影像感测器结构及其形成方法与流程

本发明实施例是有关于一种影像感测器结构及其形成方法，且特别地是有关于具有嵌入式光二极管(pinnedphotodiode)的影像感测器结构及其形成方法。

背景技术：

影像感测器已在各式影像捕捉装置中被广泛使用，例如摄影机、数字相机及类似装置。影像感测器，例如电荷耦合装置(charge-coupleddevice，ccd)影像感测器或互补式金氧半导体(complementarymetal-oxidesemiconductor，cmos)影像感测器，具有感光元件用于将入射光转换成电信号。影像感测器具有像素阵列，且每一个像素具有一个感光元件。影像感测器也具有逻辑电路，用于传送和处理电信号。

虽然现存的影像感测器可大致满足它们原先预定的用途，但其仍未在各个方面皆彻底地符合需求。举例而言，当像素较大时，光二极管(photodiode)的长度也会跟着变长。此时，光二极管的位势(potential)会太过平缓，使得光二极管没有足够强的电场，来传导光二极管的远离栅极的边缘的电荷，或是要花较长的时间才能传导电荷。

因此，需要一种新颖的影像感测器，来增加电荷的传导效率。

技术实现要素：

根据本发明的一些实施例，提供一种影像感测器结构，包含：基底，具有第一导电型态；第一井区和第二井区，设置于基底中且彼此分开；隔离区，设置于第一井区中；栅极，设置于基底上且于第一井区和第二井区之间；以及嵌入式光二极管，设置于基底中且于第一井区和第二井区之间，其中嵌入式二极管包含：第一掺杂区，设置于基底中且具有第一掺杂浓度及第一导电型态；以及第二掺杂区，设置于第一掺杂区下且具有第二掺杂浓度及与第一导电型态相反的第二导电型态，其中第一掺杂浓度和第二掺杂浓度中至少一者为不均匀且第一掺杂浓度大于第二掺杂浓度。

根据本发明的一些实施例，提供一种影像感测器结构的形成方法，包含：提供具有第一导电型态的基底；形成第一井区和第二井区于基底中，其中第一井区和第二井区彼此分开；形成隔离区于第一井区中；形成栅极于基底上且于第一井区和第二井区之间；以及形成嵌入式光二极管于基底中且于第一井区和第二井区之间，其中嵌入式二极管包含：形成第一掺杂区于基底中，且第一掺杂区具有第一掺杂浓度及第一导电型态；以及形成第二掺杂区于第一掺杂区下，且第二掺杂区具有第二掺杂浓度及与第一导电型态相反的第二导电型态，其中第一掺杂浓度和第二掺杂浓度中至少一者为不均匀且第一掺杂浓度大于第二掺杂浓度。

附图说明

本发明实施例可通过以下详细描述和范例配合所附附图而更充分了解，其中：

图1是根据本发明的一些实施例所绘示的影像感测器结构100的剖面图；

图2是根据本发明的一些实施例所绘示的影像感测器结构200的剖面图；

图3是根据本发明的一些实施例所绘示的影像感测器结构300的剖面图；

图4是根据本发明的一些实施例所绘示的影像感测器结构400的剖面图。

【符号说明】

100、200、300、400～影像感测器装置；

102～基底；

104a～第一井区；

104b～第二井区；

106～隔离区；

108～浮动扩散点；

110～嵌入式光二极管；

110a～第一掺杂区；

110b～第二掺杂区；

110a-1、110b-1～第一区；

110a-2、110b-2～第二区；

110a-3、110b-3～第三区；

110c-1～第一深掺杂区；

110c-2～第二深掺杂区；

110c-3～第三深掺杂区；

112～栅极；

l1～长度；

el1～第一延伸长度；

el2～第二延伸长度；

el3～第三延伸长度；

t1～第一厚度；

t2～第二厚度；

t3～第三厚度。

具体实施方式

以下针对本发明实施例的影像感测器结构及其形成方法做详细说明。应了解的是，以下的叙述提供许多不同的实施例或例子，用以实施本发明实施例的不同态样。以下所述特定的元件及排列方式仅为简单清楚描述本发明的一些实施例。当然，这些仅用以举例而非本发明的限定。此外，在不同实施例中可能使用类似及/或对应的标号标示类似及/或对应的元件，以清楚描述本发明实施例。然而，这些类似及/或对应的标号的使用仅为了简单清楚地叙述本发明的一些实施例，不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间具有任何关联性。

此外，实施例中可能使用相对性用语，例如“较低”或“底部”或“较高”或“顶部”，以描述附图的一个元件对于另一元件的相对关系。可理解的是，如果将附图的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“较低”侧的元件将会成为在“较高”侧的元件。

此外，附图的元件或装置可以发明所属技术领域具有通常知识者所熟知的各种形式存在。此外，应理解的是，虽然在此可使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来叙述各种元件、组件、区域、层、及/或部分，这些元件、组件、区域、层、及/或部分不应被这些用语限定不应被这些用语限定。这些用语仅是用来区别不同的元件、组件、区域、层或部分。因此，以下讨论的一“第一”元件、组件、区域、层或部分可在不偏离本发明实施例的教示的情况下被称为“第二”元件、组件、区域、层或部分。

在此，“约”、“大约”、“大抵”的用语通常表示在一给定值的+/-20％之内，较佳是+/-10％之内，且更佳是+/-5％之内，或+/-3％之内，或+/-2％之内，或+/-1％之内，或0.5％之内。在此给定的数值为大约的数值，亦即在没有特定说明“约”、“大约”、“大抵”的情况下，此给定的数值仍可隐含“约”、“大约”、“大抵”的含义。

在本发明实施例中，相对性的用语例如“下”、“上”、“水平”、“垂直”、“之下”、“之上”、“顶部”、“底部”等等应被理解为该实施例以及相关附图中所绘示的方位。此相对性的用语是为了方便说明之用，并不表示所叙述的装置需以特定方位来制造或运作。此外，关于接合、连接的用语，例如“连接”、“互连”等，除非特别定义，否则可表示两个结构直接接触，或者亦可表示两个结构并非直接接触，而是有其它结构设置于此两个结构之间。另外，关于接合、连接的用语，亦可包含两个结构都可移动，或者两个结构都固定的实施例。

除非另外定义，在此使用的全部用语(包含技术及科学用语)具有与本发明所属技术领域的技术人员通常理解的相同涵义。能理解的是，这些用语例如在通常使用的字典中定义用语，应被解读成具有与相关技术及本发明的背景或上下文一致的意思，而不应以一理想化或过度正式的方式解读，除非在本发明实施例有特别定义。

本发明实施例可配合附图更加理解，在此揭露的附图亦被视为揭露说明的一部分。需了解的是，在此揭露的附图并未必按照实际装置及元件的比例绘示。在附图中可能夸大实施例的形状与厚度以便清楚表现出本发明实施例的特征。此外，附图中的结构及装置是以示意的方式绘示，以便清楚表现出本发明实施例的特征。

虽然所述的一些实施例中的步骤以特定顺序进行，这些步骤亦可以其他合逻辑的顺序进行。在不同实施例中，可替换或省略一些所述的步骤，亦可于本发明实施例所述的步骤之前、之中、及/或之后进行一些其他操作。本发明实施例中的影像感测器结构及其形成方法可加入其他的特征。在不同实施例中，可替换或省略一些特征。

本发明实施例提供一种影像感测器结构及其形成方法。通过使嵌入式光二极管的第一掺杂区和第二掺杂区中至少一者具有不均匀的掺杂浓度，例如第一掺杂区的掺杂浓度从隔离区至栅极的方向减少、或者第二掺杂区的掺杂浓度从栅极至隔离区的方向减少，其目的都是为了使空电荷电位由栅极至隔离区的方向减少，进而增加电荷的传导效率而减少延迟时间和降低光二极管内残存电荷。

图1是根据本发明的一些实施例所绘示的影像感测器结构100的剖面图。请参阅图1，影像感测器结构100包含基底102。基底102是主体(bulk)半导体基底，例如半导体晶圆。举例而言，基底102是硅晶圆。基底102可包含硅或另一元素半导体材料，例如锗。在一些其它实施例中，基底102包含化合物半导体。化合物半导体可包含砷化镓(gaas)、碳化硅(sic)、砷化铟(inas)、磷化铟(inp)、磷化镓(gap)、另一合适的材料或前述的组合。

在一些实施例中，基底102包含绝缘体上的半导体(semiconductor-on-insulator，soi)基底，可使用植氧分离(separationbyimplantationofoxygen，simox)制程、晶圆接合制程、另一合适的方法或前述的组合来制造绝缘体上的半导体(soi)基底。在一些实施例，基底102具有第一导电型态，例如为p型。

如图1所示，在基底102中形成第一井区104a和第二井区104b。第一井区104a和第二井区104b彼此分开。详细而言，可通过植入(implantation)制程，使用植入遮罩以选择性地将掺杂质植入基底102，来形成第一井区104a和第二井区104b。在一些实施例中，第一井区104a和第二井区104b具有第一导电型态，例如为p型。举例而言，掺杂质为p型掺杂质，例如硼或bf2。

接着，在第一井区104a中形成隔离区106。详细而言，通过合适的制程例如旋转涂布(spin-coating)或化学气相沉积制程(chemicalvapordeposition，cvd)制程、原子层沉积(atomiclayerdeposition，ald)制程、物理气相沉积(physicalvapordeposition，pvd)制程、分子束沉积(molecularbeamdeposition，mbd)制程、电浆增强化学气相沉积(plasmaenhancedchemicalvapordeposition，pecvd)或其他合适的沉积制程或前述的组合或其它合适的沉积制程，将光阻材料形成于第一井区104a的顶面上，接着执行光学曝光、曝光后烘烤和显影，以移除部分的光阻材料，而形成图案化的光阻层，图案化的光阻层将作为用于蚀刻的蚀刻遮罩。可执行双层或三层的光阻。然后，使用任何可接受的蚀刻制程，例如反应离子蚀刻(reactiveionetch，rie)、中性束蚀刻(neutralbeametch，nbe)、类似蚀刻或前述的组合，来蚀刻穿过部分第一井区104a，以于第一井区104a中形成沟槽。接着，可通过蚀刻或其他合适的方法，来移除图案化的光阻层。

接下来，通过合适的沉积制程，例如化学气相沉积制程、原子层沉积制程、物理气相沉积制程、分子束沉积制程、电浆增强化学气相沉积或其他合适的沉积制程或前述的组合，将绝缘材料填入沟槽中，以形成隔离区106。在一些实施例中，隔离区106的绝缘材料为例如氧化硅(siliconoxide)、氮化硅(siliconnitride)、氮氧化硅(siliconoxynitride)或类似材料或前述的组合。在一些实施例中，隔离区106可为浅沟槽隔离(shallowtrenchisolation，sti)区或深沟槽隔离(deeptrenchisolation，dti)区。

接着，在第二井区104b中形成浮动扩散点(floatingdiffusionnode)108。详细而言，可通过植入制程，使用植入遮罩以选择性地将掺杂质植入第二井区104b中，来形成浮动扩散点108。在一些实施例中，浮动扩散点108具有与第一导电型态相反的第二导电型态，例如为n型。举例而言，掺杂质为n型掺杂质，例如磷或砷。

接着，在基底102中且在第一井区104a及第二井区104b之间形成嵌入式光二极管(pinnedphotodiode)110。嵌入式光二极管110包含第一掺杂区110a及第二掺杂区110b。第一掺杂区110a形成于基底102中，且第二掺杂区110b形成于第一掺杂区110a下。第一掺杂区110a与第一井区104a直接接触。在一些实施例中，第一掺杂区110a具有第一导电型态，例如为p型。举例而言，掺杂质为p型掺杂质，例如硼或bf2。在一些实施例中，第二掺杂区110b具有第二导电型态，例如为n型。举例而言，掺杂质为n型掺杂质，例如磷或砷。

第一掺杂区110a具有第一区110a-1、第二区110a-2和第三区110a-3。详细而言，形成露出第一区110a-1、第二区110a-2和第三区110a-3的植入遮罩，以将掺杂质植入第一区110a-1、第二区110a-2和第三区110a-3中，之后将植入遮罩移除。接着，形成露出第一区110a-1和第二区110a-2的植入遮罩，以将掺杂质植入第一区110a-1和第二区110a-2中，之后将植入遮罩移除。接着，形成露出第一区110a-1的植入遮罩，以将掺杂质植入第一区110a-1中，之后将植入遮罩移除。第一掺杂区110a具有第一掺杂浓度。由于前述的植入制程的掺杂浓度大致上相同，因此第一掺杂区110a的第一掺杂浓度为不均匀。详细而言，第一掺杂浓度从隔离区106至栅极112减少。换句话说，第一区110a-1的掺杂浓度大于第二区110a-2的掺杂浓度。第二区110a-2的掺杂浓度大于第三区110a-3的掺杂浓度。在一些实施例中，第一掺杂区110a的第一区110a-1的掺杂浓度为1e18～1e21cm^-3，例如6e18～1.2e19cm^-3。第二区110a-2的掺杂浓度为6e17～6e20cm^-3，例如4e18～8e18cm^-3。第三区110a-3的掺杂浓度为3e17～3e20cm^-3，例如2e18～4e18cm^-3。

第一掺杂区110a的掺杂浓度大于第二掺杂区110b的掺杂浓度。详细而言，第一掺杂区110a的掺杂浓度最低的第一区110a-3的掺杂浓度大于第二掺杂区110b的掺杂浓度。

接着，在基底102上且在第一井区104a和第二井区104b之间形成栅极112。详细而言，使用化学气相沉积制程、原子层沉积制程、物理气相沉积制程、分子束沉积制程、电浆增强化学气相沉积或其他合适的沉积制程或前述的组合，在基底102上形成导电层。导电层的材料可为导电材料，例如非晶硅、多晶硅、金属、金属氮化物、导电金属氧化物或类似材料或前述的组合。举例而言，导电层的材料可包含钨(w)、铜、氮化钨(tungstennitride)、钌(ruthenium)、银、金、铑(rhodium)、钼、镍、钴、镉(cadmium)、锌、前述的合金、前述的组合或类似材料。

接着，执行图案化制程。通过合适的制程例如旋转涂布或化学气相沉积制程、原子层沉积制程、物理气相沉积制程、分子束沉积制程、电浆增强化学气相沉积或其他合适的沉积制程或前述的组合或其它合适的沉积制程，将光阻材料形成于导电层的顶面上，接着执行光学曝光、曝光后烘烤和显影，以移除部分的光阻材料，而形成图案化的光阻层，图案化的光阻层将作为用于蚀刻的蚀刻遮罩。可执行双层或三层的光阻。然后，使用任何可接受的蚀刻制程，例如反应离子蚀刻、中性束蚀刻、类似蚀刻或前述的组合，来蚀刻导电层，以在基底102上且在第一井区104a和第二井区104b之间形成栅极112。接着，可通过蚀刻或其他合适的方法，来移除图案化的光阻层。

本实施例通过使嵌入式光二极管的第一掺杂区具有不均匀的掺杂浓度，例如掺杂浓度从隔离区至栅极减少，可增加电荷的传导效率而减少延迟时间。再者，还能产生额外的电荷满载量(fullwellcapacity)。

图2是根据本发明的一些实施例所绘示的影像感测器结构200的剖面图。应注意的是，与影像感测器结构100对应的相同或类似的元件或层皆由类似的参考数字标记。在一些实施例中，由类似的参考数字标记的相同或类似的元件或层具有相同的意义，且为了简洁而不会再重复叙述。

影像感测器结构200与影像感测器结构100的差异在于，第一掺杂区110a不具有不均匀的掺杂浓度；而第二掺杂区110b具有不均匀的掺杂浓度。第二掺杂区110b具有第一区110b-1、第二区110b-2和第三区110b-3。第二掺杂区110b的第二掺杂浓度为不均匀。详细而言，第二掺杂浓度沿栅极112至隔离区106的方向减少。换句话说，第一区110b-1的掺杂浓度小于第二区110b-2的掺杂浓度。第二区110b-2的掺杂浓度小于第三区110b-3的掺杂浓度。在一些实施例中，第二掺杂区110b的第一区110b-1的掺杂浓度为1e16～1e19cm^-3，例如1e17～4e17cm^-3。第二区110b-2的掺杂浓度为1e16～1e19cm^-3，例如2e17～7e17cm^-3。第三区110b-3的掺杂浓度为1e16～1e19cm^-3，例如3e17～1e18cm^-3。

第一掺杂区110a的掺杂浓度大于第二掺杂区110b的掺杂浓度。详细而言，第一掺杂区110a的掺杂浓度大于第二掺杂区110b的掺杂浓度最高的第三区110b-3的掺杂浓度。

本实施例通过使嵌入式光二极管的第二掺杂区具有不均匀的掺杂浓度，例如掺杂浓度从栅极至隔离区减少，亦可增加电荷的传导效率而减少延迟时间和降低光二极管内残存电荷。再者，还能产生额外的电荷满载量。

图3是根据本发明的一些实施例所绘示的影像感测器结构300的剖面图。应注意的是，与影像感测器结构100对应的相同或类似的元件或层皆由类似的参考数字标记。在一些实施例中，由类似的参考数字标记的相同或类似的元件或层具有相同的意义，且为了简洁而不会再重复叙述。

影像感测器结构300与影像感测器结构100的差异在于，第二掺杂区110b亦具有不均匀的掺杂浓度。第二掺杂区110b具有第一区110b-1、第二区110b-2和第三区110b-3。第二掺杂区110b的第二掺杂浓度为不均匀。详细而言，第二掺杂浓度沿栅极112至隔离区106的方向减少。换句话说，第一区110b-1的掺杂浓度小于第二区110b-2的掺杂浓度。第二区110b-2的掺杂浓度小于第三区110b-3的掺杂浓度。在一些实施例中，第二掺杂区110b的第一区110b-1的掺杂浓度为1e16～1e19cm^-3，例如1e17～4e17cm^-3。第二区110b-2的掺杂浓度为1e16～1e19cm^-3，例如2e17～7e17cm^-3。第三区110b-3的掺杂浓度为1e16～1e19cm^-3，例如3e17～1e18cm^-3。在一些实施例中，第一掺杂区110a的第一区110a-1的掺杂浓度为1e18～1e21cm^-3，例如6e18～1.2e19cm^-3。第二区110a-2的掺杂浓度为6e17～6e20cm^-3，例如4e18～8e18cm^-3。第三区110a-3的掺杂浓度为3e17～3e20cm^-3，例如2e18～4e18cm^-3。

第一掺杂区110a的掺杂浓度大于第二掺杂区110b的掺杂浓度。详细而言，第一掺杂区110a的最低掺杂浓度的第三区110a-3的掺杂浓度大于第二掺杂区110b的掺杂浓度最高的第三区110b-3的掺杂浓度。

通过使嵌入式光二极管的第一掺杂区和第二掺杂区中至少一者具有不均匀的掺杂浓度，例如第一掺杂区的掺杂浓度从隔离区至栅极的方向减少或第二掺杂区的掺杂浓度从栅极至隔离区的方向减少，本发明的一些实施例可增加电荷的传导效率而减少延迟时间和降低光二极管内残存电荷。再者，还能产生额外的电荷满载量。

图4是根据本发明的一些实施例所绘示的影像感测器结构400的剖面图。应注意的是，与影像感测器结构100对应的相同或类似的元件或层皆由类似的参考数字标记。在一些实施例中，由类似的参考数字标记的相同或类似的元件或层具有相同的意义，且为了简洁而不会再重复叙述。

影像感测器结构400与影像感测器结构100的差异在于，嵌入式光二极管110还包含第一深掺杂区110c-1、第二深掺杂区110c-2和第三深掺杂区110c-3设置于第二掺杂区110b下。详细而言，在第二掺杂区110b下形成第一深掺杂区110c-1，在第一深掺杂区110c-1下形成第二深掺杂区110c-2，且在第二深掺杂区110c-2下形成第三深掺杂区110c-3。在一些实施例中，第一深掺杂区110c-1、第二深掺杂区110c-2和第三深掺杂区110c-3具有第二导电型态，例如为n型。举例而言，掺杂质为n型掺杂质，例如磷或砷。在一些实施例中，第一深掺杂区110c-1、第二深掺杂区110c-2和第三深掺杂区110c-3分别具有第三掺杂浓度、第四掺杂浓度和第五掺杂浓度，且第二掺杂浓度大于第三掺杂浓度，第三掺杂浓度大于或等于第四掺杂浓度，且第四掺杂浓度大于或等于第五掺杂浓度。

如图4所示，第二掺杂区110b、第一深掺杂区110c-1、第二深掺杂区110c-2和第三深掺杂区110c-3是从栅极112往隔离区106延伸。第二掺杂区110b、第一深掺杂区110c-1、第二深掺杂区110c-2和第三深掺杂区110c-3的总厚度是从栅极112往隔离区106减少。换句话说，第二掺杂区110b、第一深掺杂区110c-1、第二深掺杂区110c-2和第三深掺杂区110c-3分别具有第一长度l1、第一延伸长度el1、第二延伸长度el2和第三延伸长度el3。第一长度l1大于第一延伸长度el1，第一延伸长度el1大于第二延伸长度el2，且第二延伸长度el2大于第三延伸长度el3。本文所述的长度是指一掺杂区或一元件的左侧壁至右侧壁之间的垂直距离。

第二掺杂区110b、第一深掺杂区110c-1、第二深掺杂区110c-2和第三深掺杂区110c-3分别具有左侧壁及较靠近第二井区104b的右侧壁。第一深掺杂区110c-1、第二深掺杂区110c-2和第三深掺杂区110c-3的右侧壁相较于第二掺杂区110b的右侧壁更靠近第二井区104b。因此，可增加电荷的传导效率而减少延迟时间和降低光二极管内残存电荷；而影像感测器结构100、200、300皆只在水平方向建立梯度位势(gradientpotential)，而影像感测器结构400在垂直方向有额外梯度位势，故可做到比前三者更好的电荷传输效果。

第二掺杂区110b、第一深掺杂区110c-1、第二深掺杂区110c-2和第三深掺杂区110c-3的右侧壁与栅极112在基底102的底面上的投影重叠，以确保光二极管的电荷满载时，未被光二极管收集的多余电荷不会全部满溢至漏极。

本文所述的厚度是指一掺杂区或一元件的顶面至底面之间的垂直距离。第一深掺杂区110c-1、第二深掺杂区110c-2和第三深掺杂区110c-3分别具有第一厚度t1、第二厚度t2和第三厚度t3。第一厚度t1为0.1μm～2μm，例如0.2μm～0.5μm。第二厚度t2为0.1μm～2μm，例如0.2μm～0.5μm。第三厚度t3为0.1μm～2μm，例如0.2μm～0.5μm。

通过设置多个深掺杂区于嵌入式光二极管的第二掺杂区下且总厚度从栅极往隔离区的方向减少，相当于嵌入式光二极管的第二掺杂区的浓度从栅极往隔离区的方向减少，因而增加电荷的传导效率而减少延迟时间和降低光二极管内残存电荷。

除此之外，由于设置多个第二深掺杂区于第二掺杂区下且总厚度从栅极往隔离区减少，若光子在基底的较深层被激发，则光二极管会比较容易收集到光子。

虽然本实施例绘示三个深掺杂区，但深掺杂区的数量并非不限于此。根据设计上的需要，深掺杂区的数量也可以是例如一个、两个或四个。此外，本发明所属技术领域中具有通常知识者可理解的是，实施例之间可视实际需要而结合。

相较于习知技术，本发明实施例所提供的影像感测装置结构至少具有以下优点：

(1)通过使嵌入式光二极管的第一掺杂区和第二掺杂区中至少一者具有不均匀的掺杂浓度，例如第一掺杂区的掺杂浓度从隔离区至栅极的方向减少；而第二掺杂区的掺杂浓度从栅极至隔离区的方向减少，可增加电荷的传导效率而减少延迟时间。

(2)除此之外，由于设置多个深掺杂区于第二掺杂区下且多个深掺杂区于第二掺杂区的总厚度从栅极往隔离区减少，若光子在基底的较深层被激发，则光二极管会比较容易收集到光子。

(3)另外，除了在水平方向产生梯度位势之外，多个深掺杂区还能在垂直方向产生额外的梯度位势，故可具有更好的电荷传输效果。

虽然本发明已揭露较佳实施例如上，然其并非用以限定本发明，在此技术领域中具有通常知识者当可了解，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界的范围为准。