CN109273478A - 图像传感器及制造图像传感器的方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种图像传感器，包括：形成在半导体衬底中的沟槽隔离结构，其中，所述沟槽隔离结构从其外层部分到内层部分依次包括沿所述半导体衬底的厚度方向延伸的第一氧化物层、氮化物层、第二氧化物层、以及半导体材料层，使得从所述半导体衬底经所述沟槽隔离结构外层部分到内层部分形成半导体‑氧化物‑氮化物‑氧化物‑半导体的结构。本公开还涉及一种制造图像传感器的方法。本公开能够减小图像传感器的暗电流。
Description
技术领域
本公开涉及半导体技术领域，具体来说，涉及一种图像传感器及制造图像传感器的方法。
背景技术
CMOS图像传感器中通常会形成沟槽隔离结构(包括深沟槽隔离(DTI)结构和浅沟槽隔离(STI)结构等)。
因此，存在对新技术的需求。
发明内容
本公开的目的之一是提供一种新的图像传感器及制造图像传感器的方法。
根据本公开的第一方面，提供了一种图像传感器，包括：形成在半导体衬底中的沟槽隔离结构，其中，所述沟槽隔离结构从其外层部分到内层部分依次包括沿所述半导体衬底的厚度方向延伸的第一氧化物层、氮化物层、第二氧化物层、以及半导体材料层，使得从所述半导体衬底经所述沟槽隔离结构外层部分到内层部分形成半导体-氧化物-氮化物-氧化物-半导体的结构。
根据本公开的第二方面，提供了一种制造图像传感器的方法，包括：在半导体衬底中的沟槽中形成沟槽隔离结构，包括依次形成沿所述半导体衬底的厚度方向延伸的第一氧化物层、氮化物层、第二氧化物层和半导体材料层，以使得从所述半导体衬底经所述沟槽隔离结构外层部分到内层部分形成半导体-氧化物-氮化物-氧化物-半导体的结构。
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
图1是示意性地示出了现有技术中图像传感器的结构的示意图。
图2是示意性地示出了根据本公开一个或多个示例性实施例的图像传感器的结构的示意图。
图3是示意性地示出了根据本公开一个或多个示例性实施例的图像传感器的结构的示意图。
图4是示意性地示出了根据本公开一个或多个示例性实施例的图像传感器的结构的示意图。
图5是示意性地示出了根据本公开一个或多个示例性实施例的图像传感器的至少一部分的结构的示意图。
图6A至6N是分别示意性地示出了在根据本公开一个或多个示例性实施例来制造图像传感器的方法示例的一些步骤处的图像传感器的截面的示意图。
图7A至7G是分别示意性地示出了在根据本公开一个或多个示例性实施例来制造图像传感器的方法示例的一些步骤处的图像传感器的截面的示意图。
图8A至8E是分别示意性地示出了在根据本公开一个或多个示例性实施例来制造图像传感器的方法示例的一些步骤处的图像传感器的截面的示意图。
注意，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在一些情况中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
为了便于理解，在附图等中所示的各结构的位置、尺寸及范围等有时不表示实际的位置、尺寸及范围等。因此，本公开并不限于附图等所公开的位置、尺寸及范围等。
具体实施方式
下面将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。也就是说，本文中的结构及方法是以示例性的方式示出，来说明本公开中的结构和方法的不同实施例。然而，本领域技术人员将会理解，它们仅仅说明可以用来实施的本公开的示例性方式，而不是穷尽的方式。此外，附图不必按比例绘制，一些特征可能被放大以示出具体组件的细节。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
为简便起见，本文中描述方位时，例如顶、底、上、下、侧等，均是以附图所示的方向为参考进行描述。例如，当提及半导体衬底的上表面时，是指以附图所示的方向的半导体衬底的上表面，其可以是用于接受光照射的表面也可以不是；类似地，当提及半导体衬底的下表面时，是指以附图所示的方向的半导体衬底的下表面，其可以是用于接受光照射的表面也可以不是。
在CMOS图像传感器的半导体衬底中，通常排布有多个像素单元，每个像素单元包括光电二极管以及与光电二极管相关的晶体管。如图1所示，在半导体衬底1中形成有光电二极管区2和浮置扩散区3，在半导体衬底1的下表面形成有栅极结构4。在相邻的器件之间(例如光电二极管之间、晶体管之间、或光电二极管和晶体管之间等)，通常存在沟槽隔离结构(包括深沟槽隔离(DTI)结构6和浅沟槽隔离(STI)结构5)，以防止器件之间的干扰。本公开的发明人通过研究现有技术发现，这些沟槽隔离结构的一些缺陷，例如在形成沟槽的刻蚀处理中产生的刻蚀界面缺陷，易导致暗电流的产生。
因此，在本公开的第一方面，提供了一种图像传感器，能够减轻或消除沟槽的刻蚀界面缺陷引起的暗电流。根据本公开的一些实施例的图像传感器包括形成在半导体衬底中的沟槽隔离结构，其中，沟槽隔离结构从其外层部分到内层部分依次包括沿半导体衬底的厚度方向延伸的第一氧化物层、氮化物层、第二氧化物层、以及半导体材料层，使得从半导体衬底经沟槽隔离结构外层部分到内层部分形成半导体-氧化物-氮化物-氧化物-半导体(SONOS)的结构。
在一些实施例中，如图2所示，在半导体衬底21中形成有光电二极管区22和浮置扩散区23，在半导体衬底21的下表面形成有栅极结构24。在像素单元的周围(指的是在与图像传感器的主表面平行的平面图中位于像素单元的周围)形成有第一沟槽隔离结构26和第二沟槽隔离结构25，第一沟槽隔离结构26和第二沟槽隔离结构25在与图像传感器的主表面平行的平面图中具有重叠的部分。其中，第一沟槽隔离结构26形成在位于半导体衬底21的上表面的第一沟槽中并从半导体衬底21的上表面向半导体衬底21的下表面延伸，第二沟槽隔离结构25形成在位于半导体衬底21的下表面的第二沟槽中并从半导体衬底21的下表面向半导体衬底21的上表面延伸。其中，从半导体衬底21经第一沟槽隔离结构26的外层部分到第一沟槽隔离结构26的内层部分形成半导体-氧化物-氮化物-氧化物-半导体的结构。此外，半导体衬底21包括区域27，区域27为第一沟槽隔离结构26使得半导体衬底21中的空穴在第一沟槽隔离结构26的周围聚集而形成的。
图2中图像传感器的区域A的结构如图5所示，其中第一沟槽隔离结构26在区域A中的部分相当于图5中的沟槽隔离结构56，区域27在区域A中的部分相当于图5中的区域57，半导体衬底21在区域A中的部分相当于图5中的半导体衬底51。
如图5所示，沟槽隔离结构56从其外层部分到内层部分依次包括沿半导体衬底51的厚度方向延伸的第一氧化物层561、氮化物层562、第二氧化物层563、以及半导体材料层564，使得半导体衬底51、第一氧化物层561、氮化物层562、第二氧化物层563、以及半导体材料层564一起(例如以图5所示的方向，从左部到中部、或从右部到中部)形成半导体-氧化物-氮化物-氧化物-半导体的结构。对半导体材料层564施加相对于半导体衬底51的正电压时，氮化物层562用于俘获从半导体衬底51隧穿进入第一氧化物层561内的电子，并在氮化物层562内具有俘获位置，例如附图标记52表示俘获在氮化物层562中的电子。第二氧化物层563用于防止俘获在氮化物层562中的电子移动到半导体材料层564。俘获在氮化物层562中的电子使得氮化物层562相对于半导体衬底51形成复电势，半导体衬底51中的空穴在靠近第一氧化物层561处聚集从而形成区域57。例如附图标记53表示聚集在半导体衬底51中的靠近第一氧化物层561处的空穴。
本领域技术人员可以理解，半导体衬底51和半导体材料层564可以由适合于半导体装置的任何半导体材料(诸如Si、SiC、SiGe等)制成。此外，半导体衬底51也可以为绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上锗硅等各种复合衬底的半导体部分。半导体材料层564可以包括多晶半导体材料。本领域技术人员可以理解半导体衬底51和半导体材料层564的材料不受到任何限制，而是可以根据实际应用进行选择。
再次参照图2，由于区域27是半导体衬底21的位于第一沟槽隔离结构26周围的那部分，即区域27位于第一沟槽的刻蚀缺陷处，如此，区域27中的空穴能够中和由于第一沟槽的刻蚀缺陷产生的会导致暗电流的电子，从而减小或消除暗电流。由于区域27是由半导体衬底21中的空穴在靠近第一沟槽隔离结构26处聚集从而形成，因此区域27中的空穴的密度高于半导体衬底21的位于区域27周围的部分中的空穴的密度。
在一些实施例中，第一沟槽隔离结构26的底部和第二沟槽隔离结构25的顶部相接触。这有助于加强图像传感器的由第一沟槽隔离结构26和第二沟槽隔离结构25组成的隔离结构对像素单元之间的串扰的隔离效果。
虽然在本公开的附图所示的例子中，第一沟槽隔离结构26是从半导体衬底11的上表面形成的、第二沟槽隔离结构25是从半导体衬底11的下表面形成的，但本领域技术人员可以理解，其他的情况也是可以的。虽然在本公开的附图所示的例子中，第一沟槽隔离结构26的深度大于第二沟槽隔离结构25的深度，但本领域技术人员可以理解，其他的情况也是可以的。在一些实施例中，半导体衬底21的上表面靠近图像传感器用于接受光的表面，半导体衬底21的下表面远离图像传感器用于接受光的表面，但本领域技术人员可以理解，其他的情况也是可以的。
在一些实施例中，图像传感器的一部分的结构如图3所示。图像传感器包括半导体衬底31，在半导体衬底31中形成有光电二极管区32和浮置扩散区33，在半导体衬底31的下表面形成有栅极结构34。在像素单元的周围形成有沟槽隔离结构36。其中，沟槽隔离结构36从半导体衬底31的上表面向半导体衬底31的下表面延伸，并暴露于半导体衬底31的下表面。其中，从半导体衬底31经沟槽隔离结构36的外层部分到沟槽隔离结构36的内层部分，形成半导体-氧化物-氮化物-氧化物-半导体的结构。此外，半导体衬底31包括区域37，区域37为沟槽隔离结构36使得半导体衬底31中的空穴在沟槽隔离结构36的周围聚集而形成的。
图3中图像传感器的区域B的结构如图5所示，其中沟槽隔离结构36在区域B中的部分相当于图5中的沟槽隔离结构56，区域37在区域B中的部分相当于图5中的区域57，半导体衬底31在区域B中的部分相当于图5中的半导体衬底51。图5中的结构如同以上描述。
由于区域37是半导体衬底31的位于沟槽隔离结构36周围的那部分，即区域37位于沟槽隔离结构36周围的刻蚀缺陷处，如此，区域37中的空穴能够中和由于刻蚀缺陷产生的会导致暗电流的电子，从而减小或消除暗电流。由于区域37是由半导体衬底31中的空穴在靠近沟槽隔离结构36处聚集从而形成，因此，区域37中的空穴的密度高于半导体衬底31的位于区域37周围的部分中的空穴的密度。
在一些实施例中，图像传感器的一部分的结构如图4所示。图像传感器包括半导体衬底41，在半导体衬底41中形成有光电二极管区42和浮置扩散区43，在半导体衬底41的下表面形成有栅极结构44。在像素单元的周围形成有第一沟槽隔离结构46和第二沟槽隔离结构45，第一沟槽隔离结构46和第二沟槽隔离结构45在与图像传感器的主表面平行的平面图中具有重叠的部分。其中，第一沟槽隔离结构46形成在位于半导体衬底41的上表面的第一沟槽中并从半导体衬底41的上表面向半导体衬底41的下表面延伸，第二沟槽隔离结构45形成在位于半导体衬底41的下表面的第二沟槽中并从半导体衬底41的下表面向半导体衬底41的上表面延伸。其中，从半导体衬底41经第一沟槽隔离结构46的外层部分到第一沟槽隔离结构46的内层部分形成半导体-氧化物-氮化物-氧化物-半导体的结构。此外，半导体衬底41包括区域47，区域47为第一沟槽隔离结构46使得半导体衬底41中的空穴在第一沟槽隔离结构46的周围聚集而形成的。
图4中图像传感器的区域A的结构如图5所示，其中第一沟槽隔离结构46在区域A中的部分相当于图5中的沟槽隔离结构56，区域47在区域A中的部分相当于图5中的区域57，半导体衬底41在区域A中的部分相当于图5中的半导体衬底51。图5中的结构如同以上描述。
根据这些实施例的图像传感器还包括形成在半导体衬底41的下表面的电极部48。电极部48和第一沟槽隔离结构46、以及第二沟槽隔离结构45在与图像传感器的主表面平行的平面图中具有重叠的部分。半导体材料层(相当于图5中附图标记564所指的部分)从半导体衬底41的上表面向半导体衬底41的下表面延伸直至穿过第二沟槽隔离结构45并暴露于半导体衬底41的下表面，以与位于半导体衬底41的下表面的电极部48电连接。电极部48可以包括多晶半导体材料，通过导电接触件(未示出)电连接到金属互连层(未示出)，以便于通过金属互连层、导电接触件和电极部48对第一沟槽隔离结构46的半导体材料层施加电压。
由于区域47是半导体衬底41的位于沟槽隔离结构46周围的那部分，即区域47位于沟槽隔离结构46周围的刻蚀缺陷处，如此，区域47中的空穴能够中和由于刻蚀缺陷产生的会导致暗电流的电子，从而减小或消除暗电流。由于区域47是由半导体衬底41中的空穴在靠近沟槽隔离结构46处聚集从而形成，因此区域47中的空穴的密度高于半导体衬底41的位于区域47周围的部分中的空穴的密度。
在一些实施例中，第一沟槽隔离结构46的底部和第二沟槽隔离结构45的顶部相接触。这有助于加强图像传感器的由第一沟槽隔离结构46和第二沟槽隔离结构45组成的隔离结构对像素单元之间的串扰的隔离效果。
虽然在本公开的附图所示的例子中，第一沟槽隔离结构46是从半导体衬底11的上表面形成的、第二沟槽隔离结构45是从半导体衬底11的下表面形成的，但本领域技术人员可以理解，其他的情况也是可以的。虽然在本公开的附图所示的例子中，第一沟槽隔离结构46的深度大于第二沟槽隔离结构45的深度，但本领域技术人员可以理解，其他的情况也是可以的。在一些实施例中，半导体衬底41的上表面靠近图像传感器用于接受光的表面，半导体衬底41的下表面远离图像传感器用于接受光的表面，但本领域技术人员可以理解，其他的情况也是可以的。
下面结合图6A至6N描述根据本公开的一个或多个示例性实施例的制造图像传感器的方法。根据这些实施例的制造图像传感器的方法可以形成类似于图4所示的图像传感器。
如图6A所示，从半导体衬底61的一个表面(将在参照图6D至6N描述的步骤中称为下表面)进行处理，在半导体衬底61中形成第二沟槽隔离结构65、光电二极管区62和浮置扩散区63。如图6B所示，在半导体衬底61的该表面形成覆盖半导体衬底61的该表面的导电层L61，例如可以是由多晶半导体材料形成的导电层L61。对导电层L61进行刻蚀处理如图6C所示，形成用于光电二极管区62和浮置扩散区63的栅极结构64和覆盖第二沟槽隔离结构65的电极部68。将图像传感器的晶圆进行翻转，使得原来朝上的表面朝下，原来朝下的表面朝上，如图6D所示，下述步骤针对半导体衬底61的另一个表面(在参照图6D至6N描述的步骤中称为上表面)进行处理。
本领域技术人员可以理解，在如图6D所示翻转晶圆之前，如下处理可以已经被进行：在半导体衬底61中形成其他的晶体管，在半导体衬底61的下表面上形成导电接触件、金属互连层、以及层间电介质层等，将包含有半导体衬底61和的器件晶圆和载体晶圆进行键合处理，以及对半导体衬底61的上部进行减薄处理等。
如图6E所示，从半导体衬底61的上表面进行处理，形成沟槽T61。在附图所示的例子中，沟槽T61形成在像素单元的周围。本领域技术人员应理解，沟槽T61还可以形成在任何两个相邻的器件之间、或者任何一个器件的周围。本领域技术人员应理解，以上描述中指的是在与图像传感器的主表面平行的平面图中，沟槽T61位于像素单元的周围、相邻的两个器件之间、或器件的周围。例如，可以通过光刻和刻蚀处理来形成沟槽T61。形成沟槽T61的刻蚀处理可以是干法刻蚀处理。
如图6F所示，从半导体衬底61的上表面进行沉积氧化物的处理，以形成填充沟槽T61的氧化物层L62。虽然附图中示意的氧化物层L62填满整个沟槽T61，但本领域技术人员应理解，氧化物层L62不必要填满沟槽T61，只需要覆盖沟槽T61的壁即可。由于形成氧化物层L62的过程中会引入氧源，能够修复一些沟槽T61的壁处的刻蚀缺陷，这有利于改善沟槽L61的壁处的形貌。
如图6G所示，从半导体衬底61的上表面进行刻蚀处理，去除氧化物层L62的位于沟槽T61中部的部分以形成沟槽T62，保留氧化物层L62的位于沟槽T61的壁处的部分以形成第一沟槽隔离结构66中的第一氧化物层661。在该步骤中的刻蚀处理中，可以以第二沟槽隔离结构65为刻蚀停止层，如此形成的沟槽T62的下方不存在作为氧化物层L62的一部分的氧化物。本领域技术人员应理解，该步骤中的刻蚀处理也可以通过控制刻蚀时间来控制沟槽T62的深度，沟槽T62的底部可以到达也可以不到达第二沟槽隔离结构65，即形成的沟槽T62的下方可以不存在也可以存在作为氧化物层L62的一部分的氧化物。
如图6H所示，从半导体衬底61的上表面进行沉积氮化物的处理，以形成填充沟槽T61的氮化物层L63。虽然附图中示意的氮化物层L63填满整个沟槽T62，但本领域技术人员应理解，氮化物层L63不必要填满沟槽T62，只需要以一定的厚度覆盖沟槽T62的壁即可。
如图6I所示，从半导体衬底61的上表面进行刻蚀处理，去除氮化物层L63的位于沟槽T62中部的部分以形成沟槽T63，保留氮化物层L63的位于沟槽T62的壁处的部分以形成第一沟槽隔离结构66中的氮化物层662。在该步骤中的刻蚀处理中，可以以第二沟槽隔离结构65为刻蚀停止层，如此形成的沟槽T63的下方不存在作为氮化物层L63的一部分的氮化物。本领域技术人员应理解，该步骤中的刻蚀处理也可以通过控制刻蚀时间来控制沟槽T63的深度，沟槽T63的底部可以到达也可以不到达第二沟槽隔离结构65，即形成的沟槽T63的下方可以不存在也可以存在作为氮化物层L63的一部分的氮化物。
如图6J所示，从半导体衬底61的上表面进行沉积氧化物的处理，以形成填充沟槽T63的氧化物层L64。虽然附图中示意的氧化物层L64填满整个沟槽T63，但本领域技术人员应理解，氧化物层L64不必要填满沟槽T63，只需要以一定厚度覆盖沟槽T63的壁即可。
如图6K所示，从半导体衬底61的上表面进行刻蚀处理，去除氧化物层L64的位于沟槽T63中部的部分以形成沟槽T64，保留氧化物层L64的位于沟槽T63的壁处的部分以形成第一沟槽隔离结构66中的第二氧化物层663。该步骤中的刻蚀处理还去除了第二沟槽隔离结构65的一部分，并停止在电极部68的顶部。这使得形成的沟槽T64穿过位于沟槽T63中的氧化物层L64以及第二沟槽隔离结构65，即使得沟槽T64形成为通孔，沟槽T64的底部下方即为电极部68。在该步骤中的刻蚀处理中，可以以电极部68为刻蚀停止层。
如图6L所示，从半导体衬底61的上表面进行沉积多晶半导体材料的处理，以形成填充沟槽T64的多晶半导体材料层L65。虽然附图中示意的多晶半导体材料层L65填满整个沟槽T64，但本领域技术人员应理解，多晶半导体材料层L65不必要填满沟槽T64，只需要以一定厚度覆盖沟槽T64的壁即可。填充在沟槽T64中的多晶半导体材料层L65的那部分形成第一沟槽隔离结构66中的半导体材料层664。由于沟槽T64的底部下方即为电极部68，因此填充在沟槽T64中的半导体材料层664与电极部68相接触，可以实现半导体材料层664与电极部68电连接。从而可以通过金属互连层、导电接触件和电极部68来对半导体材料层664施加相对于半导体衬底61的正电压。
如图6M所示，从半导体衬底61的上表面进行平坦化处理，例如通过刻蚀处理或化学机械研磨(CMP)处理，以形成第一沟槽隔离结构66，并有利于在后续步骤中形成位于半导体衬底61之中和/或之上的其他结构。可以如图6M所示地去除位于半导体衬底61的上表面之上的所有氧化物层L62、氮化物层L63、氧化物层L64、以及多晶半导体材料层L65。本领域技术人员应理解，平坦化处理也可以不去除或不完全去除位于半导体衬底61的上表面之上的全部这些层，而只是使得已经形成的这些结构变得平坦即可。
如图6N所示，通过金属互连层、导电接触件和电极部68来对半导体材料层664施加相对于半导体衬底61的正电压，使得半导体衬底61中的电子穿过第一氧化物层661并被俘获在氮化物层662中，俘获在氮化物层662中的电子使得氮化物层662相对于半导体衬底61形成复电势，进而使得半导体衬底61中的空穴在第一沟槽隔离结构66的周围聚集从而形成区域67。区域67中的空穴能够中和由于沟槽T61的刻蚀缺陷产生的会导致暗电流的电子，从而减小或消除暗电流。
下面结合图7A至7G描述根据本公开的一个或多个示例性实施例的制造图像传感器的方法。
如图7A所示，从半导体衬底71的上表面进行处理，形成沟槽T71。在附图所示的例子中，沟槽T71形成在像素单元的周围。本领域技术人员应理解，沟槽T71还可以形成在任何两个相邻的器件之间、或者任何一个器件的周围。本领域技术人员应理解，以上描述中指的是在与图像传感器的主表面平行的平面图中，沟槽T71位于像素单元的周围、相邻的两个器件之间、或器件的周围。例如，可以通过光刻和刻蚀处理来形成沟槽T71。形成沟槽T71的刻蚀处理可以是干法刻蚀处理。
本领域技术人员可以理解，在如图7A所示的步骤之前，如下处理可以已经被进行(与图6A至6C所示的操作类似)：从半导体衬底71的下表面进行处理，在半导体衬底71中形成第二沟槽隔离结构75、光电二极管区72和浮置扩散区73；形成用于光电二极管区72和浮置扩散区73的栅极结构74和覆盖第二沟槽隔离结构75的电极部78；在半导体衬底71中形成其他的晶体管，在半导体衬底71的下表面上形成导电接触件、金属互连层、以及层间电介质层等，将包含有半导体衬底71和的器件晶圆和载体晶圆进行键合处理，以及对半导体衬底71的上部进行减薄处理等。
如图7B所示，从半导体衬底71的上表面进行沉积氧化物的处理，以形成填充沟槽T71的氧化物层L72，其中氧化物层L72不填满沟槽T71，而是以一定的厚度覆盖沟槽T71的壁。由于形成氧化物层L72的过程中会引入氧源，能够修复一些沟槽T71的壁处的刻蚀缺陷，这有利于改善沟槽L71的壁处的形貌。例如可以通过等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)处理、原子层沉积(ALD)处理、等离子体增强型原子层沉积(PEALD)处理、低温原子层沉积(soft ALD)处理等台阶覆盖性好和/或保形性好的沉积处理来形成氧化物层L72。氧化物层L72的位于沟槽T71中的部分形成为第一沟槽隔离结构76的第一氧化物层761。沟槽T71中未被氧化物层L72填充的部分形成为沟槽T72。
如图7C所示，从半导体衬底71的上表面进行沉积氮化物的处理，以形成填充沟槽T72的氮化物层L73，其中氮化物层L73不填满沟槽T72，而是以一定的厚度覆盖沟槽T72的壁。例如可以通过等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)处理、原子层沉积(ALD)处理、等离子体增强型原子层沉积(PEALD)处理等台阶覆盖性好和/或保形性好的沉积处理来形成氮化物层L73。氮化物层L73的位于沟槽T72中的部分形成为第一沟槽隔离结构76的氮化物层762。沟槽T72中未被氮化物层L73填充的部分形成为沟槽T73。
如图7D所示，从半导体衬底71的上表面进行沉积氧化物的处理，以形成填充沟槽T73的氧化物层L74，其中氧化物层L74不填满沟槽T73，而是以一定的厚度覆盖沟槽T73的壁。例如可以通过等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)处理、原子层沉积(ALD)处理、等离子体增强型原子层沉积(PEALD)处理等台阶覆盖性好和/或保形性好的沉积处理来形成氧化物层L74。氧化物层L74的位于沟槽T73中的部分形成为第一沟槽隔离结构76的第二氧化物层763。沟槽T73中未被氧化物层L74填充的部分形成为沟槽T74。
如图7E所示，从半导体衬底71的上表面对沟槽T74的底壁的至少部分进行刻蚀处理，并使刻蚀处理停止在电极部78的顶部，从而形成穿过第二沟槽隔离结构75(同时还穿过第一氧化物层761、氮化物层762、和第二氧化物层763的底部)并连通沟槽T74和电极部78的通孔T75。虽然在图7E所示的例子中，通孔T75与沟槽T74在与图像传感器的主表面平行的平面图中具有不同的尺寸，本领域技术人员应理解，通孔T75与沟槽T74也可以在该平面图中具有相同的尺寸。
如图7F所示，从半导体衬底71的上表面进行沉积多晶半导体材料的处理，以形成填充沟槽T74和通孔T75的多晶半导体材料层L75。虽然附图中示意的多晶半导体材料层L75填满整个沟槽T74和通孔T75，但本领域技术人员应理解，多晶半导体材料层L75不必要填满沟槽T74和和通孔T75，只需要以一定厚度覆盖沟槽T74和通孔T75的壁即可。填充在沟槽T74和通孔T75中的多晶半导体材料层L75的那部分形成第一沟槽隔离结构76中的半导体材料层764。由于通孔T75连通沟槽T74和电极部78，因此填充在沟槽T74和通孔T75中的半导体材料层764与电极部78相接触，可以实现半导体材料层764与电极部78电连接。
如图7G所示，从半导体衬底71的上表面进行平坦化处理，例如通过刻蚀处理或化学机械研磨(CMP)处理，以形成第一沟槽隔离结构76，并有利于在后续步骤中形成位于半导体衬底71之中和/或之上的其他结构。此外，通过金属互连层、导电接触件和电极部78来对半导体材料层764施加相对于半导体衬底71的正电压，使得半导体衬底71中的电子穿过第一氧化物层761并被俘获在氮化物层762中，俘获在氮化物层762中的电子使得氮化物层762相对于半导体衬底71形成复电势，进而使得半导体衬底71中的空穴在第一沟槽隔离结构76的周围聚集从而形成区域77。区域77中的空穴能够中和由于沟槽T71的刻蚀缺陷产生的会导致暗电流的电子，从而减小或消除暗电流。
下面结合图8A至8E描述根据本公开的一个或多个示例性实施例的制造图像传感器的方法。
如图8A所示，从半导体衬底81的一个表面(将在参照图8B至8E描述的步骤中称为下表面)进行处理，在半导体衬底81中形成第二沟槽隔离结构85、光电二极管区82和浮置扩散区83，并形成用于光电二极管区82和浮置扩散区83的栅极结构84。在进行其他的一些操作(可参考以上描述的晶圆翻转之前的操作)之后，将晶圆翻转以进行如下描述的操作。
如图8B所示，从半导体衬底81的上表面进行沉积处理，形成了覆盖沟槽的壁的氧化物层L82、氮化物层L83和氧化物层L84。形成的过程可以类似于以上参考图6E至6J的描述。
如图8C所示，从半导体衬底81的上表面进行刻蚀处理，去除氧化物层L84的位于沟槽中部的部分以形成沟槽T84，保留氧化物层L84的位于沟槽的壁处的部分以形成第一沟槽隔离结构86中的第二氧化物层863。该步骤中的刻蚀处理停止在第二沟槽隔离结构85的顶部。这使得形成的沟槽T84的底部的下方即为第二沟槽隔离结构85。
如图8D所示，从半导体衬底81的上表面进行沉积多晶半导体材料的处理，以形成填充沟槽T84的多晶半导体材料层L85。虽然附图中示意的多晶半导体材料层L85填满整个沟槽T84，但本领域技术人员应理解，多晶半导体材料层L85不必要填满沟槽T84，只需要以一定厚度覆盖沟槽T84的壁即可。填充在沟槽T84中的多晶半导体材料层L85的那部分形成第一沟槽隔离结构86中的半导体材料层864。由于多晶半导体材料层L85的填充在沟槽T64中的第一部分(即半导体材料层864)与多晶半导体材料层L85的位于半导体衬底81的上表面之上的第二部分是相接触的，因此可以实现多晶半导体材料层L85的第一部分和第二部分之间的电连接。如此，只需要在尚未去除多晶半导体材料层L85的时候，通过多晶半导体材料层L85的第一部分对多晶半导体材料层L85的第二部分施加电压，即可以实现对半导体材料层864施加相对于半导体衬底81的正电压，从而使得半导体衬底81在靠近第一沟槽隔离结构86的部分形成区域87。区域87中的空穴能够中和由于沟槽T61的刻蚀缺陷产生的会导致暗电流的电子，从而减小或消除暗电流。
如图8E所示，然后从半导体衬底81的上表面进行平坦化处理，例如通过刻蚀处理或化学机械研磨(CMP)处理，以形成第一沟槽隔离结构86，并有利于在后续步骤中形成位于半导体衬底81之中和/或之上的其他结构。
在说明书及权利要求中的词语“A或B”包括“A和B”以及“A或B”，而不是排他地仅包括“A”或者仅包括“B”，除非另有特别说明。
在说明书及权利要求中的词语“前”、“后”、“顶”、“底”、“之上”、“之下”等，如果存在的话，用于描述性的目的而并不一定用于描述不变的相对位置。应当理解，这样使用的词语在适当的情况下是可互换的，使得在此所描述的本公开的实施例，例如，能够在与在此所示出的或另外描述的那些取向不同的其他取向上操作。
如在此所使用的，词语“示例性的”意指“用作示例、实例或说明”，而不是作为将被精确复制的“模型”。在此示例性描述的任意实现方式并不一定要被解释为比其它实现方式优选的或有利的。而且，本公开不受在上述技术领域、背景技术、发明内容或具体实施方式中所给出的任何所表述的或所暗示的理论所限定。
如在此所使用的，词语“基本上”意指包含由设计或制造的缺陷、器件或元件的容差、环境影响和/或其它因素所致的任意微小的变化。词语“基本上”还允许由寄生效应、噪声以及可能存在于实际的实现方式中的其它实际考虑因素所致的与完美的或理想的情形之间的差异。
另外，前面的描述可能提及了被“连接”或“耦接”在一起的元件或节点或特征。如在此所使用的，除非另外明确说明，“连接”意指一个元件/节点/特征与另一种元件/节点/特征在电学上、机械上、逻辑上或以其它方式直接地连接(或者直接通信)。类似地，除非另外明确说明，“耦接”意指一个元件/节点/特征可以与另一元件/节点/特征以直接的或间接的方式在机械上、电学上、逻辑上或以其它方式连结以允许相互作用，即使这两个特征可能并没有直接连接也是如此。也就是说，“耦接”意图包含元件或其它特征的直接连结和间接连结，包括利用一个或多个中间元件的连接。
另外，仅仅为了参考的目的，还可以在本文中使用“第一”、“第二”等类似术语，并且因而并非意图限定。例如，除非上下文明确指出，否则涉及结构或元件的词语“第一”、“第二”和其它此类数字词语并没有暗示顺序或次序。
还应理解，“包括/包含”一词在本文中使用时，说明存在所指出的特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件以及/或者它们的组合。
在本公开中，术语“提供”从广义上用于涵盖获得对象的所有方式，因此“提供某对象”包括但不限于“购买”、“制备/制造”、“布置/设置”、“安装/装配”、和/或“订购”对象等。
本领域技术人员应当意识到，在上述操作之间的边界仅仅是说明性的。多个操作可以结合成单个操作，单个操作可以分布于附加的操作中，并且操作可以在时间上至少部分重叠地执行。而且，另选的实施例可以包括特定操作的多个实例，并且在其他各种实施例中可以改变操作顺序。但是，其它的修改、变化和替换同样是可能的。因此，本说明书和附图应当被看作是说明性的，而非限制性的。
另外，本公开的实施方式还可以包括以下示例：
1.一种图像传感器，其特征在于，包括：
形成在半导体衬底中的沟槽隔离结构，
其中，所述沟槽隔离结构从其外层部分到内层部分依次包括沿所述半导体衬底的厚度方向延伸的第一氧化物层、氮化物层、第二氧化物层、以及半导体材料层，使得从所述半导体衬底经所述沟槽隔离结构的外层部分到所述沟槽隔离结构的内层部分形成半导体-氧化物-氮化物-氧化物-半导体的结构。
2.根据1所述的图像传感器，其特征在于，所述半导体衬底包括一个或多个区域，所述区域为所述沟槽隔离结构使得所述半导体衬底中的空穴在所述沟槽隔离结构的周围聚集而形成的。
3.根据2所述的图像传感器，其特征在于，所述区域位于所述沟槽隔离结构的周围并被所述沟槽隔离结构覆盖，其中，所述区域中的空穴的密度高于所述半导体衬底的位于所述区域周围的部分中的空穴的密度。
4.根据1所述的图像传感器，其特征在于，所述沟槽隔离结构为第一沟槽隔离结构，所述第一沟槽隔离结构从所述半导体衬底的第一表面向所述半导体衬底的第二表面延伸，其中所述第二表面为与所述第一表面相对的表面，所述图像传感器还包括：
第二沟槽隔离结构，其与第一沟槽隔离结构在与图像传感器的主表面平行的平面图中具有重叠的部分，
其中，所述第一沟槽隔离结构的远离所述半导体衬底的第一表面的部分与所述第二沟槽隔离结构的远离所述半导体衬底的第二表面的部分相接触。
5.根据4所述的图像传感器，其特征在于，所述半导体材料层从所述半导体衬底的第一表面向所述半导体衬底的第二表面延伸直至穿过所述第二沟槽隔离结构并暴露于所述半导体衬底的第二表面。
6.根据5所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器还包括位于所述半导体衬底的第二表面的电极部，其中，所述半导体材料层与所述电极部电连接，所述电极部能够通过导电接触件电连接到金属互连层。
7.根据4所述的图像传感器，其特征在于，所述半导体衬底的第一表面靠近所述图像传感器用于接受光的表面，所述半导体衬底的第二表面远离所述图像传感器用于接受光的表面。
8.根据7所述的图像传感器，其特征在于，所述第一沟槽隔离结构的深度大于所述第二沟槽隔离结构的深度。
9.根据1所述的图像传感器，其特征在于，所述半导体材料层包括多晶半导体材料。
10.根据6所述的图像传感器，其特征在于，所述电极部包括多晶半导体材料。
11.一种制造图像传感器的方法，包括：
在半导体衬底中的沟槽中形成沟槽隔离结构，包括依次形成沿所述半导体衬底的厚度方向延伸的第一氧化物层、氮化物层、第二氧化物层和半导体材料层，以使得从所述半导体衬底经所述沟槽隔离结构的外层部分到所述沟槽隔离结构的内层部分形成半导体-氧化物-氮化物-氧化物-半导体的结构。
12.根据11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
对所述半导体材料层施加相对于所述半导体衬底的正电压，使得所述半导体衬底中的电子穿过所述第一氧化物层并被俘获在所述氮化物层中，进而使得所述半导体衬底中的空穴在所述沟槽隔离结构的周围聚集从而形成一个或多个区域。
13.根据11所述的方法，其特征在于，形成所述第一氧化物层、形成所述氮化物层、以及形成所述第二氧化物层中的形成任一个层状结构包括：
通过保形沉积处理形成该层状结构；或
通过沉积处理填充所述沟槽然后通过刻蚀处理形成该层状结构。
14.根据11所述的方法，其特征在于，所述沟槽隔离结构为第一沟槽隔离结构，其中，在位于所述半导体衬底的第一表面的第一沟槽中形成所述第一沟槽隔离结构，所述方法还包括：
在位于所述半导体衬底的第二表面的第二沟槽中形成第二沟槽隔离结构，所述第二表面为与所述第一表面相对的表面。
15.根据14所述的方法，其特征在于，
所述第二沟槽隔离结构在形成所述第一沟槽隔离结构之前形成，
在形成所述第一沟槽隔离结构的操作中，使得所述第一沟槽隔离结构的远离所述半导体衬底的第一表面的部分与所述第二沟槽隔离结构的远离所述半导体衬底的第二表面的部分相接触。
16.根据15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在形成所述第二沟槽隔离结构之后、形成所述第一沟槽隔离结构之前，形成位于所述半导体衬底的第二表面的电极部，
其中，所述电极部和所述第二沟槽隔离结构在与所述图像传感器的主表面平行的平面图中具有重叠的部分。
17.根据16所述的方法，其特征在于，形成所述第一沟槽隔离结构中的所述半导体材料层包括：使得所述半导体材料层与所述电极部电连接。
18.根据17所述的方法，其特征在于，形成所述第一沟槽隔离结构包括：
在形成所述第一氧化物层、所述氮化物层和所述第二氧化物层之后，对所述第二沟槽隔离结构进行刻蚀处理以形成穿过所述第二沟槽隔离结构并暴露出所述电极部的通孔；以及
在所述通孔和所述第一沟槽中沉积多晶半导体材料以形成与所述电极部电连接的并覆盖所述第二氧化物层的所述半导体材料层。
19.根据16所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在形成所述电极部之后，形成与所述电极部电连接的导电接触件；以及
形成与所述导电接触件电连接的金属互连层。
20.根据19所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过所述金属互连层、所述导电接触件、以及所述电极部对所述半导体材料层施加相对于所述半导体衬底的正电压。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。在此公开的各实施例可以任意组合，而不脱离本公开的精神和范围。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本公开的范围和精神。本公开的范围由所附权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种图像传感器，其特征在于，包括：
形成在半导体衬底中的沟槽隔离结构，
其中，所述沟槽隔离结构从其外层部分到内层部分依次包括沿所述半导体衬底的厚度方向延伸的第一氧化物层、氮化物层、第二氧化物层、以及半导体材料层，使得从所述半导体衬底经所述沟槽隔离结构的外层部分到所述沟槽隔离结构的内层部分形成半导体-氧化物-氮化物-氧化物-半导体的结构。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述半导体衬底包括一个或多个区域，所述区域为所述沟槽隔离结构使得所述半导体衬底中的空穴在所述沟槽隔离结构的周围聚集而形成的。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述区域位于所述沟槽隔离结构的周围并被所述沟槽隔离结构覆盖，其中，所述区域中的空穴的密度高于所述半导体衬底的位于所述区域周围的部分中的空穴的密度。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述沟槽隔离结构为第一沟槽隔离结构，所述第一沟槽隔离结构从所述半导体衬底的第一表面向所述半导体衬底的第二表面延伸，其中所述第二表面为与所述第一表面相对的表面，所述图像传感器还包括：
第二沟槽隔离结构，其与第一沟槽隔离结构在与图像传感器的主表面平行的平面图中具有重叠的部分，
其中，所述第一沟槽隔离结构的远离所述半导体衬底的第一表面的部分与所述第二沟槽隔离结构的远离所述半导体衬底的第二表面的部分相接触。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，所述半导体材料层从所述半导体衬底的第一表面向所述半导体衬底的第二表面延伸直至穿过所述第二沟槽隔离结构并暴露于所述半导体衬底的第二表面。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器还包括位于所述半导体衬底的第二表面的电极部，其中，所述半导体材料层与所述电极部电连接，所述电极部能够通过导电接触件电连接到金属互连层。
7.根据权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，所述半导体衬底的第一表面靠近所述图像传感器用于接受光的表面，所述半导体衬底的第二表面远离所述图像传感器用于接受光的表面。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其特征在于，所述第一沟槽隔离结构的深度大于所述第二沟槽隔离结构的深度。
9.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述半导体材料层包括多晶半导体材料。
10.根据权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，所述电极部包括多晶半导体材料。
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