TWI815158B - 影像感測器及用於形成影像感測器的方法 - Google Patents

影像感測器及用於形成影像感測器的方法 Download PDF

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Abstract

本公開的各種實施例涉及一種影像感測器，所述影像感 測器包括沿著基板的像素。所述像素包括具有第一摻雜類型的第一半導體區。第二半導體區直接位於所述第一半導體區上方。所述第二半導體區具有與所述第一摻雜類型相反的第二摻雜類型，並且在p-n接面處與所述第一半導體區交匯。環形第三半導體區在側向上圍繞所述第一半導體區及所述第二半導體區。所述環形第三半導體區具有所述第一摻雜類型。環形第四半導體區在側向上圍繞所述環形第三半導體區。所述環形第四半導體區具有所述第二摻雜類型。環形第五半導體區直接位於所述環形第三半導體區上方，並具有所述第二摻雜類型。

Description

影像感測器及用於形成影像感測器的方法
本發明的實施例是有關於一種影像感測器及用於形成影像感測器的方法。
具有互補金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)影像感測器的積體電路(integrated circuit，IC)被用於各種不同的現代電子裝置(例如，舉例來說照相機及手機)中。一些CMOS影像感測器基於雪崩光電二極體(avalanche photodiodes，APD)及單光子雪崩光電二極體(single-photon avalanche photodiodes，SPAD)。一些類型的CMOS影像感測器包括正面照明(front-side illuminated，FSI)影像感測器及背面照明(back-side illuminated，BSI)影像感測器。
本發明的實施例提供一種影像感測器，所述影像感測器包括沿著基板的像素。所述像素包括第一半導體區、第二半導體 區、環形第三半導體區、環形第四半導體區以及環形第五半導體區。第一半導體區具有第一摻雜類型。第二半導體區直接位於所述第一半導體區上方。所述第二半導體區具有與所述第一摻雜類型相反的第二摻雜類型，並且在p-n接面處與所述第一半導體區交匯。環形第三半導體區在側向上圍繞所述第一半導體區及所述第二半導體區。所述環形第三半導體區具有所述第一摻雜類型。環形第四半導體區在側向上圍繞所述環形第三半導體區。所述環形第四半導體區具有所述第二摻雜類型。環形第五半導體區直接位於所述環形第三半導體區上方，並具有所述第二摻雜類型。
本發明的實施例提供一種影像感測器。影像感測器包括基板、半導體井以及第一單光子雪崩二極體(SPAD)。半導體井沿著所述基板的第一側位於所述基板中，並且具有第一摻雜類型。第一單光子雪崩二極體(SPAD)沿著所述基板的所述第一側位於所述半導體井中。所述第一單光子雪崩二極體包括第一半導體區、第二半導體區、保護環半導體區、接觸半導體區以及光敏性增強半導體區。第一半導體區沿著所述基板的所述第一側延伸並具有與所述第一摻雜類型相反的第二摻雜類型。第二半導體區直接位於所述第一半導體區上方並具有所述第一摻雜類型。所述第一半導體區在p-n接面處與所述第二半導體區交匯。保護環半導體區沿著所述基板的所述第一側延伸並具有所述第二摻雜類型。所述保護環半導體區在側向上圍繞所述第一半導體區及所述第二半導體區。接觸半導體區沿著所述基板的所述第一側延伸並 且具有所述第一摻雜類型。所述接觸半導體區在側向上圍繞所述保護環半導體區並且在側向上與所述保護環半導體區分開第一非零距離。光敏性增強半導體區直接位於所述保護環半導體區上方並具有所述第一摻雜類型。所述光敏性增強半導體區被配置成擴大所述第一單光子雪崩二極體的對光子敏感的區域。
本發明的實施例提供一種用於形成影像感測器的方法。所述方法包括：在基板中形成第一半導體區及第二半導體區。所述第一半導體區具有第一摻雜類型，且所述第二半導體區具有與所述第一摻雜類型相反的第二摻雜類型。所述第一半導體區與所述第二半導體區在p-n接面處交匯。在所述基板中形成保護環半導體區。所述保護環半導體區在側向上圍繞所述第一半導體區及所述第二半導體區。所述保護環半導體區具有所述第一摻雜類型。在所述基板中形成接觸半導體區。所述接觸半導體區在側向上圍繞所述保護環半導體區並且在側向上與所述保護環半導體區分離。所述接觸半導體區具有所述第二摻雜類型。在所述基板中形成光敏性增強半導體區。所述光敏性增強半導體區直接位於所述保護環半導體區上方。所述光敏性增強半導體區具有所述第二摻雜類型。
100、300、400、500、600、700、800、900、1100、1200、1300、1400、1500、1600、1700、1800、1900、2000、2100:剖視圖
101:像素
101a:第一像素
101b:第二像素
101c:第三像素
101d:第四像素
102:基板
102b:背面
102f:正面
102t、104t、106t、108t:厚度
103:光電檢測器
103a:第一光電檢測器
103b:第二光電檢測器
103c:第三光電檢測器
103d:第四光電檢測器
103x:中心
104:半導體井
105:主動區域
106:光敏性增強(PE)半導體區
106i、108i:內側壁的半徑
106o、108o:外側壁的半徑
106w、108w:寬度
107:距離
108:保護環半導體區
110:第一半導體區
111:p-n接面
112:第二半導體區
112d:非零距離
114:隔離半導體區
116:接觸半導體區
117:第一距離
118:內連結構
120:溝槽隔離結構
122:濾色器
124:透鏡
200、1000:俯視圖
702:擴散區
1202、1304、1402、1504、1604:箭頭
1302、1502、1602、1902:光罩
1306:第一深度
1904:隔離開口
2200:方法
2202、2204、2206、2208、2210:動作
A-A’:線
結合附圖閱讀以下詳細說明，會最好地理解本公開的各個方面。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，可任意地增大或減小各種特徵的尺寸。
圖1示出包括光敏性增強半導體區的背面照明影像感測器的一些實施例的剖視圖。
圖2示出圖1的影像感測器的一些實施例的俯視圖。
圖3示出其中光敏性增強半導體區位於半導體井(semiconductor well)中的影像感測器的一些實施例的剖視圖。
圖4到圖6示出圖3的影像感測器的一些替代實施例的剖視圖。
圖7示出其中光敏性增強半導體區鄰近保護環半導體區的影像感測器的一些實施例的剖視圖。
圖8示出包括光敏性增強半導體區的正面照明影像感測器的一些實施例的剖視圖。
圖9示出包括排列成像素陣列的多個像素的影像感測器的一些實施例的剖視圖。
圖10示出圖9的影像感測器的一些實施例的俯視圖。
圖11到圖21示出用於形成包括光敏性增強半導體區的影像感測器的方法的一些實施例的剖視圖。
圖22示出用於形成包括光敏性增強半導體區的影像感測器的方法的一些實施例的流程圖。
以下公開內容提供用於實施所提供主題的不同特徵的許多不同的實施例或實例。以下闡述組件及佈置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。舉例來說，在以下說明中在第二特徵上方或第二特徵上形成第一特徵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，且也可包括其中第一特徵與第二特徵之間可形成附加特徵從而使得第一特徵與第二特徵可不直接接觸的實施例。另外，本公開內容可在各種實例中重複使用參考編號和/或字母。此種重複使用是出於簡明及清晰的目的，而非自身表示所論述的各個實施例和/或配置之間的關係。
此外，為易於說明，本文中可能使用例如“在…之下(beneath)”、“在…下方(below)”、“下部的(lower)”、“在…之上(above)”、“上部的(upper)”及類似用語等空間相對性用語來闡述圖中所示一個元件或特徵與另一(其他)元件或特徵的關係。除圖中所繪示的定向以外，所述空間相對性用語還旨在囊括裝置在使用或操作中的不同定向。裝置可具有其他定向(旋轉90度或處於其他定向)，且本文中所用的空間相對性描述語可同樣相應地加以解釋。
一些影像感測器包括用於檢測光子的單光子雪崩二極體(SPAD)。舉例來說，影像感測器包括沿著基板的多個像素。所述多個像素中的一個像素包括沿著基板的正面位於基板中的SPAD。SPAD包括第一半導體區及直接位於所述第一半導體區上 方的第二半導體區。第一半導體區具有第一摻雜類型，且第二半導體區具有與第一摻雜類型相反的第二摻雜類型。因此，在第一半導體區與第二半導體區交匯的界面處存在p-n接面。像素還包括圍繞第一半導體區及第二半導體區兩者的保護環。保護環具有第一摻雜類型。此外，接觸半導體區圍繞保護環，並且在側向上通過基板與保護環分離。所述保護環被設計成沿著SPAD的周邊弛豫(relax)SPAD的高電場，以防止過早的邊緣擊穿(premature edge breakdown)。
影像感測器的一個挑戰是保護環必須為大以弛豫SPAD的高電場，但由在保護環正上方吸收的光子產生的載流子通常不能觸發雪崩電流(即，光子可能不會被檢測到)。因此，保護環減小了SPAD的主動區域，且因此SPAD的填充因子(fill factor)和/或光子檢測效率(photon detection efficiency，PDE)也可減小。因此，影像感測器的性能可能為低。
另一個挑戰是保護環與接觸區之間的間隔必須足以防止過早的邊緣擊穿並防止高暗計數率(dark count rate)。這種間隔進一步減小SPAD的主動區域，因為由在間隔中吸收的光子產生的載流子通常也不能觸發雪崩。因此，像素的大的面積可能是不起作用的(即，可能並非為光敏性的)。因此，SPAD的填充因子和/或PDE可能為低。
本公開的各種實施例涉及一種影像感測器，所述影像感測器包括用於提高影像感測器的性能的光敏性增強 (photosensitivity enhancement，PE)半導體區。影像感測器包括沿著基板的像素。像素包括沿著基板的正面位於基板中的光電檢測器(例如，SPAD或類似物)。光電檢測器包括沿著基板的正面延伸的第一半導體區及直接位於第一半導體區上方的第二半導體區。第一半導體區包括第一摻雜類型，且第二半導體區具有與第一摻雜類型相反的第二摻雜類型。p-n接面存在於第一半導體區與第二半導體區之間的界面處。保護環半導體區位於基板中，並沿著基板的正面延伸。保護環半導體區圍繞第一半導體區及第二半導體區，並具有第一摻雜類型。接觸半導體區位於基板中，並沿著基板的正面延伸。接觸半導體區圍繞保護環並且與保護環分離。此外，接觸半導體區具有第二摻雜類型。此外，PE半導體區直接位於保護環半導體區上方，並且具有第二摻雜類型。此外，PE半導體區具有環形頂部佈局。PE半導體區被配置成擴大影像感測器的主動區域。
通過在保護環半導體區正上方包括PE半導體區，可在不改變影像感測器的佈局的情況下擴大影像感測器的主動區域。舉例來說，使得能夠產生雪崩電流的光電檢測器的高電場可在側向上朝向保護環半導體區延伸。因此，由在保護環半導體區上方吸收的光子產生的載流子可具有更大的可能性觸發雪崩電流(即，更大的可能性被檢測到)。此外，PE半導體區可減小保護環半導體區上方的光電檢測器的耗盡區(depletion region)，使得由在保護環半導體區上方吸收的光子產生的載流子可在側向上朝向光電 檢測器的高電場行進，且因此可具有更大的可能性觸發雪崩電流。因此，可擴大影像感測器的主動區域。因此，影像感測器的性能(例如，填充因子和/或光子檢測效率)可得到改善。
同時參照圖1及圖2，圖1示出包括光敏性增強(PE)半導體區106的背面照明影像感測器的一些實施例的剖視圖100，且圖2示出圖1的影像感測器的一些實施例的俯視圖200。舉例來說，圖1的剖視圖100可穿過圖2的線A-A’截取。
在此類實施例中，影像感測器包括沿著基板102的像素101。像素101包括位於基板102中的光電檢測器103。光電檢測器103包括沿著基板102的正面102f延伸的第一半導體區110。光電檢測器103還包括直接位於第一半導體區110上方的第二半導體區112。第一半導體區110具有第一摻雜類型(例如，n型)，並且第二半導體區112具有與第一摻雜類型相反的第二摻雜類型(例如，p型)。第一半導體區110在p-n接面111處與第二半導體區112交匯。由於施加到光電檢測器103的大的反向偏壓，沿著p-n接面111可能存在高電場。
光電檢測器103還包括沿著基板102的正面102f延伸的保護環半導體區108。保護環半導體區108在側向上圍繞第一半導體區110及第二半導體區112兩者。保護環半導體區108具有環形頂部佈局。此外，保護環半導體區108具有第一摻雜類型。在一些實施例中，保護環半導體區108沿著第一半導體區110的側壁及第二半導體區112的側壁鄰接第一半導體區110及第二半導 體區112。保護環半導體區108弛豫沿著p-n接面111的周邊存在的高電場，以防止在影像感測器中出現過早的邊緣擊穿。
此外，光電檢測器103包括沿著基板102的正面102f延伸的接觸半導體區116。接觸半導體區116在距保護環半導體區108第一距離117處在側向上圍繞保護環半導體區108。接觸半導體區116也具有環形頂部佈局。接觸半導體區116具有第二摻雜類型，並且通過基板102與保護環半導體區108分離。
此外，光電檢測器103包括直接位於接觸半導體區116上方的隔離半導體區114。隔離半導體區114具有第二摻雜類型，並且具有與接觸半導體區116的環形頂部佈局類似的環形頂部佈局。隔離半導體區114可沿著光電檢測器的邊界電隔離和/或光隔離光電檢測器103。
此外，光電檢測器103包括光敏性增強(PE)半導體區106，所述光敏性增強(PE)半導體區106直接位於保護環半導體區108上方，並且與保護環半導體區108垂直分開非零距離107。此外，PE半導體區106具有第二摻雜類型，並且具有與保護環半導體區108的環形頂部佈局近似相同或類似的環形頂部佈局。在一些實施例中，保護環半導體區108及PE半導體區106關於光電檢測器103的中心103x(例如，中心軸)同心。在一些實施例中，接觸半導體區116也可關於光電檢測器103的中心103x同心。PE半導體區106被配置成擴大影像感測器對光子敏感的區域。
舉例來說，像素101的主動區域105可延伸超過保護環 半導體區108的內側壁。在一些實施例中，主動區域105的面積可例如大於光電檢測器103的面積的約40%，使得影像感測器的填充因子大於約40%。
通過在光電檢測器103中並直接在保護環半導體區108上方包括PE半導體區106，影像感測器的主動區域(例如，105)可被擴大。舉例來說，允許觸發雪崩電流的光電檢測器103的高電場可在側向上朝向保護環半導體區108延伸。因此，由在保護環半導體區108上方吸收的光子產生的載流子可具有更大的可能性觸發雪崩電流(即，更大的可能性被檢測到)。此外，PE半導體區106可減小保護環半導體區108上方的光電檢測器103的耗盡區，使得由在保護環半導體區108上方吸收的光子產生的載流子可在側向上朝向光電檢測器103的高電場行進，且因此可具有更大的可能性觸發雪崩電流。因此，可擴大影像感測器的主動區域(例如，105)。因此，影像感測器的性能(例如，填充因子和/或光子檢測效率)可得到改善。
在一些實施例中，影像感測器還包括沿著像素的邊界圍繞像素101的溝槽隔離結構120。溝槽隔離結構120可將像素101與相鄰像素(未示出)電隔離和/或光隔離。在一些實施例中，溝槽隔離結構120可例如包含氧化矽、氮化矽、氧化鋁、氮化鋁、一些其他合適的介電質或前述的任意組合。
此外，在一些實施例中，影像感測器包括沿著基板102的背面延伸的濾色器122及透鏡124。透鏡124直接位於濾色器 122上方。光子可通過透鏡124進入像素101，使得影像感測器被背面照明。
此外，在一些實施例中，內連結構118沿著基板102的正面102f延伸。內連結構118可例如包括一個或多個接觸件、金屬線、通孔、焊料凸塊、銲墊或類似物。此外，內連結構118可電連接到光電檢測器103。
在一些實施例中，基板102可例如包含矽或類似物。此外，基板102可具有第二摻雜類型。此外，在一些實施例中，第一半導體區110、第二半導體區112、保護環半導體區108、接觸半導體區116、隔離半導體區114及PE半導體區106中的任一者可例如包含摻雜矽或類似物。
在一些實施例中，第一半導體區110及接觸半導體區116中的任一者可被重摻雜(例如，n+或p+摻雜)。舉例來說，第一半導體區110及接觸半導體區116中的任一者可例如具有大於1×1018cm-3的摻雜濃度。
此外，在一些實施例中，第二半導體區112、保護環半導體區108及PE半導體區106中的任一者可被輕摻雜(例如，n-或p-摻雜)。舉例來說，第二半導體區112、保護環半導體區108及PE半導體區106中的任一者可例如具有約1×1016cm-3到約1×1018cm-3的摻雜濃度。
在一些實施例中，PE半導體區106可例如具有約0.2微米到5微米的寬度106w。此外，PE半導體區106可例如具有約 0.2微米到約2微米的厚度106t。在一些實施例中，保護環半導體區108可例如具有約0.3微米到約2微米的厚度108t或一些其他合適的值。在一些實施例中，PE半導體區106與保護環半導體區108之間的距離107可例如為約0.1微米到約1微米或一些其他合適的值。在一些實施例中，PE半導體區106的寬度106w近似等於保護環半導體區108的寬度108w。此外，在一些實施例中，基板102的厚度102t可例如為約2微米到約7微米或一些其他合適的值。
圖3示出其中光敏性增強(PE)半導體區106位於半導體井104中的影像感測器的一些實施例的剖視圖300。
在此類實施例中，半導體井104從基板102的正面102f延伸到基板102中。此外，在此類實施例中，基板102具有第一摻雜類型，且半導體井104具有第二摻雜類型。在一些實施例中，半導體井104的厚度104t可為例如約2微米到約7微米或一些其他合適的值。
在一些實施例中，從光電檢測器103的中心103x測量時，PE半導體區106的外側壁的半徑106o與保護環半導體區108的外側壁的半徑108o近似相等(即，當從橫截面觀察時，PE半導體區106的外側壁與保護環半導體區108的外側壁垂直對齊)。此外，在一些實施例中，從光電檢測器103的中心103x測量時，PE半導體區106的內側壁的半徑106i與保護環半導體區108的內側壁的半徑108i近似相等(即，當從橫截面觀察時，PE半導體區 106的內側壁與保護環半導體區108的內側壁垂直對齊)。此可能是在形成PE半導體區106及保護環半導體區108時使用公共光罩的結果。通過使用公共光罩來形成PE半導體區106及保護環半導體區108，可降低生產影像感測器的成本和/或可減少生產影像感測器所需的時間。
圖4到圖6示出圖3的影像感測器的一些替代實施例的剖視圖400到600。
在一些實施例中(例如參見圖4)，第二半導體區112在側向上與保護環半導體區108的側壁分開非零距離112d。通過在第二半導體區112與保護環半導體區108之間包括非零距離112d，光電檢測器103的p-n接面111處的高電場可沿著p-n接面111的周邊減小。因此，可降低光電檢測器103的暗計數率，從而提高影像感測器的性能。
在一些實施例中(例如參見圖5及圖6)，PE半導體區106的寬度(未標記)大於保護環半導體區108的寬度(未標記)。通過增加PE半導體區106的寬度，可進一步增加光電檢測器103的主動區域。因此，可進一步增強影像感測器的性能。
在一些實施例中(例如參見圖5)，PE半導體區106的內側壁比保護環半導體區108的內側壁更靠近光電檢測器103的中心103x，並且PE半導體區106的外側壁比保護環半導體區108的外側壁更遠離光電檢測器103的中心103x。換句話說，PE半導體區106的外側壁的半徑106o大於保護環半導體區108的外側壁 的半徑108o，而PE半導體區106的內側壁的半徑106i小於保護環半導體區108的內側壁的半徑108i。
在一些實施例中(例如參見圖6)，PE半導體區106的內側壁與保護環半導體區108的內側壁距離光電檢測器103的中心103x的距離相同(即，當在橫截面中觀察時，PE半導體區106的內側壁可與保護環半導體區108的內側壁垂直對齊)，而PE半導體區106的外側壁比保護環半導體區108的外側壁更遠離光電檢測器103的中心103x。換句話說，PE半導體區106的外側壁的半徑106o大於保護環半導體區108的外側壁的半徑108o，而PE半導體區106的內側壁的半徑106i近似等於保護環半導體區108的內側壁的半徑108i。
此外，在一些實施例中(例如參見圖6)，溝槽隔離結構120可作為另外一種選擇從基板102的背面102b延伸到隔離半導體區114中。在此類實施例中，溝槽隔離結構120可沿著光電檢測器103的邊界將像素101與相鄰像素(未示出)電隔離和/或光隔離。
圖7示出其中光敏性增強(PE)半導體區106鄰近保護環半導體區108的影像感測器的一些實施例的剖視圖700。
在此類實施例中，擴散區702在保護環半導體區108鄰近PE半導體區106處存在於半導體井104中。在一些實施例中，保護環半導體區108在擴散區702處與PE半導體區106交匯。在一些其他實施例中，保護環半導體區108及PE半導體區106在擴 散區702處交疊，使得擴散區包括來自保護環半導體區108及PE半導體區106兩者的原子。此可能是由於隨著時間的推移，保護環半導體區108朝向PE半導體區106擴散到半導體井104中，並且PE半導體區106朝向保護環半導體區108擴散到半導體井104中，直到所述兩個區交匯或交疊。
圖8示出包括光敏性增強(PE)半導體區106的正面照明影像感測器的一些實施例的剖視圖800。
在此類實施例中，濾色器122及透鏡124沿著基板102的正面102f延伸，並且位於內連結構118上方。輻射(例如，光子或類似物)可通過透鏡124進入影像感測器，使得影像感測器被正面照明。
同時參照圖9及圖10，圖9示出包括排列成像素陣列的多個像素的影像感測器的一些實施例的剖視圖900，且圖10示出圖9的影像感測器的一些實施例的俯視圖1000。
在此類實施例中，影像感測器可例如包括2×2像素陣列(例如，第一像素101a、第二像素101b、第三像素101c及第四像素101d)。其他維度的像素陣列也是可行的。在一些實施例中，第一像素101a鄰近第二像素101b。第一像素101a的第一光電檢測器103a通過沿著第一像素101a與第二像素101b之間的邊界延伸的溝槽隔離結構120與第二像素101b的第二光電檢測器103b相鄰並分離。在一些實施例中，溝槽隔離結構120圍繞並分開影像感測器的光電檢測器(例如，第一光電檢測器103a、第二光電 檢測器103b、第三光電檢測器103c及第四光電檢測器103d)中的每一者。
此外，在此類實施例中，第一像素101a的PE半導體區106在側向上與第二像素101b的PE半導體區106相鄰。在一些實施例中，四個PE半導體區106可根據2×2像素陣列以2×2陣列排列。
圖11到圖21示出包括光敏性增強(PE)半導體區的影像感測器的一些實施例的剖視圖1100到2100。儘管圖11到圖21是關於一種方法來描述的，但應理解，在圖11到圖21中公開的結構不限於此種方法，而是可作為獨立於所述方法的結構而獨立存在。
如圖11的剖視圖1100所示，提供基板102。基板102可例如包含矽或一些其他合適的材料。此外，基板102具有第一摻雜類型。
如圖12的剖視圖1200所示，沿著基板102的正面102f在基板102中形成半導體井104。半導體井104可例如通過離子注入製程(例如，由箭頭1202表示)、擴散製程或一些其他合適的製程形成。此外，半導體井104具有與第一摻雜類型相反的第二摻雜類型。
如圖13的剖視圖1300所示，沿著基板102的正面102f在基板102上方形成光罩1302，並且在光罩1302就位的情況下，在半導體井104中的第一深度1306處形成PE半導體區106。PE 半導體區106可例如通過離子注入製程(例如，由箭頭1304表示)、擴散製程或一些其他合適的製程形成。此外，PE半導體區106具有第二摻雜類型。
在一些實施例中，光罩1302可包含光阻劑、氧化矽、氮化矽、氧化鈦、氮化鈦或一些其他合適的材料。
如圖14的剖視圖1400所示，沿著基板102的正面102f在半導體井104中形成保護環半導體區108。保護環半導體區108可例如通過離子注入製程(例如，由箭頭1402表示)、擴散製程或一些其他合適的製程形成。此外，保護環半導體區108具有第一摻雜類型。
在一些實施例中，保護環半導體區108可在光罩1302就位的情況下形成，使得保護環半導體區108與PE半導體區106具有相同的頂部佈局。在一些其他實施例中，保護環半導體區108可在不同的光罩(未示出)就位的情況下形成，使得保護環半導體區108與PE半導體區106具有不同的頂部佈局(例如參見圖5及圖6)。
如圖15的剖視圖1500所示，沿著基板102的正面102f在基板102上方形成光罩1502。此外，在保護環半導體區108的內側壁之間的半導體井104中形成第一半導體區110及第二半導體區112，以在半導體井104中建立p-n接面111。第一半導體區110直接形成在第二半導體區112上方。第一半導體區110及第二半導體區112可例如通過一個或多個離子注入製程(例如，由箭 頭1504表示)、擴散製程或一些其他合適的製程形成。此外，第一半導體區110具有第一摻雜類型，且第二半導體區112具有第二摻雜類型。
在一些實施例中，光罩1502可包含光阻劑、氧化矽、氮化矽、氧化鈦、氮化鈦或一些其他合適的材料。
在一些實施例中，可在形成第一半導體區110及第二半導體區112兩者時使用公共光罩(例如，光罩1502)，使得第一半導體區110及第二半導體區112兩者具有相同的頂部佈局。在一些其他實施例中，可在形成第一半導體區110及第二半導體區112時使用不同的光罩(未示出)，以在第二半導體區112與保護環半導體區108之間形成間隙(例如，圖4的112d)。在此類實施例中，第一半導體區110及第二半導體區112具有不同的頂部佈局。
儘管圖13到圖15示出在形成第一半導體區110及第二半導體區112之前形成PE半導體區106及保護環半導體區108，但應理解，在一些實施例(未示出)中，可作為另一選擇在形成PE半導體區106及保護環半導體區108之前形成第一半導體區110及第二半導體區112。
如圖16的剖視圖1600所示，沿著基板102的正面102f在基板102上方形成光罩1602。此外，在光罩1602就位的情況下在半導體井104中形成隔離半導體區114及接觸半導體區116。隔離半導體區114及接觸半導體區116可例如通過一個或多個離子注入製程(例如，由箭頭1604表示)、擴散製程或一些其他合適 的製程形成。隔離半導體區114及接觸半導體區116具有第二摻雜類型。
在一些實施例中，接觸半導體區116的形成可為形成光電檢測器103的最後步驟。
如圖17的剖視圖1700所示，沿著基板102的正面102f在基板102上方形成內連結構118。內連結構可例如通過沉積製程、刻蝕製程、平坦化製程或一些其他合適的製程中的任一者來形成。
如圖18的剖視圖1800所示，旋轉基板102，使得基板102的背面102b位於正面102f上方。
如圖19的剖視圖1900所示，沿著基板102的背面102b在基板102上方形成光罩1902。此外，在光罩1902就位的情況下將基板102及半導體井104圖案化，以形成圍繞光電檢測器103的隔離開口1904。
如圖20的剖視圖2000所示，在隔離開口1904中沉積介電材料，並且將介電材料平坦化以在隔離開口1904中形成溝槽隔離結構120。介電材料可例如包含氧化矽、氮化矽、氧化鋁、氮化鋁、一些其他合適的介電質或前述的任何組合，並且可通過化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)製程、物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)製程、原子層沉積(atomic layer deposition，ALD)製程、旋塗製程或一些其他合適的沉積製程中的任一者來沉積。此外，平坦化製程可例如包括化學機械平坦化 (chemical mechanical planarization，CMP)或一些其他合適的平坦化製程。
儘管將溝槽隔離結構120示出為從基板的背面102b形成，但應理解，在一些替代實施例中，在沿著基板102的正面102f形成內連結構118之前，溝槽隔離結構120可作為另一選擇從基板102的正面102f形成。
如圖21的剖視圖2100所示，沿著基板102的背面102b在基板102上方形成濾色器122。此外，在濾色器122上方形成透鏡124。
儘管將濾色器及透鏡124示出為沿著基板102的背面102b形成，但應理解，在一些其他實施例中(例如參見圖8)，濾色器及透鏡124可作為另一選擇沿著基板102的正面102f形成。
圖22示出用於形成包括光敏性增強(PE)半導體區的影像感測器的方法2200的一些實施例的流程圖。儘管以下將方法2200示出及闡述為一系列動作或事件，但將瞭解，這些動作或事件的示出次序不應被解釋為具有限制意義。舉例來說，一些動作可按照不同的次序發生和/或與除本文中所示和/或所述的動作或事件之外的其他動作或事件同時發生。另外，可能並非所有所示出的動作均是實施本文中所述的一個或多個方面或實施例所必需的。此外，本文中所繪示的動作中的一者或多者可在一個或多個單獨的動作和/或階段中施行。
在2202處，在基板的第一側中形成半導體井，基板具有 第一摻雜類型，並且半導體井具有與第一摻雜類型相反的第二摻雜類型。圖12示出對應於動作2202的一些實施例的剖視圖1200。
在2204處，在半導體井中形成光敏性增強半導體區，光敏性增強半導體區具有第二摻雜類型。圖13示出對應於動作2204的一些實施例的剖視圖1300。
在2206處，在光敏性增強半導體區正上方的半導體井中形成保護環半導體區，保護環半導體區具有第一摻雜類型。圖14示出對應於動作2206的一些實施例的剖視圖1400。
在2208處，在保護環半導體區的內側壁之間的半導體井中形成第一半導體區及第二半導體區，以在半導體井中建立p-n接面，第一半導體區具有第一摻雜類型，且第二半導體區具有第二摻雜類型。圖15示出對應於動作2208的一些實施例的剖視圖1500。
在2210處，在半導體井中且在側向上圍繞保護環半導體區形成接觸半導體區，接觸半導體區具有第二摻雜類型。圖16示出對應於動作2210的一些實施例的剖視圖1600。
因此，本公開涉及一種包括用於提高影像感測器的性能的光敏性增強(PE)半導體區的影像感測器。
因此，在一些實施例中，本公開涉及一種影像感測器，所述影像感測器包括沿著基板的像素。所述像素包括具有第一摻雜類型的第一半導體區。第二半導體區直接位於所述第一半導體區上方。所述第二半導體區具有與所述第一摻雜類型相反的第二 摻雜類型，並且在p-n接面處與所述第一半導體區交匯。環形第三半導體區在側向上圍繞所述第一半導體區及所述第二半導體區。所述環形第三半導體區具有所述第一摻雜類型。環形第四半導體區在側向上圍繞所述環形第三半導體區。所述環形第四半導體區具有所述第二摻雜類型。環形第五半導體區直接位於所述環形第三半導體區上方，並具有所述第二摻雜類型。在一實施例中，所述環形第五半導體區與所述環形第三半導體區垂直分離。在一實施例中，所述環形第五半導體區的摻雜濃度低於所述第一半導體區的摻雜濃度。在一實施例中，所述環形第三半導體區及所述環形第五半導體區以公共軸為中心。在一實施例中，所述環形第五半導體區的外側壁與所述公共軸之間的第一距離近似等於所述環形第三半導體區的外側壁與所述公共軸之間的第二距離，並且其中所述環形第五半導體區的內側壁與所述公共軸之間的第三距離近似等於所述環形第三半導體區的內側壁與所述公共軸之間的第四距離。在一實施例中，所述環形第五半導體區的外側壁與所述公共軸之間的第一距離大於所述環形第三半導體區的外側壁與所述公共軸之間的第二距離。在一實施例中，所述第二半導體區在側向上與所述環形第三半導體區分離。在一實施例中，所述環形第五半導體區在擴散區處與所述環形第三半導體區交匯。在一實施例中，所述環形第四半導體區在側向上與所述環形第三半導體區分離。
在其他實施例中，本公開涉及一種包括基板的影像感測 器。半導體井沿著所述基板的第一側位於所述基板中，並且具有第一摻雜類型。第一單光子雪崩二極體(SPAD)沿著所述基板的所述第一側位於所述半導體井中。所述第一單光子雪崩二極體包括沿著所述基板的所述第一側延伸並具有與所述第一摻雜類型相反的第二摻雜類型的第一半導體區。第二半導體區直接位於所述第一半導體區上方並具有所述第一摻雜類型。所述第一半導體區在p-n接面處與所述第二半導體區交匯。保護環半導體區沿著所述基板的所述第一側延伸並具有所述第二摻雜類型。所述保護環半導體區在側向上圍繞所述第一半導體區及所述第二半導體區。接觸半導體區沿著所述基板的所述第一側延伸並且具有所述第一摻雜類型。所述接觸半導體區在側向上圍繞所述保護環半導體區並且在側向上與所述保護環半導體區分開第一非零距離。光敏性增強半導體區直接位於所述保護環半導體區上方並具有所述第一摻雜類型。所述光敏性增強半導體區被配置成擴大所述第一單光子雪崩二極體的對光子敏感的區域。在一實施例中，所述第二半導體區在側向上與所述保護環半導體區分開非零距離。在一實施例中，所述保護環半導體區沿著所述第一半導體區的側壁及所述第二半導體區的側壁鄰接所述第一半導體區及所述第二半導體區。在一實施例中，所述光敏性增強半導體區具有環形頂部佈局，並且與所述保護環半導體區垂直分開非零距離，並且其中所述光敏性增強半導體區與所述保護環半導體區是同心的。在一實施例中，所述光敏性增強半導體區的寬度近似等於所述保護環半導體 區的寬度。在一實施例中，所述光敏性增強半導體區的寬度大於所述保護環半導體區的寬度。在一實施例中，所述的影像感測器還包括第二單光子雪崩二極體。第二單光子雪崩二極體與所述第一單光子雪崩二極體相鄰，並通過沿所述第一單光子雪崩二極體與所述第二單光子雪崩二極體之間的邊界延伸的溝槽隔離結構而在側向上與所述第一單光子雪崩二極體分離，所述第二單光子雪崩二極體包括另一光敏性增強半導體區。
在另一些其他實施例中，本公開涉及一種用於形成影像感測器的方法。所述方法包括在基板中形成第一半導體區及第二半導體區。所述第一半導體區具有第一摻雜類型，且所述第二半導體區具有與所述第一摻雜類型相反的第二摻雜類型。所述第一半導體區與所述第二半導體區在p-n接面處交匯。在所述基板中形成保護環半導體區。所述保護環半導體區在側向上圍繞所述第一半導體區及所述第二半導體區。所述保護環半導體區具有所述第一摻雜類型。在所述基板中形成接觸半導體區。所述接觸半導體區在側向上圍繞所述保護環半導體區並且在側向上與所述保護環半導體區分離。所述接觸半導體區具有所述第二摻雜類型。在所述基板中形成光敏性增強半導體區。所述光敏性增強半導體區直接位於所述保護環半導體區上方。所述光敏性增強半導體區具有所述第二摻雜類型。在一實施例中，所述光敏性增強半導體區在第一光罩就位的情況下形成，並且所述保護環半導體區隨後在所述第一光罩就位的情況下形成。在一實施例中，所述光敏性增 強半導體區在第一光罩就位的情況下形成，並且所述保護環半導體區隨後在不同於所述第一光罩的第二光罩就位的情況下形成。在一實施例中，所述第一半導體區在第一光罩就位的情況下形成，並且所述第二半導體區在不同於所述第一光罩的第二光罩就位的情況下形成，使得所述第一半導體區與所述第二半導體區具有不同的頂部佈局。
以上概述了若干實施例的特徵，以使所屬領域的技術人員可更好地理解本公開內容的各個方面。所屬領域的技術人員應知，他們可容易地使用本公開內容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和/或實現與本文中所介紹的實施例相同的優點。所屬領域的技術人員還應認識到，這些等效構造並不背離本公開內容的精神及範圍，而且他們可在不背離本公開內容的精神及範圍的狀態下對其作出各種改變、代替及變更。
100:剖視圖
101:像素
102:基板
102b:背面
102f:正面
102t、106t、108t:厚度
103:光電檢測器
103x:中心
105:主動區域
106:光敏性增強(PE)半導體區
106w、108w:寬度
107:距離
108:保護環半導體區
110:第一半導體區
111:p-n接面
112:第二半導體區
114:隔離半導體區
116:接觸半導體區
117:第一距離
118:內連結構
120:溝槽隔離結構
122:濾色器
124:透鏡
A-A’:線

Claims (10)

  1. 一種影像感測器，包括沿著基板的像素，所述像素包括：第一半導體區，具有第一摻雜類型；第二半導體區，直接位於所述第一半導體區上方，所述第二半導體區具有與所述第一摻雜類型相反的第二摻雜類型，並且在p-n接面處與所述第一半導體區交匯；環形第三半導體區，在側向上圍繞所述第一半導體區及所述第二半導體區，所述環形第三半導體區具有所述第一摻雜類型；環形第四半導體區，在側向上圍繞所述環形第三半導體區，所述環形第四半導體區具有所述第二摻雜類型；以及環形第五半導體區，直接位於所述環形第三半導體區上方，並具有所述第二摻雜類型。
  2. 如請求項1所述的影像感測器，其中所述環形第五半導體區與所述環形第三半導體區垂直分離。
  3. 如請求項1所述的影像感測器，其中所述環形第五半導體區的摻雜濃度低於所述第一半導體區的摻雜濃度。
  4. 如請求項1所述的影像感測器，其中所述環形第三半導體區及所述環形第五半導體區以公共軸為中心。
  5. 如請求項1所述的影像感測器，其中所述第二半導體區在側向上與所述環形第三半導體區分離。
  6. 一種影像感測器，包括： 基板；半導體井，沿著所述基板的第一側位於所述基板中，並且具有第一摻雜類型；以及第一單光子雪崩二極體(SPAD)，沿著所述基板的所述第一側位於所述半導體井中，所述第一單光子雪崩二極體包括：第一半導體區，沿著所述基板的所述第一側延伸並具有與所述第一摻雜類型相反的第二摻雜類型；第二半導體區，直接位於所述第一半導體區上方並具有所述第一摻雜類型，其中所述第一半導體區在p-n接面處與所述第二半導體區交匯；保護環半導體區，沿著所述基板的所述第一側延伸並具有所述第二摻雜類型，其中所述保護環半導體區在側向上圍繞所述第一半導體區及所述第二半導體區；接觸半導體區，沿著所述基板的所述第一側延伸並且具有所述第一摻雜類型，其中所述接觸半導體區在側向上圍繞所述保護環半導體區並且在側向上與所述保護環半導體區分開第一非零距離；以及光敏性增強半導體區，直接位於所述保護環半導體區上方並具有所述第一摻雜類型，其中所述光敏性增強半導體區被配置成擴大所述第一單光子雪崩二極體的對光子敏感的區域。
  7. 如請求項6所述的影像感測器，其中所述光敏性增強半導體區具有環形頂部佈局，並且與所述保護環半導體區垂直分 開非零距離，並且其中所述光敏性增強半導體區與所述保護環半導體區是同心的。
  8. 如請求項6所述的影像感測器，還包括：第二單光子雪崩二極體，與所述第一單光子雪崩二極體相鄰，並通過沿所述第一單光子雪崩二極體與所述第二單光子雪崩二極體之間的邊界延伸的溝槽隔離結構而在側向上與所述第一單光子雪崩二極體分離，所述第二單光子雪崩二極體包括另一光敏性增強半導體區。
  9. 一種用於形成影像感測器的方法，所述方法包括：在基板中形成第一半導體區及第二半導體區，其中所述第一半導體區具有第一摻雜類型，且所述第二半導體區具有與所述第一摻雜類型相反的第二摻雜類型，並且其中所述第一半導體區與所述第二半導體區在p-n接面處交匯；在所述基板中形成保護環半導體區，其中所述保護環半導體區在側向上圍繞所述第一半導體區及所述第二半導體區，並且其中所述保護環半導體區具有所述第一摻雜類型；在所述基板中形成接觸半導體區，其中所述接觸半導體區在側向上圍繞所述保護環半導體區並且在側向上與所述保護環半導體區分離，並且其中所述接觸半導體區具有所述第二摻雜類型；以及在所述基板中形成光敏性增強半導體區，其中所述光敏性增強半導體區直接位於所述保護環半導體區上方，並且其中所述光 敏性增強半導體區具有所述第二摻雜類型。
  10. 如請求項9所述的方法，其中所述第一半導體區在第一光罩就位的情況下形成，並且所述第二半導體區在不同於所述第一光罩的第二光罩就位的情況下形成，使得所述第一半導體區與所述第二半導體區具有不同的頂部佈局。
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