CN107123658A - 半导体图像传感器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例公开了半导体图像传感器件及其制造方法。半导体图像传感器件包括衬底、第一像素和第二像素、以及隔离结构。第一像素和第二像素设置在衬底中，其中，第一和第二像素为相邻像素。隔离结构设置在衬底中并且介于第一和第二像素之间，其中，隔离结构包括介电层，并且介电层包括碳氧氮化硅(SiOCN)。

Description

半导体图像传感器件及其制造方法
技术领域
本发明的实施例涉及半导体领域，更具体地涉及半导体图像传感器件及其制造方法。
背景技术
半导体图像传感器被用于检测辐射，例如光。互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)和电耦合器件(CCD)传感器广泛应用于各种应用，例如数码相机或手机摄像头应用。这些器件利用衬底中的像素阵列(包括光电二极管和晶体管)，像素阵列可以吸收投射到衬底上的辐射并将感测的辐射转化为电信号。
近年来，半导体集成电路(IC)行业经历了快速发展。IC材料和设计的技术进步产生了多代IC，其中，每一代都具有比先前一代更小且更复杂的电路。作为用于半导体图像传感器的IC演变的一部分，辐射敏感像素的尺寸一直在持续减小。由于像素和相邻像素之间的间隔继续收缩，诸如过量的电流泄漏的问题变得更加难以控制。已知来自感光(如，光电二极管)区的过量的电流泄漏导致CMOS图像传感器中的白点问题(即，白像素)。
发明内容
本发明的实施例提供了一种半导体图像传感器件，包括：衬底；第一像素和第二像素，设置在所述衬底中，其中，所述第一像素和所述第二像素为相邻像素；以及隔离结构，设置在所述衬底中并且介于所述第一像素和所述第二像素之间，其中，所述隔离结构包括介电层，并且所述介电层包括碳氧氮化硅(SiOCN)。
本发明的实施例还提供了一种半导体图像传感器件，包括：衬底；多个辐射感测区，形成在所述衬底中；以及多个深沟槽隔离(DTI)结构，形成在所述衬底中，其中，每一对相邻的辐射感测区都通过相应的一个深沟槽隔离结构彼此分离，所述深沟槽隔离结构具有在从2至20的范围的深度与宽度的比率，所述深沟槽隔离结构包括介电层，以及所述介电层包括碳氧氮化硅(SiOCN)。
本发明的实施例还提供了一种半导体图像传感器件的制造方法，包括：在衬底中形成多个沟槽；通过原子层沉积(ALD)方法分别在所述沟槽中形成介电层，以在所述衬底中形成深隔离结构；以及在相邻的深隔离结构之间的衬底中形成辐射感测区。
附图说明
当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以最好地理解本发明的各个实施例。应该注意，根据工业中的标准实践，各种部件没有被按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增加或减少。
图1是根据一些实施例的示出了半导体图像传感器件的制造方法的流程图。
图2A至图2F是根据一些实施例的示出了制造半导体图像传感器件的方法的截面图。
图3是根据一些实施例的示出了半导体图像传感器件的截面图。
具体实施方式
以下公开内容提供了许多不同实施例或实例，用于实现所提供主题的不同特征。以下将描述组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅是实例并且不意欲限制本发明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触的实施例，也可以包括形成在第一部件和第二部件之间的附加部件使得第一部件和第二部件不直接接触的实施例。而且，本发明在各个实例中可以重复参考数字和/或字母。这种重复仅是为了简明和清楚，其自身并不表示所论述的各个实施例和/或配置之间的关系。
此外，为了便于描述，本文中可以使用诸如“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“在…上面”、“上部”等的空间关系术语，以描述如图中所示的一个元件或部件与另一元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间关系术语旨在包括器件在使用或操作过程中的不同方位。装置可以以其他方式定位(旋转90度或在其他方位)，并且在本文中使用的空间关系描述符可以同样地作相应地解释。
图1是根据一些实施例的示出了半导体图像传感器件的制造方法的流程图。图2A至图2F是根据一些实施例的示出了制造半导体图像传感器件的方法的截面图。
参考图1和图2A，在步骤10中，在衬底102中形成多个像素150。在一些实施例中，提供半导体图像传感器件100，其中，半导体图像传感器件100包括衬底102。在一些实施例中，例如，衬底102为掺杂诸如硼的p型掺杂剂的硅衬底，并且因此未p型衬底。可选地，衬底102可以是其他合适的半导体材料。例如，衬底102可以是掺杂有诸如磷或砷的n型掺杂剂的硅衬底，并因此为n型衬底。在可选实施例中，该衬底102可以由一些其他合适的元素半导体，诸如金刚石或锗；合适的化合物半导体，诸如砷化镓、碳化硅、砷化铟、或磷化铟；或合适的合金半导体材料，诸如碳化硅锗，磷砷化镓或磷铟化镓制成。此外，衬底102可以包括外延层(epi层)，可以被应变以用于性能增强。在一些实施例中，衬底102上具有一个或多个鳍(未示出)。
在一些实施例中，衬底102具有第一表面102a、与第一表面102a相对的第二表面102b。在一些实施例中，例如，第一表面102a为背面，并且例如，第二表面102b为正面。在一些实施例中，半导体图像传感器件100为背照式(BSI)图像传感器件，在减薄之后，辐射从背面(例如，第一表面102a)投射并且通过背面进入剩余的外延层。通过载体晶圆支撑翻转的器件。在一些实施例中，衬底102的初始厚度104介于约100微米(um)至约3000um的范围内，例如，初始厚度65介于约500um至约1000um的范围内。在一些实施例中，在衬底102中形成多个浅沟槽隔离(STI)结构(未示出)。在一些实施例中，通过下列工艺步骤形成STI结构70：从第二表面102b在衬底102内蚀刻开口；使用诸如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、低k材料或其他合适的介电材料的介电材料填充开口；以及之后实施抛光工艺(例如，化学机械抛光(CMP)工艺)以平坦化填充开口的介电材料的表面。
在一些实施例中，在衬底102中设置诸如鳍式场效应晶体管(FinFET)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管、高压晶体管和/或高频晶体管的有源器件、其他合适的组件和/或它们的组合。
在一些实施例中，像素150包括辐射感测掺杂区152。在一些实施例中，辐射感测掺杂区152形成在诸如STI的隔离结构之间。在一些实施例中，辐射感测掺杂区152通过一种或多种离子掺杂工艺或扩散工艺形成，并且可以掺杂有与衬底102的掺杂剂极性相反的掺杂剂。例如，如果衬底102是p型衬底，则辐射感测掺杂区152是n型掺杂区。在一些实施例中，每一个像素150都包括光电二极管。在可选实施例中，可以在每一个光电二极管下方形成深注入区。在可选实施例中，像素150可以包括钉扎(pinned)层光电二极管、光电门、复位晶体管、源极跟随器晶体管或转移晶体管。在一些实施例中，像素150也可以称为辐射检测器件或光传感器。
在一些实施例中，像素150可以相互改变以具有不同的结深度、厚度、宽度等。在一些实施例中，像素150具有在从约1um至约4um的范围内的深度(垂直尺寸)154和在从约0.5um至约2um的范围内的宽度(水平尺寸)156。
在一些实施例中，在衬底102的第二表面102b上方形成互连结构160。互连结构160包括多个图案化的介电层和导电层，用于在半导体图像传感器件100的各个掺杂的部件、电路和输入/输出端之间提供互连件(例如，引线)。在一些实施例中，互连结构160包括层间电介质和多层互连(MLI)结构。在一些实施例中，MLI结构包括连接件、通孔和金属线。为了示出的目的，图2A示出了多个导电线170和通孔/接触件172，应当理解，示出的导电线170和通孔/接触件172仅为示例性的，且导电线170和通孔/接触件172的实际布置和结构可以根据设计需求以及制造方面的考量而改变。
在一些实施例中，MLI结构可以包括诸如铝、铝/硅/铜合金、钛、氮化钛、钨、多晶硅、金属硅化物或它们的组合的导电材料，MLI结构被称为铝互连件。在一些实施例中，可以通过包括物理汽相沉积(PVD)、化学汽相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、溅射或其他合适的工艺的沉积工艺形成铝互连件。在一些实施例中，MLI结构的形成方法可以包括光刻工艺和蚀刻以图案化用于垂直连接件(例如，通孔/接触件172)和水平连接件(例如，导电线170)的导电材料。在可选实施例中，MLI结构可以包括铜多层互连件。铜互连结构可包括铜、铜合金、钛、氮化钛、钽、氮化钽、钨、多晶硅、金属硅化物或它们的组合。铜互连结构可以由包括CVD、溅射、镀的技术或其他合适的工艺形成。
仍参考图2A，缓冲层180在互连结构160上方形成。在一些实施例中，缓冲层180包括介电材料例如氧化硅。在可选实施例中，缓冲层180可选择地包括氮化硅。在一些实施例中，缓冲层180可以由CVD、PVD或其他合适的技术形成。在一些实施例中，通过CMP工艺平坦化缓冲层180以形成光滑表面。
参考图1和图2B，在步骤20中，衬底102与载体衬底190接合，从而可以执行衬底102的第一表面102a的处理。在一些实施例中，通过缓冲层180将衬底102与载体衬底190接合。在一些实施例中，例如，载体衬底190与衬底102类似并且包括硅材料。在可选实施例中，载体衬底190可以包括玻璃衬底或其他合适的材料。在一些实施例中，载体衬底190可以通过分子力(即，已知为直接接合或光学融合接合的技术)或通过本领域已知的其他接合技术(诸如金属扩散或阳极接合)接合至衬底102。
在一些实施例中，在接合载体衬底190之后，实施减薄工艺以从第一表面102a减薄衬底102。在一些实施例中，减薄工艺可以包括机械研磨工艺和化学减薄工艺。在一些实施例中，在机械研磨工艺期间，可以首先从衬底102上移除足够量的衬底材料。然后，化学减薄工艺可以将蚀刻化学制剂(etching chemical)应用于衬底102的第一表面102a以进一步减薄衬底102至厚度104'，该厚度为几微米的数量级。在一些实施例中，厚度104'大于约1um但小于约5um。还应当理解，一些实施例中所公开的特定厚度仅为实例，并且也可以根据应用类型以及半导体图像传感器件100的设计需求实现其他厚度。
参考图1和图2C，在步骤30中，在衬底102中形成多个开口110。在一些实施例中，开口110是用于DTI结构的开口。在一些实施例中，开口110形成在衬底102中并且从衬底102的第一表面102a朝向衬底102的内部延伸。在一些实施例中，通过诸如湿蚀刻工艺或干蚀刻工艺的蚀刻工艺形成开口110。例如，可以利用氢氧化钾(KOH)、四甲基氢氧化铵(TMAH)或其他合适的蚀刻化学制剂来实现湿蚀刻工艺，并且可以利用六氟化硫(SF6)或其他合适的气体来实现干蚀刻工艺。在一些实施例中，蚀刻掩模(例如硬掩模，此处未示出)可以在执行蚀刻工艺前形成，以限定开口110的尺寸和位置。在一些实施例中，为了提供说明的目的，图2C仅示出了三个开口110。在一些实施例中，开口110是用于DTI结构的沟槽，之后通过填充开口110来形成该DTI结构。在一些实施例中，开口110可以形成为具有锥形形状、近似为矩形形状或其他合适的形状。在一些实施例中，每一个开口110都具有深度120，该深度测量从第一表面102a延伸进衬底102中的量。在一些实施例中，由于开口110为用于深(与浅相反)沟槽隔离结构的沟槽，所以深度120大于STI结构的深度。在一些实施例中，开口110的深度120在从约0.2um至约3um的范围内，例如，0.5um至1.5um。在一些实施例中，每一个开口110都具有宽度122，并且宽度122在从约0.05um至约0.2um的范围内。在一些实施例中，开口110的深度与宽度的比率在从约2至约20的范围内。
参考图1和图2D以及图2E，在步骤40中，介电层144分别填充在开口110中，以在衬底102中形成隔离结构140。具体地，如图2D所示，从第一表面102a在衬底102上方形成介电材料134。介电材料134填充开口110。在一些实施例中，介电材料134包括碳氧氮化硅(SiOCN)。在一些实施例中，除了包括SiOCN之外，介电材料134还包括氧化硅(SiO2)、碳化硅(SiC)和碳氮化硅(SiCN)中的至少一个。在一些实施例中，通过硅和碳两者的源与包括氧和氮的气体混合物反应来形成介电材料134。在一些实施例中，例如，双叔丁基氨基硅烷(Bis(tertiary-butylamino)silane,BTBAS)用作硅和碳两者的源，并且气体混合物包括N2O、N2和O2。在一些实施例中，例如，氩用作稀薄气体或载体气体。在一些实施例中，通过诸如等离子体增强的原子层沉积(PEALD)方法的原子层沉积(ALD)方法来在开口110中形成介电材料134。应该注意，由于通过ALD方法形成介电材料134，所以开口110填充有介电材料134。在一些实施例中，在形成介电材料134之前，在开口110的壁以及开口110之间的衬底102的第一表面102a上形成衬里材料132。在一些实施例中，衬里材料132为高介电常数(高k)材料。在一些实施例中，高k材料包括诸如氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化铪(HfO2)、氧化钽(Ta2O5)、以及钡和锶钛氧化物((Ba,Sr)TiO3)或它们的组合的金属氧化物。在一些实施例中，衬里材料132包括单层或多层。
然后，如图2E所示，去除开口110外部的部分介电材料134。在一些实施例中，例如，通过用于传统的间隙填充平坦化的CMP工艺来去除介电材料134的一部分。在可选实施例中，可以执行合适的回蚀刻工艺。之后，通过保留填充开口110的部分介电材料来在开口110中分别形成介电层144。在一些实施例中，同时去除开口110外部的部分衬里材料132和开口110外部的部分介电材料134，并且通过保留填充开口110的部分衬里材料来在开口110中分别形成衬层142。在一些实施例中，每一个隔离结构140都包括介电层144和介电层旁边的衬层142。
参考图2F，在步骤50中，可以在衬底102的第一表面102a上方形成滤色器层200。在一些实施例中，滤色器层200可以包括多个滤色器，其被设置为使入射辐射照射在其上并穿过滤色器。在一些实施例中，滤色器可以包括基于染料(或基于颜料)的聚合物或树脂以过滤与色谱(例如，红色、绿色和蓝色)相对应的入射辐射的特定波长带。在一些实施例中，此后，在滤色器层200上方形成具有多个微透镜的微透镜层210。在一些实施例中，微透镜将入射辐射导向并聚焦至衬底102中的诸如像素150的特定辐射感测区。在一些实施例中，微透镜可以以不同的安置方式被放置，并根据用于微透镜的材料的折射率和距离传感器表面的距离具有不同形状。在一些实施例中，在形成滤色器层200或微透镜层210之前，衬底102也可以可选地进行激光退火工艺。对于诸如半导体图像传感器件100的BSI图像传感器件而言，操作像素150以检测辐射，诸如从第一表面102a朝向衬底102投射的入射光Li。
可以理解，上述加工工艺的顺序并不旨在限定。在其他实施中，一些层或器件可以根据不同的处理顺序形成，而不是根据此处所示。此外，一些其他层可以被形成，但是为了简化的缘故此处没有说明。例如，抗反射涂层(ARC)可以在滤色器层200和/或微透镜层210形成之前形成在衬底102的第一表面102a上方。
也可以理解，上述讨论主要关于半导体图像传感器件100的像素区。除了像素区，半导体图像传感器件100还包括周边区、接合焊盘区和划线。周边区可以包括需要保持光学黑暗的器件。这些器件可以包括数字器件，例如专用集成电路(ASIC)器件或芯片上***(SOC)器件、或用于为半导体图像传感器件100建立光强度基线的参考像素。接合焊盘区域为了形成接合焊盘被保留，这样半导体图像传感器件100和外部器件之间的电气连接可以被建立。划线区包括将一个半导体管芯与相邻半导体管芯分离的区。划线区在随后的加工过程中被由此切开，以便在管芯被封装和作为集成电路芯片被出售之前分开相邻的管芯。为了简化的缘故，半导体图像传感器件100的其他区域的细节此处没有示出或描述。
上述讨论还关于BSI图像传感器件。然而，可以预见的是，本发明的不同实施例也可以被应用到正面照明(FSI)图像传感器件。图3是根据一些实施例的示出了半导体图像传感器件的截面图。参考图3，半导体图像传感器件100为FSI图像传感器件，并且尽管光Li从前侧(例如，第二表面102b)而不是背侧(例如，第一表面102a)投射，但是它也使用与以上讨论的像素150类似的像素150来检测光Li。在一些实施例中，包括滤色器和微透镜层210的滤色器层200形成在前侧(例如，第二表面102b)上方。互连结构160以不妨碍或阻碍入射光从前侧(例如，第二表面102b)投射的路径的方式被实现。可以看出，隔离结构140也可以包括本文所讨论的碳氧氮化硅(SiOCN)。为了简化的缘故，FSI图像传感器件的处理细节此处不进行讨论。
在一些实施例中，诸如DTI结构的半导体图像传感器件的隔离结构包括碳氧氮化硅(SiOCN)。与由诸如钨的金属制成的传统的隔离结构相比，包括碳氧氮化硅的隔离结构不会导致不期望的电流，并且因此导致图像传感器件中的白像素的显著减少，诸如减少36％。在一些实施例中，通过原子层沉积(ALD)方法，碳氧氮化硅的材料完全填充在用于DTI结构的开口中，并且因此形成的隔离结构可以具有较高的深宽比。因此，相邻的像素之间的DTI结构提供了对于相邻像素的良好的分离，以防止入射至一个像素的辐射感测掺杂区中的光入射至相邻像素的辐射感测掺杂区中。因此，半导体图像传感器件具有良好的性能并且防止相邻像素之间的串扰。
一种半导体图像传感器件包括衬底、第一像素和第二像素、以及隔离结构。第一像素和第二像素设置在衬底中，其中，第一和第二像素为相邻像素。隔离结构设置在衬底中并且介于第一和第二像素之间，其中，隔离结构包括介电层，并且介电层包括碳氧氮化硅(SiOCN)。
半导体图像传感器件包括衬底、多个辐射感测区和多个深沟槽隔离(DTI)结构。辐射感测区形成在衬底中。DTI结构形成在衬底中，其中，每一对相邻的辐射感测区都通过相应的一个DTI结构彼此分离，DTI结构具有在从2至20的范围的深宽比，DTI结构包括介电层，以及介电层包括碳氧氮化硅(SiOCN)。
半导体图像传感器件的制造方法至少包括以下步骤。在衬底中形成多个沟槽。通过原子层沉积(ALD)方法在沟槽中分别形成介电层，以在衬底中形成深隔离结构。在相邻的深隔离结构之间的衬底中形成辐射感测区。
本发明的实施例提供了一种半导体图像传感器件，包括：衬底；第一像素和第二像素，设置在所述衬底中，其中，所述第一像素和所述第二像素为相邻像素；以及隔离结构，设置在所述衬底中并且介于所述第一像素和所述第二像素之间，其中，所述隔离结构包括介电层，并且所述介电层包括碳氧氮化硅(SiOCN)。
根据本发明的一个实施例，其中，所述隔离结构还包括SiO2、SiC和SiCN中的至少一个。
根据本发明的一个实施例，其中，所述隔离结构包括深沟槽隔离(DTI)结构。
根据本发明的一个实施例，其中，所述隔离结构的深度在从0.5um至1.5um的范围内。
根据本发明的一个实施例，其中，所述隔离结构的深度与宽度的比率在从2至20的范围内。
根据本发明的一个实施例，其中，所述第一像素和所述第二像素分别包括掺杂的辐射感测区。
根据本发明的一个实施例，半导体图像传感器件还包括：位于所述介电层旁边的衬层。
根据本发明的一个实施例，其中，所述半导体图像传感器件为背照式(BSI)图像传感器件。
根据本发明的一个实施例，其中，所述半导体图像传感器件为前照式(FSI)图像传感器件。
本发明的实施例还提供了一种半导体图像传感器件，包括：衬底；多个辐射感测区，形成在所述衬底中；以及多个深沟槽隔离(DTI)结构，形成在所述衬底中，其中，每一对相邻的辐射感测区都通过相应的一个深沟槽隔离结构彼此分离，所述深沟槽隔离结构具有在从2至20的范围的深度与宽度的比率，所述深沟槽隔离结构包括介电层，以及所述介电层包括碳氧氮化硅(SiOCN)。
根据本发明的一个实施例，其中，所述深沟槽隔离结构还包括SiO2、SiC和SiCN中的至少一个。
根据本发明的一个实施例，其中，所述深沟槽隔离结构的深度在从0.5um至1.5um的范围内。
根据本发明的一个实施例，其中，所述深沟槽隔离结构的深度大于所述辐射感测区的深度。
根据本发明的一个实施例，半导体图像传感器件还包括：位于所述介电层旁边的衬层。
根据本发明的一个实施例，其中，所述辐射感测区为掺杂区。
本发明的实施例还提供了一种半导体图像传感器件的制造方法，包括：在衬底中形成多个沟槽；通过原子层沉积(ALD)方法分别在所述沟槽中形成介电层，以在所述衬底中形成深隔离结构；以及在相邻的深隔离结构之间的衬底中形成辐射感测区。
根据本发明的一个实施例，其中，通过等离子体增强的原子层沉积(PEALD)方法形成所述介电层。
根据本发明的一个实施例，其中，通过使双叔丁基氨基硅烷(BTBAS)和包括N2O、N2和O2的气体混合物反应来形成所述介电层。
根据本发明的一个实施例，其中，在所述沟槽中填充介电层包括：在所述沟槽中并且在所述沟槽之间的衬底上方形成介电材料；以及去除所述沟槽外部的介电材料。
根据本发明的一个实施例，制造方法还包括：在所述沟槽中并且在所述介电层和所述衬底之间形成衬层。
以上论述了若干实施例的部件，使得本领域的技术人员可以更好地理解本发明的各个实施例。本领域技术人员应该理解，可以很容易地使用本发明作为基础来设计或更改其他的处理和结构以用于达到与本发明所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优点。本领域技术人员也应该意识到，这些等效结构并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。

Claims (1)

1.一种半导体图像传感器件，包括：
衬底；
第一像素和第二像素，设置在所述衬底中，其中，所述第一像素和所述第二像素为相邻像素；以及
隔离结构，设置在所述衬底中并且介于所述第一像素和所述第二像素之间，其中，所述隔离结构包括介电层，并且所述介电层包括碳氧氮化硅(SiOCN)。
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