TW201607051A - 光學感測器及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本揭露的一些實施例係提供一種光學感測器。光學感測器包含半導體基板。光感測區係在半導體基板上。導波區係用於從波入射部將光引導經過導波部以及至樣品置放部。導波部包含第一介電層，其包含第一折射率。第二介電層包含第二折射率。第二折射率係小於第一折射率。第一互連部係位在導波部中，用於從光感測區將電子信號傳送至外部電路。樣品置放部係在光感測區上方。

Description

光學感測器及其製造方法
本揭露係關於光學感測器及其製造方法。
光學感測器廣泛適用於不同的應用與產品中，例如攝影機、掃描器、複印機等。在不同技術領域中因應不同目的而設計所使用的光學感測器。
為了改良光學感測器的效能與縮小尺寸，使用不同的光學感測器之設計。評估效能的方式之一係量測光學感測器的量子效率。量子效率係光感測器產生之電荷載體數目與入射於光感測器上之光子數目的比例。其為光學感測器對於光的電子敏感性之量測。
本揭露的一些實施例係提供一種光學感測器，其包括半導體基板；光感測區，其係在該半導體基板上；導波區，其係用於從波入射部將光引導經過導波部以及至樣品置放部，以及該導波部係包括第一介電層，其包括第一折射率；以及第二介電層，其包括第二折射率，其中該第二折射率係小於該第一折射率；以及第一互連部，其係位在該導波部中，用於從該光感測區傳送電子信號至外部電路，其中該樣品置放部係在該光感測區上方。
本揭露的一些實施例係提供一種半導體裝置，其包括半導體基板；介電層，其係在該半導體基板上方；反射結構，其係 在該介電層中；導波區，其係用於從波入射部將光引導經過導波部以及至樣品置放部，以及該導波部係包括該介電層與該反射結構；以及光感測區，其係在該半導體基板上方，以及該導波區係位在該光感測區上方。
8、81、82、83‧‧‧光
10‧‧‧光學感測器基體
11‧‧‧孔
20‧‧‧波入射部
21‧‧‧光柵結構
22‧‧‧連接點
23‧‧‧樣品置放部
25、25’‧‧‧通路結構
26‧‧‧開口槽
27、28、28’‧‧‧介電層
29、29’‧‧‧傳導層
30‧‧‧濾光層
31‧‧‧阻抗
50‧‧‧半導體基板
51‧‧‧磊晶區
52‧‧‧隔離區
53‧‧‧源極結構
53‧‧‧源極區
54‧‧‧汲極結構
54‧‧‧汲極區
55‧‧‧光感測區
56‧‧‧閘極介電
57‧‧‧閘極電極
58‧‧‧閘極結構
59‧‧‧電晶體
70‧‧‧介電層
71‧‧‧接點
72‧‧‧金屬線
73‧‧‧互連區
75‧‧‧層間介電(ILD)層
200‧‧‧導波區
210‧‧‧介面
211‧‧‧開口槽
213‧‧‧凹處
231‧‧‧樣品
251‧‧‧開口槽
257‧‧‧通路結構
259‧‧‧多層結構
278‧‧‧導波部
281‧‧‧介電柱
283‧‧‧鈍化層
291‧‧‧傳導層
551、559、558、533‧‧‧重摻雜區
552、553、554、555、557‧‧‧區
561‧‧‧閘極介電層
571‧‧‧閘極電極層
731‧‧‧互連區
S29‧‧‧表面
S27‧‧‧介面
S25‧‧‧介面
S23‧‧‧表面
S51‧‧‧表面
由以下詳細說明與附隨圖式得以最佳了解本揭露之各方面。注意，根據產業之標準實施方式，各種特徵並非依比例繪示。實際上，為了清楚討論，可任意增大或縮小各種特徵的尺寸。
圖1係根據本揭露的一些實施例說明導波區的俯視圖。
圖2係根據本揭露的一些實施例說明波入射部的俯視圖。
圖3與圖4係根據本揭露的一些實施例說明波入射部的剖面圖。
圖5係根據本揭露的一些實施例說明波入射部的俯視圖。
圖6與圖7係根據本揭露的一些實施例說明波入射部的剖面圖。
圖8至13係根據一些實施例說明導波區的剖面圖。
圖14至16係根據本揭露的一些實施例說明半導體裝置的剖面圖。
圖17至44係根據本揭露的一些實施例說明用於製造半導體裝置之方法的操作剖面圖。
以下揭示內容提供許多不同的實施例或範例，用於實施本申請案之不同特徵。元件與配置的特定範例之描述如下，以簡 化本申請案之揭示內容。當然，這些僅為範例，並非用於限制本申請案。例如，以下描述在第二特徵上或上方形成第一特徵可包含形成直接接觸的第一與第二特徵之實施例，亦可包含在該第一與第二特徵之間形成其他特徵的實施例，因而該第一與第二特徵並非直接接觸。此外，本申請案可在不同範例中重複元件符號與/或字母。此重複係為了簡化與清楚之目的，而非支配不同實施例與/或所討論架構之間的關係。
再者，本申請案可使用空間對應語詞，例如「之下」、「低於」、「較低」、「高於」、「較高」等類似語詞之簡單說明，以描述圖式中一元件或特徵與另一元件或特徵的關係。空間對應語詞係用以包括除了圖式中描述的位向之外，裝置於使用或操作中之不同位向。裝置或可被定位(旋轉90度或是其他位向)，並且可相應解釋本申請案使用的空間對應描述。
圖1係根據一些實施例說明導波區200的俯視圖。導波區200包含多層。導波區200包含波入射部20與光學感測器基體10。波可以是像光8的光波。波入射部20包含光柵結構21與連接點22。在一些實施例中，波入射部20可為梯形。光學感測器基體10包含孔11與樣品置放部23。本文所指之孔係在樣品置放部23下方的透明路徑，使得從樣品發射的光可穿過其中。
在一些實施例中，波入射部20係用於接收光8。在一些實施例中，光柵結構21包含用將光8導引至光學感測器基體10的光柵，該光例如雷射光。光8自波入射部20擴展至光學感測器基體10。光8從光柵結構21傳播至光學感測器基體10的各個樣品置放部23。光8照在樣品置放部23中的樣品231上。樣品231發出特定波長的光至孔11。樣品置放部23亦用於握持需要分析的樣本231。
在一些實施例中，介電層或金屬層環繞樣品置放部23。介 電層對於來自雷射源的光8係透明的。介電層對於樣品231發射的光係透明的。特定波長的光8可穿透光柵結構21的介電層。光柵結構21係由光學透明材料所組成，例如介電材料。光柵結構21包含具有特定折射率的材料。特定折射率可依光8之不同的預定光學特性而變化。連接點22係由傳導材料所組成，例如鋁、銅、氮化鈦、鎢、鈦、鉭、氮化鉭、矽化鎳、矽化鈷、TaC、TaSiN、TaCN、TiAl、TiAlN、其他合適的材料與/或其組合。在一些實施例中，連接點22係為一接觸連接點，其提供連接電訊號至其他半導體組件，例如電子裝置。
在一些實施例中，波入射部20的最頂層係由反射層組成，例如金屬。在一些其他的實施例中，波入射部20的最頂層係由透明層組成，例如介電層。樣品置放部23係透明層中的開口槽。在一些實施例中，孔11係在反射層。反射層係在透明層下方。反射層係在樣品置放部23之下。
波入射部20包含光柵結構21，其接近於梯形的較短側。光柵結構21的光柵係接近波入射部20的中心線而呈對稱圖案。在一些實施例中，光柵的每一行列之間隔均勻。光柵結構21的光柵之行列係與介面210平行。中心線係垂直於介面210。剖面線AA’將波入射部20與光學感測器基體10平均切割。
波入射部20包含接近介面210的連接點22。在一些實施例中，連接點22係位在光柵結構21與光學感測器基體10之間，因而連接點22較接近介面210。在一些其他實施例中，光柵結構21係在連接點22與光學感測器基體10之間，因而光柵結構21係較接近介面210。
光學感測器基體10包含樣品置放部23，其對準光柵結構21。樣品置放部23係排成一排對準中心線。在一些實施例中，樣品置放部23係對稱位於中心線的任一側。
樣品置放部23包含開口槽，用於置放樣本於樣品置放部23 中。開口槽係與孔11重疊。在一些實施例中，樣品置放部23係對稱位於孔11內部。開口槽的形狀可為任何合適的形狀，例如圓形或正方形。孔11的形狀可為任何合適的形狀，例如圓形或正方形。在一些實施例中，孔11的面積係大於樣品置放部23之開口槽的面積。
圖2係根據一些實施例說明波入射部20的俯視圖。波入射部20係包含介電層28上方的傳導層29。傳導層29包含開口槽26。光8入射在開口槽26的光柵結構21上，穿透開口槽26，並且向下移動至介電層28。光8從開口槽26至介面210在通路結構25之間的波入射部20中移動。注意，通路結構25可由電傳導材料所組成，並且作為導波區中的電互連。介面210係在圖1的波入射部20與光學感測器基體10之間。在一些實施例中，介面210包含介電層中的通路。傳導層29與通路結構25係由反射材料組成，用以限制波入射部20內的光8。
傳導層29或通路結構25係由傳導材料組成，例如鋁、銅、氮化鈦、鎢、鈦、鉭、氮化鉭、矽化鎳、矽化鈷、TaC、TaSiN、TaCN、TiAl、TiAlN、其他合適的材料、與/或其組合。傳導層29或通路結構25係由高反射材料組成，引導光8分散朝向介面210。
在一些實施例中，開口槽26係在光柵結構21上方，如圖2所示。通路結構25係分布在整個波入射部20。可依設計考量而變化通路結構25的尺寸與佈局。每一通路結構25係根據波入射部20內之不同的電路設計而位在波入射部20中。通路結構25係分布在波入射部20中，使得光8以合適的效率從開口槽26通過至介面210。
圖3係說明從圖2的剖面線BB’之波入射部20的剖面圖。在圖3中，光8在波入射部20內經由較低部而散射。光8自通路結構25或傳導層29反射。大部分的光8係受限於介電層27內。在一些實施例中，介電層27亦指核心層。介電層28’與傳導層29’係在介電層27之下。到達介電層28’的一些光8係從傳導層29’反射回至介電層27。在一些實施例中，介電層28或 介電層28’係指包覆層。濾光層30係在波入射部20的底部。濾光層30係在介電層28’、介電層27與傳導層29’下方。濾光層30係用於過濾雷射光，並且使得自樣品發射的光從其穿過。在一些實施例中，濾光層30可增進光學感測器之信號對雜訊之比例。
在一些實施例中，介電層27係包含第一折射率的第一介電層。介電層28係包含第二折射率的第二介電層。第二折射率係小於第一折射率。當光自具有較高折射率之第一介質移動至具有較低折射率之第二介質時，光可能自其間的介面反射總內部反射。同樣地，自介電層27移動至介電層28’的光8可能自介電層28’反射。介電層28係在介電層27上方。介電層28’係在介電層28下方。藉由介電層28與介電層28’之間的介電層27，可將光8的路徑限制在介電層27內。在一些實施例中，第一折射率係不同於第二折射率，其差別在一預定範圍內。第一折射率與第二折射率之比例係大於1。
傳導層29係在通路結構25上方。通路結構25’係在介電層27下方。通路結構25係在介電層27上方。傳導層29’係在通路結構25’下方。傳導層29係在介電層27上方。傳導層29’係在傳導層29下方。傳導層29係與介電層27的橫側相鄰。
通路結構25可位於介電層28中或是位於介電層27中。通路結構25係接觸傳導層29。通路結構25包含表面S25，其暴露至介電層27。表面S25係介電層27與通路結構25之間的介面。在一些實施例中，不同通路結構25的介面S25之面積係不同。
介面S27係在介電層27與介電層28之間。介面S27之總面積與介面S25之總面積的預定比例可為依不同應用的設計因子。在一些實施例中，預定比例係約大於10。各個表面S25係包含從通路結構25的一邊緣至相同通路結構25的另一邊緣之長度L25。介面S27的長度L27係從通路結構25的一邊緣至另一通路結構25的另一邊緣。長度L27與長度L25之間的 比例係預定的。在一些實施例中，通路結構25的表面S25之面積係實質相同。在一些實施例中，長度L27係實質相等，因而通路結構25彼此間隔相等。
圖4係圖2的剖面線A1A1’之波入射部20的剖面圖。在圖4中，經由開口槽26而來的光8向下移動到達介電層27。介電層28與介電層27上方的傳導層29係向上延伸至開口槽26，以將介電層28暴露至來自上層的光8。在一些實施例中，光8自開口槽26傳播至介面210。在一些實施例中，在介電層27上方的傳導層29係延伸至介面210，以將介電層28暴露在介面210。大部分的光8係被維持在核心層內部的介電層27內。
在一些實施例中，通路結構25的長度L25彼此不同，因而通路結構25包含表面S25之不同面積。在一些實施例中，長度L27彼此不同，因而通路結構25藉由不同的長度L27而彼此相隔。
圖5類似於圖2，差別在於圖2中，波入射部20包含在介電層28內部的通路結構25，而在圖5中，在一些實施例中，波入射部20中的介電層28不包含通路結構25。在圖5中，通路結構25係對準波入射部20的邊界。光8，例如雷射光，係經由開口槽26而進入導波區200。
圖6係說明從圖5的剖面線BB’之波入射部20的剖面圖。在圖6中，光8從介電層27上方的傳導層29或介電層27下方的傳導層29’反射。光8從介電層28之任一側的通路結構25反射。光8亦從介電層28與介電層27之間的介面S27反射。在一些實施例中，傳導層29或傳導層29’係包含表面S29，其面朝向介電層27。在圖6中，表面S29的面積與介面S27的面積係實質相同，因而表面S29的面積與介面S27的面積之比例係實質等於1。
圖7係說明從圖5的剖面線A1A1’之波入射部20的剖面圖。在到達介面210之前，接近介面210的光8係穿過開口槽251。開口槽251係通路結構25與接近介面210的通路結構25’之間的介電層27之一部分。在一些實施例中，當穿過開口槽251時，光8係分散或繞射。在圖5中，由於開 口槽251係在傳導層29或通路結構25之下，因而以虛線表示開口槽251。
開口槽251的厚度係實質等於介電層27之厚度H27。開口槽251的長度係實質等於開口槽251上方之通路結構25的長度L25。
介電層27上方的傳導層29係向上延伸至介面210。介電層27下方的傳導層29’亦向上延伸至介面210。在穿透開口槽251之前，藉由介面S27或傳導層29，將大部分的光8限制在介電層27中。濾光層30係在波入射部20的底部。濾光層30係在介電層28’、介電層27以及傳導層29’下方。
圖8係根據一些實施例說明導波區200的剖面圖。在圖8中，導波區200包含波入射部20、導波部278以及樣品置放部23。
傳過波入射部20的光柵結構21之光8係穿過導波部278內部的介電層28或介電層27，並且到達樣品置放部23。光8照射在樣品置放部23中的樣品231上。光8從光柵結構21傳播至各個樣品置放部23。受到光8照射的樣品231再發出特定波長的光至孔11。在一些實施例中，從樣本或樣品發出光81。在一些實施例中，光81與光8具有一些不同的光學特性，例如波長、極性或強度。光81穿過孔11以及穿過濾光層30。濾光層30防止光8進入下方區域，光8例如來自雷射源的雷射。濾光層30使得從樣品231發出的光，例如光81，穿過朝向下方區域。
在一些實施例中，介電層28上方的傳導層29係延伸接近樣品置放部23。孔11係在傳導層29’中。在一些實施例中，介電層28’下方的傳導層29’係延伸至孔11，使得光81穿過孔11。在一些實施例中，介電層28的第二折射率係小於介電層27的第一折射率。
在一些實施例中，光柵結構21包含在介電層27之頂部表面上的波浪形光柵。在一些實施例中，光柵的頂部表面係暴露至周圍環境。樣品置放部23係介電層28中的凹處。樣品置放部23的凹處係被部分的介電層28環繞，凹處暴露介電層27的下方表面S23。
圖9係說明類似於圖8的導波區200之導波區200的剖面圖， 差別在於圖9中，介電層28上方的傳導層29係延伸接近樣品置放部23。在圖9中，介電層27下方的傳導層29’係接觸介電層27。光8係從介電層27下方的傳導層29’以及從介電層28上方的傳導層29反射。
圖10係說明類似於圖9的導波區200之導波區200的剖面圖，差別在於圖10中，介電層8的表面S28係暴露至周圍環境。在一些實施例中，表面S28的總面積係實質等於介面S27的總面積。在一些實施例中，傳導層29’之表面S29的總面積係實質小於介面S27。
圖11係說明類似於圖8的導波區200之導波區200的剖面圖，差別在於圖11中，傳導層29覆蓋在介電層28的表面S28之頂部上。覆蓋介電層28的傳導層29係延伸接近樣品置放部23。樣品置放部23的凹處之頂部係被傳導層29環繞。
圖12係說明圖1的剖面線AA’之導波區200的剖面圖。圖12係說明導波區200的剖面區，其類似於圖10的導波區200，差別在於導波區200包含多層結構259。多層結構259係在介電層28上方，除了樣品置放部23所在之處以及光柵結構21所在之處。多層結構259係部分覆蓋介電層28，使得樣品置放部23與光柵結構21的光柵暴露至周圍環境。
多層結構259包含介電層28、介電層27、通路結構25以及傳導層29。通路結構25與傳導層29係彼此交錯堆疊在介電層28上的多層結構259中。
接近多層結構259的頂部係連接點22。連接點22係電連接至介電層27下方的傳導層29’。連接點22係連接穿過多層結構259中的通路結構25與傳導層29以及穿過介電層27的通路結構25。連接點22係在光柵結構21的樣品置放部23之間。連接點22上方有凹處，以供其他裝置與連接點22連接。
在一些實施例中，多層結構259係電路的互連部用於轉移電子信號。在光柵結構21與樣品置放部23之間的多層結構259係包含通路結 構25，從介電層28的表面S28延伸穿過介電層28、穿過介電層27、穿過傳導層29’、以及穿過濾光層30。多層結構259從頂部至底部包含介電層28、通路結構25、傳導層29、介電層27、傳導層29’或濾光層30。多層結構259包含受到介電層27、介電層28、傳導層29’或濾光層30環繞的通路結構25。多層結構259包含位在介電層27之頂部上的介電層28。在一些實施例中，同時形成多層結構259中且以波入射部20為邊界的通路結構25與傳導層29。波入射部20包含第一邊界與第二邊界。第一邊界係在波入射部20的左端。第二邊界係在波入射部20的右端，或是在波入射部20與樣品置放部23之間並且位在介電層28中。如圖12所示，對準波入射部20之第一邊界且位在介電層27中的通路結構25係第一反射結構。第二反射結構係對準第二邊界且位於介電層27上方。在一些實施例中，第二反射結構包含通路結構25與傳導層29的交互堆疊。第一反射結構與第二反射結構係用於阻擋光8並且將光8反射至光柵結構21。注意，反射結構係設計用於反射入射的光8，並且將其最大的光強度收集至介電層27中。在一些實施例中，反射結構可為金屬層，其係與導波區200中或導波區200外部的其他金屬電隔離。
圖13係說明圖1的剖面線AA’的導波區200之剖面圖。在圖13中，導波區200的波入射部20係包含覆蓋在光柵結構21之光柵頂部上的介電柱281。
入射在波入射部20上的光8經介電柱281導引至光柵結構21的光柵。光8係自通路結構25反射或自與介電柱281相鄰的傳導層29反射。通路結構25與環繞介電柱281的傳導層29係將光8限制在介電柱281內部。介電柱281的下部係在接近光柵結構21的光柵凹槽內。波入射部20包含介電層27上方的介電柱281。在一些實施例中，高度H281係實質小於厚度H28。在一些實施例中，多層結構259中的傳導層29係與波入射部20邊界處的傳導層29同時形成。在一些實施例中，多層結構259中的傳導層29係電連接至導波區200下方的光感測區。在一些實施例中，介電層27下方的 傳導層29’未電連接至光感測區。
圖14係說明半導體裝置100，其包含互連區73、導波區200、以及光感測區55。在一些實施例中，導波區200係在互連區73與/或光感測區55上方。互連區73係在導波區200與光感測區55之間。光感測區55係在導波區200下方以及在互連區73之下。光感測區55係在磊晶區51中。光感測區55係在半導體基板50上方。
光8係入射在波入射部20處的光柵結構21之光柵上。光8從波入射部20移動至導波部278。大部分的光8被限制在介電層27內。光8到達導波區200的樣品置放部23並且照射在待檢測之樣本231上。響應光8，樣本231發出特定波長的光。發射光的波長係樣本231中的材料特性。例如，在一些實施例中，樣本231發出不同波長的光81、光82與光83。光81、光82與光83穿過接近導波區200之底部的孔11。光81、光82與光83移動經過導波區200與互連區73之間的濾光層30。
在一些實施例中，濾光層30係雷射光濾光層。濾光層30移除光8以及包含光81、82與83之光束中的散射以及色差。濾光層30亦可改變包含光81、82與83之光束的相位與/或強度，因而移除邊緣的一些雜訊或是光束的空間變化強度。光81、82、83穿過介電層70，並且進入光感測區55。
在光感測區55中，分別在不同區552、554、557吸收光81、82、83。具體而言，在區552/553、區554/555、以及區557/51之間的接合處，吸收光81、82、83。在一些實施例中，區557係指深槽區557。在一些實施例中，區554係指中槽區554，以及區552係指淺槽區552。對於不同波長的光，每一區552、554、557的量子效率係不同的。例如，區552對於光81的波長之量子效率係大於其他波長的光，例如光82或83的波長。區554對於光82的波長之量子效率係大於其他波長的光，例如光81或83的波長。區557對於光83的波長之量子效率係大於其他波長的光，例如光81或82的 波長。大部分的光81係停止在區552中且被吸收於區552中。大部分的光82係穿過區552朝向區554。大部分的光82係停止在區554且被吸收於區554。大部分的光83係穿過區552與554朝向區557。大部分的光83係停止在區557且被吸收於區557。
區552中所吸收的光81係轉換為區552中的電荷載體。在一些實施例中，電荷載體可為正或負。電荷載體流至重摻雜區551、559或558，用以將關於樣品231的資訊轉移至互連區73中的電路，用於進一步的處理與/或輸出。藉由區552、554或557中的光感測元件，將光8轉換為數據資訊。
分別經由各區552、554與557中的重摻雜區551、558、559，將電荷載體轉移至第一層通路71。在一些實施例中的第一層通路亦可作為接點。例如，電荷載體係從區552轉移至區552中的重摻雜區551。在一些實施例中，重摻雜區551與區552係包含相同型的摻雜，例如P型摻雜或N型摻雜。電荷載體係從區554轉移至區554中的重摻雜區558。在一些實施例中，區554與重摻雜區558係包含相同型的摻雜。電荷載體係從區557轉移至區557中的重摻雜區559。在一些實施例中，重摻雜區559與區557係包含相同型的摻雜。
在一些實施例中，區552、554或557係經由重摻雜區551、558或559而連接至另一半導體裝置，例如電晶體59。在一些實施例中，重摻雜區551、558或559係經由接點71或金屬線72而連接至一些其他的半導體裝置，例如電晶體59。從電晶體59，將數據資訊轉移至互連區73中的電路。在一些實施例中，連接點22係由傳導材料組成。連接點22係經由通路結構與/或互連而電連接至電晶體59。在一些實施例中，多個電晶體59係連接至多個光感測區55，用於轉移多個樣品置放部23中關於樣本231相關的各種數據資訊。
電晶體59係連接至光感測區55中的光感測元件，用以將影 像數據轉移至電路，用於進一步處理與/或輸出。在一些實施例中，光感測元件包含光感測二極體。
在一些實施例中，電晶體59係轉移電晶體，用於將對應的光感測元件所捕捉的影像數據轉移至外部電路。在一些實施例中，半導體裝置100亦包含具有各種功能的其他電晶體。例如，半導體裝置50包含重設電晶體、源極隨耦器電晶體、與/或選擇電晶體。在一些實施例中，半導體裝置100中的其他電晶體之結構係類似於電晶體59。
在一些實施例中，介電層70的折射率係大於或等於介電層27的第一折射率或介電層28的第二折射率。在一些實施例中，在圖14中，一些通路結構25、25’與一些虛擬傳導層29、29’的組成材料係類似於互連之材料，例如鋁、銅、氮化鈦、鎢、鈦、鉭、氮化鉭、矽化鎳、矽化鈷、TaC、TaSiN、TaCN、TiAl、TiAlN、其他合適的材料、與/或其組合。通路結構25、25’與虛擬傳導層29、29’係用以限制導波區200中光8的遷移方向。虛擬傳導層29、29’亦可為金屬層。在一些實施例中，通路結構25、25’以及虛擬傳導層29、29’係在導波區200中的介電層28中。在一些實施例中，通路結構25、25’或是虛擬傳導層29、29’係用以阻擋光，並且可與互連區73或導波區200內或外的其他導體間為非電性連接。由於前述的通路結構25、25’未與互連區73電連接，因而該通路結構可功能性地稱為反射結構。然而，本揭露所使用的反射結構包括(1)與互連區73或是導波區200內或外的其他導體電連接之通路結構25、25’，以及(2)未與互連區73或是導波區200內或外的其他導體電連接之通路結構25、25’。
光感測區55係多接合光二極體，用於偵測不同波長的光。在一些實施例中，半導體基板50包含第一傳導型摻雜，例如一些P型摻雜。磊晶區51包含第一傳導型摻雜。區557包含第二傳導型摻雜，例如N型摻雜。區555包含第一傳導型摻雜。在一些實施例中，區555係槽區555。區554包含第二傳導型摻雜。區553包含第一傳導型摻雜。在一些實 施例中，區553係槽區553。區552包含第二傳導型摻雜。重摻雜區551、558或559係包含第二傳導型摻雜。
半導體基板50係矽基板或是包含特定濃度之第一傳導型摻雜的另一半導體基板。第一傳導型摻雜，例如P型摻雜，係在半導體基板50中。例如，半導體基板50包含預定的硼摻雜濃度。在一些實施例中，磊晶區51係輕摻雜的矽磊晶，因而磊晶區51中的第一傳導型摻雜之摻雜濃度係小於半導體基板50中的預定摻雜濃度。區557、554或552係包含預定摻雜濃度之第二傳導型摻雜，例如磷。在一些實施例中，區557、554與552中之第二傳導型摻雜的預定摻雜濃度係實質相同。區555或553係包含預定摻雜濃度之第一傳導型摻雜，例如硼。在一些實施例中，在區555與553中的第一傳導型摻雜之預定摻雜濃度係實質相同。
在一些實施例中，較接近表面S51的部分之區557、554或552相較於另一部分的區557、554或552係分別包含較高的摻雜濃度。較接近重摻雜區559、558或551的部分之區域557、554或552係做為用於外部連接的區557、554或552的終端。在一些實施例中，重摻雜區559、558或551所包含的材料係例如金屬或其他傳導材料。
磊晶區51包含接近表面S51的隔離區52。在一些實施例中，隔離區52係淺溝渠隔離(STI)特徵或是矽的局部氧化(LOCOS)特徵。隔離區52定義且彼此隔離在磊晶區51中或是半導體基板50中的不同元件或是區。例如，隔離區52將相鄰的光感測區55彼此隔離、將光感測區55與電晶體59隔離、或是將電路的一些組件彼此隔離。在一些實施例中，隔離區52係由介電材料製成。
電晶體59係位在磊晶區51的表面S51。電晶體59係包含閘極結構58與源極結構53以及汲極結構54。閘極結構58係包含閘極介電56與閘極電極57。
閘極介電56係由高介電常數k介電層或其組合所組成。閘極 介電56係由任何合適的介電材料組成，例如氧化鉿(HfO2)、氧化矽鉿(HfSiO)、過渡金屬氧化物、金屬的氮氧化物、金屬鋁酸鹽、其他合適的介電材料、與/或其組合。在一些實施例中，閘極介電56係包含閘極介電56與磊晶區51之間的介面層，以減少閘極介電56與磊晶區51之間的破壞。
電晶體59的閘極結構58、源極區53以及汲極區54係連接至複數個第一層通路，而後稱為「接點」71。接點71穿過介電層70，使得接點71連接閘極結構58、源極區53或汲極區54的一些部分。接點71係接觸源極區53、汲極區54或光感測區55上方的表面S51。在一些實施例中，接點71與介電層70係在層間介電(ILD)層75中；ILD層75係在電晶體59與光感測區55上方；電晶體59係接近光感測區55；互連區73係包含電晶體59、ILD層75、介電層70以及金屬線72。簡而言之，在本揭露中，通路結構與金屬線係概括為互連。
在圖14中，虛擬傳導層29、29’或是通路結構25、25’係與圖15中之傳導層29、29’或通路結構25、25’具有類似的形狀。然而，在圖14中，虛擬傳導層29、29’或通路結構25、25’係未與其他導體電連接。而在圖15中，傳導層29、29’或通路結構25、25’係與其他導體電連接。本文所指之「其他導體」係包含電連接至光感測區55的傳導路徑。
在圖15中，導波區200係包含介電層28’中的傳導層29’、介電層27中的通路結構25、以及介電層28中的傳導層29。樣品置放部23的底部係大約在介面S27。
傳導層29’、通路結構25、以及傳導層29係在互連區731中。互連區731係在導波區200中。導波區200係包含介電層28、介電層28’以及介電層27，其係與例如互連區731中之傳導層29、通路結構25以及傳導層29’的組件接觸。互連區731係指可自光感測區55傳輸電子信號至其他外部電路的第一互連部。圖12中的多層結構259係指第二互連部，其係電連接導波區200下方的光感測區55。
第一互連部中的傳導層29’係電連接光感測區55。傳導層29’可在最接近光感測區55的第一金屬層中。傳導層29可為第二金屬層。傳導層29’係電連接至ILD層75中的通路71。第一互連部係位在導波區200中，因而降低高度H235。因此，在到達光感測區55之前，將來自樣品231的光減弱最小化。
圖16係類似於圖14，差別在於一些組件不同，例如導波區200中的頂層、介電層27下方的層、光感測區55中的區、以及第一層通路71。該差別簡要描述如下。
圖14中之導波區200的頂層係傳導層29。圖16中之導波區200的頂層係鈍化層283。在一些實施例中，鈍化層283係包含介電材料，例如介電層28中的介電材料。在一些其他實施例中，鈍化層283的組成材料之折射率係小於介電層28的第二折射率或是介電層27的第一折射率。樣品置放部23的凹處之頂部係在鈍化層283中。該凹處的底部係在介電層28中。鈍化層283係在介電層28的頂部上。鈍化層283覆蓋介電層28上至波入射部20，因而暴露光柵結構21。
圖16中之介電層27下方的層係介電層28’。介電層28’係第一包覆層。介電層27上方的介電層28係第二包覆層。介電層27係核心層。在一些實施例中，介電層28、28’的組成材料之折射率係小於介電層27的第一折射率。在一些實施例中，折射率幾乎係以光81、82或83的傳播方向增加。例如，介電層70的折射率係高於介電層28’的折射率；介電層28的第二折射率係高於鈍化層283的折射率。
在圖14中，光感測區55中的區係包含由第二傳導型摻雜所組成的三個區552、554與557，以及由第一傳導型摻雜所組成的兩個區553與555。在圖16中，光感測區55中的區係包含由第二傳導型摻雜所組成的兩個區552與554，以及由第一傳導型摻雜所組成的一個區553。圖16的光感測區55之細節係詳述如下。
第一傳導型摻雜所組成的區與第二傳導型摻雜所組成的區之間的介面係p-n接合。在不同位置、具有不同長度、或具有不同位向的每一個介面可偵測不同波長的光81、82或83。p-n接合的不同組合係作為不同光二極體，可偵測不同波長的光81、82或83。例如，區554與磊晶區51之間的介面S45係p-n接合。介面S525係垂直位向或係實質垂直於表面S51。介面S525係適合偵測光81之波長或是比光81之波長更短的光。在一些實施例中，第一傳導型的區553係被第二傳導型的區552與554環繞。介面S34係p-n接合，其長度係實質等於高度H552與H553的總和。介面S34係適合偵測光82或是比光82之波長更短的光。
在圖14中，重摻雜區551、558與559係包含第二傳導型摻雜。簡而言之，在本揭露中，重摻雜區係指「接點插塞」。區552、554與557亦包含第二傳導型摻雜。在圖16中，重摻雜區553包含第一傳導型摻雜。區553亦包含第一傳導型摻雜。例如，在圖16中，區552包含N型摻雜。光8的能量被吸收在接近介面S523或介面S235的p-n接合之消耗區，以及所產生的電子-電洞對係被電場分離。區552中的負載體流經重摻雜區551成為負電流。區553中的正載體流經重摻雜區533成為正電流。區553包含P型摻雜。光82的能量係被吸收在接近介面S534或介面S34的p-n接合之消耗區，以分離正與負載體。區554中的負載體流經重摻雜區559成為負電流。區553中的正載體流經重摻雜區533成為正電流。
在圖17中，例如，藉由選擇性磊晶成長(SEG)，在半導體基板50中磊晶成長半導體材料，例如矽鍺(SiGe)或矽(Si)。在一實施例中，在成長(例如原位摻雜)期間，加入雜質至磊晶區51。例如，摻雜包含砷、磷、銻、硼、硼二氟化物、與/或其他可能的雜質。硼的來源包含在SiGe磊晶過程中所使用的二硼烷氣體。藉由以原位方式導入含硼氣體至磊晶的SiGE成長而完成SiGe中的硼摻雜。在一些實施例中，藉由植入操作而形成硼或其他摻雜，因而磊晶區51包含正摻雜。
阻抗31係覆蓋在磊晶區51的頂部。在磊晶區51的上方，進行離子植入33。阻抗31包含寬度為W557的開口槽圖案，其將磊晶區51暴露於離子植入。在一些實施例中，藉由原子級高能量碰撞，將N型摻雜植入磊晶區51，因而摻雜在表面S51下方。
在圖18中，包含第一預定能量的離子植入33係植入摻雜至磊晶區51，用以形成表面S51下方的區557，其深度實質等於高度H55。在形成區557之後，剝離阻抗31。
在圖19中，具有寬度W555的開口槽之另一阻抗31係部分覆蓋區554。開口槽將區557暴露於另一離子植入33。在一些實施例中，寬度W555係小於用於形成區557之寬度W557，如圖18所示。
在圖20中，包含第二預定能量的離子植入33係將摻雜植入至區557中，用以形成在區557上方高度H557以及在表面S51下方深度D555之區555的水平部。第二預定能量係調整至小於第一能量，因而在較淺區555附近植入摻雜。在一些實施例中，摻雜係與磊晶區51相同型，例如P型。在形成區555之後，剝離阻抗31。在區555上方與下方的區557係包含摻雜，例如負摻雜，其係與區555的傳導型相反。
在圖21中，具有寬度W575的開口槽之另一阻抗31係部分覆蓋區557。開口槽將區557暴露於另一離子植入33。開口槽係對準區555的端部。
在圖22中，包含第三預定能量的離子植入33係將摻雜植入至區557中，用以形成在區555的水平部上方之區555的側部。區555的側部具有深度D555。第三預定能量係被調整至一範圍，其小於第二能量，因而從深度D555向上植入摻雜至表面S51。在一些實施例中，圖22中的離子植入33係包含具有各種離子能量的多種植入操作。為了形成垂直植入區，需要不同的離子能量，以達到所述之摻雜分布。在一些實施例中，摻雜係與區555的水平部相同型，例如P型。在形成區555的側部之後，剝離阻抗 31。在區555上方的區554係包含摻雜，其係與區555的傳導型相反，例如N型。
在圖23中，具有寬度W545的開口槽之另一阻抗係部分覆蓋區554。在一些實施例中，寬度W545係小於用於形成區555的寬度W555，如圖20所示。開口槽將區554暴露於另一離子植入33。開口槽係對準區554與磊晶區51之間的端部。
在圖24中，包含第四預定能量的離子植入33係將摻雜植入至區554中，用以形成在區555之水平部上方的區553之水平部。區553的水平部係在表面S51下方深度D553。從深度D53向上植入摻雜至深度D533。在一些實施例中，摻雜係與區555相同型，例如P型。在形成區553的水平部之後，剝離阻抗31。區555上方的區554係包含與區553之傳導型相反的摻雜，例如負摻雜。
在圖25中，具有寬度W525的第一開口槽與寬度W52的第二開口槽之另一阻抗31係部分覆蓋區553之水平部上方的區554。第一與第二開口槽係將下方的區554暴露於另一離子植入33。第一開口槽係對準區553的端部。第二開口槽係對準區553與磊晶區51之間的另一端部。
在圖26中，包含第五預定能量的離子植入係將摻雜植入至區554中，用以在區553的水平部上方形成區553的側部。區553的側部係包含深度D553。從深度D553向上植入摻雜至表面S51。在一些實施例中，圖26中的離子植入33係包含具有各種離子能量的多個植入操作。在一些實施例中，摻雜係與區555相同型，例如P型。在形成區555的側部之後，剝離阻抗31。部分受到區553環繞的區552係包含與區553之傳導型相反的摻雜，例如負摻雜。
在圖27中，形成重摻雜區551、558與559。在圖27中，具有三個開口槽的另一阻抗31係部分覆蓋區552、554與557。三個開口槽將下方的區552、554與557暴露於另一離子植入33。
離子植入33將摻雜植入至552、554與557中，以形成重摻雜區551、558與559。在一些實施例中，摻雜係與區557、555或552相同型，例如N型。摻雜濃度係實質大於區552、554與557中的濃度。在形成重摻雜區551、558與559之後，剝離阻抗31。
在圖28中，包含用於形成隔離的圖案之阻抗31係覆蓋在表面S51上方。
在圖29中，磊晶區51包含隔離區52，其係藉由在表面S51上的磊晶區51中蝕刻溝渠並且以絕緣材料填充該溝渠而形成，該絕緣材料例如氧化矽、氮化矽或氮氧化矽。
在圖30中，閘極介電層561係覆蓋在表面S51上方。在一實施例中，閘極介電層561係由合適的沉積製程所形成的薄膜。閘極電極層571係覆蓋在閘極介電層561之頂部上。在一實施例中，藉由一些沉積製程，在表面S51上方順序沉積閘極介電層561與閘極電極層571。在一些實施例中，閘極介電層561與閘極電極層571僅沉積在預定區上方，用於形成電晶體結構。閘極電極層571係由任何合適的材料製成，例如多晶矽。
以微影蝕刻製程，將閘極介電層561與閘極電極層571圖案化。在一些實施例中，在閘極電極層571圖案化之後，將閘極介電層561圖案化。在一些實施例中，微影蝕刻製程係光微影蝕刻製程。
在圖31中，轉移阻抗特徵，以於表面S51上以及隔離區52之間，形成閘極結構58。閘極結構58包含閘極電極57與閘極介電56。
在圖32中，在一些實施例中，藉由離子植入或磊晶成長，形成源極區53或汲極區54。離子植入或磊晶成長係將摻雜導入源極區53或汲極區54中。在不同的實施例中，源極區53或汲極區54具有多重製程植入所形成之不同的摻雜分布。
在圖33中，藉由任何合適的製程，例如沉積製程，在表面S51上方覆蓋介電層70。介電層70係接觸閘極結構58。在介電層70的頂部 上，形成阻抗31。進行蝕刻操作331，將圖案化的阻抗特徵轉移至介電層70。
在圖34中，圖案化的阻抗特徵係轉移至介電層70，以形成溝渠。在一些實施例中，藉由任何合適的蝕刻製程，例如選擇性蝕刻、乾式蝕刻、與/或其組合，形成溝渠。以傳導材料填充溝渠，以形成接點71。以合適的製程，例如沉積製程，填充溝渠而形成接點71。接點71係電連接閘極結構58、源極區53、汲極區54以及重摻雜區559、558與551。藉由調節CVD製程的參數而控制接點71的深度。製程參數係包含總壓力、反應物濃度、沉積溫度、或沉積速度。
在圖35中，藉由將阻抗特徵轉移至傳導層，而沉積且圖案化傳導層。阻抗特徵轉移至傳導層，以形成凹處與金屬線72。以介電材料填充凹處，以於ILD層75上方形成另一介電層70。金屬線72係在介電層70之間。
在圖36中，沉積且蝕刻多層金屬線72與介電層70，以形成互連區73。在一些實施例中，在互連區73中形成通路結構257以於不同層中連接金屬線。
藉由任何合適的製程，例如沉積，在互連區73上方形成毯狀物的濾光層30。藉由任何合適的製程，例如沉積，在濾光層30上方形成毯狀物的傳導層291。阻抗31係覆蓋傳導層291，藉由任何合適的微影蝕刻製程，將阻抗圖案轉移至傳導層291。
在圖37中，傳導層29’形成孔11。在圖38中，在傳導層29’的頂部上形成毯狀物介電層28’，因而將孔11填充。阻抗31係覆蓋在介電層28’，藉由任何合適的微影蝕刻製程，將阻抗圖案轉移至介電層28’。
在圖39中，藉由合適的微影蝕刻製程，使得介電層28’形成凹處。藉由任何合適的材料，例如傳導材料，填充凹處，以於介電材料28’內形成通路結構25’。在介電層28’與通路結構25’上方形成毯狀物介電 層27，因而通路結構25’的頂部受到介電層27覆蓋。介電層27係由具第一折射率的材料組成，第一折射率係大於介電層28’的第二折射率。阻抗31係覆蓋介電層27，藉由任何合適的微影蝕刻製程，用以將阻抗圖案轉移至介電層27。
在圖40中，藉由任何合適的微影蝕刻製程，介電層27形成凹處。以任何合適的材料，例如傳導材料，填充凹處，以於介電層27內形成通路結構25。在介電層27上方，形成毯狀物第二介電層28。阻抗31係覆蓋第二介電層28，藉由任何合適的微影蝕刻製程，用以將阻抗圖案轉移至第二介電層28。
在圖41中，將第二介電層28圖案化，並且以通路結構25填充。在圖42中，藉由任何合適的製程，例如光微影蝕刻製程，將第二介電層28圖案化以形成光柵結構21的光柵。該光柵係第二介電層28中的光學光柵。在一些實施例中，將介電層27圖案化以形成光學光柵，以及將第二介電層28蝕刻，以暴露第二介電層28下方的光學光柵。將第二介電層28圖案化，以形成樣品置放部23的凹處。
在圖43中，在第二介電層28上方，形成毯狀物第二傳導層29。將第二傳導層29圖案化，使其包含開口槽211，用以暴露光柵結構21的光柵。將第二傳導層29蝕刻，以形成樣品置放部23的凹處，因而樣品置放部23的凹處係穿過第二傳導層29與第二介電層28。凹處的開口槽係位在介電層27上方。在一些實施例中，藉由合適的製程，例如選擇性蝕刻、乾式蝕刻、與/或其組合，蝕刻第二傳導層29與下方的第二介電層28。
在圖44中，藉由任何合適的蝕刻製程，形成凹處213，以蝕刻第二介電層28、介電層27、介電層28’、傳導層29’、濾光層30以及介電層70，因而暴露連接點22。在一些實施例中，連接點22係待連接至其他外部電路。
本揭露的一些實施例係提供光學感測器。光學感測器包含 半導體基板。光感測區係在半導體基板上。導波區係用以從波入射部引導光經過導波部以及至樣品置放部。導波部包含具有第一折射率的第一介電層。第二介電層包含第二折射率。第二折射率係小於第一折射率。第一互連部係位在導波部中，用以從光感測區傳輸電子信號至外部電路。樣品置放部係在光感測區上方。
本揭露的一些實施例係提供光學感測器。光學感測器包含半導體基板。介電層係在半導體基板上方。反射結構係在介電層中。導波區係用於從波入射部將光導引經過導波部以及至樣品置放部。導波部包含介電層以及反射結構。光感測區係在半導體基板上方。
前述內容概述一些實施方式的特徵，因而熟知此技藝之人士可更加理解本申請案揭示內容之各方面。熟知此技藝之人士應理解可輕易使用本申請案揭示內容作為基礎，用於設計或修飾其他製程與結構而實現與本申請案所述之實施方式具有相同目的與/或達到相同優點。熟知此技藝之人士亦應理解此均等架構並不脫離本申請案揭示內容的精神與範圍，以及熟知此技藝之人士可進行各種變化、取代與替換，而不脫離本申請案揭示內容之精神與範圍。
8‧‧‧光
10‧‧‧光學感測器基體
11‧‧‧孔
20‧‧‧波入射部
21‧‧‧光柵結構
22‧‧‧連接點
23‧‧‧樣品置放部
200‧‧‧導波區
210‧‧‧介面
231‧‧‧樣品

Claims (20)

  1. 一種光學感測器，其包括：半導體基板；光感測區，其係在該半導體基板上；導波區，其係用於從波入射部將光引導經過導波部以及至樣品置放部，以及該導波部係包括：第一介電層，其包括第一折射率；以及第二介電層，其包括第二折射率；其中該第二折射率細小於該第一折射率；以及第一互連部，其係位在該導波部中，用於從該光感測區傳送電子信號至外部電路，其中該樣品置放部係位在該光感測區上方。
  2. 如請求項1所述之光學感測器，進一步包括位在該導波區上方的第二互連部。
  3. 如請求項2所述之光學感測器，其中該第二互連部係電連接至該光感測區。
  4. 如請求項1所述之光學感測器，其中該第一互連部係包括位在該第二介電層中的傳導層。
  5. 如請求項4所述之光學感測器，其中該傳導層係位在該導波區的底部。
  6. 如請求項5所述之光學感測器，其中該傳導層係包括孔。
  7. 如請求項1所述之光學感測器，其中該樣品置放部係包括底部，其接近該第一介電層與該第二介電層之間的介面。
  8. 如請求項1所述之光學感測器，進一步包括反射結構，其係對準該波入射部的邊界。
  9. 如請求項1所述之光學感測器，其中該第一互連部係包括在該第一介電層中的通路結構。
  10. 如請求項1所述之光學感測器，進一步包括介電柱，其係在該波入射部的頂部。
  11. 一種半導體裝置，其包括：半導體基板；介電層，其係在該半導體基板上方；反射結構，其係在該介電層中；導波區，其係用於從波入射部將光引導經過導波部以及至樣品置放部，以及該導波部係包括該介電層與該反射結構；以及光感測區，其係在該半導體基板上方，以及該導波區係位在該光感測區上方。
  12. 如請求項11所述之半導體裝置，其中該光感測區係包括多接合光二極體。
  13. 如請求項11所述之半導體裝置，進一步包括互連區，其係在該導波區下方，以及該互連區係位在該光感測區上方。
  14. 如請求項13所述之半導體裝置，其中該介電層中的該反射結構係未電連接至該光感測區。
  15. 如請求項13所述之半導體裝置，進一步包括濾光層，其係位在該互連區與該導波區之間。
  16. 如請求項11所述之半導體裝置，其中該波入射部係包括光柵。
  17. 如請求項11所述之半導體裝置，其中該介電層係包括核心層與包覆層。
  18. 如請求項17所述之半導體裝置，其中在該核心層與該包覆層之間的介面處，該核心層的總面積與該包覆層中之該反射結構的總面積之比例係大於約10。
  19. 如請求項11所述之半導體裝置，其中該介電層係包括具有至少兩個不同折射率的複數層。
  20. 如請求項11所述之半導體裝置，其中部分的該介電層係環繞該樣品置放部。
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