CN106298820A - 影像感测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种影像感测器及其制作方法。该影像感测器的制作方法为，提供基底，基底包括像素阵列区。在像素阵列区的基底中形成多个开口。在各开口周围的基底中形成导光区，其中导光区与开口之间配置有基底，导光区于基底中的深度大于其所环绕的开口于基底中的深度。在开口中形成隔离结构，以于像素阵列区中定义出分别位于两相邻隔离结构之间的多个像素区。在各像素区的基底中形成光感测区。在各像素区的基底上形成导线层。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体元件及其制作方法，且特别是涉及一种影像感测器及其制作方法。
背景技术
互补式金属氧化半导体(CMOS)影像感测器具有简便的驱动方式且可实现多种扫描方式，因此被广泛地应用于如安全监控、数字相机、玩具、手机、影像电话等影像产品中。一般来说，影像感测器包括由多个像素排列而成的像素阵列，各像素于接收光时被启动。在目前影像感测器小型化的趋势下，像素彼此之间的间距随之缩小。如此一来，入射于影像感测器中的光会在像素之间产生严重的光绕射噪声(optical scattering noise)，也就是原本应被第一颜色像素接收的光可能因光绕射效应而被第二颜色像素接收，导致各像素的量子效率(Q.E.)与光敏度变差，以及像素之间的光干涉(optical crosstalk)变严重。因此，影像感测器的空间分辨率与整体灵敏度会降低，且产生混色效应(color mixing)，进而导致影像噪声(image noise)的产生。
由此可知，在目前元件小型化的趋势下，如何在缩减的尺寸下提高像素的灵敏度，将是各界研究的重点之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种影像感测器及其制作方法，能降低像素之间的光干涉，以提升像素的灵敏度与量子效率。
为达上述目的，本发明的影像感测器的制作方法包括以下步骤。提供基底，基底包括像素阵列区。在像素阵列区的基底中形成多个开口。在各开口周围的基底中形成导光区，其中导光区与开口之间配置有基底，导光区于基底中的深度大于其所环绕的开口于基底中的深度。在开口中形成隔离结构，以于像素阵列区中定义出分别位于两相邻隔离结构之间的多个像素区。在各像素区的基底中形成光感测区。在各像素区的基底上形成导线层。
在本发明的一实施例中，上述的注入制作工艺包括氧离子注入隔离法。
在本发明的一实施例中，上述的导光区形成于隔离结构的侧壁与底部周围的基底中。
在本发明的一实施例中，上述的导光区形成于隔离结构的侧壁周围的基底中。
在本发明的一实施例中，还包括于各像素区的基底的底部上形成滤光层，其中滤光层与导线层位于基底的相对两侧。
在本发明的一实施例中，还包括于各像素区的导线层上形成一滤光层，其中滤光层与基底位于导线层的相对两侧。
在本发明的一实施例中，上述的基底还包括周边区，对像素阵列区进行注入制作工艺时，还包括遮蔽周边区。
在本发明的一实施例中，上述的光感测区位于两相邻的导线层之间。
在本发明的一实施例中，上述的导光区的折射率小于基底的折射率。
本发明的影像感测器包括基底、多个隔离结构、多个像素以及多个导光区。基底包括像素阵列区。隔离结构位于基底中，在像素阵列区中定义出分别位于两相邻隔离结构之间的多个像素区。像素位于像素区中。像素包括光感测区以及导线层。导光区位于基底中，导光区位于隔离结构周围的基底中且与隔离结构之间配置有基底，导光区于基底中的深度大于其所环绕的隔离结构于基底中的深度，以及导光区的折射率小于基底的折射率。
在本发明的一实施例中，上述的导光区的材料包括氧化硅。
在本发明的一实施例中，上述的导光区位于隔离结构的侧壁与底部周围。
在本发明的一实施例中，上述的导光区位于隔离结构的侧壁周围。
在本发明的一实施例中，还包括位于各像素区的基底的底部上的滤光层，其中滤光层与导线层位于基底的相对两侧。
在本发明的一实施例中，还包括位于像素区的导线层上的滤光层，其中滤光层与基底位于导线层的相对两侧。
在本发明的一实施例中，上述的基底还包括周边区，周边区包括多个隔离结构。
在本发明的一实施例中，还包括位于各像素区的基底上的栅极结构，以及光感测区与浮置漏极区位于栅极结构的两侧的基底中。
在本发明的一实施例中，上述的光感测区位于两相邻的导线层之间。
在本发明的一实施例中，上述的导线层包括至少一导体层与至少一介电层。
基于上述，本发明是于隔离结构周围的基底中形成导光区，导光区能阻挡入射于一像素中的光线进入另一像素中，以降低像素之间的光干涉。如此一来，可提升像素的灵敏度与量子效率，使得感测器具有较佳的空间分辨率与整体灵敏度。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附的附图作详细说明如下。
附图说明
图1A至图1F为本发明实施例所绘示的影像感测器的制作流程的剖面示意图；
图2为本发明实施例所绘示的影像感测器的剖面示意图。
符号说明
100、100a：影像感测器
102：基底
104：像素阵列区
106a、106b、106c：像素区
108：周边区
110：图案化掩模层
110a：第一层
110b：第二层
112：开口
114：掩模
120：导光区
130：隔离结构
140、150：栅极结构
142、152：介电层
144、154：导体层
145、155：间隙壁
146：光感测区
146a：第一导电型掺杂区
146b：第二导电型掺杂区
148：浮置漏极区
156：源极区
158：漏极区
159：接触窗蚀刻终止层
160：导线层
162：导体层
164：介电层
170：滤光层
180：微透镜
IP：注入制作工艺
Li：入射光
Pa、Pb、Pc：像素
具体实施方式
图1A至图1F为依照本发明实施例所绘示的影像感测器的制作流程的剖面示意图。请参照图1A，首先，提供基底102，基底102包括像素阵列区104与周边区108。基底102例如为硅基底，基底102的折射率n约为4.5。
接着，在像素阵列区104与周边区108的基底102中形成多个开口112。详细地说，在基底102上形成图案化掩模层110，接着以图案化掩模层110为掩模对基底102进行图案化，以于基底102中形成多个开口112。图案化掩模层110可为单层或多层结构。在本实施例中，图案化掩模层110例如是包括第一层110a与第二层110b，其中第一层110a与第二层110b的材料例如是氧化硅、氮化硅或其他合适的材料。图案化掩模层110的形成方法例如是化学气相沉积制作工艺或物理气相沉积制作工艺。对基底102进行图案化的方法可包括光刻制作工艺与蚀刻制作工艺。
请参照图1B，然后，在像素阵列区104的各开口112周围的基底102中形成导光区120，其中导光区120与开口112之间配置有基底102。在本实施例中，形成导光区120的方法例如是先于基底102上形成遮蔽周边区108的掩模114，再通过注入制作工艺IP，在像素阵列区104的基底102中形成导光区120。注入制作工艺IP可为氧离子注入隔离法(Separation byImplantation of Oxygen,SIMOX)，但不以此为限。在本实施例中，注入制作工艺IP会在与开口112相距一段距离的基底102中形成掺杂区(即导光区120)，因此导光区120形成于开口112的周围，且导光区120与开口112之间仍保有未经掺杂的基底102。导光区120于基底102中的深度会大于其所环绕的开口112于基底102中的深度。在本实施例中，是以导光区120的轮廓实质上与开口112的轮廓为共形为例，但不以此为限。
请参照图1C，而后，在形成开口112后，移除掩模114。接着，在开口112中形成隔离结构130，以于像素阵列区104中定义出分别位于两相邻隔离结构130之间的多个像素区106a、106b、106c。隔离结构130的形成方法例如是先于基底102上形成诸如高密度等离子体(high density plasma,HDP)氧化物等材料层，再以图案化掩模层110的表面为研磨终止层以对材料层进行平坦化制作工艺，但本发明不限于此。在本实施例中，在进行平坦化制作工艺之后，还包括进行退火制作工艺，使得高密度等离子体氧化物更加致密。此外，退火制作工艺会同时活化注入导光区120中的离子。必须说明的是，在本实施例中，为了减少制作工艺步骤，是在形成隔离结构后才对导光区120进行退火，但本发明不以此为限，在其他实施例中，也可以是在进行注入制作工艺IP后，就先对导光区120进行退火，而后再制作隔离结构130。在本实施例中，形成多个隔离结构130之后，还包括移除图案化掩模层110。
在本实施例中，基底102包括折射率n约为4.5的硅，在进行退火制作工艺后，导光区120形成折射率n约为1.5的氧化硅。因此，导光区120的折射率会小于其周围的基底102的折射率，且与基底102之间具有较大的折射率差异。在本实施例中，导光区120例如是形成于隔离结构130的侧壁与底部周围的基底102中，且导光区120例如是连续地环绕隔离结构130，但本发明不以此为限。在另一实施例中，导光区120也可以形成于隔离结构130的侧壁周围的基底102中，而未形成于隔离结构130的底部。也就说，导光区120可以不连续地形成于隔离结构130周围，只要导光区120于基底102中的深度超过隔离结构130于基底102中的深度即可。由于导光区120能延伸至隔离结构130侧壁下方，因此可以避免入射光进入隔离结构130所未能阻挡到的部分，进而避免入射光进入邻近像素区106a、106b、106c中。
请参照图1D，接着，分别于像素区106a、106b、106c与周边区108的基底102上形成栅极结构140、150。然后，在栅极结构140两侧的基底102中形成光感测区146与浮置漏极区148，以及于栅极结构150两侧的基底102中形成源极区156与漏极区158。在本实施例中，栅极结构140、150例如是同时形成。栅极结构140、150例如是包括介电层142、152与导体层144、154。介电层142、152的材料例如是氧化硅。导体层144、154的材料例如是单晶硅、未掺杂多晶硅、掺杂多晶硅、非晶硅、金属硅化物或其组合。在本实施例中，栅极结构140、150的侧壁上更形成有间隙壁145、155。间隙壁145、155的材料例如是氧化硅或氮化硅或两者的组合。光感测区146为二极管掺杂区，包括第一导电型掺杂区146a与第二导电型掺杂区146b，其中第一导电型与第二导电型为相反导电型。以基底102为p型为例，第一导电型掺杂区146a例如是n型掺杂区，第二导电型掺杂区146b例如是p型掺杂区，浮置漏极区148以及源极区156与漏极区158例如是n型掺杂区，反之亦然。其中，第一导电型掺杂区146a例如是浅掺杂区，浮置漏极区148以及源极区156与漏极区158例如是重掺杂区。
请参照图1E，而后，分别于各像素区106a、106b、106c与周边区104的基底102上形成导线层160。导线层160例如是包括至少一导体层162与至少一介电层164，其中介电层164填满导体层162之间的空隙。光感测区146例如是位于两相邻的导线层160之间。在本实施例中，形成导线层160之前，还包括于基底102上形成接触窗蚀刻终止层(contact etching stop layer,CESL)159，但本发明不以此为限。接触窗蚀刻终止层159的材料例如是氮化硅。
请参照图1F，然后，在各像素区106a、106b、106c的导线层160上形成一滤光层170，以形成像素Pa、Pb、Pc。在本实施例中，影像感测器100为背发光型(Backside illuminated,BSI)影像感测器，因此于各像素区106a、106b、106c的基底102的底部上形成滤光层170，使得滤光层170与导线层160位于基底102的相对两侧。滤光层170为第一颜色滤光层、第二颜色滤光层或第三颜色滤光层，以分别形成第一像素Pa、第二像素Pb或第三像素Pc。在本实施例中，第一颜色滤光层、第二颜色滤光层或第三颜色滤光层分别为红色滤光层、绿色滤光层或蓝色滤光层，但不以此为限。在本实施例中，还包括于各像素区106a、106b、106c的滤光层170上形成微透镜180，使得入射光Li能被更直接地导向至像素Pa、Pb、Pc中。在另一实施例中，如图2所示，影像感测器100a也可以是前发光型(Frontside illuminated,FSI)影像感测器，因此滤光层170与基底102例如是位于导线层160的相对两侧。
在上述的实施例中，影像感测器100、100a例如为互补金属氧化物半导体影像感测器(CMOS Image Sensor)。影像感测器100、100a包括基底102、多个隔离结构130、多个像素Pa、Pb、Pc以及多个导光区120。基底102包括像素阵列区104。隔离结构130位于基底102中，在像素阵列区104中定义出分别位于两相邻隔离结构130之间的多个像素区106a、106b、106c。像素Pa、Pb、Pc位于像素区106a、106b、106c中。像素Pa、Pb、Pc包括光感测区146以及导线层160。导光区120位于基底102中，导光区120位于隔离结构130周围的基底102中且与隔离结构130之间配置有基底102，导光区120于基底102中的深度大于其所环绕的隔离结构130于基底102中的深度，以及导光区120的折射率小于基底102的折射率。如图1F所示，在背发光型影像感测器100中，滤光层170与导线层160位于基底102的相对两侧。如图2所示，在前发光型影像感测器100a中，滤光层170与基底102例如是位于导线层160的相对两侧。
在上述的实施例中，在形成用于隔离结构的开口112后，通过对基底102进行注入制作工艺IP，使得导光区120环绕隔离结构130周围。如图1F与图2所示，由于导光区120相较于隔离结构130具有更深的深度，因此能阻挡进入隔离结构130下方的入射光Li。再者，基底102的折射率大于导光区120的折射率且两者之间具有较大的折射率差异，因此当入射光Li由基底102进入导光区120时，入射光Li很容易在导光区120与基底102之间的介面处发生全反射。也就是说，导光区120可以作为反射镜面，将入射至一像素Pa、Pb、Pc中的入射光Li导回其所入射的像素Pa、Pb、Pc中，以避免入射光Li经由隔离结构130下方的基底102进入相邻像素Pa、Pb、Pc。因此，导光区120能使入射光Li在其所入射的像素Pa、Pb、Pc中传输而被所对应的光感测区146接收，使得光感测区146感测光源而获得感测信号。也就是说，导光区可用于隔离与导光，以降低像素之间的光干涉，进而提升像素的灵敏度与量子效率，使得感测器具有较佳的空间分辨率与整体灵敏度。
综上所述，本发明是于隔离结构周围的基底中形成导光区，导光区位于像素之间且延伸至深于隔离结构的基底中。由于导光区与基底之间具有折射率差异，因此入射光很容易在导光区与基底之间的介面处发生全反射。如此一来，能避免入射至一像素中的光线由隔离结构下方的基底进入邻近像素中，以降低像素之间的光干涉。也就是说，导光区有利于将入射光维持在其所入射的像素中，并使其进入对应的光感测区中，使光感测区感测光源而获得感测信号。因此，导光区的设置可降低像素之间的光干涉，以提升像素的灵敏度与量子效率，使得感测器具有较佳的空间分辨率与整体灵敏度。此外，除了需额外进行注入步骤(诸如氧离子注入隔离法)以外，导光区的形成步骤可利用隔离结构制作工艺中的开口结构与退火制作工艺，因此导光区的制作与目前的影像感测器的制作流程相容，而不会造成制作成本或制作时间的大幅增加。
虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。
Claims (20)
1.一种影像感测器的制作方法，包括：
提供一基底，该基底包括一像素阵列区；
在该像素阵列区的该基底中形成多个开口；
在各该开口周围的该基底中形成一导光区，其中该导光区与该开口之间配置有该基底，各该导光区于该基底中的深度大于其所环绕的该开口于该基底中的深度；
在该些开口中形成多个隔离结构，以于该像素阵列区中定义出分别位于两相邻隔离结构之间的多个像素区；
在各该像素区的该基底中形成一光感测区；以及
在各该像素区的该基底上形成一导线层。
2.如权利要求1所述的影像感测器的制作方法，其中形成该导光区的方法包括氧离子注入隔离法。
3.如权利要求1所述的影像感测器的制作方法，其中该导光区形成于该隔离结构的侧壁与底部周围的该基底中。
4.如权利要求1所述的影像感测器的制作方法，其中该导光区形成于该隔离结构的侧壁周围的该基底中。
5.如权利要求1所述的影像感测器的制作方法，还包括于各该像素区的该基底的底部上形成一滤光层，其中该滤光层与该导线层位于该基底的相对两侧。
6.如权利要求1所述的影像感测器的制作方法，还包括于各该像素区的该导线层上形成一滤光层，其中该滤光层与该基底位于该导线层的相对两侧。
7.如权利要求1所述的影像感测器的制作方法，其中该基底还包括一周边区，对该像素阵列区进行该注入制作工艺时，还包括遮蔽该周边区。
8.如权利要求1所述的影像感测器的制作方法，还包括于各该像素区的该基底上形成一栅极结构，以及于该栅极结构的两侧的该基底中形成该光感测区与一浮置漏极区。
9.如权利要求1所述的影像感测器的制作方法，其中该光感测区位于两相邻的导线层之间。
10.如权利要求1所述的影像感测器的制作方法，其中该导光区的折射率小于该基底的折射率。
11.一种影像感测器，包括：
基底，包括一像素阵列区；
多个隔离结构，位于该基底中，在该像素阵列区中定义出分别位于两相邻隔离结构之间的多个像素区；
多个像素，分别位于该些像素区中，其中各该像素包括：
光感测区，位于该基底中；以及
导线层，位于该基底上；以及
多个导光区，各该导光区位于该隔离结构周围的该基底中，其中各该导光区与该隔离结构之间配置有该基底，各该导光区于该基底中的深度大于其所环绕的该隔离结构于该基底中的深度，以及各该导光区的折射率小于该基底的折射率。
12.如权利要求11所述的影像感测器，其中该导光区的材料包括氧化硅。
13.如权利要求11所述的影像感测器，其中该导光区位于该隔离结构的侧壁与底部周围。
14.如权利要求11所述的影像感测器，其中该导光区位于该隔离结构的侧壁周围。
15.如权利要求11所述的影像感测器，还包括位于各该像素区的该基底的底部上的一滤光层，其中该滤光层与该导线层位于该基底的相对两侧。
16.如权利要求11所述的影像感测器，还包括位于各该像素区的该导线层上的一滤光层，其中该滤光层与该基底位于该导线层的相对两侧。
17.如权利要求11所述的影像感测器，其中该基底还包括一周边区，该周边区包括多个隔离结构。
18.如权利要求11所述的影像感测器，还包括位于各该像素区的该基底上的一栅极结构，以及该光感测区与一浮置漏极区位于该栅极结构的两侧的该基底中。
19.如权利要求11所述的影像感测器，其中该光感测区位于两相邻的导线层之间。
20.如权利要求11所述的影像感测器，其中该导线层包括至少一导体层与至少一介电层。
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