TWI691096B - 半導體元件及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明實施例提供一種半導體元件及其製造方法。半導體元件包括基底以及位於基底中的第一摻雜區、多個第二摻雜區與多個光電二極體，且包括設置於基底上的多個彩色濾光圖案。基底具有第一導電型，而第一摻雜區與第二摻雜區具有第二導電型。光電二極體由基底的頂面向內部延伸。多個彩色濾光圖案分別縱向地交疊於多個光電二極體。多個第二摻雜區接觸於第一摻雜區並位於多個光電二極體與第一摻雜區之間。兩兩相鄰的第二摻雜區之間具有上間隔區，多個上間隔區縱向地交疊於多個彩色濾光圖案中具有穿透波長在620 nm至1000 nm範圍中的若干者。

Description

半導體元件及其製造方法
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（image sensor）及其製造方法。
利用半導體製程製作的影像感測器（image sensor）可用來感測入射至基底的光線。影像感測器利用感測單元陣列來接收光能量並轉換為數位訊號。然而，因基底對不同波長光的吸收深度不同，各感測單元之間會存在不同程度的串擾（crosstalk）問題。具體而言，基底對於波長較長的入射光需具有較大的吸收深度，來增加對光子的吸收效率。在基底深處因入射光產生的載子已遠離感測單元的電場範圍，而可擴散至鄰近其他顏色的感測單元。如此一來，造成各種顏色的感測單元無法吸收僅由對應的色光所產生的載子，而產生感測誤差。
本發明提供一種半導體元件及其製造方法。半導體元件可作為影像感測器，且可降低相鄰感測單元之間的串擾。
本發明的半導體元件包括基底、多個光電二極體、多個彩色濾光圖案、第一摻雜區以及多個第二摻雜區。基底具有第一導電型。多個光電二極體由基底的頂面向基底的內部延伸。多個彩色濾光圖案設置於基底上，且分別縱向地交疊於多個光電二極體。第一摻雜區設置於基底中且具有第二導電型。多個第二摻雜區設置於基底中且具有所述第二導電型。多個第二摻雜區接觸於第一摻雜區並位於多個光電二極體與第一摻雜區之間。兩兩相鄰的第二摻雜區之間具有上間隔區，多個上間隔區縱向地交疊於多個彩色濾光圖案中具有穿透波長在620 nm至1000 nm範圍中的若干者。
在一些實施例中，基底包括半導體基板以及磊晶層。磊晶層設置於半導體基板上。第一摻雜區由半導體基板內延伸至磊晶層的底部中，且多個第二摻雜區位於磊晶層內。
在一些實施例中，第一摻雜區連續地延伸，且垂直地交疊於多個第二摻雜區與多個光電二極體。
在一些實施例中，第一摻雜區的頂面定義出多個上間隔區的底面。
在一些實施例中，第一摻雜區的數量為多數。兩兩相鄰第一摻雜區之間具有下間隔區，多個下間隔區分別縱向地連通於多個上間隔區中的若干者。
在一些實施例中，多個下間隔區垂直地交疊於多個彩色濾光圖案中穿透波長在760 nm至1000 nm的範圍內的一者。
在一些實施例中，多個第二摻雜區延伸至第一摻雜區中。
在一些實施例中，半導體元件更包括第三摻雜區。第三摻雜區設置於基底中且具有第二導電型。第三摻雜區電性連接於多個第二摻雜區與第一摻雜區。
在一些實施例中，半導體元件更包括多個隔離結構，由基底的頂面往基底的內部延伸，且分別位於兩相鄰光電二極體之間。
在一些實施例中，多個隔離結構的深度小於多個光電二極體的深度。
在一些實施例中，多個隔離結構的深度大於多個光電二極體的深度。
在一些實施例中，半導體元件更包括多個場摻雜區，設置於基底中且具有第一導電型。多個隔離結構位於多個場摻雜區中。
本發明實施例的半導體元件的製造方法包括：在半導體基板內形成第一初始摻雜區，其中半導體基板具有第一導電型，且第一初始摻雜區具有第二導電型；在半導體基板上形成磊晶層，且使第一初始摻雜區向上擴散以延伸至磊晶層中，而形成第一摻雜區，其中磊晶層具有第一導電型；在磊晶層中形成具有第二導電型的多個第二摻雜區，其中多個第二摻雜區接觸於第一摻雜區，且位於磊晶層的頂面與第一摻雜區之間；在磊晶層中形成多個光電二極體，其中多個第二摻雜區位於多個光電二極體與第一摻雜區之間；在磊晶層上形成多個彩色濾光圖案，其中多個彩色濾光圖案分別交疊於多個光電二極體。兩兩相鄰的第二摻雜區之間具有上間隔區，多個上間隔區垂直地交疊於多個彩色濾光圖案中具有穿透波長在620至1000 nm範圍中的若干者。
在一些實施例中，多個第二摻雜區位於磊晶層與半導體基板中。形成多個第二摻雜區的方法包括：在形成第一初始摻雜區之後在半導體基板中形成多個第二初始摻雜區。多個第二初始摻雜區位於半導體基板的頂面與第一初始摻雜區之間。在形成磊晶層時多個第二初始摻雜區向上擴散以延伸至磊晶層中，而形成多個第二摻雜區。
在一些實施例中，第一初始摻雜區與第一摻雜區的數量分別為多數。兩兩相鄰的第一摻雜區之間具有下間隔區，多個下間隔區垂直地交疊於多個上間隔區中的若干者，並垂直地交疊於多個彩色濾光圖案中穿透波長在760 nm至1000 nm的範圍內的若干者。
在一些實施例中，半導體元件的製造方法更包括：在磊晶層中形成具有第二導電型的第三摻雜區。第三摻雜區電性連接於多個第二摻雜區與第一摻雜區。
基於上述，本發明實施例的半導體元件可作為影像感測器，且包括埋設於基底中且彼此電性相連的第一摻雜區與多個第二摻雜區。藉由使第一摻雜區與第二摻雜區接收偏壓，可引導形成於基底內部的載子經由第一摻雜區與第二摻雜區而離開基底。如此一來，可降低相鄰次像素（或稱感測單元）之間的串擾。此外，位於第一摻雜區上方的多個第二摻雜區彼此分離，且基底的延伸至兩相鄰第二摻雜區之間的部分縱向地交疊於長波長的次像素。如此一來，可提高長波長入射光所通過的吸收區的吸收深度。因此，可提高長波長次像素的量子效率。
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是依照本發明一些實施例的半導體元件的製造方法的流程圖。圖2A至圖2F是圖1所示的半導體元件的製造方法中各階段的結構的剖視示意圖。
請參照圖1與圖2A，進行步驟S100，提供半導體基板W。在一些實施例中，半導體基板W為半導體晶圓。在另一些實施例中，半導體基板W為包括埋入式絕緣層的絕緣體上覆半導體（semiconductor-on-insulator，SOI）晶圓。半導體基板W中的半導體材料可包括元素半導體、合金半導體或化合物半導體。舉例而言，元素半導體可包括Si或Ge。合金半導體可包括SiGe、SiGeC等。化合物半導體可包括SiC、III-V族半導體材料或II-VI族半導體材料。此外，半導體材料可經摻雜為第一導電型。在一些實施例中，第一導電型為P型，但本發明實施例並不以此為限。
在一些實施例中，最終形成的半導體元件（如圖2F所示的半導體元件10）具有中央區CR與圍繞中央區CR的邊緣區PR。中央區CR內設置有多個光電二極體（如圖2F所示的光電二極體PD），而邊緣區PR內則未設置有光電二極體。在此些實施例中，半導體基板W以及後續形成於其上的材料層也可劃分為中央區CR與邊緣區PR。
進行步驟S102，在半導體基板W中形成第一初始摻雜區102。第一初始摻雜區102具有與第一導電型互補的第二導電型，例如是N型。舉例而言，第一初始摻雜區102的摻雜濃度可在10 13cm -2至10 16cm -2的範圍內。在一些實施例中，第一初始摻雜區102連續地延伸於中央區CR內，而並未延伸至邊緣區PR中。此外，第一初始摻雜區102為淺層的摻雜區。在一些實施例中，自半導體基板W的頂面至第一初始摻雜區102的頂面之深度D1在0 μm至1 μm的範圍內。另一方面，第一初始摻雜區102的厚度T1可在10 nm至1 μm的範圍內。
請參照圖1與圖2B，進行步驟S104，在半導體基板W上形成磊晶層EP。半導體基板W與磊晶層EP可一併地標示為基底SB。在一些實施例中，磊晶層EP實質上全面地覆蓋於半導體基板W上，而延伸於中央區CR與邊緣區PR中。在一些實施例中，磊晶層EP的厚度T2範圍為4 μm至8 μm。此外，磊晶層EP與半導體基板W均具有第一導電型，例如是P型。在一些實施例中，可在用於形成磊晶層EP的磊晶製程中同步進行摻雜。在其他實施例中，也可在磊晶製程之後藉由例如是離子植入（ion implantation）的方式進行摻雜。另一方面，由於磊晶製程是在高溫下進行（例如是1000 ℃至1200 ℃），故鄰近於磊晶層EP的半導體基板W也會受熱。如此一來，位於半導體基板W內的第一初始摻雜區102會向上擴散以延伸至磊晶層EP中，而形成第一摻雜區102a。換言之，第一摻雜區102a縱向地跨越半導體基板W與磊晶層EP的介面。藉由此方法所形成的第一摻雜區102a可位於磊晶層EP的底部。換言之，相較於直接在磊晶層中以離子植入的方式形成摻雜區的方式，本發明實施例的第一摻雜區102a可具有相當大的深度D2。在一些實施例中，第一摻雜區102a的深度D2在3 μm至6 μm的範圍內。此外，在一些實施例中，第一初始摻雜區102也會些微地朝其他方向擴散。在一些實施例中，所形成的第一摻雜區102a的厚度T3可為0.5 μm至4 μm。
請參照圖1與圖2C，進行步驟S106，在磊晶層EP中形成多個第二摻雜區104。第二摻雜區104與第一摻雜區102a均具有第二導電型，例如是N型。在一些實施例中，第二摻雜區104的摻雜濃度在10 12cm -2至10 14cm -2的範圍內。此外，第二摻雜區104的位置靠近磊晶層EP的底部，且位於第一摻雜區102a的上方。舉例而言，自磊晶層EP的頂面至第二摻雜區104的頂面的深度D3可在1.5 μm至3 μm的範圍內，且第二摻雜區104的厚度T4可在0.5 μm至3 μm的範圍內。
多個第二摻雜區104位於中央區CR與邊緣區PR內。位於中央區CR內的多個第二摻雜區104位於磊晶層EP的頂面與第一摻雜區102a之間。再者，位於中央區CR內的第二摻雜區104的底面可接觸於第一摻雜區102a的頂面。在一些實施例中，位於中央區CR內的第二摻雜區104更可縱向地延伸至第一摻雜區102a中。在此些實施例中，位於中央區CR內的第二摻雜區104的底面低於第一摻雜區102a的頂面。此外，中央區CR內的多個第二摻雜區104彼此分離。磊晶層EP的位於相鄰第二摻雜區104之間的部分可稱為上間隔區UI。相鄰第二摻雜區104的彼此面對的側壁定義出上間隔區UI的側面，而下伏的第一摻雜區102a的頂面定義出上間隔區UI的底面。在一些實施例中，上間隔區UI的寬度約為最終形成的影像感測器（例如是圖2F的半導體元件10）中單一次像素（sub-pixel）或單一感測單元的寬度。舉例而言，上間隔區UI的寬度W1可在1 μm至6 μm的範圍中。以另一角度觀之，上間隔區UI也可視為磊晶層EP的延伸至兩相鄰第二摻雜區104之間的延伸部。此外，上間隔區UI垂直地交疊於後續形成在磊晶層EP上的某些彩色濾光圖案。舉例而言，上間隔區UI垂直地交疊於吸收波長在620 nm至1000 nm範圍內的一些彩色濾光圖案（例如是圖2F所示的紅光彩色濾光圖案CFR或圖4所示的紅外光彩色濾光圖案CFI）。另一方面，邊緣區PR可具有一或多個第二摻雜區104。
在一些實施例中，可藉由離子植入製程形成位於中央區CR與邊緣區PR內的多個第二摻雜區104。此外，進行離子植入製程時可藉由在磊晶層EP上形成的光阻圖案（未繪示）定義出中央區CR內多個第二摻雜區104的位置。
請參照圖1與圖2D，進行步驟S108，在磊晶層EP中形成多個場摻雜區FI。場摻雜區FI與磊晶層EP均具有第一導電型（例如是P型），且場摻雜區FI的摻雜濃度高於磊晶層EP的摻雜濃度。舉例而言，場摻雜區FI的摻雜濃度在10 12cm -2至10 14cm -2的範圍內。在一些實施例中，多個場摻雜區FI設置於中央區CR內，且彼此分離。磊晶層EP的位於兩兩相鄰的場摻雜區FI之間的部分可用以在後續步驟中形成多個光電二極體（例如是圖2F所示的光電二極體PD）。在一些實施例中，場摻雜層FI自磊晶層EP的表面向下延伸。在一些實施例中，場摻雜層FI的深度D4在0 μm至3 μm的範圍內。
在一些實施例中，於步驟S108之前或之後，更可在磊晶層EP中形成第三摻雜區106。第一摻雜區102a、第二摻雜區104與第三摻雜區106皆具有第二導電型，例如是N型。在一些實施例中，第三摻雜區106的摻雜濃度在10 12cm -2至10 14cm -2的範圍內。第三摻雜區106可位於中央區CR內，且可位於多個場摻雜區FI的外側。在一些實施例中，第三摻雜區106可包括第三摻雜區106a與第三摻雜區106b。第三摻雜區106a由磊晶層EP的頂面向下延伸，而第三摻雜區106b連接於第三摻雜區106a與第二摻雜區104之間。另外，第二摻雜區104電性連接於第一摻雜區102a。如此一來，第三摻雜區106a、第三摻雜區106b、第二摻雜區104以及第一摻雜區102a彼此電性連接，且可經配置以接收一偏壓，例如是正偏壓。在一些實施例中，第三摻雜區106b的頂部可朝上延伸至第三摻雜區106a中，而第三摻雜區106b的底部可朝下延伸至第二摻雜區104中。
在一些實施例中，於步驟S108之前或之後，更可在磊晶層EP中形成第四摻雜區108。磊晶層EP與第四摻雜區108均具有第一導電型，例如是P型。舉例而言，第四摻雜區108的摻雜濃度在10 12cm -2至10 14cm -2的範圍內。在一些實施例中，第四摻雜區108可包括第四摻雜區108a與第四摻雜區108b。第四摻雜區108a位於中央區CR內，且可位於第三摻雜區106a與多個場摻雜區FI之間。在一些實施例中，第四摻雜區108a更可橫向地延伸至最外側的場摻雜區FI中。由於磊晶層EP與第四摻雜區108具有相同的導電型，故可彼此電性相連，且可經配置以接收一參考電壓或負偏壓。另一方面，第四摻雜區108b位於邊緣區PR內。在一些實施例中，第四摻雜區108b可橫向地延伸於磊晶層EP的位於邊緣區PR內的部分中，而可作為後續形成在邊緣區PR內的主動元件（例如是圖2F的主動元件AD）的井區。
進行步驟S110，以在磊晶層EP中形成隔離結構IS。在一些實施例中，隔離結構IS可包括多個隔離結構ISa以及多個隔離結構ISb。多個隔離結構ISa設置於中央區CR內，且分別位於多個場摻雜區FI中。隔離結構ISa可由磊晶層EP的頂面往磊晶層EP的內部延伸。此外，隔離結構ISa的底面高於場摻雜區FI的底面。換言之，隔離結構ISa的深度D5可小於場摻雜區FI的深度D4。舉例而言，隔離結構ISa的深度D5可在250 nm至400 nm的範圍內。隔離結構ISa與場摻雜區FI可合併地降低後續形成於隔離結構ISa相對兩側的光電二極體（例如是圖2F所示的光電二極體PD）之間的串擾（crosstalk）。另一方面，一些隔離結構ISb位於中央區CR內，而另一些隔離結構ISb位於邊緣區PR內。在一些實施例中，位於中央區CR內的隔離結構ISb可設置於第三摻雜區106a與第四摻雜區108a之間的介面附近。在此些實施例中，位於中央區CR內的隔離結構ISb更可橫向地延伸至第三摻雜區106a與第四摻雜區108a中。此外，位於邊緣區PR內的隔離結構ISb可彼此分離地設置於第四摻雜區108b中。在後續的製程中，可在相鄰的隔離結構ISb之間形成主動元件（例如是圖2F所示的主動元件AD）。在一些實施例中，隔離結構IS（例如是包括隔離結構ISa與隔離結構ISb）為淺溝渠隔離（shallow trench isolation，STI）結構。此外，在一些實施例中，隔離結構ISb的深度可實質上等於隔離結構ISa的深度。
在一些實施例中，隔離結構IS的形成方法可包括在磊晶層EP的表面形成溝渠（未繪示）。接著，藉由例如是化學氣相沈積製程的方法在溝渠中形成絕緣材料，以形成隔離結構IS。
請參照圖1與圖2E，進行步驟S112，以在磊晶層EP中形成多個光電二極體PD。多個光電二極體PD設置於中央區CR內。在一些實施例中，光電二極體PD設置於磊晶層EP的頂部。換言之，第二摻雜區104可位於光電二極體PD與第一摻雜區102a之間。此外，光電二極體PD縱向地交疊於第二摻雜區104與第一摻雜區102a。在一些實施例中，多個光電二極體PD可分別設置於兩相鄰場摻雜區FI之間（亦即兩隔離結構ISa之間）。光電二極體PD可包括第一電極E1與第二電極E2。在一些實施例中，第一電極E1與第二電極E2均為形成於磊晶層EP中的摻雜區。第一電極E1具有第一導電型（例如是P型），而第二電極E2具有第二導電型（例如是N型）。在一些實施例中，第一電極E1的摻雜濃度在10 12cm -2至10 15cm -2的範圍內，而第二電極E2的摻雜濃度在10 12cm -2至10 14cm -2的範圍內。在一些實施例中，第一電極E1設置於第二電極E2上方。在此些實施例中，第一電極E1可由磊晶層EP的頂面往磊晶層EP的內部延伸，且第二電極E2由第一電極E1的底面往下延伸。在一些實施例中，第一電極E1的底面高於隔離結構ISa的底面。另外，第二電極E2的底面可高於場摻雜區FI的底面，而可低於隔離結構ISa的底面。
在一些實施例中，於步驟S112之前或之後，可在第三摻雜區106a的頂部形成接觸區110a。在一些實施例中，接觸區110a為摻雜區，且由磊晶層EP的頂面朝下延伸。在一些實施例中，接觸區110a的底面高於隔離結構ISb的底面，且高於第三摻雜區106a的底面。此外，接觸區110a具有第二導電型（例如是N型），且可電性連接於第三摻雜區106、第二摻雜區104以及第一摻雜區102a。在一些實施例中，接觸區110a為重摻雜區。在此些實施例中，接觸區110a的摻雜濃度高於第三摻雜區106的摻雜濃度。如此一來，藉由設置接觸區110a，可降低第三摻雜區106與後續形成於磊晶層EP上的內連線結構（例如是圖2F所示的內連線結構M）之間的接觸電阻。另一方面，可在第四摻雜區108a的頂部形成接觸區110b。相似於接觸區110a，接觸區110b也可為摻雜區，且由磊晶層EP的頂面朝下延伸。在一些實施例中，接觸區110b的底面高於隔離結構ISb（或隔離結構ISa）的底面，且高於第四摻雜區108a的底面。接觸區110b具有第一導電型（例如是P型），且可電性連接於第四摻雜區108a與磊晶層EP。在一些實施例中，接觸區110b為重摻雜區。在此些實施例中，接觸區110b的摻雜濃度高於第四摻雜區108a的摻雜濃度。如此一來，藉由設置接觸區110b，可降低第四摻雜區108a與後續形成於磊晶層EP上的內連線結構（例如是圖2F所示的內連線結構M）之間的接觸電阻。
在一些實施例中，於步驟S112之前或之後，可在邊緣區PR內形成主動元件AD。各主動元件AD可位於相鄰的隔離結構ISb之間。舉例而言，主動元件AD可為場效電晶體。在一些實施例中，主動元件AD可包括閘極結構GS、汲極DE以及源極SE。閘極結構GS可位於磊晶層EP上，且包括閘極GE、閘介電層GD以及間隙壁（spacer）SP。閘介電層GD位於閘極GE與磊晶層EP的頂面之間，且間隙壁SP圍繞閘極GE與閘介電層GD。另一方面，汲極DE與源極SE可設置於磊晶層EP中且位於閘極結構GS的相對兩側。在一些實施例中，汲極DE與源極SE設置於第四摻雜區108b中。汲極DE與源極SE具有相同的導電型，且此導電型可互補於第四摻雜區108b的導電型。舉例而言，汲極DE與源極SE具有第二導電型（例如是N型），而第四摻雜區108b則具有第一導電型（例如是P型）。在其他實施例中，主動元件AD更可包括二極體、雙極接面電晶體（bipolar junction transistor, BJT）、其類似者或其組合。所屬領域中具有通常知識者可依據設計需求選擇主動元件AD的種類及配置方式，本發明實施例並不以此為限。
請參照圖1與圖2F，進行步驟S114，在磊晶層EP上形成多個介電層DL以及內連線結構M。圖2F僅以簡圖繪示多個介電層DL以及內連線結構M。介電層DL以及內連線結構M形成於中央區CR與邊緣區PR內。多個介電層DL可堆疊於磊晶層EP上，且內連線結構M可形成於多個介電層DL中。多個光電二極體PD可經由內連線結構M而電性連接於邏輯電路（未繪示）。此外，此外內連線結構M可分別電性連接於接觸區110a、接觸區110b以及主動元件AD。在一些實施例中，介電層DL的縱向交疊於多個光電二極體PD的部分（例如是圖2F所示的區域R）內可不具有內連線結構。如此一來，由外界入射的光線可順利地通過此些區域R而進入光電二極體PD，而減少被內連線結構M反射的機會。
進行步驟S116，在最上層的介電層DL上形成彩色濾光層CF。彩色濾光層CF形成於中央區CR內，且交疊於多個光電二極體PD。在一些實施例中，彩色濾光層CF可包括多個彩色濾光圖案，例如包括藍光彩色濾光圖案CFB、綠光彩色濾光圖案CFG以及紅光彩色濾光圖案CFR。在一些實施例中，藍光彩色濾光圖案CFB的穿透波段為476 nm至495 nm。綠光彩色濾光圖案CFG的穿透波段可為495 nm至570 nm。紅光彩色濾光圖案CFR的穿透波段可為620 nm至750 nm。多個彩色濾光圖案分別縱向地交疊於多個光電二極體PD。僅有特定波段的入射光能穿透特定顏色的彩色濾光圖案，接著經過介電層DL的區域R且進入光電二極體PD。如此一來，各光電二極體PD經配置以接收特定波段的光並將其轉換為電訊號。各光電二極體PD以及與其縱向交疊的結構可視為一次像素（sub-pixel）或一感測單元。
進行步驟S118，在彩色濾光層CF上形成多個微透鏡ML。多個微透鏡ML可縱向地交疊於多個彩色濾光圖案，且縱向地交疊於多個光電二極體PD。
至此，已完成本發明一些實施例的半導體元件10。半導體元件10可作為影像感測器。半導體元件10包括設置於磊晶層EP中的第一摻雜區102a與第二摻雜區104。藉由使第一摻雜區102a與第二摻雜區104接收正偏壓，可引導由長波長的入射光在磊晶層EP的深處產生的電子，而使此些電子離開磊晶層EP。如此一來，可進一步地減少相鄰次像素之間的串擾。另一方面，藉由使設置於磊晶層EP中的第四摻雜區108a接收參考電壓或負電壓，可引導由長波長入射光在磊晶層EP深處產生的電洞離開磊晶層EP。此外，對於長波長的入射光（例如是通過紅色彩色濾光圖案CFR的紅光），需要較大的吸收深度方可使對應的光電二極體PD達到足夠的量子效率（quantum efficiency）。本文所述的吸收深度是指磊晶層EP縱向交疊於光電二極體PD的部分之厚度，且此部分不包含第一摻雜區102a與第二摻雜區104。本發明實施例的第二摻雜區104分離設置於磊晶層EP中，且相鄰第二摻雜區104之間的間隙縱向交疊於可穿透長波長光的彩色濾光圖案。如此一來，可使長波長的入射光進入具有較大吸收深度的吸收區。舉例而言，磊晶層EP的位於相鄰第二摻雜區104之間的上間隔區UI縱向地交疊於紅光彩色濾光圖案CFR，以使紅光進入至具有較大吸收深度DA的吸收區AR。因此，可提高對應光電二極體PD的量子效率。
圖3是依照本發明一些實施例的半導體元件10a的中央區CR的剖視示意圖。圖3所示的半導體元件10a相似於圖2F所示的半導體元件10，以下僅描述兩者的差異處，相同或相似處則不再贅述。此外，相同或相似的元件符號代表相同或相似的構件。
請參照圖3，半導體元件10a的隔離結構ISa-1為深溝渠隔離結構（deep trench isolation，DTI）。隔離結構ISa-1的深度D6可大於光電二極體PD的深度。在一些實施例中，隔離結構ISa-1可縱向地延伸以接觸第二摻雜區104的頂面。在另一些實施例中，隔離結構ISa-1的底面高於第二摻雜區104的頂面。在其他實施例中，隔離結構ISa-1更可延伸至第二摻雜區104中，或更可延伸至第一摻雜區102a中。舉例而言，隔離結構ISa-1的深度D6可在1 μm至8 μm的範圍內。在圖3所示的實施例中，場摻雜區FI-1也具有較大的深度。在一些實施例中，場摻雜區FI-1可延伸至第二摻雜區104中，或更可延伸至第一摻雜區102a中。在其他實施例中，場摻雜區FI-1的底面也可高於或接觸第二摻雜區104的頂面，或可高於或接觸於第一摻雜區102a的頂面。舉例而言，場摻雜區FI-1的深度D7可在1.2 μm至8.5 μm的範圍內。
藉由增加相鄰光電二極體PD之間的隔離結構與場摻雜區的深度，可進一步地減少相鄰光電二極體PD或相鄰次像素之間的串擾。
圖4是依照本發明一些實施例的半導體元件10b的中央區CR的剖視示意圖。圖4所示的半導體元件10b相似於圖2F所示的半導體元件10，以下僅描述兩者的差異處，相同或相似處則不再贅述。此外，相同或相似的元件符號代表相同或相似的構件。
請參照圖4，半導體元件10b的彩色濾光層CF-1更包括紅外光彩色濾光圖案CFI。在一些實施例中，紅外光彩色濾光圖案CFI的穿透波段為760 nm至1000 nm。此外，半導體元件10b包括多個第一摻雜區102a。多個第一摻雜區102a彼此分離。磊晶層EP與半導體基板W的位於相鄰第一摻雜區102a之間的部分可稱為下間隔區LI。分別位於兩相鄰第二摻雜區104之間的一些上間隔區UI縱向地連通於下間隔區LI，而另一些上間隔區UI則並未縱向地交疊於下間隔區LI。在一些實施例中，彼此縱向交疊的上間隔區UI與下間隔區LI縱向地交疊於紅外光彩色濾光圖案CFI。另一方面，並未縱向交疊於下間隔區LI的一些上間隔區UI則縱向交疊於紅光彩色濾光圖案CFR。
在圖4所示的實施例中，紅外光進入至具有更大吸收深度DA-1的吸收區AR-1。如此一來，可進一步地提高縱向交疊於紅外光彩色濾光圖案CFI的光電二極體PD的量子效率。
圖5是依照本發明一些實施例的半導體元件10c的中央區CR的剖視示意圖。圖5所示的半導體元件10c相似於圖4所示的半導體元件10b。具體而言，圖5所示的半導體元件10c可視為以圖3所示的深溝渠隔離結構ISa-1以及場摻雜區FI-1分別代換圖4所示的半導體元件10b之淺溝渠隔離結構ISa以及場摻雜區FI。
圖6是依照本發明一些實施例的半導體元件20的製造方法的流程圖。圖7A至圖7C是圖6所示的半導體元件20的製造方法中各階段的結構的剖視示意圖。圖6與圖7A至圖7C所示的半導體元件20及其製造方法相似於圖1與圖2A至圖2F所示的半導體元件10及其製造方法，以下僅描述兩者的差異處，相同或相似處則不再贅述。此外，相同或相似的元件符號代表相同或相似的構件。
請參照圖6與圖7A，在步驟S100之後進行步驟S102a，在半導體基板W中形成第一初始摻雜區102與多個第二初始摻雜區204。第一初始摻雜區102與多個第二初始摻雜區204均具有第二導電型，例如是N型。在一些實施例中，第一初始摻雜區102與多個第二初始摻雜區204均位於中央區CR內。多個第二初始摻雜區204位於半導體基板W的頂面與第一初始摻雜區102之間。此外，在一些實施例中，多個第二初始摻雜區204可接觸於第一初始摻雜區102。在其他實施例中，多個第二初始摻雜區204也可高於第一初始摻雜區102，且不接觸於第一初始摻雜區102。
請參照圖6與圖7B，接著進行步驟S104，以在半導體基板W上形成磊晶層EP。在形成磊晶層EP的過程中，半導體基板W會受熱而使第一初始摻雜區102與多個第二初始摻雜區204向上擴散以延伸至磊晶層EP中。如此一來，可形成第一摻雜區102a與多個第二摻雜區204a。多個第二摻雜區204a的頂面高於第一摻雜區102a的頂面，而多個第二摻雜區204a的底面位於第一摻雜區102a中。在一些實施例中，多個第二摻雜區204a可視為縱向地延伸至第一摻雜區102a中。在一些實施例中，第二摻雜區204a的深度D8在2 μm至4 μm的範圍內。此外，在一些實施例中，第二摻雜區204a的厚度T5可為1 μm至4 μm。
請參照圖6與圖7C，隨後依序進行步驟S106至步驟S118，以完成半導體元件20的製造。半導體元件20與圖2F所示的半導體元件10之間的差異主要在於第二摻雜區的位置以及形成方法。半導體元件20亦可減少相鄰次像素之間的串擾。此外，長波長的入射光亦可進入具有較大吸收深度DA的吸收區AR，且提高長波長的次像素的量子效率。在圖7C所示的實施例中，磊晶層EP的位於兩相鄰第二摻雜區204a之間的上間隔區UI可交疊於能穿透波長在620 nm至1000 nm的範圍內的彩色濾光圖案，例如是紅光彩色濾光圖案CFR以及紅外光彩色濾光圖案CFI。
圖8是依照本發明一些實施例的半導體元件20a的中央區CR的剖視示意圖。圖8所示的半導體元件20a相似於圖7C所示的半導體元件20。具體而言，圖8所示的半導體元件20a可視為以圖3所示的深溝渠隔離結構ISa-1以及場摻雜區FI-1分別代換圖7C所示的半導體元件20之淺溝渠隔離結構ISa以及場摻雜區FI。
圖9是依照本發明一些實施例的半導體元件20b的中央區CR的剖視示意圖。圖9所示的半導體元件20b相似於圖7C所示的半導體元件20。具體而言，圖9所示的半導體元件20b可視為以圖4所示的多個彼此分離的第一摻雜區102a代換圖7C所示的半導體元件20的單一第一摻雜區102a。此外，磊晶層EP的彼此連通的上間隔區UI與下間隔區LI縱向交疊於紅外光彩色濾光圖案CFI，而未向下連通於下間隔區LI的上間隔區UI則縱向交疊於紅光彩色濾光圖案CFR。
圖10是依照本發明一些實施例的半導體元件20c的中央區CR的剖視示意圖。圖10所示的半導體元件20c相似於圖7C所示的半導體元件20。具體而言，圖10所示的半導體元件20c可視為以圖3所示的深溝渠隔離結構ISa-1以及場摻雜區FI-1分別代換圖7C所示的半導體元件20之淺溝渠隔離結構ISa以及場摻雜區FI。
綜上所述，本發明實施例的半導體元件可作為影像感測器，且包括埋設於基底中且彼此電性相連的第一摻雜區與多個第二摻雜區。藉由使第一摻雜區與第二摻雜區接收偏壓，可引導形成於基底內部的載子經由第一摻雜區與第二摻雜區而離開基底。如此一來，可降低相鄰次像素之間的串擾。此外，位於第一摻雜區上方的多個第二摻雜區彼此分離，且基底的延伸至兩相鄰第二摻雜區之間的部分縱向地交疊於長波長的次像素。如此一來，可提高長波長入射光所通過的吸收區的吸收深度。因此，可提高長波長次像素的量子效率。
雖然本發明已以實施例揭露如上，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，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10、10a、10b、10c、20、20a、20b、20c:半導體元件 102:第一初始摻雜區 102a:第一摻雜區 104、204a:第二摻雜區 106、106a、106b:第三摻雜區 108、108a、108b:第四摻雜區 110a、110b:接觸區 204:第二初始摻雜區 AD:主動元件 AR、AR-1:吸收區 CF:彩色濾光層 CFB:藍光彩色濾光圖案 CFG:綠光彩色濾光圖案 CFI:紅外光彩色濾光圖案 CFR:紅光彩色濾光圖案 CR:中央區 D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8:深度 DA、DA-1:吸收深度 DE:汲極 DL:介電層 E1:第一電極 E2:第二電極 EP:磊晶層 FI、FI-1:場摻雜區 GD:閘介電層 GE:閘極 GS:閘極結構 IS、ISa、ISa-1、ISb:隔離結構 LI:下間隔區 M:內連線結構 ML:微透鏡 PD:光電二極體 PR:邊緣區 R:區域 S100、S102、S102a、S104、S106、S108、S110、S112、S114、S116、S118:步驟 SB:基底 SE:源極 SP:間隙壁 T1、T2、T3、T4、T5:厚度 UI:上間隔區 W:半導體基板 W1:寬度
圖1是依照本發明一些實施例的半導體元件的製造方法的流程圖。 圖2A至圖2F是圖1所示的半導體元件的製造方法中各階段的結構的剖視示意圖。 圖3至圖5是依照本發明一些實施例的半導體元件的中央區的剖視示意圖。 圖6是依照本發明一些實施例的半導體元件的製造方法的流程圖。 圖7A至圖7C是圖6所示的半導體元件的製造方法中各階段的結構的剖視示意圖。 圖8至圖10是依照本發明一些實施例的半導體元件的中央區的剖視示意圖。
10:半導體元件
102a:第一摻雜區
104:第二摻雜區
106、106a、106b:第三摻雜區
108、108a、108b:第四摻雜區
AD:主動元件
AR:吸收區
CF:彩色濾光層
CFB:藍光彩色濾光圖案
CFG:綠光彩色濾光圖案
CFR:紅光彩色濾光圖案
CR:中央區
DA:吸收深度
DL:介電層
EP:磊晶層
FI:場摻雜區
IS、ISa、ISb:隔離結構
M:內連線結構
ML:微透鏡
PD:光電二極體
PR:邊緣區
R:區域
SB:基底
UI:上間隔區
W:半導體基板

Claims (15)

  1. 一種半導體元件，包括：基底，具有第一導電型，所述基底包括半導體基板以及磊晶層，所述磊晶層設置於所述半導體基板上；多個光電二極體，由所述基底的頂面向所述基底的內部延伸；多個彩色濾光圖案，設置於所述基底上，且分別縱向地交疊於所述多個光電二極體；第一摻雜區，設置於所述基底中且具有第二導電型；以及多個第二摻雜區，設置於所述基底中且具有所述第二導電型，所述第一摻雜區由所述半導體基板內延伸至所述磊晶層的底部中，且所述多個第二摻雜區位於所述磊晶層內，其中所述多個第二摻雜區接觸於所述第一摻雜區並位於所述多個光電二極體與所述第一摻雜區之間，兩兩相鄰的第二摻雜區之間具有上間隔區，多個所述上間隔區縱向地交疊於所述多個彩色濾光圖案中具有穿透波長在620nm至1000nm範圍中的若干者。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件，其中所述第一摻雜區連續地延伸，且垂直地交疊於所述多個第二摻雜區與所述多個光電二極體。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的半導體元件，其中所述第一摻雜區的頂面定義出所述多個上間隔區的底面。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件，其中所述第一摻雜區的數量為多數，兩兩相鄰第一摻雜區之間具有下間隔區， 多個所述下間隔區分別縱向地連通於所述多個上間隔區中的若干者。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的半導體元件，其中所述多個下間隔區垂直地交疊於所述多個彩色濾光圖案中穿透波長在760nm至1000nm的範圍內的若干者。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件，其中所述多個第二摻雜區延伸至所述第一摻雜區中。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件，更包括第三摻雜區，設置於基底中且具有所述第二導電型，其中所述第三摻雜區電性連接於所述多個第二摻雜區與所述第一摻雜區。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件，更包括多個隔離結構，由所述基底的所述頂面往所述基底的所述內部延伸，且分別位於兩相鄰光電二極體之間。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的半導體元件，其中所述多個隔離結構的深度小於所述多個光電二極體的深度。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的半導體元件，其中所述多個隔離結構的深度大於所述多個光電二極體的深度。
  11. 如申請專利範圍第8項所述的半導體元件，更包括多個場摻雜區，設置於所述基底中且具有第一導電型，其中所述多個隔離結構位於所述多個場摻雜區中。
  12. 一種半導體元件的製造方法，包括：在半導體基板內形成第一初始摻雜區，其中所述半導體基板 具有第一導電型，且所述第一初始摻雜區具有第二導電型；在所述半導體基板上形成磊晶層，且使所述第一初始摻雜區向上擴散以延伸至所述磊晶層中，而形成第一摻雜區，其中所述磊晶層具有所述第一導電型；在所述磊晶層中形成具有所述第二導電型的多個第二摻雜區，其中所述多個第二摻雜區接觸於所述第一摻雜區，且位於所述磊晶層的頂面與所述第一摻雜區之間；在所述磊晶層中形成多個光電二極體，其中所述多個第二摻雜區位於所述多個光電二極體與所述第一摻雜區之間；在所述磊晶層上形成多個彩色濾光圖案，其中所述多個彩色濾光圖案分別交疊於所述多個光電二極體，其中兩兩相鄰的第二摻雜區之間具有上間隔區，多個所述上間隔區垂直地交疊於多個彩色濾光圖案中具有穿透波長在620nm至1000nm範圍中的若干者。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的半導體元件的製造方法，其中所述多個第二摻雜區位於所述磊晶層與所述半導體基板中，且形成所述多個第二摻雜區的方法包括：在形成所述第一初始摻雜區之後在所述半導體基板中形成多個第二初始摻雜區，其中所述多個第二初始摻雜區位於所述半導體基板的頂面與所述第一初始摻雜區之間，且其中在形成所述磊晶層時所述多個第二初始摻雜區向上擴散以延伸至所述磊晶層中，而形成所述多個第二摻雜區。
  14. 如申請專利範圍第12項所述的半導體元件的製造方法，其中所述第一初始摻雜區與所述第一摻雜區的數量分別為多數，且其中兩兩相鄰的第一摻雜區之間具有下間隔區，多個所述下間隔區垂直地交疊於所述多個上間隔區中的若干者，並垂直地交疊於所述多個彩色濾光圖案中穿透波長在760nm至1000nm的範圍內的若干者。
  15. 如申請專利範圍第12項所述的半導體元件的製造方法，更包括：在所述磊晶層中形成具有所述第二導電型的第三摻雜區，其中所述第三摻雜區電性連接於所述多個第二摻雜區與所述第一摻雜區。
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