CN116169151B - 半导体结构、半导体结构的制作方法及图像传感器器件 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种半导体结构、半导体结构的制作方法及图像传感器器件，该半导体结构包括衬底、沟槽、隔离层、压电材料层与供压层，其中，沟槽位于衬底中，隔离层覆盖沟槽的底部和侧壁，压电材料层位于隔离层的远离衬底的表面上，供压层填充在沟槽中，覆盖压电材料层远离隔离层的表面，供压层在预设条件下产生形变，以向压电材料层提供压应力。本申请的压电材料层表面会因为内部供压层提供的压应力发生偶极子翻转，从而会在表面聚集稳定的感应电荷，该电荷产生的感应电场可有效阻止光生载流子在不同像素的光电二极管间相互转移，能有效降低器件之间的电信号串扰。
Description
技术领域
本申请涉及半导体领域，具体而言，涉及一种半导体结构、半导体结构的制作方法及图像传感器器件。
背景技术
背照式图像传感器通过背部的彩色滤光片像素对外界光源进行过滤分解，各波段的光穿过携带晶圆到达光电二极管上，自此光子转化为电子产生电学信号。随背照式的应用场景及要求的不断提高像素阵列愈发密集，不同像素间会通过深槽隔离结构进行隔离，防止电子在不同像素之间穿梭造成MOS（Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管）接受到的信号出现串扰。同时会在深槽隔离结构中填充不同材料用以提升电子传输壁垒，这种材料往往是依靠自身导电性来阻绝电子传输，当像素逐渐密集时这种材料本身壁垒已无法完全实现阻挡大量的电子传输，这种串扰在接触式图像传感器的实际应用中是有害的。
在背景技术部分中公开的以上信息只是用来加强对本文所描述技术的背景技术的理解，因此，背景技术中可能包含某些信息，这些信息对于本领域技术人员来说并未形成在本国已知的现有技术。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种半导体结构、半导体结构的制作方法及图像传感器器件，以解决现有技术的图像传感器中，电子在不同像素之间穿梭造成MOS接受到的信号出现串扰的问题。
为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种半导体结构，该半导体结构包括衬底、沟槽、隔离层、压电材料层与供压层，其中，所述沟槽位于所述衬底中，所述隔离层覆盖所述沟槽的底部和侧壁，所述压电材料层位于所述隔离层的远离所述衬底的表面上，所述供压层填充在所述沟槽中，覆盖所述压电材料层远离所述隔离层的表面，所述供压层在预设条件下产生形变，以向所述压电材料层提供压应力。
可选地，所述供压层填满所述沟槽。
可选地，所述衬底包括正面与背面，所述沟槽从所述衬底的背面嵌入至所述衬底中，所述隔离层、所述压电材料层以及所述供压层构成深槽隔离结构，所述深槽隔离结构有多个，多个所述深槽隔离结构间隔设置，所述半导体结构还包括多个间隔设置的浅槽隔离结构，所述浅槽隔离结构通过所述衬底的正面嵌入至所述衬底中，所述浅槽隔离结构与所述深槽隔离结构在预定表面上的投影至少部分重叠，所述预定表面垂直于所述衬底的厚度方向。
可选地，所述半导体结构还包括感光层和多个滤光片，所述感光层位于所述衬底的表面上，且覆盖所述深槽隔离结构；多个所述滤光片间隔地位于所述感光层远离所述衬底的表面上，所述滤光片在所述衬底中的投影位于相邻的两个所述深槽隔离结构之间。
可选地，所述半导体结构还包括MOS器件，所述MOS器件位于所述衬底的正面表面上。
可选地，所述预设条件包括预设的温度范围，所述供压层的材料包括二氧化硅。
可选地，所述压电材料层的材料包括氮化铝。
根据本申请的另一方面，提供了一种半导体结构的制作方法，包括：提供衬底；去除部分衬底，以在所述衬底中形成沟槽；形成覆盖述沟槽的底部和侧壁的隔离层；在所述隔离层的裸露表面上形成压电材料层；在剩余的所述沟槽中填充供压层，所述供压层在预设条件下产生形变，以给所述压电材料层提供压应力。
可选地，在所述隔离层的裸露表面上形成压电材料层，包括：采用物理气相沉积的方法在所述隔离层的裸露表面上和所述衬底的裸露表面上生长初始压电材料层；去除部分所述初始压电材料层，以使得所述衬底的表面裸露，剩余的所述初始压电材料层形成所述压电材料层。
根据本申请的另一方面，提供了一种图像传感器器件，包括任一种所述的半导体结构，或者包括采用任一种所述的方法制作得到的半导体结构。
应用本申请的技术方案，本申请的半导体结构包括衬底、沟槽、隔离层、压电材料层与供压层，其中，沟槽位于衬底中，隔离层覆盖沟槽的底部和侧壁，压电材料层位于隔离层的远离衬底的表面上，供压层填充在沟槽中，覆盖压电材料层远离隔离层的表面，供压层在预设条件下产生形变，以向压电材料层提供压应力。本申请通过在沟槽中添加压电材料，并通过供压层给压电材料施压，使压电材料层表面因为内部供压层提供的压应力发生偶极子翻转，从而会在表面聚集稳定的感应电荷，该电荷产生的感应电场可有效阻止光生载流子在不同像素的光电二极管间相互转移，解决了现有技术的图像传感器中，电子在不同像素之间穿梭造成MOS接受到的信号出现串扰的问题。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本申请的实施例的半导体结构示意图；
图2示出了根据本申请的实施例的半导体结构的制作方法的流程示意图；
图3示出了根据本申请的实施例的半导体结构的衬底的结构示意图；
图4示出了根据本申请的实施例的半导体结构的制作方法在去除部分衬底形成沟槽后得到的结构示意图；
图5示出了根据本申请的实施例的半导体结构的制作方法在形成隔离层后得到的结构示意图；
图6示出了根据本申请的实施例的半导体结构的制作方法在隔离层的裸露表面上和衬底的裸露表面上生长初始压电材料层后得到的结构示意图；
图7示出了根据本申请的实施例的半导体结构的制作方法在去除部分初始压电材料层后得到的结构示意图；
图8示出了根据本申请的实施例的半导体结构的制作方法在剩余的沟槽中填充供压层后得到的结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、衬底；11、沟槽；20、深槽隔离结构；21、隔离层；22、压电材料层；221、初始压电材料层；23、供压层；30、浅槽隔离结构；40、MOS器件。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
应该理解的是，当元件（诸如层、膜、区域、或衬底）描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。
正如背景技术所介绍的，现有技术的图像传感器中，电子在不同像素之间穿梭会造成MOS接受到的信号出现串扰的问题，为了解决如上，本申请提出了一种半导体结构、半导体结构的制作方法及图像传感器器件。
根据本申请的一种典型的实施例，提供了一种半导体结构，如图1所示，该半导体结构包括衬底10、沟槽、隔离层21、压电材料层22与供压层23，其中，上述沟槽位于上述衬底10中，上述隔离层21覆盖上述沟槽的底部和侧壁，上述压电材料层22位于上述隔离层21的远离上述衬底10的表面上，上述供压层23填充在上述沟槽中，覆盖上述压电材料层22远离上述隔离层21的表面，上述供压层23用于在预设条件下产生形变，以向上述压电材料层22提供压应力。
本申请上述半导体结构包括衬底、沟槽、隔离层、压电材料层与供压层，其中，上述沟槽位于上述衬底中，上述隔离层覆盖上述沟槽的底部和侧壁，上述压电材料层位于上述隔离层的远离上述衬底的表面上，上述供压层填充在上述沟槽中，覆盖上述压电材料层远离上述隔离层的表面，上述供压层在预设条件下产生形变，以向上述压电材料层提供压应力。本申请的半导体结构，当供压层处于预设条件下从而产生形变时，会挤压压电材料层，来提供压应力，压电材料层表面会因为供压层提供的压应力发生偶极子翻转，从而会在表面聚集稳定的感应电荷，该电荷产生的感应电场可有效阻止光生载流子在不同像素的光电二极管间相互转移，能有效降低器件之间的电信号串扰，很好地解决了现有技术的图像传感器中，电子在不同像素之间穿梭造成MOS接受到的信号出现串扰的问题，从而保证了图像传感器的器件性能较好。
另外，通过上述隔离层隔离压电材料层和衬底，可以防止衬底与压电材料层接触发生电子迁移，对器件功能产生损伤。
在实际的应用过程中，上述供压层可以完全填满上述沟槽，也可以填充部分的上述沟槽，本领域技术人员可以灵活设置上述供压层在沟槽中的填充情况。为了给压电材料层提供更大的压应力，以使上述压电材料层在表面聚集更稳定的感应电荷，如图1所示，根据本申请的一种具体实施例，上述供压层23填满上述沟槽。
本申请的另一种具体的实施例中，如图1所示，上述衬底10包括正面与背面，上述沟槽从上述衬底10的背面嵌入至上述衬底10中，上述隔离层21、上述压电材料层22以及上述供压层23构成深槽隔离结构20，上述深槽隔离结构20有多个，多个上述深槽隔离结构20间隔设置，上述半导体结构还包括多个间隔设置的浅槽隔离结构30，上述浅槽隔离结构30通过上述衬底10的正面嵌入至上述衬底10中，上述浅槽隔离结构30与上述深槽隔离结构20在预定表面上的投影至少部分重叠，上述预定表面垂直于上述衬底的厚度方向。上述浅槽隔离结构用于将图像传感器的正面器件与背面器件间隔开。
根据本申请的再一种具体实施例，上述半导体结构还包括感光层和多个滤光片（图中未示出），上述感光层位于上述衬底的表面上，且覆盖上述深槽隔离结构；多个上述滤光片间隔地位于上述感光层远离上述衬底的表面上，上述滤光片在上述衬底中的投影位于相邻的两个上述深槽隔离结构之间。上述滤光片用于过滤不同颜色的光，上述感光层用于吸收光线。
具体地，如图1所示，上述半导体结构还包括MOS器件40，上述MOS器件40位于上述衬底10的正面表面上。即上述MOS器件40与上述感光层位于衬底10的两个相对的表面上。
上述的预设条件可以包括预设的温度范围、预设的压力范围、预设的湿度范围以及预设的光线范围等，上述的供压层的材料可以对应选择根据温度的变化发生形变的材料、根据压力的变化发生形变的材料、可以根据湿度的变化发生形变的材料以及可以根据光线的变化发生形变的材料等。一种具体的实施例中，上述预设条件包括预设的温度范围，上述供压层的材料包括二氧化硅。本领域技术人员可以通过控制本申请的上述半导体结构所处的温度，来改变供压层的形变程度，以给压电材料层提供需要的压应力，使得压电材料层的表面聚集足够的感应电荷，来形成阻止光生载流子移动的电场。当然，上述供压层并不限于上述的二氧化硅，还可以为可以根据温度变化发生形变的其他材料，如铝碳化硅等材料。
更具体的一种实施例中，上述供压层的材料为二氧化硅。本实施例中选用二氧化硅作为供压层的材料是因为二氧化硅隔离光的性能好且成本低。
本领域技术人员可以选择现有技术中任意可行的压电材料作为上述的压电材料层，如钛酸钡、改性钛酸铅等。本申请的另一种具体的实施例中，上述压电材料层的材料包括氮化铝。上述隔离层的材料包括二氧化硅。
本申请实施例中，上述压电材料层的材料为氮化铝，上述隔离层的材料为二氧化硅。当然，在其他实施例中，上述压电材料层的材料也可以是其他具有压电属性的材料，上述隔离层的材料也可以选择其他的绝缘材料。
需要说明的是，上述的衬底可以根据器件的实际需求进行选择，可以包括硅衬底、锗衬底、硅锗衬底、SOI（Silicon On Insulator，绝缘体上硅）衬底或者GOI（Germaniun OnInsulator，绝缘体上锗）衬底。在其他实施例中，上述衬底还可以为包括其他元素半导体或者化合物半导体的衬底，例如GaAs、InP或者SiC等，还可以为叠层结构，例如Si/SiGe等，还可以为其他外延结构，例如SGOI（Silicon Germaniun On Insulato，绝缘体上锗硅）等。当然，其还可以为现有技术中可行的其他衬底。
根据本申请的另一种典型的实施例，提供了一种半导体器件的制作方法，图2是根据本申请实施例的半导体器件的制作方法的流程图，如图2所示，该方法包括以下步骤：
步骤S101，提供如图3所示的衬底10；
步骤S102，去除部分衬底，以在上述衬底中形成如图4所示的沟槽11；
上述沟槽可以有多个，本申请的一种实施例中，可以使用刻蚀的方式去除部分衬底以在上述衬底中形成沟槽。具体地，先在上述衬底上形成图形化的掩膜结构；再以上述掩膜结构为掩膜，刻蚀上述衬底，以在上述衬底中形成多个间隔的上述沟槽。
步骤S103，形成如图5所示的覆盖上述沟槽的底部和侧壁的隔离层21；
当然，上述隔离层并不限于仅覆盖沟槽的底部和侧壁，其还可以覆盖部分衬底的裸露表面，即形成隔离层的具体过程可以为：在上述衬底的裸露表面上以及上述沟槽中上述隔离层。
上述隔离层的材料可以选用氧化硅，其形成方式可以为沉积方式，也可以采用炉管生长方式。本实施例中，采用炉管生长的方式形成至少覆盖上述沟槽的底部和侧壁的隔离层。
步骤S104，如图7所示，在上述隔离层21的裸露表面上形成压电材料层22；
本申请实施例中，在上述隔离层的裸露表面上形成压电材料层具体实现过程为：
步骤S201，如图6所示，采用物理气相沉积的方法在上述隔离层21的裸露表面上和上述衬底10的裸露表面上生长初始压电材料层221；
步骤S202，去除部分上述初始压电材料层，以使得上述衬底的表面裸露，剩余的上述初始压电材料层形成如图7所示的上述压电材料层22。
为了得到既平坦又无划痕和玷污的表面，去除部分上述初始压电材料层的方法可以采用化学机械抛光技术。
通过物理气相沉积方法形成上述初始压电材料层，可以形成更均匀致密的压电材料层，并且物理气相沉积的工艺过程简单，无污染，且耗材少、成本低。
当然，上述初始压电材料层的形成方式并不限于上述的物理气相沉积，还可以经由原子层沉积、分子束外延、化学气相沉积、物理气相沉积和/或其它公知的晶体生长工艺中的一种或多种形成。
在形成压电材料层后，还需在上述沟槽中填充供压层，具体过程如下：
步骤S105，如图8所示，在剩余的上述沟槽中填充供压层23，上述供压层23用于在预设条件下产生形变，以给上述压电材料层22提供压应力。
上述的供压层的形成方式具体可以为：在剩余的上述沟槽以及上述衬底（或者位于上述衬底上的隔离层）上形成初始供压层；去除部分的上述初始供压层，以使得上述衬底（或者位于上述衬底上的隔离层）裸露，剩余的上述初始供压层为上述供压层。上述去除部分的上述初始供压层的方式可以采用化学机械抛光工艺。也可以不去除位于上述的衬底（或者位于上述衬底上的隔离层）上的上述初始供压层，即上述初始供压层即为上述供压层。
在一种实施例中，根据上述半导体结构，选择可以根据温度的变化而发生形变的供压层材料，可以采用化学气相沉积的方法生长可以根据温度的变化而发生形变的供压层，在温度发生变化时，上述材料会根据温度的变化而发生形变，以向上述压电材料层提供压应力。
本申请上述的半导体结构的制作方法中，先提供衬底，之后去除部分衬底，以在上述衬底中形成沟槽，形成覆盖上述沟槽的底部和侧壁的隔离层，再在上述隔离层的裸露表面上形成压电材料层，通过在剩余的上述沟槽中填充供压层，来使上述供压层在预设条件下产生形变，以给上述压电材料层提供压应力。采用物理气相沉积的方法生长初始压电材料层以得到压电材料层可以有效降低成本，根据上述半导体结构，当供压层处于预设条件下从而产生形变时，会挤压压电材料层，来提供压应力，上述压电材料层表面会因为内部供压层提供的压应力发生偶极子翻转，从而会在表面聚集稳定的感应电荷，该电荷产生的感应电场可有效阻止光生载流子在不同像素的光电二极管间相互转移，能有效降低器件之间的电信号串扰，很好地解决了现有技术的图像传感器中，电子在不同像素之间穿梭造成MOS接受到的信号出现串扰的问题，从而保证了图像传感器的器件性能较好。
本申请的一种典型的实施例，提供了一种图像传感器器件，包括任一种上述的半导体结构，或者包括采用任一种上述的方法制作得到的半导体结构。
本申请上述的图像传感器器件，包括任一种上述的半导体结构，该半导体结构包括衬底、沟槽、隔离层、压电材料层与供压层，其中，上述沟槽位于上述衬底中，上述隔离层覆盖上述沟槽的底部和侧壁，上述压电材料层位于上述隔离层的远离上述衬底的表面上，上述供压层填充在上述沟槽中，覆盖上述压电材料层远离上述隔离层的表面，上述供压层在预设条件下产生形变，以向上述压电材料层提供压应力。本申请的半导体结构，当供压层处于预设条件下从而产生形变时，会挤压压电材料层，来提供压应力，压电材料层表面会因为内部供压层提供的压应力发生偶极子翻转，从而会在表面聚集稳定的感应电荷，该电荷产生的感应电场可有效阻止光生载流子在不同像素的光电二极管间相互转移，能有效降低器件之间的电信号串扰，从而保证了图像传感器的器件性能较好。
从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：
1）、本申请上述半导体结构包括衬底、沟槽、隔离层、压电材料层与供压层，其中，上述沟槽位于上述衬底中，上述隔离层覆盖上述沟槽的底部和侧壁，上述压电材料层位于上述隔离层的远离上述衬底的表面上，上述供压层填充在上述沟槽中，覆盖上述压电材料层远离上述隔离层的表面，上述供压层在预设条件下产生形变，以向上述压电材料层提供压应力。本申请的半导体结构，当供压层处于预设条件下从而产生形变时，会挤压压电材料层，来提供压应力，压电材料层表面会因为供压层提供的压应力发生偶极子翻转，从而会在表面聚集稳定的感应电荷，该电荷产生的感应电场可有效阻止光生载流子在不同像素的光电二极管间相互转移，能有效降低器件之间的电信号串扰，很好地解决了现有技术的图像传感器中，电子在不同像素之间穿梭造成MOS接受到的信号出现串扰的问题，从而保证了图像传感器的器件性能较好。
2）、本申请上述的半导体结构的制作方法中，先提供衬底，之后去除部分衬底，以在上述衬底中形成沟槽，形成覆盖述沟槽的底部和侧壁的隔离层，再在上述隔离层的裸露表面上形成压电材料层，通过在剩余的上述沟槽中填充供压层，来使上述供压层在预设条件下产生形变，以给上述压电材料层提供压应力。采用物理气相沉积的方法生长初始压电材料层以得到压电材料层可以有效降低成本，根据上述半导体结构，当供压层处于预设条件下从而产生形变时，会挤压压电材料层，来提供压应力，上述压电材料层表面会因为内部供压层提供的压应力发生偶极子翻转，从而会在表面聚集稳定的感应电荷，该电荷产生的感应电场可有效阻止光生载流子在不同像素的光电二极管间相互转移，能有效降低器件之间的电信号串扰，很好地解决了现有技术的图像传感器中，电子在不同像素之间穿梭造成MOS接受到的信号出现串扰的问题，从而保证了图像传感器的器件性能较好。
3）、本申请上述的图像传感器器件，包括任一种上述的半导体结构，该半导体结构包括衬底、沟槽、隔离层、压电材料层与供压层，其中，上述沟槽位于上述衬底中，上述隔离层覆盖上述沟槽的底部和侧壁，上述压电材料层位于上述隔离层的远离上述衬底的表面上，上述供压层填充在上述沟槽中，覆盖上述压电材料层远离上述隔离层的表面，上述供压层在预设条件下产生形变，以向上述压电材料层提供压应力。本申请的半导体结构，当供压层处于预设条件下从而产生形变时，会挤压压电材料层，来提供压应力，压电材料层表面会因为内部供压层提供的压应力发生偶极子翻转，从而会在表面聚集稳定的感应电荷，该电荷产生的感应电场可有效阻止光生载流子在不同像素的光电二极管间相互转移，能有效降低器件之间的电信号串扰，从而保证了图像传感器的器件性能较好。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种半导体结构，其特征在于，包括：
衬底；
沟槽，位于所述衬底中；
隔离层，所述隔离层覆盖所述沟槽的底部和侧壁；
压电材料层，所述压电材料层位于所述隔离层的远离所述衬底的表面上；
供压层，所述供压层填充在所述沟槽中，覆盖所述压电材料层远离所述隔离层的表面，所述供压层在预设条件下产生形变，以向所述压电材料层提供压应力，
所述衬底包括正面与背面，所述沟槽从所述衬底的背面嵌入至所述衬底中，所述隔离层、所述压电材料层以及所述供压层构成深槽隔离结构，所述深槽隔离结构有多个，多个所述深槽隔离结构间隔设置，所述半导体结构还包括：
多个间隔设置的浅槽隔离结构，所述浅槽隔离结构通过所述衬底的正面嵌入至所述衬底中，所述浅槽隔离结构与所述深槽隔离结构在预定表面上的投影至少部分重叠，所述预定表面垂直于所述衬底的厚度方向。
2.根据权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述供压层填满所述沟槽。
3.根据权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述半导体结构还包括：
感光层，位于所述衬底的表面上，且覆盖所述深槽隔离结构；
多个滤光片，间隔地位于所述感光层远离所述衬底的表面上，所述滤光片在所述衬底中的投影位于相邻的两个所述深槽隔离结构之间。
4.根据权利要求3所述的半导体结构，其特征在于，所述半导体结构还包括：
MOS器件，所述MOS器件位于所述衬底的正面表面上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体结构，其特征在于，所述预设条件包括预设的温度范围，所述供压层的材料包括二氧化硅。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体结构，其特征在于，所述压电材料层的材料包括氮化铝。
7.一种图像传感器器件，其特征在于，包括所述权利要求1-6任一项中所述的半导体结构。
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