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TW201924074A - 半導體影像感測裝置及影像感測器的製造方法 - Google Patents

半導體影像感測裝置及影像感測器的製造方法 Download PDF

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TW201924074A
TW201924074A TW107132050A TW107132050A TW201924074A TW 201924074 A TW201924074 A TW 201924074A TW 107132050 A TW107132050 A TW 107132050A TW 107132050 A TW107132050 A TW 107132050A TW 201924074 A TW201924074 A TW 201924074A
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Abstract

本揭露係關於作為背照式(bask side illuminated)影像感測裝置的網格結構的一部分的極化光柵結構(例如極化器)的製造方法。舉例來說，此方法包含在具有輻射感測區的半導體層上方形成膜層堆疊。此外，此方法包含在網格結構中形成一或多個極化光柵結構的光柵元件，其中形成光柵元件包含(i)蝕刻膜層堆疊以形成網格結構以及(ii)蝕刻膜層堆疊以形成定向於一極化角度的多個光柵元件。

Description

半導體影像感測裝置及影像感測器的製造方法
本發明實施例是關於半導體製造技術，特別是有關於半導體影像感測裝置及影像感測器的製造方法。
半導體影像感測器係用於感測輻射，例如光線。互補式金屬氧化物半導體(Complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)影像感測器(CMOS image sensors，CIS)和電荷耦合裝置(charge-coupled device，CCD)感測器用於各種應用，例如數位靜態相機(digital still camera)或行動電話相機應用。這些裝置利用基底中的像素(pixels)之陣列(array)(其可以包含光電二極體(photodiodes)、電晶體(transistors)和其他組件)，以吸收(例如感測)投射至此基底的輻射，並且將感測到的輻射轉換成電訊號。背照式影像感測裝置係一種可以檢測來自背側的光的影像感測裝置。
根據本發明的一些實施例，提供半導體影像感測裝置。此半導體影像感測裝置包含半導體層，包含被配置以感測輻射的一或多個感測區；網格結構，位於半導體層上方，其包含各自對準一或多個感測區的一或多個單元；以及 極化光柵結構，位於網格結構的一或多個單元中，其中極化光柵結構係被配置以極化進入半導體影像感測裝置的光。
根據本發明的另一些實施例，提供半導體影像感測裝置。此半導體影像感測裝置包含一或多個極化光柵結構，包含複數個光柵元件，其對準光極化角度，其中一或多個極化光柵結構係設置於被網格結構定義的複數個單元內；半導體層，具有被配置以感測從網格結構進入半導體層的輻射之複數個感測區，其中半導體層係設置於低於網格結構，使得網格結構的這些單元中的每一個對準半導體層的感測區；以及微透鏡，位於網格結構的每一個單元上方。
根據本發明的又另一些實施例，提供影像感測器的製造方法。此方法包含在具有複數個輻射感測區的半導體層上方沉積膜層堆疊，其中膜層堆疊包含底部金屬層和頂部抗反射層；將膜層堆疊圖案化，以形成：網格結構，包含複數個單元；以及極化光柵結構，位於單元內，其中極化光柵結構包含定向於光極化角度的多個光柵元件；以空氣或介電材料填充在這些光柵元件之間的極化光柵結構；以及以彩色濾光片填充不包含極化光柵結構的這些單元。
100‧‧‧背照式影像感測裝置
102‧‧‧半導體層
104‧‧‧輻射感測區
106‧‧‧前側
108‧‧‧背側
110‧‧‧隔離結構
112‧‧‧抗反射塗層
114‧‧‧蓋層
116‧‧‧複合式網格結構
118‧‧‧單元
120‧‧‧彩色濾光片
122‧‧‧底層
124‧‧‧頂部介電層
126‧‧‧鈍化層
128‧‧‧透明材料層
130‧‧‧微透鏡
132‧‧‧互連結構
134‧‧‧多層互連
136‧‧‧層間介電層
138‧‧‧導線
140‧‧‧導孔/接觸件
142‧‧‧感測裝置
300‧‧‧方法
302、304、306、308‧‧‧步驟
400‧‧‧膜層堆疊
402、404‧‧‧圖案化結構
600‧‧‧光柵元件
610‧‧‧極化光柵結構
P1、P2‧‧‧節距
藉由以下的詳細描述配合所附圖式，可以更加理解本發明實施例的內容。需強調的是，根據產業上的標準慣例，許多部件(feature)並未按照比例繪製。事實上，為了能清楚地討論，各種部件的尺寸可能被任意地增加或減少。
第1圖是根據一些實施例之背照式影像感測裝置的剖面示 意圖。
第2圖是根據一些實施例之具有彩色濾光片之複合式網格結構的上視示意圖。
第3圖是根據一些實施例之在背照式影像感測裝置的複合式網格結構中的極化光柵結構之製造方法的流程圖。
第4-6圖是根據一些實施例之在極化光柵結構的形成期間部分製造的背照式影像感測裝置的剖面示意圖。
第7A-7D圖是根據一些實施例之具有定向於不同極化角度的多個光柵元件的極化光柵結構的上視示意圖。
第8圖是根據一些實施例之在沉積鈍化層之後部分製造的背照式影像感測裝置的剖面示意圖。
第9圖是根據一些實施例之具有極化光柵結構的背照式影像感測裝置的剖面示意圖。
第10-13圖是根據一些實施例之具有不同排列的極化光柵結構的多個複合式網格結構的上視示意圖。
以下內容提供了許多不同的實施例或範例，用於實施所提供之標的之不同部件。組件和配置的具體範例描述如下，以簡化本發明實施例。當然，這些僅僅是範例，並非用以限定本發明實施例。舉例來說，敘述中若提及第一部件形成於第二部件上方，可能包含形成第一和第二部件直接接觸的實施例，也可能包含額外的部件形成於第一和第二部件之間，使得第一和第二部件不直接接觸的實施例。
此外，其中可能用到空間相對用語，例如 「在……之下」、「在……下方」、「下方的」、「在……上方」、「上方的」及類似的用詞，這些空間相對用語係為了便於描述圖示中一個(些)元件或部件與另一個(些)元件或部件之間的關係。這些空間相對用語包含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。
於此使用的用語「標稱(nominal)」是指在產品或製程的設計階段期間設定的組件或製程操作的特性或參數之期望值或目標值，以及高於及/或低於期望值的數值的範圍。數值的範圍可能是來自於製造過程或公差(tolerance)的輕微變化。
於此使用的用語「大致上」是指給定量的數值相差此數值的±5%。
於此使用的用語「約」是指基於與主題半導體裝置相關的特定技術節點(node)可以改變的給定量的數值。基於特定技術節點，用語「約」可以指的是給定量的數值，其例如在此數值的10-30%內變化(例如數值的±10%、±20%或±30%)。
半導體影像感測裝置係用於感測電磁輻射，如光線(例如可見光)。互補式金屬氧化物半導體(Complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)影像感測器(CMOS image sensors，CIS)和電荷耦合裝置(charge-coupled device，CCD)感測器可用於各種應用，例如數位靜 態相機或行動電話相機應用。這些裝置利用基底中的像素陣列(其可以包含光電二極體、電晶體和其他組件)，以吸收(例如感測)投射到此基底的輻射。可以藉由光電二極體(在像素中)，將吸收的輻射轉換成例如電荷或電流的電訊號，可以藉由影像感測裝置的其他模組進一步分析及/或處理這些電訊號。
一種影像感測裝置是背照式影像感測裝置。在背照式影像感測裝置中，彩色濾光片(color filters)和微透鏡(micro-lenses)位於基底的背側(例如在基底的電路的相反側上)，使得影像感測裝置可以在最小障礙或無障礙之下收集光。因此，背照式影像感測裝置係被配置以檢測來自基底背側的光，而不是來自設置影像感測裝置的彩色濾光片和微透鏡之基底前側的光，基底的前側係位於基底的電路和光電二極體之間。相較於前照式(front side illuminated)影像感測裝置，背照式影像感測裝置在低光照條件和較高的量子效率(quantum efficiency，QE)(例如光電轉換百分比)之下具有改善的性能。
影像感測裝置使用彩色濾光片以捕獲入射光線中的顏色資訊。舉例來說，影像感測裝置(經由使用彩色濾光片)可以檢測可見光譜的紅色、綠色和藍色(RGB)區。可以用彩色濾光片材料填充複合式網格結構(composite grid structure)，複合式網格結構可用於將彩色濾光片材料定位在影像感測裝置的光電二極體之上。複合式網格結構可以部分由氧化物或對可見光透明的其他介電材料形成。
此外，為了從入射光收集極化資訊，影像感測裝置還可以配備成具有外部極化器(external polarizers)。極化資訊可用於例如攝影和拍攝的應用。然而，由於極化器是外部的且未整合至複合式網格結構，極化器與影像感測裝置之間的距離可以是相當大的，例如相對於背照式影像感測裝置的尺寸。這種配置可能影響最終產品的尺寸，並且可能限制尺寸減小的成果。此外，為了獲得關於不同極化條件的資訊，外部極化器可以旋轉(rotate)或轉動(spin)，這些可能會影響極化資料獲取時間。
根據本揭露的各種實施例提供一種將一或多個極化器整合於背照式影像感測裝置的複合式網格結構中的方法。在一些實施例中，藉由將複合式網格結構的一或多個彩色濾光片置換成複合式網格結構中的極化光柵(grating)結構(閘極極化器)，將極化器整合至複合式網格結構中。在一些範例中，極化光柵結構可以提供沿著以下極化角度：0°、45°、90°及/或135°的入射光的極化資訊。然而，這些方向並非用於限制，並且可能是其他極化角度。根據一些實施例，極化光柵結構的元件(光柵元件)之間的節距(pitch)可以在約100奈米(nanometers，nm)至約500奈米的範圍(例如從100奈米至500奈米)，並且每個光柵元件的寬度可以在約20奈米至約300奈米的範圍(例如從20奈米至300奈米)。基於入射光的波長將上述範圍最佳化。在一些實施例中，極化光柵結構的光柵元件包含與複合式網格結構相同的材料。在一些實施例中，極化光柵結構的光柵元件包含與複 合式網格結構不同的材料。
第1圖是根據本揭露的一些實施例之背照式影像感測裝置100的簡化剖面示意圖。背照式影像感測裝置100包含具有輻射感測區104的半導體層102。半導體層102可以包含以例如硼的p型摻質摻雜的矽材料。或者，半導體層102可以包含以例如磷或砷的n型摻質摻雜的矽。半導體層102也可以包含其他元素半導體，例如鍺或鑽石。半導體層102可以選擇性地包含化合物半導體及/或合金半導體。此外，半導體層102可以包含磊晶層，可以將磊晶層應變以提高效能。半導體層102可以包含絕緣體上覆矽(silicon-on-insulator，SOI)結構。
半導體層102具有前側(在此也被稱為「底表面」)106和背側(在此也被稱為「頂表面」)108。半導體層102具有在約100微米(μm)至約3000微米的範圍(例如從100微米至3000微米)的厚度。
在半導體層102中形成輻射感測區104。輻射感測區域104被配置以感測輻射，例如從背側108照射半導體層102的入射光線。根據本揭露的一些實施例，輻射感測區104或輻射感測區中的每一個包含可以將光子(photons)轉換為電荷的光電二極體。在本揭露的一些實施例中，輻射感測區104可以包含光電二極體、電晶體、放大器(amplifiers)、其他類似的裝置或前述之組合。輻射感測區104在此也可被稱為「輻射檢測裝置」或「光感測器」。
為簡單起見，在第1圖繪示兩個輻射感測區104， 但是可以在半導體層102中實施額外的輻射感測區104。作為範例而非限制，可以從前側106對半導體層102使用離子佈植製程來形成輻射感測區104。也可以藉由摻質擴散製程形成輻射感測區104。
輻射感測區104以隔離結構110彼此電性隔離。隔離結構110可以是蝕刻至半導體層102中並且以介電材料填充的溝槽，例如氧化矽(silicon oxide)、氮化矽(silicon nitride)、氮氧化矽(silicon oxynitride)、氟摻雜的矽酸鹽玻璃(fluorine-doped silicate glass，FSG)、低介電常數(low-k)介電材料(例如介電常數值低於3.9的材料)及/或合適的絕緣材料。根據本揭露的一些實施例，在半導體層102的背側108上的隔離結構110具有抗反射塗層(anti-reflective coating，ARC)112。抗反射塗層112是可以防止入射光線被輻射感測區/像素104反射的襯層(liner layer)。抗反射塗層112可以包含高介電常數(high-k)材料(例如介電常數值高於3.9的材料)，例如氧化鉿(hafnium oxide，HfO2)、五氧化二鉭(tantalum pentoxide，Ta2O5)、二氧化鋯(zirconium dioxide，ZrO2)、氧化鋁(aluminum oxide，Al2O3)或任何其他高介電常數材料。抗反射塗層112的沉積可以使用濺鍍(sputtering)製程、以化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)為主(CVD-based)的製程、以原子層沉積(atomic layer deposition，ALD)為主的技術或任何其他合適的沉積技術。在本揭露的一些實施例中，抗反射塗層112的厚度可以在約10Å至約500Å的範圍(例如從10Å至500Å)。
如第1圖所示，背照式影像感測器裝置100還包含在半導體層102上方(例如在抗反射塗層112上方)形成的蓋層(capping layer)114。在本揭露的一些實施例中，蓋層114可以提供平坦表面，可以在此平坦表面上形成背照式影像感測裝置100之額外的膜層。蓋層114可以包含介電材料，例如氧化矽(silicon oxide，SiO2)、氮化矽(silicon nitride，Si3N4)、氮氧化矽(silicon oxy-nitride，SiON)或任何其他合適的介電材料。此外，蓋層114可以使用化學氣相沉積或任何其他合適的沉積技術來沉積。在本揭露的一些實施例中，蓋層114的厚度可以在約500Å至約2000Å的範圍(例如從500Å至2000Å)。
此外，背照式影像感測裝置100包含形成於蓋層114上方的複合式網格結構116。根據本揭露的一些實施例，複合式網格結構116包含以行和列配置的單元118，其中每個單元118對準各自的輻射感測區104。如上所述，單元118可以接收紅色、綠色或藍色的彩色濾光片120。
第2圖是根據一些實施例之複合式網格結構116的上視示意圖。可以基於拜爾(Bayer)圖案配置複合式網格結構116中的彩色濾光片120。舉例來說，複合式網格結構116可以包含50%綠色濾光片、25%紅色濾光片和25%藍色濾光片，其中複合式網格結構116的每隔一個單元118填以不同的彩色濾光片120。然而，此描述並非用於限制，並且可以由相同顏色的彩色濾光片佔據(例如填充)相鄰單元118。
參照第1圖，複合式網格結構116的單元118的形 成可以藉由沉積底層122和頂部介電層124並且選擇性地蝕刻掉底層122和頂部介電層124的部分以形成單元118。作為範例而非限制，複合式網格結構116的形成可以如下：可以毯覆式(blanket)沉積底層122和頂部介電層124於蓋層114上；以及可以使用一或多個光微影(photolithography)和蝕刻步驟來圖案化底層122和頂部介電層124，以形成單元118的側壁。可以執行光微影和蝕刻步驟，使得複合式網格結構116的每個單元118對準半導體層102之各自的輻射感測區104。在一些實施例中，複合式網格結構116的每個單元118的側壁高度可以在約200奈米至約1000奈米的範圍(例如從200奈米至1000奈米)。
可以由鈦、鎢、鋁或銅形成單元118的底層122。然而，單元118的底層122可以不限於金屬，並且可以包含其他合適的材料或材料堆疊，其可以將入射的可見光反射且導向輻射感測區104。在本揭露的一些實施例中，單元118的底層122的形成使用濺鍍製程、電鍍(plating)製程、蒸鍍製程或任何其他合適的沉積方法。根據本揭露的一些實施例，每個單元118的底層122的厚度可以在約100Å至約3000Å的範圍(例如從100Å至3000Å)。
頂部介電層124可以包含一或多層介電層。在一些實施例中，頂部介電層124可以保護先前形成的背照式影像感測裝置100的膜層(例如底層122和蓋層114)。頂部介電層124可以允許入射光通過並且到達輻射感測區104。可以由一或多種透明材料形成頂部介電層124。在本揭露的一些實施例 中，頂部介電層124可以包含SiO2、Si3N4、SiON或任何其他合適的透明介電材料。根據一些實施例，頂部介電層124的沉積可以藉由化學氣相沉積或原子層，並且可以具有在約1000Å至約3000Å的範圍的沉積厚度(例如從1000Å至3000Å)。在一些實施例中，複合式網格結構116包含多於兩層，例如第一層鎢、第一層上方的第二層電漿增強氧化物(plasma-enhanced oxide，PEOX)以及第二層上方的第三層氮氧化矽。
單元118也包含鈍化層126，其插入在彩色濾光片120和單元118的側壁材料(例如底層122和頂部介電層124)之間。作為範例而非限制，可以藉由以化學氣相沉積為主或以原子層沉積為主的沉積技術保形地(conformal)沉積鈍化層126。可以由介電材料形成鈍化層126，例如SiO2、Si3N4、SiON，並且可以具有在約50Å至約3000Å的範圍(例如從50Å至3000Å)的厚度。
根據一些實施例，彩色濾光片120的頂表面可以對準頂部介電層124上的鈍化層126的頂表面。或者，彩色濾光片120可以位於頂部介電層124上的鈍化層126的頂表面上方。為了示範和解釋的目的，彩色濾光片120的頂表面將被描述成對準頂部介電層124上的鈍化層126的頂表面。
在複合式網格結構116的單元118接收它們各自的彩色濾光片120之後，可以在複合式網格結構116和彩色濾光片120上方形成透明材料層128。根據一些實施例，如果彩色濾光片120的頂表面對準頂部介電層124上方的鈍化層126的頂 表面，透明材料層128可以接觸鈍化層126。或者，在一些實施例中，如果彩色濾光片120的頂表面高於頂部介電層124上方的鈍化層126的頂表面上方，則透明材料層128可以不接觸鈍化層126。在一些範例中，透明材料層128在複合式網格結構116的每個單元118上方形成微透鏡130。微透鏡130對準各自的輻射感測區104並且形成為使得它們覆蓋單元118的邊界內(例如在每個單元118的側壁內)的彩色濾光片120的頂表面。
由於微透鏡130的曲率，微透鏡130比透明材料層128的其他區域(例如頂部介電層124上方的微透鏡130之間的區域)更厚。舉例來說，透明材料層128在彩色濾光片120上方(例如形成微透鏡130之處)較厚並且在微透鏡130之間的區域(例如在頂部介電層124上方)較薄。
參照第1圖，背照式影像感測裝置100還可以包含互連結構132。互連結構132可以包含圖案化的介電層和導電層，其形成輻射感測區104和其他部件(未繪示於第1圖)之間的互連(例如佈線(wiring))。舉例來說，互連結構132可以是埋設於層間介電(interlayer dielectric，ILD)層136中的一或多個多層互連(multilayer interconnect，MLI)結構134。根據本揭露的一些實施例，多層互連結構134可以包含接觸件/導孔(vias)和金屬線。為了說明的目的，第1圖繪示多條導線138和導孔/接觸件140。導線138和導孔/接觸件140的位置和配置可以根據設計而變化，並且不限於第1圖的描繪。此外，互連結構132可以包含感測裝置142。舉例來說，感測 裝置142可以是場效電晶體(field effect transistors，FET)及/或記憶體單元的陣列，其電性連接至對應的輻射感測區(或像素)104，並且被配置以讀取這些區域中產生的電訊號，作為光電轉換過程的結果。
在本揭露的一些實施例中，互連結構132可以是部分製造的積體電路(integrated circuit，IC)的頂層或者可以是包含多層互連、電阻器、電晶體及/或其他半導體裝置的完全製造的積體電路的頂層。因此，互連結構132可以包含前段製程(front end of the line，FEOL)和中段製程(middle of the line，MOL)膜層。此外，互連結構132可以經由緩衝層(未繪示於第1圖)附接(attach)至載體基底(未繪示於第1圖)，此載體基底可以對在載體基底上製造的結構(例如互連層(又稱為互連結構)132、半導體層102等)提供支撐。舉例來說，載體基底可以是矽晶圓、玻璃基底或任何其他合適的材料。
在本揭露的一些實施例中，背照式影像感測裝置100的製造可以包含在矽基底(例如矽晶圓)上形成半導體層102，並且隨後在半導體層102的前側106上方形成互連結構132。互連結構132可以在完成之前經歷多次光微影、蝕刻、沉積和平坦化(planarization)步驟。一旦形成互連結構132，載體基底(如上所述)可以附接至互連結構132的頂部。舉例來說，緩衝層可以作為載體基底和互連結構132之間的黏著介質。可以將矽基底倒置，並且可以機械地研磨和拋光矽基底，直到露出半導體層102的背側108。隨後可以形成 半導體層102的背側108上的隔離結構，以進一步電性隔離輻射感測區或像素104。可以在半導體層102的背側108上形成蓋層114以及複合式網格結構116。
可以形成複合式網格結構116，使得每個複合式網格結構116的單元118對準各自的輻射感測區或像素104。可以藉由光微影步驟達到複合式網格結構116和輻射感測區或像素104的對準，舉例來說，此光微影步驟係基於存在於半導體層102的背側108上的對準標記。複合式網格結構116的形成可以包含使用光微影和蝕刻步驟的底層122和頂部介電層124的沉積和隨後的圖案化以形成單元118。隨後在底層122和頂部介電層124的露出表面上方沉積鈍化層126。彩色濾光片120可以填充單元118，並且可以在單元118上沉積透明材料層128以形成微透鏡130。背照式影像感測裝置100的製造不限於上述步驟，並且可以執行額外或替代的步驟。
根據一些實施例，第3圖是用於在影像感測器的複合式網格結構內形成一或多個極化光柵結構(網格極化器)的方法300的流程圖。為了示範的目的，將在第1圖的背照式影像感測裝置100的背景下描述方法300。極化光柵結構可以具有以下任何極化方向：0°、45°、90°或135°。然而，這些方向並非用於限制，並且可能是其他極化方向。方法300不限於背照式影像感測裝置，並且可以擴展至其他種類的影像感測裝置，例如前照式影像感測裝置，其共享類似的材料層及/或幾何形狀。這些其他種類的影像感測裝置係在本揭露的精神和範圍內。
根據一些實施例，方法300可以在複合式網格結構116的單元118中形成光柵元件。光柵元件可以定向於一極化角度，此極化角度可以於0°至135°的範圍以45°增量(例如0°、45°、90°和135°)。方法300不限於以下描述的步驟。可以在方法300的各種步驟之間執行其他的製造步驟，並且僅為了清楚起見而省略這些其他的製造步驟。
參照第3圖，方法300開始於步驟302，在此於半導體層上方形成膜層堆疊。在一些範例中，膜層堆疊可以包含多於2層。第4圖繪示根據方法300的部分製造的影像感測器，例如第1圖的背照式影像感測器裝置100。在第4圖中，並且根據步驟302，在半導體層102上方形成包含底層122以及頂部介電層124的膜層堆疊400。如上所述，底層122可以包含鈦、鎢、鋁或銅。然而，底層122不限於金屬，並且可以包含其他合適的材料或材料堆疊，其可以將入射的可見光反射並導向半導體層102的輻射感測區104。作為範例而非限制，底層122的形成可以使用濺鍍製程、電鍍製程、蒸鍍製程、化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)製程、原子層沉積(atomic layer deposition，ALD)製程或任何合適的沉積方法。此外，底層122的厚度可以在約100Å至約3000Å的範圍(例如從100Å至3000Å)。不直接在半導體層102上沉積底層122。根據一些實施例，底層122沉積於蓋層114上方。在一些實施例中，底層122可以沉積於設置在底層122和蓋層114之間的黏著/阻障(barrier)層上。為簡單起見，第4圖未繪示黏著/阻障層。
根據步驟302，並參照第4圖，膜層堆疊400的頂部介電層124可以沉積於底層122上方。在一些實施例中，頂部介電層124可以是一或多層介電層的堆疊。在一些實施例中，頂部介電層124允許進入的可見光通過。換句話說，頂部介電層124係由一或多種透明材料形成，其作為抗反射材料。在一些實施例中，頂部介電層124係由SiO2、Si3N4、SiON、SiC、聚合物或其他合適的透明介電材料形成。頂部介電層124的沉積可以藉由化學氣相沉積或原子層沉積，並且具有從約1000Å至約3000Å的範圍(例如從1000Å至3000Å)的沉積厚度。或者，頂部介電層124可以被旋轉塗佈(spin-coated)於底層122上。
參照第3圖，方法300繼續步驟304並且在複合式網格結構(例如複合式網格結構116)內形成其中具有光柵元件的一或多個極化光柵結構。在一些實施例中，同時執行一或多個極化光柵結構的形成與複合式網格結構(例如複合式網格結構116)的形成。舉例來說，參照第4圖，可以在膜層堆疊400上方沉積光阻(photoresist，PR)層或硬遮罩(hard mask，HM)層。隨後可以將光阻層或硬遮罩層圖案化，使得圖案化結構402和404形成於膜層堆疊400上方。圖案化結構402可以具有從約100奈米至約500奈米的範圍(例如從100奈米至500奈米)之節距P1，並且可被用於形成極化光柵結構的光柵元件。如上所述，節距P1的範圍確保每個光柵元件的寬度可以在約20奈米至約300奈米的範圍(例如從20奈米至300奈米)。圖案化結構404可以具有大於節距P1的節距P2(例 如，P2>P1)，並且可被用於形成複合式網格結構116的單元118的側壁。作為範例而非限制，四個圖案化結構402和404分別繪示於第4圖。然而，根據一些實施例，額外的圖案化結構402和404可能跨過膜層堆疊400。此外，負責形成極化光柵結構的光柵元件的圖案化結構402可以形成為其長度相對於圖案化結構404具有一角度，圖案化結構404負責在複合式網格結構116中形成單元118。在一些實施例中，圖案化結構402和404之間的角度與可見光的極化角度一致。在一些實施例中，極化角度可以是0°至135°的範圍以45°增量。
為了示範的目的，光柵元件的形成將描述成圖案化結構402平行於圖案化結構404(例如導致光柵元件具有0°的極化角度)。基於在此的揭露，可以實施如上所述的其他取向(orientation)角度。這些取向角度係在本揭露的精神和範圍內。
圖案化結構402和404作為遮罩層，使得後續蝕刻製程可選擇性地移除圖案化結構402和404之間的膜層堆疊400，以形成複合式網格結構116。在一些實施例中，蝕刻製程可以對頂部介電層124和底層122使用不同的蝕刻化學物質。在一些實施例中，蝕刻製程是終點的(end pointed)；舉例來說，當露出蓋層114時，可以自動終止蝕刻製程。另外，蝕刻製程可以是定時的(timed)，或者可以是定時蝕刻製程和終點蝕刻製程的結合。在一些範例中，蝕刻製程是異向性的(anisotropic)，使得蝕刻後的部件具有標稱地垂直側壁。此外，蝕刻製程可以對頂部介電層124和底層122具有高 選擇性。第5圖是第4圖在上述步驟304的蝕刻製程之後的示範結構。
一旦完成蝕刻製程，就可以用濕式蝕刻化學物質去除圖案化結構402和404。在第6圖繪示出得到的蝕刻結構，例如光柵元件600和單元118的側壁。在一些實施例中，光柵元件600的高度在約200奈米和約1000奈米之間(例如從200奈米至1000奈米)，它們的寬度在約20奈米和約300奈米之間(例如從20奈米至300奈米)，並且它們的節距在約100奈米至約500奈米之間(例如從100奈米至500奈米)。在第6圖的範例中，極化光柵結構610的光柵元件600平行(例如以0°極化角度)對準複合式網格結構116的單元118的側壁，如第7a圖之繪示作為範例，這是在0°極化角度下的單元118內的極化光柵結構610的上視示意圖。根據第6圖，極化光柵結構610可以是複合式網格結構116的部分。換句話說，極化光柵結構610可以形成於複合式網格結構116的單元118中。如上所述，光柵元件600可以相對於單元118的側壁對準成不同的角度，使得極化光柵結構610可以檢測具有額外極化角度的光。作為範例而非限制，第7(a)-(d)圖是具有光柵元件600之例示性極化光柵結構610的上視示意圖，其中光柵元件600相對於單元118的側壁以不同的角度定向(例如0°、45°、90°或135°)。如上所述，這些角度可以與入射光的相應極化角度重合。
此外，複合式網格結構116和極化光柵結構610的單元118大致上對準半導體層102的輻射感測區104。此外，額外的極化光柵結構可能跨越複合式網格結構116。
參照第8圖，在形成光柵元件600和單元118之後，在光柵元件600和單元118的側壁上方保形地沉積鈍化層126。作為範例而非限制，鈍化層126的沉積可以藉由以化學氣相沉積為主或以原子層沉積為主的沉積方法。可以由例如SiO2、Si3N4、SiON的介電材料形成鈍化層126，並且鈍化層126可以具有約50Å至約3000Å之間(例如從50Å至3000Å)的厚度。
參照第3圖，方法300繼續步驟306，在此極化光柵結構610的光柵元件600之間的間隙填以彩色濾光片、空氣、介電材料或前述之組合。在一些實施例中，介電材料是由SiO2、Si3N4、SiON、SiC或聚合物形成的透明/抗反射材料。
在步驟308中，以一或多個彩色濾光片120填充複合式網格結構116的單元118，如第9圖所示。在一些實施例中，彩色濾光片120可以是紅色、綠色或藍色。在第9圖的範例中，以空氣填充光柵元件600之間的間隙。根據一些實施例，第10至13圖繪示在複合式網格結構116中具有不同極化角度之彩色濾光片120和極化網格結構610的例示性配置。第10-13圖的範例並非用於限制，並且可能有額外的配置，並且這些額外的配置係在本揭露的精神和範圍內。舉例來說，在拜爾圖案中(在此複合式網格結構116可以包含50%綠色濾光片、25%紅色濾光片和25%藍色濾光片)，極化光柵結構可以取代一些綠色濾光片。
參照第9圖，可以在每個單元118和極化光柵結構 610上方形成微透鏡130。微透鏡130將入射光線聚焦至複合式網格結構116的相應單元118中，朝向半導體層102的輻射感測區104。
本揭露涉及一種描述極化光柵結構(例如極化器)的形成方法，此極化光柵結構作為背照式影像感測裝置的複合式網格結構的部分。在一些實施例中，藉由以極化光柵結構(網格極化器)取代複合式網格結構的一或多個彩色濾光片，可以將極化光柵結構整合至複合式網格結構中。在一些實施例中，極化光柵結構可以提供沿著以下極化方向之入射光的極化資訊：0°、45°、90°及/或135°。不限於上述極化方向，也可能是其他極化方向。根據一些實施例，極化光柵結構的光柵元件之間的節距可以在約100奈米至約500奈米的範圍(例如從100奈米至500奈米)，並且每個光柵元件的寬度可以在約20奈米至約300奈米的範圍(例如從20奈米至300奈米)。可以由與複合式網格結構相同的材料形成極化光柵結構的光柵元件。將極化器整合至感測裝置的複合式網格結構可以提供許多益處，包含：影像感測器的緊密設計、沒有移動部分以及更快地獲取光極化資訊(例如同時收集所有極化角度的極化資訊)。
在一些實施例中，半導體影像感測裝置包含半導體層，具有被配置以感測輻射的一或多個感測區；網格結構，位於半導體層上方，具有各自對準一或多個感測區的一或多個單元；以及極化光柵結構，位於網格結構的一或多個單元中，其中極化光柵結構係被配置以極化進入半導體影像 感測裝置的光。在一些實施例中，極化光柵結構的極化角度包含0°、45°、90°或135°。在一些實施例中，極化光柵結構包含複數個光柵元件，其節距在約100奈米和約500奈米之間。在一些實施例中，極化光柵結構包含複數個光柵元件，其高度在約200奈米和約1000奈米之間。在一些實施例中，極化光柵結構包含複數個光柵元件，其寬度在約20奈米和約300奈米之間。在一些實施例中，極化光柵結構包含空氣、彩色濾光片或對光線透明的介電材料。在一些實施例中，極化光柵結構包含複數個光柵元件，其由鎢、氮氧化矽、氮化矽、碳化矽、氧化矽或高分子形成。在一些實施例中，此裝置更包含：彩色濾光片，設置於一或多個單元中；微透鏡，位於一或多個單元中的每一個上方；以及互連結構，位於半導體層下方，被配置以提供電性連接至半導體層的一或多個感測區。
在一些實施例中，半導體影像感測裝置包含一或多個極化光柵結構，具有複數個光柵元件，其對準一光極化角度，其中一或多個極化光柵結構係設置於被網格結構定義的複數個單元內；半導體層，具有被配置以感測從網格結構進入半導體層的輻射之複數個感測區，其中半導體層係設置於低於網格結構，使得網格結構的這些單元中的每一個對準半導體層的感測區；以及微透鏡，位於網格結構的每一個單元上方。在一些實施例中，一或多個極化光柵結構係排列於網格結構中的複數個相鄰單元中。在一些實施例中，一或多個極化光柵結構係排列於網格結構中的複數個非相鄰單元 中。在一些實施例中，一或多個極化光柵結構佔據網格結構中的任何單元。在一些實施例中，位於極化光柵結構底下的感測區係被配置以接收具有一極化角度的極化光，此極化角度與在一或多個極化光柵結構中的這些光柵元件的光極化角度一致。在一些實施例中，一或多個一極化光柵結構中的每一個係設置於微透鏡和半導體層中的感測區之間。在一些實施例中，半導體影像感測裝置更包含互連結構，設置於相對於網格結構的半導體層的一側上。
在一些實施例中，影像感測器的製造方法包含在具有複數個輻射感測區的半導體層上方沉積膜層堆疊，其中此膜層堆疊包含底部金屬層和頂部抗反射層。此方法更包含，將膜層堆疊圖案化，以形成：具有複數個單元的網格結構以及位於單元內的極化光柵結構，其中極化光柵結構包含定向於一光極化角度的複數個光柵元件。此方法也包含以空氣或介電材料填充在這些光柵元件之間的極化光柵結構；以及以彩色濾光片填充不包含極化光柵結構的這些單元。在一些實施例中，影像感測器的製造方法更包含在網格結構的每一個單元上方形成微透鏡。在一些實施例中，膜層堆疊的圖案化包含：在膜層堆疊上方設置光阻層或硬遮罩層；將光阻層或硬遮罩層圖案化，以形成複數個第一圖案化結構和複數個第二圖案化結構，其中這些第一圖案化結構具有不同於這些第二圖案結構的節距；經由這些第一圖案化結構蝕刻膜層堆疊，以形成網格結構的這些單元；以及經由這些第二圖案化結構蝕刻膜層堆疊，以形成極化光柵結構的這些光柵元 件。在一些實施例中，這些光柵元件的節距在100奈米和500奈米之間且高度在200奈米和1000奈米之間。在一些實施例中，進入影像感測器的光係根據在極化光柵結構中的這些光柵元件的光極化角度被極化。
應理解的是，以本揭露的實施方式解釋申請專利範圍，而不是以本揭露的摘要。揭露部分的摘要可以闡述一或多個但不是所有考慮到的例示性實施例，因此並非用於限制附加的申請專利範圍。
以上概述數個實施例之部件，使得在本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以更加理解本發明實施例的面向。在本發明所屬技術領域中具有通常知識者應該理解，他們能以本發明實施例為基礎，設計或修改其他製程和結構，以達到與在此介紹的實施例相同之目的及/或優勢。本發明所屬技術領域中具有通常知識者也應該理解到，此類等效的結構並未悖離本發明的精神與範圍，且他們能在不違背本發明之精神和範圍下，做各式各樣的改變、取代和替換。

Claims (20)

  1. 一種半導體影像感測裝置，包括：一半導體層，包括被配置以感測輻射的一或多個感測區；一網格結構，位於該半導體層上方，其包括各自對準該一或多個感測區的一或多個單元；以及一極化光柵結構，位於該網格結構的該一或多個單元中，其中該極化光柵結構係被配置以極化進入該半導體影像感測裝置的光。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體影像感測裝置，其中該極化光柵結構的一極化角度包含0°、45°、90°或135°。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之半導體影像感測裝置，其中該極化光柵結構包括複數個光柵元件，其節距在約100奈米(nanometer，nm)和約500奈米之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之半導體影像感測裝置，其中該極化光柵結構包括複數個光柵元件，其高度在約200奈米和約1000奈米之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之半導體影像感測裝置，其中該極化光柵結構包括複數個光柵元件，其寬度在約20奈米和約300奈米之間。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之半導體影像感測裝置，其中該極化光柵結構包括空氣、彩色濾光片或對光線透明的介電材料。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之半導體影像感測裝置，其中該極化光柵結構包括複數個光柵元件，其由鎢、氮氧化 矽、氮化矽、碳化矽、氧化矽或高分子形成。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之半導體影像感測裝置，更包括：一彩色濾光片，設置於該一或多個單元中；一微透鏡，位於該一或多個單元中的每一個上方；以及一互連結構，位於該半導體層下方，被配置以提供電性連接至該半導體層的該一或多個感測區。
  9. 一種半導體影像感測裝置，包括：一或多個極化光柵結構，包括複數個光柵元件，其對準一光極化角度，其中該一或多個極化光柵結構係設置於被一網格結構定義的複數個單元內；一半導體層，具有被配置以感測從該網格結構進入該半導體層的輻射之複數個感測區，其中該半導體層係設置於低於該網格結構，使得該網格結構的該些單元中的每一個對準該半導體層的一感測區；以及一微透鏡，位於該網格結構的每一個單元上方。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之半導體影像感測裝置，其中該一或多個極化光柵結構係排列於該網格結構中的複數個相鄰單元中。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之半導體影像感測裝置，其中該一或多個極化光柵結構係排列於該網格結構中的複數個非相鄰單元中。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之半導體影像感測裝置，其中該一或多個極化光柵結構佔據該網格結構中的任何單元。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之半導體影像感測裝置，其中位於一極化光柵結構底下的一感測區係被配置以接收具有一極化角度的極化光，該極化角度與在該一或多個極化光柵結構中的該些光柵元件的該光極化角度一致。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之半導體影像感測裝置，其中該一或多個一極化光柵結構中的每一個係設置於一微透鏡和該半導體層中的一感測區之間。
  15. 如申請專利範圍第9項所述之半導體影像感測裝置，更包括一互連結構，設置於相對於該網格結構的該半導體層的一側上。
  16. 一種影像感測器的製造方法，包括：在具有複數個輻射感測區的一半導體層上方沉積一膜層堆疊，其中該膜層堆疊包括一底部金屬層和一頂部抗反射層；將該膜層堆疊圖案化，以形成：一網格結構，包括複數個單元；一極化光柵結構，位於一單元內，其中該極化光柵結構包括定向於一光極化角度的複數個光柵元件；以空氣或一介電材料填充在該些光柵元件之間的該光柵結構；以及以彩色濾光片填充不包含一極化光柵結構的該些單元。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之影像感測器的製造方法，更包括：在該網格結構的每一個單元上方形成一微透鏡。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之影像感測器的製造方法，其中該膜層堆疊的圖案化包括：在該膜層堆疊上方設置一光阻層或一硬遮罩層；將該光阻層或該硬遮罩層圖案化，以形成複數個第一圖案化結構和複數個第二圖案化結構，其中該些第一圖案化結構具有一不同於該些第二圖案結構的節距；經由該些第一圖案化結構蝕刻該膜層堆疊，以形成該網格結構的該些單元；以及經由該些第二圖案化結構蝕刻該膜層堆疊，以形成該極化光柵結構的該些光柵元件。
  19. 如申請專利範圍第16項所述之影像感測器的製造方法，其中該些光柵元件的節距在100奈米和500奈米之間且高度在200奈米和1000奈米之間。
  20. 如申請專利範圍第16項所述之影像感測器的製造方法，其中進入該影像感測器的光係根據在該極化光柵結構中的該些光柵元件的該光極化角度被極化。
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