CN107706201B - 一种减小暗电流的背照式像素单元结构及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种减小暗电流的背照式像素单元结构及其形成方法，通过在电荷存储层与接地窗口侧壁之间形成环绕接地窗口的空腔，利用所述空腔将电荷存储层与接地窗口中的金属层金属电性隔离，因而保证了电荷存储层中存储的电荷不会被金属层中的电荷中和，从而减小了图像传感器的暗电流。

Description

一种减小暗电流的背照式像素单元结构及其形成方法
技术领域
本发明涉及CMOS图像传感器技术领域，更具体地，涉及一种可减小暗电流的背照式像素单元结构及其形成方法。
背景技术
通常，图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置。图像传感器可包括电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器芯片。
CMOS图像传感器和传统的CCD传感器相比，具有低功耗，低成本和与CMOS工艺兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用。现在CMOS图像传感器不仅用于消费电子领域，例如微型数码相机(DSC)，手机摄像头，摄像机和数码单反(DSLR)中，而且在汽车电子，监控，生物技术和医学等领域也得到了广泛的应用。
CMOS图像传感器按照入射光进入光电二极管的路径不同，可以分为前照式和背照式两种图像传感器，前照式是指入射光从硅片正面进入光电二极管的图像传感器，而背照式是指入射光从硅片背面进入光电二极管的图像传感器。通过采用背照式CMOS图像传感器工艺，使得入射光从硅片的背面进入光电二极管，从而减小介质层对入射光的损耗和增加CMOS图像传感器中光电二极管的面积，提高了像素单元的灵敏度，因此背照式工艺被越来越多的CMOS图像传感器所采用。
对CMOS图像传感器而言，用于感光的像素单元结构的特性直接决定了最终图像传感器的性能。通常用于定义像素单元性能的参数包括量子效率、暗电流、动态范围和信噪比等。其中暗电流指的是像素单元在没有入射光条件下的输出信号；暗电流越大，像素单元的信噪比越低，而且像素单元的暗电流随温度呈指数上升。在高温条件下，如果暗电流太大，则暗电流信号可能完全淹没像素单元的光电信号，造成图像失真，图像质量下降。因此，如何降低暗电流一直是CMOS图像传感器像素单元受到的最大挑战。
根据CMOS图像传感器制造工艺过程的不同，像素单元的暗电流可能来自用于感光的光电二极管周围和用于传输光电信号的传输管，而绝大部分暗电流通常由光电二极管周围的晶格缺陷造成。
请参阅图1，图1是一种常规背照工艺的像素单元结构示意图。如图1所示，其显示常规的背照式CMOS图像传感器在划片以后的像素单元截面图。为了减小暗电流，在背照工艺中，通常使用二氧化铪、氧化铝等高介电常数的材料制作电荷存储层12和抗反射层。其中通过工艺控制，在电荷存储层中可以存储负电荷(Θ)。这些负电荷将硅衬底10中的正电荷吸引到表面，造成光电二极管11表面正电荷(⊕)的积累，从而可屏蔽光电二极管表面的晶格缺陷和载流子产生复合中心，降低了背照式像素单元的暗电流。
同时，背照工艺中位于电荷存储层12上层的金属层13需要通过硅衬底接地，以防止金属层金属刻蚀中的等离子体损伤造成像素单元性能的退化。但金属层中由于经过了干法刻蚀工艺，其中会聚集正电荷(⊕)，而金属层金属由于可通过接地窗口14和电荷存储层12直接接触，因此容易造成电荷存储层中的负电荷被金属层中的正电荷中和，从而使得像素单元的光电二极管表面无法形成正电荷的积累，即无法形成用于屏蔽界面缺陷的正电荷积累层，造成了背照式像素单元的暗电流上升和白色像素增加等图像传感器性能的退化(劣化)。
因此，需要设计一种新的背照式像素单元结构和形成方法，来防止电荷存储层中的电荷被金属层中的电荷中和，以减小暗电流。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种减小暗电流的背照式像素单元结构及其形成方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种减小暗电流的背照式像素单元结构，包括：
从上往下依次设于硅衬底正面的像素单元的光电二极管、位于硅衬底正面表面的第一介质层；设于第一介质层中的金属互连层；
从下往上依次设于硅衬底背面表面的第一绝缘层、电荷存储层、第二绝缘层、金属层；
位于光电二极管一侧并贯通第二绝缘层、电荷存储层、第一绝缘层设置的接地窗口；所述金属层通过接地窗口与硅衬底背面表面连接；
位于电荷存储层与接地窗口侧壁之间并环绕接地窗口设置的空腔；所述空腔将电荷存储层与接地窗口中的金属层金属电性隔离。
优选地，还包括：设于硅衬底正面表面的像素单元的传输晶体管栅极。
优选地，所述第一介质层下方还堆叠设有载片硅片，所述载片硅片通过设于其上表面的第二介质层与第一介质层键合结合在一起。
优选地，所述第一绝缘层、第二绝缘层为使用氮化硅、二氧化硅、氮氧化硅、碳化硅中的一种或多种形成的单一层或复合层结构；所述电荷存储层为使用二氧化铪、氧化铝、氧化钽中的一种或多种形成的单一层或复合层结构。
优选地，所述金属层使用铝或钨形成。
本发明还提供了一种上述的减小暗电流的背照式像素单元结构的形成方法，包括：
提供一硅衬底，在所述硅衬底正面使用常规的CMOS前道制造工艺形成构成像素单元结构的光电二极管、传输晶体管栅极结构；
在所述硅衬底正面表面形成第一介质层，使用后道制造工艺在所述第一后道介质层中形成金属互连层结构；
将硅衬底翻转后堆叠在表面具有第二介质层的载片硅片上，通过第一介质层、第二介质层之间的键合与载片硅片紧密结合在一起，然后，将硅衬底背面减薄到需要的厚度；
在硅衬底背面表面依次形成第一绝缘层、电荷存储层和第二绝缘层；
在硅衬底背面上形成接地窗口，包括去除相邻接地窗口侧壁处的部分电荷存储层材料，形成环绕接地窗口的空腔；
在第二绝缘层表面淀积金属层金属，并对接地窗口进行填充，形成连接硅衬底背面表面的金属层，同时，利用空腔的存在使得接地窗口中的金属层金属与电荷存储层电性隔离。
优选地，在硅衬底背面上形成接地窗口以及形成环绕接地窗口的空腔的方法，包括：
在定义的接地窗口区域，进行形成接地窗口的第一步刻蚀，其包括：通过干法刻蚀，并通过刻蚀菜单的调整和优化，提高第二绝缘层与电荷存储层之间的刻蚀选择比，对第二绝缘层进行刻蚀，使得刻蚀过程停止在电荷存储层上；
以第一步刻蚀形成的窗口为掩模，通过各向同性的干法刻蚀或者湿法刻蚀工艺，并通过刻蚀菜单的调整和优化，提高电荷存储层与第一绝缘层之间的刻蚀选择比，继续进行电荷存储层的刻蚀，使得刻蚀过程停止在第一绝缘层上；同时，利用各向同性刻蚀的特性，在电荷存储层位于接地窗口的侧壁处构成凹陷区，形成环绕接地窗口的空腔；
进行形成接地窗口的第二步刻蚀，其包括：通过干法刻蚀，并通过刻蚀菜单的调整和优化，提高第一绝缘层与硅衬底之间的刻蚀选择比，对接地窗口区域的第一绝缘层进行进一步的刻蚀，使得刻蚀过程停止在硅衬底上，形成完整的接地窗口。
优选地，还包括：对金属层进行光刻和刻蚀，形成金属图形。
优选地，所述第一绝缘层、第二绝缘层为使用氮化硅、二氧化硅、氮氧化硅、碳化硅中的一种或多种形成的单一层或复合层结构；所述电荷存储层为使用二氧化铪、氧化铝、氧化钽中的一种或多种形成的单一层或复合层结构。
优选地，所述金属层使用铝或钨形成。
从上述技术方案可以看出，本发明通过在电荷存储层与接地窗口侧壁之间形成环绕接地窗口的空腔，利用所述空腔将电荷存储层与接地窗口中的金属层金属电性隔离，因而保证了电荷存储层中存储的电荷不会被金属层中的电荷中和，从而减小了图像传感器的暗电流。
附图说明
图1是一种常规背照工艺的像素单元结构示意图；
图2是本发明一较佳实施例的一种减小暗电流的背照式像素单元结构示意图；
图3-图6是本发明一较佳实施例的形成减小暗电流的背照式像素单元结构时的工艺步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图2，图2是本发明一较佳实施例的一种减小暗电流的背照式像素单元结构示意图。如图2所示，本发明的一种减小暗电流的背照式像素单元结构，建立在硅衬底上，包括：硅衬底20、第一介质层30、第一绝缘层22、电荷存储层23、第二绝缘层24、金属层25等层结构。
请参阅图2。本发明的背照式像素单元结构，在硅衬底20的正面设置有：从上往下依次设于硅衬底正面的像素单元的光电二极管21、位于硅衬底正面表面的第一介质层30。在硅衬底的正面表面还设置有像素单元的传输晶体管栅极32。在第一介质层中设置有用于像素单元与外部连接的金属互连层31。金属互连层可以是具有多层金属互连线以及用于连接各层金属互连线的通孔的多层后道金属互连结构。
本发明的上述背照式像素单元结构，在硅衬底20的背面设置有：从下往上依次设于硅衬底背面表面的第一绝缘层22、电荷存储层23、第二绝缘层24、金属层25。并且，在硅衬底的背面还设置有接地窗口26；接地窗口在垂直方向上位于偏于光电二极管一侧的位置，并贯通第二绝缘层、电荷存储层、第一绝缘层设置。所述金属层自第二绝缘层的表面沿着接地窗口进入，并通过接地窗口实现与硅衬底背面表面的连接，以通过硅衬底接地。
电荷存储层用于存储负电荷(Θ)；这些负电荷可将硅衬底中的正电荷吸引到表面，造成光电二极管表面正电荷(⊕)的积累，从而可屏蔽光电二极管表面的晶格缺陷和载流子产生复合中心，降低背照式像素单元的暗电流。同时，背照工艺中位于电荷存储层上层的金属层需要通过硅衬底接地，以防止金属层金属刻蚀中的等离子体损伤造成像素单元性能的退化。但金属层中由于经过了干法刻蚀工艺，其中会聚集正电荷(⊕)，如果金属层金属通过接地窗口和电荷存储层直接接触，就容易造成电荷存储层中的负电荷被金属层中的正电荷中和，从而使得像素单元的光电二极管表面无法形成正电荷的积累，即无法形成用于屏蔽界面缺陷的正电荷积累层，造成背照式像素单元的暗电流上升和白色像素增加等图像传感器性能的退化(劣化)。
因此，本发明的改进之处在于，在位于电荷存储层23与接地窗口26侧壁之间的位置，形成环绕接地窗口26设置的空腔27结构。所述空腔27顶部完全接触第二绝缘层24下表面、底部完全接触第一绝缘层22上表面，并且，所述空腔27一侧部完全接触电荷存储层23对应侧部、另一侧部完全接触接地窗口26侧壁(即接触接地窗口26中沉积的金属层金属)，从而将电荷存储层23与接地窗口26中沉积的金属层金属电性隔离，保证了电荷存储层中存储的电荷不会被金属层中的电荷中和，使像素单元的光电二极管表面能够形成正电荷的积累，即能够形成用于屏蔽界面缺陷的正电荷积累层，因此减小了图像传感器的暗电流及减少了白色像素的增加，实现图像传感器结构的优化和性能的提升。
请继续参阅图2。所述第一介质层30下方还可堆叠设有载片硅片28；所述载片硅片28可通过设于其上表面的第二介质层29与第一介质层30键合结合在一起。第一介质层、第二介质层可采用常规介质材料形成。载片硅片可提供对硅衬底以及背照式像素单元结构的支撑。
作为可选的实施方式，所述第一绝缘层、第二绝缘层可以是使用氮化硅、二氧化硅、氮氧化硅、碳化硅中的一种或多种形成的单一层或复合层结构。所述电荷存储层可以是使用二氧化铪、氧化铝、氧化钽中的一种或多种形成的单一层或复合层结构。所述金属层可以是使用铝或钨形成的图形化的金属层。
下面将结合具体实施方式，对本发明的一种上述的减小暗电流的背照式像素单元结构的形成方法进行详细说明。
本发明的一种上述的减小暗电流的背照式像素单元结构的形成方法，包括：
请参阅图3。提供一硅衬底20。首先，在所述硅衬底20正面可使用常规的CMOS前道制造工艺，形成构成像素单元结构的光电二极管21以及传输晶体管栅极32等结构。
然后，可在所述硅衬底正面表面形成第一介质层30，并使用后道制造工艺在所述第一后道介质层中形成金属互连层31结构。根据需要，可以使形成的金属互连层包括多层金属互连线以及用于连接各层金属互连线的通孔。
接着，将硅衬底翻转后堆叠在表面具有第二介质层29的载片硅片28上，并通过第一介质层、第二介质层之间的键合与载片硅片紧密结合在一起。然后，将硅衬底20背面减薄到需要的厚度。
接着，在硅衬底20背面表面依次淀积形成第一绝缘层22、电荷存储层23和第二绝缘层24。其中，形成的第一绝缘层、第二绝缘层可以是使用氮化硅、二氧化硅、氮氧化硅、碳化硅中的一种或多种形成的单一层或复合层结构；所述电荷存储层可以是使用二氧化铪、氧化铝、氧化钽中的一种或多种形成的单一层或复合层结构；并且，在电荷存储层中可通过工艺控制实现其对负电荷的存储。
接着，需要在硅衬底背面上形成接地窗口26，包括去除相邻接地窗口侧壁处的部分电荷存储层材料，形成环绕接地窗口的空腔27。在硅衬底背面上形成接地窗口以及形成环绕接地窗口的空腔的方法，具体可包括：
请参阅图4。在定义的接地窗口26区域，进行形成接地窗口的第一步刻蚀；即可通过光刻和干法刻蚀，并通过刻蚀菜单的调整和优化，提高第二绝缘层与电荷存储层之间的刻蚀选择比，对第二绝缘层24进行刻蚀，使得在定义的接地窗口区域的刻蚀过程停止在电荷存储层23上，形成第一步刻蚀的窗口33。
请参阅图5。随后，以第一步刻蚀形成的窗口为掩模，可通过各向同性的干法刻蚀或者湿法刻蚀工艺，并通过刻蚀菜单的调整和优化，提高电荷存储层与第一绝缘层之间的刻蚀选择比，继续进行电荷存储层23的刻蚀，使得刻蚀过程停止在第一绝缘层22上；同时，可利用各向同性刻蚀的特性，由于使用各向同性的刻蚀过程，因此在电荷存储层垂直和水平方向将同时发生刻蚀反应，从而可在电荷存储层23位于接地窗口26的侧壁(即此时第一步刻蚀的窗口33的侧壁)处构成凹陷区，形成环绕接地窗口的空腔27(此空腔内的电荷存储层材料也已被刻蚀去除)。
请参阅图6。接着，进行形成接地窗口的第二步刻蚀；即可通过干法刻蚀，并通过刻蚀菜单的调整和优化，提高第一绝缘层与硅衬底之间的刻蚀选择比，对接地窗口区域的第一绝缘层22进行进一步的刻蚀，使得刻蚀过程停止在硅衬底20上，最终形成完整的接地窗口26。接地窗口26的侧壁限定空腔27的尺寸。
最后，在第二绝缘层24表面淀积金属层金属，并对接地窗口26进行填充，形成连接硅衬底背面表面的金属层25；同时，利用空腔27的存在使得接地窗口26中的金属层金属与电荷存储层23电性隔离。所述金属层可以使用铝或钨等金属材料形成。
之后，即可对金属层进行光刻和刻蚀，形成金属图形，最终形成如图2所示的减小暗电流的背照式像素单元结构。由于电荷存储层中接地窗口侧壁处凹陷区(即空腔27)的存在，在金属刻蚀过程中产生的电荷，就不会对电荷存储层中的电荷形成中和作用。
综上所述，本发明通过在电荷存储层与接地窗口侧壁之间形成环绕接地窗口的空腔，利用所述空腔将电荷存储层与接地窗口中的金属层金属电性隔离，因而保证了电荷存储层中存储的电荷不会被金属层中的电荷中和，从而减小了图像传感器的暗电流。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种减小暗电流的背照式像素单元结构，其特征在于，包括：
从上往下依次设于硅衬底正面的像素单元的光电二极管、位于硅衬底正面表面的第一介质层；设于第一介质层中的金属互连层；
从下往上依次设于硅衬底背面表面的第一绝缘层、电荷存储层、第二绝缘层、金属层；
位于光电二极管一侧并贯通第二绝缘层、电荷存储层、第一绝缘层设置的接地窗口；所述金属层通过接地窗口与硅衬底背面表面连接；
位于电荷存储层与接地窗口侧壁之间并环绕接地窗口设置的空腔，所述空腔顶部完全接触第二绝缘层、底部完全接触第一绝缘层，并且，所述空腔一侧部完全接触电荷存储层对应侧部、另一侧部完全接触接地窗口中沉积的金属层金属；所述空腔将电荷存储层与接地窗口中的金属层金属电性隔离。
2.根据权利要求1所述的减小暗电流的背照式像素单元结构，其特征在于，还包括：设于硅衬底正面表面的像素单元的传输晶体管栅极。
3.根据权利要求2所述的减小暗电流的背照式像素单元结构，其特征在于，所述第一介质层下方还堆叠设有载片硅片，所述载片硅片通过设于其上表面的第二介质层与第一介质层键合结合在一起。
4.根据权利要求1所述的减小暗电流的背照式像素单元结构，其特征在于，所述第一绝缘层、第二绝缘层为使用氮化硅、二氧化硅、氮氧化硅、碳化硅中的一种或多种形成的单一层或复合层结构；所述电荷存储层为使用二氧化铪、氧化铝、氧化钽中的一种或多种形成的单一层或复合层结构。
5.根据权利要求1所述的减小暗电流的背照式像素单元结构，其特征在于，所述金属层使用铝或钨形成。
6.一种如权利要求3所述的减小暗电流的背照式像素单元结构的形成方法，其特征在于，包括：
提供一硅衬底，在所述硅衬底正面使用常规的CMOS前道制造工艺形成构成像素单元结构的光电二极管、传输晶体管栅极结构；
在所述硅衬底正面表面形成第一介质层，使用后道制造工艺在所述第一介质层中形成金属互连层结构；
将硅衬底翻转后堆叠在表面具有第二介质层的载片硅片上，通过第一介质层、第二介质层之间的键合与载片硅片紧密结合在一起，然后，将硅衬底背面减薄到需要的厚度；
在硅衬底背面表面依次形成第一绝缘层、电荷存储层和第二绝缘层；
在硅衬底背面上形成接地窗口，包括去除相邻接地窗口侧壁处的部分电荷存储层材料，形成环绕接地窗口的空腔；其中，在硅衬底背面上形成接地窗口以及形成环绕接地窗口的空腔的方法，包括：在定义的接地窗口区域，进行形成接地窗口的第一步刻蚀，其包括：通过干法刻蚀，并通过刻蚀菜单的调整和优化，提高第二绝缘层与电荷存储层之间的刻蚀选择比，对第二绝缘层进行刻蚀，使得刻蚀过程停止在电荷存储层上；以第一步刻蚀形成的窗口为掩模，通过各向同性的干法刻蚀或者湿法刻蚀工艺，并通过刻蚀菜单的调整和优化，提高电荷存储层与第一绝缘层之间的刻蚀选择比，继续进行电荷存储层的刻蚀，使得刻蚀过程停止在第一绝缘层上；同时，利用各向同性刻蚀的特性，在电荷存储层位于接地窗口的侧壁处构成凹陷区，形成环绕接地窗口的空腔；进行形成接地窗口的第二步刻蚀，其包括：通过干法刻蚀，并通过刻蚀菜单的调整和优化，提高第一绝缘层与硅衬底之间的刻蚀选择比，对接地窗口区域的第一绝缘层进行进一步的刻蚀，使得刻蚀过程停止在硅衬底上，形成完整的接地窗口；
在第二绝缘层表面淀积金属层金属，并对接地窗口进行填充，形成连接硅衬底背面表面的金属层，同时，利用空腔的存在使得接地窗口中的金属层金属与电荷存储层电性隔离。
7.根据权利要求6所述的减小暗电流的背照式像素单元结构的形成方法，其特征在于，还包括：对金属层进行光刻和刻蚀，形成金属图形。
8.根据权利要求6所述的减小暗电流的背照式像素单元结构的形成方法，其特征在于，所述第一绝缘层、第二绝缘层为使用氮化硅、二氧化硅、氮氧化硅、碳化硅中的一种或多种形成的单一层或复合层结构；所述电荷存储层为使用二氧化铪、氧化铝、氧化钽中的一种或多种形成的单一层或复合层结构。
9.根据权利要求6所述的减小暗电流的背照式像素单元结构的形成方法，其特征在于，所述金属层使用铝或钨形成。
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