CN111415950B - 影像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种影像传感器，其包括基底、感光元件、半导体层、第一栅极与遮光层。感光元件设置在基底中。半导体层设置在感光元件的一侧的基底上。第一栅极设置在感光元件与半导体层之间的基底上。第一栅极与基底彼此绝缘。遮光层覆盖半导体层。基底具有第一导电型，且半导体层具有第二导电型。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体元件及其制造方法，且特别是涉及一种影像传感器及其制造方法。
背景技术
目前有些种类的影像传感器(如，全域快门影像传感器(global shutter imagesensor))具有位于基底中且用以存储信号的存储节点(storage node)。然而，杂散光(stray light)会对存储在存储节点中的信号造成干扰。因此，如何有效地防止杂散光干扰为目前持续研究发展的目标。
发明内容
本发明提供一种影像传感器及其制造方法，其可有效地防止杂散光干扰。
本发明提出一种影像传感器，包括基底、感光元件、半导体层、第一栅极与遮光层。感光元件设置在基底中。半导体层设置在感光元件的一侧的基底上。第一栅极设置在感光元件与半导体层之间的基底上。第一栅极与基底彼此绝缘。遮光层覆盖半导体层。基底具有第一导电型，且半导体层具有第二导电型。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器中，半导体层的材料例如是外延硅。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器中，第一栅极可覆盖至少部分半导体层，且第一栅极与半导体层可彼此绝缘。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器中，第一栅极可位于遮光层与半导体层之间，且遮光层可同时覆盖第一栅极与半导体层。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器中，还可包括介电层。介电层设置在第一栅极与基底之间。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器中，遮光层可延伸到至少部分第一栅极上。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器中，遮光层与半导体层可彼此隔离。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器中，还可包括第一阱区与第二阱区。第一阱区与第二阱区位于半导体层的两侧的基底中。第一阱区与第二阱区可具有第二导电型。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器中，还可包括掺杂区。掺杂区位于第一阱区与第二阱区之间的基底中。掺杂区可具有第一导电型。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器中，还可包括第二栅极与浮置扩散区。第二栅极设置在半导体层的远离感光元件的一侧的基底上。第二栅极与基底可彼此绝缘。浮置扩散区位于第二栅极的远离半导体层的一侧的基底中。
本发明提出一种影像传感器的制造方法，包括以下步骤。提供基底。在基底中形成感光元件。在感光元件的一侧的基底上形成半导体层。在感光元件与半导体层之间的基底上形成第一栅极。第一栅极与基底彼此绝缘。形成覆盖半导体层的遮光层。基底具有第一导电型，且半导体层具有第二导电型。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器的制造方法中，半导体层的形成方法例如是选择性外延成长法。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器的制造方法中，第一栅极可覆盖至少部分半导体层，且第一栅极与半导体层可彼此绝缘。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器的制造方法中，第一栅极可位于遮光层与半导体层之间，且遮光层可同时覆盖第一栅极与半导体层。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器的制造方法中，遮光层可延伸到至少部分第一栅极上。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器的制造方法中，还可包括在半导体层的两侧的基底中形成第一阱区与第二阱区。第一阱区与第二阱区可具有第二导电型。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器的制造方法中，还可包括在第一阱区与第二阱区之间的基底中形成掺杂区。掺杂区可具有第一导电型。
依照本发明的一实施例所述，在上述影像传感器的制造方法中，还可包括以下步骤。在半导体层的远离感光元件的一侧的基底上形成第二栅极。第二栅极与基底可彼此绝缘。在第二栅极的远离半导体层的一侧的基底中形成浮置扩散区。
基于上述，在上述影像传感器及其制造方法中，半导体层设置在感光元件的一侧的基底上，且可作为存储节点的一部分。此外，遮光层覆盖半导体层。因此，可通过遮光层来阻挡杂散光照射到半导体层，进而可有效地防止杂散光干扰。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附的附图作详细说明如下。
附图说明
图1A至图1F为本发明一实施例的影像传感器的制作流程剖视图；
图2A至图2D为本发明另一实施例的影像传感器的制作流程剖视图。
符号说明
100：基底
102：隔离结构
104：感光元件
106：钉扎层
108、110：阱区
112：掺杂区
114：图案化掩模层
116：半导体层
118、138：介电层
120：栅极材料层
122、124、222：栅极
126、128、202：间隙壁
130：浮置扩散区
132、134：金属硅化物层
136、236：遮光层
140、142：内连线结构
144：彩色滤光层
146：微透镜
148、200：影像传感器
SAB：自对准金属硅化物阻挡层
具体实施方式
图1A至图1F为本发明一实施例的影像传感器的制作流程剖视图。
请参照图1A，提供基底100。基底100例如是半导体基底，如硅基底。在基底100中可具有隔离结构102。隔离结构102例如是浅沟槽隔离结构(STI)。隔离结构102的材料例如是氧化硅。此外，基底100可具有第一导电型。以下，所记载的第一导电型与第二导电型可分别为P型导电型与N型导电型中的一者与另一者。在本实施例中，第一导电型是以P型导电型为例，且第二导电型是以N型导电型为例，但本发明并不以此为限。
在基底100中形成感光元件104。感光元件104可为光二极管。在本实施例中，感光元件104可为第二导电型(如，N型)的掺杂区，如第二导电型的阱区。感光元件104的形成方法例如是离子注入法。
在基底100中可形成钉扎层106。钉扎层106位于感光元件104与基底100的表面之间。钉扎层106可用以降低暗电流。钉扎层106可为第一导电型(如，P型)的重掺杂区。钉扎层106的形成方法例如是离子注入法。
在基底100中可形成彼此分离的阱区108与阱区110。阱区108与阱区110可具有第二导电型(如，N型)。阱区108与阱区110的形成方法例如是离子注入法。
在阱区108与阱区110之间的基底100中可形成掺杂区112。掺杂区112可为第一导电型(如，P型)的重掺杂区。掺杂区112的形成方法例如是离子注入法。
此外，所属技术领域具有通常知识者可依据制作工艺需求来决定感光元件104、钉扎层106、阱区108、阱区110与掺杂区112的形成顺序。
另外，在基底100上可形成图案化掩模层114。图案化掩模层114可具有暴露出部分基底100的开口114a。此外，开口114a可暴露出掺杂区112、部分阱区108与部分阱区110。图案化掩模层114可为单层结构或多层结构。图案化掩模层114的材料例如是氧化硅、氮化硅或其组合。
请参照图1B，可在开口114a所暴露出的基底100上形成半导体层116。由此，可在感光元件104的一侧的基底100上形成半导体层116。半导体层116的顶面可高于基底100的顶面。阱区108与阱区110可位于半导体层116的两侧的基底100中，且半导体层116可与掺杂区112、部分阱区108以及部分阱区110重叠。半导体层116的材料例如是外延硅。半导体层116可具有第二导电型(如，N型)。半导体层116的形成方法例如是选择性外延成长法。此外，在半导体层116超出开口114a的情况下，可使用图案化掩模层114作为研磨终止层，且对半导体层116进行化学机械研磨制作工艺。
一般而言，存储节点由PN二极管电容所形成，且PN二极管电容为包含N型区与P型区的空乏区电容。此外，上述空乏区会涵盖至少部分的N型区与P型区，且空乏区涵盖N型区与P型区的范围大小取决于N型区与P型区的浓度分布以及所施加的偏压。
在本实施例中，第二导电型的半导体层116可作为存储节点的一部分。在一些实施例中，第二导电型的半导体层116可与第一导电型的掺杂区112形成存储节点。在一些实施例中，第二导电型的半导体层116也可与第一导电型的基底100形成存储节点。此外，阱区108与阱区110也可作为存储节点的一部分。
请参照图1C，可移除图案化掩模层114。图案化掩模层114的移除方法例如是湿式蚀刻法。湿式蚀刻法所使用的蚀刻剂例如是磷酸或氢氟酸。所属技术领域具有通常知识者可依照图案化掩模层114的材料来选用适合的蚀刻剂。
接着，可在基底100上形成覆盖半导体层116的介电层118。介电层118的材料例如是氧化硅。介电层118的形成方法例如是热氧化法。
然后，可在介电层118上形成栅极材料层120。此外，可选择性地对栅极材料层120进行化学机械研磨制作工艺，由此可对栅极材料层120进行平坦化，且可对栅极材料层120的高度进行调整。栅极材料层120可覆盖半导体层116。栅极材料层120的材料例如是掺杂多晶硅。栅极材料层120可具有第二导电型(如，N型)。栅极材料层120的形成方法例如是临场掺杂的化学气相沉积法。
请参照图1D，可通过光刻制作工艺与蚀刻制作工艺对栅极材料层120进行图案化，而在介电层118上形成栅极122，且还可在介电层118上形成栅极124。由此，可在感光元件104与半导体层116之间的基底100上形成栅极122，且还可在半导体层116的远离感光元件104的一侧的基底100上形成栅极124。栅极122与基底100可通过介电层118而彼此绝缘。栅极124与基底100可通过介电层118而彼此绝缘。在本实施例中，栅极122与栅极124是通过相同制作工艺形成，但本发明并不以此为限。在其他实施例中，栅极122与栅极124也可通过不同制作工艺形成。
栅极122可覆盖至少部分半导体层116，且栅极122与半导体层116可通过介电层118而彼此绝缘。在本实施例中，以栅极122覆盖半导体层116的顶面与两侧面为例来进行说明，但本发明并不以此为限。在其他实施例中，栅极122也可不覆盖半导体层116。
然后，可在栅极122的侧壁上形成间隙壁126，且可在栅极124的侧壁上形成间隙壁128。间隙壁126与间隙壁128可为单层结构或多层结构。间隙壁126与间隙壁128的材料例如是氧化硅、氮化硅或其组合。间隙壁126与间隙壁128的形成方法可采用所属技术领域具有通常知识者所周知的方法，于此不再说明。在本实施例中，在形成间隙壁126与间隙壁128之后，未被栅极122、栅极124、间隙壁126与间隙壁128覆盖的介电层118仍保留在基底100上，由此可防止后续形成的遮光层136(图1E)与基底100产生桥接，但本发明并不以此为限。在一些实施例中，可能会在形成间隙壁126与间隙壁128之后，移除未被栅极122、栅极124、间隙壁126与间隙壁128覆盖的介电层118。在一些实施例中，可能会在形成栅极122与栅极124之后，移除未被栅极122与栅极124覆盖的介电层118。
接下来，可在栅极124的远离半导体层116的一侧的基底100中形成浮置扩散区130。浮置扩散区130可具有第二导电型(如，N型)。浮置扩散区130的形成方法例如是离子注入法。
请参照图1E，可在栅极122上形成金属硅化物层132，且可在栅极124上形成金属硅化物层134。金属硅化物层132与金属硅化物层134的材料例如是金属硅化物，如硅化钴或硅化镍。金属硅化物层132与金属硅化物层134的形成方法例如是进行自对准金属硅化物制作工艺。举例来说，可先通过沉积、光刻与蚀刻制作工艺在介电层118上形成暴露出栅极122与栅极124的自对准金属硅化物阻挡层(salicide block)SAB，再通过自对准金属硅化物制作工艺分别在栅极122与栅极124上形成金属硅化物层132与金属硅化物层134。此外，自对准金属硅化物阻挡层SAB也可防止后续形成的遮光层136与基底100产生桥接。
接着，形成覆盖半导体层116的遮光层136。遮光层136可阻挡杂散光照射到半导体层116，进而可有效地防止杂散光干扰。在本实施例中，作为存储节点的PN二极管电容的大部分空乏区可位于基底100上方的半导体层116中的第二导电型区(如，N型区)，且少部分空乏区位于基底100中的第一导电型区(如，P型区)。由此，能够确保遮光层136可有效地阻挡大部分的杂散光。
遮光层136与半导体层116可彼此隔离。举例来说，遮光层136与半导体层116可通过栅极122与介电层118而彼此隔离。遮光层136的材料例如是金属、金属化合物或其组合，如钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)、钨(W)、铝(Al)或其组合。遮光层136的形成方法例如是组合使用沉积制作工艺、光刻制作工艺与蚀刻制作工艺。
在本实施例中，栅极122可位于遮光层136与半导体层116之间，且遮光层136可同时覆盖栅极122与半导体层116，但本发明并不以此为限。举例来说，遮光层136可覆盖栅极122与半导体层116的顶面与周边。
请参照图1F，可形成覆盖栅极122与栅极124的介电层138。介电层138可为单层结构或多层结构。介电层138的材料例如是氧化硅、氮化硅或其组合。介电层138形成方法例如是化学气相沉积法。
接着，可在介电层138中形成内连线结构140与内连线结构142。内连线结构140可经由遮光层136与金属硅化物层132而电性连接于栅极122。内连线结构142可经由金属硅化物层134而电性连接于栅极124。内连线结构140与内连线结构142分别可包括接触窗、导线或其组合。内连线结构140与内连线结构142的材料例如是铜、铝、钨或其组合。内连线结构142的形成方法例如是金属镶嵌法或组合使用沉积制作工艺、光刻制作工艺与蚀刻制作工艺。此外，内连线结构140的层数与内连线结构142的层数可依照产品需求进行调整，并不限于附图中所绘示的层数。
然后，可在感光元件104上方的介电层138上形成彩色滤光层144。彩色滤光层144例如是红色滤光层、绿色滤光层或蓝色滤光层。彩色滤光层144的材料例如是光阻材料，而彩色滤光层144的形成方法可使用所属技术领域具有通常知识者所周知的旋转涂布、对准、曝光、显影等，于此不再说明。
接下来，可在彩色滤光层144上形成微透镜146。微透镜146的材料例如是光阻材料。微透镜146的形成方法例如是先旋涂微透镜材料层(未绘示)，再使用掩模进行一个光刻制作工艺加上高温热烘烤成圆弧透镜形，或其他所属技术领域具有通常知识者所周知的旋转涂布、对准、曝光、显影、蚀刻等，于此不再说明。
以下，通过图1F来说明本实施例的影像传感器148。此外，虽然影像传感器148的形成方法是以上述方法为例进行说明，但本发明并不以此为限。
请参照图1F，影像传感器148包括基底100、感光元件104、半导体层116、栅极122与遮光层136。感光元件104设置在基底100中。半导体层116设置在感光元件104的一侧的基底100上。栅极122设置在感光元件104与半导体层116之间的基底100上。栅极122与基底100彼此绝缘。栅极122可覆盖至少部分半导体层116，且栅极122与半导体层116可彼此绝缘。遮光层136覆盖半导体层116。在本实施例中，栅极122可位于遮光层136与半导体层116之间，且遮光层136可同时覆盖栅极122与半导体层116，但本发明并不以此为限。
此外，影像传感器148还可包括隔离结构102、钉扎层106、阱区108、阱区110、掺杂区112、介电层118、栅极124、间隙壁126、间隙壁128、浮置扩散区130、金属硅化物层132、金属硅化物层134、介电层138、内连线结构140、内连线结构142、彩色滤光层144与微透镜146中的至少一者。隔离结构102设置在基底100中。钉扎层106位于感光元件104与基底100的表面之间。阱区108与阱区110位于半导体层116的两侧的基底100中。掺杂区112位于阱区108与阱区110之间的基底100中。介电层118设置在栅极122与基底100之间。此外，介电层118还可设置在栅极122与半导体层116之间以及栅极124与基底100之间。栅极124设置在半导体层116的远离感光元件104的一侧的基底100上。栅极124与基底100可彼此绝缘。间隙壁126位于栅极122的侧壁上。间隙壁128位于栅极124的侧壁上。浮置扩散区130位于栅极124的远离半导体层116的一侧的基底100中。金属硅化物层132设置在栅极122上。金属硅化物层134设置在栅极124上。介电层138覆盖栅极122与栅极124。内连线结构140与内连线结构142位于介电层138中，且分别电性连接于栅极122与栅极124。彩色滤光层144设置在感光元件104上方的介电层138上。微透镜146设置在彩色滤光层144上。在一些实施例中，也可不在栅极122与栅极124上方形成金属硅化物层132与金属硅化物层134，而只在其周边电路上形成金属硅化物层。
此外，影像传感器148中的各构件的材料、设置方式、导电型态、形成方法与功效等已于上述实施例进行详尽地说明，于此不再说明。
基于上述实施例可知，在影像传感器148及其制造方法中，半导体层116设置在感光元件104的一侧的基底100上，且半导体层116可作为存储节点的一部分。此外，遮光层136覆盖半导体层116。因此，可通过遮光层136来阻挡杂散光照射到半导体层116，进而可有效地防止杂散光干扰。
图2A至图2D为本发明另一实施例的影像传感器的制作流程剖视图。图2A至图2D为接续图1B的步骤之后的制作流程剖视图。
以下，针对图2D的影像传感器200与图1F的影像传感器148在制造方法上的差异进行说明。请参照图2A，在形成栅极材料层120的步骤中，可对栅极材料层120进行化学机械研磨制作工艺，直到暴露出半导体层116上方的介电层118。亦即，移除位于半导体层116上方的栅极材料层120。请参照图2B，在对栅极材料层120进行图案化之后，栅极222可不覆盖半导体层116。此外，在形成间隙壁126与间隙壁128的步骤中，还可在半导体层116的侧壁上形成间隙壁202。请参照图2C，在形成覆盖半导体层116的遮光层236的步骤中，遮光层236可延伸到至少部分栅极222上，由此可进一步地阻挡杂散光照射到半导体层116。在本实施例中，遮光层236可延伸到栅极222的顶面与周边，但本发明并不以此为限。在其他实施例中，遮光层236也可不延伸到栅极222上。此外，遮光层236与半导体层116可通过自对准金属硅化物阻挡层SAB与可能留在遮光层236与半导体层116之间的介电层118而彼此隔离。另外，图2A至图2D与图1C至图1F中的相似构件以相同符号表示，且其详细内容可参照上述实施例的记载，于此不再说明。
接着，请参照图1F与图2D，影像传感器200与影像传感器148在结构上的差异如下。栅极222可不覆盖半导体层116。在影像传感器200中，遮光层236可延伸到至少部分栅极222上。此外，影像传感器200还可包括间隙壁202。间隙壁202可位于半导体层116的侧壁上。此外，影像传感器200中的其他构件的配置方式、材料、形成方法与功效已于上述实施例中进行详尽地说明，于此不再重复说明。
基于上述实施例可知，在影像传感器200及其制造方法中，半导体层116设置在感光元件104的一侧的基底100上，且半导体层116可作为存储节点的一部分。此外，遮光层236覆盖半导体层116。因此，可通过遮光层236来阻挡杂散光照射到半导体层116，进而可有效地防止杂散光干扰。
综上所述，在上述实施例的影像传感器及其制造方法中，通过将半导体层设置在基底上，且利用遮光层覆盖半导体层，因此可有效地防止杂散光干扰。
虽然结合以上优选实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。
Claims (16)
1.一种影像传感器，其特征在于，包括：
基底；
感光元件，设置在所述基底中；
半导体层，设置在所述感光元件的一侧的所述基底上；
第一栅极，设置在所述感光元件与所述半导体层之间的所述基底上，其中所述第一栅极与所述基底彼此绝缘；
遮光层，覆盖所述半导体层，其中该遮光层的材料是金属、金属化合物或其组合的导电材料；以及
第一阱区与第二阱区，位于所述半导体层的两侧的所述基底中，
其中，所述基底具有第一导电型，且所述第一阱区、所述第二阱区和所述半导体层具有第二导电型。
2.如权利要求1所述的影像传感器，其中所述半导体层的材料包括外延硅。
3.如权利要求1所述的影像传感器，其中所述第一栅极覆盖至少部分所述半导体层，且所述第一栅极与所述半导体层彼此绝缘。
4.如权利要求3所述的影像传感器，其中所述第一栅极位于所述遮光层与所述半导体层之间，且所述遮光层同时覆盖所述第一栅极与所述半导体层。
5.如权利要求1所述的影像传感器，还包括：
介电层，设置在所述第一栅极与所述基底之间。
6.如权利要求1所述的影像传感器，其中所述遮光层延伸到至少部分所述第一栅极上。
7.如权利要求1所述的影像传感器，其中所述遮光层与所述半导体层彼此隔离。
8.如权利要求1所述的影像传感器，还包括：
掺杂区，位于所述第一阱区与所述第二阱区之间的所述基底中，且具有所述第一导电型。
9.如权利要求1所述的影像传感器，还包括：
第二栅极，设置在所述半导体层的远离所述感光元件的一侧的所述基底上，其中所述第二栅极与所述基底彼此绝缘；以及
浮置扩散区，位于所述第二栅极的远离所述半导体层的一侧的所述基底中。
10.一种影像传感器的制造方法，包括：
提供基底；
在所述基底中形成感光元件；
在所述感光元件的一侧的所述基底上形成半导体层；
在所述感光元件与所述半导体层之间的基底上形成第一栅极，其中所述第一栅极与所述基底彼此绝缘；
形成覆盖所述半导体层的遮光层，其中该遮光层的材料是金属、金属化合物或其组合的导电材料；以及
在所述半导体层的两侧的所述基底中形成第一阱区与第二阱区，
其中，所述基底具有第一导电型，且所述第一阱区、所述第二阱区和所述半导体层具有第二导电型。
11.如权利要求10所述的影像传感器的制造方法，其中所述半导体层的形成方法包括选择性外延成长法。
12.如权利要求10所述的影像传感器的制造方法，其中所述第一栅极覆盖至少部分所述半导体层，且所述第一栅极与所述半导体层彼此绝缘。
13.如权利要求12所述的影像传感器的制造方法，其中所述第一栅极位于所述遮光层与所述半导体层之间，且所述遮光层同时覆盖所述第一栅极与所述半导体层。
14.如权利要求10所述的影像传感器的制造方法，其中所述遮光层延伸到至少部分所述第一栅极上。
15.如权利要求10所述的影像传感器的制造方法，还包括：
在所述第一阱区与所述第二阱区之间的所述基底中形成掺杂区，其中所述掺杂区具有所述第一导电型。
16.如权利要求10所述的影像传感器的制造方法，还包括：
在所述半导体层的远离所述感光元件的一侧的所述基底上形成第二栅极，其中所述第二栅极与所述基底彼此绝缘；以及
在所述第二栅极的远离所述半导体层的一侧的所述基底中形成浮置扩散区。
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