CN117238842A - 深沟槽的形成方法以及背照式图像传感器制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种深沟槽的形成方法及背照式图像传感器制造方法，所述深沟槽的形成方法通过先在外延层上形成第一深沟槽，再通过湿法刻蚀工艺将第一深沟槽刻蚀成第二深沟槽，然后形成第一介质层和第二介质层，由于第二深沟槽的顶部开口宽度较小，第二介质层很容易将第二深沟槽的顶部开口封住，然后在第二介质层上形成第三介质层。第三介质层厚度均匀，无需进行化学机械研磨工艺，避免了化学机械研磨工艺带来的器件表面缺陷和晶格损伤，提高了背照式图像传感器的器件良率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种深沟槽的形成方法以及背照式图像传感器制造方法。
背景技术
图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置。按照其依据的原理不同，可以区分为CCD(电荷耦合元件)图像传感器以及CMOS(金属氧化物半导体元件)图像传感器。由于CMOS图像传感器是采用传统的CMOS电路工艺制作，因此可将图像传感器以及其所需要的外围电路加以整合，从而使得CMOS图像传感器具有更广泛的应用前景。按照接受光线的位置的不同，CMOS图像传感器可以被分为前照式图像传感器以及背照式图像传感器。由于在背照式图像传感器中，辐射光从背面进入，而诸如金属布线层等可能影响辐射光接收的部件形成在正面，因此背照式图像传感器显著地提高了低辐射照条件下的拍摄效果。
在背照式图像传感器制造工艺过程中，深沟槽隔离(DTI，Deep TrenchIsolation)栅格填充是一道关键的工艺。现有工艺都是在所形成的深沟槽中采用高介电常数薄膜和氧化硅来进行填充，以在各相邻感光元件之间形成深沟槽隔离。由于像素晶圆包含有阵列式的多个感光元件，所形成的深沟槽隔离呈现栅格状。其中高介电常数薄膜和氧化硅能够起到隔离的作用是由于高介电常数薄膜所捕获的界面电荷能够形成势垒，从而能够阻隔相邻栅格之间的电子串扰。可以理解的是，电子串扰的强弱直接影响图像传感器的像素性能，而半导体领域中不断缩减的半导体器件尺寸加剧了电子串扰。对于高分辨率小像素尺寸（pixel size）产品而言，外延层（EPI）表面氧化层的厚度对光学性能影响巨大，通常厚度不允许超过2000埃，而且严格控制波动。在形成氧化层时，由于深沟槽的顶部开口宽度大，填充深沟槽隔离结构后，表面凹凸不平，需要采用化学机械研磨工艺，但是化学机械研磨工艺会对在背照式图像传感器的表面形成缺陷和晶格损伤，造成游离电子的增加，对光电量子效率也会产生负面影响，进而降低器件成像质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种深沟槽的形成方法，以解决深沟槽隔离结构填充后表面凹凸不平，化学机械研磨工艺对器件表面带来缺陷和晶格损伤的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种深沟槽的形成方法，包括：
提供一半导体基底，所述半导体基底包括正面和背面，所述半导体基底的背面形成有外延层；
执行干法刻蚀工艺，以在所述外延层内形成第一深沟槽；
对所述第一深沟槽执行湿法刻蚀工艺，形成第二深沟槽，所述第二深沟槽的顶部开口宽度小于其中间开口的宽度；
依次形成第一介质层和第二介质层，所述第一介质层覆盖所述第二深沟槽的表面以及所述外延层的表面，所述第二介质层覆盖所述第一介质层的表面并将所述第二深沟槽的顶部开口封住；
形成第三介质层，所述第三介质层覆盖所述第二介质层。
可选的，所述第一深沟槽表面形成有自然氧化层，对所述第一深沟槽执行湿法刻蚀工艺的步骤包括：
采用氢氟酸溶液去除所述第一深沟槽内的自然氧化层；
采用TMAH溶液对所述第一深沟槽进行刻蚀，以增加所述第一深沟槽中间开口的宽度，得到所述第二深沟槽。
可选的，所述第二深沟槽的底部开口宽度小于其中间开口的宽度。
可选的，所述第二深沟槽的顶部开口宽度小于0.13μm。
可选的，所述第一介质层和所述第三介质层均为氧化层。
可选的，采用低温等离子体氧化工艺形成所述第一介质层，采用原子层沉积工艺形成所述第三介质层。
可选的，采用低温等离子体氧化工艺形成所述第一介质层的步骤包括：
采用等离子体将氧气进行去耦化处理，得到氧自由基；
所述氧自由基与所述第一深沟槽表面进行反应形成去耦等离子体氧化物。
可选的，所述第二介质层为氧化铪或者氧化铝。
可选的，采用原子层沉积工艺形成所述第二介质层。
基于同一发明构思，本发明还提供一种背照式图像传感器制造方法，包括上述任一项所述的深沟槽的形成方法。
在本发明提供的一种深沟槽的形成方法及背照式图像传感器制造方法中，本申请意想不到的效果是：通过先在外延层上形成第一深沟槽，再通过湿法刻蚀工艺将第一深沟槽刻蚀成第二深沟槽，然后形成第一介质层和第二介质层，由于第二深沟槽的顶部开口宽度较小，第二介质层很容易将第二深沟槽的顶部开口封住，然后在第二介质层上形成第三介质层；第三介质层厚度均匀，无需进行化学机械研磨工艺，避免了化学机械研磨工艺带来的器件表面缺陷和晶格损伤，提高了背照式图像传感器的器件良率。
附图说明
本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。其中：
图1是本发明实施例的深沟槽的形成方法流程图。
图2是本发明实施例中形成第一深沟槽后的结构示意图。
图3是本发明实施例中形成第二深沟槽后的结构示意图。
图4是本发明实施例中形成第一介质层后的结构示意图。
图5是本发明实施例中形成第二介质层后的结构示意图。
图6是本发明实施例中形成第三介质层后的结构示意图。
图7是本发明实施例中深沟槽的SEM图。
附图中：
10-半导体基底；10a-正面；10b-背面；10c-外延层；11-保护层；12-第一深沟槽；12a-现有技术中的深沟槽；12b-第二深沟槽；13-第一介质层；14-第二介质层；15-第三介质层。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征。此外，如在本发明中所使用的，一元件设置于另一元件，通常仅表示两元件之间存在连接、耦合、配合或传动关系，且两元件之间可以是直接的或通过中间元件间接的连接、耦合、配合或传动，而不能理解为指示或暗示两元件之间的空间位置关系，即一元件可以在另一元件的内部、外部、上方、下方或一侧等任意方位，除非内容另外明确指出外。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1是本发明实施例的深沟槽的形成方法流程图。如图1所示，本实施例提供一种深沟槽的形成方法，包括：
步骤 S10，提供一半导体基底，所述半导体基底包括正面和背面，所述半导体基底的背面形成有外延层；
步骤 S20，执行干法刻蚀工艺，以在所述外延层内形成第一深沟槽；
步骤 S30，对所述第一深沟槽执行湿法刻蚀工艺，形成第二深沟槽，所述第二深沟槽的顶部开口宽度小于其中间开口的宽度；
步骤 S40，在依次形成第一介质层和第二介质层，所述第一介质层覆盖所述第二深沟槽的表面以及所述外延层的表面，所述第二介质层覆盖所述第一介质层的表面并将所述第二深沟槽的顶部开口封住；
步骤 S50，形成第三介质层，所述第三介质层覆盖所述第二介质层。
图2至图6是本发明实施例的深沟槽的形成方法对应步骤的结构示意图。下面结合图2至图6详细介绍本发明实施例的深沟槽的形成方法。
如图2所示，提供一半导体基底10，所述半导体基底10包括正面10a和背面10b。所述半导体基底内的背面10b形成有外延层10c。本实施例中，背照式图像传感器在一半导体基底上形成，并且已经完成了前段工艺。在所述前段工艺中，可以认为在所述半导体基底10上已经完成了背照式图像传感器的像素阵列的制作、像素衬底与承载衬底的键合、减薄像素衬底等工序。
本实施例中，像素之间的隔离阱在一半导体基底上形成，所述半导体基底例如为硅衬底。可以理解的是，在其它实施例中，半导体基底也可以为锗衬底、硅锗衬底、SOI(绝缘体上硅，Silicon On Insulator)衬底或GOI(绝缘体上锗，Germanium OnInsulator)等衬底。
继续参照图2，采用干法刻蚀工艺在所述外延层10c内形成第一深沟槽12。第一深沟槽12的截面形状为矩形，即，第一深沟槽12的顶部开口宽度与底部开口宽度相同或大致相同。图2中的虚线框是现有技术中的深沟槽12a的示意图。本实施例中的深沟槽经过两步刻蚀工艺形成，第一步刻蚀工艺形成的深沟槽为初始深沟槽，也即第一深沟槽12，第二步刻蚀工艺将第一深沟槽12刻蚀成第二深沟槽12b，第二深沟槽12b也即本实施例最终的深沟槽。本实施例中的第一深沟槽12的顶部开口宽度小于现有技术中的深沟槽12a顶部开口宽度，以满足本实施例中第二深沟槽的顶部开口宽度小，在形成第二介质层时容易封口的条件，以及在第二介质层上形成的第三介质层厚度均匀，无需进行化学机械研磨工艺，避免了化学机械研磨工艺带来的器件表面缺陷和晶格损伤，提高了背照式图像传感器的器件良率。
在进行干法刻蚀工艺之前，外延层10c上形成有保护层11。所述保护层11的材质例如是氧化硅。详细地，可先在保护层11上形成光刻胶层，再经过曝光和显影工艺形成图形化的光刻胶层，图形化的光刻胶层暴露出待刻蚀区域的保护层11；接着，以图形化的光刻胶层为掩膜，依次刻蚀保护层11和外延层10c，在外延层内形成第一深沟槽12。
如图3所示，接着，对所述第一深沟槽12执行湿法刻蚀工艺，以形成第二深沟槽12b。
所述湿法刻蚀工艺例如包括如下步骤：
首先，采用氢氟酸刻蚀工艺去除所述第一深沟槽12内的损伤层和所述自然氧化层，氢氟酸刻蚀工艺的工艺时间例如是15秒~25秒。
本实施例中，在形成第一深沟槽12后，第一深沟槽12暴露在空气中，因而第一深沟槽12内部表面容易生成自然氧化层。为此，优选方案中，采用氢氟酸（HF）去除外延层10c上的保护层11和第一深沟槽12内部的自然氧化层。
在其他实施例中，也可以先在第一深沟槽12内形成一层氧化层，这是因为，在执行干法刻蚀工艺时第一深沟槽12的内壁可能被损伤，会影响器件的暗电流，如果采用氧化工艺将第一深沟槽12表面的损伤的硅氧化形成一层氧化层，再利用氢氟酸（HF）去除氧化层，可以降低暗电流，提高良率。
接着，采用TMAH（四甲基氢氧化铵）溶液执行刻蚀工艺，以对所述第一深沟槽12进行晶向选择比刻蚀，以获得第二深沟槽12b。所述第二深沟槽12b呈中间宽、两头窄的形状，也即纺锤型深沟槽。在TMAH刻蚀工艺中，硅损失的厚度大约100埃~300埃，第二深沟槽12b的深度比第一深沟槽12的深度更深，所述第二深沟槽12b的深度例如是1.4μm~1.6μm。所述第二深沟槽12b的顶部开口宽度小于0.13μm，以满足在形成第二介质层时，第二深沟槽的顶部开口容易封住的条件。所述第二深沟槽12b的中间开口宽度例如是0.18μm~0.2μm，可知，第二深沟槽12b的顶部开口宽度小于第二深沟槽12b的中间开口宽度，并且第二深沟槽12b的底部开口宽度小于中间开口宽度。第二深沟槽12b的顶部开口宽度小，有利于后续沉积第二介质层时提前封口，减小第二介质层和第三介质层的不平整度。所述TMAH刻蚀工艺的工艺时间例如是40秒~60秒。所述TMAH刻蚀工艺的工艺温度例如是50℃~70℃。所述TMAH刻蚀工艺的溶液浓度例如是2.38%的TMAH溶液。TMAH刻蚀工艺对硅衬底的＜100＞晶向和＜110＞晶向刻蚀速度较快，对＜111＞晶向的硅衬底刻蚀速度较慢，最后所有硅衬底的界面都停在＜111＞晶向界面，因此可形成第二深沟槽12b。图7是本发明实施例的深沟槽的SEM图，由图7可以看出，第二深沟槽12b的顶部开口较小。
如图4所示，形成第一介质层13，所述第一介质层13覆盖所述第二深沟槽12b的表面以及外延层10c的表面。第一介质层13的材质例如是氧化硅，可以采用低温表面氧化（DPO）工艺形成第一介质层13。具体的，可以先利用等离子体将氧气进行去耦化处理，得到氧自由基，然后氧自由基与第一深沟槽12表面进行反应形成去耦等离子体氧化物，即氧自由基与第一深沟槽12表面的硅反应形成二氧化硅。所述氧自由基与第一深沟槽12表面进行反应的温度范围为300℃~ 400℃。所述氧自由基与第一深沟槽12表面的硅反应形成的二氧化硅填充第一深沟槽12表面的缺陷，使其致密平整，进而达到修复第一深沟槽12表面的缺陷的效果，有利于减少器件的暗电流。第一介质层13的厚度例如是15埃~25埃。
如图5所示，在第一介质层13上形成第二介质层14。第二介质层14可以是高介电常数（K）介质层，例如是氧化铪（HfO2）或者氧化铝。第二介质层14可以采用原子层沉积工艺形成，沉积采用的前驱体为四氯化铪。第二介质层14的厚度例如是50埃~70埃。第二介质层14相当于带负电的电极，与第一介质层13以及半导体衬底10形成电容，也即是说，在第二深沟槽12b的侧壁，形成硅-氧化硅-氧化铝或者氧化铪的电容结构，氧化铪或者氧化铝带负电，硅和氧化硅感应正电荷，可以捕获一些自由电子，减少白像素的产生。在外延层10c上的第一介质层13和第二介质层14构成高透射率的薄膜，尽量使自图像传感器背面入射的光能够透射进入像素区内。由于第二深沟槽12b的顶部开口宽度较小，第二介质层14比较容易将所述第二深沟槽12b的顶部开口封住。并且由于沉积工艺的特性，第二深沟槽12b正上方的第二介质层14的表面会产生微小的凹陷，第二介质层14上的高低差异例如是0.5%-1%。
如图6所示，形成第三介质层15，所述第三介质层15均匀的覆盖所述第二介质层14。值得注意的是，由于第二介质层14将第二深沟槽的顶部开口提前封住，所述第三介质层15均匀的覆盖在第二深沟槽之外的所述第二介质层14上。第三介质层15例如是氧化层，可以采用原子层沉积工艺形成所述第三介质层15。第三介质层15的厚度例如是1000埃~1100埃。即便第二深沟槽12b上所述第二介质层14有微小的凹陷，经过第三介质层15的沉积，第三介质层15的厚度远厚于第二介质层14的厚度，微小的凹陷随着原子层沉积工艺形成的每层第三介质层15逐层递减，最后，第三介质层15的表面呈现均匀平整的表面，意想不到的效果是，无需进行化学机械研磨工艺，就可以进行形成后续的金属栅格，因此，避免了第三介质层15的表面产生缺陷和晶格损伤，提高了光电量子效率，进而提高了器件成像质量。
本实施例还提供一种背照式图像传感器的制造方法，包括上述深沟槽的形成方法，在形成第三介质层15之后，形成金属栅格，所述金属栅格位于所述深沟槽上方且与所述深沟槽对应，所述金属栅格能够防止不同像素单元(光电二极管)之间的光的串扰。
综上可见，在本发明实施例提供的一种深沟槽的形成方法及背照式图像传感器的制造方法中，本申请意想不到的效果是：通过先在外延层上形成深沟槽，再通过湿法刻蚀工艺将深沟槽刻蚀成第二深沟槽，然后形成第一介质层和第二介质层，由于第二深沟槽的顶部开口较小，第二介质层很容易将第二深沟槽的顶部开口封住，然后在第二介质层上形成第三介质层；第三介质层厚度均匀，无需进行化学机械研磨工艺，避免了化学机械研磨工艺带来的器件表面缺陷和晶格损伤，提高了背照式图像传感器的器件良率。
此外还应该认识到，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。
Claims (10)
1.一种深沟槽的形成方法，其特征在于，包括：
提供一半导体基底，所述半导体基底包括正面和背面，所述半导体基底的背面形成有外延层；
执行干法刻蚀工艺，以在所述外延层内形成第一深沟槽；
对所述第一深沟槽执行湿法刻蚀工艺，形成第二深沟槽，所述第二深沟槽的顶部开口宽度小于其中间开口的宽度；
依次形成第一介质层和第二介质层，所述第一介质层覆盖所述第二深沟槽的表面以及所述外延层的表面，所述第二介质层覆盖所述第一介质层的表面并将所述第二深沟槽的顶部开口封住；
形成第三介质层，所述第三介质层覆盖所述第二介质层。
2.根据权利要求1所述的深沟槽的形成方法，其特征在于，所述第一深沟槽表面形成有自然氧化层，对所述第一深沟槽执行湿法刻蚀工艺的步骤包括：
采用氢氟酸溶液去除所述第一深沟槽内的自然氧化层；
采用TMAH溶液对所述第一深沟槽进行刻蚀，以增加所述第一深沟槽中间开口的宽度，得到所述第二深沟槽。
3.根据权利要求1所述的深沟槽的形成方法，其特征在于，所述第二深沟槽的底部开口宽度小于其中间开口的宽度。
4.根据权利要求1所述的深沟槽的形成方法，其特征在于，所述第二深沟槽的顶部开口宽度小于0.13μm。
5.根据权利要求1所述的深沟槽的形成方法，其特征在于，所述第一介质层和所述第三介质层均为氧化层。
6.根据权利要求1或5所述的深沟槽的形成方法，其特征在于，采用低温等离子体氧化工艺形成所述第一介质层，采用原子层沉积工艺形成所述第三介质层。
7.根据权利要求6所述的深沟槽的形成方法，其特征在于，采用低温等离子体氧化工艺形成所述第一介质层的步骤包括：
采用等离子体将氧气进行去耦化处理，得到氧自由基；
所述氧自由基与所述第一深沟槽表面进行反应形成去耦等离子体氧化物。
8.根据权利要求1所述的深沟槽的形成方法，其特征在于，所述第二介质层为氧化铪或者氧化铝。
9.根据权利要求1或8所述的深沟槽的形成方法，其特征在于，采用原子层沉积工艺形成所述第二介质层。
10.一种背照式图像传感器制造方法，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的深沟槽的形成方法。
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