半导体元件及其制造方法与流程

本发明涉及一种集成电路及其制造方法，且特别是涉及一种具有渐变折射率的光导管结构的半导体元件及其制造方法。

背景技术：

影像感测器(image sensor)是一种将光学影像转换成电子信号的设备，它被广泛地应用在数字相机和其他电子光学设备中。早期的影像传感器采用模拟信号，如摄像管(video camera tube)。如今，影像感测器主要分为电荷耦合(charge-coupled device，CCD)型和互补式金属氧化半导体(CMOS)型两种。

CMOS型影像感测器是应用CMOS制造技术，使光学影像转换为电信号的元件。相较于CCD型影像感测器，CMOS感测器可将信号处理电路制作成单一芯片，其不仅可使产品体积缩小，且也可相容于CMOS技术。因此，CMOS感测器具有节省制造成本以及降低电力损耗的优点。

一般而言，会在感光元件上形成光导管结构，以增加CMOS型影像感测器的光敏感性。然而，光线行经光导管结构时，容易因为入射角度过大，而使得光线散射(light scattering)至光导管结构以外的区域。此情形会造成干扰(cross-talk)现象，使得CMOS型影像感测器所接收到的噪声增加，进而降低影像分辨率。

技术实现要素：

本发明提供一种具有渐变折射率的光导管结构的半导体元件及其制造方法，其可避免干扰现象，以减少噪声并提升影像分辨率。

本发明提供一种半导体元件，包括：基底、感测器、介电层以及光导管结构。感测器位于基底中。介电层位于基底上。光导管结构填入介电层中的沟槽中。光导管结构对应于感测器。光导管结构具有渐变折射率。渐变折射率从光导管结构的中心往外围区域渐减。

在本发明的一实施例中，所述光导管结构包括至少两层材料层。所述至少两层材料层包括第一材料层以及第二材料层。第一材料层至少位于所述沟槽的侧壁上。第二材料层位于所述第一材料层之间。所述第二材料层的折射率大于所述第一材料层的折射率。

在本发明的一实施例中，所述第一材料层延伸覆盖至所述沟槽的底面，使得所述第一材料层形成连续结构。

在本发明的一实施例中，所述第一材料层沿着沟槽的侧壁与底面以形成杯状结构。所述杯状结构的杯底具有曲率。所述曲率自光导管结构的顶面向底面突出。

在本发明的一实施例中，所述半导体元件，还包括第三材料层以及第四材料层。第三材料层位于第一材料层的侧壁。第四材料层位于第三材料层的侧壁且覆盖第一材料层的部分表面，使得第四材料层围绕第二材料层。

在本发明的一实施例中，所述第四材料层的折射率大于所述第三材料层的折射率。

在本发明的一实施例中，所述渐变折射率具有平滑曲线。

在本发明的一实施例中，所述半导体元件还包括钝化层，其至少位于光导管结构与介电层之间。

在本发明的一实施例中，所述钝化层更延伸至光导管结构与基底之间、介电层与基底之间以及介电层的顶面。

在本发明的一实施例中，所述钝化层的折射率大于或等于所述光导管结构的渐变折射率。

本发明提供一种半导体元件的制造方法，其步骤如下。形成感测器于基底中。形成介电层于所述基底上。形成光导管结构于所述介电层中。所述光导管结构对应于所述感测器。所述光导管结构具有渐变折射率。所述渐变折射率从所述光导管结构的中心往外围区域渐减。

在本发明的一实施例中，所述光导管结构的形成步骤如下。形成沟槽于所述介电层中。共形形成(Conformal forming)第一材料层于所述沟槽与所述介电层上。移除部分所述第一材料层，以暴露所述沟槽的底面与所述介电层的顶面。形成第二材料层于所述沟槽中，使得所述第二材料层位于所述第一材料层之间。所述第二材料层的折射率大于所述第一材料层的折射率。

在本发明的一实施例中，所述所述光导管结构的形成步骤如下。形成沟 槽于所述介电层中。共形形成第一材料层于所述沟槽与所述介电层上。形成第二材料层于所述第一材料层上。移除部分所述第一材料层与所述第二材料层，以暴露所述介电层的顶面。所述第二材料层的折射率大于所述第一材料层的折射率。

在本发明的一实施例中，所述第一材料层延伸覆盖至所述沟槽的底面，使得所述第一材料层形成连续结构。

在本发明的一实施例中，所述第一材料层沿着所述沟槽的侧壁与底面以形成杯状结构。所述杯状结构的杯底具有曲率。所述曲率自所述光导管结构的顶面向底面突出。

在本发明的一实施例中，所述光导管结构的形成步骤如下。形成沟槽于所述介电层中。共形形成第一材料层于所述沟槽与所述介电层上。共形形成第三材料层于所述第一材料层上。移除部分所述第三材料层，以暴露所述第一材料层的表面，使得第三材料层覆盖所述第一材料层的侧壁。共形形成第四材料层于所述沟槽与所述介电层上。形成第二材料层于所述第四材料层上。移除部分所述第一材料层、所述第四材料层与所述第二材料层，以暴露所述介电层的顶面。

在本发明的一实施例中，所述第二材料层的折射率大于所述第四材料层的折射率；所述第四材料层的折射率大于所述第三材料层的折射率；所述第三材料层的折射率大于所述第一材料层的折射率。

在本发明的一实施例中，在形成所述第一材料层之前，还包括形成钝化层。所述钝化层至少位于所述光导管结构与所述介电层之间。

在本发明的一实施例中，所述钝化层更延伸至光导管结构与基底之间、介电层与基底之间以及介电层的顶面。

在本发明的一实施例中，所述钝化层的折射率大于或等于所述光导管结构的所述渐变折射率。

基于上述，本发明通过具有渐变折射率的光导管结构，其使得光线随着从光导管结构的中心往外围区域渐减的渐变折射率改变其入射角度，使得光线从光导管结构的外围区域往中心靠近，由此降低光程差或色散的现象。另外，由于光线从较高折射率的钝化层抵达到较低折射率的介电层时，其容易产生全反射现象，使得光线反射回光导管结构中。因此，本发明的半导体元件不易产生散射，进而降低干扰现象并减少噪声，以提升影像分辨率。

此外，本发明的材料层也可沿着沟槽的侧壁与底面以形成杯状结构。所述具有曲率的杯状结构可将从基底上方进入的光线聚焦至感测器，以进一步减少散射，并降低干扰现象。

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1为本发明的第一实施例的一种半导体元件的剖面示意图；

图2A为图1的部分放大剖面示意图；

图2B为图2A的折射率分布图；

图3为本发明的第二实施例的一种半导体元件的制造流程图；

图4A至4E为本发明的第二实施例的一种半导体元件的制造流程的剖面示意图；

图5为本发明的第三实施例的一种半导体元件的制造流程图；

图6为本发明的第三实施例的一种半导体元件的剖面示意图；

图7为本发明的第四实施例的一种半导体元件的制造流程图；

图8为本发明的第四实施例的一种半导体元件的剖面示意图。

符号说明

10、20、30、40：半导体元件

100：基底

101：钝化层

102：感测器

104：介电层

106：沟槽

108、208、308、408：光导管结构

110：部分

210、210a、310、410：第一材料层

212、212a、312、412：第三材料层

214、314、414：第四材料层

216、316、416：第二材料层

D：距离

S100、S102、S104、S106、S108、S110、S112、S114、S116、S118、S200、S202、S204、S206、S208、S210、S212、S214、S300、S302、S304、S306、S308、S310、S312、S314、S316：步骤

具体实施方式

参照本实施例的附图以更全面地阐述本发明。然而，本发明也可以各种不同的形式体现，而不应限于本文中所述的实施例。附图中的层与区域的厚度会为了清楚起见而放大。相同或相似的参考号码表示相同或相似的元件，以下段落将不再一一赘述。

图1是依照本发明的第一实施例的一种半导体元件的剖面示意图。图2A是图1的部分放大剖面示意图。图2B是图2A的折射率分布图。

请参照图1，本发明的第一实施例的半导体元件10包括基底100、感测器102、介电层104以及光导管结构108。在一实施例中，半导体元件10还包括钝化层101，但本发明不以此为限。在其他实施例中，半导体元件10可不包括钝化层101。

基底100例如为半导体基底、半导体化合物基底或是绝缘层上有半导体基底(Semiconductor Over Insulator，SOI)。半导体例如是IVA族的原子，例如硅或锗。半导体化合物例如是IVA族的原子所形成的半导体化合物，例如是碳化硅或是硅化锗，或是IIIA族原子与VA族原子所形成的半导体化合物，例如是砷化镓。

感测器102位于基底100中。在一实施例中，感测器102可例如是感光二极管(photodiode)、晶体管(MOSFET)或其组合。

介电层104位于基底100上。介电层104的材料可例如是氧化硅、硼磷硅玻璃(BPSG)、低介电常数材料(low-k material)或其组合，其形成方法可例如是化学气相沉积法或旋转涂布法。

钝化层101可至少覆盖介电层104中的沟槽106的侧壁。另一方面来看，钝化层101可至少位于光导管结构108与介电层104之间。在一实施例中，钝化层101还可延伸至光导管结构108与基底100(或感测器102)之间、介电层104与基底100之间以及介电层104的顶面。在一实施例中，钝化层101的材料可例如是氮化硅、氮氧化硅或其组合。

请参照图1、图2A以及图2B，光导管结构108填入介电层104中的沟 槽106中。光导管结构108的位置对应于感测器102的位置。在一实施例中，光导管结构108的材料可例如是SiN、SiON、SiO₂、TiO₂、有机硅氧化物、聚合物(Polymer)或其组合。

值得注意的是，从图1的光导管结构108的部分110放大示意图(即图2A)中可观察到，光导管结构108具有渐变折射率。渐变折射率从光导管结构108的中心往外围区域渐减。详细地说，如图2A与图2B所示，从光导管结构108的中心(横轴标示为0)往外围区域方向(横轴标示为+D/-D)延伸，光导管结构108的渐变折射率呈平滑曲线并递减。当光线从基底100上方经由光导管结构108射入感测器102时，光线在具有渐变折射率的光导管结构108中的行进路径(如图2A的虚线)会变得趋近平滑。换言之，光线会随着从光导管结构108的中心往外围区域渐减的渐变折射率改变其入射角度，使得光线从光导管结构108的外围区域往中心靠近，由此降低光程差或色散(dispersion)的现象。在一实施例中，钝化层101的折射率大于或等于光导管结构108的渐变折射率，而光导管结构108的渐变折射率又大于介电层104的折射率。由于光线从较高折射率的钝化层101抵达到较低折射率的介电层104时，其容易产生全反射现象，使得光线反射回光导管结构108中。因此，本实施例的半导体元件10不易产生散射，进而降低干扰现象。

上述光导管结构108可例如是一层结构、两层结构或多层结构。以下将详细说明不同实施例的光导管结构及其制造方法。

图3是依照本发明的第二实施例的一种半导体元件的制造流程图。图4A至4E是依照本发明的第二实施例的一种半导体元件的制造流程的剖面示意图。

请参照图3与图4A，首先，进行步骤S100，形成感测器102于基底100中。接着，进行步骤S102，形成介电层104于基底100上。基底100、感测器102以及介电层104的材料与形成方法已于上述段落说明过，于此便不再赘述。

进行步骤S104，形成沟槽106于介电层104中。沟槽106的形成方法可例如是利用光刻与蚀刻制作工艺，移除部分介电层104，以暴露出基底100的表面(亦即感测器102的表面)。在一实施例中，移除部分介电层104的方法可例如是干式蚀刻法。干式蚀刻法可例如是反应性离子蚀刻法(RIE)。

在一实施例中，在形成介电层104之前，可先形成第一钝化材料层(未 绘示)于介电层104与基底100之间。接着，在形成沟槽106之后，也可形成第二钝化材料层覆盖沟槽106与介电层104的表面。因此，如图4A所示，钝化层101可位于光导管结构108与介电层104之间，还可延伸至光导管结构108与基底100(或感测器102)之间、介电层104与基底100之间以及介电层104的顶面。但本发明不以此为限，在其他实施例中，也可不形成钝化层101。

之后，请参照图3与图4B，进行步骤S106，共形形成第一材料层210于沟槽106与介电层104上。在一实施例中，第一材料层210的材料可例如是SiN、SiON、SiO₂、TiO₂、有机硅氧化物、聚合物或其组合。第一材料层210的形成方法可例如是等离子体加强式化学气相沉积法(PECVD)、化学气相沉积法(CVD)、旋涂法(spin-on)、扩散法(diffusion)、原子层沉积法(ALD)或其组合。

接着，请参照图3与图4C，进行步骤S108，移除部分第一材料层210，以暴露沟槽106的底面(或钝化层101的表面)与介电层104的顶面。因此，第一材料层210a仅覆盖沟槽106的侧壁。在一实施例中，移除部分第一材料层210的方法可例如是干式蚀刻法。干式蚀刻法可例如是反应性离子蚀刻法。

然后，请参照图3与图4D，进行步骤S110，共形形成第三材料层212于沟槽106与介电层104上。第三材料层212覆盖第一材料层210a的侧壁、钝化层101的表面与介电层104的顶面。在一实施例中，第三材料层212的材料可例如是SiN、SiON、SiO₂、TiO₂、有机硅氧化物、聚合物或其组合。第三材料层212的形成方法可例如是等离子体加强式化学气相沉积法、化学气相沉积法、旋涂法、扩散法、原子层沉积法或其组合。

之后，请参照图3与图4E，重复上述步骤，以于沟槽106中形成多层结构(由光导管结构208的中心往外围区域数来为4层结构)的光导管结构208。详细地说，进行步骤S112，移除部分第三材料层212，以暴露沟槽106的底面与介电层104的顶面。进行步骤S114，共形形成第四材料层214于沟槽106与介电层104上。进行步骤S116，移除部分第四材料层214，以暴露沟槽106的底面与介电层104的顶面。进行步骤S118，形成第二材料层216于沟槽106中，使得第二材料层216位于第一材料层210a(或第四材料层214)之间。

在一实施例中，第三材料层212a、第四材料层214以及第二材料层216的材料与形成方法与第一材料层210a的材料与形成方法相似，于此便不再赘述。

值得注意的是，光导管结构208具有渐变折射率。渐变折射率从光导管结构208的中心往外围区域渐减。也就是说，第二材料层216的折射率大于第四材料层214的折射率；第四材料层214的折射率大于第三材料层212a的折射率；第三材料层212a的折射率大于第一材料层210a的折射率。因此，在第二实施例的半导体元件20中，光线会随着从光导管结构208的中心往外围区域渐减的渐变折射率改变其入射角度，使得光线从光导管结构208的外围区域往中心靠近，由此降低光程差或色散的现象。

此外，在一实施例中，钝化层101的折射率大于或等于第一材料层210a、第三材料层212a、第四材料层214以及第二材料层216其中之一者的折射率，而光导管结构208的渐变折射率又大于介电层104的折射率。因此，本实施例的半导体元件20不易产生散射，进而降低干扰现象。

图5是依照本发明的第三实施例的一种半导体元件的制造流程图。图6是依照本发明的第三实施例的一种半导体元件的剖面示意图。

请参照图6，基本上，本发明的第三实施例的半导体元件30与第二实施例的半导体元件20相似，上述两者差异之处在于：半导体元件30的光导管结构308中的第一材料层310延伸覆盖至沟槽106的底面。第三材料层312共形覆盖第一材料层310的表面；第四材料层314共形覆盖第三材料层312的表面。第二材料层316位于第一材料层310(或第四材料层314)之间。因此，第一材料层310、第三材料层312以及第四材料层314分别形成连续结构。以第一材料层310为例，其沿着沟槽106的侧壁与底面以形成杯状结构(亦或圆柱状结构)。所述杯状结构的杯底具有曲率。所述曲率自光导管结构308的顶面向底面突出。当光线从基底100上方经由光导管结构308射入感测器102时，所述曲率可将光线更聚焦至感测器102，以进一步减少散射，并降低干扰现象。相似地，第三材料层312、第四材料层314以及第二材料层316也可形成杯状结构，并分别具有曲率，以聚焦光线。

在一实施例中，第二材料层316的折射率大于第四材料层314的折射率；第四材料层314的折射率大于第三材料层312的折射率；第三材料层312的折射率大于第一材料层310的折射率。因此，在第三实施例的半导体元件30 中，光线会随着从光导管结构308的中心往外围区域渐减的渐变折射率改变其入射角度，使得光线从光导管结构308的外围区域往中心靠近，由此降低光程差或色散的现象。

此外，在一实施例中，钝化层101的折射率大于或等于第一材料层310、第三材料层312、第四材料层314以及第二材料层316其中之一者的折射率，而光导管结构308的渐变折射率又大于介电层104的折射率。因此，本实施例的半导体元件30不易产生散射，进而降低干扰现象。

以下针对第三实施例的半导体元件30的制造方法来说明之。

请同时参照图5与图6，基本上，第三实施例的半导体元件30的形成步骤S200、S202、S204、S206分别与第二实施例的半导体元件20的形成步骤S100、S102、S104、S106相似。步骤S100、S102、S104、S106已说明于上述段落，于此便不再赘述。

请同时参照图5与图6，在共形形成第一材料层310于沟槽106与介电层104上之后，进行步骤S208，共形形成第三材料层312于第一材料层310上。接着，进行步骤S210、S212，共形形成第四材料层314于第三材料层312上；形成第二材料层316于第四材料314上。在一实施例中，第一材料层310、第三材料层312、第四材料层314以及第二材料层316的材料与形成方法与上述第一材料层210、第三材料层212、第四材料层214以及第二材料层216相似，于此便不再赘述。

之后，进行步骤S214，移除部分第一材料层310、第三材料层312、第四材料层314以及第二材料层316，以暴露介电层104的顶面。

图7是依照本发明的第四实施例的一种半导体元件的制造流程图。图8是依照本发明的第四实施例的一种半导体元件的剖面示意图。

请参照图8，基本上，本发明的第四实施例的半导体元件40与第三实施例的半导体元件30相似，上述两者差异之处在于：第三材料层412仅覆盖第一材料层410的侧壁，而未延伸覆盖至沟槽106的底面上的第一材料层410的表面。因此，后续形成的第四材料层414不仅位于第三材料层412的侧壁上，还覆盖第一材料层410的部分表面。

在一实施例中，第二材料层416的折射率大于第四材料层414的折射率；第四材料层414的折射率大于第三材料层412的折射率；第三材料层412的折射率大于第一材料层410的折射率。因此，在第四实施例的半导体元件40 中，光线会随着从光导管结构408的中心往外围区域渐减的渐变折射率改变其入射角度，使得光线从光导管结构408的外围区域往中心靠近，由此降低光程差或色散的现象。

此外，在一实施例中，钝化层101的折射率大于或等于第一材料层410、第三材料层412、第四材料层414以及第二材料层416其中之一者的折射率，而光导管结构408的渐变折射率又大于介电层104的折射率。因此，本实施例的半导体元件40不易产生散射，进而降低干扰现象。

以下针对第四实施例的半导体元件40的制造方法来说明之。

请同时参照图7与图8，基本上，第四实施例的半导体元件40的形成步骤S300、S302、S304、S306、S308分别与第三实施例的半导体元件30的形成步骤S200、S202、S204、S206、S208相似。步骤S200、S202、S204、S206、S208已说明于上述段落，于此便不再赘述。

请同时参照图7与图8，共形形成第三材料层412于第一材料层410上之后，进行步骤S310，移除部分第三材料层412，以暴露第一材料层410的表面，其使得第三材料层412仅覆盖第一材料层410的侧壁。

接着，进行步骤S312、S314，共形形成第四材料层414于沟槽106与介电层104上，之后，形成第二材料层416于第四材料414上。在一实施例中，第一材料层410、第三材料层412、第四材料层414以及第二材料层416的材料与形成方法与上述第一材料层310、第三材料层312、第四材料层314以及第二材料层316相似，于此便不再赘述。

之后，进行步骤S316，移除部分第一材料层410、第四材料层414以及第二材料层416，以暴露介电层104的顶面。

值得一提的是，由上述图3、图4E以及图5～图8中可知，本发明可通过不同材料层的配置与制造方法，以形成不同的光导管结构。虽然在本文中仅绘示图4E、图6以及图8的三种不同材料层所配置的光导管结构，但本发明不以此为限。在其他实施例中，材料层可例如是多层结构，其可经由连续结构或非连续结构的组合，以形成不同的光导管结构。

综上所述，本发明通过具有渐变折射率的光导管结构，其使得光线随着从光导管结构的中心往外围区域渐减的渐变折射率改变其入射角度，使得光线从光导管结构的外围区域往中心靠近，由此降低光程差或色散的现象。另外，由于光线从较高折射率的钝化层抵达到较低折射率的介电层时，其容易 产生全反射现象，使得光线反射回光导管结构中。因此，本发明的半导体元件不易产生散射，进而降低干扰现象并减少噪声，以提升影像分辨率。

此外，本发明的材料层也可沿着沟槽的侧壁与底面以形成杯状结构。所述具有曲率的杯状结构可将从基底上方进入的光线聚焦至感测器，以进一步减少散射，并降低干扰现象。

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。