TW201719871A - 紅外線影像感測器組件及其製造方法 - Google Patents

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褚立新
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劉家瑋
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Abstract

紅外線影像感測器組件包含至少一III-V族化合物層於半導體基板上，其中III-V族化合物層自圖案中曝露之部分作用為主動像素區以探測入射紅外線。紅外線影像感測器組件包含至少一電晶體耦接至主動像素區，且藉由主動像素區產生之電荷被傳送至電晶體。

Description

紅外線影像感測器組件及其製造方法
本揭露是關於一種半導體元件之製造方法，特別是關於用來探測紅外線之感測器組件。
半導體積體電路工業已經歷指數增長。IC材料及設計之技術進步已生產數代IC，其中每一代都具有比上一代更小及更複雜的電路。
在半導體技術領域中，影像感測器用於感應投射至半導體基板的曝光。互補式金屬氧化物半導體(Complementary metal-oxide-semiconductor；CMOS)影像感測元件廣泛地應用在各種用途上，諸如數位相機(digital still camera；DSC)。這些元件利用主動像素之射線或影像感測器單元，包含感光二極體及金屬氧化物半導體電晶體，以聚集光能量以轉換影像為數位數據串流。
根據本揭露之一實施例，紅外線影像感測器組件包含半導體基板，配置於半導體基板上之用於接收紅外線的主動像素區，耦接至主動像素區的電晶體，其中主動像素區由III-V族化合物材料組成。
根據本揭露之另一實施例，紅外線影像感測器組件包含半導體基板、至少一III-V族化合物層配置在半導體基板上、配置在III-V族化合物層上的電晶體、配置在III-V族化合物層之上的複數個圖案。圖案局部遮蔽III-V族化合物層及電晶體，且III-V族化合物層自圖案中曝露的部分形成主動像素區以接收紅外線。電晶體耦接至主動像素區。
根據本揭露之又一實施例，製造紅外線影像感測器組件之方法包含形成至少一III-V族化合物層於半導體基板上；形成電晶體於III-V族化合物層上；以及形成複數個圖案以局部遮蔽電晶體及III-V族化合物層。III-V族化合物層自圖案中曝露的部分形成主動像素區以用於接收紅外線，且電晶體耦接至主動像素區。
100‧‧‧紅外線影像感測器組件
110‧‧‧基板
120‧‧‧III-V族化合物層
120’‧‧‧主動像素區
130‧‧‧電晶體
131‧‧‧磊晶結構
132‧‧‧閘極
133‧‧‧磊晶結構
134‧‧‧摻雜區
135‧‧‧側壁
136‧‧‧摻雜區
138‧‧‧隔離層
140‧‧‧圖案
150‧‧‧介電層
160‧‧‧紅外線過濾器
170‧‧‧光學透鏡
180‧‧‧淺溝槽隔離結構
210‧‧‧基板
212‧‧‧淺溝槽隔離結構
220‧‧‧III-V族化合物層
230‧‧‧III-V族化合物層
230’‧‧‧主動像素區
240‧‧‧薄層
250‧‧‧III-V族化合物層
252‧‧‧III-V族化合物區
255‧‧‧電晶體
260‧‧‧介電層
262‧‧‧開口
270‧‧‧接觸點
272‧‧‧接觸點
274‧‧‧閘極堆疊
280‧‧‧介電層
282‧‧‧圖案
290‧‧‧紅外線過濾器
292‧‧‧光學透鏡
400‧‧‧紅外線影像感測組件
410‧‧‧基板
420‧‧‧III-V族化合物層堆疊
420’‧‧‧主動像素區
430‧‧‧電晶體
422‧‧‧III-V族化合物層
424‧‧‧III-V族化合物層
426‧‧‧III-V族化合物層
430‧‧‧電晶體
500‧‧‧紅外線影像感測組件
510‧‧‧基板
520‧‧‧III-V族化合物層堆疊
520’‧‧‧主動像素區
522‧‧‧III-V族化合物層
524‧‧‧III-V族化合物層
530‧‧‧電晶體
600‧‧‧紅外線影像感測組件
610‧‧‧基板
620‧‧‧III-V族化合物層堆疊
620’‧‧‧主動像素區
621‧‧‧III-V族化合物層
622‧‧‧III-V族化合物層
623‧‧‧III-V族化合物層
624‧‧‧III-V族化合物層
625‧‧‧III-V族化合物層
626‧‧‧III-V族化合物層
630‧‧‧電晶體
700‧‧‧紅外線影像感測組件
710‧‧‧基板
720‧‧‧III-V族化合物層堆疊
720’‧‧‧主動像素區
721‧‧‧III-V族化合物層
722‧‧‧III-V族化合物層
723‧‧‧III-V族化合物層
724‧‧‧III-V族化合物層
725‧‧‧III-V族化合物層
726‧‧‧III-V族化合物層
730‧‧‧電晶體
800‧‧‧紅外線影像感測組件
810‧‧‧基板
820‧‧‧III-V族化合物層堆疊
820’‧‧‧主動像素區
821‧‧‧III-V族化合物層
822‧‧‧III-V族化合物層
823‧‧‧III-V族化合物層
824‧‧‧III-V族化合物層
825‧‧‧III-V族化合物層
826‧‧‧III-V族化合物層
827‧‧‧III-V族化合物層
830‧‧‧電晶體
900‧‧‧紅外線影像感測組件
910‧‧‧基板
920‧‧‧III-V族化合物層堆疊
920’‧‧‧主動像素區
922‧‧‧III-V族化合物層
924‧‧‧III-V族化合物層
930‧‧‧電晶體
1000‧‧‧紅外線影像感測組件
1010‧‧‧基板
1020‧‧‧III-V族化合物層堆疊
1020’‧‧‧主動像素區
1022‧‧‧III-V族化合物層
1024‧‧‧III-V族化合物層
1030‧‧‧電晶體
1100‧‧‧紅外線影像感測組件
1110‧‧‧基板
1120‧‧‧III-V族化合物層堆疊
1120’‧‧‧主動像素區
1122‧‧‧III-V族化合物層
1124‧‧‧III-V族化合物層
1130‧‧‧電晶體
閱讀以下詳細敘述並搭配對應之圖式，可了解本揭露之多個態樣。應注意，根據業界中的標準做法，多個特徵並非按比例繪製。事實上，多個特徵之尺寸可任意增加或減少以利於討論的清晰性。
第1A圖至第1E圖為依據本揭露之部分實施例之製造紅外線影像感測器組件的製作方法在不同步驟下的局部剖面圖。
第2圖為依據本揭露之部分實施例之紅外線影像感測器組件的局部剖面圖。
第3A圖至第3F圖為依據本揭露之部分實施例之製造紅外線影像感測器組件的不同步驟之局部剖面圖。
第4圖至第11圖為依據本揭露之部分實施例之紅外線影像感測器組件的局部剖面圖。
以下揭露提供眾多不同的實施例或範例，用於實施本案提供的主要內容之不同特徵。下文描述一特定範例之組件及配置以簡化本揭露。當然，此範例僅為示意性，且並不擬定限制。舉例而言，以下描述「第一特徵形成在第二特徵之上方或之上」，於實施例中可包括第一特徵與第二特徵直接接觸，且亦可包括在第一特徵與第二特徵之間形成額外特徵使得第一特徵及第二特徵無直接接觸。此外，本揭露可在各範例中重複使用元件符號及/或字母。此重複之目的在於簡化及釐清，且其自身並不規定所討論的各實施例及/或配置之間的關係。
此外，空間相對術語，諸如「下方(beneath)」、「以下(below)」、「下部(lower)」、「上方(above)」、「上部(upper)」等等在本文中用於簡化描述，以描述如附圖中所圖示的一個元件或特徵結構與另一元件或特徵結構的關係。除了描繪圖示之方位外，空間相對術語也包含元件在使用中或操作 下之不同方位。此設備可以其他方式定向(旋轉90度或處於其他方位上)，而本案中使用之空間相對描述詞可相應地進行解釋。
本揭露係關於一種紅外線影像感測器組件。紅外線影像感測器組件包含基板，沉積在基板上並作為主動像素區的III-V族化合物層，以及複數個形成在III-V族化合物層上之電晶體。III-V族化合物層由III-V族材料組成，III-V族材料涵蓋廣泛的紅外線波長，在紅外光區具有大吸收係數及高載子遷移率。因此，紅外線影像感測器組件之效能可相應地提升。
第1A圖至第1E圖為依據部分實施例，圖示製造紅外線影像感測器組件之製作方法在不同步驟下的局部剖面圖。請參照第1A圖，III-V族化合物層120形成在基板110上。基板110為半導體基板。在部分實施例中，半導體基板由以下範例組成，如矽；化合物半導體，諸如碳化矽、砷化銦或磷化銦；或合金半導體，諸如碳化矽鍺、磷砷化鎵，或磷化銦鎵。基板110可選擇性地包含不同摻雜區、介電特徵，或多層互連接於半導體基板內。
III-V族化合物層120由元素週期表內之III-V族元素組成。在部分實施例中，III-V族化合物層具有可調控之能隙。在部分其他實施例中，III-V族化合物層為數層寬能隙III-V族材料層或窄能隙III-V族材料層的組合。又一部分實施例中，III-V族化合物層可具有梯度能隙。
III-V族化合物層120或III-V族化合物層120之每一層係由以下群組所挑選，此群組包含：InwAlxGayAsz、InwAlxGayPz、InwAlxGaySbz、InwAlxAsyPz、InwAlxPySbz、InwGaxAsyPz、InwGaxPySbz、AlwGaxAsyPz、AlwGaxPySbz、InwAsxPySbz、AlwAsxPySbz、GawAsxPySbz，其中w+x+y+z=1。III-V族化合物層120可磊晶地生長並藉由數個製程包含(但不限定於)分子束磊晶(molecular beam epitaxy；MBE)，或有機金屬化學氣相沉積(metal organic chemical vapor deposition；MOCVD)，亦稱為有機金屬氣相磊晶(metal organic vapor phase epitaxy；MOVPE)，並使用適當之前驅物。III-V族化合物層120之厚度範圍約0.1μm至約10μm。
請參照第1B圖。至少一電晶體130形成在III-V族化合物層120上。電晶體130以陣列的方式形成，並對應至紅外線影像感測器組件100之像素排列。在部分實施例中，電晶體130可為金屬氧化物半導體(metal-oxide-semiconductor；MOS)元件。每一個電晶體130包含形成在III-V族化合物層120上之控制閘極132，以及形成在III-V族化合物層120上之二摻雜區134及136，摻雜區134及136配置在閘極132之相對兩側。摻雜區134及136可由摻雜摻雜物形成。電晶體130更包含形成在控制閘極132及III-V族化合物層120之間的隔離層138。電晶體130更包含形成在控制閘極132之相對側表面上之側壁135。
在部分實施例中，電晶體130為互補式金屬氧化物半導體(metal-oxide-semiconductor；CMOS)元件。製造電晶體之示意性方法始於，例如，形成光阻劑層於III-V族化合物層120之表面上。在部分實施例中，III-V族化合物層120為p型層，包含p型摻雜物。光阻劑層之執行係藉由遮罩，曝光及顯影以界定後續離子注入之區域，隨後藉由離子植入分別形成N型摻雜區134及136於III-V族化合物層120。光阻劑層在N型摻雜區134及136形成後，藉由如剝離之方式移除。形成N型摻雜區134及136之摻雜摻雜物可為磷(S)、砷(As)、矽(Si)、鍺(Ge)、碳(C)、氧(O)、硫(S)、硒(Se)、碲(Te)、銻(Sb)。摻雜區134及136一般而言由低或高濃度之摻雜區形成。在部分實施例中，摻雜區134及136可作為源/汲極區。在部分實施例中，摻雜區134相對於摻雜區136具有較長延伸距離。N型摻雜區134及P型III-V族化合物層120之下方部分可探測入射光。
隔離層進一步藉由低溫製程形成在III-V族化合物層120之表面上，其中隔離層可為氧化矽。導電層進一步形成在隔離層上，其中導電層之摻雜可使用多晶矽、鎢、氮化鈦，或其他適合材料。對隔離層和導電層執行一個或多個蝕刻製程由此在其上形成閘極隔離層138及控制閘極132。隨後形成側壁135於控制閘極132之側面。
紅外線影像感測器組件更包含至少一淺溝槽隔離結構180。淺溝槽隔離結構180至少形成在III-V族化合物層120內。在部分實施例中，淺溝槽隔離結構180形成在III-V 族化合物層120及半導體基板110內。淺溝槽隔離結構180形成在摻雜區134旁以區隔相鄰的像素。淺溝槽隔離結構180之材料可為介電質，如氧化物。
請參照1C圖。複數個圖案140及複數個介電層150隨後形成在III-V族化合物層120及電晶體130上。圖案140是藉由沉積導電層並蝕刻導電層而形成。導電層之材料可為金屬，諸如鎢(W)、銅(Cu)，或鈷(Co)。介電層150由具有高透射係數之絕緣材料組成以增加光透射率。介電層150之組成可由氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、低介電常數介電材料或上述之組合來形成。介電層150可藉由沉積製程形成，諸如原子層沉積(atomic layer deposition；ALD)、化學氣相沉積(chemical vapor deposition；CVD)，或物理氣相沉積(physical vapor deposition；PVD)。
圖案140的形成是用於遮蔽部分的電晶體130及部分的III-V族化合物層120。意即，僅有摻雜區134及III-V族化合物層120之一部分自圖案140中曝露。摻雜區134及III-V族化合物層120之曝露部分作用為主動像素區120’，用於感應包含紅外線在內的光。主動像素區120’接收光以產生和聚集光電荷，且邏輯元件(未圖示)可探測自對應的主動像素區120’傳遞的電子訊號。
主動像素區120’之能隙可藉由III-V族化合物層120及摻雜區134之濃度來調控。調控III-V族化合物層120之能隙以對應於入射光(如紅外線)之波長。主動像素區120’ 吸收入射光並聚集電荷，其中此電荷對應於光的總量及/或強度。主動像素區120’與電晶體130耦接。電晶體130包含控制閘極132，及摻雜區134與136。摻雜區134及下方之III-V族化合物層120構成主動像素區120’，用於接收由主動像素區120’所產生的電荷。電荷藉由導電的控制閘極132傳送至摻雜區136。摻雜區136之電位可因聚集的電荷而改變，因此電荷的總量藉由摻雜區136之電位能的變化而探測。
為了避免光電流漏電，形成圖案140以遮蔽主動像素區120’以外的部分。在部分實施例中，形成圖案140以覆蓋控制閘極132及摻雜區136。主動像素區120’及摻雜區134自圖案140中曝露以接收入射光，諸如紅外線。
請參照第1D圖。紅外線過濾器160配置於介電層150上。紅外線過濾器160為紅外線濾通器，可讓紅外線通過並阻隔其他波長。在部分實施例中，紅外線過濾器160藉由一種材料形成，此材料具有能力阻隔光譜中波長800nm至1000nm以外之所有的光。
請參照第1E圖，一光學透鏡170形成在紅外線過濾器160上。光學透鏡170由熱固性樹脂形成且具有預先設定的曲率半徑。光學透鏡170的曲率半徑可根據主動像素區120’之深度以及入射光之波長而有所不同。光學透鏡170改變入射光之路徑並聚集光至主動像素區120’上。
使用1II-V族化合物層120作為主動像素區120’可降低紅外線影像感測器組件100之厚度。相較於具有p-n接 面二極體的矽基板之實施例，III-V族化合物層120提供較寬廣的紅外線響應。意即，III-V族化合物材料相較於矽具有較寬廣之波長涵蓋範圍，以至於包含近紅外線及中紅外線之紅外線可由III-V族化合物層120探測。同時，III-V族化合物材料相較於矽，在紅外線區具有較大吸收係數，使得III-V族化合物層120具有比p-n接面二極體還薄之厚度。此外，III-V族化合物材料提供高於矽之載子遷移率，由此使用III-V族化合物層120之紅外線影像感測器組件100的像素響應高於使用具有p-n接面之矽基板的紅外線影像感測器組件。
請參照第2圖，為本揭露之部分實施例之紅外線影像感測組件之局部剖面圖。電晶體130可包含磊晶結構131及133取代摻雜區134及136。為了形成磊晶結構131及133，複數個開口形成於控制閘極132之相對兩側以及III-V族化合物層120，而後執行磊晶以生長形成在開口內的磊晶結構131及133。源/汲極應力源(stressor)至少形成部分的磊晶結構131及133。在實施例中，電晶體130為N型金屬氧化物半導體元件，磊晶結構131及133可包含磷化矽、碳化矽，或相似者。在實施例中，電晶體為P型金屬氧化物半導體元件，磊晶結構131及133可包含矽鍺。
形成圖案140以遮蔽控制閘極132及磊晶結構133並曝露磊晶結構131及III-V族化合物層120之一部分。III-V族化合物層120之未被覆蓋的部分可作為主動像素區120’以接收紅外線並產生光電荷。磊晶結構131耦接至主動像素區120’，因此電荷藉由磊晶結構131接受並進一步透過導 電控制閘極132傳輸至磊晶結構133，且邏輯元件(未圖示)可探測自對應的主動像素區120’所傳遞之電子訊號。
紅外線影像感測組件之主動像素區及電晶體可具有多種變形。例如，第3A圖至第3F圖為依據本揭露之部分實施例，圖示製造紅外線影像感測組件在不同步驟下之局部剖面圖。方法始於第3A圖，至少一III-V族化合物層形成在基板210上。在部分實施例中，第一III-V族化合物層220及第二III-V族化合物層230形成在半導體基板210上。
在部分實施例中，半導體基板210由以下範例組成，如矽；化合物半導體，諸如碳化矽、砷化銦，或磷化銦；或合金半導體，諸如碳化矽鍺、磷砷化鎵，或磷化銦鎵。基板210可包含不同摻雜區、介電特徵，或多層互連接於半導體基板內。
第一III-V族化合物層220及第二III-V族化合物層230係由元素週期表之III-V族組成之化合物。然而，第一III-V族化合物層220及第二III-V族化合物層230彼此在成份上有所不同。第一III-V族化合物層220及第二III-V族化合物層230可分別藉由數種製程磊晶生長(但不限於此些)，包含有機金屬化學氣相沉積，亦稱為有機金屬氣相磊晶，並使用適當之前驅物。第一III-V族化合物層220及第二III-V族化合物層230彼此直接接觸。
III-V族化合物材料之不同成分造成層間具有不同能隙。第一III-V族化合物層220及第二III-V族化合物層 230之間的能隙不連續，伴隨著壓電效應(piezo-electric effect)，於第一III-V族化合物層220中創造一層具有高流動導電電子之極薄層240。薄層240在靠近兩層的接面產生具導電性的二維電子氣(two dimensional electron gas；2DEG)。薄層240(亦可稱為二維電子氣層)容許電荷流過組件。
第三III-V族化合物層250進一步形成在第二III-V族化合物層230上。在部分實施例中，第三III-V族化合物層250為摻雜III-V族化合物層，諸如P型摻雜氮化鎵層(亦可稱為摻雜氮化鎵層)。第三III-V族化合物層250可磊晶生長，藉由化學氣相沉積並使用鋁、氮和鎵之適當前驅物。鋁前驅物包含三甲基鋁(TMA)、三乙基鋁(TEA)，或適合之化學前驅物。範例性含鎵前驅物為三甲基鎵(TMG)、三乙基鎵(TEG)或其他適合之化學前驅物。範例性氮前驅物包含苯肼(phenyl hydrazine)、1,2甲基肼(dimethylhydrazine)、叔丁胺(tertiarybutylamine)，氨，或其他適合之化學前驅物，但不限定於此。第二III-V族化合物層230亦可作為阻障層。
請參照第3B圖。經摻雜之第三III-V族化合物層250經圖案化以在第三III-V族化合物層250上界定至少一經摻雜之第三III-V族化合物區252。經摻雜之第三III-V族化合物區252下的薄層(二維電子氣層)240被移除。在部分實施例中，遮罩層(如光阻劑層)形成在經摻雜之第三III-V族化合物層250上，且遮罩層經由光微影製程圖案化以形成複數個特徵及複數個開口，開口藉由經摻雜之第三III-V族化合物層250上之特徵界定。遮罩的圖案係根據預先設計之積體電路圖案而 形成。光微影製程可包含光阻劑塗佈、曝光、曝光後烘烤、顯影。隨後，執行蝕刻製程以界定經摻雜之第三III-V族化合物區252。
在第一III-V族化合物層220及第二III-V族化合物層230內形成淺溝槽隔離結構212以界定像素之主動像素區。在部分實施例中，淺溝槽隔離結構212進一步形成在半導體基板210中。淺溝槽隔離結構212為介電材料，如氧化物。主動像素區的範圍界定在經摻雜之第三III-V族化合物區252及淺溝槽隔離結構212之間。
在經摻雜之第三III-V族化合物區252及第二III-V族化合物層230上形成介電層260。介電層260可由下列材料組成：氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、碳化矽、低介電常數介電材料或上述之組合。介電層260可由沉積製程形成，諸如原子層沉積製程，化學氣相沉積製程，物理氣相沉積製程。介電層260更經圖案化以在介電層260內界定複數個開口262。介電層260經選擇性蝕刻並清淨以界定開口262。範例性蝕刻製程包含濺鍍蝕刻、反應式氣體蝕刻、化學蝕刻及離子蝕刻。開口262形成在經摻雜之第三III-V族化合物區252之相對兩側。開口262嵌入至第二III-V族化合物層230。意即，在開口262嵌入至第二III-V族化合物層230之厚度薄於第二III-V族化合物層230之其他部分之厚度。
請參照第3C圖。複數個歐姆金屬接觸點270,272形成於開口262中。歐姆金屬接觸點270,272可藉由在介電層 260上及開口262內沉積歐姆接觸層，並圖案化歐姆接觸層。沉積製程可為濺鍍沉積、蒸鍍或化學氣相沉積。範例性歐姆金屬包含鉭、氮化鉭、鈀、鎢、矽化鎢、鈦、鋁、氮化鈦、鋁銅、鋁矽銅及銅，但不限於此。在部分實施例中，歐姆金屬接觸點270及272與第二III-V族化合物層230直接連接。歐姆金屬接觸點270及272作用為汲極電極和源極電極之一部分。
請參照第3D圖，III-V族化合物區252上之介電層260被蝕刻由此在內形成另一開口。閘極堆疊274進一步形成在開口內並作為閘電極。閘極堆疊274造成增強式(enhancement mode；E-mode)元件。如第2D圖所示之實施例，閘極堆疊274、源極和汲極接觸點270，272，以及第一III-V族化合物層220內的薄層(二維電子氣層)240，配置為增強式電晶體255，通常為關閉元件，當一正電壓作用在閘極堆疊且正向偏壓足夠大時，增強式電晶體被打開。
請參照第3E圖。複數個介電層280及複數個圖案282隨後形成在介電層260及電晶體255上。圖案282可為導電性圖案並提供配線及光遮蔽的功能。圖案282藉由沉積導電層及蝕刻導電層而形成。導電層之材料可為金屬，如鎢、銅，或鈷。介電層280由具有高透射係數之絕緣材料組成以提升光透射率。介電層280之組成可為以下材料：氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、碳化矽、低介電常數介電材料，或上述之組合。介電層280可藉由沉積製程形成，諸如原子層沉積、化學氣相沉積、物理氣相沉積。
形成圖案282以遮蔽電晶體之一部分以及第二III-V族化合物層230之一部分。意即，僅有III-V族化合物層230之部分自圖案282中曝露。自第二III-V族化合物層230曝露的區域及下方之薄層(二維電子氣層)240作用為主動像素區230’，用於感應包含紅外線之光。主動像素區230’接收光以產生和聚集光電荷，且邏輯元件(未圖示)可探測從對應之主動像素區230’傳遞之電子訊號。
主動像素區230’之能隙可由第一III-V族化合物層220及第二III-V族化合物層230之成分來調控。調控主動像素區230’之能隙以對應於入射光(如紅外線)之波長。主動像素區230’吸收入射光並聚集電荷，其中電荷對應於光的總量及/或強度。主動像素區230’耦接至電晶體255。歐姆金屬接觸點270可視為源極並連接至主動像素區230’以接收由主動像素區230’產生之電荷。電荷透過III-V族化合物區252(作為導電控制閘極)傳送至歐姆金屬接觸點272。在部分實施例中，電荷可聚集在作為汲極的歐姆金屬接觸點272。歐姆金屬接觸點272之電位可藉由聚集電荷而改變，因此電荷的總量可藉由歐姆金屬接觸點272的電位能變化而探測。
為避免光電流漏電，形成圖案282以遮蔽主動像素區230’以外之部分。在部分實施例中，形成圖案282覆蓋經摻雜之III-V族化合物區252及閘極堆疊274(例如閘極)，以及歐姆金屬接觸點272(例如汲極)。主動像素區230’和經摻雜之III-V族化合物區252之間的主動像素區230’和歐姆金屬接觸點272曝露在圖案282外以接收入射光，如紅外線。
請參照第3F圖。紅外線過濾器290配置在介電層280上，且一光學透鏡292形成在紅外線過濾器290上。紅外線過濾器290為紅外線濾通器。光學透鏡292之曲率半徑依據主動像素區230’之深度及入射光之波長而有所不同。光學透鏡292改變入射光的路徑並集中光至主動像素區230’上。
III-V族化合物層之成分可調整以調控III-V族化合物層之能隙。III-V族化合物層之成分之調整可藉由改變III-V族化合物的成分，改變III-V族化合物層的厚度，及/或改變III-V族化合物層的濃度。III-V族化合物層的不同組合可造成主動像素區之不同響應波長。III-V族化合物層的不同組合變化將在隨後的實施例中論述。
第4圖至第11圖為依據本揭露之不同實施例，圖示紅外線影像感測組件之局部剖面圖。請參照第4圖，紅外線影像感測組件400包含形成在半導體基板410上之主動像素區420’，並提供電晶體430耦接至主動像素區420’。主動像素區420’為III-V族化合物層堆疊420未被圖案覆蓋之部分。I-V族化合物層堆疊420包含複數個III-V族化合物層422，424及426，可藉由執行複數個磊晶生長製程而形成。半導體基板410可為矽基板。III-V族化合物層422及426由具有寬能隙之III-V族化合物組成，III-V族化合物層424由具有窄能隙之III-V族化合物組成。然而，III-V族化合物層422及426之成分可為相同或不同。III-V族化合物層426形成在半導體基板之上並與之接觸。具有窄能隙之III-V族化合物層424夾 在具有寬能隙之III-V族化合物層422及426之間。III-V族化合物層422，424及426之厚度可有所不同。
請參照第5圖，紅外線影像感測組件500包含形成在半導體基板510上之主動像素區520’，並提供電晶體530耦接至主動像素區520’。主動像素區520’為III-V族化合物層堆疊520未被圖案覆蓋之部分。III-V族化合物層堆疊520為多層結構包含複數個第一III-V族化合物層522，及複數個第二III-V族化合物層524，可藉由執行複數個磊晶生長製程而形成。半導體基板410可為矽基板。第一III-V族化合物層522由具有寬能隙之III-V族化合物組成，第二III-V族化合物層524由具有窄能隙之III-V族化合物組成。在部分實施例中，電晶體530形成在第一III-V族化合物層522上，第一III-V族化合物層522之數量可相等於第二III-V族化合物層524之數量。第一III-V族化合物層522及第二III-V族化合物層524為成對排列，且具有窄能隙之第二III-V族化合物層524分別夾在相鄰的兩個具有寬能隙之第一III-V族化合物層522之間。第一III-V族化合物層522之厚度及第二III-V族化合物層524之厚度實質上可為相同(除了最上層的III-V族化合物層522)。
請參照第6圖，紅外線影像感測組件600包含形成在半導體基板610上之主動像素區620’，並提供電晶體630耦接至主動像素區620’。主動像素區620’為III-V族化合物層堆疊620未被圖案覆蓋之部分。III-V族化合物層堆疊620為多層結構包含複數個III-V族化合物層621，622，623， 624，625及626。III-V族化合物層621，622，623，624，625及626按順序形成在半導體基板610上，藉由執行複數個磊晶製程，其中III-V族化合物層626與半導體基板610接觸。III-V族化合物層621，622，623，624，625及626之能隙從底部到頂部遞增。意即，III-V族化合物層626具有III-V族化合物層堆疊中最窄之能隙，而III-V族化合物層621具有III-V族化合物層堆疊中最寬之能隙。III-V族化合物層621，622，623，624，625及626之厚度實質上可為相同且均勻。因此III-V族化合物層堆疊可視為從底部至頂部之梯度增加能隙。
請參照第7圖，紅外線影像感測組件700包含形成在半導體基板710上之主動像素區720’，並提供電晶體730耦接至主動像素區720’。主動像素區720’為III-V族化合物層堆疊720未被圖案覆蓋之部分。III-V族化合物層堆疊720為多層結構包含複數個III-V族化合物層721，722，723，724，725及726。III-V族化合物層721，722，723，724，725及726按順序形成在半導體基板710上，藉由執行複數個磊晶製程，其中III-V族化合物層726與半導體基板710接觸。III-V族化合物層721，722，723，724，725及726之能隙從底部到頂部遞減。意即，III-V族化合物層721具有III-V族化合物層堆疊中最窄之能隙，而III-V族化合物層726具有III-V族化合物層堆疊中最寬之能隙。III-V族化合物層721，722，723，724，725及726之厚度實質上可為相同且均勻。 因此III-V族化合物層堆疊可視為從底部至頂部之梯度下降能隙。
請參照第8圖，紅外線影像感測組件800包含形成在半導體基板810上之主動像素區820’，並提供電晶體830耦接至主動像素區820’。主動像素區820’為III-V族化合物層堆疊820未被圖案覆蓋之部分。III-V族化合物層堆疊820為多層結構包含複數個III-V族化合物層821，822，823，824，825，826及827。III-V族化合物層821，822，823，824，825，826及827按順序形成在半導體基板810上，藉由執行複數個磊晶製程，其中III-V族化合物層827與半導體基板810接觸。III-V族化合物層堆疊820之能隙從底部到中間遞減，而III-V族化合物層堆疊820之能隙從中間到頂部遞增。意即，位於III-V族化合物層堆疊820中間之III-V族化合物層824可具有III-V族化合物層堆疊820中之最窄能隙。位於III-V族化合物層堆疊820相對兩側之III-V族化合物層821及827可具有III-V族化合物層堆疊820中之最寬能隙。
請參照第9圖，紅外線影像感測組件900包含形成在半導體基板910上之主動像素區920’，並提供電晶體930耦接至主動像素區920’。主動像素區920’為III-V族化合物層堆疊920未被圖案覆蓋之部分。III-V族化合物層堆疊920為多層結構包含第一III-V族化合物層922及第二III-V族化合物層924，其中第二III-V族化合物層924配置於第一III-V族化合物層922和半導體基板910之間。第一III-V族化合物層922之能隙與第二III-V族化合物層924之能隙不同以在其 間形成二維電子氣層。第一III-V族化合物層922之厚度較第二III-V族化合物層924之厚度薄。第一III-V族化合物層922之能隙本質上為一致而第二III-V族化合物層924之能隙為梯度分布。在部分實施例中，第二III-V族化合物層924之能隙自頂部至底部遞增。意即，第二III-V族化合物層924之靠近第一III-V族化合物層922的部分具有較小能隙，而第二III-V族化合物層924之靠近半導體基板910的部分具有較大能隙。
請參照第10圖，紅外線影像感測組件1000包含形成在半導體基板1010上之主動像素區1020’，並提供電晶體1030耦接至主動像素區1020’。主動像素區1020’為III-V族化合物層堆疊1020未被圖案覆蓋之部分。III-V族化合物層堆疊1020為多層結構包含第一III-V族化合物層1022及第二III-V族化合物層1024，其中第二III-V族化合物層1024配置於第一III-V族化合物層1022與基板1010之間。第一III-V族化合物層1022之能隙與第二III-V族化合物層1024之能隙不同以在其間形成二維電子氣層。第一III-V族化合物層1022之厚度較第二III-V族化合物層1024之厚度薄。第一III-V族化合物層1022之能隙本質上為一致而第二III-V族化合物層1024之能隙為梯度分布。在部分實施例中，第二III-V族化合物層1024之能隙自頂部至底部遞減。意即，第二III-V族化合物層1024之靠近第一III-V族化合物層1022的部分具有較大能隙，而第二III-V族化合物層1024之靠近半導體基板1010的部分具有較小能隙。
請參照第11圖，紅外線影像感測組件1100包含形成在半導體基板1110上之主動像素區1120’，並提供電晶體1130耦接至主動像素區1120’。主動像素區1120’為III-V族化合物層堆疊1120未被圖案覆蓋之部分。III-V族化合物層堆疊1120為多層結構包含第一III-V族化合物層1122及第二III-V族化合物層1124，其中第二III-V族化合物層1124配置於第一III-V族化合物層1122與基板1110之間。第一III-V族化合物層1122之能隙與第二III-V族化合物層1124之能隙不同以在其間形成二維電子氣層。第一III-V族化合物層1122之厚度較第二III-V族化合物層1124之厚度薄。第一III-V族化合物層1122之能隙本質上為一致而第二III-V族化合物層1124之能隙為梯度分布。在部分實施例中，第二III-V族化合物層1124之能隙自頂部至中間遞減，更自中間至底部遞增。意即，第二III-V族化合物層1124之靠近第一III-V族化合物層1122及半導體基板1110的部分具有較大能隙，而第二III-V族化合物層1124之中間部分具有較小能隙。
紅外線影像感測器組件包含至少一III-V族化合物層於半導體基板上，其中III-V族化合物層未被圖案覆蓋之部分作用為主動像素區以探測入射紅外線。紅外線影像感測器組件包含至少一電晶體耦接至主動像素區，且主動像素區產生之電荷傳輸至電晶體。III-V族化合物材料相較於矽具有較廣的紅外線波長覆蓋範圍，相較於矽在紅外光區具有較大的吸收係數，比矽還大的載子遷移率，因此紅外線影像感測器組件之效能隨之提升。
根據本揭露之部分實施例，紅外線影像感測器組件包含半導體基板，配置於半導體基板上之用於接收紅外線的主動像素區，耦接至主動像素區的電晶體，其中主動像素區由III-V族化合物材料組成。
根據本揭露之部分實施例，紅外線影像感測器組件包含半導體基板，至少一III-V族化合物層配置在半導體基板上，電晶體配置在III-V族化合物層上，複數個圖案配置在III-V族化合物層之上。圖案局部遮蔽III-V族化合物層及電晶體，且III-V族化合物層自圖案中曝露的部分形成主動像素區以接收紅外線。電晶體耦接至主動像素區。
根據本揭露之部分實施例，製造紅外線影像感測器組件之方法包含形成至少一III-V族化合物層於半導體基板上；形成電晶體於III-V族化合物層上；以及形成複數個圖案局部遮蔽電晶體及III-V族化合物層。III-V族化合物層自圖案中曝露的部分形成主動像素區以用於接收紅外線，且電晶體耦接至主動像素區。
上文概述若干實施例之特徵，使得熟習此項技術者可更佳理解本發明之樣態。熟習此項技術者應瞭解，可輕易使用本發明作為基礎來設計或修改其他製程及結構，以便實施本文所介紹之實施例的相同目的及/或實現相同優勢。熟習此項技術者亦應認識到，此類等效結構並未脫離本發明之精神及範疇，且可在不脫離本發明之精神及範疇的情況下對本文內容進行各種變化、替代及更改。
100‧‧‧紅外線影像感測器組件
110‧‧‧基板
120‧‧‧III-V族化合物層
120’‧‧‧主動像素區
130‧‧‧電晶體
140‧‧‧圖案
150‧‧‧介電層
160‧‧‧紅外線過濾器
170‧‧‧光學透鏡
180‧‧‧淺溝槽隔離結構

Claims (10)

  1. 一種紅外線影像感測器組件，包含：一半導體基板；一主動像素區，配置於該半導體基板上，用於接收一紅外線，其中該主動像素區由一III-V族化合物材料組成；以及一電晶體，耦接至該主動像素區。
  2. 如請求項1所述之紅外線影像感測器組件，其中該主動像素區包含一III-V族化合物層，且該電晶體包含：一閘極；以及二摻雜區，配置在該閘極的相對側，其中該些摻雜區形成在該III-V族化合物層中，且該摻雜區為磊晶結構。
  3. 如請求項1所述之紅外線影像感測器組件，其中該電晶體包含：一經摻雜之III-V族化合物區；一閘極金屬堆疊，配置在該經摻雜之III-V族化合物區上；以及二歐姆金屬接觸點，配置於該閘極金屬堆疊之相對側，其中該些歐姆金屬接觸點之一者耦接至該主動像素區。
  4. 如請求項1所述之紅外線影像感測器組件，其中該主動像素區包含配置在該半導體基板上的一III-V族化合物層堆疊，該III-V族化合物層堆疊包含複數個III-V族化合物層，該些III-V族化合物層分別具有一能隙，且該些III-V族化合物層之該能隙自靠近該半導體基板之一側往遠離該半導體基板之一側遞增或遞減。
  5. 如請求項1所述之紅外線影像感測器組件，其中該主動像素區包含配置在該半導體基板上的一III-V族化合物層堆疊，該III-V族化合物層堆疊包含複數個第一III-V族化合物層，以及複數個第二III-V族化合物層，該些第二III-V族化合物層之能隙較該些第一III-V族化合物層之能隙寬，其中該些第一III-V族化合物層與該些第二III-V族化合物層為交替排列。
  6. 如請求項1所述之紅外線影像感測器組件，其中該主動像素區包含配置在該半導體基板上的一III-V族化合物層堆疊，該III-V族化合物層堆疊之中間部分之能隙較該III-V族化合物層堆疊之相對兩側之能隙窄。
  7. 如請求項1所述之紅外線影像感測器組件，其中該主動像素區包含配置在該半導體基板上的一III-V族化合物層堆疊，該III-V族化合物層堆疊包含：一第一III-V族化合物層；以及 一第二III-V族化合物層，配置於該第一III-V族化合物層與該半導體基板之間，其中該第二III-V族化合物層之一能隙為一梯度分布。
  8. 一種紅外線影像感測器組件，包含：一半導體基板；至少一III-V族化合物層，配置於該半導體基板上；一電晶體，配置於該III-V族化合物層上；以及至少一圖案，配置於該III-V族化合物層之上方，其中該III-V族化合物層自該圖案曝露之一部分形成一主動像素區，用於接收一紅外線，且該電晶體耦接至該主動像素區。
  9. 如請求項8所述之紅外線影像感測器組件，其中該電晶體包含：一閘極，配置於該III-V族化合物層上；以及一源極與一汲極，配置於該閘極之相對側，其中該些圖案遮蔽該源極與該汲極。
  10. 一種製造紅外線影像感測器組件之方法，該方法包含：形成至少一III-V族化合物層於半導體基板上；形成一電晶體於該III-V族化合物層上；以及 形成至少一圖案於該III-V族化合物層上方，其中該III-V族化合物層自該圖案曝露之一部分形成一主動像素區，用於接收一紅外線，且該電晶體耦接至該主動像素區。
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