CN103107175A - 具有改进的暗电流性能的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了半导体图像传感器器件。图像传感器器件包括半导体衬底，其包括阵列区域和黑电平校正区域。阵列区域包括多个辐射感测像素。黑电平校正区域包括一个或者多个基准像素。衬底具有前侧和背侧。图像传感器器件包括形成在衬底背侧的第一压缩应力层。第一压缩应力层包括氮化硅。图像传感器器件包括形成与压缩应力层上的金属防护罩。金属防护罩形成在黑电平校正区域的至少一部分上。图像传感器器件包括形成在金属防护罩以及第一压缩应力层上的第二压缩应力层。第二压缩应力层包括氧化硅。金属防护罩的侧壁由第二压缩应力层保护。本发明还公开了具有改进的暗电流性能的图像传感器。

Description

具有改进的暗电流性能的图像传感器
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，更具体地，涉及具有改进的暗电流性能的图像传感器。
背景技术
半导体图像传感器用于感测诸如光的辐射。互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)和电荷耦合元件(CCD)传感器被广泛使用在诸如数字静态照相机或移动电话照相机的多种应用中。这些器件利用在衬底中的像素阵列，包括二极管和晶体管，可吸收向衬底投射的辐射并将感测到的辐射转换为电信号。
背照式(BSI)图像传感器器件是一种类型的图像传感器器件。这些BSI图像传感器器件可操作地检测从背侧投射的光。BSI图像传感器可具有形成在基准像素(reference pixels)(在背侧上)上方的金属防护罩，以阻止光到达基准像素。传统的半导体图像传感器器件可经受大量的应力波动，该应力波动至少部分是由于这些金属防护罩存在而产生的。图像传感器器件内的应力可导致图像传感器具有较差的暗电流性能。
因此，尽管现有的半导体图像传感器总体上能够满足预期目的，但是它们并非在每一方面都能完全满足要求。
附图说明
当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本发明。应该强调的是，根据工业中的标准实践，各种部件没有被按比例绘制并且仅仅用在说明的目的。实际上，为了清楚地讨论，各种部件的尺寸可以被任意增加或减少。
图1示出了根据本发明的各个方面的用于制造图像传感器的方法的流程图。
图2-5是根据本发明的各个方面的在制造各个阶段的图像传感器器件的部分图解横截面侧视图。
具体实施方式
可以理解，下面公开的内容提供了许多不同的实施例或者例子，用以实现各个实施例中的不同特征。下面将描述组件或者布置的具体例子以简化本发明。当然它们仅为举例说明而并不旨在限制本发明。此外，在以下描述中，第一部件形成在第二部件上方或者在第二部件上可以包括第一部件与第二部件形成为直接接触的实施例，也可以包括附加部件形成在第一部件和第二部件之间使得第一部件和第二部件不直接接触的实施例。为了简化和清晰起见，各种部件也可以以不同的比例任意绘制。
图1中示出了根据本发明的各个方面的用于制造半导体图像传感器器件的方法10的流程图。参考图1，方法10开始于块12，多个辐射感测元件形成在半导体衬底中。衬底包括黑电平校正区域。方法10继续至块14，将第一压缩层形成在衬底上方。方法10继续至块16，将金属器件形成在第一压缩层上。金属器件形成在衬底的黑电平校正区域上方。方法10继续至块18，将第二压缩层形成在金属器件以及第一压缩层上。可以理解在图1的方法10之前、之中或者之后可进行附加的流程步骤。但是为了简化，在此不详细讨论这些附加的流程步骤。
图2至5是根据图1中方法10的方面在制造各个阶段的为背照式(BSI)图像传感器器件30的设备的多个实施例的部分图解横截面侧视图。图像传感器器件30包括像素阵列或者栅格，用于感测和记录向图像传感器器件30的背侧投射的辐射(例如光)的强度。图像传感器器件30可包括电荷耦合元件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)、有源像素传感器(active-pixel sensor，APS)或无源像素传感器。图像传感器器件30还包括附加的电路以及输入/输出，它们设置为与像素栅格相邻以提供对像素的操作环境以及支持像素与外部通信。可以理解，为了更好的理解本发明的发明概念，图1至5已简化并可不按比例绘制。
参考图2，图像传感器器件30包括衬底40，在后文中称作器件衬底。器件衬底40是掺杂有诸如硼的p型掺杂物的硅衬底(例如p型衬底)。可选地，器件衬底40可以是其他适合的半导体材料。例如，器件衬底40可为掺杂有诸如磷或砷的n型掺杂物的硅衬底(n型衬底)。器件衬底40可包括其他元素半导体，诸如锗或者金刚石(diamond)。器件衬底40可选地可以包括复合半导体和/或合金半导体。另外，器件衬底40可包括外延层(epi层)，可应变以增强性能，或可包括绝缘体上硅(SOI)结构。
再次参考图2，衬底40具有前侧(亦被称作前面)50以及背侧(亦被称作背面)60。对于诸如图像传感器器件30的BSI图像传感器器件，辐射从背侧60投射并穿过背面进入衬底40。器件衬底40也具有初始厚度70。在一些实施例中，初始厚度70在大约100微米(um)至大约3000um的范围内，例如在大约500um至大约1000um之间。
多个电介质浅沟槽隔离(STI)结构形成在衬底40中。在一些实施例中，通过如下工艺步骤形成STI结构：从前侧50蚀刻开口至衬底40中；用电介质材料填充开口，诸如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、低k材料或其他适合的电介质材料；之后进行抛光工艺——例如化学机械抛光(CMP)工艺——以平坦化填充进开口的电介质材料的表面。在一些实施例中，可形成深沟槽隔离(DTI)结构。DTI结构的形成工艺可与STI结构的形成工艺相同，尽管将DTI结构形成得深度比STI结构的深度大。在某些实施例中，还可形成掺杂的绝缘结构。这些掺杂的绝缘结构可通过一个或者多个离子注入工艺来形成。可形成掺杂的绝缘结构以替换或者增补STI或DTI结构。
多个像素形成在衬底40中。像素包括感测辐射的掺杂区。这些感测辐射的掺杂区通过一个或者多个离子注入工艺或扩散工艺形成，并掺杂与衬底40(或掺杂区域140)极性相反的掺杂剂。因此，在示出的实施例中，像素包括n型掺杂区域。对于诸如图像传感器器件30的BSI图像传感器器件来说，像素可操作地检测从背侧60向器件衬底40投射的辐射，如入射光75。
在一些实施例中，每个像素都包括光电二极管。在一些实施例中，深注入区域可形成在每个光电二极管的下方。在其他一些实施例中，像素可包括固定层光电二极管(pinned layer photodiode)、光电栅(photogate)、重置晶体管(reset transistor)、源极跟随器晶体管和转移晶体管。像素还可被称为辐射检测器件或光感测器。像素之间可以不同以具有不同的结深度(junction depth)、厚度、宽度等。可以理解，每对相邻或者邻近的像素可以通过上文讨论的隔离结构中的相应的一个彼此隔开。为了简化起见，在此并不具体讨论像素或者隔离结构。
现在参考图3，互连结构80形成在器件衬底40的前侧50上方。互连结构80包括多个图案化的介电层和导电层使得为图像传感器器件30的多个掺杂部件、电路以及输入/输出之间提供互连(例如，用金属线连接)。互连结构80包括层间电介质(ILD)和多层互连(MLI)结构。MLI结构包括接触件、通孔和金属线。为了说明的目的，在图3中示出了多个导电线90和通孔/接触件95，可以理解示出的导电线90和通孔/接触件95仅仅是示例性的，导电线90和通孔/接触件95的实际位置和布置可以根据设计需要和制造考虑而有所不同。
MLI结构可以包括导电材料，诸如铝、铝/硅/铜合金、钛、氮化钛、钨、多晶硅、金属硅化物或其组合，被称作铝互连件。可通过一种工艺形成铝互连件，该工艺包括物理气相沉积(PVD)(或溅射)、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)或其组合。其他形成铝互连件的制造技术可包括光刻工艺和蚀刻以图案化电介质材料从而实现垂直连接件(例如通孔/接触件95)以及水平连接件(例如，导电线90)。可选地，铜多层互连件可以用于形成金属图案。铜互连结构可包括铜、铜合金、钛、氮化钛、钽、氮化钽、钨、多晶硅、金属硅化物或其组合。可通过CVD，溅射、电镀或其他合适的工艺来形成铜互连结构。
继续参考如3，缓冲层100形成在互连结构80上。在本实施例中，缓冲层100包括诸如氧化硅的电介质材料。可选地，缓冲层100可选择性地包括氮化硅。缓冲层100通过CVD、PVD或其他合适的技术来形成。通过CMP工艺平坦化缓冲层100以形成光滑表面。
之后，通过缓冲层100将载具衬底110与器件衬底40相接合，因此可以实施对器件衬底40的背侧60的工艺。本实施例中载具衬底110与衬底40相似并包括硅材料。可选地，载具衬底110可包括玻璃衬底或者其他合适的材料。可通过分子间作用力(已知的直接接合或者光熔融接合的技术)或者通过本领域已知的其他接合技术(诸如金属扩散或者阳极接合)将载具衬底110与器件衬底40接合
再次参考图3，缓冲层100提供器件衬底40和载具衬底110之间的电隔离。载具衬底110对形成在衬底40的前侧50上的多个部件提供保护，诸如形成在其中的像素。载具衬底110还对下文讨论的器件衬底40的背侧60的工艺提供机械强度和支持。可选地，在接合后对器件衬底40和载具衬底110实施退火工艺以增强接合强度。
继续参考图3，在接合载具衬底后，实施减薄工艺120以从背侧60减薄器件衬底40。减薄工艺120可包括机械研磨工艺和化学减薄工艺。大量的衬底材料可首先在机械研磨工艺期间从器件衬底40移除。然后，可对器件衬底40的背侧60应用蚀刻化学物质实施化学减薄工艺以进一步减薄器件衬底40至厚度130，大约为几微米。在一些实施例中，厚度130大于大约1um但小于大约3um。也可以理解的是，本发明中公开的具体厚度仅是例子，并且根据图像传感器器件30的应用类型和设计需求也可实施其他厚度。
现在参考图4，压缩层150从背侧60形成在器件衬底40上方。压缩层150具有厚度160。在一些实施例中，厚度160小于大约500埃。在一些实施例中，压缩层150包括氧化硅。在一些实施例中，压缩层150可操作地将压缩应力传递至在其上和/或其下的层。通常，压缩应力是一种施加在材料上导致材料收缩的应力，意味着材料的长度在压缩方向上有减少趋势。压缩应力与拉伸应力相对，拉伸应力是一种施加在材料上导致材料扩张的应力，意味着材料的长度在压缩方向上有增长趋势。此处的压缩层150也作为位于器件衬底40和将形成在器件衬底40的背侧60上的层之间的缓冲层。
压缩层170形成在压缩层150上方。压缩层170也将压缩应力传递至在其上和/或其下的层。压缩层170具有厚度180。在一些实施例中，厚度180大在大约300埃但小于大约3000埃。在一些实施例中，压缩层170包括氮化硅。可通过在氮化硅形成过程中调整诸如无线电频率(RF)功率范围和SiH4气体含量等的参数，将氮化硅材料调节为具有压缩应力。在某些实施例中，压缩膜的压缩应力在量值方面大于大约-10x108达因/平方厘米。换句话说，压缩膜的压缩应力的绝对值大于大约10x108达因/平方厘米。
金属器件200形成在压缩层170的一部分上。金属器件200可使用本领域已知的合适的沉积工艺和图案化工艺来形成。金属器件200形成在图像传感器器件30中的被认为为黑电平校正区域210的区域中。黑电平校正区域210包括形成在器件衬底40中的一个或者多个需要保持光暗的基准像素。因此，金属器件200可操作地阻挡从背侧60的光穿透，从而下面的基准像素(形成在衬底40中，此处不示出)可以被保持为黑暗。因此，金属器件200可亦被称作金属防护罩。在一些实施例中，金属器件包括AlCu。金属器件200具有厚度220。在一些实施例中，厚度220大于大约600埃但小于大约3500埃。在此示出的实施例中，金属器件200是可拉伸器件。
除了黑电平校正区域210之外，图像传感器器件30还具有包含“常规”像素阵列的区域230，“常规”像素阵列可操作地检测光，并且不保持黑暗。因此，没有光阻挡器件形成在阵列区域230中的压缩层170上方。
现在参照图5，压缩层240形成在金属器件200上方并位在压缩层170的暴露表面上方。换句话说，压缩层240形成在黑电平校正区域210和阵列区域230中。金属器件200的侧壁被压缩层240所覆盖。压缩层250将压缩应力传递至金属器件200。压缩层240具有厚度250。在一些实施例中，厚度250大于大约1000埃但小于大约4000埃。在一些实施例中，压缩层250包括氧化硅。
压缩层260形成在压缩层240上方。压缩层260形成在黑电平校正区域210和阵列区域230两者中。压缩层260将压缩应力传递至其下面的层。压缩层260具有厚度270。在一些实施例中，厚度270大于大约1200埃但小于大约3500埃。在一些实施例中，压缩层260包括氮化硅。与压缩层170相似，可通过在氮化硅形成过程中调整诸如无线电频率(RF)功率范围和SiH4气体含量的参数使压缩层260的氮化硅材料被调节为具有压缩应力。在某些实施例中，压缩膜的压缩应力在量上大于大约-20x108达因/平方厘米。
上面讨论的实施例提供了超越传统图像传感器器件的优点，例如暗电流性能方面的提高。然而，可以理解并非此处讨论的所有优点都是必要的，其他实施例可以提供不同的优点，而且没有某一特定的优点是所有的实施例都要求具有的。
暗电流是常见类型的图像传感器器件缺陷，并且可以定义为当不存在实际照明时而存在像素电流。换句话说，像素“探测”到本不应探测到的光。暗电流缺陷可以由应力导致。更具体地，传统图像传感器可能经受过量的内部应力。过多的应力可诱发电荷载流子的能带隙变窄，因而导致泄漏电流。如果金属器件(遮挡基准像素)可导致明显水平的拉伸应力，该问题在图像传感器的黑电平校正区域中尤为明显。传统的图像传感器不适于减轻由金属器件引起的拉伸应力，因此暗电流缺陷经常成倍地影响传统的图像传感器。
相比之下，上文讨论的图像传感器器件30利用了独特并且最佳的膜堆叠方案来减少在黑电平区域210中的金属器件200的应力。例如，根据各个实施例，含氮压缩层170形成在金属器件200之下。如上文所讨论的，压缩应力和拉伸应力之间是相对的。压缩层170将压缩应力传递至其上的金属器件200，因此减少了金属器件200的拉伸应力。此外，由一层传递至另一层的应力量取决于这些层的相对厚度。这里，金属器件200有点厚(例如，千埃厚)。因此，为了确保足够量的压缩应力能被传递至金属层200，含氮压缩层170也被设置为具有相对较大的厚度(例如，千埃厚)。
传统的图像传感器未能保护在黑电平区域中的金属器件的侧壁。缺少对金属器件的侧壁的保护，也会导致可降低图像传感器性能的泄漏电流。相比之下，上述根据各实施例讨论的图像传感器器件30利用了含氧压缩层240保护金属器件200的侧壁。此类侧壁保护减少了电流泄漏缺陷并提高了图像传感器器件200的暗电流性能。此外，含氧压缩层240被配置为将压缩应力传递至金属器件200，从而进一步减少金属器件200的拉伸应力。再者，为了确保足够量的压缩应力能被传递至金属层200，压缩层240亦设计为具有相应的厚度，例如千埃厚。
可以理解，压缩层150和压缩层260也可以可操作地将压缩应力传递至金属器件200，尽管它们并不与金属器件200物理连接。通过压缩层150、170、240、以及260，传递至金属器件200的压缩应力的总量可大致抵消掉金属器件200的拉伸应力。换句话说，金属器件200可达到无应力状态。这样，能量带隙将基本不会改变，因此减少了泄漏电流并提高了暗电流性能。
可以实施附加的制造工艺以完成图像传感器器件30的制造。例如，滤色器层可形成在衬底40的背侧60上。滤色器层可包括放置的多个滤色器，这样入射辐射直接射在其上并穿过。滤色器可包括基于染料(或基于颜料)的聚合物或者树脂，用于过滤掉与色谱(如红、绿和蓝)对应的特定波长段的入射辐射。之后，包括多个微透镜的微透镜层形成在滤色器层上方。
微透镜使入射辐射向器件衬底40中的具体的辐射感测区域投射并聚焦。微透镜可以多种布置方式设置，并且根据用于微透镜的材料的折射率和与传感器表面的距离而具有多种形状。在形成滤色器层或者微透镜层之前，器件衬底40也可经受可选的激光回火工艺。为了简化说明，图中没有具体示出滤色器和微透镜。
可以理解的是，上述的制造工艺的顺序并不旨在进行限制。在未示出的其他实施例中，一些层或者器件可以根据不同的工艺顺序来形成。此外，可形成一些其他层，但为了简化的目的并未在此示出。例如，在形成滤色器层和/或微透镜层之前，可在衬底40的背侧60上方形成抗反射涂层(ARC)层。
还可以理解的是，以上大部分对图像传感器器件30的像素区域进行讨论。除了像素区域之外，图像传感器30还包括外围区域、接合焊盘区域以及刻线区域。外围区域可包括数字器件，诸如专用集成电路(ASIC)器件或者片上系统(SOC)器件，或用于建立图像传感器器件30的光强的基准线的其他基准像素。接合焊盘区域是为了形成接合焊盘而保留的，使得可建立图像传感器器件30与外部器件之间的电连接。刻线区域包括将一个半导体管芯与相邻的半导体管芯分离的区域。在后续的制造工艺中切割刻线区域以便将相邻的管芯分离，这在管芯被封装并作为集成电路芯片销售之前。为了简化的目的，在此没有示出或者描述图像传感器器件30的这些其他区域。
本发明的一方面涉及图像传感器器件，包括：包括多个辐射感测区域的半导体衬底，衬底具有第一侧和与第一侧相对的第二侧；设置在衬底的第二侧上的第一压缩层；设置在部分第一压缩层上的金属器件；以及设置在金属器件上的第二压缩层。
在一些实施例中，金属器件是拉伸器件。
在一些实施例中，金属器件设置在衬底的黑电平校正区域上方，黑电平校正区域包括基准像素。
在一些实施例中，所述辐射感测区域可操作地感测从第二侧向衬底投射的辐射。
在一些实施例中，第一压缩层包括压缩应力氮化硅材料。
在一些实施例中，第二压缩层包括压缩应力氧化硅材料。
在一些实施例中，第二压缩层设置在金属器件的侧壁上以及第一压缩层上。
在一些实施例中，图像传感器器件还包括：设置在衬底和第一压缩层之间的压缩氧化硅层；以及设置在第二压缩层上的压缩氮化硅层。
在一些实施例中，第二压缩层具有大于大约-10x108达因/平方厘米的应力；以及压缩氮化硅层具有大于大约-20x108达因/平方厘米的应力。
本发明的另一方面涉及半导体图像传感器器件，包括：半导体衬底，所述半导体衬底包括阵列区域和黑电平校正区域，其中所述阵列区域包括多个辐射感测像素，所述黑电平校正区域一个或者多个基准像素。衬底包括前侧和背侧；形成在所述衬底的背侧上的第一压缩应力层，所述第一压缩应力层包括氮化硅；形成在所述压缩应力层上的金属防护罩，其中所述金属防护罩形成在黑电平校正区域的至少一部分上方；形成在所述金属防护罩和所述第一压缩应力层上的第二压缩应力层，其中所述第二压缩应力层包括氧化硅，其中所述金属防护罩的侧壁由所述第二压缩应力层保护。
在一些实施例中，所述辐射感测像素被配置成检测从所述背侧进入衬底的光。
在一些实施例中，所述金属防护罩是拉伸器件。
在一些实施例中，图像传感器器件还包括：形成在所述衬底和所述第一压缩应力层之间的第三压缩应力层；以及形成在所述第二压缩应力层上的第四压缩应力层。
在一些实施例中，所述第三压缩应力层包括氧化物材料；并且所述第四压缩应力层包括氮化物材料。
本发明的又一方面涉及制造图像传感器器件的方法，包括：在半导体衬底中形成多个辐射感测元件，所述衬底包括黑电平校正区域；在所述衬底上方形成第一压缩层；在所述第一压缩层上形成金属器件，所述金属器件形成在所述衬底的所述黑电平校正区域上方；在所述金属器件和所述第一压缩层上形成第二压缩层。
在一些实施例中，所述衬底具有前面和背面；所述辐射感测元件可操作地感测从背面进入衬底的光；并且所述第一压缩层形成在所述衬底的背面上方。
在一些实施例中，所述黑电平校正区域包含一个或者多个基准像素。
在一些实施例中，所述金属器件是拉伸器件。
在一些实施例中，所述第一压缩层包括氮化硅；并且所述第二压缩层包括氧化硅。
在一些实施例中，所述第二压缩层的一部分形成在所述金属器件的侧壁上。
上面论述了若干实施例的特征，使得本领域普通技术人员可以更好地理解本发明的各个方面。本领域普通技术人员应该理解，可以很容易地使用本发明作为基础来设计或更改其他工艺和结构以达到与这里所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优点。本领域普通技术人员也应该意识到，这种等效构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。

Claims (10)

1.一种半导体图像传感器器件，包括：
具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧的半导体衬底，所述衬底包括多个接近所述第一侧的辐射感测区域；
设置在所述衬底的所述第二侧上的第一压缩层；
设置在部分所述第一压缩层上的金属器件；以及
设置在所述金属器件上的第二压缩层。
2.根据权利要求1所述的图像传感器器件，其中所述金属器件是拉伸器件。
3.根据权利要求1所述的图像传感器器件，其中所述金属器件设置在所述衬底的黑电平校正区域上方，所述黑电平校正区域包括基准像素。
4.根据权利要求1所述的图像传感器器件，其中所述辐射感测区域可操作地感测从所述第二侧向所述衬底投射的辐射。
5.一种半导体图像传感器器件，包括：
具有前侧和背侧的半导体衬底，所述衬底包括阵列区域和黑电平校正区域，其中所述阵列区域包括接近所述前侧的多个辐射感测像素，所述黑电平校正区域包括接近所述前侧的一个或者多个基准像素；
形成在所述衬底的所述背侧上的第一压缩应力层，所述第一压缩应力层包括氮化硅；
形成在所述压缩应力层上的金属防护罩，其中所述金属防护罩形成在所述黑电平校正区域的至少一部分上方；以及
形成在所述金属防护罩和所述第一压缩应力层上的第二压缩应力层，其中所述第二压缩应力层包括氧化硅，其中所述金属防护罩的侧壁由所述第二压缩应力层保护。
6.根据权利要求5所述的图像传感器器件，其中所述辐射感测像素被配置成检测从所述背侧进入衬底的光。
7.根据权利要求5所述的图像传感器器件，其中所述金属防护罩是拉伸器件。
8.一种制造半导体图像传感器器件的方法，包括：
在半导体衬底中形成多个辐射感测元件，所述衬底包括黑电平校正区域；
在所述衬底上方形成第一压缩层；
在所述第一压缩层上形成金属器件，所述金属器件形成在所述衬底的所述黑电平校正区域上方；以及
在所述金属器件和所述第一压缩层上形成第二压缩层。
9.根据权利要求8所述的方法，其中：
所述衬底具有前面和背面；
所述辐射感测元件可操作地感测从所述背面进入所述衬底的光；以及
所述第一压缩层形成在所述衬底的所述背面上方。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述黑电平校正区域包括一个或者多个基准像素。
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