TWI816534B - 三維互補式金氧半導體影像感測器結構暨其製作方法 - Google Patents

三維互補式金氧半導體影像感測器結構暨其製作方法 Download PDF

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Abstract

本發明提出了一種三維互補式金氧半導體影像感測器結構，包含一半導體基底、一光電二極體與一井區位於該半導體基底中、一淺溝槽隔離層位於該半導體基底的正面上、一鰭部從該半導體基底向上穿過該淺溝槽隔離層而凸出，其中該鰭部由該光電二極體與該井區共同構成、一第一閘極跨越該鰭部的該光電二極體部位以及與該光電二極體鄰接的該井區部位而構成一轉移電晶體、一第二閘極跨越該鰭部的該井區中段部位而構成一重置電晶體、以及一浮置擴散區位於該第一閘極與該第二閘極之間的該鰭部的該井區部位中並電性連接該轉移電晶體與該重置電晶體。

Description

三維互補式金氧半導體影像感測器結構暨其製作方法
本發明大體上與一種互補式金氧半導體影像感測器(CMOS image sensor,CIS)結構有關，更具體言之，其係關於一種三維電晶體架構的互補式金氧半導體固態影像感測器暨其製作方法。
具有半導體元件的電子設備對現代人而言已是不可或缺的裝置。具有感光、攝像功能的電子設備普遍都會涉及到固態(半導體)影像感測器等部件，其中，互補式金氧半導體影像感測器(CMOS image sensor,CIS，後文簡稱為CMOS影像感測器)被廣泛地應用在多種領域，諸如數位相機以及行動電話的攝像頭。CMOS影像感測器一般會包含排列成陣列型態的圖像元件(像素)，每個像素會含有電晶體、電容以及光電二極體等，其中光電二極體暴露在光環境下會誘發電能，其所產生的電子與落在像素單元上的光量呈一定比例。這些電子在像素中會被轉換成電壓訊號的形式並再進一步轉換為數位訊號。
CMOS影像感測器被分為前照式(front side illuminated,FSI)與背照式(back side illuminated,BSI)兩大類，視其光路徑而定。現今背照式影像感測器日益普及，其光是從感測器的基底背面入射，不會受到基底上介電層與互連層的阻擋直接打到光電二極體上。這樣的直接入射使得背照式影像感測器具有更高的 光敏度。
然而，對現今一般平面背照式的CMOS影像感測器而言，其結構中的光電二極體區域與CMOS電晶體的源極/汲極等主動區域都會占用基底同一平面上的佈局面積，如此不利於像素尺寸的微縮。為了在元件尺寸微縮的同時維持感測器所需的滿阱電容量(full well capacity,FWC)以及填充因子(fill factor,FF)，本領域的技術人士需要對現有一般的背照式CMOS影像感測器架構進行改良，以期能進一步提升感測器的元件密度與感光性能。
有鑑於前述現有平面背照式CMOS影像感測器的限制，本發明提出了一種新穎的三維CMOS影像感測器結構，其特點在於將光電二極體的一側製作成從基底表面垂直向上延伸突出的態樣並與電晶體的源極節點相連，如此可以將電晶體之間的通道以及隔離結構設置在與光電二極體重疊的佈局區域上，大幅減少像素單元所需的佈局區域。此設計下的光電二極體可以完全地被隔離結構所圍繞，進一步降低光電訊號的串擾。
本發明的面向之一在於提出一種三維互補式金氧半導體影像感測器結構，包含一半導體基底，具有正面與背面、一光電二極體，形成在該半導體基底中、一井區，形成在該半導體基底中，該井區在垂直該正面的方向上與該光電二極體部分重疊、一淺溝槽隔離層，位於該正面上、一鰭部，從該半導體基底向上穿過該淺溝槽隔離層而凸出於該正面上，其中該鰭部由該光電二極體與該井區共同構成、一第一閘極，位於該淺溝槽隔離層上且跨越該鰭部的該光電二極體部位以及與該光電二極體鄰接的該井區部位，如此構成一轉移電晶體、一第二閘極，位於該淺溝槽隔離層上且跨越該鰭部的該井區中段部位，如此構成一重置電晶體、以及一浮置擴散區，位於該第一閘極與該第二閘極之間 的該鰭部的該井區部位中，其中該轉移電晶體透過該浮置擴散區與該重置電晶體電性連接。
本發明的另一面向在於提出一種三維互補式金氧半導體影像感測器結構的製作方法，其步驟包含提供一半導體基底，該半導體基底具有正面與背面、從該正面進行第一摻雜製程在該半導體基底中形成一光電二極體以及一井區，該井區在垂直該正面的方向上與該光電二極體部分重疊、對該半導體基底進行一光刻製程形成一鰭部且該鰭部由該光電二極體與該井區共同構成、在該半導體基底的該正面上形成一淺溝槽隔離層，該鰭部穿過該淺溝槽隔離層凸出於該正面上、在該正面上形成第一閘極與第二閘極，其中該第一閘極跨越該鰭部的該光電二極體部位以及與該光電二極體鄰接的該井區部位，該第二閘極跨越該鰭部的該井區中段部位，該第一閘極與該第二閘極分別構成該互補式金氧半導體影像感測器的轉移電晶體與重置電晶體、以及進行第二摻雜製程在未被該第一閘極與該第二閘極所遮蓋的該鰭部中形成汲極與浮置擴散區，其中該浮置擴散區位於該第一閘極與該第二閘極之間並電性連接該轉移電晶體與該重置電晶體。
本發明的這類目的與其他目的在閱者讀過下文中以多種圖示與繪圖來描述的較佳實施例之細節說明後應可變得更為明瞭顯見。
100:半導體基底
100a:正面
100b:背面
100c:側面
102:表面摻雜層
104:深溝槽隔離結構
106:淺溝槽隔離層
108:鰭部
108a:第一鰭部
108b:第二鰭部
110:閘極阻絕層
112:接觸件
114:導線
116:承載基板
118:抗反射層
120:彩色濾光層
122:遮光層
124:微透鏡
126:屏蔽氧化層
128:硬遮罩層
130:屏蔽氧化層
132:介電層
D:汲極
FD1:第一浮置擴散區
FD2:第二浮置擴散區
G1:第一閘極
G2:第二閘極
PD:光電二極體
RST:重置電晶體
Tx:轉移電晶體
W:井區
W1:第一井區
W2:第二井區
本說明書含有附圖併於文中構成了本說明書之一部分，俾使閱者對本發明實施例有進一步的瞭解。該些圖示係描繪了本發明一些實施例並連同本文描述一起說明了其原理。在該些圖示中：第1圖為根據本發明較佳實施例中三維互補式金氧半導體影像感測器結構 的截面示意圖；第2A圖、第3A圖、第4A圖、第5A圖、第6A圖、第7A圖、第8A圖以及第9A圖為根據本發明較佳實施例中三維互補式金氧半導體影像感測器結構的製作方法流程的立體示意圖；第2B圖、第3B圖、第4B圖、第5B圖、第6B圖、第7B圖、第8B圖以及第9B圖為根據本發明較佳實施例中三維互補式金氧半導體影像感測器結構的製作方法流程的截面示意圖；第10圖為根據本發明另一實施例中三維互補式金氧半導體影像感測器結構的立體示意圖；以及第11圖為根據本發明另一實施例中三維互補式金氧半導體影像感測器結構的立體示意圖。
須注意本說明書中的所有圖示皆為圖例性質，為了清楚與方便圖示說明之故，圖示中的各部件在尺寸與比例上可能會被誇大或縮小地呈現，一般而言，圖中相同的參考符號會用來標示修改後或不同實施例中對應或類似的元件特徵。
現在下文將詳細說明本發明的示例性實施例，其會參照附圖示出所描述之特徵以便閱者理解並實現技術效果。閱者將可理解文中之描述僅透過例示之方式來進行，而非意欲要限制本案。本案的各種實施例和實施例中彼此不衝突的各種特徵可以以各種方式來加以組合或重新設置。在不脫離本發明的精神與範疇的情況下，對本案的修改、等同物或改進對於本領域技術人員來說是可以理解的，並且旨在包含在本案的範圍內。
閱者應能容易理解，本案中的「在…上」、「在…之上」和「在…上 方」的含義應當以廣義的方式被解讀，以使得「在…上」不僅表示「直接在」某物「上」而且還包括在某物「上」且其間有居間特徵或層的含義，並且「在…之上」或「在…上方」不僅表示「在」某物「之上」或「上方」的含義，而且還可以包括其「在」某物「之上」或「上方」且其間沒有居間特徵或層(即，直接在某物上)的含義。
此外，諸如「在…之下」、「在…下方」、「下部」、「在…之上」、「上部」等空間相關術語在本文中為了描述方便可以用於描述一個元件或特徵與另一個或多個元件或特徵的關係，如在附圖中示出的。
如本文中使用的，術語「基底」是指向其上增加後續材料的材料。可以對基底自身進行圖案化。增加在基底的頂部上的材料可以被圖案化或可以保持不被圖案化。此外，基底可以包括廣泛的半導體材料，例如矽、鍺、砷化鎵、磷化銦等。
如本文中使用的，術語「層」是指包括具有厚度的區域的材料部分。層可以在下方或上方結構的整體之上延伸，或者可以具有小於下方或上方結構範圍的範圍。此外，層可以是厚度小於連續結構的厚度的均質或非均質連續結構的區域。例如，層可以位於在連續結構的頂表面和底表面之間或在頂表面和底表面處的任何水平面對之間。層可以水準、豎直和/或沿傾斜表面延伸。基底可以是層，其中可以包括一個或多個層，和/或可以在其上、其上方和/或其下方具有一個或多個層。層可以包括多個層。例如，互連層可以包括一個或多個導體和接觸層(其中形成觸點、互連線和/或通孔)和一個或多個介電層。
文中描述會使用「N」與「P」等稱號，一般以「N型」與「P型」的方式，來指稱會促發電子與電洞作為主要載體的施體與受體類摻質。一個摻質類型後綴有「++」符號代表了其摻雜濃度是高於那些後綴為「+」符號的摻質的摻雜濃度。反之，後綴為「-」符號的摻質類型代表了其摻質的摻雜濃度是低於 那些沒有後綴符號的摻質的摻雜濃度。
「像素」(pixel)一詞指的是含有光感測器與元件的圖像單元，例如將電磁輻射轉換為電子訊號的電晶體等。一個成像裝置會含有以多條行與列的形式排成二維陣列型態的多個像素，像素陣列的四周會具有週邊電路與其他部件，其可能包含達成影像感測器運作與處理的各種電路。為了描述的目的，圖中與文中的描述都會以一個代表性的像素為主，閱者須了解整體的結構與製程是以同樣的方式含括成像裝置中的所有像素的，且發明中的像素單元可以任何設置與位向與半導體裝置的其他部件整合。
現在下文的實施例將根據第1圖的立體結構來說明本發明的三維(3D)互補式金氧半導體影像感測器(CMOS image sensor,CIS，後文簡稱為CMOS影像感測器)結構。須注意，儘管說明書所提供的圖式中都僅繪示出了單一像素單元，閱者應能理解實際的CMOS影像感測器結構可能包含了多個排成二維陣列形態的像素，像素陣列的四周會具有週邊電路，其可能包含達成影像感測器運作與處理的各種電路。
請參照第1圖，其為根據本發明較佳實施例中三維互補式金氧半導體影像感測器結構的截面示意圖。本發明所提出之3D CMOS影像感測器是一種背照式(back side illuminated,BSI)的CMOS影像感測器結構，其光線是從相對於像素電晶體所在正面的半導體基底背面進入，可以避免前照式影像感測器設計中受光容易受到中間的線路層所干擾的問題。整個CMOS影像感測器建構在一半導體基底100上，如一P型輕摻雜矽基底，其上界定有像素區域與週邊區域等區域，其中像素區域係用來設置像素單元，其可能呈二維陣列形態均勻地排列設置在像素區域上。週邊區域則用來設置與像素單元共作的各種週邊電路，如計時電路、控制電路、多工器、A/D轉換電路、影像壓縮電路、電腦介面模組等。本發明所提供之圖示僅著重在像素區域上單一像素單元的結構與特徵之說明。
仍參照第1圖。半導體基底100具有一正面(圖中朝上)100a與一背面(圖中朝下)100b，其中正面100a為非受光面，其上用以形成影像感測器所需的各種電晶體元件與電路等結構，背面100b則為受光面，其上用以形成各類光學膜層或結構，如抗反射層或微透鏡等。半導體基底100內部形成有一光電二極體PD以及一井區W等摻雜區，如N型光電二極體與P型井等，其中光電二極體PD是一種半導體P-N結或PIN結元件，影像光進入光電二極體PD中會被吸收而產生電流，如此即可將光訊號轉換成光電子型態的電訊號進行儲存或處理。井區W則是可於其上形成後續所要製作的電晶體的主動區域，如重置電晶體的源極與汲極等。在本發明實施例中，光電二極體PD與井區W在垂直基底正面100a的方向上會有部分重疊，其有別於傳統平面型CMOS影像感測器光電二極體PD與井區W占用不同的平面佈局面積之設計，可減少所需的佈局空間。例如，如圖中所示，光電二極體PD較佳佔據了整個像素單元區域的半導體基底100，以盡可能地接收入射的影像光來進行光電轉換，井區W則形成在正面100a(非受光面)一側的半導體基底100中並可完全與光電二極體PD重疊，不影響影像光的接收，其所界定出之像素電晶體區域可為部分的像素單元區域，例如六分之一的像素單元區域。此外，例中的N型光電二極體與P型井僅是例示。在其他實施例中，CMOS影像感測器也可能是使用P型光電二極體與N型井。
仍參照第1圖。半導體基底100中形成有深溝槽隔離結構(deep trench isolation,DTI)104，其分隔界定出像素區域中各個像素單元。由於深溝槽隔離結構104在影像感測器中的作用是阻擋光線離開光電轉換部位，其材料可選用折射率小於半導體基底100的氧化物來達到全反射效果，或者是使用無摻雜的多晶矽材料。深溝槽隔離結構104的深度可貫穿整個半導體基底100。此外，在本發明實施例中，整個半導體基底100的正面100a、背面100b以及側面(介於半導體基底100與深溝槽隔離結構104之間)的表層中都可形成有表面摻雜層102，如一P+型 重摻雜層，其完全圍住像素單元中的光電二極體PD與井區W。表面摻雜層102的作用在於防止半導體基底100與周遭氧化矽材質結構(如深溝槽隔離結構104與淺溝槽隔離層106)的界面缺陷處產生的電子和電洞的生成(generation)或復合(recombination)效應，進而造成暗電流(dark current)或是雜訊(noise)的形成。
仍參照第1圖。半導體基底100的正面100a上形成有一淺溝槽隔離層106，其材料可為氧化矽，係用來隔離後續所要形成的各種電晶體元件。有別於傳統平面型CMOS影像感測器中的淺溝槽隔離層僅能隔離不同的像素電晶體元件，須注意本發明的淺溝槽隔離層106是形成在整個半導體基底100的正面100a上，其與前述形成在半導體基底100中的深溝槽隔離結構104可一起將像素單元中的光電二極體PD圍住(除了用以受光的背面100b)，如此可以大幅降低光電訊號對周遭元件的串擾，例如所產生的電訊號經由鄰接的井區W對源隨(source follower)電晶體(未繪示)產生串擾。
本發明的另一特點在於，半導體基底100正面100a的像素電晶體皆製作成三維電晶體態樣，如此可進一步縮減所需的佈局空間。如第1圖所示，CMOS影像感測器結構中具有一鰭部108從半導體基底100的正面100a向上垂直穿過淺溝槽隔離層106而凸出於正面100a上。在本發明實施例中，鰭部108係由光電二極體PD與井區W所共同構成，意即鰭部108為該兩摻雜區域自基底平面向上之延伸，具有N型與P型兩種不同摻雜類型的部位。其中，一第一閘極G1位於淺溝槽隔離層106上並跨越鰭部108的光電二極體PD部位以及與光電二極體PD鄰接的井區W部位，如此構成一轉移電晶體Tx。一第二閘極G2位於淺溝槽隔離層106上並跨越鰭部108的井區W中段部位，如此構成一重置電晶體RST。第一閘極G1與第二閘極G2的材質可為多晶矽或是金屬，如P-型輕摻雜多晶矽，其較佳往與鰭部108正交的方向延伸並跨越鰭部108。閘極G1,G2與鰭部108之間形成有閘極阻絕層110，如氧化矽層或是高介電係數材料層。此外，未被第二閘極G2所跨越遮蓋的 井區W鰭部108部位中還形成有汲極D與浮置擴散區FD，如N+型重摻雜區，如此構成了NMOS元件(在其他實施例中可為PMOS)，其中浮置擴散區FD位於第一閘極G1與第二閘極G2之間，同時作為轉移電晶體Tx的汲極以及重置電晶體RST的源極。換句話說，轉移電晶體Tx透過浮置擴散區FD與重置電晶體RST電性連接。第一閘極G1與鰭部108所構成的轉移電晶體Tx可控制是否將光電二極體PD受光所產生的電荷傳輸至浮置擴散區FD，而第二閘極G2與鰭部108所構成的重置電晶體RST則可控制是否將浮置擴散區FD內的殘餘電荷經由連接到外部電路的汲極D清空重置。須注意實際的CMOS影像感測器中可能還具有源隨電晶體與選擇電晶體等元件，然而因為該些部件並非本發明的重點以及為了圖示簡明之故，說明中將省略其說明。
對於傳統的平面式CMOS影像感測器而言，因為不具備鰭部108結構，其電晶體的通道、汲極、源極以及浮置擴散區皆設置在半導體基底中，與光電二極體PD一起佔用有限的佈局空間。相較之下，本發明三維的CMOS影像感測器設計將原本電晶體的通道、汲極、源極以及浮置擴散區等部位形成在基底上的鰭部中，大幅縮減了所需的佈局空間，可在元件尺寸微縮的同時維持感測器所需的滿阱電容量(full well capacity,FWC)以及填充因子(fill factor,FF)，是其優點所在。此外，上述凸出於基底表面外的三維電晶體設計也使得電晶體與基底的各種摻雜區之間可用覆蓋整個基底表面的淺溝槽隔離層106來隔離，大幅改善串擾問題。
仍參照第1圖。淺溝槽隔離層106上形成有一介電層132覆蓋上述第一閘極G1、第二閘極G2以及鰭部108等部位，其材質可為氧化矽或是低介電常數材料。介電層132中還形成有接觸件112與導線114等CMOS後段(BEOL)互連結構，以將第一閘極G1、第二閘極G2、汲極D以及浮置擴散區FD與外部電路進行連接。最後，整個介電層132上還可接合有一承載基板116，以作為後續晶背製程的基底 並增強晶圓的結構強度。承載基板116可為耐高溫的玻璃或類玻璃材質，亦可為半導體材質。
仍參照第1圖，接下來說明半導體基底100背面100b的部件。半導體基底100背面100b上形成有一抗反射層118，以增加背面100b的入光量。抗反射層118的折射率較佳小於其所接觸的矽質表面摻雜層102的折射率，如使用氧化矽(SiO2)、氮化矽(SiN)與/或氧化鈦(TiO2)等折射率較小的材料，其也可能是以具有不同漸變折射率的多層結構來達到更佳的入光效果。抗反射層118上形成有一遮光層122，如一金屬鎢膜。在本發明實施例中，遮光層122在垂直該背面100b的方向上與井區W、重置電晶體RST以及其他電晶體完全或大部分重疊，以減少影像光入射時有過多的雜散光(stray light)形成。遮光層122與抗反射層118上形成有一彩色濾光層120。對於各個像素而言，其彩色濾光層120的顏色可能不同，例如紅(R)、綠(G)、藍(B)等三種不同的顏色，其可藉由旋塗方式將含有顏料或染料等色素的感光樹脂塗佈在基底上而形成。彩色濾光層120的作用在於將影像光過濾成紅(R)、綠(G)、藍(B)等分離的原色光，像素單元在獲得其對應的原色光的電訊號之後可根據該些電訊號不同的強弱比例混合而得知原影像光的各種色彩資訊，在電子裝置端還原出全彩影像。彩色濾光層120上還形成有一微透鏡124結構。每個微透鏡124都會對應一個像素單元，其可使用如苯乙烯、丙烯酸、矽氧烷等樹脂為主的材料來形成。微透鏡124可將入射的影像光聚焦在所對應的像素區域上，提升光強度。
現在請參照第10圖，其為根據本發明另一實施例中三維互補式金氧半導體影像感測器結構的立體示意圖。第10圖所示的實施例與第1圖實施例大同小異，其差別在於第10圖的CMOS影像感測器結構包含有多個鰭部108自每個光電二極體PD與每個井區W向上延伸穿過淺溝槽隔離層106而凸出於正面100a之上，而非只有單一鰭部108。該些鰭部108彼此平行間隔排列並為一個第一閘極 G1與一個第二閘極G2所跨越。這樣的設計因為一個轉移電晶體以及一個重置電晶體分別具有多個通道來控制其光電子的轉移，故轉移效率可大幅提升。
現在請參照第11圖，其為根據本發明又一實施例中三維互補式金氧半導體影像感測器結構的立體示意圖。第11圖所示的實施例與第1圖實施例大同小異，其差別在於第11圖的CMOS影像感測器結構中的鰭部包含了彼此分隔的第一鰭部108a與第二鰭部108b，第一閘極G1位於該第一鰭部108a上，第二閘極G2則位於該第二鰭部108b上。更具體言之，第一鰭部108a是由光電二極體PD與井區W的延伸部位所共同構成，第二鰭部108b則完全是由井區W的延伸部位所構成。在此實施例中，浮置擴散區FD也分為第一浮置擴散區FD1與第二浮置擴散區FD2,分別位於第一鰭部108a與第二鰭部108b中並透過接觸件112與導線114等互連結構彼此電性連接。半導體基底100中對應的井區也分為第一井區W1與第二井區W2，兩者被深溝槽隔離結構104所分隔，其中第一井區W1與光電二極體PD的延伸部共同構成了第一鰭部108a，第二井區W2的延伸部則獨自構成了第二鰭部108b。這樣的設計因為轉移電晶體Tx與重置電晶體RST的井區與鰭部相互隔離之故，可進一步降低其間訊號串擾的問題。
現在下文的實施例將依序根據第2A圖至第9A圖所示的立體結構以及第2B圖至第9B圖所示的截面結構來說明本發明的三維(3D)互補式金氧半導體影像感測器結構，各截面圖即為以其對應的立體圖中的截線A-A'與截線B-B'作截面而得。須注意，儘管說明書所提供的圖式中都僅繪示出了單一像素單元中的部件與特徵，閱者應能理解實際的CMOS影像感測器結構可能包含了多個排成二維陣列形態的像素，像素陣列的四周會具有週邊電路，其可能包含達成影像感測器運作與處理的各種電路。
首先請參照第2A圖與第2B圖。提供一半導體基底100，如一P型輕摻雜矽基底，其正面(圖中朝上)100a預定為非受光面，背面(圖中朝下)100b 預定為受光面。先在半導體基底100的正面100a上形成一屏蔽氧化層126，如一氧化矽層，其可透過熱氧化製程或是沉積製程形成。屏蔽氧化層126的作用在於避免後續離子佈植製程所要使用的光阻汙染到矽質的半導體基底100以及避免離子佈植製程傷害基底表面。接著，進行離子佈植製程在半導體基底100中分別形成光電二極體PD與井區W等摻雜區，如N型光電二極體與P型井。離子佈植製程的具體步驟可包含在屏蔽氧化層126上形成界定光電二極體PD或井區W的光阻，接著進行離子佈植在所界定出的區域中摻雜不同摻雜類型的摻質，如P型的硼原子或是N型的磷(P)、砷(As)等原子，之後再進行回火製程活化摻質而形成該些摻雜區。在本發明實施例中，所形成的光電二極體PD與井區W在垂直基底正面100a的方向上會有部分重疊，如此一個像素單元的表面會分別具有光電二極體PD與井區W兩種不同的摻雜區。
請參照第3A圖與第3B圖。在光電二極體PD與井區W形成後會進行一蝕刻製程移除屏蔽氧化層126。接著進行一光刻製程移除一定厚度的半導體基底100，如此形成一凸出的鰭部108。此光刻製程可包含先在半導體基底100上形成一硬遮罩層128，如一氮化矽層。接著透過光阻與蝕刻製程圖案化該硬遮罩層128。如第3A圖所示，在本發明實施例中，圖案化後的硬遮罩層128會延伸經過光電二極體PD與井區W兩種不同區域。之後，以該圖案化硬遮罩層128為蝕刻遮罩進行蝕刻製程移除一定厚度的半導體基底100，如此形成凸出的鰭部108。從圖中可以看到，在本發明實施例中，鰭部108是由光電二極體PD與井區W延伸部位所共同構成。須注意此步驟可以同時形成CMOS影像感測器中其他電晶體元件(未圖示)的鰭部，如源隨電晶體與選擇電晶體等。
請參照第4A圖與第4B圖。鰭部108形成後，接著在整個基底表面包含鰭部108上形成另一屏蔽氧化層130，如一氧化矽層，其同樣可透過熱氧化製程或是沉積製程形成。之後，進行離子佈植製程在半導體基底100的整個表面形成一 表面摻雜層102，如一P+型重摻雜層。表面摻雜層102中的摻質類型與光電二極體PD相反但與井區W相同，但是其摻雜濃度遠高於井區W。例如，當光電二極體PD為N型光電二極體而井區W為P型井時，表面摻雜層102為P+型重摻雜層，其可防止半導體基底100與周遭氧化矽材質結構的界面缺陷處産生的電子和電洞的生成(generation)或復合(recombination)效應，進而造成暗電流(dark current)或是雜訊(noise)的形成。須注意表面摻雜層102所分佈之範圍僅限於基底表面，不會分佈到鰭部108中。
請參照第5A圖與第5B圖。表面摻雜層102形成後，接著進行蝕刻製程移除屏蔽氧化層130。之後，在表面摻雜層102上形成一淺溝槽隔離層106。在本發明實施例中，淺溝槽隔離層106會覆蓋在整個基底正面100a上，鰭部108則從正面100a向上垂直穿過淺溝槽隔離層106而凸出於正面100a之上。淺溝槽隔離層106可以透過化學氣相沉積(CVD)方式先在整個基底正面100a(包含鰭部108)上毯覆一層厚的氧化矽層，之後再對所形成的氧化矽層進行化學機械平坦化(CMP)與回蝕刻方式而形成，並且同時移除鰭部108上的硬遮罩層128。淺溝槽隔離層106在本發明中的作用在於完整地將像素單元中的多個電晶體與下方的光電二極體PD等摻雜區隔離，大幅降低其間光電訊號的串擾。
請參照第6A圖與第6B圖。淺溝槽隔離層106形成後，接著在裸露出的鰭部108表面形成一閘極阻絕層110，如一氧化矽層或是高介電係數材料層，其可透過原子層沉積法(ALD)形成，閘極阻絕層110也可以覆蓋到淺溝槽隔離層106上。接著，在淺溝槽隔離層106上形成第一閘極G1與第二閘極G2，其材質可為多晶矽、金屬或是金屬加多晶矽的堆疊結構，如N-型重摻雜多晶矽，可透過矽烷熱裂解沉積的方式先在基底表面上形成一多晶矽層，之後再對該多晶矽層進行光刻製程而同時在基底上形成第一閘極G1與第二閘極G2。須注意此步驟也可同時形成CMOS影像感測器中其他電晶體元件(未圖示)的閘極，如源隨電晶體與選 擇電晶體等。在本發明實施例中，第一閘極G1與第二閘極G2係在淺溝槽隔離層106上跨越鰭部108的光電二極體PD部位與井區W部位，其間隔有閘極阻絕層110，如此第一閘極G1與第二閘極G2分別構成了三維互補式金氧半導體影像感測器中的轉移電晶體Tx與重置電晶體RST。基本上，第一閘極G1會覆蓋住鰭部108的整個光電二極體PD以及與光電二極體PD鄰接部分的井區W，第二閘極G2則會覆蓋在鰭部108的井區W的中段，其兩側有部分井區W露出以製作汲極D與浮置擴散區FD。第一閘極G1與第二閘極G2所覆蓋的鰭部108的井區W部位係分別用來做為轉移電晶體Tx與重置電晶體RST的通道。
復參照第6A圖與第6B圖。第一閘極G1與第二閘極G2形成後，接著進行蝕刻製程將裸露出的鰭部108上的閘極阻絕層110移除，並以第一閘極G1與第二閘極G2為遮罩進行離子佈植製程分別在第二閘極G2兩側裸露的鰭部108中摻入摻質形成汲極D與浮置擴散區FD，如N+型重摻雜區，如此即構成了NMOS元件(在其他實施例中亦可為PMOS元件)，上述離子佈植製程可同時形成CMOS影像感測器中的其他電晶體的汲極與源極。浮置擴散區FD位於第一閘極G1與第二閘極G2之間，轉移電晶體Tx可透過浮置擴散區FD與重置電晶體RST電性連接。前述步驟中的閘極阻絕層110也可以在汲極D與浮置擴散區FD形成後才加以移除。此做法的另一優點在於，轉移電晶體Tx的源極(即光電二極體PD的向上延伸部位)是呈鰭部型態為第一閘極G1所包覆，故不會受到此摻雜製程的影響。相較之下，習知平面式轉移電晶體的源極端並未為閘極所覆蓋，容易受到此摻雜製程的影響而改變其原有性質。
請參照第7A圖與第7B圖。閘極G1,G2、汲極D以及浮置擴散區FD形成後，接下來進行一般的CMOS後段製程(BEOL)來形成後段互連結構，其中包括形成覆蓋淺溝槽隔離層106與上述各種元件的介電層132以及形成在介電層132中的接觸件112與導線114等互連結構，第一閘極G1、第二閘極G2、汲極D以及浮置擴 散區FD等部件可經由所連接的接觸件112與導線114來與外部電路連接。其中介電層132可以透過CVD製程形成，其材質可為氧化矽或是低介電常數材料。接觸件112與導線114等互連結構可在介電層132形成後透過雙鑲嵌製程形成，其材質可為銅。上述後段互連結構形成，之後可在介電層132上接合一承載基板116，如耐高溫的玻璃或類玻璃材料，或是半導體材料，作為後續晶背製程的基底。在後續製程中，整個半導體基底100會被翻面而以該承載基板116為基底，並以背面100b為製程面來進行後續製程，如晶背薄化製程，透過研磨或者蝕刻方式將半導體基底100減薄至預定的厚度。
現在本發明後續的製程都將以半導體基底100的背面100b(圖中朝下)為製程面來進行，然而為了圖示簡明以及方便閱者理解之故，後續圖示中的結構並未加以翻轉。
請參照第8A圖與第8B圖。在晶背薄化後，接著進行表面摻雜製程在半導體基底100的整個背面100b與側面(介於半導體基底100與深溝槽隔離結構104之間)100c形成另一表面摻雜層102，如一P+型重摻雜層。在本發明實施例中，表面摻雜可以利用離子佈植或是電漿摻雜技術達成。與正面100a的表面摻雜層102相同，背面的表面摻雜層102中的摻質類型與光電二極體PD相反但與井區W相同，但是其摻雜濃度遠高於井區W，可防止半導體基底100與周遭氧化矽材質結構的界面缺陷處産生的電子和電洞的生成(generation)或復合(recombination)效應，進而造成暗電流(dark current)或是雜訊(noise)的形成。位於半導體基底100背面100b與側面100c的表面摻雜層102可以透過從背面100b在半導體基底100中挖出深溝槽，之後再進行表面摻雜製程在背面100b與深溝槽側面100c的表層部位中摻雜而形成。可以看到在本發明實施例中，半導體基底100的正面100a、背面100b以及側面100c都被所形成的表面摻雜層102所覆蓋，其完全圍住光電二極體PD與井區W，如此進一步加強阻絕界面缺陷處電荷的作用。在表面摻雜層102形成後， 深溝槽隔離結構104可以透過在深溝槽中填入隔離材料而形成，如折射率較半導體基底為小的氧化物和/或無摻雜的多晶矽，來達到全反射入射光的效果。在本發明實施例中，深溝槽隔離結構104的深度可貫穿整個半導體基底100直達正面100a上的淺溝槽隔離層106。如此，淺溝槽隔離層106與深溝槽隔離結構104可以一起將像素單元中的光電二極體PD圍住(除了用來受光的背面100b)，如此可以大幅降低光電訊號對周遭元件的串擾。
請參照第9A圖與第9B圖。在基底背面100b上形成表面摻雜層102與深溝槽隔離結構104之後，接著在背面100b上依序形成抗反射層118、遮光層122、彩色濾光層120以及微透鏡124等結構。抗反射層118的材料可使用氧化矽(SiO2)、氮化矽(SiN)與/或氧化鈦(TiO2)等折射率較半導體基底為小的材料，其也可能是以具有不同漸變的折射率的多層結構來達到更加的入光效果。遮光層122可為一金屬鎢膜，其較佳在垂直背面100b的方向上與井區W、重置電晶體RST以及其他電晶體完全或大部分重疊，以減少影像光入射時過多的雜散光(stray light)形成。彩色濾光層120可藉由旋塗方式將含有顏料或染料等色素的感光樹脂塗佈在基底上而形成。微透鏡124的材料可為苯乙烯、丙烯酸、矽氧烷等樹脂，其可透過加熱型態微影、擴散板微影、滴製法等方式製作出來。
綜合上述實施例，本發明所提出之三維互補式金氧半導體影像感測器結構透過鰭部特徵實現了像素電晶體元件與光電二極體共用同樣的佈局面積的設計，大幅縮減了所需的佈局空間，可在元件尺寸微縮的同時維持感測器所需的滿阱電容量以及填充因子。此外，三維的像素電晶體結構對於閘極也有更佳的控制性，可降低元件的次臨界擺幅。再者，從基底凸出的三維電晶體設計也使得電晶體與基底的摻雜區之間可用覆蓋整個基底面的淺溝槽隔離層搭配深溝槽隔離結構來完整隔離，大幅改善串擾問題。以上是本發明結構與方法的優點所在。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100:半導體基底
100a:正面
100b:背面
102:表面摻雜層
104:深溝槽隔離結構
106:淺溝槽隔離層
108:鰭部
110:閘極阻絕層
112:接觸件
114:導線
116:承載基板
118:抗反射層
120:彩色濾光層
122:遮光層
124:微透鏡
132:介電層
FD:浮置擴散區
G1:第一閘極
G2:第二閘極
PD:光電二極體
RST:重置電晶體
D:汲極
Tx:轉移電晶體
W:井區

Claims (20)

  1. 一種三維互補式金氧半導體影像感測器結構，包含：一半導體基底，具有正面與背面；一光電二極體，形成在該半導體基底中；一井區，形成在該半導體基底中，該井區在垂直該正面的方向上與該光電二極體部分重疊；一淺溝槽隔離層，位於該正面上；一鰭部，從該半導體基底向上穿過該淺溝槽隔離層而凸出於該正面上，其中該鰭部由該光電二極體與該井區共同構成；一第一閘極，位於該淺溝槽隔離層上且跨越該鰭部的該光電二極體部位以及與該光電二極體鄰接的該井區部位，如此構成一轉移電晶體；一第二閘極，位於該淺溝槽隔離層上且跨越該鰭部的該井區中段部位，如此構成一重置電晶體；以及一浮置擴散區，位於該第一閘極與該第二閘極之間的該鰭部的該井區部位中，其中該轉移電晶體透過該浮置擴散區與該重置電晶體電性連接，且該轉移電晶體係控制將該光電二極體產生的電荷傳輸至該浮置擴散區。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之三維互補式金氧半導體影像感測器結構，更包含深溝槽隔離結構，位於該半導體基底中，其中該深溝槽隔離結構與該淺溝槽隔離層連接且共同圍住該光電二極體與該井區。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之三維互補式金氧半導體影像感測器結構，更包含一表面摻雜層，位於該半導體基底的該正面上、該背面上以及該深溝槽隔離結構的側面上並完全圍住該光電二極體與該井區。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之三維互補式金氧半導體影像感測器結構，其中該光電二極體為N型摻雜區，該井區為P型井，該表面摻雜層為P型重摻雜層。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之三維互補式金氧半導體影像感測器結構，更包含一抗反射層位於該半導體基底的背面上。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之三維互補式金氧半導體影像感測器結構，更包含一彩色濾光層位於該背面上。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之三維互補式金氧半導體影像感測器結構，更包含一微透鏡位於該背面上。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之三維互補式金氧半導體影像感測器結構，更包含一遮光層位於該背面上且在垂直該背面的方向上與該井區以及該重置電晶體重疊。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之三維互補式金氧半導體影像感測器結構，更包含複數個該鰭部彼此平行間隔排列，該些鰭部均由該光電二極體與該井區共同構成，並且該第一閘極與該第二閘極分別跨越該些鰭部，因此該轉移電晶體以及該重置電晶體分別具有複數個通道。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之三維互補式金氧半導體影像感測器結 構，其中該鰭部包含彼此分隔的第一鰭部與第二鰭部，該第一閘極位於該第一鰭部上，該第二閘極位於該第二鰭部上，該第一鰭部由該光電二極體與該井區共同構成，該第二鰭部完全由該井區構成，且該浮置擴散區包含第一浮置擴散區與第二浮置擴散區，分別位於該第一鰭部與該第二鰭部的該井區部位中且透過互連結構彼此電性連接。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之三維互補式金氧半導體影像感測器結構，其中該井區被一深溝槽隔離結構分為第一井區與第二井區，分別對應該第一鰭部與該第二鰭部。
  12. 一種三維互補式金氧半導體影像感測器結構的製作方法，包含：提供一半導體基底，該半導體基底具有正面與背面；從該正面進行第一摻雜製程在該半導體基底中形成一光電二極體以及一井區，該井區在垂直該正面的方向上與該光電二極體部分重疊；對該半導體基底進行一光刻製程形成一鰭部，且該鰭部由該光電二極體與該井區共同構成；在該半導體基底的該正面上形成一淺溝槽隔離層，該鰭部穿過該淺溝槽隔離層凸出於該正面上；在該正面上形成第一閘極與第二閘極，其中該第一閘極跨越該鰭部的該光電二極體部位以及與該光電二極體鄰接的該井區部位，該第二閘極跨越該鰭部的該井區中段部位，該第一閘極與該第二閘極分別構成該互補式金氧半導體影像感測器的轉移電晶體與重置電晶體；以及進行第二摻雜製程在未被該第一閘極與該第二閘極所遮蓋的該鰭部中形成汲極與浮置擴散區，其中該浮置擴散區位於該第一閘極與該第二閘極之間並電 性連接該轉移電晶體與該重置電晶體。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之一種三維互補式金氧半導體影像感測器結構的製作方法，更包含進行第三摻雜製程在該正面上形成一表面摻雜層。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之一種三維互補式金氧半導體影像感測器結構的製作方法，更包含在該汲極與該浮置擴散區形成後進行半導體後段製程，以在該正面上形成介電層覆蓋該轉移電晶體與該重置電晶體以及形成互連結構連接該第一閘極、該第二閘極、該汲極以及該浮置擴散區。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之一種三維互補式金氧半導體影像感測器結構的製作方法，更包含在該介電層上接合一承載基板。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之一種三維互補式金氧半導體影像感測器結構的製作方法，更包含從該背面進行晶背薄化製程減少該半導體基底的厚度。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之一種三維互補式金氧半導體影像感測器結構的製作方法，更包含從該背面進行深溝槽製程形成深溝槽隔離結構，該深溝槽製程包含：從該背面進行光刻製程在該半導體基底中形成深溝槽，該深溝槽圍繞該光電二極體與該井區且底部直通該淺溝槽隔離層；在該深溝槽中填入隔離材料形成該深溝槽隔離結構，該深溝槽隔離結構底部連接該淺溝槽隔離層並且共同圍住該光電二極體與該井區。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之一種三維互補式金氧半導體影像感測器結構的製作方法，更包含在該深溝槽形成後從該背面進行第四摻雜製程，在該背面上以及該深溝槽的側面上形成一表面摻雜層。
  19. 如申請專利範圍第15項所述之一種三維互補式金氧半導體影像感測器結構的製作方法，更包含在該背面上依序形成一抗反射層、一遮光層、一彩色濾光層，其中該遮光層在垂直該背面的方向上與該井區以及該重置電晶體完全重疊。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之一種三維互補式金氧半導體影像感測器結構的製作方法，更包含在該彩色濾光層上形成微透鏡。
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