TWI313931B - Image sensor and method of manufacturing the same - Google Patents

Description

1313931 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。

【先前技姻J

互補式金氧半導體電晶體影像感測器(CM0S image sensor CIS)和载子偶合裝置（charge_eGUp】e(j deviees，CCDs)都 為普及。 疋t知技射常用來將光轉換為電子訊_光學電路元件，兩 者的應崎㈣很敍，包括有掃郎、攝雜、以及照相機 ，等’但是因為載子偶合裝置受限於價位高以及體積大的問 題所以目則市面上以互補式金氧半導體電晶體影像感測器較 由於互補式錄半導體電晶體影像感測器

請參考第1圖， 第1圖為習知之互補式金氧半導體電晶體 1313931 - (CM〇S)影像感測器(lmage sensor) 100之剖面示意圖。如第j 圖所示，影像感測器100包括一像素陣列區102、一光學專區 (optical black region) 1〇4、及一邏輯區1〇6，分別製作於一半導 體基底11〇上。半導體基底110 &含複數個、淺溝隔離(shall〇w trench isolation) 112以及複數個感光二極體114，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114之間的絕緣體 私 （insulator)。 一平坦化層116形成於半導體基底n〇上，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，例如由高密度電漿(Wgh 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)濾光圖案所構成 彩色濾光陣列（color filter array，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1〇4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 1313931 138。並於平坦化層138上方具有複數個微透鏡(micrdens) 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，在製作完成保護層130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 之問題餐知之解決方式是利用氫氣回火(annealing)之方式， 如第2圖所示之回火步驟131，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，妨礙懸空鍵的鈍化。 因此，仍會產生許多暗電流。 因此，仍需要一種新穎的影像感測元件之結構及製法以解決 暗電流的問題。 【發明内容】 本發明之一目的係提供一種製造影像感測元件之方法，以製得 具有改善之暗電流之影像感測元件，並且在光學黑區仍具有良好 的遮光效果。 本發明之另一目的係提供一種影像感測元件，其具有較低的暗 電流’並且在光學黑區仍然可具有良好的遮光效果。 1313931 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—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(planarize(i layer)，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400oC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 二平坦層。於第三平坦層上形成複數個微透鏡(micr〇lens)，其 中微透鏡係設置於相對應之彩色濾光陣壯方。最後，移除位 於邏輯區之金屬層上方之各層，以曝露位於邏龍之金屬層以 做為接合塾。 、一像素陣

化層上’及一光學黑層位於第二平垣化層上 依據本發明之影像感測元件，包括一半導體基底 列區、一邏輯區、及一光學黑區。傻去睡me# 1313931 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 衫色濾光陣列之前，形成-含有金屬之光學黑層，具有良好遮光 政果。因此於回火以純化懸空鍵之製程中，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 2〇〇。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204。像素陣列區202係位 於半導體基底210上，包括一光感測單元陣列2丨4。邏輯區2〇6 係位於半導體基底21〇上，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2〇6之間，包括一 光感測單元215位於半導體基底21〇上、一第一平坦化層216 位於光感測單元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。 值得注意的是，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 1313931 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10至21圖，其顯示影像感測元件上各部位之 暗電流量測結果，縱座標是暗電流的量，以每秒電子數(e/s)來 表示’橫座標是影像感測元件之行編號。 第10至13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 ，成金屬遮光層之後，才進行氫氣回火(氫氣：氮氣=Μ : 2〇 (流 夏比)）’以消除懸空鍵。第1G及12圖之曲線於兩邊明顯想起， 顯示在邊緣部位之暗電流大，第U至13圖之曲線顯示於光學 黑區測得之暗電流之值很大，並且像素陣列區與光學黑區之暗 電流值相差大。 第14至17圖分別顯不習知技術所得之影像感測元件之像素 陣列區、像素陣右端之光學黑區、像素陣顺下端之光學 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7G件於絲黑區㈣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(使用較高的氫氣漢度， 氫氣.氛氣-2 . 20(流量比)），以消除懸空鍵。第1<4及16圖之 曲線於兩邊仍她起，顯示在邊料位之暗電流仍較大，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2〇〇〇 16 1313931 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2G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1000至約2〇〇〇 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。 1313931 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 圖案化金屬層 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 1313931 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 氧化層 » 19

Claims (1)

1313931 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； 於該半導.艘基底上形成一第一平坦化層(planarized layer)，覆蓋 該光感測單元陣列； 於位於談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； 於位於該像素陣列區之該第二平坦層上形成一彩色濾光陣列； 於該光學黑層及該彩色渡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(niicr〇iens)，其中該微透 鏡係設置於相對應之該彩色濾光陣列上方；及 移除位於該邏輯區之該圖案化金屬層上方之各層，以曝露位於 该邏輯區之該圖案化金屬層以做為接合墊。 2.如申凊專利範圍第丨項所述之製造影像感測元件之方法，於 1313931 •- $成複數個微透鏡之後’及移除位於該邏輯區之該圖案化金屬 0上方之各層之前，進一步包括於該半導體基底上形成一第一 頂蓋居，并 曰並使該第一頂蓋層覆蓋該等微透鏡及該第三平坦層之 步驟。 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 丨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 中该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。 5·如申請專利範圍第丨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-或多層介電層及一保護層位於該—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—或多層介電層及-保護層位於該-或 21 .1313931 多層介電層上 •如申μ專利丨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。 .如申明專利_第1項所述之製造影像感測元件之方法，其 中該光學黑層係籍由低溫麟鈦/氮化鈦而製得。 •如申Μ專利關第1項所述之製造影像感測元件之方法， ^形成絲學黑層之後，進―步包括於該半導體基底上形成一 第-頂蓋相錢料學黑層之步驟。 U利！_第7項所述造 於進行該懸空鍵鈍彳卜^ 万/去， i 形成-第，；=:護:：於該半導體基底上 法， 知认 私之該圖案化金屬層上方之各層，以暖t 成該===，層一合㈣驟，形 13. —種影像感測元件，包括： 一半導體基底； 位於該半導體基底上，其包括—光感測單 一像素陣列區， 元陣 22 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°C下製得之金屬層。 15. 如申凊專利範圍第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Η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。 1313931 19. 如申請專利範圍第13項所述之影像感測元件，其中該第二 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，進一步包括 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，進一步包括 一頂氧化層於該光學黑層之上。 十一、圖式Z

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