TWI894582B

TWI894582B - 影像感測器以及用於形成影像感測器的方法

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Publication number: TWI894582B
Application number: TW112125342A
Authority: TW
Inventors: 劉炤德; 林妍辰; 陳思瑩; 王銓中; 楊敦年
Original assignee: 台灣積體電路製造股份有限公司
Priority date: 2023-02-02
Filing date: 2023-07-06
Publication date: 2025-08-21
Also published as: TW202445846A; US20240266375A1; DE102024100460A1; US20250338661A1; KR20240121686A

Abstract

在一些實施例中，本揭露涉及用於形成影像感測器和相關裝置結構的方法。前側深溝渠隔離(FDTI)溝渠從第一畫素區和第二畫素區之間的基底的前側形成，然後被填充以形成FDTI結構。頂蓋層形成在FDTI結構上方上覆於基底的第一畫素區和第二畫素區。第一光電二極體形成在第一畫素區中，第二光電二極體形成在第二畫素區中。FD節點形成在第一畫素區和第二畫素區之間的頂蓋層內上覆於的FDTI結構。FD節點可以由不被FDTI結構分開的一組畫素區共享，如此只需要很少的金屬觸點，從而減少相近的金屬觸點的寄生電容問題。

Description

影像感測器以及用於形成影像感測器的方法

本發明的實施例是有關於一種影像感測器以及用於形成影像感測器的方法。

許多現代電子設備，例如數位相機和攝影機，都包含影像感測器以將光學圖像轉換為數位數據。影像感測器包括畫素區的陣列，每個畫素區包含光電二極體，光電二極體被配置為捕獲光學信號(例如，光)並將其轉換為數位數據(例如，數位圖像)。互補金屬氧化物半導體(Complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)影像感測器通常用於電荷耦合裝置(charge-coupled device，CCD)影像感測器，因為它們具有許多優點，例如功耗更低、數據處理速度更快以及製造成本更低。

在一些實施例中，本揭露涉及用於形成影像感測器的方法。方法包括從基底的前側形成前側深溝渠隔離(FDTI)溝渠於第一畫素區和與第一畫素區相鄰的第二畫素區之間，並填充FDTI溝渠以形成具有第一深度的FDTI結構。方法還包括形成頂蓋層於基底的FDTI結構上方且上覆於基底的第一畫素區和第二畫素區。方法還包括形成第一光電二極體於第一畫素區中，形成第二光電二極體於第二畫素區中。第一光電二極體和第二光電二極體屬於第一摻雜型。方法還包括形成第一摻雜型的浮動擴散(FD)節點於頂蓋層內第一畫素區和第二畫素區之間。FD節點上覆於FDTI結構。

在其他實施例中，本揭露涉及用於形成影像感測器的方法。方法包括從基底的前側形成前側深溝渠隔離(FDTI)結構分隔從上視來看佈置成多行和多列多個畫素區，並且形成頂蓋層於FDTI結構上方且上覆於多個畫素區。方法進一步包括從頂蓋層形成多個第一摻雜型的光電二極體並延伸進基底中，並且形成第一摻雜型的浮動擴散(FD)節點於頂蓋層內被多個畫素區內的一組畫素區共享。FD節點佈置於一組畫素區的交叉點處上覆FDTI結構。

在又一個實施例中，本揭露涉及包括具有第一畫素區和與第一畫素區相鄰的第二畫素區的基底的影像感測器。頂蓋層設置於基底的前側上方。第一光電二極體和第二光電二極體從頂蓋層延伸到基底中。第一光電二極體設置於第一畫素區中，第二光電二極體設置於第二畫素區中。第一光電二極體和第二光電二極體屬於第一摻雜型。前側深溝渠隔離(FDTI)結構設置於第一畫素區和第二畫素區之間。第一摻雜型的浮動擴散(FD)節點設置於頂蓋層內並且通過頂蓋層而與FDTI結構隔開。

100A,100A~100D,100B,100C,100D,200B,300,400:剖視圖

102,202:基底

102b:背側

102f:前側

103,103a~103d:畫素區

104:光電二極體

104a:第一光電二極體

104b,104d:第二光電二極體

108:浮動擴散節點/FD節點

110:轉移閘極

112:頂蓋層

114:孔隙

116:蝕刻停止層

118:停止層

120:硬罩幕

122:前側深溝渠隔離溝渠/FDTI溝渠

124:前側深溝渠隔離結構/FDTI結構

124a,124’a:前側深溝渠隔離襯裡/FDTI襯裡

124b,124’b:主填充柱

124t:頂側

124’:FDTI前驅物

128:濾色器

130:微透鏡

132:層間介電層/ILD層

134:光阻層

142:導電觸點

142a:閘極觸點

142b:浮動擴散節點觸點/FD節點觸點

144:處理基底

200A:上視圖

2100:方法

2102,2104,2106,2108,2110,2112:動作

當結合所附的圖閱讀以下詳細描述時，本揭露的各方面將得到最好的理解。值得注意的是，根據業界的標準做法，各特徵並未按比例繪製。事實上，為了討論的清楚起見，可以任意增加或減少各種特徵的尺寸。

圖1A至圖1D示出了形成前側的深溝渠隔離(FDTI)結構和上覆於FDTI結構的共享FD節點的方法的一些實施例的一系列的剖視圖。

圖2A至圖2B示出了具有由FDTI結構隔開的多個畫素區和上覆於FDTI結構的共享FD節點的影像感測器的一些實施例的上視圖和剖視圖。

圖3至圖4示出了具有由FDTI結構隔開的畫素區的陣列和上覆於FDTI結構的共享FD節點的影像感測器的一些其他實施例的剖視圖。

圖5至圖12示出了形成具有由FDTI結構一一隔開的多個畫素區和上覆於FDTI結構的共享FD節點的影像感測器的方法的一些實施例的一系列的剖視圖。

圖13至圖16示出了形成具有由FDTI結構一一隔開的多個畫素區和上覆於FDTI結構的共享FD節點的影像感測器的方法的一些其他實施例的一系列的剖視圖。

圖17至圖20示出了形成具有由FDTI結構一一隔開的多個畫素區和上覆於FDTI結構的共享FD節點的影像感測器的方法的一些其他實施例的一系列的剖視圖。

圖21示出了形成具有由FDTI結構一一隔開的多個畫素區和上覆於FDTI結構的共享FD節點的影像感測器的方法的一些實施例的流程圖。

以下揭露內容提供用於實施所提供主題的不同特徵的許多不同實施例或實例。下文描述組件和佈置的具體實例以簡化本揭露。當然，這些僅為實例且並不意圖為限制性的。舉例來說，在以下描述中，第一特徵在第二特徵上方或第二特徵上的形成可包含第一特徵與第二特徵直接接觸地形成的實施例，且還可包含額外特徵可在第一特徵與第二特徵之間形成以使得第一特徵與第二特徵可不直接接觸的實施例。另外，本揭露可在各種實例中重複附圖標號和/或字母。此重複是出於簡化和清楚的目的，且本身並不指示所論述的各種實施例和/或配置之間的關係。

另外，為易於描述，本文中可使用例如「在...下面」、「在...下方」、「下部」、「在...上方」、「上部」等空間相對術語來描述如圖式中所示出的一個元件或特徵與另一(些)元件或特徵的關係。除圖式中所描繪的定向外，空間相對術語意圖涵蓋器件在使用或操作中的不同定向。裝置可以其它方式定向(旋轉90度或處於其它定向)，且本文中所使用的空間相對描述詞可同樣相應地進行解釋。

一個影像感測器包括排列成陣列的多個畫素區。多個畫素區中的每一個可以包括被配置為偵測入射光並將入射光轉換為電荷載子的光電二極體。轉移閘極被配置為控制轉換後的電荷載子流向浮動擴散(Floating diffusion，FD)節點。FD節點是一種類似電容器的結構，用於收集和儲存光電二極體產生的電荷載子。儲存在FD節點中的電荷載子隨後被讀出電路(例如，包括復位電晶體(reset transistor)、源極隨耦器電晶體(source follower transistor)等的多個電晶體)轉換成電壓信號。隨著影像感測器尺寸的縮小，由於畫素密度增加和畫素之間的距離減小，串擾可能變成更為嚴重的問題。在一方面，隨著畫素尺寸縮小，由於導電結構(例如相鄰的金屬觸點或電晶體的閘極和源極/汲極區域)之間的寄生電容和電阻的相鄰性，電串擾變得更加顯著。在另一方面，當光由於繞射、反射或散射而從一個畫素洩漏到另一個畫素時，會發生光串擾。隨著畫素尺寸的減小，每個畫素可以捕獲的光量也會減少，這會增加光串擾的可能性。電串擾和光串擾都會降低影像質量。

前側深溝渠隔離(Frontside deep trench isolation，FDTI)和背側深溝渠隔離(Backside deep trench isolation，BDTI)是兩種隔離技術，用於提供畫素之間的隔離，以減少CMOS影像感測器中的串擾。影像感測器包括包括畫素的主動區和設置於其上的讀出電路前側以及在主動區的與讀出電路相對的另一側的背側。FDTI涉及在畫素的主動區域之間從影像感測器的前側創建深溝渠，然後將其以隔離材料填充。另一方面，BDTI涉及從影像感測器的背側創建深溝渠，然後將其以隔離材料填充。BDTI是在前側裝置程序和處理晶圓接合之後形成的。因此，由於晶圓厚度和接合引起的彎曲，BDTI的形成可能具有正面圖案對準的重疊控制問題。此外，BDTI可能會導致額外的設備降級甚至故障，因為它可能會在完成前側設備程序後引入額外的應力和化學物質。同時，FDTI佔用的表面區域本來是可用於主動區或傳輸和讀出電晶體的矽表面表面區域。如上所述，隨著尺寸的不斷縮小，FDTI問題因為畫素的相鄰性而變得更加顯著。例如，在某些共享畫素佈局中，一組畫素的FD節點可能彼此靠近的排列，且FD節點的金屬觸點和/或金屬布線會引起顯著的寄生電容問題。

鑑於上述，本揭露的一些實施例涉及一種形成影像感測器的改進的方法以及相關聯的影像感測器裝置，改進的方法包括在FDTI結構上方形成頂蓋層並且在上覆於FDTI結構的頂蓋層內形成FD節點。具體來說，在一些實施例中，FDTI溝渠形成在第一畫素區以及與第一畫素區相鄰的第二畫素區之間從基底的前側，然後被填充以形成FDTI結構。頂蓋層形成在FDTI結構上方，且上覆於基底的第一畫素區和第二畫素區。第一光電二極體形成在第一畫素區中，且第二光電二極體形成在第二畫素區中。FD節點形成在頂蓋層內第一畫素區和第二畫素區之間上覆於FDTI結構。FD節點可以由一組畫素區共享，而並非每個畫素中都具有的單獨的FD節點，如此只需要很少的金屬觸點，從而減少相近的金屬觸點的寄生電容問題。另外，通過形成頂蓋層以及形成共享FD節點於頂蓋層內上覆於FDTI結構，擴大了用於主動裝置的表面區域，從而增加了畫素面積以及相鄰閘極之間的距離。因此，影像感測器將實現更少的噪音、更好的影像質量和更大的動態範圍，以捕捉從低光條件到最亮高光的更廣泛的光照水平，而不會去失細節。

圖1A至圖1D示出了形成影像感測器的方法的一些實施例的一系列的剖視圖100A~100D。如圖1A的剖視圖100A所示，從基底102的與背側102b相對的前側102f形成FDTI結構124。可以通過執行蝕刻以形成深溝渠然後用隔離材料填充深溝渠來形成FDTI結構124。隔離材料可以包括介電和金屬層的堆疊。如圖1B的剖視圖100B所示，在一些實施例中，在形成FDTI結構124之後且在頂蓋層112上形成用於主動裝置的摻雜區域之前，在FDTI結構124上方形成頂蓋層112。如圖1C的剖視圖100C所示，摻雜區域形成在頂蓋層112上。例如，摻雜區域可以包括光電二極體104、FD節點108和其他畫素裝置的源極/汲極區。在一些實施例中，FD節點108由一組畫素區共享，諸如圖1A至圖1D中的畫素區103a、103b。如圖1D的剖視圖100D所示，在一些實施例中，轉移閘極110可以分別形成在光電二極體104和FD節點108之間。轉移閘極110配置為控制光電二極體104和FD節點108之間的電流。轉移閘極110可以包括沿著基底102的前側102f的設置的閘電極和閘極介電質。層間介電(Inter-layer dielectric，ILD)層132可以形成在基底202和轉移閘極110上方。用於轉移閘極110以及FD節點108的導電觸點142(例如閘極觸點142a)、FD節點觸點142b以及金屬互連層(未示出)可以隨後通過ILD層132形成。通過形成頂蓋層112於FDTI結構124上方以及形成包括上覆於FDTI結構124的FD節點108的摻雜區域於頂蓋層112內，擴大了主動裝置的表面區域，從而增加了畫素面積和相鄰的轉移閘極110之間的距離。並且，通過形成由頂蓋層112而與FDTI結構124分開並由一組畫素共享的FD節點108，減少或避免了由用於相鄰畫素的鄰近的FD節點觸點所引起的寄生電容。

圖2A至圖2B示出了具有由FDTI結構124隔開的多個畫素區103的影像感測器的一些實施例的上視圖200A和剖視圖200B。圖3至圖4示出了具有設置在基底102中的FDTI結構124以及上覆於FDTI結構124的共享FD節點108的影像感測器的一些其他實施例的剖視圖300、400。如圖3至圖4所示，FDTI結構124可能會由於各種形成過程而具有不同的形狀。圖2B、圖3以及圖4的剖視圖200B、300、400的可以沿圖2A中的A-A'線截取。

如圖2A的上視圖200A所示，FDTI結構124將影像感測器的畫素區103分開。FDTI結構124被配置為提供相鄰畫素區的隔離。在一些實施例中，FD節點108可能設置在一組畫素區103a~103d的交叉點處上覆於FDTI結構124。FD節點108為第一摻雜型，例如n型。一組畫素區103a~103d可以耦合到同一個整合的FD節點，即FD節點108。儘管在圖中示出了且說明書中描述為一組四個畫素區103a~103d共享FD節點，但是應當理解，可以設計不同數量的畫素區來共享FD節點。可以重複使用相同的圖案或多個不同的圖案以構成適當數量的畫素區，用於排列影像感測器。

在一些實施例中，畫素區103a~103d組中的每一個畫素區103都包含轉移閘極110和光電二極體104。轉移閘極110配置為控制光電二極體104和FD節點108之間的電流。轉移閘極110可以包括沿著基底102的前側102f設置的閘電極和閘極介電質。轉移閘極110可以在基底202中垂直延伸，以更好地控制電流。閘電極可以包括例如摻雜多晶矽、導電金屬(例如鋁)等。閘極介電質可以包括高介電常數(high-k)介電質、氧化物(例如二氧化矽)等。光電二極體104設置於相應的畫素區103中。光電二極體104為第一摻雜型，例如n型。

如圖2B和圖3至圖4所示，舉例來說，基底102具有第一畫素區103a和相鄰於第一畫素區103a的第二畫素區103d。基底102可以包括任何類型的半導體主體(例如，矽/CMOS塊材、SiGe等)，例如半導體晶圓或晶圓上的一個或多個晶粒，以及任何其他類型的半導體及/或形成於其上的磊晶層及/或與之相關的其他者。基底102可以例如通過毯覆植入或分級磊晶生長製程製備成具有第二摻雜型(例如p型)。

在一些實施例中，頂蓋層112設置於基底102的前側102f上方。頂蓋層112可以橫跨影像感測器的畫素區103毯覆地設置。在一些實施例中，頂蓋層112與基底102屬於同一種材料。作為示例，頂蓋層112可以為多晶矽或包含多晶矽。

在一些實施例中，第一光電二極體104a設置於第一畫素區103a中，且第二光電二極體104d設置於與第一畫素區103a相鄰的第二畫素區103d中。第一光電二極體104a和第二光電二極體104d為第一摻雜型，例如n型。第一光電二極體104a和第二光電二極體104d從頂蓋層112延伸到基底102。FDTI結構124設置於第一畫素區103a和第二畫素區103d之間並分隔第一光電二極體104a和第二光電二極體104d。在一些實施例中，FDTI結構124具有傾斜的側壁，在靠近基底102的背側102b的底側處具有較小寬度，在靠近基底102的前側102f的頂側124t處具有較大寬度。FDTI結構124的傾斜範圍可以從幾度到45度或更多。FDTI結構124的寬度可以從靠近或對齊基底102的背側102b的底側至靠近基底102的前側102f的頂側124t單調增加。

如圖2B所示，舉例來說，在一些實施例中，FDTI結構124可以設置為通過基底102，並且可以具有基底102的整個深度。使FDTI結構124延伸通過基底102，提供相鄰畫素區103a、103d之間的理想的光學隔離。也如圖2B所示，舉例來說，在一些實施例中，FDTI結構124的頂側124t為錐形。如圖3或圖4所示，舉例來說，在一些替代實施例中，FDTI結構124的頂側124t為平面狀。也如圖3或圖4所示，舉例來說，在一些實施例中，FDTI結構124的頂側124t可以從基底102的前側102f向後凹陷。FDTI結構124可以從基底102的背側102b延伸到基底102內的位置。如圖3所示，舉例來說，在一些實施例中，帽形停止層118可以設置在FDTI結構124和頂蓋層112之間。帽形停止層118可以設置於FDTI結構124的平面形頂側124t上。FDTI結構124的頂側124t可以被頂蓋層112完全覆蓋。

第一摻雜型(例如n型)的FD節點108設置於頂蓋層112內，且在第一光電二極體104a和第二光電二極體104d之間。第一畫素區103a和第二畫素區103d可以共享FD節點108。在一些實施例中，FD節點108通過頂蓋層112而與FDTI結構124隔開。頂蓋層112的厚度與FDTI結構124的厚度的比值可在約0.1至約0.4的範圍內。作為示例，FDTI結構124的深度可以在從約2μm到約10μm的範圍內。FDTI結構124的寬度可在從約40nm至約400nm之間的範圍內，或在約100nm至約150nm的範圍內。頂蓋層112的厚度可以在約2000埃到約4000埃之間的範圍內。FD節點108的厚度可以在約500埃到約1000埃之間的範圍內。通過使頂蓋層112足夠厚，例如大於FDTI結構124的厚度的0.1倍，或大於2000埃，FD節點108與FDTI結構124充分分隔，使得FD節點108可以是由第一畫素區103a和第二畫素區103d共享的整體組件而不會被FDTI結構124中斷。通過使頂蓋層112足夠薄，例如小於FDTI結構124的厚度的0.4倍，或小於4000埃，FDTI結構124的頂側124t更接近第一光電二極體104a和第二光電二極體104d的頂部，使得第一畫素區103a和第二畫素區103d充分隔離。

在一些實施例中，雖然圖中沒有顯示，但抗反射層和濾色器可以設置於基底102的背側102b，對應畫素區103a、103d。濾色器被配置為允許具有特定波長范圍的輻射透射，同時阻擋波長在特定範圍之外的光。出於隔離的目的，可以形成分隔濾色器的濾色器隔離結構，例如複合網格。此外，可以在濾色器上形成微透鏡。

在操作過程中，入射輻射通過微透鏡和濾色器到達基底102的背側102b，並從基底102的背側102b到達光電二極體104。光電二極體104被配置成將入射輻射(例如，光子)轉換成電信號(即，從入射輻射產生電子-電洞對)。FDTI結構124隔離畫素區103a、103d，同時通過使FDTI結構124上覆且分隔於FD節點108來防止電信號從FD節點108洩漏。

圖5至圖12示出了形成具有FDTI結構和上覆於FDTI 結構的共享FD節點的影像感測器的方法的一些實施例的剖視圖。儘管圖5至圖12是關於方法的描述，但應當理解，圖5至圖12中揭露的結構不限於這樣的方法，而是可以作為獨立於方法的結構的獨立存在。

如圖5所示，FDTI溝渠122從基底102的前側102f形成，在第一畫素區103a和與第一畫素區103a相鄰的第二畫素區103d之間。FDTI溝渠122也可以形成在第一畫素區103a和第二畫素區103d的周邊區域。在一些實施例中，FDTI溝渠122的寬度可以從靠近基底102的背側102b的底側至靠近基底102的前側102f的頂側單調增加。在一些實施例中，硬罩幕120可以形成在基底102的前側102f上方。硬罩幕120可通過各種聚合物、介電質和/或金屬材料的一種或多種沉積或旋塗製程來形成。示例的硬罩幕120可以包括三層結構，其包括碳基硬罩幕、含矽硬罩幕和從底部到頂部堆疊的光阻。

隨後對硬罩幕120進行圖案化以形成將第一畫素區103a和第二畫素區103d分開的FDTI溝渠122。通過微影製程圖案化光阻層134，然後利用刻蝕製程而根據圖案化的光阻層134蝕刻硬罩幕120，使硬罩幕120可以被圖案化。在各種實施例中，蝕刻可以包括乾蝕刻製程(具有包含氟物質(例如，CF₄、CHF₃、C₄F₈等)的蝕刻化學物質)及/或濕蝕刻劑(例如，氫氟酸(HF)或四甲基氫氧化銨(Tetramethylammonium hydroxide，TMAH))。

如圖6所示，在一些實施例中，FDTI溝渠122被隔離材料填入，以形成FDTI結構124。在一些實施例中，可以通過從基底的前側102f填充第一組的隔離材料來形成FDTI前驅物124'。在完成正面製程之後，工件被翻轉，並且FDTI前驅物124'被第二組的隔離材料替換以形成完成的FDTI結構124。隔離材料可以包括介電層和金屬層的堆疊。例如，隔離材料的填充可以包括形成襯於FDTI溝渠122的側壁和底面的介電質和/或金屬的FDTI襯裡124’a以及多晶矽的主填充柱124'b，隨後是回蝕過程。可以執行平坦化製程以移除在基底102之上的隔離材料的多餘部分。此外，在一些實施例中，FDTI前驅物124'凹回至比基底102的前側102f低的位置，並且FDTI前驅物124'形成為具有小於基底102的整個深度的第一深度。儘管下面用各種實施例說明了隔離材料替換過程，但FDTI結構也可以直接從基底102的前側102f形成，而無需後續的隔離材料替換過程。

如圖7所示，在一些實施例中，形成頂蓋層112於基底102上方。在一些實施例中，頂蓋層112由與基底102相同的材料形成，使得光電二極體可以從頂蓋層112平滑地形成並延伸至基底102中。在一些實施例中，頂蓋層112橫跨影像感測器的第一畫素區103a和第二畫素區103d。在一些實施例中，頂蓋層112與基底102為相同材料。作為示例，頂蓋層112可以由經第二摻雜型(例如p型)輕摻雜的多晶矽形成。在一些實施例中，頂蓋層112具有與基底102實質上相似的摻雜濃度。在一些實施例中，頂蓋層112通過熱熔製程或通過磊晶沉積製程形成。

亦如圖7所示，在一些實施例中，頂蓋層112伴隨著形成在頂蓋層112和FDTI結構124(或者如果稍後在背面製程中執行隔離替換過程則為FDTI前驅物124')之間的孔隙114而形成。孔隙114可能因生長和合併方向而呈錐形。

圖8至圖10示出了在形成頂蓋層112之後形成各種摻雜區和閘極結構的一些示例。如以下更詳細的例子所示，在一些實施例中，在多個畫素區內對應地形成多個第一摻雜型(例如n型)的光電二極體104。第一摻雜型的共享FD節點108可以形成在一組畫素區103的交叉點處。多個轉移閘極110可以對應地形成在多個光電二極體104和FD節點108之間。

如圖8所示，在一些實施例中，光電二極體104形成在畫素區103a~103d的組的每一者中(例如參見圖2A)。光電二極體104可以包括第一摻雜型(例如，n型)的摻雜區並且可以通過從頂蓋層112從前側102f延伸到基底102中的植入製程形成。光電二極體104可以包括不同摻雜濃度的多個摻雜層，多個摻雜層的側壁不一定對齊。此外，可以由第一摻雜型(例如，n型)以及大於光電二極體104的摻雜濃度來摻雜頂蓋層112的一部分以形成FD節點108。在一些實施例中，FD節點108具有比光電二極體104更大的摻雜濃度。頂蓋層112可以將FD節點108分隔於光電二極體104和基底102。

儘管在圖中未示出，但在一些實施例中，可以沿著基底102的前側102f形成隔離井，以將畫素區103a~103d的組分開。隔離井可以通過在具有遮罩層的情況下，有選擇性地對基板102進行第二摻雜型(例如，p型)的植入製程來形成摻雜的隔離區域。在一些實施例中，還可以沿基底102的前側102f形成淺溝渠隔離(Shallow trench isolation，STI)(未示出)，以將畫素區103a~103d的組分開。通過從前側102f選擇性地蝕刻基底以形成淺溝渠並且隨後在淺溝渠內形成氧化物或其他介電材料，使STI結構可以形成。隔離井可以從基板102的前側102f形成，延伸到頂蓋層112的內部位置，或者直接貫穿頂蓋層112。隔離井可以與STI結構居中對齊。

如圖9所示，在一些實施例中，多個轉移閘極110於多個光電二極體104與FD節點108之間對應地形成。轉移閘極110可以通過在基底102上方沉積閘極介電膜和閘電極膜來形成。隨後將閘極介電膜和閘電極膜圖案化以形成閘極介電層和閘電極。轉移閘極110可以是延伸到光電二極體104中的垂直閘極。可以在轉移閘極110的側壁上形成閘極側壁間隔件(未示出)。轉移閘極110可以形成為上覆於部分的光電二極體104和/或FD節點108。

如圖10所示，在一些實施例中，可以在頂蓋層112和轉移閘極110上方形成蝕刻停止層116。在一些實施例中，蝕刻停止層116可以包括氮化物(例如，氮化矽)、碳化物(例如，碳化矽)、氧化物(例如，二氧化矽)等。在一些實施例中，蝕刻停止層116形成為與基底102的前側102f的上表面以及多個轉移閘極110的側壁和上表面的輪廓一致。然後，在蝕刻停止層116上方形成層間介電(ILD)層132，並且諸如閘極觸點142a和FD節點觸點142b的導電觸點可以通過ILD層132和耦合到轉移閘極110和FD節點108的蝕刻停止層116來形成。然後可以將ILD層132接合到處理基底144或其他功能設備(未示出)。在一些實施例中，接合製程可以使用布置在ILD層132和處理基底144之間的中間接合氧化物層。在一些實施例中，接合製程可以包括熔融接合製程。

另外，在接合處理基底144之前，可以在ILD層132上方形成包括佈置在附加ILD層內的金屬互連層的金屬化堆疊，並且電耦合到閘極觸點142a和FD節點觸點142b。在一些實施例中，導電觸點和金屬化堆疊可以通過鑲嵌製程(例如，單鑲嵌製程或雙鑲嵌製程)形成。具體來說，ILD層可以被沉積並且隨後被蝕刻以形成通孔和/或金屬溝渠。然後用導電材料填充通孔和/或金屬溝渠以形成導電觸點和金屬互連層。在一些實施例中，可以通過氣相沉積技術(例如，物理氣相沉積、化學氣相沉積等)來沉積ILD層。可以使用沉積製程和/或鍍覆製程(例如，電鍍、化學鍍等)形成多個金屬互連層。在各種實施例中，多個金屬互連層例如可以包括鎢、銅或鋁-銅。

圖11至圖12顯示了翻轉基底102以在與前側102f相對的背側102b上進一步處理的一些示例。如圖11所示，可以先從背側102b薄化基底102以減少基底102的厚度。基底102可以被薄化以暴露FDTI前驅物124'並允許輻射穿過基底102的背側102b到達光電二極體104。在一些實施例中，可以通過蝕刻或機械研磨基底102的背側102b來薄化基底102。在一些實施例中，然後可以去除FDTI前驅物124'並用填充到FDTI溝渠122中的不同的隔離材料替換以形成FDTI結構124。作為示例，如圖16所示，首先形成襯於FDTI溝渠122的側壁和底面的包括高介電常數介電質的介電質和/或金屬的FDTI襯裡124a，隨後形成多晶矽的主填充柱124b。然後執行平坦化製程以移除多餘的隔離材料。由於FDTI溝渠122的底面可以是從暴露的頂蓋層112形成的錐形，替換的FDTI結構124可以具有較接近基底102的前側102f的錐形頂側124t。

如圖12所示，在一些實施例中，多個濾色器128可以隨後形成在基底102的背側102b之上。在一些實施例中，多個濾色器128可以通過形成和圖案化對應於畫素區103a~103d的組的各個濾色層來單獨地形成。濾色層是允許具有特定波長範圍的輻射(例如，光)透射同時阻擋特定範圍之外的波長的光的材料。出於隔離的目的，可以形成分隔濾色器128的濾色器隔離結構，例如複合網格。

此外，多個微透鏡130可以形成在多個濾色器128之上。作為示例，多個微透鏡可以通過在多個濾色器128之上沉積微透鏡材料來形成(例如，通過旋塗法或沉積製程)。圖案化具有彎曲上表面的微透鏡模板於微透鏡材料之方。在一些實施例中，微透鏡模板可以包括光阻材料，其使用分佈曝光劑量(例如，對於負光阻劑，在曲率的底部曝露更多的光線，且在曲率的頂部曝露更少的光線)曝光，顯影和烘烤以形成圓滑形狀。然後通過根據微透鏡模板選擇性地蝕刻微透鏡材料來形成多個微透鏡。

圖13至圖16示出的是一個例子，其為與前面示出與描述的圖7至圖12相關的形成頂蓋層112時留下孔隙的另外一種選擇，在一些其他實施方式中，停止層118可以形成於頂蓋層112和FDTI前驅物124'之間。如圖13所示，停止層118可以形成在FDTI溝渠122的剩餘上部內並且接觸FDTI前驅物124'。在一些實施例中，通過在FDTI溝渠122的剩餘上部內形成介電質、多晶矽或金屬的填充材料以形成停止層118，並接觸FDTI前驅物124'，然後進行凹陷蝕刻製程以移除第一光電二極體104a和第二光電二極體104b之上的多餘材料。在一些實施例中，可以通過調整凹陷蝕刻製程和/或後續的濕法清洗使停止層118形成為錐形，使得停止層118可以具有與形成頂蓋層112所產生的孔隙相匹配的頂部輪廓。剩餘的製造步驟可以類似於上面與圖7至圖12相關聯的討論，其中在頂蓋層112內形成摻雜區域包括從基底102的前側102f形成延伸到基底102中的第一光電二極體104a和第二光電二極體104b，如圖14所示。然後可以翻轉工件以從背側102b薄化基底102。在一些實施例中，如圖15至圖16所示，在翻轉工件時停止層118可以不從FDTI溝渠122移除，並從背側102b替換隔離材料以用FDTI結構124取代FDTI前驅物124'。FDTI結構124可以形成為具有與停止層118的平坦底面接觸的平坦底面。作為示例，如圖16所示，首先形成襯於FDTI溝渠122的側壁和停止層118的底面的包括高介電常數介電質的介電質和/或金屬的FDTI襯裡124a，隨後形成多晶矽的主填充柱124b。然後執行平坦化製程以移除多餘的隔離材料。

圖17至圖20示出的是一個例子，其為與前面示出與描述的圖7至圖12相關的形成頂蓋層112時留下孔隙或者與前面示出與描述的圖13至圖16相關的在由形成頂蓋層112導致的孔隙的位置形成停止層118的另外一種選擇，在一些其他實施例，頂蓋層112可以形成為完全填充FDTI溝渠122的剩餘上部並接觸凹陷的FDTI結構124。通過調整形成的參數，例如熔化溫度/時間、磊晶壓力/生長速率和/或最終熱退火，頂蓋層112可以形成為具有覆蓋FDTI前驅物124'整個頂面的平面底面，如圖17中所示。剩餘的製造步驟類似於前面的與圖7至圖12相關的討論，其中在頂蓋層112內形成摻雜區域，包括形成從基底102的前側102f延伸到基底102的第一光電二極體104a和第二光電二極體104b，如圖18所示。然後可以翻轉工件，並從背側102b薄化基底102。在一些實施例中，如圖19至圖20所示，當翻轉工件並從背側102b替換隔離材料以用FDTI結構124替換FDTI前驅物124'時，FDTI結構124可以形成有接觸頂蓋層112的平面底面的平面底面。作為示例，如圖20所示，首先形成襯於FDTI溝渠122的側面和頂蓋層112的底面的包括高介電常數介電質的介電質和/或金屬的FDTI襯裡124a，隨後形成多晶矽的主填充柱124b。然後執行平坦化製程以移除多餘的隔離材料。

圖21示出了形成具有由FDTI結構一一隔開的多個畫素區和上覆於FDTI結構的共享FD節點的影像感測器的方法2100的一些實施例的流程圖。

雖然下文將方法2100示出和描述為一系列動作或事件，但應理解的是，此類動作或事件的示出順序不應被解釋為限制性意義。例如，一些行為可以以不同的順序發生和/或與除本文所示出和/或描述的那些之外的其他行為或事件同時發生。此外，可能不需要所有示出的動作來實現本文描述的一個或多個方面或實施例。另外，本文描述的一個或多個動作可以在一個或多個單獨的動作和/或階段中執行。

在動作2102，形成FDTI溝渠於基底的前側上分隔畫素區。FDTI溝渠也可以形成在畫素區的周邊區域。在一些實施例中，FDTI溝渠的寬度可以從靠近基底的背側的底側至靠近基底的前側的頂側單調增加。例如參見圖5。

在動作2104，將隔離材料填入FDTI溝渠中。隔離材料可以包括介電層和金屬層的堆疊。例如，隔離材料的填充可以包括形成襯於FDTI溝渠的側壁和底面的介電質和/或金屬的FDTI襯裡以及多晶矽的主填充柱，隨後是回蝕過程。可以執行平坦化製程以去除基底上方的隔離材料的多餘部分。另外，在一些實施例中，使隔離材料凹陷回到低於基板的前側的位置，例如參見圖6。

在動作2106，形成頂蓋層於FDTI結構上方且上覆於畫素區。頂蓋層可以由與基底由與基底相同的材料形成，使得光電二極體可以從頂蓋層平滑地形成並延伸至基底中。在一些實施例中，頂蓋層可以毯覆地形成橫跨影像感測器的畫素區。在一些實施例中，頂蓋層通過熱熔製程或通過磊晶沉積製程形成。在一些實施例中，頂蓋層伴隨著頂蓋層和FDTI結構之間的孔隙或前驅物形成。孔隙可能因生長和合併方向而呈錐形，例如參見圖7。

在一些替代實施例中，可以形成頂蓋層112以完全填充FDTI溝渠的剩餘上部並與隔離材料接觸。通過調整形成的參數，例如熔化溫度/時間、磊晶壓力/生長速率和/或最終熱退火，頂蓋層可以形成為具有覆蓋隔離材料整個頂面的平面底面，例如參見圖17。

另一種替代方案是在形成頂蓋層時將孔隙留在頂蓋層和隔離材料之間，或者在隔離材料之上形成頂蓋層而沒有孔隙，通過如上所述的調整製程參數，在一些實施例中，形成停止層於 FDTI溝渠的剩餘空間內。可以通過在FDTI溝渠的剩餘上部內形成介電質、多晶矽或金屬的填充材料，隨後進行凹陷蝕刻製程以移除基底之上的多餘材料來形成停止層。在一些實施例中，可以通過調整凹陷蝕刻製程和/或後續的濕法清洗使停止層形成為錐形，使得停止層可以具有與形成頂蓋層所產生的孔隙相匹配的頂部輪廓，例如參見圖13。

在動作2108，基底的前側準備形成影像感測器。具體而言，第一摻雜型的多個光電二極體可以形成於基底內，分別在從上視來看佈置成多行與多列的多個畫素區內。第一摻雜型的浮動擴散(FD)節點可以在多個畫素區的交叉點處從基底的前側形成。FD節點可以通過在頂蓋層的一部分摻雜比光電二極體更高的摻雜濃度來形成。FD節點可以通過頂蓋層與光電二極體分開，例如參見圖8。

在步驟2110，多個轉移閘極可以對應地形成於多個光電二極體和FD節點之間。多個轉移閘極對應地形成於多個光電二極體和FD節點之間。轉移閘極可以通過在基底上方沉積閘極介電膜和閘電極膜來形成。隨後將閘極介電膜和閘電極膜圖案化以形成閘極介電層和閘電極。ILD層形成在轉移閘極上方，導電觸點例如閘極觸點和FD節點觸點可以通過ILD層形成。然後可以將ILD層接合到處理基底或其他功能設備(未示出)。在一些實施例中，接合製程可以使用布置在ILD層和處理基底之間的中間接合氧化物層。在一些實施例中，接合製程可以包括熔融接合製程。在一些實施例中，在接合之前，可以在ILD層上方形成包括佈置在附加ILD層內的金屬互連層的金屬化堆疊，並且電耦合到閘極觸點和FD節點觸點。在一些實施例中，導電觸點和金屬化堆疊可以通過鑲嵌製程(例如，單鑲嵌製程或雙鑲嵌製程)形成。轉移閘極可以是延伸到光電二極體中的垂直閘極。例如參見圖9至圖10。

在動作2112，翻轉工件並準備基底的背側。多個濾色器和/或微透鏡可以形成在基底的背側對應於多個光電二極體。可以先從基底的背側薄化基底以減少基底的厚度。基底可以薄化以允許輻射通過基底的背側到達光電二極體。在一些實施例中，可以薄化基底以暴露FDTI前驅物，然後可以部分或完全移除FDTI前驅物，並用不同的隔離材料填充到FDTI溝渠中以形成FDTI結構。然後執行平坦化製程以移除多餘的隔離材料。例如參見圖11至圖12。

因此，本揭露涉及一種新的形成方法結構和相應的影像感測器的裝置結構。影像傳感器被形成為具有由FDTI結構環繞和隔離的畫素區，以及在頂蓋層內且上覆上FDTI結構的設置於一組畫素的交叉點處的FD節點。

因此，在一些實施例中，本揭露涉及用於形成影像感測器的方法。方法包括從基底的前側形成前側深溝渠隔離(FDTI)溝渠於第一畫素區和與第一畫素區相鄰的第二畫素區之間，並填充FDTI溝渠以形成具有第一深度的FDTI結構。方法還包括形成頂蓋層於基底的FDTI結構上方且上覆於基底的第一畫素區和第二畫素區。方法還包括形成第一光電二極體於第一畫素區中，形成第二光電二極體於第二畫素區中。第一光電二極體和第二光電二極體屬於第一摻雜型。方法還包括形成第一摻雜型的浮動擴散(FD)節點於頂蓋層內第一畫素區和第二畫素區之間。FD節點上覆於FDTI結構。在一些實施例中，所述浮動擴散節點形成為通過所述頂蓋層而與所述前側深溝渠隔離結構隔開。在一些實施例中，所述前側深溝渠隔離溝渠部分地填充有所述前側深溝渠隔離結構，且其中所述頂蓋層形成在所述前側深溝渠隔離溝渠的剩餘上部內並接觸所述前側深溝渠隔離結構。在一些實施例中，所述頂蓋層伴隨著形成在所述頂蓋層和所述前側深溝渠隔離結構之間的孔隙而形成。在一些實施例中，所述前側深溝渠隔離溝渠被所述前側深溝渠隔離結構部分填充；且其中停止層形成在所述頂蓋層和所述前側深溝渠隔離結構之間並且形成在所述前側深溝渠隔離溝渠的剩餘上部內且接觸所述前側深溝渠隔離結構。在一些實施例中，所述頂蓋層和所述停止層都接觸所述前側深溝渠隔離結構。在一些實施例中，方法還包括：在形成所述頂蓋層之後，形成第一閘極結構於所述第一光電二極體上方，形成第二閘極結構於所述第二光電二極體上方；以及形成層間介電層於所述第一閘極結構和所述第二閘極結構和所述頂蓋層上方。在一些實施例中，方法還包括：形成通過所述層間介電層的第一閘極觸點和第二閘極觸點，且分別接觸所述第一閘極結構和所述第二閘極結構；以及形成通過所述層間介電層的浮動擴散觸點並接觸所述浮動擴散節點，其中所述浮動擴散節點配置為由所述第一畫素區和所述第二畫素區共享。在一些實施例中，方法還包括：翻轉所述基底並從所述基底的背側執行薄化處理以暴露所述前側深溝渠隔離結構；以及移除所述前側深溝渠隔離結構並並用包含高介電常數介電襯裡的替換前側深溝渠隔離結構取代所述前側深溝渠隔離結構；且其中所述替換前側深溝渠隔離結構接觸所述頂蓋層。在一些實施例中，所述頂蓋層包括多晶矽。

在其他實施例中，本揭露涉及用於形成影像感測器的方法。方法包括從基底的前側形成前側深溝渠隔離(FDTI)結構分隔從上視來看佈置成多行和多列多個畫素區，並且形成頂蓋層於FDTI結構上方且上覆於多個畫素區。方法進一步包括從頂蓋層形成多個第一摻雜型的光電二極體並延伸進基底中，並且形成第一摻雜型的浮動擴散(FD)節點於頂蓋層內被多個畫素區內的一組畫素區共享。FD節點佈置於一組畫素區的交叉點處上覆FDTI結構。在一些實施例中，所述頂蓋層是通過熱熔化或磊晶形成的，具有在所述頂蓋層和所述前側深溝渠隔離結構之間形成的錐形孔隙。在一些實施例中，方法還包括形成具有錐形的停止層於所述頂蓋層和所述前側深溝渠隔離結構之間，並且形成在所述前側深溝渠隔離溝渠的剩餘上部內接觸所述前側深溝渠隔離結構。在一些實施例中，方法還包括：形成多個閘極結構於所述多個光電二極體上方；形成層間介電層於所述多個閘極結構和所述頂蓋層上方；以及形成的單個浮動擴散觸點通過所述層間介電層並接觸所述浮動擴散節點。在一些實施例中，形成所述前側深溝渠隔離結構包括：從所述基底的所述前側形成前側深溝渠隔離溝渠；填充所述前側深溝渠隔離溝渠，然後進行凹陷製程以形成具有第一深度的前側深溝渠隔離結構；以及其中所述前側深溝渠隔離結構隨後從所述基底的背側被替換前側深溝渠隔離結構取代，所述替換前側深溝渠隔離結構包括金屬層和介電層的堆疊，所述介電層包括高介電常數介電襯裡。在一些實施例中，方法還包括形成多個濾色器於所述基底的背側對應於所述多個光電二極體，所述多個濾色器相交的界面上覆於所述前側深溝渠隔離結構。

在又一個實施例中，本揭露涉及包括具有第一畫素區和與第一畫素區相鄰的第二畫素區的基底的影像感測器。頂蓋層設置於基底的前側上方。第一光電二極體和第二光電二極體從頂蓋層延伸到基底中。第一光電二極體設置於第一畫素區中，第二光電二極體設置於第二畫素區中。第一光電二極體和第二光電二極體屬於第一摻雜型。前側深溝渠隔離(FDTI)結構設置於第一畫素區和第二畫素區之間。第一摻雜型的浮動擴散(FD)節點設置於頂蓋層內並且通過頂蓋層而與FDTI結構隔開。在一些實施例中，所述前側深溝渠隔離結構從所述基底的背側延伸到所述基底內的位置，以從所述基底的所述背側到所述基底內的所述位置單調增加的寬度；以及其中所述前側深溝渠隔離結構在靠近所述基底的所述前側處具有錐形底部。在一些實施例中，所述前側深溝渠隔離結構從所述基底的背側延伸到所述基底內的位置，以從所述基底的所述背側到所述基底內的所述位置單調增加的寬度；以及其中所述前側深溝渠隔離結構在靠近所述基底的所述前側度具有平面形底部。在一些實施例中，影像感測器還包括帽狀停止層設置在所述前側深溝渠隔離結構的所述平面形底部上，且具有被所述頂蓋層覆蓋頂部。

前文概述幾種實施例的特徵，以使得本領域的技術人員可更好地理解本公開的各方面。本領域的技術人員應瞭解，他們可易於將本公開用作設計或修改用於實現本文中所引入的實施例的相同目的和/或達成相同優點的其它製程和結構的基礎。本領域的技術人員還應認識到，此類等效構造並不脫離本公開的精神和範圍，且本領域的技術人員可在不脫離本公開的精神和範圍的情況下在本文中進行各種改變、替代以及更改。

100D:剖視圖

102:基底