TWI450389B - 背照式照明影像感測器以及製造背照式照明影像感測器之方法 - Google Patents

Description

背照式照明影像感測器以及製造背照式照明影像感測器之方法

本發明係關於一種影像感測器以及一種製造該影像感測器之方法，尤其是一種背照式照明影像感測器(back-side illumination(BSI)image sensor)以及一種製造該背照式照明影像感測器之方法。

隨著互補金屬氧化物半導體影像感測器(CMOS image sensor,CIS)之像素大小逐漸降低，某些由像素縮小所引起的問題也變得很重要，例如一感測陣列中之量子效率、干擾以及暗電流。在一習知的影像感測器中，例如前端照明感測器，每一像素感測器之顯微鏡頭都安裝於一基板之前端上，因此，入射光需要透過由金屬層所組成之電路中間的介質層才能到達一光敏二極體，否則該入射光將被金屬或其他反射材料反射或吸收。由於光的傳播路徑係不能被金屬或其他種類之反射材料所阻擋，因此該填充因子就會受到限制。

為了提高一影像感測器之緻密性，習知此技術者因而提供一背照式照明影像感測器。於一背照式照明影像感測器中，入射光從該影像感測器之一基板的背面射入，因此，該基板之正面可以保留作各種功能的電路。隨著該背照式照明技術之應用，基板之正面會有越來越多的可用空間用以建立各種功能電路。另外，於該背照式照明影像感測器中，該背照式照明影像感測器之光敏二極體可以用來將入射光轉換成電性訊號，因此，該光敏二極體之轉換效率決定了該背照式照明影像感測器之品質(例如：靈敏度)，其中該轉換效率取決於該光敏二極體中N植入層和P植入層之摻雜物區域。因此，為了進一步利用該背照式照明結構之優點，在提高一背照式照明影像感測器之區域效率以及緻密性上需要越來越多的努力。

因此，本發明之目的之一在於提供一種背照式照明影像感測器以及一種降低射入該背照式照明影像感測器之入射光衰減的方法，用以提高該背照式照明影像感測器之靈敏度。

依據本發明之第一實施例，提供一種製造一背照式照明影像感測器之方法。該方法包含有以下步驟：向位於一基底層之第一側上的一磊晶層中植入一第一類摻雜物，用以於該磊晶層之第一側中形成一第一摻雜層；於該第一摻雜層上附著一支撐層，用以支撐該基底層；磨除該基底層之第二側，以露出該磊晶層之第二側；從該磊晶層之第二側向該磊晶層中植入該第一摻雜物，用以於該磊晶層之第二側中形成一第二摻雜層，其中該第一摻雜層於該第二摻雜層部分重疊；於該磊晶層之第二側中形成該第二摻雜層之後，於該第二摻雜層上形成至少一金屬層；移除該支撐層；以及於該第一摻雜層上形成一彩色濾光模組。

依據本發明之第二實施例，提供一背照式照明影像感測器。該背照式照明影像感測器包含一磊晶層，一第一摻雜層，一第二摻雜層，一顏色過濾模組以及至少一金屬層。該第一摻雜層包含一第一類摻雜物，該第一摻雜層植入於該磊晶層之第一側中。該第二摻雜層包含該第一類摻雜物，且該第二摻雜層植入於該磊晶層之第二側中，其中該第一摻雜層之第一側與該第二摻雜層之第一側部分重疊。該顏色過濾模組位於該第一摻雜層之第二側之上。該金屬層位於該第二摻雜層之第二側之上。

在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。以外，「耦接」一詞在此系包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。

請參閱第1圖與第2圖，第1圖係為依據本發明之一實施例，一背照式照明影像感測器100之示意圖，第2圖係為依據本發明之一實施例的製造該背照式照明影像感測器之方法流程圖。第1圖係為該背照式照明影像感測器100之一像素結構的部分剖視圖。該背照式照明影像感測器100包含有一彩色濾光模組102，一光敏二極體104，一電路層106以及一隔離結構108。光敏二極體104將入射光轉換成電性訊號。電路層106可以包含一傳輸電晶體(例如：一位於P阱(well)上之N型金屬氧化矽電晶體)，用以將電性訊號從光敏二極體104傳輸至其他電路做後續處理。隔離結構108用以隔離相鄰之像素。

請一同結合第2圖來參閱第3A-3F圖，第3A-3F圖係為第1圖所示之背照式照明影像感測器100的製造流程之部分剖視圖。依據一優選實施例，方法200包含以下步驟：

步驟202：提供一基底層301，基底層301之一側包含一磊晶層302(第3A圖)；

步驟204：向基底層301之第一側上的磊晶層302中植入一第一類摻雜物，用以於磊晶層302之第一側中形成一摻雜層303(第3B圖)；

步驟206：在磊晶層302之第一側中形成摻雜層303之後，向摻雜層303中植入一第二類摻雜物，用以在摻雜層303上形成一摻雜層304(第3C圖)；

步驟208：於摻雜層304上形成一膠層305(第3D圖)；

步驟210：於膠層305上附著一支撐層306，用以支撐基底層301(第3E圖)；

步驟212：磨除基底層301之第二側，以露出磊晶層302之第二側(第3F圖)；

步驟214：從磊晶層302之第二側向磊晶層302中植入第一類摻雜物，用以於磊晶層302之第二側形成一摻雜層307，其中該摻雜層303與摻雜層307部分重疊(第3G圖)；

步驟216：將至少摻雜層303與摻雜層307作退火處理；

步驟218：在磊晶層302之第二側中形成摻雜層307之後，於摻雜層307上形成至少一金屬層(第3H圖)；

步驟220：透過支撐層306向膠層305照射紫外線光以對膠層305除膠(第3I圖)；

步驟222：從膠層305中移除支撐層306(第3J圖)；

步驟224：於摻雜層305上形成一彩色濾光模組102(第1圖)。

請注意，若可以達到如第2圖所示之流程圖實質相同的結果，第2圖所示之步驟並非必須按照流程圖所示之順序，亦即，可以在第2圖所示之步驟中間插入其他步驟。另外，於本實施例中，第一類摻雜物係為N型摻雜物(N-type dopant)，第二類摻雜物係為P型摻雜物(P-type dopant)，然而，此並非本發明之限制。於另一實施例中，該第一類摻雜物可以是N型摻雜物，第二類摻雜物可以是P型摻雜物。

如第3B圖所示，於步驟204中，向基底層301之第一側上的磊晶層302中植入該N型摻雜物，用以形成該摻雜層303。可見，該N型摻雜物並非均勻地分佈於磊晶層302中。事實上，進入磊晶層302之深度越深，能夠植入地N型摻雜物302越少。因此，N型摻雜物地分佈量隨著向磊晶層302中深入而遞減，如第3B圖所示，摻雜層303邊緣的斜線就可以視為N型摻雜物之斜率。

接著於步驟206中，在磊晶層302之第一側中形成摻雜層303之後，於摻雜層303中植入P型摻雜物(P-type dopant)，用以於摻雜層303上形成摻雜層304。請注意，如第3C圖所示，摻雜層304之深度應小於摻雜層303之深度。此外，於該摻雜層303和304周圍形成一隔離結構108，用以確定一像素區域。請注意，至此，該摻雜層303之厚度於該隔離結構108之厚度均小於該磊晶層302之厚度。

接著，於該摻雜層304上附著支撐層306，用以支撐該基底層301。首先，如第3D圖所示，膠層305置於摻雜層304上。支撐層306附著(亦即黏著)於膠層305上以形成如第3E圖所示之結構。請注意，支撐層係為一透明材料層僅作為一例子，而並非本發明之限制。例如，於本實施例中，該透明材料層是一玻璃層。

在該支撐層306形成之後，該成形結構可以透過固定支撐層306來得以固定。接著，可以透過磨除該基底層301之第二側來移除該基底層301。換言之，如第3F圖所示，磨除基底層301之第二側直到磊晶層302之第二側露出為止。

如第3G圖所示，於磊晶層302之第二側露出時，從露出的磊晶層302之第二側向磊晶層302中植入N型摻雜物，用以於磊晶層302之第二側中形成摻雜層307。請注意，摻雜層303與摻雜層307部分重疊，以使植入N型摻雜物之區域儘可能地寛。透過上述做法，可以極大地提高由摻雜層303、307以及摻雜層304形成之光敏二極體104之靈敏度。另外，於磊晶層302之第二側中形成摻雜層307之後，向摻雜層307中植入P型摻雜物以於摻雜層307上形成摻雜層308(例如，P阱)。請注意，如第3G圖所示，摻雜層308之深度應小於摻雜層307之深度。同樣地，磊晶層302之第二側上的隔離結構108亦環繞摻雜層307。請注意，磊晶層302之第二側上地隔離結構108亦與磊晶層302之第一側上地隔離結構108部分重疊。

接著，於摻雜層303、304、307及308上進行退火處理以修復離子(例如：摻雜物)植入所造成地晶體結構之損壞。

於光敏二極體104形成時，電路層106可以產生於P阱之中/之外(例如：摻雜層308)，用以從光敏二極體104接收電性訊號。請注意，電路層106可以包含一電晶體，一多晶矽路徑，一金屬路徑以及一接觸結構(例如：接點(Via))。簡言之，如第3H圖所示，本實施例之電路層106以簡圖示出，亦即：以標有PO之框圖表示多晶矽路徑，以標有MX、TM之框圖表示金屬路徑，以及用標有VIA之框圖表示接觸結構。

至此，除了彩色濾光模組102以外之背照式照明影像感測器100之主要結構已完成。為了於摻雜層302之第一側上形成彩色濾光模組102，首先要移除支撐層306。請注意，於本實施例中，膠層305係為紫外線膠，因此由於支撐層306係為一透明材料層，可以透過支撐層306向膠層305照射紫外線光以對膠層305進行除膠(第3I圖)。如第3J圖所示，於膠層305被紫外線光照射後，支撐層306可以輕易地從膠層305中移除。

最後，於步驟224中，在支撐層306從膠層305中移除之後，彩色濾光模組102可安裝於摻雜層305之上。請注意，於本實施例中，可以保留除膠後之膠層305，然而此並非本發明之限制。由於除膠之後的膠層305係為一透明材料層且位於彩色濾光模組102以及摻雜層304之間，因此不會阻礙入射光進入光敏二極體104。另外，於本實施例中，彩色濾光模組102包含一顯微鏡頭1022以及一彩色濾光片1024。

請再參閱第1圖，由於摻雜層303與摻雜層307部分重疊(亦即：於摻雜層303之邊界中的N型摻雜物之梯度區與摻雜層307之邊界中的N型摻雜物之梯度區部分重疊)，因此於彩色濾光模組102與電路層106中間的N型摻雜物之覆蓋面積(亦即：光敏二極體104之N型摻雜物)得以增大，以使得光敏二極體104可以轉換更多之入射光為電性訊號，亦即：降低入射光之衰減。換言之，本發明之背照式照明影像感測器100對入射光有更好的靈敏度。

簡言之，本發明之實施例使背照式照明影像感測器所有的晶片進行退火處理，以提高製造流程之產量。此外，由光敏二極體之摻雜層邊緣中的N型摻雜物之梯度分佈所造成之變淺的問題亦得以解決。隨著紫外線膠黏劑(UV glue)之使用，用以固定支撐層之膠層可以僅透過對膠層照射紫外線光來除膠，從而移除支撐層之步驟並未增加生產流程之複雜度。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100．．．背照式照明影像感測器

102．．．彩色濾光模組

104．．．光敏二極體

106．．．電路層

108．．．隔離結構

301．．．基底層

302．．．磊晶層

303、304、307、308．．．摻雜層

305．．．膠層

306．．．支撐層

1022．．．顯微鏡頭

1024．．．彩色濾光片

第1圖係為依據本發明之第一實施例的背照式照明影像感測器之示意圖。

第2圖係為依據本發明之第二實施例的製造該背照式照明影像感測器之方法流程圖。

第3A圖係為於一側中包含一磊晶層之一基底層的部分剖視圖。

第3B圖係為該磊晶層之第一側中的一N型摻雜層之部分剖視圖。

第3C圖係為該磊晶層之第一側中一N型摻雜層中的P型摻雜層之部分剖視圖。

第3D圖係為該P型摻雜層上之一膠層之部分剖視圖。

第3E圖係為該膠層上一支撐層之部分剖視圖。

第3F圖係為該磊晶層之第二側上露出部分的部分剖視圖。

第3G圖係為該磊晶層之第二側中一N型摻雜層之部分剖視圖。

第3H圖係為至少一金屬層之部分剖視圖。

第3I圖係為透過紫外線光照射到該膠層上來對該膠層去膠之部分剖視圖。

第3J圖係為無該支撐層之晶片之部分剖視圖。

100．．．背照式照明影像感測器

102．．．彩色濾光模組

104．．．光敏二極體

106．．．電路層

108．．．隔離結構

302．．．磊晶層

303、304、307、308．．．摻雜層

305．．．膠層

1022．．．顯微鏡頭

1024．．．彩色濾光片

Claims (18)

1. 一種製造一背照式照明影像感測器(back-side illumination(BSI)image sensor)之方法，包含：向位於一基底層之第一側上的一磊晶層中植入一第一類摻雜物，用以於該磊晶層之第一側中形成一第一摻雜層；於該第一摻雜層上附著一支撐層，用以支撐該基底層；磨除該基底層上之第二側，以露出該磊晶層之第二側；從該磊晶層之第二側向該磊晶層中植入該第一類摻雜物，用以於該磊晶層之第二側中形成一第二摻雜層，其中該第一摻雜層與該第二摻雜層部分重疊；於該磊晶層之第二側中形成該第二摻雜層之後，於該第二摻雜層上形成至少一金屬層；移除該支撐層；以及於該第一摻雜層上形成一彩色濾光模組。
2. 如申請專利範圍第l項所述之方法，其中該第一類摻雜物係為N型摻雜物(N-type dopant)。
3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，另包含：於該磊晶層之第一側中形成該第一摻雜層之後，向該第一摻雜層中植入一第二類摻雜物，用以於該第一摻雜層上形成一第三摻雜層。
4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該第一類摻雜物係為N型摻雜物，且該第二類摻雜物係為P型摻雜物(P-type dopant)。
5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，另包含：於該磊晶層之第二側中形成該第二摻雜層之後，向該第二摻雜層中植入一第二類摻雜物，用以於該第二摻雜層上形成一第三摻雜層。
6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該第一類摻雜物係為N型摻雜物，且該第二類摻雜物係為P型摻雜物。
7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，另包含：於形成於該磊晶層之第二側的第二摻雜層上形成至少一金屬層之前，對至少該第一摻雜層和第二摻雜層進行退火處理。
8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中於該第一摻雜層上附著該支撐層之步驟包含：於該第一摻雜層上形成一膠層；以及將該支撐層附著於該膠層上。
9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該支撐層係為一透明材料層。
10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該透明材料層係為一玻璃層。
11. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中移除該支撐層之步驟包含：透過該透明材料層向該膠層照射紫外線光以對該膠層進行除膠；以及從該膠層中移除該透明材料層。
12. 一種背照式照明影像感測器，包含：一磊晶層；一第一摻雜層，包含一第一類摻雜物，該第一摻雜層植入於該磊晶層之第一側之中；一第二摻雜層，包含該第一類摻雜物，該第二摻雜層植入於該磊晶層之第二側之中，其中該第一摻雜層之第一側與該第二摻雜層之第一側部分重疊；一彩色濾光模組，形成於該第一摻雜層之第二側之上；以及至少一金屬層，形成於該第二摻雜層之第二側之上。
13. 如申請專利範圍第12項所述之背照式照明影像感測器，其中該第一類摻雜物係為N型摻雜物。
14. 如申請專利範圍第12項所述之背照式照明影像感測器，另包含：一第三摻雜層，包含一第二摻雜物，該第三摻雜層植入於該第一摻雜層之第二側之中。
15. 如申請專利範圍第14項所述之背照式照明影像感測器，其中該第一類摻雜物係為N型摻雜物，且該第二類摻雜物係為P型摻雜物。
16. 如申請專利範圍第12項所述之背照式照明影像感測器，另包含：一第三摻雜層，包含一第二類摻雜物，該第三摻雜層植入於該第二摻雜層之第二側之中。
17. 如申請專利範圍第16項所述之背照式照明影像感測器，其中該第一類摻雜物係為N型摻雜物，且該第二類摻雜物係為P型摻雜物。
18. 如申請專利範圍第12項所述之背照式照明影像感測器，另包含：一第一隔離結構，環繞該第一摻雜層；以及一第二隔離結構，環繞該第二摻雜層；其中該第一隔離結構與該第二隔離結構在該磊晶層中部分重疊。