TWI782650B - 背照式影像感測器的製造方法 - Google Patents

Abstract

一種背照式影像感測器，包括半導體層、第一閘極結構與感光元件。半導體層具有相對的第一表面與第二表面。第一閘極結構設置在第二表面上。感光元件位在半導體層中。感光元件從第一表面延伸至第二表面。

Description

背照式影像感測器的製造方法

本發明實施例是有關於影像感測器及其製造方法，且特別是有關於一種背照式影像感測器(backside illuminated image sensor，BSI image sensor)及其製造方法。

目前，背照式影像感測器廣泛應用於許多現代電子裝置(如，智慧型手機、數位相機、生物醫學成像裝置或自動成像裝置等)。然而，如何進一步提升背照式影像感測器的全井容量(full well capacity，FWC)與動態範圍(dynamic range，DR)為目前持續努力的目標。

本發明提供一種背照式影像感測器及其製造方法，其可提升全井容量與動態範圍，進而提升影像品質。

本發明提出一種背照式影像感測器，包括半導體層、第一閘極結構與感光元件。半導體層具有相對的第一表面與第二表 面。第一閘極結構設置在第二表面上。感光元件位在半導體層中。感光元件從第一表面延伸至第二表面。

依照本發明的一實施例所述，在上述背照式影像感測器中，部分感光元件可位在第一閘極結構的一側。

依照本發明的一實施例所述，在上述背照式影像感測器中，部分感光元件可位在整個第一閘極結構的正下方。

依照本發明的一實施例所述，在上述背照式影像感測器中，部分感光元件可從第一閘極結構的一側延伸至第一閘極結構的另一側。

依照本發明的一實施例所述，在上述背照式影像感測器中，感光元件可具有第三表面與第四表面。第三表面可重疊於第一表面。第四表面可重疊於第二表面。

依照本發明的一實施例所述，在上述背照式影像感測器中，更包括第二閘極結構。第二閘極結構位在第二表面上。第一閘極結構位在第二閘極結構與第四表面之間。

依照本發明的一實施例所述，在上述背照式影像感測器中，部分感光元件可位在整個第一閘極結構與整個第二閘極結構的正下方。

依照本發明的一實施例所述，在上述背照式影像感測器中，感光元件可包括第一摻雜區、第二摻雜區與第三摻雜區。第一摻雜區位在半導體層中，且鄰近於第一表面。第二摻雜區位在半導體層中，且鄰近於第二表面。第三摻雜區位在半導體層中， 且連接於第一摻雜區與第二摻雜區之間。半導體層可為第一導電型。第一摻雜區、第二摻雜區與第三摻雜區可為第二導電型。

依照本發明的一實施例所述，在上述背照式影像感測器中，感光元件更可包括第四摻雜區。第四摻雜區位在半導體層中，且位在第一摻雜區與第一表面之間。第四摻雜區可為第一導電型。

依照本發明的一實施例所述，在上述背照式影像感測器中，感光元件更可包括第四摻雜區。第四摻雜區位在半導體層中，且位在第二摻雜區與第二表面之間。第四摻雜區可為第一導電型。

依照本發明的一實施例所述，在上述背照式影像感測器中，感光元件可包括第一摻雜區與第二摻雜區。第一摻雜區位在半導體層中，且鄰近於第一表面。第二摻雜區位在半導體層中，且鄰近於第二表面。第二摻雜區連接於第一摻雜區。半導體層可為第一導電型。第一摻雜區與第二摻雜區可為第二導電型。

依照本發明的一實施例所述，在上述背照式影像感測器中，感光元件更可包括第三摻雜區。第三摻雜區位在半導體層中，且位在第一摻雜區與第一表面之間。第三摻雜區可為第一導電型。

依照本發明的一實施例所述，在上述背照式影像感測器中，感光元件更包括第三摻雜區。第三摻雜區位在半導體層中，且位在第二摻雜區與第二表面之間。第三摻雜區可為第一導電型。

依照本發明的一實施例所述，在上述背照式影像感測器中，更可包括彩色濾光層與微透鏡層。彩色濾光層設置在第一表面上。微透鏡層設置在彩色濾光層上。

依照本發明的一實施例所述，在上述背照式影像感測器中，半導體層的材料包括經摻雜的磊晶矽。

本發明提出一種背照式影像感測器的製造方法，包括以下步驟。提供半導體層。半導體層具有相對的第一表面與第二表面。在第二表面上形成第一閘極結構。在半導體層中形成感光元件。感光元件從第一表面延伸至第二表面。

依照本發明的一實施例所述，在上述背照式影像感測器的製造方法中，感光元件可包括第一摻雜區、第二摻雜區與第三摻雜區。第一摻雜區位在半導體層中，且鄰近於第一表面。第二摻雜區位在半導體層中，且鄰近於第二表面。第三摻雜區位在半導體層中，且連接於第一摻雜區與第二摻雜區之間。半導體層可為第一導電型。第一摻雜區、第二摻雜區與第三摻雜區可為第二導電型。

依照本發明的一實施例所述，在上述背照式影像感測器的製造方法中，半導體層與第一摻雜區的形成方法可包括以下步驟。提供基底。在基底中形成第四摻雜區。第四摻雜區可為第二導電型。在基底上形成半導體層。進行熱製程，以使第四摻雜區中的摻質擴散至半導體層中，而形成第一摻雜區。

依照本發明的一實施例所述，在上述背照式影像感測器的製造方法中，感光元件可包括第一摻雜區與第二摻雜區。第一摻雜區位在半導體層中，且鄰近於第一表面。第二摻雜區位在半導體層中，且鄰近於第二表面。第二摻雜區連接於第一摻雜區。 半導體層可為第一導電型。第一摻雜區與第二摻雜區可為第二導電型。

依照本發明的一實施例所述，在上述背照式影像感測器的製造方法中，半導體層與第一摻雜區的形成方法可包括以下步驟。提供基底。在基底中形成第三摻雜區。第三摻雜區可為第二導電型。在基底上形成半導體層。進行熱製程，以使第三摻雜區中的摻質擴散至半導體層中，而形成第一摻雜區。

基於上述，在本發明所提出的背照式影像感測器及其製造方法中，由於感光元件從半導體層的第一表面延伸至半導體層的第二表面，因此可擴大感光元件的面積與光子收集區(photon collection region)。藉此，可提升背照式影像感測器的全井容量與動態範圍，進而提升影像品質。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

10,20:背照式影像感測器

100,144:基底

102,106,110,126,130,136,138,148:摻雜區

104:半導體層

108,146:隔離結構

112:井區

114,120:閘極結構

116,122,140:介電層

118,124:閘極

128:感光元件

132,134:間隙壁

142:內連線結構

150:彩色濾光層

152:微透鏡層

S1~S4:表面

圖1A至圖1H為根據本發明一實施例的背照式影像感測器的製造流程剖面圖。

圖2為根據本發明另一實施例的背照式影像感測器的剖面圖。

圖1A至圖1H為根據本發明一實施例的背照式影像感測器的製造流程剖面圖。

請參照圖1A，可提供基底100。在一些實施例中，基底100可為第一導電型(如，P型)。基底100可為半導體基底，如矽基底。以下，第一導電型與第二導電型可分別為P型導電型與N型導電型中的一者與另一者。在本實施例中，第一導電型是以P型導電型為例，且第二導電型是以N型導電型為例，但本發明並不以此為限。在另一些實施例中，第一導電型可為N型導電型，且第二導電型可為P型導電型。

接著，可在基底100中形成摻雜區102。摻雜區102可為第二導電型(如，N型)。摻雜區102的形成方法可包括離子植入法。

請參照圖1B，在基底100上形成半導體層104，藉此可提供半導體層104。半導體層104具有相對的表面S1與表面S2。半導體層104可為第一導電型(如，P型)。半導體層104的材料例如是經摻雜的磊晶矽。半導體層104的形成方法可包括臨場摻雜磊晶成長法。

接著，可進行熱製程，以使摻雜區102中的摻質擴散至半導體層104中，而形成摻雜區106。摻雜區106可鄰近於表面S1。摻雜區106可為第二導電型(如，N型)。此外，熱製程可使得摻雜區102中的摻質在基底100中擴散，而擴大摻雜區102的範圍。

請參照圖1C，可在半導體層104中形成隔離結構108。隔離結構108例如是淺溝渠隔離(shallow trench isolation，STI)結構。隔離結構108的材料例如是氧化矽。隔離結構108可藉由淺溝渠隔離製程所形成。

接著，可在半導體層104中形成摻雜區110。在一些實施例中，摻雜區110可為深井區。摻雜區110可連接於摻雜區106。摻雜區110可為第二導電型(如，N型)。摻雜區110的形成方法可包括離子植入法。

此外，可在半導體層104中形成井區112。部分井區112可位在隔離結構108下方。井區112可為第一導電型(如，P型)。井區112的形成方法可包括離子植入法。

請參照圖1D，在表面S2上形成閘極結構114。閘極結構114可包括介電層116與閘極118。介電層116設置在表面S2上。介電層116可用以作為閘介電層。介電層116的材料例如是氧化矽。閘極118設置在介電層116上。閘極118可用以作為轉移閘極(transfer gate)。閘極118的材料例如是摻雜多晶矽。介電層116與閘極118的形成方法例如是依序在表面S2上形成介電材料層(未示出)與閘極材料層(未示出)，再對閘極材料層與介電材料層進圖案化。

此外，可在表面S2上形成閘極結構120。閘極結構120與閘極結構114可彼此分離。閘極結構120可包括介電層122與閘極124。介電層122設置在表面S2上。介電層122可用以作為 閘介電層。介電層122的材料例如是氧化矽。閘極124設置在介電層122上。閘極124可用以作為重置閘極(reset gate)。閘極124的材料例如是摻雜多晶矽。介電層122與閘極124的形成方法例如是依序在表面S2上形成介電材料層(未示出)與閘極材料層(未示出)，再對閘極材料層與介電材料層進圖案化。在一些實施例中，閘極結構114與閘極結構120可藉由相同製程同時形成。

然後，可在半導體層104中形成摻雜區126。摻雜區126可鄰近於表面S2。摻雜區126可連接於摻雜區110。摻雜區126可為第二導電型(如，N型)。摻雜區126的形成方法可包括離子植入法。

藉由上述方法，可在半導體層104中形成感光元件128。在一些實施例中，感光元件128可為光二極體。感光元件128從表面S1延伸至表面S2，因此可擴大感光元件128的面積與光子收集區。在一些實施例中，感光元件128可包括摻雜區106、摻雜區110與摻雜區126。

接下來，可在半導體層104中形成摻雜區130。摻雜區130可用以作為釘紮層(pinning layer)。摻雜區130可位在摻雜區126與表面S2之間。摻雜區130可鄰近於表面S2。摻雜區130可連接於摻雜區126。摻雜區130可為第一導電型(如，P型)。摻雜區130的形成方法可包括離子植入法。在一些實施例中，感光元件128更可包括摻雜區130。

再者，可在閘極結構114的側壁上形成間隙壁132。此外， 可在閘極結構120的側壁上形成間隙壁134。間隙壁132與間隙壁134可為單層結構或多層結構。間隙壁132與間隙壁134的材料例如是氧化矽、氮化矽或其組合。間隙壁132與間隙壁134的形成方法例如是先在閘極結構114與閘極結構120上共形地形成間隙壁材料層(未示出)，再對間隙壁材料層進行乾式蝕刻製程。

隨後，可在閘極結構114與閘極結構120之間的半導體層104中形成摻雜區136。摻雜區136可位在井區112中。摻雜區136可為第二導電型(如，N型)。摻雜區136的形成方法可包括離子植入法。

此外，可在閘極結構120的一側的半導體層104中形成摻雜區138。摻雜區138可位在井區112中。摻雜區138可為第二導電型(如，N型)。摻雜區138的形成方法可包括離子植入法。

請參照圖1E，可在半導體層104上形成介電層140。在一些實施例中，介電層140可為多層結構。介電層140的材料例如是氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或其組合。此外，可在介電層140中形成內連線結構142。部分內連線結構142可電性連接至摻雜區136，且部分內連線結構142可電性連接至摻雜區138。內連線結構142可包括導線、導電插塞(如，接觸窗(contact)或通孔(via))或其組合。介電層140與內連線結構142可藉由後段製程(back end of line process，BEOL process)來形成。

請參照圖1F，可將介電層140接合到基底144上。在一些實施例中，基底144可為承載晶圓(carrier wafer)。承載晶圓可 為半導體晶圓，如矽晶圓，但本發明並不以此為限。

請參照圖1G，移除基底100。基底100的移除方法例如是化學機械研磨(chemical mechanical polishing，CMP)法。接著，可在半導體層104中形成隔離結構146。隔離結構146例如是深溝渠隔離(deep trench isolation，DTI)結構。隔離結構146的材料例如是氧化矽。隔離結構146可藉由深溝渠隔離製程所形成。在本實施例中，隔離結構146與隔離結構108可不彼此連接，但本發明並不以此為限。在一些實施例中，井區112可連接於隔離結構146與隔離結構108。在另一些實施例中，隔離結構146與隔離結構108可彼此連接。

接著，可在半導體層104中形成摻雜區148。摻雜區148可用以作為釘紮層。摻雜區148可位在摻雜區106與表面S1之間。摻雜區130可鄰近於表面S1。摻雜區148可連接於摻雜區106。摻雜區148可為第一導電型(如，P型)。摻雜區148的形成方法可包括離子植入法。在一些實施例中，摻雜區148可藉由離子植入製程與雷射回火(laser anneal)製程來形成。在一些實施例中，感光元件128更可包括摻雜區148。

請參照圖1H，可在表面S1上形成彩色濾光層150。彩色濾光層150例如是紅色濾光層、綠色濾光層或藍色濾光層。在一些實施例中，彩色濾光層150的材料例如是光阻材料。接著，可在彩色濾光層150上形成微透鏡層152。在一些實施例中，微透鏡層152的材料例如是二氧化矽(SiO₂)。此外，彩色濾光層150與微 透鏡層152的形成方法為所屬技術領域具有通常知識者所周知，於此省略其說明。

以下，藉由圖1H來說明本實施例的影像感測器10。此外，雖然影像感測器10的形成方法是以上述方法為例進行說明，但本發明並不以此為限。

請參照圖1H，背照式影像感測器10包括半導體層104、閘極結構114與感光元件128。半導體層104具有相對的表面S1與表面S2。閘極結構114設置在表面S2上。閘極結構114可包括介電層116與閘極118。介電層116設置在表面S2上。閘極118設置在介電層116上。

感光元件128位在半導體層104中。在一些實施例中，感光元件128可為光二極體。感光元件128從表面S1延伸至表面S2。在一些實施例中，感光元件128可包括摻雜區106、摻雜區126與摻雜區110。摻雜區106位在半導體層104中，且鄰近於表面S1。摻雜區126位在半導體層104中，且鄰近於表面S2。摻雜區110位在半導體層104中，且連接於摻雜區106與摻雜區126之間。半導體層104可為第一導電型(如，P型)。摻雜區106、摻雜區126與摻雜區110可為第二導電型(如，N型)。

此外，感光元件128更可包括摻雜區130與摻雜區148中的至少一者。摻雜區130位在半導體層104中，且位在摻雜區126與表面S2之間。摻雜區130可為第一導電型(如，P型)。摻雜區148位在半導體層104中，且位在摻雜區106與表面S1之間。 摻雜區148可為第一導電型(如，P型)。

在一些實施例中，部分感光元件128可位在閘極結構114的一側。舉例來說，摻雜區106、摻雜區126、摻雜區110、摻雜區130與摻雜區148可位在閘極結構114的一側。在一些實施例中，部分感光元件128可位在整個閘極結構114的正下方。舉例來說，摻雜區106與摻雜區148可位在整個閘極結構114的正下方。在一些實施例中，部分感光元件128可從閘極結構114的一側延伸至閘極結構114的另一側。舉例來說，摻雜區106與摻雜區148可從閘極結構114的一側延伸至閘極結構114的另一側。

此外，感光元件128可具有表面S3與表面S4。表面S3可重疊於表面S1。表面S4可重疊於表面S2。在感光元件128包括摻雜區148的情況下，感光元件128的表面S3可為摻雜區148的表面。在感光元件128不包括摻雜區148的情況下，感光元件128的表面S3可為摻雜區106的表面。在感光元件128包括摻雜區130的情況下，感光元件128的表面S4可為摻雜區130的表面與摻雜區126的部分表面。在感光元件128不包括摻雜區130的情況下，感光元件128的表面S3可為摻雜區126的表面。

另外，背照式影像感測器10更包括隔離結構108、井區112、閘極結構120、間隙壁132、間隙壁134、摻雜區136、摻雜區138、介電層140、內連線結構142、基底144、隔離結構146、彩色濾光層150與微透鏡層152中的至少一者。隔離結構108位在半導體層104中，且鄰近於表面S2。井區112位在半導體層104 中。井區112位在部分閘極結構114下方，且位在閘極結構120下方。

閘極結構120位在表面S2上。閘極結構114位在閘極結構120與表面S4之間。閘極結構120與閘極結構114可彼此分離。閘極結構120可包括介電層122與閘極124。介電層122設置在表面S2上。閘極124設置在介電層122上。在一些實施例中，部分感光元件128可位在整個閘極結構114與整個閘極結構120的正下方。舉例來說，摻雜區106與摻雜區148可位在整個閘極結構114與整個閘極結構120的正下方。

此外，間隙壁132位在閘極結構114的側壁上。間隙壁134位在閘極結構120的側壁上。摻雜區136位在閘極結構114與閘極結構120之間的半導體層104中。摻雜區138位在閘極結構120的一側的半導體層104中。介電層140設置在表面S2上，且覆蓋閘極結構114與閘極結構120。內連線結構142位在介電層140中。基底144可接合於介電層140。隔離結構146位在半導體層104中，且鄰近於表面S1。彩色濾光層150設置在表面S1上。微透鏡層152設置在彩色濾光層150上。

此外，影像感測器10中的各構件的材料、形成方法與功效已於上述實施例中進行詳盡地說明，於此不再說明。

基於上述實施例可知，在背照式影像感測器10及其製造方法中，由於感光元件128從半導體層104的表面S1延伸至半導體層104的表面S2，因此可擴大感光元件128的面積與光子收集 區。藉此，可提升背照式影像感測器10的全井容量與動態範圍，進而提升影像品質。

圖2為根據本發明另一實施例的背照式影像感測器的剖面圖。

請參照圖1與圖2，圖2的背照式影像感測器20與圖1的背照式影像感測器10的差異如下。在背照式影像感測器20中，感光元件128可包括摻雜區106與摻雜區126，但不包括摻雜區110。此外，在背照式影像感測器20中，摻雜區126連接於摻雜區106。亦即，在用以形成背照式影像感測器20的感光元件128的製程中，可省略用以形成摻雜區110的步驟，且可藉由增加摻雜區106與摻雜區126中的至少一者的深度來使得摻雜區126連接於摻雜區106。此外，在圖1A的背照式影像感測器10與圖2的背照式影像感測器20中，相同或相似的構件以相同的符號表示，並省略其說明。

基於上述實施例可知，在背照式影像感測器20及其製造方法中，由於感光元件128從半導體層104的表面S1延伸至半導體層104的表面S2，因此可擴大感光元件128的面積與光子收集區。藉此，可提升背照式影像感測器20的全井容量與動態範圍，進而提升影像品質。

綜上所述，由於上述實施例的背照式影像感測器及其製造方法可擴大感光元件的面積與光子收集區，因此可提升背照式影像感測器的全井容量與動態範圍，進而提升影像品質。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10:背照式影像感測器

104:半導體層

106,110,126,130,136,138,148:摻雜區

108,146:隔離結構

112:井區

114,120:閘極結構

116,122,140:介電層

118,124:閘極

128:感光元件

132,134:間隙壁

142:內連線結構

144:基底

150:彩色濾光層

152:微透鏡層

S1~S4:表面

Claims (2)

1. 一種背照式影像感測器的製造方法，包括：提供半導體層，其中所述半導體層具有相對的第一表面與第二表面；在所述第二表面上形成第一閘極結構；以及在所述半導體層中形成感光元件，其中所述感光元件從所述第一表面延伸至所述第二表面，其中所述感光元件包括：第一摻雜區，位在所述半導體層中，且鄰近於所述第一表面；第二摻雜區，位在所述半導體層中，且鄰近於所述第二表面；以及第三摻雜區，位在所述半導體層中，且連接於所述第一摻雜區與所述第二摻雜區之間，其中所述半導體層為第一導電型，且所述第一摻雜區、所述第二摻雜區與所述第三摻雜區為第二導電型，且所述半導體層與所述第一摻雜區的形成方法包括：提供基底；在所述基底中形成第四摻雜區，其中所述第四摻雜區為所述第二導電型；在所述基底上形成所述半導體層；以及進行熱製程，以使所述第四摻雜區中的摻質擴散至所述 半導體層中，而形成所述第一摻雜區。
2. 一種背照式影像感測器的製造方法，包括：提供半導體層，其中所述半導體層具有相對的第一表面與第二表面；在所述第二表面上形成第一閘極結構；以及在所述半導體層中形成感光元件，其中所述感光元件從所述第一表面延伸至所述第二表面，其中所述感光元件包括：第一摻雜區，位在所述半導體層中，且鄰近於所述第一表面；以及第二摻雜區，位在所述半導體層中，且鄰近於所述第二表面，其中所述第二摻雜區連接於所述第一摻雜區，所述半導體層為第一導電型，且所述第一摻雜區與所述第二摻雜區為第二導電型，且所述半導體層與所述第一摻雜區的形成方法包括：提供基底；在所述基底中形成第三摻雜區，其中所述第三摻雜區為所述第二導電型；在所述基底上形成所述半導體層；以及進行熱製程，以使所述第三摻雜區中的摻質擴散至所述半導體層中，而形成所述第一摻雜區。

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