TWI690070B - 互補式金屬氧化物半導體影像感測器及影像感測器 - Google Patents

互補式金屬氧化物半導體影像感測器及影像感測器 Download PDF

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Abstract

一種包括矽以及矽鍺的互補式金屬氧化物半導體影像感 測器及其製造方法。矽鍺層與矽層鄰接。光感測器配置於矽鍺層中。電晶體配置於矽層上。電晶體的源極/汲極區域埋在矽層的表面內且與光感測器電性耦合。

Description

互補式金屬氧化物半導體影像感測器及影像感 測器
本發明實施例是有關於一種互補式金屬氧化物半導體影像感測器，且特別是有關於一種包括矽以及矽鍺的互補式金屬氧化物半導體影像感測器。
許多現代的電子裝置都包括影像感測器。影像感測器包括電荷耦合元件(charged coupling device；CCD)影像感測器以及互補式金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor；CMOS)影像感測器等類型。相較於電荷耦合元件影像感測器，互補式金屬氧化物半導體影像感測器日益受到青睞。相較於電荷耦合元件影像感測器，互補式金屬氧化物半導體影像感測器提供較低功耗(power consumption)、較小尺寸以及較快速的資料處理速度等優點。除此之外，互補式金屬氧化物半導體影像感測器提供了在電荷耦合元件影像感測器中不具有的直接資料輸出的功能。更進一 步來說，相較於電荷耦合元件影像感測器，互補式金屬氧化物半導體影像感測器具有較低的製造成本。
根據本發明的一些實施例，一種互補式金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor；CMOS)影像感測器包括矽層、矽鍺(silicon germanium)層、第一連續半導體區域、光感測器(photodetector)以及電晶體。矽鍺層與矽層鄰接。第一連續半導體區域具有單一摻雜型。第一連續半導體區域在矽層內。光感測器配置於矽鍺層中。光感測器的頂表面在矽鍺層內，且光感測器為具有單一摻雜型的第二連續半導體區域。電晶體配置於矽層上。電晶體的源極/汲極區域埋在矽層的表面內且與光感測器電性耦合。源極/汲極區域以及光感測器在各自的PN結(PN junction)處與第一連續半導體區域直接接觸。電晶體以及光感測器橫向介於第一連續半導體區域的相對的側壁之間且與相對的側壁橫向隔開。
影像感測器包括半導體堆疊結構(semiconductor stack)、畫素感測器(pixel sensor)的陣列、隔離區(isolation region)以及邏輯區(logic region)。半導體堆疊結構配置於半導體基板上。半導體堆疊結構包括下矽層、覆蓋下矽層的矽鍺(silicon germanium)層以及覆蓋矽鍺層的上矽層。畫素感測器的陣列配置於半導體堆疊結構中。畫素感測器包括埋在矽鍺層內的光感測器(photodetector)以及配置於上矽層上的電晶體。電晶體包括閘極 以及一對源極/汲極區域。此對源極/汲極區域配置於上矽層中且位於閘極的相反兩側。此對源極/汲極區域包括與光感測器電性耦合的源極/汲極區域。源極/汲極區域由上矽層的頂表面往與光感測器橫向相鄰且在矽鍺層內的位置延伸，且源極/汲極區域鄰接(adjoin)光感測器的側壁。隔離區配置於畫素感測器之間且橫向環繞畫素感測器。邏輯區橫向環繞隔離區且包括邏輯電晶體(logic transistor)。
影像感測器半導體堆疊結構(semiconductor stack)、光感測器以及電晶體。半導體堆疊結構包括第一摻雜型。半導體堆疊結構包括下矽層、覆蓋下矽層且與下矽層接觸的矽鍺(silicon germanium)層以及覆蓋矽鍺層且與矽鍺層接觸的上矽層。上矽層以及下矽層包括元素(elemental)矽或純(pure)矽。光感測器在矽鍺層中。光感測器為矽鍺層的摻雜區。摻雜區具有與第一摻雜型相反的第二摻雜型，且光感測器的頂表面在上矽層之下。電晶體在上矽層上。電晶體包括閘極電極、第一源極/汲極區域以及第二源極/汲極區域。閘極電極在上矽層的頂表面上且與上矽層的頂表面隔開。第一源極/汲極區域以及第二源極/汲極區域凹陷至上矽層的頂表面之下且為上矽層的具有第二摻雜型的摻雜區。第一源極/汲極區域與光感測器電性耦合
100、200A、200B、200C、200D、200E、200F、200G、200H、200I、200J、200K、200L、300A、300B、600、700、800、900、 1000、1100、1200、1400、1500、1600、1700、1800、1900、2000、2100:剖面圖
400:電路圖
500:上視圖
1300、2200:流程圖
102、102a、102b、102c、102d:半導體堆疊結構
104、104b、212、216:矽層
104a:上矽層
106、106a、106b、210、214、218:矽鍺層
108、108a、108b:上表面
110、110a、110b、110c、110d、110e、110f、110g、110h、502、504:畫素感測器
112:隔離區
114、114a、114b、114c、114d:光感測器
116、116a、116b、116c、116d、116e:轉換電晶體
118:轉換閘極
120:轉換閘絕緣層
122:光感測器源極/汲極區域
122a、122b、122c、122d、122e、124、316、318:源極/汲極區域
126、126a、126b、314:選擇性導電通道區域
128:導電路徑
202、202a、202b:半導體基板
204:下矽層
206a、206b、206c:導電通道區域
208:第二半導體堆疊結構
302:邏輯區
304:邏輯電晶體
306:閘極
308:閘絕緣層
310、312:間隔物
320:內連線結構
322:層間介電區域
324:膜層
326、328:導電結構
330、332:導孔
334:接觸結構
336:鈍化層
338:彩色濾光層
340:微透鏡
342:承載裝置
344:第一鈍化層
402:電荷儲存節點
404:電源
406:重置電晶體
408:源極隨耦電晶體
410:列選擇電晶體
412:輸出部
902:畫素感測區
1002:介電層
1004:導電層
1102:光阻層
1104、1704、2004:蝕刻劑
1302、1304、1306、1308、1310、1312、1314、1316、2202、2204、2206、2208、2210、2212、2214、2216:步驟
1702:第一光阻層
2002:第二光阻層
圖1繪示了根據一些實施例的包括矽以及矽鍺的互補式金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor；CMOS)影像感測器。
圖2A至圖2L繪示了圖1的互補式金屬氧化物半導體影像感測器的更詳細實施例的剖面圖。
圖3A以及圖3B分別繪示了圖1的互補式金屬氧化物半導體影像感測器的一些前照式(frontside illuminated；FSI)與背照式(backside illuminated；BSI)的實施例的剖面圖。
圖4繪示了根據一些實施例的圖1的互補式金屬氧化物半導體影像感測器中的畫素感測器(pixel sensor)的電路圖。
圖5繪示了根據一些實施例的圖1的互補式金屬氧化物半導體影像感測器的上視圖。
圖6至圖12繪示了根據一些實施例的包括矽以及矽鍺的互補式金屬氧化物半導體影像感測器的製造方法的一系列剖面圖。
圖13繪示了根據一些實施例的包括矽以及矽鍺的互補式金屬氧化物半導體影像感測器的製造方法的流程圖。
圖14至圖21繪示了根據其他實施例的包括矽以及矽鍺的互補式金屬氧化物半導體影像感測器的製造方法的一系列剖面圖。
圖22繪示了根據其他實施例的包括矽以及矽鍺的互補式金屬氧化物半導體影像感測器的製造方法的流程圖。
以下揭露內容提供用於實施所提供的標的之不同特徵的許多不同實施例或實例。以下所描述的構件及配置的具體實例是為了以簡化的方式傳達本揭露為目的。當然，這些僅僅為實例而非用以限制。舉例來說，於以下描述中，在第一特徵上方或在第一特徵上形成第二特徵可包括第二特徵與第一特徵形成為直接接觸的實施例，且亦可包括第二特徵與第一特徵之間可形成有額外特徵使得第二特徵與第一特徵可不直接接觸的實施例。此外，本揭露在各種實例中可使用相同的元件符號及/或字母來指代相同或類似的部件。元件符號的重複使用是為了簡單及清楚起見，且並不表示所欲討論的各個實施例及/或配置本身之間的關係。
另外，為了易於描述附圖中所繪示的一個構件或特徵與另一組件或特徵的關係，本文中可使用例如「在...下」、「在...下方」、「下部」、「在...上」、「在...上方」、「上部」及類似術語的空間相對術語。除了附圖中所繪示的定向之外，所述空間相對術語意欲涵蓋元件在使用或操作時的不同定向。設備可被另外定向(旋轉90度或在其他定向)，而本文所用的空間相對術語相應地作出解釋。
根據一些實施例，互補式金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor；CMOS)影像感測器包括由元素(elemental)矽所構成的半導體層以及配置於半導體層中的畫素感測器(pixel sensor)的陣列。畫素感測器包括個別埋在半導體層中的光感測器(photodetector)以及個別配置於半導 體層表面的邏輯裝置(logic device)。對於互補式金屬氧化物半導體影像感測器來說，目前的挑戰在於除非採取糾正的措施，否則光感測器對於紅外線輻射(infrared radiation)具有低靈敏度(sensitivity)。
一種解決方法為將光感測器延伸至半導體層的深處。然而，這樣的作法在現有的互補式金屬氧化物半導體製程中具有難度且會提高互補式金屬氧化物半導體影像感測器的製造成本。另外一種解決方法為將半導體層中的元素矽取代為矽鍺(silicon germanium)。矽鍺相較於元素矽具有較低的能隙(bandgap)，故具有較佳的紅外線輻射吸收力。然而，因其會增加漏電流(leakage current)，矽鍺與邏輯裝置的互補式金屬氧化物半導體製程具有較差的相容性。因此，在矽鍺上製造邏輯裝置不但較為困難，還會增加互補式金屬氧化物半導體影像感測器的製造成本。
本發明實施例是有關於具有元素矽以及矽鍺的互補式金屬氧化物半導體影像感測器，且適用於長波長(long-wavelength)畫素感測器。在一些實施例中，元素矽層與矽鍺層鄰接。光感測器至少部分埋在矽鍺層中，且電晶體配置於元素矽層的表面上。電晶體的源極/汲極區域與光感測器電性耦合。藉由將光感測器配置於矽鍺層中，光感測器能有利地對於長波長輻射(舉例來說，紅外線輻射)具有較佳的靈敏度以及較高的吸收力。除此之外，藉由將電晶體配置於元素矽層上，傳統的互補式金屬氧化物半導體製程能被有利地用以形成電晶體。
請參照圖1，其繪示了根據一些實施例的包括矽以及矽鍺所構成的半導體堆疊結構(semiconductor stack)102的互補式金屬氧化物半導體影像感測器的剖面圖100。如圖1所示，半導體堆疊結構102包括矽層104以及矽鍺層106。在一些實施例中，矽鍺層106部分覆蓋矽層104的上表面108及/或埋在矽層104的上表面108內。在一些實施例中，矽鍺層106部分地或是全面性地被矽層104覆蓋。矽層104以及矽鍺層106可以對應為磊晶層(epitaxial layer)及/或半導體基板的區域。矽層104例如是元素矽。
畫素感測器110配置於半導體堆疊結構102中且橫向地被隔離區(isolation region)112環繞。隔離區112由矽層104的上表面108往半導體堆疊結構102內突出。畫素感測器110包括至少部分埋在矽鍺層106內的光感測器114以及配置於矽層104的上表面108上的一個或以上的畫素電晶體(pixel transistor)。光感測器114例如是半導體堆疊結構102的摻雜區，且此摻雜區具有與半導體堆疊結構102的主體(bulk；例如是大多數)相反的摻雜型(doped type)。畫素電晶體例如包括轉換電晶體(transfer transistor)116，用以移除累積在光感測器114中的電荷(charge)。
轉換電晶體116的轉換閘極(transfer gate)118配置於矽層104上，且藉由轉換閘絕緣層(transfer gate dielectric layer)120與矽層104隔離。除此之外，轉換電晶體116的源極/汲極區域122、124沿著矽層104的上表面108橫向間隔開來，以在轉換閘 極118下定義出選擇性導電通道區域126。源極/汲極區域122、124包括與光感測器114電性耦合的光感測器源極/汲極區域122。在一些實施例中，光感測器源極/汲極區域122延伸至光感測器114，以使得光感測器源極/汲極區域122與光感測器114直接連接。在其他實施例中，光感測器源極/汲極區域122藉由導電路徑(conductive path)128而與光感測器114間接連接。
藉由將光感測器114配置於矽鍺層106中，光感測器114能有利地對於長波長輻射具有較佳的靈敏度以及較高的吸收力。除此之外，藉由將畫素電晶體(例如是轉換電晶體116)配置於矽層104上，傳統的互補式金屬氧化物半導體製程能被有利地用以形成電晶體，以節省製造成本。
儘管矽鍺可以用來容置(accommodate)光感測器114，但其他的半導體材料也可以用來取代矽鍺。舉例來說，習知的具有優良光收集率特性的另一種半導體材料也可以用來取代矽鍺。
請參照圖2A，其繪示了圖1的互補式金屬氧化物半導體影像感測器的更詳細實施例的剖面圖200A。如圖2A所示，半導體堆疊結構102a配置於半導體基板202上。半導體基板202例如是被p型或n型摻質(dopant)重摻雜(highly doped)的主體矽基板(bulk silicon substrate)。半導體堆疊結構102a摻雜有p型或n型摻質且包括一對矽層(下矽層204以及上矽層104a)以及配置於下矽層204以及上矽層104a之間的矽鍺層106a。在一些實施例中，半導體堆疊結構102a具有與半導體基板202相同的摻雜 型。除此之外，在一些實施例中，下矽層204配置於半導體基板202上且與半導體基板202直接鄰接，矽鍺層106a配置於下矽層204上且與下矽層204直接鄰接及/或上矽層104a配置於矽鍺層106a上且與矽鍺層106a直接鄰接。下矽層204以及上矽層104例如是元素矽或純(pure)矽的磊晶層。矽鍺層106a例如是矽鍺的磊晶層。在一些實施例中，矽鍺層106a中的矽含量x與矽鍺層106a中的鍺含量y之間的關係由y=1-x表示。舉例來說，矽鍺層106a可以是SixGe1-x，且x為0至1之間的數值。在矽鍺層106a中的矽含量以及鍺含量例如是藉由原子(atom)數或是質量(mass)來定量。
畫素感測器110a配置於半導體堆疊結構102a中，且例如是主動畫素感測器(active pixel sensor)。畫素感測器110a橫向地被隔離區112環繞。隔離區112由上矽層104a的上表面108a往半導體堆疊結構102a內突出。隔離區112例如是淺溝槽隔離(shallow trench isolation；STI)區域、深溝槽隔離(deep trench isolation；DTI)區域或是佈植隔離(implant isolation)區域。畫素感測器110a包括埋在矽鍺層106a內的光感測器114a以及配置於上矽層104a的上表面108a上的一個或以上的畫素電晶體。藉由將光感測器114a配置於矽鍺層106a中，光感測器114a能有利地對於長波長輻射具有較佳的靈敏度以及較高的吸收力。長波長輻射例如包括具有波長介於700奈米(nanometer)至1毫米(millimeter)之間的紅外線輻射。
光感測器114a例如是矽鍺層106a的摻雜區，且此摻雜區具有與環繞摻雜區的矽鍺層106a的區域(例如是主體)相反的摻雜型，以定義不同摻雜型之間的PN接面(PN junction)或是PIN接面(PIN junction)。舉例來說，光感測器114a可以是矽鍺層106a的摻雜區，且此摻雜區具有與矽鍺層106a的主體(bulk；例如是大多數)相反的摻雜型。作為另一個例子，光感測器114a可以是另一個獨立於半導體堆疊結構102a之外的矽鍺層，且此矽鍺層具有與矽鍺層106a相反的摻雜型。
畫素電晶體例如包括轉換電晶體116a，用以移除累積在光感測器114a中的電荷。轉換電晶體116a包括配置於上矽層104上的轉換閘極118，且此轉換閘極118藉由轉換閘絕緣層120與上矽層104a隔離。轉換閘極118例如是摻雜多晶矽(doped polysilicon)、金屬或是其他導電材料。轉換閘絕緣層120可以是氧化物(例如二氧化矽(silicon dioxide))、高介電常數(high k)介電材料(例如是具有介電常數大於約3.9的介電材料)或其他介電材料。轉換閘極118配置於選擇性導電通道區域126a上。選擇性導電通道區域126a依據對轉換閘極118施加的偏壓(bias)選擇性地導通。除此之外，選擇性導電通道區域126a是定義於源極/汲極區域122a、124之間。源極/汲極區域122a、124配置於上矽層104a的上表面108a內且位於轉換閘極118的相反兩側。源極/汲極區域122a、124的其中之一為(或是包括)導電通道區域206a。源極/汲極區域122a、124例如是上矽層104a的摻雜區，且此摻雜 區具有與半導體堆疊結構102a相反的摻雜型。
導電通道區域206a由與上矽層104a的上表面108a約為齊平的位置往與光感測器114a橫向相鄰且橫向位於光感測器114a以及轉換閘極118之間的位置延伸。在一些實施例中，導電通道區域206a鄰接光感測器114a的側壁。除此之外，由於導電通道區域206a在上矽層104a與矽鍺層106a之間延伸，一些實施例中的導電通道區域206a包括摻雜梯度(doping gradient)，且在上矽層104a中的摻質的濃度高於矽鍺層106a中的摻質的濃度。
請參照圖2B，其繪示了圖1的互補式金屬氧化物半導體影像感測器的更詳細實施例的剖面圖200B。如圖2B所示，半導體堆疊結構102b包括一對矽層(下矽層204以及上矽層104a)以及配置於下矽層204以及上矽層104a之間的第二半導體堆疊結構208。第二半導體堆疊結構208包括以矽-矽鍺的方式交替堆疊的膜層210、212、214、216、218。舉例來說，第二半導體堆疊結構208可以包括三層矽鍺層210、214、218以及在三層矽鍺層210、214、218之間的兩層矽層212、216。在一些實施例中，第二半導體堆疊結構208的矽鍺層以及矽層210、212、214、216、218為磊晶層。除此之外，在一些實施例中，第二半導體堆疊結構208的矽層212、216例如是元素矽或純矽及/或矽鍺層210、214、218中的矽含量x與矽鍺層210、214、218中的鍺含量y之間的關係由y=1-x表示。更進一步來說，在一些實施例中，第二半導體堆疊結構208的矽鍺層以及矽層210、212、214、216、218的厚度 會經過優化，以方便進入矽鍺層以及矽層210、212、214、216、218的輻射能達到全反射(total internal reflection)，進而改善配置於第二半導體堆疊結構208中的光感測器114a的靈敏度及/或量子效率(quantum efficiency)。舉例來說，基於矽鍺層210、214、218以及矽層212、216之間折射率(index of refraction)的不同，矽鍺層210、214、218可以作為光導管(light pipe)，以將輻射導往光感測器114a。
光感測器114a包括摻雜區的堆疊結構(未獨立繪示)，且摻雜區的堆疊結構是由多個以矽-矽鍺的方式交替堆疊的膜層所構成，以與第二半導體堆疊結構208類似。除此之外，摻雜區具有與在第二半導體堆疊結構208中相應的矽鍺層以及矽層210、212、214、216、218的一個主體(例如是大多數)相反的摻雜型，以定義不同摻雜型之間的PN接面或是PIN接面。在一些實施例中，摻雜區是相應的矽鍺層以及矽層210、212、214、216、218的一個區域，且與相應的一個主體具有相反的摻雜型。在其他實施例中，摻雜區是由與相應的一層矽鍺層以及矽層210、212、214、216、218具有相同材料且獨立於半導體堆疊結構102b之外的矽層或是矽鍺層，且與相應的一個膜層具有相反的摻雜型。
請參照圖2C，其繪示了圖1的互補式金屬氧化物半導體影像感測器的更詳細實施例的剖面圖200C。如圖2C所示，畫素感測器110b包括轉換電晶體116b，且轉換電晶體116b具有在轉換閘極118的相反兩側橫向間隔開來的一對源極/汲極區域122b、 124。除此之外，導電通道區域206b由源極/汲極區域122b、124其中之一往配置於源極/汲極區域122b、124其中之一之下的光感測器114a內垂直延伸。源極/汲極區域122b、124以及導電通道區域206b例如是與容置畫素感測器110b的半導體堆疊結構102a具有相反摻雜型的摻雜區。更進一步來說，導電通道區域206b可以包括摻雜梯度，且在元素矽中的摻質的濃度高於矽鍺中的摻質的濃度。
請參照圖2D，其繪示了圖1的互補式金屬氧化物半導體影像感測器的更詳細實施例的剖面圖200D。如圖2D所示，其為圖2C實施例的變體，而差異點在於，圖2D使用由矽以及矽鍺所構成的第二半導體堆疊結構208來取代圖2C的矽鍺層106a。
請參照圖2E，其繪示了圖1的互補式金屬氧化物半導體影像感測器的更詳細實施例的剖面圖200E。如圖2E所示，畫素感測器110c包括轉換電晶體116c，且轉換電晶體116c具有在轉換閘極118相反兩側橫向間隔開來的一對源極/汲極區域122c、124。轉換電晶體116c的轉換閘極118配置於光感測器114a(配置於轉換閘極118下)的第一邊，且導電通道區域206b由源極/汲極區域122c、124其中之一往與光感測器114a的第二邊(位於第一邊的對向側)橫向相鄰的位置垂直延伸。在一些實施例中，導電通道區域206b鄰接在光感測器114a的第二邊上的側壁。源極/汲極區域122c、124以及導電通道區域206b例如是與容置畫素感測器110c的半導體堆疊結構102a具有相反摻雜型的摻雜區。
請參照圖2F，其繪示了圖1的互補式金屬氧化物半導體影像感測器的更詳細實施例的剖面圖200F。如圖2F所示，其為圖2E實施例的變體，而差異點在於，圖2F使用由矽以及矽鍺所構成的第二半導體堆疊結構208來取代圖2E的矽鍺層106a。
請參照圖2G，其繪示了圖1的互補式金屬氧化物半導體影像感測器的更詳細實施例的剖面圖200G。如圖2G所示，半導體堆疊結構102c配置有畫素感測器110d且包括矽層104b以及部分覆蓋矽層104b的矽鍺層106b。在一些實施例中，半導體堆疊結構102c被摻雜及/或與在半導體堆疊結構102c之下的半導體基板202具有相同的摻雜型。除此之外，在一些實施例中，矽鍺層106b與矽層104b直接鄰接及/或矽層104b與半導體基板202直接鄰接。矽層104b例如是元素矽或純矽的磊晶層，且矽鍺層106b例如是矽鍺的磊晶層。在一些實施例中，矽鍺層106b中的矽含量x與矽鍺層106b中的鍺含量y之間的關係由y=1-x表示。除此之外，在一些實施例中，矽鍺層106b具有約10奈米至約100奈米的厚度。畫素感測器110d包括同時埋在矽層104b以及矽鍺層106b內的光感測器114b以及配置於矽層104b上的一個或以上的畫素電晶體。
光感測器114b包括摻雜區的堆疊結構(未獨立繪示)，且摻雜區的堆疊結構是由多個以矽-矽鍺的方式交替堆疊的膜層所構成，以與半導體堆疊結構102c類似。除此之外，摻雜區具有與相應的矽層104b以及矽鍺層106b的一個主體(例如是大多數) 相反的摻雜型，以定義不同摻雜型之間的PN接面或是PIN接面。在一些實施例中，摻雜區是相應的矽層104b以及矽鍺層106b的一個的區域，且與相應的一個主體具有相反的摻雜型。在其他實施例中，摻雜區是由與相應的矽層104b以及矽鍺層106b具有相同材料且獨立於半導體堆疊結構102c之外的矽層或是矽鍺層，且與相應的一個膜層具有相反的摻雜型。
畫素電晶體包括轉換電晶體116b，用以移除累積在光感測器114b中的電荷(charge)。轉換電晶體116b包括配置於矽層104b上的轉換閘極118。轉換閘極118配置於矽鍺層106b的橫向相鄰處且與矽鍺層106b間隔開來。轉換閘極118藉由轉換閘絕緣層120與矽層104b隔離。源極/汲極區域122b、124配置於矽層104b內且位於轉換閘極118的相反兩側。源極/汲極區域122b、124例如是矽層104b的摻雜區及/或具有與半導體堆疊結構102c相反的摻雜型(例如p型或n型)的矽鍺層106b。在一些實施例中，源極/汲極區域122b、124的其中之一突出至光感測器114b中及/或與矽鍺層106b鄰接。
請參照圖2H，其繪示了圖1的互補式金屬氧化物半導體影像感測器的更詳細實施例的剖面圖200H。如圖2H所示，畫素感測器110e包括受限於(confined)部分覆蓋矽層104b的矽鍺層106b中的光感測器114c。光感測器114c例如是矽鍺層106b的摻雜區，且此摻雜區具有與環繞摻雜區的矽鍺層106b的區域(例如是主體)相反的摻雜型，以定義不同摻雜型之間的PN接面或是 PIN接面。舉例來說，光感測器114c可以是矽鍺層106b的摻雜區，且此摻雜區具有與矽鍺層106b的主體(例如是大多數)相反的摻雜型。作為另一個例子，光感測器114c可以是另一個獨立於半導體堆疊結構102c之外的矽鍺層，且此矽鍺層具有與矽鍺層106b相反的摻雜型。在一些實施例中，光感測器114c與轉換電晶體116b的轉換閘極118橫向相鄰。除此之外，在一些實施例中，光感測器114c部分覆蓋轉換電晶體116b的源極/汲極區域122b及/或與轉換電晶體116b的源極/汲極區域122b鄰接。
請參照圖2I，其繪示了圖1的互補式金屬氧化物半導體影像感測器的更詳細實施例的剖面圖200I。如圖2I所示，半導體堆疊結構102d支撐畫素感測器110f且包括矽層104b以及埋在矽層104b的上表面108b的矽鍺層106b。在一些實施例中，半導體堆疊結構102d被摻雜及/或與在半導體堆疊結構102d之下的半導體基板202具有相同的摻雜型。畫素感測器110f包括同時埋在矽層104b以及矽鍺層106b內的光感測器114d以及配置於矽層104b上的一個或以上的畫素電晶體。
光感測器114d包括摻雜區的堆疊結構(未獨立繪示)，且摻雜區的堆疊結構是由多個以矽-矽鍺的方式交替堆疊的膜層所構成，以與半導體堆疊結構102d類似。除此之外，摻雜區具有與相應的矽層104b以及矽鍺層106b的一個主體(例如是大多數)相反的摻雜型，以定義不同摻雜型之間的PN接面或是PIN接面。在一些實施例中，摻雜區是相應的矽層104b以及矽鍺層106b的 一個的區域，且與相應的一個主體具有相反的摻雜型。
畫素電晶體包括轉換電晶體116a。轉換電晶體116a的源極/汲極區域122a、124配置於矽層104b的上表面108b內且位於轉換電晶體116a的轉換閘極118的相反兩側。源極/汲極區域122a、124的其中之一為(或是包括)導電通道區域206a。導電通道區域206a由與矽層104a的上表面108a約為齊平的位置往與光感測器114d橫向相鄰且橫向位於光感測器114d以及轉換閘極118之間的位置延伸。在一些實施例中，導電通道區域206a鄰接光感測器114d的側壁。除此之外，在一些實施例中，導電通道區域206a配置於矽鍺層106b中及/或與矽鍺層106b鄰接。
請參照圖2J，其繪示了圖1的互補式金屬氧化物半導體影像感測器的更詳細實施例的剖面圖200J。如圖2J所示，畫素感測器110g包括受限於埋在矽層104b的上表面108b內的矽鍺層106b中的光感測器114c。在一些實施例中，光感測器114c與轉換電晶體116d的源極/汲極區域122d鄰接，且轉換電晶體116d的源極/汲極區域122d與矽鍺層106b橫向相鄰。
源極/汲極區域122d配置於矽層104b的上表面108b內且例如是矽層104b的摻雜區，其中此摻雜區具有與矽層104b的主體相反的摻雜型。源極/汲極區域122d包括導電通道區域206c，且導電通道區域206c由與矽層104b的上表面108b約為齊平的位置往與光感測器114c橫向相鄰且橫向位於光感測器114c以及轉換電晶體116d的轉換閘極118之間的位置延伸。在一些實施例中， 導電通道區域206c配置於矽鍺層106b中且包括摻雜梯度。在矽層104b中的摻質的濃度高於矽鍺層106b中的摻質的濃度。除此之外，在一些實施例中，導電通道區域206c與光感測器114c的側壁鄰接。
請參照圖2K，其繪示了圖1的互補式金屬氧化物半導體影像感測器的更詳細實施例的剖面圖200K。如圖2K所示，畫素感測器110h包括轉換電晶體116e，且轉換電晶體116e具有一對源極/汲極區域122e、124。源極/汲極區域122e、124橫向間隔開來以在轉換電晶體116e的轉換閘極118下定義出選擇性導電通道區域126b。除此之外，源極/汲極區域122e、124的其中之一配置於轉換閘極118下且為(或是包括)導電通道區域206a。導電通道區域206a由與矽層104a的上表面108a(支撐轉換電晶體116e處)約為齊平的位置往與在轉換閘極118下的光感測器114a橫向相鄰的位置垂直延伸。在一些實施例中，導電通道區域206a與光感測器114a的側壁鄰接。
請參照圖2L，其繪示了圖1的互補式金屬氧化物半導體影像感測器的更詳細實施例的剖面圖200L。如圖2L所示，其為圖2K實施例的變體，而差異點在於，圖2L使用由矽以及矽鍺所構成的第二半導體堆疊結構208來取代圖2K的矽鍺層106a。
儘管圖2A至圖2L繪示了半導體堆疊結構102a-102d配置於半導體基板202上，應當理解的是，在其他實施例中，半導體堆疊結構102a-102d可以完全地或是部分地配置於半導體基板 202中。舉例來說，圖2A中的下矽層204可以是半導體基板202的摻雜區。
請參照圖3A，其繪示了圖1的互補式金屬氧化物半導體影像感測器的一些前照式(frontside illuminated；FSI)的實施例的剖面圖300A。圖3A中繪示了如同圖1的半導體結構，但應當理解的是，圖1的半導體結構能夠由圖2A至圖2L的半導體結構取代。如圖3A所示，半導體堆疊結構102配置於半導體基板202a上。半導體基板202a例如是被p型或n型摻質重摻雜的主體矽基板。半導體堆疊結構102摻雜有p型或n型摻質且包括矽層104以及矽鍺層106。在一些實施例中，半導體堆疊結構102具有與半導體基板202a相同的摻雜型。除此之外，在一些實施例中，矽層104與矽鍺層106直接鄰接。矽層104例如是元素矽或純矽的磊晶層，且矽鍺層106例如是矽鍺的磊晶層。在一些實施例中，矽鍺層106中的矽含量x與矽鍺層106中的鍺含量y之間的關係由y=1-x表示。
畫素感測器110以及邏輯區(logic region)302配置於半導體堆疊結構102中。畫素感測器110例如是主動畫素感測器且橫向地被隔離區112環繞。隔離區112由矽層104的上表面108往半導體堆疊結構102內突出。隔離區112例如是淺溝槽隔離區域或深溝槽隔離區域。畫素感測器110包括埋在矽鍺層106內的光感測器114以及配置於矽層104上的一個或以上的畫素電晶體。畫素電晶體包括轉換電晶體116，用以將累積在光感測器114 中的電荷轉移出光感測器114。邏輯區302與畫素感測器110以及隔離區112橫向相鄰且包括一個或多個邏輯電晶體，以讀取及/或儲存畫素感測器110所產生的資料。
光感測器114例如是半導體堆疊結構102的摻雜區，且此摻雜區具有與環繞摻雜區的半導體堆疊結構102的區域(例如是主體)相反的摻雜型，以定義不同摻雜型之間的PN接面或是PIN接面。舉例來說，半導體堆疊結構102中的一層或多層用以容置光感測器114的主體可以具有第一摻雜型(例如是p型摻雜型)而光感測器114可以具有與主體相反摻雜型的第二摻雜型(例如是n型摻雜型)。光感測器114包括一個或以上的摻雜區(未獨立繪示)，且摻雜區的堆疊結構是由多個以矽-矽鍺的方式交替堆疊的膜層所構成，以與半導體堆疊結構102中的容置膜層類似。在一些實施例中，光感測器114的摻雜區是相應的容置膜層的區域，且具有與相應的容置膜層的主體相反的摻雜型。在其他實施例中，光感測器114的摻雜區是由與相應的容置膜層具有相同材料且獨立於半導體堆疊結構102之外的膜層，且與相應的容置膜層具有相反的摻雜型。舉例來說，假設光感測器114分布在半導體堆疊結構102的第一層以及第二層之間(第一層與第二層為不同材質)，則光感測器114可以由對應不同材料的一對膜層(或是區域)堆疊在一起所構成，以與第一層以及第二層的配置類似。除此之外，對應不同材料的一對膜層(或是區域)會具有與相應的第一層以及第二層的主體相反的摻雜型。
轉換電晶體116以及邏輯區302的邏輯電晶體304分別包括轉換閘極118以及閘極306配置於矽層104上，且分別藉由轉換閘絕緣層120以及閘絕緣層308與矽層104隔離。轉換閘極118以及閘極306例如是摻雜多晶矽、金屬或是其他導電材料。轉換閘絕緣層120以及閘絕緣層308可以是氧化物(例如二氧化矽)、高介電常數介電材料或其他介電材料。轉換閘極118以及閘極306的側壁上分別包括間隔物(spacer)310、312且轉換閘極118以及閘極306分別配置於選擇性導電通道區域126、314上。間隔物310、312例如是氮化矽(silicon nitride)、二氧化矽(silicon dioxide)或是其他介電材料。選擇性導電通道區域126、314依據對轉換閘極118以及閘極306分別施加的偏壓選擇性地導通。除此之外，選擇性導電通道區域126、314是定義於配置於矽層104的上表面108內的對應的源極/汲極區域122、124、316、318之間且位於對應的轉換閘極118以及閘極306的相反兩側。源極/汲極區域122、124、316、318例如是具有與半導體堆疊結構102相反的摻雜型(例如p型或n型)的矽層104的摻雜區。除此之外，轉換電晶體116的源極/汲極區域122、124的其中之一沿著導電路徑128直接或間接與光感測器114電性耦合。
內連線結構(interconnect structure)320配置於半導體堆疊結構102以及畫素與邏輯電晶體(例如轉換電晶體116)上。內連線結構320連接畫素與邏輯電晶體且具有層間介電(inter-layer dielectric；ILD)區域322，且由導電結構(conductive feature) 326、328所構成的多個膜層324配置於層間介電區域322配置中。為了方便說明，圖3A僅標示出多個膜層324之中的一層，且僅標示出部分的導電結構326、328。層間介電區域322例如是包括多個層間介電層的堆疊結構(未單獨繪示)。層間介電區域322可以是(或可以包括)氧化物、低介電常數(low k)介電材料(例如是具有介電常數小於約3.9的介電材料)或其他介電材料。具有導電結構326、328的膜層324在層間介電區域322中堆疊，且導電結構326、328例如是走線(line)或是接墊(pad)。具有導電結構326、328的膜層324藉由配置於膜層324之間的導孔(via)330、332相互連接，且藉由配置於最底層的膜層324以及畫素與邏輯電晶體之間的接觸結構(contact)334與畫素與邏輯電晶體連接。為了方便說明，圖3A僅標示出部分的導孔330、332以及接觸結構334的其中之一。具有導電結構326、328的膜層324、導孔330、332以及接觸結構334例如是金屬(例如銅或鎢)或其他的導電材料。
鈍化層336配置於層間介電區域322上。鈍化層336包括填入彩色濾光層(color filter)338且被微透鏡(microlens)340覆蓋的井區(well)。鈍化層336例如是多層介電層的堆疊結構。舉例來說，鈍化層336可以是由在一對氧化層之間堆疊氮化層所形成。彩色濾光層338用以選擇性地將指定的輻射(例如光)的顏色或是波長傳導(transmit)至畫素感測器110。微透鏡340用以將入射的輻射集中至彩色濾光層338及/或畫素感測器110。在 一些實施例中，彩色濾光層338是用以傳導紅外線輻射而阻擋其他波長的輻射。
請參照圖3B，其繪示了圖1的互補式金屬氧化物半導體影像感測器的一些背照式(backside illuminated；BSI)的實施例的剖面圖300B。圖3B中繪示了如同圖1的半導體結構，但應當理解的是，圖1的半導體結構能夠由圖2A至圖2L的半導體結構取代。如圖3B所示，承載裝置(support device)342藉由第一鈍化層344承載內連線結構320。第一鈍化層344例如是氮化矽等介電材料。承載裝置342例如是積體電路(integrated circuit)或是主體半導體基板(bulk semiconductor substrate)。半導體堆疊結構102配置於內連線結構320上且半導體基板202b配置於半導體堆疊結構102上。除此之外，鈍化層336配置於半導體基板202b上且包括覆蓋半導體堆疊結構102中的畫素感測器110的井區。井區中填入有彩色濾光層338且被微透鏡(microlens)340覆蓋。
請參照圖4，其繪示了根據一些實施例的圖1的畫素感測器110的電路圖400。如圖4所示，電荷儲存節點(charge storage node)402(例如是浮置擴散節點(floating diffusion node；FD node))選擇性地藉由轉換電晶體116與光感測器114耦接且選擇性地藉由重置電晶體(reset transistor)406與電源(power source)404耦接。光感測器114例如是光電二極體(photodiode)及/或電源404例如是直流(direct current；DC)電源。轉換電晶體116用以選擇性地將累積在光感測器114中的電荷轉移到電荷儲存節點402 且重置電晶體406用以選擇性地清除儲存在電荷儲存節點402的電荷。電荷儲存節點402控制(gates)源極隨耦電晶體(source follower transistor)408，以選擇性地將電源404耦接至列選擇電晶體(row select transistor)410。列選擇電晶體410選擇性地將源極隨耦電晶體408耦接至輸出部(output)412。源極隨耦電晶體408用以非破壞性地(non-destructively)讀取以及擴大(amplify)儲存在電荷儲存節點402中的電荷。列選擇電晶體410用以選擇要讀出的畫素感測器110。
儘管圖4繪示了圖1的畫素感測器110為五電晶體(5T)主動畫素感測器(亦即具有五個電晶體的主動畫素感測器)，但應當理解的是在其他的實施例中，畫素感測器110可以包括較多個或較少個電晶體。舉例來說，在其他實施例中，圖1的畫素感測器110可以包括兩個、三個或是六個電晶體。
請參照圖5，其繪示了根據一些實施例的圖1的互補式金屬氧化物半導體影像感測器的上視圖500。如圖5所示，互補式金屬氧化物半導體影像感測器的邏輯區302橫向環繞隔離區112。畫素感測器110、502、504(圖5僅標示出部分畫素感測器)的陣列配置於隔離區112中。邏輯區302例如包括邏輯及/或記憶體裝置(未繪示)，用以讀取及/或儲存畫素感測器110、502、504接收入射輻射後所對應產生的資料。隔離區112用以隔離畫素感測器110、502、504且例如是淺溝槽隔離區域或深溝槽隔離區域。畫素感測器110、502、504依據圖1、圖2A至圖2L或是圖3A或圖 3B的內容個別設置且以行列排列。
請參照圖6至圖12，其繪示了根據一些實施例的包括矽以及矽鍺的互補式金屬氧化物半導體影像感測器的製造方法的一系列剖面圖。這些剖面圖例如是對應圖2A的互補式金屬氧化物半導體影像感測器在製造過程中的各個階段。
如圖6所繪示的剖面圖600，下矽層204以及矽鍺層106a藉由磊晶(epitaxy)形成相互堆疊的結構。下矽層204形成在半導體基板202上且矽鍺層106a形成在下矽層204上。在一些實施例中，下矽層204是由元素矽或純矽所形成及/或直接在半導體基板202上形成。除此之外，在一些實施例中，矽鍺層106a是由SixGe1-x所形成及/或直接在下矽層204上形成。半導體基板202例如是主體半導體基板。舉例來說，可以是主體矽基板或絕緣層上覆矽(silicon-on-insulator；SOI)基板及/或例如摻雜有p型或n型摻質。
在一些替代性實施例中，由矽-矽鍺的方式交替堆疊的膜層可以用來取代矽鍺層106a。在這些實施例中，這些多層結構可以個別具有相較於下矽層204的厚度較薄的厚度及/或具有約等於或大於下矽層204的厚度的總(結合)厚度。除此之外，在一些實施例中，這些多層結構可以類似於例如是圖2B、圖2D、圖2F或是圖2L中的第二半導體堆疊結構208。
如圖7所繪示的剖面圖700，光感測器114a埋在矽鍺層106a內。在一些實施例中，光感測器114a形成為受限於矽鍺層 106a中。光感測器114a為n型或p型摻雜區，且與矽鍺層106a具有相反的摻雜型。光感測器114a例如是藉由離子佈植(ion implantation)所形成。
如圖8所繪示的剖面圖800，藉由磊晶在矽鍺層106a以及光感測器114a上形成上矽層104a。在一些實施例中，上矽層104a是由元素矽或純矽所形成及/或直接在矽鍺層106a上形成。
如圖9所繪示的剖面圖900，隔離區112形成在上矽層104a中且橫向環繞畫素感測區(pixel sensor region)902。隔離區112例如是淺溝槽隔離區域或是佈植隔離區域。在一些實施例中，隔離區112的形成方式包括先蝕刻上矽層104a以形成橫向環繞畫素感測區902的溝槽(trench)，然後再將例如是二氧化矽的介電材料填入至溝槽中。
如圖10所繪示的剖面圖1000，介電層1002以及導電層1004堆疊在上矽層104a以及隔離區112上。介電層1002形成於上矽層104a上，而導電層1004形成於介電層1002上。在一些實施例中，介電層1002直接形成於上矽層104a上及/或導電層1004直接形成於介電層1002上。介電層1002以及導電層1004例如是藉由氣相沉積法(vapor deposition)、原子層沉積法(atomic layer deposition；ALD)及/或熱氧化法(thermal oxidation)所形成。氣相沉積法例如是化學氣相沉積法(chemical vapor deposition；CVD)以及物理氣相沉積法(physical vapor deposition；PVD)。介電層1002例如是氧化物或是高介電常數介電材料。導電層1004例如是 金屬或摻雜多晶矽。
如圖11所繪示的剖面圖1100，對介電層1002(如圖10所示)以及導電層1004(如圖10所示)進行蝕刻，以形成轉換閘極118以及使得轉換閘極118與上矽層104a之間彼此電性絕緣的轉換閘絕緣層120。在一些實施例中，蝕刻的方法包括沉積以及圖案化位於導電層1004上的光阻層1102。舉例來說，光阻層1102可以被圖案化以遮蓋導電層1004對應轉換閘極118的區域。在此之後，在使用光阻層1102作為罩幕的同時，對介電層1002以及導電層1004使用一種或以上的蝕刻劑(etchant)1104。蝕刻劑1104例如是濕式蝕刻劑或是乾式蝕刻劑。在執行蝕刻之後，移除或是剝離光阻層1102。
如圖12所繪示的剖面圖1200，在轉換閘極118的相反兩側形成源極/汲極區域122a、124，以在轉換閘極118下定義出選擇性導電通道區域126。除此之外，源極/汲極區域122a、124的其中之一具有導電通道區域206a，且導電通道區域206a由與上矽層104a的上表面108a約為齊平的位置往光感測器114a延伸。源極/汲極區域122a、124以及導電通道區域206a例如是與上矽層104a及/或矽鍺層106a具有相反摻雜型的摻雜區。在一些實施例中，源極/汲極區域122a、124以及導電通道區域206a是藉由離子佈植將摻質植入上矽層104a以及矽鍺層106a所形成。除此之外，在一些實施例中，摻質被具有梯度的植入，以使得在上矽層104a中的摻質的濃度高於矽鍺層106a中的摻質的濃度。
在一些替代性實施例中，導電通道區域206a可以在如圖10所示的介電層1002以及導電層1004之前形成，且轉換閘極118形成於導電通道區域206a上(請參照圖2K以及圖2L)。另一方面，在一些替代性實施例中，在轉換閘極118的相反兩側形成具有實質上水平輪廓(horizontal profile)的源極/汲極區域，且導電通道區域206b從源極/汲極區域其中之一往光感測器114延伸(請參照圖2C至圖2F)。
請參照圖13，其繪示了根據一些實施例的包括矽以及矽鍺的互補式金屬氧化物半導體影像感測器的製造方法的流程圖1300。所述製造方式例如是對應圖6至圖12所繪示的一系列的剖面圖。
請參照步驟1302，在半導體基板上形成下矽層以及矽鍺層，且矽鍺層覆蓋下矽層。請參照例如圖6。
請參照步驟1304，在矽鍺層內埋入光感測器。請參照例如圖7。藉由在矽鍺層中形成光感測器，光感測器能有利地對於紅外線輻射具有較佳的靈敏度。
請參照步驟1306，在矽鍺層以及光感測器上形成上矽層。請參照例如圖8。
請參照步驟1308，在上矽層中形成隔離區，且隔離區橫向環繞畫素感測區。請參照例如圖9。
請參照步驟1310，在上矽層上形成介電層以及導電層，且導電層覆蓋介電層。請參照例如圖10。
請參照步驟1312，對介電層以及導電層進行蝕刻，以在畫素感測區中形成閘極以及閘絕緣層。閘極配置於閘絕緣層上。請參照例如圖11。
請參照步驟1314，在閘極的相反兩側形成源極/汲極區域，且源極/汲極區域包括與光感測器電性連通(electrical communication)的源極/汲極區域。請參照例如圖12。
請參照步驟1316，在畫素感測區上形成內連線結構、彩色濾光層、微透鏡或其組合。請參照例如圖3A或圖3B。
在一些實施例中，導電通道區域是在步驟1308以及步驟1310之間形成或是藉由步驟1314形成。
儘管流程圖1300所示出了製造方法舉出了一系列的步驟，但應當理解的是這些步驟的順序並不應當被解讀為對於製造方法的限制。舉例來說，除了在此所繪示及/或形容的順序外，一些步驟可以依照不同的順序及/或同時與其他的步驟進行。除此之外，並非是所有上述的步驟皆必要才能實現如上述的實施例的一個或多個面向，且上述的一個或多個步驟可以藉由一個或多個步驟及/或階段來進行。
請參照圖14至圖21，其繪示了根據其他實施例的包括矽以及矽鍺的互補式金屬氧化物半導體影像感測器的製造方法的一系列剖面圖。這些剖面圖例如是對應圖2G的互補式金屬氧化物半導體影像感測器在製造過程中的各個階段。
如圖14所繪示的剖面圖1400，矽層104b形成在半導體 基板202上。在一些實施例中，矽層104b是由元素矽或純矽所形成及/或直接在半導體基板202上形成。半導體基板202例如是主體半導體基板或是絕緣層上覆矽基板及/或例如摻雜有摻質。
如圖15所繪示的剖面圖1500，隔離區112形成在矽層104b中且橫向環繞畫素感測區902。隔離區112例如是淺溝槽隔離區域或是佈植隔離區域。在一些實施例中，隔離區112的形成方式包括先蝕刻矽層104b以形成橫向環繞畫素感測區902的溝槽，然後再將例如是二氧化矽的介電材料填入至溝槽中。
如圖16所繪示的剖面圖1600，介電層1002以及導電層1004堆疊在矽層104b以及隔離區112上。介電層1002形成於矽層104b上，而導電層1004形成於介電層1002上。在一些實施例中，介電層1002直接形成於矽層104b上及/或導電層1004直接形成於介電層1002上。導電層1004以及介電層1002例如是藉由氣相沉積法、原子層沉積法及/或熱氧化法(thermal oxidation)所形成。
如圖17所繪示的剖面圖1700，對介電層1002(如圖16所示)以及導電層1004(如圖16所示)進行第一次蝕刻，以形成轉換閘極118以及使得轉換閘極118與矽層104b之間彼此電性絕緣的轉換閘絕緣層120。在一些實施例中，第一次蝕刻的方法包括沉積以及圖案化位於導電層1004上的第一光阻層1702。舉例來說，第一光阻層1702可以被圖案化以遮蓋導電層1004對應轉換閘極118的區域。在此之後，在使用第一光阻層1702作為罩幕的 同時，對介電層1002以及導電層1004使用一種或以上的蝕刻劑1704。蝕刻劑1704例如是濕式蝕刻劑或是乾式蝕刻劑。在執行第一次蝕刻之後，移除或是剝離第一光阻層1702。
如圖18所繪示的剖面圖1800，在轉換閘極118的相反兩側形成源極/汲極區域122b、124，以在轉換閘極118下定義出選擇性導電通道區域126a。源極/汲極區域122b、124例如是具有與矽層104b相反摻雜型的摻雜區。除此之外，源極/汲極區域122b、124的其中之一可以是(或是包括)導電通道區域，且導電通道區域具有實質上垂直的輪廓。在一些實施例中，源極/汲極區域122b、124是藉由離子佈植將摻質植入矽層104b所形成。
如圖19所繪示的剖面圖1900，藉由磊晶形成矽鍺層106b。矽鍺層106b在矽層104b上形成且與轉換閘極118共形。在一些實施例中，矽鍺層106b是由SixGe1-x所形成及/或直接在矽層104b上形成。
如圖20所繪示的剖面圖2000，對矽鍺層106b進行第二次蝕刻，以將矽鍺層106b限制在隔離區112與源極/汲極區域122b、124其中之一之間的區域內。在一些實施例中，第二次蝕刻的方法包括沉積以及圖案化位於矽鍺層106b上的第二光阻層2002。在此之後，在使用第二光阻層2002作為罩幕的同時，對矽鍺層106b使用一種或以上的蝕刻劑2004。蝕刻劑2004例如是濕式蝕刻劑或是乾式蝕刻劑。在執行第二次蝕刻之後，移除或是剝離第二光阻層2002。
除了如同圖19以及圖20所示的先形成矽層104b以及矽鍺層106b並在後續步驟中蝕刻在矽層104b上的矽鍺層106b的方法外，上述製程也可以使用其他的替代性方法來完成。具體來說，可以先對矽層104b進行第二次蝕刻，並將矽鍺層106b填入第二次蝕刻所形成的開口中。除此之外，可以對矽鍺層106b進行回蝕刻(etch back)，以使得矽鍺層106b受限於所形成的開口內(請參照圖21以及圖2J)。
如圖21所繪示的剖面圖2100，光感測器114b埋在矽鍺層106b內。在一些實施例中，光感測器114b形成為受限於矽鍺層106b中。光感測器114b為n型或p型摻雜區，且與矽鍺層106b具有相反的摻雜型。光感測器114b例如是藉由離子佈植所形成。
請參照圖22，其繪示了根據一些實施例的包括矽以及矽鍺的互補式金屬氧化物半導體影像感測器的製造方法的流程圖2200。所述製造方式例如是對應圖14至圖21所繪示的一系列的剖面圖。
請參照步驟2202，在半導體基板上形成矽層。請參照例如圖14。
請參照步驟2204，在矽層中形成隔離區，且隔離區橫向環繞畫素感測區。請參照例如圖15。
請參照步驟2206，在矽層上形成介電層以及導電層，且導電層覆蓋介電層。請參照例如圖16。
請參照步驟2208，對導電層以及介電層進行蝕刻，以在 畫素感測區中形成閘極以及閘絕緣層。閘極配置於閘絕緣層上。請參照例如圖17。
請參照步驟2210，在閘極的相反兩側形成源極/汲極區域。請參照例如圖18。
請參照步驟2212，形成部分覆蓋矽層或是埋在矽層內的矽鍺層，且矽鍺層與閘極橫向相鄰。請參照例如圖19以及圖20。
請參照步驟2214，在矽鍺層內埋入光感測器。請參照例如圖21。
請參照步驟2216，在畫素感測區上形成內連線結構、彩色濾光層、微透鏡或其組合。請參照例如圖3A或圖3B。
儘管流程圖2200所示出了製造方法舉出了一系列的步驟，但應當理解的是這些步驟的順序並不應當被解讀為對於製造方法的限制。舉例來說，除了在此所繪示及/或形容的順序外，一些步驟可以依照不同的順序及/或同時與其他的步驟進行。除此之外，並非是所有上述的步驟皆必要才能實現如上述的實施例的一個或多個面向，且上述的一個或多個步驟可以藉由一個或多個步驟及/或階段來進行。
根據本發明的一些實施例，一種互補式金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor；CMOS)影像感測器，包括矽層、矽鍺(silicon germanium)層、光感測器(photodetector)以及電晶體。矽鍺層與矽層鄰接。光感測器配置於矽鍺層中。電晶體配置於矽層上。電晶體的源極/汲極區域埋在 矽層的表面內且與光感測器電性耦合。
根據本發明的一些實施例，矽層包括元素(elemental)矽或純(pure)矽。
根據本發明的一些實施例，互補式金屬氧化物半導體影像感測器更包括另一矽層，與矽鍺層鄰接，其中矽鍺配置於矽層以及另一矽層之間。
根據本發明的一些實施例，互補式金屬氧化物半導體影像感測器更包括半導體堆疊結構(semiconductor stack)，配置於矽層以及另一矽層之間。半導體堆疊結構包括矽鍺層、多個額外矽層以及多個額外矽鍺層，其中矽鍺層、多個額外矽層以及多個額外矽鍺層是以矽-矽鍺的方式交替堆疊。光感測器配置於半導體堆疊結構中且橫越半導體堆疊結構中的多個膜層。
根據本發明的一些實施例，源極/汲極區域由實質上與矽層的表面齊平的位置往光感測器的位置或是光感測器的鄰近處突出。
根據本發明的一些實施例，源極/汲極區域乃局限直接位於電晶體的閘極下。
根據本發明的一些實施例，源極/汲極區域藉由導電通道區域與光感測器電性耦合，其中導電通道區域由源極/汲極區域往光感測器的位置或是光感測器的鄰近處突出。
根據本發明的一些實施例，矽鍺層部分覆蓋矽層與電晶體橫向相鄰(laterally adjacent)的表面。
根據本發明的一些實施例，矽鍺層埋在矽層與電晶體橫向相鄰的表面內。
根據本發明的一些實施例，光感測器包括矽鍺層的摻雜區，且矽鍺層的摻雜區與環繞其的矽鍺層的區域具有相反的摻雜型(doped type)。
根據本發明的一些替代性實施例，一種互補式金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor；CMOS)影像感測器的製造方法至少包括以下步驟。形成具有矽層以及矽鍺(silicon germanium)層的半導體堆疊結構(semiconductor stack)。在矽鍺層中形成光感測器(photodetector)。在矽層上形成電晶體。電晶體的源極/汲極區域埋在矽層的表面內且與光感測器電性耦合。
根據本發明的一些替代性實施例，互補式金屬氧化物半導體影像感測器的製造方法更至少包括以下步驟。在半導體基板上形成另一矽層。在另一矽層上形成矽鍺層。在矽鍺層上形成矽層。
根據本發明的一些替代性實施例，互補式金屬氧化物半導體影像感測器的製造方法更至少包括以下步驟。在另一矽層上形成第二半導體堆疊結構。在第二半導體堆疊結構中形成橫越第二半導體堆疊結構中多個膜層的光感測器。在第二半導體堆疊結構上形成矽層。形成第二半導體堆疊結構的方法包括形成以矽-矽鍺的方式交替堆疊的矽鍺層、多個額外矽層以及多個額外矽鍺層。
根據本發明的一些替代性實施例，互補式金屬氧化物半導體影像感測器的製造方法更包括形成由元素(elemental)矽或純(pure)矽所構成的矽層。
根據本發明的一些替代性實施例，互補式金屬氧化物半導體影像感測器的製造方法更包括形成由實質上與矽層的表面齊平的位置往光感測器的位置或是光感測器的鄰近處突出的源極/汲極區域。
根據本發明的一些替代性實施例，互補式金屬氧化物半導體影像感測器的製造方法更包括形成完全覆蓋源極/汲極區域的電晶體的閘極。
根據本發明的一些替代性實施例，互補式金屬氧化物半導體影像感測器的製造方法至少包括以下步驟。形成由矽層表面鄰近處往光感測器的位置或是光感測器的鄰近處突出的導電通道區域。形成覆蓋導電通道區域的源極/汲極區域。
根據本發明的一些替代性實施例，互補式金屬氧化物半導體影像感測器的製造方法更包括形成部分覆蓋矽層表面的矽鍺層。
根據本發明的一些替代性實施例，互補式金屬氧化物半導體影像感測器的製造方法更包括形成埋在矽層表面內的矽鍺層。
根據本發明的另一些替代性實施例，一種影像感測器包括半導體堆疊結構(semiconductor stack)、半導體基板、畫素感 測器(pixel sensor)的陣列、隔離區(isolation region)以及邏輯區(logic region)。半導體堆疊結構配置於半導體基板上。半導體堆疊結構包括下矽層、覆蓋下矽層的矽鍺(silicon germanium)層以及覆蓋矽鍺層的上矽層。畫素感測器的陣列配置於半導體堆疊結構中。畫素感測器包括埋在矽鍺層內的光感測器(photodetector)以及配置於上矽層上的電晶體。電晶體包括閘極以及一對源極/汲極區域，且源極/汲極區域配置於上矽層中且位於閘極的相反兩側。源極/汲極區域包括與光感測器電性耦合的源極/汲極區域。隔離區配置於畫素感測器之間且橫向環繞畫素感測器。邏輯區橫向環繞隔離區且包括邏輯電晶體(logic transistor)。
以上概述了數個實施例的特徵，使本領域具有通常知識者可更佳了解本揭露的態樣。本領域具有通常知識者應理解，其可輕易地使用本揭露作為設計或修改其他製程與結構的依據，以實行本文所介紹的實施例的相同目的及/或達到相同優點。本領域具有通常知識者還應理解，這種等效的配置並不悖離本揭露的精神與範疇，且本領域具有通常知識者在不悖離本揭露的精神與範疇的情況下可對本文做出各種改變、置換以及變更。
100:剖面圖
102:半導體堆疊結構
104:矽層
106:矽鍺層
108:上表面
110:畫素感測器
112:隔離區
114:光感測器
116:轉換電晶體
118:轉換閘極
120:轉換閘絕緣層
122:光感測器源極/汲極區域
124:源極/汲極區域
126:選擇性導電通道區域
128:導電路徑

Claims (8)

  1. 一種互補式金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor；CMOS)影像感測器，包括：矽層，與矽鍺(silicon germanium)層鄰接(abut)；另一矽層，與所述矽鍺層鄰接，其中所述矽鍺層配置於所述矽層以及所述另一矽層之間以使得所述矽層以及所述另一矽層分別在所述矽鍺層之上以及之下，且所述矽層包括元素(elemental)矽或純(pure)矽；光感測器(photodetector)，配置於所述矽鍺層中，其中所述光感測器的頂表面在所述矽鍺層內；以及電晶體，配置於所述矽層上，其中所述電晶體的源極/汲極區域埋在所述矽層的表面內且與所述光感測器電性耦合。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的互補式金屬氧化物半導體影像感測器，其中所述源極/汲極區域由所述矽層的所述表面往與所述光感測器橫向相鄰且在所述矽鍺層內的位置延伸，且所述源極/汲極區域鄰接(adjoin)所述光感測器的側壁。
  3. 一種影像感測器，包括：半導體堆疊結構(semiconductor stack)，配置於半導體基板上，所述半導體堆疊結構包括下矽層、覆蓋所述下矽層的矽鍺(silicon germanium)層以及覆蓋所述矽鍺層的上矽層；畫素感測器(pixel sensor)的陣列，配置於所述半導體堆疊結構中，所述畫素感測器包括埋在所述矽鍺層內的光感測器 (photodetector)以及配置於所述上矽層上的電晶體，其中所述電晶體包括閘極以及一對源極/汲極區域，所述一對源極/汲極區域配置於所述上矽層中且位於所述閘極的相反兩側，所述一對源極/汲極區域包括與所述光感測器電性耦合的源極/汲極區域，所述源極/汲極區域由所述上矽層的頂表面往與所述光感測器橫向相鄰且在所述矽鍺層內的位置延伸，且所述源極/汲極區域鄰接(adjoin)所述光感測器的側壁；隔離區(isolation region)，配置於所述畫素感測器之間且橫向環繞所述畫素感測器；以及邏輯區(logic region)，橫向環繞所述隔離區且包括邏輯電晶體(logic transistor)。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的影像感測器，其中所述光感測器的頂表面在所述上矽層與所述矽鍺層之間的介面之下。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的影像感測器，其中所述邏輯電晶體在所述上矽層內且與所述矽鍺層隔開，且所述一對源極/汲極區域更包括與所述矽鍺層隔開的另一源極/汲極區域。
  6. 一種影像感測器，包括：半導體堆疊結構(semiconductor stack)，包括第一摻雜型，其中所述半導體堆疊結構包括下矽層、覆蓋所述下矽層且與所述下矽層接觸的矽鍺(silicon germanium)層以及覆蓋所述矽鍺層且與所述矽鍺層接觸的上矽層，且所述上矽層以及所述下矽層包括元素(elemental)矽或純(pure)矽； 光感測器，在所述矽鍺層中，其中所述光感測器為所述矽鍺層的摻雜區，所述摻雜區具有與所述第一摻雜型相反的第二摻雜型，且所述光感測器的頂表面在所述上矽層下；以及電晶體，在所述上矽層上，其中所述電晶體包括閘極電極、第一源極/汲極區域以及第二源極/汲極區域，其中所述閘極電極在所述上矽層的頂表面上與所述上矽層的所述頂表面隔開，所述第一源極/汲極區域以及所述第二源極/汲極區域凹陷至所述上矽層的所述頂表面之下且為所述上矽層的具有所述第二摻雜型的摻雜區，且所述第一源極/汲極區域與所述光感測器電性耦合。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的影像感測器，其中所述第一源極/汲極區域由所述上矽層的所述表面往與所述光感測器橫向相鄰且在所述矽鍺層內的位置延伸，所述第一源極/汲極區域橫向介於所述閘極電極與所述光感測器之間。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的影像感測器，其中所述第一源極/汲極區域的摻雜濃度由所述上矽層的所述表面往所述位置增加。
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