TW201904035A - 共振空腔增強型影像感測器 - Google Patents

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Abstract

半導體影像感測器裝置包含具有主表面(MS)與對立的後表面(RS)之半導體層(SL)、以及位於該主表面之電荷-載子產生組件(CG)。電荷載子產生組件係設置於頂端反射層(R1)與底端反射層(R2)之間，頂端反射層(R1)與底端反射層(R2)係設置於半導體層外部。

Description

共振空腔增強型影像感測器
本發明涉及影像感測器領域，尤其是為了在特定波長下有良好量子效率而最佳化之影像感測器。
本發明涉及影像感測器領域，尤其是為了在特定波長下有良好量子效率而最佳化之影像感測器。此類影像感測器舉例而言，係用在投射人造光之系統中，如將結構化光圖型用於3D成像之相機系統、或將一組短光脈衝例如用在飛行時間3D成像系統中之系統。此類系統通常使用窄頻帶近紅外光，因為近紅外光對使用者不是可見光。近紅外光難以用如CMOS與CCD影像感測器中常用之矽光二極體進行偵測。但由於紅外區域中的特定頻帶的低太陽光成分，例如，大約940nm的H2O吸收頻帶(其指在主動照射系統中有相當少量的背景信號)，因此，該特定頻帶是有趣的。那麼，使用窄頻帶940nm光源是有助益的，使得來自陽光照射之背景信號量達到最小。如垂直腔面射型雷射(VCSEL)或LED為常用的光源。但重要的是，影像感測器在此波長下達到足夠之量子效率。
影像感測器必須對特定波長具有選擇性之 其它應用有光致發光成像或2D光譜學。本發明亦可用於此領域。在光致發光中，光源或X射線源在閃爍或光致發光材料中觸發光致發光。此光致發光在特定波長下出現，並且照射之圖型係藉由影像感測器來記錄。此影像感測器僅必須對光致發光之光的波長敏感。在2D光譜學中，不同像素可選擇性地對特定波長敏感，這可藉由本發明之某些具體實施例來實現。
在本發明中使影像感測器最佳化之波長可位於所用偵測器材料具有光敏性之任何波長帶中。如果使用的是矽，則這包括可見光及近紅外光。對於近紅外光，本發明提供附加優點，即偵測器可以保持很薄。
光子在光偵測器中具有某一吸收深度，這取決於光偵測器之能隙、以及光子之能量，從而光子之波長。對於常用於CMOS與CCD影像感測器之矽，940nm下之吸收深度為55μm。這意味著對於940nm，光偵測器將需要至少55μm才能偵測最大63%(1-1/e)之光子，作為不因反射或復合而有任何其它損耗之上限。因此，需要厚層才能收集足夠光子，達到足夠大的量子效率。
厚偵測器在各含有光二極體之小像素所構成之陣列中不可行，因為載子擴散在諸像素之間所造成之串擾會限制影像之銳度。電荷收集層之厚度一般小於像素間距之兩倍。對於尺寸為1.4μm或更小之小像素，將附加隔離技巧用於避免載子擴散，例如深植入物或深隔離溝槽。為了增大厚度使串擾不會太大，必須使用垂直電場，藉由 使用背面偏壓技巧或藉由改變層中雜質濃度來達成。此類技巧一般僅用於較大像素，例如具有10微米像素間距者。此類背面偏壓技巧在製造中還需要附加程序步驟，導致裝置成本增加。
再者，在光子能量不比半導體偵測器層之能隙大太多之波長下，電荷載子收集深度顯著取決於溫度。較厚之偵測器層亦限制可收集電荷載子之最大速度。這在快速閘控像素中很重要，係舉例如用在間接飛行時間影像感測器中。
法布立-培若干(Fabry-Perot)干涉儀或標準具(etalon)係藉由以指定距離置放之兩個反射鏡所形成。在反射鏡之間的光徑長度為空腔內部材料中光之波長之倍數的情況下，出現建設性干涉。已經說明在兩個反射鏡之間置放有光子吸收層之結構，以建置大型離散光二極體，主要用意在於快速收集載子。類似結構係用於垂直腔面射型雷射(VCSEL)中。
N.Tack等人之「A Compact High Speed and Low Cost Hyperspectral Imager」，proc.SPIE Vol.8266,2012，說明在像素頂部使用法布立-培若干干涉儀之超光譜和多光譜感測器。
K.Kishino等人之「Resonant Cavity-Enhanced(RCE)Photodetectors」，IEEE journal of Quantum Electronics,Vol.27,No.8,Aug 1991，採分析方式說明位於兩個反射鏡之間的光偵測器結構之特性，包括量子效率、波長選擇性、 角靈敏度及載子收集速度。Kishino等人還展示具有InGaAs集極層之AlGaAs-GaAs異質接面光電晶體之特性、以及就電信應用在光纖信號之光譜解多工處理中之應用。
M.Emsley等人之「High-Speed Resonant-Cavity-Enhanced Silicon Photodetectors on Reflecting Silicon-On-Insulator Substrates」，IEEE Photonics Technology Letters,Vol.14,No.4,April 2002，說明在CMOS實施之結構，其在厚度為2.1μm之大型光二極體上使用SiO2-Si-SiO2底端反射器及Si/空氣介面作為頂端反射器。偵測器係使用矽絕緣體(SOI)技巧來製造。底端反射器係建構在上有生長磊晶層之SOI材料中。在此磊晶層內部之SOI層頂部處理光二極體結構。
US 2005/0263805 A1揭示一種具有像素之成像器，該等像素具有共振腔光二極體，其提升具有長波長之光之吸收。為光二極體形成溝槽，並且在溝槽之底端上生長反射膜。反射膜將最初未遭吸收之光反射回到光二極體之主動區。溝槽係以光偵測器材料來填充。
US 2009/0152664 A1揭示一種光電偵測器，其包含積體電路、位於該積體電路之至少一部分上方兩個電極之間的第一光敏層、以及位於該第一光敏層上方兩個電極之間的第二光敏層。將偏壓選擇性地施加至該等電極，並且讀取藉由相應光敏層所接收之光子數目相關信號。
本發明之一目的在於介紹一種用於增強量 子效率之薄影像感測器，其可適於指定波長。
此目的係以如申請專利範圍第1項所述之半導體影像感測器裝置來實現。具體實施例源自於申請專利範圍。
共振腔增強型影像感測器利用共振光腔。其提供高量子效率，並且使產生及偵測電荷載子所在區域之深度縮減。可將此影像感測器實現為CMOS影像感測器，並且與紅外光源搭配應用，一般可將其調到例如940nm之波長。此概念亦可用於CCD(電荷耦合裝置)。
影像感測器可包含薄吸收矽層。舉例來說，所有電荷載子都可藉由適當的電荷收集箱來快速收集，該電荷收集箱可包括例如光二極體。由於電荷載子實質上是在光二極體之空乏區中產生，載子收集程序可非常快。影像感測器允許設計特小像素。
共振腔增強型影像感測器包含置放在影像感測器之主動層頂部及底端處之兩個反射鏡。提出三種主要結構，一種用於背照式影像感測器，一種用於前照式影像感測器，而一種則有包括光偵測層與兩反射層之空腔位於讀出IC上面之表面。頂端反射層係設置於空腔之面向入射輻射之側，而底端反射層係設置於空腔之遠離入射輻射之側。
正如將進一步論述者，反射鏡可特別地設置於配線之諸金屬層之間的介電質堆疊中之不同層階上。反射鏡尤其可以是調成用於使反射率在目標波長下最佳化 之介電反射鏡(例如布拉格鏡)。
這兩個反射鏡之間建立之空腔在某一波長下共振。建設性干涉在波長是該等反射鏡之間的光徑長度之整數倍時出現。共振波長取決於入射光之入射角。對於在該等反射鏡之間只有一種材料之單純結構，該干涉可藉由以下方程式作一階說明：kλ=2n．d．cos(φ)(其中k=波數；λ=波長；φ=入射角；d=反射鏡之間中間層之厚度；以及n=中間層之折射率)
在不同具體實施例中，該等反射鏡之間可設置不同材料。雖然如此，目標波長下之共振可藉由正確調諧此層堆疊之厚度來建立。
半導體影像感測器裝置包含具有主表面與對立的後表面之半導體層、以及設置於主表面處對輻射敏感之電荷載子產生組件。電荷載子產生組件係設置於頂端反射層與底端反射層之間，頂端反射層與底端反射層係設置於半導體層外部。
頂端反射層可為了輻射之入射而設。頂端反射層可設置於主表面上面，而底端反射層在後背面上面，反之亦然。
頂端反射層與底端反射層適於形成共振腔之對立邊界，可將該共振腔特別調到到紅外線輻射之波長。尤其可將共振腔調到自900nm至980nm範圍內之波長。
半導體影像感測器裝置之具體實施例可更 包含形成電荷載子產生組件之光二極體。第一導電類型之一區域係設置於主表面處半導體層中，而與第一導電類型相反之第二導電類型之一區域與第一導電類型之該區域鄰接，從而形成光二極體。舉例而言，可將第一導電類型之該區域嵌埋於第二導電類型之該區域中。感測節點存在於主表面處或附近，並且轉移閘係設置於光二極體與感測節點之間的主表面。光二極體可以是埋置型或釘紮型光二極體，其中，半導體層之表面係藉由多數類型植入物(例如p++釘紮層)之高摻雜層來鈍化。可使用埋置型或表面光閘來收集光載子，例如用在一些CCD架構中者，而不使用光二極體。
進一步具體實施例包含位在主表面上或上面之介電層。介電層可設置於半導體層與頂端反射層之間、或半導體層與底端反射層之間。頂端反射層係為了輻射之入射而設。
在進一步具體實施例中，頂端反射層與底端反射層的一者係嵌埋於介電層中。介電層中可嵌埋敷金屬層，尤其是配線之金屬層，而頂端反射層與底端反射層的一者可藉由該等敷金屬層的一者來形成。
在進一步具體實施例中，頂端反射層與底端反射層之至少一者包含一介電層序列，其尤其可形成布拉格鏡。
在進一步具體實施例中，半導體層為磊晶層，其尤其可生長於包含埋置型氧化物層之矽絕緣體基材 上。頂端反射層與底端反射層的一者可設置於埋置型氧化物層中。
在進一步具體實施例中，半導體層是由量子點、非晶矽、有機光偵測層、或位於讀出IC上面之另一薄光子轉換層所組成之光敏層。在各像素中，可在光敏層與讀出IC之間形成小連接。
1‧‧‧主體晶圓
2‧‧‧磊晶層
3‧‧‧積體電路
4‧‧‧層間介電質
5‧‧‧配線
6‧‧‧再一晶圓
7‧‧‧黏合層
8‧‧‧鈍化層
9‧‧‧介電層
10‧‧‧貫穿基材通孔
11‧‧‧開口
CG‧‧‧電荷載子產生組件
FWHM‧‧‧半峰全幅值
GC‧‧‧吸除中心
ILD‧‧‧層間介電質
Lp‧‧‧總擴散距離
Lpd‧‧‧光二極體長度
Lv‧‧‧垂直擴散距離
M1、M2、M3‧‧‧敷金屬層
M4b‧‧‧金屬層
QE‧‧‧量子效率
RS‧‧‧後側
R1‧‧‧頂端反射層
R2‧‧‧底端反射層
SL‧‧‧半導體層
SN‧‧‧感測節點
STI‧‧‧淺溝槽隔離
TX‧‧‧轉移閘
以下搭配附圖為半導體影像感測器裝置之實施例之詳細說明。
第1圖為在諸介電反射層之間包含共振腔之背照式影像感測器的部分截面。
第2圖為在諸介電反射層之間包含共振腔之前照式影像感測器的部分截面。
第3圖為在介電反射層與金屬反射層之間包含共振腔之背照式影像感測器的部分截面。
第4圖為根據第1圖的部分截面，其指出黏合介面之不同位置。
第5圖為在諸介電反射層之間包含共振腔之再一背照式影像感測器的部分截面。
第6圖為在介電反射層與附加光學組件之間包含共振腔之背照式影像感測器的部分截面。
第7圖為根據第3圖包括背照式影像感測器之晶圓堆疊影像感測器的部分截面。
第8圖繪示影像感測器中電荷載子之擴散路徑。
第9圖繪示光載子在受到收集前之擴散時間。
第10圖為類似於第2圖之前照式影像感測器的部分截面，其更包含位在層間介電質中光二極體上面之背端蝕刻開口、及位在光二極體上面之正面反射鏡。
第11圖為前照式影像感測器的部分截面，其包含與下伏CMOS層中之讀出電路連接之專用光子轉換層中之共振腔。
第12圖為一組像素的部分截面，將各像素調到不同波長帶，以便建立多光譜或超光譜2D或線性影像感測器。
第13圖展示使用像素之多光譜像素陣列的俯視圖，該等像素具有為了不同波長而最佳化之共振腔。
第14圖為相機模組的部分截面，其展示光圈、以及將共振腔之厚度調到主射線角之概念。
第15圖展示用於影像感測器之製造方法在形成底端反射層後之第一階段。
第16圖展示製造方法在黏合握把晶圓後之再一階段。
第17圖展示製造方法在形成頂端反射層後之再一階段。
第18圖展示製造方法在形成貫穿基材通孔後之再一階段。
第19圖展示製造方法在接觸墊上面形成開口後之再一階段。
在以下說明中，舉例來說，電荷載子產生組件CG係藉由光二極體來表示。可透過轉移閘TX將電荷載子轉移至感測節點SN。
第1圖展示背照式影像感測器，其可以是CMOS影像感測器。光從半導體層SL之後側RS進入，其舉例來說，可以是矽。半導體層SL尤其可以是p型或n型導電性之磊晶層。反射層R1、R2係設置於後側RS上面作為頂端反射鏡或頂端反射層R1，並且係設置於藉由光二極體表示之影像感測器之主動部分上面作為底端反射鏡或底端反射層R2。反射層R1、R2形成共振腔之對立邊界。調諧介於反射層R1、R2之間的距離以獲得所欲共振。一般可將反射率調到例如940nm。
整個影像感測器像素陣列及讀出電路可位於空腔內部。在其它具體實施例中，使用晶圓對晶圓、晶粒對晶圓或晶粒對晶粒堆疊，讀出電路可以是第二晶圓之部分。共振產生駐波，其可藉由調諧層厚來最佳化，以在光二極體空乏層內部產生電子。
光二極體與像素之結構可對應於習知的像素結構。第1圖中展示釘紮型光二極體，其在p磊晶層中包含n型植入物。二極體係藉由p+表面層來釘紮，以保持低暗電流，並且確保二極體在低電位下空乏。後者能夠向浮動擴散感測節點SN進行完全像素內電荷轉移，浮動擴散感測節點SN係展示為位於光二極體右側之n+區，並且係經由轉移閘TX來存取。
像素可更包含可藉由p型植入物鈍化之淺溝槽隔離STI、以及用以重設浮動擴散、及用以讀出浮動擴散(一般係藉由源極隨耦器來進行)之附加電晶體。如果所欲為小像素，則可在不同像素之間共用這些結構其中一些。在一些其它像素中，可存在附加結構以實現附加功能，舉例如全域快門。可存在深溝槽隔離以避免載子擴散到鄰近像素。此類深溝槽一般係位於各像素之週圍、或各光二極體之周界附近。深溝槽可以或可不穿過整個矽磊晶層。深溝槽可予以從背面或正面蝕刻，並且可用氧化物或任何其它材料來填充。
舉例而言，如第1圖所示，頂端反射層R1可藉由雙色鏡(布拉格反射器)來施作。底端反射層R2可採用相同方式來形成。可將反射層R1、R2調成在目標波長下有最佳反射率。反射率係依據介於兩個反射鏡之間的預期層厚來調諧。在根據第1圖之具體實施例中，這些層包括半導體層SL及層間介電質ILD。後者一般可以是SiO2。可存在其它層。舉例而言，偵測器背面有光進入之表面可藉由具有固定負電荷之介電質來鈍化。該鈍化可包含SiN或類似材料。可在頂端反射層R1與半導體層SL之間設置再一鈍化，尤其是包含Al2O3、HfO、高度p摻雜半導體材料或類似者之層。
製造此一裝置結構之程序因新增兩個反射層R1、R2而有別於標準製造流程。基本程序流程如下：在主體材料上以標準CMOS影像感測器程序處理CMOS影 像感測器晶圓，該主體材料在其表面上包括磊晶p-層，裝置是在該表面上形成。此p-磊晶半導體層在基材上磊晶生長，從而在該程序結束時達到所欲厚度。所有CMOS與光二極體裝置及互連層之處理都發生在標準CMOS晶圓廠中之此晶圓上。晶圓用平坦化氧化物來表面加工，使其為晶圓對晶圓分子鍵結做好準備。
在握把晶圓上塗敷可以是介電質反射鏡之底端反射層R2，該握把晶圓可任選地用平坦化氧化物層來表面加工，使其為晶圓接合做好準備。在晶圓接合前，反而在CMOS影像感測器頂部沉積底端反射層R2。底端反射層R2也可以是層間介電質ILD之部分(例如配線之金屬層M1、或設置於更靠近矽處之專用反射層)。這樣做的效益在於，晶圓上方層間介電質ILD之厚度變化對於裝置結構之最佳化而言不那麼重要。然後進行晶圓對晶圓氧化物-氧化物黏合，電漿可能活化。舉例來說，藉由在磊晶層底下研磨及蝕刻基材來使晶圓變薄，直到實現所欲厚度為止，所欲厚度例如可以是2微米至3微米。
接著沉積頂端反射層R1。可沉積附加層(例如SiO2)以確保在目標波長下出現共振。可對該等層之厚度進行光學測量，使得可將此附加層之厚度調諧成在目標波長下共振。按照這種方式，可補償程序步驟期間可能出現之厚度變化。黏合墊係藉由穿過主動裝置背面蝕刻至下敷金屬層M1、或藉由穿過握把晶圓形成連接至上敷金屬層M3之貫穿基材通孔(TSV)來張開。正如用於CMOS影像 感測器之習知程序流程，之後可進行晶圓測試、分切及組裝。
取而代之的是，可將矽絕緣體(SOI)晶圓當作起始材料用於CMOS處理。此SOI晶圓含有埋置型氧化物層，磊晶p-層在其頂部生長。SOI帶來的效益是在背面薄化程序期間改善厚度均勻性控制。
至於SOI，蝕刻可向下伸抵埋置型氧化物層。在後續程序步驟中，可移除埋置型氧化物層。任選地沉積背面鈍化，其例如可以是Al2O3或HfO、或p+表面佈植，後面跟著淺退火(例如準分子雷射退火)。
或者，SOI晶圓之埋置型氧化物層設有頂端反射層R1並且受到維持。在這種情況下，應該施用背面鈍化來降低暗電流，作法例如為：使靠近埋置型氧化物之p+層預先存在，在CMOS處理之前便已存在。
反射層R1、R2之反射率可為了結構之設計厚度而最佳化。亦可將所欲角靈敏度、及對目標波長之選擇性列入考量。亦可調整反射層R1與R2之反射率，以將譜響應之半峰全幅值調整到目標值。亦可調整反射層R1與R2之反射率，以為了共振腔隨著處理而出現之預期厚度變化進行最佳化，並且確保在厚度允差內，於目標波長下達到足夠高之響應。當偵測器之厚度可實現較嚴格之允差時，可使用更高反射率，使偵測器對目標波長更具有選擇性，導致譜響應之半峰全幅值(FWHM)更小，並且使目標波長下之響應與量子效率更高。然而，光偵測器對光之 入射角也將更具有選擇性。
第2圖展示前照式影像感測器。此影像感測器可在SOI起始晶圓上製造，其中已將底端反射層R2嵌埋在埋置型氧化物層中。SOI晶圓上生長所欲厚度之磊晶層。然後在標準CMOS影像感測器程序中處理影像感測器晶圓。在處理結束時，先沉積頂端反射層R1再進行黏合墊張開。可提供局部吸除中心GC，如第2圖所示。此吸除中心GC收集CMOS處理期間出現的雜質。在p++主體晶圓上之標準p-磊晶中，吸除中心通常存在於p++主體中晶圓之底端處。憑藉此SOI晶圓，埋置型氧化層為這些雜質其中某些之擴散形成阻障物，而且必須在像素中的其它位置收集該等雜質。
第3圖展示再一背照式影像感測器。在這項實施例中，嵌埋於層間介電質ILD中之敷金屬層M1、M2、M3之金屬層M1中形成底端反射層R2。此層可以是Al、Cu。Al或Cu金屬可藉由TiO、SiN或類似物來包封。舉例來說，底端反射層R2也可以是更靠近矽而置之專用層，諸如鎢層。此鎢層一般係當作光屏蔽用於行間轉移CCD與一些全域快門CIS感測器。在這種情況下，其可當作反射器使用。如第3圖所示，使底端反射層R2位於ILD疊層內部或更靠近矽處之優點在於可忽略層間介電層ILD之厚度變化。在此結構中，標準具之特性(諸如峰值量子效率、FWHM、標準具細緻度、角靈敏度、及對厚度變化之允差)主要係藉由調整頂端反射層R1之反射率、以及藉由 調整介於頂端反射層R1與背面鈍化層之間的介電質來調適。
第4圖展示與根據第1圖之影像感測器類似之再一背照式影像感測器。在根據第1圖之影像感測器中，黏合介面位於金屬堆疊與底端反射層R2之間，其在這種情況下，可在黏合前先設於握把晶圓上。在根據第4圖之影像感測器中，黏合介面取而代之位於底端反射層R2與握把晶圓之間。此實作態樣之優點在於，因黏合介面問題(如空洞)引起之光徑長度變化不影響結構之光學行為。
第5圖展示再一背照式影像感測器。在第5圖之實施例中，底端反射層R2係藉由設置於光二極體上面之專用雙色反射器所形成。底端反射層R2從而可設置於光二極體附近。在這項實施例中，專用介電性布拉格鏡係設置於層間介電質ILD之底端附近，靠近半導體層SL處。如果將此一反射鏡用於陣列之各像素，則可個別調諧各該像素，從而允許為不同像素獲得不同光譜特性。
第6圖展示具有微透鏡與附加濾光片之再一背照式影像感測器，其可彼此獨立地應用。舉例來說，附加濾光片可以是有機濾光片。其可設來過濾共振結構之諧波。濾色器的用途可在於進一步抑制帶外光。微透鏡可提高靈敏度，端視結構設計之入射角之允差而定。
第7圖展示與具有堆疊式再一晶圓之第3圖類似之實施例。在第7圖之實施例中，影像感測器晶圓之頂端未黏合至握把晶圓，而是黏合至邏輯晶圓。該黏合 可藉由晶圓對晶圓互連來實現。此一垂直整合技術本身屬於已知，不需要詳述。可運用各種晶圓對晶圓連接方案。第7圖所示之電連接可藉由諸金屬通孔(在這項實施例中，係形成於金屬層M3與M4b中)之間的直接黏合來產生。
在第7圖所示之實施例中，頂端反射層R1係形成於金屬層M1中，並且底端反射層R2為位於背側表面處之雙色反射器。可取而代之形成反射層R1、R2，如在根據第1、2、4、5或6圖之具體實施例中那樣。
可在SOI晶圓上之薄矽層上處理影像感測器(其中SOI可已經包括如前述諸反射器的一者，或可尚未包括反射器)。因此，主動裝置晶圓之厚度可比矽中目標波長下之光之有效波長(λ/n)小數倍。例如，對於矽，假設950nm、及950nm下3.5之折射率，這意指λ/n=271nm之厚度或此值之小倍數。更薄之實作態樣可更容忍晶圓厚度變化、以及入射光之入射角變化。對於電晶體裝置之適當操作(例如，n型井及p型井佈植)，可能需要2λ/n、3λ/n或4λ/n之厚度。對於近紅外線成像，依此方式實現之厚度可比傳統影像感測器上運用之厚度實質更薄。該結構類似於第2圖，但磊晶層將只有數百奈米薄。可能可在光二極體上方蝕刻空腔以消除ILD介電質之厚度。第10圖展示此類結構。回蝕光二極體上面之介電質在所屬技術領域中廣為人知。第10圖展示光二極體上面存在附加反射器。此反射器可以是前述任何類型、或是布拉格鏡或薄金屬片。
一些具體實施例可為了薄矽厚度而最佳化， 因為這也能夠改善載子收集時間並改善像素之時間響應。其它具體實施例可僅為了目標波長下之高量子效率而最佳化，並且在這種情況下，更厚之偵測器可能有用。
厚度控制對於將結構調到目標波長至關重要。具有晶種矽層(其可為p+預摻雜)之SOI晶圓上生長之磊晶層之晶圓內之最壞情況變化一般是該SOI晶圓上生長之磊晶層之厚度之4%。對於背照式影像感測器，最壞情況變化一般為主動基材變薄後厚度之4%左右。共振腔中較薄之主動層有利於較大之厚度變化允差，因為1)厚度變化在較低諧波階下不那麼重要；2)厚度控制可更容易，尤其是對於包含SOI晶圓頂部生長之磊晶層的前照式影像感測器而言。
第8圖展示一種結構以說明用於收集載子之載子收集路徑。矽內部產生之載子離光二極體之垂直擴散距離為Lv。離記憶體之總擴散距離Lp為Lp=sqrt{Lv2+(Lpd/2)2}。在飛行時間像素中，載子係收集在記憶體節點mem中，如藉由記憶體閘Omem底下之實施例所示。離該記憶體之擴散距離為前述總擴散距離Lp。
第9圖展示在沒有電場的情況下，以光二極體長度Lpd為函數，載子在此結構中擴散某一距離所用的時間。該時間非常重要，對於5μm之擴散路徑，時間變為1ns以上。本發明將此帶入更低值，因為可將結構設計成使得載子將主要在光二極體之空乏區內部產生(所以，上式之Lv顯著更小)。不需要擴散也能在光二極體中收集 電荷。為了將電荷快速轉移至記憶體，可使用小型光二極體，使Lpd距離達到最小。一些如飛行時間3D成像及快速時間閘控等應用需要快速收集以光電方式產生之載子，其可能需要低於1ns(奈秒)之擴散時間。由於擴散時間過長，光電荷有在錯誤電荷收集箱中混合及呈現的風險。這使所謂的調節對比度降低。由於擴散距離短，本發明使該調節對比度保持高。
第10圖為再一前照式影像感測器之部分截面。根據第10圖之具體實施例包含位在層間介電質ILD中光二極體上面之回蝕開口。頂端反射層R1係設置於電荷載子產生組件CG上面。
第11圖展示前照式影像感測器的另一部分截面，其包含與下伏CMOS層中之讀出電路連接之專用光子轉換層中之共振腔。此專用光子轉換層可以是量子膜層，舉例如US 2009/0152664 A1中所述者。其它具體實施例可以是有機光敏膜或非晶或結晶矽膜、或由III-V族材料所組成例如在SWIR頻帶或其它波長帶中用於IR感測之膜、或任何其它形式之光子轉換層。此類轉換層之特徵一般在於頂端接觸部，其不僅透明(例如氧化銦錫)，而且還偏置到某一偏壓，並且所有像素都共用。此外，此類轉換層之特徵一般在於每個像素都不同之底端接觸部。頂端與底端接觸部經過最佳化而與光子轉換膜一起作用。共振腔係藉由使反射率最佳化、及藉由為目標波長調諧空腔之厚度而建立。頂端與底端電極可以是反射鏡設計之部分，或可以 是共振腔中光學透射層之部分。共振腔預期進一步提升此結構中之光子吸收與量子效率。底端電極係連接至讀出電路。圖式中展示一項實施例，其中膜係藉由一連接而連接至接面及重設開關、以及諸如源極隨耦器之緩衝放大器之輸入。可以使用其它組態，舉例如所屬技術領域中廣為人知的電荷感測放大器。
第12圖展示為不同共振波長調諧不同像素之一具體實施例。這允許建構2D像素陣列或線性(行掃描)像素影像感測器，其中不同像素係為了不同波長而最佳化，從而產生多光譜或超光譜裝置。
第13圖展示三種不同波長λ1、λ2及λ3之此一像素配置之一實施例。波長之數目是任意數。該配置係藉由以不同方式為不同像素調整光徑所形成。一種為此採用之方式係藉由在像素頂部將附加SiO2介電層圖型化及沈積來進行，如第12圖所示。這可藉由用於CMOS晶圓處理之廣為人知的處理技巧來完成。舉例而言，習知的超光譜及多光譜感測器在像素頂部使用法布立-培若干干涉儀(請參閱N.Tack等人之「A Compact High Speed and Low Cost Hyperspectral Imager」，proc.SPIE Vol.8266,2012)或典型的吸收濾色器。本發明之優點在於可在目標波長下實現高非常多的量子效率、以及可運用薄偵測器層，如以上所述。
第14圖概念性展示相機模組的截面。入射輻射係以箭號表示。主射線角在0度與更大角度之間變化， 例如20度，端視相機鏡頭之特性而定。此移位將造成結構之共振波長移位。這可能非所欲。為了對此作出補償，可設計遠心鏡頭，但這可能增大相機模組之厚度。第14圖中展示不同解決方案，其中空腔之厚度係為了像素陣列中之像素位置而相應調整。根據像素陣列上方之主射線角分佈，厚度在中心處比在像素陣列之外區處更厚，並且使得共振波長保持恆定。在理想情況下，確保產品d‧cos(φ)維持固定。這可藉由步級函數來逼近，以便使波長移位減到可能的最小程度。此階梯圖型可藉由選擇性氧化物沉積或氧化物蝕刻步驟來實現，其可以藉由半導體製造中常用之接連微影步驟來掩蔽。
第15至19圖展示用於影像感測器之製造方法之階段。影像感測器之內部結構之細節可隨不同具體實施例而變，並且僅予以示意性指出。
第15圖展示主體晶圓1的截面，其具有半導體材料之磊晶層2。在磊晶層2中形成積體電路3之組件，包括如光二極體之電荷載子產生組件。在磊晶層2上面設置層間介電質4及配線5，配線5包含嵌埋在層間介電質4中之敷金屬層與互連。在層間介電質4上塗敷底端反射層R2。第15圖亦展示再一晶圓6，其係黏合至底端反射層R2。舉例來說，再一晶圓6可以是握把晶圓。
第16圖展示根據第15圖之截面在黏合再一晶圓6之後的情況。可為此目的提供專用黏合層7，其可以是氧化物層，尤其是SiO2。舉例來說，然後移除主體 晶圓1，其可藉由研磨及/或蝕刻來完成。
第17圖展示根據第16圖之截面在移除主體晶圓1之後的情況。然後可在磊晶層2之背表面上塗敷鈍化層8。可先塗敷介電層9再塗敷頂端反射層R1。
第18圖展示根據第17圖之截面在再一晶圓6中形成貫穿基材通孔10之後的情況，再一晶圓6形成裝置之部分。貫穿基材通孔10係以導電材料來部分或完全填充，並且在配線5之接觸區上形成接觸部。
第19圖展示根據第17圖之截面在磊晶層2中形成開口11之後的情況。配線5或接觸墊之接觸區從而未予以包覆。連至接觸區或接墊之電連接可接著藉由在開口11中塗敷導電材料來形成，尤其是再一敷金屬層或黏合線。
本發明對於矽，在近紅外線中之波長下(或大體上，在光子所具能量比能隙能量高一些的情況下)允許非常高之量子效率，允許使用對鄰近像素具有很少或不具有串擾之薄結構，因此允許小像素間距，使用習知的釘紮型光二極體及轉移閘結構，允許低讀取雜訊及低暗電流，以及非常快之載子收集，尤其是對於飛行時間像素及快速閘控像素而言。再者，該製造與用於CMOS影像感測器之標準製造流程相容，並且允許以良好重複性進行大量製造。該結構可耐受與標準CMOS影像感測器相同之環境條件。

Claims (15)

  1. 一種半導體影像感測器裝置，其包含：半導體層，具有主表面(MS)及對立的後表面(RS)，以及電荷載子產生組件(CG)，位於該主表面(MS)，該電荷載子產生組件(CG)對輻射敏感，其特徵在於，該電荷載子產生組件(CG)係設置於頂端反射層(R1)與底端反射層(R2)之間，以及該頂端反射層(R1)與該底端反射層(R2)係設置於該半導體層外部。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體影像感測器裝置，其中，該頂端反射層(R1)係為了輻射之入射而設，並且係設置於該主表面(MS)上面，以及該底端反射層(R2)係設置於該後表面(RS)上面。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之半導體影像感測器裝置，其中該頂端反射層(R1)係為了輻射之入射而設，並且係設置於該後表面(RS)上面，以及該底端反射層(R2)係設置於該主表面(MS)上面。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之半導體影像感測器裝置，其更包含：光二極體，形成該電荷載子產生組件(CG)， 第一導電類型之一區域，位於該主表面(MS)處該半導體層中，第二導電類型之一區域，其與該第一導電類型相反，該第二導電類型之該區域與該第一導電類型之該區域鄰接，從而形成該光二極體，感測節點(SN)，位於該主表面(MS)處或附近，以及轉移閘(TX)，位於該光二極體與該感測節點之間該主表面(MS)處。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之半導體影像感測器裝置，其更包含：介電層(ILD)，位在該主表面(MS)上或上面，該介電層(ILD)係設置於該半導體層與該頂端反射層(R1)之間，以及該頂端反射層(R1)係為了輻射之入射而設。
  6. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之半導體影像感測器裝置，其更包含：介電層(ILD)，位在該主表面(MS)上或上面，該介電層(ILD)係設置於該半導體層與該底端反射層(R2)之間，以及該頂端反射層(R1)係為了輻射之入射而設。
  7. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之半導體影像感測器裝置，其更包含：介電層(ILD)，位在該主表面(MS)上或上面， 該頂端反射層(R1)與該底端反射層(R2)的一者係嵌埋於該介電層(ILD)中，以及該頂端反射層(R1)係為了輻射之入射而設。
  8. 如申請專利範圍第5至7項中任一項所述之半導體影像感測器裝置，其更包含：敷金屬層(M1,M2,M3)，嵌埋於該介電層(ILD)中，該頂端反射層(R1)與該底端反射層(R2)的一者係藉由該等敷金屬層(M1)的一者所形成，以及該頂端反射層(R1)係為了輻射之入射而設。
  9. 如申請專利範圍第1至8項中任一項所述之半導體影像感測器裝置，其中，該頂端反射層(R1)與該底端反射層(R2)的至少一者包含一介電層序列。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之半導體影像感測器裝置，其中，該介電層序列形成布拉格鏡。
  11. 如申請專利範圍第1至10項中任一項所述之半導體影像感測器裝置，其中，該頂端反射層(R1)與該底端反射層(R2)形成共振腔之對立邊界，該共振腔是調到紅外線輻射之波長。
  12. 如申請專利範圍第1至10項中任一項所述之半導體影像感測器裝置，其中，該頂端反射層(R1)與該底端反射層(R2)形成共振腔之對立邊界，該共振腔是調到自900nm至980nm 範圍內之波長。
  13. 如申請專利範圍第1至12項中任一項所述之半導體影像感測器裝置，其中，該半導體層為磊晶層。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之半導體影像感測器裝置，其中，該磊晶層係生長於包含埋置型氧化物層之矽絕緣體基材上。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之半導體影像感測器裝置，其中，該頂端反射層(R1)與該底端反射層(R2)的一者係設置於該埋置型氧化物層中。
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