TWI776470B - 影像感測器及其形成方法 - Google Patents

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朱怡欣
廖英凱
江欣益
黃冠傑
施俊吉
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Abstract

本揭露的各種實施例是有關於一種具有用於減少暗電流的保護層的影像感測器。裝置層上覆於基底上。此外，頂蓋層上覆於裝置層上。頂蓋層及裝置層以及基底是半導體材料，且裝置層具有較頂蓋層及基底小的能隙。舉例而言，頂蓋層及基底可為矽，而裝置層可為或可包含鍺。光電偵測器位於裝置層及頂蓋層中，且保護層上覆於頂蓋層上。保護層包含高介電常數介電材料且引發沿著頂蓋層的頂表面形成偶極矩。

Description

影像感測器及其形成方法
本揭露實施例有關於一種影像感測器及其形成方法。
具有影像感測器的積體電路(integrated circuit，IC)被用於各種各樣的現代電子裝置(例如(舉例而言)，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)影像感測器已開始得到廣泛使用，大大地取代了電荷耦合裝置(charge-coupled device，CCD)影像感測器。相較於CCD影像感測器，CMOS影像感測器因功耗低、尺寸小、資料處理快、直接輸出資料及製造成本低而越來越受到青睞。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。
本揭露的一態樣提供一種影像感測器，所述影像感測器 包括：基底；裝置層，上覆於所述基底上；頂蓋層，上覆於所述裝置層上，其中所述頂蓋層及所述裝置層是半導體材料，且其中所述頂蓋層具有較所述裝置層大的能隙；光電偵測器，位於所述裝置層及所述頂蓋層中；以及保護層，上覆於所述頂蓋層上，其中所述保護層引發沿著所述頂蓋層的頂表面形成偶極矩。
本揭露另一態樣提供一種影像感測器，所述影像感測器包括：基底；裝置層，上覆於所述基底上；頂蓋層，上覆於所述裝置層上，其中所述頂蓋層及所述裝置層以及所述基底是半導體材料，且其中所述裝置層是與所述基底及所述頂蓋層不同的半導體材料；光電偵測器，位於所述裝置層及所述頂蓋層中；第一介電層，上覆於所述頂蓋層上且直接接觸所述頂蓋層；以及第二介電層，上覆於所述第一介電層上且直接接觸所述第一介電層，其中所述第一介電層及所述第二介電層包含氧化物，且其中所述第二介電層具有較所述第一介電層高的介電常數。
本揭露又一態樣提供一種形成影像感測器的方法，所述方法包括：磊晶生長上覆於基底上的裝置層；磊晶生長上覆於所述裝置層上的頂蓋層，其中所述頂蓋層具有較所述裝置層大的能隙；在所述裝置層及所述頂蓋層中形成光電偵測器；以及沈積上覆於所述頂蓋層上的保護層，其中所述保護層引發沿著所述頂蓋層的頂表面形成偶極矩。
100A、500A、800A、800B、900、1000A、1000B、1100、1200A、1200B、1200C、1400、1600、1700、1800、1900、2000、2100、2200、2300A、2300B、2300C、2300D、2400A、2400B、2600、2700、2800、2900、3000、3100、3200、3400、3500、3600、3700、3800、3900、4000、4100、4200:剖視圖
100B、500B:剖視圖
102:高介電常數保護層
104:偶極矩
106:光電偵測器
108:裝置層
110:頂蓋層
112:PIN二極體
112s:單個PIN二極體
114:P型接觸區
116:N型接觸區
118:基底
120:介面層
122、904:介面
124:流動電子
126c:接觸通孔
126:通孔
128:配線
128f:第一層級配線
200、600:能帶圖
202、602:能帶彎曲
300:時序圖
302:源輻射訊號
304:反射輻射訊號
306:PIN1狀態訊號
308:PIN2狀態訊號
310:PIN1聚集訊號
312:PIN2聚集訊號
400:等效電路
402:電容器
404:開關
406:光電二極體
408:共用節點
410:地
502:流動電洞
700:頂部佈局
902:氧化物保護層
1002:基底植入區
1004:間層
1202:光電偵測器間介電層
1300、1500:放大剖視圖
1302:積體電路(IC)結構
1304:IC結構
1306:結合介面
1308:邏輯裝置
1310:基底
1312:內連線結構
1314:內連線結構
1316:墊
1318:結合介電層
1320:內連線介電層
1322:蝕刻停止層
1324:溝渠隔離結構
1326:阱
1328:閘極電極
1330:閘極介電層
1332:源極/汲極區的對
1334:微透鏡
1336:金屬柵格
1338:金屬柵格開口
1340:抗反射層
1342:金屬柵格介電層
1402:結合墊
1404:附加溝渠隔離結構
1702、3502:空腔
1704:硬罩幕層
2500、3300、4300:方塊圖
2502、2504、2506、2508、2510、2512、2514、2516、3302、3304、3306、3308、3310、3312、3314、4302、4304、4306、4308、4310、4312、4314、4316、4318:動作
2602:半導體層
A、C:方框
B、D:線
Ec:傳導帶
Ev:價帶
O1、O2:能量偏移
Q1:數量
Q2:數量
t0:持續時間
Thkp、Ti、Top:厚度
Td:高度
△t:時間
結合附圖閱讀以下詳細說明，會最佳地理解本揭露的各個態樣。應注意，根據本行業中的標準慣例，各種特徵並非按比例繪製。事實上，為使論述清晰起見，可任意增大或減小各種特徵的尺寸。
圖1A及圖1B示出影像感測器的一些實施例的各種剖視圖，其中保護層被配置成減少暗電流。
圖2示出圖1A及圖1B所示影像感測器的介面層處的能帶圖的一些實施例。
圖3示出在圖1A及圖1B所示影像感測器的操作期間訊號的一些實施例的時序圖。
圖4示出圖1A及圖1B所示影像感測器的一些實施例的等效電路。
圖5A及圖5B示出圖1A及圖1B所示影像感測器的一些替代實施例的各種剖視圖，其中偶極矩的極性被反轉。
圖6示出圖5A及圖5B所示影像感測器的介面層處的能帶圖的一些實施例。
圖7示出圖1A及圖1B所示影像感測器的一些實施例的俯視佈局。
圖8A及圖8B示出圖1A及圖1B所示影像感測器的一些替代實施例的各種剖視圖，其中光電偵測器有所變化。
圖9示出圖1A及圖1B所示影像感測器的一些替代實施例的剖視圖，其中介面層被氧化物保護層取代。
圖10A及圖10B示出圖1A及圖1B所示影像感測器的一些替代實施例的剖視圖，其中裝置層由基底植入區及間層(interlayer)進行襯覆。
圖11示出圖1A及圖1B所示影像感測器的一些替代實施例的剖視圖，其中裝置層的底表面相對於基底的頂表面高起。
圖12A至圖12C示出圖11所示影像感測器的一些替代實施例的剖視圖。
圖13示出圖1A及圖1B所示影像感測器的一些實施例的放大剖視圖，其中影像感測器是後側照明式(BSI)且是三維(three-dimensional，3D)積體電路(IC)。
圖14示出圖13所示影像感測器的一些替代實施例的剖視圖，其中影像感測器具有多個光電偵測器。
圖15示出圖1A及圖1B所示影像感測器的一些實施例的放大剖視圖，其中影像感測器是前側照明式(FSI)。
圖16示出圖15所示影像感測器的一些替代實施例的剖視圖，其中影像感測器具有多個光電偵測器。
圖17至圖22、圖23A至圖23D、圖24A及圖24B示出形成影像感測器的方法的一些實施例的一系列剖視圖，其中保護層被配置成減少暗電流。
圖25示出圖17至圖22、圖23A至圖23D、圖24A及圖24B所示方法的一些實施例的方塊圖。
圖26至圖32示出形成影像感測器的方法的一些第一實施例 的一系列剖視圖，其中保護層被配置成減少暗電流且裝置層的底表面相對於基底的頂表面高起。
圖33示出圖26至圖32所示方法的一些實施例的方塊圖。
圖34至圖42示出形成影像感測器的方法的一些第二實施例的一系列剖視圖，其中保護層被配置成減少暗電流且裝置層的底表面相對於基底的頂表面高起。
圖43示出圖34至圖42所示方法的一些實施例的方塊圖。
本揭露提供用於實施本揭露的不同特徵的許多不同實施例或實例。以下闡述組件及排列的具體實例以簡化本揭露。當然，該些僅為實例且不旨在進行限制。舉例而言，以下說明中將第一特徵形成於第二特徵「之上」或第二特徵「上」可包括其中第一特徵與第二特徵被形成為直接接觸的實施例，且亦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不直接接觸的實施例。另外，本揭露可能在各種實例中重複使用參考編號及/或字母。此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「位於...之下(beneath)」、「位於...下方(below)」、「下部的(lower)」、「位於...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定向外亦囊括裝置在使用或操作中的不同定向。設備可具有其他定向(旋轉90度或處於其他定向)，且本文中所使用的空間相對性描述語可同樣相應地進行解釋。
可採用互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器來偵測近紅外(near infrared，NIR)輻射及紅外(infrared，IR)輻射。此可針對用於飛行時間(time-of-flight，ToF)成像及其他合適類型的成像的CMOS影像感測器而出現。然而，CMOS影像感測器通常是矽基的。矽具有大的能隙且因此對NIR輻射及IR輻射的吸收率差。因此，矽基CMOS影像感測器對NIR輻射及IR輻射可具有差的量子效率(quantum efficiency，QE)。為提高QE，可使用基於具有較矽小的能隙的替代半導體材料的CMOS影像感測器取代矽基CMOS影像感測器。此種替代半導體材料的非限制性實例是鍺。
基於替代半導體材料且用於ToF成像的CMOS影像感測器可包括裝置層及頂蓋層。裝置層上覆於半導體基底上且嵌入至半導體基底的頂部中，且頂蓋層上覆於裝置層上。此外，半導體基底及頂蓋層是矽，而裝置層是或包含替代半導體材料。兩個PIN二極體位於頂蓋層及裝置層中且分別位於裝置層的相對的側上。二氧化矽(例如，SiO2)保護層上覆於頂蓋層上且直接接觸頂蓋層，且接觸通孔延伸穿過保護層到達PIN二極體的接觸區。
替代半導體材料的較小能隙使得能夠達成增強的QE。 然而，較小的能隙亦會導致較高的暗電流，此會對使用替代半導體材料的效能增益產生負面影響。舉例而言，在ToF成像期間，可在不同的時間間隔使用PIN二極體來分別量測入射輻射。接著可使用量測來確定到物體的距離。來自暗電流的流動電子(Mobile electron)可能會聚集於PIN二極體處，進而導致量測不準確且因此導致距離判定不準確。
本揭露的各種實施例是有關於一種具有用於減少暗電流的保護層的影像感測器以及一種形成影像感測器的方法。在影像感測器的一些實施例中，裝置層上覆於基底上。此外，頂蓋層上覆於裝置層上。頂蓋層及裝置層以及基底是半導體材料，且裝置層具有較頂蓋層及基底小的能隙。舉例而言，頂蓋層及基底可為矽，而裝置層可為或可包含鍺。然而，應注意，在替代實施例中，其他合適的材料亦是可行的。光電偵測器位於裝置層及頂蓋層中，且保護層上覆於頂蓋層上。保護層包含高介電常數介電材料且引發沿著頂蓋層的頂表面形成偶極矩。
由於沿著頂蓋層的頂表面的偶極矩，暗電流的流動電荷載子(例如，流動電子)可被汲取至頂蓋層的頂表面並被中和。此轉而可防止暗電流對光電偵測器的效能產生負面影響。舉例而言，當對ToF成像採用影像感測器時，光電偵測器可包括一對PIN結。如上所述，PIN結可分別位於裝置層的相對的側上且可用於確定到物體的距離。偶極矩可將暗電流的流動電子自PIN結汲取掉，因此暗電流不會影響PIN結的量測。因此，量測可更準確且因此 距離判定可更準確。
參照圖1A及圖1B，提供影像感測器的一些實施例的各種剖視圖100A、100B，其中高介電常數保護層102被配置成在光電偵測器106之上引發偶極矩104而減少暗電流。圖1B對應於影像感測器的位於圖1A中的方框A內的一部分的放大剖視圖100B。光電偵測器106在裝置層108及頂蓋層110中位於高介電常數保護層102之下。此外，光電偵測器106包括一對PIN二極體112。PIN二極體112分別位於裝置層108的相對的側上且包括各別的P型接觸區114及各別的N型接觸區116。
裝置層108凹陷至基底118的頂部中，且頂蓋層110將裝置層108與高介電常數保護層102隔開。裝置層108、頂蓋層110及基底118是半導體材料，且裝置層108是與頂蓋層110及基底118不同的半導體材料。裝置層108可為或可包含鍺、矽鍺、一些其他合適的半導體材料或其任意組合。基底118及頂蓋層110可為或可包含例如矽及/或一些其他合適的半導體材料。在一些實施例中，裝置層108的塊體(bulk)未經摻雜或經輕摻雜及/或頂蓋層110未經摻雜或經輕摻雜。在一些實施例中，基底118的塊體具有P型摻雜或N型摻雜。如本文中所使用的輕摻雜意指摻雜濃度小於約1×1015原子/立方釐米(例如，cm-3)或一些其他合適的值。
高介電常數保護層102上覆於頂蓋層110上，且介面層120位於高介電常數保護層102與頂蓋層110之間。高介電常數保 護層102是介電常數超過3.9、10或一些其他合適的值的高介電常數介電材料。此外，在形成影像感測器期間，直接在頂蓋層110上沈積高介電常數保護層102。高介電常數保護層102與頂蓋層110發生反應，以在高介電常數保護層102與頂蓋層110之間形成介面層120。舉例而言，高介電常數保護層102及頂蓋層110可分別包含金屬氧化物及矽，使得高介電常數保護層102的氧與頂蓋層110的矽發生反應以形成作為氧化矽的介面層120。
介面層120是具有與高介電常數保護層102不同的能隙及較高介電常數保護層102的面氧密度(areal oxygen density)小的面氧密度的介電質。由於不同的能隙，在介面層120與高介電常數保護層102之間的介面122處會發生能帶彎曲(band bending)。能帶彎曲轉而引發在介面122處形成偶極矩104。此外，由於介面層120具有較高介電常數保護層102的面氧密度小的面氧密度，因此負電荷(由負號示意性地示出)沿著介面122累積於高介電常數保護層102中，而正電荷(由正號示意性地示出)沿著介面122累積於介面層120中。
如下文更詳細地闡釋，對ToF成像採用影像感測器。朝物體發射輻射。接著反射輻射照射於光電偵測器106上，以產生電子-電洞對。PIN二極體112在不同的時間分別在N型接觸區116中聚集電子-電洞對的流動電子。接著量測在不同時間間隔聚集的電子且使用所述電子確定到物體的距離。偶極矩104的正電荷將裝置層108中的暗電流的流動電子124遠離PIN二極體112汲取 且對流動電子124進行中和。藉由對流動電子124進行中和，暗電流減少且不會在PIN二極體112的N型接觸區116處聚集。因此，使用PIN二極體112的量測更準確且因此距離判定更準確。
在頂蓋層110之上堆疊有多個接觸通孔126c及多個第一層級配線128f。第一層級配線128f上覆於高介電常數保護層102上。接觸通孔126c分別自P型接觸區114及N型接觸區116分別延伸穿過高介電常數保護層102及介面層120到達第一層級配線128f。此外，接觸通孔126c具有與高介電常數保護層102的頂表面齊平的頂表面。在替代實施例中，接觸通孔126c的頂表面位於高介電常數保護層102的頂表面上方或下方。第一層級配線128f及接觸通孔126c可為或可包含例如金屬及/或一些其他合適的導電材料。
在一些實施例中，高介電常數保護層102是或包含氧化鋁(例如，Al2O3)、氧化鈦(例如，TiO2)、氧化鉭(例如，Ta2O5)、氧化鉿(HfO2)、氧化鋯(例如，ZrO2)、氧化鎂(例如，MgO)、一些其他合適的高介電常數介電質或其任意組合。在一些實施例中，高介電常數保護層102具有較介面層120的介電常數大的介電常數及/或具有較介面層120的能隙小的能隙。在一些實施例中，高介電常數保護層102具有約1奈米至10奈米、約1奈米至5奈米、約5奈米至10奈米或一些其他合適的值的厚度Thkp。若厚度Thkp過大(例如，大於約10奈米或一些其他合適的值)，則高介電常數保護層102中的固有缺陷可能會導致高的洩漏電流，所述高 的洩漏電流會抵消偶極矩104的效能增益。另一方面，若厚度Thkp過小(例如，小於約1奈米或一些其他合適的值)，則偶極矩104可能不會形成且因此偶極矩104的效能增益可能不會達成。
在一些實施例中，介面層120是或包含來自基底118的半導體元素及來自高介電常數保護層102的氧及/或一些其他合適的元素。舉例而言，介面層120可包含來自基底118的矽及來自高介電常數保護層102的氧。在一些實施例中，介面層120是或包含二氧化矽(例如，SiO2)及/或一些其他合適的介電質。在一些實施例中，介面層120具有約0.5奈米至2.5奈米、約0.5奈米至1.5奈米或約1.5奈米至2.5奈米或者一些其他合適的值的厚度Ti。
在一些實施例中，裝置層108相對於矽、基底118、頂蓋層110或其任何組合具有小的能隙。舉例而言，裝置層108可為或可包含鍺，而頂蓋層110及基底118可為矽。在一些實施例中，小的能隙使得裝置層108相對於矽、基底118、頂蓋層110或其任意組合具有對NIR輻射及/或IR輻射的高吸收係數。NIR輻射可例如包括約850奈米至940奈米、約850奈米至1350奈米、約850奈米至1180奈米、約1180奈米至1350奈米的波長、一些其他合適的波長或其任意組合。IR輻射可例如包括約1.5微米至30微米的波長及/或其他合適的波長。在一些實施例中，小的能隙使得裝置層108對約850奈米至940奈米的波長及其他合適的波長具有大於約80%或一些其他合適的值的高QE。
在一些實施例中，裝置層108具有約2微米至50微米、約2微米至26微米、約25微米至50微米或一些其他合適的值的高度Td。若高度Td過小(例如，小於約2微米或一些其他合適的值)，則裝置層108可能會具有對入射輻射的差的吸收率且光電偵測器106可能會具有差的效能。若高度Td過大(例如，大於約50微米或一些其他合適的值)，則形成凹陷至基底118中的裝置層108可能會花費長的時間且可能會顯著影響產能。
參照圖2，提供沿著圖1A及圖1B所示線B的能帶圖200的一些實施例，其中能帶彎曲202發生於高介電常數保護層102與介面層120之間的介面122處。因此，傳導帶(conduction band)Ec自介面122朝介面層120向上彎曲，進而達成正的能量偏移O1。同樣的情況發生於價帶(valence band)Ev處。由於能量偏移O1為正，因此偶極矩104的正電荷位於介面層120中，且偶極矩104的負電荷位於高介電常數保護層102中。若能量偏移O1為負，則偶極矩104的正電荷將位於高介電常數保護層102中，且偶極矩104的負電荷將位於介面層120中。
在一些實施例中，頂蓋層110是矽，高介電常數保護層102是氧化鋁(例如，Al2O3)，且介面層120是氧化矽(例如，SiO2)。在此種實施例中的至少一些實施例中，能量偏移O1是0.57電子伏特(electron volt，eV)。在其他實施例中，頂蓋層110是矽，高介電常數保護層102是氧化鉿(例如，HfO2)，且介面層120是氧化矽(例如，SiO2)。在此種實施例中的至少一些實施例中，能 量偏移O1是0.31電子伏特。在其他實施例中，不同的材料亦是可行的。
參照圖3，提供在圖1A及圖1B所示影像感測器的操作期間訊號的一些實施例的時序圖300。水平軸線對應於時間，而垂直軸線對應於訊號狀態。
如源輻射訊號302所示，在開始時朝物體發射源輻射達持續時間t0。源輻射可例如自影像感測器或自影像感測器附近發射及/或可例如由雷射二極體或一些其他合適的輻射源發射。源輻射可為例如NIR輻射、IR輻射或一些其他合適類型的輻射。
如反射輻射訊號304所示，源輻射自物體反射且在時間△t之後照射於光電偵測器106上。因此，反射輻射照射於光電偵測器106上達持續時間t0。
如分別用於圖1A及圖1B所示PIN二極體112的PIN1狀態訊號306及PIN2狀態訊號308所示，PIN二極體112分別以不同的、不重疊的時間間隔處於接通(ON)狀態。在發射源輻射時，第一PIN二極體處於接通狀態達持續時間t0且在其他時間處於關斷(OFF)狀態。另外，第二PIN二極體在發射源輻射之後緊接著處於接通狀態達持續時間t0且在其他時間處於關斷狀態。
當反向偏置時，PIN二極體112各自處於接通狀態，且當正向偏置或以其他方式未偏置時，PIN二極體112各自處於關斷狀態。實際上，PIN二極體112的接通/關斷狀態由圖1A及圖1B所示P型接觸區114處的偏置電壓控制。在PIN二極體112中 的任一者處於接通狀態時，因應於反射輻射而產生的流動電子聚集於圖1A及圖1B所示N型接觸區116中的對應一者處。此外，各別的N型接觸區分別具有的且電性耦合至N型接觸區的電容器儲存聚集於N型接觸區處的電子。應注意，在圖1A及圖1B中未示出各別的N型接觸區116分別具有的電容器。
如分別用於PIN二極體112的PIN1聚集訊號310及PIN2聚集訊號312所示，PIN二極體112以不同的、非重疊的時間間隔聚集因應於反射輻射而產生的流動電子。在第一PIN二極體處於接通狀態時，第一PIN二極體聚集第一數量Q1的電子，而在第二PIN二極體處於接通狀態時，第二PIN二極體聚集第二數量Q2的電子。如上所述，流動電子聚集於圖1A及圖1B所示N型接觸區116處，使得PIN1聚集訊號310及PIN2聚集訊號312對應於N型接觸區116處的訊號。
藉由得到時間△t，可如下所示確定到物體的距離D：
Figure 110113813-A0305-02-0017-1
 其中c是光速。然而，△t並不是已知的。然而，可自已知的持續時間t0以及由PIN二極體112聚集的電子的第一數量Q1及第二數量Q2來確定△t。具體而言，可如下所示確定△t：
Figure 110113813-A0305-02-0017-2
 因此，可如下所示確定距離D：
Figure 110113813-A0305-02-0017-3
由於所確定的距離D取決於第一數量Q1及第二數量Q2， 因此所確定的距離D的準確度取決於第一數量Q1及第二數量Q2的準確度。此外，若暗電流的流動電子遷移至圖1A及圖1B中的PIN二極體112且由PIN二極體112聚集，則暗電流可能會對第一數量Q1及第二數量Q2的準確度產生負面影響，且因此可能會對所確定的距離D的準確度產生負面影響。暗電流電子由於圖1A及圖1B中的偶極矩104而被自PIN二極體112汲取掉。此防止暗電流電子由PIN二極體112聚集或以其他方式減少由PIN二極體112聚集的暗電流電子的數量。因此，偶極矩104會減小暗電流對第一數量Q1及第二數量Q2的準確度以及所確定的距離D的準確度的影響。
參照圖4，提供圖1A及圖1B所示影像感測器的一些實施例的等效電路400。影像感測器包括光電偵測器106及一對電容器402。光電偵測器106相當於電性耦合至共用節點408的一對開關404及光電二極體406。光電二極體406的陰極電性耦合至共用節點408，而光電二極體406的陽極電性耦合至地410。開關404分別自共用節點408電性耦合至電容器402，且電容器402分別自開關404電性耦合至地410。
開關404對應於圖1A及圖1B中的PIN二極體112。當開關處於接通狀態時，相應的PIN二極體處於反向偏置狀態且全部或局部地用作光電二極體406。當開關處於關斷狀態時，相應的PIN二極體處於正向偏置狀態或非偏置狀態且獨立於光電二極體406。參照圖3，PIN1狀態訊號306及PIN2狀態訊號308對應於 開關404的接通/關斷狀態。此外，PIN1聚集訊號310及PIN2聚集訊號312對應於被聚集並轉移至電容器402的流動電子。
參照圖5A及圖5B，提供圖1A及圖1B所示影像感測器的一些替代實施例的各種剖視圖500A、500B，其中偶極矩104的極性被反轉。圖5B對應於影像感測器的位於圖5A中的方框C內的一部分的放大剖視圖500B。由於偶極矩104的極性被反轉，因此偶極矩104的負電荷(由負號示意性地示出)沿著介面122累積於介面層120中，而偶極矩104的正電荷(由正號示意性地示出)沿著介面122累積於高介電常數保護層102中。
由於介面層120具有較高介電常數保護層102的面氧密度大的面氧密度，因此偶極矩104的極性被反轉。在一些實施例中，介面層120是或包含氧化矽及/或一些其他合適的介電質。在一些實施例中，高介電常數保護層102是或包含氧化鋇(例如，BaO)、氧化鍶(例如，SrO)、氧化鑭(例如，La2O3)、氧化釔(例如，Y2O3)、一些其他合適的高介電常數介電質或其任意組合。
除偶極矩104的極性被反轉之外，N型接觸區116位於P型接觸區114之間。此外，N型接觸區116向裝置層108中延伸較P型接觸區114大的深度。在替代實施例中，P型接觸區114如圖1A及圖1B中般位於N型接觸區116之間及/或N型接觸區116如圖1A及圖1B中般向裝置層108中延伸較P型接觸區114小的深度。
與圖1A及圖1B相似，對ToF成像採用影像感測器。 朝物體發射輻射。接著反射輻射照射於光電偵測器106上，以產生電子-電洞對。PIN二極體112在不同的時間分別在P型接觸區114中聚集電子-電洞對的流動電洞。接著量測在不同時間間隔聚集的電洞且使用所述電洞確定到物體的距離。偶極矩104的負電荷將裝置層108中的暗電流的流動電洞502自PIN二極體112汲取掉且對流動電洞502進行中和。藉由對流動電洞502進行中和，暗電流減少且不會在PIN二極體112的P型接觸區114處聚集。因此，使用PIN二極體112的量測更準確且因此距離判定更準確。
參照圖6，提供沿著圖5A及圖5B所示線D的能帶圖600的一些實施例，其中能帶彎曲602發生於高介電常數保護層102與介面層120之間的介面122處。因此，傳導帶Ec自介面122朝介面層120向下彎曲，進而達成負的能量偏移O2。同樣的情況發生於傳導帶Ev處。由於能量偏移O2為負，因此偶極矩104的負電荷位於介面層120中，且偶極矩104的正電荷位於高介電常數保護層102中。若能量偏移O2為正，則偶極矩104的負電荷將位於高介電常數保護層102中，且偶極矩104的正電荷將位於介面層120中。
在一些實施例中，頂蓋層110是矽，高介電常數保護層102是氧化釔(例如，Y2O3)，且介面層120是氧化矽(例如，SiO2)。在此種實施例中的至少一些實施例中，能量偏移O2是-0.23電子伏特。在其他實施例中，不同的材料亦是可行的。
參照圖7，沿著頂蓋層110(以假像線(phantom)示出) 與裝置層108之間的介面提供圖1A及圖1B所示影像感測器的一些實施例的頂部佈局700。PIN二極體112分別位於裝置層108的相對的側上。P型接觸區114及N型接觸區116具有平行伸長的矩形佈局，且P型接觸區114位於N型接觸區116之間。在替代實施例中，P型接觸區114及N型接觸區116具有一些其他合適的佈局及/或N型接觸區116位於P型接觸區114之間。
參照圖8A及圖8B，提供圖1A及圖1B所示影像感測器的一些替代實施例的各種剖視圖800A、800B，其中光電偵測器106有所變化。
如圖8A的剖視圖800A所示，頂蓋層110的底表面相對於基底118的頂表面高起，使得光電偵測器106的頂部相對於基底118的頂表面高起。在替代實施例中，頂蓋層110的底表面相對於基底118的頂表面凹陷，且頂蓋層110的頂表面相對於基底118的頂表面高起。
如圖8B的剖視圖800B所示，光電偵測器106包括單個PIN二極體112s而非一對PIN二極體112。如圖1A及圖1B所示PIN二極體112般闡述單個PIN二極體112s，且因此所述單個PIN二極體112s包括P型接觸區114及N型接觸區116。P型接觸區114及N型接觸區116分別位於裝置層108的相對的側上。
參照圖9，提供圖1A及圖1B所示影像感測器的一些替代實施例的剖視圖900，其中介面層120被氧化物保護層902取代。氧化物保護層902相似於介面層120。然而，與介面層120相 比，氧化物保護層902是在影像感測器的形成期間沈積。由此，氧化物保護層902並非是由於高介電常數保護層102與頂蓋層110之間的反應而形成。由於氧化物保護層902是藉由沈積形成，因此氧化物保護層902具有較介面層120高的結晶品質，此使得洩漏電流減少及光電偵測器106的效能增強。
氧化物保護層902是具有與高介電常數保護層102不同的能隙及較高介電常數保護層102的面氧密度小的面氧密度的介電質。由於不同的能隙，在氧化物保護層902與高介電常數保護層102之間的介面904處會發生能帶彎曲。能帶彎曲轉而引發在介面904處形成偶極矩104。由於氧化物保護層902具有較高介電常數保護層102的面氧密度小的面氧密度，因此負電荷(由負號示意性地示出)沿著介面904累積於高介電常數保護層102中，而正電荷(由正號示意性地示出)沿著介面904累積於氧化物保護層902中。在替代實施例中，氧化物保護層902具有較高介電常數保護層102的面氧密度高的面氧密度，以使偶極矩104的極性反轉。
氧化物保護層902具有較高介電常數保護層102低的介電常數，且在一些實施例中具有較高介電常數保護層102的能隙大的能隙。在一些實施例中，氧化物保護層902包含來自基底118的半導體元素且更包含來自高介電常數保護層102的氧及/或一些其他合適的元素。在一些實施例中，氧化物保護層902是或包含二氧化矽(例如，SiO2)及/或一些其他合適的介電質。
在一些實施例中，氧化物保護層902具有約1奈米至10奈米、約1奈米至5奈米、約5奈米至10奈米或一些其他合適的值的厚度Top。若氧化物保護層902過薄(例如，小於約1奈米或一些其他合適的值)，則氧化物保護層902相較於圖1A及圖1B可能過薄而不能有意義地減少洩漏電流。若厚度Top過大(例如，大於約10奈米或一些其他合適的值)，則偶極矩104距暗電流的流動電子124可能過遠而不能有意義地吸引並中和流動電子124。因此，偶極矩104可能無法有意義地改善PIN二極體112的量測準確度，且因此可能無法有意義地改善距離判定。
參照圖10A及圖10B，提供圖1A及圖1B所示影像感測器的一些替代實施例的剖視圖1000A、1000B，其中裝置層108由基底植入區1002及間層1004進行襯覆。在圖10A中，頂蓋層110的頂表面與基底118的頂表面大致齊平(應注意，基底植入區1002是基底118的摻雜區)。在圖10B中，頂蓋層110的底表面相對於基底118的頂表面高起。在替代實施例中，頂蓋層110的底表面相對於基底118的頂表面凹陷，且頂蓋層110的頂表面相對於基底118的頂表面高起。
如上所述，基底植入區1002是基底118的摻雜區。此外，基底植入區1002具有與基底118的塊體相同的摻雜類型，但具有較基底118的塊體高的摻雜濃度。舉例而言，基底植入區1002及基底118的塊體可為P型或N型二者。在一些實施例中，基底植入區1002的摻雜濃度為約1×1017cm-3至5×1018cm-3、大於約 5×1018cm-3或者為一些其他合適的值。
間層1004將裝置層108與基底植入區1002隔開。間層1004是與裝置層108的半導體材料不同的未經摻雜半導體材料。在替代實施例中，間層1004是與裝置層108的半導體材料不同及/或具有較基底植入區1002低的摻雜濃度的輕摻雜半導體材料。輕摻雜可為例如小於約1×1015cm-3或一些其他合適的值的摻雜濃度。間層1004可為或可包含例如矽及/或一些其他合適的半導體材料。在一些實施例中，間層1004是或包含與基底118及/或頂蓋層110相同的半導體材料。舉例而言，間層1004、基底118及頂蓋層110可為矽，而裝置層108可為鍺或矽鍺。然而，其他合適的材料亦是可行的。
基底植入區1002減少由間層1004與基底118之間的介面處及/或間層1004與裝置層108之間的介面處的結晶缺陷引發的載子。因此，第一介面及/或第二介面處的洩漏電流可減少且光電偵測器106的效能可提高。
由於間層1004未經摻雜，因此間層1004具有高電阻。此種高電阻減少自裝置層108至基底118的洩漏電流。藉由減少自裝置層108至基底118的洩漏電流，光電偵測器間洩漏電流減少且光電偵測器106的效能進一步提高。高電阻可例如大於約100千歐姆或一些其他合適的值。間層1004進一步阻止來自基底植入區1002的摻雜劑擴散至裝置層108。舉例而言，基底植入區1002可具有P型摻雜且間層1004可阻止硼或其他合適的P型摻雜劑擴 散至裝置層108。擴散至裝置層108的摻雜劑可產生自基底118至裝置層108的低電阻區，且因此可能會增加光電偵測器間洩漏電流。由於間層1004阻止擴散，因此自基底118至裝置層108的電阻可保持為高的且洩漏電流可保持為低的。
參照圖11，提供圖1A及圖1B所示影像感測器的一些替代實施例的剖視圖1100，其中裝置層108的底表面相對於基底118的頂表面高起。此外，頂蓋層110延伸於裝置層108的側壁上，介面層120延伸於頂蓋層110的側壁上，且高介電常數保護層102延伸於介面層120的側壁上。由於裝置層108的底表面相對於基底118的頂表面高起，因此裝置層108及頂蓋層110可被視為在基底118之上界定檯面式結構(mesa structure)。此外，由於光電偵測器106藉由高介電常數保護層102而與光電偵測器在側向上隔開，因此光電偵測器間隔離得到增強。
參照圖12A至圖12C，提供圖11所示影像感測器的一些替代實施例的各種剖視圖1200A至1200C。
如圖12A的剖視圖1200A所示，介面層120被圖9所示氧化物保護層902取代。如針對圖9所述，氧化物保護層902相似於介面層120。然而，氧化物保護層902是在形成影像感測器期間沈積，而非藉由高介電常數保護層102與頂蓋層110之間的反應而形成。由於氧化物保護層902是藉由沈積形成，因此氧化物保護層902具有較介面層120高的結晶品質，此使得洩漏電流減少。
如圖12B的剖視圖1200B及圖12C的剖視圖1200C所示，光電偵測器間介電層1202將光電偵測器106與鄰近的光電偵測器隔開。在圖12B中，頂蓋層110、介面層120及高介電常數保護層102垂直地堆疊且上覆於光電偵測器間介電層1202及裝置層108上。在圖12C中，頂蓋層110被定位至裝置層108。由此，介面層120延伸於頂蓋層110的側壁上，且高介電常數保護層102延伸於介面層120的側壁上。光電偵測器間介電層1202可為或可包含例如氧化矽及/或一些其他合適的介電質。
參照圖13，提供圖1A及圖1B所示影像感測器的一些實施例的放大剖視圖1300，其中影像感測器是後側照明式(BSI)且是三維(3D)積體電路(IC)。3D IC包括在結合介面1306處混合結合於一起的第一IC結構1302與第二IC結構1304。第一IC結構1302上覆於第二IC結構1304上且容置光電偵測器106，而第二IC結構1304位於第一IC結構1302之下且容置多個邏輯裝置1308。
第一IC結構1302及第二IC結構1304分別包括第一基底118及第二基底1310。此外，第一IC結構1302及第二IC結構1304分別包括第一內連線結構1312及第二內連線結構1314。第一內連線結構1312及第二內連線結構1314位於第一基底118與第二基底1310之間且分別與第一基底118及第二基底1310鄰接。光電偵測器106在第一基底118與第一內連線結構1312之間位於第一基底118的前側上。邏輯裝置1308在第二基底1310與第二 內連線結構1314之間位於第二基底1310的前側上。第一基底118及第二基底1310可為例如單晶矽的塊狀基底或一些其他合適類型的基底。
第一內連線結構1312及第二內連線結構1314包括被分組成層級且在第一基底118與第二基底1310之間交替堆疊的多條配線128、多個通孔126及多個墊1316。所述層級對應於第二基底1310上方的不同度(elevation)。墊1316被分組成在結合介面1306處直接接觸的兩個墊層級。配線128及通孔126分別被分組成分別自墊1316至光電偵測器106及邏輯裝置1308交替堆疊的多個配線層級及通孔層級。配線128、通孔126及墊1316是導電的且可為或可包含銅、鎢、鋁、一些其他合適的導電材料或其任意組合。
介電堆疊環繞第一基底118與第二基底1310之間的配線128、通孔126及墊1316。一對結合介電層1318在結合介面1306處直接接觸且環繞墊1316及墊1316處的通孔126。蝕刻停止層1322分別與結合介電層1318鄰接且進一步環繞墊1316處的通孔126。高介電常數保護層102及介面層120在光電偵測器106處環繞通孔126。一對內連線介電層1320環繞配線128以及通孔126中的其餘通孔126。蝕刻停止層1322是或包含與內連線介電層1320及結合介電層1318不同的材料。
溝渠隔離結構1324將邏輯裝置1308隔開。溝渠隔離結構1324是或包含氧化矽及/或一些其他合適的介電質。溝渠隔離結 構1324可為例如淺溝渠隔離(shallow trench isolation，STI)結構或一些其他合適類型的溝渠隔離結構。
邏輯裝置1308是絕緣閘極場效電晶體(insulated-gate field-effect transistor，IGFET)，但可為一些其他合適類型的電晶體。舉例而言，邏輯裝置1308可為鰭場效電晶體(fin field-effect transistor，finFET)、閘極全包圍場效電晶體(gate-all-around field-effect transistor，GAAFET)或一些其他合適類型的電晶體。邏輯裝置1308包括各別的阱1326、各別的閘極電極1328、各別的閘極介電層1330及各別的源極/汲極區的對1332。閘極電極1328分別與閘極介電層1330堆疊於第二基底1310上，且所述堆疊位於相應的源極/汲極區的對1332中的源極/汲極區之間。阱1326在第二基底1310中分別位於源極/汲極區的對1332之下且環繞源極/汲極區的對1332。阱1326具有與相應的源極/汲極區的對1332相反的摻雜類型。在一些實施例中，阱1326中的一者、一些阱1326或所有阱1326具有與第二基底1310的塊體相反的摻雜類型。在一些實施例中，阱1326中的一者、一些阱1326或所有阱1326具有與第二基底1310的塊體相同的摻雜類型，但具有與第二基底1310的塊體不同的摻雜濃度。在替代實施例中，省略阱1326中的一者、一些阱1326或所有阱1326。
微透鏡1334及金屬柵格1336在第一基底118的後側上堆疊於第一基底118之上。金屬柵格1336具有上覆於光電偵測器106上的金屬柵格開口1338且被配置成防止光電偵測器106與鄰 近的光電偵測器之間的串擾。此外，金屬柵格1336被抗反射層1340及金屬柵格介電層1342環繞。抗反射層1340位於金屬柵格1336與第一基底118之間，以將金屬柵格1336與第一基底118隔開，且金屬柵格介電層1342填充金屬柵格開口1338且將金屬柵格1336與微透鏡1334隔開。微透鏡1334上覆於金屬柵格1336上且被配置成將入射輻射經由金屬柵格開口1338聚焦於光電偵測器106上。
參照圖14，提供圖13所示影像感測器的一些替代實施例的剖視圖1400，其中影像感測器具有多個光電偵測器106。光電偵測器106各自作為圖13中的光電偵測器106的對應部件。在替代實施例中，光電偵測器106各自作為上述各圖中的任一者(例如，圖10或一些其他合適的圖)中的光電偵測器106的對應部件。應注意，由於圖14中的光電偵測器106的小的尺寸，因此未示出光電偵測器106的構成物(例如，接觸區)。
多個微透鏡1334上覆於光電偵測器106上，且金屬柵格1336界定多個金屬柵格開口1338。微透鏡1334是各別的光電偵測器106分別具有的且分別上覆於光電偵測器106上。相似地，金屬柵格開口1338是各別的光電偵測器106分別具有的且分別上覆於光電偵測器106上。微透鏡1334及金屬柵格開口1338分別如圖13中闡述的微透鏡1334及金屬柵格開口1338的對應部件般。
一對結合墊1402懸於金屬柵格介電層1342上且分別延 伸穿過第一基底118到達配線128中的一些配線128。此外，結合墊1402分別位於光電偵測器106的相對的側上，使得光電偵測器106位於結合墊1402之間。結合墊1402可為或可包含例如銅、鋁、一些其他合適的金屬或其任意組合。
附加溝渠隔離結構1404在第一基底118與第一內連線結構1312之間延伸至第一基底118的前側中。附加溝渠隔離結構1404具有各別的結合墊1402分別具有的且分別位於結合墊1402處的多個段，使得結合墊1402延伸穿過附加溝渠隔離結構1404。附加溝渠隔離結構1404是或包含氧化矽及/或一些其他合適的介電質。附加溝渠隔離結構1404可為例如STI結構或一些其他合適類型的溝渠隔離結構。
參照圖15，提供圖1A及圖1B所示影像感測器的一些實施例的放大剖視圖1500，其中影像感測器是前側照明式(FSI)。內連線結構1312上覆於基底118及基底118的前側上的光電偵測器106上。此外，內連線結構1312上覆於基底118的前側上的邏輯裝置(未示出)上。邏輯裝置可如例如圖13所示出及闡述的邏輯裝置1308般。內連線結構1312包括多條配線128及多個通孔126。配線128與通孔126交替堆疊於介電堆疊中。高介電常數保護層102及介面層120在光電偵測器106處環繞通孔126。內連線介電層1320環繞配線128以及通孔126中的其餘通孔126。
微透鏡1334及金屬柵格1336在基底118的前側上堆疊於內連線結構1312之上。此外，抗反射層1340位於金屬柵格1336 與內連線結構1312之間，而金屬柵格介電層1342填充金屬柵格開口1338且將金屬柵格1336與微透鏡1334隔開。微透鏡1334及金屬柵格如針對圖13所述般。
參照圖16，提供圖15所示影像感測器的一些替代實施例的剖視圖1600，其中影像感測器具有多個光電偵測器106。光電偵測器106各自作為圖15中的光電偵測器106的對應部件。在替代實施例中，光電偵測器106各自作為上述各圖中的任一者(例如，圖10或一些其他合適的圖)中的光電偵測器106的對應部件。應注意，由於圖15中的光電偵測器106的小的尺寸，因此未示出光電偵測器106的構成物(例如，接觸區)。
多個微透鏡1334上覆於光電偵測器106上，且金屬柵格1336界定多個金屬柵格開口1338。微透鏡1334是各別的光電偵測器106分別具有的且分別上覆於光電偵測器106上。相似地，金屬柵格開口1338是各別的光電偵測器106分別具有的且分別上覆於光電偵測器106上。另外，一對結合墊1402在基底118的前側上懸於金屬柵格介電層1342上且分別延伸穿過抗反射層1340及金屬柵格介電層1342到達配線128中的一些配線128。此外，結合墊1402分別位於光電偵測器106的相對的側上，使得光電偵測器106位於結合墊1402之間。
參照圖17至圖22、圖23A至圖23D、圖24A及圖24B，提供形成影像感測器的方法的一些實施例的一系列剖視圖1700至2200、2300A至2300D、2400A、2400B，其中保護層被配置成在 光電偵測器之上引發偶極矩減少暗電流。圖23A至圖23D以及圖24A與圖24B是彼此的替代，其中影像感測器是BSI及FSI且各自各別地自圖17至圖22進行。圖23A至圖23D示出如圖13中的影像感測器的形成，而圖24A及圖24B示出如圖15中的影像感測器的形成。
如圖17的剖視圖1700所示，將第一基底118圖案化以形成空腔1702。第一基底118可為例如單晶矽的塊狀基底或一些其他合適類型的基底。在一些實施例中，第一基底118未經摻雜。在其他實施例中，第一基底118摻雜有P型摻雜劑或N型摻雜劑。形成空腔1702的圖案化包括：1)在第一基底118之上沈積硬罩幕層1704；2)藉由光微影/蝕刻製程將第一基底118圖案化；以及3)在硬罩幕層1704保持於適當位置的情況下，向第一基底118中執行蝕刻。硬罩幕層1704可為或可包含例如未經摻雜的矽酸鹽玻璃(undoped silicate glass，USG)及/或一些其他合適的介電質。在替代實施例中，藉由一些其他合適的圖案化製程來執行形成空腔1702的圖案化。
如圖18的剖視圖1800所示，磊晶生長對空腔1702(參見例如圖17)進行填充的裝置層108。由於裝置層108是磊晶生長的，因此裝置層108在空腔1702中自第一基底118的被暴露出的表面向外生長。此外，由於硬罩幕層1704在空腔1702之外覆蓋第一基底118，因此裝置層108全部或大部分被定位至空腔1702。裝置層108是與第一基底118不同的半導體材料。舉例而言，裝 置層108可為鍺或矽鍺，而第一基底118可為矽。然而，在替代實施例中，其他合適的材料亦是可行的。在一些實施例中，裝置層108相較於第一基底118具有對NIR輻射及/或IR輻射更高的吸收係數。此外，在一些實施例中，裝置層108具有較第一基底118小的能隙。
如圖19的剖視圖1900所示，將裝置層108的頂表面平坦化且使裝置層108的頂表面凹陷。所述平坦化使裝置層108的頂表面平整，且所述凹陷使裝置層108的頂表面相對於第一基底118的頂表面凹陷。在替代實施例中，不使第一基底118的所述頂表面凹陷。
在一些實施例中，單獨地執行平坦化與凹陷。舉例而言，執行化學機械研磨(chemical mechanical polish，CMP)或一些其他合適的平坦化製程，且接著執行回蝕或一些其他合適的凹陷製程。在替代實施例中，一同執行平坦化與凹陷。舉例而言，可在裝置層108之上形成具有平的頂表面的犧牲層。接著可使用對犧牲層與裝置層108具有相同蝕刻速率或相似蝕刻速率的蝕刻劑來向犧牲層及裝置層108中執行回蝕。
如圖20的剖視圖2000所示，在裝置層108上磊晶生長覆蓋裝置層108的頂蓋層110。此外，頂蓋層110是磊晶生長的，使得頂蓋層110生長於裝置層108而非硬罩幕層1704上。由此，頂蓋層110藉由自對準製程被定位至裝置層108。
頂蓋層110是與裝置層108不同的半導體材料，且可為 或可包含例如矽或一些其他合適的半導體材料。在一些實施例中，頂蓋層110是與第一基底118相同的半導體材料及/或是未經摻雜的。頂蓋層110在後續處理期間保護裝置層108免受損壞。舉例而言，後續的濕式清潔製程可使用對裝置層108具有高蝕刻速率但對頂蓋層110具有低蝕刻速率的酸。由此，若沒有頂蓋層110，裝置層108將經受顯著的結晶損壞及/或腐蝕。藉由防止腐蝕及/或結晶損壞，洩漏電流減少。
如圖21的剖視圖2100所示，在裝置層108及頂蓋層110中形成光電偵測器106。光電偵測器106包括分別位於裝置層108的相對的側上的一對PIN二極體112。PIN二極體112包括各別的P型接觸區114及各別的N型接觸區116。P型接觸區114位於N型接觸區116之間。在替代實施例中，N型接觸區116位於P型接觸區114之間。在替代實施例中，省略PIN二極體112中的一者。
在一些實施例中，所述形成包括：1)向第一基底118中選擇性地執行離子植入以形成P型接觸區114；以及2)向第一基底118中選擇性地執行離子植入以形成N型接觸區116。在其他實施例中，藉由一些其他合適的製程形成光電偵測器106。
如圖22的剖視圖2200所示，移除硬罩幕層1704。可例如藉由蝕刻、CMP或一些其他合適的移除製程來執行硬罩幕層1704的移除。在替代實施例中，硬罩幕層1704未被移除且因此在此後持續存在。
圖22的剖視圖2200亦示出，直接在頂蓋層110及第一基底118上沈積高介電常數保護層102。高介電常數保護層102是介電常數超過3.9、10或一些其他合適的值的高介電常數介電材料。可例如藉由原子層沈積(atomic layer deposition，ALD)、氣相沈積或一些其他合適的沈積製程來執行所述沈積。
高介電常數保護層102與頂蓋層110發生反應，進而引發在高介電常數保護層102與頂蓋層110之間形成介面層120。舉例而言，高介電常數保護層102及頂蓋層110可分別包含金屬氧化物及矽，使得高介電常數保護層102的氧與頂蓋層110的矽發生反應以形成作為氧化矽的介面層120。此外，高介電常數保護層102與第一基底118發生反應，使得介面層120沿著第一基底118的頂表面延伸。介面層120是具有與高介電常數保護層102不同的能隙及較高介電常數保護層102的面氧密度小的面氧密度的介電質。由於不同的能隙，在介面層120與高介電常數保護層102之間的介面122處會發生能帶彎曲。能帶彎曲轉而引發在介面122處形成偶極矩104。由於介面層120具有較高介電常數保護層102的面氧密度小的面氧密度，因此負電荷(由負號示意性地示出)沿著介面122累積於高介電常數保護層102中，而正電荷(由正號示意性地示出)沿著介面122累積於介面層120中。
在一些實施例中，頂蓋層110及第一基底118是矽，高介電常數保護層102是金屬氧化物，且介面層120是氧化矽。然而，其他合適的材料亦是可行的。在一些實施例中，高介電常數保 護層102是或包含氧化鋁(例如，Al2O3)、氧化鈦(例如，TiO2)、氧化鉭(例如，Ta2O5)、氧化鉿(HfO2)、氧化鋯(例如，ZrO2)、氧化鎂(例如，MgO)、一些其他合適的高介電常數介電質或其任意組合。在一些實施例中，高介電常數保護層102具有較介面層120的介電常數大的介電常數及/或具有較介面層120的能隙小的能隙。
在一些實施例中，高介電常數保護層102具有約1奈米至10奈米、約1奈米至5奈米、約5奈米至10奈米或一些其他合適的值的厚度Thkp。若厚度Thkp過大(例如，大於約10奈米或一些其他合適的值)，則高介電常數保護層102中的固有缺陷可能會導致高的洩漏電流，所述高的洩漏電流會抵消偶極矩104的效能增益。若厚度Thkp過小(例如，小於約1奈米或一些其他合適的值)，則偶極矩104可能不會形成且因此偶極矩104的效能增益可能不會達成。
在一些實施例中，介面層120是或包含來自第一基底118的半導體元素且更包含來自高介電常數保護層102的氧及/或一些其他合適的元素。舉例而言，介面層120可包含來自第一基底118的矽及來自高介電常數保護層102的氧。在一些實施例中，介面層120是或包含二氧化矽(例如，SiO2)及/或一些其他合適的介電質。在一些實施例中，介面層120具有約0.5奈米至2.5奈米、約0.5奈米至1.5奈米或約1.5奈米至2.5奈米或一些其他合適的值的厚度Ti。
在光電偵測器106的使用期間，朝目標物體發射輻射。接著自物體反射的輻射照射於光電偵測器106上，以產生電子-電洞對。PIN二極體112在不同的時間間隔分別在N型接觸區116中聚集電子-電洞對的流動電子。接著量測在不同時間間隔聚集的電子且使用所述電子確定到物體的距離。偶極矩104的正電荷將裝置層108中的暗電流的流動電子124遠離PIN二極體112汲取且對流動電子124進行中和。藉由對流動電子124進行中和，暗電流減少且不在PIN二極體112的N型接觸區116處聚集。因此，使用PIN二極體112的量測更準確且因此距離判定更準確。
在圖22的前述論述中，由光電偵測器106進行的影像感測是藉由聚集電子來執行。然而，作為另外一種選擇，光電偵測器106可藉由聚集電洞來執行影像感測。在此種實施例中，在P型接觸區114處聚集電洞。此外，對偶極矩104的極性進行反轉。參見例如圖5A及圖5B。可例如藉由形成具有較介面層120小的面氧密度的材料的高介電常數保護層102來對偶極矩104的極性進行反轉。舉例而言，高介電常數保護層102可為或可包含氧化鋇(例如，BaO)、氧化鍶(例如，SrO)、氧化鑭(例如，La2O3)、氧化釔(例如，Y2O3)、一些其他合適的高介電常數介電質或其任意組合。
在圖22的前述論述中，直接在頂蓋層110上沈積高介電常數保護層102，且藉由高介電常數保護層102與頂蓋層110之間的反應形成介面層120。在替代實施例中，直接在頂蓋層110上 沈積氧化物保護層(參見例如圖9中的氧化物保護層902)，且接著直接在氧化物保護層上沈積高介電常數保護層102。可例如藉由熱氧化、氣相沈積、一些其他合適的沈積製程或其任意組合來沈積氧化物保護層。
氧化物保護層如圖9中所述般，且由於氧化物保護層是藉由沈積形成，因此氧化物保護層具有較介面層120高的結晶品質。較高的結晶品質使得洩漏電流減少且光電偵測器106的效能增強。
如圖23A的剖視圖2300A所示，在光電偵測器106之上形成電性耦合至光電偵測器106的第一內連線結構1312，進而界定第一IC結構1302。第一內連線結構1312包括被分組成層級且交替堆疊的多條配線128、多個通孔126及多個墊1316。墊1316位於第一內連線結構1312的頂部處，且配線128及通孔126自墊1316至光電偵測器106交替堆疊。
結合介電層1318位於第一內連線結構1312的頂部處且環繞墊1316及墊1316處的通孔126。蝕刻停止層1322進一步環繞墊1316處的通孔126。高介電常數保護層102及介面層120在光電偵測器106處環繞通孔126。內連線介電層1320環繞配線128以及通孔126中的其餘通孔126。
如圖23B的剖視圖2300B所示，形成如針對圖13所述的第二IC結構1304。形成上覆於第二基底1310上的多個邏輯裝置1308，且形成將邏輯裝置1308隔開的溝渠隔離結構1324。此 外，形成上覆於邏輯裝置1308上且電性耦合至邏輯裝置1308的第二內連線結構1314。
第二內連線結構1314相似於第一內連線結構1312，且因此包括被分組成層級且交替堆疊的多條配線128、多個通孔126及多個墊1316。墊1316位於第二內連線結構1314的頂部處，且配線128與通孔126自墊1316至邏輯裝置1308交替堆疊。結合介電層1318位於第二內連線結構1314的頂部處且環繞墊1316及墊1316處的通孔126。蝕刻停止層1322進一步環繞墊1316處的通孔126。內連線介電層1320環繞配線128以及通孔126中的其餘通孔126。
如圖23C的剖視圖2300C所示，將第一IC結構1302垂直翻轉且結合至第二IC結構1304。所述結合是混合結合(hybrid bond)，其中第一內連線結構1312的墊1316與第二內連線結構1314的墊1316直接接觸且其中第一內連線結構1312的結合介電層1318與第二內連線結構1314的結合介電層1318直接接觸。
如圖23D的剖視圖2300D所示，將微透鏡1334及金屬柵格1336形成為在第一基底118的後側上堆疊於第一基底118之上。此外，抗反射層1340位於金屬柵格1336與第一基底118之間，而金屬柵格介電層1342填充金屬柵格開口1338且將金屬柵格1336與微透鏡1334隔開。
如上所述，圖23A至圖23D示出作為BSI的影像感測器的形成。然而，作為另外一種選擇，影像感測器可為FSI。在此 種替代實施例中，執行下文針對圖24A及圖24B闡述的動作來代替針對圖23A至圖23D闡述的動作。因此，在替代實施例中，所述方法可自圖17至圖22進行至圖24A及圖24B(同時略過圖23A至23D)。
如圖24A的剖視圖2400A所示，在光電偵測器106之上形成電性耦合至光電偵測器106的第一內連線結構1312。如針對圖23A所闡述般形成第一內連線結構1312，不同的是省略墊1316、結合介電層1318及蝕刻停止層1322。此外，第一內連線結構1312的內連線介電層1320覆蓋配線128的頂部層級。
如圖24B的剖視圖2400B所示，將微透鏡1334及金屬柵格1336形成為在第一基底118的前側上堆疊於內連線結構1312之上。此外，抗反射層1340位於金屬柵格1336與內連線結構1312之間，而金屬柵格介電層1342填充金屬柵格開口1338且將金屬柵格1336與微透鏡1334隔開。
儘管參照方法的各種實施例闡述圖17至圖22、圖23A至圖23D、圖24A及圖24B，然而應理解圖17至圖22、圖23A至圖23D、圖24A及圖24B中所示的結構並非僅限於所述方法，而是可獨立於所述方法單獨存在。儘管圖17至圖22、圖23A至圖23D、圖24A及圖24B被闡述為一系列動作，然而應理解，在其他實施例中，可對所述動作的次序進行更改。儘管圖17至圖22、圖23A至圖23D、圖24A及圖24B被示出並闡述為一組特定動作，然而在其他實施例中可省略所示出及/或闡述的一些動作。此 外，未示出及/或闡述的動作可包括於其他實施例中。
參照圖25，提供圖17至圖22、圖23A至圖23D、圖24A及圖24B所示方法的一些實施例的方塊圖2500。
在動作2502處，將基底圖案化以形成空腔。參見例如圖17。
在動作2504處，磊晶生長對空腔進行填充的裝置層。參見例如圖18。
在動作2506處，將裝置層平坦化以使裝置層的頂表面平整。參見例如圖19。
在動作2508處，磊晶生長上覆於裝置層上的頂蓋層。參見例如圖20。
在動作2510處，在頂蓋層及裝置層中形成光電偵測器。參見例如圖21。
在動作2512處，沈積上覆於頂蓋層上的高介電常數保護層，其中高介電常數保護層引發沿著頂蓋層的頂表面形成偶極矩。參見例如圖22。在一些實施例中，直接在頂蓋層上沈積高介電常數保護層。在其他實施例中，直接在頂蓋層上沈積氧化物保護層，且直接在氧化物保護層上沈積高介電常數保護層。
在動作2514處，形成上覆於高介電常數保護層上且藉由高介電常數保護層中的接觸通孔電性耦合至光電偵測器的內連線結構。參見例如圖23A或圖24A。
在動作2516處，在基底的前側或基底的後側上形成與 光電偵測器垂直對準的微透鏡。參見例如圖23D或圖24B。
儘管圖25所示方塊圖2500在本文中被示出並闡述為一系列動作或事件，然而應理解，此種動作或事件的示出次序不應被解釋為具有限制性意義。舉例而言，一些動作可以不同的次序進行及/或與除本文中所示出及/或闡述的動作或事件以外的其他動作或事件同時進行。此外，可能並不需要所有所示出的動作來實施本文中所作說明的一或多個態樣或實施例，且本文中所繪示的動作中的一或多者可在一或多個單獨的動作及/或階段中施行。
參照圖26至圖32，提供形成影像感測器的方法的一些第一實施例的一系列剖視圖2600至3200，其中裝置層的底表面相對於基底的頂表面高起，且其中保護層被配置成在裝置層中在光電偵測器之上引發偶極矩減少暗電流。圖31及圖32是彼此的替代，其中影像感測器是BSI及FSI且各自各別地自圖26至圖30進行。
如圖26的剖視圖2600所示，磊晶生長覆蓋第一基底118的半導體層2602。半導體層2602是與第一基底118不同的半導體材料。舉例而言，半導體層2602可為鍺或矽鍺，而第一基底118可為矽。然而，在替代實施例中，其他合適的材料亦是可行的。在一些實施例中，半導體層2602相較於第一基底118具有對NIR輻射及/或IR輻射更高的吸收係數。在一些實施例中，半導體層2602具有較第一基底118小的能隙。
如圖27的剖視圖2700所示，將半導體層2602(參見例 如圖26)圖案化以形成裝置層108。所述圖案化可例如包括：1)在半導體層2602之上形成罩幕；2)在罩幕保持於適當位置的情況下，向半導體層2602中執行蝕刻；以及3)移除罩幕。罩幕可為例如光阻罩幕及/或一些其他合適類型的罩幕。在其他實施例中，藉由一些其他合適的製程來執行圖案化。
如圖28至圖30的剖視圖2800至3000所示，分別執行針對圖20至圖22闡述的動作。在圖28中，在裝置層108上磊晶生長覆蓋裝置層108的頂蓋層110，如針對圖20所述。由於裝置層108的側壁被暴露出，因此頂蓋層110亦生長於裝置層108的側壁上。此外，執行磊晶生長，使得頂蓋層110生長於裝置層108而非基底118上。在替代實施例中，頂蓋層110亦生長於基底118上。在圖29中，在裝置層108及頂蓋層110中形成光電偵測器106，如針對圖21所述。在圖30中，直接在頂蓋層110及第一基底118上沈積高介電常數保護層102，進而形成介面層120，如針對圖22所述。在替代實施例中，直接在頂蓋層110上沈積氧化物保護層(參見例如圖12A所示的氧化物保護層902)，且直接在氧化物保護層上沈積高介電常數保護層102。在替代實施例中，對高介電常數保護層102的極性進行反轉(參見例如圖5A、圖5B及圖6)。
如圖31的剖視圖3100所示，執行針對圖23A至圖23D闡述的動作，使得影像感測器是BSI。具體而言，在光電偵測器106之上形成電性耦合至光電偵測器106的第一內連線結構1312，進 而界定第一IC結構1302，如針對圖23A所述。如針對圖23B所闡述般形成第二IC結構1304。將第一IC結構1302垂直翻轉且結合至第二IC結構1304，如針對圖23C所述。將微透鏡1334及金屬柵格1336形成為在第一基底118的後側上堆疊於第一基底118之上，如針對圖23D所述。
圖31示出將影像感測器形成為BSI的方法。然而，作為另外一種選擇，所述方法可將影像感測器形成為FSI。在此種替代實施例中，所述方法自圖26至圖30進行至圖32，但略過圖31。此外，在圖32中執行針對圖24A及圖24B闡述的動作。具體而言，在光電偵測器106之上形成電性耦合至光電偵測器106的第一內連線結構1312，如針對圖24A所述。此外，將微透鏡1334及金屬柵格1336形成為在第一基底118的前側上堆疊於第一內連線結構1312之上，如針對圖24B所述。
儘管參照方法的各種實施例闡述圖26至圖32，然而應理解圖26至圖32中所示的結構並非僅限於所述方法，而是可獨立於所述方法單獨存在。儘管圖26至圖32被闡述為一系列動作，然而應理解，在其他實施例中，可對所述動作的次序進行更改。儘管圖26至圖32被示出並闡述為一組特定動作，然而在其他實施例中可省略所示出及/或闡述的一些動作。此外，未示出及/或闡述的動作可包括於其他實施例中。
參照圖33，提供圖26至圖32所示方法的一些實施例的方塊圖3300。
在動作3302處，在基底之上磊晶生長半導體層。參見例如圖26。
在動作3304處，將半導體層圖案化以形成裝置層。參見例如圖27。
在動作3306處，在裝置層的頂表面及裝置層的側壁上磊晶生長頂蓋層。參見例如圖28。
在動作3308處，在頂蓋層及裝置層中形成光電偵測器。參見例如圖29。
在動作3310處，沈積上覆於頂蓋層上的高介電常數保護層，其中高介電常數保護層引發沿著頂蓋層的頂表面形成偶極矩。參見例如圖30。在一些實施例中，直接在頂蓋層上沈積高介電常數保護層。在其他實施例中，直接在頂蓋層上沈積氧化物保護層，且直接在氧化物保護層上沈積高介電常數保護層。
在動作3312處，形成上覆於高介電常數保護層上且藉由高介電常數保護層中的接觸通孔電性耦合至光電偵測器的內連線結構。參見例如圖31或圖32。
在動作3314處，在基底的前側或基底的後側上形成與光電偵測器垂直對準的微透鏡。參見例如圖31或圖32。
儘管圖33所示方塊圖3300在本文中被示出並闡述為一系列動作或事件，然而應理解，此種動作或事件的示出次序不應被解釋為具有限制性意義。舉例而言，一些動作可以不同的次序進行及/或與除本文中所示出及/或闡述的動作或事件以外的其他動作 或事件同時進行。此外，可能並不需要所有所示出的動作來實施本文中所作說明的一或多個態樣或實施例，且本文中所繪示的動作中的一或多者可在一或多個單獨的動作及/或階段中施行。
參照圖34至圖42，提供形成影像感測器的方法的一些第二實施例的一系列剖視圖3400至4200，其中裝置層的底表面相對於基底的頂表面高起，且其中保護層被配置成在裝置層中在光電偵測器之上引發偶極矩減少暗電流。圖41與圖42是彼此的替代，其中影像感測器是BSI及FSI且各自各別地自圖34至圖40進行。
如圖34的剖視圖3400所示，沈積覆蓋第一基底118的光電偵測器間介電層1202。光電偵測器間介電層1202可為或可包含例如氧化矽及/或一些其他合適的介電質。可例如藉由熱氧化、氣相沈積或一些其他合適的沈積製程來沈積光電偵測器間介電層1202。
如圖35的剖視圖3500所示，將光電偵測器間介電層1202圖案化以形成空腔3502。可例如藉由光微影/蝕刻製程或一些其他合適的圖案化製程來執行所述圖案化。
如圖36至圖40的剖視圖3600至4000所示，分別執行針對圖18至圖22闡述的動作。在圖36中，磊晶生長對空腔3502(參見例如圖35)進行填充的裝置層108，如針對圖18所述。在圖37中，將裝置層108的頂表面平坦化，如針對圖19所述。然而，裝置層108的頂表面並不相對於光電偵測器間介電層1202的 頂表面凹陷。在替代實施例中，根據圖19所示凹陷使裝置層108的頂表面相對於光電偵測器間介電層1202的頂表面凹陷。在圖38中，將頂蓋層110磊晶生長成使得頂蓋層110被定位於裝置層108上且覆蓋裝置層108，如針對圖20所述。在替代實施例中，將頂蓋層110磊晶生長成使得頂蓋層110亦覆蓋光電偵測器間介電層1202。在圖39中，在裝置層108及頂蓋層110中形成光電偵測器106，如針對圖21所述。在圖40中，直接在頂蓋層110及第一基底118上沈積高介電常數保護層102，如針對圖22所述。在替代實施例中，直接在頂蓋層110上沈積氧化物保護層(參見例如圖9所示氧化物保護層902)，且直接在氧化物保護層上沈積高介電常數保護層102。
如圖41的剖視圖4100所示，執行針對圖23A至圖23D闡述的動作，使得影像感測器是BSI。具體而言，在光電偵測器106之上形成電性耦合至光電偵測器106的第一內連線結構1312，進而界定第一IC結構1302，如針對圖23A所述。如針對圖23B所闡述般形成第二IC結構1304。將第一IC結構1302垂直翻轉且結合至第二IC結構1304，如針對圖23C所述。將微透鏡1334及金屬柵格1336形成為在第一基底118的後側上堆疊於第一基底118之上，如針對圖23D所述。
圖41示出將影像感測器形成為BSI的方法。然而，作為另外一種選擇，所述方法可將影像感測器形成為FSI。在此種替代實施例中，所述方法自圖34至圖40進行至圖42，但略過圖41。 此外，在圖42中執行針對圖24A及圖24B闡述的動作。具體而言，在光電偵測器106之上形成電性耦合至光電偵測器106的第一內連線結構1312，如針對圖24A所述。此外，將微透鏡1334及金屬柵格1336形成為在基底118的前側上堆疊於第一內連線結構1312之上，如針對圖24B所述。
儘管參照方法的各種實施例闡述圖34至圖42，然而應理解圖34至圖42中所示的結構並非僅限於所述方法，而是可獨立於所述方法單獨存在。儘管圖34至圖42被闡述為一系列動作，然而應理解，在其他實施例中，可對所述動作的次序進行更改。儘管圖34至圖42被示出並闡述為一組特定動作，然而在其他實施例中可省略所示出及/或闡述的一些動作。此外，未示出及/或闡述的動作可包括於其他實施例中。
參照圖43，提供圖34至圖42所示方法的一些實施例的方塊圖4300。
在動作4302處，在基底之上沈積光電偵測器間介電層。參見例如圖34。
在動作4304處，將光電偵測器間介電層圖案化以形成空腔。參見例如圖35。
在動作4306處，磊晶生長對空腔進行填充的裝置層。參見例如圖36。
在動作4308處，將裝置層平坦化以使裝置層的頂表面平整。參見例如圖37。
在動作4310處，磊晶生長上覆於裝置層上的頂蓋層。參見例如圖38。
在動作4312處，在頂蓋層及裝置層中形成光電偵測器。參見例如圖39。
在動作4314處，沈積上覆於頂蓋層上的高介電常數保護層，其中高介電常數保護層引發沿著頂蓋層的頂表面形成偶極矩。參見例如圖40。在一些實施例中，直接在頂蓋層上沈積高介電常數保護層。在其他實施例中，直接在頂蓋層上沈積氧化物保護層，且直接在氧化物保護層上沈積高介電常數保護層。
在動作4316處，形成上覆於高介電常數保護層上且藉由高介電常數保護層中的接觸通孔電性耦合至光電偵測器的內連線結構。參見例如圖41或圖42。
在動作4318處，在基底的前側或基底的後側上形成與光電偵測器垂直對準的微透鏡。參見例如圖41或圖42。
儘管圖43所示方塊圖4300在本文中被示出並闡述為一系列動作或事件，然而應理解，此種動作或事件的示出次序不應被解釋為具有限制性意義。舉例而言，一些動作可以不同的次序進行及/或與除本文中所示出及/或闡述的動作或事件以外的其他動作或事件同時進行。此外，可能並不需要所有所示出的動作來實施本文中所作說明的一或多個態樣或實施例，且本文中所繪示的動作中的一或多者可在一或多個單獨的動作及/或階段中施行。
在一些實施例中，本揭露提供一種影像感測器，所述影 像感測器包括：基底；裝置層，上覆於所述基底上；頂蓋層，上覆於所述裝置層上，其中所述頂蓋層及所述裝置層是半導體材料，且其中所述頂蓋層具有較所述裝置層大的能隙；光電偵測器，位於所述裝置層及所述頂蓋層中；以及保護層，上覆於所述頂蓋層上，其中所述保護層引發沿著所述頂蓋層的頂表面形成偶極矩。在一些實施例中，所述影像感測器更包括介面層，所述介面層位於所述保護層與所述頂蓋層之間且直接接觸所述保護層及所述頂蓋層，其中所述保護層是高介電常數介電材料。在一些實施例中，所述保護層引發在所述保護層與所述頂蓋層之間形成直接接觸所述保護層及所述頂蓋層的介面層，且其中所述偶極矩跨越所述保護層與所述介面層進行直接接觸的介面。在一些實施例中，所述保護層包括：氧化矽層，上覆於所述頂蓋層上且直接接觸所述頂蓋層；以及高介電常數保護層，上覆於所述氧化矽層上且直接接觸所述氧化矽層，其中所述偶極矩跨越所述高介電常數保護層與所述氧化矽層進行直接接觸的介面。在一些實施例中，所述裝置層嵌入至所述基底中，使得所述基底覆蓋所述裝置層的側壁。在一些實施例中，所述裝置層的底表面相對於所述基底的頂表面高起。在一些實施例中，所述頂蓋層自所述裝置層的頂表面至所述裝置層的側壁包繞於所述裝置層的頂部隅角周圍，且沿著所述裝置層的所述側壁延伸。在一些實施例中，所述光電偵測器包括位於所述頂蓋層及所述裝置層中的一對PIN二極體，且其中所述一對PIN二極體分別位於所述裝置層的相對的側上。在一些實施例中，所述影像感測器 更包括接觸通孔，所述接觸通孔自所述光電偵測器延伸穿過所述保護層，其中所述保護層及所述接觸通孔具有平坦的各別頂表面。
在一些實施例中，本揭露提供另一種影像感測器，所述影像感測器包括：基底；裝置層，上覆於所述基底上；頂蓋層，上覆於所述裝置層上，其中所述頂蓋層及所述裝置層以及所述基底是半導體材料，且其中所述裝置層是與所述基底及所述頂蓋層不同的半導體材料；光電偵測器，位於所述裝置層及所述頂蓋層中；第一介電層，上覆於所述頂蓋層上且直接接觸所述頂蓋層；以及第二介電層，上覆於所述第一介電層上且直接接觸所述第一介電層，其中所述第一介電層及所述第二介電層包含氧化物，且其中所述第二介電層具有較所述第一介電層高的介電常數。在一些實施例中，所述第一介電層包含來自所述頂蓋層的半導體元素，且更包含來自所述第二介電層的氧化物。在一些實施例中，所述基底及所述頂蓋層是矽，其中所述裝置層包含鍺。在一些實施例中，所述第一介電層在所述第一介電層與所述第二介電層進行直接接觸的介面處具有負電荷，其中所述第二介電層在所述介面處具有正電荷。在一些實施例中，所述第一介電層在所述第一介電層與所述第二介電層進行直接接觸的介面處具有正電荷，其中所述第二介電層在所述介面處具有負電荷。在一些實施例中，所述裝置層凹陷至所述基底的頂部中，其中所述基底具有對所述裝置層進行襯覆的p型植入區。在一些實施例中，所述裝置層具有相對於所述基底的頂表面高起的底表面，其中所述頂蓋層以及所述第一介電層及所述第 二介電層沿著所述裝置層的側壁自頂部延伸至底部。
在一些實施例中，本揭露提供一種形成影像感測器的方法，所述方法包括：磊晶生長上覆於基底上的裝置層；磊晶生長上覆於所述裝置層上的頂蓋層，其中所述頂蓋層具有較所述裝置層大的能隙；在所述裝置層及所述頂蓋層中形成光電偵測器；以及沈積上覆於所述頂蓋層上的保護層，其中所述保護層引發沿著所述頂蓋層的頂表面形成偶極矩。在一些實施例中，所述保護層包括高介電常數保護層，其中所述沈積所述保護層包括：直接在所述頂蓋層上沈積所述高介電常數保護層，進而引發在所述頂蓋層與所述高介電常數保護層之間形成氧化矽介面層。在一些實施例中，所述保護層包括氧化矽層及高介電常數保護層，其中所述沈積所述保護層包括：直接在所述頂蓋層上沈積所述氧化矽層；以及直接在所述氧化矽層上沈積所述高介電常數保護層。在一些實施例中，所述方法更包括：將所述基底圖案化以形成空腔，其中所述裝置層磊晶生長於所述空腔中。
以上概述了若干實施例的特徵，以使熟習此項技術者可更佳地理解本揭露的各個態樣。熟習此項技術者應理解，他們可容易地使用本揭露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/或達成與本文中所介紹的實施例相同的優點。熟習此項技術者亦應認識到，該些等效構造並不背離本揭露的精神及範圍，而且他們可在不背離本揭露的精神及範圍的條件下對本文作出各種改變、代替及變更。
100A:剖視圖
102:高介電常數保護層
104:偶極矩
106:光電偵測器
108:裝置層
110:頂蓋層
112:PIN二極體
114:P型接觸區
116:N型接觸區
118:基底
120:介面層
122:介面
124:流動電子
126c:接觸通孔
128f:第一層級配線
A:方框
Td:高度
Thkp、Ti:厚度

Claims (13)

  1. 一種影像感測器，包括：基底；裝置層，上覆於所述基底上；頂蓋層，上覆於所述裝置層上，其中所述頂蓋層及所述裝置層是半導體材料，且其中所述頂蓋層具有較所述裝置層大的能隙；光電偵測器，位於所述裝置層及所述頂蓋層中；以及保護層，上覆於所述頂蓋層上，其中所述保護層引發沿著所述頂蓋層的頂表面形成偶極矩。
  2. 如請求項1所述的影像感測器，更包括：介面層，位於所述保護層與所述頂蓋層之間且直接接觸所述保護層及所述頂蓋層，其中所述保護層是高介電常數介電材料。
  3. 如請求項1所述的影像感測器，其中所述保護層引發在所述保護層與所述頂蓋層之間形成直接接觸所述保護層及所述頂蓋層的介面層，且其中所述偶極矩跨越所述保護層與所述介面層進行直接接觸的介面。
  4. 如請求項1所述的影像感測器，其中所述保護層包括：氧化矽層，上覆於所述頂蓋層上且直接接觸所述頂蓋層；以及高介電常數保護層，上覆於所述氧化矽層上且直接接觸所述氧化矽層，其中所述偶極矩跨越所述高介電常數保護層與所述氧 化矽層進行直接接觸的介面。
  5. 如請求項1所述的影像感測器，其中所述裝置層嵌入至所述基底中，使得所述基底覆蓋所述裝置層的側壁。
  6. 如請求項1所述的影像感測器，其中所述裝置層的底表面相對於所述基底的頂表面高起。
  7. 如請求項6所述的影像感測器，其中所述頂蓋層自所述裝置層的頂表面至所述裝置層的側壁包繞於所述裝置層的頂部隅角周圍，且沿著所述裝置層的所述側壁延伸。
  8. 如請求項1所述的影像感測器，其中所述光電偵測器包括位於所述頂蓋層及所述裝置層中的一對PIN二極體，且其中所述一對PIN二極體分別位於所述裝置層的相對的側上。
  9. 一種影像感測器，包括：基底；裝置層，上覆於所述基底上；頂蓋層，上覆於所述裝置層上，其中所述頂蓋層及所述裝置層以及所述基底是半導體材料，且其中所述裝置層是與所述基底及所述頂蓋層不同的半導體材料；光電偵測器，位於所述裝置層及所述頂蓋層中；第一介電層，上覆於所述頂蓋層上且直接接觸所述頂蓋層；以及第二介電層，上覆於所述第一介電層上且直接接觸所述第一介電層，其中所述第一介電層及所述第二介電層包含氧化物，其中 所述第二介電層具有較所述第一介電層高的介電常數，且其中所述第二介電層引發沿著所述頂蓋層的頂表面的偶極矩的形成。
  10. 如請求項9所述的影像感測器，其中所述第一介電層在所述第一介電層與所述第二介電層進行直接接觸的介面處具有負電荷，且其中所述第二介電層在所述介面處具有正電荷。
  11. 如請求項9所述的影像感測器，其中所述第一介電層在所述第一介電層與所述第二介電層進行直接接觸的介面處具有正電荷，且其中所述第二介電層在所述介面處具有負電荷。
  12. 如請求項9所述的影像感測器，其中所述裝置層凹陷至所述基底的頂部中，且其中所述基底具有對所述裝置層進行襯覆的p型植入區。
  13. 一種形成影像感測器的方法，包括：磊晶生長上覆於基底上的裝置層；磊晶生長上覆於所述裝置層上的頂蓋層，其中所述頂蓋層具有較所述裝置層大的能隙；在所述裝置層及所述頂蓋層中形成光電偵測器；以及沈積上覆於所述頂蓋層上的保護層，其中所述保護層引發沿著所述頂蓋層的頂表面形成偶極矩。
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