬柵格462與半導體基板402的背側402a表面之間的蝕刻停止層450的部分保留，使得光電二極體408、410、412的敏感度不會受到影響。在一些實施例中，蝕刻停止層450上的開口的形狀可以具有遵循孔口464A、464B、464C的形狀。在一個實施例中，蝕刻停止層450直接在金屬柵格462與介電質填充結構438之間。
在一個實施例中，移除蝕刻停止層後，可進一步移除CMP停止層(圖4J)。例如透過另一個蝕刻製程移除形成在光電二極體408、410、412之上的CMP停止層436的部分。換句話說，在複數個孔口464A、464B、464C內的CMP停止層436部分被移除，而金屬柵格462與半導體基板402的背側402a表面之間以及背側隔離溝槽430T內的CMP停止層的小部分436a保留，使得光電二極體408、410、412的敏感度將不受影響。
中性密度濾光器沉積(製程步驟)320在在小光電二極體的光感測區之上對準的金屬柵格限定的孔口(例如，孔口464B)中(圖5)。
光吸收或中性密度濾光器540沉積在與光電二極體410(小光電二極體)的光感測區對準的孔口(諸如孔口464B)中，以降低光電二極體410的光敏感度。隨後在複數個金屬柵格限定的孔口中沉積、遮罩和形成(製程步驟)322濾色器。濾色器530、532、534沉積在複數個孔口464A、464B和464C中。濾色器530和534分別沉積在CMP停止層436或第二襯墊層434上的孔口464A和464C中。濾色器532沉積在孔口464B中在光吸收或中性密度濾光器540上。此後，諸如氧化矽的附加低n材料層510可以沉積在濾色器530、532、534之間的金屬柵格462上，使得金屬柵格462和低n材料層510分隔相鄰的濾色器530、532、534。在實施例中，光吸收或中性密度濾光器540具有在金屬柵格462與低n材料層510之間的部分。
之後，沉積(製程步驟)324微透鏡材料(例如，聚合物)並模制，以形成微透鏡陣列。例如，微透鏡562、564、566的陣列形成在與相應的光電二極體408、410、412對準的濾色器530、532、534和金屬柵格462上，用於將入射光向相應的光電二極體408、410、412引導。
在一些實施例中，CMP停止層436和蝕刻停止層450各自的厚度在1奈米與20奈米之間，第二襯墊434的厚度可在20至40奈米之間，與緩衝氧化物層102的130奈米相比，金屬柵格462與背側402a表面之間的距離約為60至80奈米，因此可有效降低因高角度入射光引起的來自相鄰光電二極體(例如，從光電二極體412至光電二極體410)的串擾。
儘管圖示的小光電二極體608或大光電二極體606為八邊形，但應理解，根據像素佈局需要，大光電二極體606和小光電二極體608的形狀可為另一種合適的多邊形形狀，諸如正方形、矩形或三角形。金屬柵格640及其限定的孔口642a、642b的形狀(例如，金屬柵格640沿著平行於基板表面的平面的橫截面形狀)也可以具有與大光電二極體606和小光電二極體608的形狀共形的形狀(圖6)。下方的蝕刻停止層(例如，蝕刻停止層450)上的開口可以具有遵循金屬柵格640的孔口642a、642b的形狀。金屬柵格640可以被佈置成與隔離結構對準。在範例性佈局(圖6)中，金屬柵格640包圍影像感測器的像素陣列中的每個單獨的光電二極體606、608。孔口642a中的每一個與光電二極體606的光感測或曝光區對準，並且孔口642b中的每一個與光電二極體608的光感測或曝光區對準。
如圖6所示(實施例背側的平面圖)，小光電二極體608可由四個大光電二極體606包圍。電晶體區域610設置在相鄰的大光電二極體606之間，並且可以包括與大光電二極體606相關聯的一個或複數個像素電晶體。設置在相鄰小光電二極體608之間的電晶體區域610可以包括與小光電二極體608相關聯的一個或複數個像素電晶體。金屬柵格640佈置在相鄰光電二極體之間，以透過吸收和/或反射來減少串擾(例如，光路620)。金屬柵格640限定了與光電二極體606、608的光感測區對準的複數個孔口642a、642b。在實施例中，小光電二極體608中的每一個的第一滿阱容量小於相鄰大光電二極體606中的每一個的第二滿阱容量，並且存儲比每個單獨的大光電二極體606更少的光生電荷。備選地，大光電二極體606中的每一個可以具有比每個鄰近小光電二極體608的曝光區更大的曝光區。在實施例中，類似於中性密度濾光器222的中性密度濾光器622設置在金屬柵格640上和在孔口642b中，覆蓋小光電二極體608的光感測區域，以衰減向小光電二極體608引導的光。
儘管上述包括金屬格柵和蝕刻停止層的背側結構減少用於背照式影像感測器的包括複數個大光電二極體和小光電二極體的像素陣列中的小光電二極體與相鄰大光電二極體之間的串擾，但應理解，所描述的背側結構可用於減少具有相同滿阱容量的相鄰光電二極體之間的串擾，如圖7所圖示。背照式影像感測器700包括類似於圖5的背照式影像感測器的特徵，除了下面提到的地方，並且因此相似編號的元件具有相似的功能。背照式影像感測器700包括形成在半導體基板702的主動像素區域705中的像素陣列，其中主動像素區域705A與周邊區域705P相鄰。周邊區域705P是圖5中的周邊區域405P的範例，並且包括至少用於形成外部訊號連接(例如，與邏輯晶片上的積體電路系統或者與外部電路系統連接)的背側接觸結構。像素陣列包括複數個光電二極體708、710和712，其中複數個光電二極體708、710、712具有相同的滿阱容量，並且對入射光具有相同的敏感度。在相應的濾色器730、732、734與半導體基板702的背側表面402a之間沒有設置中性密度濾光器。由對應的微透鏡762、764、766向光電二極體708、710、712引導的光穿過對應的濾色器730、732、734而不被衰減，因此光電二極體708、710和712中的每一個對入射光具有相似的敏感度。
透過減薄材料厚度，縮短金屬柵格462與半導體基板702中的對應背側隔離結構430之間的間隙，以高角度入射的向光電二極體(例如光電二極體712)引導的光(例如光720)可透過吸收或反射被金屬柵格462有效阻擋，而不會跨越到相鄰光電二極體(例如光電二極體710)。 組合和特徵
本文公開的特徵可透過多種方式組合。發明人預期的特徵組合為：
一種指定為A的背照式影像感測器，包括：半導體基板；形成在半導體基板中的複數個光電二極體，複數個光電二極體佈置為陣列形式；第一介電層，該第一介電層設置在半導體基板的背側上，該第一介電層具有與複數個光電二極體中的每一個對準的複數個開口；以及金屬柵格，該金屬柵格設置在第一介電層上，該金屬柵格限定了與複數個光電二極體對準的複數個孔口。
一種指定為AA的背照式影像感測器，包括指定為A的背照式影像感測器，金屬柵格與半導體基板的背側表面之間的距離大於零但小於八十奈米。
一種指定為AB的背照式影像感測器，包括指定為A或AA的背照式影像感測器，複數個光電二極體透過複數個隔離結構彼此電學隔離，並且金屬柵格與複數個隔離結構對準。
一種指定為AC的背照式影像感測器，包括指定為A、AA或AB的背照式影像感測器，其中複數個隔離結構中的每一個包括：溝槽，該溝槽形成在半導體基板中；基於氧化物的襯墊，該基於氧化物的襯墊設置在溝槽中，該基於氧化物的襯墊襯在溝槽的表面上；高k材料層，該高k材料層設置在溝槽中在基於氧化物的襯墊上以及在半導體基板的背側上；第二介電層，該第二介電層設置在溝槽中在高k材料層上；以及填充材料，該填充材料沉積在溝槽中，該填充材料被第二介電層包圍。填充材料可以部分填充溝槽。在此實施例中，高k材料層和第二介電層被佈置成延伸到半導體基板的背側上和第一介電層下方，使得第一介電層可以為高k材料層和第二介電質層提供製程保護。
一種指定為AD的背照式影像感測器，包括指定為A、AA、AB或AC的背照式影像感測器，該第一介電層設置在金屬柵格與每個溝槽的填充材料之間。
一種指定為AE的背照式影像感測器，包括指定為AC或AD的背照式影像感測器，高k材料層包括氧化鋁或氧化鉭或其組合。
一種指定為AF的背照式影像感測器，包括指定為A、AA、AB、AC、AD或AE的背照式影像感測器，其中第一介電層的厚度範圍在一奈米至二十奈米之間。
一種指定為AG的背照式影像感測器，包括指定為A、AF、AA、AB、AC、AD或AE的背照式影像感測器，第一介電層為蝕刻停止層，並包括相對於金屬柵格具有蝕刻選擇性的材料。
一種指定為AH的背照式影像感測器，包括指定為A、AF、AG、AA、AB、AC、AD或AE的背照式影像感測器，第一介電層包括氮化矽、碳化矽或氧化鉿中的至少一種。
一種指定為AJ的背照式影像感測器，包括指定為A、AF、AG、AH、AA、AB、AC、AD或AE的背照式影像感測器，其中複數個開口包括與第一組光電二極體對準的第一組開口和與第二組光電二極體對準的第二組開口，其中第一組光電二極體中的每個光電二極體的第一滿阱容量小於第二組光電二極體中的每個光電二極體的第二滿阱容量。
一種指定為AK的背照式影像感測器包括指定為A、AA、AB、AC、AD、AE、AF、AG、AH或AK的背照式影像感測器，還包括在第一組開口中的複數個中性密度濾光器，其中第二組開口缺少中性密度濾光器；以及在第一組開口和第二組開口中的複數個濾色器，其中金屬柵格分隔相鄰的濾色器。
一種指定為B的影像感測器，包括：第一光電二極體，該第一光電二極體設置在半導體基板中；隔離結構，該隔離結構設置在半導體基板中在第一光電二極體與相鄰器件之間，該隔離結構從半導體基板的背側延伸到半導體基板中，並且電學隔離第一光電二極體與第二光電二極體。該影像感測器還包括：金屬柵格，該金屬柵格設置在半導體基板的背側上，該金屬柵格限定與第一光電二極體對準的第一孔口和與第二光電二極體對準的第二孔口，該金屬柵格與隔離結構垂直對準；以及第一介電層，該第一介電層設置在半導體基板的背側上並且在金屬柵格與隔離結構之間，其中第一介電層具有與第一孔口對準的第一開口和與第二孔口對準的第二開口。
一種指定為BA的影像感測器，包括指定為B的影像感測器，其中隔離結構包括：溝槽，該溝槽從半導體基板的背側延伸；基於氧化物的襯墊，該基於氧化物的襯墊設置在溝槽中並襯在溝槽表面上；高k材料層，該高k材料層設置在溝槽中在基於氧化物的襯墊上以及在半導體基板的背側表面上；第二介電層，該第二介電層設置在溝槽中在高k材料層上；以及填充材料，該填充材料設置在溝槽中，其中填充材料在第二介電質層上並且可以填充溝槽；其中高k材料層和第二介電層被佈置成延伸到半導體基板的背側上和第一介電層下方。
一種指定為BB的影像感測器，包括指定為B或BA的影像感測器，第一介電層設置在金屬柵格與隔離結構的填充材料之間。
一種指定為BC的影像感測器，包括指定為B、BA或BB的影像感測器，其中第一光電二極體的第一滿阱容量小於第二光電二極體的第二滿阱容量。
一種指定為BD的影像感測器，包括指定為B、BA、BB或BC的影像感測器，還包括：中性密度濾光器，該中性密度濾光器在與第一光電二極體對準的第一孔口和第一介電層的第一開口中；以及第一濾色器，該第一濾色器在第一孔口中在中性密度濾光器上；以及第二濾色器，該第二濾色器在第二孔口中。在此影像感測器中，其中金屬柵格分隔第一濾色器與第二濾色器；第一介電層的第一開口的形狀遵循第一孔口的形狀，並且第一介電層的第二開口的形狀遵循第二孔口的形狀。
一種指定為C的製造背照式影像感測器的方法，包括從半導體基板的背側表面並且在半導體基板中的第一光電二極體與第二光電二極體之間形成溝槽；沉積基於氧化物的襯墊材料層以襯在溝槽上；將第一製程停止層沉積到溝槽中在基於氧化物的襯墊材料層上和在半導體基板的背側表面上；將填充材料沉積到溝槽中和在半導體基板的背側表面上，形成隔離結構；拋光半導體基板的背側表面，例如透過應用化學機械拋光製程，以移除半導體基板的背側表面上的溝槽外部的填充材料；在半導體基板的背側表面上和第一製程停止層上沉積第二製程停止層；在第二製程停止層上形成金屬柵格，其中該金屬柵格限定與第一光電二極體對準的第一孔口和與第二光電二極體對準的第二孔口；以及移除金屬柵格的第一孔口和第二孔口內的第二製程停止層的部分。
一種指定為CA的方法，包括指定為C的方法，並且還包括在第一孔口中沉積中性密度濾光器，並在第一孔口中在中性密度濾光器上沉積第一濾色器；以及在沒有中性密度濾光器的第二孔口中沉積第二濾色器；其中金屬柵格分隔第一濾色器和第二濾色器。
一種指定為CB的方法，包括指定為C或CA的方法，還包括，在沉積第一製程停止層之前，將具有高介電常數的介電質襯在溝槽和半導體基板的背側表面上，使得具有高介電常數的介電質位於第一製程停止層下方。
一種指定為CC的方法，包括指定為C、CA或CB的方法，還包括在形成金屬柵格後，在半導體基板的背側表面之上沉積保護性氧化物層；以及從具有第一光電二極體和第二光電二極體的光電二極體區域之上移除保護性氧化物層的部分，同時在光電二極體區域中的金屬柵格上以及包圍光電二極體區域的周邊區域上留下保護性氧化物層。
在不脫離本發明範圍的情況下，可以對上述方法和系統進行改變。因此，應當注意，包含在以上描述中或者在附圖中示出的內容應當被解釋為說明性的，而不是限制性的。下面的權利要求旨在覆蓋本文描述的所有一般和特定特徵，以及從語言的角度來說可以說落入它們之間的本發明的方法和系統的範圍的所有陳述。
100:影像感測器 101,201,702:半導體基板 108,110,208,210:光電二極體區域 108A,110A,208A,210A,408,410,412,708,710,712:光電二極體 101a,201a,402,402a,420a:背側 101b,402b:前側 103,226:轉移閘極 104:浮動擴散區 130:絕緣氧化物 134,234,462,640:金屬柵格 116,118,216,218,530,532,534,730,732,734:濾色器 122,222,540:中性密度濾光器 142,144,562,564,566,762,764,766:微透鏡 132,232:隔離結構 124:路徑 200,700:背照式影像感測器 212,450:蝕刻停止層 214,236:介電層 238a,238b,464A,464B,464C,642a,642b:孔口 300:方法 301,3011,302,304,306,308,310,312,314,316,318,320,322,324:製程步驟 420:閘極絕緣層 422:閘電極 441:第一層金屬互連 442:第二層金屬互連 430T:背側隔離溝槽 432:介電質氧化物(第一襯墊層) 434:第二襯墊層 436:CMP停止層 438:介電質填充材料 430:背側隔離結構 405A,705A:主動像素區域 405P,705P:周邊區域 440:金屬間介電層 470:背側接觸結構 445:金屬互連 472:絕緣層 473:保護性氧化物層 474:硬遮罩層 460:金屬材料 462a:遮罩層上的部分 436:CMP停止層 430T:背側隔離溝槽 436a:CMP停止層的小部分 510:低n材料層 608:小光電二極體 606:大光電二極體 610:電晶體區域 620:光路
[圖1]是背照式影像感測器的小部分的截面圖，圖示了可能在影像感測器的光電二極體陣列的相鄰光電二極體之間產生光學串擾的光的路徑。
[圖2]是一實施例的截面圖，圖示了根據本公開的教示，具有金屬柵格的影像感測器，該金屬柵格設置於相鄰光電二極體之間以防止光電二極體之間的光學串擾，並且靠近影像感測器的背側間隔開。
[圖3]是根據本公開的教示製造影像感測器的方法的流程圖。
[圖4A至圖4J]是根據圖3的流程圖對影像感測器進行前側處理後的實施例部分的截面圖。
[圖5]是進一步處理後的實施例的截面圖，進一步處理包括沉積光衰減或中性密度濾光器、濾色器和微透鏡。
[圖6]是根據本公開所教示的影像感測器的俯視平面圖。
[圖7]是另一個實施例的截面圖，圖示了根據本公開教示的影像感測器。
142,144:微透鏡
200:影像感測器
216,218:濾色器
201:半導體基板
201a:背側
208,210:光電二極體區域
208A,210A:光電二極體
226:轉移閘極
234:金屬柵格
212:蝕刻停止層
214,236:介電層
238a,238b:孔口
216,218:濾色器
222:中性密度濾光器
232:隔離結構

Claims (20)

  1. 一種背照式影像感測器，包括： 半導體基板； 形成在所述半導體基板中的複數個光電二極體，所述複數個光電二極體佈置為陣列形式； 第一介電層，所述第一介電層設置在所述半導體基板背側上，所述第一介電層具有與所述複數個光電二極體中的每一個對準的複數個開口；以及 金屬柵格，所述金屬柵格設置在所述第一介電層上，所述金屬柵格限定與所述複數個光電二極體對準的複數個孔口。
  2. 如請求項1所述的背照式影像感測器，其中所述金屬柵格與所述半導體基板的背側表面之間的距離大於零但小於八十奈米。
  3. 如請求項1所述的背照式影像感測器，其中所述複數個光電二極體透過複數個隔離結構彼此電學隔離，並且所述金屬柵格與所述複數個隔離結構對準。
  4. 如請求項3所述的背照式影像感測器，其中所述複數個隔離結構中的每一個包括： 溝槽，所述溝槽形成在所述半導體基板中； 基於氧化物的襯墊，所述基於氧化物的襯墊設置在所述溝槽中，所述基於氧化物的襯墊襯在所述溝槽的表面上； 高k材料層，所述高k材料層設置在所述溝槽中在所述基於氧化物的襯墊上和在所述半導體基板的所述背側上； 第二介電層，所述第二介電層設置在所述溝槽中所述高k材料層上；以及 填充材料，所述填充材料設置在所述溝槽中，所述填充材料被所述第二介電層包圍； 其中所述高k材料層和所述第二介電層被佈置成延伸到所述半導體基板的所述背側上和所述第一介電層下方。
  5. 如請求項4所述的背照式影像感測器，其中所述第一介電層設置在所述金屬柵格與每個溝槽的所述填充材料之間。
  6. 如請求項4所述的背照式影像感測器，其中所述高k材料層包括氧化鋁或氧化鉭。
  7. 如請求項1所述的背照式影像感測器，其中所述第一介電層的厚度範圍在一奈米至二十奈米之間。
  8. 如請求項1所述的背照式影像感測器，其中所述第一介電層是蝕刻停止層，並且包括相對於所述金屬柵格具有蝕刻選擇性的材料。
  9. 如請求項8所述的背照式影像感測器，其中所述第一介電層包括氮化矽、碳化矽或氧化鉿中的至少一種。
  10. 如請求項1所述的背照式影像感測器，其中所述複數個開口包括與第一組光電二極體對準的第一組開口，以及與第二組光電二極體對準的第二組開口，其中所述第一組光電二極體中的每個光電二極體的第一滿阱容量小於所述第二組光電二極體中的每個光電二極體的第二滿阱容量。
  11. 如請求項10所述的背照式影像感測器，還包括： 在所述第一組開口中的複數個中性密度濾光器，其中所述第二組開口缺少中性密度濾光器；以及 在所述第一組開口和所述第二組開口中的複數個濾色器，其中所述金屬柵格分隔相鄰的濾色器。
  12. 一種影像感測器，包括： 第一光電二極體，所述第一光電二極體設置在半導體基板中； 隔離結構，所述隔離結構設置在所述半導體基板中與所述第一光電二極體相鄰，所述隔離結構從所述半導體基板的背側延伸到所述半導體基板中，並且電學隔離所述第一光電二極體和任何相鄰的器件； 金屬柵格，所述金屬柵格設置在所述半導體基板的所述背側上，所述金屬柵格限定與所述第一光電二極體對準的第一孔口，所述金屬柵格與所述隔離結構垂直對準；以及 第一介電層，所述第一介電層設置在所述半導體基板的所述背側上並且在所述金屬柵格與所述隔離結構之間，其中所述第一介電層具有與所述第一孔口對準的第一開口。
  13. 如請求項12所述的影像感測器，其中所述隔離結構包括： 溝槽，所述溝槽從所述半導體基板的所述背側延伸； 基於氧化物的襯墊，所述基於氧化物的襯墊設置在所述溝槽中並襯在所述溝槽的表面上； 高k材料層，所述高k材料層設置在所述溝槽中在所述基於氧化物的襯墊上以及在所述半導體基板的背側表面上； 第二介電層，所述第二介電層設置在所述溝槽中在所述高k材料層上；以及 填充材料，所述填充材料設置在所述溝槽中在所述第二介電層上； 其中所述高k材料層和所述第二介電層被佈置成延伸到所述半導體基板的所述背側上和所述第一介電層下方。
  14. 如請求項13所述的影像感測器，其中所述金屬柵格與所述半導體基板的背側表面之間的距離大於零但小於八十奈米。
  15. 如請求項12所述的影像感測器，還包括第二光電二極體，所述第二光電二極體設置在所述半導體基板中與所述第一光電二極體相鄰；其中所述第一光電二極體的第一滿阱容量小於所述第二光電二極體的第二滿阱容量。
  16. 如請求項15所述的影像感測器，其中所述金屬柵格限定與所述第二光電二極體對準的第二孔口，並且所述第一介電層具有與所述第二光電二極體對準的第二開口，所述影像感測器還包括： 中性密度濾光器，所述中性密度濾光器在與所述第一光電二極體對準的所述第一孔口和所述第一介電層的所述第一開口中，以及 第一濾色器，所述第一濾色器在所述第一孔口中在所述中性密度濾光器上；以及 第二濾色器，所述第二濾色器在所述第二孔口中； 其中所述金屬柵格分隔所述第一濾色器和所述第二濾色器； 其中所述第一介電層的所述第一開口的形狀遵循所述第一孔口的形狀，並且所述第一介電層的所述第二開口的形狀遵循所述第二孔口的形狀。
  17. 一種製造背照式影像感測器的方法，包括： 從半導體基板的背側表面並在所述半導體基板中的第一光電二極體與第二光電二極體之間形成溝槽； 沉積基於氧化物的襯墊材料層以襯在所述溝槽上； 將第一製程停止層沉積到所述溝槽中在所述基於氧化物的襯墊材料層上和在所述半導體基板的所述背側表面上； 將填充材料沉積到所述溝槽中和在所述半導體基板的所述背側表面上，形成隔離結構； 拋光所述半導體基板的所述背側表面，以移除所述半導體基板的所述背側表面上所述溝槽外部的所述填充材料； 在所述半導體基板的所述背側表面上和在所述第一製程停止層上沉積第二製程停止層； 在所述第二製程停止層上形成金屬柵格，其中所述金屬柵格限定與所述第一光電二極體對準的第一孔口和與所述第二光電二極體對準的第二孔口；以及 移除所述金屬柵格的所述第一孔口和所述第二孔口內的所述第二製程停止層的部分。
  18. 如請求項17所述的方法，進一步包括： 在所述第一孔口中沉積中性密度濾光器，以及 在第一孔口中在所述中性密度濾光器上沉積第一濾色器；以及 在沒有中性密度濾光器的所述第二孔口中沉積第二濾色器； 其中所述金屬柵格分隔所述第一濾色器和所述第二濾色器。
  19. 如請求項17所述的方法，還包括，在沉積所述第一製程停止層之前，將具有高介電常數的介電襯在所述溝槽和所述半導體基板的所述背側表面上，使得所述具有高介電常數的介電位於所述第一製程停止層下方。
  20. 如請求項17所述的方法，進一步包括，在形成所述金屬柵格之後， 在所述半導體基板的所述背側表面之上沉積保護性氧化物層；以及 從具有所述第一光電二極體和所述第二光電二極體的光電二極體區域之上移除所述保護性氧化物層的部分，同時在所述光電二極體區域中的所述金屬柵格上和在包圍所述光電二極體區域的周邊區域之上留下所述保護性氧化物層。
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