TWI533443B - 在背側照明成像感測器中之橫向光屏蔽 - Google Patents
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Description
本發明大體係關於成像感測器，且特定而言(但不排除其他)係關於背側照明(「BSI」)互補金屬氧化物半導體(「CMOS」)成像感測器。
現今，許多半導體成像感測器為前側照明的。亦即，此等感測器包括製造於半導體晶圓之前側上的成像陣列，其中在成像陣列處自同一前側接收入射光。前側照明成像感測器具有若干缺點，例如有限填充因子。
BSI成像感測器為前側照明成像感測器之替代。BSI成像感測器包括製造於半導體晶圓之前表面上的成像陣列，但經由晶圓之背表面接收入射光。可藉由將裝置晶圓結合至載體晶圓隨後使裝置晶圓變薄來形成BSI成像感測器。為允許自背側偵測外部入射光，裝置晶圓製造得極薄。舉例而言，一些BSI成像感測器中之最終裝置晶圓厚度僅為幾微米。
並非外部入射光之光可在裝置晶圓之矽基板內藉由周邊電路元件發射。此內部產生之光可光學穿隧且在裝置晶圓之矽基板內在橫向行進以到達成像陣列。此橫向光傳播可產生不合需要之信號，且干擾BSI成像感測器之正常操作。矽基板相對薄可促成橫向光傳播。
100‧‧‧背側照明(BSI)成像感測器
110‧‧‧金屬堆疊
120‧‧‧矽(Si)層
121‧‧‧感測器陣列區
122‧‧‧周邊電路區
123‧‧‧發光元件
124‧‧‧光感測元件
130‧‧‧背側抗反射塗層(BARC)層
140‧‧‧光屏蔽層
150‧‧‧入射光
160‧‧‧光路
200‧‧‧BSI成像感測器
211‧‧‧溝槽
260‧‧‧光路
300A‧‧‧BSI成像感測器
300B‧‧‧BSI成像感測器
311‧‧‧溝槽
312‧‧‧填充元件
313‧‧‧溝槽界面
314‧‧‧界面
500‧‧‧晶片
510‧‧‧光感測陣列
520‧‧‧黑位準參考像素
530‧‧‧橫向光屏蔽
540‧‧‧周邊電路區
參看以下圖式描述本發明之非限制性且非詳盡之實施例，其中除非另外指定，否則貫穿各個圖式中相同參考數字指代相同部分。
圖1為說明光在半導體層中橫向傳播之BSI成像感測器的橫截面圖。
圖2為說明根據本發明之實施例的包括溝槽之橫向光屏蔽之BSI成像感測器的橫截面圖。
圖3A及3B為說明根據本發明之實施例的包括經填充溝槽之橫向光屏蔽之BSI成像感測器的橫截面圖。
圖4為說明根據本發明之實施例的與BSI成像感測器之結構互動的光路之圖。
圖5為說明根據本發明之實施例的橫向光屏蔽之BSI成像感測器的俯視圖。
圖6為說明根據本發明之實施例的用於製造BSI成像感測器之方法的流程圖。
本文描述用於製造包括橫向光屏蔽之BSI成像感測器的設備及方法之實施例。在以下描述中，陳述眾多特定細節以提供對實施例之澈底理解。然而，熟習此項技術者將認識到，本文描述之技術可在沒有該等特定細節之一或多者的情況下實踐或藉由其他方法、組件、材料等實踐。在其他例子中，未詳細展示或描述熟知結構、材料或操作以免混淆特定態樣。
貫穿本說明書中對「一個實施例」或「一實施例」之參考意謂結合該實施例描述之特定特徵、結構或特性包括於本發明之至少一個實施例中。因此，貫穿本說明書中片語「在一個實施例中」或「在一實施例中」在各處之出現不一定均指代同一實施例。此外，該等特定
特徵、結構或特性可以任何適宜之方式組合於一或多個實施例中。
圖1為說明光在半導體或矽(「Si」)層120中橫向傳播之BSI成像感測器100的橫截面圖。BSI成像感測器100包括金屬堆疊110(或者稱為金屬-介電質堆疊，因為其在介電質基板內部含有金屬結構)、Si層120、背側抗反射塗層(「BARC」)層130及光屏蔽層140。Si層120包括含有感測光之若干光感測元件124之感測器陣列區121，及含有發光元件123之周邊電路區122。為允許光感測元件124自背側(如圖1所示)偵測入射光150，Si層120製造得相對薄，例如幾微米(10 μm或更薄)。如圖1所示，BARC層130沈積於相對薄之Si層120上。BARC層130減少入射光150之反射，藉此提供入射光150至感測器陣列區121中之相對高程度的耦合。
在BSI成像感測器之一些實例(圖1未圖示)中，術語BARC層亦用於包括BARC層130與Si層120之間的額外緩衝層。緩衝層提供BARC層130與Si層120之間的緩衝。其可包括諸如氧化矽或氮化矽之材料。此多層結構亦可統稱為介電層。在本發明中，術語BARC層係選擇為等效於介電層。
圖1中亦展示光屏蔽層140，其可覆蓋Si層120之若干區域，使其不受入射光150照射。首先，其覆蓋安置於Si層120中之黑位準參考像素(圖1未圖示)。黑位準參考像素為不接收入射光150之感測器像素，且為BSI成像感測器100提供黑位準參考。黑位準參考像素可安置於周邊電路區122中。第二，光屏蔽層140可覆蓋周邊電路區122。藉由覆蓋周邊電路區122，光屏蔽層140減少或防止入射光150干擾周邊電路操作。
諸如周邊電路區122內之發光元件123的特定元件可發光。發光元件123可藉由各種機制(例如，經由經偏置p-n接面之電致發光)發光，且產生具有在紅外(「IR」)或近IR(「NIR」)光譜之波長的光。
舉例而言，發光元件123可為發射包括接近1.1 μm之波長之光的金屬氧化物半導體(「MOS」)穿隧二極體。在一個實施例中，發光元件123可為具有離子植入物引發之位錯的前向偏置二極體，從而發射包括接近1.5 μm之波長的光。
發光元件123發射之光可橫向行進穿過Si層120且到達光感測元件124，藉此產生不合需要之信號。若干因素會促成此現象。
首先，IR及NIR光具有接近Si能隙之波長，因此允許光在諸如Si、SiO2及SiNx(氮化矽)之介質中行進相對長的距離。光路160可代表IR或NIR光自發光元件123行進至光感測元件124。IR及NIR光可在上文提及之介質中傳播達幾百微米。
第二，光可歸因於全內反射(「TIR」)現象在Si層120內以相對少的能量損失來傳播。BARC層130包括諸如SiO2及SiNx之材料。Si之折射率與SiO2及SiNx之折射率(例如，分別為1.5及2)相比相對高(例如，3.54)。因此，若BARC層130包括SiO2，則Si層120內TIR之臨界角θ可為arcsin(1.5/3.54)=25.1°。若BARC層130包括SiNx，則Si層120內TIR之臨界角θ可為arcsin(2/3.54)=34.4°。
第三，光屏蔽層140可由金屬構成，其在反射光方面相對有效，藉此將光(由發光元件123發射)限制於Si層120內。
第四，隨著上文提及之光傳播穿過Si層120，其可產生電荷載流子，該等電荷載流子可擴散至感測器陣列區121中。
總之，諸如上文提及之因素之一個或若干因素及其組合可使發光元件123發射的IR及NIR光沿著光路160傳播，且到達感測器陣列區121。因此，若發光元件123相對接近感測器陣列區121，則其可能產生不合需要之信號且干擾BSI成像感測器100之效能。
本文揭示定位於Si層120中以阻礙發光元件123與光感測元件124之間的光路之橫向光屏蔽結構之實施例。
圖2為說明根據本發明之實施例的包括溝槽211之橫向光屏蔽之BSI成像感測器200的橫截面圖。BSI成像感測器200包括金屬堆疊110、Si層120、BARC層130及光屏蔽層140。Si層120包括含有感測光之若干光感測元件124之感測器陣列區121，及含有發光元件123之周邊電路區122。Si層120可包括基板層及磊晶層。當自BSI成像感測器200之頂部觀察時，周邊電路區122可圍繞或實質上圍繞感測器陣列區121。或者，周邊電路區122可在三側與感測器陣列區121相接。周邊電路區122含有促進自光感測元件124獲取影像電荷之電路元件。發光元件123可為促進自光感測元件124獲取影像電荷之電路元件中之一者。
溝槽211可經定位使得其實質上阻礙發光元件123與光感測元件124之間的光路。在所說明之實施例中，溝槽211安置於Si層120中，且實質上穿透Si層120。在一個實施例中，溝槽211不完全穿透Si層120。溝槽211可位於周邊電路區122中(如圖2所示)或位於感測器陣列區121中或含有黑位準參考像素之區中(未圖示)。
在所說明之實施例中，BARC層130安置於溝槽211中(遵循溝槽211之輪廓)及溝槽211之側壁上。由於BARC層130遵循溝槽211之輪廓(在所說明之實施例中形成倒「V」形狀)，因此溝槽211可能不由BARC層130完全填充。在一個實施例中，BARC層130不完全填充溝槽211。在所說明之實施例中，光屏蔽層140安置於溝槽211中(但不接觸Si層120)，從而填充溝槽211，其中BARC層130不完全填充溝槽211。在所說明之實施例中，BARC層130為安置於Si層120中之倒「V」形狀，且光屏蔽層140為安置於BARC層130之倒「V」形狀中的倒「V」形狀。在所說明之實施例中，Si層120中之溝槽211實質上為等腰梯形之形狀，然而溝槽211可為其他形狀。溝槽211、BARC層130與光屏蔽層140之組合可稱為橫向光屏蔽，因為其實質上阻擋了發光
元件123發射之光路260中的光。
本文揭示用以製造BSI成像感測器200之方法的實例。在一個實施例中，首先在Si層120中形成溝槽211，隨後沈積BARC層130及光屏蔽層140。在一個實施例中，在沈積BARC層130及光屏蔽層140之後，在Si層120中形成溝槽211。但在另一實施例中，在沈積BARC層130及光屏蔽層140之後形成溝槽211之後，可藉由增強溝槽211阻擋發光元件123與光感測元件124之間的光路之功能之物質填充溝槽211。用於填充溝槽211之物質的實例可為光學不透明材料(例如，金屬)。
圖3A及3B為說明根據本發明之實施例的包括經填充溝槽之橫向光屏蔽之BSI成像感測器的橫截面圖。BSI成像感測器300A及300B包括金屬堆疊110、Si層120、BARC層130及光屏蔽層140。Si層120包括含有感測光之若干光感測元件124之感測器陣列區121，及含有發光元件123之周邊電路區122。
溝槽311安置於BSI成像感測器300A及300B之Si層120中。溝槽311可穿透Si層120。溝槽311可經定位使得其實質上阻礙發光元件123與光感測元件124之間的光路。溝槽311亦可位於感測器陣列區121中，或Si層120之含有黑位準參考像素之區中(未圖示)。溝槽311含有填充元件312。填充元件312可自Si層120之背側表面向Si層120之前側表面填充溝槽311。填充元件312可為諸如透明介電質之光學透明材料。在一個實施例中，填充元件312為氧化物。在一個實施例中，填充元件312是光學不透明的。溝槽311與填充元件312之組合可稱為橫向光屏蔽，因為其可阻礙發光元件123與光感測元件124之間的光路。
在圖3A中，將BARC層130係說明為安置於感測器陣列區121及周邊電路區122兩者下方。光屏蔽層140在圖3A中係說明為安置於周邊電路區122下方及安置於BARC層130下方。在圖3B中，將BARC層130說明為安置於感測器陣列區121下方，但不安置於周邊電路區122下
方。光屏蔽層140在圖3B中係說明為安置於周邊電路區122下方，但不安置於感測器陣列區121下方。在所說明之實施例(圖3B)中，光屏蔽層140接觸填充元件312及Si層120。光屏蔽層140可反射發光元件123發射之光。被光屏蔽層140反射之光可朝向橫向光屏蔽行進且被橫向光屏蔽反射，藉此將感測器陣列區121屏蔽以免遭發光元件123發射之光照射。
圖4為說明根據本發明之實施例之與BSI成像感測器300A或300B之結構互動之光路的圖。溝槽界面313係填充元件312在溝槽311之邊緣上接觸Si層120之處。當填充元件312為光學透明材料時，溝槽311可以一方式傾斜，使得發光元件123發射之光在溝槽界面313處實現TIR。溝槽311可能要求很大程度傾斜的側壁，使得在溝槽界面313處發生TIR。圖4說明溝槽界面313的傾斜度如何影響溝槽界面313處的TIR。光以角度θ自Si層120與BARC層130(在圖3A中)或光屏蔽層140(在圖3B中)之間的界面314反射出去，且以角度α撞擊溝槽界面313。溝槽傾斜角β可判定為β=180°-(θ+α)。若Si層120包含具有3.54之折射率的第一材料，BARC層130包含具有3.26之折射率的第二材料，且填充元件312包含具有2.89之折射率的第三材料，則在界面314處，臨界角θ將為arcsin(3.26/3.54)=67.1°。在溝槽界面313處，臨界角α將為arcsin(2.89/3.54)=54.7°。因此，溝槽傾斜角β可為180°-(67.1°+54.7°)=58.2°。溝槽311可在前側處理或背側處理期間形成。溝槽311之側壁傾斜度可為正或負的。儘管圖4說明BSI成像感測器300A或300B之結構，但上文揭示之原理可應用於BSI成像感測器200。
本文揭示用以製造BSI成像感測器300A或300B之方法的實例。溝槽311形成在Si層120中且藉由填充元件312填充。溝槽311可藉由增強其阻擋發光元件123與光感測元件124之間的光路之功能之填充元件
312填充。在一個實施例(如圖3A中說明)中，將BARC層130沈積至Si層120上，隨後將光屏蔽層140沈積至BARC層130上，在周邊電路區122下方。在一個實施例(如圖3B中說明)中，BARC層130可僅沈積至Si層120之含有感測器陣列區121的部分上，且光屏蔽層140僅沈積至Si層120之含有周邊電路區122的部分上。
圖5為說明根據本發明之實施例的橫向光屏蔽之BSI成像感測器的俯視圖。BSI成像感測器包括在晶片500中。晶片500包括光感測陣列510、黑位準參考像素520、橫向光屏蔽530及周邊電路區540。橫向光屏蔽530之實例在圖2中可見，其中BARC層130安置於溝槽211中。橫向光屏蔽530之另一實例在圖3A及3B中可見，其中填充元件312安置於溝槽311中。在所說明之實施例中，橫向光屏蔽530實質上封圍光感測陣列510及黑位準參考像素520，因此使光感測元件(例如，光感測元件124)與發光元件(例如，發光元件123)橫向分離。橫向光屏蔽530可形成矩形形狀之封圍體，如圖5所示。其他實例包括諸如三角形、梯形、多邊形、圓形、橢圓形之其他幾何形狀封圍體(未圖示)。橫向光屏蔽530可僅部分封圍光感測陣列510(例如，安置於光感測陣列510之三側上)。在圖5中，當自頂部觀察時，橫向光屏蔽530具有約20 μm之寬度。其他寬度亦為可能的，但圖5中未圖示。同樣在圖5中，當自頂部觀察時，橫向光屏蔽530定位成距光感測陣列510及黑位準參考像素520約100 μm。其他距離亦為可能的，但圖5中未圖示。
圖6為說明根據本發明之實施例的用於製造BSI成像感測器之方法的流程圖。製程區塊中之一些或全部在製程600中出現之次序不應認為具有限制性。實情為，受益於本發明之一般熟習此項技術者將理解，該等製程區塊中之一些可以未說明之多種次序執行，或甚至並行執行。
製程600為如何製造BSI成像感測器之一個實例。在製程區塊605
中，提供具有前表面及背側表面之半導體層。半導體層(例如，Si層120)包括光感測元件，及含有發光元件且不含有光感測元件之周邊電路區。周邊電路區可實質上圍繞半導體層之感測器陣列區。周邊電路區可不含有任何光感測元件，因為光屏蔽層(例如，光屏蔽層140)可防止光感測元件接收光。在製程區塊610中，形成穿透半導體層之背側表面的溝槽。該溝槽經定位以防止發光元件發射之光到達光感測元件。溝槽可藉由已知蝕刻製程形成，例如濕式蝕刻、乾式蝕刻、電漿蝕刻等。在製程區塊615中，在溝槽下方形成抗反射塗層(例如，BARC 130)。可在抗反射塗層下方或附近形成光屏蔽層(例如，光屏蔽層140)。
本發明之所說明之實施例的以上描述(包括摘要中描述之內容)不意欲為詳盡的或將本發明限於所揭示之精確形式。雖然本文出於說明性目的描述了本發明之特定實施例及實例，但如熟習此項技術者將認識到，本發明範疇內之各種修改為可能的。
可鑒於以上詳細描述對本發明作出此等修改。以下申請專利範圍中使用之術語不應解釋為將本發明限於說明書中揭示之特定實施例。實情為，本發明之範疇應完全由以下申請專利範圍判定，應根據已確立之請求項解釋條款來解釋以下申請專利範圍。
110‧‧‧金屬堆疊
120‧‧‧矽(Si)層
121‧‧‧感測器陣列區
122‧‧‧周邊電路區
123‧‧‧發光元件
124‧‧‧光感測元件
130‧‧‧背側抗反射塗層(BARC)層
140‧‧‧光屏蔽層
200‧‧‧BSI成像感測器
211‧‧‧溝槽
260‧‧‧光路
Claims (19)
- 一種背側照明影像感測器，其包含：一半導體層，其具有一前側表面及一背側表面，該半導體層包括：一像素陣列之一光感測元件，其安置於該半導體層之一感測器陣列區中，其中該像素陣列經定位以經由該半導體層之該背側表面接收外部入射光；及一發光元件，其安置於該半導體層之該感測器陣列區外部之一周邊電路區中，其中該周邊電路區包括促進該光感測元件之操作的電路元件；一溝槽，其安置於該半導體層中介於該光感測元件與該發光元件之間，該溝槽經定位以阻礙該發光元件與該光感測元件之間之一光路，其中該光路在該背側照明影像感測器內部；及一抗反射塗層，其安置於該溝槽中，及沿著該溝槽側壁，但未完全填充該溝槽。
- 如請求項1之背側照明影像感測器，進一步包含：一光屏蔽層，其安置於該抗反射塗層上及該溝槽中，其中該光屏蔽層包括一第一表面及一第二表面，該第一表面接觸該抗反射塗層。
- 如請求項1之背側照明影像感測器，其中該抗反射塗層之一第一折射率小於該半導體層之一第二折射率，此促進光在該光路中之全內反射。
- 如請求項1之背側照明影像感測器，其中該溝槽安置於該半導體層之該周邊電路區中。
- 如請求項1之背側照明影像感測器，其中該半導體層之一材料允 許該外部入射光經由該背側表面進入該半導體層且到達該光感測元件。
- 如請求項1之背側照明影像感測器，其中該溝槽實質上穿透該半導體層。
- 如請求項1之背側照明影像感測器，進一步包含：安置於該溝槽中之一實質上光學不透明的元件。
- 如請求項1之背側照明影像感測器，進一步包含：安置於該溝槽中之一透明介電質元件，其中該溝槽之側壁及該透明介電質元件形成反射該光路中之光之一溝槽界面。
- 如請求項8之背側照明影像感測器，其中該透明介電質元件自該半導體層之該前側表面向該背側表面實質上填充了該溝槽。
- 如請求項8之背側照明影像感測器，進一步包含：一光屏蔽層，其安置於該周邊電路區下方，其中該光屏蔽層接觸安置於該溝槽中之該透明介電質元件且接觸該半導體層之該背側表面，且其中該光屏蔽層係反射的且反射該光路中之光；及一抗反射塗層，其安置於該半導體層之該感測器陣列區下方且接觸該半導體層之該背側表面。
- 如請求項8之背側照明影像感測器，其中該透明介電質元件之一第三折射率小於該半導體層之一第二折射率。
- 如請求項8之背側照明影像感測器，其中該透明介電質元件為一氧化物。
- 如請求項8之背側照明影像感測器，其中該溝槽之該等側壁成一傾斜角度，增加該光路中被該溝槽界面反射之光。
- 如請求項1之背側照明影像感測器，其中該溝槽實質上圍繞該半導體層之該感測器陣列區。
- 如請求項14之背側照明影像感測器，其中該溝槽亦實質上圍繞該背側照明影像感測器之黑位準參考像素。
- 如請求項1之背側照明影像感測器，進一步包含：一金屬堆疊層，其安置於該溝槽上方且接觸該半導體層之該前側表面。
- 一種製造一背側照明影像感測器之方法，該方法包含：提供該背側照明影像感測器之具有一前側表面及一背側表面之一半導體層，該半導體層包括一光感測元件及該半導體層之含有一發光元件且不含有該光感測元件之一周邊電路區，其中該周邊電路區在該半導體層之一感測器陣列區外部；形成穿透該半導體層之該背側表面之一溝槽，該溝槽經定位以防止該發光元件發射之光到達該光感測元件；及在該溝槽下方形成一抗反射塗層。
- 如請求項17之方法，進一步包含：將一光屏蔽層形成至該半導體層之該周邊電路區下方之該抗反射塗層上，其中該抗反射塗層係安置於該溝槽中及該溝槽之側壁上。
- 如請求項17之方法，進一步包含：在該溝槽中形成一透明介電質元件，其中該溝槽之側壁及該透明介電質元件形成一溝槽界面，其反射該發光元件與該光感測元件之間之一光路中的光。
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