CN116404013A - 高动态范围、背照式、低串扰图像传感器 - Google Patents

高动态范围、背照式、低串扰图像传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN116404013A
CN116404013A CN202211562189.4A CN202211562189A CN116404013A CN 116404013 A CN116404013 A CN 116404013A CN 202211562189 A CN202211562189 A CN 202211562189A CN 116404013 A CN116404013 A CN 116404013A
Authority
CN
China
Prior art keywords
photodiode
metal
layer
image sensor
photodiodes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202211562189.4A
Other languages
English (en)
Inventor
文成烈
毛杜立
比尔·潘
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Omnivision Technologies Inc
Original Assignee
Omnivision Technologies Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Omnivision Technologies Inc filed Critical Omnivision Technologies Inc
Publication of CN116404013A publication Critical patent/CN116404013A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1463—Pixel isolation structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462—Coatings
    • H01L27/14621—Colour filter arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462—Coatings
    • H01L27/14623—Optical shielding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14627—Microlenses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14632—Wafer-level processed structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14636—Interconnect structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1464—Back illuminated imager structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H01L27/14645—Colour imagers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14683—Processes or apparatus peculiar to the manufacture or treatment of these devices or parts thereof
    • H01L27/14685—Process for coatings or optical elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14683—Processes or apparatus peculiar to the manufacture or treatment of these devices or parts thereof
    • H01L27/14687—Wafer level processing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14683—Processes or apparatus peculiar to the manufacture or treatment of these devices or parts thereof
    • H01L27/14689—MOS based technologies
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

提供了一种背照式图像传感器及其制造方法。背照式图像传感器包括由隔离结构分隔的阵列式光电二极管，以及在第一层金属互连与衬底之间的层间介质。图像传感器在层间介质中在隔离结构与第一层互连之间具有阻挡金属壁，阻挡金属壁与隔离结构对准并且设置在隔离结构与第一层互连之间。通过以下步骤来形成背照式图像传感器：提供部分制成的半导体衬底，该部分制成的半导体衬底具有形成的光电二极管和源‑漏区域；在半导体衬底的前侧表面上形成栅电极，在栅电极之上沉积蚀刻停止层；在蚀刻停止层上沉积层间介质；形成穿过层间介质延伸到蚀刻停止层的沟槽，该沟槽位于光电二极管之间；以及用金属填充沟槽以形成阻挡金属壁。

Description

高动态范围、背照式、低串扰图像传感器
技术领域
本发明涉及图像传感器领域，并且具体地涉及一种背照式图像传感器及其制造方法。
背景技术
一些背照式图像传感器为每个像素提供一大一小两个成对的光电二极管，以提供高动态范围成像。在操作中，小光电二极管用于解析图像的明亮部分中的像素数据，而大光电二极管用于解析图像的暗部分或黑暗部分中的像素数据。
这种图像传感器的大光电二极管对于解析图像的弱照明像素特别有用，而较小的光电二极管对于解析图像的亮照明像素特别有用，提供了比全部具有相同尺寸光电二极管的图像传感器更大的动态范围成像。
发明内容
在实施例中，一种背照式图像传感器包括由隔离沟槽电学隔离的光电二极管阵列、设置在第一层金属互连与半导体衬底之间的层间介质。图像传感器包括在层间介质中在隔离沟槽与第一层金属互连之间设置的多个阻挡金属壁，阻挡金属壁与隔离沟槽对准。每个阻挡金属壁用于使已穿过光电二极管阵列的光电二极管的光偏转，否则该光将被第一层金属互连反射到光电二极管阵列的不同光电二极管(例如，相邻光电二极管)中。
在另一个实施例中，一种制造背照式图像传感器的方法包括在半导体衬底中形成多个光电二极管和源-漏区域；在半导体衬底的前侧表面上形成至少一个栅电极，在半导体衬底的前侧表面上的至少一个栅电极之上沉积蚀刻停止层；在蚀刻停止层上沉积层间介质；形成穿过层间介质并延伸到但不穿过蚀刻停止层的一个或多个沟槽，其中一个或多个沟槽中的每一个形成在多个光电二极管中的第一光电二极管与第二光电二极管之间；以及用金属填充一个或多个沟槽以形成一个或多个阻挡金属壁。
在第一方面，提供了一种背照式图像传感器，所述背照式图像传感器为以下类型：包括形成在半导体衬底中的光电二极管阵列，所述光电二极管通过隔离结构彼此电学隔离，层间介质设置在第一层金属互连与所述半导体衬底之间；其中改进包括：在所述层间介质中在所述隔离结构与所述第一层金属互连之间设置的阻挡金属壁，所述阻挡金属壁与所述隔离结构对准并且设置在所述隔离结构与所述第一层金属互连之间。
在一些实施例中，所述阻挡金属壁包括钨。
在一些实施例中，所述阻挡金属壁包括掩模限定的形状，所述掩模限定的形状具有大于或等于四的长宽比。
在一些实施例中，所述阻挡金属壁通过蚀刻停止层与设置在所述半导体衬底中的所述隔离结构分隔，所述蚀刻停止层包括在所述半导体衬底上具有蚀刻选择性的材料。
在一些实施例中，所述蚀刻停止层包括氮氧化硅。
在一些实施例中，所述阻挡金属壁被设置在所述第一层金属互连与所述层间介质之间的介质层封盖，其中所述阻挡金属壁与所述第一层金属互连电学隔离。
在一些实施例中，所述背照式图像传感器还包括：金属栅格，所述金属栅格限定与多个光电二极管对准的多个孔口，所述金属栅格与所述阻挡金属壁对准；多个中性密度滤光器，所述多个中性密度滤光器在与第一组光电二极管对准的第一组孔口中，并且其中第二组光电二极管缺少中性密度滤光器；以及多个滤色器，所述多个滤色器在所述第一组孔口中和与所述第二组光电二极管对准的第二组孔口中，其中所述金属栅格分隔相邻的滤色器。
在一些实施例中，所述阻挡金属壁设置在所述第一组光电二极管中的第一光电二极管和与所述第一光电二极管相邻的所述第二组光电二极管中的第二光电二极管之间。
在一些实施例中，所述阻挡金属壁部分地围绕所述第一组光电二极管中的所述第一光电二极管。
在一些实施例中，所述阻挡金属壁电连接到所述第一层金属互连以接收接地电压。
在第二方面，提供了一种制造背照式图像传感器的方法，包括：在半导体衬底中形成多个光电二极管和源-漏区域；在所述半导体衬底的前侧表面上形成至少一个栅电极；在所述半导体衬底的所述前侧表面上的所述至少一个栅电极之上沉积蚀刻停止层；在所述蚀刻停止层上沉积层间介质；形成穿过所述层间介质并延伸到但不穿过所述蚀刻停止层的一个或多个沟槽，其中所述一个或多个沟槽中的每一个都形成在所述多个光电二极管的第一光电二极管与第二光电二极管之间；以及用金属填充所述一个或多个沟槽以形成一个或多个阻挡金属壁。
在一些实施例中，所述方法还包括在用金属填充所述一个或多个沟槽之后，在所述层间介质上形成第一层金属互连。
在一些实施例中，在用金属填充所述一个或多个沟槽之后，所述方法还包括直接在所述层间介质上沉积封盖层，以将所述一个或多个阻挡金属壁嵌入所述层间介质中，并且将所述一个或多个阻挡金属壁与所述第一层金属互连分隔。
在一些实施例中，所述方法还包括：掩蔽和蚀刻以打开穿过所述层间介质并与所述一个
或多个阻挡金属壁相邻并穿过所述蚀刻停止层到所述至少一个栅电极的表面的接触孔；以及5沉积金属材料，填充所述接触孔以形成将所述至少一个栅电极电连接到所述第一层金属互连的第一金属互连的接触件；其中所述一个或多个阻挡金属壁和所述接触件被层间介质分隔并且彼此电学隔离。
在一些实施例中，所述层间介质是通过化学气相沉积由四乙氧基硅烷形成的介质氧化物，并且所述蚀刻停止层是通过化学气相沉积而沉积的氮氧化硅层。
0在一些实施例中，填充所述沟槽的所述金属是钨。
在一些实施例中，所述方法还包括：在所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间，从所述半导体衬底的与所述前侧表面相反的背侧表面形成隔离结构，其中所述隔离结构与所述一个或多个阻挡金属壁对准；在所述半导体衬底的所述背侧表面上形成金属栅格，所述金
属栅格限定与所述第一光电二极管对准的第一孔口和与所述第二光电二极管对准的第二孔5口，其中所述金属栅格与所述一个或多个阻挡金属壁对准；在与所述第一光电二极管对准的所述第一孔口中沉积中性密度滤光器；以及将滤色器材料沉积到所述中性密度滤光器上的所述第一孔口中和与所述第二光电二极管对准的所述第二孔口中。
在一些实施例中，所述第一光电二极管的第一满阱容量小于所述第二光电二极管的第二满阱容量。
0在一些实施例中，形成所述多个光电二极管的工艺还包括形成第三光电二极管、第四光
电二极管和第五光电二极管，其中所述第二光电二极管、所述第三光电二极管、所述第四光电二极管和所述第五光电二极管围绕所述第一光电二极管；其中所述第三光电二极管、所述第四光电二极管和所述第五光电二极管中的每一个都具有所述第二满阱容量。
在一些实施例中，形成穿过所述层间介质的一个或多个沟槽包括在所述第一光电二极管5与所述第二光电二极管之间形成第一沟槽，在所述第一光电二极管与所述第三光电二极管之
间形成第二沟槽，在所述第一光电二极管与所述第四光电二极管之间形成第三沟槽，以及在所述第一光电二极管与所述第五光电二极管之间形成第四沟槽；并且其中用金属填充所述一个或多个沟槽包括填充所述第一沟槽、所述第二沟槽、所述第三沟槽和所述第四沟槽以形成
在所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间的第一阻挡金属壁、在所述第一光电二极0管与所述第三光电二极管之间的第二阻挡金属壁、在所述第一光电二极管与所述第四光电二极管之间的第三阻挡壁以及在所述第一光电二极管与所述第五光电二极管之间的第四阻挡金属壁。
附图说明
图1是背照式图像传感器的一小部分的截面图，图示了可能在图像传感器的光电二极管阵列的光电二极管之间产生光学串扰的光的路径。
图2是图示在背照式图像传感器中的光电二极管之间提供阻挡壁以防止光电二极管之间的光学串扰的实施例的截面图。
图3是图示背照式图像传感器的光电二极管之间的金属壁的实施例的详细截面图。
图4是图示制造具有图2和图3中描述的阻挡壁结构的像素阵列的示例性方法的流程图。
图5A至图5F图示了根据本发明的教导在制造的各个阶段期间具有阻挡壁的像素阵列的截面图。
图6是另一个实施例的截面图，图示了根据本发明的教导设置在光电二极管之间的阻挡壁在何处接地。
图7A至图7B是根据本发明的教导在光电二极管之间结合阻挡壁的像素布局的示例性俯视平面图。
图8是在具有四共享像素的像素阵列中的大光电二极管与小光电二极管之间结合了阻挡壁的像素布局的另一示例性俯视平面图。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对实施例的全面理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，本文描述的技术可以在没有一个或多个具体细节的情况下实施，或者利用其他方法、组件、材料等实施。在其他情况下，没有详细示出或描述公知的结构、材料或操作，以避免模糊某些方面。
贯穿本说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”在本说明书各处的出现不一定都指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，特定的特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。
贯穿本说明书，使用了若干术语。这些术语将采用它们在所属领域中的普通含义，除非在本文特别定义或者它们使用的上下文清楚地表明不是这样。应当注意，在本文件中，元素名称和符号可以互换使用(例如，Si和硅)；然而，两者含义完全相同。
为了便于描述，在本文中可以使用空间相对术语，例如“下方”、“之下”、“下部”、“下面”、“上方”、“上部”等，来描述一个元件或特征与另外的(一个或多个)元件或特征的关系，如附图中所图示的。应当理解，除了附图中描绘的取向之外，空间相对术语旨在涵盖使用或操作中器件的不同取向。例如，如果附图中的器件被翻转，那么被描述为在其他元件或特征的“之下”或“下方”或“下面”的元件将被定向在其他元件或特征的“上方”。因此，术语“之下”和“下面”可以涵盖上方和下方的取向。该器件可以以其他方式定向(旋转90度或处于其他取向)，并且在此使用的空间相对描述词被相应地解释。此外，还应当理解，当一个层被称为在两个层“之间”时，它可以是两个层之间的唯一层，或者也可以存在一个或多个中间层。
术语隔离沟槽结构可以指像素阵列中光电二极管之间的隔离结构，用于在相邻光电二极管之间提供电学和/或光学隔离。隔离沟槽结构可以是氧化物填充的隔离沟槽结构、金属填充的隔离结构或其组合。隔离沟槽结构可以是从衬底前侧向衬底背侧延伸的前侧深沟槽隔离结构，或者是从衬底背侧向衬底前侧延伸的背侧深沟槽隔离结构。
术语半导体衬底可以指由一种或多种半导体例如硅、硅锗、锗、砷化镓、砷化铟镓和本领域技术人员已知的其他半导体材料形成的衬底。术语半导体衬底也可以指由一种或多种半导体形成的衬底，其经受在衬底中形成区域和/或结的先前工艺步骤。半导体衬底还可以包括各种特征，例如掺杂和未掺杂的半导体、硅外延层以及形成在衬底上的其他半导体结构。应当注意，在本文件中，元素名称和符号可以互换使用(例如，Si和硅)；两者含义完全相同。
每像素两个光电二极管的背照式图像传感器可通过添加中性密度光吸收滤光器来降低每对两个光电二极管中的小光电二极管的光敏感度，从而增加其动态范围。当使用这种存在的光吸收滤光器对图像的亮照明的像素成像时，我们已经观察到一些光泄漏到小光电二极管中，这些光通过相邻的大光电二极管进入图像传感器阵列，导致串扰，该串扰通过在小光电二极管中感应光电流来限制图像传感器的动态范围，并且在某些情况下，甚至在图像传感器的积分期间使小光电二极管饱和。
因此，期望减少从大的暗光感测光电二极管到相邻的小的亮光感测小光电二极管中的光泄漏。
如图1所图示，背照式图像传感器100通常允许光穿过滤色器(诸如滤光器102、104、106)的阵列，穿过图像传感器半导体衬底101的背侧101a，进入形成在图像传感器半导体衬底101中的光电二极管区域112、114和116的阵列。
在实施例中，背照式图像传感器100包括金属栅格108，金属栅格108形成与光电二极管区域112、114和116对准的多个孔口。滤色器102、104、106中的每一个可以与相应的光电二极管区域112、114或116对准，并且在金属栅格108的孔口内。在实施例中，金属栅格108形成在背侧101a上的平坦化缓冲介质层109(诸如氧化硅)上。在实施例中，背侧101a可以被称为背侧照明式图像传感器100的照明侧，并且前侧101b可以被称为背侧照明式图像传感器100的非照明侧。在实施例中，光电二极管区域112和116也被称为暗光或微光光电二极管感测区域，用于解析图像的微光部分中的像素数据，而光电二极管区域114也被称为亮光光电二极管感测区域，用于解析图像的亮光部分中的像素数据。在一些实施例中，亮光光电二极管感测区域114被暗光或微光光电二极管感测区域112、116围绕。
在一些实施例中，滤色器102、104、106中的每一个可以是红色、蓝色、绿色、青色、品红色、黄色、红外或全色滤色器中的一种。在一些实施例中，滤色器102、104、106的阵列可以根据拜耳图案来布置。
光电二极管区域112、114、116中的每一个包括相应的光电二极管112A、114A、116A以及与每个光电二极管相关联的选择晶体管、复位晶体管、源极跟随器晶体管和行选择晶体管，在图1中仅示出了选择晶体管，这在图像传感器阵列领域中是常见的。包括在光电二极管区域112、116中的光电二极管112A、116A可以被称为用于感测低水平光的大光电二极管或微光感测光电二极管。包括在光电二极管区域114中的光电二极管114A可以被称为用于感测亮光的小光电二极管或亮光感测光电二极管。在一些实施例中，每个单独光电二极管114A的满阱容量小于单独光电二极管112A、116A中每一个的满阱容量。满阱容量(FWC)是指光电二极管在其达到饱和之前可以累积的电荷或电子的数量。换句话说，光电二极管112A或116A中的每一个可以具有比光电二极管114A更大的电荷存储容量，并且能够存储比光电二极管114A更多的光生电荷。在一些示例中，光电二极管112A或116A中的每一个可以具有比邻近的小光电二极管114A的曝光面积更大的曝光面积。
在实施例中，光电二极管区域112、116的光电二极管112A、116A之一和相邻的光电二极管114A形成背照式图像传感器100中的高动态范围像素。
选择晶体管也可以被称为转移晶体管。在一个实施例中，选择晶体管具有栅极，例如，转移栅极124将光电二极管(例如，光电二极管114A)耦合到相应的浮动扩散区(未图示)，并且选择性地将光生电荷从光电二极管(例如，光电二极管114A)转移到耦合的浮动扩散区。虽然在图1中图示了平面选择晶体管，但是备选器件可以具有竖直选择晶体管，例如每个转移栅极122、124、126可以具有延伸到图像传感器半导体衬底101中的至少一个竖直电极。允许进入的光在光电二极管区域112、114和116的阵列的光电二极管112A、114A、116A中感应出光电流。光电二极管区域112、114和116的阵列的单独光电二极管112A、114A、116A中的光电流通过形成在图像传感器半导体衬底101的前侧101b中的像素晶体管(例如，选择晶体管、复位晶体管、源极跟随器晶体管、行选择晶体管)来感测。像素晶体管由控制电路系统控制，其中控制电路系统可以通过多层金属互连结构耦合到像素晶体管。在操作中，选择或转移信号、读出信号、复位信号可以由控制电路系统通过多层金属互连结构和接触件(为简单起见省略)输出到对应的像素晶体管，以驱动像素晶体管的操作。光电二极管复位信号和由光电二极管112A、114A、116A中的光电流生成的图像信号通过多层金属互连结构140和接触件输出到读出电路系统。
多层金属互连结构140包括在图像传感器半导体衬底100的前侧101b上形成的层间介质层120(通常是氧化硅)之上形成的第一层金属互连线142和第二层金属互连线144。第二层金属互连线144可以存在于第一层金属互连线142上方，并且可以被隔离材料分隔。接触件可以将像素晶体管的电极(例如，栅电极、源电极、漏电极)电连接到多层金属互连结构140的对应部段。可以在层间介质层120中形成接触件。例如，接触件可以从第一层金属互连线142中的金属互连线延伸到诸如选择晶体管的对应像素晶体管的栅电极或转移栅极124，以在它们之间建立电连接。多层金属互连结构140可以嵌入金属间介质材料146中，该金属间介质材料146分隔和隔离金属互连线的相邻层。金属间介质材料146可以包括介质材料，诸如二氧化硅、氮化硅、多孔氧化物材料或低κ介质材料。在实施例中，层间介质层120和金属间介质材料146可以由相同或不同的材料形成。
光电二极管区域112、114和116的阵列的一些亮光光电二极管感测区域114旨在主要响应图像的亮照明部分，并且在一些实施例中除了滤色器104之外还可以具有中性密度滤光器110，其中中性密度滤光器110降低了入射光的强度并降低了光电二极管114A的光敏感度；而旨在主要响应图像的暗照明部分的暗光光电二极管感测区域112、116缺少中性密度滤光器110，并且可能具有比亮光光电二极管感测区域114更大的光电二极管表面积。重申的是，例如由微透镜(未图示)向光电二极管114A引导的入射光在进入光电二极管区域114并被光电二极管114A吸收之前穿过滤色器104和中性密度滤光器110。向光电二极管112A引导的入射光在进入光电二极管区域112并被光电二极管112A吸收之前穿过相应的滤色器102，并且向光电二极管116A引导的入射光在进入光电二极管区域116并被光电二极管116A吸收之前穿过相应的滤色器106。
在许多图像传感器器件中，隔离沟槽结构130用于将光电二极管彼此隔离，并消除电学串扰，诸如如果允许在一个光电二极管区域(例如，光电二极管区域112A)中生成的载流子对迁移到另一个光电二极管区域(例如，光电二极管区域114A)时会出现的电学串扰。隔离沟槽结构130可以是围绕光电二极管区域112、114和116的阵列中的每个单独的光电二极管区域的沟槽栅格的形式。在一些实施例中，隔离沟槽结构130是氧化物填充的隔离沟槽，或者氧化物衬里的金属填充的隔离沟槽，或者它们的组合。在一些实施例中，隔离沟槽结构130在垂直于图像传感器半导体衬底101的前表面的方向上与金属栅格108对准。
在现有器件中，一些入射光152、154进入高敏感度、暗光光电二极管感测区域112、116的背侧101a，这些入射光152、154具有以高入射角延伸朝向第一层金属互连线142引导的光学路径152T、154T；虽然一些入射光152、154在暗光光电二极管感测区域112、116中被相应的光电二极管112A、116A吸收，但是入射光152、154的一些未被吸收的部分到达第一层金属互连线142，并沿着路径152R、154R被反射或散射，进入亮光光电二极管感测区域114，其中沿着路径152R、154R的一些反射光可以被例如相应的光电二极管114A吸收。因此，该反射光可能在亮光光电二极管感测区域114的光电二极管114A中引起串扰信号，从而影响图像质量。
在实施例中，像图像传感器100一样，背照式图像传感器200(图2)允许光穿过滤色器(诸如滤色器102、104、106)的阵列，穿过图像传感器半导体衬底201的背侧201a，进入形成在图像传感器半导体衬底201中的光电二极管区域212、214和216的阵列。光电二极管区域212、214和216中的每一个都包括相应的光电二极管和相关联的选择晶体管、复位晶体管、源极跟随器晶体管和行选择晶体管，其中只有选择晶体管(由栅电极222、224、226指示)在图2中示出。光电二极管区域212中的每一个包括光电二极管212A。光电二极管区域214中的每一个包括光电二极管214A。光电二极管区域216中的每一个包括光电二极管216A。
在实施例中，光电二极管区域214被称为亮光光电二极管感测区域，并且光电二极管区域212和216被称为暗光或微光光电二极管感测区域。光电二极管区域214可以被布置成被光电二极管区域212和216围绕。在实施例中，亮光光电二极管感测区域214旨在主要响应图像的亮照明部分，并且除了滤色器104之外还可以具有中性密度滤光器110，以降低向光电二极管214A引导的入射光的强度；而旨在主要响应图像的暗照明部分的暗光或微光光电二极管感测区域212、216缺少中性密度滤光器110。光电二极管212A、216A中的每一个可以具有比光电二极管214A中的每一个更大的满阱容量。在实施例中，光电二极管212A、216A中的每一个被称为大光电二极管，并且光电二极管214A中的每一个被称为小光电二极管。
观察到，通过形成从第一层金属互连线241下方延伸到隔离沟槽结构230上方的阻挡壁248，我们可以光学隔离图像传感器的光电二极管阵列中的相邻光电二极管。在一个实施例中，阻挡壁248可以以形成在第一层金属互连线241与隔离沟槽230之间的金属栅格状方式形成。在实施例中，阻挡壁248与隔离沟槽结构230对准。
在图1的图像传感器器件中，虽然来自沿着相应的光学路径152T、154T进入暗光光电二极管感测区域112、116的入射光152、154的大部分光子在那里被吸收并在光电二极管112A、116A中生成载流子对，但是一些未被吸收的光到达第一层金属互连线142中的一个或多个金属互连线，并且根据入射角，可能反射或散射到相邻的亮光光电二极管感测区域114中，从而引起光学串扰。在图2的图像传感器器件中，沿着对应于光学路径152T、154T的相应光学路径252T、254T进入暗光光电二极管感测区域212、216的大量入射光252、254被第一层金属互连线241反射或散射，并撞击阻挡壁248。阻挡壁248可用作光屏蔽件，并防止该反射光或杂散光到达亮光光电二极管感测区域214，并可进一步将一些光反射或散射回相应的暗光光电二极管感测区域212、216，以增强相应光电二极管212A、216A的光吸收。例如，朝向光电二极管区域212引导的入射光252可以首先沿着光学路径252T传输，沿着光学路径252R1被第一层金属互连线241反射，并且沿着路径252R2被阻挡壁248反射或散射回光电二极管区域212，从而防止入射光252的反射光跨越到相邻的光电二极管区域214而引起串扰。类似地，朝向光电二极管区域216引导的入射光254可以首先沿着光学路径254T传输，沿着光学路径254R1被第一层金属互连线241反射，并且沿着路径254R2被阻挡壁248反射或散射回光电二极管区域216，从而防止入射光254的反射光跨越到相邻的光电二极管区域214而引起串扰。
被反射或散射回暗光光电二极管感测区域的那些光子可以被相应的光电二极管212A、216A进一步吸收，从而增强光电二极管212A、216A的敏感度，并由此防止在光电二极管(小光电二极管)214A的亮光光电二极管感测区域中生成光电流。因此，减少了暗光光电二极管区域212、216与相邻的亮光光电二极管感测区域214之间的光学串扰。图2中具有与图1中附图标记重复的附图标记的形状具有与图1中对应形状相似的功能。
允许进入的入射光在光电二极管区域212、214、216的阵列的光电二极管212A、214A、216A中感应出光电流。光电二极管212A、214A、216A中的光电流通过形成在图像传感器半导体衬底201的前侧201b上的像素晶体管来感测。图像传感器半导体衬底201的前侧201b上的像素晶体管由图像传感器200的控制电路控制。像素晶体管的栅电极可以形成在栅绝缘层210上，栅绝缘层210形成在图像传感器半导体衬底201的前侧201b上。在一个实施例中，光电二极管复位信号、光电二极管选择信号和由对应光电二极管212A、214A、216A中的光电流生成的电子信号通过多层金属互连结构240耦合到光电二极管212A、214A、216A和从光电二极管212A、214A、216A耦合。
多层金属互连结构240包括第一层金属互连线241和第二层金属互连线243，它们在图像传感器半导体衬底200的前侧201b上形成的层间介质层220(例如，氧化硅)之上形成。第二层金属互连线243位于第一层金属互连线241上方。接触件246可以将像素晶体管(例如，选择晶体管、复位晶体管、源极跟随器晶体管、行选择晶体管)的电极(例如，栅电极、源电极、漏电极)电连接到第一层金属互连线241的对应金属互连线。接触件246可以形成在层间介质层220中。例如，接触件246可以从第一层金属互连线241中的金属互连线延伸到对应选择晶体管的栅电极(例如，栅电极224)，以在它们之间建立电连接。多层金属互连结构240可以嵌入在金属间介质材料245中，金属间介质材料245提供每层金属线之间的隔离。金属间介质材料245可以包括二氧化硅、氮化硅、多孔氧化物材料或低κ介质材料。在实施例中，层间介质层220和金属间介质材料245可以由相同或不同的材料形成。
在一个实施例中，控制电路系统可以通过接触件246和在图像传感器半导体衬底201的前侧201b上形成的层间介质层220之上形成的多层金属互连结构240的第一层金属互连线241耦合到像素晶体管。第一层金属互连线241和第二层金属互连线243可以包括将光电二极管212A、214A、216A耦合到复位晶体管、通过接触件246耦合到选择晶体管的栅电极222、224、226和耦合到源极跟随器晶体管的金属互连线，以及与光电二极管阵列外部的图像传感器的附加电路系统(未示出)接合的金属互连线。附加的绝缘氧化物层118和金属互连线144、322可以存在于第一层金属互连线142之上。
在实施例中，接触件246和阻挡壁248通过层间介质层220彼此分隔并且彼此电学隔离。在一些实施例中，接触件246和阻挡壁248由相同的材料和以相同的工艺形成。在一些实施例中，接触件246延伸穿过形成在栅绝缘层210上的蚀刻停止层250，以接触像素晶体管的电极，例如栅电极、源/漏电极，并且阻挡壁248形成在蚀刻停止层250上，并且不接触蚀刻停止层250下面的材料。
隔离沟槽结构230，隔离沟槽结构130的示例，将相邻的光电二极管212A、214A、216A彼此隔离，并且消除了电学和/或光学串扰，如果在一个光电二极管区域212A中生成的载流子对在作为光电流被收集在阵列的相应的光电二极管中之前迁移到另一个相邻的光电二极管区域214A，则会出现这种电学和/或光学串扰。在实施例中，隔离沟槽结构230可以在图像传感器半导体衬底201中形成围绕光电二极管区域212、214、216的栅格结构。在一些实施例中，隔离沟槽结构230的深度与图像传感器半导体衬底201的厚度基本相同。在一些实施例中，隔离沟槽结构230的深度小于图像传感器半导体衬底201的厚度。在实施例中，图像传感器半导体衬底201的厚度范围为从2.5μm到7μm，并且隔离沟槽结构230延伸到图像传感器半导体衬底201中的深度范围可以为从1μm到5μm。在实施例中，隔离沟槽结构230可以是氧化物填充的隔离沟槽结构或金属填充的隔离沟槽结构。
在实施例中，阻挡壁248在垂直于前侧201b表面的方向上与隔离沟槽结构230的至少一部分对准。在一些实施例中，阻挡壁248包括多个断开的壁段，并且每个壁段与相应的隔离沟槽结构230竖直对准，并且布置在亮光光电二极管感测区域214与相邻的暗光或微光光电二极管感测区域212、216之间。阻挡壁248可以进一步与金属栅格208对准。在一些实施例中，阻挡壁248可以形成多个前侧孔口，这些前侧孔口与光电二极管区域214对准，并且以至少三个侧面围绕光电二极管区域214。多个前侧孔口与由金属栅格208限定的孔口对准，金属栅格208形成在背侧201a上的平坦化的缓冲介质层109(例如氧化硅)上。
在实施例中，阻挡壁248和隔离沟槽结构230分隔并且电学隔离。在实施例中，在阻挡壁248与第一层金属互连线241之间存在竖直间距dseperation，其中竖直间距dseperation的范围可以是20到40纳米。
在图3中更详细地图示了实施例的阻挡壁302的截面图。紧邻阻挡壁302下方是蚀刻停止层304，蚀刻停止层304将阻挡壁302与隔离沟槽结构306分隔，并在包含光电二极管310A的光电二极管区域310与晶体管区域308之间提供隔离。在实施例中，蚀刻停止层304包括氮氧化硅或在下面的栅绝缘层332和半导体衬底301(例如，硅衬底)上具有蚀刻选择性的另一种介质材料。在实施例中，隔离沟槽结构306是从半导体衬底301的背侧形成的氧化物填充的隔离结构。在一个实施例中，隔离沟槽结构306从半导体衬底301的背侧301a延伸到半导体衬底301的前侧301b，形成背侧全隔离结构，其中前侧301b与背侧301a相反。在一个实施例中，隔离沟槽结构306从半导体衬底301的背侧301a向半导体衬底301的前侧301b延伸的深度小于半导体衬底301的厚度，形成部分背侧隔离结构。在实施例中，阻挡壁302不与隔离沟槽结构306直接接触，因为在阻挡壁302与隔离沟槽结构306之间形成有至少蚀刻停止层304。
在图示的实施例中，阻挡壁302嵌入在层间介质层312中，并且被附加介质材料314封盖，该附加介质材料314防止阻挡壁302接触第一层金属互连316、317、318。介质材料(例如，氧化物材料)314可以将阻挡壁302与第一层金属互连316、317、318电学隔离。通过层间介质层312，阻挡壁302进一步与接触件324、328分隔和电学隔离。介质材料314可以具有足够的厚度(例如，20-40nm)，以在阻挡壁302与第一层金属互连316、317、318之间提供电绝缘。在实施例中，阻挡壁320沿着平行于半导体衬底301的前侧301b表面的第一方向的壁宽度CSBW小于隔离沟槽结构306沿着第一方向的隔离宽度CDISO。在一个实施例中，省略了附加介质材料314，以使阻挡壁302能够将第一层金属互连316、317、318电连接到接地参考源，从而将阻挡壁302接地，并为可能累积在阻挡壁302上的光子诱导电荷提供电荷放电路径。
在特定实施例中，阻挡壁302与隔离沟槽结构306对准并位于隔离沟槽结构306正上方，隔离沟槽结构306至少部分地设置在隔离阱303中，隔离阱303的导电类型与半导体衬底301的导电类型相同，但与光电二极管310A的导电类型相反。第一层金属互连线316、317、318嵌入更多的介质材料320中，第二层金属互连线322也是如此。在俯视平面图中通常为正方形或圆形的金属填充的接触件324可以在不同的位置从第一层金属互连线317穿过附加介质氧化物314和蚀刻停止层304延伸到具有晶体管区域308和光电二极管区域310的半导体衬底301中的晶体管的源/漏注入区域326，并且金属填充的接触件328可以在不同的位置从对应的第一层金属互连线穿过附加介质氧化物314和蚀刻停止层304延伸到硅化物多晶硅栅极330(例如将光电二极管310A耦合到浮动扩散区(未图示)的选择晶体管的栅电极)。虽然金属填充的接触件324、328在俯视平面图中通常是正方形或圆形的，但是金属壁302在俯视平面图中通常形成为长窄条带，该长窄条带围绕光电二极管区域阵列的每个光电二极管区域的全部或主要部分；长窄条带越完全地围绕阵列的每个光电二极管区域，金属壁的条带在减少图像传感器的相邻光电二极管之间的光学串扰方面就越有效。在特定实施例中，长窄条带具有大于或等于4的长宽比，提供足够的光阻挡材料厚度和足够的壁长度来通过反射和/或吸收来阻挡从第一层金属互连线316、318反射的杂散光线(例如图2的光线252R1)，从而屏蔽光电二极管区域310免受这种杂散光的影响并减少串扰。在实施例中，金属填充的接触件324、328和阻挡壁302可以由钨形成。
在实施例中，金属填充的接触件324、328和阻挡壁302可以由不同的材料形成，例如，金属填充的接触件324、328可以由钨形成，而阻挡壁302由铝形成。又例如，金属填充的接触件324、328可以由铜或非钨金属合金形成，阻挡壁302由钨形成。在一些实施例中，如图3所描绘，金属填充的接触件324或328的高度大于阻挡壁302的高度。例如，金属填充的接触件324的高度324H大于阻挡壁302的高度302H。
图2和图3所图示的结构可以根据方法400(图4和图5A至图5F)形成。在晶片上制造阻挡壁从部分制成的半导体衬底501开始402，部分制成的半导体衬底501具有例如通过离子注入形成在其中的光电二极管、浮动扩散区和源-漏区域。部分或半制成的半导体衬底501可以具有生长在其前侧上的栅氧化物层，通过热氧化工艺形成栅绝缘层，以及具有通过沉积和蚀刻形成的硅化物多晶硅栅极材料，以在栅绝缘层210上形成栅电极。在一些实施例中，半导体衬底501是单晶硅衬底。在实施例中，半导体衬底501还可以形成有从前侧501b延伸到半导体衬底501中的浅隔离结构。
然后在硅化物栅电极和半制成的半导体衬底的前侧表面之上沉积404蚀刻停止层。在实施例中，蚀刻停止层250或304完全覆盖硅化物栅电极。在实施例中，蚀刻停止层250或304可以形成在栅绝缘层210上，为下面的栅绝缘层210和半导体衬底501的前侧501b表面提供蚀刻保护。
在实施例中，蚀刻停止层250包括在下面的栅绝缘层210和半导体衬底(例如，硅衬底)上具有蚀刻选择性的材料。在实施例中，蚀刻停止层250是氮氧化硅层。在蚀刻停止层250的顶部上沉积406层间介质，层间介质封装形成在半导体衬底501的前侧501b表面上的电学组件(例如，栅电极)。在实施例中，层间介质是由四乙氧基硅烷形成的介质氧化物220，并且通过化学气相沉积而沉积在半导体衬底501的前侧501b表面上。接下来，掩蔽和蚀刻408操作形成延伸穿过层间介质氧化物220并着陆(land)在蚀刻停止层250上的沟槽。例如，图案化的第一掩模510沉积在层间介质220上，并且随后进行蚀刻工艺以形成延伸穿过层间介质220并着陆在蚀刻停止层250上的沟槽520，如图5A所描绘。例如通过终点检测，控制形成沟槽520的蚀刻408在蚀刻停止层250处停止。蚀刻之后，用金属材料填充408沟槽，以形成阻挡壁248a、248b。在实施例中，阻挡壁248a在光电二极管区域212与光电二极管区域214之间形成在前侧501b上，并且阻挡壁248b在光电二极管区域214与光电二极管区域216之间形成在前侧501b上。在实施例中，填充用于阻挡壁248a、248b的沟槽的金属是钨或铝。
在实施例中，沉积410封盖介质层，并且器件表面通过化学机械抛光重新平坦化。在实施例中，封盖层由诸如氧化硅的基于氧化物的材料形成，并且通过化学气相沉积形成在层间介质上。例如，如图5B所图示，封盖层530沉积在层间介质220上，并且其上表面532被平坦化。沉积封盖层530，以将阻挡壁248a、248b嵌入层间介质220中，并将阻挡壁248a、248b与后来形成的多层金属互连结构的第一层金属互连电学隔离。封盖层530可以具有范围从20纳米到40纳米的厚度Tcap。在一个实施例中，封盖介质层的沉积被省略，以使得阻挡壁248a、248b中的每一个能够将后来形成的第一层金属互连电连接到接地参考源，从而将阻挡壁248a、248b接地，并为可能累积在阻挡壁248a、248b上的光子诱导电荷提供电荷放电路径。
然后，执行掩蔽和蚀刻操作412，以打开穿过介质材料封盖层、层间介质和蚀刻停止层到硅表面或硅化物多晶硅表面的多个接触孔。用金属填充414接触孔以形成接触件，在实施例中，用钨、铝、铜或另一种金属合金填充接触孔。例如，如图5C至图5D所图示，第二掩模540沉积在封盖层530上，具有用于对应于接触件246的接触孔的沟槽开口542。接触件246中的每一个延伸穿过介质材料封盖层530、层间介质220和蚀刻停止层250，以接触像素电路系统的元件，包括栅电极224、源极/漏极电极326或接地电极(未示出)。
该工艺然后以以下步骤结束：沉积和蚀刻416多层金属互连结构的第一层金属互连线，然后重复执行沉积层间介质、掩蔽和蚀刻通孔以及沉积、掩蔽和蚀刻每个连续的金属互连层的序列。在沉积金属层之后，可以对背照式图像传感器执行进一步的后端处理418，包括在晶片前侧顶部上沉积钝化氧化物、晶片减薄、沉积隔离沟槽结构、金属栅格和光衰减滤光器、光衰减或中性密度滤光器、沉积滤色器以及晶片背侧上的微透镜阵列。
例如，如图5E所图示，嵌入在金属间介质层247中的第一层金属互连241和第二层金属互连243形成在封盖层530上。第一层金属互连241的金属互连段(例如，金属段543)连接到先前形成的接触件246。尽管这里图示了两层金属互连，但是应该理解，形成的金属互连层的数量基于信号路由的要求，并且可以包括更多或更少的金属互连层。
在工艺的前端完成之后，半导体衬底501可以翻转到其背侧501a，并且如图5F所图示执行进一步的后端处理。隔离沟槽结构550是隔离沟槽结构130、230、306的示例，形成在相邻光电二极管区域212、214、216之间并与阻挡壁248a、248b对准。隔离沟槽结构550可以从半导体衬底501的背侧501a延伸到半导体衬底501中，并且填充有介质材料，诸如基于氧化物的材料，或金属材料(诸如钨或铝)，或者基于氧化物的材料和金属材料的组合。缓冲层555可以进一步沉积在半导体衬底501的背侧501a上。此后可以应用化学机械抛光工艺来平坦化缓冲层555，用于后续处理。接下来，金属沉积、掩蔽和蚀刻以在缓冲层555上形成金属栅格560，金属栅格560限定了与每个单独的光电二极管区域212、214、216对准的多个孔口。金属栅格560可以形成在背侧501a上，与阻挡壁248a、248b对准。例如，金属栅格560可以与阻挡壁248a、248b竖直对准。任选地，中性密度滤光器570沉积在金属栅格560限定的孔口中，中性密度滤光器570与暗光或微光光电二极管感测区域214对准，以覆盖光电二极管区域214的光感测区并降低微光电二极管214A的光敏感度。随后，在多个孔口中沉积滤色器材料，以形成滤色器582、584、586的阵列。此后，沉积微透镜材料(例如，聚合物)以形成与相应的光电二极管区域212、214、216对准的微透镜592、594、596的阵列。
应当理解，方法400可以包括更多或更少的步骤，例如，基于处理需要，可以组合或省略一些处理块。在一些实施例中，改变方法400，使得用于阻挡壁408的沟槽和接触孔同时形成，并且用相同的材料(例如钨)填充以形成阻挡壁和接触件，同时为了简化处理和降低成本，可以跳过封盖介质层的沉积410。像接触件一样，阻挡壁可以进一步接触并电连接到随后形成的第一层金属互连线，例如以接收接地电压。
在实施例中，阻挡壁通过第一层金属连接接地，以通过接地线释放累积的光诱导电子。如图6所示，类似于连接到第一层金属互连线的接触件246，形成延伸穿过层间介质220的阻挡壁610、612。在一个实施例中，阻挡壁610、612通过第二层金属互连线623和金属互连线613、614电连接到接地线，形成接触通路615以接收接地参考电压并提供放电路径。
在示例性布局(图7A)中，阻挡壁702设置在背照式图像传感器的小光电二极管704与相邻的大光电二极管706之间。
如图7A所示，小光电二极管704可以被四个大光电二极管706、阻挡壁702围绕，阻挡壁702是阻挡壁248、248a、248b、302的示例。阻挡壁702被布置在相应的小光电二极管704与四个大光电二极管706中的每一个之间，以通过吸收和/或反射来阻止旨在用于相邻大光电二极管706的被第一层金属互连反射的光720串扰到小光电二极管704。在实施例中，小光电二极管704中的每一个的第一满阱容量小于相邻大光电二极管706中的每一个的第二满阱容量，并且比每个单独的大光电二极管706存储更少的光生电荷。备选地，大光电二极管706中的每一个可以具有比每个邻近的小光电二极管704的曝光面积更大的曝光面积。
阻挡壁702可以被布置成围绕小光电二极管704或第一尺寸的光电二极管中的每一个。多个断开的阻挡壁702(例如，图7A中图示的四个阻挡壁702)可以共同围绕小光电二极管704之一，并且限定与它们围绕的相应小光电二极管704的光感测区对准的前侧孔口。
在一些实施例中，基于处理设计规则，每个阻挡壁702的维度(宽度和/或长度)被配置为与形成为连接栅电极和晶体管区域710、712中的源/漏电极的接触件具有足够的间隔。晶体管区域710可以包括与小光电二极管相关联的一个或多个像素晶体管。晶体管区域712可以包括与大光电二极管706或第二尺寸的光电二极管相关联的一个或多个像素晶体管。
多个断开的阻挡壁702被放置在隔离沟槽结构730上方，并且与隔离沟槽结构730对准。作为隔离沟槽结构130、230、306、550的示例的隔离沟槽结构730可以被布置成围绕大光电二极管704和小光电二极管706中的每一个。在图7B中的阻挡壁702的布置的放大图中，隔离沟槽结构730围绕小光电二极管704，并且隔离沟槽结构730的形状可以与小光电二极管704的形状共形。尽管图示的小光电二极管704或大光电二极管706是八边形的，但是，应当理解，基于像素布局需要，小光电二极管704的形状可以包括其他合适的多边形形状，诸如正方形、矩形、三角形。阻挡壁702可以被布置成与隔离沟槽结构730对准。
在实施例中，阻挡壁702中的每一个的壁宽度小于隔离沟槽结构730的沟槽宽度。例如，阻挡壁702的宽度WBW小于相应隔离沟槽结构730的宽度WISO。在另一实施例中，每个阻挡壁702的壁宽度WBW可以是至少45纳米，以提供足够的光阻挡或吸收效果，并且隔离沟槽结构730的宽度WISO可以是至少100纳米。在实施例中，壁长度LBW与壁宽度WBW之比大于或等于4。在实施例中，阻挡壁702中的每一个的壁长度LBW大于相邻八边形小光电二极管704和八边形大光电二极管706的边缘长度。例如，布置在小光电二极管704与大光电二极管706之间的阻挡壁702的壁长度LBW大于小光电二极管704的侧边缘7041的第一边缘长度SLLPD和大光电二极管706的侧边缘7061的第二边缘长度SLLPD，以便有效地吸收或反射大光电二极管706区域内任何第一层金属反射的光，从而防止该反射光跨越到包含小光电二极管704的区域并因此防止串扰。
在背照式图像传感器的像素阵列的另一示例性布局(图8)中，像素阵列包括多个单位像素单元，其中每个像素单元包括四个光电二极管(也称为四共享像素单元)，其中四个光电二极管可以共享浮动扩散区域，并且其中三个被配置为大光电二极管806，并且一个被配置为小光电二极管804，相对于大光电二极管806，小光电二极管804具有较小的满阱容量和/或较低的光敏感度。在像素阵列中，小光电二极管804中每一个被大光电二极管806围绕。阻挡壁802被设置成以至少四个侧面围绕小光电二极管804，以在背照式图像传感器的小光电二极管804与相邻的大光电二极管806之间提供光学隔离。在实施例中，阻挡壁802部分地包围小光电二极管，以允许放置相关联的像素组件，例如选择晶体管的栅电极和相关联的接触件。
组合
这里公开的特征可以以多种方式组合。发明人预期的特征组合如下：
一种指定为A的背照式图像传感器，该类型的图像传感器包括形成在半导体衬底中的光电二极管阵列，光电二极管通过隔离结构彼此电学隔离，层间介质设置在第一层金属互连与半导体衬底之间。图像传感器包括设置在层间介质中在隔离结构与第一层金属互连之间的阻挡金属壁，阻挡金属壁与隔离结构对准并且设置在隔离结构与第一层金属互连之间。
一种指定为AA的背照式图像传感器，包括指定为A的图像传感器，其中阻挡金属壁包括钨。
一种指定为AB的背照式图像传感器，包括指定为A或AA的图像传感器，其中阻挡金属壁包括掩模限定的形状，该掩模限定的形状具有大于或等于4的长宽比。
一种指定为AC的背照式图像传感器，包括指定为A、AB或AA的图像传感器，其中阻挡金属壁通过蚀刻停止层与设置在半导体衬底中的隔离结构分隔，该蚀刻停止层包括在半导体衬底上具有蚀刻选择性的材料。
一种指定为AD的背照式图像传感器，包括指定为AC的图像传感器，其中蚀刻停止层包括氮氧化硅。
一种指定为AE的背照式图像传感器，包括指定为A、AB、AC、AD或AA的图像传感器，该阻挡金属壁被设置在第一层金属互连与层间介质之间的介质层封盖，其中阻挡金属壁与第一层金属互连电学隔离。
一种指定为AF的背照式图像传感器，包括指定为A、AB、AC、AD或AE或AA的图像传感器，还包括：金属栅格，该金属栅格限定与多个光电二极管对准的多个孔口，该金属栅格与阻挡金属壁对准；在与第一组光电二极管对准的第一组孔口中的多个中性密度滤光器，并且其中第二组光电二极管缺少中性密度滤光器；以及在第一组孔口和与第二组光电二极管对准的第二组孔口中的多个滤色器，其中金属栅格分隔相邻的滤色器。
一种指定为AG的背照式图像传感器，包括指定为A、AB、AC、AD、AE、AF或AA的图像传感器，其中阻挡金属壁设置在第一组光电二极管的第一光电二极管和与第一光电二极管相邻的第二组光电二极管的第二光电二极管之间。
一种指定为AH的背照式图像传感器，包括指定为AF或AG的图像传感器，其中阻挡金属壁部分地围绕第一组光电二极管的第一光电二极管。
一种指定为AJ的背照式图像传感器，包括指定为A、AB、AC、AD、AE、AF、AG、AH或AA的图像传感器，其中阻挡金属壁电连接到第一层金属互连以接收接地电压。
一种指定为B的制造背照式图像传感器的方法包括：在半导体衬底中形成多个光电二极管和源-漏区域；在半导体衬底的前侧表面上形成至少一个栅电极，在半导体衬底的前侧表面上的至少一个栅电极之上沉积蚀刻停止层；在蚀刻停止层上沉积层间介质；形成穿过层间介质并延伸到但不穿过蚀刻停止层的一个或多个沟槽，其中一个或多个沟槽中的每一个形成在多个光电二极管中的第一光电二极管与第二光电二极管之间；以及用金属填充一个或多个沟槽以形成一个或多个阻挡金属壁。
一种指定为BA的方法，包括指定为B的方法，还包括在用金属填充一个或多个沟槽之后，在层间介质上形成第一层金属互连。
一种指定为BB的方法，包括指定为B或BA的方法，其中，在用金属填充一个或多个沟槽之后，该方法还包括直接在层间介质上沉积封盖层以嵌入一个或多个阻挡金属壁，并且将一个或多个阻挡金属壁与第一层金属互连分隔。
一种指定为BC的方法，包括指定为B、BB或BA的方法，还包括掩蔽和蚀刻以打开穿过层间介质并与一个或多个阻挡金属壁相邻并穿过蚀刻停止层到至少一个栅电极的表面的接触孔；以及沉积金属材料，填充接触孔，以形成将至少一个栅电极电连接到第一层金属互连的第一金属互连的接触件。该方法要求一个或多个阻挡金属壁和接触件被层间介质分隔并且彼此电学隔离。
一种指定为BD的方法，包括指定为B、BB、BC或BA的方法，其中层间介质是通过化学气相沉积由四乙氧基硅烷形成的介质氧化物，并且蚀刻停止层是通过化学气相沉积而沉积的氮氧化硅层。
一种指定为BE的方法，包括指定为B、BB、BC、BD或BA的方法，其中填充沟槽的金属是钨。
一种指定为BF的方法，包括指定为B、BB、BC、BD、BE或BA的方法，还包括：在第一光电二极管与第二光电二极管之间，从半导体衬底的与前侧表面相反的背侧表面形成隔离结构，其中隔离结构与一个或多个阻挡金属壁对准；在半导体衬底的背侧表面上形成金属栅格，金属栅格限定与第一光电二极管对准的第一孔口和与第二光电二极管对准的第二孔口，其中金属栅格与一个或多个阻挡金属壁对准；在与第一光电二极管对准的第一孔口中沉积中性密度滤光器；以及将滤色器材料沉积到中性密度滤光器上的第一孔口中和与第二光电二极管对准的第二孔口中。
一种指定为BG的方法，包括指定为B、BB、BC、BD、BE、BF或BA的方法，其中第一光电二极管具有第一尺寸，第一尺寸小于一定尺寸，第二光电二极管具有第二尺寸。
一种指定为BH的方法，包括指定为B、BB、BC、BD、BE、BF、BG或BA的方法，其中形成多个光电二极管的工艺还包括形成第三光电二极管、第四光电二极管和第五光电二极管，其中第二光电二极管、第三光电二极管、第四光电二极管和第五光电二极管围绕第一光电二极管；其中第三光电二极管、第四光电二极管和第五光电二极管中的每一个都具有第二尺寸。
一种指定为BJ的方法，包括指定为B、BB、BC、BD、BE、BF、BG、BH或BA的方法，其中形成穿过层间介质的一个或多个沟槽包括在第一光电二极管与第二光电二极管之间形成第一沟槽，在第一光电二极管与第三光电二极管之间形成第二沟槽，在第一光电二极管与第四光电二极管之间形成第三沟槽，以及在第一光电二极管与第五光电二极管之间形成第四沟槽；并且其中用金属填充一个或多个沟槽包括填充第一沟槽、第二沟槽、第三沟槽和第四沟槽以形成在第一光电二极管与第二光电二极管之间的第一阻挡金属壁、在第一光电二极管与第三光电二极管之间的第二阻挡金属壁、在第一光电二极管与第四光电二极管之间的第三阻挡壁以及在第一光电二极管与第五光电二极管之间的第四阻挡金属壁。
在不脱离本发明范围的情况下，可以对上述方法和系统进行改变。因此，应当注意，包含在以上描述中或者在附图中示出的内容应当被解释为说明性的，而不是限制性的。下面的权利要求旨在覆盖本文描述的所有一般和特定特征，以及从语言的角度来说可以说落入它们之间的本发明的方法和系统的范围的所有陈述。

Claims (20)

1.一种背照式图像传感器，所述背照式图像传感器为以下类型：包括形成在半导体衬底中的光电二极管阵列，所述光电二极管通过隔离结构彼此电学隔离，层间介质设置在第一层金属互连与所述半导体衬底之间；其中改进包括：
在所述层间介质中在所述隔离结构与所述第一层金属互连之间设置的阻挡金属壁，所述阻挡金属壁与所述隔离结构对准并且设置在所述隔离结构与所述第一层金属互连之间。
2.根据权利要求1所述的背照式图像传感器，其中所述阻挡金属壁包括钨。
3.根据权利要求1所述的背照式图像传感器，其中所述阻挡金属壁包括掩模限定的形状，所述掩模限定的形状具有大于或等于四的长宽比。
4.根据权利要求1所述的背照式图像传感器，其中所述阻挡金属壁通过蚀刻停止层与设置在所述半导体衬底中的所述隔离结构分隔，所述蚀刻停止层包括在所述半导体衬底上具有蚀刻选择性的材料。
5.根据权利要求4所述的背照式图像传感器，其中所述蚀刻停止层包括氮氧化硅。
6.根据权利要求1所述的背照式图像传感器，其中所述阻挡金属壁被设置在所述第一层金属互连与所述层间介质之间的介质层封盖，其中所述阻挡金属壁与所述第一层金属互连电学隔离。
7.根据权利要求6所述的背照式图像传感器，还包括：
金属栅格，所述金属栅格限定与多个光电二极管对准的多个孔口，所述金属栅格与所述阻挡金属壁对准；
多个中性密度滤光器，所述多个中性密度滤光器在与第一组光电二极管对准的第一组孔口中，并且其中第二组光电二极管缺少中性密度滤光器，以及
多个滤色器，所述多个滤色器在所述第一组孔口中和与所述第二组光电二极管对准的第二组孔口中，其中所述金属栅格分隔相邻的滤色器。
8.根据权利要求7所述的背照式图像传感器，其中所述阻挡金属壁设置在所述第一组光电二极管中的第一光电二极管和与所述第一光电二极管相邻的所述第二组光电二极管中的第二光电二极管之间。
9.根据权利要求8所述的背照式图像传感器，其中所述阻挡金属壁部分地围绕所述第一组光电二极管中的所述第一光电二极管。
10.根据权利要求1所述的背照式图像传感器，其中所述阻挡金属壁电连接到所述第一层金属互连以接收接地电压。
11.一种制造背照式图像传感器的方法，包括：
在半导体衬底中形成多个光电二极管和源-漏区域；
在所述半导体衬底的前侧表面上形成至少一个栅电极；
在所述半导体衬底的所述前侧表面上的所述至少一个栅电极之上沉积蚀刻停止层；
在所述蚀刻停止层上沉积层间介质；
形成穿过所述层间介质并延伸到但不穿过所述蚀刻停止层的一个或多个沟槽，其中所述一个或多个沟槽中的每一个都形成在所述多个光电二极管的第一光电二极管与第二光电二极管之间；以及
用金属填充所述一个或多个沟槽以形成一个或多个阻挡金属壁。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括在用金属填充所述一个或多个沟槽之后，在所述层间介质上形成第一层金属互连。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，在用金属填充所述一个或多个沟槽之后，所述方法还包括直接在所述层间介质上沉积封盖层，以将所述一个或多个阻挡金属壁嵌入所述层间介质中，并且将所述一个或多个阻挡金属壁与所述第一层金属互连分隔。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
掩蔽和蚀刻以打开穿过所述层间介质并与所述一个或多个阻挡金属壁相邻并穿过所述蚀刻停止层到所述至少一个栅电极的表面的接触孔；以及
沉积金属材料，填充所述接触孔以形成将所述至少一个栅电极电连接到所述第一层金属互连的第一金属互连的接触件；
其中所述一个或多个阻挡金属壁和所述接触件被层间介质分隔并且彼此电学隔离。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述层间介质是通过化学气相沉积由四乙氧基硅烷形成的介质氧化物，并且所述蚀刻停止层是通过化学气相沉积而沉积的氮氧化硅层。
16.根据权利要求11所述的方法，其中填充所述沟槽的所述金属是钨。
17.根据权利要求11所述的方法，还包括：
在所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间，从所述半导体衬底的与所述前侧表面相反的背侧表面形成隔离结构，其中所述隔离结构与所述一个或多个阻挡金属壁对准；
在所述半导体衬底的所述背侧表面上形成金属栅格，所述金属栅格限定与所述第一光电二极管对准的第一孔口和与所述第二光电二极管对准的第二孔口，其中所述金属栅格与所述一个或多个阻挡金属壁对准；
在与所述第一光电二极管对准的所述第一孔口中沉积中性密度滤光器；以及
将滤色器材料沉积到所述中性密度滤光器上的所述第一孔口中和与所述第二光电二极管对准的所述第二孔口中。
18.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一光电二极管的第一满阱容量小于所述第二光电二极管的第二满阱容量。
19.根据权利要求18所述的方法，其中形成所述多个光电二极管的工艺还包括形成第三光电二极管、第四光电二极管和第五光电二极管，其中所述第二光电二极管、所述第三光电二极管、所述第四光电二极管和所述第五光电二极管围绕所述第一光电二极管；其中所述第三光电二极管、所述第四光电二极管和所述第五光电二极管中的每一个都具有所述第二满阱容量。
20.根据权利要求19所述的方法，其中形成穿过所述层间介质的一个或多个沟槽包括在所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间形成第一沟槽，在所述第一光电二极管与所述第三光电二极管之间形成第二沟槽，在所述第一光电二极管与所述第四光电二极管之间形成第三沟槽，以及在所述第一光电二极管与所述第五光电二极管之间形成第四沟槽；并且其中用金属填充所述一个或多个沟槽包括填充所述第一沟槽、所述第二沟槽、所述第三沟槽和所述第四沟槽以形成在所述第一光电二极管与所述第二光电二极管之间的第一阻挡金属壁、在所述第一光电二极管与所述第三光电二极管之间的第二阻挡金属壁、在所述第一光电二极管与所述第四光电二极管之间的第三阻挡壁以及在所述第一光电二极管与所述第五光电二极管之间的第四阻挡金属壁。
CN202211562189.4A 2022-01-06 2022-12-07 高动态范围、背照式、低串扰图像传感器 Pending CN116404013A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/570,006 US20230215890A1 (en) 2022-01-06 2022-01-06 High Dynamic Range, Backside-illuminated, Low Crosstalk Image Sensor with Walls Between Silicon Surface and First Layer Metal to Isolate Photodiodes
US17/570,006 2022-01-06

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116404013A true CN116404013A (zh) 2023-07-07

Family

ID=86990986

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211562189.4A Pending CN116404013A (zh) 2022-01-06 2022-12-07 高动态范围、背照式、低串扰图像传感器

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20230215890A1 (zh)
CN (1) CN116404013A (zh)
TW (1) TW202329442A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117393574A (zh) * 2023-12-13 2024-01-12 合肥晶合集成电路股份有限公司 一种半导体结构及其制造方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117976686B (zh) * 2024-04-02 2024-06-11 合肥晶合集成电路股份有限公司 一种背照式图像传感器及其制作方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8530266B1 (en) * 2012-07-18 2013-09-10 Omnivision Technologies, Inc. Image sensor having metal grid with a triangular cross-section
US10644060B2 (en) * 2017-09-28 2020-05-05 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Image sensor with high quantum efficiency surface structure
JP6779929B2 (ja) * 2018-02-09 2020-11-04 キヤノン株式会社 光電変換装置および機器

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117393574A (zh) * 2023-12-13 2024-01-12 合肥晶合集成电路股份有限公司 一种半导体结构及其制造方法
CN117393574B (zh) * 2023-12-13 2024-03-01 合肥晶合集成电路股份有限公司 一种半导体结构及其制造方法

Also Published As

Publication number Publication date
TW202329442A (zh) 2023-07-16
US20230215890A1 (en) 2023-07-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10930692B2 (en) Increased optical path for long wavelength light by grating structure
US11658196B2 (en) Semiconductor image sensor
US8119439B2 (en) Methods of manufacturing an image sensor having an air gap
US7154136B2 (en) Isolation structures for preventing photons and carriers from reaching active areas and methods of formation
US7075164B2 (en) Semiconductor photoelectric conversion device suitable for miniaturization
KR100745985B1 (ko) 이미지 센서
CN100416844C (zh) 具有棱镜的cmos图像传感器及其制造方法
US11791361B2 (en) Image sensor with overlap of backside trench isolation structure and vertical transfer gate
US11646340B2 (en) Semiconductor image sensor
US11522002B2 (en) Method for forming semiconductor image sensor
CN116404013A (zh) 高动态范围、背照式、低串扰图像传感器
US9247116B2 (en) Image sensor device with light guiding structure
US20230197751A1 (en) Increased optical path for long wavelength light by grating structure
US20230369368A1 (en) Composite deep trench isolation structure in an image sensor
US20230282671A1 (en) High dynamic range, backside-illuminated, low crosstalk image sensor with walls on backside surface to isolate photodiodes
KR20230116551A (ko) 이미지 센서
KR20240014781A (ko) 이미지 센서

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication