[发明专利]CMOS光学传感器的深槽隔离结构及形成方法

说明书

本发明公开了一种CMOS光学传感器的深槽隔离结构，包含：提供一半导体基底，所述基底中形成有光电二极管；所述的深槽隔离结构位于半导体基底中，形成一个个深槽构成阵列，所述光电二极管均位于深槽隔离的下方，每个深槽隔离形成一个像素子单元；深槽隔离的上方具有开口；所述的深槽隔离为空气隔离，深槽的侧壁为充满空气的一圈薄壁空间。本发明通过空气隔离(Air‑gap)的方式将原本需要介质填充的深沟槽结构提前封闭,而使空气保留其中，从而在像素单元周围形成一周气隙，使大角度入射光发生全反射，光线被局限在介质与气隙界面间，从而达到减少CIS器件中光串扰的目的。本发明形成方法直接将深槽结构通过快速横向填充夹断，简化了工艺难度。

技术领域

本发明涉及半导体器件制造领域，特别是指一种减少光串扰的CMOS光学传感器的深槽隔离结构。

本发明还涉及所述CMOS光学传感器的深槽隔离结构的形成方法。

背景技术

随着CMOS工艺水平的提高，CMOS光学图像传感器(CIS)凭借功耗低、成本低、体积小、可随机读取等一系列优点，实现了在平板电脑、智能手机等消费类电子领域的广泛应用。但是，CIS的占有因子(fill factor,FF)较小，暗电流较大，串扰较大等缺点是其尚未成为主流光学图像传感器的主要原因，尤其在当前CIS的主流工艺已经降到0.35μm以下后，像素尺寸的不断减小使得像素间距越来越小，造成了串扰现象更容易发生。

CMOS光学图像传感器中的串扰可分为两种：光串扰和电荷串扰。其中光串扰又包含两种形式：一是在像素单元上方以较大角度入射的光，在被完全吸收前到达相邻的像素位置，并在相邻像素位置被吸收；二是部分光(也是大角度入射的光)并没有入射到感光位置，而是入射到互联层，经互联层间反射进入相邻像素的感光部位。由串扰的发生机制可以看出，感光单元的间隔越小，串扰现象越严重，从而影响到图像的解析度和精度。因此在像素尺寸不断减小的趋势下，应采取有效措施来降低串扰的发生。

目前针对像素之间串扰问题的优化方案，主要包括以下几种：

第一种解决方案是采用不同剂量的P+对每个像素进行侧壁注入(SWI)，注入后在像素两侧形成侧壁，可以钝化硅悬空键，减小光电二极管的暗电流，从而提高了光电转换效率。经过P+钝化后的像素的量子效率可以提高20％之多。

第二种解决方案是在n型硅衬底上制备钉扎深二极管(pinned deep diode)。这种方法是利用多重注入在像素内形成结电容隔离墙，可以降低像素间的串扰并且有效调控光生载流子的漂移。与传统二极管相比，深二极管在蓝色光谱中量子效率增加到60％，绿色光谱增加到超过50％。

第三种解决方案是采用深槽隔离(DTI)结构进行隔离。如图1所示，图中仅示例包含两个单元，图中1是滤镜，2是滤光片，如左右分别为RGB中的R、G单元中的任意两种，3是由氧化硅形成的DTI，4是光电二极管。入射光线通过滤镜及G滤光片后，到达DTI侧壁并被反射到底部的光电二极管，而另一少量部分光被DTI折射后到达相邻的R单元。DTI的机制包括：Si-SiO₂界面可用作隔离墙阻止电子扩散，降低串扰；Si-SiO₂组成了类波导结构，将光线限制在硅中，实现了光学隔离，并且延长光在硅中的光程，提高量子效率、降低串扰。与前两种解决方案相比，DTI结构的隔离效果最为显著，采用DTI隔离技术在硅上制备的CMOS传感器的灵敏度和分辨率最高。

传统的CIS器件深槽隔离工艺是在像素间形成深沟槽结构后，在该结构中填入SiO₂或高反射型金属，通过光学反射或吸收的方式以减低像素间的串扰。由于DTI隔离技术的沟槽越深，隔离性越好，串扰越小，因此DTI的深度一般要超过4μm。如此深度的沟槽，对后继的填充工艺无疑是一大挑战。另一方面，DTI隔离技术对光串扰的抑制原理是利用硅衬底与DTI中SiO₂介质层的折射系数不同，形成类波导结构，将光线限制在硅中来实现的，故对DTI中隔离介质的材质选择也是优化DTI隔离技术的重要方向。

发明内容