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TWI742013B - 影像感測器結構及其形成方法 - Google Patents

影像感測器結構及其形成方法 Download PDF

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TWI742013B
TWI742013B TW105137200A TW105137200A TWI742013B TW I742013 B TWI742013 B TW I742013B TW 105137200 A TW105137200 A TW 105137200A TW 105137200 A TW105137200 A TW 105137200A TW I742013 B TWI742013 B TW I742013B
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isolation structure
substrate
image sensor
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TW105137200A
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TW201719876A (zh
Inventor
山下雄一郎
莊君豪
角博文
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台灣積體電路製造股份有限公司
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Abstract

提供了一種影像感測器結構及其形成方法。影像感測器結構包括具有前側和背側的基板以及形成在基板中的感光區域。影像感測器結構還包括形成在基板的前側處的前側隔離結構和形成在基板的背側處的背側隔離結構。

Description

影像感測器結構及其形成方法
本發明係關於一種影像感測器結構及其製造方法，特別是關於具有隔離結構的影像感測器結構及其製造方法。
半導體積體電路裝置應用於各種電子應用中，如個人電腦、手機、數位相機和其他電子設備。通常藉由以下步驟來製造半導體裝置：在半導體基板上方相繼沉積絕緣或介電層、導電層和半導體材料層；以及使用光微影來圖案化該多個材料層，以在其上形成電路部和元件。
在過去的幾十年裡，半導體積體電路工業經歷了快速發展。隨著半導體材料和設計的技術進步，已經生產出更小且更複雜的電路。隨著處理和製造相關的技術的進步，使得其材料和設計也能一併進步。
在影像感測器技術中出現了許多半導體中的先進技術。背照式(BSI)影像感測器是用於積體電路中的一種影像感測器。然而，雖然現有的背照式影像感測器通常已足一達到其預期的目的，但是隨著裝置持續按比例縮小，它們並未在各方面皆完全符合要求。
根據本發明一些實施例中，提供了一種影像感測 器結構，包括：基板，具有前側和背側；感光區域，形成在所述基板中；前側隔離結構，形成在所述基板的前側；以及背側隔離結構，形成在所述基板的背側。
根據本發明的另一些實施例中，提供了一種影像感測器結構，包括：基板，具有前側和背側；感光區域，形成在所述基板中；前側隔離結構，在所述基板的前側處形成在所述感光區域周圍；以及背側隔離結構，在所述基板的背側處形成在所述感光區域周圍。
根據本發明的又一些實施例中，提供了一種用於製造影像感測器結構的方法，包括：在基板中形成感光區域；形成部分地圍繞所述感光區域的第一溝槽和圍繞所述感光區域的第二溝槽；以及在所述第一溝槽中形成前側隔離結構並且在所述第二溝槽中形成背側隔離結構，其中，所述前側隔離結構形成在所述基板的前側處，並且所述背側隔離結構形成在所述基板的背側處。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
102:基板
104:前側
106:背側
108、108f:感光區域
100a、100b、100c、100d、100e:影像感測器結構
100f、100g、100h、100i、100j:影像感測器結構
100k、100l、100m:影像感測器結構
110、110b、110c、110d、110e:前側隔離結構
112、112b、112c、112d、112e:背側隔離結構
114、114c、114d、114k、114l、114m:開口區域
W1、W2、W3:寬度
H1、H2:高度
118、118k、118l、118m:儲存節點
116、122、126、1005、1107、1109:閘極結構
1141、1209、122m:閘極結構
120、120m:光遮罩層
130:層間介電層
132:內連線結構層
134:支撐基板
136:抗反射層
138:彩色濾光器層
140:微透鏡層
142:入射光
135b:溝槽
135c:第一溝槽
135c':第二溝槽
102d:第一基板
102d':第二基板
108d:第一感光區域
108d':第二感光區域
124、124m:汲極結構
128:浮動節點
701g、701h、701i:覆蓋層
803:阻擋結構
110k、110l、110l'、110m:隔離結構
111l:中間區域
1115:中間節點
1113:中間閘極結構
108m:光二極體區域
第1A圖顯示在一些實施例中的影像感測器結構的前側的畫素佈局圖。
第1B圖顯示在一些實施例中的從影像感測器結構的背側的畫素佈局圖。
第1C圖顯示在一些實施例中沿著第1A圖中顯示的線A-A'的影像感測器結構的剖面圖。
第2A圖至第2E圖顯示在一些實施例中形成影像感測器結構的各階段的剖面圖。
第3A圖至第3D圖顯示在一些實施例中形成影像感測器結構的各階段的剖面圖。
第4A圖至第4B圖顯示在一些實施例中形成影像感測器結構的各階段的剖面圖。
第5圖顯示在一些實施例中的影像感測器結構的剖面圖。
第6A圖顯示在一些實施例中影像感測器結構的前側的畫素佈局圖。
第6B圖顯示在一些實施例中沿著第6A圖中的線B-B'所示的影像感測器結構的剖面圖。
第7A圖顯示在一些實施例中影像感測器結構的前側的畫素佈局圖。
第7B圖顯示在一些實施例中沿著線C-C'的影像感測器結構的剖面圖。
第8A圖和第8B圖顯示在一些實施例中的影像感測器結構的剖面圖。
第9A圖顯示在一些實施例中的影像感測器結構的前側的畫素佈局圖。
第9B圖顯示在一些實施例中沿著線D-D'的影像感測器結構的剖面圖。
第10圖顯示在一些實施例中的影像感測器結構的前側的 畫素佈局圖。
第11A圖顯示在一些實施例中的影像感測器結構的前側的畫素佈局圖。
第11B圖顯示在一些實施例中的影像感測器結構的不同區域中的可能的電位的示意圖。
第12A圖顯示在一些實施例中的影像感測器結構的前側的畫素佈局圖。
第12B圖顯示在一些實施例中沿著第12A圖中的線E-E'的影像感測器結構的剖面圖。
第12C圖顯示在一些實施例中的影像感測器結構的不同區域中的可能的電位的示意圖。
以下描述本揭露的實施例的利用及製造。然而，應了解的是，上述實施例可用於各種廣泛的特定內容。所描述特定的實施例僅用以說明，但並不用以限定本揭露之範圍。
應了解以下揭露了應用於本揭露的不同元件的許多不同的實施例或例子。以下所描述的元件及排列的特定例子僅用於簡化本揭露。這些例子當然只是例子，而非以此為限。此外，在第二製程之前進行第一製程這樣的描述中，可包括在第一製程之後緊接著進行第二製程這樣的實施例，也可包括在第一及第二製程之間進行額外的製程的實施例。為了簡化即清楚，各種元件可任意繪製為不同尺寸。此外，形成第一元件在第二元件上或之上的描述，可包括第一及第二元件直接接觸或間接接觸的實施例。
描述一些不同的實施例。在各種視圖及說明的實施例中，利用類似的元件符號標示類似的元件。應了解的是，在此方法的其他實施例中，可在方法之前、之中及之後提供額外的操作，且所描述的一些操作可取代或省略。
提供了影像感測器結構及其形成方法的實施例。影像感測器結構可以是背照式(BSI)影像感測器並且包括形成在其感光區域周圍的前側隔離結構和背側隔離結構。前側隔離結構和背側隔離結構可以防止雜散光(parasitic light)進入相鄰的儲存節點，從而可以提高影像感測器結構的性能。
第1A圖顯示在一些實施例中的影像感測器結構100a的前側的畫素佈局圖。第1B圖顯示在一些實施例中的影像感測器結構100a的背側的畫素佈局圖。第1C圖顯示在一些實施例中沿著第1A圖中所示線A-A'的影像感測器結構100a的剖面圖。
如第1A圖至第1C圖所示，在一些實施例中，影像感測器結構100a包括基板102，並且基板102具有前側104和背側106。在一些實施例中，基板102是包括矽的半導體基板。基板102可以是如矽晶圓的半導體晶圓。可選地或者另外地，基板102可以包括元素半導體材料、化合物半導體材料和/或合金半導體材料。元素半導體材料例如可以是(但不限於)晶體矽、多晶矽、非晶矽、鍺、和/或金剛石。化合物半導體材料例如可以是(但不限於)碳化矽、砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、砷化銦、和/或銻化銦。合金半導體材料的實例可以是(但不限於)SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP、和/或GaInAsP。
在一些實施例中，在基板102中形成感光區域108。在一些實施例中，如第1C圖所示，感光區域108穿過基板102形成。感光區域108可用以感測(檢測)入射光。例如，感光區域108可以對應於特定的波長範圍，如紅光、綠光或藍光。在一些實施例中，感光區域108包括光二極體結構。
可藉由在基板102上進行離子佈植製程來形成感光區域108。離子佈植製程可以包括多個佈植製程，並且可以使用各種摻質、佈植劑量以及佈植能量。在一些實施例中，感光區域108包括具有與基板102中的摻雜極性相反的摻雜極性的摻質。
在一些實施例中，影像感測器結構100a還包括形成在感光區域108周圍的前側隔離結構110和背側隔離結構112。更具體地，如第1C圖所示，前側隔離結構110形成在基板102的前側處。前側隔離結構110可以防止相鄰畫素之間的光串擾(cross-talk)。在一些實施例中，如第1A圖所示，前側隔離結構110部分地圍繞感光區域108的上部分。在一些實施例中，前側隔離結構110具有位於感光區域108的上部分的一側處的開口區域114，從而使得感光區域108的一部分未被前側隔離結構110圍繞。
前側隔離結構110可以由能夠阻擋光通過的材料製成。在一些實施例中，前側隔離結構110由氮化物或氧化物製成，如氧化矽或氮化矽。在一些實施例中，前側隔離結構110是氣孔。在一些實施例中，前側隔離結構110的寬度W1在約50nm至約0.3μm的範圍內。在一些情況下，可控制前側隔離結 構110的寬度W1使其不要太大，因此感光區域108可以具有更大的尺寸。另一方面，在一些情況下，可控制前側隔離結構110的寬度W1使其不要太薄，否則前側隔離結構110的形成會較為困難。
在一些實施例中，前側隔離結構110的高度H1在約0.25μm至約1.5μm的範圍內。在一些情況下，前側隔離結構110的高度H1不可過大，否則前側隔離結構110的開口區域114可能也會過大，而會損壞影像感測器結構100a的性能。
如第1C圖所示，背側隔離結構112形成在基板102的背側處。另外，在一些實施例中，背側隔離結構112與前側隔離結構110不同，其完全圍繞感光區域108的底部分。在一些實施例中，背側隔離結構112與前側隔離結構110直接接觸。
背側隔離結構112可以由能夠阻擋光通過的材料製成。在一些實施例中，背側隔離結構112由氮化物或氧化物製成，如氧化矽或氮化矽。在一些實施例中，背側隔離結構112由諸如鎢的金屬製成。在一些實施例中，前側隔離結構110和背側隔離結構112由不同的材料製成。在一些實施例中，前側隔離結構110由介電材料製成，並且背側隔離結構112由金屬製成。由金屬製成的隔離結構可以具有良好的光隔離能力，但是在高溫下會熔化。因此，前側隔離結構110可以由介電材料製成，其可以承受隨後的製造製程中所進行的相對較高的溫度，而背側隔離結構112則可由金屬製成。
在一些實施例中，背側隔離結構112被製成為具有在約50nm至約0.3μm的範圍內的寬度W2。類似地，可以控制背 側隔離結構112的寬度W2，從而使得感光區域108將具有更大的尺寸，但是背側隔離結構112的形成不會有太大的挑戰。在一些實施例中，背側隔離結構112的高度在約0.25μm至約3μm的範圍內。在一些情況下，背側隔離結構112的高度H2不可過大，否則背側隔離結構112可能會與儲存節點118接觸。在一些實施例中，感光區域108具有寬度W3在約0.5μm至約5μm的範圍內。
如第1A圖和第1C圖所示，在一些實施例中，閘極結構116形成在基板102的前側104的上方，並且儲存節點118形成於鄰近閘極結構116處。閘極結構116可以與感光區域108部分地重疊。在一些實施例中，閘極結構116包括多晶矽。在一些實施例中，閘極結構116是多閘極結構，如FinFET閘極結構。
儲存節點118形成在基板102的前側104處並且位於感光區域108未被前側隔離結構110完全圍繞的側部處。如第1A圖所示，儲存節點118形成於鄰近前側隔離結構110的開口區域114，從而使得感光區域108並未因前側隔離結構110而與儲存節點118隔離。
形成儲存節點118，從而使得感光區域108中感應的電子可以轉移至儲存節點118中並且進一步轉移至讀取電晶體(read-out transistor)中。藉由使用儲存節點118，可以同時進行(如，開始和停止)各個畫素的影像收集。因此，可以提高影像感測器結構110a的性能。例如，可以實現全域快門功能。在一些實施例中，藉由佈植製程形成儲存節點118。
如第1B圖和第1C圖所示，在一些實施例中，影像感測器結構100a還包括形成在基板102的背側106上方的光遮 罩層120。光遮罩層120係用以阻擋光從基板102的背側106直接進入儲存節點118。另一方面，感光區域108未被光遮罩層120覆蓋，從而使得光可以從基板102的背側106入射並且進入感光區域108。在一些實施例中，光遮罩層120由如鋁或鎢的金屬製成。
另外，如第3B圖所示，在一些實施例中，影像感測器結構100a還包括形成在基板的前側104上方的層間介電層130、內連線結構層132以及支撐基板134。如第1C圖所示，閘極結構116被層間介電層130覆蓋。層間介電層130可以包括由多種介電材料製成的多層，諸如氧化矽、氮化矽、氮氧化矽的介電材料和/或其他適用的低k介電材料。可以通過化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、原子層沉積(ALD)、旋塗、或其他適用的製程來形成層間介電層130。
內連線結構層132形成在層間介電層130上方並且可以包括形成在介電層中的多個導電元件。在一些實施例中，介電層是金屬間介電(IMD)層。在一些實施例中，介電層包括多層，由多種介電材料製成的多層，諸如氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、磷矽酸鹽玻璃(PSG)、硼磷矽酸鹽玻璃(BPSG)、的介電材料和/或其他適用的低k介電材料。可以通過化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、原子層沉積(ALD)、旋塗、或其他適用的製程來形成介電層。
導電元件可以包括：垂直互連件，諸如通孔或接觸件；和/或水準互連件，諸如導線。在一些實施例中，導電元件由導電材料製成，諸如鋁、鋁合金、銅、銅合金、鈦、氮 化鈦、鎢、多晶矽或金屬矽化物。
另外，如第1C圖所示，在一些實施例中，影像感測器結構100a還包括形成在基板102的背側106上方的抗反射層136、彩色濾光器層138以及微透鏡層140。在一些實施例中，抗反射層136由氮碳化矽、氧化矽等製成。在形成抗反射塗層136之後，可以在抗反射層136上方形成諸如氮化矽層或氮氧化矽層的保護層。
彩色濾光器層138可以包括一個以上彩色濾光器。彩色濾光器可以與形成在基板102中的感光區域108對準。彩色濾光器可以由染料基底(或顏料基底)聚合物製成以用於濾除特定頻率的光。另外，設置在彩色濾光器層138上的微透鏡層140可以包括一個以上微透鏡。微透鏡層140中的微透鏡可以與彩色濾光器層138中的彩色濾光器對準。
如第1C圖所示，在一些實施例中，入射光142可以從基板背側106進入基板102。更具體地，入射光142可以穿過微透鏡層140、彩色濾光器層138和抗反射層136並且從基板102的背側106進入感光區域108。之後，感光區域108中感應的電子可以通過前側隔離結構110的開口區域114轉移至儲存節點118。另外，由於入射光被光遮罩層120、背側隔離結構112和前側隔離結構110阻擋，所以入射光142將不直接到達儲存節點118。因此，可以降低雜散光干擾儲存節點118的風險。因此，可以提高影像感測器結構100a的性能。
應該注意，為了更好地理解本發明，影像感測器結構100a已進行簡化。例如，影像感測器可以包括附加的元 件，諸如重置電晶體(reset transistor)、浮動擴散器(floating diffusion)、源極跟隨電晶體(source follower transistor)、行選擇電晶體(row select transistor)、電容器等，但是未顯示於第1A圖至第1C圖中。另外，形成在影像感測器結構100a中的感光區域的數量亦可加以變化，本發明的範圍並非以此為限。
可以使用各種方法來形成以上描述的前側隔離結構和背側隔離結構，本發明的範圍並非以此為限。第2A圖至第2E圖是在一些實施例中形成影像感測器結構100b的各階段的剖面圖。影像感測器結構100b可以與先前描述的影像感測器結構100a類似或相同。因此，用於形成影像感測器結構100b的一些材料和製程與用於形成影像感測器結構100a的材料和製程類似或相同，並且本文不再重複。
如第2A圖所示，在一些實施例中，從基板102的前側104形成感光區域108、前側隔離結構110b和儲存節點118。在基板102的前側104上方形成閘極結構116。如先前描述的，前側隔離結構110b形成在感光區域108的上部分的周圍，但是該前側隔離結構在感光區域108的一側處具有開口區域114。因此，感光區域108未被前側隔離結構110b完全包圍，並且電子可以通過開口區域114從感光區域108轉移至儲存節點118。
在一些實施例中，可利用從基板102的前側蝕刻基板102以形成溝槽，並且利用隔離材料填充溝槽，以形成前側隔離結構110b。
接下來，如第2B圖所示，在一些實施例中，在基板102的前側104上方形成層間介電層130、內連線結構層132和 支撐基板134，並且可以在基板102的背側106上進行研磨製程。可以在基板的背側106上進行研磨製程直到從基板的背側106暴露感光區域108。應該注意，可以在層間介電層130、內連線結構層132和支撐基板134中形成附加的元件，但是第2B圖並未顯示出這些元件。
如第2C圖所示，在一些實施例中，接著，可以從基板102的背側106形成溝槽135b。溝槽135b形成在感光區域108的底部分周圍。在形成溝槽135b之後，背側隔離結構112b形成在溝槽135b中，從而使得感光區域108的底部分被背側隔離結構112b圍繞。
在形成背側隔離結構112b之後，在基板102的背側106上方形成光遮罩層120、抗反射層136、彩色濾光器層138和微透鏡層140以形成影像感測器結構100b。
第3A圖至第3D圖是在一些實施例中形成半導體結構100c的各階段的剖面圖。影像感測器結構100c可以與先前描述的影像感測器結構100a類似或相同。因此，用於形成影像感測器結構100c的一些材料和製程與用於形成影像感測器結構100a的材料和製程類似或相同，並且本文不再重複。
如第3A圖所示，在一些實施例中，在基板102中形成感光區域108，在感光區域108的一側處形成儲存節點118。另外，在一些實施例中，在基板的前側104上方形成閘極結構116、層間介電層130、內連線結構層132以及支撐基板134。如第3B圖所示，在一些實施例中，接下來，可以從基板102的背側106形成第一溝槽135c。此外，第一溝槽135c形成在感光區 域108周圍，並且在感光區域108的一側處具有開口區域114c。
如第3C圖所示，在一些實施例中，在形成第一溝槽135c之後，從基板102的背側106形成第二溝槽135c'。更具體地，從開口區域114c的背側106蝕刻基板102的一部分以形成第二溝槽135c'。然而，第二溝槽135c'未穿通基板102。
接下來，如第3C圖所示，在一些實施例中，利用隔離材料填充第一溝槽135c和第二溝槽135c'以形成前側隔離結構110c和背側隔離結構112c。在一些實施例中，前側隔離結構110c和背側隔離結構112c由相同的材料製成，並且它們之間沒有實質的界面。在形成前側隔離結構110c和背側隔離結構112c之後，在基板102的背側106上方形成光遮罩層120、抗反射層136、彩色濾光器層138和微透鏡層140以形成影像感測器結構100c。
第4A圖至第4B圖是在一些實施例中的形成半導體結構100d的各個階段的剖面圖。影像感測器結構100d可以與先前描述的影像感測器結構100a類似或相同。因此，用於形成影像感測器結構100d的一些材料和製程與用於形成影像感測器結構100a的材料和製程類似或相同，並且本文不再重複。
如第4A圖所示，在一些實施例中，接收第一基板102d和第二基板102d'。在一些實施例中，第一基板102d包括形成在第一基板102d中的第一感光區域108d、形成在第一感光區域108d周圍的前側隔離結構110d以及形成在第一基板102d中的儲存節點118。如第4A圖所示，前側隔離結構110d具有開口區域114d，並且儲存節點118形成為靠近開口區域114d。另外， 在第一基板102d上方形成閘極結構116、層間介電層130、內連線結構層132以及支撐基板134。
另外，第二基板102d'包括第二感光區域108d'和形成在第二感光區域108d'周圍的背側隔離結構112d。此外，在第二基板102d'的背側上方形成光遮罩層120、抗反射層136、彩色濾光器層138和微透鏡層140。
接下來，如第4B圖所示，在一些實施例中，第一基板102d和第二基板102d'接合在一起以形成影像感測器結構100d。在一些實施例中，第一感光區域108d與第二感光區域108d'對準，並且前側隔離結構110d與背側隔離結構112d對準。
第5圖是在一些實施例中的影像感測器結構100e的截面圖。除了影像感測器結構100e的前側隔離結構和背側隔離結構未彼此連接之外，影像感測器結構100e與先前描述的諸如影像感測器結構100a的影像感測器結構類似或相同。用於形成影像感測器結構100e的材料和製程與先前所述的那些類似或相同，並且本文不再重複。
更具體地，影像感測器結構100e還包括具有前側104和背側106的基板102以及形成在基板102中的感光區域108。另外，前側隔離結構110e形成在前側104處並且部分地圍繞影像感測器區域108的上部分。背側隔離結構112e形成在基板102的背側106處並且完全圍繞感光區域108的底部分。閘極結構116形成在基板的前側104上，並且儲存節點118形成為鄰近閘極結構116。在基板102的前側104上方形成層間介電層130、內連線結構層132和支撐基板134，並且在基板102的背側 106上方形成抗反射層136、彩色濾光器層138和微透鏡層140。如第5圖所示，前側隔離結構110e未與背側隔離結構112e連接。
第6A圖是在一些實施例中的從影像感測器結構100f的前側示出的畫素佈局圖。第6B圖是在一些實施例中的沿著第6A圖中示出的線B-B'所示出的影像感測器結構100f的剖面圖。用於形成影像感測器結構100f的一些材料和製程與先前所述的用於形成影像感測器結構的材料和製程類似或相同，並且本文不再重複。
如第6A圖和第6B圖所示，在一些實施例中，與影像感測器結構100a類似地，影像感測器結構100c包括基板102、前側隔離結構110、背側隔離結構112、閘極結構116、儲存節點118、層間介電層130、內連線結構層132、支撐基板134、光遮罩層120、抗反射層136、彩色濾光器層138以及微透鏡層140。另外，如第6B圖所示，在一些實施例中，影像感測器結構100f包括感光區域108f，該感光區域具有更小的上部分和更大的底部分。
另外，如第6A圖所示，在一些實施例中，閘極結構122形成在基板102的前側104上方，並且汲極結構124形成為鄰近閘極結構122。閘極結構122和汲極結構124可以視為形成在基板102的前側104上方的橫向溢出電晶體(lateral overflow transistor)。橫向溢出電晶體可用以將多餘的光從感光區域108f轉移出。在一些實施例中，閘極結構122與感光區域108f部分地重疊，但是汲極結構124未與感光區域108f直接接觸。如以上描述的，感光區域108f可以具有更小的上部分，從而使得感 光區域108f不與汲極結構124接觸。在一些實施例中，閘極結構122是多晶矽閘極結構或金屬閘極結構。在一些實施例中，通過佈植製程形成汲極結構124。
在一些實施例中，如第6A圖所示，在一些實施例中，閘極結構126形成在儲存節點118的側部處，並且浮動節點(floating node)128形成為鄰近閘極結構126。浮動節點128可以用以與讀取放大器連接。在一些實施例中，閘極結構126是多晶矽閘極結構或金屬閘極結構。在一些實施例中，通過佈植製程來形成浮動節點128。
第7A圖是在一些實施例中的從影像感測器結構100g的前側示出的畫素佈局。第7B圖是在一些實施例中的沿著線C-C'的影像感測器結構100g的剖面圖。除了在影像感測器結構100g中覆蓋層701g形成之外，影像感測器結構100g可以與先前所述的影像感測器結構100a類似。本文不再重複先前描述的元件、材料和製程。
更具體地，如第7A圖和第7B圖所示，在一些實施例中，影像感測器結構100g包括基板102、前側隔離結構110、背側隔離結構112、感光區域108、閘極結構116、儲存節點118、層間介電層130、內連線結構層132、支撐基板134、光遮罩層120、抗反射層136、彩色濾光器層138以及微透鏡層140。
另外，影像感測器結構100g包括形成在層間介電層130中的覆蓋層701g。如第7A圖所示，覆蓋層701g形成在基板102的前側104上方，從而使得感光區域108被覆蓋層701g覆蓋。覆蓋層701g的形成可用以防止入射光由於光折射或反射而 通過形成在感光區域108上方的層(如，層間介電層130)進入儲存節點118。在一些實施例中，如第7B圖所示，覆蓋層701g是形成在感光區域108上方的平坦的層並且未與閘極結構116直接接觸。在一些實施例中，覆蓋層701g由諸如鎢、鋁或銅的金屬製成。
第8A圖和第8B圖是在一些實施例中的影像感測器結構100h和100i的剖面圖。如第8A圖所示，在一些實施例中，除了覆蓋層701h形成在影像感測器結構100h中的位置與覆蓋層701g的形成位置不同之外，影像感測器結構100h與影像感測器結構100g類似。在一些實施例中，覆蓋層701h的一部分直接形成在感光區域108上並且因此與感光區域108的頂面直接接觸。在一些實施例中，覆蓋層701h具有沿著閘極結構116的側壁和頂面形成的階梯狀的形狀，但是覆蓋層701h未與閘極結構116直接接觸。由於覆蓋層701h直接形成在感光區域108上，所以可以減少雜散光。
如第8B圖所示，在一些實施例中，除了影像感測器結構100i中的覆蓋層701i形成在內連線結構層132中而不是形成在層間介電層130中之外，影像感測器結構100i與影像感測器結構100g類似。如第8B圖所示，覆蓋層701i形成在內連線結構層132中。在一些實施例中，覆蓋層701i還用作內連線結構層132中的金屬線。即，在一些實施例中，內連線結構層132中所形成的其他的導電元件電連接至覆蓋層701i。
第9A圖是在一些實施例中的從影像感測器結構100j的前側的畫素佈局圖。第9B圖是在一些實施例中的沿著線 D-D'的影像感測器結構100j的剖面圖。除了在影像感測器結構100j中形成阻擋結構803之外，影像感測器結構100j可以與先前所述的影像感測器結構100g類似或相同。本文不再重複先前描述的元件、材料和製程。
如第9B圖所示，在一些實施例中，影像感測器結構100j包括阻擋結構803，該阻擋結構配置為防止入射光進入附近形成的儲存節點(如，形成在相鄰畫素中的儲存節點118')。在一些實施例中，阻擋結構803與覆蓋層701g和前側隔離結構110直接接觸。在一些實施例中，阻擋結構803的一部分延伸至前側隔離結構110中。在一些實施例中，阻擋結構803和覆蓋層701由相同的材料製成。在一些實施例中，阻擋結構803、覆蓋層701和前側隔離結構110由相同的材料製成。在一些實施例中，阻擋結構803由諸如鎢、鋁或銅的金屬製成。
第10圖是在一些實施例中的從影像感測器結構100k的前側示出的畫素佈局圖。影像感測器結構100k的一些部分可以與先前描述的影像感測器結構100f的那些部分類似或相同，並且本文不再重複。另外，先前描述的第1A圖至第9B圖中示出的元件也可以形成在影像感測器結構100k中，但是未在第10圖中示出這些元件。
影像感測器結構100k包括形成在基板102的前側上方的儲存節點118k。另外，儲存節點118k位於其中儲存節點118k通過前側隔離結構110與感光區域108分離的位置處。即，儲存節點118k形成在與開口區域114錯開的部分處，而不是設置為靠近前側隔離結構110的開口區域114(如先前描述的儲存 節點118)。在一些實施例中，儲存節點118k放置在與感光區域108成對角的位置處。
如第10圖所示，從上視圖中看，感光區域108、前側隔離結構110的開口區域114和儲存節點118k未在直線上對齊。因此，儘管前側隔離結構110也具有開口區域114，但仍可減少雜散光穿過開口區域114進入儲存節點118k的風險。然而，由於儲存節點118k未設置為靠近開口區域114，所以閘極結構1005形成在基板102的前側上方以連接感光區域108和儲存節點118k。閘極結構1005可以被視為轉移閘極結構。感光區域108中感應的電子可以通過閘極結構1005轉移至儲存節點118k。
在一些實施例中，儲存節點118k被額外的隔離結構110k圍繞。另外，隔離結構110k也具有開口區域114k，使得儲存節點118k的一部分未被隔離結構114k圍繞。如第10圖所示，閘極結構1005的一端與前側隔離結構110的開口區域114重疊，並且閘極結構1005的另一端與隔離結構110k的開口區域114k重疊。用於形成隔離結構110k的材料和製程可以與用於形成先前描述的前側隔離結構110的材料和製程類似或相同。另外，應該注意，儘管儲存節點118k形成在與先前描述的儲存節點118的位置不同的位置中，但是用於形成儲存節點118k的材料和製程可以與用於形成先前描述的儲存節點118的材料和製程類似或相同，並且本文不再重複。
第11A圖是在一些實施例中的從影像感測器結構100l的前側示出的畫素佈局圖。影像感測器結構100l的一些部 分可以與先前描述的影像感測器結構100k的那些部分類似或相同，並且本文不再重複。另外，先前描述的元件也可以形成在影像感測器結構100l中，雖然未在第11A圖中顯示出這些元件。
如第11A圖所示，在一些實施例中，與影像感測器結構100k類似，影像感測器結構100l也包括形成在基板102的前側處的儲存節點118l。另外，儲存節點118l位於其中儲存節點118l通過前側隔離結構110與感光區域108分離的位置處。儲存節點118l的位置和該儲存節點的形成可以與以上描述的儲存節點118k的位置和形成類似或相同。
如先前描述的，由於感光區域108、前側隔離結構110的開口區域114和儲存節點118l未在佈局中的直線上對準，所以可以減少雜散光穿過開口區域114進入儲存節點118l的風險。另外，儲存節點118l被額外的隔離結構110l圍繞，並且隔離結構110l也具有開口區域114l。在一些實施例中，閘極結構1107形成在前側隔離結構110的開口區域114上方，並且閘極結構1109形成在隔離結構110l的開口區域114l上方。
如第11A圖所示，影像感測器結構100l包括中間區域111l。閘極結構1107形成在中間區域111l的一側處，並且閘極結構1109形成在中間區域111l的另一區域處。在一些實施例中，中間區域111l被隔離結構110l'圍繞。
在一些實施例中，中間電晶體結構形成在中間區域111l的另一側處。在一些實施例中，中間電晶體結構包括中間閘極結構1113和形成為鄰近中間閘極結構1113的中間節點 1115。當中間電晶體結構開啟時，可以通過中間電晶體結構將到達中間區域111l的不需要的電荷引導至遠處。另一方面，當中間電晶體結構關閉時，由感光區域108感應的信號(如，集成帶電的)可以被引導至儲存節點118l。應該注意，儘管第11A圖中示出了中間電晶體，但是在其他實施例中可以不使用該中間電晶體。即，可以根據應用來選擇中間電晶體是否形成。
第11B圖是在一些實施例中的影像感測器結構100l的不同區域中的可能的電位的示意圖。如第11B圖所示，y軸表示每一個區域中的電位。感光區域108中的電位大於中間區域111l中的電位，並且中間區域111l中的電位大於儲存節點118l中的電位。另外，儲存節點118l中的電位大於浮動節點128。此外，閘極結構1107、1141和126可以用於控制電子通過。在一些實施例中，可以通過控制每一個區域中的摻質的濃度來調節這些區域的電位。
第12A圖是在一些實施例中的從影像感測器結構100m的前側示出的畫素佈局圖。第12B圖是在一些實施例中的沿著第12A圖中示出的線E-E'的影像感測器結構100m的剖面圖。影像感測器結100m的一些部分可以與先前描述的影像感測器結構100k的那些部分類似或相同，並且本文不再重複。
如第12A圖所示，在一些實施例中，與影像感測器結構100k類似地，影像感測器結構100m也包括形成在基板102的前側處的儲存節點118m。另外，儲存節點118m位於其中儲存節點118m通過前側隔離結構110與感光區域108分離的位置處。儲存節點118m的位置和該儲存節點的形成可以與以上描述 的儲存節點118k的位置和形成類似或相同。在一些實施例中，閘極結構1209形成在隔離結構110m的開口區域114m上方。
如先前描述的，由於感光區域108、前側隔離結構110的開口區域114和儲存節點118m未在佈局中的直線上對準，所以可以減少雜散光穿過開口區域114進入儲存節點118m的風險。另外，儲存節點118m被額外的隔離結構110m圍繞，並且隔離結構110m也具有開口區域114m。
此外，如第12A圖和第12B圖所示，在一些實施例中，影像感測器結構100m還包括附加的光二極體區域108m。附加的光二極體區域108m形成於靠近前側隔離結構110的開口區域114，從而使得感光區域108中感應的電子可以轉移至附加的光二極體區域108m中。在一些實施例中，感光區域108也包括光二極體區域，並且兩個光二極體區域形成在前側隔離結構110的開口區域114的相對側處。
另外，影像感測器結構100m包括光遮罩層120m，該光遮罩層與先前描述的光遮罩層120類似或相同。如第12B圖所示，感光區域108未被光遮罩層120m覆蓋，並且因此，入射光可以從基板102的背側106進入感光區域108。另一方面，附加的光二極體區域108m被光遮罩層120m覆蓋，並且因此，入射光不能夠從基板102的背側106直接進入附加的光二極體區域108m。然而，由於感光區域108和附加的光二極體區域108m在開口區域114處彼此未隔離，所以感光區域108中的電子可以儲存在附加的光二極體區域108m中。因此，可以增強影像感測器結構110m的滿井容量(full well capacity)。
另外，包括閘極結構122m和汲極結構124m的橫向溢出電晶體形成在附加的光二極體區域108m的側部處。用於形成閘極結構122m和汲極結構124m的功能和製程可以與先前描述的閘極結構122和汲極結構124的功能和製程類似或相同，並且本文不再重複。
第12C圖是在一些實施例中的影像感測器結構100m的不同的區域中的可能的電位的示意圖。與第11B圖類似，第12C圖中的y軸表示每一個區域中的電位。感光區域108中的電位大於附加的光二極體區域108m中的電位，並且附加的光二極體區域108m中的電位大於儲存節點118m中的電位。另外，儲存節點118m中的電位大於浮動節點128。此外，導電結構114m和126可以用於控制電子通過。在一些實施例中，可以藉由控制每一個區域中的摻質的濃度來調節這些區域的電位。
應該注意，以上描述的閘極結構可以是多閘極(multi-gate)結構，從而可以增加給定區域中形成的閘極結構的數量。因此，可以最小化影像感測器結構的尺寸。
前述的影像感測器結構，包括影像感測器結構100a至100m，可為BSI影像感測器結構。另外，全域快門結構也可以應用於BSI影像感測器結構。如先前描述的，儲存節點(如儲存節點118)形成在基板102的前側104處並且設置於靠近感光區域108。因此，感光區域108中感應的電子可以轉移至儲存節點118中，並因此可以同時進行影像收集。因此，可以提高影像感測器結構的性能。
另外，當在基板的前側104形成儲存節點118時， 也可形成光遮罩層120、前側隔離結構110和背側隔離結構120以防止入射光直接進入儲存節點118。然而，感光區域108未被前側隔離結構110完全圍繞，因而使得電子可以通過開口區域114轉移至儲存節點118中。
此外，在一些實施例中，形成覆蓋層701g以防止光由於設置在感光區域108上方的層中的折射或反射而進入儲存節點118。在一些實施例中，更進一步地形成阻擋結構803以阻擋光進入相鄰的儲存節點，如儲存節點118'。因此，可以進一步減少雜散光進入儲存節點的風險。
在一些實施例中，如儲存節點118k、118l或118m的儲存節點形成在遠離前側隔離結構110的開口114的位置處。藉由使儲存節點並未對齊於暴露出感光區域108的開口區域114，可以防止雜散光。另外，可以使用如閘極結構1005、1107、1109和1209的附加的閘極結構，而使得感光區域108中感應的電子仍可轉移至儲存節點中。在一些實施例中，附加的光二極體區域108m形成於靠近感光區域108，而可以增強影像感測器結構的滿井容量。
提供了影像感測器結構及其製造方法的實施例。影像感測器結構包括形成在基板中的感光區域和靠近感光區域的形成的儲存節點。另外，影像感測器結構還包括形成在基板的前側中的前側隔離結構和形成在基板的背側中的背側隔離結構。感光區域的上部分被前側隔離結構部分地圍繞，並且感光區域的底部分被背側隔離結構完全圍繞。前側隔離結構和背側隔離結構可以防止光直接進入儲存節點，而感光區域中感 應的電子可以通過前側隔離結構的開口區域轉移至儲存節點。因此，可以提高影像感測器結構的性能。
在一些實施例中，提供了一種影像感測器結構。影像感測器結構包括具有前側和背側的基板以及形成在基板中的感光區域。影像感測器結構還包括形成在基板的前側處的前側隔離結構和形成在基板的背側處的背側隔離結構。
在一些實施例中，所述背側隔離結構與所述前側隔離結構連接。
在一些實施例中，所述前側隔離結構和所述背側隔離結構由不同的材料製成。
在一些實施例中，影像感測器結構還包括：儲存節點，形成在所述基板的前側處，其中，所述感光區域的一部分未通過所述前側隔離結構與所述儲存節點隔離。
在一些實施例中，影像感測器結構包括：儲存節點，形成在所述基板的前側處；以及光遮罩層，形成在所述基板的背側處。
在一些實施例中，影像感測器結構還包括：覆蓋層，形成在所述基板的前側上方以覆蓋所述感光區域。
在一些實施例中，影像感測器結構還包括：阻擋結構，與所述覆蓋層和所述前側隔離結構直接接觸。
在一些實施例中，影像感測器結構還包括：閘極結構，形成在所述基板的前側上；以及儲存節點，形成為鄰近所述閘極結構，其中，所述閘極結構的一部分與所述感光區域重疊。
在一些實施例中，提供了一種影像感測器結構。影像感測器結構包括具有前側和背側的基板以及形成在基板中的感光區域。影像感測器結構還包括在基板的前側處形成在感光區域周圍的前側隔離結構和在基板的背側處形成在感光區域周圍的背側隔離結構。
在一些實施例中，所述前側隔離結構具有開口區域，使得所述感光區域的一部分未被所述前側隔離結構圍繞。
在一些實施例中，影像感測器結構還包括：儲存節點，形成在所述基板的前側處，其中，所述儲存節點形成為鄰近所述前側隔離結構的開口區域。
在一些實施例中，影像感測器結構還包括：儲存節點，形成在所述基板的前側處，其中，所述儲存節點未與所述前側隔離結構的開口區域對準。
在一些實施例中，影像感測器結構還包括：導電結構，形成在所述基板的前側上方，其中，所述儲存節點和所述感光區域通過所述導電結構連接。
在一些實施例中，影像感測器結構還包括：中間區域，形成在所述基板中，其中，所述感光區域形成在所述中間區域的一側處，並且所述儲存節點形成在所述中間區域的另一側處。
在一些實施例中，影像感測器結構還包括：第二光二極體區域，形成為鄰近所述前側隔離結構的開口區域，其中，所述感光區域包括第一光二極體區域，並且所述第一光二極體區域和所述第二光二極體區域形成在所述前側隔離結構 的開口區域的相對側處。
在一些實施例中，提供了一種用於製造影像感測器結構的方法。用於製造影像感測器結構的方法包括：在基板中形成感光區域，並且形成部分地圍繞感光區域的第一溝槽以及圍繞感光區域的第二溝槽。用於製造影像感測器結構的方法還包括：在第一溝槽中形成前側隔離結構，並且在第二溝槽中形成背側隔離結構。另外，在基板的前側處形成前側隔離結構，並且在基板的背側處形成背側隔離結構。
在一些實施例中，在形成所述第二溝槽之前，形成所述前側隔離結構。
在一些實施例中，形成所述前側隔離結構和所述背側隔離結構包括在所述第一溝槽和所述第二溝槽中沉積隔離材料。
在一些實施例中，所述基板包括第一晶圓和接合至所述第一晶圓的第二晶圓，並且所述前側隔離結構形成在所述第一晶圓中，以及所述背側隔離結構形成在所述第二晶圓中。
在一些實施例中，用於製造影像感測器結構的方法還包括：在所述基板的前側處形成儲存節點，使得所述感光區域中感應的信號轉移至所述儲存節點中。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，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。
100a:影像感測器結構
108:感光區域
116:閘極結構
132:內連線結構層
134:支撐基板
130:層間介電層
118:儲存節點
114:開口區域
102:基板
112:背側隔離結構
136:抗反射層
138:彩色濾光器層
140:微透鏡層
120:光遮罩層
142:入射光
W1、W2、W3:寬度
106:背側
H1、H2:高度
110:前側隔離結構
104:前側

Claims (14)

  1. 一種影像感測器結構，包括：一基板，具有一前側及一背側；一感光區域，形成在該基板中；一前側隔離結構，形成在該基板的該前側且部份圍繞該感光區域，其中該前側隔離結構具有鄰接的一第一側、一第二側及鄰接該第一側的一第三側；一背側隔離結構，形成在該前側隔離結構之下的該基板的該背側且完全圍繞該感光區域；一光遮罩層，形成在該背側隔離結構之下的該基板的該背側且圍繞該感光區域；一儲存節點，形成在該背側隔離結構之上的該基板的該前側且鄰近於該感光區域；一第一閘極結構，形成在該前側隔離結構之上的該基板的該前側且位於該前側隔離結構的該第三側，其中該第一閘極結構的一部份和該感光區域重疊；以及一第二閘極結構，形成在該前側隔離結構之上的該基板的該前側且從該前側隔離結構的該第一側延伸至該第二側，其中該第二閘極結構的一部份和該感光區域重疊；其中，該前側隔離結構係以一第一材料形成，該背側隔離結構係以一第二材料形成，該第二材料不同於該第一材料，且該前側隔離結構鄰近該儲存節點之部份具有一開口，使得該感光區域的一部份和該儲存節點並未被該前側隔離結構分開。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器結構，其中該光遮罩層接觸該背側隔離結構。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器結構，更包括：一覆蓋層，形成在該前側隔離結構之上的該基板的該前側以覆蓋該感光區域。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之影像感測器結構，更包括：一阻擋結構，直接接觸該覆蓋層並延伸進入該前側隔離結構中，並延伸至該感光區域與另一儲存節點之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器結構，更包括：一汲極結構，形成在該第二閘極結構和該前側隔離結構之間，並從該前側隔離結構的該第一側延伸至該第二側。
  6. 一種影像感測器結構，包括：一基板，具有一前側及一背側；一感光區域，形成在該基板中；一前側隔離結構，以一第一材料形成在該基板的該前側且部分圍繞該感光區域；一背側隔離結構，以一第二材料形成在該前側隔離結構之下的該基板的該背側且完全圍繞該感光區域；一光遮罩層，形成在該背側隔離結構之下的該基板的該背側且圍繞該感光區域；以及一儲存節點，形成在該背側隔離結構之上的該基板的該前側且鄰近於該感光區域，其中該儲存節點未與該前側隔離結構的一開口區域對齊；其中該第一材料為介電材料，該第二材料為金屬，且該第 一材料直接接觸該第二材料。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之影像感測器結構，其中該前側隔離結構具有該開口區域，使得該感光區域的一部分未被該前側隔離結構圍繞。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之影像感測器結構，更包括：一導體結構，形成在該基板的該前側；其中，藉由該導體結構連接該儲存節點及該感光區域。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之影像感測器結構，更包括：一中間區域，形成在該基板中；其中該感光區域形成在該中間區域的一側，且該儲存節點形成在該中間區域的另一側。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之影像感測器結構，更包括：一第二光二極體區域，鄰近於該前側隔離結構的該開口區域；其中該感光區域包括一第一光二極體區域，且該第一光二極體區域及該第二光二極體區域形成在該前側隔離結構的該開口的相對側。
  11. 一種影像感測器結構的形成方法，包括：在一基板中形成一感光區域；在該基板中形成一儲存節點鄰近於該感光區域；形成一前側隔離結構部分圍繞該感光區域的一上部，其中該前側隔離結構的一開口區域未與該儲存節點對齊；形成一溝槽完全圍繞該感光區域的一下部以暴露出該前側隔離結構的一底表面； 在該溝槽中之該前側隔離結構的該底表面之下形成一背側隔離結構；以及在該背側隔離結構下形成一光遮罩層圍繞該感光區域。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之影像感測器結構的形成方法，其中以一介電材料形成該前側隔離結構，且以金屬形成該背側隔離結構。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之影像感測器結構的形成方法，更包括：在該基板的一前側上形成一閘極結構，其中該閘極結構部分重疊於該感光區域及該前側隔離結構，且該儲存節點與該背側隔離結構部分重疊。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之影像感測器結構的形成方法，更包括：在該基板的一前側上形成一內連線結構層；以及該光遮罩層重疊於該前側隔離結構及該背側隔離結構。
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