CN117913107A - 光传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光传感器，其包括感测结构和微透镜。感测结构包括外延层、深沟槽隔离和散射结构。外延层有受照表面和非受照表面。深沟槽隔离位于外延层的边缘。散射结构嵌入在外延层中，并从受照表面向内延伸。散射结构包括第一圆环图案和周边图案。深沟槽隔离环绕散射结构，周边图案与深沟槽隔离相连，第一圆环图案与周边图案自深沟槽隔离分开。微透镜设置在外延层上，其中外延层的受照表面比非受照表面更靠近微透镜。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器装置，特别是涉及一种光传感器。
背景技术
随着技术的快速发展，光电传感器被改进为具有更高的分辨率并适用于各个领域。在一些应用中，光传感器需要在各种环境下运行，例如在弱光环境下、在明亮环境下等等。因此，光传感器的灵敏度对于光传感器的设计和开发来说是相当重要的项目。
发明内容
本发明涉及具有散射结构以提高光传感器的量子效率的光传感器。
在本发明的一实施例中，光传感器包括感测结构和微透镜。感测结构包括外延层、深沟槽隔离和散射结构。外延层有受照表面和非受照表面。深沟槽隔离位于外延层的边缘。散射结构嵌入在外延层中，并从受照表面向内延伸。散射结构包括第一圆环图案和周边图案。深沟槽隔离环绕散射结构，周边图案与深沟槽隔离相连，第一圆环图案与周边图案自深沟槽隔离分开。微透镜设置在外延层上，其中外延层的受照表面比非受照表面更靠近微透镜。
综上所述，根据本发明的一些实施例的光传感器具有嵌入在外延层中的散射结构，并且散射结构具有用于散射入射光的复杂图案。因此，入射光的传播路径(即光的光程)被加长，以提高光传感器的量子效率。因此，提高了光传感器的灵敏度。光传感器在相对较弱的光照环境下可能表现良好。
为使前述内容更加清楚明白，以下结合附图对几个实施例进行详细说明。
附图说明
包括附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图被并入并构成本说明书的一部分。
附图示出了本发明的示例性实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。
图1A和图1B分别为本发明的一些实施例的光传感器阵列的一部分的横截面侧视图；
图2A至图2K为各种实施例的几个感测结构的示意图；
图3为本发明的一些实施例的截切的感测结构的示意图；
图4为一些实施例的制造光传感器的几个步骤的示意图；
图5A至图5C为一些实施例的制造光传感器的几个步骤的示意图；
图6A至图6C为一些实施例的制造光传感器的几个步骤的示意图；
图7A和图7B为一些实施例的光传感器的示意图；
图8A和图8B为本发明的一些实施例的制造光传感器的步骤的示意图；
图9A和图9B为本发明的一些实施例的制造光传感器的步骤的示意图；
图10A和图10B为本发明的一些实施例的制造光传感器的步骤的示意图；
图11A和图11B为本发明的一些实施例的制造光传感器的步骤的示意图；
图12A和图12B为本发明的一些实施例的制造光传感器的步骤的示意图；
图13A和图13B为本发明的一些实施例的制造光传感器的步骤的示意图；
图14为本发明的一些实施例的光传感器的横截面的示意图。
符号说明
100A、100B：光传感器阵列
110、110A、110B、110C、110D、110E、110F、110G、110H、110I、110J、110K、110L：感测结构
112：外延层
114：深沟槽隔离
116A：栅极结构
116B：浮置扩散接点
118：散射结构
118A：第一圆环图案
118B、118C：纵贯图案
118D、118E：周边图案
118F：第二圆环图案
120：微透镜
130：内连线结构
132：内连线布线
134：内连线介电质
140：光学层
142：抗反射结构
144：彩色滤光片
150、168：基板
152、154、178、180：硬质掩模
153、155、158、179、181、182：掩模
158A：第一圆环狭槽
158B、158C：纵贯图案狭槽
160：层间介电层
162：栅极绝缘体
164：栅极金属
166：栅极填充材料
172：周边沟槽
174：内沟槽
176：介电材料
A-A’、B-B’、C-C’：线
BS：非受照表面
CN：中心点
D1、D2、D3：掺杂深度
D114、D118：深度
DS：距离
FD：第二掺杂区
G：间隙
L：外部光线
PD：第一掺杂区
PD1：第一掺杂层
PD2：第二掺杂层
PS1、PS2、PSA、PSB：光传感器
RDI、RDO：半径
TS：受照表面
V1、V2：通孔
VD：垂直方向
W114、W118A、W118B、W118C、W118F：宽度
WI：内侧壁
WO：外侧壁
具体实施方式
图1A和图1B分别示出了根据本发明的一些实施例的光传感器阵列的一部分的横截面侧视图。在图1A中，光传感器阵列100A包括排列成阵列的多个光传感器PSA。光传感器阵列中光传感器PSA的数量多于三个，图1A仅显示三个传感器用于说明目的。光传感器PSA中的每一个可以包括感测结构110、微透镜120、内连线结构130和光学层140。感测结构110位于内连线结构130和微透镜120之间。光学层140位于微透镜120和感测结构110之间。相应地，外部光线L通过微透镜120和光学层140会进入感测结构110而不通过内连线结构130，这有助于提高感测结构110的受光面积大小，从而提高光传感器PSA的灵敏度。具体而言，外部光线L从与内连线结构130连接的一侧相反的背侧进入感测结构110，因此光传感器阵列100A的光传感器PSA为背照式(BSI，backside illuminated)光传感器。
感测结构110可以包括外延层112和深沟槽隔离114。外延层112由半导体材料(例如硅)制成，并部分掺杂了所需的掺杂剂以形成光电二极管。深沟槽隔离114将一个光传感器PSA的外延层112与相邻光传感器PSA的外延层112隔离开来。此外，每个光传感器PSA中的感测结构110还可以包括传输栅极(TG)结构116A和浮动扩散(FD)接点116B。栅极结构116A和浮置扩散接点116B设置在外延层112上，使光传感器PSA能够工作。外延层112的厚度可以是10nm～10μm，深沟槽隔离114的深度D114可以是10nm～10μm。深沟槽隔离114形成围绕外延层112的框架结构以定义光传感器PSA的像素。也就是说，光传感器PSA的像素面积是由深沟槽隔离114包围的面积决定的。在一些实施例中，填充因子被理解为影像传感器中像素的光敏面积与总像素面积的比率，并且光传感器阵列100A中的光传感器PSA可以具有大约100％的填充因子，因为微透镜120和光学层140是光透明部件不阻挡外部光线L。
在一些实施例中，深沟槽隔离114的材料可以包括氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氧化铪(HfO2)、氧氮化硅(SiOxNy)、氧化钽(Ta2O5)、氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化镧(La2O3)、氧化镨(Pr2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化钕(Nd2O3)、氧化钷(Pm2O3)、氧化钐(Sm2O3)、氧化铕(Eu2O3)、氧化钆(Gd2O3)、氧化铽(Tb2O3)、氧化镝(Dy2O3)、氧化钬(Ho2O3)、氧化铒(Er2O3)、氧化铥(Tm2O3)、氧化镱(Yb2O3)、氧化镏(Lu2O3)、氧化钇(Y2O3)等。
外延层112掺杂了所需的掺杂剂，在感测结构110的正面有掺杂区(未显示)，而栅极结构116A下面不需要额外的掺杂，栅极结构116A和浮置扩散接点116B设置在感测结构110的正面，对应于掺杂区。栅极结构116A可以包括设置在栅极金属和外延层112之间的栅极绝缘体，栅极结构116A位于掺杂区之间。浮置扩散接点116B设置在外延层112的对应掺杂区上并与之接触。栅极金属的材料可以包括TiN、Al、Ni、Pt等，栅极绝缘体的材料可以包括HfO2、ZrO2、Al2O3、SiO2等，或者包括深沟槽隔离114的任何材料。浮置扩散接点116B的材料可以包括TiN、Al、Cu、poly-Si(n)等。此外，栅极结构116A和浮置扩散接点116B电连接到内连线结构130以建立驱动相应光传感器PSA所需的电路。
微透镜120设置在感测结构110上方，具有曲面，用于折射入射的外部光线L向感测结构110的外延层112行进，从而微透镜120有助于提高感测结构110的受光量。在一些实施例中，微透镜120的材料可以包括但不限于玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，poly(methylmethacrylate))、AZP透明树脂等。微透镜120的曲面有助于将外部光线L集中向外延层112行进。
内连线结构130设置在感测结构110的与微透镜120相对的前侧。换言之，微透镜120设置在感测结构110的背侧处。内连线结构130包括内连线布线132和内连线介电质134，内连线介电质134分离不同层的内连线布线132，以建立光传感器PSA的电传输路径。例如，内连线布线132建立电连接到栅极结构116A和浮置扩散接点116B的电传输路径。在一些实施例中，内连线布线132的材料可以包括Al、Cu等，内连线介电质134的材料可以包括电介质氧化物、氮化物或其他介电材料。
光学层140位于微透镜120和感测结构110之间。在一些实施例中，光学层140可以包括彩色滤光片和抗反射结构。彩色滤光片过滤外部光线L的波长以确定感测结构110感知的颜色。抗反射结构减少了外部光线L的反射，从而提高了感测结构110的受光量。抗反射结构可以是SiO2/TiO2的交替叠层，并且在不同的光传感器PSA中形成抗反射结构的SiO2/TiO2叠层是相同的。彩色滤光片可以通过可选的SiO2/TiO2叠层实现。在一个光传感器PSA中用于形成彩色滤光片的SiO2/TiO2叠层可能与相邻光传感器PSA中的叠层不同，因此不同的光传感器PSA对不同波长的光敏感。例如，图1A所示的三个光传感器PSA可以分别对红光、绿光和蓝光敏感，但本发明不限于此。
在图1B中，光传感器阵列100B与光传感器阵列100A相似，但与光传感器阵列100A不同之处在于感测结构110和内连线结构130在每个光传感器PSB中的布置顺序。因此，在两个实施例中，相同的部件用相同的附图标记表示，并且两个实施例中对各个部件的描述适用于两个实施例。具体地，光传感器阵列100B包括排列成阵列的多个光传感器PSB，图1B仅示出三个光传感器PSB以用于说明目的。光传感器PSB中的每一个包括感测结构110、微透镜120、内连线结构130和光学层140。内连线结构130位于微透镜120和感测结构110之间。光学层140位于微透镜120和内连线结构130之间。外部光线L从前侧进入感测结构110，前侧是连接到内连线结构130的一侧，因此光传感器阵列100B的光传感器PSB是前照式(FSI，frontside illuminated)光传感器。
为了提高光传感器PSA和PSB的灵敏度，一种方法是提高光传感器PSA和PSB的量子效率(QE，成像设备将入射光子转换为电子的有效性的度量)。因此，根据以下说明，光传感器PSA和PSB中的每一个还包括散射结构，这有助于增加光在感测结构110中的传播长度，以增加光传感器PSA和PSB的光吸收。
图2A至图2E示意性地示出了根据各种实施例的几个感测结构。图2A至图2E中所示的感测结构中的每一个都适用于光传感器阵列100A中的光传感器PSA或光传感器阵列100B中的光传感器PSB，并且被认为是光传感器PSA或光传感器PSB中的感测结构110的实现示例。
在图2A中，感测结构110A包括外延层112、深沟槽隔离114和散射结构118。外延层112有受照表面TS和非受照表面BS。在一些实施例中，感测结构110A适用于光传感器阵列100A的光传感器PSA，受照表面TS比非受照表面BS更远离内连线结构130(如图1A所示)。在一些实施例中，感测结构110A适用于光传感器阵列100B的光传感器PSB，受照表面TS比非受照表面BS更接近内连线结构130。也就是说，当应用于光传感器阵列100A的光传感器PSA或者光传感器阵列100B的光传感器PSB时，受照表面TS比非受照表面BS更接近微透镜120。深沟槽隔离114形成围绕外延层112边缘的框架结构。在一些实施例中，深沟槽隔离114中的宽度W114可以是10nm～10μm。散射结构118嵌入在外延层112中，特别是从外延层112的受照表面TS向内延伸。
在图2A中，散射结构118包括第一圆环图案118A和纵贯图案118B以及118C，并从受照表面TS向内延伸以嵌入到外延层112中，其中纵贯图案118B和118C中的每一个沿横穿第一圆环图案118A的延伸方向延伸。在一些实施例中，第一圆环图案118A以中心点CN为中心并且纵贯图案118B和118C延伸穿过中心点CN。具体地，第一圆环图案118A位于感测结构110A的中心，俯视时形成一个圆环，但本发明不以此为限。纵贯图案118B沿着基本上平行于感测结构110A的侧边缘的延伸方向延伸，并且纵贯图案118C沿着基本上平行于感测结构110A的对角线的延伸方向延伸。因此，纵贯图案118B在俯视图中形成“+”，纵贯图案118C在俯视图中形成“×”。此外，纵贯图案118B和118C的末端连接到深沟槽隔离114，使得散射结构118在俯视图中形成连续的图案，但不限于此。第一圆环图案118A中的宽度W118A可以是10nm～5μm。纵贯图案118B中的宽度W118B和纵贯图案118C中的宽度W118C可以是10nm～5μm。宽度W118B和宽度W118C可以相同，但本发明不限于此。在一些实施例中，宽度W118A、宽度W118B和宽度W118C可以沿着垂直方向VD改变。因此，散射结构118可能具有锥形侧壁。
在图2B中，感测结构110B类似于感测结构110A，包括外延层112、深沟槽隔离114和散射结构118。感测结构110A中的外延层112、深沟槽隔离114、散射结构118的配置在感测结构110B中同样适用。具体地，感测结构110B中的散射结构118包括第一圆环图案118A和纵贯图案118B以及118C，还包括周边图案118D。第一圆环图案118A、纵贯图案118B和118C、周边图案118D分别从受照表面TS向内延伸嵌入到外延层112中。周边图案118D中的每一个位于纵贯图案118C之一的终端，即周边图案118D位于感测结构110B的角落处。周边图案118D俯视呈正方形，但本发明不限于此。在一些实施例中，周边图案118D的长度和宽度可以是10nm到5μm。
在图2C中，感测结构110C类似于感测结构110B并且包括从受照表面TS向内延伸以嵌入到外延层112中的散射结构118。感测结构110B中的外延层112、深沟槽隔离114、散射结构118的配置在感测结构110C中同样适用。具体地，感测结构110C中的散射结构118包括第一圆环图案118A、纵贯图案118B和118C和周边图案118D，还包括周边图案118E。周边图案118D设置在纵贯图案118C的末端处，并且周边图案118E中的每一个位于纵贯图案118B之一的末端处。也就是说，周边图案118D位于感测结构110C的角落，周边图案118E位于感测结构110C的边缘。
在图2D中，感测结构110D与感测结构110B相似，包括外延层112、深沟槽隔离114和散射结构118，散射结构118从受照表面TS向内延伸以嵌入到外延层112中。感测结构110B中的外延层112、深沟槽隔离114、散射结构118的配置在感测结构110D中同样适用。具体地，感测结构110D中的散射结构118包括第一圆环图案118A、纵贯图案118B和118C、周边图案118D，还包括第二圆环图案118F。第二圆环图案118F与第一圆环图案118A基本同心，第一圆环图案118A的半径与第二圆环图案118F的半径不同。纵贯图案118B和118C都穿过第二圆环图案118F。在一些实施例中，第二圆环图案118F中的宽度W118F可以是10nm～5μm。在一些实施例中，第一圆环图案118A中的宽度W118A可以与第二圆环图案118F中的宽度W118F相同，但本发明不限于此。
在图2E中，感测结构110E类似于感测结构110D并且包括从受照表面TS向内延伸以嵌入到外延层112中的散射结构118。感测结构110E中的散射结构118包括第一圆环图案118A、第二圆环图案118F、纵贯图案118B和118C、周边图案118D，还包括周边图案118E。周边图案118D设置在纵贯图案118C的末端处，周边图案118E设置在纵贯图案118B的末端处。
在图2F中，感测结构110F类似于感测结构110A到110E之一，包括外延层112、深沟槽隔离114和散射结构118。感测结构110F中的散射结构118包括第一圆环图案118A，从受照表面TS向内延伸嵌入外延层112。感测结构110F中的散射结构118，即第一圆环图案118A，是完全独立的结构，与深沟槽隔离114有间隔。
在图2G中，感测结构110G类似于感测结构110D和110E之一，包括外延层112、深沟槽隔离114和散射结构118。感测结构110G中的散射结构118包括第一圆环图案118A和第二圆环图案118F，从受照表面TS向内延伸嵌入外延层112。第一圆环图案118A和第二圆环图案118F是完全独立的结构并且与深沟槽隔离114有间隔。第一圆环图案118A和第二圆环图案118F以中心点CN为中心使得第一圆环图案118A和第二圆环图案118F的中心点CN相同，第一圆环图案118A的半径与第二圆环图案118F的半径不同。例如，第一圆环图案118A的半径小于第二圆环图案118F的半径。
在图2H中，感测结构110H类似于感测结构110B至110E之一，包括外延层112、深沟槽隔离114和散射结构118。感测结构110H中的散射结构118包括周边图案118D，从受照表面TS向内延伸嵌入到外延层112中。周边图案118D与深沟槽隔离114相连，位于感测结构110H的角落处。
在图2I中，感测结构110I类似于感测结构110C和110E之一，并且包括外延层112、深沟槽隔离114和散射结构118。感测结构110I中的散射结构118包括周边图案118D和周边图案118E，从受照表面TS向内延伸嵌入外延层112。周边图案118D与深沟槽隔离114相连，位于感测结构110H的角落处。周边图案118E与深沟槽隔离114相连，位于感测结构110I的边缘。
在图2J中，感测结构110J类似于感测结构110B至110E之一，包括外延层112、深沟槽隔离114和散射结构118。感测结构110J中的散射结构118包括第一圆环图案118A和周边图案118D。第一圆环图案118A和周边图案118D从受照表面TS向内延伸以嵌入到外延层112中。第一圆环图案118A是完全独立的结构，与深沟槽隔离114隔开。周边图案118D与深沟槽隔离114相连，位于感测结构110H的角落处。
在图2K中，感测结构110K类似于感测结构110E和110E之一，包括外延层112、深沟槽隔离114和散射结构118。感测结构110K中的散射结构118包括第一圆环图案118A、第二圆环图案118F、周边图案118D和周边图案118E，它们分别从受照表面TS向内延伸以嵌入到外延层112中。第一圆环图案118A和第二圆环图案118F是完全独立的结构并且与深沟槽隔离114有间隔。第一圆环图案118A和第二圆环图案118F以中心点CN为中心，第一圆环图案118A的半径小于第二圆环图案118F的半径。周边图案118D和周边图案118E与深沟槽隔离114相连。周边图案118D位于感测结构110K的角落，周边图案118E位于感测结构110K的边缘。
在一些实施例中，图2A至图2K中任一个所示的散射结构118的材料可以包括氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氧化铪(HfO2)、氮氧化硅(SiOxNy)、氧化钽(Ta2O5)、钛氧化物(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化镧(La2O3)、氧化镨(Pr2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化钕(Nd2O3)、氧化钷(Pm2O3)、氧化钐(Sm2O3)、氧化铕(Eu2O3)、氧化钆(Gd2O3)、氧化铽(Tb2O3)、氧化镝(Dy2O3)、氧化钬(Ho2O3)、氧化铒(Er2O3)、氧化铥(Tm2O3)、氧化镱(Yb2O3)、氧化镏(Lu2O3)、氧化钇(Y2O3)等。在一些实施例中，深沟槽隔离114的材料可以与散射结构118的材料相同或不同。在一些实施例中，深沟槽隔离114和散射结构118可以在相同的制造步骤下制造。在一些实施例中，深沟槽隔离114和散射结构118可以在不同的制造步骤下制造。
感测结构110A到110K中的每一个散射结构118由与外延层112不同的材料制成。照射在散射结构118和外延层112界面的光发生折射和/或散射，使在散射结构118和外延层112界面发生折射和/或散射的光在外延层112中的传播时间更长，有助于提高量子效率。感测结构110A至110E中的散射结构118具有不同的图案，散射结构118中的每一个所占据的面积可以不大于各别感测结构110A至110K的总面积的80％，但本公开不限于此。
图3示意性地示出了根据本公开的一些实施例的截切的感测结构。在图3中，显示了感测结构110L的一部分，而感测结构110L的一些部件出于说明目的而省略了。感测结构110L包括外延层112、深沟槽隔离114和散射结构118。具体地，图3中所示的散射结构118仅包括一个圆环图案118G，用于描述目的，图3用于描述图2A至图2G、图2J和图2K中描绘的第一圆环图案118A或第二圆环图案118F的横截面结构的示例性实施方式。然而，图2A至图2K中描绘的其他图案例如纵贯图案118B和118C、周边图案118D和118E等的截面结构可以以类似的方式实现。
如图3所示，圆环图案118G具有锥形侧壁，例如垂直方向VD中的内侧壁WI和外侧壁WO。内侧壁WI和外侧壁WO各形成漏斗状。具体而言，垂直方向VD中内侧壁WI的半径RDI向感测结构110L的受照表面TS逐渐增大，垂直方向VD中外侧壁WO的半径RDO也向感测结构110L的受照表面TS逐渐增大。另外，从外侧壁WO到深沟槽隔离114的距离DS在垂直方向VD上向受照表面TS逐渐缩小。在一些替代实施例中，半径RDI和半径RDO在垂直方向VD中可以相同，使得圆环图案118G具有垂直侧壁。在一些进一步的替代实施例中，半径RDI和半径RDO之一或两者可以在垂直方向VD中朝着受照表面TS逐渐减小。散射结构118的深度D118可以是10nm～10μm，深沟槽隔离114的深度D114可以是10nm～10μm。在一些实施例中，深沟槽隔离114的深度D114不小于散射结构118的深度D118。
根据上述实施例，散射结构118包括复杂的图案并且嵌入在外延层112中。外延层112的材料为硅等半导体材料，散射结构118的材料为上述实施例中的氧化物等绝缘材料。可见光或近红外光等光在散射结构118和外延层112之间的界面处发生散射，从而延长在外延层112中传播的光的传播路径(光路长度)，以提高外延层112的量子效率。因此，复杂的散射结构118有助于提高光传感器PSA和PSB的灵敏度(在图1A和图1B中表示)。例如，根据模拟实验，将具有仅包括纵贯图案118B的散射结构的对比感测结构与具有复杂图案的散射结构118的感测结构110E(第一圆环图案118A、第二圆环图案118F、纵贯图案118B和118C、周边图案118D和周边图案118E)进行比较。感测结构110E在650nm波长处的量子效率比对比感测结构高17％。
图4～图6C示意性地示出了根据一些实施例的制造BSI光传感器的几个步骤。在图4中，提供了诸如芯片基板的基板150并且将外延层112沉积在基板150上。外延层112通过分子束外延(MBE，Molecular Beam Epitaxy)、固相外延(SPE，Solid Phase Epitaxy)、液相外延(LPE，Liquid Phase Epitaxy)、气相外延(VPE，Vapor Phase Epitaxy)、化学气相沉积(CVD，Chemical Vapor Deposition)等沉积在基板150上。外延层112被认为是光吸收层，对光敏感。外延层112的材料包括硅、其他半导体材料或其他吸光材料。此外，可以掺杂大部分外延层112以用作外延p-Si层。例如，在将外延层112的材料沉积在基板150上的过程中，引入诸如硼气的掺杂气体以形成外延层112。在一些实施例中，外延层112的主体的掺杂范围可以是1e11至1e20。
接下来，在外延层112上形成硬质掩模152。通过使用化学气相沉积(CVD)、溅射等在外延层112上沉积诸如SiO2、SiC、SiOCH、Si3N4、TiN、TaN等的掩模材料并使用掩模153对掩模材料进行图案化来形成硬质掩模152。掩模153可以是光刻胶、Si3N4等，可以通过旋涂的方式沉积，并通过光刻工艺图案化以呈现所需的形状。硬质掩模152暴露了外延层112的一部分并覆盖了外延层112的一部分。硬质掩模152的厚度可以是1nm到1μm，掩模153的厚度可以是1nm到1μm。
在形成硬质掩模152之后进行离子注入以在外延层112中形成第一掺杂区PD。具体地，离子注入包括将第一型掺杂剂注入外延层112以形成第一掺杂层PD1，然后将第二型掺杂剂注入外延层112以在第一掺杂层PD1之上形成第二掺杂层PD2。第一掺杂层PD1的掺杂剂类型和第二掺杂层PD2的掺杂剂类型不同。在一些实施例中，第一掺杂层PD1的掺杂剂包括P、As等并且第二掺杂层PD2的掺杂剂包括B等，使得第一掺杂层PD1形成n阱并且第二掺杂层PD2在n阱的顶部形成P+层。
在一些实施例中，第一掺杂层PD1(n阱)的掺杂范围可以是1e11到1e20，并且第二掺杂层PD2的掺杂范围可以是1e11到1e20。第一型掺杂剂(形成第一掺杂层PD1)的掺杂深度D1为10nm～10μm，第二型掺杂剂(形成第二掺杂层PD2)的掺杂深度D2为1nm～5μm。在一些实施例中，第一型掺杂剂和第二型掺杂剂的离子注入可以通过使用1016～1019ion/cm2的剂量来执行。
硬质掩模152和掩模153在形成第一掺杂区PD后通过湿法蚀刻或类似工艺去除，在外延层112上形成另一个硬质掩模154和对应的掩模155。在掩模去除步骤中使用的蚀刻剂包括缓冲氧化物蚀刻(BOE，Buffered Oxide Etch)、甲酸、草酸等。可以使用与形成硬质掩模152和掩模153的方法类似的方法来形成硬质掩模154和掩模155。硬质掩模154覆盖了第一掺杂区PD并暴露了与第一掺杂区PD横向隔开的另一个区域。对上面带有硬质掩模154的外延层112进行离子注入以形成第二掺杂区FD。第二掺杂区FD的掺杂剂类型可以与第一掺杂层PD1的掺杂剂类型相同。在一些实施例中，形成第二掺杂区FD的掺杂剂包括P、As等，形成第二掺杂区FD的掺杂深度D3为1nm～5μm。第二掺杂区FD的掺杂范围可以是1e11至1e20。
在形成第二掺杂区FD之后，去除硬质掩模154和掩模155，并且形成层间介电层160和栅极结构116A并设置在外延层112上。层间介电层160是通过原子层沉积(ALD，AtomicLayer Deposition)、溅射、化学气相沉积(CVD)等方法沉积在外延层112上的。层间介电层160是由SiO2、Si3N4等材料制成的。层间介电层160的厚度可以是1nm～10μm。层间介电层160被图案化以具有用于形成栅极结构116A的通孔V1。
栅极结构116A包括栅极绝缘体162、栅极金属164和栅极填充材料166。栅极绝缘体162、栅极金属164和栅极填充材料166依次沉积在通孔V1中的外延层112上，并进行平面化例如化学机械研磨(CMP)工艺等以去除栅极绝缘体162、栅极金属164和栅极填充材料166的多余材料，直到层间介电层160露出而得到嵌入层间介电层160的栅极结构116A。栅极绝缘体162、栅极金属164和栅极填充材料166可以通过原子层沉积(ALD)、溅射、化学气相沉积(CVD)等沉积在外延层112上。栅极绝缘体162的材料包括HfO2、ZrO2、Al2O3、SiO2等。栅极金属164的材料包括TiN、Al等。栅极填充材料166的材料包括TiN、Al等。栅极绝缘体162的厚度可以是1nm～5μm，栅极填充材料166的厚度可以是0.1nm～5μm。
在形成嵌入在层间介电层160的通孔V1中的栅极结构116A之后，进一步对层间介电层160进行图案化以形成另一个通孔V2以形成浮置扩散接点116B。浮置扩散接点116B延伸通过通孔V2到达第二掺杂区FD。可以通过原子层沉积(ALD)、溅射、化学气相沉积(CVD)等在层间介电层160上沉积金属材料来形成浮置扩散接点116B。另外，在沉积用于形成浮置扩散接点116B的金属材料之后，执行平坦化工艺直到栅极结构116A和层间介电层160露出，得到嵌入在层间介电层160中的浮置扩散接点116B。浮置扩散接点116B的厚度可以是1nm～5μm。浮置扩散接点116B的材料包括TiN、Al、Cu、poly-Si(n)等。形成浮置扩散接点116B后，形成内连线结构130并设置在感测结构110上，特别是层间介电层160上。内连线结构130包括内连线布线132和内连线介电质134。内连线介电质134将不同层的内连线布线132分开，以建立所需的电传输路径。
图5A至图5C示意性地示出了在执行图4的步骤之后制造BSI光传感器的几个步骤，其中图5A示出了结构的俯视图，图5B示出了图5A中的结构沿线A-A'截取的截面图，以及图5C显示了图5A中的结构沿线B-B'截取的横截面。如图5A至图5C所示，将图4的制造结构转移到另一个基板168并与基板150分离。如图5B和图5C所示，内连线结构130位于外延层112和基板168之间。在一些实施例中，可选地通过使用抛光工艺或研磨工艺将基板168上的外延层112减薄以具有期望的厚度和平坦的表面。另外，如图5A和图5C所示，在外延层112上形成掩模158。
如图5A所示，掩模158设置于外延层112上以露出外延层112的一部分且覆盖外延层112的另一部分。掩模158的图案是根据需要的散射结构确定的(例如图2A到图2K中描述的散射结构118)。在图2A中，作为示例，掩模158的图案可以用于形成图2A中的散射结构118。具体来说，掩模158定义了第一圆环狭槽158A、纵贯图案狭槽158B和158C。纵贯图案狭槽158B和158C中的每一个在横穿第一圆环狭槽158A的延伸方向上延伸，并且纵贯图案狭槽158B和158C的延伸方向在作为第一圆环狭槽158A的中心的中心点处相交。
如图5B和图5C所示。通过反应离子蚀刻等对其上具有掩模158的外延层112蚀刻，从而将外延层112图案化以形成周边沟槽172和被周边沟槽172包围的内沟槽174。用于蚀刻外延层112的蚀刻剂可以包括缓冲氧化物蚀刻(BOE)、甲酸、草酸等。周边沟槽172形成为具有框架结构，并且内沟槽174形成对应于第一圆环狭槽158A和纵贯图案狭槽158B以及158C。周边沟槽172中的深度是10nm～10μm。在一些实施例中，周边沟槽172的深度可能达到或可能不达到第一掺杂区PD的水平。内沟槽174中的深度是10nm～10μm。在一些实施例中，周边沟槽172的深度不小于内沟槽174的深度。在一些实施例中，周边沟槽172的深度不同于内沟槽174。现在，如图5C所示，外延层112被图案化以包括从受照表面TS向内延伸到预定深度的周边沟槽172，而不穿过外延层112的整个厚度。
图6A至图6C示意性地示出了在执行图5A～图5C的步骤之后制造BSI光传感器的几个步骤，其中图6A示出了结构的俯视图，图6B示出了沿线A-A'截取的图6A中的结构的截面图，以及图6C显示了图6A中的结构沿线B-B'截取的横截面。在图5A到图5C的步骤之后执行图6A到图6C的步骤。如图6B和图6C所示，去除图5A和图5C中的掩模158以露出外延层112，并在外延层112上沉积介电材料176以完全填充周边沟槽172和内沟槽174。介电材料176通过原子层沉积(ALD)、溅射、化学气相沉积(CVD)等方式沉积。另外，进行平坦化工艺以去除介电材料176的多余材料，直到外延层112露出，得到图6A所示的俯视图。
如图6A至图6C所示，填充周边沟槽172的介电材料形成深沟槽隔离114，填充内沟槽174的介电材料形成散射结构118。散射结构118包括第一圆环图案118A、纵贯图案118B和118C，可参考图2A的描述。第一圆环图案118A是基于图5A的掩模158中的第一圆环狭槽158A的图案定义的，纵贯图案118B和118C是基于图5A的掩模158中的纵贯图案狭槽158B和158C的图案定义的。现在，感测结构110完成了。
图7A和图7B示意性地示出了根据本公开的一些实施例的BSI光传感器。图7A和图7B中的光传感器PS1是通过在分别如图6B和6C所示的结构上进一步形成微透镜120和光学层140来制造的。具体地，图7A的结构是从对应于图6A的线A-A'的图6B的结构获得的，而图7B的结构是从对应于图6A的线B-B'的图6C的结构获得的。
参考图7A和图7B，光学层140形成在外延层112和散射结构118上。光学层140可以包括抗反射结构142和彩色滤光片144。抗反射结构142可以是可选的SiO2/TiO2叠层。彩色滤光片144可以是可选的SiO2/TiO2叠层。在一些实施例中，光传感器PS1是图1A的光传感器阵列100A中的光传感器PSA的实施示例之一。具体而言，一个光传感器PS1中的抗反射结构142与相邻光传感器中的抗反射结构142(未示出)相同，而一个光传感器PS1中的彩色滤光片144与相邻光传感器中的彩色滤光片144不同(未示出)。不同的彩色滤光片144提供不同的过滤效果，例如过滤不同颜色的光。因此，相邻的光传感器PS1能够感应到不同颜色的光。
微透镜120使用诸如玻璃、PMMA、AZP等材料形成在光学层140上。微透镜120的材料被模制或图案化以具有曲面。微透镜120的中心比周边部分厚，微透镜120的曲面有助于将外部光线集中向外延层112照射，从而提高光传感器PS1的受光量。
在图7A和图7B中，光传感器PS1包括感测结构110、微透镜120、内连线结构130和基板168。感测结构110包括外延层112、深沟槽隔离114、层间介电层160、栅极结构116A、浮置扩散接点116B、散射结构118。深沟槽隔离114围绕着外延层112的边缘。散射结构118嵌入外延层112并从受照表面TS向内延伸。外延层112包括形成在非受照表面BS附近并介于散射结构118和基板168之间的第一掺杂区PD和第二掺杂区FD。第一掺杂区PD和第二掺杂区FD在横向上彼此隔开间隙G。层间介电层160设置在散射结构118对面的外延层112上。浮置扩散接点116B和栅极结构116A嵌入在层间介电层160中。栅极结构116A的位置对应于第一掺杂区PD和第二掺杂区FD之间的间隙G。浮置扩散接点116B延伸通过层间介电层160而到达并接触第二掺杂区FD。在一些实施例中，第一掺杂区PD包括具有第一型掺杂剂的第一掺杂层PD1和具有第二型掺杂剂的第二掺杂层PD2以用作光电二极管，并且第二掺杂区FD可以掺杂有与第一掺杂层PD1相同类型的掺杂剂以用作浮动扩散。
在光传感器PS1中，散射结构118具有复杂的图案，例如图2A至图2K中任一个所示的散射结构118或类似图案。散射结构118和外延层112由不同的材料制成，入射光会在散射结构118和外延层112之间的界面处发生折射，这有助于增加光在外延层112中的传播长度。因此，至少通过散射结构118的复杂图案来提高感测结构110的量子效率。
图8A～图13B示意性地示出了根据本公开的一些实施例的制造FSI光传感器的步骤。图8A显示了结构的俯视图，图8B显示了沿线C-C'截取的图8A的结构的横截面。如图8A和图8B所示，外延层112沉积在基板150上，深沟槽隔离114形成在外延层112中。外延层112的沉积可参考图4的描述，在此不再赘述。在本实施例中，通过蚀刻工艺将外延层112图案化为具有周边沟槽172，并在外延层112上沉积介电材料以填充周边沟槽172。此外，通过CMP工艺等去除介电材料的多余材料以暴露外延层112并形成深沟槽隔离114。深沟槽隔离114的尺寸和结构可以参考前面的实施例。在图8A中，深沟槽隔离114形成围绕外延层112的矩形环。如上所述，深沟槽隔离114可以定义光传感器的像素。
图9A和图9B示意性地示出了在执行图8A和图8B的步骤之后制造FSI光传感器的步骤。图9A显示了结构的俯视图，图9B显示了沿线C-C'截取的图9A的结构的横截面。图9A和图9B的结构是通过在图8A和图8B的结构上形成硬质掩模178而获得的。硬质掩模178可能具有特定的图案以暴露外延层112的一部分并覆盖外延层112的其他部分。在一些实施例中，通过蚀刻被诸如光刻胶图案的掩模179覆盖的硬质掩模材料层来图案化成硬质掩模178。在将硬质掩模材料层图案化以形成硬质掩模178之后，通过例如剥离工艺等去除掩模179。
此外，在其上具有硬质掩模178的外延层112上进行离子注入，以在外延层112的暴露部分形成第一掺杂区PD。具体地，离子注入包括向外延层112注入第一型掺杂剂以形成第一掺杂层PD1，然后向外延层112注入第二型掺杂剂以形成堆叠在第一掺杂层PD1上的第二掺杂层PD2。在一些实施例中，第一型掺杂剂包括P、As等，第二型掺杂剂包括B等，使得第一掺杂层PD1形成N阱并且第二掺杂层PD2在N阱顶部形成P+层。
在形成第一掺杂区PD之后，去除硬质掩模178以及掩模179，并在外延层112上形成被掩模181覆盖的硬质掩模180，如图10A和图10B所示。图10A和图10B示意性地示出了在执行图9A和图9B的步骤之后制造FSI光传感器的步骤。图10A显示了结构的俯视图，图10B显示了沿线C-C'截取的图10A的结构的横截面。掩模181的图案与掩模179的图案不同，硬质掩模180将外延层112在掺杂区PD之外的另一部分暴露出来。此外，对其上有硬质掩模180的外延层112进行离子注入，以形成第二掺杂区FD。第一掺杂区PD和第二掺杂区FD彼此横向隔开一间隙G。
在形成第二掺杂区FD之后，去除硬质掩模180和掩模181，并在外延层112上形成另外的掩模182以图案化外延层112，如图11A和图11B所示。图11A显示了结构的俯视图，图11B显示了沿线C-C'截取的图11A的结构的横截面。在图11A和图11B中，被掩模182覆盖的外延层112通过诸如反应离子蚀刻(RIE)等的蚀刻工艺被图案化以形成内沟槽174。内沟槽174位于第一掺杂区PD处，而延伸到不贯穿第一掺杂区PD的深度，但本发明不限于此。在图11A中，第一掺杂区PD1暴露在内沟槽174处。内沟槽174的图案被简化为呈现一个圆环图案以用于说明目的。在一些实施例中，内沟槽174的图案可以与图2A至图2K中任一个所示的散射结构118的图案对应或相同。
形成内沟槽174后，去除掩模182，在外延层112上沉积介电材料并进行平坦化工艺，以形成填充外延层112的内沟槽174的散射结构118，同时形成覆盖外延层112的层间介电层160，如图12A和图12B所示。图12A和图12B中的散射结构118可以是图2A至图2B所示的第一圆环图案118A或图2D和图2E所示的第二圆环图案118F的实施例。在本实施例中，层间介电层160与散射结构118是通过相同的沉积工艺形成，但本发明不以此为限。在一些实施例中，可以在形成散射结构118之后通过进一步的沉积工艺形成层间介电层160。
图13A和图13B示意性地示出了在执行图12A和图12B的步骤之后制造FSI光传感器的步骤。图13A示出了结构的俯视图，图13B示出了沿线C-C'截取的图13A的结构的横截面。如图13A和图13B所示，在图12A和图12B的结构上形成栅极结构116A和浮置扩散接点116B，栅极结构116A和浮置扩散接点116B嵌入到层间介电层160中。与图4所示的实施例类似，栅极结构116A包括栅极绝缘体162、栅极金属164和栅极填充材料166，其位置对应于第一掺杂区PD和第二掺杂区FD之间的间隙G。浮置扩散接点FD延伸通过层间介电层160到达第二掺杂区FD。此外，执行平坦化工艺以使层间介电层160、栅极结构116A和浮置扩散接点116B的顶部共面。
图14示意性地示出了根据本公开的一些实施例的FSI光传感器的横截面。在图14中，通过在图13A和图13B的结构上进一步形成内连线结构130、光学层140和微透镜120来制造光传感器PS2。因此，图14以及图13A和图13B中相同的附图标记指代相同的部件。具体地，光传感器PS2可以包括基板150、感测结构110、微透镜120、内连线结构130和光学层140。感测结构110设置在基板150上。内连线结构130设置在感测结构110上，感测结构110在内连线结构130和基板150之间。光学层140设置在内连线结构130上，微透镜120设置在光学层140上。因此，光学层140位于微透镜120和感测结构110之间。
感测结构110可以包括外延层112、深沟槽隔离114、散射结构118、栅极结构116A、浮置扩散接点116B和层间介电层160。外延层112有第一掺杂区PD和第二掺杂区FD，第一掺杂区PD包括形成第一掺杂层PD1和在第一掺杂层PD1顶部的第二掺杂层PD2，第二掺杂区FD与第一掺杂区PD横向隔开，使得感测结构110起到光电二极管的作用，能够吸收光子产生电流。
深沟槽隔离114有像墙一样的结构围绕着光传感器PS2来定义光传感器PS2的像素。深沟槽隔离114的深度小于外延层112的厚度，深沟槽隔离114可以从外延层112的受照表面TS向内延伸而不贯穿外延层112的厚度。第一掺杂区PD和第二掺杂区FD靠近受照表面TS布置。另外，散射结构118嵌入在外延层112中，散射结构118的顶部与外延层112的顶部(即受照表面TS)共面。具体来说，散射结构118可以嵌入到第一掺杂区PD中，如图14所示。
层间介电层160是形成在外延层112上的，覆盖了深沟槽隔离114、第一掺杂区PD、第二掺杂区FD和散射结构118。栅极结构116A和浮置扩散接点116B被设置并嵌入在层间介电层160中。层间介电层160、栅极结构116A、浮置扩散接点116B的制作及材质可参照图4的说明。栅极结构116A包括栅极绝缘体162、栅极金属164和栅极填充材料166。栅极结构116A的位置对应于第一掺杂区PD和第二掺杂区FD之间的间隙。栅极绝缘体162是与外延层112接触的介电层，因此栅极金属164和栅极填充材料166等导电材料不会接触外延层112。浮置扩散接点116B则与第二掺杂区FD接触。
内连线结构130设置在感测结构110上并且位在光学层140和感测结构110之间。内连线结构130包括内连线布线132和内连线介电质134。内连线介电质134将不同层的内连线布线132分开，以建立所需的电传输路径。在一些实施例中，内连线布线132的材料可以包括Al、Cu等。内连线结构130的制作和材料可以参考图4的描述。
光学层140位于微透镜120和感测结构110之间。光学层140可以包括由SiO2/TiO2的堆叠形成的抗反射结构142。光学层140还可以包括彩色滤光片144。在一些实施例中，彩色滤光片144可以是SiO2/TiO2的交替堆叠，并且一个光传感器PSA中的SiO2/TiO2堆叠不同于相邻光传感器PSA中的SiO2/TiO2堆叠以过滤不同波长的光，从而不同的光传感器PSA对不同波长的光。
微透镜120设置在感测结构110上方，并具有曲面，用于折射进来的外部光线行进到感测结构110，使得微透镜120有助于提高感测结构110的受光量。在一些实施例中，微透镜120的材料可以包括但不限于玻璃、PMMA、AZP等。
光传感器PS2的散射结构118除了圆环图案之外还包括图2A到图2K中描绘的纵贯图案和周边图案，尽管为了说明的目的图8A到图14没有示出散射结构118的其他图案。因此，光传感器PS2中的散射结构118具有复杂的图案，可能适用于实现图1B中的光传感器PSB。在本实施例中，内连线结构130比感测结构110更靠近微透镜120。部分入射光可能会被内连线结构130的内连线布线132反射，因为内连线布线132是由金属材料形成的，这可能会限制进入感测结构110的光量。然而，感测结构110中的散射结构118具有能够提高光传感器PS2中感测结构110的量子效率的复杂图案，因此光传感器PS2的灵敏度是合乎需要的。
综上所述，本发明实施例中的光传感器具有形成于外延层中的散射结构。散射结构包括至少一个圆环图案和穿过圆环图案的纵贯图案。具有复杂图案的散射结构有助于散射入射光，从而延长在外延层中传播的光的传播路径(光路长度)，从而提高量子效率并提高光传感器的灵敏度。
对于本领域的技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以对所公开的实施例进行各种修改和变化。鉴于前述内容，本发明旨在涵盖修改和变化，只要它们落入所附的权利要求及其等价物的范围内。
Claims (20)
1.一种光传感器，包括：
感测结构，包括：
外延层，有受照表面和非受照表面；
深沟槽隔离，位于所述外延层的边缘；
散射结构，嵌入所述外延层中并从所述受照表面向内延伸，其中所述散射结构包括第一圆环图案和周边图案，其中所述深沟槽隔离围绕所述散射结构，所述周边图案与所述深沟槽隔离相连，所述第一圆环图案与所述周边图案以及所述深沟槽隔离分开；和
微透镜，设置在所述感测结构上，其中所述外延层的所述受照表面比所述非受照表面更接近所述微透镜。
2.根据权利要求1所述的光传感器，其中所述散射结构的材料不同于所述外延层。
3.根据权利要求1所述的光传感器，其中所述散射结构具有锥形侧壁。
4.根据权利要求1所述的光传感器，其中所述深沟槽隔离的深度不小于所述散射结构的深度。
5.根据权利要求1所述的光传感器，其中所述散射结构还包括第二圆环图案，其中所述第一圆环图案和所述第二圆环图案的中心点相同，并且所述第一圆环图案的半径不同于所述第二圆环图案的半径。
6.根据权利要求1所述的光传感器，其中所述散射结构还包括沿横穿所述第一圆环图案方向延伸的纵贯图案，并且所述纵贯图案延伸穿过所述第一圆环图案的中心点。
7.根据权利要求6所述的光传感器，其中所述周边图案位于所述纵贯图案的末端处。
8.根据权利要求6所述的光传感器，其中所述纵贯图案沿与所述感测结构的侧边缘基本平行的方向延伸。
9.根据权利要求6所述的光传感器，其中所述纵贯图案沿着与所述感测结构的对角线基本平行的方向延伸。
10.根据权利要求6所述的光传感器，其中所述纵贯图案中的末端连接到所述深沟槽隔离。
11.根据权利要求1所述的光传感器，其中所述外延层包括第一掺杂区以及与所述第一掺杂区横向隔开一间隙的第二掺杂区。
12.根据权利要求11所述的光传感器，其中所述感测结构还包括栅极结构和浮置扩散接点，所述栅极结构设置在所述外延层上，对应所述第一掺杂区和所述第二掺杂区之间的所述间隙，所述浮置扩散接点设置在所述外延层上，与所述第二掺杂区接触。
13.根据权利要求12所述的光传感器，还包括内连线结构，其中所述内连线结构电连接到所述栅极结构和所述浮置扩散接点。
14.根据权利要求12所述的光传感器，其中所述第一掺杂区和所述第二掺杂区被布置在所述外延层的所述非受照表面附近。
15.根据权利要求12所述的光传感器，其中所述第一掺杂区和所述第二掺杂区设置在所述外延层的所述受照表面附近。
16.根据权利要求15所述的光传感器，其中所述散射结构嵌入在所述第一掺杂区中。
17.根据权利要求11所述的光传感器，其中所述第一掺杂区包括第一掺杂层和在所述第一掺杂层之上的第二掺杂层，并且所述第一掺杂层的掺杂剂类型和所述第二掺杂层的掺杂剂类型不同。
18.根据权利要求17所述的光传感器，其中所述第二掺杂区的掺杂剂类型与所述第一掺杂层的掺杂剂类型相同。
19.根据权利要求1所述的光传感器，还包括设置在所述微透镜和所述感测结构之间的光学层。
20.根据权利要求1所述的光传感器，其中所述散射结构的顶部与所述外延层的顶部共面。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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