CN110289277A - 一种堆叠式深耗尽图像传感器像素单元结构及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种堆叠式深耗尽图像传感器像素单元结构，包括设有P阱的第一硅片和设有箝位式光电二极管的第二硅片，第一硅片上设有第一后道介质层，第一后道介质层中设有第一金属互连层，第二硅片上设有第二后道介质层，第二硅片背面上像素单元的部分区域设有P++注入衬底，第一硅片和第二硅片之间通过第一、第二后道介质层的键合而堆叠在一起，导电硅穿孔的上端与第一金属互连层电连接，下端穿过第一后道介质层、第二后道介质层及第二硅片进行电学引出，能有效防止在P阱和P++注入衬底之间加不同电位时可能形成漏电通道的问题，提升了图像传感器的性能。本发明还公开了一种堆叠式深耗尽图像传感器像素单元结构的制作方法。
Description
技术领域
本发明涉及固态图像传感器技术领域，更具体地，涉及一种堆叠式深耗尽图像传感器像素单元结构及制作方法。
背景技术
图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置，通常大规模商用的图像传感器芯片包括电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器芯片两大类。
硅材料对入射光的吸收系数随波长的增加而减小。常规CMOS图像传感器像素单元通常使用红、绿、蓝三原色的滤光层。其中蓝光的波长为450纳米，绿光波长为550纳米，红光波长为650纳米。因此红光的吸收位置最深，蓝光最浅。蓝光在最靠近硅表面的位置被吸收，其吸收系数最高，红光进入硅衬底最深，大约可以进入硅衬底2.3μm左右，其吸收系数最低，绿光介于两者之间，而近红外光的吸收则需要大于2.3μm的吸收厚度。同时，在目前的安防监控、机器视觉和智能交通系统的应用中，夜晚红外补光的光线波长集中在850nm至940nm，而常规背照式CMOS图像传感器像素单元对这一波段的光线不敏感。所以需要设计新的背照式像素单元结构和形成方法，以提高近红外波段的灵敏度，提升产品的夜视效果。
使用箝位式光电二极管(PPD)结构的图像传感器像素单元，由于读出噪声小、转换增益高和暗电流小而在高性能成像中得到了广泛的应用。对于在近红外和软X射线波段等需要高量子效率的应用上，有源传感器的硅层厚度通常要达到数十甚至数百微米，通过在硅衬底背面施加反向偏压，厚硅层被完全耗尽，从而消除了常规图像传感器里面的无电场的区域，所以在硅衬底中产生的光生电荷可以被及时收集。反向偏压的大小取决于半导体衬底的电阻率和厚度，可以远远超过系统中的任何其他电压，形成深耗尽的像元结构，这种结构已被用在混合型CMOS图像传感器或CCD中。
但是，上述这种结构的问题是容易形成漏电。对于有源像素传感器而言,如图1所示，在箝位式光电二极管7旁边的P阱3中，需要形成像素单元的控制晶体管。最终P阱引出接0V衬底电位2，而衬底负偏压1加在P++注入衬底4上，以增加箝位式光电二极管7下的耗尽深度。这种结构将导致P阱3的0V衬底电位2和P++注入衬底4的负偏压1之间形成较大电流，即从硅片正面的P阱3流向硅片背面的P++接触。为了消除这个寄生电流，常规结构在高阻P-衬底5中位于像素单元的P阱3下方增加了N型轻掺杂注入6，也叫做DDE(Deep DepletionExtesion)结构，来对P阱3和P++注入衬底4之间的漏电通路形成夹断。但这种DDE的缺陷是，它的电势受光电二极管电势的影响，注入能量和剂量的工艺窗口非常小，所以在像元工作过程中还是容易形成漏电通路，造成图像传感器性能劣化。
因此，需要设计一种彻底隔离P阱引出和P++注入衬底之间漏电通路的方法。
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，提供一种堆叠式深耗尽图像传感器像素单元结构及制作方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种堆叠式深耗尽图像传感器像素单元结构，包括：上下堆叠在一起的第一硅片和第二硅片；
所述第一硅片中设有P阱，所述第一硅片的正面上设有第一后道介质层，所述第一后道介质层中设有第一金属互连层，所述P阱通过第一接触孔与所述第一金属互连层连接；
所述第二硅片中设有箝位式光电二极管，所述第二硅片的正面上设有第二后道介质层，所述第二硅片背面上像素单元的部分区域设有P++注入衬底；
所述第一硅片和第二硅片之间通过所述第一后道介质层表面与所述第二后道介质层表面相键合而堆叠在一起；
同时，所述第一硅片和第二硅片之间还通过一导电硅穿孔结构相连接，所述硅穿孔的上端与所述第一金属互连层电连接，所述硅穿孔的下端依次穿过所述第一后道介质层、第二后道介质层及所述第二硅片，由所述P++注入衬底以外的所述第二硅片的背面表面进行电学引出，所述硅穿孔与所述第一后道介质层、第二后道介质层、第二硅片以及所述P++注入衬底之间实现电学隔离。
进一步地，所述硅穿孔的侧壁由绝缘层构成，所述硅穿孔中填充有导电材料。
进一步地，所述绝缘层材料为二氧化硅或氮氧化硅，所述导电材料为铜或钨。
进一步地，所述第一硅片采用P型硅衬底，所述第二硅片采用高阻P-硅衬底，所述P++注入衬底设于所述高阻P-硅衬底的背面表面上。
进一步地，所述P型硅衬底与高阻P-硅衬底之间通过相键合的所述第一后道介质层和第二后道介质层实现电学隔离。
一种堆叠式深耗尽图像传感器像素单元结构的制作方法，包括以下步骤：
提供一第一硅片，在所述第一硅片中形成P阱和浅槽隔离；在所述第一硅片的正面上淀积形成第一后道介质层，并在所述第一后道介质层中形成第一金属互连层，以及用于连接所述P阱和第一金属互连层的第一接触孔；
提供一第二硅片，在所述第二硅片中形成箝位式光电二极管和传输管；在所述第二硅片的正面上淀积形成第二后道介质层，并在所述第二后道介质层中形成第二金属互连层，以及用于连接所述传输管和第二金属互连层的第二接触孔；
将所述第一硅片倒置，实现所述第一硅片上第一后道介质层表面与所述第二硅片上第二后道介质层表面之间的键合，从而实现所述第一硅片与第二硅片之间的堆叠；
通过减薄工艺，将所述第二硅片的背面减薄到所需的厚度，然后通过离子注入和退火，在所述第二硅片的背面上形成P++注入衬底；
通过光刻和刻蚀，在所述P++注入衬底以外的所述第二硅片的背面区域上形成硅穿孔沟槽，使所述硅穿孔沟槽穿透所述第二硅片和第二后道介质层，并在刻蚀掉所述第一硅片上的部分第一后道介质层后，停止在所述第一金属互连层上；
在所述硅穿孔沟槽中进行绝缘层材料的填充，使所述绝缘层材料沉积在所述硅穿孔沟槽的侧壁及底面上；
通过光刻和刻蚀，移除沉积在所述硅穿孔沟槽底面上的所述绝缘层材料，仅保留位于所述硅穿孔沟槽侧壁上的绝缘层材料，形成绝缘层；
在所述硅穿孔沟槽中进行导电材料的填充，形成导电硅穿孔；其中，通过所述导电硅穿孔、第一金属互连层以及第一接触孔，实现对所述第一硅片中的所述P阱的电学引出。
进一步地，所述绝缘层材料为二氧化硅或氮氧化硅。
进一步地，所述导电材料为铜或钨。
进一步地，通过对所述第一硅片进行注入，使其成为P型硅衬底；通过对所述第二硅片进行注入，使其成为高阻P-硅衬底，并使所述P++注入衬底形成于所述高阻P-硅衬底的背面表面上。
进一步地，通过退火，实现所述第一硅片上第一后道介质层表面与所述第二硅片上第二后道介质层表面之间的键合。
从上述技术方案可以看出，本发明通过使用两片硅片(第一硅片和第二硅片)分别来制造P阱和像素单元的感光部分，然后通过后道介质层键合对两片硅片进行堆叠，最后通过硅穿孔将P阱电位引出，实现了P阱和P++衬底之间的完全电学隔离，从而有效解决了常规深耗尽像素单元使用DDE结构容易形成漏电的问题。
附图说明
图1是现有的一种深耗尽图像传感器像素单元结构示意图。
图2是本发明一较佳实施例的一种堆叠式深耗尽图像传感器像素单元结构示意图。
图3-图10是本发明一较佳实施例的一种堆叠式深耗尽图像传感器像素单元结构的制作方法工艺步骤示意图。
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，请参考图2，图2是本发明一较佳实施例的一种堆叠式深耗尽图像传感器像素单元结构示意图。如图2所示，本发明的一种堆叠式深耗尽图像传感器像素单元结构，包括上下堆叠在一起的第一硅片A和第二硅片B。
请参考图2。在第一硅片A中设有P阱22和浅槽隔离23。在第一硅片A的正面表面上设有第一后道介质层26；在第一后道介质层26中设有第一金属互连层25。第一金属互连层25可以采用单层结构。
P阱22可通过设置在第一后道介质层26中的第一接触孔24与第一金属互连层25进行电学连接。
第一硅片A可采用P型硅衬底21形式。
请参考图2。在第二硅片B中设有箝位式光电二极管38和传输管37，并同样设有浅槽隔离35。在第二硅片B的正面表面上设有第二后道介质层27；在第二后道介质层27中可设有第二金属互连层34。第二金属互连层34可以采用多层结构，并可通过设置在第二后道介质层27中的第二接触孔36与传输管37等进行电学连接。
在第二硅片B的背面、位于像素单元的部分区域上，还设有P++注入衬底33。
第二硅片B可采用高阻P-硅衬底32；P++注入衬底33设于高阻P-硅衬底32的背面表面上。
请继续参考图2。第一硅片A和第二硅片B之间、即P型硅衬底21和高阻P-硅衬底32之间，通过第一后道介质层26表面与第二后道介质层27表面相键合而堆叠在一起。
第一硅片A和第二硅片B之间还通过一导电硅穿孔30结构相连接。其中，硅穿孔30的上端与第一金属互连层25的下表面实现电连接，硅穿孔30的下端依次穿过第一后道介质层26、第二后道介质层27及第二硅片(高阻P-硅衬底32)B，由P++注入衬底33以外区域的第二硅片B的背面表面进行电学引出。
作为一可选的实施方式，硅穿孔30的侧壁由绝缘层28构成，并在硅穿孔30中填充有导电材料29。
这样，P型硅衬底21与高阻P-硅衬底32之间通过相键合的第一后道介质层26和第二后道介质层27实现了电学隔离；而硅穿孔30通过绝缘层28与第一后道介质层26、第二后道介质层27、第二硅片B以及P++注入衬底33之间实现了电学隔离。
硅穿孔30中的绝缘层材料可采用二氧化硅或氮氧化硅。导电材料29可采用铜、钨或其它导电材料。
本发明的上述堆叠式深耗尽图像传感器像素单元结构，与图1中常规像素单元使用DDE离子注入进行P阱和P++注入衬底之间的隔离方式完全不同。本发明中采用了两片硅片来分别来制造P阱和像素单元的感光部分。其中，使用第一硅片A用于制造P阱22，使用第二硅片B制造箝位式光电二极管38和P++注入衬底33等感光部分。两片硅片通过后道介质层26、27的键合形成堆叠结构，由于后道介质是绝缘材料，因此第一硅片A的P型硅衬底21和第二硅片B的高阻P-硅衬底32可以实现完全的物理隔离。并且，第一硅片A中的P阱22通过设置在第一硅片A中的第一接触孔24、第一金属互连层25和硅穿孔30引出，并连接到“0V”接地电位31；第二硅片B中的P++注入衬底33只覆盖第二硅片B中像素单元的部分，由于硅穿孔30的侧壁使用绝缘层28，因此硅穿孔30与高阻P-硅衬底32之间实现了电学隔离，即P++注入衬底33不与硅穿孔30形成电学连接，P++注入衬底33最终连接负偏压39，即实现了P++注入衬底33上的负偏压39和P阱22上的“0V”接地电位31之间彻底的电学隔离。由于P阱22和P++注入衬底33之间完全实现了绝缘介质隔离，因此完成阻断了漏电通路。
下面通过具体实施方式及附图，对本发明的一种堆叠式深耗尽图像传感器像素单元结构的制作方法进行详细说明。
请参考图3-图10，图3-图10是本发明一较佳实施例的一种堆叠式深耗尽图像传感器像素单元结构的制作方法工艺步骤示意图。本发明的一种堆叠式深耗尽图像传感器像素单元结构的制作方法，可用于制作上述例如图2显示的一种堆叠式深耗尽图像传感器像素单元结构，并可具体包括以下步骤：
首先如图3所示，提供一第一硅片A，通过对第一硅片A进行注入，形成P型硅衬底21。然后，在P型硅衬底21中形成P阱22和浅槽隔离23。接着，在P型硅衬底21的正面上淀积形成第一后道介质层26，并在第一后道介质层26中形成第一金属互连层25，以及用于连接P阱22和第一金属互连层25的第一接触孔24。
P型硅衬底21上不同位置的P阱22通过第一接触孔24和第一金属互连层25全部连接在一起。
如图4所示，提供一第二硅片B，通过对第二硅片B进行注入，形成高阻P-硅衬底32。然后，在第二硅片B中形成浅槽隔离35以及箝位式光电二极管38和传输管37等像素单元感光结构。接着，在第二硅片B的正面上淀积形成第二后道介质层27，并在第二后道介质层27中形成第二金属互连层34，以及用于连接传输管37和第二金属互连层34的第二接触孔36。
其次，如图5所示，将第一硅片A倒置，然后通过退火，实现第一硅片A上第一后道介质层26表面与第二硅片B上第二后道介质层27表面之间的键合，从而实现第一硅片A与第二硅片B之间的堆叠。
再次，如图6所示，通过减薄工艺，将第二硅片B的高阻P-硅衬底32背面减薄到所需的厚度；然后通过离子注入和退火，在高阻P-硅衬底32的背面上形成P++注入衬底33。
接着，如图7所示，通过光刻和刻蚀，在P++注入衬底33以外的第二硅片B(高阻P-衬底)的背面区域上形成硅穿孔沟槽30’，使硅穿孔沟槽30’穿透第二硅片B和第二后道介质层27，并在刻蚀掉第一硅片A上的部分第一后道介质层26后，停止在第一金属互连层25上。
再次，如图8所示，在硅穿孔沟槽30’中进行绝缘层材料28’的填充，使绝缘层材料28’沉积在硅穿孔沟槽30’的侧壁及底面上，而不是对硅穿孔沟槽30’进行整体填充。
接着，如图9所示，通过光刻和刻蚀，移除(去除)图示沉积在硅穿孔沟槽30’底面上位于第一金属互连层25下方的部分绝缘层材料28’，以保证后续第一金属互连层25和硅穿孔30形成电学连接，仅保留位于硅穿孔沟槽30’侧壁上的绝缘层材料28’，形成绝缘层28。
绝缘层材料可采用例如二氧化硅或氮氧化硅。
最后，如图10所示，在硅穿孔沟槽30’中进行导电材料29的填充，形成导电硅穿孔30。通过导电硅穿孔30、第一金属互连层25以及第一接触孔24，最终实现了对第一硅片A中的P阱22的电学引出。
导电材料29可采用例如铜或钨等半导体常用金属材料。
综上所述，本发明通过使用两片硅片(第一硅片和第二硅片)分别来制造P阱和像素单元的感光部分，然后通过后道介质层键合对两片硅片进行堆叠，最后通过硅穿孔将P阱电位引出，实现了P阱和P++注入衬底之间的完全电学隔离，有效防止了在P阱和P++注入衬底之间加不同电位时可能形成的漏电通道，从而有效解决了常规深耗尽像素单元使用DDE结构容易形成漏电的问题，提升了图像传感器的性能。
以上的仅为本发明的优选实施例，实施例并非用以限制本发明的保护范围，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 (10)
1.一种堆叠式深耗尽图像传感器像素单元结构，其特征在于，包括：上下堆叠在一起的第一硅片和第二硅片；
所述第一硅片中设有P阱，所述第一硅片的正面上设有第一后道介质层，所述第一后道介质层中设有第一金属互连层，所述P阱通过第一接触孔与所述第一金属互连层连接；
所述第二硅片中设有箝位式光电二极管，所述第二硅片的正面上设有第二后道介质层，所述第二硅片背面上像素单元的部分区域设有P++注入衬底；
所述第一硅片和第二硅片之间通过所述第一后道介质层表面与所述第二后道介质层表面相键合而堆叠在一起；
同时，所述第一硅片和第二硅片之间还通过一导电硅穿孔结构相连接，所述硅穿孔的上端与所述第一金属互连层电连接，所述硅穿孔的下端依次穿过所述第一后道介质层、第二后道介质层及所述第二硅片，由所述P++注入衬底以外的所述第二硅片的背面表面进行电学引出，所述硅穿孔与所述第一后道介质层、第二后道介质层、第二硅片以及所述P++注入衬底之间实现电学隔离。
2.根据权利要求1所述的堆叠式深耗尽图像传感器像素单元结构，其特征在于，所述硅穿孔的侧壁由绝缘层构成，所述硅穿孔中填充有导电材料。
3.根据权利要求2所述的堆叠式深耗尽图像传感器像素单元结构，其特征在于，所述绝缘层材料为二氧化硅或氮氧化硅，所述导电材料为铜或钨。
4.根据权利要求1所述的堆叠式深耗尽图像传感器像素单元结构，其特征在于，所述第一硅片采用P型硅衬底，所述第二硅片采用高阻P-硅衬底，所述P++注入衬底设于所述高阻P-硅衬底的背面表面上。
5.根据权利要求5所述的堆叠式深耗尽图像传感器像素单元结构，其特征在于，所述P型硅衬底与高阻P-硅衬底之间通过相键合的所述第一后道介质层和第二后道介质层实现电学隔离。
6.一种堆叠式深耗尽图像传感器像素单元结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一第一硅片，在所述第一硅片中形成P阱和浅槽隔离；在所述第一硅片的正面上淀积形成第一后道介质层，并在所述第一后道介质层中形成第一金属互连层，以及用于连接所述P阱和第一金属互连层的第一接触孔；
提供一第二硅片，在所述第二硅片中形成箝位式光电二极管和传输管；在所述第二硅片的正面上淀积形成第二后道介质层，并在所述第二后道介质层中形成第二金属互连层，以及用于连接所述传输管和第二金属互连层的第二接触孔；
将所述第一硅片倒置，实现所述第一硅片上第一后道介质层表面与所述第二硅片上第二后道介质层表面之间的键合，从而实现所述第一硅片与第二硅片之间的堆叠；
通过减薄工艺，将所述第二硅片的背面减薄到所需的厚度，然后通过离子注入和退火，在所述第二硅片的背面上形成P++注入衬底；
通过光刻和刻蚀，在所述P++注入衬底以外的所述第二硅片的背面区域上形成硅穿孔沟槽，使所述硅穿孔沟槽穿透所述第二硅片和第二后道介质层，并在刻蚀掉所述第一硅片上的部分第一后道介质层后，停止在所述第一金属互连层上；
在所述硅穿孔沟槽中进行绝缘层材料的填充，使所述绝缘层材料沉积在所述硅穿孔沟槽的侧壁及底面上；
通过光刻和刻蚀，移除沉积在所述硅穿孔沟槽底面上的所述绝缘层材料，仅保留位于所述硅穿孔沟槽侧壁上的绝缘层材料，形成绝缘层；
在所述硅穿孔沟槽中进行导电材料的填充，形成导电硅穿孔；其中，通过所述导电硅穿孔、第一金属互连层以及第一接触孔，实现对所述第一硅片中的所述P阱的电学引出。
7.根据权利要求6所述的堆叠式深耗尽图像传感器像素单元结构的制作方法，其特征在于，所述绝缘层材料为二氧化硅或氮氧化硅。
8.根据权利要求6所述的堆叠式深耗尽图像传感器像素单元结构的制作方法，其特征在于，所述导电材料为铜或钨。
9.根据权利要求6所述的堆叠式深耗尽图像传感器像素单元结构的制作方法，其特征在于，通过对所述第一硅片进行注入，使其成为P型硅衬底；通过对所述第二硅片进行注入，使其成为高阻P-硅衬底，并使所述P++注入衬底形成于所述高阻P-硅衬底的背面表面上。
10.根据权利要求6所述的堆叠式深耗尽图像传感器像素单元结构的制作方法，其特征在于，通过退火，实现所述第一硅片上第一后道介质层表面与所述第二硅片上第二后道介质层表面之间的键合。
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