阅读说明：本技术 背照式影像传感器 (Backside illuminated image sensor ) 是由 盛志瑞 于 2018-08-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种背照式影像传感器，包括：半导体基材、第一介电保护层、介电缓冲层以及第二介电保护层。半导体基材具有一个背侧表面(back surface)和一个与背侧表面相反前侧表面。第一介电保护层位于背侧表面上。介电缓冲层位于第一介电保护层上。第二介电保护层位于介电缓冲层上。其中，第一介电保护层具有高于介电缓冲层和第二介电保护层的介电常数。(The invention discloses a back-illuminated image sensor, comprising: the semiconductor device includes a semiconductor substrate, a first dielectric protection layer, a dielectric buffer layer and a second dielectric protection layer. The semiconductor substrate has a back surface and a front surface opposite the back surface. The first dielectric protection layer is located on the backside surface. The dielectric buffer layer is located on the first dielectric protection layer. The second dielectric protection layer is located on the dielectric buffer layer. Wherein the first dielectric protection layer has a dielectric constant higher than that of the dielectric buffer layer and the second dielectric protection layer.)

背照式影像传感器

技术领域

本发明涉及一种半导体元件，且特别是涉及一种背照式影像传感器(backsideilluminated image sensor)。

背景技术

影像传感器，例如金属-氧化物-半导体(Meta-Oxide-Semiconductor，MOS)影像传感器，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，例如数码相机、个人通讯服务(Personal Communications Service，PCS)、游戏机(game equipment)等高分辨率要求较高的产品。

典型影像传感器包含一个形成在半导体基材中的像素阵列。像素阵列中的每一个像素包含有一个由感光区(称为一光检测器)及一转换元件所构成的光电转换元件(photoelectric conversion device)，用以转移或读出该光检测器中所收集的电荷。一般而言，光检测器是一简单PN或NP二极管。目前常用的影像传感器，包括前照式影像传感器(front side illuminated image sensor)及背照式影像传感器两类。

由于前照式影像传感器的感测阵列(sensor array)形成在半导体基材的正面，且感测阵列上方还形成有多个相互堆叠的内层金属层(inner-metal layer)。入射光必须先穿过堆叠的内层金属层，方能到达光检测器。受到内层金属层阻挡，使得影像传感器的光量子效率(quanta efficiency)降低。相较于前照式影像感器，背照式影像感器光线由半导体基材的背面入射，不必穿过内层金属层，即可到达光检测器。因此，背照式影像传感器具有比前照式影像传感器要好的光量子效率。

不过，由于背照式影像传感器的制作工艺，通常会对背侧的半导体基材进行薄化，容易使后续制作工艺所余留或者操作时所产生的外部流动离子(mobile ion)，由半导体基材的背侧扩散进入光电转换元件之中，导致光电转换元件在逆向偏压时产生漏电流，进而使光电转换元件在未受到光照时，仍然感测到微小的电流噪声(暗电流)，影响背照式影像传感器的操作可靠度。

因此有需要提供一种新式的背照式影像传感器，以解决现有技术所面临的问题。

发明内容

本发明的一实施例是有关于一种背照式影像传感器(back side illuminatedimage sensor，BSI image sensor)，包括：半导体基材、第一介电保护层、介电缓冲层以及第二介电保护层。半导体基材具有一个背侧表面(back surface)和一个与背侧表面相反前侧表面(front surface)。第一介电保护层位于背侧表面上。介电缓冲层位于第一介电保护层上。第二介电保护层位于介电缓冲层上。其中，第一介电保护层具有高于介电缓冲层和第二介电保护层的介电常数(dielectric constant，k)。

根据上述，本发明的实施例提出一种背照式影像传感器。其包括依序堆叠于半导体基材背侧表面的第一介电保护层、介电缓冲层以及第二介电保护层。其中第一介电保护层具有高于介电缓冲层和第二介电保护层的介电常数。通过上述三者所组成的阻障结构，可以阻止外部流动离子由半导体基材的背侧扩散进入位于半导体基材中的光电转换元件，防范暗电流的发生，以增进背照式影像传感器的可靠度。

在本说明书的一些实施例中，第一介电保护层可以是一种抗反射涂层(anti-reflective coating，ARC)；介电缓冲层可以是一种硅氧化物(silicon oxide，SiO_x)层；第二介电保护层可以是一种含氮的半导体介电材料，例如氮化硅(silicon nitride，SiN)层、氮氧化硅(silicon oxynitride，SiON)层、碳氮化硅(silicon carbonitride，SiCN)层。

附图说明

为了对本发明的上述实施例及其他目的、特征和优点能更明显易懂，特举数个优选实施例，并配合所附的附图，作详细说明如下:

图1A至图1E是根据本发明一实施例所绘示的一系列制作背照式影像传感器100的制作工艺结构剖面示意图。

符号说明

100：背照式影像传感器 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：第一介电保护层 105a：硅氧化物(层

105b：氧化铪层 105c：氧化钽层

106：介电缓冲层 107：第二介电保护层

108：钝化层 108a：钝化层顶部表面

109：格栅状结构 109a：遮光部

109b：介电覆盖层 110：彩色滤光片

111：微透镜 112：金属内连线结构

112a：金属导布线层 112b：导电插塞

113：焊垫结构

具体实施方式

本发明是提供一种背照式影像传感器，可解决外部流动离子由半导体基材的背侧扩散进入光电转换元件而形成暗电流的问题，增进背照式影像传感器的可靠度。为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举数个实施例，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。较佳实施例的提出，仅用以例示本发明的技术特征，并非用以限定本发明的申请专利范围。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1E，图1A至图1E是根据本发明一实施例所绘示的一系列制作背照式影像传感器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(silicon，Si)、锗(germanium，Ge)，或化合半导体材质，例如砷化镓(gallium arsenide，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(Silicon on Insulator，SOI)基板。在本实施例之中，半导体基材101较佳是一种硅基材。

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(deeptrench isolation)。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(Reactive Ion Etching，RIE)制作工艺，用于在基材101之中形成至少一个沟槽(未绘示)，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。之后，再以介电材质填充沟槽。(如图1B所绘示)。

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(front sideprocess)，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(如图1C所绘示)及其配线电路与焊垫结构113。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(photo diode，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，对半导体基材101进行一个薄化制作工艺，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。在本发明的一些实施例之中，薄化半导体基材101的步骤包括：采用一化学机械研磨(Chemical-Mechanical Polishing，CMP)、一蚀刻制作工艺或二者的组合，来移除位于半导体基材101后侧表面101b的一部分半导体基材101。

然后，在薄化后的半导体基材101的后侧表面101b上形成一序堆叠的第一介电保护层105、介电缓冲层106以及第二介电保护层107(如第1D图所绘示)。在本说明书的一些实施例中，第一介电保护层105直接与半导体基材101的后侧表面101b接触。但在其他实施例中，半导体基材101的后侧表面101b与第一介电保护层105之间，也可以包括具有不同功能的其他层。

其中，第一介电保护层105可以是一种高介电常数材质层，具有介于4至40之间的介电常数。在本说明书的一些实施例中，第一介电保护层105可以具有一个多层结构。例如在本实施例中，第一介电保护层105可以包括一序堆叠于半导体基材101的后侧表面101b的硅氧化物(SiO_X)层105a、氧化铪(hafnium oxide，HfO₂)层105b、和氧化钽(tantalumpentoxide，Ta₂O₅)层105c。其中，硅氧化物层105a可以是一种二氧化硅(silicon dioxide，SiO₂)层，且直接与半导体基材101的后侧表面101b接触。另外，在本实施例中，第一介电保护层105因具有抗反射的功能，也可视为是一种抗反射涂层(anti-reflective coating，ARC)。

但值得注意的是，第一介电保护层105的多层结构的材质、层数、以及堆叠顺序并不以此为限。在其他实施例中，多层结构可以包过更多或较少以不同顺序堆叠的材质层，且这些材质层可以包括介电材料、金属材料或其他合适的材质。

在本说明书的一些实施例中，构成介电缓冲层106的材料可以是硅氧化物、氧化硅、或其他合适的介电材料。在本实施例中，介电缓冲层106是一种通过等离子体辅助化学气相沉积(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)制作工艺所形成的二氧化硅层。其中，介电缓冲层106的厚度，较佳实质介于300至3000埃(angstrom)之间。

在本说明书的一些实施例中，第二介电保护层107可以是一种包括有含氮介电材料(nitrogen-containing dielectric)的硬掩模层。其中，此含氮介电材料可以是氮化硅、氮氧化硅、氮碳化硅、氮碳氧化硅(silicon carbon oxynitride，SiOCN)、氮碳化硅硼(silicon borocarbonitride，SiBCN)或上述的任意组合。在本实施例中，第二介电保护层107可以是一种厚度实质介于200至600埃之间的氮化硅层。

之后，可以在第二介电保护层107上方形成一个钝化层108。并在对钝化层108进行平坦化之后，选择性地(optionally)于钝化层108顶部表面108a形成一个格栅状结构109(如图1E所绘示)。在本说明书的一些实施例中，钝化层108可以包括硅氧化物。在本实施例中，钝化层108可以是通过等离子体辅助化学气相沉积制作工艺所形成的二氧化硅层。且平坦化钝化层108的步骤，包括化学机械研磨制作工艺。

格栅状结构109包括由介电材料或金属所构成，突出于钝化层108顶部表面108a的多个遮光部109a，以及覆盖于遮光部109a上的介电覆盖层109b。其中，遮光部109a会在钝化层108顶部表面108a定义出多个凹室(recess)，并经由这些凹室将一部份的钝化层108顶部表面108a暴露于外。其中，每一个凹室与其中一个次像素区104对应。例如在本发明的一些实施例中，格栅状结构109可以是具有行列直交图案的棋盘状遮光部109a，用以定义多个方格状的凹室。但在其他实施例中，格栅状结构108的图案可以根据次像素区104或光电转换元件102的不同布局设计，而具有不同的图案。在本实施例中，格栅状结构109的介电覆盖层109b可以是一硅氧化物层，覆盖于遮光部109a和和暴露于外的钝化层108顶部表面108a之上。

然后，在格栅状结构109的介电覆盖层109b上形成彩色滤光片(color filter，CF)110，并且在彩色滤光片110之上形成多个微透镜(micro lenses)111。由半导体基材101的后侧表面101b入射的光线L，可穿过微透镜111、彩色滤光片110、介电覆盖层109b、钝化层108、第二介电保护层107、介电缓冲层106和第一介电保护层105到达位于次像素区104中的光电转换元件102。

在本实施例中，彩色滤光片110具有多个彩色滤光单元，例如彩色滤光单元110R、110G和110B，与每一个次像素104对应，并且分别延伸进入格栅状结构109的框体结构109a所定义的凹室之中。微透镜111，较佳是由玻璃、高分子塑化材质(例如树脂(epoxy)、丙二醇甲醚醋酸酯(Propylene Glycol Mono-methyl Ether Acetate，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(metal damascene process)，在半导体基材101的前侧表面101a上形成金属内连线结构112，再进行布线封装制作工艺，即可形成如图1E所绘示的背照式影像传感器100。在本实施例之中，金属内连线结构112包括多个金属导布线层112a以及用来导通金属布线层112a与焊垫结构113的导电插塞112b。

由于，第二介电保护层107具有较大的密度，防水特性较佳，较不利于带电离子在其中进行扩散。因此，可防止后续制作工艺中余留在半导体基材101后侧表面101b各层中的带电离子或外部流动离子，被制作工艺或后续操作的热应力驱使而扩散进入半导体基材。另外，与半导体基材101接触的第一介电保护层105，除了具有抗反射功效外，还可防止半导体基材中的带电离子横向扩散。也可有效消弥因为带电离子的扩散导致元件漏电而产生暗电流的问题，增进背照式影像传感器100的可靠度。

根据上述，本发明的实施例提出一种背照式影像传感器。其包括依序堆叠于半导体基材背侧表面的第一介电保护层、介电缓冲层以及第二介电保护层。其中第一介电保护层具有高于介电缓冲层和第二介电保护层的介电常数。通过上述三者所组成的阻障结构，可以阻止外部流动离子由半导体基材的背侧扩散进入位于半导体基材中的光电转换元件，防范暗电流的发生，以增进背照式影像传感器的可靠度。

在本说明书的一些实施例中，第一介电保护层可以是一种抗反射涂层；介电缓冲层可以是一种硅氧化物层；第二介电保护层可以是一种含氮的半导体介电材料，例如氮化硅层、氮氧化硅(SiON)层、碳氮化硅层。

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。