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TW201351628A - 影像感測器裝置及其形成方法 - Google Patents

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TW201351628A
TW201351628A TW102116633A TW102116633A TW201351628A TW 201351628 A TW201351628 A TW 201351628A TW 102116633 A TW102116633 A TW 102116633A TW 102116633 A TW102116633 A TW 102116633A TW 201351628 A TW201351628 A TW 201351628A
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Nai-Wen Cheng
Shou-Gwo Wuu
Ming-Tsong Wang
Tung-Ting Wu
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Taiwan Semiconductor Mfg
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Abstract

本發明揭露一種互補式金屬-氧化物-半導體影像感測器及其形成方法。此影像感測器包含一裝置晶圓，一導體構件是形成於此裝置晶圓的一背側表面上，此裝置晶圓可在其內形成有一畫素。一鈍化層可形成於此裝置晶圓的背側表面及此導體構件的上方，一柵格膜形成於此鈍化層的上方。可將此柵格膜圖形化以容納一彩色濾光器，此柵格膜的圖形可使上述彩色濾光器對準於上述裝置晶圓中的對應畫素，可裁減上述柵格膜之形成於上述導體構件上方的部分，而可使其與上述柵格膜之相鄰於上述導體構件的部分為實質上平坦。執行上述圖形化及裁剪步驟，可使用蝕刻製程、化學機械研磨製程或上述之組合。

Description

影像感測器裝置及其形成方法
本發明主要是關於一種半導體裝置及其形成方法，特別是關於一種影像感測器裝置及其形成方法。
【交互參照】
本案主張依據美國專利法在2012年5月31日當日於該國申請之臨時申請案案號61/653,846的優先權，該先申請案的發明名稱為「Image Sensor with Low Step Height Between Backside Metal and Pixel Array」(在背側金屬與畫素陣列之間具有低階差的影像感測器)，其內容以參照的方式併入本案。
背面受光式(back side illumination；BSI)互補式金屬-氧化物-半導體(complimentary metal-oxide-semiconductor；CMOS)影像感測器(CMOS image sensor；CIS)由於其性能優於傳統的前面受光式(front-side illuminated；FSI)互補式金屬-氧化物-半導體影像感測器，在使用上日趨普及。即使背面受光式影像感測器裝置可避免在互補式金屬-氧化物-半導體影像感測器的透鏡與光學二極體區域之間的光徑(light path)範圍內的多層金屬內連線所造成的問題，背面受光式影像感測器裝置其本身仍具有會造成其性能下降的構造。其中一項構造是在畫素陣列交界處的外觀輪廓 引發的彩色濾光器均勻度的問題。此外觀輪廓包含背側金屬構件與畫素區之問所謂的階差。
有鑑於此，本發明的一實施例是提供一種影像感測器裝置的形成方法，包含：提供一基底，上述基底具有一光學二極體並在上述基底的一第一側具有一導體構件；在上述基底的上述第一側的上方與上述導體構件的上方，形成一鈍化層；在上述鈍化層的上方形成一柵格(grid)膜；裁減上述導體構件上方的上述柵格膜；以及圖形化上述柵格膜以形成一柵格圖形。
在上述之影像感測器裝置的形成方法中，較好為更包含：在上述柵格圖形中形成一彩色濾光器，其中上述柵格圖形使上述彩色濾光器對準於上述光學二極體。
在上述之影像感測器裝置的形成方法中，形成上述柵格膜的步驟較好為包含將上述柵格膜的厚度形成為1000 Å-8000 Å。
在上述之影像感測器裝置的形成方法中，較好為：裁減上述柵格膜而使上述柵格膜與上述導體構件上方的上述鈍化層的一第一鈍化層表面的高度差小於2000 Å。
在上述之影像感測器裝置的形成方法中，較好為：裁減上述柵格膜而使上述柵格膜與上述導體構件的一第一導體構件表面的高度差小於2000 Å。
在上述之影像感測器裝置的形成方法中，用以製造上述柵格膜的材料較好是選自一介電質、一金屬、一絕緣體 與上述之組合所組成之族群。
在上述之影像感測器裝置的形成方法中，較好為更包含：圖形化上述柵格膜上方的一光阻；以及使用一回蝕製程移除上述柵格膜。
在上述之影像感測器裝置的形成方法中，裁減上述柵格膜的步驟較好為更包含：使用一化學機械研磨(chemical mechanical polish；CMP)步驟薄化上述導體構件上方的上述柵格膜。
在上述之影像感測器裝置的形成方法中，裁減上述柵格膜的步驟較好為更包含：使用一蝕刻步驟薄化上述導體構件上方的上述柵格膜。
本發明的另一實施例是提供一種影像感測器裝置的形成方法，包含：提供一基底，上述基底具有形成於上述基底的一第一側的複數個導體構件，且上述基底具有複數個畫素裝置；在上述基底的上述第一側的上方與上述導體構件的上方，形成一柵格膜；裁減上述導體構件上方的上述柵格膜；以及圖形化上述柵格膜以形成一柵格圖形。
在上述之影像感測器裝置的形成方法中，較好為更包含：在上述柵格圖形中形成一彩色濾光器陣列，其中上述彩色濾光器陣列的每個單一彩色濾光器是對準於上述畫素裝置的每個對應的單一畫素裝置。
在上述之影像感測器裝置的形成方法中，形成上述柵格膜的步驟較好包含將上述柵格膜的厚度形成為1000 Å-8000 Å。
在上述之影像感測器裝置的形成方法中，較好為：裁減上述柵格膜而使上述柵格膜與上述導體構件的一第一導體構件表面的高度差小於2000 Å。
在上述之影像感測器裝置的形成方法中，用以製造上述柵格膜的材料較好是選自一介電質、一金屬、一絕緣體與上述之組合所組成之族群。
在上述之影像感測器裝置的形成方法中，較好為更包含：圖形化上述柵格膜上方的一光阻；以及使用一回蝕製程移除上述柵格膜。
在上述之影像感測器裝置的形成方法中，裁減上述柵格膜的步驟較好為更包含：使用一化學機械研磨步驟薄化上述導體構件上方的上述柵格膜。
在上述之影像感測器裝置的形成方法中，裁減上述柵格膜的步驟較好為更包含：使用一蝕刻步驟薄化上述導體構件上方的上述柵格膜。
本發明的又另一實施例是提供一種影像感測器裝置，包含一基底、一光學二極體、一導體構件、一鈍化層以及一圖形化的柵格膜。上述光學二極體是形成於上述基底中，上述導體構件是形成於上述基底的一第一基底表面上，上述鈍化層，形成於上述基底的上述第一基底表面上。上述圖形化的柵格膜是形成於上述鈍化層上，上述圖形化的柵格膜具有一第一柵格膜表面，上述導體構件具有一第一導體構件表面，上述第一柵格膜表面與上述第一導體構件表面是實質上平坦。
在上述之影像感測器裝置中，上述柵格膜與上述 導體構件的上述第一導體構件表面的高度差較好為小於2000 Å。
在上述之影像感測器裝置中，用以製造上述柵格膜的材料較好是選自一介電質、一金屬、一絕緣體與上述之組合所組成之族群。
本發明各實施例可使用一背側柵格膜來對一背側金屬構件與相鄰的至少一畫素區之間的階級高度差作補償。本發明各實施例提供的發明功效之一是藉由減少圍繞畫素陣列的外觀輪廓的起伏，而使潛在的彩色濾光器均勻度降低的問題最小化。
100‧‧‧裝置晶圓
110‧‧‧介電層
120‧‧‧載體晶圓
130‧‧‧背側金屬構件
140‧‧‧鈍化層
150.1-150.N‧‧‧畫素
210‧‧‧柵格層
310‧‧‧光阻層
312‧‧‧虛線
510.1-510.N‧‧‧畫素
HMINSTEP‧‧‧已裁減的階差高度
R‧‧‧凹下處
第1圖是一剖面圖，顯示本發明各種實施例之影像感測器裝置的形成方法的某個中間步驟中的影像感測器裝置之一例。
第2圖是一剖面圖，顯示本發明各種實施例之影像感測器裝置的形成方法的某個中間步驟中的影像感測器裝置之一例。
第3圖是一剖面圖，顯示本發明各種實施例之影像感測器裝置的形成方法的某個中間步驟中的影像感測器裝置之一例。
第4圖是一剖面圖，顯示本發明各種實施例之影像感測器裝置的形成方法的某個中間步驟中的影像感測器裝置之一例。
第5圖是一剖面圖，顯示本發明各種實施例之影像感測器裝置的形成方法的某個中間步驟中的影像感測器裝置之一例。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能 更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：現在請參考第1圖，顯示一裝置晶圓100的剖面圖。裝置晶圓100可具有一第一側與一第二側，分別稱之為一「背側」與一「前側」。裝置晶圓100可具有形成於其內的複數個畫素150.1-150.N、一或多個介電層(以一介電層110作代表)、一載體晶圓120、一或多個背側金屬構件(以一背側金屬構件130作代表)以及一鈍化層(passivation layer)140。
裝置晶圓100可以是一基底，其材質例如為矽、鍺、鑽石或其他同類物質。在多種實施例中，裝置晶圓100可以是已被摻雜一P型摻雜物或一N型摻雜物者，上述摻雜物例如在本發明所屬技術領域中已知的硼、鋁、鎵或其他同類物質。在多種實施例中，可使裝置晶圓100歷經一蝕刻或薄化製程而從其背側薄化，而使經由裝置晶圓100的背側傳播的光線而有效率地到達形成於基底(裝置晶圓100)中的一或多個畫素150.1-150.N。載體晶圓120可包含例如通常被稱作一「操作晶圓」(handle wafer)的一種晶圓的形態。
每個畫素150.1-150.N可包含例如電晶體(例如開關電晶體(switching transistor)、重設電晶體(reset transistor)等等)、電容器與一光敏元件(例如一光學二極體)。上述光學二極體可將光線轉換成電流，其中將一畫素的光學二極體曝露於光線，誘發此光學二極體內產生電荷。當光線層某個物件現場(subject scene)入射至畫素150.1-150.N時，每個畫素150.1-150.N生成的電荷是正比於撞擊到對應畫素的光量。然 後，電荷會在畫素中被換成一電壓訊號，並藉由一類比/數位轉換器(未繪示)而轉換成一數位訊號。複數個周邊電路(未繪示)可接收上述數位訊號而顯示上述物件現場的影像。
介電層110可形成於裝置晶圓100的上方，並可具有一或多個金屬化層，以電性連接電子裝置而形成電路。一鈍化層140可在介電層110上，以保護構件避免受到來自周遭環境的傷害。
載體晶圓120可對裝置晶圓100提供額外的保護，可由包含但不限於玻璃、矽、陶瓷、上述之組合或其他同類物質之各種材料來形成載體晶圓120。在一實施例中，可使用例如紫外線膠(UV glue)，將裝置晶圓100貼附於載體晶圓120。
背側金屬構件130可形成在裝置晶圓100的背側表面上。可使用例如一或多道裁減蝕刻製程(subtractive etch process)、電化學沉積、電化學鍍膜或其他同類製程，以銅、鋁、金、鎢、上述之組合或其他同類物質來形成背側金屬構件130。在一實施例中，對於與裝置晶圓100的電性連接，背側金屬構件130可提供一互連點。在另一實施例中，可將背側金屬構件130作為一間隔裝置使用。
鈍化層140可形成於裝置晶圓100及背側金屬構件130的上方，可以以一聚醯亞胺(polyimide)層、一聚苯噁唑(polybenzoxazole；PBO)層、一苯並環丁烯(Benzocyclobutene；BCB)層、一非光敏聚合物層及/或其他同類物質來形成鈍化層140。在另一實施例中，可以以氮化物、碳化物、氧化矽、氮化矽、摻碳的氧化物(carbon doped oxides)等的低介電常數介 電質、多孔質的摻碳二氧化矽(porous carbon doped silicon dioxide)等的極低介電常數介電質及/或其他同類物質來形成鈍化層140。前述的裝置晶圓100的薄化製程，可在將鈍化層140形成於裝置晶圓100的背側表面的上方及背側金屬構件130的上方之前進行。
如第1圖所示，由於背側金屬構件130及形成於其上的鈍化層140，構成了具有標示為HSTEP的高度之一階差。如後文關於第5圖的說明，會在鈍化層140的上方形成一彩色濾光器陣列(color filter array；CFA)。為了使彩色濾光器陣列的彩色濾光器均勻度得到改善，較好是將位於背側金屬構件130的上方的鈍化層140的一上表面與其鄰近區域之間的階差高度減少至一高度HMINSTEP。將階差高度減少至高度HMINSTEP不但可改善上述彩色濾光器陣列的彩色濾光器均勻度，還可對畫素150.1-150.N改善訊噪比(signal-to-nois)效能與量子效應(quantum effect；QE)。
第2圖顯示在第1圖的裝置加上一柵格層210，可將柵格層20形成為其厚度足以覆蓋背側金屬構件130。如第2圖所示，可以沉積或是其他方法順應性地形成柵格層210，因此柵格層210可覆蓋裝置晶圓100的背側表面、背側金屬構件130與鈍化層140。
在某些實施例中，可以以例如氧化矽、氮化矽、聚醯亞胺、其他同類物質等的一介電層來形成柵格層210。在其他實施例中且在使用適當的絕緣層(未繪示)之下，柵格層210可以是或可包含一金屬膜例如鋁、銅、鎢、上述之組合及/或 其他同類物質。在某些實施例中，柵格層210可以是具有一介電層與一金屬層二者的一多層膜。可使用的介電材料的沉積方法例如電漿增益化學氣相沉積法(plasma enhanced chemical vapor deposition；PECVD)、熱化學氣相沉積法(thermal chemical vapor deposition；TCVD)、常壓化學氣相沉積法(atmospheric pressure chemical vapor deposition；APCVD)、物理氣相沉積法(physical vapor deposition；PVD)及其他同類方法。可使用的金屬材料的沉積方法例如物理氣相沉積法；濺鍍、一電漿製程及其他其他同類方法。
請參考第2圖，在一圖示的例子中，將柵格層210形成於背側金屬構件130及鈍化層140的上方時，可將柵格層210的厚度形成為1000 Å-8000 Å(以「X1」代表)，可將鈍化層140的厚度形成為100 Å-4000 Å(以「X2」代表)，且可將背側金屬構件130的厚度形成為1000 Å-8000 Å(以「X3」代表)。
在將柵格層210形成於鈍化層140的上方之後，可對柵格層210進行加工，而得以將上述彩色濾光器陣列置於柵格層210中。柵格層210之形成於背側金屬構件130上的鈍化層140的上方的部分，亦可予以移除，以減少背側金屬構件130的一上表面/鈍化層140與具有形成於其上的柵格層210的裝置晶圓100的相鄰區域之間的階差高度(例如HMINSTEP，在後文對第5圖所作敘述會更詳細地說明)。在一實施例中，如下式，上述縮小的階差高度較好可保持在2000 Å或更低。
有各種技術可用來對柵格層210柵格層210作加 工，而得以將上述彩色濾光器陣列置於柵格層210中，並減少背側金屬構件130的一上表面/鈍化層140與具有形成於其上的柵格層210的裝置晶圓100的相鄰區域之間的階差高度。
例如，第3圖是繪示在第2圖的裝置的柵格層210上，形成一光阻層310並將其圖形化，以圖形化柵格層210而成為用以在柵格層210內形成上述彩色濾光器陣列的預設的對準排列，同時裁減位於背側金屬構件130上方的柵格層210。上述對準排列可使上述彩色濾光器陣列對準於形成於裝置晶圓100中的一或多個畫素150.1-150.N。在一具體的例子中(例如第3圖所示)，關於光阻層310的對準排列是以虛線312顯示，其標示對準於畫素150.1-150.N的對準排列。如第3圖所示，亦可將光阻層310圖形化而移除柵格層210之形成於背側金屬構件130上的鈍化層140上方的部分。
在圖形化的步驟之後，如第4圖所示，可使用一適當的製程，對柵格層210作蝕刻。上述蝕刻製程會在柵格層210中形成凹下處R，用以將上述彩色濾光器陣列置於其內。藉由上述蝕刻步驟，亦可移除形成於背側金屬構件130的上方之柵格層210。在各種實施例中，上述蝕刻製程可包含乾蝕刻、溼蝕刻或上述之組合。
在一實施例中，可使用一化學機械研磨(chemical mechanical polish；CMP)製程將柵格層210從背側金屬構件130/鈍化層140的上方的區域移除。在這樣的實施例中，如前所述，柵格層210會形成於裝置晶圓100的背側表面的上方、鈍化層140的上方以及背側金屬構件130的上方。然後，可使用上述化 學機械研磨製程來將柵格層210薄化至相對於背側金屬構件130的上方的鈍化層140的一上表面呈現相對平坦的高度。藉由將柵格層210薄化至這樣的高度，可減少背側金屬構件130與相鄰的裝置晶圓100之其上形成有柵格層210背側區域之間的階差高度。在上述薄化步驟之後，可使用如前文討論的蝕刻製程來圖形化並蝕刻柵格層210，以在畫素150.1-150.N上方的柵格層210容納並放置上述彩色濾光器陣列。
藉由移除或薄化背側金屬構件130的上方的柵格層210，可將背側金屬構件130與相鄰的柵格層210的區域之間的階差高度減少至一高度HMINSTEP，如第4圖所示。請注意第4圖所示的已裁減的階差高度HMINSTEP是僅為了明確圖示為目的而誇大地顯示。理想的情況下，已不存在此已裁減的階差高度HMINSTEP，或是相對於傳統的技術或裝置已實質上得到階差高度的縮減(例如縮減至小於2000 Å)。在一實施例中，可進一步移除形成於背側金屬構件130的上方的鈍化層140，或將其薄化至相對於與背側金屬構件130相鄰的柵格層210呈現相對平坦的程度。
第5圖是顯示彩色濾光器510.1-510.N的一個陣列(例如前文所述的彩色濾光器陣列)，可將此彩色濾光器510.1-510.N的陣列置於形成在第4圖所示的柵格層210中的凹下處R內。如第5圖所示，藉由形成於柵格層210中的凹下處R的功效，可在柵格層210中使彩色濾光器510.1-510.N自對準(self-align)，因此可以改善對於彩色濾光器510.1-510.N的對準度。
藉由使用每個彩色濾光器510.1-510.N，可讓光線的既定波長穿透此彩色濾光器，同時將其他波長反射，藉此使一影像感測器(未繪示)得以辨識由每個對應畫素接收的光線的顏色。彩色濾光器510.1-510.N內可包含例如紅色濾光器、綠色濾光器、藍色濾光器的組合，亦可以是與上述組合不同的濾光器配置。其他的濾光器組合，亦可使用例如青綠色(cyan)濾光器、黃色濾光器、洋紅色(magenta)濾光器的組合。用於彩色濾光器510.1-510.N的不同顏色或色組合方式，可依需求作改變。彩色濾光器510.1-510.N可包含可被例如一顏料或一染料上色或染色的物質，例如一丙烯酸系物質。例如，聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate；PMMA)或聚縮水甘油甲基丙烯酸酯(polyglycidylmethacrylate；PGMS)是適用的材料而可在其內加入一顏料或一染料以形成彩色濾光器510.1-510.N。但是亦可使用其他材料來形成彩色濾光器510.1-510.N，而且可以使用任何適用的方法來形成彩色濾光器510.1-510.N。
第5圖亦繪示背側金屬構件130/鈍化層140的一上表面與柵格層210之鄰近背側金屬構件130的部分之間的已裁減的階差高度HMINSTEP。請再一次注意第5圖所示的已裁減的階差高度HMINSTEP是僅為了明確圖示為目的而誇大地顯示。理想的情況下，已不存在此已裁減的階差高度HMINSTEP，或是已得到實質上的階差高度的縮減(例如縮減至小於2000 Å)。如前文討論，藉由前述已裁減的階差高度及已改善的對準程度，可為彩色濾光器510.1-510.N提升其彩色濾光器均勻度，還可對畫素150.1-150.N改善訊噪比效能與量子效應。
本發明的一實施例是提供一種影像感測器裝置的形成方法，包含：提供一基底，上述基底具有一光學二極體並在上述基底的一第一側具有一導體構件；在上述基底的上述第一側的上方與上述導體構件的上方，形成一鈍化層；在上述鈍化層的上方形成一柵格(grid)膜；裁減上述導體構件上方的上述柵格膜；以及圖形化上述柵格膜以形成一柵格圖形。
本發明的另一實施例是提供一種影像感測器裝置的形成方法，包含：提供一基底，上述基底具有形成於上述基底的一第一側的複數個導體構件，且上述基底具有複數個畫素裝置；在上述基底的上述第一側的上方與上述導體構件的上方，形成一柵格膜；裁減上述導體構件上方的上述柵格膜；以及圖形化上述柵格膜以形成一柵格圖形。
本發明的又另一實施例是提供一種影像感測器裝置，包含一基底、一光學二極體、一導體構件、一鈍化層以及一圖形化的柵格膜。上述光學二極體是形成於上述基底中，上述導體構件是形成於上述基底的一第一基底表面上，上述鈍化層，形成於上述基底的上述第一基底表面上。上述圖形化的柵格膜是形成於上述鈍化層上，上述圖形化的柵格膜具有一第一柵格膜表面，上述導體構件具有一第一導體構件表面，上述第一柵格膜表面與上述第一導體構件表面是實質上平坦。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者 為準。
100‧‧‧裝置晶圓
110‧‧‧介電層
120‧‧‧載體晶圓
130‧‧‧背側金屬構件
140‧‧‧鈍化層
150.1-150.N‧‧‧畫素
210‧‧‧柵格層
510.1-510.N‧‧‧畫素
HMINSTEP‧‧‧已裁減的階差高度

Claims (10)

  1. 一種影像感測器裝置的形成方法，包含：提供一基底，該基底具有一光學二極體並在該基底的一第一側具有一導體構件；在該基底的該第一側的上方與該導體構件的上方，形成一鈍化層；在該鈍化層的上方形成一柵格(grid)膜；裁減該導體構件上方的該柵格膜；以及圖形化該柵格膜以形成一柵格圖形。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器裝置的形成方法，更包含：在該柵格圖形中形成一彩色濾光器，其中該柵格圖形使該彩色濾光器對準於該光學二極體。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器裝置的形成方法，其中形成該柵格膜的步驟包含將該柵格膜的厚度形成為1000 Å-8000 Å。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器裝置的形成方法，其中：裁減該柵格膜而使該柵格膜與該導體構件上方的該鈍化層的一第一鈍化層表面的高度差小於2000 Å；或裁減該柵格膜而使該柵格膜與該導體構件的一第一導體構件表面的高度差小於2000 Å。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器裝置的形成方法，其中用以製造該柵格膜的材料是選自一介電質、一金屬、 一絕緣體與上述之組合所組成之族群。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器裝置的形成方法，更包含：圖形化該柵格膜上方的一光阻；以及使用一回蝕製程移除該柵格膜。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器裝置的形成方法，其中裁減該柵格膜的步驟更包含：使用一化學機械研磨(chemical mechanical polish；CMP)步驟或一蝕刻步驟薄化該導體構件上方的該柵格膜。
  8. 一種影像感測器裝置，包含：一基底；一光學二極體，形成於該基底中；一導體構件，形成於該基底的一第一基底表面上；一鈍化層，形成於該基底的該第一基底表面上；以及一圖形化的柵格膜，形成於該鈍化層上，該圖形化的柵格膜具有一第一柵格膜表面，該導體構件具有一第一導體構件表面，該第一柵格膜表面與該第一導體構件表面是實質上平坦。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之影像感測器裝置，其中該柵格膜與該導體構件的該第一導體構件表面的高度差小於2000 Å。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之影像感測器裝置，其中用以製造該柵格膜的材料是選自一介電質、一金屬、一絕緣體與上述之組合所組成之族群。
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