CN115719752A

CN115719752A - 图像传感器及其形成方法

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Publication number: CN115719752A
Application number: CN202110987440.0A
Authority: CN
Inventors: 杨瑞坤
Original assignee: Galaxycore Shanghai Ltd Corp
Current assignee: Galaxycore Shanghai Ltd Corp
Priority date: 2021-08-26
Filing date: 2021-08-26
Publication date: 2023-02-28

Abstract

本发明公开了一种图像传感器以及形成方法，该方法包括：通过刻蚀和外延工艺，在半导体衬底中形成沟槽；在所述沟槽表面形成第一介质层；在所述第一介质层表面形成第二介质层；去除所述沟槽开口附近的部分所述第一介质层和所述第二介质层；形成第一外延层，使所述沟槽的开口封闭；其中，所述沟槽对应的区域用于形成图像传感器的侧向光学隔离结构。该侧向光学隔离结构可以包括中空间隙结构。入射光线照射到中空间隙结构上将发生全反射，从而有效降低相邻像素单元之间的光线串扰。通过外延工艺，在沟槽侧壁形成侧向PN结，实现相邻像素单元之间的电学隔离。

Description

图像传感器及其形成方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种图像传感器及其形成方法。

背景技术

CMOS图像传感器（CMOS Image Sensor, CIS）是将光学图像转化为电信号的半导体器件。CIS包括用于感光的光电二极管（photodiode, PD）和用于将所感测的光处理为电信号的逻辑电路。

对CIS的感光区域进行隔离，常见于背照式图像传感器工艺。通常的方法中，先进行衬底晶圆背面减薄工艺，再通过光刻工艺在晶圆表面形成用于图像感光区域隔离的图形，进而通过刻蚀工艺在衬底背面形成深沟槽，继而在深沟槽中填充介质完成图像传感器感光区域的隔离。

但是，这种传统方法仍存在以下问题：①在研磨衬底晶圆背面减薄过程中，晶圆衬底容易发生扭曲变形，而且光刻本身的对准误差也会使得晶圆背面沟槽图形与像素中心有较大的误差，导致侧向隔离的不均匀性，影响隔离效果；②在刻蚀工艺中用到的等离子体会损伤侧壁，而在晶圆背面工艺中，没有办法承受高温工艺，从而难以对侧壁损伤进行修复；③相邻的两个像素单元侧向隔离区和对角交叉区域的图形线宽存在差异，会导致在相邻像素侧向区域和对角交叉区域的深度差异，影响隔离和噪点效果。

发明内容

基于现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种图像传感器的形成方法，包括：通过刻蚀和外延工艺，在半导体衬底中形成沟槽；在所述沟槽表面形成第一介质层；在所述第一介质层表面形成第二介质层；去除所述沟槽开口附近的部分所述第一介质层和所述第二介质层；形成第一外延层，使所述沟槽的开口封闭；其中，所述沟槽对应的区域用于形成图像传感器的侧向光学隔离结构。

可选的，所述第一介质层为氧化硅；所述第二介质层为氮化硅或氮氧化硅。

可选的，通过调整所述氮化硅生长工艺，使所述氮化硅带负电荷，对所述沟槽侧壁产生钉扎。

可选的，所述第一介质层或所述第二介质层作为半导体衬底背面减薄工艺的停止层。

可选的，所述半导体衬底包括像素区和非像素区；所述通过刻蚀和外延工艺，在半导体衬底中形成沟槽包括：通过刻蚀和外延工艺，在所述像素区和所述非像素区同时形成所述沟槽。

可选的，所述通过刻蚀和外延工艺，在半导体衬底中形成沟槽包括：在半导体衬底上形成图案化的第一掩膜层；通过刻蚀工艺，在半导体衬底中形成第一沟槽；通过外延工艺，在所述第一沟槽表面形成至少一层外延层并形成侧向PN结，使所述第一沟槽线宽变窄，形成所述沟槽。

可选的，所述去除所述沟槽开口附近的部分所述第一介质层和所述第二介质层包括：去除所述沟槽开口附近的部分所述第二介质层；通过第三介质层填充，使所述沟槽开口封闭；通过第二掩膜层覆盖对准区和器件隔离区，去除像素区的第三介质层和所述沟槽开口附近的部分所述第一介质层；所述形成第一外延层，使所述沟槽的开口封闭包括：形成第一外延层，使所述像素区的沟槽开口封闭。

可选的，所述形成第一外延层，使所述沟槽的开口封闭之后还包括：去除第一掩膜层和第二掩膜层；在所述第一外延层上形成晶体管。

可选的，所述侧向光学隔离结构包括中空间隙结构。

本发明还提供了一种图像传感器，通过上述图像传感器的形成方法形成。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

本发明技术方案提供的图像传感器的形成方法中，通过刻蚀和外延工艺，在半导体衬底中形成沟槽；在所述沟槽表面形成第一介质层；在所述第一介质层表面形成第二介质层；去除所述沟槽开口附近的部分所述第一介质层和所述第二介质层；形成第一外延层，使所述沟槽的开口封闭；其中，所述沟槽对应的区域用于形成图像传感器的侧向光学隔离结构。该侧向光学隔离结构可以包括中空间隙结构16（airgap）。入射光线照射到中空间隙结构16上将发生全反射，从而有效降低相邻像素单元之间的光线串扰。在图像传感器的栅极完成前实现该结构，与现有工艺有非常好的工艺兼容性。

通过外延工艺，在沟槽侧壁形成侧向PN结，实现相邻像素单元之间的电学隔离。

进一步的，第二介质层可以为氮化硅；可以通过调整氮化硅生长工艺，使氮化硅带负电荷，对沟槽侧壁产生钉扎，可以进一步降低相邻像素单元之间的电学串扰；

现有技术在研磨衬底晶圆背面减薄过程中，晶圆衬底容易发生扭曲变形，而且光刻本身的对准误差也会使得晶圆背面沟槽图形与像素中心有较大的误差，导致侧向隔离的不均匀性，影响隔离效果，而本发明的技术方案可以减小对准误差、改善侧向隔离的不均匀性，提高隔离效果。

附图说明

通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1为本发明一实施例的一种图像传感器的形成方法；

图2至图14为本发明一实施例的一种图像传感器的形成方法过程中的截图结构示意图。

具体实施方式

以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本发明的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

图1为本发明一实施例的一种图像传感器的形成方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1：通过刻蚀和外延工艺，在半导体衬底中形成沟槽；

步骤S2：在所述沟槽表面形成第一介质层；

步骤S3：在所述第一介质层表面形成第二介质层；

步骤S4：去除所述沟槽开口附近的部分所述第一介质层和所述第二介质层；

步骤S5：形成第一外延层，使所述沟槽的开口封闭；其中，所述沟槽对应的区域用于形成图像传感器的侧向光学隔离结构。

以下结合附图2至图14对图1的图像传感器的形成方法进行详细描述。

参考图2至图5，通过刻蚀和外延工艺，在半导体衬底11中形成沟槽131。

具体的，提供半导体衬底11；半导体衬底11可以是掺杂或未掺杂的半导体材料，诸如硅、锗、硅锗、绝缘体上锗硅(SGOI)或其组合。半导体衬底11可以包括多层外延层的衬底。仅作为示例说明，在该实施例中，半导体衬底11可以在硅晶圆111上形成外延层112、外延层113。其中，外延层112可以是低掺杂的P型缓冲层；外延层113可以是N型外延层，用于形成感光单元，即光电二极管的N型区域。

参考图3，在半导体衬底11上形成图案化的第一掩膜层12。可选的，第一掩膜层12可以包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的一种或多种组合。

参考图4，通过刻蚀工艺，在半导体衬底11中形成第一沟槽130。

参考图5，通过外延工艺，在第一沟槽130表面形成至少一层外延层并形成侧向PN结，使第一沟槽130线宽变窄，形成沟槽131。仅作为示例说明，通过外延工艺，可以在第一沟槽130表面依次形成外延层141和外延层142。外延层141可以为本征半导体。外延层142可以为P型半导体。

参考图6，在所述沟槽131表面形成第一介质层151。第一介质层151可以为氧化硅。

参考图6，在所述第一介质层151表面形成第二介质层152。第二介质层152可以为氮化硅或氮氧化硅。可选的，第二介质层152可以为氮化硅；且可以通过调整氮化硅生长工艺，使氮化硅带负电荷，对沟槽131侧壁产生钉扎。

参考图7至图10，去除所述沟槽131开口附近的部分所述第一介质层151和所述第二介质层152。例如，可以通过干法刻蚀工艺，去除所述沟槽131开口附近的部分第一介质层151和第二介质层152。

参考图7，去除沟槽131开口附近的部分第二介质层152。

参考图8，通过第三介质层153填充，使沟槽131开口封闭。第三介质层153可以为氧化硅。

参考图9，通过第二掩膜层17覆盖非像素区中的对准区和器件隔离区。

参考图10，去除像素区的第三介质层153和沟槽131开口附近的部分第一介质层151。在该实施例中，去除部分第一介质层151后，使其上表面低于第二介质层152的上表面。在后续外延形成第一外延层181时，可以减少外延生长时产生的层错。

参考图11至图14，形成第一外延层181，使所述沟槽131的开口封闭；其中，所述沟槽131对应的区域用于形成图像传感器的侧向光学隔离结构。该侧向光学隔离结构包括中空间隙结构16（airgap）。入射光线照射到中空间隙结构16上将发生全反射，从而有效降低相邻像素单元之间的光线串扰。

参考图11，通过外延工艺，形成第一外延层181，使像素区的沟槽131开口封闭。

进一步地，参考图12，去除第一掩膜层12和第二掩膜层17，并对衬底进行化学机械研磨（chemical mechanical polish, CMP）。

进一步地，参考图13，可以对第一外延层181进行P型离子注入，形成离子掺杂区182。离子掺杂区182与侧向光学隔离结构共同作为相邻的像素单元之间的隔离。

进一步地，参考图14，可以在第一外延层181上形成晶体管19。

在一些实施例中，在进行背照式图像传感器的背面工艺时，第一介质层151或第二介质层152可以作为半导体衬底11背面减薄工艺的停止层。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：

通过刻蚀和外延工艺，在半导体衬底中形成沟槽；

在所述沟槽表面形成第一介质层；

在所述第一介质层表面形成第二介质层；

去除所述沟槽开口附近的部分所述第一介质层和所述第二介质层；

形成第一外延层，使所述沟槽的开口封闭；

其中，所述沟槽对应的区域用于形成图像传感器的侧向光学隔离结构。

2.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一介质层为氧化硅；所述第二介质层为氮化硅或氮氧化硅。

3.如权利要求2所述的图像传感器的形成方法，所述第二介质层为氮化硅，其特征在于，通过调整所述氮化硅生长工艺，使所述氮化硅带负电荷，对所述沟槽侧壁产生钉扎。

4.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一介质层或所述第二介质层作为半导体衬底背面减薄工艺的停止层。

5.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，

所述半导体衬底包括像素区和非像素区；

所述通过刻蚀和外延工艺，在半导体衬底中形成沟槽包括：

通过刻蚀和外延工艺，在所述像素区和所述非像素区同时形成所述沟槽。

6.如权利要求5所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述通过刻蚀和外延工艺，在半导体衬底中形成沟槽包括：

在半导体衬底上形成图案化的第一掩膜层；

通过刻蚀工艺，在半导体衬底中形成第一沟槽；

通过外延工艺，在所述第一沟槽表面形成至少一层外延层并形成侧向PN结，使所述第一沟槽线宽变窄，形成所述沟槽。

7.如权利要求6所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述去除所述沟槽开口附近的部分所述第一介质层和所述第二介质层包括：

去除所述沟槽开口附近的部分所述第二介质层；

通过第三介质层填充，使所述沟槽开口封闭；

通过第二掩膜层覆盖对准区和器件隔离区，去除像素区的第三介质层和所述沟槽开口附近的部分所述第一介质层；

所述形成第一外延层，使所述沟槽的开口封闭包括：

形成第一外延层，使所述像素区的沟槽开口封闭。

8.如权利要求7所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述形成第一外延层，使所述沟槽的开口封闭之后还包括：

去除第一掩膜层和第二掩膜层；

在所述第一外延层上形成晶体管。

9.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述侧向光学隔离结构包括中空间隙结构。

10.一种图像传感器，其特征在于，通过如权利要求1至9中任一项所述的图像传感器的形成方法。