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TWI617017B - 背面照明型影像感測器及其製造方法 - Google Patents

背面照明型影像感測器及其製造方法 Download PDF

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TWI617017B
TWI617017B TW104139098A TW104139098A TWI617017B TW I617017 B TWI617017 B TW I617017B TW 104139098 A TW104139098 A TW 104139098A TW 104139098 A TW104139098 A TW 104139098A TW I617017 B TWI617017 B TW I617017B
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photosensitive element
plug portion
image sensor
gate structure
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蔡宗翰
鄭允瑋
周俊豪
李國政
許永隆
陳信吉
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台灣積體電路製造股份有限公司
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Abstract

一背面照明型(BSI)影像感測器包含一半導體基底，其具有一第一表面和相對該第一表面的一第二表面；一感光元件，其位於該半導體基底中；一閘極結構，其部分地位於該半導體基底的該第一表面上；以及一臨時載子儲存區，其靠近該半導體基底的該第一表面，其中該閘極結構包含一插塞部分，該插塞部分從該第一表面朝向該第二表面延伸。該閘極結構的該插塞部分有助於提高電荷轉移效率，以改善該BSI影像感測器的量子效率。

Description

背面照明型影像感測器及其製造方法 【優先權聲明和交叉引用】
本申請請求對於2015年5月19日提出的題為“背面照明型影像感測器及其製造方法(BACKSIDE ILLUMINATED IMAGE SENSOR AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME)”的第62/163，548號臨時申請案的優先權，且其全部在此引入作為參考。
本發明係有關於影像感測器，且特別是有關於背面照明型影像感測器及其形成的製造方法。
半導體影像感測器用於將光學圖像轉換成電信號，且半導體影像感測可以分類為互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器和電荷耦合元件(CCD)傳感器，其廣泛用於諸如數碼相機或移動電話相機應用的各種應用。
通常，由於CMOS影像感測器固有的特定優勢，CMOS影像感測器相比傳統電荷耦合元件被日益普及。特別是，CMOS影像感測器通常需要較低的電壓，消耗更少的功率，可自由訪問圖像數據，可用相容的CMOS工藝來製造，且能够集成單晶片攝像機。通常情況下，CMOS影像感測器利用感光CMOS電路將光能轉化為電能，感光CMOS電路可包括在矽基底中的感光元件。當感光元件暴露於光下，感光元件中产生電荷。由感光元件產生的電荷隨後被控制，並通過MOS 開關電晶體採樣。
CMOS影像感測器可以被進一步分為兩大類，即根據不同的光程差的前端照明型(FSI)影像感測器和背面照明型(BSI)影像感測器。在FSI影像感測器中，光從被攝體場景入射到CMOS影像感測器的前側，穿過介電層和互連層，最終落在光電二極體上。在光路中的附加層(例如，不透明和反射性金屬層)可以限制感光元件吸收光的量，從而減少量子效率。與此相反，在BSI影像感測器的附加層(例如，金屬層)中不存在阻礙。光入射到該CMOS影像感測器的後端。其結果是，光可以通過一個直接路徑撞擊感光元件。這樣的直接路徑有助於增加光子轉換成電子的數量。
本發明提供一影像感測器，其包括一像素陣列，其中該像素陣列包含複數個像素，且其中該複數個像素的每一者包括：一半導體基底，其具有一第一表面和相對該第一表面的一第二表面；一感光元件，其位於該半導體基底中；一閘極結構，其部分地位於該半導體基底的該第一表面上；以及一臨時載子儲存區，其靠近該半導體基底的該第一表面，其中該閘極結構包含一插塞部分，該插塞部分從該第一表面朝向該第二表面延伸。
本發明亦提供一包括一像素陣列的影像感測器，其包括：一半導體基底，其具有一第一表面和相對該第一表面的一第二表面；一第一感光元件，其位於該半導體基底的一第一區域中；一第二感光元件，其位於該半導體基底的一第二區域中；一第一閘極結構，其位於該半導體基底的該第一表面上；以及一第二閘極結構，其位於該半導體基底的該第一表面上，其中該第一閘極結構具有一第一插塞部分，該第一插塞部分從該第一表面朝向該第二表面延伸，且該第二閘極結構具有一第二插塞部分，該第二插塞部分從該第一表面朝向該 第二表面延伸，以及其中該第一插塞部分的一第一深度小於該第二插塞部分的一第二深度。
本發明更提供一種用於製造一影像感測器的方法，其包括：形成一第一感光元件於一半導體基底的一第一區域中，該半導體基底具有一第一表面和相對該第一表面的一第二表面；通過乾蝕刻操作於該半導體基底中形成一開口；以及於該開口中形成具有一插塞部分的一第一閘極結構，其中該插塞部分從該第一表面朝向該第二表面延伸。
73‧‧‧行進路徑
100、200A、200B、300A、300B、400A、400B、500A、500B‧‧‧BSI影像感測器元件
105‧‧‧開口
107‧‧‧第二開口
109‧‧‧第一開口
110‧‧‧像素
120、420、520‧‧‧半導體基底
120a、420a、520a‧‧‧第一表面
120b、420b、520b‧‧‧第二表面
130、130L、430a、430b、430bL、530a、530b、530c‧‧‧感光元件
140、440、540‧‧‧淺溝槽隔離
144‧‧‧摻雜區域
150、450、550‧‧‧閘極介電層
165‧‧‧硬遮罩
167‧‧‧凹槽
160、460L、460R、560L、560M、560R‧‧‧閘極結構
160a、460a、460b、560a、560c、560c‧‧‧插塞部分
170、470、570‧‧‧臨時載子儲存區
180、480、580‧‧‧間隔物
190、490、590‧‧‧後端溝槽隔離
600~604、800~818B‧‧‧步骤
1000、4000、5000‧‧‧處理單元
1050、4050a、4050b、5050a、5050b、5050c‧‧‧表面
1100、4100、5100‧‧‧底部抗反射塗層(BARC)
1200、4200a、4200b、5200a、5200b、5200c‧‧‧彩色濾光片層
W1‧‧‧預定值
d41‧‧‧插塞部分460a的深度
d42‧‧‧插塞部分460b的深度
d51‧‧‧插塞部分560a的深度
d52‧‧‧插塞部分560b的深度
d53‧‧‧插塞部分560c的深度
H1‧‧‧插塞部分1底面垂直測量到感光元件頂面的高度
H2‧‧‧插塞部分底面垂直測量到感光元件底面的高度
為協助讀者達到最佳理解效果，建議在閱讀本揭露時同時結合附圖及以下詳細說明。應該注意的是，遵照行業內標準做法，各特徵不是按比例繪製。事實上，為了清楚的討論，各特徵尺寸可以任意放大或縮小。
圖1為示出根據本揭露的一些實施例的背面照明型(BSI)影像感測器元件100的截面圖。
圖2A為示出根據本揭露的一些實施例的BSI影像感測器元件200A的截面圖。
圖2B為示出根據本揭露的一些實施例的沒有後端溝槽隔離(BTIs)的BSI影像感測器元件300A的截面圖。
圖3A為示出根據本揭露的一些實施例的BSI影像感測器元件300A的截面圖。
圖3B為示出根據本揭露的一些實施例的沒有後端溝槽隔離(BTIs)的BSI影像感測器元件300B的截面圖。
圖4A為示出根據本揭露的一些實施例的BSI影像感測器元件400A的截面圖。
圖4B為示出根據本揭露的一些實施例的沒有後端溝槽 隔離(BTIs)的BSI影像感測器元件400B的截面圖。
圖5A為示出根據本揭露的一些實施例的BSI影像感測器元件500A的截面圖。
圖5B為示出根據本揭露的一些實施例的沒有後端溝槽隔離(BTIs)的BSI影像感測器元件500B的截面圖。
圖6為根據本揭露的一些實施例的形成BSI影像感測器元件的簡化流程圖。
圖7A至圖7K為根據圖6的流程圖形成BSI影像感測器元件的順序操作的截面圖。
圖8為根據本揭露中的一些實施例的如圖4A及圖4B示出的形成BSI影像感測器元件的流程圖。
圖9A至圖9D為根據圖8的流程圖形成BSI影像感測器元件的操作的截面圖。
以下揭露內容提供了數個不同的實施例或示例，用於實現所提供主題的不同特徵。為簡化本公開內容，各器件和佈局的具體示例描述如下。當然，這些僅僅是示例且並不旨在有所限定。例如，本描述中的第一特徵基於第二特徵之上，跟隨第二特徵的形成可以包括一些實施例，該實施例中第一特徵和第二特徵以直接接觸形成；也可以包括一些實施例，該實施例中附加特徵形成於第一特徵和第二特徵之間，以使得該第一特徵和第二特徵以間接接觸形成。此外，本公開內容可在各個示例中重複參考數值和/或字母。這種重複是為了簡化和清楚的目的，本身並不表明所討論的各個實施例和/或配置之間的關係。
此外，為便於描述本文，空間相對術語，如“在...之下”，“以下”，“下”，“上方”，“上面的”等，在本文中被使 用。該術語用來描述一個元件，或與另一元件(複數個)特徵的關係，或圖中所示的特徵(複數個特徵)。空間相對術語意在包含正在使用或操作中的元件的不同方向，除了在附圖中已描述的方向。該元件可被另外定位(旋轉90度或沿其它方向)，並在此使用的空間相對描述符同樣可以相應地解釋。
本揭露的實施例的製造和使用在下面詳細討論。然而，應當理解的是，實施例提供了許多適用的發明性概念，其可在各種特定背景下實施。應當理解的是，以下的公開內容提供了許多不同的實施例或示例用於實施各種實施例的不同特徵。為簡化本揭露，元件和佈置的具體示例描述如下。當然這些是僅僅是示例並不旨在是限制性的。
在附圖中示出的實施例或示例使用具體的語言在下面被揭露。然而應當理解的是，實施例或示例並不旨在是限制性的。本揭露的實施例的任何變化和修改，以及本文中的原理的任何進一步的應用都被認為是相關領域的普通技術人員通常會想到的。
此外，應當理解的是，元件的複數個處理操作和/或特徵可以僅簡單地描述。此外，附加的處理操作和/或特徵可被添加，且某些以下該的處理操作和/或特徵可被刪除或改變，同時仍實現權利要求。因此，以下的描述應被理解為僅代表示例，並不旨在表明一個或複數個操作或特徵是必需的。
BSI影像感測器元件通常需要兩種以上的像素，該像素被入射輻射分類為像素陣列形成重複單元。在傳統的BSI影像感測器元件中，較厚的矽基底既被用於延長和也被用於顯示波長感測。通常情況下，例如，紅外線(IR)和紅光屬於長波長應用，綠光和藍光屬於短波長應用。當然，這些是僅僅是示例並不旨在是限制性的。此外，當像素的尺寸變小時，在相鄰像素之間可能會引起更多的交互干擾影 響。因此，需要在相鄰像素之間形成後端溝槽隔離(BTI)以解決上述問題。此外，對於短波長應用，較厚的矽基底將阻礙電荷從感光元件轉移到臨時載子儲存區，因此，將惡化電荷轉移效率。
圖1為示出根據本揭露的一些實施例的BSI影像感測器元件100的截面圖。BSI影像感測器元件100包括具有複數個像素110的像素陣列。該像素中的每一者包括具有一第一表面120a和一第二表面120b的一半導體基底120。在一些實施例中，半導體基底120可具有一第一導電類型，例如，P型基底。或者，該半導體基底120可具有一第二導電類型，例如，N型基底。此外，該半導體襯底120可包括各種摻雜區域，每一摻雜區域具有N型或P型，如N阱或P阱。在所描繪的實施例中，該半導體基底120是矽基底。或者，該半導體基底120可包括另一元素半導體，如鍺和/或金剛石、化合物半導體、合金半導體，或其組合。
在本實施例中，幾個感光元件130形成於該半導體基底120中。該感光元件130可通過注入N型摻雜物到P型基底上形成。在一些實施例中，該感光元件130的該位置或該尺寸根據入射光的波長來確定。
參考圖1，該BSI影像感測器元件100進一步包括淺溝槽隔離(STIs)140，其定位於該相鄰像素之間。通常，STI 140通常是延伸到該半導體基底120的預定深度的溝槽，且填充有氧化物或其它介電材料。在本實施例中，該STIs 140的該尺寸可取決於其應用而變化。
如圖1所示，每個像素110中的該閘極結構160具有延伸到該半導體基底120的一插塞部分160a。在一些實施例中，該閘極結構160形成於一閘極介電層150上。在一些其它實施例中，該閘極介電層150延伸超出於該第一表面120a頂部的該閘極結構160。例如，該閘極結構160是由導電材料製成。在本實施例中，該閘極結構160是由多晶矽製 成，且該插塞部分160a的尺寸可根據不同的應用作為設計因素而變化。在一些實施例中，該插塞部分160a的一表面1050側向耦合至該感光元件130。該表面1050包括從該插塞部分160a的底面垂直測量到該感光元件130的頂面的高度H1。該感光元件130包括從該插塞部分160a的底面垂直測量到該感光元件130的底面的高度H2。在一些實施例中，該高度H1和該高度H2之間的比率近似地大於1。該插塞部分160a的寬度可基於不同的應用或該像素的大小來選擇。例如，該插塞部分160a的寬度可被選擇下至約100nm與約250納米之間。然而，該值不旨在是限制性的。在本揭露中，術語“側向耦合”用於描述該感光元件和該插塞部分之間的空間關係。例如，該感光元件和該插塞部分之間的重疊，即，圖1中的該感光元件在該插塞部分的該表面1050旁。然而，術語“側向耦合”至少包括以下安排：(a)該感光元件和該插塞部分直接接觸，或(b)該感光元件和該插塞部分不直接接觸，兩者之間的距離低於預定值W1，例如，從約5nm至約200nm，從約5nm至約10nm，或從約0nm至約5nm。間隔物180沿著該閘極結構160的該側壁形成。在一些實施例中，該間隔物180可由氧化矽、氮化矽或它們的組合製成。臨時載子儲存區170形成於靠近該半導體基底120的該第一表面120a處。該臨時載子儲存區170可臨時存儲產生在該感光元件130中的電荷。該臨時載子儲存區170可連接至金屬觸點和其他電路，然後轉移該電荷至一處理單元1000，該處理單元1000用於輸出電信號。該臨時載子儲存區170具有與該感光元件130的導電類型相同的導電類型。該臨時載子儲存區170具有與該半導體基底120的導電類型相反的導電類型。
在一些實施例中，如圖1所示的BSI影像感測器元件100可進一步包括後端溝槽隔離(BTIs)190，其定位於相鄰像素之間。通常，BTI 190是從該第二表面120b延伸到該半導體基底120的預定深度 的溝槽，且填充有氧化物或其它介電材料。在本揭露中，該BTIs 190的尺寸可以根據其應用而變化。
底部抗反射塗層(BARC)1100設置在該半導體基底120的該第二表面120b。在所描繪的實施例中，該BARC 1100直接接觸該半導體基底120的該第二表面120b。或者，一層或者多層設置在該BARC 1100和該半導體基底120的該第二表面120b之間。在一些實施例中，該BARC 1100可以是介電層，如碳化矽(SiC)層。該BARC 1100具有合適的厚度，以使得該BSI影像感測器元件100表現出最佳的量子效率並提供各種光波長至該半導體基底120的最佳透射率。
仍舊參考圖1，彩色濾光片層1200覆蓋該半導體基底120的該第二表面120b。更具體地，該彩色濾光片層1200覆蓋該BSI影像感測器元件100的該BARC 1100。在一些實施例中，該彩色濾光片層1200可包括超過一種類型的彩色濾光片。例如，該彩色濾光片層1200可包括一組過濾長波長的彩色濾光片，如綠光和藍光；和另一組過濾短波長的彩色濾光片，如紅光或IR。該彩色濾光片層1200可包括合適的材料，例如基於染料的聚合物(或基於顏料的聚合物)，該基於染料的聚合物用於濾除特定的頻帶(例如光的所需波長)。或者，該彩色濾光片層1200可包括樹脂或其它具有彩色顏料的有機類材料。
參考圖2A，圖2A示出根據本揭露的一些實施例的背面照明型(BSI)影像感測器元件200A的截面圖。與圖1相比，該BSI影像感測器元件100與該BSI影像感測器元件200A之間的差異在於該感光元件130的該位置以及該閘極結構160的該插塞部分160a的深度。此外，該BARC 1100和該BSI影像感測器元件200A的該彩色濾光片層1200與在圖1中所描述的該BSI影像感測器元件100的該BARC 1100和該彩色濾光片層1200不同。在此說明性實施例中，該入射輻射被設計為短波長的可見光，如綠光和藍光。例如，藍色波長被從約440nm至 約490nm的波長表示，綠色波長被從約490nm至約570nm的波長表示。由於綠色波長在可見光光譜的中心，提高該BSI影像感測器的該綠色光透射率將會提高所有可見波長整體的透射率，從而提高所有可見波長整體的量子效率。在此說明性實施例中，該閘極結構160的該插塞部分160a的該深度大於該半導體基底120的厚度的一半。
參考圖2A，在一些實施例中，由於該感光元件130和該半導體基底120的該第二表面120b之間的較短吸收長度，如綠光和藍光的短波長可以快速地被該感光元件130吸收。產生在該感光元件130中的電荷可能會經歷較長的行進路徑73，通過該BSI影像感測器元件200A的該左像素中的沿著該閘極結構160的該插塞部分160a的虛線所表示。由於該入射輻射可被迅速轉換為電荷，且該電荷可沿該插塞部分160a被引導到該臨時載子儲存區170，用於降低相鄰像素之間的電交互干擾的BTIs 190可在一些實施例中省略。其結果是，用於感測入射輻射的該感光元件可被放大。為清楚起見，圖2B中示出了根據本揭露的一些實施例中的不具有BTIs 190的BSI影像感測器元件200B的截面圖。在圖2B中，該感光元件130L的寬度大於圖2A中的該感光元件130的寬度。放大後的該感光元件對於涉及比例縮小的元件尺寸的集成電路(IC)技術，特別是對於小像素尺寸降低至1.4μm或更小尺寸來說是至關重要的。
現參考圖3A，圖3A示出根據本揭露中的一些實施例中的背面照明型(BSI)影像感測器元件300A的截面圖。在一些實施例中，該感光元件130的摻雜濃度分佈包括鄰近該感光元件130的底部的摻雜濃度高於該感光元件130的頂部的摻雜濃度。該雜質濃度分佈表明梯度以使得電荷被由濃度梯度產生的電場引導且向上移動以接近該插塞部分160a的輪廓。在一些實施例中，該電荷包括一負電荷，例如電子。與圖2A相比，該BSI影像感測器元件200A和該BSI影像感測器元件 300A之間的區別是設置在該感光元件130上的固定二極管。具有與該感光元件130導電類型相反的一摻雜區域144設置在靠近該第一表面120a處。該固定二極管設置在第一表面120a之下。該摻雜區域144可捕獲通過表面的不飽和鍵進入該基底的電荷。該摻雜區域144防止該電荷朝向該臨時載體託管170遷移，從而降低光電二極管的靈敏度。在圖3B中，電荷被引導沿著該行進路徑73移動(虛線示出)。該電荷沿著該插塞部分160a的輪廓行進到該臨時載子儲存區170。在一些實施例中，該臨時載子儲存區170設置為使得沒有感光元件130被設置在該臨時載子儲存區170之下。與該感光元件130相比，該臨時載子儲存區170被設置在該插塞部分160a的相反側。另一方面，該摻雜區域144被設置在與該感光元件130的相同側。
在一些實施例中，該插塞部分160a具有與該半導體基底120的該第一表面120a上的該閘極結構160的一部分相等的寬度。例如，該閘極結構160的該寬度可以被選擇下至在約100nm和約250nm之間，類似於該插塞部分160a的寬度。
如圖3B中所示，圖3A中的BTIs 190可被省略以適應該感光元件更大的尺寸。為清楚起見，圖3B示出根據本揭露中的一些實施例中的沒有BTIs 190的BSI影像感測器元件300B的截面圖。在圖3B中，該感光元件的寬度130L大於圖3A中的感光元件130的寬度。在一些實施例中，該摻雜區域144包括與感光元件130L導電類型相反的導電類型。該電荷可被吸引到該摻雜區域144。該摻雜區域144設置為與該臨時載子儲存區170同一水平。
參考圖4A，圖4A為示出根據本揭露中的一些實施例中的背面照明(BSI)影像感測器元件400A的截面圖。與圖1、圖2A、圖2B、圖3A和3B中所示的該BSI影像感測器相比，BSI影像感測器元件400A具有定位在該半導體基底420的不同深度的該感光元件430a和430b。另 外，該閘極結構460L的該插塞部分460a的該深度d41和該閘極結構460R的該插塞部分460b的該深度d42是針對於該入射輻射的不同波長的設計因素。例如，大多數的短波長的光子，如綠光或藍光的光子，具有淺的穿透深度。其結果是，如圖4A中所示，最好是在該半導體基底420的深處內部注入該感光元件430b，以使得當該入射輻射照射在一像素中的該半導體基底420的該第二表面420b上時，短波長的光子可迅速被該感光元件430b吸收。另一方面，對於長波長光子，例如紅光或IR的光子，其大部分光子可具有更深的穿透深度，相應的感光元件430a也可以定位於遠離輻射進入的該第二表面420b的位置。例如，在圖4A中，該感光元件430a可適合於感測可見光譜中的長波長，如紅光或IR。另一方面，該感光元件430b也可適合短波長的可見光，例如綠光和藍光。
在本實施例中，該閘極結構460L和460R由多晶矽製成，且該插塞部分460a和460b的該尺寸可根據不同的應用作為設計因素而變化。在一些實施例中，該插塞部分460a的表面4050a和該插塞部分460b的4050b分別被側向耦合到該感光元件430a和430b。在一些實施例中，該插塞部分460a和該插塞部分460b的寬度可為約100nm和大約250nm之間。
仍參考圖4A，底部抗反射塗層(BARC)4100設置在該半導體基底420的該第二表面420b。該底部抗反射塗層(BARC)4100類似於圖1中的該BARC 1100。本揭露中，該BARC 4100在設計上可以是不同的，其取決於入射輻射的該波長。
參考圖4A，彩色濾光片層4200a和4200b覆蓋在該半導體基底420的該第二表面420b之上。更具體地，該彩色濾光片層4200a和4200b覆蓋在該BSI影像感測器元件400A的該BARC 4100之上。在一些實施例中，該彩色濾光片層4200a可包括一組過濾長波長的彩色濾光 片，如紅光和IR；和該彩色濾光片層4200b可包括一組過濾短波長的彩色濾光片，如綠光和藍光。在一些實施例中，如圖4A中所示的該BSI影像感測器元件400A可進一步包括類似於圖1中所示的該後端溝槽隔離(BTIs)190的後端溝槽隔離(BTIs)490。本揭露中，圖4A中所示的元件結構示出該BSI影像感測器400A的該量子效率是通過優化電荷轉移效率來改善，該BSI影像感測器400A具有取決於入射輻射波長的插塞部分460a和460b的設計，以及該感光元件430a和430b的位置設計。
現參考圖4B，圖4B示出根據本揭露中的一些實施例中的沒有背面溝槽隔離(BTIs)的BSI影像感測器元件400B的截面圖。在說明性實施例中，由該入射輻射所產生的電荷可以被迅速轉移，且沿該插塞部分460a和460b分別引導到該臨時載子儲存區470。因此，用於降低相鄰像素之間的電交互干擾的BTIs 490可被省略。在一些實施例中，用於感測入射輻射的該感光元件的的寬度430bL可被放大，特別是對於長波長。為清楚起見，放大後的該感光元件430bL如圖4B中所示。在一些實施例中，圖4B中所示的該感光元件的寬度430bL大於圖4A中所示的該感光元件430b的寬度。在一些實施例中，圖4B中所示的該感光元件430a包括一尺寸實質上等於圖4A中所示的該感光元件430a的尺寸。
參考圖5A，圖5A示出根據本揭露中的一些實施例中的背面照明型BSI影像感測器元件500A的截面圖。與圖4A所示的該BSI影像感測器元件相比，圖5A的BSI影像感測器元件500A具有三個而不是兩個的感光元件530a、530b和530c，該感光元件形成於該半導體基底520內不同的深度。根據該入射輻射的該波長，該閘極結構560L的該插塞部分560a的深度被設計為d51，該閘極結構560M的該插塞部分560b的深度被設計為d52，且該閘極結構560R的該插塞部分560c的深度設計為d53。例如，該感光元件530a可適合於長波長的可見光，例如紅光或IR 的可見光；該感光元件530b可適合於短波長的可見光，如綠光和藍光；和該感光元件530c可適合於更短的波長，如紫外線。
在本實施例中，該閘極結構560L、560M和560R由多晶矽製成，且該插塞部分560a、560b和560c的尺寸可以作為設計因素根據不同的應用而變化。在一些實施例中，該插塞部分560a、560b和560c的表面5050a、5050b和5050c分別側向耦合到該感光元件530a、530b和530c。在一些實施例中，該插塞部分560a、560b和560c的寬度可為約100nm和約250nm之間。
仍參考圖5A，底部抗反射塗層(BARC)5100設置在該半導體基底520的該第二表面520b上。在所描繪的實施例中，該BARC 5100直接接觸該半導體基底520的該第二表面520b。另外，一層或多層可設置在該BARC 5100和該半導體基底520的該第二表面520b之間。在一些實施例中，該BARC5100可以是介電層，例如碳化矽(SiC)層。在一些實施例中，該BARC 5100類似於圖4A中的該BARC 4100。在本揭露中，該BARC 5100可在設計上不同，其取決於該入射輻射的該波長。
參考圖5A，彩色濾光片層5200a、5200b、和5200c覆蓋在該半導體基底520的該第二表面520b上。更具體地，該彩色濾光片層5200a、5200b、和5200c分別覆蓋該BSI影像感測器元件500A的該BARC 5100。在一些實施例中，該彩色濾光片層5200a可包括一組過濾長波長的彩色濾光片，如紅光和IR；該彩色濾光片層5200b可包括一組過濾短波長的彩色濾光片，如綠光和藍光；和該彩色濾光片層5200c可包括一組過濾較短波長的彩色濾光片，例如紫外線。在一些實施例中，如圖5A所示的該BSI影像感測器元件500A還可包括類似於圖1所示的該後端溝槽隔離(BTIs)190的後端溝槽隔離(BTIs)590。
現參考圖5B，圖5B示出根據本揭露中的一些實施例中的 沒有背面溝槽隔離(BTIs)的BSI影像感測器元件500B的截面圖。在說明性實施例中，由入射輻射所產生的電荷可被迅速轉移，並沿該插塞部分560a、560b和560c分別引導到該臨時載子儲存區570。因此，用於降低相鄰像素之間的電交互干擾BTIs 590可被省略。在一些實施例中，用於感測入射輻射的該感光元件的寬度530bL可被放大，特別是對於長波長。為清楚起見，放大後的該感光元件530bL和530cL如圖5B中所示。在一些實施例中，圖5B中所示的該感光元件的寬度530bL大於圖5A中所示的該感光元件530b的寬度。在圖5B中，該感光元件530cL大於圖5A中的該感光元件530c。寬度放大的範圍可以是設計因素，且只要該感光元件不跨越到相鄰的像素中，寬度放大在本揭露的範圍下考慮適當。在本揭露中，由於產生更多電荷，該BSI影像感測器元件500B的靈敏度由於該放大感光元件530bL和530cL可被提高，其結果是產生更好的信號輸出。
參考圖6，圖6為形成BSI影像感測器元件的簡化流程圖。為詳細說明，在圖1至圖3中示出的形成BSI影像感測器元件的截面圖如圖7A至圖7K中所示。
該的製造方法開始於提供一基底，其可以是p型基底，n型基底，且可包括在其中的各種摻雜區域。
圖6中所示的操作600提供具有一感光元件130的一半導體基底120。為清楚起見，在這個階段的該BSI影像感測器的該截面圖也示於圖7A和圖7B中。該基底被圖形化以形成靠近該半導體基底120的該第一表面120a的STIs 140。可使用本領域已知的方法或將來開發的技術來圖形化該半導體襯底120。一示例是，通過於該半導體基底120上應用一光阻層且使用光刻製程圖形化光阻層。然後，於該半導體基底120上執行蝕刻操作以形成該STIs 140。在一些實施例中，該STIs 140的該深處可根據不同的應用進行優化。還應當理解，化學機械研磨 (CMP)可被執行以平面化該半導體基底120，以使得該STIs 140的該表面與如圖7A所示的該半導體基底120的該第一表面120a實質上共面。
一旦該STIs 140形成，該製程繼續以於該半導體基底120中的如圖7A中所示的預定位置形成感光元件130。該感光元件130可通過本領域中已知的注入方法形成。在一些實施例中，該注入形成一梯度摻雜濃度分佈。在其他實施例中，該感光元件130可通過外延生長來形成。例如，該外延生長可形成摻雜有各種濃度的不同的摻雜劑的外延層。在其他實施例中，該半導體基底120可被蝕刻以形成開口以與例如矽鍺的材料沉積。
接著，如圖6中的操作602，該半導體基底120被設計於該半導體基底120中以形成一開口105。在此，該半導體基底120可以使用本領域中已知的操作圖形化。參考圖7B，例如，通過乾蝕刻操作或任何其他已知的技術，一開口105形成於該半導體基底120中。此外，該開口105的該深度以及該感光元件130和該開口105之間的距離可以在此操作中控制。在形成該閘極結構160和該插塞部分160a之前，開口105形成於該半導體基底120內。
一旦該開口105形成，閘極介電層150可沉積在如圖7C所示的該開口105。該閘極介電層150可通過化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、原子層沉積(ALD)、旋塗，其他適當操作，或它們的組合形成。如圖7C所示，閘極介電層150以一預定的厚度覆蓋沉積在該半導體基底120的該第一表面120a、該開口105底部和該開口105側壁上。
在圖7D至圖7G中，該閘極結構160和其中的該插塞部分160a由適合於用於特定應用的任何導電材料形成。該插塞部分160a可首先被沉積，且由任何合適的導電材料形成。合適的材料可包括，例 如，多晶矽、摻雜多晶矽、鋁、銅或類似物。一旦該插塞部分160a被填充到與該半導體基底120的該的第一表面120a的相同水準，該沉積過程繼續以完成該閘極結構160。
參考圖7D，閘極材料的覆蓋層形成於該閘極電介質150上。在一些實施例中，如圖7E所示，凹槽167形成於該開口105上的該閘極材料內，且執行平坦化操作以除去該凹槽167以獲得該沉積的閘極材料的平面頂部輪廓。參考圖7F，硬遮罩165於該插塞部分160a上被圖形化，且限定該閘極結構160的閘極寬度，且呈現圖形化閘極結構160，如圖7G中所示，通過進行各向異性蝕刻操作，該操作去除未被該硬遮罩165覆蓋的閘極材料的部分。在一些實施例中，該閘極材料被去除，以使得不在硬遮罩165下的該閘極電介質150的部分被暴露。在一些實施例中，該閘極電介質150的該暴露部分存留在該半導體基底120的頂部。應當理解，該插塞部分160a與該半導體基底120的該第一表面120a上的該閘極結構160的各部分相比，具有較小的或與之相等的寬度。該臨時載託管170形成於靠近該半導體基底120的該第一表面120a處，如圖7H所示。此外，臨時載託管170可被用來連接到用於輸出電信號的製程單元。一旦該臨時載託管170形成，該製程繼續以形成如圖7I所示的定位在相鄰像素之間的後端溝槽隔離(BTIs)190。通常，BTI 190是延伸到該半導體基底120的預定深度的溝槽，且填充有氧化物或其它介電材料。在本實施例中，BTIs 190的存在可取決於信號交互干擾的可能性和趨勢。例如，當像素的尺寸變得越來越小，它可能引起相鄰像素之間更多的交互干擾。
接下來，如圖7J所示，底部抗反射塗層(BARC)1100在操作816中被形成於該半導體基底120的該第二表面120b。在所描繪的實施例中，該BARC 1100直接接觸該半導體基底120的該第二表面120b。可調整該BARC 1100的的組合物、折射率和消光係數以使得該 BSI影像感測器元件表現出最佳的量子效率。然後，如圖7K所示彩色濾光片層1200形成於該BARC 1100上以調整該BSI影像感測器的性能。
參考圖8及圖4A至圖4B，圖4A和4B示出用於形成在BSI影像感測器元件的流程圖。該製程通過提供半導體基底420開始於步驟800，其可以是p型基底、n型基底，且可包括在其中的各種摻雜區。接著，在步驟802中，該半導體基底420被圖形化以形成靠近該半導體基底420的該第一表面420a的STIs 440。該半導體基底420可使用本領域已知的方法或將來開發的技術來圖形化。一示例是，於該基底上使用一光阻層且使用光刻製程圖形化該光阻層。然後，於該基底執行蝕刻操作以形成該STIs 140。在一些實施例中，該STIs 140的深度可根據不同的應用進行優化。還應當理解，化學機械研磨(CMP)可被使用以平面化該半導體基底420，以使得該STIs 140的該表面與該半導體基底420的該第一表面420a實質上共面。一旦該STIs 140形成，該製程繼續到操作804A，其中第一感光元件403a以該預定位置形成於該左像素的該半導體基底420中。然後，在操作804B中，其中第二感光元件430b中(或430bL)以該預定位置形成於該右像素的該半導體基底420中。該感光元件430a和430b(或430bL)可通過本領域中已知的注入方法形成。在一些實施例中，圖4A中的感光元件430b和圖4B中的感光元件430bL的尺寸差異由該BTIs 490的存在或該BSI影像感測器的像素尺寸來確定。
在操作806A中，第一開口於形成該閘極結構460L之前形成。然後，在操作806B中，第二開口於形成閘極結構460R之前形成。形成開口的一種方法是通過乾蝕刻操作。在一些實施例中，該第一開口和該第二開口分別具有不同的深度。第一遮罩可以被設計以形成該第一開口，該第一開口包括如該深度d41的一深度。第二遮罩可以被設計以形成該第二開口，該第二開口包括如深度d42的一深度。該深度d42 大於該深度d41。
在一些實施例中，形成包括不同的深度的開口的操作，例如操作806A和圖8中的該操作806B在圖9A至9D中進一步示出。在圖9A中，該半導體基底120上的第一遮罩通過圖9B所示的第一蝕刻形成該第一開口109。在圖9C中，第二遮罩形成於該半導體基底120上，覆蓋該第一開口109，且暴露該半導體基底120的一部分以形成該第二開口107。該第二開口107通過第二蝕刻比該第一開口109被蝕刻更深。如圖9D中所示，在該第二蝕刻之後，該第二遮罩被去除以暴露該第一開口109和該第二開口107。
圖8中的操作810沉積該插塞部分460a和該閘極結構460L，然後，沉積該插塞部分460b和該閘極結構460R。在操作808中，一旦該開口形成，閘極介電層450可被沉積在該第一開口和該第二開口。該閘極介電層450可通過化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、原子層來形成沉積(ALD)、旋塗、其他適當操作或它們的組合形成。由於該插塞部分460a和460b的該深度不同，在一些實施例中該沉積操作可被分離。插塞部分460a和460b可由適合於用於特定應用的任何導電材料形成。合適的材料可包括，例如，多晶矽、摻雜多晶矽、鋁、銅或類似物。一旦該插塞部分460a和460b被填充到與該半導體基底420的該的第一表面420a的相同水平，沉積操作繼續以完成該閘極結構460L和460R的結構。應當理解，該插塞部分460a和460b與該閘極結構460L和460R的其它部分相比，具有較小的或相等的寬度。
接下來，在操作812中，臨時載子儲存區470形成於靠近該半導體基底420的該第一表面420a處。另外，臨時載子儲存區470可被用來連接到用於輸出電信號的製程單元。一旦臨時載子儲存區470形成，該製程繼續至操作814，該操作814是可選的，其中形成定位在該相鄰像素之間的後端溝槽隔離(BTIs)490。通常，BTI 490是延伸 到該半導體基底420的預定深度的溝槽，且填充有氧化物或其它介電材料。在本實施例中，BTIs 490的存在可取決於交互干擾的影響。
接下來，在操作816中，底部抗反射塗層(BARC)4100形成於該半導體基底420的該第二表面420b上。在所描繪的實施例中，該BARC 4100直接接觸該半導體基底420的該第二表面420b。該BARC 4100的組合物、折射率和消光係數可被調整以使的該BSI影像感測器元件表現出最佳的量子效率。然後，在操作818A中，第一彩色濾光片層4200a和第二彩色濾光片層4200b形成於該BARC 4100上以調整該BSI影像感測器的該性能。為簡單起見，對於圖8中所示的一些步驟的截面圖被省略。通過參考圖7H至圖7K，本領域的普通技術人員可以理解每一步驟所實現的結構。
本揭露的實施例提供了BSI影像感測器元件，其在該BSI影像感測器元件的該閘極結構的設計有所改善，以解決該傳統BSI影像感測器結構面臨的問題。具體地，用於控制在感光元件中產生的電荷的閘極結構被設計為具有插塞部分。此外，該插塞部分的該深度可根據入射輻射的波長來確定。該入射輻射可以是可見光。或者，該入射輻射可以是IR、紫外線(UV)、X射線、微波、其它合適的輻射型或者它們的組合。在一些實施例中，該BSI影像感測器元件的該感光元件可以分別調整具有不同的注入操作，該不同的注入操作取決於該入射輻射的波長。具體地，該感光元件的位置和尺寸，以及該閘極結構的該插塞部分的該深度是根據預定目的可調特徵。使用本文中所描述的該BSI影像感測器，該BSI影像感測器元件的該電荷的該轉移效率可根據該入射輻射的不同波長進行優化。
本揭露的一些實施例提供一包括一像素陣列的影像感測器。該像素陣列包含複數個像素，且其中該複數個像素的每一者包括：一半導體基底，其具有一第一表面和一第二表面；一感光元件；一閘 極結構；和一臨時載子儲存區。該第二表面相對於該第一表面。該感光元件位於該半導體基底中。該閘極結構位於該半導體基底的該第一表面上。該臨時載子儲存區靠近該半導體基底的該第一表面。該閘極結構具有一插塞部分，該插塞部分從該第一表面朝向該第二表面延伸。
本揭露的一些實施例提供一包括一像素陣列的影像感測器。該像素陣列包含一半導體基底，該半導體基底具有一第一表面和一第二表面；一第一感光元件和一第二感光元件；一第一閘極結構和一第二閘極結構。該第二表面相對於該第一表面。第一感光元件位於該半導體基底的一第一區域中。該第二感光元件位於該半導體基底的一第二區域中。該第一閘極結構和該第二閘極結構位於該半導體基底的該第一表面上。該第一閘極結構具有一第一插塞部分，該第一插塞部分從該第一表面朝向該第二表面延伸，且該第二閘極結構具有一第二插塞部分，該第二插塞部分從該第一表面朝向該第二表面延伸。該第一插塞部分的一第一深度小於該第二插塞部分的一第二深度。
本揭露的一些實施例提供一種用於製造一影像感測器的方法，其包括：(1)形成一第一感光元件於一半導體基底的一第一區域中，該半導體基底具有一第一表面和相對該第一表面的一第二表面；(2)通過乾蝕刻操作於該半導體基底中形成一開口；以及(3)於該開口中形成具有一插塞部分的一第一閘極結構。該插塞部分從該第一表面朝向該第二表面延伸。
儘管本揭露中的實施例和其優點被詳細地描述，應當理解，在不脫離如所附權利要求所定義的本揭露的精神和範圍的情況下可進行各種改變、替換和變更。
此外，本申請的範圍並非旨在限定於說明書中描述的製程、機器、製造、物質組成、手段、方法和操作的該具體實施例。根據本揭露，作為本領域的普通技術人員將容易從本揭露理解製程、機 器、製造、物質組成、手段、方法或操作，當前存在或以後待開發的可執行與本文描述的相應的實施例實質上相同的功能或實現實質上相同的結果被使用。因此，所附權利要求旨在在其範圍內包括此類過程，例如，機器、製造、物質組成、手段、方法或操作。
800~818B‧‧‧步驟

Claims (9)

  1. 一種影像感測器，其包括一像素陣列，其中該像素陣列包含複數個像素，且其中該複數個像素的每一者包括：一半導體基底，其具有一第一表面和相對該第一表面的一第二表面；一感光元件，其位於該半導體基底中；一閘極結構，其部分地位於該半導體基底的該第一表面上；以及一臨時載子儲存區，其靠近該半導體基底的該第一表面，其中該閘極結構包含一插塞部分，該插塞部分從該第一表面朝向該第二表面延伸，該插塞部分的一部分以在該插塞部分的該部分和該感光元件間具有一半導體基底距離的方式側向耦合至該感光元件，及其中該感光元件包含一摻雜濃度分佈，該摻雜濃度分佈在該感光元件的一底部的一摻雜濃度高於在該感光元件的一頂部的一摻雜濃度。
  2. 根據請求項1所述的影像感測器，其中靠近該半導體基底的該第一表面的一淺溝槽隔離(STI)位於該複數個像素的每一者之間。
  3. 根據請求項1所述的影像感測器，其中靠近該半導體基底的該第二表面的一後端溝槽隔離(BTI)位於該複數個像素的每一者之間。
  4. 根據請求項1所述的影像感測器，其中該閘極結構的該插塞部分的深度大於該半導體基底厚度的一半。
  5. 根據請求項1所述的影像感測器，其另包含於該第二表面上的一底部抗反射塗層(BARC)。
  6. 根據請求項1所述的影像感測器，其中該閘極結構的該插塞部分的該寬度在約100nm到約250nm之間。
  7. 一種包括一像素陣列的影像感測器，其包括：一半導體基底，其具有一第一表面和相對該第一表面的一第二表面；一第一感光元件，其位於該半導體基底的一第一區域中；一第二感光元件，其位於該半導體基底的一第二區域中；一第一閘極結構，其位於該半導體基底的該第一表面上；以及一第二閘極結構，其位於該半導體基底的該第一表面上，其中該第一閘極結構具有一第一插塞部分，該第一插塞部分從該第一表面朝向該第二表面延伸，且該第二閘極結構具有一第二插塞部分，該第二插塞部分從該第一表面朝向該第二表面延伸，以及其中該第一插塞部分的一第一深度小於該第二插塞部分的一第二深度，及其中該第一感光元件包含一摻雜濃度分佈，該摻雜濃度分佈在該感光元件的一底部的一摻雜濃度高於在該第一感光元件的一頂部的一摻雜濃度。
  8. 一種用於製造一影像感測器的方法，其包括： 形成一第一感光元件於一半導體基底的一第一區域中，該半導體基底具有一第一表面和相對該第一表面的一第二表面；通過乾蝕刻操作於該半導體基底中形成一開口，該開口的一部分側向耦合至該第一感光元件；以及於該開口中形成具有一插塞部分的一第一閘極結構，其中該插塞部分從該第一表面朝向該第二表面延伸，及其中該第一感光元件包含一摻雜濃度分佈，該摻雜濃度分佈在該感光元件的一底部的一摻雜濃度高於在該第一感光元件的一頂部的一摻雜濃度。
  9. 如申請專利範圍第8項中所述之方法，其另包括：形成一第二感光元件於該半導體基底的一第二區域中；以及於該半導體基底中形成具有一插塞部分的一第二閘極結構，其中該插塞部分從該第一表面朝向該第二表面延伸，以及其中該第二閘極結構的該插塞部分小於該第一閘極結構的該插塞部分。
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