TWI671892B - 具有含負電荷物質之深溝渠的影像感測器及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種影像感測器及其製造方法。影像感測器包含定義多個畫素區域的基底，所述基底具有第一表面以及與第一表面相對的第二表面。基底的第二表面經配置以接受入射其上的光，且基底定義深溝渠，所述深溝渠自基底的第二表面延伸朝向基底的第一表面，且將所述多個畫素區域彼此分開。光電轉換區設置在基底的所述多個畫素區域的每一者中。閘電極設置在光電轉換區上，且亦設置覆蓋基底的第二表面以及深溝渠的側壁的至少一部分的負固定電荷層。影像感測器更包含在基底的第一表面上的淺元件隔離層。淺元件隔離層定義每個畫素區域中的主動區，且負固定電荷層與淺元件隔離層接觸。

Description

具有含負電荷物質之深溝渠的影像感測器及其製造方法 【相關申請案的交叉參考】
本申請案主張2014年2月27日所申請的韓國專利申請號10-2014-0023278的優先權，其全文以參考方式併入本文。
本發明的概念是有關於一種影像感測器，且特別是有關於一種影像感測器以及製造影像感測器的方法。
影像感測器是能將電子訊號轉換成光學影像的半導體元件。影像感測器可分類成數種型態，包含電荷耦合元件(charge coupled device，CCD)型與互補式金氧半導體(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)型。CMOS型影像感測器也就是CIS，可包含以二維排列的畫素。每一畫素可包含一光二極體(photodiode，PD)，其將入射光轉換成電子訊號。
由於半導體元件變得更高度整合，影像感測器同樣地可 變得高度整合，因此，對應的畫素的尺寸會縮小，使得畫素間經常發生串擾(cross talk)。
本發明的概念的一些實施例提供包含定義多個畫素區域的基底的影像感測器，所述基底具有第一表面以及與第一表面相對的第二表面。基底的第二表面經配置以接受其上的入射光，且基底定義出深溝渠，所述深溝渠自基底的第二表面延伸朝向基底的第一表面，且將所述多個畫素區域彼此分開。光電轉換區設置在基底的各個所述多個畫素區域中。閘電極設置在光電轉換區上，且亦設置覆蓋基底的第二表面以及深溝渠的側壁的至少一部分的負固定電荷層。影像感測器更包含在基底的第一表面上的淺元件隔離層。淺元件隔離層定義在每個畫素區域中的主動區，且負固定電荷層接觸淺元件隔離層。
在進一步的實例中，負固定電荷層可包括金屬氧化層，其包括鉿(Hf)、鋯(Zr)、鋁(Al)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、釔(Y)和鑭系元素中的一種或更多種。
在進一步的實施例中，負固定電荷層可包括含有鉿(Hf)的金屬氧物化層。
在一些實施例中，閘電極可朝向基底的第一表面延伸。
在進一步的實施例中，負固定電荷層可包括底面，所述底面與淺元件隔離層的頂面和底面中的至少一者隔開。在一些實 施例中，負固定電荷層的底面和較低的側壁可與淺元件隔離層接觸。
在進一步的實施例中，負固定電荷層可延伸在淺元件隔離層中。
在一些實施例中，填充絕緣層可接觸位於深溝渠裡的負固定電荷層並朝基底的第二表面延伸。
在進一步的實施例中，氣隙(air-gap)區域可設置在深溝渠中。
在進一步的實施例中，多晶矽圖案(polysilicon pattern)可設置在深溝渠裡，且負固定電荷層可與多晶矽圖案接觸。
在一些實施例中，通道終止層(channel stop layer)可與基底的第一表面鄰接設置以及可在每個畫素區域中定義主動區。內介電層(inter-dielectric layer)可覆蓋基底的第一表面，且負固定電荷層可與內介電層接觸。
在進一步的實施例中，通道終止層可與基底的第一表面鄰接設置且可在每個畫素區域中定義主動區。內介電層可覆蓋基底的第一表面。蝕刻終止層(etch stop layer)可設置於第一表面和內介電層之間，且負固定電荷層可與蝕刻終止層接觸。
在進一步的實施例中，多晶矽圖案可設置在深溝渠下。絕緣襯圖案(insulation liner pattern)可填充在多晶矽和深溝區的較低側壁之間的空間中。負固定電荷層可與多晶矽圖案和絕緣襯圖案的頂面接觸。
在一些實施例中，影像感測器可更進一步包括與深溝渠的側壁相鄰的基底上的雜質摻雜區域(impurity doped region)。
在進一步的實施例中，深溝渠可包括在淺元件隔離層裡的底面，所述深溝渠的底面具有彎曲形狀。在一些實施例中，負固定電荷層可覆蓋深溝渠的側壁和底面。影像感測器可更進一步包括填充深溝渠的填充絕緣層，所述填充絕緣層在深溝渠裡具有反轉Y型。
在本發明概念的進一步的實施例提供製造影像感測器的方法，包括提供定義多個畫素區域的基底，且所述基底具有第一表面以及與第一表面相對的第二表面，第二表面經設置以接受入射其上的光。此方法更包括在基底內形成初始深元件絕緣層(preliminary deep device isolation layer)，以定義多個畫素區域。在基底的畫素區域的每一者中形成光電轉換層。在基底的第一表面形成電晶體和線路層(line layer)。初始深元件絕緣層被暴露在基底的第二表面處。為了在基底內形成深溝渠，移除至少一部分的初始深元件絕緣層。形成負固定電荷層，以覆蓋深溝渠的第二表面和側壁。
在一些實施例中，在形成負固定電荷層之後，可在基底的第二表面上形成填充絕緣層。
在進一步的實施例中，形成填充絕緣層可更進一步包含形成延伸於深溝渠內的填充絕緣層，以填充深溝渠。
在進一步的實施例中，形成填充絕緣層可包含在與形成 負固定電荷層的溫度實質上相似或較低的溫度下形成填充絕緣層。
在一些實施例中，在形成負固定電荷層之後，可在深溝渠中形成氣隙區域。
Rx‧‧‧重設電晶體
RG‧‧‧重設閘極
FD‧‧‧浮置擴散區
TG‧‧‧轉移閘極
Tx‧‧‧轉移電晶體
PD‧‧‧光電轉換區
SF‧‧‧源極隨耦器閘極
Ax‧‧‧選擇電晶體
SEL‧‧‧選擇閘極
UP‧‧‧畫素區域
PW‧‧‧井區
AG‧‧‧氣隙區域
M1‧‧‧第一罩幕圖案
M2‧‧‧第二罩幕圖案
3‧‧‧基底
3a‧‧‧正面
3b‧‧‧背面
5‧‧‧雜質摻雜區域
7、7a‧‧‧絕緣襯圖案
9、9a‧‧‧多晶矽圖案
10‧‧‧初始深元件絕緣層
11、11a‧‧‧深元件隔離層
13、14‧‧‧淺元件隔離層
13b、52x‧‧‧底面
13u‧‧‧頂面
15‧‧‧電晶體
16‧‧‧蝕刻終止層
17‧‧‧內介電層
19‧‧‧導線
21‧‧‧第一保護層
23‧‧‧負固定電荷層
25‧‧‧填充絕緣層
27‧‧‧第二保護層
29‧‧‧彩色濾光片
31‧‧‧微透鏡
51、52、52a‧‧‧深溝渠
100‧‧‧影像感測器
230‧‧‧處理器
300‧‧‧記憶體
410‧‧‧顯示裝置
500‧‧‧匯流排
2000‧‧‧智慧型手機
3000‧‧‧智慧型平板電腦
4000‧‧‧膝上型電腦
5000‧‧‧智慧型電視機
6000‧‧‧數位攝錄影機
以本發明的概念舉例的實施例的前述與其他特徵和優點可以從本發明的概念的非限定的實施例的更特別描述中呈現，如附圖中所示，其中類似的參考符號在不同的視圖中皆代表相同構件。圖式並不必要按比例繪示，而是著重在繪示本發明的概念的原則。在圖式中：圖1是根據本發明的概念的一些實施例的一種影像感測器的電路圖。
圖2是根據本發明的概念的一些實施例的影像感測器的佈局圖。
圖3是沿著圖2的線A-A’的剖面圖。
圖4到圖14是繪示圖3的影像感測器的製造中的處理步驟的剖面圖。
圖15是根據本發明的概念的一些實施例的影像感測器的剖面圖。
圖16到圖17是繪示圖15的影像感測器的製造中的處理步驟的剖面圖。
圖18是根據本發明的概念的一些實施例的影像感測器的剖面圖。
圖19到圖21是繪示圖18的影像感測器的製造中的處理步驟的剖面圖。
圖22是根據本發明的概念的一些實施例的影像感測器的剖面圖。
圖23是繪示圖22的影像感測器的製造中的處理步驟的剖面圖。
圖24是根據本發明的概念的一些實施例的影像感測器的剖面圖。
圖25是根據本發明的概念的一些實施例的影像感測器的剖面圖。
圖26是根據本發明的概念的一些實施例的影像感測器的剖面圖。
圖27是繪示根據本發明的概念的一些實施例的具有影像感測器的電子裝置的方塊圖。
圖28到圖32是繪示應用根據本發明的概念的一些實施例的影像感測器的多媒體裝置的範例。
各種實施例將參照呈現一些實施例的附圖作更完整描述。無論如何，本發明的概念可以以許多不同的形式實施，且不 應限定在文中的這些實施例。這些實施例僅是供作描述清楚與完整之用，且對於本領域技術人員可完全表達本發明的概念的範圍。在圖式中，層與區域的大小與相對尺寸可能因為清晰度而誇示。
可以理解的是，當元件或層被解釋為在另一元件或層“上”、“連接到”或“耦接到”另一元件或層時，它可以是直接在其他元件或層上、直接連接或耦接到其他元件或層，或是可存在中介元件或層。反之，當元件被解釋為“直接在另一元件或層上”、“直接連接到”或“直接耦接到”另一元件或層時，不存在有中介元件或層。相同的標號在全文中表示是相同的元件。文中所用的用語“及/或”包含相關所列項目的一個或多個的任一與所有的組合。
可以理解的是，雖然用語第一、第二、第三、第四等可以在文中用以描述各種元件、組件、區域、層及/或區段，但這些元件、組件、區域、層及/或區段不應被這些用語限制。這些用語只是用來將一個元件、組件、區域、層或區段與其他的元件、組件、區域、層或區段做區分。因此，以下論及的第一元件、組件、區域、層或區段在不偏離本發明的概念的敎示下也可被稱為第二元件、組件、區域、層或區段。
空間性地相關用語，像是“在下方”、“在...之下”、“在...之上”、“上方的”與類似的用語可以在文中使用，以便於描述圖式中一個元件或特徵與其他元件或特徵的關係。可以理解的是，空間性地相關用語是意圖含蓋使用或操作中的裝置的不同方位，除 了在圖示裡描述的方位之外。舉例來說，如果裝置在圖中是翻轉的，則元件描述為在其他元件或特徵的“在下方”、“在...之下”就會被定向為在其他元件或特徵的“在...之上”。因此，用語“在...之下”能含蓋“在...上方”與“在...下方”的方位。裝置可以以別的方式定向(旋轉90度或在其他方位)，而文中使用的空間性相關敘述就會據之解釋。
文中所用的術語僅是為了描述一些特別的實施例，並非用以限定本發明的概念。如文中所用，單數型“一”與“所述”是為了也包含複數型，除非文中有清楚地指出別的意思。更應理解的是，用語”包括”當使用在說明書中時，明確了所述特徵、整體、步驟、操作、元件、及/或組件的存在，但並非排除了一個或多個其他特徵、整體、步驟、操作、元件及/或群的存在或增加。
一些實施例是在文中參照剖面圖描述，剖面圖是理想的一些實施例(與中間結構)的圖解繪示。如此，做為結果的例示的形狀的變異，例如，製造技術及/或公差，是可以預期的。因此，一些實施例不應被限制為文中繪示的區域的特別形狀，而是包括此種結果的形狀的偏差，例如，來自製造。例如，以矩形繪示的植入區域將典型地在其邊緣具有圓的或曲線的特徵及/或植入濃度的梯度，而非從植入到非植入區的二元改變(binary change)。同樣地，藉由植入形成的埋入區可以在介於埋入區與施行植入的表面間的區域中產生某些植入。因此，圖中例示的區域是以自然方式繪示，且它們的形狀並非要以裝置的區域的實際形狀繪示，也 並無意限制本發明的概念。
除非有其他定義，文中所有的用語(包含技術與科學用語)具有與本發明概念所屬的技術領域中被普遍技能的其中之一所一般理解的相同意義。更進一步被理解的是，像是一般使用的字典定義的用語應解釋為具有與相關技藝的文章中的意義一致的意義，而不應以理想化地或過度地正式的方式詮釋，除非文中有如此清楚地界定。
首先參考圖1，將討論根據一些本發明概念的實施例的影像感測器的電路圖。如圖1所繪示，影像感測器可包括多個單元畫素，每一個單元畫素包括光電轉換區PD、轉移電晶體(transfer transistor)Tx、源極隨耦器電晶體(source follower transistor)Sx、重設電晶體(reset transistor)Rx和選擇電晶體(selection transistor)Ax。轉移電晶體Tx、源極隨耦器電晶體Sx、重設電晶體Rx和選擇電晶體Ax可分別包括轉移閘電極(transfer gate)TG、源極隨耦器閘電極(source follower gate)SF、重設閘電極(reset gate)RG、和選擇閘電極(selection gate)SEL。光電轉換部分可於光電轉換區PD中設置。光電轉換部分可以是包括N型雜質區和P型雜質區的光二極體(photodiode)。轉移電晶體Tx可包括作為浮置擴散區(floating diffusion region)FD的汲極區。浮置擴散區FD亦可作為重設電晶體Rx的源極區。浮置擴散區FD可電性連結至源極隨耦器電晶體Sx的源極隨耦器閘電極SF。源極隨耦器電晶體Sx可耦接至選擇電晶體Ax。重設電晶體Rx、源極隨耦器電晶 體Sx以及選擇電晶體Ax可由鄰近畫素分享，因此使得增加影像感測器的整合密度變得有可能。
以下，影像感測器的操作將參照圖1來討論。當於遮光狀態(light-blocked state)時，電源電壓(power voltage)VDD可被施加在重設電晶體Rx的汲極區和源極隨耦器電晶體Sx的汲極區，以自浮置擴散區FD釋放電荷。之後，若重設電晶體Rx關閉，且外部光源(external light)入射進入光電轉換區PD，電子-電洞對(electron-hole pair)可在光電轉換區PD裡產生。電洞可朝向P型摻雜區移動，且電子可朝向N型摻雜區移動且聚集在N型摻雜區中。若轉移電晶體Tx開啟，電荷(舉例來說，電子)可被轉移至浮置擴散區FD且聚集在浮置擴散區FD內。源極隨耦器電晶體Sx的閘電極偏壓(gate bias)會與在浮置擴散區FD內聚集的電荷的量而成比例改變，而此會導致源極隨耦器電晶體Sx的電位改變。此時，若選擇電晶體Ax開啟，電子的量可被讀取為穿過行線(column line)而傳遞的訊號。
圖2是根據一些本發明概念的實施例的影像感測器的佈局圖。圖3是沿著圖2的線A-A’的剖面圖。如圖2和圖3繪示，基底3可經設置以包含多個單位畫素區域(unit pixel region)UP。在不脫離本發明概念的範圍內，基底3可以是矽晶圓、絕緣層上有矽(silicon on insulator)基底或半導體磊晶層(semiconductor epitaxial layer)。基底3可包括彼此面對的正面3a和背面3b。光可以入射至背面3b。多個電路可設置在正面3a上。單位畫素區域 UP可藉由背面深溝渠(backside deep trench)52而彼此分離。背面深溝渠52可從背面3b向正面3a部分穿透基底3。在平面圖中，在一些實施例中，背面深溝渠52可形成具有像網狀或網格的形狀。在藉由背面深溝渠52而彼此分離的每個單位畫素區域UP中，光電轉換區PD可在基底3上，所述基底3於被背面深溝渠52所分離的。光電轉換區PD可設置為鄰近於背面3b。井區(well region)PW可配置在光電轉換區PD下且鄰近於正面3a。井區PW可摻雜具有與光電轉換區PD的導電類型不同的導電類型的雜質。舉例來說，光電轉換區PD可摻雜N型雜質。井區PW可摻雜P型雜質。
於每個單位畫素區域UP中，淺元件隔離層13可設置在正面3a內，以定義主動區。在正面3a處，轉移閘電極TG和浮置擴散區FD可設置在沒有形成淺元件隔離層13的主動區上。轉移閘電極TG可具有垂直形狀，其包含部分延伸於基底3內的延伸部分。換句話說，轉移閘電極TG可具有僅設置在正面3a上的扁平形狀。電晶體15可設置在主動區上，位於與轉移閘電極TG分隔開的位置。電晶體15可對應於圖1的源極隨耦器電晶體Sx、重設電晶體Rx和選擇電晶體Ax中的至少一者。內介電層17和多層導線(line)19可設置在正面3a上。內介電層17可由第一保護層(passivation layer)21所覆蓋。
背面深溝渠52的底面52x可與淺元件隔離層13的頂面13u和底面13b分隔開。背面深溝渠52的側壁和底面52x可由負固定電荷層23共形地(conformally)覆蓋。負固定電荷層23可 穿透基底3，以從背面3b延伸至淺元件隔離層13的內部。負固定電荷層23的底面和較低的側壁會與淺元件隔離層13接觸。負固定電荷層23可延伸以覆蓋背面3b。負固定電荷層23可為含氧(量少於化學計量比(stoichiometric ratio))的金屬氧化層。因此，負固定電荷層23可具有負固定電荷。負固定電荷層23可以是包含鉿(Hf)、鋯(Zr)、鋁(Al)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、釔(Y)和鑭系元素中的至少一種的金屬氧化層。
負固定電荷層23可設置為環繞光電轉換區PD。當負固定電荷層23具有負固定電荷，在接觸負固定電荷層23的基底3的表面周圍會發生電洞累積(hole accumulation)。因此，在黑暗狀態(dark state)下產生的電子(例如：暗電流(dark current))會移動至電洞內與其結合，於是暗電流的可能性會減少。因此，這會減少白斑(white spot)的可能性。
雜質摻雜區域(impurity doped region)5可設置在鄰近背面深溝渠52的側壁的基底3上。雜質摻雜區域5可摻雜具有與光電轉換區PD的導電型不同的雜質。雜質摻雜區域5可經摻雜以具有與井區PW相同的導電型且比井區PW的摻雜濃度更高。背面深溝渠52可以填充絕緣層25填充。填充絕緣層25可延伸以覆蓋基底3的背面3b。填充絕緣層25可用氧化矽類材料形成。在背面深溝渠52內的負固定電荷層23和填充絕緣層25可組成深元件隔離層(deep device isolation layer)11，且分開各個單位畫素區域UP。為了提升光敏感度(light sensitivity)，深元件隔離層11 可具有例如2.0μm或更深的深度。在一些實施例中，深元件隔離層可具有3.0μm或更深的深度。
填充絕緣層25可被第二保護層27所覆蓋。第一保護層21和第二保護層27中的每一者可包括氮化矽層和聚醯亞胺(polyimide)中的至少一者。在每個單位畫素區域UP中，彩色濾光片(color filter)29和微透鏡(micro-lens)31可依序推疊在第二保護層27上。彩色濾光片29可以是排列成矩陣的形式的彩色濾光片陣列(color filter array)的一部分。在一些實施例中，彩色濾光片陣列可經設置以形成包括紅色濾光片、綠色濾光片和藍色濾光片的貝爾圖案(Bayer pattern)。在其他實施例中，彩色濾光片陣列可經配置以包括黃色濾光片、洋紅色濾光片和青色濾光片。在特定的實施例中，彩色濾光片陣列可更進一步包括白色濾光片。
圖4到圖14是根據一些實施例所繪示的製造圖3的影像感測器的處理步驟的剖面圖。首先參考圖4，基底3可經設置以包含所述多個單位畫素區域UP。基底3可包含面對彼此的正面3a和背面3b。基底3可以是半導體晶圓或半導體磊晶層。
如圖5所繪示，離子植入製程可於基底3上施行，以在各個單位畫素區域UP裡形成光電轉換區PD和井區PW。光電轉換區PD可例如以N型雜質摻雜。井區PW可例如以P型雜質摻雜。然而，可以理解的是，本發明概念的實施例不被此構造所限制。
第一罩幕圖案(first mask pattern)M1可形成在基底3上，以覆蓋各個單位畫素區域UP。基底3可用第一罩幕圖案M1當成蝕刻罩幕來蝕刻，以形成前深溝渠51。前深溝渠51可在相鄰單位畫素區域UP間形成，以分開各個單位畫素區域UP。前深溝渠51可包括與基底3的背面3b分隔開的底面52x。
參考圖6，可施行離子植入製程和電漿輔助摻雜製程(plasma-assisted doping process)中的至少一者，以於鄰近前深溝渠51的側壁和底部的基底3上形成雜質摻雜區域5。雜質摻雜區域5可例如以P型雜質摻雜。
參考圖7，可移除第一罩幕圖案M1。絕緣襯(insulation liner)和多晶矽層可在基底3的正面3a上共形地形成，以填充前深溝渠51。此後，可施行平坦化處理(planarization process)，以在前深溝渠51中形成絕緣襯圖案7和多晶矽圖案9。絕緣襯圖案7和多晶矽圖案9可以氧化物類材料來形成。絕緣襯圖案7和多晶矽圖案9可構成初始深元件絕緣層10。初始深元件絕緣層10可定義各個單位畫素區域UP。
參考圖8，基底3的正面3a可圖案化以形成淺溝渠，且所述淺溝渠可填充淺元件隔離層13來定義主動區。淺元件隔離層13可用氧化矽類材料形成。淺元件隔離層13可形成為與前深溝渠51重疊。轉移閘電極TG、浮置擴散區FD和電晶體15可在正面3a上形成。
參考圖9，導線(line)19、內介電層17和第一保護層 21可在基底3的正面3a上形成。
參考圖10，基底3可以背面3b面朝上的方式翻轉。可施行平坦化處理來移除部分基底3，以暴露出多晶矽圖案9和絕緣襯圖案7。
參考圖11，第二罩幕圖案M2可於基底3的背面3b上形成。形成第二罩幕圖案M2去覆蓋基底3以及暴露出多晶矽圖案9和絕緣襯圖案7。
參考圖12，由第二罩幕圖案M2暴露出的多晶矽圖案9可被選擇性地移除。可進行蝕刻製程(舉例來說，等向性蝕刻製程)來選擇性地移除多晶矽圖案9。因此，絕緣襯圖案7的側壁和淺元件隔離層13的頂面13u可被暴露。
參考圖13，絕緣襯圖案7可被選擇性地移除，以形成背面深溝渠52。背面深溝渠52可形成為與前深溝渠51重疊，且更進一步從背面3b延伸朝向正面3a。絕緣襯圖案7可藉由等向性蝕刻製程移除。在移除絕緣襯圖案7的期間，一部分具有與絕緣襯圖案7相同材料的淺元件隔離層13亦可被移除。背面深溝渠52的底面52x可與淺元件隔離層13的頂面13u和底面13b分隔開。根據一些本發明概念的實施例，形成背面深溝渠52，且因此降低背面深溝渠52的位置對準失誤或可能防止背面深溝渠52的位置對準失誤(positional misalignment)是有可能的。從而，根據在此討論的一些實施例，製程良率(process yield)可提升且製造成本可減低。
參考圖14，負固定電荷層23可共形地沉積在基底3的背面3b上。負固定電荷層23可使用化學沉積製程或原子層沉積製程(atomic layer deposition process)來形成。負固定電荷層23可為含氧(量少於化學計量比)的金屬氧化層。負固定電荷層23可由包含鉿(Hf)、鋯(Zr)、鋁(Al)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、釔(Y)和/或鑭系元素的金屬氧化層形成。在形成負固定電荷層23後，隨後的製程可在形成負固定電荷層23的溫度或較低溫度下施行。舉例來說，隨後的製程可在溫度約200℃或更低施行。因此，可實現負固定電荷層23維持氧量少於化學計量比且具有負固定電荷。
填充絕緣層25可在基底3的背面3b上形成，以填充背面深溝渠52。第二保護層27可在填充絕緣層25上形成。彩色濾光片29以及微透鏡(micro-lens)31可依序在各個單位畫素區域UP上形成，如圖3所繪示。
將理解的是，在影像感測器的製造中改變處理步驟的順序是可能。而且，初始深元件隔離層10可由單一犧牲層(sacrificial layer)形成。根據一些實施例，背面深溝渠52利用初始深元件隔離層10當做犧牲層來形成。其結果是，降低背面深溝渠52的位置對準失誤的可能性或可能預防背面深溝渠52的位置對準失誤是有可能的，因而提升製程良率和降低製造成本。
現在參考圖15，根據一些本發明概念的實施例所繪示的影像感測器的剖面圖將被討論。圖15的影像感測器可建構成具有與圖3的影像感測器實質上相似的特徵，除了如下所討論的以外。 因此，關於以上圖3細節的討論，因簡潔起見，將不在本文中再討論。
如圖15所繪示，部分的深溝渠51與深溝渠52可用剩餘的多晶矽圖案9a和剩餘的絕緣襯圖案7a填充，然後負固定電荷層23和填充絕緣層25可形成在其上。換句話說，配置在深溝渠51與深溝渠52中的剩餘的多晶矽圖案9a、剩餘的絕緣襯圖案7a、負固定電荷層23以及填充絕緣層25可構成深元件隔離層11a。
在圖15的影像感測器中，負固定電荷層23可環繞在光電轉換區PD的頂面和部分側壁，從而可能減少暗電流和白斑。因為剩餘的多晶矽圖案9a具有與基底3中的矽實質上相似的熱膨脹係數，這可能減少了在影像感測器內的材料的熱膨脹係數差異所產生的物理應力。
圖16和圖17是繪示製造圖15的影像感測器的處理步驟的剖面圖。首先參考圖16，在形成暴露多晶矽圖案9和絕緣襯圖案7的第二罩幕圖案M2之後(如圖11所繪示)，可移除部分多晶矽圖案9而留下剩餘的多晶矽圖案9a。
如圖17所繪示，可移除第二罩幕圖案M2。可移除部分絕緣襯圖案7而留下剩餘的絕緣襯圖案7a，因而形成背面深溝渠52。背面深溝渠52可形成為與前深溝渠51重疊。剩餘的多晶矽圖案9a與剩餘的絕緣襯圖案7a可經由背面深溝渠52的底面52x暴露出來。
此後，負固定電荷層23可共形地沉積在基底3的背面 3b上，如圖15所繪示。隨後的製程可用如圖14所描述的相同或相似的方法施行。
現在參考圖18，將討論繪示根據本發明概念的一些實施例的影像感測器的剖面圖。圖18的影像感測器可建構為具有與圖3的影像感測器的實質上相似的特徵，除了以下所討論之外。因此，以上關於圖3細節的討論，因簡潔起見，將不在本文中再討論。
如圖18所繪示，可以不形成淺元件隔離層13，但通道終止層14可設置在基底3的正面3a上。通道終止層14可摻雜具有與光電轉換區PD和浮置擴散區FD不同導電型的雜質。通道終止層14可經摻雜以具有與井區PW相同的導電型以及比井區PW更高的摻雜濃度。負固定電荷層23可具有突出於正面3a的底部。
圖19到圖21是繪示製造圖18的影像感測器的處理步驟的剖面圖。首先參考圖19，通道終止層14可形成在基底3的正面3a上，以定義如圖7所討論的主動區。通道終止層14可藉由離子植入製程形成。轉移閘電極TG、浮擴散區FD以及電晶體15可形成在正面3a上。
參考圖20，導線19、內介電層17和第一保護層(first passivation)21可於正面3a上形成。基底3可以背面3b面朝上的方式翻轉。部分基底3可被移除而暴露出多晶矽圖案9以及絕緣襯圖案7。第二罩幕圖案M2可形成於背面3b上。未被第二罩幕圖案M2覆蓋而暴露出的多晶矽圖案9會被選擇性地移除。因此， 內介電層17可暴露出來。
參考圖21，可移除第二罩幕圖案M2。絕緣襯圖案7可被選擇性地移除以形成背面深溝渠52a。當內介電層17以與絕緣襯圖案7相同的氧化矽類材料形成時，部分內介電層17也可與絕緣襯圖案7一起被移除。其結果是，背面深溝渠52a的底面52x可具有比正面3a低的水平面(level)。
再次參考圖18，可形成負固定電荷層23以及填充絕緣層25。隨後的製程可與參考圖14如上所討論的內容實質上相似，因此，因簡潔起見，將不在本文中重複討論。
現在參考圖22，根據一些本發明概念的實施例繪示的影像感測器的剖面圖將被討論。圖22的影像感測器建構成具有與圖18的影像感測器實質上相似的特徵，除了如下所討論的以外。因此，關於以上圖18細節的討論，因簡潔起見，將不在本文中再討論。
如圖22所繪示，蝕刻終止層16可配置於基底3的正面3a上。負固定電荷層23可包括與蝕刻終止層16接觸的底面，且具有與正面3a相同的水平面。
現在參考圖23，製作圖22的影像感測器的處理步驟的剖面圖將被討論。如圖23所繪示，蝕刻終止層16可形成於基底3的正面3a上。蝕刻終止層16可由對於絕緣襯圖案7具有蝕刻選擇比的材料來形成。舉例來說，蝕刻終止層16可由氮化矽層形成。當多晶矽圖案9被選擇性移除時(如圖20所繪示)，蝕刻終止層 16可暴露出來，且內介電層17可不暴露出來。蝕刻終止層16可減少當絕緣襯圖案7被移除時內介電層17被蝕刻的可能性。除了以上敘述外的其它製程可實質上相似於圖19到圖21所討論的內容。
現在參考圖24，根據本發明概念的一些實施例中的影像感測器的剖面圖將被討論。圖24的影像感測器建構成具有與圖3的影像感測器實質上相似的特徵，除了如下所討論的以外。因此，關於以上圖3細節的討論，因簡潔起見，將不在本文中再討論。如圖24所繪示，影像感測器可不包括圖3的雜質摻雜區域5。
現在參考圖25，根據本發明概念的一些實施例中的影像感測器的剖面圖將被討論。如圖25中所繪示，氣隙區域(air-gap region)AG可被設置在背面深溝渠52中。負固定電荷層23、填充絕緣層25和氣隙區域AG可構成深元件隔離層11d。
圖25的影像感測器可藉由具有不佳階梯覆蓋(step coverage)的沉積製程所製造。因此，填充絕緣層25可不完全填充背面深溝渠52的狹窄空間，如此，氣隙區域AG便可形成。除了上面所描述的內容，其它製程可與關於圖3至圖14的討論實質上相似。
現在參考圖26，根據本發明概念的一些實施例中的影像感測器的剖面圖將被討論。如圖26所繪示，背面深溝渠52的底面52x可包括具有兩個連結凹狀(recess)部位的彎曲形狀(crooked shape)。負固定電荷層23可共形地覆蓋彎曲底面52x。因此，填 充絕緣層25可包括具有反轉Y型的較低的部分。背面深溝渠52的彎曲底面52x可在與圖13不同的製程條件下形成。除了上面所描述的內容，其它製程可與關於圖3至圖14的討論實質上相似。
現在參考圖27，根據本發明概念的一些實施例的具有影像感測器的電子裝置的方塊圖將被討論。所述電子裝置可為任一種類的裝置，像是數位相機或行動裝置。如圖27所繪示，範例的數位相機系統包括影像感測器100、處理器230、記憶體300、顯示裝置410和匯流排(bus)500。如圖27所繪示，在處理器230控制下，影像感測器100補捉外部影像，且經由匯流排500提供相對應的影像資料給處理器230。處理器230可經由匯流排500在記憶體300裡儲存影像資料。處理器230也可輸出儲存於記憶體300裡的影像資料，(舉例來說)以顯示在顯示裝置410上。
圖28至圖32繪示根據一些本發明概念的實施例的影像感測器可應用至多媒體裝置的範例。根據一些本發明的實施例的影像感測器可應用在各種具有影像功能的多媒體裝置。舉例來說，根據一些本發明的範例實施例的影像感測器可應用在攜帶式電話(mobile phone)或智慧型手機(smart phone)2000(如圖28所繪示)、桌上型電腦(tablet PC)或智慧型平板電腦(smart tablet PC)3000(如圖29所繪示)、膝上型電腦(laptop computer)4000(如圖30所繪示)、電視機或智慧型電視機(smart television)5000(如圖31所繪示)以及數位型相機(digital camera)或數位攝錄影機(digital camcorder)6000(如圖32所繪示)。
根據本發明概念的範例實施例，影像感測器可包括鄰近光電轉換區的側壁和底面的負固定電荷層。負固定電荷層可具有負固定電荷，使得電洞累積可在負固定電荷層周圍產生。從而，可有效地降低暗電流與白斑發生的可能性。
在一些實施例中，影像感測器的多晶矽圖案設置於深元件隔離層中，且具有與組成基底的矽實質上相近的熱膨脹係數。從而，降低物理應力是可能的，所述物理應力是由影像感測器內的材料的熱膨脹係數間的不同所產生。
在一些實施例中，影像感測器的氣隙位於深元件隔離層中。因此，串擾特性可得到改善。
在一些實施例中，影像感測器的深元件隔離層設置在單位畫素區域之間，以分開各個單位畫素區域，使得串擾特性的發生可被控制。其結果為，增加色彩再現性特質(color reproducibility property)是有可能的。
一些實施例提供於影像感測器的製造中的處理步驟，其中利用初始深元件隔離層當作犧牲層來形成深溝渠。因此，降低深溝渠的位置對準失誤的可能性或可能預防深溝渠的位置對準失誤是有可能的。因此，提升製程良率和降低製造成本是可能的。
儘管本發明的概念描述於附圖中所繪示的實施例，但不限於此。對所屬技術領域中之技術人員，在不脫離本發明概念的範圍和精神內，當可作各種替代、修改與變化。

Claims (18)

  1. 一種影像感測器，包括：定義多個畫素區域的基底，所述基底具有第一表面和與所述第一表面相對的第二表面，其中，所述基底的所述第二表面經配置以接受入射其上的光，且所述基底定義深溝渠，所述深溝渠自所述基底的所述第二表面延伸朝向所述基底的所述第一表面，且將所述多個畫素區域彼此分開；光電轉換區，位於各個所述基底的所述多個畫素區域中；於所述光電轉換區上的閘電極；負固定電荷層，覆蓋所述基底的所述第二表面以及所述深溝渠的至少一部分的側壁；淺元件隔離層，位於所述基底的所述第一表面上，其中所述淺元件隔離層在各個所述畫素區域中定義主動區，且其中所述負固定電荷層與所述淺元件隔離層接觸；多晶矽圖案，位於所述深溝渠下；以及絕緣襯圖案，填充位於所述多晶矽圖案與所述深溝渠的較低側壁之間的空間，其中所述負固定電荷層與所述多晶矽圖案以及所述絕緣襯圖案的頂面接觸。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中所述負固定電荷層包括金屬氧化層，所述金屬氧化層包括鉿(Hf)、鋯(Zr)、鋁(Al)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、釔(Y)和鑭系元素中的一種或更多種。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中所述負固定電荷層包含包括鉿(Hf)的金屬氧化層。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中位於所述基底的所述第一表面上的所述閘電極延伸朝向所述基底的所述第二表面。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中所述負固定電荷層包括底面，所述底面與所述淺元件隔離層的頂面和底面中的至少一者分隔開。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的影像感測器，其中所述負固定電荷層的所述底面和較低的側壁與所述淺元件隔離層接觸。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中所述負固定電荷層在所述淺元件隔離層內延伸。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，更包括填充絕緣層，所述填充絕緣層接觸位於所述深溝渠內的所述負固定電荷層並延伸朝向所述基底的所述第二表面。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，更包括位於所述深溝渠內的氣隙區域。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，更包括所述深溝渠內的多晶矽圖案，其中所述負固定電荷層與所述多晶矽圖案接觸。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，更包括：通道終止層，鄰近於所述基底的所述第一表面，且定義位於各個所述畫素區域中的主動區；以及內介電層，覆蓋所述基底的所述第一表面，其中所述負固定電荷層與所述內介電層接觸。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，更包括：通道終止層，鄰近所述基底的所述第一表面，且定義各個所述畫素區域中的主動區；內介電層，覆蓋所述基底的所述第一表面；以及蝕刻終止層，介於所述第一表面和所述內介電層之間，其中所述負固定電荷層與所述蝕刻終止層接觸。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，更包括雜質摻雜區域，所述雜質摻雜區域位於鄰近所述深溝渠的所述側壁的所述基底上。
  14. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中所述深溝渠包含底面，所述底面位於所述淺元件隔離層內，所述深溝渠的所述底面具有彎曲形狀。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的影像感測器，其中所述負固定電荷層覆蓋所述深溝渠的所述側壁與所述底面，其中，所述影像感測器更包括填充所述深溝渠的填充絕緣層，所述填充絕緣層於所述深溝渠中具有反轉Y型。
  16. 一種影像感測器的製造方法，包括：提供基底，所述基底定義多個畫素區域且具有第一表面以及與所述第一表面相對的第二表面，其中，所述第二表面經配置以接受入射其上的光；於所述基底中形成初始深元件絕緣層，以定義所述多個畫素區域；於所述基底的各個所述畫素區域中形成光電轉換區；於所述基底的所述第一表面上形成電晶體以及線路層；暴露所述初始深元件絕緣層於所述基底的所述第二表面；移除至少一部分的所述初始深元件絕緣層，以於所述基底內形成深溝渠；形成負固定電荷層，所述負固定電荷層覆蓋所述第二表面以及所述深溝渠的側壁；以及在形成所述負固定電荷層後，在所述基底的所述第二表面上形成填充絕緣層，其中所述填充絕緣層的形成包括在與形成所述負固定電荷層實質上相同溫度或較低溫度下形成所述填充絕緣層。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的影像感測器的製造方法，其中形成所述填充絕緣層包括形成延伸至所述深溝渠內以填充所述深溝渠的所述填充絕緣層。
  18. 如申請專利範圍第16項所述的影像感測器的製造方法，在形成所述負固定電荷層後，於所述深溝渠中形成氣隙區域。
TW104106134A 2014-02-27 2015-02-26 具有含負電荷物質之深溝渠的影像感測器及其製造方法 TWI671892B (zh)

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