TWI782461B - 背照式影像感測器及其製造方法 - Google Patents

Abstract

一種背照式影像感測器，包括：基板、多數個影像感測區、多數個溝渠隔離結構以及多數個側壁光屏蔽結構。基板具有第一表面以及與其相對的第二表面。影像感測區形成於基板的第一表面內。溝渠隔離結構設置於基板的第一表面內，以分隔多數個影像感測區，每個溝渠隔離結構具有往第二表面延伸的底部與側壁。側壁光屏蔽結構設置於基板的第二表面內，每個側壁光屏蔽結構具有光反射面並延伸包覆每個溝渠隔離結構的底部與部分側壁，且光反射面與第二表面之間的角度大於90°。

Description

背照式影像感測器及其製造方法

本發明是有關於一種影像感測器，且特別是有關於一種背照式影像感測器及其製造方法。

影像感測器廣泛用於各種成像應用及產品（例如數位相機或手機照相機應用）中。這些元件利用在基底中由感測器元件形成的畫素陣列來進行影像的感測。畫素包括可吸收光並將所感測的光轉換為電訊號的光電二極體（photodiode）或其他感光性元件。

其中，背照式影像（BSI）感測器為目前的主流技術，其具有較好的有效電荷容量(Full well capacity)，代表有效電子(電荷)可以在感光元件的數目較高，與較好的填充因子(Fill factor)，即最大輸出功率與短路電流和開路電壓之積的比值較佳。因此背照式影像感測器可以微小化，並提高解析度。

然而，現有的背照式影像感測器由於尺寸的縮小，而開始遭遇串擾（cross-talk）問題。其可歸因於背照式影像感測器的相鄰畫素之間的不充分的隔離。雖然現有技術中常使用深溝渠隔離結構(Deep trench isolation, DTI)，但仍然存在隔離不完全的問題而導致串擾的發生。

本發明提供一種背照式影像感測器及其製造方法，可以有效隔離各畫素、增加光吸收並抑制串擾產生。

本發明的一種背照式影像感測器，包括：基板、影像感測區、溝渠隔離結構以及側壁光屏蔽結構。基板具有第一表面以及與其相對的第二表面。多數個影像感測區形成於基板的第一表面內。多數個溝渠隔離結構設置於基板的第一表面內，以分隔多數個影像感測區，每個溝渠隔離結構具有往第二表面延伸的底部與側壁。多數個側壁光屏蔽結構設置於基板的第二表面內，每個側壁光屏蔽結構具有光反射面並延伸包覆每個溝渠隔離結構的底部與部分側壁，且光反射面與第二表面之間的角度大於90°。

在本發明的一實施例中，上述的光反射面與第二表面之間的角度小於150°。

在本發明的一實施例中，上述的每個側壁光屏蔽結構延伸包覆每個溝渠隔離結構底部與側壁。

在本發明的一實施例中，上述的溝渠隔離結構包括淺溝渠隔離結構（STI）或深溝渠隔離結構（DTI）。

在本發明的一實施例中，上述的側壁光屏蔽結構的材料包括金屬、多晶矽、氧化矽、碳化矽或氮化矽。

在本發明的一實施例中，上述背照式影像感測器還可包括：襯層，設置於基板與每個側壁光屏蔽結構之間以及每個溝渠隔離結構與每個側壁光屏蔽結構之間，其中襯層包括單層或多層結構。

在本發明的一實施例中，上述背照式影像感測器還可包括：多數個微透鏡與彩色濾光層，所述微透鏡設置於第二表面上並分別對準多數個影像感測區。彩色濾光層則設置於第二表面與多數個微透鏡之間。

在本發明的一實施例中，上述背照式影像感測器還可包括內連線結構，設置於第一表面上。

本發明的一種背照式影像感測器的製造方法，包括：在基板的第一表面內形成多數個溝渠隔離結構，以定義多數個主動區。每個溝渠隔離結構具有往基板的第二表面延伸的底部與側壁，其中第二表面相對與第一表面。在多數個主動區內形成多數個影像感測區。在基板的第二表面內形成多數個溝槽，每個溝槽對準每個溝渠隔離結構並暴露出底部與部分側壁，且每個溝槽的側面與第二表面之間的角度大於90°。在多數個溝槽內形成多數個側壁光屏蔽結構，使每個側壁光屏蔽結構延伸包覆每個溝渠隔離結構的底部與部分側壁。

在本發明的另一實施例中，上述溝槽的側面與第二表面之間的角度小於150°。

在本發明的另一實施例中，在形成上述多數個溝槽之後還可包括：在第二表面、多數個溝槽的內面以及溝渠隔離結構暴露出的底部與部分側壁上形成第一襯層。以及在第一襯層上形成第二襯層。

在本發明的另一實施例中，上述的第一襯層為氧化矽層，第二襯層為氮化矽層。

在本發明的另一實施例中，形成上述多數個側壁光屏蔽結構的步驟包括：在第二表面上沉積一材料層，填滿多數個溝槽。以第二襯層為中止層，平坦化材料層直到露出第二襯層。以及以第一襯層為中止層，去除露出的第二襯層。

在本發明的另一實施例中，上述材料層的材料包括金屬或矽。

在本發明的另一實施例中，上述每個側壁光屏蔽結構延伸包覆每個溝渠隔離結構的底部與側壁。

在本發明的另一實施例中，上述溝渠隔離結構包括淺溝渠隔離結構（STI）或深溝渠隔離結構（DTI）。

在本發明的另一實施例中，形成上述多數個側壁光屏蔽結構之後還可包括：於第二表面上形成彩色濾光層。以及於彩色濾光層上形成多數個微透鏡，且多數個微透鏡分別對準多數個影像感測區。

在本發明的另一實施例中，形成上述多數個影像感測區之後還可包括於第一表面上形成內連線結構。

基於上述，本發明提供一種背照式影像感測器，藉由上述的每個溝槽的側面與第二表面之間的角度大於90°，可以使側壁光屏壁(SW light shield)結構像鏡子般反射進入各畫素內的入射光，並且因為上述角度大於90°，所以入射光在側壁光屏壁結構的表面的全反射角也隨之擴大，因而提供額外的反射或全反射光線，因此可以增加各畫素的光敏感度，並抑制串擾(cross-talk)，也可以提高各畫素中的量子效率(Quantum efficiency)以利於感測器的微小化及提高解析度。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1A~圖1F是依照本發明的一實施例的一種背照式影像感測器的製造流程的剖面示意圖。

首先，請參照圖1A，先在基板100的第一表面102內形成多數個溝渠隔離結構120，以定義多數個主動區AA，每個溝渠隔離結構120具有往基板100的第二表面104延伸的底部120a與側壁120b，其中第二表面104相對與第一表面102。在一實施例中，基板100可以是p型基底，例如摻雜p型摻雜物。溝渠隔離結構120例如是以各種沉積製程（例如，化學氣相沉積製程、原子層沉積製程、物理氣相沉積製程等）中的任一種形成，其材料可包含多晶矽材料、金屬材料以或介電材料，例如氧化矽、氮化矽、低介電常數（低-k）材料或其組合。而且根據元件設計的需求，溝渠隔離結構120可以包括淺溝渠隔離結構（STI）或深溝渠隔離結構（DTI）。上述關於基板100及溝渠隔離結構120的製造方式也可以參考現有技術的製造方式。

接著，請繼續參照圖1A，在主動區AA內形成多數個影像感測區110，每個影像感測區110例如是由n型摻雜區112與p型摻雜區114形成的p-n接面光電二極體，可接受光訊號並將其轉變為電訊號。本實施例將一個主動區AA內的影像感測區110稱為一個畫素單元(pixel region)。

另外，在形成影像感測區110之後還可於第一表面102上形成內連線結構170，以將影像感測區110產生的電訊號傳送至周邊元件，雖然圖1A並未繪示出內連線結構170與影像感測區110直接相連的結構，但是應知圖1A僅為整個背照式影像感測器的單一剖面，因此內連線結構170是在基板100其他部位連至影像感測區110。內連線結構170例如由多層介電層172與多層金屬線174堆疊形成的結構層。此外，在內連線結構170與基板100之間可設置一層中間層176，以增加內連線結構170與基板100的附著性。然後，為了在基板100的第二表面104內形成溝槽（未繪示），可以在第二表面104上形成遮罩層PR，以暴露出預定形成溝槽的基板100表面(第二表面104)，其中遮罩層PR例如光阻，或者也可使用硬罩幕作為後續的蝕刻罩幕。在圖1A中，遮罩層PR所覆蓋的第一表面104的投影面積不大於主動區AA的投影面積。

然後，請參照圖1B，可以遮罩層PR作為蝕刻罩幕利用乾式蝕刻的方式，去除暴露出的第二表面104，直到在基板100的第二表面104內形成多數個溝槽106。每個溝槽106對準每個溝渠隔離結構120並暴露出其底部120a與側壁120b。通過控制蝕刻深度d及角度ψ可以使溝渠隔離結構120的底部120a完全暴露，並暴露全部或者部分側壁120b，例如露出二分之一或三分之一的側壁120b，且較佳是不影響影像感測區110，在此範圍內的蝕刻深度d及角度ψ並沒有特別限定。藉由蝕刻而使每個溝槽106的側面132(即光反射面134)與第二表面104之間形成一角度θ，角度θ大於90°且小於150°，較佳為在105°以上，更佳為135°。上述蝕刻深度d及角度ψ的控制例如通過蝕刻時間、蝕刻氣體濃度等的控制來達成，例如蝕刻時間愈長，蝕刻深度d愈深；蝕刻氣體濃度愈濃，角度ψ愈大。蝕刻後會在每個溝槽106的側面132與第二表面104之間形成與蝕刻角度ψ互為補角的一角度θ。溝槽中的兩個角度θ可為相同，也可為不同。

接著，請參照圖1C，在形成多數個溝槽106之後，可先移除遮罩層PR。接著，選擇性地在第二表面104、溝槽106的內面以及溝渠隔離結構120暴露出的底部120a與部分側壁120b上形成第一襯層142，再在第一襯層142上形成第二襯層144。襯層140可為單層或多層，在一實施例中，襯層140例如包括第一襯層142以及第二襯層144。第一襯層142以及第二襯層144可以包覆溝渠隔離結構120的底部120a與部分側壁120b，其中第一襯層142的材料例如氧化矽層，第二襯層144的材料例如氮化矽層。然而，本發明並不限於此，第一襯層142或第二襯層144可以使基板100與後續填入的側壁光屏蔽結構（未繪示）有更佳的密接性即可，並能避免側壁光屏蔽結構中可能的摻質或金屬離子擴散進入基板100中影響影像感測區110的電性。此外，第一襯層142或第二襯層144在後續的製程中也可以作為平坦化的中止層。

之後，請參照圖1D，在多數個溝槽106內形成多數個側壁光屏蔽結構130，使每個側壁光屏蔽結構130延伸包覆每個溝渠隔離結構120的底部120a與部分側壁120b。側壁光屏蔽結構130的形成步驟例如先在第二表面104上沉積一材料層105，填滿溝槽106。材料層105的材料可包括金屬、多晶矽、氧化矽、碳化矽或氮化矽，較佳可以使用鎢、多晶矽、氧化矽、鋁、碳化矽、氮化矽等材料，較佳為使用鎢。每個側壁光屏蔽結構130可延伸包覆每個溝渠隔離結構120的底部120a與側壁120b，其中側壁光屏蔽結構130可完全包覆側壁120b，可形成光側壁全屏蔽結構，因填入材料為金屬，入射光遇到側壁屏蔽如稜鏡可以完全反射進入光電二極體感測區進而增加光電子訊號；或者側壁光屏蔽結構130可包覆部分側壁120b，例如二分之一或三分之一的側壁120b，蝕刻製程參數易控制與製作。

接著，請參照圖1E，以第二襯層144為中止層，平坦化材料層105直到露出第二襯層144，所述平坦化的步驟例如對材料層105進行化學機械平坦化(CMP)製程。接著，以第一襯層142為中止層，去除露出的第二襯層144，並稍微過度蝕刻材料層105，以確保基板100的平坦度，並且避免材料層105殘留在溝槽106以外，特別是材料層105若是金屬，可能導致不良的性結果或者遮蔽光線。經沉積上述步驟，可在溝槽106內形成側壁光屏蔽結構130。

當光以一非直射角度入射基板100時，會在側壁光屏蔽結構130發生反射或全反射，進而進入影像感測區110。因此光屏蔽結構130使用的材料如能使入射光發生反射或全反射現象，並沒有特別的限制。當光進入基板100時，會因為溝槽106的側面132(光反射面134)與第二表面104之間形成的角度θ導致光入射角ϕ比垂直面的光入射角要大，使入射光在光屏蔽結構130表面容易發生反射或全反射現象，因此不會穿透至相鄰的影像感測區110(畫素單元)而發生串擾的現象，並且因為進入影像感測區110的光線變多而增加量子效率。

當光屏蔽結構130為不透光材料例如金屬時，光穿透基板100到達光屏蔽結構130時會被金屬吸收及反射，反射光進而進入影像感測區110。當金屬的反射率越高，畫素單元的感測效率也越佳，使用金屬材料也可以避免光穿透光屏蔽結構130而進入相鄰的畫素單元，造成串擾的現象。金屬材料較佳為使用鎢、鋁、銅、金、鈦、氮化鈦等。當光屏蔽結構130為透光材料時，會因為有較大的光入射角ϕ而如稜鏡鏡面般發生全反射現象而進入影像感測區110。透光材料的折射率n ₂需低於基板100的折射率n ₁，當n ₂與n ₁的比值越小，會因為有較小的臨界角，而在光屏蔽結構130表面越容易發生全反射現象，使畫素單元的感測效率也越佳。透光材料較佳為氧化矽(玻璃)。

最後，請參照圖1F，在形成側壁光屏蔽結構130的步驟後，可以在基板100的第二表面104沉積一層保護層R，以保護平坦化後的基板100及光屏蔽結構130。保護層R可為常用的材料，例如可以是氧化物。

接著，可形成彩色濾光層(未繪示)與微透鏡(未繪示)等一般影像感測器常見的構件，故不再此贅述。至此，已完成本實施例的背照式影像感測器。

圖2是依照本發明的另一實施例的一種背照式影像感測器的結構剖示意圖，其中使用與上一實施例相同的元件符號來表示相同或近似的構件，且相同或近似的構件內容也可參照第一實施例的內容，不再贅述。

請參照圖2，本實施例的背照式影像感測器10包括：基板100、影像感測區110、溝渠隔離結構120以及側壁光屏蔽結構130。基板100具有第一表面102以及與其相對的第二表面104。多數個影像感測區110形成於基板100的第一表面102內。多數個溝渠隔離結構120設置於基板100的第一表面102內，以分隔多數個影像感測區110，每個溝渠隔離結構120具有往第二表面104延伸的底部120a與側壁120b。側壁光屏蔽結構130設置於基板100的第二表面104內。襯層140可以設置於基板100與每個側壁光屏蔽結構130之間以及每個溝渠隔離結構120與每個側壁光屏蔽結構130之間，可以包括單層或多層結構。多數個微透鏡150可以設置於第二表面104上並分別對準多數個影像感測區110。彩色濾光層160可以設置於第二表面104與多數個微透鏡150之間。內連線結構170，可以設置於第一表面102上。

每個側壁光屏蔽結構130具有光反射面134並延伸包覆每個溝渠隔離結構120的底部120a與部分側壁120b，且光反射面134與第二表面104之間的角度θ大於90°。光反射面134與第二表面104之間的角度θ例如大於90度°且小於150°。每個側壁光屏蔽結構130延伸包覆每個溝渠隔離結構底部120a與側壁120b，其中側壁光屏蔽結構130可完全包覆側壁120b或只包覆部分側壁120b。溝渠隔離結構120例如可包括淺溝渠隔離結構（STI）或深溝渠隔離結構（DTI）。側壁光屏蔽結構130的材料可包括金屬、多晶矽、氧化矽、碳化矽或氮化矽。

光以一非直射角度入射基板時，會以入射角ϕ在側壁光屏蔽結構130表面發生反射或全反射，進而進入影像感測區，並可以避免隔離不完全的問題而導致串擾的發生。

綜上所述，本發明的實施方式藉由上述的每個溝槽的側面與第二表面之間的角度大於90°，可以使側壁光屏壁(SW light shield)結構像鏡子般反射在各畫素內的入射光，提供額外的反射或全反射光線，因此可以增加各畫素的光敏感度，並抑制串擾(cross-talk)，也可以提高各畫素中的量子效率(Quantum efficiency)以利於感測器的微小化及提高解析度。

雖然本發明已以實施例揭露如上，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，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10:背照式影像感測器 100:基板 102:第一表面 104:第二表面 105:材料層 106:溝槽 110:影像感測區 112:n型摻雜區 114:p型摻雜區 120:溝渠隔離結構 120a:溝渠隔離結構的底部 120b:溝渠隔離結構的側壁 130:側壁光屏蔽結構 132:溝槽的側面 134:光反射面 140:襯層 142:第一襯層 144:第二襯層 150:微透鏡 160:彩色濾光層 170:內連線結構 172:介電層 174:金屬線 176:中間層 AA:主動區 PR:遮罩層 S:影像感測區 R:保護層 ψ:蝕刻角度 θ:光反射面與第二表面之間的角度 ϕ:光入射角

圖1A~圖1F是依照本發明的一實施例的一種背照式影像感測器的製造流程的剖面示意圖。 圖2是依照本發明的另一實施例的一種背照式影像感測器的結構剖面示意圖。

10:背照式影像感測器 100:基板 102:第一表面 104:第二表面 110:影像感測區 112:n型摻雜區 114:p型摻雜區 120:溝渠隔離結構 120a:溝渠隔離結構的底部 120b:溝渠隔離結構的側壁 130:側壁光屏蔽結構 134:光反射面 140:襯層 R:保護層 150:微透鏡 160:彩色濾光層 θ:光反射面與第二表面之間的角度 ϕ:光入射角

Claims (16)

1. 一種背照式影像感測器，包括：基板，具有第一表面以及與其相對的第二表面；多數個影像感測區，形成於所述基板的所述第一表面內，其中所述多數個影像感測區具有位在所述第一表面與所述第二表面之間的表面；多數個溝渠隔離結構，設置於所述基板的所述第一表面內，以分隔所述多數個影像感測區，每個所述溝渠隔離結構具有往所述第二表面延伸的底部與側壁，其中每個所述溝渠隔離結構的所述底部位在所述多數個影像感測區的所述表面與所述第二表面之間；多數個側壁光屏蔽(SW light shield)結構，設置於所述基板的所述第二表面內，其中每個所述側壁光屏蔽結構具有光反射面並延伸包覆每個所述溝渠隔離結構的所述底部與部分所述側壁，且所述光反射面與所述第二表面之間的角度大於90°；多數個微透鏡，設置於所述第二表面上並分別對準所述多數個影像感測區；以及彩色濾光層，設置於所述第二表面與所述多數個微透鏡之間，其中所述彩色濾光層為連續的層。
2. 如請求項1所述的背照式影像感測器，其中所述光反射面與所述第二表面之間的所述角度小於150°。
3. 如請求項1所述的背照式影像感測器，其中每個所述側壁光屏蔽結構延伸包覆每個所述溝渠隔離結構的所述底部與所述側壁。
4. 如請求項1所述的背照式影像感測器，其中所述溝渠隔離結構包括淺溝渠隔離結構(STI)或深溝渠隔離結構(DTI)。
5. 如請求項1所述的背照式影像感測器，其中所述側壁光屏蔽結構的材料包括金屬、多晶矽、氧化矽、碳化矽或氮化矽。
6. 如請求項1所述的背照式影像感測器，更包括：襯層，設置於所述基板與每個所述側壁光屏蔽結構之間以及每個所述溝渠隔離結構與每個所述側壁光屏蔽結構之間，其中所述襯層包括單層或多層結構。
7. 如請求項1所述的背照式影像感測器，更包括內連線結構，設置於所述第一表面上。
8. 一種背照式影像感測器的製造方法，包括：在基板的第一表面內形成多數個溝渠隔離結構，以定義多數個主動區，每個所述溝渠隔離結構具有往所述基板的第二表面延伸的底部與側壁，其中所述第二表面相對與所述第一表面；在所述多數個主動區內形成多數個影像感測區，其中所述多數個影像感測區具有位在所述第一表面與所述第二表面之間的表面，其中每個所述溝渠隔離結構的所述底部位在所述多數個影像感測區的所述表面與所述第二表面之間； 在所述基板的所述第二表面內形成多數個溝槽，每個所述溝槽對準每個所述溝渠隔離結構並暴露出所述底部與部分所述側壁，且每個所述溝槽的側面與所述第二表面之間的角度大於90°；在所述多數個溝槽內形成多數個側壁光屏蔽結構，使每個所述側壁光屏蔽結構延伸包覆每個所述溝渠隔離結構的所述底部與部分所述側壁；於所述第二表面上形成彩色濾光層，其中所述彩色濾光層為連續的層；以及於所述彩色濾光層上形成多數個微透鏡，且所述多數個微透鏡分別對準所述多數個影像感測區。
9. 如請求項8所述的背照式影像感測器的製造方法，其中所述溝槽的所述側面與所述第二表面之間的所述角度小於150°。
10. 如請求項8所述的背照式影像感測器的製造方法，其中在形成所述多數個溝槽之後更包括：在所述第二表面、所述多數個溝槽的內面以及所述溝渠隔離結構暴露出的所述底部與部分所述側壁上形成第一襯層；以及在所述第一襯層上形成第二襯層。
11. 如請求項10所述的背照式影像感測器的製造方法，其中所述第一襯層為氧化矽層，所述第二襯層為氮化矽層。
12. 如請求項10所述的背照式影像感測器的製造方法，其中形成所述多數個側壁光屏蔽結構的步驟包括： 在所述第二表面上沉積一材料層，填滿所述多數個溝槽；以所述第二襯層為中止層，平坦化所述材料層直到露出所述第二襯層；以及以所述第一襯層為中止層，去除露出的所述第二襯層。
13. 如請求項12所述的背照式影像感測器的製造方法，其中所述材料層的材料包括金屬、多晶矽、氧化矽、碳化矽或氮化矽。
14. 如請求項8所述的背照式影像感測器的製造方法，其中每個所述側壁光屏蔽結構延伸包覆每個所述溝渠隔離結構的所述底部與所述側壁。
15. 如請求項8所述的背照式影像感測器的製造方法，其中所述溝渠隔離結構包括淺溝渠隔離結構(STI)或深溝渠隔離結構(DTI)。
16. 如請求項8所述的背照式影像感測器的製造方法，其中形成所述多數個影像感測區之後更包括於所述第一表面上形成內連線結構。

Images