TWI838087B - 具有凹陷阻擋結構的影像感測器與半導體元件的形成方法 - Google Patents

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Abstract

本公開的各種實施例有關於一種影像感測器。影像感測 器包括配置在基底內的多個光電探測器，且多個光電探測器包括第一主動光電探測器與黑階校正(BLC)光電探測器。金屬網格結構在基底的第一側上，沿著第一主動光電探測器的周邊，環繞第一主動光電探測器。凹陷阻擋結構覆蓋基底的第一側上的BLC光電探測器。凹陷阻擋包括嵌入基底的第一側中的第一阻擋層以及位於第一阻擋層正上方的第二阻擋層。

Description

具有凹陷阻擋結構的影像感測器與半導體元件 的形成方法
本發明實施例是有關於一種具有凹陷阻擋結構的影像感測器與半導體元件的形成方法。
許多現代電子元件(例如，數位相機、光學影像設備等)包括影像感測器。影像感測器將光學影像轉換為可以表示為數位影像的數位資料。影像感測器包括像素感測器陣列，這些像素感測器是用於將光學影像轉換為數位資料的單元元件。一些類型的像素感測器包括電荷耦合元件(CCD)像素感測器與互補金屬氧化物半導體(CMOS)像素感測器。與CCD像素感測器相比，CMOS像素感測器由於功耗低、體積小、資料處理速度快、資料直接輸出、製造成本低而受到青睞。
本發明實施例提供一種影像感測器，包括：基底；多個 光電探測器，配置在基底內且包括第一主動光電探測器與黑階校正(BLC)光電探測器；金屬網格結構，在基底的第一側上，沿著第一主動光電探測器的周邊，環繞第一主動光電探測器；以及阻擋結構，在基底的第一側上且覆蓋BLC光電探測器，其中阻擋結構包括：第一阻擋層嵌入基底的第一側中；以及第二阻擋層配置在第一阻擋層上且接觸第一阻擋層。
本發明實施例提供一種影像感測器，包括：基底；多個光電探測器，配置在基底內且包括多個主動光電探測器與黑階校正(BLC)光電探測器；金屬網格結構，配置在基底的第一側上，其中金屬網格結構沿著多個主動光電探測器的周邊個別環繞多個主動光電探測器；以及阻擋結構，在基底的第一側上且覆蓋BLC光電探測器，其中阻擋結構的頂面與金屬網格結構的頂面齊平，且阻擋結構的厚度大於金屬網格結構的厚度。
本發明實施例提供一種半導體元件的形成方法，包括：在基底中形成多個光電探測器，其中多個光電探測器包括多個主動光電探測器與黑階校正(BLC)光電探測器；蝕刻基底的第一側，以形成上覆BLC光電探測器的凹槽；沉積第一金屬層，以覆蓋基底的第一側並填充凹槽；移除基底的第一側的頂部上的部分第一金屬層，以在凹槽中形成第一阻擋層；沉積第二金屬層，以覆蓋基底的第一側與凹槽中的第一阻擋層；以及圖案化第二金屬層，以形成金屬網格結構與第二阻擋層，其中金屬網格結構沿著多個主動光電探測器的周邊環繞多個主動光電探測器，且第二阻 擋層上覆第一阻擋層。
100a、100b、300a、300b、400a、400b、400c、400d、500a、500b、600a、600b、700a、700b、800a、800b、900a、900b、1000a、1000b、1100a、1100b、1200a、1200b、1300:示意圖
101a:中心區域
101b:周邊區域
101c:間隙區域
102、102a:主動光電探測器
104:半導體基底
105:第一側
106:隔離結構
108:金屬網格結構
110:凹陷阻擋結構
112:第一阻擋層
113:深度
114:第二阻擋層
115:高度
116、202:BLC光電探測器
117:入射輻射
118a:第一多個細長網格段
118b:第二多個細長網格段
200a、200b:上視布局圖
302:介電結構
304:濾光片
306:第一蝕刻停止層
308:第二蝕刻停止層
402:微透鏡
404:互連結構
406:像素電晶體
408:第一厚度
410:厚度
412:第二厚度
414:導線
416:通孔
418:互連介電結構
420:附加金屬網格結構
422:介電層
602:第一罩幕
702:凹槽
802:第一金屬層
1002:蝕刻停止層
1004:第二金屬層
1102:第二罩幕
1402、1404、1406、1408、1410、1412、1414:動作
x、y、z:軸
結合附圖閱讀以下詳細說明，會最佳地理解本揭露的各態樣。應注意，根據本行業中的標準慣例，各種特徵並非按比例繪製。事實上，為使論述清晰起見，可任意增大或減小各種特徵的尺寸。
圖1A至圖1B示出具有凹陷阻擋結構的影像感測器的各種示意圖。
圖2A至圖2B示出圖1A至圖1B的影像感測器的金屬網格結構與阻擋結構的一些不同實施例的上視布局圖。
圖3A至圖3B示出圖1A至圖1B的影像感測器的一些其他實施例的各種示意圖。
圖4A至圖4D示出圖1A至圖1B的影像感測器的一些其他實施例的剖視示意圖。
圖5A至圖13示出形成具有凹陷阻擋結構的影像感測器的方法的一些實施例的一系列示意圖。
圖14示出形成具有凹陷阻擋結構的影像感測器的方法的一些實施例的流程圖。
現在將參照附圖描述本公開，其中相同的元件標號通常 用於表示相同的元件，且其中所示結構不一定按比例繪製。應當理解，該詳細描述與對應的圖式不以任何方式來限制本公開的範圍，且該詳細描述與圖式僅提供幾個示例來說明本發明概念可以體現其自身的一些方式。
以下公開內容提供用於實施所提供主題的不同特徵的許多不同的實施例或實例。以下闡述元件及排列的具體實例以簡化本公開。當然，這些僅為實例且不旨在進行限制。舉例來說，在以下說明中將第一特徵形成在第二特徵之上或第二特徵上可包括其中第一特徵與第二特徵被形成為直接接觸的實施例，且還可包括其中第一特徵與第二特徵之間可形成有附加特徵進而使得所述第一特徵與所述第二特徵可不直接接觸的實施例。另外，本公開可在各種實例中重複使用元件標號和/或字母。此種重複使用是出於簡潔及清晰的目的，而不是自身表示所論述的各種實施例和/或配置之間的關係。
此外，為易於說明，本文中可使用例如「位於...之下(beneath)」、「位於...下方(below)」、「下部的(lower)」、「位於...上方(above)」、「上部的(upper)」等空間相對性用語來闡述圖中所說明的一個元件或特徵與另一(其他)元件或特徵的關係。所述空間相對性用語旨在除圖中所繪示的定向之外還囊括元件在使用或操作中的不同定向。設備可具有其他定向(旋轉90度或處於其他定向)，且本文中所使用的空間相對性描述語可同樣相應地進行解釋。
一些影像感測器包括配置在半導體基底的元件區域中的多個光電探測器。多個像素電晶體(例如，傳輸電晶體、源極跟隨器電晶體、重置電晶體等)與互連結構沿半導體基底的前側配置。
金屬網格結構與阻擋結構沿半導體基底的背側配置，所述背側相對於半導體基底的前側。金屬網格結構具有多個網格開口，其分別上覆在多個光電探測器中的主動光電探測器的正上方。多個濾光片配置在網格開口內。阻擋結構配置在金屬網格結構的周邊且包括一個或多個金屬層，該金屬層在多個光電探測器中的黑階校正(BLC)光電探測器的正上方延伸。阻擋結構阻擋入射輻射到達BLC光電探測器，這使得BLC光電探測器提供在主動光電探測器在沒有任何外部刺激的情況下所輸出的參考信號。如果入射輻射到達BLC光電探測器，則BLC光電探測器的性能會受到影響，且其校正影像亮度或從最終結果中去除暗電流影響的能力將會不太準確。
阻擋結構具有一定的臨界厚度以有效阻擋入射輻射到達BLC光電探測器。此厚度大於金屬網格結構的最佳厚度且通常由以下兩種製程之一形成：第一製程以及第二製程。根據第一製程，將一固體金屬層同時形成為金屬網格結構與阻擋結構。然而，使用一固體金屬層是不能在較低的像素尺寸下進行縮放，因為金屬網格結構內的網格段的高寬比會變得難以均勻地製造。這可能會導致到達主動光電探測器的照明度(light level)發生變化，從而 降低最終影像的品質。
根據第二製程，多個金屬層(第一金屬層與第二金屬層)用於形成錐形阻擋結構，該錐形阻擋結構在BLC光電探測器上方延伸至臨界厚度並傾斜至金屬網格結構的厚度。然而，錐形阻擋結構在其形貌上存在變化，這使得光阻難以被顯影且難以將第二金屬網格層蝕刻到較低像素尺寸的金屬網格結構中。這些變化導致在錐形阻擋結構周圍具有不均勻的罩幕，且可能會因低焦深而導致罩幕不能被正確顯影。這將導致空隙形成在第二金屬層中。此空隙使得錐形阻擋結構的厚度在幾處地方會低於臨界厚度，從而降低了BLC光電探測器的性能。此外，此空隙會導致錐形阻擋結構上附加層的沉積變化。
本公開的各種實施例有關於一種用於形成阻擋結構的改善方法。將多個光電探測器形成在基底中，且多個光電探測器包括多個主動光電探測器與黑階校正(BLC)光電探測器。蝕刻基底的第一側以形成上覆BLC光電探測器的凹槽。沉積第一金屬層以填充基底的第一側上的凹槽，且移除凹槽外部的部分第一金屬層以在凹槽中形成第一阻擋層。沉積第二金屬層，以覆蓋基底的第一側上的第一阻擋層。然後圖案化第二金屬層以形成金屬網格結構與第二阻擋層。金屬網格結構具有環繞多個開口的網格狀布局，這些開口分別上覆主動像素。第一阻擋層與第二阻擋層共同形成阻擋結構。
由於第一阻擋層凹入基底的第一側，阻擋結構也凹入基 底的第一側，因此也可以稱為凹陷阻擋結構。因為阻擋結構凹入基底的第一側，而金屬網格結構沒有，所以阻擋結構可具有獨立於金屬網格結構的厚度(或高度)的厚度(或高度)。舉例來說，阻擋結構可具有有效阻擋入射輻射的厚度，而金屬網格結構可具有較小的厚度，在形成較低像素尺寸的金屬網格結構時不會導致不均勻性。
因為金屬網格結構與第二阻擋層由同一層(例如，第二金屬層)所形成，所以第二阻擋層及由此形成的阻擋結構的最上表面可以與金屬網格結構的最上表面實質上齊平。如此一來，在阻擋結構處可以說幾乎沒有形貌上的變化。這可在形成金屬網格結構與阻擋結構的同時提升製程均勻性，且可以進一步提升阻擋結構的厚度均勻性。這種提升的均勻性亦可增加影像感測器的性能。
圖1A至圖1B示出具有凹陷阻擋結構110的影像感測器的各種示意圖100a-100b。圖1A示出影像感測器的一些實施例的剖視示意圖100a。圖1B示出圖1A的影像感測器的一些實施例的立體示意圖100b。圖1A的剖視示意圖100a是沿著圖1B的線A-A’所截取。
如圖1A至圖1B的各種示意圖100a-100b所示，影像感測器包括配置在半導體基底104中的多個光電探測器。多個光電探測器包括在影像感測器的中心區域101a處的多個主動光電探測器102，且還包括在影像感測器的周邊區域101b處的BLC光電探 測器116。此外，多個主動光電探測器102包括第一主動光電探測器102a。多個主動光電探測器被配置為吸收入射輻射(例如，光子)並產生對應於入射輻射的相應電信號。在一些實施例中，半導體基底104包括單晶矽等的塊狀基底、絕緣體上矽(SOI)基底或一些其他合適類型的半導體基底。此外，在一些實施例中，半導體基底104包括單晶矽、鍺(Ge)、矽鍺(SiGe)、III-V族半導體等，或上述的任意組合。
在一些實施例中，隔離結構106配置在半導體基底104之上/中。隔離結構106延伸到半導體基底104中以將主動光電探測器102與BLC光電探測器116彼此分開。在一些實施例中，隔離結構106橫向環繞第一主動光電探測器102a。在進一步的實施例中，隔離結構106從半導體基底104的第一側105延伸到半導體基底104中。
金屬網格結構108位於半導體基底104的第一側105上且位於影像感測器的中心區域101a處。此外，金屬網格結構108沿著多個主動光電探測器102的周邊個別環繞多個主動光電探測器102。舉例來說，金屬網格結構108可在圍繞第一主動光電探測器102a的閉合路徑中沿著第一主動光電探測器102a的周邊延伸以環繞第一主動光電探測器102a。金屬網格結構108包括第一多個細長網格段118a與第二多個細長網格段118b。第一多個細長網格段118a彼此平行排列並在第一方向(沿y軸)上橫向延伸。第二多個細長網格段118b彼此平行排列並在與第一方向正交的第二 方向(沿x軸)上橫向延伸。第一多個細長網格段118a與第二多個細長網格段118b相交且具有垂直延伸穿過金屬網格結構108的多個網格開口。金屬網格結構108可以是或包括例如鎢(W)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、一些其他合適的金屬或上述的組合。
凹陷阻擋結構110環繞半導體基底104的第一側105上的金屬網格結構108且位於影像感測器的周邊區域101b處。與金屬網格結構108不同的是，凹陷阻擋結構110不具有網格開口。在一些實施例中，金屬網格結構108從中心區域101a連續地延伸到周邊區域101b。在其他實施例中，金屬網格結構108與凹陷阻擋結構110之間存在間隙。
凹陷阻擋結構110的頂面與金屬網格結構108的頂面齊平，且凹陷阻擋結構110的厚度大於金屬網格結構108的厚度。凹陷阻擋結構110包括嵌入半導體基底104的第一側105中的第一阻擋層112以及位於第一阻擋層112正上方的第二阻擋層114。在一些實施例中，第二阻擋層114的高度115實質上等於第一阻擋層112嵌入半導體基底104的第一側105中的深度113。在一些實施例中，第一阻擋層112的寬度小於第二阻擋層114的寬度。凹陷阻擋結構110可以是或包括例如鎢(W)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、一些其他合適的金屬或上述金屬的組合。在一些實施例中，凹陷阻擋結構110與金屬網格結構108共享共同材料。舉例來說，凹陷阻擋結構110與金屬網格結構108皆為鎢(W)。
凹陷阻擋結構110被配置為阻擋(例如，完全阻擋)入 射輻射117傳輸到配置在影像感測器的周邊區域101b處的BLC光電探測器116。在一些實施例中，凹陷阻擋結構110通過具有超過臨界厚度(即，等於或大於第一阻擋層112與第二阻擋層114的個別厚度的總和)的厚度來充分阻擋入射輻射117。在一些此類實施例中，如果只有第一阻擋層112或第二阻擋層114中的一者配置在BLC光電探測器116上，一些入射輻射117將會不被期望地傳送到BLC光電探測器116。BLC光電探測器116被配置為影像感測器的BLC提供參考信號。因此，如果入射輻射117傳送到BLC光電探測器116，則影像感測器的BLC可能會受到影響，從而降低影像感測器的性能。
在一些實施例中，凹陷阻擋結構110的臨界厚度約為2000埃(Å)、約為1500埃至2500埃、約為1500埃至2000埃、約為2000埃至2500埃或大於約2000埃。其他合適的厚度亦在本公開的預期範圍內。在一些實施例中，第一阻擋層112與第二阻擋層114具有大於臨界厚度的組合厚度。在一些實施例中，該組合厚度約為2000埃至3000埃，約為2000埃至2500埃，約為2500埃至3000埃，或者是一些其他合適的厚度。在一些實施例中，凹陷阻擋結構110的厚度與該組合厚度相同。
如果第一阻擋層112與第二阻擋層114的組合厚度太薄(例如，小於約2000埃)，則可能會有光到達BLC光電探測器116。如果組合厚度太厚(例如，大於約3000埃)，用於形成凹陷阻擋結構110的製程可能會非常耗時且浪費，且凹陷阻擋結構110 可能會過大而干擾其他部件的使用空間。此外，用於形成凹陷阻擋結構110的製程可能會導致較大的形貌變化，從而導致較不均勻地分層與明顯的罩幕。
在一些實施例中，第一阻擋層112的深度113與第二阻擋層114的高度115相同或大致相同。舉例來說，深度113與高度115可以是約為1000埃等。在一些實施例中，深度113的偏差值在高度115的10%以內。例如，對於1000埃的深度113而言，高度115約為1000埃，約為1000埃至1100埃，約為900埃至1000埃，或大於900埃。其他合適的厚度亦在本公開的預期範圍內。如上述，因為第一阻擋層112獨立於金屬網格結構108形成，所以凹陷阻擋結構110可具有與金屬網格結構108的厚度分離的厚度。因此，凹陷阻擋結構110的厚度可超過臨界厚度而不會降低金屬網格結構108的均勻性。
在一些實施例中，金屬網格結構108的厚度為凹陷阻擋結構110的厚度的一半或大約一半。舉例來說，金屬網格結構108的厚度可約為1000埃等。在一些實施例中，金屬網格結構108的厚度與第一阻擋層112的厚度及/或第二阻擋層114的厚度相同或大致相同。
圖2A至圖2B示出圖1A至圖1B的影像感測器的金屬網格結構108與阻擋結構110的一些不同實施例的上視布局圖200a-200b。為了清楚起見，圖2A至圖2B的上視布局圖200a-200b並未示出圖1A至圖1B中的半導體基底104。
如圖2A至圖2B的上視布局圖200a、200b所示，金屬網格結構108位於影像感測器的中心區域101a處。此外，金屬網格結構108位於隔離結構106上。隔離結構106形成與金屬網格結構108的網格形狀互補的網格形狀，並將金屬網格結構108與半導體基底104分開(例如，圖1A-1B所示)。多個主動光電探測器102分別被第一多個細長網格段118a與第二多個細長網格段118b環繞。BLC光電探測器116(以虛線示出)位於凹陷阻擋結構110的正下方。在一些實施例中，包括BLC光電探測器116的多個BLC光電探測器202位於凹陷阻擋結構110的正下方。在一些實施例中，形成隔離結構106的網格形狀的平行段被分隔為小於0.6微米(μm)的距離。
在圖2A中，金屬網格結構108的第一多個細長網格段118a的端部延伸超過第二多個細長網格段118b，且第二多個細長網格段118b的端部延伸超過第一多個細長網格段118a。在圖2B中，金屬網格結構108的第一多個細長網格段118a的端部與第二多個細長網格段118b齊平，且第二多個細長網格段118b的端部與第一多個細長網格段118a齊平。
凹陷阻擋結構110位於影像感測器的周邊區域101b處。在一些實施例中，周邊區域101b橫向包圍中心區101a。凹陷阻擋結構110以閉環路徑橫向延伸，使得凹陷阻擋結構110橫向包圍金屬網格結構108。在一些實施例中，凹陷阻擋結構110具有環狀類的頂部布局(例如，方形環狀類的頂部布局等)。在此實施例中， 凹陷阻擋結構110可被稱為環狀類周邊金屬結構。
影像感測器還具有在中心區域101a與周邊區域101b之間並將其分開的間隙區域101c。在替代實施例中，間隙區域101c可被省略。此外，金屬網格結構108沒有延伸到間隙區域101c中，使得金屬網格結構108與凹陷阻擋結構110分隔開。在一些實施例中，隔離結構106延伸到間隙區域101c中。在一些實施例中，間隙區域101c具有0微米與10微米之間的寬度、0微米與5微米之間的寬度、5微米與20微米之間的寬度，或另一類似的範圍。
圖3A至圖3B示出圖1A至圖1B的影像感測器的一些其他實施例的各種示意圖300a-300b。圖3A示出影像感測器的一些實施例的剖視示意圖300a。圖3B示出圖3A的影像感測器的一些實施例的立體示意圖300b。圖3A的剖視示意圖300a是沿著圖3B的線A-A’所截取。
如圖3A的剖視示意圖300a所示，金屬網格結構108與凹陷阻擋結構110被介電結構302所覆蓋與環繞。此外，多個濾光片304配置在主動光電探測器102上方的介電結構302與金屬網格結構108內。多個濾光片304配置在包括多個行和列的濾光片陣列中。在一些實施例中，多個濾光片304中的每一個濾光片位於每一個主動光電探測器102的正上方。在進一步的實施例中，多個濾光片304被配置為透射特定波長(或特定波長範圍)。舉例來說，第一濾光片被配置為透射具有在第一範圍內的波長的光(例如，具有約為10nm與約為1mm之間的波長的光子)，第二濾光 片被配置成透射具有不同於第一範圍的第二範圍中的波長的光，且第三濾光片被配置為透射具有不同於第一範圍與第二範圍的第三範圍中的波長的光。在一些實施例中，多個濾光片304可以是彩色濾光片。舉例來說，第一濾光片可以是紅色濾光片，第二濾光片可以是綠色濾光片，第三濾光片可以是藍色濾光片。在一些實施例中，多個濾光片304可以是被配置為過濾具有IR波長的入射輻射117(參見例如圖1A至圖1B)的紅外光(IR)濾光片。在進一步的實施例中，多個濾光片304可以包括彩色濾光片和/或IR濾光片的組合。
多個濾光片304可以是或包括濾光材料。在一些實施例中，濾光材料可以是或包括例如光阻(例如，正/負光阻)，其包含染料/顏料、分散劑聚合物、聚合單體和/或其他化學品(例如，用於聚合反應的化學品)。在一些實施例中，濾光材料具有第一折射率，而介電結構302具有小於第一折射率的第二折射率。在進一步的實施例中，介電材料是低折射率(low-n)材料(例如，具有小於約1.5的折射率的材料)。
如上述，介電結構302覆蓋且環繞金屬網格結構108與凹陷阻擋結構110。介電結構302具有覆蓋金屬網格結構108並與金屬網格結構108互補的網格狀部分。此外，網格狀部分環繞金屬網格結構108。在一些實施例中，介電結構302的網格形部分橫向地(直接地)配置在多個濾光片304與金屬網格結構108之間。此外，在一些實施例中，介電結構302的網格形部分橫向地(直 接地)配置在多個濾光片304與凹陷阻擋結構110之間。在一些實施例中，介電結構302的上表面與多個濾光片304的上表面實質上共平面。在一些實施例中，介電結構302可以是或包括例如氧化物(例如SiO2)、氮化物(例如SiN)、氧氮化物(例如SiOXNY)等。
在一些實施例中，第一蝕刻停止層306是凹陷阻擋結構110的一部分並且將第一阻擋層112與第二阻擋層114彼此分開。此外，在一些實施例中，第一蝕刻停止層306將第二阻擋層114與半導體基底104的第一側105分開。在一些實施例中，凹陷阻擋結構110的厚度大於金屬網格結構108的厚度的兩倍。
在一些實施例中，第二蝕刻停止層308將金屬網格結構108與半導體基底104和隔離結構106分開。在一些實施例中，第二蝕刻停止層308與第一蝕刻停止層306的厚度相同。此外，在一些實施例中，第二蝕刻停止層308與第一蝕刻停止層306具有相同材料。
圖4A至圖4D示出圖1A至圖1B的影像感測器的一些其他實施例的剖視示意圖400a-400d。
如圖4A的剖視示意圖400a所示，影像感測器還包括介電結構302、濾光片304、第一蝕刻停止層306以及第二蝕刻停止層308，如關於圖3A至圖3B所述。此外，多個微透鏡402配置在多個濾光片304與介電結構302上。多個微透鏡402包括位於中心區域101a處的微透鏡，在中心區域101a處的每一個微透鏡 是以多個濾光片304中的對應濾光片為中心來配置。此外，多個微透鏡402具有覆蓋在周邊區域101b處的凹陷阻擋結構110的微透鏡。在替代實施例中，可省略覆蓋在周邊區域101b處的凹陷阻擋結構110的微透鏡。
第一阻擋層112的頂面具有面向第二阻擋層114的凹面。這使得類似的曲率可被複製到第一蝕刻停止層306與第二阻擋層114中。第一阻擋層112的頂面處的曲率可例如是由於在形成第一阻擋層112時使用的化學機械研磨(CMP)製程所造成。在一些實施例中，第一阻擋層112具有中心部分和周邊部分。周邊部分的第一厚度408實質上等於第二阻擋層114的厚度410，而中心部分的第二厚度412小於第二阻擋層114的厚度410。在一些實施例中，凹陷阻擋結構110的頂面具有相對於阻擋凹陷阻擋結構110的頂面的中心高起的頂部邊緣。
多個像素電晶體406與互連結構404位於半導體基底104的下方且位於半導體基底104的相對於第一側105的第二側上。像素電晶體406位於半導體基底104與互連結構404之間。此外，像素電晶體406獨立於主動光電探測器102與BLC光電探測器116，且有助於主動光電探測器102與BLC光電探測器116的讀出。
互連結構404覆蓋且電耦合到半導體基底104第二側上的像素電晶體406。此外，互連結構404包括互連介電結構418中的多條導線414與多個通孔416。導線414與通孔416分別分組在多個佈線層級和多個通孔層級中，它們交替堆疊以定義出從像 素電晶體406引出的導電路徑。
如圖4B的剖視示意圖400b所示，影像感測器與圖4A相同，除了沒有示出互連結構404與像素電晶體406，且在中心區域101a與周邊區域101b之間具有間隙區域101c。在一些實施例中，多個濾光片304與隔離結構106不延伸到間隙區域101c中。如上述，由於凹陷阻擋結構110凹入半導體基底104中，所以周邊區域101b的形貌變化很小。這允許間隙區域101c變小或被省略。另一方面，如果周邊區域101b的形貌變化大，則間隙區域101c可以是大的以提供形貌變化的緩衝。如此一來，可能會浪費使用面積。
如圖4C的剖視示意圖400c所示，影像感測器與圖4B相同，除了間隙區域101c包含多個濾光片304的濾光片與多個微透鏡402的微透鏡。更一般地說，除了多個主動光電探測器102與金屬網格結構108以外，間隙區域101c可包含來自中心區域101a的特徵的任何組合。
如圖4D的剖視示意圖400d所示，影像感測器與圖4A中相同，除了下文中所描述的一些例外情況。附加金屬網格結構420從半導體基底104的第一側105凹入隔離結構106中。在一些實施例中，附加金屬網格結構420被金屬網格結構108的外側壁限制且位於金屬網格結構108的正下方。在其他實施例中，金屬網格結構108與附加金屬網格結構420中的一者或兩者可以存在於影像感測器中。
除了附加金屬網格結構420之外，介電層422將第一阻擋層112及由此形成的凹陷阻擋結構110與半導體基底104分開。介電層422防止第一阻擋層112直接接觸半導體基底104。半導體基底104與第一阻擋層112之間的直接接觸可能會導致一些金屬與材料擴散到半導體基底104中，從而降低凹陷阻擋結構110及/或半導體基底104中的半導體元件的性能。
圖5A-圖5B至圖13示出形成具有阻擋結構的影像感測器的方法的一些實施例的一系列示意圖。帶有「B」字尾的圖式(例如，圖5B-圖12B)示出立體示意圖500b-1200b。帶有「A」字尾的圖式(例如，圖5A-圖12A)示出剖面示意圖500a-1200a且在帶有「B」字尾的類似編號的圖中沿線A-A’截取。圖13示出接續該系列且沿圖12B中的線A-A’截取的剖面示意圖1300。雖然圖5A-圖5B至圖13闡述了一種方法，但應當理解，圖5A-圖5B至圖13中所示的結構不限於該方法，而是可以獨立於該方法而獨立存在。
如圖5A的剖面示意圖500a與圖5B的立體示意圖500b所示，提供半導體基底104。在半導體基底104中形成多個光電探測器。多個光電探測器包括位於影像感測器的中心區域101a處的多個主動光電探測器102，且還包括位於影像感測器的周邊區域101b處的BLC光電探測器116。在一些實施例中，隔離結構106配置在半導體基底104內以將主動光電探測器102與BLC光電探測器116彼此分開。舉例來說，隔離結構106可延伸到半導體基 底104的第一側105中。應當理解，多個光電探測器與隔離結構106可通過互補式金屬氧化物半導體(CMOS)製程來形成。
如圖6A的剖面示意圖600a與圖6B的立體示意圖600b所示，在半導體基底104的第一側105上形成第一罩幕602。第一罩幕602可通過以下步驟形成：(例如，通過旋塗製程)在第一側105上形成罩幕層(未示出)，例如通過微影製程(像是光微影製程、極紫外光微影製程等)將罩幕層暴露成圖案，以及顯影罩幕層，從而在半導體基底104的第一側105上形成第一罩幕602。
如圖7A的剖面示意圖700a與圖7B的立體示意圖700b所示，在半導體基底104的第一側105中形成凹槽702。在一些實施例中，為了形成凹槽702，在第一側105上進行第一蝕刻製程(例如，非等向性蝕刻製程)以根據第一罩幕602(參見例如圖6A-圖6B)選擇性地蝕刻半導體基底104。第一蝕刻製程移除半導體基底104的未掩蔽部分，從而形成凹槽702。在一些實施例中，第一蝕刻製程可以是例如乾蝕刻製程、反應離子蝕刻(RIE)製程、濕蝕刻製程，一些其他合適的蝕刻製程，或上述的組合。在進一步的實施例中，第一蝕刻製程是乾蝕刻製程(或RIE製程)，其具有氟系的蝕刻化學品(例如，四氟化碳(CF4)/氬(Ar)等)。在一些實施例中，第一罩幕602在第一蝕刻製程之後被剝離。
如圖8A的剖面示意圖800a與圖8B的立體示意圖800b所示，在半導體基底104的第一側105上方與凹槽702(參見例如圖7A-圖7B)內形成第一金屬層802。在一些實施例中，形成第 一金屬層802的製程包括沉積覆蓋第一側105並填充凹槽702的第一金屬層802。第一金屬層802可通過例如化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、原子層沉積(ALD)、濺射、電化學鍍、化學鍍、一些其他的沉積製程或上述的組合來沉積，。在一些實施例中，第一金屬層802沉積為約500埃至1500埃、約500埃至1000埃或約1000埃至1500埃的厚度。然而，其他合適的厚度值在替代實施例中亦可接受的。
如圖9A的剖面示意圖900a與圖9B的立體示意圖900b所示，對第一金屬層802進行平坦化製程(例如，CMP製程)。在該製程的期間中，移除半導體基底104的第一側105的頂部上的部分第一金屬層802，以在凹槽702(參見例如圖7A-圖7B)中形成第一阻擋層112。CMP製程還移除凹槽702內的第一金屬層802的一部分，從而在第一阻擋層112上形成凹面。
的剖面示意圖1000a與圖10B的立體示意圖1000b所示，在半導體基底104的第一側105與第一阻擋層112上方形成蝕刻停止層1002。在一些實施例中，形成蝕刻停止層1002的製程包括在半導體基底104與隔離結構106上共形沉積蝕刻停止層1002。蝕刻停止層1002可通過例如CVD、PVD、ALD、其他一些沉積方法或上述的組合來沉積。蝕刻停止層1002可以是或包括例如氧化物(例如SiO2)、氮化物(例如SiN)、氮氧化物(例如SiOXNY)、金屬氮化物(例如氮化鉭(TaN)、氮化鈦(TiN)等)、一些其他合適的蝕刻停止材料或上述的組合。在一些實施例中，蝕刻停止 層1002沉積為約50埃至300埃、約50埃至175埃、約175埃至300埃、約20埃至200埃、約20埃至110埃或約110埃至200埃的厚度。然而，其他合適的厚度值亦可接受。
圖10A的剖面示意圖1000a與圖10B的立體示意圖1000b還示出了在蝕刻停止層1002上方形成第二金屬層1004。在一些實施例中，形成第二金屬層1004的製程包括沉積第二金屬層1004以覆蓋半導體基底104的第一側105與第一阻擋層112上方的蝕刻停止層1002。第二金屬層1004可通過例如CVD、PVD、ALD、濺射、電化學電鍍、化學鍍、一些其他沉積製程或上述的組合。在一些實施例中，第二金屬層1004沉積為約500埃至1500埃、約500埃至1000埃或約1000埃至1500埃的厚度。然而，其他合適的厚度值亦可接受。在一些實施例中，第一阻擋層112與第二金屬層1004的組合厚度至少為2000埃或一些其他合適的值。在一些實施例中，第二金屬層1004具有與第一阻擋層112相同或實質上相同的厚度。
如圖11A的剖面示意圖1100a與圖11B的立體示意圖1100b所示，在第二金屬層1004上方形成第二罩幕1102。第二罩幕1102可通過以下步驟形成：(例如，通過旋塗製程)在第一側105上形成罩幕層(未示出)，例如通過微影製程(像是光微影製程、極紫外光微影製程等)將罩幕層暴露成圖案，以及顯影罩幕層，從而在第二金屬層1004上形成第二罩幕1102。由於第二金屬層1004的實質上平坦的頂面(例如，第二金屬層1004的頂面的 低形貌變化)，該曝光與顯影可以高均勻性來進行。這使得具有高均勻性的第二罩幕1102的形成且可提升影像感測器的性能。
如圖12A的剖面示意圖1200a與圖12B的立體示意圖1200b所示，根據第二罩幕1102圖案化第二金屬層1004(參見例如圖11A-圖11B)與蝕刻停止層1002(參見例如圖11A-圖11B)，以在半導體基底104的第一側105上形成第一蝕刻停止層306、第二蝕刻停止層308、金屬網格結構108以及第二阻擋層114。在一些實施例中，第二罩幕1102在上述圖案化製程之後被剝離。
為了形成金屬網格結構108與第二阻擋層114，對第二金屬層1004進行第二蝕刻製程(例如，非等向性蝕刻製程)以根據第二罩幕1102圖案化第二金屬層1004。在一些實施例中，第二蝕刻製程根據第二罩幕1102額外地圖案化蝕刻停止層1002，以形成第一蝕刻停止層306與第二蝕刻停止層308。第二蝕刻製程移除未被第二罩幕1102掩蔽的部分第二金屬層1004，從而形成金屬網格結構108與第二阻擋層114。金屬網格結構108沿著多個主動光電探測器的周邊個別環繞多個主動光電探測器102。第二阻擋層114覆蓋第一阻擋層112，以與第一阻擋層112形成凹陷阻擋結構110。在一些實施例中，第二蝕刻製程可以是例如乾蝕刻製程、反應離子蝕刻(RIE)製程、濕蝕刻製程、一些其他蝕刻製程或上述的組合。在進一步的實施例中，第二蝕刻製程是乾蝕刻製程(或RIE製程)，其具有氟系的蝕刻化學品(例如，三氟化氮(NF3)/氬氣(Ar)等)。
由於第二罩幕1102提供高度保護，因此第二蝕刻製程可形成具有高厚度均勻性(例如，沒有空隙)的第二阻擋層114。如上述，該高度保護性源於第二罩幕1102具有高度均勻性。類似地，由於相同的原因，所以第二蝕刻製程也導致金屬網格結構108的變化較小。如此一來，可以提升主動光電探測器102與BLC光電探測器116的性能。
在一些實施例中，在蝕刻穿過蝕刻停止層1002之前，第二蝕刻製程停止在蝕刻停止層1002上。在至少一些此類實施例中，對蝕刻停止層進行第三蝕刻製程(例如，非等向性蝕刻製程)，以根據第二罩幕1102選擇性地蝕刻蝕刻停止層1002。第三蝕刻製程移除蝕刻停止層1002的未掩蔽部分，從而形成第一蝕刻停止層306與第二蝕刻停止層308。在一些實施例中，第三蝕刻製程可以是例如乾蝕刻製程、RIE製程、濕蝕刻製程、其他一些蝕刻製程或上述的組合。在進一步的實施例中，第三蝕刻製程是乾蝕刻製程(或RIE製程)，其具有氟系的蝕刻化學品(例如，四氟化碳(CF4)、三氟甲烷(CHF3)、八氟環丁烷(C4F8)等)。
如圖13的剖面示意圖1300所示，在半導體基底104上方形成介電結構302、多個濾光片304以及多個微透鏡402。
圖14示出形成具有凹陷輪廓的阻擋結構的影像感測器的方法的一些實施例的流程圖1400。儘管本文中將圖14的流程圖1400示出及闡述為一系列動作或事件，然而應理解，這些動作或事件的示出次序不應被解釋為具有限制性意義。舉例來說，某些 動作可以不同的次序發生，及/或可與除本文中所示及/或所闡述的動作或事件之外的其他動作或事件同時發生。另外，在實施本文說明的一個或多個方面或實施例時可能並非需要全部所示動作。此外，本文中所繪示的動作中的一個或多個動作可在一個或多個單獨的動作及/或階段中施行。
在動作1402，在基底中形成多個光電探測器，其中多個光電探測器包括多個主動光電探測器與BLC光電探測器。圖5A-圖5B示出了對應於動作1402的一些實施例的各種示意圖500a-500b。
在動作1404，蝕刻基底的第一側形成覆蓋BLC光電探測器的凹槽。圖6A-圖7B示出了對應於動作1404的一些實施例的各種示意圖600a-700b。
在動作1406，沉積第一金屬層以覆蓋基底的第一側並填充凹槽。圖8A-圖8B示出了對應於動作1406的一些實施例的各種示意圖800a-800b。
在動作1408，移除基底的第一側的頂部上的部分第一金屬層，以在凹槽中形成第一阻擋層。圖9A-圖9B示出了對應於動作1408的一些實施例的各種示意圖900a-900b。
在動作1410，沉積第二金屬層以覆蓋基底的第一側與凹槽中的第一阻擋層。圖10A-圖10B示出了對應於動作1410的一些實施例的各種示意圖1000a-1000b。
在動作1412，圖案化第二金屬層以形成金屬網格結構與 第二阻擋層，其中金屬網格結構沿著主動光電探測器的周邊環繞主動光電探測器，且其中第二阻擋層上覆第一阻擋層並與第一阻擋層一起形成凹陷阻擋結構。圖11A-圖12B示出了對應於動作1412的一些實施例的各種示意圖1100a-1200b。
在動作1414，形成彩色濾光片與微透鏡以上覆基底的第一側上的主動光電探測器。圖13示出了對應於動作1414的一些實施例的剖面示意圖1300。
在一些實施例中，本揭露提供了一種影像感測器，包括：基底；多個光電探測器，配置在基底內，且包括第一主動光電探測器與BLC光電探測器；金屬網格結構在基底的第一側上，沿著第一主動光電探測器的周邊，環繞第一主動光電探測器；以及阻擋結構在基底的第一側上且覆蓋BLC光電探測器，其中阻擋結構包括：1)嵌入基底第一側中的第一阻擋層；2)位於第一阻擋層正上方的第二阻擋層。
在一些實施例中，本發明提供另一種影像感測器，包括：基底；多個光電探測器，配置在基底內且包括多個主動光電探測器與BLC光電探測器；金屬網格結構配置在基底的第一側上，其中金屬網格結構沿著主動光電探測器的周邊個別環繞主動光電探測器；以及阻擋結構，在基底的第一側上且覆蓋BLC光電探測器，其中阻擋結構的頂面與金屬網格結構的頂面齊平，且阻擋結構的厚度大於所述金屬網格結構的厚度。
在一些實施例中，本發明提供一種半導體元件的形成方 法，包括：在基底中形成多個光電探測器，其中多個光電探測器包括多個主動光電探測器與BLC光電探測器；蝕刻基底的第一面以形成上覆BLC光電探測器的凹槽；沉積第一金屬層，以覆蓋基底的第一側並填充凹槽；移除基底的第一側上的部分第一金屬層，以在凹槽中形成第一阻擋層；沉積第二金屬層，以覆蓋基底的第一側與凹槽中的第一阻擋層；以及圖案化第二金屬層以形成金屬網格結構與第二阻擋層，金屬網格結構沿著主動光電探測器的周邊環繞主動光電探測器，且第二阻擋層上覆第一阻擋層。
前述概述了幾個實施例的特徵，以便本領域的技術人員可以更好地理解本公開的各個方面。本領域的技術人員應該理解，他們可以容易地使用本公開作為設計或修改用於進行相同目的和/或實現本文介紹的實施例的相同優點的其他過程和結構的基礎。本領域技術人員也應該意識到，這樣的等效結構並不脫離本發明的精神和範圍，並且可以在不脫離本發明的精神和範圍的情況下對本文進行各種改動、替換以及變更。
100a:示意圖
101a:中心區域
101b:周邊區域
102、102a:主動光電探測器
104:半導體基底
105:第一側
106:隔離結構
108:金屬網格結構
110:凹陷阻擋結構
112:第一阻擋層
113:深度
114:第二阻擋層
115:高度
116:BLC光電探測器
117:入射輻射
x、y、z:軸

Claims (10)

  1. 一種影像感測器，包括：基底；多個光電探測器，配置在所述基底內且包括第一主動光電探測器與黑階校正(BLC)光電探測器；金屬網格結構，在所述基底的第一側上，沿著所述第一主動光電探測器的周邊，環繞所述第一主動光電探測器；以及阻擋結構，在所述基底的所述第一側上且覆蓋所述BLC光電探測器，其中所述阻擋結構包括：第一阻擋層嵌入所述基底的所述第一側中；以及第二阻擋層配置在所述第一阻擋層上且接觸所述第一阻擋層，其中所述第一阻擋層的底面完全覆蓋所述BLC光電探測器的頂面。
  2. 如請求項1所述的影像感測器，其中所述第二阻擋層的高度實質上等於所述第一阻擋層嵌入所述基底的所述第一側中的深度。
  3. 如請求項1所述的影像感測器，更包括：第一蝕刻停止層，將所述第一阻擋層與所述第二阻擋層彼此分開；第二蝕刻停止層，將所述金屬網格結構與所述基底彼此分開。
  4. 如請求項1所述的影像感測器，其中所述第一阻擋層的頂面具有面向所述第二阻擋層的凹面。
  5. 如請求項1所述的影像感測器，其中所述第一阻擋層具有中心部分與外圍部分，其中所述外圍部分的厚度實質上等於所述第二阻擋層的厚度，且其中所述中心部分的厚度小於所述第二阻擋層的厚度。
  6. 一種影像感測器，包括：基底；多個光電探測器，配置在所述基底內且包括多個主動光電探測器與黑階校正(BLC)光電探測器；金屬網格結構，配置在所述基底的第一側上，其中所述金屬網格結構沿著所述多個主動光電探測器的周邊個別環繞所述多個主動光電探測器；以及阻擋結構，在所述基底的所述第一側上且覆蓋所述BLC光電探測器，其中所述阻擋結構的頂面與所述金屬網格結構的頂面齊平，且所述阻擋結構的厚度大於所述金屬網格結構的厚度，其中所述阻擋結構具有嵌入在所述基底的所述第一側內的底面，且所述阻擋結構的所述底面完全覆蓋所述BLC光電探測器的頂面。
  7. 如請求項6所述的影像感測器，其中所述阻擋結構在圍繞所述金屬網格結構的閉合路徑中延伸。
  8. 如請求項6所述的影像感測器，其中所述阻擋結構包括第一阻擋層凹陷於所述基底中，且更包括與所述第一阻擋層分隔且上覆所述第一阻擋層的第二阻擋層，其中所述第二阻擋層定義出所述阻擋結構的所述頂面。
  9. 一種半導體元件的形成方法，包括：在基底中形成多個光電探測器，其中所述多個光電探測器包括多個主動光電探測器與黑階校正(BLC)光電探測器；蝕刻所述基底的第一側，以形成上覆所述BLC光電探測器的凹槽；沉積第一金屬層，以覆蓋所述基底的所述第一側並填充所述凹槽；移除所述基底的所述第一側的頂部上的部分所述第一金屬層，以在所述凹槽中形成第一阻擋層；沉積第二金屬層，以覆蓋所述基底的所述第一側與所述凹槽中的所述第一阻擋層；以及圖案化所述第二金屬層，以形成金屬網格結構與第二阻擋層，其中所述金屬網格結構沿著所述多個主動光電探測器的周邊環繞所述多個主動光電探測器，且所述第二阻擋層上覆所述第一阻擋層，其中所述第一阻擋層的底面完全覆蓋所述BLC光電探測器的頂面。
  10. 如請求項9所述的半導體元件的形成方法，其中所述第一金屬層與所述第二金屬層形成為具有實質上相同的厚度。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US9247116B2 (en) * 2014-03-14 2016-01-26 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Image sensor device with light guiding structure
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