CN110246855A - 用于bsi图像传感器的表面处理 - Google Patents
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Abstract
一种背照式图像传感器结构包括邻近半导体衬底的第一面形成的图像传感器，其中第一介电层形成在半导体衬底的第一面上方以及互连层形成在第一介电层上方。该图像传感器结构还包括在半导体衬底的第二面上方形成的背照膜以及在半导体衬底的第二面和背照膜之间形成的第一硅卤素化合物层。本发明公开了用于BSI图像传感器的表面处理。
Description
本申请是于2013年04月28日提交的申请号为201310156859.7的名称为“用于BSI图像传感器的表面处理”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及BSI图像传感器的表面处理。
背景技术
随着技术的发展，由于互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器内在的某些优点，CMOS图像传感器相对于传统的电荷耦合器件(CCD)越来越受欢迎。具体而言，CMOS图像传感器可以具有高图像采集率、更低的工作电压、更低的功耗和更高的抗干扰性。另外，可以在与逻辑和存储器件相同的高容量晶圆加工线上制造CMOS图像传感器。因此，CMOS图像芯片可以既包括图像传感器又包括所有的必需逻辑器件，诸如放大器、A/D转换器等。
CMOS图像传感器是像素化的金属氧化物半导体。CMOS图像传感器通常包括感光图像元素(像素)阵列，每个感光像素可以包括晶体管(开关晶体管和复位晶体管)、电容器和感光元件(例如光电二极管)。CMOS图像传感器利用感光CMOS电路将光子转化成电子。感光CMOS电路通常包括在硅衬底中形成的光电二极管。当光电二极管暴露于光时，在光电二极管中产生电荷。当光从主体现场入射到像素上，每个像素可以生成与落在像素上的光的量成比例的电子。此外，电子在像素中转化成电压信号并且通过A/D转换器进一步转变成数字信号。多个***电路可以接收数字信号并且处理这些数字信号从而显示主体现场的图像。
CMOS图像传感器可以包括多个其他层，诸如在衬底的顶上形成的介电层和互连层，其中这些互连层用于连接光电二极管与***电路。CMOS图像传感器的具有其他层的面通常被称为正面，而具有衬底的面通常被称为背面。取决于光程差，可以将CMOS图像传感器进一步分成两个主要类别，即前照式(FSI)图像传感器和背照式(BSI)图像传感器。
在FSI图像传感器中，来自主体现场的光入射到CMOS图像传感器的正面上，穿过介电层和互连层，并最终落在光电二极管上。光路中的其他层(例如不透明和反射金属层)可能限制被光电二极管吸收的光的量从而降低量子效率。相反，在BSI图像传感器中不存在来自其他层(例如金属层)的障碍。光入射到CMOS图像传感器的背面上。因此，光可以通过直接路径照射光电二极管。这种直接路径有助于增加光子转化成电子的数量。
BSI图像传感器可以响应于入射到CMOS图像传感器的背面上的光而产生电子。然而，当不存在照明时可能产生不想要的电流。这种不想要的电流被称为暗电流。过多的暗电流可能导致图像退化。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，根据本发明的一方面，提供了一种装置，包括：邻近半导体衬底的第一面形成的图像传感器，其中：第一介电层形成在所述半导体衬底的第一面的上方，和互连层形成在所述第一介电层上方；在所述半导体衬底的第二面上方形成的背照膜；以及在所述半导体衬底的第二面和所述背照膜之间形成的第一硅卤素化合物层。
所述的装置还包括：在所述半导体衬底的第一面和所述第一介电层之间形成的第二硅卤素化合物层。在所述的装置中，所述第二硅卤素化合物层包含氟。
在所述的装置中，所述背照膜包括：在所述半导体衬底的第二面上形成的抗反射涂料层；和在所述抗反射涂料层上形成的介电层。
所述的装置还包括：在所述半导体衬底中生长的外延层；嵌入所述外延层中的所述图像传感器；和嵌入所述外延层中的隔离区，其中所述图像传感器被所述隔离区包围。
在所述的装置中，所述第一硅卤素化合物层包含氟。在所述的装置中，氟的百分比在约0.15％至约0.5％的范围内。
根据本发明的另一方面，提供了一种方法，包括：邻近衬底的第一面形成图像传感器；减薄所述衬底的第二面；对所述衬底的第二面实施卤素处理；以及在所述衬底的第二面上形成背照层。
所述的方法还包括：在所述衬底的第二面上沉积抗反射涂料层；以及在所述抗反射涂料层上沉积介电层。
所述的方法还包括：在所述背照层上方形成金属层；以及图案化所述金属层以形成金属屏蔽层和多个栅格。
所述的方法还包括：在所述衬底上生长外延层；以及在所述外延层中注入离子以形成所述图像传感器。根据一个实施例，所述的方法还包括：在所述外延层中形成隔离区，其中所述隔离区包围所述图像传感器。根据另一个实施例，所述的方法还包括：通过在所述外延层中注入n型离子形成所述图像传感器的n型光电二极管区；以及通过在所述外延层中注入p型离子形成所述图像传感器的p型光电二极管区；其中所述n型光电二极管区和所述p型光电二极管区形成光电二极管区。
所述的方法还包括：减薄所述衬底直到所述衬底的厚度在约3μm至约4μm的范围内。
根据本发明的又一方面，提供了一种器件，包括：光电二极管的阵列，每个所述光电二极管都邻近半导体衬底的第一面形成；多个隔离区，每个所述隔离区都形成在两个相邻的光电二极管之间；在所述半导体衬底的第二面的顶表面上方形成的第一硅卤素化合物层；在所述第一硅卤素化合物层上形成的抗反射涂料层；以及在所述抗反射涂料层上形成的介电层。
所述的器件还包括：包括金属屏蔽层的黑电平校正区。
所述的器件还包括：在所述介电层上方形成的多个栅格，其中所述多个栅格是金属线。
在所述的器件中，所述介电层包括：第一氧化物层；第二氧化物层；和缓冲氧化物层。在所述的器件中，所述第一氧化物层包含等离子体增强氧化物；所述第二氧化物层包含低沉积速率电阻保护氧化物；以及所述缓冲氧化物层包含等离子体增强氧化物。
所述的器件还包括：在所述半导体衬底的第一面的顶表面上方形成的第二硅卤素化合物层。
附图说明
为了更充分地理解本发明及其优点，现在将结合附图所进行的以下描述作为参考，其中：
图1示出根据本发明的多个实施例的背照式图像传感器的截面图；
图2示出根据本发明的多个实施例的半导体衬底的截面图；
图3是根据本发明的多个实施例对衬底的背面实施减薄工艺之后的图2中示出的半导体器件的截面图；
图4是根据本发明的多个实施例对衬底的背面的表面实施卤素处理工艺之后的图3中示出的半导体器件的截面图；
图5是根据本发明的多个实施例在衬底的背面上方沉积抗反射涂料(ARC)层之后的图4中示出的半导体器件的截面图；
图6是根据本发明的多个实施例在ARC层上方形成介电层之后的图5中示出的半导体器件的截面图；
图7示出根据本发明的多个实施例在背照膜上方沉积金属层之后的图6中示出的半导体器件的截面图；
图8示出根据本发明的多个实施例利用光刻胶实施背部金属栅格光刻工艺之后的图7中示出的半导体器件的截面图；以及
图9示出根据本发明的多个实施例实施蚀刻工艺之后的图8中示出的半导体器件的截面图。
除非另有说明，不同附图中的相应标号和符号通常是指相应部件。绘制附图用于清楚地示出各个实施例的相关方面而不必成比例绘制。
具体实施方式
下面，详细讨论本发明实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的发明构思。所讨论的具体实施例仅示出制造和使用本发明的具体方式，而不用于限制本发明的范围。
将参照具体环境中的实施例(用于背照式图像传感器的卤素表面处理工艺)描述本发明。然而，本发明的实施例也可以适用于各种图像传感器。以下将参照附图详细说明各个实施例。
图1示出根据本发明的多个实施例的背照式图像传感器的截面图。背照式图像传感器100包括图像传感器像素阵列101、黑电平校正区(black level correction region)103和诸如逻辑电路、接触焊盘等其他区域。为了简明，图1中示出的背照式图像传感器100的截面图仅示出图像传感器像素阵列101和黑电平校正区103。
图像传感器像素阵列101可以包括邻近半导体衬底106的第一面形成的多个光电二极管(例如光电二极管107和109)。两个相邻的光电二极管107和109通过隔离区111相互分离开。光电二极管107和109用于由所感应的光生成电信号。如图1所示，栅格132和134在半导体衬底106的第二面上形成。光电二极管(例如光电二极管107)形成在两个相邻的栅格(诸如栅格132和134)之间。换言之，两个相邻的栅格(例如栅格132和134)限定图像传感器像素阵列101的像素区。栅格132和134可以由多种合适的材料形成，举例来说，诸如钨、铝、铜、合金或复合物、这些的任何组合和/或类似材料。
应该注意到，为了简明，下文将背照式图像传感器100的具有其他层的面(例如第一面)称为衬底106的正面，而将具有栅格(例如栅格132和134)的面称为衬底106的背面。
黑电平校正区103可以包括用于生成基准黑电平信号的黑电平参考传感器(未示出)。如图1所示，位于黑电平校正区103中的黑色参考传感器被金属屏蔽层112屏蔽。因此，光没有照射到黑电平参考传感器。由于没有接收光，黑电平参考传感器可以为图像传感器像素阵列101提供黑电平基准信号。在整个说明书中，可选地将黑电平校正区103称为金属屏蔽区103。
图1还示出在衬底106的顶表面上可以形成有硅卤素化合物层。更具体地，可以在衬底106的背面的顶表面上形成有第一硅卤素化合物层114。同样地，可以在衬底106的正面表面上形成有第二硅卤素化合物层116。
在背照式图像传感器的制造工艺过程中，可能在衬底的顶表面(例如背面和正面)上生成多个悬空键。这些悬空键可能导致诸如噪音和/或暗电流等问题。硅卤素化合物层有助于消除悬空键，因此可以改进诸如噪音和暗电流的关键器件特征。下文将参照图2至图9描述背照式图像传感器100的详细制造工艺。
图2至图9示出根据本发明的多个实施例制造图1所示的背照式图像传感器100的中间步骤。图2示出根据本发明的多个实施例的半导体衬底的截面图。衬底106可以具有第一导电性。根据实施例，衬底106是高掺杂的p型衬底。衬底106可以由硅、锗、硅锗、梯度硅锗、绝缘体上半导体、碳、石英、蓝宝石、玻璃等形成，并且可以是多层的(例如应变层)。轻掺杂的p型外延层(未示出)可以生长在高掺杂的p型衬底106上。
衬底106可以包括多个光活性区(photo active region)。光活性区可以包括例如通过将杂质离子注入到外延层中形成的光电二极管(例如光活性区107)。另外，光活性区可以是PN结光电二极管、PNP光电晶体管、和/或NPN光电晶体管等。根据实施例，光活性区(诸如光活性区107)可以包括在n型区域上形成的p型层，其中n型区域形成在从p型半导体衬底(例如高掺杂的p型衬底106)生长的外延层上。
根据实施例，将n型杂质离子注入到p型外延层中以形成n型光电二极管区(未示出)。另外，将p型杂质离子注入到n型光电二极管区中以形成p型光电二极管区(未示出)。n型光电二极管区和p型光电二极管区进一步形成光电二极管区(例如光电二极管107和109)。
衬底106可以包括多个像素，每个像素都包括光电二极管区(例如光电二极管107)。为了防止相邻像素之间的串扰，利用隔离区111分离开两个相邻的光电二极管。根据一些实施例，隔离区111可以是浅沟槽隔离(STI)结构。STI结构可以通过蚀刻衬底106的一部分以形成沟槽并用氧化物和/或其他介电材料填充该沟槽形成。
介电层104通常在衬底106的正面上方形成。根据实施例，介电层104可以由低k介电材料形成，诸如氧化硅、硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)、磷硅酸盐玻璃(PSG)、氟化硅玻璃(FSG)、碳掺杂的氧化硅等。可以通过任何合适的技术形成介电层104，诸如化学汽相沉积(CVD)技术等。
金属互连层102可以在介电层104的上方形成。金属互连层102可以包含多条金属线120。金属互连层102可以通过等离子体蚀刻或镶嵌工艺图案化并且可以由适合具体应用的任何导电材料形成。可能适合的材料包括例如铝、铜、掺杂的多晶硅等。可以形成接触件和通孔(未示出)以在金属互连层102和下面的电路(未示出)之间提供电连接性。
图2还示出可以在衬底106的正面表面上形成的硅卤素化合物层116。生成硅卤素化合物层116的工艺与生成硅卤素化合物层114(未示出，但在图1中示出)的工艺相同。下文将参照图4详细描述在衬底的顶表面上生成硅卤素化合物层的详细工艺。
图3是根据本发明的多个实施例对衬底的背面实施减薄工艺之后的图2所示的半导体器件的截面图。衬底106在减薄工艺之前的厚度在约700μm至约800μm的范围内。根据背照式图像传感器的制造工艺，减薄衬底106的背面直到去除高掺杂的p型衬底106并暴露出轻掺杂的p型外延层。
在一些实施例中，背照式图像传感器100的衬底106的背面可以被减薄至约3μm-4μm的厚度。这种薄衬底层允许光穿过衬底并碰撞嵌入衬底106中的光电二极管(例如光电二极管107和109)而不会被衬底吸收。可以利用诸如研磨、抛光、和/或化学蚀刻等合适技术实施减薄工艺。
图4是根据本发明的多个实施例对衬底的背面的表面实施卤素处理工艺之后的图3所示的半导体器件的截面图。在一些实施例中，利用干式卤素处理实施卤素处理工艺。具体地说，将半导体器件放置在室中并且卤素气体在半导体器件的背面的表面上方流动。卤素气体可以包含氟。含氟气体可以与半导体器件的硅表面反应从而产生硅卤素化合物层114。
衬底106的背面的顶表面上的氟的百分比在约0.15％至约0.5％的范围内。干式卤素处理的温度可以在约250度至约450度的范围内。
应该注意到，可以用等离子体增强工艺代替卤素气体。可以将室配置成利用室中的气体生成等离子体。在等离子体增强处理过程中，半导体器件的背面的顶表面上的悬空键被由等离子体增强处理生成的更强的键代替。
在可选实施例中，利用湿式卤素处理实施卤素处理工艺。具体地说，将半导体器件的背表面暴露于合适的含氟酸(诸如氢氟酸(HF)等)。含氟酸可以与半导体器件的硅表面反应从而产生硅卤素化合物层114。湿式卤素处理的持续时间在约10秒至约20秒的范围内。
图5是根据本发明的多个实施例在衬底的背面上方沉积抗反射涂料(ARC)层之后的图4所示的半导体器件的截面图。一旦硅卤素化合物层114在衬底106的背面的顶表面上形成，随后ARC层108在衬底106的背面上方形成。
ARC层108可以由氮化物材料、有机材料、氧化物材料等形成。可以利用诸如CVD等合适的技术形成ARC层108。
图6是根据本发明的多个实施例在ARC层上方形成介电层之后的图5所示的半导体器件的截面图。介电层110可以由氧化物形成。更具体而言，介电层110可以包括第一氧化物层、第二氧化物层和缓冲氧化物层(未分别示出)。
在一些实施例中，第一氧化物层是厚度为约1100埃的等离子体增强氧化物(PEOX)。在一些实施例中，第二氧化物层是厚度为约4200埃的低沉积速率电阻保护氧化物(LRPO)。在一些实施例中，缓冲氧化物层是厚度为约500埃的等离子体增强氧化物(PEOX)。这样的话，介电层110具有约5800埃的总厚度。应该注意到，在整个说明书中，ARC层108和介电层110可以统称为背照膜。
图7示出根据本发明的多个实施例在背照膜上方沉积金属层之后的图6中示出的半导体器件的截面图。金属层702在介电层110的上方形成。根据实施例，在介电层110上方沉积的金属材料包括铜、铝、钽、氮化钛、这些的任何组合和/或类似材料。在一些实施例中，金属层702的厚度在约50nm至约200nm的范围内。
根据实施例，可以利用诸如CVD、等离子体增强CVD(PECVD)、原子层沉积(ALD)、和/或电镀等合适的沉积工艺在衬底106的背面上方沉积金属材料。
图8示出根据本发明的多个实施例利用光刻胶实施背部金属栅格光刻工艺之后的图7中示出的半导体器件的截面图。光刻胶材料在金属层702上沉积从而形成光刻胶层802。根据图1中示出的栅格和金属屏蔽层的位置和形状，暴露部分光刻胶层802。图8中示出的图案化工艺是公知的，并因此不再详细讨论。
图9示出根据本发明的多个实施例实施蚀刻工艺之后的图8中示出的半导体器件的截面图。可以使用诸如各向异性干式蚀刻工艺的蚀刻工艺去除部分金属层702从而形成栅格132、134和金属屏蔽层112。
根据实施例，一种装置包括邻近半导体衬底的第一面形成的图像传感器，其中第一介电层形成在半导体衬底的第一面上方，和互连层形成在第一介电层上方；在半导体衬底的第二面上方形成的背照膜以及在半导体衬底的第二面和背照膜之间形成的第一硅卤素化合物层。
根据另一实施例，一种方法包括邻近衬底的第一面形成图像传感器，减薄衬底的第二面，对衬底的第二面实施卤素处理以及在衬底的第二面上形成背照层。
根据又一实施例，一种器件包括光电二极管的阵列，每个光电二极管邻近半导体衬底的第一面形成；多个隔离区，每个隔离区都形成在两个相邻的光电二极管之间；在半导体衬底的第二面的顶表面上方形成的第一硅卤素化合物层；在第一硅卤素化合物层上形成的抗反射涂料层；以及在抗反射涂料层上形成的介电层。
虽然已经详细地描述了本发明的实施例及其优点，但是应当理解在本文中可以进行多种变化、替换以及改变，而不背离所附的权利要求限定的本发明的精神和范围。
而且，本申请的范围并不意图限于说明书中所述的工艺、机器、生产、物质组成、装置、方法和步骤的具体实施例。作为本领域普通技术人员根据本发明将很容易地理解，根据本发明可以利用现在已有的或将来待开发的工艺、机器、生产、物质组成、装置、方法或步骤，实施与本文中所述的相应实施例基本上相同的功能或实现基本上相同的结果。因此，所附的权利要求预期在其范围内包括这些工艺、机器、生产、物质组成、装置、方法或步骤。
Claims (18)
1.一种半导体装置，包括：
邻近半导体衬底的第一面形成的图像传感器，其中：
第一介电层形成在所述半导体衬底的第一面的上方；和
互连层形成在所述第一介电层上方；
在所述半导体衬底的第二面上方形成的背照膜，所述背照膜包括：在所述半导体衬底的第二面上形成的抗反射涂料层、以及在所述抗反射涂料层上形成的介电层，其中，所述介电层包括多层氧化物层；以及
在所述半导体衬底的第二面和所述背照膜之间形成的第一硅卤素化合物层。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，还包括：
在所述半导体衬底的第一面和所述第一介电层之间形成的第二硅卤素化合物层。
3.根据权利要求2所述的半导体装置，其中：
所述第二硅卤素化合物层包含氟。
4.根据权利要求1所述的半导体装置，还包括：
在所述半导体衬底中生长的外延层；
嵌入所述外延层中的所述图像传感器；和
嵌入所述外延层中的隔离区，其中所述图像传感器被所述隔离区包围。
5.根据权利要求1所述的半导体装置，其中：
所述第一硅卤素化合物层包含氟。
6.根据权利要求5所述的半导体装置，其中：
氟的百分比在0.15％至0.5％的范围内。
7.一种形成半导体装置的方法，包括：
邻近衬底的第一面形成图像传感器；
减薄所述衬底的第二面；
对所述衬底的第二面实施卤素处理；
在所述衬底的第二面上形成背照层；
在所述衬底的第二面上沉积抗反射涂料层；以及
在所述抗反射涂料层上沉积介电层，其中，所述介电层包括多层氧化物层。
8.根据权利要求7所述的形成半导体装置的方法，还包括：
在所述背照层上方形成金属层；以及
图案化所述金属层以形成金属屏蔽层和多个栅格。
9.根据权利要求7所述的形成半导体装置的方法，还包括：
在所述衬底上生长外延层；以及
在所述外延层中注入离子以形成所述图像传感器。
10.根据权利要求9所述的形成半导体装置的方法，还包括：
在所述外延层中形成隔离区，其中所述隔离区包围所述图像传感器。
11.根据权利要求9所述的形成半导体装置的方法，还包括：
通过在所述外延层中注入n型离子形成所述图像传感器的n型光电二极管区；以及
通过在所述外延层中注入p型离子形成所述图像传感器的p型光电二极管区；其中所述n型光电二极管区和所述p型光电二极管区形成光电二极管区。
12.根据权利要求7所述的形成半导体装置的方法，还包括：
减薄所述衬底直到所述衬底的厚度在3μm至4μm的范围内。
13.一种半导体器件，包括：
光电二极管的阵列，每个所述光电二极管都邻近半导体衬底的第一面形成；
多个隔离区，每个所述隔离区都形成在两个相邻的光电二极管之间；
在所述半导体衬底的第二面的顶表面上方形成的第一硅卤素化合物层；
在所述第一硅卤素化合物层上形成的抗反射涂料层；以及
在所述抗反射涂料层上形成的介电层，其中，所述介电层包括多层氧化物层。
14.根据权利要求13所述的半导体器件，还包括：
包括金属屏蔽层的黑电平校正区。
15.根据权利要求13所述的半导体器件，还包括：
在所述介电层上方形成的多个栅格，其中所述多个栅格是金属线。
16.根据权利要求13所述的半导体器件，其中，所述介电层包括：
第一氧化物层；
第二氧化物层；和
缓冲氧化物层。
17.根据权利要求16所述的半导体器件，其中：
所述第一氧化物层包含等离子体增强氧化物；
所述第二氧化物层包含低沉积速率电阻保护氧化物；以及
所述缓冲氧化物层包含等离子体增强氧化物。
18.根据权利要求13所述的半导体器件，还包括：
在所述半导体衬底的第一面的顶表面上方形成的第二硅卤素化合物层。
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