CN104952896A

CN104952896A - 采用深沟槽隔离的图像传感器的制作方法

Info

Publication number: CN104952896A
Application number: CN201510280051.9A
Authority: CN
Inventors: 赵立新; 杨瑞坤
Original assignee: Galaxycore Shanghai Ltd Corp
Current assignee: Galaxycore Shanghai Ltd Corp
Priority date: 2015-05-28
Filing date: 2015-05-28
Publication date: 2015-09-30

Abstract

本发明提供一种采用深沟槽隔离的图像传感器的制作方法，包括：提供衬底，所述衬底包括衬底单晶硅层；刻蚀所述衬底单晶硅层以形成若干凸起的单晶硅墙，所述单晶硅墙的顶表面和侧表面覆盖有介质层；选择性外延所述单晶硅墙之间的衬底单晶硅层表面以形成第一外延单晶硅层，去除覆盖单晶硅墙顶表面的介质层以暴露出单晶硅墙顶表面，选择性外延所述单晶硅墙顶表面和第一外延单晶硅层表面以形成第二外延单晶硅层；在所述第一外延单晶硅层和第二外延单晶硅层中形成图像传感器的部分器件。本发明有效减少了隔离结构和外延单晶硅层的缺陷，避免了图像传感器器件的功能损害，提高了图像传感器器件质量。

Description

采用深沟槽隔离的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图像传感器的制作方法。

背景技术

图像传感器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。

在CMOS图像传感器的制作过程中，于像素区阵列排布的像素单元需要通过沟槽进行物理隔离、电学隔离。一种现有制作方法是先制作图像传感器器件再制作深沟槽隔离结构，但是该方法容易引起深沟槽隔离结构的缺陷难以去除，若采用高温热氧化工艺去除，由于加热温度往往高于800摄氏度，会导致图像传感器器件的功能损害，影响图像传感器器件的质量。另一种现有制作方法是先于衬底上形成由介质层构成的隔离结构，然后采用选择性外延的方式形成覆盖隔离结构的外延单晶硅层，再在外延单晶硅层中形成图像传感器的部分器件。由于形成图像传感器器件之前形成隔离结构，该隔离结构的表面形状较好、缺陷较少，并且可以通过外延高温过程进行修复，进一步消除缺陷的影响，使得隔离结构的界面更加优良。然而，在实际制作过程中，由于隔离结构的宽度通常较大（约为100-300nm），当分别从隔离结构两侧的衬底表面开始生长的外延单晶硅层在隔离结构顶部汇合时，容易在结合部位产生位错或空洞缺陷，从而影响外延单晶硅的质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用深沟槽隔离的图像传感器的制作方法，以减少隔离结构和外延单晶硅层的缺陷，避免图像传感器器件的功能损害，提高图像传感器器件质量。

为解决上述问题，本发明提供一种采用深沟槽隔离的图像传感器的制作方法，包括：提供衬底，所述衬底包括衬底单晶硅层；刻蚀所述衬底单晶硅层以形成若干凸起的单晶硅墙，所述单晶硅墙的顶表面和侧表面覆盖有介质层；选择性外延所述单晶硅墙之间的衬底单晶硅层表面以形成第一外延单晶硅层，去除覆盖单晶硅墙顶表面的介质层以暴露出单晶硅墙顶表面，选择性外延所述单晶硅墙顶表面和第一外延单晶硅层表面以形成第二外延单晶硅层；在所述第一外延单晶硅层和第二外延单晶硅层中形成图像传感器的部分器件。

优选地，去除覆盖单晶硅墙顶表面的介质层以暴露出单晶硅墙顶表面的步骤包括：使暴露出的单晶硅墙顶表面与第一外延单晶硅层表面相平。

优选地，通过化学机械研磨或者回刻蚀去除覆盖单晶硅墙顶表面的介质层。

优选地，所述单晶硅墙的顶表面和侧表面覆盖有介质层的步骤包括：于所述单晶硅墙的顶表面、侧表面以及单晶硅墙之间的衬底单晶硅层表面形成介质层；去除所述单晶硅墙之间的衬底单晶硅层表面的介质层。

优选地，通过热氧化或者化学气相沉积形成所述介质层。

优选地，所述介质层为氧化硅层。

优选地，所述介质层的厚度为1-100nm。

优选地，所述制作方法还包括：对所述衬底单晶硅层和所述介质层进行预掺杂，以便通过自掺杂使得所述单晶硅墙包围区域的第一外延单晶硅层具有由界面向硅中心方向的浓度梯度分布的掺杂层。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优势：

本发明的技术方案中，于形成图像传感器器件之前形成顶表面和侧表面覆盖有介质层的单晶硅墙作为隔离结构，该隔离结构表面形状较好、缺陷较少，并且可以通过外延高温过程进行修复，进一步消除缺陷的影响，使得隔离结构的界面更加优良，在外延单晶硅层的形成过程中，首先通过选择性外延单晶硅墙之间的衬底单晶硅层表面以形成第一外延单晶硅层，然后去除覆盖单晶硅墙顶表面的介质层以暴露出单晶硅墙顶表面，再选择性外延单晶硅墙顶表面和第一外延单晶硅层表面以形成第二外延单晶硅层，由于覆盖在单晶硅墙侧表面的介质层厚度较小，第二外延单晶硅层在介质层顶部结合的空洞缺陷少，不易产生位错和空洞，保证了外延单晶硅的质量。

附图说明

通过说明书附图以及随后与说明书附图一起用于说明本发明某些原理的具体实施方式，本发明所具有的其它特征和优点将变得清楚或得以更为具体地阐明。

图1为本发明提供的采用深沟槽隔离的图像传感器的制作方法的步骤流程图；

图2至图11为本发明实施例一提供的采用深沟槽隔离的图像传感器的制作方法部分步骤对应的结构示意图;

图2至图15为本发明实施例二提供的采用深沟槽隔离的图像传感器的制作方法部分步骤对应的结构示意图。

具体实施方式

现有的图像传感器制作过程中，先于衬底上形成由介质层构成的隔离结构，然后采用选择性外延的方式形成覆盖隔离结构的外延单晶硅层，由于隔离结构的宽度通常较大（约为100-300nm），当分别从隔离结构两侧的衬底表面开始生长的外延单晶硅层在隔离结构顶部汇合时，容易在结合部位产生位错或空洞缺陷，从而影响外延单晶硅的质量。

因此，本发明提出一种采用深沟槽隔离的图像传感器的制作方法，于形成图像传感器器件之前形成顶表面和侧表面覆盖有介质层的单晶硅墙作为隔离结构，该隔离结构表面形状较好、缺陷较少，并且可以通过外延高温过程进行修复，进一步消除缺陷的影响，使得隔离结构的界面更加优良，在外延单晶硅层的形成过程中，首先通过选择性外延单晶硅墙之间的衬底单晶硅层表面以形成第一外延单晶硅层，然后去除覆盖单晶硅墙顶表面的介质层以暴露出单晶硅墙顶表面，再选择性外述单晶硅墙顶表面和第一外延单晶硅层表面以形成第二外延单晶硅层，由于覆盖在单晶硅墙侧表面的介质层厚度较小，第二外延单晶硅层在介质层顶部结合的空洞缺陷少，不易产生位错和空洞，保证了外延单晶硅的质量。

下面结合本发明的说明书附图对本发明进行具体阐述。

如图1所示，本发明的采用深沟槽隔离的图像传感器的制作方法包括如下步骤：

提供衬底，所述衬底包括衬底单晶硅层；

刻蚀所述衬底单晶硅层以形成若干凸起的单晶硅墙，所述单晶硅墙的顶表面和侧表面覆盖有介质层；

选择性外延所述单晶硅墙之间的衬底单晶硅层表面以形成第一外延单晶硅层，去除覆盖单晶硅墙顶表面的介质层以暴露出单晶硅墙顶表面，选择性外延所述单晶硅墙顶表面和第一外延单晶硅层表面以形成第二外延单晶硅层；

在所述第一外延单晶硅层和第二外延单晶硅层中形成图像传感器的部分器件。

图2至图11为本发明实施例一提供的采用深沟槽隔离的图像传感器的制作方法部分步骤对应的结构示意图。

参见图2，首先提供衬底100，该衬底100为制作图像传感器器件的载体，采用外延晶圆、SOI晶圆均可。衬底100包括由单晶硅材质构成的衬底单晶硅层，在本实施例中，衬底单晶硅层包括基底层1002和外延层1001。其中，基底层1002为P型，外延层1001为N型或P型；或者基底层1002为N型，外延层1001为P型或N型。衬底100具有靠近外延层1001的第一面A以及靠近基底层1002的第二面B。

参见图3至图7，于衬底100的第一面A上依次形成介质层101（例如氧化硅层）、硬掩膜层102（例如氮化硅层、氮氧化硅层）和光阻层（未示出），通过曝光、显影、刻蚀步骤在外延层1001中形成若干凸起的单晶硅墙103，去除光阻层，此时单晶硅墙103的顶表面A覆盖有介质层101和硬掩膜层102（参见图4）。接下来，于单晶硅墙103的侧表面1031以及单晶硅墙103之间的衬底单晶硅层表面1003形成介质层101（参见图5）。然后，通过干法刻蚀，例如等离子体刻蚀，去除单晶硅墙103之间的衬底单晶硅层表面1003的介质层101（参见图6），去除硬掩膜层102（参见图7），由此得到顶表面A和侧表面1031覆盖有介质层101的单晶硅墙103作为隔离结构，由于在形成图像传感器器件之前形成该隔离结构的表面，可对该表面进行修复，而无需考虑因环境、温度对器件的影响。介质层101优选通过热氧化工艺形成，以保证良好的膜层质量，此外也可以通过化学气相沉积工艺形成。

参见图8至图10，通过选择性外延单晶硅墙103之间的衬底单晶硅层表面1003形成第一外延单晶硅层104，由于隔离结构的宽度通常较大（约100-300nm），当第一外延单晶硅层104在单晶硅墙103顶部汇合时，结合部位容易出现位错和空洞，为解决该问题，当第一外延单晶硅层104生长到达单晶硅墙103顶部附近时（参见图8），通过化学机械研磨（CMP）或者回刻蚀（etch back）去除覆盖单晶硅墙顶表面A的介质层101，并且优选地使暴露出的单晶硅墙顶表面A与第一外延单晶硅层表面1041相平（参见图9），然后通过选择性外延单晶硅墙顶表面A和第一外延单晶硅层表面1041形成第二外延单晶硅层105（参见图10），由于介质层101的厚度较小（约1-100nm），第二外延单晶硅层105在介质层101顶部结合的空洞缺陷少，不易产生位错和空洞，保证了外延单晶硅的质量。

接下来，在第一外延单晶硅层104和第二外延单晶硅层105中形成图像传感器的部分器件（未示出）。优选地，可以在通过择性外延形成第一外延单晶硅层104之前，对衬底单晶硅层1001和介质层101进行预掺杂，以便通过自掺杂使得单晶硅墙103包围区域的第一外延单晶硅层104具有由界面向硅中心方向的浓度梯度分布的掺杂层，该区域即为用于形成光电二极管的区域，以使得该区域的掺杂更加平均，并且于器件形成之前形成该区域，能将光电二极管的区域掺杂的更深,工艺控制自由度非常大，掺杂形成的图形的掺杂浓度具有梯度的不规则分布。优选地，光电二极管的深度为：1微米至5微米之间，在本实施例中为2.8微米；浓度为：1e14CM³至5e17 CM³ ，在本实施例中为采用1e16 CM³。

继续参见图11，在第二外延单晶硅层105中形成对应于隔离结构的若干浅沟槽隔离区域和/或掺杂隔离区域106，并在第二外延单晶硅层105上方依次形成金属互连层107、彩色滤光层（未示出）、微透镜层（未示出）等结构以完成前照式图像传感器的制作。

对于前照式图像传感器，可以直接从衬底100的第一面A通过硅穿孔将单晶硅墙103连接至预设电压，例如，单晶硅墙103接负压可耗尽隔离结构内表面形成钉扎层，有效减少缺陷。图像传感器的像素阵列通常包括位于中心区域的有效像素单元和位于边缘区域的虚拟像素单元，优选通过虚拟像素单元的隔离结构中的单晶硅墙103连接至预设电压。

图2至图13为本发明第二实施例所提供的采用深沟槽隔离的图像传感器的制作方法各步骤对应的结构示意图。

本实施例中，图2至图11所示的步骤与第一实施例完全相同。

继续参见图12，在金属互连层107形成之后，由衬底100的第一面A的方向上与支承晶圆400进行键合，对键合好的衬底100与支承晶圆400进行翻转，翻转后的结构如图13所示，然后由衬底100的第二面B（即远离外延单晶硅层104、105的一侧）进行减薄并停止于隔离结构表面（参见图14）。减薄的方式，可以通过化学机械研磨、物理机械研磨的方式进行，并结合刻蚀方式。

继续参见图15，依次沉积隔离介质层、带电介质层、防反射层110覆盖于衬底100的第二面B，其中，隔离介质层可采用二氧化硅层起到隔离单晶硅表面（包括第一外延单晶硅层104和单晶硅墙103）与上层的作用；带电介质层采用二氧化铪层和氧化钽层，由于该带电介质层带有负电荷，能使得隔离结构内表面耗尽形成钉扎层，能有效防止界面表面的缺陷；防反射层防止光线的串扰。随后，进一步形成金属栅格层111、彩色滤光层112、微透镜层113以完成背照式图像传感器的制作。

对于背照式图像传感器，可以通过金属栅格层111连通单晶硅墙103并从衬底100的第二面B连接至预设电压，例如，单晶硅墙103接负压可耗尽隔离结构内表面形成钉扎层，有效减少缺陷。图像传感器的像素阵列通常包括位于中心区域的有效像素单元和位于边缘区域的虚拟像素单元，优选通过虚拟像素单元的隔离结构中的单晶硅墙103连接至预设电压。

本发明中，于形成图像传感器器件之前形成顶表面和侧表面覆盖有介质层的单晶硅墙作为隔离结构，该隔离结构表面形状较好、缺陷较少，并且可以通过外延高温过程进行修复，进一步消除缺陷的影响，使得隔离结构的界面更加优良，在外延单晶硅层的形成过程中，首先通过选择性外延单晶硅墙之间的衬底单晶硅层表面以形成第一外延单晶硅层，然后去除覆盖单晶硅墙顶表面的介质层以暴露出单晶硅墙顶表面，再选择性外述单晶硅墙顶表面和第一外延单晶硅层表面以形成第二外延单晶硅层，由于覆盖在单晶硅墙侧表面的介质层厚度较小，第二外延单晶硅层在介质层顶部结合的空洞缺陷少，不易产生位错和空洞，保证了外延单晶硅的质量。

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图像传感器的制作方法，其特征在于，包括：

提供衬底，所述衬底包括衬底单晶硅层；

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，去除覆盖单晶硅墙顶表面的介质层以暴露出单晶硅墙顶表面的步骤包括：使暴露出的单晶硅墙顶表面与第一外延单晶硅层表面相平。

3.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于，通过化学机械研磨或者回刻蚀去除覆盖单晶硅墙顶表面的介质层。

4.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于，所述单晶硅墙的顶表面和侧表面覆盖有介质层的步骤包括：于所述单晶硅墙的顶表面、侧表面以及单晶硅墙之间的衬底单晶硅层表面形成介质层；去除所述单晶硅墙之间的衬底单晶硅层表面的介质层。

5.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于，通过热氧化或者化学气相沉积形成所述介质层。

6.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于，所述介质层为氧化硅层。

7.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于，所述介质层的厚度为1-100nm。

8.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于，还包括：对所述衬底单晶硅层和所述介质层进行预掺杂，以便通过自掺杂使得所述单晶硅墙包围区域的第一外延单晶硅层具有由界面向硅中心方向的浓度梯度分布的掺杂层。