专利名称：背照明图像传感装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体装置，尤其涉及背照明图像传感装置及其制造方法。
背景技术：
图像传感装置包括由多个如光敏二极管(photosensitive diodes)或光 电二极管(photodiodes)组成的像素阵列(pixel array)、重置晶体管(reset transistor)、源极跟随晶体管；(source follower transistors)、 固定层光〖赵 二t及管(pinned layer photodiodes)、禾口/或转移晶体管(transfer transistors) 等用于记录二极管上光强度的组件。上述像素阵列在感应光线后产生电 子，且感应越多光线则产生越多电子。所述电子随后为另一个电路所用， 并因此生成适用于如数字照相机等特定应用的颜色与亮度。 一般而言， 所述像素阵列可为电荷耦合器件(charge-coupled device, CCD)，或为互 补金属氧化物半导体(complimentary metal oxide semiconductor, CMOS) 图像传感装置。背照明传感器(backside-illuminated sensors)用于感应照射在基底背 部表面的光线。上述背照明传感器可形成在基底的前部，此时基底需要 被薄化以使得照射在该基底背部的光线可抵达传感器。相较于前照明传 感器，背照明传感器具有高填充因子以及较少的破坏性干涉现象。然而， 被薄化的基底将可能减弱传感器的感应能力。因此，有必要开发一种背照明图像传感装置及其制造方法，在不影 响传感装置表现的前提下形成具有较佳光感应能力的背照明传感装置。发明内容有鉴于此，本发明目的在于提供一种背照明图像传感装置及其制造 方法，以提供具有较佳光感应能力的感光组f I:。为达到上述目的，本发明提供一种背照明图像传感装置，其包括基底；第一掺杂区，位于该基底内；以及第二掺杂区，位于该基底 内并位于该第一掺杂区上方。该第一与第二掺杂区具有第-一导电型态。 该第一掺杂区由对该基底进行高能量离子注入所形成，而该第二掺杂区 由对该基底进行自对准高能量离子注入所形成。该第一惨杂区较佳地深 达该基底厚度的50%以上。在本发明优选实施例中，该第二掺杂区直接设置在该第一掺杂区的 上方且相邻于该第一掺杂区。通过自对准高能量离子注入的进行及掩模 层的使用，以精确控制所述第一掺杂区与第二掺杂区的重迭情形。所述 第一与第二掺杂区的结合厚度较佳地大于基底厚度的50%。所述第一与 第二掺杂区和所述基底背部表面的间距小于基底厚度的50%。为达到上述目的，本发明还提供一种背照明图像传感装置的制造方 法，其包括下列步骤制备基底；对该基底进行第一离子注入，以在该 基底内形成第一掺杂区；在该基底上形成多晶硅层；以及对该基底进行 第二离子注入，以形成第二掺杂区在该第一掺杂区上方。该第一与第二 掺杂区具有第一导电型态。该第一掺杂区由对该基底进行高能量离子注 入所形成，该第一掺杂区较佳地深达该基底厚度的50%以上；同时，该 第一离子注入为非自对准高能量离子注入，且用于注入该第一掺杂区的第一高能量约介于100 5000KeV之间。该第二离子注入为自对准高能量 离子注入，且用于注入该第二掺杂区的第二高能量约介于5 1000KeV。该自对准高能量离子注入可通过在该背照明图像传感装置上形成掩 模层并在高能量下对该基底注入离子，以形成位于该第一掺杂区上的第 二掺杂区。此外，可采用高能量对该基底注入离子，以形成相邻于该第 一掺杂区的第二掺杂区。自对准高能量离子注入的进行，可通过采用位 于所述多晶硅层上方的掩模层来精确控制第二掺杂区与该多晶硅层间的 重迭情形。在本发明优选实施例中，该第一与第二掺杂区的结合厚度大于该基 底厚度的50%。该基底厚度大于1.5微米。而该基底的背部表面与该第 一与第二掺杂区间的间距小于该基底厚度的50%。该第一与第二掺杂区 形成了加大感光区，有利于产生在该背部表面的电子通过该表面而抵达 所述像素。在本发明所提供的背照明图像传感装置及其制造方法，其中形成的 多阶光敏二极管接合结构使得电子能够较为容易地抵达像素/感光区处，并可通过延伸N型掺杂区而较精确地控制掺杂区与多晶硅层的重迭情 形，从而使得本发明对于蓝光的感光度得到提升。总之，本发明能够改 善传感装置的感光特性，且不会对其中各组件的表现造成影响。为了让本发明的上述及其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下 面将结合附图详细介绍本发明的 一 个较佳实施例。
图1为本发明实施例中具有多个像素的图像传感装置的上视图；图2为本发明实施例中具有多个背照明像素的图像传感装置的剖面图；图3为本发明实施例中采用自对准N型离子注入的互补金属氧化物 半导体(CMOS)图像传感装置的剖面图；图4为本发明实施例中在多晶硅层形成前采用非自对准N型高能量 离子注入的互补金属氧化物半导体图像传感装置的剖面图；图5为本发明实施例中在多晶硅层形成后采用自对准N型高能量离 子注入的互补金属氧化物半导体图像传感装置；以及图6为本发明用于背照明图像传感装置中光敏二极管接合结构的制 造流程图。并且，上述附图中主要的各附图标记说明如下50表示图像传感装置；60表示CMOS图像传感装置；100表示像素，其中100R表示红光感应像素、100G表示绿光感应像素、100B表示蓝光感应像素；110表示基底，其中112表示第一N型掺杂区、112R表示对应红光感应像素的掺杂区、112G表示对应绿光感应像素的掺杂区、112B表示对应蓝光感应像素的掺杂区；120表示第一金属层；122表示第二金属层；124表示内连介电层； 140表示多晶硅层；142表示光阻层；144 硬掩模层； 150表示光线；160表示彩色滤光片；160R表示对应像素IOOR的彩色滤光片部分 160G表示对应像素100G的彩色滤光片部分；160B表示对应像素 100B的彩色滤光片部分； . 170表示高能量离子注入程序； 180表示电子；181表示自对准N型掺杂程序； 190表示第二N型掺杂区；dl表示第一 N型掺杂区的厚度；d2表示剩余基底110的厚度；d3 表示第一与第二 N型掺杂区的结合厚度；d4表示第一与第二掺杂区的结 合厚度与基底IIO背部表面的间距。
具体实施方式
请参照图l，其显示了由多个背照明像素100组成像素阵列的图像传 感装置50。在本实施例中，像素IOO可采用光敏二极管或光电二极管等 组件，以记录照射在二极管处光线的强度或亮度。图像传感装置50还可 采用重置晶体管(reset transistor)、源跟随晶体管(source follower transistor)、固定层光电二极管(pinned layer photodiode)、以及转移 (transfer)晶体管等其它组件。图像传感装置50可为不同类型的图像传 感装置，例如电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS) 图像传感装置、主动式像素传感装置(APS)或被动式像素传感装置。 相邻像素100所组成阵列处通常设置有其它电路与输出/输入装置，用于像素操作以及与像素之外的组件间联络。请参照图2，图像传感装置50内包括如硅材质的基底110;或者， 基底110可包括如硅、锗、及碳等元素态半导体材料；或者，基底110 也可包括如碳化硅、砷化镓、砷化铟、及磷化铟等化合物半导体材料； 或者，基底110还可包括如锗化硅、碳化硅锗、磷砷化镓、及磷铟化锗 等合金半导体材料。此外，基底110上可进一步形成有如绝缘层上覆硅 及磊晶层的设置情形。在本实施例中，基底110为例如经P型掺杂的硅 基底，其可通过如采用离子注入或多重步骤扩散方式制程来形成。基底UO可更进一步包括横向隔离组件(图中未示出)，用于分隔形成在该基 底上的不同装置。图像传感装置50包括多个形成在半导体基底110的前部表面上的像 素100。举例来说，像素100在此分别标记为100R、 100G与100B，分别用于感应红、绿、蓝等波长的光线。像素100分别包括感光区(或称光感应区)，且在本实施例中所述感光区为通过如扩散或离子注入等方式而在半导体基底110内掺杂杂质所形成的N型掺杂区。在本实施例中， 掺杂区在此分别标记为U2R、112G与112B，分别对应于像素100R、100G 与IOOB。图像传感装置50可进一步包括其它膜层，例如第一金属层120与第 二金属层122、及内连介电层124。内连介电层124可为介电常数低于二 氧化硅介电常数的低介电材料；或者，内连介电层124可包括碳掺杂的 二氧化硅、氟掺杂的二氧化硅、二氧化硅、氮化硅、和/或有机低介电常 数材料。第一金属层120与第二金属层122则可为铝、铜、钨、钛、氮 化钛、金属硅化物、或上述材料的组合。在此，可形成其它线路(图中未示出)，以针对所使用像素100与 所感应光线的型态而表现出适当功能。 一般而言，光线通常采用红、绿、 蓝等方式提供，而像素100通常采用光敏二极管。在操作时，图像传感装置50用于接收照射至半导体基底110背部表 面的光线150，因而降低了由如栅极组件与金属线等其它组件造成的光学 路径受损情形，并可最大化入射光在感光区的曝光情形。基底110被薄 化后，使得照射在其背部表面的光线150可有效抵达像素100处。光线 150在此并不限定为可见光，也可为红外光、紫外光、或X射线等其它 光源。图像传感装置50进一步包括彩色滤光层。该彩色滤光层可支持多种 不同色彩的滤光片(例如红、绿、蓝)，且在设胥后使得入射光可照射 于其上并穿透之。在本发明的一个实施例中，其所使用的彩色透明膜层 为聚合材料(例如丙烯酸基聚合物材质的负型光阻)或树脂。所述彩色 滤光层可采用彩色颜料丙烯酸基聚合物材质的负型光阻。在本实施例中， 彩色滤光片160R、 160G与160B分别对应于像素IOOR、 100G与IOOB。
图像传感装置50更进一步包括多个微透镜(图中未示出)。在采用 彩色滤光片时，所述微透镜可设置在像素100与半导体基底110背部表面之间，或可设置在彩色滤光片160与半导体基底110背部表面之间， 或可设置在彩色滤光片160与空气之间，以使得半导体基底110背部的 入射光线可在感光区内聚焦。背照明传感装置所面临的问题之一在于，光线由基底背部表面入射， 使得较难收集产生在接近基底背部表面处的电子，尤其很难收集由蓝光 所产生的电子。解决这一问题的方法之一是，通过加大注入能量以延伸 其内空乏区/感光区，进而改善感光度。然而，高能量离子注入通常会造 成组件表现的冲击。此外，可在传感装置制作过程中采用自对准N型注入程序，以精确 控制感光表现。在上述方法中，在互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体 管的多晶硅层上形成厚硬掩模层，以控制空乏区/感光区与该多晶硅层间 的重迭程度。因此，可精确地控制用于先进CMOS图像传感装置的具有 较少像素尺寸的像素表现。然而，上述自对准N型注入程只能形成小于 1微米的最小接合深度，而大部分背照明图像传感装置的剩余基底则大多 具有大于1.5微米的厚度，从而使得电子大多被剩余基底所吸收，进而造 成感光度的被减弱。请参照图3，其为CMOS图像传感装置60的实施例。在CMOS图像 传感装置60中，在各像素100内形成有多个用于将电子180转变成为电 压的CMOS晶体管。各CMOS晶体管包括多晶硅层140，以作为栅极节 点之用。此外，采用光阻层142定义注入区域，且光阻层142将在注入 进行前图案化并在注入后移除。当光线150照射并穿透半导体基底110的背部表面时，在抵达像素 100之前，部分电子180将被剩余的基底110所吸收。当蓝光照射在剩余 的基底U0时，电子180产生在较接近基底110背部表面处。其结果是， 许多电子180将被快速地由剩余基底110所吸收，而较少电子180抵达 光敏二极管处；这样将导致极差的感光度与像素表现。自对准N型掺杂也可进行在图像传感装置60，以准确控制如N型掺 杂区112的感光表现。在自对准N型注入时，在多晶硅层140表面将形 成有硬掩模层144以避免离子穿透情形发生。在硬掩模层144上则形成有光阻层142。接着在半导体基底110的前部表面实施高能量离子注入 170，以形成N型掺杂区112。在该实施例中，N型掺杂区112自对准于 多晶硅层140，而N型掺杂区112与多晶硅层140间的重迭部份则可通 过CMOS图像传感装置的硬掩模层144来精确控制。这样，上述方法可 精确地控制具有较小像素尺寸的先进CMOS图像传感装置的像素表现。然而，上述注入程序若使用能量过高，则可能冲击到CMOS晶体管 的表现。此外，上述自对准N型掺杂仅形成了小干1微米的最大接合深 度，将造成极差的感光度。在本发明的一个实施例中，第一N型掺杂区 112厚度(或接合深度)dl小于1微米，例如为0.7微米。由于背照明传 感装置的剩余基底110具有大于1.5微米的厚度d2，因此许多产生在基 底背部的电子将在抵达像素之前被剩余基底110先行吸收。在本发明另 一 实施例中，则显示了用于结合非自对准与自对准N型 离子注入所形成的多重光敏二极管接合结构，以改善感光性能。请参照 图4，在多晶硅层140形成前先行形成非自对准N型离子注入，例如在 半导体基底110前部表面的高能量离子注入170,以形成第一 N型掺杂 区112。在基底110上形成有图案化的光阻层142，以定义注入区域112， 且光阻层142将在离子注入后移除。高能量离子注入170所采用的注入 能量需视注入剂量而定。 一般而言，注入能量约介于100 5000KeV之间。 由于注入早于多晶硅层140形成之前先行进行，故可采用较高注入能量 以注入形成较深N型掺杂区，而不会有离子穿透多晶硅层140以及冲击 CMOS晶体管表现的问题。通过高注入能量的采用，第一N型惨杂区112 可具有大于剩余基底110厚度50%的深度。请参照图5，在非自对准N型掺杂离子注入结束后，可在基底110 上形成多晶硅层140。接着进行自对准N型掺杂程序181，以形成第二N 型掺杂区l卯。首先在多晶硅层140上先行形成硬掩模层144，以避免离 子穿透以及影响CMOS晶体管的表现。在硬掩模层144上则形成有光阻 层142。接着在半导体基底110的前部表面进行高能量离子注入181以形 成第二N型掺杂区190。高能量离子注入181的掺杂能量视剂量而定。 举例来说，掺杂能量约介于5 1000KeV之间。
如图5所示，第二 N型掺杂区190自对准于多晶硅层140，因此在 第二 N型掺杂区190与多晶硅层140间的重迭情形可通过硬掩模层144 来精确控制。在本实施例中，第二N型掺杂区190直接形成在第一N型 掺杂区112上方并相邻于第一N型掺杂区112。然而，第一N型掺杂区 112以及第二N型掺杂区190在基底内的设置情形可在不脱离本发明的 精神与范畴内稍做更改，只要上述两掺杂区为相邻且第二N型掺杂区190 系位于第一N型掺杂区112的上方。举例来说，第二N型掺杂区190的 一部份可直接位于第一N型掺杂区112之上，而第二N型掺杂区190的 其余部分则可与多晶硅层140相重迭。在前述实施例中，第一N型掺杂区112与第二N型掺杂区190的结 合厚度(或最深接合深度)d3大于剩余基底110厚度的50%。举例来说， 当剩余基底U0的厚度d2为1.5微米时，第一N型掺杂区112与第二掺 杂区190的结合厚度d3需大于剩余基底110厚度的50%，或大于0.75 微米。在本实施例中，第一N型掺杂区112与第二掺杂区190的结合厚 度d3可大于1微米。由于第一掺杂区112与第二掺杂区190的结合厚度(接合深度)的 增加，进而导致其与基底110背部表面间的距离d4小于剩余基底110厚 度的50%。当结合厚度d3为1微米时，结合掺杂区与基底IIO背部表面 间的距离d4为0.5微米，其小于剩余基底110厚度d2的50%、或小于 0.75微米。由于掺杂区与基底110背部表面间的距离较低，电子因而能 够较为容易地抵达像素，而不会被剩余基底IIO所吸收。请参照图6，显示了根据本发明实施例的多阶光敏二极管接合结构的 制作流程，其起始于步骤200，在形成多晶硅层之前先行进行非自对准高 能量离子注入，以注入形成第一N型掺杂区。由于上述注入早于多晶硅 层形成之前先行实施，故可采用高能量以注入形成较深的N型惨杂区， 而无须考虑离子穿透多晶硅层以及影响CMOS晶体管表现的问题。通过 较高的注入能量，第一 N型掺杂区可进行至大于剩余基底110厚度50% 以上的深处。接着，继续步骤220，在半导体基底IIO上形成多晶硅层。接着继续 步骤240，进行自对准髙能量注入程序，以形成第二N型掺杂区。第二N
型掺杂区直接位于第一 N型掺杂区之上且与其相邻。上述自对准高能量 离子注入程序，包括在多晶硅层上形成硬掩模层以避免离子通过，以及 在硬掩模层上形成光阻层，最后在半导体基底的前部表面进行高能量离 子注入以形成第二N型掺杂区。综上所述，本发明提供了 一种背照明图像传感装置及其制造方法， 其中多阶光敏二极管接合结构可用于改善感光特性且不会对组件表现造 成影响。所述多阶光敏二极管接合结构使得电子能够较为容易地抵达像素/感光区处，并通过延伸N型掺杂区能够较精确地控制掺杂区与多晶硅层的重迭情形，从而使得本发明对于蓝光的感光度得到提升。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用于限定本发明。 本领域相关技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种修改 与润饰。因此，本发明保护范围以所附权利要求书的界定为准。
权利要求
1、一种背照明图像传感装置，其特征在于，包括基底；第一掺杂区，位于该基底内；以及第二掺杂区，位于该基底内并位于该第一掺杂区上方；并且该第一掺杂区深达该基底厚度的50％以上。
2、 如权利要求1所述的背照明图像传感装置，其特征在于，所述第 二掺杂区直接设置在所述第 一 掺杂区上。
3、 如权利要求1所述的背照明图像传感装置，其特征在于，所述第 二掺杂区相邻于所述第一掺杂区。
4、 如权利要求1所述的背照明图像传感装置，其特征在于，所述第 一与第二掺杂区均大于所述基底厚度的50%。
5、 如权利要求1所述的背照明图像传感装置，其特征在于，所述第 一与第二掺杂区具有第一导电型态。
6、 一种背照明图像传感装置的制造方法，其特征在于，包括下列步骤制备基底；对该基底进行第一离子注入，以在该基底内形成第一掺杂区； 在该基底上形成多晶硅层；以及对该基底进行第二离子注入，以在该第一掺杂区上方形成第二掺杂 区，其中该第一掺杂区深达该基底厚度的50%。
7、 如权利要求6所述的背照明图像传感装置的制造方法，其特征在 于，所述第一离子注入为非自对准高能量离子注入，而所述第二离子注 入为自对准高能量离子注入。
8、 如权利要求6所述的背照明图像传感装置的制造方法，其特征在 于，所述对该基底进行第 一 离子注入以形成第 ---离子掺杂区具体为在高能量下对该基底注入离子，以形成深度大于该基底厚度50%以 上的第一离子掺杂区。
9、 如权利要求6所述的背照明图像传感装置的制造方法，其特征在 于，所述对该基底进行第二离子注入以形成位于该第一离子掺杂区上方 的第二离子掺杂区具体为在所述多晶硅层上形成掩模层；以及在高能量下对该基底注入离子，以形成相邻于该第一掺杂区的该第 二掺杂区。
10、如权利要求6所述的背照明图像传感装置的制造方法，其特征在于，当产生在所述基底背部的电子通过所述基底表面抵达像素时，所 述第一与第二掺杂区作为加大感光区。
全文摘要
本发明提供了一种背照明图像传感装置，包括基底；第一掺杂区，位于该基底内；以及第二掺杂区，位于该基底内并位于该第一掺杂区上方，其中该第一掺杂区较佳地深达该基底厚度的50％以上。本发明还提供了一种背照明图像传感装置的制造方法，包括制备基底；对该基底进行第一离子注入，以在该基底内形成第一掺杂区；在该基底上形成多晶硅层；以及对该基底进行第二离子注入，以在该第一掺杂区上方形成第二掺杂区，其中该第一掺杂区深达该基底厚度的50％。本发明能够改善传感装置的感光特性，且不会对其中各组件的表现造成影响。
文档编号H01L27/146GK101154674SQ200710001220
公开日2008年4月2日 申请日期2007年1月4日 优先权日2006年9月29日
发明者杨敦年, 许慈轩 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司