TWI648845B - 影像拾取元件及其製造方法，以及電子裝置 - Google Patents

影像拾取元件及其製造方法，以及電子裝置 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種影像拾取元件，其包含：一半導體基板，其包含用於各像素之一光電轉換區段；一像素分離溝槽，其提供於該半導體基板中；及一固定電荷膜，其提供於該半導體基板之一光接收表面側上，其中該固定電荷膜包含一第一絕緣膜及一第二絕緣膜，從該光接收表面至該像素分離溝槽之一壁表面及一底表面而連續地提供該第一絕緣膜，且該第二絕緣膜提供於該第一絕緣膜之一部分上，該部分對應於至少該光接收表面。

Description

影像拾取元件及其製造方法，以及電子裝置 相關申請之交叉參考
本申請案主張2013年9月27日申請之日本優先權專利申請案JP2013-202123之權利，該案之全部內容係以引用之方式併入本文中。
本發明係關於一種在一半導體基板上具有一固定電荷膜之影像拾取元件、一種製造此一影像拾取元件之方法，及一種包含此一影像拾取元件之電子裝置。
在一固態影像拾取器件(一影像拾取器件)，諸如一電荷耦合器件(CCD)影像感測器及一互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器中，針對各像素安置包含一光電轉換區段之一固態影像拾取元件(一影像拾取元件)。影像拾取元件之光電轉換區段可由(例如)一半導體材料(諸如矽(Si))組態。在光電轉換區段之一表面上，歸因於一晶體結構之破裂而存在晶體缺陷及懸鍵。歸因於產生在光電轉換部分中之一電子-電洞對的再結合，晶體缺陷及懸鍵會導致消光，或導致一暗電流之產生。
例如，國際公開案第WO 2012/117931號論述一背側照明類型之一固態影像拾取器件。在此固態影像拾取器件中，為抑制一暗電流之產生，形成一絕緣膜(一固定電荷膜)，此絕緣膜在一Si基板之一光接 收表面(一背面)上具有負固定電荷。在Si基板中，一光電二極體經嵌入作為一光電轉換區段。在其中形成固定電荷膜之一Si表面上，形成一反轉層。一Si介面係藉由此反轉層釘紮，其抑制暗電流之產生。
進一步言之，在Si基板中，一溝槽可提供在彼此相鄰之像素之間，且可藉由以一絕緣膜填充此溝槽來抑制光學色彩混合。
一般而言，藉由乾式蝕刻形成上述溝槽。然而，乾式蝕刻可在Si基板之一表面(特定言之，溝槽之一壁表面及一底表面)上導致晶體缺陷及懸鍵，其可導致介面狀態的增加。因此，可容易地產生一暗電流。
可期望提供一種能夠抑制一暗電流產生之影像拾取元件、一種製造此一影像拾取元件之方法，及一種包含此一影像拾取元件之電子裝置。
根據本發明技術之一實施例，提供一種影像拾取元件，其包含：一半導體基板，其包含用於各像素之一光電轉換區段；一像素分離溝槽，其提供於該半導體基板中；及一固定電荷膜，其提供於該半導體基板之一光接收表面側上，其中該固定電荷膜包含一第一絕緣膜及一第二絕緣膜，從該光接收表面至該像素分離溝槽之一壁表面及一底表面而連續地提供該第一絕緣膜，且該第二絕緣膜提供於該第一絕緣膜之一部分上，該部分對應於至少該光接收表面。
根據本發明技術之一實施例，提供一種製造一影像拾取元件之方法，該方法包含：在一半導體基板之一光接收表面上形成一固定電荷膜，該半導體基板包含用於各像素之一光電轉換區段且具有一像素分離溝槽，其中形成該固定電荷膜包含：形成一第一絕緣膜，以從該光接收表面至該像素分離溝槽之一壁表面及一底表面而連續地提供該第一絕緣膜；及形成一第二絕緣膜，其提供於該第一絕緣膜之一部分 上，該部分對應於至少該光接收表面。
根據本發明技術之一實施例，提供一種具備一影像拾取元件之電子裝置，該影像拾取元件包含：一半導體基板，其包含用於各像素之一光電轉換區段；一像素分離溝槽，其提供於該半導體基板中；及一固定電荷膜，其提供於該半導體基板之一光接收表面側上，其中該固定電荷膜包含一第一絕緣膜及一第二絕緣膜，從該光接收表面至該像素分離溝槽之一壁表面及一底表面而連續地提供該第一絕緣膜，且該第二絕緣膜提供於該第一絕緣膜之一部分上，該部分對應於至少該光接收表面。
在根據本發明技術之上述實施例之影像拾取元件、製造影像拾取元件之方法及電子裝置中，形成於半導體基板之光接收表面側上之固定電荷膜係包含第一絕緣膜及第二絕緣膜之一層壓膜。從該光接收表面至該像素分離溝槽之壁表面及底表面而連續地提供該第一絕緣膜。該第二絕緣膜提供於該光接收表面上。藉由使用形成於不同區域中之兩種絕緣膜而組態固定電荷膜，改善半導體基板之一表面(具體言之，像素分離溝槽之壁表面及底表面)之一介面狀態。
在根據本發明技術之上述實施例之影像拾取元件、製造影像拾取元件之方法及電子裝置中，固定電荷膜形成於半導體基板之光接收表面側上作為包含形成於不同區域中之兩種絕緣膜(第一絕緣膜及第二絕緣膜)之一層壓膜。此改良形成於半導體基板中之像素分離溝槽之壁表面及底表面之介面狀態，藉此容許抑制一暗電流之產生。
應瞭解前述一般描述及下列詳細描述兩者皆係例示性的，且旨在提供所主張之技術之進一步解釋。
1‧‧‧影像拾取器件
1a‧‧‧像素區段
2‧‧‧電子裝置
10‧‧‧影像拾取元件
10A‧‧‧影像拾取元件
11‧‧‧支撐基板
20‧‧‧光接收區段
21‧‧‧半導體基板
21A‧‧‧像素分離溝槽
22‧‧‧光電轉換區段
23‧‧‧固定電荷膜
23A1‧‧‧第一絕緣膜
23A2‧‧‧第一絕緣膜
23B‧‧‧第二絕緣膜
24‧‧‧保護膜
30‧‧‧佈線層
31‧‧‧中間層絕緣膜
32‧‧‧佈線
32A‧‧‧佈線
32B‧‧‧佈線
32C‧‧‧佈線
40‧‧‧聚光區段
41‧‧‧晶片上透鏡
42‧‧‧光屏蔽膜
43‧‧‧平坦化膜
44‧‧‧彩色濾光片
50‧‧‧聚光區段
51‧‧‧晶片上透鏡
52‧‧‧光屏蔽膜
53‧‧‧平坦化膜
54‧‧‧彩色濾光片
130‧‧‧周邊電路區段
131‧‧‧列掃描區段
132‧‧‧系統控制區段
133‧‧‧水平選擇區段
134‧‧‧行掃描區段
135‧‧‧水平信號線
310‧‧‧光學系統/光學透鏡
311‧‧‧快門單元
312‧‧‧信號處理區段
313‧‧‧驅動區段
Dout‧‧‧影像信號
h‧‧‧深度/高度
L‧‧‧光
Lsig‧‧‧垂直信號線
Lread‧‧‧像素驅動線
P‧‧‧單位像素
S1‧‧‧光接收表面
S2‧‧‧表面
隨附圖式經包含以提供本發明之一進一步理解，且併入及組成本說明書之一部分。該等圖式圖解說明實施例且結合說明書用於描述 本發明技術之原理。
圖1係根據本發明技術之一實施例的一影像拾取元件之一截面圖。
圖2A係用以描述製造圖1中繪示之影像拾取元件之一固定電荷膜的方法之截面圖。
圖2B係繪示圖2A中之一程序之後的一程序之截面圖。
圖2C係繪示固定電荷膜之一組態之一實例連同圖2B中之程序後的程序之截面圖。
圖3A係用以描述製造圖1中繪示之影像拾取元件之固定電荷膜之另一方法的截面圖。
圖3B係繪示圖3A中之一程序之後的程序之截面圖。
圖3C係繪示固定電荷膜之另一組態實例連同圖3B中之程序後的程序之截面圖。
圖4係根據本發明之一修改之影像拾取元件的截面圖。
圖5係根據一應用實例之一固態影像拾取器件的功能方塊圖。
圖6係根據另一應用實例之一電子裝置的功能方塊圖。
下文將參考圖式詳細描述本發明之一實施例。應注意將按以下順序提供描述。
1.實施例(其中一固定電荷膜具有一多層結構且使用不同製造方法形成若干層之一實例)
2.修改(其中亦在一像素分離溝槽中提供一光屏蔽膜之一實例)
3.應用實例(一固態影像拾取器件及一電子裝置之應用實例)
[1.實施例]
圖1繪示根據本發明技術之一實施例的影像拾取元件(一影像拾取元件10)之一截面組態。影像拾取元件10可(例如)在一影像拾取器件 (一影像拾取器件1)，諸如一CCD影像感測器及一CMOS影像感測器(參見圖5)中組態一像素(例如，一像素P)。影像拾取元件10可為一背側照明類型，且包含一光接收區段20、一佈線層30及一聚光區段40。光接收區段20包含一光電轉換區段22。聚光區段40提供於光接收區段20之一光入射表面(一光接收表面S1)側上。佈線層30提供於與光入射表面側相對側的一表面上。光接收區段20包含一半導體基板21、一固定電荷膜23及一保護膜24。半導體基板21具有一溝槽(一像素分離溝槽21A)，其提供於光入射表面側上且介於像素P之間。固定電荷膜23及保護膜24提供於半導體基板21(在光入射表面側上)的整個表面上。本實施例之影像拾取元件10部分具有一層壓結構，其中固定電荷膜23係由形成於不同區域中之兩種絕緣膜(一第一絕緣膜23A及一第二絕緣膜23B)形成。
下文將按光接收區段20、佈線層30及聚光區段40之順序描述影像拾取元件10之一組態。
(光接收區段)
光接收區段20包含半導體基板21及固定電荷膜23。在半導體基板21中，例如一光電二極體可嵌入作為光電轉換區段22。固定電荷膜23提供於半導體基板21之一背面(光入射表面或光接收表面S1)上。
半導體基板21可由(例如)p型矽(Si)組態，且具有如上所述之像素分離溝槽21A。像素分離溝槽21A提供於光接收表面S1側上之像素P之間，以在半導體基板21之一厚度方向(一Z方向)上延伸。像素分離溝槽21A之一深度(一高度(h))可僅為容許抑制串擾之一深度，且可為(例如)0.25μm或更大以及5μm或更小。像素分離溝槽21A之一寬度(W)可僅為容許抑制串擾之一寬度，且可為(例如)100nm或更大以及1,000nm或更小。
在接近半導體基板21之表面(一表面S2)處設置一轉移電晶體。轉 移電晶體可將(例如)產生於光電轉換區段22中之信號電荷轉移至一垂直信號線Lsig(參見圖5)。轉移電晶體之一閘極電極可(例如)提供於佈線層30中。信號電荷可為藉由光電轉換產生之一電子或一正電洞。此處，將描述其中一電子被讀出作為信號電荷之一情況作為一實例。
在半導體基板21之表面S2附近，可連同上述轉移電晶體提供(例如)諸如一重設電晶體、一放大電晶體及一選擇電晶體之組件。此等電晶體可各者為(例如)一金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)且包含於用於像素P之各者之一電路中。電路之各者可具有(例如)包含一轉移電晶體、一重設電晶體及一放大電晶體之三電晶體組態，或可具有除此等三個電晶體以外亦包含一選擇電晶體之四電晶體組態。除轉移電晶體以外之電晶體亦可由像素共用。
光電轉換區段22(光電二極體)可為(例如)一n型半導體區域，其針對像素P之各者形成於半導體基板21(此處為一Si基板)之厚度方向(Z方向)上。光電轉換區段22可為一pn接面型光電二極體，其中一p型半導體區域提供於半導體基板21之一正面及一背面附近。應注意，在半導體基板21中，一p型半導體區域亦形成於像素P之間，且上述像素分離溝槽21A形成於此p型半導體區域中。
固定電荷膜23具有負電荷，且具有其中第一絕緣膜23A及第二絕緣膜23B部分層壓之一組態(例如，參見圖2C)。具體言之，第一絕緣膜23A提供於半導體基板21之整個背面上(即，提供於半導體基板21之光接收表面S1上)且被提供為連續地從像素分離溝槽21A之一壁表面至一底表面。應注意，第一絕緣膜23A包含多個層(此處為兩層(23A1及23A2))。第二絕緣膜23B提供於半導體基板21之排除像素分離溝槽21A之一內壁(壁表面及底表面)之一區域(光接收表面S1)上。應注意，從光接收表面S1至像素分離溝槽21A之壁表面的一部分連續地形成第二絕緣膜23B。
可藉由(例如)原子層沈積(ALD)或金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)形成第一絕緣膜23A。可(例如)藉由物理氣相沈積(PVD)形成第二絕緣膜23B。若第一絕緣膜23A至少直接形成於半導體基板21上，則可以任何層壓順序形成第一絕緣膜23A及第二絕緣膜23B。在本實施例中，如圖2C中繪示，固定電荷膜23可具有(例如)其中第一絕緣膜23A1、第二絕緣膜23B及第一絕緣膜23A2以此順序自半導體基板21側層壓之一組態。替代地，如圖3C中繪示，可以第一絕緣膜23A1、第一絕緣膜23A2及第二絕緣膜23B之順序自半導體基板21側層壓。
第一絕緣膜23A1及23A2各者可較佳地具有(例如)1nm或更大以及25nm或更小之一厚度。第一絕緣膜23A(23A1及23A2)可較佳地形成為具有2nm或更大以及100nm或更小之一總厚度。此使得可改良像素分離溝槽21A之壁表面及底表面上之半導體基板21之釘紮效能。第二絕緣膜23B可較佳地具有(例如)10nm或更大以及80nm或更小之一膜厚度。
可較佳地使用具有固定電荷之一高介電材料作為固定電荷膜23(23A及23B)之一材料。該材料之特定實例可包含氧化鉿(HfO2)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鈦(TiO2)及氧化鉭(Ta2O5)。此等氧化物已用於膜(諸如一絕緣閘極場效電晶體之一閘極絕緣膜)，且因此已建立一膜形成方法。因此，可容易形成此等氧化物之膜。特定言之，使用諸如折射率相對較低之HfO2(2.05之一折射率)、Ta2O5(2.16之一折射率)及TiO2(2.20之一折射率)之材料給固定電荷膜23增加一抗反射效果。該材料之其他實例可包含稀土元素氧化物。稀土元素氧化物之特定實例可包含鑭(La)、鐠(Pr)、鈰(Ce)、釹(Nd)、鉕(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、鎦(Lu)及釔(Y)。應注意，矽(Si)可被添加至上述氧化物到不 損害絕緣性質之程度。替代地，除氧化物以外，可使用氮化物及氮氧化物(諸如氮化鉿、氮化鋁、氮氧化鉿及氮氧化鋁)。將Si或Ni添加至固定電荷膜23在該過程期間改良耐熱性及阻擋至一Si介面及Si基板之離子植入之能力。
第一絕緣膜23A(23A1及23A2)及第二絕緣膜23B可由相同材料構成，但是第一絕緣膜23A及第二絕緣膜23B之材料可不相同。可對使用一共同製造方法之第一絕緣膜23A1及23A2使用相同材料來簡化製程。替代地，可使用不同材料形成第一絕緣膜23A1及23A2以及第二絕緣膜23B。絕緣膜23A1、23A2及23B之各者之較佳材料可為以下材料。首先，第一絕緣膜23A1之較佳材料之實例可包含HfO2、ZrO2及Al2O3。第一絕緣膜23A2之較佳材料之實例可包含HfO2、ZrO2、Al2O3、TiO2及Ta2O5。第二絕緣膜23B之較佳材料之實例可包含HfO2、ZrO2、Al2O3、TiO2及Ta2O5。特定言之，對第二絕緣膜23B(其形成為厚於第一絕緣膜23A)使用高折射率之材料使得可有效地獲得一抗反射效果，且藉由增加進入光電轉換區段22的光，來改善影像拾取元件10之靈敏度。
保護膜24提供於固定電荷膜23上，且藉由用保護膜24填充像素分離溝槽21A而平坦化光接收區段20之一背面。保護膜24可由(例如)單層的氮化矽(Si2N3)、氧化矽(SiO2)、氮氧化矽(SiON)等或此等材料之一層壓膜構成。
(佈線層)
佈線層30被提供為與半導體基板21之表面(表面S2)接觸。佈線層30包含在一中間層絕緣膜31中之複數個佈線32(例如，32A、32B及32C)。佈線層30可(例如)黏附至由Si製成之一支撐基板11。佈線層30是位於支撐基板11與半導體基板21之間。
(聚光區段)
聚光區段40提供於光接收區段20之光接收表面S1側上，且在光入射側上具有一晶片上透鏡(on-chip lens)41。晶片上透鏡41作為一光學功能層被安置為面向每個像素P之光電轉換區段22。在光接收區段20(具體言之，保護膜24)與晶片上透鏡41之間，一平坦化膜43及一彩色濾光片44按此順序自光接收區段20側層壓。進一步言之，一光屏蔽膜42提供於像素P之間的保護膜24上。
晶片上透鏡41具有朝光接收區段20(具體言之，光接收區段20之光電轉換區段22)聚光之一功能。晶片上透鏡41之一透鏡直徑被設定為對應於像素P之大小的一值，且可為(例如)0.9μm或更大以及8μm或更小。進一步言之，晶片上透鏡41之一折射率可為(例如)1.5或更大以及1.9或更小。一透鏡材料之實例可包含一有機材料及氧化矽膜(SiO2)。
光屏蔽膜42可提供於像素P之間(即，例如保護膜24之對應於像素分離溝槽21A之一位置處)。光屏蔽膜42抑制歸因於光傾斜進入相鄰像素之間的串擾之色彩混合。光屏蔽膜42之材料的實例可包含鎢(W)、鋁(Al)，及鋁與銅(Cu)之一合金。光屏蔽膜42可具有(例如)20nm或更大以及5,000nm或更小之一膜厚度。
平坦化膜43可由(例如)氮化矽(Si2N3)、氧化矽(SiO2)、氮氧化矽(SiON)及其類似物之任一者之一單層膜，或此等材料之任一者之一層壓膜構成。
彩色濾光片44可為(例如)一紅色(R)濾光片、一綠色(G)濾光片、一藍色(B)濾光片及一白色(W)濾光片之任一者，且可(例如)被提供用於像素P之各者。此等彩色濾光片44以一常規彩色陣列(例如，一拜耳(Bayer)陣列)提供。在影像拾取元件10中，藉由提供此等彩色濾光片44獲得對應於彩色陣列之色彩的光接收資料。
舉例而言，如上所述之影像拾取元件10可如下般製造。
(製造方法)
首先，形成包含各種電晶體及周邊電路之半導體基板21。對於半導體基板21，例如可使用一Si基板。在Si基板之表面(表面S2)附近，形成電晶體(諸如轉移電晶體)及周邊電路(諸如一邏輯電路)。接著，藉由離子植入至半導體基板21形成一雜質半導體區域。具體言之，在對應於像素P之各者的位置處形成一n型半導體區域(光電轉換區段22)，且在像素P之間形成一p型半導體區域。隨後，在半導體基板21之光接收表面S1之一預定位置處(具體言之，在提供於像素P之間之p型半導體區域中)形成像素分離溝槽21A。像素分離溝槽21A可藉由(例如)乾式蝕刻而形成為具有例如1nm之一深度(h)。
接著，在半導體基板21之光接收表面S1側上形成固定電荷膜23。具體言之，首先如圖2A中繪示，可藉由例如ALD或MOCVD形成第一絕緣膜23A1。第一絕緣膜23A1連續地提供於半導體基板21之光接收表面S1上，以及被提供為從像素分離溝槽21A之一壁表面至一底表面。當使用ALD時，可基於(例如)以下此等條件形成第一絕緣膜23A1：一基板溫度係200℃至500℃、一前驅物之流量為10sccm至500sccm、前驅物之一輻射時間係1秒至15秒，且臭氧(O3)之一流量係5sccm至50sccm。當使用MOCVD時，例如可使用100℃至600℃之一基板溫度形成第一絕緣膜23A1。應注意，當Si基板作為為半導體基板21，且藉由使用ALD在Si基板上形成第一絕緣膜23A1時，容許在Si基板之表面上同時形成減小一介面狀態且具有約1nm之厚度的氧化矽膜。
接著如圖2B中繪示，可藉由使用例如PVD在第一絕緣膜23A1上形成第二絕緣膜23B。此形成之條件可為(例如)0.01Pa至50Pa之壓力、500W至2,000W之功率、5sccm至50sccm之Ar流量，及5sccm至50sccm之氧氣(O2)流量。應注意，由於一遮蔽效應，藉由PVD形成 之第二絕緣膜23B僅形成於半導體基板21之光接收表面S1上及像素分離溝槽21A之壁表面之一部分上，該部分連續至光接收表面S1。第二絕緣膜23B未形成於像素分離溝槽21A內部(大部分的壁表面及底表面)。
接著如圖2C中繪示，可藉由使用例如ALD或MOCVD在第二絕緣膜23B及第一絕緣膜23A1上形成第一絕緣膜23A2。第一絕緣膜23A1覆蓋像素分離溝槽21A之壁表面及底表面。ALD及MOVCD中之條件類似於上述條件。因此形成固定電荷膜23。
如上所述，在藉由ALD或MOCVD在半導體基板21之整個背面上形成第一絕緣膜23A1之後，藉由PVD在第一絕緣膜23A1之光接收表面S1側上形成第二絕緣膜23B。在不劣化介面品質之情況下，容許在半導體基板21之表面部分上形成具有一抗反射功能之固定電荷膜(23A1、23B及23A2)，且同時容許在溝槽中形成改良介面狀態之固定電荷膜(23A1及23A2)。
應注意，如上所述，可用除了圖2A至圖2C中繪示之層壓順序以外的膜形成順序，形成固定電荷膜23。具體言之，例如可如圖3A至圖3C中繪示般形成固定電荷膜23。首先，藉由以類似於上述製程中之方式的方式，使用ALD或MOCVD，在從半導體基板21之光接收表面S1至像素分離溝槽21A之壁表面及底表面之區域中形成第一絕緣膜23A1。隨後，再次使用ALD或MOCVD形成第一絕緣膜23A2。接著，藉由PVD形成第二絕緣膜23B。以此方式，若藉由不太可能損壞一膜形成表面之ALD或MOCVD在半導體基板21之背面上直接形成至少該絕緣膜，則可對將隨後層壓之一絕緣膜採用任何製造方法。
接著，例如可藉由使用(例如)ALD或化學氣相沈積(CVD)，在光接收表面S1上之固定電荷膜23上形成一SiO2膜，作為保護膜24。用SiO2膜填充像素分離溝槽21A。隨後，舉例而言，一W膜可藉由使用 (例如)濺鍍或CVD形成在保護膜24上，且接著藉由光微影技術圖案化W膜，以形成光屏蔽膜42。接著，在保護膜24及光屏蔽膜42上形成平坦化膜43。隨後，例如拜耳陣列中之彩色濾光片44及晶片上透鏡41可以此順序形成在平坦化膜43上。因此可獲得影像拾取元件10。
(影像拾取元件之操作)
在如上所述之影像拾取元件10中，舉例而言，可如下般在影像拾取器件之像素P中獲得信號電荷(此處為一電子)。當光L透過晶片上透鏡41進入影像拾取元件10時，光L行進穿過彩色濾光片44及其類似物，且接著藉由像素P之各者中之光電轉換區段22偵測(吸收)，使得紅色、綠色或藍色光經光電轉換。在產生於光電轉換區段22中之電子-電洞對中，電子移動至半導體基板21(例如，Si基板中之n型半導體區域)以進行儲存，而正電洞移動至p型區域以進行放電。
(功能及效果)
如先前描述，在具有由(例如)一半導體材料(諸如Si)構成之光電轉換區段之影像拾取元件中，歸因於在光電轉換區段之表面上的晶體缺陷及懸鍵而可容易產生一暗電流。可藉由在一半導體基板之表面上形成具有固定電荷之一絕緣膜(一固定電荷膜)而抑制暗電流。
進一步言之，在一影像拾取元件中，可藉由在一半導體基板之像素之間提供一溝槽且用一絕緣膜填充此溝槽，來抑制光學色彩混合。然而，一般而言，此溝槽係藉由乾式蝕刻而形成，且因此歸因於由乾式蝕刻導致之損壞而容易在半導體基板之一表面上形成晶體缺陷以及一介面狀態。因此，雖然可抑制光學色彩混合，但是可容易產生暗電流。
可藉由在溝槽之一壁表面及一底表面上形成上述固定電荷膜，而抑制產生於溝槽中之暗電流。進一步言之，可使用(例如)具有折射率為2或是更大折射率的絕緣材料作為固定電荷膜之一材料，且在包 含溝槽之整個背面上方形成此材料之一膜層，而達成產生一暗電流抑制效果及一抗反射效果兩者之一絕緣膜。然而，固定電荷膜已存在以下問題。一般而言，鑑於產率選擇沈積速率高之PVD。然而，PVD損壞一膜層形成區域，即此處包含溝槽之半導體基板之整個背面，藉此劣化介面品質。特定言之，一暗電流更加容易產生於溝槽之表面(壁表面及底表面)處，該表面被用於形成溝槽之乾式蝕刻損壞。
相比之下，在根據本實施例之影像拾取元件10及其製造方法中，固定電荷膜23係一層壓膜(包含第一絕緣膜23A及第二絕緣膜23B)，且其之諸層係使用不同方法而形成。具體言之，首先使用ALD或MOCVD在半導體基板21上形成第一絕緣膜23A1，且接著使用PVD形成第二絕緣膜23B。隨後，使用ALD或MOCVD形成第一絕緣膜23A2。當在如上所述般藉由PVD形成膜層之前，藉由ALD或MOCVD形成膜(第一絕緣膜23A1)時，可防止PVD對膜層形成表面之損壞。此係歸因於藉由ALD或MOCVD形成之第一絕緣膜23A1之性質。
當使用ALD或MOCVD執行膜形成時，形成具有一高度結晶之一更快製成的膜層。由於此原因，第一絕緣膜23A1作為半導體基板21之一保護膜，這減小在藉由PVD形成第二絕緣膜23B時，對半導體基板21之表面的損壞。因此，可改良光接收表面S1之介面品質。此外，可抑制解除釘紮(unpinning)之惡化，解除釘紮係歸因於在形成像素分離溝槽21A或藉由離子輻射進行之雜質鈍化時，對像素分離溝槽21A之壁表面及底表面的物理損壞而發生。應注意，考慮到一膜層形成時間，減小PVD對半導體基板21之表面的損壞所必需之第一絕緣膜23A1之膜厚度之一下限可較佳地為1nm或更大，且一上限可較佳地為25nm或更小。
此外，使用ALD或MOCVD在半導體基板21之光入射表面側上之整個表面上(光接收表面S1以及像素分離溝槽21A之壁表面及底表面) 形成第一絕緣膜23A1及23A2。此外，使用PVD藉由將在下文描述之遮蔽效應在光接收表面S1及像素分離溝槽21A之壁表面之部分(其連續至光接收表面S1)上形成第二絕緣膜23B。第二絕緣膜23B中之遮蔽效應取決於像素分離溝槽21A之深度(h)。深度(h)愈深，遮蔽效應愈大，使得像素分離溝槽21A之壁表面上之膜層形成被抑制。容許抑制壁表面上之膜層形成之深度(h)可較佳地為1μm或更大。當深度(h)小於1μm時，溝槽形狀可期望地為一懸垂物類型。
如上所述，在本實施例中，形成於包含光電轉換區段22之半導體基板21之光接收表面側上的固定電荷膜23係形成為一層壓膜，該層壓膜包含形成於不同區域中之兩種不同絕緣膜(第一絕緣膜23A及第二絕緣膜23B)。具體言之，藉由使用ALD或MOCVD在半導體基板21之光入射表面側上之整個表面(光接收表面S1以及像素分離溝槽21A之壁表面及底表面)上形成第一絕緣膜23A。進一步言之，藉由使用PVD在光接收表面S1上形成第二絕緣膜23B。特定言之，第二絕緣膜23B係在第一絕緣膜23A形成之後形成，且因此可形成一固定電荷膜而不損壞半導體基板21之表面。換言之，可提供一種影像拾取器件，其中半導體基板21之表面(光接收表面S1以及像素分離溝槽21A之壁表面及底表面)的介面狀態被改良且抑制暗電流的產生。
進一步言之，在第一絕緣膜23A1形成於半導體基板21之後第一絕緣膜23A2及第二絕緣膜23B之層壓順序並無特別限制。然而，可藉由如圖2A至圖2C中繪示般，在形成第二絕緣膜23B之後，形成第一絕緣膜23A2以防止雜質(諸如氧氣及氫氣)進入半導體基板21中。此使得可進一步改良光接收表面S1上之介面狀態及釘紮效能。
此外，與ALD及MOCVD相比，PVD提供一高沈積速率，且因此可藉由PVD在一相對較短時間內形成厚到一定程度的膜層。因此，藉由使用具有一相對較高折射率的材料形成第二絕緣膜23B，改良用於 使光傾斜地進入之固定電荷膜23之抗反射效能，這容許抑制光電轉換區段22中之色彩混合。
應注意，在本實施例中，固定電荷膜23經組態使得第一絕緣膜23A包含兩層，且第二絕緣膜23B包含一層，但是此等膜可各自包含兩層或三層或更多層。
[2.修改]
圖4繪示根據上述實施例之修改的影像拾取元件(一影像拾取元件10A)之一截面架構。影像拾取元件10A係背側照明類型且具有一結構，此結構具備以類似於上述實施例之方式二維配置之複數個像素P。在影像拾取元件10A之光接收區段20中，像素分離溝槽21A以類似於上述實施例之方式提供於半導體基板21的像素P之間。固定電荷膜23形成於半導體基板21之光接收表面S1以及像素分離溝槽21A之壁表面及底表面上，且保護膜24形成於固定電荷膜23上。在一聚光區段50中，以類似於上述實施例中之方式，一平坦化膜53、一光屏蔽膜52及一彩色濾光片54係層壓於光接收區段20與一晶片上透鏡51之間。在此修改之影像拾取元件10A中，不同於上述實施例，光屏蔽膜52在像素分離溝槽21A內部延伸。除此之外，影像拾取元件10A具有類似於影像拾取元件10之組態，且亦具有類似功能及效果。
以此方式，在本修改中，光屏蔽膜52係嵌入於光接收區段20之像素分離溝槽21A中。因此，可進一步抑制歸因於光傾斜地進入光電轉換區段22中而產生之色彩混合。
[3.應用實例]
圖5繪示一固態影像拾取器件(影像拾取器件1)之一整體架構，其中上述實施例及修改之影像拾取元件(影像拾取元件10及10A)之任一者係用於各像素。影像拾取器件1可為一CMOS影像感測器，且包含一像素區段1a，像素區段1a作為半導體基板21上之中心部分的影像拾 取區域。舉例而言，在像素區段1a之周邊區域中，可提供包含一列掃描區段131、一系統控制區段132、一水平選擇區段133及一行掃描區段134之一周邊電路區段130。
像素區段1a可包含(例如)二維地配置成列及行之複數個單位像素P(各者相等於影像拾取元件10或10A)。例如，針對各像素列可將一像素驅動線Lread(具體言之，一列選擇線及一重設控制線)接線至單位像素P，且可針對各像素行將垂直信號線Lsig接線至單位像素P。像素驅動線Lread傳輸一驅動信號以自一像素讀取信號，且具有連接至列掃描區段131之一輸出端子之一端，該輸出端子對應於各列。
列掃描區段131包含組件，諸如一移位暫存器及一位址解碼器。列掃描區段131可為(例如)逐列地驅動像素區段1a之像素P的像素驅動區段。從列掃描區段131選擇之像素列中的像素P之各者輸出的信號透過垂直信號線Lsig之各者供應給水平選擇區段133。水平選擇區段133可由(例如)組件，諸如針對垂直信號線Lsig之各者提供之一放大器及一水平選擇開關所構成。
行掃描區段134包含組件，諸如一移位暫存器及一位址解碼器，且驅動各自水平選擇區段133之水平選擇開關，並同時循序掃描此等水平選擇開關。藉由行掃描區段134之此選擇性掃描，透過垂直信號線Lsig之各者傳輸之各像素P之一信號係被循序地輸出至一水平信號線135，且接著透過水平信號線135被傳輸至半導體基板21外部。
包含列掃描區段131、水平選擇區段133、行掃描區段134及水平信號線135之一電路部分可直接形成於半導體基板21上，或可安置在外部控制IC中。可在由一電纜或類似物連接之其他基板中提供此電路部分。
系統控制區段132接收自半導體基板21外部提供之一時脈，以及命令一操作模式之資料，且輸出影像拾取器件1之內部資訊。此外， 系統控制區段132可包含(例如)產生各個時序信號之一時序產生器。系統控制區段132可基於由時序產生器產生之各種時序信號而控制周邊電路(諸如列掃描區段131、水平選擇區段133及行掃描區段134)之驅動。
如上所述之影像拾取器件1可適用於具有一影像拾取功能之全部類型的電子裝置。電子裝置之實例可包含相機系統(諸如數位靜態相機及視訊攝影機)以及行動電話。作為一實例，圖6繪示一相機(一電子裝置2)之一示意組態。電子裝置2可例如為能夠拍攝一靜態影像或一動態影像的視訊攝影機。電子裝置2可包含一影像拾取器件(影像拾取器件1)、一光學系統(一光學透鏡)310、一快門單元311、一信號處理區段312及一驅動區段313。
光學系統310將影像光(入射光)自一主體導引至影像拾取器件1之像素區段1a。光學系統310可包含複數個光學透鏡。快門單元311控制影像拾取器件1之一光學輻射週期及一屏蔽週期。驅動區段313控制快門單元311之快門操作，及影像拾取器件1之轉移操作。信號處理區段312對從影像拾取器件1輸出之信號執行各種信號處理。例如，信號處理之後之一影像信號Dout可儲存在一儲存媒體(諸如一記憶體)中或可輸出至一單元(諸如一監視器)。
進一步言之，在上述實施例及其類似物中，背側照明類型之影像拾取元件10及10A之架構已各被視為一實例。然而，本發明技術可適用於一前側照明類型。
此外，一內部透鏡(未繪示)可位於光接收區段20與聚光區段40(或50)之彩色濾光片44(或54)之間。
此外，無需提供上述實施例或類似物之全部組件，且可提供其他組件。
可從本發明之上述例示性實施例達成至少以下組態。
(1)一種影像拾取元件，其包含：一半導體基板，其包含用於各像素之一光電轉換區段；一像素分離溝槽，其提供於該半導體基板中；及一固定電荷膜，其提供於該半導體基板之一光接收表面側上，其中該固定電荷膜包含一第一絕緣膜及一第二絕緣膜，從該光接收表面至該像素分離溝槽之一壁表面及一底表面而連續地提供該第一絕緣膜，且該第二絕緣膜提供於該第一絕緣膜之一部分上，該部分對應於至少該光接收表面。
(2)如(1)之影像拾取元件，其中該第一絕緣膜及該第二絕緣膜之層數不同。
(3)如(1)或(2)之影像拾取元件，其中該第一絕緣膜包含兩層，且該第二絕緣膜包含一層。
(4)如(1)至(3)中任一項之影像拾取元件，其中在該固定電荷膜中，自該半導體基板側按順序形成該第一絕緣膜、該第二絕緣膜及該第一絕緣膜。
(5)如(1)至(4)中任一項之影像拾取元件，其中在該固定電荷膜中，自該半導體基板側按順序形成該第一絕緣膜、該第一絕緣膜及該第二絕緣膜。
(6)如(1)至(5)中任一項之影像拾取元件，其中該第二絕緣膜從該光接收表面連續至該像素分離溝槽之該壁表面的一部分。
(7)如(1)至(6)中任一項之影像拾取元件，其中該第一絕緣膜及該第二絕緣膜係各者由以下任一者形成：二氧化鉿(HfO2)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鋁(Al2O3)、二氧化鈦(TiO2)及氧化鉭(Ta2O5)。
(8)一種製造一影像拾取元件之方法，該方法包含：在一半導體基板之一光接收表面上形成一固定電荷膜，該半導體基板包含用於各像素之一光電轉換區段且具有一像素分離溝槽， 其中該固定電荷膜之形成包含形成一第一絕緣膜，其係從該光接收表面至該像素分離溝槽之一壁表面及一底表面而連續地提供，及形成一第二絕緣膜，其被提供於該第一絕緣膜之一部分上，該部分對應於至少該光接收表面。
(9)如(8)之方法，其中藉由原子層沈積或金屬有機化學氣相沈積形成該第一絕緣膜。
(10)如(8)或(9)之方法，其中藉由物理氣相沈積形成該第二絕緣膜。
(11)一種具備一影像拾取元件之電子裝置，該影像拾取元件包含：一半導體基板，其包含用於各像素之一光電轉換區段；一像素分離溝槽，其提供於該半導體基板中；及一固定電荷膜，其提供於該半導體基板之一光接收表面側上，其中該固定電荷膜包含一第一絕緣膜及一第二絕緣膜，從該光接收表面至該像素分離溝槽之一壁表面及一底表面而連續地提供該第一絕緣膜，且該第二絕緣膜提供於該第一絕緣膜之一部分上，該部分對應於至少該光接收表面。
熟習此項技術者應瞭解可取決於設計需求及其他因素發生各種修改、組合、子組合及變更，只要該等修改、組合、子組合及變更係在隨附申請專利範圍或其等之等效物之範疇內。

Claims (16)

  1. 一種影像器件，其包括：一半導體基板，其具有一第一側及一第二側；一光電轉換區段，其置於該半導體基板中；一像素分離溝槽，其置於該半導體基板中並相鄰於該光電轉換區段；複數個絕緣膜，其置於相鄰於該半導體基板之該第一側並於該像素分離溝槽之內部；及至少一其他膜，其包含氮化矽、氧化矽及氮氧化矽中之至少一者，其中，該複數個絕緣膜之每一絕緣膜包含氧化鉿、氧化鋯、氧化鋁、氧化鈦及氧化鉭之至少一者，該複數個絕緣層之至少一者之一厚度大於或等於10nm並小於或等於80nm，該至少一其他膜接觸該複數個絕緣膜之一第一絕緣膜之一表面及該複數個絕緣膜之一第二絕緣膜之一表面，及該複數個絕緣膜之該第一絕緣膜及該複數個絕緣膜之該第二絕緣膜係由一相同材料製成。
  2. 如請求項1之影像器件，其中該複數個絕緣膜之該第一絕緣膜與該複數個絕緣膜之該第二絕緣膜之層數不同。
  3. 如請求項1之影像器件，其中該複數個絕緣膜之該第一絕緣膜與該複數個絕緣膜之該第二絕緣膜係依序自該半導體基板之該第一側形成。
  4. 如請求項1之影像器件，其中該複數個絕緣膜之該第二絕緣膜係自該半導體基板之一光接收表面鄰近於該像素分離溝槽之一牆表面之一部分。
  5. 如請求項1之影像器件，其中該至少一其他膜係該像素分離溝槽中之一保護膜。
  6. 如請求項1之影像器件，其中該複數個絕緣膜之該第一絕緣膜之一厚度係大於或等於2nm並小於或等於100nm。
  7. 如請求項1之影像器件，其中該複數個絕緣膜之該第一絕緣膜包含置於該半導體基板及該複數個絕緣膜之該第二絕緣膜之間之部分。
  8. 如請求項1之影像器件，其中該複數個絕緣膜之該第一絕緣膜及該複數個絕緣膜之該第二絕緣膜包含矽。
  9. 一種具備一影像器件之電子裝置，該影像器件包括：一半導體基板，其具有一第一側及一第二側；一光電轉換區段，其置於該半導體基板中；一像素分離溝槽，其置於該半導體基板中並相鄰於該光電轉換區；複數個絕緣膜，其置於相鄰於該半導體基板之該第一側並於該像素分離溝槽之內部，該複數個絕緣膜包含一第一絕緣膜及一第二絕緣膜；及至少一其他膜，其包含氮化矽、氧化矽及氮氧化矽中之至少一者，其中，該第一絕緣膜及該第二絕緣膜係由相同材料製成且包含氧化鉿、氧化鋯、氧化鋁、氧化鈦及氧化鉭之至少一者，該第二絕緣膜之一厚度大於或等於10nm並小於或等於80nm，且該至少一其他膜接觸該第一絕緣膜之一表面及該第二絕緣膜之一表面。
  10. 如請求項9之電子裝置，其中該第一絕緣膜及該第二絕緣膜之層數不同。
  11. 如請求項9之電子裝置，其中該第一絕緣膜及該第二絕緣膜係依序自該半導體基板形成。
  12. 如請求項9之電子裝置，其中該第二絕緣膜係自光接收表面鄰近於該像素分離溝槽之牆表面之一部分。
  13. 如請求項9之電子裝置，其中該至少一其他膜係該像素分離溝槽中之一保護膜。
  14. 如請求項9之電子裝置，其中該第一絕緣膜之一厚度係大於或等於2nm並小於或等於100nm。
  15. 如請求項9之電子裝置，其中該第一絕緣膜包含置於該半導體基板及該第二絕緣膜之間之部分。
  16. 如請求項9之電子裝置，其中該第一絕緣膜及該第二絕緣膜包含矽。
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