CN103579381A - 具有串扰隔离的抬升式光电二极管 - Google Patents
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Abstract
具有串扰隔离的抬升式光电二极管。一种器件包括多个隔离间隔件和多个底电极，其中多个底电极中相邻的底电极通过多个隔离间隔件中的相应隔离间隔件互相绝缘。多个光电转换区与多个底电极叠置，其中多个光电转换区中的相邻的光电转换区通过多个隔离间隔件中的相应隔离间隔件互相绝缘。顶电极覆在多个光电转换区和多个隔离间隔件上面。
Description
本申请要求于2012年7月31日提交的名称为“Photodiode withCrosstalk Isolation(具有串扰隔离的光电二极管)”的申请号为61/677，828的美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合于本文中。
技术领域
本发明涉及抬升式光电二极管及其相应工艺。
背景技术
在包括抬升式光电二极管(elevated photodiodes)的图像传感器芯片中，抬升式光电二极管形成在集成电路的互连结构的上方。由于互连结构包括设置在多层介电层中的金属线和通孔，抬升式光电二极管不受互连结构的影响。另外，由于光子不需要穿透互连结构，金属线和通孔的布线更简单，这是因为在金属线和通孔的布线中，不需要为光路保留空间。
常规的抬升式光电二极管结构包括多个底电极、位于底电极上方的连续的光电转换膜、以及位于光电转换膜上方的连续的顶电极。这种常规结构出现相邻像素之间的电学和光学串扰。
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器件，包括：多个隔离间隔件；多个底电极，其中所述多个底电极中的相邻的底电极通过所述多个隔离间隔件中的相应隔离间隔件互相绝缘；与所述多个底电极叠置的多个光电转换区，其中所述多个光电转换区中的相邻的光电转换区通过所述多个隔离间隔件中的相应隔离间隔件互相绝缘；以及覆在所述多个光电转换区和所述多个隔离间隔件上面的顶电极。
所述的器件还包括：位于所述多个底电极下面的半导体衬底；位于所述半导体衬底的顶面的多个读出电路；以及使每个读出电路与所述多个底电极中相应上覆的底电极电连接的互连结构。
所述的器件还包括：多个滤色器，每个滤色器覆在所述多个光电转换区中的一个光电转换区的上面并且与所述多个光电转换区中的该光电转换区对准；以及多个微透镜，每个微透镜覆在所述多个滤色器中的一个滤色器的上面并且与所述多个滤色器中的该滤色器对准。
在所述的器件中，所述多个隔离间隔件包括在连续的隔离网格中，并且所述多个光电转换区和所述多个底电极设置在所述网格的网格开口中。
在所述的器件中，所述多个光电转换区的每个边缘和所述多个底电极的每个边缘都与所述多个隔离间隔件中的一个隔离间隔件的边缘接触。
在所述的器件中，所述多个隔离间隔件的顶面与所述多个光电转换区的顶面基本上齐平，以及所述多个隔离间隔件的底面与所述多个底电极的底面基本上齐平或低于所述多个底电极的底面。
在所述的器件中，所述隔离间隔件各自具有约0.25μm或小于0.25μm的宽度。
根据本发明的又一方面，提供了一种器件，包括：半导体衬底；覆在所述半导体衬底上面的互连结构，其中所述互连结构包括金属线和通孔；覆在所述金属线和通孔上面并与所述金属线和通孔电连接的多个底电极；覆在所述互连结构上面的多个隔离间隔件，其中所述多个隔离间隔件互相互连从而形成网格；在所述网格的网格开口中设置的多个光电转换区；以及覆在所述多个光电转换区上面的顶电极。
在所述的器件中，所述多个底电极设置在所述网格开口中，并且所述底电极的边缘与所述多个光电转换区的相应边缘对准。
在所述的器件中，所述多个底电极和所述多个光电转换区填充整个网格开口。
在所述的器件中，所述多个隔离间隔件的顶面与所述多个光电转换区的顶面基本上齐平。
在所述的器件中，所述多个隔离间隔件的底面与所述多个底电极的底面基本上齐平。
所述的器件还包括：多个滤色器，每个滤色器覆在所述多个光电转换区中的一个光电转换区上面并且与所述多个光电转换区中的该光电转换区对准；以及多个微透镜，每个微透镜覆在所述多个滤色器中的一个滤色器上面并且与所述多个滤色器中的该滤色器对准。
在所述的器件中，所述顶电极延伸成与所述多个光电转换区和所述多个隔离间隔件叠置。
在所述的器件中，所述顶电极的底面与所述多个隔离间隔件的顶面和所述多个光电转换区的顶面物理接触。
根据本发明的又一方面，提供了一种方法，包括：形成连续的底电极；在连续的底电极上方形成牺牲层；图案化所述牺牲层和所述底电极从而在所述牺牲层和所述连续的底电极中形成开口，其中所述连续的底电极被所述开口分离成多个分立的底电极；用隔离膜填充所述牺牲层中的开口从而形成多个隔离间隔件；移除所述牺牲层从而显露所述多个分立的底电极；在所述多个分立的底电极上形成多个光电转换区，其中所述多个光电转换区中的相邻的光电转换区通过所述多个隔离间隔件互相分离；以及在所述多个光电转换区上方形成顶电极。
所述的方法还包括在用所述隔离膜填充所述开口的步骤之后实施平坦化从而移除所述隔离膜的多余部分，其中所述隔离膜的剩余部分形成所述隔离间隔件。
在所述的方法中，形成所述多个光电转换区的步骤包括：将光电转换膜填充至移除的牺牲层所留下的空间中；以及实施平坦化从而移除所述光电转换膜的多余部分，其中所述多余部分位于所述隔离间隔件上方，而所述光电转换膜的剩余部分形成所述多个光电转换区。
在所述的方法中，在图案化所述牺牲层和所述底电极从而形成所述开口的步骤之后，使所述开口互相互连从而形成连续的开口网格。
在所述的方法中，图案化所述牺牲层和所述连续的底电极的步骤包括各向异性蚀刻。
附图说明
为了更好地理解实施例及其优点，现在将结合附图所进行的以下描述作为参考，其中：
图1示出根据实施例的包括抬升式光电二极管的图像传感器芯片的一部分。
图2至图9示出根据一些示例性实施例的制造包括抬升式光电二极管的图像传感器芯片的中间阶段的横截面视图。
图10示出抬升式光电二极管和相应的隔离结构的俯视图。
具体实施方式
在下面详细地讨论本发明的实施例的制造和应用。然而，应当理解，本发明的实施例提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的发明概念。所讨论的具体实施例仅仅是示例性的，而不是用于限制本发明的范围。
根据各个示例性实施例提供了包括抬升式光电二极管的图像传感器芯片(和相应的晶圆)及其形成方法。阐述了形成图像传感器芯片的中间阶段。讨论了实施例的变化形式。在所有的各个视图和示例性实施例中，相同的参考编号用于标示相同的元件。
参见图1，示出了图像传感器芯片10的示例性结构，其包括三个相邻的像素单元100。图像传感器芯片10可以是未切割的半导体晶圆(也被表示为10)的一部分。为了简明和方便示出三个像素单元100。其他数量的像素单元和其他布置(例如一维阵列、二维阵列等)在本发明的预期范围内。
每个像素单元100包括读出电路22、位于互连结构24中的金属线和通孔、位于互连结构24上方的抬升式光电二极管26、位于抬升式光电二极管26上方的滤色器58和位于滤色器58上方的微透镜60。光电二极管26还包括底电极42、光电转换区54和顶电极56。根据一些实施例，顶电极56可以是连续层，但是每个像素单元100的顶电极56也可以与其他顶电极56分离开。每个像素单元100的光电转换区54通过隔离间隔件52与相邻的像素单元100的光电转换区54隔离开。
现参照图2至图9描述用于制造图1的结构的示例性工艺。从图2开始，提供了图像传感器芯片10的最初结构，该结构包括衬底20。在一些实施例中，衬底20是硅衬底。可选地，衬底20由其他半导体材料形成，诸如硅锗、硅碳、III-V族化合物半导体材料等。电路22在衬底20的表面处形成。如所述的，电路22可以包括读出电路，其中每个像素单元100(图1)包括一个读出电路。读出电路可以包括一个或多个晶体管，该一个或多个晶体管可以包括例如传输门、行选择器、源极跟随器和/或复位晶体管。另外，电路22可以包括图像信号处理(ISP)电路，该图像信号处理电路可以包括模拟数字转换器(ADC)、相关双采样(CDS)电路、行译码器和/或类似的电路。
互连结构24形成在电路22的上方。互连结构24包括多个介电层25，举例来说，该介电层25可以包含具有小于约3.0的低介电常数(k值)的低k介电材料。各种诸如金属线和通孔28的金属互连件形成在介电层25中并且将电路22中的读出电路电连接至上覆的抬升式光电二极管26(图1)。金属互连件及其形成方法是本领域公知的，因此为了简明在本文不论述其细节。
多个金属层包括顶部金属层Mtop，该层是互连结构24中的金属层中的最上层。如图所示，在图2中，在互连结构24的上方形成连续的底电极层42。连续的底电极层42通过通孔、插塞或其他互连结构(其被示出为顶部通孔41)与顶部金属层Mtop中的金属线28电连接。
可以使用诸如铝、钨、铜、氮化钛、铬等金属或金属化合物形成底电极层42。示例性的形成方法包括化学汽相沉积(CVD)、物理汽相沉积(PVD)、等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)、金属有机化学汽相沉积(MOCVD)、溅射等。在一些实施例中，底电极层42可以形成为具有约0.05μm和约3μm的厚度T1。
图3示出在连续的底电极层42之上的牺牲层44的形成。在一些实施例中，牺牲层44由诸如氧化硅的氧化物、诸如氮化硅的氮化物或其他可接受的介电材料形成或者包含诸如氧化硅的氧化物、诸如氮化硅的氮化物或其他可接受的介电材料。在一些实施例中，牺牲层44的厚度T2可以介于约0.3μm和约0.5μm之间。可以通过CVD、PECVD、MOCVD、溅射、旋涂工艺等工艺中的一种来沉积牺牲层44。在可选的实施例中，牺牲层44也可以由感光材料形成或包含感光材料，该感光材料也可以是聚合物(诸如聚酰亚胺)或类似物。光刻胶层46形成在牺牲层44的顶部上。然后使用已知的光刻工艺图案化光刻胶层46从而形成对应于将要形成自对准隔离间隔件52(图1)的位置的开口48。在示出的实施例中，对于1.1μm尺寸像素，得到的开口48的宽度S1是约0.25μm或小于0.25μm，对应于大于60％的填充因数。
图4示出部分牺牲层44和部分底电极层42被蚀刻之后的结构，其中光刻胶层46充当蚀刻掩模。因此开口48向下延伸穿过连续的底电极层42。开口48的底部可以与底电极层42的底部齐平或低于底电极层42的底部。对于该步骤可以考虑使用诸如等离子体蚀刻的干式蚀刻。该蚀刻步骤可以是在开口48中提供界限清楚的几乎垂直的侧壁的各向异性蚀刻。当蚀刻底电极层42时，相对于蚀刻牺牲层44的蚀刻化学过程(chemistry)优选不同的蚀刻化学过程或蚀刻参数。应该注意，蚀刻步骤的结果是底电极层42不再连续，且现在包括多个分立的底电极，其也被表示为底电极42。在图4中的结构的俯视图中，开口48可以形成开口网格以使分立的底电极42互相分离。如图10所示，开口48的图案与隔离间隔件52的图案基本相同。
参照图5，然后隔离膜50沉积在图4中的结构的上方和开口48中，该隔离膜50是由介电材料形成的介电膜。适合用于隔离膜的众多材料有硅的氧化物、氮化物、氮氧化物等。虽然隔离膜50和牺牲层44可以选自相同的侯选材料，但是隔离膜50和牺牲层44由在后续移除牺牲层44的步骤中具有高蚀刻选择性的不同材料形成。侯选的沉积方法包括旋涂工艺、CVD工艺、PECVD工艺或一些其他合适的沉积工艺。具体的工艺不是至关重要的，只要该工艺能为开口48提供良好的填充即可。
图6示出执行诸如化学机械抛光(CMP)步骤的平坦化步骤的结果。隔离膜50位于牺牲层44上面的部分被移除，而隔离膜50位于开口48内的那些部分被保留。在一些实施例中，在CMP工艺过程中以及作为过度抛光的结果也可能移除牺牲层44的顶部。在整个说明书中，隔离膜50的剩余部分被称为隔离间隔件52。尽管图6示出隔离间隔件52是分立的间隔件，但是示出的分立间隔件52可以是形成网格的连续隔离间隔件52的一部分，如图10所示，图10示出了隔离间隔件52的俯视图。
接着，如图7所示，移除牺牲层44，保留隔离间隔件52。可以使用诸如湿式蚀刻或干式蚀刻的蚀刻工艺移除牺牲层44。通过为牺牲层44和隔离间隔件52选择合适的材料使得蚀刻牺牲层44时在牺牲层44和隔离间隔件52之间可以具有高蚀刻选择性，这是可取的。这样，可以在不显著移除过多(如果会移除的话)隔离间隔件52的情况下移除牺牲层44。
参照图8，通过沉积工艺、旋涂工艺等形成光电转换层54。光电转换层54可以包含非晶硅、量子点层或有机材料等。沉积光电转换层54至其厚度/高度大于自对准隔离间隔件52的厚度/高度。然后例如通过CMP工艺将光电转换层54平坦化至自对准间隔件的厚度/高度，如图9所示。结果，连续的光电转换层54被分离成分立的光电转换区，该分立的光电转换区也用参考编号54表示。由于光电转换层54位于隔离间隔件52之上的部分被移除，因此所得到的光电转换区54的顶面与隔离间隔件52的顶面基本齐平。底电极42的边缘与光电转换区54的相应边缘垂直对准。光电转换区54具有响应光子的刺激产生电子和空穴的功能，因此充当光电二极管的一部分。
返回参照图1，在后续步骤中，接着在光电转换区54和隔离间隔件52的顶部上形成由透明导电材料(例如氧化铟锡(ITO))形成的透明顶电极56。透明顶电极56的底面可以与光电转换区54和隔离间隔件52的顶面接触。在后续的工艺中，形成诸如滤色器58、微透镜60或保护层(未示出)等上覆结构。
如图1所示，图像传感器芯片10的像素是分立的，每个像素单元100具有一个像素。本领域技术人员将意识到一个像素单元100可以可选地在一个像素单元内包括多个像素，诸如被配置成响应红光的像素(例如通过本领域公知的合适的滤色器)、被配置成响应绿光的像素以及被配置成响应蓝光的像素。虽然顶电极56示出为连续的，但在一些实施例中可以使用一个或多个分立的顶电极。
如图1所示，由于隔离间隔件52的形成工艺，隔离间隔件52的顶面可以与光电转换区54的顶面齐平。隔离间隔件52的底面可以与底电极42的底面齐平或低于底电极42的底面。另外，隔离间隔件52限定光电转换区54在俯视图中的尺寸和底电极42在俯视图中的尺寸。
图10示出图1中的结构的一部分的俯视图，其中隔离间隔件52示出为形成网格，该网格包括在互相垂直的X和Y方向上延伸的互连的隔离间隔件带52。底电极42和光电转换区54形成在网格中并通过隔离间隔件52互相分离。底电极42和光电转换区54可以填充隔离间隔件52的整个网格开口。底电极42的边缘和光电转换区54的边缘与隔离间隔件52的边缘接触。滤色器58和微透镜60也形成阵列，其中相邻滤色器58和微透镜60之间的界面可以与隔离间隔件52重叠。
一些已描述的实施例可以实现的有利特征是这些实施例提供了自对准隔离间隔件工艺。由于底电极42一直延伸至隔离间隔件52的边缘，因此该特征提供了大的填充因数。由于形成隔离间隔件52(图1)来分离光电转换层54，在其他情况下光电转换层54是连续的，常规的连续光电转换层中的光串扰不再发生。另外，由于一个像素单元100的一个分立光电转换区54中产生的电子和空穴不能被相邻的像素单元100的底电极接收，因此，隔离间隔件52还降低或消除了电串扰。
根据实施例，一种器件包括多个隔离间隔件和多个底电极，其中多个底电极中相邻的底电极通过多个隔离间隔件中的相应隔离间隔件互相绝缘。多个光电转换区与多个底电极叠置，其中多个光电转换区中的相邻的光电转换区通过多个隔离间隔件中的相应隔离间隔件互相绝缘。顶电极覆在多个光电转换区和多个隔离间隔件上面。
根据其他实施例，一种器件包括半导体衬底和覆在半导体衬底上面的互连结构，其中互连结构包括位于其中的金属线和通孔。多个底电极覆在金属线和通孔的上面并且与金属线和通孔电连接。多个隔离间隔件覆在互连结构上面，其中该多个隔离间隔件互相互连从而形成网格。多个光电转换区设置在网格的网格开口中。顶电极覆在多个光电转换区的上面。
根据又一其他实施例，一种方法包括形成连续的底电极，在连续的底电极上方形成牺牲层，以及图案化牺牲层和底电极从而在牺牲层和连续的底电极中形成开口。连续的底电极被开口分离成多个分立的底电极。该方法还包括用隔离膜填充牺牲层中的开口从而形成多个隔离间隔件，移除牺牲层从而显露多个分立的底电极，以及在多个分立的底电极上形成多个光电转换区，其中多个光电转换区中的相邻的光电转换区通过多个隔离间隔件互相分离。在多个光电转换区的上方形成顶电极。
虽然已经详细地描述了本发明的实施例及其优点，但是应当理解在本文中可以进行多种变化、替换以及改变，而不背离如附随的权利要求限定的实施例的精神和范围。而且，本申请的范围并不是意在限制说明书中所述的工艺、机器、生产、物质组成、装置、方法和步骤的具体实施例。作为本领域普通技术人员根据本发明将很容易地理解，根据本发明可以利用现在已有的或将来待开发的工艺、机器、生产、物质组成、装置、方法或步骤，实施与本文中所述的相应实施例基本上相同的功能或实现基本上相同的结果。因此，附随的权利要求预期在其范围内包括这些工艺、机器、生产、物质组成、装置、方法或步骤。此外，每个权利要求构成一个单独的实施例，并且各个权利要求和实施例的组合也在本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种器件，包括：
多个隔离间隔件；
多个底电极，其中所述多个底电极中的相邻的底电极通过所述多个隔离间隔件中的相应隔离间隔件互相绝缘；
与所述多个底电极叠置的多个光电转换区，其中所述多个光电转换区中的相邻的光电转换区通过所述多个隔离间隔件中的相应隔离间隔件互相绝缘；以及
覆在所述多个光电转换区和所述多个隔离间隔件上面的顶电极。
2.根据权利要求1所述的器件，还包括：
位于所述多个底电极下面的半导体衬底；
位于所述半导体衬底的顶面的多个读出电路；以及
使每个读出电路与所述多个底电极中相应上覆的底电极电连接的互连结构。
3.根据权利要求1所述的器件，还包括：
多个滤色器，每个滤色器覆在所述多个光电转换区中的一个光电转换区的上面并且与所述多个光电转换区中的该光电转换区对准；以及
多个微透镜，每个微透镜覆在所述多个滤色器中的一个滤色器的上面并且与所述多个滤色器中的该滤色器对准。
4.根据权利要求1所述的器件，其中所述多个隔离间隔件包括在连续的隔离网格中，并且所述多个光电转换区和所述多个底电极设置在所述网格的网格开口中。
5.根据权利要求1所述的器件，其中所述多个光电转换区的每个边缘和所述多个底电极的每个边缘都与所述多个隔离间隔件中的一个隔离间隔件的边缘接触。
6.根据权利要求1所述的器件，其中所述多个隔离间隔件的顶面与所述多个光电转换区的顶面基本上齐平，以及所述多个隔离间隔件的底面与所述多个底电极的底面基本上齐平或低于所述多个底电极的底面。
7.根据权利要求1所述的器件，其中所述隔离间隔件各自具有约0.25μm或小于0.25μm的宽度。
8.一种器件，包括：
半导体衬底；
覆在所述半导体衬底上面的互连结构，其中所述互连结构包括金属线和通孔；
覆在所述金属线和通孔上面并与所述金属线和通孔电连接的多个底电极；
覆在所述互连结构上面的多个隔离间隔件，其中所述多个隔离间隔件互相互连从而形成网格；
在所述网格的网格开口中设置的多个光电转换区；以及
覆在所述多个光电转换区上面的顶电极。
9.根据权利要求8所述的器件，其中所述多个底电极和所述多个光电转换区填充整个网格开口。
10.一种方法，包括：
形成连续的底电极；
在连续的底电极上方形成牺牲层；
图案化所述牺牲层和所述底电极从而在所述牺牲层和所述连续的底电极中形成开口，其中所述连续的底电极被所述开口分离成多个分立的底电极；
用隔离膜填充所述牺牲层中的开口从而形成多个隔离间隔件；
移除所述牺牲层从而显露所述多个分立的底电极；
在所述多个分立的底电极上形成多个光电转换区，其中所述多个光电转换区中的相邻的光电转换区通过所述多个隔离间隔件互相分离；以及
在所述多个光电转换区上方形成顶电极。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |