CN109841574B - Cmos图像传感器及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了CMOS图像传感器及其形成方法。本公开涉及具有多深沟槽隔离(MDTI)结构的CMOS图像传感器，以及相关联的形成方法。在一些实施例中，多个像素区域被布置在衬底内并分别包括光电二极管。边界深沟槽隔离(BDTI)结构被布置在相邻像素区域之间，从衬底的背面延伸到衬底内的第一深度，并围绕光电二极管。多深沟槽隔离(MDTI)结构被布置在各个像素区域内，从衬底的背面延伸到衬底内的第二深度，并覆盖光电二极管。电介质层填充在BDTI结构的BDTI沟槽和MDTI结构的MDTI沟槽中。

Description

CMOS图像传感器及其形成方法
技术领域
本公开涉及图像处理，具体而言涉及CMOS图像传感器以及形成图像传感器的方法。
背景技术
数码相机和光学成像设备采用图像传感器。图像传感器将光学图像转换成数字数据，该数字数据可以代表数字图像。图像传感器包括像素阵列(或网格)，用于检测光并记录所检测的光的强度(亮度)。像素阵列通过累积电荷来对光作出响应。然后，所累积的电荷被(例如被其他电路)用来提供颜色和亮度信号，以在合适的应用(例如数码相机)中使用。像素传感器常常表现为电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)器件。与CCD像素传感器相比，CMOS像素传感器提供更低的功耗、更小的尺寸和更快的数据处理。此外，CMOS像素传感器还提供数据的直接数字式输出，并且与CCD像素传感器相比一般具有更低的制造成本。
发明内容
在本申请的一个方面，提供了一种CMOS图像传感器，包括：衬底，具有正面和与所述正面相反的背面；多个像素区域，被布置在所述衬底上并分别包括光电二极管，所述光电二极管被配置成把从所述背面进入所述衬底的辐射转换成电信号；边界深沟槽隔离(BDTI)结构，被布置在相邻像素区域之间，从所述衬底的背面延伸到所述衬底内的第一深度，并围绕所述光电二极管；多深沟槽隔离(MDTI)结构，被布置在所述多个像素区域内，从所述衬底的背面延伸到所述衬底内的第二深度，并覆盖所述光电二极管；以及电介质层，填充在所述BDTI结构的BDTI沟槽和所述MDTI结构的MDTI沟槽中。
在本申请的另一个方面，提供了一种CMOS图像传感器，包括：衬底，具有正面和与所述正面相反的背面；多个像素区域，被布置在所述衬底上并分别包括传输栅极和光电二极管，所述传输栅极被布置在所述衬底的正面，所述光电二极管被布置在所述传输栅极的一侧并被配置成把从所述背面进入所述衬底的辐射转换成电信号；边界深沟槽隔离(BDTI)结构，被布置在相邻像素区域之间，从所述衬底的背面延伸到所述衬底内的第一深度，并围绕所述光电二极管；以及多深沟槽隔离(MDTI)结构，被布置在各个像素区域内，从所述衬底的背面延伸到所述衬底内的第二深度，并覆盖所述光电二极管；其中，所述MDTI结构包括：第一氧化物层，内衬在MDTI沟槽的侧壁上；高k电介质层，布置在所述第一氧化物层上；和第二氧化物层，填充所述MDTI沟槽的其余空间。
在本申请的另一个方面，提供了一种形成图像传感器的方法，包括：形成传输栅极和掺杂层，所述传输栅极在衬底的正面上，所述掺杂层在所述衬底内处于所述传输栅极的、与像素区域的光电二极管对应的一侧；旋转所述衬底并执行第一刻蚀处理来从所述衬底的背面进行刻蚀，以形成覆盖所述掺杂层的多深沟槽隔离(MDTI)沟槽；从所述衬底的背面执行第二刻蚀处理，以形成边界深沟槽隔离(BDTI)沟槽，所述BDTI沟槽在相邻像素区域之间并围绕所述光电二极管；以及用电介质层填充所述MDTI沟槽和所述BDTI沟槽，以形成覆盖所述掺杂层的MDTI结构以及所述相邻像素区域之间的BDTI结构。
附图说明
在结合附图阅读时，从下面的详细说明会最佳地理解本公开的各个方面。应当注意，根据产业的标准做法，各种特征不是按比例绘制的。事实上，为了讨论的清楚，各个特征的尺寸可能被任意增大或减小。
图1图示了CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器的一些实施例的剖视图，该传感器具有多深沟槽隔离(multiple deep trench isolation,MDTI)结构。
图2图示了图1的CMOS图像传感器沿A-A'线的俯视图。
图3A-3G图示了CMOS图像传感器的一些附加实施例的多个俯视图，该传感器包括多深沟槽隔离(MDTI)结构。
图4A-4C图示了CMOS图像传感器的一些附加实施例的多个俯视图，该传感器包括多深沟槽隔离(MDTI)结构。
图5图示了集成芯片的一些附加实施例的剖视图，该芯片包括具有多深沟槽隔离(MDTI)结构的图像传感器。
图6-10图示了剖视图的一些实施例，这些剖视图示出了形成具有多深沟槽隔离(MDTI)结构的CMOS图像传感器的方法。
图11图示了形成具有多深沟槽隔离(MDTI)结构的CMOS图像传感器的方法的一些实施例的流程图。
具体实施方式
下面的公开内容提供了用于实施本发明不同特征的许多不同实施例或示例。下文描述了组件和布局的具体示例以简化本公开。当然，这些仅仅是示例而不是意在限制。例如，在下面的说明中，在第二特征上方或之上形成第一特征可以包括以直接接触的方式形成第一、第二特征的实施例，也可以包括在第一、第二特征之间可能形成有附加特征，使得第一、第二特征可以不直接接触的实施例。另外，本公开可能在各个示例中重复了标号和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身并不要求所讨论的各个实施例和/或配置之间存在关系。
此外，本文中可能使用了空间相对性的术语(例如“下方”、“之下”、“低于”、“以上”、“上部”等)，以易于描述图中所示一个要素或特征相对于另一个(一些)要素或一个(一些)特征的关系。这些空间相对性的术语意在也涵盖了器件在使用或工作中除了图中所示朝向之外的不同朝向。装置可能以其他方式定向(旋转了90度或处于其他朝向)，因而本文中所用的空间相对性描述符可能被类似地解释。
许多便携式电子设备(例如，相机、蜂窝电话、计算机等)包括用于捕捉图像的图像传感器。这种图像传感器的一个示例是CMOS图像传感器(CIS)，其包括与滤色器阵列相对应的有源像素传感器阵列。在这些滤色器下方，CMOS图像传感器具有光吸收层。光吸收层的厚度可被优化以吸收可见光，以在相邻像素之间具有可接受的横向串扰。另一方面，对用于安全、个人认证和测距应用的不可见(尤其是近红外(NIR))敏感图像传感器的需求正在增长。为了使尖端CMOS图像传感器适用于NIR用途，增强NIR灵敏度是重要的。改善NIR灵敏度的一种途径是使光吸收层更厚，但这可能增加横向串扰并使感测质量劣化，尤其是对于小像素尺寸。另外，由于厚的光吸收层的制造所包括的掺杂轮廓(profile)可能需要具有更高能量的离子注入机，所以芯片成本增加了。
本公开涉及CMOS图像传感器以及相关联的形成方法，该CMOS图像传感器包括被布置在各个像素区域内以改善NIR灵敏度的多深沟槽隔离(MDTI)结构。在一些实施例中，CMOS图像传感器具有多个像素区域，它们被布置在衬底上并分别包括光电二极管，光电二极管被配置为把从背面进入衬底的辐射转换成电信号。边界深沟槽隔离(boundary deeptrench isolation,BDTI)结构被布置在相邻像素区域之间，从衬底的背面延伸到衬底内的第一深度并围绕该光电二极管。多深沟槽隔离(MDTI)结构被布置在各个像素区域内，从衬底的背面延伸到衬底内的第二深度，并覆盖光电二极管。一个或多个电介质层填充在BDTI结构的BDTI沟槽和MDTI结构的MDTI沟槽中。电介质层具有的介电常数小于衬底的介电常数，使得进入的辐射在照射到BDTI结构及MDTI结构的侧壁时被重定向到光电二极管区域。从而减小了横向光子串扰并改善了NIR量子效率。
图1图示了CMOS图像传感器的一些实施例的剖视图100，该CMOS图像传感器具有多深沟槽隔离(MDTI)结构。CMOS图像传感器包括衬底102，该衬底具有正面122和背面124。衬底102用作CMOS图像传感器的光吸收层。在各种实施例中，衬底102可以包括任何类型的半导体主体(例如，硅/CMOS块、SiGe等)，例如半导体晶片或晶片上的一个或多个管芯(die)，以及任何其他类型的半导体和/或形成于其上和/或以其他方式与之相关联的外延层。衬底102包括多个像素区域(例如图1所示的像素区域103a、103b)，它们可以在衬底102内布置在包括行和/或列的阵列中。像素区域103a、103b分别包括光电二极管104，光电二极管104被配置成把入射辐射120(例如，光子)转换成电信号。在一些实施例中，光电二极管104包括衬底102内的掺杂层108以及衬底102的毗连区域(adjoining region)，掺杂层具有第一掺杂类型(例如，n型掺杂)，毗连区域具有与第一掺杂类型不同的第二掺杂类型(例如，p型掺杂)。衬底102的掺杂层108和毗连区域在P-N结结构的界面区域形成耗尽区。当具有足够能量的光子撞击光电二极管104时，电子-空穴对被生成，然后由耗尽区的内建电场从P-N结扫过。这样，光电流产生。
边界深沟槽隔离(BDTI)结构111布置在衬底102中，从背面124延伸到衬底102内的第一深度d1。BDTI结构111被布置在相邻像素区域103a、103b之间并将它们隔离，并围绕光电二极管104。多深沟槽隔离(MDTI)结构110被布置在各个像素区域103a或103b内，从衬底102的背面124延伸到衬底102内的第二深度d2，并覆盖光电二极管104。在一些实施例中，第一深度d1大于第二深度d2。第一深度d1对第二深度d2的比例可以在从约2:1到约6:1的范围内。BDTI结构111从衬底102的平面顶表面延伸到比掺杂层108的顶表面108a低的位置，而MDTI结构110从衬底102的平面顶表面延伸到高于掺杂层108的顶表面108a的位置。掺杂层108和MDTI结构110可以由衬底102分开。电介质层115填充在BDTI结构111的BDTI沟槽和MDTI结构110的MDTI沟槽中。在一些实施例中，电介质层115可以被布置在衬底102的平面顶表面上，并且在BDTI结构111与MDTI结构110之间连续地横向延伸。在一些实施例中，电介质层115包括第一氧化物层、高k电介质层和第二氧化物层，第一氧化物层内衬(line)在BDTI沟槽和MDTI沟槽的侧壁上，高k电介质层布置在第一氧化物层上，第二氧化物层填充BDTI沟槽和MDTI沟槽的其余空间。
在一些实施例中，多个滤色器116被布置在衬底102的背面124上方。该多个滤色器116分别被配置成使特定波长的入射辐射120透射。例如，第一滤色器(例如，红色滤色器)可透射具有在第一范围内的波长的光，而第二滤色器可透射具有在不同于第一范围的第二范围内的波长的光。作为示例，多个滤色器116可以在每个像素上包括拜耳(Bayer)图案的RGB片上滤色器，该图案由2×2颜色单元组成，其中，两个绿色滤色器在对角位置而蓝色和红色在非对角位置。在一些实施例中，该多个滤色器116可以被布置在覆盖衬底102的网格结构内。在一些实施例中，网格结构可以包括堆叠网格，该堆叠网格具有被电介质材料包围的金属框架。在一些实施例中，电介质材料和堆叠网格可以具有相同的电介质材料(例如，二氧化硅(SiO2))。
多个微透镜118布置在多个滤色器116上以提高填充因子和传感器灵敏度。各个微透镜118与滤色器116在横向上对准并覆盖像素区域103a、103b。在一些实施例中，该多个微透镜118具有基本上平坦的底表面和弯曲的上表面，底表面抵靠该多个滤色器116。弯曲的上表面被配置为对入射辐射120(例如，朝向下方的像素区域103a、103b的光)进行聚焦。在CMOS图像传感器的操作期间，入射辐射120被微透镜118聚焦到下面的像素区域103a、103b。当具有足够能量的入射辐射照射光电二极管104时，它生成产生光电流的电子-空穴对。应当注意，尽管微透镜118被示出为固定到图1中的图像传感器上，但是可以理解，图像传感器可以不包括片上微透镜，并且微透镜可以后来在单独的制造动作中被附接到图像传感器。
图2图示了图1的CMOS图像传感器沿A-A'线的俯视图。如上所述，BDTI结构111被布置在相邻像素区域103a、103b、103c、103d之间，并用作这些像素区域的隔离件，从而使像素区域103a、103b、103c、103d之间的串扰和光晕溢出(blooming)能够被降低。MDTI结构110被布置成覆盖各个像素区域103a、103b、103c或103d，并将入射辐射120限制并引导至对应的像素区域的光电二极管140，从而使得图像传感器的量子效率得到改善。BDTI结构111的第一最小宽度w1对MDTI结构110的第二最小宽度w2的比例在约1:1至约4:1的范围内。MDTI结构110可以包括四边形(例如正方形)，该四边形具有的对角线与像素区域的中心线(由点划线所示)重合。MDTI结构110可以包括彼此同心的第一周边126a和第二周边126b。第一周边126a和第二周边126b共同的中心可以是对应的像素区域的中心。第一周边126a和第二周边126b在图2中都被示出为正方形，但是第一周边126a和第二周边126b可以是相同或不同的形状，并且可以包括但不限于圆形或多边形。
图3A-3G图示了CMOS图像传感器的一些附加实施例的多个俯视图，该CMOS图像传感器包括多深沟槽隔离(MDTI)结构。应当理解，除了图2中为了非限制性目的而示出的内容之外，图3A-3G也可以被认为是MDTI结构110的图案的示例，并且可以针对其他变体而被改变。图3A-3G所示的图案和其他变体可以被结合到图1和图2所描述的图像传感器中。如图3A和图3C所示，MDTI结构110可以包括第一线段和第二线段，第一线段和第二线段在像素区域的中心区域处彼此交叉。如图3B和3D-3G所示，MDTI结构110可以包括彼此间隔开的线段。这些线段可以沿像素区域的中心线对称。这些线段可以以相同的图案分布(例如图3D-3G)或者从一个像素到另一个像素旋转(例如图3B)。像素区域的衬底102的中心区域可以被MDTI结构110覆盖(例如图3A、3C、3E)或者暴露于入射辐射(例如图3B、3D、3F、3G)。
图4A-4C示出了CMOS图像传感器的一些附加实施例的多个俯视图，该CMOS图像传感器包括多深沟槽隔离(MDTI)结构。在一些实施例中，CMOS图像传感器包括多个像素区域，这些像素区域包括第一像素组402和第二像素组404，第一像素组被称为相位检测自动对焦(PDAF)像素，并被配置来为正在进行的聚焦操作检测图像深度位置，第二像素组被配置为检测图像形状和颜色。虽然这些图中未示出，但是第一像素组402被成对排列：一对相位检测像素具有对入射辐射开放的相对侧。例如，在一些情形中，该对中的一个相位检测像素的左半区域对于至少一些入射辐射透明，而右半区域被不透明结构阻挡。该对中的另一相位检测像素的右半区域对于至少一些入射辐射透明，而左半区域被不透明结构遮挡。因此，该相位检测像素对的所接收到的辐射亮度具有相位差，传感器的聚焦状况可以根据该相位差确定。由于减小的像素尺寸和不希望的反射，第一像素组402的不透明结构降低了图像感测像素的成像灵敏度。因而，MDTI结构110被布置在第一像素组402内以改善成像灵敏度，尤其是NIR灵敏度。尽管MDTI结构110也可以布置在第二像素组404中，但在一些替代实施例中，第二像素组404不具有MDTI结构110。如图4A所示，在一些实施例中，BDTI结构111被布置在第一像素组402的相邻像素区域103a、103b、103c、103d之间，与被布置在第二像素组404的相邻像素之间一样。如图4B和图4C所示，在一些替代实施例中，由于相邻像素可以被共同用作一个相位检测像素，所以第一像素组402的相邻像素区域103a、103b、103c、103d之间的边界区域不具有BDTI结构111。MDTI结构110可以作为重复单元(例如图4B)被分别布置在相邻像素区域103a、103b、103c、103d中，或者，MDTI结构110可以在相邻像素区域103a、103b、103c、103d中被布置成一个连续的整体单元(例如图4C)。尽管图4A-4C的MDTI结构110使用图3A的图案作为例子，但可以理解，也可以使用图2和图3B-3G以及其他适用的变体所示的图案。
图5示出了集成芯片的一些附加实施例的剖视图，该集成芯片包括具有多深沟槽隔离(MDTI)结构的图像传感器。除了上面所示和所述的类似特征之外，在一些实施例中，如图5所示，BDTI结构111的电介质层115可以包括被布置在第一氧化物层114与第二氧化物层112之间的高k电介质衬垫(liner)113。高k电介质衬垫113可以用作钝化层并将第一氧化物层114与第二氧化物层112分开。高k电介质衬垫113例如可以包括氧化铝(AlO)、氧化钽(TaO)、氧化铪(HfO)、氧化铪硅(HfSiO)、氧化铪铝(HfAlO)或氧化铪钽(HfTaO)。第一氧化物层114和高k电介质衬垫113可以是共形(conformal)的层。图5所示的图像传感器可以是中间结构，并且第一氧化物层114、高k电介质衬垫113和第二氧化物层112可以经历(也可以不经历)平面化处理以使这些层的顶表面可以被改变，并且衬底102的背面124可以与电介质层115的顶面共面。
在一些实施例中，浮动扩散阱204被布置在相邻像素区域103a、103b之间、从衬底102的正面122到衬底102内的一位置。传输栅极202被布置在衬底102的正面122上、横向上位于光电二极管104与浮动扩散阱204之间的一位置处。在操作期间，传输栅极202对从光电二极管104到浮动扩散阱204的电荷转移进行控制。如果电荷电平在浮动扩散阱204内足够高，则源极跟随器晶体管(未示出)被激活，并且电荷根据用于寻址的行选择晶体管(未示出)的操作而被选择性地输出。复位晶体管(未示出)可以被用于在曝光时段之间对光电二极管104复位。在一些实施例中，浅沟槽隔离(STI)结构302被布置在像素区域103a、103b的边界区域处、从衬底102的正面122到衬底102内的一位置，并围绕光电二极管104。STI结构302和BDTI结构111可以在垂直方向上对齐(例如共享共同的中心线)。
在一些实施例中，后段制程(back-end-of-the-line，BEOL)金属化叠层510被布置在衬底102的正面122。BEOL金属化叠层510包括多个金属互连层，这些层被布置在一个或多个层间电介质(ILD)层106内。ILD层106可以包括以下一项或多项：低k电介质层(即，具有小于约3.9的介电常数的电介质)、超低k电介质层、或氧化物(例如氧化硅)。逻辑门器件502可以被布置在图像传感器的同一集成芯片上并由逻辑STI结构504隔离。逻辑STI结构504可以具有与STI结构302相同或不同的尺寸。导电触点506被布置在ILD层106内。导电触点506从传输栅极202和浮动扩散阱204延伸到一个或多个金属布线层508。在各种实施例中，导电触点506可以包括导电金属，例如铜或钨。
图6-11图示了剖视图的一些实施例，这些剖视图示出了形成具有多深沟槽隔离(MDTI)结构的CMOS图像传感器的方法。
如图6的剖视图600所示，准备衬底102。在各种实施例中，衬底102可以包括任何类型的半导体主体(例如，硅/CMOS块、SiGe等)，例如半导体晶片或晶片上的一个或多个管芯，以及任何其他类型的半导体和/或形成于其上和/或以其他方式与之相关联的外延层。衬底102可以被制备，包括毯式注入(blanket implant)或具有第一掺杂类型(例如，p型)的渐变外延生长处理。通过在衬底102上沉积栅极电介质膜和栅电极膜，在衬底上形成CMOS器件，包括传输栅极202。栅极电介质膜和栅电极膜随后被图案化以形成栅极电介质层和栅电极。如图6所示，在衬底102的正面122内执行注入处理，以沿着传输栅极202的一侧或一对传输栅极202的相反两侧形成浮动扩散阱204。在一些实施例中，可以根据包括光刻胶的经图案化掩模层(未示出)对衬底102进行选择性注入。在衬底102内形成光电二极管104，包括在传输栅极202的与扩散阱204相反的另一侧处形成在衬底102的正面122内的掺杂层108。可以通过注入具有第二掺杂类型的掺杂物质(例如，n型掺杂物(例如磷))来形成掺杂层108。
尽管未在图6中示出，但是可以在衬底102的正面122上形成BEOL金属化叠层，该金属化叠层包括布置在ILD层内的多个金属互连层(例如，参考图5的BEOL金属化叠层510和ILD层106)。在一些实施例中，可以通过在衬底102的正面122上形成ILD层来形成BEOL金属化叠层，该ILD层包括ILD材料的一个或多个层。ILD层随后被刻蚀以形成通孔和/或金属沟槽。然后用导电材料填充这些通孔和/或金属沟槽以形成多个金属互连层。在一些实施例中，可以通过物理气相沉积技术(例如，PVD、CVD等)来沉积ILD层。可以使用沉积处理和/或镀层处理(例如，电镀、无电镀等)来形成多个金属互连层。在各种实施例中，多个金属互连层例如可以包括钨、铜或铝-铜。然后可以将ILD层键合到操纵衬底(handle substrate，未示出)。在一些实施例中，键合处理可以使用布置在ILD层与操纵衬底之间的中间键合氧化物层。在一些实施例中，键合处理可以包括熔接键合处理。
如图7的剖视图700所示，将衬底102翻转以对与正面122相反的背面124进行进一步处理。衬底102被选择性地刻蚀，以在各个像素区域103a、103b内形成衬底102的背面124内的MDTI沟槽702。在一些实施例中，可以通过在衬底102的背面124上形成掩模层704来刻蚀衬底102。然后，衬底102可以在未被掩模层704覆盖的区域中暴露于刻蚀剂。刻蚀剂刻蚀衬底102以形成MDTI沟槽702，该沟槽延伸到衬底102并覆盖掺杂层108。在一些实施例中，MDTI沟槽702可以在衬底102中停止在掺杂层108上方的深度处。在图7未示出的一些替代实施例中，MDTI沟槽702可以在衬底102中达到低于掺杂层108的顶面108a的深度。
如图8的剖视图800所示，执行第二刻蚀处理以在相邻像素区域103a、103b之间在衬底102的背面124内形成BDTI沟槽802。在一些实施例中，可以通过在衬底102的背面124上形成掩模层804来刻蚀衬底102。然后在未被掩模层804覆盖的区域中将衬底102暴露于刻蚀剂。刻蚀剂刻蚀衬底102以形成BDTI沟槽802，该沟槽在衬底102中延伸到比掺杂层108的顶表面更低的深度。在一些实施例中，BDTI沟槽802可以在衬底102中停止在掺杂层108的底表面上方的深度处。在图8未示出的一些替代实施例中，BDTI沟槽802可以在衬底102中达到低于掺杂层108的底表面108b的深度。
在各种实施例中，图7的掩模层704和图8的掩模层804可以包括使用光刻处理进行了图案化的光刻胶或氮化物(例如SiN)。在各种实施例中，图7和图8的刻蚀剂可以包括干刻蚀剂或湿刻蚀剂(例如氢氟酸(HF))或四甲基氢氧化铵(TMAH))，干刻蚀剂具有包含氟物质(例如CF4、CHF3、C4F8等)的刻蚀化学物质。衬底102可被减薄以在形成MDTI沟槽702之前减小衬底102的厚度，并允许辐射穿过衬底102的背面124到达光电二极管104。在一些实施例中，可以通过对半导体衬底的背面124进行刻蚀来使衬底102减薄。在其他实施例中，可以通过对半导体衬底的背面124进行机械研磨来减薄衬底102。形成MDTI沟槽702和BDTI沟槽802的顺序是可交换的，即，可以在形成BDTI沟槽802之前或之后形成MDTI沟槽702。
如图9的剖视图900所示，MDTI沟槽702和BDTI沟槽802由电介质材料填充。在一些实施例中，沿着MDTI沟槽702和BDTI沟槽802的侧壁以共形的方式沉积第一氧化物层114。高k电介质衬垫113形成在第一氧化物层114上。高k电介质衬垫113可以通过沉积技术形成，并且可以包括氧化铝(AlO)、氧化铪(HfO)、氧化钽(TaO)或具有比氧化硅更大的介电常数的其它电介质材料。第一氧化物层114和高k电介质衬垫113内衬在MDTI沟槽702和BDTI沟槽802的侧壁和底部表面上。在一些实施例中，第一氧化物层114和高k电介质衬垫113可以在MDTI沟槽702和BDTI沟槽802之间的衬底102的背面124上方延伸。第二氧化物层112被形成来填充MDTI沟槽702和BDTI沟槽802的剩余部分。在一些实施例中，在形成第二氧化物层112以后执行平面化处理，以形成沿着高k电介质衬垫113和第二氧化物层112的上表面延伸的平坦表面。在一些实施例中，可以使用物理气相沉积技术或化学气相沉积技术来沉积第一氧化物层114、高k电介质衬垫113和第二氧化物层112。
如图10的剖视图1000所示，多个滤色器116a、116b随后可以被形成在衬底102的背面124上。在一些实施例中，可以通过形成滤色器层并对滤色器层进行图案化，以及在滤色器116a、116b之间形成用于隔离目的的复合网格206来形成多个滤色器116a、116b。在一些实施例中，复合网格206包括布置在电介质光导结构206a内的金属网格结构206b。在一些实施例中，电介质光导结构206a可以包括一个或多个电介质结构，例如氮化硅网格、氮氧化硅网格或二氧化硅网格。在一些实施例中，滤色器层由这样的材料形成：该材料允许具有特定范围的波长的辐射(例如，光)透射，而阻挡该特定范围以外的波长的光。尽管在图10中未示出，但是在一些实施例中，可以在多个滤色器116a、116b上方形成多个微透镜(例如，参照图1所示的微透镜118)。在一些实施例中，可以通过在多个滤色器上方沉积微透镜材料(例如，通过旋涂方法或沉积工艺)来形成多个微透镜。在微透镜材料上方对具有弯曲上表面的微透镜模板进行图案化。在一些实施例中，微透镜模板可以包括光刻胶材料，该材料被使用分布式曝光的光剂量曝光(例如，对于负光刻胶，在曲面的底部曝光更多的光并且在曲面的顶部曝光更少的光)、显影并烘焙以形成圆整的形状。然后通过根据微透镜模板选择性地刻蚀微透镜材料来形成多个微透镜。
图11图示了形成具有多深沟槽隔离(MDTI)结构的CMOS图像传感器的方法1100的一些实施例的流程图。
虽然所公开的方法1100在本文中被图示和描述为一系列动作或事件，但应当理解，这些动作或事件的所示顺序不应被解释为限制意义。例如，一些动作可以以不同的顺序发生和/或与除本文所示和/或述的那些之外其他的动作或事件同时发生。另外，并非所有示出的动作都可能是实现本文描述的一个或多个方面或实施例所必需的。此外，这里描述的一个或多个动作可以在一个或多个单独的动作和/或阶段中执行。
在1102处，准备衬底。在衬底的正面内形成光电二极管，包括在衬底的正面内形成的具有第一掺杂类型(例如n型)的掺杂层以及具有第二掺杂类型的衬底的毗连区域(如p型)。衬底的制备可以包括毯式注入或具有第二掺杂类型(例如，p型)的渐变外延生长处理。可以通过注入具有第一掺杂类型的掺杂剂物质(例如，n型掺杂剂(例如，磷))来形成掺杂层。图6图示的剖视图对应于与动作1102对应的一些实施例。
在1104处，衬底被翻转用于进一步处理。衬底的背面被选择性地刻蚀，以在各个像素区域内形成延伸到衬底中的MDTI沟槽。在一些实施例中，通过在衬底的背面上形成掩模层来刻蚀衬底。然后在覆盖了掺杂层但未被掩模层覆盖的区域中将衬底暴露于刻蚀剂，以形成MDTI沟槽。在一些实施例中，MDTI沟槽可以在衬底中停止在掺杂层上方的深度。图7图示的剖视图对应于与动作1104对应的一些实施例。
在1106处，执行第二刻蚀处理以形成延伸到衬底中的BDTI沟槽。BDTI沟槽被形成在相邻像素区域之间并围绕光电二极管。BDTI沟槽可以在衬底中延伸到低于掺杂层的顶表面但高于掺杂层的底表面的深度。图8图示的剖视图对应于与动作1106对应的一些实施例。
在1110处，用电介质材料填充MDTI沟槽和BDTI沟槽以形成MDTI结构和BDTI结构。在1107处，形成第一氧化物层，第一氧化物层以共形方式内衬在MDTI沟槽和BDTI沟槽的侧壁上。在1108处，在MDTI沟槽和BDTI沟槽内、在掺杂层上形成高k电介质衬垫。在1109处，形成第二氧化物层以填充MDTI沟槽和BDTI沟槽的其余部分。第一氧化物层、高k电介质衬垫和第二氧化物层可以通过沉积技术来形成，例如化学气相沉积。图9图示的剖视图对应于与动作1110对应的一些实施例。
在1112处，在半导体衬底的背面上形成滤色器和微透镜。图10图示的剖视图对应于与动作1112对应的一些实施例。
因此，本公开涉及具有多深沟槽隔离(MDTI)结构的CMOS图像传感器以及相关联的形成方法。在一些实施例中，CMOS图像传感器包括多个像素区域，它们被布置在衬底上并分别包括光电二极管。边界深沟槽隔离(BDTI)结构被布置在相邻像素区域之间并围绕光电二极管。多深沟槽隔离(MDTI)结构被布置在各个像素区域内并覆盖光电二极管。电介质层填充在BDTI结构的BDTI沟槽和MDTI结构的MDTI沟槽中。通过形成所公开的BDTI结构和MDTI结构，入射辐射被更好地限制并引导到光电二极管。因此，改善了图像传感器的感测灵敏度(尤其是在NIR范围)，并且减小了光晕溢出和串扰。
在一些实施例中，本公开涉及CMOS图像传感器。该图像传感器包括衬底，衬底具有正面和与正面相反的背面。多个像素区域被布置在衬底内并分别包括光电二极管，光电二极管被配置成把从背面进入衬底的辐射转换成电信号。边界深沟槽隔离(BDTI)结构被布置在相邻像素区域之间，从衬底的背面延伸到衬底内的位置，并围绕光电二极管。多深沟槽隔离(MDTI)结构被布置在各个像素区域内，从衬底的背面延伸到衬底内的第二深度，并覆盖光电二极管。电介质层填充在BDTI结构的BDTI沟槽和MDTI结构的MDTI沟槽中。
在一些替代实施例中，本公开涉及CMOS图像传感器。该图像传感器包括衬底，衬底具有正面和与正面相反的背面。多个像素区域被布置在衬底内，并分别包括传输栅极和光电二极管，传输栅极被布置在衬底的正面，光电二极管被布置在传输栅极的一侧并被配置成把从背面进入衬底的辐射转换成电信号。边界深沟槽隔离(BDTI)结构被布置在相邻像素区域之间，从衬底的背面延伸到衬底内的第一深度，并围绕光电二极管。多深沟槽隔离(MDTI)结构被布置在各个像素区域内，从衬底的背面延伸到衬底内的第二深度，并覆盖光电二极管。MDTI结构包括内衬在MDTI沟槽的侧壁上的第一氧化物层、布置在第一氧化物层上的高k电介质层、以及填充MDTI沟槽的其余空间的第二氧化物层。
在又一些实施例中，本公开涉及形成图像传感器的方法。该方法包括形成传输栅极和掺杂层，传输栅极在衬底的正面上，掺杂层在衬底内处于传输栅极的、与像素区域的光电二极管对应的一侧。该方法还包括把衬底翻转并执行第一刻蚀处理来从衬底的背面进行刻蚀，以形成覆盖掺杂层的多深沟槽隔离(MDTI)沟槽。该方法还包括从衬底的背面执行第二刻蚀处理以形成边界深沟槽隔离(BDTI)沟槽，BDTI沟槽在相邻像素区域之间并围绕光电二极管。该方法还包括用电介质层填充MDTI沟槽和BDTI沟槽，以形成覆盖掺杂层的MDTI结构以及相邻像素区域之间的BDTI结构。
上文概述了一些实施例的特征，以使本领域技术人员可以更好地理解本公开的各个方面。本领域技术人员应当明白，他们可以容易地使用本公开作为基础来设计或更改其他工艺和结构，以实施与本文所介绍的实施例相同的目的和/或实现相同的优点。本领域技术人员还应当意识到，这些等同构造并不脱离本公开的精神和范围，他们可能在不脱离本公开的精神和范围的情况下进行各种修改、替代和变更。
示例1提供了一种互补金属氧化物半导体CMOS图像传感器，包括：衬底，具有正面和与所述正面相反的背面；多个像素区域，被布置在所述衬底上并分别包括光电二极管，所述光电二极管被配置成把从所述背面进入所述衬底的辐射转换成电信号；边界深沟槽隔离BDTI结构，被布置在相邻像素区域之间，从所述衬底的背面延伸到所述衬底内的第一深度，并围绕所述光电二极管；多深沟槽隔离MDTI结构，被布置在所述多个像素区域内，从所述衬底的背面延伸到所述衬底内的第二深度，并覆盖所述光电二极管；以及电介质层，填充在所述BDTI结构的BDTI沟槽和所述MDTI结构的MDTI沟槽中。
示例2包括如示例1所述的CMOS图像传感器，其中，所述电介质层向上延伸，并被连续地布置在所述BDTI结构与所述MDTI结构之间。
示例3包括如示例1所述的CMOS图像传感器，其中，所述电介质层包括：第一氧化物层，内衬在所述BDTI沟槽和所述MDTI沟槽的侧壁上；高k电介质层，布置在所述第一氧化物层上；和第二氧化物层，填充所述BDTI沟槽和所述MDTI沟槽的其余空间。
示例4包括如示例1所述的CMOS图像传感器，其中，所述第一深度大于所述第二深度。
示例5包括如示例1所述的CMOS图像传感器，其中，所述第一深度对所述第二深度的比例在从约2:1到约6:1的范围内。
示例6包括如示例1所述的CMOS图像传感器，其中，所述BDTI结构的第一最小宽度对所述MDTI结构的第二最小宽度的比例在从约1:1到约4:1的范围内。
示例7包括如示例1所述的CMOS图像传感器，其中，所述MDTI结构包括四边形，所述四边形具有的对角线与所述像素区域的中心线重合。
示例8包括如示例1所述的CMOS图像传感器，其中，所述MDTI结构包括彼此同心的第一周边和第二周边。
示例9包括如示例1所述的CMOS图像传感器，其中，所述MDTI结构包括第一线段和第二线段，所述第一线段和所述第二线段在所述像素区域的中心区域处彼此交叉。
示例10包括如示例1所述的CMOS图像传感器，其中，所述MDTI结构包括彼此间隔开并且沿所述像素区域的中心线对称的线段。
示例11包括如示例1所述的CMOS图像传感器，其中，所述光电二极管包括具有第一掺杂类型的掺杂层并包括所述衬底的毗连区域，所述毗连区域具有与所述第一掺杂类型不同的第二掺杂类型。
示例12包括如示例11所述的CMOS图像传感器，其中，所述掺杂层与所述MDTI结构由所述衬底分开。
示例13包括如示例1所述的CMOS图像传感器，其中，所述多个像素区域包括第一像素组和第二像素组，所述第一像素组被配置作为相位检测自动对焦PDAF像素；其中，所述MDTI结构被布置在所述第一像素组内，并且所述第二像素组不具有所述MDTI结构。
示例14包括如示例13所述的CMOS图像传感器，其中，所述第一像素组的相邻像素之间的边界区域不具有所述BDTI结构。
示例15包括如示例13所述的CMOS图像传感器，其中，所述MDTI结构在所述第一像素组中被布置成一个连续的整体单元。
示例16提供了一种互补金属氧化物半导体CMOS图像传感器，包括：衬底，具有正面和与所述正面相反的背面；多个像素区域，被布置在所述衬底上并分别包括传输栅极和光电二极管，所述传输栅极被布置在所述衬底的正面，所述光电二极管被布置在所述传输栅极的一侧并被配置成把从所述背面进入所述衬底的辐射转换成电信号；边界深沟槽隔离BDTI结构，被布置在相邻像素区域之间，从所述衬底的背面延伸到所述衬底内的第一深度，并围绕所述光电二极管；以及多深沟槽隔离MDTI结构，被布置在各个像素区域内，从所述衬底的背面延伸到所述衬底内的第二深度，并覆盖所述光电二极管；其中，所述MDTI结构包括：第一氧化物层，内衬在MDTI沟槽的侧壁上；高k电介质层，布置在所述第一氧化物层上；和第二氧化物层，填充所述MDTI沟槽的其余空间。
示例17包括如示例16所述的CMOS图像传感器，其中，所述MDTI结构相对于所述像素区域的中心线对称。
示例18包括如示例16所述的CMOS图像传感器，其中，所述第一氧化物层填充在所述BDTI结构的BDTI沟槽中，并在所述BDTI结构与所述MDTI结构之间连续地横向延伸。
示例19提供了一种形成图像传感器的方法，包括：形成传输栅极和掺杂层，所述传输栅极在衬底的正面上，所述掺杂层在所述衬底内处于所述传输栅极的、与像素区域的光电二极管对应的一侧；旋转所述衬底并执行第一刻蚀处理来从所述衬底的背面进行刻蚀，以形成覆盖所述掺杂层的多深沟槽隔离MDTI沟槽；从所述衬底的背面执行第二刻蚀处理，以形成边界深沟槽隔离BDTI沟槽，所述BDTI沟槽在相邻像素区域之间并围绕所述光电二极管；以及用电介质层填充所述MDTI沟槽和所述BDTI沟槽，以形成覆盖所述掺杂层的MDTI结构以及所述相邻像素区域之间的BDTI结构。
示例20包括如示例19所述的方法，还包括：在所述电介质层上，在所述BDTI结构和所述MDTI结构上方形成多个滤色器。

Claims (19)

1.一种互补金属氧化物半导体图像传感器，包括：
衬底，具有正面和与所述正面相反的背面；
多个像素区域，被布置在所述衬底上并分别包括光电二极管，所述光电二极管被配置成把从所述背面进入所述衬底的辐射转换成电信号；
边界深沟槽隔离结构，被布置在相邻像素区域之间，从所述衬底的背面延伸到所述衬底内的第一深度，并围绕所述光电二极管；
多深沟槽隔离结构，被布置在所述多个像素区域内，从所述衬底的背面延伸到所述衬底内的第二深度，并覆盖所述光电二极管；以及
电介质层，填充在所述边界深沟槽隔离结构的边界深沟槽隔离沟槽和所述多深沟槽隔离结构的多深沟槽隔离沟槽中，其中，所述电介质层包括：
第一氧化物层，内衬在所述边界深沟槽隔离沟槽和所述多深沟槽隔离沟槽的侧壁上；
高k电介质层，布置在所述第一氧化物层上；和
第二氧化物层，填充所述边界深沟槽隔离沟槽和所述多深沟槽隔离沟槽的其余空间。
2.如权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述电介质层向上延伸，并被连续地布置在所述边界深沟槽隔离结构与所述多深沟槽隔离结构之间。
3.如权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述第一深度大于所述第二深度。
4.如权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述第一深度对所述第二深度的比例在从约2:1到约6:1的范围内。
5.如权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述边界深沟槽隔离结构的第一最小宽度对所述多深沟槽隔离结构的第二最小宽度的比例在从约1:1到约4:1的范围内。
6.如权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述多深沟槽隔离结构包括四边形，所述四边形具有的对角线与所述像素区域的中心线重合。
7.如权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述多深沟槽隔离结构包括彼此同心的第一周边和第二周边。
8.如权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述多深沟槽隔离结构包括第一线段和第二线段，所述第一线段和所述第二线段在所述像素区域的中心区域处彼此交叉。
9.如权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述多深沟槽隔离结构包括彼此间隔开并且沿所述像素区域的中心线对称的线段。
10.如权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，
其中，所述光电二极管包括具有第一掺杂类型的掺杂层并包括所述衬底的毗连区域，所述毗连区域具有与所述第一掺杂类型不同的第二掺杂类型。
11.如权利要求10所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述掺杂层与所述多深沟槽隔离结构由所述衬底分开。
12.如权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，
其中，所述多个像素区域包括第一像素组和第二像素组，所述第一像素组被配置作为相位检测自动对焦像素；
其中，所述多深沟槽隔离结构被布置在所述第一像素组内，并且所述第二像素组不具有所述多深沟槽隔离结构。
13.如权利要求12所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述第一像素组的相邻像素之间的边界区域不具有所述边界深沟槽隔离结构。
14.如权利要求12所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述多深沟槽隔离结构在所述第一像素组中被布置成一个连续的整体单元。
15.一种互补金属氧化物半导体图像传感器，包括：
衬底，具有正面和与所述正面相反的背面；
多个像素区域，被布置在所述衬底上并分别包括传输栅极和光电二极管，所述传输栅极被布置在所述衬底的正面，所述光电二极管被布置在所述传输栅极的一侧并被配置成把从所述背面进入所述衬底的辐射转换成电信号；
边界深沟槽隔离结构，被布置在相邻像素区域之间，从所述衬底的背面延伸到所述衬底内的第一深度，并围绕所述光电二极管；以及
多深沟槽隔离结构，被布置在各个像素区域内，从所述衬底的背面延伸到所述衬底内的第二深度，并覆盖所述光电二极管；
其中，所述多深沟槽隔离结构包括：
第一氧化物层，内衬在多深沟槽隔离沟槽的侧壁上；
高k电介质层，布置在所述第一氧化物层上；和
第二氧化物层，填充所述多深沟槽隔离沟槽的其余空间。
16.如权利要求15所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述多深沟槽隔离结构相对于所述像素区域的中心线对称。
17.如权利要求15所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述第一氧化物层填充在所述边界深沟槽隔离结构的边界深沟槽隔离沟槽中，并在所述边界深沟槽隔离结构与所述多深沟槽隔离结构之间连续地横向延伸。
18.一种形成图像传感器的方法，包括：
形成传输栅极和掺杂层，所述传输栅极在衬底的正面上，所述掺杂层在所述衬底内处于所述传输栅极的、与像素区域的光电二极管对应的一侧；
旋转所述衬底并执行第一刻蚀处理来从所述衬底的背面进行刻蚀，以形成覆盖所述掺杂层的多深沟槽隔离沟槽；
从所述衬底的背面执行第二刻蚀处理，以形成边界深沟槽隔离沟槽，所述边界深沟槽隔离沟槽在相邻像素区域之间并围绕所述光电二极管；以及
用电介质层填充所述多深沟槽隔离沟槽和所述边界深沟槽隔离沟槽，以形成覆盖所述掺杂层的多深沟槽隔离结构以及所述相邻像素区域之间的边界深沟槽隔离结构，其中，所述电介质层包括：
第一氧化物层，内衬在所述边界深沟槽隔离沟槽和所述多深沟槽隔离沟槽的侧壁上；
高k电介质层，布置在所述第一氧化物层上；和
第二氧化物层，填充所述边界深沟槽隔离沟槽和所述多深沟槽隔离沟槽的其余空间。
19.如权利要求18所述的方法，还包括：
在所述电介质层上，在所述边界深沟槽隔离结构和所述多深沟槽隔离结构上方形成多个滤色器。
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