CN104701334A

CN104701334A - 采用深沟槽隔离的堆叠图像传感器的制作方法

Info

Publication number: CN104701334A
Application number: CN201510081264.9A
Authority: CN
Inventors: 赵立新; 杨瑞坤
Original assignee: Galaxycore Shanghai Ltd Corp
Current assignee: Galaxycore Shanghai Ltd Corp
Priority date: 2015-02-15
Filing date: 2015-02-15
Publication date: 2015-06-10

Abstract

本发明提供一种采用深沟槽隔离的堆叠图像传感器的制作方法，包括：提供第一晶圆;于第一晶圆的第一面形成上表面暴露的隔离结构，隔离结构隔离像素单元；于隔离结构之间的单晶硅上及内部形成图像传感器的部分器件结构；提供第二晶圆，所述第二晶圆与所述第一晶圆键合；于所述第一晶圆的第二面减薄停止于所述隔离结构表面，所述隔离结构为减薄停止层。

Description

采用深沟槽隔离的堆叠图像传感器的制作方法

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，尤其涉及一种采用深沟槽隔离的堆叠式图像传感器的制作方法。

背景技术

图像传感器是将光信号转化为电信号的半导体器件，图像传感器具有光电转换元件。

图像传感器按又可分为互补金属氧化物（CMOS）图像传感器和电荷耦合器件（CCD）图像传感器。CCD图像传感器的优点是对图像敏感度较高且噪声小，但是CCD图像传感器与其他器件的集成比较困难，而且CCD图像传感器的功耗较高。相比之下，CMOS图像传感器具有工艺简单、易与其他器件集成、体积小、重量轻、功耗小、成本低等优点。因此，随着技术发展，CMOS图像传感器越来越多地取代CCD图像传感器应用于各类电子产品中。目前CMOS图像传感器已经广泛应用于静态数码相机、照相手机、数码摄像机、医疗用摄像装置（例如胃镜）、车用摄像装置等。

现有的CMOS图像传感器分别前照式（FSI）与背照式（BSI），传统非堆叠式图像传感器会将逻辑电路和图像传感器做在同一晶圆上，复杂的逻辑电路工艺过程会引入较多的杂质和缺陷，工作过程中也会产生较大的热和信号干扰，引起图像传感器的噪声。

发明内容

本发明提供一种采用深沟槽隔离的堆叠图像传感器的制作方法，至少包括步骤：

提供第一晶圆;

于第一晶圆的第一面形成上表面暴露的隔离结构，隔离结构隔离像素单元；

于隔离结构之间的单晶硅上及内部形成图像传感器的部分器件结构；

提供第二晶圆，所述第二晶圆与所述第一晶圆键合；

于所述第一晶圆的第二面减薄停止于所述隔离结构表面，所述隔离结构为减薄停止层。

可选的，形成部分器件结构中包括：形成转移晶体管的栅极结构，所述转移晶体管栅极结构为环形结构；形成环形的钉扎电极的栅极结构，所述钉扎电极的栅极结构与转移晶体管栅极结构电学隔离并位于栅极结构外部；形成浮置扩散区，浮置扩散区位于外延后的硅内部，对应于栅极结构包围的区域。

可选的，以转移晶体管的栅极结构为硬掩膜形成所述浮置扩散区的P型掺杂区域，所述P型掺杂区域与转移晶体管栅极结构自对准。

可选的，于转移晶体管的栅极结构两侧形成侧墙，以所述侧墙为硬掩膜形成所述浮置扩散区的N型掺杂区域，所述N型掺杂区域与侧墙自对准。

可选的，所述第二晶圆形成有图像传感器的另一部分器件结构。

可选的，刻蚀去除所述隔离结构，停止至所述钉扎电极的栅极结构表面，所述钉扎电极的栅极结构作为刻蚀停止层。

可选的，选择性外延第一晶圆之前，对第一晶圆和隔离结构进行掺杂，使得选择性外延硅后，隔离结构包围区域的硅具有由界面向硅中心方向的浓度梯度分布的掺杂层。

可选的，所述栅极结构、所述电极结构由多晶硅材质和/或金属材质构成。

本发明所形成的传感器具有低界面缺陷，高饱和度，低像素间串扰的特性和更好的一致性特征。

附图说明

图1至图20为本发明第一实施例提供的采用深沟槽隔离的堆叠图像传感器的制作方法的各步骤所对应的结构示意图；

图22、图23、图24、图25，图21为本发明第二实施例提供的采用深沟槽隔离的堆叠图像传感器的制作方法的各步骤所对应的结构示意图；

图26为本发明采用深沟槽隔离的堆叠图像传感器的制作方法的制作方法的步骤流程图。

具体实施方式

本发明提供一种采用深沟槽隔离的堆叠图像传感器的制作方法提供第一晶圆;于第一晶圆的第一面形成上表面暴露的隔离结构，隔离结构隔离像素单元；于隔离结构之间的单晶硅上及内部形成图像传感器的部分器件结构；提供第二晶圆，所述第二晶圆与所述第一晶圆键合；于所述第一晶圆的第二面减薄停止于所述隔离结构表面，所述隔离结构为减薄停止层。形成部分器件结构中包括：形成转移晶体管的栅极结构，所述转移晶体管栅极结构为环形结构；形成环形的钉扎电极的栅极结构，所述钉扎电极的栅极结构与转移晶体管栅极结构电学隔离并位于栅极结构外部；形成浮置扩散区，浮置扩散区位于外延后的硅内部，对应于栅极结构包围的区域。以转移晶体管的栅极结构为硬掩膜形成所述浮置扩散区的P型掺杂区域，所述P型掺杂区域与转移晶体管栅极结构自对准。于转移晶体管的栅极结构两侧形成侧墙，以所述侧墙为硬掩膜形成所述浮置扩散区的N型掺杂区域，所述N型掺杂区域与侧墙自对准。所述第二晶圆形成有图像传感器的另一部分器件结构。刻蚀去除所述隔离结构，停止至所述钉扎电极的栅极结构表面，所述钉扎电极的栅极结构作为刻蚀停止层。选择性外延第一晶圆之前，对第一晶圆和隔离结构进行掺杂，使得选择性外延硅后，隔离结构包围区域的硅具有由界面向硅中心方向的浓度梯度分布的掺杂层。所述栅极结构、所述电极结构由多晶硅材质和/或金属材质构成。

下面结合多个实施例，对本发明的技术方案进行具体阐述。请参考图1至图20，图1至图20为本发明第一实施例提供的采用深沟槽隔离的堆叠图像传感器的制作方法的各步骤所对应的结构示意图。图1中，提供第一晶圆100，第一晶圆为制作图像传感器器件的载体，第一晶圆可为半导体材质的衬底，也可采用衬底+外延层的结构；第一晶圆包含有第一面A与第二面B。第一晶圆可采用外延晶圆、SOI晶圆均可，其中外延晶圆可采用衬底为P型，外延层为N型或P型；N型衬底，外延层为P型。图2中，于第一晶圆100第一面A形成介质层200，由于在后续过程中需采用选择性外延的方式处理，介质层200起到了外延隔离层的作用，通过化学气相沉积、物理气相沉积等薄膜工艺形成该介质层200，该介质层200可采用二氧化硅,氮化硅或者氧化铝；该介质层的厚度为0.5微米至5微米之间，在本实施例中为3微米。同时参考图3至图7，于介质层200的表面铺设刻蚀阻挡层300，刻蚀阻挡层300可采用硬掩膜或光阻层，可使用氮化硅层、二氧化硅层；刻蚀阻挡层300的厚度为: 0.05微米至2微米之间，在本实施例中为0.2微米;若刻蚀阻挡层300为硬掩膜则于其表面再铺设一层另一光阻层301，光阻层301为提供光罩，通过曝光、显影、刻蚀图形化介质层200并停止于第一晶圆的第一面A的表面上，此时形成若干隔离区域201，该隔离区域101突出于周边区域的第一晶圆100的第一面A，去除光阻层301，并对第一晶圆表面进行清洁，在本实施例中采用热氧化、刻蚀、热过程修复，此时形成的隔离区域201的表面为后续工艺中形成深沟槽隔离结构的表面，由于在形成图像传感器器件之前形成该结构的表面，可对该表面进行修复、无需考虑因环境、温度对器件影响。请继续参考图8，可选择的于第一晶圆第一面A和/或隔离结构201的表面进行预掺杂。图9中，对第一晶圆第一面A的单晶硅进行选择性外延，包围隔离结构201，由于图8中可选择的进行预掺杂，使得选择性外延后隔离结构201包围区域的硅具有由界面向硅中心方向的浓度梯形分布的掺杂层；并且，选择性外延后的外延层110覆盖隔离结构201。图10中，减薄外延层110的上表面并停止至隔离结构201的上表面，隔离结构的上表面作为减薄停止层，该减薄方式可采用CMP工艺。请参考图11，可选择的于减薄后的界面表面进行掺杂形成钉扎层。同时参考图12、图13，其中，采用薄膜工艺、图形化工艺于表面C上形成转移晶体管的栅极结构121，所述转移晶体管的栅极结构121为环形结构；并于表面C上形成环形的钉扎电极的栅极结构120，所述钉扎电极的栅极结构120与转移晶体管栅极结构121电学隔离并位于栅极结构的外部。请继续参考图13、图14、图15，图14中以转移晶体管的栅极结构121为硬掩膜采用图形化工艺于外延层表面C内部的部分区域形成浮置扩散区130的P型掺杂区域131，所述P型掺杂区域131与转移晶体管的栅极结构自对准；图15中于转移晶体管的栅极结构121的侧面形成侧壁122，侧壁122为介电材质，以该些侧壁122为硬掩膜采用图形化工艺形成所述浮置扩散区的N型掺杂区域132，所述N型掺杂区域132，所述N型掺杂区域132与侧墙122自对准。图16、图17，进一步形成金属互联层400，金属互联层包含若干过孔401，金属层410通过过孔401与所述转移晶体管的栅极结构121，钉扎电极的栅极结构120分别导通并电连接，进一步金属层410通过另一面的过孔402导通至表面D。这样，在深沟槽隔离结构201的单晶硅上形成了部分器件，即：移晶体管的栅极结构121、钉扎电极的栅极结构120；在深沟槽隔离结构201的单晶硅内部形成图像传感器的光电二极管的电荷收集区(位于外延层110内）和浮置扩散区。请继续参考图18，提供第二晶圆500，第二晶圆500形成图像传感器除去转移晶体管的栅极区域，浮置扩散区、光电二极管区域的其它器件。例如：复位晶体管、源跟随晶体管、行选通晶体管等。第二晶圆500还形成非像素区域的外围区域的模拟电路、数字电路、模数转换电路等。将第二晶圆与第一晶圆键合。请继续参考图19至图21，翻转键合后的第一晶圆100、第二晶圆500的组合件，于所述第一晶圆100的第二面B面减薄停止于所述隔离结构201表面，所述隔离结构201为减薄停止层，进一步去除隔离结构201中的介质层形成深沟槽隔离结构202，可采用刻蚀方式去除隔离结构201，停止至所述钉扎电极的栅极结构120表面，钉扎电极的栅极结构120为刻蚀停止层，进一步沉积第一介质层600、导电材质层700并填充深沟槽隔离结构202，减薄研磨至暴露出第一晶圆100的表面，并在第一晶圆100的表面依次形成第二介质层800、带电材质层900、防反射层1000；第一介质层600、第二介质层800可采用二氧化硅层起到隔离第一晶圆100表面与上层的作用，导电材质层700的材质为：多晶硅、金属或多晶硅和金属的组合，在本实施例中采用N型掺杂多晶硅材质；导电材质层700可提供特定电压，在像素区域的部分导电材质层接负压可耗尽深沟槽隔离结构202内表面形成钉扎层，有效的减少缺陷，外围区域的部分导电材质层可接地GND，起到隔离的作用；带电介质层900采用二氧化铪层和氧化钽层，由于该带电介质层900带有负电荷，能使得第一晶圆100的内表面耗尽形成钉扎层，能有效防止界面表面的缺陷；防反射层1000防止光线的串扰。进一步形成金属栅格层1100；形成彩色滤光层1200、微透镜层1300。深沟槽隔离结构有效的隔离了相邻的像素单元1与像素单元2。

请继续参考图1、图22、图23、图24、图25，图10至图21。图1、图22、图23、图24、图25，图10至图21为本发明第二实施例提供的采用深沟槽隔离的堆叠图像传感器的制作方法的各步骤所对应的结构示意图。请参考图1、图22，图1中，提供第一晶圆100，第一晶圆为制作图像传感器器件的载体，第一晶圆可为半导体材质的衬底，也可采用衬底+外延层的结构；第一晶圆包含有第一面A与第二面B。第一晶圆可采用外延晶圆、SOI晶圆均可，其中外延晶圆可采用衬底为P型，外延层为N型或P型；N型衬底，外延层为P型。图22中由第一晶圆100的第一面A采用选择性外延或铺设形成外延覆盖层140。请参考图23，于外延覆盖层140的表面依次形成氧化层150，刻蚀阻挡层160。图24中，提供光罩（未显示）对外延覆盖层140进行刻蚀，形成若干深沟槽隔离结构201b。在另一实施例中，由于第一晶圆100自身带有足够厚度的外延层，可不形成外延隔离层140直接于第一晶圆100表面形成氧化层150、刻蚀阻挡层160，再对第一晶圆100进行刻蚀形成深沟槽隔离结构201b。进一步参考图25，图25中于深沟槽隔离结构201b的表面和外延覆盖层140的表面形成氧化层170，再覆盖介质层180，介质层填充满深沟槽隔离结构201b并覆盖外延覆盖层140。在另一实施例中可填充导电材质层180b(未显示)。进一步参考图10，图10中，减薄并停止至隔离结构201（201b）的上表面，在本实施例中即减薄暴露出外延覆盖层140或者氧化层150的上表面，隔离结构的上表面作为减薄停止层，该减薄方式可采用CMP工艺。请参考图11，可选择的于减薄后的界面表面进行预掺杂。同时参考图12、图13，其中，采用薄膜工艺、图形化工艺于表面C上形成转移晶体管的栅极结构121，所述转移晶体管的栅极结构121为环形结构；并于表面C上形成环形的钉扎电极的栅极结构120，所述钉扎电极的栅极结构120与转移晶体管栅极结构121电学隔离并位于栅极结构的外部。请继续参考图13、图14、图15，图14中以转移晶体管的栅极结构121为硬掩膜采用图形化工艺于外延层表面C内部的部分区域形成浮置扩散区130的P型掺杂区域131，所述P型掺杂区域131与转移晶体管的栅极结构自对准；图15中于转移晶体管的栅极结构121的侧面形成侧壁122，侧壁122为介电材质，以该些侧壁122为硬掩膜采用图形化工艺形成所述浮置扩散区的N型掺杂区域132，所述N型掺杂区域132，所述N型掺杂区域132与侧墙122自对准。这样，在深沟槽隔离结构201的单晶硅上形成了部分器件，即：移晶体管的栅极结构121、钉扎电极的栅极结构120；在深沟槽隔离结构201的单晶硅内部形成图像传感器的光电二极管的电荷收集区(位于外延层110内）和浮置扩散区。请继续参考图16、图17，进一步形成金属互联层400，金属互联层包含若干过孔401，金属层410通过过孔401与所述转移晶体管的栅极结构121，钉扎电极的栅极结构120分别导通并电连接，进一步金属层410通过另一面的过孔402导通至表面D。图18，提供第二晶圆500，第二晶圆500形成图像传感器除去转移晶体管的栅极区域，浮置扩散区、光电二极管区域的其它器件。例如：复位晶体管、源跟随晶体管、行选通晶体管等。第二晶圆500还形成非像素区域的外围区域的模拟电路、数字电路、模数转换电路等。将第二晶圆与第一晶圆键合。请继续参考图19至图21，翻转键合后的第一晶圆100、第二晶圆500的组合件，于所述第一晶圆100的第二面B面减薄停止于所述隔离结构201表面，所述隔离结构201为减薄停止层，进一步去除隔离结构201中的介质层形成深沟槽隔离结构202，可采用刻蚀方式去除隔离结构201，停止至所述钉扎电极的栅极结构120表面，钉扎电极的栅极结构120为刻蚀停止层，进一步沉积第一介质层600、导电材质层700并填充深沟槽隔离结构202，减薄研磨至暴露出第一晶圆100的表面，并在第一晶圆100的表面依次形成第二介质层800、带电材质层900、防反射层1000；第一介质层600、第二介质层800可采用二氧化硅层起到隔离第一晶圆100表面与上层的作用，导电材质层700的材质为：多晶硅、金属或多晶硅和金属的组合，在本实施例中采用N型掺杂多晶硅材质；导电材质层700可提供特定电压，在像素区域的部分导电材质层接负压可耗尽深沟槽隔离结构202内表面形成钉扎层，有效的减少缺陷，外围区域的部分导电材质层可接地GND，起到隔离的作用；带电介质层900采用二氧化铪层和氧化钽层，由于该带电介质层900带有负电荷，能使得第一晶圆100的内表面耗尽形成钉扎层，能有效防止界面表面的缺陷；防反射层1000防止光线的串扰。进一步形成金属栅格层1100；形成彩色滤光层1200、微透镜层1300。深沟槽隔离结构有效的隔离了相邻的像素单元1与像素单元2。

请继续参考图26，图26为本发明采用深沟槽隔离的堆叠图像传感器的制作方法的制作方法的步骤流程图。包括步骤：提供第一晶圆;于第一晶圆的第一面形成上表面暴露的隔离结构，隔离结构隔离像素单元；于隔离结构之间的单晶硅上及内部形成图像传感器的部分器件结构；提供第二晶圆，所述第二晶圆与所述第一晶圆键合；于所述第一晶圆的第二面减薄停止于所述隔离结构表面，所述隔离结构为减薄停止层。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种采用深沟槽隔离的堆叠图像传感器的制作方法，其特征在于，至少包括步骤：

提供第一晶圆;

提供第二晶圆，所述第二晶圆与所述第一晶圆键合；

2.根据权利要求1所述的采用深沟槽隔离的堆叠图像传感器的制作方法，其特征在于，形成部分器件结构中包括：形成转移晶体管的栅极结构，所述转移晶体管栅极结构为环形结构；形成环形的钉扎电极的栅极结构，所述钉扎电极的栅极结构与转移晶体管栅极结构电学隔离并位于栅极结构外部；形成浮置扩散区，浮置扩散区位于外延后的硅内部，对应于栅极结构包围的区域。

3.根据权利要求2所述的采用深沟槽隔离的堆叠图像传感器的制作方法，其特征在于，还包括：以转移晶体管的栅极结构为硬掩膜形成所述浮置扩散区的P型掺杂区域，所述P型掺杂区域与转移晶体管栅极结构自对准。

4.根据权利要求3所述的采用深沟槽隔离的堆叠图像传感器的制作方法，其特征在于，还包括：于转移晶体管的栅极结构两侧形成侧墙，以所述侧墙为硬掩膜形成所述浮置扩散区的N型掺杂区域，所述N型掺杂区域与侧墙自对准。

5.根据权利要求1所述的采用深沟槽隔离的堆叠图像传感器的制作方法，其特征在于，还包括：所述第二晶圆形成有图像传感器的另一部分器件结构。

6.根据权利要求5所述的采用深沟槽隔离的堆叠图像传感器的制作方法，其特征在于，还包括：刻蚀去除所述隔离结构，停止至所述钉扎电极的栅极结构表面，所述钉扎电极的栅极结构作为刻蚀停止层。

7.根据权利要求1所述的采用深沟槽隔离的堆叠图像传感器的制作方法，其特征在于，还包括：选择性外延第一晶圆之前，对第一晶圆和隔离结构进行掺杂，使得选择性外延硅后，隔离结构包围区域的硅具有由界面向硅中心方向的浓度梯度分布的掺杂层。

8.根据权利要求1所述的采用深沟槽隔离的堆叠图像传感器的制作方法，其特征在于，所述栅极结构、所述电极结构由多晶硅材质和/或金属材质构成。