本發(fā)明涉及一種背照式(back side illumination，以下簡(jiǎn)稱為BSI)影像感測(cè)器及其制作方法，尤其是涉及一種于基底背面形成有雙重透鏡的BSI影像感測(cè)器及其制作方法。

背景技術(shù)：

隨著電腦和通訊工業(yè)的發(fā)展，高效率影像感測(cè)器的需求隨之增加，其可應(yīng)用在各種領(lǐng)域，例如數(shù)字相機(jī)、攝錄像機(jī)、個(gè)人通訊系統(tǒng)、游戲元件、監(jiān)視器、醫(yī)療用的微相機(jī)、機(jī)器人等。

BSI影像感測(cè)器為現(xiàn)今一種常見的高效率影像感測(cè)裝置，且由于BSI影像感測(cè)器可以整合于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制作工藝制作，因此具有制作成本較低、元件尺寸較小以及積集度較高的優(yōu)點(diǎn)。此外，BSI影像感測(cè)器還具有低操作電壓、低功率消耗、高量子效率(quantum efficiency)、低噪聲(read-out noise)以及可根據(jù)需要進(jìn)行隨機(jī)存取(random access)等優(yōu)勢(shì)，因此已廣泛應(yīng)用在現(xiàn)有的電子產(chǎn)品上。

隨著元件尺寸的持續(xù)縮小以及半導(dǎo)體制作工藝的進(jìn)步，BSI影像感測(cè)器的尺寸日益微縮。但是，除了尺寸要求之外，BSI影像感測(cè)器更面臨光電轉(zhuǎn)換效率(photo-electric conversion efficiency)、靈敏度(sensitivity)、低噪聲(noise)等要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的一目的在于提供一種具有良好靈敏度的BSI影像感測(cè)器及其制作方法。

為達(dá)上述目的，本發(fā)明所提供一種BSI影像感測(cè)器的制作方法，該制作方法首先提供一基底，該基底包含有一正面與一相對(duì)的背面，且該基底內(nèi)形成有多個(gè)隔離結(jié)構(gòu)與多個(gè)感光元件(sensing element)。接下來(lái)，在該基底背面暴露出該多個(gè)隔離結(jié)構(gòu)，隨后對(duì)該基底背面進(jìn)行一熱處理，以于該基底的背 面形成多個(gè)凸拱(cambered)表面，且該多個(gè)凸拱表面對(duì)應(yīng)于該多個(gè)感光元件。

本發(fā)明另提供一種BSI影像感測(cè)器，該BSI影像感測(cè)器包含有一基底、多個(gè)設(shè)置于該基底內(nèi)的感光元件、多個(gè)用以隔離該多個(gè)感光元件的隔離結(jié)構(gòu)、以及多個(gè)凸拱表面。該基底包含有一正面與一相對(duì)的背面，而該多個(gè)凸拱表面即形成于該基底的該背面，且該多個(gè)凸拱表面分別對(duì)應(yīng)于一該感光元件。

根據(jù)本發(fā)明所提供的BSI影像感測(cè)器及其制作方法，在該基底完成正面的組成元件例如隔離結(jié)構(gòu)之后，于該背面暴露出該多個(gè)隔離結(jié)構(gòu)，隨后對(duì)該背面進(jìn)行一熱處理，以于該基底的該背面形成該多個(gè)分別與一該感光元件對(duì)應(yīng)的凸拱表面。由于凸拱表面具有聚光效果，因此可使得入射光更加集中至感光元件，故可增加BSI影像感測(cè)器的感測(cè)靈敏度，同時(shí)增加光電轉(zhuǎn)換率。

附圖說(shuō)明

圖1至圖6為本發(fā)明所提供的BSI影像感測(cè)器的制作方法的一第一優(yōu)選實(shí)施例的示意圖；

圖7為本發(fā)明所提供的BSI影像感側(cè)器的一光路徑示意圖；

圖8至圖10為本發(fā)明所提供的BSI影像感測(cè)器的制作方法的一第二優(yōu)選實(shí)施例的示意圖。

主要元件符號(hào)說(shuō)明

10 背照式影像感測(cè)器

100、200 基底

100F、200F 基底的正面

100B、200B 基底的背面

202 圖案化硬掩模

110、210 感測(cè)區(qū)域

120、220 隔離結(jié)構(gòu)

130、230 內(nèi)連線結(jié)構(gòu)

132、232 介電層

134、234 金屬層

140、240 蝕刻制作工藝

142、242 凹槽

150、250 熱處理

152、252 凸拱表面

152a、252a 凸拱表面的凸頂點(diǎn)

152b、252b 凸拱表面的底端點(diǎn)

160 抗反射層

162 平坦層

164 彩色濾光陣列

166 微透鏡

R 入射光

R1 第一折射光

R2 第二折射光

W₁ 凸拱表面的凸頂點(diǎn)與彩色濾光片底部的距離

W₂ 凸拱表面的底端點(diǎn)與彩色濾光片底部的距離

d 凹槽深度

h 凸頂點(diǎn)與底端點(diǎn)之間的垂直距離

A-A’ 切線

具體實(shí)施方式

請(qǐng)參閱圖1至圖6，圖1至圖6為本發(fā)明所提供的BSI影像感測(cè)器的制作方法的一第一優(yōu)選實(shí)施例的示意圖。如圖1所示，本優(yōu)選實(shí)施例首先提供一基底100，基底100可以例如是一硅基底、一含硅(silicon-containing)基底、一三五族覆硅(III-V group-on-silicon)基底例如氮化鎵覆硅(GaN-on-silicon)基底、一石墨烯覆硅基底(graphene-on-silicon)或一硅覆絕緣(silicon-on-insulator，SOI)基底等，但不限于此?；?00可包含一正面100F與一相對(duì)的背面100B。基底100內(nèi)形成有多個(gè)感光元件，感光元件可包含電荷耦合元件(charge-coupled device，CCD)、互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)影像感測(cè)器(CMOS image sensor，CIS)、主動(dòng)式像素感測(cè)器(active-pixel sensor，API)或被動(dòng)式像素感測(cè)器(passive-pixel sensor，PPI)等，且感光元件至少包含一感測(cè)區(qū)域110，例如一光電二極管(photodiode)。基底100內(nèi)還包含多個(gè)隔離結(jié)構(gòu)120，用以隔離感光元件，避免噪聲(noise)的產(chǎn)生。隔離結(jié)構(gòu)120內(nèi)可填入折射率不同于基 底100的材料，因此隔離結(jié)構(gòu)不僅可用以隔離感光元件，甚至可用來(lái)將入射光反射進(jìn)入感測(cè)區(qū)域110，以更提升光電轉(zhuǎn)換率。在本優(yōu)選實(shí)施例中，隔離結(jié)構(gòu)120利用一深溝槽隔離結(jié)構(gòu)(deep trench isolation，DTI)制作工藝形成于基底100內(nèi)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，可自基底100的正面100F或背面100B蝕刻基底100(在本優(yōu)選實(shí)施例中由基底100的正面100F進(jìn)行蝕刻)，而于基底100內(nèi)形成多個(gè)深溝槽(圖未示)，隨后于該多個(gè)深溝槽內(nèi)填入絕緣材料，例如氧化硅。之后，進(jìn)行一平坦化制作工藝，移除多余的氧化硅，而得到如圖1所示的隔離結(jié)構(gòu)120。

請(qǐng)仍然參閱圖1。在基底100的正面100F上，還設(shè)置有一內(nèi)連線結(jié)構(gòu)(interconnection structure)130。內(nèi)連線結(jié)構(gòu)130包含多層的層間介電層以及層間金屬介電層(inter-metal dielectric，IMD)等介電層132以及多層金屬層134。介電層132例如為氧化層，而金屬層134則例如由鋁或銅所組成，但本發(fā)明并不以此為限。簡(jiǎn)單地說(shuō)，內(nèi)連線結(jié)構(gòu)130的建構(gòu)，通過(guò)進(jìn)行形成各介電層132、在各介電層132內(nèi)形成凹槽(未繪示)、在凹槽內(nèi)填入金屬材料如鋁或銅等(未繪示)以形成金屬層134等步驟的循環(huán)制作工藝而形成的堆疊的結(jié)構(gòu)。

請(qǐng)參閱圖2與圖3，其中圖3及后續(xù)附圖為圖2中沿A-A’切線而得的剖視圖。接下來(lái)，倒置基底100，并且自基底100的背面100B薄化基底100，直至于基底100的背面100B暴露出隔離結(jié)構(gòu)120。薄化基底100的制作工藝可例如為化學(xué)機(jī)械研磨(chemical mechanical polishing，以下簡(jiǎn)稱為CMP)制作工藝等平坦化制作工藝，但不限于此。

請(qǐng)參閱圖4。在基底100的背面100B暴露出隔離結(jié)構(gòu)120之后，對(duì)基底100的背面100B進(jìn)行一蝕刻制作工藝140，以移除部分各隔離結(jié)構(gòu)120，并于各隔離結(jié)構(gòu)120內(nèi)分別形成一凹槽142。凹槽142分別包含一深度d，且深度d介于0.01微米(micrometer，以下簡(jiǎn)稱為μm)與0.1μm之間，但不限于此。值得注意的是，由于隔離結(jié)構(gòu)120所包含的材料與基底100不同，因此蝕刻制作工藝140不需形成額外保護(hù)層或掩模層，即可在不傷害基底100的背面100B的前提下，在各隔離結(jié)構(gòu)120內(nèi)形成凹槽142。

請(qǐng)參閱圖5。接下來(lái)，對(duì)基底100的背面100B進(jìn)行一表面處理，例如一熱處理150。在本優(yōu)選實(shí)施例中，熱處理150可包含一激光熱處理(LASER thermal processing)，且熱處理150的制作工藝溫度大于1000℃。舉例來(lái)說(shuō)， 熱處理150的制作工藝溫度可以是1400℃，但不限于此。另外，熱處理150的制作工藝時(shí)間為數(shù)十毫秒(millisecond)至數(shù)百毫秒。值得注意的是，熱處理150用以熔融基底100的背面100B的表面硅材料，由于硅材料在熔融后會(huì)產(chǎn)生一內(nèi)聚力，因此在熱處理150時(shí)，基底100的背面100B的表面被弧角化。然而，熟悉該項(xiàng)技術(shù)的人士仍可通過(guò)調(diào)整熱處理150的制作工藝參數(shù)，如時(shí)間、溫度、壓力、甚至通入的氣體等以控制弧角化的程度。是以在熱處理150結(jié)束后，在基底100的背面100B形成多個(gè)凸拱表面152，且凸拱表面152如圖5所示，分別對(duì)應(yīng)于一感光元件/感測(cè)區(qū)域110。此外，感光元件110設(shè)置于內(nèi)連線結(jié)構(gòu)130與凸拱表面152之間。如圖5所示，在沿A-A’切線的剖面視角中，凸拱表面152具有一凸頂點(diǎn)152a與兩底端點(diǎn)152b，兩底端點(diǎn)152b與隔離結(jié)構(gòu)120直接接觸。換句話說(shuō)，隔離結(jié)構(gòu)120亦隔離各凸拱表面152。另外值得注意的是，基本上凸頂點(diǎn)152a與底端點(diǎn)152b的垂直距離h大于等于凹槽142(示于圖4)的深度d(圖5中以虛線表示)。另外，除熱處理150之外，表面處理也可包含其他合適的制作工藝，然而在此不予贅述。

另外值得注意的是，在本優(yōu)選實(shí)施例的一變化型中，可省略前述的蝕刻制作工藝140，而在于基底100的背面100B暴露出隔離結(jié)構(gòu)120之后，直接進(jìn)行熱處理150。由于基底100與隔離結(jié)構(gòu)120的材料與熔點(diǎn)并不相同，因此在熱處理150可在不影響隔離結(jié)構(gòu)120的表面輪廓的前提下，通過(guò)調(diào)整熱處理150的制作工藝參數(shù)，如時(shí)間、溫度、壓力、甚至通入的氣體等以控制弧角化的程度，而于基底100的背面100B形成如圖5所示的凸拱表面152。

請(qǐng)參閱圖6。在形成凸拱表面152之后，在基底100的背面，尤其是凸拱表面152上直接形成一抗反射層(anti-reflective coating，以下簡(jiǎn)稱為ARC)160。如圖6所示，ARC 160共形(conformal)地形成于凸拱表面152上，且與凸拱表面152直接接觸，以有效地避免光反射。另外，ARC 160亦直接接觸隔離結(jié)構(gòu)120的表面。在形成ARC 160之后，在基底100的背面，尤其是ARC 160上依序形成一平坦層162、一彩色濾光陣列(color filter array，CFA)164與多個(gè)微透鏡166。值得注意的是，在本優(yōu)選實(shí)施例中，由于晶片100的背面100B具有凸拱表面152，而ARC 160又是共形地形成在凸拱表面152上，因此在ARC 160與彩色濾光陣列164之間，更形成此一平坦層162，以平坦化基底100的背面100B，使彩色濾光陣列164以及微透鏡166可形成 在此平坦表面上。如圖6所示，彩色濾光陣列164包含多個(gè)彩色濾光片，且各彩色濾光片分別對(duì)應(yīng)一感光元件；同理，各微透鏡166亦分別對(duì)應(yīng)一感光元件。在完成微透鏡166的制作后，即得到BSI影像感測(cè)器10。另外，可再選擇性地于微透鏡166上形成一鈍化層(未繪示)，隨后進(jìn)行其他制作工藝如外部電連接制作工藝等。由于該多個(gè)制作工藝為熟悉該項(xiàng)技術(shù)的人士應(yīng)知，故于此不予贅述。值得注意的是，由于本發(fā)明中，凸拱表面152與彩色濾光陣列164都是形成于基底100的背面上，因此如圖6所示，各凸拱表面152的凸端點(diǎn)152a與彩色濾光陣列164的一底部的距離W₁小于底端點(diǎn)152b與彩色濾光陣列164的底部的距離W₂。此外，凸拱表面152的凸出方向與微透鏡166的凸出方向相同。

請(qǐng)參閱圖7，圖7為本發(fā)明所提供的BSI影像感側(cè)器的一光路徑示意圖。首先需注意的是，為強(qiáng)調(diào)微透鏡166、凸拱表面152對(duì)入射光的影響，在圖7中省略基底100的正面100F設(shè)置的各組成元件，然而熟悉該項(xiàng)技術(shù)的人士應(yīng)可根據(jù)前述說(shuō)明清楚得知該多個(gè)組成元件的設(shè)置位置或相對(duì)關(guān)系。如圖7所示，當(dāng)入射光R進(jìn)入BSI影像感側(cè)器10時(shí)，先進(jìn)入微透鏡166，而在微透鏡166產(chǎn)生第一折射光R1，第一折射光R1隨后經(jīng)過(guò)彩色濾光陣列164、平坦層162與抗反射層160后到達(dá)凸拱表面152，而經(jīng)過(guò)凸拱表面152時(shí)，更產(chǎn)生第二折射光R2。值得注意的是，由于硅材料的折射系數(shù)(refractive index)接近4，加上凸拱表面152對(duì)光線的縮聚效果，可使得第二折射光R2比第一折射光R1更加縮聚。也就是說(shuō)，經(jīng)過(guò)微透鏡166與凸拱表面152構(gòu)成的雙重透鏡之后，到達(dá)感測(cè)區(qū)域110的光(即第二折射光R2)將更加集中。

根據(jù)本第一優(yōu)選實(shí)施例所提供的BSI影像感側(cè)器10及其制作方法，在完成基底100的正面100F的組成元件，如隔離結(jié)構(gòu)120、感光元件110與內(nèi)連線結(jié)構(gòu)130等的制作后，對(duì)基底100的背面100B進(jìn)行熱處理150，而于基底100的背面100B產(chǎn)生凸拱表面152。而當(dāng)入射光經(jīng)過(guò)微透鏡166與凸拱表面152抵達(dá)感光元件110時(shí)，微透鏡166與凸拱表面152將產(chǎn)生雙重透鏡效果，使得入射光更加的縮聚與集中，故可有效地提升BSI影像感側(cè)器10的光電轉(zhuǎn)換率與感測(cè)靈敏度。

請(qǐng)參閱圖8至圖10，圖8至圖10為本發(fā)明所提供的BSI影像感測(cè)器的制作方法的一第二優(yōu)選實(shí)施例的示意圖。如圖8所示，本優(yōu)選實(shí)施例首先提 供一基底200，基底的材料選擇可參考前述第一優(yōu)選實(shí)施例，故于此不再贅述?；?00可包含一正面200F與一相對(duì)的背面200B?；?00內(nèi)形成有多個(gè)感光元件，感光元件的類型也可參考前述第一優(yōu)選實(shí)施例，故于此亦不再贅述。感光元件至少包含一感測(cè)區(qū)域210，例如一光電二極管?；?00內(nèi)還包含多個(gè)隔離結(jié)構(gòu)220，用以隔離感光元件，避免噪聲的產(chǎn)生。如前所述，隔離結(jié)構(gòu)220甚至可用來(lái)將入射光反射進(jìn)入感測(cè)區(qū)域210，以更提升光電轉(zhuǎn)換率。在本優(yōu)選實(shí)施例中，隔離結(jié)構(gòu)220利用一摻雜制作工藝將所需的摻雜質(zhì)摻雜進(jìn)入基底200，是以本優(yōu)選實(shí)施例所提供的隔離結(jié)構(gòu)220包含摻雜硅材料(doped silicon)。

請(qǐng)仍然參閱圖8。在基底200的正面200F上，還設(shè)置有一內(nèi)連線結(jié)構(gòu)230。如前所述，內(nèi)連線結(jié)構(gòu)230包含多層的層間介電層232以及多層金屬層234。內(nèi)連線結(jié)構(gòu)234的制作步驟也可參考前述優(yōu)選實(shí)施例，故于此不再贅述。接下來(lái)，倒置基底200，并且自基底200的背面200B薄化基底200，直至于基底200的背面200B暴露出隔離結(jié)構(gòu)220。薄化基底200的制作工藝可例如為CMP制作工藝等平坦化制作工藝，但不限于此。而在基底200的背面200B暴露出隔離結(jié)構(gòu)220之后，在基底200的背面200B形成一圖案化硬掩模202，且圖案化硬掩模202如圖8所示暴露出隔離結(jié)構(gòu)220。

請(qǐng)參閱圖9。在形成圖案化硬掩模202之后，對(duì)基底200的背面200B進(jìn)行一蝕刻制作工藝240，以移除部分各隔離結(jié)構(gòu)220，并于各隔離結(jié)構(gòu)220內(nèi)分別形成一凹槽242。凹槽242分別包含一深度d，且深度d介于0.01μm與0.1μm之間，但不限于此。值得注意的是，由于隔離結(jié)構(gòu)220所包含的材料與基底200相同(隔離結(jié)構(gòu)220包含摻雜硅，而基底200包含硅)，因此在本優(yōu)選實(shí)施例中必須先形成圖案化硬掩模202，以在蝕刻制作工藝240中保護(hù)基底200。

請(qǐng)參閱圖10。在形成凹槽242之后，移除圖案化硬掩模202。接下來(lái)，對(duì)基底200的背面200B進(jìn)行一表面處理，例如一熱處理250。在本優(yōu)選實(shí)施例中，熱處理250可包含一激光熱處理，且熱處理250的制作工藝溫度大于1000℃，舉例來(lái)說(shuō)，熱處理250的制作工藝溫度可以是1400℃，但不限于此。另外，熱處理250的制作工藝時(shí)間為數(shù)十毫秒至數(shù)百毫秒。如前所述，熱處理250用以熔融基底200的背面200B的表面硅材料，由于硅材料在熔融后會(huì)產(chǎn)生一內(nèi)聚力，因此在熱處理250時(shí)，基底200的背面200B的表面 被弧角化。如前所述，熟悉該項(xiàng)技術(shù)的人士仍可通過(guò)調(diào)整熱處理250的制作工藝參數(shù)，如時(shí)間、溫度以及壓力等以控制弧角化的程度。是以在熱處理250結(jié)束后，在基底200的背面200B形成多個(gè)凸拱表面252，且凸拱表面252如圖10所示，分別對(duì)應(yīng)于一感光元件/感測(cè)區(qū)域210。此外，感光元件設(shè)置于內(nèi)連線結(jié)構(gòu)230與凸拱表面252之間。如圖10所示，在沿A-A’切線的剖面視角中，凸拱表面252具有一凸頂點(diǎn)252a與兩底端點(diǎn)252b，兩底端點(diǎn)252b與隔離結(jié)構(gòu)220直接接觸。另外值得注意的是，基本上凸頂點(diǎn)252a與底端點(diǎn)252b的垂直距離h大于等于凹槽242(示于圖9)的深度d(圖10中以虛線表示)。另外，除熱處理250之外，表面處理也可包含其他合適的制作工藝，然而在此不予贅述。

在形成凸拱表面252之后，可于基底200的背面，尤其是凸拱表面252上依序形成ARC、平坦層、彩色濾光陣列與微透鏡等組成元件。由于上述組成元件的形成步驟以及其與凸拱表面252的相對(duì)關(guān)系都與第一優(yōu)選實(shí)施例相同，熟悉該項(xiàng)技術(shù)的人士可根據(jù)第一優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明輕易得知，故于此不再贅述。更重要的是，本優(yōu)選實(shí)施例最終獲得的BSI影像感測(cè)器10的光路徑與圖7所示相同，故該多個(gè)細(xì)節(jié)可參閱上述說(shuō)明與圖7，于此都不再贅述。

根據(jù)本第二優(yōu)選實(shí)施例所提供的BSI影像感側(cè)器及其制作方法，在完成基底200的正面200F的組成元件，如隔離結(jié)構(gòu)220、感光元件210與內(nèi)連線結(jié)構(gòu)230等的制作后，在基底200的背面200B形成一保護(hù)基底200背面200B的圖案化硬掩模202，隨后移除部分隔離結(jié)構(gòu)220而形成凹槽242。在形成凹槽242之后，對(duì)基底200的背面200B進(jìn)行熱處理250，而于基底200的背面200B產(chǎn)生凸拱表面252，且凹槽242作為各凸拱表面252的分界。換句話說(shuō)，隔離結(jié)構(gòu)220亦隔離各凸拱表面252。如圖7所示，當(dāng)入射光經(jīng)過(guò)微透鏡與凸拱表面252抵達(dá)感測(cè)區(qū)域210時(shí)，微透鏡與凸拱表面252將產(chǎn)生雙重透鏡效果，使得入射光更加的縮聚與集中，故可有效地提升BSI影像感側(cè)器的光電轉(zhuǎn)換率與靈敏度。

綜上所述，根據(jù)本發(fā)明所提供的BSI影像感測(cè)器及其制作方法，在完成基底正面的組成元件的制作工藝后，在該基底的該背面暴露出該多個(gè)隔離結(jié)構(gòu)，隨后對(duì)該背面進(jìn)行一熱處理，在該基底的該背面形成該多個(gè)分別與一該感光元件對(duì)應(yīng)的凸拱表面，由于凸拱表面具有聚光效果，且凸拱表面所包含 的硅材料的折射系數(shù)較大，因此本發(fā)明所提供的BSI影像感側(cè)器使得入射光在經(jīng)過(guò)由微透鏡與凸拱表面組成的雙透鏡之后，更加集中至感光元件，故可增加BSI影像感測(cè)器的感測(cè)靈敏度，同時(shí)增加光電轉(zhuǎn)換率。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求所做的均等變化與修飾，都應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。