图像传感器及其形成方法

图像传感器及其形成方法
【专利摘要】一种图像传感器及其形成方法，所述图像传感器包括：半导体衬底；位于所述半导体衬底内的若干分立的光电二极管，所述光电二极管按矩阵排列；位于相邻光电二极管之间的浅沟槽隔离结构；位于所述浅沟槽隔离结构内的应力层，所述应力层对两侧的光电二极管施加压应力。所述图像传感器的暗电流减小。
【专利说明】图像传感器及其形成方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体【技术领域】，特别涉及图像传感器及其形成方法。

【背景技术】
[0002]图像传感器是将光学图像信号转换为电信号的半导体器件。以图像传感器作为关键零部件的产品成为当前以及未来业界关注的对象，吸引着众多厂商投入。以产品类别区分，图像传感器产品主要分为电荷稱合图像传感器(Charge-coupled Device imagesensor,简称CO)图像传感器)、互补型金属氧化物图像传感器(Complementary MetalOxide Semiconductor image sensor,简称CMOS传感器)。CMOS图像传感器是一种快速发展的固态图像传感器，由于CMOS图像传感器中的图像传感器部分和控制电路部分集成于同一芯片中，因此CMOS图像传感器的体积小、功耗低、价格低廉,相较于传统的CCD(电荷率禹合)图像传感器更具优势，也更易普及。
[0003]请参考图1，图1是现有的4T结构的CMOS图像传感器的电路结构示意图，包括:传输晶体管Ml、复位晶体管M2、源跟随晶体管M3、行选通晶体管M4。所述4T结构CMOS图像传感器的工作原理为:传输晶体管Ml用来将感光二极管F1D的光生电荷传输到浮置扩散区FD,复位晶体管M2用来对浮置扩散区FD复位，源跟随晶体管M3用来将浮置扩散区FD的电信号放大输出。其工作过程包括:由复位信号R控制复位晶体管M2开启，将浮置扩散区FD置为高电位；然后关断复位晶体管M2，并由传输信号T控制打开传输晶体管M1，将感光二极管H)中的光生电荷传输到浮置扩散区FD，使浮置扩散区FD产生压降，这个压降通过源跟随晶体管M3在行选通晶体管M4的输出端out输出，该输出的压降即为输出信号。
[0004]现有的图像传感器中存在较大的暗电流，暗电流是指器件在反向偏压的条件下，没有入射光时产生的反相直流电流，暗电流在图像传感器工作时，会掺入信号电流中，造成信号干扰，导致图像传感器性能下降。


【发明内容】

[0005]本发明解决的问题是提供一种图像传感器及其形成方法，减少图像传感器的暗电流。
[0006]为解决上述问题，本发明提供一种图像传感器，包括:半导体衬底；位于所述半导体衬底内的若干分立的光电二极管，所述光电二极管按矩阵排列；位于相邻光电二极管之间的浅沟槽隔离结构；位于所述浅沟槽隔离结构内的应力层，所述应力层对两侧的光电二极管施加压应力。
[0007]可选的，所述半导体衬底内包括若干像素单元，所述每一像素单元分别包含有光电二极管，所述浅沟槽隔离结构隔离不同像素单元的光电二极管。
[0008]可选的，所述半导体衬底材料为硅，所述应力层的晶格常数大于硅的晶格常数。
[0009]可选的，所述应力层的平均原子量大于浅沟槽隔离结构的原子量。
[0010]可选的，所述应力层的材料为SiGe、Ge或SiN。
[0011]可选的，所述应力层的侧壁、底部与半导体衬底之间还具有部分浅沟槽隔离结构。
[0012]可选的，所述应力层的侧壁与浅沟槽隔离结构侧壁的半导体衬底之间的距离为
100 A?O 2μιη
[0013]口」选的，所述应力层位于同一行的相邻光电二极管之间的浅沟槽隔离结构内或者所述应力层位于同一列的相邻光电二极管之间的浅沟槽隔离结构内。
[0014]可选的，所述应力层位于同一行的相邻光电二极管之间的浅沟槽隔离结构内，以及位于同一列的相邻光电二极管之间的浅沟槽隔离结构内。
[0015]为解决上述问题，本发明的技术方案还提供一种上述图像传感器的形成方法，包括:提供半导体衬底；在所述半导体衬底内形成浅沟槽隔离结构以及位于浅沟槽隔离结构两侧的光电二极管；在所述相邻光电二极管之间的浅沟槽隔离结构内形成凹槽；在所述凹槽内形成应力层，所述应力层对两侧的光电二极管施加压应力。
[0016]可选的，在形成所述应力层之后，再形成所述位于浅沟槽隔离结构两侧的光电二极管。
[0017]可选的，所述半导体衬底材料为硅，所述应力层的晶格常数大于硅的晶格常数。
[0018]可选的，所述应力层的平均原子量大于浅沟槽隔离结构的原子量。
[0019]可选的，所述应力层的材料为SiGe、Ge或SiN。
[0020]可选的，采用外延工艺形成所述应力层。
[0021]可选的，所述凹槽的形成方法包括:在所述半导体衬底、光电二极管和浅沟槽隔离结构表面形成图形化掩膜层，所述图形化掩膜层暴露出相邻光电二极管之间的部分浅沟槽隔离结构的表面；以所述图形化掩膜层为掩膜，刻蚀所述沟槽隔离结构，形成凹槽。
[0022]可选的，所述凹槽的侧壁和底部具有部分浅沟槽隔离结构。
[0023]可选的，所述应力层的侧壁与浅沟槽隔离结构侧壁的半导体衬底之间的距离为100A?0.2 μ m。
[0024]可选的，所述凹槽位于同一列的相邻光电二极管之间的浅沟槽隔离结构内或所述应力层位于同一列的相邻光电二极管之间的浅沟槽隔离结构内。
[0025]可选的，所述应力层位于同一行的相邻光电二极管之间的浅沟槽隔离结构内，以及位于同一列的相邻光电二极管之间的浅沟槽隔离结构内。
[0026]与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点:
[0027]本发明的技术方案提出的一种图像传感器，所述图像传感器包括若干分立光电二极管，相邻光电二极管之间具有浅沟槽隔离结构；在所述浅沟槽隔离结构内具有应力层，对光电二极管施加压应力，使得光电二极管的禁带宽度增大，提高了光电二极管内的电子发生自发跃迁的难度，从而可以减少图像传感器的暗电流，提高图像传感器的性能。并且，所述应力层位于浅沟槽隔离结构内，不需要占据额外的半导体衬底的面积，从而不会影响图像传感器的面积。
[0028]进一步的，所述应力层的材料晶格常数大于硅的晶格常数，从而由于晶格不匹配，能够对光电二极管施加压应力；所述应力层的材料的平均原子量大于浅沟槽隔离结构的原子量，从而由于重力作用，也会对光电二极管施加压应力作用，进一步提高图像传感器的性倉泛。
[0029]本发明的技术方案还提供一种上述图像传感器的形成方法，在半导体衬底内形成光电二极管和位于相邻光电二极管之间的浅沟槽隔离结构之后，在所述浅沟槽隔离结构内形成凹槽，再在所述凹槽内形成应力层。所述凹槽形成与浅沟槽隔离结构内，不会对半导体衬底上的其他区域造成影响，并且在所述凹槽内形成的应力层也不会额外占据半导体衬底的面积。

【专利附图】

【附图说明】
[0030]图1是本发明的现有技术的图像传感器的电路结构示意图；
[0031]图2至图7是本发明的一个实施例的图像传感器及其形成过程的结构示意图；
[0032]图8至图12是本发明的另一个实施例的图像传感器及其形成过程的结构示意图；
[0033]图13至图15是本发明的另一个实施例的图像传感器的封装结构和封装方法的结构示意图。

【具体实施方式】
[0034]如【背景技术】中所述，现有技术的图像传感器的暗电流较大，影响图像传感器的性倉泛。
[0035]研究发现，图像传感器的暗电流通常是由很多不同的因素导致，主要包括光电二极管内的缺陷、光电二极管材料的禁带宽度等。对于光电二极管内的缺陷通常是由离子注入工艺造成，通常是无法完全消除的。而光电二极管材料的禁带宽度决定了光电二极管内的电子发生自发跃迁的难度，禁带宽度越大，电子从价带自发跃迁到导带的难度越大，从而产生暗电流的难度也较大。
[0036]进一步研究发现，光电二极管的材料在受到压应力时，禁带宽度会增大，从而能够有效减小暗电流。
[0037]基于上述发现，本发明的实施例中，通过对光电二极管施加压应力，提高所述光电二极管的禁带宽度，进而提高图像传感器的性能。
[0038]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
[0039]请参考图2，为本发明的一个实施例的图像传感器的剖面结构示意图。
[0040]所述图像传感器包括:半导体衬底100 ;位于所述半导体衬底内的若干分离的光电二极管101，所述光电二极管101按矩阵排列；位于相邻光电二极管之间的浅沟槽隔离结构110 ;位于所述浅沟槽隔离结构内的应力层，所述应力层对两侧的光电二极管施加压应力。
[0041]具体的，所述半导体衬底100用于形成器件结构或芯片电路，所述半导体衬底100的材料包括硅、锗、锗化硅、砷化镓等半导体材料，所述半导体衬底100可以是体材料也可以是复合结构如绝缘体上硅。本领域的技术人员可以根据半导体衬底100上形成的半导体器件选择所述半导体衬底100的类型，因此所述半导体衬底的类型不应限制本发明的保护范围。
[0042]所述半导体衬底100还可以是包括基底、以及通过外延工艺形成于基底表面的外延层，所述基底的较厚，掺杂浓度较大，缺陷很多；而基底表面的外延层一般只有几微米，掺杂浓度较低，缺陷很少。所述光电二极管101位于所述外延层内。此外，所述半导体衬底100内还可以具有阱区。所述外延层为P型掺杂的单晶硅层。
[0043]本实施例中，所述半导体衬底100为P型掺杂的单晶硅，所述半导体衬底100内具有P阱。
[0044]所述光电二极管101能够在受到外界光强激发的情况下，产生光生载流子，即电子。所述光电二极管101能够通过离子注入工艺形成，而且，通过控制离子注入的能量和浓度，能够控制离子注入的深度和注入范围，从而控制光电二极管101的深度和厚度。
[0045]本实施例中，所述光电二极管101包括N型掺杂区，所述N型掺杂区的掺杂离子包括磷离子、砷离子或锑离子中的一种或几种N型掺杂离子。所述光电二极管101为图像传感器的像素单元的光敏器件，用于产生光剩载流子。所述光电二极管101在半导体衬底100内按照矩阵形式排列。本实施例中，以图像传感器中的像素单元阵列中的同一行的两个相邻像素单元作为示例，其中包括相邻的两个光电二极管101。在本发明的其他实施例中，所述图像传感器还可以包括其他数量的光电二极管。
[0046]所述半导体衬底100包括若干像素单元，所述光电二极管101作为图像传感器的像素单元的一部分，所述像素单元还包括每个光电二极管101周围的半导体衬底100上的用于获取和输出电信号的像素电路，包括传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、行选通晶体管等。图2中未示出上述晶体管以及半导体衬底100的其他区域。
[0047]相邻光电二极管101之间通过浅沟槽隔离结构隔离110隔离，同时所述浅沟槽隔离作为相连像素单元之间的隔离结构。在本发明的其他实施例中，所述浅沟槽隔离结构110下方或者两侧还可以具有阱区隔离相邻的光电二极管101。所述浅沟槽隔离结构110的材料为的材料为氧化硅。
[0048]所述浅沟槽隔离结构110内具有应力层120。本实施例中，所述应力层120位于所述浅沟槽隔结构110内部，所述应力层120与半导体衬底100之间还具有部分浅沟槽隔离结构110，所述部分浅沟槽隔离结构110可以避免所述应力层120与应力层120导通。若所述应力层120直接与半导体衬底100接触可能导致相邻的光电二极管101之间导通，从而影响图像传感器的性能。
[0049]本实施例中，所述应力层120的侧壁、底部与浅沟槽隔离结构110侧壁的半导体衬底100之间的距离为100Α?0.2μιη,从而使得所述应力层120能够与所述半导体衬底100隔离。
[0050]所述应力层120的晶格常数大于硅的晶格常数，从而能够对所述半导体衬底100施加压应力，所述压应力能够通过所述应力层120与半导体衬底100之间的浅沟槽隔离结构传递给两侧的光电二极管101。所述压应力可以提高所述光电二极管101的禁带宽度，从而使得所述光电二极管101内的电子无法通过自发跃迁至导带，从而可以减少所述图像传感器的暗电流，提高图像传感器的性能。所述应力层I1的材料可以是SiGe、Ge或SiN。上述材料的晶格常数均大于硅的晶格常数，可以对光电二极管施加压应力。
[0051]并且，所述应力层120的具有倾斜的侧壁，所述应力层120的顶部宽度大于底部宽度，采用SiGe、Ge形成的应力层120的平均原子量大于浅沟槽隔离结构110的平均原子量，从而在所浅沟槽隔离结构110内形成所述应力层120，由于重力作用，所述应力层120能够对其侧壁及其底部的浅沟槽隔离结构110施加压应力作用，从而进一步提高所述应力层120对光电二极管101施加的压应力，进一步减少图像传感器的暗电流。在本发明的其他实施例中，所述应力层120的密度大于浅沟槽隔离结构110的密度，在体积相同的情况下，使得形成的应力层受到的重力大于去除的部分浅沟槽隔离结构所受到的重力，从而所述应力层120可以对侧壁及底部的浅沟槽隔离结构110施加压应力作用，所述应力层120的材料还可以是SiN。
[0052]本实施例中，所述应力层120的材料为SiGe。
[0053]在本发明的其他实施例中，所述半导体衬底100内形成有光电二极管101阵列，所述光电二极管101按照矩阵排列。同一行内的相邻光电二极管101之间具有浅沟槽隔离结构110，同一列的相邻光电二极管101之间也具有浅沟槽隔离结构101。在本发明的一个实施例中，所述应力层120位于同一行的相邻光电二极管101之间的浅沟槽隔离结构110。在本发明的另一实施例中，所述应力层120可以位于同一列的相邻光电二极管101之间浅沟槽隔离结构110。在本发明的另一实施例中，所述应力层120位于同一行的相邻光电二极管101之间的浅沟槽隔离结构110内，以及位于同一列的相邻光电二极管101之间的浅沟槽隔离结构110内，可以对光电二极管101的各个方向都施加压应力，从而提高所述光电二极管101的禁带宽度，从而减少图像传感器的暗电流，进而提高所述图像传感器的性能。
[0054]请参考图3，为本发明的另一实施例的图像传感器的剖面示意图。其中，两个相邻光电二极管101之间的浅沟槽隔离结构内具有两个应力层121，且所述应力层121的一侧侧壁与半导体衬底100直接接触，两个应力层121之间仍具有部分宽度的浅沟槽隔离结构110，作为应力层121之间的隔离结构，同时作为相邻光电二极管101之间的隔离结构。该实施例中，所述应力层121与半导体衬底100之间直接接触，减小了所述应力层121与光电二极管101之间的距离，且所述应力层121与半导体衬底100界面上的晶格失配产生的应力能够直接传递给半导体衬底100内的光电二极管101，从而提高所述光电二极管101受到的应力作用，进而对暗电流的减少效果更好。
[0055]本实施例还提供了上述图像传感器的形成方法，包括:提供半导体衬底；在所述半导体衬底内形成浅沟槽隔离结构以及位于浅沟槽隔离结构两侧的光电二极管；在所述相邻光电二极管之间的浅沟槽隔离结构内形成凹槽；在所述凹槽内形成应力层，所述应力层对两侧的光电二极管施加压应力。
[0056]请参考图4，提供半导体衬底100，在所述半导体衬底100内形成浅沟槽隔离结构110，以及位于所述浅沟槽隔离结构两侧的光电二极管101。
[0057]所述半导体衬底100用于形成器件结构或芯片电路，所述半导体衬底100的材料包括硅、锗、锗化硅、砷化镓等半导体材料，所述半导体衬底100可以是体材料也可以是复合结构如绝缘体上硅。本领域的技术人员可以根据半导体衬底100上形成的半导体器件选择所述半导体衬底100的类型，因此所述半导体衬底的类型不应限制本发明的保护范围。
[0058]此外，所述半导体衬底100还能够包括半导体基底、以及通过外延工艺形成于半导体基底表面的外延层，而所述光电二极管、浅沟槽隔离结构形成于外延层内部或表面。此夕卜，所述半导体衬底100内具有阱区。本实施例中，所述半导体衬底100为P型掺杂的单晶硅，所述半导体衬底100内具有P阱。
[0059]所述浅沟槽隔离结构110的形成方法包括:在所述半导体衬底100形成图形化掩膜层，所述图形化掩膜层覆盖有源区，暴露出需要形成浅沟槽隔离结构的区域；以所述图形化掩膜层为掩膜刻蚀所述半导体衬底100，形成沟槽；然后去除所述图形化掩膜层，在所述沟槽内填充绝缘材料，所述绝缘材料填充满所述沟槽并覆盖半导体衬底100的表面；以所述半导体衬底100表面作为停止层，对所述绝缘材料进行平坦化，或回刻蚀，去除位于半导体衬底100表面的绝缘材料，形成位于半导体衬底100内的绝缘材料层，作为浅沟槽隔离结构 110。
[0060]可以采用化学气相沉积工艺、可流动性化学沉积工艺、高深宽比沉积工艺等形成所述绝缘介质材料,所述绝缘介质材料为氧化娃。在填充所述绝缘介质材料之前，还可以采用热氧化工艺或原子层沉积工艺在所述沟槽内壁表面形成一层垫氧化层，以修复所述沟槽内壁表面的缺陷，提高绝缘介质材料的沉积质量和隔离性能。
[0061]所述光电二极管101的形成方法包括:在所述半导体衬底100上形成掩膜层，所述掩膜层定义光电二级管101的位置和尺寸，以所述掩膜层为掩膜，对所述半导体衬底100进行离子注入，形成与半导体衬底100掺杂类型相反的掺杂层，作为光电二极管101。本实施例中，所述半导体衬底100为P型衬底，对半导体衬底100进行N型离子注入，形成N型掺杂层，所述N型离子包括磷离子、砷离子或锑离子。通过控制离子注入的能量和浓度，能够控制离子注入的深度和注入范围，从而控制光电二极管101的深度和厚度。
[0062]位于浅沟槽隔离结构110两侧的光电二极管101之间通过所述浅沟槽隔离结构110隔离，本实施例中，所述浅沟槽隔离结构两侧的光电二极管101为像素阵列中的位于同一行的相邻像素单元的光电二极管。所述光电二极管101能够在受到外界光强激发的情况下，产生光生载流子，即电子。
[0063]在本发明的其他实施例中，也可以在N型的半导体衬底内形成P型掺杂层作为光电二极管，此时，所述光电二极管手机的光生载流子为空穴。
[0064]由于半导体衬底100的材料禁带宽度较小，所述光电二极管内的电子会发生自发跃迁至导带，在图像传感器工作时，形成暗电流，导致所述图像传感器输出信号不准确，从而影响图像传感器的性能。
[0065]请参考图5，在所述相邻光电二极管101之间的浅沟槽隔离结构110内形成凹槽111。
[0066]所述凹槽111的形成方法包括:在所述半导体衬底100、光电二极管101和浅沟槽隔离结构110表面形成图形化掩膜层，所述图形化掩膜层暴露出相邻光电二极管101之间的部分浅沟槽隔离结构110的表面；以所述图形化掩膜层为掩膜，刻蚀所述沟槽隔离结构110，形成凹槽111。所述凹槽111采用干法刻蚀工艺形成，所述干法刻蚀工艺采用的刻蚀气体包括cf4、C2F6或C3F8等含氟气体。所述凹槽111具有倾斜侧壁，使得所述凹槽111的顶部览度大于底部览度。
[0067]本实施例中，所述凹槽111的侧壁和底部还具有部分浅沟槽隔离结构110。从而可以使后续在所述凹槽111内形成的应力层与光电二极管101之间隔离。所述凹槽111的侧壁与底部与半导体衬底100之间的距离为100A?0.2 μ m,从而使得后续在凹槽111内形成的应力层与半导体衬底100之间的浅沟槽隔离结构110具有足够的厚度，起到隔离作用。
[0068]在本发明的其他实施例中，在半导体衬底100内形成光电二极管101的阵列，所述光电二极管101在半导体衬底100内按照矩阵形式排列。同一行内的相邻光电二极管101之间具有浅沟槽隔离结构110，同一列的相邻光电二极管101之间也具有浅沟槽隔离结构101。在本发明的一个实施例中，可以在同一行的相邻光电二极管101之间的浅沟槽隔离结构I1内形成所述凹槽111。在本发明的另一实施例中，可以在同一列的相邻光电二极管101之间浅沟槽隔离结构110内形成所述凹槽111。在本发明的另一实施例中，还同时在同一行的相邻光电二极管101之间的浅沟槽隔离结构110内，以及同一列的相邻光电二极管101之间的浅沟槽隔离结构110内形成所述凹槽111，后续在所述凹槽111内形成的应力层可以对光电二极管101的各个方向都施加压应力，从而提高所述光电二极管101的禁带宽度，从而减少图像传感器的暗电流，进而提高所述图像传感器的性能。
[0069]请参考图6，在所述凹槽111 (请参考图5)内以及半导体衬底100和浅沟槽隔离结构110表面形成填充满所述凹槽111的应力材料层120a。
[0070]采用外延工艺形成所述应力材料层120a，所述应力材料层120a的晶格常数大于硅的晶格常数，后续位于凹槽111内的部分应力材料层120a作为应力层，能够对所述半导体衬底100施加压应力，所述压应力能够通过所述应力层与半导体衬底100之间的浅沟槽隔离结构110传递给两侧的光电二极管101。所述压应力可以提高所述光电二极管101的禁带宽度，从而使得所述光电二极管101内的电子无法通过自发跃迁至导带，从而可以减少所述图像传感器的暗电流，提高图像传感器的性能。所述应力层110的材料可以是SiGe、Ge 或 SiN0
[0071]所述应力材料层120a的材料为SiGe。采用外延工艺形成所述应力材料层120a。具体的，所述外延工艺采用的反应气体包括锗源气体、硅源气体和H2，其中，锗源气体为GeH4,硅源气体包括SiH4或SiH2Cl2，锗源气体、硅源气体的气体流量为Isccm?lOOOsccm，H2的流量为0.1slm?50slm，所述选择性外延工艺的温度为500°C?800°C，压强为ITorr?10Torr0
[0072]请参考图2，对所述应力材料层120a进行平坦化，去除位于光电二极管101、浅沟槽隔离结构110表面的应力材料层120a，形成所述应力层120。
[0073]由于所述应力层120具有倾斜的侧壁，所述应力层120的顶部宽度大于底部宽度，采用SiGe、Ge形成的应力层120的平均原子量大于浅沟槽隔离结构110的平均原子量，从而在所浅沟槽隔离结构110内形成所述应力层120，由于重力作用，所述应力层120能够对其侧壁及其底部的浅沟槽隔离结构110施加压应力作用，从而进一步提高所述应力层120对光电二极管101施加的压应力，进一步减少图像传感器的暗电流。在本发明的其他实施例中，所述应力层120的密度大于浅沟槽隔离结构110的密度，在体积相同的情况下，使得形成的应力层受到的重力大于去除的部分浅沟槽隔离结构所受到的重力，从而所述应力层120可以对侧壁及底部的浅沟槽隔离结构110施加压应力作用，所述应力层120的材料还可以是SiN。在本发明的其他实施例中，也可以在采用上述方法形成所述应力层120之后，再形成所述位于浅沟槽隔离结构两侧的所述光电二极管101。
[0074]请参考图7，为本发明的另一实施中，在所述浅沟槽隔离结构110内形成的凹槽112的剖面示意图。
[0075]该实施例中，在两个相邻的光电二极管101之间的浅沟槽隔离结构内形成两个凹槽112，且所述凹槽112的一侧侧壁暴露出半导体衬底100，两个凹槽112之间还具有部分宽度的浅沟槽隔离结构110，作为后续形成的应力层之间的隔离结构，同时作为相邻光电二极管101之间的隔离结构。后续在所述凹槽112内形成的应力层可以与半导体衬底100直接接触，减少应力层与光电二极管101之间的距离，且所述应力层与半导体衬底100界面上的晶格失配产生的应力能够直接传递给半导体衬底100内的光电二极管101，从而提高所述光电二极管101受到的应力作用，进而对暗电流的减少效果更好。
[0076]请参考图3,为在凹槽112 (请参考图7)内形成应力层121之后的剖面示意图。所述应力层121可以对光电二极管101施加较大的应力，从而提高图像传感器的性能。
[0077]图像传感器的像素结构本身都是不具有色彩传感功能的，即只对入射光强敏感，对入射光波长不敏感。因此，为了获得彩色感知功能，最常用的做法，是在图像传感器的像素阵列上覆盖彩色滤光片(CFA，color filter film)阵列。本发明的一个实施例中，通过所述彩色滤光片，对所述图像传感器的光电二极管施加应力作用。
[0078]请参考图8和图9，所述图像传感器包括:半导体衬底200，所述半导体衬底200包括像素单元阵列，所述像素单元包括光电二极管101;位于所述像素单元阵列上的彩色滤光应力膜220，所述彩色滤光应力膜220对光电二极管101施加压应力。图9为俯视示意图，图8为沿图9中割线AA’的剖面示意图。为了便于表示出所述光电二极管101在彩色滤光应力膜220下方的排列规则，所述图9中彩色滤光应力膜220具有一定的透明度，以示出其下方的光电二极管101。
[0079]所述半导体衬底200的材料在此不作赘述，本实施例中，所述半导体衬底100为P型掺杂的单晶硅衬底。
[0080]所述半导体衬底200内的像素单元包括光电二极管201以及位于光电二极管201周边的半导体器件，包括:所述图像传感器还包括复位晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、行选通晶体管。所述半导体器件可以根据图像传感器的具体布局设计进行分布，在此不作限制。
[0081]所述相邻光电二极管201之间可以通过浅沟槽隔离结构或者阱区隔离。所述光电二极管201在受到光照时会载流子，本实施例中，所述光电二极管201包括N型掺杂层，所述N型掺杂离子包括磷离子、砷离子或锑离子。
[0082]所述半导体衬底100内形成有按矩阵排列的像素单元阵列，本实施例中图8、图9以及后续附图中，以所述光电二极管201代表像素单元。本实施例中，以3X3的像素单元阵列为示例。在本发明的其他实施例中，半导体衬底100内可以具有其他数量的像素单元，可以根据图像传感器的像素要求设定。
[0083]所述半导体衬底200表面具有层间介质层210,所述层间介质层210的材料为透光率较高的绝缘介质材料，避免在图像传感器工作时，对入射光造成较大的吸收而降低图像传感器的光敏感性。例如，所述层间介质层210的材料可以氧化硅、掺磷氧化硅、掺硼氧化硅等，所述层间介质层210可以采用原子层沉积工艺、高密度等离子体气相沉积工艺、低压等离子体化学气相沉积工艺等方法形成。所述层间介质层210还可以是多层堆叠结构，同时，所述层间介质层210内也具有金属互连结构211，所述金属互连结构211与下方的像素单元构成电路，用于对像素单元进行控制。所述金属互连结构211的具体分布及连接方式可以根据图像传感器的电路结构设计进行布局，在此不作限制。图9中，省略了所述金属互连结构211。
[0084]所述彩色滤光应力膜220位于所述层间介质层210表面，所述彩色滤光应力膜220内包括红(R)、绿(G)和蓝(B)单元，且根据设定，所述彩色单元位置与其下方的像素单元位置准确对应，使不同彩色单元下方的像素单元能够接收到不同波长的入射光。
[0085]所述彩色滤光应力膜220的材料收缩率大于0.5%，使得在所述层间介质层210表面形成彩色滤光应力膜220之后，所述彩色滤光应力膜220在冷却或室温情况下发生收缩，对下方的层间介质层210产生横向的压应力，所述横向的压应力可以通过所述层间介质层210向下传递给下方的光电二极管201,使所述光电二极管201也受到横向压应力的作用，使得所述光电二极管201材料的禁带宽度变大，使得所述光电二极管201内的电子跃迁数量减少，从而可以减少图像传感器的暗电流，进而提闻图像传感器的性能。
[0086]所述彩色滤光应力膜220的材料包括:染色剂和聚合物，所述聚合物作为成膜基底材料，染色剂分散在聚合物层中，使聚合物层具有色彩。所述染色剂包括红(R)、绿(G)和蓝(B)三种，根据彩色滤光应力膜220的色彩分布涉及，在不同的像素单元上方的聚合物层内具有各自对应的染色剂。
[0087]所述聚合物的材料可以为聚甲基丙烯酸甲脂、聚碳酸酯、聚丙乙烯或聚砜等透明聚合物。上述聚合物具有较高的收缩率，在成形后体积小于成形前体积，所以，位于层间介质层210表面的已成型固化的彩色滤光应力膜220会对其下方的层间介质层210以及下方的光电二极管201产生横向的压应力作用，而减少图像传感器的暗电流。所述聚合物材料的收缩率大于1%时，能够对光电二极管施加足够的压应力以减少暗电流。但是，所述聚合物材料的收缩率也不能过大，避免形成的彩色滤光应力膜220破裂或变形反而影响图像传感器的性能，所述聚合物材料的收缩率小于30%较佳。
[0088]所述彩色滤光应力膜220的应力大小也与其厚度相关,所述彩色滤光应力膜220的厚度越大，对方的材料层施加的应力越大。在本发明的一个实施例中，所述彩色滤光应力膜220的厚度为0.5 μ m?3 μ m，所述彩色滤光应力膜220的厚度在0.5 μ m以上，可以对光电二极管201产生足够的压应力作用；所述彩色滤光应力膜220的厚度在3 μ m以下，能够避免厚度过大导致彩色滤光应力膜220内部应力过大，而发生翘曲变形等问题而影响图像传感器的性能。
[0089]本实施例中，所述层间介质层210内的金属互连结构211也可以采用原子量较重的金属形成。与现有技术多采用Al作为金属互连结构211的材料相比，本实施例中，可以采用原子量大于Al的原子量的金属材料形成所述金属互连结构211。所述金属材料可以是CiuTa或Ti等。与现有技术相比，由于本实施例中，所述金属材料的原子量更大，在重力作用下，能够在垂直方向上，对层间介质层210下方的半导体衬底100施加更大的压应力作用，从而提高所述光电二极管201的禁带宽度，进而减少图像传感器的暗电流，提高图形传感器的性能。
[0090]本实施例中还提供一种图8和图9所示的图像传感器的形成方法，包括:提供半导体衬底，所述半导体衬底包括像素单元，所述像素单元内包括光电二极管；在所述像素单元上形成彩色滤光应力膜，所述彩色滤光应力膜对光电二极管施加压应力。
[0091]请参考图10和图11，提供半导体衬底200，所述半导体衬底200包括像素单元阵列，所述像素单元包括光电二极管201。图10为所述半导体衬底200的俯视示意图，图11为沿图10中割线BB’的剖面示意图。
[0092]所述半导体衬底100的材料以及光电二极管201的形成方法请参考前述实施例，在此不作赘述。本实施例中，所述像素单元包括光电二极管201以及位于光电二极管201周边的半导体器件，包括:所述图像传感器还包括复位晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、行选通晶体管。所述半导体器件可以根据图像传感器的具体布局设计进行分布，在此不作限制。本实施例中，以所述光电二极管201代表像素单元。
[0093]请参考图12，在所述半导体衬底200以及光电二极管201表面形成层间介质层210以及位于所述层间介质层210内的金属互连结构211。
[0094]所述层间介质层210的材料可以是氧化硅、掺硼氧化硅、掺磷氧化硅等绝缘介质材料，可以采用原子层沉积工艺、高密度等离子体气相沉积工艺、低压等离子体化学气相沉积工艺等方法形成。本实施例中，所述层间介质层210的材料为氧化硅。
[0095]在所述层间介质层210内形成金属互连结构211，所述金属互连结构211包括互连通孔和金属互连线，可以通过大马士革工艺在所述层间介质层210内形成所述金属互连结构211。在所述介质层210内形成通孔和凹槽，然后在所述通孔和凹槽内填充金属材料并进行平坦化，形成所述金属互连结构211。
[0096]所述金属互连结构211的材料为原子量较大的金属材料。现有技术中，所述金属互连结构211的材料通常采用Al，成本较低，且导电效率较高。本实施例中，所述金属互连结构211的材料的原子量大于Al的原子量，可以是CiuTa或Ti等。与现有技术相比，由于本实施例中，所述金属材料的原子量更大，在重力作用下，能够在垂直方向上，对层间介质层210下方的半导体衬底100施加更大的压应力作用，从而提高所述光电二极管201的禁带宽度，进而减少图像传感器的暗电流，提高图形传感器的性能。
[0097]继续请参考图8，在所述层间介质层210上形成彩色滤光应力膜220，所述彩色滤光应力膜220对光电二极管201施加压应力。
[0098]所述彩色滤光应力膜220内包括红(R)、绿(G)和蓝(B)单元，且根据设定，所述彩色单元位置与其下方的像素单元位置准确对应，使不同彩色单元下方的像素单元能够接收到不同波长的入射光。
[0099]所述彩色滤光应力膜220的材料包括:染色剂和聚合物，所述聚合物作为成膜基底材料，染色剂分散在聚合物层中，使聚合物层具有色彩。所述染色剂包括红(R)、绿(G)和蓝(B)三种，根据彩色滤光应力膜220的色彩分布涉及，在不同的像素单元上方的聚合物层内具有各自对应的染色剂。
[0100]形成所述彩色滤光应力膜220的方法包括:在高温下熔融状态的聚合物内分散染色剂，形成红(R)、绿(G)和蓝(B)的彩色滤光应力膜材料，然后采用旋涂工艺将所述彩色滤光应力膜材料涂布在层间介质层表面，使所述彩色滤光应力膜材料冷却后固化成形，形成彩色滤光应力膜220。
[0101]具体的，为了使所述彩色滤光应力膜220的色彩分布与像素单元位置对应，需要分别形成所述具有不同颜色的彩色滤光应力膜220。可以在采用上述方法，在所述层间介质层210表面形成红色彩色滤光应力膜220之后，对所述红色彩色滤光应力膜220进行红色彩色滤光应力膜220进行图形化，仅保留部分像素单元上方的红色单元；然后再采用上述方法在其他像素单元上形成绿色单元和蓝色单元；上述红色单元、绿色单元和蓝色单元构成彩色滤光应力膜220。
[0102]所述彩色滤光应力膜220的材料的收缩率大于0.5%，使得其在熔融状态下的体积大于其冷却固化后的体积，且两者相差较大，从而使得冷却后形成的彩色滤光应力膜220具有收缩趋势，从而受到层间介质层210施加的横向的张应力作用，相应的，所述层间介质层210也受到所述彩色滤光应力膜220的横向压应力作用，并且通过所述层间介质层210将所述横向压应力施加给下方的半导体衬底200，使所述半导体衬底200内的光电二极管201也受到压应力作用，从而提高所述光电二极管201的材料的禁带宽度，进而减少所述图形传感器的暗电流，提高图像传感器的性能。
[0103]所述彩色滤光应力膜220的收缩率，体现在聚合物的收缩率。本实施例中，所述聚合物的材料可以是聚甲基丙烯酸甲脂、聚碳酸酯、聚丙乙烯或聚砜等透明且具有较高收缩率的聚合物材料。所述彩色滤光应力膜220的收缩率也不能过大，避免在形成所述彩色滤光应力膜220的过程中由于受到应力过大发生破裂或变形问题，反而影响图像传感器的性能，所述聚合物材料的收缩率小于30%较佳。
[0104]本实施例中，还可以控制所述彩色滤光应力膜220的厚度为0.5μπι?3μπι，所述彩色滤光应力膜220的厚度在0.5μπι以上，可以对光电二极管201产生足够的压应力作用；所述彩色滤光应力膜220的厚度在3 μ m以下，能够避免厚度过大导致彩色滤光应力膜220内部应力过大，而发生翘曲变形等问题而影响图像传感器的性能。
[0105]上述方法形成的图像传感器的彩色滤光应力膜220可以对光电二极管施加压应力，从而降低图像传感器的暗电流，提高图像传感器的性能。
[0106]图像传感器在工作过程中容易受到外界环境的污染，所以需要对图像传感器进行封装，使图像传感器处于密封环境下，从而避免外界环境对图像传感器的影响，从而提高图像传感器的性能和使用寿命。
[0107]本发明的实施例中，提供一种图像传感器的封装结构。
[0108]请参考图13，所述封装结构包括:图像传感器，所述图像传感器包括:半导体衬底300、位于半导体衬底300上的图像感应区301 ;封装基板310，所述封装基板310大小与图像传感器大小对应；辅助基板320，所述辅助基板320位于图像传感器与封装基板310之间，所述辅助基板320与部分封装基板310、部分图像传感器之间构成密封腔302，所述图像感应区301位于所述密封腔302内；位于所述封装基板310侧壁和半导体衬底300侧壁表面的夹持部330，所述夹持部330对所述图像传感器施加压应力；位于所述封装基板310与图像传感器之间的粘合层340。本实施例中，所述半导体衬底300为硅衬底，所述图像感应区201内包括像素单元阵列及电路。
[0109]所述封装基板310的材料可以是玻璃、塑料或蓝宝石等透明材料，并且所述封装基板310的大小与图像传感器的大小对应。所述封装基板310顶部可以制作有红外滤光膜(IR)，在底部制作有光学增透膜(AR)，或者于顶部制作IR膜，于底部制作AR膜；从而增大封装基板310的透光性和防红外干扰性能。所述辅助基板320的材料也可以为玻璃、塑料或蓝宝石等透明材料。所述图像感应区位于所述密封腔302内，可以避免所述图像感应区受到污染。
[0110]所述夹持部330为有机聚合物材料，所述聚合物材料具有一定的弹性，可以为聚丙乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯等。所述夹持部330位于所述封装基板310侧壁和半导体衬底300侧壁表面，压紧所述图像传感器的半导体衬底300，从而会对所述半导体衬底100施加横向的压应力作用，从而提高所述半导体衬底100的禁带宽度，提高图像传感器的图像感应区与内的光电二极管内的电子发生自发跃迁的难度，进而降低图像传感器的暗电流，提高图像传感器的性能。
[0111]具体的，所述封装基板310的尺寸可以略小于半导体衬底300的尺寸，从而使得位于所述封装基板310侧壁表面的夹持部330之间的距离小于半导体衬底300的尺寸。当形成如图13所述的封装结构时，所述夹持部330位于半导体衬底300侧壁表面，从而使得夹持部330具有一定的形变，使得所述夹持部330受到半导体衬底300施加的压应力作用，相对的，所述半导体衬底300也自然受到夹持部330施加的压应力作用。本实施例中，所述封装基板310与半导体衬底300之间的尺寸差异为500nm?5 μ m,使得所述封装结构中，所述夹持部330具有足够的形变，对半导体衬底300施加足够的应力。所述尺寸差异不能过大，否则所述夹持部330的形变过大，无法紧密贴合所述半导体衬底300的侧壁。
[0112]所述图像传感器还包括:位于半导体衬底300表面、位于图像感应区301外围的焊盘以及键合在所述焊盘上的金属线。所述夹持部330可以位于封装基板310和半导体衬底300的部分表面，从而使得所述焊盘上的金属线可以延伸至封装结构外部，提供输入或输出端口。
[0113]所述夹持部330为聚合物材料，具有较好的绝缘特性,不仅能够对半导体衬底300提供压应力作用，还可以起到一定的隔离作用，进一步保护所述图像传感器，避免所述图像传感器受到损伤。
[0114]本发明的实施例还提供上述图像传感器的封装方法。
[0115]请参考图14，提供图像传感器，所述图像传感器包括:半导体衬底300、位于半导体衬底300上的图像感应区301。所述图像感应区301内包括像素单元阵列，所述像素单元包括光电二极管。本实施例中，所述半导体衬底300具有第一尺寸dl。
[0116]请参考图15，提供封装基板310，所述封装基板310上形成有辅助基板320，所述辅助基板320与封装基板310构成凹槽，所述封装基板310侧壁表面具有夹持部330，所述夹持部330高度大于封装基板310的厚度。
[0117]所述封装基板310的材料可以是玻璃、塑料或蓝宝石等透明材料，并且所述封装基板310的大小与图像传感器的大小对应，所述封装基板310顶部可以制作有红外滤光膜(IR)，在底部制作有光学增透膜(AR)，或者于顶部制作IR膜，于底部制作AR膜；从而增大封装基板310的透光性和防红外干扰性能。所述辅助基板320的材料也可以为玻璃、塑料或蓝宝石等透明材料。所述夹持部330为有机聚合物材料，所述聚合物材料具有一定的弹性，可以为聚丙乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯等。
[0118]本实施例中，所述封装基板310具有第二尺寸d2，从而使得位于封装基板310侧壁表面的夹持部330之间的间距为d2。本实施例中所述第二尺寸d2略小于第一尺寸dl，具体的所述dl与d2之间的差异为500nm?5 μ m。
[0119]请继续参考图13，对所述夹持部330加热，使夹持部330软化，同时粘合所述封装基板310与图像传感器，使所述图像传感器的图像感应区301位于凹槽内，所述图像传感器、辅助基板320和封装基板310构成密封腔302，且所述图像传感器嵌于所述夹持部330高于封装基板310的部分之间，使部分所述夹持部330位于半导体衬底300侧壁表面。
[0120]由于所述夹持部330为聚合物材料，在加热状态下会发生软化，虽然夹持部330之间的距离d2略小于半导体衬底300的尺寸dl，但是，在粘合过程中，半导体衬底300依然能够嵌入所述夹持部330之间。对所述夹持部330加热，使夹持部330的温度为100°C?2000C，使所述夹持部330具有一定的柔韧度，且不至于熔化。
[0121]所述图像传感器还包括位于半导体衬底300表面、位于图像感应区301外围的焊盘；在对所述封装基板310与图像传感器进行粘合之前，在所述焊盘上键合金属线。在粘合过程中，在所述封装基板310与图像传感器之间填充粘合胶，形成粘合层340。在粘合后冷却过程中，所述夹持部330固化定形，对半导体衬底300施加压应力，从而可以提高所述半导体衬底300的禁带宽度，减小图像传感器的暗电流，提高图像传感器的性能。
[0122]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。
【权利要求】
1.一种图像传感器，其特征在于，包括: 半导体衬底； 位于所述半导体衬底内的若干分立的光电二极管，所述光电二极管按矩阵排列； 位于相邻光电二极管之间的浅沟槽隔离结构； 位于所述浅沟槽隔离结构内的应力层，所述应力层对两侧的光电二极管施加压应力。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述半导体衬底内包括若干像素单元，所述每一像素单元分别包含有光电二极管，所述浅沟槽隔离结构隔离不同像素单元的光电二极管。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述半导体衬底材料为硅，所述应力层的晶格常数大于硅的晶格常数。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述应力层的平均原子量大于浅沟槽隔离结构的原子量。
5.根据权利要求3或4所述的图像传感器，其特征在于，所述应力层的材料为SiGe、Ge或 SiN。
6.根据权利要求3或4所述的图像传感器，其特征在于，所述应力层的侧壁、底部与半导体衬底之间还具有部分浅沟槽隔离结构。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，所述应力层的侧壁与浅沟槽隔离结构侧壁的半导体衬底之间的距离为100Α?0.2μιτι。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述应力层位于同一行的相邻光电二极管之间的浅沟槽隔离结构内或者所述应力层位于同一列的相邻光电二极管之间的浅沟槽隔离结构内。
9.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述应力层位于同一行的相邻光电二极管之间的浅沟槽隔离结构内，以及位于同一列的相邻光电二极管之间的浅沟槽隔离结构内。
10.一种图像传感器的形成方法，其特征在于，包括: 提供半导体衬底； 在所述半导体衬底内形成浅沟槽隔离结构以及位于浅沟槽隔离结构两侧的光电二极管； 在所述相邻光电二极管之间的浅沟槽隔离结构内形成凹槽； 在所述凹槽内形成应力层，所述应力层对两侧的光电二极管施加压应力。
11.根据权利要求10所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，在形成所述应力层之后，再形成所述位于浅沟槽隔离结构两侧的光电二极管。
12.根据权利要求10所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述半导体衬底材料为硅，所述应力层的晶格常数大于硅的晶格常数。
13.根据权利要求10所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述应力层的平均原子量大于浅沟槽隔离结构的原子量。
14.根据权利要求10所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述应力层的材料为 SiGe, Ge 或 SiN。
15.根据权利要求10所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，采用外延工艺形成所述应力层。
16.根据权利要求10所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述凹槽的形成方法包括:在所述半导体衬底、光电二极管和浅沟槽隔离结构表面形成图形化掩膜层，所述图形化掩膜层暴露出相邻光电二极管之间的部分浅沟槽隔离结构的表面；以所述图形化掩膜层为掩膜，刻蚀所述沟槽隔离结构，形成凹槽。
17.根据权利要求16所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述凹槽的侧壁和底部具有部分浅沟槽隔离结构。
18.根据权利要求17所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述应力层的侧壁与浅沟槽隔离结构侧壁的半导体衬底之间的距离为10A?0.2 μ m。
19.根据权利要求10所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述凹槽位于同一列的相邻光电二极管之间的浅沟槽隔离结构内或所述应力层位于同一列的相邻光电二极管之间的浅沟槽隔离结构内。
20.根据权利要求10所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述应力层位于同一行的相邻光电二极管之间的浅沟槽隔离结构内，以及位于同一列的相邻光电二极管之间的浅沟槽隔离结构内。
【文档编号】H01L27/146GK104201184SQ201410494216
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月24日 优先权日:2014年9月24日
【发明者】李 杰, 李文强 申请人:格科微电子（上海）有限公司