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TW202133417A - 圖像感測器及其形成方法及積體晶片 - Google Patents

圖像感測器及其形成方法及積體晶片 Download PDF

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TW202133417A
TW202133417A TW109125837A TW109125837A TW202133417A TW 202133417 A TW202133417 A TW 202133417A TW 109125837 A TW109125837 A TW 109125837A TW 109125837 A TW109125837 A TW 109125837A TW 202133417 A TW202133417 A TW 202133417A
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周正賢
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台灣積體電路製造股份有限公司
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Abstract

本文的各種實施例涉及一種具有設置在基底內的光偵測器的圖像感測器。基底具有前側表面及後側表面。吸收增強結構沿基底的後側表面設置且上覆在光偵測器上。吸收增強結構包括從基底的後側表面向外延伸的多個突起。所述多個突起中的每一突起包括相對的彎曲側壁。

Description

提高圖像感測器的量子效率的吸收增強結構
諸多現代電子裝置（例如數位相機、光學成像裝置等）皆包括圖像感測器。圖像感測器將光學圖像轉換成可以數位圖像形式表示的數位資料。圖像感測器包括畫素感測器陣列，畫素感測器是用於將光學圖像轉換成數位資料的單元裝置。一些類型的畫素感測器包括電荷耦合裝置（charge-coupled device，CCD）圖像感測器及互補金屬氧化物半導體（complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS）圖像感測器（CMOS image sensor，CIS）。與CCD畫素感測器相比，CIS由於功耗低、尺寸小、資料處理快、資料直接輸出及製造成本低而受到青睞。
本文提供諸多不同的實施例或實例以實施本文的不同特徵。下文闡述元件及排列的具體實例以簡化本文。當然，這些僅是實例並不旨在進行限制。舉例來說，在以下說明中，第一特徵形成在第二特徵之上或形成在第二特徵上可包括第一特徵與第二特徵形成為直接接觸的實施例，且還可包括其中在第一特徵與第二特徵之間可形成額外特徵以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，本文可在各種實例中重複使用參考編號和/或字母。此重複是出於簡明及清晰目的，而並非自身指示所論述的各種實施例和/或配置之間的關係。
此外，為便於說明起見，本文中可使用例如“在…下面（beneath）”、“在…下方（below）”、“下部的（lower）”、“在…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）元件或特徵之間的關係。除圖中所繪示的定向之外，所述空間相對性用語還旨在囊括裝置在使用或操作中的不同定向。可以其他方式對設備進行定向（旋轉90度或處於其他定向），且同樣地可據此對本文中所使用的空間相對性描述語加以解釋。
CMOS圖像感測器（CIS）通常包括畫素區陣列，畫素區分別具有排列在半導體基底內的光偵測器。彩色濾光片排列在光偵測器之上且被配置成對提供到CIS內的不同光偵測器的入射光進行濾光。在接收到光之後，光偵測器被配置成產生與所接收到的光對應的電信號。信號處理單元可處理來自光偵測器的電信號以確定CIS所拍攝的圖像。量子效率（Quantum efficiency，QE）是促成由畫素區內的光偵測器產生的電信號的光子數目對入射在畫素區上的光子數目的比率。已瞭解到，可使用晶片上吸收增強結構（on-chip absorption enhancement structure）來提高CIS的QE。
在一些實施例中，沿半導體基底的後側表面設置有吸收增強結構，以使得吸收增強結構上覆在光偵測器上。吸收增強結構可包括具有三角形形狀的多個突起，以使得所述突起被配置成增加用於設置在半導體基底的後側上的入射電磁輻射的光接收表面積。通常，三角形的突起具有實質上筆直側壁。相對於具有實質上平整表面的後側來說，此可部分地增加設置在光偵測器上的入射電磁輻射的量，從而提高CIS的QE。然而，由於每一突起的側壁是實質上筆直的，因此可減小用於入射電磁輻射的光接收表面積，進而會降低CIS的QE。
因此，本文的一些實施例涉及一種包括沿半導體基底的後側表面設置的吸收增強結構的圖像感測器。此外，光偵測器設置在半導體基底內且直接位於吸收增強結構之下。吸收增強結構包括沿半導體基底的後側表面設置的多個突起。吸收增強結構中的每一突起包括彎曲側壁。通過所述彎曲側壁，能增加用於設置在半導體基底的後側表面上的入射電磁輻射的光接收表面積。舉例來說，突起的彎曲側壁的弧長度大於另一突起的實質上筆直側壁的對應長度，其中所述突起與所述另一突起具有相同的高度。此使光接收表面積增加，從而提高圖像感測器的QE。
圖1說明包括吸收增強結構110的圖像感測器100的一些實施例的剖視圖，吸收增強結構110包括沿基底104的表面設置的多個突起112。
圖像感測器100包括沿基底104的前側104f設置的內連結構102。在一些實施例中，基底104可包含任何半導體本體（例如，塊狀矽、外延矽、另一適合的半導體材料或前述材料的任何組合）和/或具有第一摻雜類型（例如，p型摻雜）。基底104具有第一折射率（例如，處於約3.40到3.99的範圍內或另一適合的值）。光偵測器108設置在基底104內且被配置成將入射電磁輻射116（例如，光子）轉換成電信號（即，以從入射電磁輻射116產生電子電洞對）。光偵測器108包括與第一摻雜類型相反的第二摻雜類型（例如，n型摻雜）。在一些實施例中，第一摻雜類型是n型，且第二摻雜類型是p型，反之亦然。在另外的實施例中，光偵測器108可被配置成和/或包括光電二極體或另一適合的圖像感測器裝置。第一隔離結構106設置在基底104內且從基底104的前側104f延伸到位於前側104f上方的一點。在一些實施例中，第一隔離結構106可包含介電材料（例如，二氧化矽、氮化矽、碳化矽等）和/或可被配置成淺溝渠隔離（shallow trench isolation，STI）結構或另一適合的隔離結構。
吸收增強結構110沿基底104的後側104b排列，其中後側104b與基底104的前側104f相對。此外，上部介電結構114上覆在吸收增強結構110上。上部介電結構114具有第二折射率（例如，處於約1.40到1.55的範圍內或另一適合的值）。在一些實施例中，第一折射率大於第二折射率。吸收增強結構110被配置成通過改善光偵測器108對光子的吸收來提高下伏的光偵測器108的量子效率（QE）。在一些實施例中，吸收增強結構110可被配置成通過修改透射到光偵測器108的入射電磁輻射116的性質來提高QE。舉例來說，在一些實施例中，基底104是單晶矽基底，且吸收增強結構110對應於位於基底104的後側104b中的一個或多個凹槽113以及與凹槽113以嚙合方式交會的對應突起112，因此基底104的後側104b是非平面的（non-planar）。凹槽113填充有上部介電結構114，其中上部介電結構114包含與突起112以嚙合方式交會的介電材料（例如，二氧化矽）。突起112是基底104（例如，由單晶矽製成）的一部分，或另一選擇為由基底104的後側104b上的一層非晶矽或多晶矽製成（例如，通過化學氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD）、電漿氣相沉積（plasma vapor deposition，PVD）或另一適合的沉積製程形成）。在一些實施例中，突起112按照規律間隔開的間距排列和/或被排列成週期性圖案。凹槽113與突起112交會處的介面110f有助於重新引導入射電磁輻射116穿過基底104並朝向光偵測器108而去。因此，凹槽113與突起112確立會增加基底104對入射電磁輻射116的吸收的形貌（例如，通過減少光從非平面的表面的反射）。在另外的實施例中，凹槽113各自具有凹形的形狀，以使得突起112可各自具有彎曲的相對側壁。通過突起112的彎曲的相對側壁，能增加用於設置在基底104的後側104b上的入射電磁輻射116的光接收表面積，從而提高圖像感測器100的QE。此外，如圖1中所說明，每一突起112包括交會在突起點112p處的相對的彎曲側壁112cs，其中突起點112p界定突起112的最頂點。
圖2說明與圖1所示圖像感測器100的一些替代實施例對應的圖像感測器200的剖視圖的一些實施例。
如圖2中所說明，每一突起112包括分別從上表面112us延伸的相對的彎曲側壁112cs。在這些實施例中，每一突起112的上表面112us可以是實質上平整的（例如，處於化學機械研磨（chemical mechanical polishing，CMP）製程的公差內的平整的上表面）。舉例來說，在一些實施例中，在任何點處，突起112的上表面112us的高度在與平直水平線202相距-25埃與+25埃的範圍內變化。在又一些其他實施例中，在任何點處，突起112的上表面112us的高度在與平直水平線202相距基底104的厚度的近似+5%與-5%的範圍內變化。
另外，每一突起112的相對的彎曲側壁112cs是由於每一凹槽113包括沿基底104的後側104b具有實質上弧形橫截面的弧形凹部。弧形凹部具有與弧形凹部的長度成比例的表面積（例如，以使得突起112的表面積可對應於弧形凹部的長度），以使得內表面的弧長度橫跨角度Ф的弧形凹部將具有近似等於（Ф/360°）*d*π的長度L。舉例來說，距離為d（例如，點A與點B之間的側向距離）且弧長度橫跨180°（即半圓，其中Ф=180°）的半圓形弧形凹部將具有近似等於（180°/360°）*d*π =（π/2）*d的長度L（沿基底104的後側104b的一部分在點A與點B之間延伸）。
在一些實施例中，各自彎曲的凹槽113使得每一突起112包括相對的彎曲側壁112cs，從而相對於筆直側壁來說增加沿基底104的後側104b的橫截面的長度。舉例來說，在一些實施例中，如果每一凹槽113包括相對的筆直傾斜側壁ss1、ss2（如從點C延伸到點A且從點C延伸到點B的虛線所說明），則沿相對的傾斜側壁ss1、ss2延伸的點A與點B之間的長度小於沿弧形凹部延伸的長度L。點A與點B之間的增加的長度L會增加用於設置在基底104的後側104b上的入射電磁輻射的光接收面積，從而提高圖像感測器200的QE。
在一些實施例中，突起112的彎曲側壁112cs被界定成從點C到點B。在另外的實施例中，當沿突起112的彎曲側壁112cs的遞增區段從點C到點B移動時，彎曲側壁112cs的斜率連續地增加。在彎曲側壁112cs與下部水平線204之間界定的角度α例如可處於約30度到120度的範圍內或可以是另一適合的值。下部水平線204可平行於平直水平線202。在又一些實施例中，當沿每一突起112的彎曲側壁112cs的遞增區段從對應的彎曲側壁112cs的底部點到所述多個突起112的上表面112us移動時，彎曲側壁112cs的斜率連續地增加。因此，在一些實施例中，每一彎曲側壁112cs可具有處於約30度到120度的範圍內或是另一適合的值的角度α。
圖3A說明包括吸收增強結構110的圖像感測器300a的一些實施例的剖視圖，吸收增強結構110包括沿基底104的後側104b設置的多個突起112。
在一些實施例中，圖像感測器300a包括上覆在內連結構102上的基底104。圖像感測器300a可被配置成後側照明式CMOS圖像感測器（back-side illuminated CMOS image sensor，BSI-CIS）或另一適合的圖像感測器裝置。在一些實施例中，基底104例如可以是或包含任何類型的半導體本體（例如單晶矽、CMOS塊體、矽鍺（SeGe）、絕緣體上矽（silicon-on-insulator，SOI））、或另一適合的半導體本體或材料，和/或具有第一摻雜類型（例如，p型摻雜）。光偵測器108設置在基底104內且例如可包括與第一摻雜類型相反的第二摻雜類型（例如，n型摻雜）。應瞭解，分別包括另一摻雜類型的光偵測器108和/或基底104也處於本文的範圍內。在一些實施例中，光偵測器108可被配置成從包括一定波長範圍內的電磁輻射的可見光輻射產生電信號。舉例來說，所述波長範圍可處於約400納米到700納米的範圍內。應瞭解，波長範圍的其他值也處於本文的範圍內。
第一隔離結構106沿基底104的前側104f設置且在側向上封圍光偵測器108。在一些實施例中，第一隔離結構106被配置成STI結構或另一適合的隔離結構。在另外的實施例中，第一隔離結構106例如可以是或包含氮化矽、碳化矽、二氧化矽、氮氧化矽、碳氧化矽、另一適合的介電材料或前述材料的任何組合。此外，第二隔離結構302設置在基底104內且從基底104的後側104b延伸到位於後側104b下方的一點。在一些實施例中，第二隔離結構302可被配置成深溝渠隔離（deep trench isolation，DTI）結構或另一適合的隔離結構。此外，第二隔離結構302在側向上封圍光偵測器108。在一些實施例中，第二隔離結構302例如可以是或包括氮化矽、二氧化矽、碳化矽、另一適合的材料或前述材料的任何組合。在又一些實施例中，第二隔離結構302可從基底104的後側104b連續地延伸到第一隔離結構106的上表面（未示出）。第一隔離結構106及第二隔離結構302被配置成將光偵測器108與被設置成沿基底104和/或位於基底104內的其他半導體裝置（未示出）、設置在基底104內的其他光偵測器（未示出）和/或設置在基底104內的其他摻雜區（未示出）電隔離。
吸收增強結構110沿基底104的後側104b排列且包括與多個凹槽113以嚙合方式交會的多個突起112。此外，上部介電結構114上覆在吸收增強結構110上，以使得凹槽113填充有來自上部介電結構114的介電材料。由於所述多個突起112各自包括彎曲側壁，因此會增加用於設置在基底104的後側104b上的入射電磁輻射的光接收表面積，從而提高圖像感測器300a的QE。在一些實施例中，上部介電結構114例如可以是或包含例如二氧化矽等氧化物、另一氧化物、另一適合的介電材料或前述材料的任何組合。
柵格結構303上覆在基底104的後側104b上。在一些實施例中，柵格結構303例如可以是或包括介電柵格結構、金屬柵格結構、另一適合的柵格結構或前述結構的任何組合。舉例來說，柵格結構303可以是或包括被配置成使用鄰近的上部介電結構114實現全內反射（total internal reflection，TIR）的介電柵格結構，從而朝向下伏的光偵測器108引導入射電磁輻射。此繼而進一步提高圖像感測器300a的QE。在這些實施例中，柵格結構303例如可以是或包含例如氮氧化矽等氧化物、另一適合的介電材料或前述材料的任何組合。在又一實施例中，柵格結構303可以是或包括被配置成從其側壁朝向下伏的光偵測器108反射入射電磁輻射的金屬柵格結構。在這些實施例中，柵格結構303例如可以是或包含鎢、另一適合的金屬材料或前述材料的任何組合。在又一些實施例中，柵格結構303例如可以是或包含鎢及氮氧化矽，以使得柵格結構303包括介電柵格結構及金屬柵格結構。
此外，彩色濾光片304設置在吸收增強結構110之上且被配置成透射處於第一波長範圍內的特定波長的入射電磁輻射，而阻擋處於與第一波長範圍不同的第二波長範圍內的入射電磁輻射。舉例來說，彩色濾光片304可被配置成朝向光偵測器108透射第一色彩（例如，綠色光），而阻擋其他色彩。應瞭解，透射其他色彩和/或入射電磁輻射的彩色濾光片304處於本文的範圍內。微透鏡306上覆在彩色濾光片304上且包括被配置成朝向光偵測器108引導入射電磁輻射的凸形的上表面，從而提高圖像感測器300a的QE。
圖3B說明根據圖3A所示圖像感測器300a的替代實施例的圖像感測器300b的一些實施例的剖視圖，其中每一突起112包括從上表面112us延伸的相對的彎曲側壁112cs。在一些實施例中，每一突起112的上表面112us是實質上平整的。
圖3C說明根據圖3A所示圖像感測器300a的替代實施例的圖像感測器300c的一些實施例的剖視圖，其中每一突起112包括上覆在下部部分112lp上的上部部分112up。在一些實施例中，每一突起112的上部部分112up具有矩形形狀或另一適合的形狀。因此，每一突起112可具有上覆在相對的彎曲側壁112cs上的相對的傾斜側壁112ss。由於上部部分112up的相對的傾斜側壁112ss，因而用於設置在基底104上的入射電磁輻射的光接收表面積得以增加，從而提高圖像感測器300c的QE。
圖3D說明根據圖3A所示圖像感測器300a的替代實施例的圖像感測器300d的一些實施例的剖視圖，其中每一突起112包括上覆在下部部分112lp上的上部部分112up。在一些實施例中，每一突起112的上部部分具有半圓形形狀或另一適合的形狀。因此，每一突起112的上表面112us可以是彎曲的、凸形的或另一適合的形狀，從而增加用於設置在基底104上的入射電磁輻射的光接收表面積並提高圖像感測器300d的QE。
圖4A說明積體晶片400a的一些實施例的剖視圖，積體晶片400a包括上覆在內連結構102上的基底104。
多個半導體裝置410被設置成位於內連結構102內且沿基底104的前側104f。在一些實施例中，半導體裝置410可被配置成可輸出和/或處理由光偵測器108a到108c產生的電信號的畫素裝置。半導體裝置410例如可被配置成轉移電晶體、源極隨耦器電晶體、行選擇電晶體和/或重定電晶體。應瞭解，被配置成其他半導體裝置的半導體裝置410也處於本文的範圍內。在另外的實施例中，半導體裝置410可各自包括沿基底104的前側104f設置的閘極結構412以及沿閘極結構412的側壁設置的側壁間隔件結構414。在又一些實施例中，閘極結構412包括閘極介電層及閘極電極，其中閘極介電層設置在基底104與閘極電極之間。
內連結構102例如可包括多個介電層402、多個層間介電（inter-level dielectric，ILD）層404、多條導電線406及多個導電通孔408。在一些實施例中，介電層402可被配置成蝕刻停止層，和/或例如可以是或包含氮化矽、碳化矽、氮氧化矽、碳氧化矽、另一適合的介電材料或前述材料的任何組合。在另外的實施例中，ILD層404例如可以是或包含氧化物（例如二氧化矽）、氟矽酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃（例如，硼磷矽酸鹽（borophosphate silicate）玻璃）、另一適合的介電材料或前述材料的任何組合。導電線406及導電通孔408設置在ILD層404及介電層402內，且被配置成將設置在積體晶片400a內的裝置彼此電耦合和/或電耦合到另一積體晶片（未示出）。在一些實施例中，導電線406和/或導電通孔408例如可分別是或包含銅、鋁、氮化鈦、氮化鉭、鎢、另一適合的導電材料或前述材料的任何組合。應瞭解，包含其他適合的材料的導電線406和/或導電通孔408也處於本文的範圍內。
在一些實施例中，基底104可以是任何半導體本體（例如，塊狀矽、另一適合的半導體材料等）和/或具有第一摻雜類型（例如，p型摻雜）。光偵測器108a到108c設置在基底104內且分別具有與第一摻雜類型相反的第二摻雜類型（例如，n型摻雜）。應瞭解，包括另一摻雜類型的光偵測器108a到108c和/或基底104也處於本文的範圍內。吸收增強結構110沿基底104的後側104b排列且包括各自具有相對的彎曲側壁的多個突起112。因此，吸收增強結構110被配置成增加用於設置在基底104的後側104b上的入射電磁輻射的光接收表面積，從而提高積體晶片400a的QE。
在一些實施例中，第二隔離結構302可在側向上封圍光偵測器108a到108c且從基底104的後側104b延伸到位於後側104b下方的一點。第二隔離結構302可被配置成DTI結構、後側深溝渠隔離（back-side deep trench isolation，BDTI）結構或另一適合的隔離結構。在一些實施例中，第二隔離結構302例如可以是或包含介電材料（例如，氮化矽、碳化矽、二氧化矽、碳氧化矽、氮氧化矽）、另一適合的介電材料、金屬材料（例如，銅、鋁、鎢）、另一適合的金屬材料或前述材料的任何組合。在另外的實施例中，鈍化層416沿基底104的後側104b設置且設置在第二隔離結構302與基底104之間。因此，鈍化層416可沿吸收增強結構110的突起112在側向上連續地延伸。在一些實施例中，鈍化層416例如可以是或包含高介電常數（high-k）介電材料（例如，介電常數大於3.9的介電材料）、氧化鉿（例如，HfO2 ）、氧化鋁（例如，Al2 O3 ）、氧化鉭（例如，Ta2 O5 ）、另一適合的介電材料或前述材料的任何組合。另外，上部介電結構114上覆在鈍化層416及第二隔離結構302上。柵格結構303上覆在上部介電結構114及第二隔離結構302上。
多個彩色濾光片304a到304c上覆在上部介電結構114上。彩色濾光片304a到304c（例如紅色濾光片、藍色濾光片、綠色濾光片等）分別被配置成使處於第一頻率範圍內的電磁輻射穿過，而阻擋處於與第一頻率範圍不同的第二頻率範圍內的電磁輻射。舉例來說，在一些實施例中，第一彩色濾光片304a可被配置成綠色濾光片，而鄰近的第二彩色濾光片304b可被配置成紅色濾光片。另外，微透鏡306上覆在彩色濾光片304a到304c上且被配置成朝向光偵測器108a到108c引導入射電磁輻射，從而進一步提高積體晶片400a的QE。
圖4B說明與圖4A所示積體晶片400a的一些替代實施例對應的積體晶片400b的一些實施例的剖視圖，其中第二隔離結構302包含與上部介電結構114相同的材料。在一些實施例中，鈍化層416從基底104的後側104b上方連續地延伸到與基底104的前側104f對齊的一點。
圖4C說明與圖4B所示積體晶片400b的一些替代實施例對應的積體晶片400c的一些實施例的剖視圖，其中彩色濾光片304a到304c在柵格結構303的側壁之間在側向上間隔開。在一些實施例中，微透鏡306直接上覆在每一光偵測器108a到108c上。
在一些實施例中，應瞭解，儘管將圖4A到圖4C的積體晶片400a到400c的突起112被說明和/或闡述為圖3B中的突起112，但圖4A到圖4C的突起112可被配置成圖3A、圖3C或圖3D的突起112。
圖5到圖12說明根據本文形成包括吸收增強結構的圖像感測器的方法的一些實施例的剖視圖500到1200，所述吸收增強結構包括沿基底的表面設置的多個突起。儘管圖5到圖12中所示的剖視圖500到1200是參考方法加以闡述，但應瞭解，圖5到圖12中所示的結構並不僅限於所述方法，而是可獨立於所述方法單獨存在。此外，儘管圖5到圖12被闡述為一系列動作，但應瞭解，這些動作並不具有限制性，而是可在其他實施例中對動作的次序進行更改，且所公開的方法也適用於其他結構。在其他實施例中，可完全地或部分地省略所說明和/或所述的一些動作。
如圖5的剖視圖500所說明，提供基底104，且在基底104的前側104f上形成第一隔離結構106。在一些實施例中，基底104例如可以是塊狀基底（例如，塊狀矽基底）、絕緣體上矽（SOI）基底或另一適合的基底。應瞭解，基底104的其他材料也處於本文的範圍內。在一些實施例中，在形成第一隔離結構106之前，執行第一植入製程以使用第一摻雜類型（例如，p型）對基底104進行摻雜。在另外的實施例中，形成第一隔離結構106的製程可包括：選擇性地蝕刻基底104以在基底104中形成從基底104的前側104f延伸到基底104中的溝渠；以及使用介電材料（例如，氮化矽、碳化矽、二氧化矽、另一適合的介電材料或前述材料的任何組合）來填充（例如，通過化學氣相沉積（CVD）、原子層沉積（atomic layer deposition，ALD）、物理氣相沉積（physical vapor deposition，PVD）、熱氧化等）溝渠。在另外的實施例中，通過以下方式選擇性地蝕刻基底104：在基底104的前側104f上形成罩幕層（未示出），且隨後將基底104暴露於被配置成選擇性地移除基底104的未被罩幕部分的一種或多種蝕刻劑。
此外，如圖5中所示，在基底104內形成光偵測器108。在一些實施例中，光偵測器108包括基底104的包括與第一摻雜類型相反的第二摻雜類型（例如，n型）的區。在一些實施例中，光偵測器108可通過利用基底104的前側104f上的罩幕層（未示出）來將離子選擇性地植入到基底中的選擇性離子植入製程（selective ion implantation process）而形成。在另外的實施例中，第一摻雜類型包括p型摻雜劑且第二摻雜類型包括n型摻雜劑，反之亦然。隨後，沿基底104的前側104f形成內連結構102。在一些實施例中，形成內連結構102可包括執行一種或多種沉積製程、單鑲嵌製程、雙鑲嵌製程、其他適合的形成製程或前述製程的任何組合。
另外，如圖5中所說明，在形成光偵測器108之後，對基底104的後側104b執行薄化製程，以將基底104的初始厚度Ti減小到厚度Ts。在一些實施例中，薄化製程可包括執行機械研磨製程、化學機械研磨（CMP）製程、另一適合的薄化製程或前述製程的任何組合。
如圖6的剖視圖600所說明，將圖5的結構倒置並隨後沿基底104的後側104b形成上部介電層602。可例如通過CVD、PVD、ALD或另一適合的生長製程或沉積製程來沉積上部介電層602。在一些實施例中，上部介電層602例如可以是或包含例如二氧化矽等氧化物、另一適合的介電材料或前述材料的任何組合，和/或形成達約170埃或處於約150埃到190埃的範圍內的厚度。應瞭解，上部介電層602的厚度的其他值也處於本文的範圍內。此外，在上部介電層602之上形成罩幕層604，以使得罩幕層604包括界定多個開口606的多個側壁。在一些實施例中，通過CVD、PVD、ALD或另一適合的生長製程或沉積製程來沉積罩幕層604。在又一些實施例中，罩幕層604例如可以是或包含硬罩幕層、光阻、另一適合的材料或前述材料的任何組合。
如圖7的剖視圖700所說明，根據罩幕層（圖6的604）對基底104及上部介電層602執行第一圖案化製程，從而形成多個凹槽113。凹槽113延伸到上部介電層602及基底104的後側104b中。在一些實施例中，第一圖案化製程可包括執行乾式蝕刻製程或另一適合的蝕刻製程。隨後，執行移除製程以移除罩幕層（圖6的604）。在一些實施例中，移除製程包括執行濕式蝕刻製程或另一適合的移除製程。在又一些實施例中，第一圖案化製程可包括執行在大於零的偏壓電壓下驅動的化學乾式蝕刻（chemical dry etch，CDE）。
如圖8的剖視圖800所說明，對基底104執行第二圖案化製程，從而擴大所述多個凹槽113，並沿基底104的後側104b形成多個突起112。此會沿基底104的後側104b部分地形成吸收增強結構110。在一些實施例中，第二圖案化製程可包括執行各向同性蝕刻製程（例如，在零偏壓電壓下驅動的CDE）、乾式蝕刻製程、電漿蝕刻製程、另一適合的蝕刻製程或前述製程的任何組合。執行第二圖案化製程以使得突起112各自具有相對的彎曲側壁，從而增加用於設置在基底104的後側104b上的入射電磁輻射的光接收表面積。此外，在一些實施例中，第二圖案化製程包括將基底104暴露於一種或多種蝕刻劑，所述一種或多種蝕刻劑例如可包括六氟化硫（例如SF6 ）、四氟化碳（例如CF4 ）、氧（例如O2 ）、另一適合的蝕刻劑或前述蝕刻劑的偏壓功率為零的任何組合。
在一些實施例中，通過第一圖案化製程及第二圖案化製程，從第一點802到第二點804界定突起112的彎曲側壁112cs。在另外的實施例中，當沿突起112的彎曲側壁112cs的遞增區段從第一點802到第二點804移動時，彎曲側壁112cs的斜率連續地增加。在彎曲側壁112cs與平直水平線806之間界定的角度α例如可處於約30度到120度的範圍內或是另一適合的值。平直水平線806可平行於基底104的前側表面104f。在又一些實施例中，可對所述多個突起112執行反射率測試製程以確保每一突起112的彎曲側壁112cs是實質上彎曲的（即，當沿突起112的彎曲側壁112cs的遞增區段移動時每一彎曲側壁112cs的斜率連續地增加，和/或角度α處於約30度到120度的範圍內或是另一適合的值）。在另外的實施例中，反射率測試製程包括將入射電磁輻射設置在所述多個突起112上，並確定從突起112反射出去的入射電磁輻射的百分比。在又一些實施例中，如果反射率是實質上高的，則可重複進行第二圖案化製程或可延長第二圖案化製程的時間，以確保每一突起112的彎曲側壁112cs是實質上彎曲的。
如圖9的剖視圖900所說明，執行移除製程以從基底104的後側104b移除上部介電層（圖8的602）。在一些實施例中，移除製程可包括執行濕式蝕刻製程、乾式蝕刻製程、另一適合的蝕刻製程或前述製程的任何組合。在另外的實施例中，移除製程包括將上部介電層（圖8的602）及基底104暴露於一種或多種蝕刻劑，例如（舉例來說）氫氟酸、稀氫氟酸、另一適合的蝕刻劑或前述蝕刻劑的任何組合。
如圖10的剖視圖1000所說明，對基底104執行第三圖案化製程，從而進一步擴大凹槽113。此外，在執行第三圖案化製程之後，每一突起112包括上覆在下部部分112lp上的上部部分112up。在一些實施例中，每一突起112的上部部分112up具有矩形形狀或另一適合的形狀。因此，每一突起112可具有上覆在相對的彎曲側壁112cs上的相對的傾斜側壁112ss。通過上部部分112up的傾斜側壁112ss，能增加用於設置在基底104上的入射電磁輻射的光接收表面積，從而提高光偵測器108的QE。在一些實施例中，第三圖案化製程包括執行濕式蝕刻製程或另一適合的蝕刻製程。在另外的實施例中，第三圖案化製程包括將基底104暴露於一種或多種蝕刻劑，例如（舉例來說）四甲基氫氧化銨（tetramethylammonium hydroxide，TMAH）或另一適合的蝕刻劑。
在又一些實施例中，調整在第三圖案化製程中所利用的計時和/或蝕刻劑，以使得每一突起112的上部部分具有半圓形形狀（未示出）（例如參見圖3D）或另一適合的形狀。因此，每一突起112的上表面可以是彎曲的、凸形的（未示出）（例如，參見圖3D）或另一適合的形狀，從而增加用於設置在基底104上的入射電磁輻射的光接收表面積且提高光偵測器108的QE。
如圖11的剖視圖1100所說明，在基底104中形成第二隔離結構302。在一些實施例中，形成第二隔離結構302包括：對基底104的後側104b進行蝕刻以形成延伸到基底104的後側104b中的DTI開口（未示出）；及在DTI開口內沉積（例如CVD、PVD、ALD、濺鍍、無電鍍覆、電鍍或另一適合的沉積製程或生長製程）第二隔離結構302。此外，在基底104的後側104b之上形成鈍化層416。在一些實施例中，通過例如PVD、CVD、ALD、熱氧化或另一適合的沉積製程或生長製程來沉積鈍化層416。在又一些實施例中，在形成第二隔離結構302之前在DTI開口內形成鈍化層416，以使得鈍化層416設置在第二隔離結構302與基底104之間（例如參見圖4A）。第二隔離結構302可被配置成DTI結構、後側深溝渠隔離（BDTI）結構或另一適合的隔離結構。在一些實施例中，第二隔離結構302例如可以是或包含介電材料（例如，氮化矽、碳化矽、二氧化矽、碳氧化矽、氮氧化矽）、另一適合的介電材料、金屬材料（例如，銅、鋁、鎢）、另一適合的金屬材料或前述材料的任何組合。
如圖12的剖視圖1200所說明，在鈍化層416之上形成上部介電結構114。在一些實施例中，形成上部介電結構114的製程包括：在鈍化層416之上沉積（例如，通過CVD、PVD、ALD、熱氧化等）介電材料；及向所述介電材料中執行平坦化製程（例如，化學機械研磨（CMP）製程），從而形成上部介電結構114，以使得上部介電結構114的上表面是實質上平整的（例如，處於CMP製程的公差內）。在一些實施例中，在上部介電結構114之上形成柵格結構303，並在上部介電結構114之上及在柵格結構303的側壁之間形成彩色濾光片304。在另外的實施例中，在彩色濾光片304之上形成微透鏡306，以使得微透鏡306具有凸形的上表面。在另外的實施例中，例如可通過CVD、PVD、ALD、濺鍍、無電鍍覆、電鍍或另一適合的沉積製程或生長製程分別沉積柵格結構303、彩色濾光片304和/或微透鏡306。
圖13說明根據本文形成包括吸收增強結構的圖像感測器的方法1300，所述吸收增強結構包括沿基底的表面設置的多個突起。儘管將方法1300說明和/或闡述為一系列動作或事件，但應瞭解，所述方法並不僅限於所說明的排序或動作。因此，在一些實施例中，所述動作可按照與所說明的不同的次序施行，和/或可同時施行。此外，在一些實施例中，所說明的動作或事件可被細分成多個動作或事件，所述多個動作或事件可在單獨的時間施行或與其他動作或子動作同時施行。在一些實施例中，可省略一些所說明的動作或事件，且可包括其他未說明的動作或事件。
在動作1302處，在基底內形成光偵測器。圖5說明與動作1302的一些實施例對應的剖視圖500。
在動作1304處，在基底的後側之上形成罩幕層。圖6說明與動作1304的一些實施例對應的剖視圖600。
在動作1306處，根據罩幕層對基底的後側執行第一圖案化製程，從而在基底的後側內界定多個凹槽。圖7說明與動作1306的一些實施例對應的剖視圖700。
在動作1308處，對基底的後側執行第二圖案化製程，從而擴大凹槽並形成吸收增強結構，所述吸收增強結構包括沿基底的後側設置的多個突起。每一突起包括相對的彎曲側壁。圖8說明與動作1308的一些實施例對應的剖視圖800。
在動作1310處，對突起執行第三圖案化製程，以使得每一突起具有上覆在下部部分上的上部部分，其中上部部分的形狀不同於下部部分的形狀。圖10說明與動作1310的一些實施例對應的剖視圖1000。
在動作1312處，在基底的後側內形成深溝渠隔離（DTI）結構，以使得DTI結構在側向上封圍光偵測器。圖11說明與動作1312的一些實施例對應的剖視圖1100。
在動作1314處，在光偵測器之上形成彩色濾光片。圖12說明與動作1314的一些實施例對應的剖視圖1200。
在動作1316處，在彩色濾光片之上形成微透鏡。圖12說明與動作1316的一些實施例對應的剖視圖1200。
因此，在一些實施例中，本文涉及一種包括吸收增強結構的圖像感測器，所述吸收增強結構包括沿基底的表面設置的多個突起，其中每一突起包括相對的彎曲側壁。
在一些實施例中，本申請提供一種圖像感測器，所述圖像感測器包括：基底，包括前側表面及後側表面；光偵測器，設置在所述基底內；以及吸收增強結構，沿所述基底的所述後側表面設置且上覆在所述光偵測器上，其中所述吸收增強結構包括從所述基底的所述後側表面向外延伸的多個突起，且其中每一突起具有相對的彎曲側壁。
在一些實施例中，本申請提供一種積體晶片，所述積體晶片包括：基底，具有前側表面及後側表面；內連結構，沿所述基底的所述前側表面設置；光偵測器，設置在所述基底內；吸收增強結構，沿所述基底的所述後側表面設置，其中所述吸收增強結構包括位於所述後側表面中的多個第一突起以及對應的多個凹槽，所述對應的多個凹槽與所述第一突起以嚙合方式交會，其中每一第一突起包括相對的彎曲側壁；以及上部介電結構，上覆在所述基底的所述後側表面上，其中所述上部介電結構包括沿所述上部介電結構的下表面設置的多個第二突起，其中每一第二突起具有凸形的下表面且填充所述多個凹槽中對應的凹槽，其中所述上部介電結構的折射率小於所述基底的折射率。
在一些實施例中，本申請提供一種形成圖像感測器的方法，所述方法包括：執行離子植入製程以在基底內形成光偵測器；在所述基底的後側表面之上沉積介電層；在所述介電層之上形成罩幕層，其中所述罩幕層包括界定第一多個開口的多個側壁，所述第一多個開口暴露出所述介電層的上表面；對所述介電層及所述基底執行第一圖案化製程以在所述基底內形成多個凹槽；以及對所述基底執行第二圖案化製程，從而擴大所述凹槽並沿所述基底的所述後側表面形成吸收增強結構，其中所述吸收增強結構包括各自具有彎曲的相對側壁的多個突起。
上述內容概述了數個實施例的特徵，以使所屬領域的技術人員可更好地理解本文的各方面。所屬領域的技術人員應瞭解，他們可容易地使用本文作為設計或修改其他製程及結構的基礎來施行與本文中所介紹的實施例相同的目的和/或達成與本文中所介紹的實施例相同的優點。所屬領域的技術人員還應意識到這些等效構造並不背離本文的精神及範圍，且其可在不背離本文的精神及範圍的情況下在本文中做出各種改變、替代及更改。
100、200、300a、300b、300c、300d:圖像感測器 102:內連結構 104:基底 104b:後側 104f:前側 106:第一隔離結構 108、108a、108b、108c:光偵測器 110:吸收增強結構 110f:介面 112:突起 112cs:彎曲側壁 112lp:下部部分 112p:突起點 112ss:傾斜側壁 112up:上部部分 112us:上表面 113:凹槽 114:上部介電結構 116:入射電磁輻射 202、806:平直水平線 204:下部水平線 302:第二隔離結構 303:柵格結構 304、304a、304b、304c:彩色濾光片 306:微透鏡 400a、400b、400c:積體晶片 402:介電層 404:層間介電（ILD）層 406:導電線 408:導電通孔 410:半導體裝置 412:閘極結構 414:側壁間隔件結構 416:鈍化層 500、600、700、800、900、1000、1100、1200:剖視圖 602:上部介電層 604:罩幕層 606:開口 802:第一點 804:第二點 1300:方法 1302、1304、1306、1308、1310、1312、1314、1316:動作 A、B、C:點 d:距離 L:長度 ss1、ss2:傾斜側壁 Ti:初始厚度 Ts:厚度 α、Ф:角度
結合附圖閱讀以下詳細說明，能最好地理解本文的各個方面。應注意，根據行業中的標準慣例，各種特徵未按比例繪製。事實上，為論述的清晰起見，可任意增加或減小各種特徵的尺寸。 圖1說明包括吸收增強結構的圖像感測器的一些實施例的剖視圖，所述吸收增強結構包括沿基底的表面設置的多個突起，其中所述突起包括彎曲側壁。 圖2說明圖1所示圖像感測器的一些替代實施例的剖視圖，其中每一突起包括實質上平整的上表面。 圖3A到圖3D說明圖1所示圖像感測器的一些替代實施例的剖視圖，其中彩色濾光片及微透鏡上覆在吸收增強結構上。 圖4A到圖4C說明包括吸收增強結構的積體晶片的剖視圖的一些實施例，所述吸收增強結構包括沿基底的表面設置的多個突起，其中所述突起包括彎曲側壁。 圖5到圖12說明形成包括吸收增強結構的圖像感測器的方法的一些實施例的剖視圖，所述吸收增強結構包括沿基底的表面設置的多個突起，其中所述突起包括彎曲側壁。 圖13以流程圖格式說明一種方法，其說明形成包括吸收增強結構的圖像感測器的一些實施例，所述吸收增強結構包括沿基底的表面設置的多個突起，其中所述突起包括彎曲側壁。
102:內連結構
104:基底
104b:後側
104f:前側
106:第一隔離結構
108:光偵測器
110:吸收增強結構
112:突起
112cs:彎曲側壁
112lp:下部部分
112ss:傾斜側壁
112up:上部部分
113:凹槽
114:上部介電結構
300c:圖像感測器
302:第二隔離結構
303:柵格結構
304:彩色濾光片
306:微透鏡

Claims (20)

  1. 一種圖像感測器，包括： 基底，包括前側表面及後側表面； 光偵測器，設置在所述基底內；以及 吸收增強結構，沿所述基底的所述後側表面設置且上覆在所述光偵測器上，其中所述吸收增強結構包括從所述基底的所述後側表面向外延伸的多個突起，且其中所述多個突起中的每一突起包括相對的彎曲側壁。
  2. 如請求項1所述的圖像感測器，還包括： 上部介電結構，上覆在所述吸收增強結構上，其中所述上部介電結構包括沿所述上部介電結構的底表面設置的多個凸形突起，其中所述多個凸形突起中的每一凸形突起在所述吸收增強結構的鄰近突起之間在側向上間隔開。
  3. 如請求項1所述的圖像感測器，其中所述多個突起中的每一突起包括直接上覆在所述相對的彎曲側壁上的相對的傾斜側壁。
  4. 如請求項1所述的圖像感測器，其中所述多個突起中的每一突起包括實質上平整的上表面，以使得所述相對的彎曲側壁直接位於所述實質上平整的上表面之下且從所述實質上平整的上表面延伸。
  5. 如請求項1所述的圖像感測器，其中所述多個突起中的每一突起包括直接上覆在下部部分上的上部部分，其中所述上部部分具有半圓形形狀，以使得所述多個突起中的每一突起的上表面是凸形的，且其中所述下部部分包括所述相對的彎曲側壁。
  6. 如請求項1所述的圖像感測器，還包括： 深溝渠隔離結構，設置在所述基底內，其中所述深溝渠隔離結構從所述基底的所述後側表面延伸到位於所述光偵測器的上表面下方的一點，其中所述深溝渠隔離結構在側向上封圍所述光偵測器；以及 鈍化層，沿所述基底的所述後側表面設置，其中所述鈍化層接觸所述多個突起中的每一突起的上表面及所述相對的彎曲側壁。
  7. 如請求項1所述的圖像感測器，其中所述鈍化層設置在所述深溝渠隔離結構與所述基底之間。
  8. 如請求項1所述的圖像感測器，還包括： 內連結構，沿所述基底的所述前側表面設置，其中所述內連結構包括內連介電結構、多個導電通孔及多條導電線。
  9. 如請求項1所述的圖像感測器，還包括： 彩色濾光片，上覆在所述吸收增強結構上，其中所述彩色濾光片被配置成使第一波長範圍穿過，而阻擋與所述第一波長範圍不同的第二波長範圍；以及 微透鏡，上覆在所述彩色濾光片上且包括凸形的上表面。
  10. 一種積體晶片，包括： 基底，包括前側表面及後側表面； 內連結構，沿所述基底的所述前側表面設置； 光偵測器，設置在所述基底內； 吸收增強結構，沿所述基底的所述後側表面設置，其中所述吸收增強結構包括位於所述後側表面中的多個第一突起及對應的多個凹槽，所述對應的多個凹槽與所述多個第一突起以嚙合方式交會，其中所述多個第一突起中的每一第一突起包括相對的彎曲側壁；以及 上部介電結構，上覆在所述基底的所述後側表面上，其中所述上部介電結構包括沿所述上部介電結構的下表面設置的多個第二突起，其中所述多個第二突起中的每一第二突起包括凸形的下表面且填充所述多個凹槽中對應的凹槽，其中所述上部介電結構的折射率小於所述基底的折射率。
  11. 如請求項10所述的積體晶片，還包括： 鈍化層，設置在所述吸收增強結構與所述上部介電結構之間，其中所述鈍化層直接接觸所述多個第一突起且直接接觸所述多個第二突起。
  12. 如請求項11所述的積體晶片，還包括： 深溝渠隔離結構，從所述基底的所述後側表面延伸到位於所述基底的所述後側表面下方的一點，其中所述鈍化層設置在所述深溝渠隔離結構與所述基底之間。
  13. 如請求項11所述的積體晶片，其中所述鈍化層從所述基底的所述後側表面上方連續地垂直延伸到所述內連結構。
  14. 如請求項10所述的積體晶片，其中所述多個第一突起中的每一第一突起包括直接上覆在下部部分上的上部部分，其中所述上部部分具有矩形形狀且所述下部部分包括所述相對的彎曲側壁，且其中所述上部部分包括直接上覆在所述相對的彎曲側壁上的相對的傾斜側壁。
  15. 如請求項10所述的積體晶片，其中所述多個第一突起中的每一第一突起的上表面是凸形的。
  16. 如請求項10所述的積體晶片，還包括： 柵格結構，上覆在所述基底的所述後側表面上，其中所述光偵測器在所述柵格結構的側壁之間在側向上間隔開。
  17. 一種形成圖像感測器的方法，包括： 執行離子植入製程以在基底內形成光偵測器； 在所述基底的後側表面之上沉積介電層； 在所述介電層之上形成罩幕層，其中所述罩幕層包括界定第一多個開口的多個側壁，所述第一多個開口暴露出所述介電層的上表面； 對所述介電層及所述基底執行第一圖案化製程以在所述基底內形成多個凹槽；以及 對所述基底執行第二圖案化製程，從而擴大所述多個凹槽並沿所述基底的所述後側表面形成吸收增強結構，其中所述吸收增強結構包括各自包括相對的彎曲側壁的多個突起。
  18. 如請求項17所述的方法，其中所述第一圖案化製程包括在大於零的偏壓電壓下執行化學乾式蝕刻，其中所述第二圖案化製程包括在零偏壓電壓下執行所述化學乾式蝕刻以形成所述多個突起以及執行濕式蝕刻製程以移除所述介電層。
  19. 如請求項17所述的方法，還包括： 對所述多個突起執行第三圖案化製程，從而擴大所述多個凹槽，其中在執行所述第三圖案化製程之後，所述多個突起中的每一突起包括直接上覆在下部部分上的上部部分，其中所述上部部分具有矩形形狀且所述下部部分包括所述相對的彎曲側壁；以及 在所述基底之上沉積鈍化層，其中所述鈍化層沿所述多個突起中的每一突起連續地延伸。
  20. 如請求項17所述的積體晶片，其中所述第三圖案化製程包括將所述多個突起暴露於一種或多種濕式蝕刻劑，其中所述一種或多種濕式蝕刻劑包括四甲基氫氧化銨。
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