本發(fā)明實(shí)施例涉及深溝槽隔離結(jié)構(gòu)及其形成方法。
背景技術(shù):
圖像傳感器芯片廣泛用于諸如照相機(jī)的應(yīng)用。在圖像傳感器芯片的形成中,圖像傳感器(諸如光電二極管器件)形成在晶圓的硅襯底上,隨后在晶圓的前側(cè)上形成互連結(jié)構(gòu)。在形成互連結(jié)構(gòu)之后,減薄晶圓,并且諸如濾色器和微透鏡的背側(cè)結(jié)構(gòu)形成在晶圓的背側(cè)上。當(dāng)使用圖像傳感器芯片時(shí),光投射在圖像傳感器上,其中,光被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。例如,響應(yīng)于光子的刺激,圖像傳感器芯片中的圖像傳感器生成電信號(hào)。
在圖像傳感器芯片中,深溝槽形成在硅襯底中以使圖像傳感器彼此分離。深溝槽填充有介電材料以使相鄰的器件彼此隔離,介電材料可以包括氧化物。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例,提供了一種半導(dǎo)體器件,包括:第一鈍化層,位于半導(dǎo)體襯底中的溝槽的底面上方并且沿著所述半導(dǎo)體襯底中的溝槽的側(cè)壁延伸,其中,所述第一鈍化層包括第一介電材料;鈍化氧化物層,在所述溝槽中并且位于所述第一鈍化層上,其中,所述鈍化氧化物層包括所述第一介電材料的氧化物并且具有比所述第一鈍化層高的氧原子百分比;以及第二鈍化層,在所述溝槽中并且位于所述鈍化氧化物層上,其中,所述第二鈍化層包括所述第一介電材料并且具有比所述鈍化氧化物層低的氧原子百分比。
根據(jù)本發(fā)明的另一些實(shí)施例,還提供了一種半導(dǎo)體器件,包括:第一光電二極管器件和第二光電二極管器件,設(shè)置在半導(dǎo)體襯底的正面處;溝 槽,至少部分地設(shè)置在所述第一光電二極管器件與所述第二光電二極管器件之間,其中,所述溝槽從所述半導(dǎo)體襯底的背面延伸,所述半導(dǎo)體襯底的背面與所述半導(dǎo)體襯底的正面相對(duì);多層鈍化結(jié)構(gòu),在所述溝槽的底面上方并且沿著所述溝槽的側(cè)壁延伸,其中,所述多層鈍化結(jié)構(gòu)包括:多個(gè)鈍化層,每一個(gè)都包括具有大于5.5電子伏特(eV)的帶隙的介電材料;以及一個(gè)或多個(gè)氧化物鈍化層,設(shè)置在多個(gè)鈍化層的每一個(gè)之間,其中,所述一個(gè)或多個(gè)氧化物鈍化層包括所述介電材料的氧化物并且包括比所述多個(gè)鈍化層更高的氧原子百分比。
根據(jù)本發(fā)明的又一些實(shí)施例,還提供了一種用于形成半導(dǎo)體器件的方法,所述方法包括:提供包括第一光電二極管器件和第二光電二極管器件的襯底;在半導(dǎo)體襯底中圖案化溝槽,其中,所述溝槽至少部分地設(shè)置在所述第一光電二極管器件與所述第二光電二極管器件之間;在底面上方形成第一鈍化層,并且所述第一鈍化層沿著所述溝槽的側(cè)壁延伸;氧化所述第一鈍化層的上部以形成鈍化氧化物層;以及在所述溝槽中在所述鈍化氧化物層上方形成第二鈍化層,其中,所述第一鈍化層和所述第二鈍化層均都包括相同的介電材料。
附圖說(shuō)明
當(dāng)結(jié)合附圖進(jìn)行閱讀時(shí),根據(jù)下面詳細(xì)的描述可以更好地理解本發(fā)明的各個(gè)方面。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是,根據(jù)工業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐,各種部件沒(méi)有被按比例繪制。實(shí)際上,為了清楚的討論,各種部件的尺寸可以被任意增加或減少。
圖1至圖16示出了根據(jù)一些實(shí)施例的制造半導(dǎo)體器件的各個(gè)中間階段。
圖17示出了根據(jù)一些實(shí)施例的用于形成半導(dǎo)體器件的工藝流程。
具體實(shí)施方式
以下公開(kāi)內(nèi)容提供了許多不同實(shí)施例或?qū)嵗糜趯?shí)現(xiàn)本發(fā)明的不同特征。以下將描述組件和布置的特定實(shí)例以簡(jiǎn)化本發(fā)明。當(dāng)然,這些僅是 實(shí)例并且不意欲限制本發(fā)明。例如,在以下描述中,在第二部件上方或上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接觸的實(shí)施例,也可以包括形成在第一部件和第二部件之間的附加部件使得第一部件和第二部件不直接接觸的實(shí)施例。另外,本發(fā)明可以在多個(gè)實(shí)例中重復(fù)參考標(biāo)號(hào)和/或字符。這種重復(fù)是為了簡(jiǎn)化和清楚的目的,并且其本身不指示所討論的各個(gè)實(shí)施例和/或配置之間的關(guān)系。
此外,為了便于描述,本文中可以使用諸如“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“在…上面”、“上部”等空間關(guān)系術(shù)語(yǔ)以描述如圖所示的一個(gè)元件或部件與另一元件或部件的關(guān)系。除圖中所示的方位之外,空間關(guān)系術(shù)語(yǔ)意欲包括使用或操作過(guò)程中的器件的不同的方位。裝置可以以其它方式定位(旋轉(zhuǎn)90度或在其他方位),并且在本文中使用的空間關(guān)系描述符可同樣地作相應(yīng)地解釋。
各個(gè)實(shí)施例包括設(shè)置在半導(dǎo)體襯底中的圖像感測(cè)元件(如,光電二極管器件)之間的隔離溝槽。多層鈍化結(jié)構(gòu)形成在溝槽內(nèi)(如,沿著溝槽的側(cè)壁延伸并且延伸至溝槽的底面上方)。多層鈍化結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)或多個(gè)鈍化層(如,包括高帶隙介電材料)和設(shè)置在每個(gè)鈍化層之間的鈍化氧化物層(如,包括高帶隙介電層的氧化物)。鈍化氧化物層包括比鈍化層更高的氧原子百分比。通過(guò)包括鈍化氧化物層,鈍化氧化物層與鈍化層之間的界面處累積異構(gòu)偶極子,這增加了多層鈍化結(jié)構(gòu)內(nèi)的固定電荷的量。因此,根據(jù)各個(gè)實(shí)施例,提供了一種提供改進(jìn)的電功能(諸如減少的電串?dāng)_、增大的信噪比、減少的白像素和暗電流退化)的隔離結(jié)構(gòu)。鈍化氧化物層還允許更薄的鈍化結(jié)構(gòu)的形成,這有利地提高了所得到的圖像傳感器器件的光學(xué)性能(如,量子效率)。
圖1至圖14B示出了根據(jù)一些實(shí)施例的在半導(dǎo)體器件封裝件中形成深溝槽隔離(DTI)結(jié)構(gòu)的各個(gè)中間階段。首先參考圖1,提供了半導(dǎo)體封裝件300的截面圖。半導(dǎo)體封裝件300包括接合至芯片200的芯片100。在實(shí)施例中,芯片100是背照式(BSI)圖像傳感器器件,并且芯片200是邏輯電路芯片,諸如專用集成電路(ASIC)器件。芯片100包括半導(dǎo)體襯底102,該半導(dǎo)體襯底可以是晶體硅襯底或由其他半導(dǎo)體材料形成的半導(dǎo)體襯 底。還可以使用諸如多層或梯度襯底的其他的襯底。通篇描述中,表面102A稱為半導(dǎo)體襯底102的正面,表面102B稱為半導(dǎo)體襯底102的背面,該背面與芯片100的背面一致。例如,通過(guò)注入雜質(zhì)離子將光電二極管器件104形成在半導(dǎo)體襯底102的正面102A處。在一些實(shí)施例中,雜質(zhì)離子可以注入襯底102內(nèi)的外延層(未示出)。光電二極管器件104配置為將光信號(hào)(如,光子)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),并且可以是PN結(jié)光電二極管、PNP光電晶體管、NPN光電晶體管等。例如,光電二極管器件104可以包括形成在p型半導(dǎo)體層內(nèi)的n型注入?yún)^(qū)域(如,襯底102的至少一部分)。在這種實(shí)施例中,p型襯底可以隔離光電二極管器件104的鄰近的光有源區(qū)域(photo-active region)并且減少鄰近的光有源區(qū)域之間的電串?dāng)_。在實(shí)施例中,多個(gè)光電二極管器件104從表面102A延伸進(jìn)襯底102內(nèi)并且形成光電二極管器件陣列,這在圖14B的頂視圖中示出。
圖1還示出了示例性金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管106,該晶體管形成在襯底102的正面102A處。在一些示例性實(shí)施例中,每一個(gè)光電二極管器件104都電耦合至傳輸門(mén)晶體管106的第一源極/漏極區(qū)域,該晶體管包括柵極堆疊件106A(如,具有形成在柵極電介質(zhì)上方的柵電極,未分別示出)。通過(guò)連接光電二極管器件104可以共用傳輸門(mén)晶體管106的第一源極/漏極區(qū)域。例如,通過(guò)注入襯底102以形成p-n結(jié),還在襯底102中形成浮置擴(kuò)散電容器108,p-n結(jié)用作浮置擴(kuò)散電容器108。浮置擴(kuò)散電容器108可以形成在傳輸門(mén)晶體管106的第二源極/漏極區(qū)域中,因此,浮置擴(kuò)散電容器108的一個(gè)電容器極板電耦合至傳輸門(mén)晶體管106的第二源極/漏極區(qū)域。光電二極管器件104、傳輸門(mén)晶體管106和浮置擴(kuò)散電容器108的組合形成像素單元110。
互連結(jié)構(gòu)112可以形成在光電二極管器件104和襯底102上方?;ミB結(jié)構(gòu)112可以包括層間介電(ILD)層和/或金屬間介電(IMD)層、層間電介質(zhì)(ILD)和/或金屬間電介質(zhì)(IMD)包含使用任何合適的方法形成的導(dǎo)電部件(如,包括銅、鋁、鎢、它們的組合等的導(dǎo)電線和通孔)。ILD和IMD可以包括設(shè)置在這樣的導(dǎo)電部件之間的低k介電材料,低k介電材料具有例如小于約4.0或甚至2.0的k值。在一些實(shí)施例中,例如,ILD和 IMD可以由通過(guò)諸如旋涂、化學(xué)汽相沉積(CVD)、等離子體增強(qiáng)CVD(PECVD)等的任何合適的方法形成的磷硅酸鹽玻璃(PSG)、硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)、氟硅酸鹽玻璃(FSG)、SiOxCy、旋涂玻璃、旋涂聚合物、碳化硅材料、它們的化合物、它們的復(fù)合物、它們的組合等制成?;ミB結(jié)構(gòu)電連接各個(gè)有源器件(如,像素單元110)以在芯片100內(nèi)形成電路。取決于器件設(shè)計(jì),各個(gè)輸入/輸出(I/O)和/或鈍化部件(未示出)也可以可選地形成在互連結(jié)構(gòu)112上方。
如圖1所示,例如,可使用諸如金屬與金屬接合(如,銅與銅接合)、電介質(zhì)與電介質(zhì)接合(如,氧化物與氧化物接合)、金屬與電介質(zhì)接合(如,氧化物與銅接合)、混合接合、它們的任意組合等的直接接合工藝來(lái)將芯片100堆疊并且接合在芯片200的頂部上。芯片200包括半導(dǎo)體襯底202和形成在襯底202的正面202A處的電路204。例如,襯底202可以包括摻雜或非摻雜的塊狀硅或者絕緣體上半導(dǎo)體(SOI)襯底的有源層。通常,SOI襯底包括形成在絕緣體層上的半導(dǎo)體材料(諸如硅)的層。例如,絕緣層可以是掩埋氧化物(BOX)層或氧化硅層。在諸如硅或玻璃襯底的襯底上提供絕緣體層。可選地,襯底202可包括諸如鍺的另一個(gè)元素半導(dǎo)體;包括碳化硅、砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、砷化銦、和/或銻化銦的化合物半導(dǎo)體;包括SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP、和/或GaInAsP的合金半導(dǎo)體;或它們的組合。也可以使用其他襯底,諸如多層或梯度襯底。
形成在襯底202上的電路204可以是適合于特定應(yīng)用的任何類型的電路。例如,電路204可以包括多個(gè)N型金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)和/或P型金屬氧化物半導(dǎo)體(PMOS)器件,諸如晶體管、電容器、電阻器、二極管、光電二極管、熔絲等,通過(guò)芯片200的互連結(jié)構(gòu)206將這些器件互連以執(zhí)行一種或多種功能?;ミB結(jié)構(gòu)206可以與互連結(jié)構(gòu)112基本類似,并且由互連結(jié)構(gòu)112提供的電功能可以包括存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)、處理結(jié)構(gòu)、傳感器、放大器、功率分布、輸入/輸出電路等。本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員將理解,以上實(shí)例僅提供用于說(shuō)明目的以進(jìn)一步解釋本發(fā)明的應(yīng)用并且不旨在以任何方式限制本發(fā)明。可以適當(dāng)使用其他電路系統(tǒng)以用于給定應(yīng)用。
在將芯片100與芯片200接合之后,對(duì)芯片100的背面102B應(yīng)用減薄工藝。在實(shí)施例中,減薄工藝用于允許更多的光從襯底102的背面102B穿過(guò)至光電二極管器件104的光有源區(qū)域,而不被襯底102吸收。在于外延層中制造光電二極管器件104的實(shí)施例中,可以減薄芯片100的背面102B,直到暴露外延層。可使用諸如研磨、拋光、工序、工序和/或化學(xué)蝕刻的合適的技術(shù)實(shí)施減薄工藝。在減薄之后,例如,襯底102可以具有約2μm的厚度T1,但是,在減薄之后,其他的實(shí)施例可以包括具有不同厚度的襯底102。在一些實(shí)施例中,在減薄期間,襯底202可以用作支撐晶圓以對(duì)封裝件300提供結(jié)構(gòu)支撐。此外,盡管本文將芯片100和200描述為“芯片”,但是在芯片100和200是更大的晶圓的一部分時(shí)可以執(zhí)行制造的各個(gè)階段(例如,接合、減薄等),該晶圓可以包括其他附加的芯片。在這種實(shí)施例中,在制造工藝期間的任何合適的階段處,可以執(zhí)行分割工藝以使芯片100和200與晶圓的其他部件分離。
在接合和減薄之后,在相鄰的光電二極管期間104之間,可以在襯底102內(nèi)形成DTI結(jié)構(gòu)144(見(jiàn)圖14A),以改進(jìn)芯片100的信噪比并且減少串?dāng)_。圖2至圖5示出了根據(jù)一些實(shí)施例的圖案化襯底102中的溝槽的各個(gè)中間階段。首先參考圖2,提供了半導(dǎo)體襯底102和襯底102內(nèi)的光電二極管器件104的詳細(xì)視圖。在圖2中,襯底102內(nèi)僅示出了兩個(gè)光電二極管器件104,而為了簡(jiǎn)潔,省略了襯底102內(nèi)的其他部件(如,其他的光電二極管器件104、浮置擴(kuò)散電容器108等,見(jiàn)圖1)。掩模層114、底部抗反射涂(BARC)層116和光刻膠118形成在襯底102的背面102B上。
掩模層114可以包括一個(gè)或多個(gè)氧化物(如,氧化硅)層和/或氮化物(如,氮化硅)層,以在圖案化期間保護(hù)下面的襯底102??梢允褂弥T如原子層沉積(ALD)、化學(xué)汽相沉積(CVD)、高密度等離子體CVD(HDP-CVD)、物理汽相沉積(PVD)等的任何合適的沉積工藝來(lái)在襯底102上方毯式沉積掩模層114。
在形成掩模層114之后,可以在掩模層114上方毯式沉積BARC層116和光刻膠118。形成BARC 116和光刻膠118,以幫助圖案化掩模層114。例如,在光刻期間,BARC 116幫助過(guò)濾來(lái)自下面各層的反射,并且光刻膠 118可以用于將圖案轉(zhuǎn)印至掩模層114。在實(shí)施例中,通過(guò)使用光掩模(未示出)將光刻膠118暴露于光(如,紫外光),可以圖案化光刻膠118以包括開(kāi)口120。然后,取決于使用的是正性光刻膠還是負(fù)性光刻膠來(lái)去除光刻膠118的曝光部分或未曝光部分,以形成開(kāi)口120。開(kāi)口120可以與襯底102的設(shè)置在鄰近的光電二極管器件104之間的區(qū)域?qū)?zhǔn)。然后,穿過(guò)BARC 116,將光刻膠118的圖案(如,開(kāi)口120)轉(zhuǎn)印至掩模層114(如,使用合適的蝕刻工藝)。因此,在光刻膠118、BARC 116和掩模層114中圖案化開(kāi)口120。開(kāi)口120暴露半導(dǎo)體襯底102的背面102B。
隨后,如圖3所示,在蝕刻工藝期間,使用掩模層114作為圖案化掩模,將開(kāi)口120圖案化進(jìn)下面的襯底102,以在襯底102中形成溝槽122。半導(dǎo)體襯底102的蝕刻可以包括可接受的蝕刻工藝,可以在相對(duì)較低的溫度(如,小于約400℃)下執(zhí)行該蝕刻工藝以減少對(duì)封裝件300內(nèi)的其他部件(如,電組件、互連結(jié)構(gòu)等)的損害。蝕刻可以是各向異性的,從而使得溝槽122的側(cè)壁是直的、垂直的并且與襯底102的表面102A和102B基本垂直。此外,可以有工藝變化,使得溝槽122稍微錐形化,因此,溝槽122的側(cè)壁與表面102A和102B基本垂直,例如,溝槽122的側(cè)壁具有大于約88°并且介于約88°與約90°之間的傾斜角。根據(jù)一些示例性的實(shí)施例,通過(guò)干蝕刻方法來(lái)執(zhí)行蝕刻,干蝕刻方法包括但不限于:電感耦合等離子體(ICP)、變換耦合等離子體(TCP)、電子回旋共振(ECR)、反應(yīng)離子蝕刻(RIE)等。例如,工藝氣體包括含氟氣體(諸如,SF6、CF4、CHF3、NF3)、含氯氣體(諸如Cl2)、Br2、HBr、BCl3等。在一些實(shí)施例中,在蝕刻期間消耗光刻膠118。在另一實(shí)施例中,例如,在灰化工藝和/或濕剝離工藝中去除光刻膠118的剩余部分。
在得到的結(jié)構(gòu)中,溝槽122延伸進(jìn)襯底102并且設(shè)置在鄰近的光電二極管器件104之間。盡管僅示出了一個(gè)溝槽122,但是可以在襯底102中圖案化多個(gè)溝槽122,每一個(gè)溝槽122都設(shè)置在鄰近的光電二極管器件104之間。溝槽122可以部分地延伸進(jìn)襯底102或完全穿過(guò)襯底102。例如,在實(shí)施例中,溝槽122可以具有位于襯底102的正面102A與背面102B之間的中間平面處的底面。在另一實(shí)施例中,溝槽122具有與半導(dǎo)體襯底102 的正面102A基本齊平的底部。在一些示例性的實(shí)施例中,溝槽122的深度D1為約0.5μm至約2μm,并且溝槽122的寬度W1大于約0.1μm。然而,應(yīng)該理解,說(shuō)明書(shū)全文列舉的數(shù)值僅僅作為實(shí)例,并且其可以改變?yōu)椴煌臄?shù)值。例如,溝槽122的縱橫比D1/W1可以大于約5。
作為蝕刻工藝的結(jié)果,半導(dǎo)體襯底102的位于溝槽122內(nèi)的側(cè)壁會(huì)受到損壞(如,作為蝕刻原子的撞擊的結(jié)果)。當(dāng)所得到的DTI區(qū)域用于隔離光電二極管像素時(shí),被損壞的表面層導(dǎo)致光電二極管像素的暗電流(如,當(dāng)沒(méi)有暴露于光下時(shí),由光電二極管器件生成的電流)的增加。被損壞的表面層還會(huì)導(dǎo)致白像素的增加,白像素是當(dāng)沒(méi)有暴露于光下時(shí),由電流生成的像素。因此,如圖4所示,減少表面層以修復(fù)損壞去除步驟中的這種損壞。
參考圖4,執(zhí)行損壞去除步驟以去除損壞的表面層。在圖4中,虛線124表示損壞去除步驟之前的半導(dǎo)體襯底102的表面的位置。去除半導(dǎo)體襯底102的位于溝槽122中的側(cè)壁表面中的損壞,并且表面126表示去除后的溝槽122的表面。
損壞去除步驟可以包括濕蝕刻,可以使用含堿的(含堿)溶液來(lái)執(zhí)行該步驟。根據(jù)一些實(shí)施例,在損壞去除步驟中使用四甲基氫氧化銨(TMAH)。根據(jù)可選實(shí)施例,NH4OH溶液、氫氧化鉀(KOH)溶液、氫氧化鈉(NaOH)等用于去除被損壞的表面層。被去除的表面層的厚度ΔT可以大于約50nm,并且可以在介于約50nm和約135nm之間的范圍內(nèi)。作為損壞去除步驟的結(jié)果,如圖4所示,還可以改變溝槽122的形狀。
圖5至圖7示出了位于半導(dǎo)體襯底102的溝槽122中和底面102B上方的多層鈍化結(jié)構(gòu)132(見(jiàn)圖7)的形成。參考圖5,可以使用諸如原子層沉積(ALD)、化學(xué)汽相沉積(CVD)等的共形沉積方法來(lái)形成第一鈍化層(如,高k介電層128A)。高k介電層128A可以沿著溝槽122的側(cè)壁延伸并且延伸至溝槽122的底面上方。高k介電層128A可以包括相對(duì)較高的帶隙材料以用于改進(jìn)的電隔離。例如,高k介電層128A可以包括氧化鉿(HfO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)、氧化鋯(ZrO2)、氧化釔(Y2O3)、氧化硅鋯(ZrSiO4)、氧化硅鉿(HfSiO4)、 它們的組合等。通過(guò)使用相對(duì)較高的帶隙材料(如,約5.5eV或更大),高k介電層128A包括溝槽122內(nèi)的空穴累積以提供光電二極管器件104之間的改進(jìn)的電隔離。例如,高k介電層128A可以減少光電二極管器件104之間的串?dāng)_并且增大所得到的器件的信噪比。高k介電層128A還用作鈍化層以進(jìn)一步減小白像素退化,作為由蝕刻溝槽122導(dǎo)致的對(duì)襯底102的損壞的結(jié)果,會(huì)出現(xiàn)該情況。在一些實(shí)施例中,高k介電層128A的厚度T1可以為約至約但是在其他的實(shí)施例中,高k介電層128A可以具有其他的厚度。
盡管圖5將高k介電層128A示出為接觸半導(dǎo)體襯底102并且形成與該半導(dǎo)體襯底的界面,但是各個(gè)中間層可以形成在高k介電層128A與襯底102之間。例如,可以使用諸如熱氧化、CVD等的合適的工藝在溝槽122內(nèi)將一個(gè)或多個(gè)界面氧化物層(如,包括氧化硅)形成在襯底102的表面上。
在形成高k介電層128A之后,可以執(zhí)行氧化工藝以在高k介電層128A的頂面和側(cè)壁上形成鈍化氧化物層130??梢栽?如,在沉積高k介電層128A的上部時(shí))或非原位(如,在沉積高k介電層128A之后的單獨(dú)的工藝中)形成鈍化氧化物層130。例如,氧化工藝可以包括在約200℃至約450℃的溫度下在將臭氧(O3)和/或氧(O2)流至溝槽122中。在一些實(shí)施例中,流至溝槽122中的臭氧(O3)或氧(O2)的濃度可以為約20%或更大。可以在沉積高k介電層128A的上部時(shí)(如,在原位工藝中)流動(dòng)臭氧(O3)和/或氧(O2)或在沉積之后(如,在非原位工藝中)在高k介電層128A的暴露表面上方流動(dòng)??梢栽诩s10分鐘或以上的持續(xù)時(shí)間段內(nèi)應(yīng)用氧化工藝以完全形成鈍化氧化物層130。
在各個(gè)實(shí)施例中,鈍化氧化物層130包括高k介電層128A的介電材料的氧化物,其中,鈍化氧化物層130具有比高k介電層128的材料更高的氧原子百分比。例如,當(dāng)高k介電層128A包括HfO2時(shí),氧化物層130可以包括HfxOy,并且鉿原子百分比與氧原子百分比的比率為Y:X。在這種實(shí)施例中,比率Y:X大于2,并且鈍化氧化物層130中的氧原子百分比大于約66%。鈍化氧化物層130可以具有約或更大的厚度。例如,在實(shí) 施例(如,當(dāng)使用非原位工藝時(shí))中,鈍化氧化物層130可以具有約或更大的厚度,而介電層128A可以具有約或更大的厚度。在其他的實(shí)施例(如,當(dāng)使用原位工藝時(shí))中,鈍化氧化物層130和介電層128A的組合厚度為約或更大。已經(jīng)觀察到,如下文更加詳細(xì)的描述,通過(guò)形成具有以上氧濃度和厚度的鈍化氧化物層130,所得到的器件可以實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的信噪比。
隨后在圖7中,可以在鈍化氧化物層130上方形成第二鈍化層(如,高k介電層128B)。在一些實(shí)施例中,高k介電層128B的形成可以是用于形成高k介電層128A的連續(xù)沉積工藝(如,ALD、CVD等)的一部分。例如,沉積高k介電層128A的下部,通過(guò)在形成高k介電層128A的上部時(shí),流動(dòng)臭氧(O3)或氧(O2)(或增加其流量)來(lái)形成鈍化氧化物層130,然后當(dāng)已形成高k介電層128B時(shí)停止臭氧(O3)或氧(O2)的流動(dòng)。在其他的實(shí)施例中,高k介電層128B的形成包括高k介電層128A和鈍化氧化物層130形成之后執(zhí)行的單獨(dú)的沉積工藝(如,ALD、CVD等)。例如,使用第一沉積工藝沉積高k介電層128A,通過(guò)在完全形成高k介電層128A之后氧化高k介電層128A的上部來(lái)形成鈍化氧化物層130,然后,使用與第一沉積工藝獨(dú)立并且分離的第二沉積工藝形成高k介電層128B。
因此,形成多層鈍化結(jié)構(gòu)132。圖8A和圖8B中示出了根據(jù)一些實(shí)施例的多層鈍化結(jié)構(gòu)132的詳細(xì)的視圖。圖8A示出了具有兩個(gè)鈍化層128A和128B以及設(shè)置在兩者之間的鈍化氧化物層130的多層鈍化結(jié)構(gòu)132。在其他的實(shí)施例中,可以形成具有設(shè)置在每一個(gè)連續(xù)的鈍化層128之間的鈍化氧化物層130的任何數(shù)量的鈍化層128。例如,圖8B示出了具有三個(gè)鈍化層128A、128B和128C的多層鈍化結(jié)構(gòu)132,該三個(gè)鈍化層具有設(shè)置在每一個(gè)鈍化層128A/128B和128B/128C之間的鈍化氧化物層130A和130B。
由于鈍化層128A和鈍化氧化物層130之間的異構(gòu),所以偶極子136可以設(shè)置在每一個(gè)鈍化層128余鈍化氧化物層130之間的界面處。除了產(chǎn)生于鈍化層128/鈍化氧化物層130的電荷134之外,偶極子136提供了增加的固定電荷。因此,可以增加多層鈍化結(jié)構(gòu)132的空穴累積以提供改進(jìn)的電隔離,這減少了封裝件300的串?dāng)_、增大了信噪比,并且減少了白像 素退化。此外,如上所述,通過(guò)包括一個(gè)或多個(gè)鈍化氧化物層130,可以形成比沒(méi)有中間鈍化氧化物層130時(shí)更薄的多層鈍化結(jié)構(gòu)132,同時(shí)還提供足夠數(shù)量的固定電荷。例如,圖8B的三個(gè)鈍化層結(jié)構(gòu)的總厚度T2可以為約在使用原位工藝形成鈍化氧化物層130試驗(yàn)中,這可以生成等于約-2166x10-2/cm2的總固定電荷和約0.729V的反饋電壓。相反地,在沒(méi)有中間鈍化氧化物層的情況下,在試驗(yàn)中,具有約的厚度的單個(gè)鈍化層生成等于約-467x10-2/cm2的總固定電荷和約0.714V的反饋電壓。作為另一實(shí)例,圖8B的三個(gè)鈍化層結(jié)構(gòu)的總厚度T2可以為約在使用非原位工藝形成鈍化氧化物層130的試驗(yàn)中,這可以生成等于約-1580x10-2/cm2的總固定電荷和約1.114V的反饋電壓。相反地,在沒(méi)有中間鈍化氧化物層的情況下,在試驗(yàn)中,具有約的厚度的單個(gè)鈍化層生成等于約-1174x10-2/cm2的總固定電荷和約1.056V的反饋電壓。已經(jīng)觀察到,更薄的多層鈍化結(jié)構(gòu)132有利地提高了所得到的光學(xué)傳感器器件的光學(xué)性能(如,量子效率)。
在形成多層鈍化結(jié)構(gòu)132之后,附加的鈍化層(如,高k介電層138)形成在多層鈍化結(jié)構(gòu)132和半導(dǎo)體襯底102的背面102B上方。高k介電層138可以包括Ta2O5,并且可以使用諸如物理汽相沉積(PVD)的非共形沉積方法來(lái)形成。因此,高k介電層可以只部分地延伸進(jìn)溝槽122。高k介電層138的厚度T3可以在介于約和約之間的范圍內(nèi)。由于高k介電層138可以為非共形的,所以在高k介電層138的位于半導(dǎo)體襯底102上方的水平部分處測(cè)量厚度T3。如圖9所示,從溝槽122的頂部至底部,可以減少高k介電層138的厚度。
接下來(lái),如圖10所示,介電層140形成在溝槽122的高k介電層138上方。高k介電層138可以在溝槽122中的介電層140和多層鈍化結(jié)構(gòu)132的第一部分(如,上部)之間延伸,同時(shí)高k介電層138可以不在溝槽122中的介電層140和多層鈍化結(jié)構(gòu)132的第二部分(如,下部)之間延伸。根據(jù)一些實(shí)施例,介電層140包括諸如氧化硅的氧化物,根據(jù)以下實(shí)施例,其可以使用CVD或PECVD來(lái)形成。介電層140還稱為緩沖氧化物層140。
圖11至圖13A示出了填充并且回蝕刻以形成導(dǎo)電芯142(見(jiàn)圖13)。 如圖11所示,導(dǎo)電芯142的形成包括沉積步驟以形成擴(kuò)散阻擋層142A,其可以使用PVD、金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積(MOCVD)等來(lái)執(zhí)行。擴(kuò)散阻擋層142A沉積在溝槽122中的介電層140的頂面上方,并且擴(kuò)散阻擋層142A可以包括氮化鈦等。接下來(lái),如圖12所示,導(dǎo)電層142B沉積在擴(kuò)散阻擋層142A上方。導(dǎo)電層142B可以包括完全填充溝槽122的剩余部分的部分和位于介電層140的水平部分上方的附加部分。在實(shí)施例中,導(dǎo)電層142B可以包括鎢,但是也可以使用其他的不透明或反射(如,金屬)材料。接下來(lái),在圖13A中,執(zhí)行回蝕刻,并且去除擴(kuò)散阻擋層142A/導(dǎo)電層142B的位于溝槽122(圖7)外部的水平部分。圖13A中示出了剩余部分,該剩余部分稱為導(dǎo)電芯142。導(dǎo)電芯142的頂面可以位于各個(gè)位置,諸如比半導(dǎo)體襯底102的底面102B更低的、與之齊平的或更高的位置。導(dǎo)電芯142可以減少鄰近的光電二極管器件之間的光學(xué)串?dāng)_并且減少光穿透。包括介電層140和擴(kuò)散阻擋層142A以減少導(dǎo)電芯142的材料(如,鎢)的污染物進(jìn)入光電二極管器件104附近。圖13B示出了形成導(dǎo)電芯142之后的設(shè)置在封裝件300的每一個(gè)光電二極管器件104(和像素單元110)之間的溝槽122的截面圖。在另一實(shí)施例中,可以省略導(dǎo)電芯142,并且可以使用氧化物或氣隙來(lái)填充溝槽122的剩余部分。
圖14A示出了再生(recap)介電層146的形成。形成工藝包括填充導(dǎo)電芯142上方的凹槽的填充步驟,其中,再生介電層146的一部分形成在介電層140上方。然后執(zhí)行平坦化步驟,以平坦化再生介電層146的頂面。根據(jù)一些實(shí)施例,再生介電層146包括氧化硅。
通篇描述中,這些層的位于溝槽122中的部分一起稱為DTI結(jié)構(gòu)144。因此,如圖2至圖14A所示,DTI結(jié)構(gòu)144形成為至少部分地設(shè)置在半導(dǎo)體襯底102中的鄰近的光電二極管器件104之間。圖14B示出了DTI結(jié)構(gòu)144和光電二極管器件104的對(duì)應(yīng)的頂視圖。如圖14B所示,DTI結(jié)構(gòu)144形成柵格并且在像素陣列中使每一個(gè)單獨(dú)的光電二極管器件104都與鄰近的光電二極管器件104分離。根據(jù)一些實(shí)施例,同時(shí)形成多個(gè)DTI結(jié)構(gòu)144,每一個(gè)都具有如圖13A或圖13B所示的結(jié)構(gòu)。多個(gè)DTI結(jié)構(gòu)144形成多個(gè)帶,包括在X方向上延伸的多個(gè)第一帶,和在Y方向上延伸的多個(gè)第二帶, Y方向垂直于X方向。因此,多個(gè)第一帶和多個(gè)第二帶形成柵格圖案,半導(dǎo)體襯底102的多個(gè)部分(如,具有設(shè)置其中的光電二極管器件104)通過(guò)柵格彼此分離并且由柵格限定。
接下來(lái),在圖15中,導(dǎo)電柵格148形成在再生介電層146上方并且與DTI結(jié)構(gòu)/溝槽122的對(duì)應(yīng)的部分對(duì)準(zhǔn)。在實(shí)施例中,導(dǎo)電柵格148可以包括鎢,但是也可以使用其他的不透明/反射(如,金屬)材料。在頂視圖中,導(dǎo)電柵格148可以包括與圖14B所示的DTI結(jié)構(gòu)144類似的形狀。導(dǎo)電柵格148可以減少鄰近的光電二極管器件之間的光學(xué)串?dāng)_并且減少光穿透??梢栽诮殡妼?50內(nèi)形成導(dǎo)電柵格148。介電層150的頂面可以在導(dǎo)電柵格148上方延伸并且基本齊平。因此,介電層150可以是平坦化的層以用于提供用于形成附加的部件的基本齊平的表面。隨后,在圖16中,濾色器152(如,著色(color-pigmented)介電層)和微透鏡154形成在金屬柵格148和介電層150上方。每一個(gè)濾色器152和微透鏡154都與像素單元110對(duì)準(zhǔn)。
圖17示出了根據(jù)一些實(shí)施例的用于形成半導(dǎo)體器件的工藝流程400。工藝流程400開(kāi)始于步驟402,其中,提供半導(dǎo)體襯底(如,襯底102),半導(dǎo)體襯底的正面處具有第一光電二極管器件和第二光電二極管器件(如,光電二極管器件104)。在步驟404中,圖案化溝槽(如,溝槽122)以在第一和第二光電二極管器件之間從半導(dǎo)體襯底的背面延伸。溝槽可以延伸穿過(guò)襯底或停止在介于襯底的正面和背面之間的中間位置處。在步驟406中,形成第一鈍化層(如,層128A)以沿著溝槽的側(cè)壁延伸并且延伸至溝槽的底面上方。第一鈍化層可以包括高帶隙材料(如,大于約5.5eV)。在步驟408中,可以執(zhí)行氧化工藝以氧化溝槽中的第一鈍化層的暴露部分,并且形成鈍化氧化物層(如,層130),該鈍化氧化物層具有比第一鈍化層高的氧原子百分比。氧化工藝可以是原位工藝(如,沉積第一鈍化層的上部時(shí))或非原位工藝(如,完全形成第一鈍化層之后)。在步驟410中,在溝槽中,第二鈍化層(如,層128B)形成在鈍化氧化物層上方。第二鈍化層可以包括與第一鈍化層相同的材料并且具有比鈍化氧化物層低的氧原子百分比。在溝槽內(nèi),諸如附加的介電層和/或?qū)щ妼拥母郊拥牟考梢孕?成在第二鈍化層上方以形成DTI隔離結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)144),該隔離結(jié)構(gòu)電隔離襯底中的光電二極管器件。
各個(gè)實(shí)施例包括設(shè)置在半導(dǎo)體襯底中的光電二極管器件之間的隔離溝槽。多層鈍化結(jié)構(gòu)形成在溝槽內(nèi)(如,沿著溝槽的側(cè)壁延伸并且延伸至溝槽的底面上方)。多層鈍化結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)或多個(gè)鈍化層(如,包括高帶隙介電材料)和設(shè)置在每個(gè)鈍化層之間的鈍化氧化物層(如,包括高帶隙介電層的氧化物)。鈍化氧化物層包括比鈍化層更高的氧原子百分比。例如,鈍化氧化物層中的氧原子百分比可以大于約66%。通過(guò)包括鈍化氧化物層(如,具有如上所述的原子百分比),鈍化氧化物層與鈍化層之間的界面處累積異構(gòu)偶極子,這增加了多層鈍化結(jié)構(gòu)內(nèi)的固定電荷的量。因此,根據(jù)各個(gè)實(shí)施例,提供了一種提供改進(jìn)的電功能(諸如減少的電串?dāng)_、增大的信噪比、減小的白像素和暗電流退化)的隔離結(jié)構(gòu)。鈍化氧化物層還允許更薄的鈍化結(jié)構(gòu)的形成,這有利地提高了所得到的光電二極管器件的光學(xué)性能(如,量子效率)。
根據(jù)實(shí)施例,半導(dǎo)體器件包括位于半導(dǎo)體襯底中的溝槽的底面上方并且沿著半導(dǎo)體襯底中的溝槽的側(cè)壁延伸的第一鈍化層,其中,第一鈍化層包括第一介電材料。半導(dǎo)體器件還包括溝槽中的位于第一鈍化層上的鈍化氧化物層,其中,鈍化氧化物層包括第一介電材料的氧化物并且具有比第一鈍化層高的氧原子百分比。半導(dǎo)體器件還包括溝槽中的位于鈍化氧化物層上的第二鈍化層,其中,第二鈍化層也包括第一介電材料并且具有比鈍化氧化物層低的氧原子百分比。
根據(jù)另一實(shí)施例,半導(dǎo)體器件還包括設(shè)置在半導(dǎo)體襯底的正面處的第一光電二極管器件和第二光電二極管器件。半導(dǎo)體器件還包括至少部分地設(shè)置在第一光電二極管器件與第二光電二極管器件之間的溝槽和在溝槽的底面并且沿著溝槽的側(cè)壁延伸的多層鈍化結(jié)構(gòu)。溝槽從半導(dǎo)體襯底的與半導(dǎo)體襯底的正面相對(duì)的背面延伸。多層鈍化結(jié)構(gòu)包括多個(gè)鈍化層,每一個(gè)都包括具有大于約5.5電子伏特(eV)的帶隙的介電材料和設(shè)置在多個(gè)鈍化層的每一個(gè)之間的一個(gè)或多個(gè)氧化物鈍化層。一個(gè)或多個(gè)氧化物鈍化層包括介電材料的氧化物并且包括比多個(gè)鈍化層高的氧原子百分比。
根據(jù)又一實(shí)施例,一種用于形成半導(dǎo)體器件的方法包括提供襯底,襯底具有第一光電二極管器件和第二光電二極管器件,并且在半導(dǎo)體襯底中圖案化溝槽。溝槽至少部分地設(shè)置在第一光電二極管器件與第二光電二極管器件之間。方法還包括:在溝槽的底面上方形成第一鈍化層并且第一鈍化層沿著溝槽的側(cè)壁延伸,氧化第一鈍化層的上部以形成鈍化氧化物層,以及在溝槽中將第二鈍化層形成在鈍化氧化物層上方。第一鈍化層和第二鈍化層兩者包括相同的介電材料。
根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例,提供了一種半導(dǎo)體器件,包括:第一鈍化層,位于半導(dǎo)體襯底中的溝槽的底面上方并且沿著所述半導(dǎo)體襯底中的溝槽的側(cè)壁延伸,其中,所述第一鈍化層包括第一介電材料;鈍化氧化物層,在所述溝槽中并且位于所述第一鈍化層上,其中,所述鈍化氧化物層包括所述第一介電材料的氧化物并且具有比所述第一鈍化層高的氧原子百分比;以及第二鈍化層,在所述溝槽中并且位于所述鈍化氧化物層上,其中,所述第二鈍化層包括所述第一介電材料并且具有比所述鈍化氧化物層低的氧原子百分比。
在上述半導(dǎo)體器件中,所述第一鈍化層具有為5.5電子伏特(eV)或更大的帶隙。
在上述半導(dǎo)體器件中,所述鈍化氧化物層的氧原子百分比大于66%。
在上述半導(dǎo)體器件中,所述第一介電材料為氧化鉿(HfO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)、氧化鋯(ZrO2)、氧化釔(Y2O3)、氧化硅鋯(ZrSiO4)、氧化硅鉿(HfSiO4)或它們的組合。
在上述半導(dǎo)體器件中,所述溝槽至少部分地設(shè)置在第一光電二極管器件與第二光電二極管器件之間。
在上述半導(dǎo)體器件中,還包括:第三鈍化層,位于所述第二鈍化層上方并且部分地延伸進(jìn)所述溝槽內(nèi),其中,所述第三鈍化層包括與所述第一介電材料不同的第二介電材料;氧化物層,在所述溝槽中并且在所述第三鈍化層上方延伸,其中,所述第三鈍化層設(shè)置在所述溝槽中的所述氧化物層的第一部分與所述第二鈍化層的第一部分之間;擴(kuò)散阻擋層,在所述溝槽中并且位于所述氧化物層上方;以及導(dǎo)電層,在所述溝槽中并且位于所 述擴(kuò)散阻擋層上方。
在上述半導(dǎo)體器件中,所述第三鈍化層為非共形層并且不在所述溝槽中的所述氧化物層的第二部分與所述第二鈍化層的第二部分之間延伸。
根據(jù)本發(fā)明的另一些實(shí)施例,還提供了一種半導(dǎo)體器件,包括:第一光電二極管器件和第二光電二極管器件,設(shè)置在半導(dǎo)體襯底的正面處;溝槽,至少部分地設(shè)置在所述第一光電二極管器件與所述第二光電二極管器件之間,其中,所述溝槽從所述半導(dǎo)體襯底的背面延伸,所述半導(dǎo)體襯底的背面與所述半導(dǎo)體襯底的正面相對(duì);多層鈍化結(jié)構(gòu),在所述溝槽的底面上方并且沿著所述溝槽的側(cè)壁延伸,其中,所述多層鈍化結(jié)構(gòu)包括:多個(gè)鈍化層,每一個(gè)都包括具有大于5.5電子伏特(eV)的帶隙的介電材料;以及一個(gè)或多個(gè)氧化物鈍化層,設(shè)置在多個(gè)鈍化層的每一個(gè)之間,其中,所述一個(gè)或多個(gè)氧化物鈍化層包括所述介電材料的氧化物并且包括比所述多個(gè)鈍化層更高的氧原子百分比。
在上述半導(dǎo)體器件中,所述介電材料為氧化鉿(HfO2)氧化鋁(Al2O3)、氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)、氧化鋯(ZrO2)、氧化釔(Y2O3)、氧化硅鋯(ZrSiO4)、氧化硅鉿(HfSiO4)或它們的組合。
在上述半導(dǎo)體器件中,所述溝槽延伸穿過(guò)所述半導(dǎo)體襯底。
在上述半導(dǎo)體器件中,所述溝槽的底面設(shè)置在所述半導(dǎo)體襯底的正面與背面之間的中間位置處。
在上述半導(dǎo)體器件中,還包括:非共形鈍化層,位于所述多層鈍化結(jié)構(gòu)上方并且部分地延伸進(jìn)所述溝槽內(nèi);第一介電層,在所述溝槽中延伸至所述非共形鈍化層上方,其中,所述非共形鈍化層在所述溝槽中部分地設(shè)置在所述第一介電層和所述多層鈍化結(jié)構(gòu)之間;以及導(dǎo)電芯,在所述溝槽中并且位于所述第一介電層上方。
在上述半導(dǎo)體器件中,還包括:第二介電層,位于所述半導(dǎo)體襯底的底面上方,其中,所述多層鈍化結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述第二介電層與所述半導(dǎo)體襯底之間;第三介電層,位于所述第二介電層上方;以及導(dǎo)電柵格,位于所述第三介電層中并且與所述溝槽對(duì)準(zhǔn),其中,所述第三介電層在所述導(dǎo)電柵格的頂面上方延伸。
在上述半導(dǎo)體器件中,還包括:濾色器,位于所述半導(dǎo)體襯底的底面上方,其中,所述多層鈍化結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述濾色器與所述半導(dǎo)體襯底之間;以及微透鏡,位于所述濾色器上方,其中,所述濾色器設(shè)置在所述微透鏡與所述半導(dǎo)體襯底之間。
根據(jù)本發(fā)明的又一些實(shí)施例,還提供了一種用于形成半導(dǎo)體器件的方法,所述方法包括:提供包括第一光電二極管器件和第二光電二極管器件的襯底;在半導(dǎo)體襯底中圖案化溝槽,其中,所述溝槽至少部分地設(shè)置在所述第一光電二極管器件與所述第二光電二極管器件之間;在底面上方形成第一鈍化層,并且所述第一鈍化層沿著所述溝槽的側(cè)壁延伸;氧化所述第一鈍化層的上部以形成鈍化氧化物層;以及在所述溝槽中在所述鈍化氧化物層上方形成第二鈍化層,其中,所述第一鈍化層和所述第二鈍化層均都包括相同的介電材料。
在上述方法中,氧化所述第一鈍化層的上部包括:在形成所述第一鈍化層的上部時(shí)氧化所述第一鈍化層的上部。
在上述方法中,氧化所述第一鈍化層的上部包括:在形成所述第一鈍化層的上部之后氧化所述第一鈍化層的上部。
在上述方法中,氧化所述第一鈍化層的上部包括:在約200℃至約400℃的溫度下,在大于10分鐘的持續(xù)時(shí)間段內(nèi)使氧(O2)原子或臭氧(O3)原子流入所述溝槽中。
在上述方法中,所述相同的介電材料具有大于5.5電子伏特(eV)的帶隙。
在上述方法中,還包括:在所述第二鈍化層上方形成非共形鈍化層并且所述非共形鈍化層部分地延伸進(jìn)所述溝槽內(nèi);形成在所述溝槽中延伸至所述非共形鈍化層上方的介電層,其中,所述非共形鈍化層在所述溝槽中部分地設(shè)置在所述第一介電層和所述第二鈍化層之間;以及在所述溝槽中形成位于所述介電層上方的導(dǎo)電芯。
上面論述了若干實(shí)施例的部件,使得本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以更好地理解本發(fā)明的各個(gè)方面。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解,可以很容易地使用本發(fā)明作為基礎(chǔ)來(lái)設(shè)計(jì)或更改其他用于達(dá)到與這里所介紹實(shí)施例相同的 目的和/或?qū)崿F(xiàn)相同優(yōu)點(diǎn)的處理和結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員也應(yīng)該意識(shí)到,這種等效構(gòu)造并不背離本發(fā)明的精神和范圍,并且在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下,可以進(jìn)行多種變化、替換以及改變。