TWI512955B - 半導體元件結構、紅外線感測元件與其製作方法 - Google Patents

Description

半導體元件結構、紅外線感測元件與其製作方法

本揭露是有關於一種半導體元件結構、應用此半導體元件結構的紅外線感測元件及其製作方法。

近年來，紅外線感測器已逐漸應用於汽車安全、健康照護及3C產品中。在汽車安全部分：將紅外線感測器整合至環車夜視系統中，即可協助提升夜視功能，以防止車禍發生。在健康照護部分：將紅外線感測器置入檢測機器中，即能提升檢測機器的視覺能力，以讓檢測機器的使用過程更加安全可靠。在3C產品部分：有鑑於智慧型的手持式電子產品於近年來的爆炸性成長，任何可增加產品功能的元素都有機會成為亮點，因此將紅外線感測器整合至手持式電子產品中，用以提供例如遠端控制，溫度感測等功能，可以提升產品競爭力。由此可知，紅外線感測器的使用量將大幅攀升，並廣泛應用於各領域中。

為了提高紅外線感測器的感度，可在紅外線感測器中串聯多個PN接面二極體(PN junction diode)。製作串聯多個PN接面二極體的紅外線感測器的主要作法為淺溝渠隔離(shallow trench isolation，STI)製程，其在基材上額外加工出溝槽並填充介電材料，用以隔絕多個PN接面二極體，並電性連接多個PN接面二極體，以實現串聯多個PN接面二極體的結構。然而，由於此作法需要在基材上填充介電材料，因此容易衍生製程成本與良率問題。

本揭露提出一種半導體元件結構，具有一第一表面以及相對於第一表面的一第二表面，且半導體元件結構包括至少二N型井區、一P型隔離區、至少二PN接面二極體以及一導線層。N型井區位於半導體元件結構內。P型隔離區位於N型井區之間，以隔離N型井區，且P型隔離區與N型井區之間適於產生一逆向偏壓。PN接面二極體配置於對應的N型井區中。導線層配置於半導體元件結構的第一表面上，其中導線層包括多條導線，導線串聯PN接面二極體。

本揭露提出一種紅外線感測元件，包括一基座、一半導體元件結構以及多個支撐結構。半導體元件結構配置於基座的上方，且與基座相隔一間距，其中半導體元件結構具有一第一表面以及相對於第一表面的一第二表面，且半導體元件結構包括至少 二N型井區、一P型隔離區、至少二PN接面二極體、一導線層以及一吸收層。N型井區位於半導體元件結構內。P型隔離區位於N型井區之間，以隔離N型井區，且P型隔離區與N型井區之間適於產生一逆向偏壓。PN接面二極體配置於對應的N型井區中。導線層配置於半導體元件結構的第一表面上，其中導線層包括多條導線，導線串聯PN接面二極體。吸收層配置於半導體元件結構相對於基座的一表面上。支撐結構連接半導體元件結構與基座。

本揭露更提出一種紅外線感測元件的製作方法，包括下列步驟：提供一第一基板，第一基板具有一第一表面以及相對於第一表面的一第二表面。植入至少二N型井區於第一基板內，並且形成一P型隔離區於N型井區之間，以隔離N型井區，且P型隔離區與N型井區之間適於產生一逆向偏壓。形成至少二PN接面二極體於對應的N型井區中。形成一導線層於第一基板的第一表面上，其中導線層包括多條導線，導線串聯PN接面二極體。形成一吸收層於第一基板的一表面上。蝕刻第一基板，以形成一半導體元件結構、一基座與多個支撐結構，其中半導體元件結構位於基座的上方，且與基座相隔一間距。半導體元件結構包括N型井區、P型隔離區、PN接面二極體、導線層與吸收層，支撐結構連接半導體元件結構與基座。

為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

10、10a、20‧‧‧紅外線感測元件

12、22‧‧‧基座

12a、12b‧‧‧訊號墊

14a、14b、14c、24a、24b、24c‧‧‧支撐結構

16a、16b、16c‧‧‧導電柱

30‧‧‧第一基板

32‧‧‧元件層

34、280‧‧‧氧化層

36‧‧‧基材層

38a、38b‧‧‧通孔

40‧‧‧第二基板

42‧‧‧黏著層

100、100a、200‧‧‧半導體元件結構

110、210‧‧‧N型井區

120、220‧‧‧P型隔離區

130、230‧‧‧PN接面二極體

132、232‧‧‧P型半導體

134、234‧‧‧N型半導體

140、240‧‧‧導線層

142、242‧‧‧導線

150、250‧‧‧吸收層

160、260‧‧‧介電層

162、262‧‧‧接觸窗

170、270‧‧‧保護層

G1、G2‧‧‧間距

I‧‧‧電流

Is‧‧‧逆向飽和電流

S1‧‧‧第一表面

S2‧‧‧第二表面

Vdd‧‧‧電源

圖1是本揭露一實施例的紅外線感測元件的俯視示意圖。

圖2是圖1的紅外線感測元件沿A-A’線的剖面圖。

圖3是圖1的紅外線感測元件的感測曲線圖。

圖4A是圖1的半導體元件結構的等效電路示意圖。

圖4B是圖4A的半導體元件結構的電路圖。

圖5是本揭露另一實施例的紅外線感測元件的俯視示意圖。

圖6是圖5的紅外線感測元件沿A-A’線的剖面圖。

圖7A至圖7N繪示圖1與圖2所示的紅外線感測元件的一種實際製作流程圖。

圖8A至圖8I繪示圖5與圖6所示的紅外線感測元件的一種實際製作流程圖。

圖9是本揭露又一實施例的紅外線感測元件的俯視示意圖。

圖1是本揭露一實施例的紅外線感測元件的俯視示意圖。圖2是圖1的紅外線感測元件沿A-A’線的剖面圖。為使圖式更為清楚，圖1省略繪示紅外線感測元件10的部分構件，例如是基座12。請參考圖1與圖2，在本實施例中，紅外線感測元件10包括基座12、半導體元件結構100、三個支撐結構14a至14c以及三個導電柱16a至16c。半導體元件結構100配置於基座12 的上方，且與基座12相隔一間距G1(圖2所繪示之剖面圖為紅外線感測元件10之倒置狀態)。支撐結構14a至14c連接半導體元件結構100，而導電柱16a至16c分別連接支撐結構14a至14c與基座12。半導體元件結構100具有第一表面S1以及相對於第一表面S1的第二表面S2，而半導體元件結構100以第一表面S1面對基座12。

在本實施例中，半導體元件結構100包括兩N型井區110、P型隔離區120、兩PN接面二極體130、導線層140以及吸收層150。N型井區110位於半導體元件結構100內。P型隔離區120位於N型井區110之間，以隔離N型井區110。兩PN接面二極體130分別配置於對應的兩N型井區110中。雖然本實施例的半導體元件結構100是以兩個N型井區110為例，且PN接面二極體130的數量亦為兩個，但在其他實施例中，半導體元件結構可依據實際需求調整N型井區與PN接面二極體的數量。此外，吸收層150配置於半導體元件結構100相對於基座12的表面上(第二表面S2)，以吸收紅外線。當吸收層150吸收紅外線時，紅外線感測元件10的溫度升高，而半導體元件結構100與基座12之間的間距G1可以避免熱能散失進而影響紅外線感測元件10的感度。

此外，在本實施例中，支撐結構14a至14c分別連接半導體元件結構100與導電柱16a至16c，並透過導電柱16a至16c連接至基座12。具體而言，基座12上具有訊號墊12a與12b以及接地墊(未繪示)，導電柱16a與16b對應於訊號墊12a與12b， 而導電柱16c對應於接地墊。兩N型井區110分別透過支撐結構14a與14b與導電柱16a與16b連接至基座12上的訊號墊12a與12b，而P型隔離區120透過支撐結構14c與導電柱16c連接至基座12上的接地墊。

另一方面，在本實施例中，導線層140配置於半導體元件結構100的第一表面S1上，其中導線層140包括多條導線142，部份導線142串聯PN接面二極體130，而另一部份導線142將PN接面二極體130連接至訊號墊12a與12b以及接地墊。具體而言，兩PN接面二極體130分別包括P型半導體132與N型半導體134，導線142之一連接兩PN接面二極體130的一N型半導體134以及另一P型半導體132，如圖1與圖2所示，以串聯兩PN接面二極體130。其餘導線142分別將PN接面二極體130未串聯的P型半導體132或N型半導體134以及P型隔離區120連接至對應的支撐結構14a至14c，並透過導電柱16a至16c連接至基座12上。PN接面二極體130經由導線層140、相應的支撐結構14a與14b以及導電柱16a與16b耦接到訊號墊12a與12b，P型隔離區120經由導線層140、相應的支撐結構14c以及導電柱16c耦接到接地墊。

在本實施例中，半導體元件結構100更包括介電層160、保護層170以及氧化層180。介電層160位於半導體元件結構100的第一表面S1上且位於導線層140與PN接面二極體130之間，其中介電層160具有多個接觸窗162，導線層140的導線142透過 接觸窗162連接至PN接面二極體130的P型半導體132或N型半導體134。保護層170配置於介電層160上並且包覆導線142，以避免導線142外露。氧化層180位於半導體元件結構100的第二表面S2上。在本實施例中，介電層160的材質可以選用氧化物(oxide)，例如是四乙氧基矽烷(tetraethosiloxane，TEOS)氧化物，保護層170的材質可以選用氮化物(nitride)，例如是氮化矽(SiN)，而氧化層180的材質可以選用氧化物，但本揭露不限制介電層160、保護層170以及氧化層180的材質，其可依據實際需求選用適當的材質。

圖3是圖1的紅外線感測元件的感測曲線圖。圖4A是圖1的半導體元件結構的等效電路示意圖。圖4B是圖4A的半導體元件結構的電路圖。請參考圖1至圖4B，在本實施例中，紅外線感測元件10經由配置於半導體元件結構100相對於基座12的表面上(第二表面S2)的吸收層150吸收紅外線，用以感測紅外線。當吸收層150吸收紅外線時，紅外線感測元件10的溫度升高，並影響紅外線感測元件10的電壓變化，其中藉由電壓隨溫度變化係數(temperature coefficient voltage，TCV)原理，亦即在不同溫度下施加固定電流所產生的電壓差(如圖3所示)，便能推算PN接面二極體130的單位溫度的電壓(單位：電壓/溫度)。

此外，P型隔離區120與N型井區110之間適於產生逆向偏壓(reverse bias)，使得P型隔離區120能隔離各N型井區110。具體而言，當紅外線感測元件10連接電源(如圖4A與圖 4B中的電源Vdd)時，電流I便會透過導線142傳遞至配置於N型井區110內的PN接面二極體130。此時，由於P型隔離區120接地，故連接電源Vdd的半導體元件結構100可視為是對P型隔離區120施加負電壓，並對各N型井區110施加正電壓或使P型隔離區120為最低電位。據此，P型隔離區120與N型井區110之間產生逆向偏壓。當P型隔離區120與N型井區110之間產生逆向偏壓時，P型隔離區120與N型井區110之間僅有逆向飽和電流Is(或稱漏電電流)通過。從N型井區110傳遞至P型隔離區120的逆向飽和電流Is僅約為10^-17 安培(A)。此逆向飽和電流Is的數值非常小，幾乎可視為是沒有電流從N型井區110傳遞至P型隔離區120。由此可知，本實施例的P型隔離區120藉由逆向偏壓有效阻隔配置於N型井區110內的PN接面二極體130之間的電流傳遞，且不需要在N型井區110之間填充額外的介電材料。據此，本實施例的半導體元件結構100可以串聯多個PN接面二極體130，以達到較佳的感度，且可以直接在半導體基材內製作P型隔離區120來隔離PN接面二極體130，因此製程簡單，成本較低。

圖5是本揭露另一實施例的紅外線感測元件的俯視示意圖。圖6是圖5的紅外線感測元件沿A-A’線的剖面圖。為使圖式更為清楚，圖5省略繪示紅外線感測元件20的部分構件，例如是基座22。在本實施例中，紅外線感測元件20的組成與功能類似於圖1與圖2的紅外線感測元件10，且其感測原理類似於圖3、 圖4A與圖4B所示的感測原理。因此，以下將針對紅外線感測元件20的結構作說明，而感測原理可以參考前述對應於圖3、圖4A與圖4B的說明。請參考圖5與圖6，在本實施例中，紅外線感測元件20包括基座22、半導體元件結構200以及三個支撐結構24a至24c。半導體元件結構200配置於基座22的上方，且與基座22相隔一間距G2。支撐結構24a至24c連接半導體元件結構200與基座22。半導體元件結構200具有第一表面S1以及相對於第一表面S1的第二表面S2，而半導體元件結構200以第二表面S2面對基座22。

類似於半導體元件結構100，半導體元件結構200包括兩N型井區210、P型隔離區220、兩PN接面二極體230、導線層240以及吸收層250，其中P型隔離區220位於N型井區210之間，以隔離N型井區210，且P型隔離區220與N型井區210之間適於產生逆向偏壓。PN接面二極體230配置於對應的N型井區210中。有關於N型井區210、P型隔離區220、PN接面二極體230與導線層240的描述可以參考前述有關N型井區110、P型隔離區120、PN接面二極體130與導線層140的描述，在此不多加贅述。

此外，支撐結構24a至24c連接半導體元件結構200與基座22，其中支撐結構24a與24b分別連接兩N型井區210與基座22，而支撐結構24c連接P型隔離區220與基座22，以使P型隔離區220透過支撐結構24c接地而適於產生逆向偏壓。導線層240配置於半導體元件結構200的第一表面S1上，其中導線層240 包括多條導線242，部份導線242串聯PN接面二極體230的P型半導體232與N型半導體234，而部份導線242將PN接面二極體230未串聯的P型半導體232或N型半導體234以及P型隔離區220透過對應的支撐結構24a至24c連接至基座22。吸收層250配置於半導體元件結構200相對於基座22的表面上(第一表面S1)，用以吸收紅外線。

在本實施例中，半導體元件結構200更包括介電層260、保護層270以及氧化層280。介電層260位於半導體元件結構200的第一表面S1上且位於導線層240與PN接面二極體230之間，而導線242透過介電層260的接觸窗262連接至PN接面二極體230的P型半導體232或N型半導體234。保護層270配置於介電層260上並且包覆導線242，以避免導線242外露。氧化層280位於半導體元件結構200的第二表面S2上。在本實施例中，介電層260、保護層270以及氧化層280的材質可以選用氧化物，但本揭露不限制介電層260、保護層270以及氧化層280的材質，其可依據實際需求選用適當的材質。

由於紅外線感測元件20的半導體元件結構200的P型隔離區220位於N型井區210之間，以隔離N型井區210，當紅外線感測元件20連接電源(如圖4A與圖4B中的電源Vdd)時，P型隔離區220與N型井區210之間產生逆向偏壓，使得電流不易從N型井區210傳遞至P型隔離區220。本實施例的P型隔離區220藉由逆向偏壓有效阻隔配置於N型井區210內的PN接面二極 體230之間的電流傳遞，且不需要在N型井區210之間填充額外的介電材料。據此，本實施例的半導體元件結構200可以串聯多個PN接面二極體230，以達到較佳的感度，且可以直接在半導體基材內製作P型隔離區220來隔離PN接面二極體230，因此製程簡單，成本較低。

圖7A至圖7N繪示圖1與圖2所示的紅外線感測元件的一種實際製作流程圖。以下將依序藉由圖7A至圖7N說明圖1與圖2所述的紅外線感測元件10的製作流程。

請參考圖7A，在本實施例中，紅外線感測元件10的製作方法首先提供第一基板30，而第一基板30具有第一表面S1以及相對於第一表面S1的第二表面S2。具體而言，在提供第一基板30的步驟中，第一基板30包括元件層32(device layer)、氧化層34(buried oxide layer)以及基材層36(handle layer)。元件層32對應於第一基板30的第一表面S1，基材層36對應於第一基板30的第二表面S2，而氧化層34位在元件層32與基材層36之間。在本實施例中，第一基板30例如是氧離子佈植隔離(separating by implantation of oxygen，SIMOX)晶圓，即在一矽晶圓(Si wafer)的特定深度植入氧(oxygen)，之後將晶圓進行回火而形成矽氧化層。因此，元件層32與基材層36的材質為矽，而氧化層34的材質為氧。上述的氧離子佈植隔離晶圓僅是本揭露的一實施例，本揭露並不限制第一基板30的種類。

請參考圖7B，在本實施例中，在提供第一基板30的步 驟之後，植入二N型井區110於第一基板30內，並且形成P型隔離區120於N型井區110之間，以隔離N型井區110，且P型隔離區120與N型井區110之間適於產生逆向偏壓。具體而言，在本實施例中，N型井區110的數量是兩個，但在其他實施例中，N型井區110的數量也可以是四個。N型井區110與P型隔離區120位於元件層32內。N型井區110植入於第一基板30時，P型隔離區120即形成於N型井區110之間。

接著，請參考圖7C，在本實施例中，在植入N型井區110於第一基板30內的步驟之後，形成二PN接面二極體130於對應的N型井區110中。各PN接面二極體130包括P型半導體132與N型半導體134，且PN接面二極體130也位於元件層32內。

請參考圖7D，在本實施例中，在形成PN接面二極體130於對應的N型井區110中的步驟之後，形成介電層160於第一基板30的第一表面S1上，其中介電層160具有多個接觸窗162，而接觸窗162分別對應於PN接面二極體130的P型半導體132與N型半導體134。在本實施例中，介電層160可以選用氧化物(oxide)，例如是四乙氧基矽烷(TEOS)氧化物，並經由低壓化學氣相沉積法(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)沉積於第一基板30的第一表面S1上。

接著，請參考圖7E，在本實施例中，在形成介電層160於第一基板30的第一表面S1上的步驟之後，形成導線層140於第一基板30的第一表面S1上，其中導線層140包括多條導線 142，導線142串聯PN接面二極體130。更進一步地說，導線層140位於元件層32上，而導線層140的導線142透過介電層160的接觸窗162串聯PN接面二極體130的P型半導體132與N型半導體134。導線層140可以選用導電材料，例如是鋁矽銅(AlSiCu)合金、氮化鈦(Titanium Nitride，TiN)或其組合，並經由物理氣相沉積法(Physical Vapor Deposition，PVD)沉積於第一基板30的第一表面S1上，且透過接觸窗162連接PN接面二極體130。上述的材質與形成方法僅是本揭露的一實施例，本揭露並不限制介電層160與導線層140的材質與形成方法。

接著，請參考圖7F，在本實施例中，在形成導線層140於第一基板30的第一表面S1上的步驟之後，形成保護層170於介電層160上，並且保護層170包覆導線142，用以保護導線142。保護層170的材質可以選用氮化物(nitride)，例如是氮化矽(SiN)，並經由電漿增益化學氣相沉積法(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)沉積於介電層160上。上述的材質與形成方法僅是本揭露的一實施例，本揭露並不限制保護層170的材質與形成方法。

接著，請參考圖7G與圖7H，在本實施例中，在上述的步驟之後，將第一基板30貼附於第二基板40的黏著層42上，其中第一基板30的元件層32朝向第二基板40的黏著層42。具體而言，在本實施例中，第二基板40例如是具有讀出積體電路(readout integrated circuit，ROIC)的晶圓，且第二基板40上具有訊號墊 12a與12b以及接地墊(未繪示)。黏著層42例如是聚合物(polymer)，配置在第二基板40上，並且覆蓋位在第二基板40的表面上的訊號墊12a與12b以及接地墊，如圖7G所示。第一基板30以元件層32朝向第二基板40而接合於黏著層42上，如圖7H所示。

接著，請參考圖7I與圖7J，在本實施例中，在將第一基板30接合於第二基板40的黏著層42上的步驟之後，移除基材層36，以暴露出氧化層34。移除基材層36的方法可以是利用常見的研磨(grinding)法或是利用反應性離子蝕刻法(Reactive Ion Etching，RIE)移除基材層36，但移除基材層36的方法不限於上述。接著，在移除基材層36以曝露出氧化層34的步驟之後，形成吸收層150於第一基板30的表面上，例如在本實施例中是將吸收層150形成於氧化層34上。吸收層150利用沉積法沉積於氧化層34上，使得吸收層150位於第一基板30的最外層並相對於第二基板40，用以吸收紅外線。

接著，請參考圖7K與圖7L，在本實施例中，在移除基材層36的步驟之後，形成通孔38a與38b(via)於N型井區110外側，並分別形成導電柱16a與16b於通孔38a與38b內。在圖7K的側視示意圖中僅繪示兩個通孔38a與38b以及兩個導電柱16a與16b，但實際上於此步驟中可以形成如同圖1所示具有三個導電柱16a至16c或更多。形成通孔38a與38b的方法可以是反應性離子蝕刻法(RIE)，但本揭露並不限於此。第二基板40與黏 著層42之間具有訊號墊12a與12b以及接地墊，通孔38a與38b貫穿氧化層34、元件層32與黏著層42，並且對應於訊號墊12a與12b。導電柱16a與16b形成於通孔38a與38b內，以經由貫穿氧化層34、元件層32與黏著層42的通孔38a與38b而對應地連接至訊號墊12a與12b。形成導電柱16a與16b的方法可以是在通孔38a與38b內濺鍍(sputter)鋁(Al)，並經由掀離(lift-off)部分鋁而形成適當形狀的導電柱16a與16b，但本揭露並不限於上述方法與材質。

最後，在上述步驟之後，蝕刻第一基板30，以形成半導體元件結構100、基座12與支撐結構14a至14c(繪示於圖1、圖2以及後續的圖7M與圖7N)。具體而言，請參考圖7M與圖7N，在本實施例中，在蝕刻第一基板30的步驟中，先蝕刻位於N型井區110外側的部份第一基板30，包括於N型井區110外側的部份氧化層34、元件層32以及介電層160，如圖7M所示。在蝕刻位於N型井區110的外側的部份第一基板30之後，蝕刻黏著層42，如圖7N所示。據此，即可形成半導體元件結構100、基座12與支撐結構14a至14c(支撐結構14c繪示於圖1)。第二基板40形成基座12，而第一基板30形成半導體元件結構100以及支撐結構14a至14c。半導體元件結構100位於基座12的上方，且與基座12相隔間距G1。半導體元件結構100包括N型井區110、P型隔離區120、PN接面二極體130、導線層140、吸收層150、介電層160、保護層170與氧化層32(圖2中的氧化層180)，支撐結構 14a至14c連接半導體元件結構100，且導線142透過支撐結構14a至14c與導電柱16a至16c連接至基座12上的訊號墊12a與12b以及接地墊。

由上述內容可知，本揭露的紅外線感測元件10的製作方法在N型井區110之間形成P型隔離區120，使得P型隔離區120隔離N型井區110，且P型隔離區120與N型井區110之間適於產生逆向偏壓，使得電流不易從N型井區110傳遞至P型隔離區120。由此可知，本實施例的P型隔離區120藉由逆向偏壓有效阻隔配置於N型井區110內的PN接面二極體130之間的電流傳遞，且不需使用額外的介電材料來分隔N型井區110與PN接面二極體130。據此，本揭露的紅外線感測元件10的製作方法可以串聯多個PN接面二極體130，以達到較佳的感度，且可以直接在半導體基材內製作P型隔離區120來隔離PN接面二極體130，因此製程簡單，成本較低。

圖8A至圖8I繪示圖5與圖6所示的紅外線感測元件的一種實際製作流程圖。圖8A至圖8F的步驟類似於圖7A至圖7F的步驟，故在以下的說明中，有關於圖8A至圖8F的步驟中的構件材質與形成方法可以參考前述的圖7A至圖7F的內容，在此不多加贅述。以下將依序藉由圖8A至圖8I說明圖5與圖6所述的紅外線感測元件20的製作流程。

請參考圖8A，在本實施例中，紅外線感測元件20的製作方法首先提供第一基板30，而第一基板30具有第一表面S1以 及相對於第一表面S1的第二表面S2。第一基板30例如是氧離子佈植隔離(SIMOX)晶圓，包括元件層32、氧化層34以及基材層36，而氧化層34位在元件層32與基材層36之間。

接著，請參考圖8B，在提供第一基板30的步驟之後，植入二N型井區210於第一基板30的元件層32內，並且形成P型隔離區220於N型井區210之間，以隔離N型井區210，且P型隔離區220與N型井區210之間適於產生逆向偏壓。

接著，請參考圖8C，在植入N型井區210於第一基板30內的步驟之後，形成二PN接面二極體230於對應的N型井區210中。PN接面二極體230位於元件層32內，且各PN接面二極體230包括P型半導體232與N型半導體234。

請參考圖8D，在本實施例中，在形成PN接面二極體230於對應的N型井區210中的步驟之後，形成介電層260於第一基板30的第一表面S1上，且介電層260的多個接觸窗262分別對應於P型半導體232與N型半導體234。

接著，請參考圖8E，在形成介電層260於第一基板30的第一表面S1上的步驟之後，形成導線層240於第一基板30的第一表面S1上，其中導線層240的導線242透過接觸窗262串聯PN接面二極體230的P型半導體232與N型半導體234。

接著，請參考圖8F，在形成導線層240於第一基板30的第一表面S1上的步驟之後，形成保護層270於介電層260上，並且保護層270包覆導線242，用以保護導線242。

接著，請參考圖8G，在形成保護層270於介電層260上的步驟之後，形成吸收層250於第一基板30的表面上，例如在本實施例中是將吸收層250形成於保護層270上。吸收層250位於第一基板30的最外層，用以吸收紅外線。

最後，在上述步驟之後，蝕刻第一基板30，以形成半導體元件結構200、基座22與支撐結構24a至24c(繪示於圖5、圖6、圖8H與圖8I)。具體而言，請參考圖8H與圖8I，在本實施例中，在蝕刻第一基板30的步驟中，先蝕刻位於N型井區210外側的部份第一基板30，包括於N型井區210外側的部份氧化層34、元件層32、介電層260、導電層240以及保護層270，如圖8H所示。在蝕刻位於N型井區210的外側的部份第一基板30之後，蝕刻部份基材層36，如圖8I所示。據此，即可形成半導體元件結構200、基座22與支撐結構24a至24c(支撐結構24c繪示於圖5)。基材層36形成基座22，而第一基板30形成半導體元件結構200以及連接於半導體結構200與基座22之間的支撐結構24a至24c。半導體元件結構200位於基座22的上方，且與基座22相隔間距G2。半導體元件結構200包括N型井區210、P型隔離區220、PN接面二極體230、導線層240、吸收層250、介電層260、保護層270與氧化層32(圖6中的氧化層280)，支撐結構24a至24c連接半導體元件結構200，且導線242透過支撐結構24a至24c連接至基座22。

由上述內容可知，本揭露的紅外線感測元件20的製作方 法在N型井區210之間形成P型隔離區220，使得P型隔離區220隔離N型井區210，且P型隔離區220與N型井區210之間適於產生逆向偏壓，使得電流不易從N型井區210傳遞至P型隔離區220。由此可知，本實施例的P型隔離區220藉由逆向偏壓有效阻隔配置於N型井區210內的PN接面二極體230之間的電流傳遞，且不需使用額外的介電材料來分隔N型井區210與PN接面二極體230。據此，本揭露的紅外線感測元件20的製作方法可以串聯多個PN接面二極體230，以達到較佳的感度，且可以直接在半導體基材內製作P型隔離區220來隔離PN接面二極體230，因此製程簡單，成本較低。

圖9是本揭露又一實施例的紅外線感測元件的俯視示意圖。請參考圖9，在本實施例中，紅外線感測元件10a與紅外線感測元件10、20具有類似的組成與功能，在此將針對主要差異處作說明，而類似之處不加以贅述。紅外線感測元件10a與紅外線感測元件10、20的主要差異在於，紅外線感測元件10a的半導體元件結構100a包括四個N型井區110，而P型隔離區120位在四個N型井區110之間，並且沿半導體元件結構100a的對角線隔離N型井區110以及配置於N型井區110內的PN接面二極體130。P型隔離區120與N型井區110之間適於產生逆向偏壓，用以阻隔配置於N型井區110中的PN接面二極體130之間的電流傳遞。由此可知，紅外線感測元件10a可以串聯超過兩個PN接面二極體130，且不需使用額外的介電材料來分隔N型井區110與PN接面 二極體130。據此，本實施例的半導體元件結構100a可以串聯多個PN接面二極體130，以達到較佳的感度，且可以直接在半導體基材內製作P型隔離區120來隔離PN接面二極體130，因此製程簡單，成本較低。

綜上所述，本揭露的半導體元件結構是將P型隔離區配置於N型井區之間，且P型隔離區與N型井區之間適於產生逆向偏壓，以隔離各N型井區與配置於N型井區中的PN接面二極體。藉此，本揭露的半導體元件結構不需使用額外的介電材料來分隔各PN接面二極體。據此，本揭露的半導體元件結構可以串聯多個PN接面二極體，以達到較佳的感度，且可以直接在半導體基材內製作P型隔離區來隔離PN接面二極體，因此製程簡單，成本較低。同樣地，應用此半導體元件結構的紅外線感測元件與其製作方法可以使半導體元件結構達到較佳的感度，且製程簡單，成本較低。

雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧紅外線感測元件

12‧‧‧基座

12a、12b‧‧‧訊號墊

14a、14b‧‧‧支撐結構

16a、16b‧‧‧導電柱

100‧‧‧半導體元件結構

110‧‧‧N型井區

120‧‧‧P型隔離區

130‧‧‧PN接面二極體

132‧‧‧P型半導體

134‧‧‧N型半導體

140‧‧‧導線層

142‧‧‧導線

150‧‧‧吸收層

160‧‧‧介電層

162‧‧‧接觸窗

170‧‧‧保護層

G1‧‧‧間距

S1‧‧‧第一表面

S2‧‧‧第二表面

Claims (19)

1. 一種紅外線感測元件，包括：一基座；一半導體元件結構，配置於該基座的上方，且與該基座相隔一間距，其中該半導體元件結構具有一第一表面以及相對於該第一表面的一第二表面，且該半導體元件結構包括：至少二N型井區，位於該半導體元件結構內；一P型隔離區，位於該至少二N型井區之間，以隔離該至少二N型井區，且該P型隔離區與該至少二N型井區之間適於產生一逆向偏壓；至少二PN接面二極體，配置於對應的該至少二N型井區中；一導線層，配置於該半導體元件結構的該第一表面上，其中該導線層包括多條導線，該些導線串聯該至少二PN接面二極體；以及一吸收層，配置於該半導體元件結構相對於該基座的一表面上；以及多個支撐結構，連接該半導體元件結構與該基座。
2. 如申請專利範圍第1項所述的紅外線感測元件，其中該半導體元件結構更包括一氧化層，位於該半導體元件結構的該第二表面上。
3. 如申請專利範圍第1項所述的紅外線感測元件，其中該半 導體元件結構更包括一介電層，位於該半導體元件結構的該第一表面上且位於該導線層與該至少二PN接面二極體之間。
4. 如申請專利範圍第3項所述的紅外線感測元件，其中該半導體元件結構更包括一保護層，配置於該介電層上並且包覆該些導線。
5. 如申請專利範圍第1項所述的紅外線感測元件，更包括：多個導電柱，連接該些支撐結構與該基座，其中該基座上具有多個訊號墊以及一接地墊，該至少二PN接面二極體經由該導線層、相應的該些支撐結構以及該些導電柱耦接到該些訊號墊，該P型隔離區經由該導線層、相應的該支撐結構以及該導電柱耦接到該接地墊。
6. 一種紅外線感測元件的製作方法，包括：提供一第一基板，該第一基板具有一第一表面以及相對於該第一表面的一第二表面；植入至少二N型井區於該第一基板內，並且形成一P型隔離區於該至少二N型井區之間，以隔離該至少二N型井區，且該P型隔離區與該至少二N型井區之間適於產生一逆向偏壓；形成至少二PN接面二極體於對應的該至少二N型井區中；形成一導線層於該第一基板的該第一表面上，其中該導線層包括多條導線，該些導線串聯該至少二PN接面二極體；形成一吸收層於該第一基板的一表面上；以及蝕刻該第一基板，以形成一半導體元件結構、一基座與多個 支撐結構，其中該半導體元件結構位於該基座的上方，且與該基座相隔一間距，該半導體元件結構包括該至少二N型井區、該P型隔離區、該至少二PN接面二極體、該導線層與該吸收層，該些支撐結構連接該半導體元件結構與該基座。
7. 如申請專利範圍第6項所述的紅外線感測元件的製作方法，其中在提供該第一基板的步驟中，該第一基板包括一元件層、一氧化層以及一基材層，該氧化層位在該元件層與該基材層之間，而該至少二N型井區、該P型隔離區與該至少二PN接面二極體位於該元件層內，該導線層位於該元件層上。
8. 如申請專利範圍第7項所述的紅外線感測元件的製作方法，更包括：在形成該導線層於該第一基板的該第一表面上的步驟之前，形成一介電層於該第一基板的該第一表面上。
9. 如申請專利範圍第8項所述的紅外線感測元件的製作方法，更包括：在形成該導線層於該第一基板的該第一表面上的步驟之後，形成一保護層於該介電層上，並且該保護層包覆該些導線。
10. 如申請專利範圍第9項所述的紅外線感測元件的製作方法，其中在形成該吸收層的步驟中，該吸收層形成於該保護層上。
11. 如申請專利範圍第7項所述的紅外線感測元件的製作方法，其中在蝕刻該第一基板的步驟中，蝕刻位於該至少二N型井區外側的部份該第一基板以及部份該基材層，該基材層形成該基 座，而該第一基板形成該半導體元件結構以及連接於該半導體結構與該基座之間的該些支撐結構。
12. 如申請專利範圍第7項所述的紅外線感測元件的製作方法，更包括：在形成該至少二PN接面二極體於對應的該至少二N型井區中的步驟之後，將該第一基板接合於一第二基板的一黏著層上，其中該第一基板的該元件層朝向該第二基板的該黏著層；以及移除該基材層，以暴露出該氧化層，並且將該吸收層形成於該氧化層上。
13. 如申請專利範圍第12項所述的紅外線感測元件的製作方法，更包括：在移除該基材層的步驟之後，形成多個通孔於該至少二N型井區的外側，其中該第二基板與該黏著層之間具有多個訊號墊以及一接地墊，該些通孔貫穿該氧化層、該元件層與該黏著層，並且分別對應於該些訊號墊與該接地墊；以及形成多個導電柱於該些通孔內，以使該些導電柱經由貫穿該氧化層、該元件層與該黏著層的該些通孔而連接至對應的該些訊號墊與該接地墊。
14. 如申請專利範圍第13項所述的紅外線感測元件的製作方法，其中在蝕刻該第一基板的步驟中，蝕刻位於該至少二N型井區外側的部份該第一基板以及該黏著層，該第二基板形成該基座，而該第一基板形成該半導體元件結構以及連接於該半導體結 構與該基座之間的該些支撐結構。
15. 一種半導體元件結構，具有一第一表面以及相對於該第一表面的一第二表面，且該半導體元件結構包括：至少二N型井區，位於該半導體元件結構內；一P型隔離區，位於該至少二N型井區之間，以隔離該至少二N型井區，且該P型隔離區與該至少二N型井區之間適於產生一逆向偏壓；至少二PN接面二極體，配置於對應的該至少二N型井區中；以及一導線層，配置於該半導體元件結構的該第一表面上，其中該導線層包括多條導線，該些導線串聯該至少二PN接面二極體。
16. 如申請專利範圍第15項所述的半導體元件結構，更包括：一吸收層，配置於該半導體元件結構的一表面上。
17. 如申請專利範圍第15項所述的半導體元件結構，更包括：一氧化層，位於該半導體元件結構的該第二表面上。
18. 如申請專利範圍第15項所述的半導體元件結構，更包括：一介電層，位於該半導體元件結構的該第一表面上且位於該導線層與該至少二PN接面二極體之間。
19. 如申請專利範圍第18項所述的半導體元件結構，更包括：一保護層，配置於該介電層上並且包覆該些導線。