TWI538179B - 背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程 - Google Patents
背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程 Download PDFInfo
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Description
本發明係關於一種背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程，且特別係關於一種形成弧面鏡於基底的主動面上的背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程。
背面照射(Back Side Illumination，BSI)影像感測器為現今一種常見的影像感測裝置，且由於背面照射影像感測器可以整合於傳統的半導體製程製作，因此具有製作成本較低、元件尺寸較小以及積集度(integration)較高的優點。此外背面照射影像感測器還具有低操作電壓、低功率消耗、高量子效率(quantum efficiency)、低雜訊(read-out noise)以及可根據需要進行隨機存取(random access)等優勢，因此已廣泛應用在個人電腦相機(PC camera)以及數位相機(digital camera)等電子產品上。
典型的背面照射影像感測器可依其功能劃分為一光感測區與一周邊電路區，其中光感測區通常設有複數個成陣列排列的感光二極體(photodiode)，並分別搭配重置電晶體(reset transistor)、電流汲取元件(current source follower)及列選擇開關(row selector)等之MOS電晶體，用來接收外部的光線
並感測光照的強度，而周邊電路區則用來串接內部的金屬內連線及外部的連接線路。背面照射影像感測器之感光原理係將入射光線區分為各種不同波長光線的組合，再分別由半導體基底上之複數個感光元件予以接收，並轉換為不同強弱之數位訊號。例如，將入射光區分為紅、藍、綠三色光線之組合，再由相對應之感光二極體予以接收，進而轉換為數位訊號。
本發明提出一種背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程，其在基底的主動面上形成至少一弧面鏡，是以使穿透基底之感光區的入射光可再反射回感光區，以增加感光區的光電轉換效率。
本發明提供一種背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程，包含有下述步驟。首先，提供一基底，具有一主動面。接著，進行一弧面化製程，以弧面化主動面。而後，形成一反射層於主動面上，因而形成至少一弧面鏡於主動面上。
基於上述，本發明提出一種背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程，其形成至少一弧面鏡於基底的主動面上，以將穿過基底中之感光區的入射光線再反射回感光區中，進而增加感光區的光電轉換效率。
第1-8圖係繪示本發明一實施例之背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程之剖面示意圖。如第1圖所示，提供一基底110，具有一正面S1以及一背面S2，其中基底110例如是一矽基底、一含矽基底、一三五族覆矽基底(例如GaN-on-silicon)、一石墨烯覆矽基底(graphene-on-silicon)或一矽覆絕緣(silicon-on-insulator，SOI)基底等半導體基底。在本實施例中，基底110的正面S1即為主動面。
接著，請繼續參閱第1-2圖，進行一弧面化製程(如第1-2圖所示)，以弧面化基底110部分之正面S1，而形成複數個弧面S3。具體而言，如第1圖所示，可先進行一蝕刻製程P1，從基底110的正面S1蝕刻基底110，而形成複數個凹槽R於基底110中。接著，如第2圖所示，進行一退火製程P2以弧面化各凹槽R之間的基底110。詳細而言，退火製程P2係由凹槽R的開口處的側壁開始弧角化，藉由調整退火製程P2的參數，例如時間、溫度以及壓力等以控制弧角化的程度，搭配各凹槽R之間的基底110的尺寸，進而達成整體弧面化的效果。在本實施例中，退火製程P2係為一含氫氣退火製程，但本發明不以此為限。在一較佳的實施例中，含氫氣退火製程的製程溫度大於1000℃，如此以弧面化基底110的正面S1。在一更佳且具體的實施例中，含氫氣退火製程的製程溫度為1000℃、製程壓力為500托爾(torr)以及製程時間為3分鐘，以達到所需之弧面，俾在後續製程中形成所需之弧面鏡。
在此一提，本實施例之弧面化製程係為：於基底110中形成凹槽R；進行一含氫的退火製程以弧面化凹槽R之間的基底110之正面S1。然而，在其他實施例中，亦可以其他製程直接弧面化基底110之正面S1而不須先形成凹槽R。再者，如有氧化層(未繪示)位於基底110之正面S1上，則基底110將無法被弧面化，因此當僅有部分之基底110須被弧面化時，則可在不須被弧面化之部分的基底110形成氧化層(未繪示)於其上，如此則可防止該處被弧面化，進而達到選擇性地弧面化部分之基底110的效果，俾使於後續製程中局部形成複數個弧面鏡於基底110。
接著，如第3圖所示，填入一絕緣材料10於各凹槽R中，其中填入絕緣材料10的步驟可包含：先填入絕緣材料(未繪示)於凹槽R中，再平坦化及回蝕刻絕緣材料(未繪示)，而形成絕緣材料10使其低於基底110之弧面S3。在本實施例中，絕緣材料10為一淺溝渠絕緣材料，例如二氧化矽或氮化矽，以在各凹槽R中形成一淺溝渠絕緣(shallow trench isolation,STI)結構或一深溝渠絕緣(deep trench isolation,DTI)結構，淺溝渠絕緣結構之深度例如約為2500至4000埃(angstroms)，深溝渠絕緣結構之深度例如約為25000至36000埃(angstroms)，但本發明不以此為限。換句話說，本發明之弧面化製程可有效的整合於現行之淺溝渠絕緣製程或深溝渠絕緣製程，亦即在以圖案化之氮化矽等遮罩(未繪示)於基底110正面S1形成複數個凹槽R後，便去除該等遮罩，然後在完成弧面化製程之
後，再填入絕緣材料於各凹槽中並平坦化，以形成淺溝渠絕緣(STI)結構，進而可使各淺溝渠絕緣之間的基底成為具有弧面S3結構的主動區域(active area)。此外，在進行化學機械研磨等之平坦化製程時，較佳者可再過研磨(over-polishing)凹槽R內的絕緣材料，或是搭配回蝕刻製程，以使弧面S3較突出於淺溝渠絕緣表面。
如第4圖所示，形成感光區120於基底110中，感光區120可例如為感光二極體(photodiode)(未繪示)，但本發明不以此為限，其中感光二極體(未繪示)的形成方法為本領域所熟知，故不再贅述。一般來說，感光區120會包含一P-N接面C，待測的入射光則會於此處被吸收，並轉化為電子/電洞對，而產生感測電流。當感光區120為CMOS影像感測器之一MOS電晶體(未繪示)之源極或汲極區時，則感測電流由此MOS電晶體(未繪示)傳輸至其他元件，例如可為配重置電晶體(reset transistor)、電流汲取元件(current source follower)及列選擇開關(row selector)等之MOS電晶體，用以將感測光線轉換為數位訊號，或者是位於週邊電路區內的邏輯MOS電晶體等，本實施例不一一舉例。
然後，形成一反射層20於基底110的各弧面S3，因而形成至少一弧面鏡22於弧面S3。反射層20可例如為由金屬等可反射材料所組成之複數個反光鏡，或者可能為由多層不同材質的薄膜層(其利用不同折射率，可達全反射)，例如二氧化矽與氮化矽之組合，所組
成之複數個反光鏡，以將由基底110之背面S2入射之光線反射回感光區120中。由於弧面鏡22面對基底110的面為一凹面鏡，是以弧面鏡22可反射由基底110之背面S2入射之光線。在一較佳實施例中，各弧面鏡22的焦點應設置於P-N接面C上，如此可將穿過P-N接面C的光線再經由各弧面鏡22反射而再集中於P-N接面C上，促使光線轉換成電子/電洞對，進而增加感光區120之光電轉換效率。
在本實施例中，由於感測區120為各MOS電晶體之源極或汲極區，因此可直接進行一自對準金屬矽化物(salicide)製程P3，以分別形成一金屬矽化物作為本發明之反射層20於各MOS電晶體之源極或汲極區上，如此則可自對準形成金屬矽化物於各弧面S3上。金屬矽化物一般為鎳/矽化物，為使金屬矽化物可有效反射光線，在本實施例中較佳為使金屬矽化物的厚度大於200埃(angstroms)，但本發明不以此為限。再者，在本實施例中，可配合邏輯電路區中之MOS電晶體製程實施自對準金屬矽化物製程，其例如在形成絕緣材料10之後，先進行閘極形成製程，源/汲極形成製程後，才進行自對準金屬矽化物製程。因此，感測區120在邏輯電路區製程中被遮住，一直到進行自對準金屬矽化物製程之前，才暴露出欲形成金屬矽化物之區域。
接著，在形成金屬矽化物之後，可形成層間介電層覆蓋金屬矽化物並填滿絕緣材料10上之凹槽R。例如，可如第5圖所示，形成所需之接觸插塞(未繪示)及一內連線結構130於基底110之正面S1上。內連線結構130係包含複數層的層間介電層以及層間金屬介電
層(intermetal dielectric,IMD)等介電層132以及複數層的金屬層134。介電層132例如為氧化層，而金屬層134則例如由鋁或銅所組成，但本發明不以此為限。具體而言，內連線結構130係由分別形成各介電層132；蝕刻各介電層132以形成凹槽(未繪示)於各介電層132中；再填入金屬(例如鋁或銅)於凹槽(未繪示)中以形成金屬層134等步驟之循環製程而形成之堆疊之結構。
然後如第6圖所示，倒置基底110，然後自基底110的背面S2薄化基底110，較佳至暴露出絕緣材料10，以電性絕緣對應感光區120之各MOS電晶體，避免基底110的漏電流。其中薄化基底110之製程可例如為化學機械研磨(chemical mechanical polishing,CMP)製程等平坦化製程，但本發明不以此為限。
如第7圖所示，可先選擇性地形成摻雜層或/及氧化層(未繪示)於背面S2，然後形成一抗反射層(anti-reflective layer)140於基底110(或者摻雜層、氧化層)上。抗反射層140可例如為一氮化矽層、一氮氧化矽層、一摻雜碳之氮化矽層、一摻雜碳之氮氧化矽層等。而後，形成至少一彩色濾光片150於抗反射層140上。在本實施例中係分別形成一圖案化之藍色濾光片152、一圖案化之綠色濾光片154以及一圖案化之紅色濾光片156於抗反射層140上，但本發明不以此為限，在其他實施例中亦可形成其他色系之彩色濾光片，視實際需要而定。在此一提，本發明之各感光區120係位於相對應之彩色濾光片150與弧面鏡22之間，而各弧面鏡22係設置於穿過彩
色濾光片150的光線之光路徑上。如此一來，弧面鏡22則可接收自彩色濾光片150過濾之光線，且將穿過各感光區120的光線，再經由各弧面鏡22而將其反射至相對應之感光區120中，更甚者較佳為能將光線反射至P-N接面上，以有效增加感光區120之光電轉換效率，進而增加所形成之背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測裝置之感測靈敏度。本發明係適於使用在背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測裝置中，但本發明亦可適用於其他之須反射光線之基底110中，視實際需求而定。
如第8圖所示，可先選擇性地分別形成一平坦層(未繪示)於各彩色濾光片150上。然後，再分別形成一微透鏡162、164、166於各彩色濾光片150或者平坦層(未繪示)上，以將光線集中入射至各彩色濾光片150中。之後，可再選擇性地分別形成一鈍化層(未繪示)於各微透鏡162、164、166上，並接續後續之背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程或外部電連接製程等。
綜上所述，本發明提出一種背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程，其形成至少一弧面鏡於基底的主動面上，以將穿過基底中之感光區的入射光線再次反射回感光區中，進而增加感光區的光電轉換效率。詳細而言，形成弧面鏡的方法係先進行一弧面化製程以弧面化主動面，再形成一反射層於主動面上，以形成至少一弧面鏡於主動面上。在一實施例中，進行弧面化製程的方法可包含：先自主動面蝕刻基底，以形成複數個凹槽於基底中；再進行一
退火製程以弧面化各凹槽之間的主動面，其中退火製程可為一含氫氣退火製程，但本發明不以此為限。
再者，在本實施例中，感光區為各MOS電晶體之源極或汲極區等含矽材質，是以可直接進行一金屬矽化物製程以於各源極或汲極上形成弧面鏡，但本發明不以此為限，亦可形成金屬或者為多層不同折射率的薄膜來構成各弧面鏡。
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。
10‧‧‧絕緣材料
20‧‧‧反射層
22‧‧‧弧面鏡
110‧‧‧基底
120‧‧‧感光區
130‧‧‧內連線結構
132‧‧‧介電層
134‧‧‧金屬層
140‧‧‧抗反射層
150‧‧‧彩色濾光片
152‧‧‧圖案化之藍色濾光片
154‧‧‧圖案化之綠色濾光片
156‧‧‧圖案化之紅色濾光片
162、164、166‧‧‧微透鏡
C‧‧‧P-N接面
P1‧‧‧蝕刻製程
P2‧‧‧退火製程
P3‧‧‧自對準金屬矽化物製程
R‧‧‧凹槽
S1‧‧‧正面
S2‧‧‧背面
S3‧‧‧弧面
第1-8圖係繪示本發明一實施例之背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程之剖面示意圖。
10‧‧‧絕緣材料
20‧‧‧反射層
22‧‧‧弧面鏡
110‧‧‧基底
120‧‧‧感光區
C‧‧‧P-N接面
P3‧‧‧自對準金屬矽化物製程
S2‧‧‧背面
S3‧‧‧弧面
Claims (19)
- 一種背照式(Backside Illumination,BSI)互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程，包含有：提供一基底，具有一主動面；進行一弧面化製程，以弧面化該主動面，其中進行該弧面化製程的步驟，包含：自該主動面蝕刻該基底，以形成複數個凹槽於該基底中；以及進行一退火製程以弧面化各該凹槽之間的該主動面；在進行該退火製程之後，填入一絕緣材料於各該凹槽中；以及形成一反射層於該主動面上，因而形成至少一弧面鏡於該主動面上。
- 如申請專利範圍第1項所述之背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程，其中該弧面鏡面對該基底的面為一凹面鏡。
- 如申請專利範圍第1項所述之背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程，其中該弧面化製程的步驟，包含：自該主動面蝕刻該基底，以形成複數個凹槽於該基底中；以及進行一退火製程以弧面化各該凹槽之間的該主動面。
- 如申請專利範圍第3項所述之背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程，其中該退火製程包含一含氫氣退火製程。
- 如申請專利範圍第4項所述之背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程，其中該含氫氣退火製程的製程溫度大於 1000℃。
- 如申請專利範圍第5項所述之背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程，其中該含氫氣退火製程的製程溫度為1000℃、製程壓力為500托爾(torr)以及製程時間為3分鐘。
- 如申請專利範圍第3項所述之背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程，其中在進行該退火製程之後，更包含：填入一絕緣材料於各該凹槽中。
- 如申請專利範圍第7項所述之背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程，其中該絕緣材料包含一淺溝渠絕緣材料，用以形成一淺溝渠絕緣(shallow trench isolation,STI)結構。
- 如申請專利範圍第1項所述之背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程，其中在進行該弧面化製程之前，更包含：形成一氧化層於部分的該主動面上，用以防止部分的該主動面被弧面化。
- 如申請專利範圍第1項所述之背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程，其中形成該反射層的方法包含進行一自對準金屬矽化物製程，用以形成一金屬矽化物於該主動面上。
- 如申請專利範圍第10項所述之背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程，其中於該金屬矽化物製程之後，該背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程更包含形成至少一內連線結構於該主動面上。
- 如申請專利範圍第10項所述之背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程，其中該金屬矽化物的厚度大於200埃(angstroms)。
- 如申請專利範圍第1項所述之背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程，另包含一於該基底形成一感光區的步驟實施於該弧面化製程之後。
- 如申請專利範圍第13項所述之背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程，其中該弧面鏡的焦點位於該感光區中。
- 如申請專利範圍第13項所述之背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程，其中該感光區包含一P-N接面，而該弧面鏡的焦點位於該P-N接面上。
- 如申請專利範圍第13項所述之背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程，其中該主動面係位於該基底之一正面，且在形成該反射層之後，該背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體 影像感測製程更包含：形成一內連線結構於該主動面上；自該基底的一背面薄化該基底；以及形成至少一彩色濾光片於該背面上。
- 如申請專利範圍第16項所述之背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程，其中該弧面鏡係設置於穿過該彩色濾光片的光線之光路徑上，且該感光區位於該彩色濾光片與該弧面鏡之間。
- 如申請專利範圍第16項所述之背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程，其中在形成該彩色濾光片之前，更包含：形成一抗反射層(anti-reflcctive layer)於該背面。
- 如申請專利範圍第16項所述之背照式互補式金屬氧化物半導體電晶體影像感測製程，其中在形成該彩色濾光片之後，更包含：形成一微透鏡於各該彩色濾光片上。
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