[发明专利]用于光电器件信噪比的增强的结构和材料工程方法

说明书

一种制造半导体器件的方法包括：在传感器基板的正面之上形成互连结构，从传感器基板的背面使传感器基板变薄，将沟槽蚀刻进传感器基板中，预清洁传感器基板的暴露的表面，直接在传感器基板的经预清洁的暴露的表面上外延生长电荷层，并且在经蚀刻的沟槽内形成隔离结构。

技术领域

本文描述的实施方式一般涉及光电器件，并且尤其涉及在像素的表面上具有外延生长的电荷层以增强图像传感器中信噪比的图像传感器。

背景技术

互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)被广泛用于诸如数字相机和移动电话之类的各种应用中。CIS使用像素阵列(例如光电二极管、光门检测器(photogatedetector)或光电晶体管)来收集投射向半导体基板的光，并将收集到的光能转换成可以在合适的应用中使用的电信号。一种类型的CIS，即背照式(backside-illuminated,BSI)CIS，通常具有硅基板，所述硅基板包括：形成于内部的像素阵列，所述像素阵列用于感测和记录从背面进入基板的光的强度；以及邻近像素阵列的一些电路系统和输入/输出，用于为像素提供操作环境并且用于支持与这些像素的外部通信。在诸如蚀刻、抛光或任何其他材料去除处理的器件处理期间，基板的背面的表面(以及因此像素的表面)被损坏并且留有悬键(dangling bonds)和/或缺陷中心。由这样的悬键和/或缺陷中心产生的电荷载流子促成了在像素阵列中的电信号中形成噪声。

用于抑制噪声的产生的传统方法包括：通过在基板的背面的表面附近增加电荷层(即，包括电荷载流子的层)来钝化基板的背面的表面。电荷层中的电荷载流子与由悬键和/或缺陷中心产生的电荷载流子再结合(recombine)。可以通过将期望类型的电荷(即，与由悬键和/或缺陷中心产生的电荷载流子相反的正电荷或负电荷)注入于基板中来形成电荷层。或者，可以通过在具有期望类型的电荷的相反类型的基板的背面的表面上添加介电材料来形成电荷层，从而在背面附近在基板中感应出期望类型的电荷。可以在基板的背面的表面与介电材料之间插入缓冲氧化物层，以在介电层中的电荷载流子与该表面附近的基板中的感应电荷载流子之间进行电荷分离。

然而，近来对具有高宽深比(aspect ratio)沟槽隔离的更深像素(即，通过高宽深比沟槽彼此分开的像素)和更高信噪比的需求给这些传统方法带来了挑战。通过这些传统方法形成的电荷层可能无法以合理的制造成本和设计要求提供足够的电荷载流子来钝化基板的该表面。此外，通过注入而形成的电荷层在高宽深度比的沟槽的侧壁上也可能没有良好的覆盖范围。由厚的介电层形成的用于更好地钝化所感应的电荷载流子的电荷层还可能具有高吸收系数，从而导致来自像素阵列的信号减小。

因此，在本领域中需要一种用于钝化BSI CIS器件的背面的受损表面以及由蚀刻和/或抛光而造成的任何受损表面的改进方法，并且更一般地需要一种BSI CIS器件的改良结构。所述方法也可以在前照式(frontside-illuminated,FSI)CIS上实施，以提供与BSICIS类似的益处。

发明内容

在一个实施方式中，一种制造半导体器件的方法包括：在传感器基板的正面之上形成互连结构；从传感器基板的背面使传感器基板变薄；将沟槽蚀刻进传感器基板中；预清洁传感器基板的暴露的表面；直接在经预清洁的传感器基板的暴露的表面上外延生长电荷层；和在经蚀刻的沟槽内形成隔离结构。

在另一个实施方式中，一种制造半导体器件的方法包括：直接在操作基板(handlesubstrate)的表面上外延生长出外延生长层；直接在电荷层上外延生长半导体层；将掺杂剂注入到半导体层中；将沟槽蚀刻进半导体层；在经蚀刻的沟槽内形成隔离结构；在半导体层之上形成互连结构；和从外延生长层去除操作基板。

在另一个实施方式中，图像传感器包括：具有正面和背面的传感器基板；在背面上形成在传感器基板内的多个像素；在传感器基板内形成的多个隔离结构，其中所述多个像素通过所述多个隔离结构之一彼此隔离；在所述传感器基板的正面之上的互连结构；和在传感器基板的背面上的多个像素的表面上直接外延生长的电荷层。

附图说明