TWI737482B

TWI737482B - 影像感測器

Info

Publication number: TWI737482B
Application number: TW109130305A
Authority: TW
Inventors: 韓承佐; 李世平; 林子軒; 黃彬傑
Original assignee: 力晶積成電子製造股份有限公司
Priority date: 2020-09-04
Filing date: 2020-09-04
Publication date: 2021-08-21
Also published as: TW202211458A

Abstract

一種影像感測器，包括一半導體基底、至少一微透鏡、一濾光層、一第一金屬層以及一第二金屬層。半導體基底具有彼此相對的第一表面與第二表面，且包括一感光元件。微透鏡設置在半導體基底的第一表面上。濾光層設置在微透鏡與半導體基底之間。第一金屬層設置在半導體基底的第一表面上，且設置在濾光層與半導體基底之間。第一金屬層具有至少一開口。第二金屬層設置在半導體基底的第二表面上。第一金屬層與第二金屬層使穿透感光元件的全部或部分光線反射回感光元件。

Description

影像感測器

本發明是有關於一種感測器，且特別是有關於一種影像感測器。

影像感測器，例如電荷耦合元件（charge coupled device, CCD）影像感測器或互補式金屬氧化物半導體影像感測器（complementary metal-oxide-semiconductor image sensor, CMOS image sensor, CIS），在市場上被廣泛應用於智慧型手機、數位相機、攝影系統等領域。影像感測器的原理是感光元件將入射光線吸收後轉換為電訊號，因此，感光元件對光線吸收的量子效率（quantum efficiency）影響了影像感測器的感測效果。

然而，在部分波長範圍，例如近紅外光，感光元件對光線吸收的量子效率較差，使得影像感測器的感測效果不佳。雖然在製程上可以將感光元件的厚度增加，以提高光線的被吸收率。但感光元件的厚度增加使得影像感測器的整體體積也增加，在輕薄短小的市場趨勢下，厚度增加的解決方式無法被市場所接受。

本發明提供一種影像感測器，其能有效地提高入射光線的被吸收率。

本發明的一實施例的影像感測器包括一半導體基底、至少一微透鏡、一濾光層、一第一金屬層以及一第二金屬層。半導體基底具有彼此相對的第一表面與第二表面，且包括一感光元件。微透鏡設置在半導體基底的第一表面上。濾光層設置在微透鏡與半導體基底之間。第一金屬層設置在半導體基底的第一表面上，且設置在濾光層與半導體基底之間。第一金屬層具有至少一開口。第二金屬層設置在半導體基底的第二表面上。第一金屬層與第二金屬層使穿透感光元件的全部或部分光線反射回感光元件。

在本發明的一實施例中，上述的影像感測器更包括一隔離結構。隔離結構設置在半導體基底與第一表面以及第二表面相鄰的側表面上，且環繞半導體基底。隔離結構使穿透感光元件的全部或部分光線反射回感光元件。

在本發明的一實施例中，上述的每一微透鏡的光軸穿過第一金屬層的開口的其中之一的中心。

在本發明的一實施例中，上述的半導體基底的第一表面在第一金屬層的開口所顯露的區域處具有多個第一凹槽結構。

在本發明的一實施例中，上述的第一凹槽結構延伸配置於第一表面設有第一金屬層的區域處。

在本發明的一實施例中，上述的半導體基底的第二表面處具有多個第二凹槽結構。

在本發明的一實施例中，上述的至少一微透鏡為多個微透鏡，且微透鏡的光軸互相重合。

在本發明的一實施例中，上述的至少一微透鏡為多個微透鏡，且至少一開口為多個開口。微透鏡的光軸互相平行但不互相重合。

基於上述，在本發明一實施例的影像感測器中，由於第一金屬層與第二金屬層使穿透感光元件的全部或部分光線反射回感光元件，因此，影像感測器的感測效果較佳。

圖1是根據本發明第一實施例的影像感測器的剖面示意圖。請參考圖1，本發明的一實施例的影像感測器100包括一半導體基底110、至少一微透鏡120、一濾光層130、一第一金屬層140以及一第二金屬層150。詳細來說，半導體基底110例如是晶體矽、絕緣體上矽（silicon-on-insulator）或其他合適的元素半導體。半導體基底110可摻雜有p型摻雜劑而成為p型基底，或摻雜有n型摻雜劑而成為n型基底。感光元件112形成在半導體基底110中。感光元件112可為光二極體（photo-diode）。以半導體基底110為p型基底為例，將n型摻雜劑摻雜至半導體基底110以形成p-n接面。p-n接面用以執行影像感測。當在感光元件112的p-n接面被施加逆向偏壓（reversed bias）時，p-n接面對入射光線敏感。此時，感光元件112可將入射光線轉換為光電流（photo-current），使影像感測器100輸出影像訊號。

在本實施例中，微透鏡120的材質可為聚合物、光聚合物、紫外線可固化環氧樹脂、樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或其他合適的材質或其組合，但本發明不以此為限。半導體基底110具有彼此相對的第一表面110S1與第二表面110S2。微透鏡120設置在半導體基底110的第一表面110S1上。

在本實施例中，影像感測器100更包括一不具屈光度的間隔層122，用以使光線可聚焦在感光元件112內。在一實施例中，間隔層122的材質與微透鏡120的材質相同，且間隔層122與微透鏡120可為一體成形。

在本實施例中，濾光層130例如是有機濾光層，或例如是多層干涉膜、使用表面電漿共振（Surface Plasmon Resonance）原理的薄膜或繞射光柵（Diffraction Grating）膜，但本發明不以此為限。濾光層130設置在微透鏡120與半導體基底110之間。

在本實施例中，第一金屬層140的材質例如是鋁或其他金屬材質。第一金屬層140設置在半導體基底110的第一表面110S1上，且設置在濾光層130與半導體基底110之間。第一金屬層140具有至少一開口O，使經微透鏡120聚焦後的光線可穿過開口而進入感光元件112內。

在本實施例中，每一微透鏡120的光軸A穿過第一金屬層140的開口O的其中之一的中心。

在本實施例中，第二金屬層150的材質例如是鋁或其他金屬材質。第二金屬層150設置在半導體基底110的第二表面110S2上。其中，第一金屬層140與第二金屬層150使穿透感光元件112的全部或部分光線反射回感光元件112。

在本實施例中，影像感測器100更包括一隔離結構160。隔離結構160可為深溝槽隔離（Deep Trench Isolation, DTI）或淺溝槽隔離（shallow trench isolation, STI），但較佳是深溝槽隔離。隔離結構160設置在半導體基底110與第一表面110S1以及第二表面110S2相鄰的側表面110S3上，且環繞半導體基底110。其中，隔離結構160使穿透感光元件112的全部或部分光線反射回感光元件。

在本實施例中，影像感測器100更包括內連線結構104，且連線結構104電性耦接至感光元件112。

除此之外，形成影像感測器100的步驟如下。首先，在前端製程（Front End Of Line, FEOL）形成半導體基底110、隔離結構160、閘極102、第二金屬層150以及內連線結構104，其中在第二金屬層150與感光元件112之間可設有介電層（例如相似於圖4E的內層介電層200’）。接著，在半導體基底110的第一表面110S1處研磨至所需的厚度/深度。再者，在第一表面110S1上可以依序形成介電層（未繪示）、第一金屬層140、濾光層130以及微透鏡120，其中在介電層的材質包括high-k film、SiO ₂、SiN或SiON等材質。

其中，形成隔離結構160包括以下步驟。首先，形成凹槽結構，例如深溝槽或淺溝槽。接著，在凹槽結構上形成介電層，其中介電層的材質包括high-k film、SiO ₂、SiN或SiON等材質。最後，在凹槽結構內填入絕緣材料。絕緣材料例如是氧化矽（silicon oxide, SiO ₂）、氮化矽（silicon nitride, SiN）、多晶矽（polysilicon）或其他合適的材質。附帶一提的是，在凹槽結構上形成介電層有助於抑制影像感測器110暗電流的產生。

基於上述，在本發明一實施例的影像感測器110中，由於影像感測器110設有第一金屬層140與第二金屬層150，且第一金屬層140與第二金屬層150使穿透感光元件112的全部或部分光線反射回感光元件112，因此，光線在感光元件112內的光程增加了，光線被感光元件112的吸收率也因此增加。而且，前述的吸收率的增加對於長波長的光，例如近紅外光（NIR），的效果特別顯著，使得影像感測器110的感測效果較佳。

圖2是根據本發明第二實施例的影像感測器的剖面示意圖。請參考圖2，圖2的影像感測器100A相似於圖1的影像感測器100，其主要差異在於：在本實施例中，半導體基底110的第一表面110S1在第一金屬層140的開口O所顯露的區域處具有多個第一凹槽結構114。第一凹槽結構114使入射光線產生繞射或散射，以進一步使光線在感光元件112內的光程增加。因此，影像感測器100A的感測效果更佳。其中，第一凹槽結構114內可以填入相同或不同於濾光層130的濾光材料，或填入透明材質，例如有機透光層、無機透光層（SiO ₂、SiN、SiON或high-k材料）或濾光層與各種透光層的組合。

圖3是根據本發明第三實施例的影像感測器的剖面示意圖。請參考圖3，圖3的影像感測器100B相似於圖2的影像感測器100A，其主要差異在於：在本實施例中，半導體基底110’的第二表面110S2處具有多個第二凹槽結構116，使第二金屬層150’呈鋸齒狀。鋸齒狀的第二金屬層150’有助於入射光線產生繞射或散射，因此，光線在感光元件112內的光程增加，使影像感測器100B的感測效果更佳。

圖4A至圖4E示意了圖3第二凹槽結構的製作過程的剖面示意圖。請參考圖3以及圖4A至圖4E，首先，提供一包括半導體基底110’’、隔離結構160、內層介電層（Inter-layer Dielectric layer, ILD layer）200以及閘極102的結構層，如圖4A所示。接著，形成光阻（photoresist）層PR，並定義多個蝕刻開口EO，如圖4B所示。再利用（濕）蝕刻過程在半導體基底110’上形成多個第二凹槽結構116，如圖4C所示。接著，利用離子佈值（ion implantation）製程將圖4C的內層介電層200’形成為圖4D的內層介電層200’’。最後，利用金屬沉積製程形成具有鋸齒狀的第二金屬層150’，如圖4E所示。

圖5是根據本發明第四實施例的影像感測器的剖面示意圖。請參考圖5，圖5的影像感測器100C相似於圖3的影像感測器100B，其主要差異在於：在本實施例中，半導體基底110’’’的第一凹槽結構114’延伸配置於第一表面110S1設有第一金屬層140’的區域處，使第一金屬層140’呈鋸齒狀。鋸齒狀的第一金屬層140’也有助於光線在感光元件112內的光程增加，使影像感測器100C的感測效果更佳。

圖6是根據本發明第五實施例的影像感測器的剖面示意圖。請參考圖6，圖6的影像感測器100D相似於圖1的影像感測器100，其主要差異在於：在本實施例中，至少一微透鏡為多個微透鏡120A1、120A2，且微透鏡120A1、120A2的光軸A1、A2互相重合。微透鏡120A1、120A2的光軸A1、A2互相重合有助於光線經過微透鏡120A1、120A2的聚焦效果，使第一金屬層140的開口O面積可進一步被縮減，同時使第一金屬層140的面積增加，因此，影像感測器100D的感測效果更佳。

圖7A是根據本發明第六實施例的影像感測器的剖面示意圖。圖7B是圖7A的立體爆炸圖。請參考圖7A與圖7B，圖7A與圖7B的影像感測器100E相似於圖1的影像感測器100，其主要差異在於：在本實施例中，至少一微透鏡為多個微透鏡120A1’、120A2’、120A3’、120A4’，且至少一開口為多個開口O1、O2、O3、O4。微透鏡120A1’、120A2’、120A3’、120A4’的光軸A1’、A2’互相平行但不互相重合，且不同的微透鏡120A1’、120A2’、120A3’、120A4’的光軸A1’、A2’穿過不同的開口O1、O2、O3、O4。當感光元件112的感光面積較大時，若影像感測器100E的微透鏡的數量僅設置一個，則微透鏡的面積也需增大。因此，微透鏡的立體結構也跟著增大，使得製程與材料面臨挑戰。由於本發明一實施例的影像感測器100E具有多個微透鏡120A1’、120A2’、120A3’、120A4’，因此，影像感測器100E也適用於感光元件112的感光面積較大時的情況。

圖8是根據本發明第七實施例的影像感測器的剖面示意圖。請參考圖8，圖8的影像感測器100F相似於圖7A的影像感測器100E，其主要差異在於：在本實施例中，半導體基底110的第一表面110S1在第一金屬層140的開口O1、O2所顯露的區域處具有多個第一凹槽結構112。影像感測器100F具有多個第一凹槽結構112的優點相似於圖2的影像感測器100A，在此不再贅述。

圖9是根據本發明第八實施例的影像感測器的剖面示意圖。請參考圖9，圖9的影像感測器100G相似於圖8的影像感測器100F，其主要差異在於：在本實施例中，半導體基底110’’的第二表面處110S2具有多個第二凹槽結構116，使第二金屬層150’呈鋸齒狀。影像感測器100G具有多個第二凹槽結構116的優點相似於圖3的影像感測器100B，在此不再贅述。

綜上所述，在本發明一實施例的影像感測器中，由於影像感測器設有第一金屬層與第二金屬層，且第一金屬層與第二金屬層使穿透感光元件的全部或部分光線反射回感光元件，因此，光線被感光元件的吸收率增加了，使得影像感測器的感測效果較佳。

100、100A:影像感測器

102:閘極

104:內連線結構

110、110’、110’’、110’’’:半導體基底

110S1:第一表面

110S2:第二表面

110S3:側表面

112:感光元件

114、114’:第一凹槽結構

116:第二凹槽結構

120、120A1、120A2、120A1’、120A2’、120A3’、120A4’:微透鏡

122:間隔層

130:濾光層

140、140’:第一金屬層

150、150’:第二金屬層

160:隔離結構

200、200’、200’’:內層介電層

A、A1、A2、A1’、A2’:光軸

EO:蝕刻開口

O、O1、O2、O3、O4:開口

PR:光阻層

圖1是根據本發明第一實施例的影像感測器的剖面示意圖。圖2是根據本發明第二實施例的影像感測器的剖面示意圖。圖3是根據本發明第三實施例的影像感測器的剖面示意圖。圖4A至圖4E示意了圖3第二凹槽結構的製作過程的剖面示意圖。圖5是根據本發明第四實施例的影像感測器的剖面示意圖。圖6是根據本發明第五實施例的影像感測器的剖面示意圖。圖7A是根據本發明第六實施例的影像感測器的剖面示意圖。圖7B是圖7A的立體爆炸圖。圖8是根據本發明第七實施例的影像感測器的剖面示意圖。圖9是根據本發明第八實施例的影像感測器的剖面示意圖。

100:影像感測器

102:閘極

104:內連線結構

110:半導體基底

110S1:第一表面

110S2:第二表面

110S3:側表面

112:感光元件

120:微透鏡

122:間隔層

130:濾光層

140:第一金屬層

150:第二金屬層

160:隔離結構

A:光軸

O:開口

Claims

一種影像感測器，包括：一半導體基底，具有彼此相對的第一表面與第二表面，且包括一感光元件；至少一微透鏡，設置在該半導體基底的該第一表面上；一濾光層，設置在該至少一微透鏡與該半導體基底之間；一第一金屬層，設置在該半導體基底的該第一表面上，且設置在該濾光層與該半導體基底之間，該第一金屬層具有至少一開口；以及一第二金屬層，設置在該半導體基底的該第二表面上；其中該第一金屬層與該第二金屬層使穿透該感光元件的全部或部分光線反射回該感光元件，其中該半導體基底的該第一表面在該第一金屬層的該至少一開口所顯露的區域處具有多個第一凹槽結構，其中該些第一凹槽結構延伸配置於該第一表面設有該第一金屬層的區域處，使該第一金屬層呈鋸齒狀。
如請求項1所述的影像感測器，更包括：一隔離結構，設置在該半導體基底與該第一表面以及該第二表面相鄰的側表面上，且環繞該半導體基底，其中該隔離結構使穿透該感光元件的全部或部分光線反射回該感光元件。
如請求項1所述的影像感測器，其中每一微透鏡的光軸穿過該第一金屬層的該至少一開口的其中之一的中心。
如請求項1所述的影像感測器，其中該半導體基底的該第二表面處具有多個第二凹槽結構。
如請求項1所述的影像感測器，其中該至少一微透鏡為多個微透鏡，且該些微透鏡的光軸互相重合。
如請求項1所述的影像感測器，其中至少一微透鏡為多個微透鏡，且該至少一開口為多個開口，該些微透鏡的光軸互相平行但不互相重合。
如請求項6所述的影像感測器，其中該半導體基底的該第二表面處具有多個第二凹槽結構。