背侧照明(BSI)图像传感器及其制造方法技术

本发明专利技术提供了用于使用全局快门捕获的背侧照明(BSI)互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的垂直转移栅极结构。提供了一种背侧照明(BSI)互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，其使用垂直转移栅极结构用于提高量子效率(QE)和全局快门效率(GSE)。半导体柱从光电检测器开始朝向后端制程(BEOL)堆叠件垂直延伸。浮置扩散区域(FDR)通过半导体柱与光电检测器垂直隔开。FDR的侧壁表面与半导体柱的相邻侧壁表面横向偏移以在FDR和光电检测器之间限定横向凹部。栅极介电层加衬里于半导体柱的侧壁表面并配置在横向凹部中。栅极配置为与栅极介电层横向相邻并填充横向凹部。此外，提供了用于制造垂直转移栅极结构的方法。

【技术实现步骤摘要】
相关申请的参考本申请要求于2015年5月22日提交的美国临时申请第62/165,274号的权益，其内容结合于此作为参考。
本专利技术一般地涉及半导体
，更具体地涉及图像传感器及其制造方法。
技术介绍
许多现代电子设备包括图像传感器。图像传感器包括配置为行和列的像素传感器的阵列以及支持像素传感器阵列的操作的逻辑器件。像素传感器阵列被配置为捕获场景并将捕获场景转换为代表性数据。一些类型的图像捕获包括卷帘快门捕获和全局快门捕获。根据卷帘快门捕获，图像传感器的行或列被顺序启动来捕获共同表示场景的带的集合。根据全局快门捕获，图像传感器的所有行和列都被同时启动来捕获场景。一些类型的图像传感器包括电荷耦合器件(CCD)图像传感器、前侧照明(FSI)互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器和背侧照明(BSI)CMOS图像传感器。与CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器具有较低的功耗、减小的尺寸、直接数字输出和降低的制造成本。此外，与FSI CMOS图像传感器相比较，BSI CMOS图像传感器具有较大的量化效率和敏感性。
技术实现思路
为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本专利技术的一方面，提供了一种背侧照明(BSI)图像传感器，包括：半导体柱，从光电检测器开始朝向
后端制程(BEOL)堆叠件垂直延伸；浮置扩散区域(FDR)，通过所述半导体柱与所述光电检测器垂直隔开，所述FDR包括与所述半导体柱的相邻侧壁表面横向偏移的侧壁表面以在所述FDR和所述光电检测器之间限定横向凹部；栅极介电层，加衬里于所述半导体柱的侧壁表面并且配置在所述横向凹部中；以及栅极，配置为与所述栅极介电层横向相邻并且填充所述横向凹部。根据本专利技术的另一方面，提供了一种制造背侧照明(BSI)图像传感器的方法，所述方法包括：在半导体区域上方形成牺牲介电层；在所述牺牲介电层中执行第一蚀刻以形成暴露所述半导体区域中的光电检测器的开口；在所述开口中形成半导体柱；在所述半导体柱和所述牺牲介电层上方形成浮置扩散区域(FDR)；在所述牺牲介电层中执行第二蚀刻，以去除所述牺牲介电层并且在所述FDR和所述光电检测器之间形成横向凹部；在所述横向凹部中形成栅极介电层，以加衬里于所述半导体柱的侧壁表面；形成栅极，以填充所述横向凹部并通过所述栅极介电层与所述半导体柱横向隔开。根据本专利技术的又一方面，提供了一种背侧照明(BSI)图像传感器，包括：后端制程(BEOL)堆叠件，配置在载体衬底上方；半导体区域，配置在所述BEOL堆叠件上方并与所述BEOL堆叠件隔开，所述半导体区域包括光电检测器；一对半导体柱，从所述光电检测器开始朝向所述BEOL堆叠件垂直延伸；一对浮置扩散区域(FDR)，与所述光电检测器垂直隔开并且对应地邻接所述半导体柱以与所述光电检测器相对，其中，所述FDR的侧壁表面远离对应半导体柱的相邻侧壁表面横向偏移；一对栅极介电层，加衬里于所述半导体柱的侧壁表面并横向配置在所述半导体柱的侧壁表面和所述FDR之间；以及一对栅极，横向配置为与所述栅极介电层相邻并且垂直位于所述FDR和所述光电检测器之间。附图说明当结合附图进行阅读时，根据以下详细的描述来更好地理解本专利技术的各个方面。注意，根据工业的标准实践，各个部件没有按比例绘制。实际
上，为了讨论的清楚，可以任意地增加或减小各个部件的尺寸。图1A示出了具有用于使用全局快门捕获的背侧照明(BSI)互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的像素传感器的一对垂直转移栅极结构的集成电路(IC)的一些实施例的截面图。图1B示出了具有用于使用全局快门捕获的BSI CMOS图像传感器的像素传感器的单个垂直转移栅极结构的IC的一些实施例的截面图。图2示出了使用全局快门捕获的BSI CMOS图像传感器的像素传感器的一些实施例的截面图。图3示出了使用全局快门捕获的BSI CMOS图像传感器的像素传感器的一些实施例的电路图。图4示出了使用全局快门捕获的BSI CMOS图像传感器的一些实施例的平面图。图5示出了制造具有用于使用全局快门捕获的BSI CMOS图像传感器的像素传感器的垂直转移栅极结构的IC的方法的一些实施例的流程图。图6至图24示出了根据图5的方法的处于各个制造阶段的具有垂直转移栅极结构的IC的一些实施例的一系列截面图。具体实施方式以下公开提供了许多不同的用于实施本专利技术主题的不同特征的实施例或实例。以下描述部件或配置的具体实例以简化本专利技术。当然，这些仅仅是实例而不用于限制。例如，在以下的描述中，在第二部件上方或之上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件被形成为直接接触的实施例，并且也可以包括可以在第一部件和第二部件形成附件部件使得第一部件和第二部分没有直接接触的实施例。此外，本专利技术可以在各个实例中重复参考标号和/或字母。这些重复是为了简化和清楚，其本身并不表示所讨论的各个实施例和/或结构之间的关系。此外，为了易于描述，可以使用空间相对术语(诸如“在…下方”、“之下”、“下部”、“上方”、“上部”等)以描述图中所示一个元件或部件与另一个元件或部件的关系。除图中所示的定向之外，空间相对术
语还包括使用或操作中设备的不同定向。装置可以以其他方式定向(旋转90度或处于其他定向)，本文所使用的空间相对描述可因此进行类似的解释。一些背侧照明(BSI)互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器包括沿着集成电路(IC)的背侧配置的像素传感器的阵列，通常在IC的半导体衬底内。像素传感器包括对应的光电检测器和对应的晶体管。光电检测器累积来自入射辐射(例如，光)的电荷，并且晶体管帮助读出累积的电荷。在BSI CMOS图像传感器使用全局快门捕获的情况下，像素传感器还包括对应的转移晶体管和对应的浮置扩散区域(FDR)。转移晶体管选择性地将来自光电检测器的累积电荷转移到FDR，并且FDR存储转移的电荷用于读出。对采用全局快门捕获的BSI CMOS图像传感器的挑战源于FDR。FDR通常配置为与IC背侧的光电检测器横向相邻。这减小了光电检测器的填充因子(例如，大小)，因此减小了光电检测器的量子效率(QE)。此外，FDR通常具有与光电检测器类似的结构，因此响应于入射辐射而累积电荷。这种累积会污染被FDR存储的电荷并且可引起成像为伪像。为了防止辐射到达和污染FDR，金属屏蔽物通常覆盖IC背侧的FDR。然而，即使具有金属屏蔽物，通常也会有很多的辐射到达FDR，并且全局快门效率(GSE)(即，如何很好地保护FDR免受辐射影响的措施)通常较差。鉴于上述内容，本专利技术涉及具有垂直转移栅极结构的IC以实现使用全局快门捕获的BSI CMOS图像传感器中QE和GSE的改善。根据IC的一些实施例，半导体柱从光电检测器朝向后端制程(BEOL)堆叠件垂直延伸。FDR通常与光电检测器隔开并配置在半导体柱上与光电检测器相对。FDR包括远离半导体柱与半导体柱的相邻侧壁表面横向偏移的侧壁表面，以在侧壁表面之间限定横向凹部。栅极介电层加衬里于横向凹部中的半导体柱的侧壁表面，并且金属栅极填充与栅极介电层横向相邻的横向凹部。通过形成与光电检测器垂直隔开的FDR，增加了光电检测器的填充因子，从而有利地增加了光电检测器的QE。通过配置与栅极介电层横向相邻的金属栅极并且填充横向本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种背侧照明(BSI)图像传感器，包括：半导体柱，从光电检测器开始朝向后端制程(BEOL)堆叠件垂直延伸；浮置扩散区域(FDR)，通过所述半导体柱与所述光电检测器垂直隔开，所述FDR包括与所述半导体柱的相邻侧壁表面横向偏移的侧壁表面以在所述FDR和所述光电检测器之间限定横向凹部；栅极介电层，加衬里于所述半导体柱的侧壁表面并且配置在所述横向凹部中；以及栅极，配置为与所述栅极介电层横向相邻并且填充所述横向凹部。

【技术特征摘要】
2015.05.22 US 62/165,274;2015.08.26 US 14/835,9831.一种背侧照明(BSI)图像传感器，包括：半导体柱，从光电检测器开始朝向后端制程(BEOL)堆叠件垂直延伸；浮置扩散区域(FDR)，通过所述半导体柱与所述光电检测器垂直隔开，所述FDR包括与所述半导体柱的相邻侧壁表面横向偏移的侧壁表面以在所述FDR和所述光电检测器之间限定横向凹部；栅极介电层，加衬里于所述半导体柱的侧壁表面并且配置在所述横向凹部中；以及栅极，配置为与所述栅极介电层横向相邻并且填充所述横向凹部。2.根据权利要求1所述的BSI图像传感器，其中，与所述光电检测器相对的所述FDR邻接所述半导体柱，并且所述FDR具有比所述半导体柱大的占位面积。3.根据权利要求1所述的BSI图像传感器，其中，所述栅极包括：金属栅极衬里层，被限制于所述横向凹部并且加衬里于所述横向凹部；以及金属栅极填充层，填充所述横向凹部。4.根据权利要求1所述的BSI图像传感器，还包括：半导体区域，邻接所述半导体柱，与所述FDR相对，其中所述光电检测器被配置在所述半导体区域中并且被隔离区域横向环绕。5.根据权利要求1所述的BSI图像传感器，其中，所述半导体柱的宽度小于或等于约0.2微米。6.根据权利要求1所述的BSI图像传感器，还包括：载体衬底，配置在所述BEOL堆叠件下方并与所述BEOL堆叠件邻接；钝化层，配置在所述光电检测器上方；滤色器，配置在所述钝化层上方；以及微透镜，配置在所述滤色器上方。7.根据权利要求1所述的BSI图像传感器，其中，所述FDR是n型外延层，并且所述半导体柱是n型或p型外延层。8.根据权利要求1所述的BSI图像传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：施俊吉，亚历山大·卡尔尼茨基，黄益民，
申请(专利权)人：台湾积体电路制造股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71