TWI520317B - 半導體裝置及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明主要是關於一種半導體裝置及其製造方法，特別是關於一影像感測器結構，其可減少串音並改善量子效率。
互補式金屬-氧化物-半導體影像感測器一般使用形成於一半導體基底的複數個畫素區的陣列中的一系列的光學二極體，以感測何時光線照射到光學二極體。在鄰接於各畫素區的各光學二極體之處，可各形成一轉換電晶體(transfer transistor)，以在適當時間對光學二極體所感應的光線所產生的訊號作轉換。這些光學二極體與轉換電晶體可藉由在適當時間操作轉換電晶體，而在適當時間捕捉到影像。
一般可將互補式金屬-氧化物-半導體影像感測器形成為前面照光架構或背面照光架構。在前面照光架構中，光線是從轉換電晶體形成之處的影像感測器的「前」面到達光學二極體。然而，要使光線在到達光學二極體之前穿過光學二極體上的任何金屬層、介電層、並通過轉換電晶體，會產生製程上及/或操作上的問題，例如金屬層、介電層及轉換電晶體不一定會是半透明的而容易讓光線穿透。
在背面照光架構中，轉換電晶體、金屬層及介電層是形成於基底的前面，而讓光線從基底的「背」面到達光學二極體，而使光線在其到達轉換電晶體、介電層或金屬層之前，先碰到光學二極體。這樣的架構可減少影像感測器
的製造及操作的複雜度。
然而，相互鄰接的畫素區會以已知的串音(cross-talk)而干擾彼此的運作。當來自一個畫素的光線前進到鄰接的畫素區而造成此鄰接的畫素區感測到此光線時，即可能會發生串音。此串音的發生會減低影像感測器的精密性與量子效率。
本發明的一實施例是提供一種半導體裝置，包含：一基底，具有一畫素區，上述畫素區內含一光學二極體；一格柵(grid)置於上述基底上方，上述格柵具有定義一腔室的格柵壁，上述腔室垂直地對準於上述畫素區；以及一彩色濾光器，置於上述腔室內且在上述格柵的格柵壁之間。
在上述之半導體裝置中，上述格柵較好是金屬或包含一低折射係數材料，上述金屬較好是鎢、或是鋁與銅的其中之一，上述低折射係數材料較好是一氧化物。
在上述之半導體裝置中，上述格柵較好是置於一背面照光膜的上方。
在上述之半導體裝置中，上述彩色濾光器較好為包含一聚合物。
在上述之半導體裝置中，較好為：一微透鏡是置於上述彩色濾光器的一上表面上方，且在鄰接上述彩色濾光器的上述格柵的格柵壁的一上表面上方。
在上述之半導體裝置中，較好為：藉由上述格柵的安裝而將光線導至該光學二極體、及/或藉由上述格柵的安裝而抑制光學串音(optical cross talk)。
本發明的另一實施例是提供一種半導體裝置，包含：一基底，具有複數個畫素區，各畫素區內含一光學二極體；一格柵(grid)置於上述基底上方，上述格柵具有定義複數個腔室的格柵壁，上述各腔室垂直地對準於上述畫素區的其中之一；在上述各腔室內各放置有一彩色濾光器；以及在上述各彩色濾光器的上方各放置有一微透鏡。
在上述之半導體裝置中，較好為：上述格柵格具有金屬與一低折射率介電材料的其中之一。
在上述之半導體裝置中，上述彩色濾光器的一上表面較好是與鄰接上述彩色濾光器的上述格柵的一上表面實質上共平面。
在上述之半導體裝置中，上述格柵抑制鄰接的畫素區所含的光學二極體之間的光學串音。
本發明的又一實施例是提供一種半導體裝置的製造方法，包含：在一半導體基底的一畫素區形成一光學二極體；在上述基底上方沉積一毯覆式的格柵層；圖形化上述毯覆式的格柵層以形成一格柵，上述格柵具有定義一腔室的格柵壁，上述腔室垂直地對準於上述畫素區；以及以一彩色濾光器填入上述腔室。
在上述之半導體裝置的製造方法中，較好為更包含在上述彩色濾光器的一上表面上方沉積一微透鏡。
在上述之半導體裝置的製造方法中，較好為更包含在鄰接上述彩色濾光器的該格柵的格柵壁的一上表面上方沉積一微透鏡。
在上述之半導體裝置的製造方法中，在上述基底上方
沉積一毯覆式的格柵層的步驟較好為包含沉積一金屬。
在上述之半導體裝置的製造方法中，在上述基底上方沉積一毯覆式的格柵層的步驟包含沉積鎢。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請一併參考第1-3圖，其繪示一實施例之半導體裝置10。第1圖是半導體裝置10的剖面圖，半導體裝置10具有一影像感測器結構，此影像感測器結構具有各種畫素區。第2圖是第1圖中的影像感測器中的畫素區的俯視圖，第3圖則是沿著第2圖的線段A-A'之畫素區的剖面圖。半導體裝置10具有一影像感測器結構，此影像感測器結構是用來減少或消除光學串音並提升量子效率，這會在後文作更詳細的說明。上述影像感測器結構具有各種構件，例如畫素區構成的陣列60、黑度校正(black level correction；BLC)構件62與銲墊結構64。如第1-3圖所示，半導體裝置10具有一基底12、一柵格14與複數個彩色濾光器16。在一實施例中，基底12是由矽形成。然而，在其他實施例中，基底12可由其他適合的半導體材料形成。基底12具有一前面12A與一背面12B。
如第1圖所示，在一實施例中，在基底12的背面12B上方且在柵格14的下方形成一抗反射塗層(anti-reflective coating；ARC)20與一電漿增益氧化物(plasma enhanced oxide；PEOx)18。抗反射塗層20與電漿增益氧化物18可
合稱為並圖示為一背面照光膜(backside illuminating；BSI)22。此外，可形成一層間介電層24，其覆蓋基底12下方的前面12A。在一實施例中，可形成一淺溝槽隔離區26，淺溝槽隔離區26從前面12A延伸，且位於基底12的一部分與層間介電層24之間。
仍請參考第1圖，可在層間介電層24的下方設置複數個碳化矽(SiC)層28(例如上碳化矽層28A與下碳化矽層28B)、一或複數個金屬化層30與一金屬間介電層32。在第1圖中的下碳化矽層28B的下方、且在頂側金屬34(例如為鋁銅(aluminum copper；AlCu))及非摻雜的矽玻璃(undoped silicate glass；USG)層36的上方，可設置各種結構。
請參考第1-3圖，柵格14一般是置於基底12的背面12B的上方。在一實施例中，柵格14是置於電漿增益氧化物18上。在一實施例中，柵格14是由一金屬38形成，金屬38例如為鎢、鋁、銅、一合金或一複合物(例如上述之合金或上述之複合物)。在另一實施例中，柵格14是由一低介電常數材料形成，此低介電常數材料例如為一氧化物。如第1-2圖所示，柵格14具有柵格壁40，柵格壁40從基底12凸出，並在柵格壁40之間形成腔室42。
如第2圖所示，在由柵格14形成的各腔室42中，各形成一彩色濾光器16。在第2圖中，圖中標示為「W」者代表白色的彩色濾光器16、圖中標示為「G」者代表綠色的彩色濾光器16、圖中標示為「B」者代表藍色的彩色濾光器16、圖中標示為「R」者代表紅色的彩色濾光器16。
現在請參考第3圖，每個彩色濾光器16是置於基底12中的一個畫素區44的上方。換言之，容納彩色濾光器16的腔室42是垂直地對準於其下方的畫素區44。畫素區44是各支持或內含一光學二極體46與對應的影像感測器電路(例如電晶體等)。
請仍參考第3圖，藉由格柵14的安裝而將可見光導至光學二極體46。此外，藉由格柵14的安裝而抑制或避免置於相鄰的畫素區44中的光學二極體46之間的光學串音(optical cross talk)。柵格14亦有改善或維持半導體裝置10中的量子效率之功能。還有，相對於傳統或已知的裝置，柵格14降低了光程(optical path)，在一實施例中，上述光程包含彩色濾光器16、電漿增益氧化物18、抗反射塗層20、基底12之位於畫素區44上方的部分、光學二極體46及畫素區44。
在一實施例中，彩色濾光器16是各由一合適的聚合物材料形成；然而，在其他實施例中，可使用其他合適的濾光材料。如第3圖所示，在一實施例中，彩色濾光器16的一上表面48一般是與鄰接此彩色濾光器16的格柵14的柵格壁40的一上表面50共平面。
現在請參考第4a-4g圖，顯示形成第1-3圖所示的半導體裝置10的一方法52的一實施例。如第4a圖所示，在抗反射塗層20上沉積電漿增益氧化物18。在一實施例中，是使用一化學氣相沉積(chemical vapor deposition；CVD)製程來形成電漿增益氧化物18。如圖所示，電漿增益氧化物18一般是設置在矽基底12的背面12B的上方，且設置
在前文已詳細敘述的半導體裝置10的各種其他結構的上方。
在第4b圖中，將一柵格層54沉積於電漿增益氧化物18上方。可藉由沉積鎢、銅、鋁或其他金屬38、合金、或複合物，而形成柵格層54。在一實施例中，可由氧化物或具有低折射係數的其他合適材料來形成柵格層54。其後，如第4c圖所示，使用一光阻56而進行一背面金屬柵格微影製程。
如第4d圖所示，進行一背面金屬柵格蝕刻製程，以移除受光阻56曝露的金屬柵格層54的選擇的部分。此處使用的微影製程與蝕刻製程可合稱為「圖形化」。第4d圖的金屬柵格層54的選擇的部分之移除，留下如第4e圖所示的金屬柵格14。如第4e圖所示，由柵格14的柵格壁40定義的腔室42是置於畫素區44的上方，並垂直地對準於其下方的畫素區44。
現在請參考第4f圖，在背面照光膜22(例如電漿增益氧化物18與抗反射塗層20)上與腔室42內(請參考第4e圖)，沉積彩色濾光器16。換句話說，彩色濾光器16是填入柵格14定義的腔室42。如此一來，每個彩色濾光器16是垂直地置於其下方的畫素區44之上，並垂直地對準於其下方的畫素區44。彩色濾光器16可以是各種不同顏色之一，例如紅色、綠色、藍色與白色。如第4g圖所示，在彩色濾光器16的上表面48的上方及/或鄰接此彩色濾光器16的柵格14的柵格壁40的上表面50的上方，沉積一微透鏡58。
如第4f圖所示，第4f圖的半導體裝置10不具可在傳統的影像感測器中發現的多餘的薄膜堆疊層。的確，半導體裝置10在彩色濾光器16與畫素區44畫素區44之間僅具有少量物質/層。還有，在半導體裝置10中的每個彩色濾光器16是藉由將這些彩色濾光器16彼此分離的柵格14彩色濾光器16的功效，一般而言是與鄰接的彩色濾光器16隔離。此外，由於在彩色濾光器16與例如頂側金屬34之間僅具有限數量的層與結構，半導體裝置10具有較低的階差。
本發明的一實施例是提供一種半導體裝置，其包含：一基底、一格柵以及一彩色濾光器。上述基底具有一畫素區，上述畫素區內含一光學二極體。上述格柵置於上述基底上方，上述格柵具有定義一腔室的格柵壁，上述腔室垂直地對準於上述畫素區。上述彩色濾光器是置於上述腔室內且在上述格柵的格柵壁之間。
本發明的另一實施例是提供一種半導體裝置，其包含：一基底、一格柵、一彩色濾光器以及一微透鏡。上述基底具有複數個畫素區，各畫素區內含一光學二極體。上述格柵置於上述基底上方，上述格柵具有定義複數個腔室的格柵壁，上述各腔室垂直地對準於上述畫素區的其中之一，在上述各腔室內各放置有一彩色濾光器。另外，在上述各彩色濾光器的上方各放置有上述微透鏡。
本發明的又一實施例是提供一種半導體裝置的製造方法，包含：在一半導體基底的一畫素區形成一光學二極體；在上述基底上方沉積一毯覆式的格柵層；圖形化上述毯覆
式的格柵層以形成一格柵，上述格柵具有定義一腔室的格柵壁，上述腔室垂直地對準於上述畫素區；以及以一彩色濾光器填入上述腔室。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何本發明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，當可作些許之更動與潤飾，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。
10‧‧‧半導體裝置
12‧‧‧基底
12A‧‧‧前面
12B‧‧‧背面
14‧‧‧柵格
16‧‧‧彩色濾光器
18‧‧‧抗反射塗層
20‧‧‧電漿增益氧化物
22‧‧‧背面照光膜
24‧‧‧層間介電層
26‧‧‧淺溝槽隔離區
28‧‧‧碳化矽層
28A‧‧‧上碳化矽層
28B‧‧‧下碳化矽層
30‧‧‧金屬化層
32‧‧‧金屬間介電層
34‧‧‧頂側金屬
36‧‧‧非摻雜的矽玻璃層
38‧‧‧金屬
40‧‧‧柵格壁
42‧‧‧腔室
44‧‧‧畫素區
46‧‧‧光學二極體
48‧‧‧上表面
50‧‧‧上表面
52‧‧‧方法
54‧‧‧柵格層
56‧‧‧光阻
58‧‧‧微透鏡
60‧‧‧陣列
62‧‧‧黑度校正構件
64‧‧‧銲墊結構
第1圖是一剖面圖，顯示一實施例之半導體裝置，其具有金屬柵格形式的一影像感測器。
第2圖是第1圖的柵格的平面視圖。
第3圖是顯示柵格的一實施例的上部的一剖面圖，其中不同顏色的彩色濾光器填入此柵格。
第4a-4g圖是一系列的剖面示意圖，顯示第1圖之具有金屬柵格形式的一影像感測器之半導體裝置的形成方法的一實施例。
12‧‧‧基底
14‧‧‧柵格
16‧‧‧彩色濾光器
18‧‧‧抗反射塗層
20‧‧‧電漿增益氧化物
22‧‧‧背面照光膜
38‧‧‧金屬
40‧‧‧柵格壁
44‧‧‧畫素區
46‧‧‧光學二極體
48‧‧‧上表面
50‧‧‧上表面
Claims (9)
- 一種半導體裝置，包含：一半導體基底，具有一畫素區，該畫素區內含一光學二極體；一背面照光膜，在該光學二極體的一受光側的上方，該背面照光膜具有一抗反射塗層與位於該抗反射塗層上方的一電漿增益氧化物層；一格柵(grid)置於該背面照光膜上方，該格柵具有定義一腔室的格柵壁，該腔室垂直地對準於該畫素區；以及一彩色濾光器，置於該腔室內且在該格柵的格柵壁之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該格柵是金屬或一低折射係數材料。
- 如申請專利範圍第2項所述之半導體裝置，其中：該格柵是金屬時，該金屬是鎢、或是鋁與銅的其中之一；或者該格柵是低折射係數材料時，該低折射係數材料是一氧化物。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，更包含一微透鏡，該微透鏡是置於該彩色濾光器的一上表面上方，且在鄰接該彩色濾光器的該格柵的格柵壁的一上表面上方。
- 一種半導體裝置，包含：一半導體基底，具有複數個畫素區，各畫素區內含一光學二極體； 一背面照光膜，在上述光學二極體的一受光側的上方，該背面照光膜具有一抗反射塗層與位於該抗反射塗層上方的一電漿增益氧化物層；一格柵(grid)置於該背面照光膜上方，該格柵具有定義複數個腔室的格柵壁，各腔室垂直地對準於該些畫素區的其中之一；在各腔室內各放置有一彩色濾光器；以及在各彩色濾光器的上方各放置有一微透鏡。
- 如申請專利範圍第5項所述之半導體裝置，其中該格柵格具有金屬與一低折射率介電材料的其中之一。
- 如申請專利範圍第5項所述之半導體裝置，其中該彩色濾光器的一上表面是與鄰接該彩色濾光器的該格柵的一上表面實質上共平面。
- 一種半導體裝置的製造方法，包含：在一半導體基底的一畫素區形成一光學二極體；在該半導體基底的一背面的上方形成一背面照光膜，該背面照光膜具有位於該半導體基底的該背面上方的一抗反射塗層與位於該抗反射塗層上方的一電漿增益氧化物層；在該背面照光膜上方沉積一毯覆式的格柵層；圖形化該毯覆式的格柵層以形成一格柵，該格柵具有定義一腔室的格柵壁，該腔室垂直地對準於該畫素區；以及以一彩色濾光器填入該腔室。
- 如申請專利範圍第8項所述之半導體裝置的製造方 法，更包含在該彩色濾光器的一上表面上方或在鄰接該彩色濾光器的該格柵的格柵壁的一上表面上方沉積一微透鏡。
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