CN110444551B - 沟槽隔离结构及其形成方法、图像传感器 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种沟槽隔离结构及其形成方法、图像传感器，所述沟槽隔离结构包括：半导体衬底，包括若干像素单元区域；第一沟槽，形成在所述像素单元区域中，相邻第一沟槽之间的距离与入射光在所述相邻第一沟槽之间的半导体区域的反射率相关，所述入射光在不同关键尺寸的半导体区域的反射率不同。采用该沟槽隔离结构能够使不同波长的入射光在半导体区域中的反射率达到较高或最高，从而大幅度提高图像传感器的灵敏度和量子效率。

Description

沟槽隔离结构及其形成方法、图像传感器

技术领域

本申请涉及半导体制造领域，具体来说，涉及一种沟槽隔离结构及其形成方法、以及包括该沟槽隔离结构的图像传感器。

背景技术

在图像传感器的半导体制造工艺中，经常会在半导体衬底中形成沟槽结构，一方面入射光在这些沟槽结构之间的半导体区域发生反射，以增加对光的吸收，从而提高量子效率(QE)，另一方面，各像素区域中横向扩散的光生电子在扩散的过程中可以受到沟槽结构的阻挡，对入射光从衬底背面激发形成的不同波长的光生电子均能起到有效的隔离作用，从而改善电学串扰。入射光的反射率决定着灵敏度和量子效率，而进入每一像素区中的入射光的波长是不同的，如何提高不同波长的光在半导体衬底的像素区域中的反射率以提高图像传感器的灵敏度和量子效率是亟待解决的问题。

发明内容

本申请技术方案要解决的技术问题是提供一种能够使入射光的反射率得以提升的沟槽隔离结构。

为解决上述技术问题，本申请一方面提供一种沟槽隔离结构，包括：

半导体衬底，包括若干像素单元区域；

第一沟槽，形成在所述像素单元区域中，相邻第一沟槽之间的距离与入射光在所述相邻第一沟槽之间的半导体区域的反射率相关，所述入射光在不同关键尺寸的半导体区域的反射率不同。

在本申请的一些实施例中，不同波长的入射光进入不同的像素单元区域；不同像素单元区域的相邻第一沟槽之间的距离不同。

在本申请的一些实施例中，所述像素单元区域包括绿色像素单元区域和红色像素单元区域，所述绿色像素单元区域中相邻第一沟槽之间的距离与绿色光在绿色像素单元区域中的半导体区域的反射率相关，所述红色像素单元区域中相邻第一沟槽之间的距离与红色光在红色像素单元区域中的半导体区域的反射率相关。

在本申请的一些实施例中，所述绿色像素单元区域中相邻第一沟槽之间的距离为100nm～120nm。

在本申请的一些实施例中，所述红色像素单元区域中相邻第一沟槽之间的距离为130nm～150nm。

在本申请的一些实施例中，所述像素单元区域还包括蓝色像素单元区域，所述蓝色像素单元区域中相邻第一沟槽之间的距离与蓝色光在蓝色像素单元区域中的半导体区域的反射率相关。

在本申请的一些实施例中，所述蓝色像素单元区域中相邻第一沟槽之间的距离为120nm～130nm。

在本申请的一些实施例中，所述像素单元区域还包括红外光像素单元区域，所述红外光像素单元区域中相邻第一沟槽之间的距离与红外光在红外光像素单元区域中的半导体区域的反射率相关。

在本申请的一些实施例中，所述红外光像素单元区域中相邻第一沟槽之间的距离为100nm～120nm。

在本申请的一些实施例中，所述沟槽隔离结构还包括第二沟槽，形成于相邻像素单元区域之间，所述第二沟槽的深度大于所述第一沟槽的深度；所述第二沟槽与相邻的第一沟槽之间的距离与入射光在所述第二沟槽与相邻的第一沟槽之间的半导体区域的反射率相关。

本申请的另一方面提供所述的沟槽隔离结构的形成方法，包括：

提供半导体衬底，所述半导体衬底包括若干像素单元区域；

根据入射光在不同关键尺寸的半导体区域的反射率不同确定相邻第一沟槽之间的距离；

根据所确定的相邻第一沟槽之间的距离在所述像素单元区域中形成第一沟槽。

本申请的另一方面还提供一种图像传感器，包括：

上述的沟槽隔离结构；

第二沟槽，形成于相邻像素单元区域之间，所述第二沟槽的深度大于所述第一沟槽的深度；所述第二沟槽与相邻的第一沟槽之间的距离与入射光在所述第二沟槽与相邻的第一沟槽之间的半导体区域的反射率相关。

在本申请的一些实施例中，所述图像传感器还包括：

填充层，覆盖所述半导体衬底并填充所述第一沟槽和第二沟槽；

滤色层，形成于所述填充层上，且与所述像素单元区域对应。

采用本申请实施例所述的沟槽隔离结构及其形成方法、图像传感器，根据不同波长的入射光在不同关键尺寸的半导体区域的反射率不同来确定相邻第一沟槽之间的关键尺寸，使不同波长的入射光在半导体区域中的反射率达到较高或最高，半导体区域可以充分吸收不同波长的入射光，从而大幅度提高图像传感器的灵敏度和量子效率。

本申请中另外的特征将部分地在下面的描述中阐述。通过该阐述，使以下附图和实施例叙述的内容对本领域普通技术人员来说变得显而易见。本申请中的发明点可以通过实践或使用下面讨论的详细示例中阐述的方法、手段及其组合来得到充分阐释。

附图说明

以下附图详细描述了本申请中披露的示例性实施例。其中相同的附图标记在附图的若干视图中表示类似的结构。本领域的一般技术人员将理解这些实施例是非限制性的、示例性的实施例，附图仅用于说明和描述的目的，并不旨在限制本公开的范围，其他方式的实施例也可能同样的完成本申请中的发明意图。应当理解，附图未按比例绘制。其中：

图1为一种图像传感器剖面结构示意图。

图2为本发明实施例的沟槽隔离结构的剖面结构示意图。

图3为本发明另一实施例的沟槽隔离结构的剖面结构示意图。

图4为本发明另一实施例的沟槽隔离结构的剖面结构示意图。

图5为本发明实施例的沟槽隔离结构的形成方法的流程图。

图6本发明实施例的图像传感器的剖面示意图。

具体实施方式

以下描述提供了本申请的特定应用场景和要求，目的是使本领域技术人员能够制造和使用本申请中的内容。对于本领域技术人员来说，对所公开的实施例的各种局部修改是显而易见的，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以将这里定义的一般原理应用于其他实施例和应用。因此，本公开不限于所示的实施例，而是与权利要求一致的最宽范围。

如图1所示，一种图像传感器包括：衬底10，所述衬底10上形成有若干像素的单元区域20；所述衬底背面形成有多个第一沟槽30和至少一个第二沟槽40，所述第二沟槽40的深度大于所述第一沟槽30的深度；填充层50，所述填充层50覆盖所述衬底背面并填充所述第一沟槽30和第二沟槽40；滤色层60，所述滤色层60位于所述填充层50上方，目前常规的滤光层包括多个滤色单元，每个滤色单元只允许特定颜色的入射光通过，通过滤色层60的入射光被过滤成相应波长的光；透镜层70，所述透镜层70位于所述滤色层60上方。

研究发现，采用上述的图像传感器，能在一定程度上提高量子效率并防止电学串扰。这是因为，入射光在第一沟槽30之间的半导体区域发生反射，增加了对光的吸收，从而提高量子效率；而在衬底背面形成第二沟槽40，第二沟槽40位于相邻的像素单元区域之间，每个像素单元区域中的横向扩散的光生电子在扩散的过程中受到了第二沟槽40隔离的阻挡，对入射光从衬底背面激发形成的不同波长的光生电子均能起到有效的隔离作用，从而改善电学串扰。

但是，上述的图像传感器并非全都具有较高的量子效率。因此，需要将上述结构的优势最大限度发挥出来，以使量子效率达到最大化。

本申请发明人发现，不同波长的入射光在不同关键尺寸(CD，CriticalDimension)半导体区域的反射率不同，相同波长的入射光在不同CD半导体区域的反射率也不相同。目前的半导体器件均没有对相邻第一沟槽之间的半导体区域的CD进行个体化设计，均采用统一CD进行生产。因此，制作的半导体器件的灵敏度和量子效率提高并不明显。

本发明技术方案提供了一种沟槽隔离结构及其形成方法，根据不同波长的入射光在不同关键尺寸的半导体区域的反射率不同来确定相邻第一沟槽之间的CD，使不同波长的入射光在半导体区域中的反射率达到较高或最高，从而大幅度提高图像传感器的灵敏度和量子效率。

下面结合实施例和附图对本申请技术方案进行详细说明。

图2为本发明实施例的沟槽隔离结构的剖面结构示意图，所述沟槽隔离结构包括：半导体衬底11，所述半导体衬底11采用硅材质，也可以为锗、锗硅、砷化镓衬底或者绝缘体上硅衬底，本领域技术人员可以根据需要选择衬底类型。

在半导体衬底11上形成有若干像素单元区域21，每个单元像素区域21例如包括光电二极管和用作驱动电路的MOS晶体管(图中未示出)。应当理解，像素单元区域21只是图像传感器所包括的像素单元阵列中的一个像素单元区域，图像传感器显而还包括其他的像素单元区域。附图中示出了与像素单元区域21相邻的像素单元区域22、23作为其他像素单元的例子。

继续参照图2，像素单元区域21、22、23中分别形成有若干第一沟槽，相邻第一沟槽之间的距离，与入射光在所述相邻第一沟槽之间的半导体区域的反射率相关，所述入射光在不同CD的半导体区域的反射率不同。

例如，所述像素单元区域21为绿色像素单元区域，所述绿色像素单元区域21内形成有若干第一沟槽31，所述像素单元区域22为红色像素单元区域，所述红色像素单元区域22内形成有若干第一沟槽32，所述像素单元区域23为蓝色像素单元区域，所述蓝色像素单元区域内形成有若干第一沟槽33。

入射光在进入各像素单元区域之前会被不同滤色单元过滤成不同波长的入射光，不同波长的入射光进入各像素单元区域内。例如入射光透过绿色滤色单元被过滤成绿光进入绿色像素单元区21；入射光透过红色滤色单元被过滤成红光进入红色像素单元区22；入射光透过蓝色滤色单元被过滤成蓝光进入蓝色像素单元区23。

进一步地，不同像素单元区域的相邻第一沟槽之间的距离不同。例如，绿色像素单元区域21内相邻第一沟槽31之间的距离、红色像素单元区域22内的相邻第一沟槽32之间的距离、蓝色像素单元区域23内的相邻第一沟槽33之间的距离均不相同。所述绿色像素单元区域21中相邻第一沟槽31之间的距离与绿色光在绿色像素单元区域21中的半导体区域的反射率相关，所述红色像素单元区域22中相邻第一沟槽32之间的距离与红色光在红色像素单元区域22中的半导体区域的反射率相关。所述蓝色像素单元区域23中相邻第一沟槽33之间的距离与蓝色光在蓝色像素单元区域23中的半导体区域的反射率相关。

以第一沟槽中填充的材料为二氧化硅，半导体区域的材料为硅，各像素单元区域内的第一沟槽的CD均为100nm为例，若各像素单元区域中的半导体区域的CD不同，入射光在该半导体区域的反射率呈现不同结果，具体如表1所示。

表1 各像素单元区域入射光的反射率

注：表1中，CD代表半导体区域的关键尺寸，蓝代表蓝色像素单元区域，绿代表绿色像素单元区域，红色像素单元区域，IR代表红外波长光区域，本发明实施例的红外波长光特指波长在760nm～1000μm之间的红外波长光。

由表1可以看出，当各像素单元区域中半导体区域的CD即相邻第一沟槽之间的距离在一定范围内时，入射光在该像素区域中的反射率相对较高。其中，当相邻第一沟槽的距离在100nm～120nm时，入射光在绿色像素单元区域21中的反射率相对较高；当相邻第一沟槽的距离在130nm～150nm时，入射光在红色像素单元区域22中的反射率相对较高；当相邻第一沟槽的距离在120nm～130nm时，入射光在蓝色像素单元区域23中的反射率相对较高。因此，在不同像素单元区域中，不同入射光的反射率最高时，第一沟槽32之间CD2最大，第一沟槽33之间CD3次之，第一沟槽31之间CD1最小。

相比绿色像素单元区域21和红色像素单元区域22，蓝色像素单元区域23的反射率提高的不明显。因此，在其他实施例中，在蓝色像素单元区域23中也可不用设置第一沟槽结构，如图3所示。

如图2和图3所示，常规的滤光单元组合大都是R-G-B形式，其中R代表红色滤光单元，G代表绿色滤光单元，B代表蓝色滤光单元。当然也存在其他的滤光单元组合方式，例如IR-R-G-B组合形式，与R-G-B组合不同的是，IR-R-G-B多了一种滤光单元IR，IR代表红外光滤光单元，用于吸收波长在760nm～1000μm的红外光，吸收的红外光进入红外光像素单元区域34，如图4所示。在其它实施例中，还可以用红外光滤光单元IR替换其中一种颜色光滤光单元(R、G或B)，相应地，红外光像素单元区域替换一种颜色像素单元区域。

继续参照表1所示，对进入红外光像素单元区域24、波长在760nm～1000μm的红外光进行研究，当红外光像素单元区域24中相邻第一沟槽34之间的距离在100nm～120nm时，红外光在该半导体区域内的反射率相对较高，例如，在半导体区域的CD为100nm时，反射率″～0.949″表示红外光在半导体区域的反射率最大可达0.949。

本申请实施例中，沟槽隔离结构还可包括第二沟槽，形成于相邻像素单元区域之间，所述第二沟槽的深度大于所述第一沟槽的深度；所述第二沟槽与相邻的第一沟槽之间的距离与入射光在所述第二沟槽与相邻的第一沟槽之间的半导体区域的反射率相关。

具体地，以图2所示的沟槽隔离结构为例进行说明，沟槽隔离结构还可包括第二沟槽41、42，第二沟槽41位于蓝色像素单元区域23与绿色像素单元区域21之间，第二沟槽42位于绿色像素单元区域21与红色像素单元区域22之间。第二沟槽41的深度大于第一沟槽31的深度，第二沟槽42的深度大于第一沟槽32的深度。

与相邻第一沟槽之间的距离相类似，所述第二沟槽与相邻的第一沟槽之间的距离与入射光在所述第二沟槽与相邻的第一沟槽之间的半导体区域的反射率相关，在此不展开描述。

现在以图2所示的沟槽隔离结构为例，说明沟槽隔离结构的形成方法。结合图2与图5所示，所述沟槽隔离结构的形成方法主要包括以下步骤：

S1：提供半导体衬底11，所述半导体衬底11包括若干像素单元区域。请参照图2，半导体衬底11包括绿色像素单元区域21、红色像素单元区域22和蓝色像素单元区域23。

S2：根据入射光在不同关键尺寸的半导体区域的反射率不同确定相邻第一沟槽之间的距离。

具体地，请参照表1的数据，以绿色像素单元区域21、红色像素单元区域22和蓝色像素单元区域23内的第一沟槽的CD均为100nm为例，当绿色像素单元区域21中相邻第一沟槽31之间的距离在100nm时，入射光在相邻第一沟槽31之间的半导体区域的反射率最高，为0.853；当红色像素单元区域22中相邻第一沟槽32之间的距离在150nm时，入射光在相邻第一沟槽32之间的半导体区域的反射率最高，为0.927；当蓝色像素单元区域23中相邻第一沟槽33之间的距离在120nm时，入射光在相邻第一沟槽33之间的半导体区域的反射率最高，为0.661。因此，确定相邻第一沟槽31之间的距离为100nm，相邻第一沟槽32之间的距离为150nm，相邻第一沟槽33之间的距离为120nm。

S3：根据所确定的相邻第一沟槽之间的距离在所述像素单元区域中形成第一沟槽。其中第一沟槽的深度为常规深度，在此不作要求。

当然，在形成第一沟槽之前还可包括确定第二沟槽与第一沟槽之间的距离，该确定方法与确定第一沟槽之间的距离方法相似，在此不赘述。第二沟槽可与第一沟槽同时刻蚀形成，或者分步刻蚀形成。

若第一沟槽与第二沟槽采用常规CD，那么采用上述技术方案便可以确定出相邻第一沟槽之间的距离、第一沟槽与第二沟槽之间的距离，则各像素单元区的第一沟槽分布密度或数量也随之确定。依照此方法形成的沟槽隔离结构，能够使对应波长的入射光的反射率达到最大。

请参照图6，本发明实施例提供了一种图像传感器，包括：如图2所示的沟槽隔离结构；填充层51，如图中阴影部分所示，覆盖所述半导体衬底并填充所述第一沟槽和第二沟槽，填充层51的材料可以为二氧化硅；滤色层，形成于所述填充层上，且与所述像素单元区域对应。具体地，滤色层包括多个滤色单元(例如是滤光片)，每个滤色单元只允许特定颜色的入射光通过，其中，绿色滤色单元61只允许绿色入射光通过，红色滤色单元62只允许红色入射光通过，蓝色滤色单元63只允许蓝色入射光通过。

还可包括透镜层71，所述透镜层71位于所述滤色层上方，所述透镜层71包括多个微透镜，所述微透镜起聚光作用。

所述滤色单元、所述微透镜与各像素单元在垂直于所述半导体衬底11的方向上一一对应，以保证能够准确捕捉入射光。

在其他实施例中，也可将图6中的沟槽隔离结构换作如图3或图4所示的沟槽隔离结构，在此不赘述。

采用本申请实施例所述的沟槽隔离结构及其形成方法，根据不同波长的入射光在不同关键尺寸的半导体区域的反射率不同来确定不同像素单元区域中相邻第一沟槽之间的关键尺寸，使不同波长的入射光在各自像素单元区域的半导体区域中的反射率达到最高，各像素单元区域能够最大程度地吸收入射光，从而大幅度提高图像传感器的灵敏度和量子效率。

综上所述，在阅读本详细公开内容之后，本领域技术人员可以明白，前述详细公开内容可以仅以示例的方式呈现，并且可以不是限制性的。尽管这里没有明确说明，本领域技术人员可以理解本申请意图囊括对实施例的各种合理改变，改进和修改。这些改变，改进和修改旨在由本公开提出，并且在本公开的示例性实施例的精神和范围内。

应当理解，本实施例使用的术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任意或全部组合。应当理解，当一个元件被称作“连接”或“耦接”至另一个元件时，其可以直接地连接或耦接至另一个元件，或者也可以存在中间元件。

类似地，应当理解，当诸如层、区域或衬底之类的元件被称作在另一个元件“上”时，其可以直接在另一个元件上，或者也可以存在中间元件。与之相反，术语“直接地”表示没有中间元件。还应当理解，术语“包含”、“包含着”、“包括”和/或“包括着”，在此使用时，指明存在所记载的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但并不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

还应当理解，尽管术语第一、第二、第三等可以在此用于描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语所限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。因此，在没有脱离本申请的教导的情况下，在一些实施例中的第一元件在其他实施例中可以被称为第二元件。相同的参考标号或相同的参考标志符在整个说明书中表示相同的元件。

此外，通过参考作为理想化的示例性图示的截面图示和/或平面图示来描述示例性实施例。因此，由于例如制造技术和/或容差导致的与图示的形状的不同是可预见的。因此，不应当将示例性实施例解释为限于在此所示出的区域的形状，而是应当包括由例如制造所导致的形状中的偏差。例如，被示出为矩形的蚀刻区域通常会具有圆形的或弯曲的特征。因此，在图中示出的区域实质上是示意性的，其形状不是为了示出器件的区域的实际形状也不是为了限制示例性实施例的范围。

Claims (12)

1.一种沟槽隔离结构，其特征在于，包括：

半导体衬底，包括若干像素单元区域；

第一沟槽，形成在所述像素单元区域中，相邻第一沟槽之间的距离与进入所述像素单元区域的入射光在所述相邻第一沟槽之间的半导体区域的反射率相关，所述入射光在具有不同的相邻第一沟槽之间的距离的半导体区域的反射率不同；

其中，所述像素单元区域包括绿色像素单元区域和红色像素单元区域，所述绿色像素单元区域中相邻第一沟槽之间的距离与绿色光在绿色像素单元区域中的半导体区域的反射率相关，所述红色像素单元区域中相邻第一沟槽之间的距离与红色光在红色像素单元区域中的半导体区域的反射率相关。

2.如权利要求1所述的沟槽隔离结构，其特征在于，不同波长的入射光进入不同的像素单元区域；不同像素单元区域的相邻第一沟槽之间的距离不同。

3.如权利要求1所述的沟槽隔离结构，其特征在于，所述绿色像素单元区域中相邻第一沟槽之间的距离为100nm～120nm。

4.如权利要求1所述的沟槽隔离结构，其特征在于，所述红色像素单元区域中相邻第一沟槽之间的距离为130nm～150nm。

5.如权利要求1所述的沟槽隔离结构，其特征在于，所述像素单元区域还包括蓝色像素单元区域，所述蓝色像素单元区域中相邻第一沟槽之间的距离与蓝色光在蓝色像素单元区域中的半导体区域的反射率相关。

6.如权利要求5所述的沟槽隔离结构，其特征在于，所述蓝色像素单元区域中相邻第一沟槽之间的距离为120nm～130nm。

7.如权利要求1所述的沟槽隔离结构，其特征在于，所述像素单元区域还包括红外像素单元区域，所述红外像素单元区域中相邻第一沟槽之间的距离与红外光在红外像素单元区域中的半导体区域的反射率相关。

8.如权利要求7所述的沟槽隔离结构，其特征在于，所述红外像素单元区域中相邻第一沟槽之间的距离为100nm～120nm。

9.如权利要求1所述的沟槽隔离结构，其特征在于，还包括第二沟槽，形成于相邻像素单元区域之间，所述第二沟槽的深度大于所述第一沟槽的深度；所述第二沟槽与相邻的第一沟槽之间的距离与进入所述像素单元区域的入射光在所述第二沟槽与相邻的第一沟槽之间的半导体区域的反射率相关。

10.一种权利要求1至9任一项所述的沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，包括：

提供半导体衬底，所述半导体衬底包括若干像素单元区域；

根据进入所述像素单元区域的入射光在具有不同的相邻第一沟槽之间的距离的半导体区域的反射率不同确定相邻第一沟槽之间的距离；

根据所确定的相邻第一沟槽之间的距离在所述像素单元区域中形成第一沟槽。

11.一种图像传感器，其特征在于，包括：

如权利要求1～9任一项所述的沟槽隔离结构；

第二沟槽，形成于相邻像素单元区域之间，所述第二沟槽的深度大于所述第一沟槽的深度；所述第二沟槽与相邻的第一沟槽之间的距离与进入所述像素单元区域的入射光在所述第二沟槽与相邻的第一沟槽之间的半导体区域的反射率相关。

12.如权利要求11所述的图像传感器，其特征在于，还包括：

填充层，覆盖所述半导体衬底并填充所述第一沟槽和第二沟槽；

滤色层，形成于所述填充层上，且与所述像素单元区域对应。

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