TWI672806B - 全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本發明實施例提供一種全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器，包括：光二極體，位於基板之上部；浮置擴散區，位於基板之上部；儲存二極體，位於基板之上部，儲存二極體位於光二極體及浮置擴散區之間；第一傳輸閘極，位於光二極體及儲存二極體之間的基板之上；第二傳輸閘極，位於儲存二極體及浮置擴散區之間的基板之上；第一介電層，位於基板之上，且覆蓋第一傳輸閘極及第二傳輸閘極；遮光層，設於第一介電層上；及光管，穿過遮光層與部分之第一介電層，對應設置於光二極體之上方，光管之折射率大於第一介電層之折射率。

Description

全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器及其形成方法
本發明係有關於一種影像感測器，特別是有關於一種全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器。
影像感測器為當今如攜帶型裝置、數位相機、及玩具等眾多光電裝置內之必要元件之一。傳統影像感測器則包括電耦合元件(charge coupled device,CCD)影像感測器與互補型金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)影像感測器。
傳統的影像感測器使用捲簾快門(rolling shutter)，由於像素陣列之間曝光的時間差異，拍攝高速移動物體時可能產生變形(distortion)。全域快門(global shutter)藉由在像素內設置儲存元件，可先儲存曝光感光元件而得的訊號，再將這些訊號於同一時間傳輸處理，因此可改善使用捲簾快門拍攝高速移動物體時的影像變形。
然而，當像素的尺寸縮小時，像素內感光元件與儲存元件之間的距離亦隨之縮小，原應入射至感光元件的光線亦可能逸散至儲存元件，而造成寄生感光度(parasitic light sensitivity，PLS)或全域快門效率(global shutter efficiency， GSE)變差的問題。
雖然現有的互補式金屬氧化物半導體影像感測器大致符合需求，但並非各方面皆令人滿意，特別是互補式金屬氧化物半導體影像感測器的寄生感光度或全域快門效率仍需進一步改善。
根據一實施例，本發明提供一種全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器，包括：光二極體，位於基板之上部；浮置擴散區，位於基板之上部；儲存二極體，位於基板之上部，儲存二極體位於光二極體及浮置擴散區之間；第一傳輸閘極，位於光二極體及儲存二極體之間的基板之上；第二傳輸閘極，位於儲存二極體及浮置擴散區之間的基板之上；第一介電層，位於基板之上，且覆蓋第一傳輸閘極及第二傳輸閘極；遮光層，設於第一介電層上；及光管，穿過遮光層與部分之第一介電層，對應設置於光二極體之上方，光管之折射率大於第一介電層之折射率。
根據另一實施例，本發明提供一種全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器的形成方法，包括：形成光二極體、浮置擴散區、儲存二極體於基板之上部，其中儲存二極體位於光二極體及浮置擴散區之間；形成第一傳輸閘極於光二極體及儲存二極體之間的基板之上；形成第二傳輸閘極於儲存二極體及浮置擴散區之間的基板之上；形成第一介電層於基板之上，第一介電層覆蓋第一傳輸閘極及第二傳輸閘極；形成遮光層覆蓋於第一介電層上；選擇性去除第一介電層上的部份遮 光層；以殘餘的遮光層為罩幕，形成孔洞於第一介電層之上部，且孔洞位於光二極體之上方；及形成光管於孔洞中，其中光管之折射率大於第一介電層之折射率。
為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉數個實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
100‧‧‧全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器
102‧‧‧基板
104‧‧‧光二極體
104a‧‧‧第一摻雜區
104b‧‧‧第二摻雜區
106‧‧‧儲存二極體
106a‧‧‧第一摻雜區
106b‧‧‧第二摻雜區
108‧‧‧浮置擴散區
110、110’‧‧‧第一傳輸閘極
112‧‧‧第二傳輸閘極
114‧‧‧第一介電層
116‧‧‧遮光層
116o‧‧‧開口
118‧‧‧孔洞
120‧‧‧光管
122‧‧‧鈍化層
124‧‧‧底層
126‧‧‧彩色濾光片
128‧‧‧微透鏡
220‧‧‧光管
220a‧‧‧第一部分
220b‧‧‧第二部分
314‧‧‧第二介電層
5-5’‧‧‧線段
CDT‧‧‧上管徑
CDB‧‧‧下管徑
θ‧‧‧角度
z‧‧‧距離
W‧‧‧寬度
以下將配合所附圖式詳述本發明實施例。應注意的是，依據在業界的標準做法，各種特徵並未按照比例繪製且僅用以說明例示。事實上，可能任意地放大或縮小元件的尺寸，以清楚地表現出本發明實施例的特徵。
第1A、1B圖至第8圖係根據一些實施例繪示出形成全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器不同階段的示意圖。
第9圖係根據另一些實施例繪示出形成全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器的示意圖。
第10圖係根據又一些實施例繪示出形成全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器的示意圖。
以下公開許多不同的實施方法或是例子來實行本發明實施例之不同特徵，以下描述具體的元件及其排列的實施例以闡述本發明實施例。當然這些實施例僅用以例示，且不該以此限定本發明實施例的範圍。例如，在說明書中提到第一特徵形成於第二特徵之上，其包括第一特徵與第二特徵是直接接觸的實施例，另外也包括於第一特徵與第二特徵之間另外有其他特徵的實施例，亦即，第一特徵與第二特徵並非直接接觸。 此外，在不同實施例中可能使用重複的標號或標示，這些重複僅為了簡單清楚地敘述本發明實施例，不代表所討論的不同實施例及/或結構之間有特定的關係。
此外，其中可能用到與空間相對用詞，例如「在...下方」、「下方」、「較低的」、「上方」、「較高的」及類似的用詞，這些空間相對用詞係為了便於描述圖示中一個(些)元件或特徵與另一個(些)元件或特徵之間的關係，這些空間相對用詞包括使用中或操作中的裝置之不同方位，以及圖式中所描述的方位。當裝置被轉向不同方位時(旋轉90度或其他方位)，則其中所使用的空間相對形容詞也將依轉向後的方位來解釋。
在此，「約」、「大約」、「大抵」之用語通常表示在一給定值或範圍的20%之內，較佳是10%之內，且更佳是5%之內，或3%之內，或2%之內，或1%之內，或0.5%之內。應注意的是，說明書中所提供的數量為大約的數量，亦即在沒有特定說明「約」、「大約」、「大抵」的情況下，仍可隱含「約」、「大約」、「大抵」之含義。
雖然所述的一些實施例中的步驟以特定順序進行，這些步驟亦可以其他合邏輯的順序進行。在不同實施例中，可替換或省略一些所述的步驟，亦可於本發明實施例所述的步驟之前、之中、及/或之後進行一些其他操作。本發明實施例中的全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器可加入其他的特徵。在不同實施例中，可替換或省略一些特徵。
本發明實施例提供一種全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器(global shutter CMOS image sensor，GS CIS)，利用遮光層以自對準(self-align)方式在光二極體上方形成光管(light pipe)，由於光管之折射率大於周圍之介電層，上方入射的光線侷限於光管內部。同時，遮光層亦可反射或吸收入射光，因而降低逸散至儲存二極體之漏光。
第1至7圖係根據一些實施例繪示出形成全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器100不同階段的剖面示意圖。如第1A圖所繪示，提供一基板102。在一些實施例中，此基板102可為元素半導體，包括矽(silicon)或鍺(germanium)；化合物半導體，包括氮化鎵(gallium nitride，GaN)、碳化矽(silicon carbide)、砷化鎵(gallium arsenide)、磷化鎵(gallium phosphide)、磷化銦(indium phosphide)、砷化銦(indium arsenide)及/或銻化銦(indium antimonide)；合金半導體，包括矽鍺合金(SiGe)、磷砷鎵合金(GaAsP)、砷鋁銦合金(AlInAs)、砷鋁鎵合金(AlGaAs)、砷銦鎵合金(GaInAs)、磷銦鎵合金(GaInP)及/或磷砷銦鎵合金(GaInAsP)或上述材料之組合。在一些實施例中，基板102也可以是絕緣層上覆半導體(semiconductor on insulator)基板，上述絕緣層覆半導體基板可包括底板、設置於底板上之埋藏氧化層、或設置於埋藏氧化層上之半導體層。
接著，如第1A圖所繪示，在基板102的上部形成光二極體104、儲存二極體106、及浮置擴散區(floating diffusion)108。在一些實施例中，光二極體104及儲存二極體106分別由上方的第一摻雜區104a、106a及下方的第二摻雜區104b、106b所組成。在一些實施例中，第一摻雜區104a、106a具有第一導電類型，下方的第二摻雜區104b、106b具有第二導電類型。 第二導電類型與第一導電類型相反。在一些實施例中，第一導電類型為P型，第二導電類型為N型。在另一些實施例中，第一導電類型為N型，第二導電類型為P型。在一些實施例中，光二極體104的第二摻雜區104b之第二導電類型摻雜濃度低於儲存二極體106的第二摻雜區106b之第二導電類型摻雜濃度，光二極體104的第一摻雜區104a之第一導電類型摻雜濃度與儲存二極體106的第一摻雜區106a之第一導電類型摻雜濃度相同。如此一來，儲存二極體106將更容易獲得光二極體104的電子，提高電子傳輸效率。在一些實施例中，光二極體104及儲存二極體106上方的第一摻雜區104a、106a的第一導電類型摻質濃度介於約1E17/cm3至1E19/cm3的範圍。光二極體104及儲存二極體106下方的第二摻雜區104b、106b的第二導電類型摻質濃度介於約1E15/cm3至1E18/cm3的範圍。在其他實施例中，第一摻雜區104a、106a的第一導電類型摻質濃度及第二摻雜區104b、106b的第二導電類型摻質濃度亦可為其他範圍，視製程需求而定。
在一些實施例中，佈植摻質以於基板102之中形成光二極體104及儲存二極體106，舉例而言，P型摻質例如B、Ga、Al、In、BF3 +離子、或上述之組合，N型摻質例如P、As、N、Sb離子、或上述之組合。在一些實施例中，可透過圖案化罩幕(未繪示)如圖案化光阻佈植基板102形成光二極體104及儲存二極體106。在一些其他實施例中，圖案化罩幕為硬罩幕。在一些實施例中，由於光二極體104的第一摻雜區104a與儲存二極體106的第一摻雜區106a之第一導電類型摻雜濃度相同， 可在以不同罩幕分別形成光二極體104的第二摻雜區104b及儲存二極體106的第二摻雜區106b之後，以同一罩幕同時形成光二極體104的第一摻雜區104a及儲存二極體106的第一摻雜區106a，以節省生產成本及時間。在一些實施例中，光二極體104及儲存二極體106上方的第一摻雜區104a、106a的深度小於100nm，且光二極體104及儲存二極體106下方的第二摻雜區104b、106b的深度為光二極體104及儲存二極體106上方的第一摻雜區104a、106a的深度的2倍以上。若全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器100所應用的光線波長越長，則第一摻雜區104a、106a與第二摻雜區104b、106b的深度越深。
在一些實施例中，浮置擴散區108與光二極體104位於儲存二極體106的相對側。在一些實施例中，浮置擴散區108具有第二導電類型。浮置擴散區108的第二導電類型摻質濃度介於約1E19/cm3至1E22/cm3的範圍。在一些實施例中，浮置擴散區108的第二導電類型摻質濃度高於儲存二極體106的第二摻雜區106b之第二導電類型摻雜濃度。如此一來，可提高電子傳輸效率。在一些實施例中，可透過圖案化罩幕(未繪示)如圖案化光阻佈植基板102以形成浮置擴散區108。
接著，如第1A圖所示，在光二極體104與儲存二極體106之間的基板102上形成第一傳輸閘極110，並在儲存二極體106與浮置擴散區108之間的基板102上形成第二傳輸閘極112。在一些實施例中，如第1A圖所示，第一傳輸閘極110可覆蓋部分的儲存二極體106。在另一些實施例中，如第1B圖所示，第一傳輸閘極110’並未覆蓋儲存二極體106。在第1A圖中，第 一傳輸閘極110與第二傳輸閘極112各自包括閘極介電層及及位於閘極介電層上的閘極電極(圖未示)。閘極介電層可包括氧化矽(silicon oxide)、氮化矽(silicon nitride)、氮氧化矽(silicon oxynitride)。閘極介電層可使用合適的氧化製程(例如乾氧化製程或濕氧化製程)、沉積製程(例如化學氣相沉積製程)、其他合適的製程、或上述之組合成長。在一些實施例中，閘極介電層可使用熱氧化製程，在含氧或含氮(例如含NO或N2O)的環境下熱成長，在形成閘極電極層前形成閘極介電層。此外，閘極介電層可包括高介電常數介電層(例如介電常數大於3.9)例如HfO2、LaO、AlO、ZrO、TiO、Ta2O5、Y2O3、SrTiO3、BaTiO3、BaZrO、HfZrO、HfLaO、HfTaO、HfSiO、HfSiON、HfTiO、LaSiO、AlSiO、BaTiO3、SrTiO3、Al2O3、其他適用的高介電常數介電質、或上述之組合。高介電常數介電層可以化學氣相沉積製程(chemical vapor deposition process，CVD)(例如電漿輔助化學氣相沉積製程(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)、有機金屬化學沉積製程(metalorganic chemical vapor deposition，MOCVD)、或高密度電漿化學氣相沉積(high-density plasma chemical vapor deposition，HDPCVD))、原子層沉積(atomic layer deposition，ALD)(例如電漿輔助原子層沉積(plasma enhanced atomic layer deposition，PEALD))、物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)(例如真空蒸鍍製程或濺鍍製程)、其他適用的製程、或上述之組合形成。
在一些實施例中，在閘極介電層上形成閘極電極 層。閘極電極層可包括多晶矽、金屬(例如鎢、鈦、鋁、銅、鉬、鎳、鉑、其相似物、或以上之組合)、金屬合金、金屬氮化物(例如氮化鎢、氮化鉬、氮化鈦、氮化鉭、其相似物、或以上之組合)、金屬矽化物(例如矽化鎢、矽化鈦、矽化鈷、矽化鎳、矽化鉑、矽化鉺、其相似物、或以上之組合)、金屬氧化物(氧化釕、氧化銦錫、其相似物、或以上之組合)、其他適用的材料、或上述之組合。閘極電極層可使用化學氣相沉積製程(例如低壓氣相沉積製程或電漿輔助化學氣相沉積製程)、物理氣相沉積製程(例如電阻加熱蒸鍍法、電子束蒸鍍法、或濺鍍法)、電鍍法、原子層沉積製程、其他合適的製程、或上述之組合於基板102上形成電極材料，再以微影與蝕刻製程將之圖案化形成閘極電極。
值得注意的是，在一些實施例中，可使用相同罩幕進行上述的微影與蝕刻製程同時形成第一傳輸閘極110與第二傳輸閘極112，以節省生產成本及時間。在另一些實施例中，分開形成第一傳輸閘極110與第二傳輸閘極112。
接著，如第1A圖所繪示，在基板102上形成第一介電層114。第一介電層114的介電材料包括氧化物、旋塗式玻璃(spin-on glass，SOG)、低介電常數介電材料例如氟化石英玻璃(fluorinated silica glass，FSG)及氫倍半矽氧烷(hydrogen silsesquioxane，HSQ)。第一介電層114可使用高選擇比製程(high aspect ratio process，HARP)及/或化學氣相沉積製程(例如高密度電漿化學氣相沉積、電漿輔助化學氣相沉積、低壓化學氣相沉積、大氣化學氣相沉積)在基板102上形成介電材料。 接著，可對第一介電層114進行化學機械研磨(chemical mechanical polishing，CMP)製程及/或回蝕刻製程以平坦化第一介電層114。
接著，如第1A圖所繪示，在第一介電層114上毯覆式(blanketly)地形成遮光層116。在一些實施例中，遮光層116為金屬材料。遮光層116之材料可包括鎢、鋁、氮化矽、氮化鎢、金屬氮化物、金屬氧化物、其他適當之材料、或上述之組合。在一些實施例中，遮光層116在波長400nm至1000nm的吸收度大於90%，消光係數大於1，或反射率大於90%。方可有效遮蔽入射光。
值得注意的是，第1A圖中繪示出遮光層116為單層。然而，本發明實施例不以此為限，遮光層116可具有兩層以上的膜層，視製程需求而定。舉例而言，若因製程上的限制單層遮光層116太薄時，可利用多層遮光層116增加遮光層116的厚度，提升遮光效果。在一些實施例中，不同遮光層116的膜層可為不同的材料。在另一些實施例中，不同遮光層116的膜層可為相同的材料。
接著，如第2圖所示，選擇性地去除第一介電層114上的遮光層116。在一些實施例中，以圖案化製程選擇性去除遮光層116以在光二極體104的對應上方形成開口116o。圖案化製程可包括光阻塗佈(例如旋轉塗佈)、軟烤(soft baking)、罩幕對準、曝光圖案、曝光後烘烤(post-exposure baking)、光阻顯影、清洗及乾燥(例如硬烤(hard baking))、其他合適的技術、或上述之組合。蝕刻製程可包括乾蝕刻製程(例如反應離子蝕 刻(reactive ion etch，RIE)、電漿蝕刻、離子研磨(ion milling))、濕蝕刻製程、或上述之組合。
接著，如第3圖所繪示，以餘留的遮光層116為罩幕，利用蝕刻製程，沿開口116o蝕刻下方的第一介電層114以形成孔洞118。蝕刻製程可包括反應離子蝕刻、電漿蝕刻、或其他合適的蝕刻製程。在一些實施例中，該蝕刻穿過部分的第一介電層114，且於露出光二極體104前停止，因而在孔洞118底部與光二極體104之間仍保有一厚度z的第一介電層114。在另一些實施例中，該蝕刻穿過部分的第一介電層114，且於恰好露出光二極體104時停止，因而在孔洞118底部與光二極體104之間第一介電層114厚度z為零。
接著，如第4圖所繪示，於孔洞118中填入高折射率材料(例如折射率大於1.45)，以形成光管(light pipe)120。在一些實施例中，光管120可包括聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate，PMMA)、全氟環丁基(perfluorocyclobutyl，PFCB)聚合物、聚亞醯胺、環氧樹脂、其他適當之材料、或上述之組合。在一些實施例中，可以旋轉塗佈法、化學氣相沉積法、物理氣相沉積法(例如蒸鍍或濺鍍)、電鍍、原子層沉積法、其他適當之方法、或上述之組合於遮光層116上沉積光管材料並填入孔洞118中，之後以蝕刻製程去除孔洞118以外的光管材料。接著，可對光管120及遮光層116進行平坦化製程如化學機械研磨製程以平坦化光管120及遮光層116的上表面。在另一些實施例中，可於在孔洞118中填入光管材料後，直接進行平坦化製程以平坦化光管120及遮光層116的上表面。
在一些實施例中，第一介電層114的折射率約為1.45，而光管120的折射率大於1.46，例如介於1.6至2.0之間。如此一來，入射光將被侷限於光管120之中，而不易折射至第一介電層114中，使得入射光保持在光二極體104上方，減少光線逸散至儲存二極體106。
為了更進一步減少逸散至儲存二極體106的光線，如第4圖所示，光管120為上寬下窄之結構，其上管徑CDT大於下管徑CDB。藉由調整蝕刻孔洞118的參數，可控制光管120之輪廓。在一些實施例中，光管120的上管徑CDT與下管徑CDB的比值介於1至3之間。亦即，光管120側壁與水平的夾角θ介於70°至90°之間。光管120的上管徑CDT越大，光管120所接收的入射光越多，可提升量子效率(quantum efficiency，QE)。光管120的下管徑CDB越小，可確保入射光在光二極體104上方，減少逸散至儲存二極體106的光線。但若下管徑CDB太小，則可能在光管120的下緣產生如點光源繞射的情形，反而可能增加了逸散至儲存二極體106的光線。
此外，如第4圖所示，其中光管120之底表面與光二極體104之間的距離z介於0nm至600nm之間。由於光線在光管120底部可能產生繞射之情形，若距離z太大，可能增加逸散至儲存二極體106的光線。若距離z太小，則製程上可能不易控制其距離。
參見第5圖，第5圖係根據一些實施例繪示出第4圖中全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器100沿線段5-5’之局部上視圖。為了清楚表示，僅繪示出全域快門互補式 金屬氧化物半導體影像感測器100中的光管120及光二極體104之上視圖。如第5圖所示，於上視圖中光管120之投影落於光二極體104之投影的範圍內。如此一來，光管120的底部距離儲存二極體106較遠，更可減少逸散至儲存二極體106的光線。在一些實施例中，光管120之上管徑CDT與光二極體104的寬度W的比值介於0.2至1之間。
接著，如第6圖所示，毯覆性地覆蓋鈍化層122於遮光層116及光管120之上。鈍化層122可包括SiN3、SiO2、SiON、Al2O3、AlN、聚亞醯胺(polyimide，PI)、苯環丁烯(benzocyclobutene，BCB)、聚苯并噁唑(polybenzoxazole，PBO)、其他介電材料、或上述之組合。在一些實施例中，可使用有機金屬氣相沉積法、化學氣相沉積法(如低壓化學氣相沉積或電漿輔助化學氣相)、旋轉塗佈法、其他適當之方法、或上述之組合在遮光層116及光管120之上形成鈍化層122。鈍化層122可保護下方的膜層，作為與後續形成的膜層之間的緩衝，並提供物理隔離及結構支撐。接著，可對鈍化層122進行化學機械研磨製程以平坦化鈍化層122。
接著，如第6圖所示，毯覆性地覆蓋底層(underlayer)124於鈍化層122之上。在一些實施例中，底層124可包括有機材料例如丙烯酸樹酯(acrylic resin)、3-乙氧基丙酸乙酯(ethyl-3-ethoxypropionate，EEP)、丙二醇甲醚(propylene glycol monomethyl ether acetate，PGMEA)、其他有機材料、或上述之組合。在一些實施例中，可使用旋轉塗佈法、化學氣相沉積法、物理氣相沉積法(例如蒸鍍或濺鍍)、電鍍、原子層沉 積法、其他適當之方法、或上述之組合形成底層124。在一些實施例中，底層124為非感光物質。
接著，如第7圖所示，形成彩色濾光片126於底層124之上。在一些實施例中，彩色濾光片126位於光管120的上方。彩色濾光片126可具紅色、綠色、或藍色等不同顏色。彩色濾光片126可由可由染料基聚合物或顏料基聚合物形成，經由例如旋轉塗佈、噴塗等製程形成濾光片材料於底層124之上，接著進行對準、曝光、顯影、烘烤等製程圖案化濾光片材料，在於底層124之上形成彩色濾光片126。在一些實施例中，在不同全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器100之像素中以類似方法形成不同顏色的彩色濾光片126。在一些實施例中，彩色濾光片126包括感光材料或光阻材料例如負型光阻。
值得注意的是，透過不同色彩的彩色濾光片126，其下方光管120中光線的波長不同。因此，不同色彩的彩色濾光片126下方的光管120可具有不同的形狀及折射率，使不同波長的入射光侷限於光管120之中，而不易折射至第一介電層114中，減少光線逸散至儲存二極體106。
接著，如第8圖所示，在彩色濾光片126上方形成微透鏡(microlens)128，在一些實施例中，微透鏡128位於光管120的上方。微透鏡128可包括石英、磷化鎵、氟化鈣、矽、其他合適的材料、或上述之組合，經由光阻熱回流法、雷射書寫法、灰階光罩法、非接觸壓模成形、其他合適的方法，或上述之組合形成。微透鏡128用以導引入射光通過相對應的彩色濾光片126及相對應的光管120至相對應的光二極體104。在一些 實施例中，微透鏡128可聚焦入射光，使光線匯聚於光二極體104，減少光線逸散至儲存二極體106。
在一些實施例中，在第一介電層114中可形成內連結構如金屬導線、接觸插栓、導孔等(圖未示)。內連結構亦具有遮光的功能，有助於減少照射至儲存二極體106的光線。在一些實施例中，內連結構與光管120鄰接。在另一些實施例中，內連結構與光管120相距一段距離。
在一些實施例中，藉由如第8圖所示全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器100中光管120與遮光層116的設置，可使光二極體104及儲存二極體106所吸收光量的比例改善一個數量級。
如上所述，在全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器中利用遮光層為罩幕，以自對準方式在光二極體的上方形成折射率較高的光管，可使入射光線侷限於光管內部。此外，遮光層亦可反射或吸收入射光。因此，入射光線將匯聚於光二極體，減少逸散至鄰近的儲存二極體的光線。
值得注意的是，雖然如上所述的實施例中係以殘餘的遮光層116作為罩幕以形成光管120，然而，此方式僅為一範例，本發明並不以此為限。在本發明實施例中，光管120亦可以其他自主對準製程形成與遮光層116無接縫的光管120。
第9圖係根據另一些實施例繪示出形成全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器200的剖面示意圖。其中與前述實施例相同或相似的製程或元件將沿用相同的元件符號，其詳細內容將不再贅述。與前述實施例的差別在於，如第 9圖所示，光管220包括第一部分220a及第二部分220b。在一些實施例中，光管220第一部分220a的折射率小於第二部分220b。舉例而言，光管220第一部分220a及光管220第二部分220b可包括聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate，PMMA)、全氟環丁基(perfluorocyclobutyl，PFCB)聚合物、聚亞醯胺、環氧樹脂、其他適當之材料、或上述之組合。在一些實施例中，光管220第一部分220a及光管220第二部分220b折射率大於1.46，例如介於1.6至2.0之間。在另一些實施例中，光管220第一部分220a可為高折射率材料如TiO2和低折射率材料如SiO2、MgF2交替設置而成的抗反射層。如此一來，更可確保光線侷限於光管220中，減少逸散至儲存二極體106的光線。
在一些實施例中，可先以化學氣相沉積法、物理氣相沉積法(例如蒸鍍或濺鍍)、電鍍、原子層沉積法、其他適當之方法、或上述之組合在如第3圖所示的實施例中於開口118中順應性地形成光管220之第一部份220a，再以光管220之第二部份220b填滿開口118。接著，可對光管220及遮光層116進行平坦化製程如化學機械研磨製程以平坦化光管220之第一部分220a與第二部分220b及遮光層116的上表面。
如第9圖所示的實施例中，利用在光管中配置兩層以上的不同折射率材料，更確保入射光侷限於光管之中，減少逸散至儲存二極體的光線。
值得注意的是，第9圖光管的膜層數目僅為一範例，本發明並不以此為限。在本發明實施例中，光管亦可包括三層以上的折射率材料，視製程需求而定。
第10圖係根據又一些實施例繪示出形成全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器300的剖面示意圖。其中與前述實施例相同或相似的製程或元件將沿用相同的元件符號，其詳細內容將不再贅述。與前述實施例的差別在於，如第10圖所示，光管120與遮光層116和鈍化層122之間為第二介電層314。在一些實施例中，第二介電層314的材料與第一介電層114相同。在另一些實施例中，第二介電層314的材料與第一介電層114不同。第二介電層314的介電材料包括氧化物、旋塗式玻璃(spin-on glass，SOG)、低介電常數介電材料例如氟化石英玻璃(fluorinated silica glass，FSG)及氫倍半矽氧烷(hydrogen silsesquioxane，HSQ)。第二介電層314可使用高選擇比製程(high aspect ratio process，HARP)及/或化學氣相沉積製程(例如高密度電漿化學氣相沉積、電漿輔助化學氣相沉積、低壓化學氣相沉積、大氣化學氣相沉積)在光管120與遮光層116上形成介電材料。接著，可對第二介電層314進行化學機械研磨(chemical mechanical polishing，CMP)製程及/或回蝕刻製程以平坦化第二介電層314。
如第10圖所示的實施例中，遮光層位於兩層介電層之間，且光管僅位於下方的介電層114之中，由於經微透鏡128聚焦的光線，在越下方的光點面積越小，因此，相較於第8圖所示的實施例，當光管120的上管徑CDT相同時，入射光更容易聚焦於位於下方介電層114中的光管120內，更可確保入射光侷限於光管之中，減少逸散至儲存二極體的光線。
綜上所述，本發明實施例提供一種全域快門互補 式金屬氧化物半導體影像感測器，利用遮光層為罩幕，以自對準方式在光二極體之上形成光管。光管之折射率大於介電層之折射率，可將入射光侷限於光管。照射遮光層的光亦可由遮光層反射或吸收。如此一來，可減少逸散至儲存二極體的光量。
應注意的是，雖然以上描述了本發明一些實施例的優點與功效，但並非各個實施例都需要達到所有的優點與功效。
上述內容概述許多實施例的特徵，因此任何所屬技術領域中具有通常知識者，可更加理解本發明實施例之各面向。任何所屬技術領域中具有通常知識者，可能無困難地以本發明實施例為基礎，設計或修改其他製程及結構，以達到與本發明實施例相同的目的及/或得到相同的優點。任何所屬技術領域中具有通常知識者也應了解，在不脫離本發明實施例之精神和範圍內做不同改變、代替及修改，如此等效的創造並沒有超出本發明實施例的精神及範圍。

Claims (20)

  1. 一種全域快門(global shutter)互補式金屬氧化物半導體影像感測器，包括：一光二極體，位於一基板之上部；一浮置擴散區(floating diffusion)，位於該基板之上部；一儲存二極體，位於該基板之上部，該儲存二極體位於該光二極體及該浮置擴散區之間；一第一傳輸閘極，位於該光二極體及該儲存二極體之間的該基板之上；一第二傳輸閘極，位於該儲存二極體及該浮置擴散區之間的該基板之上；一第一介電層，位於該基板之上，且覆蓋該第一傳輸閘極及該第二傳輸閘極；一遮光層，設於該第一介電層上；及一光管(light pipe)，穿過該遮光層與部分之該第一介電層，對應設置於該光二極體之上方，其中該光管之折射率大於該第一介電層之折射率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器，其中於上視圖中該光管之投影落於該光二極體之投影的範圍內。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器，其中該光管之上管徑大於該光管之下管徑。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器，其中該光管之上管徑與下管徑的比值介於1至3之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器，其中該光管之上管徑與該光二極體的寬度的比值介於0.2至1之間。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器，其中該光管之底表面與該光二極體之間的距離介於0至600nm之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器，其中該光管包括聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate)，PMMA)、全氟環丁基(perfluorocyclobutyl，PFCB)聚合物、聚亞醯胺、或環氧樹脂。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器，其中該光管之折射率大於1.46。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器，其中該光管包括兩種以上不同折射率的材料。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器，其中該遮光層包括鎢、鋁、氮化矽、氮化鎢、金屬氮化物、金屬氧化物、或上述之組合。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器，其中該遮光層之消光係數大於1，或該遮光層之反射率大於90%。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器，其中該遮光層具有至少兩膜層。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器，更包括：一第二介電層，位於該遮光層與該光管之上。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器，更包括：一鈍化層，毯覆性地(blanketly)覆蓋於該遮光層上；一底層(underlayer)，毯覆性地覆蓋於該鈍化層上；一彩色濾光片，位於該底層之上，且位於該光管之上方；及一微透鏡(microlens)，位於該彩色濾光片上，且位於該光管之上方。
  15. 一種全域快門(global shutter)互補式金屬氧化物半導體影像感測器的形成方法，包括：形成一光二極體、一浮置擴散區(floating diffusion)、一儲存二極體於一基板之上部，其中該儲存二極體位於該光二極體及該浮置擴散區之間；形成一第一傳輸閘極於該光二極體及該儲存二極體之間的該基板之上；形成一第二傳輸閘極於該儲存二極體及該浮置擴散區之間的該基板之上；形成一第一介電層於該基板之上，該第一介電層覆蓋該第一傳輸閘極及該第二傳輸閘極；形成一遮光層覆蓋於該第一介電層上；選擇性去除該第一介電層上的部份該遮光層；以殘餘的該遮光層為一罩幕，形成一孔洞於該第一介電層之上部，且該孔洞位於該光二極體之上方；及形成一光管(light pipe)於該孔洞中，其中該光管之折射率大於該第一介電層之折射率。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器的形成方法，於上視圖中該光管之投影落於該光二極體之投影的範圍內。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器的形成方法，其中該光管之上管徑大於該光管之下管徑。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器的形成方法，其中該光管包括兩種以上不同折射率的材料。
  19. 如申請專利範圍第15項所述之全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器的形成方法，其中該遮光層具有至少兩膜層。
  20. 如申請專利範圍第15項所述之全域快門互補式金屬氧化物半導體影像感測器的形成方法，更包括：形成一第二介電層於該遮光層及該光管之上。
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