TWI801854B - 低雜訊矽鍺影像感測器 - Google Patents

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Abstract

本發明提供低雜訊矽鍺(SiGe)影像感測器。在一項實施例中，一種影像感測器包含配置於安置於一半導體基板中之一像素陣列之列及行中之複數個像素。一個別像素之光電二極體經組態以接收穿過該半導體基板之一被照射表面之一入射光。該半導體基板包含：半導體材料之一第一層，其具有矽(Si)；及半導體材料之一第二層，其具有矽鍺(Si1-x Gex )。Ge之一濃度x 穿過該第二層之厚度之至少一部分逐漸變化。各光電二極體包含：一第一摻雜區，其延伸穿過半導體材料之該第一層及半導體材料之該第二層；及一第二摻雜區，其延伸穿過半導體材料之該第一層及半導體材料之該第二層。

Description

低雜訊矽鍺影像感測器
本發明大體上係關於影像感測器之設計，且特定而言，係關於包含矽鍺(SiGe)層之影像感測器。
影像感測器已無處不在。其等被廣泛用於數位靜態相機、蜂巢電話、保全攝影機以及醫療、汽車及其他應用中。用於製造影像感測器之技術持續高速發展。例如，對更高影像感測器解析度及更低功耗之需求促使將影像感測器進一步小型化及整合至數位裝置中。
在一些應用中，影像感測之光電二極體由矽鍺(SiGe)半導體製成，此係因為SiGe光電二極體對近紅外線(NIR)之一相對高靈敏度。然而，SiGe光電二極體遭受相對高的暗雜訊及隨機雜訊。此外，SiGe光電二極體可能花費一相對長時間來充電及/或放電，從而致使影像感測器之影像滯後增加。
在此揭示影像感測器，且特定而言，揭示包含矽鍺(SiGe)層之影像感測器。在以下描述中，闡述眾多特定細節以提供對實施例之一透徹理解。然而，熟習相關技術者將認知，本文中所描述之技術可在沒有一或多個特定細節之情況下或利用其他方法、組件、材料等實踐。在其他例項中，未詳細地展示或描述熟知結構、材料或操作以避免混淆特定態樣。
貫穿本說明書對「一項實例」或「一項實施例」之引用意謂結合該實例所描述之特定特徵、結構或特性被包含於本發明之至少一項實例中。因此，本說明書通篇出現之片語「在一項實例中」或「在一項實施例中」不一定全部指稱同一實例。此外，在一或多項實例中可以任何合適方式組合該特定特徵、結構或特性。
為了便於描述，在本文中可使用空間相對術語，諸如「在...下面」、「在...下方」、「下」、「在...下」、「在...上」、「上」及類似者來描述一個元件或特徵與另一(些)元件或特徵之關係，如附圖中所繪示。將理解，除附圖中所描繪之定向以外，空間相對術語亦意欲於涵蓋裝置在使用或操作中之不同定向。例如，若附圖中之裝置被翻轉，則描述為「在其他元件或特徵下方」、「在其他元件或特徵下面」或「在其他元件或特徵下」之元件將被定向為「在其他元件或特徵上」。因此，實例性術語「在...下方」及「在...下」可涵蓋在...上及在...下方兩個定向。裝置可以其他方式定向(旋轉90度或按其他定向)且據此解釋本文中所使用之空間相對描述詞。另外，亦將理解，當一層被稱為「在兩個層之間」時，其可為兩個層之間的唯一層，或亦可存在一或多個中介層。
根據前述內容，將明白，已出於繪示目的在本文中描述本技術之特定實施例，但在不脫離本發明之情況下可進行各種修改。此外，雖然與特定實施例相關聯之各種優點及特徵在上文已在彼等實施例之脈絡中進行描述，但其他實施例亦可展現此等優點及/或特徵，且並非所有實施例皆一定需要展現此等優點及/或特徵以落入本技術之範疇內。在描述方法之情況下，該等方法可包含更多、更少或其他步驟。另外，可以任何合適順序執行步驟。據此，本發明可涵蓋本文中未明確地展示或描述之其他實施例。在本發明之脈絡中，術語「約」表示所陳述值之+/-5%。
貫穿說明書，使用若干技術術語。此等術語應具有其等所屬領域之普通含義，除非本文中明確地定義或其使用脈絡將另有清楚地指示。應注意，貫穿本文獻，元素名稱及符號可互換地使用(例如，Si與矽)；然而，兩者具有相同含義。
簡而言之，本技術之實施例旨在製造於具有矽(Si)及矽鍺(SiGe)層之一基板上之光電二極體(亦稱為像素)。通常，與一可比較Si層相較，SiGe層將更多入射光轉換成電荷。換言之，SiGe光電二極體具有對入射光及特定而言關於近紅外線(NIR)光之更高靈敏度。然而，在諸多實際應用中，SiGe光電二極體之特徵亦在於相對高的暗雜訊及隨機雜訊，且亦在於影像滯後。例如，Si層與SiGe層之間的晶格失配可能產生暗雜訊。因此，在本發明技術之一些實施例中，SiGe層中之Ge之濃度隨著Si1-x Gex 而逐漸變化，其中x 沿著SiGe層之厚度(即，沿著基板中之垂直深度)變化，因此提供晶體晶格之一更逐漸改變以減少晶格失配及所得暗雜訊。在一些實施例中，x 之範圍可在0與1之間。在不同實施例中，影像感測器可為前照式影像感測器或背照式影像感測器。
在一些實施例中，光電二極體散佈於Si及Si1-x Gex 層兩者上。光電二極體之此散佈將最深電位之一位置定位於一淺點處，該淺點在Si層內或接近於Si層與Si1-x Gex 層之間的介面(即，在其中Ge比率變化之區中)。最深電位點之此位置在光電二極體之電位阱中產生一「波峰」。通常，當最高峰(波峰)相對於半導體材料之一前側表面(或非被照射表面)處在一淺位置中時，電荷可容易且完全地自光電二極體轉移至對應浮動擴散區(FD)。
圖1係根據本技術之一實施例之一實例影像感測器10之一圖。影像感測器10包含配置於一像素陣列12之列(R)及行(C)中之像素11。當影像感測器10曝露於光時，個別像素11 (亦稱為光電二極體)回應於光而產生特定電壓值。在各像素已回應於所吸收光量而產生對應電壓值之後，由一讀出電路系統14讀出影像資料，且接著將影像資料轉移至一功能邏輯18。
可由讀出電路系統14捕獲個別像素(P1 至Pn )之電壓值。例如，一控制電路系統16可判定像素陣列12之用於與讀出電路系統14耦合之一特定列Ri 。在捕獲列Ri 中之像素值之後，控制電路系統16可耦合列Ri+1 與讀出電路系統14，且重複該過程直至捕獲到該行中之所有像素之電壓值為止。在其他實施例中，讀出電路系統14可使用多種其他技術(圖1中未繪示)來讀出影像資料，諸如串列讀出或同時全並行讀出所有像素。在不同實施例中，讀出電路系統14可包含放大電路系統、類比轉數位轉換(「ADC」)電路系統或其他電路系統。在一些實施例中，由功能邏輯18捕獲及處理像素值。此處理可例如包含影像處理、影像濾波、影像提取及操縱、光強度判定等。
圖2A係根據本技術之一實施例之經組態用於前側照射之一光電二極體36之一示意性側視圖。一半導體基板80包含一磊晶Si層86，在該磊晶Si層86上形成一Si1-x Gex 層84及一Si層82。在諸多實施例中，Si1-x Gex 層84包含一逐漸變化濃度之Ge，如關於圖2B更詳細地解釋。在一些實施例中，Si層82係約0.1 μm厚，Si1-x Gex 層係約2 μm至5 μm厚，且磊晶矽層86約1 μm至4 μm厚。
在一些實施例中，光電二極體36包含一第一摻雜區34 (例如，一高摻雜P區)及一第二摻雜區32 (例如，一N摻雜區)。第二摻雜區32經形成以自Si層82延伸至SiGe層84中。在其他實施例中，第一摻雜區34可為一高摻雜N區且第二摻雜區32可為一P摻雜區。在一些實施例中，第二摻雜區32及第一摻雜區34形成跨Si層82及SiGe層84之一耗盡區，該耗盡區用作光電二極體36之電荷產生區32a。在操作中，例如在影像感測器10之一積分週期期間，入射光20入射於光電二極體36上，且光電二極體36在電荷產生區32a中光生電荷並在第二摻雜區32中累積電荷。隨後由一轉移電晶體例如透過一浮動擴散區(FD) 48將此等電荷排入至該光電二極體之支援電子裝置中。例如，當轉移電晶體之一轉移閘極46被接通(例如，藉由正電壓之一轉移信號)，從而在光電二極體36之第二摻雜區32與浮動擴散區(FD) 48之間形成一導電通道時，將經光生電荷自第二摻雜區32轉移至浮動擴散區(FD) 48以用於後續信號讀出。在一實施例中，轉移閘極46可為一平面閘極電極或一平面閘極電極及一垂直閘極電極。在一些實施例中，第二摻雜區32可延伸至半導體基板80中約1 μm。
在一項實施例中，光電二極體36可進一步包含安置於第二摻雜區32與Si層82之一前側表面321之間的一第三摻雜區35 (例如，重摻雜P區)。在一項實施例中，第三摻雜區35例如藉由離子植入安置於Si層82中。在操作中，第三摻雜區35鈍化Si層82與閘極氧化物層33之間的介面，即，氧化物-矽介面以減少暗電流。在一些實施例中，第三摻雜區35朝向轉移閘極橫向地延伸，從而覆蓋光電二極體之整個表面。在一些實施例中，第三摻雜區35延伸至轉移閘極之接近於第二摻雜區之一邊緣且不形成於轉移閘極下。在一項實例中，第三摻雜區35接地。在其中摻雜劑之極性相反(即，第一摻雜區34係一高摻雜N區且第二摻雜區32係P摻雜區)之一實施例中，第三摻雜區35係一重摻雜N區，其可用零或正電壓加偏壓。
圖2B係沿著圖2A中所展示之光電二極體之半導體基板80之Ge比率之一曲線圖。曲線圖之縱軸對應於以μm為單位之半導體基板80之深度或厚度。曲線圖之橫軸對應於半導體基板80中之Ge之比率(Si1-x Gex 中之分率或「x 」)。Ge之比率x 在Si層82中之電荷產生區32a之第一面321處以零或接近於零開始(即，SiGe層具有非常低或零的Ge濃度)，且在至Si1-x Gex 層84中之一特定深度處(例如，在約2 μm處)增加至約0.7。在所繪示實施例中，比率x 在某個深度保持大體上恆定，且接著在磊晶Si層86與Si1-x Gex 層84之間的介面處逐漸降低回到零。比率x 在電荷產生區32a之第二面322處對應於約0.7，其可深入至半導體基板80中約1 μm。第二摻雜區32之如此小的厚度導致一強電場及較短轉移路徑，從而提供光電二極體36之一相對高回應速度。Si1-x Gex 層中之比率x 之一相對逐漸變化趨向於抑制晶格失配，此繼而降低暗雜訊。在一些應用中，0.7之Ge比率導致對1.5 µm波長(對應於近紅外線(NIR)光)之一相對高靈敏度。在一些實施例中，x 之範圍可在0與1之間。應明白，Ge比率之組態及半導體基板80中之峰值Ge濃度之位置可取決於影像感測器應用(例如，對特定光波長之靈敏度)及半導體基板80之一總厚度而變動。
圖2C係沿著圖2A中所展示之光電二極體之半導體基板之電位之一曲線圖。曲線圖之縱軸對應於以μm為單位之半導體基板80之深度或厚度。橫軸對應於以V為單位之一電位。由於光電二極體36之第二摻雜區32經形成於Si層82及Si1-x Gex 層84兩者內部，因此光電二極體36之最高電位點相對淺地定位於Si層82內或Si1-x Gex 層84內，其中Ge比率x 係變化的。光電二極體36之最高電位點之淺位置(其在Si層內或在Si1-x Gex 層84內，其中Ge比率x 係變化的)改良來自該二極體之電荷之轉移之一完整性。例如，針對一6 μm厚度之半導體基板80，取決於第二摻雜區32之摻雜濃度及植入深度，光電二極體36之最高電位點可相對於半導體基板80之一前側表面位於不大於0.2 μm之一位置處。
圖3A係根據本技術之一實施例之經組態用於前側照射之一光電二極體36之一示意性側視圖。類似於上文在圖2A中所展示之實施例，半導體基板80包含磊晶矽層86，在該磊晶矽層86上形成Si1-x Gex 層84及Si層82。在所繪示實施例中，Si層82係約0.3 μm厚，Si1-x Gex 層係約3 μm至5 μm厚，且磊晶Si層86係約1 μm至3 μm厚。在一些實施例中，光電二極體36延伸至Si層82及Si1-x Gex 層84中約4 µm。在一些實施例中，x 之範圍可在0與1之間。
入射光20自其前表面，例如半導體基板80之第一面321照射光電二極體36。在操作中，例如在影像感測器10之一積分週期期間，入射光20入射於光電二極體36上且光電二極體36在電荷產生區32a中光生電荷並在第二摻雜區32中累積電荷。隨後由一轉移電晶體例如透過一浮動擴散區(FD) 48將此等電荷排入至該光電二極體之支援電子裝置中。
圖3B係沿著圖3A中所展示之光電二極體之半導體基板80之一Ge比率之一曲線圖。曲線圖之縱軸及橫軸類似於圖2B之縱軸及橫軸。Ge之比率x 在電荷產生區32a之第一面321與Si層82和SiGe層84之間的一介面323之間保持為零或接近於零。Ge之比率x 在SiGe層84之高度(深度) 324與325之間增加至約0.7。高度325與電荷產生區32a之第二面322鄰近，該電荷產生區32a可相對於半導體基板80之被照射表面(例如，第一表面321)深入至半導體基板80中約4 μm。Ge之比率x 穿過Si1-x Gex 層84 (即，在高度324與325之間)保持大體上恆定於約0.7，且接著在Si1-x Gex 層84及Si層86之介面326處逐漸恢復為零。光電二極體36之所繪示電荷產生區32a，其係形成於第一摻雜區34與第二摻雜區32之間的一耗盡區，相對深地形成至Si1-x Gex 層84中，因此增加光電二極體對入射光之靈敏度。如關於圖2B所解釋，0.7之Ge比率導致對1.5 µm波長(對應於NIR)之相對高靈敏度。圖3C係沿著圖3A中所展示之光電二極體之半導體基板之電位之一曲線圖。曲線圖之縱軸及橫軸類似於圖2C之縱軸及橫軸。在所繪示實施例中，光電二極體36之最高電位在Si層82與Si1-x Gex 層84之間的介面附近。此最高電位在光電二極體36之第二面322處逐漸降低至約零。
在一項實施例中，一P型摻雜區(例如，一第三摻雜區)可經形成於半導體基板80之一前側(例如，第一面321)與第二摻雜區32之間以藉由經由離子植入用P型雜質摻雜半導體基板80之Si層82來鈍化其等之間的氧化矽介面。
圖4A係根據本技術之一實施例之經組態用於前側照射之一光電二極體36之一示意性側視圖。類似於上文在圖2A及圖3A中所展示之實施例，半導體基板80包含磊晶矽層86，在該磊晶矽層86上形成Si1-x Gex 層84及Si層82。在所繪示實施例中，Si層82係約0.1 μm厚，Si1-x Gex 層係約2 μm至5 μm厚，且磊晶矽層86係約1 μm至4 μm厚。在一些實施例中，光電二極體36之第二摻雜區32延伸至Si層82及Si1-x Gex 層84中約1 μm。入射光20照射光電二極體36之前表面(即，第一表面321)。
圖4B係沿著圖4A中所展示之光電二極體之半導體基板80之一Ge比率之一曲線圖。曲線圖之縱軸及橫軸類似於上圖2B及圖3B之縱軸及橫軸。Ge之比率x 在Si層82中之電荷產生區32a之第一面321處以零或接近於零開始，且在電荷產生區32a之下半部中在第二面322附近達到約0.15之峰值。對於所繪示實施例，電荷產生區32a終止於具有Ge之最大比率x 之區域處(即，在約0.15之x 處)。在第二摻雜區32外部，x 保持恆定於約0.15，且在Si1-x Gex 層84及Si層86之介面處逐漸降低回到零。Ge之此一比率x 可適合於具有0.94 µm之波長之入射光，該入射光亦係NIR光，但在一些案例中更能表示大氣NIR光。在一些實施例中，x 之範圍可在0與1之間。在一些實施例中，此比率x 對於暗雜訊抑制可能係有利的。
圖4C係沿著圖4A中所展示之光電二極體之半導體基板之電位之一曲線圖。曲線圖之縱軸及橫軸類似於圖2C及圖3C之縱軸及橫軸。在所繪示實施例中，光電二極體36之最高電位點經定位於Si層82與Si1-x Gex 層84之間的介面附近。此最高電位在光電二極體36之第二面322處逐漸降低至約零。
圖5A係根據本技術之一實施例之經組態用於前側照射之一光電二極體36之一示意性側視圖。在所繪示實施例中，Si層82係約0.3 μm厚，Si1-x Gex 層係約3 μm至5 μm厚，且磊晶矽層86係約1 μm至3 μm厚。在一些實施例中，光電二極體36延伸至Si層82及Si1-x Gex 層84中約4 μm，例如，跨Si層82及Si1-x Gex 層84形成電荷產生區32a。入射光20照射光電二極體36之前表面(即，第一表面321)。
圖5B係沿著圖5A中所展示之光電二極體之半導體基板80之Ge比率之一曲線圖。Si1-x Gex 層84中之Ge之比率x 在與Si層82之介面處以零或接近於零開始，且在第二摻雜區32之下半部中在第二面322附近達到約0.15之峰值。對於所繪示實施例，第二摻雜區32終止於其中Ge之比率x 在與Si層86之介面處已朝向零減小之區域中。此比率x 可能適合於具有0.94 μm之波長之入射光。所繪示光電二極體36相對深地形成至Si1-x Gex 層84中，因此增加光電二極體對入射光之靈敏度。在一些實施例中，x 之範圍可在0與1之間。
圖5C係沿著圖5A中所展示之光電二極體之半導體基板之電位之一曲線圖。在所繪示實施例中，光電二極體36之最高電位點經定位於Si層82與Si1-x Gex 層84之間的介面附近。此最高電位在第二摻雜區32之第二面322處逐漸降低至約零。沿著相對深之第二摻雜區32之電位之此一形狀可增加第二摻雜區32之靈敏度。
圖6A至圖6E繪示根據本技術之一實施例之一實例影像感測器之一製造程序之步驟。在一些實施例中，該方法可包含流程圖中之僅一些步驟或可包含流程圖400中未繪示之額外步驟。
在步驟一(圖6A)中，製造程序開始於對一半導體基板80進行P摻雜。將半導體基板80附接至矽基板100。如上文所解釋，藉由磊晶生長程序，由矽層82、Si1-x Gex 層84及矽層86之一堆疊磊晶層形成半導體基板80之一部分。作為一項實例，半導體基板之材料係Si。然而，熟習此項技術者將明白，任何III族元素(B、Al、Ga、In、Tl)、IV族元素(C、Si、Ge、Sn、Pb)、V族元素(N、P、As、Sb、Bi)及此等元素之合適組合可用於形成半導體基板80。在一些實施例中，P型摻雜劑可為硼。
在步驟二(圖6B)中，藉由具有各種植入物能量之離子植入對半導體基板80之一部分進行N摻雜以跨Si層及SiGe層形成一第二摻雜區32。N型摻雜劑之一些實例係砷及磷。通常，第二摻雜區32之摻雜比第一摻雜區34之摻雜重。在一些實施例中，摻雜劑之配置可相反，即，第二摻雜區32可為一重摻雜P型，而第一摻雜區34係一輕度摻雜N型區。可藉由P摻雜劑之離子植入來形成隔離元件49，從而在半導體基板80中形成一P型隔離阱。繪示單個第二摻雜區32，然而半導體基板晶圓通常包含用於不同像素之多個第二摻雜區32 (例如，每個像素四個第二摻雜區32，每個光感測器多個像素，且每個晶圓多個感測器)。此外，在半導體基板80上形成閘極氧化物層33 (例如，SiO2 )及一多晶矽層30。
在步驟三(圖6C)中，移除多晶矽層30之一部分以形成一閘極電極31。在不同實施例中，形成閘極電極31可包含不同製造步驟，例如，遮罩沈積，光學地曝光遮罩，蝕刻，材料沈積等。
在步驟四(圖6D)中，形成具有金屬互連導體59及介電材料之金屬互連層28。在一些實例中，介電材料可包含氧化物/氮化物，諸如氧化矽(SiO2 )、氧化鉿(HfO2 )、氮化矽(Si3 N4 )、氮氧化矽(SiOx Ny )、氧化鉭(Ta2 O5 )、氧化鈦(TiO2 )、氧化鋯(ZrO2 )、氧化鋁(Al2 O3 )、氧化鑭(La2 O3 )、氧化鐠(Pr2 O3 )、氧化鈰(CeO2 )、氧化釹(Nd2 O3 )、氧化鉕(Pm2 O3 )、氧化釤(Sm2 O3 )、氧化銪(Eu2 O3 )、氧化釓(Gd2 O3 )、氧化鋱(Tb2 O3 )、氧化鏑(Dy2 O3 )、氧化鈥(Ho2 O3 )、氧化鈥(Er2 O3 )、氧化銩(Tm2 O3 )、氧化鐿(Yb2 O3 )、氧化鑥(Lu2 O3 )、氧化釔(Y2 O3 )或類似者。另外，熟習相關技術者將認知，根據本技術之教示，可使用上述金屬/半導體及其等氧化物/氮化物/氮氧化物之其他化學計量組合，只要其等具有小於半導體材料之折射率之一折射率即可。金屬導體可使用例如銅或鋁來形成。在不同實施例中，形成金屬互連導體59可包含不同製造步驟，例如，遮罩沈積，光學地曝光遮罩，蝕刻，材料沈積等。
在步驟五(圖6E)中，在介電質層28附近形成一鈍化層26。在不同實施例中，鈍化層26可包含氧化矽或氮化矽。在一些實施例中，可在鈍化層26附近形成一帶通濾光片24。下文關於圖10A至圖10B更詳細地解釋帶通濾光片之一些實施例。在一些實施例中，可在帶通濾光片24附近形成一微透鏡22。在操作中，入射光20穿過微透鏡22、帶通濾光片24、鈍化層26及介電質層28朝向光電二極體36。
圖7係根據本技術之一實施例之一製造程序之一流程圖。在一些實施例中，該方法可包含流程圖中所繪示之僅一些步驟或可包含流程圖700中未繪示之其他步驟。
方法700可用於製造圖1之一實例性像素11。方法700在方塊705中開始。在方塊710中，提供一半導體基板80，其中半導體基板80可為一矽基板、摻雜半導體基板，諸如P型或n型摻雜半導體基板或一塊狀基板。例如藉由磊晶生長在半導體基板80上形成矽層82、Si1-x Gex 層84及矽層86之磊晶層。在不同實施例中，Si1-x Gex 層84可包含Ge之不同分佈，即，沿著Si1-x Gex 層之厚度之x 之不同比率，其中x 之範圍可在0與1之間。在Si1-x Gex 層84上形成Si層82。在一些實施例中，用P摻雜劑輕度摻雜Si1-x Gex 層84及Si層82。在一些實施例中，Si1-x Gex 層84比Si層82厚。
在方塊715中，可藉由用N型雜質及P型雜質摻雜半導體基板來形成光電二極體區(例如，第二摻雜區32及隔離元件49)。在一些實施例中，隔離元件49可為隔離溝渠結構，例如淺溝渠隔離結構。在方塊720中，在Si層82上形成一閘極氧化物層33 (例如，SiO2 )。在不同實施例中，可使用不同氧化物，如同例如氮氧化物。在方塊725中，在閘極氧化物層33上形成一多晶矽層30。
在一項實施例中，可藉由經由離子植入用P型雜質摻雜半導體基板之Si層82，在半導體基板80之一前側與第二摻雜區32之間形成一P型摻雜區(例如，第三摻雜區35)。
在方塊730中，蝕刻多晶矽層30以形成閘極電極31。另外，可藉由取決於Si層82之厚度將N摻雜劑相對重地摻雜至Si層82中且可能地摻雜至Si1-x Gex 層84中來形成電晶體之一源極/汲極區。
在方塊735中，在閘極氧化物層33及閘極電極31上形成一或多個介電質層28。在方塊740中，在介電質層28內形成金屬佈線(或金屬互連結構) 59。形成閘極電極31及/或金屬佈線59可包含不同製造步驟，例如遮罩沈積，光學地曝光遮罩，蝕刻，材料沈積等。金屬佈線59可由諸如銅、鋁、鎢之金屬材料構成。
在方塊745中，在介電質層28上形成鈍化層26 (亦稱為緩衝氧化物)。在方塊750中，在鈍化層26上形成彩色濾光片24。在操作中，彩色濾光片24選擇性地阻擋光學波長到達光電二極體36。在方塊755中，在彩色濾光片24上形成微透鏡22。在一些實施例中，微透鏡22可將入射光20有效地聚焦至各自光電二極體之N型摻雜區32上。該方法可在方塊760中結束。
圖8A係根據本技術之一實施例之經組態用於背側照射之一光電二極體36B之一示意性側視圖。半導體基板80包含SiGe層84及Si層82。在一些實施例中，在製造之初始步驟期間使用磊晶層86，且接著在光電二極體之背側處形成介電質層28之前移除磊晶層86。在一些實施例中，Si層82係約0.1 μm厚且Si1-x Gex 層係約0.9 μm厚。
在一些實施例中，光電二極體36B包含實質上延伸穿過Si層82及Si1-x Gex 層84之整個厚度之第一摻雜區34 (例如，一高摻雜P區)。第二摻雜區32可為由輕度摻雜Si層82及Si1-x Gex 層84之一組合之一較早步驟得到之一N摻雜區。在其他實施例中，第一摻雜區34及第二摻雜區32之摻雜可相反。例如，第一摻雜區34可為一N摻雜區且第二摻雜區32可為一P摻雜區。在操作中，入射光20穿過微透鏡22及彩色濾光片24以透過其第二面322入射於電荷產生區32a上，且光生累積於第二摻雜區32中之電荷。跨矽層82及Si1-x Gex 層84形成電荷產生區32a。
在一項實施例中，光電二極體36B可進一步包含一第三摻雜區(圖8A中未展示)，例如安置於第二摻雜區32與Si層82之一前側表面321之間的重摻雜P區。在一項實施例中，例如藉由離子植入在Si層82中安置第三摻雜區。第三摻雜區鈍化Si層82與閘極氧化物層33之間的介面，即，氧化物-矽介面以減少暗電流。
圖8B係沿著圖8A中所展示之光電二極體之半導體基板80之Ge比率之一曲線圖。曲線圖之縱軸對應於以µm為單位之半導體基板80之深度或厚度。曲線圖之橫軸對應於半導體基板80中之Ge之比率x 。Ge之比率x 在Si層82中之第二摻雜區32之第一面321處以零或接近於零開始，且在第二摻雜區32之第二面322處增加至約0.7。在一些實施例中，x 之範圍可在0與1之間。在所繪示實施例中，比率x 在第二面322附近保持大體上恆定。在一些應用中，0.7之Ge比率導致對1.5 µm波長(對應於近紅外線(NIR)光)之一相對高靈敏度。此外，與光電二極體36B之一相對高回應速度相結合之一背照式組態可使所繪示光電二極體適合於一飛行時間(ToF)使用。
圖8C係沿著圖8A中所展示之光電二極體之半導體基板之電位之一曲線圖。曲線圖之縱軸對應於以µm為單位之半導體基板80之深度或厚度。橫軸對應於以V為單位之電位。光電二極體36B之最高電位點淺定位於Si層內或Si1-x Gex 層84內，其中Ge比率x 係變化的。正如前側照射實施例，光電二極體36B之最高電位點在相對於前側表面之一淺位置處產生阱之一「波峰」，從而改良經光生電荷自光電二極體36B至相關聯浮動擴散區(FD) 48之轉移之一完整性。
圖9A係根據本技術之一實施例之經組態用於背側照射之一光電二極體36B之一示意性側視圖。在所繪示實施例中，Si層82係約0.3 μm厚且Si1-x Gex 層係約4 μm厚。入射光20在其背側表面處，即，在第二面322處照射光電二極體36B且光生累積於光電二極體36B之第二摻雜區32中之電荷。正如圖8A中所繪示之實施例，可在製造期間使用磊晶層86且接著隨後在光電二極體36B之背側處形成介電質層28之前移除磊晶層86。
圖9B係沿著圖9A中所展示之光電二極體之半導體基板80之Ge比率之一曲線圖。Ge之比率x 在Si層82中之一電荷產生區32a之第一面321處以零或接近於零開始，其中電荷產生區32a係形成於第一摻雜區32與第二摻雜區34之間的一耗盡區。接下來，Ge之比率x 在穿過Si1-x Gex 層84之某個厚度處保持大體上恆定且接著在電荷產生區32a之第二面322處逐漸降低並回到零。在一些實施例中，x 之範圍可在0與1之間。第二摻雜區32經植入以跨Si層82及Si1-x Gex 層84形成。所繪示光電二極體36B相對深地形成至Si1-x Gex 層84中，因此增加光電二極體36B對入射光之靈敏度。在至少一些實施例中，光電二極體36B之一相對高靈敏度使其適合於在保全裝置中使用。
圖9C係沿著圖9A中所展示之光電二極體之半導體基板之電位之一曲線圖。在所繪示實施例中，光電二極體36B之最高電位點經定位於Si層82與Si1-x Gex 層84之間的介面附近。此最高電位在光電二極體36B之第二面322處逐漸降低至約零。
圖10A至圖10C繪示根據本技術之彩色濾光片24。彩色濾光片可如圖6E (前側照射)及圖8A (背側照射)所展示般配置。在一些實施例中，可將兩個或更多個不同的彩色濾光片24-i組合成用於一給定光電二極體或一光電二極體陣列之一堆疊。
圖10A繪示與黑白相機一起使用之黑白(B/W)濾光片24-1之一陣列。在一些實施例中，B/W濾光片24-1使所有可見光朝向對應光電二極體36或36B傳遞。圖10B繪示用於NIR檢測之彩色濾光片24-2之一陣列。在一些實施例中，彩色濾光片24-2濾除可見光，同時使NIR光穿過。圖10C繪示用於NIR及可見光檢測之彩色濾光片24-3之一陣列。通常，濾光器G允許綠光波長穿過，同時阻擋其他波長；濾光器R允許紅光穿過，濾光器B允許藍光穿過，且濾光器N允許NIR光穿過。在一些實施例中，可選擇G、R、B及N濾光器之組合以匹配在特定使用場景下波長之一預期分佈。
上文所描述之技術之諸多實施例可採用電腦或控制器可執行指令之形式，包含由一可程式化電腦或控制器執行之常式。熟習相關技術者將明白，可在除上文所展示及描述之彼等電腦/控制器系統之外的電腦/控制器系統上實踐該技術。該技術可體現於經專門程式化、組態或構建以執行上文所描述之一或多個電腦可執行指令之一專用電腦、特定應用積體電路(ASIC)、控制器或資料處理器中。當然，本文中所描述之任何邏輯或演算法可以軟體或硬體或軟體及硬體之一組合來實施。
本發明之所繪示實例之以上描述，包含摘要中所描述之內容並不意欲於係詳盡性的或將本發明限於所揭示之精確形式。雖然本文中出於繪示性目的而描述本發明之特定實例，但在本發明之範疇內各種修改係可能的，如熟習相關技術者將認知。
鑑於以上詳細描述，可對本發明進行此等修改。以下發明申請專利範圍中所使用之術語不應被解釋為將本發明限於說明書中所揭示之特定實施例。相反，本發明之範疇將完全由以下發明申請專利範圍判定，以下發明申請專利範圍將根據請求項解釋之既定原則來解釋。
10:影像感測器 11:像素 12:像素陣列 14:讀出電路系統 16:控制電路系統 18:功能邏輯 20:入射光 22:微透鏡 24:帶通濾光片 24-1:黑白(B/W)濾光片 24-2:彩色濾光片 24-3:彩色濾光片 26:鈍化層 28:金屬互連層/介電質層 30:多晶矽層 31:閘極電極 32:第二摻雜區 32a:電荷產生區 33:閘極氧化物層 34:第一摻雜區 35:第三摻雜區 36:光電二極體 36B:光電二極體 46:轉移閘極 48:浮動擴散區(FD) 49:隔離元件 59:金屬互連導體/金屬佈線(或金屬互連結構) 80:半導體基板 82:Si層 84:Si1-x Gex 層 86:磊晶Si層 100:矽基板 321:前側表面/第一面/第一表面 322:第二面 323:介面 324:高度(深度) 325:高度(深度) 326:介面 705:方塊 710:方塊 715:方塊 720:方塊 725:方塊 730:方塊 735:方塊 740:方塊 745:方塊 750:方塊 755:方塊 760:方塊 C1-Cx:行 R1-Ry:列 P1-Pn:像素
參考以下附圖描述本發明之非限制性及非詳盡性實施例，其中除非另有指定，否則貫穿各種視圖，類似元件符號指稱類似部件。
圖1係根據本技術之一實施例之一實例影像感測器之一圖。
圖2A係根據本技術之一實施例之經組態用於前側照射之一光電二極體之一示意性側視圖。
圖2B係沿著圖2A中所展示之光電二極體之半導體基板之Ge比率之一曲線圖。
圖2C係沿著圖2A中所展示之光電二極體之半導體基板之電位之一曲線圖。
圖3A係根據本技術之一實施例之經組態用於前側照射之一光電二極體之一示意性側視圖。
圖3B係沿著圖3A中所展示之光電二極體之半導體基板之Ge比率之一曲線圖。
圖3C係沿著圖3A中所展示之光電二極體之半導體基板之電位之一曲線圖。
圖4A係根據本技術之一實施例之經組態用於前側照射之一光電二極體之一示意性側視圖。
圖4B係沿著圖4A中所展示之光電二極體之半導體基板之一Ge比率之一曲線圖。
圖4C係沿著圖4A中所展示之光電二極體之半導體基板之電位之一曲線圖。
圖5A係根據本技術之一實施例之經組態用於前側照射之一光電二極體之一示意性側視圖。
圖5B係沿著圖5A中所展示之光電二極體之半導體基板之Ge比率之一曲線圖。
圖5C係沿著圖5A中所展示之光電二極體之半導體基板之電位之一曲線圖。
圖6A至圖6E繪示根據本技術之一實施例之用於一樣本影像感測器之一製造程序之步驟。
圖7係根據本技術之一實施例之一製造程序之一流程圖。
圖8A係根據本技術之一實施例之經組態用於背側照射之一光電二極體之一示意性側視圖。
圖8B係沿著圖8A中所展示之光電二極體之半導體基板之Ge比率之一曲線圖。
圖8C係沿著圖8A中所展示之光電二極體之半導體基板之電位之一曲線圖。
圖9A係根據本技術之一實施例之經組態用於背側照射之一光電二極體之一示意性側視圖。
圖9B係沿著圖9A中所展示之光電二極體之半導體基板之Ge比率之一曲線圖。
圖9C係沿著圖9A中所展示之光電二極體之半導體基板之電位之一曲線圖。
圖10A至圖10C繪示根據本技術之彩色濾光片。
貫穿圖式之若干視圖，對應元件符號指示對應組件。熟習此項技術者將明白，附圖中之元件係為了簡單及清楚而繪示且不一定按比例繪製。例如，附圖中之一些元件之尺寸可能相對於其他元件被放大以有助於改良對本發明之各項實施例之理解。再者，通常不描繪在一商業上可行的實施例中有用或必需之常見但易於理解之元件以便促進本發明之此等各項實施例之一更清晰觀察。
20:入射光
32:第二摻雜區
32a:電荷產生區
33:閘極氧化物層
34:第一摻雜區
35:第三摻雜區
36:光電二極體
46:轉移閘極
48:浮動擴散區(FD)
80:半導體基板
82:Si層
84:Si1-xGex層
86:磊晶Si層
321:前側表面/第一面/第一表面
322:第二面

Claims (21)

  1. 一種影像感測器，其包括：複數個像素，其等經配置於安置於一半導體基板中之一像素陣列之列及行中，其中一個別像素之光電二極體經組態以接收穿過該半導體基板之一被照射表面之一入射光，其中該半導體基板包括：半導體材料之一第一層，其包括矽(Si)；及半導體材料之一第二層，其包括矽鍺(Si1-xGex)，其中Ge之一濃度x穿過該第二層之厚度之至少一部分逐漸變化，其中各光電二極體包括：一第一摻雜區，其延伸穿過半導體材料之該第一層及半導體材料之該第二層；及一第二摻雜區，其延伸穿過半導體材料之該第一層及半導體材料之該第二層，其中該半導體基板進一步包括半導體材料之一第三層，半導體材料之該第三層包括矽，且其中半導體材料之該第二層經安置於半導體材料之該第一層與半導體材料之該第三層之間，及其中半導體材料之該第二層具有面對半導體材料之該第一層之一第一側及面對半導體材料之該第三層之一第二側，其中半導體材料之該第二層中之Ge之該濃度x自該第一側處之一第一最小值，經過半導體材料之該第二層內部之一最大值，且變化至半導體材料之該第二層之該第二側處之一第二最小值。
  2. 如請求項1之影像感測器，其中該影像感測器係一前照式感測器，且其中該半導體之該被照射表面在半導體材料之該第一層上。
  3. 如請求項1之影像感測器，其中至少基於半導體材料之該厚度及對一特定光波長之靈敏度來組態半導體材料之該第二層內部之Ge之該濃度x之該最大值。
  4. 如請求項1之影像感測器，其中各像素進一步包括安置於半導體材料之該第一層附近之一透鏡及一帶通濾光片。
  5. 如請求項4之影像感測器，其中該帶通濾光片係一近紅外線(NIR)濾光片。
  6. 如請求項1之影像感測器，其中各光電二極體進一步包含跨半導體材料之該第一層及半導體材料之該第二層安置之一電荷產生區，各光電二極體回應於該入射光而在該電荷產生區中有效地產生電荷。
  7. 如請求項1之影像感測器，其中該影像感測器係一背照式感測器，且其中該半導體基板之該被照射表面在半導體材料之該第二層上。
  8. 如請求項7之影像感測器，其中半導體材料之該第二層具有面對半導體材料之該第一層之一第一側及背對該第一側之一第二側，其中半導體材 料之該第二層中之Ge之該濃度x自其第一側處之一最小值變化至半導體材料之該第二層之該第二側處之一最大值。
  9. 如請求項7之影像感測器，其中半導體材料之該第二層具有面對半導體材料之該第一層之一第一側及面對半導體材料之該第三層之一第二側，其中半導體材料之該第二層中之Ge之該濃度x自半導體材料之該第二層之該第一側處之一最小值，經過半導體材料之該第二層內部之一最大值，且變化至半導體材料之該第二層之該第二側處之一中間值。
  10. 如請求項9之影像感測器，其中半導體材料之該第二層內部之Ge之該濃度x之該最大值係約0.7。
  11. 如請求項9之影像感測器，其中半導體材料之該第二層內部之Ge之該濃度x之該最大值延伸穿過半導體材料之該第二層之寬度之一部分，其中至少基於半導體材料之該厚度及對一特定光波長之靈敏度來組態Ge之該濃度x之該最大值。
  12. 一種用於製造一影像感測器之方法，其包括：提供一半導體基板，在該半導體基板上形成一磊晶層，其中該磊晶層包括：半導體材料之一第一層，其包括矽(Si)；及半導體材料之一第二層，其包括矽鍺(Si1-xGex)，其中Ge之一濃度x穿過該第二層之厚度之至少一部分逐漸變化，其中x介於零與一之 間，其中半導體材料之該第一層及半導體材料之該第二層被摻雜為一第一摻雜區；及摻雜一第二摻雜區，其中該第二摻雜區延伸穿過半導體材料之該第一層且穿過半導體材料之該第二層，其中半導體材料之該第二層具有面對半導體材料之該第一層之一第一側及面對半導體材料之一第三層之一第二側，其中半導體材料之該第二層中之Ge之該濃度x自該第一側處之一第一最小值，經過半導體材料之該第二層內部之一最大值，變化至半導體材料之該第二層之該第二側處之一第二最小值。
  13. 如請求項12之方法，其進一步包括：在半導體材料之該第一層附近形成一閘極氧化物層；及在該閘極氧化物層附近形成至少一個介電質層。
  14. 如請求項12之方法，其中形成該磊晶層之程序進一步包括：在該半導體基板上形成包括矽(Si)之半導體材料之該第三層，其中半導體材料之該第二層在半導體材料之該第一層與半導體材料之該第三層之間，且其中半導體材料之該第三層在該半導體基板附近。
  15. 如請求項14之方法，其進一步包括：在半導體材料之該第一層附近形成至少一個透鏡及至少一個帶通濾光片。
  16. 如請求項15之方法，其中該帶通濾光片係一近紅外線(NIR)濾光片。
  17. 如請求項12之方法，其進一步包括：在半導體材料之該第二層附近形成至少一個透鏡及至少一個帶通濾光片。
  18. 一種影像感測器，其包括：複數個像素，其等經配置於安置於一半導體基板中之一像素陣列之列及行中，其中每一個別像素包含一光電二極體，其經操作以接收穿過該半導體基板之一被照射表面之一入射光，其中該半導體基板包括：半導體材料之一第一層，其包括矽(Si)；半導體材料之一第二層，其包括矽鍺(Si1-xGex)；及半導體材料之一第三層，其包括矽(Si)，其中半導體材料之該第二層經安置於半導體材料之該第一層與半導體材料之該第三層之間，其中Ge之一濃度x自介於半導體材料之該第一層與半導體材料之該第二層之間的一第一邊界處之一第一最小值，經過半導體材料之該第二層內部之一深度處之一最大值，且逐漸變化至介於半導體材料之該第二層與半導體材料之該第三層之間的一第二邊界處之一第二最小值。
  19. 如請求項18之影像感測器，其中該光電二極體形成於半導體材料之該第一層及半導體材料之該第二層中。
  20. 如請求項18之影像感測器，其中Ge之該濃度x經過半導體材料之該第二層之厚度的一部分保持恆定在該最大值。
  21. 如請求項18之影像感測器，其中至少基於半導體材料之一厚度及對一特定光波長之靈敏度來組態半導體材料之該第二層內部之Ge之該濃度x之該最大值，且其中半導體材料之該第二層之一厚度大於半導體材料之該第一層之一厚度。
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