CN114695404A - 集成芯片、图像传感器及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

在一些实施例中，本公开涉及一种集成晶片、图像传感器及其形成方法。图像传感器包括衬底。光检测器位于衬底中且包含延伸到衬底的第一侧中的半导体保护环。浅沟槽隔离结构延伸到衬底的第一侧中。外部隔离结构延伸到与衬底的第一侧相对的衬底的第二侧中到达浅沟槽隔离结构。浅沟槽隔离结构和外部隔离结构横向包围光检测器。内部隔离结构延伸到衬底的第二侧中且上覆光检测器。内部隔离结构通过衬底与光检测器竖直分离。此外，外部隔离结构横向包围内部隔离结构。

Description

集成芯片、图像传感器及其形成方法
技术领域
本公开涉及图像传感器及其形成方法。
背景技术
具有互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的集成电路(IC)用于广泛范围的现代电子器件，例如摄像机和蜂窝电话。一些CMOS图像传感器是基于雪崩光电二极管(avalanche photodiode；APD)和单光子雪崩光电二极管(single-photon avalanchephotodiode；SPAD)。
APD是利用光电效应将光转换成电的光电二极管类型。APD具有以接近但不超过击穿电压的高电压进行反向偏置的p-n结。雪崩效应响应于入射辐射而被触发，这引起与光学信号强度线性相关的电流增益。SPAD是与APD类似的光电二极管类型。SPAD具有以与APD类似的高电压进行反向偏置的p-n结。然而，与APD相比，高电压超过击穿电压。因此，入射于SPAD上的单光子可能引起更加显著的雪崩效应且因此引起更加显著的电流增益。这又允许使用SPAD对个别光子进行计数。
发明内容
根据本公开一些实施例，一种图像传感器，其特征在于，包括：衬底；光检测器，位于所述衬底中且包括延伸到所述衬底的第一侧中的半导体保护环；浅沟槽隔离结构，延伸到所述衬底的所述第一侧中；外部隔离结构，延伸到与所述衬底的所述第一侧相对的所述衬底的第二侧中到达所述浅沟槽隔离结构，其中所述浅沟槽隔离结构和所述外部隔离结构横向包围所述光检测器；以及内部隔离结构，延伸到所述衬底的所述第二侧中且上覆所述光检测器，其中所述内部隔离结构通过所述衬底与所述光检测器竖直分离，且其中所述外部隔离结构横向包围所述内部隔离结构。
根据本公开一些实施例，一种集成芯片，其特征在于，包括：半导体衬底；像素，位于所述半导体衬底的第一侧上且包括所述半导体衬底中的光检测器，其中所述光检测器包括第一半导体区、第二半导体区以及保护环，其中所述第一半导体区和所述保护环具有与所述第二半导体区相对的掺杂类型且从所述第一侧延伸到所述第二半导体区中，且其中所述保护环将所述第一半导体区的侧壁与所述第二半导体区分离；以及双沟槽隔离结构，延伸到与所述半导体衬底的所述第一侧相对的所述半导体衬底的第二侧中，且包括外部隔离结构和内部隔离结构，其中所述外部隔离结构沿所述像素的边界横向包围所述像素且延伸到所述半导体衬底中到达第一深度，其中所述内部隔离结构上覆所述光检测器且延伸到所述半导体衬底中到达小于所述第一深度的第二深度。
根据本公开一些实施例，一种用于形成图像传感器的方法，其特征在于，所述方法包括：在衬底的第一侧上形成像素，其中所述像素包括所述衬底中的光检测器，且其中所述光检测器包括延伸到所述衬底的所述第一侧中的保护环；形成电耦合到所述衬底的所述第一侧上的所述像素的内连线结构；图案化与所述衬底的所述第一侧相对的所述衬底的第二侧以形成外部隔离开口和内部隔离开口，其中所述外部隔离开口延伸到所述衬底中到达第一深度且沿所述像素的边界横向包围所述像素，且其中所述内部隔离开口延伸到所述衬底中到达小于所述第一深度的第二深度且上覆所述光检测器；以及在所述外部隔离开口和所述内部隔离开口中沉积第一介电层以形成双沟槽隔离结构。
附图说明
当结合附图阅读时，从以下详细描述最好地理解本公开的各方面。应注意，根据行业中的标准惯例，各种特征未按比例绘制。事实上，为了论述清楚起见，可任意增大或减小各种特征的尺寸。
图1示出包括双沟槽隔离结构的图像传感器的一些实施例的截面图。
图2A到图2C示出图1的图像传感器的一些实施例的顶部布局图。
图3示出包括双沟槽隔离结构的图像传感器的一些实施例的截面图，其中图像传感器被背侧照明(back-side illuminated；BSI)。
图4示出包括双沟槽隔离结构的图像传感器的一些实施例的截面图，其中双沟槽隔离结构包括两个或多于两个层。
图5示出包括双沟槽隔离结构的图像传感器的一些实施例的截面图，其中图像传感器被前侧照明(front-side illuminated；FSI)。
图6示出图5的图像传感器的一些实施例的顶部布局图。
图7示出包括双沟槽隔离结构的图像传感器的一些实施例的截面图，其中内部隔离结构在保护环的内部侧壁之间延伸。
图8示出图7的图像传感器的一些实施例的顶部布局图。
图9示出包括双沟槽隔离结构的图像传感器的一些实施例的截面图，其中双沟槽隔离结构包括第一内部隔离区段和第二内部隔离区段。
图10示出图9的图像传感器的一些实施例的顶部布局图。
图11示出包含各自包括双沟槽隔离结构的两个像素的图像传感器的一些实施例的截面图。
图12示出图11的图像传感器的一些实施例的顶部布局图。
图13示出包含图像传感器的集成芯片的一些额外实施例的截面图，所述图像传感器包括双沟槽隔离结构。
图14到图22示出用于形成包含图像传感器的集成芯片的方法的一些实施例的截面图，所述图像传感器包括双沟槽隔离结构。
图23示出用于形成包含图像传感器的集成芯片的方法的一些实施例的流程图，所述图像传感器包括双沟槽隔离结构。
附图标号说明
100、300、400、500、700、900、1100、1300、1400、1500、1600、1700、1800、1900、2000、2100、2200：截面图；
101、101a、101b：像素；
102：衬底；
102b：背侧；
102f：前侧；
103、103a、103b：光检测器；
104：第一半导体区；
105：半导体井；
106：保护环；
107：接触区；
108：浅沟槽隔离结构；
110：第一介电层；
112、112a、112b：接触件；
114、120、128：介电层；
116、124、132：金属线；
122、130：通孔；
134：外部隔离开口；
135：光刻胶掩模；
136：内部隔离开口；
138：外部隔离结构；
139：双沟槽隔离结构；
140：内部隔离结构；
140a：第一内部隔离区段；
140b：第二内部隔离区段；
141：第一隔离层；
142：抗反射涂层；
143：第二隔离层；
144：衬垫开口；
146：衬垫结构；
150、156：内连线结构；
152：光子；
154：微透镜；
158：第一深度；
160：第二深度；
162：第一距离；
164：第一宽度；
166：第二宽度；
210、220、230、600、800、1000、1200：顶部布局图；
2300：方法；
2302、2304、2306、2308、2310、2312、2314、2316：动作；
A-A′、B-B′、C-C′、D-D′、E-E′：线。
具体实施方式
以下公开内容提供用于实施所提供主题的不同特征的许多不同实施例或实例。下文描述组件和布置的特定实例以简化本公开。当然，这些组件和布置仅为实例且并不意图为限制性的。举例来说，在以下描述中，第一特征在第二特征上方或第二特征上的形成可包含第一特征与第二特征直接接触地形成的实施例，且还可包含额外特征可在第一特征与第二特征之间形成以使得第一特征与第二特征可不直接接触的实施例。另外，本公开可能在各个实例中重复参考数字和/或字母。这种重复是出于简化和清楚的目的，且本身并不指示所论述的各种实施例和/或配置之间的关系。
此外，为了易于描述，可在本文中使用例如“在…下”、“在…下方”、“下部”、“在…上方”、“上部”以及类似者的空间相关术语，以描述如图中所示出的一个元件或特征与另一(一些)元件或特征的关系。除各图中所描绘的定向之外，空间上相对术语意图涵盖器件在使用或操作中的不同定向。设备可以按其它方式定向(旋转90度或处于其它定向)，且本文中所使用的空间相对描述词可同样相应地进行解释。
互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器可用于检测近红外(near infrared；NIR)辐射。这类CMOS图像传感器可例如用于飞行时间(time-of-flight；ToF)传感器、监控摄像机等。然而，CMOS图像传感器可采用硅基光电二极管。举例来说，用于ToF传感器的CMOS图像传感器可采用基于硅的单光子雪崩光电二极管(SPAD)。硅具有较大带隙且因此对NIR辐射的吸收较差。因此，CMOS图像传感器对于NIR辐射可具有较差的量子效率(quantumefficiency；QE)。为了减轻这个问题，可采用若干技术。举例来说，背侧深沟槽隔离(backside deep trench isolation；BDTI)结构和高吸收(high absorption；HA)结构可用于增强吸收。
BDTI结构延伸到衬底的背侧中且单独地包围光检测器中的每一者。此外，BDTI结构包括介电材料，所述介电材料的折射率小于衬底的折射率，以促进BDTI结构与衬底之间的BDTI界面处的全内反射(total internal reflection；TIR)。替代地，BDTI结构可包括金属或一些其它合适的反射材料。BDTI结构的反射降低了辐射在光检测器之间通过且增加串扰的可能性。此外，BDTI结构的反射将辐射反射回接收到辐射的光检测器，由此给予光检测器吸收辐射的另一机会。因此，BDTI结构可增加灵敏度和QE。
HA结构也位于衬底的背侧上，且对应于衬底与抗反射层之间的HA界面。HA界面具有散射入射辐射的突起和凹陷。散射增加BDTI结构将辐射反射回接收到辐射的光检测器的可能性，由此给予光检测器吸收辐射的另一机会。此外，抗反射层的折射率小于衬底的折射率以促进HA界面处的TIR。因此，HA结构将辐射反射回接收到辐射的光检测器，由此给予光检测器吸收辐射的另一机会。因此，HA结构可增加灵敏度和QE。
利用BDTI结构和HA结构增强吸收的挑战在于，沿衬底的背侧形成HA结构可能是昂贵工艺和/或复杂工艺。举例来说，HA结构的形成可取决于昂贵的光掩模和/或一系列复杂的刻蚀工艺。
本公开的各种实施例是针对包含图像传感器的集成芯片，所述图像传感器包括用于改进图像传感器的QE同时降低形成图像传感器的成本和复杂度的双沟槽隔离结构。图像传感器可包含沿衬底的多个像素。多个像素中的一个像素包括衬底中的光检测器和衬底中的双沟槽隔离结构。光检测器位于衬底的前侧上且包括衬底中的第一半导体区和衬底中包围第一半导体区的保护环。双沟槽隔离结构位于衬底的与前侧相对的背侧上，且包括外部隔离结构和内部隔离结构。外部隔离结构沿像素的边界延伸且将像素与相邻像素横向地分离。内部隔离结构延伸到衬底中到达比外部隔离结构更小的深度且位于外部隔离结构的内部侧壁之间。此外，内部隔离结构与光检测器对准。在一些实施例中，内部隔离结构与保护环对准，使得内部隔离结构位于保护环的正上方或正下方。
通过将双沟槽隔离结构安置在衬底中使得外部隔离结构将像素与相邻像素横向地分离，可减小像素之间的串扰。此外，通过将双沟槽隔离结构安置在衬底中使得内部隔离结构与光检测器对准且位于外部隔离结构的内部侧壁之间，进入像素的光子可由于与内部隔离结构碰撞而在衬底中经历增加的绕射、折射和/或反射。这可增加光子横穿光检测器的次数且可因此增加由光检测器吸收的可能性。结果，可增加图像传感器的QE，由此增加图像传感器和集成芯片的效能。此外，与实施HA结构相比，在图像传感器中实施双沟槽隔离结构可以是相对简单和/或低成本的工艺。因此，可减少生产图像传感器的成本。
图1示出包括双沟槽隔离结构139的图像传感器的一些实施例的截面图100。截面图100可例如跨图2A到图2C中的任一者的线A-A′截取。
在这类实施例中，图像传感器包含沿衬底102的像素101。像素101包括衬底102中的光检测器103。光检测器103包括位于衬底102中且沿衬底102的前侧102f的第一半导体区104。第一半导体区104具有第一掺杂类型且衬底102具有与第一掺杂类型相对的第二掺杂类型，使得p-n结存在于第一半导体区104与衬底102之间的界面处。光检测器103还包括在衬底102中沿衬底102的前侧102f并且沿第一半导体区104的侧壁的保护环106。保护环106横向包围第一半导体区104且将第一半导体区104与衬底102横向分离。保护环具有与第一半导体区104相同的掺杂(例如，第一掺杂类型)，但具有与第一半导体区104不同(例如，较小)的掺杂浓度。
在一些实施例中，接触件112可延伸穿过安置于衬底102的前侧102f上的第一介电层110到达第一半导体区104且可电连接到第一半导体区104。图像传感器还可包括沿像素101与相邻像素之间的边界安置于光检测器103的相对侧上的浅沟槽隔离(STI)结构108。另外，抗反射涂层(ARC)142可沿衬底102的背侧102b安置。
图像传感器还包括衬底102中的双沟槽隔离结构139。双沟槽隔离结构包括内部隔离结构140和外部隔离结构138。外部隔离结构138可从衬底102的背侧102b延伸到衬底102中到达第一深度158，且内部隔离结构140可从衬底102的背侧102b延伸到衬底102中到达小于第一深度158的第二深度160。外部隔离结构138可位于STI结构108的正上方且延伸到STI结构108中。内部隔离结构140位于保护环106的正上方且可通过衬底102与保护环106竖直地分离。外部隔离结构138横向包围内部隔离结构140。此外，外部隔离结构138可通过衬底102与内部隔离结构140横向分离。此外，外部隔离结构138和STI结构108可一起将像素101与相邻像素横向分离。
通过将双沟槽隔离结构139安置在衬底102中，使得内部隔离结构140位于光检测器103上方且位于保护环106正上方，进入衬底102的光子可与内部隔离结构140碰撞。继而，光子可在衬底102中经历增加的绕射、折射和/或反射。这可增加光子横穿光检测器103的次数且可因此增加由光检测器103吸收的可能性。结果，可增加图像传感器的QE，由此增加图像传感器和集成芯片的性能。
虽然图1示出图像传感器的单个像素101，但应了解，图像传感器可包含沿衬底102的一些其它数目的像素。
在一些实施例中，光检测器103可例如是或包括光电二极管、雪崩光电二极管(APD)、单光子雪崩光电二极管(SPAD)或类似者。
衬底102可例如是或包括半导体，例如硅或类似者。第一半导体区104和保护环106可例如包括掺杂硅、一些其它半导体或类似者。确切地说，第一半导体区104和保护环106可例如包括n型掺杂或p型掺杂。
第一介电层110可例如是或包括二氧化硅、氮化硅、一些其它介电质或前述的任何组合。
接触件112可例如是或包括钨、铜、钛、一些其它金属或前述的任何组合。
ARC层142可包括抗反射材料。举例来说，抗反射材料可包括二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、一些金属氧化物材料、一些其它合适的材料或前述的任何组合。在一些实施例中，ARC层142的折射率小于衬底102的折射率以促进ARC层142与衬底102之间的界面处的TIR。这类TIR可例如朝向光检测器103反射辐射以改进QE。
STI结构108可例如是或包括二氧化硅、氮化硅、一些其它介电材料或前述的任何组合。在一些实施例中，STI结构108的折射率小于衬底102的折射率以促进STI结构108与衬底102之间的界面处的TIR。这类TIR可例如朝向光检测器103反射辐射以改进QE。
另外，双沟槽隔离结构139包括一或多个隔离材料。一或多个隔离材料可例如包括二氧化硅、氮化硅、氧化铪、氧化铝、氧化锌、一些其它介电材料、钨、铜、一些其它金属材料或前述的任何组合。在一些实施例中，双沟槽隔离结构139是或包括反射材料，例如金属或一些其它合适的材料。此外，在一些实施例中，双沟槽隔离结构的折射率小于衬底102的折射率以促进双沟槽隔离结构139与衬底102之间的界面处的TIR。如上文所描述，双沟槽隔离结构139的反射可例如改进QE。
第一深度158可为约2.5微米到约6微米。第二深度160可小于第一深度158。此外，第二深度160可小于约2微米、小于约5.5微米或是一些其它合适的深度。举例来说，第二深度160可为约0.1微米到约5.4微米。外部隔离结构138与内部隔离结构140之间的第一距离162可为约0.2微米到2.2微米。此外，内部隔离结构140的内部侧壁之间的距离(未标记)可大致等于保护环106的内部侧壁之间的距离(未标记)。
第二深度160小于第一深度158，使得内部隔离结构140不延伸到保护环106中(即，使得内部隔离结构140不影响光检测器103的性能和/或可靠性)。此外，第一深度158大于第二深度160，使得外部隔离结构138延伸穿过衬底以隔离像素101，由此减少串扰。外部隔离结构138与内部隔离结构140之间的第一距离162可足够大而使得内部隔离结构140不位于保护环106的横向外侧，且足够小而使得内部隔离结构140不位于保护环106的横向内侧(即，可选择第一距离162以使得内部隔离结构140位于保护环106的正上方)。
图2A到图2C示出图1的图像传感器的一些实施例的顶部布局图210到顶部布局图230。
内部隔离结构140可位于保护环106的正上方，使得内部隔离结构140可具有与保护环106大致相同的顶部布局。此外，内部隔离结构140可沿第一闭路(未标记)包围光检测器103的中心且保护环106也可以沿第一闭路包围光检测器103的中心。
内部隔离结构140可具有具有平滑边缘的圆环形形状，如图2A中所示出。替代地，内部隔离结构140可具有如图2B中的方环形形状或如图2C中的具有锥形角的修改后的方环形形状。
虽然图2A到图2C示出具有与内部隔离结构140大致相同的顶部布局的保护环106，但应了解，保护环106和内部隔离结构140可具有不同顶部布局。举例来说，如图2B和图2C中所示出，保护环106可改为具有圆环形形状(例如，106a)。
图3示出包括双沟槽隔离结构139的图像传感器的一些实施例的截面图300，其中图像传感器被背侧照明(BSI)。
在这类实施例中，图像传感器包括沿衬底102的前侧102f的光检测器103。光检测器103可包括衬底102中的半导体井105。第一半导体区104和保护环106可安置在半导体井105中。半导体井105可横向包围第一半导体区104和保护环106。另外，接触区107可安置在半导体井105中且可横向包围保护环106。图像传感器还可包括位于衬底102的背侧102b上方的微透镜154，光子152可穿过所述微透镜154进入图像传感器。
在一些实施例中，衬底102可包括第一掺杂类型且半导体井105可包括与第一掺杂类型相对的第二掺杂类型。另外，第一半导体区104和保护环106可包括第一掺杂类型且接触区107可包括第二掺杂类型。举例来说，接触区107可定义光检测器103的阳极，而第一半导体区104可定义光检测器103的阴极，或反之亦然。
另外，第一接触件112a延伸穿过第一介电层110到达第一半导体区104，且第二接触件112b延伸穿过第一介电层110到达接触区107。
在一些实施例中，彩色滤光片(图中未绘示)和复合金属网格(composite metalgrid；CMG)结构(图中未绘示)可位于ARC层142与微透镜154之间的ARC层142上方。
图4示出包括双沟槽隔离结构139的图像传感器的一些实施例的截面图400，其中双沟槽隔离结构包括两个或多于两个层。
在这类实施例中，外部隔离结构138和内部隔离结构140包括第一隔离层141和与第一隔离层141不同的第二隔离层143。第二隔离层143可沿第一隔离层141的侧壁和下部表面安置。第二隔离层143可横向包围第一隔离层141，使得第二隔离层143将第一隔离层141与衬底102分离。
第一隔离层141可例如包括二氧化硅、氮化硅、一些其它介电质、钨、铜、钴、钛、一些其它金属或前述的任何组合。第二隔离层143可例如包括二氧化硅、氮化硅、氧化铪、氧化锌、氧化铝、一些其它介电质或前述的任何组合。
图5示出包括双沟槽隔离结构139的图像传感器的一些实施例的截面图500，其中图像传感器被前侧照明(FSI)。截面图500可沿图6的线B-B′截取。
在这类实施例中，图像传感器包括沿衬底102的前侧102f安置的光检测器103。双沟槽隔离结构139包括从衬底102的背侧102b延伸到衬底102中的内部隔离结构140和外部隔离结构138。内部隔离结构140可位于光检测器103下方。举例来说，内部隔离结构140可位于保护环106正下方或位于保护环106的内部侧壁之间。接触件112可安置在第一介电层110中和光检测器103上方。内连线结构156可位于接触件112上方。内连线结构156可例如包括一或多条金属线、一或多个通孔以及一或多个介电层。此外，微透镜154可位于内连线结构156上方。
图6示出图5的图像传感器的一些实施例的顶部布局图600。
在一些实施例中，STI结构108沿像素101的边界包围光检测器103。接触区107可包围保护环106且保护环106可包围第一半导体区104。虽然图6示出图像传感器的单个像素101，但应了解，图像传感器可包含沿衬底102的另一数目的像素。
图7示出包括双沟槽隔离结构139的图像传感器的一些实施例的截面图700，其中内部隔离结构140在保护环106的内部侧壁之间延伸。截面图700可例如沿图8的线C-C′截取。
在这类实施例中，内部隔离结构140可形成于第一半导体区104正上方且位于保护环106的内部侧壁之间。
通过将双沟槽隔离结构139安置在衬底102中，使得内部隔离结构140位于光检测器103上方且位于保护环106的内部侧壁之间，进入衬底102的光子152可与内部隔离结构140碰撞。继而，光子152可在衬底102中经历增加的绕射、折射和/或反射。这可增加光子152横穿光检测器103的次数且可因此增加由光检测器103吸收的可能性。结果，可增加图像传感器的QE，由此增加图像传感器和集成芯片的性能。
图8示出图7的图像传感器的一些额外实施例的顶部布局图800。
内部隔离结构140可具有十字形的顶部布局。另外，内部隔离结构140可从保护环106的内部侧壁之间延伸到保护环106的顶部的正上方，且可进一步延伸超出保护环106的外部侧壁。
图9示出包括双沟槽隔离结构139的图像传感器的一些实施例的截面图900，其中双沟槽隔离结构139包括第一内部隔离区段140a和第二内部隔离区段140b。截面图900可例如沿图10的线D-D′截取。
内部隔离结构140包括第一内部隔离区段140a和位于第一内部隔离区段140a的内部侧壁之间的第二内部隔离区段140b。第一内部隔离区段140a可通过衬底102与第二内部隔离区段140b横向间隔开。第一内部隔离区段140a位于保护环106的顶部的正上方。第二内部隔离区段140b位于第一半导体区104的顶部的正上方且位于保护环106的内部侧壁之间。第一内部隔离区段140a可横向包围第二内部隔离区段140b。
此外，第一内部隔离区段140a可延伸到衬底102中到达第一深度(未标记)，且第二内部隔离区段140b可延伸到衬底102中到达可大于、小于、或等于第一深度的第二深度(未标记)。此外，第一内部隔离区段140a可具有第一宽度(未标记)，且第二内部隔离区段140b可具有大于、小于或等于第一宽度的第二宽度(未标记)。
图10示出图9的图像传感器的一些额外实施例的顶部布局图1000。
在这类实施例中，第一内部隔离区段140a可具有与保护环106大致相同的顶部布局，且可以环形形状包围像素101的中心，而第二内部隔离区段140b可以十字形状在像素101的中心上方延伸。
图11示出包含各自包括双沟槽隔离结构139的两个像素(例如101a、101b)的图像传感器的一些实施例的截面图1100。截面图1100可沿图12的线E-E′截取。
在这类实施例中，图像传感器包括第一像素101a和邻近于第一像素101a的第二像素101b(即，相邻像素)。第一像素101a可包括第一光检测器103a且第二像素101b可包括第二光检测器103b(即，相邻光检测器)。外部隔离结构138和STI结构108可沿第一像素101a与第二像素101b之间的边界将第一像素101a与第二像素101b横向分离(且因此将第一光检测器103a与第二光检测器103b横向分离)。
图12示出图11的图像传感器的一些额外实施例的顶部布局图1200。
图像传感器可包括例如一乘二像素阵列。外部隔离结构138可横向包围第一像素101a和第二像素101b两者且可将第一像素101a和第二像素101b横向分离。虽然图12示出包括一乘二像素阵列的图像传感器，但应了解，还可使用具有不同大小和/或尺寸的像素阵列。
图13示出包含图像传感器的集成芯片的一些额外实施例的截面图1300，所述图像传感器包括双沟槽隔离结构。
集成芯片包括衬底102中的一或多个光检测器103、沿衬底102的前侧102f的一或多条金属线，以及上覆光检测器103上方且包围光检测器103的一或多个双沟槽隔离结构。举例来说，集成芯片可包括两个光检测器103，所述光检测器103包括半导体井105、半导体井105中的第一半导体区104以及位于半导体井105中且包围第一半导体区104的保护环106。
多个接触件112可延伸穿过第一介电层110到达光检测器103。包括多个金属线(例如，116、124、132)、多个通孔(例如，122)以及一或多种金属-绝缘体-金属(metal-insulator-metal；MIM)电容器(例如，130)的内连线结构150可位于接触件112下方且位于多个额外介电层(例如，114、120、128)中。
此外，多个STI结构108可沿衬底102的前侧102f安置在衬底102中且位于光检测器103之间。ARC层142也可沿衬底的背侧102b安置，且衬垫结构146可沿集成芯片的外围部分安置且安置在衬垫开口144下。
在一些实施例中，双沟槽隔离结构包括从衬底102的背侧102b延伸穿过衬底到达底层STI结构108的一或多个外部隔离结构138。双沟槽隔离结构还包括光检测器103上方的一或多个内部隔离结构140。内部隔离结构140可位于保护环106的正上方，如图13中所示出，和/或位于保护环106的内部侧壁之间，如图7和图9中所示出。
图14到图22示出用于形成包含图像传感器的集成芯片的方法的一些实施例的截面图1400到截面图2200，所述图像传感器包括双沟槽隔离结构。尽管相对于方法描述图14到图22，但应了解，图14到图22中所公开的结构不限于这种方法，但取而代之，可单独作为独立于方法的结构。
如图14的截面图1400中所绘示，提供衬底102。衬底102包括前侧102f和与前侧102f相对的背侧102b。
如图15的截面图1500中所绘示，一或多个光检测器103可形成于衬底102中。举例来说，一或多个半导体井105可形成于衬底102中，一或多个第一半导体区104和一或多个接触区107可形成于半导体井105中，以及一或多个保护环106可形成于半导体井105中且沿第一半导体区104的侧壁形成。保护环106可例如具有如图2A到图2C中的任一者中所示的顶部布局或一些其它合适的顶部布局。半导体井105、第一半导体区104、接触区107以及保护环106中的任一者可例如通过离子植入或另一合适的工艺来形成。
另外，一或多个STI结构108可形成于衬底102的前侧102f中。STI结构108可例如通过执行一或多个刻蚀以在衬底102的前侧102f中形成STI开口且随后通过化学气相沉积(chemical vapor deposition；CVD)、物理气相沉积(physical vapor deposition；PVD)、原子层沉积(atomic layer deposition；ALD)、旋涂工艺、一些其它合适的沉积工艺或前述的任何组合在STI开口中沉积隔离材料来形成。
如图16的截面图1600中所绘示，第一介电层110可在STI结构108和光检测器103上方沿衬底102的前侧102f形成。第一介电层110可例如通过CVD、PVD、ALD、旋涂工艺、一些其它合适的沉积工艺或前述的任何组合沿衬底102的前侧102f沉积介电材料来形成。
另外，一或多个接触件112可形成于衬底102的前侧102f上。接触件112可延伸穿过第一介电层110到达第一半导体区104和接触区107。用于形成接触件112的工艺可例如包括：刻蚀第一介电层110以在第一介电层110中形成接触开口；在接触开口中沉积金属材料；以及对金属材料执行平坦化。然而，其它合适的工艺也是适合的。刻蚀可例如包括湿式刻蚀工艺、干式刻蚀工艺或类似者。沉积可例如通过溅镀工艺、电镀工艺、一些其它合适的沉积工艺或前述的任何组合来执行。平坦化可例如包括化学机械平坦化(chemical mechanicalplanarization；CMP)工艺或类似者。
如图17的截面图1700中所绘示，包括多个金属线和通孔的内连线结构150可形成于第一介电层110和接触件112上方且可经由接触件电连接到光检测器103。
举例来说，一或多条第一金属线116、一或多个第一通孔122、一或多条第二金属线124、一或多个第二通孔130以及一或多条第三金属线132可形成于第一金属线116上方，且可形成于第二介电层114、第三介电层120以及第四介电层128中。介电层(例如，114、120、128)可例如通过CVD、PVD、ALD、旋涂工艺、一些其它合适的沉积工艺或前述的任何组合来沉积介电材料而形成。用于形成金属线(例如，116、124、132)和通孔(例如，122、130)的工艺可例如包括刻蚀介电层(例如，114、120、128)以在介电层中形成金属线开口和通孔开口；在金属线开口和通孔开口中沉积金属材料；以及使金属材料平坦化。然而，其它合适的工艺也是适合的。刻蚀可例如包括湿式刻蚀工艺、干式刻蚀工艺或类似者。沉积可例如通过溅镀工艺、电镀工艺、一些其它合适的沉积工艺或前述的任何组合来执行。平坦化可例如包括CMP工艺或类似者。
如图18的截面图1800中所绘示，可旋转集成芯片以使得衬底102的后侧102b上覆衬底102的前侧102f。
如图19的截面图1900中所绘示，光刻胶掩模135可沿衬底102的背侧102b形成。可随后在适当的位置使用光刻胶掩模135刻蚀衬底102的背侧102b以在衬底102的背侧102b中形成一或多个外部隔离开口134和一或多个内部隔离开口136。
外部隔离开口134的第一宽度164大于内部隔离开口136的第二宽度166。第一宽度164可例如为约0.2微米，且/或第二宽度166可例如为约0.05微米到0.2微米。然而，其它合适的尺寸也是适合的。因为第一宽度164大于第二宽度166，所以刻蚀所使用的刻蚀剂更容易与衬底102交互且因此外部隔离开口134延伸到衬底102中到达比内部隔离开口136更深的深度。刻蚀可例如包括湿式刻蚀工艺、干式刻蚀工艺或一些其它合适的刻蚀工艺。外部隔离开口134可从衬底102的背侧102b延伸穿过衬底102到达STI结构108。此外，内部隔离开口136可从衬底102的背侧102b延伸到衬底102内和半导体井105上方。
如图20的截面图2000中所绘示，一或多个双沟槽隔离结构可形成于隔离开口中。举例来说，一或多个外部隔离结构138和一或多个内部隔离结构140可分别形成于外部隔离开口134和内部隔离开口136中。
形成外部隔离结构138和内部隔离结构140可例如包括在外部隔离开口134和内部隔离开口136中沉积一或多个隔离材料，且随后对隔离材料执行平坦化。沉积可例如通过CVD、PVD、ALD、旋涂工艺、溅镀工艺、电镀工艺、一些其它合适的沉积工艺或前述的任何组合来执行。平坦化可例如包括CMP工艺或类似者。外部隔离结构138和内部隔离结构140的宽度和/或顶部布局可例如等于其相关联开口的宽度和/或顶部布局(例如，第一宽度164和第二宽度166)。
外部隔离结构138和内部隔离结构140可例如具有如图2A到图2C中的任一者所示的顶部布局或一些其它合适的顶部布局。然而，在一些替代实施例中，双沟槽隔离结构可例如具有在光检测器103上方延伸的内部隔离结构140，如在图7到图10中的任一者中所示。
如图21的截面图2100中所绘示，ARC层142可沿衬底102的背侧102b形成且形成于双沟槽隔离结构上方。ARC层142可例如通过CVD、PVD、ALD、旋涂工艺、一些其它合适的沉积工艺或前述的任何组合来沉积抗反射材料而形成。
如图22的截面图2200中所绘示，衬垫开口144可形成于衬底102的背侧102b中。衬垫开口144可形成于衬底102的外围部分中，使得衬垫开口144与光检测器103横向间隔开且位于STI结构108中的一个的正上方。衬垫开口144可例如通过使用湿式刻蚀工艺、干式刻蚀工艺或另一合适的刻蚀工艺来刻蚀衬底102的背侧102b而形成。
另外，衬垫结构146可形成在底层STI结构108中的衬垫开口144下。衬垫结构146可延伸穿过底层STI结构108且穿过第一介电层110到达第一金属线116中的一者。衬垫结构146可例如通过刻蚀底层STI结构108和第一介电层110以在底层STI结构108和第一介电层110中形成开口，且随后通过溅镀工艺、电镀工艺、一些其它合适的沉积工艺或前述的任何组合在开口中沉积金属材料来形成。
一般来说，与实施HA结构相比，在图像传感器中实施双沟槽隔离结构可以是相对简单和/或廉价的工艺。因此，可减少生产图像传感器的成本。然而，应了解，在一些实施例中(图中未绘示)，除了双沟槽隔离结构外，也可以实施HA结构以进一步改进图像传感器的性能。此外，通过在衬底102中形成双沟槽隔离结构，使得内部隔离结构140位于光检测器103上方，进入衬底102的光子可与内部隔离结构140碰撞且在衬底102中经历增加的绕射、折射、和/或反射。这可增加光子横穿光检测器103的次数且可因此增加由光检测器103吸收的可能性。因此，可增加图像传感器的QE，由此增加图像传感器和集成芯片的性能。
另外，方法还可包括沿衬底102的背侧102b形成一或多个微透镜(图中未绘示)，光子可穿过所述微透镜进入衬底102，使得图像传感器可被背侧照明。替代地，方法还可包括沿衬底102的前侧102f形成一或多个微透镜(图中未绘示)，光子可穿过所述微透镜进入衬底102，使得图像传感器可被前侧照明。
图23示出用于形成包含图像传感器的集成芯片的方法2300的一些实施例的流程图，所述图像传感器包括双沟槽隔离结构。虽然方法2300在下文示出且描述为一系列动作或事件，但应了解，不应以限制意义来解释这类动作或事件的所示出的次序。举例来说，除本文中所示出和/或所描述的动作或事件外，一些动作可与其它动作或事件以不同次序和/或同时出现。此外，可能需要并非所有的所示出动作以实施本文中的描述的一或多个方面或实施例。此外，本文中所描绘的动作中的一或多个可以一或多个单独动作和/或阶段进行。
在2302处，一或多个光检测器和一或多个浅沟槽隔离(STI)结构沿衬底的前侧形成于衬底中。图15示出对应于动作2302的一些实施例的截面图1500。
在2304处，第一介电层形成于衬底的前侧上方，且一或多个接触件形成于第一介电层中。图16示出对应于动作2304的一些实施例的截面图1600。
在2306处，一或多个额外介电层和内连线结构形成于第一介电层上方。图17示出对应于动作2306的一些实施例的截面图1700。
在2308处，旋转衬底以使得衬底的背侧位于衬底的前侧上方。图18示出对应于动作2308的一些实施例的截面图1800。
在2310处，图案化衬底的背侧以形成延伸到衬底的背侧中的一或多个外部隔离开口和一或多个内部隔离开口。图19示出对应于动作2310的一些实施例的截面图1900。
在2312处，一或多个隔离材料沉积在一或多个外部隔离开口中和一或多个内部隔离开口中以形成一或多个外部隔离结构和一或多个内部隔离结构。图20示出对应于动作2312的一些实施例的截面图2000。
在2314处，ARC层形成于衬底的背侧上方。图21示出对应于动作2314的一些实施例的截面图2100。
在2316处，衬垫结构沿衬底的外围部分形成。图22示出对应于动作2316的一些实施例的截面图2200。
因此，本公开的各种实施例是针对包含图像传感器的集成芯片，所述图像传感器包括用于改进图像传感器的QE同时降低形成图像传感器的成本和复杂度的双沟槽隔离结构。
因此，在一些实施例中，本公开涉及包括衬底的图像传感器。光检测器位于衬底中且包括延伸到衬底的第一侧中的半导体保护环。浅沟槽隔离(STI)结构延伸到衬底的第一侧中。外部隔离结构延伸到与衬底的第一侧相对的衬底的第二侧中到达STI结构。STI结构和外部隔离结构横向包围光检测器。内部隔离结构延伸到衬底的第二侧中且上覆光检测器。内部隔离结构通过衬底与光检测器竖直分离。此外，外部隔离结构横向包围内部隔离结构。
在一些实施例中，所述外部隔离结构具有安置在从所述衬底的所述第二侧测量的第一深度处的下部表面，其中所述内部隔离结构具有安置在从所述衬底的所述第二侧测量的第二深度处的下部表面，且其中所述第一深度大于所述第二深度。在一些实施例中，所述第一深度是约2.5微米到6微米，其中所述第二深度小于约2微米或小于约5.5微米，且其中所述外部隔离结构与所述内部隔离结构之间的横向距离是约0.2微米到2.2微米。在一些实施例中，所述内部隔离结构位于所述半导体保护环的正上方，且通过所述衬底与所述半导体保护环竖直分离。在一些实施例中，所述内部隔离结构在第一闭路中包围所述光检测器的中心，且其中所述半导体保护环沿所述第一闭路包围所述光检测器的所述中心。在一些实施例中，所述外部隔离结构和所述内部隔离结构包括第一层和不同于所述第一层的第二层，其中所述第二层横向包围所述第一层且将所述第一层与所述衬底分离。在一些实施例中，所述光检测器是单光子雪崩光电二极管(SPAD)。
在其它实施例中，本公开涉及包括半导体衬底的集成芯片。像素位于半导体衬底的第一侧上且包括半导体衬底中的光检测器。光检测器包括第一半导体区、第二半导体区以及保护环。第一半导体区和保护环具有与第二半导体区相对的掺杂类型且从第一侧延伸到第二半导体区中。保护环将第一半导体区的侧壁与第二半导体区分离。双沟槽隔离结构延伸到与半导体衬底的第一侧相对的半导体衬底的第二侧中，且包括外部隔离结构和内部隔离结构。外部隔离结构沿像素的边界横向包围像素且延伸到半导体衬底中到达第一深度。此外，内部隔离结构上覆光检测器且延伸到半导体衬底中到达小于第一深度的第二深度。
在一些实施例中，所述内部隔离结构位于所述保护环的正上方且通过所述半导体衬底与所述保护环竖直分离。在一些实施例中，所述内部隔离结构具有环形顶部布局。在一些实施例中，所述内部隔离结构和所述保护环具有大致相同的顶部布局。在一些实施例中，所述内部隔离结构和所述外部隔离结构包括金属层和横向包围所述金属层且将所述金属层与所述半导体衬底分离的介电层。在一些实施例中，所述内部隔离结构位于所述第一半导体区的正上方且在所述保护环的相对侧壁之间，且其中所述内部隔离结构通过所述半导体衬底与所述第一半导体区竖直分离。在一些实施例中，所述内部隔离结构的第一区段位于所述保护环的正上方，其中所述内部隔离结构的第二区段位于所述第一半导体区的正上方且在所述保护环的相对侧壁之间，且其中所述第一区段横向包围所述第二区段。在一些实施例中，所述的集成芯片，还包括：相邻光检测器，通过所述外部隔离结构与所述光检测器横向分离；以及相邻内部隔离结构，位于所述相邻光检测器正上方，其中所述外部隔离结构横向包围所述内部隔离结构和所述相邻内部隔离结构两者。在一些实施例中，所述保护环和所述内部隔离结构包括不同顶部布局。
在又其它实施例中，本公开涉及用于形成图像传感器的方法。方法包括在衬底的第一侧上形成像素。像素包括位于衬底中的光检测器，且光检测器包括延伸到衬底的第一侧中的保护环。内连线结构电耦合到形成于衬底的第一侧上的像素。图案化与衬底的第一侧相对的衬底的第二侧以形成外部隔离开口和内部隔离开口。外部隔离开口延伸到衬底中到达第一深度且沿像素的边界横向包围像素。内部隔离开口延伸到衬底中到达小于第一深度的第二深度且上覆光检测器。此外，第一介电层沉积在外部隔离开口和内部隔离开口中以形成双沟槽隔离结构。
在一些实施例中，形成所述双沟槽隔离结构还包括在所述第一介电层上方沉积第一金属层，使得所述第一金属层由所述第一介电层横向包围且所述第一金属层通过所述第一介电层与所述衬底横向分离。在一些实施例中，所述内部隔离开口形成在所述保护环的正上方，使得所述内部隔离开口具有与所述保护环相同的顶部布局。
前文概述若干实施例的特征，使得本领域的技术人员可更好地理解本公开的各方面。本领域的技术人员应了解，其可轻易地将本公开用作设计或修改用于实现本文中所引入的实施例的相同目的和/或达成相同优势的其它工艺和结构的基础。本领域的技术人员还应认识到，这些等效构造并不脱离本公开的精神和范围，且可在不脱离本公开的精神和范围的情况下在本文中进行各种改变、替代以及更改。

Claims (10)

1.一种图像传感器，其特征在于，包括：
衬底；
光检测器，位于所述衬底中且包括延伸到所述衬底的第一侧中的半导体保护环；
浅沟槽隔离结构，延伸到所述衬底的所述第一侧中；
外部隔离结构，延伸到与所述衬底的所述第一侧相对的所述衬底的第二侧中到达所述浅沟槽隔离结构，其中所述浅沟槽隔离结构和所述外部隔离结构横向包围所述光检测器；以及
内部隔离结构，延伸到所述衬底的所述第二侧中且上覆所述光检测器，其中所述内部隔离结构通过所述衬底与所述光检测器竖直分离，且其中所述外部隔离结构横向包围所述内部隔离结构。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述外部隔离结构具有下部表面，所述下部表面安置在从所述衬底的所述第二侧测量的第一深度处，其中所述内部隔离结构具有下部表面，所述下部表面安置在从所述衬底的所述第二侧测量的第二深度处，且其中所述第一深度大于所述第二深度。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述内部隔离结构位于所述半导体保护环的正上方，且通过所述衬底与所述半导体保护环竖直分离。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述内部隔离结构在第一闭路中包围所述光检测器的中心，且其中所述半导体保护环沿所述第一闭路包围所述光检测器的所述中心。
5.一种集成芯片，其特征在于，包括：
半导体衬底；
像素，位于所述半导体衬底的第一侧上且包括所述半导体衬底中的光检测器，其中所述光检测器包括第一半导体区、第二半导体区以及保护环，其中所述第一半导体区和所述保护环具有与所述第二半导体区相对的掺杂类型且从所述第一侧延伸到所述第二半导体区中，且其中所述保护环将所述第一半导体区的侧壁与所述第二半导体区分离；以及
双沟槽隔离结构，延伸到与所述半导体衬底的所述第一侧相对的所述半导体衬底的第二侧中，且包括外部隔离结构和内部隔离结构，其中所述外部隔离结构沿所述像素的边界横向包围所述像素且延伸到所述半导体衬底中到达第一深度，其中所述内部隔离结构上覆所述光检测器且延伸到所述半导体衬底中到达小于所述第一深度的第二深度。
6.根据权利要求5所述的集成芯片，其中所述内部隔离结构具有环形顶部布局。
7.根据权利要求5所述的集成芯片，其中所述内部隔离结构和所述外部隔离结构包括金属层和横向包围所述金属层且将所述金属层与所述半导体衬底分离的介电层。
8.根据权利要求5所述的集成芯片，其中所述内部隔离结构位于所述第一半导体区的正上方且在所述保护环的相对侧壁之间，且其中所述内部隔离结构通过所述半导体衬底与所述第一半导体区竖直分离。
9.根据权利要求5所述的集成芯片，其中所述内部隔离结构的第一区段位于所述保护环的正上方，其中所述内部隔离结构的第二区段位于所述第一半导体区的正上方且在所述保护环的相对侧壁之间，且其中所述第一区段横向包围所述第二区段。
10.一种用于形成图像传感器的方法，其特征在于，所述方法包括：
在衬底的第一侧上形成像素，其中所述像素包括所述衬底中的光检测器，且其中所述光检测器包括延伸到所述衬底的所述第一侧中的保护环；
形成电耦合到所述衬底的所述第一侧上的所述像素的内连线结构；
图案化与所述衬底的所述第一侧相对的所述衬底的第二侧以形成外部隔离开口和内部隔离开口，其中所述外部隔离开口延伸到所述衬底中到达第一深度且沿所述像素的边界横向包围所述像素，且其中所述内部隔离开口延伸到所述衬底中到达小于所述第一深度的第二深度且上覆所述光检测器；以及
在所述外部隔离开口和所述内部隔离开口中沉积第一介电层以形成双沟槽隔离结构。
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