CN116469895A - 背照式图像传感器及形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种背照式图像传感器及形成方法，其特征在于，包括：外延叠层，包括自下而上堆叠的噪声收集层、第一隔离层及感光层；噪声溢出通道，设于所述外延叠层内，包括自下而上堆叠的注入/外延溢出部；其中，噪声依次经所述噪声收集层、所述注入溢出部及所述外延溢出部排出所述外延叠层。通过形成开口，离子注入工艺仅对开口底部的第一隔离层进行注入，对于感光层的厚度没有限制，因此可以按需要的满阱电容设计使用较厚的感光层。同时，通过设定第一隔离层的厚度和浓度，可以控制感光单元与噪声收集层之间的势垒。

Description

背照式图像传感器及形成方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种背照式图像传感器及形成方法。
背景技术
图像传感器包含具有感光单元的像素阵列。感光单元在与光接触时可以得到电荷。如果过量的光照射感光单元而让感光单元产生过量的电荷，则电荷会漏到相邻的感光单元，导致信号串扰，图像质量显著变差。该现象一般被称作光晕（blooming）。
常规图像传感器中，硅衬底正面所带来的噪声可以通过钉扎注入解决。但对硅衬底底面减薄，会产生新的背部断面，给图像传感器引入噪声。
图1示出了现有技术的背照式图像传感器的剖面示意图，如图1所示，现有技术在背部断面上方形成n型离子注入层103，同时，使用p型离子注入层101隔离感光单元102及n型离子注入层103，并使用离子注入将n型离子注入层引出，并耦连衬底正面的外部电压，从而导出背部断面所产生的暗电流。但是，背面断面位置较深时，离子注入已经无法自硅衬底正面触及背面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种背照式图像传感器及形成方法，解决高能离子注入带来的感光层及衬底的损伤，同时，对衬底及感光层的厚度不做限制，提升工艺兼容性。
基于以上考虑，本发明的一个方面提供一种背照式图像传感器，其特征在于，包括：外延叠层，包括自下而上堆叠的噪声收集层、第一隔离层及感光层；噪声溢出通道，设于所述外延叠层内，包括自下而上堆叠的注入/外延溢出部；其中，噪声依次经所述噪声收集层、所述注入溢出部及所述外延溢出部排出所述外延叠层。
优选的，所述外延溢出部自所述感光层表面延伸至所述感光层内，所述注入溢出部自所述外延溢出部底面延伸，并穿过所述第一隔离层至所述噪声收集层。
优选的，所述注入溢出部延伸至所述噪声收集层内。
优选的，所述外延叠层分设有像素区域及外围区域，所述外围区域围绕所述像素区域，所述噪声溢出通道设于所述外围区域；还包括：外延底层，设于所述噪声收集层下；第一沟槽及若干第二沟槽，对应分设于所述外围区域及所述像素区域，且均贯穿所述感光层；第二隔离层，填充所述第二沟槽，并覆盖所述第一沟槽的侧壁；其中，所述外延溢出部填充所述第一沟槽，所述注入溢出部还穿过所述第二隔离层
优选的，所述第一沟槽及所述第二沟槽还延伸至所述第一隔离层内。
优选的，所述第二隔离层的厚度小于所述感光层的厚度。
优选的，所述第一沟槽的横向尺寸大于所述第二沟槽的横向尺寸。
优选的，所述外延底层、所述第一/第二隔离层均具有第一导电类型，所述注入/外延溢出部及所述噪声收集层均具有第二导电类型，所述感光层包括第一导电类型掺杂外延层和/或第二导电类型掺杂外延层。
优选的，所述第一导电类型对应的掺杂离子包括硼离子或铟离子，所述第二导电类型对应的掺杂离子包括磷离子、砷离子或锑离子。
优选的，所述噪声收集层的掺杂离子的浓度最大。
优选的，所述第一隔离层的厚度为0.3μm~1μm。
优选的，所述第一隔离层的掺杂浓度包括 1E16atom/cm3~5E17 atom/cm3。
本发明的另一方面提供一种背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：步骤S01：提供衬底，所述衬底具有相对的正面及背面；步骤S02：依次于所述正面上外延生长噪声收集层、第一隔离层及感光层；步骤S03：形成贯穿所述感光层的开口；步骤S04：采用离子注入工艺，于所述开口底部的所述第一隔离层进行掺杂，形成注入溢出部；步骤S05：采用外延生长法，形成填充所述开口的外延溢出部，所述外延溢出部相连所述注入溢出部形成噪声溢出通道；步骤S06：去除所述衬底。
优选的，所述离子注入工艺还对所述开口底部的所述噪声收集层进行掺杂。
优选的，步骤S02之前，于所述正面上外延生长初始外延底层，并采用第一减薄工艺，减薄所述初始外延底层，于所述正面形成外延底层；其中，步骤S06：采用第二减薄工艺，去除所述衬底，并减薄所述外延底层。
优选的，所述衬底分设有像素区域及外围区域，所述外围区域围绕所述像素区域，所述开口设于所述外围区域；其中，步骤S03包括：采用第一光刻工艺，于所述感光层上形成第一光刻胶图形层；以所述第一光刻胶图形层为掩膜，刻蚀所述感光层形成对应所述像素区域的若干第二沟槽、及对应所述外围区域的第一沟槽；去除所述第一光刻胶图形层；于所述感光层上形成第二隔离层，所述第二隔离层填充所述第二沟槽，并覆盖所述第一沟槽的侧壁及底部，形成所述开口， 所述离子注入工艺还对所述开口底部的所述第二隔离层进行掺杂。
优选的，步骤S04包括：采用第二光刻工艺，于所述第二隔离层上形成第二光刻胶图形层；以所述第二光刻胶图形层为掩膜，采用离子注入工艺，于所述开口底部的所述第一/第二隔离层进行掺杂，形成注入溢出部，去除所述第二光刻胶图形层。
优选的，步骤S05包括：采用所述外延生长法，于所述第二隔离层上外延生长填充材料，所述填充材料填充所述开口；采用化学机械抛光法，研磨所述填充材料及所述第二隔离层，直至暴露出所述感光层表面，形成所述外延溢出部。
优选的，所述感光层及所述第一光刻胶图形层之间还形成有硬掩膜图形层，所述掩膜还包括所述硬掩膜图形层；所述第二隔离层还覆盖所述硬掩膜图形层；所述化学机械抛光法还研磨所述硬掩膜图形层。
优选的，步骤S06之后，还包括：于所述感光层内形成若干感光单元，所述第二沟槽隔离相邻的感光单元；于所述感光层上形成电路层。
本发明通过形成开口，离子注入工艺仅对开口底部的第一隔离层进行注入，对于感光层的厚度没有限制，因此可以按需要的满阱电容设计使用较厚的感光层。同时，通过设定第一隔离层的厚度和浓度，可以控制感光单元与噪声收集层之间的势垒，提高背照式图像传感器的性能。
附图说明
通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1示出了现有技术的背照式图像传感器的剖面示意图；
图2示出本发明实施例的一种背照式图像传感器的剖面示意图；
图3～图8为本发明实施例的一种背照式图像传感器的形成方法的过程示意图。
在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示相同或相似的装置（模块）或步骤。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容做进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
正如背景技术所述，现有的背照式图像传感器仍存在诸多问题。随着图像传感器所使用的衬底厚度进一步增加，通过离子注入来降低背面噪声的方案逐渐显露出问题。
随着衬底厚度的增加，离子注入所需能量也逐步增加。高能的离子会在注入过程中与硅晶格频繁碰撞，从而给衬底的正面带来一系列缺陷，增加感光单元的暗电流。另外，注入离子所能使用的能量也存在上限，但对于图像传感器满阱电容的追求并不停止，因此在超厚衬底的图像传感器中，高能注入不再能接触到衬底背面。
虽然，目前已经出现了使用外延生长方式来制备感光单元的方案，使图像传感器所能使用的衬底厚度不再受限于离子注入的深度上限，然而，这也意味着离子注入不再能满足背部暗电流阻挡层的制备需求，同时，工艺流程复杂，制造成本较高。
为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种背照式图像传感器，噪声依次经噪声溢出通道排出所述外延叠层。
下面结合具体实施例进行详细阐述。
图2示出本发明实施例的一种背照式图像传感器的剖面示意图，如图2所示，背照式图像传感器包括外延叠层，所述外延叠层包括自下而上堆叠的噪声收集层103、第一隔离层104及感光层105。
其中，噪声溢出通道设于所述外延叠层内，包括自下而上堆叠的注入/外延溢出部。
所述外延叠层分设有像素区域及外围区域，所述外围区域围绕所述像素区域，所述噪声溢出通道设于所述外围区域。所述外围区域设有第一沟槽（未图示），所述像素区域设有若干第二沟槽（未图示）。第一沟槽及若干第二沟槽均贯穿所述感光层105。
外延叠层还包括设于所述噪声收集层103下的外延底层102，用作上述各层的支撑层。
所述第二隔离层201填充所述第二沟槽，并覆盖所述第一沟槽的侧壁，且围绕所述外延溢出部302，以隔离所述外延溢出部302及所述感光层105。
外延溢出部302设于注入溢出部301上，填充所述第一沟槽，所述注入溢出部301还穿过所述第二隔离层201，并延伸至所述噪声收集层103内。
所述噪声收集层103、所述注入溢出部301及所述外延溢出部302相连，所述噪声收集层103设于所述感光层105下，完全隔离所述外延底层102及感光层105。
对于背照式（Back-side Illumination, BSI）图像传感器，可以设计硅衬底的减薄位置落于外延底层102之中，此时减薄断面（去除衬底后暴露的表面）所产生的噪声电流将完全由噪声收集层103所隔断并收集，避免了噪声电流对光电二极管的干扰。
同时，对于包括前照式（Front-side Illumination， FSI）和背照式图像传感器，施加较高外电压的噪声收集层103均可以在光电二极管积分电子较满的情况下，提供溢出电子通道，从而避免了blooming现象的出现。
以下通过具体实施方式并结合附图，对本发明的一种背照式图像传感器的形成方法进行详细说明。
步骤S01：提供衬底101，所述衬底101具有相对的正面及背面。
步骤S02：依次于所述正面上外延生长噪声收集层103、第一隔离层104及感光层105。
如图3所示，所述衬底101的材料为硅，在其他实施例中，所述衬底101的材料还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟。根据背照式图像传感器的感光层的类型，所述衬底101还可以掺入不同类型的杂质离子。
本实施例中，于所述正面上外延生长初始外延底层（未图示），并采用第一减薄工艺，减薄所述初始外延底层的表面，于所述正面形成外延底层102。
所述衬底101和所述外延底层102的导电类型相同，如所述衬底101及所述外延底层102均为第一导电类型；或，所述衬底101及所述外延底层102均为第二导电类型。
感光层的类型为N型时，所述衬底101掺杂有P型杂质离子，所述P型杂质离子为硼离子、镓离子或铟离子中的一种或几种，或，所述感光层的类型为P型时，所述衬底101掺杂有N型杂质离子，所述N型杂质离子为磷离子、砷离子或锑离子中的一种。
感光层105可为单层或多层结构，其中，单层结构可以具有第一导电类型或第二导电类型，多层结构可以是所述单层结构的叠层。
本实施例中，所述衬底101、所述外延底层102、噪声收集层103均具有第一导电类型，所述感光层105具有第二导电类型。噪声收集层103的厚度为1μm，并掺杂有硼离子或砷离子，所述硼离子或砷离子的掺杂浓度为1E18atom/cm3。第一隔离层104的厚度为0.3μm~1μm，并掺杂有硼离子，所述硼离子的掺杂浓度为1E16atom/cm3~5E17 atom/cm3。
下文中，均以P型衬底、P型外延底层、P型噪声收集层、N型第一隔离层及N型感光层为例。
步骤S03：形成贯穿所述感光层105的开口。
如图4所示，本实施例还形成第二隔离层201，采用第一光刻工艺，于所述感光层105表面形成第一光刻胶图形层（未图示）；以所述第一光刻胶图形层为掩膜，刻蚀所述感光层105，形成对应所述像素区域的若干第二沟槽、及对应所述外围区域的第一沟槽；去除所述第一光刻胶图形层；于所述感光层105上形成第二隔离层201，所述第二隔离层201填充所述第二沟槽，并覆盖所述第一沟槽的侧壁及底部，形成所述开口，所述开口定义噪声溢出通道的位置及尺寸。
所述第一沟槽的横向尺寸大于所述第二沟槽的横向尺寸，因此，第二隔离层201仅填充所述第二沟槽，而覆盖所述第一沟槽的侧壁及底部，所述第一沟槽底部的所述第二隔离层及第一隔离层用于形成注入溢出部，所述第一沟槽内的剩余空间用于填充形成外延溢出部。
所述第一沟槽及第二沟槽的深宽比为5:1~60:1，并均贯穿所述感光层105，且延伸至所述第一隔离层104内。位于所述像素区域的若干第二沟槽内填充第二隔离层201，所述第一隔离层104及第二隔离层211围封位于像素区域的部分感光层105，后续形成的感光单元设于其中，相邻感光单元之间完全隔离，避免光信号串扰。
步骤S04：采用离子注入工艺，于所述开口底部的所述第一隔离层104进行掺杂，形成注入溢出部301。
采用第二光刻工艺，于所述第二隔离层102上形成第二光刻胶图形层106；以所述第二光刻胶图形层106为掩膜，采用离子注入工艺，于所述开口底部的所述第一隔离层104及第二隔离层201进行掺杂，形成注入溢出部，去除所述第二光刻胶图形层106。
本实施例中，如图5所示，通过刻蚀感光层105，所述离子注入工艺对开口底部的第一隔离层104及第二隔离层201进行掺杂，因此，离子注入工艺的注入能量较低，避免对外延底层102造成损伤。所述离子注入工艺的掺杂离子包括磷离子、砷离子或锑离子。所述注入溢出部301的掺杂体浓度为1E18 atom/cm3。
本实施例中，所述第二隔离层201的厚度小于所述感光层105的厚度。所述离子注入工艺还对所述开口底部的所述噪声收集层103进行掺杂。
步骤S05：采用外延生长法，形成填充所述开口的外延溢出部302，所述外延溢出部302相连所述注入溢出部301形成噪声溢出通道。
如图6所示，采用外延生长法，于所述第二隔离层201上外延生长填充材料，所述填充材料填充所述开口；采用化学机械抛光法，研磨感光层105上的所述填充材料及所述第二隔离层201，直至暴露出所述感光层105表面，形成所述外延溢出部302。
另一实例中，所述感光层及所述第一光刻胶图形层之间还形成有硬掩膜图形层，所述掩膜还包括所述硬掩膜图形层，通过第一光刻胶图形层及所述硬掩膜图形层刻蚀感光层，由于硬掩膜图形层相对于感光层的刻蚀选择比很高，可以适用于较厚的感光层的刻蚀；所述第二隔离层还覆盖所述硬掩膜图形层；所述化学机械抛光法还研磨所述硬掩膜图形层，直至暴露出所述感光层表面，形成所述外延溢出部。
通过注入溢出部301相连所述噪声收集层103，并于所述注入溢出部301上形成外延溢出部302，实现对来自于外延底层102的电子进行快速复合，解决噪点问题，进而改善成像质量。
如图7所示，在形成所述噪声溢出通道之后，于所述感光层内形成若干感光单元，所述第二沟槽隔离相邻的感光单元；于所述感光层105上形成电路层。
所述外延底层、所述第一/第二隔离层均具有第一导电类型，所述注入/外延溢出部及所述噪声收集层均具有第二导电类型，所述感光层包括第一导电类型掺杂外延层和/或第二导电类型掺杂外延层。
步骤S06：去除所述衬底101。
如图8所示，由于所述外延底层102厚度较大，为了减少背面入射的外部光线达到所述感光层105的距离，进而提高背照式图像传感器的灵敏度，还可以对所述外延底层102进行减薄处理。
对去除所述衬底101的工艺包括物理机械研磨工艺、化学机械研磨工艺或是湿法刻蚀工艺。在本实施例中，去除所述衬底101及减薄所述外延底层102的工艺采用化学机械研磨工艺。
本发明通过形成开口，离子注入工艺仅对开口底部的第一隔离层进行注入，对于感光层的厚度没有限制，因此可以按需要的满阱电容设计使用较厚的感光层。同时，通过设定第一隔离层的厚度和浓度，可以控制感光单元与噪声收集层之间的势垒，噪声依次经所述噪声收集层、所述注入溢出部及所述外延溢出部排出所述外延叠层，提高背照式图像传感器的性能。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论如何来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，明显的，“包括”一词不排除其他元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。装置权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (20)

1.一种背照式图像传感器，其特征在于，包括：
外延叠层，包括自下而上堆叠的噪声收集层、第一隔离层及感光层；
噪声溢出通道，设于所述外延叠层内，包括自下而上堆叠的注入/外延溢出部；其中，
噪声依次经所述噪声收集层、所述注入溢出部及所述外延溢出部排出所述外延叠层。
2.如权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述外延溢出部自所述感光层表面延伸至所述感光层内，所述注入溢出部自所述外延溢出部底面延伸，并穿过所述第一隔离层至所述噪声收集层。
3.如权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述注入溢出部延伸至所述噪声收集层内。
4.如权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述外延叠层分设有像素区域及外围区域，所述外围区域围绕所述像素区域，所述噪声溢出通道设于所述外围区域；还包括：
外延底层，设于所述噪声收集层下；
第一沟槽及若干第二沟槽，对应分设于所述外围区域及所述像素区域，且均贯穿所述感光层；
第二隔离层，填充所述第二沟槽，并覆盖所述第一沟槽的侧壁；其中，
所述外延溢出部填充所述第一沟槽，所述注入溢出部还穿过所述第二隔离层。
5.如权利要求4所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述第一沟槽及所述第二沟槽还延伸至所述第一隔离层内。
6.如权利要求4所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述第二隔离层的厚度小于所述感光层的厚度。
7.如权利要求4所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述第一沟槽的横向尺寸大于所述第二沟槽的横向尺寸。
8.如权利要求4所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述外延底层、所述第一/第二隔离层均具有第一导电类型，所述注入/外延溢出部及所述噪声收集层均具有第二导电类型，所述感光层包括第一导电类型掺杂外延层和/或第二导电类型掺杂外延层。
9.如权利要求8所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述第一导电类型对应的掺杂离子包括硼离子或铟离子，所述第二导电类型对应的掺杂离子包括磷离子、砷离子或锑离子。
10.如权利要求9所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述噪声收集层的掺杂离子的浓度最大。
11.如权利要求4所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述第一隔离层的厚度为0.3μm~1μm。
12.如权利要求11所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述第一隔离层的掺杂浓度包括 1E16atom/cm3~5E17 atom/cm3。
13.一种背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：
步骤S01：提供衬底，所述衬底具有相对的正面及背面；
步骤S02：依次于所述正面上外延生长噪声收集层、第一隔离层及感光层；
步骤S03：形成贯穿所述感光层的开口；
步骤S04：采用离子注入工艺，于所述开口底部的所述第一隔离层进行掺杂，形成注入溢出部；
步骤S05：采用外延生长法，形成填充所述开口的外延溢出部302，所述外延溢出部相连所述注入溢出部形成噪声溢出通道；
步骤S06：去除所述衬底。
14.如权利要求13所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，所述离子注入工艺还对所述开口底部的所述噪声收集层进行掺杂。
15.如权利要求14所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，步骤S02之前，于所述正面上外延生长初始外延底层，并采用第一减薄工艺，减薄所述初始外延底层，于所述正面形成外延底层；其中，
步骤S06：采用第二减薄工艺，去除所述衬底，并减薄所述外延底层。
16.如权利要求15所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，所述衬底分设有像素区域及外围区域，所述外围区域围绕所述像素区域，所述开口设于所述外围区域；其中，
步骤S03包括：采用第一光刻工艺，于所述感光层上形成第一光刻胶图形层；以所述第一光刻胶图形层为掩膜，刻蚀所述感光层形成对应所述像素区域的若干第二沟槽、及对应所述外围区域的第一沟槽；去除所述第一光刻胶图形层；于所述感光层上形成第二隔离层，所述第二隔离层填充所述第二沟槽，并覆盖所述第一沟槽的侧壁及底部，形成所述开口，所述离子注入工艺还对所述开口底部的所述第二隔离层进行掺杂。
17.如权利要求16所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，步骤S04包括：采用第二光刻工艺，于所述第二隔离层上形成第二光刻胶图形层；以所述第二光刻胶图形层为掩膜，采用离子注入工艺，于所述开口底部的所述第一/第二隔离层进行掺杂，形成注入溢出部，去除所述第二光刻胶图形层。
18.如权利要求17所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，步骤S05包括：采用所述外延生长法，于所述第二隔离层上外延生长填充材料，所述填充材料填充所述开口；采用化学机械抛光法，研磨所述填充材料及所述第二隔离层，直至暴露出所述感光层表面，形成所述外延溢出部。
19.如权利要求18所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，所述感光层及所述第一光刻胶图形层之间还形成有硬掩膜图形层，所述掩膜还包括所述硬掩膜图形层；所述第二隔离层还覆盖所述硬掩膜图形层；所述化学机械抛光法还研磨所述硬掩膜图形层。
20.如权利要求18或19所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，步骤S06之后，还包括：于所述感光层内形成若干感光单元，所述第二沟槽隔离相邻的感光单元；于所述感光层上形成电路层。
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