CN105374838A - 光学传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学传感器。光学传感器包含半导体基板。光感测区在半导体基板上。导波区用于从波入射部将光引导经过导波部以及至样品置放部。导波部包含第一介电层，其包含第一折射率。第二介电层包含第二折射率。第二折射率小于第一折射率。第一互连部位于导波部中，用于从光感测区将电子信号传送至外部电路。样品置放部在光感测区上方。

Description

光学传感器及其制造方法
技术领域
本发明关于光学传感器及其制造方法。
背景技术
光学传感器广泛适用于不同的应用与产品中，例如摄像机、扫描器、复印机等。在不同技术领域中因应不同目的而设计所使用的光学传感器。
为了改良光学传感器的效能与缩小尺寸，使用不同的光学传感器的设计。评估效能的方式之一是测量光学传感器的量子效率。量子效率是光传感器产生的电荷载体数目与入射于光传感器的光子数目的比例。其为光学传感器对于光的电子敏感性的测量。
发明内容
本发明的一些实施例提供一种光学传感器，其包括半导体基板；光感测区，其在该半导体基板上；导波区，其用于从波入射部将光引导经过导波部以及至样品置放部，以及该导波部包括第一介电层，其包括第一折射率；以及第二介电层，其包括第二折射率，其中该第二折射率小于该第一折射率；以及第一互连部，其位于该导波部中，用于从该光感测区传送电子信号至外部电路，其中该样品置放部在该光感测区上方。
根据本发明的一实施方式，所述的光学传感器进一步包括位于该导波区上方的第二互连部。
根据本发明的另一实施方式，其中该第二互连部电连接至该光感测区。
根据本发明的另一实施方式，其中该第一互连部包括位于该第二介电层中的传导层。
根据本发明的另一实施方式，其中该传导层位于该导波区的底部。
根据本发明的另一实施方式，其中该传导层包括孔。
根据本发明的另一实施方式，其中该样品置放部包括底部，其接近该第一介电层与该第二介电层之间的界面。
根据本发明的另一实施方式，所述的光学传感器进一步包括反射结构，其对准该波入射部的边界。
根据本发明的另一实施方式，其中该第一互连部包括在该第一介电层中的通路结构。
根据本发明的另一实施方式，所述的光学传感器进一步包括介电柱，其在该波入射部的顶部。
本发明的一些实施例提供一种半导体装置，其包括半导体基板；介电层，其在该半导体基板上方；反射结构，其在该介电层中；导波区，其用于从波入射部将光引导经过导波部以及至样品置放部，以及该导波部包括该介电层与该反射结构；以及光感测区，其在该半导体基板上方，以及该导波区位于该光感测区上方。
根据本发明的一实施方式，其中该光感测区包括多接合光二极管。
根据本发明的另一实施方式，所述的半导体装置进一步包括互连区，其在该导波区下方，以及该互连区位于该光感测区上方。
根据本发明的另一实施方式，其中该介电层中的该反射结构未电连接至该光感测区。
根据本发明的另一实施方式，所述的半导体装置进一步包括滤光层，其位于该互连区与该导波区之间。
根据本发明的另一实施方式，其中该波入射部包括光栅。
根据本发明的另一实施方式，其中该介电层包括核心层与包覆层。
根据本发明的另一实施方式，其中在该核心层与该包覆层之间的界面处，该核心层的总面积与该包覆层中的该反射结构的总面积的比例大于约10。
根据本发明的另一实施方式，其中该介电层包括具有至少两个不同折射率的多层。
根据本发明的另一实施方式，其中部分的该介电层环绕该样品置放部。
附图说明
由以下详细说明与附随附图得以最佳了解本发明的各方面。注意，根据产业的标准实施方式，各种特征并非依比例绘示。实际上，为了清楚讨论，可任意增大或缩小各种特征的尺寸。
图1是根据本发明的一些实施例说明导波区的俯视图。
图2是根据本发明的一些实施例说明波入射部的俯视图。
图3与图4是根据本发明的一些实施例说明波入射部的剖面图。
图5是根据本发明的一些实施例说明波入射部的俯视图。
图6与图7是根据本发明的一些实施例说明波入射部的剖面图。
图8至13是根据一些实施例说明导波区的剖面图。
图14至16是根据本发明的一些实施例说明半导体装置的剖面图。
图17至44根据本发明的一些实施例说明用于制造半导体装置的方法的操作剖面图。
【符号说明】
200导波区
10光学传感器基体
11孔
20波入射部
21光栅结构
22连接点
23样品置放部
8、81、82、83光
231样品
210界面
25、25’通路结构
26开口槽
27、28、28’介电层
29、29’传导层
30滤光层
S23表面
S25界面
S27界面
S29表面
251开口槽
278导波部
259多层结构
281介电柱
73互连区
55光感测区
51外延区
50半导体基板
552、553、554、555、557区
551、559、558、533重掺杂区
71接点
72金属线
59晶体管
S51表面
52隔离区
58栅极结构
53源极结构
54漏极结构
56栅极介电
57栅极电极
53源极区
54漏极区
75层间介电(ILD)层
70介电层
731互连区
283钝化层
31阻抗
561栅极介电层
571栅极电极层
257通路结构
291传导层
211开口槽
213凹处
具体实施方式
以下公开内容提供许多不同的实施例或范例，用于实施本申请的不同特征。元件与配置的特定范例的描述如下，以简化本申请的公开内容。当然，这些仅为范例，并非用于限制本申请。例如，以下描述在第二特征上或上方形成第一特征可包含形成直接接触的第一与第二特征的实施例，亦可包含在该第一与第二特征之间形成其他特征的实施例，因而该第一与第二特征并非直接接触。此外，本申请可在不同范例中重复元件符号与/或字母。此重复为了简化与清楚的目的，而非支配不同实施例与/或所讨论架构之间的关系。
再者，本申请可使用空间对应语词，例如「之下」、「低于」、「较低」、「高于」、「较高」等类似语词的简单说明，以描述附图中一元件或特征与另一元件或特征的关系。空间对应语词用以包括除了附图中描述的位向之外，装置于使用或操作中的不同位向。装置或可被定位(旋转90度或是其他位向)，并且可相应解释本申请使用的空间对应描述。
图1是根据一些实施例说明导波区200的俯视图。导波区200包含多层。导波区200包含波入射部20与光学传感器基体10。波可以是像光8的光波。波入射部20包含光栅结构21与连接点22。在一些实施例中，波入射部20可为梯形。光学传感器基体10包含孔11与样品置放部23。本文所指的孔为在样品置放部23下方的透明路径，使得从样品发射的光可穿过其中。
在一些实施例中，波入射部20用于接收光8。在一些实施例中，光栅结构21包含用将光8导引至光学传感器基体10的光栅，该光例如激光。光8自波入射部20扩展至光学传感器基体10。光8从光栅结构21传播至光学传感器基体10的各个样品置放部23。光8照在样品置放部23中的样品231上。样品231发出特定波长的光至孔11。样品置放部23亦用于握持需要分析的样本231。
在一些实施例中，介电层或金属层环绕样品置放部23。介电层对于来自激光源的光8是透明的。介电层对于样品231发射的光是透明的。特定波长的光8可穿透光栅结构21的介电层。光栅结构21由光学透明材料所组成，例如介电材料。光栅结构21包含具有特定折射率的材料。特定折射率可依光8的不同的预定光学特性而变化。连接点22由传导材料所组成，例如铝、铜、氮化钛、钨、钛、钽、氮化钽、硅化镍、硅化钴、TaC、TaSiN、TaCN、TiAl、TiAlN、其他合适的材料与/或其组合。在一些实施例中，连接点22为一接触垫，其提供连接电信号至其他半导体组件，例如电子装置。
在一些实施例中，波入射部20的最顶层由反射层组成，例如金属。在一些其他的实施例中，波入射部20的最顶层由透明层组成，例如介电层。样品置放部23透明层中的开口槽。在一些实施例中，孔11在反射层。反射层在透明层下方。反射层在样品置放部23之下。
波入射部20包含光栅结构21，其接近于梯形的较短侧。光栅结构21的光栅接近波入射部20的中心线而呈对称图案。在一些实施例中，光栅的每一行列的间隔均匀。光栅结构21的光栅的行列与界面210平行。中心线垂直于界面210。剖面线AA’将波入射部20与光学传感器基体10平均切割。
波入射部20包含接近界面210的连接点22。在一些实施例中，连接点22位于光栅结构21与光学传感器基体10之间，因而连接点22较接近界面210。在一些其他实施例中，光栅结构21在连接点22与光学传感器基体10之间，因而光栅结构21较接近界面210。
光学传感器基体10包含样品置放部23，其对准光栅结构21。样品置放部23排成一排对准中心线。在一些实施例中，样品置放部23对称位于中心线的任一侧。
样品置放部23包含开口槽，用于置放样本于样品置放部23中。开口槽与孔11重叠。在一些实施例中，样品置放部23对称位于孔11内部。开口槽的形状可为任何合适的形状，例如圆形或正方形。孔11的形状可为任何合适的形状，例如圆形或正方形。在一些实施例中，孔11的面积大于样品置放部23的开口槽的面积。
图2是根据一些实施例说明波入射部20的俯视图。波入射部20包含介电层28上方的传导层29。传导层29包含开口槽26。光8入射在开口槽26的光栅结构21上，穿透开口槽26，并且向下移动至介电层28。光8从开口槽26至界面210在通路结构25之间的波入射部20中移动。注意，通路结构25可由电传导材料所组成，并且作为导波区中的电互连。界面210在图1的波入射部20与光学传感器基体10之间。在一些实施例中，界面210包含介电层中的通路。传导层29与通路结构25由反射材料组成，用以限制波入射部20内的光8。
传导层29或通路结构25由传导材料组成，例如铝、铜、氮化钛、钨、钛、钽、氮化钽、硅化镍、硅化钴、TaC、TaSiN、TaCN、TiAl、TiAlN、其他合适的材料、与/或其组合。传导层29或通路结构25由高反射材料组成，引导光8分散朝向界面210。
在一些实施例中，开口槽26在光栅结构21上方，如图2所示。通路结构25分布在整个波入射部20。可依设计考量而变化通路结构25的尺寸与布局。每一通路结构25根据波入射部20内的不同的电路设计而位于波入射部20中。通路结构25分布在波入射部20中，使得光8以合适的效率从开口槽26通过至界面210。
图3是说明从图2的剖面线BB’的波入射部20的剖面图。在图3中，光8在波入射部20内经由较低部而散射。光8自通路结构25或传导层29反射。大部分的光8受限于介电层27内。在一些实施例中，介电层27亦指核心层。介电层28’与传导层29’在介电层27之下。到达介电层28’的一些光8从传导层29’反射回至介电层27。在一些实施例中，介电层28或介电层28’指包覆层。滤光层30在波入射部20的底部。滤光层30在介电层28’、介电层27与传导层29’下方。滤光层30用于过滤激光，并且使得自样品发射的光从其穿过。在一些实施例中，滤光层30可增进光学传感器的信号与噪音的比例。
在一些实施例中，介电层27包含第一折射率的第一介电层。介电层28包含第二折射率的第二介电层。第二折射率小于第一折射率。当光自具有较高折射率的第一介质移动至具有较低折射率的第二介质时，光可能自其间的界面反射总内部反射。同样地，自介电层27移动至介电层28’的光8可能自介电层28’反射。介电层28在介电层27上方。介电层28’在介电层28下方。通过介电层28与介电层28’之间的介电层27，可将光8的路径限制在介电层27内。在一些实施例中，第一折射率不同于第二折射率，其差别在一预定范围内。第一折射率与第二折射率的比例大于1。
传导层29在通路结构25上方。通路结构25’在介电层27下方。通路结构25在介电层27上方。传导层29’在通路结构25’下方。传导层29在介电层27上方。传导层29’在传导层29下方。传导层29与介电层27的横侧相邻。
通路结构25可位于介电层28中或是位于介电层27中。通路结构25接触传导层29。通路结构25包含表面S25，其暴露至介电层27。表面S25介电层27与通路结构25之间的界面。在一些实施例中，不同通路结构25的界面S25的面积不同。
界面S27在介电层27与介电层28之间。界面S27的总面积与界面S25的总面积的预定比例可为依不同应用的设计因子。在一些实施例中，预定比例约大于10。各个表面S25包含从通路结构25的一边缘至相同通路结构25的另一边缘的长度L25。界面S27的长度L27从通路结构25的一边缘至另一通路结构25的另一边缘。长度L27与长度L25之间的比例是预定的。在一些实施例中，通路结构25的表面S25的面积实质相同。在一些实施例中，长度L27实质相等，因而通路结构25彼此间隔相等。
图4是图2的剖面线A1A1’的波入射部20的剖面图。在图4中，经由开口槽26而来的光8向下移动到达介电层27。介电层28与介电层27上方的传导层29向上延伸至开口槽26，以将介电层28暴露至来自上层的光8。在一些实施例中，光8自开口槽26传播至界面210。在一些实施例中，在介电层27上方的传导层29延伸至界面210，以将介电层28暴露在界面210。大部分的光8被维持在核心层内部的介电层27内。
在一些实施例中，通路结构25的长度L25彼此不同，因而通路结构25包含表面S25的不同面积。在一些实施例中，长度L27彼此不同，因而通路结构25通过不同的长度L27而彼此相隔。
图5类似于图2，差别在于图2中，波入射部20包含在介电层28内部的通路结构25，而在图5中，在一些实施例中，波入射部20中的介电层28不包含通路结构25。在图5中，通路结构25对准波入射部20的边界。光8，例如激光，经由开口槽26而进入导波区200。
图6是说明从图5的剖面线BB’的波入射部20的剖面图。在图6中，光8从介电层27上方的传导层29或介电层27下方的传导层29’反射。光8从介电层28的任一侧的通路结构25反射。光8亦从介电层28与介电层27之间的界面S27反射。在一些实施例中，传导层29或传导层29’包含表面S29，其面朝向介电层27。在图6中，表面S29的面积与界面S27的面积实质相同，因而表面S29的面积与界面S27的面积的比例实质等于1。
图7是说明从图5的剖面线A1A1’的波入射部20的剖面图。在到达界面210之前，接近界面210的光8穿过开口槽251。开口槽251通路结构25与接近界面210的通路结构25’之间的介电层27的一部分。在一些实施例中，当穿过开口槽251时，光8分散或衍射。在图5中，由于开口槽251在传导层29或通路结构25之下，因而以虚线表示开口槽251。
开口槽251的厚度实质等于介电层27的厚度H27。开口槽251的长度实质等于开口槽251上方的通路结构25的长度L25。
介电层27上方的传导层29向上延伸至界面210。介电层27下方的传导层29’亦向上延伸至界面210。在穿透开口槽251之前，通过界面S27或传导层29，将大部分的光8限制在介电层27中。滤光层30在波入射部20的底部。滤光层30在介电层28’、介电层27以及传导层29’下方。
图8是根据一些实施例说明导波区200的剖面图。在图8中，导波区200包含波入射部20、导波部278以及样品置放部23。
传过波入射部20的光栅结构21的光8穿过导波部278内部的介电层28或介电层27，并且到达样品置放部23。光8照射在样品置放部23中的样品231上。光8从光栅结构21传播至各个样品置放部23。受到光8照射的样品231再发出特定波长的光至孔11。在一些实施例中，从样本或样品发出光81。在一些实施例中，光81与光8具有一些不同的光学特性，例如波长、极性或强度。光81穿过孔11以及穿过滤光层30。滤光层30防止光8进入下方区域，光8例如来自激光源的激光。滤光层30使得从样品231发出的光，例如光81，穿过朝向下方区域。
在一些实施例中，介电层28上方的传导层29延伸接近样品置放部23。孔11在传导层29’中。在一些实施例中，介电层28’下方的传导层29’延伸至孔11，使得光81穿过孔11。在一些实施例中，介电层28的第二折射率小于介电层27的第一折射率。
在一些实施例中，光栅结构21包含在介电层27的顶部表面上的波浪形光栅。在一些实施例中，光栅的顶部表面暴露至周围环境。样品置放部23介电层28中的凹处。样品置放部23的凹处被部分的介电层28环绕，凹处暴露介电层27的下方表面S23。
图9是说明类似于图8的导波区200的导波区200的剖面图，差别在于图9中，介电层28上方的传导层29延伸接近样品置放部23。在图9中，介电层27下方的传导层29’接触介电层27。光8从介电层27下方的传导层29’以及从介电层28上方的传导层29反射。
图10是说明类似于图9的导波区200的导波区200的剖面图，差别在于图10中，介电层8的表面S28暴露于周围环境。在一些实施例中，表面S28的总面积实质等于界面S27的总面积。在一些实施例中，传导层29’的表面S29的总面积实质小于界面S27。
图11是说明类似于图8的导波区200的导波区200的剖面图，差别在于图11中，传导层29覆盖在介电层28的表面S28的顶部上。覆盖介电层28的传导层29延伸接近样品置放部23。样品置放部23的凹处的顶部被传导层29环绕。
图12是说明图1的剖面线AA’的导波区200的剖面图。图12说明导波区200的剖面区，其类似于图10的导波区200，差别在于导波区200包含多层结构259。多层结构259在介电层28上方，除了样品置放部23所在之处以及光栅结构21所在之处。多层结构259部分覆盖介电层28，使得样品置放部23与光栅结构21的光栅暴露至周围环境。
多层结构259包含介电层28、介电层27、通路结构25以及传导层29。通路结构25与传导层29彼此交错堆叠在介电层28上的多层结构259中。
接近多层结构259的顶部是连接点22。连接点22电连接至介电层27下方的传导层29’。连接点22连接穿过多层结构259中的通路结构25与传导层29以及穿过介电层27的通路结构25。连接点22在光栅结构21的样品置放部23之间。连接点22上方有凹处，以供其他装置与连接点22连接。
在一些实施例中，多层结构259电路的互连部用于转移电子信号。在光栅结构21与样品置放部23之间的多层结构259包含通路结构25，从介电层28的表面S28延伸穿过介电层28、穿过介电层27、穿过传导层29’、以及穿过滤光层30。多层结构259从顶部至底部包含介电层28、通路结构25、传导层29、介电层27、传导层29’或滤光层30。多层结构259包含受到介电层27、介电层28、传导层29’或滤光层30环绕的通路结构25。多层结构259包含位于介电层27的顶部上的介电层28。在一些实施例中，同时形成多层结构259中且以波入射部20为边界的通路结构25与传导层29。波入射部20包含第一边界与第二边界。第一边界在波入射部20的左端。第二边界在波入射部20的右端，或是在波入射部20与样品置放部23之间并且位于介电层28中。如图12所示，对准波入射部20的第一边界且位于介电层27中的通路结构25是第一反射结构。第二反射结构对准第二边界且位于介电层27上方。在一些实施例中，第二反射结构包含通路结构25与传导层29的交互堆叠。第一反射结构与第二反射结构用于阻挡光8并且将光8反射至光栅结构21。注意，反射结构设计用于反射入射的光8，并且将其最大的光强度收集至介电层27中。在一些实施例中，反射结构可为金属层，其与导波区200中或导波区200外部的其他金属电隔离。
图13是说明图1的剖面线AA’的导波区200的剖面图。在图13中，导波区200的波入射部20包含覆盖在光栅结构21的光栅顶部上的介电柱281。
入射在波入射部20上的光8经介电柱281导引至光栅结构21的光栅。光8自通路结构25反射或自与介电柱281相邻的传导层29反射。通路结构25与环绕介电柱281的传导层29将光8限制在介电柱281内部。介电柱281的下部在接近光栅结构21的光栅凹槽内。波入射部20包含介电层27上方的介电柱281。在一些实施例中，高度H281实质小于厚度H28。在一些实施例中，多层结构259中的传导层29与波波入射部20边界处的传导层29同时形成。在一些实施例中，多层结构259中的传导层29电连接至导波区200下方的光感测区。在一些实施例中，介电层27下方的传导层29’未电连接至光感测区。
图14是说明半导体装置100，其包含互连区73、导波区200、以及光感测区55。在一些实施例中，导波区200在互连区73与/或光感测区55上方。互连区73在导波区200与光感测区55之间。光感测区55在导波区200下方以及在互连区73之下。光感测区55在外延区51中。光感测区55在半导体基板50上方。
光8入射在波入射部20处的光栅结构21的光栅上。光8从波入射部20移动至导波部278。大部分的光8被限制在介电层27内。光8到达导波区200的样品置放部23并且照射在待检测的样本231上。响应光8，样本231发出特定波长的光。发射光的波长样本231中的材料特性。例如，在一些实施例中，样本231发出不同波长的光81、光82与光83。光81、光82与光83穿过接近导波区200的底部的孔11。光81、光82与光83移动经过导波区200与互连区73之间的滤光层30。
在一些实施例中，滤光层30是激光滤光层。滤光层30移除光8以及包含光81、82与83的光束中的散射以及色差。滤光层30亦可改变包含光81、82与83的光束的相位与/或强度，因而移除边缘的一些噪音或是光束的空间变化强度。光81、82、83穿过介电层70，并且进入光感测区55。
在光感测区55中，分别在不同区552、554、557吸收光81、82、83。具体而言，在区552/553、区554/555、以及区557/51之间的接合处，吸收光81、82、83。在一些实施例中，区557指深槽区557。在一些实施例中，区554指中槽区554，以及区552指浅槽区552。对于不同波长的光，每一区552、554、557的量子效率是不同的。例如，区552对于光81的波长的量子效率大于其他波长的光，例如光82或83的波长。区554对于光82的波长的量子效率大于其他波长的光，例如光81或83的波长。区557对于光83的波长的量子效率大于其他波长的光，例如光81或82的波长。大部分的光81停止在区552中且被吸收于区552中。大部分的光82穿过区552朝向区554。大部分的光82停止在区554且被吸收于区554。大部分的光83穿过区552与554朝向区557。大部分的光83停止在区557且被吸收于区557。
区552中所吸收的光81转换为区552中的电荷载体。在一些实施例中，电荷载体可为正或负。电荷载体流至重掺杂区551、559或558，用以将关于样品231的信息转移至互连区73中的电路，用于进一步的处理与/或输出。通过区552、554或557中的光感测元件，将光8转换为数据信息。
分别经由各区552、554与557中的重掺杂区551、558、559，将电荷载体转移至第一层通路71。在一些实施例中的第一层通路亦可作为接点。例如，电荷载体从区552转移至区552中的重掺杂区551。在一些实施例中，重掺杂区551与区552包含相同型的掺杂，例如P型掺杂或N型掺杂。电荷载体从区554转移至区554中的重掺杂区558。在一些实施例中，区554与重掺杂区558包含相同型的掺杂。电荷载体从区557转移至区557中的重掺杂区559。在一些实施例中，重掺杂区559与区557包含相同型的掺杂。
在一些实施例中，区552、554或557经由重掺杂区551、558或559而连接至另一半导体装置，例如晶体管59。在一些实施例中，重掺杂区551、558或559经由接点71或金属线72而连接至一些其他的半导体装置，例如晶体管59。从晶体管59，将数据信息转移至互连区73中的电路。在一些实施例中，连接点22由传导材料组成。连接点22经由通路结构与/或互连而电连接至晶体管59。在一些实施例中，多个晶体管59连接至多个光感测区55，用于转移多个样品置放部23中关于样本231相关的各种数据信息。
晶体管59连接至光感测区55中的光感测元件，用以将图像数据转移至电路，用于进一步处理与/或输出。在一些实施例中，光感测元件包含光感测二极管。
在一些实施例中，晶体管59是转移晶体管，用于将对应的光感测元件所捕捉的图像数据转移至外部电路。在一些实施例中，半导体装置100亦包含具有各种功能的其他晶体管。例如，半导体装置50包含重设晶体管、源极随耦器晶体管、与/或选择晶体管。在一些实施例中，半导体装置100中的其他晶体管的结构类似于晶体管59。
在一些实施例中，介电层70的折射率大于或等于介电层27的第一折射率或介电层28的第二折射率。在一些实施例中，在图14中，一些通路结构25、25’与一些虚拟传导层29、29’的组成材料类似于互连的材料，例如铝、铜、氮化钛、钨、钛、钽、氮化钽、硅化镍、硅化钴、TaC、TaSiN、TaCN、TiAl、TiAlN、其他合适的材料、与/或其组合。通路结构25、25’与虚拟传导层29、29’用以限制导波区200中光8的迁移方向。虚拟传导层29、29’亦可为金属层。在一些实施例中，通路结构25、25’以及虚拟传导层29、29’在导波区200中的介电层28中。在一些实施例中，通路结构25、25’或是虚拟传导层29、29’用以阻挡光，并且可与互连区73或导波区200内或外的其他导体间为非电性连接。由于前述的通路结构25、25’未与互连区73电连接，因而该通路结构可功能性地称为反射结构。然而，本发明所使用的通路结构包括(1)与互连区73或是导波区200内或外的其他导体电连接的通路结构25、25’，以及(2)未与互连区73或是导波区200内或外的其他导体电连接的通路结构25、25’。
光感测区55多接合光二极管，用于侦测不同波长的光。在一些实施例中，半导体基板50包含第一传导型掺杂，例如一些P型掺杂。外延区51包含第一传导型掺杂。区557包含第二传导型掺杂，例如N型掺杂。区555包含第一传导型掺杂。在一些实施例中，区555槽区555。区554包含第二传导型掺杂。区553包含第一传导型掺杂。在一些实施例中，区553槽区553。区552包含第二传导型掺杂。重掺杂区551、558或559包含第二传导型掺杂
半导体基板50是硅基板或是包含特定浓度的第一传导型掺杂的另一半导体基板。第一传导型掺杂，例如正传导型掺杂，在半导体基板50中。例如，半导体基板50包含预定的硼掺杂浓度。在一些实施例中，外延区51是轻掺杂的硅外延，因而外延区51中的第一传导型掺杂的掺杂浓度小于半导体基板50中的预定掺杂浓度。区557、554或552包含预定掺杂浓度的第二传导型掺杂，例如磷。在一些实施例中，区557、554与552中的第二传导型掺杂的预定掺杂浓度实质相同。区555或553包含预定掺杂浓度的第一传导型掺杂，例如硼。在一些实施例中，在区555与553中的第一传导型掺杂的预定掺杂浓度实质相同。
在一些实施例中，较接近表面S51的部分的区557、554或552相较于另一部分的区557、554或552分别包含较高的掺杂浓度。较接近重掺杂区559、558或551的部分的区域557、554或552做为用于外部连接的区557、554或552的终端。在一些实施例中，重掺杂区559、558或551所包含的材料是例如金属或其他传导材料。
外延区51包含接近表面S51的隔离区52。在一些实施例中，隔离区52是浅沟渠隔离(STI)特征或是硅的局部氧化(LOCOS)特征。隔离区52定义且彼此隔离在外延区51中或是半导体基板50中的不同元件或是区。例如，隔离区52将相邻的光感测区55彼此隔离、将光感测区55与晶体管59隔离、或是将电路的一些组件彼此隔离。在一些实施例中，隔离区52由介电材料制成。
晶体管59位于外延区51的表面S51。晶体管59包含栅极结构58与源极结构53以及漏极结构54。栅极结构58包含栅极介电56与栅极电极57。
栅极介电56由高介电常数k介电层或其组合所组成。栅极介电56由任何合适的介电材料组成，例如氧化铪(HfO2)、氧化硅铪(HfSiO)、过渡金属氧化物、金属的氮氧化物、金属铝酸盐、其他合适的介电材料、与/或其组合。在一些实施例中，栅极介电56包含栅极介电56与外延区51之间的界面层，以减少栅极介电56与外延区51之间的破坏。
晶体管59的栅极结构58、源极区53以及漏极区54连接至多个第一层通路，而后称为「接点」71。接点71穿过介电层70，使得接点71连接栅极结构58、源极区53或漏极区54的一些部分。接点71接触源极区53、漏极区54或光感测区55上方的表面S51。在一些实施例中，接点71与介电层70在层间介电(ILD)层75中；ILD层75在晶体管59与光感测区55上方；晶体管59接近光感测区55；互连区73包含晶体管59、ILD层75、介电层70以及金属线72。简而言之，在本发明中，通路结构与金属线概括为互连。
在图14中，虚拟传导层29、29'或是通路结构25、25’与图15中的传导层29、29’或通路结构25、25’具有类似的形状。然而，在图14中，虚拟传导层29、29’或通路结构25、25’未与其他导体电连接。而在图15中，传导层29、29’或通路结构25、25’与其他导体电连接或连接。本文所指的「其他导体」包含电连接至光感测区55的传导路径。
在图15中，导波区200包含介电层28’中的传导层29’、介电层27中的通路结构25、以及介电层28中的传导层29。样品置放部23的底部大约在界面S27。
传导层29’、通路结构25、以及传导层29在互连区731中。互连区731在导波区200中。导波区200包含介电层28、介电层28’以及介电层27，其与例如互连区731中的传导层29、通路结构25以及传导层29’的组件接触。互连区731指可自光感测区55传输电子信号至其他外部电路的第一互连部。图12中的多层结构259指第二互连部，其电连接导波区200下方的光感测区55。
第一互连部中的传导层29’电连接光感测区55。传导层29’可在最接近光感测区55的第一金属层中。传导层29可为第二金属层。传导层29’电连接至ILD层75中的通路71。第一互连部位于导波区200中，因而降低高度H235。因此，在到达光感测区55之前，将来自样品231的光减弱最小化。
图16是类似于图14，差别在于一些组件不同，例如导波区200中的顶层、介电层27下方的层、光感测区55中的区、以及第一层通路71。该差别简要描述如下。
图14中的导波区200的顶层是传导层29。图16中的导波区200的顶层是钝化层283。在一些实施例中，钝化层283包含介电材料，例如介电层28中的介电材料。在一些其他实施例中，钝化层283的组成材料的折射率小于介电层28的第二折射率或是介电层27的第一折射率。样品置放部23的凹处的顶部在钝化层283中。该凹处的底部在介电层28中。钝化层283在介电层28的顶部上。钝化层283覆盖介电层28上至波入射部20，因而暴露光栅结构21。
图16中的介电层27下方的层是介电层28’。介电层28’是第一包覆层。介电层27上方的介电层28是第二包覆层。介电层27是核心层。在一些实施例中，介电层28、28’的组成材料的折射率小于介电层27的第一折射率。在一些实施例中，折射率几乎以光81、82或83的传播方向增加。例如，介电层70的折射率高于介电层28’的折射率；介电层28的第二折射率高于钝化层283的折射率。
在图14中，光感测区55中的区包含由第二传导型掺杂所组成的三个区552、554与557，以及由第一传导型掺杂所组成的两个区553与555。在图16中，光感测区55中的区包含由第二传导型掺杂所组成的两个区552与554，以及由第一传导型掺杂所组成的一个区553。图16的光感测区55的细节详述如下。
第一传导型掺杂所组成的区与第二传导型掺杂所组成的区之间的界面是p-n接合。在不同位置、具有不同长度、或具有不同位向的每一个界面可侦测不同波长的光81、82或83。p-n接合的不同组合作为不同光二极管，可侦测不同波长的光81、82或83。例如，区554与外延区51之间的界面S45是p-n接合。界面S525垂直位向或实质垂直于表面S51。界面S525适合侦测光81的波长或是比光81的波长更短的光。在一些实施例中，第一传导型的区553被第二传导型的区552与554环绕。界面S34是p-n接合，其长度实质等于高度H552与H553的总和。界面S34适合侦测光82或是比光82的波长更短的光。
在图14中，重掺杂区551、558与559包含第二传导型掺杂。简而言之，在本发明中，重掺杂区指「接点插塞」。区552、554与557亦包含第二传导型掺杂。在图16中，重掺杂区553包含第一传导型掺杂。区553亦包含第一传导型掺杂。例如，在图16中，区552包含负传导型掺杂。光8的能量被吸收在接近界面S523或界面S235的p-n接合的消耗区，以及所产生的电子-空穴对被电场分离。区552中的负载体流经重掺杂区551成为负电流。区553中的正载体流经重掺杂区533成为正电流。区553包含正传导型掺杂。光82的能量被吸收在接近界面S534或界面S34的p-n接合的消耗区，以分离正与负载体。区554中的负载体流经重掺杂区559成为负电流。区553中的正载体流经重掺杂区533成为正电流。
在图17中，例如，通过选择性外延成长(SEG)，在半导体基板50中外延成长半导体材料，例如硅锗(SiGe)或硅(Si)。在一实施例中，在成长(例如原位掺杂)期间，加入杂质至外延区51。例如，掺杂包含砷、磷、锑、硼、硼二氟化物、与/或其他可能的杂质。硼的来源包含在SiGe外延过程中所使用的二硼烷气体。通过以原位方式导入含硼气体至外延的SiGE成长而完成SiGe中的硼掺杂。在一些实施例中，通过植入操作而形成硼或其他掺杂，因而外延区51包含正掺杂。
阻抗31覆盖在外延区51的顶部。在外延区51的上方，进行离子植入33。阻抗31包含宽度为W557的开口槽图案，其将外延区51暴露于离子植入。在一些实施例中，通过原子级高能量碰撞，将N型掺杂植入外延区51，因而掺杂在表面S51下方。
在图18中，包含第一预定能量的离子植入33植入掺杂至外延区51，用以形成表面S51下方的区557，其深度实质等于高度H55。在形成区557之后，剥离阻抗31。
在图19中，具有宽度W555的开口槽的另一阻抗31部分覆盖区554。开口槽将区557暴露于另一离子植入33。在一些实施例中，宽度W555小于用于形成区557的宽度W557，如图18所示。
在图20中，包含第二预定能量的离子植入33将掺杂植入至区557中，用以形成在区557上方高度H557以及在表面S51下方深度D555的区555的水平部。第二预定能量调整至小于第一能量，因而在较浅区555附近植入掺杂。在一些实施例中，掺杂与外延区51相同型，例如P型。在形成区555之后，剥离阻抗31。在区555上方与下方的区557包含掺杂，例如负掺杂，其与区555的传导型相反。
在图21中，具有宽度W575的开口槽的另一阻抗31部分覆盖区557。开口槽将区557暴露于另一离子植入33。开口槽对准区555的端部。
在图22中，包含第三预定能量的离子植入33将掺杂植入至区557中，用以形成在区555的水平部上方的区555的侧部。区555的侧部具有深度D555。第三预定能量被调整至一范围，其小于第二能量，因而从深度D555向上植入掺杂至表面S51。在一些实施例中，图22中的离子植入33包含具有各种离子能量的多种植入操作。为了形成垂直植入区，需要不同的离子能量，以达到所述的掺杂分布。在一些实施例中，掺杂与区555的水平部相同型，例如P型。在形成区555的侧部之后，剥离阻抗31。在区555上方的区554包含掺杂，其与区555的传导型相反，例如N型。
在图23中，具有宽度W545的开口槽的另一阻抗部分覆盖区554。在一些实施例中，宽度W545小于用于形成区555的宽度W555，如图20所示。开口槽将区554暴露于另一离子植入33。开口槽对准区554与外延区51之间的端部。
在图24中，包含第四预定能量的离子植入33将掺杂植入至区554中，用以形成在区555的水平部上方的区553的水平部。区553的水平部在表面S51下方深度D553。从深度D53向上植入掺杂至深度D533。在一些实施例中，掺杂与区555相同型，例如P型。在形成区553的水平部之后，剥离阻抗31。区555上方的区554包含与区553的传导型相反的掺杂，例如负掺杂。
在图25中，具有宽度W525的第一开口槽与宽度W52的第二开口槽的另一阻抗31部分覆盖区553的水平部上方的区554。第一与第二开口槽将下方的区554暴露于另一离子植入33。第一开口槽对准区553的端部。第二开口槽对准区553与外延区51之间的另一端部。
在图26中，包含第五预定能量的离子植入将掺杂植入至区554中，用以在区553的水平部上方形成区553的侧部。区553的侧部包含深度D553。从深度D553向上植入掺杂至表面S51。在一些实施例中，图26中的离子植入33包含具有各种离子能量的多个植入操作。在一些实施例中，掺杂与区555相同型，例如P型。在形成区555的侧部之后，剥离阻抗31。部分受到区553环绕的区552包含与区553的传导型相反的掺杂，例如负掺杂。
在图27中，形成重掺杂区551、558与559。在图27中，具有三个开口槽的另一阻抗31部分覆盖区552、554与557。三个开口槽将下方的区552、554与557暴露于另一离子植入33。
离子植入33将掺杂植入至552、554与557中，以形成重掺杂区551、558与559。在一些实施例中，掺杂与区557、555或552相同型，例如N型。掺杂浓度实质大于区552、554与557中的浓度。在形成重掺杂区551、558与559之后，剥离阻抗31。
在图28中，包含用于形成隔离的图案的阻抗31覆盖在表面S51上方。
在图29中，外延区51包含隔离区52，其通过在表面S51上的外延区51中蚀刻沟渠并且以绝缘材料填充该沟渠而形成，该绝缘材料例如氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
在图30中，栅极介电层561覆盖在表面S51上方。在一实施例中，栅极介电层561由合适的沉积制程所形成的薄膜。栅极电极层571覆盖在栅极介电层561的顶部上。在一实施例中，通过一些沉积制程，在表面S51上方顺序沉积栅极介电层561与栅极电极层571。在一些实施例中，栅极介电层561与栅极电极层571仅沉积在预定区上方，用于形成晶体管结构。栅极电极层571由任何合适的材料制成，例如多晶硅。
以微影蚀刻制程，将栅极介电层561与栅极电极层571图案化。在一些实施例中，在栅极电极层571图案化之后，将栅极介电层561图案化。在一些实施例中，微影蚀刻制程是光微影蚀刻制程。
在图31中，转移阻抗特征，以于表面S51上以及隔离区52之间，形成栅极结构58。栅极结构58包含栅极电极57与栅极介电56。
在图32中，在一些实施例中，通过离子植入或外延成长，形成源极区53或漏极区54。离子植入或外延成长将掺杂导入源极区53或漏极区54中。在不同的实施例中，源极区53或漏极区54具有多重制程植入所形成的不同的掺杂分布。
在图33中，通过任何合适的制程，例如沉积制程，在表面S51上方覆盖介电层70。介电层70接触栅极结构58。在介电层70的顶部上，形成阻抗31。进行蚀刻操作331，将图案化的阻抗特征转移至介电层70。
在图34中，图案化的阻抗特征转移至介电层70，以形成沟渠。在一些实施例中，通过任何合适的蚀刻制程，例如选择性蚀刻、干式蚀刻、与/或其组合，形成沟渠。以传导材料填充沟渠，以形成接点71。以合适的制程，例如沉积制程，填充沟渠而形成接点71。接点71电连接栅极结构58、源极区53、漏极区54以及重掺杂区559、558与551。通过调节CVD制程的参数而控制接点71的深度。制程参数包含总压力、反应物浓度、沉积温度、或沉积速度。
在图35中，通过将阻抗特征转移至传导层，而沉积且图案化传导层。阻抗特征转移至传导层，以形成凹处与金属线72。以介电材料填充凹处，以于ILD层75上方形成另一介电层70。金属线72在介电层70之间。
在图36中，沉积且蚀刻多层金属线72与介电层70，以形成互连区73。在一些实施例中，在互连区73中形成通路结构257以于不同层中连接金属线。
通过任何合适的制程，例如沉积，在互连区73上方形成毯状物的滤光层30。通过任何合适的制程，例如沉积，在滤光层30上方形成毯状物的传导层291。阻抗31覆盖传导层291，通过任何合适的微影蚀刻制程，将阻抗图案转移至传导层291。
在图37中，传导层29’形成孔11。在图38中，在传导层29’的顶部上形成毯状物介电层28’，因而将孔11填充。阻抗31覆盖在介电层28’，通过任何合适的微影蚀刻制程，将阻抗图案转移至介电层28’。
在图39中，通过合适的微影蚀刻制程，使得介电层28’形成凹处。通过任何合适的材料，例如传导材料，填充凹处，以于介电材料28’内形成通路结构25’。在介电层28’与通路结构25’上方形成毯状物介电层27，因而通路结构25’的顶部受到介电层27覆盖。介电层27由具第一折射率的材料组成，第一折射率大于介电层28’的第二折射率。阻抗31覆盖介电层27，通过任何合适的微影蚀刻制程，用以将阻抗图案转移至介电层27。
在图40中，通过任何合适的微影蚀刻制程，介电层27形成凹处。以任何合适的材料，例如传导材料，填充凹处，以于介电层27内形成通路结构25。在介电层27上方，形成毯状物第二介电层28。阻抗31覆盖第二介电层28，通过任何合适的微影蚀刻制程，用以将阻抗图案转移至第二介电层28。
在图41中，将第二介电层28图案化，并且以通路结构25填充。在图42中，通过任何合适的制程，例如光微影蚀刻制程，将第二介电层28图案化以形成光栅结构21的光栅。该光栅是第二介电层28中的光学光栅。在一些实施例中，将介电层27图案化以形成光学光栅，以及将第二介电层28蚀刻，以暴露第二介电层28下方的光学光栅。将第二介电层28图案化，以形成样品置放部23的凹处。
在图43中，在第二介电层28上方，形成毯状物第二传导层29。将第二传导层29图案化，使其包含开口槽211，用以暴露光栅结构21的光栅。将第二传导层29蚀刻，以形成样品置放部23的凹处，因而样品置放部23的凹处穿过第二传导层29与第二介电层28。凹处的开口槽位于介电层27上方。在一些实施例中，通过合适的制程，例如选择性蚀刻、干式蚀刻、与/或其组合，蚀刻第二传导层29与下方的第二介电层28。
在图44中，通过任何合适的蚀刻制程，形成凹处213，以蚀刻第二介电层28、介电层27、介电层28’、传导层29’、滤光层30以及介电层70，因而暴露连接点22。在一些实施例中，连接点22待耦合至其他外部电路。
本发明的一些实施例提供光学传感器。光学传感器包含半导体基板。光感测区在半导体基板上。导波区用以从波入射部引导光经过导波部以及至样品置放部。导波部包含具有第一折射率的第一介电层。第二介电层包含第二折射率。第二折射率小于第一折射率。第一互连部位于导波部中，用以从光感测区传输电子信号至外部电路。样品置放部在光感测区上方。
本发明的一些实施例提供光学传感器。光学传感器包含半导体基板。介电层在半导体基板上方。反射结构在介电层中。导波区用于从波入射部将光导引经过导波部以及至样品置放部。导波部包含介电层以及反射结构。光感测区在半导体基板上方。
前述内容概述一些实施方式的特征，因而本领域技术人员可更加理解本申请公开内容的各方面。本领域技术人员应理解可轻易使用本申请公开内容作为基础，用于设计或修饰其他制程与结构而实现与本申请所述的实施方式具有相同目的与/或达到相同优点。本领域技术人员亦应理解此均等架构并不脱离本申请公开内容的精神与范围，以及本领域技术人员可进行各种变化、取代与替换，而不脱离本申请公开内容的精神与范围。

Claims (20)

1.一种光学传感器，其包括：
半导体基板；
光感测区，其在该半导体基板上；
导波区，其用于从波入射部将光引导经过导波部以及至样品置放部，以及该导波部包括：
第一介电层，其包括第一折射率；以及
第二介电层，其包括第二折射率，
其中该第二折射率小于该第一折射率；以及
第一互连部，其位于该导波部中，用于从该光感测区传送电子信号至外部电路，其中该样品置放部位于该光感测区上方。
2.如权利要求1所述的光学传感器，进一步包括位于该导波区上方的第二互连部。
3.如权利要求2所述的光学传感器，其中该第二互连部电连接至该光感测区。
4.如权利要求1所述的光学传感器，其中该第一互连部包括位于该第二介电层中的传导层。
5.如权利要求4所述的光学传感器，其中该传导层位于该导波区的底部。
6.如权利要求5所述的光学传感器，其中该传导层包括孔。
7.如权利要求1所述的光学传感器，其中该样品置放部包括底部，其接近该第一介电层与该第二介电层之间的界面。
8.如权利要求1所述的光学传感器，进一步包括反射结构，其对准该波入射部的边界。
9.如权利要求1所述的光学传感器，其中该第一互连部包括在该第一介电层中的通路结构。
10.如权利要求1所述的光学传感器，进一步包括介电柱，其在该波入射部的顶部。
11.一种半导体装置，其包括：
半导体基板；
介电层，其在该半导体基板上方；
反射结构，其在该介电层中；
导波区，其用于从波入射部将光引导经过导波部以及至样品置放部，以及该导波部包括该介电层与该反射结构；以及
光感测区，其在该半导体基板上方，以及该导波区位于该光感测区上方。
12.如权利要求11所述的半导体装置，其中该光感测区包括多接合光二极管。
13.如权利要求11所述的半导体装置，进一步包括互连区，其在该导波区下方，以及该互连区位于该光感测区上方。
14.如权利要求13所述的半导体装置，其中该介电层中的该反射结构未电连接至该光感测区。
15.如权利要求13所述的半导体装置，进一步包括滤光层，其位于该互连区与该导波区之间。
16.如权利要求11所述的半导体装置，其中该波入射部包括光栅。
17.如权利要求11所述的半导体装置，其中该介电层包括核心层与包覆层。
18.如权利要求17所述的半导体装置，其中在该核心层与该包覆层之间的界面处，该核心层的总面积与该包覆层中的该反射结构的总面积的比例大于约10。
19.如权利要求11所述的半导体装置，其中该介电层包括具有至少两个不同折射率的多层。
20.如权利要求11所述的半导体装置，其中部分的该介电层环绕该样品置放部。
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