CN100563018C

CN100563018C - 背照式传感器及其形成方法

Info

Publication number: CN100563018C
Application number: CNB2007101011893A
Authority: CN
Inventors: 许慈轩; 杨敦年
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2006-05-09
Filing date: 2007-05-09
Publication date: 2009-11-25
Anticipated expiration: 2027-05-09
Also published as: CN101071818A

Abstract

一种背照式传感器，包括：具有正面与背面的半导体基板；形成于该半导体基板的该正面上的多个像素；置于该半导体基板的该正面上方的介电层；以及根据该多个像素而配置的多个阵列区域。其中，至少第一、第二阵列区域具有彼此相异的辐射响应特性，例如，该第一阵列区域的结深大于该第二阵列区域的结深，或是该第一阵列区域的掺杂物浓度大于该第二阵列区域的掺杂物浓度。

Description

背照式传感器及其形成方法

技术领域

本发明涉及一种半导体元件，特别涉及一种背照式传感器。

背景技术

图像传感器提供像素阵列，例如感光二极管、复位晶体管(resettransistor)、源随器晶体管(source follower transistor)、固定层光敏二极管(pinned layer photodiodes)和/或传导晶体管(transfer transistor)，用于记录二极管的光的密度或亮度。像素通过累积电荷而对光线做出反应-越多光线则越多电荷。之后，可以通过另一电路而使用这些电荷，以便于颜色与亮度可以用于适当的用途，例如数码相机。通常，像素阵列包括一电荷耦合元件或CMOS图像传感器。

背照式传感器用于感应暴露的光线投影在一基板的背面的体积。像素位于该基板的正面，且薄到足以让投影在该基板的背面的光线能到达这些像素。相较于前照式传感器而言，背照式传感器提供一高填充率(high fill factor)并降低破坏性干涉。

然而，背照式传感器也遭遇一些问题。例如，欲感应的不同放射线的波长于基板中经历不同的有效吸收路径。例如，相较于红光而言，蓝光经历一较狭窄的有效吸收路径。因此，业界急需一种可以适应不同波长的背照式传感器和/或符合的基板。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以适应不同波长的背照式传感器和/或符合的基板。

基于上述目的，本发明实施例公开了一种背照式传感器，包括：半导体基板，具有正面与背面；多个像素，形成于该半导体基板的该正面上；介电层，置于该多个像素上方；多个金属层，位于该介电层中；多个阵列区域，位于该半导体基板内，且根据该多个像素而配置，其中至少两个该阵列区域具有彼此相异的辐射响应特性；多个滤光片，设置于该半导体基板的该背面下方，其中所述多个像素、阵列区域及滤光片都位于所述多个金属层的下方，其中，至少第一、第二阵列区域具有彼此相异的辐射响应特性，例如，该第一阵列区域的结深大于该第二阵列区域的结深，或是该第一阵列区域的掺杂物浓度大于该第二阵列区域的掺杂物浓度；以及多个微镜头，设置于所述多个像素与所述半导体基板的背面间，或是设置于所述多个滤光片与所述半导体基板的背面间

如上所述的背照式传感器，其中该多个像素用于形成CMOS图像传感器、电荷耦合元件、有源式像素传感器、或无源式像素传感器。

如上所述的背照式传感器，其中该介电层包括氧化硅。

如上所述的背照式传感器，其中该氧化硅掺杂有碳。

如上所述的背照式传感器，其中该氧化硅掺杂有氟。

如上所述的背照式传感器，其中该半导体基板的厚度大体为3微米。

本发明另一实施例还公开了一种背照式传感器的形成方法，包括：提供半导体基板，该半导体基板具有正面与背面；形成第一与第二像素于该半导体基板的该正面上；形成介电层于该第一与第二像素上方；形成多个金属层于该介电层中；形成该半导体基板的第一掺杂区域，对准该第一像素；形成该半导体基板的第二掺杂区域，对准该第二像素，其中该第一、第二掺杂区域具有彼此相异的辐射响应特性；设置多个滤光片于该半导体基板的该背面下，其中该第一及第二像素、第一及第二掺杂区域及滤光片位于该多个金属层的下方；以及设置多个微镜头于所述多个像素与所述半导体基板的背面间，或于所述多个滤光片与所述半导体基板的背面间。

如上所述的背照式传感器的形成方法，其中该第一掺杂区域的结深大于该第二掺杂区域的结深。

如上所述的背照式传感器的形成方法，其中该第一掺杂区域的掺杂物浓度大于该第二掺杂区域的掺杂物浓度。

如上所述的背照式传感器的形成方法，其中该多个像素用于形成CMOS图像传感器、电荷耦合元件、有源式像素传感器或无源式像素传感器。

如上所述的背照式传感器的形成方法，还包括提供其中该介电层包括掺杂有碳或氟的氧化硅。

如上所述的背照式传感器的形成方法，还包括：形成第三像素于该半导体基板的该正面上；以及形成该半导体基板的第三掺杂区域，对准该第三像素；其中该第一、第二、第三掺杂区域具有彼此相异的辐射响应特性。

如上所述的背照式传感器的形成方法，还包括：形成红、绿、蓝彩色滤光片，分别对准该第一、第二及第三像素；以及形成该第一、第二及第三掺杂区域，以便于通过该第一、第二及第三像素而达到均一光谱响应。如上所述的背照式传感器的形成方法，其中该半导体基板的厚度大体为3微米。

本发明的背照式传感器可以适用于不同波长的放射线，和/或提供符合此要求的基板。

附图说明

图1显示本发明实施例的具有多个像素的传感器元件的俯视图。

图2显示本发明实施例的具有多个背照式像素的传感器的剖面图。

图3显示传感器的光敏感度与波长的关系图，其中该传感器的阵列区域具有相对均一的尺寸和/或掺杂物浓度。

图4显示传感器的光敏感度与波长的关系图，其中该传感器的阵列区域具有不同的尺寸和/或掺杂物浓度。

其中，附图标记说明如下：

50～图像传感器 100～背照式像素

100R～像素 100G～像素

100B～像素 110～基板

112R～掺杂区域 112G～掺杂区域

112B～掺杂区域 120～第一金属层

122～第二金属层 124～层间介电层

150～光线 160R～彩色滤光片

160G～彩色滤光片 160B～彩色滤光片

205～光灵敏度 215～光灵敏度。

具体实施方式

为了让本发明的目的、特征、及优点能更明显易懂，下文特列举较佳实施例，并配合附图做详细的说明。本发明说明书提供不同的实施例来说明本发明不同实施方式的技术特征。其中，实施例中的各元件的配置是为说明之用，并非用以限制本发明。且实施例中附图标号的部分重复，是为了简化说明，并非意指不同实施例之间的关联性。

请参考附图，其中相似的参考符号通过不同角度说明相似的元件，且下列附图说明本发明的实施例。这些附图并不需要被缩放，而且为了说明的目的而在某些例子中这些附图已经被放大或简化。本领域普通技术人员应该了解根据本发明，下列的实施可以做一些可能的应用及变动。

参考图1，图像传感器50提供背照式像素100的阵列。在此实施例中，像素100是感光二极管，用于记录二极管的光的密度或亮度。像素100也可以包括复位晶体管、源随器晶体管、固定层光敏二极管与传导晶体管。图像传感器50可以有很多形式，包括CMOS图像传感器、电荷耦合元件、有源式像素传感器或无源式像素传感器。通常，会在邻近像素100的阵列处配置额外的电路与输入/输出单元，以提供像素一个操作环境并支持与像素的外部沟通。

参考图2，传感器50包括硅基板110。在其它实施例中，基板110可以是硅、锗或钻石等基础半导体。基板110也可以是碳化硅、砷化镓、砷化姻、磷化铟等化合物半导体。而且，也可以提供绝缘层上覆硅(Silicon on Insulator；SOI)和/或一外延层。基板110还可以是锗化硅、碳化硅锗、磷化砷镓或磷化铟镓。在此实施例中，基板110包括P型硅。所有掺杂使用多步骤的离子注入或扩散等方法而完成。形成于基板110上的不同元件彼此间在横向上各自独立。

传感器50包括多个形成于半导体基板110的正面上的像素100。为了便于说明，像素被进一步标上100R、100G与100B，以分别对应于红、绿、蓝的光波长。每一像素100包括一光感测区域，在此实施例中，光感测区域是一个通过扩散或离子注入等方法而形成于半导体基板110内且具有掺杂物的N型掺杂区域112。掺杂区域被进一步标上112R、112G与112B，以分别对应于像素100R、100G与100B。光感测区域112的掺杂浓度可以介于约10¹⁴原子/立方公分至10²¹原子/立方公分之间。掺杂区域的深度关系为112B＞112G＞112R。在一实施例中，基板110约为3.0微米，112B与160B的距离小于1.5微米；112G与160G的距离小于2.0微米；112R与160R的距离小于2.5微米。在一些实施例中，可以通过适当地调整彩色滤光片与掺杂区域112间的距离关系而使一定量的穿过彩色滤光片160的光线到达掺杂区域112。

传感器50还包括额外层，例如是第一、第二金属层120、122与层间介电层124。介电层包括一低介电常数材料(相较于氧化硅的介电常数)。另外，介电层124可以包括掺杂碳的氧化硅、掺杂氟的氧化硅、氧化硅、氮化硅和/或有机低介电常数材料。金属层120、122内所用的材料可以包括铝、铜、钨、钛、氮化钛、钽、氮化钽、金属硅化物或其组合。也可以配置额外的电路以提供适当的功能，而控制所使用的像素100以及所感测到的光的形式。其中，波长红、绿、蓝仅是其中一例；光敏二极管仅是像素100其中之一例。

传感器50被设计成用于接收在应用时导向半导体基板110的背面的光线150，以除去由栅极与金属线等物体所引起的干扰，并将光感测区域暴露于所照射的光线的机会(或面积)增至最大。可以薄化基板110而使得穿过其背面的光线150可以有效地到达像素100。所照射的光线150并非限定于可见光束，也可以是IR、UV或其它适当的放射光束。

传感器50还包括一彩色滤光片层。彩色滤光片层可以支持多种不同彩色滤光片(例如，红、绿与蓝)，且配置成入射光线得以被引导至其上且穿越的状态。在一实施例中，如此的彩色透明层可以包括一聚合物材料(例如，以丙烯酸的聚合物为基材的负型光阻)或树脂。彩色滤光片层可以包括以具有颜料的丙烯酸的聚合物为基材的负型光阻。彩色滤光片160R、160G、160B分别与像素100R、100G、100B对应。

假如设置彩色滤光片的话，则传感器50可以包括多个置于像素100与半导体基板110的背面间、或是置于彩色滤光片160与背面间的微镜头，以便于背侧点亮的光线可以聚焦于光感测区域上。

参考图3，图200是在分别对应于红、绿、蓝光的情况下比较不同像素100R、100G与100B的灵敏度。图200的纵轴表示光或放射线灵敏度；横轴表示光或放射线波长。由图200可知，假如传感器50的区域112以一般尺寸和/或以传统方法掺杂的话，则对应于红、绿、蓝波长的不同像素间的光灵敏度205会相异。在此实施例中，相较于接收绿、红光的像素而言，用于接收蓝光的像素的光线灵敏度会降低。

参考图4，假如传感器50的区域112具有不同结深、掺杂浓度和/或其它特征(如根据图1-图2的上述内容所述)的话，则可以在对应于不同放射线波长的相异像素间得到更均一分布的光灵敏度210。在此实施例中，波长为红、绿、蓝，且像素100R、100G、100B具有相对应的彩色滤光片。区域112的变异依存于许多因素，而这些因素是设计上的选择(例如，材料形式、厚度等)。光感测区域112的掺杂浓度可以介于约10¹⁴原子/立方公分至10²¹原子/立方公分之间。在一实施例中，假如基板110约为3.0微米，则112B与160B的距离小于1.5微米；112G与160G的距离小于2.0微米；112R与160R的距离小于2.5微米。

因此，本发明的实施例提供一种改良的传感器元件及其制造方法。在一实施例中，提供一种背照式传感器，包括：具有正面与背面的半导体基板；形成于该半导体基板的该正面上的多个像素；置于该半导体基板的该正面上方的介电层；以及根据该多个像素而配置的多个阵列区域。其中，至少第一、第二阵列区域具有彼此相异的辐射响应特性，例如，该第一阵列区域的结深大于该第二阵列区域的结深，或是该第一阵列区域的掺杂物浓度大于该第二阵列区域的掺杂物浓度。

在一些实施例中，多个像素用于形成一CMOS图像传感器。在其它实施例中，多个像素用于形成一电荷耦合元件。在其它实施例中，多个像素用于形成一有源式像素传感器。在其它实施例中，多个像素用于形成一无源式像素传感器。

在另一实施例中，提供一种背照式传感器的形成方法，包括：提供一半导体基板，该半导体基板具有一正面与一背面；形成第一与第二像素于该半导体基板的该正面上；形成该半导体基板的第一掺杂区域，对准该第一像素；以及形成该半导体基板的第二掺杂区域，对准该第二像素；其中该第一、第二掺杂区域具有彼此相异的辐射响应特性。在一实施例中，该第一掺杂区域的结深大于该第二掺杂区域的结深。在另一实施例中，该第一掺杂区域的掺杂物浓度大于该第二掺杂区域的掺杂物浓度。在其它实施例中，则可以存在不同结深与掺杂物浓度的组合。

在一些实施例中，形成第三像素于该半导体基板的该正面上；以及形成该半导体基板的第三掺杂区域并对准该第三像素；其中该第一、第二、第三掺杂区域具有彼此相异的辐射响应特性。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视随附的权利要求所界定的范围为准。

Claims

1.一种背照式传感器，包括：

半导体基板，具有正面与背面；

多个像素，形成于该半导体基板的该正面上；

介电层，置于该多个像素上方；

多个金属层，位于该介电层中；

多个阵列区域，位于该半导体基板内，且根据该多个像素而配置，其中至少两个该阵列区域具有彼此相异的辐射响应特性；

多个滤光片，设置于该半导体基板的该背面下方，其中所述多个像素、阵列区域及滤光片都位于所述多个金属层的下方；以及

多个微镜头，设置于所述多个像素与所述半导体基板的背面间，或是设置于所述多个滤光片与所述半导体基板的背面间。

2.如权利要求1所述的背照式传感器，其中该多个阵列区域包括第一、第二阵列区域，且该第一阵列区域的结深大于该第二阵列区域的结深。

3.如权利要求2所述的背照式传感器，其中该第一阵列区域的掺杂物浓度大于该第二阵列区域的掺杂物浓度。

4.如权利要求1所述的背照式传感器，其中该多个像素用于形成有源式像素传感器、或无源式像素传感器。

5.如权利要求1所述的背照式传感器，其中该介电层包括氧化硅。

6.如权利要求5所述的背照式传感器，其中该氧化硅掺杂有碳。

7.如权利要求5所述的背照式传感器，其中该氧化硅掺杂有氟。

8.如权利要求1所述的背照式传感器，其中该半导体基板的厚度大体为3微米。

9.一种背照式传感器的形成方法，包括：

提供半导体基板，该半导体基板具有正面与背面；

形成第一与第二像素于该半导体基板的该正面上；

形成介电层于该第一与第二像素上方；

形成多个金属层于该介电层中；

形成该半导体基板的第一掺杂区域，对准该第一像素；

形成该半导体基板的第二掺杂区域，对准该第二像素，

其中该第一、第二掺杂区域具有彼此相异的辐射响应特性；

设置多个滤光片于该半导体基板的该背面下，其中该第一及第二像素、第一及第二掺杂区域及滤光片位于该多个金属层的下方；以及

设置多个微镜头于所述多个像素与所述半导体基板的背面间，或于所述多个滤光片与所述半导体基板的背面间。

10.如权利要求9所述的背照式传感器的形成方法，其中该第一掺杂区域的结深大于该第二掺杂区域的结深。

11.如权利要求9所述的背照式传感器的形成方法，其中该第一掺杂区域的掺杂物浓度大于该第二掺杂区域的掺杂物浓度。

12.如权利要求9所述的背照式传感器的形成方法，其中该多个像素用于形成有源式像素传感器或无源式像素传感器。

13.如权利要求9所述的背照式传感器的形成方法，其中该介电层包括掺杂有碳或氟的氧化硅。

14.如权利要求9所述的背照式传感器的形成方法，还包括：

形成第三像素于该半导体基板的该正面上；以及

形成该半导体基板的第三掺杂区域，对准该第三像素；

其中该第一、第二、第三掺杂区域具有彼此相异的辐射响应特性。

15.如权利要求9所述的背照式传感器的形成方法，其中该半导体基板的厚度大体为3微米。