光管结构、其制造方法及影像感测元件与流程

本发明涉及一种光管结构、其制造方法及影像感测元件，且特别是涉及一种具有气隙的光管结构、其制造方法及影像感测元件。

背景技术：

光管结构可用于捕捉与聚集入射光，常用于提升如影像感测元件等光学元件的感光度。然而，当入射光的入射角度超过光管结构所能产生全反射的临界角度时，光管结构将无法有效地捕捉入射光。因此，如何提高光管结构所能够产生全反射的临界角度，来捕捉与聚集更大量的入射光，以进一步地提高影像感测元件的感光度为目前业界积极发展的目标。

技术实现要素：

本发明提供一种光管结构及其制造方法，其可有效地提高光管结构所能够产生全反射的临界角度。

本发明提供一种影像感测元件，其可具有较佳的感光度。

本发明提出一种光管结构，包括介电层、光管层与气隙。介电层设置于基底上，其中在介电层中具有第一开口。光管层设置于第一开口中。气隙位于光管层与第一开口的侧壁之间。

依照本发明的一实施例所述，在上述光管结构中，光管层的折射率例如是大于气隙的折射率。

依照本发明的一实施例所述，在上述光管结构中，还可包括保护层。保护层设置于气隙与介电层之间。

依照本发明的一实施例所述，在上述光管结构中，还可包括封口层。封口层覆盖光管层与介电层的顶面，且封住第一开口。

依照本发明的一实施例所述，在上述光管结构中，还包括支撑层。支撑层设置封口层与光管层之间以及封口层与介电层的顶面之间，且具有暴露出气隙的多个第二开口。

依照本发明的一实施例所述，在上述光管结构中，支撑层的材料例如是光致抗蚀剂材料或硬掩模材料。

本发明提出一种影像感测元件，包括上述光管结构与感光元件。感光元件设置于光管结构的基底中，且位于光管结构的光管层下方。

依照本发明的一实施例所述，在上述影像感测元件中，还包括彩色滤光层与微透镜。彩色滤光层设置于光管结构的光管层上方。微透镜设置于彩色滤光层上。

本发明提出一种光管结构的制造方法，包括以下步骤。提供基底。在基底上形成介电层。在介电层中形成第一开口。在第一开口中形成光管层。在光管层与第一开口的侧壁之间形成气隙。

依照本发明的一实施例所述，在上述光管结构的制造方法中，第一开口的形成方法例如是对介电层进行图案化制作工艺。

依照本发明的一实施例所述，在上述光管结构的制造方法中，光管层与气隙的形成方法可包括以下步骤。在第一开口的侧壁上形成牺牲衬层。形成填满第一开口且覆盖牺牲衬层的光管材料层。移除第一开口以外的光管材料层，而形成光管层，且暴露出牺牲衬层。移除牺牲衬层，而形成气隙。

依照本发明的一实施例所述，在上述光管结构的制造方法中，牺牲衬层的形成方法可包括以下步骤。在第一开口中形成共形的牺牲层。对牺牲层进行回蚀刻制作工艺。

依照本发明的一实施例所述，在上述光管结构的制造方法中，第一开口以外的光管材料层的移除方法例如是化学机械研磨法。

依照本发明的一实施例所述，在上述光管结构的制造方法中，牺牲衬层的移除方法例如是湿式蚀刻法。

依照本发明的一实施例所述，在上述光管结构的制造方法中，还可包括在形成牺牲衬层之前，在第一开口中形成共形的保护层。

依照本发明的一实施例所述，在上述光管结构的制造方法中，还可包括形成覆盖光管层与介电层的顶面的封口层。封口层封住第一开口。

依照本发明的一实施例所述，在上述光管结构的制造方法中，还可包括在形成封口层之前，形成覆盖光管层与介电层的顶面的支撑层。支撑层具有暴露出气隙的多个第二开口。

依照本发明的一实施例所述，在上述光管结构的制造方法中，支撑层的材料例如是光致抗蚀剂材料或硬掩模材料。

依照本发明的一实施例所述，在上述光管结构的制造方法中，当支撑层的材料为光致抗蚀剂材料时，支撑层的形成方法例如是进行光刻制作工艺。

依照本发明的一实施例所述，在上述光管结构的制造方法中，当支撑层的材料为硬掩模材料时，支撑层的形成方法例如是组合使用沉积制作工艺、光刻制作工艺与蚀刻制作工艺。

基于上述，在本发明所提出的光管结构、其制造方法及影像感测元件中，由于气隙位于光管层与第一开口的侧壁之间，所以可有效地提高光管结构所能够产生全反射的临界角度，因此能够捕捉与聚集更大量的入射光，进而使得影像感测元件可具有较佳的感光度。

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1e为本发明一实施例的影像感测元件的制造流程剖视图；

图2a至图2c为本发明另一实施例接续图1d且沿着图4a中的i-i’剖面线的影像感测元件的制造流程剖视图；

图3a至图3c为本发明另一实施例接续图1d且沿着图4a中的ii-ii’剖面线的影像感测元件的制造流程剖视图；

图4a为图2a与图3a的上视图；

图4b为图2b与图3b的上视图。

符号说明

10、20：影像感测元件

12、22：光管结构

100：基底

102：感光元件

104：隔离结构

106：浮置扩散区

108：转移栅极结构

110：栅介电层

112：转移栅极

114：介电层

116：内连线结构

118、204：开口

120：保护层

122：牺牲层

122a：牺牲衬层

124：光管材料层

124a：光管层

126、206：气隙

128：封口层

130：彩色滤光层

132：微透镜

202：支撑层

具体实施方式

图1a至图1e为本发明一实施例的影像感测元件的制造流程剖视图。

首先，请参照图1a，提供基底100。基底100的材料例如是硅等半导体材料。在基底100中可选择性地包括感光元件102、隔离结构104与浮置扩散区106中的至少一者。感光元件102例如是光二极管。隔离结构104位于感光元件102的一侧。隔离结构104例如是浅沟槽隔离结构。浮置扩散区106与感光元件102分离设置，且位于感光元件102的另一侧。

接着，可于感光元件102与浮置扩散区106之间的基底100上形成转移栅极结构108。转移栅极结构108可与部分感光元件102重叠。转移栅极结构108包括栅介电层110与设置于栅介电层110上的转移栅极112。栅介电层110的材料例如是氧化硅。栅介电层110的形成方法例如是热氧化法或化学气相沉积法。转移栅极112的材料例如是掺杂多晶硅。转移栅极112的形成方法例如是化学气相沉积法。在其他实施例中，还可选择性地于转移栅极112上形成金属硅化物层。

然后，在基底100上形成介电层114。介电层114可为多层结构或单层结构。介电层114的材料例如是氧化硅。介电层114的形成方法例如是化学气相沉积法。此外，在介电层114中可形成有内连线结构116。内连线结构116可电连接至转移栅极结构108。

接下来，在介电层114中形成开口118。在此实施例中，开口118是以未完全贯穿介电层114为例来进行说明，但本发明并不以此为限。在另一实施例中，开口118也可完全贯穿介电层114。开口118的形成方法例如是对介电层114进行图案化制作工艺。

之后，请参照图1b，可于开口118中形成共形的保护层120。保护层120还可延伸至介电层114的顶面s上。保护层120可具有阻隔水气的功能。保护层120的材料包括氮化硅。保护层120的形成方法例如是化学气相沉积法，如等离子体增强型化学气相沉积法(pecvd)。

再者，可于开口118中的保护层120上形成共形的牺牲层122。牺牲层122更可延伸至介电层114的顶面s上方。牺牲层122的材料例如是氧化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、碳化硅、硅、低密度的氮化硅或低介电常数(low-k)材料(如，blackdiamondtm、silktm、有机聚合物或多孔性材料)。牺牲层122的形成方法例如是化学气相沉积法，如等离子体增强型化学气相沉积法(pecvd)。

继之，请参照图1c，可对牺牲层122进行回蚀刻制作工艺，而于开口118的侧壁上形成牺牲衬层122a。回蚀刻制作工艺例如是干式蚀刻制作工艺。

随后，可形成填满开口118且覆盖牺牲衬层122a的光管材料层124。光管材料层124的材料例如是聚合物，如光致抗蚀剂材料。当光管材料层124的材料为聚合物时，光管材料层124的形成方法例如是先以旋转涂布法形成填满开口118的聚合物，再通过烘烤等制作工艺将聚合物硬化。

接着，请参照图1d，可移除开口118以外的光管材料层124，而于开口118中形成光管层124a，且暴露出牺牲衬层122a。开口118以外的光管材料层124的移除方法例如是化学机械研磨法。光管层124a的折射率例如是大于气隙126的折射率。

举例来说，光管层124a的折射率可为1.1至3，较佳为1.6至1.9。气隙126的折射率可为1(空气折射率)。保护层120的折射率可为2.05(氮化硅折射率)。介电层114的折射率可为1.46(氧化硅折射率)。

然后，请参照图1e，可移除牺牲衬层122a，而于光管层124a与开口118的侧壁之间形成气隙126。牺牲衬层122a的移除方法例如是湿式蚀刻法。举例来说，可使用稀释氢氟酸作为蚀刻剂，对牺牲衬层122a进行湿式蚀刻制作工艺，而移除牺牲衬层122a。

接下来，可形成覆盖光管层124a与介电层114的顶面s的封口层128。封口层128封住开口118。封口层128的材料例如是氧化硅、氮氧化硅或氮化硅，其中氧化硅可为低温氧化硅。

之后，可于封口层128上形成彩色滤光层130。彩色滤光层130例如是红色滤光层、绿色滤光层或蓝色滤光层。彩色滤光层130的材料例如是光致抗蚀剂材料，而彩色滤光层130的形成方法可为所属技术领域具有通常知识者所周知的旋转涂布、对准、曝光、显影等，故于此不再赘述。

再者，可于彩色滤光层130上形成微透镜132。微透镜132的材料例如是光致抗蚀剂材料。微透镜132的形成方法例如是先旋涂微透镜材料层(未绘示)，再使用掩模进行一个光刻制作工艺加上高温热烘烤成圆弧透镜形，或其他所属技术领域具有通常知识者所周知的旋转涂布、对准、曝光、显影等，故于此不再赘述。

以下，通过图1e来说明上述实施例的影像感测元件10与光管结构12。

请参照图1e，影像感测元件10包括光管结构12与感光元件102，且还可包括隔离结构104、浮置扩散区106、转移栅极结构108、内连线结构116、彩色滤光层130与微透镜132中的至少一者。影像感测元件10例如是互补式金属氧化物半导体影像感测器(cmosimagesensor，cis)。

光管结构12包括介电层114、光管层124a与气隙126，且还可选择性地包括保护层120与封口层128中的至少一者。介电层114设置于基底100上，其中在介电层114中具有开口118。光管层124a设置于开口118中。气隙126位于光管层124a与开口118的侧壁之间。光管层124a的折射率例如是大于气隙126的折射率。保护层120设置于气隙126与介电层114之间。封口层128覆盖光管层124a与介电层114的顶面s，且封住开口118。

感光元件102设置于光管结构12的基底100中，且位于光管结构12的光管层124a下方。隔离结构104位于感光元件102的一侧的基底100中。浮置扩散区106与感光元件102分离设置，且位于感光元件102的另一侧。转移栅极结构108设置于感光元件102与浮置扩散区106之间的基底100上。转移栅极结构108可与部分感光元件102重叠。转移栅极结构108包括栅介电层110与设置于栅介电层110上的转移栅极112。内连线结构116设置于介电层114中。内连线结构116可电连接至转移栅极结构108。彩色滤光层130设置于光管结构12的光管层124a上方的封口层128上。微透镜132设置于彩色滤光层130上。

此外，图1e中的其他构件的配置方式、材料、形成方法与功效已于前文中进行详尽地说明，因此不再重复说明。

基于上述实施例可知，在光管结构12、其制造方法及影像感测元件10中，由于气隙126位于光管层124a与开口118的侧壁之间，所以可有效地提高光管结构12所能够产生全反射的临界角度(例如，当光管层124a的折射率为1.6，空气折射率为1时，入射光与气隙126间的最大夹角可达51.4度)，因此能够捕捉与聚集更大量的入射光，进而使得影像感测元件10可具有较佳的感光度。

图2a至图2c为本发明另一实施例接续图1d且沿着图4a中的i-i’剖面线的影像感测元件的制造流程剖视图。图3a至图3c为本发明另一实施例接续图1d且沿着图4a中的ii-ii’剖面线的影像感测元件的制造流程剖视图。图4a为图2a与图3a的上视图。图4b为图2b与图3b的上视图。

请参照图2a、图3a与图4a，可形成覆盖光管层124a与介电层114的顶面s的支撑层202，其中支撑层202具有暴露出牺牲衬层122a的开口204(图3a)。支撑层202可用于支撑光管层124a，以防止光管层124a产生歪斜、变形或倒塌的情况。支撑层202的材料例如是光致抗蚀剂材料或硬掩模材料，其中硬掩模材料可为氮化硅。

此外，当支撑层202的材料为光致抗蚀剂材料时，支撑层202的形成方法例如是进行光刻制作工艺。

另外，当支撑层的材料为硬掩模材料时，支撑层202的形成方法例如是组合使用沉积制作工艺、光刻制作工艺与蚀刻制作工艺，详细说明如下。首先，在形成覆盖光管层124a与介电层114的顶面s的硬掩模材料层(未示出)。接着，在硬掩模材料层上形成图案化光致抗蚀剂层(未示出)。然后，以图案化光致抗蚀剂层为掩模，移除部分硬掩模材料层。接下来，移除图案化光致抗蚀剂层。在此实施例中，图案化光致抗蚀剂层是以于形成支撑层202之后立即移除为例来进行说明，但本发明并不以此为限。在另一实施例中，也可在图2b中移除牺牲衬层122a的步骤之后，再移除图案化光致抗蚀剂层。

接着，请参照图2b、图3b与图4b，可移除牺牲衬层122a，而于光管层124a与开口118的侧壁之间形成气隙206。此时，支撑层202可具有暴露出气隙206的开口204(请参照图3b与图4b)。牺牲衬层122a的移除方法例如是湿式蚀刻法。举例来说，可使用稀释氢氟酸作为蚀刻剂，对牺牲衬层122a进行湿式蚀刻制作工艺，此时蚀刻剂会穿过支撑层202的开口204而移除牺牲衬层122a。

然后，请参照图2c与图3c，可依序于支撑层202上形成封口层128、彩色滤光层130与微透镜132。图2c与图3c中的封口层128、彩色滤光层130与微透镜132的材料、形成方法与功效与图1e的内容相似且使用相同符号表示，因此不再重复说明。

以下，通过图2c与图3c来说明上述实施例的影像感测元件20与光管结构22。

请参照图1e、图2c与图3c，图2c与图3c的影像感测元件20与光管结构22相较于图1e的影像感测元件10与光管结构12的差异如下。影像感测元件20与光管结构22还包括支撑层202。支撑层202设置封口层128与光管层124a之间以及封口层128与介电层114的顶面s之间，且具有暴露出气隙206的多个开口204。图2c与图3c中的其他构件的配置方式、材料、形成方法与功效与图1e的内容相似且使用相同符号表示，因此不再重复说明。

基于上述实施例可知，在光管结构22、其制造方法及影像感测元件20中，由于支撑层202可用于支撑光管层124a，以防止光管层124a产生歪斜、变形或倒塌的情况，进而可提高影像感测元件20与光管结构22的可靠度。

综上所述，在上述实施例所提出的光管结构、其制造方法及影像感测元件中，可通过气隙有效地提高光管结构所能够产生全反射的临界角度，因此能够捕捉与聚集更大量的入射光，进而使得影像感测元件可具有较佳的感光度。

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。