TWI808717B

TWI808717B - 影像感測器及其製造方法

Info

Publication number: TWI808717B
Application number: TW111113639A
Authority: TW
Inventors: 吳建龍; 謝孟潔
Original assignee: 力晶積成電子製造股份有限公司
Priority date: 2022-04-11
Filing date: 2022-04-11
Publication date: 2023-07-11
Also published as: TW202341452A

Abstract

一種影像感測器，包括基底、感光元件、儲存節點、第一遮光層、第一微透鏡、間隔層與第二微透鏡。感光元件位在基底中。儲存節點位在基底中。儲存節點與感光元件彼此分離。第一遮光層位在儲存節點上方。第一微透鏡位在感光元件上方。間隔層位在第一微透鏡上。第一微透鏡的折射率大於間隔層的折射率。第二微透鏡位在間隔層上。

Description

影像感測器及其製造方法

本發明是有關於一種半導體結構及其製造方法，且特別是有關於一種影像感測器及其製造方法。

目前，影像感測器廣泛應用於許多現代電子裝置。然而，在使用影像感測器來感測入射光時，部分入射光會被遮光層反射而未被感光元件所吸收。如此一來，會導致影像感測器的量子效率(quantum efficiency，QE)降低，進而降低影像品質。因此，如何提升影像感測器的量子效率為目前持續努力的目標。

本發明提供一種影像感測器及其製造方法，其可有效地提升量子效率。

本發明提出一種影像感測器，包括基底、感光元件、儲存節點、第一遮光層、第一微透鏡(microlens)、間隔層(spacer layer)與第二微透鏡。感光元件位在基底中。儲存節點位在基底中。儲存節點與感光元件彼此分離。第一遮光層位在儲存節點上方。第一微透鏡位在感光元件上方。間隔層位在第一微透鏡上。第一微透鏡的折射率(refractive index)大於間隔層的折射率。第二微透鏡位在間隔層上。

依照本發明的一實施例所述，在上述影像感測器中，第一微透鏡的頂面可高於第一遮光層的頂面。

依照本發明的一實施例所述，在上述影像感測器中，第二微透鏡的寬度可大於第一微透鏡的寬度。

依照本發明的一實施例所述，在上述影像感測器中，第一微透鏡可覆蓋第一遮光層的至少一部分。

依照本發明的一實施例所述，在上述影像感測器中，第一微透鏡可不覆蓋第一遮光層。

依照本發明的一實施例所述，在上述影像感測器中，第一微透鏡可具有相對的第一側壁與第二側壁。第一側壁鄰近於第一遮光層。第一側壁的從基底的頂面起算的高度可高於或等於第二側壁的從基底的頂面起算的高度。

依照本發明的一實施例所述，在上述影像感測器中，更可包括第二遮光層。第二遮光層可連接於第一遮光層的靠近感光元件的端部。第二遮光層可延伸至基底中。

依照本發明的一實施例所述，在上述影像感測器中，更可包括第二遮光層。第二遮光層可連接於第一遮光層的遠離感光元件的端部。第二遮光層可朝遠離基底的方向延伸。

依照本發明的一實施例所述，在上述影像感測器中，更可包括彩色濾光層。彩色濾光層位在第二微透鏡與間隔層之間。

本發明提出一種影像感測器的製造方法，包括以下步驟。提供基底。在基底中形成感光元件。在基底中形成儲存節點。儲存節點與感光元件彼此分離。在儲存節點上方形成第一遮光層。在感光元件上方形成第一微透鏡。在第一微透鏡上形成間隔層。第一微透鏡的折射率大於間隔層的折射率。在間隔層上形成第二微透鏡。

基於上述，在本發明所提出的影像感測器及其製造方法中，由於第一微透鏡的折射率大於間隔層的折射率。因此，被第一遮光層反射的入射光在進入第一微透鏡且到達第一微透鏡與間隔層的介面時會產生全反射，藉此可增加入射光照射到感光元件的入射光量和光路徑。此外，當入射光進入第一微透鏡時會產生折射，藉此可增加入射光照射到感光元件的光路徑。如此一來，可提升照射到感光元件的光量，因此可有效地提升影像感測器的量子效率，進而提升影像品質。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

下文列舉實施例並配合附圖來進行詳細地說明，但所提供的實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍。為了方便理解，在下述說明中相同的構件將以相同的符號標示來說明。此外，附圖僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。事實上，為論述清晰起見，可任意增大或減小各種特徵的尺寸。

圖1A至圖1F為根據本發明的一些實施例的影像感測器的製造流程剖面圖。

請參照圖1A，提供基底100。基底100具有相對的第一面S1與第二面S2。在本實施例中，第一面S1可為基底100的正面，且第二面S2可為基底100的背面。基底100可為半導體基底，如矽基底。在一些實施例中，可在基底100中形成隔離結構102。隔離結構102鄰近於第一面S1。隔離結構102例如是淺溝渠隔離(shallow trench isolation，STI)結構。隔離結構102的材料例如是氧化矽。

此外，在基底100中形成感光元件104。在一些實施例中，感光元件104可鄰近於第一面S1。感光元件104例如是光二極體。感光元件104的形成方法例如是離子植入法。

另外，在基底100中形成儲存節點106。儲存節點106與感光元件104彼此分離。在一些實施例中，儲存節點106可鄰近於第一面S1。儲存節點106的形成方法例如是離子植入法。

在一些實施例中，可在基底100的第一面S1上形成閘極結構108。閘極結構108可包括閘極110與介電層112。閘極110位在基底100的第一面S1上。閘極110可作為轉移閘極(transfer gate)。閘極110的材料例如是摻雜多晶矽。介電層112位在閘極110與基底100之間。介電層112的材料例如是氧化矽。此外，在基底100的第一面S1更可形成其他所需的構件(未示出)，如介電層或內連線結構等，於此省略其說明。

在一些實施例中，可在基底100中形成隔離結構114。隔離結構114例如是深溝渠隔離(deep trench isolation，DTI)結構。隔離結構114可為單層結構或多層結構。隔離結構114的材料例如是鎢、氮化鈦、氧化鈦、氧化鋁、氧化矽或其組合。在本實施例中，隔離結構114與隔離結構102可不彼此連接，但本發明並不以此為限。在另一些實施例中，隔離結構114與隔離結構102可彼此連接。

在一些實施例中，可在基底100中形成遮光層116。遮光層116可從基底100的第二面S2向基底100的第一面S1延伸。遮光層116可為單層結構或多層結構。遮光層116的材料例如是金屬(如，鎢)、氮化鈦、氧化鈦、氧化鋁、氧化矽或其組合。

接著，在儲存節點106上方形成遮光層118。在一些實施例中，遮光層118可形成在基底100的第二面S2上。在一些實施例中，遮光層118可位在儲存節點106的正上方。遮光層118的材料例如是金屬(如，鎢)。在一些實施例中，遮光層116可連接於遮光層118的端部E1。在一些實施例中，隔離結構114可連接於遮光層118的端部E2。遮光層118可藉由沉積製程、微影製程與蝕刻製程來形成。

然後，可在基底100上形成微透鏡材料層120。微透鏡材料層120可位在基底100的第二面S2上。微透鏡材料層120可覆蓋遮光層118。微透鏡材料層120的材料例如是氮化矽(SiN)、氧化鈦(TiO)或氧化鉭(TaO)。微透鏡材料層120的形成方法例如是化學氣相沉積法。

再者，可在微透鏡材料層120上形成圖案光阻層122。圖案光阻層122可暴露出部分微透鏡材料層120。圖案光阻層122可藉由微影製程來形成。

請參照圖1B，可利用圖案光阻層122作為罩幕，移除部分微透鏡材料層120。藉此，微透鏡材料層120可具有突出部P。部分微透鏡材料層120的移除方法例如是對微透鏡材料層120進行乾式蝕刻製程。此外，可藉由乾式蝕刻製程來調整突出部P的高度與曲率(curvature)。另外，可藉由圖案光阻層122的圖案來調整突出部P的寬度。在一些實施例中，在移除部分微透鏡材料層120的製程中，圖案光阻層122可被逐漸消耗而移除。

請參照圖1C，可對微透鏡材料層120進行圖案化而形成微透鏡120a。藉此，可在感光元件104上方形成微透鏡120a。在一些實施例中，微透鏡120a可形成在基底100的第二面S2上。在一些實施例中，微透鏡120a可位在感光元件104的正上方。在本實施例中，微透鏡120a可覆蓋遮光層118的至少一部分，但本發明並不以此為限。在另一些實施例中，微透鏡120a可不覆蓋遮光層118。在一些實施例中，可藉由微影製程與蝕刻製程對微透鏡材料層120進行圖案化而形成微透鏡120a。

請參照圖1D，在微透鏡120a上形成間隔層124。在一些實施例中，間隔層124更可形成在遮光層118上。微透鏡120a的折射率大於間隔層124的折射率。間隔層124的材料例如是氧化矽或氮氧化矽(SiON)。間隔層124的形成方法例如是化學氣相沉積法。

接著，可對間隔層124進行平坦化製程。平坦化製程例如是化學機械研磨(chemical mechanical polishing，CMP)製程。

請參照圖1E，可在間隔層124中形成遮光層126。遮光層126可連接於遮光層118的端部E2。遮光層126可朝遠離基底100的方向延伸。遮光層126的材料例如是金屬(如，鎢)。遮光層126的形成方法可包括以下步驟，但本發明並不以此為限。首先，在遮光層126中形成開口OP1。舉例來說，可藉由微影製程與蝕刻製程對遮光層126進行圖案化而形成開口OP1。接著，可形成填入開口OP1的遮光材料層(未示出)。然後，移除位在開口OP1的外部的遮光材料層，而形成遮光層126。位在開口OP1的外部的遮光材料層的移除方法例如是化學機械研磨法。

請參照圖1F，可在間隔層124上形成彩色濾光層128。彩色濾光層128可位在遮光層126上。彩色濾光層128例如是紅色濾光層、綠色濾光層、藍色濾光層或其組合。接著，在間隔層124上形成微透鏡130。在一些實施例中，微透鏡130可形成在彩色濾光層128上。在一些實施例中，微透鏡130可位在遮光層118與微透鏡120a的正上方。此外，彩色濾光層128與微透鏡130的形成方法為所屬技術領域具有通常知識者所周知，於此省略其說明。

以下，藉由圖1F來說明本實施例的影像感測器10。此外，雖然影像感測器10的形成方法是以上述方法為例來進行說明，但本發明並不以此為限。

請參照圖1F，影像感測器10包括基底100、感光元件104、儲存節點106、遮光層118、微透鏡120a、間隔層124與微透鏡130。感光元件104位在基底100中。儲存節點106位在基底100中。儲存節點106與感光元件104彼此分離。遮光層118位在儲存節點106上方。在一些實施例中，遮光層118可位在儲存節點106的正上方。微透鏡120a位在感光元件104上方。在一些實施例中，微透鏡120a可位在感光元件104的正上方。微透鏡120a的頂面可高於遮光層118的頂面。在本實施例中，微透鏡120a可覆蓋遮光層118的至少一部分，但本發明並不以此為限。在另一些實施例中，微透鏡120a可不覆蓋遮光層118。微透鏡120a可具有相對的側壁SW1與側壁SW2。側壁SW1鄰近於遮光層118。在本實施例中，側壁SW1的從基底100的頂面(如，第二面S2)起算的高度H1可高於側壁SW2的從基底100的頂面(如，第二面S2)起算的高度H2，但本發明並不以此為限。在另一些實施例中，如圖2C所示，側壁SW1的從基底100的頂面(如，第二面S2)起算的高度H1可等於側壁SW2的從基底100的頂面(如，第二面S2)起算的高度H2。間隔層124位在微透鏡120a上。微透鏡120a的折射率大於間隔層124的折射率。微透鏡130位在間隔層124上。在一些實施例中，微透鏡130的寬度W1可大於微透鏡120a的寬度W2。

此外，影像感測器10更可包括遮光層116、遮光層126與彩色濾光層128中的至少一者。遮光層116可連接於遮光層118的靠近感光元件104的端部E1。遮光層116可延伸至基底100中。遮光層126可連接於遮光層118的遠離感光元件104的端部E2。遮光層116可朝遠離基底100的方向延伸。彩色濾光層128位在微透鏡130與間隔層124之間。

此外，影像感測器10中的其餘構件可參照上述實施例的說明。另外，影像感測器10中的各構件的材料、設置方式、形成方法與功效已於上述實施例進行詳盡地說明，於此不再說明。

基於上述實施例可知，在影像感測器10及其製造方法中，由於微透鏡120a的折射率大於間隔層124的折射率。因此，被遮光層118反射的入射光在進入微透鏡120a且到達微透鏡120a與間隔層124的介面時會產生全反射，藉此可增加入射光照射到感光元件104的入射光量和光路徑。此外，當入射光進入微透鏡120a時會產生折射，藉此可增加入射光照射到感光元件104的光路徑。如此一來，可提升照射到感光元件104的光量，因此可有效地提升影像感測器10的量子效率，進而提升影像品質。

圖2A至圖2C為根據本發明的另一些實施例的影像感測器的製造流程剖面圖。

請參照圖1A與圖2A，圖2A的結構與圖1A的結構的差異如下。圖2A的圖案化光阻層122的寬度可小於圖1A的圖案化光阻層122的寬度。此外，圖2A的結構與圖1A的結構中的相同或相似的構件使用相同的符號表示，並省略其說明。

請參照圖2B，可利用圖案光阻層122作為罩幕，移除部分微透鏡材料層120。藉此，可在感光元件104上方形成微透鏡120a。部分微透鏡材料層120的移除方法例如是對微透鏡材料層120進行乾式蝕刻製程。此外，可藉由乾式蝕刻製程來調整微透鏡120a的高度與曲率。另外，可藉由圖案光阻層122的圖案來調整微透鏡120a的寬度。在一些實施例中，在移除部分微透鏡材料層120的製程中，圖案光阻層122可被逐漸消耗而移除。

請參照圖2C，在形成微透鏡120a之後，可進行如同圖1D至圖1F的步驟來形成影像感測器20，於此省略其說明。請參照圖1F與圖2C，圖2C的影像感測器20與圖1F的影像感測器10的差異如下。在圖2C的影像感測器20中，側壁SW1的從基底100的頂面(如，第二面S2)起算的高度H1可等於側壁SW2的從基底100的頂面(如，第二面S2)起算的高度H2。此外，圖2C的影像感測器20與圖1F的影像感測器10中的相同或相似的構件使用相同的符號表示，並省略其說明。

綜上所述，上述實施例的影像感測器及其製造方法可增加入射光照射到感光元件的光路徑，藉此可提升照射到感光元件的光量。如此一來，可有效地提升影像感測器的量子效率，進而提升影像品質。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10, 20:影像感測器 100:基底 102, 114:隔離結構 104:感光元件 106:儲存節點 108:閘極結構 110:閘極 112:介電層 116, 118, 126:遮光層 120:微透鏡材料層 120a:微透鏡 122:圖案光阻層 124:間隔層 128:彩色濾光層 130:微透鏡 E1, E2:端部 H1, H2:高度 OP1:開口 P:突出部 S1:第一面 S2:第二面 SW1, SW2:側壁 W1, W2:寬度

圖1A至圖1F為根據本發明的一些實施例的影像感測器的製造流程剖面圖。圖2A至圖2C為根據本發明的另一些實施例的影像感測器的製造流程剖面圖。

10:影像感測器

100:基底

102,114:隔離結構

104:感光元件

106:儲存節點

108:閘極結構

110:閘極

112:介電層

116,118,126:遮光層

120a:微透鏡

124:間隔層

128:彩色濾光層

130:微透鏡

E1,E2:端部

H1,H2:高度

OP1:開口

S1:第一面

S2:第二面

SW1,SW2:側壁

W1,W2:寬度

Claims

一種影像感測器，包括：基底；感光元件，位在所述基底中；儲存節點，位在所述基底中，其中所述儲存節點與所述感光元件彼此分離；第一遮光層，位在所述儲存節點上方；第一微透鏡，位在所述感光元件上方；間隔層，位在所述第一微透鏡上，其中所述第一微透鏡的折射率大於所述間隔層的折射率；以及第二微透鏡，位在所述間隔層上，其中所述第一微透鏡具有相對的第一側壁與第二側壁，所述第一側壁鄰近於所述第一遮光層，且所述第一側壁的從所述基底的頂面起算的高度高於或等於所述第二側壁的從所述基底的頂面起算的高度。
如請求項1所述的影像感測器，其中所述第一微透鏡的頂面高於所述第一遮光層的頂面。
如請求項1所述的影像感測器，其中所述第二微透鏡的寬度大於所述第一微透鏡的寬度。
如請求項1所述的影像感測器，其中所述第一微透鏡覆蓋所述第一遮光層的至少一部分。
如請求項1所述的影像感測器，其中所述第一微透鏡不覆蓋所述第一遮光層。
如請求項1所述的影像感測器，更包括：第二遮光層，連接於所述第一遮光層的靠近所述感光元件的端部，且延伸至所述基底中。
如請求項1所述的影像感測器，更包括：第二遮光層，連接於所述第一遮光層的遠離所述感光元件的端部，且朝遠離所述基底的方向延伸。
如請求項1所述的影像感測器，更包括：彩色濾光層，位在所述第二微透鏡與所述間隔層之間。
一種影像感測器的製造方法，包括：提供基底；在所述基底中形成感光元件；在所述基底中形成儲存節點，其中所述儲存節點與所述感光元件彼此分離；在所述儲存節點上方形成第一遮光層；在所述感光元件上方形成第一微透鏡；在所述第一微透鏡上形成間隔層，其中所述第一微透鏡的折射率大於所述間隔層的折射率；以及在所述間隔層上形成第二微透鏡，其中所述第一微透鏡具有相對的第一側壁與第二側壁，所述第一側壁鄰近於所述第一遮光層，且所述第一側壁的從所述基底的頂面起算的高度高於或等於所述第二側壁的從所述基底的頂面起算的高度。