背照式图像传感器及其形成方法与流程

本发明涉及图像传感器领域，具体来说，涉及一种背照式图像传感器及其形成方法。

背景技术

光电二极管是图像传感器上将光信号转化成电信号的器件，相邻光电二极管之间会产生串扰问题。随着集成电路高密度的发展趋势，图像传感器的尺寸也在相应的减小。光电二极管的尺寸在减小的过程中，串扰成为了不可忽视的问题。

在背照式图像传感器的制造工艺中，需要在半导体衬底内形成深沟槽隔离结构(dti，deeptrenchisolation)以实现光电二极管之间的隔离。现有的深沟槽通常是在半导体衬底背侧或者正面形成，然而，在深沟槽刻蚀的过程中，由于干法刻蚀的等离子体会造成沟槽的界面缺陷，缺陷产生的电子会进入光电二极管中，在光电二极管中产生暗电流，影响器件的性能。

在现有技术中，为了减少暗电流，在背侧或者正面形成深沟槽前，都需要在正面对形成深沟槽区域进行离子注入，由于注入的离子需要包裹沟槽表面，离子注入的面积大于形成沟槽的面积，同时离子注入的深度较深。这不仅需要增加一层光罩，同时使得工艺复杂，成本增加。

技术实现要素：

本发明技术方案要解决的技术问题是减小背照式图像传感器的串扰和暗电流，并且降低工艺复杂度。

为解决上述技术问题，本发明技术方案提供一种背照式图像传感器的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底具有正面和背面；刻蚀所述半导体衬底的正面，在所述半导体衬底内形成深沟槽；向所述深沟槽内填充硼硅玻璃；刻蚀所述半导体衬底的正面和所述硼硅玻璃，在所述半导体衬底内形成浅沟槽；向所述浅沟槽内填充绝缘材料；在所述半导体衬底的正面形成器件结构，在所述深沟槽的表面形成硼扩散层；减薄所述半导体衬底的背面至露出所述硼硅玻璃；去除所述深沟槽内的硼硅玻璃；在所述半导体衬底的背面形成介质层，所述介质层填充所述深沟槽；在所述半导体衬底背面的介质层上形成滤色层和微透镜。

可选的，采用化学气相沉积工艺在所述深沟槽内填充硼硅玻璃。

可选的，采用化学气相沉积在所述浅沟槽内填充绝缘材料，所述绝缘材料为二氧化硅。

可选的，所述硼扩散层在形成器件结构的过程中形成。

可选的，采用退火工艺形成所述硼扩散层。

可选的，采用化学机械抛光工艺和湿法工艺减薄所述半导体衬底的背面。

可选的，采用湿法工艺去除所述深沟槽内的硼硅玻璃。

可选的，采用化学气相沉积工艺或原子层沉积工艺在所述半导体衬底的背面形成介质层。

可选的，所述的背照式图像传感器的形成方法还包括：在形成所述介质层前，在所述半导体衬底的背面和所述深沟槽表面依次形成氧化物层和高介电常数材料层。

可选的，采用原子层沉积工艺在所述深沟槽表面形成氧化物层和高介电常数材料层。

可选的，所述背照式图像传感器的形成方法还包括：在形成所述滤色层和微透镜前，在所述半导体衬底背面的介质层上形成平坦化层。

为解决上述问题，本发明技术方案还提供一种背照式图像传感器，包括：半导体衬底，具有正面和背面；浅沟槽，形成在所述半导体衬底的正面，所述浅沟槽内填充绝缘材料；深沟槽，形成在所述半导体衬底内，所述深沟槽自所述浅沟槽延伸至所述半导体衬底的背面；硼扩散层，形成在所述深沟槽的侧壁；器件结构，形成在所述半导体衬底的正面；介质层，形成在所述半导体衬底的背面且填充所述深沟槽；滤色层和微透镜，形成在所述半导体衬底背面的介质层上。

可选的，所述背照式图像传感器还包括：氧化物层和高介电常数材料层，依次形成在所述半导体衬底的背面和所述深沟槽表面；所述介质层形成在所述高介电常数材料层上。

可选的，所述高介电常数材料为氧化铪或三氧化二铝。

可选的，所述背照式图像传感器还包括：平坦化层，形成在所述半导体衬底背面的介质层上；所述滤色层和微透镜形成在所述平坦化层上。

与现有技术相比，本发明技术方案具有以下有益效果：

现有技术在半导体衬底背面形成深沟槽，无法在背面对深沟槽表面进行离子注入，因为进行掺杂的退火工艺温度较高会影响已经形成在半导体衬底正面的器件性能。现有背侧深沟槽技术需要在半导体衬底正面先形成浅沟槽，再添加一层光罩，在衬底正面对浅沟槽和浅沟槽下的衬底进行深掺杂。然后对衬底背面减薄，在衬底掺杂区域从减薄后的背面向衬底正面方向形成深沟槽，此容易造成背面刻蚀形成的深沟槽和正面刻蚀形成的浅沟槽以及掺杂区域的位置失配。本发明技术方案深沟槽和浅沟槽均在半导体衬底正面形成，掺杂在深沟槽表面完成，能够减小或避免位置失配的问题。

现有技术在半导体衬底正面或者背侧形成深沟槽，都需要在深沟槽界面进行离子注入工艺形成p型掺杂层以减小暗电流，这会导致需要添加一层光罩，增加了成本；并且，由于掺杂层需要完全包裹沟槽表面，掺杂深度较深，增加了工艺难度，同时由于沟槽侧壁具有一定的倾斜度，为了掺杂层能够完全包裹沟槽表面，掺杂面积要大于形成沟槽的面积，占用了光电二极管转化光的面积。本发明技术方案利用硼硅玻璃的硼离子扩散在深沟槽界面形成p型掺杂层(硼扩散层)，也就是对深沟槽表面掺杂不需要加额外的光罩，且硼硅玻璃容易去除，因此工艺简单且节约成本；并且，由于硼硅玻璃的硼离子扩散可以使p型掺杂区在深沟槽表面形成均匀的掺杂层，与离子注入相比节约了占用光电二极管转化光的面积。

在现有背侧深沟槽技术中，为了进一步减小暗电流可以在沟槽中形成高介电常数材料层。但是，如果在正面深沟槽工艺中，由于高介电常数材料的污染问题，不可以沉积高介电常数材料层，因此也无法进一步减少暗电流；或者即使沉积高介电常数材料层，也需要采用其他复杂的工艺来减小或避免污染问题。本发明技术方案在半导体衬底正面形成深沟槽，并向所述深沟槽填充硼硅玻璃，在其他受影响的器件结构形成后，从减薄后的衬底背面去除深沟槽中的硼硅玻璃，然后在深沟槽中填充高介电常数材料层，从而能够进一步减小暗电流。

进一步，对于减薄后的半导体衬底，深沟槽隔离自半导体衬底正面的浅沟槽隔离延伸至半导体衬底背面，形成硅通孔(tsv，throughsiliconvia)结构，消除了相邻光电二极管的串扰问题。

附图说明

图1至图10为本发明实施例的背照式图像传感器的形成方法各步骤对应的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例通过在深沟槽表面形成p型掺杂薄层(硼扩散层)减小深沟槽隔离结构的表面缺陷引起的暗电流。下面结合附图对各步骤进行详细说明。

请参考图1，提供半导体衬底110，所述半导体衬底110具有正面110a和背面110b。

所述半导体衬底110的材料为硅、锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟，所述半导体衬底110还可以为绝缘体上的硅衬底或者绝缘体上的锗衬底。本实施例中，所述半导体衬底110为p型硅衬底。

请参考图2，刻蚀所述半导体衬底110的正面110a，在所述半导体衬底110内形成深沟槽200。

具体地，形成深沟槽200的步骤包括：在半导体衬底110的正面110a形成第一图形层，所述第一图形层定义有深沟槽图形；以所述第一图形层为掩膜，沿所述深沟槽图形刻蚀半导体衬底110的正面110a，在半导体衬底110内形成深沟槽200；去除所述第一图形层。

请参考图3，向图2所示的深沟槽200内填充硼硅玻璃(bsg)210。具体可以包括：向深沟槽200内填充硼硅玻璃210，所述硼硅玻璃210填满深沟槽200且覆盖半导体衬底110的正面110a；平坦化硼硅玻璃210，至露出半导体衬底110的正面110a，也就是，去除半导体衬底110的正面110a的硼硅玻璃，保留深沟槽200内的硼硅玻璃210。

填充所述硼硅玻璃210的工艺可以采用化学气相沉积工艺(cvd)等现有的沉积材料层的工艺。平坦化工艺可以采用化学机械抛光(cmp)工艺。

请参考图4，刻蚀半导体衬底110的正面110a和硼硅玻璃210，在半导体衬底110内形成浅沟槽300。

具体地，形成浅沟槽300的步骤包括：在半导体衬底110的正面110a形成第二图形层，所述第二图形层定义有浅沟槽图形；以所述第二图形层为掩膜，沿所述浅沟槽图形刻蚀半导体衬底110的正面110a和硼硅玻璃210，去除部分半导体衬底和硼硅玻璃，在半导体衬底110内形成浅沟槽300；去除所述第二图形层。

浅沟槽300对应形成于深沟槽上，且浅沟槽300的宽度大于深沟槽的宽度。由于深沟槽和浅沟槽均在半导体衬底正面110a形成，因此能够很好地配准位置。本实施例中，刻蚀半导体衬底和硼硅玻璃的工艺为等离子体干法刻蚀工艺。

请参考图5，向图4所示的浅沟槽300内填充绝缘材料，形成浅沟槽隔离结构(sti，shallowtrenchisolation)310。具体可以包括：向浅沟槽300内填充绝缘材料，平坦化所述绝缘材料，由此形成浅沟槽隔离结构310，以此限定有源区。

所述绝缘材料为氧化物，例如二氧化硅等。填充所述绝缘材料的工艺可以采用化学气相沉积(cvd)工艺等。平坦化工艺可以采用化学机械抛光(cmp)工艺。

请参考图6，在所述半导体衬底110的正面110a形成器件结构，在所述深沟槽的表面形成硼扩散层220。

利用热处理工艺可以形成硼扩散层220。本实施例中，形成的器件结构是图像传感器所需的其他器件结构，硼扩散层220在形成图像传感器所需的其他器件结构的过程中形成。由于bsg退火温度较低，在一些器件结构形成过程中的热处理工艺就能够使半导体衬底110正面110a深沟槽中的硼(b)离子扩散至所述深沟槽附近的硅衬底中，在所述深沟槽的表面(侧壁和底部)形成硼扩散层220(p型掺杂)，p型扩散层的形成减少了深沟槽表面缺陷产生的暗电流。

在其他实施例中，也可以增加额外的热处理工艺如退火工艺形成硼扩散层220，具体地，可以先进行退火工艺以在所述深沟槽的表面形成硼扩散层220，然后再形成图像传感器所需的其他器件结构；也可以先形成部分或全部器件结构，然后再进行退火工艺以形成硼扩散层220，由于bsg退火温度较低，因此也不会影响已经形成的器件结构。

本实施例中，所述图像传感器所需的其他器件结构包括：通过离子注入形成在半导体衬底110内、所述深沟槽之间的n型离子重掺杂(n++)区410和n型离子掺杂(n+)区420、浮置扩散区(fd，floatingdiffusion)500、p型离子重掺杂(p++)区600，形成在半导体衬底正面110a的绝缘层700，形成在绝缘层700上的多晶硅栅极800。所述图像传感器所需其他器件结构还包括未显示在图中的为了实现图像传感器工作所需的其他结构。

请参考图7，减薄半导体衬底110的背面110b至露出所述硼硅玻璃210。在减薄半导体衬底背面110b前，需要先把半导体衬底正面110a键合(bonding)在载片100上，减薄半导体衬底背面110b的工艺可以采用化学机械抛光(cmp)工艺和湿法(wet)工艺。所述深沟槽底部的硼扩散层被去除，减薄后的半导体衬底的背面110c与所述深沟槽底部的硼硅玻璃表面齐平，所述深沟槽自减薄后的半导体衬底背面110c延伸至所述浅沟槽底部。

请参考图8，去除深沟槽200内的硼硅玻璃。本实施例中，采用湿法(wet)工艺去除深沟槽200内的硼硅玻璃，露出半导体衬底110内的浅沟槽隔离结构310。

请参考图9，在半导体衬底110的背面110c形成氧化物层(如二氧化硅层)910和介质层(dielectriclayer)930，介质层930填充所述深沟槽。

可以直接在减薄后的半导体衬底110的背面110c和深沟槽中形成氧化物层和介质层，本实施例中，为了进一步减小暗电流，在形成所述介质层前，还可以先在所述半导体衬底的背面和所述深沟槽表面依次形成氧化物层和高介电常数材料层，具体可以包括：采用原子层沉积工艺(ald，atomiclayerdeposition)在半导体衬底110的背面110c和所述深沟槽表面形成氧化物层910；采用原子层沉积工艺在氧化物层910表面形成高介电常数材料层920。

氧化物层910和高介电常数材料层920为均匀的薄层，其厚度根据实际工艺节点确定。所述高介电常数材料可以为氧化铪或三氧化二铝等，所述高介电常数材料层可以进一步减小暗电流。

在形成氧化物层910和高介电常数材料层920后，继续在高介电常数材料层920上形成介质层930，可以采用化学气相沉积工艺或者原子层沉积工艺形成介质层930，介质层930填满所述深沟槽，且覆盖半导体衬底背面110c上的高介电常数材料层920。

请参考图10，在半导体衬底背面110c的介质层930上形成滤色层950和微透镜960。本实施例中，在形成滤色层950和微透镜960前，先在介质层930表面形成平坦化层940，以使得后续可以形成厚度均匀的滤色层950。

基于上述的背照式图像传感器的形成方法，本发明实施例的背照式图像传感器如图10所示，包括：半导体衬底110，具有正面110a和背面110c；浅沟槽，形成在所述半导体衬底110的正面110a，所述浅沟槽内填充绝缘材料，形成浅沟槽隔离结构310；深沟槽，形成在所述半导体衬底110内，所述深沟槽自所述浅沟槽延伸至所述半导体衬底110的背面110c；硼扩散层220，形成在所述深沟槽的侧壁；图像传感器所需其他器件结构，形成在所述半导体衬底110的正面110a；介质层930，形成在所述半导体衬底110的背面110c且填充所述深沟槽；滤色层950和微透镜960，形成在所述半导体衬底背面110c的介质层930上。

本实施例中，所述器件结构包括：通过离子注入形成在半导体衬底110内、所述深沟槽之间的n型离子重掺杂(n++)区410和n型离子掺杂(n+)区420、浮置扩散区(fd，floatingdiffusion)500、p型离子重掺杂(p++)区600，形成在半导体衬底正面110a的绝缘层700，形成在绝缘层700上的多晶硅栅极800。

本实施例的背照式图像传感器还包括：氧化物层910和高介电常数材料层920，依次形成在所述半导体衬底110的背面110c和所述深沟槽表面，所述高介电常数材料为氧化铪或三氧化二铝；平坦化层940，形成在所述半导体衬底背面110c的介质层930上；所述滤色层940和微透镜950形成在所述平坦化层940上。

本发明虽然已以较佳实施方式公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。