TWI499048B - 半導體裝置及其製作方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關於半導體裝置，且特別是有關於一種具有抗反射塗層之半導體裝置。
互補式金屬氧化物半導體影像感測器通常是利用形成於半導體基板像素區域之陣列中的光電二極體串列而在光電二極體受到光線影響時進行感測，並可形成鄰接於像素區域中之各個光電二極體的傳輸電晶體(transfer transistor)，以在所需時段傳送光電二極體藉由感測光線所產生的信號。光電二極體及傳輸電晶體可藉由在所需時段操作傳輸電晶體而允許捕捉在所需時段的影像。
互補式金屬氧化物半導體影像感測器可形成為一前照式(front side illumination，FSI)之配置或一背照式(back side illumination，BSI)之配置，在前照式之配置中，光線是由影像感測器的「前側」傳遞至光電二極體上(即傳輸電晶體形成處)。然而，當金屬層、介電層、及傳輸電晶體並非為半透明且易於讓光線通過時，讓光線在到達光電二極體之前需先通過覆蓋於其上的金屬層、介電層、及傳輸電晶體，可能會產生處理及/或操作的問題。
在背照式之配置中，傳輸電晶體、金屬層、介電
層形成於基板的前側，使光線可以由基板「背側」被傳遞至光電二極體，因此，光線在到達傳輸電晶體、介電層、或金屬層之前即到達光電二極體。這種結構可以降低影像感測器的製造複雜度，並提昇影像感測器的操作性。
傳統的背照式裝置可採用抗反射塗層(anti-reflective coating layer，ARC layer)，以降低光的反射。傳統背照式裝置中的抗反射塗層可由例如碳化矽(SiC)、氮化矽(SiN)、或高介電常數介電膜所形成。
傳統的影像感測器亦可包括透明電極。透明電極可由例如氧化銦錫(indium tin oxide，ITO)或氧化銦鋅(indium zinc oxide，IZO)形成。
本發明一實施例提供一種半導體裝置，包括：複數金屬化層，由一基板所支撐；一二極體及一部分摻雜之矽層，設置於金屬化層上；一緩衝層，設置於二極體及部分摻雜之矽層上；以及一抗反射塗層，設置於緩衝層上，抗反射塗層由一多孔矽形成。
本發明另一實施例提供一種半導體裝置，包括：複數金屬化層，由一基板所支撐；一二極體及一部分摻雜之矽層，設置於金屬化層上；一緩衝層，設置二極體及部分摻雜之矽層上，緩衝層係由一第一氧化物層形成於一第二氧化物層上而形成：一抗反射塗層，設置於緩衝層上，抗反射塗層係由一多孔矽形成；以及一金屬接墊，電性耦接至多孔矽。
本發明又一實施例提供一種半導體裝置之製作方
法，包括：於一基板上形成複數金屬化層；於金屬化層上形成一二極體及一部分摻雜之矽層；於二極體及部分摻雜之矽層上形成一緩衝層；以及設置於緩衝層上形成一抗反射塗層，抗反射塗層由一多孔矽所構成。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵、及優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
10、20、30‧‧‧背照式裝置
12‧‧‧矽基板
14‧‧‧薄氧化物層
16‧‧‧遠距離電漿氧化物層
18‧‧‧抗反射塗層
22‧‧‧多孔矽
32‧‧‧承載晶圓
34(M1
、Mx
、TM)‧‧‧金屬化層
35‧‧‧介電層
36‧‧‧背照式裝置的前側
38‧‧‧二極體
40‧‧‧p型摻雜矽
42‧‧‧鈍化保護層
44‧‧‧接著層
46‧‧‧額外材料(彩色濾光片、微透鏡)
48‧‧‧背照式裝置的背側
50‧‧‧金屬接點
52‧‧‧負偏壓
54‧‧‧能帶圖
p+
‧‧‧重度p型摻雜
Ec
‧‧‧傳導帶
Ev
‧‧‧價電帶
Ei
‧‧‧本質能階
Ef
‧‧‧費米能階
h+
‧‧‧電洞
第1圖為一剖面圖，用以說明先前技術之背照式裝置的主要部份。
第2圖為一剖面圖，用以說明使用多孔矽之背照式裝置之一實施例的主要部份。
第3圖為一剖面圖，用以說明背照式裝置之一實施例的細節。
第4圖為一剖面圖，用以說明在第3圖之背照式裝置中金屬接點的形成。
第5圖為一剖面圖，用以說明第3圖之背照式裝置中藉由原位摻雜所形成之多孔矽。
第6圖為一能帶圖，用以說明在第3圖之背照式裝置中藉由摻雜而調變之矽的表面條件。
以下說明本發明實施例之製作與使用。然而，可輕易了解本發明實施例提供許多合適的發明概念而可實施於
廣泛的各種特定背景。所揭示的特定實施例僅僅用於說明以特定方法製作及使用本發明，並非用以侷限本發明的範圍。
本發明說明配合特定實施例來作說明，即背照式半導體裝置。然而，本發明的概念亦可適用於前照式之配置、其它半導體結構或電路。
請參照第1圖，其繪示了先前技術之背照式裝置10的主要部份之剖面圖。如第1圖所示，傳統背照式裝置10的主要部份包括一矽基板12，其支持一高品質的薄氧化物層14。一遠距離電漿氧化物層(remote plasma oxide layer，RPO Ox)16設置於薄氧化層14上，一抗折射塗層18(亦稱抗反射塗層)設置於遠距離電漿氧化層16上。傳統背照式裝置10中的抗反射塗層18通常為碳化矽、氮化矽、或高介電常數介電膜。
請參照第2圖，其繪示了背照式裝置20之一實施例的主要部份之剖面圖。如第2圖所示，用以形成第1圖之傳統背照式裝置10中的抗反射塗層18之碳化矽、氮化矽、或高介電常數介電膜以多孔矽22取代，使用多孔矽22作為抗反射塗層可提供背照式裝置之實施例極低的反射率及較低的吸光係數，而得到較高的光穿透度，以下將作更詳細的說明。
多孔矽(p-Si)由矽元素形成，並在其微結構中引入奈米孔洞。多孔矽可提供數種特性，包括可在矽材料中發射光線，並可提供高表面積對體積比(surface to volume ratio)。多孔矽通常使用電化學蝕刻步驟形成，例如多孔矽可藉由在含有氫氟酸(HF)的水性或非水性電解質中蝕刻結晶矽而形成。
請參照第3圖，其繪示了背照式裝置30之一實施例
的細節。如第3圖所示，背照式裝置30包括一承載晶圓32，其可支持複數金屬化層34(M1
、Mx
、TM)。金屬化層Mx
不限於第3圖所繪示之單層膜層，亦可為由複數膜層積層而成之多層結構。為了定向，使承載晶圓32設置於背照式裝置30的前側36。請參照第3圖，二極體38設置於金屬化層34上方，二極體38通常嵌入或封裝於一層p型摻雜矽層40中。p型摻雜矽層40藉由介電層35與金屬化層34隔離。在一實施例中，矽層40上方之一膜層為重度p型摻雜(p+
)。
在第3圖中，為易於說明，遠距離電漿氧化物層16及高品質薄氧化物層14(第2圖)被繪示為單一膜層，其標示為RPO Ox 16。遠距離電漿氧化物層16及/或高品質薄氧化物層14在此處可統稱為緩衝層。在一實施例中，緩衝層除了由一氧化物或複數氧化物層形成，亦可由其它適當介電材料例如氮化矽、碳化矽、氮碳化矽(SiCN)、氧化鉿(HfO2)、二氧化鈦(TiO2)、氧化鋁(Al2O3)、高介電常數電介質膜等形成。
如第3圖所示，多孔矽22設置於遠距離電漿氧化物層16上。多孔矽22可形成為具有廣泛的孔隙率百分比範圍，事實上，在一實施例中，多孔矽的孔隙率可介於約0%(亦即多晶矽)至約80%的範圍之間。在一實施例中，多孔矽22可為重度摻雜。在一實施例中，多孔矽22可以p型雜質摻雜。在一實施例中，多孔矽22可作為一抗反射塗層。因此，多孔矽22在此處可視為一抗折射塗層(又稱抗反射塗層)。在一實施例中，多孔矽22為重度摻雜而具有與金屬相同或類似的特性。對於多孔矽22，孔隙率是指在多孔矽22中孔隙對矽的比率。多孔矽22(亦
即抗反射塗層)的折射係數(n)及吸光係數(k)等數值為孔隙率的函數。多孔矽22的原位摻雜步驟可改變矽層40(第6圖)中的電荷分佈。
請繼續參照第3圖，一鈍化保護層42形成於多孔矽22上，接著層44隨後可形成於鈍化保護層42上。接著，額外材料例如彩色濾光片(color filter，CF)及微透鏡(microlens，ML)46可加設於背照式裝置30。為了定向，使彩色濾光片及微透鏡46係設置於背照式裝置30的背側48。
請參照第4圖，其繪示了背照式裝置30。如第4圖所示，金屬接點(接墊)50形成於背照式裝置30內並向下延伸至多孔矽22。因此，金屬接點50及多孔矽22電性耦接。當多孔矽22在負偏壓52下與金屬接點50耦接，電洞會累積於矽層40的表面處或其鄰近處。反之，若多孔矽22是在正偏壓下被耦接，則累積的是電子。
值得注意的是，傳統背照式裝置10(第1圖)使用碳化矽、氮化矽、或高介電常數介電膜作為抗反射塗層18，而非多孔矽22，故抗反射塗層18無法在負偏壓下耦接至如第4圖之金屬接點(例如，金屬接點50)。
請參照第5圖，背照式裝置30之多孔矽22可藉由使用原位硼摻雜步驟而形成。在一實施例中，多孔矽22可使用p型雜質重度摻雜。然而，多孔矽220亦可使用n型原位摻雜步驟或類型而形成。此外，在一實施例中，原位摻雜劑量可介於約0 ions/cm2
至約5×1021
ions/cm2
之間。在一實施例中，當多孔矽22被用以作為抗反射塗層時，此實施例之背照式裝置30具有
約1%之低反射率。第4~5圖繪示了可用以提昇接觸式影像感測器(contact image sensor，CIS)之暗電流(dark current，DC)及白色像素(white pixel，WP)效能的方法。第4~5圖的方法可單獨或組合使用以使矽層40累積電荷。
請參照第6圖，其繪示了背照式裝置中如何藉由摻雜以調變矽層40(第3~5圖)的表面條件之能帶圖54。舉例而言，若將高功函數材料之多孔矽22以p型雜質摻雜，則在矽層40或其鄰近處會生成電洞。反之，若將多孔矽22以n型雜質摻雜，則產生的會是電子。
例如，第6圖的左側代表多孔矽22，能帶圖54的中央部份代表遠距離電漿氧化物層16及/或薄氧化物層14，能帶圖54的右側則代表基板40。本質能階(Ei
)位於傳導帶(Ec
)及價電帶(Ev
)之間，且遠距離電漿氧化物層16兩側的費米能階(Ef
)會相等。若傳導帶及價電帶的曲線如圖6所示向上彎曲，則電洞會累積。反之，若傳導帶及價電帶的曲線向下彎曲，則電子會累積。參考例示之第6圖，矽層40為p型摻雜，多孔矽22為p型重摻雜，則電洞會形成於矽層40的表面附近並以h+
標示。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神及範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
16‧‧‧遠距離電漿氧化物層
22‧‧‧多孔矽
30‧‧‧背照式裝置
32‧‧‧承載晶圓
34(M1
、Mx
、TM)‧‧‧金屬化層
35‧‧‧介電層
36‧‧‧背照式裝置的前側
38‧‧‧二極體
40‧‧‧p型摻雜矽
42‧‧‧鈍化保護層
44‧‧‧接著層
46‧‧‧額外材料(彩色濾光片、微透鏡)
48‧‧‧背照式裝置的背側
p+
‧‧‧重度p型摻雜
Claims (10)
- 一種半導體裝置，包括：複數金屬化層，由一基板所支撐；一二極體及一部分摻雜之矽層，設置於該等金屬化層上；一緩衝層，設置於該二極體及該部分摻雜之矽層上；以及一抗反射塗層，設置於該緩衝層上，該抗反射塗層由一多孔矽形成。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該緩衝層由氧化物、多層氧化矽、氮化矽、碳化矽、及高介電常數介電膜其中之一形成。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該多孔矽之孔隙率為介於0%至80%的範圍之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該多孔矽電性耦接至一金屬接墊。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中藉由一原位摻雜步驟所形成之該多孔矽的摻雜劑量為介於0 ions/cm2 至約5×1021 ions/cm2 之間。
- 一種半導體裝置，包括：複數金屬化層，由一基板所支撐；一二極體及一部分摻雜之矽層，設置於該等金屬化層上；一緩衝層，設置該二極體及該部分摻雜之矽層上，該緩衝層係由一第一氧化物層形成於一第二氧化物層上而形成；一抗反射塗層，設置於該緩衝層上，該抗反射塗層係由一多孔矽形成；以及 一金屬接墊，電性耦接至該多孔矽。
- 如申請專利範圍第6項所述之半導體裝置，其中該多孔矽之孔隙率為介於0%至80%的範圍之間。
- 一種半導體裝置之製作方法，包括：於一基板上形成複數金屬化層；於該等金屬化層上形成一二極體及一部分摻雜之矽層；於該二極體及該部分摻雜之矽層上形成一緩衝層；以及設置於該緩衝層上形成一抗反射塗層，該抗反射塗層由一多孔矽所構成。
- 如申請專利範圍第8項所述之半導體裝置之製作方法，更包括使用一原位摻雜步驟形成由該多孔矽所構成之該抗反射塗層。
- 如申請專利範圍第8項所述之半導體裝置之製作方法，更包括使該多孔矽電性耦接至一金屬接墊。
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