CN115312553A - 用于在形成cmos图像传感器时释放硅应力的工艺 - Google Patents
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Abstract
用于在形成CMOS图像传感器时释放硅应力的工艺。在一个实施例中，一种用于制造图像传感器的方法包含提供作为半导体衬底的第一晶片，其中所述第一晶片具有第一侧及与所述第一侧相对的第二侧。所述方法还包含将第二晶片附接到所述第一晶片的所述第二侧。所述方法进一步包含通过蚀刻在所述第二晶片中形成隔离结构。所述隔离结构由所述第一晶片的所述第二侧定界。所述方法还包含在个别隔离结构之间生长外延层。
Description
技术领域
本公开大体上涉及图像传感器的设计，且特定来说涉及保护图像传感器免受暗电流的影响。
背景技术
图像传感器已变得无处不在。其广泛用于数码相机、手机、安全摄像头，以及医疗、汽车及其它应用。用于制造图像传感器的技术仍在飞速发展。例如，对更高图像传感器分辨率及更低功耗的需求促使图像传感器进一步小型化并集成到数字装置中。
随着图像传感器的分辨率增加，光电二极管之间的间距通常减少，从而产生更窄且更深的光电二极管。这些更紧密堆积的光电二极管更容易受到暗电流的干扰，这继而导致光电二极管之间的干扰，且甚至可能导致光电二极管饱和(也称为“白像素”)。一些图像传感器包含浅沟槽隔离(STI)，所述浅沟槽隔离(STI)限制光电二极管中的暗电流。然而，STI，尤其当与整体像素相比相对较小时，可能导致半导体材料中的应力集中。在一些情况下，此类应力集中为裂纹发展及半导体位错提供起始点。随着时间的推移，裂纹传播遍及半导体材料，并损坏图像传感器。
发明内容
根据本申请案的方面，提供一种用于制造图像传感器的方法。所述方法包括：提供作为半导体衬底的第一晶片，其中所述第一晶片具有第一侧及与所述第一侧相对的第二侧；将第二晶片附接到所述第一晶片的所述第二侧；在所述第二晶片中形成隔离结构，其中所述隔离结构由所述第一晶片的所述第二侧定界；及在个别隔离结构之间生长外延层。
根据本申请案的另一方面，提供一种图像传感器。所述图像传感器包括：多个像素，其布置成像素阵列的行及列；多个晶体管，其靠近所述多个像素安置；及多个隔离结构，其靠近所述多个晶体管布置；其中所述隔离结构经配置在外延层内，且其中所述隔离结构及所述外延层终止于半导体衬底的外侧处。
附图说明
参考以下图描述本发明的非限制性及非详尽实施例，其中相似参考数字是指贯穿各种视图的相似部分，除非另有指定。
图1是根据本技术的实施例的实例图像传感器的图。
图2是根据本技术的实施例的实例像素的示意性俯视图。
图3是根据本技术的实施例的实例像素的示意性俯视图。
图4是根据本技术的实施例的隔离结构的侧向横截面视图。
图5A到5D说明根据本技术的实施例的隔离结构的制造工艺。
贯穿图的若干视图，对应的参考字符指示对应组件。所属领域的技术人员应了解，为了简单且清楚起见说明图中的元件，且并不一定按比例绘制所述元件。举例来说，图中一些元件的尺寸可相对于其它元件被夸大以帮助改善对本发明的各种实施例的理解。此外，通常不描绘在商业可行的实施例中有用或必要的常见但好理解的元件以便促进对本发明的这些各种实施例更直观了解。
具体实施方式
公开图像传感器，且特定来说具有针对暗电流的改进保护的图像传感器。此类传感器可为CMOS(互补金属-氧化物-半导体)传感器。在以下描述中，陈述众多特定细节以提供对实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员应认识到，可在没有特定细节中的一或多者的情况下或运用其它方法、组件、材料等等而实践本文描述的技术。在其它例子中，未展示或详细描述众所周知的结构、材料或操作以避免使某些方面模糊。
贯穿此说明书对“一个实例”或“一个实施例”的参考意味着与实例相结合而描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实例中。因此，贯穿此说明书在多个地方出现短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”并不一定都是指相同的实例。此外，在一或多个实例中，特定的特征、结构或特性可以任何合适方式组合。
为便于描述，空间相对术语(例如“下面”、“下方”、“下”、“底下”、“上方”、“上”及类似物)可用于描述一个元件或特征与另一(些)元件或特征的关系，如图中说明。应理解，空间相对术语希望涵盖装置在使用或操作中除图中所描绘的定向之外的不同定向。举例来说，如果图中的装置翻转，那么被描述为在其它元件或特征“下方”或“下面”或“底下”的元件将定向成在其它元件或特征“上方”。因此，示范性术语“下面”或“底下”可涵盖上方及下面的定向两者。装置可以其它方式定向(旋转90度或处于其它定向)，且本文使用的空间相对描述词可相应地解释。另外，还应理解，当层被称为在两个层“之间”时，其可为两个层之间的唯一层，或还可存在一或多个中介层。
在本公开中，术语“半导体衬底”或“衬底”是指用于在其上形成半导体装置的任何类型的衬底，包含单晶衬底、绝缘体上半导体(SOI)衬底、掺杂硅体衬底及半导体上外延膜(EPI)衬底及其类似者。进一步来说，尽管将主要相对于与硅基半导体材料(例如，硅及硅与锗及/或碳的合金)兼容的材料及工艺来描述各种实施例，但本技术不限于此方面。确切来说，可使用任何类型的半导体材料实施各种实施例。
贯穿此说明书，使用所属领域的若干术语。这些术语将采用其所来自的领域中的其普通含义，除非本文具体定义或其使用的上下文将另外明确暗示。应注意，贯穿此档案可互换地使用元件名称及符号(例如，Si对硅)；然而，两者具有相同意义。
简而言之，本技术的实施例涉及具有不太利于半导体材料中的材料位错及裂纹的隔离结构的光电二极管(也称为像素)。此类隔离结构可为浅沟槽隔离(STI)结构。在操作中，隔离结构减少半导体中的暗电流，因此减少光学传感器的像素噪声。然而，STI结构的存在本身也可能导致暗电流。因此，在一些实施例中，减小STI结构的大小以减小由STI结构产生的暗电流的强度。在一些实施例中，这些相对较小的STI结构被相对深地埋入硅衬底中，这导致STI结构的边缘或顶点处的应力集中，这继而可能导致材料位错及裂纹传播遍及环绕的硅衬底。可使用未埋入(例如，通过蚀刻及后续的材料沉积)衬底材料(例如，Si)中的STI结构来减少此类应力集中。
在一些实施例中，通过在主要衬底(例如，Si晶片)上方沉积次要材料(例如，氧化物)层，然后掩模及蚀刻次要材料的部分以形成STI结构来制造STI结构。由于STI结构未埋入主要衬底中，因此可以避免或至少减少应力集中。一旦形成STI结构，外延层(例如，外延生长的Si，也称为外延层或Si-EPI)可经沉积在主要衬底上方，因此填充已形成的STI结构之间的空间。通常，外延生长材料的此添加消除或至少减少应力集中。所产生的STI结构，尽管具有相对较小的大小，但不起应力集中器的作用，因此材料位错及裂纹传播的发生率减小。
在一些实施例中，在产生STI结构的掩模及蚀刻之前，主要衬底(例如，Si晶片)可与次要材料(例如，Si氧化物晶片，也称为第二晶片或次要晶片)接合。在其它实施例中，次要材料可通过例如半导体材料沉积方法(例如，气相沉积)形成在主要衬底上方。
图1是根据本技术的实施例的实例图像传感器10的图。图像传感器10包含像素阵列12、控制电路系统16、读出电路系统14及功能逻辑18。在一个实例中，像素阵列12是光电二极管或图像传感器像素11(例如，像素P1、P2、…、Pn)的二维(2D)阵列。在不同的实施例中，两个或更多个图像传感器像素11可被分组为多个像素单元。如所说明的，光电二极管经布置成行(例如，行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)。在操作中，光电二极管获取场景的图像数据，所述图像数据然后可用于渲染人物、地点、对象等的2D图像。然而，在其它实施例中，光电二极管可经布置成除行及列之外的配置。
在实施例中，在像素阵列12中的每一像素11获取其图像电荷之后，图像数据由读出电路系统14经由位线13读出，且然后传送到功能逻辑18。每一像素11的读出图像数据共同构成图像帧。在各种实施例中，读出电路系统14可包含信号放大器、模/数(ADC)转换电路系统及数据传输电路系统。功能逻辑18可通过应用后图像效果(例如，裁剪、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或以其他方式)存储图像数据或甚至操纵图像数据。在一些实施例中，控制电路系统16及功能逻辑18可组合成单个功能块，以控制像素11对图像的捕获及从读出电路系统14读出图像数据。例如，功能逻辑18可包含数字处理器。在实施例中，读出电路系统14可沿读出列线(位线13)一次读取一行图像数据，或可使用各种其它技术读取图像数据，例如同时对所有像素进行串行读出或完全并行读出。
在一个实施例中，控制电路系统16经耦合到像素阵列12以控制像素阵列12中的多个光电二极管的操作。例如，控制电路系统16可生成用于控制图像获取的快门信号。在一个实施例中，快门信号是全局快门信号，其用于在单个数据获取窗口期间同时使像素阵列12内的所有像素能够同时捕获其相应的图像数据。在另一实施例中，快门信号是滚动快门信号，使得在连续获取窗口期间，每一行、每一列或每一组像素被顺序地启用。在另一实施例中，图像获取与例如闪光灯的照明效果同步。在不同的实施例中，控制电路系统16可经配置以控制像素11中的每一者以执行用于图像校准的一或多个暗电流像素帧及正常图像帧的获取操作。
在一个实施例中，读出电路系统14包含模/数转换器(ADC)，所述模/数转换器(ADC)将从像素阵列12接收的模拟图像数据转换为数字表示。图像数据的数字表示可被提供到功能逻辑18。
在不同的实施例中，图像传感器10可被包含到数码相机、手机、膝上型计算机或其类似者中。此外，图像传感器10可经耦合到硬件的其它件，例如处理器(通用或其它)、存储器元件、输出(USB端口、无线发射器、HDMI端口等)、照明/闪光灯、电输入(键盘、触摸显示器、轨迹板、鼠标、麦克风等)及/或显示器。硬件的其它件可将指令传递到图像传感器10，从图像传感器10提取图像数据，或操纵由图像传感器10供应的图像数据。
图2是根据本技术的实施例的实例像素的示意性俯视图。为简单起见，说明四个光电二极管136-1、136-2、136-3及136-4，但在其它实施例中，像素110可包含更多或更少数量的光电二极管136。像素110的外周边用数字236标注。像素的有源区域由142标注。每一光电二极管136-1、136-2、136-3、136-4(统称为“136-i”或“136”)可包含通过将例如砷(As)及磷(P)的N型掺杂剂植入P型外延区域而形成的N型掺杂区域。在一些实施例中，极性可反转，例如，像素110可包含在N型外延区域内形成的P型掺杂区域，用于将空穴累积为电荷。
在所说明的实施例中，一行晶体管布置在光电二极管136-1、136-2、136-3及136-4的侧上。替代地，所述一行晶体管可沿着像素110的光电二极管136-1、136-2、136-3及136-4的外周边布置。在一些实施例中，所述一行晶体管可包含行选择晶体管(RS)151、源极跟随器晶体管(SF)153及复位晶体管(Rst)155(统称为晶体管150)。在其它实施例中，光电二极管136-1、136-2、136-3及136-4的电荷可用更多或更少数量的晶体管以及取决于像素电路配置的不同类型的晶体管来管理。在操作中，晶体管150可由电压节点(例如，VDD)供电。
所述一行晶体管150可部分地被隔离结构(例如浅沟槽隔离或STI)141环绕，以至少部分地将所说明的晶体管150及光电二极管136与下一组光电二极管136(未展示)分离，因此减少暗电流。如上文所解释的，减少暗电流减小像素饱和(“白像素”)的发生率，并改进像素读出的准确度。转移晶体管TX1到TX4(也称为垂直转移栅极)控制从光电二极管136到读出电路系统14的电荷转移。在一些实施例中，此类隔离结构可为浅沟槽隔离(STI)。
图3是根据本技术的实施例的实例像素的示意性俯视图。如上文所解释的，隔离结构141的存在本身可诱发暗电流。因此，在一些实施例中，减小隔离结构(例如，STI 141)的大小以便减少图像传感器的暗电流。在一些实施例中，具有减小大小的STI 141可被称为部分STI图案。图3说明此类部分STI图案的非限制性实例。
在一些实施例中，STI 141及晶体管150可横向同延。在一些实施例中，STI 141可在所述一行晶体管150的两侧上横向地支撑晶体管150。在其它实施例中，STI 141可用来自相邻像素的对应深沟槽隔离(DTI)结构隔离所述一行晶体管150的靠近光电二极管136的侧上的晶体管150，以在晶体管150的相对侧处提供隔离结构。
然而，这些STI结构继而可能在图像传感器的半导体中诱发应力，这继而导致材料位错及裂纹传播。下面参考图4说明此类裂纹传播的非限制性实例。
图4是根据本技术的实施例的隔离结构141的侧向横截面视图。在一些实施例中，隔离结构141可为STI。在所说明的实施例中，STI 141延伸穿过硬氧化物层206、氧化物层204及衬底202。在一些实施例中，硬氧化物层206是SiN层。在制造期间，此类硬氧化物层206限制由化学机械平坦化所赋予的材料移除深度，因此保护材料的较低层免受过度材料移除的影响。
氧化物层204(例如，Si氧化物或SiO2)将硬氧化物层206与衬底202(例如，Si晶片)分离。在不同的实施例中，氧化物层204改进电组件(例如，晶体管栅极，未展示)与衬底202之间的电隔离。此外，氧化物层204可减小相对坚硬的氧化物层206与衬底202(例如，硅晶片)之间的应力失配。STI 141可通过蚀刻穿过层206到202的开口，然后将隔离材料沉积到蚀刻的开口中来制造。在一些实施例中，STI 141的材料是氧化物，例如Si氧化物(SiO2)。在形成STI之后，可通过化学机械平坦化来移除多余的材料，其中硬氧化物层206用于限制材料移除的过度深度。
在许多实施例中，STI 141的相对窄且深的形状在衬底202中生成应力集中器。这些应力集中器促进材料位错，并在衬底202中起始裂纹302。随着时间的推移，这些最初的小裂纹可能传播遍及衬底202，从而损坏图像传感器。下面参考图5A到5D描述可减少材料位错及裂纹302的发生的制造工艺的一些实施例。
图5A到5D说明根据本技术的实施例的制造工艺。图5A说明衬底202，例如Si晶片。衬底202在本文中也被称为主要衬底或第一晶片。
图5B说明附接到衬底202的第二晶片204(例如，SiO2晶片或SiO2层)。在一些实施例中，可通过化学气相沉积在衬底202上方形成第二晶片204。在其它实施例中，氧化物层204可为与衬底202接合的晶片。
图5C说明在掩模及蚀刻第二晶片204之后形成的隔离结构141(例如，STI)。例如，此类蚀刻可为湿蚀刻工艺、干蚀刻工艺或干及湿蚀刻工艺的组合。所产生的隔离结构141保持附接到衬底202，但不会在隔离结构的边角处产生应力集中。
图5D说明由外延层208环绕的隔离结构141。在不同的实施例中，外延层208可通过在单晶硅衬底202上生长单晶硅层而沉积在衬底202上。在一些实施例中，可通过化学气相沉积来沉积外延层208，所述化学气相沉积是从适当的化学前体的反应在衬底上形成非挥发性固体膜的工艺。此类化学前体的一些实例是SiCl4(例如，在1150到1250℃下施加)、SiHCl3(例如，在1100到1200℃下施加)、SiHCl2(例如，在1050到1150℃下施加)及SiH4(在低于1050℃下施加，例如，950℃下施加)。在一些实施例中，外延层208的高度(H)对应于隔离结构141的高度。
一般来说，所产生的外延层208与其它材料(如衬底202、STI 141及其它材料(未展示))之间的应力被减小或消除，从而减少或消除材料位错及裂纹传播。此外，隔离结构141及外延层208的组合消除或至少减少半导体层中的应力集中器。
上文所描述的技术的许多实施例可采用计算机或控制器可执行指令的形式，包含由可编程计算机或控制器执行的例程。相关领域的技术人员将了解，本技术可在除上文所展示及描述以外的计算机/控制器系统上实践。本技术可体现在专用计算机、专用集成电路(ASIC)、控制器或数据处理器中，其被专门编程、配置或构造来执行上文所描述的一或多个计算机可执行指令。当然，本文所描述的任何逻辑或算法都可在软件或硬件，或在软件及硬件的组合中实施。
本发明的所说明实例的上文描述，包含说明书摘要中所描述的内容，不旨在为详尽的或将本发明限制为所揭示的精确形式。虽然本文出于说明性目的描述本发明的具体实例，但如相关领域的技术人员将认识到，各种修改在本发明的范围内是可能的。在本说明书的上下文中，术语“近似”或“大约”意指所陈述值的+/-5％。
鉴于上文详细的描述，可对本发明的实例做出这些修改。所附权利要求中所使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书中揭示的具体实例。确切来说，本发明的范围将完全由下列权利要求确定，所述权利要求应根据权利要求解释的既定原则来解释。
Claims (20)
1.一种用于制造图像传感器的方法，其包括：
提供作为半导体衬底的第一晶片，其中所述第一晶片具有第一侧及与所述第一侧相对的第二侧；
将第二晶片附接到所述第一晶片的所述第二侧；
在所述第二晶片中形成隔离结构，其中所述隔离结构由所述第一晶片的所述第二侧定界；及
在个别隔离结构之间生长外延层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述隔离结构是浅沟槽隔离STI结构。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述外延层从所述半导体衬底的所述第二侧生长。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述外延层的高度对应于所述隔离结构的高度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一晶片是硅Si晶片，且其中所述外延层是外延Si层。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第二晶片是Si氧化物晶片。
7.根据权利要求1所述的方法，其中附接所述第二晶片包括在所述第一晶片的所述第二侧上气相沉积氧化硅SiO2。
8.根据权利要求1所述的方法，其中附接所述第二晶片包括将氧化硅SiO2晶片附接到所述第一晶片的所述第二侧。
9.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括形成多个光电二极管。
10.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括形成靠近所述隔离结构的多个晶体管。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述隔离结构相对于对应的多个晶体管横向配置。
12.一种图像传感器，其包括：
多个像素，其布置成像素阵列的行及列；
多个晶体管，其靠近所述多个像素安置；及
多个隔离结构，其靠近所述多个晶体管布置；
其中所述隔离结构经配置在外延层内，且其中所述隔离结构及所述外延层终止于半导体衬底的外侧处。
13.根据权利要求12所述的图像传感器，其中所述隔离结构是浅沟槽隔离STI结构。
14.根据权利要求12所述的图像传感器，其中所述外延层的高度对应于所述隔离结构的高度。
15.根据权利要求12所述的图像传感器，其中所述第一半导体衬底具有第一侧及与所述第一侧相对的第二侧，其中所述外延层具有面向所述半导体衬底的所述第二侧的第一侧及与所述第一侧相对的第二侧，且其中所述隔离结构经配置在所述外延层的所述第一侧与所述外延层的所述第二侧之间。
16.根据权利要求15所述的图像传感器，其中所述隔离结构横向接触所述外延层，且其中所述隔离结构接触所述半导体衬底的所述第二侧。
17.根据权利要求12所述的图像传感器，其中所述多个晶体管被支撑在个别隔离结构之间。
18.根据权利要求12所述的图像传感器，其中所述半导体衬底是硅Si晶片。
19.根据权利要求12所述的图像传感器，其中所述外延层是外延Si层。
20.根据权利要求12所述的图像传感器，其中所述隔离结构是Si氧化物隔离结构。
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