CN111785748A - 降低背照式图像传感器暗电流的方法及结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种降低背照式图像传感器暗电流的方法及结构，方法包括如下步骤：1)提供SOI衬底，所述SOI衬底包括硅衬底、埋氧层和顶层硅；2)在所述顶层硅中形成通过掺杂构成的钉扎层；3)在所述顶层硅上方形成外延层，并在所述外延层中形成光电二极管；4)以所述埋氧层作为减薄停止层，对所述硅衬底进行背面减薄。本发明在SOI衬底的顶层硅上形成钉扎层，并在背面减薄工艺中以埋氧层作为减薄停止层。通过引入钉扎层作为光电二极管的电荷捕获层，降低了电荷流入光电二级管形成暗电流的几率，钉扎层能在减薄工艺中得到埋氧层的保护。此外，通过配合背面生长高K介质层，更进一步降低了界面暗电流。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造领域，特别是涉及一种降低背照式图像传感器暗电流的方法及结构。
背景技术
在背照式图像传感器的制造工艺中，需要通过背面减薄工艺对硅衬底进行减薄。减薄后裸露的硅衬底表面所产生的缺陷、悬挂键和损伤等将导致硅表面出现暗电流。背照式图像传感器的表面暗电流将导致背照式图像传感器的噪点较前照式图像传感器会急剧增大，成像质量将会大幅下降，甚至难以有效成像。
目前，为了降低背照式图像传感器的表面暗电流，已有针对硅表面设置导电结构并加负偏压等工艺，以形成硅表面空穴富集，改善表面暗电流。
然而，现有改善工艺仍存在改善效果不佳，或工艺集成复杂、成本高等缺点，无法满足先进背照式图像传感器制程的工艺需求。
因此，有必要提出一种新的降低背照式图像传感器暗电流的方法及结构，解决上述问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种降低背照式图像传感器暗电流的方法及结构，用于解决现有技术中背照式图像传感器表面暗电流影响器件性能的问题。
为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供了一种降低背照式图像传感器暗电流的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)提供SOI衬底，所述SOI衬底包括硅衬底、埋氧层和顶层硅；
2)在所述顶层硅中形成通过掺杂构成的钉扎层；
3)在所述顶层硅上方形成外延层，并在所述外延层中形成光电二极管；
4)以所述埋氧层作为减薄停止层，对所述硅衬底进行背面减薄。
作为本发明的一种可选方案，所述钉扎层的掺杂类型与所述光电二极管的掺杂类型相反。
作为本发明的一种可选方案，形成所述钉扎层的方法包括对所述顶层硅进行离子注入。
作为本发明的一种可选方案，所述离子注入的掺杂剂量为5×1012至5×1014cm-2。
作为本发明的一种可选方案，所述外延层的掺杂浓度为1×1014至5×1015cm-3，所述外延层的厚度为2.5至10μm。
作为本发明的一种可选方案，所述埋氧层的厚度大于1μm。
作为本发明的一种可选方案，在步骤3)中形成所述光电二极管后，还包括在所述外延层上方形成金属布线层的步骤。
作为本发明的一种可选方案，在所述外延层和所述金属布线层之间还形成有顶层钉扎层。
作为本发明的一种可选方案，在步骤4)中对所述硅衬底进行背面减薄前，还包括将所述SOI衬底远离所述硅衬底的一面键合于载片上的步骤。
作为本发明的一种可选方案，在步骤4)中以所述埋氧层作为减薄停止层，对所述硅衬底进行背面减薄后，还包括去除对所述硅衬底减薄后剩余的所述埋氧层，并在暴露出的所述钉扎层上依次形成高K介质层、颜色滤镜层和微透镜结构的步骤。
作为本发明的一种可选方案，所述光电二极管为多个，在去除对所述硅衬底减薄后剩余的所述埋氧层后，还包括在所述外延层中形成分隔多个所述光电二极管的背面深沟槽隔离结构的步骤。
本发明还提供了一种降低背照式图像传感器暗电流的结构，其特征在于，包括：
外延层；
光电二极管，其形成于所述外延层中；
顶层硅，其位于所述外延层上方；
钉扎层，其位于所述顶层硅中，通过对所述顶层硅进行掺杂后形成。
作为本发明的一种可选方案，所述钉扎层的掺杂类型与所述光电二极管的掺杂类型相反。
作为本发明的一种可选方案，所述外延层的掺杂浓度为1×1014至5×1015cm-3，所述外延层的厚度为2.5至10μm。
作为本发明的一种可选方案，所述钉扎层上还依次形成有高K介质层、颜色滤镜层和微透镜结构。
作为本发明的一种可选方案，所述外延层的下方还形成有金属布线层。
作为本发明的一种可选方案，在所述外延层和所述金属布线层之间还形成有顶层钉扎层。
作为本发明的一种可选方案，所述光电二极管为多个，所述外延层中形成有分隔多个所述光电二极管的背面深沟槽隔离结构。
作为本发明的一种可选方案，所述顶层硅为SOI衬底的一部分，所述SOI衬底还包括硅衬底和埋氧层；所述埋氧层位于所述顶层硅上方，所述硅衬底位于所述埋氧层上方；对所述硅衬底进行背面减薄时，以所述埋氧层作为减薄停止层。
如上所述，本发明提供一种降低背照式图像传感器暗电流的方法及结构，具有以下有益效果：
本发明在SOI衬底的顶层硅上形成钉扎层，并在背面减薄工艺中以埋氧层作为减薄停止层。通过引入钉扎层作为光电二极管的电荷捕获层，降低了电荷流入光电二级管形成暗电流的几率，钉扎层能在减薄工艺中得到埋氧层的保护。此外，通过配合背面生长高K介质层，更进一步降低了界面暗电流。
附图说明
图1显示为本发明实施例一中提供的一种降低背照式图像传感器暗电流的方法的流程图。
图2显示为本发明实施例一中提供的SOI衬底的截面示意图。
图3显示为本发明实施例一中提供的形成钉扎层后的截面示意图。
图4显示为本发明实施例一中提供的形成外延层后的截面示意图。
图5显示为本发明实施例一中提供的形成光电二极管后的截面示意图。
图6显示为本发明实施例一中提供的形成金属布线层后的截面示意图。
图7显示为本发明实施例一中提供的键合于载片后的截面示意图。
图8显示为本发明实施例一中提供的研磨减薄并去除埋氧层后的截面示意图。
图9显示为本发明实施例一中提供的形成背面深沟槽隔离结构后的截面示意图。
图10显示为本发明实施例一中提供的形成颜色滤镜层和微透镜结构后的截面示意图。
图11显示为本发明实施例二中提供的形成有顶层钉扎层的背照式图像传感器的截面示意图。
图12显示为本发明实施例三中提供的不形成高K介质层的背照式图像传感器的截面示意图。
元件标号说明
101 SOI衬底
101a 硅衬底
101b 埋氧层
101c 顶层硅
102 钉扎层
103 外延层
104 光电二极管
105 金属布线层
105a 金属互连结构
105b 金属间介质层
106 载片
107 高K介质层
108 颜色滤镜层
109 微透镜结构
110 背面深沟槽隔离结构
202 钉扎层
203 外延层
204 光电二极管
205 金属布线层
206 载片
207 高K介质层
208 颜色滤镜层
209 微透镜结构
210 背面深沟槽隔离结构
211 顶层钉扎层
302 钉扎层
303 外延层
304 光电二极管
305 金属布线层
306 载片
307 高K介质材料
308 颜色滤镜层
309 微透镜结构
310 背面深沟槽隔离结构
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图12。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
实施例一
请参阅图1至图10，本实施例提供了一种降低背照式图像传感器暗电流的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)提供SOI衬底101，所述SOI衬底101自下而上依次包括硅衬底101a、埋氧层101b和顶层硅101c；
2)在所述顶层硅101c中形成通过掺杂构成的钉扎层102；
3)在所述顶层硅101c上方形成外延层103，并在所述外延层103中形成光电二极管104；
4)以所述埋氧层101b作为减薄停止层，对所述硅衬底101a进行背面减薄。
在步骤1)中，请参阅图1的S1步骤和图2，提供SOI衬底101，所述SOI衬底101自下而上依次包括硅衬底101a、埋氧层101b和顶层硅101c。
作为示例，所述SOI衬底101即绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator)，其可以通过智能剥离工艺或注氧隔离工艺制备得到。可选地，所述埋氧层101b的厚度大于1μm，以确保背面研磨减薄时，其作为减薄停止层具有足够的厚度，能够对其所覆盖的钉扎层进行保护。
在步骤2)中，请参阅图1的S2步骤和图3，在所述顶层硅101c中形成通过掺杂构成的钉扎层102。
作为示例，形成所述钉扎层102的方法包括对所述顶层硅101c进行离子注入。所述离子注入的掺杂剂量为5×1012至5×1014cm-2。在本实施例中，所述离子注入范围覆盖整个所述顶层硅101c的厚度，使其在离子注入后完全转为所述钉扎层102，而在本发明的其他实施案例中，当所述顶层硅的厚度较厚时，根据器件设计和工艺需求，可以仅在所述顶层硅的部分深度上转为所述钉扎层。
作为示例，所述钉扎层102的掺杂类型与后续形成的光电二极管的掺杂类型相反。例如，当光电二极管的掺杂类型为N型时，通过离子注入形成具有P型掺杂的所述钉扎层102。其作为光电二极管表面的钉扎层，钉扎(pinned)结构使硅表面形成一层空穴富集区，作为光电二极管表面电荷捕获(trap)层，实现对界面处产生的电子进行快速复合，从而阻止界面处形成的电子进入光电二极管形成暗电流信号。这将能够有效降低硅表面暗电流，解决噪点问题，进而改善背照式图像传感器的成像质量。
在步骤3)中，请参阅图1的S3步骤和图4至图6，在所述顶层硅101c上方形成外延层103，并在所述外延层103中形成光电二极管104。
如图4所示，在所述顶层硅101c上方形成外延层103。所述外延层103可以是用于制备光电二极管的高阻硅外延层。可选地，所述外延层103的掺杂浓度为1×1014至5×1015cm-3，所述外延层103的厚度为2.5至10μm。
如图5所示，在图4中外延生长得到的所述外延层103中形成光电二极管104(PD,Photo-Diode)。所述光电二极管104的结构和制备工艺可以参考现有技术，图5中仅示意性标示出其在所述外延层103中的位置。可选地，所述光电二极管104的侧边还形成有图中未示出的光电二极管隔离结构(PDI,Photo-Diode Isolation)，以隔离单个光电二极管与其周边的外延层。
作为示例，如图6所示，在形成所述光电二极管104后，还包括在所述外延层103上方形成金属布线层105的步骤。所述金属布线层105包括提供电性连接的金属互连结构105a和用于绝缘的金属间介质层105b。所述金属布线层105用于电性连接光电二极管等传感器器件，并引出电信号。
在步骤4)中，请参阅图1的S4步骤和图7至图10，以所述埋氧层101b作为减薄停止层，对所述硅衬底101a进行背面减薄。
如图7所示，将图6中得到的器件结构倒置；在对所述硅衬底101a进行背面减薄前，还包括将所述SOI衬底101远离所述硅衬底101a的一面键合于载片106上的步骤。所述载片106作为支撑衬底，可以在减薄等后续工艺中对减薄晶圆提供支撑，防止因应力引发的碎片。具体地，在本实施中，是将所述金属布线层105在倒置后朝下的一面键合于所述载片106上。此外，除了仅具备支撑功能的载片外，所述载片也可以是已形成有其他器件结构的功能片，通过与所述SOI衬底键合后形成完整的图像传感器器件。
如图7至图8所示，以所述埋氧层101b作为减薄停止层，对所述硅衬底101a进行背面减薄。如图8所示，在研磨减薄后，可以通过湿法刻蚀等方法去除剩余的埋氧层，暴露出下层完整未受损的所述钉扎层102，以便进行后续工艺。
如图9所示，所述光电二极管104为多个，在去除对所述硅衬底101a减薄后剩余的所述埋氧层101b后，还包括在所述外延层103中形成分隔多个所述光电二极管104的背面深沟槽隔离结构110(BDTI,Back-side Deep Trench Isolation)的步骤。所述背面深沟槽隔离结构110的深沟槽可以通过各向异性的干法刻蚀工艺形成，并进一步在所述深沟槽中填充绝缘介质材料，以形成所述背面深沟槽隔离结构110。在本实施例中，所述深沟槽中所填充的绝缘介质材料为高K介质材料。具体地，如图9所示，在形成所述背面深沟槽隔离结构110后，还包括在所述背面深沟槽隔离结构110中以及所述钉扎层102上形成高K介质层107的步骤。可选地，所述高K介质层107由AlO或HfO等高K介质材料构成。本实施例中，通过引入所述高K介质层107配合所述钉扎层102，其共同作用可以增强硅表面的空穴富集区，以进一步降低暗电流。
如图10所示，在形成所述高K介质层107后，还包括在所述高K介质层107上依次形成颜色滤镜层108和微透镜结构109的步骤。可选地，所述颜色滤镜层108可以分为红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)滤镜层。不同颜色滤镜层的数量、分组和排列可以根据传感器的具体设计进行调整。对于非可见光等其他波段的传感器也可以对应设置其他类型的滤镜层。还需要指出的是，在本申请实施例中，背照式图像传感器的背面指的是所述颜色滤镜层108和所述微透镜结构109所在的一面，而正面指的则是与其相对的所述金属布线层105所在的另一面。
如图10所示，本实施例提供了一种降低背照式图像传感器暗电流的结构，其特征在于，包括：
外延层103；
光电二极管104，其形成于所述外延层103中；
顶层硅101c，其位于所述外延层103上方；
钉扎层102，其位于所述顶层硅101c中，通过对所述顶层硅101c进行掺杂后形成。
作为示例，所述钉扎层102的掺杂类型与所述光电二极管104的掺杂类型相反。所述外延层103的掺杂浓度为1×1014至5×1015cm-3，所述外延层103的厚度为2.5至10μm。
作为示例，如图10所示，所述钉扎层102上还依次形成有高K介质层107、颜色滤镜层108和微透镜结构109。所述外延层103的下方还形成有金属布线层105。所述光电二极管104为多个，所述外延层103中形成有分隔多个所述光电二极管104的背面深沟槽隔离结构110。
作为示例，如图7所示，本实施例还提供了一种降低背照式图像传感器暗电流的结构，其特征在于，包括外延层103、光电二极管104和钉扎层102。其中，所述顶层硅101c为SOI衬底101的一部分，所述SOI衬底101还包括硅衬底101a和埋氧层101b；所述埋氧层101b位于所述顶层硅101c上方，所述硅衬底101a位于所述埋氧层101b上方；对所述硅衬底101a进行背面减薄时，以所述埋氧层101b作为减薄停止层。
本实施例通过离子注入形成所述钉扎层102，其掺杂浓度可调，无需在背面工艺中针对该道掺杂追加高温退火工艺。其作为光电二极管表面电荷捕获层，降低了电荷流入光电二级管形成暗电流的几率；配合在器件背面生长所述高K介质层107，更大限度地降低了界面暗电流。本实施的工艺方法解决了噪点问题，进而改善了背照式图像传感器的成像质量。
实施例二
请参阅图11，本实施例提供了一种降低背照式图像传感器暗电流的方法。相比实施例一中提供的方案，本实施例的区别在于：在步骤3)中，在所述外延层203和所述金属布线层205之间还形成有顶层钉扎层211。所述顶层钉扎层211可以通过从正面对所述外延层203进行离子注入形成，也能够起到降低暗电流的作用。
如图11所示，本实施例中所制备得到的背照式图像传感器除了上述的外延层203、金属布线层205和顶层钉扎层211外，还包括钉扎层202和形成于所述外延层203的光电二极管204。在所述外延层203下方还形成有金属布线层205和载片206。在所述外延层203上方还形成有高K介质层207、颜色滤镜层208和微透镜结构209。在多个所述光电二极管204之间还形成有背面深沟槽隔离结构210，其中也填充有所述高K介质层207。
如图11所示，本实施例还提供了一种降低背照式图像传感器暗电流的结构，相比实施例一中图10所示结构，本实施例所提供结构的区别在于，在所述外延层203和所述金属布线层205之间还形成有顶层钉扎层211。
本实施例的其他实施方案与实施例一相同，此处不再赘述。
实施例三
请参阅图12，本实施例提供了一种降低背照式图像传感器暗电流的方法。相比实施例一中提供的方案，本实施例的区别在于：不在外延层303表面形成高K介质层，仅通过引入钉扎层302降低暗电流。本实施例说明，仅通过引入钉扎层也可以降低界面暗电流，解决噪点问题，从而起到改善背照式图像传感器的成像质量的效果。
如图12所示，本实施例中所制备得到的背照式图像传感器包括外延层303、金属布线层305、钉扎层302和形成于所述外延层303的光电二极管304。在所述外延层303下方还形成有金属布线层305和载片306。在所述外延层303上方还形成有颜色滤镜层308和微透镜结构309。在多个所述光电二极管304之间还形成有背面深沟槽隔离结构310，其中填充有绝缘介质材料，可以是高K介质材料307。
如图12所示，本实施例还提供了一种降低背照式图像传感器暗电流的结构，相比实施例一中图10所示结构，本实施例所提供结构的区别在于，在所述外延层303表面不形成高K介质层，仅通过引入所述钉扎层302降低暗电流。
本实施例的其他实施方案与实施例一相同，此处不再赘述。
综上所述，本发明提供了一种降低背照式图像传感器暗电流的方法及结构，所述方法如下步骤：1)提供SOI衬底，所述SOI衬底包括硅衬底、埋氧层和顶层硅；2)在所述顶层硅中形成通过掺杂构成的钉扎层；3)在所述顶层硅上方形成外延层，并在所述外延层中形成光电二极管；4)以所述埋氧层作为减薄停止层，对所述硅衬底进行背面减薄。本发明在SOI衬底的顶层硅上形成钉扎层，并在背面减薄工艺中以埋氧层作为减薄停止层。通过引入钉扎层作为光电二极管的电荷捕获层，降低了电荷流入光电二级管形成暗电流的几率，钉扎层能在硅衬底减薄工艺中得到埋氧层的保护。此外，通过配合背面生长高K介质层，更进一步降低了界面暗电流。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (19)
1.一种降低背照式图像传感器暗电流的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)提供SOI衬底，所述SOI衬底包括硅衬底、埋氧层和顶层硅；
2)在所述顶层硅中形成通过掺杂构成的钉扎层；
3)在所述顶层硅上方形成外延层，并在所述外延层中形成光电二极管；
4)以所述埋氧层作为减薄停止层，对所述硅衬底进行背面减薄。
2.根据权利要求1所述的降低背照式图像传感器暗电流的方法，其特征在于：所述钉扎层的掺杂类型与所述光电二极管的掺杂类型相反。
3.根据权利要求1所述的降低背照式图像传感器暗电流的方法，其特征在于：形成所述钉扎层的方法包括对所述顶层硅进行离子注入。
4.根据权利要求3所述的降低背照式图像传感器暗电流的方法，其特征在于：所述离子注入的掺杂剂量为5×1012至5×1014cm-2。
5.根据权利要求1所述的降低背照式图像传感器暗电流的方法，其特征在于：所述外延层的掺杂浓度为1×1014至5×1015cm-3，所述外延层的厚度为2.5至10μm。
6.根据权利要求1所述的降低背照式图像传感器暗电流的方法，其特征在于：所述埋氧层的厚度大于1μm。
7.根据权利要求1所述的降低背照式图像传感器暗电流的方法，其特征在于：在步骤3)中形成所述光电二极管后，还包括在所述外延层上方形成金属布线层的步骤。
8.根据权利要求7所述的降低背照式图像传感器暗电流的方法，其特征在于：在所述外延层和所述金属布线层之间还形成有顶层钉扎层。
9.根据权利要求1所述的降低背照式图像传感器暗电流的方法，其特征在于：在步骤4)中对所述硅衬底进行背面减薄前，还包括将所述SOI衬底远离所述硅衬底的一面键合于载片上的步骤。
10.根据权利要求1所述的降低背照式图像传感器暗电流的方法，其特征在于：在步骤4)中以所述埋氧层作为减薄停止层，对所述硅衬底进行背面减薄后，还包括去除对所述硅衬底减薄后剩余的所述埋氧层，并在暴露出的所述钉扎层上依次形成高K介质层、颜色滤镜层和微透镜结构的步骤。
11.根据权利要求10所述的降低背照式图像传感器暗电流的方法，其特征在于：所述光电二极管为多个，在去除对所述硅衬底减薄后剩余的所述埋氧层后，还包括在所述外延层中形成分隔多个所述光电二极管的背面深沟槽隔离结构的步骤。
12.一种降低背照式图像传感器暗电流的结构，其特征在于：包括：
外延层；
光电二极管，其形成于所述外延层中；
顶层硅，其位于所述外延层上方；
钉扎层，其位于所述顶层硅中，通过对所述顶层硅进行掺杂后形成。
13.根据权利要求12所述的降低背照式图像传感器暗电流的结构，其特征在于：所述钉扎层的掺杂类型与所述光电二极管的掺杂类型相反。
14.根据权利要求12所述的降低背照式图像传感器暗电流的结构，其特征在于：所述外延层的掺杂浓度为1×1014至5×1015cm-3，所述外延层的厚度为2.5至10μm。
15.根据权利要求12所述的降低背照式图像传感器暗电流的结构，其特征在于：所述钉扎层上还依次形成有高K介质层、颜色滤镜层和微透镜结构。
16.根据权利要求15所述的降低背照式图像传感器暗电流的结构，其特征在于：所述外延层的下方还形成有金属布线层。
17.根据权利要求16所述的降低背照式图像传感器暗电流的结构，其特征在于：在所述外延层和所述金属布线层之间还形成有顶层钉扎层。
18.根据权利要求12所述的降低背照式图像传感器暗电流的结构，其特征在于：所述光电二极管为多个，所述外延层中形成有分隔多个所述光电二极管的背面深沟槽隔离结构。
19.根据权利要求12所述的降低背照式图像传感器暗电流的结构，其特征在于：所述顶层硅为SOI衬底的一部分，所述SOI衬底还包括硅衬底和埋氧层；所述埋氧层位于所述顶层硅上方，所述硅衬底位于所述埋氧层上方；对所述硅衬底进行背面减薄时，以所述埋氧层作为减薄停止层。
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