CN109786417A - 图像传感装置的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种图像传感装置的制造方法，包括提供一基板，至少一个图像传感单元设置在基板中；在基板上形成一钝化层；在钝化层上形成一辅助层，辅助层的材料成分不同于钝化层的材料成分；对基板和钝化层执行退火工艺，在退火工艺期间，辅助层覆盖钝化层；在退火工艺之后去除辅助层。可通过利用覆盖钝化层的辅助层执行的退火工艺增强约束和/或钝化钝化层中和/或附近的自由电荷的能力，从而相应地减少白色像素的数量，进而相应地改善图像传感装置的电气性能。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年4月4日提交的中国专利申请No.201810299626.5的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种图像传感装置的制造方法，尤其涉及一种用于改善图像传感装置的电气性能的图像传感装置的制造方法。
背景技术
图像传感器是能够将光学图像转换成电信号的装置，并且广泛用于各种应用中，例如数码相机和其他光学电子产品。近年来，互补金属氧化物半导体(CMOS，ComplementaryMetal–Oxide–Semiconductor)图像传感器(CMOS Image Sensor，下文中缩写为CIS)成为流行的图像传感技术。CIS用于感测被投射向半导体基板的曝光量。为此，CIS使用像素阵列或图像传感器元件来收集光能并将图像转换成可在合适应用中使用的电信号。CIS包括光敏单元，例如光电二极管，以收集光能。在CIS设备中，暗电流是指即使没有光子进入设备，也会流过光敏单元的相对较小的电流。当没有外部辐射进入设备时，暗电流由图像传感装置中产生的电荷组成。必须最小化暗电流以保持图像传感装置的良好信噪比(SN，Signal-to-Noise)。CIS晶片上的白色像素(WP，White Pixel)的数量是指在没有被照射的情况下CIS器件输出的数字量化(DN，DigitalNumber)值大于64的像素的数量。白色像素的数量是用于评估图像传感装置的质量的重要参数，并且必须减少白色像素的数量以改善图像传感装置的性能。
发明内容
本发明提供了一种图像传感装置的制造方法。在该制造方法中，在一钝化层上形成一辅助层并且辅助层在退火工艺期间覆盖钝化层，以增强约束和/或钝化在钝化层中和/或附近的自由电荷的能力，从而相应地减少白色像素的数量，可以相应地改善图像传感装置的电气性能。
根据本发明的实施例，提供了一种图像传感装置的制造方法，该制造方法包括以下步骤：提供一基板，至少一个图像传感单元设置在基板中；在该基板上形成一钝化层；在该钝化层上形成一辅助层，该辅助层的材料成分不同于该钝化层的材料成分；对该基板和该钝化层执行退火工艺，在退火工艺期间，该辅助层覆盖该钝化层；在退火工艺之后去除该辅助层。
在一些实施例中，钝化层包括一第一介电层、一第二介电层和一第三介电层，在第一介电层上形成第二介电层，在第二介电层上形成第三介电层，第二介电层的材料成分不同于第一介电层的材料成分和第三介电层的材料成分。
在一些实施例中，依次在基板上形成第一介电层、第二介电层和第三介电层。
在一些实施例中，第二介电层的介电常数高于第一介电层的介电常数和第三介电层的介电常数。
在一些实施例中，辅助层直接接触第三介电层，并且辅助层的材料成分不同于第三介电层的材料成分。
在一些实施例中，第一介电层包括一氧化物介电层。
在一些实施例中，第三介电层包括一氧化物介电层。
在一些实施例中，辅助层包括一氮化物介电层。
在一些实施例中，退火工艺的工艺温度范围为200摄氏度至1000摄氏度。
在一些实施例中，至少一个图像传感单元包括一背面照射(BSI)CMOS图像传感器(CIS)的一光电二极管。
在一些实施例中，至少一个图像传感单元包括一正面照射(FSI)CMOS图像传感器(CIS)的光电二极管。
在一些实施例中，在退火工艺之前在基板中形成耗尽区，并且通过退火工艺扩大耗尽区。
附图说明
结合在此并形成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与说明书一起进一步用于解释本发明的原理并使相关领域的技术人员能够制作和使用本发明。
图1是本发明的实施例的图像传感装置的制造方法的流程图。
图2-5是本发明的实施例的图像传感装置的制造方法的示意图，其中图3是图2之后的步骤的示意图，图4是图3之后的步骤的示意图，图5是图4之后的步骤的示意图。
图6是本发明的实施例的图像传感装置中的电荷分布的示意图。
图7是本发明另一实施例的图像传感装置中的电荷分布的示意图。
图8是本发明的实施例的图像传感装置的电容-电压特性的示意图。
图9是本发明在不同条件下的图像传感装置中的白色像素的数量的箱线图。
具体实施方式
尽管讨论了具体的配置和布置，但应该理解，这仅仅是为了起到说明的目的。相关领域的技术人员将认识到，在不脱离本创作的精神和范围的情况下，可以使用其他配置和布置。对于相关领域的技术人员显而易见的是，本创作还可以用于各种其他应用中。
通常，至少可以根据上下文中的用法来理解术语。例如，如本文所使用的术语“一个或多个”，至少部分地取决于上下文，可以用于以单数意义描述任何特征，结构或特点，或者可以以复数意义描述特征，结构或特点的组合。类似地，至少部分地取决于上下文，例如“一”或“该”之类的术语也可以被理解为传达单数用法或传达复数用法。另外，术语“基于”可以被理解为不一定旨在传达一组排他性的因素，相反可以允许存在不一定明确描述的其他因素，这同样至少部分地取决于上下文。
应该容易理解的是，本创作中“在...上”，“在...正上方”和“在...上方”的含义应该以最广泛的方式解释，使得“在...上”不仅意味着“直接”在某些事物上，而且还包括“在…具有中间特征或其间的层的事物上”的含义，并且“在...上方”和“在...正上方”不仅意味着“在...事物上方”和“在...事物正上方”的含义，还包括它“在没有中间特征或其间的层的事物上方或正上方”的含义(即，直接在事物上方)。
此外，本文可以使用空间相对术语，例如“在下方”，“在…下方”，“在…上方”，“上部”等，以便于描述附图中所示的一个(多个)元件或特征与另一个(另外多个)元件或特征之间的关系。除了附图中所示的取向之外，空间相对术语旨在涵盖使用或操作中的装置的不同取向。装置可以以其他方式取向(旋转90度或在其他方向上)，并且同样可以相应地解释在本文使用的空间相对叙述语。
请参考图1-5。图1是本发明的实施例的图像传感装置的制造方法的流程图，图2-5是本发明的实施例的图像传感装置的制造方法的示意图，其中图3是图2之后的步骤的示意图，图4是图3之后的步骤的示意图，图5是图4之后的步骤的示意图。该图像传感装置的制造方法包括以下步骤。如图1和图2所示，在步骤S11中，提供一基板10。至少一个图像传感单元20设置在基板10中。
在一些实施例中，基板10可以包括一半导体基板，例如硅基板、含硅基板、III-V族硅基板(诸如硅上氮化镓基板)、绝缘体上硅(SOI)基板或其他合适的基板。在一些实施例中，图像传感单元20可以包括光电转换结构，例如光电二极管、光栅检测器、光电晶体管或其他合适的光电转换结构。在一些实施例中，图像传感单元20可以包括一背面照射(BSI)CMOS图像传感器(CIS)的一光电二极管、一正面照射(FSI)CIS的一光电二极管，或者其他合适类型的图像传感器的一光电二极管。上述光电二极管可以至少部分地设置在上述半导体基板中，但不限于此。在一些实施例中，图像传感装置中的其他所需单元，例如电容器、控制晶体管和模数转换器(ADC)，可以集成在基板10中和/或设置在基板10上。
在步骤S12中，在基板10上形成一钝化层30。钝化层30可以被视为图像传感单元20的一器件接近结构，但不限于此。在一些实施例中，钝化层30可以包括通过薄膜工艺形成的一个或多个介电层，该薄膜工艺可采用例如化学气相沉积(CVD)工艺、物理气相沉积(PVD)工艺、涂覆工艺或其他合适的薄膜形成方法。在一些实施例中，钝化层30可以包括第一介电层31、第二介电层32和第三介电层33。在第一介电层31上形成第二介电层32，在第二介电层32上形成第三介电层33。第二介电层32可以在垂直方向Z上夹在第一介电层31和第三介电层33之间。在一些实施例中，垂直方向Z可以被认为是基板10的厚度方向和/或钝化层30的厚度方向，但不限于此。
在一些实施例中，第二介电层32的材料成分可以与第一介电层31的材料成分和第三介电层33的材料成分不同。例如，第二介电层32可以是高介电常数(高k)介电层。第一介电层31和第三介电层33可分别包括具有相对较低介电常数的氧化物介电层。因此，在一些实施例中，第二介电层32的介电常数可以高于第一介电层31的介电常数和第三介电层33的介电常数，但不限于此。高k介电层可包括选自二氧化铪(HfO2)、硅酸铪氧化合物(HfSiO4)、氧氮化铪硅(HfSiON)、氧化铝(Al2O3)、氧化镧(La2O3)、氧化钽(Ta2O5)、氧化钇(Y2O3)、二氧化铬(CrO2)、氧化锆(ZrO2)、钛酸锶(SrTiO3)、氧化锆锆(ZrSiO4)、氧化铪锆(HfZrO4)、钽酸锶铋、(SrBi2Ta2O9,SBT)、锆钛酸铅(PbZrxTi1-xO3,PZT)和钛酸锶钡(BaxSr1-xTiO3，BST)，或其他合适的高k介电材料。在一些实施例中，第一介电层31和第三介电层33可分别包括氧化硅层，例如二氧化硅(SiO2)层，或其他合适的氧化物材料。
在一些实施例中，可以在基板10上依次形成第一介电层31、第二介电层32和第三介电层33。因此，第一介电层31可以直接接触基板10的顶表面，第二介电层32可以直接接触第一介电层31的顶表面，第三介电层33可以直接接触第二介电层32的顶表面，但不限于此。在一些实施例中，可以在同一个薄膜形成装置和/或同一个工艺腔室中依次执行形成第一介电层31、第二介电层32和第三介电层33的工艺，以减少外部环境的影响。
如图1和图3所示，在步骤S13中，在钝化层30上形成辅助层40。辅助层40可以通过薄膜工艺形成，例如CVD工艺、PVD工艺、涂覆工艺或其他合适的薄膜形成方法。辅助层40的材料成分可以与钝化层30的材料成分不同。在一些实施例中，辅助层40的材料成分可以与第一介电层31的材料成分，第二介电层32的材料成分，和/或第三介电层33的材料成分不同，但不限于此。在一些实施例中，辅助层40可以包括氮化物介电层(例如氮化硅层)或不同于第三介电层33的材料的其他合适的介电材料。在一些实施例中，辅助层40可以直接接触第三介电层33的顶表面，辅助层40可以在垂直方向Z上与钝化层30重叠。
如图1和图4所示，在步骤S14中，在形成辅助层40的步骤之后，对基板10和钝化层30执行退火工艺90。在退火工艺90期间，辅助层40可以覆盖钝化层30。在一些实施例中，退火工艺90的工艺温度可以在200摄氏度至1000摄氏度的范围内，但不限于此。例如，退火工艺90的工艺温度可以约为250摄氏度、350摄氏度、400摄氏度、500摄氏度、600摄氏度、700摄氏度、800摄氏度、900摄氏度或任何其他在200摄氏度至1000摄氏度范围内的值。
如图1、图4和图5所示，在步骤S15中，在退火工艺90之后去除辅助层40。在一些实施例中，可以通过刻蚀工艺，例如干法刻蚀工艺和/或湿法刻蚀工艺，去除辅助层40。在一些实施例中，还可以根据辅助层40的材料特性通过其他合适的方法去除辅助层40。此外，可以完全去除钝化层30上的辅助层40，并且在去除辅助层40的步骤之后，在钝化层30上没有任何辅助层40的残留物。在上述制造方法之后，可以获得图5所示的图像传感装置101。图像传感装置101包括基板10和设置在基板10上的钝化层30，并且至少一个图像传感单元20设置在基板10中。
参照图6和图7。图6是示出图像传感装置101中的电荷分布的示意图。图7是示出根据本发明另一实施例的图像传感装置102中的电荷分布的示意图。如图6和图7所示，通过上述制造方法形成图像传感装置101，并且可以通过与图像传感装置101的制造方法类似的制造方法形成图像传感装置102，区别在于形成辅助层的步骤和用覆盖钝化层30的辅助层进行退火工艺。具体的，在一些实施例中，可以在图像传感装置102的制造方法中形成钝化层30的步骤之后即执行最终退火工艺，而在图像传感装置101的制造方法中去除辅助层的步骤之后不进行最终的退火工艺，但不限于此。
如图6和图7所示，可以在图像传感装置101的钝化层30中约束和/或钝化更多的自由电荷，并且可以相应地钝化在图像传感装置101的基板10和第一介电层31之间的界面处的更多悬空键。换句话说，形成辅助层的步骤和利用覆盖上述钝化层30的辅助层执行的退火工艺，可用于增强约束和/或钝化钝化层30中和/或附近的自由电荷的能力，可以将其视为图像传感单元20的器件接近结构，并且可以相应地改善图像传感装置101的电气性能。
请参考图6至8。图8是本发明的实施例的图像传感装置的电容-电压特性的示意图。具体地，图8中的线L1可以表示图像传感装置101的电容-电压特性，图8中的线L2可以表示图像传感装置102的电容-电压特性。如图6-8所示，图像传感装置102的平带电压(Vfb)可以约为17.3V，并且图像传感装置101的平带电压可以高于25V。换句话说，形成辅助层的步骤和利用覆盖上述钝化层30的辅助层执行的退火工艺可用于增强约束和/或钝化钝化层30中和/或附近的自由电荷的能力，可以将钝化层30视为图像传感单元20的器件接近结构，并且可以相应地增加图像传感装置101的平带电压。
请参照图6、图7和图9。图9是本发明的不同条件下的图像传感装置中的白色像素的数量的箱线图。具体地，图9中的条件1可以表示由图像传感装置101的制造方法形成的图像传感装置中的白色像素的数量，图9中的条件2可以表示由图像传感装置102的制造方法形成的图像传感装置中的白色像素的数量。值得注意的是，图9用于描述不同条件之间的白色像素数量的相对改善，并且图9中未相应示出白色像素的具体数量。图像传感装置的白色像素的数量可以指未经照射而具有大于64的DN(数字量化)值的像素的数量，并且白色像素的数量是评估图像传感装置的质量的重要参数，并且为了改善图像传感装置的性能，必须减少白色像素的数量。
如图6、图7和图9所示，可以显著减少通过图像传感装置101的制造方法形成的图像传感装置中的白色像素的数量。因此，形成辅助层的步骤和利用覆盖上述钝化层30的辅助层执行的退火工艺可用于增强约束和/或钝化钝化层30中和/或附近的自由电荷的能力，可以将钝化层30视为图像传感单元20的器件接近结构，并且可以相应地减少图像传感装置101中的白色像素的数量。
如图6和图7所示，在一些实施例中，可在退火工艺(例如图4中所示的退火工艺90)之前在基板10中形成耗尽区25。在一些实施例中，耗尽区25可以是光电二极管的耗尽层，耗尽区25可以通过注入工艺或其他合适的方法形成。在一些实施例中，图像传感装置101中的耗尽区25可以大于图像传感装置102中的耗尽区25。形成辅助层的步骤和利用覆盖上述钝化层30的辅助层执行的退火工艺可用于增强在钝化层30中和/或附近约束和/或钝化自由电荷的能力，可以将钝化层30视为图像传感单元20的器件接近结构，并且可以钝化在图像传感装置101的基板10和第一介电层31之间的界面处的更多悬空键。因此，可以通过退火工艺放大耗尽区25，同时可以改善图像传感装置101的性能。
综上所述，在根据本发明的图像传感装置的制造方法中，在钝化层上形成辅助层并且辅助层在退火工艺期间覆盖钝化层，以增强约束和/或钝化在基板上形成的钝化层中和/或附近的自由电荷的能力，该基板包括设置在其中的图像传感单元，同时可以相应地改善图像传感装置的电气性能，例如改善白色像素的缺陷。
本领域技术人员将容易地观察到，可以在保留本发明的内容的同时对装置和方法进行多种修改和更改。因此，上述公开内容应被解释为仅受所附权利要求的界限的限制。
Claims (12)
1.一种图像传感装置的制造方法，包括：
提供一基板，其中至少一个图像传感单元设置在所述基板中；
在所述基板上形成一钝化层；
在所述钝化层上形成一辅助层，其中所述辅助层的材料成分不同于所述钝化层的材料成分；
对所述基板和所述钝化层执行退火工艺，其中在所述退火工艺期间，所述辅助层覆盖所述钝化层；以及
在所述退火工艺之后去除所述辅助层。
2.根据权利要求1所述的图像传感装置的制造方法，其特征在于，所述钝化层包括：
第一介电层；
第二介电层，其在所述第一介电层上形成；以及
第三介电层，其在所述第二介电层上形成，其中所述第二介电层的材料成分与所述第一介电层的材料成分和所述第三介电层的材料成分不同。
3.根据权利要求2所述的图像传感装置的制造方法，其特征在于，依次在所述基板上形成所述第一介电层、所述第二介电层和所述第三介电层。
4.根据权利要求2所述的图像传感装置的制造方法，其特征在于，所述第二介电层的介电常数高于所述第一介电层的介电常数和所述第三介电层的介电常数。
5.根据权利要求2所述的图像传感装置的制造方法，其特征在于，所述辅助层直接接触所述第三介电层，并且所述辅助层的材料成分不同于所述第三介电层的材料成分。
6.根据权利要求2所述的图像传感装置的制造方法，其特征在于，所述第一介电层包括一氧化物介电层。
7.根据权利要求2所述的图像传感装置的制造方法，其特征在于，所述第三介电层包括一氧化物介电层。
8.根据权利要求1所述的图像传感装置的制造方法，其特征在于，所述辅助层包括一氮化物介电层。
9.根据权利要求1所述的图像传感装置的制造方法，其特征在于，所述退火工艺的工艺温度范围为200摄氏度至1000摄氏度。
10.根据权利要求1所述的图像传感装置的制造方法，其特征在于，所述至少一个图像传感单元包括一背面照射CMOS图像传感器的一光电二极管。
11.根据权利要求1所述的图像传感装置的制造方法，其特征在于，所述至少一个图像传感单元包括一正面照射CMOS图像传感器的一光电二极管。
12.根据权利要求1所述的图像传感装置的制造方法，其特征在于，在所述退火工艺之前在所述基板中形成一耗尽区，并且通过所述退火工艺扩大所述耗尽区。
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