[发明专利]分子检测与鉴别的多接面结构的光二极管及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体元件及其制造方法，尤其涉及一种可与现有互补式金属氧化物半导体(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)制程相容的光二极管阵列(photodiode array)及其制造方法。

背景技术

互补式金属氧化物半导体影像感测元件(CMOS image sensor，CIS)与互补式金属氧化物半导体逻辑元件的制程相容，因此很容易与其他周边电路整合在同一晶片上，而且能够大幅降低影像感测元件的成本以及消耗功率。近年来，CMOS影像感测元件已广泛地应用于影像上，如预警、监视系统、工业视觉及生化检测等，进而使得CMOS影像感测元件的重要性与日俱增。然而，已知CMOS影像感测元件在应用上普遍受到光学式分光特性的限制，导致其无法广泛使用于高感光应用。

美国专利US 6727521揭示一种垂直滤光感测器(vertical color filter pixel sensor)的做法，主要应用于影像感测器。如此篇专利的图1及图3所示，多接面结构可分别收集蓝光、绿光、红光等三波段的光子(photons)，但事实上此结构的制程复杂且需要额外的两道硅磊晶制程以及多道的离子布植(ion implation)步骤。在此篇专利的图3中，第一道磊晶制程(66)形成于红光与绿光二极管的界面，第二道磊晶制程(72)则形成于绿光与蓝光二极管的界面，其中上述两个二极管之间并没有隔离，因而会有降低空间解析度(spatial resolution)的疑虑，且进行两道磊晶制程也额外增加了制程上的生产成本。

在US 7470946的图2B中，标号202为蓝光感测区、标号204为绿光感测区、标号206为红光感测区。此专利必须应用到以目前而言复杂且尚未成熟的SOI(silicon on insulator)技术以致量产良率不高。

美国专利US 6841816说明一种于硅基版上制作垂直滤光感测器(vertical color filter sensor)的方法。此篇专利的图12显示单一感测器的截面示意图，在感测器之间使用二氧化硅的目的是为了隔离邻近的感测器的载子扩散，以防止干扰(cross-talk)产生。另外，此篇专利所提出的接面的砷离子布植为1200keV且深度为1μm，其并非一般半导体厂的常用制程条件，加上形成多层二氧化硅绝缘层，因此导致整体制程较复杂。另外，磊晶层的界面介于多接面光偶合二极管之间，导致暗电流增加与量子效率的下降。

美国专利US 7651883揭示了利用U形井区(U-shape well)的多接面结构围绕于每一个光二极管的外围，其目的是为了要防止光二极管的载子扩散到邻近的光二极管而降低空间解析度，其中光二极管的制程是直接制作于n型硅基板上，并且宣称不需要磊晶层。此篇专利所使用的U形井区虽可解决US 6960757因没有外围隔离所造成的空间解析度问题，但是此篇专利却揭示了多接面结构的各层形成方式是采用高能量的离子布植制程。而且，此篇专利使用的n型基板无法与一般半导体厂使用的现有CMOS逻辑制程相容，因此并不适用于一般半导体厂制造。此外，此篇专利强调于基板上不需磊晶层就可直接制作所需的接面结构于基板上，虽然目的在于减少制程步骤，但是却容易因未隔绝基板上的缺陷(defect)且使后续接面结构的平坦度变差，而造成漏电流(leakage current)发生的机率变得极高。

发明内容

本发明提供一种半导体元件，其为具有多接面(multi-junction)结构的光二极管。

本发明另提供一种半导体元件的制造方法，可以相容整合于现有的CMOS逻辑制程。

本发明提出一种半导体元件，其包括具有第一导电型杂质的基材、具有第一导电型杂质的磊晶层、具有第二导电型杂质的深井区、具有第一导电型杂质的第一井区、具有第二导电型杂质的第二井区、具有第一导电型杂质的第三井区以及具有第二导电型杂质的第一掺杂区。磊晶层配置于基材上。深井区配置于磊晶层中。第一井区配置于深井区中，其三个边与磊晶层相接。第二井区配置于第一井区中。第三井区配置于第二井区中，其三个边与磊晶层相接。第一掺杂区配置于第三井区中。