掩膜版版图及其设计方式以及图像传感器的制作方法

1.本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种掩膜版版图及其设计方式以及图像传感器。


背景技术：

2.随着半导体工艺节点的发展以及市场对图像传感器的性能需求，图像传感器的像素尺寸日益缩减。但是，对像素信噪比的要求并不随之下降，反而在逐渐提高。
3.为解决两者之间的矛盾，光电二极管在像素体积的占比逐渐提升，以此提高信号强度，但随之引入新的问题，即要求在硅的各个界面形成良好的钉扎以降低像素暗电流。受限于光刻胶的分辨率，使用离子注入工艺形成的光电二极管无法兼顾上述要求。
4.目前，采用外延方法制备光电二极管成为趋势。专利文献cn202022348104.5公开一种图像传感器，在衬底预定位置设置侧向pn结构；在所述衬底表面且所述侧向pn结构上表面，设有高于所述衬底表面的p型外延层，以在所述侧向pn结构上表面形成钉扎层。侧向pn结构的光电二极管的形成，无需考虑离子注入的深度限制，同时，便于控制n型区域的线宽尺寸，从而非常容易调节光电二极管的v
pin
（耗尽电压）。
5.使用该方案所制备的光电二极管，不仅在衬底的整个深度方向提供较高的电容，提供超高的满阱电子容量，还能提供超低的v
pin
，方便电路的读出设计。图像传感器的像素区域，除了光电二极管，还集成有传输晶体管，重置管，源跟随放大器等功能晶体管，这些功能晶体管一般制备在n型衬底表面。但是，侧向pn结构的光电二极管，需要将n型衬底深挖沟槽，并进一步进行侧向刻蚀，以便于控制光电二极管的尺寸。进而，在剩余柱体上侧向生长外延层，形成侧向pn结构。最后将沟槽封闭，于衬底上制备功能晶体管。为了保证硅晶圆正面晶体管的正常工作，常在沟槽闭合后在正面再生长本征硅作为晶体管沟道使用。
6.然而，由于外延层生长过程中容易形成缺陷，不仅影响光电二极管的性能，还会影响功能晶体管的性能。设计用于形成光电二极管的掩膜版版图以降低外延工艺的难度，成为需要解决的课题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种掩膜版版图及其设计方式以及图像传感器，所述掩膜版版图应用于光刻工艺，转印至衬底时，在刻蚀衬底形成硅柱的过程中，可以使得硅柱的上部之间有一定程度的互连形成连接结构。
8.基于以上考虑，本发明提供一种掩膜版版图的设计方式，用于形成图像传感器，所述图像传感器包括：第一周期排布的若干子像素、围绕所述子像素的第一沟槽及横跨所述第一沟槽并相连于相邻所述子像素之间的连接结构；所述掩膜版版图，其特征在于，包括：对应形成所述子像素的若干第一图案、围绕所述第一图案的透光区及穿过所述透光区并相连于相邻所述第一图案之间的第二图案；其中，设置所述第二图案用于形成所述连接结构，且与所述透光区共同形成所述第一沟槽。
9.优选的，所述第一图案沿第一方向成排设置，至少部分所述第二图案的中部沿所述第一方向延伸。
10.优选的，所述第一图案沿第二方向成列设置，至少部分所述第二图案的中部沿所述第二方向延伸。
11.优选的，至少部分所述第二图案的中部沿第一方向的尺寸大于沿第二方向的尺寸；和/或，至少部分所述第二图案的中部沿第二方向的尺寸大于沿第一方向的尺寸。
12.优选的，所述第一方向正交于所述第二方向，所述第二图案具有对称性。
13.优选的，所述第二图案包括轴对称图形及旋转对称图形中的一种。
14.优选的，至少部分所述轴对称图形的对称轴沿所述第一方向延伸；和/或，至少部分所述轴对称图形的对称轴沿所述第二方向延伸。
15.优选的，相邻所述轴对称图形的对称轴相正交或相重合。
16.优选的，所述第一图案包括n边形，n≥3。
17.优选的，至少部分n个相邻的所述n边形之间连设有所述第二图案。
18.优选的，所述第二图案具有n个端部，各所述端部对应相连于所述n边形的角部。
19.优选的，n＝4，所述第一图案包括四边形，各所述端部与所述四边形的边部成预设角度相交。
20.优选的，所述预设角度包括180
°
。
21.优选的，所述图像传感器包括：第二周期排布的主像素，所述主像素包括m个所述子像素，所述第一沟槽还围绕所述主像素；所述透光区还对应围绕m个所述第二图案，m≥2。
22.本发明还提供一种采用上述设计方式而设计并应用于图像传感器的掩膜版版图以及相应的图像传感器。
23.本发明的掩膜版版图转印至衬底形成硅柱及硅柱之间的连接结构，外延工艺时，所述连接结构可以有效保证高温过程中硅柱相互之间的晶格匹配，起到类似籽晶的作用，侧向pn结构之间不存在晶格失配，大幅减少刻蚀过程以及外延封闭沟槽时所产生的缺陷，有效地减少了图像传感器的暗电流和白点。
24.进一步的，至少部分所述第二图案的中部沿所述第一方向或沿所述第二方向延伸，保证连接结构底部的衬底能较为轻易贯穿，增加工艺窗口，同时保留底部沟槽作为像素之间光学隔离使用。
25.进一步的，至少部分所述第二图案的中部沿第一方向的尺寸大于沿第二方向的尺寸；和/或，至少部分所述第二图案的中部沿第二方向的尺寸大于沿第一方向的尺寸。所述第二直线分部防止连接结构在外延及刻蚀过程中发生断裂，而且连接结构作为后续生长顶层本征层的支点，同时维持一个较小的互连结构宽度，以便于后续更容易从底部侧向刻蚀贯通所述衬底，以形成光电二极管隔离的缝隙结构。
26.进一步的，所述第二图案包括轴对称图形及旋转对称图形中的一种，可以根据不同开口尺寸的深沟槽调整所述第二图案的尺寸及位置，满足高集成度的图像传感器的设计需求。
附图说明
27.通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特
征、目的和优点将会变得更明显。
28.图1示出本发明实施例一的掩膜版版图的掩膜图案的平面示意图；图2示出本发明实施例一的图像传感器的掩膜版版图的平面示意图；图3示出本发明实施例二的掩膜版版图的掩膜图案的平面示意图；图4示出本发明实施例二的图像传感器的掩膜版版图的平面示意图；图5示出本发明实施例三的掩膜版版图的掩膜图案的平面示意图；图6示出本发明实施例三的图像传感器的掩膜版版图的平面示意图；图7示出本发明实施例四的掩膜版版图的掩膜图案的平面示意图；图8示出本发明实施例四的图像传感器的掩膜版版图的平面示意图。
29.在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示相同或相似的装置（模块）或步骤。
具体实施方式
30.为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容做进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
31.需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
32.现有技术中，刻蚀衬底形成深沟槽，外延工艺必须从深沟槽底部往上生长，否则容易发生晶格错位，同时，用于侧向pn结构之间的深沟槽交叉处线宽较大，外延生长时容易形成空洞，并引起外延层界面处位错。此位错会进一步导致后续外延生长过程的缺陷，从而影响在该区域布置的器件的性能及良率。
33.请结合参考图1及图2，请结合参考图1及图2，图1示出本发明实施例一的掩膜版版图的掩膜图案的平面示意图；图2示出本发明实施例一的图像传感器的掩膜版版图的平面示意图。
34.图像传感器的制造过程中，在栅极形成之前，刻蚀半导体衬底形成阵列排布的半导体岛状结构以形成若干子像素以及围绕所述半导体岛状结构的第一沟槽，各所述半导体岛状结构至少上部之间通过至少一处连接结构相互连接。
35.根据本发明提供一种掩膜版版图的设计方式，设置若干第一图案101，所述第一图案101用于形成所述半导体岛状（未图示）结构以形成所述子像素（未图示），围绕所述第一图案101的透光区以及穿过所述透光区并相连于相邻所述第一图案101之间的第二图案102。
36.图像传感器的掩膜版版图设有若干阵列排布的掩膜图案，第一图案101及第二图案102均为非透光部，所述图像传感器的掩膜版版图应用于光刻工艺时，掩膜版版图转印至衬底。
37.通过所述第二图案102用于形成所述连接结构（未图示），所述第二图案102与所述透光区共同形成所述第一沟槽（未图示），从而减少后续外延工艺产生的缺陷。
38.请结合参考图1及图2，掩膜图案具有相连的第一图案101及第二图案102，第一图
案101可以为多边形，第二图案102可以自第一图案101的边部或角部向外延伸。
39.如图1所示，第一图案101可以为四边形。第一方向（如图所示横向）正交于第二方向（如图所示纵向），第一图案101沿第一方向成排设置，且沿第二方向成列设置。
40.如图2所示，第二图案102具有对称性，比如，可以为交叉形，其端部自第一图案101的角部向外延伸。
41.实施例一中，所述衬底可以是硅衬底，以第一图案101为掩膜刻蚀所述硅衬底，于所述硅衬底（未图示）内形成阵列排布的硅柱（半导体岛状结构）。围绕所述第一图案的透光区形成围绕所述硅柱的深沟槽，以第二图案102为掩膜刻蚀所述硅衬底，于所述硅柱之间形成横跨所述深沟槽的连接结构。
42.以交叉相连的第二图案102为掩膜刻蚀衬底，通过控制刻蚀的工艺条件，将互连位置的底部刻空，可以使所述连接结构底部悬空，即各硅柱 之间只有上部互相连通，可以形成横跨所述深沟槽顶部的连接结构，从而规避因〈111〉晶面孔洞对后续外延生长所带来的缺陷影响。
43.本发明通过独特的掩膜版版图，在刻蚀过程中保证硅柱的上部之间有一定程度的互连，这样既可以实现在深沟槽内外延出侧向pn结构，保留光学隔离的缝隙结构。由于存在第一图案101之间的第二图案102，于硅柱之间形成悬梁连接结构，外延工艺时，侧向pn结构之间不存在晶格失配，而且外延封闭沟槽顶部时，大幅减少封闭沟槽时外延生长的缺陷，有效地减少了图像传感器的暗电流和白点。
44.所述第一图案101包括n边形，n≥3。
45.至少部分n个相邻的所述n边形之间连设有所述第二图案。
46.其中，位于所述图像传感器内部，n个相邻的所述n边形之间连设有所述第二图案102，所述第二图案102具有n个端部，各所述端部对应相连于所述n边形的角部。
47.如图2所示，实施例一中，n＝4，所述n边形为正方形。位于所述图像传感器内部，第一图案101的各个角部均连设有轴对称的第二图案102。相邻第一图案101之间通过第二图案102的端部相连。
48.位于所述图像传感器外围，位于角落的所述n边形通过连设有1个第二图案102，以连接相邻的n边形。实施例一中，所述n边形为四方形，非角落的第一图案连设有2个第二图案102，即为于相邻硅柱之间形成连接结构，第二图案102仅设于相邻第一图案101之间。
49.另一实施例中，所述图像传感器还包括第二周期排布的主像素（未图示）。所述主像素包括m个所述子像素，所述第一沟槽还围绕所述主像素。所述透光区还对应围绕m个所述第二图案，m≥2。
50.其中，位于所述图像传感器内部，同一所述主像素对应的m个所述子像素之间通过所述第二图案102相连接。主像素之间未设有所述第二图案102，即相邻所述主像素之间对应相邻的第一图案101之间为透光部，且未连设有第二图案102。所述掩膜版版图应用于图像传感器的光刻工艺时，相邻所述主像素之间对应相邻的硅柱之间的衬底后续会被完全刻蚀去除。
51.本发明的掩膜版版图可以将隔离用深沟槽设计成互相不直接相连的短孔，从而在硅柱的四个角落方向保留较细的硅连接。刻蚀所述衬底到一定深度时，在沟槽侧壁生长薄氧化层以保护硅互连结构，然后继续刻蚀并加入各向同性分量，从而使底部的沟槽横向扩
展。当横向刻蚀到足够宽度时，硅互连结构的底部就会被完全刻蚀连通，从而使互连结构整体悬空形成所述连接结构。
52.然后，通过外延生长p型掺杂层将沟槽闭合。由于生长的优先性，沟槽顶部将会先行闭合，而沟槽底部仍会保留一定尺寸的缝隙。闭合沟槽后通过机械化学研磨将衬底顶部磨平，然后在其上继续外延生长顶外延层用于制作晶体管。
53.由于硅柱之间存在连接结构，可以有效保证高温过程中硅柱相互之间的晶格匹配，起到类似籽晶的作用。且硅柱斜角连线方向由于存在连接结构，在沟槽的孔洞顶部闭合后，整个晶圆表面上不存在孔洞，因此避开了衬底底部闭合时所产生的遗留孔洞影响，提高顶外延层的质量，从而避免对表面功能晶体管影响。
54.采用本发明的所述掩膜版版图制备的侧向pn结构的光电二极管，其工艺管控的关键之一为所述连接图案的线宽。在形成连接结构的过程中，需要保证连接结构底部的衬底能较为轻易贯穿，增加工艺窗口，大幅减少刻蚀过程以及外延封闭沟槽时所产生的缺陷，有效地减少了图像传感器的暗电流和白点。
55.实施例一中，第二图案为轴对称图形的交叉形的连接图案，其中部存在交叉点，沿所述第一方向及所述第二方向，所述交叉点的宽度较其它位置的宽度大，当连接结构需要的一定的宽度，以防止外延及刻蚀过程中的断裂，因此第二图案需要保证一定宽度，但是第二图案的线宽尺寸变大之后，交叉点的线宽尺寸随之变大。由此导致在横向刻蚀的过程中，可能造成连接结构下方无法完全刻断，不能悬空，而在硅柱之间留下高浓度的n型硅，从而造成漏电。此外，由于交叉点与其它位置之间的线宽尺寸的不一致，导致实际工艺中容易造成横梁结构之间的线宽尺寸偏差很大。
56.请结合参考图3及图4，图3示出本发明实施例二的掩膜版版图的掩膜图案的平面示意图；图4示出本发明实施例二的图像传感器的掩膜版版图的平面示意图。
57.实施例二中，所述第二图案203可以是轴对称图形，其中部沿所述第一方向（如图所示横向）延伸，且各所述端部与相连的所述第一图案101的边部成预设角度相交。
58.所述预设角度可以是任意角度，在此不作限定。实施例一中，所述预设角度为钝角，实施例二中，所述预设角度为180
°
。
59.第二图案202具有沿所述第一方向延伸的中部，所述中部包括第一直线分部c。第一直线分部c沿第一方向的尺寸大于沿第二方向的尺寸，比如大于沿第二方向的尺寸的一倍。
60.实施例二中，第二图案202还具有沿所述第二方向延伸的第二直线分部a，第二直线分部a沿第一图案101的边部，并自第一图案101的角部向外延伸。第二直线分部a相连于第一直线分部c及第一图案101之间，第二直线分部a的延长线与第一直线分部c的延长线相交。通过设计第二直线分部a的长度及相对于第一图案101的延伸方向，以适应不同开口尺寸的深沟槽。
61.实施例二中，第一直线分部c沿所述第一方向延伸，因此，所述第二图案202的对称轴沿所述第一方向延伸。
62.第一直线分部c的线宽尺寸小于等于第二直线分部a的线宽尺寸，避免第二直线分部a断线导致无法形成连接结构，而且，由于所述交叠线部的外延生长方向多于第二直线分部a的外延生长方向，通过缩小第一直线分部c的线宽尺寸，确保交叠线部下方的衬底能被
完全去除。
63.如图3所示，所述第二图案还具有相连于所述第一直线分部及所述第二直线分部之间的连接分部b。第一直线分部c的延伸方向不与任一所述第一图案相交，并与第二直线分部a的延伸方向相互正交，通过连接分部b相连第一直线分部c及第二直线分部a，可以根据不同开口尺寸的深沟槽调整连接分部b的线宽尺寸、线长尺寸及位置，满足高集成度的图像传感器的设计需求。
64.实施例二中，第二图案102的中部的所述交叉点具有沿第二方向的线宽尺寸，且其线宽尺寸等于第一直线分部c的线宽尺寸，从而保证在外延刻蚀工艺中横梁结构宽度的一致性，使得横梁结构之间的偏差大大减小。而且，还可以方便地调节连接结构的厚度，以满足实际工艺中外延与刻蚀对连接结构的影响。
65.图5示出本发明实施例三的掩膜版版图的掩膜图案的平面示意图；图6示出本发明实施例三的图像传感器的掩膜版版图的平面示意图。
66.实施例三中，第二图案302为轴对称图形，并包括相连的第一直线分部c
´
（中部）、连接分部b
´
及第二直线分部a
´
。
67.实施例二的第二直线分部a及实施例三的第二直线分部a
´
的延伸方向均平行于第一图案101的其中一条边部，但两者相对于第一图案101的延伸方向不同，由此，使得实施例二的第一直线分部c及实施例三的第一直线分部c
´
的延伸方向不同，以及对应的连接分部b及连接分部b
´
的延伸方向也不同。
68.实施例三中，第一直线分部c
´
沿所述第二方向延伸，因此，所述第二图案302的对称轴沿所述第二方向延伸。第一直线分部c
´
沿第二方向的尺寸大于沿第一方向的尺寸，比如大于沿第一方向的尺寸的一倍。可以根据深沟槽的纵向开口尺寸及横向开口尺寸，设计不同延伸方向的第二图案。
69.实施例二的相邻的第二图案202的对称轴均沿第一方向延伸，同排的第二图案202之间的对称轴相重合。实施例三的相邻的第二图案302的对称轴均沿第二方向延伸，同列的第二图案302之间的对称轴相重合。
70.图7示出本发明实施例四的掩膜版版图的掩膜图案的平面示意图；图8示出本发明实施例四的图像传感器的掩膜版版图的平面示意图。
71.实施例四中，相邻的第二图案402的对称轴的延伸方向不同，比如，对称轴沿所述第一方向延伸的第二图案402，其中部沿第一方向的尺寸大于沿第二方向的尺寸，比如大于沿第二方向的尺寸的一倍，与其相邻的另一对称轴沿所述第二方向延伸的第二图案402的中部沿第二方向的尺寸大于沿第一方向的尺寸，比如大于沿第一方向的尺寸的一倍，即相邻的第二图案402的对称轴相正交。
72.本发明通过独特的掩膜版版图，在刻蚀衬底形成硅柱的过程中，可以使得硅柱的上部之间有一定程度的互连，这样既可以实现在深沟槽内外延出侧向pn结构，保留光学隔离的缝隙结构。外延工艺时，侧向pn结构之间不存在晶格失配，而且外延封闭沟槽顶部时，大幅减少封闭沟槽时外延生长的缺陷，有效地减少了图像传感器的暗电流和白点。
73.进一步的，至少部分所述第二图案的中部沿所述第一方向或沿所述第二方向延伸，保证连接结构底部的衬底能较为轻易贯穿，增加工艺窗口，同时保留底部沟槽作为像素之间光学隔离使用。
74.进一步的，至少部分所述第二图案的中部沿第一方向的尺寸大于沿第二方向的尺寸；和/或，至少部分所述第二图案的中部沿第二方向的尺寸大于沿第一方向的尺寸。所述第二直线分部防止连接结构在外延及刻蚀过程中发生断裂，而且连接结构作为后续生长顶层本征层的支点，同时维持一个较小的互连结构宽度，以便于后续更容易从底部侧向刻蚀贯通所述衬底，以形成光电二极管隔离的缝隙结构。
75.进一步的，所述第二图案包括轴对称图形及旋转对称图形中的一种，可以根据不同开口尺寸的深沟槽调整所述第二图案的尺寸及位置，满足高集成度的图像传感器的设计需求。
76.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论如何来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，明显的，“包括”一词不排除其他元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。装置权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。