CN115566032A - 半导体图像传感器及其形成方法 - Google Patents

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施俊吉
朱怡欣
廖英凯
陈祥麟
江欣益
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Abstract

本发明实施例涉及半导体图像传感器及其形成方法。一种半导体图像传感器包含：第一衬底，其包含第一前侧及第一背侧；第二衬底，其包含第二前侧及第二背侧；第三衬底，其包含第三前侧及第三背侧；第一互连结构；及第二互连结构。所述第一衬底包含一层及在所述层中的第一光感测元件。所述层包含第一半导体材料，且所述第一光感测元件包含第二半导体材料。所述第二衬底接合到所述第一衬底，其中所述第二前侧面向所述第一背侧。所述第三衬底接合到所述第一衬底，其中所述第三前侧面向所述第一前侧。所述第一互连结构及所述第二互连结构放置于所述第一前侧与所述第三前侧之间。

Description

半导体图像传感器及其形成方法
技术领域
本发明实施例涉及半导体图像传感器及其形成方法。
背景技术
数字相机及其它成像装置采用图像传感器。图像传感器将光学图像转换成可表示为数字图像的数字数据。图像传感器包含像素传感器阵列及支持逻辑电路。所述阵列的像素传感器用于测量入射光的单元装置，且支持逻辑电路促进测量值的读出。光学成像装置中常用的一种图像传感器类型是背侧照明(BSI)图像传感器。BSI图像传感器制造可集成到常规半导体过程中以用于低成本、小尺寸及高集成。此外，BSI图像传感器具有低操作电压、低功率消耗、高量子效率及低读出噪声，且允许随机存取。
发明内容
本发明的实施例涉及一种半导体图像传感器，其包括：第一衬底，其包括第一前侧及与所述第一前侧相对的第一背侧，其中所述第一衬底包括包含第一半导体材料的一层及在所述层中的第一光感测元件，且所述第一光感测元件包含不同于所述第一半导体材料的第二半导体材料；第二衬底，其包括第二前侧及与所述第二前侧相对的第二背侧，其中所述第二衬底接合到所述第一衬底使得所述第二衬底的所述第二前侧面向所述第一衬底的所述第一背侧；第三衬底，其包括第三前侧及与所述第三前侧相对的第三背侧，其中所述第三衬底接合到所述第一衬底使得所述第三衬底的所述第三前侧面向所述第一衬底的所述第一前侧；及第一互连结构及第二互连结构，其在所述第一衬底的所述第一前侧与所述第三衬底的所述第三前侧之间。
本发明的实施例涉及一种用于形成半导体图像传感器的方法，其包括：接纳包括第一前侧及与所述第一前侧相对的第一背侧的第一衬底，其中所述第一衬底包含第一光感测元件，及放置于所述第一衬底的所述第一前侧上方的第一互连结构；接纳包括第二前侧及与所述第二前侧相对的第二背侧的第二衬底，其中所述第二衬底包含放置于所述第二衬底的所述第二前侧上方的第二互连结构；将所述第一互连结构接合到所述第二互连结构；及将所述第一衬底接合到包括第三前侧及与所述第三前侧相对的第三背侧的第三衬底，其中所述第一衬底的所述第一背侧面向所述第三衬底的所述第三前侧，其中所述第一光感测元件包括第一半导体材料。
本发明的实施例涉及一种用于形成半导体图像传感器的方法，其包括：接纳包括第一前侧及与所述第一前侧相对的第一背侧的第一衬底，其中所述第一衬底包含第一光感测元件；将所述第一衬底接合到包括第二前侧及与所述第二前侧相对的第二背侧的第二衬底，其中所述第一衬底的所述第一背侧面向所述第二衬底的所述第二前侧；及将所述第一衬底接合到包括第三前侧及与所述第三前侧相对的第三背侧的第三衬底，其中所述第一衬底的所述第一前侧面向所述第三衬底的所述第三前侧。
附图说明
当结合附图阅读时从以下详细描述最佳理解本揭露的方面。应注意，根据业界中的标准实践，各种构件未按比例绘制。事实上，为了清楚论述起见，可任意增大或减小各种构件的尺寸。
图1是说明根据本揭露的方面的半导体图像传感器的示意图。
图2是说明根据本揭露的方面的半导体图像传感器的示意图。
图3展示表示根据本揭露的方面的用于形成半导体图像传感器的方法的流程图。
图4A到图4E是在一或多个实施例中的根据本揭露的方面建构的处于各种制造阶段的半导体图像传感器的示意图。
图5展示表示根据本揭露的方面的用于形成半导体图像传感器的方法的流程图。
图6A到图6F是在一或多个实施例中的根据本揭露的方面建构的处于各个制造阶段的半导体图像传感器的示意图。
图7展示表示根据本揭露的方面的用于形成半导体图像传感器的方法的流程图。
图8A到图8E是在一或多个实施例中的根据本揭露的方面建构的处于各个制造阶段的半导体图像传感器的示意图。
具体实施方式
以下揭露内容提供用于实施所提供标的物的不同特征的许多不同实施例或实例。下文描述元件及布置的特定实例以简化本揭露。当然，这些仅为实例且不希望具限制性。例如，在下列描述中的第一构件形成于第二构件上方或上可包含其中所述第一构件及所述第二构件经形成为直接接触的实施例，且还可包含其中额外构件可形成于所述第一构件与所述第二构件之间，使得所述第一构件与所述第二构件可不直接接触的实施例。另外，本揭露可在各种实例中重复元件符号及/或字母。此重复出于简化及清楚的目的，且本身不指定所论述的各个实施例及/或配置之间的关系。
此外，为便于描述，可在本文中使用例如“在…下面”、“在…下方”、“下”、“在…上方”、“上”、“在…上”及类似者的空间相对术语来描述一个元件或构件与另一(些)元件或构件的关系，如图中所说明。空间相对术语希望涵盖除在图中描绘的定向以外的使用或操作中的装置的不同定向。设备可以其它方式定向(旋转90度或成其它定向)且可相应地同样解释本文中所使用的空间相对描述符。
如本文中所使用，尽管术语(例如“第一”、“第二”及“第三”)描述各种元件、组件、区、层及/或区段，但这些元件、组件、区、层及/或区段不应受这些术语限制。这些术语可仅用于区分一个元件、组件、区、层或区段与另一元件、组件、区、层或区段。术语(例如“第一”、“第二”及“第三”)在本文中使用时并不意指序列或顺序，除非上下文另有明确指示。
尽管陈述本揭露的宽广范围的数字范围及参数是近似值，但特定实例中所陈述的数值尽可能精确地报告。然而，任何数值本质上含有必然由相应测试测量中发现的标准偏差所引起的特定误差。而且，如本文中所使用，术语“基本上”、“近似”或“大约”通常意味着在所属领域的一般技术人员可考虑的值或范围内。替代性地，在由所属领域的一般技术人员考虑时术语“基本上”、“近似”或“大约”意味着在平均值的可接受标准误差内。所属领域的一般技术人员可理解，所述可接受标准误差可根据不同技术改变。除了在操作/工作实例中，或除非另有明确指定，否则所有数字范围、量、值及百分比(例如用于本文中所揭露的材料数量、持续时间、温度、操作条件、量的比率及其类似者的所述数字范围、量、值及百分比)应理解为在所有例子中通过术语“基本上”、“近似”或“大约”修改。因此，除非有相反指示，否则本揭露及所附权利要求书中所陈述的数字参数是可视需要改变的近似值。起码，每一数字参数应至少鉴于所报告的有效数字的数目及通过应用普通舍入技术而解释。范围在本文中可表示为从一端点到另一端点或介于两个端点之间。除非另有指定，否则本文中所揭露的所有范围包含端点。
半导体图像传感器包含像素传感器阵列。通常，像素传感器经配置以接收电磁辐射且将电磁辐射转换成电荷。在大多数情况下，在室外或室内环境中在可见、近红外(NIR)及短波红外(SWIR)光谱中感测的电磁辐射由反射引起。在一些实施例中，因此针对不同光谱提供不同像素传感器。例如，提供图像感测装置以接收可见光及捕获对象的图像，而提供深度感测装置以接收红外(IR)、NIR及/或SWIR以确定图像传感器与所述对象之间的距离。需要包含不同感测装置的合成像素以确定到对象的距离且捕获对象的图像。换句话说，需要实现用于检测广范围的光波长的多个目的的合成图像传感器。此外，既需要防止归因于长波长可见光造成的受污染的NIR/SWIR信号，且需要防止可见成像中的色彩保真度损耗的NIR/SWIR背景消除能力。
因此，本揭露提供一种包含图像捕获设备及深度感测装置的合成半导体图像传感器。在一些实施例中，所述图像捕获设备包含可见光感测装置，而所述深度感测装置包含NIR/SWIR感测装置。此外，NIR/SWIR感测装置使用提供对NIR/SWIR的更大吸收的半导体材料(例如锗)，而可见光感测装置使用确保对可见光的更大吸收的半导体材料(例如硅)。本揭露进一步提供用于形成半导体图像传感器的方法，所述方法改进图像捕获设备与深度感测装置的集成。
在一些实施例中，深度感测装置可为飞行时间(ToF)传感器。通常，存在两种类型的ToF传感器：直接ToF(d-ToF)传感器及间接ToF(i-ToF)传感器。d-ToF传感器测量光从照明单元(例如一雷射或一LED)行进到对象且返回到传感器所需的时间，而i-ToF传感器发射连续调制的正弦光波且测量传出信号与传入信号之间的相位差。在一些实施例中，d-ToF传感器可包含单光子突崩二极管(SPAD)，但本揭露不限于此。在一些实施例中，i-ToF传感器可包含突崩光电二极管(APD)，但本揭露不限于此。在一些实施例中，d-ToF传感器可用于合成半导体图像传感器中。在一些替代实施例中，i-ToF传感器可用于合成半导体图像传感器中。应注意，本揭露提供的合成半导体图像传感器提供增加的设计灵活性及增加的放置灵活性。还应注意，深度感测装置包含经配置以从第一波长范围内(即，在近似700纳米到近似1毫米的范围内)的电磁辐射产生电信号的光感测元件。在一些实施例中，所述光感测元件包含半导体材料(例如锗)，因为锗在第一波长范围内具有较佳吸收。在以下描述中，包含含Ge光感测元件的ToF传感器可被称为Ge ToF传感器，且包含含Ge光感测元件的APD传感器可被称为Ge APD传感器。
在一些实施例中，图像捕获设备可为四晶体管CMOS图像传感器(4T CIS)、单光子突崩二极管(SPAD)传感器或另一合适传感器。应注意，在半导体图像传感器中可根据不同产品需求采用这些图像捕获设备。因此，本揭露的合成半导体图像传感器提供增加的设计灵活性及增加的放置灵活性。应注意，图像捕获设备包含经配置以从第二波长范围内(即，在近似400纳米到近似1700纳米的范围内)的电磁辐射产生电信号的光感测元件。在一些实施例中，所述光感测元件包含半导体材料(例如硅)，因为硅在第二波长范围内具有较佳吸收。在以下描述中，包含含Si光感测元件的CIS可被称为Si CIS，且包含含Si光感测元件的SPAD传感器可被称为Si SPAD传感器。
图1及图2是分别说明根据本揭露的方面的半导体图像传感器的示意图。应注意，图1及图2中的相同元件由相同元件符号描绘。在一些实施例中，半导体图像传感器100包含衬底110，衬底110包含前侧110F及与前侧110F相对的背侧110B。在一些实施例中，衬底110可包含半导体衬底(例如外延硅衬底)。衬底110可至少包含感测装置。在一些实施例中，所述感测装置可为深度感测装置。此外，所述深度感测装置包含光感测元件120。光感测元件120经放置以接收具有预定波长的光。在一些实施例中，可操作感测装置以感测入射光的NIR及/或SWIR，且因此光感测元件120可包含具有更大NIR/SWIR吸收的锗层122。在一些实施例中，深度感测装置可为如图1中所展示的Ge ToF传感器或如图2中所展示的Ge APD传感器；然而，可根据不同产品需求采用其它合适传感器。
在一些实施例中，互连结构130放置于衬底110的前侧110F上方。在一些实施例中，衬底110可被描述为包括互连结构130。互连结构130包含堆叠于电介质层134内的多个BEOL金属化层132。此外，感测装置的光感测元件120可通过连接结构136电连接到互连结构130，但本揭露不限于此。在一些实施例中，电介质层134可包含低k电介质材料(即，具有小于3.9的介电常数的电介质材料)或氧化物，但本揭露不限于此。BEOL金属化层132可包含金属(例如Cu、W或Al)，但本揭露不限于此。
半导体图像传感器100进一步包含衬底140，衬底140具有前侧140F及与前侧140F相对的背侧140B。衬底140耦合及接合到衬底110，其中衬底140的前侧140F面向衬底110的背侧110B。在一些实施例中，衬底140至少包含感测装置。在一些实施例中，所述感测装置可为图像捕获设备。此外，所述图像捕获设备包含光感测元件150。光感测元件150经放置以接收具有预定波长的光。在一些实施例中，可操作感测装置以感测可见光。应注意，光感测元件150包含不同于光感测元件120的半导体材料的半导体材料。例如，光感测元件150可包含硅层152。在一些实施例中，不同经掺杂区可形成于硅层152中，如通过图1中的虚线强调。因此，感测装置可为Si CIS，但本揭露不限于此。此外，在这些实施例中，至少一晶体管154放置于衬底140的前侧140F上方。此外，晶体管154耦合到光感测元件150。在这些实施例中，晶体管154可放置于光感测元件150与衬底110的背侧110B之间。替代性地，晶体管154可放置于光感测元件150与光感测元件120之间。
参考图1，在一些实施例中，半导体图像传感器100进一步包含多个隔离结构156(例如深沟槽隔离(DTI)结构)，其放置于衬底140中以提供相邻感测装置之间的光学隔离，从而用作衬底隔离栅格且减少串扰。半导体图像传感器100进一步包含将晶体管154及光感测元件150电连接到互连结构130的连接结构138。如图1中所展示，连接结构138可穿透衬底110以接触电晶体154，但本揭露不限于此。此外，在这些实施例中，包含彩色滤光器及微透镜的光学层可放置于衬底140的背侧140B上，但未展示。所述彩色滤光器允许预定义光谱的传入电磁辐射通过。换句话说，彩色滤光器被指派给对应色彩或波长的光，且经配置以滤除除经指派色彩或波长的光以外的所有光。例如，彩色滤光器可包含红色滤光器、绿色滤光器或蓝色滤光器。
在一些实施例中，衬底140可包含如图2中所展示的光学结构158。在一些实施例中，衬底140中的光学结构158基本上与衬底110中的光感测元件120对准，但本揭露不限于此。
仍参考图1及图2，半导体图像传感器100进一步包含衬底160，衬底160包含前侧160F及与前侧160F相对的背侧160B。如上文提及，衬底160可为块体半导体衬底(例如块体Si衬底或SOI衬底)，但本揭露不限于此。在一些实施例中，衬底160包含读出电路、图像信号处理(ISP)电路及/或专用集成电路(ASIC)，但本揭露不限于此。在一些实施例中，互连结构170放置于衬底160的前侧160F上且电连接到这些电路。在一些实施例中，衬底160可被描述为包括互连结构170。此外，衬底160接合且耦合到衬底110，其中衬底160的前侧160F面向衬底110的前侧110F。应注意，在一些实施例中，将衬底110接合到衬底160可通过将互连结构130接合到互连结构170而实现。因此，在这些实施例中，互连结构130及互连结构170两者放置于衬底110与衬底160之间。此外，互连结构130及互连结构170放置于衬底110的前侧110F与衬底160的前侧160F之间。如上文所提及，互连结构170包含堆叠于电介质层174内的多个BEOL金属化层172。如上文所提及，电介质层174可包含低k电介质材料(即，具有小于3.9的介电常数的电介质材料)或氧化物，但本揭露不限于此。BEOL金属化层172可包含金属(例如Cu、W或Al)，但本揭露不限于此。
在一些实施例中，半导体图像传感器100进一步包含由互连结构130及互连结构170形成的至少一个接合结构(未展示)。在一些实施例中，所述接合结构包含混合接合结构。例如但不限于此，接合结构可至少包含金属间接合接口、金属到电介质接合接口或电介质间接合接口(未展示)。
如图1及图2中所展示，半导体图像传感器100是实现用于检测广范围的光波长的多个目的的合成图像传感器。半导体图像传感器100包含具有含Ge光感测元件120的深度感测装置及具有含Si光感测元件150的图像捕获设备。由于含Ge光感测元件120有利于NIR/SWIR吸收且含Si光感测元件150有利于可见光吸收，因此改进NIR/SWIR波长及可见光两者中的量子效率(QE)。在一些实施例中，半导体图像传感器100是双层级半导体图像传感器。如图1中所展示，包含具有含Ge光感测元件120的深度感测装置的衬底110放置于包含具有含Si光感测元件150的图像捕获设备的衬底140与可被称为ASIC衬底的衬底160之间。由于图像捕获设备的光感测元件150与深度感测装置的光感测元件120重叠，所以NIR/SWIR分辨率可增加到基本上与可见光分辨率相同。应注意，半导体图像传感器100的深度感测装置及图像捕获设备两者是从衬底140的背侧140B接收入射光的BSI传感器。因此，NIR/SWIR及可见光从衬底140的背侧140B进入光感测元件120及150，且因此定位于衬底110的前侧110F与衬底160的前侧160F之间的互连结构130及互连结构170不再定位于直接光路径中。因此，可简化互连结构130及170的BEOL布线，因为直接光路径并非互连结构130及170的问题。此外，由于ASIC衬底160堆叠于包含光感测元件120及150的衬底110及140上方，所以可获得光电二极管上覆装置(DoF)结构，如图1及图2中所展示。半导体图像传感器100进一步减轻光子检测效率(PDE)及抖动权衡问题。此外，衬底110可根据不同产品需求包含深度感测装置，衬底140可根据不同产品需求包含图像捕获设备，且衬底160可根据不同产品需求包含不同集成电路，同时衬底110、140及160中的每一者可经个别地设计及制造。因此，可进一步简化半导体图像传感器100的设计及制造操作。
图3是表示根据本揭露的方面的用于形成半导体图像传感器的方法20的流程图。在一些实施例中，用于形成半导体图像传感器的方法20包含数个操作(201、202、203及204)。将根据一或多个实施例进一步描述用于形成半导体图像传感器的方法20。应注意，方法20的操作可在各个方面的范围内重新布置或以其它方式修改。应进一步注意，可在方法20之前、期间及之后提供额外过程，且一些其它过程可在本文中仅简要描述。
图4A到图4E是说明在根据本揭露的或多个实施例的方面的用于形成半导体图像传感器的方法20中的各个阶段的示意图。在一些实施例中，用于形成半导体图像传感器的方法20可用于形成半导体图像传感器100，但本揭露不限于此。因此，图1、图2及图4A到图4E中的相同元件由相同元件符号指示，且为简洁起见省略这些元件的重复描述。
在操作201中，提供或接纳衬底110，如图4A中所展示。衬底110包含前侧110F及与前侧110F相对的背侧110B。在衬底110中形成至少一第一感测装置。如上文所提及，所述第一感测装置包含光感测元件120，且光感测元件120包含适于吸收NIR及/或SWIR辐射的半导体材料。在一些实施例中，光感测元件120包含锗层122(如图4A中所展示)，但本揭露不限于此。
参考图4A，在一些实施例中，包含锗层122的光感测元件120可由以下操作形成：接纳硅层112，及在硅层112中形成凹槽。可在所述凹槽的底部上方形成钝化层124-1，且可在钝化层124-1上方及在凹槽的侧壁上方形成外延层126-1。在一些实施例中，钝化层124-1可包含氧化铝，但本揭露不限于此。在一些实施例中，外延层126-1可为p型外延硅层，但本揭露不限于此。在一些实施例中，可在外延硅层126-1上方形成用作缓冲层的外延锗层，但未展示。在一些实施例中，外延锗层122形成于凹槽中。在一些实施例中，外延锗层122与外延硅层126-1之间的缓冲层有助于减轻硅与锗之间的晶格失配的问题，使得外延锗层122形成为适于吸收光子的低缺陷外延层。在一些实施例中，可在外延锗层122上方形成外延硅层126-2。此外，可在外延锗层122及外延硅层126-2中形成多个经掺杂区以用于控制感测装置。可在外延硅层126-2上方形成另一钝化层124-2。在一些实施例中，可在衬底110中形成多个感测装置，且所述感测装置中的每一者包含如图4A中所展示的光感测元件120。此外，光感测元件120可通过硅层112彼此分离，但本揭露不限于此。
在一些实施例中，包含锗层122的光感测元件120可由以下操作形成：接纳硅层112。钝化层124-1、外延硅层126-1、缓冲层125(在图6A中展示)、外延锗层122、外延层126-2及另一钝化层124-2可循序地形成于硅层112上方。可执行图案化操作以图案化上述层以形成多个岛状物(未展示)，且所述岛状物中的每一者包含上文提及的层。可在岛状物之间形成另一外延硅层或外延锗层以便使岛状物彼此隔离。可在每一岛状物中形成多个经掺杂区使得可获得多个光感测元件120。在一些实施例中，此方法能够提供更适于具有小于5微米的间距的像素的光感测元件120。
参考图4A，在衬底110的前侧110F附近形成光感测元件120。在一些实施例中，可在衬底110的前侧110F上方形成层间电介质(ILD)层128。衬底110进一步包含放置于前侧110F上方及ILD层128上方的互连结构130。在一些实施例中，互连结构130包含堆叠于电介质层134内的多个BEOL金属化层132。此外，光感测元件120通过连接结构136电连接到互连结构130。
在操作202中，可提供或接纳衬底160，如图4B中所展示。衬底160包含前侧160F及与前侧160F相对的背侧160B。在一些实施例中，衬底160包含读出电路、图像信号处理(ISP)电路及/或专用集成电路(ASIC)，但本揭露不限于此。在一些实施例中，互连结构170放置于衬底160的前侧160F上方且电连接到电路。如上文所提及，互连结构170包含堆叠于电介质层174内的多个BEOL金属化层172。
参考图4C，在操作203中，将互连结构130接合到互连结构170使得衬底110接合到衬底160。在一些实施例中，衬底160可经翻转使得衬底160的前侧160F面向衬底110的前侧110F。因此，第二互连结构170面向互连结构130。通过将互连结构130接合到互连结构170，衬底110接合到衬底160。在一些实施例中，接合结构可由互连结构130及170形成。在一些实施例中，所述接合结构可为至少包含金属间接口及电介质间接口的混合接合结构。在一些实施例中，接合结构可包含金属到电介质接口。
在一些实施例中，在将衬底110接合到衬底160之后，可执行薄化操作以从衬底110的背侧110B薄化衬底110。因此，减小衬底110的厚度。应注意，在薄化操作之后，光感测元件120仍嵌入于硅层112中，如图4C中所展示。
在一些实施例中，可形成穿透衬底110的多个连接结构138以连接到互连结构130，如图4C中所展示。在一些实施例中，如图4C中所展示，可翻转经接合衬底110及160以用于后续操作。
参考图4D，提供或接纳衬底140。衬底140包含前侧140F及与前侧140F相对的背侧140B。在一些实施例中，衬底140至少包含放置于其中的第二感测装置。如上文所提及，所述第二感测装置可包含操作以感测入射光的可见光的光感测元件150，且光感测元件150可包含不同于第一感测装置的光感测元件120的半导体材料的半导体材料。在一些实施例中，光感测元件120包含硅层152，如图4D中所展示。如上文所提及，在这些实施例中，至少一晶体管154可形成于衬底140的前侧140F上方且经配置以能够读出第二感测装置。然而，在其它实施例中，衬底140可包含如图2中所展示的光学结构158。在一些实施例中，可在衬底140的前侧140F上方形成ILD层142。此外，可在ILD层142中形成耦合到晶体管154的连接结构143。
在操作204中，将衬底110接合到衬底140，其中衬底110的背侧110B面向衬底140的前侧140F，如图4E中所展示。此外，可将连接结构138连接到连接结构143。为简化图解，在图2中未指示标记“143”，且连接结构138包含衬底110中的连接结构及ILD层142中的连接结构两者。因此，互连结构130及170是穿过连接结构138电连接到衬底140。此外，第一感测装置的光感测元件120可与第二感测装置的光感测元件150对准。在其它实施例中，第一感测装置的光感测元件120可与光学结构158对准，如图2中所展示。应注意，包含Ge外延层122的光感测元件120放置于衬底160与衬底140之间。
在一些实施例中，在将衬底110接合到衬底140之后，可执行另一薄化操作以从背侧140B薄化衬底140。因此，减小衬底140的厚度。如上文所提及，多个隔离结构156(例如DTI结构)可放置于衬底140中以提供相邻光感测元件150之间的光学隔离，从而用作衬底隔离栅格且减少串扰。
在一些实施例中，可在衬底140的背侧140B上形成光学结构。在一些实施例中，所述光学结构可包含分别与光感测元件150及光感测元件120对准的彩色滤光器及微透镜，但未展示。此外，可放置多个低n结构(未展示)以围绕彩色滤光器，且所述低n结构用作将光引导或反射到彩色滤光器的光导。微透镜(未展示)用于将入射光聚焦到对应光感测元件150及120上。如上文所提及，彩色滤光器系被指派给对应色彩或波长的光，且因此微透镜、彩色滤光器及第二感测装置可为RGB图像感测系统的部分。
仍参考图4E，因此，获得包含图像捕获设备(即，可见光感测装置)及深度感测装置(即，NIR/SWIR感测装置)的双层级合成半导体图像传感器100。根据用于形成半导体图像传感器的方法20，可改进包含具有含Ge光感测元件120的深度感测装置的衬底110、包含具有含Si光感测元件150的图像捕获设备的衬底140及ASIC衬底160的集成。
图5是表示根据本揭露的方面的用于形成半导体图像传感器的方法30的流程图。在一些实施例中，用于形成半导体图像传感器的方法30包含数个操作(301、302、303、304、305及306)。将根据一或多个实施例进一步描述用于形成半导体图像传感器的方法30。应注意，方法30的操作可在各个方面的范围内重新布置或以其它方式修改。应进一步注意，可在方法30之前、期间及之后提供额外过程，且一些其它过程可在本文中仅简要描述。
图6A到图6F是说明在根据本揭露的或多个实施例的方面的用于形成半导体图像传感器的方法30中的各个阶段的示意图。应注意，图6A到图6C是说明衬底的部分的示意图。在一些实施例中，用于形成半导体图像传感器的方法30可用于形成半导体图像传感器100，但本揭露不限于此。因此，图1、图2及图6A到图6F中的相同元件由相同元件符号指示，且为简洁起见省略这些元件的重复描述。
在操作301中，提供或接纳衬底110，如图6A中所展示。衬底110包含前侧110F及与前侧110F相对的背侧110B。在衬底110中形成至少一第一感测装置。如上文所提及，所述第一感测装置包含光感测元件120，且光感测元件120包含适于吸收NIR及/或SWIR辐射的半导体材料。在一些实施例中，光感测元件120包含锗层122(如图6A中所展示)，但本揭露不限于此。
在一些实施例中，包含锗层122的光感测元件120可由以下操作形成：接纳硅层112，及可在硅层112上方形成第一外延层126-1及第二外延层125。在一些实施例中，第一外延层126-1可为p型硅外延层，且第二外延层125可为外延锗层，但本揭露不限于此。在一些实施例中，第一外延层126-1及第二外延层125两者用作缓冲层。在一些实施例中，在第二外延层125上方形成外延锗层122。在这些实施例中，外延锗层122与硅层112之间的缓冲层126-1及125有助于减轻硅与锗之间的晶格失配的问题，使得外延锗层122形成为适于吸收光子的低缺陷外延层。在一些实施例中，可在外延锗层122上方形成外延硅层126-2。此外，可在外延锗层122及外延硅层126-2中形成多个经掺杂区以用于控制感测装置。可在外延硅层126-2上方形成钝化层124。在一些实施例中，在钝化层124上方形成一个氧化物层127，如图6A中所展示。在一些实施例中，可在形成钝化层124的前形成经掺杂区。在一些实施例中，可在形成上述层之后执行图案化操作。因此，可获得包含上述层且通过沟槽彼此分离的岛状物(未展示)。在一些实施例中，可用电介质材料(未展示)填充沟槽使得岛状物通过电介质材料彼此电隔离。在一些实施例中，每一岛状物经定义以形成光感测元件120。
参考图6B，在操作302中，将衬底110翻转并接合到载体129，其中前侧110F面向载体129。在一些实施例中，衬底110可通过真空接合接合到载体129，而氧化物层127用作接合层，但本揭露不限于此。
参考图6C，在一些实施例中，从背侧110B薄化衬底110。在一些实施例中，可部分移除硅层112。然而，在其它实施例中，可完全移除硅层112使得外延硅层126-1暴露。
参考图6D，在操作303中，翻转衬底110及载体129，且将衬底110接合到衬底140。在一些实施例中，衬底140包含前侧140F及与前侧140F相对的背侧140B。衬底110接合到衬底140，其中衬底110的背侧110B面向衬底140的前侧140F，如图6D中所展示。在一些实施例中，衬底140至少包含放置于其中的第二感测装置。如上文所提及，所述第二感测装置可包含操作以感测入射光的可见光的光感测元件150，且光感测元件150可包含不同于第一感测装置的光感测元件120的半导体材料的半导体材料。在一些实施例中，光感测元件150包含硅层152，如图6D中所展示。如上文所提及，在这些实施例中，至少一晶体管154可形成于衬底140的前侧140F上方且经配置以能够读出第二感测装置。然而，在其它实施例中，衬底140可包含如图2中所展示的光学结构158。在一些实施例中，可在衬底140的前侧140F上方形成ILD层142。
参考图6D，在一些实施例中，在将衬底110接合到衬底140之后，可在操作304中移除载体129及氧化物层127使得衬底110的前侧110F暴露。
参考图6E，在暴露衬底110的前侧110F之后，可在衬底110的前侧110F上方形成ILD层128，且形成穿透ILD层128的第一连接结构136以耦合到光感测元件120。在一些实施例中，形成穿透ILD层128、衬底110及ILD层142的部分的第二连接结构138以耦合到晶体管154。
在操作305中，在衬底110的前侧110F上形成互连结构130。如上文所提及，互连结构130包含堆叠于电介质层134内的多个BEOL金属化层132。参考图6E，光感测元件120通过连接结构136电连接到互连结构130，而光感测元件150通过连接结构138电连接到互连结构130。
参考图6F，在操作306中，将衬底110接合到衬底160。衬底160包含前侧160F及与前侧160F相对的背侧160B。在一些实施例中，衬底160包含读出电路、图像信号处理(ISP)电路及/或专用集成电路(ASIC)，但本揭露不限于此。在一些实施例中，互连结构170放置于衬底160的前侧160F上且电连接到电路。如上文所提及，互连结构170包含堆叠于电介质层174内的多个BEOL金属化层172。
如图6F中所展示，互连结构130经接合到互连结构170使得衬底110接合到衬底160。换句话说，通过将互连结构130接合到互连结构170，将衬底110接合到衬底160。在一些实施例中，接合结构可由经接合的互连结构130及170形成。在一些实施例中，所述接合结构可为至少包含金属间接口及电介质间接口的混合接合结构。在一些实施例中，接合结构可包含金属到电介质接口。
参考图6F，在一些实施例中，在将衬底110及衬底160接合之后，可从衬底140的背侧140B薄化衬底140。因此，减小衬底140的厚度。如上文所提及，多个隔离结构156(例如DTI结构)可放置于衬底140中以提供相邻光感测元件150之间的光学隔离，从而用作衬底隔离栅格且减少串扰。此外，如上文所提及，可在衬底140的背侧140B上形成光学结构。在一些实施例中，所述光学结构可包含分别与光感测元件150及光感测元件120对准的彩色滤光器及微透镜，但未展示。此外，可放置多个低n结构(未展示)。如上文所提及，微透镜(未展示)用于将入射光聚焦到对应光感测元件150及120上。如上文所提及，彩色滤光器被指派给对应色彩或波长的光，且因此微透镜、彩色滤光器及第二感测装置可为RGB图像感测系统的部分。
仍参考图6F，因此，获得包含图像捕获设备(即，可见光感测装置)及深度感测装置(即，NIR/SWIR感测装置)的双层级合成半导体图像传感器100。根据用于形成半导体图像传感器的方法30，可改进包含具有含Ge光感测元件120的深度感测装置的衬底110、包含具有含Si光感测元件150的图像捕获设备的衬底140及ASIC衬底160的集成。
图7是表示根据本揭露的方面的用于形成半导体图像传感器的方法40的流程图。在一些实施例中，用于形成半导体图像传感器的方法40包含数个操作(401、402、403、404、405、406及407)。将根据一或多个实施例进一步描述用于形成半导体图像传感器的方法40。应注意，方法40的操作可在各个方面的范围内重新布置或以其它方式修改。应进一步注意，可在方法40之前、期间及之后提供额外过程，且一些其它过程可在本文中仅简要描述。
图8A到图8E是说明在根据本揭露的或多个实施例的方面的用于形成半导体图像传感器的方法40中的各个阶段的示意图。在一些实施例中，用于形成半导体图像传感器的方法40可用于形成半导体图像传感器100，但本揭露不限于此。因此，图1、图2及图8A到图8E中的相同元件由相同元件符号指示，且为简洁起见省略这些元件的重复描述。
在操作401中，提供或接纳衬底110，如图8A中所展示。衬底110包含前侧110F及与前侧110F相对的背侧110B。在衬底110中形成至少一第一感测装置。如上文所提及，所述第一感测装置包含光感测元件120，且光感测元件120包含适于吸收NIR及/或SWIR辐射的半导体材料。在一些实施例中，光感测元件120包含锗层122(如图8A中所展示)，但本揭露不限于此。
在一些实施例中，包含锗层122的光感测元件120可由如上文所提及的操作形成；因此，为简洁起见省略这些元件的重复描述。参考图8A，在衬底110的前侧110F附近形成光感测元件120。在一些实施例中，可在衬底110的前侧110F上方形成ILD层128。此外，可在ILD层128中形成耦合到光感测元件120的连接结构136。
参考图8B，在操作402中，在衬底110的前侧110F上方及在ILD层128上方形成互连结构130。在一些实施例中，互连结构130包含堆叠于电介质层134内的多个BEOL金属化层132。此外，光感测元件120通过连接结构136电连接到互连结构130。
参考图8C，在操作403中，将衬底110翻转并接合到载体129，其中前侧110F面向载体129。在操作404中，从背侧110B薄化衬底110。在一些实施例中，可部分移除硅层112。然而，在其它实施例中，可完全移除硅层112使得外延硅层暴露。在一些实施例中，可形成穿透衬底110及ILD层128的连接结构136以耦合到互连结构130。
参考图8D，在操作405中，翻转衬底110及载体129，且将衬底110接合到衬底140。衬底140包含前侧140F及与前侧140F相对的背侧140B。衬底110接合到衬底140，其中衬底110的背侧110B面向衬底140的前侧140F，如图8D中所展示。在一些实施例中，衬底140至少包含放置于其中的第二感测装置。如上文所提及，所述第二感测装置可包含操作以感测入射光的可见光的光感测元件150，且光感测元件150可包含不同于第一感测装置的光感测元件120的半导体材料的半导体材料。在一些实施例中，光感测元件150包含硅层152，如图8D中所展示。如上文所提及，在这些实施例中，至少一晶体管154可形成于衬底140的前侧140F上方且经配置以能够读出第二感测装置。然而，在其它实施例中，衬底140可包含如图2中所展示的光学结构158。在一些实施例中，可在衬底140的前侧140F上方形成ILD层142。此外，可在ILD层142中形成耦合到晶体管154的连接结构。
参考图8D，衬底110经接合到衬底140，其中衬底110的背侧110B面向衬底140的前侧140F。此外，可将衬底110中的连接结构138接合到ILD层142中的连接结构，如图8D中所展示。为简化说明，连接结构138包含衬底110中的连接结构及ILD层142中的连接结构两者。此外，第一感测装置的光感测元件120可与第二感测装置的光感测元件150对准。在其它实施例中，第一感测装置的光感测元件120可与光学结构158对准，如图2中所展示。
参考图8E，在操作406中，在将衬底110接合到衬底140之后移除载体129。在操作407中，将衬底110接合到衬底160。衬底160包含前侧160F及与前侧160F相对的背侧160B。在一些实施例中，衬底160包含读出电路、图像信号处理(ISP)电路及/或专用集成电路(ASIC)，但本揭露不限于此。在一些实施例中，互连结构170放置于衬底160的前侧160F上且电连接到电路。如上文所提及，互连结构170包含堆叠于电介质层174内的多个BEOL金属化层172。
如图8E中所展示，互连结构130经接合到互连结构170使得衬底110接合到衬底160。换句话说，通过将互连结构130接合到互连结构170，将衬底110接合到衬底160。在一些实施例中，接合结构可由经接合的互连结构130及170形成。在一些实施例中，所述接合结构可为至少包含金属间接口及电介质间接口的混合接合结构。在一些实施例中，接合结构可包含金属到电介质接口。
在一些实施例中，在将衬底110接合到衬底140之后，可执行另一薄化操作以从背侧140B薄化衬底140。因此，减小衬底140的厚度。如上文所提及，多个隔离结构156(例如DTI结构)可放置于衬底140中以提供相邻光感测元件150之间的光学隔离，从而用作衬底隔离栅格且减少串扰。
在一些实施例中，可在衬底140的背侧140B上形成光学结构。在一些实施例中，所述光学结构可包含分别与光感测元件150及光感测元件120对准的彩色滤光器及微透镜，但未展示。此外，可放置多个低n结构(未展示)。如上文所提及，微透镜(未展示)系用于将入射光聚焦到对应光感测元件150及120上。如上文所提及，彩色滤光器被指派给对应色彩或波长的光，且因此微透镜、彩色滤光器及第二感测装置可为RGB图像感测系统的部分。
仍参考图8E，因此，获得包含图像捕获设备(即，可见光感测装置)及深度感测装置(即，NIR/SWIR感测装置)的双层级合成半导体图像传感器100。根据用于形成半导体图像传感器的方法40，可改进包含具有含Ge光感测元件120的深度感测装置的衬底110、包含具有含Si光感测元件150的图像捕获设备的衬底140及ASIC衬底160的集成。
概括来说，本揭露提供一种包含图像捕获设备及深度感测装置的合成半导体图像传感器。在一些实施例中，所述图像捕获设备包含可见光感测装置，而所述深度感测装置包含NIR/SWIR感测装置。此外，可见光感测装置使用确保对可见光的更大吸收的第一半导体材料(例如硅)，而NIR/SWIR感测装置使用提供对NIR/SWIR辐射的更大吸收的第二半导体材料(例如锗)。本揭露进一步提供用于形成半导体图像传感器的方法，所述方法改进图像捕获设备与深度感测装置的集成。
在一些实施例中，提供一种半导体图像传感器。所述半导体图像传感器包含：第一衬底，其包含第一前侧及与所述第一前侧相对的第一背侧；第二衬底，其包含第二前侧及与所述第二前侧相对的第二背侧；第三衬底，其包含第三前侧及与所述第三前侧相对的第三背侧；及第一互连结构及第二互连结构。在一些实施例中，所述第一衬底包含包括第一半导体材料的层及在所述层中的第一光感测元件。在一些实施例中，所述第一光感测元件包含不同于所述第一半导体材料的第二半导体材料。所述第二衬底接合到所述第一衬底，其中所述第二衬底的所述第二前侧面向所述第一衬底的所述第一背侧。所述第三衬底接合到所述第一衬底，其中所述第三衬底的所述第三前侧面向所述第一衬底的所述第一前侧。所述第一互连结构及所述第二互连结构放置于所述第一衬底的所述第一前侧与所述第三衬底的所述第三前侧之间。
在一些实施例中，提供一种用于形成半导体图像传感器的方法。所述方法包含以下操作。接纳包含第一前侧及与所述第一前侧相对的第一背侧的第一衬底。所述第一衬底包含第一光感测元件及放置于所述第一衬底的所述第一前侧上方的第一互连结构。接纳包含第二前侧及与所述第二前侧相对的第二背侧的第二衬底。所述第二衬底包含放置于所述第二衬底的所述第二前侧上方的第二互连结构。接合所述第一互连结构与所述第二互连结构。将所述第一衬底接合到包含第三前侧及与所述第三前侧相对的第三背侧的第三衬底，其中所述第一衬底的所述第一背侧面向所述第三衬底的所述第三前侧。在一些实施例中，所述第一光感测元件包含第一半导体材料。
在一些实施例中，提供一种用于形成半导体图像传感器的方法。所述方法包含以下操作。接纳包含第一前侧及与所述第一前侧相对的第一背侧的第一衬底。所述第一衬底包含第一光感测元件。将所述第一衬底接合到包含第二前侧及与所述第二前侧相对的第二背侧的第二衬底，其中所述第一衬底的所述第一背侧面向所述第二衬底的所述第二前侧。将所述第一衬底接合到包含第三前侧及与所述第三前侧相对的第三背侧的第三衬底，其中所述第一衬底的所述第一前侧面向所述第三衬底的所述第三前侧。
前述内容概述若干个实施例的结构使得所属领域的技术人员可较佳理解本揭露的方面。所属领域的技术人员应了解，其可易于使用本揭露作为设计或修改用于实行相同目的及/或实现本文中所介绍的实施例的相同优点的其它过程及结构的基础。所属领域的技术人员还应认识到，这些等效建构并未脱离本揭露的精神及范围，且其可在不脱离本揭露的精神及范围的情况下在本文中做出各种改变、替代及变动。
符号说明
20:方法
30:方法
40:方法
100:半导体图像传感器/双层级合成半导体图像传感器
110:衬底
110B:背侧
110F:前侧
112:硅层
120:光感测元件/含Ge光感测元件
122:锗层/外延锗层/Ge外延层
124:钝化层
124-1:钝化层
124-2:钝化层
125:缓冲层/第二外延层
126-1:外延层/外延硅层/第一外延层/缓冲层
126-2:外延层/外延硅层
127:氧化物层
128:层间电介质(ILD)层
129:载体
130:互连结构
132:BEOL金属化层
134:电介质层
136:连接结构
138:连接结构/第二连接结构
140:衬底
140B:背侧
140F:前侧
142:层间电介质(ILD)层
143:连接结构
150:光感测元件/含Si光感测元件
152:硅层
154:晶体管
156:隔离结构
158:光学结构
160:衬底/专用集成电路(ASIC)衬底
160B:背侧
160F:前侧
170:互连结构/第二互连结构
172:BEOL金属化层
174:电介质层
201:操作
202:操作
203:操作
204:操作
301:操作
302:操作
303:操作
304:操作
305:操作
306:操作
401:操作
402:操作
403:操作
404:操作
405:操作
406:操作
407:操作。

Claims (10)

1.一种半导体图像传感器，其包括：
第一衬底，其包括第一前侧及与所述第一前侧相对的第一背侧，其中所述第一衬底包括包含第一半导体材料的一层及在所述层中的第一光感测元件，且所述第一光感测元件包含不同于所述第一半导体材料的第二半导体材料；
第二衬底，其包括第二前侧及与所述第二前侧相对的第二背侧，其中所述第二衬底接合到所述第一衬底使得所述第二衬底的所述第二前侧面向所述第一衬底的所述第一背侧；
第三衬底，其包括第三前侧及与所述第三前侧相对的第三背侧，其中所述第三衬底接合到所述第一衬底使得所述第三衬底的所述第三前侧面向所述第一衬底的所述第一前侧；及
第一互连结构及第二互连结构，其在所述第一衬底的所述第一前侧与所述第三衬底的所述第三前侧之间。
2.根据权利要求1所述的半导体图像传感器，其中所述第二衬底进一步包括第二光感测元件，且所述第二光感测元件包括所述第一半导体材料。
3.根据权利要求2所述的半导体图像传感器，其中所述第一半导体材料包括硅，且所述第二半导体材料包括锗。
4.根据权利要求2所述的半导体图像传感器，其进一步包括放置于所述第二光感测元件与所述第一衬底的所述第一背侧之间的至少一晶体管。
5.根据权利要求2所述的半导体图像传感器，其进一步包括：
第一连接结构，其将所述第一光感测元件耦合到所述第一互连结构；及
第二连接结构，其将所述第二光感测元件耦合到所述第一互连结构。
6.一种半导体图像传感器的形成方法，其包括：
接纳包括第一前侧及与所述第一前侧相对的第一背侧的第一衬底，其中所述第一衬底包含第一光感测元件，及放置于所述第一衬底的所述第一前侧上方的第一互连结构；
接纳包括第二前侧及与所述第二前侧相对的第二背侧的第二衬底，其中所述第二衬底包含放置于所述第二衬底的所述第二前侧上方的第二互连结构；
将所述第一互连结构接合到所述第二互连结构；及
将所述第一衬底接合到包括第三前侧及与所述第三前侧相对的第三背侧的第三衬底，其中所述第一衬底的所述第一背侧面向所述第三衬底的所述第三前侧，其中所述第一光感测元件包括第一半导体材料。
7.一种半导体图像传感器的形成方法，其包括：
接纳包括第一前侧及与所述第一前侧相对的第一背侧的第一衬底，其中所述第一衬底包含第一光感测元件；
将所述第一衬底接合到包括第二前侧及与所述第二前侧相对的第二背侧的第二衬底，其中所述第一衬底的所述第一背侧面向所述第二衬底的所述第二前侧；及
将所述第一衬底接合到包括第三前侧及与所述第三前侧相对的第三背侧的第三衬底，其中所述第一衬底的所述第一前侧面向所述第三衬底的所述第三前侧。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第三衬底包括第一互连结构。
9.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括：
将所述第一衬底接合到载体，其中所述第一前侧面向所述载体；
从所述第一背侧薄化所述第一衬底；
将所述第一衬底接合到所述第二衬底；
移除所述载体；及
在所述第一衬底的所述第一前侧上方形成第二互连结构。
10.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括：
在所述第一衬底的所述第一前侧上方形成第二互连结构；
将所述第一互连结构接合到载体；
从所述第一背侧薄化所述第一衬底；
将所述第一衬底接合到所述第二衬底；
移除所述载体；及
将所述第一互连结构接合到所述第二互连结构。
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