CN206574713U - 背照式图像传感器 - Google Patents

Abstract

一种背照式图像传感器包括基板，其具有前侧表面和背侧表面；光电二极管，其被设置在所述基板中；绝缘层，其被设置在所述背侧表面上；以及固定电荷层，其被设置在所述绝缘层上。在所述光电二极管和所述基板的所述背侧表面之间由所述固定电荷层形成能够用作背侧钉扎层的电荷累积区。

Description

背照式图像传感器

技术领域

本公开涉及一种背照式图像传感器及其制造方法。

背景技术

一般来说，图像传感器是将光学图像转换成电信号的半导体装置且可被分成或分类成电荷耦合装置(CCD)或CMOS图像传感器(CIS)。

CIS包括单位像素，每个单位像素包括光电二极管和MOS晶体管。CIS使用切换方法顺序地检测单位像素的电信号，从而形成图像。

CIS是通过在半导体基板中或上形成光电二极管，形成被连接至半导体基板上的光电二极管的晶体管，形成用作被连接至晶体管的信号线的布线层并在布线层上或上方形成滤色器层和微透镜而制成的。

同时，与前侧照明图像传感器相比较，背照式图像传感器可具有改进的光接收效率。背照式图像传感器可包括设置在基板的前侧表面上的布线层以及设置在基板的前侧表面上的滤色器层和微透镜。

此外，背照式图像传感器可包括设置在基板的背侧表面部分中的背侧钉扎层以形成钉扎光电二极管。背侧钉扎层可通过离子注入过程形成且随后在执行背研磨过程以减小基板的厚度后通过激光退火过程来激活。

实用新型内容

本公开提供了一种制造背照式图像传感器的方法，其能够省略用于形成背侧钉扎层的离子注入过程和激光退火过程；以及一种由该方法制造的背照式图像传感器。

根据本公开的一个方面，一种背照式图像传感器可包括基板，其具有前侧表面和背侧表面；光电二极管，其被设置在基板中；绝缘层，其被设置在基板的背侧表面上；以及固定电荷层，其被设置在绝缘层上。

根据一些示例性实施例，背照式图像传感器还可包括设置在基板中的高浓度杂质区和设置在基板的前侧表面上光电二极管和高浓度杂质区之间的栅电极。

根据一些示例性实施例，基板可具有第一导电类型且光电二极管可具有第二导电类型。

根据一些示例性实施例，背照式图像传感器还可包括设置在光电二极管和基板的前侧表面之间的第一导电类型的前侧钉扎层。

根据一些示例性实施例，背照式图像传感器还可包括设置在光电二极管和基板的后侧表面之间的第一导电类型的后侧钉扎层。

根据本公开的另一个方面，一种背照式图像传感器可包括基板，其具有前侧表面和背侧表面；p型光电二极管，其被设置在基板中；绝缘层，其被设置在基板的背侧表面上；以及正固定电荷层，其被设置在绝缘层上。

根据一些示例性实施例，背照式图像传感器还可包括设置在p型光电二极管和基板的前侧表面之间的n型前侧钉扎层。

根据一些示例性实施例，背照式图像传感器还可包括设置在p型光电二极管和基板的后侧表面之间的n型后侧钉扎层。

根据一些示例性实施例，背照式图像传感器还可包括设置在要与p型光电二极管间隔开的基板的前侧表面部分中的p型高浓度杂质区；以及设置在基板的前侧表面上p型光电二极管和p型高浓度杂质区之间的栅电极。

根据一些示例性实施例，正固定电荷层可包括氧化锆、铪硅氧化物、铪硅氮氧化物或氮化硅。

根据一些示例性实施例，背照式图像传感器还可包括设置在正固定电荷层上的第二绝缘层以及设置在第二绝缘层上的阻光图案。

根据一些示例性实施例，背照式图像传感器还可包括设置在第二绝缘层和阻光图案上的钝化层；设置在钝化层上的滤色器层；以及设置在滤色器层上的微透镜。

根据本公开的另一个方面，一种制造背照式图像传感器的方法可包括在具有前侧表面和背侧表面的基板中形成光电二极管；在基板的背侧表面上形成绝缘层；以及在绝缘层上形成固定电荷层。

根据一些示例性实施例，该方法还可包括在基板的前侧表面上形成栅电极；以及在基板中形成高浓度杂质区，栅电极被设置在基板的前侧表面上光电二极管和高浓度杂质区之间。

根据一些示例性实施例，该方法还可包括在光电二极管和基板的前侧表面之间形成前侧钉扎层。

根据一些示例性实施例，基板可具有第一导电类型且光电二极管可具有第二导电类型。

根据一些示例性实施例，基板可包括n型外延层且光电二极管可包括在n型外延层中形成的p型杂质区。

根据一些示例性实施例，固定电荷层可具有正固定电荷。

根据一些示例性实施例，固定电荷层可包括氧化锆、铪硅氧化物、铪硅氮氧化物或氮化硅。

根据一些示例性实施例，该方法还可包括在基板中形成背侧钉扎层；并通过使用背研磨过程来移除基板的背侧表面部分以暴露背侧钉扎层的背侧表面。特别地，可在背侧钉扎层的前侧表面上形成光电二极管，且可在背侧钉扎层的背侧表面上形成绝缘层。

上面的概述并不旨在描述其主题的每个所阐明的实施例或每个实施方式。下面的附图及具体实施方式更具体地举例说明了各种实施例。

附图说明

根据结合附图的下列说明，将更详细地理解示例性实施例，其中：

图1为示出根据本公开的一个示例性实施例的背照式图像传感器的横截面视图；

图2为示出根据本公开的另一个示例性实施例的背照式图像传感器的横截面视图；

图3-7为示出制造如在图1中所示的背照式图像传感器的方法的横截面视图；以及

图8为示出形成如在图2中所示的背侧钉扎层的方法的横截面视图。

虽然各种实施例可被修正成各种修改和替代形式，但是其细节已在附图中以示例方式示出并将进行详细描述。然而，应理解的是本公开并不旨在将所要求保护的实用新型限制为所述的特定实施例。相反地，本公开旨在涵盖落在如通过权利要求限定的主题的精神和范围内的所有修改、等同物和替代方案。

具体实施方式

在下文中，将参照附图更详细地描述本公开的实施例。然而，本公开并不限于下面所述的实施例且按各种其他形式进行实施。下面的实施例并不是为了完全公开本公开的每个可能的实施例，而是为了通过示例性实施例向本领域的技术人员传达本公开的范围。

在本说明书中，当一个组件被称为在另一个组件或层上或被连接至另一个组件或层时，其可直接在另一个组件或层上或被连接至另一个组件或层，或也可存在有中间组件或层。与此不同，将理解当一个组件被称为直接在另一个组件或层上或直接被连接至另一个组件或层时，其表示不存在有中间组件。另外，虽然术语，如第一、第二和第三用于描述在本公开的各种实施例中的各种区域和层，但区域和层却不仅限于此。

以下使用的术语仅用于描述特定实施例，但却不用于限制本公开。额外地，除非本文另有限定外，包括技术和科学术语的所有术语可具有与本领域的技术人员通常所理解的相同的含义。

参考理想实施例的示意图描述本公开的实施例。因此，可根据附图的形式预期在制造方法中的变化和/或可允许的误差。因此，本公开的实施例被描述成仅限于附图中的特定形式或区域且包括该形式的偏差。该区域可以是完全示意性的且其形式可能不描述或描绘在任何给定区域中的准确形式或结构且并不旨在限制本公开的范围。

图1为示出根据本公开的一个示例性实施例的背照式图像传感器的横截面视图。

参考图1，根据本公开的一个示例性实施例，一种背照式图像传感器100可包括基板110，其具有前侧表面110A和背侧表面110B；光电二极管130，其形成在基板110中；绝缘层160，其形成在基板110的背侧表面110B上；以及固定电荷层162，其形成在绝缘层160上。此外，背照式图像传感器100可包括形成在基板110中邻近前侧表面110A的装置隔离区116。

基板110可具有第一导电类型，且光电二极管130可具有第二导电类型。例如，n型基板可用作基板110，且光电二极管可以是形成在基板110中的p型杂质区。光电二极管130可用于累积通过入射光子在基板110中产生的孔。

绝缘层160可包括氧化硅(SiO₂)或氮氧化硅(SiON)。固定电荷层162可在基板110的背侧表面部分中形成电荷累积区134，且电荷累积区134可用作背侧钉扎层。

例如，固定电荷层162可以是具有正电荷的正固定电荷层。在这种情况下，可由在基板110的背侧表面部分中的正固定电荷层162，即在光电二极管130和基板110的背侧表面110B之间或在基板110的背侧表面110B下面形成电子累积层134，且电子累积层134可用作n型背侧钉扎层。具体地，固定电荷层162的正电荷可在基板110的背侧表面部分中形成带负电荷的浅富少数载流子区，其可用作n型背侧钉扎层。例如，固定电荷层162可包括氧化锆(ZrO₂)、铪硅氧化物(HfSiO₂)、铪硅氮氧化物(HfSiON)或氮化硅(Si₃N₄)。

可替代地，当基板110具有第二导电类型且光电二极管130具有第一导电类型，即，将p型基板用作基板110且光电二极管130包括n型杂质区时，固定电荷层162可以是负固定电荷层，且可在基板110的背侧表面部分中创建能够用作p型背侧钉扎层的孔累积区134。例如，负固定电荷层可包括氧化铪(HfO₂)、氮氧化铪(HfON)、氧化铝(Al₂O₃)、氮氧化铝(AlON)、铪铝氧化物(HfAlO)或铪铝氮氧化物(HfAlON)。

结果是，可以省略用于形成常规使用的背侧钉扎层的离子注入过程和用于激活背侧钉扎层的激光退火过程，且光电二极管130可以更大，例如，更靠近基板110的背侧表面110B且在其中的深度允许考虑串扰行为，以实现改进的填充因子。

此外，由于未在光电二极管130上执行注入，可以克服与注入轮廓的尾部分布相关联的掺杂剂至光电二极管130中的意外或非预期的注入的问题，且因此还可改进光电二极管130的填充因子。

可在基板110的前侧表面部分中，即在光电二极管130和基板110的前侧表面110A之间形成具有第一导电类型的前侧钉扎层132。例如，当使用p型光电二极管130时，可在基板110的前侧表面110A部分中形成n型前侧钉扎层132，其可以是n型高浓度杂质区。

此外，可在基板110的前侧表面部分中形成高浓度杂质区140，且可在基板110的前侧表面110A上形成栅电极120。可在基板110的前侧表面110A和栅电极120之间形成栅绝缘层122。可与光电二极管130隔开地设置高浓度杂质区140，且可将栅电极120设置在基板110的前侧表面110A上位于光电二极管130和高浓度杂质区140之间。

例如，可在基板110的前侧表面110A部分中形成p型高浓度杂质区140。如果背照式图像传感器100为4T(或多于4个晶体管的)布局，高浓度杂质区140可用作浮动扩散区或者，如果背照式图像传感器100为3T(或少于三个晶体管的)布局，用作将光电二极管130与复位电路相连接的有源区。

可在固定电荷层162上形成第二绝缘层164，且可在第二绝缘层164上形成阻光图案166。阻光图案166可用于减少背照式图像传感器100的串扰。例如，第二绝缘层164可包括与光电二极管130相应的光接收区(即，未由阻光图案166阻隔的部分)和围绕光接收区的阻光区，且可在阻光区上形成阻光图案166。

可在第二绝缘层164和阻光图案166上和其周围形成钝化层168，且可在钝化层168上形成滤色器层170和微透镜172。

可在基板110的前侧表面110A上形成与光电二极管130电连接的多个布线层150和用于将多个布线层150彼此电隔离的层间绝缘层152。布线层150可由铝(Al)、铜(Cu)等制成，且层间绝缘层152可由氧化硅(SiO₂)或其他绝缘或基本上未掺杂的半导体材料制成。

图2为示出根据本公开的另一个示例性实施例的背照式图像传感器的横截面视图。

参考图2，可在光电二极管130和基板110的背侧表面110B之间形成具有第一导电类型的背侧钉扎层136。例如，背侧钉扎层136可以是n型高浓度杂质区。在这种情况下，可通过固定电荷层162在背侧钉扎层136中累积电子，且因此可显著地增强背侧钉扎层136。特别地，背侧钉扎层136可在光电二极管130之前形成且可由快速热过程激活。

图3-7为示出制造如在图1中所示的背照式图像传感器的方法的横截面视图。

参考图3，可在基板110的前侧表面部分中形成装置隔离区116以限定有源区。基板110可包括体硅基板112和在其上形成的外延层114。例如，可在基板110上形成第一类型，例如，n型的外延层114。可替代地，n型基板可用作基板110。在这种情况下，可省略外延层114。同时，可通过浅沟槽隔离(STI)过程形成装置隔离区116。

可在基板110的有源区上形成栅绝缘层122和栅电极120，且可在栅电极120的侧表面上形成栅间隔器124。栅电极120可用作转移栅(在4T布局的情况下)或复位栅(在3T布局的情况下)。此外，尽管未在图中示出，但也可在基板上110与栅电极120同时形成源跟随器栅电极和选择栅电极。

参考图4，可在基板110中形成具有第二导电类型的光电二极管130。例如，可在n型外延层114中形成p型光电二极管130。特别地，p型光电二极管130可以是由离子注入过程形成的p型杂质区。

可在光电二极管130和基板110的前侧表面110A之间形成第一导电类型的前侧钉扎层132。例如，可在p型光电二极管130上形成n型前侧钉扎层132。特别地，n型前侧钉扎层132可以是由离子注入过程形成的n型高浓度杂质区。可由快速热过程激活光电二极管130和前侧钉扎层132。

可在基板110的前侧表面部分中，与光电二极管130间隔开地，形成高浓度杂质区140。例如，可与p型光电二极管130横向间隔开地在基板110的前侧表面部分中形成p型高浓度杂质区140。高浓度杂质区140可用作浮动扩散区(在4T布局的情况下)或用于将光电二极管130与复位电路相连接的有源区(在3T布局的情况下)。

参考图5，可在基板110的前侧表面110A上形成与光电二极管130电连接的多个布线层150和用于将布线层150彼此电隔离的层间绝缘层152。布线层150可由铝(Al)、铜(Cu)等制成，且层间绝缘层152可由氧化硅(SiO₂)制成。

参考图6，可执行背研磨过程，例如，化学和/或机械抛光或蚀刻过程以减小基板110的厚度。例如，可通过背研磨过程移除体硅基板112。在执行背研磨过程后，可执行湿蚀刻过程以从基板110的背侧表面110B移除污染物。

参考图7，可在基板110的背侧表面110B上形成绝缘层160，且随后可在绝缘层160上形成固定电荷层162。绝缘层160可包括氧化硅(SiO₂)或氮氧化硅(SiON)，且固定电荷层162可包括氧化锆(ZrO₂)、铪硅氧化物(HfSiO₂)、铪硅氮氧化物(HfSiON)或氮化硅(Si₃N₄)，其具有正电荷。

可替代地，当使用p型外延层和n型光电二极管时，可在绝缘层160上形成负固定电荷层。负固定电荷层可包括氧化铪(HfO₂)、氮氧化铪(HfON)、氧化铝(Al₂O₃)、氮氧化铝(AlON)、铪铝氧化物(HfAlO)或铪铝氮氧化物(HfAlON)，其具有负电荷。

可在固定电荷层162上形成第二绝缘层164，且随后可在第二绝缘层164上形成阻光图案166。第二绝缘层164可由氧化硅(SiO₂)制成，且阻光图案166可由铝(Al)、铜(Cu)等制成。

随后，如在图1中所示，可在第二绝缘层164和阻光图案166上相续形成钝化层168、滤色器层170和微透镜172。

图8为示出形成如在图2中所示的背侧钉扎层的方法的横截面视图。

参考图8，在形成栅电极120后，可通过离子注入过程在基板110中形成第一导电类型的背侧钉扎层136。例如，可通过离子注入过程在基板110中形成n型背侧钉扎层136。

在形成n型背侧钉扎层136后，可通过离子注入过程在n型背侧钉扎层136上形成p型光电二极管130，且随后可通过离子注入过程在p型光电二极管130上形成n型前侧钉扎层132。可由快速热过程激活n型背侧钉扎层136、p型光电二极管130和n型前侧钉扎层132。

可通过背研磨过程暴露n型背侧钉扎层136。详细地，可以执行背研磨过程直到暴露n型背侧钉扎层136为止，且可在暴露的n型背侧钉扎层136上相继形成绝缘层160和固定电荷层162。即，可在n型背侧钉扎层136的前侧表面上形成p型光电二极管130，且可在n型背侧钉扎层136的背侧表面上形成绝缘层160。

根据如上所述的本公开的示例性实施例，在基板110中形成光电二极管130后，可在基板110的背侧表面110B上形成绝缘层160和固定电荷层162。可在光电二极管130和绝缘层160之间由固定电荷层162形成电荷累积区134，其可用作背侧钉扎层。

结果是，可以省略用于形成常规使用的背侧钉扎层的离子注入过程和激光退火过程，且因此可显著降低背照式图像传感器100的制造成本。

此外，电荷累积区134的厚度可形成为相对较薄，且因此可相对增加光电二极管130的大小。结果是，可显著改进光电二极管130的填充因子。

虽然已经参考具体实施例描述了背照式图像传感器及其制造方法，但其并不仅限于此。因此，本领域的技术人员将很容易地理解在不脱离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下对其进行各种修改和变化。

相关领域的普通技术人员将认识到其主题可包括比在上述任何个别的实施例中所示特性更少的特性。本文所述的实施例不意味着是其中可组合主题的各种特性的方式的详尽介绍。因此，如本领域的普通技术人员所理解的，实施例并不是相互排斥的特性组合；相反地，各种实施例可包括从不同的个别实施例所选的不同的个别特性的组合。此外，即使当未在这种实施例中进行描述时，关于一个实施例所描述的元件也可在其他实施例中实施，除非另有说明外。

虽然从属权利要求可能在权利要求中参照了与一个或多个其他权利要求的特定组合，但其他实施例也可包括从属权利要求与每一个其他从属权利要求的主题的组合或一个或多个特性与其他从属或独立权利要求的组合。在本文中提出了这样的组合，除非指出本公开不意指特定的组合外。

通过上述文献引用所进行的任何并入是受到限制的，从而使与本文所公开内容的明确表示相反的主题不会并入本文。通过上述文献引用所进行的任何并入是进一步受到限制的，从而不会通过引用将包括在文献中的权利要求并入本文。通过上述文献引用所进行的任何并入仍是进一步受到限制的，从而不会通过引用将文献中提供的任何定义并入本文，除非在本文中明确包括的以外。

Claims (12)

1.一种背照式图像传感器，其特征在于包括：

基板，其具有前侧表面和背侧表面；

光电二极管，其被设置在所述基板中靠近所述前侧表面处；

绝缘层，其被设置在所述基板的所述背侧表面上；以及

固定电荷层，其被设置在所述绝缘层上且被配置成在所述光电二极管和所述背侧表面之间产生电荷累积区。

2.根据权利要求1所述的背照式图像传感器，其还包括：

高浓度杂质区，其被设置在所述基板中靠近所述前侧表面处且与所述光电二极管间隔开；以及

栅电极，其被设置在所述基板的所述前侧表面上所述光电二极管和所述高浓度杂质区之间。

3.根据权利要求1所述的背照式图像传感器，其中所述基板具有第一导电类型，且所述光电二极管具有第二导电类型。

4.根据权利要求3所述的背照式图像传感器，其还包括前侧钉扎层，其具有所述第一导电类型且被设置在所述光电二极管和所述基板的所述前侧表面之间。

5.根据权利要求3所述的背照式图像传感器，其还包括后侧钉扎层，其具有所述第一导电类型且被设置在所述光电二极管和所述基板的所述后侧表面之间。

6.一种背照式图像传感器，其特征在于包括：

基板，其具有前侧表面和背侧表面；

p型光电二极管，其被设置在所述基板中邻近所述前侧表面；

绝缘层，其被设置在所述基板的所述背侧表面上；以及

正固定电荷层，其被设置在所述绝缘层上且被配置成在所述光电二极管和所述背侧表面之间产生电荷累积区。

7.根据权利要求6所述的背照式图像传感器，其还包括n型前侧钉扎层，其被设置在所述p型光电二极管和所述基板的所述前侧表面之间。

8.根据权利要求6所述的背照式图像传感器，其还包括n型后侧钉扎层，其被设置在所述p型光电二极管和所述基板的所述后侧表面之间。

9.根据权利要求6所述的背照式图像传感器，其还包括：

p型高浓度杂质区，其被设置在所述基板的前侧表面部分中，要与所述p型光电二极管间隔开；以及

栅电极，其被设置在所述基板的所述前侧表面上所述p型光电二极管和所述p型高浓度杂质区之间。

10.根据权利要求6所述的背照式图像传感器，其中所述正固定电荷层包括氧化锆、铪硅氧化物、铪硅氮氧化物或氮化硅。

11.根据权利要求6所述的背照式图像传感器，其还包括：

第二绝缘层，其被设置在所述正固定电荷层上；以及

阻光图案，其被设置在所述第二绝缘层上。

12.根据权利要求11所述的背照式图像传感器，其还包括：

钝化层，其被设置在所述第二绝缘层和所述阻光图案上；

滤色器层，其被设置在所述钝化层上；以及

微透镜，其被设置在所述滤色器层上。