CN101312202A - 背面照光感测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种背面照光感测器。该背面照光感测器，包含有具有正面的半导体基底。多个像素形成于该半导体基底的正面。至少一个像素具有光电栅结构。该光电栅结构具有栅极，且该栅极具有光反射层。本发明可以增加感测器的敏感度。

Description

背面照光感测器

技术领域

本发明涉及图像感测器，尤其涉及互补式金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)图像感测器(CMOS imagesensor，CIS)。

背景技术

CIS已经广泛的使用在许多不同的应用场合中，譬如说，如数码相机(digital camera)的应用。一般而言，CIS是用来感测投射到半导体基底上的入射光的光量。为了达到此目的，图像感测器采用排成阵列的多个像素(pixel)，或称为图像感测元件(image sensor elements)，来收集光能，并转化图像成为电子信号，而电子信号就可以有各样的应用。一个CIS像素可以具有光电感测器(photodetector)，如光电二极管(photodiode)、光电栅(photogate)感测器、光电晶体管(phototransistor)等，来收集光能。

有一种CIS称为背面照光(backside-illuminated，BSI)感测器，其使用位于感测器的基底的正面的像素，来感测由该基底的背面照射进来的入射光的光量。基底必须要相当的薄，如此，照射到该基底背面的入射光才能够有效地到达正面的像素。BSI感测器的好处是能提供较高的感测区比例(fill factor)以及比较低的破坏性干涉(destructive interference)。而且，要降低像素间彼此的干扰(crosstalk)的话，一个很薄的基底是必要的。然而，薄的基底却会降低图像感测器的量子效率(quantum efficiency)。量子效率代表着感测器转换光能成为信号的能力，会随着不同波长的光而有不同的反应。特别的是，BSI针对具有长波长的光的量子效率一般是比较差的。譬如说，对于红光的量子效率一般会少约20％-50％左右。

传统的CIS，不仅仅是BSI感测器，还有其它的缺点。譬如说，CIS还有噪声的问题，如kT/C噪声(以计算噪声量的公式来命名)。这样的噪声量同时也包含有可以被量测到的入射光的准确度。噪声量跟CIS所使用的光电感测器的类型有关。相较于光电二极管类型的CIS，光电栅(photogate)感测器类型的CIS可以有较低的噪声。但是，光电栅感测器类型的CIS却可能遭受到感测灵敏度降低的问题，因为入射光并没有完全被感测器所捕捉。

因此，BSI感测器的改进是有必要的。

发明内容

本发明实施例提供一种背面照光感测器。该背面照光感测器，包含有具有正面(front surface)以及背面(back surface)的半导体基底。多个像素形成于该半导体基底的正面。至少一个像素具有光电栅(photogate)结构。该光电栅结构具有栅极，且该栅极具有光反射层。

如上所述的背面照光感测器，其中，该光反射层设于该栅极上，即与该半导体基底相反的一边。

如上所述的背面照光感测器，其中，所述至少一个像素包含有N型光电感测器。

如上所述的背面照光感测器，其中，该光反射层包含有金属硅化物。

如上所述的背面照光感测器，其中，该光反射层包含有以下多种金属硅化物其中之一：硅化镍、硅化钴、硅化钨、硅化钛、硅化钽、硅化铂、硅化铒、以及硅化钯。

如上所述的背面照光感测器，其中，该栅极为多晶硅/金属硅化物栅。

如上所述的背面照光感测器，其中，该栅极为金属栅。

如上所述的背面照光感测器，其中，该光反射层包含有以下金属其中之一：铜、钨、钛、钽、氮化钛、氮化钽、硅化镍、以及硅化钴。

如上所述的背面照光感测器，其中，该金属栅包含有金属层以及金属硅化物层。

如上所述的背面照光感测器，还包含有：传送晶体管、复位晶体管、源极跟随晶体管、以及选择晶体管。

如上所述的背面照光感测器，其中，该半导体基底的厚度约介于2微米到4微米之间。

本发明实施例也提供背面照光感测器的另一个实施例。该背面照光感测器的基底具有正面以及背面。该感测器也具有感测入射光的装置，用以感测入射于该基底的背面的光线。该感测器也具有反射光线的装置，用以反射光线，其包含有光反射层，形成于该基底的正面。

本发明实施例也提供了具有半导体基底的一种图像感测器。该半导体基底具有光电感测器，其包含有光反射层。该光反射层形成于该半导体基底的第一面。入射光照射于该半导体基底的第二面。该第一面与该第二面相反。该入射光被该光电感测器所检测。在实施例中，该光电感测器包含有光电子收集区域，耦接至栅极。

本发明可以增加感测器的敏感度。

附图说明

图1显示图像感测器装置。

图2为像素或是图像感测元件的电路结构图。

图3a显示一图像感测元件的实施例的剖面图。

图3b显示多种光电栅结构中，各种波长光的穿透率。

图4显示一种操作BSI感测器的方法。

其中，附图标记说明如下：

100图像感测器装置110像素

200图像感测元件          202复位晶体管

204源极跟随晶体管        206选择晶体管

208恒流源                210电源

212传送晶体管            214光电感测器

300图像感测元件          302半导体基底

304光电子收集产生区      306隔离结构

308防护环阱              310浮动扩散区

312栅介电层              314栅电极层

316光反射层              318栅介电层

320、322栅电极层         324入射光线

326反射光                328穿透光线

332曲线                  334a、334b、334c、334d曲线

具体实施方式

以下所公开的大致上关于图像感测器，尤其关于BSI感测器。可以了解的是，以下所采用的实施例只是当成一些例子，提供以明了更上位的发明概念。而且本领域技术人员可以很简单的运用以下公开的内容，来实施在其它的方法或是装置上。此外，以下所揭示的方法与装置中包含有一些传统已知的结构或是工艺。因为这些传统已知的结构或是工艺是广为本领域技术人员所熟知的，所以仅对其进行大略的介绍或解释。而且，图示中的元件符号或是数字，如果重复出现的话，是为了方便以及举例的考量，而并非是要用来指明图与图之间有什么特别的特征组合或是步骤组合。而且，此技术说明中所描述的第一特征形成于第二特征之上时，可能包含两个第一与第二特征直接接触在一起的实施例，也可能包含有第一与第二特征之间插有另一个特征，所以第一与第二特征没有直接接触在一起的实施例。此外，当描述一个特征形成在一个基底上的时候，或是形成在基底表面上的时候，是意味着包含有许多种不一样的实施例，例如该特征形成在基底表面的上方、该特征形成且邻接在基底表面、该特征直接的形成在基底表面、或是该特征形成且会延展到基底表面底下(如同离子注入区)等的实施例。

请参考图1，其显示图像感测器装置100包含有排成阵列的多个像素110。图像感测器装置100是CIS或是有源像素感测器。图像感测器装置100也是BSI感测器。像素110包含有光电感测器，用以记录光线的亮度或是强度。在实施例中，光电感测器具有光电栅类型的光电感测器。像素110也可以包含有复位晶体管(reset transistors)、源极跟随晶体管(source followertransistors)、选择晶体管(selector transistors)、或传送晶体管(transfertransistors)。其它的一些电路或是输入输出一般是放置在紧邻像素110的阵列旁，用来提供像素110的操作环境，并提供像素110的对外通讯的管道。为了简洁与清楚的原因，以下仅以单一一个像素作为例子，但是，当用多个像素组合成一个阵列的时候，就可以形成如图1所示的感测器。

请参阅图2，其为像素或是图像感测元件200的电路结构图。图像感测元件200具有复位晶体管202、源极跟随晶体管204、选择晶体管206、传送晶体管(或称为传送栅晶体管)212、以及光电感测器214。光电感测器214与复位晶体管202相串联。源极跟随晶体管204的栅极连接到复位晶体管202的源极。源极跟随晶体管204的漏极连接到电源210。选择晶体管206与源极跟随晶体管204相串联。复位晶体管202可以用来对图像感测元件200进行复位的动作。源极跟随晶体管204可以使图像感测元件200的电压在没有移动所收集的电荷的条件下被观察到。选择晶体管206可以是行选择晶体管(row select transistor)；当选择晶体管206被开启的时候，允许位于像素阵列(如图1所示)中单一行的像素被读取。传送晶体管212的漏极，同时也是复位晶体管202的源极，是对应到浮动扩散区(floating diffusion region)，稍后将会在图3a中介绍。传送晶体管212可以将光电感测器214中所累积收集的信号电荷转移到浮动扩散区中。因为浮动扩散区连接到源极跟随晶体管204的栅极，如果选择晶体管206是处于开启的状态(该行被选取到了)，数据就会被像素所输出。在实施例中，传送晶体管212可以容许进行相关二次取样(correlated double sampling)。在图中的实施例中，光电感测器214是光电栅类型的光电感测器214(也有称之为栅类型光电二极管或是光电栅结构)。光电感测器214耦接地(ground)。光电感测器214的栅极可以施加一个电压，以使栅极底下产生一个沟道(channel)。恒流源208可以用以驱动图像感测元件200。

请参阅图3a，其显示图像感测元件300的实施例的剖面图。如图所示，图像感测元件300具有传送晶体管以及光电感测器。光电感测器具有光电栅结构。可以了解的是，图像感测元件300还可以具有各式各样的晶体管，如复位晶体管(reset transistor)、源极跟随晶体管(source follower transistor)、行选择晶体管(row select transistor)、或是其它类型的晶体管。而且，如图所示，图像感测元件300具有像素。可能还有其它的像素，如同图1所示。

图像感测元件300可以使用CMOS工艺来制作。图像感测元件300具有半导体基底302。在实施例中，基底302是处于单晶结构(crystalline structure)的硅(silicon)。基底302也可以是或包含有其它的元素半导体(elementarysemiconductor)，如锗(germanium)。另一种可能的例子是，基底302包含有化合物半导体(compound semiconductor)，如碳化硅(silicon carbide)、砷化镓(Gallium Arsenide，GaAs)、砷化铟(Indium Arsenide)、与磷化铟(Indiumphosphide)。在实施例中，基底302可以包含有P型硅基底(P-substrate)。P型基底可以用P型掺杂物，如硼(boron)、氟化硼(BF₂)、或是其它适合的材料，掺杂硅基底而形成。而掺杂的方式可以用一般所熟知的离子注入或是扩散工艺的方式来进行。在实施例中，硅基底的厚度大约介于2微米(micrometer)到4微米之间。

图像感测元件300还具有一些隔离结构306。在所示的实施例中，隔离特征306是浅沟槽隔离(shallow trench isolation，STI)结构。隔离结构306可以定义并隔绝有源区(active regions)，而有源区中可以用来形成图像感测器300中的各种微电子元件。隔离结构306可以用现有的工艺形成在基底302中。举例来说，STI结构可以先以光刻工艺于基底302上定义出图案，接着以等离子体蚀刻工艺蚀刻基底302来形成各种沟槽，之后以介电材料(如氧化硅)填入那些沟槽中。防护环阱(guard-ring well)308也可以大致的形成在隔离结构306下。防护环阱308可以是P型阱，以P型掺杂物(如硼(B)、BF₂、或是其它适合的材料)掺杂于基底302中来形成。掺杂的方式可以用一般所熟知的离子注入或是扩散工艺的方式，对一个通过光刻工艺步骤所定义的区域进行离子注入或扩散工艺。

图像感测元件300还包含有传送晶体管(或称为传送栅晶体管)。传送晶体管可以将光电子收集区域(photodiode region)304中所产生的光电子传送到浮动扩散区310中，而浮动扩散区310也是传送晶体管的漏极。浮动扩散区310可以用离子注入的方式，将N型掺杂物，如砷(arsenic)、磷(phosophorus)、或是其它适合的材料，掺杂入基底302中来形成。传统的光刻方法可以用来定义出所要进行注入的区域。传送晶体管具有栅极，而栅极有栅介电层318以及栅电极层320与322，均形成在基底302上。在实施例中，栅介电层318是氧化硅。在其它的实施例中，栅介电层的材料可以有氮化硅(silicon nitride)、氮氧化硅(oxynitride)、高介电常数(high-K)的介电材料、或是以上的组合。在实施例中，栅极包含有多晶(polycrystalline)硅层320以及金属硅化物层322。金属硅化物层322可以具有金属硅化物，如硅化镍(nickle silicide，NiSi)、硅化钴(cobalt silicide，CoSi)、硅化钨(tungsten silicide，WSi)、硅化钛(titaniumsilicide，TiSi)、硅化钽(tantalum silicide，TaSi)、硅化铂(platinum silicide，PtSi)、硅化铒(erbium silicide，ErSi)、硅化钯(palladium silicide，PdSi)、或是以上的组合。在其它的实施例中，可能没有金属硅化物层322。形成传送晶体管的栅极的工艺包含有光刻(photolithography)、沉积(deposition)、蚀刻(etching)、热退火(annealing)、离子注入(ion implantation)、或是本领域所知的各种工艺。也可能使用其它种栅极的形成方法或是其它材料。

图像感测元件300也具有光电感测器。光电感测器具有光电栅结构，如同先前图2解释时所述。光电栅结构具有光电子收集区304以及栅极，栅极耦接到光电子收集区304。光电子收集区304可以对一个通过光刻工艺步骤所定义的区域，用一般所熟知的离子注入方式，注入杂质进入基底302来形成。在实施例中，光电子收集区304是N型光电感测器，注入N型掺杂物(例如磷(phosphorus)、砷(arsenic)或是其它适合的材料)进入基底302来形成。

光电栅结构的栅极包含有栅介电层312。栅介电层312的材料可以有介电材料，如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、高介电常数的介电材料、或是以上的组合。高介电常数的介电材料，举例来说，可以是二氧化铪(hafnium oxide)、氧化锆(zirconium oxide)、氧化铝(aluminum oxide)、氧化铪与氧化铝(hafnium-dioxide-aluminum-oxide，HfO₂-Al₂O₃)的合金、或是以上的组合。形成栅介电层312的工艺可以包含有光刻、氧化(oxidation)、沉积、蚀刻、或是本领域所知的各种工艺。

在实施例中，光电栅结构的栅极还包含有栅电极层314以及光反射层316。栅电极层314包含有已掺杂的多晶硅(polysilicon)，而光反射层316具有金属硅化物。栅电极层314可以用传统的方法形成，如光刻、离子注入、沉积、蚀刻、或是业界所知的各样工艺。光反射层316形成在多晶硅栅电极层314上。具有多晶硅层314与金属硅化物层316的栅电极有时被称为金属硅化物-多晶硅栅极。在光反射层316的金属硅化物的例子可能有硅化镍、硅化钴、硅化钨、硅化钛、硅化钽、硅化铂、硅化铒、硅化钯、或是以上之组合。金属硅化物可以用已知的工艺来形成。譬如说，金属硅化物是先沉积金属层，而此金属层中的金属可以形成金属硅化物，如镍、钴、钨、钛、钽、铂、铒、或是钯。而沉积的方法可以采用传统的工艺，如物理气相沉积法(physical vapor deposition，PVD)(或称为溅镀法)、化学气相沉积法(chemicalvapor deposition，CVD)、等离子体加强(plasma-enhanced)CVD(PECVD)、大气气压(atmospheric pressure)CVD(APCVD)、低压(low-pressure)CVD(LPCVD)、高密度等离子体(high densityplasma)CVD(HDPCVD)、或是原子层(atomic layer)CVD(ALCVD)。金属接着历经退火(anneal)工艺，来形成金属硅化物。退火工艺可以是在充满着如氩气(Ar)、氦(He)、氮N₂)或是其它惰性气体中进行的快速热退火(rapid thermalanneal，RTA)。然后可以进行第二退火工艺，以产生稳定的金属硅化物。接着去除没有反应的金属。在实施例中，金属硅化物是以自对准金属硅化物工艺(self-aligned silicide process，salicide process)来形成。在实施例中，光电栅结构上的光反射层316与传送晶体管上的金属硅化物322同时间形成。光电栅结构上的栅电极可以有其它的层，可能可以反射光，也可能不会反射光。

在实施例中，光电栅结构上的栅电极是金属栅。在这样的实施例中，栅电极层314是金属层。如此，栅电极层314就是光反射层。适合用于栅电极层314的金属包含有铜、钨、钛、钽、氮化钛、氮化钽、硅化镍、硅化钴、或是以上的可能组合。栅电极层314可以用已知的工艺来形成。譬如说，金属可以由以下的工艺来形成：PVD、CVD、PECVD、APCVD、LPCVD、HDPCVD、或是ALCVD。光刻步骤可以用来图案化金属层来定义金属栅的位置，而等离子体蚀刻可以用来移除不想要的金属部分。有的实施例可能没有反射层316，但是，其它的层(可能可以反射光，也可能不能反射光)可能出现在栅电极结构的栅电极上。

在实施例中，栅电极结构的栅电极是金属栅，具有可反射光的金属栅电极层，且该栅电极还另包含有第二光反射层。在此实施例中，栅电极层314是可以反射光的金属层，大致上如同前一个实施例中所描述的。第二光反射层，也就是光反射层316，具有金属硅化物。光反射层316可以形成在栅电极层314上方或是下方。光反射层316的金属硅化物材料可能有硅化镍、硅化钴、硅化钨、硅化钛、硅化钽、硅化铂、硅化铒、硅化钯、或是以上的组合。金属硅化物可以用已知的工艺来形成，包含有先前所描述过的工艺。光电栅结构上的栅电极上方可以有其它的层，可能可以反射光，也可能不会反射光。

图像感测元件300是一个BSI感测器。图像感测元件300是设计来接收从基底302背面照射进来的入射光，如同图上所显示的光线324。从基底302背面来的光线可以免受栅结构或是金属线等所阻碍的光线路径。因此，光线324对于光电子收集区304的曝光量就可以增加。基底302有一个厚度T。这厚度T必须使光线324能够有效地抵达光电子收集区304。在实施例中，此厚度T大约是2微米。在另一实施例中，此厚度T大约介于2微米到4微米之间。光线324可能是可见光(visual light beam)、红外线(infrared)光、紫外光线(ultraviolet)光、或是其它可能的光线。

光线324从基底302的背面进入，到达且穿过光电子收集区304。一部分的光线324被反射回光电子收集区304，如同图上所示的反射光326。反射光326是因为光线324抵达光电栅结构中的栅极的光反射层而产生。在实施例中，反射光326是因为光线324抵达光反射层316而产生。在另一个实施例中，反射光326是因为光线324抵达栅电极层314而产生。而在此实施例中，栅电极层314就是一个光反射层，且内含在光电感测器中的金属栅结构里。在另一个实施例中，光反射层326是由光线324抵达栅电极层314以及光反射层316而产生，此时，栅电极层314也算是光反射层。光线324的一部分可能穿透光电栅结构，如同图中所示的穿透光线328。

穿透光线328越多，图像感测元件300的敏感度越低。在传统的图像感测器中，栅结构中的栅电极层是掺杂的多晶硅层，而栅结构中的栅介电层的材料是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、高介电常数介电物、或是以上可能的组合。这样传统的图像感测器中并没有光反射层，会让大部分的入射光穿透光电栅结构，导致一个很低的感测器敏感度。但没有光反射层，使得没有入射光或是很少的入射光被反射。而图3b将会加以详细的介绍。

请参阅图3b，其中显示了图330，作为一个例子，来显示多种光电栅结构中，各种波长光的穿透率。在图3b中，Y轴表示穿透率(以百分比％为单位)；X轴则为入射光的波长(以纳米为单位)。穿透率是指穿透光电栅结构的光线(图3a中穿透图像感测元件300的穿透光线328就是一个例子)的百分比。穿透传统多晶硅光电栅结构的各种波长光的穿透率以曲线332表示。穿透使用金属硅化物-多晶硅的光电栅结构(如同图3a所介绍的)的各种波长光的穿透率以曲线334a、334b、334c、334d表示。曲线332，特别是对于长波长光而言，显示了传统的多晶硅光电栅结构会有很高的穿透率。譬如说，在传统的例子中，对于波长为650nm的光(也就是红光)，其穿透率大约是60％。但是，在本发明的实施例中，有金属硅化物-多晶硅的光电栅结构能够提供较低的光穿透率。譬如说，在实施例中，对于波长为650nm的光(也就是红光)，其穿透率是少于20％。因此，增加了光反射层(如金属硅化物层)，可以降低穿透率，增加光线反射至光电子收集区，所以就可以增加图像感测器的敏感度。

请参阅图4，显示一种操作BSI感测器的方法400。方法400从步骤402开始，其提供具有光电感测器的基底，且该光电感测器具有光反射层。基底可以是图3a中所示的基底302。光电感测器可以是图3a中所示的光电感测器。方法400接着进行步骤404，让基底的背面照射光线。这光线可以是可见光、红外线光、紫外光光、或是其它可能的光线。方法400接着进行到步骤406，其使一部分的光线被光反射层所反射，产生如同图3a中所描述的反射光326一般。一部分的光线可能没有被反射，因此穿透光电感测器，产生如同图3a中所描述的穿透光328一般。在实施例中，当光线的波长介于400nm到800nm时(也就是蓝光、绿光、红光)，穿透光小于20％。在实施例中，光反射层增加了光电感测器的光吸收率。在实施例中，一个比较薄的基底，但是其上的光电栅结构的栅电极具有光反射层，提供了跟相对比较厚的基底，而其上并没有该光反射层，有相同一样的光吸收率。譬如说，光反射层的加入，可以使具有2微米厚基底的感测器拥有跟具有4微米厚基底但是没有光反射层的感测器大约相同的光吸收能力。

尽管以上仅仔细介绍本发明的一些实施例，但本领域技术人员可以了解，在没有脱离说明书的教导与优点之下，所举例的实施例中还可能有许多种变化。譬如说，虽然以上都以具有光电栅结构的光电感测器的BSI CIS作为例子，但是采用其它种光电感测器的其它实施例也是可以实施的。

本说明书公开了一种背面照光感测器。该背面照光感测器，包含有具有正面(front surface)以及背面(back surface)的半导体基底。多个像素形成于该半导体基底的该正面。至少一个像素具有光电栅(photogate)结构。该光电栅结构具有栅极，且该栅极具有光反射层。

本说明书也公开了背面照光感测器的另一个实施例。该背面照光感测器的基底具有正面以及背面。该感测器也具有感测入射光的装置，用以感测入射于该基底的背面的光线。该感测器也具有反射光线的装置，用以反射光线，其包含有光反射层，形成于该基底的正面。

本说明书也公开了具有半导体基底的一种图像感测器。该半导体基底具有光电感测器，其包含有光反射层。该光反射层形成于该半导体基底的第一面。入射光照射于该半导体基底的第二面。该第一面与该第二面相反。该入射光被该光电感测器所检测。在实施例中，该光电感测器包含有光电子收集区域，耦接至栅极。

本发明虽以优选实施例公开如上，然其并非用以限制本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的变更与修饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种背面照光感测器，包含有：

半导体基底，具有正面以及背面；以及

多个像素，形成于该半导体基底的正面；

其中，至少一个像素具有光电栅结构，该光电栅结构具有栅极，该栅极具有光反射层。

2.如权利要求1所述的背面照光感测器，其中，该光反射层设于该栅极上，即与该半导体基底相反的一边。

3.如权利要求1所述的背面照光感测器，其中，所述至少一个像素包含有N型光电感测器。

4.如权利要求1所述的背面照光感测器，其中，该光反射层包含有金属硅化物。

5.如权利要求1所述的背面照光感测器，其中，该光反射层包含有以下多种金属硅化物其中之一：硅化镍、硅化钴、硅化钨、硅化钛、硅化钽、硅化铂、硅化铒、以及硅化钯。

6.如权利要求1所述的背面照光感测器，其中，该栅极为多晶硅/金属硅化物栅。

7.如权利要求1所述的背面照光感测器，其中，该栅极为金属栅。

8.如权利要求1所述的背面照光感测器，其中，该光反射层包含有以下金属其中之一：铜、钨、钛、钽、氮化钛、氮化钽、硅化镍、以及硅化钴。

9.如权利要求7所述的背面照光感测器，其中，该金属栅包含有金属层以及金属硅化物层。

10.如权利要求1所述的背面照光感测器，还包含有：

传送晶体管、复位晶体管、源极跟随晶体管、以及选择晶体管。

11.如权利要求1所述的背面照光感测器，其中，该半导体基底的厚度约介于2微米到4微米之间。

Images