TW202341457A - 光學裝置及其製作方法 - Google Patents

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Abstract

一種具有隔離結構的光學裝置及其製造方法。光學裝置包括具有第一表面以及與第一表面相對的第二表面的基板，設置在基板中的第一及第二輻射感測裝置，設置在基板中的第一隔離結構。基板有一個第一表面以及一個與第一表面相對的第二表面。光學裝置更包括第二隔離結構，第二隔離結構設置在基板中，第一隔離結構的第一表面上。第二隔離結構包括圍繞金屬結構的金屬結構以及介電層。第二隔離結構在基板的第一表面上垂直延伸。

Description

影像感測器中的隔離結構
影像感測器用於感測入射（incoming）的可見或不可見輻射，例如可見光以及紅外光。互補金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS)影像感測器(CIS)以及電荷耦合裝置(charge-coupled device, CCD)感測器用於各種應用，例如數位相機(digital still camera, DSC)、手機、平板電腦以及智能眼鏡(goggles)。這些影像感測器利用畫素陣列來吸收（例如，感測）入射輻射並將其轉換為電訊號。影像感測器的一個示例是背照式(backside illuminated, BSI)影像感測器，它檢測來自BSI影像感測器的基板的「背側」的輻射。
以下揭露內容提供用於實施所提供主題的不同特徵的多個不同實施例或實例。下文描述元件及佈置的特定實例來簡化本揭露。當然，這些元件及佈置僅為實例且並不意圖為限制性的。舉例來說，在以下描述中，第一特徵在第二特徵上方或第二特徵上的形成可包含第一特徵與第二特徵直接接觸地形成的實施例，且更可包含額外特徵可在第一特徵與第二特徵之間形成以使得第一特徵與第二特徵可不直接接觸的實施例。另外，本揭露揭露可在各種實例中重複附圖標記及/或字母。這種重複是出於簡化及清楚的目的，且本身並不指示所論述的各種實施例及/或配置之間的關係。
此外，為了易於描述，可在本文中使用例如「在……下」、「下方」、「下部」、「上方」、「上部」等的空間相關術語，以描述如圖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以外，空間相關術語意圖涵蓋裝置在使用或操作中的不同定向。裝置可以其它方式定向（旋轉90度或處於其它定向），且本文中所使用的空間相對描述詞可同樣相應地進行解釋。除了圖中描繪的方向之外，空間相對術語旨在涵蓋設備在使用或操作中的不同方向。
注意，說明書中對「一個實施例」、「一個實施例」、「示例實施例」、「示例性」等的引用表示所描述的實施例可以包括特定的特徵、結構或特性，但每個實施例不一定包括特定的特徵、結構或特性。此外，這些用語不一定指相同的實施例。此外，當結合實施例描述特定特徵、結構或特性時，無論是否明確描述，結合其他實施例來實現這種特徵、結構或特性都在本領域技術人員的知識範圍內。
應當理解，本文中的措辭或術語是出於描述而非限制的目的，使得本說明書的術語或措辭將由相關領域具有通常知識者根據本文的教示來解讀。
在一些實施方案中，術語「大約」以及「實質上」可以表示給定量的值在該值的5%範圍內變化（例如，±1%、±2%、±3%、±4%、±5%的值）。這些值僅是示例而不是限制性的。術語「大約」以及「實質上」可以指相關領域具有通常知識者根據本文的教示所解讀的值的百分比。
BSI影像感測器包括基板（例如，半導體基板）中的畫素結構陣列（其可以包括光電二極體、電晶體以及其他元件）。畫素結構被配置為接收（或吸收）向基板投射的電磁輻射（例如，紅外輻射）並將光子從接收的輻射轉換成電訊號。隨後將電訊號分配給連接到BSI影像感測器的處理元件。畫素結構上覆於一個互連結構，此互連結構用以將畫素結構內生成的電訊號分配到適當的處理元件。
在BSI影像感測器中，互連結構耦合到基板的前側表面，彩色濾光片（color filters）以及微透鏡耦合到基板的背側表面，以收集來自互連結構的元件及/或畫素結構的最小或沒有障礙（obstructions）的光。因此，與前側照明影像感測器相比，BSI影像感測器在低光照條件下具有改進的性能以及更高的量子效率(QE)（例如，光子到電子的轉換百分比）。
BSI影像感測器面臨的挑戰是減少或消除相鄰畫素結構之間的串擾(cross-talk)。相鄰的畫素結構可能會干擾彼此的操作。當來自一個畫素結構的光進入相鄰的畫素結構時，可能會發生這種串擾，從而導致相鄰的畫素結構感應到光。這種串擾會降低BSI影像感測器的精度以及量子效率。
本揭露提供了在相鄰畫素結構之間具有隔離結構的示例BSI影像感測器以及形成BSI影像感測器的示例方法。在一些實施例中，BSI影像感測器可以包括設置在相鄰畫素結構之間以將相鄰畫素結構彼此光學隔離的隔離結構的堆疊。在一些實施例中，隔離結構的堆疊可以包括設置在BSI影像感測器的基板的前側表面上的淺溝渠隔離(STI)結構以及設置在STI結構上並且與STI結構物理接觸的深溝渠隔離(DTI)結構。
在一些實施例中，DTI結構可以延伸至BSI影像感測器的基板的背側表面上方約80奈米(nm)至約130nm。在一些實施例中，STI結構可以包括一個或多個介電層並且DTI結構可以包括金屬填充層以及圍繞金屬填充層的介電襯裡(liner)。通過在DTI結構中包含這種金屬填充層並將DTI結構延伸到基板的背側表面之上，可以大大減少或消除相鄰畫素結構之間的串擾，從而提高BSI影像感測器的量子效率。
在一些實施例中，BSI影像感測器的量子效率可以通過在基板的背側表面上包括實質上與畫素結構對齊的溝槽區來進一步提高。在一些實施例中，通過使用溝槽區以及DTI結構，用於檢測近紅外區域（例如，在波長約800nm以及約1000nm之間）的BSI影像感測器的量子效率與沒有溝槽區及/或DTI結構的BSI影像感測器相比可以提高約0.5倍至約1.5倍。
圖1示出了根據一些實施例的BSI影像感測器100（也稱為「光學裝置100」）的截面圖。在一些實施例中，BSI影像感測器可以包括(i)具有背側表面102B以及前側表面102F的基板102；(ii)設置在基板102的前側表面102F的互連結構104；(iii) 設置在基板102中的畫素結構106A以及106B；(iv)設置在基板102中的STI結構108；(v)設置在STI結構108上的DTI結構110；(vi)設置在背側表面102B上的抗反射塗層(anti-reflective coating, ARC)112；(vii)設置在ARC112上的鈍化層114；(viii)設置在鈍化層114上的介電層116；(ix)設置在介電層116中的彩色濾光片118A以及118B；(x)設置在介電層116上的微透鏡120A以及120B，以及(xi)金屬屏蔽層122。
在一些實施例中，基板102可以是半導體材料，例如矽、鍺(Ge)、矽鍺(SiGe)、絕緣體上矽(SOI)結構及其組合。此外，基板102可以摻雜有p型摻雜劑（例如硼、銦、鋁或鎵）或n型摻雜劑（例如磷或砷）。
在一些實施例中，背側表面102B可以包括週期性(periodic)溝槽區102Ga的第一陣列以及周期性溝槽區102Gb的第二陣列。週期溝槽區102Ga的第一陣列可以實質上對準畫素結構106A，週期溝槽區102Gb的第二陣列可以實質上對準畫素結構106B。與具有平面的背側表面並且在基板的背側表面中沒有周期性溝槽區的BSI影像感測器相比，這些週期性溝槽區102Ga以及102Gb的陣列可以為入射至每個畫素結構106A以及106B上的輻射束124提供較大的入射表面積。較大的入射表面積可以提高BSI影像感測器100的畫素結構106A以及106B的量子效率。
在一些實施例中，溝槽區102Ga以及102Gb可如圖1所示具有三角形截面輪廓。在一些實施例中，溝槽區102Ga以及102Gb可以具有其他橫截面輪廓，例如矩形輪廓以及半橢圓形輪廓。在一些實施例中，溝槽區102Ga以及102Gb可以在溝槽區102Ga以及102Gb的內側壁處實現入射輻射束124的多次反射，而不會離開溝槽區102Ga以及102Gb。入射輻射束124的這種多次反射可以增加被畫素結構106A以及106B吸收以及處理的入射輻射束124的可能性以及數量，從而提高BSI影像感測器100的量子效率。在一些實施例中，溝槽區102Ga-102Gb的第一及第二陣列中的每一個溝槽區可以在溝槽區的內側壁之間具有約60°至約90°的夾角A，以使得入射輻射束124能夠在溝槽區102Ga以及102Gb的內側壁處進行多次反射。
在一些實施例中，互連結構104可以包括金屬間介電質(inter-metal dielectric, IMD)層104A、金屬線104B、金屬通孔104C及設置在IMD層104A中的感測裝置104D。金屬線104B及金屬通孔104C形成畫素結構106A及106B與其他元件（圖1中未示出）之間的互連（例如，佈線）。在一些實施例中，金屬線104B及金屬通孔104C可以包括導電材料，例如銅（Cu）、釕（Ru）、鈷（Co）、Cu合金（例如，Cu-Ru、Cu-Al或銅錳(CuMn))及任何其他合適的導電材料。金屬線104B及金屬通孔104C的佈局是示例性的而非限制性的，並且金屬線104B及金屬通孔104C的其他佈局變化在本揭露的範圍內。金屬線104B及金屬通孔104C的數量及佈置可以與圖1中所示的不同。
在一些實施例中，感測裝置104D可以是場效電晶體(FET)及/或記憶胞的陣列，它們電連接到相應的畫素結構106A及106B並用以讀取由於光-電荷轉換步驟(light-to-charge conversion process)而產生在那些區域中的電訊號。在一些實施例中，互連結構104可以通過障壁層(圖1中未示出)附接到載體基板(圖1中未示出)，此載體基板可以為其上製造的結構(例如互連層104、基板102等)提供支撐。載體基板可以是矽晶圓、玻璃基板或任何其他合適的材料。
在一些實施例中，畫素結構106A及106B（也稱為「輻射感測區域106A及106B」或「輻射感測裝置106A及106B」）可以設置在基板102中。例如，圖1中顯示了兩個畫素結構106A及106B，但可以在基板102中實現額外的畫素結構106A及106B。畫素結構106A及106B感測輻射（例如分別進入畫素區域105A及105B並以不同入射角撞擊背側表面102B的輻射束124）。在一些實施例中，每個畫素結構106A及106B可包括可以將輻射束124的光子轉換為電荷的光電二極體。在一些實施例中，畫素結構106A及106B可以包括光電二極體、電晶體、放大器、其他類似裝置或其組合。
在一些實施例中，畫素結構106A及106B可以通過隔離結構107的堆疊彼此電隔離及光隔離。在一些實施例中，每個隔離結構107的堆疊可以包括STI結構108及DTI結構110。STI結構108可以設置在基板102中，並且STI結構108的面向互連結構104的表面可以與前側表面102F實質上共平面。在一些實施例中，STI結構108可以包括介電材料，例如氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、摻氟矽酸鹽玻璃（FSG）、低k介電材料（例如，k值低於3.9的材料）)，以及任何其他合適的介電材料。
在一些實施例中，DTI結構110可以設置在STI結構108上並且與STI結構108物理接觸。DTI結構110可以形成在STI結構108上，而在DTI結構110及STI結構108之間的界面處沒有任何實質性間隙，以顯著最小化或防止畫素區域105A及105B之間及/或畫素結構106A及106B之間的任何光洩漏，從而改善畫素結構106A及106B的量子效率。如果在DTI結構110及STI結構108之間的界面處存在間隙，則進入畫素區域105A的輻射束124（例如，光子）可以通過間隙傳播到畫素區域105B，反之亦然。
在一些實施例中，DTI結構110可以在背側表面102B的上方沿著Z軸延伸距離D1。DTI結構110在基板102上的這種延伸可以實質上最小化或防止以大於零度的入射角進入畫素區域105A的輻射束124(例如，光子)偏離到畫素區域105B，反之亦然。
因此，通過將DTI結構110延伸至基板102上方，畫素結構106A及106B可以捕獲及處理更大量的光子，從而提高BSI影像感測器100的量子效率。在一些實施例中，距離D1的範圍可以從大約80nm到大約130nm。在此距離D1範圍內，DTI結構110可以提高BSI影像感測器100的量子效率，而不會損害BSI影像感測器100的尺寸及製造成本。
在一些實施例中，每個DTI結構110可以包括金屬填充層110A、圍繞金屬填充層110的介電層110B及圍繞介電層110B的高介電係數介電層110C。介電層110B及高介電係數介電層110C可以將金屬填充層110A與基板102及/或畫素結構106A及106B電隔離。金屬填充層110A可以阻止畫素區域105A中的光子通過介電材料雜散到畫素區域105B，反之亦然。此外，金屬填充層110A可以在畫素區域105A及105B中實現輻射束124(例如，光子)的多次反射，而不會離開畫素區域105A及105B。輻射束124的這種多次反射可以增加畫素結構106A及106B吸收及處理的輻射束124的量，從而提高BSI影像感測器100的量子效率。在一些實施例中，通過使用金屬填充層110A，DTI結構110A可以形成為沿X軸的寬度小於由介電層形成且沒有金屬填充層的DTI結構的寬度，因為相較於厚度實質上相同的介電層而言，金屬層可以更有效地阻擋輻射束。結果，可以用DTI結構110形成更小且更緊湊的BSI影像感測器100，而不會損害其量子效率。
在一些實施例中，金屬填充層110A可以包括金屬材料，例如鎢(W)、鋁(Al)、鈷(Co)、釕(Ru)及其他合適的金屬材料。在一些實施例中，介電層110B可以包括氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或其他合適的絕緣氧化物及/或氮化物材料。在一些實施例中，高介電係數介電層110C可以包括高k材料，例如氧化鉿(HfO 2)、氧化鋁(Al 2O 3)、任何其他合適的高k介電材料及其組合。
在一些實施例中，STI結構108可具有沿Z軸約150nm至約250nm的高度H1及沿X軸約300nm至約500nm的寬度W1。在一些實施例中，DTI結構110可具有沿Z軸約5μm至約10μm的高度H2及沿X軸約300nm至約400nm的寬度W2。在一些實施例中，高度H2可以大於高度H1以充分防止畫素結構106A及106B之間的串擾。在一些實施例中，STI結構108的寬度W1可以大於DTI結構110的寬度W2以充分阻止光子偏離到相鄰的畫素結構，因為與DTI結構110不同，STI結構108可能沒有金屬層。如上所述，與厚度實質上相同的介電層相比，金屬層可以更有效地阻擋光子。在一些實施例中，金屬填充層110A可以沿X軸具有約70nm至約150nm的厚度T1，介電層110B可以沿X軸具有約100nm至約150nm的厚度T2，並且高介電係數介電層110C可以具有沿X軸約10nm至約20nm的厚度T3。在上述厚度T2及T3範圍內，介電層110B及高介電係數介電層110C可以充分地將金屬填充層110A與基板102及/或畫素結構106A及106B電隔離，而不損害BSI影像感測器100的尺寸及製造成本。
在上述高度H1及H2、寬度W1及W2以及厚度T1的範圍內，STI結構108及DTI結構110可以實質上最小化或防止畫素結構106A及106B之間的串擾，而不影響BSI影像感測器的尺寸及製造成本100。
ARC112可以設置在背側表面102B上以防止入射輻射束124被反射離開畫素結構106A及106B。在一些實施例中，ARC112可以包括高k介電材料，例如氧化鉿(HfO 2)、五氧化二鉭(Ta 2O 5)、二氧化鋯(ZrO 2)、氧化鋁(Al 2O 3)及任何其他合適的高k介電材料。在一些實施例中，ARC112可具有約1nm至約50nm的厚度T4。在此厚度T4範圍內，ARC112可以充分防止入射到畫素結構106A及106B上的輻射束124離開畫素區域105A及105B，而不損害BSI影像感測器100的尺寸及製造成本。在一些實施例中，ARC112及高介電係數介電層110C可以包括相同的材料。在一些實施例中，鈍化層114可以設置在ARC112上並且可以包括介電材料，例如氧化矽(SiO 2)、氮化矽(Si 3N 4)、氮氧化矽(SiON)或任何其他合適的介電材料。在一些實施例中，介電層116可以包括氧化層。
在一些實施例中，彩色濾光片118A及118B可以設置在介電層116中，並且彩色濾光片118A及118B的頂面可以與介電層116的頂面實質上共平面。彩色濾光片118A及118B可以分別與畫素結構106A及106B實質上對齊。在一些實施例中，彩色濾光片118A及118B可以包括聚合材料。在一些實施例中，微透鏡120A及120B可以分別設置在彩色濾光片118A及118B上。
在一些實施例中，金屬屏蔽層122(也稱為「黑電平校正(black level correction)層122」)可以設置在背側表面102B上及介電層116、鈍化層114及ARC112中。金屬屏蔽層122屏蔽BSI影像感測器100的黑色參考感測器(black reference sensor)(未示出)使其免受輻射束124的影響。黑色參考感測器可用於在BSI影像感測器100中生成參考黑色電平訊號。作為屏蔽的結果，黑色參考感測器可以為BSI影像感測器100中的影像處理提供黑色參考訊號。
圖2示出了根據一些實施例的BSI影像感測器200（也稱為「光學裝置200」）的截面圖。除非另有說明，否則對BSI影像感測器100的討論適用於BSI影像感測器200。在一些實施例中，除了BSI影像感測器100的元件之外，BSI影像感測器200更可以包括金屬網格結構226。金屬網格結構226可以設置在介電層116中並且實質上與DTI結構110對齊。在一些實施例中，為了便於製造，金屬網格結構226可以沿Z軸與DTI結構110分離約100nm至約300nm的距離D2。在一些實施例中，網格結構可具有沿X軸約100nm至約300nm的寬度W3。在此寬度W3範圍內，金屬網格結構226可實質上最小化或防止畫素結構106A與106B之間的串擾，而不損害BSI影像感測器200的尺寸及製造成本。在一些實施例中，寬度W3可以大於或小於W2。
圖3是根據一些實施例的用於製造圖1所示的BSI影像感測器100的示例方法300的流程圖。為了說明的目的，將參照用於製造如圖4-18所示的BSI影像感測器100的示例製造流程來描述圖3中所示的操作。圖4-18是根據一些實施例的在不同製造階段的BSI影像感測器100的截面圖。操作可以根據特定的應用程序以不同的順序執行或不執行。應當注意，方法300可能不會產生完整的BSI影像感測器100。因此，可以理解的是，可以在方法300之前、期間及之後提供額外的製程，並且在本文中可能僅簡要描述一些其他製程。圖4-18中具有與圖1中的元素相同的標註(annotations) 的元素已描述如上。
參考圖3，在操作305中，形成通過基板的前側表面的畫素結構及STI結構。例如，如圖4所示，畫素結構106A及106B以及STI結構108形成以通過基板102的前側表面102F。在一些實施例中，可以在形成STI結構108之後在前側表面102F上形成互連結構104。
參考圖3，在操作310中，在基板的背側表面上形成溝槽區。例如，如圖5所示，溝槽區102Ga及102Gb形成在基板102的背側表面102B上。在一些實施例中，可以通過在背側表面102B上執行微影製程及蝕刻製程來形成溝槽區102Ga及102Gb。在一些實施例中，溝槽區102Ga及102Gb的三角形橫截面輪廓可以通過執行非等向性(anisotropic)乾式蝕刻製程，隨後通過形成在背側表面102B上的圖案化掩模層（未示出）的濕式蝕刻製程來形成。
參考圖3，在操作315中，ARC及鈍化層形成在溝槽區(grooved regions)上。例如，如圖6所示，ARC112及鈍化層114形成在溝槽區102Ga及102Gb上。在一些實施例中，ARC112的形成可以包括使用原子層沉積(ALD)製程、化學氣相沉積(CVD)製程或任何其他合適的高k介電材料在圖5的結構上沉積高k介電材料。介電材料沉積製程。在一些實施例中，鈍化層114的形成可以包括使用ALD製程、CVD製程或任何其他合適的氧化物材料沉積製程在ARC112上沉積氧化物材料。如圖7所示，鈍化層114的形成之後可以在鈍化層114上形成氧化矽層716。氧化矽層716的形成可以包括使用CVD製程在圖6的結構上沉積具有約100nm至約200nm的厚度T5的氧化矽層716。
參考圖3，在操作320中，形成通過基板的背側表面的DTI結構。例如，如參考圖8-13所述，DTI結構110通過背側表面102B而形成。在一些實施例中，DTI結構110的形成可包括以下的依序操作(i) 如圖8所示，在STI結構108上形成寬度為W2的隔離溝槽810；(ii)在圖8的結構上形成高介電係數介電層910以形成圖9的結構；(iii)在圖9的結構上形成氧化層1010以形成圖10的結構；(iv)使用蝕刻製程去除在隔離溝槽810以外的高介電係數介電層910及氧化層1010部分，以形成圖11的結構；(v)在圖11的結構上沉積金屬層1210以填充隔離溝槽810並形成圖12的結構；以及(vi)使用蝕刻製程去除在隔離溝槽810以外的金屬層1210的部分以形成圖13的結構。
在一些實施例中，隔離溝槽810的形成可以包括(i)在圖7的結構上使用微影製程形成圖案化的光阻層(未示出)；以及(ii) 如圖8所示，在氧化矽層716鈍化層114上執行蝕刻製程，ARC112及基板102穿過圖案化的光阻層以暴露STI結構108的背側表面。
在一些實施例中，如圖9所示，高介電係數介電層910的形成可以包括使用ALD製程在氧化矽層716的頂表面、沿著隔離溝槽810的側壁及STI結構108的暴露表面上沉積HfO 2及Al 2O 3的實質上共形(substantially conformal)層。在一些實施例中，如圖10所示氧化層1010的形成可以包括使用ALD製程在高介電係數介電層910上沉積實質上共形的氧化矽層。
DTI結構110的形成之後可以在圖13的結構上形成氧化矽層1416以形成圖14的結構。氧化矽層1416的形成可以包括使用CVD製程在圖13的結構上沉積氧化矽層(未示出)並且在沉積的氧化矽層上執行化學機械拋光(CMP)製程以形成具有約80nm至約130nm的厚度T6的氧化矽層1416於DTI結構110上。氧化矽層1416可用作障壁層以保護DTI結構110在BSI影像感測器100的後續處理期間不被蝕刻。在上述厚度T6的範圍內，氧化矽層1416可以充分防止DTI結構110在後續處理過程中被蝕刻，而不會影響BSI影像感測器100的尺寸及製造成本。
參考圖3，在操作325中，在基板的背側表面上形成金屬屏蔽層。例如，如參考圖15及16所述，金屬屏蔽層122形成在背側表面102B上。在一些實施例中，金屬屏蔽層122的形成可包括以下的依序操作：(i)在圖14的結構上使用微影製程形成圖案化的光阻層(未示出)；(ii) 如圖15所示，通過圖案化光阻層對氧化矽層716及1416、鈍化層114及ARC112進行蝕刻製程以形成開口1522；(iii)在氧化矽層1416的頂表面上沿開口1522的側壁沉積實質上共形的金屬層(未示出)，並在開口1522中暴露背側表面102B；(iv)在沉積的實質上共形的金屬層上形成圖案化掩模層(未示出)；以及(v)通過圖案化的掩膜層蝕刻沉積的實質上共形的金屬層以形成圖16的結構。
如圖17所示，金屬屏蔽層122的形成可以在氧化矽層1716形成之後。在一些實施例中，氧化矽層1716的形成可以包括在圖16的結構上沉積氧化矽層（未示出）並且在沉積的氧化矽層上執行CMP製程以使氧化矽層1716的頂面與金屬屏蔽層122的頂面實質上共平面，如圖17所示。氧化矽層716、1416及1716可以形成介電層116。
參考圖3，在操作330中，彩色濾光片及微透鏡形成在基板的背側表面上。例如，如圖18所示，彩色濾光片118A及118B可以形成在介電層116中，並且微透鏡120A及120B可以分別形成在彩色濾光片118A及118B上。
圖19是根據一些實施例的用於製造圖2中所示的BSI影像感測器200的示例方法1900的流程圖。出於說明的目的，將參照用於製造如圖20-24所示的BSI影像感測器200的示例製造流程來描述圖19中所示的操作。圖20-24是根據一些實施例的在不同製造階段的BSI影像感測器200的截面圖。操作可以根據特定的應用而以不同的順序執行或不執行。應注意，方法1900可能不會產生完整的BSI影像感測器200。因此，可以理解，可以在方法1900之前、期間及之後提供額外的製程，並且一些其他製程可能在本文中僅被簡要描述。圖20-24中與圖1-2中的元素相同的註釋的元素說明如上。
參考圖19，操作1905-1920類似於圖3的操作305-320。在操作1920之後，形成類似於圖14的結構。在操作1925-1930中對圖14的結構的後續處理將參照圖20-24做說明。
參考圖19，在操作1925中，金屬網格結構及金屬屏蔽層形成在基板的背側表面上。例如，如參照圖20-22的說明，金屬網格結構226及金屬屏蔽層122形成在背側表面102B上。在一些實施例中，金屬網格結構226及金屬屏蔽層122的形成可包括以下的依序操作：(i)在類似於圖14的結構上使用微影製程形成圖案化的光阻層(未示出)；(ii) 如圖20所示，通過圖案化光阻層對氧化矽層716及1416、鈍化層114及ARC112進行蝕刻製程以形成開口2022；(iii) 如圖21所示，在氧化矽層1416的頂面上沿開口2022的側壁沉積實質上共形的金屬層2122，並在開口1522中暴露出背側表面102B；(iv)在金屬層2122上形成圖案化掩模層(未示出)；以及(v)通過圖案化掩膜層蝕刻金屬層2122以形成圖22的結構。在一些實施例中，可以在操作1925中形成金屬網格結構122而不形成金屬屏蔽層122。也就是說，在操作1925中可以不形成金屬屏蔽層122。
如圖23所示，金屬網格結構226及金屬屏蔽層122的形成可以在氧化矽層1716的形成之後。在一些實施例中，氧化矽層1716的形成可以包括在圖22的結構上沉積氧化矽層（未示出）並且在沉積的氧化矽層上執行CMP製程以使氧化矽層1716的頂面與金屬網格結構226及金屬屏蔽層122的頂面實質上共平面，如圖23所示。氧化矽層716、1416及1716可以形成介電層116。
參考圖19，在操作1930中，彩色濾光片及微透鏡形成在基板的背側表面上。例如，如圖24所示，彩色濾光片118A及118B可以形成在介電層116中並且微透鏡120A及120B可以分別形成在彩色濾光片118A及118B上。
本揭露提供了在相鄰畫素結構（例如，畫素結構106A及106B）之間具有隔離結構（例如，DTI結構110及STI結構108）的示例BSI影像感測器（例如，BSI影像感測器100及200）及示例方法（例如，方法300及1900)形成BSI影像感測器。在一些實施例中，BSI影像感測器可以包括設置在相鄰畫素結構之間以將相鄰畫素結構彼此光學隔離的隔離結構的堆疊。在一些實施例中，隔離結構的堆疊可以包括設置在BSI影像感測器的基板（例如，基板102）的前側表面（例如，前側表面102F）上的淺溝渠隔離（STI）結構及設置在STI結構上並與STI結構物理接觸的深溝渠隔離（DTI）。
在一些實施例中，DTI結構可以延伸至BSI影像感測器的基板的背側表面（例如，背側表面102B）的上方約80nm至約130nm。
在一些實施例中，STI結構可以包括一個或多個介電層並且DTI結構可以包括金屬填充層（例如，金屬填充層110A）及圍繞金屬填充層的介電襯裡（例如，介電層110B及110C）。通過在DTI結構中包括這種金屬填充層並將DTI結構延伸到基板的背側表面之上，相鄰畫素結構（例如，畫素結構106A及106B）之間的串擾可以顯著最小化或消除，從而提高BSI影像感測器的量子效率。
在一些實施例中，通過在基板的背側表面上包括與畫素結構實質對齊的溝槽區（例如，溝槽區102Ga及102Gb）可以進一步提高BSI影像感測器的量子效率。在一些實施例中，通過使用溝槽區以及DTI結構，BSI影像感測器用於檢測近紅外區域（例如，波長介於約800nm及約1000nm之間）的量子效率與沒有溝槽區及/或DTI結構的BSI影像感測器相比可以提高約0.5倍至約1.5倍。
在一些實施例中，光學裝置包括具有第一表面及與第一表面相對的第二表面的基板、設置在基板中的第一及第二輻射感測裝置、設置在基板中並且具有第一表面及與第二表面相對的第一隔離結構。第二隔離結構設置在基板中且位於第一隔離結構的第一表面上。第二隔離結構包括金屬層及圍繞金屬層的介電層。第二隔離結構在基板的第一表面上方垂直延伸。
在一些實施例中，光學裝置包括具有前側表面及背側表面的基板、設置在基板中的第一及第二畫素結構、設置在第一及第二畫素結構之間的STI結構、設置在STI結構上的DTI結構以及設置在基板的背側表面上並與DTI結構實質上對齊的網格結構。DTI結構包括金屬層及沿金屬層的側壁設置且位於STI結構上的介電襯裡。
在一些實施例中，一種方法包括形成通過基板的第一表面的第一及第二輻射感測裝置；形成通過基板的第一表面且位於第一及第二輻射感測裝置之間的第一隔離結構；在與基板的第一表面相對的基板的第二表面上形成溝槽區；在基板的第二表面及第一隔離結構上形成隔離溝槽；在隔離溝槽中形成介電層，並在介電層上形成金屬層。介電層在基板的第二表面上方垂直延伸。
前文概述若干實施例的特徵，使得本領域的技術人員可更好地理解本揭露的各方面。本領域的技術人員應瞭解，其可容易地使用本揭露作為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/或達成相同優勢的其它製程及結構的基礎。本領域的技術人員更應認識到，這些等效構造並不脫離本揭露的精神及範圍，且可在不脫離本揭露的精神及範圍的情況下在本文中進行各種改變、替代以及更改。
100、200:BSI影像感測器 102:基板 102B:背側表面 102F:前側表面 102Ga、102Gb:溝槽區 104:互連結構 104A:金屬間介電質 104B:金屬線 104C:金屬通孔 104D:感測裝置 105A、105B:畫素區域 106A、106B:畫素結構 107:隔離結構 108:STI結構 110:DTI結構 110A:金屬填充層 110B、110C:介電層 112:抗反射塗層、ARC 114:鈍化層 116:介電層 118A、118B:彩色濾光片 120A、120B:微透鏡 122:金屬屏蔽層 124:輻射束 226:金屬網格結構 300、1900:方法 305、310、315、320、325、330、1905、1910、1920、1925、1930:操作 716、1416、1716:氧化矽層 810:隔離溝槽 910:高介電係數介電層 1010:氧化層 1210、2122:金屬層 1522、2022:開口 A:夾角 D1、D2:距離 H1、H2:高度 W1、W2、W3:寬度 T1、T2、T3、T4、T5、T6:厚度
當結合附圖閱讀時，從以下詳細描述最好地理解本揭露的各方面。應注意，根據業界中的標準慣例，各種特徵未按比例繪製。實際上，為了論述清楚起見，可以任意地增大或減小各種特徵的尺寸。 圖1圖示了根據一些實施例的具有隔離結構的BSI影像感測器的截面圖。 圖2圖示了根據一些實施例的具有隔離結構以及網格結構的BSI影像感測器的截面圖。 圖3是根據一些實施例的用於製造具有隔離結構的BSI影像感測器的方法的流程圖。 圖4-18示出了根據一些實施例的在其製造過程的各個階段具有隔離結構的BSI影像感測器的截面圖。 圖19是根據一些實施例的用於製造具有隔離結構以及網格結構的BSI影像感測器的方法的流程圖。 圖20-24示出了根據一些實施例的具有隔離結構以及網格結構的BSI影像感測器在其製造過程的各個階段的截面圖。
現在將參照附圖描述說明性實施例。在附圖中，相似的附圖標記通常表示相同的、功能相似的及/或結構相似的元件。除非另有說明，否則具有相同註釋的元素的討論彼此適用。
100:BSI影像感測器
102:基板
102B:背側表面
102F:前側表面
102Ga、102Gb:溝槽區
104:互連結構
104A:金屬間介電質
104B:金屬線
104C:金屬通孔
104D:感測裝置
105A、105B:畫素區域
106A、106B:畫素結構
107:隔離結構
108:STI結構
110:DTI結構
110A:金屬填充層
110B、110C:介電層
112:抗反射塗層、ARC
114:鈍化層
116:介電層
118A、118B:彩色濾光片
120A、120B:微透鏡
122:金屬屏蔽層
124:輻射束
A:夾角
D1:距離
H1、H2:高度
W1、W2:寬度
T1、T2、T3、T4:厚度

Claims (20)

  1. 一種光學裝置，包括： 基板，包括第一表面以及與所述第一表面相對的第二表面； 第一及第二輻射感測裝置設置在所述基板中； 第一隔離結構，設置在所述基板以及所述第一及第二輻射感測裝置之間，所述第一隔離結構包括第一表面以及與所述第一表面相對的第二表面；以及 第二隔離結構，設置在所述第一隔離結構的所述基板內以及所述第一隔離結構的所述第一表面上，包括： 金屬結構；以及 介電層圍繞所述金屬結構； 其中，所述第二隔離結構在所述基板的所述第一表面上垂直延伸。
  2. 如請求項1所述的所述光學裝置，所述第一隔離結構的所述第二表面與所述基板的所述第二表面實質上共平面。
  3. 如請求項1所述的所述光學裝置，所述第二隔離結構的高度大於所述第一隔離結構的高度。
  4. 如請求項1所述的所述光學裝置，所述第一隔離結構的寬度大於所述第二隔離結構的寬度。
  5. 如請求項1所述的所述光學裝置，所述第二隔離結構在所述基板的所述第一表面上垂直延伸80奈米（nm）至約130nm的距離。
  6. 如請求項1所述的所述光學裝置，所述介電層與所述第一隔離結構的所述第一表面物理接觸。
  7. 如請求項1的所述光學裝置，其中所述介電層包括： 氧化層，圍繞所述金屬結構；以及 高介電係數介電層，圍繞所述氧化層， 其中所述氧化層以及所述高介電係數介電層的材料不同。
  8. 如請求項1的所述光學裝置，其中所述介電層包括： 氧化矽層，圍繞所述金屬結構；以及 高介電係數介電層，包括氧化鉿以及氧化鋁並圍繞所述氧化層。
  9. 如請求項1的所述光學裝置，其中所述金屬結構包括鎢或鋁。
  10. 如請求項1所述的所述光學裝置，所述基板的所述第一表面包括與所述第一及第二輻射感測裝置實質上對齊的溝槽區。
  11. 如請求項10所述的所述光學裝置，其中，所述溝槽區包括三角形輪廓。
  12. 如請求項1所述的所述光學裝置，更包括在所述第二隔離結構上的障壁層。
  13. 一種光學裝置，包括： 基板包括前側表面以及背側表面； 第一及第二畫素結構設置在所述基板中； 淺溝渠隔離(STI)結構，位於所述第一及第二畫素結構之間； 一種深溝渠隔離(DTI)結構，設置在所述STI結構上，包括： 金屬結構；以及 介電襯裡，沿所述金屬結構的側壁設置在所述STI結構上；以及 網格結構設置在所述基板的所述背側表面上並與所述DTI結構實質上對齊。
  14. 如請求項13的所述光學裝置，其中所述介電襯裡包括： 氧化矽層，圍繞所述金屬結構；以及 高介電係數介電層，包括氧化鉿以及氧化鋁並圍繞所述氧化層。
  15. 如請求項13的所述光學裝置，其中所述金屬結構包括鎢或鋁。
  16. 如請求項13所述的所述光學裝置，更包括介於所述金屬結構以及所述網格結構之間的障壁層。
  17. 一種方法，包括： 形成通過基板的第一表面的第一及第二輻射感測裝置； 形成通過所述基板的所述第一表面且位於所述第一與第二輻射感測裝置之間的第一隔離結構； 在與所述基板的所述第一表面相對的所述基板的第二表面上形成溝槽區； 形成通過所述基板的所述第二表面以及位於所述第一隔離結構上的隔離溝槽； 形成在所述隔離溝槽內的介電層，其中所述介電層垂直延伸在所述基板的所述第二表面上方；以及 形成金屬層於所述介電層上。
  18. 如請求項17所述的方法，其中形成所述介電層包括： 沿所述隔離溝槽的側壁以及所述第一隔離結構上沉積高介電係數介電層；以及 在所述高介電係數介電層上沉積氧化層，其中所述氧化層以及所述高介電係數介電層的材料不同。
  19. 如請求項17所述的方法，更包括在所述金屬層上形成網格結構。
  20. 如請求項19所述的方法，更包括在所述金屬層以及所述網格結構之間形成障壁層。
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