TWI521685B - 影像感測器及其製作方法 - Google Patents

Description

影像感測器及其製作方法

本發明是有關於一種半導體元件及其製作方法，且特別是有關於一種影像感測器及其製作方法。

影像感測器，例如金屬-氧化物-半導體(Meta-Oxide-Semiconductor，MOS)影像感測器，是一種可將光學影像轉變成電子訊號的半導體元件。目前已廣泛地被使用於消費性電子產品，例如數位相機、個人通訊服務(Personal Communications Service，PCS)、遊戲機(game equipment)等高解析度要求較高的產品。

為因應消費者對於高影像解析度的要求，影像顯感測器的畫素密度必須增加，意即每一單位畫素(pixel)中的光電轉換元件(photoelectric transducer device)，例如光二極體(photodiode)的尺寸將變小。然而，由於畫素密度增加，相對應的畫素間距也將縮小，易導致相鄰的畫素之間的電子及光學串音干擾(electrical and optical crosstalk)激增，甚至使解析度嚴重劣化至所感應的影像失真。

由於淺溝渠隔離(Shallow Trench Isolation,STI)結構通常位於相鄰的畫素之間，因此習知技術即有採用淺溝渠隔離結構來降低電串音干擾者。然而，由於淺溝渠隔離結構的深度有所限制，不能夠提供令人滿意的電串音阻障(barrier)。尤其在背照式影像感測器的運用上，淺溝渠隔離結構並不足以提供有效的光學串音干擾阻障。

因此有需要提供一種新式的影像感測器及其製作方法，以解決相鄰的畫素之間產生電子及光學串音干擾的問題。

有鑑於此，本發明的目的之一，就是在提供一種影像感測器，包括基材、複數個光電轉換元件(photoelectric transducer device)、內連線結構、至少一個介電隔離結構以及後側對準標記(alignment mark)。其中基材具有一個後側表面以及一個與後側表面相對的前側表面。內連線結構則位於基材的前側表面上。光電轉換元件，形成於前側表面上。介電隔離結構，由後側表面延伸進入基材之中，藉以隔離該些個光電轉換元件。後側對準標記由後側表面延伸入基材之中，並對應於預先形成在前側表面的前側對準標記。

在本發明之一實施例中，介電隔離結構包括複數個抗反射層(Anti Reflective Coating，ARC)。在本發明之一實施例中，影像感測器更包括一個離子摻雜層，位於基材之中，並圍繞介電隔離結構。

在本發明之一實施例中，影像感測器更包括由前側表面延伸進入基材內部，並與介電隔離結構相連的淺溝隔離結構。在本發明之一實施例中，後側對準標記係對準前側對準標記，或以一特定空間關係與前側對準標記產生關聯。

在本發明之一實施例中，影像感測器更包括一個彩色濾光片及複數個微透鏡，位於基材的後側表面上。在本發明之一實施例中，影像感測器更包括一個圖案化金屬屏蔽層，位於彩色濾光片與介電隔離結構之間。在本發明之一實施例中，後側對準標記包含一凹室，由後側表面延伸入基材之中。在本發明之一實施例中，後側對準標記具有介電材質層以及金屬屏蔽層位於凹室的側壁及底部。

本發明的另一目的，就是在提供一種影像感測器的製造方法，包括下數步驟：首先於基材的前側表面形成複數個光電轉換元件及內連線結構。然後形成至少一個介電隔離結構，由基材的後側表面延伸進入基材之中，用以隔離這些光電轉換元件，其中後側表面與前側表面相對。並形成後側對準標記，由基材的後側表面延伸進入基材之中，對應於預先形成在前側表面上的前側對準標記。

在本發明之一實施例中，介電隔離結構及後側對準標記二者係同時形成。介電隔離結構以及後側對準標記的形成包括下述步驟：先於後側表面進行蝕刻製程，藉以於基材之中形成至少一個溝槽以及一個凹室。接著於後側表面形成一個介電材料層，填充溝槽且部分填充凹室；再進行平坦化製程，以移除一部份介電材料層，將一部份基材暴露於外。在本發明之一實施例中，溝槽可將形成於前側表面上的淺溝隔離結構暴露出來。

在本發明之一實施例中，在形成溝槽以及凹室之後，更包括於溝槽以及凹室的側壁進行離子植入製程及雷射退火製程。在本發明之一實施例中，在進行蝕刻製程之前，更包括在後側表面上形成一個硬罩幕層。

在本發明之一實施例中，在平坦化製程之後，還包括下述步驟：先對基材、介電隔離結構及後側對準標記進行表面處理；並於基材、介電隔離結構及後側對準標記上形成一個金屬層。接著圖案化金屬層，以形成分別覆蓋於介電隔離結構及後側對準標記的金屬屏蔽層。在本發明之一實施例中，表面處理包括：對後側表面、介電隔離結構及後側對準標記進行離子掺雜製程和雷射退火製程；以及於後側表面、介電隔離結構及後側對準標記上形成抗反射層。

在本發明之一實施例中，後側對準標記係對準前側對準標記，或以一特定空間關係與前側對準標記產生關聯。在本發明之一實施例中，在形成介電隔離結構及後側對準標記之後，還包括在後側表面及介電隔離結構上形成一個彩色濾光片及複數個微透鏡。

在本發明之一實施例中，在形成介電隔離結構之前，更包括：將一個工作晶圓與內連線結構結合；再於後側表面進行薄化製程，以薄化此基材。

本發明的又一目的，就是在提供一種影像感測器的製造方法，包括下述步驟：首先於前側表面上形成複數個光電轉換元件及內連線結構。接著於基材的後側表面進行蝕刻製程，以於該基材中形成至少一條溝槽。之後，於後側表面上形成介電材料層，以填充溝槽，並形成至少一個介電隔離結構，由後側表面延伸進入該基材之中，用以隔離光電轉換元件，且使介電材料層保留在剛沉積時的狀態(as-deposited)。

根據上述實施例，本發明係提出一種影像感測器及其製作方法，首先在影像感測器的前側表面上形成光電轉換元件和內連線結構，再於與前側表面相對的後側表面上，形成至少一個介電隔離結構，延伸進入基材內部，藉以隔離該些個光電轉換元件。藉由介電隔離結構的設置，可以充分隔離入射至基材中的光線，以及在基材中所生成的光載子(photo-carrier)，達到防止相鄰畫素產生電子及光學串音干擾的問題。

又由於，形成介電隔離結構的製程與形成光電轉換元件和內連線結構的製程，分別在基材相對的兩側進行。因此，在形成介電隔離結構時，即便進行會產生高溫的熱氧化(liner oxide)以及填溝材質密化(gap-fill material densification)步驟，也不會對光電轉換元件和內連線結構的功能產生干擾。在進行平坦化步驟(例如化學機械研磨製程)時，也不會有可能會在基材前側表面造成U形凹室(U scratch)，而影響後續內連線結構製程品質的疑慮。

另外，形成介電隔離結構的同時，可在後側表面上形成一個後側對準標記，對應原本形成在基材前側表面，用來進行前側製程的前側對準標記。可在不需要額外製造成本的前提下，提高整體元件的製造精度。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

本發明的目的就是在提供一種影像感測器及其製作方法，可解決習知光學及電子串音干擾的問題，並且同時提高製程精度。為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一種製作金屬-氧化物-半導體影像感測器100的方法，做較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

請參照圖1A至圖1J，圖1A至圖1J係根據本發明一實施例，所繪示的一系列製作金屬-氧化物-半導體影像感測器100的製程剖面圖。首先如圖1A所示，提供一基材101，並於基材101的一前側表面101a上進行一前側製程(front side process)，藉以在前側表面101a上形成複數個光電轉換元件102。之後，再於前側表面101a上形成內連線結構103，與光電轉換元件102電性連結。

在本發明的較佳實施例之中，基材101為一種矽基材。但在另一些實施例中，基材101也可以是絕緣層上覆矽(Silicon on Insulator，SOI)基板。複數個光電轉換元件102形成於前側表面101a上，且每一個光電轉換元件102，分別被至少一個由前側表面101a向下延伸進入基材101內部的淺溝隔離結構111所分隔。其中，每一個光電轉換元件102，包含一個形成於基材101之中的光電二極體結構102a和汲極結構102b，以及一個形成於前側表面101a上的閘極結構102c。內連線結構103係由複數個依次堆疊的金屬導線層103a、介電材質層103b與導電插塞103c所構成。其中，介電材質層103b係用來隔離金屬導線層103a；導電插塞103c則穿過介電材質層103b，並導通兩金屬導線層103a。

雖然圖1A只顯示一組由金屬導線層103a、介電材質層103b與導電插塞103c所構成的內連線結構103作為代表，但應瞭解，實際上前側製程可製造出複數組佈局密度相同或不同、線寬相同或不同的內連線結構103。

接著，將一個工作晶圓104與基材101上的內連線結構103接合，在將基材101翻面後，於基材101(與前側表面101a相對)的後側表面101b進行一個薄化製程，將基材的厚度薄化至實質小於3μm，較佳實質介於2μm到3μm之間(如圖1B所繪示)。然後，於後側表面101b上形成一個圖案化硬罩幕層107。再以圖案化硬罩幕層107為罩幕，進行蝕刻製程，藉以於基材101之中形成至少一個溝槽105以及一個凹室106。

在本發明的一些實施例之中，形成硬罩幕層107的材質為氮化矽、二氧化矽或兩者之組合。在本實施例之中，溝槽105由後側表面101b向基材101內部延伸，並且將淺溝隔離結構111暴露於外。但在其他實施例中，溝槽105並未對準淺溝隔離結構111，而係與淺溝隔離結構111交錯。凹室106則由後側表面101b向基材101內部延伸，並對準位於前側表面101a上的前側對準標記113(如圖1C所繪示)。其中，前側對準標記113，係形成於前側製程之前，用來提供前側製程進行光罩對準步驟。

雖然，圖1C所繪示的前側對準標記113，係一種形成基材101之中的單一標記。但在本發明的其他實施例之中，前側對準標記113不一定是位於基材101中，其可包含不只一個，形成於前端製程之前、之中或之後的構件。亦即是說，任何可資辨識，並作為凹室106對準之用的標記，皆可用來作為前側對準標記113。

之後，再以硬罩幕層107為罩幕，進行離子摻雜步驟，將P型掺質植入在溝槽105和凹室106的側壁，並且藉由雷射退火製程，以使溝槽105和凹室106側壁的矽基材重新結晶，並形成一個圍繞溝槽105和凹室106的P+摻雜層108(如圖1D所繪示)。

再於硬罩幕層107上形成一個介電材料層109，至少填滿溝槽105，並且部分填充凹室106，藉以在凹室106內部定義出另一個凹室114(如圖1E所繪示)。這是因為，凹室106的尺寸遠大於溝槽105，且凹室106與溝槽105乃藉由同一道蝕刻所產生，因此凹室106的深度會比溝槽105來得淺。當同時以介電材料層109來填充凹室106與溝槽105時，溝槽105會先被填滿，而不填滿凹室106，只在凹室106中留下另外一個凹室114。

在本發明的一些較佳實施例之中，介電材料層109係由多種抗反射材料所構成。本實施例之中，介電材料層109係由依序堆疊的二氧化矽層/氮化矽層/二氧化矽層所構成之抗反射層，或是由二氧化矽層與氮氧化矽層所構成的抗反射層。

接著，選擇性地進行平坦化製程，例如以基材101的後側表面101b作為研磨終止層，進行化學機械研磨，藉以移除一部份的介電材料層109，並將一部份基材101暴露出來，同時形成至少一個介電隔離結構110，並在凹室106之中形成後側對準標記112。

其中，介電隔離結構110由基材101的後側表面101b延伸進入基材101內部，並與淺溝隔離結構111相連接，用來隔離這些光電轉換元件102。後側對準標記112包含有殘留在凹室106之中的一部份介電材料層109，由基材101的後側表面向基材101內部延伸，並對應於預先已形成在前側表面101a上的前側對準標記113。在本實施例之中，後側對準標記112係對準前側對準標記113(如圖1F所繪示)。但在另一些實施例中，後側對準標記112並未對準前側對準標記113，而係與前側對準標記113相互交錯，並以一特定空間關係，例如座標關係，與前側對準標記113產生關聯。

後續，選擇性地對基材101及後側對準標記112進行表面處理，再於介電隔離結構110及後側對準標記112上形成選擇性的金屬屏蔽層115a。其中，表面處理包括，先在後側表面101b、介電隔離結構110及後側對準標記112上，進行P型離子掺雜製程和雷射退火製程，藉以在基材101中形成P+掺雜區(未繪示)。並在後側表面101b、介電隔離結構110及凹室114的側壁及底部上形成一個抗反射層119(如圖1G所繪示)。

選擇性的金屬屏蔽層115a的形成步驟，則包括：在後側表面101b、介電隔離結構110以及後側對準標記112的凹室114的側壁上形成一個金屬層115，並且部分地填充後側對準標記112的凹室114(如圖1H所繪示)。接著對金屬層115進行圖案化，移除一部份的金屬層115，並使餘留的金屬層115，分別覆蓋介電隔離結構110及後側對準標記112的凹室114側壁及底部上(如圖1I所繪示)。

形成選擇性的金屬屏蔽層115a之後，再於後側表面101b及介電隔離結構110，形成複數個彩色濾光片116及複數個微透鏡117，完成如圖1J所繪示的金屬-氧化物-半導體影像感測器100的製備。

請再參照圖1J，由上述方法所製備的金屬-氧化物-半導體影像感測器100包含基材101、複數個光電轉換元件102、內連線結構103、介電隔離結構110、後側對準標記112、選擇性的金屬屏蔽層115a、彩色濾光片116以及複數個微透鏡117。其中，光電轉換元件102，形成於基材101的前側表面101a上。內連線結構103則位於基材101的前側表面101a上。介電隔離結構110，由基材101的後側表面101b延伸進入基材101內部，藉以隔離該些個光電轉換元件102。後側對準標記112也由後側表面101b延伸入基材101之中，並對應於預先形成在前側表面101a的前側對準標記113。彩色濾光片116及微透鏡117，則位於後側表面101b及介電隔離結構110上。選擇性的金屬屏蔽層115a則位於介電隔離結構110和彩色濾光片116之間。

由於，本發明實施例是將溝槽105填溝步驟，安排在需要精確對準的前側製程之後進行。因此，在本發明的另一些實施例之中，以介電材料層109填滿溝槽105之後，較佳並不需要對介電材料層109進行平坦化，而是將介電材料層109以剛沉積時的狀態留下。在進行後續的製程步驟之後，形成如圖2所繪示的金屬-氧化物-半導體影像感測器200。更可進一步節省製程成本。

根據上述實施例，本發明係提出一種影像感測器及其製作方法，首先在影像感測器的前側表面上形成光電轉換元件和內連線結構，再於與前側表面相對的後側表面上，形成至少一個介電隔離結構，延伸進入基材內部，藉以隔離該些個光電轉換元件。藉由介電隔離結構地設置，可以充分隔離入射至基材中的光線，以及在基材中所生成的光載子，達到防止相鄰畫素產生電子及光學串音干擾的問題。

又由於，形成介電隔離結構的製程與形成光電轉換元件和內連線結構的製程，分別在基材相對的兩側進行。因此，在形成介電隔離結構時，即便進行會產生高溫的熱氧化以及填溝材質密化步驟，也不會對光電轉換元件和內連線結構的功能產生干擾。在進行平坦化步驟(例如化學機械研磨製程)時，也不會有可能會在基材前側表面造成U形凹室，而影響後續內連線結構製程品質的疑慮。

另外，形成介電隔離結構的同時，可在後側表面上形成一個後側對準標記，對應原本形成在基材前側表面，用來進行前側製程的前側對準標記。可在不需要額外製造成本的前提下，提高整體元件的製造精度。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．影像感測器

101．．．基材

101a．．．基材的前側表面

101b．．．基材的後側表面

102．．．光電轉換元件

102a．．．光電二極體結構

102b．．．汲極結構

102c．．．閘極結構

103．．．內連線結構

103a．．．金屬導線層

103b．．．介電材質層

103c．．．導電插塞

104．．．工作晶圓

105．．．溝槽

106．．．凹室

107．．．硬罩幕層

108．．．P+摻雜層

109．．．介電材料層

110．．．介電隔離結構

111．．．淺溝隔離結構

112．．．後側對準標記

113．．．前側對準標記

114．．．凹室

115．．．金屬層

115a．．．金屬屏蔽層

116．．．彩色濾光片

117．．．微透鏡

119．．．抗反射層

200．．．影像感測器

圖1A至圖1J係根據本發明一實施例，所繪示的一系列製作金屬-氧化物-半導體影像感測器的製程剖面圖。

圖2係根據本發明另一實施例，所繪示的金屬-氧化物-半導體影像感測器的結構剖面圖

100．．．影像感測器

101．．．基材

101a．．．基材的前側表面

101b．．．基材的後側表面

102a．．．光電二極體結構

102b．．．汲極結構

102c．．．閘極結構

103．．．內連線結構

103a．．．金屬導線層

103b．．．介電材質層

103c．．．導電插塞

104．．．工作晶圓

108．．．P+摻雜層

109．．．介電材料層

110．．．介電隔離結構

111．．．淺溝隔離結構

112．．．後側對準標記

113．．．前側對準標記

115a．．．金屬屏蔽層

116．．．彩色濾光片

117．．．微透鏡

119．．．抗反射層

Claims (20)

1. 一種影像感測器，包括：一基材，具有一後側表面以及與該後側表面相對的一前側表面；一內連線結構，位於該基材的該前側表面上；複數個光電轉換元件(photoelectric transducer device)，形成於該前側表面上；至少一介電隔離結構，由該後側表面延伸進入該基材之中，藉以隔離該些光電轉換元件；以及一後側對準標記(alignment mark)，由該後側表面延伸進入該基材之中，並對應於預先形成在該前側表面上的一前側對準標記，其中該後側對準標記包括一凹室，由該後側表面延伸進入該基材之中。
2. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該基材係一矽層，且該介電隔離結構包括複數個底抗反射層(Anti Reflective Coating，ARC)。
3. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，更包括一離子摻雜層，位於該基材之中，並圍繞該介電隔離結構。
4. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，更包括一淺溝隔離結構，由該前側表面延伸進入該基材之中，並與該介電隔離結構相連。
5. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該後側對準標記係對準該前側對準標記，或以一特定空間關係與該前側對準標記產生關聯。
6. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，更包括一色濾光片及複數個微透鏡，位於該基材的該後側表面上。
7. 如申請專利範圍第6項所述之影像感測器，更包括一圖案化金屬屏蔽層，位於該色濾光片與該介電隔離結構之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該後側對準標記具有一介電材質層以及一金屬屏蔽層，位於該凹室的一底部與側壁上。
9. 一種影像感測器的製造方法，包括：於一基材的一前側表面上形成複數個光電轉換元件及一內連線結構；形成至少一介電隔離結構，由該基材的一後側表面延伸進入該基材之中，用以隔離該些光電轉換元件，其中該後側表面與該前側表面相對；以及形成一後側對準標記，由該基材的一後側表面延伸進入該基材之中，並對應於預先形成在該前側表面上的一前側對準標記。
10. 如申請專利範圍第9項所述之影像感測器的製造方法，其中該介電隔離結構和該後側對準標記二者係同時形成。
11. 如申請專利範圍第10項所述之影像感測器的製造方法，其中形成該介電隔離結構以及該後側對準標記的步驟包括：於該後側表面進行一蝕刻製程，以於該基材中形成至少一溝槽以及一凹室；於該後側表面上形成一介電材料層，以填充該溝槽，並且部分填充該凹室；以及進行一平坦化製程，以移除一部份該介電材料層，並將一部份該基材暴露於外。
12. 如申請專利範圍第11項所述之影像感測器的製造方法，其中該溝槽可將形成於該前側表面的一淺溝隔離結構暴露出來。
13. 如申請專利範圍第11項所述之影像感測器的製造方法，其中在形成該溝槽以及該凹室之後，更包括於該溝槽以及該凹室的側壁，進行一離子植入製程及一雷射退火製程。
14. 如申請專利範圍第11項所述之影像感測器的製造方法，其中在進行該蝕刻製程之前，更包括在該後側表面上形成一硬罩幕層。
15. 如申請專利範圍第11項所述之影像感測器的製造方法，其中在該平坦化製程之後，還包括：對該基材、該介電隔離結構及該後側對準標記進行一表面 處理；於該基材、該介電隔離結構及該後側對準標記上形成一金屬層；以及圖案化該金屬層，以形成一金屬屏蔽層，覆蓋該介電隔離結構及該後側對準標記。
16. 如申請專利範圍第15項所述之影像感測器的製造方法，其中該表面處理包括：對該後側表面、該介電隔離結構及該後側對準標記進行一離子掺雜製程及一雷射退火製程；以及於該後側表面、該介電隔離結構及該後側對準標記上形成一抗反射層。
17. 如申請專利範圍第10項所述之影像感測器的製造方法，其中該後側對準標記係對準該前側對準標記，或以一特定空間關係與該前側對準標記產生關聯。
18. 如申請專利範圍第10項所述之影像感測器的製造方法，其中在形成該介電隔離結構及該後側對準標記之後，還包括在該後側表面及該介電隔離結構上形成一彩色濾光片及複數個微透鏡。
19. 如申請專利範圍第10項所述之影像感測器的製造方法，其中在形成該介電隔離結構之前，更包括：將一工作晶圓與該內連線結構結合；以及於該後側表面進行一薄化製程，以薄化該基材。
20. 一種影像感測器的製造方法，包括：於一基材的一前側表面上形成複數個光電轉換元件及一內連線結構；於該基材的一後側表面進行一蝕刻製程，以於該基材中形成至少一溝槽；於該後側表面上形成一介電材料層，以填充該溝槽，並形成至少一介電隔離結構，由該後側表面延伸進入該基材之中，用以隔離該些光電轉換元件，且使該介電材料層保留在剛沉積時的狀態(as-deposited)。