CN100590879C

CN100590879C - 背侧光感测装置以及形成背侧光感测装置的方法

Info

Publication number: CN100590879C
Application number: CN200710102430A
Authority: CN
Inventors: 许慈轩; 谢元智; 杨敦年; 喻中一
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2006-05-09
Filing date: 2007-05-08
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2027-05-08
Also published as: CN101071819A

Abstract

一种背侧光感测装置，包括半导体基底，具有上表面与阶梯状下表面，多个像素，形成于上表面；多个吸收深度，形成于上、下表面之间，由蚀刻该半导体基底形成一体结构，每个吸收深度根据每个像素排列；以及多个彩色滤光片，形成于半导体基底的下表面，吸收深度位于像素与彩色滤光片之间。一种形成背侧光感测装置的方法包括提供具有上表面与阶梯状下表面的半导体基底，在上表面形成第一像素、第二像素以及第三像素；在下表面形成第一厚度、第二厚度以及第三厚度，其中第一、二、三厚度分别位于第一、二、三像素之下。于半导体基底的下表面形成一第一滤光片、一第二滤光片以及一第三滤光片，其中第一、二、三滤光片分别位于上述第一、二、三厚度之下。

Description

背侧光感测装置以及形成背侧光感测装置的方法

技术领域

本发明涉及背侧光感测装置及其形成方法，其与在2005年6月30日申请，编号为60/695,682的美国申请有关，在此提供作为先前技术的参考。

背景技术

影像传感器(image sensor)中的格状象素，例如感光二极管或光二极管、重置晶体管、源极追随晶体管、固定层(pinned layer)光二极管，以及/或转换晶体管，可用于记录光的亮度或强度。象素借由累积电荷以反应光线的变化，当光线越强时，电荷会累积越多。接着这些电荷可用于其它的电路使得色彩与亮度可用于适当的应用，例如数字相机。常见的格状象素种类包括电荷藕合组件(charge coupled device，CCD)或互补式金属氧化物半导体(complimentary metal oxide semiconductor，CMOS)影像传感器。

基底背侧的光传感器用于感应投射到基底下表面上的光线量，而象素位于基底与光投射相对的另一侧，即基底的上表面，够薄的基底使得投射到基底背侧的光线可到达另一侧的象素。与前侧的光传感器相比，位于背侧的光传感器可提供高开口率(fill factor)并且可降低破坏性的干扰。

然而背侧光传感器面临的问题为被感应的放射线因为具有不同的波长，而会在基底中经历不同的有效吸收深度，例如蓝光会比红光经历更浅的有效吸收深度。因此需要一种改良的背侧光传感器以及/或相对应的基底以适用于不同波长的光线。

发明内容

本发明公开了改良的传感器装置以及其制造的方式。在本发明的一实施例中，背侧光传感器包括

半导体基底，具有上表面、下表面以及中间部分，所述下表面呈阶梯状；多个象素，形成于上述半导体基底的上述上表面，其中上述中间部分具有多个不同的吸收深度，上述吸收深度形成于上述半导体基底的上述下表面与上表面之间，所述多个吸收深度由蚀刻该半导体基底而形成一体结构，使得上述吸收深度等于上述半导体基底的厚度，并且每个上述吸收深度根据每个上述象素排列；以及多个彩色滤光片，形成于上述半导体基底的上述下表面，其中上述吸收深度位于上述象素与上述彩色滤光片之间。

在本发明的一些实施例中，多个象素可为形成CMOS影像传感器的一种类型。在本发明的另一些实施例中，多个象素可为形成CCD的一种类型。在本发明的另一些实施例中，多个象素可为形成被动式象素传感器的一种类型。

在本发明的另一些实施例中，背侧光传感器具有根据红、绿与蓝象素排列的红、绿与蓝色的彩色滤光片，以及位于彩色滤光片与象素之间的平坦层。背侧光传感器还包括位于彩色滤光片之上的显微透镜、配置于半导体基底上表面之上的介电层，以及位于半导体基底上的多个金属层。

在本发明的另一实施例中，公开了形成背侧光传感器的方法。此方法包括提供具有上表面与下表面的半导体基底，半导体基底的下表面呈阶梯状；在半导体基底的上表面形成第一、第二与第三象素。此方法还包括在半导体基底的下表面与上表面之间形成第一、第二与第三吸收深度，其中第一、第二与第三吸收深度为一体结构，所述第一、第二与第三吸收深度分别位于第一、第二与第三象素之下；于上述半导体基底的上述下表面形成一第一滤光片、一第二滤光片以及一第三滤光片，其中上述第一滤光片、上述第二滤光片以及上述第三滤光片分别位于上述第一厚度、上述第二厚度以及上述第三厚度之下。

在本发明的一些实施例中，此方法包括在彩色滤光片与象素之间形成平坦层。此方法还包括在半导体基底的上表面上提供介电层与多个金属层。

附图说明

图1为根据本发明的实施例显示具有多个象素的光传感器的上视图。

图2-图5为根据本发明的不同实施例显示具有多个背侧发光象素的光传感器的切面图。

图6显示具有相同背侧基底厚度的传感器的感光度与光波长的关系图。

图7显示具有不同背侧基底厚度的传感器的感光度与光波长的关系图。

其中附图标记说明如下：

50～背侧光传感器；

100、100R、100G、100B～前侧感光象素；

101～上表面；

102～中间部分；

103～下表面；

110～基底；

112、112R、112G、112B～掺杂区域；

120、122～金属层；

124～介电层；

114、114R、114G、114B～吸收深度；

130～平坦层；

150～光；

160～彩色滤光片层；

160R、160G、160B～彩色滤光片；

170～透镜；

200、210～曲线图；

205、215～感光度。

具体实施方式

为使本发明的制造、操作方法、目标和优点能更明显易懂，下文特举几个较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明。值得注意的是，以下所公开的特定组件与安排仅用于简化本发明的内容，而非用以限定本发明的范围。并且以下在不同的实施例中可能会重复公开一些数字与/或文字，这些重复公开用以简化或阐明本发明的实施例，而非用以限定不同实施例以及/或结构之间的关系。此外，下文介绍的第二特征与其上方的第一特征的组成可包含一些实施例，其中第一特征与第二特征形成于直接接触区，然而在其它实施例之中也可具有一些特征插入第一特征与第二特征之间，使得第一特征与第二特征不是形成于直接接触区。

实施例：

图1显示背侧光传感器50以及背侧格状发光象素100。在此实施例中，象素100可为感光二极管或光二极管，用以在二极管上记录光的强度或亮度。然而象素100也可以包含重置晶体管、源极追随晶体管、固定层光二极管，以及/或转换晶体管之一。背侧光传感器50可为各种不同的类型，包括电荷藕合组件(CCD)影像传感器、互补式金属氧化物半导体(CMOS)影像传感器、接触式影像传感器(contact image sensor，CIS)、主动式象素传感器(active-pixel sensor，APS)或被动式象素传感器(passive-pixel sensor)。在格状象素旁通常会有额外的电路与输入/输出端以提供象素与外界沟通的操作环境。

图2显示包括具有硅与二氧化碳的绝缘层上硅(silicon-on-insulator，SOI)的基底110的背侧光传感器50。然而基底110也可包括外延层(epitaxial layer)或其它层的组合。在其它的实施例中，基底110可包括基本的半导体组件例如硅、锗或钻石，或者可包括半导体混合物例如碳化硅、砷化镓、砷化铟以及磷化铟，基底110也可包括半导体合金，例如锗化硅(silicon germanium)、碳锗硅(silicon germanium carbide)、磷化砷镓(gallium arsenic phosphide)以及磷化钢镓(gallium indium phosphide)。

在此实施例中，基底110包括形成于二氧化硅基座之上的P型硅。硅的掺杂可借由如多个步骤的离子注入或扩散程序完成。基底110可包括侧壁绝缘的特征以区分形成于基底的不同装置。基底110的厚度已变薄以允许基底背侧的蚀刻。减少厚度可借由背面磨削技术、钻石擦拭技术、化学机械研磨(chemical mechanical planarization，CMP)技术或其它相似的技术完成。

背侧光传感器50包括形成于半导体基底110上表面101的多个象素100。图2中象素标记了100R、100G、100B以分别对应到红、绿、蓝三个不同光波长的范例。每个象素100包括一光感应区域(或影像感应区域)，其在此实施例中为一N型掺杂区，其具有借由离子注入或扩散程序形成于半导体基底110的掺杂物。在以下介绍的实施例中，掺杂区域还标记112R、112G与112B以分别对应到象素100R、100G与100B。在一些实施例中掺杂区域112可具有变化，例如具有不同的材料类型、厚度等。

背侧光传感器50还可具有一些额外层，其包括第一金属层120、第二金属层122以及介电层124。介电层124可包括介电常数比二氧化硅低的低k材料。然而，介电层124也可包括碳掺杂氧化硅(carbon doped silicon oxide)、氟掺杂氧化硅(fluorine-doped silicon oxide)、二氧化硅、氮化硅以及/或有机低k材料。金属层120与122可包括铝、铜、钨、钛、氮化钛、钽、氮化钽、硅合金或其它组合。

额外的电路也可存在以提供适当的功能用以处理被使用的象素100种类以及被感应的光的种类。值得注意的是，在此提及的红、绿与蓝光的波长仅为实施例，而以光二极管组成的象素100在此也仅为实施例。

图3根据本发明的另一实施例显示基底110，基底110的中间部分102具有多个吸收深度114R、114G以及114B。吸收深度114R、114G以及114B形成于基底110的下表面103，并且分别位于象素100R、100G以及100B的下方。每个不同波长的光线(例如红、绿以及蓝光)，在光线穿透基底110时分别具有不同的有效吸收深度。例如，与红光相比，蓝光会具有较浅的吸收深度。因此吸收深度114R、114G以及114B会随着不同的象素100R、100G以及100B而变化。例如，位于象素100R下方用以接收红光的吸收深度114R介于0.35μm到8.0μm之间，位于象素100G下方用以接收绿光的吸收深度114G介于0.15μm到3.5μm之间，而位于象素100B下方用以接收蓝光的吸收深度114B介于0.10μm到2.5μm之间。

吸收深度114可由多个不同的技术形成。其中一个技术为在基底110的后方涂上一感光层，给予此光感应层图案，并且根据此图案蚀刻基底110。例如，湿蚀刻的程序可用于移除不想要的硅基底。持续此程序可形成不同的吸收深度。

图4显示具有平坦层130的背侧光传感器50，此平坦层130位于象素100R、100G以及100B与彩色滤光片160R、160G以及160B(显示于第5图中)之间。平坦层130由对于可见光或所欲感测的放射线具有高透射率有机物或聚合物形成，以允许通过平坦层130的光线只有些微的衰减，因而可被基底110的光感应区域侦测到。平坦层130可借由旋转涂布(spin coating)的方法以平坦均匀地形成。

图5显示背侧光传感器50，此背侧光传感器50可接收位于半导体基底110后方并直接投射至半导体基底110后方的光150、减少任何在光学路径上由任何物体形成的阻碍物，例如栅极与金属线，并且使光感应区域对光的亮度达到最大曝光程度。光150不限于可见光束，也可以是红外线(IR)、紫外线(UV)以及其它放射线。

背侧光传感器50还包括彩色滤光片层160。彩色滤光片层160可提供各种不同的彩色滤光片，例如红、绿、蓝色等，并且可置于适当的位置使得入射光可直射于彩色滤光片层160之上并且穿透它。在实施例中，这样的可穿透的彩色层可包括聚合物材料(例如以丙烯酸聚合物为基料的负性光阻剂)或合成树脂。彩色滤光片层160可由具有彩色颜料的丙烯酸聚合物为基料的负性光阻剂组成。在后续介绍的实施例中，彩色滤光片160R、160G以及160B皆为分别对应到象素100R、100G以及100B。

背侧光传感器50可包括多个透镜170，例如显微透镜，透镜170与象素100以及彩色滤光片层160可有多种不同位置安排，使得后方的光150可聚焦光感应区域。

图6为显示当反应红、绿、蓝光时象素感光度的比较的曲线图200。曲线图200的纵轴为光或放射线的感光度，而水平轴为光或放射线的波长。从曲线图200可以发现，若吸收深度都一样，用以感应不同放射波长的红、绿以及蓝光的不同象素的感光度205皆会不同。由于相较于红光与绿光，蓝光具有较短的波长，因此蓝光在基底会具有较浅的有效吸收深度。在本发明的实施例中，与用以接收红光与绿光的象素相比，用以接收蓝光的象素会具有较低的感光度。

图7显示分别用以反应红、绿、蓝光的象素100R、100G以及100B感光度的比较的曲线图210。由于背侧光传感器50具有不同的吸收深度114R、114G与114B以及不同的厚度，因此在反应不同放射波长的不同象素100R、100G以及100B之间可得到更平均分布的感光度215。在本发明的实施例中所提及的波长为红、绿、蓝，以及象素100R、100G与100B分别具有对应的彩色滤光片160R、160G与160B。值得注意的是根据本发明的实施例，结合不同的接合深度以及掺杂物浓度可达到更平均的频谱响应并且增进背侧光传感器50的效能。

本发明虽以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

Claims

1.一种背侧光感测装置，其特征在于，包括：

半导体基底，具有上表面、下表面以及中间部分，上述下表面呈阶梯状；

多个象素，形成于上述半导体基底的上述上表面，其中上述中间部分具有多个不同的吸收深度，上述吸收深度形成于上述半导体基底的上述下表面与上表面之间，上述多个吸收深度由蚀刻该半导体基底而形成一体结构，使得上述吸收深度等于上述半导体基底的厚度，并且每个上述吸收深度根据每个上述象素排列；以及

多个彩色滤光片，形成于上述半导体基底的上述下表面，其中上述吸收深度位于上述象素与上述彩色滤光片之间。

2.如权利要求1所述的背侧光感测装置，其特征在于，上述半导体基底为一绝缘层上硅基底。

3.如权利要求1所述的背侧光感测装置，其特征在于，还包括在上述上表面形成第一象素、第二象素以及第三象素，以及位于上述中间部分的第一吸收深度、第二吸收深度与第三吸收深度，其中上述第一吸收深度、上述第二吸收深度与上述第三吸收深度分别位于上述第一象素、上述第二象素与上述第三象素下方。

4.如权利要求3所述的背侧光感测装置，其特征在于，上述第一吸收深度具有介于0.35μm到8.0μm之间的厚度，上述第二吸收深度具有介于0.15μm到3.5μm之间的厚度，并且上述第三吸收深度具有介于0.10μm到2.5μm之间的厚度。

5.如权利要求3所述的背侧光感测装置，其特征在于，上述彩色滤光片之一为红色滤光片、上述彩色滤光片的另一为绿色滤光片以及上述彩色滤光片的另一为蓝色滤光片，并且上述红色滤光片、上述绿色滤光片以及上述蓝色滤光片分别根据上述第一象素、上述第二象素以及上述第三象素排列。

6.如权利要求5所述的背侧光感测装置，其特征在于，还包括平坦层，上述平坦层介于上述半导体基底的上述中间部分以及上述彩色滤光片之间。

7.如权利要求6所述的背侧光感测装置，其特征在于，上述平坦层为有机物。

8.如权利要求7所述的背侧光感测装置，其特征在于，上述平坦层为聚合物。

9.如权利要求1所述的背侧光感测装置，其特征在于，还包括：

多个金属层，形成于上述半导体基底；以及

介电层，形成于上述半导体基底的上述上表面。

10.一种背侧光感测装置，其特征在于，包括：

半导体基底，具有上表面与下表面，上述下表面呈阶梯状；

多个象素，形成于上述半导体基底的上述上表面；以及

多个彩色滤光片，形成于上述半导体基底的上述下表面，其中上述半导体基底具有多个吸收深度，上述吸收深度形成于上述半导体基底的上述下表面与上表面之间，上述多个吸收深度由蚀刻该半导体基底而形成一体结构，使得上述吸收深度等于上述半导体基底的厚度，上述吸收深度位于上述象素与上述彩色滤光片之间，并且至少两个上述吸收深度彼此之间具有不同的厚度。

11.如权利要求10所述的背侧光感测装置，其特征在于，还包括平坦层，上述平坦层位于上述象素与上述彩色滤光片之间，上述平坦层具有反比于上述吸收深度的多个厚度。

12.如权利要求10所述的背侧光感测装置，其特征在于，还包括显微透镜，上述显微透镜位于彩色滤光片之上。

13.如权利要求10所述的背侧光感测装置，其特征在于，还包括：

多个金属层，位于上述半导体基底的上述上表面；以及

介电层，位于上述半导体基底的上述上表面。

14.一种形成背侧光感测装置的方法，其特征在于，包括：

提供具有上表面与下表面的半导体基底，其中上述半导体基底的上述下表面呈阶梯状；

在上述半导体基底的上述上表面形成第一象素、第二象素以及第三象素；

在上述半导体基底的上述下表面与上表面之间形成第一厚度、第二厚度以及第三厚度，上述第一厚度、上述第二厚度以及上述第三厚度为一体结构，其中上述第一厚度、上述第二厚度以及上述第三厚度分别位于上述第一象素、上述第二象素以及上述第三象素之下；以及

于上述半导体基底的上述下表面形成一第一滤光片、一第二滤光片以及一第三滤光片，其中上述第一滤光片、上述第二滤光片以及上述第三滤光片分别位于上述第一厚度、上述第二厚度以及上述第三厚度之下。

15.如权利要求14所述的形成背侧光感测装置的方法，其中上述第一厚度介于0.35μm到8.0μm之间，上述第二厚度介于0.15μm到3.5μm之间，上述第三厚度介于0.10μm到2.5μm之间。

16.如权利要求14所述的形成背侧光感测装置的方法，其中上述第一滤光片、上述第二滤光片、上述第三滤光片分别为红色滤光片、绿色滤光片以及蓝色滤光片，并且上述红色滤光片、上述绿色滤光片以及上述蓝色滤光片分别根据上述第一象素、上述第二象素以及上述第三象素排列。