TWI299565B - An image sensing device and fabrication thereof - Google Patents

Description

1299565 九、發明說明： 、 【發明所屬之技術領域】 • 本發明係有關於一種微電子元件，且特別是有關於 一種影像感測元件。 【先前技術】 固態影像感測器對於些許例如數位相機、手機或其 它等之光電子元件係為必要之元件，一般來說，應用於 彩色類比或數位相機或攝錄影機之影像感測器包括電荷 耦合元件（charge-coupled device，以下可簡稱CCD)或是 金氧半導體(CMOS)光二極體陣列結構，此光二極體陣列 結構包括位於一或是多個以彩色濾光陣列圖形化層之下 的分光光感測層，和位於彩色濾光陣列層之上的微透鏡 組件之表面陣列層。影像感測器之一基礎單位可以一晝 素定義之，且用以形成CMOS影像感測器之製造技術可 適用於以上兩種型態的感測器。 CMOS影像感測器包括用以偵測光的光偵測器和可 將所偵測光轉換成電訊號，而更進一步呈現出資料的邏 輯線路。充填因數(fill factor，亦可稱作開口率）係為光感 測區相對於整個晝素尺寸之比例。現今，雖然有許多^ 以增加開口率，而進一步增加感測器靈敏度的技術，但 因為無法完全不使用到相關的邏輯線路，而限制了開口 率的進一步增加。為了增加對光的敏感度，現在已經使 用微透鏡，藉由改變光的路徑，以將光聚焦於光鲁測器。 0503-A31339TWF/Wayne Lian 4 1299565 由於影像感測器一般亦會用於偵測彩色晝面，因此影像 ^ 感測器一般需包括用以接收光，和產生及聚集電荷載子 • 的光偵測器，及例如依序排列於光偵測器上方複數個彩 色濾光單位之彩色濾光陣列（color filter array，以下可簡 稱CFA)，而彩色濾、光陣列一般使用例如紅色、綠色、藍 色(R、G、B)或是黃色、品紅色、青綠色（C、Μ、Y)的三 原色配置。另外，複數個微透鏡係設置於彩色濾光陣列 $ 上方，以增加影像感測器的光敏感度。 請參閱第1圖，其顯示傳統的CMOS影像感測器結 構100之剖面示意圖。結構100包括半導體基底101，其 内具有一光二極體120陣列。各個光二極體120包括例 如一 N-型摻雜區域124於一 P-型摻雜區域122中。各個 光二極體120彼此間以一絕緣結構110陣列隔離，例如 以淺溝槽隔離物（shallow trench isolator，STI)隔離，因此 構成晝素陣列晝素可將來自於光源或影像源的入射光經 @ 由光二極體轉換成電訊號。例如層間介電層或金屬間介 電層之複數個介電層覆蓋基底。位於基底上方的彩色濾 光層包括紅色區、綠色區和藍色區，然而，在此影像感 測元件中，晝素中的電子很容易經由其下的基底進入到 鄰近的晝素（此現象可稱做為串音（cross-talk))，特別是， 當畫素的尺寸縮減時，串音現象更容易發生，此外，傳 統的影像感測器無法提供均勻的三原色感光度。 【發明内容】 0503-A31339TWF/Wayne Lian 5 1299565 ^ 目此㈣上述問題，本發明之-目㈣為提供-種 影像感測元件及其製造方法，以改善傳統影像感測元件 之漏電流及串音之問題。 本發明提供-種影像感測元件。—主動層位於一基 底上。-絕緣區位於主動層中，以定驗數個晝素，其 中絕緣_繞相制之晝素，且接觸或延伸人基底，以 、、’巴緣母晝素。複數個光二極體位於晝素中。 • 一種影像感測元件之製造方法。首先，提供一包括 主動層之基底。其後，形«數赌緣區於主動層中 其中絕緣區接觸或延伸入基底，以絕緣和定義相對應的 複數個晝素。後續，在每個晝素中形成__摻雜區，以形 成一光二極體。 【實施方式】 以下將以實施例詳細說明做為本發明之參考，且 鲁例係伴隨者圖式說明之。在圖式或描述中，相似或相同 係使用相同之圖號。在圖式中，實施例之形狀或 疋厚度可擴大’以簡化或是方便標示。圖式中各元件之 部分將以㈣描述朗之，值得注意的是，圖中未汾示 —述之元件’可以具有各㈣f此技藝之人士所^的 形式。此外，當敘述一層係位於一基板或是另一層上時， 直接位於基板或是另—層上，或是其間亦可以有 第2A圖〜第2G圖揭示本發明一實施例影像感測器 〇503-A31339TWF/Wayne Lian 6 1299565 之製造方法，如第2A圖所示，提供一基底200，且形成 一主動層202於基底200上。在本發明之一實施例中， 基底200可包括基礎半導體（例如多晶矽、單晶矽、複晶 矽和/或鍺）、複合半導體(例如碳化矽、和/或砷化稼）、合 金半導體（例如 SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GalnP 和/或GalnP)，此外，基底200亦可包括例如主體矽或是 蟲晶梦層之主體半導體’此外’基底亦可以是例如絕緣 層上有矽之絕緣層上有半導體，或是薄膜電晶體TFT基 底，基底亦可包括多層石夕結構或是多層複合半導體結 構，更甚著，基底不限於半導體基底，其可以為玻璃基 底，在本發明之一較佳實施例中，基底為一矽基底，且 基底更佳為具有例如1〇17〜l〇2Gatoms/cm3之高濃度之矽 基底。 此外，在基底200和主動層202間可形成有一絕緣 層（未繪示），在一實施範例中，此絕緣層可以是埋藏氧化 層（buried oxide layer，以下可簡稱30又），埋藏氧化層 可以藉由埋藏氧化層氧植入隔離法（separation by implantation of oxygen，以下可簡稱 SIMOX)形成，另外， 絕緣層可藉由熱氧化法、低壓化學氣相沉積法LPCVD、 常壓化學氣相沉積法APCVD、電漿化學氣相沉積法 PECVD、原子層沉積法人1^、物理氣相沉積法或相似的 技術形成於基底200上，絕緣層亦可包括氧化物、氧化 矽、氮化矽、氮氧化矽、低介電材料、空氣間隙、上述 的組合和/或其它的材料。 0503-A31339TWFAVayne Lian 7 1299565 位於基底上的主動層202可以是一磊晶層或是一晶 ' 圓接合(wafer bonding)層，例如磊晶層之主動層可藉由液 ‘ 相蠢晶、氣相蠢晶、有機金屬氣相蟲晶、分子束蟲晶和/ 或其它的磊晶方法形成，較佳者，主動層202係為具有 例如介於1013〜l〇17atoms/cm3之低摻雜濃度的矽層，在本 發明之一較佳實施例中，基底200為P+矽基底，且位於 基底200上的主動層202係為摻雜有p_摻雜物的矽。當 _ 基底2⑼為重摻雜時，主動層202之較佳厚度需大於 3μιη，另外，當主動層200和基底2〇2間形成有一絕緣層 時，主動層之較隹厚度為大於2μιη。 如第2Β圖所示，於主動層202中形成複數個絕緣區 2〇4 ’以定義且隔離出三原色之晝素2〇6、2〇7、2〇8。在 本發明之一實施例中，絕緣區2〇4接觸基底2〇〇，在另一 貫施例中，絕緣區204a係延伸入基底2〇〇，如第2Β，圖所 示。包圍晝素206、207、208的絕緣區204可採用圖形 • 化之光阻層或是硬式罩幕層做為罩幕，藉由離子佈植或 擴散形成，上述的佈植方法可以為傳統的離子佈植法， 或是電漿源離子佈植技術（plasma source ion implantation，以下可簡稱以卬’離子源可以為硼或是 銦，較佳者，絕緣區204可包括p+推雜物之石夕，且更佳 者，絕緣區204之掺雜量可為1013〜1017at_/cm3。 之後，如第2C圖所示，在每個晝素206、207、208 中形成#雜區210,以形成光二極體，此摻雜區⑽可 和主動層202具有相反的接雜型態，在此實施例中，換 0503-A31339TWF/Wayne Lian 1299565 雜區210可以是N型，且其可採用一圖形化的光阻和/或 硬式罩幕層做為罩幕，進行離子步植而形成，其中離子 步植步驟之離子源可以為珅或磷：，較佳者，摻雜區 和絕緣區204可相距大於Ο.ίμιη，以防止對位誤差而產生 漏電流。 請參照第2D圖，形成固定層212(pinned layer)於主 動層202中，且固定層212係對應到三原色的晝素2〇6、 207、208 ’在本發明之一實施例中，固定層212可延伸 入絕緣區204中，且固定層212較佳為和絕緣區2〇4及 基底200具有相同的電位能，以減少來自於基底2〇〇表 面的暗電流。由於固定層212可便基底或主動層表面電 位能為例如接地或0V之電能位，因此固定層212可抑制 基底200表面產生暗電流，另外，可藉由降低相對於光 電子產生速率之雜訊電子的產生速率抑制暗電流，而改 善影像感測器的訊號雜訊比，因此可藉由於表面提供P 型的固定層而減少暗電流。 第4圖揭示第2D圖之被固定之光二極體沿著4-4, 剖面線之靜電電位能輪廓剖面圖，如第4圖所示，藍光 的靜電位能係鄰接於光二極體的表面。對光二極體表面 位能進行固定亦可改善藍光的量子效率，其中藍光的量 子效率之改善係藉由提供一使產生在表面的光電子吸引 至被固定光二極體之靜電位能井達成，此現象可由第4 圖得知。另外，亦可藉由抑制介面態，減少近表面光電 子的結合，而改善藍光量子效率。 0503-A31339TWFAVayne Lian 9 1299565 接下來，請參照第2E圖，例如層間介電層或金屬門 介電層的介電層214、216和218和保護層220覆蓋光〜 極體，介電層214、216、218和220可包括氧化石夕層了 氮化矽層、氮氧化矽層或旋轉塗佈層所組成，且每〜介 電層214、216、218、220之厚度可約介於〇·2μη!〜1 之間，其中氧化矽層之厚度較佳約小於4·5μιη，氮化砂層 之厚度較佳約小於〇·5μιη，後續，可於介電層上形成—多 層内連線，一般來說，多層内連線可包括形成在金屬間 介電層214、216、218和保護層220上或是中間的播塞 222、224、226 和金屬線 228、230、230。 如第2F圖所示，形成一第一平坦化層234於保護層 22〇上’以呈現出平坦的表面’其中第一平坦化234層可 以為一較厚的層，以可得到平坦的表面，之後，形成一 彩色濾光層236於平坦化層234上，彩色濾光層236可 以是一三原色圖形化的光阻。接著，如第2G圖所示，形 成一例如具有相當厚度TEOS層之第二平坦化層238於 彩色濾光層236上，接著，對應於每個晝素，形成微透 鏡240於第二平坦化層238上。 第2G圖係為本發明一實施例之光影像感測元件之 剖面圖，如圖所示，一主動層202位於一基底200上， 其中主動層202和基底200具有不同的導電率，在一實 施範例中，主動層202係為Ρ-型的磊晶層。複數個光二 極體221、223、225位於主動層中，其中每個光二極體 包括與主動層202及基底200具有不同摻雜型態的摻雜 0503-A31339TWF/Wayne Lian 10 1299565 區210,以於其中形成空乏區，而可經由光線照射產生電 子，舉例來說，摻雜區210之型態可以是N-型態，其可 • 不同於P+型態之基底200和P-型態之磊晶層202。一絕 緣£ 204可"於兩相鄰的光二極體間，且絕緣區204接 觸基底200。在本發明之一較隹實施例中，絕緣區可 為摻雜矽，且更佳者，絕緣區204可和基底200具有相 同的摻雜型態，舉例來說，絕緣區204可以是卩+石夕。 鲁， 一固疋層212係位於主動層202之上部部分，且較 佳鄰接於主動層202之上表面，固定層212可接觸或是 延伸入絕緣區204中，固定層212可以是Ρ+型態。固定 層212、絕緣區204和基底200可具有相同的電位位能， 且較佳者，固疋層212係接地以減少位於主動層202表 面的暗電流，更甚者，可於絕緣區204上形成控制光二 極體之電晶體（未繪示）。 在本發明之另一實施例中，所描述的各層和各區可 # 和上述貫施例有相反的型態，舉例來說，當基底200為 Ν+型，主動層202可為型，摻雜區21〇可為ρ-型，絕 緣區204可為Ν+型，且固定層212可為Ν+型。 此外，本發明一實施例中，光感測元件更包括複數 個位於主動層214、216和218上之介電層214、216、218, 並且一保護層220係位於介電層214、216、218上，一 第一平坦化層234位於保護層22〇上，一彩色濾光層236 係位於第一平坦化層234上，一第二平坦化層238位於 彩色濾光層236上，且複數個微透鏡24〇係位於第二平 0503-A31339TWFAVayne Lian 11 1299565 坦化層238上。 第3圖係為本發明一實施例之上視圖，請參照第3 圖，做為保護環之絕緣區204係圍繞光二極體221、223、 225，以更進一步抑制暗電流，然而，本發明不限於此， 絕緣區204可以任何形狀或是形式圍繞光二極體221、 223 、 225 〇 在本發明之較佳實施例中，由於位於主動層中之絕 緣區接觸或是延伸入具有高濃度摻雜物之基底或絕緣 層，可減少漏電流或串音，此外，絕緣區係和光二極體 分開，以減少因為對位誤差之光二極體所產生的暗訊號。 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，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之 精神和範圍内，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。

0503-Α31339TWFAVayne Lian 12 1299565 【圖式簡單說明】 第1圖係顯示傳統的CMOS影像感測器結構之剖面 示意圖。 第2A、2B、2B、2C圖〜第2G圖揭示本發明一實施 例影像感測元件之製造方法。 第3圖係為本發明一實施例影像感測元件之上視圖。 第4圖揭示第2D圖沿著4-4’剖面線之靜電位能剖面 【主要元件符號說明】 100〜結構； 110〜絕緣結構； 122〜P-型摻雜區域； 200〜基底； 204〜絕緣區； 206、207、208〜三原 204a〜絕緣區； 212〜固定層； 220〜保護層； 222、224、226〜插塞 234〜第一平坦化層； 238〜第二平坦化層； 101〜半導體基底； 120〜光二極體； 124〜N-型摻雜區域； 202〜主動層； 210〜摻雜區； 214、216和218〜介電層； 221、223、225〜光二極體； 228、230、230〜金屬線； 236〜彩色濾光層； 240〜微透鏡。 0503-A31339TWFAVayne Lian 13

Claims (1)

1. Ί259565 第95115252號申請專利範圍修正本十、申請專利範圍： .1C 本 修正日期：97.3.14 1. 一種影像感測元件，包括： 一基底； 以定義複數個晝素， 且接觸或延伸入該基 一主動層，位於該基底上； 一絕緣區，位於該主動層中 其中該絕緣區圍繞相對應之晝素 底，以絕緣每一書素；

   緣區 複數個光二極體，位於該些晝素中；及 一固定層’鄰接該主動層之上表面，且延伸入該絕 2. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測元件，其 中该主動層和該基底具有不同的導電率。 3. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測元件，其 中《亥、、& ’、彖區係為摻雜;5夕，且該摻雜石夕和該基底具有相同 的導電率。 士申明專利範圍第1項所述之影像感測元件，其 中H彖區之摻雜濃度大體上介於1〇13〜1〇17伽咖，削3。 汝申明專利範圍第1項所述之影像感測元件，其 中： 該基底為P+型態矽； 该絕緣區為P+型態梦； 該主動層為P-型態矽；及 该光二極體為N-型態石夕。 6·如申請專利範圍第1項所述之影像感測元件，其 0503-A31339TWFl/Wayne 1299565 修正日期：97.3.14 第95115252號申請專利範圍修正本 中·· 該基底係為N+型態石夕； 該絕緣區係為N+型態石夕； 5亥主動層係為]sj -型態梦；及 5亥光一極體係為P -型態秒。 如中請專利範圍第！項所述之影像感測元件，其 中該基底之#雜濃度大於該絕緣區之摻雜濃度，且該絕 緣區之摻雜濃度大於該固定層之摻雜濃度。 8.如申請專利範圍第！項所述之影像制元件，且 中該固定層、該絕緣區和該基底大體上具有相同之電壓 專利範圍第丨項所述之影像感測元件，更 至少一介電層，位於該主動層上； 一保護層，位於該介電層上； 一第一平坦化層，位於該保護層上； 一彩色濾光層，位於該第一平坦化層上； 一第二平坦化層，位於該彩色濾光層上；及 複數個微透鏡，位於該第二平坦化層上。 10· —種影像感測元件之製造方法，包括·· 提供一基底，包括一主動層； 开> 成複數個絕緣區於該主動層中，其中該些絕緣區 接觸或延伸入該基底，以絕緣和定義相對應的複數個晝 〇503-A31339TWFl/Wi 15 ϊ20_252號申鱗概正本 修正日期·· 97·3.14 在每個該些晝素中形成一摻雜1，以形成一光二極 體；及 在母個晝素中形成一固定層，其中該固定層鄰接該 主動層之上表面，且延伸入該絕緣區。 j π·如申請專利範圍第10項所述之影像感測元件之 製造方法’其中形成該些絕緣區之步驟係採用離子佈植 方法。 I 12·如申請專利範圍第1〇項所述之影像感測元件之 製造方法，其中該主動層和該基底具有不同的導電率。

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