TWI267982B - Solid-state imaging device and method for manufacturing the same - Google Patents

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TWI267982B
TWI267982B TW095101209A TW95101209A TWI267982B TW I267982 B TWI267982 B TW I267982B TW 095101209 A TW095101209 A TW 095101209A TW 95101209 A TW95101209 A TW 95101209A TW I267982 B TWI267982 B TW I267982B
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Yasushi Maruyama
Hideshi Abe
Hiroyuki Mori
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Description

1267982 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本务明係關於一種固態成像裝置及一種製造該固態成像 裝置之方法，且特定言之係關於一種被稱作背部照明式固 態成像裝置及一種製造該背部照明式固態成像裝置之方法。 【先前技術】 隨著半導體裝置之高密度整合，電晶體及其它半導體元 • 件已嘗試變得更為小型化且將安裝密度提昇得遠高於以前。 因此，在CMOS影像感應器（CMOS型固態成像裝置）中， 要求將像素製造得細微且將元件製造得高度整合。 然而，在習知CMOS影像感應器中，藉由以光輻射一光感 應器部分來執行光偵測，該光來自形成於佈線部分之上的 一透鏡經由介於佈線層之間的空間進行輻射，因為發生歸 因於障礙物（諸如，佈線層）的入射光之遮光且根據裝置之高 岔度整合將光感應器部分之孔徑比製造得較小以使像素變 籲得細微，所以光感應器部分不能被足夠量之光來輕射。因 • 此，可產生例如較低感光度及較多遮蔽之問題。 λ 因此，以來自後側（與佈線部分相反之側）之光輻射光感 應器部分’使得可達成有效的1〇〇%之孔徑比且充分提高感 光度而不會受到卩早礙物（諸如，佈線層）之影響。 因此，已開發稱作背部照明式CM〇s影像感應器之CM〇s 影像感應器，其中以來自後表面側（與佈線部分相反之側） 之光輻射光感應器部分。 因而，在背部照明式CM0S影像感應器中，吾人認為可將
〇:\107\丨 07996.DOC 1267982 光感應器部分之矽層製造得較薄以獲得更高的感光度（參 考，例如，專利文獻1或專利文獻2)。 圖1為一垂直剖視圖，其示意性展示一應用了前述構造之 背部照明式CMOS影像感應器。 在MOS感應器100中，由於將包括光感應器部分1〇2之矽 基板101製造得較薄，因此可提高對入射光L之感光度。 此外，由於即使在光感應器部分102上形成佈線層1〇4，
入射光L亦不會受到阻塞，所以在佈線層1 〇4之布局中可獲 得靈活性。因此，藉由使佈線層i 〇4形成為多層且藉由最小 化一像素之區域可獲得元件之高密度整合。 考慮一種製造具有此薄矽層之背部照明式影像感應器的 方法，其中，舉例而言，在於一矽基板中形成一光感應器 部分之一光電二極體之後，自該矽基板之背部對其進行研 磨以使其變薄。 專利文獻1 :曰本公開專利申請案第H6-7746Ut(圖 專利文獻2 :曰本公開專利申請案第116_2837〇2號（圖9 然而，在前述製造方法中，在研磨背表面之後，矽基板 之面變付電不穩定。並且，機械損傷可影響該石夕基板。 因此，由於前述問題導致暗電流。 因此’具有前述結構之背部照明式影像感應器在使用中 具有限制，諸如需要冷卻製程。 此外，光吸收依賴於矽層· 將厚度fair" 曰之尽度，然而，由於藉由研磨 的厚因此對光感應器部分巧層㈣板) :退化，使得作為感應器之光譜特性傾向於分
O:\107\107996.DOC 1267982 散。 因此，製造良品率退化，且由於此問題會提高成本。 因而，儘管可改良光感應器部分之感光度，但是背部照 明式結構僅用於有限之目的。 此外，背部照明式結構之習知影像感應器具有幾十微米 厚之Z層，在該矽層中形成執行光電轉換之光感應器部分 ’且當將像素小型化時，訊號之電荷在鄰近像素之間擴 以產生混合色。 ^ 因此，難於實現細微之像素。 為解決前述問題，本發明提供一種具有一感光度高、幾 乎不發生遮蔽且可將像素小型化之結構的固態成像裝置。 此外，本發明提供一種製造一固態成像裝置之方法，其 中可以高良品率來製造該具有—穩定介面及優良光譜特性 之固態成像裝置。 【發明内容】 根據本發明之一固態成像裝置包括至少：一石夕層，其具 有一執行光電轉換之光感應器部分；及一佈線層，其 於該矽層之前表面側上，該固態成像裝置中使光自與該石夕 層之前表面側相反之後表面側進入，且該矽層之厚度為 μηι或更小。 根據前述之本發明，一種被稱為背部照明式之結構形成 為如下之結構，該結構包括至少：一矽層，其形成有一， 感應器部分；及一佈線層，其形成於該矽層之前表面側i ’其中使光自該矽層之後表面側進入。此外，由於該石夕層
O:\107\107996.DOC 1267982 =厚度為或更小，因此可在包括紅外範圍之寬廣波長 _㈣彳度且約_ mV~m或更大的漂移電場可 形成為具有習知使用之驅動電壓範圍(25 Vi33v)的設計。 、此外’由於抑層之厚度薄於f知之㈣，因此可縮短 透鏡與光感應器部分之半導體區域之間的距離。 根據本發明之一固態成像裝置包括至少：一矽層，直具 有-執行光電轉換之光感應器部分；及—佈線層;其形成
於該矽層之前表面側上，於該固態成像裝置中使光自與該 石夕層之前表面側相反之後表面側進入，且該石夕層之厚度為5 μηι或更小。 根據前述之本發明，一種被稱為背部照明式之結構，形 成為如下之結構，該結構包括至少：一形成有一光感應器 部分之矽層及一形成於該矽層之前表面側上之佈線層，其 中使光自該梦層之後表面側進人。此外，由於該珍層之厚 度為5 μΐΏ或更小，因此可在可見光範圍内獲得高感光度且 約400 η^ν/μη^^更大的漂移電場可形成為具有習知使用之 驅動電壓範圍（2·5 V至3·3 V)的設計。 此外，由於該矽層之厚度進一步薄於習知之矽層，因此 可進一步縮短透鏡與光感應器部分之半導體區域之間的距 離0 一種製造根據本發明之固態成像裝置之方法為使用一由 經層疊之一矽基板、一中間層及一矽層形成之疊層基板的 方法’遠方法包括至少以下步驟：在該疊層基板之矽層中 形成一光感應器部分之半導體區域；將一第一支撐基板貼 O:\107\107996.DOC -9- 1267982 合至該矽基板；移除該疊層基板之矽基板及中間層；隨後 於該矽層上形成一佈線部分，其具有處於一絕緣層中之一 佈線層；將一第二支撐基板貼合至該佈線部分；及移除該 第一支撐基板以暴露該矽層。
根據製造本發明之固態成像裝置之前述方法，由於佈線 部分形成於矽層上且第一支撐基板被移除以暴露矽層，因 此與形成一佈線部分之前表面側相反的該矽層之後表面側 被暴露以獲得背部照明式結構，其中光自後表面側進入。 此外，由於使用了將一矽基板、一中間層及一矽層層疊 之資層基板且在該璺層基板之該石夕層中形成一光感應器 邛刀之半導體區域，因此其上形成一光感應器部分之該 半導體區域的矽層之一介面變得相當穩定，使得藉由控制 矽層之厚度可易於將固態成像裝置之光譜特性穩定化。 此外，就其中形成一半導體區域之矽層而言，由於在其 前表面側上形成-佈線部分並使第—支#基板貼合至後表 面側且隨後移除該第-支樓基板，因此不需研磨該石夕層且 可防止機械損傷影響該矽層。 此外，在使用一包括一薄矽層之疊層基板時，可製造一 種具有前述本發明之固態成像裝置的固態成像裝置，、意即 ’具有以下固態成像裝置之結構的固態成像裳置：其;該 包括-光感應器部分之一半導體區域之矽層較薄為;… 或更小（或5 μπι或更小）。 -《造根據本發明之固態成像裝置之方法為使用一由 經層疊之一矽基板、一中間層及— /尽小成之豐層基板的
O:\107\107996.DOC -10- 1267982 方法，該方法包括至少以下步驟：在該疊層基板之矽層中 形成一光感應器部分之半導體區域；於該秒層上形成一具 有處於一絕緣層中之一佈線層的佈線部分；隨後將一支撐 基板貼合至忒佈線部分；及移除該矽基板及該中間層以暴 露該碎層。 根據製造本發明之固態成像裝置之前述方法，由於佈線 部分形成於石夕層上且層疊基板之石夕基板及中間層被移除以 暴露石夕層，因此與其中形成一佈線部分之前表面側相反的 該矽層之後表面側被暴露以獲得背部照明式結構，其中光 自後表面側進入。 a 此外，由於使用了將1基板、_中間層及—㈣層叠 之一疊層基板且在該疊層基板之石夕層中形成—光感應器部 分之-半導體區域，因此其上形成一光感應器部分之一半 導體區域的石夕層之一介面變得相當穩定，使得藉由控制石夕 層之厚度可易㈣固態成像裝置之光譜特性穩定化。 此外，就其中形成一半導 +导體£域之矽層而言，由於在其 則表面側上形成一佈線部分且 ,. ^ ^ X 7基板及该中間層被移除 因此不需研磨該石夕層且可防止機械損傷影響該石夕層。 此外，在使用-包括-薄發層之疊層基板時 種固態成像裝置，其具有前述本發“ 即，具有-固態成像裝置之結 α I置’意 . 構其中该包括一井咸雍哭 邛分之一半導體區域之 Μ應益 更小)。 “乂4為〗〇师或更小(或5 _或 根據本發明之固態成像裝置 於形成了 一種被稱為背
O:\107\107996.DOC 1267982 部照明式之結構，可改良感光度且可控制周圍像素中的遮 蔽之發生；且此外，由於石夕層之厚度_μιη或更小，在包 括=外區域之寬廣波長範圍内獲得高感光度，且形成足夠 的漂移電場以使至前表面侧之電荷讀出得以安全地執行。 此外’因為可縮短透鏡與光感應器部分之半導體區域之 間的距離，所以抑制了由入射至鄰近像素上之光所導致的 混合色之發生。 #根據本發明之—固態成像裝置’由於形成了—種被稱為 、月部照明式之結構，可改良感光度且可抑制周圍像素中的 遮蔽之發生；且此外’由於碎層之厚度為5叫或更小，在 可見光之範圍内可獲得高感光度，且可形成具有足夠強度 的漂移電場以使電荷讀出至前表面側。 透鏡與光感應器部分之半導體區域之 間的距離，所以可控制由入射 ^ 混合色之發生。 ^像素上之光所導致的 此外’在形成-光感應器部分之—半導體區域時 例如）光阻用作光罩可容易地執行離子植入。 、 成：置根:^明，可實現一種背部照明式結構之固態 “… 门以九度且可頃出電荷至前表面側。 之^中1該料照明式結構’可獲得佈線層及設計 之布局中之盆活性，且歸因於薄矽層 近像素上之光所導致的混合色之發生 。1人射至鄰 小型化。隨著固態成像裝置之像素之小型:可=將像素 像裝置高度整合且小尺寸化。 可將固態成
O:\107\107996.DOC -12 - 1267982 此外，在前述本發明之個別固態成像裝置之每一者中， 當在處於整個#度方向上之該光感應器部分之各個像素之 間形成一元件隔離區域時，藉由該元件隔離區域可將該等 像素電分離，且可防止色彩與鄰近像素電混合。 / 此外，在前述本發明之固態成像裝置之每一者中，當在 位於後表面側上之⑦層之介面的附近形成—第：傳導型區 域時，該第二傳導型區域與構成—光感應器部分之一第: 傳導型區域相反，可減小在位於後表面侧上之石夕層之介面 的附近產生的暗電流。 根據製造本發明之-固態成像裝置的方法，由於：將第 一支樓基板貼合至層上；在移除疊層基板之—石夕基板 及-中間層之後於該矽層上形成一佈線部分；冑第二二 基板貼合至該佈線部分上；且移除_ —支縣板以㈣ :石夕層’因此該石夕層之介面變得穩定且可藉由控制石夕層之 厗度使固態成像裝置之光譜特性穩定化，使得可以言 率製造具有優良光譜特性之固態成像襄置。 〜口口 ：使用具有薄梦層之疊層基板時，可易於製造一 種具有-薄石夕層之固態成像裝置，該薄石夕層中形 應器部分之一半導體區域。 先感 特定言之，當將第一支撐基板貼合至一矽声 在相告冥、、西疮9夺’執行一 :相…度(諸如，約攝氏1100度)下之熱處 層之一半導體區域之雜質且改@ 敦活该矽 X <雜負且改良该矽層之介面上曰 ，使得可製造一種幾車又I女抓 ’ w日日度 種成手不具有雜訊的固態成像裝置。 根據製造本發明之一固態成像 〜々成，由於··於一
O:\I07\107996.DOC •13· 1267982 ㈢上开> 成#線部分；將一支樓基板貼合至該 且移除一疊層美柘夕 访7曰上， 基板之―碎基板及—中間層以暴露該石夕層， 因此4石夕層之介面變得穩 糟甶牷制矽層之厚度使固 心 衣置之光譜特性穩定化，使得可以高良品率製造具 有優良光譜特性之固態成像裝置。 、八 此外，在使用具有詩層之疊層基板時，可易於製造一
料有-薄⑪層之固態成像裝置，該薄㈣中形成一光感 應器部分之一半導體區域。 特定言之，由於可在相當低溫度下為製造而執行熱處理 ’:減小熱處理對電晶體及其它元件之影響，使得形成具 有乍間距之電晶體以容易地提供一細微像素。並且，可控 制製程數目之增加。 【實施方式】 圖2展示了本發明之一實施例之一固態成像裝置的一示 意性構造圖（展示一垂直剖面）。在此實施例中，本發明係施 加至一CMOS影像感應器（CMOS型固態成像裝置）。 固態成像裝置1包括一支撐基板2、一佈線部分3、一矽基 板4、一彩色濾光器5及一晶片上透鏡6，其自前表面側以此 順序形成。 在佈線部分3中，形成複數個佈線層丨2，在其間形成有絕 緣層Π。在佈線部分3與矽基板4之間形成一充當一閘極絕 緣薄膜之一薄絕緣塗層13，且在絕緣層1 3之前表面側上形 成一閘電極14以用於電荷之讀出。 在石夕基板中於厚度方向上較厚地形成一構成光感應器部分 O:\J07\107996.DOC -14- 1267982 之—光電二極體的N型區域17,且在N型區域17之前表面側上 的一位置處形成一正電荷儲存區域（p+區域）16。並且，在閘 電極14下形成一浮動擴散（FD)15，其中讀出區域位於其間。 儘管圖式中未展示，但是支撐基板2及佈線部分3係經由 黏接層或其它物件貼合。可將一矽基板（例如）用作支撐基 -板2。T將其它材料用作該基板之材料，只要其具有令人滿 意的平面度且其熱膨脹率與矽之熱膨脹率差異不大。 • ^後，使光L自透鏡6之側面（意即與佈線部分3之側面相 反之後表面側）進入，以提供一種被稱為背部照明式之 CMOS影像感應器。 一項出電晶體包含閘電極丨4、n型區域17之一端及浮動擴 散 1 5。 ’、 此外，在未圖示之其它剖面中，於矽基板4之前側上形成 像素中之其它電晶體及周邊電路元件。 特定言之，在此實施例中，將其中形成光感應器部分之矽 • 層（矽基板）4之厚度Dl〇 μπι或更小。較佳為，矽層4之厚度設 定為5 μπι或更小。 若具有前述結構，由於矽層4之厚度D係較薄地形成，則 可減小由入射至鄰近像素上之光所導致的混合色之發生且 亦可獲得高感光度。 此外，由於當設計在CMOS影像感應器中習知地使用之驅 動電壓之範圍(2.5 V至3·3 V)時，可形成約2〇〇 mV^m或更大 之漂移電場，因此使用此電場可安全地執行至前表面側之 電荷讀出。 O:\107\107996.DOC -15- 1267982 此外，由光輻射導致之雜訊等於或小於前部照明式結構 之CMOS型固態成像裝置的雜訊。 當將矽層4之厚度D設定為1〇 μηι4更小時，可在包括紅 外射線區域之寬廣波長範圍内獲得高感光度。 §將石夕層4之厚度D設定為5 μηι或更小時，可在可見光之 範圍内獲得高感光度。
此外，當經設計以具有前述驅動電壓之範圍時，可形成 一約400 mV/μηι或更大之漂移電場，使得可容易地執行至 前表面側之電荷之讀出。 當將矽層4之厚度D設定為5 μπι或更小時，可獲得使製造 變得容易的有利結果。 當矽層4之厚度D超出5 μηι時，需要以超高能執行離子植 入且形成氧化物塗層之一硬式光罩，以用於形成圖2所示之 結構中之Ν型區域17。 相反，當將矽層4之厚度D設定為5 μηι或更小時，可容易 地執行製造，因為可使用抗蝕劑光罩來執行用於形成ν型區 域17之離子植入。 此外，在根據本發明之實施例之固態成像裝置丨中，使 區域（向濃度ρ型區域）18形成為位於整個深度方向中之鄰近 像素之光感應器部分的Ν型區域17之間之位置處的元件5 離區域。 因此’可將各個像素之Ν型區域17電>離且可防止鄰近像 素之間的電混合色。 此外，在根據本發明之實施例之固態成像裝置1中，^
O:\107\107996.DOC -16 - 1267982 - 區域19亦形成於N型區域1 7之後表面侧，換而言 濾光器5之側面上。 於彩色 因此，可減小由石夕層4之後表面側上之介面位 暗電流。 々導致的 在固態成像裝置1中，如圍繞圖3之光感應器部分的一 剖面中所示，入射光在光感應器部分之^^型區 垂直 ^ ^ . τ <相當深 位置處（於位於後表面側上之部分）轉換為電荷，且電# _ #移動至前表面側，如由圖3中之箭頭所示。若前述漂移I: 具有較大面積，則此移動執行得更為平滑。 每 隨後，當閘電極14變為ON(接通）狀態時，電荷e * 至浮動擴散15。 買出 此處，在具有圖2中所示結構之固態成像裝置丨中，量測 了矽層之厚度D與量子效率對光感應器部分中入射光1之 波長的依賴性之間的關係。 石夕層之厚度ϋ(μιη)與量子效率對光感應器部分中入射光 鲁 L之波長（nm)的依賴性之間的關係展示於圖4及5中。圖4展 不了矽層之厚度D及該厚度之整個矽層的量子效率。圖5展 不了自入射光之側所量測的各個1 μπι之厚度範圍内的量子 效率（各個部分中的吸收率），且例如介於2 μπι與3 μιη之間 的厚度標繪於2.5 μπι處。 根據圖4，分別地，藍光（波長為約400 nm)在2 μπι或更小 處100%被吸收而綠光（波長為約550 nm)在約5 μιη處100%被 吸收。紅光（波長為約750 nm)即使在1〇 μιη處亦不能100%被 吸收。 O:\107\107996.DOC -17- 1267982 根據/5，紅光（波長為750 nm)在4.75 μηι至5.25 μηι之深 ^ (假定為電晶體之擴散層）處最大之吸收率為2%。綠光及 監光為極小，可忽略不計。 S並且’纟用於人眼可見之圖片應用的固態成像裝置中， 提供一紅外射線截止濾波器以防止紅外射線進入。 圖6展示了該紅外射線截止濾波器之光譜特性。在圖6中 ’展示了沉積型紅外射線截止濾波器及吸收型紅外射線截 止濾波器。習知地使用沉積型，且如圖6中所示，儘管波長 為650 _或更小之光幾丨可透射，但是波長長於㈣麵的 光具有截止特性。 因此，在用於人眼可見之圖片應用的固態成像裝置中， 不要求對長於650 nm之波長具有感光度。應注意，在將前 述固態成像裝置用於偵測之狀況下，要求對紅外線範圍具 有感光度。 當採用本發明之此實施例之結構時，即使矽層4之厚度d 為5 μιη或更小，亦可令人滿意地獲得對波長為65〇 nm或更 小之光的感光度，使得在用於人眼可見之圖片應用的固態 成像裝置中獲得充分局之感光度。 此外，藉由分析二維波可量測由前部照明式結構之CM〇s 衫像感應器中之繞射光所導致的混合色之發生，且發現其 若干百分比存在。 另一方面，在背部照明式結構之CM0S影像感應器中幾乎 不由繞射光發生混合色，且其發生小於藉由分析波所偵測 之界限（0.1%或更小）。 O:\107\107996.DOC -18- 1267982 ，然而，在背部照明式結構之CM0S影像感應器中，自後表 面側進入之光可影響前表面上之元件（例如，電晶體），且可 導致雜訊。 因而，使用（例如）厚度為5 μχη之矽層，可抑制由自後表 面進入之入射光導致的對前表面側上之元件（例如，電晶體 )之〜響，且雜汛之總量可減小至低於前部照明式結構之 CMOS影像感應器的雜訊之總量。 • 根據本發明之前述實施例之固態成像裝置1的結構，晶片 上透鏡6及其它元件安置於與矽層4之佈線部分3之側面（前 ^面側）相反的側面（後表面側）之上，該石夕層4中形成光感應 器邛刀，且採用了使光L自後表面側進入的背部照明式結構 ，使得在晶片上透鏡6與光感應器部分之間無佈線層12，因 而不會發生由佈線層12導致的入射光之損失。因此，在不 改變光感應器部分之面積的狀況下可增加入射光之量；且 亦可增加光感應器部分之面積且可設定N型區域17之圖案 •的形狀以使光易於進入，使得可改良感光度。此外，可抑 制鄰近像素中遮蔽之發生。 歸因於圖2中所示之此固態成像裝置中之背部照明式結 構，不需要使光穿過佈線部分，使得佈線層12之設計及布 局中之鼓活度可增加，且因而（例如）可最優化佈線層丨3之塗 層厚度及抗餘性。 因此，將固恶成像裝置1之各個像素小型化以獲得高密度 1合及小型化。若具有該前部照明式結構，則難以使CM〇s 影像感應器包括1百萬個像素或更多像素；然而，若具有此
O:\107\107996.DOC -19- 1267982 ， 貫施例之結構，則可易於獲得包括1百萬個像素或更多像素 的CMOS影像感應器。 ” 此外，根據此實施例之固態成像裝置丨之結構，由於矽層 4之厚度D為1〇 μιη或更小、或較佳為5 或更小，因此矽 層4之厚度D與具有約幾十μηι之厚度之矽層的習知背部照 _ 明式結構相比變得更薄，且因而可進一步縮短透鏡6與光感 應器部分之Ν型區域17之間的距離，使得即使執行了像素之 ❿小型化，結果亦可改良感光度，亦可抑制由鄰近像素上之 入射光所導致的混合色之發生。 因而，隨著矽層4之厚度減小，當在習知電壓（自2·5从至 3·3 V)之範圍内設計固態成像裝置時，漂移電場可形成有進 一步之強度，且可易於將在後表面側上執行光電轉換所產 生的電荷讀出至前表面側。 因此，即使積累於光感應器部分中之電荷的量增加，亦 可令人滿意地執行電荷之讀出，使得積累電荷增加且動態 • 範圍改良。 此外’根據此實施例之固態成像裝置1之結構，ρ+區域18 形成為矽層4之整個厚度方向上的元件隔離區域，其位於構 成各個像素之光感應器部分之光電二極體的N型區域17之 間的位置處，從而可使像素電分離且防止與鄰近像素之電 混合色。 此外’根據此實施例之固態成像裝置丨之結構，ρ+區域19 亦提供於石夕層4之ν型區域17之後表面側上，使得亦在後表 面側上形成被稱為HAD(電洞積累二極體）之結構，類似於
O:\107\107996.DOC -20- 1267982 前表面側（正電荷積累區域16)。 因此，可抑制位於後表面側上之矽層4之介面附近產生的 暗電流之發生。 此外，此實施例之固態成像裝置1為CMOS影像感應器 (CMOS型固態成像裝置），使得不會發生在CCD固態成像裴 置成為問題的汗斑。
其次，闡明了一種製造具有類似於圖2之固態成像裝置ι 的背部照明式結構之固態成像裝置的方法，作為製造本發 明之固態成像裝置之方法之一實施例。 在此實施例中，如圖7之垂直剖面中所示，使用了一 s〇 基板，其中於一矽基板23上形成一矽層21，其間具有作為 一中間層22的二氧化矽塗層（Si〇2塗層）。 就SOI基板24而言，其整個厚度為（例如）725 4爪或更小， 而矽層21之厚度為10 μπι或更小（較佳為5 或更小卜 首先，如圖8Α中所示，藉由離子植入於SI〇基板24之矽 層21中分別形成·· - N型區域25，其成為構成光電二極體的 N型區域17之主要部分（後表面側之—部分）；及—p+區域Μ ，其：於後表面側上。此外’ -同形成-用於定位一彩色 滤光器及一晶片上透鏡的匹配標記％。 其次’如圖8B中所示’於第—支撺基㈣之—表面上形 成-黏接層32’謂第一支擇基㈣黏接至基板24之石夕 層2卜黏接層32位於其間。隨後，執行於（例如）攝氏謂 度下之熱處理以用於貼合。此時’激活N型區域Μ中及石夕層 21之P區域19中之雜質。
O:\107\107996.DOC -21 - 1267982 • 其次’如圖8C中所示，將晶圓定位成倒置。 隨後’使用（例如）背部研磨方法、CMP(化學機械研磨） 方法、濕式钱刻方法或其類似方法將位於矽層21上之矽基 板23及中間層22相繼移除。因此，如圖9A所示暴露矽層21。 其次’於石夕層21上形成一讀出電晶體之一閘電極14，一 薄絕緣層位於其間。此外，就矽層2丨而言，自前表面側執 行N型雜質之離子植入以形成：_N型區域27，其成為構成 • 光電二極體的N型區域17之其餘部分之前表面側，及一浮動 擴散15,其包含—N型區域。此外，就矽層以而言，自前表 面側執行P型雜質之離子植入以型區域27之表面上形成 P型（P )之正電荷積累區域16(參看圖9b)。 因此，光感應器部分之N型區域17由自後表面側所形成之 N型區域25及自前表面側所形成型區域27形成。 隨後’如圖9C所示，於矽層21上形成其中形成複數個佈 線層12的佈線部分3，絕緣層u位於複數個佈線層12之間。 籲此外，於佈線部分3之上表面上形成_保護塗層，儘管圖 式中未展示。提供此保護塗層以防止佈線部分3吸收濕氣， 使得佈線層12不會受到濕氣的影響。舉例而言，由電漿cvd 方法形成一作為該保護薄膜之氮化矽塗層。 其次，如圖10A中所示，於第二支撐基板33之一表面上形 成-黏接層34，且經由位於其間之黏接層^將該第二支撐 基板33黏接至佈線部分3。隨後，執行於攝氏400度或更低 之溫度下的熱處理以用於貼合。由於此時之熱處理係在形 成佈線層I2之後執行，該處理為在攝氏*⑽度或更低之低溫
O:\107\107996.DOC -22- 1267982 下執行，使得可防止佈 將SOW ^ 巾深層12文到影響。在此種狀況下可 將b〇G(^塗玻璃）及能 34。 ）此進仃金屬焊接之金屬層用作黏接層 其次，如圖1OB中所示， _ ^ 丹_人將晶圓定位成倒置· 酼後，使用（例如）背部磨 十a 、、 所潛方法、CMP(化學機械研磨） 万法、濕式I虫刻方法戎i _ 一八類似方法將位於矽層21上之第一 支撐基板31及黏接層32移 出石夕層21。 U’如圖UA中所示，暴露 其次，如圖11B中所示， /屑2 1上形成一抗反射塗層28 ，且於其上相繼形成一彩彡 ..杉色濾先益5及一晶片上透鏡ό。儘 官圖式中未展示，但是亦你 一亦形成一用於連接至外側端子或其 類似物之焊墊電極（pad eleetmd匀。 如前文所描述，可製成此種背 月口丨照明式結構之固態成像 裝置。 此外’在諸如圖2所示之固離成德 抑 〜、成像裝置1之CMOS影像感應 裔中，於相同半導體晶片上盥槿 士你★、 褥成一成像部分之固態成像 裝置1 一同形成一執行固態成俊驻 心战像凌置1之驅動、控制及其它 功能的周邊電路部分。 八 因此’儘管圖式中未展示，但是在形成光感應器部分之 丰導體區域時亦形成電晶體之半導體區域及周邊八 之其它部分。 °刀 根據此實施例之前述製造方法，可製造具有類 中所示之固態成像裝置匕結構的固態成像裝置，意即、，复 中形成光感應器部分之發層的厚度為1()陣或更小（較佳為^ O:\107\107996.DOC -23- 1267982 μηι或更小）的固態成像裝置。 ► 因此，根據此實施例之製造方法，可在可見光範圍内獲 得高感光度，且可抑制由入射至鄰近像素上之光及與鄰近 像素之電混合色所導致的混合色及遮蔽；可改良動態範圍 ;且可製造無汙斑的固態成像裝置。 在此實施例中，由於預先在SOI基板24上形成矽層21，因 此其介面相當穩定且與圖1中所示之結構相比可減小於介 φ 面上產生之暗電流。 此外’由於可良好地控制矽層21之厚度且可使光譜特性 得以穩定化，可改良製造之良品率。 此外’就矽層2 1而言，由於··佈線部分3形成於前表面側 ，使第一支撐基板3 1貼合至後表面側；且其後移除該第一 支撐基板3 1，因此矽層2 1未經研磨，使得可防止對矽層2 i 之機械損傷。 此外’在此實施例中，由於使用了 S0I基板24，因此可使 • 用例如現有（市售）廉價S〇I基板24以較低成本製造固態成 像裝置。 特定言之，在此實施例之製造方法中，在貼合第一支撐 基板31時藉由於相當高溫度下之熱處理可改良矽層21之活 ^生層之；丨面上的結晶度，使得可製造具有低雜訊之固態成 像扁置。此外，由於藉由自後表面側至矽層2 1内之離子植 入形成後表面側上之〆區域19，可容易地將p+區域19之位 置控制在矽層21之後表面側之介面附近。 其次，闡述了製造一具有類似於圖2之固態成像裝置工之
O:\107\107996.DOC -24- 1267982 背《明式結構的固態成像裝置之另—方法，作為製造本 發明之固態成像裝置之方法的另一實施例。 在此灵施例中，亦使用了圖7之垂直剖面中所示之基 板24。 在SOI基板24中，例如，其總厚度為725 μηι且中間層（si〇2 塗層)22之厚度為10㈣或更小，且矽層21之厚度為1〇 _或 更小（較佳為5 μιη或更小）。 首先，如圖12Α中所示，藉由離子植入在SOI基板24之矽 層21上分別形成構成光電二極體之N型區域17、位於後表面 側上之〆區域19、位於前表面側上之p+區域16及形成浮動 擴心之N型區域。此夕卜，形成匹配標記％用以定位彩色遽 光器及晶片上透鏡。應注意，N型區域丨7在上部與下部具有 不同圖案，使得離子植入被執行兩次，例如，形成下部分 且隨後形成上部分。 此時，當矽層21之厚度為5 或更小時，可將光阻（圖式 中未展不）用作光罩來執行離子植入；然而，當矽層Μ之厚 度大於5 μηι時，要求使用諸如氧化物塗層之硬式光罩以相 當南之能量來執行離子植入。 /、 於石夕層2 1上形成躓出電晶體之閘電極14，其間具 有一薄絕緣塗層。 隨後，如圖12Β中所*，於石夕層21上形成佈線部分3，其 中形成複數個佈線層12，該等佈線層12之間具有絕緣層 、此外’儘f圖式中未展示，但是在佈線部分3之上表面形 成—保濩塗層。此保護塗層用於防止佈線層Μ受到佈線部
O:\107\107996.DOC -25- 1267982 — 分3之影響而吸收濕氣。舉例而言，由電漿CVD方法形成氮 化石夕塗層。 、隨後，如圖i2C中所示，於第一支撑基板31之一表面上形 成‘接層32，且經由位於其間之此黏接層32將第一支撐 基板3 1黏接至佈線部分3。此後，執行於攝氏4〇〇度或更低 • 温度下之熱處理以將第一支撐基板31貼合至佈線部分3。由 於此時之熱處理係在形成佈線層12之後執行，因此其溫度 • 設定為較低至攝氏400度或更低，以防止佈線層12受到影響 。在此種狀況下，可將能貼合金屬之s〇G(旋塗玻璃）及金屬 層用作黏接層32。 後’如圖13 A中所示，將晶圓定位成倒置。 其後，藉由例如背部研磨方法、CMP(化學機械研磨）方 法、濕式蝕刻方法或類似方法來蝕刻後表面側，且移除s〇i 基板24之矽基板23及中間層（Si〇2塗層）22。因此，如圖13B 中所示’暴露石夕層21。 • 其次，儘管圖式中未展示，但是藉由氧化該矽層之上表 面來形成一氧化物塗層。 其後，如圖13C中所示，於矽層21上形成一抗反射塗層28 且於其上相繼形成一彩色濾光器5及一晶片上透鏡6。儘 官圖式中未展示，但是亦形成一用於連接至外側端子之焊 墊電極。 因此’可製造背部照明式結構之固態成像裝置。 此外’亦在此種狀況下’在形成光感應器部分之半導體 區域時亦形成電晶體之半導體區域及周邊電路部分之其它
O:\107\107996.DOC •26- 1267982 部分。類似地，亦形成周邊電路部分之佈線作為佈線層12。 根據此實施例之前述製造方法，可製造具有與圖2中所示 之固態成像裝置1之結構相同之結構的固態成像裝置，意即 其中形成光感應器部分之石夕層的厚度為1 〇 或更小（較 佳為5 μιη或更小）的固態成像裝置。 因此’根據此實施例之製造方法，在可見光範圍内可獲 得高感光度；可控制由入射至鄰近像素上之光及與鄰近像 • 素之電混合色所導致的混合色及遮蔽；可改良動態範圍； 且因而，可製造無汙斑之發生的固態成像裝置。 在前述實施例中，由於矽層21預先形成於s〇I基板24之上 ，因此矽層2 1之一介面相當穩定，使得該介面上產生之暗 電流可低於圖1中所示結構之暗電流。 此外，由於可令人滿意地控制矽層2丨之厚度，因此可使 其光譜特性得以穩定化，從而可改良製造之良品率。 此外，就矽層21而言，由於佈線部分3形成於前表面側且 鲁移除後側表面上之矽基板23及中間層22，因此未對矽層21 進行研磨，使得可防止機械損傷影響矽層2 i。 此外，在則述貫施例中，例如，由於使用了 s〇i基板24 ，因此可使用現有（市售）廉價SOI基板24以較低成本製造一 固態成像裝置。 特定言之，在前述實施例之製造方法中，由於在攝氏4〇〇 度或更低之相當低溫度下執行熱處理，因此可使熱處理對 形成於石夕層之光阻之外的部分中之電晶體的源極/沒極及 其它元件之雜質區域的影響變小。因此，由於藉由應用最
O:\I07\J07996.DOC *27- 1267982 新設計規則可進一步縮短電晶體之通道長度，因此可容易 地執行小型化。 應注意，在其中S0I基板24之矽層21之厚度具有約1〇%之 色散（dispersion)之狀況下，不會影響光譜特性；然而，即 使在相同條件下執行離子植入，亦可發生關Μ型區域17 之深度及關於後表面側上之ρ+區域19之位置的色散。 若後表面側上之Ρ+區域19形成於深於後表面侧上之矽層 21之介面的位置，則控制暗電流之效率變得不足，且發生 不適當之雜訊。另一方面，若後表面側上之ρ+區域Μ形成 於淺於後表面側上之矽層21之介面的位置，則ρ+區域19變 為一電障壁且可讀出之電荷量減少，使得感光度退化。 為克服矽層21之厚度之色散，此等措施是有效的，其中 例如選擇並使用具有與矽層2〗幾乎相同厚度（在可忽略色 散的範圍内）的晶圓；且其中例如控制離子植入之條件（就能 量及其它條件而言）以相應於矽層21之厚度而變化。 此外，在前述實施例中，如圖12A中所示，藉由自矽層21 之前表面側執行離子植入來形成位於後表面側上型區 域17及P+區域19;然而，若該經植入離子可於相當低之溫 度下被激活，則在移除矽基板23之後（在圖13B之製程之後） ，亦可藉由自後表面側執行離子植入來形成位於N型區域17 及P+區域19之後表面上之部分。詳言之，類似於本發明之 前述實施例，可自前表面侧及自後表面侧兩次執行離子植 入0 此外，在前述實施例之每一者中，N型區域17形成為執行 O:\107\107996.DOC -28- 1267982 光感應器部分之光電轉換的區域，且p+區域16及19分別形 成於N型區域17之前表面側及後表面側上；然:而，本發明可 分別應用於具有反向傳導型之結構。 此外，在前述製造方法之各個實施例中使用了將以〇2塗 層用作中間層22的S0I基板24，且在本發明之製造方法中: 用了將矽基板、中間層及矽層層疊的疊層基板；然而，亦 可使用將其它材料（例如，多孔梦及其它可易於移除之材料 φ )用作中間層的疊層基板。 已參照伴隨圖式描述了本發明之較佳實施<列，但應瞭解 ，本發明非限於彼等明確實施例，且熟習此項技術者可進 行各種變化及修改，而不背離如附加之申請專利範圍中所 界定的本發明之精神及範圍。 【圖式簡單說明】 囷為月邛照明式CMOS影像感應器之一示意性及垂直 剖視圖； •圖2為根據本發明之—實施例之—固態成像裝置的一示 思性構造圖（展示一垂直剖面）； 圖3為圖2之固態成像裝置之相關部分的一垂直剖視圖； 、圖4為特性曲線，其展示了矽層之厚度與量子效率^光 感應器部分中入射光之波長的依賴性之間的關係； "圖5為特性曲線，其展示了矽層之厚度與量子效率對該 “感應為分中入射光之波長的依賴性之間的關係； 圖6為一展示一紅外射線截止濾波器之光譜特性的圖； 圖7為一 SOI基板之一垂直剖視圖；
O:\107\107996.DOC -29- 1267982 圖8A至8C為製造製程圖，其展示了製造根據本發明之 固態成像裝置的方法之一實施例； 圖9A至9C為製造製程圖，其展示了製造根據本發明之 固態成像裝置的方法之一實施例； 圖10A至10B為製造製程圖，其展示了製造根據本發明 一固態成像裝置的方法之一實施例； 圖11A至11B為製造製程圖，其展示了製造根據本發明 Φ 一固態成像裝置的方法之一實施例； 圖12A至12C為製造製程圖，其展示了製造根據本發明 一固態成像裝置的方法之一另一實施例；及 圖13A至13C為製造製程圖，其展示了製造根據本發明 一固恶成像裝置的方法之一另一實施例。 【主要元件符號說明】 之 之 之 之 1 固態成像裝置 2 支撐基板 3 佈線部分 4 矽基板 5 彩色濾光器 6 晶片上透鏡 11 絕緣層 12 佈線層 13 絕緣塗層/絕緣層/佈線層 14 閘電極 15 浮動擴散（FD)
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16 P型（p+)之正電荷積累區域 17 N型區域 18 P+區域 19 p+區域 21 矽層 22 中間層 23 珍基板 24 SOI基板 25 N型區域 26 匹配標記 31 第一支撐基板 32 黏接層 33 第二支撐基板 34 黏接層 100 M0S感應器 101 碎基板 102 光感應器部分 104 佈線層 O:\107\107996.DOC -31 -

Claims (1)

  1. $267f總⑼·號專利申請案 ’ 中文申請專利範圍替換本(95年7月） 十、申請專利範圍： 1 · 一種固態成像裝置，至少包含： ，、中开/成用以執订光電轉換 八评供之先感應器部 分，及 一佈線層 有 其形成於該矽層之表面側上 且該裝置具 之該表面側相反
    一結構，在該結構中使光自與該矽層 的後表面側進入，其中 於佈線層之該表面側具有支撐基板（33)，而作為接著該 支樓基板及㈣線層之接著層（Μ)係制sgg (旋塗玻璃 )或金屬層。 2·如請求項1之固態成像裝置，其中 於該光感應器部分之各個像素之間之整個厚度方向上 形成一元件隔離區域。 3 ·如請求項1之固態成像裝置，其中 • 相對於構成該光感應器部分之第一傳導型區域，於該 後表面側上之該矽層之介面的附近形成有第二傳導型區 域〆 4_ 一種固態成像裴置之製造方法，其係使用了疊層基板，該 疊層基板係層疊有矽基板、中間層及矽層者，該方法至 少包含以下步驟： 於該疊層基板之該矽層中形成光感應器部分之半導體 區域； 0:\107\107996-950705.DOC 1267982 將第一支撐基板貼合至該矽層上； 移除該疊層基板之該矽基板及該中間層； 其後於該石夕層上形成於絕緣層中具有佈線層的佈線部 分； 將第二支撐基板貼合至該佈線部分上；及 移除該第一支撐基板以暴露出該矽層， 其中該貼合步驟中任一者係使用S〇g (旋塗玻璃）或金 屬層作為接著層（32或34)。 5·如請求項4之固態成像裝置之製造方法，其中 於暴露出該矽層之後表面侧之步驟後，於該矽層之後 表面側上形成抗反射塗層、彩色濾光器及晶片上透鏡中 之至少任一者。 6· —種固怨成像裝置之製造方法，其係使用了疊層基板，該 έ層基板係層疊有石夕基板、中間層及石夕層者，該方法至 少包含以下步驟： 於《亥$層基板之該梦層中形成光感應器部分之半導體 區域； 於該石夕層上形成於絕緣層中具有佈線層的佈線部分； 其後將支撐基板貼合至該佈線部分上，·及 移除該石夕基板及該中間層以暴露出該石夕層， 其中該貼合步驟係使用SOG (旋塗玻璃）或金屬層作為 接著層（34)。 其中 ’於該矽層之後 7·如請求項6之固態成像裝置之製造方法， 於暴露出該矽層之後表面側之步驟後 O:\107\107996-950705.DOC . 2 - 1267982 表面側上形成抗反射塗層、彩色濾光器及晶片上透鏡中 之至少任一者。
    0:\107\107996-950705.DOC -3-
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