CN108987419B - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种具有高量子效率的图像传感器。在一些实施例中，半导体衬底包括非多孔性半导体层，所述非多孔性半导体层是沿着所述半导体衬底的前侧。周期性结构是沿着所述半导体衬底的后侧。高吸收性层在所述半导体衬底的所述后侧上对所述周期性结构进行衬覆。所述高吸收性层是能量带隙小于所述非多孔性半导体层的能量带隙的半导体材料。光检测器位于所述半导体衬底及所述高吸收性层中。本发明实施例还提供一种制造图像传感器的方法。

Description

图像传感器及其制造方法
背景技术
具有图像传感器的集成电路(integrated circuit，IC)被用于各种现代电子装置(例如，照相机及手机)中。近年来，互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxidesemiconductor，CMOS)图像传感器开始被广泛使用，大大地替代了电荷耦合装置(charge-coupled device，CCD)图像传感器。相比于CCD图像传感器，CMOS图像传感器因功耗低、尺寸小、数据处理快、数据直接输出、及制造成本低而受到青睐。一些类型的CMOS图像传感器包括前侧照明式(front-side illuminated，FSI)图像传感器及后侧照明式(back-sideilluminated，BSI)图像传感器。
发明内容
本申请的一些实施例提供一种图像传感器。半导体衬底包括非多孔性半导体层。所述非多孔性半导体层是沿着所述半导体衬底的前侧。周期性结构是沿着所述半导体衬底的后侧。所述周期性结构包括由所述半导体衬底界定的多个突起。高吸收性层在所述半导体衬底的所述后侧上对所述周期性结构进行衬覆。所述高吸收性层是能量带隙小于所述非多孔性半导体层的能量带隙的半导体材料。光检测器位于所述半导体衬底及所述高吸收性层中。
此外，本申请的其他实施例提供一种制造图像传感器的方法。提供半导体衬底。所述半导体衬底包括位于所述半导体衬底的前侧上的非多孔性半导体层。向所述半导体衬底的后侧执行蚀刻，以在所述后侧上形成多个表面突起。所述表面突起被形成为周期性图案，且其中所述后侧与所述前侧相对。在所述半导体衬底的所述后侧上形成对所述多个表面突起进行衬覆的高吸收性层。所述高吸收性层是带隙能量低于所述非多孔性半导体层的带隙能量的半导体材料。在所述半导体衬底及所述高吸收性层中形成光检测器。
另外，本申请的其他实施例提供一种图像传感器。半导体衬底包括非多孔性半导体层及多孔性半导体层。所述非多孔性半导体层是沿着所述半导体衬底的前侧。所述多孔性半导体层是沿着所述半导体衬底的与所述前侧相对的后侧。高吸收性层在所述半导体衬底的所述后侧上衬覆所述多孔性半导体层。所述高吸收性层具有比所述非多孔性半导体层高的吸收系数。光检测器包括第一掺杂类型区及第二掺杂类型区。所述第一掺杂类型区处于所述非多孔性半导体层与所述多孔性半导体层二者中。所述第二掺杂类型区处于所述高吸收性层中且具有与所述第一掺杂类型区相反的掺杂类型。所述第一掺杂类型区与所述第二掺杂类型区介接而界定光敏结(photo junction)。转移晶体管(transfer transistor)位于所述半导体衬底的所述前侧上。所述转移晶体管包括源极/漏极区，且其中所述源极/漏极区是所述第一掺杂类型区。
附图说明
结合附图阅读以下详细说明，会最好地理解本发明的各个方面。应注意，根据本行业中的标准惯例，各种特征并非按比例绘制。事实上，为论述清晰起见，可任意增大或减小各种特征的尺寸。
图1说明具有高吸收性像素传感器的图像传感器的一些实施例的剖视图。
图2A说明具有多孔性半导体层的图1所示图像传感器的一些更详细实施例的剖视图。
图2B说明不具有多孔性半导体层的图1所示图像传感器的一些更详细实施例的剖视图。
图3说明图1及/或图2所示图像传感器的一些实施例的布局图。
图4A说明图3所示图像传感器的一些前侧照明式(FSI)实施例的剖视图。
图4B说明图3所示图像传感器的一些后侧照明式(BSI)实施例的剖视图。
图5至图13是一系列剖视图，其说明一种制造具有高吸收性像素传感器的FSI图像传感器的方法的一些实施例。
图14说明图5至图13所示方法的一些实施例的流程图。
图15至图23是一系列剖视图，其说明一种制造具有高吸收性像素传感器的BSI图像传感器的方法的一些实施例。
图24说明图15至图23所示方法的一些实施例的流程图。
[符号的说明]
100：剖视图
102：高吸收性像素传感器
102a、102b、102c：高吸收性像素传感器
104：半导体衬底
104b：半导体衬底的后侧表面
104f：半导体衬底的前侧表面
104n：非多孔性半导体层
104p：多孔性半导体层
106：周期性结构
106p：突起
108：辐射
108p：光子
110：高吸收性层
112：保护层
112d：凹陷
112i：保护层的内表面
112o：保护层的外表面
114：光检测器
114a：第一掺杂类型区
114b：第二掺杂类型区
116：电子-电洞对
200A：剖视图
202：光敏结
204：碳掺杂区
206：转移晶体管
208：栅极
210：栅极介电层
212：浮动扩散节点(FDN)
214：隔离结构
216：互连结构
218：层间介电(ILD)层
220：布线层
222：通孔
300：布局图
302：逻辑区
304：像素传感器阵列
400A：剖视图
400B：剖视图
402：载体衬底
404：滤色片
406：微透镜
500：剖视图
502：氢氟酸溶液
600：剖视图
602：抗蚀剂层
604：干蚀刻剂
700：剖视图
800：剖视图
900：剖视图
1000：剖视图
1100：剖视图
1200：剖视图
1300：剖视图
1400：流程图
1402、1404、1406、1408、1410、1412、1414、1416、1418：步骤
1500：剖视图
1600：剖视图
1700：剖视图
1800：剖视图
1900：剖视图
2000：剖视图
2100：剖视图
2200：剖视图
2300：剖视图
2400：流程图
2402、2404、2406、2408、2410、2412、2414、2416、2418：步骤
A：线
H：高度
P：节距
T：厚度
T1：第一厚度
T2：第二厚度
T3：第三厚度
具体实施方式
本发明提供用于实施本公开内容的不同特征的许多不同实施例或实例。以下阐述组件及构造的具体实例以简化本公开内容。当然，这些仅为实例且不旨在进行限制。例如，以下说明中将第一特征形成在第二特征“之上”或第二特征“上”可包括其中第一特征及第二特征被形成为直接接触的实施例，且也可包括其中第一特征与第二特征之间可形成有附加特征、进而使得所述第一特征与所述第二特征可能不直接接触的实施例。另外，本公开内容可能在各种实例中重复使用参考编号及/或字母。这种重复使用是出于简洁及清晰的目的，而不是自身表示所论述的各种实施例及/或配置之间的关系。
此外，为易于说明，本文中可能使用例如“之下(beneath)”、“下面(below)”、“下部的(lower)”、“上方(above)”、“上部的(upper)”等空间相对性用语来阐述图中所示的一个元件或特征与另一(其他)元件或特征的关系。所述空间相对性用语旨在除图中所绘示的取向外还囊括装置或设备在使用或操作中的不同取向。装置或设置可具有其他取向(旋转90度或其他取向)，且本文中所用的空间相对性用语可同样相应地进行解释。此外，用语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅为通用标识符，且因此可在各种实施例中互换使用。例如，虽然在一些实施例中可将一个元件(例如，蚀刻剂、介电层、或衬底)称为“第一”元件，但在其他实施例中可将所述元件称为“第二”元件。
一些互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器包括单晶硅的半导体衬底及排列于半导体衬底中的像素传感器阵列。像素传感器包括埋置于半导体衬底中的各光检测器以及设置于半导体衬底的表面上的各像素晶体管。光检测器用以吸收入射辐射并产生对应于所述入射辐射的电信号。
CMOS图像传感器面临的挑战是单晶硅具有大的能量带隙，且因此对高波长辐射具有低吸收系数。高波长辐射包括例如具有大于约800微米的波长的辐射，例如红外辐射。因此，除非进行增强，否则光检测器针对高波长辐射具有低量子效率。量子效率(quantumefficiency，QE)是入射光子转化为电信号的比例。
一种增强CMOS图像传感器的方法是增大半导体衬底的厚度、以及光检测器延伸至半导体衬底中的深度。入射辐射的波长越高，吸收深度越高。然而，这对于现有CMOS工艺是困难的，且增加了制造CMOS图像传感器的成本。此外，增大光检测器延伸至半导体衬底中的深度增大了串扰(cross talk)及晶粒尺寸。
有鉴于此，本申请的各种实施例涉及一种高吸收性图像传感器。在一些实施例中，半导体衬底包括非多孔性半导体层。所述非多孔性半导体层是沿着所述半导体衬底的前侧。周期性结构是沿着所述半导体衬底的后侧。所述周期性结构包括由所述半导体衬底界定的多个突起。高吸收性层在所述半导体衬底的所述后侧上对所述周期性结构进行衬覆。所述高吸收性层是能量带隙小于所述非多孔性半导体层的能量带隙的半导体材料。光检测器位于所述半导体衬底及所述高吸收性层中。
有利地，通过将光检测器设置于高吸收性层中，光检测器将受益于高吸收性层的低能量带隙。也就是说，低能量带隙使得高吸收性层针对入射辐射具有高吸收性，从而使得光检测器具有高量子效率。此外，在采用高吸收性图像传感器用于感测高波长辐射(例如，红外辐射)时，高量子效率有利地使得能够实现低的成本、晶粒尺寸、串扰或上述的组合，这是因为在不存在具有大的厚度的半导体衬底的情况下可充分地感测到高波长辐射。
参照图1，提供了具有高吸收性像素传感器102的图像传感器的一些实施例的剖视图100。图像传感器可以是例如前侧照明式(FSI)或后侧照明式(BSI)。此外，图像传感器可以是例如CMOS图像传感器、及/或集成电路(IC)晶粒或芯片。如图中所说明，半导体衬底104包括非多孔性半导体层104n及多孔性半导体层104p。非多孔性半导体层104n是沿着半导体衬底104的前侧表面104f，且多孔性半导体层104p是沿着半导体衬底104的与半导体衬底104的前侧表面104f相对的后侧表面104b。在替代实施例中，省略了多孔性半导体层104p，使得非多孔性半导体层104n界定半导体衬底104的后侧表面104b。
多孔性半导体层104p是具有多孔系统结构的半导体材料。所述孔可以是例如微米尺寸的孔、纳米尺寸的孔、更小尺寸的孔、或上述的组合。多孔性半导体层104p可以是例如纳米多孔性硅或一些其他类型的多孔性半导体材料。非多孔性半导体层104n是不具有多孔系统结构的半导体材料，其中孔的尺寸如上所述。例如，非多孔性半导体层104n可以是不具有存在纳米及/或微米尺寸的孔的系统结构的半导体材料。非多孔性半导体层104n可以是例如单晶硅、多晶硅、或一些其他类型的晶体半导体材料。此外，非多孔性半导体层104n可例如具有间接能量带隙。
在一些实施例中，半导体衬底104界定沿着半导体衬底104的后侧表面104b的周期性结构106。周期性结构106可包括例如多个突起106p，突起106p被形成为周期性图案或沿半导体衬底104的后侧表面104b排成阵列。为便于说明，仅将突起106p中的一者标记为106p。突起106p可例如具有圆锥形、棱锥形、或某些其他形状。
有利地，多孔性半导体层104p及/或周期性结构106增强半导体衬底104对辐射108(例如，光)的吸收性。例如，多孔性半导体层104p可因周期性结构106及/或多孔性半导体层104p的孔而具有直接能量带隙。直接能量带隙使得多孔性半导体层104p能够不依赖于声子而吸收辐射108的光子108p，使得半导体衬底104的吸收性可增强。作为另一实例，突起106p及/或多孔性半导体层104p的孔增大表面面积，使得半导体衬底104的吸收性可增强。作为又一实例，突起106p及/或多孔性半导体层104p的孔减少辐射108自半导体衬底104的反射，使得半导体衬底104的吸收性可增强。反射率可例如由于辐射108可通过多孔性半导体层104p的孔进入半导体衬底104并被俘获于半导体衬底104中而减小。此外，反射率可例如由于突起106p的成角度的侧壁可减少辐射自半导体衬底104反射出去的可能性而减小。
高吸收性层110衬覆半导体衬底104的后侧表面104b，并夹置于半导体衬底104与保护层112之间。高吸收性层110是具有低能量带隙的半导体材料。低能量带隙可以是例如小于约1电子伏特(eV)的能量带隙。此外，低能量带隙可以是例如小于非多孔性半导体层104n的能量带隙及/或多孔性半导体层104p的能量带隙的能量带隙。在一些实施例中，高吸收性层110是硅锗或者掺杂有硫族元素(例如，硫、硒、或碲)的单晶硅。保护层112可以是例如二氧化硅、氮化硅、一些其他介电质、或上述的组合。
光检测器114位于半导体衬底104及高吸收性层110中，且用以吸收入射于光检测器114上的辐射108从而产生电信号。电信号可例如产生自电子-电洞对116，电子-电洞对116是因应于吸收辐射108的光子108p而产生。光检测器114可以是例如光电二极管。此外，光检测器114可例如包括界定光敏结(例如，PN结或PIN结)的n型区(图中未示出)及p型区(图中未示出)。
有利地，通过将光检测器114设置于半导体衬底104及高吸收性层110中，光检测器114针对包括红外辐射(例如，具有大于约800微米的波长的辐射)的辐射108具有高吸收性。也就是说，高吸收性层110具有低能量带隙，且因此具有高吸收系数，从而使得高吸收性层110与光检测器114因此针对辐射108具有高吸收性。因此，光检测器114有利地具有高量子效率。此外，光检测器114的量子效率被多孔性半导体层104p及/或周期性结构106进一步增强，这是由于多孔性半导体层104p及/或周期性结构106增强半导体衬底104对辐射108的吸收性。
参照图2A，提供了图1所示图像传感器的一些更详细实施例的剖视图200A。如图所示，半导体衬底104包括非多孔性半导体层104n及多孔性半导体层104p。非多孔性半导体层104n是沿着半导体衬底104的前侧表面104f，且多孔性半导体层104p是沿着半导体衬底104的与半导体衬底104的前侧表面104f相对的后侧表面104b。
在一些实施例中，半导体衬底104界定沿着半导体衬底104的后侧表面104b的周期性结构106。周期性结构106可包括例如多个突起106p，突起106p被形成为周期性图案或沿后侧表面104b排成阵列。在一些实施例中，多孔性半导体层104p的孔径自突起106p的顶端向位于非多孔性半导体层104n与多孔性半导体层104p之间的界面逐渐增大或减小。例如，孔径可自在顶端处约40纳米的平均尺寸逐渐减小至在界面处约8纳米的平均尺寸。
在一些实施例中，突起106p界定锯齿状轮廓。在一些实施例中，突起106p具有为约0.01微米至8.0微米、约0.2微米至5.0微米、约1.0微米至3.0微米、或上述的组合的节距P。在一些实施例中，突起106p具有为约0.2微米至20.0微米、约1.0微米至15.0微米、约5.0微米至10.0微米、或上述的组合的高度H。在一些实施例中，突起106p具有在顶端处交汇的锥形侧壁。例如，一些突起106p或所有突起106p可各自为圆锥形的或棱锥形的(例如，具有n边形的底，其中n＝3、4、5、6等)。在其他实施例中，突起106p具有另一形状。例如，一些突起或所有突起可为圆柱形的。
有利地，多孔性半导体层104p及/或周期性结构106可增强半导体衬底104对辐射的吸收性。例如，多孔性半导体层104p可具有增强吸收性的直接能量带隙。作为另一实例，多孔性半导体层104p及/或周期性结构106可增大表面面积以用于增强吸收性。作为又一实例，多孔性半导体层104p可减少自半导体衬底104的反射以用于增强吸收性。
高吸收性层110衬覆半导体衬底104的后侧表面104b，并夹置于半导体衬底104与保护层112之间。在一些实施例中，高吸收性层110共形地衬覆半导体衬底104的后侧表面104b。高吸收性层110是具有低能量带隙的半导体材料。低能量带隙可例如小于约1.00eV、0.80eV、0.60eV、或0.40eV。此外，低能量带隙可例如小于非多孔性半导体层104n的能量带隙及/或多孔性半导体层104p的能量带隙。例如，高吸收性层110可具有小于约1.0eV的能量带隙，而非多孔性半导体层104n可具有大于约1.1eV、1.5eV、2.0eV、或5.0eV的能量带隙。
在一些实施例中，高吸收性层110具有直接能量带隙，使得入射辐射的吸收性有利地不依赖于声子。在一些实施例中，高吸收性层110具有为约10埃至5000埃、100埃至4000埃、1000埃至3000埃、或上述的组合的厚度T。例如，高吸收性层110可具有约500埃或约3000埃的厚度T。在一些实施例中，高吸收性层110是硅锗或单晶硅、及/或掺杂有硫族元素。例如，高吸收性层110可以是缺少硫族元素的硅锗，或者可以是掺杂有硫族元素的单晶硅。作为另一实例，高吸收性层110可以是具有约500埃的厚度T的Si0.8Ge0.2。在其中高吸收性层110掺杂有硫族元素的一些实施例中，以超过硫族元素的溶解度极限对高吸收性层110进行掺杂(即，使高吸收性层110过饱和)，从而有利地促进入射辐射(例如，具有约1.0微米至2.5微米的波长的辐射)的子带隙吸收。硫族元素可以是例如硫(S)、硒(Se)、碲(Te)、或上述的组合。在一些实施例中，高吸收性层110与半导体衬底104介接以在界面处界定异质结。
保护层112位于高吸收性层110下方，且可以是例如二氧化硅、氮化硅、高介电常数介电质、一些其他介电质、或上述的组合。高介电常数介电质是具有大于约3.9、5、10、或20的介电常数的介电质。在一些实施例中，保护层112具有通过高吸收性层110与半导体衬底104的后侧表面104b适形的内表面112i(例如，上表面或顶表面)。此外，在一些实施例中，保护层112具有为平面的外表面112o(例如，下表面或底表面)。
高吸收性像素传感器102位于半导体衬底104及高吸收性层110中，并包括光检测器114。光检测器114用以吸收入射于光检测器114上的辐射，并用以自所吸收的辐射产生电信号。例如，电信号可产生自电子-电洞对，所述电子-电洞对是因应于吸收辐射的光子而产生。光检测器114包括光敏结202、以及第一掺杂类型区114a及第二掺杂类型区114b。光敏结202位于第一掺杂类型区114a与第二掺杂类型区114b之间，且至少部分地被第一掺杂类型区114a及第二掺杂类型区114b界定。光敏结202可以是例如PN结、PIN结、或上述的组合，及/或可以是例如异质结、同质结、或上述的组合。
第一掺杂类型区114a位于非多孔性半导体层104n中，且在一些实施例中，位于多孔性半导体层104p中。此外，第一掺杂类型区114a与第二掺杂类型区114b接界，且具有与第二掺杂类型区114b相反的掺杂类型。例如，第一掺杂类型区114a可以是n型且第二掺杂类型区114b可以是p型，反之亦可。第一掺杂类型区114a用以累积来自电子-电洞对的电荷(例如，电子)，其中所述电子-电洞对是因应于入射于光检测器114上的辐射而产生。例如，当在第一掺杂类型区114a或第二掺杂类型区114b中产生电子-电洞对时，电子-电洞对的电荷(例如，电子)可因由光敏结202产生的电场而扩散及/或漂移至第一掺杂类型区114a中。
第二掺杂类型区114b位于高吸收性层110中，且在一些实施例中，位于半导体衬底104中。此外，在一些实施例中，第二掺杂类型区114b以单一掺杂类型沿第一掺杂类型区114a的侧壁、并沿第一掺杂类型区114a的底侧连续地延伸，从而以杯状包围第一掺杂类型区114a。
有利地，通过将光检测器114设置于半导体衬底104及高吸收性层110中，光检测器114对入射辐射(包括红外辐射)具有高吸收性。也就是说，高吸收性层110具有低能量带隙，且因此具有高吸收系数，从而使得高吸收性层110及光检测器114因此针对入射辐射具有高吸收性。因此，光检测器114有利地具有高量子效率。此外，在采用图像传感器用于感测高波长辐射(例如，红外辐射)时，高量子效率有利地使得能够实现低的成本、晶粒尺寸、串扰或上述的组合，这是因为在不存在具有大的厚度的半导体衬底104的情况下可充分地感测到高波长辐射。此外，光检测器114的量子效率被多孔性半导体层104p及/或周期性结构106进一步增强，这是由于多孔性半导体层104p及/或周期性结构106增强半导体衬底104对辐射的吸收性。
在一些实施例中，光检测器114的量子效率被位于半导体衬底104与高吸收性层110之间的界面处的异质结进一步增强。例如，在高吸收性层110是硅锗且多孔性半导体层104p是多孔性硅时，高吸收性层110与多孔性半导体层104p之间的异质结可增大量子效率。然而，异质结增大量子效率的代价是暗电流(dark current)增大，此可导致产生白色像素。也就是说，异质结处晶格常数(lattice constant)的失配增大异质结处的应变，此增大暗电流。
为减少异质结处的应变且因此减少暗电流，在一些实施例中，在异质结处存在碳掺杂区204。碳掺杂区204缓冲并减少应变，从而减少暗电流。碳掺杂区204可以是例如高吸收性层110的一个区，所述区相对于高吸收性层110的剩余区具有升高的碳浓度。作为另外一种选择，碳掺杂区204可以是例如半导体衬底104的一个区，所述区相对于半导体衬底104的剩余区具有升高的碳浓度。在一些实施例中，碳掺杂区204具有从高吸收性层110向半导体衬底104逐渐增大或减小的掺杂浓度。
在一些实施例中，通过改变高吸收性层110的性质而控制光检测器114的量子效率。然而，应考虑暗电流与量子效率之间的权衡。例如，增大高吸收性层110的厚度T有利地增大量子效率，但这样做的代价是会增大暗电流。作为另一实例，增大高吸收性层110中的锗及/或硫族元素的量有利地增大量子效率，但这样做的代价是会增大暗电流。
高吸收性像素传感器102还包括一个或多个位于半导体衬底104的前侧表面104f上的像素晶体管，以促进光检测器114的读出。例如，所述一个或多个像素晶体管可包括转移晶体管(transfer transistor)206、源极跟随器晶体管(source-follower transistor)(图中未示出)、行选择晶体管(图中未示出)、复位晶体管(reset transistor)(图中未示出)、一些其他像素晶体管、或上述的组合。转移晶体管206用以将第一掺杂类型区114a中累积的电荷选择性地转移出第一掺杂类型区114a用于读出。在一些实施例中，转移晶体管206包括第一源极/漏极区、栅极208、栅极介电层210、及第二源极/漏极区。第一源极/漏极区可以是例如第一掺杂类型区114a。第二源极/漏极区可以是例如浮动扩散节点(floatingdiffusion node，FDN)212，转移晶体管206将电荷自第一掺杂类型区114a转移至浮动扩散节点212。
栅极208位于第一源极/漏极区与第二源极/漏极区之间并与第一源极/漏极区及第二源极/漏极区接界，且在半导体衬底104上方通过栅极介电层210与半导体衬底104间隔开。栅极208可以是例如经掺杂多晶硅、铜、铝铜、一些其他导电材料、或上述的组合。栅极介电层210可以是例如二氧化硅、高介电常数介电质、一些其他介电质、或上述的组合。第一源极/漏极区及第二源极/漏极区是半导体衬底104的掺杂区，所述掺杂区具有与半导体衬底104的周围区相反的掺杂类型。例如，第一源极/漏极区及第二源极/漏极区可以是n型或p型。
在一些实施例中，隔离结构214延伸至半导体衬底104的前侧表面104f中，并在侧面环绕高吸收性像素传感器102，以使高吸收性像素传感器102与周围装置(图中未示出)电隔离。此类周围装置可包括例如其他像素传感器、逻辑装置、或存储装置。此外，在一些此类实施例中，隔离结构214包括环形布局。隔离结构214可以是例如浅沟槽隔离(shallowtrench isolation，STI)区、深沟槽隔离(deep trench isolation，DTI)区、植入隔离区、或上述的组合。
互连结构216位于半导体衬底104以及一个或多个像素晶体管(例如，转移晶体管206)上方。此外，在一些实施例中，互连结构216设置于隔离结构214上方。互连结构216包括层间介电(interlayer dielectric，ILD)层218、多个布线层220、以及多个通孔222。为便于说明，仅将布线层220中的一者标记为220，且仅将通孔222中的一者标记为222。ILD层218可以是例如二氧化硅、氮化硅、低介电常数介电质(例如，氟硅酸玻璃(flurosilicate glass，FSG))、一些其他介电质、或上述的组合。低介电常数介电质是具有小于约3.9、3.0、2.0、或1.0的介电常数k的介电质。
布线层220与通孔222在ILD层218中交替堆叠。通孔222将布线层220电耦合在一起，并进一步地将最靠近半导体衬底104的布线层(未个别标记出)电耦合至位于半导体衬底104的前侧表面104f上的装置(例如，转移晶体管206)。布线层220是导电材料，例如铝铜、铜、铝、一些其他导电材料、或上述的组合，且通孔222是导电材料，例如铜、钨、一些其他导电材料、或上述的组合。
参照图2B，提供图2A的变型，其中省略了图2A所示的多孔性半导体层104p。在此类实施例中，高吸收性层110接触非多孔性半导体层104n。此外，在一些实施例中，非多孔性半导体层104n界定周期性结构106。
尽管图2A及图2B说明光检测器114的具体实施例，但应理解，可接受光检测器114的其他实施例。例如，在其中光敏结202是PIN结或以其他方式包括PIN结的实施例中，本征半导体区(intrinsic semiconductor region)(图中未示出)可设置于第一掺杂类型区114a与第二掺杂类型区114b之间，并与第一掺杂类型区114a及第二掺杂类型区114b接触。本征半导体区可以是例如单晶硅或硅锗。
参照图3，提供了图1、图2A、或图2B所示图像传感器的一些实施例的布局图300。如图中所说明，逻辑区302在侧面环绕像素传感器阵列304。逻辑区302包括例如逻辑装置及/或存储装置(图中未示出)，所述逻辑装置及/或存储装置用以读取及/或存储由像素传感器阵列304因应于入射辐射而产生的数据。
像素传感器阵列304由排列于X行及Y列中的多个高吸收性像素传感器102构成。X及Y是大于零的整数值，且可以例如相同或不同。例如，X及Y可以均为128、256、512、1024、2048、4096，或者X及Y可以分别为768及1024、1024及2048、256及1024、512及128、或4096及1024。为便于说明，仅将高吸收性像素传感器102中的一者标记为102。如参照图1、图2A、或图2B所述，对高吸收性像素传感器102进行个别配置。
隔离结构214在侧面环绕像素传感器阵列304，以使像素传感器阵列304自逻辑区302电隔离。此外，隔离结构214在侧面环绕高吸收性像素传感器102中的每一者，以使高吸收性像素传感器102彼此电隔离。
参照图4A及图4B，提供了图3所示图像传感器的各种实施例的剖视图400A、剖视图400B。剖视图400A、剖视图400B可例如沿图3所示的线A截取。
如由图4A所示的剖视图400A所说明，图像传感器是FSI，且包括多个高吸收性像素传感器102a至高吸收性像素传感器102c。高吸收性像素传感器102a至高吸收性像素传感器102c各自根据图1、图2A、或图2B所示的高吸收性像素传感器102进行配置，且各自用以通过覆盖高吸收性像素传感器102a至102c的互连结构216而接收辐射108。高吸收性像素传感器102a至高吸收性像素传感器102c各自包括光检测器114，且在一些实施例中，各自包括一个或多个像素晶体管。例如，高吸收性像素传感器102a至高吸收性像素传感器102c可各自包括转移晶体管206。为便于说明，仅将光检测器114中的一者标记为114，且仅将转移晶体管206中的一者标记为206。
互连结构216包括层间介电(ILD)层218、多个布线层220、以及多个通孔222。为便于说明，仅将布线层220中的一者标记为220，且仅将通孔222中的一者标记为222。布线层220与通孔222在ILD层218中交替堆叠。在一些实施例中，布线层220及通孔222仅限于光检测器114的一侧(即，不直接位于光检测器114上方)，因此不阻挡辐射照射于光检测器114上。
光检测器114位于堆叠于互连结构216下方的半导体衬底104及高吸收性层110中。此外，在一些实施例中，光检测器114被位于高吸收性像素传感器102a至高吸收性像素传感器102c之间的隔离结构214(例如，STI区)电隔离。光检测器114各自包括位于半导体衬底104中的第一掺杂类型区114a、位于高吸收性层110中的第二掺杂类型区114b、以及至少部分由第一掺杂类型区114a及第二掺杂类型区114b界定的光敏结202。为便于说明，仅将第一掺杂类型区114a中的一者标记为114a，仅将第二掺杂类型区114b中的一者标记为114b，且仅将光敏结202中的一者标记为202。
转移晶体管206在半导体衬底104的前侧表面104f上位于半导体衬底104与互连结构216之间。转移晶体管206各自包括栅极208及使栅极208自半导体衬底104间隔开的栅极介电层210。此外，转移晶体管206各自包括分别与栅极208的相对侧壁接界的第一源极/漏极区及第二源极/漏极区。第一源极/漏极区可以是例如相应光检测器114的第一掺杂类型区114a，及/或第二源极/漏极区可以是例如FDN 212。为便于说明，仅将栅极208中的一者标记为208，仅将FDN 212中的一者标记为212，且仅将栅极介电层210中的一者标记为210。
半导体衬底104上覆高吸收性层110，使得高吸收性层110位于半导体衬底104的后侧表面104b上。半导体衬底104包括非多孔性半导体层104n及位于非多孔性半导体层104n下方的多孔性半导体层104p。在替代实施例中，省略了多孔性半导体层104p，以使得非多孔性半导体层104n完全填充在图4A中当前被多孔性半导体层104p占据的空间。
在一些实施例中，半导体衬底104界定沿着半导体衬底104的后侧表面104b的周期性结构106。周期性结构106可包括例如多个突起106p，突起106p被形成为周期性图案或沿半导体衬底104的后侧表面104b排成阵列。为便于说明，仅将突起106p中的一者标记为106p。
高吸收性层110具有低能量带隙。例如，高吸收性层110可具有小于约1.0eV、0.8eV、或0.5eV的能量带隙。由于所述低能量带隙，高吸收性层110具有高吸收系数。此外，部分位于高吸收性层110中的光检测器114具有高量子效率。在一些实施例中，高吸收性层110是硅锗、或掺杂有硫族元素的单晶硅。此外，在一些实施例中，高吸收性层110具有与第一掺杂类型区114a的掺杂类型相反的掺杂类型。
保护层112位于高吸收性层110下方，且在一些实施例中，载体衬底402位于保护层112下方并结合至保护层112。载体衬底402可以是例如块体(bulk)半导体衬底及/或单晶硅。此外，载体衬底402可以是例如半导体晶片(例如，450毫米的硅晶片)。
在一些实施例中，滤色片404分别覆盖高吸收性像素传感器102a至102c。滤色片404用以使指定波长的辐射通过，同时阻挡未指定波长的辐射。例如，滤色片可用以使红色波长的辐射通过同时阻挡蓝色波长的辐射，而另一滤色片可用以使蓝色波长的辐射通过同时阻挡红色波长的辐射。在一些实施例中，滤色片404分别被微透镜406覆盖，微透镜406用以聚焦高吸收性像素传感器102a至高吸收性像素传感器102c的相应光检测器上的入射辐射。为便于说明，仅将滤色片404中的一者标记为404，且仅将微透镜406中的一者标记为406。
如图4B所示的剖视图400B所说明，提供了图4A的变型，其中图像传感器是BSI。与图4A相比，高吸收性像素传感器102a至高吸收性像素传感器102c位于互连结构216上方。此外，高吸收性像素传感器102a至高吸收性像素传感器102c各自用以通过半导体衬底104的后侧表面104b接收辐射108。在一些实施例中，多孔性半导体层104p及/或周期性结构106减少辐射108自半导体衬底104的反射，从而使得可增强吸收性。反射率可例如由于辐射108可通过多孔性半导体层104p中的孔进入半导体衬底104并俘获于半导体衬底104中而减小。此外，反射率可例如由于突起106p的成角度的侧壁可减少辐射自半导体衬底104反射出去的可能性而减小。
参照图5至图13，提供了一系列剖视图500至剖视图1300，其说明一种制造具有高吸收性像素传感器的FSI图像传感器的方法的一些实施例。例如，所述方法可用于制造图4A所示的图像传感器。
如由图5所示的剖视图500所说明，提供一种半导体衬底104。在一些实施例中，半导体衬底104包括非多孔性半导体层104n及多孔性半导体层104p。非多孔性半导体层104n是沿着半导体衬底104的前侧表面104f，且多孔性半导体层104p是沿着半导体衬底104的与半导体衬底104的前侧表面104f相对的后侧表面104b。在替代实施例中，省略了多孔性半导体层104p。在一些此类实施例中，非多孔性半导体层104n是沿着半导体衬底104的前侧表面104f及半导体衬底104的后侧表面104b二者。此外，在一些此类实施例中，非多孔性半导体层104n界定整个半导体衬底104。
多孔性半导体层104p是具有多孔系统结构的半导体材料。所述孔可以是例如微米尺寸的孔、纳米尺寸的孔、更小尺寸的孔、或上述的组合。多孔性半导体层104p可以是例如纳米多孔性硅。非多孔性半导体层104n是不具有多孔系统结构的半导体材料，其中孔的尺寸如上所述。例如，非多孔性半导体层104n可以是不具有存在纳米及/或微米尺寸的孔的系统结构的半导体材料。非多孔性半导体层104n可以是例如单晶硅或一些其他类型的晶体半导体材料。
在一些实施例中，用于提供半导体衬底104的工艺包括向非多孔性半导体层104n执行蚀刻，以从非多孔性半导体层104n的一部分形成多孔性半导体层104p。所述蚀刻可例如通过以下方式执行：向非多孔性半导体层104n施加氢氟酸溶液502，并随后在溶液502位于非多孔性半导体层104n上时活化氢氟酸。氢氟酸可例如：通过向溶液502施加足够的电压而以电化学方式被活化(阳极蚀刻)；通过向溶液502添加具有足够标准电极电势(standardelectrode potential)的氧化剂而以电化学方式被活化(染色蚀刻(stain etching))；或通过以激光或具有足够短的波长的灯辐照溶液502以激发溶液502中及/或非多孔性半导体层104n中的电子至导带(conduction band)而以光电化学方式被活化。在一些实施例中，溶液502还包括氮化铁。
如图6所示的剖视图600所说明，在半导体衬底104的后侧表面104b中形成周期性结构106。在其中存在多孔性半导体层104p的一些实施例中，直接在多孔性半导体层104p中形成周期性结构106。在其中省略了多孔性半导体层104p的一些实施例中，直接在非多孔性半导体层104n中形成周期性结构106。在一些实施例中，周期性结构106包括多个被形成为周期性图案的突起106p。为便于说明，仅将突起106p中的一者标记为106p。周期性图案可以是例如排列成多行及多列的二维突起阵列。
在一些实施例中，用于形成周期性结构106的工艺包括对半导体衬底104的后侧表面104b进行选择性干蚀刻。例如，可在后侧表面104b上形成抗蚀剂层602，并以突起106p的周期性图案对抗蚀剂层602进行图案化。然后可在抗蚀剂层602保持处于原位的情况下向后侧表面104b施加干蚀刻剂604以形成突起106p，且随后可剥除抗蚀剂层602。在一些实施例中，用于形成周期性结构106的工艺进一步包括对半导体衬底104的后侧表面104b进行湿蚀刻，以消除选择性干蚀刻对半导体衬底104的损害。例如，可在剥除抗蚀剂层602之前或之后将湿蚀刻剂(图中未示出)施加至后侧表面104b。湿蚀刻剂可以是例如氢氧化四甲铵(TMAH)。
对半导体衬底104的损害可导致沿半导体衬底104的后侧表面104b产生电子陷阱(electron trap)。此外，由于此后形成的光检测器沿后侧表面104b形成于半导体衬底104中，因此电子陷阱可继而导致产生泄漏电流、暗电流、及白色像素、或上述的组合。因此，湿蚀刻有利地移除电子陷阱。
如图7所示的剖视图700所说明，在半导体衬底104的后侧表面104b上形成高吸收性层110。在其中存在多孔性半导体层104p的一些实施例中，高吸收性层110被形成为直接接触多孔性半导体层104p。在其中省略了多孔性半导体层104p的一些实施例中，高吸收性层110被形成为直接接触非多孔性半导体层104n。在一些实施例中，高吸收性层110共形地形成。在一些实施例中，以与多孔性半导体层104p及/或非多孔性半导体层104n相同的掺杂类型形成高吸收性层110。在一些实施例中，高吸收性层110是由具有直接带隙的半导体材料形成，及/或形成有低带隙。低带隙可以是例如小于约1.0eV、0.8eV、或0.5eV的带隙，及/或是小于非多孔性半导体层104n的带隙的带隙。
在一些实施例中，高吸收性层110被形成为半导体衬底104的掺杂区。在一些此类实施例中，高吸收性层110掺杂有硫族元素，例如S、Se、Te、或其组合。掺杂可例如通过向半导体衬底104的后侧表面104b中进行离子植入而执行。此外，在其中高吸收性层110掺杂有硫族元素的一些实施例中，以超过溶解度极限对高吸收性层110进行掺杂(即，使高吸收性层110过饱和)，从而有利地促进光子的子带隙吸收。过饱和可例如通过向后侧表面104b中进行离子植入随后进行脉冲式激光熔融(例如，1-7、2-6、3-5、或4次激光照射)而执行。
在其他实施例中，高吸收性层110是外延层。在一些外延实施例中，高吸收性层110是硅锗，或作为另一选择是掺杂有硫族元素的硅(例如，单晶硅)。例如，外延层可以是掺杂有S、Se、Te、或上述的组合的硅。此外，在一些外延实施例中，可以使高吸收性层110的如上所述的硫族元素过饱和。外延可例如通过例如化学气相沉积、物理气相沉积、或分子束外延而执行，及/或掺杂可例如通过离子植入而执行。
如图8所示的剖视图800所说明，在高吸收性层110上方形成保护层112。在一些实施例中，保护层112被形成为其内表面112i适形于半导体衬底104的后侧表面104b、及/或高吸收性层110。例如，保护层112可包括分别容置周期性结构106的突起106p的多个凹陷(depression)112d。此外，在一些实施例中，保护层112形成有外表面112o，外表面112o是平面的且与高吸收性层110位于保护层112的相对侧上。
用于形成保护层112的工艺可包括例如沉积或生长保护层112。所述沉积或生长可例如通过热氧化、化学或物理气相沉积、溅镀、一些其他沉积或生长工艺、或上述的组合而执行。此外，用于形成保护层112的工艺可包括例如向保护层112的外表面112o执行平面化。所述平面化可例如通过化学机械抛光(chemical mechanical polish，CMP)而执行。
如图9所示的剖视图900所说明，在一些实施例中，在保护层112的外表面112o处将保护层112结合至载体衬底402。载体衬底402可以是例如单晶硅或一些其他半导体材料。在一些实施例中，结合工艺包括熔接结合工艺。
如图10所示的剖视图1000所说明，将图9所示的结构垂直翻转，且在一些实施例中，将半导体衬底104薄化以将半导体衬底104的厚度自第一厚度T1减小至第二厚度T2。第二厚度T2可例如小于载体衬底402的第三厚度T3。在一些实施例中，半导体衬底104通过以下方式得到薄化：向半导体衬底104的前侧表面104f执行蚀刻，及/或向半导体衬底104的前侧表面104f执行平面化。所述平面化可例如通过CMP而执行。
如图11所示的剖视图1100所说明，在半导体衬底104的前侧表面104f上形成多个高吸收性像素传感器102a至高吸收性像素传感器102c。高吸收性像素传感器102a至高吸收性像素传感器102c中的每一者形成有光检测器114，且在一些实施例中，形成有一个或多个像素晶体管。像素传感器的所述一个或多个像素晶体管可包括例如转移晶体管206、源极跟随器晶体管(图中未示出)、复位晶体管(reset transistor)(图中未示出)、行选择晶体管(图中未示出)、或上述的组合。为便于说明，仅将光检测器114中的一者标记为114，且仅将转移晶体管206中的一者标记为206。
光检测器114各自形成有第一掺杂类型区114a、第二掺杂类型区114b、以及光敏结202。为便于说明，仅将第一掺杂类型区114a中的一者标记为114a，仅将第二掺杂类型区114b中的一者标记为114b，且仅将光敏结202中的一者标记为202。第一掺杂类型区114a形成于半导体衬底104中，且以与第二掺杂类型区114b相反的掺杂类型形成。第二掺杂类型区114b被形成为与第一掺杂类型区114a接界，且形成于高吸收性层110中，并在一些实施例中形成于半导体衬底104中。光敏结202被形成为PN结及/或PIN结，且至少部分地由第一掺杂类型区114a及第二掺杂类型区114b界定。
在一些实施例中，半导体衬底104及/或高吸收性层110最初具有单一第一掺杂类型，使得光检测器114可通过在半导体衬底104中以与第一掺杂类型相反的第二掺杂类型形成第一掺杂类型区114a而形成。第一掺杂类型区114a可例如通过将掺杂剂选择性地植入半导体衬底104中而形成。
转移晶体管206各自包括栅极208、栅极介电层210、第一源极/漏极区、以及第二源极/漏极区。第一源极/漏极区可以是例如第一掺杂类型区114a中的相应一者。第二源极/漏极区可以是例如FDN 212。为便于说明，仅将栅极208中的一者标记为208，仅将栅极介电层210中的一者标记为210，且仅将FDN 212中的一者标记为212。栅极208在半导体衬底104上方通过栅极介电层210与半导体衬底104间隔开，且各自具有分别与第一源极/漏极区及第二源极/漏极区接界的相对的侧面。
在一些实施例中，在形成光检测器114之前执行用于形成转移晶体管206(或其他像素晶体管)的工艺。此外，在一些实施例中，用于形成转移晶体管206的工艺包括形成堆叠于半导体衬底104上方的介电层及电极层。所述介电层可例如通过热氧化、气相沉积、溅镀、一些其他沉积或生长工艺、或上述的组合而形成。所述电极层可例如通过电化学镀层、气相沉积、溅镀、一些其他沉积或生长工艺、或上述的组合而形成。此外，在一些实施例中，用于形成转移晶体管206的工艺包括向介电层及电极层执行选择性蚀刻，以界定栅极208及栅极介电层210。选择性蚀刻可例如利用光微影执行。此外，在一些实施例中，用于形成转移晶体管206的工艺包括将掺杂剂选择性地植入半导体衬底104中，从而界定光检测器114的第一掺杂类型区114a及FDN 212。
图11所示的剖视图1100还说明，在半导体衬底104的与高吸收性像素传感器102a至高吸收性像素传感器102c对应的区之间形成隔离结构214。隔离结构214可例如被形成为STI区、DTI区、植入隔离区、或上述的组合。在一些实施例中，用于形成隔离结构214的工艺包括选择性地蚀刻半导体衬底104以形成沟槽，并随后形成填充所述沟槽的一种或多种介电材料。此外，在一些实施例中，隔离结构214是在形成高吸收性像素传感器102a至高吸收性像素传感器102c之前形成。
如图12所示的剖视图1200所说明，在高吸收性像素传感器102a至高吸收性像素传感器102c以及半导体衬底104上方形成互连结构216。互连结构216包括ILD层218、多个布线层220、以及多个通孔222。为便于说明，仅将布线层220中的一者标记为220，且仅将通孔222中的一者标记为222。布线层220与通孔222在ILD层218中交替堆叠。
在一些实施例中，用于形成互连结构216的工艺包括：在半导体衬底104上方重复地形成ILD子层(即，ILD层218的子层)，向ILD子层的上表面或顶表面执行平面化，选择性地蚀刻ILD子层以形成通孔开口及/或布线开口，并以导电材料填充通孔开口及/或布线开口。ILD子层可例如通过热氧化、化学或物理气相沉积、溅镀、一些其他生长或沉积工艺、或上述的组合而形成。平面化可例如通过CMP而执行。选择性蚀刻可例如利用光微影而执行。填充可例如通过化学或物理气相沉积、电镀、无电镀、一些其他生长或沉积工艺、或上述的组合而执行。在一些实施例中，用于形成互连结构216的工艺包括重复地执行双嵌入式(dual-damascene-like)工艺或单嵌入式(single-damascene-like)工艺以形成布线层220及通孔222。双嵌入式工艺及单嵌入式工艺分别是不限制于铜的双嵌入工艺及单嵌入工艺。
如图13所示的剖视图1300所说明，分别在高吸收性像素传感器102a至高吸收性像素传感器102c上方形成多个滤色片404。为便于说明，仅将滤色片404中的一者标记为404。在一些实施例中，滤色片404是通过以下方式形成：形成指定波长(例如，红色波长)辐射的滤色层，将所述滤色层图案化，然后针对不同波长(例如，蓝色波长)的辐射重复上述操作。
图13所示的剖视图1300还说明，分别在滤色片404上方形成多个微透镜406。在一些实施例中，用于形成微透镜406的工艺包括：在滤色片404上方形成微透镜层，并随后在所述微透镜层上方形成个别地对应于微透镜406的微透镜模板。微透镜层可例如通过旋涂工艺或沉积工艺而形成。微透镜模板可例如通过以下方式而形成：在微透镜层上方沉积(例如，溅镀)抗蚀剂层，以微透镜的布局对所述抗蚀剂层进行图案化以形成微透镜模板，并执行回流(reflow)操作以使微透镜模板的上表面或顶表面弯曲。在一些实施例中，所述工艺进一步包括：在原位以微透镜模板对微透镜层进行蚀刻，并剥除所述微透镜模板。
参照图14，提供了图5至图13所示方法的一些实施例的流程图1400。
在步骤1402处，提供半导体衬底，其中半导体衬底包括非多孔性半导体层，所述非多孔性半导体层是沿着半导体衬底的前侧。在一些实施例中，半导体衬底还包括沿着半导体衬底的后侧的多孔性半导体层。参见例如图5。
在步骤1404处，向半导体衬底的后侧执行蚀刻，以在半导体衬底的后侧上形成周期性结构。参见例如图6。
在步骤1406处，形成对半导体衬底的后侧进行衬覆的高吸收性层。参见例如图7。高吸收性层具有低能量带隙(例如，小于约1eV及/或小于非多孔性半导体层的能量带隙)，以使得高吸收性层有利地具有高吸收系数。高吸收性层可以是例如硅锗、或掺杂有硫族元素的单晶硅。
在步骤1408处，在半导体衬底的后侧上形成覆盖高吸收性层的保护层。参见例如图8。
在步骤1410处，在一些实施例中，将载体衬底经由保护层及高吸收性层结合到半导体衬底的后侧。参见例如图9。
在步骤1412处，在一些实施例中，通过半导体衬底的前侧薄化半导体衬底。参见例如图10。
在步骤1414处，在半导体衬底的前侧上形成像素传感器，其中像素传感器包括位于半导体衬底及高吸收性层中的光检测器。参见例如图11。有利地，通过将光检测器设置于高吸收性层中，光检测器具有高量子效率。
在步骤1416处，在半导体衬底的前侧上形成覆盖像素传感器的互连结构，其中所述互连结构包括布线层及与所述布线层交替堆叠的通孔。参见例如图12。
在步骤1418处，形成堆叠于半导体衬底的前侧上的像素传感器上方的滤色片及微透镜。参见例如图13。
尽管在本文中将图14所示的流程图1400说明并阐述为一系列动作或事件，然而应理解，此类动作或事件的所说明的次序不应被解释为具有限制性意义。例如，某些动作可以不同的次序发生及/或与除本文中所说明及/或阐述的动作或事件以外的其他动作或事件同步地发生。此外，可能并非需要所有所说明的动作来实施本文中所作说明的一个或多个方面或实施例，且本文中所绘示的一个或多个动作可以一个或多个单独的动作及/或阶段施行。
参照图15至图23，提供一系列剖视图1500至2300，其说明一种制造具有高吸收性像素传感器的BSI图像传感器的方法的一些实施例。例如，所述方法可用以制造图4B所示的BSI图像传感器。
如图15所示的剖视图1500所说明，在半导体衬底104的前侧表面104f上形成多个高吸收性像素传感器102a至高吸收性像素传感器102c。此外，在一些实施例中，形成隔离结构214以标定半导体衬底104的与高吸收性像素传感器102a至高吸收性像素传感器102c对应的区。可例如如参照图11所述而形成高吸收性像素传感器102a至高吸收性像素传感器102c及/或隔离结构214。
如图16所示的剖视图1600所说明，在高吸收性像素传感器102a至高吸收性像素传感器102c及半导体衬底104上方形成互连结构216。可例如如参照图12所述而形成互连结构216。
如图17所示的剖视图1700所说明，在一些实施例中，将图16所示的结构垂直翻转并结合至载体衬底402。可例如如参照图9所述而执行结合。
如图18所示的剖视图1800所说明，在一些实施例中，将半导体衬底104薄化。可例如如参照图10所述而执行薄化。
如图19所示的剖视图1900所说明，在一些实施例中，向半导体衬底104执行蚀刻，以将半导体衬底104划分为非多孔性半导体层104n及多孔性半导体层104p。多孔性半导体层104p是沿着半导体衬底104的后侧表面104b，且非多孔性半导体层104n是沿着半导体衬底104的前侧表面。可例如如参照图5所述而形成多孔性半导体层104p。
如图20所示的剖视图2000所说明，在半导体衬底104的后侧表面104b中形成周期性结构106。可例如如参照图6所述而形成周期性结构106。
如图21所示的剖视图2100所说明，形成对半导体衬底104的后侧表面104b进行衬垫的高吸收性层110。可例如如参照图7所述而形成高吸收性层110。
如图22所示的剖视图2200所说明，在高吸收性层110上方形成保护层112。可例如如参照图8所述而形成保护层112。
如图23所示的剖视图2300所说明，分别在高吸收性像素传感器102a至102c上方形成多个滤色片404。此外，分别在滤色片404上方形成多个微透镜406。可例如如参照图13所述而形成滤色片404及/或微透镜406。
参照图24，提供图15至图23所示方法的一些实施例的流程图2400。
在步骤2402处，在半导体衬底的前侧上形成像素传感器，其中像素传感器包括位于半导体衬底中的光检测器。参见例如图15。
在步骤2404处，在半导体衬底的前侧上形成覆盖像素传感器的互连结构，其中所述互连结构包括布线层及与所述布线层交替堆叠的通孔。参见例如图16。
在步骤2406处，在一些实施例中，将载体衬底经由互连结构结合到半导体衬底的前侧。参见例如图17。
在步骤2408处，在一些实施例中，通过半导体衬底的后侧薄化半导体衬底。参见例如图18。
在步骤2410处，在一些实施例中，向半导体衬底的后侧执行第一蚀刻，以将半导体衬底划分为多孔性半导体层及非多孔性半导体层。参见例如图19。
在步骤2412处，向半导体衬底的后侧执行第二蚀刻，以沿半导体衬底的后侧形成周期性结构。参见例如图20。
在步骤2414处，形成对半导体衬底的后侧进行衬垫的高吸收性层。参见例如图21。
在步骤2416处，在半导体衬底的后侧上形成覆盖高吸收性层的保护层。参见例如图22。
在步骤2418处，形成堆叠于半导体衬底的前侧上的像素传感器上方的滤色片及微透镜。参见例如图23。
尽管在本文中将图24所示的流程图2400说明并阐述为一系列动作或事件，然而应理解，此类动作或事件的所说明的次序不应被解释为具有限制性意义。例如，某些动作可以不同的次序发生及/或与除本文中所说明及/或阐述的动作或事件以外的其他动作或事件同步地发生。此外，可能并非需要所有所说明的动作来实施本文中所作说明的一个或多个方面或实施例，且本文中所绘示的一个或多个动作可以一个或多个单独的动作及/或阶段施行。
有鉴于此，本申请的一些实施例提供一种图像传感器。半导体衬底包括非多孔性半导体层。所述非多孔性半导体层是沿着所述半导体衬底的前侧。周期性结构是沿着所述半导体衬底的后侧。所述周期性结构包括由所述半导体衬底界定的多个突起。高吸收性层在所述半导体衬底的所述后侧上对所述周期性结构进行衬覆。所述高吸收性层是能量带隙小于所述非多孔性半导体层的能量带隙的半导体材料。光检测器位于所述半导体衬底及所述高吸收性层中。
在本发明的实施例中，所述非多孔性半导体层是单晶硅，且其中所述高吸收性层是硅锗或者掺杂有硫族元素的单晶硅。
在本发明的实施例中，所述高吸收性层的所述能量带隙小于约1电子伏特，且其中所述非多孔性半导体层的所述能量带隙大于约1电子伏特。
在本发明的实施例中，所述高吸收性层是硅锗。在本发明的实施例中，所述非多孔性半导体层被掺杂有硫族元素，且其中所述高吸收层是与所述非多孔性半导体层相同的半导体材料。在本发明的实施例中，所述多个突起中的突起是圆锥形或棱锥形的。
在本发明的实施例中，所述高吸收性层共形地衬覆所述周期性结构。
在本发明的实施例中，所述半导体衬底进一步包括沿所述半导体衬底的所述后侧且位于所述非多孔性半导体层与所述高吸收性层之间的多孔性半导体层，且其中所述周期性结构是由所述多孔性半导体层界定。
在本发明的实施例中，所述光检测器包括位于所述多孔性半导体层与所述高吸收性层之间界面处的PN结。
在本发明的实施例中，所述图像传感器进一步包括像素晶体管，位于所述半导体衬底的所述前侧上，其中所述像素晶体管包括位于所述非多孔性半导体层中的源极/漏极区。
在本发明的实施例中，所述源极/漏极区具有第一掺杂类型，其中所述高吸收性层具有与所述第一掺杂类型相反的第二掺杂类型，且其中所述源极/漏极区从所述半导体衬底的所述前侧延伸至所述半导体衬底的所述后侧上的所述半导体衬底与所述高吸收性层之间的界面。
此外，本申请的其他实施例提供一种制造图像传感器的方法。提供半导体衬底。所述半导体衬底包括位于所述半导体衬底的前侧上的非多孔性半导体层。向所述半导体衬底的后侧执行蚀刻，以在所述后侧上形成多个表面突起。所述表面突起被形成为周期性图案，且其中所述后侧与所述前侧相对。在所述半导体衬底的所述后侧上形成对所述多个表面突起进行衬覆的高吸收性层。所述高吸收性层是带隙能量低于所述非多孔性半导体层的带隙能量的半导体材料。在所述半导体衬底及所述高吸收性层中形成光检测器。
在本发明的实施例中，所述半导体衬底进一步包括位于所述半导体衬底的所述后侧上的多孔性半导体层，且其中所述提供所述半导体衬底包括向所述非多孔性半导体层执行第二蚀刻，以从所述非多孔性半导体层的一部分形成所述多孔性半导体层。
在本发明的实施例中，所述蚀刻是选择性地向所述多孔性半导体层执行以形成所述多个表面突起。
在本发明的实施例中，所述光检测器包括第一掺杂类型区及第二掺杂类型区，其中所述第一掺杂类型区与所述第二掺杂类型区具有相反的掺杂类型且共同界定PN结，且其中所述形成所述光检测器包括向所述半导体衬底的所述前侧中植入掺杂剂以形成所述第一掺杂类型区。
在本发明的实施例中，所述制造图像传感器的方法进一步包括在所述半导体衬底的所述前侧上形成像素晶体管，其中所述像素晶体管是在形成所述高吸收性层之后形成，且其中所述像素晶体管的源极/漏极区是所述第一掺杂类型区。
在本发明的实施例中，所述制造图像传感器的方法进一步包括在所述半导体衬底的所述前侧上形成像素晶体管，其中所述像素晶体管是在形成所述高吸收性层之前形成，且其中所述像素晶体管的源极/漏极区是所述第一掺杂类型区。
在本发明的实施例中，所述高吸收性层是由硅锗形成，或由被掺杂有硫族元素的单晶硅形成。
在本发明的实施例中，所述制造图像传感器的方法进一步包括：在所述半导体衬底的所述后侧上形成覆盖所述高吸收性层的保护层；将载体衬底经由所述保护层结合到所述半导体衬底的所述后侧；以及在所述半导体衬底的所述前侧薄化所述半导体衬底。另外，本申请的其他实施例提供一种图像传感器。半导体衬底包括非多孔性半导体层及多孔性半导体层。所述非多孔性半导体层是沿着所述半导体衬底的前侧。所述多孔性半导体层是沿着所述半导体衬底的与所述前侧相对的后侧。高吸收性层在所述半导体衬底的所述后侧上衬覆所述多孔性半导体层。所述高吸收性层具有比所述非多孔性半导体层高的吸收系数。光检测器包括第一掺杂类型区及第二掺杂类型区。所述第一掺杂类型区处于所述非多孔性半导体层与所述多孔性半导体层二者中。所述第二掺杂类型区处于所述高吸收性层中且具有与所述第一掺杂类型区相反的掺杂类型。所述第一掺杂类型区与所述第二掺杂类型区介接而界定光敏结。转移晶体管位于所述半导体衬底的所述前侧上。所述转移晶体管包括源极/漏极区，且其中所述源极/漏极区是所述第一掺杂类型区。
以上概述了若干实施例的特征，以使所属领域中的技术人员可更好地理解本发明的各个方面。所属领域中的技术人员应理解，其可容易地使用本发明作为设计或修改其他工艺及结构的基础来施行与本文中所介绍的实施例相同的目的及/或实现与本文中所介绍的实施例相同的优点。所属领域中的技术人员还应认识到，这些等效构造并不背离本发明的精神及范围，而且他们可在不背离本发明的精神及范围的条件下对其作出各种改变、代替、及变更。

Claims (38)

1.一种图像传感器，其特征在于，包括：
半导体衬底，包括非多孔性半导体层，其中所述非多孔性半导体层是沿着所述半导体衬底的前侧；
沿着所述半导体衬底的后侧的周期性结构，其中所述周期性结构包括由所述半导体衬底界定的多个突起；
高吸收性层，在所述半导体衬底的所述后侧上对所述周期性结构进行衬覆，其中所述高吸收性层是能量带隙小于所述非多孔性半导体层的能量带隙的半导体材料，其中所述周期性结构位于所述非多孔性半导体层与所述高吸收性层之间，其中所述高吸收性层具有共形于所述周期性结构的第一表面，还包括位于所述第一表面对侧的第二表面，且其中所述第一表面与所述第二表面分别具有周期性截面图案；
多孔性半导体层，沿所述半导体衬底的所述后侧且位于所述非多孔性半导体层与所述高吸收性层之间，其中所述周期性结构是由所述多孔性半导体层界定；以及
光检测器，位于所述半导体衬底及所述高吸收性层中。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述非多孔性半导体层是单晶硅，且其中所述高吸收性层是硅锗或者掺杂有硫族元素的单晶硅。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述高吸收性层的所述能量带隙小于1电子伏特，且其中所述非多孔性半导体层的所述能量带隙大于1电子伏特。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述高吸收性层是硅锗。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述高吸收性层被掺杂有硫族元素，且所述高吸收性层是与所述非多孔性半导体层相同的半导体材料。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述多个突起中的突起是圆锥形或棱锥形的。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述光检测器包括位于所述多孔性半导体层与所述高吸收性层之间界面处的PN结。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器进一步包括：
像素晶体管，位于所述半导体衬底的所述前侧上，其中所述像素晶体管包括位于所述非多孔性半导体层中的源极/漏极区。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，所述源极/漏极区具有第一掺杂类型，其中所述高吸收性层具有与所述第一掺杂类型相反的第二掺杂类型，且其中所述源极/漏极区从所述半导体衬底的所述前侧延伸至所述半导体衬底的所述后侧上的所述半导体衬底与所述高吸收性层之间的界面。
10.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述高吸收性层包括掺杂有硫、硒或碲的单晶硅。
11.一种制造图像传感器的方法，其特征在于，所述方法包括：
提供半导体衬底，其中所述半导体衬底包括位于所述半导体衬底的前侧上的非多孔性半导体层；
向所述半导体衬底的后侧执行蚀刻，以在所述后侧上形成多个表面突起，其中所述表面突起被形成为周期性图案，且其中所述后侧与所述前侧相对；
在所述半导体衬底的所述后侧上形成对所述多个表面突起进行衬覆的高吸收性层，其中所述高吸收性层是带隙能量低于所述非多孔性半导体层的带隙能量的半导体材料；以及
在所述半导体衬底及所述高吸收性层中形成光检测器，
其中所述半导体衬底进一步包括位于所述半导体衬底的所述后侧上的多孔性半导体层，且其中所述提供所述半导体衬底包括：向所述非多孔性半导体层执行第二蚀刻，以从所述非多孔性半导体层的一部分形成所述多孔性半导体层。
12.根据权利要求11所述的制造图像传感器的方法，其特征在于，所述蚀刻是选择性地向所述多孔性半导体层执行以形成所述多个表面突起。
13.根据权利要求11所述的制造图像传感器的方法，其特征在于，所述光检测器包括第一掺杂类型区及第二掺杂类型区，其中所述第一掺杂类型区与所述第二掺杂类型区具有相反的掺杂类型且共同界定PN结，且其中所述形成所述光检测器包括向所述半导体衬底的所述前侧中植入掺杂剂以形成所述第一掺杂类型区。
14.根据权利要求13所述的制造图像传感器的方法，其特征在于，进一步包括：
在所述半导体衬底的所述前侧上形成像素晶体管，其中所述像素晶体管是在形成所述高吸收性层之后形成，且其中所述像素晶体管的源极/漏极区是所述第一掺杂类型区。
15.根据权利要求13所述的制造图像传感器的方法，其特征在于，进一步包括：
在所述半导体衬底的所述前侧上形成像素晶体管，其中所述像素晶体管是在形成所述高吸收性层之前形成，且其中所述像素晶体管的源极/漏极区是所述第一掺杂类型区。
16.根据权利要求11所述的制造图像传感器的方法，其特征在于，所述高吸收性层是由硅锗形成，或由被掺杂有硫族元素的单晶硅形成。
17.根据权利要求11所述的制造图像传感器的方法，其特征在于，进一步包括：
在所述半导体衬底的所述后侧上形成覆盖所述高吸收性层的保护层；
将载体衬底经由所述保护层结合到所述半导体衬底的所述后侧；以及在所述半导体衬底的所述前侧薄化所述半导体衬底。
18.一种图像传感器，其特征在于，包括：
半导体衬底，包括非多孔性半导体层及多孔性半导体层，其中所述非多孔性半导体层是沿着所述半导体衬底的前侧，且其中所述多孔性半导体层是沿着所述半导体衬底的与所述前侧相对的后侧；
高吸收性层，在所述半导体衬底的所述后侧上衬覆所述多孔性半导体层，其中所述高吸收性层具有比所述非多孔性半导体层高的吸收系数；
光检测器，包括第一掺杂类型区及第二掺杂类型区，其中所述第一掺杂类型区处于所述非多孔性半导体层与所述多孔性半导体层二者中，其中所述第二掺杂类型区处于所述高吸收性层中且具有与所述第一掺杂类型区相反的掺杂类型，且其中所述第一掺杂类型区与所述第二掺杂类型区介接而界定光敏结；以及
转移晶体管，位于所述半导体衬底的所述前侧上，其中所述转移晶体管包括源极/漏极区，且其中所述源极/漏极区是所述第一掺杂类型区。
19.根据权利要求18所述的图像传感器，其特征在于，所述高吸收性层包括硅锗。
20.根据权利要求18所述的图像传感器，其特征在于，所述高吸收性层包括掺杂有硫族元素的单晶硅。
21.根据权利要求18所述的图像传感器，其特征在于，进一步包括：
沿着所述半导体衬底的所述后侧的周期性结构，其中所述周期性结构包括由所述多孔性半导体层界定的多个突起。
22.根据权利要求21所述的图像传感器，其特征在于，进一步包括：介电层，设置于所述半导体衬底的所述后侧且衬覆所述高吸收性层，其中所述介电层定义多个凹陷，所述多个凹陷容纳所述多个突起，且其中所述高吸收性层共形于所述多个突起与所述多个凹陷。
23.一种图像传感器，其特征在于，包括：
复合衬底，包括彼此堆叠的前侧半导体层与后侧半导体层，其中所述前侧半导体层是多孔性半导体层，所述后侧半导体层是非多孔性半导体层，其中所述前侧半导体层定义所述复合衬底的前侧表面，其中所述后侧半导体层的能量带隙不同于所述前侧半导体层的能量带隙，且所述后侧半导体层定义所述复合衬底的后侧表面，所述复合衬底的后侧表面相对于所述复合衬底的所述前侧表面；
由所述后侧半导体层定义且沿著所述复合衬底的所述后侧表面的多个突起；以及
高吸收性半导体层，衬覆位于所述复合衬底的所述后侧表面上的所述多个突起，其中所述高吸收性半导体层的吸收系数高于所述前侧半导体层的吸收系数。
24.根据权利要求23所述的图像传感器，其特征在于，所述高吸收性半导体层包括掺杂有硫、硒或碲的单晶硅。
25.根据权利要求23所述的图像传感器，其特征在于，所述前侧半导体层具有间接能量带隙，且其中所述后侧半导体层具有直接能量带隙。
26.根据权利要求23所述的图像传感器，其特征在于，进一步包括：像素传感器，设置于所述复合衬底的所述前侧表面上，其中所述像素传感器包括由所述前侧半导体层、所述后侧半导体层以及所述高吸收性半导体层定义的光检测器，其中所述像素传感器包括位于所述复合衬底的所述前侧表面上的转移晶体管，所述转移晶体管的一部分是由所述前侧半导体层定义，且其中所述转移晶体管邻接且电耦合至所述光检测器。
27.一种制造图像传感器的方法，其特征在于，包括：图案化半导体衬底，以在所述半导体衬底中形成周期性结构，其中所述半导体衬底包括非多孔性半导体层与多孔性半导体层，且其中所述周期性结构是由所述多孔性半导体层界定；
在所述图案化之后，形成直接位于所述周期性结构上且衬覆所述周期性结构的半导体层，其中所述半导体层的能量带隙不同于所述半导体衬底的能量带隙；以及
在所述半导体衬底与所述半导体层中形成光检测器。
28.根据权利要求27所述的制造图像传感器的方法，其特征在于，所述形成所述半导体层包括通过外延工艺沉积所述半导体层。
29.根据权利要求27所述的制造图像传感器的方法，其特征在于，所述形成所述半导体层包括将掺杂剂植入所述半导体衬底以形成来自于所述半导体衬底的掺杂区的半导体层。
30.根据权利要求29所述的制造图像传感器的方法，其特征在于，所述掺杂剂包括硫、硒或碲。
31.根据权利要求29所述的制造图像传感器的方法，其特征在于，所述掺杂剂所植入的所述半导体衬底的一部分的能量带隙随所述植入的过程而降低。
32.根据权利要求27所述的制造图像传感器的方法，其特征在于，所述形成所述半导体层包括使硫族元素过饱和于所述半导体衬底中。
33.根据权利要求27所述的制造图像传感器的方法，其特征在于，进一步包括：
将碳植入所述半导体衬底，以形成衬覆所述周期性结构的具有高碳浓度的区域。
34.一种制造图像传感器的方法，其特征在于，包括：
在半导体衬底的第一侧上形成周期性结构，其中基于所述周期性结构，所述第一侧对于辐射的吸收能力大于半导体衬底的第二侧对于辐射的吸收能力，所述第二侧相对于所述第一侧；
在所述周期性结构上形成半导体层，其中所述半导体层与所述周期性结构于接面直接接触；以及
从所述半导体衬底的所述第二侧形成位于所述半导体衬底与所述半导体层中的光检测器。
35.根据权利要求34所述的制造图像传感器的方法，其特征在于，所述形成所述周期性结构包括从所述半导体衬底的所述第一侧进行蚀刻，以在所述第一侧中形成多孔系统结构，其中所述多孔系统结构中的孔为纳米尺寸的孔。
36.权利要求34所述的制造图像传感器的方法，其特征在于，所述形成所述周期性结构包括图案化所述半导体衬底的所述第一侧，以形成周期性图案。
37.权利要求34所述的制造图像传感器的方法，其特征在于，进一步包括：
于所述半导体层上沉积介电层，其中所述半导体层具有面向所述半导体衬底的第一表面，且具有面向所述介电层的第二表面，且其中所述第一表面与所述第二表面在所述半导体层的相对两侧，且具有锯齿状图案。
38.权利要求34所述的制造图像传感器的方法，其特征在于，所述形成所述半导体层包括通过外延工艺沉积所述半导体层，且在沉积所述半导体层时以硫族元素掺杂所述半导体层。
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