TWI532159B - 影像感測器裝置與其形成方法與影像感測器陣列元件 - Google Patents
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Description
本發明係關於半導體元件，更特別關於背照式影像感測器與其形成方法。
隨著科技進步，互補式金氧半(CMOS)影像感測器已逐漸取代習知的電荷耦合元件(CCD)。CMOS影像感測器具有多種優點，特別是高影像截取速度、低操作電壓、低耗電、與高雜訊抗力。此外，CMOS影像感測器的製程，可與用於製作邏輯記憶元件的大規模晶圓生產線相同。如此一來，CMOS影像晶片可包含影像感測器與所需的邏輯元件如放大器、類比/數位轉換器、與類似元件。
CMOS影像感測器為畫素化的金氧半元件。CMOS影像感測器通常包含感光圖像單元(畫素)之陣列，每一單元可具有電晶體(開關電晶體與重置電晶體)、電容、與感光單元(比如光二極體)。CMOS影像感測器以感光CMOS電路將光子轉換為電子。感光CMOS電路一般具有光二極體形成於矽基板中。光二極體照光時，將誘發電荷於光二極體中。當物體的光線入射畫素，每一畫素產生的電子量與其照光量成正比。此外，畫
素中由電子轉換的電壓訊號，可由類比/數位轉換器進一步轉換為數位訊號。多個周邊電路將接收並處理數位訊號，以顯示物體影像。
CMOS影像感測器可包含多個額外層狀物(如介電層與內連線金屬層)形成於基板頂部上，其中內連線層係用以耦合光二極體與周邊電路。CMOS影像感測器中具有額外層狀物的一側通常稱作正面，而具有基板的一側則稱作背面。基於光徑差異，CMOS影像感測器可進一步分類為兩種主要類型，一者稱作正照式(FSI)影像感測器，且另一者稱作背照式(BSI)影像感測器。
在FSI影像感測器中，來自物體的光將入射至CMOS影像感測器的正面上，並在穿過介電層與內連線層後到達光二極體。光徑中的額外層狀物(如不透明與反射性的金屬層)會降低光二極體的吸光量，並降低量子效率。相反地，BSI影像感測器不具有任何額外層(如金屬層)阻礙光徑。光線將入射至CMOS影像感測器的背面上。如此一來，光線可直接撞擊光二極體，進而增加可轉換為電子的光子量。
BSI影像感測器可對應入射至COMS影像感測器背面上的光線產生電子。然而在未照光的情況下可能會產生不需要的電流，即俗稱的暗電流。多餘的暗電流會劣化影像。
本發明一實施例提供之裝置包括影像感測器，與半導體基板之第一側相鄰，其中第一介電層，形成於半導體基板之第一側上；以及內連線層，形成於第一介電層上；背照膜，
形成於半導體基板之第二側上；以及第一矽鹵化合物層，形成於半導體基板之第二側與背照膜之間。
本發明另一實施例提供之方法包括：形成影像感測器以鄰接基板之第一側；薄化基板之第二側；進行鹵素處理於基板之第二側上；以及形成背照層於基板之該第二側上。
本發明另一實施例提供之元件包括：多個光二極體的陣列，且每一光二極體與半導體基板之第一側相鄰；多個隔離區，且每一隔離區形成於兩個相鄰的光二極體之間；第一矽鹵化合物層，形成於半導體基板之第二側的上表面上；抗反射塗層，形成於第一矽鹵化合物層上；以及介電層，形成於抗反射塗層上。
100‧‧‧背照式影像感測器
101‧‧‧影像感測畫素陣列
102‧‧‧金屬內連線層
103‧‧‧黑度調校區
104、110‧‧‧介電層
106‧‧‧半導體基板
107、109‧‧‧光二極體
108‧‧‧ARC
111‧‧‧隔離區
112‧‧‧金屬遮罩層
114、116‧‧‧矽鹵化合物層
120‧‧‧金屬線路
132、134‧‧‧格狀物
702‧‧‧金屬層
802‧‧‧光阻層
第1圖係本發明多種實施例中，背照式影像感測器的剖視圖；第2圖係本發明多種實施例中，半導體基板的剖視圖；第3圖係本發明多種實施例中，薄化第2圖中的半導體元件其基板背面後的剖視圖；第4圖係本發明多種實施例中，鹵素處理第3圖中的半導體元件其基板背面後的剖視圖；第5圖係本發明多種實施例中，沉積抗反射塗層(ARC)於第4圖中的半導體元件其基板背面上後的剖視圖；第6圖係本發明多種實施例中，形成介電層於第5圖中的半導體元件其抗反射塗層上後的剖視圖；
第7圖係本發明多種實施例中，沉積金屬層於第6圖中的半導體元件其背照膜上後的剖視圖；第8圖係本發明多種實施例中，以光阻對第7圖之半導體元件進行背面金屬格之微影製程後的剖視圖；以及第9圖係本發明多種實施例中，蝕刻第8圖之半導體元件後的剖視圖。
如何製作與使用本發明實施例的方法將詳述於下。可以理解的是，本發明提供多種發明概念以實施於多種特定方向，但這些特定實施例僅用以舉例而非侷限本發明範疇。
本發明之特定實施例關於用於背照式影像感測器的鹵素表面處理製程。本發明實施例可應用於多種影像感測器。下述內容的多種實施例將搭配圖式進行說明。
第1圖係本發明多種實施例中，背照式影像感測器的剖視圖。背照式影像感測器100包含影像感測畫素陣列101、黑度調校區103、與其他區如邏輯電路、接合墊、與類似物。為簡化說明，第1圖中的背照式影像感測器100只圖示影像感測畫素陣列101與黑度調校區103。
影像感測畫素陣列101可包含多個光二極體(比如光二極體107與109)與半導體基板106之第一側相鄰。兩個相鄰的光二極體107與109之間隔有隔離區111。光二極體107與109係用以由感測的光線產生電子訊號。如第1圖所示，格狀物132與134形成於半導體基板106之第二側上。光二極體(如光二極體107)形成於兩個相鄰的格狀物(如格狀物132與134)之間。換
言之，兩個相鄰的格狀物(如格狀物132與134)定義影像感測畫素陣列101的畫素區。格狀物132與134之組成可為多種合適材料，比如鎢、鋁、銅、合金或複合物、上述之組合、及/或類似物。
必需注意的是，後述說明中的背照式影像感測器100其具有額外層狀物的一側稱作基板106的正面，而具有格狀物(如格狀物132與134)之一側稱作基板106的背面。
黑度調校區103可包含黑色參考感測器(未圖示)，以產生參考的黑色訊號。如第1圖所示，金屬遮罩層112遮罩黑度調校區103中的黑色參考感測器。如此一來，光線將不會撞擊黑色參考感測器。黑色參考感測器在未接收光線的情況下，可提供黑度參考訊號至影像感測畫素陣列。在下述說明中，黑度調校區103亦可稱作金屬遮罩區。
在第1圖中，可形成矽鹵化合物層於半導體基板106的上表面上。舉例來說，矽鹵化合物層114可形成於半導體基板106其背面之表面上。同樣地，矽鹵化合物層116可形成於半導體基板106其正面之表面上。
在製作背照式影像感測器時，可能產生多個懸浮鍵於基板正面與背面的上表面上。這些懸浮鍵會造成雜訊、暗電流、及/或類似問題。矽鹵化合物層可減少懸浮鍵，因此可改善元件特性(如雜訊及暗電流)。背照式影像感測器100的製程將搭配第2至9圖詳述於下。
第2至9圖係本發明多種實施例中，用以製作第1圖中背照式影像感測器100的製程步驟。第2圖係本發明多種實施
例中，半導體基板的剖施圖。半導體基板106可具有第一導電性。在一實施例中，半導體基板106可為高掺雜的p型基板。半導體基板106之組成可為矽、鍺、矽鍺合金、組成漸變式的矽鍺合金、絕緣層上半導體、碳、石英、藍寶石、玻璃、或類似物，亦可為多層(如應力層)的結構。輕掺雜的p型磊晶層(未圖示)可成長於高掺雜的p型半導體基板106上。
半導體基板106可具有多個光主動區。舉例來說，光主動區可包含光二極體(如光二極體107)，其形成方法可為將雜質離子掺雜至磊晶層中。此外，光主動區可為PN接面光二極體、PNP光電晶體、NPN光電晶體、及/或類似物。在一實施例中，光主動區可包含p型層形成於n型區上，其中n型區係形成於磊晶層上，且磊晶層自p型半導體基板(如高掺雜之p型半導體基板106)成長。
在一實施例中，n型雜質離子係掺雜至p型磊晶層中，以形成n型光二極體區(未圖示)。此外，p型雜質離子係掺雜至n型光二極體區中，以形成p型二極體區(未圖示)。n型光二極體區與p型光二極體區進一步形成光二極體區(比如光二極體107與109)。
半導體基板106可包含多個畫素，每一畫素包含一光二極體區(比如光二極體107)。為了避免相鄰的畫素之間產生串音，以隔離區111分開兩個相鄰的光二極體。在某些實施例中，隔離區111可為STI(淺溝槽隔離)結構。STI結構之形成方法可為蝕刻部份半導體基板106以形成溝槽，再將氧化物及/或其他介電材料填入溝槽。
介電層104通常形成於半導體基板106的正面上。在一實施例中，介電層104之組成可為低介電常數之介電材料如氧化矽、硼磷矽酸鹽玻璃(BPSG)、磷矽酸鹽玻璃(PSG)、氟化矽酸鹽玻璃(FSG)、掺雜碳之氧化矽、或類似物。介電層104之形成方法可為合適技術如化學氣相沉積(CVD)或類似方法。
金屬內連線層102可形成於介電層104上。金屬內連線層102可包含多個金屬線路120。金屬內連線層102之圖案化方法可為電漿蝕刻或雙鑲嵌製程，其組成可為適用於特定應用的任何導電材料，比如鋁、銅、掺雜之多晶矽、或類似物。接點與通孔(未圖示)可形成於金屬內連線102與其下方的電路(未圖示)之間，以提供兩者之間的電性連接。
如第2圖所示，矽鹵化合物層116可形成於半導體基板106其正面的表面上。產生矽鹵化合物層116之製程，與產生矽鹵化合物層114(未圖示於第1圖中)之製程相同。產生矽鹵化合物層於基板之上表面上的製程，將搭配第4圖詳述於下。
第3圖係本發明多種實施例中，薄化第2圖中的半導體元件其基板背面後的剖視圖。半導體基板106在薄化前的厚度介於約700μm至約800μm之間。在背照式影像感測器之製程中，薄化半導體基板106之背面的步驟將持續到移除高掺雜之p型半導體基板106，且露出淡掺雜之p型磊晶層為止。
在某些實施例中，背照式影像感測器100其半導體基板106之背面的厚度可薄化至約3μm至約4μm之間。光線將穿過薄化後的基板到達埋置於半導體基板106中的光二極體(如光二極體107與109)，而不會被基板吸收。薄化基板的製程可
為合適技術如研磨、拋光、化學蝕刻、及/或類似方法。
第4圖係本發明多種實施例中，鹵素處理第3圖中的半導體元件其基板背面後的剖視圖。在某些實施例中，鹵素處理製程可為乾式鹵素處理。在特定實施例中，半導體元件係置於腔室中，而鹵素氣體流至半導體元件其背面之表面上。鹵素氣體可為氟。含鹵素的氣體可與半導體元件的矽表面反應，以產生矽鹵化合物層114。
半導體基板106其背面的上表面上的氟百分比介於約0.15%至約0.5%之間。乾式鹵素處理的溫度可介於約250℃至約450℃之間。
必需注意的是，可採用電漿增強處理取代鹵素氣體。用以放置基板的腔室，可讓腔室中的氣體產生電漿。在電漿增強處理中，電漿增強處理產生的較強鍵結，可取代半導體元件其背面的上表面上之懸浮鍵。
在另一實施例中，鹵素處理可為濕式鹵素處理。在特定實施例中，半導體元件其背面之表面將曝露於合適的含氟酸類，比如氫氟酸(HF)或類似物。含氟酸類可與半導體元件之矽表面反應，以產生矽鹵化合物層114。濕式鹵素處理的時間介於約10秒至約20秒之間。
第5圖係本發明多種實施例中，沉積抗反射塗層(ARC)於第4圖中的半導體元件其基板背面上後的剖視圖。在形成矽鹵化合物層114於半導體基板106其背面之上表面上後，接著形成ARC 108於半導體基板106之背面上。ARC 108之組成可為氮化物材料、有機材料、氧化物材料、或類似物。ARC 108
之形成方法可為合適技術，比如CVD或類似方法。
第6圖係本發明多種實施例中，形成介電層於第5圖中的半導體元件之ARC上後的剖視圖。介電層110可為氧化物。在特定實施例中，介電層110可具有第一氧化物層、第二氧化物層、與一緩衝氧化物層(未圖示)。
在某些實施例中，第一氧化物層為電漿增強氧化物(PEOX)，其厚度為約1100Å。在某些實施例中，第二氧化物層為低沉積速率之電阻保護氧化物(LRPO)，其厚度為約4200Å。在某些實施例中，緩衝氧化物層為電漿增強氧化物(PEOX)，其厚度為約500Å。如此一來，介電層110之總厚度為約5800Å。必需注意的是，ARC 108與介電層110可統稱為背照膜。
第7圖係本發明多種實施例中，沉積金屬層於第6圖中的半導體元件其背照膜上後的剖視圖。金屬層702係形成於介電層110上。在一實施例中，沉積於介電層110上的金屬材料可為銅、鋁、鉭、氮化鈦、上述之組合、及/或類似物。在某些實施例中，金屬層702之厚度介於約50nm至約200nm之間。
在一實施例中，金屬材料沉積於半導體基板106之背面上的方法可為合適沉積製程，比如CVD、電漿增強CVD(PECVD)、原子層沉積(ALD)、電鍍、及/或類似方法。
第8圖係本發明多種實施例中，以光阻對第7圖之半導體元件進行背面金屬格之微影製程後的剖視圖。光阻材料係沉積於金屬層702上以形成光阻層802。依據第1圖所示之格狀物與金屬遮罩層的位置與形狀，曝光部份光阻層802。第8圖
中的圖案化製程屬本技術領域中具有通常知識者所熟知，在此不贅述。
第9圖係本發明多種實施例中，蝕刻第8圖之半導體元件後的剖視圖。蝕刻製程(如非等向乾式蝕刻製程)可用以移除部份金屬層702以形成格狀物132、134、與金屬遮罩層112。
在本發明一實施例中，裝置包括影像感測器，與半導體基板之第一側相鄰，其中第一介電層，形成於半導體基板之第一側上；以及內連線層，形成於第一介電層上；背照膜，形成於半導體基板之第二側上；以及第一矽鹵化合物層，形成於半導體基板之第二側與背照膜之間。
在本發明另一實施例中，方法包括：形成影像感測器以鄰接基板之第一側；薄化基板之第二側；進行鹵素處理於基板之第二側上；以及形成背照層於基板之該第二側上。
在本發明另一實施例中，元件包括：多個光二極體的陣列，且每一光二極體與半導體基板之第一側相鄰；多個隔離區，且每一隔離區形成於兩個相鄰的光二極體之間；第一矽鹵化合物層，形成於半導體基板之第二側的上表面上；抗反射塗層，形成於第一矽鹵化合物層上；以及介電層，形成於抗反射塗層上。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，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。
此外，本申請案的範疇並不限於特定實施例中的
製程、機器、製造、材料組成、裝置、方法、與步驟。本技術領域中具有通常知識者自可依據本發明，採用現有或未來發展中與上述實施例具有實質上相同功能或達到實質上相同結果的製程、機器、製造、材料組成、裝置、方法、與步驟。綜上所述，所附申請專利範圍意在將這樣的製程、機器、製造、材料組成、裝置、方法、與步驟包括在內。
101‧‧‧影像感測畫素陣列
102‧‧‧金屬內連線層
103‧‧‧黑度調校區
104、110‧‧‧介電層
106‧‧‧半導體基板
107、109‧‧‧光二極體
108‧‧‧ARC
111‧‧‧隔離區
112‧‧‧金屬遮罩層
114、116‧‧‧矽鹵化合物層
120‧‧‧金屬線路
132、134‧‧‧格狀物
Claims (11)
- 一種影像感測器裝置，包括：一影像感測器，與半導體基板之一第一側相鄰，其中：一第一介電層，形成於該半導體基板之該第一側上；一內連線層，形成於該第一介電層上；一背照膜，形成於該半導體基板之一第二側上；以及一第一矽鹵化合物層，形成於該半導體基板之該第二側與該背照膜之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器裝置，更包括：一第二矽鹵化合物層，形成於該半導體基板之該第一側與該第一介電層之間，其中該第二矽鹵化合物層包括氟。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，更包括：一磊晶層，成長於該半導體基板中，且該影像感測器係埋置於該磊晶層中；以及一隔離區，埋置於該磊晶層中，其中該隔離區包圍該影像感測器。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器裝置，其中：該第一矽鹵化合物層包括氟，且氟的百分比介於約0.15%至約0.5%之間。
- 一種影像感測器裝置的形成方法，包括：形成一影像感測器以鄰接一基板之一第一側；薄化該基板之一第二側；進行一鹵素處理於該基板之該第二側上；以及形成一背照層於該基板之該第二側上。
- 如申請專利範圍第5項所述之影像感測器裝置的形成方法，更包括：形成一金屬層於該背照層上；以及圖案化該金屬層，以形成一金屬遮罩層與多個格狀物。
- 如申請專利範圍第5項所述之影像感測器裝置的形成方法，更包括：成長一磊晶層於該基板上；佈植離子至該磊晶層中，以形成該影像感測器；形成一隔離區於該磊晶層中，其中該隔離區包圍該影像感測器；佈植n型離子至該磊晶層中，以形成該影像感測器之一n型光二極體區；以及佈植p型離子至該磊晶層中，以形成該影像感測器之一p型光二極體區，其中該n型光二極體區與該p型光二極體區形成一光二極體區。
- 如申請專利範圍第5項所述之影像感測器裝置的形成方法，更包括：薄化該基板，直到薄化後之基板厚度介於約3μm至約4μm之間。
- 一種影像感測器陣列元件，包括：多個光二極體的一陣列，且每一該些光二極體與一半導體基板之一第一側相鄰；多個隔離區，且每一該些隔離區形成於兩個相鄰的該些光二極體之間； 一第一矽鹵化合物層，形成於該半導體基板之一第二側的上表面上；一抗反射塗層，形成於該第一矽鹵化合物層上；以及一介電層，形成於該抗反射塗層上。
- 如申請專利範圍第9項所述之影像感測器陣列元件，更包括：多個格狀物形成於該介電層上，其中該些格狀物係金屬線路。
- 如申請專利範圍第9項所述之影像感測器陣列元件，更包括：一第二矽鹵化合物層形成於該半導體基板之該第一側之上表面上。
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