TWI508276B - 背照式ｃｍｏｓ影像感測器及其形成方法 - Google Patents

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Chi Han Lin
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Yu Kun Hsiao
Chih Kung Chang
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Description

背照式CMOS影像感測器及其形成方法
本揭露有關於光電裝置，且特別是關於背照式(back surface illuminated，BSI)互補式金氧半導體(CMOS)影像感測器。
由於CMOS影像感測器本質上之某些優點，例如僅需較低的電壓、消耗功率較少、容許隨機存取影像資料及能與CMOS製程相容，CMOS影像感測器已逐漸取代傳統的電荷耦合裝置(CCD)成為主流。
CMOS影像感測器利用光二極體陣列轉換光能成為電能，且可設計為由前表面或由後表面照光。背照式(BSI)CMOS影像感測器之光學路徑與電子線路的配置無關，光學路徑可在不被電子線路干擾的情況下作最佳化，使得BSI CMOS影像感測器與前照式(front surface illuminated，FSI)CMOS影像感測器相較，最終可達到較高的量子效率。前照式CMOS影像感測器係自半導體基材之前表面接收光，而線路層同樣設置於半導體基材之前表面。
本揭露之實施例提供一種背照式CMOS影像感測 器，包含：一基材，包含一光二極體陣列；一保護層設於此光二極體陣列上；一彩色濾光片陣列，包含多個彩色濾光片形成於此保護層上，其中每一彩色濾光片對應於此光二極體陣列中的其中一光二極體；一第一格柵形成於此保護層上並填充至這些彩色濾光片之間的空隙中，其中此第一格柵之折射率小於約1.46及此彩色濾光片之折射率；以及一金屬格柵對齊於這些位於彩色濾光片之間的之此第一格柵，其中此金屬格柵之消光係數大於0。
本揭露實施例提供一種背照式CMOS影像感測器之形成方法，包含：提供一包含一光二極體陣列之基材；形成一金屬層於此光二極體陣列上；圖案化此金屬層以形成一金屬格柵，其中此金屬格柵之消光係數大於0；形成一保護層覆蓋此金屬格柵；形成一彩色濾光片陣列，其包含多個彩色濾光片於此保護層上，其中這些彩色濾光片形成多個開口，這些開口暴露此保護層及對齊於金屬格柵之間隔中；以及填入一第一格柵至這些開口中，其中此第一格柵之折射率低於約1.46及這些彩色濾光片之折射率。
100‧‧‧畫素區
100A‧‧‧畫素單元
102‧‧‧光二極體陣列
104‧‧‧保護層
106‧‧‧保護層
108‧‧‧氧化物格柵
108P‧‧‧週期性間隔
110‧‧‧彩色濾光片
112‧‧‧金屬格柵
114‧‧‧微透鏡結構
116‧‧‧內連線結構
118‧‧‧保護層
212‧‧‧金屬格柵
312‧‧‧金屬格柵
412‧‧‧金屬格柵
420‧‧‧額外的格柵
506‧‧‧保護層
510‧‧‧彩色濾光片
510a‧‧‧界面
606‧‧‧保護層
610‧‧‧彩色濾光片
610a‧‧‧界面
730‧‧‧第一格柵
732a‧‧‧第一格柵之第一部分
732b‧‧‧第一格柵之第二部分
830‧‧‧格柵
830a‧‧‧格柵之第一部分
830b‧‧‧格柵之第二部分
932‧‧‧第二格柵
1030‧‧‧格柵
1122‧‧‧彩色濾光片間之間隙
D1 ‧‧‧距離
D2 ‧‧‧距離
PA‧‧‧收光區
第1A圖顯示依照本揭露一實施例之BSI CMOS影像感測器之剖視圖。
第1B圖顯示如第1A圖所示之BSI CMOS影像感測器之上視圖。
第2至6圖顯示依照本揭露某些實施例之BSI CMOS影像感 測器之剖視圖。
第7A圖顯示依照本揭露某些實施例之BSI CMOS影像感測器之剖視圖。
第7B及7C圖顯示依照本揭露某些實施例之BSI CMOS影像感測器之上視圖。
第8至10圖顯示依照本揭露某些實施例之BSI CMOS影像感測器之剖視圖。
第11A至11G圖顯示依照本揭露某些實施例之BSI CMOS影像感測器於製程中間階段之剖視圖。
第12A及12B圖顯示依照本揭露某些實施例之BSI CMOS影像感測器於製程中間階段之剖視圖。
第13A及13B圖顯示依照本揭露某些實施例之BSI CMOS影像感測器於製程中間階段之剖視圖。
第14A及14B圖顯示依照本揭露某些實施例之BSI CMOS影像感測器於製程中間階段之剖視圖。
以下將以實施本發明之較佳實施例作說明，其僅用以舉例本發明之一般原則，但不應以此為限。例如，第一元件形成於第二元件之上或之下係可包含第一元件與第二元件直接接觸之實施例，及可包含第一元件及第二元件之間更插有其他額外元件而使第一元件及第二元件彼此未直接接觸之實施例。本發明之範圍較佳可以所附之申請專利範圍為參照。
可知的是，雖然在此以第一、第二、第三等用詞描述各元件、區域、膜層及/或區段，這些元件、區域、膜層 及/或區段不應受這些用詞所限制。可知的是，這些用詞僅是用以區別各元件、區域、膜層及/或區段與其他元件、區域、膜層及/或區段。例如，在不脫離本發明實施例之教示下，亦可將第一元件、區域、膜層及/區段命名為第二元件、區域、膜層及/區段。
在此所使用的專有名詞僅是為了描述特定範例，而非意圖使其受限。除非特別聲明，在此所述之單數形態“一”亦可包含複數形態。更可知的是，說明書所述之“包含”及/或“包括”，係泛指包含所述之元件及/或步驟，且未排除可存在其他的元件及/或步驟。
除非特別定義，本發明實施例在此所使用的所有用詞(包含技術及科學用詞)之定義與本領域具有通常知識者通常使用的定義相同。更可知的是，這些用詞，例如由常用的字典所定義的用詞，應依照相關領域中所熟知的意義予以定義，而非僅依照字義作不適當的解讀。
以下所舉例之實施例將伴隨圖式作說明，其中各圖式中相似的參考標號可為相似元件。
形成金屬格柵於彩色濾光片下方為一種解決串音(cross-talk)問題的方法。金屬格柵會吸收(或阻擋)入射光，以使入射光實質上不會擴散至相鄰的畫素中。形成金屬格柵可實質上減少串音問題，但由於一部分的入射光會被金屬格柵吸收而無法抵達光二極體陣列，使得BSI CMOS影像感測器之量子效率受到影響。
本揭露實施例提供一種BSI CMOS影像感測器，其 包含金屬格柵及氧化物格柵，以期在解決串音問題時還能增進量子效率，進而可具有高的主光線角度(chief ray angle)及增進的靈敏度。
第1A圖顯示依照本揭露某些實施例之BSI CMOS影像感測器之剖視圖。在一實施例中，此BSI CMOS影像感測器可包含畫素區100及設置於畫素區100周圍之周邊電路區(未顯示)。畫素區100中包含多個畫素單元100A，這些畫素單元100A以陣列方式排列於由矽形成之半導體基材中。光二極體陣列102包含多個光二極體及多個畫素電晶體(未顯示)，遍佈於畫素區中100之整個半導體基材中。
保護層104及保護層106可設置於光二極體陣列102上。在一實施例中，保護層106可設置於保護層104上。保護層104及保護層106可由相同或不同材料形成。例如，保護層104及106可由氧化矽、氮化矽、Ta2 O5 、HfO2 前述之組合形成。保護層104及106可作為在形成周邊電路區(未顯示)時的蝕刻停止層。在某些實施例中，如製程上允許，可省去保護層104。或者，可在保護層104、106及光二極體陣列102之間形成另一保護層118或更多的保護層。
氧化物格柵108可設置於保護層106上。氧化物格柵108可週期性設置於畫素單元110A周圍，並形成多個暴露出保護層106的開口。彩色濾光片陣列110包含多個彩色濾光片110，並填於這些開口中。在一實施例中，氧化物格柵108可具有傾斜側壁(tapered sidewalls)，彩色濾光片110可具有反向的傾斜側壁(reverse-tapered sidewalls)。如第1A圖所示，氧化物 格柵108及彩色濾光片110各自為四邊形及倒四邊形。例如，氧化物格柵108之底面較其頂面寬或與其等寬，而彩色濾光片110之底面可等於較其頂面窄。
在一實施例中，氧化物格柵108之頂面及彩色濾光片110之頂面可實質上齊平。氧化物格柵108具有週期性間隔108P，且此週期性間隔108P與畫素單元100A實質上同寬。彩色濾光片110可至少包含三原色，例如包含紅(R)、綠(G)及藍(B)，且可以任意合適的組合作排列。例如，參見第1B圖，其顯示第1A圖中之BSI CMOS影像感測器於拿掉微透鏡結構114時之上視圖。每一畫素單元100A中之光二極體102對應於三原色之中任一顏色，且這些顏色彼此交錯。氧化物格柵108可環繞彩色濾光片100，以阻擋入射光擴散至相鄰的畫素單元100A中。如第1B圖所示，填入彩色濾光片100之開口可為帶有圓角之方形。或者，這些開口可為圓形。
換言之，氧化物格柵108為三度空間之結構。氧化物格柵108由一系列彼此交錯之水平軸及垂直軸所形成，以隔離相鄰的彩色濾光片110。在剖視圖中，氧化物格柵108可為多個具有週期性的平行間隔物，且兩平行間隔物之間的距離實質上等於畫素單元100A之尺寸。
金屬格柵112可內嵌於保護層106中。例如，金屬格柵112可站於保護層104上並對齊氧化物格柵108。此外，金屬隔柵112可藉由保護層106與氧化物格柵108及彩色濾光片110具有間隔，以使氧化物格柵108被保護層106所保護。金屬格柵112可週期性地設於畫素單元100A的周圍，以防止靜電損 害。金屬格柵112可具有傾斜側壁(在剖視圖中為四邊形)。例如，金屬格柵112之底面可較其頂面寬，且金屬格柵122之側壁及底面之間的夾角可為約50度至約90度。金屬格柵112之高度可為約0.05μm至約1.0μm。金屬格柵112之底寬可為氧化物格柵108之週期性間隔108P(或畫素單元100A之寬度)之約5.7%至約30%。在一實施例中，金屬格柵112可由W、Cu、AlCu或前述之組合形成。
換言之，金屬格柵112為三度空間之結構。金屬格柵112由一系列彼此交錯之水平軸及垂直軸所形成，並對齊於氧化物格柵108。在剖視圖中，金屬格柵112可為多個具有週期性的平行間隔物。
氧化物格柵108之折射率可低於所有彩色濾光片110之折射率。折射率為一材料改變光傳播速率之能力，並以真空中之光速對該材料中之光速的比率作表示。當光以某一角度行經兩不同材料時，係由這些材料之折射率決定光波的行進角度。通常而言，折射率亦隨光的頻率變化，因而不同顏色的光亦具有不同的光傳播速率。此外，高強度亦可改變折射率。在此實施例中，紅(R)、綠(G)、藍(B)(或青色、洋紅色、黃色或透明)之彩色濾光片110可具有不同的折射率，且氧化物108格柵之折射率係低於所有的彩色濾光片110之折射率。
金屬格柵112之消光係數可大於0，以阻擋入射光擴散。例如，金屬格柵112可主要以吸光之方式來阻擋入射光，氧化物格柵108可主要以反射之方式來阻擋入射光。氧化物格柵108可反射入射光，以使得一部分可能會擴散至相鄰畫素的 光可被反射至目標畫素100A中。此外，一部分可能會被金屬格柵112所吸收之入射光可在抵達金屬格柵112之前即被氧化物格柵108所反射。因此，藉由形成氧化物格柵108，可減少入射光被金屬格柵112吸收的量，因而可在不會使串音問題惡化的情況下縮減金屬格柵112之尺寸。因此，本揭露實施例之BSI CMOS影像感測器可具有高量子效率及低串音。
此外，與傳統的BSI CMOS影像感測器相較(僅包含含金屬格柵)，本揭露之BSI CMOS影像感測器不必減縮畫素單元100A之收光面積(如氧化物格柵108不寬於金屬格柵112)。在一實施例中，氧化物格柵108之底寬實質上與金屬格柵112之底寬等寬。此外，在本揭露之BSI CMOS影像感測器中，由於可縮減金屬格柵112的尺寸，反而可增大畫素單元100A之收光面積。
微透鏡結構114可設於彩色濾光片陣列110及氧化物格柵108上，以匯聚入射光朝向光二極體陣列112及減少入射光擴散。內連線層116可形成於半導體基材之背面上，與光學路徑無關。
第2圖顯示依照本揭露某些實施例之BSI CMOS影像感測器之剖視圖。在此實施例中，除了金屬格柵是內嵌於氧化物格柵中，此實施例之BSI CMOS影像感測器類似於第1A圖所示之BSI CMOS影像感測器。在此實施例中，相似的參考標號所指之元件係實質上與前述實施例中之元件類似，且關於這些相似符號的詳細說明將不再重複贅述。
參見第2圖，BSI CMOS影像感測器可包含在畫素 區100及設置於畫素區100周圍之周邊電路區(未顯示)。畫素區100中包含多個畫素單元100A，這些畫素單元100A以陣列方式排列於由矽形成之半導體基材中。光二極體陣列102包含多個光二極體及多個畫素電晶體(未顯示)，遍佈於畫素區中100之整個半導體基材中。
保護層104可設置於光二極體陣列102上。保護層104可由氧化矽、氮化矽、Ta2 O5 、HfO2 或前述之組合形成。保護層104可作為在形成周邊電路區(未顯示)時的蝕刻停止層。在某些實施例中，如製程上允許，可省去保護層104。或者，可在保護層104及光二極體陣列102之間形成另一保護層118或更多的保護層。
氧化物格柵108可設置於保護層104上。氧化物格柵108可週期性設置於畫素單元110A周圍，並形成多個暴露出保護層104的開口。彩色濾光片陣列110包含多個彩色濾光片110，並填於這些開口中。在一實施例中，氧化物格柵108可具有傾斜側壁(tapered sidewalls)，彩色濾光片110可具有反向的傾斜側壁(reverse-tapered sidewalls)。例如，氧化物格柵108之底面較其頂面寬或與其等寬，而彩色濾光片110之底面可等於較其頂面窄。在一實施例中，氧化物格柵108之頂面及彩色濾光片110之頂面可實質上齊平。氧化物格柵108具有週期性間隔108P，且此週期性間隔108P與畫素單元100A實質上同寬。彩色濾光片110可至少包含三原色，例如包含紅(R)、綠(G)及藍(B)，且可以任意合適的組合作排列
金屬格柵212可內嵌於氧化物格柵108中。例如， 金屬格柵212可站在保護層104上並被氧化物格柵108所圍繞。氧化物格柵108之底部寬度可寬於金屬格柵212之底部寬度，以使金屬格柵212能藉由氧化物格柵108與彩色濾光片110相隔。金屬格柵212亦可具有四邊形形狀，且其側壁之斜率類似於氧化物格柵108之側壁之斜率。金屬格柵212之高度可小於氧化物格柵108之高度。例如，金屬格柵212之高度可為約0.05μm至約1.0μm。金屬格柵212之底寬可為氧化物格柵108之週期性間隔108P(或畫素單元100A之寬度)之約5.7%至約20%。在一實施例中，金屬格柵212可由W、Cu、AlCu或前述之組合形成。
氧化物格柵108之折射率可低於所有的彩色濾光片110之折射率。此外，金屬格柵212之消光係數(extinction coefficient)可大於0，以阻擋入射光擴散。例如，金屬格柵212可主要以吸光之方式來阻擋入射光，氧化物格柵108可主要以反射之方式來阻擋入射光。在此實施例中，金屬格柵212可吸收未被氧化物格柵108反射而穿透進入氧化物格柵108中的入射光。此外，由於金屬格柵212是內嵌於氧化物格柵108中，BSI CMOS影像感測器之總厚度可得以縮減。因此，本揭露所提供之BSI CMOS影像感測器可具有高量子效率、低串音及較窄的厚度。
微透鏡結構114可設於彩色濾光片陣列110及氧化物格柵108上，以匯聚入射光朝向光二極體陣列102及減少入射光擴散。內連線層116可形成於半導體基材之背面上，與光學路徑無關。
第3圖顯示依照本揭露某些實施例之BSI CMOS影 像感測器之剖視圖。在此實施例中，除了金屬格柵是夾設於氧化物格柵及彩色濾光片之間，此實施例之BSI CMOS影像感測器係類似於第2圖所示之BSI CMOS影像感測器。在此實施例中，相似的參考標號所指之元件係實質上與前述實施例中之元件類似，且關於這些相似符號的詳細說明將不再重複贅述。
參見第3圖，氧化物格柵108及金屬格柵312可各自設置於彩色濾光片110之間的開口中的上部部分及下部部分。金屬格柵312之側壁可與彩色濾光片110直接接觸。在此實施例中，金屬格柵312可吸收未被氧化物格柵108反射而穿透進入氧化物格柵108中的入射光。當與第2圖所示之BSI CMOS影像感測器相較時，金屬格柵312可具有較大的表面積，且可更減少串音問題。
第4圖顯示依照本揭露某些實施例之BSI CMOS影像感測器之剖視圖。除了形成一額外的格柵夾設於氧化物格柵及彩色濾光片之間，此實施例之BSI CMOS影像感測器係類似於第2圖所示之BSI CMOS影像感測器。在此實施例中，相似的參考標號所指之元件係實質上與前述實施例中之元件類似，且關於這些相似符號的詳細說明將不再重複贅述。
參見第4圖，除了氧化物格柵108及金屬格柵412，還可形成一額外的格柵420夾設於氧化物格柵108及彩色濾光片110。此額外格柵420可圍繞氧化物格柵108，且此額外格柵420之側壁可與彩色濾光片110直接接觸。此額外格柵420之折射率可大於氧化物格柵108之折射率。例如，此額外格柵420可由SiN、Ta2 O5 、HfO2 或前述之組合形成。既然此額外格柵420 之折射率大於氧化物格柵108之折射率，氧化物格柵108及額外格柵420可反射更多的入射光，而達成更高的量子效率。
第5圖顯示依照本揭露某些實施例之BSI CMOS影像感測器之剖視圖。除了彩色濾光片陷入至保護層中，此實施例之BSI CMOS影像感測器係類似於第1圖所示之BSI CMOS影像感測器。在此實施例中，相似的參考標號所指之元件係實質上與前述實施例中之元件類似，且關於這些相似符號的詳細說明將不再重複贅述。
參見第5圖，彩色濾光片510及保護層506且有凹面，其陷入至保護層506中。在此實施例中，光波跨過由彩色濾光片510及保護層506(由不同材料形成，具有不同的折射率)之間的界面510a。為了達到更佳的色彩效果，界面510a可為凹面(陷入至保護層506中)。此界面的形狀可由彩色濾光片及保護層之對應的折射率所決定。例如，當彩色濾光片之折射率較保護層高時，其間的界面可為凹面並陷入保護層中。在此實施例中，彩色濾光片510之折射率較保護層506之折射率高，因而界面510a為凹面。
第6圖顯示依照本揭露某些實施例之BSI CMOS影像感測器之剖視圖。除了彩色濾光片及保護層之間的界面為凸面，此實施例之BSI CMOS影像感測器係類似於第1圖所示之BSI CMOS影像感測器。在此實施例中，相似的參考標號所指之元件係實質上與前述實施例中之元件類似，且關於這些相似符號的詳細說明將不再重複贅述。
參見第6圖，彩色濾光片610及保護層606之間的界 面610a為凸面，其陷入至彩色濾光片610中。在此實施例中，光波跨過由彩色濾光片610及保護層606(由不同材料形成，具有不同的折射率)之間的界面610a。為了達到更佳的色彩效果，界面610a可為凸面(自保護層606向外凸出)。此界面的形狀可由彩色濾光片及保護層之對應的折射率所決定。例如，當彩色濾光片之折射率較保護層低時，其間的界面可為凸面並自保護層向外凸出。在此實施例中，彩色濾光片610之折射率較保護層606之折射率低，因而界面610a為凸面。
在其他實施例中，彩色濾光片及保護層可具有相同的折射率，而其間的界面可為平面，如第1A至4圖所示。
在某些實施例中，為了增強量子效率及光二極體的入射光通量，各保護層及微透鏡陣列之折射率可作任意合適調整。
第7A圖顯示依照本揭露某些實施例之BSI CMOS影像感測器之剖視圖。BSI CMOS影像感測器可包含在畫素區100及設置於畫素區100周圍之周邊電路區(未顯示)。畫素區100中包含多個畫素單元100A，這些畫素單元100A以陣列方式排列於由矽形成之半導體基材中。光二極體陣列102包含多個光二極體及多個畫素電晶體(未顯示)，遍佈於畫素區中100之整個半導體基材中。
保護層104及保護層106可設置於光二極體陣列102上。在某些實施例中，內連線層116可設於光二極體陣列之背面上，與光學路徑無關。在一實施例中，保護層106可設置於保護層104上。保護層104及保護層106可由相同或不同材料 形成。例如，保護層104及106可由氧化矽、氮化矽、氧化鋁、Ta2 O5 、HfO2 或前述之組合形成。保護層104及106可作為在形成周邊電路(未顯示)時的蝕刻停止層。在某些實施例中，如製程上允許，可省去保護層104。或者，可在保護層104、106及光二極體陣列102之間形成另一保護層118或更多的保護層。
彩色濾光片陣列110包含多個彩色濾光片110，並形成於保護層106上。每一彩色濾光片110對應於光二極體陣列中之其中一光二極體(未顯示)。這些彩色濾光片110可形成格柵狀，且彼此間具有間隙。在一實施例中，彩色濾光片110可具有實質上垂直的側壁(例如約85度至約100度)。在其他實施例中，彩色濾光片110可具有反向的傾斜側壁，例如每一彩色濾光片110之底面等於或窄於其頂面。
彩色濾光片110可至少包含三原色，例如包含紅(R)、綠(G)及藍(B)，且其可以任意合適的組合作排列。例如，彩色濾光片110可如第1B圖所示之方式排列。此外，彩色濾光片110可更包含透明(T)濾片及/或紅外光(IR)濾片。例如，第7B圖顯示依導本揭露某些實施例之BSI CMOS影像感測器於拿掉第二格柵732時的上視圖。在第7B圖中，三原色(例如RGB)及透明(T)濾片係交錯排列。或者，第7C圖顯示依導本揭露其他一些實施例之BSI CMOS影像感測器於拿掉第二格柵732時的上視圖。在第7C圖中，三原色(例如RGB)、紅外光(IR)及透明(T)濾片係交錯排列。
第一格柵730填於彩色濾光片110之間的間隙中，並站在保護層106上。由上視角度觀之(例如參見第7B及7C 圖)，此第一格柵730係形成於一系列彼此交錯之水平軸及垂直軸，以隔離相鄰的彩色濾光片110。第一格柵730具有週期性間隔108P，且此週期性間隔108P與畫素單元100A實質上同寬。這些彩色濾光片110彼此被第一格柵730所隔開。在一實施例中，一彩色濾光片110至其最近之彩色濾光片110之距離D1 為週期性間隔108P之約7%至約30%。在某些實施例中，在一實施例中，一彩色濾光片110至距其第二近之彩色濾光片110之距離D2 為週期性間隔108P之約20%至約70%。
第一格柵730可圍繞彩色濾光片110側壁之下部部分。在某些實施例中，第一格柵730之高度低於彩色濾光片110之高度。如第7A圖所示，第一格柵730在剖視圖中可為方形。然而，可知的是，第一格柵730亦可為其他形狀，例如四邊形。在某些實施例中，第一格柵730之與彩色濾光片110之高度比為約20%至約80%。在一特定實施例中，第一格柵730之高度為彩色濾光片110之高度之一半。在本發明實施例中，第一格柵730之折射率低於約1.46及低於所有彩色濾光片110之折射率。例如，在某些實施例中，第一格柵730之折射率可低於約1.2。第一格柵730可包含摻有摻質的聚合物材料，其中摻質用以調整(例如減少)折射率。所述聚合物材料可包含聚醯胺、聚亞醯胺、聚苯乙烯、聚乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate)、聚胺脂(polyurethane)、聚碳酸酯(polycarbonate)、聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate))或前述之組合。摻質可為顏料或染料。摻質之平均直徑可為約20nm至約200nm。顏料或染料可包含黑色。在某些實施例中， 顏料或染料包含碳黑(carbon black)、鈦黑(titanium black)或前述之組合。
第二格柵732填於彩色110之間的剩於間隙中，並站在第一格柵730上。在某些實施例中，第二格柵732可具有一第一部分732A圍繞彩色濾光片110之側壁之上部部分及一第二部分自第二格柵732之第一部分732a之頂面延伸。第二格柵732之第一部分732a之頂面可高於或與彩色濾光片110之頂面齊平。第二格柵732之第二部分732b可具有多個對齊於彩色濾光片110之微透鏡單元。微透鏡單元可形成BSI CMOS影像感測器之微透鏡陣列。在此實施例中，BSI CMOS影像感測器之微透鏡陣列與彩色濾光片110之間的間隔物(例如第二格柵732之第二部分732b)一體成型。此微透鏡陣列係用以匯聚入射光至光二極體陣列102，並減少入射光擴散。
在某些實施例中，第二格柵732之折射率高於第一格柵730之折射率，但低於所有彩色濾光片110之折射率。在其他實施例中，第二格柵732之折射率係低於或等於第一格柵730之折射率，依照所欲之入射光至光二極體之路徑決定。第二格柵732可由摻有摻質的聚合物材料形成，其中摻質用以調整(例如減少)折射率。所述聚合物材料可包含聚醯胺、聚亞醯胺、聚苯乙烯、聚乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate)、聚胺脂(polyurethane)、聚碳酸酯(polycarbonate)、聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate))或前述之組合。摻質可為顏料或染料。摻質之平均直徑可為約20nm至約200nm。例如，顏料或染料可包含黑色。在某些實 施例中，顏料或染料包含碳黑(carbon black)、鈦黑(titanium black)或前述之組合。
金屬格柵112可內嵌於保護層106中。例如，金屬格柵112可站在保護層104上並對齊第一格柵730。此外，金屬隔柵112可藉由保護層106與氧化物格柵108及彩色濾光片110有所間隔，以使氧化物格柵108受到保護層106保護。金屬格柵112可週期性設於畫素單元100A的周圍，以防止靜電損害。金屬格柵112可具有傾斜側壁(亦即在剖視圖中為四邊形)。
金屬格柵212之消光係數可大於0，以阻擋入射光擴散。例如，金屬格柵212可主要以吸光之方式來阻擋入射光，第一柵730及第二格柵730及732可主要以反射之方式來阻擋入射光。
第8圖顯示依照本揭露某些實施例之BSI CMOS影像感測器之剖視圖。除了無需形成第二格柵，此實施例之BSI CMOS影像感測器係類似於第7圖所示之BSI CMOS影像感測器。在此實施例中，相似的參考標號所指之元件係實質上與前述實施例中之元件類似，且關於這些相似符號的詳細說明將不再重複贅述。
參見第8圖，格柵830係填於彩色濾光片110之間的間隙中，並站在保護層106上。格柵830可具有第一部分830a圍繞彩色濾光片110之整個側壁，並具有第二部分830b自格柵830之第一部分830a之頂面延伸。在剖視圖中，格柵830可為四邊形或方形，並具有週期性間隔108P。週期性間隔108P可實質上與畫素單元100A等寬。在某些實施例中，第一部分830a之頂面 高於彩色濾光片110之頂面或與彩色濾光片110之頂面齊平。
格柵830之第二部分830b可具有多個對齊於彩色濾光片110之微透鏡單元。微透鏡單元可形成BSI CMOS影像感測器之微透鏡陣列。格柵830之第二部分830b之高度可為週期性間隔108P之約50%至約80%。在此實施例中，BSI CMOS影像感測器之微透鏡陣列與彩色濾光片110之間的填充物(例如格柵830之第二部分830b)一體成型。在本發明實施例中，格柵830之折射率低於約1.46，並低於所有的彩色濾光片110之折射率。例如，在某些實施例中，格柵830之折射率可小於約1.2。在某些實施例中，格柵830可包含與前述實施例中之第一格柵730之相同材料。
第9圖顯示依照本揭露某些實施例之BSI CMOS影像感測器之剖視圖。除了形成額外的微透鏡結構114於彩色濾光片110上，此實施例之BSI CMOS影像感測器係類似於第7圖所示之BSI CMOS影像感測器。在此實施例中，相似的參考標號所指之元件係實質上與前述實施例中之元件類似，且關於這些相似符號的詳細說明將不再重複贅述。
第一格柵730及第二格柵932係填於彩色濾光片110之間的間隙中，並站在保護層106上。第一格柵730站在保護層106上，並圍繞彩色濾光片110側壁之下部部分。第二格柵932站在第一格柵730上，並圍繞彩色濾光片110之側壁之上部部分。在某些實施例中，第一格柵732及第二格柵932之總高度係等於彩色濾光片110之高度。
在某些實施例中，第二格柵932之折射率高於第一 格柵730之折射率，但低於所有的彩色濾光片110之折射率。在某些實施例中，依照所欲之導向光二極體之光學路徑，第二格柵932之折射率實質上等於或低於第一格柵730之折射率。例如，第二格柵932可包含與前述實施例中之第二格柵732之相同材料。
微透鏡結構114可設於彩色濾光片陣列110及第二格柵932上。此微透鏡結構114之折射率可隨BSI CMOS影像感測器之光學需求作合適變化。微透鏡結構114之折射率可高於或低於1.47。微透鏡結構114之高度可為週期性間隔108P之約50%至約80%。
第10圖顯示依照本揭露某些實施例之BSI CMOS影像感測器之剖視圖。除了形成額外的微透鏡結構114於彩色濾光片110上，此實施例之BSI CMOS影像感測器係類似於第7圖所示之BSI CMOS影像感測器。在此實施例中，相似的參考標號所指之元件係實質上與前述實施例中之元件類似，且關於這些相似符號的詳細說明將不再重複贅述。
格柵1030係填入彩色濾光片110之間的間隔中。格柵1030站在保護層106上，並圍繞彩色濾光片110之整個側壁。在某些實施例中，格柵1030之高度係等於彩色濾光片110之高度。
在本發明實施例中，格柵1030之折射率低於所有彩色濾光片110之折射率。亦即，在本發明實施例中，格柵1030之折射率低於1.46。例如，在某些實施例中，格柵1030之折射率可低於約1.2。格柵1030可包含與前述實施例中之第一格柵 730相同之材料。
微透鏡結構114可設於彩色濾光片陣列110及格柵1030上。此微透鏡結構114之折射率可隨BSI CMOS影像感測器之光學需求作合適變化。在一實施例中，微透鏡結構114可包含有機材料、無機化合物或介金屬化合物。微透鏡結構114之折射率可高於或低於1.47。微透鏡結構114之高度可為週期性間隔108P之約50%至約80%。
與傳統BSI CMOS影像感測器相較，本揭露之BSI CMOS影像感測器之彩色濾光片之間的間隔物係為由超低折射率所形成之格柵，可提昇了入射光被全反射之比例。因此，不但可減少相鄰畫素單元之間的光串音問題，且可增加入射光入射至光二極體的強度，因而可更提昇BSI CMOS影像感測器之效能及量子效率。
此外，在本揭露某些實施例中，既然微透鏡陣列和彩色濾光片之間的間隔物為一體成型且具有相同的折射率，可減少一或多次的折射，並可省去黏合額外的微透鏡陣列至彩色濾光片的製程。因此，可以更簡單及低成本的製程來製造具有高的光通量的BSI CMOS影像感測器。
在某些實施例中，折射率相對較高的微透鏡結構之高度相對於折射率相對較低的微透鏡結構為低。對於高折射率的微透鏡結構而言，若採用與彩色濾光片間之間隔物一體成型的微透鏡結構較易製造。此外，隨BSI CMOS影像感測器之高度縮減，BSI CMOS影像感測器之靈敏度亦可進一步提高。在其他實施例中，因為微透鏡結構及間隔物的折射率會隨入射 光的傳播路徑漸增，採用折射率相對較低的微透鏡結構可減少一或多次的折射。
除上述之實施例外，本揭露之BSI CMOS影像感測器之結構可隨本揭露之應用範圍而合適的變化。例如，如第7至10圖所示之BSI CMOS結構中之格柵與保護層之間的界面亦可為凹面或凸面。
第11A至11G圖顯示為形成第7圖所示之BSI CMOS影像感測器之於製程中間階段之剖視圖。參見第11A圖，首先提供具有內連線結構106之光二極體陣列102。保護層118及104形成於光二極體102陣列上。
參見第11B圖，形成金屬格柵112於保護層104上。金屬格柵112可由以下之步驟形成：由濺鍍或電鍍形成一金屬層於保護層104上，並接著以合適之蝕刻製程圖案化金屬層成為格柵。參見第11C圖，在形成金屬格柵112後，沉積保護層106填入金屬格柵112之間的間隙。保護層106之厚度可較金屬格柵112厚，並覆蓋金屬格柵112。
隨後，參見第11D圖，形成包含多個彩色濾光片110之彩色濾光片陣列110於保護層106上。每一彩色濾光片110皆對應於光二極體陣列102中之光二極體，且這些彩色濾光片110具有間隙1122於彼此之間。
參見第11E圖，第一格柵730係填入彩色濾光片110之間的間隙1122中。如前述，第一格柵730可由旋轉塗佈製程及微影蝕刻形成。隨後，參見第11F圖，第二格柵732形成於第一格柵730上並填入彩色濾光片110之間的剩餘空隙1122中。第 二格柵732可由與第一格柵730相同之方法形成。如第11F圖所示，第二格柵732之頂面可高於彩色濾光片110之頂面，例如高出約0.3μm至約0.7μm。
隨後，參見第11G圖，第二格柵732係被圖案化為包含多個微透鏡單元。第二格柵732之每一微透鏡單元可對應於底下之彩色濾光片110之其中一者。
第12A至12B圖顯示為形成第8圖所示之BSI CMOS影像感測器之於製程中間階段之剖視圖。參見第12A圖，重複第11A至11D圖中所示之步驟，並填入格柵830至彩色濾光片之間的間隔中及站在保護層106上。格柵830可由旋轉塗佈製程及微影蝕刻形成。在某些實施例中，格柵830之頂面可依照光學設計之需求高於彩色濾光片110之頂面，例如高出約0.3μm至約0.7μm。
隨後，參見第12B圖，將格柵830圖案化以包含多個微透鏡單元830b。格柵830之每一微透鏡單元830b對應於底下之彩色濾光片110之其中一者。
第13A至13B圖顯示為形成第9圖所示之BSI CMOS影像感測器之於製程中間階段之剖視圖。參見第13A圖，重複第11A至11E圖中所示之步驟，並填入格柵932至彩色濾光片之間的間隔中及站在格柵730上。在此步驟中，格柵932之頂面可較彩色濾光片110之頂面高。隨後，對格柵932進行例如化學機械研磨之平坦化製程，以使得格柵932之頂面實質上齊平於彩色濾光片110之頂面。
隨後，參見第13B圖，黏接額外的微透鏡結構114 至彩濾光片110及第二格柵932上。
第14A至14B圖顯示為形成第10圖所示之BSI CMOS影像感測器之於製程中間階段之剖視圖。參見第14A圖，重複第11A至11D圖中所示之步驟，並填入格柵1030至彩色濾光片之間的間隔中及站在保護層106上。如第14A圖所示，格柵1030之頂面可較彩色濾光片110之頂面高。
隨後，參見第14B圖，對格柵1030作研磨，以使其頂面與彩色濾光片110之頂面齊平。格柵1030可由任意的研磨方法被研磨。隨後，黏接額外的微透鏡結構114至格柵1030上。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，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，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧畫素區
100A‧‧‧畫素單元
102‧‧‧光二極體陣列
104‧‧‧保護層
106‧‧‧保護層
108‧‧‧氧化物格柵
108P‧‧‧週期性間隔
110‧‧‧彩色濾光片
112‧‧‧金屬格柵
114‧‧‧微透鏡結構
116‧‧‧內連線結構
118‧‧‧保護層
PA‧‧‧收光區

Claims (7)

  1. 一種背照式CMOS影像感測器，包含：一基材，包含一光二極體陣列；一保護層設於該光二極體陣列上；一彩色濾光片陣列，包含多個彩色濾光片形成於該保護層上，其中每一彩色濾光片對應於該光二極體陣列中的一光二極體；一第一格柵形成於該保護層上並填充至該些彩色濾光片之間的空隙中，其中該第一格柵之折射率小於約1.46及該彩色濾光片之折射率，且其中該第一格柵包含一第一部分及一第二部分，該第一部分圍繞該彩色濾光片陣列之側壁，該第二部分自該第一部分延伸並包含多個微透鏡單元對齊於彩色濾光片陣列；以及一金屬格柵對齊於該些位於彩色濾光片之間的之該第一格柵，其中該金屬格柵之消光係數大於0。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之背照式CMOS影像感測器，更包含一第二格柵設於該第一格柵之下，其中該第二格柵圍繞該彩色濾光片陣列之側壁之一部分。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之背照式CMOS影像感測器，其中該第二格柵圍繞該彩色濾光片陣列之側壁之一下部部分，且該第一格柵圍繞該彩色濾光片陣列之側壁之一上部部分。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之背照式CMOS影像感測器，其中該第一格柵之折射率低於該第二格柵之折射率。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之背照式CMOS影像感測器，其中該該第一格柵之折射率高於該第二格柵之折射率，並低於約1.46及該些彩色濾光片之折射率。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之背照式CMOS影像感測器，其中該第一格柵及該第二格柵包含一摻有顏料或染料之高分子材料。
  7. 一種背照式CMOS影像感測器之形成方法，包含：提供一包含一光二極體陣列之基材；形成一金屬層於該光二極體陣列上；圖案化該金屬層以形成一金屬格柵，其中該金屬格柵之消光係數大於0；形成一保護層覆蓋該金屬格柵；形成一彩色濾光片陣列，其包含多個彩色濾光片於該保護層上，其中該些彩色濾光片形成多個開口，該些開口暴露該保護層且對齊於金屬格柵之間隙；以及填入一第一格柵至該些開口中，其中該第一格柵之折射率低於約1.46及該些彩色濾光片之折射率，且其中該第一格柵具有超出該些開口之過填充部分，且該過填充部分接著被圖案化為多個對齊於該些彩色濾光片之微透鏡單元。
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