CN115224067A - 一种半导体结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本公开实施例提供了一种半导体结构及其制备方法，其中，所述半导体结构包括：衬底；位于所述衬底中的多个光电二极管，相邻的所述光电二极管之间设置有间隔结构，所述间隔结构至少包括位于上部的深沟槽隔离结构，及位于下部的第一阻挡层。
Description
技术领域
本公开涉及半导体制造领域，尤其涉及一种半导体结构及其制备方法。
背景技术
近来，高分辨率图像传感器模块已被广泛地应用于诸如数字相机、相机电话等的数字装置中。图像传感器模块可包括用于将图像信息转换为电信息的图像传感器。具体地讲，图像传感器可包括能够将光子转换成电子以显示和存储图像的半导体器件。图像传感器的示例包括电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)等。
然而，图像传感器的结构还存在很多问题亟待改善。
发明内容
本公开实施例提供了一种半导体结构，包括：
衬底；
位于所述衬底中的多个光电二极管，相邻的所述光电二极管之间设置有间隔结构，所述间隔结构至少包括位于上部的深沟槽隔离结构，及位于下部的第一阻挡层。
在一些实施例中，所述间隔结构还包括第二阻挡层，所述第二阻挡层围绕所述深沟槽隔离结构的侧壁和底部。
在一些实施例中，所述第二阻挡层的底面与所述第一阻挡层的顶面接触，所述第一阻挡层的宽度小于所述第二阻挡层的宽度。
在一些实施例中，所述衬底具有第一掺杂类型，所述光电二极管包括具有第二掺杂类型的第一子部和具有第一掺杂类型的第二子部，所述第二子部围绕所述第一子部，且所述第二子部由部分所述衬底构成；其中，所述间隔结构的上表面高于所述第一子部的上表面，所述间隔结构的下表面低于所述第一子部的下表面。
在一些实施例中，所述第一阻挡层和所述第二阻挡层均具有第一掺杂类型，且所述第一阻挡层和所述第二阻挡层的掺杂浓度大于所述衬底的掺杂浓度。
在一些实施例中，所述第一阻挡层的掺杂浓度大于所述第二阻挡层的掺杂浓度。
在一些实施例中，所述光电二极管的深度范围为3～4um，所述深沟槽隔离结构的深度范围为2.5～3.5um，所述第一阻挡层的深度范围为0.5～1um。
本公开实施例还提供了一种半导体结构的制备方法，包括：
提供衬底；
执行刻蚀工艺，以在所述衬底中形成多个深隔离沟槽；
执行离子注入工艺，以在所述深隔离沟槽的下方形成第一阻挡层；
执行填充工艺，以在所述深隔离沟槽内形成深沟槽隔离结构，所述深沟槽隔离结构和所述第一阻挡层构成间隔结构；
在相邻的所述间隔结构之间形成光电二极管。
在一些实施例中，在所述衬底中形成多个深隔离沟槽包括：
执行第一刻蚀工艺，以在所述衬底上形成多个间隔排布的浅沟槽；
执行第二刻蚀工艺，以在每一所述浅沟槽的下方形成一个深隔离沟槽，所述深隔离沟槽的宽度小于所述浅沟槽的宽度。
在一些实施例中，在所述深隔离沟槽的下方形成第一阻挡层，包括：
在所述衬底上形成掩膜层，所述掩膜层暴露出所述深隔离沟槽；
执行离子注入工艺，以在所述深隔离沟槽的下方形成第一阻挡层，同时在所述深隔离沟槽的侧壁和底部形成第二阻挡层，形成的所述第一阻挡层和所述第二阻挡层均具有第一掺杂类型。
在一些实施例中，所述离子注入工艺采用硼元素，形成所述第一阻挡层时，离子注入剂量范围为1E13/cm2至1E14/cm2，离子注入能量范围为10Kev至200Kev。
在一些实施例中，在完成所述离子注入工艺之后，所述方法还包括：执行热处理工艺，以使所述第一阻挡层的表面平整。
在一些实施例中，形成所述深沟槽隔离结构，包括：
执行填充工艺，以在所述深隔离沟槽内填充介质层，所述介质层围成一个容纳腔；
在所述容纳腔内填充多晶硅，以形成深沟槽隔离结构。
在一些实施例中，所述衬底具有第一掺杂类型；对位于所述间隔结构之间的部分所述衬底执行第二掺杂工艺，以在所述衬底上形成具有第二掺杂类型的第一子部，围绕所述第一子部的部分所述衬底构成具有第一掺杂类型的第二子部，所述第一子部和所述第二子部构成所述光电二极管。
在一些实施例中，在形成所述光电二极管之后，所述方法还包括：执行离子注入工艺，在位于所述浅沟槽之间的部分所述衬底上形成具有第一掺杂类型的第三阻挡层。
本公开实施例所提供的半导体结构及其制备方法，其中，所述半导体结构包括：衬底；位于所述衬底中的多个光电二极管，相邻的所述光电二极管之间设置有间隔结构，所述间隔结构至少包括位于上部的深沟槽隔离结构，及位于下部的第一阻挡层。如此，在多个光电二极管之间设置有间隔结构，可有效的防止光电二极管产生的光生电荷在相邻的光电二极管之间产生随机扩散，从而避免光电二极管所在的相邻像素之间产生串扰的现象。另外，与间隔结构全部采用深沟槽隔离结构的方式相比，本公开实施例中，采用深沟槽隔离结构加阻挡层作为间隔结构的方式，在保证阻挡作用的情况下，可有效减少深沟槽隔离结构的深度，从而可显著减少蚀刻深隔离沟槽及形成深沟槽隔离结构时产生的损伤、缺陷、污染、机械应力等情况，由此可有效提高光电二极管的量子效率及最终形成的半导体结构的稳定性。
本公开的一个或多个实施例的细节在下面的附图和描述中提出。本公开的其它特征和优点将从说明书、附图以及权利要求书变得明显。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开实施例提供的半导体结构的结构示意图；
图2为本公开实施例提供的半导体结构的制备方法的流程框图；
图3至图17为本公开实施例提供的半导体结构的制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开，而不应被这里阐述的具体实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本公开更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本公开可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本公开发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述；即，这里不描述实际实施例的全部特征，不详细描述公知的功能和结构。
在附图中，为了清楚，层、区、元件的尺寸以及其相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。
应当明白，当元件或层被称为“在……上”、“与……相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在……上”、“与……直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本公开教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。而当讨论的第二元件、部件、区、层或部分时，并不表明本公开必然存在第一元件、部件、区、层或部分。
空间关系术语例如“在……下”、“在……下面”、“下面的”、“在……之下”、“在……之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本公开的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
与CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器因为采用CMOS标准制作工艺，因此具有更好的可集成度，可以与其他数模运算和控制电路集成在同一块芯片上，更适应未来的发展。现如今，CMOS图像传感器(CIS)已变得无处不在，其被广泛地用于数字静态相机、蜂窝式电话、安全相机、医疗、汽车及其它应用中。
然而，CMOS图像传感器的结构仍存在很多问题亟待改善。
基于此，提出了本公开实施例的以下技术方案：
本公开实施例提供了一种半导体结构，包括：
衬底；
位于衬底中的多个光电二极管，相邻的光电二极管之间设置有间隔结构，间隔结构至少包括位于上部的深沟槽隔离结构，及位于下部的第一阻挡层。
本公开实施例中，在多个光电二极管之间设置有间隔结构，可有效的防止光电二极管产生的光生电荷在相邻的光电二极管之间产生随机扩散，从而避免光电二极管所在的相邻像素之间产生串扰的现象。另外，与间隔结构全部采用深沟槽隔离结构的方式相比，本公开实施例中，采用深沟槽隔离结构加阻挡层作为间隔结构的方式，在保证阻挡作用的情况下，可有效减少深沟槽隔离结构的深度，从而可显著减少蚀刻深隔离沟槽及形成深沟槽隔离结构时产生的损伤、缺陷、污染、机械应力等情况，由此可有效提高光电二极管的量子效率及最终形成的半导体结构的稳定性。
为使本公开的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本公开的具体实施方式做详细的说明。在详述本公开实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例作局部放大，而且示意图只是示例，其在此不应限制本公开的保护范围。
图1为本公开实施例提供的半导体结构的结构示意图。
下面结合附图对本公开实施例提供的半导体结构再作进一步详细的说明。
如图1所示，半导体结构包括：
衬底10；
位于衬底10中的多个光电二极管12，相邻的光电二极管12之间设置有间隔结构11，间隔结构11至少包括位于上部的深沟槽隔离结构DTI，及位于下部的第一阻挡层L1。
这里，衬底的材料可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟等材料，但不限于此，衬底还可以为绝缘体表面的硅衬底或者绝缘体表面的锗衬底等。在一些实施例中，衬底可以为硅衬底。
在一些具体的实施例中，衬底可以为P型轻掺杂衬底。
在本公开实施例中，由于在多个光电二极管之间设置了间隔结构，可有效的避免光电二极管产生的光生电荷在相邻的光电二极管之间产生随机扩散，从而可有效防止光电二极管所在的相邻像素之间产生串扰的现象。
另外，本公开实施例的间隔结构包括两部分：位于上部的深沟槽隔离结构及位于下部的第一阻挡层，也就是说，本公开实施例中深沟槽隔离结构不必贯穿于整个隔离结构所在的区域，进而使得在刻蚀深隔离沟槽时，所需的蚀刻深度大大减小，可有效避免蚀刻工艺执行时对衬底的损伤、污染现象。另一方面，蚀刻时间也显著减小，可有效的提高生产效率。此外，在填充深隔离沟槽形成深沟槽隔离结构时，填充工艺所造成的污染及机械应力等情况均可得到有效的控制。
可以理解的，蚀刻深隔离沟槽及形成深沟槽隔离结构时产生的损伤、缺陷、污染、机械应力等情况的减少，可有效降低入射光子被间隔结构中存在的缺陷所捕获的可能性，从而可显著提高光电二极管的量子效率。
在一些实施例中，形成第一阻挡层无需进行刻蚀及填充等工艺，其可采用在深隔离沟槽中执行离子注入工艺后执行一道热处理工艺的方式来形成，采用该方式形成的第一阻挡层替代了常规间隔结构中的部分硅氧界面，可使光电二极管获得更好的量子效率，并对短波长蓝光具有较高的灵敏度。
继续参考图1，可以看出，间隔结构11还包括第二阻挡层L2，第二阻挡层L2围绕深沟槽隔离结构DTI的侧壁和底部。
在一些实施例中，所述第二阻挡层L2的底面与所述第一阻挡层L1的顶面接触，所述第一阻挡层L1的宽度小于所述第二阻挡层L2的宽度
在一些实施例中，第一阻挡层L1和第二阻挡层L2均具有第一掺杂类型，且第一阻挡层L1和第二阻挡层L2的掺杂浓度大于衬底10的掺杂浓度。
这里，第一掺杂类型可以为P型，具有第一掺杂类型的第一阻挡层和第二阻挡层可以在同一工艺步骤中形成。可选的，第一阻挡层和第二阻挡层可以均为P型重掺杂区。
在一些实施例中，第一阻挡层L1的掺杂浓度大于第二阻挡层L2的掺杂浓度。如此，可以增强第一阻挡层L1的隔离效果，使得包含第一阻挡层L1的间隔结构11可以对相邻的光电二极管12起到更好的隔离作用。
在实际工艺中，形成第一阻挡层和第二阻挡层采用的掺杂剂原子可以包括但不限于硼等。但不限于此，形成第一阻挡层和第二阻挡层采用的掺杂剂原子还可以为其他P型掺杂剂原子。
在实际操作中，形成第一阻挡层时，离子注入(掺杂)的注入剂量可以为1E13/cm2至1E14/cm2之间，注入能量可以为10Kev至200Kev之间。
可以理解的，由深沟槽隔离结构、第一阻挡层和第二阻挡层组成的间隔结构，显著减少了结构中的缺陷、污染等情况，可使光电二极管获得更好的量子效率，并对短波长蓝光的具有较高的灵敏度，还可有效防止光电二极管所在的相邻像素之间产生串扰的现象。
可选的，深沟槽隔离结构的深度范围可以在2.5μm至3.5μm之间，比如，2.8μm、3.0μm、3.2μm等；第一阻挡层的深度范围可以在0.5μm至1μm之间，比如0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm等；光电二极管的深度范围可以在3μm至4μm之间，比如，3.2μm、3.5μm、3.8μm等。
在实际工艺中，深沟槽隔离结构的宽度范围可以在0.06μm至0.18μm之间，比如，0.08μm、0.10μm、0.12μm、0.15μm等。
在一些实施例中，衬底10具有第一掺杂类型，光电二极管12包括具有第二掺杂类型的第一子部121和具有第一掺杂类型的第二子部122，第二子部122围绕第一子部121，且第二子部122由部分衬底10构成；其中，间隔结构11的上表面高于第一子部121的上表面，间隔结构11的下表面低于第一子部121的下表面。
在实际工艺中，第一掺杂类型可以为P型，第二掺杂类型可以为N型，其中，衬底可以为P型轻掺杂衬底，由于轻掺杂的P型区域可以扩大和/或加深光电二极管的耗尽区，因此可以增加光电二极管对光生电荷的收集能力。同时，由于在相邻的光电二极管之间形成有间隔结构，且间隔结构中包含的第一阻挡层和第二阻挡层为P型重掺杂区，使得光生电荷在扩散至光电二极管所在的相邻像素之前，光生电荷可以进行快速复合，可降低光生电荷的随机扩散，从而可有效降低相邻像素之间的串扰现象。
但不限于此，可以理解的，第一掺杂类型也可以为N型，第二掺杂类型可以为P型，实际操作中，可根据实际需求灵活选择第一掺杂类型和第二掺杂类型的具体类型。
另外，本实施例中，由于间隔结构的上表面高于第一子部的上表面，间隔结构的下表面低于第一子部的下表面，使得间隔结构可以对相邻的光电二极管起到更好的隔离作用。
如图1所示，在一些实施例中，半导体结构还包括多个垂直传输栅极14，垂直传输栅极14位于光电二极管12上，且与光电二极管12的第一子部121电连接。
在实际操作中，半导体结构还包括浮动扩散区，垂直传输栅极负责将光电二极管产生的电信号传输至半导体结构的浮动扩散区。
为保证光电二极管产生的电信号有效的被传输至半导体结构的浮动扩散区，本公开实施例除了在相邻的光电二极管之间设置间隔结构来阻挡光生电荷的随机扩散外，还设置有其他结构。
如图1所示，在一些实施例中，半导体结构还包括至少一个浅沟槽隔离结构STI，浅沟槽隔离结构STI的宽度大于深沟槽隔离结构DTI的宽度，浅沟槽隔离结构STI位于深沟槽隔离结构DTI的上方，且位于相邻的垂直传输栅极14之间，浅沟槽隔离结构STI包括介质层。
在一些实施例中，深沟槽隔离结构DTI包括介质层131和多晶硅132，介质层131围成一个容纳腔133，容纳腔133内设置有多晶硅132。
可选的，半导体结构还包括：第三阻挡层L3，第三阻挡层L3位于浅沟槽隔离结构STI与垂直传输栅极14之间。
这里，第三阻挡层也可以为P型掺杂区。主要通过对衬底执行掺杂工艺来形成。在一些实施例中，形成第三阻挡层时的掺杂区域也可以扩展到浅沟槽隔离结构的上部(图未示出)。
继续参考图1，可以看出，半导体结构还包括氧化物层L4，氧化物层L4位于衬底10的底表面上。
可以看出，本公开实施例除了在相邻的光电二极管之间设置间隔结构来阻挡光生电荷的随机扩散外，还在光电二极管的上方设置有浅沟槽隔离结构和第三阻挡层，并在光电二极管的下方设置有氧化物层，上述多个结构将每个光电二极管的四周围封起来，与常规结构仅采用间隔结构来阻挡光生电荷的随机扩散的相比，本公开实施例提供的半导体结构能更有效的防止光生电荷的随机扩散。
在一些实施例中，半导体结构还包括格栅结构15，格栅结构15位于衬底10的底表面上，且位于第一阻挡层L1的下方，格栅结构15中设置有多个开口H。
这里，格栅结构的材料可以包括但不限于金属材料，比如钨等。
在一些实施例中，半导体结构还包括彩色滤光器16，彩色滤光器16位于开口H内。
可以理解的，彩色滤光器可以把入射光中的红色光、绿色光及蓝色光选择出来，使其入射到光电二极管中，由光电二极管将光信号转化为电信号。
在一些实施例中，半导体结构还包括多个光学结构17，光学结构17位于格栅结构15和彩色滤光器16远离衬底10的一侧上。
可选的，在一些实施例中，光学结构可以为微透镜，微透镜可以改变入射光的方向，对光线产生聚集作用。
可以理解的，在一些实施例中，半导体结构还可以包括：金属互连层(图未示出)，金属互连层(图未示出)位于光电二极管远离光学结构的一侧上。比如位于垂直传输栅极的上方。
在该实施例中，金属互连层(图未示出)与光学结构分别位于光电二极管的两侧，形成背照式的结构，可有效防止入射光照射在光电二极管上时，金属互连层(图未示出)对入射光线的吸收。与前照式的结构相比，本公开实施例的结构可以显著提高半导体结构对光的吸收效率，具有更高的量子效率。
本公开实施例提供的半导体结构可作为图像传感器使用，特别是作为CMOS图像传感器使用，其中光电二极管可以作为像素结构的一个组成部分，在实际操作中，像素结构还可以包含其他结构，比如传输晶体管、复位晶体管、行选择晶体管等结构。
在一些实施例中，相邻像素结构之间的间距可以设置为0.4μm至0.9μm之间，比如，0.5μm、0.6μm、0.7μm或0.8μm等。
本公开实施例还提供了一种半导体结构的制备方法，如图2所示，方法包括了如下步骤：
步骤S101：提供衬底；
步骤S102：执行刻蚀工艺，以在衬底中形成多个深隔离沟槽；
步骤S103：执行离子注入工艺，以在深隔离沟槽的下方形成第一阻挡层；
步骤S104：执行填充工艺，以在深隔离沟槽内形成深沟槽隔离结构，深沟槽隔离结构和第一阻挡层构成间隔结构；
步骤S105：在相邻的间隔结构之间形成光电二极管。
图3至图17为本公开实施例提供的半导体结构的制备方法的工艺流程图。下面将结合附图对本公开实施例提供的半导体结构的制备方法再做进一步的详细说明。
首先，执行步骤S101，如图3所示，提供衬底10。
这里，衬底的材料可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟等材料，但不限于此，衬底还可以为绝缘体表面的硅衬底或者绝缘体表面的锗衬底等。在一些实施例中，衬底可以为硅衬底。
接着，执行步骤S102，如图6所示，执行刻蚀工艺，以在衬底10中形成多个深隔离沟槽DT。
在一些实施例中，如图4所示，在执行刻蚀工艺之前，方法还包括：
对衬底10执行掺杂工艺，以使衬底10为P型轻掺杂衬底10。
可选的，对衬底执行掺杂工艺采用的掺杂剂原子可以包括但不限于硼等。但不限于此，对衬底执行第一掺杂工艺采用的掺杂剂原子还可以为其他P型掺杂剂原子。
在实际操作中，形成深隔离沟槽所采用的刻蚀工艺可以为干法刻蚀工艺或者湿法刻蚀工艺中的至少一种或其组合。
从图6可以看出，在本公开实施例中，深隔离沟槽的底部距离衬底的下表面存在一定的距离，从而在刻蚀形成深隔离沟槽时，所需的蚀刻深度大大减小，可有效避免蚀刻工艺执行时对衬底的损伤、污染等现象。另一方面，蚀刻时间也显著减小，可有效的提高生产效率。此外，在后续执行填充工艺形成深沟槽隔离结构时，填充工艺所造成的污染及机械应力等情况也可得到有效的控制。
可以理解的，蚀刻深隔离沟槽及形成深沟槽隔离结构时产生的损伤、缺陷、污染、机械应力等情况的减少，可有效降低入射光子被间隔结构中存在的缺陷所捕获的可能性，从而可显著提高光电二极管的量子效率。
在一些实施例中，如图5和图6所示，在衬底10中形成多个深隔离沟槽DT，包括：
执行第一刻蚀工艺，以在衬底10上形成多个间隔排布的浅沟槽ST；
执行第二刻蚀工艺，以在每一浅沟槽ST的下方形成一个深隔离沟槽DT，深隔离沟槽DT的宽度小于浅沟槽ST的宽度。
如此，与对衬底直接执行刻蚀工艺来形成深隔离沟槽的方式相比，形成深隔离沟槽之前先形成一个具有较大宽度的浅沟槽，可有效降低形成深隔离沟槽的刻蚀难度，有助于深隔离沟槽的顺利刻蚀。
接下来，执行步骤S103，如图7所示，执行离子注入工艺，以在深隔离沟槽DT的下方形成第一阻挡层L1。
在一些实施例中，在深隔离沟槽DT的下方形成第一阻挡层L1，包括：
在衬底10上形成掩膜层(图未示出)，掩膜层(图未示出)暴露出深隔离沟槽DT；
执行离子注入工艺，以在深隔离沟槽DT的下方形成第一阻挡层L1，同时在深隔离沟槽DT的侧壁和底部形成第二阻挡层L2，形成的第一阻挡层L1和第二阻挡层L2均具有第一掺杂类型。
在一些实施例中，第二阻挡层L2的底面与第一阻挡层L1的顶面接触，第一阻挡层L1的宽度小于第二阻挡层L2的宽度
这里，第一掺杂类型可以为P型，具有第一掺杂类型的第一阻挡层和第二阻挡层可以在同一工艺步骤中形成。可选的，第一阻挡层和第二阻挡层可以均为P型重掺杂区，所述第一阻挡层和所述第二阻挡层的掺杂浓度大于所述衬底的掺杂浓度。
在一些实施例中，第一阻挡层L1的掺杂浓度可以大于第二阻挡层L2的掺杂浓度，如此，可以增强第一阻挡层L1的隔离效果，使其对后续形成的相邻的光电二极管12起到更好的隔离作用。
形成第一阻挡层和第二阻挡层所采用的掺杂剂原子可以包括但不限于硼等。但不限于此，形成第一阻挡层和第二阻挡层采用的掺杂剂原子还可以为其他P型掺杂剂原子。
可以理解的，第一阻挡层和第二阻挡层也可以在不同的工艺步骤中形成，且两者所采用的掺杂剂原子可以相同，也可以不同。
在实际操作中，离子注入工艺采用硼元素，形成第一阻挡层时，离子注入剂量范围为1E13/cm2至1E14/cm2，离子注入能量范围为10Kev至200Kev。
由于在离子注入的工艺过程中，注入层中容易存在大量的由注入损伤引起的缺陷，因此注入后通常需要执行一道热处理工艺，比如退火工艺以使杂质占据晶格位置并修复晶格损伤，且可使注入层的表面趋向于平整状态。
因此，在上述任一实施例所涉及的方法中，如图8所示，在完成离子注入工艺之后，方法还包括：执行热处理工艺，以使第一阻挡层L1的表面平整。
这里，热处理工艺可以包括但不限于退火工艺等。
通常，在一些结构中，常采用一整条深沟槽隔离结构来作为光电二极管之间的间隔结构。然而，在该结构中，由于光电二极管对晶体缺陷和/或深沟槽隔离结构中带有的缺陷界面比较敏感，容易造成量子效率的下降。
可以理解的，在本公开实施例中，采用在深隔离沟槽中执行离子注入工艺而非刻蚀加填充的方式来形成第一阻挡层，且所形成的第一阻挡层替代了常规间隔结构中的部分硅氧界面，使得后续形成的光电二极管可以获得更好的量子效率，并对短波长蓝光具有较高的灵敏度。
再接着，执行步骤S104，如图9所示，执行填充工艺，以在深隔离沟槽DT内形成深沟槽隔离结构DTI，深沟槽隔离结构DTI和第一阻挡层L1构成间隔结构11。
在一些实施例中，如图9所示，形成深沟槽隔离结构DTI，包括：
执行填充工艺，以在深隔离沟槽DT内填充介质层131，介质层131围成一个容纳腔133；
在容纳腔133内填充多晶硅132，以形成深沟槽隔离结构DTI。
这里，介质层的材料可以包括但不限于氧化物、氮化物、氮氧化物或者高K介质材料等，比如，氧化硅(SiO2)、氧化铪(HfO2)、氮化硅(Si3N4)、氧氮化硅(SiOxNy)、氧化钽(Ta2O5)、氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化镧(La2O3)、氧化铈(CeO2)中的一种、其组合或其它适合的介电材料。
在实际工艺中，间隔结构11还可以包括第二阻挡层L2，其中，第二阻挡层L2位于深沟槽隔离结构DTI的侧壁和底部上。
可以理解的，由深沟槽隔离结构、第一阻挡层和第二阻挡层组成的间隔结构，显著减少了结构中的缺陷、污染等情况，可使光电二极管获得更好的量子效率，并对短波长蓝光的具有较高的灵敏度，其还可有效避免光生电荷随机扩散，从而可有效防止光电二极管所在的相邻像素之间产生串扰的现象。
在实际工艺中，深沟槽隔离结构的宽度范围可以在0.06μm至0.18μm之间，比如，0.08μm、0.10μm、0.12μm、0.15μm等；深沟槽隔离结构的深度范围可以在2.5μm至3.5μm之间，比如，2.8μm、3.0μm、3.2μm等。
可选的，第一阻挡层的深度范围可以在0.5μm至1μm之间，比如0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm等。
继续参考图9，在实际操作中，在形成深沟槽隔离结构DTI之后，方法还包括：
在浅沟槽ST内填充介质层，以形成浅沟槽隔离结构STI。
最后，执行步骤S105，如图10所示，在相邻的间隔结构11之间形成光电二极管12。
在一些实施例中，如图10所示，所述衬底具有第一掺杂类型；对位于间隔结构11之间的部分衬底10执行第二掺杂工艺，以在衬底10上形成具有第二掺杂类型的第一子部121，围绕第一子部121的部分衬底10构成具有第一掺杂类型的第二子部122，第一子部121和第二子部122构成光电二极管12。
在实际工艺中，第二掺杂类型可以为N型，执行第二掺杂工艺所采用的掺杂剂原子可以包括但不限于磷、砷及其他N型掺杂剂原子等。这里，衬底可以为P型轻掺杂衬底，由于轻掺杂的P型区域可以扩大和/或加深光电二极管的耗尽区，因此可以增加光电二极管对光生电荷的收集能力。同时，由于在相邻的光电二极管之间形成有间隔结构，且间隔结构中包含的第一阻挡层和第二阻挡层为P型重掺杂区，使得光生电荷在扩散至光电二极管所在的相邻像素之前，光生电荷可以进行快速复合，可降低光生电荷的随机扩散，从而可有效降低相邻像素之间的串扰现象。
但不限于此，可以理解的，第一掺杂类型也可以为N型，第二掺杂类型可以为P型，实际操作中，可根据实际需求灵活选择第一掺杂类型和第二掺杂类型的具体类型。
另外，本公开实施例中，间隔结构的上表面可以高于第一子部的上表面，间隔结构的下表面可以低于第一子部的下表面，以使间隔结构可以对相邻的光电二极管起到更好的隔离作用。
可选的，在实际操作中，光电二极管的深度范围可以在3μm至4μm之间，比如，3.2μm、3.5μm、3.8μm等。
在一些实施例中，如图11和图12所示，在形成光电二极管12之后，方法还包括：
执行离子注入工艺，在位于浅沟槽STI之间的部分衬底10上形成具有第一掺杂类型的第三阻挡层L3，以及，
形成多个垂直传输栅极14，垂直传输栅极14穿过第三阻挡层L3且与光电二极管12的第一子部121电连接。
这里，第三阻挡层可以为P型掺杂区。主要通过对衬底执行掺杂工艺来形成。在一些实施例中，形成第三阻挡层时的掺杂区域也可以扩展到浅沟槽隔离结构的上部(图未示出)。
在一些实施例中，如图13所示，在形成垂直传输栅极14之后，方法还包括：
在衬底10的下表面上形成氧化物层L4。
这里，氧化层L4的材料包括但不限于氧化硅等。
可以看出，本公开实施例除了在相邻的光电二极管之间设置间隔结构来阻挡光生电荷的随机扩散外，还在光电二极管的上方设置有浅沟槽结构和第三阻挡层，并在光电二极管的下方设置有氧化物层，上述多个结构将每个光电二极管的四周围封起来，与常规结构仅采用间隔结构来阻挡光生电荷的随机扩散的相比，本公开实施例提供的半导体结构能更有效的防止光生电荷的随机扩散。
在一些实施例中，如图14至图17所示，在形成垂直传输栅极14之后，方法还包括：
在衬底10的下表面上形成格栅材料层15a；
执行刻蚀工艺，以在格栅材料层15a上形成多个开口H，第一子部121在衬底10上的正投影落入开口H在衬底10上的正投影限定的范围内，剩余的格栅材料层15a构成格栅结构15；
在开口H内形成彩色滤光器16；
在格栅结构15和彩色滤光器16远离衬底10的一侧上形成多个光学结构17。
在实际工艺中，格栅结构、彩色滤光器及光学结构均位于氧化层远离衬底的一侧上。
可选的，在一些实施例中，光学结构可以为微透镜，微透镜可以改变入射光的方向，对光线产生聚集作用。
可以理解的，在一些实施例中，半导体结构还可以包括：金属互连层(图未示出)，金属互连层(图未示出)位于光电二极管远离光学结构的一侧上。比如位于垂直传输栅极的上方。
在该实施例中，金属互连层(图未示出)与光学结构分别位于光电二极管的两侧，形成背照式的结构，可有效防止入射光照射在光电二极管上时，金属互连层(图未示出)对入射光线的吸收。与前照式的结构相比，本公开实施例的结构可以显著提高半导体结构对光的吸收效率，具有更高的量子效率。
本公开实施例提供的半导体结构可作为图像传感器使用，特别是作为CMOS图像传感器使用，其中光电二极管可以作为像素结构的一个组成部分，在实际操作中，像素结构还可以包含其他结构，比如传输晶体管、复位晶体管、行选择晶体管等结构。
在一些实施例中，相邻像素结构之间的间距可以设置为0.4μm至0.9μm之间，比如，0.5μm、0.6μm、0.7μm或0.8μm等。
需要说明的是，本公开实施例提供的半导体器件的制备方法可应用于图像传感器结构或其他半导体器件中，在此不做过多限定。本公开提供的半导体器件制备方法的实施例与半导体器件的实施例属于同一构思；各实施例所记载的技术方案中各技术特征之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
以上，仅为本公开的较佳实施例而已，并非用于限定本公开的保护范围，凡在本公开的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种半导体结构，其特征在于，包括：
衬底；
位于所述衬底中的多个光电二极管，相邻的所述光电二极管之间设置有间隔结构，所述间隔结构至少包括位于上部的深沟槽隔离结构，及位于下部的第一阻挡层。
2.根据权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述间隔结构还包括第二阻挡层，所述第二阻挡层围绕所述深沟槽隔离结构的侧壁和底部。
3.根据权利要求2所述的半导体结构，其特征在于，所述第二阻挡层的底面与所述第一阻挡层的顶面接触，所述第一阻挡层的宽度小于所述第二阻挡层的宽度。
4.根据权利要求3所述的半导体结构，其特征在于，所述衬底具有第一掺杂类型，所述光电二极管包括具有第二掺杂类型的第一子部和具有第一掺杂类型的第二子部，所述第二子部围绕所述第一子部，且所述第二子部由部分所述衬底构成；其中，所述间隔结构的上表面高于所述第一子部的上表面，所述间隔结构的下表面低于所述第一子部的下表面。
5.根据权利要求4所述的半导体结构，其特征在于，所述第一阻挡层和所述第二阻挡层均具有第一掺杂类型，且所述第一阻挡层和所述第二阻挡层的掺杂浓度大于所述衬底的掺杂浓度。
6.根据权利要求5所述的半导体结构，其特征在于，所述第一阻挡层的掺杂浓度大于所述第二阻挡层的掺杂浓度。
7.根据权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述光电二极管的深度范围为3～4μm，所述深沟槽隔离结构的深度范围为2.5～3.5μm，所述第一阻挡层的深度范围为0.5～1μm。
8.一种半导体结构的制备方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
执行刻蚀工艺，以在所述衬底中形成多个深隔离沟槽；
执行离子注入工艺，以在所述深隔离沟槽的下方形成第一阻挡层；
执行填充工艺，以在所述深隔离沟槽内形成深沟槽隔离结构，所述深沟槽隔离结构和所述第一阻挡层构成间隔结构；
在相邻的所述间隔结构之间形成光电二极管。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述衬底中形成多个深隔离沟槽，包括：
执行第一刻蚀工艺，以在所述衬底上形成多个间隔排布的浅沟槽；
执行第二刻蚀工艺，以在每一所述浅沟槽的下方形成一个深隔离沟槽，所述深隔离沟槽的宽度小于所述浅沟槽的宽度。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述深隔离沟槽的下方形成第一阻挡层，包括：
在所述衬底上形成掩膜层，所述掩膜层暴露出所述深隔离沟槽；
执行离子注入工艺，以在所述深隔离沟槽的下方形成第一阻挡层，同时在所述深隔离沟槽的侧壁和底部形成第二阻挡层，形成的所述第一阻挡层和所述第二阻挡层均具有第一掺杂类型。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述离子注入工艺采用硼元素，形成所述第一阻挡层时，离子注入剂量范围为1E13/cm2至1E14/cm2，离子注入能量范围为10Kev至200Kev。
12.根据权利要求8-10中任意一项所述的方法，其特征在于，在完成所述离子注入工艺之后，所述方法还包括：执行热处理工艺，以使所述第一阻挡层的表面平整。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，形成所述深沟槽隔离结构，包括：
执行填充工艺，以在所述深隔离沟槽内填充介质层，所述介质层围成一个容纳腔；
在所述容纳腔内填充多晶硅，以形成深沟槽隔离结构。
14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述衬底具有第一掺杂类型；对位于所述间隔结构之间的部分所述衬底执行第二掺杂工艺，以在所述衬底上形成具有第二掺杂类型的第一子部，围绕所述第一子部的部分所述衬底构成具有第一掺杂类型的第二子部，所述第一子部和所述第二子部构成所述光电二极管。
15.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在形成所述光电二极管之后，所述方法还包括：
执行离子注入工艺，在位于所述浅沟槽之间的部分所述衬底上形成具有第一掺杂类型的第三阻挡层。
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| CN202210880129.0A CN115224067A (zh) | 2022-07-25 | 2022-07-25 | 一种半导体结构及其制备方法 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115881750A (zh) * | 2023-02-02 | 2023-03-31 | 合肥晶合集成电路股份有限公司 | 图像传感器及其制作方法 |
| CN116110923A (zh) * | 2023-03-31 | 2023-05-12 | 合肥新晶集成电路有限公司 | 半导体结构的制备方法及半导体结构 |
| CN116247069A (zh) * | 2023-05-09 | 2023-06-09 | 合肥新晶集成电路有限公司 | 半导体结构及其制备方法、背照式图像传感器 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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