TWI781600B

TWI781600B - 影像感測器裝置與其形成方法

Info

Publication number: TWI781600B
Application number: TW110115377A
Authority: TW
Inventors: 謝豐鍵; 徐嘉言; 鄭允瑋; 胡維禮; 李國政; 陳信吉
Original assignee: 台灣積體電路製造股份有限公司
Priority date: 2021-03-04
Filing date: 2021-04-28
Publication date: 2022-10-21
Also published as: US12382734B2; US20220285422A1; US20250318289A1; CN114695402A; TW202235922A; US20240006458A1; US12324254B2

Abstract

本揭露提出一種影像感測器裝置，包括半導體層，其具有第一表面與第二表面，第一表面相對於第二表面。此裝置包括設置在第一表面上的導電結構，並且在導電結構和第一表面之間設置有介電層。此裝置包括第一介電層，設置於半導體基板的第二表面之上。此裝置包括第二介電層，設置於第一介電層之上。此裝置包括彩色濾光層，設置於第二介電層之上。在一些實施例中，第一介電層的厚度、折射率或這兩者和第二介電層的厚度、折射率或這兩者是共同地決定，導致入射輻射穿過第一介電層和第二介電層，並在像素上具有破壞性干涉。

Description

影像感測器裝置與其形成方法

本揭露總體上涉及半導體裝置，尤其涉及影像感測器裝置及其形成方法。

半導體影像感測器用於感測入射的可見或不可見輻射，例如可見光，紅外光等。互補金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)影像感測器(CIS)和電荷耦合裝置(charge-coupled device，CCD)感測器已用在各種應用中，例如數位相機、手機、平板電腦、護目鏡等。這些影像感測器利用像素陣列來吸收(例如，感測)入射的輻射並將其轉換為電信號。前側照明(front side illuminated，FSI)影像感測器裝置是影像感測器裝置的一個示例。這些FSI影像感測器裝置可操作檢測來自其前側的光。後側照明(back side illumiated，BSI)影像感測器裝置是影像感測器裝置的一個示例。這些BSI影像傳感器裝置可操作檢測來自其背面的光。

本揭露的一個角度提出一種影像感測器裝置。影像感測器裝置包括一半導體基板，具有第一表面與第二表面，第一表面相對於第二表面。影像感測器裝置包括第一介電層，設置於半導體基板的第二表面之上。影像感測器裝置包括第二介電層，設置於第一介電層之上。影像感測器裝置包括彩色濾光層，設置於第二介電層之上。半導體基板的折射率大於彩色濾光層的折射率。彩色濾光層的折射率大於第一介電層的折射率。第一介電層的折射率大於第二介電層的折射率。

本揭露的另一個角度提出一種影像感測器裝置。影像感測器裝置包括多個像素，設置在半導體基板的第一表面。影像感測器裝置包括第一介電層，設置在半導體基板的第二表面上。第二表面相對於第一表面。第一介電層具有第一折射率。第二介電層設置在第一介電層之上。第二介電層具有第二折射率。彩色濾光層設置在第二介電層之上。其中該第一介電層的第一厚度和該第二介電層的第二厚度是共同地基於該第一折射率和該第二折射率所決定，導致入射輻射穿過第一介電層和第二介電層，並在像素上具有破壞性干涉。

本揭露的另一角度提出一種影像感測器裝置的形成方法，包括在一半導體層的第一表面上形成多個像素，這些像素用以吸收來自半導體層的第二表面的輻射。半導體層的第二表面相對於半導體層的第一表面。此方法包括在半導體層的第一表面上形成金屬化層。此方法包括在半導體基板的第二表面上形成第一介電層。此方法包括在第一介電層上形成第二介電層。此方法包括在第二介電層上形成一彩色濾光層。半導體層的折射率大於彩色濾光層的折射率。彩色濾光層的折射率大於第一介電層的折射率。第一介電層的折射率大於第二介電層的折射率。

101:破壞性干涉

105:彩色濾光器

107:第一層

109:第一折射率

111:第二層

113:第二折射率

119:第一反射

121:第二反射

125:光波

100:方法

102,104,106,108,110,112,114:操作

200:影像感測器裝置

202:半導體基板

204A,204B,204C:像素

202F:正面

202B:背面

304:隔離區域

400:裝置層

402:氮化物層

404:半導體裝置

406:導電結構

408:介電層

410,410A,410B,410C,410D:金屬化層

412:線

414:介電層

416:通孔

418:介電層

420:特殊應用積體電路/晶片上矽

422:結合結構

702:第一介電層

802:第二介電層

902:彩色濾光層

當結合附圖閱讀時，根據下面詳細的描述可以更好地理解本揭露的態樣。應該強調的是，根據工業中的標準作法，各種特徵並沒有按比例繪示。實際上，為了清楚的討論，各種特徵可以被任意增大或縮小。

第1A圖與第1B圖繪示了光波穿過一實施例的效果。

第2圖是根據一些實施例繪示了一方法的流程圖，用以製造影像感測器裝置。

第3、4、5、6、7、8、9、10圖是根據一些實施例繪示根據第2圖方法製造範例影像感測器裝置的各個製造階段的剖面圖。

第11、12、13圖是根據一些實施例繪示用以選擇第一介電層與第二介電層的材料與其折射率的表格。

第14圖是根據一些實施例繪示一表格，具有第一介電層與第二介電層的厚度以及入射光波長。

以下的揭露提供了各種不同的實施例或例子，用以實作所提供標的的不同特徵。為了簡化本揭露，一些元件與佈局的具體例子會在以下說明。當然，這些僅僅是例子而不是用以限制本揭露。例如，若在後續說明中提到了第一特徵形成在第二特徵上面，這可包括第一特徵與第二特徵是直接接觸的實施例；這也可以包括第一特徵與第二特徵之間還形成其他特徵的實施例，這使得第一特徵與第二特徵沒有直接接觸。此外，本揭露可能會在各種例子中重複圖示符號及/或文字。此重複是為了簡明與清晰的目的，但本身並不決定所討論的各種實施例及/或設置之間的關係。

再者，在空間上相對的用語，例如底下、下面、較低、上面、較高等，是用來容易地解釋在圖示中一個元件或特徵與另一個元件或特徵之間的關係。這些空間上相對的用語除了涵蓋在圖示中所繪的方向，也涵蓋了裝置在使用或操作上不同的方向。這些裝置也可被旋轉(例如旋轉90度或旋轉至其他方向)，而在此所使用的空間上相對的描述同樣也可以有相對應的解釋。

術語“大約”和“實質上”可以表示給定數量的值在5%範圍內變化(例如，該值的±1%，±2%，±3%，±4%，±5%)。

儘管以下描述的實施例集中於背側照明影像感測器(BSI)，但是應當理解，前側照明影像感測器(FSI)也可以使用所公開的技術來配置。

通常，後側照明影像感測器(BSI)包括半導體基板(例如，矽基板)，其中形成有像素或輻射感測區域。在此揭露中，"輻射感測區域"以及"像素"的術語可以彼此互換。BSI影像感測器裝置可以包括排列在半導體基板內的像素陣列。此像素陣列相對於在半導體基板的第一表面上形成的多層金屬化層(例如，一個或多個互連結構)垂直排列。半導體基板的第一表面在本文中被稱為半導體基板的“前側”或“正面”。像素陣列延伸到半導體基板中並用以接收來自或穿過半導體基板的第二表面的輻射(例如，光)，其中第二表面相對於與半導體基板的正面。半導體基板的第二表面接收輻射(並與半導體基板的正面相對)，此第二表面在本文中被稱為半導體基板的“後側”或“背面”。

半導體基板中的這些像素通過隔離結構(例如深溝槽隔離(deep trench isolation，DTI)結構)彼此電隔離。與上述隔離結構對齊(並形成在半導體基板的背面)的是各自的柵格結構，這些柵格結構可在相鄰的像素之間提供光學隔離。相鄰的柵格結構共同形成單元(cell)。此外，這些單元共同形成了用於容納彩色濾光材料的複合柵格結構。基於以上描述，該複合柵格結構形成在半導體基板的背面上。

彩色濾光材料可以設置在相鄰的柵格結構之間以形成彩色濾光器。可以選擇彩色濾光材料，使得具有所需波長的光會穿過這些濾光材料，同時彩色濾光材料會吸收其他波長的光。例如，綠光過濾材料接收未經過濾的自然光，使綠光部分(波長介於495nm和570nm之間)通過濾光片，但會吸收所有其他波長。彩色濾光器對準相應的像素，以將過濾後的光提供給相應的像素。

BSI感測器裝置的組件(例如，像素、電晶體、電容器、記憶體結構、連接到BSI感測器裝置的其他晶片等)可以通過導線連接器耦合到外部設備(例如，外部電路)，這些導線連接器連接至半導體基板背面上的焊墊結構。為此，BSI感測器裝置的焊墊結構從半導體基板的背面實體上地延伸到半導體基板的正面，並電連接到BSI感測器的多層金屬化層。因此，BSI感測器裝置的多層金屬化提供BSI感測器裝置的電信號連接，且可透過焊墊結構墊耦合到外部裝置或電路。

在現有技術中，穿過彩色濾光器和各層以到達像素的光波波長會受到建設性干涉和其他反饋雜訊所影響，從而導致花瓣狀光斑和其他缺陷。花瓣狀光斑可能會在產生的影像中導致可見的偽影(visible artifact)或霧狀(haze)。偽影可能會使生成的影像模糊不清，並可能在影像上顯示為星狀爆裂、環或圓形。霧狀可能會導致對比度降低並降低色彩飽和度，從而導致影像褪色。因此，現有BSI影像感測器裝置的結構和製造技術並不完全令人滿意。

本揭露提供了BSI影像感測器裝置的各種實施例及其製造方法。如本揭露所公開的，BSI影像傳感器裝置包括在彩色濾光層之下的一層或多層。這些層可以“調整(tune)”光的干涉，例如通過光波的破壞性干涉來消除花瓣狀光斑。在各個實施例中，破壞性干涉可以通過選擇一個或多個調整層的折射率和厚度來調整。因此，與現有的BSI影像感測器裝置相比，所公開的BSI影像傳感器裝置的特徵在於具有更少的花瓣狀光斑問題。

第1A圖和第1B圖共同繪示了額外的調整層對從彩色濾光層發出的光波的影響。如第1A圖，破壞性干涉101的示例說明所示，這些層可用於產生破壞性干擾並降低雜訊。可以使用材料的厚度和折射率來調整光波，從而在光波之間產生破壞性干涉。例如，光波125可以穿過彩色濾光器105進入第一層107。第一層107具有可以改變光波125的第一折射率109。光波125可以進入第二層111，第二層111的第二折射率113可以改變光波125。光波可以在下方的表面反射以形成，例如，第一反射119。光波125可以穿過第二層111和第一層107，改變光波，然後上方的表面反射以形成，例如，第二反射121。光波125可能會在被感測之前再次穿過第一層107和第二層111。除非進行適當的調整，否則這樣的過程會產生光斑。然而，如果進行了適當的調整，則可以使用如第1A圖所示的破壞性干涉101來去除光斑。此外，可以在整個晶圓上對層和材料的厚度進行圖案化和調整。這可以對其進行優化以減少雜訊，例如花瓣狀光斑。

第2圖是根據本揭露的一或多個實施例繪示BSI影像感測器裝置的形成方法100的流程圖。要注意的是，方法100僅是示例，並不用於限制本揭露。還應注意，其他實施例可能未包括方法100中的所有步驟。例如，根據本揭露的一個或多個實施例，FSI影像感測器裝置可例如不包括操作108。因此，應當理解，可以在第2圖的方法100之前，期間和之後提供額外的操作，並且這裡僅簡要描述一些其他操作。在一些實施例中，方法100的操作可以與BSI影像感測器裝置在各個製造階段的剖面圖交叉關聯，如第3、4、5、6、7、8、9、10圖所示，以下將進一步詳細討論。

簡單來說，方法100開始於操作102，在半導體基板的正面形成多個像素(或輻射感測區域)。方法100繼續進行至操作104，在正面104形成一個或多個隔離區域。方法100繼續到操作106，在正面形成裝置層和一個或多個金屬化層。方法100繼續到操作108，翻轉半導體基板。方法100繼續操作110，在半導體基板的背面形成第一介電層。方法100繼續至操作112，在半導體基板的背面形成第二介電層。方法100繼續至操作114，在半導體基板的背面形成彩色濾光層。

如上所述，第3圖-第10圖分別以剖面圖繪示出了第2圖中方法100的各個製造階段以形成BSI影像感測器裝置200的一部分。第3圖-第10圖已被簡化以更好地理解對本揭露的概念。儘管圖式繪示出了BSI影像感測器裝置200，但是應當理解，BSI影像感測器裝置200可以包括許多其他裝置，例如電感器、保險絲、電容器、線圈等，為了清楚起見，這些裝置並未在第3圖-第10圖中示出。

對應於第2圖的操作102，第3圖是在各個製造階段的其中之一的BSI影像感測器裝置200的剖面圖，包括形成在半導體基板(或半導體層)的正面202F的多個像素204A、204B和204C。相對於正面(或前側)202F(例如，沿Z軸)，半導體基板202具有背面(或後側)202B，BSI影像感測器裝置200透過背面202B接收入射輻射。

半導體基板202可以包括主體半導體晶圓(bulk semiconductor wafer)或絕緣體上半導體(semiconductor on insulator wafer，SOI)的頂層，其厚度大於是6μm(例如，大約6.15μm、大約6.30μm、大約6.50μm或大約6.70μm)。例如，半導體基板202可以包括半導體材料，例如矽、鍺、化合物半導體、合金半導體，任何其他合適的半導體材料和/或其組合。此外，半導體基板202可以是為了增強效能的外延材料，和/或者參雜有n型雜質、p型雜質或其組合。在各種實施例中，半導體基板202可包括p型和n型摻雜區的組合。

像素204A-C形成在半導體基板202F的正面。儘管第3圖和以下剖面圖中繪示出了三個像素204A-C，但是應當理解，BSI影像感測器裝置200可以包括任何需要數量的像素，都在本揭露的範圍之內。

每個像素204A-C均用以感測電磁輻射，例如近紅外光。作為示例而非限制，每個像素204A-C都包括一個光電二極體結構，例如固定層(pinned layer)光電二極體、光電閘(photogate)、重置電晶體、源極追隨器電晶體、傳輸電晶體、任何其他合適的結構，和/或其組合。此外，有時將像素204A-C稱為“輻射感測裝置”或“光感測器”。在一些實施例中，是從正面202F摻雜半導體基板202以形成像素204A-C。例如，摻雜製程可以包括用p型摻雜劑(例如硼)或n型摻雜劑(例如磷或砷)來摻雜半導體基板202。在一些實施例中，是透過摻雜劑擴散製程和/或離子注入製程來形成像素204A-C。

對應於第2圖的操作104，第4圖是各種製造階段的其中之一的BSI影像感測器裝置200的剖面圖，包括形成在正面202F的一或多個隔離區域304。隔離區域304可將像素204A-C彼此隔離。作為示例而非限制，隔離區域304可形成在正面202F的對應部分上。

在一些實施例中，可以通過執行以下至少一些製程來形成隔離區域304：形成可圖案化層(例如，光阻(photoresist，PR)層)，其具有圖案，此圖案定義了隔離區域304在半導體基板202的位置；使用可圖案化層作為蝕刻遮罩來蝕刻(例如，乾蝕刻)半導體基板202以形成凹槽；去除(例如，濕蝕刻)可圖案化層；沉積一層或多層，包括但不限於氧化矽、USG、PSG、BPSG、PEOX、FSG、低k介電材料(例如，k值小於3.9)或其組合以作為覆蓋層來填充凹槽；平坦化(例如，化學機械研磨(chemical-mechanical polishing， CMP)製程)覆蓋層。

對應於第2圖的操作106，第5圖是各個製造階段之一的半導體裝置200的剖面圖，包括裝置層400和一個或多個金屬化層410。根據一些實施例，裝置層400和金屬化層410可以依序地形成在半導體基板202的正面202F或之上。例如，裝置層400可以接觸正面202F的特定部分。

裝置層400可以包括一個或多個半導體裝置404(例如，場效應電晶體)，這些半導體裝置404是根據半導體基板202的正面202F上的晶片佈局所形成的。裝置層400還可以包括額外的元件或結構，例如摻雜區、冗餘區域、外延層、電容器結構、電阻器等。為了簡化起見，在第5圖中未示出裝置層400的這些額外元件或結構。在一些實施例中，BSI影像感測器裝置200包括垂直導電結構406(例如，通孔)，用以將半導體裝置404和裝置層400的其他元件電連接至上金屬化層。導電結構406可以形成中間線(middle of the line，MOL)佈線網絡的一部分。在一些實施例中，裝置層400還包括氮化物層402，其在墊結構的形成過程中在隨後的蝕刻操作中作為蝕刻停止層(etch stop layer，ESL)。在一些實施例中，氮化物層402形成在半導體裝置404周圍，但是不在半導體裝置404和半導體基板202之間。介電層408可以嵌入或覆蓋相應的氮化物層402、半導體裝置404和導電結構406。

如第5圖所示，金屬化層410可以包括一個或多個金屬化層，例如金屬化層410A、410B、410C和410D。應當理解的是，影像感測器裝置200可以包括任何需要數量的金屬化層，這都在本揭露的範圍內。在一些實施例中，沿著Z軸，金屬化層410A是第一或最底層的金屬化層(有時稱為“M1”層)，金屬化層410D是最頂層的金屬化層(有時稱為“TM”(top metal)層)。金屬化層410可以形成後端線(back end of the line，BEOL)佈線網絡的一部分。每個金屬化層410(例如，410A-D)可以包括一或多個橫向導電結構(例如，線)412，其嵌入相應的介電層414中。在一些實施例中，一個或多個導電結構和介電層(其中嵌入有一個或多個導電結構)有時可以統稱為金屬化層。

跨越不同金屬化層410的一或多個垂直導電結構416(例如，通孔)可以延伸穿過相應的介電層418，以沿Z軸電連接相鄰的金屬化層。線412和通孔416例如由銅形成，有時可以稱為銅互連結構。儘管未示出，但是在一些實施例中，銅線412和銅通孔416中的每一個都可以被(擴散)阻擋層包圍。阻擋層的材料可以選自由鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、氮化鈦(TiN)、鈦鎢(TiW)和鈦(Ti)組成的組中選擇。在一些實施例中，有時會將此阻擋層稱為相應金屬化層(或相應導電結構)的一部分。

介電層408、414和418可以電隔離在其中的元件和/或結構。在一些實施例中，介電層408、414和418中的每一者是層間介電(interlayer dielectric，ILD)層或金屬間介電(inter-metal dielectric，IMD)層。例如，層間介電層或金屬間介電層包括氧化矽、USG、BPSG、低k介電質(例如，介電常數低於3.9)或介電質的堆疊，例如低k介電質和另一種介電質：(i)低k介電質(例如碳摻雜的氧化矽)和氮摻雜的碳化矽；(ii)低k介電質(例如，碳摻雜的氧化矽)和帶有氧摻雜的碳化矽；(iii)具有氮化矽的低k介電質(例如，碳摻雜的氧化矽)；和/或(iv)具有氧化矽的低k介電質(例如，碳摻雜的氧化矽)。

在一些其他實施例中，裝置層400和/或金屬化層410可以形成在單獨的半導體基板(例如，不同於半導體基板202)上，並且隨後被附接到半導體基板202的正面202F。

在影像感測器裝置200的某些應用中，可以將特殊應用積體電路(application specific integrated circuit，ASIC)和/或晶片上矽(silicon-on-chip，SoC)420附接到頂部金屬化層410D。這種結構有時可稱作為3D堆(three-dimensional stack)或3D積體電路。就這一點而言，一個或多個結合結構422可以用於將特殊應用積體電路/晶片上矽420電性地和機械地結合到頂部金屬化層410D。特殊應用積體電路/晶片上矽420可以向影像感測器裝置200添加功能或可以控制其功能。在一些實施例中，特殊應用積體電路/晶片上矽420包括金屬化層、半導體裝置、記憶體裝置，或者晶片的堆疊，這些晶片例如是記憶體晶片、中央處理器(central processing unit，CPU)晶片、其他功能晶片(例如，RF晶片)或其組合。

根據一些實施例，BSI影像感測器裝置200的製造可以繼續在半導體基板202的背面202B或之上形成額外的結構。就這一點而言，這種部分製造的BSI影像感測器裝置200可以繞X軸旋轉180度(如第6圖所示)，這也對應於第2圖的操作108。

半導體基板202可以變薄到期望的厚度T₁。變薄可以允許光波穿過半導體基板202到達像素204A-C。作為示例而非限制，取決於BSI影像感測器裝置200的應用，厚度T₁可以在約2μm至約6μm的範圍內。半導體基板202的薄化可以通過平坦化製程來實現(例如CMP製程)、回蝕製程(例如乾蝕刻製程)、其他一些減薄製程(例如研磨)或其組合。

對應於第2圖的操作110，第8圖是在各個製造階段之一的BSI影像感測器裝置200的剖面圖，包括第一介電層702。第一介電層702可以沉積在半導體基板202的背面202B。第一介電層702可以是單層或多層結構。在一些實施例中，第一介電層702是氧化矽、碳摻雜的氧化矽、相對低介電常數(k值)的介電材料(k值小於約4.0)、或其組合。在一些實施例中，第一介電層702由低k介電材料、極低k介電材料、多孔低k介電材料及其組合的材料所形成。根據一些實施例，可以使用多種材料，例如較低介電常數的材料，可包含Si、O、X、加入N的氧化物、氮化物或碳化物複合膜。第二介電層802材料的例子包括SiO₂、SiO、MgO、Al₂O₃、Yb₂O₃、ZNO、Si₃N₄、Ta₂O₅、ZrO₂、HFO₂、TeO₂、TiO₂。其他第二介電層802材料的示例包括摻雜有CaF₂、B、Ba、P中一或多者的SiO₂。其他第二介電層802材料示例包括Si_xO_yN_z的各種形式。

可能實施例的示例可以包括旋塗式無機介電質(spin-on inorganic dielectrics)、旋塗式有機介電質(spin-on organic dielectrics)、多孔介電質材料、有機聚合物、有機矽玻璃、FSG(SiOF系列材料)、氫倍半矽氧烷(HSQ)系列材料、甲基倍半矽氧烷(MSQ)系列材料，或多孔有機系列材料。在一些實施例中，可通過各種技術中的任何一種來沉積第一介電層702，例如化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)，物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)，原子層沉積(atomic layer deposition， ALD)，遠程等離子增強化學氣相沉積(remote plasma enhanced chemical vapor deposition，RPECVD)、液體源霧化化學沉積(liquid source misted chemical deposition，LSMCD)、塗覆、旋塗或其他適合形成薄膜層的製程。第一介電層702的厚度可以在整個基底上被圖案化。在一些實施例中，可以選擇第一介電層702的厚度以使入射輻射穿過彩色濾光層(例如，第10圖的彩色濾光層902)、第一介電層702和第二介電層802，以在像素204A-C之間具有破壞性干涉。在一些實施例中，第一介電層702可以是氧化物層。

對應於第2圖的操作112，第9圖是在各個製造階段之一的BSI影像感測器裝置200的剖面圖，包括第二介電層802。第二介電層802可以沉積在基板的背面，在第一介電層702上方。第二介電層802可以是單層或多層結構。在設置了第一介電層702的情況下，第二介電層802可以用來對折射率進行“調整”(tune)，此調整是透過選擇材料和厚度，以使通過第一介電層702、半導體基板和彩色濾光層(例如，第10圖的彩色濾光層902)的光波在像素204A-C造成的破壞性干涉最小，從而降低了花瓣狀光斑。

在一些實施例中，第二介電層802是氧化矽或碳摻雜的氧化矽。根據一些實施例，可以使用多種材料，例如較低介電常數的材料，可包含Si、O、X、加入N的氧化物、氮化物或碳化物複合膜。第二介電層802材料的例子包括SiO₂、SiO、MgO、Al₂O₃、Yb₂O₃、ZNO、Si₃N₄、Ta₂O₅、ZrO₂、HFO₂、TeO₂、TiO₂。其他第二介電層802材料的示例包括摻雜有CaF₂、B、Ba、P中的一或多者的SiO₂。其他第一介電層702和第二介電層802材料示例包括表示為Si_xO_yN_z、Si_xN_z、Si_xO_yN_z的各種化學結構。

可能的實施例的示例可以包括旋塗式無機介電質、旋塗式有機介電質、多孔介電質材料、有機聚合物、有機矽玻璃、FSG(SiOF系列材料)、氫倍半矽氧烷(HSQ)系列材料、甲基倍半矽氧烷(MSQ)系列材料，或多孔有機系列材料。在一些實施例中，可通過各種技術中的任何一種來沉積第二介電層802，例如化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、原子層沉積(ALD)，遠程等離子增強化學氣相沉積(RPECVD)、液體源霧化化學沉積(LSMCD)、塗覆、旋塗或其他適合形成薄膜層的製程。第一介電層702的厚度可以在整個基底上被圖案化。在一些實施例中，可以選擇第一介電層702的厚度以使入射輻射穿過彩色濾光層(例如，第10圖的彩色濾光層902)、第一介電層702和第二介電層802，以在像素204A-C之處具有破壞性干涉。

對應於第2圖的操作114，第10圖是在各個製造階段之一的BSI影像感測器裝置200的剖面圖，包括彩色濾光層902。形成彩色濾光層902的可能材料包括樹脂或其他具有彩色顏料的有機材料，例如染料為基礎的聚合物。可以選擇用於彩色濾光層902彩色濾光材料，使得具有所需波長的光會穿過這些濾光材料，同時彩色濾光材料會吸收其他波長的光。例如，綠光過濾材料接收未經過濾的自然光，使綠光部分(波長介於495nm和570nm之間)通過彩色濾光層902，但會吸收所有其他波長。彩色濾光層902對準相應的像素，以將過濾後的光提供給相應的像素。

在某些情況下，半導體基板的折射率大於彩色濾光層的折射率。在某些情況下，彩色濾光層的折射率大於第一介電層的折射率。在某些情況下，第一介電層的折射率大於第二介電層的折射率。在某些情況下，半導體基板的折射率大於彩色濾光層的折射率，彩色濾光層的折射率大於第一介電層的折射率，第一介電層的折射率大於第二介電層的折射率。

在某些情況下，由於所需的裝置特性，半導體基板202和彩色濾光層902的厚度和材料可以是固定的。在這種情況下，第一介電層702的材料和厚度以及第二介電層802的材料和厚度可通過選擇材料和厚度來“調整”折射率，藉此減少穿過第一介電層702、半導體基板202和彩色濾光層902到達204A-C的光波所造成的建設性干涉，從而減少了花瓣狀光斑。一旦第一介電層702選擇了材料，就可以使用以下關係式來計算第一介電層702的厚度。

一旦選擇了第二介電層802的材料，就可以使用以下關係式來計算第二介電層802的厚度。

在這些關係式中，t ₁表示第一介電層的厚度，t ₂表示第二介電層802的厚度，λ表示入射光(經過彩色濾光器，也稱為入射輻射)的波長，n ₁表示第一介電層702的折射率，n ₂表示第二介電層802的折射率，m ₁及m ₂為整數。在一些實施例中，第一介電層702與第二介電層802合稱為蓋氧化層，蓋氧化層的厚度等於第一介電層702的厚度加上第二介電層802的厚度後的一半。第11圖-第14圖進一步解釋了選擇第一介電層702和第二介電層802的原理以及它們各自的厚度。

第11圖是根據一些實施例繪示用以選擇第一介電層與第二介電層的材料與其折射率(n)的表格。材料可以包括例如SiO₂、SiO、MgO、Al₂O₃、Yb₂O₃，ZNO、Si₃N₄、Ta₂O₅、ZrO₂、HFO₂、TeO₂和TiO₂。可以共同確定用作第一介電層702和第二介電層802的材料，以使穿過第一介電層和第二介電層的入射輻射具有破壞性干涉。破壞性可能是由於“調整”第一介電層702的折射率和第二介電層802的折射率所引起的。可以根據所需的第一介電層702的折射率(n)和第二介電層802的折射率(n)來選擇材料。

第12圖是根據一些實施例繪示用以選擇第一介電層與第二介電層的材料與其折射率的表格。第一介電層702和第二介電層802材料可以包括SiO₂，摻雜有CaF₂、B、Ba和P中的一或多者。可以使用原子的離子佈值來摻雜SiO₂，這些原子例如為CaF₂、B、Ba和P。可以通過在氣體中存在CaF₂、B、Ba或P的情況下對SiO₂進行例如熱退火來對SiO₂進行摻雜。如第12圖所示，摻雜劑的存在會改變用作第一介電層702或第二介電層802的材料的折射率(n)。可以共同確定用作第一介電層702和/或第二介電層802的摻雜劑，以使穿過第一介電層和第二介電層的入射輻射具有破壞性干涉。破壞性可能是由於“調整”第一介電層702的折射率和第二介電層802的折射率所引起的。可以根據所需的第一介電層702的折射率(n)和第二介電層802的折射率(n)來選擇參雜劑以及是否添加參雜劑。

第13圖是根據一些實施例繪示用以選擇第一介電層與第二介電層的材料與其折射率的表格。第一介電層702和第二介電層802的材料包括表示為Si_xO_yN_z、Si_xN_z、Si_xO_yN_z的各種化學結構。如第13圖所示，介電材料Si/N/O的比例可能會使材料的折射率發生變化。例如，富氧結構的折射率可能比純矽結構的折射率低。第一介電層702和/或第二介電層802中Si/N/O的比例可以根據所需的折射率來決定。此外，介電層的結構，例如晶體或多晶矽，也可能會改變折射率。多晶矽層可以比晶體結構具有更高的折射率。可以共同確定用作第一介電層702和/或第二介電層802的材料，以使穿過第一介電層和第二介電層的入射輻射具有破壞性干涉。破壞性干涉可能是由於“調整”第一介電層702的折射率和第二介電層802的折射率所引起的。可以根據所需的第一介電層702的折射率(n)和第二介電層802的折射率(n)來選擇材料。

第14圖是根據一些實施例繪示一表格，具有第一介電層與第二介電層的厚度以及入射光波長。為了計算第一介電層和第二介電層的厚度，可以使用以下關係式。

使用以下關係式來計算第一介電層702的厚度：

可以使用以下關係式來計算第二介電層802的厚度：

在這些關係式中，t ₁表示第一介電層的厚度，t ₂表示第二介電層的厚度，λ表示入射光的波長，n ₁表示第一介電層的折射率，n ₂表示第二介電層的折射率，m ₁及m ₂為整數。

第14圖給出了波長以及第一和第二介電層的相關厚度的範例表，其中m表示光波週期。第一介電層702和第二介電層的厚度可以共同確定，以使穿過第一介電層702和第二介電層802的入射輻射在到達像素之前具有破壞性干涉，從而抑制花瓣狀的光斑。

本揭露的一個角度提出一種影像感測器裝置。影像感測器裝置包括一半導體層，具有第一表面與第二表面，第一表面相對於第二表面。影像感測器裝置包括設置在第一表面上的導電結構，並且在導電結構和第一表面之間設置有介電層。影像感測器裝置包括第一介電層，設置於半導體基板的第二表面之上。影像感測器裝置包括第二介電層，設置於第一介電層之上。影像感測器裝置包括彩色濾光層，設置於第二介電層之上。半導體基板的折射率大於一折射率。此折射率可大於第一介電層的折射率。第一介電層的折射率大於第二介電層的折射率。

在一些實施例中，可以在第一表面上形成多個輻射感測區域，用以透過第二表面接收輻射。在一些實施例中，可以在第一表面上設置多個金屬化層。

在一些實施例中，第二介電層包括SiO₂。在一些實施例中，第一介電層的材料是基於改變SiO₂的化學組成來選擇。第一介電層可以包括參雜有雜質的SiO₂，雜質例如是CaF₂、B、Ba與P。第一介電層的材料包括元素化合物，元素化合物的元素包括Si、N、與O中的一或多者。第一介電層的材料包括化合物，例如是Si₃N₄與SiO。

在一些實施例中，第一介電層的厚度和第二介電層的厚度是共同地決定。這些厚度可由第一介電層和第二介電層的相應折射率所決定。可最佳化這些厚度，導致入射輻射穿過彩色濾光層、第一介電層和第二介電層，並在半導體基板的第二表面上具有破壞性干涉。第一厚度是根據第一關係式所決定：

第二厚度是根據第二關係式所決定：

本揭露的另一個角度提出一種影像感測器裝置。影像感測器裝置包括多個像素，設置在半導體基板的第一表面。影像感測器裝置包括第一介電層，設置在半導體基板的第二表面上。第二表面相對於第一表面。第一介電層具有第一折射率。第二介電層設置在第一介電層之上。第二介電層具有第二折射率。彩色濾光層設置在第二介電層之上。第一介電層的厚度和第二介電層的厚度是共同地所決定，導致入射輻射穿過第一介電層和第二介電層，並在像素上具有破壞性干涉。上述的厚度的決定是基於第一介電層的折射率和第二介電層的折射率。在一些實施例中，像素用以吸收來自半導體層的第二表面的輻射。

在一些實施例中，第一介電層的第一材料和第二介電層的第二材料被共同選擇，使得入射輻射穿過第一介電層和第二介電層，並且在像素上具有破壞性干涉。在一些實施例中，第二介電層包括SiO₂，並且第一介電層的材料是基於改變一結晶結構與/或者改變Si_xO_y的化學組成來選擇。在一些實施例中，第二介電層包括SiO₂，並且第一介電層的材料是基於改變結晶結構與改變Si_xN_y的化學組成來選擇。在一些實施例中，基於入射光的波長來共同選擇第一介電層702的材料和第二介電層802的材料。

在一些實施例中，第一介電層702的厚度和第二介電層702的厚度是共同基於一材料的折射率來決定，此材料用以作為彩色濾光層，導致入射輻射穿過彩色濾光層、第一介電層和第二介電層，並在像素上具有破壞性干涉。在一些實施例中，上述層的厚度是以下變數的函式：t ₁表示第一介電層的厚度，t ₂表示第二介電層的厚度，λ表示入射光的波長，n ₁表示第一介電層的折射率，n ₂表示第二介電層的折射率，m ₁及m ₂為整數。

在一些實施例中，第一介電層702的厚度是根據以下關係式所決定：

在一些實施例中，第二介電層802的厚度是根據第二關係式所決定：

在一些實施例中，第一介電層與第二介電層包括一蓋氧化層。蓋氧化層的厚度t₃是根據第三關係式所決定：

本揭露的另一角度提出一方法，包括在一半導體層的第一表面上形成多個像素，這些像素用以吸收來自半導體層的第二表面的輻射。半導體層的第二表面相對於半導體層的第一表面。此方法包括在半導體層的第一表面上形成金屬化層。此方法包括在半導體基板的第二表面上形成第一介電層。此方法包括在第一介電層上形成第二介電層。此方法包括在第二介電層上形成一彩色濾光層。半導體層的折射率大於彩色濾光層的折射率。彩色濾光層的折射率大於第一介電層的折射率。第一介電層的折射率大於第二介電層的折射率。在一些實施例中，形成第一介電層的程序包括基於第一介電層的折射率與第二介電層的折射率決定第一介電層的厚度，導致入射輻射穿過第一介電層和第二介電層，並在像素上具有破壞性干涉。

本揭露的另一個角度提出一種影像感測器裝置。影像感測器裝置包括多個像素，設置在半導體層的第一表面。影像感測器裝置包括第一介電層，設置在半導體基板的第二表面上。第二表面相對於第一表面。第一介電層具有第一折射率。第二介電層設置在第一介電層之上。第二介電層具有第二折射率。彩色濾光層設置在第二介電層之上。第一介電層的厚度和第二介電層的厚度是共同地所決定，導致入射輻射穿過第一介電層和第二介電層，並在像素上具有破壞性干涉。上述的厚度的決定是基於第一介電層的折射率和第二介電層的折射率。

本揭露的另一角度提出一方法，包括在一半導體層的第一表面上形成多個像素，這些像素用以吸收來自半導體層的第二表面的輻射。半導體層的第二表面相對於半導體層的第一表面。此方法包括在半導體層的第一表面上形成金屬化層。此方法包括在半導體基板的第二表面上形成第一介電層。此方法包括在第一介電層上形成第二介電層。此方法包括在第二介電層上形成一彩色濾光層。半導體層的折射率大於彩色濾光層的折射率。彩色濾光層的折射率大於第一介電層的折射率。第一介電層的折射率大於第二介電層的折射率。

以上概述了數個實施例的特徵，使得本領域具有通常知識者可以更了解本揭露的態樣。本領域具有通常知識者可理解的是，他們已可把本揭露當作基礎來設計或修改其它的製程或結構，藉此完成和這些實施例相同的目標及/或優點。本領域具有通常知識者也應可明白，這些等效的建構並不脫離本揭露的精神與範圍，並且他們可以在不脫離本揭露精神與範圍的前提下做各種的改變、替換與變動。

105：彩色濾光器 107：第一層 109：第一折射率 111：第二層 113：第二折射率 119：第一反射 121：第二反射 125：光波

Claims

一種影像感測器裝置，包括：一半導體基板，具有一第一表面與一第二表面，該第一表面相對於該第二表面；多個輻射感測區域，設置在該第一表面並且用以吸收來自該半導體基板的該第二表面的輻射；一第一介電層，設置於該半導體基板的該第二表面之上；一第二介電層，設置於該第一介電層之上；以及一彩色濾光層，設置於該第二介電層之上，其中該半導體基板的折射率大於該彩色濾光層的折射率，該彩色濾光層的該折射率大於該第一介電層的折射率，該第一介電層的該折射率大於該第二介電層的折射率。
如請求項1所述之影像感測器裝置，其中該第二介電層包括SiO₂，並且該第一介電層的材料是基於改變該SiO₂的化學組成來選擇。
如請求項2所述之影像感測器裝置，其中該第一介電層的該材料包括參雜有雜質的該SiO₂，該雜質選自CaF₂、B、Ba與P組成的群組。
如請求項2所述之影像感測器裝置，其中該第一介電層的該材料包括元素化合物，該元素化合物的元素選自Si、N、與O組成的群組。
如請求項2所述之影像感測器裝置，其中該第一介電層的該材料包括化合物，該化合物選自Si₃N₄與SiO組成的群組。
如請求項1所述之影像感測器裝置，其中該第一介電層的第一厚度和該第二介電層的第二厚度是共同地基於該第一介電層和該第二介電層的相應折射率所決定，導致入射輻射穿過該彩色濾光層、該第一介電層和該第二介電層，並在該半導體基板的該第二表面上具有破壞性干涉。
如請求項6所述之影像感測器裝置，其中該第一厚度是根據第一關係式所決定：
其中該第二厚度是根據第二關係式所決定：
其中t ₁表示該第一介電層的該第一厚度，t ₂表示該第二介電層的該第二厚度，λ表示入射光的波長，n ₁表示該第一介電層的該折射率，n ₂表示該第二介電層的該折射率，m ₁及m ₂為整數。
一種影像感測器裝置，包括：一半導體基板，包括一第一表面與一第二表面，其中該第二表面相對於該第一表面；多個像素，設置在一半導體基板的該第一表面；至少一金屬化層，形成於該半導體的該第一表面上並覆蓋該些像素；一第一介電層，設置在該半導體基板的該第二表面上，該第一介電層具有第一折射率；一第二介電層，設置在該第一介電層之上，該第二介電層具有第二折射率；以及一彩色濾光層，設置在該第二介電層之上，其中該第一介電層的第一厚度和該第二介電層的第二厚度是共同地基於該第一折射率和該第二折射率所決定，導致入射輻射穿過該第一介電層和該第二介電層，並在該些像素上具有破壞性干涉。
如請求項8所述之影像感測器裝置，其中該第一介電層與該第二介電層包括一蓋氧化層，該蓋氧化層的厚度是根據第三關係式所決定：
其中t ₃是該蓋氧化層的該厚度，t ₁是該第一介電層的該第一厚度，t ₂是該第二介電層的該第二厚度，λ是入射光的波長，n ₁是該第一介電層的該第一折射率，n ₂是該第二介電層的該第二折射率，m ₁及m ₂為整數。
一種影像感測器裝置的形成方法，包括：在一半導體層的第一表面上形成多個像素，該些像素用以吸收來自該半導體層的第二表面的輻射，該半導體層的該第二表面相對於該半導體層的該第一表面；在該半導體層的該第一表面上形成至少一金屬化層；在該半導體層的該第二表面上形成第一介電層；在該第一介電層上形成第二介電層；以及在該第二介電層上形成一彩色濾光層，其中該半導體層的折射率大於該彩色濾光層的折射率，該彩色濾光層的該折射率大於該第一介電層的折射率，該第一介電層的該折射率大於該第二介電層的折射率。