CN106298819B - 背照式影像感测器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种背照式影像感测器及其制作方法，该背照式影像感测器包含有一基底、多个设置于该基底内的感光元件、多个用以隔离该多个感光元件的隔离结构、以及多个凸拱表面。该基底包含有一正面与一相对的背面，而该多个凸拱表面即形成于该基底的该背面，且该多个凸拱表面分别对应于一该感光元件。

Description

背照式影像感测器及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种背照式(back side illumination，以下简称为BSI)影像感测器及其制作方法，尤其是涉及一种于基底背面形成有双重透镜的BSI影像感测器及其制作方法。
背景技术
随着电脑和通讯工业的发展，高效率影像感测器的需求随之增加，其可应用在各种领域，例如数字相机、摄录像机、个人通讯***、游戏元件、监视器、医疗用的微相机、机器人等。
BSI影像感测器为现今一种常见的高效率影像感测装置，且由于BSI影像感测器可以整合于传统的半导体制作工艺制作，因此具有制作成本较低、元件尺寸较小以及积集度较高的优点。此外，BSI影像感测器还具有低操作电压、低功率消耗、高量子效率(quantumefficiency)、低噪声(read-out noise)以及可根据需要进行随机存取(random access)等优势，因此已广泛应用在现有的电子产品上。
随着元件尺寸的持续缩小以及半导体制作工艺的进步，BSI影像感测器的尺寸日益微缩。但是，除了尺寸要求之外，BSI影像感测器更面临光电转换效率(photo-electricconversion efficiency)、灵敏度(sensitivity)、低噪声(noise)等要求。
发明内容
因此，本发明的一目的在于提供一种具有良好灵敏度的BSI影像感测器及其制作方法。
为达上述目的，本发明所提供一种BSI影像感测器的制作方法，该制作方法首先提供一基底，该基底包含有一正面与一相对的背面，且该基底内形成有多个隔离结构与多个感光元件(sensing element)。接下来，在该基底背面暴露出该多个隔离结构，随后对该基底背面进行一热处理，以于该基底的背面形成多个凸拱(cambered)表面，且该多个凸拱表面对应于该多个感光元件。
本发明另提供一种BSI影像感测器，该BSI影像感测器包含有一基底、多个设置于该基底内的感光元件、多个用以隔离该多个感光元件的隔离结构、以及多个凸拱表面。该基底包含有一正面与一相对的背面，而该多个凸拱表面即形成于该基底的该背面，且该多个凸拱表面分别对应于一该感光元件。
根据本发明所提供的BSI影像感测器及其制作方法，在该基底完成正面的组成元件例如隔离结构之后，于该背面暴露出该多个隔离结构，随后对该背面进行一热处理，以于该基底的该背面形成该多个分别与一该感光元件对应的凸拱表面。由于凸拱表面具有聚光效果，因此可使得入射光更加集中至感光元件，故可增加BSI影像感测器的感测灵敏度，同时增加光电转换率。
附图说明
图1至图6为本发明所提供的BSI影像感测器的制作方法的一第一优选实施例的示意图；
图7为本发明所提供的BSI影像感侧器的一光路径示意图；
图8至图10为本发明所提供的BSI影像感测器的制作方法的一第二优选实施例的示意图。
主要元件符号说明
10 背照式影像感测器
100、200 基底
100F、200F 基底的正面
100B、200B 基底的背面
202 图案化硬掩模
110、210 感测区域
120、220 隔离结构
130、230 内连线结构
132、232 介电层
134、234 金属层
140、240 蚀刻制作工艺
142、242 凹槽
150、250 热处理
152、252 凸拱表面
152a、252a 凸拱表面的凸顶点
152b、252b 凸拱表面的底端点
160 抗反射层
162 平坦层
164 彩色滤光阵列
166 微透镜
R 入射光
R1 第一折射光
R2 第二折射光
W1 凸拱表面的凸顶点与彩色滤光片底部的距离
W2 凸拱表面的底端点与彩色滤光片底部的距离
d 凹槽深度
h 凸顶点与底端点之间的垂直距离
A-A’ 切线
具体实施方式
请参阅图1至图6，图1至图6为本发明所提供的BSI影像感测器的制作方法的一第一优选实施例的示意图。如图1所示，本优选实施例首先提供一基底100，基底100可以例如是一硅基底、一含硅(silicon-containing)基底、一三五族覆硅(III-V group-on-silicon)基底例如氮化镓覆硅(GaN-on-silicon)基底、一石墨烯覆硅基底(graphene-on-silicon)或一硅覆绝缘(silicon-on-insulator，SOI)基底等，但不限于此。基底100可包含一正面100F与一相对的背面100B。基底100内形成有多个感光元件，感光元件可包含电荷耦合元件(charge-coupled device，CCD)、互补式金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)影像感测器(CMOS image sensor，CIS)、主动式像素感测器(active-pixel sensor，API)或被动式像素感测器(passive-pixel sensor，PPI)等，且感光元件至少包含一感测区域110，例如一光电二极管(photodiode)。基底100内还包含多个隔离结构120，用以隔离感光元件，避免噪声(noise)的产生。隔离结构120内可填入折射率不同于基底100的材料，因此隔离结构不仅可用以隔离感光元件，甚至可用来将入射光反射进入感测区域110，以更提升光电转换率。在本优选实施例中，隔离结构120利用一深沟槽隔离结构(deep trench isolation，DTI)制作工艺形成于基底100内。简单地说，可自基底100的正面100F或背面100B蚀刻基底100(在本优选实施例中由基底100的正面100F进行蚀刻)，而于基底100内形成多个深沟槽(图未示)，随后于该多个深沟槽内填入绝缘材料，例如氧化硅。之后，进行一平坦化制作工艺，移除多余的氧化硅，而得到如图1所示的隔离结构120。
请仍然参阅图1。在基底100的正面100F上，还设置有一内连线结构(interconnection structure)130。内连线结构130包含多层的层间介电层以及层间金属介电层(inter-metal dielectric，IMD)等介电层132以及多层金属层134。介电层132例如为氧化层，而金属层134则例如由铝或铜所组成，但本发明并不以此为限。简单地说，内连线结构130的建构，通过进行形成各介电层132、在各介电层132内形成凹槽(未绘示)、在凹槽内填入金属材料如铝或铜等(未绘示)以形成金属层134等步骤的循环制作工艺而形成的堆叠的结构。
请参阅图2与图3，其中图3及后续附图为图2中沿A-A’切线而得的剖视图。接下来，倒置基底100，并且自基底100的背面100B薄化基底100，直至于基底100的背面100B暴露出隔离结构120。薄化基底100的制作工艺可例如为化学机械研磨(chemical mechanicalpolishing，以下简称为CMP)制作工艺等平坦化制作工艺，但不限于此。
请参阅图4。在基底100的背面100B暴露出隔离结构120之后，对基底100的背面100B进行一蚀刻制作工艺140，以移除部分各隔离结构120，并于各隔离结构120内分别形成一凹槽142。凹槽142分别包含一深度d，且深度d介于0.01微米(micrometer，以下简称为μm)与0.1μm之间，但不限于此。值得注意的是，由于隔离结构120所包含的材料与基底100不同，因此蚀刻制作工艺140不需形成额外保护层或掩模层，即可在不伤害基底100的背面100B的前提下，在各隔离结构120内形成凹槽142。
请参阅图5。接下来，对基底100的背面100B进行一表面处理，例如一热处理150。在本优选实施例中，热处理150可包含一激光热处理(LASER thermal processing)，且热处理150的制作工艺温度大于1000℃。举例来说，热处理150的制作工艺温度可以是1400℃，但不限于此。另外，热处理150的制作工艺时间为数十毫秒(millisecond)至数百毫秒。值得注意的是，热处理150用以熔融基底100的背面100B的表面硅材料，由于硅材料在熔融后会产生一内聚力，因此在热处理150时，基底100的背面100B的表面被弧角化。然而，熟悉该项技术的人士仍可通过调整热处理150的制作工艺参数，如时间、温度、压力、甚至通入的气体等以控制弧角化的程度。是以在热处理150结束后，在基底100的背面100B形成多个凸拱表面152，且凸拱表面152如图5所示，分别对应于一感光元件/感测区域110。此外，感光元件110设置于内连线结构130与凸拱表面152之间。如图5所示，在沿A-A’切线的剖面视角中，凸拱表面152具有一凸顶点152a与两底端点152b，两底端点152b与隔离结构120直接接触。换句话说，隔离结构120亦隔离各凸拱表面152。另外值得注意的是，基本上凸顶点152a与底端点152b的垂直距离h大于等于凹槽142(示于图4)的深度d(图5中以虚线表示)。另外，除热处理150之外，表面处理也可包含其他合适的制作工艺，然而在此不予赘述。
另外值得注意的是，在本优选实施例的一变化型中，可省略前述的蚀刻制作工艺140，而在于基底100的背面100B暴露出隔离结构120之后，直接进行热处理150。由于基底100与隔离结构120的材料与熔点并不相同，因此在热处理150可在不影响隔离结构120的表面轮廓的前提下，通过调整热处理150的制作工艺参数，如时间、温度、压力、甚至通入的气体等以控制弧角化的程度，而于基底100的背面100B形成如图5所示的凸拱表面152。
请参阅图6。在形成凸拱表面152之后，在基底100的背面，尤其是凸拱表面152上直接形成一抗反射层(anti-reflective coating，以下简称为ARC)160。如图6所示，ARC 160共形(conformal)地形成于凸拱表面152上，且与凸拱表面152直接接触，以有效地避免光反射。另外，ARC 160亦直接接触隔离结构120的表面。在形成ARC 160之后，在基底100的背面，尤其是ARC 160上依序形成一平坦层162、一彩色滤光阵列(color filter array，CFA)164与多个微透镜166。值得注意的是，在本优选实施例中，由于晶片100的背面100B具有凸拱表面152，而ARC 160又是共形地形成在凸拱表面152上，因此在ARC 160与彩色滤光阵列164之间，更形成此一平坦层162，以平坦化基底100的背面100B，使彩色滤光阵列164以及微透镜166可形成在此平坦表面上。如图6所示，彩色滤光阵列164包含多个彩色滤光片，且各彩色滤光片分别对应一感光元件；同理，各微透镜166亦分别对应一感光元件。在完成微透镜166的制作后，即得到BSI影像感测器10。另外，可再选择性地于微透镜166上形成一钝化层(未绘示)，随后进行其他制作工艺如外部电连接制作工艺等。由于该多个制作工艺为熟悉该项技术的人士应知，故于此不予赘述。值得注意的是，由于本发明中，凸拱表面152与彩色滤光阵列164都是形成于基底100的背面上，因此如图6所示，各凸拱表面152的凸端点152a与彩色滤光阵列164的一底部的距离W1小于底端点152b与彩色滤光阵列164的底部的距离W2。此外，凸拱表面152的凸出方向与微透镜166的凸出方向相同。
请参阅图7，图7为本发明所提供的BSI影像感侧器的一光路径示意图。首先需注意的是，为强调微透镜166、凸拱表面152对入射光的影响，在图7中省略基底100的正面100F设置的各组成元件，然而熟悉该项技术的人士应可根据前述说明清楚得知该多个组成元件的设置位置或相对关系。如图7所示，当入射光R进入BSI影像感侧器10时，先进入微透镜166，而在微透镜166产生第一折射光R1，第一折射光R1随后经过彩色滤光阵列164、平坦层162与抗反射层160后到达凸拱表面152，而经过凸拱表面152时，更产生第二折射光R2。值得注意的是，由于硅材料的折射系数(refractive index)接近4，加上凸拱表面152对光线的缩聚效果，可使得第二折射光R2比第一折射光R1更加缩聚。也就是说，经过微透镜166与凸拱表面152构成的双重透镜之后，到达感测区域110的光(即第二折射光R2)将更加集中。
根据本第一优选实施例所提供的BSI影像感侧器10及其制作方法，在完成基底100的正面100F的组成元件，如隔离结构120、感光元件110与内连线结构130等的制作后，对基底100的背面100B进行热处理150，而于基底100的背面100B产生凸拱表面152。而当入射光经过微透镜166与凸拱表面152抵达感光元件110时，微透镜166与凸拱表面152将产生双重透镜效果，使得入射光更加的缩聚与集中，故可有效地提升BSI影像感侧器10的光电转换率与感测灵敏度。
请参阅图8至图10，图8至图10为本发明所提供的BSI影像感测器的制作方法的一第二优选实施例的示意图。如图8所示，本优选实施例首先提供一基底200，基底的材料选择可参考前述第一优选实施例，故于此不再赘述。基底200可包含一正面200F与一相对的背面200B。基底200内形成有多个感光元件，感光元件的类型也可参考前述第一优选实施例，故于此亦不再赘述。感光元件至少包含一感测区域210，例如一光电二极管。基底200内还包含多个隔离结构220，用以隔离感光元件，避免噪声的产生。如前所述，隔离结构220甚至可用来将入射光反射进入感测区域210，以更提升光电转换率。在本优选实施例中，隔离结构220利用一掺杂制作工艺将所需的掺杂质掺杂进入基底200，是以本优选实施例所提供的隔离结构220包含掺杂硅材料(doped silicon)。
请仍然参阅图8。在基底200的正面200F上，还设置有一内连线结构230。如前所述，内连线结构230包含多层的层间介电层232以及多层金属层234。内连线结构234的制作步骤也可参考前述优选实施例，故于此不再赘述。接下来，倒置基底200，并且自基底200的背面200B薄化基底200，直至于基底200的背面200B暴露出隔离结构220。薄化基底200的制作工艺可例如为CMP制作工艺等平坦化制作工艺，但不限于此。而在基底200的背面200B暴露出隔离结构220之后，在基底200的背面200B形成一图案化硬掩模202，且图案化硬掩模202如图8所示暴露出隔离结构220。
请参阅图9。在形成图案化硬掩模202之后，对基底200的背面200B进行一蚀刻制作工艺240，以移除部分各隔离结构220，并于各隔离结构220内分别形成一凹槽242。凹槽242分别包含一深度d，且深度d介于0.01μm与0.1μm之间，但不限于此。值得注意的是，由于隔离结构220所包含的材料与基底200相同(隔离结构220包含掺杂硅，而基底200包含硅)，因此在本优选实施例中必须先形成图案化硬掩模202，以在蚀刻制作工艺240中保护基底200。
请参阅图10。在形成凹槽242之后，移除图案化硬掩模202。接下来，对基底200的背面200B进行一表面处理，例如一热处理250。在本优选实施例中，热处理250可包含一激光热处理，且热处理250的制作工艺温度大于1000℃，举例来说，热处理250的制作工艺温度可以是1400℃，但不限于此。另外，热处理250的制作工艺时间为数十毫秒至数百毫秒。如前所述，热处理250用以熔融基底200的背面200B的表面硅材料，由于硅材料在熔融后会产生一内聚力，因此在热处理250时，基底200的背面200B的表面被弧角化。如前所述，熟悉该项技术的人士仍可通过调整热处理250的制作工艺参数，如时间、温度以及压力等以控制弧角化的程度。是以在热处理250结束后，在基底200的背面200B形成多个凸拱表面252，且凸拱表面252如图10所示，分别对应于一感光元件/感测区域210。此外，感光元件设置于内连线结构230与凸拱表面252之间。如图10所示，在沿A-A’切线的剖面视角中，凸拱表面252具有一凸顶点252a与两底端点252b，两底端点252b与隔离结构220直接接触。另外值得注意的是，基本上凸顶点252a与底端点252b的垂直距离h大于等于凹槽242(示于图9)的深度d(图10中以虚线表示)。另外，除热处理250之外，表面处理也可包含其他合适的制作工艺，然而在此不予赘述。
在形成凸拱表面252之后，可于基底200的背面，尤其是凸拱表面252上依序形成ARC、平坦层、彩色滤光阵列与微透镜等组成元件。由于上述组成元件的形成步骤以及其与凸拱表面252的相对关系都与第一优选实施例相同，熟悉该项技术的人士可根据第一优选实施例的说明轻易得知，故于此不再赘述。更重要的是，本优选实施例最终获得的BSI影像感测器10的光路径与图7所示相同，故该多个细节可参阅上述说明与图7，于此都不再赘述。
根据本第二优选实施例所提供的BSI影像感侧器及其制作方法，在完成基底200的正面200F的组成元件，如隔离结构220、感光元件210与内连线结构230等的制作后，在基底200的背面200B形成一保护基底200背面200B的图案化硬掩模202，随后移除部分隔离结构220而形成凹槽242。在形成凹槽242之后，对基底200的背面200B进行热处理250，而于基底200的背面200B产生凸拱表面252，且凹槽242作为各凸拱表面252的分界。换句话说，隔离结构220亦隔离各凸拱表面252。如图7所示，当入射光经过微透镜与凸拱表面252抵达感测区域210时，微透镜与凸拱表面252将产生双重透镜效果，使得入射光更加的缩聚与集中，故可有效地提升BSI影像感侧器的光电转换率与灵敏度。
综上所述，根据本发明所提供的BSI影像感测器及其制作方法，在完成基底正面的组成元件的制作工艺后，在该基底的该背面暴露出该多个隔离结构，随后对该背面进行一热处理，在该基底的该背面形成该多个分别与一该感光元件对应的凸拱表面，由于凸拱表面具有聚光效果，且凸拱表面所包含的硅材料的折射系数较大，因此本发明所提供的BSI影像感侧器使得入射光在经过由微透镜与凸拱表面组成的双透镜之后，更加集中至感光元件，故可增加BSI影像感测器的感测灵敏度，同时增加光电转换率。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，都应属本发明的涵盖范围。

Claims (19)

1.一种背照式(back side illumination，BSI)影像感测器的制作方法，包含有：
提供一基底，该基底包含有一正面与一相对的背面，且该基底内形成有多个隔离结构与多个感光元件(sensing element)，该多个隔离结构接触并隔离各感光元件；
在该基底背面暴露出该多个隔离结构；以及
对该基底背面进行一热处理，以于该基底的背面形成多个凸拱(cambered)表面，且该多个凸拱表面分别对应于该多个感光元件。
2.如权利要求1所述的背照式影像感测器的制作方法，还包含一内连接结构，设置于该基底的该正面上。
3.如权利要求1所述的背照式影像感测器的制作方法，还包含于该基底背面暴露出该多个隔离结构之后对该基底的该背面进行一蚀刻制作工艺，以移除部分各该隔离结构，并于各该隔离结构内分别形成一凹槽。
4.如权利要求3所述的背照式影像感测器的制作方法，其中该多个凹槽分别包含一深度，且该深度介于0.01微米(micrometer，μm)与0.1微米之间。
5.如权利要求3所述的背照式影像感测器的制作方法，其中该多个隔离结构包含一绝缘材料。
6.如权利要求3所述的背照式影像感测器的制作方法，还包含于该基底的该背面形成一图案化掩模，且该图案化掩模暴露出该多个隔离结构。
7.如权利要求6所述的背照式影像感测器的制作方法，其中该多个隔离结构包含掺杂硅材料(doped silicon)。
8.如权利要求1所述的背照式影像感测器的制作方法，还包含于形成该多个凸拱表面之后，在该多个凸拱表面上直接形成一抗反射层(anti-reflective coating，ARC)。
9.如权利要求8所述的背照式影像感测器的制作方法，还包含于该抗反射层之上形成一平坦层。
10.如权利要求1所述的背照式影像感测器的制作方法，还包含于该基底的该背面上依序形成一彩色滤光阵列(color filter array，CFA)与多个微透镜(micro-lens)。
11.一种背照式(BSI)影像感测器，包含有：
基底，该基底包含有一正面与一相对的背面；
多个感光元件，设置于该基底内；
多个隔离结构，设置于该基底内，该多个隔离结构接触并隔离各感光元件；以及
多个凸拱表面，形成于该基底的该背面，且该多个凸拱表面分别对应于一该感光元件，该多个凸拱表面分别包含一个凸顶点与二个底端点，且该多个凸拱表面中的每一个的该二个底端点分别与相邻的两隔离结构接触。
12.如权利要求11所述的背照式影像感测器，还包含一内连线结构，设置于该基底的该正面。
13.如权利要求12所述的背照式影像感测器，其中该多个感光元件设置于该内连线结构与该多个凸拱表面之间。
14.如权利要求11所述的背照式影像感测器，其中该多个隔离结构包含绝缘材料或掺杂硅材料。
15.如权利要求11所述的背照式影像感测器，还包含至少一抗反射层、一彩色滤光阵列与多个微透镜，设置于该基底的该背面。
16.如权利要求15所述的背照式影像感测器，其中该抗反射层直接接触该多个凸拱表面。
17.如权利要求15所述的背照式影像感测器，还包含一平坦层，设置于该抗反射层与该彩色滤光阵列之间。
18.如权利要求15所述的背照式影像感测器，其中该凸顶点与该彩色滤光阵列的一底部的距离小于该多个底端点与该彩色滤光阵列的该底部的距离。
19.如权利要求15所述的背照式影像感测器，其中该凸拱表面的一凸出方向与该多个微透镜的一凸出方向相同。
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