图像传感器和形成图像传感器的方法与流程

1.本技术的实施例涉及图像传感器和形成图像传感器的方法。


背景技术：

2.许多现代电子器件包括使用图像传感器的光学成像器件(例如，数码相机)。图像传感器可以包括像素传感器阵列和支持逻辑。像素传感器测量入射辐射(例如，光)并且转换为数字数据，并且支持逻辑促进测量值的读取。一种类型的图像传感器类型是背照式(bsi)图像传感器器件。bsi图像传感器器件用于感测投射至衬底的背侧(其与衬底的正面相对，其中包括多个金属层和介电层的互连结构构建在衬底的正面上)的光量。与前照式(fsi)图像传感器器件相比，bsi图像传感器器件提供减少的相消干涉。


技术实现要素：

3.本技术的一些实施例提供了一种图像传感器，包括：图像感测管芯，具有正面和与所述正面相对的背面；第一图像感测元件和第二图像感测元件，彼此相邻布置在所述图像感测管芯内，所述第一图像感测元件和所述第二图像感测元件具有第一掺杂类型；像素介电堆叠件，沿所述图像感测管芯的位于所述第一图像感测元件和所述第二图像感测元件上面的所述背面设置，其中，所述像素介电堆叠件包括第一高k介电层以及设置在所述第一高k介电层上方的第二高k介电层；以及背侧深沟槽隔离(bdti)结构，设置在所述第一图像感测元件和所述第二图像感测元件之间并且从所述图像传感器管芯的所述背面延伸至所述图像传感器管芯内的位置，其中，所述背侧深沟槽隔离结构包括由隔离介电堆叠件围绕的沟槽填充层；以及其中，所述像素介电堆叠件具有与所述隔离介电堆叠件的第二组分不同的第一组分。
4.本技术的另一些实施例提供了一种图像传感器，包括：图像感测管芯，具有正面和与所述正面相对的背面；图像感测元件，设置在所述图像感测管芯内，所述图像感测元件具有第一掺杂类型；背侧深沟槽隔离(bdti)结构，围绕所述图像感测元件并且从所述图像传感器管芯的所述背面延伸至所述图像传感器管芯内的位置，其中，所述背侧深沟槽隔离结构包括由第一高k介电层围绕的沟槽填充层，其中，所述第一高k介电层沿所述沟槽填充层的底部和侧壁表面设置并且向上延伸以覆盖所述图像感测元件的横向表面；以及第二高k介电层，设置在所述第一高k介电层上并且横向延伸覆盖所述沟槽填充层的顶面。
5.本技术的又一些实施例提供了一种形成图像传感器的方法，包括：从图像感测管芯的正面在衬底内形成具有第一掺杂类型的光电二极管掺杂层；从所述图像感测管芯的背面形成深沟槽，将所述光电二极管掺杂层分隔成第一图像感测元件和第二图像感测元件；沿所述深沟槽的底部和侧壁表面形成沿所述第一图像感测元件和所述第二图像感测元件的横向表面向上延伸的第一高k介电层和隔离介电衬垫；在所述深沟槽的内部间隔中形成沟槽填充层；以及在所述第一高k介电层和所述沟槽填充层的顶面上形成第二高k介电层。
附图说明
6.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各个方面。应该指出，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。
7.图1示出了包括位于像素介电堆叠件下面并且由背侧深沟槽隔离(bdti)结构围绕的图像感测元件的图像传感器的一些实施例的截面图。
8.图2示出了包括位于像素介电堆叠件下面并且由背侧深沟槽隔离(bdti)结构围绕的图像感测元件的图像传感器的一些可选实施例的截面图。
9.图3示出了包括位于像素介电堆叠件下面并且由背侧深沟槽隔离(bdti)结构围绕的图像感测元件的图像传感器的一些可选实施例的截面图。
10.图4示出了包括位于像素介电堆叠件下面并且由背侧深沟槽隔离(bdti)结构围绕的图像感测元件的图像传感器的一些可选实施例的截面图。
11.图5示出了包括接合在一起的图像感测管芯和逻辑管芯的集成芯片的一些实施例的截面图，其中图像感测管芯包括位于像素介电堆叠件下面并且由背侧深沟槽隔离(bdti)结构围绕的图像感测元件。
12.图6至图20示出了显示形成具有位于像素介电堆叠件下面并且由bdti结构围绕的图像感测元件的图像传感器的方法的截面图的一些实施例。
13.图21至图25示出了显示形成具有位于像素介电堆叠件下面并且由bdti结构围绕的图像感测元件的图像传感器的方法的截面图的一些可选实施例。
14.图26示出了形成具有位于像素介电堆叠件下面并且由bdti结构围绕的图像感测元件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
15.以下公开内容提供了许多用于实现所提供主题的不同特征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，而不旨在限制本发明。例如，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，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，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。
16.此外，为了便于描述，本文可以使用诸如“在
…
之下”、“在
…
下方”、“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)元件或部件的关系。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。装置可以以其它方式定向(旋转90度或在其它方位上)，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。
17.集成电路(ic)技术正在不断提高。这种提高通常涉及按比例缩小器件几何尺寸以实现更低的制造成本、更高的器件集成密度、更高的速度和更好的性能。互补金属氧化物半导体(cmos)图像传感器(cis)器件包括布置在衬底上或内的多个像素。像素具有图像感测元件以接收入射光并且将入射光转换为电信号。由于器件缩放，cis器件的多个像素变得更
小并且彼此更接近。为了提高cis的量子效率并且提高图像传感器的相邻像素之间的电隔离和光隔离，多个像素通过隔离结构彼此分隔开。
18.隔离结构可以包括图像传感器的相邻像素之间的背侧深沟槽隔离(bdti)结构。一种图像传感器制造工艺包括在相邻像素之间形成深隔离沟槽的栅格以及随后形成不同材料的层以填充深沟槽并且在像素之上延伸。但是，在按比例缩小的cis器件中形成高高宽比bdti结构具有挑战性。例如，随着深隔离沟槽的横向尺寸减小，难以实施深注入或完全填充深隔离沟槽。深隔离沟槽的不完全填充会导致bdti结构中存在空隙，这可能不利地影响cis器件的光性能和电性能。
19.鉴于上述情况，本发明涉及包括背侧结构的图像传感器以及相关的形成方法。在一些实施例中，背侧结构包括图像传感器的相邻像素和位于图像传感器的相应像素上面的像素介电堆叠件之间的背侧深沟槽隔离(bdti)结构。像素介电堆叠件包括增强像素内的光吸收的一些介电材料，而bdti结构包括减少像素之间的光晕和串扰的一些其它介电材料。通过在像素和位于相应像素上面的像素介电堆叠件之间具有用于bdti结构的不同介电组分，可以更好地填充bdti结构，并且可以更灵活地形成像素介电堆叠件。因此，提高了cis器件的光性能和电性能。
20.在一些实施例中，图像传感器包括具有正面和与正面相对的背面的图像感测管芯。具有第一掺杂类型的第一图像感测元件和第二图像感测元件在图像感测管芯内彼此相邻布置。像素介电堆叠件沿位于第一图像感测元件和第二图像感测元件上面的图像感测管芯的背面设置。像素介电堆叠件包括第一高k介电层以及设置在第一高k介电层上方的第二高k介电层。bdti结构设置在第一图像感测元件和第二图像感测元件之间，并且从图像传感器管芯的背面延伸至图像传感器管芯内的位置。bdti结构包括由隔离介电堆叠件围绕的沟槽填充层。如上面所讨论，像素介电堆叠件具有与隔离介电堆叠件的第二组分不同的第一组分。
21.在一些进一步实施例中，第一高k介电层沿沟槽填充层向下延伸为隔离介电堆叠件的一部分。第二高k介电层可以设置在第一高k介电层上并且横向延伸覆盖沟槽填充层的顶面。在一些可选实施例中，第一高k介电层和第二高k介电层终止于隔离介电堆叠件的侧壁并且直接接触隔离介电堆叠件的侧壁。隔离介电堆叠件可以包括二氧化硅或高k介电材料的隔离介电衬垫。隔离介电堆叠件还可以包括设置在隔离介电衬垫和沟槽填充层之间的隔离导电衬垫。沟槽填充层可以是或由金属组成。
22.图1示出了图像传感器100的截面图。图像传感器100包括具有可以布置成包括行和/或列的阵列的多个像素区域的图像感测管芯134，诸如图1中所示的像素区域103a、103b。像素区域103a、103b分别包括配置为将入射辐射(例如，光子)转换为电信号的第一图像感测元件104a和第二图像感测元件104b。在一些实施例中，图像感测元件104a、104b是光电二极管掺杂列或光电二极管掺杂层130的部分或具有第一掺杂类型的掺杂阱(例如，通过诸如磷、砷、锑等的掺杂剂的n型掺杂)。图像感测元件104a、104b可以设置在邻接的第二区域(图1中未显示)上或内，诸如具有与第一掺杂类型不同的第二掺杂类型(例如，通过诸如硼、铝、铟等的掺杂剂的p型掺杂)的掺杂衬底或阱。
23.图像感测管芯134具有正面122和背面124。bdti结构111设置在第一图像感测元件104a与第二图像感测元件104b之间并且从图像感测管芯134的背面124延伸至图像感测管
芯134内的位置。根据一些实施例，bdti结构111包括由隔离介电堆叠件128围绕的沟槽填充层112。隔离介电堆叠件128可以包括内衬沟槽填充层112的底部和侧壁表面的隔离介电衬垫118。隔离介电堆叠件128还可以包括减少像素区域103a、103b之间的光晕和串扰的一些其它共形介电层。
24.像素介电堆叠件126沿图像感测管芯134的位于第一图像感测元件104a和第二图像感测元件104b上面的背面124设置。像素介电堆叠件126具有与隔离介电堆叠件128的第二组分不同的第一组分。像素介电堆叠件126包括增强像素区域103a、103b内的光吸收的介电材料并且可以具有更大的厚度。通过具有用于bdti结构111和像素介电堆叠件126的不同的介电组分，可以更好地填充bdti结构111，并且可以更灵活地布置像素介电堆叠件126。在一些实施例中，在像素介电堆叠件126上形成平坦层120以提供平坦的上表面。在一些实施例中，平坦层120或设置在平坦层120之上的额外介电层可以用作底部抗反射层(barl)以减少入射光子的反射。在一些实施例中，平坦层120可以是例如氮氧化硅或一些其它合适的抗反射材料或由例如氮氧化硅或一些其它合适的抗反射材料组成。因此，提高了图像传感器100的光和电性能。
25.在一些实施例中，像素介电堆叠件126包括第一高k介电层114以及设置在第一高k介电层114上方的第二高k介电层116。第二高k介电层116可以直接设置在第一高k介电层114上。在一些实施例中，第一高k介电层114沿沟槽填充层112的底部和侧壁表面向下延伸为隔离介电堆叠件128的一部分。第一高k介电层114可以是共形层。第二高k介电层116可以覆盖沟槽填充层112或bdti结构111的整个顶面。bdti结构111可以不存在第二高k介电层116。
26.在一些实施例中，第一高k介电层114是或由氧化铝(al2o3)、氧化铪(hfo2)、氧化铪硅(hfsio)或氧化铪铝(hfalo)组成。第二高k介电层116是或由氧化钽(ta2o5)组成。其它适用的高k介电材料也在本发明的范围内。氧化钽(ta2o5)或当形成时更容易悬垂的其它类似的高k介电材料对于bdti结构111是不期望的。在隔离沟槽中填充这些种类的材料可能在bdti结构111中产生空隙，这将不利地影响图像传感器100的光和电性能。隔离介电衬垫118是或由二氧化硅组成。可选地，隔离介电衬垫118是或由高k介电材料组成。沟槽填充层112是或由金属组成，诸如铝、钌等。可选地，沟槽填充层112是或由介电材料组成，诸如二氧化硅、氮化硅和/或其它适用的介电材料。在一些实施例中，第一高k介电层114可以具有在约至约(作为实例)的范围内的厚度。隔离介电衬垫118可以具有在约至约(对于相同实例)的范围内的厚度。第二高k介电层116可以具有在约至约(对于相同实例)的范围内的厚度。在一些实施例中，bdti结构111可以具有在大约1.5μm和大约5μm之间的范围内的深度。bdti结构111的横向尺寸可以具有在大约0.1μm和大约0.3μm之间的范围。bdti结构111的横向尺寸应该足以实施bdti结构内部的介电层和导电层的形成(例如，如与图1至图5相关的描述)。
27.第一高k介电层114和第二高k介电层116促进像素区域103a、103b内的光吸收。第二高k介电层116可以比第一高k介电层114厚。在一些实施例中，第二高k介电层116是第一高k介电层114的约两倍或比第一高k介电层114厚。更薄且更共形的第一高k介电层114有助于更好地填充深沟槽并且形成具有更好一致性的bdti结构111。第一高k介电层114也可以
用作钝化由沟槽蚀刻造成的表面损坏的钝化层。隔离介电衬垫118可以吸收或反射入射光以帮助减少像素区域103a、103b之间的光晕和串扰。更厚的第二高k介电层116有助于增强像素区域103a、103b内的光吸收。
28.在一些实施例中，多个滤色器154布置在图像感测管芯134的背面124上方。多个滤色器154分别配置为透射具体波长的入射辐射。例如，第一滤色器(例如，红色滤色器)可以透射具有在第一范围内的波长的光，而第二滤色器可以透射具有在与第一范围不同的第二范围内的波长的光。在一些实施例中，多个滤色器154可以布置在位于像素区域103a、103b的图像感测元件104a、104b的栅格结构内。
29.图2示出了根据一些其它实施例的包括由bdti结构111围绕的图像感测元件104a、104b的图像传感器200的截面图。当适用时，图1和其它图中所示的图像传感器100的部件可以并入图像传感器200中。此外，在可替代图1的一些实施例中，像素介电堆叠件126包括终止于隔离介电堆叠件128的侧壁并且直接接触隔离介电堆叠件128的侧壁的第一高k介电层114和第二高k介电层116。在一些实施例中，隔离介电堆叠件128可以包括隔离介电衬垫118。在一些实施例中，隔离介电衬垫118是或由二氧化硅组成。可选地，隔离介电衬垫118是或由氧化铝(al2o3)、氧化铪(hfo2)、氧化铪硅(hfsio)或氧化铪铝(hfalo)组成。氧化钽(ta2o5)或当形成时更容易悬垂的其它类似的高k介电材料可以用于形成第二高k介电层116，但是对于bdti结构111内的隔离介电衬垫118是不期望的。在隔离沟槽中填充这些种类的材料可能在bdti结构111中产生空隙，这将不利地影响图像传感器200的光和电性能。
30.图3示出了根据一些其它实施例的包括由bdti结构111围绕的图像感测元件104a、104b的图像传感器300的截面图。当适用时，图1和图2中所示的图像传感器100和200以及其它图中所示的图像传感器的部件可以并入图像传感器300中。此外，在可替代图1和图2的一些实施例中，隔离介电堆叠件128还包括设置在隔离介电衬垫118和沟槽填充层112之间的隔离导电衬垫302。隔离导电衬垫302可以是或由金属组成，诸如铝、钌等。沟槽填充层112可以是或由介电材料组成，诸如二氧化硅、氮化硅和/或其它适用的介电材料。在一些实施例中，在操作期间，隔离导电衬垫302可以负偏置以产生正电荷以恢复bdti结构111的侧壁的损坏，并且因此提高性能。
31.图4示出了根据一些其它实施例的包括由bdti结构111围绕的图像感测元件104a、104b的图像传感器400的截面图。当适用时，图1至图3中所示的图像传感器100-300和其它图中所示的图像传感器的部件可以并入图像传感器400中。此外，在可替代图1至图3的一些实施例中，bdti结构111内的沟槽填充层112可以向上延伸并且沿图像感测管芯134的背面124横向设置。然后，平坦层120设置在沟槽填充层112上作为底部抗反射层(barl)以减少入射光子的反射。在一些实施例中，平坦层120可以是或由例如氮氧化硅或一些其它合适的抗反射材料组成。
32.图5示出了根据一些其它实施例的包括接合在一起的图像感测管芯134和逻辑管芯136的集成芯片500的截面图，其中图像感测管芯134具有由bdti结构111围绕的图像感测元件104。当适用时，图1至图4中所示的图像传感器100-400和其它图中所示的图像传感器的部件可以并入图像感测管芯134中。在一些实施例中，光电二极管掺杂层130包括阵列深n型阱131和n型光电二极管层132。bdti结构111可以从图像感测管芯134的背面124延伸穿过阵列深n型阱131，如图1中所示。
33.在一些实施例中，掺杂的浅隔离阱110设置在相邻的像素区域103a、103b之间并且隔离相邻的像素区域103a、103b，从图像感测管芯134的正面122延伸至光电二极管掺杂层130内的位置。掺杂的浅隔离阱110可以具有第二掺杂类型(例如，p型掺杂)。在一些实施例中，bdti结构111的底部可以设置在掺杂的浅隔离阱110的凹进顶面内。在这种情况下，掺杂的浅隔离阱110可以达到小于bdti结构111的深度的一半或小于bdti结构111的深度的1/4。掺杂的浅隔离阱110可以与bdti结构111垂直对准(例如，共用公共中心线516)。bdti结构111和掺杂的浅隔离阱110共同用作用于像素区域103a、103b的隔离，从而使得像素区域103a、103b之间的串扰和光晕可以减少。掺杂的浅隔离阱110也通过向图像感测元件104提供额外的p型掺杂剂来在操作期间促进图像感测元件104的耗尽，从而使得全阱容量提高。
34.在一些实施例中，浮置扩散阱204从图像感测管芯134的正面122至光电二极管掺杂层130内的位置设置在相邻像素区域103a、103b之间。在一些实施例中，bdti结构111延伸至位于浮置扩散阱204上面的位置。bdti结构111和浮置扩散阱204可以垂直对准(例如，共用公共中心线516)。传输栅极202沿图像感测管芯134的正面122布置在横向位于图像感测元件104和浮置扩散阱204之间的位置处。传输栅极202可以从图像感测管芯134的正面122延伸至n型光电二极管层132内的位置。在操作期间，传输栅极202控制从图像感测元件104至浮置扩散阱204的电荷传输。如果电荷电平在浮置扩散阱204内足够高，则激活源极跟随器晶体管(未显示)并且根据用于寻址的行选择晶体管(未显示)的操作而选择性输出电荷。可以使用复位晶体管(未显示)以在曝光周期之间复位图像感测元件104。
35.而且，浅沟槽隔离(sti)结构514可以从图像感测管芯134的正面122至光电二极管掺杂层130内的位置设置在相邻像素区域103a、103b之间。sti结构514和bdti结构111可以垂直对准(例如，共用公共中心线，其可以或可以不与掺杂的浅隔离阱110共用中心线)。在一些实施例中，掺杂的浅隔离阱110从图像感测管芯134的正面122延伸至光电二极管掺杂层130内的位置并且围绕sti结构514。在一些可选实施例中，掺杂的浅隔离阱110可以将sti结构514与光电二极管掺杂层130和/或bdti结构111分隔开。bdti结构111、掺杂的浅隔离阱110和sti结构514共同用作用于像素区域103a、103b的隔离，从而使得像素区域103a、103b之间的串扰和光晕可以减少。
36.图像感测管芯134还可以包括设置在像素区域103a、103b之间并且位于像素区域103a、103b上面的复合栅格506。复合栅格506可以包括在图像感测管芯134的背面124处彼此堆叠的金属层502和介电层504。介电衬垫508内衬复合栅格506的侧壁和顶部。金属层502可以是或由钨、铜、铝铜或氮化钛的一个或多个层组成。金属层502可以具有在大约100nm和大约500nm之间范围内的厚度。介电层504可以是或由二氧化硅、氮化硅或它们的组合的一个或多个层组成。介电层504可以具有在大约200nm和大约800nm之间范围内的厚度。介电衬垫508可以是氧化物或由氧化物组成，诸如二氧化硅。介电衬垫508可以具有在大约5nm和大约50nm之间范围内的厚度。其它适用的金属材料也在本发明的范围内。
37.金属化堆叠件108可以布置在图像感测管芯134的正面122上。金属化堆叠件108包括布置在一个或多个层间介电(ild)层106内的多个金属互连层。ild层106可以包括低k介电层(即，具有小于约3.9的介电常数的电介质)、超低k介电层或氧化物(例如，氧化硅)中的一个或多个。在一些可选实施例中，bdti结构111可以延伸穿过光电二极管掺杂层130并且到达ild层106或晶体管器件的栅极介电层，诸如传输栅极202的栅极电介质。
38.逻辑管芯136可以包括设置在逻辑衬底140上方的逻辑器件142。逻辑管芯136还可以包括设置在位于逻辑器件142上面的ild层146内的金属化堆叠件144。图像感测管芯134和逻辑管芯136可以面至面、面至背或背至背接合。作为实例，图5显示了面至面接合结构，其中一对中间接合介电层138、148和接合焊盘150、152布置在图像感测管芯134和逻辑管芯136之间并且通过熔合或共晶接合结构分别接合金属化堆叠件108、144。
39.在一些实施例中，多个微透镜156布置在多个滤色器154上方。相应微透镜156与滤色器154横向对准并且位于像素区域103a、103b上面。在一些实施例中，多个微透镜156具有邻接多个滤色器154的基本平坦的底面和弯曲的上表面。弯曲的上表面配置为将入射辐射158聚焦至下面的像素区域103a、103b。在集成芯片500的操作期间，入射辐射158通过微透镜156聚焦至下面的像素区域103a、103b。当足够能量的入射辐射或入射光照射图像感测元件104时，它生成产生光电流的电子-空穴对。应该指出，虽然多个微透镜156在图5中显示为固定在图像传感器上，但是应该理解，图像传感器可以不包括微透镜，并且微透镜可以稍后在单独的制造活动中附接至图像传感器。
40.图6至图20示出了显示形成具有由bdti结构围绕的图像感测元件的图像传感器的方法的截面图600-2000的一些实施例。在一些实施例中，bdti结构的形成包括从图像感测管芯的背面形成深沟槽以及随后沿深沟槽的侧壁和底面形成隔离介电堆叠件并且在深沟槽的剩余间隔内形成沟槽填充层。沿图像感测管芯的位于图像感测元件上面的背面形成像素介电堆叠件。通过形成不同介电组分的像素介电堆叠件和隔离介电堆叠件，可以更好地填充深沟槽，并且可以更灵活地形成像素介电堆叠件。因此，提高了cis器件的光和电性能。
41.如图6的截面图600中所示，准备用于图像感测管芯134的衬底102。在各个实施例中，衬底102可以包括诸如半导体晶圆或晶圆上的一个或多个管芯的任何类型的半导体主体(例如，硅/锗/cmos块、sige、soi等)，以及形成在其上和/或以其它方式与其相关的任何其它类型的半导体和/或外延层。作为实例，在包括形成在像素区域103a、103b内的多个图像感测元件104的处理衬底上或内形成第一掺杂类型的光电二极管掺杂层130。在一些实施例中，光电二极管掺杂层130通过在p型衬底或阱内形成诸如阵列深n型阱131的掺杂阱以及然后在阵列深n型阱131上形成n型光电二极管层132来形成。阵列深n型阱131和n型光电二极管层132可以通过可以是或由例如离子注入或一些其它合适的掺杂工艺组成的掺杂工艺形成。在一些实施例中，n型光电二极管层132可以根据包括光刻胶的图案化掩蔽层(未显示)选择性注入。在一些可选实施例中，光电二极管掺杂层130通过外延工艺形成在衬底102上。
42.如图7的截面图700中所示，在一些实施例中，掺杂物质注入至衬底102中以形成掺杂的区域。可以通过将p型掺杂物质注入至相邻像素区域103a、103b之间的光电二极管掺杂层130中来形成多个掺杂的浅隔离阱110。可以在n型光电二极管层132上形成p型固定层133。多个掺杂的浅隔离阱110和p型固定层133可以从图像感测管芯134的正面122形成。
43.也如图7中所示，可以从图像感测管芯134的正面122在边界处和/或相邻像素区域103a、103b之间形成多个sti结构514。一个或多个sti结构514可以通过选择性蚀刻图像感测管芯134的正面122以形成浅沟槽并且随后在浅沟槽内形成氧化物来形成。sti结构514可以分别与掺杂的浅隔离阱110居中对准。
44.如图8的截面图800中所示，在一些实施例中，在图像感测管芯134的正面122上方
形成传输栅极202。传输栅极202可以通过沉积并且图案化栅极介电层和栅电极层以形成栅极电介质802和栅电极804来形成。在一些实施例中，可以形成从图像感测管芯134的正面122延伸至n型光电二极管层132内的位置的沟槽，并且随后传输栅极202可以形成在沟槽内和图像感测管芯134的正面122上方。在一些实施例中，在图像感测管芯134的正面122内实施注入工艺以沿传输栅极202的一侧或一对传输栅极202的相对侧形成浮置扩散阱204。
45.如图9的截面图900中所示，在一些实施例中，可以在图像感测管芯134的正面122上形成金属化堆叠件108。在一些实施例中，金属化堆叠件108可以通过在图像感测管芯134的正面122上形成ild层106(其包括ild材料的一个或多个层)来形成。随后蚀刻ild层106以形成通孔和/或金属沟槽。然后利用导电材料填充通孔和/或金属沟槽以形成多个金属互连通孔510和金属线512。在一些实施例中，ild层106可以通过物理气相沉积技术(例如，pvd、cvd等)来沉积。多个金属互连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。在各个实施例中，例如，多个金属互连层可以包括钨、铜或铝铜。
46.如图10的截面图1000中所示，在一些实施例中，然后图像感测管芯134可以接合至一个或多个其它管芯。例如，图像感测管芯134可以接合至准备具有逻辑器件142的逻辑管芯136。图像感测管芯134和逻辑管芯136可以面至面、面至背或背至背接合。例如，接合工艺可以使用一对中间接合介电层138、148和接合焊盘150、152来接合图像感测管芯134和逻辑管芯136的金属化堆叠件108、144。接合工艺可以包括熔合或共晶接合工艺。接合工艺也可以包括混合接合工艺，其包括接合焊盘150、152的金属至金属接合以及中间接合介电层138、148的电介质至电介质接合。退火工艺可以在混合接合工艺之后，并且例如可以在约250℃至约450℃之间范围内的温度下实施约0.5小时至约4小时的范围内的时间。
47.如图11的截面图1100中所示，在一些实施例中，从图像感测管芯134的横向分隔图像感测元件104的背面124形成深沟槽1202。在一些实施例中，可以通过在图像感测管芯134的背面124上形成掩蔽层并且将光电二极管掺杂层130暴露于未由掩蔽层覆盖的区域中的蚀刻剂来蚀刻光电二极管掺杂层130。在一些可选实施例中，当形成深沟槽1202时，在深度上彻底蚀刻衬底102或光电二极管掺杂层130，并且深沟槽1202延伸穿过衬底102并且可以到达ild层106，从而实现完全隔离。在各个实施例中，掩蔽层可以包括使用光刻工艺图案化的光刻胶或氮化物(例如，sin)。掩蔽层也可以包括具有在约200埃至约1000埃之间范围内的厚度的原子层沉积(ald)或等离子体增强cvd氧化物层。在各个实施例中，蚀刻剂可以包括具有包括氟物质(例如，cf4、chf3、c4f8等)的蚀刻化学物质的干蚀刻剂或湿蚀刻剂(例如，氢氟酸(hf)或氢氧化四甲基铵(tmah))。深沟槽1202可以具有在大约1.5μm和大约5μm之间范围内的深度。横向尺寸可以具有在大约0.1μm和大约0.3μm之间的范围。形成深沟槽1202的蚀刻工艺可以涉及包括可以创建底切轮廓的干蚀刻和湿蚀刻的各向异性蚀刻工艺。在一些实施例中，形成深沟槽1202的蚀刻可以在深沟槽1202的顶角处引入弓形尖端，其从深沟槽1202的上侧壁至垂直于阵列深n型阱131的横向平面的垂直线具有约8
°
至15
°
的范围内的弓形角。在一些可选实施例中，弓形尖端小于约8
°
。然后可以通过清洁工艺去除或减小弓形顶部，为深沟槽1202留下光滑的侧壁表面和更小的弓形颈部。
48.在一些实施例中，在形成深沟槽1202之前，在背面124上减薄图像感测管芯134。减薄工艺可以部分或完全去除p型衬底(见图10)并且允许辐射穿过图像感测管芯134的背面124到达图像感测元件104。在一些实施例中，减薄图像感测管芯134以暴露图像感测元件
104，从而使得辐射可以更容易到达光电二极管。然后可以形成稍后形成的bdti结构(例如见图13中的bdti结构111)以到达图像感测元件104的表面。减薄工艺可以通过蚀刻或机械研磨图像感测管芯134的背面124来实施。蚀刻剂的实例可以包括氟化氢/硝酸/乙酸(hna)。随后可以进行化学机械工艺和四甲基氢氧化铵(tmah))湿蚀刻以进一步减薄图像感测管芯134。
49.如图12的截面图1200中所示，在一些实施例中，然后利用介电材料填充深沟槽1202。在一些实施例中，在深沟槽1202内形成第一高k介电层114。第一高k介电层114可以通过沉积技术形成并且可以包括氧化铝(alo)、氧化铪(hfo)或具有大于氧化硅的介电常数的介电常数的其它介电材料。第一高k介电层114内衬深沟槽1202的侧壁和底面。在一些实施例中，第一高k介电层114可以共形形成并且在图像感测管芯134的位于深沟槽1202之间的背面124上方延伸。在一些实施例中，然后在第一高k介电层114上形成隔离介电衬垫118。例如，隔离介电衬垫118可以由二氧化硅形成。隔离介电衬垫118也可以共形形成并且在图像感测管芯134的背面124上方延伸。第一高k介电层114和隔离介电衬垫118可以通过原子层沉积(ald)或其它适用的共形沉积技术形成。例如，第一高k介电层114可以具有在约至约的范围内的厚度。例如，隔离介电衬垫118可以具有在约至约的范围内的厚度。当形成时更容易悬垂的介电材料不期望作为填充在深沟槽1202中的介电材料，因为在深沟槽1202中填充这种材料可能导致深沟槽1202中封闭的空隙，这将不利地影响图像传感器的光和电性能。
50.如图13的截面图1300中所示，在一些实施例中，形成沟槽填充层112以填充深沟槽1202的剩余部分。在一些实施例中，沟槽填充层112是或由金属组成，诸如铝、钌等。沟槽填充层112可以使用物理气相沉积技术或化学气相沉积技术来沉积。沟槽填充层112可以经受平坦化工艺，该平坦化工艺去除上面沟槽填充层112的直接位于图像感测元件104上面的横向部分。因此，bdti结构111形成在衬底102中，从背面124延伸至光电二极管掺杂层130内的位置。bdti结构111形成在相邻像素区域103a、103b之间并且隔离相邻像素区域103a、103b。
51.如图14的截面图1400中所示，在一些实施例中，可以从位于图像感测元件104上面的区域去除隔离介电衬垫118的横向部分。在一些实施例中，例如，使用稀释的hf通过湿浸部分去除隔离介电衬垫。第一高k介电层114和隔离介电衬垫118减少像素区域103a、103b之间的光晕和串扰。
52.如图15的截面图1500中所示，在一些实施例中，在第一高k介电层114和沟槽填充层112的顶面上形成第二高k介电层116。在一些实施例中，第二高k介电层116是或由氧化钽(ta2o5)组成。第二高k介电层116增强相应像素区域103a、103b内的光吸收。第二高k介电层116可以形成为具有比第一高k介电层114更大的厚度。
53.如图16的截面图1600中所示，在一些实施例中，然后平坦层120设置在第二高k介电层116上。平坦层120可以用作底部抗反射层(barl)以减少入射光子的反射。在一些实施例中，平坦层120可以是或由例如氮氧化硅或一些其它合适的抗反射材料组成。
54.图17至图19显示了形成位于图像感测元件104a上面的滤色器154的方法的一些实施例。如图17的截面图1700中所示，金属层502和介电层504沿图像感测管芯134的背侧124堆叠在衬底102上方。金属层502可以是或由钨、铜、铝铜或氮化钛的一个或多个层组成。其
它适用的金属材料也在本发明的范围内。介电层504可以是或由二氧化硅、氮化硅或它们的组合的一个或多个层组成。介电层504可以用作硬掩模层。
55.如图18的截面图1800中所示，对金属层502和介电层504实施蚀刻以形成复合栅格506。开口1802可以与图像感测元件104居中对准，使得复合栅格506布置在图像感测元件104的周围和之间。可选地，开口1802可以在至少一个方向上从图像感测元件104横向移位或偏移，使得复合栅格506至少部分位于图像感测元件104上面。然后，形成内衬复合栅格506的侧壁和顶部并且内衬开口1802的介电衬垫508。介电衬垫508可以使用共形沉积技术形成，诸如例如化学气相沉积(cvd)或物理气相沉积(pvd)。介电衬垫508可以例如由氧化物形成，诸如二氧化硅。
56.如图19的截面图1900中所示，在对应像素传感器的开口1802中形成对应于像素传感器的滤色器154。滤色器层由允许对应颜色的光通过而阻挡其它颜色的光的材料形成。此外，滤色器154可以形成有指定的颜色。例如，滤色器154交替地形成有红色、绿色和蓝色的指定颜色。滤色器154可以形成为具有与复合栅格506的上表面对准的上表面。滤色器154可以在至少一个方向上从对应像素传感器的图像感测元件104a横向移位或偏移。取决于移位或偏移的程度，滤色器154可以部分填充对应像素传感器的开口并且可以部分填充邻接对应像素传感器的像素传感器的开口。可选地，滤色器154可以关于与对应像素传感器的光电二极管中心对准的垂直轴对称。用于形成滤色器154的工艺可以包括(对于颜色分配的不同颜色的每个)形成滤色器层以及图案化滤色器层。滤色器层可以在形成之后被平坦化。图案化可以通过在滤色器层上方形成具有图案的光刻胶层、根据光刻胶层的图案向滤色器层施加蚀刻剂以及去除图案光刻胶层来实施。
57.如图20所示，在对应像素传感器的滤色器154上方形成对应于像素传感器的微透镜156。在一些实施例中，多个微透镜可以通过在多个滤色器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。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。然后微透镜156通过根据微透镜模板选择性蚀刻微透镜材料来形成。
58.图21至图25示出了显示形成具有由像素介电堆叠件覆盖并且由bdti结构围绕的图像感测元件的图像传感器的方法的截面图的一些可选实施例。
59.从图10继续，如图21的截面图2100中所示，在一些实施例中，在背面124上减薄图像感测管芯134以去除衬底102。减薄工艺可以部分或完全去除p型衬底(见图10)并且允许辐射穿过图像感测管芯134的背面124到达图像感测元件104。减薄工艺可以通过蚀刻或机械研磨图像感测管芯134的背面124来实施。在一些实施例中，在形成深沟槽1202之前，沿图像感测管芯134的背面124形成像素介电堆叠件126。像素介电堆叠件126可以包括第一高k介电层114以及形成在第一高k介电层114的顶面上的第二高k介电层116。可以在像素介电堆叠件126的顶部上形成硬掩蔽层402。在一些实施例中，第二高k介电层116是或由氧化钽(ta2o5)组成。第二高k介电层116增强相应像素区域103a、103b内的光吸收。
60.如图22的截面图2200中所示，深沟槽1202从图像感测管芯134的背面124穿过将光电二极管掺杂层130与图像感测元件104横向分隔开的像素介电堆叠件126形成。深沟槽1202可以通过根据图案化硬掩模层402蚀刻像素介电堆叠件126和光电二极管掺杂层130来
形成。
61.如图23的截面图2300中所示，在一些实施例中，形成隔离介电衬垫118和沟槽填充层112以填充深沟槽1202。在一些实施例中，隔离介电衬垫118由诸如al2o3的高k介电材料制成。可选地，隔离介电衬垫118由二氧化硅制成。在一些实施例中，沟槽填充层112是或由金属组成，诸如铝、钌等。沟槽填充层112可以使用物理气相沉积技术或化学气相沉积技术来沉积。
62.如图24的截面图2400中所示，在一些实施例中，沟槽填充层112和隔离介电衬垫118可以经受平坦化工艺或另一蚀刻工艺，该另一蚀刻工艺去除上面的沟槽填充层112和隔离介电衬垫118的直接位于相应像素区域103a、103b上面的横向部分。因此，bdti结构111形成在衬底102中，从背面124延伸至光电二极管掺杂层130内的位置。bdti结构111形成在相邻的像素区域103a、103b之间并且隔离相邻的像素区域103a、103b。
63.如图25的截面图2500中所示，类似于图17至图19中所示，在像素区域103a、103b上面形成滤色器154。在一些实施例中，金属层502和介电层504的复合栅格506沿图像感测管芯134的背侧124堆叠在衬底102上方。然后，形成内衬复合栅格506的侧壁和顶部的介电衬垫508。金属层502可以是或由钨、铜、铝铜或氮化钛的一个或多个层组成。其它适用的金属材料也在本发明的范围内。介电层504可以是或由二氧化硅、氮化硅或它们的组合的一个或多个层组成。介电层504可以用作硬掩模层。
64.图26示出了形成具有由bdti结构围绕的图像感测元件的图像传感器的方法2600的一些实施例的流程图。虽然公开的方法2600在本文中示出和描述为一系列步骤或事件，但是应该理解，这样的步骤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/或描述的那些步骤或事件之外，一些步骤可以以不同的顺序发生和/或与其他步骤或事件同时发生。此外，可能不需要全部示出的步骤实现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步骤可以在一个或多个单独的步骤和/或阶段中执行。
65.在步骤2602中，准备用于图像感测管芯的衬底。可以从图像感测管芯的正面在衬底中形成光电二极管掺杂层和掺杂隔离阱。在一些实施例中，可以在衬底上方形成各个外延层作为光电二极管掺杂层，并且可以通过将掺杂物质注入至外延层中来形成光电二极管掺杂列和/或掺杂隔离阱。掺杂隔离阱可以通过选择性注入以形成延伸至光电二极管掺杂层中的多个列来形成。在一些实施例中，可以通过选择性蚀刻衬底以形成浅沟槽以及随后在浅沟槽内形成电介质(例如，氧化物)来在图像感测管芯的正面内形成浅沟槽隔离区域。图6至图7示出了对应于一些实施例(对应于步骤2602)的截面图。
66.在步骤2604中，在图像感测管芯的正面上形成传输栅极。然后在传输栅极上方形成金属化堆叠件。图8至图9示出了对应于一些实施例(对应于步骤2604)的截面图。
67.在步骤2606中，在一些实施例中，图像传感器接合至一个或多个其它管芯，诸如逻辑管芯或其它图像感测管芯。图10示出了对应于一些实施例(对应于步骤2606)的截面图。
68.在步骤2608中，在一些实施例中，从背面选择性蚀刻衬底以在相邻的感测像素区域之间形成深沟槽，并且沿深沟槽的侧壁和底面形成隔离电介质。在一些实施例中，深沟槽和隔离电介质在形成像素介电堆叠件之后形成。图11至图12或图22至图23示出了对应于一些实施例(对应于步骤2608)的截面图。
69.在步骤2610中，利用介电材料或金属材料填充深沟槽的剩余间隔。图13或图23示
出了对应于一些实施例(对应于步骤2610)的截面图。
70.在步骤2612中，在形成深沟槽之后或之前，沿图像感测管芯的背面形成像素介电堆叠件。图14至图15或图21至图22示出了对应于一些实施例(对应于步骤2612)的截面图。
71.在步骤2614中，在图像感测管芯的背面上形成抗反射层和复合栅格。图16至图18和图25示出了对应于一些实施例(对应于步骤2614)的截面图。
72.在步骤2616中，在图像感测管芯的背侧上形成滤色器和微透镜。图19至图20和图25示出了对应于一些实施例(对应于步骤2616)的截面图。
73.在一些实施例中，本发明涉及图像传感器。图像感测管芯具有正面和与正面相对的背面。第一图像感测元件和第二图像感测元件，在图像感测管芯内彼此相邻布置。第一图像感测元件和第二图像感测元件具有第一掺杂类型。像素介电堆叠件，沿位于第一图像感测元件和第二图像感测元件上面的图像感测管芯的背面设置。像素介电堆叠件包括第一高k介电层以及设置在第一高k介电层上方的第二高k介电层。背侧深沟槽隔离(bdti)结构设置在第一图像感测元件和第二图像感测元件之间并且从图像传感器管芯的背面延伸至图像传感器管芯内的位置。bdti结构包括由隔离介电堆叠件围绕的沟槽填充层。像素介电堆叠件具有与隔离介电堆叠件的第二组分不同的第一组分。
74.在一些实施例中，所述背侧深沟槽隔离结构不存在所述第二高k介电层。在一些实施例中，所述第一高k介电层沿所述沟槽填充层向下延伸为所述隔离介电堆叠件的一部分。在一些实施例中，所述第二高k介电层覆盖所述背侧深沟槽隔离结构的整个顶面。在一些实施例中，所述第一高k介电层和所述第二高k介电层终止于所述隔离介电堆叠件的侧壁处并且直接接触所述隔离介电堆叠件的侧壁。在一些实施例中，所述隔离介电堆叠件包括隔离介电衬垫。在一些实施例中，所述隔离介电衬垫是二氧化硅。在一些实施例中，所述隔离介电衬垫包括高k介电材料。在一些实施例中，所述隔离介电堆叠件还包括设置在所述隔离介电衬垫和所述沟槽填充层之间的隔离导电衬垫。在一些实施例中，所述沟槽填充层是金属。在一些实施例中，该图像传感器还包括：具有第二掺杂类型的掺杂隔离阱，设置在所述第一图像感测元件和所述第二图像感测元件之间并且从所述图像感测管芯的所述正面延伸至所述图像感测管芯内的位置；其中，所述掺杂隔离阱具有通过所述背侧深沟槽隔离结构凹进的底面。在一些实施例中，该图像传感器还包括：浅沟槽隔离(sti)结构，设置在所述第一图像感测元件和所述第二图像感测元件之间并且从所述图像感测管芯的所述正面延伸至所述图像感测管芯内的位置。在一些实施例中，所述第一高k介电层包括氧化铝(al2o3)、氧化铪(hfo2)、氧化铪硅(hfsio)或氧化铪铝(hfalo)。在一些实施例中，所述第二高k介电层包括氧化钽(ta2o5)。在一些实施例中，所述第二高k介电层是所述第一高k介电层的约两倍或者比所述第一高k介电层厚。
75.在一些可选实施例中，本发明涉及图像传感器。图像感测管芯具有正面和与正面相对的背面。第一掺杂类型的图像感测元件设置在图像感测管芯内。背侧深沟槽隔离(bdti)结构，围绕图像感测元件并且从图像传感器管芯的背面延伸至图像传感器管芯内的位置。bdti结构包括由第一高k介电层围绕的沟槽填充层。第一高k介电层沿沟槽填充层的底部和侧壁表面设置并且向上延伸以覆盖图像感测元件的横向表面。第二高k介电层设置在第一高k介电层上并且横向延伸覆盖沟槽填充层的顶面。
76.在一些实施例中，所述第二高k介电层比所述第一高k介电层厚至少两倍。在一些
实施例中，该图像传感器还包括：隔离介电衬垫，设置在所述第一高k介电层和所述沟槽填充层之间。
77.在又一些其它实施例中，本发明涉及形成图像传感器的方法。方法包括从图像感测管芯的正面在衬底内形成具有第一掺杂类型的光电二极管掺杂层以及从图像感测管芯的背面形成深沟槽，将光电二极管掺杂层分隔成第一图像感测元件和第二图像感测元件。方法还包括沿深沟槽的底部和侧壁表面形成沿第一图像感测元件和第二图像感测元件的横向表面向上延伸的第一高k介电层和隔离介电衬垫。方法还包括在深沟槽的内部间隔中形成沟槽填充层以及在第一高k介电层和沟槽填充层的顶面上形成第二高k介电层。
78.在一些实施例中，所述第一高k介电层、所述隔离介电衬垫和所述沟槽填充层通过一系列沉积工艺以及随后的平坦化工艺以去除所述隔离介电衬垫和所述沟槽填充层的直接位于所述第一图像感测元件和所述第二图像感测元件之上的横向部分来形成。
79.上面概述了若干实施例的特征，使得本领域技术人员可以更好地理解本发明的方面。本领域技术人员应该理解，它们可以容易地使用本发明作为基础来设计或修改用于实施与本文所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优势的其它工艺和结构。本领域技术人员也应该意识到，这种等同构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，本文中它们可以做出多种变化、替换以及改变。