影像感测器及其制作方法与流程

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：

影像感测器，例如金属-氧化物-半导体(meta-oxide-semiconductor，mos)影像感测器，是一种可将光学影像转变成电子信号的半导体元件。目前已广泛地被使用于消费性电子产品，例如数字相机、个人通讯服务(personalcommunicationsservice，pcs)、游戏机(gameequipment)等高分辨率要求较高的产品。

为因应消费者对于高影像分辨率的要求，影像显感测器的像素密度必须增加，意即每一单位像素(pixel)中的光电转换元件(photoelectrictransducerdevice)，例如光二极管(photodiode)的尺寸将变小。然而，由于像素密度增加，相对应的像素间距也将缩小，易导致相邻的像素之间的电子及光学串音干扰(electricalandopticalcrosstalk)激增，甚至使分辨率严重劣化至所感应的影像失真。

目前现有技术已有采用位于相邻的像素之间的浅沟槽隔离(shallowtrenchisolation,sti)结构来降低电串音干扰者。然而，由于浅沟槽隔离结构的深度有所限制，不能够提供令人满意的电串音阻障(barrier)。尤其在背照式(backsideillumination，bsi)影像感测器的运用上，浅沟槽隔离结构并不足以提供有效的光学串音干扰阻障。

因此有需要提供一种新式的影像感测器及其制作方法，以解决相邻的像素之间产生电子及光学串音干扰的问题。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的一个方面是有关于一种影像感测器。此影像感测器包括半导体基材、多个光电转换元件以及介电隔离结构。半导体基材 具有后侧表面(backsidesurface)以及与后侧表面相对的前侧表面(frontsidesurface)。光电转换元件形成于前侧表面上。介电隔离结构由前侧表面延伸进入半导体基材之中，并穿过后侧表面，用于隔离这些光电转换元件，且形成一个格栅状(grid)结构凸设于后侧表面。

本发明的另一个方面是有关于一种影像感测器的制作方法，此影像感测器的制作方法，包括下述部骤：首先，提供一个半导体基材，使半导体基材具有一个前侧表面、与前侧表面相对的一个后侧表面、形成于前侧表面上的多个光电转换元件以及介电隔离结构。其中，介电隔离结构由前侧表面延伸进入半导体基材之中，用于隔离这些光电转换元件。之后，移除位于后侧表面上的一部分半导体基材，使一部分介电隔离结构暴露于外，并形成一个格栅状结构凸设于后侧表面。

根据上述，本发明的实施例提出一种影像感测器及其制作方法，首先在半导体基材的前侧表面上形成延伸进入半导体基材内部的介电隔离结构，用于将半导体基材区隔成多个次像素(sub-pixel)区。再于每一个次像素区中形成至少一个光电转换元件用于形光电转换元件。之后，再移除位于后侧表面上的一部分半导体基材，使一部分介电隔离结构暴露于外，并形成一个格栅状结构，凸设于后侧表面。后续，再于格栅状结构上形成彩色滤光片及微透镜结构。其中，彩色滤光片可以延伸进入格栅状结构之中。

由于，格栅状结构可以充分将由后侧表面入射至不同次像素区的光线予以隔离，防止各个次像素区中的光电转换元件所生成的光载流子(photo-carrier)与相邻次像素之间产生的电子及光学串音干扰的问题。

再加上，格栅状结构通过暴露于半导体基材后侧表面的一部分介电隔离结构所定义而成。而格栅状结构和介电隔离结构通过同一个光掩模蚀刻制作工艺所形成。换句话说，不需要额外的光掩模制作工艺和对准标记，即可在半导体基材的后侧表面上形成介电隔离结构以及与介电隔离结构自动对准的格栅结构，用来隔离入射至不同次像素的光线。更可节省影像感测器的制造成本同时提高影像感测器整体装置的制造精度。

附图说明

图1a至图1g为本发明一实施例所绘示的一系列制作金属-氧化物-半导体影像感测器的制作工艺结构剖面示意图；

图2为本发明的一实施例所绘示的格栅状结构上视图；

图3a至图3c为本发明的另一实施例绘示制作金属-氧化物-半导体影像感测器的部分制作工艺结构剖面示意图；

图4a至图4d为本发明的又一实施例绘示制作金属-氧化物-半导体影像感测器的部分制作工艺结构剖面示意图；以及

图5a至图5c为本发明的再一实施例绘示制作金属-氧化物-半导体影像感测器的部分制作工艺结构剖面示意图。

符号说明

100：金属-氧化物-半导体影像感测器

101：半导体基材

101a：半导体基材的前侧表面

101b：半导体基材的后侧表面102：光电转换元件

102a：光电二极管区102b：浮置漏极区

102c：栅极结构103：介电隔离结构

104：次像素区105:焊垫结构

106：沟槽107：介电材料

108：格栅状结构108a：外框部

108b：凹陷部109：彩色滤光片

109r、109g、109b：彩色滤光单元

110：微透镜111：金属内连线结构

111a：金属布线层111b：导电插塞

300：金属-氧化物-半导体影像感测器

305a：间隙壁305：覆盖层

312：绝缘层

400：金属-氧化物-半导体影像感测器

403：介电隔离结构403a：第一介电层

403b：阻光嵌入层403c：第二介电层

408：格栅状结构

500：金属-氧化物-半导体影像感测器

503：介电隔离结构503a：阻光衬里层

508：格栅状结构l：光线

具体实施方式

本发明是提供一种影像感测器及其制作方法，可解决现有光学及电子串音干扰的问题，并且同时节省制造成本提高制作工艺精度。为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举数种制作金属-氧化物-半导体影像感测器的方法，做优选实施例，并配合所附的附图，作详细说明如下。

但必须注意的是，这些特定的实施案例与方法，并非用以限定本发明。本发明仍可采用其他特征、元件、方法及参数来加以实施。优选实施例的提出，仅用以例示本发明的技术特征，并非用以限定本发明的权利要求。该技术领域中具有通常知识者，将可根据以下说明书的描述，在不脱离本发明的精神范围内，作均等的修饰与变化。在不同实施例与附图之中，相同的元件，将以相同的元件符号加以表示。

请参照图1a至图1g，图1a至图1g为根据本发明一实施例所绘示的一系列制作金属-氧化物-半导体影像感测器100的制作工艺结构剖面示意图。首先如图1a所绘示，提供一半导体基材101。在本发明的一些实施例之中，半导体基材101可以是由半导体材质，例如硅(si)、锗(ge)，或化合半导体材质，例如砷化镓(gaas)，所构成。但在另一些实施例中，半导体基材101也可以是一种绝缘层上覆硅(silicononinsulator，soi)基板。在本实施例之中，半导体基材101优选是一种硅基材。

之后，在半导体基材101中形成介电隔离结构103，用于将半导体基材101区隔成多个次像素区104。在本实施例之中，介电隔离结构103可以是一种深沟槽隔离结构(deeptrenchisolation)。介电隔离结构103的形成包括下述部骤：首先在半导体基材101的前侧表面101a上进行蚀刻制作工艺，例如反应性离子蚀刻(reactiveionetching，rie)制作工艺，用于在基材101之中形成至少一个沟槽106，由半导体基材101的前侧表面101a向基材101内部延伸，并在半导体基材101中定义出多个次像素104(如图1b所绘示)。

之后，再以介电材质107填充沟槽106。在本发明的一些实施例之中，沟槽106的深度优选小于半导体基材101的深度。换句话说，沟槽106于并未穿过半导体基材101的后侧表面101b(如图1c所绘示)。介电材料107由包含硅氧化物的单层或多层抗反射材料所构成。在本实施之中，介电材料107 可以包含二氧化硅。由填充介电材料107所形成的介电隔离结构103，可以是包含二氧化硅的一种单层抗反射深沟隔离结构，或是包含堆迭的二氧化硅层/氮化硅层/二氧化硅层的多层抗反射深沟隔离结构。

然后，在半导体基材101的前侧表面101a上进行一前侧制作工艺(frontsideprocess)，用于在半导体基材101的每一个次像素区104上形成至少一个光电转换元件102及其配线电路与焊垫结构105(如图1d所绘示)。在本发明的一些实施例之中，每一个被介电隔离结构103所分隔的次像素区104中，可以仅包含有一个光电转换元件102。但在本发明的另一些实施例之中，每一个被介电隔离结构103所分隔的次像素104中，可以包含多个的光电转换元件102。

光电转换元件102的形成包括下述步骤：首先于半导体基材101的前侧表面101a上进行至少一个离子注入制作工艺，用于在每一个次像素区104中的半导体基材101内形成至少一个光电二极管(photodiode，pd)区102a以及相对应的一个浮置漏极区102b，并使光电二极管区102a与浮置漏极区102b彼此分离。然后，再于每一个次像素区104中的半导体基材101的前侧表面101a上，形成至少一个栅极结构102c，与电二极管区102a和浮置漏极区102b相对应，并且使栅极结构102c邻接对应的光电二极管区102a和浮置漏极区102b。

接着，移除位于半导体基材101的后侧表面101b上的一部分半导体基材101，使一部分介电隔离结构103暴露于外，并形成一个格栅状结构108凸设于后侧表面101b(如图1e所绘示)。在本发明的一些实施例之中，移除一部分半导体基材101的步骤包括：先以，例如化学机械研磨(chemical-mechanicalpolishing，cmp)，在半导体基材101的后侧表面101b进行一个薄化制作工艺，将半导体基材101的厚度薄化至，例如实质小于3μm的厚度。然后，在半导体基材101薄化后的后侧表面101b进行一蚀刻制作工艺，来移除一部分半导体基材101。例如在本实施例之中，可以采用湿式蚀刻制作工艺，以氢氧化四甲基铵(tetramethylammoniumhydroxide，tmah)或氢氟酸/硝酸/醋酸溶液(hydrofluoricacid/nitricacid/aceticacidsolution，hna)作为蚀刻剂来移除一部分半导体基材101，用于将一部分的介电隔离结构103暴露于外，并形成一个格栅状结构108。

所形成的格栅状结构108包括由暴露于外的一部分介电隔离结构103所 构成的外框部108a以及由外框部108a与半导体基材101的后侧表面101b所定义出来的多个凹陷部(recesses)108b。其中，每一个凹陷部108b分别对应每一个次像素104。例如请参照图2，图2为根据本发明的一实施例所绘示的格栅状结构108上视图。在本实施例中，格栅状结构108可以是具有行列直交图案的棋盘状结构。但在其他实施例中，格栅状结构108的图案可以根据光电转换元件102的不同布局设计，而具有不同的图案。

然后，在半导体基材101的后侧表面101b和格栅状结构108之上形成彩色滤光片(colorfilter，cf)109，并且在彩色滤光片109之上形成多个微透镜(microlenses)110。在本实施例中，彩色滤光片109具有多个彩色滤光单元，例如彩色滤光单元109r、109g和109b，与每一个次像素104对应，并且分别延伸进入格栅状结构108的相对应的凹陷部108b之中(如图1f所绘示)。微透镜110，优选是由玻璃、高分子塑化材质(例如树脂(epoxy)、丙二醇甲醚醋酸酯(propyleneglycolmono-methyletheracetate，pgmea)、聚甲基丙烯酯环氧丙烷)、半导体材质(例如硅)或上述材质的任意组合所构成。

后续，再于进行一连串后段制作工艺通过后段制作工艺(back-end-of-line；beol)，例如金属镶嵌制作工艺(metaldamasceneprocess)，在半导体基材101的前侧表面101a上形成金属内连线结构111，再进行布线封装制作工艺，即可形成如图1g所绘示的影像感测器100。在本实施例之中，金属内连线结构111包括多个金属导布线层111a以及用来导通金属布线层111a与焊垫105的导电插塞111b。

由半导体基材101的后侧表面101b入射至不同次像素区104的光线l，受到凸设于半导体基材101的后侧表面101b上的格栅状结构108以及位于半导体基材101中的介电隔离结构103的阻挡与反射会被局限(隔离)在各自的次像素区104之中，可以防止各个次像素区104之间光学串音干扰的问题。另外，由于位于各个次像素区104中的光电转换元件102已被位于半导体基材101中的介电隔离结构103隔离。因此，各个次像素区104中的光电转换元件102所生成的光载流子不会与相邻接的次像素104产生电子串音干扰。

请参照图3a至图3c，图3a至图3c为根据本发明的另一实施例绘示制作金属-氧化物-半导体影像感测器300的部分制作工艺结构剖面示意图。金属-氧化物-半导体影像感测器300的结构与制作过程大致与金属-氧化物-半导体影像感测器100类似，差别仅在于形成金属-氧化物-半导体影像感测 器300的彩色滤光层109之前，会先在格栅状结构108上形成间隙壁305a。由于形成格栅状结构108之前的制作工艺已详述如前，因此相同的制作工艺部骤与结构不在此赘述。

间隙壁305a的形成包括下述部骤：首先，在图1e所绘示的结构上依序形成绝缘层312和覆盖层305，以毯覆于格栅状结构108的外框部108a以及位于凹陷部108b中的半导体基材101上(如图3a所绘示)。接着进行一非等向蚀刻(anisotropicetching)制作工艺，例如反应性离子蚀刻，用于移除一部分的覆盖层305，于格栅状结构108的外框部108a的多个侧壁上形成多个间隙壁305a(如图3b所绘示)。在本发明的一些实施例中，绝缘层312可以是，例如二氧化硅层或氮化硅层；构成覆盖层305的材质可以选自于由金属(例如，铜(cu)、银(ag)、铝(al)、钛(ti)、钨(w)、钽(ta))、金属氧化物(例如，氧化鋡(hfo2)、氧化钽(ta2o5)等)、金属氮化物(例如，氮化钛(tin))、合金(例如铝合金)以及上述的任意组合所组成的一族群

然后，在半导体基材101的后侧表面101b和格栅状结构108之上形成彩色滤光片109，并且在彩色滤光片109之上形成多个微透镜110。后续，再于进行一连串后段制作工艺通过后段制作工艺，例如金属镶嵌制作工艺，在半导体基材101的前侧表面101a上形成金属内连线结构111，再进行布线封装制作工艺，即可形成如图3c所绘示的影像感测器300。

由半导体基材101的后侧表面101b入射至不同次像素区104的光线l，受到凸设于半导体基材101的后侧表面101b上的格栅状结构108、间隙壁305a以及位于半导体基材101中的介电隔离结构103的阻挡与反射会被局限(隔离)在各自的次像素区104之中。因此，可以防止各个次像素区104之间光学串音干扰的问题。另外，由于位于各个次像素区104中的光电转换元件102已被位于半导体基材101中的介电隔离结构103隔离。因此，各个次像素区104中的光电转换元件102所生成的光载流子不会与相邻接的次像素104产生电子串音干扰。

请参照图4a至图4d，图4a至图4d为根据本发明的又一实施例绘示制作金属-氧化物-半导体影像感测器400的部分制作工艺结构剖面示意图。金属-氧化物-半导体影像感测器400的结构与制作过程大致与金属-氧化物-半导体影像感测器100类似，差别仅在于金属-氧化物-半导体影像感测器300的介电隔离结构403的结构与形成方式与金属-氧化物-半导体影像感测器 100有所不同。由于形成介电隔离结构403之前的制作工艺已详述如前，因此相同的制作工艺步骤与结构不在此赘述。

介电隔离结构403的形成包括下述部骤：首先，在图1b所绘示的沟槽106的106a和底部106b上形成第一介电层403a(如图4a所绘示)；再于第一介电层403a上形成具有高反光特性的阻光嵌入层(embeddedlightshieldinglayer)403b(如图4b所绘示)；然后在阻光嵌入层403b上形成第二介电层403c，使阻光嵌入层403b嵌设于第一介电层403a和第二介电层403c之间(如图4c所绘示)。

在本发明的一些实施例之中，第一介电层403a和第二介电层403c可以分别是二氧化硅层或氮化硅层所构成的单层结构；或是由二氧化硅层/氮化硅层所构成的双层结构；亦或是由二氧化硅层/氮化硅层/二氧化硅层所构成的多层结构。构成阻光嵌入层403b的材质可以选自于由氮化硅、多晶硅、金属材质(例如，铜、银、铝、钛、钨、钽等)、金属氧化物(例如，氧化鋡、氧化钽等)、金属氮化物(例如，氮化钛)及上述任意组合所组成的一族群。

接着，进行一前侧制作工艺于半导体基材101的前侧表面101a上的每一个次像素区104上形成至少一个光电转换元件102。之后，移除位于半导体基材101的后侧表面101b上的一部分半导体基材101，使一部分介电隔离结构403暴露于外，并形成一个格栅状结构408凸设于后侧表面101b。然后，在半导体基材101的后侧表面101b和格栅状结构408之上形成彩色滤光片109，并且在彩色滤光片109之上形成多个微透镜110。后续，再于进行一连串后段制作工艺通过后段制作工艺，例如金属镶嵌制作工艺，在半导体基材101的前侧表面101a上形成金属内连线结构111，再进行布线封装制作工艺，即可形成如图4e所绘示的影像感测器400。

由半导体基材101的后侧表面101b入射至不同次像素区104的光线l，受到凸设于半导体基材101的后侧表面101b上的格栅状结构408以及位于半导体基材101中的介电隔离结构403的阻挡与反射会被局限(隔离)在各自的次像素区104之中，可以防止各个次像素区104之间光学串音干扰的问题。另外，由于位于各个次像素区104中的光电转换元件102已被位于半导体基材101中的介电隔离结构403隔离。因此，各个次像素区104中的光电转换元件102所生成的光载流子不会与相邻接的次像素104产生的电子串音干扰。

请参照图5a至图5c，图5a至图5c为根据本发明的另一实施例绘示制作金属-氧化物-半导体影像感测器500的部分制作工艺结构剖面示意图。金属-氧化物-半导体影像感测器500的结构与制作过程大致与金属-氧化物-半导体影像感测器100类似，差别仅在于金属-氧化物-半导体影像感测器500的介电隔离结构503的结构与形成方式与金属-氧化物-半导体影像感测器100有所不同。由于形成介电隔离结构503之前的制作工艺已详述如前，因此相同的制作工艺部骤与结构不在此赘述。

介电隔离结构503的形成包括下述部骤：首先，形成阻光衬里层(lightshieldingliner)503a包覆于图1b所绘示的沟槽106的侧壁106a和底部106b上(如图5a所绘示)；再以，例如先前所述的介电材质107来填满沟槽106(如图5b所绘示)。其中，阻光衬里层503a的材质可以是氮化硅、多晶硅或金属氧化物，例如氧化鋡、氧化钽、氮化钛等。

接着，进行一前侧制作工艺于半导体基材101的前侧表面101a上的每一个次像素区104上形成至少一个光电转换元件102。之后，移除位于半导体基材101的后侧表面101b上的一部分半导体基材101，使一部分介电隔离结构503暴露于外，并形成一个格栅状结构508凸设于后侧表面101b。然后，在半导体基材101的后侧表面101b和格栅状结构508之上形成彩色滤光片109，并且在彩色滤光片109之上形成多个微透镜110。后续，再于进行一连串后段制作工艺通过后段制作工艺，例如金属镶嵌制作工艺，在半导体基材101的前侧表面101a上形成金属内连线结构111，再进行布线封装制作工艺，即可形成如图5c所绘示的影像感测器500。

由半导体基材101的后侧表面101b入射至不同次像素区104的光线l，受到凸设于半导体基材101的后侧表面101b上的格栅状结构508以及位于半导体基材101中的介电隔离结构503的阻挡与反射会被局限(隔离)在各自的次像素区104之中，可以防止各个次像素区104之间光学串音干扰的问题。另外，由于位于各个次像素区104中的光电转换元件102已被位于半导体基材101中的介电隔离结构503隔离。因此，各个次像素区104中的光电转换元件102所生成的光载流子不会与相邻接的次像素104产生电子串音干扰。

根据上述，本发明的实施例提出一种影像感测器及其制作方法，首先在半导体基材的前侧表面上形成延伸进入半导体基材内部的介电隔离结构，用于将半导体基材区隔成多个次像素区。再于每一个次像素区中形成至少一个 光电转换元件用于形光电转换元件。之后，再移除位于后侧表面上的一部分半导体基材，使一部分介电隔离结构暴露于外，并形成一个格栅状结构，凸设于后侧表面。后续，再于格栅状结构上形成彩色滤光片及微透镜结构。其中，彩色滤光片可以延伸进入格栅状结构之中。

由于，格栅状结构可以充分将由后侧表面入射至不同次像素区的光线予以隔离，防止各个次像素区中的光电转换元件所生成的光载流子与相邻次像素之间产生的电子及光学串音干扰的问题。

再加上，格栅状结构通过暴露于半导体基材后侧表面的一部分介电隔离结构所定义而成。而格栅状结构和介电隔离结构通过同一个光掩模蚀刻制作工艺所形成。换句话说，不需要额外的光掩模制作工艺和对准标记，即可在半导体基材的后侧表面上形成介电隔离结构以及与介电隔离结构自动对准的格栅结构，用来隔离入射至不同次像素的光线。更可节省影像感测器的制造成本同时提高影像感测器整体装置的制造精度。

虽然结合以上优选实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何该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，因此本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。