TWI747589B - 具增進光電轉換效率的影像感測器及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本揭露係關於一種用於在影像感測器裝置的輻射感測區上形成鏡面微結構的方法。該方法包括在基板的一前側表面內形成一開口；在該開口的底部和側壁表面上形成一共形的植入層；在該開口的該底部和側壁表面上生長一第一磊晶層；在第一磊晶層上沉積一第二磊晶層以填充該開口，其中該第二磊晶層形成一輻射感測區。該方法還包括在該第二磊晶層的暴露表面上沉積一堆疊，其中該堆疊包括一高折射率材料層和一低折射率材料層的一交替對。

Description

具增進光電轉換效率的影像感測器及其形成方法
本發明實施例係關於一種具增進光電轉換效率的影像感測器及其形成方法。
半導體影像感測器係用於感測入射的可見或不可見輻射，例如可見光及紅外光等。互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器(CIS)和電荷耦合元件(CCD)感測器用於各種應用中，例如電腦、數位相機、手機、平板電腦、護目鏡及科學儀器等。這些影像感測器利用像素陣列來吸收(例如，感測)入射輻射，並將其轉換為電信號。影像感測器的一個例示為背照式(BSI；back side illuminated)影像感測器裝置，該裝置可檢測來自基板“背面”的輻射。
本發明的一實施例係關於一種形成一影像感測器之方法，包含：在一基板的一前側表面內形成一開口；在該開口的底部和側壁表面上形成一共形的植入層；在該開口的該底部和側壁表面上生長一第一磊晶層；在該第一磊晶層上沉積一第二磊晶層以填充該開口，其中該第二磊晶層形成一輻射感測區；以及在該第二磊晶層的暴露表面上沉積一堆疊，其中該堆疊包括一高折射率材料層和一低折射率材料層的一交替對。
本發明的一實施例係關於一種影像感測器，包含：一基板，具有一前側表面和相對的一後側表面；複數個微透鏡，形成於該基板的該後側表面；複數個濾色器，係設置於該複數個微透鏡和該基板的後側表面之間；複數個輻射感測區，位於被形成在該基板的該前側表面中的複數個溝槽，其中該輻射感測區包含一磊晶半導體材料；一鏡面結構，設置在該磊晶半導體材料的複數個表面上，並且包含具有一第一折射率值的一第一材料層和具有一第二折射率值的一第二材料層的複數個交替層，該第二折射率值不同於該第一折射率值；以及一金屬化層，形成於該基板的該前側表面，又在該複數個輻射感測區和鏡面結構之上方。
本發明的一實施例係關於一種影像感測器，包含：一基板，具有一前側表面和相對的一後側表面；複數個溝槽，形成在基板的該前側表面中，其中該溝槽的一底部具有一漸縮輪廓；複數個輻射感測區，位於該複數個溝槽中，及包含一具有複數個小平面的磊晶半導體材料層；一氧化物層，設置在該複數個溝槽的複數個表面和該磊晶半導體材料層的該複數個小平面之間；以及一複數個交替層的堆疊，設置在該磊晶半導體材料層的小平面上，其中該複數個交替層包含具有一第一折射率的一第一材料層和具有一第二折射率的一第二材料層。
下列揭露內容提供用於實施所提供標的物之不同特徵之許多不同實施例或實例。下文描述組件及配置之特定實例以簡化本揭露。當然，此等僅為實例且不旨在限制。舉例而言，在下列描述中之一第一構件形成於一第二構件上方或上可包含其中該第一構件及該第二構件經形成直接接觸之實施例，且亦可包含其中額外構件可形成在該第一構件與該第二構件之間，使得該第一構件及該第二構件可不直接接觸之實施例。另外，本揭露可在各種實例中重複元件符號及/或字母。此重複出於簡化及清楚之目的，且本身不指示所論述之各項實施例及/或組態之間之一關係。
此外，為便於描述，可在本揭露中使用諸如「在…下面」、「在…下方」、「下」、「在…上方」、「上」及類似者之空間相對術語來描述一個元件或構件與另一(些)元件或構件之關係，如圖中繪示。空間相對術語旨在涵蓋除在圖中描繪之定向以外之使用或操作中之裝置之不同定向。設備可以其他方式定向(旋轉90度或按其他定向)且本揭露中使用之空間相對描述符同樣可相應地解釋。
本揭露所用的用語「標稱(nominal)」是指在產品或製程的設計階段期間設定的組件或製程步驟的特性或參數的期望值或目標值，以及高於和/或低於所欲之數值的一範圍值。數值的範圍通常由於製造過程或公差的會有輕微變化。
在一些實施例中，術語「約」和「實質上」可以指示在該值的5%(例如，該值的±1%、±2%、±3%、±4%、±5)內變化的給定量的值。這些數值僅為示例，非為意欲限制本案實施例。當理解術語「約」和「實質上」可被解釋為該等數值之一個比例，此為相關領域中孰知技術者根據此處教示解釋而得。
背照式(BSI；back side illuminated)影像感測器裝置包括於其中形成有像素的陣列或輻射感測區的半導體基板(例如：矽基板)。如本揭露揭露於此，術語｢輻射感測區｣和｢像素｣在全文中可互換使用。輻射感測區(像素)係配置為將光子從入射輻射轉換為電信號。隨後將電信號分配給附著到BSI影像感測器裝置的多個處理元件。為此，像素陣列覆蓋多層金屬化層，該多層金屬化層被配置為將在輻射感測區產生的電信號分配給適當的處理元件。多層金屬化層形成在半導體基板的第一表面上，在此被稱為半導體基板的｢前側｣表面。此外，像素陣列延伸到半導體基板中，並且被配置為接收來自半導體基板之第二表面的輻射，其係與半導體基板的前側表面係相對的。此接收輻射之半導體基板的第二表面(係相對於半導體基底的前側表面)在本揭露中被稱為半導體基板的｢背側｣表面。
半導體基板中相鄰輻射感測區(像素)係藉由諸如深溝槽隔離(DTI；deep trench isolation)結構的隔離結構被電隔離，以最小化輻射感測區之間的串擾和信號損失。與上述隔離結構(並形成在半導體基板的背面上)對準的是各自的柵格結構，其在相鄰像素或輻射感測區之間提供光學隔離。相鄰的柵格結構共同形成複數個單元，這些單元共同形成被配置為接收濾色材料的複合柵格結構。
可以選擇濾色材料以使得具有預定波長的光能穿過濾色材料，而具有其他波長的光被濾色材料吸收。例如：接收尚未過濾的自然光的綠光濾色材料將允許綠光部分(波長在大約495 nm和大約570 nm之間)通過濾色器，但是會吸收所有其他波長。濾色器與各個像素或輻射感測區對準，以將濾除後的光提供給相應的輻射感測區。
作為示例而非限制，可藉由晶片接合結構，將具有輻射感應區(像素)、多層金屬化層和形成在其上的柵格結構的基板附著至形成在不同基板上的專用積體電路(ASIC；application specific integrated circuit)。ASIC可以是例如互補金屬氧化物半導體(CMOS；complementary metal oxide semiconductor)晶圓(係與BSI影像感測器裝置被分別製造)，其配置為執行上述信號處理操作。
BSI影像感測器裝置所遭遇的挑戰為光子至電信號的轉換效率。這是因為並非所有來自入射輻射的撞擊光子都能轉換為電信號，並且由輻射感測區逃逸的光子無法被｢再捕獲｣。因此，BSI影像感測器裝置可能需要長的輻射暴露時間、大覆蓋面積、大量的信號放大或其組合，以在低輻射條件下工作。
為了解決上述缺點，本揭露描述的實施例係導向一種用於在入射輻射的出射路徑處的輻射感測區上形成鏡面微結構的方法。在一些實施例中，鏡面微結構是布拉格反射鏡，其增加了輻射感測區內的入射輻射的光程，從而改善了光子的再捕獲。在一些實施例中，鏡面微結構增加了輻射感測區內入射輻射的光程並改善了光子的再捕獲。根據一些實施例，每個鏡面微結構是一布拉格反射鏡(或布拉格反射器)，該布拉格反射鏡包括具有交替層配對之高折射率(高比率)和低折射率(低比率)材料加上一個高折射率材料層(2m + 1)的一堆疊；其中2m是｢高折射率｣和｢低折射率｣配對的數量。如本揭露所使用的術語｢高折射率｣和｢低折射率｣是相對的，並且反映了堆疊中的多個層的折射率之間的關係。例如：｢高折射率｣材料具有比｢低折射率｣材料更高的折射率。堆疊可以包括在輻射感測區的製造期間或之後形成的3至21層的高折射率和低折射率材料，此作為示例而非限制。在一些實施例中，布拉格反射鏡中的層的厚度和數量可以基於入射輻射的目標波長和期望的反射率來修定。
圖1是根據一些實施例的堆疊100的剖面圖，該堆疊100包括附著到ASIC 110的BSI影像感測器裝置105。ASIC 110可以配置為處理BSI影像感測器設備105所產生的電信號，此作為示例而非限制。在堆疊100中，入射輻射束115通過微透鏡120和濾色鏡125進入BSI影像感測器裝置105而到輻射感測區或像素130中。如上所述，輻射感測區130被隔離結構135所隔開。在一些實施例中，輻射感測區130包括諸如矽(Si)、鍺(Ge)或鍺化矽(SiGe)的半導體材料，其係取決於需求的輻射波長。例如：Si可用於可見光應用(例如，在約380nm至740nm之間)，而Ge可用於紅外應用(例如，用於約940nm至約1550nm之間的波長)。SiGe可用於可見光和紅外之間的波長。在不脫離本揭露的精神和範圍的情況下，將以Ge為背景下描述輻射感測區130。
在輻射感測區130中，入射輻射束115被轉換為電信號，然後由多層金屬化層140和接合結構145分佈至ASIC 110。在一些實施例中，ASIC 110係由CMOS晶片製造，和BSI影像感測器裝置105為分別被製造，此作為示例而非限制，ASIC 110可以包括形成在半導體(例如，矽)基板160的摻雜區域155上的主動元件(例如，電晶體結構)150。主動元件150藉由隔離結構(例如，淺溝槽隔離結構)165在物理上和電氣上被分離。主動元件150的陣列可用於形成ASIC 110中的邏輯和存儲電路，此作為示例而非限制。如圖1所示，主動元件150和BSI影像感測器裝置105之間的電連接係由形成在主動元件150上方的多層金屬化層170所提供。ASIC 110的多層金屬化層170可以和BSI影像感測器裝置105的多層金屬化層140相類似，此作為示例而非限制。然而，這並不當作限制，多層金屬化層170可以與多層金屬化層140不同。例如：多層金屬化層170可能較多層金屬化層140更複雜，而具有額外的佈線層和更緊密的間距(例如，佈線之間的距離更短)。多層金屬化層140和170係經由金屬或金屬合金(例如，銅、鋁-銅、鋁-鍺或銅-錫製成)的接合結構145而相耦合。
堆疊100可以通過焊墊結構175和焊料凸塊180物理地和電氣地連接到外部元件或電路。焊墊結構175可被置於BSI影像感測器裝置105周圍而環繞輻射感測區130，此作為示例而非限制。
在不脫離本揭露的精神和範圍的情況下，堆疊100可以包括圖1中所未顯示的額外組件。為了便於說明，這些額外組件在圖1中未示出，並且可以包括金屬佈線、主動元件及/或被動元件、絕緣層、蝕刻停止層、摻雜區域和其他特徵。此外，堆疊100可以和圖1所例示的方式有不同地佈置，並且可以包括ASCI 110之外增加或不同的ASCI。
如圖1所示，BSI影像感測器裝置105的所有元件都形成在基板185內或周圍。例如，在基板185上形成輻射感測區130和隔離結構135，而微透鏡120係形成在基板185相對於多層金屬化層140之相反的一側上。如本文所指，基板185上形成有微透鏡120的一側也稱為｢背面｣，基板185上形成有多層金屬化層的一側也稱為｢前側｣。
根據一些實施例，BSI影像感測器裝置105的各輻射感測區130以布拉格鏡190為其特徵，該布拉格鏡190將被傳送的輻射束115反射回輻射感測區130以被再捕獲。在一些實施例中，布拉格反射鏡包括具有偶數(2m + 1)的高折射率和低折射率材料之交替層的堆疊。其中｢m｣是高折射率層或低折射率層的所需數量，又2m是高折射率和低折射率對的數量。例如：如果所需的高折射率材料層之數量為3，則布拉格鏡堆疊將總共具有7層。更具體地，布拉格鏡堆疊將具有6對之高折射率和低折射率層以及一個附加的高折射率層，使得布拉格鏡堆疊的頂層和底層是高折射率材料層。在一些實施例中，布拉格反射鏡堆疊的第一層(例如，底層)和最後層(例如，頂層)是高折射率材料層。
根據一些實施例，圖2是圖1所示的輻射感測區130和布拉格鏡190的放大圖。如圖2所示，布拉格鏡190包括高折射率材料200及低折射率材料205的交替層。由於布拉格反射鏡190的構造，當入射輻射束115行進通過堆疊以形成反射輻射束115'時，入射輻射束115從每個高折射率材料200和低折射率材料205的界面處部分地被反射。反射輻射束115'進入輻射感測區130以進行光子捕獲。由於光子重新捕獲過程，一部分的反射輻射束115'將在輻射感測區130中轉換為電信號，並且輻射束115'中任何未被捕獲的部分將脫離輻射感測區130。入射輻射束115的第二部分可以被堆疊(未示出)吸收，並且入射輻射束115的第三部分可以如箭頭115”所示地透射至基板185中。
在一些實施例中，可選擇高折射率材料200和低折射率材料205的數量以及它們各自的厚度，以使得入射輻射束115的強度隨著其穿過堆疊而減小。同時，倘若疊堆的吸收率可忽略不計，則反射的輻射束115'的強度增加。如果反射的輻射束115’為同相(或具有360°(2π)的倍數的相差)以促進建設性干涉，則上述條件是可能的。如果高折射率材料200和低折射率材料205的厚度200t和205t分別等於λ/(4n H)和λ/(4n L)，則這就可以實現；其中n H是高折射率材料200的折射率，n L是低折射率材料205的折射率，λ是入射輻射束115的波長。因此，布拉格鏡堆疊可以稱為｢四分之一波｣堆疊。基於以上所述，高折射率材料200之厚度形成比低折射率材料205更薄(例如，200t ＜205t)。
在一些實施例中，在布拉格鏡190中達成的反射率係由高折射率材料200和低折射率材料205的層配對(2m)的數量及其折射率對比(例如，兩者之間的折射率差)所決定。例如，在具有實質上相似的折射率對比和不同層配對之數量的層的兩個布拉格鏡之間，具有較大層配對之數量的布拉格鏡可以達成最高的反射率值。此外，在具有相同層配對之數量和不同折射率對比的兩個布拉格鏡之間，具有最高折射率對比層的布拉格反射鏡可以獲得最高的反射率值。因此，如果選擇具有高折射率對比度的高折射率材料200和低折射率材料205，則可以製造更薄的布拉格反射鏡(例如，具有更少的層)。此外，當高折射率材料200和低折射率材料205之間的折射率對比度較大時，反射帶寬(例如，可以在入射輻射束115的平均波長值λ附近被反射的波長的數量)會增加。
此處說明作為示例而非限制，布拉格鏡190可以包括(i)氧化鈦(TiO 2)作為高折射率材料200和氧化矽(SiO 2)或氟化鎂(MgF 2)作為低折射率材料205，(ii)作為高折射率材料200的砷化鎵(GaAs)和作為低折射率材料205的砷化鋁(AlAs)，或(iii)作為高折射率材料200的氮化鎵(GaN)和作為低折射率材料205的氮化鋁(AlN)。此等列舉並非窮舉的，並可基於布拉格鏡190的期望反射特性和期望工作波長或波長范圍來使用其他合適的材料組合。
在一些實施例中，具有偶數(2m + 1)層的布拉格鏡190的反射率R(reflectance rate)係由以下所示的公式(1)提供：
Figure 02_image001
(1) 此公式中n 0是輻射感測區130的折射率，Y是由下式(2)提供的光導納(optical admittance)：
Figure 02_image003
(2) 此公式中n H是高折射率材料200的折射率，n L是低折射率材料205的折射率，n S是直接在堆疊上形成的層的折射率，2m是布拉格鏡190中的層配對之數量。
例如，如果輻射感測區130包括具有n 0= 4的Ge，並且布拉格反射鏡190包括具有高折射率材料200(具有n H= 2.45的TiO 2)之7層(例如，m = 3)、低折射率材料20(具有n S＝ 1.45的SiO 2)以及n S是具有n S＝ 1.46的亞氧化矽(SiO x)210(例如，布拉格鏡190上的覆蓋層)，則反射率R約為84.6％，光導納Y約為97.7。
圖3是描述圖1和圖2中所繪示布拉格鏡190的形成製程之製造方法300的流程圖。參照圖1和圖2。可以在方法300的各種操作之間執行其他製造操作，並且僅為了清楚和便於描述可以將其省略。這些各種操作在本揭露的精神和範圍內。此外，並非所有操作都需要用以執行本文所提供的揭露。另外，一些操作可以同時執行，或以與圖3所示不同的順序被執行。在一些實施例中，除了當前描述的操作之外或代替當前描述的操作，可以執行一個或多個其他操作。
為了例證目的和便於描述，將參照單個布拉格鏡堆疊的形成來描述方法300；然而，應該能以理解的是，使用方法300可同時形成布拉格鏡堆疊的陣列。此外，將使用圖4～11來描述方法300。提供用於描述方法300的圖式僅為例證目的，並且未按比例繪製。此外，這些圖式可能無法反映真實結構、特徵或薄膜的實際幾何形狀。為了例證目的，一些結構、薄膜或幾何形狀可能已被刻意地加強或省略。
參考圖3，方法300從操作305和在半導體基板的前側表面內形成溝槽開口的製程開始。圖4是根據方法300的操作305在形成溝槽開口400之後的基板185的局部剖面圖，此作為示例而非限制。在一些實施例中，隔離結構135(被形成在形成溝槽開口400之先)係用作定位溝槽開口400的對準標記。如上所述，可於操作305期間，在基板185的前側表面內形成溝槽開口的陣列，如溝槽開口400。在方法300之後續操作中，輻射感測區和布拉格鏡將被形成在各個溝槽開口中，如溝槽開口400。在一些實施例中，溝槽開口400的形成需要使用微影成像(photolithography)和蝕刻操作。例如，可以在基板185的前側表面上沉積硬遮罩(hard mask)或光致抗蝕劑(未示出)，並對其進行圖案化。隨後將圖案化的遮罩或光致抗蝕劑用作蝕刻遮罩，以在基板185的前側表面內形成溝槽開口400。
在一些實施例中，基板185是光子晶片，例如，由適合於光子應用的材料所製成的晶片。以下記載作為示例而非限制，基板185可包括Si或另一種元素的半導體，例如，(i)Ge；(ii)一種化合物半導體，包括SiGe、碳化矽(SiC)、GaAs、磷化鎵(GaP)、磷化銦(InP)、砷化銦(InAs)及/或銻化銦(InSb)；(iii)合金半導體，包括砷化鎵磷(GaAsP)、砷化鋁銦(AlInAs)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、砷化鎵銦(GaInAs)、磷化鎵銦(GaInP)和/或磷化砷化鎵銦((GaInAsP)；或(iv)前述材料之組合。
出於示例目的，將在Si(例如單晶)的背景下描述基板185。基於本揭露的內容，可以使用如上所述的其他材料。這些材料係在本揭露的精神和範圍內。
如上所述，隔離結構135係被配置為使輻射感測區之間的串擾和信號損失最小化而被形成，例如：經由蝕刻基板185以形成溝槽開口，隨後可以用電介質材料(例如，氧化矽)填充溝槽開口。在一些實施例中，隔離結構135沿z方向比溝槽開口400的高度H高，並且沿x方向比溝槽開口400的寬度W窄。下列說明作為示例而非限制，溝槽開口400的高度H可以在大約50nm至大約700μm之範圍內，並且寬度W可以在大約50nm至大約700μm之範圍內。更大或更小的溝槽開口400是可能的。溝槽開口400沿y方向的深度可以為約5μm，此作為示例而非限制。
得注意圖4所示的基板185相對於圖1所示的基板185的方向係旋轉180°。換言之，圖1中的基板185是翻轉｢上下顛倒｣。在一些實施例中，如本揭露所述的輻射感測區的形成是從基板185的前側表面執行的。
參見圖3，方法300繼續操作310和在溝槽開口400的底部和側壁表面上形成共形植入層的製程。在一些實施例中，這可以經由沉積和圖案化未摻雜的矽玻璃(USG；undoped silicon glass) 以厚度約為75 nm來達成。USG在低溫下具有高沉積速率，並且具和氧化矽有相似的性質。此說明作為示例而非限制，USG可以通過電漿增強化學氣相沉積(PECVD；plasma enhanced chemical vapor deposition)、高密度電漿CVD(HDP-CVD；high density plasma CVD)或亞大氣壓CVD (SACVD；sub-atmospheric CVD)被沉積。然後，對USG進行圖型化，並在隨後的植入製程中作為植入遮罩。圖5顯示了在操作310之後的所得結構，其利用圖案化的USG層500沉積在基板185的前側表面上，並且植入層505形成在溝槽開口400的側壁和底部表面上。在一些實施例中，快速熱退火(RTA； rapid thermal anneal)製程係用以激活植入層505內的摻雜劑。在RTA製程中，植入層505的厚度505 t會由於摻雜劑的遷移而增加。
因為圖案化的USG層500被用作植入遮罩，所以圖案化的USG層500的側壁不與溝槽開口400的側壁對準。更具體地說，寬度500 w(在USG層中形成的開口的寬度為圖案化製程)比溝槽開口400的寬度W還寬大約等於植入層505的厚度的量。換句話說，500 w‑ W≈505 t。在一些實施例中，植入層505的厚度為大約100nm，並且用於形成植入層505的摻雜劑是硼。在一些實施例中，注入層505將輻射感測區與基板185隔離，並防止了由於洩漏到基板185而造成的信號損失。因此，可以調整厚度505 t和摻雜劑濃度以實現足夠的電隔離。
參見圖3，方法300繼續操作315和在溝槽開口400的底部和側壁表面上磊晶生長晶體矽(c-Si)層的製程。在一些實施例中，c-Si磊晶層是｢緩衝層｣，其有助於輻射感測區的形成並防止缺陷的形成。此說明作為示例而非限制，可以使用矽烷(SiH 4)通過CVD磊晶製程來生長c-Si磊晶層。圖6顯示根據方法300的操作315在植入層505上生長的c-Si磊晶層600。在一些實施例中，c-Si磊晶層600選擇性地在基板185的暴露表面上生長，該基板如上所述也是結晶的。換句話說，c-Si磊晶層600不在圖案化的USG層500上生長。在一些實施例中，c-Si磊晶層的厚度為約45nm。較薄的c-Si磊晶層(例如，小於約45 nm)可能無法防止在其上生長的輻射感應區中出現缺陷，而較厚的c-Si磊晶層(例如，大於約45 nm)會在溝槽400中佔據額外的空間，而不會對輻射感測區提供額外的好處。
參見圖3，方法300繼續操作320，和用磊晶層填充溝槽400以形成輻射感測區130的製程。此說明作為示例而非限制，輻射感測區130包括磊晶成長的Ge。如上所述，可以基於BSI影像感測器裝置被配置以檢測的波長範圍來選擇用於輻射感應區130的材料。此說明作為示例而非限制，可用於輻射感測區130的附加材料包括III-V族的半導體材料，例如：GaAs、InP、GaP和GaN。在一些實施例中，如果將不同於Ge的材料係用於輻射感測區130，則另一更合適的磊晶層可以取替c-Si磊晶層600。因此，在操作315和320中磊晶層的不同組合可以用於獲得實質上無缺陷的輻射感測區130。在一些實施例中，輻射感測區130中的缺陷可以影響輻射感測區130的光子轉換性能。
在一些實施例中，可以使用適當的前驅物氣體(例如，鍺烷(GeH 4))通過CVD製程來生長輻射感測區130。在輻射感測區130的材料生長之後，使用化學機械拋光(CMP；chemical mechanical polishing)製程來平坦化輻射感測區130的表面，使得輻射感測區130和圖案化的USG層500的頂表面實質上是共平面，如圖7所示。在上述CMP製程期間，圖案化的USG層500被拋光(例如變薄)，但是並沒有自基板185的前側表面去除。
參見圖3，方法300繼續操作325和沈積高折射率層和低折射率層的交替層以形成布拉格鏡堆疊的製程，如圖1和圖2所示的布拉格鏡190。如前所述，高折射率和低折射率層可以選自諸如TiO 2、SiO 2、GaAs、AlAs、AlN等材料。在一些實施例中，將這些層的厚度調整為約λ/(4n)；此處，n是各層的分別的折射率，而λ是欲檢測的期望波長(例如，入射輻射束115的波長)。如上所述，由布拉格鏡獲得的反射率由高折射率材料和低折射率材料之層配對(2m)的數量及其折射率對比度而決定。因此，如果選擇具有高折射率對比度(例如，可能的最大折射率差)的高折射率材料和低折射率材料，則可以製造更薄的布拉格鏡。另外，當高折射率材料和低折射率材料之間的折射率對比度較大時，反射帶寬(例如，可以在入射輻射束的平均波長值λ附近被反射的波長的數量)會增加。因此，折射率對比度越高，則反射帶寬和布拉格鏡結構可反射的平均波長值附近的波長的數量越寬。
因此，由不同材料所製成並且被配置為響應於不同波長的輻射感測區需要具有不同類型的層、不同層數、不同層厚度或其組合的布拉格鏡。在一些實施例中，可以將BSI影像感器裝置劃分為每個區域中有互不相同的輻射感測材料，以使BSI影像感器能夠檢測更大的波長頻譜。因此，為了各輻射感測區可以使用微影成像、蝕刻和沈積操作的組合，以形成具有適當的層性質(例如，層數、層的類型、層的厚度或其組合)的各個布拉格鏡。
在一些實施例中，可以使用基於CVD的方法、基於原子層沉積(ALD；atomic layer deposition)的方法、或任何能夠實現適當的層厚度控制和厚度均勻性之適合方法，藉此沉積高折射率材料和低折射率材料。厚度控制(例如，在亞奈米(sub-nm)等級)、厚度均勻性(例如，在亞奈米等級)及隨同表面粗糙度控制(例如，在Å等級)可確保反射的輻射束沒有不同相。
在一些實施例中，在沉積堆疊之後，對高折射率材料和低折射率材料的層進行圖案化，以在分別的輻射感測區130上形成各自的布拉格鏡190，如圖1和圖8所示。再者，如上所述，布拉格鏡190的頂層和底層是高折射率材料。
隨後，在布拉格鏡190上以約40nm的厚度選擇性地沉積保護覆蓋層800(例如，矽磊晶層)，接著進行介質層805的沉積和使介電質層805平坦化的CMP製程，如圖8所示，致使保護覆蓋層800上的介電質層805的剩餘厚度約為15nm。介電質層805可以是USG、氧化矽或對入射輻射的波長可穿透之任何其他合適的介電質材料，此作為示例而非限制。在一些實施例中，保護覆蓋層800圍繞布拉格鏡190，並且不在圖案化的USG層500上生長。
參見圖3，方法300繼續進行操作330及在與輻射感測區130耦合的基板184的前側表面上形成多層金屬化層140的製程，又如圖9所示。在一些實施例中，為了有效信號從輻射感測區130到ASCI的傳播，多層金屬化層140可以包括任何數量的金屬化層(例如，在大約1至大約9之間)。在一些實施例中，多層金屬化層140的各層包括通孔和線形式的金屬佈線網絡。通孔(圖9中未顯示)與輻射感測區130電耦合，以致當入射輻射從基板185的背面進入BSI影像感測器裝置時傳播於光子轉換過程中所產生的電信號。
接合結構145形成在介電質層900中，該介電質層900形成在多層金屬化層140的頂層上。當兩個元件物理地和電氣地接合在一起以形成如圖1所示之堆疊100時，接合結構145係對準於ASCI之分別的接合結構。在一些實施例中，接合結構145電耦合至多層金屬化層140的頂層，如圖9所示。
在一些實施例中，為了形成如圖1所示的BSI影像感測器裝置105的附加組件(例如，濾色器125、微透鏡120和焊墊結構175之形成)，圖9的部分已製造的BSI影像感測器裝置係被旋轉180°，以使得基板185的背側面朝上，如圖10所示。一旦形成了這些組件，BSI影像感測器裝置105和ASCI 110的接合結構便會對準並接合在一起，如圖11所示。圖1所示的焊料凸塊180可在接合製程後被形成，此作為示例而非限制。
在一些實施例中，布拉格鏡190的形成可不限於輻射感測區130的單個表面(例如，如圖8所示的頂面)。例如：如圖12a所示，輻射感測區130可以生長有小平面，這些小平面隨後被布拉格鏡190的層所覆蓋。這種結構的好處在於可以使輻射感測區130的附加表面被布拉格鏡190使用，以致將透射的入射輻射束反射回輻射感測區130。在一些實施例中，於形成輻射感測區130之前，在溝槽開口的側壁上形成間隔件1200來促進小平面的生長。
參見圖12b-e，可以如下形成間隔件1200。在形成溝槽開口400和圖案化的USG層500之後，熱氧化製程在溝槽開口400的暴露表面上生長氧化矽層1200'，如圖12b所示。由於基板185的前側表面被圖案化的USG層500所覆蓋，因此在溝槽開口400外部的表面上沒有形成氧化矽。隨後，非等向性的蝕刻製程自溝槽開口400的底部移除了部分氧化矽層1200'。在上述蝕刻操作之後，間隔件1200的剩餘厚度會小於約10nm。在一些實施例中，較厚的間隔件可以是更厚的；然而，較厚的間隔件從輻射感測區130奪取了寶貴的空間。隨後，可以如方法300(圖12c所示)中所述形成植入層505和c-Si磊晶層，接著生長輻射感測區130，如圖12e所示。在一些實施例中，間隔件1200的存在促進了在如圖12e之輻射感測區130中的小平面的形成，並且在圖12e的插圖中顯示出了輻射感測區130的等角視圖。
前述的多面輻射感測區130的形成製程並非限制，並且可以不同順序執行類似的操作，或者可以在本揭露的精神和範圍內進行替代的製造操作。例如：可以在形成圖案化的USG層500之前或在形成植入層505和c-Si磊晶層600之後，形成間隔件1200。
在一些實施例中，間隔件1200和溝槽開口400的形狀的組合可以產生具有不同數量之小平面之多種輻射感測區的形狀，例如：從八面體到菱形之變化範圍，如圖13和圖14所分別顯示。因此，在其上形成的布拉格鏡190將順應在下方之輻射感測區130的邊緣輪廓。在一些實施例中，控制溝槽開口400的側壁角度θ和底部寬度W b以產生輻射感測區130的形狀，如圖13和圖14所示。在一些實施例中，側壁角度θ在大約30°至大約60°的範圍內，並且底部寬度W b比頂部寬度W t短。此處說明作為示例而非限制，大的側壁角度(例如，接近60°)和寬的底部寬度W b(更接近頂部寬度W t)產生具有更多小平面的輻射感測區，像是如圖13所示八面體形的輻射感測區130，其等角視圖顯示在圖13的插圖中。另一方面，較小的側壁角度(例如，接近30°)和較窄的底部寬度W b(例如，等於或小於頂部之寬度Wt的二分之一)產生具有更少小平面的輻射感測區，像是圖14所示的菱形輻射感測區130，其等角視圖顯示在圖14的插圖中。需注意的是，因為會讓進入輻射感測區130的輻射量減少，底部寬度W b不能小於約100nm，如此並非所希望的。
需注意的是，本揭露描述的輻射感測裝置和相應的布拉格鏡的任何組合可以在單個BSI影像感測器裝置內使用。
根據本公開的各種實施例描述了在入射輻射的出射路徑處的輻射感測區上的鏡面微結構的形成。在一些實施例中，鏡面微結構即是布拉格鏡，其增加了輻射感測區內的入射輻射的光程，故此改善了光子的再捕獲。根據一些實施例，各布拉格鏡包括具有高折射率(高比率)和低折射率(低比率)材料的交替層配對的堆疊，及加上高折射率材料的額外一層(2m+1)；此處2m是高折射率層和低折射率層配對的數量。在一些實施例中，將這些層的厚度調整為大約λ/(4n)；此處，n是各層的分別的折射率，而λ是欲檢測的期望波長(例如，入射輻射的波長)。布拉格鏡獲得的反射率由高折射率材料和低折射率材料之層配對(2m)的數量及其折射率對比度而決定。因此，如果選擇具有高折射率對比度的高折射率材料和低折射率材料，則可以製造更薄的布拉格鏡。另外，當高折射率材料和低折射率材料之間的折射率對比度較大時，反射帶寬(例如，可以在入射輻射束的平均波長值λ附近被反射的波長的數量)會增加。堆疊可以包括在輻射感測區的製造期間或之後形成的3至21層的高折射率和低折射率材料中的任何層，此作為示例而非限制。在一些實施例中，一對高折射率和低折射率層分別包括TiO 2和SiO 2、GaAs和AlAs或GaN和AlN。在一些實施例中，可以實現84.6％或更高的反射率。在一些實施例中，布拉格鏡覆蓋輻射感測區的一個以上表面(例如，小平面)。在一些實施例中，輻射感測區包括Si、Ge、SiGe或III-V。在一些實施例中，可以通過實施氧化矽間隔件來形成具有小平面的Ge輻射感測區。
在一些實施例中，一種方法包括：在一基板的一前側表面內形成一開口；在該開口的底部和側壁表面上形成一共形的植入層；在該開口的該底部和側壁表面上生長一第一磊晶層；在該第一磊晶層上沉積一第二磊晶層以填充該開口，其中該第二磊晶層形成一輻射感測區。該方法另包括在該第二磊晶層的暴露表面上沉積一堆疊，其中該堆疊包括一高折射率材料層和一低折射率材料層的一交替對。
在一些實施例中，一種影像感測器包括：一基板，具有一前側表面和相對的一後側表面；複數個微透鏡，形成於該基板的該後側表面；複數個濾色器，係設置於該複數個微透鏡和該基板的後側表面之間；複數個輻射感測區，位於被形成在該基板的該前側表面中的複數個溝槽，其中該輻射感測區包含一磊晶半導體材料。該影像感測器另包括：一鏡面結構，設置在該磊晶半導體材料的複數個表面上，並且包含具有一第一折射率值的一第一材料層和具有一第二折射率值的一第二材料層的複數個交替層，該第二折射率值不同於該第一折射率值；以及一金屬化層，形成於該基板的該前側表面，又在該複數個輻射感測區和鏡面結構之上方。
在一些實施例中，一種影像感測器包括：一種影像感測器包含：一基板，具有一前側表面和相對的一後側表面；複數個溝槽，形成在基板的該前側表面中，其中該溝槽的一底部具有一漸縮輪廓。該影像感測器另包括：複數個輻射感測區，位於該複數個溝槽中，及包含一具有複數個小平面的磊晶半導體材料層。此外，該影像感測器另包括：一氧化物層，設置在該複數個溝槽的複數個表面和該磊晶半導體材料層的該複數個小平面之間；以及一複數個交替層的堆疊，設置在該磊晶半導體材料層的小平面上，其中該複數個交替層包含具有一第一折射率的一第一材料層和具有一第二折射率的一第二材料層。
值得注意的是，「實施方式」的段落意欲用於解釋申請專利範圍，而非以「發明摘要」的段落來解釋。「發明摘要」可陳述一或多個但並非所有設想的例示性實施例，其並非用來限制附加的申請專利範圍。
前述概述了一些實施例的部件，使得本揭露所屬技術領域中具有通常知識者可以更加理解本揭露實施例的觀點。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應可理解，他們可以輕易使用本揭露實施例作為基礎，設計或修改其他的製程或是結構，以達到與在此介紹的實施例相同的目的及/或優點。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者也應理解，此類等效的結構並不悖離本揭露實施例的精神與範疇，並且在不悖離本揭露實施例的精神與範疇的情況下，在此可以做各種的改變、取代和替換。因此，本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定為準。
100       堆疊 105       BSI影像感測器裝置 110       ASIC 115       入射輻射束 115’      反射輻射束 115’’     箭頭 120       微透鏡 130       輻射感測區 135       隔離結構 140       多層金屬化層 145       接合結構 150       主動元件 155       摻雜區域 160       基板 165       隔離結構 170       多層金屬化層 175       焊墊結構 180       焊料凸塊 185       基板 190       布拉格鏡 200       高折射率材料 20         低折射率材料 200t      厚度 205t      厚度 300       方法 305       操作 315       操作 320       操作 325       操作 330       操作 400       溝槽開口 500       USG層 505       植入層 505 t厚度 500 w寬度 600       c-Si磊晶層 800       保護覆蓋層 805       介電質層 900       介電質層 1200     間隔件 1200’    氧化矽層 H           高度 W          寬度 W t頂部寬度 W b底部寬度
當結合附圖閱讀時自以下詳細描述最佳理解本揭露之態樣。應注意，根據業界中之標準實踐，各種構件未按比例繪製。具體言之，為了清楚論述起見，可任意增大或減小各種構件之尺寸。
圖1係根據一些實施例圖1是根據一些實施例的一具有附著到一專用積體電路(ASIC)的一背照式(BSI)影像感測器裝置的堆疊的剖面圖。
圖2係根據一些實施例的一具有一布拉格鏡的輻射感測區的放大剖面圖。
圖3係根據一些實施例描述一背照式(BSI)影像感測器裝置中的輻射感測區上的布拉格鏡的形成製程的製造方法的剖面圖。
圖4-11係根據一些實施例的在背照式(BSI)影像感測器裝置中的輻射感測區上的布拉格鏡的製造期間的中間結構的剖面圖。
圖12a係根據一些實施例的形成在背照式(BSI)圖像感測器裝置中的輻射感測區域的多個表面上的布拉格鏡的截面圖。
圖12b至圖12e係根據一些實施例的在背照式(BSI)影像感測器裝置中具有多個暴露表面的一輻射感測區的製造期間的中間結構的剖面圖。
圖13係根據一些實施例的形成在背照式(BSI)影像感測器裝置中的八面體形輻射感測區上的一布拉格鏡的剖面圖。
圖14是根據一些實施例的形成在背照式(BSI)影像感測器裝置中的菱形輻射感測區上的布拉格鏡的剖面圖。
無
300…方法 305…操作 315…操作 320…操作 325…操作 330…操作

Claims (10)

  1. 一種形成一影像感測器之方法，包含：在一基板的一前側表面內形成一開口；在該開口的底部和側壁表面上形成一共形的植入層；在該開口的該底部和側壁表面上生長一第一磊晶層；在該第一磊晶層上沉積一第二磊晶層以填充該開口，其中該第二磊晶層形成一輻射感測區；以及在該第二磊晶層的暴露表面上沉積一堆疊，其中該堆疊包括一高折射率材料層和一低折射率材料層的一交替對。
  2. 如請求項1的方法，其另包含：在該堆疊上沉積一覆蓋層；在該覆蓋層上形成一金屬化層，其中該金屬化層係電耦合至該輻射感測區，並配置為從該輻射感測區傳播一電信號至一信號處理裝置。
  3. 如請求項1的方法，其另包含形成一微透鏡於該基板上相對於該前側表面的一後側表面，其中該微透鏡係配置為導引輻射朝向該輻射感測區以入射該基板之該後側表面。
  4. 如請求項1的方法，其中沉積該堆疊之步驟另包含：沉積該高折射率材料層具有一等於該入射輻射之一波長除以該高折射率材料層之一折射率之四倍數的厚度；以及沉積該低折射率材料層具有一等於該入射輻射之該波長除以該低折射率材料層之一折射率之四倍數的厚度。
  5. 一種影像感測器，包含：一基板，具有一前側表面和相對的一後側表面；複數個微透鏡，形成於該基板的該後側表面；複數個濾色器，係設置於該複數個微透鏡和該基板的後側表面之間； 複數個輻射感測區，位於被形成在該基板的該前側表面中的複數個溝槽，其中該輻射感測區包含一磊晶半導體材料；一鏡面結構，設置在該磊晶半導體材料的複數個表面上，並且包含具有一第一折射率值的一第一材料層和具有一第二折射率值的一第二材料層的複數個交替層，該第二折射率值不同於該第一折射率值；以及一金屬化層，形成於該基板的該前側表面，且在該複數個輻射感測區和鏡面結構之上方。
  6. 如請求項5的影像感測器，其中該磊晶半導體材料包含具有三個或更多小平面之鍺，以及其中一氧化物層係被插入於該磊晶半導體材料及該複數個溝槽的複數個表面。
  7. 如請求項5的影像感測器，其中該第一材料層具有一厚度，其係實質上等於入射該複數個輻射感測區之該輻射的一波長除以該第一折射率值之四倍數的比率；以及該第二材料層具有一厚度，其係實質上等於入射該複數個輻射感測區之該輻射的一波長除以該第二折射率值之四倍數的比率。
  8. 如請求項5的影像感測器，另包含一覆蓋該鏡面結構之頂部及側壁表面的覆蓋層。
  9. 一種影像感測器，包含：一基板，具有一前側表面和相對的一後側表面；複數個溝槽，形成在基板的該前側表面中，其中該溝槽的一底部具有一漸縮輪廓；複數個輻射感測區，位於該複數個溝槽中，及包含一具有複數個小平面的磊晶半導體材料層；一氧化物層，設置在該複數個溝槽的複數個表面和該磊晶半導體材料層的該複數個小平面之間；以及 一複數個交替層的堆疊，設置在該磊晶半導體材料層的小平面上，其中該複數個交替層包含具有一第一折射率的一第一材料層和具有一第二折射率的一第二材料層。
  10. 如請求項9的影像感測器，其中該漸縮輪廓包含一側壁角度，其自一平行於該前及後側表面之軸線量起在大約30°至大約60°之間。
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