TW200810096A - Image sensor and method of manufacturing the same - Google Patents

Description

200810096 二 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明有關一種影像感測器及其製法，特別是有關一種互補 式金氧半導體電晶體影像感測器及其製法。 【先前技術】 互補式金氧半導體電晶體影像感測器(CMOS image . sensor ’ CIS)和載子偶合裝置(charge-coupled devices，CCDs)都 是習知技術中常用來將光轉換為電子訊號的光學電路元件，兩 者的應用範圍皆很廣泛，包括有掃描器、攝影機、以及照相機 等等’但是因為載子偶合裝置受限於價位高以及體積大的問 題’所以目前市面上以互補式金氧半導體電晶體影像感測器較 為普及。 I 由於互補式金氧半導體電晶體影像感測器是以傳統的半導 體製程製作，因此可以大幅減少所需成本及元件尺寸，而其應 範圍匕括個人電腦相機以及數位相機等數位電子商品，目前 互補式金氧半導體電晶體影像感測器大致分為線型、面型兩 而，型互補式金氧半導體電晶體影像感測器以應用在掃猫 :=等產°"為主’ _互解金氧半導體電晶體影像感測器則以 應用在數位相機等產品為主。 月多考第1圖，第1圖為習知之互補式金氧半導體電晶體 200810096 (CMOS)影像感測器(image sensor) 100之剖面示意圖。如第1 圖所示’影像感測器100包括一像素陣列區1〇2、一光學黑區 (optical black region) 104、及一邏輯區1〇6，分別製作於一半導 體基底110上。半導體基底110包含複數個淺溝隔離(shall〇w trench isolation) 112以及複數個感光二極體U4,各感光二極體 114與至少一相對應之金氧半導體電晶體(未示出）電相連。淺溝 隔離112係用來作為任兩相鄰之感光二極體1M之間的絕緣體 (insulator) 〇 一平坦化層116形成於半導體基底i1Q上，以覆蓋感光二極 體114與淺溝隔離112，接著於平坦化層116上形成圖案化金 屬層118、120、及122。於圖案化金屬層上形成平坦化層124， 平坦化層124可為多層結構，例如由高密度電製(high density plasma)方法製得之氧化矽層（簡稱HDP層)與利用電漿增強式 • 化學氣相沉積方法由乙基正矽酸鹽製得之氧化矽層（簡稱 PETE0S 層（plasma enhanced tetraethyl ortho silicate layer))所組 成。再於平坦化層124上形成保護層(passivation layer) 130，並 沈積頂氧化層132，以防止水氣進入元件區中。 然後’由複數個紅色、綠色、藍色(R/G/B)渡光圖案所構成 • 彩色濾光陣列（colorfllterarray，CFA) 134位於像素陣列區 * :102之頂氧化層132上方。一黑色層136位於光學黑區104之 頂氧化層132上方。並於CFA與黑色層之上及之間形成平坦層 200810096 r 138。並於平坦化層138上方具有複數個微透鏡(micr〇】ens) 140。一頂氧化層142位於最上方，保護微透鏡14〇。位於邏輯 區106的金屬層122則裸露於外部，做為電相連之接合墊。 但是，習知之互補式金氧半導體電晶體影像感測器在製造 時，在製作完成保 m之後，往往使得感光二極體表面上 具有不少的懸空鍵(dangling bond)，而產生漏電流，亦即暗電流 *之問題。習知之解決方式是糊氫氣回火(咖⑽㈣)之方式， 如第2圖所示之回火步驟⑶，使氫原子移動至感光二極體之 表面與懸空鍵反應，以鈍化懸空鍵。但是，由於具有遮光用的 圖案化金屬層120，其金屬會與氫氣反應，妨礙懸空鍵的純化。 因此，仍會產生許多暗電流。 因此’仍需要-觀穎的影像感測元件之結構及製法以解決 φ 暗電流的問題。 、 【發明内容】 的遮光效果 本發明之—目的係提供—種製造影像感瓶件之方法，以料 具有改善之暗電流之影像_元件，並且在絲舰仍具有^好 200810096 u 依據本發明之製造影像感測元件之方法包括下列步驟。首 先’ 供一半導體基底。半導體基底包含有一像素陣列(pixel array)區、一邏輯區、及一光學黑區位於像素陣列區與邏輯區之 間。像素陣列區包括一光感測單元陣列(photo sensing unit array) 及複數個隔離區以隔離各·光感測單元。然後，於半導體基底上 形成一第一平坦化層(planarizedlayer)，覆蓋光感測單元陣列。 _ 於位於像素陣列區及邏輯區之第一平坦化層上形成一圖案化金 屬層。於半導體基底上形成一第二平坦層，且第二平坦化層覆 蓋圖案化金屬層。於低於400°C下，於位於光學黑區之第二平 坦化層上形成一光學黑層。於位於像素陣列區之第二平坦層上 形成一彩色濾光陣列。於光學黑層及彩色濾光陣列上形成一第 —平坦層。於弟二平坦層上形成複數個微透鏡(micr〇iens)，其 中微透鏡係設置於相對應之彩色濾光陣列上方。最後，移除位 於邏輯區之金屬層上方之各層，以曝露位於邏輯區之金屬層以 •做為接合塾。 依據本發明之影像感測元件，包括一半導體基底、一像素陣 列區、一邏輯區、及一光學黑區。像素陣列區係位於半導體基 底上，其包括一光感測單元陣列。邏輯區係位於半導體基底上， \其包括周邊電路。光學黑區係位於半導體基底上之像素陣列區 -與邏輯區之間，其包括一光感測單元位於半導體基底上，一第 平坦化層位於先感測單元上，一第二平坦化層位於第一平挺 化層上，及一光學黑層位於第二平坦化層上。 _ V* 200810096 亀 依據本發明之製造影像感測元件之方法，於光學黑區並不形成 如習知技術所使用之遮光金屬層，而是在形成保護層之後及形成 彩色濾光陣列之前，形成一含有金屬之光學黑層，具有良好遮光 效果。因此於回火以鈍化懸空鍵之製程中，由於沒有習知之遮光 金屬層的阻礙，能夠使光學黑區的懸空鍵鈍化更多，而且，在此 之後可於較低溫度下以包括金屬之材料製作光學黑層，以製得具 有改善之暗電流之影像感測元件。 【實施方式】 請參閱第3圖，第3圖顯示依據本發明之影像感測元件 200。影像感測元件200包括一半導體基底21〇、一像素陣列區 202、一邏輯區206、及一光學黑區2〇4。像素陣列區2〇2係位 於半導體基底210上，包括一光感測單元陣列214。邏輯區200 係位於半導體基底210上，包括周邊電路。光學黑區2〇4係位 於半導體基底上之像素陣列區202與邏輯區206之間，包括一 光感測單元215位於半導體基底2ί〇上、一第一平坦化層216 位於光感測卓元215上、一第二平坦化層224位於第一平坦化 層216上、及一光學黑層236位於第二平坦化層224上。 值付注忍的是’光學黑層236包括一於低溫(例如小於4〇〇〇c) 下製得之金屬層。此金屬層可包括鈦，或是鈦與鈦氮化物之組 合。 200810096 % 光感測單το陣列214可包括感光二極體，其與至少一對應之 金氧半導體電晶體電連接。像素陣列區2〇2除了包括光感測單 元陣列214之外，尚可包括複數個隔離區212以隔離各光感測 單7G，-平坦化層(可為上述第—平坦化層216)覆光感測單 兀陣列214及複數個隔離區212之上；一圖案化金屬層训做 為遮光層位於平坦層上，用以遮光；又一平坦化層覆蓋圖案化 金屬層218，此平坦化層可為多層結構(可為例如上述第二平坦 >化層224);-彩色濾光陣列234位於對應於光感測單元陣列214 之此平坦化層上，及一微透鏡陣列24〇位於彩色濾光陣列 上方。 邏輯區206包括一隔離層213，一平坦化層位於隔離層213 上，圖案化金屬層222做為接合墊位於平坦化層上。平坦化 層可為上述之第一平坦化層216。 請參閱第4至9圖，依據本發明之影像感測元件2〇〇可藉由 下述方法製得。首先，請參閱第4圖，提供一半導體基底21〇， 半導體基底210具有一像素陣列區1〇2、一邏輯區1〇6、及一光 學黑區104位於像素陣列區與邏輯區之間。像素陣列區1〇2包 括一光感測單元陣列214及複數個隔離區212以隔離各光感測 -單元。位於光學黑區104之半導體基底210上具有一光感測單 —元215。邏輯區1〇6之半導體基底上具有一隔離層213。於半導 體基底210上形成一平坦化層216 (planarized layer)，覆蓋各光 12 200810096 感測單兀。平坦化層可藉由沉積方法，形成一介電層再利用 例如化學機_磨，進行平域_得。 接著’請參閱第5圖’於位於像素陣列區1〇2及邏輯區1〇6 之平:L·化層216上形成-圖案化金屬層218及222。圖案化金 屬層218係做為遮光層。圖案化金屬層從係做為接合塾。圖 案化金屬層218及222可藉由濺鍍而形成-金屬層，再利用钕 •刻开)成所需圖案。 請參閱第6圖，再於半導體基底210上形成-平坦化層 224，其覆蓋圖案化金屬層218及222。平坦化層為介電材料， 可為一或多層結構，例如由HDp層226與pETE〇s層所 組成’再將PETEOS層228的頂表面平坦化，而形成平坦化層。 可進-步於平坦化層224上形成一保護層23〇，例如電裝增強 φ 式氮化矽(PE-SiN)層。 然後，請參閱第7圖，經過此等製程，在光感測單元214 及215的感光二極體表面上，易有懸空鍵(danglingb〇nd)產生， 例如mo_。懸空鍵會促使暗電流的產生，影響光量的感 測，亦即影響感光一極體的感測靈敏度。因此，可進行一氫回 火231，或是使用聯胺等其他含氫原子之物質，使氫分子或原 子摻併入平坦化層到達感光二極體表面上與懸空鍵反應，而將 懸空鍵鈍化。值得注意的是，於習知技術中發現，在進行回火 200810096 疇 時ά於光予黑區已存在—大片的金屬遮光層，部分之氨原子 或虱分子可能與金屬反應，而阻礙此部分的氣分子或氣原子前 進至更下層的感光二極面，因此，所製得的域測裝置， 於光學黑區仍有高的暗電流值。此現象於本發明中可獲得明顯 改善，此乃因為在進行回火時，於光學黑區的光感測單元上並 無金屬遮光層存在，因此不會有金屬與氫分子或氫原子進行反 應而阻礙其行進至感光二極體表面的情形發生。因此，懸空鍵 之鈍化完整’ *能夠改善暗電流的問題。 請參閱第8圖’於進行回火後，可進-步於保護層230上形 成-氧化層232 ’例如電漿增強式氧化層，以修復保護層23〇 表面化學結構，但氧化層232並非必需。接著，於氧化層说 ^位於光學黑區之處，形成-光學黑層236。光學黑層236可 藉由於低於上述回火製程之溫度，例如4〇〇〇c之溫度下，進行 鲁金屬濺鑛而形成，亦即形成低溫金屬層，可於低溫下賤鑛而形 成膜的金屬材料均可做為本發明之光學黑層，例如鈦、或欽及 鈦氮化物之組合。接著，可在半導體基底21()上形成一頂氧化 層244 ’覆蓋光學黑層236。使頂氧化層244 #他溫下形成，可 為電聚增強之氧化層’可修復前—製程之濺鑛後受損的表面及 提供保護作用。 接著明參閱第9圖，於位於像素陣列區之平坦層224或是 頂氧化層244(若有軸的話)上形成—彩色就_ 234，即， 14 200810096 龜 m 依序形成紅色濾光陣列、綠色濾光陣列、和藍色濾光陣列於相 對應的感光二極體上方。接著於彩色濾光陣列234及部分光學 黑層上方形成一平坦化層238。然後於平坦化層238上方之相 對應的彩色濾光陣列234之處，形成複數個微透鏡(micr〇lens)。 幵y成微透鏡的方式可藉由形成一由壓克力材料(aerylate material)構成之聚合物層（未顯示），再進行一曝光、顯影以及熱 ，回流(reflow)製程而形成。可進一步於光學黑區及彩色濾光陣列 上形成一平坦層，例如頂氧化層242，以做為表面之保護。 最後’可利用例如蝕刻方法移除邏輯區2 〇 6之圖案化金屬層 222上方之各層，即，平坦化層224、保護層23〇、氧化層232、 及頂氧化層244及242，以曝露出圖案化金屬層222，供電連接 之用’而完成依據本發明之影像感測元件製作。 | 或者’移除邏輯區206之圖案化金屬層222上方之各層之步 驟，可在平坦化層224或是保護層230形成之後，藉由例如光 罩與蝕刻方法進行，移除平坦化層224與保護層23〇。再於最 後頂氧化層242形成之後，移除圖案化金屬層222上方之各層， 使之曝露於外部。 _ 值得注意的是，回火鈍化懸空鍵製程後之各步驟，較佳於較 。回火溫度為低的溫度下進行，例如低於400°C之溫度，如此不 破壞之前鈍化懸空鍵的效果。 200810096 依據本發明之方法製得之影像感測元件具有相對較低之暗 電流。請參閱第1()至21圖，其顯示影像感測元件上各部位之 暗電流量麟果’縱座標是暗電流的量，轉秒電子數_來 表示’橫座標是影像感測元件之行編號。 第10至13圖分賴示習知技術所得之影像感測元件之像素 陣列區、像素陣列區右端之光學黑區、像素陣列區下端之光學 黑區、及影像_元件右下肖之鮮舰之暗電㈣測結果。 此影像感測元件於光學黑區使用金屬遮光層，並於製造時，在 形成金屬遮光層之後，才進行氫氣回火(氫氣：氮氣=0·8 ·· 20 (流 量比)），以消除懸空鍵。第10及12圖之曲線於兩邊明顯翹起， 顯示在邊緣部位之暗電流大，第η至13圖之曲線顯示於光學 黑區测彳于之暗電流之值很大，並且像素陣列區與光學黑區之暗 電流值相差大。 第14至17圖分別顯示習知技術所得之影像感測元件之像素 陣列區、像素陣列區右端之光學黑區、像素陣列區下端之光學 黑區、及影像感測元件右下角之光學黑區之暗電流量測結果。 此影像感測元件於光學黑區使用金屬遮光層，並於製造時，在 形成金屬遮光層之後，才進行氫氣回火(使用較高的氫氣濃度， 氫氣··氮氣=2 ·· 20 (流量比》，以消除懸空鍵。第14及16圖之 曲線於兩邊仍有翹起，顯示在邊緣部位之暗電流仍較大，第15 與17圖之曲線顯示於光學黑區測得之暗電流之值仍在約2000 16 200810096 至4000 e/s之多’並且像素陣列區與光學黑區之暗電流值相差大》 • * · 第18至21圖分別顯示依據本發明所得之影像感測元件之像 素陣列區、像素陣列區右端之光學黑區、像素陣列區下端之光 學黑區、及影像感測元件右下角之光學黑區之暗電流量測結 果。依據本發明之影像感測元件於光學黑區，於製造時，進行 氫氣回火(氫氣：氮氣=2 : 20 (流量比))以消除懸空鍵時，並不 具有金屬遮光層，因此能去除較多的懸空鍵。圖中顯示測得之 暗電流明顯較習知之技術為小。第18與20圖之曲線於兩端已 無明顯的翹起，顯示邊緣處的暗電流與其内部的暗電流並無明 顯差別。而如第19至21圖所示，於光學黑區測得之暗電流之 值已降低至約1〇〇〇至約2000 e/s，並且像素陣列區與光學黑區 之暗電流值之相差減少。可知依據本發明之方法所製得之影像 感測元件可具有改善之暗電流。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範 圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。 【圖式簡單說明】 第1圖為習知之CMOS影像感測器之剖面示意圖。 第2圖顯示習知技術之氫氣回火方法。 第3圖顯示依據本發明之影像感測元件。 第4至9圖顯示依據本發明之影像感測元件之製法。 200810096 第10至21圖顯示習知與依據本發明之影像感測元件上各部位 之暗電流量測結果。

【主要元件符號說明】 100 習知之CMOS影像感測器 200 依據本發明之影像感測元件 102 、 202 像素陣列區 104 、 204 光學黑區 106、206 邏輯區 110 、 210 半導體基底 112 淺溝隔離 114 感光二極體 116 、 216 平坦化層 118、120、122、 218、222圖案化金蜃層 124 、 224 •平坦化層 126、226 HDP層 128、228 PETEOS 層 130 、 230 保護層 131 回火步驟 132、142、242 、244 頂氧化層 134 、 234 彩色濾光陣列 136、236 光學黑層 138 > 238 平坦化層 18 200810096 140 、 240 微透鏡 212 、 213 隔離區 214 光感測單元陣列 215 光感測單元 231 氫回火 232 氧化雇 19

Claims (1)

1. 200810096 -¾. *加 十、申請專利範圍： 1. 一種製造影像感測元件之方法，包括·· 提供一半導體基底’該半導體基底包含有一像素陣列(pixel array)區、一邏輯區、.及一光學黑區(optical black region)位 於該像素陣列區與該邏輯區之間，該像素陣列區包括一光感 * · · · . . 測單元陣列(photo sensing unit array)及複數個隔離區以隔離 各光感測單元； ► 於该半導體基底上形成一第一平坦化層(planarize(J layer)，覆蓋 該光感測單元陣列； 於位於該像素陣列區及該邏輯區之該第一平坦化層上形成一圖 案化金屬層； 於該半導體基底上形成一第二平坦層，且該第二平坦化層覆蓋 該圖案化金屬層； 於低於400°C下，於位於該光學黑區之該第二平坦化層上形成 ►一光學黑層； 於位於该像素陣列區之該第二平坦層上形成一彩色慮光陣列； 於该光學黑層及該彩色濾光陣列上形成一第三平坦層； 於該第三平坦層上形成複數個微透鏡(microlens) ，其中該微透 鏡係設置於相對應之·彡色濾、光_上方；及 移除位於顧輯區之該圖案化金屬層上方之各層，以曝露位於 ， 4邏輯H之賴案化余屬層以做為接合塾。 2·如申#專利乾’ 1項所述之製造影像感測元件之方法，於 200810096 形成複數個微透鏡之後，及移除位㈣邏龍之軸案化金屬 層上方之各層之前，進-步包括於該半導體基底上形成一第一 頂蓋層，並使該第-頂蓋層覆蓋該等微透鏡及該第三平坦層之 步驟。 曰 3·如申請專利範圍第1項所述之製造影像感測元件之方法，其 中該像素陣列區包括複數個感光二極體，且於形成該第二平坦 化層之後及形成該光學黑層之前，進一步包括對該等感光二極 體之表面進行懸空鍵鈍化製程之步驟。 4.如申請專利範圍第3項所述之製造影像感測元件之方法，其 中該懸空鍵鈍化製程係使氫氣或聯胺與該感光二極體表面上之 懸空鍵反應。 馨 5·如申凊專利範圍第1項所述之製造影像感測元件之方法，其 中該第二平坦化層包括一或多層介電層。 6.如申請專利範圍第1項所述之製造影像感測元件之方法，其 中該第二平坦化層包括一或多層介電層及一保護層位於該一或 多層介電層上。 ' 7·如申請專利範圍第3項所述之製造影像感測元件之方法，其 中該第二平坦化層包括一或多層介電層及/保護層位於該一或 200810096 多層介電層上。 8·如申請專利範圍第1項所述之製造影像感測元件之方法，其 中該光學黑層係藉由低溫濺鍍金屬而製得。 9.如申請專利範圍第1項所述之製造影像感測元件之方法，其 中該光學黑層係藉由低溫濺鍍鈦/氮化鈦而製得。 !〇·如申睛專利範圍第1項所述之製造影像感測元件之方法， 於形成該光學黑層之後，進一步包括於該半導體基底上形成一 弟二頂蓋層以覆蓋該光學黑層之步驟。 11. 如申請專利範圍第7項所述之製造影像感測元件之方法， 於進行該懸空鍵鈍化製程之後，進一步包括於該半導體基底上 • 形成一第三頂蓋層以覆蓋該保護層之步驟。 12. 如申請專利範圍第1項所述之製造影像㈣元件之方法， 其中移除位於該邏輯區之該圖案化金屬層上方之各層，以曝露 仅於該邏輯區之該圖案化金屬層以做為接合墊之步驟係於形 成§亥弟二平坦層之後進行。 -13· 一種影像感測元件，包括·· 一半導體基底； 像素陣顺，錄辭導縣底上，其包括—光感測單元陣 200810096 列(photo sensing unit array); 一邏輯區，位於該半導體基底上，其包括周邊電路；及 一光學黑區(optical black region)，位於該半導體基底上之該像 素陣列區與該邏輯區之間，該光學黑區包括一光感測單元位 於該半導體基底上，一第一平坦化層位於該光感測單元上， 一第二平坦化層位於該第一平坦化層上，及一光學黑層位於 該第二平坦化層上。 14·如申請專利範圍第13項所述之影像感測元件，其中該光學 黑層包括一於低於400。(：下製得之金屬層。 15·如申請專利範圍第14項所述之影像感測元件，其中該金屬 層包括鈦。 16·如申請專利範圍第14項所述之影像感測元件，其中該金屬 層包括鈦及鈦氮化物。 17·如申請專利範圍第13項所述之影像感測元件，其中該光感 測單元陣列包括複數個感光二極體。 18·如申請專利範圍第13項所述之影像感測元件，進一步於像 素陣列區中包括一彩色濾光陣列相對應的位於該光感測單元陣 列之上方。 23 200810096 19. 如申請專利範圍第13項所述之影像感測元件 平坦化層包括複數層介電層。. 20. 如申請專利範圍第13項所述之影像感測元件 一保護層於該第二平坦化層之上。 21. 如申請專利範圍第13項所述之影像感測元件 • 一頂氧化層於該光學黑層之上。 其中該第二 進一步包括 進一步包括 十一、圖式：