图像传感器及其形成方法与流程

本发明涉及半导体工艺领域，更详细地说，本发明涉及一种图像传感器及形成方法。

背景技术：

在图像传感器中，当光线投射入感光元件后，部分光子会被半导体材料反射，剩余光子被所述感光元件中的感光层吸收并激发电子-空穴对，产生光生载流子，从而完成光电转换的过程。不同颜色光的波长不同，其光子被感光层吸收的几率不同，吸收深度也就不同：蓝光波长较短，蓝光光子被感光层吸收的几率较高，入射深度较浅；红光波长较长，红光光子被感光层吸收的几率较低，入射深度较深。

利用不同波长光的吸收深度不同，光生载流子产生的位置不同，对相应光生载流子进行信号采集，从而可以省去滤色镜的结构，达到减少工艺步骤、简化器件结构的目的。

然而，上述具有叠层结构的光检测器在一帧信号输出后，容易存在部分电荷残留，造成图像拖尾(imagelag)问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供了一种图像传感器及其形成方法，通过将光电二极管布线与二极管结构连接，通过外部电路控制二极管结构将光电二极管内的光生载流子及时导出，解决图像拖尾问题。

其中，该图像传感器的形成方法包括以下步骤：提供器件层衬底，器件层衬底包括相背设置的第一面和第二面；形成二极管结构，二极管结构起始于器件层衬底的第一面，并向器件层衬底的第二面延伸，二极管结构包括沿水平方向邻接设置的第一掺杂区域和具有与第一掺杂区域相反掺杂类型的第二掺杂区域；形成覆盖于器件层衬底的第一面的转向连接件，转向连接件沿水平方向具有第一侧和第二侧，其中，第一侧与第一掺杂区域电连接，第二侧抵接于二极管结构之外；翻转器件层衬底；形成沿垂直方向延伸并与第二侧电连接的连接插塞；形成包括三个以上沿垂直方向堆叠的光电二极管的像素单元，其中一个光电二极管与连接插塞电连接。

相应地，该图像传感器包括器件层衬底，包括相背设置的第一面和第二面；二极管结构，起始于器件层衬底的第一面，并向器件层衬底的第二面延伸，二极管结构包括沿水平方向邻接设置的第一掺杂区域和具有与第一掺杂区域相反掺杂类型的第二掺杂区域；转向连接件，覆盖于器件层衬底的第一面，转向连接件沿水平方向具有第一侧和第二侧，其中，第一侧与第一掺杂区域电连接，第二侧抵接于二极管结构之外；连接插塞，沿垂直方向延伸并与第二侧电连接；像素单元，包括三个以上沿垂直方向堆叠的光电二极管，其中一个光电二极管与连接插塞电连接。

通过将光电二极管布线与增设的二极管结构连接，可控制将像素区域内的电子导出，防止其残留在光电二极管内而造成图像拖尾现象。此外，光电二极管的形成方法采用堆叠并顺序制作连接插塞的方法形成，由于逐层堆叠，其制备过程中的刻蚀步骤可以直接刻蚀至两相界面处，利用刻蚀步骤对不同材料或晶型的选择性，选择合适的刻蚀停止位置，而无需根据刻蚀深度计算刻蚀时间，制备过程重复性和可靠性较好。再者，转向连接件能够合理地适配于该需要翻转晶圆的形成过程，避免直接在二极管结构位置进行刻蚀，而造成对二极管结构的性能影响。

在本发明的较优技术方案中，转向连接件采用掺杂的半导体材料制得。

在本发明的较优技术方案中，形成沿垂直方向延伸并与第二侧电连接的连接插塞的步骤包括：刻蚀器件层衬底，直至露出转向连接件的第二侧，形成沿垂直方向贯穿器件层衬底的沟槽；在沟槽内形成连接插塞。

进一步地，在本发明的较优技术方案中，在沟槽内形成连接插塞的步骤包括：在沟槽的侧壁、底部表面共形沉积绝缘膜层；采用各向异性干法刻蚀工艺刻蚀绝缘膜层，去除沟槽底部的绝缘膜层；在沟槽内沉积导电材料，形成连接插塞。

在本发明的较优技术方案中，像素单元包括沿背离器件层衬底方向依次堆叠的第一光电二极管、第二光电二极管和第三光电二极管，各光电二极管经由其对应的连接插塞和其对应的转向连接件与其对应的二极管结构电连接。

进一步地，在本发明的较优技术方案中，还包括在第一光电二极管与第二光电二极管之间、第二光电二极管与第三光电二极管之间形成电隔离层的步骤。电隔离层能够防止第一光电二极管与第二光电二极管、第二光电二极管与第三光电二极管之间的电学串扰。

进一步地，在本发明的较优技术方案中，在形成包括三个以上沿垂直方向堆叠的光电二极管的像素单元的步骤中，包括以下步骤：在器件层衬底内形成与第一光电二极管对应的第一连接插塞；之后，在器件层衬底上形成与第一连接插塞电连接的第一光电二极管；之后，形成与第二光电二极管对应的第二连接插塞，第二连接插塞沿垂直方向从第一光电二极管的上方延伸至器件层衬底的第一面；之后在第一光电二极管上方形成与第二连接插塞电连接的第二光电二极管；之后形成与第三光电二极管对应的第三连接插塞，第三连接插塞沿垂直方向从第二光电二极管的上方延伸至器件层衬底的第一面；之后在第二光电二极管上方形成与第三连接插塞电连接的第三光电二极管。以上方式能够将各连接插塞准确连接至光电二极管，而无需根据刻蚀深度判断刻蚀时间，提高了所形成器件对图像拖尾的抑制能力。

更进一步地，在本发明的较优技术方案中，在形成第二连接插塞和形成第三连接插塞的步骤中，还包括形成覆盖第二连接插塞和第三连接插塞侧壁的绝缘膜层的步骤。绝缘膜层可以防止连接插塞同时与多个光电二极管电连接，造成各光电二极管之间的短路。

在本发明的较优技术方案中，在形成包括三个以上沿垂直方向堆叠的光电二极管的像素单元的步骤中，包括形成深沟槽隔离结构以限定像素单元的步骤，其中深沟槽隔离结构沿垂直方向从各光电二极管上方延伸至器件层衬底，深沟槽隔离结构沿水平方向构成为像素单元的轮廓线。

附图说明

图1-图14是本发明一个实施例中提供的形成方法中图像传感器在形成过程各步骤中的结构示意图。

具体实施方式

以下，一边参照附图一边大致说明本发明的优选实施例。另外，本发明的实施例并不限定于下述实施例，能够采用在本发明的技术构思范围内的各种各样的实施例。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

本实施例首先提供了一种图像传感器的形成方法，包括以下步骤：

参考图1，提供器件层衬底100，器件层衬底100包括相背设置的第一面100a和第二面100b；

器件层衬底100用于为图像传感器的形成过程，特别是器件层及金属互连结构的形成提供工艺操作平台，本实施例中，所述器件层衬底100的材料为单晶硅。在本发明其他实施例中，器件层衬底100的材料还可以选自多晶硅或者非晶硅；器件层衬底100也可以选自硅、锗、砷化镓或硅锗化合物；器件层衬底100也可以是具有外延层或外延层上硅结构。

本实施例中，图像传感器为背照式图像传感器(backsurface

illuminated，bsi)。器件层衬底100具有相背设置的第一面100a和第二面100b，第一面100a，又称器件层衬底100的正面，作为所述图像传感器的二极管、晶体管器件及金属互连结构形成过程的工艺操作表面；第二面100b，又称器件层衬底100的背面。本实施例中，后续需要将器件层衬底100翻转，使第二面100b朝上，制作光电二极管，并对其第二面100b进行减薄处理。

之后，在器件层衬底100内形成多组光电二极管结构20和多组晶体管结构30，每个像素单元包括一组光电二极管结构20和一组晶体管结构30。每组二极管结构20至少包括第一二极管结构20-r、第二二极管结构20-g和第三二极管结构20-b，其中，二极管结构20起始于器件层衬底100的第一面100a，并向器件层衬底100的第二面100b延伸。二极管结构20包括沿水平方向邻接设置的第一掺杂区域20b和第一掺杂区域20a，其中，第一掺杂区域20b与第二掺杂区域20a具有相反的掺杂类型。本实施例中，第一掺杂区域20b采用n型掺杂，例如p、as。第二掺杂区域20a采用p型掺杂，例如b、in。

具体地，二极管结构20的形成过程包括：采用第一掩膜，对器件层衬底100进行第一离子注入工艺，形成第一掺杂区域20b；采用第二掩膜，对器件层衬底100进行第二离子注入工艺，形成第二掺杂区域20a。通过优化离子注入工艺的注入能量，可以使第一掺杂区域20b与第二掺杂区域20a的离子注入深度相同或基本相同，以提高二极管结构的性能。

本实施例中，每组晶体管结构30包括红色晶体管区30-r、绿色晶体管区30-g和蓝色晶体管区30-b，每个区域的晶体管个数可以根据3t或4t类型调整，例如可以包括复位晶体管、源跟随器晶体管、选择晶体管和转移晶体管，晶体管的源漏区域可以采用金属硅化物制得，以降低接触电阻；部分源漏区域连接有浮置扩散区fd，用于暂时性地存储光电子以备读出；晶体管的栅极结构g包括由掺杂的多晶硅材料制得的栅电极。

参考图2，形成覆盖于器件层衬底100的第一面100a的转向连接件300，转向连接件300起始于器件层衬底100的第一面100a，并朝远离器件层衬底100的方向延伸，其沿水平方向具有第一侧300a和第二侧300b，其中，转向连接件300的第一侧300a抵接于二极管结构20的第一掺杂区域20b，转向连接件300采用导电材料制得，能够与第一掺杂区域20b形成电连接；转向连接件300的第二侧300b朝着远离二极管结构20第二掺杂区域20a的方向延伸，并抵接于二极管结构20之外。本实施例中，转向连接件300采用掺杂的半导体材料制得，例如掺杂的单晶、多晶或无定型的硅或锗材料。

具体地，转向连接件300的形成过程包括：沉积第一层间介质膜，第一层间介质膜覆盖栅极结构g的顶部和侧壁；采用化学机械平坦化所述第一层间介质膜，直至露出栅极结构g的顶部表面；采用图案化的掩膜刻蚀所述第一层间介质膜，形成开口，开口底部露出部分第一掺杂区域20b和部分未经过掺杂处理的器件层衬底100表面；采用化学气相沉积方法在开口内及第一层间介质膜表面形成掺杂的多晶硅膜层，沉积过程采用原位掺杂工艺；最后，刻蚀去除多余的多晶硅膜层，形成转向连接件300。

参考图3，在形成转向连接件300之后，在器件层衬底100上方形成金属互连结构400。金属互连结构400包括与转向连接件300及栅极结构g电连接的金属层以及形成于金属层之间的用于实现电隔离的介电层。

其中，介电层可以指中间层或层间介质层(ild)或中间金属介质层(imd)。介电层包括合适的介电材料，诸如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、teos氧化物、磷硅酸玻璃(psg)、硼磷硅酸玻璃(bpsg)、低k介电材料、其他合适的介电材料或其组合。示例性的低k介电材料包括氟化硅玻璃(fsg)、掺杂碳的氧化硅、黑金刚石(appliedmaterialsofsantaclara,california)、干凝胶、气凝胶、非晶氟化碳、聚对二甲苯、苯并环丁烯(bcb)、silk(dowchemical，midland，michigan)、聚酰亚胺、其他合适的材料或其组合。介电层可以包括具有多种介电材料的多层结构。介电层由化学气相沉积(cvd)、物理气相沉积(pvd)、原子层沉积(ald)、旋涂、其他合适的工艺或其组合形成。导电层包括可以被配置成连接bsi图像传感器器件的多个部件或结构的多个导电部件。例如，导电层可以用于互连形成在基板上的多种器件。导电部件可以为垂直互连件，诸如通孔和/或接触、和/或水平互连件，诸如导线。具有多种导电部件的导电层包括导电材料，诸如铝、铝合金、铜、铜合金、钛、氮化钛、钨、多晶硅、金属硅化物或其组合。金属互连结构可以通过任何合适的工艺形成，诸如镶嵌或双镶嵌工艺。

参考图4，翻转器件层衬底100，使器件层衬底100的第二面100b朝上，并减薄。后续以器件层衬底100的第二面100b为工艺衬底，进行光探测器，即光电二极管结构的制备。

参考图5，在翻转器件层衬底100并减薄的步骤之后，在减薄后的器件层衬底100的第二面100b上沉积底部电隔离层502，底部电隔离层502一方面能够作为后续形成的第一光电二极管的电学隔离结构，防止第一光电二极管与器件层器件之间的电学串扰；另一方面，该底部电隔离层502还可以作为绝缘膜层及接触结构形成时的抗反射介质层、掩膜层或刻蚀停止层。

底部电隔离层502采用介质材料制得，例如可以是氮化硅、氧化硅、碳化硅、碳氮化硅或氮氧化硅等材料。本实施例中，底部电隔离层502的材料为氮化硅，厚度为5-50nm。

图6-图9示出了用于与位于最深层的红色感光区域的第一光电二极管电连接的第一连接插塞508的形成方法。

参考图6，在底部电隔离层502上涂敷光刻胶，曝光显影后，以光刻胶为掩膜，采用对底部电隔离层502的氮化硅材料具有高选择性的各向异性刻蚀方法，刻蚀底部电隔离层502，直至露出器件层衬底100表面，形成开口；之后，再以底部电隔离层502为掩膜，采用对器件层衬底100的单晶硅材料具有高选择性的各向异性刻蚀方法，如反应离子刻蚀方法，刻蚀器件层衬底100，直至露出转向连接件300的第二侧300b表面，形成第一接触孔504。

参考图7，在第一接触孔504的底部、侧壁以及底部电隔离层502的表面沉积绝缘膜层506。绝缘膜层506用于电隔离后续形成的第一连接插塞508。之后，采用各向异性刻蚀方法，将位于第一接触孔504底部以及底部电隔离层502表面的绝缘膜层506去除，直至露出转向连接件300和底部电隔离层502的顶部表面，得到如图8所示的半导体结构。

参考图9，采用原位掺杂的化学气相沉积方法，在第一接触孔504内以及底部电隔离层502表面沉积p型掺杂的单晶硅、无定型硅或多晶硅材料，在第一接触孔504内形成侧壁包覆有绝缘膜层506的第一连接插塞508；且在同一沉积步骤中，在底部电隔离层502表面形成位于红光激发区的第一光电二极管60-r的p型掺杂层60-r-p。第一连接插塞508的导电部分与第一光电二极管60-r的p型掺杂层60-r-p一体形成，第一光电二极管60-r将经由第一连接插塞508和相应的转向连接件300，而与第一二极管结构20-r电连接。在同一步骤中形成第一连接插塞508的导电部分与p型掺杂层60-r-p，能够简化制备工艺。在本发明的其他实施例中，第一连接插塞508的导电部分也可以单独地被形成，其材料也可以选择为诸如钨、铜等金属材料。

参考图10，在p型掺杂层60-r-p表面继续沉积形成n埋层60-r-n，p型掺杂层60-r-p和n埋层60-r-n共同构成了位于红色激光区的第一光电二极管60-r。具体地，本实施例中，所述n埋层可以采用n型掺杂的单晶硅、多晶硅或无定型硅材料形成，形成工艺为原位掺杂的化学气相沉积工艺，例如低压化学气相沉积工艺。

参考图11，在第一光电二极管60-r上继续形成电隔离层510a，电隔离层510a形成为第一光电二极管60-r与第二光电二极管60-g的电学隔离结构，防止第一光电二极管60-r与第二光电二极管60-g之间的电学串扰，同时可作为第二连接插塞512形成过程中的掩膜层、抗反射层或刻蚀停止层。具体地，电隔离层510a可以采用氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、碳化硅、碳氮化硅等材料形成，本实施例中选择为氮化硅材料，其厚度为5-50nm。

参考图12，采用与第一连接插塞508及第一光电二极管60-r相同或近似的形成工艺，形成第二连接插塞512和第二光电二极管60-g。其中，第二连接插塞512沿垂直方向从第二光电二极管60-g的底部延伸至与器件层衬底100第一面100a的转向连接件300抵接。

具体地，第二光电二极管60-g包括p型掺杂区60-g-p和n埋层60-g-n，其中，p型掺杂区60-g-p与第二连接插塞512的导电部分一体形成，第二光电二极管60-g经由第二连接插塞512与相应的转向连接件300与第二二极管结构20-g电连接。第二光电二极管60-g位于绿光激发区，用于吸收能够进入光探测器中等深度的绿光和红光。第二连接插塞512的侧壁同样覆盖有绝缘膜层，该绝缘膜层用于防止第二连接插塞512同时与第一光电二极管60-r以及第二光电二极管60-g电连接，造成各光电二极管之间的短路。

接着，如图13所示，继续在第二光电二极管60-g上形成另一电隔离层510b，并继续形成第三连接插塞514以及第三光电二极管60-b。其中，第三连接插塞514沿垂直方向从第三光电二极管60-b的底部延伸至与器件层衬底100第一面100a的转向连接件300抵接。第三光电二极管60-b包括p型掺杂区60-b-p和n埋层60-b-n，其中，p型掺杂区60-b-p与第三连接插塞514的导电部分一体形成，第三光电二极管60-b经由第三连接插塞514与相应的转向连接件300与第三二极管结构20-b电连接。第三光电二极管60-b位于蓝光激发区，用于吸收能够进入光探测器较低深度的包括红光、绿光、蓝光在内的各种光线。第三连接插塞514的侧壁同样覆盖有绝缘膜层，该绝缘膜层用于防止第三连接插塞514与其他光电二极管电连接，造成各光电二极管之间的短路。在形成第三光电二极管60-b之后，在第三光电二极管60-b上沉积形成顶部电隔离层516并平坦化，用于电隔离并保护光探测器结构。

需要说明的是，第一连接插塞508、第二连接插塞512以及第三连接插塞514可以在形成各自的光电二极管之前形成，也可以在形成光电二极管的p型掺杂区之后形成。在形成光电二极管的p型掺杂区之后形成连接插塞，可以使连接插塞的位置更加靠近pn结处，方便将光电子迅速导出，提高对拖尾效应的抑制能力。通过以上方式，本实施例提供的图像传感器的形成方法能够将各连接插塞准确连接至光电二极管的pn结界面处，而无需根据刻蚀深度判断刻蚀时间，提高了所形成器件对图像拖尾的抑制能力。

参考图14，采用反应离子束刻蚀方法，刻蚀形成从顶部电隔离层516表面延伸至器件层衬底100第一面100a的深沟槽，并在深沟槽内形成深沟槽隔离结构518。该深沟槽隔离结构518将原本连续的各光电二极管膜层及器件层衬底隔离为若干分离的像素单元70，深沟槽隔离结构518沿水平方向构成为像素单元70的轮廓线。每个像素单元70包括三个沿垂直方向堆叠的光电二极管：第一光电二极管60-r、第二光电二极管60-g、第三光电二极管60-b，每个光电二极管经由其对应的连接插塞(第一光电二极管60-r对应第一连接插塞508，第二光电二极管60-g对应第二连接插塞512，第三光电二极管60-b对应第三连接插塞514)及其对应的转向连接件300，与其对应的二极管结构(第一光电二极管60-r对应第一二极管结构20-r，第二光电二极管60-g对应第二二极管结构20-g，第三光电二极管60-b对应第三二极管结构20-b)电连接，各二极管结构能够反向夹断光电二极管向外接电路的电流，而通过向二极管结构施加导通电平，可以将各光电二极管内残留的光电子迅速导出，实现对图像拖尾效应的抑制。

本实施例还提供一种图像传感器，参考图3、图14，该图像传感器包括器件层衬底100，器件层衬底100包括相背设置的第一面100a和第二面100b；二极管结构(20-r、20-g、20-b)，起始于器件层衬底100的第一面100a，并向器件层衬底100的第二面100b延伸，二极管结构(20-r、20-g、20-b)包括沿水平方向邻接设置的第一掺杂区域20b和具有与所述第一掺杂区域20b相反掺杂类型的第二掺杂区域20a；转向连接件300，覆盖于器件层衬底100的第一面100a，转向连接件300沿水平方向具有第一侧300a和第二侧300b，其中，第一侧300a与第一掺杂区域20b电连接，第二侧300b抵接于二极管结构(20-r、20-g、20-b)之外；连接插塞(508、512、514)，沿垂直方向延伸并与第二侧300b电连接；像素单元70，包括三个以上沿垂直方向堆叠的光电二极管(60-r、60-g60-b)，其中一个光电二极管(60-r、60-g或60-b)与连接插塞(508、512、514)电连接。

至此，已经结合附图描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。