TWI556417B - 半導體元件與其形成方法 - Google Patents

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Description

半導體元件與其形成方法
本發明係關於半導體材料與製程，更特別關於用於影像感測器的材料與製程。
積體電路(IC)技術持續改良，比如縮小元件尺寸以降低製作成本、增加元件積體密度、增加元件操作速度、與改善元件效能。可以理解的是，縮小尺寸的優點將直接改良IC元件。IC元件之一為影像感測元件，其具有畫素陣列(或格)以檢測光並記錄光強度(亮度)。畫素陣列以累積電荷的方式對應光強度。舉例來說，光強度越高，累積的電荷也越高。舉例來說，藉由其他電路可將累積電荷用於提供適當應用(如數位相機)所需的顏色與亮度。
影像感測元件之一為背照式(BSI)影像感測元件。BSI影像感測元件可感測照射基板背面的光量，且基板支撐BSI影像感測元件的影像感測電路。畫素格係位於基板正面，而基板的厚度薄到可讓照射基板背面的光穿過基板後到達畫素格。與正照式(FSI)影像感測元件相較，BSI影像感測元件具有較高的填充因子與較低的破壞性干擾。由於元件尺寸改良，BSI技術可進一步改良BSI影像感測元件的影像品質。雖然現有的BSI影像感測元件與其形成方法可符合特定需求，然而在元件 尺寸持續縮小的情況下，現有技術仍無法完全滿足所有需求。
本發明一實施例提供一種半導體元件，包括：半導體基板，具有第一表面以及與第一表面對向設置的第二表面；金屬氧化物抗反射層板，位於半導體基板之第一表面上；內連線結構位於半導體基板之第二表面上；多個光二極體位於半導體基板中，並位於金屬氧化物抗反射層板與內連線結構之間；以及鏡片，位於金屬氧化物抗反射層板上，並對應一或多個光二極體，其中金屬氧化物抗反射層板包括至少一金屬氧化物對，且金屬氧化物對包括高能帶隙金屬氧化物與高折射率金屬氧化物。
本發明一實施例提供一種半導體元件的形成方法，包括：提供基板，基板具有第一表面以及與第一表面對向設置的第二表面；形成感光區於基板的第二表面中；以及沉積金屬氧化物抗反射層板於基板的第一表面上。
本發明一實施例提供一種半導體元件，包括：半導體基板，具有第一表面以及與第一表面對向設置的第二表面；金屬氧化物抗反射層板，位於半導體基板的第一表面上；鏡片，位於金屬氧化物抗反射層板上，並對應一或多個光二極體；內連線結構，位於半導體基板的第二表面上；以及光二極體，位於半導體基板中，並位於金屬氧化物抗反射層板與內連線結構之間，其中金屬氧化物抗反射層板包括至少一金屬氧化物複合層，且每一金屬氧化物複合層包括兩個或多個金屬氧化物層，且金屬氧化物層具有不同的能帶隙與折射率，以及其中 金屬氧化物層為非晶態。
C1、C2、C3、C4、Cx‧‧‧行
d‧‧‧掺雜深度
R1、R2、R3、R4、Ry‧‧‧列
100‧‧‧影像感測元件
110‧‧‧畫素
200‧‧‧積體電路元件
202‧‧‧基板
204‧‧‧正面表面
206‧‧‧背面表面
208‧‧‧隔離結構
210‧‧‧感測單元
212‧‧‧射線
214‧‧‧感光區
216‧‧‧釘扎層
220‧‧‧轉移閘極
222‧‧‧重置閘極
224‧‧‧源極/汲極區
230‧‧‧MLI
232‧‧‧接點
234‧‧‧通孔
236‧‧‧線路
240‧‧‧ILD層
250‧‧‧載板晶圓
260‧‧‧掺雜層
270‧‧‧抗反射層
290‧‧‧彩色濾光片
295‧‧‧鏡片
300‧‧‧金屬氧化物抗反射層板
301‧‧‧黏著層
302、303、304‧‧‧複合層
305、306、307、308、311、312、313‧‧‧金屬氧化物層
314‧‧‧緩衝層
400‧‧‧方法
410、420、430、440、441、442、443、444、445、446‧‧‧步驟
451、452、453、454、455‧‧‧迴圈
第1圖係本發明多種實施例中，影像感測元件的上視圖；第2圖係本發明多種實施例中，包含影像感測元件之積體電路元件的剖視圖；第3圖係本發明多種實施例中，包含抗反射膜於影像感測元件上之積體電路元件的部份剖視圖；以及第4A與4B圖係本發明多種實施例中，製作包含影像感測元件之積體電路元件的方法流程圖。
下述揭露內容提供的不同實施例可實施本發明的不同結構。特定構件與排列的實施例係用以簡化本發明而非侷限本發明。舉例來說，形成第一構件於第二構件上的敘述包含兩者直接接觸，或兩者之間隔有其他額外構件而非直接接觸。此外，本發明多種實施例採用重複標號標示類似元件以簡化說明，但多種實施例及/或排列中具有相同標號的元件不必然具有相同的對應關係。
另一方面，空間性的相對用語如「下方」、「其下」、「較下方」、「上方」、「較上方」、或類似用語可用於簡化說明某一元件與另一元件在圖示中的相對關係。空間性的相對用語可延伸至以其他方向使用之元件，而非侷限於圖示方向。舉例來說，若圖示中的元件翻轉時，原來某一元件位於另一元件下方的敘述將轉變為某一元件位於另一元件上方。如此一來，「下 方」可定義為「上方」與「下方」。另一方面，元件亦可轉動90°或其他角度，因此方向性用語僅用以說明圖示中的方向。
影像感測器的設計改良，除了最小化漏電流，還可維持優異的結構整合性與製程可行性。在本發明多種實施例中，金屬氧化物的抗反射層板之新穎抗反射(AR)膜，可夾設於影像感測器中的光檢測器與光源之間。在某些實施例中，金屬氧化物抗反射層板可改善量子效率。入射影像感測元件之主動區的光子數目所能產生的載子數目，除以光子數目即量子效率(載子/光子)。與習知的AR膜如碳化矽、氮化矽、氧化矽、氮氧化矽、或上述之組合不同，金屬氧化物抗反射層板具有多層結構且可調整其折射率。在某些實施例中，金屬氧化物抗反射層板在沉積時具有本質的壓縮應力，因此較不易分層或自相鄰的層狀物剝離，進而改善層狀物的結構完整性。在某些實施例中，金屬氧化物抗反射層板的能帶隙亦大於習知的抗反射膜的能帶隙。能帶隙越高越不易產生漏電流，且後續製程中的電漿損傷也較低。在某些實施例中，金屬氧化物抗反射層板的另一特徵為完全負電荷。負電荷可在界面中或靠近界面處形成空乏區，以降低暗電流與其導致的白畫素等問題。在沒有光線入射影像感測器時，仍流經影像感測器的電流即所謂的暗電流。過量的漏電流使畫素產生不正常的高訊號，即所謂的白畫素。
金屬氧化物抗反射層板包含一或多個薄金屬氧化物的複合層堆疊於光二極體上。金屬氧化物抗反射層板可讓來自鏡片的光線穿過後到達光二極體，使降低元件效率的反射現象最小化。每一複合層包括兩個或更多的金屬氧化物層。以具 有兩個金屬氧化物層的複合層為例，複合層為金屬氧化物對(pair)，一金屬氧化物為高能帶隙金屬氧化物，而另一金屬氧化物為高折射率金屬氧化物。以具有三個或更多金屬氧化物層的複合層為例，至少一金屬氧化物層為高能帶隙金屬氧化物，而至少一金屬氧化物層為高折射率金屬氧化物。某些實施例之複合層中，最靠近光二極體的金屬氧化物層為高能帶隙金屬氧化物。至於複合層中未與光二極體相鄰的金屬氧化物層，則可為任意排列。
為了詳述具有金屬氧化物層之金屬氧化物抗反射層板，下述內容將搭配第1與2圖說明本發明多種實施例中的背照式(BSI)CMOS影像感測器(CIS)元件。第1圖係本發明多種實施例中，影像感測元件100的上視圖。在此實施例中，影像感測元件為背照式(BSI)影像感測元件。影像感測元件100包含畫素110的陣列。每一畫素110排列成行(如C1至Cx)且排列成列(如R1至Ry)。用語「畫素」指的是包含將電磁射線轉換為電子訊號的結構(比如光二極體與多種電路如多種半導體元件)的單元。
畫素110可包含光二極體、互補式金氧半(CMOS)影像感測器、電荷耦合元件(CCD)感測器、主動感測器、被動感測器、其他感測器、或上述之組合。如此一來，畫素110可包含習知的影像感測元件。畫素110可設計為具有多種感測器型態。舉例來說，一組畫素110可為CMOS影像感測器，而另一組畫素110為被動感測器。此外，畫素110可包含彩色影像感測器及/或單色影像感測器。在一實施例中，每一畫素110為主動 畫素感測器如CMOS影像感測器。在此實施例中，每一畫素110可包含光二極體如光閘型態的光二極體，以記錄光(射線)的強度或亮度。每一畫素110亦可包含多種半導體元件，比如多種電晶體如轉移電晶體、重置電晶體、源極隨耦電晶體、選擇電晶體、其他合適電晶體、或上述之組合。額外電路、輸入元件、及/或輸出元件可耦接至畫素陣列，以提供畫素110所需的操作環境與外部連接。舉例來說，畫素陣列可耦接至讀出電路及/或控制電路。為簡化說明，本發明僅說明包含單一畫素的影像感測元件，然而此畫素以陣列方式形成第1圖中的影像感測元件100。
第2圖係本發明多種實施例中，積體電路元件200之剖視圖。在此實施例中，積體電路元件200包含背照式(BSI)影像感測元件。積體電路元件200可為積體電路(IC)晶片、系統單晶片(SoC)、或上述之部份。積體電路元件200包含多種被動與主動微電子構件，比如電阻、電容、電感、二極體、金氧半場效電晶體(MOSFET)、CMOS電晶體、雙極接面電晶體(BJT)、橫向擴散MOS(LDMOS)電晶體、高功率MOS電晶體、鰭狀場效電晶體(FinFET)、其他合適構件、或上述之組合。第2圖已簡化以利了解本發明概念。額外結構可附加至積體電路元件中，而積體電路元件200的其他實施例可省略或置換某些下述結構。
在第2圖中，積體電路元件200包含基板202，其具有正面表面204與背面表面206。在此實施例中，基板202為半導體基板如矽。在另一實施例中，基板202可為另一半導體元 素如鍺及/或鑽石；半導體化合物如碳化矽、砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、砷化銦、及/或銻化銦；半導體合金如矽鍺合金、磷砷化鎵、砷化鋁銦、砷化鋁鎵、砷化鎵銦、磷化鎵銦、及/或磷砷化鎵銦；或上述之組合。基板202可為絕緣層上半導體(SOI)。基板202可為掺雜的磊晶層、組成漸變式的半導體層、及/或半導體層上的另一半導體層(比如矽鍺層上的矽層)。在此實施例中，基板202為p型基板，其p型掺質可為硼、鎵、銦、其他合適p型掺質、或上述之組合。由於此積體電路元件200包含p型掺雜的基板，其掺雜組態與p型掺雜的基板一致。在另一實施例中，基板202為n型掺雜的基板，其掺雜組態與n型掺雜的基板一致(比如相反電性的掺雜組態)。n型掺雜的基板202其n型掺質可為磷、砷、其他合適的n型掺質、或上述之組合。基板202可包含多種p型掺雜區及/或n型掺雜區。掺雜製程可為多種技術或步驟的離子佈植或擴散。
基板202包含隔離結構208如局部氧化矽(LOCOS)及/或淺溝槽隔離(STI)，以分開(或隔離)基板202之中或之上的多種區域及/或元件。舉例來說，隔離結構208可分隔相鄰的感測單元210。在此實施例中，隔離結構208為STI。隔離結構208可為氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、其他絕緣材料、或上述之組合。隔離結構208的形成方法可為任何合適製程。在一實施例中，STI的形成方法包含光微影製程、蝕刻(比如乾蝕刻、濕蝕刻、或上述之組合)溝槽於基板中，再將一或多種介電材料填入溝槽(比如化學氣相沉積製程)。在一實施例中，填滿的溝槽為多層結構，比如在熱氧化襯墊層上填入氮化矽或氧化矽。在 另一實施例中，STI結構之形成方法可依序如下：成長墊氧化物、低壓化學氣相沉積(LPCVD)氮化物層於墊氧化物上、藉由光阻及遮罩層以圖案案化STI開口於墊氧化物與氮化物層中、蝕刻STI開口中的基板以形成溝槽、視情況成長熱氧化物溝槽襯墊以改善溝槽界面、將氧化物填入溝槽中、以化學機械研磨(CMP)回蝕刻與平坦化上述結構、以及進行氮化物剝除製程以移除氮化物層。
如前所述，積體電路元件200包含感測單元(或感測畫素)210。感測單元210可感測入射的射線212其強度(亮度)，而射線212由基板202的背面表面206入射。入射的射線可為可見光。在另一實施例中，射線212為紅外光(IR)、紫外光(UV)、X-光、微波、其他合適的射線種類、或上述之組合。感測單元210係用以對應特定光波長，比如紅光、綠光、或藍光波長。換言之，感測單元210係用以檢測特定光波長的強度(亮度)。在此實施例中，感測單元210為畫素陣列中包含的畫素，請參考第1圖中的畫素陣列。在此實施例中，感測單元210可為光二極體，其包含感光區214與釘扎層216。感光區214為掺雜區，其具有形成於基板202中的n型及/或p型掺質，且掺質係沿著基板202的正面表面204形成。在此實施例中，感光區214為n型掺雜區。感光區214的形成方法可為擴散及/或離子佈植。釘扎層216係位於基板202之正面表面204中的掺雜層。舉例來說，此實施例之釘扎層216為p型佈植層，其導電型態與感光區之導電型態相反。感測單元210可進一步包含多種電晶體，比如具有轉移閘極220的轉移電晶體、具有重置閘極222的重置電晶體、源極 隨耦電晶體(未圖示)、選擇電晶體(未圖示)、其他合適電晶體、或上述之組合。感光區214與多種電晶體(統稱為畫素電路)讓感測單元210得以檢測特定光波長的強度。額外電路、輸入元件、及/或輸出元件可提供感測單元210所需的操作環境及/或外部連接。
轉換閘極220與重置閘極222位於基板202的正面表面204上。轉換閘極220係夾設於基板202的源極/汲極區224與感光區214之間，其通道區係定義於源極/汲極區224與感光區214之間。重製閘極222係夾設於基板202的源極/汲極區224之間，其通道區係定義於源極/汲極區224之間。在此實施例中，源極/汲極區224為N+源極/汲極擴散區。源極/汲極區224可稱作浮置擴散區。轉換閘極220與重置閘極222具有閘極介電層與閘極的閘極堆疊。閘極介電層包含介電材料，比如氧化矽、高介電常數之介電材料、其他介電材料、或上述之組合。高介電常數之介電材料可為氧化鉿、氧化鉿矽、氮氧化鉿矽、氧化鉿鉭、氧化鉿鈦、氧化鉿鋯、氧化鋯、氧化鋁、氧化鉿-氧化鋁合金、其他高介電常數之介電材料、或上述之組合。閘極可為多晶矽及/或金屬如鋁、銅、鈦、鉭、鎢、鉬、氮化鉭、鎳矽化物、鈷矽化物、氮化鈦、氮化鎢、鈦鋁合金、氮化鈦鋁、碳氮化鉭、碳化鉭、氮化鉭矽、其他導電材料、或上述之組合。閘極堆疊可包含多個其他層，比如蓋層、界面層、擴散層、阻障層、或上述之組合。轉換閘極220與重置閘極222可包含間隔物於閘極堆疊的側壁上。間隔物可為介電材料如氮化矽、氮氧化矽、其他合適材料、或上述之組合。間隔物可具有多層結構， 比如包含氮化矽層與氧化矽層的多層結構。轉換閘極220與重置閘極222的形成方法可為合適製程，包含沉積、微影圖案化、與蝕刻等製程。
積體電路元件200更包含MLI(多層內連線)230於基板202的正面表面204與感測單元210上。MLI 230耦接至BSI影像感測元件的多種構件如感測單元210，使BSI影像感測元件的多種構件可適當回應入射光(影像射線)。MLI 230具有多種導電結構，比如垂直內連線及/或水平內連線。上述垂直內連線包括接點232及/或通孔234，而上述水平內連線包括線路236。上述的導電結構如接點232、通孔234、與線路236包含導電材料如金屬。在一實施例中，金屬可為鋁、鋁/矽/銅合金、鈦、氮化鈦、鎢、多晶矽、金屬矽化物、或上述之組合。在某些實施例中，多種導電結構如接點232、通孔234、與線路236可稱作鋁內連線。鋁內連線之形成製程可為PVD、CVD、或上述之組合。多種導電結構如接點232、通孔234、與線路236的其他製作技術可包含光微影製程與蝕刻製程，可圖案化導電材料以形成垂直與水平連線。其他製程亦可用以形成MLI 230，比如形成金屬矽化物的熱回火製程。用於多層內連線中的金屬矽化物可為鎳矽化物、鈷矽化物、鎢矽化物、鉭矽化物、鈦矽化物、鉑矽化物、鉺矽化物、鈀矽化物、或上述之組合。在另一實施例中，多種導電結構如接點232、通孔234、與線路236可為銅多層內連線，其包含銅、銅合金、鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、鎢、多晶矽、金屬矽化物、或上述之組合。銅內連線的形成方法可為PVD、CVD、或上述之組合。MLI 230的數目、 材料、及/或尺寸不限於圖示的接點232、通孔234、與線路236。換言之，MLI 230可具有任何數目、材料、及或/尺寸的導電結構，端視積體電路元件200的設計需求。
MLI 230的多種導電結構如接點232、通孔234、與線路236係位於ILD(層間介電)層240中。ILD層240可為氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、四乙氧矽烷(TEOS)氧化物、磷矽酸鹽玻璃(PSG)、硼磷矽酸鹽玻璃(BPSG)、氟化二氧化矽玻璃(FSG)、掺雜碳之氧化矽、Black Diamond®(購自美國加州之Sata Clara的Applied Materials)、乾凝膠、氣膠、非晶氟化碳、聚對二甲苯、雙苯並環丁烷(BCB)、SiLK®(購自美國密西根州之密德蘭的Dow Chemical)、聚亞醯胺、其他合適材料、或上述之組合。ILD層240可為多層結構。ILD層240之形成方法可為旋轉塗佈法、CVD、濺鍍、或其他合適製程。在一實施例中，MLI 230與ILD 240之形成方法可為積體製程如鑲嵌製程。上述鑲嵌製程可為雙鑲嵌製程或單鑲嵌製程。
載板晶圓250係置於基板202的正面表面204上。在此實施例中，載板晶圓250係接合至MLI 230。載板晶圓250包含矽。在另一實施例中，載板晶圓250包含另一合適材料如玻璃。載板晶圓250可保護基板202之正面表面204上的多種結構(比如感測單元210)，並提供基板202之背面表面206進行製程時所需的機械強度與支撐。
視情況可形成掺雜層260於基板202的背面表面206中。掺雜層260的形成方法可為佈植製程、擴散製程、回火製程、其他合適製程、或上述之組合。在此實施例中，掺雜層 260包含p型掺質如硼，且可為P+掺雜層。掺雜層260可包含其他p型掺質如鎵、銦、其他p型掺質、或上述之組合。在另一實施例中，掺雜層260包含n型掺質如磷、砷、其他n型掺質、或上述之組合。掺雜層260自基板202之背面表面206延伸至基板202中的之掺雜深度為d。藉由調整掺雜層260之掺雜深度、掺雜濃度、掺雜形狀、或上述之組合，可增加積體電路元件200之影像感測器所提供的影像品質。
積體電路元件200更包含其他結構於基板202之背面表面206上。舉例來說，抗反射層270、彩色濾光片290、與鏡片295係位於基板202的背面表面206上。在此實施例中，抗反射層270位於基板202之背面表面206與彩色濾光片290之間。上述抗反射層270可為金屬氧化物抗反射層板。
抗反射層270包含一或多個薄金屬氧化物之複合層，堆疊於基板202的背面表面206上。第3圖係本發明多種實施例中，金屬氧化物抗反射層板300之部份剖視圖。每一複合層302、303、或304包含兩個或多個金屬氧化物層。舉例來說，複合層302具有金屬氧化物層305與306，複合層303具有金屬氧化物層307與308，而複合層304具有金屬氧化物層311、312、與313。複合層中至少一金屬氧化物層為高能帶隙金屬氧化物。複合層中至少一金屬氧化物層為高折射率金屬氧化物。以複合層302為例，金屬氧化物層305為高能帶隙金屬氧化物，而金屬氧化物層306為高折射率金屬氧化物。當複合層具有超過兩個金屬氧化物層時，額外的金屬氧化物層可為高能帶隙金屬氧化物、高折射率金屬氧化物、或具有折衷性質(比如能帶隙 與折射率)的金屬氧化物。
在多種實施例中，高能帶隙金屬氧化物之厚度介於約1Å至20Å之間、介於約5Å至10Å之間、或為約10Å。在多種實施例中，高能帶隙金屬氧化物為氧化鋁、氧化鎂、氧化鈣、氧化鉿、氧化鋯、或氧化釔，且可為非晶態。在多種實施例中，高折射率金屬氧化物之厚度介於約5Å至200Å之間、介於約20Å至100Å之間、或為約50Å。在某些實施例中，高能帶隙金屬氧化物之厚度，小於一半的高折射率金屬氧化物之厚度。在多種實施例中，高折射率金屬氧化物為氧化鋯、氧化鉿、氧化鉭、氧化鍶、氧化鈦、氧化鑭、或氧化鋇，且可為非晶態。某些金屬氧化物如氧化鋯兼具高能帶隙與高折射率的性質，並可作為複合層中的高能帶隙金屬氧化物或高折射率金屬氧化物時，單一複合層中的不同金屬氧化物層將採用不同折射率的不同材料。一般而言，高折射率金屬氧化物之能帶隙為至少6電子伏特。高折射率金屬氧化物之折射率為至少2.0。除了能帶隙與折射率等性質外，金屬氧化物層具有壓縮應力。壓縮應力在後續製程與使用上可改良黏著力。此外，金屬氧化物與其相鄰的層狀物之間具有負電荷，且整體的金屬氧化物抗反射層板300具有負電荷。負電荷可在金屬氧化物的界面中或靠近界面處形成空乏區，以降低暗電流與其導致的白畫素等問題。在沒有光線入射影像感測器時，仍流經影像感測器的電流即所謂的暗電流。過量的漏電流使畫素產生不正常的高訊號，即所謂的白畫素。
每一複合層包含的金屬氧化物具有任意排列，除 了最靠近基板之背面表面的複合層。最靠近基板背面表面的複合層(比如複合層302)，其高能帶隙的金屬氧化物層比高折射率的金屬氧化物層靠近基板的背面表面。至於其他複合層中，高能帶隙的金屬氧化物層可比高折射率的金屬氧化物層遠離基板的背面表面。在某些實施例中，複合層的堆疊方式為最大化相鄰之層狀物之間的折射率差異，並讓高能帶隙的金屬氧化物層最靠近基板的背面表面。
複合層可疊合至總厚度介於約100Å至約1000Å之間。在某些實施例中，複合層之總厚度介於約300Å至約800Å之間。上述堆疊可包含相同或不同的複合層。舉例來說，複合層302可與複合層303相同，但與複合層304不同。不同複合層中的金屬氧化物層，可具有不同的厚度與組成。金屬氧化物抗反射層板可包含數十或數百個複合層，端視每一層的厚度與金屬氧化物抗反射層板的總厚度而定。第3圖的金屬氧化物抗反射層板300中的斷層所要表示的是，圖示僅包含但不限於少數的複合層。
黏著層301係黏結至基板的背面表面。黏著氧化物為氧化矽，其沉積方法為電漿製程或熱成長製程(比如高溫爐製程)。黏著氧化物之厚度小於或等於50Å。緩衝層314可位於金屬氧化物抗反射層板300與後續形成其上的層狀物之間。緩衝層可為氧化矽層。
回到第2圖，彩色濾光片290係位於抗反射層270上，並對準感測單元210的感光區214。彩色濾光片290係用以讓預定波長的光穿過，並濾除其他波長的光。舉例來說，紅色 波長、綠色波長、或藍色波長的光穿過彩色濾光片290後到達感測單元210。彩色濾光片290可為任何合適材料。在一實施例中，彩色濾光片290包含染料為主的高分子，使特定頻段的光得以穿越。在另一實施例中，彩色濾光片包含樹脂或其他具有彩色染料的有機為主材料。
鏡片295位於基板202的背面表面206上，特別位於彩色濾光片290上，並對準感測單元210的感光區214。鏡片295與感測單元210及彩色濾光片290之間的位置可具有多種排列，使鏡片295可將入射的射線212聚焦於感測單元210之感光區214上。鏡片295可為合適材料，其形狀與尺寸取決於鏡片材料的折射率及/或鏡片與感測單元210之間的距離。在另一實施例中，可將彩色濾片290與鏡片295的位置顛倒，使鏡片295夾設於抗反射層270與彩色濾光片290之間。在某些實施例中，積體電路元件200的彩色濾光片可夾設於鏡片層之間。
在實際操作中，積體電路元件200之設計為可接收自基板202之背面表面206入射的射線212。鏡片295可將入射的射線212導向彩色濾光片290，再穿過抗反射層270以達基板202與對應的感測單元210(特別是感光區214)。由於基板202之正面表面204上的多種元件結構(比如閘極電極)及/或金屬結構(比如MLI 230之接點232、通孔234、與線路236)不會阻擋光線，因此可最大化穿過彩色濾光片290後到達感測單元210的光量。如此一來，預定波長的光(比如紅光、綠光、或藍光)可到達感測單元210之感光區214。當轉換電晶體之轉換閘極220為「關閉」狀態，且感測單元210的感光區214照光時，感光區可 產生並累積電子。當轉換閘極220為「開啟」狀態，累積的電子(電荷)將轉換至源極/汲極區(浮置擴散區)224。源極隨耦電晶體(未圖示)可將電荷轉換為電壓訊號。將電荷轉換為電壓前可開啟具有重置閘極222的重置電晶體，以將源極/汲極區224設定至預定電壓。在一實施例中，釘扎層216與掺雜層260具有相同電位(比如基板202的電位)，使感光區214完全消耗至釘扎電位(VPIN)。如此一來，感測單元210的電位將固定於定值(VPIN)。
第4A與4B圖係本發明多種實施例中，製作具有影像感測元件之積體電路元件的方法流程圖。在第4A圖中，方法400的起始步驟410提供基板，其具有正面表面與背面表面(或第一表面與第二表面)。在多種實施例中，正面表面為第二表面，而背面表面為第一表面。基板可為半導體基板如矽、掺雜的磊晶層、組成漸變式的半導體層、及/或位於一半導體層上的另一不同半導體層(比如矽鍺層上的矽層)。在某些實施例中，基板為p型基板，其掺雜有硼、鎵、銦、其他合適的p型掺質、或上述之組合。
在步驟420中，形成感光區於基板之正面表面中。基板的正面表面通常為半導體製程進行的主要位置。除了感光區外，多種影像感測元件如金屬內連線結構與其他元件如電晶體亦形成於正面表面中。在形成影像感測元件後，自基板的背面表面薄化基板。
視情況可進行步驟430，以形成掺雜層於基板的背面表面中。在一實施例中，掺雜層的形成方法包括進行離子佈 植製程以佈植掺質至基板的背面表面中、進行回火製程(如雷射回火製程)以活化佈植的掺質、以及研磨基板的背面表面。
在步驟440中，沉積金屬氧化物抗反射層板於基板的背面表面上。
第4B圖係多種實施例中，第4A圖之步驟440的詳細流程。沉積金屬氧化物抗反射層板之製程為多重步驟，以沉積每一複合層中的每一金屬氧化物層。沉積每一金屬氧化物層的步驟可為重複多次已知的化學氣相沉積法，使金屬氧化物層與複合層達到所需的層數與總厚度。CVD製程可為電漿增強化學氣相沉積(PECVD)、低壓化學氣相沉積(LPCVD)、或原子層沉積(ALD)。
在某些實施例中，金屬氧化物抗反射層板之金屬氧化物層的形成方法可為ALD。ALD為依序進行的氣相化學製程。ALD反應的主要部份採用兩種化學品(一般稱作前驅物)。一次一種化學品依序與表面反應。在第一操作中，表面暴露於第一前驅物並將第一前驅物吸附至表面上。接著淨化反應腔室以去除第一前驅物氣體，一般為抽真空再視情況加入淨化氣體如氮氣。接著使表面暴露於第二前驅物，並讓第二前驅物與吸附至表面上的第一前驅物反應。上述反應將形成單層或準單層的反應產物。接著再淨化反應腔室以去除第二前驅物，留下薄層的金屬氧化物的反應產物於表面上，且反應產物之厚度介於約1Å至約5Å之間。重複使基板暴露於前驅物的步驟，即沉積金屬氧化物層。ALD可讓金屬氧化物層具有高品質與均勻的厚度。不需將基板移動至其他反應腔室，只要改變至少一前驅物 氣體即可沉積後續的金屬氧化物層於基板上。如此一來，所有的金屬氧化物抗反射層板可沉積於單一ALD腔室中。
除了ALD以外，可採用射頻(RF)電漿以以活化前驅物之間的反應。上述製程即電漿增強ALD(PEALD)。由於PEALD的前驅物不會在氣態下反應，因此可省略淨化步驟以加快每一單層或準單層之循環時間，進而改善產出效率。與採用熱活化反應的ALD相較，PEALD的基板溫度較低。由於金屬氧化物抗反射層板的沉積步驟係元件製程末端，因此熱活化製程將受限於低熱預算。市售的多種前驅物氣體可用於沉積金屬氧化物的ALD中。
在第4B圖的步驟441中，沉積單層或準單層之第一高能帶隙的金屬氧化物於基板的背面上。步驟441可視需要重複多次，使第一複合層之金屬氧化物層具有所需的厚度。上述製程可為ALD，並進一步搭配電漿活化反應或熱活化反應。
在視情況進行的步驟442中，沉積單層或準單層之金屬氧化物於步驟441形成之第一高能帶隙的金屬氧化物上。步驟442之金屬氧化物材料，不同於步驟441之第一高能帶隙金屬氧化物材料。步驟442亦可重複多次直到金屬氧化物具有所需厚度。
在步驟443中，沉積單層或準單層的第一高折射率之金屬氧化物。重複步驟443如迴圈451，可堆疊單層或準單層之沉積物至所需的厚度。在某些實施例中，沉積循環的次數為數以十計或數以百計。
步驟441、442、443形成的第一複合層具有兩個金 屬氧化物層(如步驟441與443)或三個金屬氧化物層(如步驟441、442、與443)。若單一複合層具有超過三個金屬氧化物層，可插入更多的沉積步驟。藉由迴圈452回到步驟441，可重複堆疊所有的複合層。在某些實施例中，複合層之重複沉積步驟只重複單一操作。在其他實施例中，複合層之重複沉積步驟所形成的個別金屬層各自具有不同厚度。
在步驟444中，沉積單層或準單層的第二高能帶隙金屬氧化物於基板上。步驟444可視需求重複至達到所需厚度。
在視情況進行的步驟445中，沉積單層或準單層的金屬氧化物於步驟444形成的第一高能帶隙金屬氧化物上。步驟445之金屬氧化物材料，不同於步驟444之第二高能帶隙金屬氧化物材料。步驟445亦可重複多次直到金屬氧化物具有所需厚度。
在步驟446中，沉積單層或準單層的第二高折射率之金屬氧化物。重複步驟446如迴圈453，可堆疊單層或準單層之沉積物至所需的厚度。在某些實施例中，沉積循環的次數為數以十計或數以百計。雖然第4B圖顯示第二高能帶隙金屬氧化物之沉積順序早於第二高折射率之金屬氧化物的沉積順序，但步驟444、445、與446不需以任何特定順序進行。
步驟444、445、與446形成的第二複合層具有兩個金屬氧化物層(步驟444與446)或三個金屬氧化物層(步驟444、445、與446)。第二複合層不同於步驟441、442、與443形成的第一複合層。在某些實施例中，第二複合層之材料不同於第一複合層之材料。在某些實施例中，第二複合層之厚度與第一複 合層之厚度不同。在某些實施例中，第二複合層中的金屬氧化物順序不同於第一複合層中的金屬氧化物順序。藉由迴圈454回到步驟444，可重複堆疊所有的第二複合層。此外，藉由迴圈455可重複形成第一複合層與第二複合層。
本發明提供多種方法與元件的不同實施例。舉例來說，形成影像感測元件的方法包括形成感光區於矽基板的表面中，並形成圖案化金屬層於其上。接著沉積金屬氧化物抗反射層板於基板的第一表面上。
本發明實施例之半導體元件包括半導體基板，其具有第一表面以及與第一表面對向設置的第二表面；金屬氧化物抗反射層板，位於半導體基板之第一表面上；內連線結構位於半導體基板之第二表面上；多個光二極體位於半導體基板中，並位於金屬氧化物抗反射層板與內連線結構之間；以及鏡片，位於金屬氧化物抗反射層板上，並對應一或多個光二極體。金屬氧化物抗反射層板包括至少一金屬氧化物對，且金屬氧化物對包括高能帶隙金屬氧化物與高折射率金屬氧化物。
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。
300‧‧‧金屬氧化物抗反射層板
301‧‧‧黏著層
302、303、304‧‧‧複合層
305、306、307、308、311、312、313‧‧‧金屬氧化物層
314‧‧‧緩衝層

Claims (7)

  1. 一種半導體元件，包括：一半導體基板，具有一第一表面以及與該第一表面對向設置的一第二表面；一金屬氧化物抗反射層板，位於該半導體基板之該第一表面上；一內連線結構位於該半導體基板之該第二表面上；多個光二極體位於該半導體基板中，並位於該金屬氧化物抗反射層板與該內連線結構之間；以及一鏡片，位於該金屬氧化物抗反射層板上，並對應一或多個該些光二極體；其中該金屬氧化物抗反射層板包括多個金屬氧化物對，該些金屬氧化物對各自包括一高能帶隙金屬氧化物與一高折射率金屬氧化物，且該金屬氧化物抗反射層板具有負電荷，其中該些金屬氧化物對中一者之高能帶隙金屬氧化物不同於該些金屬氧化物對中另一者之高能帶隙金屬氧化物，或者該些金屬氧化物對中一者之高折射率金屬氧化物不同於該些金屬氧化物對中另一者之高折射率金屬氧化物。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件，更包括：一p型雜質層，位於該些光二極體與該金屬氧化物抗反射層板之間；一緩衝氧化物層，位於該p型雜質層與該金屬氧化物抗反射層板之間；以及一緩衝層，位於該金屬氧化物抗反射層板上。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件，其中該金屬氧化物對中的該高能帶隙金屬氧化物，比該高折射率金屬氧化物靠近該半導體基板之該第一表面。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件，其中該高能帶隙金屬氧化物之厚度小於一半的高折射率金屬氧化物之厚度。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件，其中每一該金屬氧化物對的高能帶隙金屬氧化物或高折射率之金屬氧化物不同。
  6. 一種半導體元件的形成方法，包括：提供一基板，該基板具有一第一表面以及與該第一表面對向設置的一第二表面；形成一感光區於該基板的該第二表面中；以及沉積一金屬氧化物抗反射層板於該基板的該第一表面上，且該金屬氧化物抗反射層板具有負電荷，其中沉積該金屬氧化物抗反射層板之步驟包括：重複沉積單層或準單層的一第一高能帶隙金屬氧化物，直到該第一高能帶隙金屬氧化物具有一第一厚度；重複沉積單層或準單層的一第一高折射率金屬氧化物，直到該第一高折射率金屬氧化物具有一第二厚度；重複沉積單層或準單層的一第二高能帶隙金屬氧化物，直到該第二高能帶隙金屬氧化物具有一第三厚度；以及重複沉積單層或準單層的一第二高折射率金屬氧化物，直到該第二高折射率金屬氧化物具有一第四厚度，其中該第 一高能帶隙金屬氧化物與該第二高能帶隙金屬氧化物不同，及/或該第一高折射率金屬氧化物與該第二高折射率金屬氧化物不同。
  7. 一種半導體元件，包括：一半導體基板，具有一第一表面以及與該第一表面對向設置的一第二表面；一金屬氧化物抗反射層板，位於該半導體基板的該第一表面上；一鏡片，位於該金屬氧化物抗反射層板上，並對應一或多個光二極體；一內連線結構，位於該半導體基板的該第二表面上；以及該些光二極體，位於該半導體基板中，並位於該金屬氧化物抗反射層板與該內連線結構之間；其中該金屬氧化物抗反射層板包括多個金屬氧化物複合層，且每一該些金屬氧化物複合層包括兩個或多個金屬氧化物層，且該些金屬氧化物層具有不同的能帶隙與折射率；其中該些金屬氧化物層為非晶態，且該金屬氧化物抗反射層板具有負電荷，其中該些金屬氧化物複合層中一者之高能帶隙金屬氧化物不同於該些金屬氧化物複合層中另一者之高能帶隙金屬氧化物，或者該些金屬氧化物複合層中一者之高折射率金屬氧化物不同於該些金屬氧化物複合層中另一者之高折射率金屬氧化物。
TW102112989A 2012-04-13 2013-04-12 半導體元件與其形成方法 TWI556417B (zh)

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