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圖像感測(cè)元件及其制作方法

文檔序號(hào):6955786閱讀:145來(lái)源:國(guó)知局
專利名稱:圖像感測(cè)元件及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體元件,尤其涉及半導(dǎo)體圖像感測(cè)元件(semiconductor image sensor device)及其制作方法。
背景技術(shù)
半導(dǎo)體圖像傳感器(semiconductor image sensor)用以感測(cè)光線。互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CM0Q圖像傳感器(CIQ及電荷耦合元件(charge-coupled device, CCD) 傳感器廣泛地用于許多應(yīng)用,例如靜態(tài)數(shù)碼相機(jī)(digital still camera)或移動(dòng)電話相機(jī) (mobile phone camera)的應(yīng)用。這些裝置利用基底中的像素陣列(array ofpixels),包括發(fā)光二極管(photodiodes)及晶體管,其可吸收朝基底投射的光線(radiation),并將所感測(cè)的光線轉(zhuǎn)換為電性信號(hào)(electrical signals)。背照式(back side illuminated, BSI)圖像感測(cè)元件為圖像感測(cè)元件的一種形式。背照式圖像感測(cè)元件的制作一般需要薄化工藝以減少基底的厚度。一般也于薄化工藝之后進(jìn)行拋光工藝(或視為薄化工藝的一部分)以確認(rèn)背照式圖像感測(cè)元件的背側(cè)為平滑且平坦的。然而,薄化工藝及拋光工藝可能導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生于背照式圖像感測(cè)元件中,尤其是接近基底的背側(cè)處。這些缺陷可能造成暗電流(dark currents)及白像素(white pixels), 其降低背照式圖像感測(cè)元件的圖像品質(zhì)及效能?,F(xiàn)存的背照式圖像感測(cè)元件的制作方法可能無(wú)法充足地對(duì)付這些問(wèn)題。因此,雖然現(xiàn)存制作背照式圖像感測(cè)元件的方法一般對(duì)于它們的預(yù)期的目的而言已足夠,但尚未在所有的方面完全滿足。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題,本發(fā)明一實(shí)施例提供一種圖像感測(cè)元件,包括一基底,具有一前側(cè)及一背側(cè);一光線感測(cè)元件,形成于該基底中,該光線感測(cè)元件用以檢測(cè)通過(guò)該背側(cè)進(jìn)入該基底的一光波;以及一再結(jié)晶硅層,形成于該基底的該背側(cè)上,該再結(jié)晶硅層具有與該基底的光激發(fā)熒光強(qiáng)度不同的光激發(fā)熒光強(qiáng)度。本發(fā)明一實(shí)施例提供一種圖像感測(cè)元件,包括一基底,具有一前表面;一背表面,與該前表面相反;以及互相不彼此包括的一第一部分及一第二部分,該第一部分鄰接該背表面而設(shè)置,該第一部分設(shè)置于該第二部分與該背表面之間,其中該第一部分的電阻小于該第二部分;以及一光線感測(cè)區(qū),設(shè)置于該基底中,該光線感測(cè)區(qū)用以感測(cè)通過(guò)該背表面而朝該光線感測(cè)區(qū)投射的一光線。本發(fā)明一實(shí)施例提供一種制作圖像感測(cè)元件的方法,包括提供一基底,具有一前側(cè)及一背側(cè);于該基底中形成一光線感測(cè)區(qū),該光線感測(cè)區(qū)用于感測(cè)通過(guò)該背側(cè)朝該光線感測(cè)區(qū)投射的一光線;以及在形成該光線感測(cè)區(qū)之后,以一種方式對(duì)該基底進(jìn)行一退火工藝而使該基底靠近該背側(cè)的一部分被熔化。本發(fā)明可減少暗電流及白像素。


圖1顯示用以根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例制作背照式圖像感測(cè)元件的方法流程圖。圖2-圖6顯示根據(jù)圖1的方法的一實(shí)施例制作包含背照式圖像感測(cè)元件的裝置的一系列工藝局部剖面圖。圖7顯示一圖表,其顯示摻質(zhì)濃度程度與進(jìn)入基底的深度之間的關(guān)系,其中顯示所測(cè)量的摻質(zhì)濃度程度。其中,附圖標(biāo)記說(shuō)明如下
11 -方法;
13、15、17 步驟;
30 -圖像感測(cè)元件;
32 -基底;
34 -前側(cè);
36 -背側(cè);
38 -厚度;
50 -像素;
60,61 隔離結(jié)構(gòu);
90 -光線感測(cè)區(qū);
100 離子注入工藝;
140 內(nèi)連線結(jié)構(gòu);
150 緩沖層;
160 承載基板;
170 薄化工藝;
180 厚度;
185 缺陷;
190 注入工藝;
210 退火工藝;
230 部分(或再結(jié)晶層
240 熔化深度;
250 區(qū)域;
260 抗反射層;
270 彩色濾光層;
280 微透鏡;
290 圖表;
300、301、302 曲線;
321,322 平臺(tái)區(qū)。
具體實(shí)施例方式
以下將詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的制作與使用方式。然應(yīng)注意的是,本發(fā)明提供許多可供應(yīng)用的發(fā)明概念,其可以多種特定形式實(shí)施。文中所舉例討論的特定實(shí)施例僅為制造與使用本發(fā)明的特定方式,非用以限制本發(fā)明的范圍。此外,在不同實(shí)施例中可能使用重復(fù)的標(biāo)號(hào)或標(biāo)示。這些重復(fù)僅為了簡(jiǎn)單清楚地?cái)⑹霰景l(fā)明,不代表所討論的不同實(shí)施例及 /或結(jié)構(gòu)之間具有任何關(guān)連性。此外,當(dāng)述及一第一材料層位于一第二材料層上或之上時(shí), 包括第一材料層與第二材料層直接接觸或間隔有一或更多其他材料層的情形。為了簡(jiǎn)單與清楚化,許多結(jié)構(gòu)可能會(huì)繪成不同的尺寸。顯示于圖1的是用以根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例制作背照式圖像感測(cè)元件的方法11的流程圖。請(qǐng)參照?qǐng)D1,方法11開(kāi)始于步驟13,提供具有前側(cè)及背側(cè)的基底。方法11繼續(xù)進(jìn)行至步驟15,于基底中形成光線感測(cè)區(qū)(radiation sensing region)。光線感測(cè)區(qū)可用以感測(cè)自背側(cè)朝光線感測(cè)區(qū)投射的光線。方法11繼續(xù)進(jìn)行至步驟17,以一種方式對(duì)基底進(jìn)行退火而使基底靠近背側(cè)的部分熔化。圖2-圖6顯示根據(jù)圖1的方法11的一實(shí)施例制作包含背照式圖像感測(cè)元件的裝置的一系列工藝局部剖面圖。應(yīng)了解的是,圖2-圖6已簡(jiǎn)化以更佳地了解本公開(kāi)書的發(fā)明。請(qǐng)參照?qǐng)D2,圖像感測(cè)元件30包括基底32,其也稱為元件基底(device substrate)?;?2為摻雜有P型摻質(zhì)(p-type dopant)的硅基底(例如摻雜硼),在此情形下,基底32為P型基底(p-type substrate)?;蛘撸?2可為其他適合的半導(dǎo)體材料。例如,基底32可為摻雜有N型摻質(zhì)(例如,磷或砷)的硅基底,在此情形下,基底32為N 型基底?;?2可包括其他的元素半導(dǎo)體,例如鍺及鉆石(diamond)?;?2可選擇性包括化合物半導(dǎo)體(compound semiconductor)及 / 或合金半導(dǎo)體(alloy semiconductor)。 此外,基底32可包括外延層(印itaxial layer, epi layer)、可受應(yīng)變以增進(jìn)效能、及可包括絕緣層上覆硅(SOI)結(jié)構(gòu)?;?2具有前側(cè)(front side) 34及背側(cè)(back side) 36。為了促進(jìn)接下來(lái)的討論,基底32顯示成垂直翻轉(zhuǎn)上側(cè)在下的形式。換言之,基底32顯示成前側(cè)34較靠近于圖2 的底部,而背側(cè)36較靠近圖2的頂部。前側(cè)34也可稱作前表面,而背側(cè)36也可稱作背表面。基底32具有初始厚度38,其介于近乎100 μ m及近乎3000 μ m之間。在一實(shí)施例中,初始厚度38近乎為700 μ m。基底32包括許多區(qū)域,其可包括像素陣列區(qū)(pixel-array region)、周邊區(qū) (periphery region)、接墊區(qū)(bonding pad region)、及切害 Ij 線區(qū)(scribe line region)。 像素陣列區(qū)包含光線傳感像素的陣列(arrays of radiation-sensing pixels)。每一像素可包括光線感測(cè)元件(radiation-sensing device),其可感測(cè)或檢測(cè)具有特定波長(zhǎng)的光線,其可相應(yīng)于不同顏色的光線。周邊區(qū)包括需被保持光學(xué)上黑暗的元件。這些元件可為數(shù)字元件,例如是特定應(yīng)用集成電路(application-specific integrated circuit,ASIC) 或單芯片系統(tǒng)(system-on-chip,S0C)元件。周邊區(qū)中的元件也可為參考像素(reference pixel),其用以建立圖像感測(cè)元件30的光線強(qiáng)度的基線(baseline)。接墊區(qū)為圖像感測(cè)元件30的一或多個(gè)接墊將被形成的位置。接墊允許電性連接建立于圖像感測(cè)元件30與外部裝置(external devices)之間。切割線區(qū)包括包含介于許多相鄰半導(dǎo)體裸片(dies)之間的邊界(boundaries)的區(qū)域。在之后的工藝中,切割線區(qū)被切穿以在裸片被封裝并以集成電路芯片作販賣之前,物理上地分離這些相鄰的裸片。為了簡(jiǎn)化的目的,周邊區(qū)、接墊區(qū)、及切割線區(qū)不顯示。圖2僅顯示來(lái)自基底32的像素陣列區(qū)的一范例像素50。然而,可了解的是,任何數(shù)量的像素可能于像素陣列區(qū)中形成,且這些其他像素可能以不同于像素50的方式實(shí)施。像素50的概略邊界(approximate boundaries) 以虛線(broken curved lines)顯示于圖2中。于基底32中形成隔離結(jié)構(gòu)(isolation structures)60及61以定義出像素50 的邊界。隔離結(jié)構(gòu)60及61包括淺溝槽絕緣結(jié)構(gòu)(STI features) 0或者,隔離結(jié)構(gòu)60及 61可包括深溝槽絕緣結(jié)構(gòu)(deep trench isolation features)或摻雜絕緣結(jié)構(gòu)(doped isolation features)。也可了解的是,隔離結(jié)構(gòu)60及61可包括淺溝槽絕緣結(jié)構(gòu)、深溝槽絕緣結(jié)構(gòu)、及摻雜絕緣結(jié)構(gòu)的適當(dāng)結(jié)合。在一實(shí)施例中,其中的隔離結(jié)構(gòu)60及61為淺溝槽絕緣結(jié)構(gòu)或深溝槽絕緣結(jié)構(gòu),它們是借由自基底32的前側(cè)34蝕刻出開(kāi)口(或溝槽),并接著于開(kāi)口中填充介電材料(例如是氧化物材料、氮化物材料、或前述的組合)而形成。雖然為了簡(jiǎn)化的目的而未顯示于圖中,但隔離結(jié)構(gòu)60及61可由淺阱(shallow well)及深阱(de印well)所圍繞,淺阱及深阱可均具有與基底32相同的摻雜極性(doping polarity)。換言之,若基底32摻雜以P型摻質(zhì),那么淺阱及深阱也摻雜以P型摻質(zhì),反之亦然。在其他實(shí)施例中,隔離結(jié)構(gòu)60及61 包括摻雜絕緣結(jié)構(gòu),這些摻雜絕緣結(jié)構(gòu)可借由使用具有與光線感測(cè)區(qū)90相反的摻雜極性的摻質(zhì)自前側(cè)34摻雜基底而形成。因此,若光線感測(cè)區(qū)90為N型,用以形成摻雜絕緣結(jié)構(gòu)的摻質(zhì)便為P型摻質(zhì)。接著,于基底32中形成光線感測(cè)區(qū)(或元件)90以作為像素50的一部分。光線感測(cè)區(qū)90形成于隔離結(jié)構(gòu)60與61之間。光線感測(cè)區(qū)90是借由自前側(cè)34于基底32上進(jìn)行離子注入工藝(ion implantation process) 100而形成。離子注入工藝100對(duì)基底32 注入具有與基底32相反的摻雜極性的摻質(zhì)。例如,在一實(shí)施例中,基底32為P型基底,光線感測(cè)區(qū)90則摻雜以N型摻質(zhì)。在另一實(shí)施例中,基底32為N型基底,光線感測(cè)區(qū)90則摻雜以P型摻質(zhì)。在顯示于圖2的實(shí)施例中,光線感測(cè)區(qū)90鄰接或靠近基底32的前側(cè)34而形成。在另一實(shí)施例中,取決于所需設(shè)計(jì)及制作需求,光線感測(cè)區(qū)90可形成于離前側(cè)34更遠(yuǎn)的較深處。光線感測(cè)區(qū)90的方位或位置可借由調(diào)節(jié)離子注入工藝100的注入能量位階 (implantation energy level)而調(diào)整。例如,較高的注入能量位階造成較深的注入,其指光線感測(cè)區(qū)90形成于離前側(cè)34更遠(yuǎn)的較深處。相似地,較低的注入能量位階造成光線感測(cè)區(qū)90形成在較接近前側(cè)34處。光線感測(cè)區(qū)90可用于感測(cè)或檢測(cè)通過(guò)基底32的背側(cè)36而朝光線感測(cè)區(qū)90投射的光波(radiation wave)。在一實(shí)施例中,光線感測(cè)區(qū)90包括固定式發(fā)光二極管(pinned photodiodes)。在其他實(shí)施例中,光線感測(cè)區(qū)90可包括其他形式的發(fā)光二極管、光柵 (photogates)、重置晶體管(reset transistors)、源極隨華禹極晶體管(source follower transistors)、或轉(zhuǎn)換晶體管(transfer transistors)。為了簡(jiǎn)化的目的,光線感測(cè)區(qū)90 的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)未于附圖中繪出。在圖像感測(cè)元件30運(yùn)作期間,可能發(fā)生噪聲,例如是交叉干擾(cross-talk)。例如,電性交叉干擾會(huì)發(fā)生于當(dāng)電荷載流子自像素50散布/擴(kuò)散至鄰近的像素(未顯示)之中時(shí),反之亦然。作為其他例子,光學(xué)上的交叉干擾會(huì)發(fā)生于當(dāng)預(yù)設(shè)由一像素所接收的來(lái)自光波的光子最終被非預(yù)設(shè)的鄰近像素所接收。若聽(tīng)任其不減弱,電性或光學(xué)上的交叉干擾將降低圖像感測(cè)元件30的效能。在此,隔離結(jié)構(gòu)60及61于像素50與相鄰像素之間提供足夠的隔離,因而大抵減輕電性及光學(xué)上的交叉干擾?,F(xiàn)請(qǐng)參照?qǐng)D3,于基底32的前側(cè)34上形成內(nèi)連線結(jié)構(gòu)(interconnect structure) 1400內(nèi)連線結(jié)構(gòu)140包括多個(gè)圖案化介電層及圖案化導(dǎo)電層,其于圖像感測(cè)元件30的許多摻雜結(jié)構(gòu)(doped features)、電路(circuitry)、及輸出/輸入(inout/ output)之間提供內(nèi)連線(interconnections),例如是線路(wiring)。內(nèi)連線結(jié)構(gòu)140包括層間介電層(ILD)及多層內(nèi)連線(multilayer interconnect, MLI)結(jié)構(gòu),其形成一種結(jié)構(gòu),例如是層間介電層分離并隔絕每一多層內(nèi)連線結(jié)構(gòu)與其他的多層內(nèi)連線結(jié)構(gòu)。多層內(nèi)連線結(jié)構(gòu)包括接點(diǎn)(contacts)、導(dǎo)電插塞(vias)、及形成于基底32上的金屬線路(metal lines)。在一實(shí)施例中,多層內(nèi)連線結(jié)構(gòu)可包括導(dǎo)電材料,例如是鋁、鋁/硅/銅合金、鈦、 氮化鈦、鎢、多晶硅、金屬硅化物、或前述的組合,其可稱作鋁內(nèi)連線。鋁內(nèi)連線可借由包含物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、或前述的組合的工藝而形成。其他形成鋁內(nèi)連線的制造技術(shù)可包括光刻工藝及蝕刻工藝以將導(dǎo)電材料圖案化,以用作垂直連接(導(dǎo)電插塞(via)及接點(diǎn)(contact))及水平連接(導(dǎo)電線路(conductive line))。或者,可使用銅多層內(nèi)連線來(lái)形成金屬圖案。銅內(nèi)連線結(jié)構(gòu)可包括銅、銅合金、鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、鎢、多晶硅、金屬硅化物、或前述的組合。銅內(nèi)連線可借由包含化學(xué)氣相沉積、濺鍍 (sputtering)、電鍍(plating)、或其他適合工藝的技術(shù)而形成。于內(nèi)連線結(jié)構(gòu)140上形成緩沖層(buffer layer) 150。在一實(shí)施例中,緩沖層150 包括介電材料,例如氧化硅?;蛘?,緩沖層150可選擇性包括氮化硅。緩沖層150借由CVD、 PVD、或其他適合的技術(shù)而形成。借由化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)工藝以將緩沖層150平坦化而形
成平滑表面。接著,將承載基板(carrier substrate) 160接合至緩沖層150,使得基底32的背側(cè)36的工藝得以進(jìn)行。承載基板160借著分子力(molecular forces)而接合至緩沖層 150。承載基板160可類似于基底32而包括硅材料?;蛘撸休d基板160可選擇性包括玻璃基板。承載基板160對(duì)形成于基底32的前側(cè)34上的許多結(jié)構(gòu)提供保護(hù)。承載基板160 還對(duì)基底32的背側(cè)36的工藝提供機(jī)械強(qiáng)度(mechanical strength)及支持(support),其將在以下作討論??闪私獾氖?,可選擇性進(jìn)行退火工藝以加強(qiáng)接合強(qiáng)度。緩沖層150提供基底32與承載基板160之間的電性絕緣。之后,進(jìn)行薄化工藝(thinning process 或 thin down process) 170 以自背側(cè) 36 薄化基底32。在一實(shí)施例中,薄化工藝170包括化學(xué)機(jī)械研磨工藝。薄化工藝170也可包括鉆石擦洗工藝(diamond scrubbing process)、研磨工藝(grinding process)、或其他適合的工藝。大量的材料可借由薄化工藝170而自基底32移除。在進(jìn)行薄化工藝170之后, 基底32具有厚度180,其介于近乎Iym與近乎6 ym之間。薄化工藝170可能造成多個(gè)缺陷185出現(xiàn)在基底32中,尤其是接近基底32的背側(cè)36處。這些缺陷185可能相對(duì)深地延伸進(jìn)基底32中,例如延伸進(jìn)入基底32約數(shù)百納米(nm)。這些缺陷185可為物理缺陷(physical defects)或電性缺陷(electrical defects),且可捕捉載流子,例如電子。被捕捉的載流子(trapped carriers)可能產(chǎn)生漏電流(leakage current)。漏電流對(duì)于圖像傳感器(例如,圖像感測(cè)元件30)而言是個(gè)問(wèn)題。例如,當(dāng)有足夠量的漏電流時(shí),光線感測(cè)區(qū)90可能錯(cuò)誤地檢測(cè)“光線”,即使當(dāng)圖像感測(cè)元件30放置于光學(xué)上黑暗的環(huán)境之中。換言之,像素50可能最終“感測(cè)到”光線,即使當(dāng)其不應(yīng)該感測(cè)到時(shí)(因?qū)嶋H上沒(méi)有光線)。在此情形下,漏電流可稱作“暗電流(dark current)”,而像素50可變成所謂的“白像素(white pixel)”。暗電流與白像素降低圖像感測(cè)元件30的效能,因而為不受歡迎的。先前的背照式圖像傳感器工藝可能無(wú)法充分地移除造成暗電流及白像素的缺陷185。比較地,本公開(kāi)書的實(shí)施例提供大抵減少暗電流及白像素的解決方法。此技術(shù)將在之后詳細(xì)地討論。現(xiàn)請(qǐng)參照?qǐng)D4,進(jìn)行注入工藝190以通過(guò)背側(cè)36將摻質(zhì)注入進(jìn)基底32中。摻質(zhì)可為多個(gè)摻質(zhì)離子(dopant ions),例如硼離子、磷離子、或砷離子。使用于注入工藝190中的摻質(zhì)的種類可取決于設(shè)計(jì)需求而變化。例如,若光線感測(cè)區(qū)90的有效光線感測(cè)面積需要擴(kuò)大,那么注入工藝190的摻質(zhì)選擇成具有與光線感測(cè)區(qū)90相同的摻雜極性(因而具有與基底32相反的摻雜極性)。若需要增加載流子電位(carrier potential),那么注入工藝 190的摻質(zhì)選擇成具有與基底32相同的摻雜極性(因而具有與光線感測(cè)區(qū)90相反的摻雜極性)。在一實(shí)施例中,使用P型摻質(zhì),例如硼(B)或氟化硼(BF2)作為注入工藝190的摻質(zhì)。注入能量介于近乎0. 1千電子伏特(KeV)與近乎50千電子伏特(KeV)之間。注入劑量(implantation dosage)介于近乎IxlO12原子/cm3與近乎IxlO15原子/cm3之間?,F(xiàn)請(qǐng)參照?qǐng)D5,對(duì)基底32的背側(cè)36進(jìn)行退火工藝(annealing process) 210。在一實(shí)施例中,退火工藝210為激光退火工藝(laser annealing process),并可到達(dá)足夠高的退火溫度以將基底32接近背側(cè)36的部分熔化。例如,在一實(shí)施例中,基底32包括硅,退火工藝210可到達(dá)近乎攝氏1414度的退火溫度,其溫度高到足以熔化硅。因此,基底32接近背側(cè)36的一部分230被熔化。部分230具有熔化深度M0,其測(cè)量自基底32的背側(cè)36。熔化深度240 —般與使用于退火工藝210中的退火時(shí)間(duration)及退火能量大小有關(guān)。較長(zhǎng)的退火時(shí)間或較高的退火能量一般造成較深的熔化深度M0。因此,熔化深度240可借由調(diào)整退火時(shí)間及能量而控制,但僅能控制某種程度。這部分是因?yàn)槿刍疃?40可能被停止于一最大熔化深度。 當(dāng)?shù)竭_(dá)最大熔化深度時(shí),熔化深度240可能不會(huì)成長(zhǎng),即使增加退火時(shí)間或退火能量。其中一原因是基底32中的溫度在更深入基底32處(更遠(yuǎn)離背側(cè)36處)會(huì)快速地衰減。在基底32的超出最大熔化深度的區(qū)域,在這些區(qū)域的溫度可能不足以高到能熔化硅。此外,實(shí)際重要的是,退火時(shí)間及退火能量可能受限于其他因素。例如,若熔化深度240過(guò)高,那么像素50可能無(wú)法吸收及檢測(cè)具有相對(duì)短波長(zhǎng)的光線,例如是藍(lán)光(其波長(zhǎng)介于約450nm與490nm之間)。在另一例子中,工藝可能對(duì)圖像感測(cè)元件30分派熱預(yù)算 (thermal budget)。熱預(yù)算定義在升溫工藝期間,轉(zhuǎn)移至晶片(其上制造有圖像感測(cè)元件 30)的熱能總量。若傳送至晶片的熱能超出所分派的熱預(yù)算,晶片上的元件可能被破壞且可能變得無(wú)法運(yùn)作。因此,退火時(shí)間及退火能量可能也實(shí)際上受限于可利用的熱預(yù)算,即使在理論最大熔化深度可到達(dá)之前。在此,注入工藝190(圖4)幫助退火工藝210的進(jìn)行。尤其,借由注入工藝190 而注入進(jìn)入基底32的摻質(zhì)將造成基底32具有較低的有效熔化溫度(effective melting temperature)及較高的熔化深度M0。換言之,因?yàn)榛?2于接近背側(cè)36處被摻雜,實(shí)際的退火溫度可能不需到達(dá)1414°C才能熔化接近基底32的背側(cè)36處的硅,其幫助降低(或符合)熱預(yù)算。也因?yàn)樽⑷耄刍糠?30可達(dá)到較高的熔化深度MO (相較于若注入工藝190未曾進(jìn)行的情形)。為了提供一些范例數(shù)值,在一實(shí)施例中,退火工藝210具有介于近乎10納秒 (nanoseconds,ns)與近乎1000納秒(ns)之間的退火時(shí)間,及具有介于近乎0. 5J/cm2與近乎5J/cm2之間的退火能量位階(annealing energy level)。在此實(shí)施例中,最終熔化深度 240介于近乎5nm與近乎200nm之間。退火工藝210造成基底32的部分230中的硅熔化并再結(jié)晶(recrystalize)。因此,部分230也可稱作再結(jié)晶層(recrystalized layer) 230?;谧⑷牍に?90 (圖4),再結(jié)晶層230相較于基底32的其他部分明顯更加地重?fù)诫s,例如多了數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)(several orders of magnitude),其中每多一數(shù)量級(jí)為多10倍。在一實(shí)施例中,再結(jié)晶層230的摻雜濃度程度為介于近乎IxlOw原子/cm3與近乎IxlO21原子/cm3之間。相較于未曾熔化的硅(例如基底32的介于再結(jié)晶層230與光線感測(cè)區(qū)90之間的區(qū)域250),再結(jié)晶層230還擁有其他不同的物理特性。例如,相較于區(qū)域250,再結(jié)晶層230具有不同程級(jí)的光激發(fā)熒光強(qiáng)度(photoluminescence intensity)。光激發(fā)熒光 (photoluminescence)是一種過(guò)程,其中一物質(zhì)(例如,硅)將光子吸收進(jìn)物質(zhì)中,并接著自物質(zhì)重新放射(re-emit)光子。在量子力學(xué)的觀點(diǎn)中,此現(xiàn)象可視為激發(fā)至較高能量狀態(tài), 并接著回到較低的能量狀態(tài)?;氐捷^低能量狀態(tài)的過(guò)程造成光子自物質(zhì)放射。在一實(shí)施例中,再結(jié)晶層230較區(qū)域250具有較高的光激發(fā)熒光強(qiáng)度。在另一例子中,相較于未熔化的硅(例如,區(qū)域250),再結(jié)晶層230具有大抵較低的電阻(片電阻形式)。再結(jié)晶層230的電阻可能低了區(qū)域250的電阻數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。在一些實(shí)施例中,再結(jié)晶層230的電阻可能甚至低于光線感測(cè)區(qū)90的電阻。在此所敘述的實(shí)施例相較于公知背照式圖像傳感器制造方法提供許多優(yōu)點(diǎn)。然而,可了解的是,其他實(shí)施例可能提供不同的優(yōu)點(diǎn),且對(duì)于任何實(shí)施例而言,沒(méi)有特定的優(yōu)點(diǎn)是必須的。其中一優(yōu)點(diǎn)是在不犧牲熱預(yù)算的情形下,可達(dá)到較深的熔化深度。如以上所討論,可能有達(dá)到預(yù)定的熔化深度的需求,其可能需要某種程度的退火時(shí)間與能量。退火時(shí)間與能量的大小可能造成熱預(yù)算超出。在此,由于借由注入工藝190的摻質(zhì)注入減低硅的熔化溫度及增加熔化深度,可能完成更深的再結(jié)晶層230(再結(jié)晶硅層),即使僅使用小能量的激光一段較短的時(shí)間。因此,不會(huì)超出熱預(yù)算。另一好處是熔化的硅釋放許多被捕捉的載流子,其與缺陷185有關(guān)。因此,再結(jié)晶層230中的缺陷185大抵減少。在此所敘述的實(shí)施例的另一優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)深的熔化深度240 大抵減少基底32中的缺陷185。因此,圖像感測(cè)元件30的暗電流的數(shù)量與白像素的數(shù)目也被減少。現(xiàn)請(qǐng)參照?qǐng)D6,于再結(jié)晶層230上形成抗反射層(anti-reflective layer)沈0??狗瓷鋵?60用來(lái)減少朝背側(cè)36投射的光波(radiation wave)的反射。之后,于抗反射層 260上形成彩色濾光層(color filter) 270。彩色濾光層270可幫助具有特定范圍的波長(zhǎng)的光波(其可相應(yīng)于特定的光色,例如紅、綠、或藍(lán))的過(guò)濾。因此,彩色濾光層270可用來(lái)僅允許具有特定顏色的光線到達(dá)光線感測(cè)區(qū)90。同時(shí),其他相似于像素50的像素(未顯示)可具有濾光層,其經(jīng)設(shè)計(jì)而使不同顏色的光線可由它們的相應(yīng)光線感測(cè)區(qū)所檢測(cè)。為了達(dá)成特定波長(zhǎng)帶(specific wavelength bands)的過(guò)濾,彩色濾光層270可包括染料基 (dye-based)(或顏料基(pigment-based))的高分子或樹(shù)脂。
在形成彩色濾光層270之后,于彩色濾光層270上形成微透鏡觀0,用以導(dǎo)引朝光感測(cè)區(qū)90投射的光線。微透鏡280可以許多排列方式放置,且具有許多形狀,其取決于微透鏡280所采用的材質(zhì)的折射系數(shù)(refractive index)及與圖像感測(cè)元件30的表面間的距離。也可了解的是,可對(duì)每一其他未顯示的像素采用相似于微透鏡觀0的微透鏡。此外,雖然為了簡(jiǎn)化的目的而未顯示于圖中,可了解的是,圖像感測(cè)元件30可包括電荷耦合元件(CCD)、互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CM0Q圖像傳感器(CIS)、有源像素傳感器(active-pixel sensor)、或無(wú)源像素傳感器(passive-pixel sensor)。圖像感測(cè)元件 30可還包括附加的電路及輸出/輸入,其鄰接像素(例如,像素50)而提供,用以提供像素的可操作環(huán)境及支援對(duì)像素的外部通信(external communication)。圖7為圖解圖表四0,其顯示摻質(zhì)濃度程度如何隨進(jìn)入基底的深度而變化,且隨退火能量的數(shù)量而變化。圖7還參照?qǐng)D4-圖5作敘述。請(qǐng)參照?qǐng)D7,圖表四0的X軸代表不同的進(jìn)入基底的深度(cbpth into the substrate),其中每一深度測(cè)量自基底的背側(cè)。圖表四0的Y軸代表不同的摻質(zhì)濃度程度(dopant concentration level)。在圖表四0中顯示有三個(gè)曲線300、301、及302。曲線300-302的數(shù)值取自使用不同制作方法所制作的背照式圖像感測(cè)元件樣品。每一曲線300-302均包括多個(gè)數(shù)值點(diǎn),其中每一數(shù)值點(diǎn)關(guān)于其進(jìn)入基底的深度(X軸的數(shù)值)及其相應(yīng)的摻質(zhì)濃度程度(Y軸的數(shù)值)。更詳細(xì)地,曲線300顯示摻質(zhì)濃度數(shù)值對(duì)進(jìn)入基底的深度的關(guān)系,其中未曾進(jìn)行退火工藝210。曲線301顯示摻質(zhì)濃度數(shù)值對(duì)進(jìn)入基底的深度的關(guān)系,其中退火工藝使用近乎1. 85J/cm2的退火能量而進(jìn)行。曲線302顯示摻質(zhì)濃度數(shù)值對(duì)進(jìn)入基底的深度的關(guān)系, 其中退火工藝使用近乎2. 05J/cm2的退火能量而進(jìn)行。對(duì)于曲線300-302而言,進(jìn)行了大抵相似的注入工藝。如可見(jiàn)于圖7,對(duì)于曲線300而言,摻質(zhì)濃度程度隨著進(jìn)入基底的深度的增加而快速地下降。由于未曾進(jìn)行退火工藝210,基底的接近背側(cè)的部分未熔化。對(duì)基底的背側(cè)所進(jìn)行的注入工藝可對(duì)基底注入進(jìn)高濃度的摻質(zhì),尤其是基底的靠近背側(cè)的部分。但是,隨后的退火工藝不進(jìn)行表示這些摻質(zhì)離子被“困(stuck)”于它們所被注入的區(qū)域中。這解釋為何摻質(zhì)濃度程度在接近背側(cè)處(進(jìn)入基底的深度小的位置)非常高。事實(shí)上,當(dāng)進(jìn)入基底的深度小于近乎IOnm時(shí),曲線300的摻質(zhì)濃度程度可能甚至超出正常的飽和摻質(zhì)濃度程度 (normal saturation dopant concentration level)0作為比較地,曲線301及302均具有稍微平坦的“平臺(tái)(platform) ”區(qū)(平坦帶 (flat band)),其分別以標(biāo)號(hào)321及322標(biāo)示。在每一這些平臺(tái)區(qū)321及322中,摻質(zhì)濃度程度均看起來(lái)與進(jìn)入基底的深度不具有任何關(guān)聯(lián)。反而,在每一平臺(tái)區(qū)321及322中,摻質(zhì)濃度程度均不大幅度地變化。如圖7所示,在平臺(tái)區(qū)321中的摻質(zhì)濃度程度看起來(lái)在平臺(tái)區(qū)321中僅以一個(gè)數(shù)量級(jí)的其他摻質(zhì)濃度程度作變化。同樣的情形也發(fā)生于平臺(tái)區(qū)322。平臺(tái)區(qū)321及322的相對(duì)平坦是因?yàn)樵俳Y(jié)晶層中的硅的熔化與再結(jié)晶。當(dāng)硅熔化而呈現(xiàn)液態(tài)形式,先前所被捕捉的摻質(zhì)離子現(xiàn)溶解于硅中,并可以非常快的速度在液態(tài)硅中自由移動(dòng)。在此方式中,摻質(zhì)離子可從靠近背側(cè)的較重?fù)诫s區(qū)重新分配至離背側(cè)較遠(yuǎn)的低摻雜區(qū)。因此,摻質(zhì)濃度程度可在跨過(guò)一定的距離(其可為再結(jié)晶層的熔化深度)中仍保持相對(duì)穩(wěn)定。超過(guò)此距離,對(duì)于摻質(zhì)離子要到達(dá)這些更深的區(qū)域可能更為困難。因此,摻質(zhì)濃度程度開(kāi)始隨著進(jìn)入基底的深度的增加而快速地下降。換言之,超出再結(jié)晶層之后,摻質(zhì)濃度程度與進(jìn)入基底的深度反向相關(guān)(inversely correlated)??闪私獾氖?,基于平臺(tái)區(qū) 321及322的相對(duì)高的摻質(zhì)濃度程度,這些平臺(tái)區(qū)與大抵較低的電阻有關(guān),相較于曲線301 及302的其他部分而言。也可看出曲線302的平臺(tái)區(qū)322較曲線301的平臺(tái)區(qū)321還長(zhǎng)。這點(diǎn)至少部分是因?yàn)榍€302對(duì)應(yīng)于較高的退火能量(2.05J/cm2對(duì)1.85J/cm2)。因此,相較于曲線301,曲線302可相應(yīng)于較大的熔化深度M0。實(shí)驗(yàn)結(jié)果已顯示,對(duì)于相應(yīng)于曲線301的背照式圖像感測(cè)元件而言,其所測(cè)得的暗電流近乎9. 62電子/秒(electrons/second),而其白像素的數(shù)目近乎9415個(gè)。對(duì)于相應(yīng)于曲線302的背照式圖像感測(cè)元件而言,其所測(cè)得的暗電流近乎5. 14電子/秒 (electrons/second),而其白像素的數(shù)目近乎6291個(gè)。因此,如上所討論,借由在此所揭示的實(shí)施例所達(dá)到的較大熔化深度可大抵減少導(dǎo)致暗電流與白像素問(wèn)題的缺陷。雖然本發(fā)明已以數(shù)個(gè)優(yōu)選實(shí)施例揭示如上,然其并非用以限定本發(fā)明,任何本領(lǐng)域普通技術(shù)人員,在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi),當(dāng)可作任意的更動(dòng)與潤(rùn)飾,因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視所附的權(quán)利要求所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種圖像感測(cè)元件,包括 一基底,具有一前側(cè)及一背側(cè);一光線感測(cè)元件,形成于該基底中,該光線感測(cè)元件用以檢測(cè)通過(guò)該背側(cè)進(jìn)入該基底的一光波;以及一再結(jié)晶硅層,形成于該基底的該背側(cè)上,該再結(jié)晶硅層具有與該基底的光激發(fā)熒光強(qiáng)度不同的光激發(fā)熒光強(qiáng)度。
2.如權(quán)利要求1所述的圖像感測(cè)元件,其中該再結(jié)晶硅層相較于該基底還重?fù)诫s了至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。
3.如權(quán)利要求1所述的圖像感測(cè)元件,其中該再結(jié)晶硅層的不同區(qū)域具有相應(yīng)的摻雜濃度程度,所述摻雜濃度程度之間的差異在一個(gè)數(shù)量級(jí)之內(nèi);以及隨著進(jìn)入該基底的一深度增加,該基底具有逐漸減少的摻雜濃度程度,進(jìn)入該基底的該深度測(cè)量自該背側(cè)。
4.一種圖像感測(cè)元件,包括 一基底,具有一前表面;一背表面,與該前表面相反;以及互相不彼此包括的一第一部分及一第二部分,該第一部分鄰接該背表面而設(shè)置,該第一部分設(shè)置于該第二部分與該背表面之間,其中該第一部分的電阻小于該第二部分;以及一光線感測(cè)區(qū),設(shè)置于該基底中,該光線感測(cè)區(qū)用以感測(cè)通過(guò)該背表面而朝該光線感測(cè)區(qū)投射的一光線。
5.如權(quán)利要求4所述的圖像感測(cè)元件,其中該基底的該第一部分的光激發(fā)熒光強(qiáng)度不同于該基底的該第二部分的光激發(fā)熒光強(qiáng)度。
6.如權(quán)利要求4所述的圖像感測(cè)元件,其中該基底的該第一部分的電阻小于該光線感測(cè)區(qū)的電阻。
7.如權(quán)利要求4所述的圖像感測(cè)元件,其中該基底的該第一部分具有一第一范圍的摻質(zhì)濃度值; 該基底的該第二部分具有一第二范圍的摻質(zhì)濃度值;以及該第一范圍中的每一摻質(zhì)濃度值大于該第二范圍中的每一摻質(zhì)濃度值。
8.如權(quán)利要求7所述的圖像感測(cè)元件,其中該第一范圍的摻質(zhì)濃度值及該第二范圍的摻質(zhì)濃度值測(cè)量于且相關(guān)于離該背表面的一相應(yīng)距離;以及其中該基底的該第一部分的每一所述摻質(zhì)濃度值均與所述相應(yīng)距離無(wú)關(guān),并且該第一部分的每一所述摻質(zhì)濃度值彼此間的差異小于一個(gè)數(shù)量級(jí)之內(nèi);以及該基底的該第二部分的每一所述摻質(zhì)濃度值均與所述相應(yīng)距離反向相關(guān)。
9.一種制作圖像感測(cè)元件的方法,包括 提供一基底,具有一前側(cè)及一背側(cè);于該基底中形成一光線感測(cè)區(qū),該光線感測(cè)區(qū)用于感測(cè)通過(guò)該背側(cè)朝該光線感測(cè)區(qū)投射的一光線;以及在形成該光線感測(cè)區(qū)之后,以一種方式對(duì)該基底進(jìn)行一退火工藝而使該基底靠近該背側(cè)的一部分被熔化。
10.如權(quán)利要求9所述的制作圖像感測(cè)元件的方法,還包括在該退火工藝之前,自該背側(cè)將一摻質(zhì)注入進(jìn)該基底之中,其中該注入與該退火工藝以一種方式進(jìn)行而使得該基底被熔化的該部分為一第一部分,并具有第一范圍的摻質(zhì)濃度值; 該基底的一第二部分與該第一部分互相不彼此包括,且該第二部分具有一第二范圍的摻質(zhì)濃度值;以及該第一范圍中的每一摻質(zhì)濃度值大于該第二范圍中的每一摻質(zhì)濃度值。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)施例提供一種圖像感測(cè)元件及其制作方法,該元件包括一基底,具有一前側(cè)及一背側(cè);一光線感測(cè)元件,形成于該基底中,該光線感測(cè)元件用以檢測(cè)通過(guò)該背側(cè)進(jìn)入該基底的一光波;以及一再結(jié)晶硅層,形成于該基底的該背側(cè)上,該再結(jié)晶硅層具有與該基底的光激發(fā)熒光強(qiáng)度不同的光激發(fā)熒光強(qiáng)度。本發(fā)明可減少暗電流及白像素。
文檔編號(hào)H01L27/146GK102237383SQ20101053548
公開(kāi)日2011年11月9日 申請(qǐng)日期2010年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月23日
發(fā)明者劉人誠(chéng), 周耕宇, 莊俊杰, 杜友倫, 楊敦年, 王從建 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司
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