TWI636561B - 影像感測器及其製造方法 - Google Patents

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杜建男
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葉玉隆
姜吉亨
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Abstract

本發明實施例提供一種具有高量子效率的影像感測器。在一些實施例中，半導體基底包括非多孔性半導體層，所述非多孔性半導體層是沿著所述半導體基底的前側。周期性結構是沿著所述半導體基底的後側。高吸收性層在所述半導體基底的所述後側上對所述周期性結構進行襯覆。所述高吸收性層是能隙小於所述非多孔性半導體層的能隙的半導體材料。光檢測器位於所述半導體基底及所述高吸收性層中。本發明實施例還提供一種製造影像感測器的方法。

Description

影像感測器及其製造方法
本發明是有關於一種半導體元件及其製造方法，且特別是有關於一種影像感測器及其製造方法。
具有影像感測器的積體電路(integrated circuit，IC)被用於各種現代電子裝置(例如，照相機及手機)中。近年來，互補金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)影像感測器開始被廣泛使用，大大地替代了電荷耦合裝置(charge-coupled device，CCD)影像感測器。相比於CCD影像感測器，CMOS影像感測器因功耗低、尺寸小、數據處理快、數據直接輸出、及製造成本低而受到青睞。一些類型的CMOS影像感測器包括前側照明式(front-side illuminated，FSI)影像感測器及後側照明式(back-side illuminated，BSI)影像感測器。
本申請的一些實施例提供一種影像感測器。半導體基底 包括非多孔性半導體層。所述非多孔性半導體層是沿著所述半導體基底的前側。周期性結構是沿著所述半導體基底的後側。所述周期性結構包括由所述半導體基底界定的多個突起。高吸收性層在所述半導體基底的所述後側上對所述周期性結構進行襯覆。所述高吸收性層是能隙小於所述非多孔性半導體層的能隙的半導體材料。光檢測器位於所述半導體基底及所述高吸收性層中。
此外，本申請的其他實施例提供一種製造影像感測器的方法。提供半導體基底。所述半導體基底包括位於所述半導體基底的前側上的非多孔性半導體層。向所述半導體基底的後側執行蝕刻，以在所述後側上形成多個表面突起。所述表面突起被形成為周期性圖案，且其中所述後側與所述前側相對。在所述半導體基底的所述後側上形成對所述多個表面突起進行襯覆的高吸收性層。所述高吸收性層是帶隙能量低於所述非多孔性半導體層的帶隙能量的半導體材料。在所述半導體基底及所述高吸收性層中形成光檢測器。
另外，本申請的其他實施例提供一種影像感測器。半導體基底包括非多孔性半導體層及多孔性半導體層。所述非多孔性半導體層是沿著所述半導體基底的前側。所述多孔性半導體層是沿著所述半導體基底的與所述前側相對的後側。高吸收性層在所述半導體基底的所述後側上襯覆所述多孔性半導體層。所述高吸收性層具有比所述非多孔性半導體層高的吸收係數。光檢測器包括第一摻雜類型區及第二摻雜類型區。所述第一摻雜類型區處於 所述非多孔性半導體層與所述多孔性半導體層二者中。所述第二摻雜類型區處於所述高吸收性層中且具有與所述第一摻雜類型區相反的摻雜類型。所述第一摻雜類型區與所述第二摻雜類型區介接而界定光敏接面(photo junction)。轉移電晶體(transfer transistor)位於所述半導體基底的所述前側上。所述轉移電晶體包括源極/汲極區，且其中所述源極/汲極區是所述第一摻雜類型區。
100‧‧‧剖視圖
102‧‧‧高吸收性像素感測器
102a、102b、102c‧‧‧高吸收性像素感測器
104‧‧‧半導體基底
104b‧‧‧半導體基底的後側表面
104f‧‧‧半導體基底的前側表面
104n‧‧‧非多孔性半導體層
104p‧‧‧多孔性半導體層
106‧‧‧周期性結構
106p‧‧‧突起
108‧‧‧輻射
108p‧‧‧光子
110‧‧‧高吸收性層
112‧‧‧保護層
112d‧‧‧凹陷
112i‧‧‧保護層的內表面
112o‧‧‧保護層的外表面
114‧‧‧光檢測器
114a‧‧‧第一摻雜類型區
114b‧‧‧第二摻雜類型區
116‧‧‧電子-電洞對
200A‧‧‧剖視圖
202‧‧‧光敏接面
204‧‧‧碳摻雜區
206‧‧‧轉移電晶體
208‧‧‧閘極
210‧‧‧閘極介電層
212‧‧‧浮動擴散節點(FDN)
214‧‧‧隔離結構
216‧‧‧互連結構
218‧‧‧層間介電(ILD)層
220‧‧‧布線層
222‧‧‧通孔
300‧‧‧布局圖
302‧‧‧邏輯區
304‧‧‧像素感測器陣列
400A‧‧‧剖視圖
400B‧‧‧剖視圖
402‧‧‧載體基底
404‧‧‧濾光片
406‧‧‧微透鏡
500‧‧‧剖視圖
502‧‧‧氫氟酸溶液
600‧‧‧剖視圖
602‧‧‧光阻層
604‧‧‧幹蝕刻劑
700‧‧‧剖視圖
800‧‧‧剖視圖
900‧‧‧剖視圖
1000‧‧‧剖視圖
1100‧‧‧剖視圖
1200‧‧‧剖視圖
1300‧‧‧剖視圖
1400‧‧‧流程圖
1402、1404、1406、1408、1410、1412、1414、1416、1418‧‧‧步驟
1500‧‧‧剖視圖
1600‧‧‧剖視圖
1700‧‧‧剖視圖
1800‧‧‧剖視圖
1900‧‧‧剖視圖
2000‧‧‧剖視圖
2100‧‧‧剖視圖
2200‧‧‧剖視圖
2300‧‧‧剖視圖
2400‧‧‧流程圖
2402、2404、2406、2408、2410、2412、2414、2416、2418‧‧‧步驟
A‧‧‧線
H‧‧‧高度
P‧‧‧節距
T‧‧‧厚度
T1‧‧‧第一厚度
T2‧‧‧第二厚度
T3‧‧‧第三厚度
為讓本發明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。
圖1說明具有高吸收性像素感測器的影像感測器的一些實施例的剖視圖。
圖2A說明具有多孔性半導體層的圖1所示影像感測器的一些更詳細實施例的剖視圖。
圖2B說明不具有多孔性半導體層的圖1所示影像感測器的一些更詳細實施例的剖視圖。
圖3說明圖1及/或圖2所示影像感測器的一些實施例的布局圖。
圖4A說明圖3所示影像感測器的一些前側照明式(FSI)實施例的剖視圖。
圖4B說明圖3所示影像感測器的一些後側照明式(BSI)實 施例的剖視圖。
圖5至圖13是一系列剖視圖，其說明一種製造具有高吸收性像素感測器的FSI影像感測器的方法的一些實施例。
圖14說明圖5至圖13所示方法的一些實施例的流程圖。
圖15至圖23是一系列剖視圖，其說明一種製造具有高吸收性像素感測器的BSI影像感測器的方法的一些實施例。
圖24說明圖15至圖23所示方法的一些實施例的流程圖。
本發明提供用於實施本公開內容的不同特徵的許多不同實施例或實例。以下闡述組件及構造的具體實例以簡化本公開內容。當然，這些僅為實例且不旨在進行限制。例如，以下說明中將第一特徵形成在第二特徵“之上”或第二特徵“上”可包括其中第一特徵及第二特徵被形成為直接接觸的實施例，且也可包括其中第一特徵與第二特徵之間可形成有附加特徵、進而使得所述第一特徵與所述第二特徵可能不直接接觸的實施例。另外，本公開內容可能在各種實例中重複使用參考編號及/或字母。這種重複使用是出於簡潔及清晰的目的，而不是自身表示所論述的各種實施例及/或配置之間的關係。
此外，為易於說明，本文中可能使用例如“之下(beneath)”、“下面(below)”、“下部的(lower)”、“上方(above)”、“上部的(upper)”等空間相對性用語來闡述圖中所示的一個元件 或特徵與另一(其他)元件或特徵的關係。所述空間相對性用語旨在除圖中所繪示的取向外還囊括裝置或設備在使用或操作中的不同取向。裝置或設置可具有其他取向(旋轉90度或其他取向)，且本文中所用的空間相對性用語可同樣相應地進行解釋。此外，用語“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等僅為通用標識符，且因此可在各種實施例中互換使用。例如，雖然在一些實施例中可將一個元件(例如，蝕刻劑、介電層、或基底)稱為“第一”元件，但在其他實施例中可將所述元件稱為“第二”元件。
一些互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器包括單晶矽的半導體基底及排列於半導體基底中的像素感測器陣列。像素感測器包括埋置於半導體基底中的各光檢測器以及設置於半導體基底的表面上的各像素電晶體。光檢測器用以吸收入射輻射並產生對應於所述入射輻射的電信號。
CMOS影像感測器面臨的挑戰是單晶矽具有大的能隙，且因此對高波長輻射具有低吸收係數。高波長輻射包括例如具有大於約800微米的波長的輻射，例如紅外輻射。因此，除非進行增强，否則光檢測器針對高波長輻射具有低量子效率。量子效率(quantum efficiency，QE)是入射光子轉化為電信號的比例。
一種增强CMOS影像感測器的方法是增大半導體基底的厚度、以及光檢測器延伸至半導體基底中的深度。入射輻射的波長越高，吸收深度越高。然而，這對於現有CMOS製程是困難的，且增加了製造CMOS影像感測器的成本。此外，增大光檢測器延 伸至半導體基底中的深度增大了串擾(cross talk)及晶粒尺寸。
有鑒於此，本申請的各種實施例涉及一種高吸收性影像感測器。在一些實施例中，半導體基底包括非多孔性半導體層。所述非多孔性半導體層是沿著所述半導體基底的前側。周期性結構是沿著所述半導體基底的後側。所述周期性結構包括由所述半導體基底界定的多個突起。高吸收性層在所述半導體基底的所述後側上對所述周期性結構進行襯覆。所述高吸收性層是能隙小於所述非多孔性半導體層的能隙的半導體材料。光檢測器位於所述半導體基底及所述高吸收性層中。
有利地，通過將光檢測器設置於高吸收性層中，光檢測器將受益於高吸收性層的低能隙。也就是說，低能隙使得高吸收性層針對入射輻射具有高吸收性，從而使得光檢測器具有高量子效率。此外，在采用高吸收性影像感測器用於感測高波長輻射(例如，紅外輻射)時，高量子效率有利地使得能夠實現低的成本、晶粒尺寸、串擾或上述的組合，這是因為在不存在具有大的厚度的半導體基底的情况下可充分地感測到高波長輻射。
參照圖1，提供了具有高吸收性像素感測器102的影像感測器的一些實施例的剖視圖100。影像感測器可以是例如前側照明式(FSI)或後側照明式(BSI)。此外，影像感測器可以是例如CMOS影像感測器、及/或積體電路(IC)晶粒或晶片。如圖中所說明，半導體基底104包括非多孔性半導體層104n及多孔性半導體層104p。非多孔性半導體層104n是沿著半導體基底104的前側 表面104f，且多孔性半導體層104p是沿著半導體基底104的與半導體基底104的前側表面104f相對的後側表面104b。在替代實施例中，省略了多孔性半導體層104p，使得非多孔性半導體層104n界定半導體基底104的後側表面104b。
多孔性半導體層104p是具有多孔系統結構的半導體材料。所述孔可以是例如微米尺寸的孔、奈米尺寸的孔、更小尺寸的孔、或上述的組合。多孔性半導體層104p可以是例如奈米多孔性矽或一些其他類型的多孔性半導體材料。非多孔性半導體層104n是不具有多孔系統結構的半導體材料，其中孔的尺寸如上所述。例如，非多孔性半導體層104n可以是不具有存在奈米及/或微米尺寸的孔的系統結構的半導體材料。非多孔性半導體層104n可以是例如單晶矽、多晶矽、或一些其他類型的晶體半導體材料。此外，非多孔性半導體層104n可例如具有間接能隙。
在一些實施例中，半導體基底104界定沿著半導體基底104的後側表面104b的周期性結構106。周期性結構106可包括例如多個突起106p，突起106p被形成為周期性圖案或沿半導體基底104的後側表面104b排成陣列。為便於說明，僅將突起106p中的一者標記為106p。突起106p可例如具有圓錐形、棱錐形、或某些其他形狀。
有利地，多孔性半導體層104p及/或周期性結構106增强半導體基底104對輻射108(例如，光)的吸收性。例如，多孔性半導體層104p可因周期性結構106及/或多孔性半導體層104p的 孔而具有直接能隙。直接能隙使得多孔性半導體層104p能夠不依賴於聲子而吸收輻射108的光子108p，使得半導體基底104的吸收性可增强。作為另一實例，突起106p及/或多孔性半導體層104p的孔增大表面面積，使得半導體基底104的吸收性可增强。作為又一實例，突起106p及/或多孔性半導體層104p的孔减少輻射108自半導體基底104的反射，使得半導體基底104的吸收性可增强。反射率可例如由於輻射108可通過多孔性半導體層104p的孔進入半導體基底104並被俘獲於半導體基底104中而减小。此外，反射率可例如由於突起106p的成角度的側壁可减少輻射自半導體基底104反射出去的可能性而减小。
高吸收性層110襯覆半導體基底104的後側表面104b，並夾置於半導體基底104與保護層112之間。高吸收性層110是具有低能隙的半導體材料。低能隙可以是例如小於約1電子伏特(eV)的能隙。此外，低能隙可以是例如小於非多孔性半導體層104n的能隙及/或多孔性半導體層104p的能隙的能隙。在一些實施例中，高吸收性層110是矽鍺或者摻雜有硫族元素(例如，硫、硒、或碲)的單晶矽。保護層112可以是例如二氧化矽、氮化矽、一些其他介電質、或上述的組合。
光檢測器114位於半導體基底104及高吸收性層110中，且用以吸收入射於光檢測器114上的輻射108從而產生電信號。電信號可例如產生自電子-電洞對116，電子-電洞對116是因應於吸收輻射108的光子108p而產生。光檢測器114可以是例如光電 二極管。此外，光檢測器114可例如包括界定光敏接面(例如，PN接面或PIN接面)的n型區(圖中未示出)及p型區(圖中未示出)。
有利地，通過將光檢測器114設置於半導體基底104及高吸收性層110中，光檢測器114針對包括紅外輻射(例如，具有大於約800微米的波長的輻射)的輻射108具有高吸收性。也就是說，高吸收性層110具有低能隙，且因此具有高吸收係數，從而使得高吸收性層110與光檢測器114因此針對輻射108具有高吸收性。因此，光檢測器114有利地具有高量子效率。此外，光檢測器114的量子效率被多孔性半導體層104p及/或周期性結構106進一步增强，這是由於多孔性半導體層104p及/或周期性結構106增强半導體基底104對輻射108的吸收性。
參照圖2A，提供了圖1所示影像感測器的一些更詳細實施例的剖視圖200A。如圖所示，半導體基底104包括非多孔性半導體層104n及多孔性半導體層104p。非多孔性半導體層104n是沿著半導體基底104的前側表面104f，且多孔性半導體層104p是沿著半導體基底104的與半導體基底104的前側表面104f相對的後側表面104b。
在一些實施例中，半導體基底104界定沿著半導體基底104的後側表面104b的周期性結構106。周期性結構106可包括例如多個突起106p，突起106p被形成為周期性圖案或沿後側表面104b排成陣列。在一些實施例中，多孔性半導體層104p的孔徑自 突起106p的頂端向位於非多孔性半導體層104n與多孔性半導體層104p之間的界面逐漸增大或减小。例如，孔徑可自在頂端處約40奈米的平均尺寸逐漸减小至在界面處約8奈米的平均尺寸。
在一些實施例中，突起106p界定鋸齒狀輪廓。在一些實施例中，突起106p具有為約0.01微米至8.0微米、約0.2微米至5.0微米、約1.0微米至3.0微米、或上述的組合的節距P。在一些實施例中，突起106p具有為約0.2微米至20.0微米、約1.0微米至15.0微米、約5.0微米至10.0微米、或上述的組合的高度H。在一些實施例中，突起106p具有在頂端處交匯的錐形側壁。例如，一些突起106p或所有突起106p可各自為圓錐形的或棱錐形的(例如，具有n邊形的底，其中n=3、4、5、6等)。在其他實施例中，突起106p具有另一形狀。例如，一些突起或所有突起可為圓柱形的。
有利地，多孔性半導體層104p及/或周期性結構106可增强半導體基底104對輻射的吸收性。例如，多孔性半導體層104p可具有增强吸收性的直接能隙。作為另一實例，多孔性半導體層104p及/或周期性結構106可增大表面面積以用於增强吸收性。作為又一實例，多孔性半導體層104p可减少自半導體基底104的反射以用於增强吸收性。
高吸收性層110襯覆半導體基底104的後側表面104b，並夾置於半導體基底104與保護層112之間。在一些實施例中，高吸收性層110共形地襯覆半導體基底104的後側表面104b。高 吸收性層110是具有低能隙的半導體材料。低能隙可例如小於約1.00eV、0.80eV、0.60eV、或0.40eV。此外，低能隙可例如小於非多孔性半導體層104n的能隙及/或多孔性半導體層104p的能隙。例如，高吸收性層110可具有小於約1.0eV的能隙，而非多孔性半導體層104n可具有大於約1.1eV、1.5eV、2.0eV、或5.0eV的能隙。
在一些實施例中，高吸收性層110具有直接能隙，使得入射輻射的吸收性有利地不依賴於聲子。在一些實施例中，高吸收性層110具有為約10埃至5000埃、100埃至4000埃、1000埃至3000埃、或上述的組合的厚度T。例如，高吸收性層110可具有約500埃或約3000埃的厚度T。在一些實施例中，高吸收性層110是矽鍺或單晶矽、及/或摻雜有硫族元素。例如，高吸收性層110可以是缺少硫族元素的矽鍺，或者可以是摻雜有硫族元素的單晶矽。作為另一實例，高吸收性層110可以是具有約500埃的厚度T的Si0.8Ge0.2。在其中高吸收性層110摻雜有硫族元素的一些實施例中，以超過硫族元素的溶解度極限對高吸收性層110進行摻雜(即，使高吸收性層110過飽和)，從而有利地促進入射輻射(例如，具有約1.0微米至2.5微米的波長的輻射)的子帶隙吸收。硫族元素可以是例如硫(S)、硒(Se)、碲(Te)、或上述的組合。在一些實施例中，高吸收性層110與半導體基底104介接以在界面處界定異質接面。
保護層112位於高吸收性層110下方，且可以是例如二 氧化矽、氮化矽、高介電常數介電質、一些其他介電質、或上述的組合。高介電常數介電質是具有大於約3.9、5、10、或20的介電常數的介電質。在一些實施例中，保護層112具有通過高吸收性層110與半導體基底104的後側表面104b適形的內表面112i(例如，上表面或頂表面)。此外，在一些實施例中，保護層112具有為平面的外表面112o(例如，下表面或底表面)。
高吸收性像素感測器102位於半導體基底104及高吸收性層110中，並包括光檢測器114。光檢測器114用以吸收入射於光檢測器114上的輻射，並用以自所吸收的輻射產生電信號。例如，電信號可產生自電子-電洞對，所述電子-電洞對是因應於吸收輻射的光子而產生。光檢測器114包括光敏接面202、以及第一摻雜類型區114a及第二摻雜類型區114b。光敏接面202位於第一摻雜類型區114a與第二摻雜類型區114b之間，且至少部分地被第一摻雜類型區114a及第二摻雜類型區114b界定。光敏接面202可以是例如PN接面、PIN接面、或上述的組合，及/或可以是例如異質接面、同質接面、或上述的組合。
第一摻雜類型區114a位於非多孔性半導體層104n中，且在一些實施例中，位於多孔性半導體層104p中。此外，第一摻雜類型區114a與第二摻雜類型區114b接界，且具有與第二摻雜類型區114b相反的摻雜類型。例如，第一摻雜類型區114a可以是n型且第二摻雜類型區114b可以是p型，反之亦可。第一摻雜類型區114a用以累積來自電子-電洞對的電荷(例如，電子)，其 中所述電子-電洞對是因應於入射於光檢測器114上的輻射而產生。例如，當在第一摻雜類型區114a或第二摻雜類型區114b中產生電子-電洞對時，電子-電洞對的電荷(例如，電子)可因由光敏接面202產生的電場而擴散及/或漂移至第一摻雜類型區114a中。
第二摻雜類型區114b位於高吸收性層110中，且在一些實施例中，位於半導體基底104中。此外，在一些實施例中，第二摻雜類型區114b以單一摻雜類型沿第一摻雜類型區114a的側壁、並沿第一摻雜類型區114a的底側連續地延伸，從而以杯狀包圍第一摻雜類型區114a。
有利地，通過將光檢測器114設置於半導體基底104及高吸收性層110中，光檢測器114對入射輻射(包括紅外輻射)具有高吸收性。也就是說，高吸收性層110具有低能隙，且因此具有高吸收係數，從而使得高吸收性層110及光檢測器114因此針對入射輻射具有高吸收性。因此，光檢測器114有利地具有高量子效率。此外，在采用影像感測器用於感測高波長輻射(例如，紅外輻射)時，高量子效率有利地使得能夠實現低的成本、晶粒尺寸、串擾或上述的組合，這是因為在不存在具有大的厚度的半導體基底104的情况下可充分地感測到高波長輻射。此外，光檢測器114的量子效率被多孔性半導體層104p及/或周期性結構106進一步增强，這是由於多孔性半導體層104p及/或周期性結構106增强半導體基底104對輻射的吸收性。
在一些實施例中，光檢測器114的量子效率被位於半導體基底104與高吸收性層110之間的界面處的異質接面進一步增强。例如，在高吸收性層110是矽鍺且多孔性半導體層104p是多孔性矽時，高吸收性層110與多孔性半導體層104p之間的異質接面可增大量子效率。然而，異質接面增大量子效率的代價是暗電流(dark current)增大，此可導致產生白色像素。也就是說，異質接面處晶格常數(lattice constant)的失配增大異質接面處的應變，此增大暗電流。
為减少異質接面處的應變且因此减少暗電流，在一些實施例中，在異質接面處存在碳摻雜區204。碳摻雜區204緩衝並减少應變，從而减少暗電流。碳摻雜區204可以是例如高吸收性層110的一個區，所述區相對於高吸收性層110的剩餘區具有升高的碳濃度。作為另外一種選擇，碳摻雜區204可以是例如半導體基底104的一個區，所述區相對於半導體基底104的剩餘區具有升高的碳濃度。在一些實施例中，碳摻雜區204具有從高吸收性層110向半導體基底104逐漸增大或减小的摻雜濃度。
在一些實施例中，通過改變高吸收性層110的性質而控制光檢測器114的量子效率。然而，應考慮暗電流與量子效率之間的權衡。例如，增大高吸收性層110的厚度T有利地增大量子效率，但這樣做的代價是會增大暗電流。作為另一實例，增大高吸收性層110中的鍺及/或硫族元素的量有利地增大量子效率，但這樣做的代價是會增大暗電流。
高吸收性像素感測器102還包括一個或多個位於半導體基底104的前側表面104f上的像素電晶體，以促進光檢測器114的讀出。例如，所述一個或多個像素電晶體可包括轉移電晶體(transfer transistor)206、源極跟隨器電晶體(source-follower transistor)(圖中未示出)、行選擇電晶體(圖中未示出)、復位電晶體(reset transistor)(圖中未示出)、一些其他像素電晶體、或上述的組合。轉移電晶體206用以將第一摻雜類型區114a中累積的電荷選擇性地轉移出第一摻雜類型區114a用於讀出。在一些實施例中，轉移電晶體206包括第一源極/汲極區、閘極208、閘極介電層210、及第二源極/汲極區。第一源極/汲極區可以是例如第一摻雜類型區114a。第二源極/汲極區可以是例如浮動擴散節點(floating diffusion node，FDN)212，轉移電晶體206將電荷自第一摻雜類型區114a轉移至浮動擴散節點212。
閘極208位於第一源極/汲極區與第二源極/汲極區之間並與第一源極/汲極區及第二源極/汲極區接界，且在半導體基底104上方通過閘極介電層210與半導體基底104間隔開。閘極208可以是例如經摻雜多晶矽、銅、鋁銅、一些其他導電材料、或上述的組合。閘極介電層210可以是例如二氧化矽、高介電常數介電質、一些其他介電質、或上述的組合。第一源極/汲極區及第二源極/汲極區是半導體基底104的摻雜區，所述摻雜區具有與半導體基底104的周圍區相反的摻雜類型。例如，第一源極/汲極區及第二源極/汲極區可以是n型或p型。
在一些實施例中，隔離結構214延伸至半導體基底104的前側表面104f中，並在側面環繞高吸收性像素感測器102，以使高吸收性像素感測器102與周圍裝置(圖中未示出)電性隔離。此類周圍裝置可包括例如其他像素感測器、邏輯裝置、或存儲裝置。此外，在一些此類實施例中，隔離結構214包括環形布局。隔離結構214可以是例如淺溝槽隔離(shallow trench isolation，STI)區、深溝槽隔離(deep trench isolation，DTI)區、植入隔離區、或上述的組合。
互連結構216位於半導體基底104以及一個或多個像素電晶體(例如，轉移電晶體206)上方。此外，在一些實施例中，互連結構216設置於隔離結構214上方。互連結構216包括層間介電(interlayer dielectric，ILD)層218、多個布線層220、以及多個通孔222。為便於說明，僅將布線層220中的一者標記為220，且僅將通孔222中的一者標記為222。ILD層218可以是例如二氧化矽、氮化矽、低介電常數介電質(例如，氟矽酸玻璃(flurosilicate glass，FSG))、一些其他介電質、或上述的組合。低介電常數介電質是具有小於約3.9、3.0、2.0、或1.0的介電常數k的介電質。
布線層220與通孔222在ILD層218中交替堆疊。通孔222將布線層220電耦合在一起，並進一步地將最靠近半導體基底104的布線層(未個別標記出)電耦合至位於半導體基底104的前側表面104f上的裝置(例如，轉移電晶體206)。布線層220是導電材料，例如鋁銅、銅、鋁、一些其他導電材料、或上述的組合， 且通孔222是導電材料，例如銅、鎢、一些其他導電材料、或上述的組合。
參照圖2B，提供圖2A的變型，其中省略了圖2A所示的多孔性半導體層104p。在此類實施例中，高吸收性層110接觸非多孔性半導體層104n。此外，在一些實施例中，非多孔性半導體層104n界定周期性結構106。
儘管圖2A及圖2B說明光檢測器114的具體實施例，但應理解，可接受光檢測器114的其他實施例。例如，在其中光敏接面202是PIN接面或以其他方式包括PIN接面的實施例中，本質半導體區(intrinsic semiconductor region)(圖中未示出)可設置於第一摻雜類型區114a與第二摻雜類型區114b之間，並與第一摻雜類型區114a及第二摻雜類型區114b接觸。本質半導體區可以是例如單晶矽或矽鍺。
參照圖3，提供了圖1、圖2A、或圖2B所示影像感測器的一些實施例的布局圖300。如圖中所說明，邏輯區302在側面環繞像素感測器陣列304。邏輯區302包括例如邏輯裝置及/或存儲裝置(圖中未示出)，所述邏輯裝置及/或存儲裝置用以讀取及/或存儲由像素感測器陣列304因應於入射輻射而產生的數據。
像素感測器陣列304由排列於X行及Y列中的多個高吸收性像素感測器102構成。X及Y是大於零的整數值，且可以例如相同或不同。例如，X及Y可以均為128、256、512、1024、2048、4096，或者X及Y可以分別為768及1024、1024及2048、 256及1024、512及128、或4096及1024。為便於說明，僅將高吸收性像素感測器102中的一者標記為102。如參照圖1、圖2A、或圖2B所述，對高吸收性像素感測器102進行個別配置。
隔離結構214在側面環繞像素感測器陣列304，以使像素感測器陣列304自邏輯區302電性隔離。此外，隔離結構214在側面環繞高吸收性像素感測器102中的每一者，以使高吸收性像素感測器102彼此電性隔離。
參照圖4A及圖4B，提供了圖3所示影像感測器的各種實施例的剖視圖400A、剖視圖400B。剖視圖400A、剖視圖400B可例如沿圖3所示的線A截取。
如由圖4A所示的剖視圖400A所說明，影像感測器是FSI，且包括多個高吸收性像素感測器102a至高吸收性像素感測器102c。高吸收性像素感測器102a至高吸收性像素感測器102c各自根據圖1、圖2A、或圖2B所示的高吸收性像素感測器102進行配置，且各自用以通過覆蓋高吸收性像素感測器102a至102c的互連結構216而接收輻射108。高吸收性像素感測器102a至高吸收性像素感測器102c各自包括光檢測器114，且在一些實施例中，各自包括一個或多個像素電晶體。例如，高吸收性像素感測器102a至高吸收性像素感測器102c可各自包括轉移電晶體206。為便於說明，僅將光檢測器114中的一者標記為114，且僅將轉移電晶體206中的一者標記為206。
互連結構216包括層間介電(ILD)層218、多個布線層 220、以及多個通孔222。為便於說明，僅將布線層220中的一者標記為220，且僅將通孔222中的一者標記為222。布線層220與通孔222在ILD層218中交替堆疊。在一些實施例中，布線層220及通孔222僅限於光檢測器114的一側(即，不直接位於光檢測器114上方)，因此不阻擋輻射照射於光檢測器114上。
光檢測器114位於堆疊於互連結構216下方的半導體基底104及高吸收性層110中。此外，在一些實施例中，光檢測器114被位於高吸收性像素感測器102a至高吸收性像素感測器102c之間的隔離結構214(例如，STI區)電性隔離。光檢測器114各自包括位於半導體基底104中的第一摻雜類型區114a、位於高吸收性層110中的第二摻雜類型區114b、以及至少部分由第一摻雜類型區114a及第二摻雜類型區114b界定的光敏接面202。為便於說明，僅將第一摻雜類型區114a中的一者標記為114a，僅將第二摻雜類型區114b中的一者標記為114b，且僅將光敏接面202中的一者標記為202。
轉移電晶體206在半導體基底104的前側表面104f上位於半導體基底104與互連結構216之間。轉移電晶體206各自包括閘極208及使閘極208自半導體基底104間隔開的閘極介電層210。此外，轉移電晶體206各自包括分別與閘極208的相對側壁接界的第一源極/汲極區及第二源極/汲極區。第一源極/汲極區可以是例如相應光檢測器114的第一摻雜類型區114a，及/或第二源極/汲極區可以是例如FDN 212。為便於說明，僅將閘極208中的 一者標記為208，僅將FDN 212中的一者標記為212，且僅將閘極介電層210中的一者標記為210。
半導體基底104上覆高吸收性層110，使得高吸收性層110位於半導體基底104的後側表面104b上。半導體基底104包括非多孔性半導體層104n及位於非多孔性半導體層104n下方的多孔性半導體層104p。在替代實施例中，省略了多孔性半導體層104p，以使得非多孔性半導體層104n完全填充在圖4A中當前被多孔性半導體層104p占據的空間。
在一些實施例中，半導體基底104界定沿著半導體基底104的後側表面104b的周期性結構106。周期性結構106可包括例如多個突起106p，突起106p被形成為周期性圖案或沿半導體基底104的後側表面104b排成陣列。為便於說明，僅將突起106p中的一者標記為106p。
高吸收性層110具有低能隙。例如，高吸收性層110可具有小於約1.0eV、0.8eV、或0.5eV的能隙。由於所述低能隙，高吸收性層110具有高吸收係數。此外，部分位於高吸收性層110中的光檢測器114具有高量子效率。在一些實施例中，高吸收性層110是矽鍺、或摻雜有硫族元素的單晶矽。此外，在一些實施例中，高吸收性層110具有與第一摻雜類型區114a的摻雜類型相反的摻雜類型。
保護層112位於高吸收性層110下方，且在一些實施例中，載體基底402位於保護層112下方並結合至保護層112。載體 基底402可以是例如塊體(bulk)半導體基底及/或單晶矽。此外，載體基底402可以是例如半導體晶片(例如，450毫米的矽晶片)。
在一些實施例中，濾光片404分別覆蓋高吸收性像素感測器102a至102c。濾光片404用以使指定波長的輻射通過，同時阻擋未指定波長的輻射。例如，濾光片可用以使紅色波長的輻射通過同時阻擋藍色波長的輻射，而另一濾光片可用以使藍色波長的輻射通過同時阻擋紅色波長的輻射。在一些實施例中，濾光片404分別被微透鏡406覆蓋，微透鏡406用以聚焦高吸收性像素感測器102a至高吸收性像素感測器102c的相應光檢測器上的入射輻射。為便於說明，僅將濾光片404中的一者標記為404，且僅將微透鏡406中的一者標記為406。
如圖4B所示的剖視圖400B所說明，提供了圖4A的變型，其中影像感測器是BSI。與圖4A相比，高吸收性像素感測器102a至高吸收性像素感測器102c位於互連結構216上方。此外，高吸收性像素感測器102a至高吸收性像素感測器102c各自用以通過半導體基底104的後側表面104b接收輻射108。在一些實施例中，多孔性半導體層104p及/或周期性結構106减少輻射108自半導體基底104的反射，從而使得可增强吸收性。反射率可例如由於輻射108可通過多孔性半導體層104p中的孔進入半導體基底104並俘獲於半導體基底104中而减小。此外，反射率可例如由於突起106p的成角度的側壁可减少輻射自半導體基底104反射出去的可能性而减小。
參照圖5至圖13，提供了一系列剖視圖500至剖視圖1300，其說明一種製造具有高吸收性像素感測器的FSI影像感測器的方法的一些實施例。例如，所述方法可用於製造圖4A所示的影像感測器。
如由圖5所示的剖視圖500所說明，提供一種半導體基底104。在一些實施例中，半導體基底104包括非多孔性半導體層104n及多孔性半導體層104p。非多孔性半導體層104n是沿著半導體基底104的前側表面104f，且多孔性半導體層104p是沿著半導體基底104的與半導體基底104的前側表面104f相對的後側表面104b。在替代實施例中，省略了多孔性半導體層104p。在一些此類實施例中，非多孔性半導體層104n是沿著半導體基底104的前側表面104f及半導體基底104的後側表面104b二者。此外，在一些此類實施例中，非多孔性半導體層104n界定整個半導體基底104。
多孔性半導體層104p是具有多孔系統結構的半導體材料。所述孔可以是例如微米尺寸的孔、奈米尺寸的孔、更小尺寸的孔、或上述的組合。多孔性半導體層104p可以是例如奈米多孔性矽。非多孔性半導體層104n是不具有多孔系統結構的半導體材料，其中孔的尺寸如上所述。例如，非多孔性半導體層104n可以是不具有存在奈米及/或微米尺寸的孔的系統結構的半導體材料。非多孔性半導體層104n可以是例如單晶矽或一些其他類型的晶體半導體材料。
在一些實施例中，用於提供半導體基底104的製程包括向非多孔性半導體層104n執行蝕刻，以從非多孔性半導體層104n的一部分形成多孔性半導體層104p。所述蝕刻可例如通過以下方式執行：向非多孔性半導體層104n施加氫氟酸溶液502，並隨後在溶液502位於非多孔性半導體層104n上時活化氫氟酸。氫氟酸可例如：通過向溶液502施加足夠的電壓而以電化學方式被活化(陽極蝕刻)；通過向溶液502添加具有足夠標準電極電勢(standard electrode potential)的氧化劑而以電化學方式被活化(染色蝕刻(stain etching))；或通過以激光或具有足夠短的波長的燈輻照溶液502以激發溶液502中及/或非多孔性半導體層104n中的電子至導帶(conduction band)而以光電化學方式被活化。在一些實施例中，溶液502還包括氮化鐵。
如圖6所示的剖視圖600所說明，在半導體基底104的後側表面104b中形成周期性結構106。在其中存在多孔性半導體層104p的一些實施例中，直接在多孔性半導體層104p中形成周期性結構106。在其中省略了多孔性半導體層104p的一些實施例中，直接在非多孔性半導體層104n中形成周期性結構106。在一些實施例中，周期性結構106包括多個被形成為周期性圖案的突起106p。為便於說明，僅將突起106p中的一者標記為106p。周期性圖案可以是例如排列成多行及多列的二維突起陣列。
在一些實施例中，用於形成周期性結構106的製程包括對半導體基底104的後側表面104b進行選擇性幹蝕刻。例如，可 在後側表面104b上形成光阻層602，並以突起106p的周期性圖案對光阻層602進行圖案化。然後可在光阻層602保持處於原位的情况下向後側表面104b施加幹蝕刻劑604以形成突起106p，且隨後可剝除光阻層602。在一些實施例中，用於形成周期性結構106的製程進一步包括對半導體基底104的後側表面104b進行濕蝕刻，以消除選擇性幹蝕刻對半導體基底104的損害。例如，可在剝除光阻層602之前或之後將濕蝕刻劑(圖中未示出)施加至後側表面104b。濕蝕刻劑可以是例如氫氧化四甲銨(TMAH)。
對半導體基底104的損害可導致沿半導體基底104的後側表面104b產生電子陷阱(electron trap)。此外，由於此後形成的光檢測器沿後側表面104b形成於半導體基底104中，因此電子陷阱可繼而導致產生泄漏電流、暗電流、及白色像素、或上述的組合。因此，濕蝕刻有利地移除電子陷阱。
如圖7所示的剖視圖700所說明，在半導體基底104的後側表面104b上形成高吸收性層110。在其中存在多孔性半導體層104p的一些實施例中，高吸收性層110被形成為直接接觸多孔性半導體層104p。在其中省略了多孔性半導體層104p的一些實施例中，高吸收性層110被形成為直接接觸非多孔性半導體層104n。在一些實施例中，高吸收性層110共形地形成。在一些實施例中，以與多孔性半導體層104p及/或非多孔性半導體層104n相同的摻雜類型形成高吸收性層110。在一些實施例中，高吸收性層110是由具有直接帶隙的半導體材料形成，及/或形成有低帶隙。低帶隙 可以是例如小於約1.0eV、0.8eV、或0.5eV的帶隙，及/或是小於非多孔性半導體層104n的帶隙的帶隙。
在一些實施例中，高吸收性層110被形成為半導體基底104的摻雜區。在一些此類實施例中，高吸收性層110摻雜有硫族元素，例如S、Se、Te、或其組合。摻雜可例如通過向半導體基底104的後側表面104b中進行離子植入而執行。此外，在其中高吸收性層110摻雜有硫族元素的一些實施例中，以超過溶解度極限對高吸收性層110進行摻雜(即，使高吸收性層110過飽和)，從而有利地促進光子的子帶隙吸收。過飽和可例如通過向後側表面104b中進行離子植入隨後進行脉衝式激光熔融(例如，1-7、2-6、3-5、或4次激光照射)而執行。
在其他實施例中，高吸收性層110是磊晶層。在一些磊晶實施例中，高吸收性層110是矽鍺，或作為另一選擇是摻雜有硫族元素的矽(例如，單晶矽)。例如，磊晶層可以是摻雜有S、Se、Te、或上述的組合的矽。此外，在一些磊晶實施例中，可以使高吸收性層110的如上所述的硫族元素過飽和。磊晶可例如通過例如化學氣相沉積、物理氣相沉積、或分子束磊晶而執行，及/或摻雜可例如通過離子植入而執行。
如圖8所示的剖視圖800所說明，在高吸收性層110上方形成保護層112。在一些實施例中，保護層112被形成為其內表面112i適形於半導體基底104的後側表面104b、及/或高吸收性層110。例如，保護層112可包括分別容置周期性結構106的突起106p 的多個凹陷(depression)112d。此外，在一些實施例中，保護層112形成有外表面112o，外表面112o是平面的且與高吸收性層110位於保護層112的相對側上。
用於形成保護層112的製程可包括例如沉積或生長保護層112。所述沉積或生長可例如通過熱氧化、化學或物理氣相沉積、濺鍍、一些其他沉積或生長製程、或上述的組合而執行。此外，用於形成保護層112的製程可包括例如向保護層112的外表面112o執行平面化。所述平面化可例如通過化學機械拋光(chemical mechanical polish，CMP)而執行。
如圖9所示的剖視圖900所說明，在一些實施例中，在保護層112的外表面112o處將保護層112結合至載體基底402。載體基底402可以是例如單晶矽或一些其他半導體材料。在一些實施例中，結合製程包括熔接結合製程。
如圖10所示的剖視圖1000所說明，將圖9所示的結構垂直翻轉，且在一些實施例中，將半導體基底104薄化以將半導體基底104的厚度自第一厚度T1减小至第二厚度T2。第二厚度T2可例如小於載體基底402的第三厚度T3。在一些實施例中，半導體基底104通過以下方式得到薄化：向半導體基底104的前側表面104f執行蝕刻，及/或向半導體基底104的前側表面104f執行平面化。所述平面化可例如通過CMP而執行。
如圖11所示的剖視圖1100所說明，在半導體基底104的前側表面104f上形成多個高吸收性像素感測器102a至高吸收性 像素感測器102c。高吸收性像素感測器102a至高吸收性像素感測器102c中的每一者形成有光檢測器114，且在一些實施例中，形成有一個或多個像素電晶體。像素感測器的所述一個或多個像素電晶體可包括例如轉移電晶體206、源極跟隨器電晶體(圖中未示出)、復位電晶體(圖中未示出)、行選擇電晶體(圖中未示出)、或上述的組合。為便於說明，僅將光檢測器114中的一者標記為114，且僅將轉移電晶體206中的一者標記為206。
光檢測器114各自形成有第一摻雜類型區114a、第二摻雜類型區114b、以及光敏接面202。為便於說明，僅將第一摻雜類型區114a中的一者標記為114a，僅將第二摻雜類型區114b中的一者標記為114b，且僅將光敏接面202中的一者標記為202。第一摻雜類型區114a形成於半導體基底104中，且以與第二摻雜類型區114b相反的摻雜類型形成。第二摻雜類型區114b被形成為與第一摻雜類型區114a接界，且形成於高吸收性層110中，並在一些實施例中形成於半導體基底104中。光敏接面202被形成為PN接面及/或PIN接面，且至少部分地由第一摻雜類型區114a及第二摻雜類型區114b界定。
在一些實施例中，半導體基底104及/或高吸收性層110最初具有單一第一摻雜類型，使得光檢測器114可通過在半導體基底104中以與第一摻雜類型相反的第二摻雜類型形成第一摻雜類型區114a而形成。第一摻雜類型區114a可例如通過將摻雜劑選擇性地植入半導體基底104中而形成。
轉移電晶體206各自包括閘極208、閘極介電層210、第一源極/汲極區、以及第二源極/汲極區。第一源極/汲極區可以是例如第一摻雜類型區114a中的相應一者。第二源極/汲極區可以是例如FDN 212。為便於說明，僅將閘極208中的一者標記為208，僅將閘極介電層210中的一者標記為210，且僅將FDN 212中的一者標記為212。閘極208在半導體基底104上方通過閘極介電層210與半導體基底104間隔開，且各自具有分別與第一源極/汲極區及第二源極/汲極區接界的相對的側面。
在一些實施例中，在形成光檢測器114之前執行用於形成轉移電晶體206(或其他像素電晶體)的製程。此外，在一些實施例中，用於形成轉移電晶體206的製程包括形成堆疊於半導體基底104上方的介電層及電極層。所述介電層可例如通過熱氧化、氣相沉積、濺鍍、一些其他沉積或生長製程、或上述的組合而形成。所述電極層可例如通過電化學鍍層、氣相沉積、濺鍍、一些其他沉積或生長製程、或上述的組合而形成。此外，在一些實施例中，用於形成轉移電晶體206的製程包括向介電層及電極層執行選擇性蝕刻，以界定閘極208及閘極介電層210。選擇性蝕刻可例如利用光微影執行。此外，在一些實施例中，用於形成轉移電晶體206的製程包括將摻雜劑選擇性地植入半導體基底104中，從而界定光檢測器114的第一摻雜類型區114a及FDN 212。
圖11所示的剖視圖1100還說明，在半導體基底104的與高吸收性像素感測器102a至高吸收性像素感測器102c對應的 區之間形成隔離結構214。隔離結構214可例如被形成為STI區、DTI區、植入隔離區、或上述的組合。在一些實施例中，用於形成隔離結構214的製程包括選擇性地蝕刻半導體基底104以形成溝槽，並隨後形成填充所述溝槽的一種或多種介電材料。此外，在一些實施例中，隔離結構214是在形成高吸收性像素感測器102a至高吸收性像素感測器102c之前形成。
如圖12所示的剖視圖1200所說明，在高吸收性像素感測器102a至高吸收性像素感測器102c以及半導體基底104上方形成互連結構216。互連結構216包括ILD層218、多個布線層220、以及多個通孔222。為便於說明，僅將布線層220中的一者標記為220，且僅將通孔222中的一者標記為222。布線層220與通孔222在ILD層218中交替堆疊。
在一些實施例中，用於形成互連結構216的製程包括：在半導體基底104上方重複地形成ILD子層(即，ILD層218的子層)，向ILD子層的上表面或頂表面執行平面化，選擇性地蝕刻ILD子層以形成通孔開口及/或布線開口，並以導電材料填充通孔開口及/或布線開口。ILD子層可例如通過熱氧化、化學或物理氣相沉積、濺鍍、一些其他生長或沉積製程、或上述的組合而形成。平面化可例如通過CMP而執行。選擇性蝕刻可例如利用光微影而執行。填充可例如通過化學或物理氣相沉積、電鍍、無電鍍、一些其他生長或沉積製程、或上述的組合而執行。在一些實施例中，用於形成互連結構216的製程包括重複地執行雙嵌入式 (dual-damascene-like)製程或單嵌入式(single-damascene-like)製程以形成布線層220及通孔222。雙嵌入式製程及單嵌入式製程分別是不限制於銅的雙嵌入製程及單嵌入製程。
如圖13所示的剖視圖1300所說明，分別在高吸收性像素感測器102a至高吸收性像素感測器102c上方形成多個濾光片404。為便於說明，僅將濾光片404中的一者標記為404。在一些實施例中，濾光片404是通過以下方式形成：形成指定波長(例如，紅色波長)輻射的濾光層，將所述濾光層圖案化，然後針對不同波長(例如，藍色波長)的輻射重複上述操作。
圖13所示的剖視圖1300還說明，分別在濾光片404上方形成多個微透鏡406。在一些實施例中，用於形成微透鏡406的製程包括：在濾光片404上方形成微透鏡層，並隨後在所述微透鏡層上方形成個別地對應於微透鏡406的微透鏡模板。微透鏡層可例如通過旋塗製程或沉積製程而形成。微透鏡模板可例如通過以下方式而形成：在微透鏡層上方沉積(例如，濺鍍)光阻層，以微透鏡的布局對所述光阻層進行圖案化以形成微透鏡模板，並執行回流(reflow)操作以使微透鏡模板的上表面或頂表面彎曲。在一些實施例中，所述製程進一步包括：在原位以微透鏡模板對微透鏡層進行蝕刻，並剝除所述微透鏡模板。
參照圖14，提供了圖5至圖13所示方法的一些實施例的流程圖1400。
在步驟1402處，提供半導體基底，其中半導體基底包括 非多孔性半導體層，所述非多孔性半導體層是沿著半導體基底的前側。在一些實施例中，半導體基底還包括沿著半導體基底的後側的多孔性半導體層。參見例如圖5。
在步驟1404處，向半導體基底的後側執行蝕刻，以在半導體基底的後側上形成周期性結構。參見例如圖6。
在步驟1406處，形成對半導體基底的後側進行襯覆的高吸收性層。參見例如圖7。高吸收性層具有低能隙(例如，小於約1eV及/或小於非多孔性半導體層的能隙)，以使得高吸收性層有利地具有高吸收係數。高吸收性層可以是例如矽鍺、或摻雜有硫族元素的單晶矽。
在步驟1408處，在半導體基底的後側上形成覆蓋高吸收性層的保護層。參見例如圖8。
在步驟1410處，在一些實施例中，將載體基底經由保護層及高吸收性層結合到半導體基底的後側。參見例如圖9。
在步驟1412處，在一些實施例中，通過半導體基底的前側薄化半導體基底。參見例如圖10。
在步驟1414處，在半導體基底的前側上形成像素感測器，其中像素感測器包括位於半導體基底及高吸收性層中的光檢測器。參見例如圖11。有利地，通過將光檢測器設置於高吸收性層中，光檢測器具有高量子效率。
在步驟1416處，在半導體基底的前側上形成覆蓋像素感測器的互連結構，其中所述互連結構包括布線層及與所述布線層 交替堆疊的通孔。參見例如圖12。
在步驟1418處，形成堆疊於半導體基底的前側上的像素感測器上方的濾光片及微透鏡。參見例如圖13。
儘管在本文中將圖14所示的流程圖1400說明並闡述為一系列動作或事件，然而應理解，此類動作或事件的所說明的次序不應被解釋為具有限制性意義。例如，某些動作可以不同的次序發生及/或與除本文中所說明及/或闡述的動作或事件以外的其他動作或事件同步地發生。此外，可能並非需要所有所說明的動作來實施本文中所作說明的一個或多個方面或實施例，且本文中所繪示的一個或多個動作可以一個或多個單獨的動作及/或階段施行。
參照圖15至圖23，提供一系列剖視圖1500至2300，其說明一種製造具有高吸收性像素感測器的BSI影像感測器的方法的一些實施例。例如，所述方法可用以製造圖4B所示的BSI影像感測器。
如圖15所示的剖視圖1500所說明，在半導體基底104的前側表面104f上形成多個高吸收性像素感測器102a至高吸收性像素感測器102c。此外，在一些實施例中，形成隔離結構214以標定半導體基底104的與高吸收性像素感測器102a至高吸收性像素感測器102c對應的區。可例如如參照圖11所述而形成高吸收性像素感測器102a至高吸收性像素感測器102c及/或隔離結構214。
如圖16所示的剖視圖1600所說明，在高吸收性像素感測器102a至高吸收性像素感測器102c及半導體基底104上方形成互連結構216。可例如如參照圖12所述而形成互連結構216。
如圖17所示的剖視圖1700所說明，在一些實施例中，將圖16所示的結構垂直翻轉並結合至載體基底402。可例如如參照圖9所述而執行結合。
如圖18所示的剖視圖1800所說明，在一些實施例中，將半導體基底104薄化。可例如如參照圖10所述而執行薄化。
如圖19所示的剖視圖1900所說明，在一些實施例中，向半導體基底104執行蝕刻，以將半導體基底104劃分為非多孔性半導體層104n及多孔性半導體層104p。多孔性半導體層104p是沿著半導體基底104的後側表面104b，且非多孔性半導體層104n是沿著半導體基底104的前側表面。可例如如參照圖5所述而形成多孔性半導體層104p。
如圖20所示的剖視圖2000所說明，在半導體基底104的後側表面104b中形成周期性結構106。可例如如參照圖6所述而形成周期性結構106。
如圖21所示的剖視圖2100所說明，形成對半導體基底104的後側表面104b進行襯墊的高吸收性層110。可例如如參照圖7所述而形成高吸收性層110。
如圖22所示的剖視圖2200所說明，在高吸收性層110上方形成保護層112。可例如如參照圖8所述而形成保護層112。
如圖23所示的剖視圖2300所說明，分別在高吸收性像素感測器102a至102c上方形成多個濾光片404。此外，分別在濾光片404上方形成多個微透鏡406。可例如如參照圖13所述而形成濾光片404及/或微透鏡406。
參照圖24，提供圖15至圖23所示方法的一些實施例的流程圖2400。
在步驟2402處，在半導體基底的前側上形成像素感測器，其中像素感測器包括位於半導體基底中的光檢測器。參見例如圖15。
在步驟2404處，在半導體基底的前側上形成覆蓋像素感測器的互連結構，其中所述互連結構包括布線層及與所述布線層交替堆疊的通孔。參見例如圖16。
在步驟2406處，在一些實施例中，將載體基底經由互連結構結合到半導體基底的前側。參見例如圖17。
在步驟2408處，在一些實施例中，通過半導體基底的後側薄化半導體基底。參見例如圖18。
在步驟2410處，在一些實施例中，向半導體基底的後側執行第一蝕刻，以將半導體基底劃分為多孔性半導體層及非多孔性半導體層。參見例如圖19。
在步驟2412處，向半導體基底的後側執行第二蝕刻，以沿半導體基底的後側形成周期性結構。參見例如圖20。
在步驟2414處，形成對半導體基底的後側進行襯墊的 高吸收性層。參見例如圖21。
在步驟2416處，在半導體基底的後側上形成覆蓋高吸收性層的保護層。參見例如圖22。
在步驟2418處，形成堆疊於半導體基底的前側上的像素感測器上方的濾光片及微透鏡。參見例如圖23。
儘管在本文中將圖24所示的流程圖2400說明並闡述為一系列動作或事件，然而應理解，此類動作或事件的所說明的次序不應被解釋為具有限制性意義。例如，某些動作可以不同的次序發生及/或與除本文中所說明及/或闡述的動作或事件以外的其他動作或事件同步地發生。此外，可能並非需要所有所說明的動作來實施本文中所作說明的一個或多個方面或實施例，且本文中所繪示的一個或多個動作可以一個或多個單獨的動作及/或階段施行。
有鑒於此，本申請的一些實施例提供一種影像感測器。半導體基底包括非多孔性半導體層。所述非多孔性半導體層是沿著所述半導體基底的前側。周期性結構是沿著所述半導體基底的後側。所述周期性結構包括由所述半導體基底界定的多個突起。高吸收性層在所述半導體基底的所述後側上對所述周期性結構進行襯覆。所述高吸收性層是能隙小於所述非多孔性半導體層的能隙的半導體材料。光檢測器位於所述半導體基底及所述高吸收性層中。
在本發明的實施例中，所述非多孔性半導體層是單晶 矽，且其中所述高吸收層是矽鍺或摻雜有硫族元素的單晶矽。
在本發明的實施例中，所述高吸收性層的所述能隙小於約1電子伏特，且其中所述非多孔性半導體層的所述能隙大於約1電子伏特。
在本發明的實施例中，所述高吸收性層是矽鍺。
在本發明的實施例中，所述高吸收性層被摻雜有硫族元素，且其中所述高吸收性層是與所述非多孔性半導體層相同的半導體材料。
在本發明的實施例中，所述多個突起中的突起是圓錐形或棱錐形的。
在本發明的實施例中，其中所述高吸收性層共形地襯覆所述周期性結構。
在本發明的實施例中，其中所述半導體基底進一步包括沿所述半導體基底的所述後側且位於所述非多孔性半導體層與所述高吸收性層之間的多孔性半導體層，且其中所述周期性結構是由所述多孔性半導體層界定。
在本發明的實施例中，其中所述光檢測器包括位於所述多孔性半導體層與所述高吸收性層之間界面處的PN接面。
在本發明的實施例中，其中所述影像感測器進一步包括像素電晶體，位於所述半導體基底的所述前側上，其中所述像素電晶體包括位於所述非多孔性半導體層中的源極/汲極區。
在本發明的實施例中，其中所述源極/汲極區具有第一摻 雜類型，其中所述高吸收性層具有與所述第一摻雜類型相反的第二摻雜類型，且其中所述源極/汲極區從所述半導體基底的所述前側延伸至所述半導體基底的所述後側上的所述半導體基底與所述高吸收性層之間的界面。
此外，本申請的其他實施例提供一種製造影像感測器的方法。提供半導體基底。所述半導體基底包括位於所述半導體基底的前側上的非多孔性半導體層。向所述半導體基底的後側執行蝕刻，以在所述後側上形成多個表面突起。所述表面突起被形成為周期性圖案，且其中所述後側與所述前側相對。在所述半導體基底的所述後側上形成對所述多個表面突起進行襯覆的高吸收性層。所述高吸收性層是帶隙能量低於所述非多孔性半導體層的帶隙能量的半導體材料。在所述半導體基底及所述高吸收性層中形成光檢測器。
在本發明的實施例中，其中所述半導體基底進一步包括位於所述半導體基底的所述後側上的多孔性半導體層，且其中所述提供所述半導體基底包括向所述非多孔性半導體層執行第二蝕刻，以從所述非多孔性半導體層的一部分形成所述多孔性半導體層。
在本發明的實施例中，其中所述蝕刻是選擇性地向所述多孔性半導體層執行以形成所述多個表面突起。
在本發明的實施例中，其中所述光檢測器包括第一摻雜類型區及第二摻雜類型區，其中所述第一摻雜類型區與所述第二 摻雜類型區具有相反的摻雜類型且共同界定PN接面，且其中所述形成所述光檢測器包括向所述半導體基底的所述前側中植入摻雜劑以形成所述第一摻雜類型區。
在本發明的實施例中，製造影像感測器的方法更包括在所述半導體基底的所述前側上形成像素電晶體，其中所述像素電晶體是在形成所述高吸收性層之後形成，且其中所述像素電晶體的源極/汲極區是所述第一摻雜類型區。
在本發明的實施例中，製造影像感測器的方法更包括在所述半導體基底的所述前側上形成像素電晶體，其中所述像素電晶體是在形成所述高吸收性層之前形成，且其中所述像素電晶體的源極/汲極區是所述第一摻雜類型區。
在本發明的實施例中，所述高吸收層是由矽鍺形成，或由被摻雜有硫族元素的單晶矽形成。
在本發明的實施例中，製造影像感測器的方法更包括：在所述半導體基底的所述後側上形成覆蓋所述高吸收性層的保護層；將載體基底經由所述保護層結合到所述半導體基底的所述後側；以及在所述半導體基底的所述前側薄化所述半導體基底。
另外，本申請的其他實施例提供一種影像感測器。半導體基底包括非多孔性半導體層及多孔性半導體層。所述非多孔性半導體層是沿著所述半導體基底的前側。所述多孔性半導體層是沿著所述半導體基底的與所述前側相對的後側。高吸收性層在所述半導體基底的所述後側上襯覆所述多孔性半導體層。所述高吸 收性層具有比所述非多孔性半導體層高的吸收係數。光檢測器包括第一摻雜類型區及第二摻雜類型區。所述第一摻雜類型區處於所述非多孔性半導體層與所述多孔性半導體層二者中。所述第二摻雜類型區處於所述高吸收性層中且具有與所述第一摻雜類型區相反的摻雜類型。所述第一摻雜類型區與所述第二摻雜類型區介接而界定光敏接面。轉移電晶體位於所述半導體基底的所述前側上。所述轉移電晶體包括源極/汲極區，且其中所述源極/汲極區是所述第一摻雜類型區。
以上概述了若干實施例的特徵，以使所屬領域中的技術人員可更好地理解本發明的各個方面。所屬領域中的技術人員應理解，其可容易地使用本發明作為設計或修改其他製程及結構的基礎來施行與本文中所介紹的實施例相同的目的及/或實現與本文中所介紹的實施例相同的優點。所屬領域中的技術人員還應認識到，這些等效構造並不背離本發明的精神及範圍，而且他們可在不背離本發明的精神及範圍的條件下對其作出各種改變、代替、及變更。

Claims (13)

  1. 一種影像感測器，包括：半導體基底，包括非多孔性半導體層，其中所述非多孔性半導體層是沿著所述半導體基底的前側；沿著所述半導體基底的後側的周期性結構，其中所述周期性結構包括由所述半導體基底界定的多個突起；高吸收性層，在所述半導體基底的所述後側上對所述周期性結構進行襯覆，其中所述高吸收性層是能隙小於所述非多孔性半導體層的能隙的半導體材料；光檢測器，位於所述半導體基底及所述高吸收性層中；以及像素電晶體，位於所述半導體基底的所述前側上，其中所述像素電晶體包括位於所述非多孔性半導體層中的源極/汲極區。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中所述高吸收性層是矽鍺或者是被摻雜有硫族元素的與所述非多孔性半導體層相同的半導體材料。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中所述高吸收性層共形地襯覆所述周期性結構。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中所述半導體基底進一步包括沿所述半導體基底的所述後側且位於所述非多孔性半導體層與所述高吸收性層之間的多孔性半導體層，且其中所述周期性結構是由所述多孔性半導體層界定。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的影像感測器，其中所述光檢測器包括位於所述多孔性半導體層與所述高吸收性層之間界面處的PN接面。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中所述源極/汲極區具有第一摻雜類型，其中所述高吸收性層具有與所述第一摻雜類型相反的第二摻雜類型，且其中所述源極/汲極區從所述半導體基底的所述前側延伸至所述半導體基底的所述後側上的所述半導體基底與所述高吸收性層之間的界面。
  7. 一種製造影像感測器的方法，包括：提供半導體基底，其中所述半導體基底包括位於所述半導體基底的前側上的非多孔性半導體層；向所述半導體基底的後側執行蝕刻，以在所述後側上形成多個表面突起，其中所述表面突起被形成為周期性圖案，且其中所述後側與所述前側相對；在所述半導體基底的所述後側上形成對所述多個表面突起進行襯覆的高吸收性層，其中所述高吸收性層是帶隙能量低於所述非多孔性半導體層的帶隙能量的半導體材料；在所述半導體基底及所述高吸收性層中形成光檢測器；以及在所述半導體基底的所述前側上形成像素電晶體，其中所述像素電晶體的源極/汲極區是所述第一摻雜類型區。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的製造影像感測器的方法，其中所述半導體基底進一步包括位於所述半導體基底的所述後側上的多孔性半導體層，且其中所述提供所述半導體基底包括：向所述非多孔性半導體層執行第二蝕刻，以從所述非多孔性半導體層的一部分形成所述多孔性半導體層。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的製造影像感測器的方法，其中所述蝕刻是選擇性地向所述多孔性半導體層執行以形成所述多個表面突起。
  10. 如申請專利範圍第7項所述的製造影像感測器的方法，其中所述光檢測器包括第一摻雜類型區及第二摻雜類型區，其中所述第一摻雜類型區與所述第二摻雜類型區具有相反的摻雜類型且共同界定PN接面，且其中所述形成所述光檢測器包括向所述半導體基底的所述前側中植入摻雜劑以形成所述第一摻雜類型區。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的製造影像感測器的方法，其中所述像素電晶體是在形成所述高吸收性層之後或之前形成。
  12. 如申請專利範圍第7項所述的製造影像感測器的方法，更包括：在所述半導體基底的所述後側上形成覆蓋所述高吸收性層的保護層；將載體基底經由所述保護層結合到所述半導體基底的所述後側；以及在所述半導體基底的所述前側薄化所述半導體基底。
  13. 一種影像感測器，包括：半導體基底，包括非多孔性半導體層及多孔性半導體層，其中所述非多孔性半導體層是沿著所述半導體基底的前側，且其中所述多孔性半導體層是沿著所述半導體基底的與所述前側相對的後側；高吸收性層，在所述半導體基底的所述後側上襯覆所述多孔性半導體層，其中所述高吸收性層具有比所述非多孔性半導體層高的吸收係數；光檢測器，包括第一摻雜類型區及第二摻雜類型區，其中所述第一摻雜類型區處於所述非多孔性半導體層與所述多孔性半導體層二者中，其中所述第二摻雜類型區處於所述高吸收性層中且具有與所述第一摻雜類型區相反的摻雜類型，且其中所述第一摻雜類型區與所述第二摻雜類型區介接而界定光敏接面；以及轉移電晶體，位於所述半導體基底的所述前側上，其中所述轉移電晶體包括源極/汲極區，且其中所述源極/汲極區是所述第一摻雜類型區。
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