CN118073384A - 图像传感器及其形成方法 - Google Patents

Abstract

在一些实施例中，本公开涉及形成图像传感器的方法和相关器件结构。本发明的实施例提供了形成图像传感器的方法，包括从衬底的前侧在第一像素区域和第二像素区之间形成FDTI沟槽，以及填充FDTI沟槽以形成FDTI结构。在FDTI结构上方和在衬底的第一像素区域和第二像素区域上面形成覆盖层。在第一像素区域中形成第一光电二极管，并在第二像素区域中形成第二光电二极管。在FDTI结构上面的位于第一像素区域和第二像素区域之间的覆盖层内形成FD节点。FD节点可以由未被FDTI结构分隔开的一组像素区域共享，以使得需要很少的金属接触件，并且因此降低邻近金属接触件的寄生电容问题。本发明的实施例还提供了图像传感器。

Description

图像传感器及其形成方法

技术领域

本发明的实施例涉及图像传感器及其形成方法。

背景技术

许多现代电子器件，诸如数码相机和摄像机，包含图像传感器以将光学图像转换为数字数据。图像传感器包括像素区域阵列，并且每个像素区域包含被配置为捕获光学信号(例如，光)并将其转换为数字数据(例如，数字图像)的光电二极管。与电荷耦合器件(CCD)图像传感器相比，更常使用互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，因为它们具有许多优势，例如功耗更低、数据处理更快和制造成本更低。

发明内容

本发明的一些实施例提供了一种形成图像传感器的方法，该方法包括：在第一像素区域和与第一像素区域相邻的第二像素区域之间从衬底的前侧形成前侧深沟槽隔离(FDTI)沟槽；填充FDTI沟槽以形成具有第一深度的FDTI结构；在FDTI结构上方以及在衬底的第一像素区域和第二像素区域上面形成覆盖层；在第一像素区域中形成第一光电二极管，并且在第二像素区域中形成第二光电二极管，其中，第一光电二极管和第二光电二极管具有第一掺杂类型；以及在第一像素区域和第二像素区域之间的覆盖层内形成第一掺杂类型的浮动扩散(FD)节点，其中，FD节点置于FDTI结构上方。

本发明的另一些实施例提供了一种形成图像传感器的方法，该方法包括：从衬底的前侧形成前侧深沟槽隔离(FDTI)结构，从俯视图中看，前侧深沟槽隔离结构将布置成行和列的多个像素区域分隔开；在FDTI结构上方并且在多个像素区域上面形成覆盖层；从覆盖层形成第一掺杂类型的多个光电二极管，并且多个光电二极管在衬底中延伸；以及在覆盖层内形成由多个像素区域内的一组像素区域共享的第一掺杂类型的浮动扩散(FD)节点，其中，FD节点布置在FDTI结构上面的一组像素区域的交叉点处。

本发明的又一些实施例提供了一种图像传感器，该图像传感器包括：衬底，具有第一像素区域和与第一像素区域相邻的第二像素区域；覆盖层，设置在衬底的前侧上方；第一光电二极管和第二光电二极管，从覆盖层延伸到衬底中，第一光电二极管设置在第一像素区域中，并且第二光电二极管设置在第二像素区域中，其中，第一光电二极管和第二光电二极管具有第一掺杂类型；前侧深沟槽隔离(FDTI)结构，设置在第一像素区域和第二像素区域之间；以及第一掺杂类型的浮动扩散(FD)节点，设置在覆盖层内并且通过覆盖层与FDTI结构间隔开。

附图说明

当结合附图进行阅读时，从以下详细描述可最佳理解本发明的方面。需要注意的是，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各个部件的尺寸可以任意地增大或减小。

图1A至图1D示出了形成前侧深沟槽隔离(FDTI)结构和在FDTI结构上面的共享FD节点的方法的一些实施例的一系列截面图。

图2A至图2B示出了具有由FDTI结构分隔开的多个像素区域和FDTI结构上面的共享FD节点的图像传感器的一些实施例的俯视图和截面图。

图3至图4示出了具有由FDTI结构分隔开的像素区域阵列和FDTI结构上面的共享FD节点的图像传感器的一些附加实施例的截面图。

图5至图12示出了形成具有由FDTI结构彼此分隔开的多个像素区域和FDTI结构上面的共享FD节点的图像传感器的方法的一些实施例的一系列截面图。

图13至图16示出了形成具有由FDTI结构彼此分隔开的多个像素区域和FDTI结构上面的共享FD节点的图像传感器的方法的一些附加实施例的一系列截面图。

图17至图20示出了形成具有由FDTI结构彼此分隔开的多个像素区域和FDTI结构上面的共享FD节点的图像传感器的方法的一些附加实施例的一系列截面图。

图21示出了形成具有由FDTI结构彼此分隔开的多个像素区域和FDTI结构上面的共享FD节点的图像传感器的方法的一些实施例的流程图。

具体实施方式

以下公开内容提供了许多用于实施所提供主题的不同部件的不同实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例，而不旨在限制。例如，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触形成的实施例，并且也可以包括可以在第一部件和第二部件之间形成的额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。此外，本发明可以在各个实例中重复参考标号和/或字符。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。

而且，为了便于描述，在此可以使用诸如“在…下面”、“在…之下”、“下部”、“在…之上”、“上部”等空间相对术语，以描述如图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)原件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，而本文使用的空间相对描述符可以同样地作出相应的解释。

图像传感器包括布置成阵列的多个像素区域。多个像素区域中的每一个可以包括被配置为检测入射光并且将入射光转换为电荷载流子的光电二极管。传输栅极被配置为控制转换后的电荷载流子流向浮动扩散(FD)节点。FD节点是收集并存储由光电二极管生成的电荷载流子的类似电容器的结构。然后，存储在FD节点中的电荷载流子经由读出电路(例如，包括复位晶体管、源跟随晶体管等的多个晶体管)转换成电压信号。随着图像传感器尺寸的按比例缩小，由于像素密度的增加和像素之间的距离的降低，串扰可能成为更严重的问题。一方面，随着像素尺寸缩小，由于导电结构(诸如相邻金属接触件或晶体管的栅极和源极/漏极区域)之间的寄生电容和电阻的接近，电串扰变得更加显着。在另一方面，当光由于衍射、反射或散射而从一个像素泄漏到另一个像素时，会发生光学串扰。随着像素尺寸的减小，可以由每个像素捕获的光量也会减少，这会增加光学串扰的可能性。电串扰和光学串扰均会削弱图像质量。

前侧深沟槽隔离(FDTI)和背侧深沟槽隔离(BDTI)是用于在像素之间提供分隔的两种隔离技术，以便降低CMOS图像传感器中的串扰。图像传感器包括前侧和背侧，前侧包括像素的有源区和设置在其上的读出电路，背侧位于有源区的与读出电路相对的另一侧上。FDTI涉及在像素的有源区之间从图像传感器的前侧创建深沟槽，然后用隔离材料填充深沟槽。另一方面，BDTI涉及从图像传感器的背侧创建深沟槽，然后用隔离材料填充深沟槽。BDTI是在前侧器件工序和处理晶圆接合之后形成的。因此，因为晶圆厚度和接合引起的弯曲，形成BDTI可能具有与正面图案对齐的重叠控制问题。另外，由于BDTI可能会在完成前侧器件工序之后引入额外的应力和化学物质，因此BDTI可能会引起额外的器件降级甚至失效。同时，FDTI占据的表面积否则将是可以用于有源区或者用于传输和读出晶体管的硅表面积。如上所述，随着继续按比例缩小，由于像素的接近，FDTI的问题变得更加显著。例如，对于一些共享像素布局，一组像素的FD节点可能被布置为彼此靠近，并且用于FD节点的金属接触件和/或金属布线正在引起显著的寄生电容问题。

鉴于上述情况，本公开的一些实施例涉及形成图像传感器的改进方法以及相关的图像传感器器件，该方法包括在FDTI结构上方形成覆盖层以及在FDTI结构上面的覆盖层内形成FD节点。具体地，在一些实施例中，在第一像素区域和与第一像素区域相邻的第二像素区域之间从衬底的前侧形成FDTI沟槽，以及然后填充FDTI沟槽以形成FDTI结构。在FDTI结构上方并且在衬底的第一像素区域和第二像素区域上面形成覆盖层。在第一像素区域中形成第一光电二极管，并且在第二像素区域中形成第二光电二极管。在FDTI结构上面的第一像素区域和第二像素区域之间的覆盖层内形成FD节点。FD节点可以由一组像素区域共享，而不是使每个像素对应单独的FD节点，以使需要更少的金属接触件，并且因此降低了邻近金属接触件的寄生电容问题。另外，通过形成覆盖层并且在FDTI结构上面的覆盖层内形成共享的FD节点，扩大了用于有源器件的表面积，并且因此增加了像素面积和相邻栅极之间的距离。由此，图像传感器将实现更少的噪声、更好的图像质量和增大的动态范围，以在不损失细节的情况下捕获从低光条件到最亮高光的更宽范围的光水平。

图1A至图1D示出了形成图像传感器的方法的一些实施例的一系列截面图100A-截面图100D。如图1A的截面图100A所示，从与背侧102b相对的衬底102的前侧102f形成FDTI结构124。可以通过执行蚀刻以形成深沟槽、接着用隔离材料填充深沟槽来形成FDTI结构124。隔离材料可以包括介电层和金属层的堆叠件。如图1B的截面图100B所示，在一些实施例中，在形成FDTI结构124之后并且在覆盖层112上形成用于有源器件的掺杂区之前，在FDTI结构124上方形成覆盖层112。如图1C的截面图100C所示，在覆盖层112上形成掺杂区。例如，掺杂区可以包括光电二极管104、FD节点108和其他像素器件的源极/漏极区域。在一些实施例中，FD节点108由诸如图1A至图1D中的像素区域103a、像素区域103b的一组像素区域共享。如图1D的截面图100D所示，在一些实施例中，可以在光电二极管104和FD节点108之间分别形成传输栅极110。传输栅极110被配置为控制光电二极管104和FD节点108之间的电流流动。传输栅极110可以包括沿着衬底102的前侧102f设置的栅电极和栅极电介质。可以在衬底102和传输栅极110上方形成层间介电(ILD)层132。随后可以穿过ILD层132形成诸如栅极接触件142a和FD节点接触件142b的导电接触件142以及金属互连层(未示出)用于传输栅极110和FD节点108。通过在FDTI结构124上方形成覆盖层112并且在覆盖层112内形成掺杂区(包括FDTI结构124上面的FD节点108)，扩大了用于有源器件的表面积，并且因此增加了像素面积和相邻传输栅极110之间的距离。而且，通过形成通过覆盖层112与FDTI结构124间隔开并且由一组像素共享的FD节点108，降低了或避免了由用于相邻像素的邻近FD节点接触件引起的寄生电容。

图2A至图2B示出了具有通过FDTI结构124分开且隔离的多个像素区域103的图像传感器的一些实施例的俯视图200A和截面图200B。图3至图4示出了具有设置在衬底102中的FDTI结构124和FDTI结构124上面的共享FD节点108的图像传感器的一些附加实施例的截面图300、400。由于各种形成工序，FDTI结构124可以具有不同的形状，如图3至图4所示。图2B、图3、图4的截面图200B、截面图300、截面图400可以沿着图2A中的线A-A’截取。

如图2A的俯视图200A所示，FDTI结构124将图像传感器的像素区域103分隔开。FDTI结构124被配置为提供相邻像素区域的隔离。在一些实施例中，FD节点108可以设置在FDTI结构124上面的一组像素区域103a-103d的交叉点处。FD节点108具有第一掺杂类型，例如n型。该组像素区域103a-103d可以耦接到一个相同的整体FD节点，即FD节点108。尽管在附图中示出了一组四个像素区域103a-103d并且在说明书中将一组四个像素区域103a-103d描述为共享FD节点，但是应理解，可以设计不同数量的像素区域来共享FD节点。可以重复相同的图案或多个不同的图案以构成用于图像传感器布置的合适数量的像素区域。

在一些实施例中，一组像素区域103a-103d的每个像素区域103包括传输栅极110和光电二极管104。传输栅极110被配置为控制光电二极管104和FD节点108之间的电流。传输栅极110可以包括沿着衬底102的前侧102f设置的栅电极和栅极电介质。传输栅极110可以在衬底102中垂直延伸以更好地控制电流。栅电极可以包括例如掺杂的多晶硅、导电金属(例如铝)等。栅极电介质可以包括高k电介质、氧化物(例如，诸如二氧化硅)等。光电二极管104设置在相应的像素区域103内。光电二极管104具有第一掺杂类型，例如n型。

如图2B和图3至图4所示，例如，衬底102具有第一像素区域103a和与第一像素区域103a相邻的第二像素区域103d。衬底102可以包括任何类型的半导体本体(例如，硅/CMOS主体、SiGe等)，诸如半导体晶圆或晶圆上的一个或多个管芯，以及任何其他类型的半导体和/或形成在其上和/或以其他方式与之相关的外延层。例如，可以通过毯式注入或梯度外延生长工艺来制备具有第二掺杂类型(例如，p型)的衬底102。

在一些实施例中，覆盖层112设置在衬底102的前侧102f上方。覆盖层112可以设置为毯式地横跨图像传感器的像素区域103。在一些实施例中，覆盖层112具有与衬底102相同的材料。作为实例，覆盖层112可以是多晶硅或者可以由多晶硅组成。

在一些实施例中，第一光电二极管104a设置在第一像素区域103a中，并且第二光电二极管104d设置在与第一像素区域103a相邻的第二像素区域103d中。第一光电二极管104a和第二光电二极管104d具有第一掺杂类型，例如n型。第一光电二极管104a和第二光电二极管104d从覆盖层112延伸到衬底102中。FDTI结构124设置在第一像素区域103a和第二像素区域103d之间并且将第一光电二极管104a和第二光电二极管104d分隔开。在一些实施例中，FDTI结构124具有倾斜侧壁，FDTI结构124在更靠近衬底102的背侧102b的底侧处具有较小的宽度，并且在更靠近衬底102的前侧102f的顶侧124t处具有更大的宽度。FDTI结构124的倾斜范围可以在从几度到多达45度或更大的范围内。FDTI结构124可以具有从更靠近衬底102的背侧102b或与衬底102的背侧102b对齐的底侧到更靠近衬底102的前侧102f的顶侧124t单调递增的宽度。

例如，如图2B所示，在一些实施例中，FDTI结构124可以设置为穿过衬底102并且可以具有衬底102的整个深度。使FDTI结构124延伸穿过衬底102，提供了相邻像素区域103a、103d之间的最佳光学隔离。例如还如图2B所示，在一些实施例中，FDTI结构124的顶侧124t是圆锥形的。例如，如图3或图4所示，在一些可替代实施例中，FDTI结构124的顶侧124t是平坦形的。例如还如图3或图4所示，在一些实施例中，FDTI结构124的顶侧124t可以从衬底102的前侧102f向背面凹进。FDTI结构124可以从衬底102的背侧102b延伸到衬底102内的位置。例如，如图3所示，在一些实施例中，帽形停止层118可以设置在FDTI结构124和覆盖层112之间。帽形停止层118可以设置在FDTI结构124的平坦形顶侧124t上。FDTI结构124的顶侧124t可以由覆盖层112完全覆盖。

第一掺杂类型(例如，n型)的FD节点108设置在覆盖层112内并且设置在第一光电二极管104a与第二光电二极管104d之间。第一像素区域103a和第二像素区域103d可以共享FD节点108。在一些实施例中，FD节点108通过覆盖层112与FDTI结构124间隔开。覆盖层112与FDTI结构124的厚度比可以在约0.1至约0.4的范围内。作为实例，FDTI结构124的深度可以在约2μm至约10μm的范围内。FDTI结构124的宽度可以在约40nm至约400nm之间的范围内，或者在约100nm至约150nm之间的范围内。覆盖层112可以具有在约至约/>之间的范围内的厚度。FD节点108可以具有在约/>至约/>之间范的围内的厚度。通过使覆盖层112足够厚，例如大于FDTI结构124的厚度的0.1倍，或大于/>FD节点108与FDTI结构124充分地分隔开，以使得FD节点108可以是在没有被FDTI结构124中断的情况下由第一像素区域103a和第二像素区域103d共享的整体组件。通过使覆盖层112足够薄，例如小于FDTI结构124的厚度的0.4倍，或小于/> FDTI结构124的顶侧124t更靠近第一光电二极管104a和第二光电二极管104d的顶部，以使得第一像素区域103a和第二像素区域103d充分地隔离。

在一些实施例中，尽管图中未示出，抗反射层和滤色器可以设置在对应于像素区域103a、103d的衬底102的背侧102b上。滤色器被配置为允许具有特定波长范围的辐射的透射，同时阻挡特定波长范围之外的光。可以形成诸如复合栅格的滤色器隔离结构来分隔滤色器以用于隔离目的。另外，可以在滤色器上方形成微透镜。

在操作期间，入射辐射经过微透镜和滤色器以撞击衬底102的背侧102b并且从衬底102的背侧102b传递到光电二极管104。光电二极管104被配置为将入射辐射(例如，光子)转换成电信号(即，从入射辐射生成电子-空穴对)。FDTI结构124隔离像素区域103a、103d，同时仍然通过使FDTI结构124在FD节点108上面并且与FD节点108间隔开来防止电信号从FD节点108泄漏。

图5至图12示出了形成具有FDTI结构和FDTI结构上面的共享FD节点的图像传感器的方法的一些实施例的截面图。尽管图5至图12是关于方法进行描述的，但是应理解，图5至图12中公开的结构不限于这种方法，而是可以作为独立于该方法的结构而单独存在。

如图5所示，从衬底102的前侧102f在第一像素区域103a和与第一像素区域103a相邻的第二像素区域103d之间形成FDTI沟槽122。FDTI沟槽122还可以形成在第一像素区域103a和第二像素区域103d的***区域处。在一些实施例中，FDTI沟槽122可以具有从更靠近衬底102的背侧102b的底侧到更靠近衬底102的前侧102f的顶侧单调递增的宽度。在一些实施例中，可以在衬底102的前侧102f上方形成硬掩模120。可以通过各种聚合物材料、介电材料、和/或金属材料的一种或多种沉积工艺或旋涂工艺来形成硬掩模120。示例性硬掩模120可以包括三层结构，该三层结构包括从底部到顶部堆叠的碳基硬掩模、含硅硬掩模和光刻胶。

随后图案化硬掩模120以形成将第一像素区域103a和第二像素区域103d分隔开的FDTI沟槽122。可以通过光刻工艺图案化光刻胶层134，接着根据图案化的光刻胶层134进行蚀刻工艺以蚀刻硬掩模120来图案化硬掩模120。在各个实施例中，蚀刻可以包括干蚀刻工艺，其具有包括氟物质(例如，CF₄、CHF₃、C₄F₈等)和/或湿蚀刻剂(例如，氢氟酸(HF)或四甲基氢氧化铵(TMAH))的蚀刻化学剂。

如图6所示，在一些实施例中，用隔离材料填充FDTI沟槽122以形成FDTI结构124。在一些实施例中，可以通过从衬底的前侧102f填充第一组隔离材料来形成FDTI前体124'。在完成前侧工艺之后，翻转工件，并且通过第二组隔离材料替换FDTI前体124'，以形成最终的FDTI结构124。隔离材料可以包括介电层和金属层的堆叠件。例如，隔离材料的填充可以包括形成衬在FDTI沟槽122的侧壁和底表面上的电介质和/或金属的FDTI衬垫124'a以及多晶硅的主填充柱124'b，接着进行回蚀刻工艺。可以执行平坦化工艺以去除衬底102之上的隔离材料的多余部分。另外，在一些实施例中，使FDTI前体124'凹回到低于衬底102的前侧102f的位置，并且FDTI前体124'形成为具有小于衬底102的整个深度的第一深度。尽管下面通过各个实施例示出了隔离材料替换工艺，但是也可以从衬底102的前侧102f直接形成FDTI结构，而不需要随后的隔离材料替换工艺。

如图7所示，在一些实施例中，在衬底102上方形成覆盖层112。在一些实施例中，覆盖层112由与衬底102相同的材料形成，以使得光电二极管可以形成为从覆盖层112平滑地延伸到衬底102中。在一些实施例中，覆盖层112形成为毯式地横跨图像传感器的第一像素区域103a和第二像素区域103d。在一些实施例中，覆盖层112具有与衬底102相同的材料。作为实例，覆盖层112可以由轻掺杂有第二掺杂类型(例如，p型)的多晶硅形成。在一些实施例中，覆盖层112具有与衬底102基本上类似的掺杂浓度。在一些实施例中，通过热熔工序或通过外延沉积工艺形成覆盖层112。

还如图7所示，在一些实施例中，覆盖层112形成为在覆盖层112与FDTI结构124或FDTI前体124'之间(如果后面在背侧工艺中执行隔离替换工序的话)形成有空隙114。由于生长和合并取向，空隙114可以具有圆锥形。

图8至图10示出了在形成覆盖层112之后形成各种掺杂区域和栅极结构的一些实例。如下面更详细的实例所示，在一些实施例中，在多个像素区域内对应地形成第一掺杂类型(例如，n型)的多个光电二极管104。可以在一组像素区域103的交叉区域处形成第一掺杂类型的共享FD节点108。可以在多个光电二极管104和FD节点108之间对应地形成多个传输栅极110。

如图8所示，在一些实施例中，在该组像素区域103a-103d中的每个像素区域内(例如参见图2A)形成光电二极管104。光电二极管104可以包括第一掺杂类型(例如，n型)的掺杂区域，并且可以通过注入工艺从覆盖层112从前侧102f进入到衬底102来形成光电二极管104。光电二极管104可以包括不同掺杂浓度的多个掺杂层，并且多个掺杂层的侧壁不一定要对齐。另外，可以通过掺杂覆盖层112的一部分来形成FD节点108，FD节点108具有第一掺杂类型(例如，n型)并且具有大于光电二极管104的掺杂浓度。在一些实施例中，FD节点108具有比光电二极管104更大的掺杂浓度。覆盖层112可以将FD节点108与光电二极管104和衬底102分隔开。

尽管图中未示出，但在一些实施例中，可以沿着衬底102的前侧102f形成隔离阱，从而将一组像素区域103a-103d分隔开。可以在掩模层就位的情况下，通过对衬底102选择性地执行第二掺杂类型(例如，p型)的注入工艺来形成隔离阱，以形成掺杂隔离区域。在一些实施例中，还可以沿着衬底102的前侧102f形成浅沟槽隔离(STI)(未示出)，以将一组像素区域103a-103d分隔开。可以通过从前侧102f选择性地蚀刻衬底以形成浅沟槽并且随后在浅沟槽内形成氧化物或其他介电材料来形成STI结构。隔离阱可以从衬底102的前侧102f形成到覆盖层112内的位置或者一直穿透覆盖层112。隔离阱可以与STI结构中心对齐。

如图9所示，在一些实施例中，在多个光电二极管104和FD节点108之间对应地形成多个传输栅极110。可以通过在衬底102上方沉积栅极介电膜和栅电极膜来形成传输栅极110。随后图案化栅极介电膜和栅电极膜以形成栅极介电层和栅电极。传输栅极110可以是延伸到光电二极管104中的垂直栅极。可以在传输栅极110的侧壁上形成栅极侧壁间隔件(未示出)。传输栅极110可以形成为使得传输栅极110置于光电二极管104和/或FD节点108的部分上方。

如图10所示，在一些实施例中，可以在覆盖层112和传输栅极110上方形成蚀刻停止层116。在一些实施例中，蚀刻停止层116可以包括氮化物(例如，氮化硅)、碳化物(例如，碳化硅)、氧化物(例如，二氧化硅)等。在一些实施例中，蚀刻停止层116形成为与衬底102的前侧102f的上表面以及多个传输栅极110的侧壁和上表面的轮廓相符。然后，在蚀刻停止层116上方形成层间介电(ILD)层132，并且可以穿过ILD层132和蚀刻停止层116形成诸如栅极接触件142a和FD节点接触件142b的导电接触件以耦接到传输栅极110和FD节点108。然后可以将ILD层132接合至处理衬底144或另一功能器件(未示出)。在一些实施例中，接合工艺可以使用布置在ILD层132和处理衬底144之间的中间接合氧化物层。在一些实施例中，接合工艺可以包括熔融接合工艺。

另外，在接合处理衬底144之前，可以在ILD层132上方形成包括布置在附加ILD层内的金属互连层的金属化堆叠件，并且金属化堆叠件电耦接到栅极接触件142a和FD节点接触件142b。在一些实施例中，可以通过镶嵌工艺(例如，单镶嵌工艺或双镶嵌工艺)来形成导电接触件和金属化堆叠件。具体地，可以沉积ILD层以及随后蚀刻ILD层以形成通孔开孔和/或金属沟槽。然后用导电材料填充通孔开孔和/或金属沟槽以形成导电接触件和金属互连层。在一些实施例中，可以通过气相沉积技术(例如，PVD、CVD等)来沉积ILD层。可以使用沉积工艺和/或镀工艺(例如，电镀、化学镀等)来形成多个金属互连层。在各个实施例中，多个金属互连层可以包括例如钨、铜或铝铜。

图11至图12示出了翻转衬底102以对与前侧102f相对的背侧102b进行进一步处理的一些实例。如图11所示，首先可以从背侧102b减薄衬底102，以降低衬底102的厚度。可以减薄衬底102以暴露FDTI前体124'并允许辐射穿过衬底102的背侧102b到达光电二极管104。在一些实施例中，可以通过蚀刻或机械研磨衬底102的背侧102b来减薄衬底102。在一些实施例中，然后可以去除FDTI前体124'并且用填充到FDTI沟槽122中的不同隔离材料替换FDTI前体124'以形成FDTI结构124。作为实例，如图12所示，首先形成包括高k电介质的电介质和/或金属的FDTI衬垫124a，以衬在FDTI沟槽122的侧壁和底表面上，接着形成多晶硅的主填充柱124b。然后执行平坦化工艺以去除多余的隔离材料。由于FDTI沟槽122的底表面可以是从暴露的覆盖层112开始的圆锥形，所以替换FDTI结构124可以具有更靠近衬底102的前侧102f的圆锥形顶侧124t。

还如图12所示，在一些实施例中，随后可以在衬底102的背侧102b上方形成多个滤色器128。在一些实施例中，可以通过形成并图案化与一组像素区域103a-103d相对应的相应滤色器层来单独地形成多个滤色器128。滤色器层是允许具有特定波长范围的辐射(例如，光)透射同时阻挡该特定波长范围之外的光的材料。为了隔离的目的，可以形成诸如复合栅格的滤色器隔离结构(未示出)来将滤色器128分隔开。

另外，可以在多个滤色器128上方形成多个微透镜130。作为实例，可以通过在多个滤色器128之上沉积微透镜材料(例如，通过旋涂方法或沉积工艺)来形成多个微透镜。在微透镜材料之上图案化具有弯曲上表面的微透镜模板。在一些实施例中，微透镜模板可以包括使用分布曝光剂量(例如，对于负光刻胶，更多的光在曲率的底部曝光并且更少的光在曲率的顶部曝光)曝光、显影和烘烤以形成圆形形状的光刻胶材料。然后通过根据微透镜模板选择性蚀刻微透镜材料来形成多个微透镜。

图13至图16示出了实例，在该实例中，代替在形成如上面结合图7至图12所示和讨论的覆盖层112时留下空隙，在一些其他实施例中，可以在覆盖层112和FDTI前驱体124'之间形成停止层118。如图13所示，停止层118可以形成在FDTI沟槽122的剩余上部内并接触FDTI前体124'。在一些实施例中，通过在FDTI沟槽122的剩余上部内并且接触FDTI前体124'来形成电介质、多晶硅或金属的填充材料，接着进行凹进蚀刻工艺以去除第一光电二极管104a和第二光电二极管104d之上的多余材料来形成停止层118。在一些实施例中，可以通过调整凹进蚀刻工艺和/或随后的湿清洁来使停止层118形成有圆锥形形状，以使得停止层118可以具有与形成覆盖层112所生成的空隙相匹配的顶部轮廓。剩余的制造步骤可以类似于上面关于图7至图12所讨论的步骤，其中在覆盖层112内形成掺杂区，包括形成从衬底102的前侧102f进入到衬底102中的第一光电二极管104a和第二光电二极管104d，如图14所示。然后可以翻转工件以从背侧102b减薄衬底102。在一些实施例中，如图15至图16所示，当翻转工件并且从背侧102b替换隔离材料以用FDTI结构124替换FDTI前体124'时，可以不从FDTI沟槽122去除停止层118。FDTI结构124可以形成有与停止层118的平坦底表面接触的平坦底表面。作为实例，如图16所示，首先形成包括高k电介质的电介质和/或金属的FDTI衬垫124a，以衬在FDTI沟槽122的侧壁表面和停止层118的底表面上，接着形成多晶硅的主填充柱124b。然后执行平坦化工艺以去除多余的隔离材料。

图17至图20示出了实例，在实例中，代替在形成如上面结合图7至图12所示和讨论的覆盖层112时留下空隙，或者代替形成停止层108替换如上面结合图13至图16所示和讨论的形成覆盖层112所引起的空隙，在一些其他实施例中，覆盖层112可以形成为完全填充FDTI沟槽122的剩余上部并且接触凹进的FDTI结构124。通过调整形成参数，诸如熔化温度/时间、外延压力/生长速率和/或最终热退火，覆盖层112可以形成有覆盖FDTI前体124'的整个顶表面的平坦底表面，如图17所示。剩余的制造步骤可以类似于上面关于图7至图12所讨论的步骤，其中在覆盖层112内形成掺杂区，包括形成从衬底102的前侧102f进入到衬底102中的第一光电二极管104a和第二光电二极管104d，如图18所示。然后可以翻转工件以从背侧102b减薄衬底102。在一些实施例中，如图19至图20所示，当翻转工件并且从背侧102b替换隔离材料以用FDTI结构124替换FDTI前体124'时，FDTI结构124可以形成有与覆盖层112的平坦底表面接触的平坦底表面。作为实例，如图20所示，首先形成包括高k电介质的电介质和/或金属的FDTI衬垫124a，以衬在FDTI沟槽122的侧壁表面和覆盖层112的底表面上，接着形成多晶硅的主填充柱124b。然后执行平坦化工艺以去除多余的隔离材料。

图21示出了形成图像传感器的方法2100的一些实施例的流程图，该图像传感器具有通过FDTI结构彼此间隔开的多个像素区域和FDTI结构上面的共享FD节点。

虽然下面将方法2100示出和描述为一系列动作或事件，但是应该理解，这样的动作或事件的示出顺序不应解释为限制意义。例如，除了本文示出和/或描述的那些动作或事件之外，一些动作可以以不同的顺序发生和/或与其他动作或事件同时发生。此外，可能不需要全部示出的动作来实施本文的描述的一个或多个方面或实施例。此外，本文描述的一个或多个动作可以在一个或多个单独的动作和/或阶段中实行。

在动作2102处，在衬底的前侧上形成将像素区域分隔开的FDTI沟槽。FDTI沟槽也可以形成在像素区域的***区域处。在一些实施例中，FDTI沟槽可以具有从更靠近衬底背侧的底侧到更靠近衬底前侧的顶侧单调递增的宽度。例如，参见图5。

在动作2104处，用隔离材料填充FDTI沟槽。隔离材料可以包括介电层和金属层的堆叠件。例如，隔离材料的填充可以包括形成衬在FDTI沟槽的侧壁和底表面上的电介质和/或金属的FDTI衬垫以及多晶硅的主填充柱，接着进行回蚀刻工序。可以执行平坦化工艺以去除衬底之上的隔离材料的多余部分。另外，在一些实施例中，使隔离材料凹回到低于衬底前侧的位置。例如，参见图6。

在动作2106处，在FDTI结构上方和像素区域上面形成覆盖层。覆盖层可以由与衬底相同的材料形成，以使得光电二极管可以形成为从覆盖层平滑地延伸到衬底中。在一些实施例中，覆盖层形成为毯式地横跨图像传感器的像素区域。在一些实施例中，通过热熔工序或通过外延沉积工艺来形成覆盖层。在一些实施例中，覆盖层形成为在覆盖层与FDTI结构或前体之间具有空隙。由于生长和合并取向，空隙可以具有圆锥形。例如，参见图7。

在一些可替代实施例中，覆盖层112可以形成为完全填充FDTI沟槽的剩余上部并接触隔离材料。通过调整形成参数，诸如熔化温度/时间、外延压力/生长速率和/或最终热退火，覆盖层可以形成有覆盖凹进的隔离材料的整个顶表面的平坦底表面。例如，参见图17。

进一步代替在形成覆盖层时留下位于覆盖层与隔离材料之间空隙或代替通过调整如上所述的工艺参数在隔离材料之上没有空隙的情况下形成覆盖层，在一些实施例中，在FDTI沟槽的剩余空间内形成停止层。可以通过在FDTI沟槽的剩余上部内形成电介质、多晶硅或金属的填充材料，接着进行凹进蚀刻工艺以去除衬底之上的多余材料来形成停止层。可以通过调整凹进蚀刻工艺和/或随后的湿清洁来使停止层形成有圆锥形的形状，以使得停止层可以具有与由形成覆盖层所生成的空隙相匹配的顶部轮廓。例如，参见图13。

在动作2108处，制备衬底的前侧用以形成图像传感器。具体地，可以在从俯视图中看布置成行和列的多个像素区域内的衬底中分别形成第一掺杂类型的多个光电二极管。可以从衬底的前侧在多个像素区域的交叉点处形成第一掺杂类型的浮动扩散(FD)节点。可以通过以大于光电二极管的掺杂浓度掺杂覆盖层的部分来形成FD节点。FD节点可以通过覆盖层与光电二极管分隔开。例如，参见图8。

在动作2110处，可以在多个光电二极管和FD节点之间对应地形成多个传输栅极。多个传输栅极对应地形成在多个光电二极管和FD节点之间。可以通过在衬底上方沉积栅极介电膜和栅电极膜来形成传输栅极。随后图案化栅极介电膜和栅电极膜以形成栅极介电层和栅电极。在传输栅极上方形成ILD层，并且可以穿过ILD层形成诸如栅极接触件和FD节点接触件的导电接触件。然后可以将ILD层接合至处理衬底或另一功能器件(未示出)。在一些实施例中，接合工艺可以使用布置在ILD层和处理衬底之间的中间接合氧化物层。在一些实施例中，接合工艺可以包括熔融接合工艺。在一些实施例中，在接合之前，可以在ILD层上方形成包括布置在附加ILD层内的金属互连层的金属化堆叠件，并且金属化堆叠件电耦接到栅极接触件和FD节点接触件。在一些实施例中，可以通过镶嵌工艺(例如，单镶嵌工艺或双镶嵌工艺)来形成导电接触件和金属化堆叠件。传输栅极可以是延伸到光电二极管中的垂直栅极。例如，参见图9至图10。

在动作2112处，翻转工件并且准备好衬底的背侧。可以在对应于多个光电二极管的衬底的背侧处形成多个滤色器和/或微透镜。首先可以从衬底的背侧减薄衬底，以降低衬底的厚度。可以减薄衬底以允许辐射穿过衬底的背侧到达光电二极管。在一些实施例中，可以减薄衬底以暴露FDTI前体，并且然后可以部分地或完全地去除FDTI前体并且用填充到FDTI沟槽中的不同隔离材料替换FDTI前体来形成FDTI结构。然后执行平坦化工艺以去除多余的隔离材料。例如参见图11至图12。

因此，本公开涉及新的形成方法和图像传感器的对应器件结构。图像传感器形成为具有由FDTI结构围绕并且被FDTI结构彼此隔离的像素区域和设置在覆盖层内的一组像素的交叉点处并且位于FDTI结构上面的FD节点。

相应地，在一些实施例中，本公开涉及一种形成图像传感器的方法。该方法包括在第一像素区域和与第一像素区域相邻的第二像素区域之间从衬底的前侧形成前侧深沟槽隔离(FDTI)沟槽，以及填充FDTI沟槽以形成具有第一深度的FDTI结构。该方法还包括在FDTI结构上方以及在衬底的第一像素区域和第二像素区域上面形成覆盖层。该方法还包括在第一像素区域中形成第一光电二极管，并且在第二像素区域中形成第二光电二极管。第一光电二极管和第二光电二极管具有第一掺杂类型。该方法还包括在第一像素区域和第二像素区域之间的覆盖层内形成第一掺杂类型的浮动扩散(FD)节点。FD节点置于FDTI结构上方。在一些实施例中，FD节点形成为通过覆盖层与FDTI结构间隔开。在一些实施例中，FDTI沟槽由FDTI结构部分地填充，并且其中，覆盖层形成在FDTI沟槽的剩余上部内并且接触FDTI结构。在一些实施例中，覆盖层形成为在覆盖层与FDTI结构之间形成有空隙。在一些实施例中，FDTI沟槽由FDTI结构部分地填充；以及其中，停止层形成在覆盖层和FDTI结构之间，并且停止层形成在FDTI沟槽的剩余上部内并且接触FDTI结构。在一些实施例中，覆盖层和停止层均接触FDTI结构。在一些实施例中，该形成图像传感器的方法还包括：在形成覆盖层之后，在第一光电二极管上方形成第一栅极结构并且在第二光电二极管上方形成第二栅极结构；以及在第一栅极结构和第二栅极结构以及覆盖层上方形成层间介电(ILD)层。在一些实施例中，该形成图像传感器的方法还包括：形成穿过层间介电层并且分别到达第一栅极结构和第二栅极结构上的第一栅极接触件和第二栅极接触件；以及形成穿过层间介电层并且到达FD节点上的FD接触件，其中，FD节点被配置为由第一像素区域和第二像素区域共享。在一些实施例中，该形成图像传感器的方法还包括：翻转衬底并且从衬底的背侧执行减薄工艺以暴露FDTI结构；以及去除FDTI结构并且用包括高k介电衬垫的替换FDTI结构来替换FDTI结构；以及其中，替换FDTI结构接触覆盖层。在一些实施例中，覆盖层包括多晶硅。

在其他实施例中，本公开涉及一种形成图像传感器的方法。该方法包括从衬底的前侧形成前侧深沟槽隔离(FDTI)结构，从俯视图中看，前侧深沟槽隔离结构将布置成行和列的多个像素区域分隔开，以及在FDTI结构上方并且在多个像素区域上面形成覆盖层。该方法还包括从覆盖层形成第一掺杂类型的多个光电二极管，并且多个光电二极管在衬底中延伸，以及在覆盖层层内形成由多个像素区域内的一组像素区域共享的第一掺杂类型的浮动扩散(FD)节点。FD节点布置在FDTI结构上面的该一组像素区域的交叉点处。在一些实施例中，通过热熔或外延将覆盖层形成为在覆盖层和FDTI结构之间形成有圆锥形空隙。在一些实施例中，该形成图像传感器的方法还包括在覆盖层和FDTI结构之间形成具有圆锥形状的停止层，并且停止层形成在FDTI沟槽的剩余上部内并且接触FDTI结构。在一些实施例中，该形成图像传感器的方法还包括：在多个光电二极管上方形成多个栅极结构；在多个栅极结构和覆盖层上方形成层间介电(ILD)层；以及形成穿过层间介电层并且到达FD节点上的单个FD接触件。在一些实施例中，形成FDTI结构包括：从衬底的前侧形成FDTI沟槽；填充FDTI沟槽，接着进行凹进工艺以形成具有第一深度的FDTI结构；以及其中，随后从衬底的背侧用替换FDTI结构来替换FDTI结构，替换FDTI结构包括金属层和介电层的堆叠件，介电层包括高k介电衬垫。在一些实施例中，该形成图像传感器的方法还包括在衬底的背侧处形成对应于多个光电二极管的多个滤色器，多个滤色器在FDTI结构上面的界面处交接。

在又一些实施例中，本公开涉及一种图像传感器，图像传感器包括具有第一像素区域和与第一像素区域相邻的第二像素区域的衬底。覆盖层设置在衬底的前侧上方。第一光电二极管和第二光电二极管从覆盖层延伸到衬底中。第一光电二极管设置在第一像素区域中，并且第二光电二极管设置在第二像素区域中。第一光电二极管和第二光电二极管具有第一掺杂类型。前侧深沟槽隔离(FDTI)结构设置在第一像素区域和第二像素区域之间。第一掺杂类型的浮动扩散(FD)节点设置在覆盖层内并且通过覆盖层与FDTI结构间隔开。

在一些实施例中，其中，FDTI结构从衬底的背侧延伸到衬底内的位置，FDTI结构具有从衬底的背侧到衬底内的位置单调递增的宽度；以及其中，FDTI结构具有靠近衬底的前侧的圆锥形底部。在一些实施例中，其中，FDTI结构从衬底的背侧延伸到衬底内的位置，FDTI结构具有从衬底的背侧到衬底内的位置单调递增的宽度；以及其中，FDTI结构具有靠近衬底的前侧的平坦形底部。在一些实施例中，该图像传感器还包括设置在FDTI结构的平坦形底部上的帽形停止层，并且帽形停止层具有由覆盖层覆盖的顶部。

前面概述了落干实施例的特征，使得本领域技术人员可以更好地理解本公开的方面。本领域技术人员应该理解，他们可以容易地使用本公开作为基础来设计或修改用于实施与在此所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优势的其他工艺和结构。本领域技术人员也应该意识到，这种等同构造并不背离本公开的精神和范围，并且在不背离本公开的精神和范围的情况下，在此他们可以做出多种变化、替换以及改变。

Claims (10)

1.一种形成图像传感器的方法，所述方法包括：

在第一像素区域和与所述第一像素区域相邻的第二像素区域之间从衬底的前侧形成前侧深沟槽隔离沟槽；

填充所述前侧深沟槽隔离沟槽以形成具有第一深度的前侧深沟槽隔离结构；

在所述前侧深沟槽隔离结构上方以及在所述衬底的所述第一像素区域和所述第二像素区域上面形成覆盖层；

在所述第一像素区域中形成第一光电二极管，并且在所述第二像素区域中形成第二光电二极管，其中，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管具有第一掺杂类型；以及

在所述第一像素区域和所述第二像素区域之间的所述覆盖层内形成所述第一掺杂类型的浮动扩散节点，其中，所述浮动扩散节点置于所述前侧深沟槽隔离结构上方。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述浮动扩散节点形成为通过所述覆盖层与所述前侧深沟槽隔离结构间隔开。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述前侧深沟槽隔离沟槽由所述前侧深沟槽隔离结构部分地填充，并且其中，所述覆盖层形成在所述前侧深沟槽隔离沟槽的剩余上部内并且接触所述前侧深沟槽隔离结构。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述覆盖层形成为在所述覆盖层与所述前侧深沟槽隔离结构之间形成有空隙。

5.根据权利要求1所述的方法，

其中，所述前侧深沟槽隔离沟槽由所述前侧深沟槽隔离结构部分地填充；以及

其中，停止层形成在所述覆盖层和所述前侧深沟槽隔离结构之间，并且所述停止层形成在所述前侧深沟槽隔离沟槽的剩余上部内并且接触所述前侧深沟槽隔离结构。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述覆盖层和所述停止层均接触所述前侧深沟槽隔离结构。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在形成所述覆盖层之后，在所述第一光电二极管上方形成第一栅极结构并且在所述第二光电二极管上方形成第二栅极结构；以及

在所述第一栅极结构和所述第二栅极结构以及所述覆盖层上方形成层间介电层。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：

形成穿过所述层间介电层并且分别到达所述第一栅极结构和所述第二栅极结构上的第一栅极接触件和第二栅极接触件；以及

形成穿过所述层间介电层并且到达所述浮动扩散节点上的浮动扩散接触件，其中，所述浮动扩散节点被配置为由所述第一像素区域和所述第二像素区域共享。

9.一种形成图像传感器的方法，所述方法包括：

从衬底的前侧形成前侧深沟槽隔离结构，从俯视图中看，所述前侧深沟槽隔离结构将布置成行和列的多个像素区域分隔开；

在所述前侧深沟槽隔离结构上方并且在所述多个像素区域上面形成覆盖层；

从所述覆盖层形成第一掺杂类型的多个光电二极管，并且所述多个光电二极管在所述衬底中延伸；以及

在所述覆盖层内形成由所述多个像素区域内的一组像素区域共享的所述第一掺杂类型的浮动扩散节点，其中，所述浮动扩散节点布置在所述前侧深沟槽隔离结构上面的所述一组像素区域的交叉点处。

10.一种图像传感器，包括：

衬底，具有第一像素区域和与所述第一像素区域相邻的第二像素区域；

覆盖层，设置在所述衬底的前侧上方；

第一光电二极管和第二光电二极管，从所述覆盖层延伸到所述衬底中，所述第一光电二极管设置在所述第一像素区域中，并且所述第二光电二极管设置在所述第二像素区域中，其中，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管具有第一掺杂类型；

前侧深沟槽隔离结构，设置在所述第一像素区域和所述第二像素区域之间；以及

所述第一掺杂类型的浮动扩散节点，设置在所述覆盖层内并且通过所述覆盖层与所述前侧深沟槽隔离结构间隔开。