TWI418024B - 影像感測元件及其製作方法 - Google Patents
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Description
本發明有關於一種影像感測元件，也有關於此種影像感測元件的製作方法。
影像感測元件的結構如圖1所示，其中包含光學像素與電子電路；電子電路目前多採用CMOS製程來製作。形成光學像素的製作步驟剖面圖大致如圖2A至圖2D所示：
(一)如圖2A所示，在基板11內部，形成影像感測區12，其上方分別為氧化層13a、複晶矽層13b、以及多層介電層14；氧化層13a、複晶矽層13b之材質係配合電子電路的CMOS製程而選用與閘極介電層和閘極導電層相同的材質。
(二)如圖2B所示，以複晶矽層13b作為蝕刻阻擋層(etch stop)，蝕刻影像感測區12上方的介電層14以形成光通道15(light passage)，以使光能更充分地穿透介電層14到達影像感測區12，使影像感測區12能接收更多的光。
(三)如圖2C所示，因複晶矽層13b不透光，因此必須移除複晶矽層13b，以增加影像感測區12的光感測能力。但此蝕刻製程會損害該影像感測區12表面，使影像感測能力受到限制。
(四)如圖2D所示，在完成蝕刻該複晶矽層13b後，在最上層介電層14的上方以鈍化層(passivation layer)16遮蔽，鈍化層16之上為濾色層(color filter)17，濾色層17之上為微透鏡(micro-lens)18。
有關光通道及CMOS影像感測器，在美國專利第6861686，7205623，7400003，7462507，7193289，7342268號，及公開案第2007/0262366號中均有論及。
上述各先前技術中，多重的蝕刻製程會損傷影像感測區12的表面，使該表面粗糙，因此其影像感測的效果較弱，是其缺點。
本發明之一目的在提供一種影像感測元件，其能保護影像感測區的表面，增加該影像感測元件之影像感測能力。
本發明之另一目的在提供一種影像感測元件的製作方法。
為達上述之目的，就本發明的其中一個觀點而言，提供了一種影像感測元件，包含光學像素與電子電路，其中該光學像素包含：基板；影像感測區，形成於該基板內部；遮罩層，該遮罩層位於該影像感測區上方，且該遮罩層係於該影像感測元件之電子電路製造過程中所形成；以及光通道結構，該光通道結構位於該遮罩層上方，用以增加該影像感測區之感測能力。
上述影像感測元件可更包含：鈍化層，形成於該光通道結構上；濾色層，形成於該鈍化層上；以及微透鏡，形成於該濾色層上。
就本發明的另一個觀點而言，提供了一種影像感測元件之製作方法，包含下列步驟：提供一基板；於該基板內部，形成一影像感測區；於該影像感測區上，形成一遮罩層；於
該遮罩層上沉積介電層；蝕刻該介電層，停止於該遮罩層，以於該遮罩層上方形成一光通道結構；以及保留而不完全移除該遮罩層。
上述影像感測元件與製作方法中，該影像感測區可為一光電二極體、或為一光閘極。
上述影像感測元件與製作方法中，該遮罩層可由下列材質之至少一材質形成：氧化物、氮化物、氮氧化物、碳化物、矽酸物、鋁酸物、複晶矽、或金屬。
上述影像感測元件與製作方法中，影像感測區與該遮罩層之間，可具有一中間層，該中間層係由下列材質之至少一材質形成：氧化物、氮化物、氮氧化物、碳化物、或矽酸物。
上述影像感測元件與製作方法中，影像感測元件可進一步包含一光諧振結構，形成於該遮罩層上方光通道結構內部，該光諧振結構例如為一法布立-拍若諧振鏡(Fabry-Perot resonator)。
在其中一個實施型態中，該光諧振結構包含上方反射層與下方反射層，該下方反射層由前述遮罩層構成，該上方反射層為一金屬層。
在其中一個實施型態中，該光諧振結構為包含：一第一金屬層，形成於該遮罩層上方；一第一非金屬層，形成於該第一金屬層上方；一第二金屬層，形成於該第一非金屬層上方；以及一第二非金屬層，形成於該第二金屬層上方。在其中一個實施型態中，遮罩層與第一金屬層之間尚可再包含一第三非金屬層。
上述實施型態中，各金屬層可由下列材質之至少一材質
形成：金、銀、鈦、鉭、銅、鋁、或以上金屬之碳化物、氧化物、氮化物。
上述影像感測元件與製作方法中，各非金屬層可由下列材質之至少一材質形成：氧化物、氮氧化物、或碳化物。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
本發明中的圖式均屬示意，主要意在表示製程步驟以及各層之間之上下次序關係，至於形狀、厚度與寬度則並未依照比例繪製。
本發明的特點之一為：在影像感測區表面上形成一遮罩層，且在最終所形成的影像感測元件中，保留該遮罩層而不完全移除，以節省蝕刻步驟，並可避免多重的蝕刻製程損傷影像感測元件的表面。該遮罩層宜為電子電路製造過程中所需要的一層，例如為閘極介電層、閘極導電層、介電層、金屬層、犧牲層、或蝕刻阻擋層，因此形成該遮罩層並不需要額外增加沉積或蝕刻步驟。
本發明的另一特點為：可在影像感測區上方形成一光諧振結構，例如為法布立-拍若諧振鏡(Fabry-Perot resonator)，以過濾特定頻率的光波。該法布立-拍若諧振鏡可利用前述遮罩層做為其下方反射層，或在遮罩層上方另行形成下方反射層與上方反射層。
以下舉數個實施例說明本發明的結構與製程。參閱實施例之後，本技術領域之士當可作各種類推應用。
請參照圖3A至圖3C，首先說明本發明的第一實施例。在本實施例中，係以電子電路的閘極介電層13a作為光學像素的遮罩層。首先如圖3A所示，提供一基板11作為影像感測區12與電子電路(例如為CMOS元件)之基板，在基板11上，形成影像感測區12，其上方分別形成閘極介電層13a以及多層介電層14，介電層14例如為氧化矽(SiO2)或低介電常數材料。閘極介電層13a則可為高介電常數材料，例如為氧化物如氧化鋁(Al2O3)、氧化鉿(HfO2)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鑭(La2O3)、氧化鉭(Ta2O5)、氧化鈦(TiO2)、氧化鈰(CeO2)；氮化物如氮化矽(Si3N4)；、氮氧化物如氮氧化矽(SiOxNy)；碳化物如碳化矽(SiC)；矽酸物如矽酸鋯(ZrSixOy)、矽酸鉿(HfSixOy)、矽酸鋁(AlSixOy)；及鋁酸物如鋁酸鋯(ZrAlxOy)、鋁酸鉿(HfAlxOy)等、或以上材料的複合層。如圖3B所示，高介電常數材料相較於氧化矽(SiO2)或低介電常數材料較不易蝕刻，因此可以閘極介電層13a作為蝕刻阻擋層，蝕刻影像感測區12上方的介電層14以形成光通道15(light passage)，以使光能充分穿透介電層14到達影像感測區12，使影像感測區12能接收更多的光。蝕刻介電層14時可以混用時間控制方式(time-mode etch)，以使蝕刻停止在閘極介電層13a的上方，而不致損及影像感測區12。接著如圖3C所示，沉積鈍化層16、濾色層17、以及微透鏡18，即完成了影像感測元件。
請參照圖4A至圖4D，以閘極導電層13b作為遮罩層來說明本發明的第二實施例。在本實施例中，如圖4A所示，首先提供一基板11作為影像感測區12與電子電路(例如為CMOS元件)之基板，在基板11上，形成影像感測區12，其
上方配合電子電路製程而分別形成閘極介電層13a、閘極導電層13b、以及多層介電層14，其中，閘極介電層13a的材料可為氧化矽或前述高介電常數材料，閘極導電層13b的材料可為複晶矽或金屬。如圖4B所示，以閘極導電層13b作為蝕刻阻擋層，蝕刻影像感測區12上方的介電層14以形成光通道15(light passage)，以使光能充分穿透介電層14到達影像感測區12，使影像感測區12能接收更多的光。接著如圖4C所示，保留該閘極導電層13b，並於其上依序沉積第一透光層19a及反射層19b，該透光層19a例如可使用非金屬材質製作，該反射層19b例如可使用金屬材質製作，此外為保護反射層19b，宜在反射層19b上再沉積第二透光層19c，此第二透光層19c可為非金屬。閘極導電層13b與反射層19b構成一法布立-拍若諧振鏡，此為光諧振結構的一種，在閘極導電層13b與反射層19b間構成反射腔，僅具有特定頻率的光波才能穿透。其中，該反射層19b例如可由下列材質之至少一材質形成：金、銀、鈦、鉭、銅、鋁或以上金屬之碳化物、氧化物、氮化物；該第一透光層19a及第二透光層19c例如可由下列材質之至少一材質形成：氧化矽(SiO2)、氮氧化矽(SioxNy)、碳化矽(SiC)、氮化矽(Si3N4)等。如圖4D所示，接著於該光諧振結構上，沉積鈍化層16、濾色層17、以及微透鏡18，即完成了影像感測元件。
請參照圖5A至圖5D，以下說明本發明的第三實施例。在本實施例中，係於遮罩層上方另形成光諧振結構。首先如圖5A所示，提供一基板11作為影像感測區12與電子電路(例如為CMOS元件)之基板，在基板11上，形成影像感測區
12，其上方分別形成閘極介電層13a、遮罩層13c、以及多層介電層14，其中閘極介電層13a的材料可為氧化矽或前述高介電常數材料，遮罩層13c的材料可為閘極導電層的材料如複晶矽或金屬；或是，閘極介電層13a的材料可為氧化矽，而遮罩層13c的材料可為前述高介電常數材料。在前者情況下，遮罩層13c將與光諧振結構的下方金屬層構成複合反射層的一部份，而在前者情況下，遮罩層13c將與閘極介電層13a構成複合透光層的一部份。接著如圖5B所示，蝕刻影像感測區12上方的介電層14以形成光通道15(light passage)，以使光能充分穿透介電層14到達影像感測區12，使影像感測區12能接收更多的光。如圖5C所示，保留該遮罩層13c，並於其上依序沉積第一金屬層20a、第一非金屬層20b、第二金屬層20c、以及第二非金屬層20d於該光通道15中，以形成一光諧振結構，其具有過濾特定頻率光波的功能，且該光諧振結構為一法布立-拍若諧振鏡。其中，該第一金屬層20a及第二金屬層20c例如可由下列材質之至少一材質形成：金、銀、鈦、鉭、銅、鋁或以上金屬之碳化物、氧化物、氮化物；該第一非金屬層20b以及第二非金屬層20d例如可由下列材質之至少一材質形成：氧化矽(SiO2)、氮氧化矽(SiOxNy)、碳化矽(SiC)、氮化矽(Si3N4)等。如圖5D所示，於該光諧振結構上，沉積鈍化層16、濾色層17、以及微透鏡18，即完成了影像感測元件。
圖6A至圖6D顯示本發明的第四實施例，本實施例與第三實施例的結構與製程步驟大致相同，僅係在遮罩層13c與第一金屬層20a之間再設置一第三非金屬層20e，該第三非金屬
層20e例如可由下列材質之至少一材質形成：氧化矽(SiO2)、氮氧化矽(SiOxNy)、碳化矽(SiC)、氮化矽(Si3N4)等。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。對於熟悉本技術者，當可在本發明精神內，立即思及各種等效變化。舉例而言，以上所述各實施例中之材料、金屬層數等皆為舉例，還其他有各種等效變化的可能。又，與光學像素整合之電子電路不限於以CMOS元件製作，亦可包含雙極電晶體等。又如，遮罩層亦可為其他材料層如閘極結構完成前之犧牲層、或阻障層等。再如，遮罩層可為複合結構層而不限於為單一材料層。故凡依本發明之概念與精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
11‧‧‧基板
12‧‧‧影像感測區
13a‧‧‧閘極介電層
13b‧‧‧閘極導電層
13c‧‧‧遮罩層
14‧‧‧介電層
15‧‧‧光通道
16‧‧‧鈍化層
17‧‧‧濾色層
18‧‧‧微透鏡
19a‧‧‧第一透光層
19b‧‧‧反射層
19c‧‧‧第二透光層
20a‧‧‧第一金屬層
20b‧‧‧第一非金屬層
20c‧‧‧第二金屬層
20d‧‧‧第二非金屬層
20e‧‧‧第三非金屬層
圖1與2A-2D顯示先前技術。
圖3A-3C示出本發明的第一實施例。
圖4A-4D示出本發明的第二實施例。
圖5A-5D示出本發明的第三實施例。
圖6A-6D示出本發明的第四實施例。
11‧‧‧基板
12‧‧‧影像感測區
13a‧‧‧閘極介電層
13c‧‧‧遮罩層
14‧‧‧介電層
15‧‧‧光通道
16‧‧‧鈍化層
17‧‧‧濾色層
18‧‧‧微透鏡
20a‧‧‧第一金屬層
20b‧‧‧第一非金屬層
20c‧‧‧第二金屬層
20d‧‧‧第二非金屬層
Claims (17)
- 一種影像感測元件，包含光學像素與電子電路，其中該光學像素包含：基板；影像感測區，形成於該基板內部；一遮罩層，該遮罩層位於該影像感測區之一表面上，該遮罩層係於該影像感測元件之電子電路製造過程中所形成；光通道結構，該光通道結構位於該遮罩層上方，用以增加該影像感測區之感測能力；以及一光諧振結構，該光諧振結構形成於該遮罩層上方光通道結構內部，其中該光諧振結構包含上方反射層與下方反射層，且該下方反射層由前述遮罩層構成。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像感測元件，其中該遮罩層係由下列材質之至少一材質形成：氧化物、氮化物、氮氧化物、碳化物、矽酸物、鋁酸物、複晶矽、或金屬。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像感測元件，其中該影像感測區與該遮罩層之間，具有一中間層，該中間層係由下列材質之至少一材質形成：氧化物、氮化物、氮氧化物、碳化物、矽酸物、或鋁酸物。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像感測元件，其中該光諧振結構為一法布立-拍若諧振鏡(Fabry-Perot resonator)。
- 一種影像感測元件，包含光學像素與電子電路，其中該光學像素包含：基板；影像感測區，形成於該基板內部； 一遮罩層，該遮罩層位於該影像感測區之一表面上，該遮罩層係於該影像感測元件之電子電路製造過程中所形成；光通道結構，該光通道結構位於該遮罩層上方，用以增加該影像感測區之感測能力；以及一光諧振結構，該光諧振結構形成於該遮罩層上方光通道結構內部，其中該光諧振結構包含：一第一金屬層，形成於該遮罩層上方；一第一非金屬層，形成於該第一金屬層上方；一第二金屬層，形成於該第一非金屬層上方，及一第二非金屬層，形成於該第二金屬層上方。
- 如申請專利範圍第5項所述之影像感測元件，其中該光諧振結構更包含：一第三非金屬層，形成於該遮罩層與第一金屬層之間。
- 如申請專利範圍第5項或第6項所述之影像感測元件，其中各金屬層係由下列材質之至少一材質形成：金、銀、鈦、鉭、銅、鋁、以上金屬之碳化物、以上金屬之氧化物、或以上金屬之氮化物。
- 如申請專利範圍第5項或第6項所述之影像感測元件，其中各非金屬層係由下列材質之至少一材質形成：氧化物、氮化物、氮氧化物、或碳化物。
- 一種影像感測元件之製作方法，包含下列步驟：提供一基板；於該基板內部，形成一影像感測區；於該影像感測區上方，形成一遮罩層； 於該遮罩層上沉積介電層；蝕刻該介電層，停止於該遮罩層，以於該遮罩層上方形成一光通道結構；保留而不完全移除該遮罩層；以及於該遮罩層上方光通道結構內部形成一光諧振結構；其中該光諧振結構包含上方反射層與下方反射層，且該下方反射層由前述遮罩層構成。
- 如申請專利範圍第9項所述之影像感測元件之製作方法，其中該影像感測元件包含光學像素與電子電路，且該遮罩層係於電子電路製造過程中所形成。
- 如申請專利範圍第9項所述之影像感測元件之製作方法，其中該遮罩層係由下列材質之至少一材質形成：氧化物、氮化物、氮氧化物、碳化物、矽酸物、鋁酸物、複晶矽、或金屬。
- 如申請專利範圍第9項所述之影像感測元件之製作方法，其中該影像感測區與該遮罩層之間，具有一中間層，該中間層係由下列材質之至少一材質形成：氧化物、氮化物、氮氧化物、碳化物、矽酸物、或鋁酸物。
- 如申請專利範圍第9項所述之影像感測元件之製作方法，其中該光諧振結構為一法布立-拍若諧振鏡(Fabry-Perot resonator)。
- 一種影像感測元件之製作方法，包含下列步驟：提供一基板；於該基板內部，形成一影像感測區；於該影像感測區上方，形成一遮罩層； 於該遮罩層上沉積介電層；蝕刻該介電層，停止於該遮罩層，以於該遮罩層上方形成一光通道結構；保留而不完全移除該遮罩層；以及於該遮罩層上方光通道結構內部形成一光諧振結構；其中形成該光諧振結構之步驟包含：於該遮罩層上方，形成一第一金屬層；於該第一金屬層上方，形成一第一非金屬層；於該第一非金屬層上方，形成一第二金屬層；及於該第二金屬層上方，形成一第二非金屬層。
- 如申請專利範圍第14項所述之影像感測元件之製作方法，其中形成該光諧振結構之步驟還包含：於該遮罩層與第一金屬層間，形成一第三非金屬層。
- 如申請專利範圍第14項或第15項所述之影像感測元件之製作方法，其中各金屬層係由下列材質之至少一材質形成：金、銀、鈦、鉭、銅、鋁、以上金屬之碳化物、以上金屬之氧化物、或以上金屬之氮化物。
- 如申請專利範圍第14項或第15項所述之影像感測元件之製作方法，其中各非金屬層係由下列材質之至少一材質形成：氧化物、氮化物、氮氧化物、或碳化物。
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