TWI298947B - Solid-state imaging device and method for manufacturing the same - Google Patents

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Hideshi Abe
Hiroyuki Mori
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Description

1298947 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 #本發明係關於-種固態成像裝置及—種製造該固態成像 衣置之方法，且特定言之係關於一種被稱作背部照明式固 悲成像裝置及一種製造該背部照明式固態成像裝置之方 法0 【先前技術】 p現著半導體裝置之向密度整合，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（CM〇Ss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 應為、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P早礙物（諸如，佈線層）的入射光之遮光且根據裝置之高 也度t a將光感應器部分之孔徑比製造得較小以使像素變 得細微，所以光感應器部分不能被足夠量之光來輻射。因 此’可產生例如較低感光度及較多遮蔽之問題。 因此以末自後側（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100%之孔徑比且充分提高感 光度而不會受到障礙物（諸如，佈線層）之影響。 因此，已開發稱作背部照明式CMOS影像感應器之CMOS 影像感應器，其中以來自後表面側（與佈線部分相反之側） 95893-950112.doc 1298947 之光輪射光感應恭部分。 因而，在背部照明式CMOS影像感應器中，吾人認為可將 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ι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1〇4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石夕層《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:日本公開專利巾請㈣机77461號（圖3) 專利文獻2 .日本公開專财請案第H6-2837G2號（圖2) 然而，在前述製造方法中，在研磨背表面之後，石夕基板 ”面羞付電不疋。並且，機械損傷可影響該矽基板。 因此，由於前述問題導致暗電流。 /、有别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’光吸收依賴於石夕層之厚度；然而，由於藉由研磨 95893-950112.doc 1298947 將厚度製造得較薄，因此對光感應器部分之矽層（矽基板） 的厚度之控制退化，使得作為感應器之光譜特性傾向於分 散。 因此，製造良品率退化，且由於此問題會提高成本。 因而，儘官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。 曰此外’背部照明式結構之習知影像感應器具有幾十微米 厚之石夕層，在該石夕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 散以產生混合色。 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—種製造—固態成像裝置之方法，其
中可以南良品率來製迭与P且古 ^ X I W S具有一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 有一執行光電轉換之光感應器 於該矽層之前表面側上，該固 層之前表面側相反之後表面側 μπι或更小。 置包括至少··一矽層，其具 部分；及一佈線層，其形成 悲成像裝置中使光自與該矽 進入’且該石夕層之厚度為10 月部照明式之結構形成 一矽層，其形成有一光 根據前述之本發明，一種被稱為 為如下之結構，該結構包括至少： 95893-950112.doc 1298947 感應器部分；及一佈線層，其形成於該矽層之前表面側上， 其中使光自該矽層之後表面側進入。此外，由於該石夕層之 厚度為10 μπι或更小，因此可在包括紅外範圍之寬廣波長範 圍内獲付而感光度且約200 mV/μηι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（2·5 V至3 3 V)的設計。 此外，由於该石夕層之厚度薄於習知之石夕層，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，其具 有一執行光電轉換之光感應器部分；及一佈線層，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 矽層之則表面側相反之後表面側進入，且該矽層之厚度為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 部分之石夕層及-形成於該石夕層<前表面側上之伟線層，其 中使光自該矽層之後表面側進入。此外，由於該矽層之厚 度為5叫或更小，因此可在可見光範圍内獲得高感光度且 '勺400 mV/μηι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（2.5 V至3·3 v)的設計。 此外纟於δ亥石夕層之厚度進一步薄於習知之石夕層，因此 可進-步縮短透鏡與光感應器部分之半導體區域之間的距 離。 _ 一，製造根據本發明之固態成像裝置之方法為使用.-由 、工層$之矽基板、-中間層及-矽層形成之疊層基板的 95893-950112.doc 1298947 方法’該方法包括至少以下步驟：在該疊層基板之矽層中 形成一光感應器部分之半導體區域；將一第一支撐基板貼 合至該石夕基板；移除該疊層基板之矽基板及中間層；隨後 於該矽層上形成一佈線部分，其具有處於一絕緣層中之一 佈線層；將一第二支撐基板貼合至該佈線部分；及移除該 第一支撐基板以暴露該矽層。 根據製造本發明之固態成像裝置之前述方法，由於佈線 部分形成於矽層上且第一支撐基板被移除以暴露矽層，因 此與形成一佈線部分之前表面側相反的該矽層之後表面側 被暴露以獲得背部照明式結構，其中光自後表面側進入。 此外，由於使用了將一矽基板、一中間層及一矽層層疊 之一 ¾:層基板且在該疊層基板之該矽層中形成一光感應器 口p刀之+導體區域，因此其上形成一光感應器部分之該 半導體區域㈣層之-介面變得相當穩定，使得藉由控制 石夕層之厚度可易於將固態成像裝置之光譜特性穩定化。 此外，就其中形成一半導體區域之石夕層而言，由於在》 前表面側上形成—佈線部分並使第-支㈣板貼合至後； 面側且隨後移除該第_ φ1m , ^ ^支撐基板，因此不需研磨該矽層』 可防止機械損傷影響該矽層。 曰 此外’在使用-包括一薄矽層之疊層基板時，可製造一 種具有前述本發明之固態成像裳置的固態成像裝置，意 即’具有以下固態成像裝置之結構的固態成像裝置：其中 該包括一光感應器部分之一半導體區域之矽層較薄為⑺ μηι或更小（或5 μηι或更小）。 95893-950112.doc 1298947 種製造根據本發明之固態成像裝置之方法為使用一由 經層疊之一矽基板、一中間層及一矽層形成之疊層基板的 方去，該方法包括至少以下步驟：在該疊層基板之矽層中 形成一光感應器部分之半導體區域；於該矽層上形成一具 有處於一絕緣層中之一佈線層的佈線部分；隨後將一支撐 2板貼合至該佈線部分；及移除該矽基板及該中間層以暴 裏备彡亥層。 根據製造本發明之固態成像裝置之前述方法，由於佈線 P:形成於矽層上且層疊基板之矽基板及中間層被移除以 :备夕層因此與其中形成__佈線部分之前表面側相反的 該矽層之後表面側被暴露以獲得背部照明式結構，其中光 自後表面側進入。 f間層及一矽層層疊 此外，由於使用了將一矽基板 之一疊層基板且在該疊層其把 ㈢基板之矽層中形成一光感應器部 分之一半導體區域，因此1 ^ 、 上1^成一光感應器部分之一半 導體區域的石夕層之一介面變得相當穩定，使得藉由控制石夕 層之厚度可易於將固態成像裒置之光譜特性穩定化。 此外，就其中形成一半導 卞等體區域之矽層而言，由於在直 前表面側上形成一佈線部公 ^ 刀且该矽基板及該中間層被移 除’因此不需研磨該矽声 曰且可防止機械損傷影響該矽層。 此外，在使用一包括一 /專矽層之豐層基板時，可一 種固態成像裝置，其且右义 、 一有則述本發明之固態成像裝置，音、 即，具有一固態成像裝置士 〜 卹八♦ ± 、、、口構，其中該包括一光感應器 部分之一半導體區域$ Μ 之矽層較薄為ίο μη或更小(或5 _或 95893-950112.doc • II · 1298947
根據本發明之固態成像裳置，由於形成了 一種被稱為背 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，由於矽層之厚度為1〇μηι或更小，在包 括紅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側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，由於形成了一種被稱為 背部照明式之結構，可改良感光度且可抑制周圍像素中的 遮蔽之發生；且此外，由於矽層之厚度為5 μηι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。 此外，因為 間的距離，所 混合色之發生 可縮短透鏡與光感應器部分之半導體區域之 以可㈣由人射至鄰近像素上之光所導致的
此外在形成—域應器部分之_半導體區域時，僅將 (例如）光阻㈣光罩可容*地執行離子植入。 因此，根據本發明，可實現一 .^ ^ # , 種月口Ρ照明式結構之固態 成像1置’其中可獲得高咸弁声 ,,..m ^先度且可碩出電荷至前表面側。 此外，歸因於該背部照明式結構， ^ ^ Η, φ ^ ^ 了彳又侍佈線層及設計 之布局中之莖活性，且歸因於薄矽芦 近像素上之光所導致的、… 0可抑制由入射至鄰 U /丨命蚁的混合色之發决 ^生，使得可易於將像素 95893-950112.doc 12 1298947 小型化。p遺著固態成像裝置之像素之小型化，可將固態成 像裝置尚度整合且小尺寸化。 此外，在前述本發明之個別固態成像裝置之每一者中， 當在處於整個厚度方向上之該光感應器部分之各個像素之 間形成一 70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 位於後表面側上之矽層之介面的附近形成一第二傳導型區 域時，该第二傳導型區域與構成一光感應器部分之一第一 傳導型區域相&，可減小在位於後表面側上之石夕層之介面 的附近產生的暗電流。 根據製造本發明之一固態成像裝置的方法，由於··將第 一支撐基板貼合至一矽層上；在移除疊層基板之一矽基板 及-中間層之後於該⑦層上形成—佈線部分，·將第二支撐 基板貼合至該佈線部分上；且移除該第_支撺基板以暴^ 該石夕層，因此該石夕層之介面變得穩定且可藉由控制石夕層之 厚度使固恶成像裝置之光譜特性穩定化，使得可以高良口 率製造具有優良光譜特性之固態成像裝置。 此外，在使用具有薄矽層之疊層基板時，可易於製造一 種具有-薄石夕層之固態成像裝置，矽層中形成 應器部分之一半導體區域。 心 特定言之，當將第-支樓基板貼合至_石夕層時，執行_ 在相當高溫度（諸如，約攝氏謂度）下之熱處理以激活㈣ 層之-半導體區域之雜質且改良該矽層之介面上的結曰 95893-950JI2.doc • 13 - 1298947 度’使得可製造-種幾乎不具有雜訊的固態成。 根據製造本發明之-固態成像裝置之方法，由^.、一 石夕層上形成—佈線部分；將—切基板貼合至該# :移除一疊層基板之一石夕基板及-中間層以暴露該㈣: ^亥麥層之介面變得穩定且可藉由控制㈣ 怨成像裝置之㈣特性穩定化，使得可以高良品率製造^ 有優良光譜特性之固態成像裝置。 此外，在使用具有薄石夕層之疊層基板時，可易於势进一
種具有-薄㈣之固態成像裝置，該薄咬層中形成一、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敎處 理’可減小熱處理對電晶體及其它元件之影響，使得形成 具有窄間距之電晶體以容易地提供—細微像素。並且，可 控制製程數目之增加。 【實施方式】 立圖2展$ 了本發明《一實施例之一固態成像裝f的一示 意性構造圖（展示一垂直剖面）。在此實施例中，本發明係施鲁 加至一 CM〇S影像感應器（CMOS型固態成像裝置）。 固悲成像裝置1包括一支撐基板2、一佈線部分3、一矽基 板4 彩色濾光器5及一晶片上透鏡ό，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12，在其間形成有絕 、、彖層11 °在佈線部分3與矽基板4之間形成一充當一閘極絕 、表’專膜之一薄絕緣塗層13，且在絕緣層13之前表面側上形 95893-950112.doc •14· 1298947 成一閘電極14以用於電荷之讀出。 在石夕基板令於厚度方向上較厚地形成一構成光感應器部分 之一光電二極體的N型區域17’且在N龍域17之前表面側上 的-位置處形成-正電荷儲存區域(p+區域）16。並且，在問 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 一黏接層或其它物件貼合。可將―梦基板（例如）用作支撐基 板2。可將其它材㈣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。 隨後，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。 一讀出電晶體包含閘電極14、_@域17之一端及浮動擴 散15。 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D10 μιη或更小。較佳為，矽層4之厚度設 定為5 μηι或更小。 右具有刖述結構，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_〇ιην/μπι或更大 95893-950112.doc -15- 1298947 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。 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10 μιη或更小時，可在包括紅 外射線區域之寬廣波長範圍内獲得高感光度。 齧將石夕層4之厚度D設定為5 μιη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^m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 μιη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 0„^夺’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 地執灯製造，因為可使用&姓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，使ρ + 區域(高濃度ρ型⑮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隔 離區域。 因此’可將各個像素^型區域17電分離且可防止鄰近像 95893-950112.doc 16 1298947 素之間的電混合色。 置1中，Ρ 之，於彩色 此外’在根據本發明之實施例之固態成像裝 區域19亦形成型區域17之後表面側，換而言 濾光器5之側面上。 因此’可減小由矽層4之後表面側上之介面位 暗電流。 ▼双的 在固態成像裝置1中，如圍繞圖3之光感應器 刀的垂直 剖面中所示’入射光在光感應器部分之Ν型區 τ <相當深 之位置處（於位於後表面側上之部分）轉換為電 移動至前表面侧，如由圖3中之箭頭所示。若前述漂移電場 具有較大面積，則此移動執行得更為平滑。 野 隨後，當閘電極14變為0N(接通）狀態時，電荷e•被讀 至浮動擴散1 5。 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 波長的依賴性之間的關係。 矽層之厚度Dhm)與量子效率對光感應器部分中入射光 L之波長（nm)的依賴性之間的關係展示於圖4及5中。圖*展 示了矽層之厚度D及該厚度之整個矽層的量子效率。圖5展 示了自入射光之側所里測的各個i _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 _與3叫之間 的厚度標繪於2·5 μηι處。 根據圖4，分別地，藍光(波長為約400 nm)在2 —或更小 處100%被吸收而綠光（波長為約550 _)在約5 μηι處1〇〇%被 95893-950112.doc 17 1298947 吸收。紅光（波長為約7 5 0 nm)即使在1 〇 μπι處亦不能1 〇 〇 %被 吸收。 根據圖5，紅光（波長為750 nm)在4.75 μιη至5.25 μιη之深 度（假疋為電晶體之擴散層）處最大之吸收率為2%。綠光及 藍光為極小，可忽略不計。 並且，在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 戴止濾波器。習知地使用沉積型，且如圖6中所示，儘管波 長為650 nm或更小之光幾乎可透射，但是波長長於65〇 nm 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，即使碎層4之厚度d 為5 μπι或更小，亦可令人滿意地獲得對波長為65〇 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高之感光度。 此外，藉由分析二維波可量測由前部照明式結構之CM〇s 影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CMOS影像感應器中幾乎 95893-950112.doc 18 1298947 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）。 然而，在为部照明式結構之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 μηι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） 之衫響，且雜訊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丨的結構，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 表面側）相反的側面（後表面侧）之上，該矽層4中形成光感應 為部分，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型區域丨7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tf之此固態成像裝置中之背部照明式結 構，不f要使光穿過佈線部分，使得佈線層12之設計及布 局中之f活度可增加’且因而（例如）可最優化佈、線層13之塗 層厚度及抗蝕性。 因此，將固態成像裝置丨之各個像素小型化以獲得高密度 95893-950112.doc 1298947 整合及小型化。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 實施例之結構，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1之結構，由於矽層 4之厚度D為1〇 μηι或更小、或較佳為5 μηι或更小，因此矽 層4之厚度D與具有約幾十μπι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 應裔部分之Ν型區域17之間的距離，使得即使執行了像素之 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 ν至 3·3 V)之範圍内设什固態成像裝置時，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丨之結構，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_型區域”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i之結才籌，ρ+區域Η 95893-950112.doc -20- 1298947 亦提供於矽層4之N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 前表面側（正電荷積累區域1 6)。 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丨為CM〇S影像感應器 (CMOS型固態成像裝置），使得不會發生在CCD固態成像裝 置成為問題的汙斑。 其次，闡明了一種製造具有類似於圖2之固態成像裝置i 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i 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2 2的一氧化石夕塗層（s丨〇 2塗層）。 就SOI基板24而言，其整個厚度為（例如）725 更小， 而矽層21之厚度為1〇 μπι或更小（較佳為5 μηι或更小）。 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··一N型區域25,其成為構成光電二極體的 N型區域1 7之主要部分（後表面側之一部分）；及一 區域 19，其位於後表面側上。此外，一同形成一用於定位一彩 色濾光器及一晶片上透鏡的匹配標記2 6。 其次，如圖8B中所示，於第一支撐基板3丨之一表面上形 成一黏接層32,且將第一支撐基板3丨黏接至s〇I基板24之矽 層21，黏接層32位於其間。隨後，執行於（例如）攝氏I〗⑽ 95893-950112.doc 21 1298947 度下之熱處理以用於貼合。此時，激活N型區域25中及矽層 2 1之P+區域1 9中之雜質。 其次，如圖8C中所示，將晶圓定位成倒置。 ik後，使用（例如）背部研磨方法、cMP(化學機械研磨） 方法、濕式蝕刻方法或其類似方法將位於矽層2丨上之矽基 板23及中間層22相繼移除。因此，如圖9A所示暴露矽層21。
八-人，於矽層2 1上形成一讀出電晶體之一閘電極〗4，一 薄絕緣層位於其間。此外，就矽層21而言，自前表面側執 ㈣型雜質之離子植人以形成：—N型區域27，其成為構成 光電-極體的N型域！ 7之其餘部分之前表面側，及一浮動 擴政1 5，其包含一 N型區域。此外，就矽層2 1而言，自前表 面側執仃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之N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 、本層12的佈線部分3，絕緣層u位於複數個佈線層η之間。 、此外，於佈線部分3之上表面上形成—保護塗層，儘管圖 式:未展示。提供此保護塗層以防止佈線部分域收濕氣， 使传佈線層12不會受到濕,氣的料。舉例而言，由電浆 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，於第二支樓基板33之一表面上^ 成黏接層34，且經由位於其間之黏接層^將該第二支次 基板33黏接至佈線部分3。隨後，執行於攝氏權度或更々 95893-950112.doc -22- 1298947 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12之後執行，該處理為在攝氏4〇0度或更低之低溫 下執行’使得可防止佈線層丨2受到影響。在此種狀況下可 將SOG(旋塗玻璃）及能進行金屬焊接之金屬層用作黏接層 34 ° 其次’如圖1 0B中所示，再次將晶圓定位成倒置. 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2丨上之第一 支撐基板31及黏接層32移除。結果，如圖UA中所示，暴露 出碎層2 1。 其次，如圖11B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。 儘管圖式中未展示，但是亦形成一用於連接至外側端子或 其類似物之焊墊電極（pad electrode)。 如刖文所描述，可製成此種背部照明式結構之固態成像 裝置。 此外’在諸如圖2所示之固態成像裝置iiCMQs影像感應 器中’於相同半導體晶片上與構成_成像部分之固態成像 裝置卜同形成-執行固態成像裝置i之驅動、控制及其它 功能的周邊電路部分。 因此，儘管圖式中未展示’但是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 之其它部分。 可製造具有類似於圖2 根據此實施例之前述製造方法， 95893-950112.doc -23 * 1298947 中所示之固態成像裝置1之結構的固態成像裝置，意即，其 中形成光感應器部分之矽層的厚度為10 μΙΏ或更小（較佳為5 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S0I基板24上形成矽層21，因 此其介面相當穩定且與圖丨中所示之結構相比可減小於介 面上產生之暗電流。 此外’由於可良好地控制矽層2丨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21未經研磨，使得可防止對矽層2丨之 機械損傷。 此外，在此實施例中，由於使用了 s〇I基板24，因此可使 用例如現有（市售）廉價S 〇〗基板2 4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3 1時藉由於相當高溫度下之熱處理可改良矽層2丨之活 性層之介面上的結晶度，使得可製造具有低雜訊之固態成 像裝置。此外，由於藉由自後表面側至矽層21内之離子植 入形成後表面側上之p+區域19，可容易地將p+區域19之位 95893-950112.doc -24- 1298947 置控制在秒層2 1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i之 背部照明式結構的固態成像裝置之另一方法，作為製造本 發明之固態成像裝置之方法的另一實施例。 在此實施例中，亦使用了圖7之垂直剖面中所示之SOI基 板24。 在SOI基板24中，例如，其總厚度為725 μΓη且中間層（si〇2 塗層）22之厚度為10 μηι或更小，且矽層21之厚度為1〇 ^^或 更小（較佳為5 μηι或更小）。 首先’如圖12Α中所示，藉由離子植入在S〇I基板24之矽 層2 1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p區域19、位於前表面側上之p+區域丨6及形成浮動 擴散1 5之N型區域。此外，形成匹配標記26用以定位彩色濾 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’ ^石夕層21之厚度為5 μηι或更小時，可將光阻（圖式 中未展示）用作光罩來執行離子植入；然而，當石夕層2丨之厚 度大於5 μηι時，要求使用諸如氧化物塗層之硬式光罩以相 當高之能量來執行離子植入。 其次，於矽層21上形成讀出電晶體之閘電極14，其間具 有一薄絕緣塗層。 隨後’如圖12Β中所示，於矽層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u。 95893-950112.doc -25- 1298947 此外’儘管圖式中未展示，但是在佈線部分3之上表面形 成一保護塗層。此保護塗層用於防止佈線層12受到佈線部 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12C中所示，於第一支撐基板31之一表面上形 成一黏接層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 溫度下之熱處理以將第一支撐基板3丨貼合至佈線部分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 δ又疋為較低至攝氏4 0 0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S0G(旋塗玻璃）及金 屬層用作黏接層32。 隨後’如圖1 3 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#刻方法或類似方法來餘刻後表面側，且移除S QJ 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2 1。 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 2 8 ’且於其上相繼形成一彩色濾光器5及一晶片上透鏡6。 儘管圖式中未展示’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。 95893-950112.doc -26· 1298947 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 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矽層的厚度為10 μηι或更小 (較佳為5 μηι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21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 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21。 此外，在前述實施例中，例如，由於使用了 s〇I基板24， 因此可使用現有（市售）廉價S〇I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 95893-950112.doc -27- 1298947 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 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，在其甲S0I基板24之石夕層21之厚度具有約屬之 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，亦可發生關於N型區域17 之深度及關於後表面側上之p+區域19之位置的色散。 若後表面側上之P+區域19形成於深於後表面側上之矽層 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p+區域Μ形成 於淺於後表面側上之矽層21之介面的位置’則p+區域㈣ 為-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石夕層21幾乎相同厚度（在可忽略色 ㈣㈣⑴d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。 2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之n型區 域1 7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1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1 7及P區域19之後表面上之部分。詳言之，類似於本發 明之别述實施例’可自前表面側及自後表面側兩次執行離 95893-950112.doc -28- 1298947 子植入。 此外，在前述貫施例之每一者中，N型區域丨7形成為執行 光感應器部分之光電轉換的區域，且p+區域16及19分別J 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Μ%塗 層用作中間層22的SOI基板24,且在本發明之製造方法中2二 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，多孔矽及其它可易於移除之材料）_ 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例，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】 圖1為一背部照明式CMOS影像感應器之一示意性及垂直 剖視圖； φ 圖2為根據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）； ’ 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為一特性曲線，其展示了矽層之厚度與量子效率對光 感應器部分中入射光之波長的依賴性之間的關係； S為特性曲線’其展示了石夕層之厚度與量子效率對該 光感應器部分中入射光之波長的依賴性之間的關係； 95893-950112.doc -29- 1298947 圖6為一展示一紅外射線截止浦油哭 應波為之光譜特性的圖； 圖7為一 SOI基板之一垂直剖視圖； 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 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 一固態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 s夕基板 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 95893-950112.doc -30- 1298947 14 閘電極 15 浮動擴散（FD) 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 砍基板 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 MOS感應器 101 ^夕基板 102 光感應器部分 104 佈線層 95893-950112.doc -31 -

Claims (1)

1298947 十、申請專利範圍： 1 · 一種固態成像裝置，包含至少： 一石夕層’其中形成用以執行光電轉換之一光感應器部 分，及 一佈線層，其形成於該矽層之前表面側上，且該裳置 具有 ~ 一結構，在該結構中使光自與該矽層之該前表面側相 反的後表面側進入，其中 ϋ亥石夕層之厚度為10 μηι或更小。 2·如請求項1之固態成像裝置，其中 一元件隔離區域形成於介於該光感應器部分之個別像 素之間的整個厚度方向上。 3·如請求項1之固態成像裝置，其中 斤一第二傳導型區域形成於與構成該光感應器部分之— 第一傳導型區域相對的該後表面側上的該矽層之一介面 的附近。 4 · 一種固態成像裝置，包含至少： 矽層’其中形成用以執行光電轉換之一光感應 分，及 -佈線層’其形成於該石夕層之前表面側上，且該 具有 ~ 一結構’在該結構中使光自與該石夕層之該前表面側相 對的後表面側進入，其中 該石夕層之厚度為5 μπι或更小。 95893-950112.doc 1298947 •如請求項4之固態成像裝置，其中 一凡件隔離區域形成於介於該光感應器部分之個別像 素之間的整個厚度方向上。 6.如請求項4之固態成像裝置，其中 第一傳導型區域形成於與構成該光感應器部分之一 第一傳導型區域相對的該後表面側上的該矽層之一介面 的附近。 7·製造一使用了一疊層基板之固態成像裝置之方法， 忒且層基板將一矽基板、一中間層及一矽層層疊，該方 法至少包含以下步驟： 於該疊層基板之該矽層中形成一光感應器部分之一半 導體區域； 將一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； 八後於該矽層上形成一包括一位於一絕緣層上之佈線 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。 8·如請求項7之製造一固態成像裝置之方法，其中 該疊層基板之該矽層之該厚度為1〇 μηΐ4更小。 9·如請求項7之製造一固態成像裝置之方法，其中 該疊層基板之該矽層之該厚度為5 μχη或更小。 10·如請求項7之製造一固態成像裝置之方法，進一步包含以 下步驟： 95893-950112.doc 1298947 在暴露出該矽層之該後表面側之該步驟之後，於令亥石夕 層之該後表面側上形成一抗反射塗層、一彩色读光琴及 一晶片上透鏡中之至少任一者。 11 · 一種製造一使用了一疊層基板之固態成像裝置之方法， 該疊層基板中將一矽基板、一中間層及一矽層層疊，該 方法至少包含以下步驟： 於該疊層基板之該矽層中形成一光感應器部分之一半 導體區域； 在該矽層上形成一包括一位於一絕緣層中之佈線層的 佈線部分； 其後將一支撐基板貼合至該佈線部分上；及 移除該矽基板及該中間層以暴露出該石夕層。 12·如請求項丨丨之製造一固態成像裝置之方法，其中 該疊層基板之該矽層之該厚度為1〇 μιη*更小。 13.如請求項丨丨之製造一固態成像裝置之方法，其中 該疊層基板之該矽層之該厚度為5 μηι或更小。 14·如請求項丨丨之製造一固態成像裝置之方法，進一步包含 以下步驟： 在該暴露該矽層之該後表面側之步驟之後，於該矽層 之该後表面側上形成一抗反射塗層、一彩色濾光器及一 晶片上透鏡中之至少任一者。 95893-950112.doc 1298947 七、指定代表圖： (一) 本案指定代表圖為：第（2 )圖。 (二) 本代表圖之元件符號簡單說明： 1 固態成像裝置 2 支撐基板 3 佈線部分 4 砍基板 5 彩色?慮光Is 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) 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 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： (無） 95893-950112.doc
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