CN113948536A - 图像传感器及其形成方法 - Google Patents

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陈祥麟
朱怡欣
廖英凯
江欣益
黄冠杰
施俊吉
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Abstract

本公开的各种实施例针对具有用于降低暗电流的钝化层的图像传感器。器件层覆盖衬底。此外，盖层覆盖器件层。盖层和器件层以及衬底是半导体材料，并且器件层具有比盖层和衬底小的带隙。例如，盖层和衬底可以是硅，而器件层可以是锗或包括锗。光电检测器位于器件层和盖层中，钝化层覆盖盖层。钝化层包括高k介电材料，并引起沿盖层的顶面的偶极矩的形成。本申请的实施例提供了图像传感器及其形成方法。

Description

图像传感器及其形成方法
技术领域
本申请的实施例涉及图像传感器及其形成方法。
背景技术
具有图像传感器的集成电路(IC)用于各种现代电子器件中，例如照相机和手机。近年来，互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器已开始广泛使用，在很大程度上取代了电荷耦合器件(CCD)图像传感器。与CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器由于低功耗、小尺寸、快速数据处理、数据的直接输出以及低制造成本而越来越受欢迎。一些类型的CMOS图像传感器包括前照式(FSI)图像传感器和背照式(BSI)图像传感器。
发明内容
本申请的实施例提供了一种图像传感器，包括：衬底；器件层，覆盖所述衬底；盖层，覆盖所述器件层，其中所述盖层和所述器件层是半导体材料，并且其中，所述盖层具有比所述器件层大的带隙；光电检测器，位于所述器件层和所述盖层中；以及钝化层，覆盖所述盖层，其中，所述钝化层引起沿所述盖层的顶面形成偶极矩。
本申请的实施例提供了一种图像传感器，包括：衬底；器件层，覆盖所述衬底；盖层，覆盖所述器件层，其中，所述盖层和所述器件层以及所述衬底是半导体材料，并且其中，所述器件层是与所述衬底和所述盖层不同的半导体材料；光电检测器，位于所述器件层和所述盖层中；第一介电层，覆盖并直接接触所述盖层；以及第二介电层，覆盖并直接接触所述第一介电层，其中，所述第一介电层和所述第二介电层包括氧化物，并且其中，所述第二介电层具有比所述第一介电层高的介电常数。
本申请的实施例提供一种用于形成图像传感器的方法，包括：外延生长覆盖衬底的器件层；外延生长覆盖所述器件层的盖层，其中，所述盖层具有比所述器件层大的带隙；在所述器件层和所述盖层中形成光电检测器；以及沉积覆盖所述盖层的钝化层，其中，所述钝化层引起沿所述盖层的顶面形成偶极矩。
本申请的实施例提供了具有用于降低暗电流的钝化层的图像传感器。
附图说明
当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以最佳地理解本发明的各个方面。应该注意，根据工业中的标准实践，各个部件未按比率绘制。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增加或减少。
图1A和图1B示出其中钝化层被配置为降低暗电流的图像传感器的一些实施例的各种截面图。
图2示出图1A和图1B的图像传感器的界面层处的能带图的一些实施例。
图3示出图1A和图1B的图像传感器的操作期间的信号的一些实施例的时序图。
图4示出图1A和图1B的图像传感器的一些实施例的等效电路。
图5A和图5B示出图1A和图1B的其中偶极矩的极性反转的图像传感器的一些替代实施例的各种截面图。
图6示出图5A和图5B的图像传感器的界面层处的能带图的一些实施例。
图7示出图1A和图1B的图像传感器的一些实施例的顶部布局。
图8A和图8B示出图1A和图1B的其中光电检测器变化的图像传感器的一些替代实施例的各种截面图。
图9示出图1A和图1B的其中界面层被氧化物钝化层代替的图像传感器的一些替代实施例的截面图。
图10A和图10B示出图1A和图1B的其中器件层被衬底注入区域和中间层加衬的图像传感器的一些替代实施例的截面图。
图11示出图1A和图1B的其中器件层的底面升高到衬底的顶面上方的图像传感器的一些替代实施例的截面图。
图12A-图12C示出图11的图像传感器的一些替代实施例的截面图。
图13示出图1A和图1B的其中图像传感器是背照式(BSI)并且是三维(3D)集成电路(IC)的图像传感器的一些实施例的放大截面图。
图14示出图13的其中图像传感器具有多个光电检测器的图像传感器的一些替代实施例的截面图。
图15示出图1A和图1B的其中图像传感器是前照式(FSI)的图像传感器的一些实施例的放大截面图。
图16示出图15的其中图像传感器具有多个光电检测器的图像传感器的一些替代实施例的截面图。
图17-图22、图23A-图23D、图24A和图24B示出用于形成其中钝化层被配置为降低暗电流的图像传感器的方法的一些实施例的一系列截面图。
图25示出图17-图22、图23A-图23D、图24A和图24B的方法的一些实施例的框图。
图26-图32示出用于形成其中钝化层被配置为降低暗电流并且器件层的底面升高到衬底的顶面上方的图像传感器的方法的一些第一实施例的一系列截面图。
图33示出图26-图32的方法的一些实施例的框图。
图34-图42示出用于形成其中钝化层被配置为降低暗电流并且器件层的底面升高到衬底的顶面上方的图像传感器的方法的一些第二实施例的一系列截面图。
图43示出图34-图42的方法的一些实施例的框图。
具体实施方式
本发明提供了许多不同的实施例或实例，用于实现本发明的不同特征。以下将描述组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅是实例并且不意欲限制本发明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触的实施例，也可以包括形成在第一部件和第二部件之间的附加部件使得第一部件和第二部件不直接接触的实施例。而且，本发明在各个实例中可以重复参考数字和/或字母。这种重复仅是为了简明和清楚，其自身并不表示所论述的各个实施例和/或配置之间的关系。
此外，为了便于描述，本文中可以使用诸如“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“在…上面”、“上部”等的空间关系术语，以描述如图中所示的一个元件或部件与另一元件或部件的关系。空间关系术语旨在包括除了在图中所描述的方向之外的使用或操作中的器件的不同方向。装置可以以其他方式定位(旋转90度或在其他方位)，并且在本文中使用的空间关系描述符可以同样地作相应地解释。
可以采用互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器来检测近红外(NIR)和红外(IR)辐射。对于用于飞行时间(ToF)成像和其他合适类型的成像的CMOS图像传感器，可能是这种情况。然而，CMOS图像传感器通常是基于硅的。硅具有较大的带隙，因此在吸收NIR和IR辐射方面较差。因此，基于硅的CMOS图像传感器对NIR和IR辐射的量子效率(QE)可能较差。为了缓解较差的QE，基于硅的CMOS图像传感器可以用基于带隙比硅小的替代半导体材料的CMOS图像传感器代替。这种替代半导体材料的非限制性示例是锗。
基于替代半导体材料并用于ToF成像的CMOS图像传感器可以包括器件层和盖层。器件层覆盖并插入半导体衬底的顶部，并且盖层覆盖器件层。此外，半导体衬底和盖层是硅，而器件层是或包括替代半导体材料。两个PIN二极管在盖层和器件层中，并且分别在器件层的相反侧。二氧化硅(例如，SiO2)的钝化层覆盖并直接接触盖层，并且接触通孔延伸穿过钝化层到达PIN二极管的接触区域。
替代半导体材料的较小带隙实现增强的QE。但是，较小的带隙也会导致较高的暗电流，这会对使用替代半导体材料带来的性能提升产生负面影响。例如，在ToF成像期间，可以以不同的时间间隔使用PIN二极管来分别测量入射辐射。然后可以使用这些测量来确定到对象的距离。来自暗电流的移动电子可能会聚集在PIN二极管上，从而导致测量不准确，因此导致距离确定不准确。
本公开的各种实施例针对具有用于降低暗电流的钝化层的图像传感器以及形成图像传感器的方法。在图像传感器的一些实施例中，器件层覆盖衬底。此外，盖层覆盖器件层。盖层和器件层以及衬底是半导体材料，并且器件层具有比盖层和衬底小的带隙。例如，盖层和衬底可以是硅，而器件层可以是锗或包括锗。然而应当注意，在替代实施例中，其他合适的材料是适用的。光电检测器位于器件层和盖层中，钝化层覆盖盖层。钝化层包括高k介电材料，并引起沿盖层的顶面的偶极矩的形成。
由于沿盖层的顶面的偶极矩，所以暗电流的移动电荷载流子(例如，移动电子)可能被吸引到盖层的顶面并被中和。反过来，这可以防止暗电流对光电检测器的性能产生负面影响。例如，当将图像传感器用于ToF成像时，光电检测器可以包括一对PIN结。如上所述，PIN结可以分别位于器件层的相反侧上并且可以用于确定到对象的距离。偶极矩可以将暗电流的移动电子吸引到PIN结，因此暗电流不会影响PIN结的测量。结果，测量以及因此距离确定可以更加准确。
参考图1A和图1B，提供了图像传感器的一些实施例的各种截面图100A、100B，其中高k钝化层102被配置为在光电检测器106上方产生偶极矩104以降低暗电流。图1B对应于图1A中的框A内的图像传感器的一部分的放大截面图100B。光电检测器106在器件层108和盖层110中的高k钝化层102下面。此外，光电检测器106包括一对PIN二极管112。PIN二极管112分别位于器件层108的相反侧上并且包括各P型接触区域114和各N型接触区域116。
器件层108被开槽到衬底118的顶部，并且盖层110将器件层108与高k钝化层102分离。器件层108、盖层110和衬底118是半导体材料，并且器件层108是与盖层110和衬底118不同的半导体材料。器件层108可以是或包括锗、硅锗、一些其他合适的半导体材料或前述的任意组合。衬底118和盖层110可以例如是或包括硅和/或一些其他合适的半导体材料。在一些实施例中，器件层108的主体是未掺杂或轻掺杂的和/或盖层110是未掺杂或轻掺杂的。在一些实施例中，衬底104的主体具有P型或N型掺杂。如本文所用，轻掺杂是指掺杂浓度小于约1×1015原子/立方厘米(例如，cm-3)或一些其他合适的值。
高k钝化层102覆盖盖层110，并且界面层120位于高k钝化层102和盖层110之间。高k钝化层102是介电常数超过3.9、10或其他一些合适的值的高k介电材料。此外，在图像传感器的形成期间，高k钝化层102直接沉积在盖层110上。高k钝化层102与盖层110反应以在高k钝化层102和盖层110之间形成界面层120。例如，高k钝化层102和盖层110可以分别包括金属氧化物和硅，使得高k钝化层102的氧与盖层110的硅反应以形成作为氧化硅的界面层120。
界面层120是具有与高k钝化层102不同的带隙和比高k钝化层102小的区域氧密度的电介质。由于带隙不同，所以在界面层120和高k钝化层102之间的界面122处出现带弯曲。带弯曲又在界面122处引起偶极矩104的形成。此外，因为界面层120具有比高k钝化层102小的区域氧密度，所以负电荷(以负号示意性地示出)沿界面122积累在高k钝化层102中，而正电荷(以正号示意性地示出)沿界面122积累在界面层120中。
如在下文中更详细地解释的，图像传感器用于ToF成像。辐射向对象发射。然后，反射的辐射撞击在光电检测器106上以产生电子-空穴对。在不同的时间，PIN二极管112分别在N型接触区域116中收集电子-空穴对的移动电子。然后，以不同的时间间隔测量收集的电子，并将其用于确定到对象的距离。偶极矩104的正电荷将器件层108中的暗电流的移动电子124从PIN二极管112中抽离，并中和移动电子124。通过中和移动电子124，暗电流降低并且不会聚集在PIN二极管112的N型接触区域116处。结果，使用PIN二极管112的测量更加精确，因此距离确定更加精确。
多个接触通孔126c和多个第一级引线128f堆叠在盖层110上方。第一级引线128f覆盖高k钝化层102。接触通孔126c分别从P型和N型接触区域114、116分别延伸穿过高k钝化层102和界面层120，到第一级引线128f。此外，接触通孔126c的顶面与高k钝化层102的顶面齐平。在替代实施例中，接触通孔126c的顶面在高k钝化层102的顶面之上或之下。第一级引线128f和接触通孔126c可以例如是或包括金属和/或一些其他合适的导电材料。
在一些实施例中，高k钝化层102是或包括氧化铝(例如，Al2O3)、氧化钛(例如，TiO2)、氧化钽(例如，Ta2O5)、氧化铪(HfO2)、氧化锆(例如，ZrO2)、氧化镁(例如，MgO)、一些其他合适的高k电介质或前述的任意组合。在一些实施例中，高k钝化层102的介电常数大于界面层120的介电常数和/或具有比界面层120小的带隙。在一些实施例中，高k钝化层102的厚度Thkp为约1-10纳米、约1-5纳米、约5-10纳米或其他合适的值。如果厚度Thkp太大(例如，大于约10纳米或一些其他合适的值)，则高k钝化层102中的固有缺陷可能导致高泄漏电流，从而抵消偶极矩104的性能提升。另一方面，如果厚度Thkp太小(例如，小于约1纳米或一些其他合适的值)，则可能不会形成偶极矩104，因此可能不会从偶极矩104获得性能提升。
在一些实施例中，界面层120是或包括来自衬底118的半导体元素和氧和/或来自高k钝化层102的一些其他合适的元素。例如，界面层120可以包括来自衬底118的硅和来自高k钝化层102的氧。在一些实施例中，界面层120是或包括二氧化硅(例如，SiO2)和/或一些其他合适的电介质。在一些实施例中，界面层120的厚度Ti为约0.5-2.5纳米、约0.5-1.5纳米或约1.5-2.5纳米或一些其他合适的值。
在一些实施例中，器件层108相对于硅、衬底118、盖层110或前述的任意组合具有较小带隙。例如，器件层108可以是或包括锗，而盖层110和衬底118可以是硅。在一些实施例中，小带隙导致器件层108相对于硅、衬底118、盖层110或前述的任意组合具有对NIR和/或IR辐射的高吸收系数。NIR辐射可以例如包括约850-940纳米、约850-1350纳米、约850-1180纳米、约1180-1350纳米的波长、一些其他合适的波长或前述的任意组合。IR辐射可以例如包括约1.5-30微米的波长和/或其他合适的波长。在一些实施例中，小带隙导致器件层108具有大于约80％的高QE或对于约850-940纳米的波长和对于其他合适的波长的一些其他合适的值。
在一些实施例中，器件层108的高度Hd为约2-50微米、约2-26微米、约25-50微米或一些其他合适的值。如果高度Hd太小(例如，小于约2微米或一些其他合适的值)，则器件层108对于入射辐射的吸收可能较差，并且光电检测器106的性能可能较差。如果高度Hd太大(例如，大于约50微米或一些其他合适的值)，则被开槽到衬底118中的器件层108的形成可能花费很长时间并且可能显著影响制造产量。
参考图2，提供了沿图1A和图1B的线B的能带图200的一些实施例，其中在高k钝化层102和界面层120之间的界面122处出现带弯曲202。结果，导带Ec从界面122朝界面层120向上成弧形，从而导致能量偏移O1为正。在价带Ev处发生相同的情况。因为能量偏移O1为正，所以偶极矩104的正电荷在界面层120中，而偶极矩104的负电荷在高k钝化层102中。如果能量偏移O1为负，则偶极矩104的正电荷在高k钝化层102中，偶极矩104的负电荷在界面层120中。
在一些实施例中，盖层110是硅，高k钝化层102是氧化铝(例如，Al2O3)，界面层120是氧化硅(例如，SiO2)。在至少一些这样的实施例中，能量偏移O1为0.57电子伏特(eV)。在其他实施例中，盖层110是硅，高k钝化层102是氧化铪(例如，HfO2)，界面层120是氧化硅(例如，SiO2)。在至少一些这样的实施例中，能量偏移O1为0.31eV。在其他实施例中，可以使用不同的材料。
参考图3，提供了图1A和图1B的图像传感器的操作期间的信号的一些实施例的时序图300。横轴对应于时间，而纵轴对应于信号状态。
如源辐射信号302所表示的，源辐射最初朝着对象发射持续时间t0。源辐射可以例如从图像传感器或从图像传感器附近发射和/或可以例如由激光二极管或一些其他合适的辐射源发射。源辐射可以是例如NIR辐射、IR辐射或一些其他合适类型的辐射。
如由反射的辐射信号304所表示的，源辐射在时间Δt之后从对象反射并撞击在光电检测器106上。结果，反射的辐射在持续时间t0内撞击在光电检测器106上。
如分别由图1A和图1B的PIN二极管112的PIN1状态信号306和PIN2状态信号308所表示的，PIN二极管112分别在不同的、非重叠的时间间隔处于ON状态。当发射源辐射时，第一PIN二极管在持续时间t0内处于ON状态，否则处于OFF状态。附加地，第二PIN二极管在发射源辐射之后立即在持续时间t0内处于ON状态，否则处于OFF状态。
PIN二极管112在反向偏置时均处于ON状态，而在正向偏置或非偏置时处于OFF状态。实际上，PIN二极管112的ON/OFF状态由图1A和图1B的P型接触区域114处的偏置电压控制。当任一PIN二极管112处于ON状态时，响应于反射辐射而生成的移动电子聚集在图1A和图1B的N型接触区域116中的相应区域处。此外，N型接触区域独有并电耦合的电容器存储在N型接触区域处收集的电子。应当注意，在图1A和图1B中未示出N型接触区域116独有的电容器。
如分别由PIN二极管112的PIN1收集信号310和PIN2收集信号312所表示的，PIN二极管112收集在不同的非重叠时间间隔处响应于反射的辐射而生成的移动电子。当第一PIN二极管处于ON状态时，第一PIN二极管收集第一数量Q1的电子，而当第二PIN二极管处于ON状态时，第二PIN二极管收集第二数量Q2的电子。如上所述，移动电子聚集在图1A和图1B的N型接触区域116处，使得PIN1和PIN2收集信号310、312对应于N型接触区域116处的信号。
通过已知时间Δt，可以如下确定到对象的距离D：
Figure BDA0003087274860000091
其中c是光速。但是，Δt不易得知。然而，可以从容易得知的持续时间t0以及由PIN二极管112收集的电子的第一和第二数量Q1、Q2确定Δt。具体地，可以如下确定Δt：
Figure BDA0003087274860000092
因此，距离D可以如下确定：
Figure BDA0003087274860000093
因为确定的距离D取决于第一和第二数量Q1、Q2，所以确定的距离D的精度取决于第一和第二数量Q1、Q2的精度。此外，如果暗电流的移动电子迁移到图1A和图1B中的PIN二极管112并由其收集，则暗电流可能对第一和第二数量Q1、Q2的精度产生负面影响，并因此可能对确定的距离D的精度产生负面影响。由于图1A和图1B中的偶极矩104，所以暗电流电子被从PIN二极管112中抽出。这防止暗电流电子被PIN二极管112收集，或者以其他方式减少由PIN二极管112收集的暗电流电子的数量。因此，偶极矩104降低了暗电流对第一和第二量Q1、Q2的精度以及确定距离D的精度的影响。
参考图4，提供了图1A和图1B的图像传感器的一些实施例的等效电路400。图像传感器包括光电检测器106和一对电容器402。光电检测器106等效于电耦合至公共节点408的一对开关404和光电二极管406。光电二极管406的阴极电耦合至公共节点408，而光电二极管406的阳极电连接至地410。开关404从公共节点408分别电耦合至电容器402，并且电容器402从开关404分别电耦合至地410。
开关404对应于图1A和图1B中的PIN二极管112。当开关处于ON状态时，相应的PIN二极管处于反向偏置状态，并且全部或部分用作光电二极管406。当开关处于OFF状态时，相应的PIN二极管处于正向偏置状态或非偏置状态并且独立于光电二极管406。参考图3，PIN1和PIN2状态信号306、308对应于开关404的ON/OFF状态。此外，PIN1和PIN2收集信号310、312对应于收集到的并转移到电容器402的移动电子。
参考图5A和图5B，提供了图1A和图1B的图像传感器的一些替代实施例的各种截面图500A、500B，其中偶极矩104的极性反转。图5B对应于图5A中的框C内的图像传感器的一部分的放大截面图500B。因为偶极矩104的极性反转，所以偶极矩104的负电荷(由负号示意性地示出)沿界面122积累在界面层120中，而偶极矩104的正电荷(由正号示意性地示出)沿界面122积累在高k钝化层102中。
偶极矩104的极性反转，因为界面层120的区域氧密度大于高k钝化层102的区域氧密度。在一些实施例中，界面层120是或包括氧化硅和/或一些其他合适的电介质。在一些实施例中，高k钝化层102是或包括氧化钡(例如，BaO)、氧化锶(例如，SrO)、氧化镧(例如，La2O3)、氧化钇(例如，Y2O3)或一些其他合适的高k电介质或前述的任意组合。
除了使偶极矩104的极性反转之外，N型接触区域116还位于P型接触区域114之间。此外，与P型接触区域114相比，N型接触区域116延伸到器件层108中至更大的深度。在替代实施例中，P型接触区域114位于N型接触区域116之间，如在图1A和图1B中，和/或与P型接触区域114相比，N型接触区域116延伸到器件层108中至更小的深度，如在图1A和图1B中。
类似于图1A和图1B，图像传感器用于ToF成像。辐射向对象发射。然后，反射的辐射撞击在光电检测器106上以产生电子-空穴对。在不同的时间，PIN二极管112分别在P型接触区域114中收集电子-空穴对的移动空穴。然后，以不同的时间间隔测量收集的空穴，并将其用于确定到对象的距离。偶极矩104的负电荷将器件层108中的暗电流的移动空穴502从PIN二极管112中抽离，并中和移动空穴502。通过中和移动空穴502，暗电流降低并且不会聚集在PIN二极管112的P型接触区域114处。结果，使用PIN二极管112的测量更加精确，因此距离确定更加精确。
参考图6，提供了沿图5A和图5B的线D的能带图600的一些实施例，其中在高k钝化层102和界面层120之间的界面122处出现带弯曲602。结果，导带Ec从界面122朝界面层120向下成弧形，从而导致能量偏移O2为负。在价带Ev处发生相同的情况。因为能量偏移O2为负，所以偶极矩104的负电荷在界面层120中，而偶极矩104的整电荷在高k钝化层102中。如果能量偏移O2为正，则偶极矩104的负电荷在高k钝化层102中，偶极矩104的正电荷在界面层120中。
在一些实施例中，盖层110是硅，高k钝化层102是氧化钇(例如，Y2O3)，界面层120是氧化硅(例如，SiO2)。在至少一些这样的实施例中，能量偏移O2为-0.23eV。在其他实施例中，可以使用不同的材料。
参考图7，沿着盖层110(以虚线示出)和器件层108之间的界面提供了图1A和图1B的图像传感器的一些实施例的顶部布局700。PIN二极管112分别位于器件层108的相反侧上。P型和N型接触区域114、116具有平行延伸的矩形布局，并且P型接触区域114位于N型接触区域116之间。在替代实施例中，P型和N型接触区域114、116具有一些其他合适的布局和/或N型接触区域116位于P型接触区域114之间。
参考图8A和图8B，提供了图1A和图1B的图像传感器的一些替代实施例的各种截面图800A、800B，其中光电检测器106变化。
如图8A的截面图800A所示，盖层110的底面升高到衬底118的顶面上方，使得光电检测器106的顶部升高到衬底118的顶面上方。在替代实施例中，盖层110的底面相对于衬底118的顶面被开槽，并且盖层110的顶面升高到衬底118的顶面上方。
如图8B的截面图800B所示，光电检测器106包括单个PIN二极管112s而不是一对PIN二极管112。单个PIN二极管112s与图1A和图1B描述的PIN二极管112相同，因此包括P型接触区域114和N型接触区域116。P型和N型接触区域114、116分别位于器件层108的相反侧上。
参考图9，提供了图1A和图1B的图像传感器的一些替代实施例的截面图900，其中用氧化物钝化层902代替界面层120。氧化物钝化层902类似于界面层120。然而，与界面层120相反，在形成图像传感器期间沉积氧化物钝化层902。这样，由于高k钝化层102与盖层110之间的反应而未形成氧化物钝化层902。由于氧化物钝化层902是通过沉积形成的，所以氧化物钝化层902的结晶质量高于界面层120，这导致减少的泄漏电流和增强的光电检测器106的性能。
氧化物钝化层902是具有与高k钝化层102不同的带隙和比高k钝化层102小的区域氧密度的电介质。由于带隙不同，所以在氧化物钝化层902和高k钝化层102之间的界面904处出现带弯曲。带弯曲又在界面904处引起偶极矩104的形成。因为氧化物钝化层902具有比高k钝化层102小的区域氧密度，所以负电荷(以负号示意性地示出)沿界面904积累在高k钝化层102中，而正电荷(以正号示意性地示出)沿界面904积累在氧化物钝化层902中。在替代实施例中，氧化物钝化层902具有比高k钝化层102高的区域氧密度以反转偶极矩104的极性。
氧化物钝化层902具有比高k钝化层102低的介电常数，并且在一些实施例中，具有比高k钝化层102大的带隙。在一些实施例中，氧化物钝化层902包括来自衬底118的半导体元素，并且还包括氧和/或来自高k钝化层102的一些其他合适的元素。在一些实施例中，氧化物钝化层902是或包括二氧化硅(例如，SiO2)和/或其他合适的电介质。
在一些实施例中，氧化物钝化层902的厚度Top为约1-10纳米、约1-5纳米、约5-10纳米或其他合适的值。如果氧化物钝化层902太薄(例如，小于约1纳米或一些其他合适的值)，则氧化物钝化层902可能太薄以至于不能与图1A和图1B相比有效地减少泄漏电流。如果厚度Top太大(例如，大于约10纳米或一些其他合适的值)，则偶极矩104可能离暗电流的移动电子124太远而无法有效地吸引和中和移动电子124。结果，偶极矩104可能无法有效地改善PIN二极管112的测量精度，因此可能无法有效地改善距离确定。
参考图10A和图10B，提供了图1A和图1B的图像传感器的一些替代实施例的截面图1000A、1000B，其中器件层108被衬底注入区域1002和中间层1004加衬。在图10A中，盖层110的顶面与衬底118的顶面大约齐平(注意，衬底注入区域1002是衬底118的掺杂区域)。在图10B中，盖层110的底面升高到衬底118的顶面上方。在替代实施例中，盖层110的底面相对于衬底118的顶面被开槽，并且盖层110的顶面升高到衬底118的顶面上方。
如上所述，衬底注入区域1002是衬底118的掺杂区域。此外，衬底注入区域1002具有与衬底118的主体相同的掺杂类型，但是掺杂浓度更高。例如，衬底注入区域1002和衬底118的主体都可以是P型或N型。在一些实施例中，衬底注入区域1002的掺杂浓度为约1×1017-5×1018cm-3、大于约5×1018cm-3或为一些其他合适的值。
中间层1004将器件层108与衬底注入区域1002分离。中间层1004是与器件层108不同的未掺杂半导体材料。在替代实施例中，中间层1004是轻掺杂半导体材料，即不同于器件层108，和/或掺杂浓度小于衬底注入区域1002。轻掺杂可以是例如小于约1×1015cm-3或其他合适值的掺杂浓度。中间层1004可以例如是或包括硅和/或一些其他合适的半导体材料。在一些实施例中，中间层1004是或包括与衬底118和/或盖层110相同的半导体材料。例如，中间层1004、衬底118和盖层110可以是硅，而器件层108可以是锗或硅锗。但是，其他合适的材料也是可以的。
衬底注入区域1002减少了由在中间层1004与衬底118之间的界面处和/或在中间层1004与器件层108之间的界面处的晶体缺陷引起的载流子。结果，可以减少第一和/或第二界面处的泄漏电流，并且可以增强光电检测器106的性能。
因为中间层1004未掺杂，所以中间层1004具有高电阻。该高电阻减少了从器件层108到衬底118的泄漏电流。通过减少从器件层108到衬底118的泄漏电流，光电检测器间的泄漏电流减少，并且光电检测器106的性能进一步增强。高电阻可以例如大于大约100千欧或一些其他合适的值。中间层1004进一步阻止来自衬底注入区域1002的掺杂剂扩散到器件层108。例如，衬底注入区域1002可以具有P型掺杂，并且中间层1004可以阻止硼或其他合适的P型掺杂剂扩散到器件层108。扩散到器件层108的掺杂剂可以形成从衬底118到器件层108的低电阻区域，并因此可以增加光电检测器间的泄漏电流。因为中间层1004阻止了扩散，所以从衬底118到器件层108的电阻可以保持较高并且泄漏电流可以保持较低。
参考图11，提供了图1A和图1B的图像传感器的一些替代实施例的截面图1100，其中器件层108的底面升高到衬底118的顶面上方。此外，盖层110位于器件层108的侧壁上，界面层120位于盖层110的侧壁上，并且高k钝化层102位于界面层120的侧壁上。由于器件层108的底面升高到衬底118的顶面上方，所以器件层108和盖层110可以被视为在衬底118上方限定了台面结构。此外，由于光电检测器106通过高k钝化层102与光电检测器横向分离，所以增强了光电检测器之间的隔离。
参考图12A-图12C，提供了图11的图像传感器的一些替代实施例的各种截面图1200A-1200C。
如图12A的截面图1200A所示，界面层120被图9的氧化物钝化层902代替。如关于图9所述，氧化物钝化层902类似于界面层120。然而，氧化物钝化层902是在图像传感器形成期间沉积的，而不是通过高k钝化层102与盖层110之间的反应形成的。由于氧化物钝化层902是通过沉积形成的，所以氧化物钝化层902的结晶质量高于界面层120，这导致减少的泄漏电流。
如图12B和图12C的截面图1200B、1200C所示，光电检测器间介电层1202将光电检测器106与相邻的光电检测器分离。在图12B中，盖层110、界面层120和高k钝化层102竖直堆叠并且覆盖光电检测器间介电层1202和器件层108。在图12C中，盖层110定位至器件层108。这样，界面层120位于盖层110的侧壁上，高k钝化层102位于界面层120的侧壁上。光电检测器间介电层1202例如可以是或包括氧化硅和/或一些其他合适的电介质。
参考图13，提供了图1A和图1B的图像传感器的一些实施例的放大截面图1300，其中图像传感器是背照式(BSI)并且是三维(3D)集成电路(IC)。3D IC包括在接合界面1306处混合接合在一起的第一IC结构1302和第二IC结构1304。第一IC结构1302覆盖第二IC结构1304并容纳光电检测器106，而第二IC结构1304位于第一IC结构1302之下并容纳多个逻辑器件1308。
第一和第二IC结构1302、1304分别包括第一衬底118和第二衬底1310。此外，第一和第二IC结构1302、1304分别包括第一互连结构1312和第二互连结构1314。第一和第二互连结构1312、1314位于第一和第二衬底118、1310之间并与之邻接。光电检测器106位于第一衬底118的前侧上，位于第一衬底118和第一互连结构1312之间。逻辑器件1308位于第二衬底1310的前侧上，位于第二衬底1310和第二互连结构1314之间。第一和第二衬底118、1310可以是例如单晶硅的块状衬底或一些其他合适类型的衬底。
第一和第二互连结构1312、1314包括多条引线128、多个通孔126和多个焊盘1316，其分组为多个层级并且在第一和第二衬底118、1310之间交替堆叠。这些层级对应于第二衬底1310上方的不同高度。焊盘1316分组为两个焊盘层级，其直接在接合界面1306处接触。引线128和通孔126分别分组为多个引线层级和通孔层级，其从焊盘1316分别到光电检测器106和逻辑器件1308交替堆叠。引线128、通孔126和焊盘1316是导电的，并且可以是或包括铜、钨、铝、一些其他合适的导电材料或前述的任意组合。
介电堆叠件围绕第一和第二衬底118、1310之间的引线128、通孔126和焊盘1316。一对接合介电层1318在接合界面1306处直接接触并围绕焊盘1316和焊盘1316处的通孔126。蚀刻停止层1322分别与接合介电层1318邻接，并进一步围绕焊盘1316处的通孔126。高k钝化层102和界面层120围绕光电检测器106处的通孔126。一对互连介电层1320围绕引线128和其余的通孔126。蚀刻停止层1322是或包括与互连介电层1320和接合介电层1318不同的材料。
沟槽隔离结构1324分离逻辑器件1308。沟槽隔离结构1324是或包括氧化硅和/或一些其他合适的电介质。沟槽隔离结构1324可以例如是浅沟槽隔离(STI)结构或一些其他合适类型的沟槽隔离结构。
逻辑器件1308是绝缘栅场效应晶体管(IGFET)，但是可以是一些其他合适类型的晶体管。例如，逻辑器件1308可以是鳍式场效应晶体管(finFET)、全环栅场效应晶体管(GAAFET)或一些其他合适类型的晶体管。逻辑器件1308包括各个阱1326、各个栅电极1328、各个栅极介电层1330和各对源极/漏极区域1332。栅电极1328分别与栅极介电层1330堆叠在第二衬底1310上，并且堆叠件位于源极/漏极区域的相应对1332的源极/漏极区域之间。阱1326分别位于第二衬底1310中的源极/漏极区域对1332的下方并围绕它们。阱1326具有与源极/漏极区域的相应对1332相反的掺杂类型。在一些实施例中，一个、一些或全部阱1326具有与第二衬底1310的主体相反的掺杂类型。在一些实施例中，一个、一些或全部阱1326具有与第二衬底1310的主体相同的掺杂类型，但是掺杂浓度不同。在替代实施例中，省略了一个、一些或全部阱1326。
微透镜1334和金属栅格1336在第一衬底118的背侧上堆叠在第一衬底118上方。金属栅格1336具有覆盖光电检测器106的金属栅格开口1338，并且被配置为防止光电检测器106和相邻光电检测器之间的串扰。此外，金属栅格1336被抗反射层1340和金属栅格介电层1342围绕。抗反射层1340位于金属栅格1336和第一衬底118之间，以将金属栅格1336与第一衬底118分离，并且金属栅格介电层1342填充金属栅格开口1338，并将金属栅格1336与微透镜1334分离。微透镜1334覆盖金属栅格1336，并被配置为通过金属栅格开口1338将入射辐射聚焦在光电检测器106上。
参考图14，提供了图13的图像传感器的一些替代实施例的截面图1400，其中图像传感器具有多个光电检测器106。光电检测器106均如图13中的对应物。在替代实施例中，光电检测器106在上述任何附图(例如，图10或一些其他合适的附图)中均作为其对应物。注意，由于图14中的光电检测器106的尺寸小，所以未示出光电检测器106的构成(例如，接触区域)。
多个微透镜1334覆盖光电检测器106，并且金属栅格1336限定多个金属栅格开口1338。微透镜1334是光电检测器106独有的并且分别覆盖光电检测器106。类似地，金属栅格开口1338是光电检测器106独有的并且分别覆盖光电检测器106。微透镜1334和金属栅格开口1338分别在图13中被描述为它们的对应物。
一对接合焊盘1402悬在金属栅格介电层1342上方，并分别延伸穿过第一衬底118到一些引线128。此外，接合焊盘1402分别位于光电检测器106的相反侧上，使得光电检测器106位于接合焊盘1402之间。接合焊盘1402可以例如是或包括铜、铝、一些其他合适的金属或前述的任意组合。
附加沟槽隔离结构1404延伸到第一衬底118的前侧中，位于第一衬底118和第一互连结构1312之间。附加沟槽隔离结构1404具有多个段，分别位于接合焊盘1402处，使得接合焊盘1402延伸穿过附加沟槽隔离结构1404。附加沟槽隔离结构1404是或包括氧化硅和/或一些其他合适的电介质。附加沟槽隔离结构1404可以例如是STI结构或一些其他合适类型的沟槽隔离结构。
参考图15，提供了图1A和图1B的图像传感器的一些实施例的放大截面图1500，其中图像传感器是前照式(FSI)。互连结构1312覆盖衬底118和衬底118的前侧上的光电检测器106。此外，互连结构1312覆盖衬底118的前侧上的逻辑器件(未示出)。逻辑器件可以例如是图13示出和描述的逻辑器件1308。互连结构1312包括多条引线128和多个通孔126。引线128和通孔126交替堆叠在电介质堆叠件中。高k钝化层102和界面层120围绕光电检测器106处的通孔126。互连介电层1320围绕引线128和其余的通孔126。
微透镜1334和金属栅格1336在衬底118的前侧上堆叠在互连结构1312上方。此外，抗反射层1340位于金属栅格1336和互连结构1312之间，而金属栅格介电层1342填充金属栅格开口1338，并将金属栅格1336与微透镜1334分离。微透镜1334和金属栅格如关于图13所述。
参考图16，提供了图15的图像传感器的一些替代实施例的截面图1600，其中图像传感器具有多个光电检测器106。光电检测器106均如图15中的对应物。在替代实施例中，光电检测器106在上述任何附图(例如，图10或一些其他合适的附图)中均作为其对应物。注意，由于图15中的光电检测器106的尺寸小，所以未示出光电检测器106的构成(例如，接触区域)。
多个微透镜1334覆盖光电检测器106，并且金属栅格1336限定多个金属栅格开口1338。微透镜1334是光电检测器106独有的并且分别覆盖光电检测器106。类似地，金属栅格开口1338是光电检测器106独有的并且分别覆盖光电检测器106。附加地，一对接合焊盘1402悬于衬底118的前侧上的金属栅格介电层1342上方，并且分别延伸穿过抗反射层1340和金属栅格介电层1342到一些引线128。此外，接合焊盘1402分别位于光电检测器106的相反侧上，使得光电检测器106位于接合焊盘1402之间。
参考图17-图22、图23A-图23D、图24A和图24B，提供了用于形成图像传感器的方法的一些实施例的一系列截面图1700-2200、2300A-2300D、2400A、2400B，其中钝化层被配置为在光电检测器上产生偶极矩以降低暗电流。图23A-图23D以及图24A和图24B是彼此的替代，其中图像传感器是BSI和FSI，并且各自从图17-图22单独进行。图23A-图23D示出图13中的图像传感器的形成，而图24A和图24B示出图15中的图像传感器的形成。
如图17的截面图1700所示，第一衬底118被图案化以形成腔体1702。第一衬底118可以是例如单晶硅的块状衬底或一些其他合适类型的衬底。在一些实施例中，第一衬底118是未掺杂的。在其他实施例中，第一衬底118掺杂有P型或N型掺杂剂。形成腔体1702的图案化包括：1)在第一衬底118上方沉积硬掩模层1704；2)通过光刻/蚀刻工艺图案化第一衬底118；以及3)在硬掩模层1704就位的情况下对第一衬底118进行蚀刻。硬掩模层1704可以例如是或包括未掺杂的硅酸盐玻璃(USG)和/或一些其他合适的电介质。在替代实施例中，通过一些其他合适的图案化工艺来执行形成腔体1702的图案化。
如图18的截面图1800所示，器件层108外延生长以填充腔体1702(例如，参见图17)。因为器件层108是外延生长的，所以器件层108从腔体1702中的第一衬底118的暴露表面向外生长。此外，由于硬掩模层1704覆盖腔体1702外部的第一衬底118，所以器件层108完全或大部分位于腔体1702中。器件层108是与第一衬底118不同的半导体材料。例如，器件层108可以是锗或硅锗，而第一衬底118可以是硅。然而，在替代实施例中，其他合适的材料也是可以的。在一些实施例中，器件层108对NIR和/或IR辐射的吸收系数比第一衬底118高。此外，在一些实施例中，器件层108的带隙小于第一衬底118。
如图19的截面图1900所示，器件层108的顶面被平坦化并被开槽。平坦化使器件层108的顶面变平，并且开槽相对于第一衬底118的顶面使器件层108的顶面凹陷。在替代实施例中，不对顶面开槽。
在一些实施例中，平坦化和开槽分别进行。例如，执行化学机械抛光(CMP)或一些其他合适的平坦化工艺，然后执行回蚀刻或一些其他合适的开槽工艺。在替代实施例中，平坦化和开槽一起执行。例如，可以在器件层108上方形成具有平坦的顶面的牺牲层。然后对于牺牲层和器件层108，可以使用具有相同蚀刻速率或类似蚀刻速率的蚀刻剂对牺牲层和器件层108执行回蚀刻。
如图20的截面图2000所示，盖层110外延生长在器件层108上并将其覆盖。此外，盖层110外延生长，使得盖层110生长在器件层108上，而不是硬掩模层1704。因此，盖层110通过自对准工艺定位至器件层108。
盖层110是与器件层108不同的半导体材料，并且可以例如是或包括硅或一些其他合适的半导体材料。在一些实施例中，盖层110是与第一衬底118相同的半导体材料和/或未被掺杂。盖层110保护器件层108免受后续处理期间的损坏。例如，随后的湿清洁工艺可以使用对器件层108具有高蚀刻速率但对于盖层110具有低蚀刻速率的酸。这样，器件层108将遭受显著的晶体损伤和/或腐蚀，而盖层110不会。通过防止腐蚀和/或晶体损伤，减少了泄漏电流。
如图21的截面图2100所示，在器件层108和盖层110中形成光电检测器106。光电检测器106包括分别位于器件层108的相反侧上的一对PIN二极管112。PIN二极管112包括各P型接触区域114和各N型接触区域116。P型接触区域114位于N型接触区域116之间。在替代实施例中，N型接触区域116位于P型接触区域114之间。在替代实施例中，省略PIN二极管112之一。
在一些实施例中，该形成包括：1)对第一衬底118选择性地执行离子注入以形成P型接触区域114；以及2)对第一衬底118选择性地执行离子注入以形成N型接触区域116。在其他实施例中，光电检测器106通过一些其他合适的工艺形成。
如图22的截面图2200所示，硬掩模层1704被去除。硬掩模层1704的去除可以例如通过蚀刻、CMP或一些其他合适的去除工艺来执行。在替代实施例中，硬掩模层1704没有被去除，因此此后仍然存在。
还如图22的截面图2200所示，高k钝化层102直接沉积在盖层110和第一衬底118上。高k钝化层102是介电常数超过3.9、10或其他一些合适的值的高k介电材料。沉积可以例如通过原子层沉积(ALD)、气相沉积或一些其他合适的沉积工艺来执行。
高k钝化层102与盖层110反应，从而引起界面层120形成在高k钝化层102和盖层110之间。例如，高k钝化层102和盖层110可以分别包括金属氧化物和硅，使得高k钝化层102的氧与盖层110的硅反应以形成作为氧化硅的界面层120。此外，高k钝化层102与第一衬底118反应，使得界面层120沿第一衬底118的顶面延伸。界面层120是具有与高k钝化层102不同的带隙和比高k钝化层102小的区域氧密度的电介质。由于带隙不同，所以在界面层120和高k钝化层102之间的界面122处出现带弯曲。带弯曲又在界面122处引起偶极矩104的形成。由于界面层120具有比高k钝化层102小的区域氧密度，所以负电荷(由负号示意性地示出)沿着界面122累积在高k钝化层102中，而正电荷(由正号示意性地示出)沿着界面122累积在界面层120中。
在一些实施例中，盖层110和第一衬底118是硅，高k钝化层102是金属氧化物，界面层120是氧化硅。但是，其他合适的材料也是可以的。在一些实施例中，高k钝化层102是或包括氧化铝(例如，Al2O3)、氧化钛(例如，TiO2)、氧化钽(例如，Ta2O5)、氧化铪(HfO2)、氧化锆(例如，ZrO2)、氧化镁(例如，MgO)、一些其他合适的高k电介质或前述的任意组合。在一些实施例中，高k钝化层102的介电常数大于界面层120的介电常数和/或具有比界面层120小的带隙。
在一些实施例中，高k钝化层102的厚度Thkp为约110纳米、约1-5纳米、约5-10纳米或其他合适的值。如果厚度Thkp太大(例如，大于约10纳米或一些其他合适的值)，则高k钝化层102中的固有缺陷可能导致高泄漏电流，从而抵消偶极矩104的性能提升。如果厚度Thkp太小(例如，小于约1纳米或一些其他合适的值)，则可能不会形成偶极矩104，因此可能不会从偶极矩104获得性能提升。
在一些实施例中，界面层120是或包括来自第一衬底118的半导体元素，并且还包括氧和/或来自高k钝化层102的一些其他合适的元素。例如，界面层120可以包括来自第一衬底118的硅和来自高k钝化层102的氧。在一些实施例中，界面层120是或包括二氧化硅(例如，SiO2)和/或一些其他合适的电介质。在一些实施例中，界面层120的厚度Ti为约0.5-2.5纳米、约0.5-1.5纳米或约1.5-2.5纳米或一些其他合适的值。
在使用光电检测器106期间，向感兴趣的对象发射辐射。然后从对象反射的辐射撞击在光电检测器106上以产生电子-空穴对。以不同的时间间隔，PIN二极管112分别在N型接触区域116中收集电子-空穴对的移动电子。然后，以不同的时间间隔测量收集的电子，并将其用于确定到对象的距离。偶极矩104的正电荷将器件层108中的暗电流的移动电子124从PIN二极管112中抽离，并中和移动电子124。通过中和移动电子124，暗电流降低并且不会聚集在PIN二极管112的N型接触区域116处。结果，使用PIN二极管112的测量更加精确，因此距离确定更加精确。
在图22的前述讨论中，通过收集电子来执行由光电检测器106进行的图像感测。然而，光电检测器106可以替代地通过收集空穴来执行图像感测。在这样的实施例中，在P型接触区域114处收集空穴。此外，偶极矩104的极性反转。例如，参见图5A和图5B。偶极矩104的极性例如可以通过用具有比界面层120小的区域氧密度的材料形成高k钝化层102来反转。例如，高k钝化层102可以是或包括氧化钡(例如，BaO)、氧化锶(例如，SrO)、氧化镧(例如，La2O3)、氧化钇(例如，Y2O3)或一些其他合适的高k电介质或前述的任意组合。
在图22的前述讨论中，高k钝化层102直接沉积在盖层110上，并且界面层120通过高k钝化层102与盖层110之间的反应形成。然后，将氧化物钝化层(例如，参见图9中的902)直接沉积在盖层110上，然后将高k钝化层102直接沉积在氧化物钝化层上。氧化物钝化层可以例如通过热氧化、气相沉积、一些其他合适的沉积工艺或前述的任意组合来沉积。
氧化物钝化层如图9所述，并且由于氧化物钝化层是通过沉积形成的，所以氧化物钝化层具有比界面层120更高的结晶质量。更高的结晶质量导致减小的泄漏电流以及光电检测器106的增强的性能。
如图23A的截面图2300A所示，第一互连结构1312形成在光电检测器106上方并与之电耦合，从而限定第一IC结构1302。第一互连结构1312包括多条引线128、多个通孔126和多个焊盘1316，其被分组为多个层级并且交替堆叠。焊盘1316位于第一互连结构1312的顶部，并且引线128和通孔126从焊盘1316到光电检测器106交替堆叠。
接合介电层1318位于第一互连结构1312的顶部，并且围绕焊盘1316处的焊盘1316和通孔126。蚀刻停止层1322还围绕焊盘1316处的通孔126。高k钝化层102和界面层120围绕光电检测器106处的通孔126。互连介电层1320围绕引线128和其余的通孔126。
如图23B的截面图2300B所示，形成如关于图13所述的第二IC结构1304。多个逻辑器件1308形成为覆盖第二衬底1310，并且沟槽隔离结构1324形成为将逻辑器件1308分离。此外，第二互连结构1314形成为覆盖并电耦合至逻辑器件1308。
第二互连结构1314与第一互连结构1312相似，因此包括多条引线128、多个通孔126和多个焊盘1316，其分组为多个层级并交替堆叠。焊盘1316位于第二互连结构1314的顶部，并且引线128和通孔126从焊盘1316到逻辑器件1308交替堆叠。接合介电层1318位于第二互连结构1314的顶部，并且围绕焊盘1316处的焊盘1316和通孔126。蚀刻停止层1322还围绕焊盘1316处的通孔126。互连介电层1320围绕引线128和其余的通孔126。
如图23C的截面图2300C所示，第一IC结构1302竖直翻转并接合到第二IC结构1304。接合是其中第一和第二互连结构1312、1314的焊盘1316直接接触并且第一和第二互连结构1312、1314的接合介电层1318直接接触的混合接合。
如图23D的截面图2300D所示，微透镜1334和金属栅格1336形成为在第一衬底118的背侧上堆叠在第一衬底118上方。此外，抗反射层1340位于金属栅格1336和第一衬底118之间，而金属栅格介电层1342填充金属栅格开口1338，并将金属栅格1336与微透镜1334分离。
如上所述，图23A-图23D示出了图像传感器形成为BSI。然而，图像传感器可以替代地是FSI。在这样的替代实施例中，执行下文关于图24A和图24B所述的动作，代替关于图23A-图23D所述的动作。因此，在替代实施例中，该方法可以从图17-图22进行到图24A和图24B(跳过图23A-图23D)。
如图24A的截面图2400A所示，第一互连结构1312形成在光电检测器106上方并与之电耦合。如关于图23A所述形成第一互连结构1312，但是省略了焊盘1316、接合介电层1318和蚀刻停止层1322。此外，第一互连结构1312的互连介电层1320覆盖导线128的顶部层级。
如图24B的截面图2400B所示，微透镜1334和金属栅格1336形成为在第一衬底118的前侧上堆叠在互连结构1312上方。此外，抗反射层1340位于金属栅格1336和互连结构1312之间，而金属栅格介电层1342填充金属栅格开口1338，并将金属栅格1336与微透镜1334分离。
虽然参考方法的各种实施例描述了图17-图22、图23A-图23D、图24A和图24B，但是应当理解，图17-图22、图23A-图23D、图24A和图24B所示的结构不限于该方法，而是可以单独地与该方法分开。虽然图17-图22、图23A-图23D、图24A和图24B被描述为一系列动作，但是应当理解，在其他实施例中，动作的顺序可以改变。虽然图17-图22、图23A-图23D、图24A和图24B示出和描述为一组特定的动作，但是在其他实施例中可以省略示出和/或描述的一些动作。此外，未示出和/或描述的动作可以包括在其他实施例中。
参考图25，提供了图17-图22、图23A-图23D、图24A和图24B的方法的一些实施例的框图2500。
在2502处，图案化衬底以形成腔体。例如，参见图17。
在2504处，外延生长填充腔体的器件层。例如，参见图18。
在2506处，平坦化器件层以使器件层的顶面平坦。例如，参见图19。
在2508处，外延生长覆盖器件层的盖层。例如，参见图20。
在2510处，在盖层和器件层中形成光电检测器。例如，参见图21。
在2512处，沉积覆盖盖层的高k钝化层，其中高k钝化层引起沿盖层的顶面形成偶极矩。例如，参见图22。在一些实施例中，高k钝化层直接沉积在盖层上。在其他实施例中，氧化物钝化层直接沉积在盖层上，高k钝化层直接沉积在氧化物钝化层上。
在2514处，形成覆盖高k钝化层的互连结构，该互连结构通过高k钝化层中的接触通孔电耦合至光电检测器。例如，参见图23A或图24A。
在2516处，在衬底的前侧或衬底的背侧上形成与光电检测器竖直对准的微透镜。例如，参见图23D或图24B。
虽然本文将图25的框图2500示出和描述为一系列的动作或事件，但是应当理解，所示出的这些步骤或事件的顺序不应解释为限制意义。例如，一些步骤可以以不同顺序发生和/或与除了本文所示和/或所述动作或事件之外的其他动作或事件同时发生。此外，可以不要求所有示出的动作都用于实施本文中描述的一个或多个方面或实施例，并且可以在一个或多个单独的动作和/或阶段中进行本文中示出的一个或多个动作。
参考图26-图32，提供了用于形成图像传感器的方法的一些第一实施例的一系列截面图2600-3200，其中器件层的底面升高到衬底的顶面上方，并且其中钝化层被配置为在器件层中的光电检测器上方产生偶极矩，以降低暗电流。图31和图32是彼此的替代，其中图像传感器是BSI和FSI，并且各自从图26-图30单独进行。
如图26的截面图2600所示，半导体层2602外延生长以覆盖第一衬底118。半导体层2602是与第一衬底118不同的半导体材料。例如，半导体层2602可以是锗或硅锗，而第一衬底118可以是硅。然而，在替代实施例中，其他合适的材料也是可以的。在一些实施例中，半导体层2602对NIR和/或IR辐射的吸收系数比第一衬底118高。在一些实施例中，半导体层2602的带隙小于第一衬底118。
如图27的截面图2700所示，图案化半导体层2602(例如，参见图26)以形成器件层108。该图案化可以例如包括：1)在半导体层2602上方形成掩模；2)在掩模就位的情况下对半导体层2602进行蚀刻；以及3)去除掩模。掩模可以例如是光刻胶掩模和/或一些其他合适类型的掩模。在其他实施例中，通过一些其他合适的工艺来执行图案化。
如由图28-图30的截面图2800-3000所示，分别执行关于图20-图22所述的动作。在图28中，如关于图20所述，盖层110外延生长在器件层108上并将其覆盖。由于暴露了器件层108的侧壁，所以盖层110也生长在器件层108的侧壁上。此外，执行外延生长，使得盖层110生成在器件层108上，而不生长在衬底118上。在替代实施例中，盖层110也生长在衬底118上。在图29中，如关于图21所述，光电检测器106形成在器件层108和盖层110中。在图30中，如关于图22所述，高k钝化层102直接沉积在盖层110和第一衬底118上，从而形成界面层120。然后，将氧化物钝化层(例如，参见图12A的902)直接沉积在盖层110上，将高k钝化层102直接沉积在氧化物钝化层上。在替代实施例中，高k钝化层102的极性反转(例如，参见图5A、图5B和图6)。
如图31的截面图3100所示，执行关于图23A-图23D所述的动作，使得图像传感器是BSI。具体地，如关于图23A所述，第一互连结构1312形成在光电检测器106上方并与之电耦合，从而限定第一IC结构1302。如关于图23B所述形成第二IC结构1304。如关于图23C所述，第一IC结构1302竖直翻转并接合至第二IC结构1304。如关于图23D所述，微透镜1334和金属栅格1336形成为在第一衬底118的背侧上堆叠在第一衬底118上方。
图31示出将图像传感器形成为BSI的方法。然而，该方法可以替代地将图像传感器形成为FSI。在这样的替代实施例中，该方法从图26-图30进行到图32，跳过图31。此外，在图32处执行关于图24A和图24B所述的动作。具体地，如关于图24A所述，第一互连结构1312形成在光电检测器106上方并与之电耦合。此外，如关于图24B所述，微透镜1334和金属栅格1336形成为在第一衬底118的前侧上堆叠在第一互连结构1312上方。
虽然参考方法的各种实施例描述了图26-图32，但是应当理解，图26-图32所示的结构不限于该方法，而是可以独立于该方法。虽然图26-图32被描述为一系列动作，但是应当理解，在其他实施例中，动作的顺序可以改变。虽然图26-图32示出和描述为一组特定的动作，但是在其他实施例中可以省略示出和/或描述的一些动作。此外，未示出和/或描述的动作可以包括在其他实施例中。
参考图33，提供了图26-图32的方法的一些实施例的框图3300。
在3302处，在衬底上方外延生长半导体层。例如，参见图26。
在3304处，图案化半导体层以形成器件层。例如，参见图27。
在3306处，在器件层的顶面和器件层的侧壁上外延生长盖层。例如，参见图28。
在3308处，在盖层和器件层中形成光电检测器。例如，参见图29。
在3310处，沉积覆盖盖层的高k钝化层，其中高k钝化层引起沿盖层的顶面形成偶极矩。例如，参见图30。在一些实施例中，高k钝化层直接沉积在盖层上。在其他实施例中，氧化物钝化层直接沉积在盖层上，高k钝化层直接沉积在氧化物钝化层上。
在3312处，形成覆盖高k钝化层的互连结构，该互连结构通过高k钝化层中的接触通孔电耦合至光电检测器。例如，参见图31或图32。
在3314处，在衬底的前侧或衬底的背侧上形成与光电检测器竖直对准的微透镜。例如，参见图31或图32。
虽然本文将图33的框图3300示出和描述为一系列的动作或事件，但是应当理解，所示出的这些步骤或事件的顺序不应解释为限制意义。例如，一些步骤可以以不同顺序发生和/或与除了本文所示和/或所述动作或事件之外的其他动作或事件同时发生。此外，可以不要求所有示出的动作都用于实施本文中描述的一个或多个方面或实施例，并且可以在一个或多个单独的动作和/或阶段中进行本文中示出的一个或多个动作。
参考图34-图42，提供了用于形成图像传感器的方法的一些第二实施例的一系列截面图3400-4200，其中器件层的底面升高到衬底的顶面上方，并且其中钝化层被配置为在器件层中的光电检测器上方产生偶极矩，以降低暗电流。图41和图42是彼此的替代，其中图像传感器是BSI和FSI，并且各自从图34-图40单独进行。
如图34的截面图3400所示，沉积覆盖第一衬底118的光电检测器间介电层1202。光电检测器间介电层1202例如可以是或包括氧化硅和/或一些其他合适的电介质。光电检测器间介电层1202可以例如通过热氧化、气相沉积或一些其他合适的沉积工艺来沉积。
如图35的截面图3500所示，图案化光电检测器间介电层1202以形成腔体3502。该图案化例如可以通过光刻/蚀刻工艺或其他合适的图案化工艺来执行。
如图36-图40的截面图3600-4000所示，分别执行关于图18-图22所述的动作。在图36中，如关于图18所述，外延生长填充腔体3502(例如，参见图35)的器件层108。在图37中，如关于图19所述平坦化器件层108的顶面。然而，相对于光电检测器间介电层1202的顶面，器件层108的顶面没有被开槽。在替代实施例中，根据图19的开槽，相对于光电检测器间介电层1202的顶面，对器件层108的顶面开槽。在图38中，外延生长盖层110，因此其位于器件层108上并覆盖器件层108，如关于图20所述。在替代实施例中，盖层110外延生长，因此其也覆盖光电检测器间介电层1202。在图39中，如关于图21所述，光电检测器106形成在器件层108和盖层110中。在图40中，如关于图22所述，高k钝化层102直接沉积在盖层110和第一衬底118上。然后，将氧化物钝化层(例如，参见图9的902)直接沉积在盖层110上，将高k钝化层102直接沉积在氧化物钝化层上。
如图41的截面图4100所示，执行关于图23A-图23D所述的动作，使得图像传感器是BSI。具体地，如关于图23A所述，第一互连结构1312形成在光电检测器106上方并与之电耦合，从而限定第一IC结构1302。如关于图23B所述形成第二IC结构1304。如关于图23C所述，第一IC结构1302竖直翻转并接合至第二IC结构1304。如关于图23D所述，微透镜1334和金属栅格1336形成为在第一衬底118的背侧上堆叠在第一衬底118上方。
图41示出将图像传感器形成为BSI的方法。然而，该方法可以替代地将图像传感器形成为FSI。在这样的替代实施例中，方法从图34-图40进行到图42，跳过图41。此外，在图42处执行关于图24A和图24B所述的动作。具体地，如关于图24A所述，第一互连结构1312形成在光电检测器106上方并与之电耦合。此外，如关于图24B所述，微透镜1334和金属栅格1336形成为在衬底118的前侧上堆叠在第一互连结构1312上方。虽然参考方法的各种实施例描述了图34-图42，但是应当理解，图34-图42所示的结构不限于该方法，而是可以独立于该方法。虽然图34-图42被描述为一系列动作，但是应当理解，在其他实施例中，动作的顺序可以改变。
虽然图34-图42示出和描述为一组特定的动作，但是在其他实施例中可以省略示出和/或描述的一些动作。此外，未示出和/或描述的动作可以包括在其他实施例中。
参考图43，提供了图34-图42的方法的一些实施例的框图4300。
在4302处，在衬底上方沉积光电检测器间介电层。例如，参见图34。
在4304处，图案化光电检测器间介电层以形成腔体。例如，参见图35。
在4306处，外延生长填充腔体的器件层。例如，参见图36。
在4308处，平坦化器件层以使器件层的顶面平坦。例如，参见图37。
在4310处，外延生长覆盖器件层的盖层。例如，参见图38。
在4312处，在盖层和器件层中形成光电检测器。例如，参见图39。
在4314处，沉积覆盖盖层的高k钝化层，其中高k钝化层引起沿盖层的顶面形成偶极矩。例如，参见图40。在一些实施例中，高k钝化层直接沉积在盖层上。在其他实施例中，氧化物钝化层直接沉积在盖层上，高k钝化层直接沉积在氧化物钝化层上。
在4316处，形成覆盖高k钝化层的互连结构，该互连结构通过高k钝化层中的接触通孔电耦合至光电检测器。例如，参见图41或图42。
在4318处，在衬底的前侧或衬底的背侧上形成与光电检测器竖直对准的微透镜。例如，参见图41或图42。
虽然本文将图43的框图4300示出和描述为一系列的动作或事件，但是应当理解，所示出的这些步骤或事件的顺序不应解释为限制意义。例如，一些步骤可以以不同顺序发生和/或与除了本文所示和/或所述动作或事件之外的其他动作或事件同时发生。此外，可以不要求所有示出的动作都用于实施本文中描述的一个或多个方面或实施例，并且可以在一个或多个单独的动作和/或阶段中进行本文中示出的一个或多个动作。
在一些实施例中，本公开提供一种图像传感器，包括：衬底；器件层，覆盖衬底；盖层，覆盖器件层，其中盖层和器件层是半导体材料，并且其中盖层具有比器件层大的带隙；光电检测器，位于器件层和盖层中；以及钝化层，覆盖盖层，其中钝化层引起沿盖层的顶面形成偶极矩。在一些实施例中，图像传感器还包括位于钝化层和盖层之间并与之直接接触的界面层，其中钝化层是高k介电材料。在一些实施例中，钝化层引起在钝化层和盖层之间并与之直接接触的界面层的形成，其中偶极矩跨在钝化层和界面层直接接触的界面上。在一些实施例中，钝化层包括：氧化硅层，覆盖并直接接触盖层；以及高k介电层，覆盖并直接接触氧化硅层，其中偶极矩跨在高k介电层和氧化硅层直接接触的界面上。在一些实施例中，器件层插入衬底中，使得衬底位于器件层的侧壁上。在一些实施例中，器件层的底面升高到衬底的顶面上方。在一些实施例中，盖层从器件层的顶面到器件层的侧壁围绕器件层的顶角，并且沿着器件层的侧壁延伸。在一些实施例中，光电检测器包括位于盖层和器件层中的一对PIN二极管，并且其中PIN二极管分别位于器件层的相反侧上。在一些实施例中，图像传感器还包括从光电检测器延伸穿过钝化层的接触通孔，其中钝化层和接触通孔具有平坦的各个顶面。
在一些实施例中，本公开提供另一图像传感器，包括：衬底；器件层，覆盖衬底；盖层，覆盖器件层，其中盖层和器件层以及衬底是半导体材料，并且其中器件层是与衬底和盖层不同的半导体材料；光电检测器，位于器件层和盖层中；第一介电层，覆盖并直接接触盖层；以及第二介电层，覆盖并直接接触第一介电层，其中第一介电层和第二介电层包括氧化物，并且其中第二介电层具有比第一介电层高的介电常数。在一些实施例中，第一介电层包括来自盖层的半导体元素，并且还包括来自第二介电层的氧化物。在一些实施例中，衬底和盖层是硅，其中器件层包括锗。在一些实施例中，第一介电层在第一介电层和第二介电层直接接触的界面处具有负电荷，其中第二介电层在该界面处具有正电荷。在一些实施例中，第一介电层在第一介电层和第二介电层直接接触的界面处具有正电荷，其中第二介电层在该界面处具有负电荷。在一些实施例中，器件层被开槽到衬底的顶部，其中衬底具有对器件层加衬的p型注入区域。在一些实施例中，器件层具有升高到衬底的顶面上方的底面，其中盖层以及第一介电层和第二介电层沿着器件层的侧壁从顶部到底部延伸。
在一些实施例中，本公开提供一种用于形成图像传感器的方法，包括：外延生长覆盖衬底的器件层；外延生长覆盖器件层的盖层，其中盖层具有大于器件层的带隙；在器件层和盖层中形成光电检测器；以及沉积覆盖盖层的钝化层，其中钝化层引起沿盖层的顶面形成偶极矩。在一些实施例中，钝化层包括高k介电层，其中钝化层的沉积包括直接在盖层上沉积高k介电层，从而引起在盖层和高k介电层之间形成氧化硅界面层。在一些实施例中，钝化层包括氧化硅层和高k介电层，其中钝化层的沉积包括：直接在盖层上沉积氧化硅层；以及直接在氧化硅层上沉积高k介电层。在一些实施例中，该方法还包括图案化衬底以形成腔体，其中在腔体中外延生长器件层。
本申请的实施例提供了一种图像传感器，包括：衬底；器件层，覆盖所述衬底；盖层，覆盖所述器件层，其中所述盖层和所述器件层是半导体材料，并且其中，所述盖层具有比所述器件层大的带隙；光电检测器，位于所述器件层和所述盖层中；以及钝化层，覆盖所述盖层，其中，所述钝化层引起沿所述盖层的顶面形成偶极矩。在一些实施例中，还包括：界面层，位于所述钝化层和所述盖层之间并直接接触所述钝化层和所述盖层，其中，所述钝化层是高k介电材料。在一些实施例中，钝化层引起在所述钝化层和所述盖层之间并直接接触所述钝化层和所述盖层的界面层的形成，并且其中，所述偶极矩跨在所述钝化层和所述界面层直接接触的界面上。在一些实施例中，钝化层包括：氧化硅层，覆盖并直接接触所述盖层；以及高k介电层，覆盖并直接接触所述氧化硅层，其中，所述偶极矩跨在所述高k介电层和所述氧化硅层直接接触的界面上。在一些实施例中，器件层插入所述衬底中，使得所述衬底位于所述器件层的侧壁上。在一些实施例中，器件层的底面升高到所述衬底的顶面上方。在一些实施例中，盖层从所述器件层的顶面到所述器件层的侧壁围绕所述器件层的顶角，并且沿着所述器件层的侧壁延伸。在一些实施例中，光电检测器包括位于所述盖层和所述器件层中的一对PIN二极管，并且其中，所述PIN二极管分别位于所述器件层的相反侧上。在一些实施例中，接触通孔，从所述光电检测器延伸穿过所述钝化层，其中，所述钝化层和所述接触通孔具有平坦的各个顶面。
本申请的实施例提供了一种图像传感器，包括：衬底；器件层，覆盖所述衬底；盖层，覆盖所述器件层，其中，所述盖层和所述器件层以及所述衬底是半导体材料，并且其中，所述器件层是与所述衬底和所述盖层不同的半导体材料；光电检测器，位于所述器件层和所述盖层中；第一介电层，覆盖并直接接触所述盖层；以及第二介电层，覆盖并直接接触所述第一介电层，其中，所述第一介电层和所述第二介电层包括氧化物，并且其中，所述第二介电层具有比所述第一介电层高的介电常数。在一些实施例中，第一介电层和所述衬底包括硅。在一些实施例中，衬底和所述盖层是硅，并且其中，所述器件层包括锗。在一些实施例中，第一介电层在所述第一介电层和所述第二介电层直接接触的界面处具有负电荷，并且其中，所述第二介电层在所述界面处具有正电荷。在一些实施例中，第一介电层在所述第一介电层和所述第二介电层直接接触的界面处具有正电荷，并且其中，所述第二介电层在所述界面处具有负电荷。在一些实施例中，器件层被开槽到所述衬底的顶部，并且其中，所述衬底具有对所述器件层加衬的p型注入区域。在一些实施例中，器件层具有升高到所述衬底的顶面上方的底面，并且其中，所述盖层以及所述第一介电层和所述第二介电层沿着所述器件层的侧壁从顶部到底部延伸。
本申请的实施例提供一种用于形成图像传感器的方法，包括：外延生长覆盖衬底的器件层；外延生长覆盖所述器件层的盖层，其中，所述盖层具有比所述器件层大的带隙；在所述器件层和所述盖层中形成光电检测器；以及沉积覆盖所述盖层的钝化层，其中，所述钝化层引起沿所述盖层的顶面形成偶极矩。在一些实施例中，钝化层包括高k介电层，并且其中，所述钝化层的沉积包括直接在所述盖层上沉积所述高k介电层，从而引起在所述盖层和所述高k介电层之间形成氧化硅界面层。在一些实施例中，钝化层包括氧化硅层和高k介电层，并且其中，所述钝化层的沉积包括：直接在所述盖层上沉积所述氧化硅层；以及直接在所述氧化硅层上沉积所述高k介电层。在一些实施例中，还包括：图案化所述衬底以形成腔体，其中，在所述腔体中外延生长所述器件层。
以上论述了若干实施例的部件，使得本领域的技术人员可以更好地理解本发明的各个实施例。本领域技术人员应该理解，可以很容易地使用本发明作为基础来设计或更改其他的处理和结构以用于达到与本发明所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优点。本领域技术人员也应该意识到，这些等效结构并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。

Claims (10)

1.一种图像传感器，包括：
衬底；
器件层，覆盖所述衬底；
盖层，覆盖所述器件层，其中所述盖层和所述器件层是半导体材料，并且其中，所述盖层具有比所述器件层大的带隙；
光电检测器，位于所述器件层和所述盖层中；以及
钝化层，覆盖所述盖层，其中，所述钝化层引起沿所述盖层的顶面形成偶极矩。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
界面层，位于所述钝化层和所述盖层之间并直接接触所述钝化层和所述盖层，其中，所述钝化层是高k介电材料。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述钝化层引起在所述钝化层和所述盖层之间并直接接触所述钝化层和所述盖层的界面层的形成，并且其中，所述偶极矩跨在所述钝化层和所述界面层直接接触的界面上。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述钝化层包括：
氧化硅层，覆盖并直接接触所述盖层；以及
高k介电层，覆盖并直接接触所述氧化硅层，其中，所述偶极矩跨在所述高k介电层和所述氧化硅层直接接触的界面上。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述器件层插入所述衬底中，使得所述衬底位于所述器件层的侧壁上。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述器件层的底面升高到所述衬底的顶面上方。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，其中，所述盖层从所述器件层的顶面到所述器件层的侧壁围绕所述器件层的顶角，并且沿着所述器件层的侧壁延伸。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述光电检测器包括位于所述盖层和所述器件层中的一对PIN二极管，并且其中，所述PIN二极管分别位于所述器件层的相反侧上。
9.一种图像传感器，包括：
衬底；
器件层，覆盖所述衬底；
盖层，覆盖所述器件层，其中，所述盖层和所述器件层以及所述衬底是半导体材料，并且其中，所述器件层是与所述衬底和所述盖层不同的半导体材料；
光电检测器，位于所述器件层和所述盖层中；
第一介电层，覆盖并直接接触所述盖层；以及
第二介电层，覆盖并直接接触所述第一介电层，其中，所述第一介电层和所述第二介电层包括氧化物，并且其中，所述第二介电层具有比所述第一介电层高的介电常数。
10.一种用于形成图像传感器的方法，包括：
外延生长覆盖衬底的器件层；
外延生长覆盖所述器件层的盖层，其中，所述盖层具有比所述器件层大的带隙；
在所述器件层和所述盖层中形成光电检测器；以及
沉积覆盖所述盖层的钝化层，其中，所述钝化层引起沿所述盖层的顶面形成偶极矩。
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