CN118156340A - 光感测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供光感测装置。光感测装置包括半导体基板、隔离部件、第一掺杂区、第二掺杂区以及第三掺杂区。半导体基板具有第一导电类型。半导体基板包括感测区以及围绕感测区的隔离区。第一掺杂区位于感测区中。第一掺杂区具有第二导电类型。第二掺杂区位于感测区中，且位于第一掺杂区上方。第二掺杂区具有第二导电类型。第三掺杂区位于感测区中，且位于第二掺杂区上。第三掺杂区具有第一导电类型。在剖面图中，第一掺杂区具有第一长度，第二掺杂区具有第二长度，第二长度与第一长度的第一比值大于0且小于1。本发明可改善光学感测器的暗电流的问题。
Description
技术领域
本发明是关于光感测装置，特别是关于光学感测器。
背景技术
光学感测器(例如影像感测器)是用于将聚焦在光学感测器上的光学影像转换为电子信号。光学感测器通常包含数组像素，其中像素包括例如光电二极管的光检测元件，并借由光检测元件的配置以产生相应于光检测元件上的光照射(light impinging)强度的电子信号。所产生的电子信号可进一步通过信号处理电路来处理，以呈现光学影像的信息。
现今，应用于智能手机中的光学感测器(包括接收可见光的环境光源感测器(Ambient Light Sensor，ALS)以及接收红外光的距离感测器(Proximity Sensor，PS)的制造技术已不断地快速发展，以提升手机的电池使用时间。然而，光学感测器的暗电流问题仍需进一步改善。
发明内容
本发明一些实施例提供一种光感测装置。光感测装置包括半导体基板、隔离部件、第一掺杂区、第二掺杂区以及第三掺杂区。半导体基板具有第一导电类型，其中半导体基板包括感测区以及围绕感测区的隔离区。第一掺杂区位于感测区中，其中第一掺杂区具有第二导电类型。第二掺杂区位于感测区中，且位于第一掺杂区上方，其中第二掺杂区具有第二导电类型。第三掺杂区位于感测区中，且位于第二掺杂区上，其中第三掺杂区具有第一导电类型，其中在剖面图中，第一掺杂区具有第一长度，第二掺杂区具有第二长度，其中第二长度与第一长度的第一比值大于0且小于1。
附图说明
当与所附图式一起阅读时，从以下详细描述中可以更加理解本发明实施例的观点。应注意的是，依据在业界的标准做法，各种特征并未按照比例绘制且仅用以说明例示。事实上，可任意地放大或缩小元件的尺寸，以清楚地表现出本发明实施例的特征。
图1为本发明一些实施例的光感测装置的俯视示意图。
图2为本发明一些实施例的沿图1的光感测装置的A-A’切线的剖面示意图。
图3为本发明一些实施例的沿图1的光感测装置的B-B’切线的剖面示意图。
图4为本发明一些实施例的沿图1的光感测装置的C-C’切线的剖面示意图。
附图标号：
100,110:方向
200:半导体基板
201:顶面
204:隔离部件
204B,210B,212B,214B,220B,222B:底面
206:第四掺杂区
210:第一掺杂区
210T:顶面
210A,212A:俯视图面积
212:第二掺杂区
214:第三掺杂区
218:第一重掺杂区
219:第二重掺杂区
220:第一阱
222:第二阱
224:第三阱
226:硅化物遮蔽层
230:接触插塞
250,250-1,250-2:感测区
252:隔离区
254:保护环区
500:光感测装置
D1:第一深度
D2:第二深度
D3:第三深度
D4:第四深度
E1-1,E1-2,E1-3:第一延伸长度
E2:第二延伸长度
L1:第一长度
L2-1,L2-2,L2-3:第二长度
L3:第三长度
OS1:第一光学感测器
OS2:第二光学感测器
A-A’,B-B’,C-C’:切线
具体实施方式
以下参照本发明实施例的图式以更全面地阐述本揭露。然而，本揭露亦可以各种不同的实施方式实现，而不应限于本文中所述的实施例。图式中的层与区域的厚度可能会为了清楚起见而放大，并且在各图式中相同或相似的参考号码表示相同或相似的元件。
以下提供了各种不同的实施例或范例，用于实施所提供的半导体结构的不同元件。叙述中若提及第一部件形成于第二部件之上，可能包含形成第一和第二部件直接接触的实施例，也可能包含额外的部件形成于第一和第二部件之间，使得第一和第二部件不直接接触的实施例。另外，本发明实施例可能在许多范例中使用重复的元件符号。这些重复仅是为了简化和清楚的目的，而非代表所讨论各种实施例及/或配置之间有特定的关系。
图1为本发明一些实施例的光感测装置500的俯视示意图。图2、图3、图4分别为本发明一些实施例的沿实质平行于图1的光感测装置500的方向100的A-A’、B-B’、C-C’切线的剖面示意图。为了说明，图1仅显示部分部件，其余部件可见于图2、图3、图4的剖面示意图。在一些实施例中，光感测装置500包括半导体基板200、隔离部件204、第一掺杂区210、第二掺杂区212、第三掺杂区214、第一阱220以及第二阱222。
在一些实施例中，半导体基板200包括元素半导体，例如硅(Si)、锗(Ge)等；化合物半导体，例如氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、磷化铟(InP)、砷化铟(InAs)、锑化铟(InSb)等；合金半导体，例如硅锗合金(SiGe)、磷砷镓合金(GaAsP)、砷铝铟合金(AlInAs)、砷铝镓合金(AlGaAs)、砷铟镓合金(GaInAs)、磷铟镓合金(GaInP)、磷砷铟镓合金(GaInAsP)、或上述材料的组合。此外，半导体基板200也可包括绝缘层上覆半导体(semiconductor on insulator，SOI)。在一些实施例中，半导体基板200的导电类型可依设计需要为P型或N型。在本实施例中，半导体基板200可掺杂掺质而具有第一导电类型，例如可为P型，上述掺质例如硼、铝、镓、铟、三氟化硼离子(BF3 +)、或上述的组合，掺杂浓度在约1E14atoms/cm2至约1E15atoms/cm2之间。在一些实施例中，半导体基板200包括感测区250(包括相邻的感测区250-1、250-2)、围绕感测区250的隔离区252以及围绕隔离区252的保护环区254。
光感测装置500具有多个隔离部件204，从半导体基板200的顶面201延伸至部分半导体基板200中。隔离部件204用以定义感测区250、隔离区252以及保护环区254。如图1～图4所示，隔离部件204位于感测区250和隔离区252之间，以及隔离区252和保护环区254之间。此外，隔离部件204也可设置于相邻的感测区250-1、250-2之间。在一些实施例中，隔离部件204例如由氧化硅(SiO)、氮化硅(SiN)、氮氧化硅(SiON)、及/或上述的组合形成的。在一些实施例中，使用图案化工艺及后续的沉积工艺和平坦化工艺形成隔离部件204。
如图1～图4所示，第一掺杂区210位于感测区250-1、250-2中的半导体基板200的顶面201的下方，且位于感测区250-1、250-2之间的隔离部件204以及感测区250与隔离区252之间的隔离部件204之间。第一掺杂区210具有顶面210T和底面210B，且浅沟槽隔离结构204的底面204B位于第一掺杂区210的底面210B上方。如图2～图4的剖面图所示，第一掺杂区210沿方向100(实质平行于半导体基板200的顶面201的方向)具有相同的第一长度L1，且沿方向110(实质垂直于半导体基板200的顶面201的方向)具有第一深度D1(即第一掺杂区210的底面210B与半导体基板200的顶面201之间的距离)。第一掺杂区210并未连接至与其接近的浅沟槽隔离结构204。换句话说，第一掺杂区210的第一长度L1可小于感测区250-1、250-2中相邻浅沟槽隔离结构204之间的距离(图未显示)。在一些实施例中，第一掺杂区210具有与第一导电类型相反的第二导电类型。举例来说，半导体基板200例如为P型半导体基板时，第一掺杂区210例如为N型深掺杂区。在一些实施例中，第一掺杂区210的掺杂浓度在约1E15atoms/cm2至约1E17atoms/cm2之间。
第二掺杂区212位于感测区250-1、250-2中的半导体基板200的顶面201的下方，且位于第一掺杂区210上方。相较于第一掺杂区210，第二掺杂区212接近于半导体基板200的顶面201。如图2所示，第二掺杂区212与第一掺杂区210彼此分离。换句话说，第二掺杂区212不相邻第一掺杂区210，且与第一掺杂区210之间不存在一界面。如图1的俯视图所示，第二掺杂区212的俯视图面积(垂直投影面积)212A可小于第一掺杂区210的俯视图面积210A。举例来说，俯视图面积212A可小于俯视图面积210A的二分之一。另外，第一掺杂区210在俯视方向(垂直于图1纸面方向(意即垂直半导体基板200方向)且平行于图2～图4的方向110)方向上具有第一投影(与俯视图面积210A的形状相同)，第二掺杂区212在俯视方向上具有第二投影(与俯视图面积212A的形状相同)，且第二投影完全位于第一投影内。并且，第一掺杂区210和第二掺杂区212可具有不相似的俯视图形状(意即第一投影和第二投影可具有不相似的形状)。在图2～图4的剖面图中，第二掺杂区212沿方向100可具有不同的第二长度，例如第二长度L2-1、L2-2、L2-3，而第一掺杂区210均具有相同的第一长度L1。并且，第二长度L2-1、L2-2、L2-3均可小于第一长度L1。在一些实施例中，第二长度L2-1、L2-2、L2-3与第一长度L1的比值大于0且小于1。此外，第二掺杂区212沿方向110具有第二深度D2(即第二掺杂区212的底面210B与半导体基板200的顶面201相隔的距离)。第二深度D2可小于第一深度D1。在一些实施例中，第二掺杂区212具有第二导电类型。举例来说，半导体基板200例如为P型半导体基板时，第二掺杂区212例如为N型浅掺杂区。在一些实施例中，第二掺杂区212的掺杂浓度在约1E15atoms/cm2至约1E17atoms/cm2之间。
第三掺杂区214位于感测区250-1、250-2中，且位于第二掺杂区212上。如图2所示，第三掺杂区214邻近半导体基板200的顶面201，例如可从半导体基板200的顶面201延伸至部分半导体基板200中，且第二掺杂区212邻接第三掺杂区214的底面214B。此外，第三掺杂区214延伸至感测区250-1、250-2之间的隔离部件204以及感测区250与隔离区252之间的隔离部件204。在图2～图4的剖面图中，第三掺杂区214沿方向100具有第三长度L3，且沿方向110具有第三深度D3(即第三掺杂区214的底面214B与半导体基板200的顶面201相隔的距离)。第三长度L3可大于第二长度L2-1且小于第一长度L1，且第三深度D3可小于第二深度D2。在一些实施例中，第二长度L2-1与第三长度L3的比值大于第二长度L2-1与第一长度L1的比值且小于1。在一些实施例中，第三掺杂区214具有第一导电类型。举例来说，半导体基板200例如为P型半导体基板时，第三掺杂区214例如为P型浅掺杂区。在一些实施例中，第三掺杂区214的掺杂浓度在约1E15atoms/cm2至约1E17atoms/cm2之间。
在一些实施例中，借由半导体基板200、第一掺杂区210、第二掺杂区212、以及第三掺杂区214的导电类型、掺杂浓度与深度的配置，可形成多个位于半导体基板200的感测区250中的不同深度的P-N结(P-N junction)，例如半导体基板200与第一掺杂区210形成的P-N结、半导体基板200与第二掺杂区212形成的P-N结、以及第二掺杂区212与第三掺杂区214形成的P-N结。
由于半导体基板200对于不同波长的入射光具有不同的吸收深度，例如长波长的不可见光(波长大于700纳米(nanometer，nm))相较于可见光(波长在约400至700纳米的范围)可射入半导体基板200的深度较深，因而可借由上述配置调整多个P-N结的深度来对应不同波长范围的入射光，并在不同的深度的P-N结转换为电子与空穴，进而产生电流信号。值得注意的是，本发明实施例所包含的P-N结的深度与数量可依据产品设计进行调整，并不以此为限。在一些实施例中，第三掺杂区214、第二掺杂区212以及第二掺杂区212和第一掺杂区210之间的部分半导体基板形成第一光学感测器OS1。另外，第二掺杂区212和第一掺杂区210之间的部分半导体基板200、第一掺杂区210以及第一掺杂区210下方的另一部分半导体基板200形成第二光学感测器OS2。举例来说，第一光学感测器OS1可为接收可见光的环境光源感测器(Ambient Light Sensor，ALS)，而第二光学感测器OS2可为接收波长约为940nm的红外光的距离感测器(Proximity Sensor，PS)。由于第二掺杂区212的俯视图面积212A和第二长度L2-1、L2-2、L2-3小于第一掺杂区210的俯视图面积210A和第一长度L1，可在维持接收可见光的第一光学感测器OS1的光敏感度(light sensitivity)的条件下降低第一光学感测器OS1的光线吸收面积，进一步抑制第一光学感测器OS1的暗电流(dark current)。
如图2～图4所示，光感测装置500更包括第四掺杂区206。第四掺杂区206包围感测区250-1、250-2和隔离区252之间的隔离部件204和感测区250-1、250-2之间的隔离部件204的侧面(图未显示)和底面204B。第四掺杂区206用以进一步增强围绕感测区250-1、250-2的隔离部件204的暗电流隔绝能力。在一些实施例中，第四掺杂区206具有第二导电类型。举例来说，半导体基板200例如为P型半导体基板时，第四掺杂区206例如为P型掺杂区。在一些实施例中，第四掺杂区206的掺杂浓度在约1E17atoms/cm2至约1E18atoms/cm2之间。
如图1～图4所示，光感测装置500更包括第一阱220。第一阱220位于隔离区252以及部分感测区250-1、250-2中，且围绕第二掺杂区212。并且，第一阱220包围感测区250-1、250-2和隔离区252之间的隔离部件204和感测区250-1、250-2之间的隔离部件204的侧面(图未显示)和底面204B。此外，第一阱220包围第四掺杂区206。在图2～图4的剖面图中，在感测区250-1、250-2中的第一阱220沿方向100可具有不同的第一延伸长度，例如第一延伸长度E1-1、E1-2、E1-3。在一些实施例中，第一阱220与第一掺杂区210部分重叠，且与第二掺杂区212完全不重叠。并且，第一阱220的底面220B位于第一掺杂区210的顶面210T和底面210B之间。此外，浅沟槽隔离结构204的底面204B位于第一阱220的底面220B上方。在一些实施例中，第一阱220具有第一导电类型。举例来说，半导体基板200例如为P型半导体基板时，第一阱220例如为P型阱。并且，第一阱220的掺杂浓度大于半导体基板200的掺杂浓度。因此，位于隔离区252中的第一阱220可用以将感测区250与外部区域电性隔绝，延伸至部分感测区250-1、250-2中的第一阱220可用以抑制为接收可见光的第一光学感测器OS1和接收波长约为940nm的红外光的第二光学感测器OS2的暗电流。在一些实施例中，第一阱220的掺杂浓度在约1E17atoms/cm2至约1E18atoms/cm2之间。
如图1～图4所示，光感测装置500更包括第二阱222。第二阱222位于保护环区254中。第二阱222的底面222B位于浅沟槽隔离结构204的底面204B下方，且可与第一阱220的底面220B齐平。第二阱222用以避免外部电路信号干扰感测区250-1、250-2中的第一光学感测器OS1和第二光学感测器OS2。在一些实施例中，第二阱222具有第二导电类型。举例来说，半导体基板200例如为P型半导体基板时，第二阱222例如为N型阱。在一些实施例中，第二阱222的掺杂浓度在约1E17atoms/cm2至约1E18atoms/cm2之间。
如图1～图4所示，光感测装置500更包括第三阱224。第三阱224位于感测区250-1、250-2和隔离区252之间的隔离部件204的下方，且位于感测区250-1、250-2之间的隔离部件204的下方。并且，第三阱224邻接第一阱220的底面220B。第三阱224从感测区250-1、250-2和隔离区252之间的隔离部件204的正下方以及从感测区250-1、250-2之间的隔离部件204的正下方延伸至部分感测区250-1、250-2中。在图2～图4的剖面图中，在感测区250-1、250-2中的第三阱224沿实质平行于半导体基板200的顶面201的方向可具有相同的第二延伸长度E2。在一些实施例中，第一延伸长度E1-1、E1-2、E1-3均大于第二延伸长度E2。第三阱224的导电类型可与第一阱220相同，可用以增加隔离区252的电性隔绝效能。在一些实施例中，第三阱224具有第一导电类型。举例来说，半导体基板200例如为P型半导体基板时，第三阱224例如为P型深阱。在一些实施例中，第三阱224的掺杂浓度可小于第一阱220的掺杂浓度，且第三阱224的掺杂浓度在约1E16atoms/cm2至约1E17atoms/cm2之间。
如图1～图3所示，光感测装置500更包括第一重掺杂区218和第二重掺杂区219。第一重掺杂区218和第二重掺杂区219邻近半导体基板200的顶面201，例如可从半导体基板200的顶面201延伸至部分半导体基板200中。在一些实施例中，第一重掺杂区218位于隔离区252中的第一阱220上。第二重掺杂区219位于感测区250-1、250-2中的第三掺杂区214上以及保护环区254中的第二阱222上。在图2～图4的剖面图中，第一重掺杂区218和第二重掺杂区219沿方向110具有第四深度D4(即第一重掺杂区218和第二重掺杂区219的底面(图未显示)与半导体基板200的顶面201相隔的距离)，且第四深度D4可小于第三深度D3。在一些实施例中，第一重掺杂区218具有第一导电类型，且第二重掺杂区219具有第二导电类型。举例来说，半导体基板200例如为P型半导体基板时，第一重掺杂区218例如为P型重掺杂区(P+)，且第二重掺杂区219例如为N型重掺杂区(N+)。例如为P型重掺杂区(P+)。在一些实施例中，第一重掺杂区218和第二重掺杂区219的掺杂浓度在约1E20atoms/cm2至约1E21atoms/cm2之间。
在一些实施例中，可利用多道离子植入及/或扩散工艺，于半导体基板200中分别植入具有第一导电类型和第二导电类型的掺质以形成第一掺杂区210、第二掺杂区212、第三掺杂区214、第一阱220、第二阱222、第三阱224、第一重掺杂区218以及第二重掺杂区219。在一些实施例中，第一导电类型的掺质例如P型掺质，其可包括硼、镓、铝、铟、三氟化硼离子(BF3 +)、或上述的组合。在一些实施例中，第二导电类型的掺质例如为N型掺质，其可包括磷、砷、氮、锑、或上述的组合。
如图1～图4所示，光感测装置500更包括硅化物遮蔽层(silicide block layer)226。硅化物遮蔽层226位于感测区250-1、250-2中，且覆盖部分半导体基板200的顶面，以使感测区250-1、250-2中的部分第二重掺杂区219暴露出来。硅化物遮蔽层226是用于遮蔽禁止形成硅化物的区域，防止硅化工艺于上述区域形成硅化物，以维持上述区域的电性。
如图1～图3所示，光感测装置500更包括接触插塞230。接触插塞230位于感测区250-1、250-2、隔离区252以及保护环区254的半导体基板200的顶面201上。感测区250-1、250-2中的接触插塞230电连接未被硅化物遮蔽层226覆盖的第二重掺杂区219，以检测入射光在感测区250-1、250-2中所产生的电流信号。隔离区252中的接触插塞230电连接第一阱220上的第一重掺杂区218，以利于外部电路根据不同操作条件对隔离区252中的第一阱220施加电压。另外，保护环区254中的接触插塞230电连接第二阱222上的第二重掺杂区219，以利于外部电路根据不同操作条件对保护环区254中的第二阱222施加电压。
本发明实施例提供一种光感测装置，例如应用于智慧型手机中的光学感测器(包括接收可见光的环境光源感测器(ALS)和接收红外光的距离感测器(PS))，借由缩小用于可见光感测器中的N型掺杂区的横向尺寸，以可在维持可见光敏感度的条件下降低可见光吸收区域的面积，并将位于隔离区中的P型阱延伸覆盖部分感测区且围绕上述可见光感测器中的N型掺杂区，可改善光学感测器的暗电流的问题。
虽然本发明以前述的实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰。因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。
Claims (15)
1.一种光感测装置，其特征在于，包括：
一半导体基板，具有一第一导电类型，其中该半导体基板包括一感测区以及围绕该感测区的一隔离区；
一第一掺杂区，位于该感测区中，其中该第一掺杂区具有一第二导电类型；
一第二掺杂区，位于该感测区中，且位于该第一掺杂区上方，其中该第二掺杂区具有该第二导电类型；以及
一第三掺杂区，位于该感测区中，且位于该第二掺杂区上，其中该第三掺杂区具有该第一导电类型，其中在一剖面图中，该第一掺杂区具有一第一长度，该第二掺杂区具有一第二长度，其中该第二长度与该第一长度的一第一比值大于0且小于1。
2.如权利要求1所述的光感测装置，其特征在于，在该剖面图中，该第三掺杂区具有一第三长度，其中该第二长度与该第三长度的一第二比值大于该第一比值且小于1。
3.如权利要求1所述的光感测装置，其特征在于，该第一掺杂区在一垂直该半导体基板方向上具有一第一投影，该第二掺杂区在该垂直该半导体基板方向上具有一第二投影，且该第二投影位于该第一投影内。
4.如权利要求3所述的光感测装置，其特征在于，该第一投影和该第二投影具有不相似的形状。
5.如权利要求1所述的光感测装置，其特征在于，该第三掺杂区从该半导体基板的一顶面延伸至该半导体基板中，该第二掺杂区邻接该第三掺杂区的一底面且与该第一掺杂区彼此分离。
6.如权利要求5所述的光感测装置，其特征在于，该第三掺杂区、该第二掺杂区以及该第二掺杂区和该第一掺杂区之间的部分该半导体基板形成一第一光学感测器。
7.如权利要求5所述的光感测装置，其特征在于，该第二掺杂区和该第一掺杂区之间的部分该半导体基板、该第一掺杂区以及该第一掺杂区下方的部分该半导体基板形成一第二光学感测器。
8.如权利要求1所述的光感测装置，其特征在于，更包括：
一第一阱，位于该隔离区和部分该感测区中，其中该第一阱具有该第一导电类型，其中该第一阱与该第一掺杂区部分重叠。
9.如权利要求8所述的光感测装置，其特征在于，该第一阱与该第二掺杂区完全不重叠。
10.如权利要求8所述的光感测装置，其特征在于，该第一阱的一底面位于该第一掺杂区的一顶面和一底面之间。
11.如权利要求8所述的光感测装置，其特征在于，该半导体基板包括围绕该隔离区的一保护环区，且其中该光感测装置更包括：
一第二阱，位于该保护环区中，其中该第二阱具有该第二导电类型。
12.如权利要求11所述的光感测装置，其特征在于，更包括：
多个隔离部件，从该半导体基板的一顶面延伸至该半导体基板中，且位于该感测区和该隔离区之间以及该隔离区和该保护环区之间，其中所述多个隔离部件的一底面位于该第一掺杂区的一底面、该第一阱的一底面和该第二阱的一底面上方。
13.如权利要求12所述的光感测装置，其特征在于，更包括：
一第三阱，位于该隔离区和部分该感测区中，且邻接该第一阱的该底面，其中该第三阱具有该第一导电类型。
14.如权利要求13所述的光感测装置，其特征在于，在该剖面图中，该第一阱在该感测区中具有一第一延伸长度，该第三阱在该感测区中具有一第二延伸长度，该第一延伸长度大于该第二延伸长度。
15.如权利要求8所述的光感测装置，其特征在于，更包括：
一第一重掺杂区，位于该隔离区中的该第一阱上，其中该第一重掺杂区具有该第一导电类型；以及
一第二重掺杂区，位于该感测区中的该第三掺杂区上，其中该第二重掺杂区具有该第二导电类型。
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