專利名稱：背照明圖像傳感裝置及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體裝置，尤其涉及背照明圖像傳感裝置及其制造方法。
背景技術：
圖像傳感裝置包括由多個如光敏二極管(photosensitive diodes)或光 電二極管(photodiodes)組成的像素陣列(pixel array)、重置晶體管(reset transistor)、源極跟隨晶體管；(source follower transistors)、 固定層光〖趙 二t及管(pinned layer photodiodes)、禾口/或轉(zhuǎn)移晶體管(transfer transistors) 等用于記錄二極管上光強度的組件。上述像素陣列在感應光線后產(chǎn)生電 子，且感應越多光線則產(chǎn)生越多電子。所述電子隨后為另一個電路所用， 并因此生成適用于如數(shù)字照相機等特定應用的顏色與亮度。 一般而言， 所述像素陣列可為電荷耦合器件(charge-coupled device, CCD)，或為互 補金屬氧化物半導體(complimentary metal oxide semiconductor, CMOS) 圖像傳感裝置。背照明傳感器(backside-illuminated sensors)用于感應照射在基底背 部表面的光線。上述背照明傳感器可形成在基底的前部，此時基底需要 被薄化以使得照射在該基底背部的光線可抵達傳感器。相較于前照明傳 感器，背照明傳感器具有高填充因子以及較少的破壞性干涉現(xiàn)象。然而， 被薄化的基底將可能減弱傳感器的感應能力。因此，有必要開發(fā)一種背照明圖像傳感裝置及其制造方法，在不影 響傳感裝置表現(xiàn)的前提下形成具有較佳光感應能力的背照明傳感裝置。發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，本發(fā)明目的在于提供一種背照明圖像傳感裝置及其制造 方法，以提供具有較佳光感應能力的感光組f I:。為達到上述目的，本發(fā)明提供一種背照明圖像傳感裝置，其包括基底；第一摻雜區(qū)，位于該基底內(nèi)；以及第二摻雜區(qū)，位于該基底 內(nèi)并位于該第一摻雜區(qū)上方。該第一與第二摻雜區(qū)具有第-一導電型態(tài)。 該第一摻雜區(qū)由對該基底進行高能量離子注入所形成，而該第二摻雜區(qū) 由對該基底進行自對準高能量離子注入所形成。該第一慘雜區(qū)較佳地深 達該基底厚度的50%以上。在本發(fā)明優(yōu)選實施例中，該第二摻雜區(qū)直接設置在該第一摻雜區(qū)的 上方且相鄰于該第一摻雜區(qū)。通過自對準高能量離子注入的進行及掩模 層的使用，以精確控制所述第一摻雜區(qū)與第二摻雜區(qū)的重迭情形。所述 第一與第二摻雜區(qū)的結(jié)合厚度較佳地大于基底厚度的50%。所述第一與 第二摻雜區(qū)和所述基底背部表面的間距小于基底厚度的50%。為達到上述目的，本發(fā)明還提供一種背照明圖像傳感裝置的制造方 法，其包括下列步驟制備基底；對該基底進行第一離子注入，以在該 基底內(nèi)形成第一摻雜區(qū)；在該基底上形成多晶硅層；以及對該基底進行 第二離子注入，以形成第二摻雜區(qū)在該第一摻雜區(qū)上方。該第一與第二 摻雜區(qū)具有第一導電型態(tài)。該第一摻雜區(qū)由對該基底進行高能量離子注 入所形成，該第一摻雜區(qū)較佳地深達該基底厚度的50%以上；同時，該 第一離子注入為非自對準高能量離子注入，且用于注入該第一摻雜區(qū)的第一高能量約介于100 5000KeV之間。該第二離子注入為自對準高能量 離子注入，且用于注入該第二摻雜區(qū)的第二高能量約介于5 1000KeV。該自對準高能量離子注入可通過在該背照明圖像傳感裝置上形成掩 模層并在高能量下對該基底注入離子，以形成位于該第一摻雜區(qū)上的第 二摻雜區(qū)。此外，可采用高能量對該基底注入離子，以形成相鄰于該第 一摻雜區(qū)的第二摻雜區(qū)。自對準高能量離子注入的進行，可通過采用位 于所述多晶硅層上方的掩模層來精確控制第二摻雜區(qū)與該多晶硅層間的 重迭情形。在本發(fā)明優(yōu)選實施例中，該第一與第二摻雜區(qū)的結(jié)合厚度大于該基 底厚度的50%。該基底厚度大于1.5微米。而該基底的背部表面與該第 一與第二摻雜區(qū)間的間距小于該基底厚度的50%。該第一與第二摻雜區(qū) 形成了加大感光區(qū)，有利于產(chǎn)生在該背部表面的電子通過該表面而抵達 所述像素。在本發(fā)明所提供的背照明圖像傳感裝置及其制造方法，其中形成的 多階光敏二極管接合結(jié)構使得電子能夠較為容易地抵達像素/感光區(qū)處，并可通過延伸N型摻雜區(qū)而較精確地控制摻雜區(qū)與多晶硅層的重迭情 形，從而使得本發(fā)明對于藍光的感光度得到提升。總之，本發(fā)明能夠改 善傳感裝置的感光特性，且不會對其中各組件的表現(xiàn)造成影響。為了讓本發(fā)明的上述及其它目的、特征、和優(yōu)點能更明顯易懂，下 面將結(jié)合附圖詳細介紹本發(fā)明的 一 個較佳實施例。


圖1為本發(fā)明實施例中具有多個像素的圖像傳感裝置的上視圖；圖2為本發(fā)明實施例中具有多個背照明像素的圖像傳感裝置的剖面圖；圖3為本發(fā)明實施例中采用自對準N型離子注入的互補金屬氧化物 半導體(CMOS)圖像傳感裝置的剖面圖；圖4為本發(fā)明實施例中在多晶硅層形成前采用非自對準N型高能量 離子注入的互補金屬氧化物半導體圖像傳感裝置的剖面圖；圖5為本發(fā)明實施例中在多晶硅層形成后采用自對準N型高能量離 子注入的互補金屬氧化物半導體圖像傳感裝置；以及圖6為本發(fā)明用于背照明圖像傳感裝置中光敏二極管接合結(jié)構的制 造流程圖。并且，上述附圖中主要的各附圖標記說明如下50表示圖像傳感裝置；60表示CMOS圖像傳感裝置；100表示像素，其中100R表示紅光感應像素、100G表示綠光感應像素、100B表示藍光感應像素；110表示基底，其中112表示第一N型摻雜區(qū)、112R表示對應紅光感應像素的摻雜區(qū)、112G表示對應綠光感應像素的摻雜區(qū)、112B表示對應藍光感應像素的摻雜區(qū)；120表示第一金屬層；122表示第二金屬層；124表示內(nèi)連介電層； 140表示多晶硅層；142表示光阻層；144 硬掩模層； 150表示光線；160表示彩色濾光片；160R表示對應像素IOOR的彩色濾光片部分 160G表示對應像素100G的彩色濾光片部分；160B表示對應像素 100B的彩色濾光片部分； . 170表示高能量離子注入程序； 180表示電子；181表示自對準N型摻雜程序； 190表示第二N型摻雜區(qū)；dl表示第一 N型摻雜區(qū)的厚度；d2表示剩余基底110的厚度；d3 表示第一與第二 N型摻雜區(qū)的結(jié)合厚度；d4表示第一與第二摻雜區(qū)的結(jié) 合厚度與基底IIO背部表面的間距。
具體實施方式
請參照圖l，其顯示了由多個背照明像素100組成像素陣列的圖像傳 感裝置50。在本實施例中，像素IOO可采用光敏二極管或光電二極管等 組件，以記錄照射在二極管處光線的強度或亮度。圖像傳感裝置50還可 采用重置晶體管(reset transistor)、源跟隨晶體管(source follower transistor)、固定層光電二極管(pinned layer photodiode)、以及轉(zhuǎn)移 (transfer)晶體管等其它組件。圖像傳感裝置50可為不同類型的圖像傳 感裝置，例如電荷耦合器件(CCD)、互補金屬氧化物半導體(CMOS) 圖像傳感裝置、主動式像素傳感裝置(APS)或被動式像素傳感裝置。 相鄰像素100所組成陣列處通常設置有其它電路與輸出/輸入裝置，用于像素操作以及與像素之外的組件間聯(lián)絡。請參照圖2，圖像傳感裝置50內(nèi)包括如硅材質(zhì)的基底110;或者， 基底110可包括如硅、鍺、及碳等元素態(tài)半導體材料；或者，基底110 也可包括如碳化硅、砷化鎵、砷化銦、及磷化銦等化合物半導體材料； 或者，基底110還可包括如鍺化硅、碳化硅鍺、磷砷化鎵、及磷銦化鍺 等合金半導體材料。此外，基底110上可進一步形成有如絕緣層上覆硅 及磊晶層的設置情形。在本實施例中，基底110為例如經(jīng)P型摻雜的硅 基底，其可通過如采用離子注入或多重步驟擴散方式制程來形成?；譛O可更進一步包括橫向隔離組件(圖中未示出)，用于分隔形成在該基 底上的不同裝置。圖像傳感裝置50包括多個形成在半導體基底110的前部表面上的像 素100。舉例來說，像素100在此分別標記為100R、 100G與100B，分別用于感應紅、綠、藍等波長的光線。像素100分別包括感光區(qū)(或稱光感應區(qū))，且在本實施例中所述感光區(qū)為通過如擴散或離子注入等方式而在半導體基底110內(nèi)摻雜雜質(zhì)所形成的N型摻雜區(qū)。在本實施例中， 摻雜區(qū)在此分別標記為U2R、112G與112B，分別對應于像素100R、100G 與IOOB。圖像傳感裝置50可進一步包括其它膜層，例如第一金屬層120與第 二金屬層122、及內(nèi)連介電層124。內(nèi)連介電層124可為介電常數(shù)低于二 氧化硅介電常數(shù)的低介電材料；或者，內(nèi)連介電層124可包括碳摻雜的 二氧化硅、氟摻雜的二氧化硅、二氧化硅、氮化硅、和/或有機低介電常 數(shù)材料。第一金屬層120與第二金屬層122則可為鋁、銅、鎢、鈦、氮 化鈦、金屬硅化物、或上述材料的組合。在此，可形成其它線路(圖中未示出)，以針對所使用像素100與 所感應光線的型態(tài)而表現(xiàn)出適當功能。 一般而言，光線通常采用紅、綠、 藍等方式提供，而像素100通常采用光敏二極管。在操作時，圖像傳感裝置50用于接收照射至半導體基底110背部表 面的光線150，因而降低了由如柵極組件與金屬線等其它組件造成的光學 路徑受損情形，并可最大化入射光在感光區(qū)的曝光情形。基底110被薄 化后，使得照射在其背部表面的光線150可有效抵達像素100處。光線 150在此并不限定為可見光，也可為紅外光、紫外光、或X射線等其它 光源。圖像傳感裝置50進一步包括彩色濾光層。該彩色濾光層可支持多種 不同色彩的濾光片(例如紅、綠、藍)，且在設胥后使得入射光可照射 于其上并穿透之。在本發(fā)明的一個實施例中，其所使用的彩色透明膜層 為聚合材料(例如丙烯酸基聚合物材質(zhì)的負型光阻)或樹脂。所述彩色 濾光層可采用彩色顏料丙烯酸基聚合物材質(zhì)的負型光阻。在本實施例中， 彩色濾光片160R、 160G與160B分別對應于像素IOOR、 100G與IOOB。
圖像傳感裝置50更進一步包括多個微透鏡(圖中未示出)。在采用 彩色濾光片時，所述微透鏡可設置在像素100與半導體基底110背部表面之間，或可設置在彩色濾光片160與半導體基底110背部表面之間， 或可設置在彩色濾光片160與空氣之間，以使得半導體基底110背部的 入射光線可在感光區(qū)內(nèi)聚焦。背照明傳感裝置所面臨的問題之一在于，光線由基底背部表面入射， 使得較難收集產(chǎn)生在接近基底背部表面處的電子，尤其很難收集由藍光 所產(chǎn)生的電子。解決這一問題的方法之一是，通過加大注入能量以延伸 其內(nèi)空乏區(qū)/感光區(qū)，進而改善感光度。然而，高能量離子注入通常會造 成組件表現(xiàn)的沖擊。此外，可在傳感裝置制作過程中采用自對準N型注入程序，以精確 控制感光表現(xiàn)。在上述方法中，在互補金屬氧化物半導體(CMOS)晶體 管的多晶硅層上形成厚硬掩模層，以控制空乏區(qū)/感光區(qū)與該多晶硅層間 的重迭程度。因此，可精確地控制用于先進CMOS圖像傳感裝置的具有 較少像素尺寸的像素表現(xiàn)。然而，上述自對準N型注入程只能形成小于 1微米的最小接合深度，而大部分背照明圖像傳感裝置的剩余基底則大多 具有大于1.5微米的厚度，從而使得電子大多被剩余基底所吸收，進而造 成感光度的被減弱。請參照圖3，其為CMOS圖像傳感裝置60的實施例。在CMOS圖像 傳感裝置60中，在各像素100內(nèi)形成有多個用于將電子180轉(zhuǎn)變成為電 壓的CMOS晶體管。各CMOS晶體管包括多晶硅層140，以作為柵極節(jié) 點之用。此外，采用光阻層142定義注入?yún)^(qū)域，且光阻層142將在注入 進行前圖案化并在注入后移除。當光線150照射并穿透半導體基底110的背部表面時，在抵達像素 100之前，部分電子180將被剩余的基底110所吸收。當藍光照射在剩余 的基底U0時，電子180產(chǎn)生在較接近基底110背部表面處。其結(jié)果是， 許多電子180將被快速地由剩余基底110所吸收，而較少電子180抵達 光敏二極管處；這樣將導致極差的感光度與像素表現(xiàn)。自對準N型摻雜也可進行在圖像傳感裝置60，以準確控制如N型摻 雜區(qū)112的感光表現(xiàn)。在自對準N型注入時，在多晶硅層140表面將形 成有硬掩模層144以避免離子穿透情形發(fā)生。在硬掩模層144上則形成有光阻層142。接著在半導體基底110的前部表面實施高能量離子注入 170，以形成N型摻雜區(qū)112。在該實施例中，N型摻雜區(qū)112自對準于 多晶硅層140，而N型摻雜區(qū)112與多晶硅層140間的重迭部份則可通 過CMOS圖像傳感裝置的硬掩模層144來精確控制。這樣，上述方法可 精確地控制具有較小像素尺寸的先進CMOS圖像傳感裝置的像素表現(xiàn)。然而，上述注入程序若使用能量過高，則可能沖擊到CMOS晶體管 的表現(xiàn)。此外，上述自對準N型摻雜僅形成了小干1微米的最大接合深 度，將造成極差的感光度。在本發(fā)明的一個實施例中，第一N型摻雜區(qū) 112厚度(或接合深度)dl小于1微米，例如為0.7微米。由于背照明傳 感裝置的剩余基底110具有大于1.5微米的厚度d2，因此許多產(chǎn)生在基 底背部的電子將在抵達像素之前被剩余基底110先行吸收。在本發(fā)明另 一 實施例中，則顯示了用于結(jié)合非自對準與自對準N型 離子注入所形成的多重光敏二極管接合結(jié)構，以改善感光性能。請參照 圖4，在多晶硅層140形成前先行形成非自對準N型離子注入，例如在 半導體基底110前部表面的高能量離子注入170,以形成第一 N型摻雜 區(qū)112。在基底110上形成有圖案化的光阻層142，以定義注入?yún)^(qū)域112， 且光阻層142將在離子注入后移除。高能量離子注入170所采用的注入 能量需視注入劑量而定。 一般而言，注入能量約介于100 5000KeV之間。 由于注入早于多晶硅層140形成之前先行進行，故可采用較高注入能量 以注入形成較深N型摻雜區(qū)，而不會有離子穿透多晶硅層140以及沖擊 CMOS晶體管表現(xiàn)的問題。通過高注入能量的采用，第一N型慘雜區(qū)112 可具有大于剩余基底110厚度50%的深度。請參照圖5，在非自對準N型摻雜離子注入結(jié)束后，可在基底110 上形成多晶硅層140。接著進行自對準N型摻雜程序181，以形成第二N 型摻雜區(qū)l卯。首先在多晶硅層140上先行形成硬掩模層144，以避免離 子穿透以及影響CMOS晶體管的表現(xiàn)。在硬掩模層144上則形成有光阻 層142。接著在半導體基底110的前部表面進行高能量離子注入181以形 成第二N型摻雜區(qū)190。高能量離子注入181的摻雜能量視劑量而定。 舉例來說，摻雜能量約介于5 1000KeV之間。
如圖5所示，第二 N型摻雜區(qū)190自對準于多晶硅層140，因此在 第二 N型摻雜區(qū)190與多晶硅層140間的重迭情形可通過硬掩模層144 來精確控制。在本實施例中，第二N型摻雜區(qū)190直接形成在第一N型 摻雜區(qū)112上方并相鄰于第一N型摻雜區(qū)112。然而，第一N型摻雜區(qū) 112以及第二N型摻雜區(qū)190在基底內(nèi)的設置情形可在不脫離本發(fā)明的 精神與范疇內(nèi)稍做更改，只要上述兩摻雜區(qū)為相鄰且第二N型摻雜區(qū)190 系位于第一N型摻雜區(qū)112的上方。舉例來說，第二N型摻雜區(qū)190的 一部份可直接位于第一N型摻雜區(qū)112之上，而第二N型摻雜區(qū)190的 其余部分則可與多晶硅層140相重迭。在前述實施例中，第一N型摻雜區(qū)112與第二N型摻雜區(qū)190的結(jié) 合厚度(或最深接合深度)d3大于剩余基底110厚度的50%。舉例來說， 當剩余基底U0的厚度d2為1.5微米時，第一N型摻雜區(qū)112與第二摻 雜區(qū)190的結(jié)合厚度d3需大于剩余基底110厚度的50%，或大于0.75 微米。在本實施例中，第一N型摻雜區(qū)112與第二摻雜區(qū)190的結(jié)合厚 度d3可大于1微米。由于第一摻雜區(qū)112與第二摻雜區(qū)190的結(jié)合厚度(接合深度)的 增加，進而導致其與基底110背部表面間的距離d4小于剩余基底110厚 度的50%。當結(jié)合厚度d3為1微米時，結(jié)合摻雜區(qū)與基底IIO背部表面 間的距離d4為0.5微米，其小于剩余基底110厚度d2的50%、或小于 0.75微米。由于摻雜區(qū)與基底110背部表面間的距離較低，電子因而能 夠較為容易地抵達像素，而不會被剩余基底IIO所吸收。請參照圖6，顯示了根據(jù)本發(fā)明實施例的多階光敏二極管接合結(jié)構的 制作流程，其起始于步驟200，在形成多晶硅層之前先行進行非自對準高 能量離子注入，以注入形成第一N型摻雜區(qū)。由于上述注入早于多晶硅 層形成之前先行實施，故可采用高能量以注入形成較深的N型慘雜區(qū)， 而無須考慮離子穿透多晶硅層以及影響CMOS晶體管表現(xiàn)的問題。通過 較高的注入能量，第一 N型摻雜區(qū)可進行至大于剩余基底110厚度50% 以上的深處。接著，繼續(xù)步驟220，在半導體基底IIO上形成多晶硅層。接著繼續(xù) 步驟240，進行自對準髙能量注入程序，以形成第二N型摻雜區(qū)。第二N
型摻雜區(qū)直接位于第一 N型摻雜區(qū)之上且與其相鄰。上述自對準高能量 離子注入程序，包括在多晶硅層上形成硬掩模層以避免離子通過，以及 在硬掩模層上形成光阻層，最后在半導體基底的前部表面進行高能量離 子注入以形成第二N型摻雜區(qū)。綜上所述，本發(fā)明提供了 一種背照明圖像傳感裝置及其制造方法， 其中多階光敏二極管接合結(jié)構可用于改善感光特性且不會對組件表現(xiàn)造 成影響。所述多階光敏二極管接合結(jié)構使得電子能夠較為容易地抵達像素/感光區(qū)處，并通過延伸N型摻雜區(qū)能夠較精確地控制摻雜區(qū)與多晶硅層的重迭情形，從而使得本發(fā)明對于藍光的感光度得到提升。雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭示如上，然其并非用于限定本發(fā)明。 本領域相關技術人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作各種修改 與潤飾。因此，本發(fā)明保護范圍以所附權利要求書的界定為準。
權利要求
1、一種背照明圖像傳感裝置，其特征在于，包括基底；第一摻雜區(qū)，位于該基底內(nèi)；以及第二摻雜區(qū)，位于該基底內(nèi)并位于該第一摻雜區(qū)上方；并且該第一摻雜區(qū)深達該基底厚度的50％以上。
2、 如權利要求1所述的背照明圖像傳感裝置，其特征在于，所述第 二摻雜區(qū)直接設置在所述第 一 摻雜區(qū)上。
3、 如權利要求1所述的背照明圖像傳感裝置，其特征在于，所述第 二摻雜區(qū)相鄰于所述第一摻雜區(qū)。
4、 如權利要求1所述的背照明圖像傳感裝置，其特征在于，所述第 一與第二摻雜區(qū)均大于所述基底厚度的50%。
5、 如權利要求1所述的背照明圖像傳感裝置，其特征在于，所述第 一與第二摻雜區(qū)具有第一導電型態(tài)。
6、 一種背照明圖像傳感裝置的制造方法，其特征在于，包括下列步驟制備基底；對該基底進行第一離子注入，以在該基底內(nèi)形成第一摻雜區(qū)； 在該基底上形成多晶硅層；以及對該基底進行第二離子注入，以在該第一摻雜區(qū)上方形成第二摻雜 區(qū)，其中該第一摻雜區(qū)深達該基底厚度的50%。
7、 如權利要求6所述的背照明圖像傳感裝置的制造方法，其特征在 于，所述第一離子注入為非自對準高能量離子注入，而所述第二離子注 入為自對準高能量離子注入。
8、 如權利要求6所述的背照明圖像傳感裝置的制造方法，其特征在 于，所述對該基底進行第 一 離子注入以形成第 ---離子摻雜區(qū)具體為在高能量下對該基底注入離子，以形成深度大于該基底厚度50%以 上的第一離子摻雜區(qū)。
9、 如權利要求6所述的背照明圖像傳感裝置的制造方法，其特征在 于，所述對該基底進行第二離子注入以形成位于該第一離子摻雜區(qū)上方 的第二離子摻雜區(qū)具體為在所述多晶硅層上形成掩模層；以及在高能量下對該基底注入離子，以形成相鄰于該第一摻雜區(qū)的該第 二摻雜區(qū)。
10、如權利要求6所述的背照明圖像傳感裝置的制造方法，其特征在于，當產(chǎn)生在所述基底背部的電子通過所述基底表面抵達像素時，所 述第一與第二摻雜區(qū)作為加大感光區(qū)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種背照明圖像傳感裝置，包括基底；第一摻雜區(qū)，位于該基底內(nèi)；以及第二摻雜區(qū)，位于該基底內(nèi)并位于該第一摻雜區(qū)上方，其中該第一摻雜區(qū)較佳地深達該基底厚度的50％以上。本發(fā)明還提供了一種背照明圖像傳感裝置的制造方法，包括制備基底；對該基底進行第一離子注入，以在該基底內(nèi)形成第一摻雜區(qū)；在該基底上形成多晶硅層；以及對該基底進行第二離子注入，以在該第一摻雜區(qū)上方形成第二摻雜區(qū)，其中該第一摻雜區(qū)深達該基底厚度的50％。本發(fā)明能夠改善傳感裝置的感光特性，且不會對其中各組件的表現(xiàn)造成影響。
文檔編號H01L27/146GK101154674SQ200710001220
公開日2008年4月2日 申請日期2007年1月4日 優(yōu)先權日2006年9月29日
發(fā)明者楊敦年, 許慈軒 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司