專利名稱：具有光導管的影像感測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型是有關于一種影像感測裝置(image sensor)，特別是有關于一種具有光導管(light guide)的影像感測裝置。
背景技術：
光影像數(shù)組組件(light imaging array devices)已經被應用于非常多方面。這些組件運用包含有光二極管組件(photodiode elements)的主動像素數(shù)組或影像感測胞來收集光子能量，然后將影像轉換成一串數(shù)字數(shù)據(jù)。
圖1A是顯示現(xiàn)有影像感測裝置的剖面示意圖?，F(xiàn)有影像感測裝置包含一半導體基底10，且具有一光二極管數(shù)組形成于其中。每一光二極管例如包含有位于一p型區(qū)域20中的一n型區(qū)域15。還有藉由一隔離結構25的數(shù)組將所述的光二極管互相絕緣隔離，該隔離結構25例如是淺溝槽絕緣隔離(STI)結構。如此，則得到了一像素數(shù)組。所述的像素是藉由所述的光二極管，而把從光(或影像)來源38來的入射光30與34轉換成數(shù)字信號。
為了要達到組件縮小化的目的，像素是被縮小且使用多層的內聯(lián)機結構(multilevel interconnect structure)。例如，該基底10上是被覆蓋有一系列的介電層，例如一層間介電層(interlevel dielectric layer，ILD層)40與內金屬介電層(intefmetal dielectric layers，IMD層)50和55。更者，一內聯(lián)機圖案(未圖式)與金屬線60和62是形成于所述的IMD層50和55上。
入射光30和34會照射在最上層的介電層55。然后，這光會穿透下方的介電層55，50和40而被傳送至下方的像素。一般而言，入射線30和34會以各種不同的角度照射組件表面。例如在圖1A中，光30是以接近垂直的角度照射組件的表面，而光34是以非垂直的角度照射組件的表面。
在圖1A中，以接近垂直的角度照射組件表面的光30會被傳送至位于照射區(qū)域正下方的一光二極管70(即一像素70)的表面，這情形對于影像感測性能來說是最理想的狀況。然而，光34卻以非垂直的角度來照射組件表面，因而使得光34可能會被傳送至位于照射區(qū)域下方的像素70附近的光二極管72，這情形會對影像感測產生一種串擾(crosstalk)現(xiàn)象。在串擾事件中，由于光散射(light scattering)而使光34沒有照射于想要的光二極管70上，而照射于不正確的光二極管70上。這光散射問題造成影像分辨率的降低，還有使色彩校正復雜化。
在許多影像數(shù)組中，如圖1A所示，多層的金屬層60和62是被用來當做金屬遮蔽層。這些金屬遮蔽層是被設計用來抑制相鄰像素之間的光散射。然而，這些金屬層60和62必須需要空間隔離，因而增加了像素尺寸而不利于組件縮小化。
請參閱圖1B，臺灣集成電路公司(TSMC)最近提出一種具有光導管的影像感測裝置。具有低折射系數(shù)(R.I.)的第一介電層80是形成于基底10上。定義一孔洞90于該第一介電層80中，該孔洞90是位于光二極管70的上方。然后，將具有較高折射系數(shù)(R.I.)的第二介電層92填入該孔洞90中，因而形成一光導管95于光二極管70的上方。這光導管95是根據(jù)全反射的理論(total reflection theorem)，因而避免光散射的發(fā)生。
然而，這種需要不同折射系數(shù)的第一介電層80與第二介電層92，卻限制了介電材料的選擇性。更者，當使用具有多層介電層(multi-dielectric films，例如SiON，F(xiàn)SG和SiN)的IMD層時，上述介電材料的選擇性則顯得更困難。因此，本實用新型的目的就是要提供一種解決方法，使得在形成光導管時不必考慮第一介電層80與第二介電層92之間的關聯(lián)性，而使擴大上述介電材料的選擇性。
在美國專利第6130422號中，Edward等人有揭示一種提升影像感測裝置中量子效率(quantum efficiency)的方法。該影像感測裝置包括一光二極管與一介電結構。該光二極管會對一入射光的總量產生反應。該介電結構是位于該光二極管的上方，而且位在該光二極管與一ILD層之間。該介電結構包含一氮化物材料，而該ILD層是由氧化物所組成且具有一厚度。然而，該專利卻沒有揭示或教導形成光導管于介電層中。
在美國專利第6482669號中，F(xiàn)an等人有揭示一種增進影像感測裝置的光收集效率(light correction efficiency)的方法。該方法是形成具有平坦表面的高穿透率覆蓋層(overcoat layer)于彩色濾光片上，其中該覆蓋層的折射系數(shù)是相近于彩色濾光片的折射系數(shù)。然而，該專利卻沒有揭示或教導形成光導管于介電層中。
在美國專利第6001540號中，Huang等人有揭示一種電荷耦合組件(ChargeCoupled Device，CCD)為基礎的影像數(shù)組。該方法使用區(qū)域氧化法(LOCOS)制程來形成微鏡(microlens)。該數(shù)組包含有由WSi層所構成的一遮光結構，是覆蓋于包圍光二極管的該CCD結構上。然而，該專利卻沒有揭示或教導形成光導管于介電層中。

發(fā)明內容
有鑒于此，本實用新型的目的在于提供一種具有光導管(light guides)的影像感測裝置(image sensor)。
為達上述目的，本實用新型提供一種具有光導管的影像感測裝置。具有一影像感測數(shù)組的一基底，其中該影像感測數(shù)組包含多個傳感器，且相鄰傳感器之間具有一空間。一第一介電層，形成于該空間上方而不位于所述的傳感器上方。具有一第二折射系數(shù)的一順應的第二介電層，形成于該第一介電層的側壁上。具有一第三折射系數(shù)的一第三介電層，形成于所述的傳感器上方而不位于該空間上方。其中，該第三折射系數(shù)大于該第二折射系數(shù)。
根據(jù)本實用新型，由于在每一光傳感器上方形成有由該第二介電層與該第三介電層是構成的光導管，因此能避免入射光照射到其它光感應器。除此之外，由于該第一介電層與該第三介電層之間沒有關聯(lián)性，所以本實用新型使得內金屬介電層(IMD層)的材料選擇幾乎沒有限制。由于本實用新型的光導管可以避免光散射產生于相鄰像素之間，因此能夠降低串擾(crosstalk)問題以及解決了現(xiàn)有技術的缺點。


圖1A是顯示現(xiàn)有影像感測裝置的剖面圖，用以說明發(fā)生于影像感測數(shù)組中的相鄰像素之間的光散射問題；圖1B是顯示由臺灣集成電路公司(TSMC)所提出的現(xiàn)有具有光導管的影像感測裝置的剖面圖；圖2～圖9是顯示本實用新型所改良的具有光導管的影像感測裝置的制程剖面圖；以及圖10是用來說明本實用新型的具有光導管的影像感測裝置所具有的優(yōu)良性能。
符號說明10～基底；15～n型區(qū)域；20～p型區(qū)域；25～隔離結構；30～入射光；34～入射光；38～光源；40～層間介電層(ILD層)；50、55～內金屬介電層(IMD層)；60、62～金屬層；70～一光二極管(即一像素)；72～附近的光二極管；80～第一介電層；90～孔洞；92～第一介電層；95～光導管。
100～基底；104～隔離結構；108～p井區(qū)域；112～光阻層；114～開口；116～離子植入程序；120～n井區(qū)域(即感應區(qū)域)；30～入射光；34～入射光；38～光源；124～層間介電層(ILD層)；126～內金屬介電層(IMD層)；127～SiON膜；128～FSG膜；129～SiN膜；130～第一介電層；136～開口；138～介電層；138’～第二介電層；140～第三介電層；150～光導管；160～發(fā)光源；164～入射光；168～反射光；172～界面。
具體實施方式
以下配合圖式以及較佳實施例，以更詳細地說明本實用新型。
本實用新型提出一種影像感測裝置。本實用新型的影像感測裝置是適合用于CCD(電荷耦合組件)或CMOS(互補式金氧半導體)影像感測裝置。為了簡化說明，在本實用新型的最佳實施例中是以一代表性的光二極管數(shù)組(photodiode array)來當作是一光傳感器數(shù)組，且未描述影像感測裝置的周邊區(qū)域(peripheral regions)。
圖2～圖9是顯示本實用新型所改良的具有光導管的影像感測裝置的制程剖面圖。圖10是用來說明本實用新型的具有光導管的影像感測裝置所具有的優(yōu)良性能。這里要提醒的是，本實用新型實施例雖然是應用于形成于半導體基底中的影像傳感器數(shù)組，然而并非限定本實用新型，亦即本實用新型可以應用于任何型式的影像感測數(shù)組。
請參閱圖2，提供一半導體基底100，該半導體基底100可以是一單晶硅基底或具有<100>結晶方向的由單晶硅所組成的p型基底。該基底100是被分成像素數(shù)組區(qū)(未標號)與隔離區(qū)104，其中任一隔離區(qū)104是位于相鄰像素區(qū)之間。該隔離區(qū)104例如是由現(xiàn)有制程所形成的淺溝槽隔離(STI)結構104。接著，藉由硼或BF2離子的離子植入程序，形成當作是二極管井(diode wells)的p井(p well)區(qū)域108于像素區(qū)中的基底100的頂部。其中，該離子植入程序的條件例如是70～120keV的功率以及1E12～1E13atoms/cm2的劑量。
請參閱圖3，一圖案化的光阻層112是形成于部分該基底100上。該光阻層112具有開口114而露出p井區(qū)域108的部分頂部表面。接著，以該光阻層112為掩膜，進行使用砷(As)或磷(P)離子的一離子植入程序116，而形成n井區(qū)域120于部分p井區(qū)域108中，其中該n井區(qū)域120是當作是光二極管(或像素)的感應區(qū)域120。上述離子植入程序116的操作條件例如是50～180keV的功率以及1E13～5E15atoms/cm2的劑量。然后，利用氧電漿灰化(plasma oxygen ashing)程序以及小心的濕式洗凈，而去除該光阻層112。該離子植入程序116加上任何的退火或活化處理，即完成了由p井區(qū)域108與n井區(qū)域120所構成的光二極管數(shù)組。由于該隔離區(qū)104是已經形成于每一光二極管之間，因此，該光二極管數(shù)組是包含多個光二極管，且相鄰的光二極管之間具有一空間104(即隔離區(qū))。
請參閱圖4，依序地形成至少一層間介電層(interlevel dielectriclayer，ILD層)124與至少一內金屬介電層(intermetal dielectric layers.IMD層)126于該光二極管數(shù)組(108+120)與該空間104上，其中該IMD層126是一多層介電結構(multi-dielectric structure)。該ILD層124例如是經由LPCVD(低壓化學氣相沉積法)或PECVD(電將加強化學氣相沉積法)所形成的氧化硅層或硼磷硅玻璃(BPSG)層，其厚度大約是6000～14000。而該IMD層126的多層介電結構可以是包含多層介電膜(multiple dielectric films)，如圖4所示。例如，該IMD層126包含SiON膜127(R.I.約1.6～1.7)、FSG(氟摻雜二氧化硅)層膜128(R.I.約1.435)以及當作是蝕刻阻擋層和擴散阻障層等的一SiN隔層膜129(R.I.約1.9～2.0)。這里要特別注意的是，具有多層介電膜的IMD層126是已經廣泛應用于內聯(lián)機(interconnect)和鑲嵌(damascene)制程，用以隔離IC組件中的多個的金屬層。因為這些多層介電膜127、128和129具有不同的折射系數(shù)，因此全反射效應(total reflectioneffect)不容易徹底發(fā)生于圖1B所示的現(xiàn)有光導管95中。因此，本實用新型的目的就是要提供一種互不影響的光導管與IMD層的影像傳感器制程。
為了要簡化本實用新型的說明，在本實施例中，是將該ILD層124和該IMD層126統(tǒng)稱為一具有第一折射系數(shù)的第一介電層130。在形成該第一介電層130之后，可藉由一平坦化制程(例如化學機械研磨，CMP)而使該第一介電層130具有平坦的表面。這里要提醒的是，該第一介電層130可以包含很多層。例如，如果該組件是使用三層金屬層的制程來制造的話，則用來隔離的該IMD層126就存在于這三層金屬層的每一層之間。因為金屬層存在于該IMD層126中，所以穿透該IMD層126的從上方來的光的路徑(passage)便會被限制住。為了要簡化本實用新型的說明，圖4～圖10中是僅顯示一層IMD層126，但并非限定本實用新型。
請參閱圖5，形成一圖案化的光阻層132于該第一介電層130上。以該光阻層132為掩膜，去除部分該第一介電層130而形成位于每一n井區(qū)域120上的一開口136，并保留該第一介電層130于該空間104上方(還有也可覆蓋于部分的p井108上)。另外，本步驟的圖案化該第一介電層132所使用的掩膜，可使用相同于用來定義該光二極管中的n井區(qū)域120所使用的掩膜。在本實施例中，該開口136是曝露n井區(qū)域120的上部表面。接著，利用氧電漿灰化(plasma oxygen ashing)程序以及小心的濕式洗凈，而去除該光阻層132。
請參閱圖6，是說明本實用新型的一重要特征。例如經由沉積法(deposition)或涂布法(coating)，形成順應的一介電層138于該第一介電層130以及該開口136的內部表面上。該介電層138是由具有低介電常數(shù)(low-k)與低折射系數(shù)(low-R.I.，約小于等于1.35)的介電材料所組成，其材質例如是FLARE(摻氟的聚對二甲苯醚)、SiLK(芳香族碳氫化合物)、FLAC(摻氟的非晶型碳)、氟高分子(fluoro polymer)、多孔硅土(porous silica)或其它類似的材料。
請參閱圖7，接著非等向性地回蝕(anisotropically etching back)部分該介電層138而形成一順應的第二介電層138’于該開口136的側壁上，其中該第二介電層138’具有一第二折射系數(shù)。該非等向性地蝕刻例如是干蝕刻(dry etching)。該第二介電層138’的厚度例如是200～2000。在本例子中，該第一折射系數(shù)大于該第二折射系數(shù)。
請參閱圖8，形成一第三介電層140于該第一介電層130、該第二介電層138’與該開口136上，其中該第三介電層140具有一第三折射系數(shù)。也就是說，該開口136是充滿該第三介電層140。這里要特別注意的是，該第三折射系數(shù)大于該第二折射系數(shù)，而且該第三折射系數(shù)與該第一折射系數(shù)之間沒有任何的關聯(lián)。因此，本實用新型中的IMD層材料的選擇是比現(xiàn)有技術更方便。該第三介電層140是由具有高折射系數(shù)的介電材料所組成，例如由電漿加強化學氣相沉積法(PECVD)所形成的TEOS(四乙烷基氧硅甲烷)-SiO2層(R.I.約1.46)。一般來說，該第三介電層140的第三折射系數(shù)最好比該第二介電層138’的第二折射系數(shù)至少大0.1。
請參閱圖9，藉由一平坦化程序去除部分該第三介電層140直到該第一介電層130與該第二介電層138’的頂部表面。亦即，在該平坦化程序之后，該第一介電層130、該第二介電層138’與該第三介電層140的頂部表面是共平面(coplanar)。這平坦化步驟可以使用任何的現(xiàn)有平坦化制程，例如化學機械研磨(CMP)程序。如此，即完成了形成獨特的一光導管150于每一光二極管的n井區(qū)域(或感應區(qū)域)120上，該光導管150是包含該第二介電層138’與該第三介電層140。
根據(jù)本實用新型，便得到了一種改良的影像感測裝置。請參閱圖9，一影像感測數(shù)組是被形成于一基底100中，其中該影像感測數(shù)組包含多個感應區(qū)域120(或光二極管)，且相鄰感應區(qū)域120之間具有一空間104。一第一介電層130是被形成于所述的感應區(qū)域120與該空間104上方，其中該第一介電層130具有第一折射系數(shù)。一順應的第二介電層138’是形成于該第一介電層130的側壁上，其中該第二介電層138’具有一第二折射系數(shù)。一第三介電層140是形成于所述的感應區(qū)域120上，而不位于該空間104上，其中該第三介電層141具有第三折射系數(shù)。其中，該第三折射系數(shù)大于該第二折射系數(shù)，還有該第二介電層138’與該第三介電層140是構成一光導管150于每一感應區(qū)域120上方。
圖10是用來說明本實用新型的具有光導管150的影像感測裝置所具有的優(yōu)良性能。一發(fā)光源160是發(fā)射出入射光164。該入射光164照射位于一像素上的光導管150。更者，該入射光164是以非垂直的角度照射光導管150而到達該第二介電層138’與該第三介電層140之間的界面172。在此界面172，該入射光164會有一轉變(transition)產生于高R.I.材料(即第三介電層140)與低R.I.材料(即第二介電層138’)之間。
在光學技藝中，光的傳播穿越這界面172是由Snell方程式n1sinθ1＝n2sinθ2來控制。在此例子中，n1是表示第二介電層138’的折射系數(shù)，n2是表示第三介電層140的折射系數(shù)。θ2是表示光164照射界面172的入射角，θ1是表示光被傳播至第二介電層138’的角度。更者，如果入射光164并沒有以90度的角度照射界面172的話，則部分的光將會被反射回第三介電層140。然而，由于在本實用新型的例子中，入射光164不可能以90度的角度照射界面172，因此一定會有反射光168的成分。
本實用新型的一顯著特征如下述。因為第三介電層140的折射系數(shù)大于第二介電層138’的折射系數(shù)，所以存在一入射臨界角θc。當入射角度θ2大于等于臨界角θc時，所有的入射光164就會全部反射回第三介電層140中，而不會傳播至第二介電層138’和第一介電層130中。臨界角θc的數(shù)值是在將光被傳播的角度設定成90度時的狀況下來計算，根據(jù)sinθc＝n1/n2的方程式來計算。基于本實施例中的該第二介電層138’與該第三介電層140所采用的最適當材料的折射系數(shù)，在相對于界面172表面的垂直角度的狀況下，如果入射角度θ2約大于67度時，入射光164可以全部反射回第三介電層140中。如此，該反射光168就會照射位于光導管150下方的感應區(qū)域120，而不會照射到其它(或相鄰)的感應區(qū)域，因而能避免串擾(crosstalk)。
本實用新型的另一重要特征如下述。根據(jù)本實用新型，使得該第一介電層130與該第三介電層140之間并沒有任何的關聯(lián)。也就是說，可以方便地使用具有多層介電膜的IMD層126，而不需要考慮與第三介電層140之間的配合(coordination，或搭配)性。
更者，可藉由現(xiàn)有技藝將微鏡(microlens，未圖示)和彩色率光片(colorfilter s，未圖示)形成于該光導管150上方。上述形成微鏡的制程例如已經揭示于美國專利第6495813號中，在此為避免混淆本案特征，故不予討論。
本實用新型特征及效果根據(jù)本實用新型，由于本實用新型的影像感測裝置具有由第二介電層138’與第三介電層140所構成的光導管150于每一光傳感器上方，其中第三介電層140的折射系數(shù)大于第二介電層138’的折射系數(shù)。因此，本實用新型的光導管150便能夠防止入射光照射到別的光傳感器。除此之外，由于第一介電層130與該第三介電層140之間并沒有任何的關聯(lián)，所以在內聯(lián)機的IMD層制程中，可以方便地使用各種多層介電材料，而不需要考慮與第三介電層140之間的配合(coordination)性。
總之，本實用新型的光導管150便能夠避免光散射發(fā)生于相鄰的光傳感器之間，所以能降低串擾(crosstalk)以及改善現(xiàn)有的缺點。
雖然本實用新型已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本實用新型，任何熟習此技藝者，在不脫離本實用新型的精神和范圍內，當可作些許的更動與潤飾，因此本實用新型的保護范圍當視所附的權利要求范圍所界定者為準。
權利要求1.一種具有光導管的影像感測裝置，其特征在于，包括具有一影像感測數(shù)組的一基底，其中該影像感測數(shù)組包含多個傳感器，且相鄰傳感器之間具有一空間；一第一介電層，形成于該空間上方而不位于所述的傳感器上方；具有一第二折射系數(shù)的一順應的第二介電層，形成于該第一介電層的側壁上，以及；具有一第三折射系數(shù)的一第三介電層，形成于所述的傳感器上方而不位于該空間上方；其中，該第三折射系數(shù)大于該第二折射系數(shù)。
2.根據(jù)權利要求1所述的具有光導管的影像感測裝置，其特征在于，所述的光傳感器是光二極管。
3.根據(jù)權利要求2所述的具有光導管的影像感測裝置，其特征在于，該光二極管包含位于p型區(qū)域中的n型區(qū)域。
4.根據(jù)權利要求1所述的具有光導管的影像感測裝置，其特征在于，該第一介電層、該第二介電層與該第三介電層的頂部表面是共平面。
5.根據(jù)權利要求1所述的具有光導管的影像感測裝置，其特征在于，該第一介電層包含至少一層間介電層。
6.根據(jù)權利要求5所述的具有光導管的影像感測裝置，其特征在于，該層間介電層是氧化硅層或硼磷硅玻璃層。
7.根據(jù)權利要求5所述的具有光導管的影像感測裝置，其特征在于，該第一介電層更包含至少一內金屬介電層。
8.根據(jù)權利要求7所述的具有光導管的影像感測裝置，其特征在于，該內金屬介電層具有多層介電膜。
9.根據(jù)權利要求8所述的具有光導管的影像感測裝置，其特征在于，所述的多層介電膜包括SiON，SiN以及氟摻雜二氧化硅層。
10.根據(jù)權利要求9所述的具有光導管的影像感測裝置，其特征在于，該第二介電層是一低介電常數(shù)層。
11.根據(jù)權利要求10所述的具有光導管的影像感測裝置，其特征在于，該低介電常數(shù)層的材質是摻氟的聚對二甲苯醚、芳香族碳氫化合物、摻氟的非晶型碳、氟高分子或多孔硅土。
12.根據(jù)權利要求11所述的具有光導管的影像感測裝置，其特征在于，該第三介電層是由電漿加強化學氣相沉積法所形成的四乙烷基氧硅甲烷-SiO2層。
13.根據(jù)權利要求11所述的具有光導管的影像感測裝置，其特征在于，該第三折射系數(shù)比該第二折射系數(shù)至少大0.1。
14.根據(jù)權利要求1所述的具有光導管的影像感測裝置，其特征在于，該第二介電層的厚度是200～2000。
專利摘要本實用新型提供一種具有光導管的影像感測裝置，包括具有一影像感測數(shù)組的一基底，其中影像感測數(shù)組包含多個傳感器，且相鄰傳感器之間具有一空間。一第一介電層，形成于該空間上方而不位于所述的傳感器上方。具有一第二折射系數(shù)的一順應的第二介電層，形成于該第一介電層的側壁上。具有一第三折射系數(shù)的一第三介電層，形成于所述的傳感器上方而不位于該空間上方，其中該第三折射系數(shù)大于該第二折射系數(shù)。
文檔編號H01L31/103GK2786788SQ20042011622
公開日2006年6月7日 申請日期2004年12月8日 優(yōu)先權日2003年12月8日
發(fā)明者楊敦年, 喻中一 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司