CN104465679A - 背照式图像传感器中的像素隔离结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了用于制造包括像素阵列的背照式图像传感器的系统和方法。一种示例图像传感器包括第一像素、第二像素和隔离结构。第一像素设置在衬底的前侧并且配置为响应于入射到衬底的背侧上的光而产生电荷载流子。第二像素设置在衬底的前侧并且配置为响应于入射到衬底的背侧上的光而产生电荷载流子。隔离结构设置为将第二像素与第一像素分隔开并且从衬底的背侧向着衬底的前侧延伸。隔离结构包括基本上垂直于衬底的前侧的侧壁。本发明提供背照式图像传感器中的像素隔离结构。
Description
技术领域
本专利文件中描述的技术通常涉及半导体器件，更具体地，涉及图像传感器。
背景技术
图像传感器通常包括像素阵列，并且可以使用互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺制造。CMOS图像传感器可以从硅管芯的前侧(或顶侧)照明。因为与CMOS工艺相关的各种部件(诸如金属化层、多晶硅层和扩散层)通常制造在硅管芯的前侧上，所以前照式图像传感器的像素区通常部分地变得模糊，这导致到达像素内的光敏区的光的损失和图像传感器的整体灵敏度的降低。背照式(BSI)CMOS图像传感器允许从传感器的背侧(或底侧)收集光。传感器的背侧相对地不会被CMOS工艺中涉及的许多介电层和/或金属层阻碍，并因此可以提高图像传感器的整体灵敏度。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种包括像素阵列的背照式图像传感器，包括：第一像素，设置在衬底的前侧并且配置为响应于入射到所述衬底的背侧上的光而产生电荷载流子；第二像素，设置在所述衬底的前侧并且配置为响应于入射到所述衬底的背侧上的光而产生电荷载流子；以及第一隔离结构，设置为将所述第二像素与所述第一像素分隔开，所述第一隔离结构从所述衬底的背侧向着所述衬底的前侧延伸，其中，所述第一隔离结构包括基本上垂直于所述衬底的前侧的第一侧壁。
在上述图像传感器中，其中，所述第一像素和所述第二像素形成在具有<110>晶体取向的硅衬底上。
在上述图像传感器中，其中，所述衬底的厚度为约1微米至约3微米。
在上述图像传感器中，其中，所述第一侧壁的晶体取向为大约<111>。
在上述图像传感器中，其中，所述第一隔离结构包括凹槽。
在上述图像传感器中，其中，所述第一隔离结构包括凹槽，其中，所述第一隔离结构包括填充在所述凹槽中的一种或多种介电材料。
在上述图像传感器中，其中，所述第一隔离结构包括凹槽，其中，所述凹槽包括由多个侧壁和所述侧壁之间的基底跨距限定的空隙。
在上述图像传感器中，其中，所述第一隔离结构包括凹槽，其中，所述凹槽具有介于约50nm至约110nm的范围内的宽度和介于约1微米至约3微米之间的深度。
在上述图像传感器中，其中，所述第一像素还包括：光敏区；半导体结构；以及第二隔离结构，设置为将所述半导体结构和所述光敏区分隔开，所述第二隔离结构从所述衬底的背侧向着所述衬底的前侧延伸，其中，所述第二隔离结构包括基本上垂直于所述衬底的前侧的第二侧壁。
在上述图像传感器中，还包括：第三像素，设置在所述衬底的前侧并且配置为响应于入射到所述图像传感器的背侧上的光而产生电荷载流子；以及第二隔离结构，设置为将所述第三像素与所述第二像素分隔开，所述第二隔离结构从所述衬底的背侧向着所述衬底的前侧延伸，其中，所述第二隔离结构包括基本上垂直于所述衬底的前侧的第二侧壁。
在上述图像传感器中，还包括：第三像素，设置在所述衬底的前侧并且配置为响应于入射到所述图像传感器的背侧上的光而产生电荷载流子；以及第二隔离结构，设置为将所述第三像素与所述第二像素分隔开，所述第二隔离结构从所述衬底的背侧向着所述衬底的前侧延伸，其中，所述第二隔离结构包括基本上垂直于所述衬底的前侧的第二侧壁，其中：所述第三像素形成在所述衬底上；以及所述第二隔离结构包括在所述衬底的背侧上具有开口的凹槽。
在上述图像传感器中，还包括：第三像素，设置在所述衬底的前侧并且配置为响应于入射到所述图像传感器的背侧上的光而产生电荷载流子；以及第二隔离结构，设置为将所述第三像素与所述第二像素分隔开，所述第二隔离结构从所述衬底的背侧向着所述衬底的前侧延伸，其中，所述第二隔离结构包括基本上垂直于所述衬底的前侧的第二侧壁，其中，所述第二隔离结构包括填充在所述凹槽中的一种或多种介电材料。
根据本发明的另一方面，还提供了一种背照式图像传感器，包括：光敏区，形成为邻近衬底的前侧并且配置为响应于入射到所述衬底的背侧上的光而产生电荷载流子；以及隔离结构，设置为将所述光敏区与所述图像传感器的其他区域分隔开，所述隔离结构从所述衬底的背侧向着所述衬底的前侧延伸，其中，所述隔离结构包括基本上垂直于所述衬底的前侧的侧壁。
在上述图像传感器中，其中，所述隔离结构包括凹槽。
根据本发明的又一方面，还提供了一种用于制造包括像素阵列的背照式图像传感器的方法，所述方法包括：在衬底上形成第一像素和第二像素以响应于入射到所述衬底的背侧上的光而产生电荷载流子；以及通过使用化学溶液在所述衬底的背侧内蚀刻来形成隔离结构以将所述第二像素与所述第一像素分隔开。
在上述图像传感器中，其中，所述衬底包括晶体取向为<110>的硅晶圆。
在上述图像传感器中，其中，形成所述隔离结构包括：通过在所述衬底的背侧内蚀刻来形成凹槽。
在上述图像传感器中，其中，所述凹槽包括由多个侧壁和所述侧壁之间的基底跨距限定的空隙。
在上述图像传感器中，其中，形成所述隔离结构包括：通过在所述衬底的背侧内蚀刻来形成凹槽，其中，形成所述隔离结构还包括：以一种或多种介电材料填充所述凹槽。
在上述图像传感器中，其中，形成所述隔离结构包括：通过在所述衬底的背侧内蚀刻来形成凹槽，其中，通过使用氢氧化钾(KOH)溶液或四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液蚀刻来形成所述凹槽。
根据本文中描述的教导，提供了用于制造包括像素阵列的背照式图像传感器的系统和方法。一种示例图像传感器包括第一像素、第二像素和隔离结构。第一像素设置在衬底的前侧并且配置为响应于入射到衬底的背侧上的光而产生电荷载流子。第二像素设置在衬底的前侧并且配置为响应于入射到衬底的背侧上的光而产生电荷载流子。隔离结构设置为将第二像素和第一像素分隔开并且从衬底的背侧向着衬底的前侧延伸。隔离结构包括基本上垂直于衬底的前侧的侧壁。
在一个实施例中，一种背照式图像传感器包括光敏区和隔离结构。光敏区形成为邻近衬底的前侧并且配置为响应于入射到衬底的背侧上的光而产生电荷载流子。隔离结构设置为将光敏区与图像传感器的其他区域分隔开，隔离结构从衬底的背侧向着衬底的前侧延伸，其中，隔离结构包括基本上垂直于衬底的前侧的侧壁。
在另一个实施例中，提供了一种用于制造包括像素阵列的背照式图像传感器的方法。例如，在衬底上形成第一像素和第二像素以响应于入射到衬底的背侧上的光而产生电荷载流子。通过使用化学溶液在衬底的背侧内蚀刻来形成隔离结构以将第二像素与第一像素分隔开。
附图说明
图1示出了背照式(BSI)图像传感器的示例图。
图2示出了具有深凹槽隔离结构的BSI图像传感器的示例图。
图3示出了具有深凹槽隔离结构的BSI图像传感器的另一示例图。
图4A至图4D示出了用于制造具有深凹槽隔离结构的BSI图像传感器的示例图。
图5示出了示出在<110>硅衬底上形成的深凹槽的示例图。
图6A至图6D示出了具有深凹槽隔离结构的BSI图像传感器的像素的示例图。
图7示出了用于制造包括像素阵列的背照式图像传感器的示例性流程图。
具体实施方式
图1示出了背照式(BSI)图像传感器的示例图。图像传感器100包括诸如像素102和104的像素阵列。例如，可以通过隔离结构和浅沟槽隔离区110将像素102与像素104分隔开，隔离结构包括深P阱106和单元P阱108。然而，这样的隔离结构不能有效地降低不期望的影响-串扰(即，响应于被邻近的像素俘获的入射光而在像素中产生的电子空穴对)，串扰降低图像传感器的输出的色彩保真度。例如，像素102和深P阱106之间的势垒可能不足以防止像素102中产生的电子/空穴漂移或扩散至邻近的像素104。此外，入射光可以传输穿过微透镜114、滤色镜116和底部抗反射涂层(BARC)118并且进入深P阱106中。深P阱106中产生的电子/空穴可以漂移或扩散至像素102或邻近的像素104，这可以导致更多的噪声。
图2示出了具有深凹槽隔离结构的BSI图像传感器的示例图。如图2所示，图像传感器200可以包括诸如像素202和204的像素阵列。隔离结构206可以实现为将像素202与像素204分隔开。在一些实施例中，可以通过使用化学溶液在图像传感器200的背侧内蚀刻来形成隔离结构206。例如，隔离结构206可以包括通过湿蚀刻晶体取向为<110>的硅衬底形成的深凹槽。可以通过多个侧壁和侧壁之间的基底跨距限定凹槽(例如，如图5所示)。作为一个实例，氢氧化钾(KOH)溶液或四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液可以用于蚀刻硅衬底。
在一个实施例中，可以使用外延生长制造图像传感器200的像素(例如，像素202和204)，图像传感器200的像素类似于图1中示出的像素。例如，图像传感器200的像素可以包括渐进式N型掺杂分布。如图3所示，在另一个实施例中，可以使用注入(例如，P型注入)制造图像传感器200的像素，其中，可以将滤色镜302和微透镜304放置在玻璃衬底306上。
图4A至图4D示出了用于制造具有深凹槽隔离结构的BSI图像传感器的示例图。如图4A所示，<110>硅衬底402可以用于制造BSI图像传感器。例如，可以对硅衬底402实施诸如光刻、蚀刻和金属沉积的一个或多个CMOS工艺。结果，可以在衬底402上形成浅沟槽隔离区404、浮动栅极结构406和多层互连结构408。例如，可以通过一个或多个晶圆接合工艺将产生的结构附接至载具晶圆410(例如，玻璃板)。例如，可以使用化学机械抛光/平坦化工艺将硅衬底402削减至预定厚度。作为一个实例，可以将硅衬底402的厚度削减至约1微米至约3微米。
如图4B所示，可以在衬底402的背侧上沉积抗反射层412。然后，例如，可以通过光刻和蚀刻将层412图案化为硬掩模。如图4C所示，可以使用诸如KOH溶液或TAMH溶液的化学溶液，对衬底402实施各向异性蚀刻以形成深凹槽414。例如，可以在预定的蚀刻温度(约71℃)下使用具有预定浓度(例如，约34wt％)的KOH溶液。蚀刻速率可以为约1.3微米每分钟。在另一个实例中，可以在预定温度(约80℃)下使用具有预定浓度(例如，约20wt％)的TMAH溶液，并且蚀刻速率可以为约1.1微米每分钟。作为一个实例，横向蚀刻速率可以介于约1:30至1:160的范围内。
作为一个实例，深凹槽414从层412的底面向着浅沟槽隔离区404延伸。例如，如图5所示，化学溶液可以沿着<111>界面蚀刻衬底402并且形成具有平滑侧壁的深凹槽414。在另一个实例中，凹槽414可以具有介于约50nm至约110nm的范围内的宽度和介于约1微米至约3微米之间的深度。参照图4D，在一些实施例中，深凹槽414可以填充有一种或多种介电材料(例如，二氧化硅)。
图6A至图6D示出了具有深凹槽隔离结构的BSI图像传感器的像素的示例图。如图6A所示，像素600包括深凹槽隔离结构602，深凹槽隔离结构602将光电二极管区604与图像传感器中的邻近的像素分隔开。此外，像素600包括另一个深凹槽隔离结构606以将光电二极管区604与像素600的其他器件分隔开。此外，像素600包括金属层608、传输晶体管610、复位晶体管612、一个或多个浅沟槽隔离区614、源跟随晶体管616、行选择晶体管618和浮动扩散区620。例如，深凹槽隔离结构602和606可以包括通过使用化学溶液在像素的背侧内蚀刻形成的深凹槽。在另一个实例中，可以通过以一种或多种介电材料(例如，氧化硅)填充蚀刻的凹槽来形成深凹槽隔离结构602和606。
图6B示出了沿着切线630的像素600的截面图。如图6B所示，在像素区中，可以在像素600的背侧上形成微透镜702和滤色镜704。可以在P型衬底710上形成抗反射层706和P掺杂层708。光电二极管区604可以包括N掺杂区712和P掺杂区714。可以在衬底710的顶部形成浮动扩散区620。可以在互连层716中形成一个或多个互连结构以连接像素区和/或外围区的不同层中的器件。
图6D示出了沿着如图6C所示的切线632的像素600的截面图。如图6D所示，除了将光电二极管区604与图像传感器中的另一个像素分隔开的隔离结构602之外，深凹槽隔离结构606可以将光电二极管区604与像素600中的其他半导体结构分隔开，例如，以防止响应于入射光而在其他半导体结构中产生的电子/空穴漂移或扩散到光电二极管区604内。例如，衬底710中的其他区域可以与光电二极管区604分隔开。
图7示出了用于制造包括像素阵列的背照式图像传感器的示例性流程图。例如，在步骤802中，在衬底上形成第一像素和第二像素以响应于入射到衬底的背侧上的光而产生电荷载流子。在步骤804中，通过使用化学溶液在衬底的背侧内蚀刻来形成隔离结构以将第二像素与第一像素分隔开。例如，衬底包括在<110>晶体取向上的硅晶圆。隔离结构包括通过在硅衬底的背侧内蚀刻而形成的凹槽。作为一个实例，可以通过以一种或多种介电材料填充该凹槽来形成隔离结构。
本书面描述使用实例以公开本发明，包括最佳方式，而且也使本领域技术人员能够制造和使用本发明。本发明的可取得专利权的范围可以包括本领域技术人员能够想到的其他实例。相关领域的技术人员将意识到，在没有一个或多个具体细节的情况下，或在具有其他替换和/或额外的方法、材料或部件的情况下，可以实践各个实施例。可以不详细示出或描述众所周知的结构、材料或操作以避免模糊本发明的各个实施例的各方面。图中示出的各个实施例是说明性实例代表，并且不必按比例绘制。在一个或多个实施例中，可以以任何合适的方式对特定部件、结构、材料或特征进行组合。在其他实施例中，可以包括多个额外的层和/或结构，和/或可以省略描述的部件。例如，本文中描述的特定层可以包括不必物理连接或电连接的多个部件。可以以最有助于理解本发明的方式，将各个操作依次描述为多个不连续的操作。然而，描述的顺序不应解释为暗示着这些操作必须是顺序依赖的。具体地，不需要以呈现的顺序实施这些操作。相较于描述的实施例，可以以不同的顺序(按顺序或并行地)实施本文中描述的操作。可以实施和/或描述多个额外的操作。在额外的实施例中，可以省略操作。
该书面描述和以下权利要求可以包括诸如左、右、顶部、底部、上方、下方、上部、下部、第一、第二等的术语，这些术语仅用于描述的目的，而不应解释为限制。例如，指定相对垂直位置的术语可以指以下情况：衬底或集成电路的器件侧(或有源表面)是衬底的“顶”面；衬底实际上可以在任何方位上，从而使得衬底的“顶”侧在标准地面参考系中可以低于“底”侧，并且仍可以落在术语“顶部”的含义内。除非特别声明，如本文(包括权利要求中)所使用的术语“在...上”可以不表明在第二层“上”的第一层是直接位于第二层上并且与第二层直接接触；在第一层和位于第一层上的第二层之间可以有第三层或其他结构。除非特别声明，如本文中(包括权利要求中)所使用的术语“在...下方”可以不表明在第二层“下方”的第一层是直接位于第二层下方并且与第二层直接接触；在第一层和位于第一层下方的第二层之间可以有第三层或其他结构。可以以多种位置和方位制造、使用或运输本文描述的器件或物品的实施例。本领域技术人员将意识到图中示出的各个部件的各个等同组合和替代。
Claims (10)
1.一种包括像素阵列的背照式图像传感器，包括：
第一像素，设置在衬底的前侧并且配置为响应于入射到所述衬底的背侧上的光而产生电荷载流子；
第二像素，设置在所述衬底的前侧并且配置为响应于入射到所述衬底的背侧上的光而产生电荷载流子；以及
第一隔离结构，设置为将所述第二像素与所述第一像素分隔开，所述第一隔离结构从所述衬底的背侧向着所述衬底的前侧延伸，其中，所述第一隔离结构包括基本上垂直于所述衬底的前侧的第一侧壁。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第一像素和所述第二像素形成在具有<110>晶体取向的硅衬底上。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述衬底的厚度为约1微米至约3微米。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第一侧壁的晶体取向为大约<111>。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第一隔离结构包括凹槽。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其中，所述第一隔离结构包括填充在所述凹槽中的一种或多种介电材料。
7.根据权利要求5所述的图像传感器，其中，所述凹槽包括由多个侧壁和所述侧壁之间的基底跨距限定的空隙。
8.根据权利要求5所述的图像传感器，其中，所述凹槽具有介于约50nm至约110nm的范围内的宽度和介于约1微米至约3微米之间的深度。
9.一种背照式图像传感器，包括：
光敏区，形成为邻近衬底的前侧并且配置为响应于入射到所述衬底的背侧上的光而产生电荷载流子；以及
隔离结构，设置为将所述光敏区与所述图像传感器的其他区域分隔开，所述隔离结构从所述衬底的背侧向着所述衬底的前侧延伸，其中，所述隔离结构包括基本上垂直于所述衬底的前侧的侧壁。
10.一种用于制造包括像素阵列的背照式图像传感器的方法，所述方法包括：
在衬底上形成第一像素和第二像素以响应于入射到所述衬底的背侧上的光而产生电荷载流子；以及
通过使用化学溶液在所述衬底的背侧内蚀刻来形成隔离结构以将所述第二像素与所述第一像素分隔开。
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