本發(fā)明涉及一種光感測元件及其制造方法，且特別是涉及一種紅外光感測元件及其制造方法。

背景技術：

傳統(tǒng)非制冷式紅外光感測單元的制造方式需要在集成電路晶片之上進行數(shù)十道非標準集成電路既有的制作工藝程序，面臨額外制作工藝控制的嚴苛要求與良率的挑戰(zhàn)。因此，基于標準集成電路制作工藝架構，將紅外光感測元件與讀取電路整合在一起，有利于提升良率與規(guī)模經濟效益。此外，現(xiàn)有紅外光感測單元存在的問題是，有效感光面積低、光吸收轉換的效率弱等等。因此，如何使紅外光感測單元具有高吸收轉換效率與并精簡制造流程，是現(xiàn)在研發(fā)的重點之一。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種光感測元件及其制造方法，其可以解決傳統(tǒng)紅外光感測單元的種種缺點。

為達上述目的，本發(fā)明提出一種光感測元件，其包括基材、半導體元件層、金屬與絕緣材料疊層結構以及光吸收層?；木哂邪枷莶?。半導體元件層位于基材上。金屬與絕緣材料疊層結構位于半導體元件層上且包括第一內連線結構、位于第一內連線結構周圍的第二內連線結構以及元件導線。光吸收層位于金屬與絕緣材料疊層結構上，其中第一內連線結構位于光吸收層與半導體元件層之間，以使位于不同水平面的光吸收層以及半導體元件層彼此具有固體熱傳途徑。

本發(fā)明提出一種光感測元件，其包括基材、半導體元件層、金屬與絕緣材料疊層結構以及光吸收層。基材具有凹陷部。半導體元件層位于基材上。金屬與絕緣材料疊層結構位于半導體元件層上且包括第一內連線結構、位于第一內連線結構周圍的第二內連線結構與元件導線，其中第二內連線結構作 為蝕刻阻擋結構，以使得第一內連線結構與位于其周圍的第二內連線結構之間具有間隙。光吸收層位于金屬與絕緣材料疊層結構上，其中第一內連線結構位于光吸收層與半導體元件層之間，以使位于不同水平面的光吸收層以及半導體元件層彼此具有固體熱傳導途徑。

本發(fā)明提出一種光感測元件，其包括基材、半導體元件層、金屬與絕緣材料疊層結構以及光吸收層。基材具有凹陷部。半導體元件層位于基材上。金屬與絕緣材料疊層結構位于半導體元件層上且包括第一內連線結構、位于第一內連線結構周圍的包覆元件導線的介電層與元件導線，其中包覆元件導線的介電層作為蝕刻阻擋結構，以使得第一內連線結構與位于其周圍包覆元件導線的介電層之間具有間隙。光吸收層位于第一內連線結構上方，其中第一內連線結構位于光吸收層與半導體元件層之間，以使位于不同水平面的光吸收層以及半導體元件層彼此具有固體熱傳導途徑。

本發(fā)明提出一種光感測元件的制造方法，包括提供基材，所述基材具有凹陷部，且凹陷部內填有絕緣材料。在基材上形成半導體元件層。在半導體元件層上形成金屬與絕緣材料疊層結構，其中金屬與絕緣材料疊層結構包括介電層、第一內連線結構、第二內連線結構以及元件導線。在金屬與絕緣材料疊層結構上形成光吸收層，所述光吸收層與第一內連線結構連接且與第二內連線結構分離開來。之后，移除金屬與絕緣材料疊層結構中一部分的介電層且同時移除位于基材的凹陷部內的絕緣材料，以于光吸收層與第二內連線結構之間、第二內連線結構與第一內連線結構之間以及基材與半導體元件層之間形成間隙。

本發(fā)明提出一種光感測元件的制造方法，包括提供基材。在基材上形成半導體元件層。在半導體元件層上形成金屬與絕緣材料疊層結構，其中金屬與絕緣材料疊層結構包括介電層、第一內連線結構、第二內連線結構以及元件導線。在金屬與絕緣材料疊層結構上形成光吸收層，所述光吸收層與第一內連線結構連接。之后，移除金屬與絕緣材料疊層結構中一部分的第二內連線結構，再移除位于半導體元件層下方部分基材形成一凹陷部，以于光吸收層與包覆元件導線的介電層之間、包覆元件導線的介電層與第一內連線結構之間、以及基材與半導體元件層之間形成間隙。

基于上述，由于本發(fā)明利用金屬與絕緣材料疊層結構中的第一內連線結構將光吸收層與半導體元件層連接在一起，光吸收層可以遮蔽半導體元件 層，以提升光感測元件的吸收面積。此外，本發(fā)明采用金屬與絕緣材料疊層結構的第二內連線結構或介電層作為蝕刻阻擋層，以形成特定的間隙結構以作為絕熱結構，此亦為新式的紅外光感測元件的制造方法。

為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合所附的附圖作詳細說明如下。

附圖說明

圖1a至圖1b為本發(fā)明一實施例的一種光感測元件的制造流程剖面示意圖；

圖2為本發(fā)明一實施例的一種光感測元件的上視示意圖；

圖3a至圖3c為本發(fā)明一實施例的一種光感測元件的制造流程剖面示意圖；

圖4a至圖4c為本發(fā)明一實施例的一種光感測元件的制造流程剖面示意圖；

圖5a至圖5c為本發(fā)明一實施例的一種光感測元件的制造流程剖面示意圖；

圖6是圖5c的光感測元件的上視示意圖，圖6中的sl2剖面線為圖5c的結構；

圖7至為本發(fā)明一實施例的一種光感測元件的剖面示意圖。

符號說明

100：基材

101:凹陷部邊界

102：絕緣材料

102a：凹陷部

103:結構固定端

104：介電層

106：半導體元件層

106a：n型區(qū)

106b：p型區(qū)

108：摻雜區(qū)

110a,110b,110c,110d：金屬圖案

112：連接結構

130：第一內連線結構

120：第二內連線結構

im：金屬與絕緣材料疊層結構

150、202、302：光吸收層

150a：金屬層

150b：電磁波損耗特性材料

160:元件導線

a：感光區(qū)

b：周邊區(qū)

s1、s2、s3：間隙

d1、d2、d3：距離

w1：寬度

140、240、340、440：蝕刻路徑

200：犧牲層

sl1:圖1剖面線

sl5:圖5剖面線

具體實施方式

圖1a至圖1b是依照本發(fā)明一實施例的一種光感測元件的制造流程剖面示意圖。請參照圖1a，本實施例的光感測元件的制造方法，包括下列步驟。首先，提供基材100，所述基材100具有凹陷部102a，且凹陷部102a內填有絕緣材料102?；?00例如是硅基材或是其他合適的半導體基材。在基材100內形成凹陷部102a以及于凹陷部102a內形成絕緣材料102的方法例如是以已知的光刻以及蝕刻方法形成凹陷部102a。之后于基材100上沉積絕緣材料以填滿凹陷部102a之后，再以化學機械研磨程序移除部分的絕緣材料，以留下位于凹陷部102a內的絕緣材料102。但本發(fā)明不限制凹陷部102以及絕緣材料102的形成方法。

接著，在基材100上形成半導體元件層106。半導體元件層106例如是pn二極管元件、半導體電阻元件、接面元件或是熱電堆元件等等，上述半導體元件是以現(xiàn)有或是已知的半導體集成電路制作工藝形成。在一實施例 中，半導體元件層106為一互補式金屬氧化半導體(cmos)元件層中的一多晶硅層。上述多晶矽層作為一溫度敏感串聯(lián)二極體,可通過空間周期性摻雜p型,n型摻質,用于提升多晶矽層的溫度壓降系數(shù)(tcv),多晶硅層也可做為一溫度敏感電阻，可通過調整摻雜p型摻質或是n型摻雜的濃度，用于提升多晶硅層的電阻溫度系數(shù)(tcr)。

之后，在半導體元件層106上形成金屬與絕緣材料疊層結構im，所述金屬與絕緣材料疊層結構im與半導體元件層106有電連接。金屬與絕緣材料疊層結構im包括介電層104、第一內連線結構130、第二內連線結構120以及元件導線160。第一內連線結構130至少包含互補式金屬氧化半導體(cmos)元件層中的介電材質、金屬連接柱或金屬層。詳細而言，第一內連線結構130包括多層金屬圖案110a,110b,110c,110d以及多個連接結構112，金屬圖案110a,110b,110c,110d由下而上排列成一多層結構，且每一連接結構112是位于相鄰的兩層金屬圖案110a,110b,110c,110d之間，以使相鄰的兩層金屬圖案110a,110b,110c,110d電連接。第一內連線結構130與下方的半導體元件層106具有固體熱傳導途徑。類似地，第二內連線結構120包括多層金屬圖案110a,110b,110c以及多個連接結構112，金屬圖案110a,110b,110c由下而上排列成一多層結構，且每一連接結構112是位于相鄰的兩層金屬圖案110a,110b,110c之間，以使相鄰的兩層金屬圖案110a,110b,110c電連接。上述的金屬圖案110a,110b,110c,110d以及連接結構112都位于介電層104內，所述介電層104的材質例如是氧化硅或是其他合適的絕緣材料，所述連接結構112例如是互補式金屬氧化半導體(cmos)元件層中的金屬連接柱(via)，材質例如是鎢。

值得一提的是，在本實施例中，第一內連線結構130位于元件的中央位置，且第二內連線結構120位于第一內連線結構130的周圍。此外，本實施例的第一內連線結構130的高度大于第二內連線結構120的高度，因此第一內連線結構130中的金屬圖案的層數(shù)比第二內連線結構120的金屬圖案的層數(shù)多。

之后，在金屬與絕緣材料疊層結構im上形成光吸收層150，所述光吸收層150與第一內連線結構130連接且與第二內連線結構120分離開來。根據(jù)本實施例，光吸收層150包括金屬層150a以及電磁波損耗特性材料150b，金屬層150a與第一內連線結構130連接，且金屬層150a與第二內連線結構 120被介電層104隔離開來。電磁波損耗特性材料150b堆疊于金屬層150a上。在本實施例中，金屬層150a例如是al或是其他的金屬材料，電磁波損耗特性材料150b例如是氮化硅或是與介電層104具蝕刻選擇性的材料。

之后，移除金屬與絕緣材料疊層結構im中一部分的介電層104且同時移除位于基材100的凹陷部102a內的絕緣材料102。根據(jù)本實施例，上述的移除步驟可以采用蝕刻制作工藝，例如是濕式蝕刻程序。所述蝕刻反應物經由蝕刻路徑140將一部分的介電層104以及絕緣材料102移除。蝕刻程序完成之后所形成的結構如圖1b所示，也就是于光吸收層150與第二內連線結構120之間形成間隙s1，第二內連線結構120與第一內連線結構130之間形成間隙s2，且基材100與半導體元件層106之間形成間隙s3，所述間隙s3亦即基板100的凹陷部102a。

值得一提的是，在上述蝕刻程序中，第二內連線結構120可作為蝕刻阻擋結構，以使得第二內連線結構120與第一內連線結構130之間形成間隙s2。更詳細來說，當于蝕刻介電層104時，蝕刻液體或是氣體對于介電層104以及金屬材料具有蝕刻選擇性，因此蝕刻程序不會蝕刻光吸收層150且終止于金屬圖案110a,110b,110c,110d以及連接結構112所在之處，進而形成間隙s1以及間隙s2。類似地，所述蝕刻液體或是氣體對于絕緣材料120以及多晶硅層具有蝕刻選擇性，因此此蝕刻程序會移除絕緣材料102以在半導體元件層106與基材100之間形成間隙s3。

在本實施例中，光吸收層150與第二內連線結構120之間的距離d1例如是2.5um，光吸收層150與半導體元件層106之間的距離d2例如是6.8um，且基材100與半導體元件層106之間的距離d3例如0.35um。此外，基板100的凹陷部102a(亦即間隙s3)的寬度w1例如是10um。

圖2是圖1b的光感測元件的上視示意圖，圖2中的sl1剖面線為圖1b的結構。如圖2所示，半導體元件層106包括n型區(qū)106a以及p型區(qū)106b。半導體元件層106與光吸收層150之間通過第一內連線結構130連接。在光感測元件的下方設置有凹陷部102a,其例如是淺溝槽隔離區(qū),101為凹陷部邊界。另外，103為結構固定端，以使光感測元件固定于基材100上。

承上所述，本實施例的光感測元件是利用第一內連線結構130連接光吸收層150與半導體元件層106，以使位于不同水平面的光吸收層150以及半導體元件層106彼此連接。換言之，當光吸收層150吸收光線(例如是紅外 光)時，紅外光在光吸收層150所產生的熱將經由第一內連線結構130傳遞至半導體元件層106，以使得半導體元件層106溫度變化，半導體元件層106因溫度變化，可產生相對應的電性變化(如電流對電壓特性曲線改變)，透過元件導線160讓半導體元件層106與讀取電路電性相連，而使讀取電路產生對應感測信號。特別是，因本實施例的吸收層150以及半導體元件層106是位于不同的水平面，因此吸收層150的面積不會受到半導體元件層106的面積的限制。換言之，吸收層150的面積，即感光區(qū)a的面積，可以盡可能的大，以增加光感測元件的元件效能。在一實施例，當半導體元件層106的面積已經夠大時，吸收層150的面積與第一內連線結構130的面積亦可與凹陷部上方的半導體元件層106的平板區(qū)域面積一樣大，也就是吸收層150與第一內連線結構130與凹陷部上方的半導體元件層106的平板區(qū)域是彼此相同形狀堆疊的。此外，本實施例于光感測元件中所形成的間隙s1、s2、s3中因填充的是空氣，降低了固體熱傳導的現(xiàn)象，因此可以避免逸失熱能，以提升半導體元件層106的感測溫度敏感度。

在上述的實施例中，光吸收層150是以金屬層150a以及電磁波損耗特性材料150b的疊層所組成。在此疊層結構中，金屬層150a主要是作為光反射層，電磁波損耗特性材料150b主要是作為紅外線吸收層，當外界的紅外光射入光吸收層150時，除經電磁波損耗特性材料150b的吸收之外，反射金屬層150a可進一步反射紅外光至電磁波損耗特性材料150b中使紅外光再次吸收，進而提升紅外光吸收轉換率。

圖3a至圖3c是依照本發(fā)明一實施例的一種光感測元件的制造流程剖面示意圖。圖3a至圖3c的實施例與上述圖1a至圖1b的實施例相似，因此相同的元件以相同的符號表示，且不再重復說明。請參照圖3a，在基材100上形成半導體元件層106以及金屬與絕緣材料疊層結構im(包括介電層104、第一內連線結構130、第二內連線結構120以及元件導線160)之后，在介電層104上形成犧牲層200，犧牲層200未覆蓋感光區(qū)a且對應形成在周邊區(qū)b中。犧牲層200的材質例如是與介電層104的材質相同或是其他與光吸收層202具有蝕刻選擇比的材質，例如是光致抗蝕劑。

請參照圖3b，在金屬與絕緣材料疊層結構im以及犧牲層200上形成光吸收層202，且位于犧牲層200上的光吸收層202與位于金屬與絕緣材料疊層結構im的介電層104上的光吸收層202，由于犧牲層200之故而未連在 一起，以使得部分的犧牲層200被裸露出來。根據(jù)本實施例，光吸收層202例如是硅/金屬/硅的三明治結構疊層，所述金屬包括tin、nicr、au、tí或是其他具電磁波傳遞損耗特性的材料。接著，進行蝕刻程序，所述蝕刻程序是經由被裸露出的犧牲層200進行作為蝕刻路徑240的源頭，且經由蝕刻路徑240將一部分的介電層104以及絕緣材料102移除，并同時剝離位于犧牲層200上的光吸收層202，以留下位于感光區(qū)a內的光吸收層202。蝕刻程序完成之后所形成的結構如圖3c所示，亦即于光吸收層202與第二內連線結構120之間形成間隙s1，第二內連線結構120與第一內連線結構130之間形成間隙s2，且基材100與半導體元件層106之間形成間隙s3，所述間隙s3亦即基板100的凹陷部102a。

類似地，在上述蝕刻程序中，第二內連線結構120可作為蝕刻阻擋結構，以使得第二內連線結構120與第一內連線結構130之間形成間隙s2。更詳細來說，當于蝕刻介電層104時，蝕刻液體或是氣體對于介電層104以及金屬材料具有蝕刻選擇性，因此蝕刻程序不會蝕刻光吸收層202且終止于金屬圖案110a,110b,110c,110d以及連接結構112所在之處，進而形成間隙s1以及間隙s2。類似地，所述蝕刻液體或是氣體對于絕緣材料102以及多晶硅層具有蝕刻選擇性，因此此蝕刻程序會移除絕緣材料102以于半導體元件層106與基材100之間形成間隙s3。

圖4a至圖4c是依照本發(fā)明一實施例的一種光感測元件的制造流程剖面示意圖。圖4a至圖4c的實施例與上述圖1a至圖1b的實施例相似，因此相同的元件以相同的符號表示，且不再重復說明。請參照圖4a，在基材100上形成半導體元件層106以及金屬與絕緣材料疊層結構im(包括介電層104、第一內連線結構130、第二內連線結構120以及元件導線160)之后，在金屬與絕緣材料疊層結構im上形成光吸收層302，如圖4b所示，且光吸收層302暴露出第二內連線結構120上的介電層104。根據(jù)本實施例，光吸收層302例如是硅/金屬/硅的三明治結構疊層，所述金屬包括tin、nicr、au、ti或是其他具電磁波傳遞損耗特性的材料。

接著，進行蝕刻程序，所述蝕刻程序是經由被裸露出的介電層104作為蝕刻路徑340的源頭，且所述蝕刻程序是經由蝕刻路徑340將一部分的介電層104以及絕緣材料102移除。蝕刻程序完成之后所形成的結構如圖4c所示，亦即于光吸收層302與第二內連線結構120之間形成間隙s1，第二內 連線結構120與第一內連線結構130之間形成間隙s2，且基材100與半導體元件層106之間形成間隙s3，所述間隙s3亦即基板100的凹陷部102a。

類似地，在上述蝕刻程序中，第二內連線結構120可作為蝕刻阻擋結構，以使得第二內連線結構120與第一內連線結構130之間形成間隙s2。更詳細來說，當于蝕刻介電層104時，蝕刻液體或是氣體對于介電層104以及金屬材料與光吸收層302具有蝕刻選擇性，因此蝕刻程序不會蝕刻光吸收層302且蝕刻終止于金屬圖案110a,110b,110c,110d以及連接結構112所在之處，進而形成間隙s1以及間隙s2。類似地，所述蝕刻液體或是氣體對于絕緣材料102以及多晶硅層具有蝕刻選擇性，因此此蝕刻程序會移除絕緣材料102以于半導體元件層106之間形成間隙s3。

圖5a至圖5c是依照本發(fā)明一實施例的一種光感測元件的制造流程剖面示意圖。圖5a至圖5c的實施例與上述圖1a至圖1b的實施例相似，因此相同的元件以相同的符號表示，且不再重復說明。請參照圖5a，在基材100上形成半導體元件層106以及金屬與絕緣材料疊層結構im(包括介電層104、第一內連線結構130、第二內連線結構120以及元件導線160)。之后，在金屬與絕緣材料疊層結構im上形成光吸收層150，且光吸收層150暴露出第二內連線結構120。根據(jù)本實施例，光吸收層150包括金屬層150a以及電磁波損耗特性材料150b。根據(jù)本發(fā)明另一實施例，上述的光吸收層也可以是硅/金屬/硅的三明治結構疊層，所述金屬包括tin、nicr、au、ti或是其他具電磁波傳遞損耗特性的材料。

接著，如圖5b所示，進行蝕刻程序，所述蝕刻程序是經由被裸露出的第二內連線結構120作為蝕刻路徑440的源頭，依據(jù)蝕刻路徑440將第二內連線結構120移除。更詳細而言，在此實施例中，蝕刻程序所使用的蝕刻液體或氣體是對于第二內連線結構120與介電層104具有蝕刻選擇性，因此蝕刻程序使得內連線結構120被移除并使得介電層104被保留下來。在一實施例中，第一內連線結構130，可以單獨由介電材料形成，通過介電材料與半導體元件層106連接；或由介電材料包覆所有或部分多層金屬圖案110a,110b,110c,110d與連接結構112而形成，通過介電材料或介電材料與連接結構112與半導體元件層106連接。

之后，進行另一蝕刻程序，以移除位于半導體元件106下方的部分基板100，形成一凹陷部102a，如圖5c所示。換言之，蝕刻程序完成之后所形 成的結構，亦即于光吸收層302與包覆元件導線160的介電層104之間形成間隙s1，包覆元件導線160的介電層104與第一內連線結構130之間形成間隙s2，且基材100與半導體元件層106之間形成間隙s3，所述間隙s3亦即基板100的凹陷部102a。

類似地，在上述蝕刻程序中，第二內連線結構120周圍的介電層104可作為蝕刻阻擋結構，以使得包覆元件導線160的介電層104與第一內連線結構130之間形成間隙s2。更詳細來說，當于蝕刻第二內連線結構120時，蝕刻液體或是氣體對金屬與介電層104具有蝕刻選擇性，因此蝕刻程序不會蝕刻光吸收層150且蝕刻終止于介電層104所在之處，進而形成間隙s1以及間隙s2。類似地，另一蝕刻程序中，蝕刻液體或是氣體對介電層104以及基板100具有蝕刻選擇性，因此此蝕刻程序會移除部分基板100以于半導體元件層106之間形成間隙s3，且蝕刻終止于介電層104所在之處。

類似地，在上述圖5c的實施例中，蝕刻第二內連線結構120再移除部分基板100形成絕熱結構的做法，亦可透過光罩設計的變化，制作出不包含第一內連線結構的光感測元件，而后將光吸收材直截制作于半導體元件層106上，如圖7所示。

圖6是圖5c的光感測元件的上視示意圖，圖6中的sl2剖面線為圖5c的結構。如圖6所示，半導體元件層106包括n型區(qū)106a以及p型區(qū)106b。半導體元件層106與光吸收層150之間通過第一內連線結構130連接。在光感測元件的下方具有凹陷部102a,101為凹陷部邊界。另外，103為結構固定端，以使光感測元件固定于基材100上。

綜上所述，由于本發(fā)明利用金屬與絕緣材料疊層結構當中的第一內連線結構將光吸收層與半導體元件層連接在一起，光吸收層可以覆蓋半導體元件層，以提升光吸收層的吸收面積。此外，本發(fā)明采用蝕刻介電層并以金屬與絕緣材料疊層結構的第二內連線結構作為蝕刻阻擋層，或蝕刻第二內連線結構(金屬材料)與部分硅基板并以介電層做為蝕刻阻擋層，以形成特定的間隙結構以作為絕熱結構，此亦為新式的紅外光感測元件的制造方法。

雖然結合以上實施例公開了本發(fā)明，然而其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，可作些許的更動與潤飾，故本發(fā)明的保護范圍應當以附上的權利要求所界定的為準。