CN103378117A - 具有负电荷层的背照式图像传感器 - Google Patents

Abstract

具有负电荷层的半导体图像传感器器件包括具有p型区域的半导体衬底，接近半导体衬底的正面位于p型区域中的多个辐射感应区域和接近多个辐射感应区域邻接p型区域的负电荷层。负电荷层可以是富氧氧化硅、高k金属氧化物或氮化硅，形成为浅沟槽隔离部件中的衬垫、晶体管栅极的侧壁间隔件或偏移间隔件、自对准硅化物阻挡层、位于自对准硅化物阻挡层下面的缓冲层、背表面层或它们的组合。

Description

具有负电荷层的背照式图像传感器

相关申请的交叉参考

本申请要求于2012年4月25日提交的美国临时专利申请第61/638,139号的优先权，将其全部内容结合于本申请作为参考。

技术领域

本发明涉及半导体材料和工艺，具体而言，涉及用于CMOS图像传感器的材料和工艺。

背景技术

集成电路(IC)技术不断得以改善。这种改善通常涉及按比例缩小器件几何尺寸以实现更低的制造成本、更高的器件集成密度、更快的速度和更卓越的性能。伴随着由减小几何尺寸所实现的进步，直接对IC器件进行改进。一种类型的IC器件中的是包含用于检测光并记录检测到的光的强度(亮度)的像素阵列(或栅格)的图像传感器器件。像素阵列通过积累电荷对光作出响应，举例来说，光越多，电荷越高。然后，积累的电荷(例如，通过其他电路)用于为合适的用途(诸如数码相机)提供颜色和亮度。一种类型的图像传感器器件是背照式(BSI)图像传感器器件。BSI图像传感器器件用于感应投射到衬底的背面(其支撑BSI图像传感器器件的图像传感器电路)的光的量。像素栅格位于衬底的正面，然后衬底足够薄从而使投射到衬底的背面的光能够到达像素栅格。相比于前照式(FSI)图像传感器器件，BSI图像传感器器件提供高填充因数和减少的相消干扰。由于器件收缩，不断对BSI技术作出改进以进一步改善BSI图像传感器器件的图像质量。虽然现有的BSI图像传感器器件和制造BSI图像传感器器件的方法大体上足以实现它们的预期用途，但随着器件继续按比例缩小，它们在各方面就不是完全令人满意的。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，根据本发明的一方面，提供了一种半导体图像传感器器件，包括：半导体衬底，具有包含p型掺杂物的p型区域；多个辐射感应区域，在所述p型区域中接近所述半导体衬底的正面；以及负电荷层，接近所述多个辐射感应区域邻接所述p型区域；其中，所述负电荷层具有大于约1E10/cm²的总负电荷。

在所述的器件中，所述负电荷层选自由富氧氧化硅、高k金属氧化物或氮化硅所组成的组。

在所述的器件中，所述负电荷层是位于设置在辐射感应区域之间的浅沟槽隔离部件中的衬垫。

在所述的器件中，所述负电荷层是位于所述半导体衬底的所述p型区域上方的晶体管栅极的侧壁间隔件。

在所述的器件中，所述负电荷层是位于自对准硅化物阻挡层和所述半导体衬底的p型区域之间的缓冲层。

在所述的器件中，所述负电荷层是自对准硅化物阻挡层。

在所述的器件中，所述负电荷层是位于晶体管栅极间隔件上方的偏移间隔件。

在所述的器件中，所述负电荷层是位于所述半导体衬底的背面上的背表面层。

在所述的器件中，所述负电荷层具有约50E10/cm²的总负电荷。

在所述的器件中，所述负电荷层选自由氧化铝、氧化镁、氧化钙、氧化铪、氧化锆、氧化钇、氧化钽、氧化锶、氧化钛、氧化镧和氧化钡所组成的组。

根据本发明的另一方面，提供了一种方法，包括：提供具有正面和背面的衬底；在所述衬底的正面形成感光区域；在所述衬底的正面上形成负电荷层；以及对所述衬底实施退火工艺；其中，在所述退火之后，所述负电荷层具有大于约1E10/cm²的总负电荷。

在所述的方法中，形成所述负电荷层包括使用低温等离子体辅助自由基氧化工艺沉积富氧氧化硅。

在所述的方法中，形成所述负电荷层包括使用原子层沉积工艺沉积高k金属氧化物。

在所述的方法中，形成所述负电荷层包括使用等离子体辅助氮化工艺沉积氮化硅。

在所述的方法中，所述负电荷层选自由富氧氧化硅、高k金属氧化物或氮化硅所组成的组。

所述的方法还包括：从所述背面减薄所述衬底；在减薄的衬底的背面上方沉积负电荷层。

在所述的方法中，实施所述退火包括在惰性环境中的炉中将所述衬底加热至大于800摄氏度的温度持续30分钟以上。

根据本发明的又一方面，还提供了一种方法，包括：提供具有正面和背面的衬底；在所述衬底的正面形成感光区域；从所述背面减薄所述衬底；以及在减薄的衬底的背面上形成负电荷层；其中，所述负电荷层具有大于约1E10/cm²的总负电荷。

在所述的方法中，所述负电荷层选自由富氧氧化硅、高k金属氧化物或氮化硅所组成的组。

在所述的方法中，形成所述负电荷层包括使用低温等离子体辅助自由基氧化工艺、原子层沉积工艺或等离子体辅助氮化工艺来沉积所述负电荷层。

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，对各种部件没有被按比例绘制并且仅用于说明的目的。实际上，为了清楚的论述，各种部件的尺寸可以被任意增大或缩小。

图1是根据本发明的各方面的图像传感器器件的俯视图。

图2是根据本发明的各方面的包含图像传感器器件传感器元件的集成电路器件的示意性横截面侧视图。

图3是根据本发明的各方面制造包含图像传感器器件的集成电路器件的方法的流程图。

图4是根据本发明的各个实施例的一类负电荷层和通常用作浅沟槽隔离(STI)中的衬垫氧化物的传统氧化硅的总电荷的图表。

具体实施方式

为了实施本发明的不同部件，以下公开内容提供了许多不同的实施例或实例。在下面描述元件和布置的特定实例以简化本发明。当然这些仅是实例并不打算用于限定。例如，在下面的描述中第一部件在第二部件上方或者在第二部件上的形成可以包括其中第一和第二部件以直接接触形成的实施例，并且也可以包括其中可以在第一和第二部件之间形成额外的部件，使得第一和第二部件可以不直接接触的实施例。

另外，空间相对位置术语，例如“在...下面”、“在...下方”、“下”、在...上方”、“上”等在本文中可以用于方便描述以说明如附图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。空间相对位置术语旨在包含除了附图中描述的方位之外的在使用中或操作中的器件的不同方位。例如，如果翻转附图中的器件，描述成位于其他元件或部件“下方”或“下面”的元件则将被定向为位于其他元件或部件的“上方”。因此，示例性术语“在......下方”可以包含上下两种方位。装置可以以其他方式定向(旋转90度或位于其他方位)，相应地，可以同样解释本文中使用的空间相对位置描述符。

当保持良好的结构完整性和可制造性时，对图像传感器设计进行改进以最小化电流泄漏。根据本发明的各个实施例，在图像传感器中在辐射感应(radiation-sensing)区域周围使用负电荷层。在器件形成工艺期间以及之后，包括炉式退火之前及之后，负电荷层比传统介电膜具有更多的总负电荷。负电荷可在负电荷层和围绕辐射感应区域的衬底的p型区域的界面或界面附近形成空穴累积。此空穴累积减少暗电流，暗电流是在图像传感器器件上无入射光的情况下在图像传感器器件中流动的电流；和/或白像素，白像素是在过量的电流泄漏导致来自像素的信号异常高的地方发生的。

在许多实施例中，辐射感应区域是光检测器。在光检测器周围放置负电荷层来代替一层或多层介电膜。在一些实施例中，负电荷层替换浅沟槽隔离(STI)部件中的衬垫氧化物。在一些实施例中，负电荷层是侧壁间隔件。在一些实施例中，负电荷层是自对准硅化物阻挡层(salicide-block layer)或位于自对准硅化物阻挡层和半导体衬底的p型区域之间的缓冲层。在一些实施例中，负电荷层用作在光检测器上方放置的一个或多个晶体管栅极的栅极偏移间隔件(gate offset spacer)。负电荷层还可以是位于半导体衬底的背面上的背表面层。

负电荷层是富氧氧化硅、高k金属氧化物或氮化物材料。根据一个或多个实施例，通过较强的稀释硅烷等离子体中的电感耦合等离子体增强化学汽相沉积(ICPECVD)、低温等离子体辅助自由基氧化、远程生成或微波等离子体形成富氧氧化硅。与热生长的SiO₂的正电荷相反，在负电荷层中，氧化物净电荷是负的并且是层厚度的函数。根据各个实施例，由于通过包括中性氧自由基、氧离子和电子的等离子体种类氧化硅表面，产生负电荷。因而在等离子体氧化是主要因素的工艺条件下，净电荷是负的。这种工艺条件包括低沉积速度和相对薄的沉积层。结果，硅表面的等离子体氧化导致氧过剩的SiO₂层。氧过剩的SiO₂层累积的负电荷为约5E9/cm²至约1E13/cm²，或大于约1E10/cm²。换句话说，该层的总电荷(Qtot)为约-5E9/cm²至约-1E13/cm²，或负电荷大于约1E10/cm²。

根据一个或多个实施例，负电荷层是高k金属氧化物。高k金属氧化物可以是氧化铝、氧化镁、氧化钙、氧化铪、氧化锆、氧化钇、氧化钽、氧化锶、氧化钛、氧化镧、氧化钡或使用现有半导体沉积技术可以形成高k膜的其他金属氧化物。可以使用化学汽相沉积(CVD)技术或物理汽相沉积(PVD)技术沉积高k金属氧化物。CVD工艺可以是包括ICPECVD的等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)、低压化学汽相沉积(LPCVD)或采用/不采用等离子体的原子层沉积(ALD)。可以通过改变工艺参数(包括各种流速和功率参数)对这些工艺进行调整以有利于负电荷累积，并且这些工艺可以包括在膜沉积之后的处理步骤以增加负电荷。得到的高k金属氧化物膜可以具有富氧组成，其具有带负电荷的填隙氧原子和/或悬挂/断裂的金属氧化物键，而这二者都能产生累积的负电荷。累积的负电荷可以为约5E9/cm²至约1E14/cm²或大于约1E10/cm²。换句话说，该层的总电荷(Qtot)为约-5E9/cm²至约-1E14/cm²或负电荷大于约1E10/cm²。

根据其他实施例，负电荷层是氮化硅或氮化物电介质。氮化物材料可以是富氮氮化硅或其他富氮介电膜，诸如氮化钽、氮化钛、氮化铪、氮化铝、氮化镁或使用现有的半导体沉积技术可以形成的其他金属氮化物。可以使用CVD技术或PVD技术沉积氮化物材料。CVD工艺可以是PECVD(包括ICPECVD)、LPCVD或采用/不采用等离子体的ALD。在一些实施例中，负电荷层是等离子体氮化材料。如果使用非等离子体沉积技术，通过使用含等离子体的氮离子，可以在后处理中的膜沉积期间或之后进行等离子体氮化。等离子体氮化形成带有累积的负电荷的富氮膜。在一些实施例中，通过采用氨的热处理或等离子体处理增加负电荷。累积的负电荷为约1E9/cm²至约1E13/cm²，或大于约5E9/cm²。换句话说，该层的总电荷(Qtot)为约-1E9至约-1E13/cm²，或负电荷大于约5E9/cm²。

结合图1和图2，论述了根据本发明的各个负电荷层实施例的背照式(BSI)CMOS图像传感器(CIS)器件的描述。图1是根据本发明的各方面的图像传感器器件100的俯视图。在所述的实施例中，图像传感器器件是背照式(BSI)图像传感器器件。图像传感器器件100包括像素110的阵列。每个像素110被布置成列(例如，C1至Cx)和行(例如，R1至Ry)。术语“像素”是指包含用于将电磁辐射转换成电信号的部件(例如，光检测器和各种电路，其可以包括各种半导体器件)的单位单元。像素110可以包括光电二极管、互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器、电荷耦合器件(CCD)传感器、有源传感器、无源传感器、其他传感器、或将来开发的图像传感器件。可以设计具有各种传感器类型的像素110。例如，一组像素110可以是CMOS图像传感器而另一组像素110可以是无源传感器。此外，像素110可以包括彩色图像传感器和/或单色图像传感器。在实例中，每个像素110都是有源像素传感器，诸如互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。在所述的实施例中，每个像素110可以包括用于记录光(辐射)的强度或亮度的光检测器，诸如光电门型光检测器。每个像素110还可以包括各种半导体器件，诸如各种晶体管，包括传输晶体管、复位晶体管、源极跟随晶体管、选择晶体管、其他合适的晶体管或它们的组合。可以将另一电路、输入和/或输出连接至像素阵列从而为像素110提供操作环境并且支持与像素110的外部通讯。例如，可以将像素阵列与读出电路和/或控制电路连接。为了简明起见，本发明中描述了包括单个像素的图像传感器器件；然而，通常这样的像素的阵列形成图1中示出的图像传感器器件100。

图2是根据本发明的各方面的集成电路器件200的示意性截面图。在所述的实施例中，集成电路器件200包括背照式(BSI)图像传感器器件。集成电路器件200可以是集成电路(IC)芯片、片上系统(SoC)或它们的一部分，包括各种无源和有源微电子元件，诸如电阻器、电容器、电感器、二极管、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、互补MOS(CMOS)晶体管、双极结型晶体管(BJT)、横向扩散MOS(LDMOS)晶体管、高功率MOS晶体管、鳍式场效应晶体管(FinFET)、其他合适的元件或他们的组合。为了清楚起见，已简化图2以便更好地理解本发明的发明构思。可以在集成电路器件200中加入其他部件，并且对于集成电路器件200的其他实施例，下面描述的一些部件可以被替换或去除。

在图2中，集成电路器件200包括具有正面204和背面206的衬底202。在所述的实施例中，衬底202是包含硅的半导体衬底。可选地或另外地，衬底202包括另一元素半导体，诸如锗和/或金刚石；化合物半导体，包括碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟和/或锑化铟；合金半导体，包括SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP和/或GaInAsP；或它们的组合。根据一个或多个实施例，衬底202是绝缘体上半导体(SOI)。衬底202包括掺杂的外延层、梯度半导体层和/或位于另一不同类型的半导体层上面的半导体层，诸如硅锗层上硅层。在所述的实施例中，衬底202是p型衬底。掺杂衬底202的p型掺杂物包括硼、镓、铟、其他合适的p型掺杂物或它们的组合。因为所述的集成电路器件200包括p型掺杂衬底，下面描述的掺杂配置与p型掺杂衬底一致。在一个或多个实施例中，衬底202是n型掺杂的衬底，在这种情况下，下面描述的掺杂配置与n型掺杂衬底一致(例如，具有相反导电性的掺杂配置)。n型掺杂衬底包括n型掺杂物，包括磷、砷、其他合适的n型掺杂物或它们的组合。根据一个或多个实施例，不管衬底掺杂类型如何，衬底202包括各种p型掺杂区域和/或n型掺杂区域。可以在各个步骤和技术中使用诸如离子注入或扩散的工艺实施掺杂。

衬底202包括诸如硅的局部氧化(LOCOS)和/或浅沟槽隔离(STI)的隔离部件240以将在衬底202上或在衬底202内形成的各个区域和/或器件隔开(或隔离)。例如，隔离部件240将传感器元件210与相邻的传感器元件隔离开。在所述的实施例中，隔离部件240是STI。隔离部件240包括围绕诸如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、其他绝缘材料或它们的组合的绝缘材料的负电荷层衬垫208。首先通过沉积或形成薄的负电荷衬垫208，然后通过任何合适的工艺沉积绝缘材料来形成隔离部件240。作为一个实例，形成STI包括光刻工艺；在衬底中(诸如通过使用干蚀刻、湿蚀刻或它们的组合)蚀刻沟槽；在沟槽中形成薄负电荷层208；以及用一种或多种介电材料(例如，通过使用化学汽相沉积工艺)填充该沟槽。在一些实例中，填充后的沟槽可以具有其他层，诸如位于绝缘材料和负电荷衬垫208之间的热氧化物层(未示出)。STI形成还包括使用化学机械抛光(CMP)工艺来回蚀刻和平坦化。

如上所述，集成电路器件200包括传感器元件(或传感器像素)210。传感器元件210检测指向衬底202的背面206的辐射(诸如入射辐射(光)212)的强度(亮度)。入射辐射是可见光。可选地，辐射212是红外线(IR)、紫外线(UV)、x射线、微波、其他合适的辐射类型或它们的组合。传感器元件210被配置成与特定光波长(诸如红光、绿光或蓝光波长)相对应。换句话说，传感器元件210被配置成检测特定光波长的强度(或亮度)。在所述的实施例中，传感器元件210是包含在像素阵列(诸如图1中示出的像素阵列)中的像素。在所述的实施例中，传感器元件210包括光检测器，诸如光电二极管，其包括感光区域(或光传感区域)214和固定层216。感光区域(或光传感区域)214是在衬底202中、具体地说是沿着衬底202的正面204形成的具有n型和/或p型掺杂物的掺杂区域。在所述的实施例中，感光区域214是n型掺杂区域。通过诸如扩散和/或离子注入的方法形成感光区域214。固定层216是在衬底202的正面204设置的掺杂层。例如，在所述的实施例中，固定层216是p型注入层。

传感器元件210还包括各种晶体管，诸如与传输栅极220相关的传输晶体管、与复位栅极222相关的复位晶体管、源极跟随晶体管(未示出)、选择晶体管(未示出)、其他合适的晶体管或它们的组合。感光区域214和各种晶体管(其可以被统称为像素电路)容许传感器元件210检测特定光波长的强度。可以向传感器元件210提供其他电路、输入和/或输出以便为传感器元件210提供操作环境和/或支持与传感器元件210的通讯。

在衬底202的正面204上方设置像素电路中的各种晶体管栅极，包括传输栅极220和复位栅极222。传输栅极220介于衬底202的源极/漏极区域224和感光区域214之间，使得在源极/漏极区域224和感光区域214之间限定出沟道。复位栅极222介于衬底202的源极/漏极区域224之间，使得在两个源极/漏极区域224之间限定出沟道。在所述的实施例中，源极/漏极区域224是N+源极/漏极扩散区域。源极/漏极区域224可以被称为浮置扩散区域。传输栅极220和复位栅极222包括具有栅极介电层和栅电极的栅极堆叠件。栅极介电层包含介电材料，诸如氧化硅、高k介电材料、其他介电材料或它们的组合。高k介电材料的实例包括HfO₂、HfSiO、HfSiON、HfTaO、HfTiO、HfZrO、氧化锆、氧化铝、二氧化铪-氧化铝(HfO₂-Al₂O₃)合金、其他高k介电材料或它们的组合。栅电极包含多晶硅和/或金属，包括Al、Cu、Ti、Ta、W、Mo、TaN、NiSi、CoSi、TiN、WN、TiAl、TiAlN、TaCN、TaC、TaSiN、其他导电材料或它们的组合。传输栅极220和复位栅极222包括在栅极堆叠件的侧壁上设置的间隔件结构。间隔件结构包括栅极偏移间隔件和/或栅极侧壁间隔件(合起来被示为元件244)和侧壁间隔件246。栅极偏移间隔件是最靠近栅极的层，其次是栅极侧壁间隔件(如果使用的话)。根据一个或多个实施例，间隔件结构244(即，栅极偏移间隔件和栅极侧壁间隔件)是负电荷层。间隔件结构244可以是不同的氧化物。侧壁间隔件246可以是位于多层结构中的氮化硅、氮氧化硅、其他合适的材料或它们的组合。通过合适的工艺，包括沉积、光刻图案化和蚀刻工艺形成传输栅极220和复位栅极222。

根据一个或多个实施例，在半导体加工期间，当自对准硅化物在器件的其他部分中形成时，自对准硅化物阻挡层位于像素电路中的部分晶体管和光电二极管的上方以阻断自对准硅化物形成。在一些实施例中，不需要位于光二极管周围的金属硅化物，因为可能导致量子效率降低。因此，在部分晶体管(例如，具有传输栅极220的传输晶体管和具有复位栅极222的复位晶体管)和光电二极管上方形成绝缘材料的自对准硅化物阻挡层248以在金属硅化物形成工艺期间阻止过渡金属接触暴露的硅。因为金属与绝缘材料不反应，所以阻断自对准硅化物形成。然后在蚀刻工艺中去除金属。自对准硅化物阻挡层248是负电荷层或包括作为自对准硅化物阻挡层248下方的缓冲层的负电荷层。在一些实施例中，仅在光二极管周围且不在诸如栅极222和220的晶体管栅极上方使用自对准硅化物阻挡层248。在一些实施例中，在接近光电二极管的晶体管栅极(诸如传输栅极220)上方且不在复位栅极222上方使用自对准硅化物阻挡层248。

集成电路器件200还包括在衬底202的正面204上方(包括在传感器元件210上方)设置的多层互连件(MLI)230。将MLI 230连接至BSI图像传感器器件的各个元件，诸如传感器元件210，使得BSI图像传感器器件的各个元件可通过操作以便正确地对照明光(成像辐射)作出响应。MLI230包括各种导电部件，其可以是垂直互连件，诸如接触件232和/或通孔234；和/或水平互连件，诸如线236。各种导电部件232、234和236包含诸如金属的导电材料。在实例中，可以使用金属，包括铝、铝/硅/铜合金、钛、氮化钛、钨、多晶硅、金属硅化物或它们的组合，并且各种导电部件232、234和236可以被称为铝互连件。可以通过包括物理汽相沉积(PVD)、化学汽相沉积(CVD)或它们的组合的工艺形成铝互连件。用于形成各个导电部件232、234和236的其他制造技术可以包括光刻加工和蚀刻以图案化导电材料从而形成垂直和水平连接件。还可以实施其他制造工艺以形成MLI 230，诸如热退火以形成金属硅化物。多层互连件中使用的金属硅化物可以包括硅化镍、硅化钴、硅化钨、硅化钽、硅化钛、硅化铂、硅化饵、硅化钯或它们的组合。可选地，各个导电部件232、234和236可以是铜多层互连件，其包括铜、铜合金、钛、氮化钛、钽、氮化钽、钨、多晶硅、金属硅化物或它们的组合。可以通过包括PVD、CVD或它们的组合的工艺形成铜互连件。MLI 230不受所描述的导电部件232、234、236的数量、材料、尺寸和/或维度的限制，从而根据集成电路器件200的设计要求，MLI230可以包括任何数量、材料、尺寸和/或维度的导电部件。

在层间(或层次间)介电(ILD)层242中设置MLI 230的各个导电部件232、234和236。ILD层242可以包含二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、TEOS氧化物、磷硅酸盐玻璃(PSG)、硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)、氟化硅玻璃(FSG)、碳掺杂的氧化硅、黑金刚石

(Applied Materials，Santa Clara，California)、干凝胶、气凝胶、非晶氟化碳、聚对二甲苯、BCB(联苯并环丁烯)、SiLK(Dow Chemical，Midland，Michigan)、聚酰亚胺、其他合适的材料或它们的组合。ILD层242可以具有多层结构。可以通过包括旋转涂布、CVD、溅射或其他合适的工艺的技术形成ILD层242。在实例中，可以在包括诸如双镶嵌工艺或单镶嵌工艺的镶嵌工艺的集成工艺中形成MLI 230和ILD 242。

在衬底202的正面204上方设置载具晶圆250。在所述的实施例中，将载具晶圆250接合至MLI 230。载具晶圆250包含硅。可选地，载具晶圆250包含另一合适的材料，诸如玻璃。载具晶圆250可以为在衬底202的正面204上形成的各个部件(诸如传感器元件210)提供保护，并且还可以为加工衬底202的背面206提供机械强度和支撑。

在衬底202的背面206设置背面处理层260。根据一个或多个实施例，背面处理层260是负电荷层，并且还可以包括通过注入工艺、扩散工艺、退火工艺、其他工艺或它们的组合形成的掺杂层。掺杂层包含p型掺杂物，诸如硼，并且可以是P+掺杂层。掺杂层可以包含其他p型掺杂物，诸如镓、铟、其他p型掺杂物或它们的组合。

集成电路器件200还包括在衬底202的背面206上方设置的部件。例如，在衬底202的背面206上方设置抗反射层270、滤色器290和透镜295。在所述的实施例中，在衬底202的背面206和滤色器290之间设置抗反射层270。抗反射层270包含介电材料，诸如氮化硅、氮氧化硅或高k金属氧化物。

在衬底202的背面206上方、具体地说是在抗反射层270上方设置滤色器290，并且与传感器元件210的感光区域214对准。滤色器290被配置成滤过预定波长的光。例如，滤色器290滤过红光波长、绿光波长或蓝光波长的可见光到达传感器元件210。滤色器290包含任何合适的材料。在实例中，滤色器290包含用于过滤特定频带(例如，期望的光波长)的基于染料的(或基于色素的)聚合物。可选地，滤色器290包含具有彩色色素的树脂或其他基于有机的材料。

在衬底202的背面206上方、具体地说是在滤色器290上方设置的透镜295也与传感器元件210的感光区域214对准。透镜295可以与传感器元件210和滤色器290呈现出各种位置排布，使得透镜295将入射辐射212聚焦在传感器元件210的感光区域214上。透镜295包含合适的材料，并且可以具有各种形状和尺寸，取决于用于透镜的材料的折射率和/或透镜和传感器元件210之间的距离。可选地，可以颠倒滤色器290和透镜295的位置，使得透镜295设置在抗反射层270和滤色器290之间。本发明还考虑到具有设置在透镜层之间的滤色器层的集成电路器件200。

在操作中，将集成电路器件200设计成接收向衬底202的背面206传播的辐射212。透镜295将入射辐射212导向至滤色器290。然后光从滤色器290通过抗反射层270到达衬底202和对应的传感器元件210、具体地说是感光区域214。因为光没有被位于衬底202的正面204上面的各个器件部件(例如，栅电极)和/或金属部件(例如，MLI 230的导电部件232、234和236)阻挡，可以使穿过到达滤色器290和传感器元件210的光最大化。期望波长的光(例如，红光、绿光和蓝光)被允许穿过传感器元件210的感光区域214。当暴露于光时，只要与传输栅极220相关的传输晶体管处于“断开”状态，传感器元件210的感光区域214产生并累积(收集)电子。当传输栅极220处于“导通”状态时，累积的电子(电荷)可以传输到源极/漏极区域(浮置扩散区域)224。源极跟随晶体管(未示出)可以将电荷转换成电压信号。根据一个或多个实施例，在电荷传输之前，通过接通与复位栅极222相关的复位晶体管将源极/漏极区域224设置成预定电压。在实例中，固定层216和掺杂层260具有相同的电势，诸如衬底202的电势，使得感光区域214在钉扎电压下(V_PIN)被完全耗尽，并且在感光区域214被完全耗尽时，将传感器元件210的电势钉扎为定值V_PIN。

图3是根据本发明的各方面制造包含图像传感器器件的集成电路器件的方法的流程图。在图3中，方法300开始于框301，提供具有正面和背面或第一表面和第二表面的衬底。衬底是包含硅的半导体衬底并且可以包括掺杂的外延层、梯度半导体层和/或位于另一不同类型的半导体层上面的半导体层，诸如硅锗层上硅层。在一些实施例中，衬底是掺杂有硼、镓、铟、其他合适的p型掺杂物或它们的组合的p型衬底。

在框303中，在衬底的正面形成感光区域。感光区域包括光检测器，诸如光电二极管。感光区域(或光传感区域)是在衬底中形成的具有n型和/或p型掺杂物的掺杂区域。通过诸如扩散和/或离子注入的方法形成感光区域。

在框305中，在衬底的正面上形成一层或多层负电荷层。根据负电荷层所处的位置，该层在感光区域之前或之后形成。在一些实施例中，负电荷层是在光电二极管注入之前形成的浅沟槽隔离(STI)衬垫。在衬底中蚀刻沟槽，然后在沟槽中沉积负电荷衬垫以覆盖沟槽的底面。然后用氧化硅填充STI。在形成感光区域的注入或扩散操作之前，使用化学机械抛光(CMP)工艺使衬底平坦化。

可以在感光区域之后形成一层或多层负电荷层。可以通过首先沉积栅极电介质，然后生长多晶硅或沉积栅极堆叠件以在感光区域周围形成一个或多个晶体管栅极。通过蚀刻或去除不想要的部分形成栅极。在一些实施例中，可以在栅极上方沉积负电荷层的薄膜，作为围绕在栅极上的偏移间隔件或侧壁间隔件。偏移间隔件与用于晶体管形成的后续离子注入和/或光电二极管注入对准一距离，该距离等于远离栅极壁的偏移间隔件厚度。可以紧靠偏移间隔件沉积另一负电荷层膜以衬着栅极间隔件，该另一负电荷层沉积在负电荷层上方并被蚀刻。然后实施与对着栅极间隔件注入的区域对准的另一离子注入。

在一些实施例中，一层或多层负电荷层包括位于自对准硅化物阻挡层下方的缓冲层。如上所述，自对准硅化物阻挡层用于阻止光电二极管上方或周围的金属硅化。在一些实施例中，负电荷层是自对准硅化物阻挡层。在负电荷层是缓冲层的其他实施例中，然后沉积自对准硅化物阻挡层。

在框307中，对衬底实施退火以活化各种注入的掺杂物。在惰性环境中，退火工艺将衬底加热至大于约800摄氏度的温度。在一些实施例中，进行退火持续几分钟。在某些实施例中，进行退火持续多于半个小时或多于一个小时的时间。在一个实施例中，在1100摄氏度下进行退火持续2小时。退火可以减少一层或多层负电荷层中累积的负电荷。根据各个实施例，在退火操作之后，保留累积的负电荷。在退火之后，总负电荷大于约1E10/cm²，或大于约4E11/cm²，或约为5E11/cm²。

图4是一类负电荷层和通常用作STI中的衬垫氧化物的常规氧化硅的总电荷的图表。制备三种膜并且在1100摄氏度下对其进行炉式退火2小时。样品1和2是使用低温等离子体以及氧自由基氧化沉积的富氧氧化硅膜。在沉积后，样品具有大于-150E10/cm²的总电荷(参见数据点401和402)。样品1具有位于数据点401的约-200E10/cm²的总电荷。在炉式退火之后，如虚线箭头所示，总电荷变得更趋向于正电荷，为约-50E10/cm²(数据点411和412)。炉式退火可以修复悬键或断键或促进填隙氧溢出。样品3是通常用作STI部件的衬垫的氧化硅膜。在沉积后，该样品具有位于数据点403的大于约50E10/cm²的总正电荷。在退火之后，样品3在数据点413略呈负值，但不如负电荷层的负值大。

负电荷保持能力对于在衬底的正面上使用的负电荷层是重要的，因为掺杂物活化退火对器件形成是必需的。如图4的样品1和2所示，如果可以在负电荷层沉积之前实施退火工艺，可以在负电荷层中保持更多的负电荷。因而在一些实施例中，可以在退火之后沉积包含负电荷层的自对准硅化物阻挡层。

返回参照图3，在框309中，在图像传感器器件形成之后，从背面减薄衬底。在形成后段工艺(包括形成互连件结构和钝化件)之后，完成图像传感器器件。将载具晶圆接合至衬底的正面，然后减薄背面。可以使用多步骤工艺，例如，包括研磨、抛光和蚀刻(干蚀刻、湿蚀刻或它们的组合)的多步骤工艺。

在框311中，除了p型掺杂层之外或者代替p型掺杂层，可以在减薄的衬底的背面上形成负电荷层。位于背面上的负电荷层可以介于约10至约100埃之间，并且位于抗反射层和光电二极管(例如，传感器元件)之间。

本发明提供了方法和器件的许多不同的实施例。例如，半导体图像传感器器件包括具有包含p型掺杂物的p型区域的半导体衬底、在p型区域中接近半导体衬底的正面的多个辐射感应区域、以及接近多个辐射感应区域邻接p型区域的负电荷层。在另一实例中，一种形成图像传感器器件的方法包括提供具有正面和背面的衬底；在衬底的正面形成感光区域；在衬底的正面上形成负电荷层；以及对衬底实施退火工艺。在一些实施例中，该方法还包括从背面减薄衬底和在减薄的衬底的背面上方沉积负电荷层。该负电荷层具有大于约1E10/cm²的总负电荷。

上面论述了若干实施例的部件，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。本领域中的技术人员应该理解，可以很容易地使用本发明作为基础来设计或更改其他用于达到与本文中所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优点的工艺和结构。本领域中的技术人员还应该意识到，这样的等效构造并不背离本发明的主旨和范围，并且在不背离本发明的主旨和范围的情况下，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：

半导体衬底，具有包含p型掺杂物的p型区域；

多个辐射感应区域，在所述p型区域中接近所述半导体衬底的正面；以及

负电荷层，接近所述多个辐射感应区域邻接所述p型区域；

其中，所述负电荷层具有大于约1E10/cm²的总负电荷。

2.根据权利要求1所述的器件，其中，所述负电荷层选自由富氧氧化硅、高k金属氧化物或氮化硅所组成的组。

3.根据权利要求1所述的器件，其中，所述负电荷层是位于设置在辐射感应区域之间的浅沟槽隔离部件中的衬垫；或者

所述负电荷层是位于所述半导体衬底的所述p型区域上方的晶体管栅极的侧壁间隔件；或者

所述负电荷层是位于自对准硅化物阻挡层和所述半导体衬底的p型区域之间的缓冲层；或者

所述负电荷层是自对准硅化物阻挡层；或者

所述负电荷层是位于晶体管栅极间隔件上方的偏移间隔件；或者

所述负电荷层是位于所述半导体衬底的背面上的背表面层。

4.根据权利要求1所述的器件，其中，所述负电荷层具有约50E10/cm²的总负电荷。

5.根据权利要求1所述的器件，其中，所述负电荷层选自由氧化铝、氧化镁、氧化钙、氧化铪、氧化锆、氧化钇、氧化钽、氧化锶、氧化钛、氧化镧和氧化钡所组成的组。

6.一种方法，包括：

提供具有正面和背面的衬底；

在所述衬底的正面形成感光区域；

在所述衬底的正面上形成负电荷层；以及

对所述衬底实施退火工艺；

其中，在所述退火之后，所述负电荷层具有大于约1E10/cm²的总负电荷。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，形成所述负电荷层包括使用低温等离子体辅助自由基氧化工艺沉积富氧氧化硅；或者

形成所述负电荷层包括使用原子层沉积工艺沉积高k金属氧化物；或者

形成所述负电荷层包括使用等离子体辅助氮化工艺沉积氮化硅。

8.根据权利要求6所述的方法，还包括：

从所述背面减薄所述衬底；

在减薄的衬底的背面上方沉积负电荷层。

9.根据权利要求6所述的方法，其中，实施所述退火包括在惰性环境中的炉中将所述衬底加热至大于800摄氏度的温度持续30分钟以上。

10.一种方法，包括：

提供具有正面和背面的衬底；

在所述衬底的正面形成感光区域；

从所述背面减薄所述衬底；以及

在减薄的衬底的背面上形成负电荷层；

其中，所述负电荷层具有大于约1E10/cm²的总负电荷。

Images