TWI685983B - 光二極體結構其製造方法 - Google Patents

Abstract

一種光二極體結構，包括基底、至少一個突出部與光二極體。基底具有光感測區。突出部設置在光感測區的基底上。光二極體設置在光感測區的基底中。

Description

光二極體結構其製造方法

本發明是有關於一種半導體結構及其製造方法，且特別是有關於一種光二極體結構及其製造方法。

光二極體(photodiode)為常見的光感測器(photo sensor)，其可用於感測光線。詳細來說，當照光射在光二極體時，會產生光電流，且可藉由量測光電流得知光二極體所接收的光強度(photo intensity)。

為了提高光電流，可藉由增加光二極體的光接觸面積來實現。最直接的方式是加大光二極體的尺寸，但相對會加大畫素尺寸與晶片面積，而造成製造成本增加。因此，如何能夠在不加大光二極體的尺寸的情況下，有效地提升光二極體照光時所產生的光電流為目前業界持續努力的目標。

本發明提供一種光二極體結構及其製造方法，其可在不加大光二極體的尺寸的情況下，有效地提升光二極體照光時所產生的光電流。

本發明提出一種光二極體結構，包括基底、至少一個突出部與光二極體。基底具有光感測區。突出部設置在光感測區的基底上。光二極體設置在光感測區的基底中。

依照本發明的一實施例所述，在上述光二極體結構中，突出部可為不同於基底的構件或可為基底的一部分。

依照本發明的一實施例所述，在上述光二極體結構中，突出部可具有圓弧面。

依照本發明的一實施例所述，在上述光二極體結構中，突出部的材料可為透光材料。

依照本發明的一實施例所述，在上述光二極體結構中，突出部的材料例如是半導體材料或介電材料。

依照本發明的一實施例所述，在上述光二極體結構中，突出部的材料例如是磊晶矽、多晶矽、氧化矽或氮化矽。

依照本發明的一實施例所述，在上述光二極體結構中，突出部的上視圖案例如是圓、同心圓、線或其組合。

依照本發明的一實施例所述，在上述光二極體結構中，部分光二極體可位在突出部中。

依照本發明的一實施例所述，在上述光二極體結構中，光二極體位在突出部下方的部分可具有與突出部的表面相同的輪廓。

本發明提出一種光二極體結構的製造方法，包括以下步驟。提供基底。基底具有光感測區。在光感測區的基底上形成至少一個突出部。在光感測區的基底中形成光二極體。

依照本發明的一實施例所述，在上述光二極體結構的製造方法中，突出部的形成方法例如是磊晶成長法。

依照本發明的一實施例所述，在上述光二極體結構的製造方法中，突出部的形成方法例如是組合使用沉積製程、微影製程與蝕刻製程。

依照本發明的一實施例所述，在上述光二極體結構的製造方法中，突出部的形成方法例如是對基底進行圖案化製程。

基於上述，在本發明所提出的光二極體結構及其製造方法中，由於突出部可增加入射光照射面積，因此可提高照射到光二極體的入射光的總量。如此一來，可在不加大光二極體的尺寸的情況下，有效地提升光二極體照光時所產生的光電流。此外，在維持相同光電流的情況下，相較於傳統的光二極體結構，本發明所提出的光二極體結構可具有更小的尺寸，藉此可縮小畫素尺寸，進而降低製造成本。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1A至圖1D為本發明一實施例的光二極體結構的製造流程剖面圖。圖2A至圖2C為本發明的一些實施例的光二極體的上視圖。在圖2A至圖2C，僅標示出光感測區R中的基底100與突出部106，以清楚地表示突出部106的上視圖案。

請參照圖1A，提供基底100。基底100具有光感測區R。基底100例如是半導體基底，如矽基底。在基底100中可具有隔離結構102。隔離結構102可用以定義出主動區。隔離結構102例如是淺溝渠隔離結構(STI)。隔離結構102的材料例如是氧化矽。

此外，基底100可具有第一導電型。以下，所記載的第一導電型與第二導電型可分別為P型導電型與N型導電型中的一者與另一者。在本實施例中，第一導電型是以P型導電型為例，且第二導電型是以N型導電型為例，但本發明並不以此為限。

接著，可在基底100中形成井區104。井區104可具有第一導電型(如，P型)。井區104的形成方法例如是離子植入法。

然後，在光感測區R的基底100上形成至少一個突出部106。由於突出部106可增加入射光照射面積，因此可提高照射到後續形成的光二極體的入射光總量。如此一來，可在不加大光二極體的尺寸的情況下，有效地提升光二極體照光時所產生的光電流，以提升對光的靈敏度。在本實施例中，光二極體的尺寸是指光二極體佔據畫素的面積。突出部106可具有圓弧面，但本發明並不以此為限。舉例來說，突出部106的剖面形狀可為半圓球狀。

突出部106可為不同於基底100的構件或可為基底100的一部分。突出部106的材料可為透光材料。突出部106的材料例如是半導體材料或介電材料，如磊晶矽、多晶矽、氧化矽或氮化矽。

舉例來說，當突出部106的材料為磊晶矽時，突出部106的形成方法例如是磊晶成長法。在此情況下，突出部106可為不同於基底100的構件。詳細而言，突出部106的形成方法可包括以下步驟。在基底100上形成圖案化罩幕層(未示出)，且圖案化罩幕層暴露出預定形成突出部106的部分基底100。圖案化罩幕層的材料例如是氧化矽或氮化矽。接著，利用選擇性磊晶成長法在圖案化罩幕層所暴露出的基底100上形成材料為磊晶矽的突出部106。然後，移除圖案化罩幕層。此外，在藉由磊晶成長法形成突出部106的製程中，井區104中的摻質可擴散到突出部106中，而使得部分井區104位在突出部106中(如圖1A所示)。

當突出部106的材料為多晶矽、氧化矽或氮化矽時，突出部106的形成方法例如是組合使用沉積製程、微影製程與蝕刻製程。在此情況下，由於製程因素，井區104不會位在突出部106中。此外，突出部106可為不同於基底100的構件。

當突出部106為基底100的一部分時，突出部106的形成方法例如是對基底100進行圖案化製程。在此情況下，突出部106與基底100可為相同材料(如，半導體材料)，且部分井區104可位在突出部106中(如圖1A所示)。

此外，請參照圖2A至圖2C，突出部106的上視圖案例如是圓(圖2A)、同心圓(圖2B)、線(圖2C)或其組合，但本發明並不以此為限。所屬技術領域可根據產品需求對突出部106的上視圖案進行調整。另一方面，突出部106的數量並不以圖1A、圖2A至圖2C中所繪示的數量為限，只要突出部106的數量為一個以上即屬於本發明所保護的範圍。

請參照圖1B，可在基底100上形成介電層108。介電層108的材料例如是氧化矽。介電層108的形成方法例如是熱氧化法。

接著，可在光感測區R的一側的介電層108上形成閘極110。閘極110可作為轉移電晶體(transfer transistor)的轉移閘極。閘極110的材料例如是摻雜多晶矽。閘極110的形成方法例如是組合使用沉積製程、微影製程與蝕刻製程。

請參照圖1C，可在光感測區R的基底100中形成井區112。井區112可具有第二導電型(如，N型)。第二導電型的井區112可用以作為光二極體PD，藉此可在光感測區R的基底100中形成光二極體PD。井區112與閘極110可具有重疊部分。井區112的形成方法例如是離子植入法。在本實施例中，突出部106的材料是以半導體材料(如，磊晶矽或多晶矽等)為例，且井區112可形成在突出部106中，而使得部分光二極體PD可位在突出部106中。藉此，光二極體PD可藉由突出部106來增加光接觸面積與填充係數(fill factor)，因此可進一步提升光二極體PD照光時所產生的光電流與對光的靈敏度。填充係數的定義為有效感光區域與整個像素尺寸的比值。在其他實施例中，當突出部106的材料為介電材料(如，氧化矽或氮化矽等)時，井區112不會形成在突出部106中。

此外，光二極體PD位在突出部106下方的部分可具有與突出部106的表面相同的輪廓，藉此可增加光二極體PD的PN接面(PN junction)的面積。在本實施例中，所記載的「相同」是指「實質上相同」，且「實質上」是指可允許些微可容忍的誤差存在。由於光二極體PD照光時所產生的光電流與PN接面的面積成正比，因此藉由增加光二極體PD的PN接面的面積，可進一步地提升光二極體PD照光時所產生的光電流。此外，在光二極體PD的PN接面的面積增加的情況下，PN接面的空乏區面積也會隨著增加，因此可提高全井容量(full well capacity，FWC)，以進一步提升光二極體PD對光的靈敏度。

請參照圖1D，可在井區112與基底100的表面之間形成釘札層(pinning layer)114。釘札層114可用以降低雜訊。釘札層114位在突出部106下方的部分可具有與突出部106的表面相同的輪廓。釘札層114可具有第一導電型(如，P型)。釘札層114的形成方法例如是離子植入法。在本實施例中，突出部106的材料是以半導體材料為例，且部分釘札層114可形成在突出部106中，但本發明並不以此為限。在其他實施例中，當突出部106的材料為介電材料時，釘札層114不會形成在突出部106中。

在圖1D中，雖然光二極體PD以包括井區112與釘札層114的釘紮光二極體(pinned photodiode)為例，但本發明並不以此為限。在一些實施例中，光二極體PD亦可為不具有釘札層114的光二極體(如圖1C所示)。

在本實施例中，以先形成介電層108與閘極110，再形成光二極體PD為例來進行說明，但本發明不以此為限。在一些實施例中，亦可先形成光二極體PD，再形成介電層108與閘極110。此外，用以形成轉移電晶體與感光元件(如，影像感測器)的後續製程為所屬技術領域具有通常知識者所周知，於此不再說明。

以下，藉由圖1D來說明本實施例的光二極體結構10。此外，雖然光二極體結構10的形成方法是以上述方法為例進行說明，但本發明並不以此為限。

光二極體結構10包括基底100、至少一個突出部106與光二極體PD。基底100具有光感測區R。突出部106設置在光感測區R的基底100上。光二極體PD設置在光感測區R的基底100中。光二極體PD可包括井區112，且更可包括釘札層114。在一些實施例中，光二極體PD亦可為不具有釘札層114的光二極體(如圖1C所示)。光二極體PD井區112位在光感測區R的基底100中。釘札層114位在井區112與基底100的表面之間。在一些實施例中，部分光二極體PD可位在突出部106中。此外，光二極體結構10更可包括隔離結構102與井區104中的至少一者。隔離結構102設置在基底100中。井區104位在基底100中。光二極體PD可位在井區104中。此外，光二極體結構10中的各構件的材料、設置方式、導電型態、形成方法與功效已於上述實施例進行詳盡地說明，於此不再重複說明。

基於上述實施例可知，在上述光二極體結構10及其製造方法中，由於突出部106可增加入射光照射面積，因此可提高照射到光二極體PD的入射光總量。如此一來，可在不加大光二極體PD的尺寸的情況下，有效地提升光二極體PD照光時所產生的光電流。此外，在維持相同光電流的情況下，相較於傳統的光二極體結構，本實施例的光二極體結構PD可具有更小的尺寸，藉此可縮小畫素尺寸，進而降低製造成本。

綜上所述，在上述實施例的光二極體結構及其製造方法中，藉由突出部可有效地提升光二極體照光時所產生的光電流。此外，相較於傳統的光二極體結構，上述實施例的光二極體結構可具有更小的尺寸，藉此可縮小畫素尺寸，進而降低製造成本。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧光二極體結構

100‧‧‧基底

102‧‧‧隔離結構

104、112‧‧‧井區

106‧‧‧突出部

108‧‧‧介電層

110‧‧‧閘極

114‧‧‧釘札層

PD‧‧‧光二極體

R‧‧‧光感測區

圖1A至圖1D為本發明一實施例的光二極體結構的製造流程剖面圖。 圖2A至圖2C為本發明的一些實施例的光二極體的上視圖。

10‧‧‧光二極體結構

100‧‧‧基底

102‧‧‧隔離結構

104、112‧‧‧井區

106‧‧‧突出部

108‧‧‧介電層

110‧‧‧閘極

114‧‧‧釘札層

PD‧‧‧光二極體

R‧‧‧光感測區

Claims (11)

1. 一種光二極體結構，包括：基底，其中所述基底具有光感測區；至少一個突出部，設置在所述光感測區的所述基底上且所述至少一個突出部的上視圖案包括圓、同心圓、線或其組合；以及光二極體，設置在所述光感測區的所述基底中。
2. 如申請專利範圍第1項所述的光二極體結構，其中所述至少一個突出部為不同於所述基底的構件或為所述基底的一部分。
3. 如申請專利範圍第1項所述的光二極體結構，其中所述至少一個突出部具有圓弧面。
4. 如申請專利範圍第1項所述的光二極體結構，其中所述至少一個突出部的材料包括透光材料。
5. 如申請專利範圍第1項所述的光二極體結構，其中所述至少一個突出部的材料包括半導體材料或介電材料。
6. 如申請專利範圍第1項所述的光二極體結構，其中所述至少一個突出部的材料包括磊晶矽、多晶矽、氧化矽或氮化矽。
7. 如申請專利範圍第1項所述的光二極體結構，其中部分所述光二極體位在所述至少一個突出部中。
8. 如申請專利範圍第1項所述的光二極體結構，其中所述光二極體位在所述至少一個突出部下方的部分具有與所述至少一個突出部的表面相同的輪廓。
9. 一種光二極體結構的製造方法，包括：提供基底，其中所述基底具有光感測區；在所述光感測區的所述基底上形成至少一個突出部且所述至少一個突出部的形成方法包括磊晶成長法；以及在所述光感測區的所述基底中形成光二極體。
10. 如申請專利範圍第9項所述的光二極體結構的製造方法，其中所述至少一個突出部的形成方法包括組合使用沉積製程、微影製程與蝕刻製程。
11. 如申請專利範圍第9項所述的光二極體結構的製造方法，其中所述至少一個突出部的形成方法包括對所述基底進行圖案化製程。

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