隔离结构及其形成方法、包括其的图像传感器及制造方法.pdf

公开了一种隔离结构及其形成方法。隔离结构包括：第一隔离结构，具有形成在衬底中的沟槽内的绝缘层；以及第二隔离结构，形成在第一隔离结构上。第二隔离结构包括：形成在衬底中的第一杂质区，第一杂质区具有第一杂质掺杂浓度；以及第二杂质区，形成为围绕第一杂质区，第二杂质区具有大于第一掺杂浓度的第二杂质掺杂浓度。

1.  一种用于将多个器件区彼此隔离的隔离结构，所述隔离结构包括：
第一隔离结构，所述第一隔离结构具有形成在衬底中的沟槽内的绝缘层；以及
第二隔离结构，所述第二隔离结构形成在所述第一隔离结构上，所述第二隔离结构包括：
形成在所述衬底中的第一杂质区，所述第一杂质区具有第一杂质掺杂浓度；以及
形成为围绕所述第一杂质区的第二杂质区，所述第二杂质区具有大于所述第一掺杂浓度的第二杂质掺杂浓度。

2.  如权利要求1所述的隔离结构，其中，所述第二隔离结构还包括：
第三杂质区，所述第三杂质区形成在所述衬底与所述第一隔离结构之间。

3.  如权利要求1所述的隔离结构，其中，所述第一杂质区和所述第二杂质区包括：
杂质，所述杂质起到位于所述衬底的与所述器件区相对应的部分之间的势垒的作用。

4.  如权利要求1所述的隔离结构，其中，所述第二隔离结构相对于所述衬底的背面形成在所述第一隔离结构之上，或者所述第一隔离结构相对于所述衬底的背面形成在所述第二隔离结构之上。

5.  如权利要求1所述的隔离结构，其中，所述第一隔离结构和所述第二隔离结构穿通所述衬底。

6.  一种图像传感器，包括：
衬底；
多个光电转换区，所述多个光电转换区形成在所述衬底中，其中，所述光电转换区中的每个与所述图像传感器中的像素相对应；以及
隔离结构，所述隔离结构形成在所述衬底中，位于所述多个光电转换区中的每个之间，所述隔离结构包括：
第一隔离结构，所述第一隔离结构形成在所述衬底中的沟槽内；以及
第二隔离结构，所述第二隔离结构相邻于所述第一隔离结构而形成，所述第二隔离结构包括：
形成在所述衬底中的第一杂质区，所述第一杂质区具有第一杂质掺杂浓度；以及
形成为围绕所述第一杂质区的第二杂质区，所述第二杂质区具有大于所述第一杂质掺杂浓度的第二杂质掺杂浓度。

7.  如权利要求6所述的图像传感器，其中，所述第二隔离结构还包括：
第三杂质区，所述第三杂质区形成在所述衬底与所述第一隔离结构之间。

8.  如权利要求6所述的图像传感器，其中，所述第二隔离结构包括杂质，所述杂质起到位于所述多个光电转换区之间的势垒的作用。

9.  如权利要求6所述的图像传感器，其中，所述第二隔离结构的折射率小于所述衬底的折射率。

10.  如权利要求9所述的图像传感器，其中，所述第一杂质区和所述第二杂质区以杂质掺杂，所述杂质具有与所述衬底和所述多个光电转换区的导电类型相反的导电类型。

隔离结构及其形成方法、包括其的图像传感器及制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年5月31日提交的韩国专利申请第10-2013-0062477号和第10-2003-0062478号的优先权，其全文以引用的方式并入于此。
技术领域
本发明的示例性实施方式涉及半导体器件制造技术，更具体地，涉及隔离结构和用于形成隔离结构的方法，以及包括隔离结构的图像传感器和用于制造图像传感器的方法。
背景技术
图像传感器是将光学图像转换为电信号的半导体器件。图像传感器可分为电荷耦合器件（CCD）型和互补金属氧化物半导体（CMOS）型。CMOS型图像传感器通常缩写为“CIS”。CIS可包括以二维排列的多个像素，每个像素可通过隔离结构来隔离。通过隔离结构隔离的每个像素可包括光电二极管（PD）。光电二极管将入射光转换为电信号。
随着半导体器件制造技术的发展，图像传感器的集成度增加。图像传感器的高集成度需要像素更小。结果，像素之间容许的空间更小。像素之间的空间缩减可因为像素之间的串扰而导致器件特性劣化。
发明内容
一种用于将多个器件区彼此隔离的示例性实施的隔离结构可包括：第一隔离结构，具有形成在衬底中的沟槽内的绝缘层；以及第二隔离结构，形成在第一隔离结构上，第二隔离结构包括：形成在衬底中的第一杂质区，第一杂质区具有第一杂质掺杂浓度；以及第二杂质区，形成为围绕第一杂质区，第二杂质区具有大于第一掺杂浓度的第二杂质掺杂浓度。
一种形成用于将多个器件区彼此隔离的隔离结构的示例性方法可包括以下步骤：刻蚀衬底以形成沟槽；在衬底中形成非晶区，非晶区限定沟槽的底部，且非晶区具有低于衬底的熔化温度的熔化温度；将杂质注入至非晶区中以形成非晶杂质区；以及对非晶杂质区执行退火工艺以激活杂质。
形成隔离结构的示例性方法还可包括以下步骤：在形成非晶区之前或在执行退火工艺之后以绝缘层来填充沟槽；以及在形成非晶区之前执行另一退火工艺以在衬底的背面上形成突出部分。
形成非晶区还可包括以下步骤：对衬底执行预非晶化工艺。
执行退火工艺以激活杂质还可包括以下步骤：执行激光退火工艺。
执行激光退火工艺可包括以下步骤：使激光束以一定时间照射在非晶杂质区上以熔化非晶杂质区；以及从非晶杂质区移除激光束以固化非晶杂质区。
将杂质注入至非晶区还可包括以下步骤：注入杂质，所述杂质起到位于衬底的与器件区相对应的部分之间的势垒的作用。
一种示例性图像传感器可包括：衬底；多个光电转换区，形成在衬底中，其中光电转换区中的每个与图像传感器的像素相对应；以及隔离结构，形成在衬底中，位于所述多个光电转换区中的每个之间，隔离结构包括：第一隔离结构，形成在衬底中的沟槽内；以及第二隔离结构，相邻于第一隔离结构而形成，第二隔离结构包括：形成在衬底中的第一杂质区，第一杂质区具有第一杂质掺杂浓度；以及第二杂质区，形成为围绕第一杂质区，第二杂质区具有大于第一杂质掺杂浓度的第二杂质掺杂浓度。
一种形成图像传感器的示例性方法可包括以下步骤：在衬底中形成光电转换区，光电转换区中的每个与图像传感器的像素相对应；在衬底中形成位于光电转换区中的每个之间的沟槽；在衬底中形成非晶区，其中非晶区限定沟槽的底部，并具有低于衬底的熔化温度的熔化温度；将杂质注入至非晶区中以形成非晶杂质区；以及通过熔化非晶杂质区并使熔化的非晶杂质区再结晶来激活杂质。
形成图像传感器的示例性方法还可包括以下步骤：在形成非晶区之前或在激活杂质之后，在沟槽中形成绝缘层。
绝缘层可具有比衬底和光电转换区的折射率更小的折射率。
形成图像传感器的示例性方法还可包括：在形成非晶区之前执行另一退火工艺，以在衬底的背面上形成突出部分。
激活杂质可包括以下步骤：执行激光退火工艺。
执行激光退火工艺可包括以下步骤：使激光束以一定时间照射在非晶杂质区上以熔化非晶杂质区；以及从非晶杂质区移除激光束以固化非晶杂质区。
杂质可包括如下材料，所述材料起到光电转换区之间的势垒的作用，并减小非晶杂质区的折射率以小于衬底和光电转换区的折射率。
杂质可为金属，所述金属具有与光电转换区的导电类型相反的导电类型。
形成图像传感器的示例性方法还可包括以下步骤：在衬底上形成层间电介质层；以及在衬底与层间电介质层之间形成钝化层。
钝化层可具有小于衬底的热导率的热导率。
一种示例性图像感测器件可包括：有源像素传感器阵列，适用于输出与入射光相对应的像素信号；行驱动器，适用于通过将有源像素传感器阵列的一行中的所有像素同时激活来驱动读取操作；像素信号处理器，适用于接收从有源像素传感器阵列输出的像素信号，以通过对像素信号采样来输出数字信号；以及控制器，适用于控制行驱动器和像素信号处理器，以执行适用于像素信号的处理。
其中，有源像素传感器阵列包括：衬底；多个光电转换区，形成在衬底中，其中光电转换区中的每个与有源像素传感器阵列中的像素相对应；以及隔离结构，形成在衬底中，位于所述多个光电转换区中的每个之间，隔离结构包括：第一隔离结构，形成在衬底中的沟槽内；以及第二隔离结构，相邻于第一隔离结构而形成，第二隔离结构包括：形成在衬底中的第一杂质区，第一杂质区具有第一杂质掺杂浓度；以及第二杂质区，形成为围绕第一杂质区，第二杂质区具有大于第一杂质掺杂浓度的第二杂质掺杂浓度。
附图说明
图1是示例性图像传感器的电路图。
图2示出示例性图像传感器的平面图。
图3A是说明示例性图像传感器的剖面图。
图3B是说明修改的示例性图像传感器的剖面图。
图4A至图4E是示出制造图3A所示的示例性图像传感器的示例性方法的剖面图。
图5A是说明示例性图像传感器的剖面图。
图5B是说明修改的示例性图像传感器的剖面图。
图6A至图6E是示出制造图5A所示的示例性图像传感器的示例性方法的剖面图。
图7A是说明示例性图像传感器的剖面图。
图7B是说明修改的示例性图像传感器的剖面图。
图8A至图8G是示出制造图7A所示的示例性图像传感器的示例性方法的剖面图。
图9是示出通过示例性激光退火工艺形成的杂质区的杂质掺杂浓度的图。
图10是示出非晶硅和单晶硅的状态基于激光能量的电平的图。
图11示出由于激光退火而引起的晶格移动。
图12是说明示例性图像感测器件的构造的框图。
图13是说明包括示例性图像传感器的系统的框图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。然而，本发明可以用不同的方式实施，而不应解释为局限于本文所列的实施方式。确切地说，提供这些实施方式使得本公开充分与完整，并向本领域技术人员充分传达本发明的范围。在本公开中，附图标记直接对应于本发明的各个附图和实施例中的相似编号部分。
附图并不一定按比例绘制，并且在某些情况下，为了清楚地示出实施方式的特征可能夸大比例。应当容易理解的是，本公开中的“在…上”和“在…之上”的含义应当采用最广义的方式来解释，使得“在…上”的意思不仅是“直接在某物上”，还包括在具有中间特征或中间层的情况下“在某物上”的意思；而“在…之上”的意思不仅指直接在顶部上，还可以是在具有中间特征或中间层的情况下在某物顶部上的意思。
下列的示例性实施方式提供一种可防止具有多个器件区的半导体器件中的相邻器件区之间的干扰的隔离结构，以及提供一种形成所述隔离结构的方法。以外，示例性实施方式提供一种使用可防止具有多个像素的图像传感器中的相邻像素之间的串扰的隔离结构的图像传感器，以及提供一种制造所述图像传感器的方法。
示例性实施方式提供一种隔离结构，其中层叠有第一隔离结构和第二隔离结构，第一隔离结构包括用于填充衬底中的沟槽的绝缘层，第二隔离结构包括起到用于切断电荷转移的势垒的作用的杂质区；以及提供一种形成所述隔离结构的方法。此外，示例性实施方式提供一种使用所述隔离结构的图像传感器，以及提供一种制造所述图像传感器的方法。
此外，示例性实施方式提供一种隔离结构，所述隔离结构具有与对应于像素的衬底不同的折射率。具体而言，示例性实施方式提供一种隔离结构，所述隔离结构具有比设置有像素的衬底的折射率更小的折射率。更具体地，示例性实施方式提供一种隔离结构， 所述隔离结构包括第一隔离结构，所述第一隔离结构具有填充衬底中的沟槽的绝缘层。隔离结构还包括第二隔离结构，所述第二隔离结构包括杂质区，杂质区作用成势垒以切断电荷转移。第二隔离结构具有比衬底的折射率更小的折射率。第一隔离结构和第二隔离结构可层叠。示例性实施方式还提供一种形成隔离结构的方法、一种使用隔离结构的图像传感器、以及一种制造图像传感器的方法。这里，具有比衬底更小的折射率的杂质区可通过以杂质来掺杂衬底而形成，所述杂质使折射率减小得比衬底小。杂质区形成为具有比衬底的折射率更小的折射率以诱发全反射。此外，“掺杂”一词是指注入至衬底中的杂质与构成衬底的材料键合。
如上文所讨论的，图像传感器可分为电荷耦合器件（CCD）型和互补金属氧化物半导体（CMOS）型。CMOS型图像传感器还可分为正面发光（FSI）型和背面发光（BSI）型。在下列的示例性实施方式中，描述N型BSI图像传感器。然而，本发明并不局限于N型BSI图像传感器，而是可包括任何类型的CCD或CMOS型图像传感器。
图1是说明示例性图像传感器的电路图。
参见图1，光电转换区PD、转移晶体管TX、选择晶体管SX、复位晶体管RX和访问晶体管AX可对应于图像传感器10的每个像素。光电转换区PD可包括彼此垂直重叠的多个光电转换单元。每个光电转换单元可以是包括N型杂质区和P型杂质区的光电二极管。每个转移晶体管TX可包括可在衬底内部延伸的转移栅。转移栅可为凹陷栅、鞍状鳍片栅、或掩埋栅。每个转移晶体管TX的漏极可为浮置扩散区FD。浮置扩散区FD可为复位晶体管RX的源极。浮置扩散区FD可电连接至选择晶体管SX的选择栅。选择晶体管SX和复位晶体管RX可串联地连接。选择晶体管SX可与访问晶体管AX耦合。复位晶体管RX、选择晶体管SX和访问晶体管AX可被相邻的像素共用，以此方式，可改善图像传感器的集成。
在下文，将参照图1描述示例性图像传感器的操作。首先，通过在切断外部光的同时施加电源电压VDD至复位晶体管RX的漏极和选择晶体管SX的漏极来发射保留在浮置扩散区FD中的电荷。随后，当复位晶体管RX关断且外部光照射光电转换区PD时，在光电转换区PD中产生电子-空穴对。产生的空穴移动至P型杂质区以在其中积聚，而产生的电子移动至N型杂质区以在其中积聚。当转移晶体管TX导通时，电荷、诸如积聚的电子和空穴转移至浮置扩散区FD以在其中积聚。由于选择晶体管SX的栅偏压与积聚的电荷量成比例地改变，因此选择晶体管SX的源极的电势改变。这里，当访问晶体管AX导通时，由电荷所表示的信号被读取。
这里，随着图像传感器越来越高集成，像素的尺寸和像素之间的间隔逐渐减小，由 于相邻像素之间的干扰、换言之为串扰，使器件特性劣化。为了防止串扰，在衬底之上形成隔离结构以将像素彼此隔离。
隔离结构可以是通过离子注入杂质而形成的杂质区，或者可以是绝缘材料间隙填充已形成在衬底中的沟槽内部的绝缘区。杂质区可通过起到用于切断像素之间的电荷转移的势垒的作用来防止电串扰的发生。然而，因为不能避免由入射光导致的物理串扰且难以在形成杂质区的工艺中控制杂质的扩散，所以杂质区不能实质地提高隔离结构的集成，并且由于扩散的杂质而导致器件特性劣化。另一方面，绝缘区可改善集成度以及防止由入射光导致的物理串扰和电串扰，这是有利的，但用于隔离的绝缘区自身会导致要从众多悬挂键和表面缺陷产生暗电流，这是不利的。
因此，本发明的下列实施方式提供一种可防止产生暗电流、易于改善集成度、同时防止电荷转移所导致的电串扰和入射光所导致的物理串扰的隔离结构，以及一种用于形成所述隔离结构的方法、一种使用所述隔离结构的图像传感器、以及一种用于制造所述图像传感器的方法。
图2示出示例性图像传感器的平面图。图3A和图3B是图2所示的图像传感器通过沿着线A-A’剖切图像传感器所得的剖面图。图3A是说明示例性图像传感器的剖面图。图3B是说明修改的示例性图像传感器的剖面图。
如图2、3A和3B所示，图像传感器100可包括隔离结构130，所述隔离结构130具有形成在衬底101中并将多个像素彼此隔离的第一隔离结构110和第二隔离结构120。所述图像传感器还包括光电转换区PD，所述光电转换区PD形成在衬底101的与所述多个像素相对应的部分中。衬底101可为半导体衬底。半导体衬底可具有单晶状态，且可包括含硅材料。举例来说，衬底101可包括单晶含硅材料。
光电转换区PD可包括彼此垂直重叠的多个光电转换单元，每个光电转换单元可以是包括N型杂质区和P型杂质区的光电二极管。光电转换区PD和隔离结构130可隔开一定距离。
第一隔离结构110可包括填充衬底101中的沟槽111的绝缘层112。沟槽111可具有大体垂直的侧壁或倾斜的侧壁。可调整沟槽111的侧壁的形式（或斜率）以控制入射光的路径。绝缘层112可为单一的层，诸如氧化物层、氮化物层、或氮氧化物层；或可为层叠的层，所述层叠的层包括氧化物层、氮化物层、或氮氧化物层中的两种或更多种。举例来说，虽然图中未示出，但是绝缘层112可为如下的层叠的层，其包括通过热氧化工艺而形成在沟槽111的侧壁上的侧壁氧化物层、形成在侧壁氧化物层之上的内衬氮化物层、形成在内衬氮化物层之上的内衬氧化物层、以及填充内衬氧化物层之上的沟槽111 的流质绝缘层（诸如旋涂电介质（SOD）层或高密度等离子体氧化物（HDP）层）。如果衬底101包括含硅材料，则绝缘层112可包括氮氧化硅层。
第二隔离结构120可包括作为对光电转换区PD的势垒的杂质区121和122。所述杂质区可通过杂质离子注入工艺和退火工艺来形成。注入的杂质可由于退火工艺的特性而沿着杂质区的外边界积聚。
在可替选的实施方式中，第二隔离结构120可具有比包括光电转换区PD的衬底101的折射率更小的折射率。通过将减小衬底折射率的材料掺杂到衬底101，可形成杂质区121和122以具有比衬底101的折射率更小的折射率。此外，由于杂质区可作为对光电转换区PD的势垒，因此杂质区可具有与光电转换区PD的导电类型相反的导电类型。
举例来说，如果光电转换区PD具有N型导电性，则杂质区121和122可具有P型导电性。因此，可通过以P型杂质来掺杂衬底101而形成杂质区，所述P型杂质诸如P型金属，具有比衬底101的材料的折射率更低的折射率。举例来说，如果衬底101包括含硅材料，则P型金属可包括例如银（Ag）、钴（Co）、铁（Fe）等。因此，与衬底结合的P型金属具有比单独的含硅材料更小的折射率。
可替选地，如果光电转换区PD具有P型导电性，则杂质区可具有N型导电性。N型杂质可包括N型金属。举例来说，如果衬底101包括含硅材料，则N型金属可包括例如铝（Al）、钛（Ti）等。因此，与衬底结合的N型金属具有比单独的含硅材料更小的折射率。
具体而言，第二隔离结构120可包括第一杂质区121和第二杂质区122，所述第二杂质区122沿着第一杂质区121的外边界形成，并具有比第一杂质区121更高的杂质掺杂浓度。由于第二杂质区122的杂质掺杂浓度高于第一杂质区121，因此通过增加第一杂质区121的外边界处的势垒，可有效防止电串扰。第一杂质区121和第二杂质区122可具有相同的导电类型，且第一杂质区121和第二杂质区122可由于退火工艺的特性而同时形成。第一杂质区121和第二杂质区122的导电类型可基于相邻的光电转换区PD的导电类型来选择。举例来说，如果与第二隔离结构120相邻的光电转换区PD具有N型导电性，则第一杂质区121和第二杂质区122可具有P型导电性。因此，可形成对光电转换区PD的势垒。
此外，隔离结构130的第一隔离结构110和第二隔离结构120可彼此垂直地重叠。具体而言，第一隔离结构110可相对于衬底101的背面层叠在第二隔离结构120之上（参见图3A），或者第二隔离结构120可相对于衬底101的背面层叠在第一隔离结构110之上（参见图3B）。
图3A的隔离结构130，即第一隔离结构110相对于衬底101的背面层叠在第二隔离结构120之上，在防止由入射光导致的串扰上可更有效。图3B的隔离结构130，即第二隔离结构120相对于衬底101的背面层叠在第一隔离结构110之上，在防止产生暗电流上更有效。因此，第一隔离结构110和第二隔离结构120的位置可基于所需的器件特性来选择。虽然未示出，但是相对于衬底101的正面，隔离结构130可具有比光电转换区PD的深度更深的深度。这是为了更有效地防止串扰以及改善相邻像素之间的隔离特性。举例来说，隔离结构130可穿通衬底101。
图像传感器100可包括：层间电介质层103，其形成在衬底101的正面上；信号发生电路（未示出），其形成在层间电介质层103的内部；以及钝化层102，其形成在衬底101与层间电介质层103之间。信号发生电路产生（或输出）与光电转换区PD中产生的电荷相对应的电信号。具体而言，信号发生电路可包括多个晶体管和多层金属线104。如图1所示，晶体管可包括转移晶体管TX、复位晶体管RX、选择晶体管SX和访问晶体管AX。多层金属线104可通过多个接触插塞（未示出）电连接至晶体管。钝化层102可保护信号发生电路、特别是金属线104免于在后续工艺期间受损。钝化层102可包括热导率比衬底101的热导率更低的材料层。钝化层102可为单一的层或层叠的层，所述单一的层或层叠的层包括具有比衬底101的热导率更低的热导率的材料层。举例来说，如果衬底101包括含硅材料，则钝化层102可包括含硅绝缘层和含金属绝缘层。含硅绝缘层可包括氧化硅层SiO₂，含金属绝缘层可包括氧化锆层ZrO₂。
示例性图像传感器可包括位于衬底101的背面上的彩色滤光片105和形成在彩色滤光片105之上的微透镜106。
示例性图像传感器可通过具有隔离结构130来有效地防止相邻像素之间的物理串扰或电串扰，在隔离结构130中第一隔离结构110和第二隔离结构120彼此垂直地重叠。
此外，由于隔离结构130具有比衬底101的折射率更小的折射率，因此可有效地防止相邻像素之间的物理串扰。
此外，由于包围第一杂质区121的第二杂质区122的杂质掺杂浓度高于第一杂质区121的杂质掺杂浓度，因此可更有效地防止电串扰。
图4A至图4E是示出制造图3A所示的示例性图像传感器的方法的剖面图。
参见图4A，制备限定有多个像素的衬底11。衬底11可为半导体衬底。半导体衬底可为单晶半导体衬底，并可包括含硅材料。
可通过在所述多个像素的相邻像素之间的区域中选择性地刻蚀衬底11来形成用于 形成第一隔离结构的沟槽12。沟槽12可具有垂直侧壁或倾斜侧壁以控制入射光的路径。用于形成沟槽12的刻蚀工艺可为干法刻蚀工艺。
可形成绝缘层13以填充沟槽12。可通过在衬底11之上形成绝缘材料以填充沟槽12以及将绝缘材料平坦化直到暴露出衬底11的表面来形成绝缘层13。绝缘层13可为单一的层，诸如氧化物层、氮化物层、或氮氧化物层。可替选地，绝缘层13可为层叠的层，所述层叠的层包括上述层中的两种或更多种。举例来说，虽然图中未示出，但是绝缘层13可为例如如下的层叠的层，所述层叠的层包括：通过热氧化工艺而形成在沟槽12的侧壁上的侧壁氧化物层、形成在侧壁氧化物层之上的内衬氮化物层、形成在内衬氮化物层之上的内衬氧化物层、以及填充内衬氧化物层之上的沟槽12的流质绝缘层（诸如旋涂电介质（SOD）层或高密度等离子体氧化物（HDP）层）。与此同时，绝缘层13可为单一的层，所述单一的层选自氧化物层、氮化物层、氮氧化物层；或可为层叠的层，在其中层叠有上述层中的两种以上，该层叠的层具有比衬底11更小的折射率。结果，可形成第一隔离结构14，其包括填充形成在衬底11中的沟槽12的绝缘层13。
随后，在衬底11中形成光电转换区PD以对应于相应的像素。光电转换区PD可包括彼此垂直重叠的多个光电转换单元。每个光电转换单元可以是包括N型杂质区和P型杂质区的光电二极管。光电二极管可通过杂质离子注入工艺来形成。
参见图4B，可在包括第一隔离结构14和光电转换区PD的衬底11之上形成钝化层15。钝化层15可由热导率比衬底11的热导率更低的材料形成。钝化层15可为单一的层或层叠的层。举例来说，如果衬底11包括含硅材料，则钝化层15可包括例如含硅绝缘层或含金属绝缘层。含硅绝缘层可包括例如氧化硅层SiO₂，含金属绝缘层可包括氧化锆层ZrO₂。
可在钝化层15之上形成包括信号发生电路的层间电介质层16。层间电介质层16可为例如氧化物层、氮化物层、或氮氧化物层。层间电介质层16可具有多层式结构。信号发生电路产生（或输出）与光电转换区PD中产生的电荷相对应的电信号。信号发生电路可包括多个晶体管和多层金属线17。所述多个晶体管可包括（如图1所示）转移晶体管TX、复位晶体管RX、选择晶体管SX和访问晶体管AX。多层金属线17可通过多个接触插塞（未示出）电连接至所述多个晶体管。
虽然图中未示出，但是可通过在形成信号发生电路之后在衬底11的背面上执行薄化工艺来减小衬底11的厚度。这是为了通过减小入射光进入光电转换区PD的距离来增加光接收效率。薄化工艺可通过背面研磨和抛光来执行。
参见图4C，可在衬底11的背面上形成掩模图案（未示出）。掩模图案可具有与第 一隔离结构14相对应以在衬底11中形成第二隔离结构22（图4E所示）的开口。
随后，执行预非晶化工艺，所述预非晶化工艺用于通过使用掩模图案（未示出）作为离子注入阻挡层而将杂质离子注入至衬底11的背面中。如果衬底11由含硅材料形成，则用于预非晶化工艺的杂质可包括例如锗（Ge）、硅（Si）、碳（C）等。通过预非晶化工艺，可在衬底11中形成非晶区18，非晶区18的底表面接触第一隔离结构14。
非晶区18可具有比衬底11的熔化温度更低的熔化温度。在一个示例性实施方式中，非晶区18可具有约200℃的熔化温度，该熔化温度比单晶硅衬底的熔化温度低。
参见图4D，将可起到对光电转换区PD的势垒作用的杂质通过使用掩模图案（未示出）作为离子注入阻挡层而离子注入至非晶区18中以形成非晶杂质区19。
可形成势垒的杂质可具有与相邻的光电转换区PD的导电类型相反的导电类型。举例来说，如果相邻的光电转换区PD具有N型导电性，则非晶杂质区19可具有P型杂质，诸如硼（B）。
根据一个示例性实施方式，杂质可具有比包括光电转换区PD的衬底11的折射率更小的折射率。杂质可包括例如金属。举例来说，如果相邻的光电转换区PD具有N型导电性，则非晶杂质区19可具有P型杂质，诸如P型金属。
参见图4E，执行退火工艺以使非晶杂质区19再结晶以及激活注入至非晶杂质区19中的杂质。仅选择性地对非晶杂质区19执行退火工艺，以防止可由注入杂质的扩散而发生的特性劣化，以及减小施加至已形成的结构的热负荷。为此目的，退火工艺可以是可局部地执行的激光退火。
在激光退火工艺期间，激光束以预定时间照射在非晶杂质区19上，使得具有比单晶衬底11更低的熔化温度的非晶杂质区19熔化。当熔化的非晶杂质区19固化时，其再结晶为单晶状态，并且注入的杂质被激活。由于衬底的熔化温度高于非晶杂质区19的熔化温度，因此激光束不会使衬底11熔化。因此，通过使用具有比单晶衬底11更低的熔化温度的非晶杂质区19，可实现非晶杂质区19的选择性熔化。
结果，可形成第二隔离结构22。第二隔离结构22可包括第一杂质区20和第二杂质区21。第二杂质区21可具有比第一杂质区20的杂质掺杂浓度更大的杂质掺杂浓度。由于非晶杂质区19在退火工艺期间熔化，因此可实现高品质的再结晶，并可改善注入的杂质的激活率。此外，由于注入至边界区中的杂质在再结晶工艺期间积聚，因此可容易地形成包括第一杂质区20和第二杂质区21的第二隔离结构22。
与此同时，在退火工艺期间，包括具有比衬底11的热导率更低的热导率的材料层的钝化层可保护预先形成的信号发生电路、特别是多层金属线17免于受损。
随后，如图3A和图3B所示，可在衬底11的背面上形成现有的彩色滤光片105和现有的微透镜106。
图5A和5B是图2所示的图像传感器通过沿着线A-A’剖切图像传感器所得的剖面图。图5A是说明示例性图像传感器的剖面图。图5B是说明对图5A的示例性图像传感器的修改的剖面图。
如图2、5A和5B所示，图像传感器可包括隔离结构230，所述隔离结构230具有形成在衬底201中并将多个像素彼此隔离的第一隔离结构210和第二隔离结构220。图像传感器还包括光电转换区PD，所述光电转换区PD形成在衬底201的与所述多个像素相对应的部分中。衬底201可为半导体衬底。半导体衬底201可为单晶衬底，并可包括单晶含硅材料。
光电转换区PD可包括彼此垂直重叠的多个光电转换单元，每个光电转换单元可以是包括N型杂质区和P型杂质区的光电二极管。光电转换区PD和隔离结构230可隔开一定距离。
第一隔离结构210可包括填充衬底201中的沟槽211的绝缘层212。沟槽211可具有大体垂直的侧壁或倾斜的侧壁。可调整沟槽211的侧壁的形式（或斜率）以控制入射光的路径。绝缘层212可为单一的层，诸如氧化物层、氮化物层、或氮氧化物层；或可为层叠的层，所述层叠的层包括氧化物层、氮化物层、或氮氧化物层中的两种或更多种。举例来说，虽然图中未示出，但是绝缘层212可为如下的层叠的层，其包括通过热氧化工艺而形成在沟槽211的侧壁上的侧壁氧化物层、形成在侧壁氧化物层之上的内衬氮化物层、形成在内衬氮化物层之上的内衬氧化物层、以及填充内衬氧化物层之上的沟槽211的流质绝缘层（诸如旋涂电介质（SOD）层或高密度等离子体氧化物（HDP）层）。如果衬底201包括含硅材料，则绝缘层212可包括氮氧化硅层。
第二隔离结构220可包括作为对光电转换区PD的势垒的杂质区221、222和223。所述杂质区可通过杂质离子注入工艺和退火工艺来形成。注入的杂质可由于退火工艺的特性而在杂质区的外边界之上积聚。
在可替代的实施方式中，第二隔离结构220可具有比包括光电转换区PD的衬底201的折射率更小的折射率。通过以减小衬底折射率的材料来杂质掺杂衬底201，可形成杂质区221、222和223以具有比衬底201的折射率更小的折射率。此外，由于杂质区可作 为对光电转换区PD的势垒，因此杂质区可具有与光电转换区PD的导电类型相反的导电类型。
举例来说，如果光电转换区PD具有N型导电性，则杂质区221、222和223可具有P型导电性。因此，可通过以P型杂质来掺杂衬底201而形成杂质区，所述P型杂质诸如P型金属，具有比衬底201的材料的折射率更低的折射率。举例来说，如果衬底201包括含硅材料，则P型金属可包括例如银（Ag）、钴（Co）、铁（Fe）等。因此，与衬底结合的P型金属具有比单独的含硅材料更小的折射率。
可替选地，如果光电转换区PD具有P型导电性，则杂质区可具有N型导电性。N型杂质可包括N型金属。举例来说，如果衬底201包括含硅材料，则N型金属可包括例如铝（Al）、钛（Ti）等。因此，与衬底结合的N型金属具有比单独的含硅材料更小的折射率。
具体而言，第二隔离结构220可包括：第一杂质区221；第二杂质区222，其沿着第一杂质区221的外边界形成，并具有比第一杂质区221更高的杂质掺杂浓度；以及第三杂质区223，其延伸至衬底201与第一隔离结构210之间的界面。由于第二杂质区222的杂质掺杂浓度可高于第一杂质区221的杂质掺杂浓度，因此通过增加位于第一杂质区221的边界处的势垒的尺寸，可有效地防止电串扰。形成在衬底201与第一隔离结构210之间的第三杂质区223可防止衬底201与第一隔离结构210之间的悬挂键和缺陷，从而抑制暗电流的产生。第一杂质区221和第二杂质区222可具有相同的导电类型。第三杂质区223可具有与第一杂质区221和第二杂质区222相同的导电类型。可替选地，第三杂质区223可具有与第一杂质区221和第二杂质区222不同的导电类型。第一至第三杂质区221至223的导电类型可基于相邻的光电转换区PD的导电类型来选择。
另外，隔离结构230的第一隔离结构210和第二隔离结构220可彼此垂直地重叠。具体而言，第一隔离结构210可相对于衬底201的背面层叠在第二隔离结构220之上（参见图5B），或者第二隔离结构220可相对于衬底201的背面层叠在第一隔离结构210之上（参见图5A）。
图5B的隔离结构230，即第一隔离结构210相对于衬底201的背面层叠在第二隔离结构220之上，在防止由入射光导致的串扰上更有效。
图5A的隔离结构230，即第二隔离结构220相对于衬底201的背面层叠在第一隔离结构210之上，在防止产生暗电流上更有效。因此，第一隔离结构210和第二隔离结构220的位置可基于所需的器件特性来选择。虽然未示出，但是相对于衬底201的正面，隔离结构230可具有比光电转换区PD的深度更深的深度。这是为了更有效地防止串扰 以及改善相邻像素之间的隔离特性。举例来说，隔离结构230可穿通衬底201。
图像传感器可包括：层间电介质层203，其形成在衬底201的正面上；信号发生电路（未示出），其形成在层间电介质层203的内部；以及钝化层202，其形成在衬底201与层间电介质层203之间。信号发生电路产生（或输出）与光电转换区PD中产生的电荷相对应的电信号。具体而言，信号发生电路可包括多个晶体管和多层金属线204。如图1所示，晶体管可包括转移晶体管TX、复位晶体管RX、选择晶体管SX和访问晶体管AX。多层金属线204可通过多个接触插塞（未示出）电连接至晶体管。钝化层202可保护信号发生电路、特别是金属线204免于在后续工艺期间受损。钝化层202可包括热导率比衬底201的热导率更低的材料层。钝化层202可为单一的层或层叠的层，所述单一的层或层叠的层包括热导率比衬底201的热导率更低的材料层。举例来说，如果衬底201包括含硅材料，则钝化层202可包括含硅绝缘层和含金属绝缘层。含硅绝缘层可包括氧化硅层SiO₂，含金属绝缘层可包括氧化锆层ZrO₂。
示例性图像传感器可包括位于衬底201的背面上的彩色滤光片205和形成在彩色滤光片205之上的微透镜206。
示例性图像传感器可通过具有隔离结构230来有效地防止相邻像素之间的物理串扰或电串扰，在所述隔离结构230中第一隔离结构210和第二隔离结构220彼此垂直地重叠。
此外，由于隔离结构230具有比衬底201的折射率更小的折射率，因此可更有效地防止相邻像素之间的物理串扰。
此外，由于包围第一杂质区221的第二杂质区222的杂质掺杂浓度高于第一杂质区221的杂质掺杂浓度，因此可更有效地防止电串扰。
此外，由于设置了延伸至衬底201与第一隔离结构210之间的界面的第三杂质区223，可抑制暗电流。
图6A至图6E是示出制造图5A所示的示例性图像传感器的方法的剖面图。
参见图6A，制备限定有多个像素的衬底31。衬底31可为半导体衬底。半导体衬底可为单晶半导体衬底，并可包括含硅材料。
在衬底31中形成光电转换区PD以对应于相应的像素。光电转换区PD可包括彼此垂直重叠的多个光电转换单元。每个光电转换单元可以是包括N型杂质区和P型杂质区的光电二极管。光电二极管可通过杂质离子注入工艺来形成。
可在包括光电转换区PD的衬底31之上形成钝化层32。钝化层32可由热导率比衬底31的热导率更低的材料形成。钝化层32可为单一的层或层叠的层。举例来说，如果衬底31包括含硅材料，则钝化层32可包括例如含硅绝缘层或含金属绝缘层。含硅绝缘层可包括氧化硅层SiO₂，含金属绝缘层可包括氧化锆层ZrO₂。
可在钝化层32之上形成包括信号发生电路的层间电介质层33。层间电介质层33可为例如氧化物层、氮化物层、或氮氧化物层。层间电介质层33可具有多层式结构。信号发生电路产生（或输出）与光电转换区PD中产生的电荷相对应的电信号。信号发生电路可包括（如图1所示）多个晶体管和多层金属线34。晶体管可包括转移晶体管TX、复位晶体管RX、选择晶体管SX和访问晶体管AX。多层金属线34可通过多个接触插塞（未示出）电连接至多个晶体管。
参见图6B，可在衬底31的背面上形成掩模图案（未示出）。掩模图案可具有与第一隔离结构将形成在衬底31中的位置相对应的开口。
可通过使用掩模图案（未示出）作为刻蚀阻挡层以选择性地刻蚀衬底31来形成用于形成第一隔离结构的沟槽35。沟槽35可具有垂直侧壁或倾斜侧壁以控制入射光的路径。用于形成沟槽35的刻蚀工艺可为干法刻蚀工艺。
随后，执行预非晶化工艺，所述预非晶化工艺用于通过使用掩模图案（未示出）作为离子注入阻挡层而将杂质离子注入至衬底31的背面中。可通过改变杂质的离子注入注射角度而若干次执行预非晶化工艺。如果衬底31由含硅材料形成，则用于预非晶化工艺的杂质可包括锗（Ge）、硅（Si）、碳（C）等。通过预非晶化工艺，可在衬底31中形成非晶区36。非晶区36可形成为具有大体柱型构造，所述柱型构造的顶表面形成沟槽35的底部，且所述柱型构造的底表面接触钝化层32。另外，非晶区36可沿着衬底31形成以限定沟槽35的侧壁。
非晶区36可具有比衬底31的熔化温度更低的熔化温度。在一个示例性实施方式中，非晶区36可具有约200℃的熔化温度，该熔化温度比单晶硅衬底的熔化温度低。
虽然图中未示出，但是可通过在形成信号发生电路之后在衬底31的背面上执行薄化工艺来减小衬底31的厚度。这是为了通过减小入射光进入光电转换区PD的距离来增加光接收效率。薄化工艺可通过背面研磨和抛光来执行。
参见图6C，将可起到对光电转换区PD的势垒作用的杂质通过使用掩模图案（未示出）作为离子注入阻挡层而离子注入至非晶区36中，以形成非晶杂质区37。
可形成势垒的杂质可具有与相邻的光电转换区PD的导电类型相反的导电类型。举 例来说，如果相邻的光电转换区PD具有N型导电性，则非晶杂质区37可具有P型杂质，诸如硼（B）。
根据一个示例性实施方式，杂质可具有比包括光电转换区PD的衬底31的折射率更小的折射率。杂质可包括例如金属。举例来说，如果相邻的光电转换区PD具有N型导电性，则非晶杂质区37可具有P型杂质，诸如P型金属。参见图6D，可执行退火工艺以激活注入至非晶杂质区37中的杂质，以及使非晶杂质区37再结晶。选择性地仅对非晶杂质区37执行退火工艺，以防止可由注入杂质的扩散而发生的特性劣化，以及减小施加至已形成的结构的热负荷。为此目的，退火工艺可以是可局部地执行的激光退火。在激光退火工艺期间，激光束以预定时间照射在非晶杂质区37上，使得具有比单晶衬底31更低的熔化温度的非晶杂质区37熔化。当熔化的非晶杂质区37固化时，其结晶为单晶状态，并且注入的杂质被激活。由于衬底的熔化温度高于非晶杂质区37的熔化温度，因此激光束不会使衬底31熔化。因此，通过使用具有比单晶衬底31更低的熔化温度的非晶杂质区37，可实现非晶杂质区37的选择性熔化。
结果，可形成第二隔离结构41。第二隔离结构41可包括第一杂质区38、第二杂质区39和第三杂质区40。第二杂质区39可具有大于第一杂质区38的杂质掺杂浓度的杂质掺杂浓度。由于非晶杂质区37在退火工艺期间熔化，因此可实现高品质的再结晶，并可改善注入的杂质的激活率。此外，由于注入至边界区中的杂质在再结晶工艺期间积聚，因此可容易地形成包括第一杂质区至第三杂质区38至40的第二隔离结构41。第三杂质区40可防止沟槽35之上的悬挂键和缺陷，从而抑制暗电流的产生。同时，在退火工艺期间，包括具有比衬底31的热导率更低的热导率的材料层的钝化层32可保护预先形成的信号发生电路、特别是多层金属线34免于受损。
参见图6E，可形成绝缘层42以填充沟槽35。可通过在衬底31之上形成绝缘材料以填充沟槽35以及将绝缘材料平坦化直到暴露出衬底31的表面而形成绝缘层42。绝缘层42可为单一的层，诸如氧化物层、氮化物层、或氮氧化物层。可替选地，绝缘层42可为层叠的层，所述层叠的层包括上述层中的两种或更多种。举例来说，虽然图中未示出，但是绝缘层42可为例如如下的层叠的层，其包括通过热氧化工艺而形成在沟槽35的侧壁上的侧壁氧化物层、形成在侧壁氧化物层之上的内衬氮化物层、形成在内衬氮化物层之上的内衬氧化物层、以及填充内衬氧化物层之上的沟槽35的流质绝缘层（诸如旋涂电介质（SOD）层或高密度等离子体氧化物（HDP）层）。绝缘层42可具有比衬底31的折射率更小的折射率。
同时，绝缘层42可为单一的层，其选自氧化物层、氮化物层、氮氧化物层之中；或可为层叠的层，在其中层叠有上述层中的两种以上，所述层叠的层具有比对应于像素 的衬底31更小的折射率。
结果，可形成第一隔离结构43，所述第一隔离结构43包括填充形成在衬底31中的沟槽35的绝缘层42。另外，可形成隔离结构44，所述隔离结构44包括彼此垂直重叠的第一隔离结构43和第二隔离结构41。
随后，如图5A和5B所示，可在衬底31的背面上形成现有的彩色滤光片205和现有的微透镜206。
利用第一隔离结构43和第二隔离结构41彼此垂直重叠的隔离结构44，通过上述制造工艺所形成的图像传感器可有效地防止相邻像素之间的物理串扰或电串扰。
此外，由于隔离结构44具有比衬底31更小的折射率，因此隔离结构44可有效地防止相邻像素之间的物理串扰。
此外，由于包围第一杂质区38的第二杂质区39的杂质掺杂浓度大于第一杂质区38的杂质掺杂浓度，因此第二隔离结构41可有效地防止电串扰。
此外，由于第二隔离结构41的第三杂质区40的缘故，可更有效地抑制暗电流。
此外，通过退火工艺，其中选择性地熔化具有比单晶状态衬底31的熔化温度更小的熔化温度的非晶区37，可防止由注入杂质的扩散所导致的特性劣化，并减轻施加至已形成的结构的热负荷。
图7A和图7B是图2所示的图像传感器通过沿着线A-A’剖切图像传感器所得的剖面图。图7A是说明示例性图像传感器的剖面图。图7B是说明对图7A的示例性图像传感器的修改的剖面图。
如图2、7A和7B所示，图像传感器可包括衬底301，所述衬底301具有通过隔离结构330隔离的多个像素以及在每个像素上突出的突出表面301A。隔离结构330可包括第一隔离结构310和第二隔离结构320。图像传感器还包括光电转换区PD，所述光电转换区PD形成在衬底301的与所述多个像素相对应的部分中。突出表面301A具有可改善将入射光聚焦至光电转换区PD上的能力的曲率。衬底301可为半导体衬底。半导体衬底可为单晶衬底，并可包括含硅材料。举例来说，具有曲率的突出表面301A可形成为具有从衬底301的背面突出的凸面型。
光电转换区PD可包括彼此垂直重叠的多个光电转换单元，每个光电转换单元可以是包括N型杂质区和P型杂质区的光电二极管。光电转换区PD和隔离结构330可隔开 一定距离。
第一隔离结构310可包括填充衬底301中的沟槽311的绝缘层312。沟槽311可具有大体垂直的侧壁或倾斜的侧壁。可调整沟槽311的侧壁的形式（或斜率）以控制入射光的路径。绝缘层312可为单一的层，诸如氧化物层、氮化物层、或氮氧化物层；或可为层叠的层，所述层叠的层包括氧化物层、氮化物层、或氮氧化物层中的两种或更多种。举例来说，虽然图中未示出，但是绝缘层312可为如下的层叠的层，所述层叠的层包括通过热氧化工艺而形成在沟槽311的侧壁上的侧壁氧化物层、形成在侧壁氧化物层之上的内衬氮化物层、形成在内衬氮化物层之上的内衬氧化物层、以及填充内衬氧化物层之上的沟槽311的流质绝缘层（诸如旋涂电介质（SOD）层或高密度等离子体氧化物（HDP）层）。如果衬底301包括含硅材料，则绝缘层312可包括氮氧化硅层。
第二隔离结构320可包括作为对光电转换区PD的势垒的杂质区321和322。所述杂质区可通过杂质离子注入工艺和退火工艺来形成。注入的杂质可由于退火工艺的特性而在杂质区的外边界上积聚。
在可替选的实施方式中，第二隔离结构320可具有比包括光电转换区PD的衬底301的折射率更小的折射率。通过以减小衬底折射率的材料来杂质掺杂衬底301，可形成杂质区321和322以具有比衬底301的折射率更小的折射率。此外，由于杂质区可作为对光电转换区PD的势垒，因此杂质区可具有与光电转换区PD的导电类型相反的导电类型。
举例来说，如果光电转换区PD具有N型导电性，则杂质区321和322可具有P型导电性。因此，可通过以P型杂质来掺杂衬底301而形成杂质区，所述P型杂质诸如P型金属，具有比衬底301的材料的折射率更低的折射率。举例来说，如果衬底301包括含硅材料，则P型金属可包括例如银（Ag）、钴（Co）、铁（Fe）等。因此，与衬底结合的P型金属具有比单独的含硅材料更小的折射率。
具体而言，第二隔离结构320可包括第一杂质区321和沿着第一杂质区321的外边界形成并具有比第一杂质区321更高的杂质掺杂浓度的第二杂质区322（参见图7A）。在可替选的实施方式（如图7B所示）中，第二隔离结构320还可包括第三杂质区323，所述第三杂质区323延伸至衬底301与第一隔离结构310之间的界面。由于第二杂质区322的杂质掺杂浓度可高于第一杂质区321的杂质掺杂浓度，因此通过增加第一杂质区321的边界处的势垒的尺寸，可有效地防止电串扰。形成在衬底301与第一隔离结构310之间的第三杂质区323可防止衬底301与第一隔离结构310之间的悬挂键和缺陷，从而抑制暗电流的产生。第一杂质区321和第二杂质区322可具有相同的导电类型。第三杂 质区323可具有与第一杂质区321和第二杂质区322相同的导电类型。可替选地，第三杂质区323可具有与第一杂质区321和第二杂质区322不同的导电类型。第一至第三杂质区321至323的导电类型可基于相邻的光电转换区PD的导电类型来选择。
另外，隔离结构330的第一隔离结构310和第二隔离结构320可彼此垂直地重叠。具体而言，第二隔离结构320可相对于衬底301的背面层叠在第一隔离结构310之上。此构造可更有效地减小暗电流的产生。
虽然未示出，但是相对于衬底301的正面，隔离结构330可具有比光电转换区PD的深度更深的深度。这是为了更有效地防止串扰以及改善相邻像素之间的隔离特性。举例来说，隔离结构330可穿通衬底301。
图像传感器可包括：层间电介质层303，其形成在衬底301的正面之上；信号发生电路（未示出），其形成在层间电介质层303的内部；以及钝化层302，其形成在衬底301与层间电介质层303之间。信号发生电路产生（或输出）与光电转换区PD中产生的电荷相对应的电信号。具体而言，信号发生电路可包括多个晶体管和多层金属线304。如图1所示，晶体管可包括转移晶体管TX、复位晶体管RX、选择晶体管SX和访问晶体管AX。多层金属线304可通过多个接触插塞（未示出）电连接至晶体管。钝化层302可保护信号发生电路、特别是金属线304免于在后续工艺期间受损。钝化层302可包括热导率比衬底301的热导率更低的材料层。钝化层302可为单一的层或层叠的层，所述单一的层或层叠的层包括热导率比衬底301的热导率更低的材料层。举例来说，如果衬底301包括含硅材料，则钝化层302可包括含硅绝缘层和含金属绝缘层。含硅绝缘层可包括氧化硅层SiO₂，含金属绝缘层可包括氧化锆层ZrO₂。
示例性图像传感器还可包括：平坦化层307，其形成在衬底301的背面之上；彩色滤光片305，其形成在平坦化层307之上；以及微透镜306，其形成在彩色滤光片305之上。平坦化层307可具有容纳衬底301的突出表面301A的凹面部分。
示例性图像传感器可通过具有隔离结构330来有效地防止相邻像素之间的物理串扰或电串扰，在隔离结构330中第一隔离结构310和第二隔离结构320彼此垂直地重叠。
此外，由于隔离结构330具有比衬底301的折射率更小的折射率，因此可更有效地防止相邻像素之间的物理串扰。
此外，由于包围第一杂质区321的第二杂质区322的杂质掺杂浓度高于第一杂质区321的杂质掺杂浓度，因此可更有效地防止电串扰。
此外，由于设置了延伸至衬底301与第一隔离结构310之间的界面的第三杂质区 323，因此可更有效地抑制暗电流。
此外，由于设置了衬底301的突出表面301A，因此可改善聚焦入射光的能力。
图8A至图8G是示出制造图7A所示的示例性图像传感器的方法的剖面图。
参见图8A，制备限定有多个像素的衬底51。衬底51可为半导体衬底。半导体衬底可为单晶半导体衬底，并可包括含硅材料。
随后，在衬底51中形成光电转换区PD以对应于相应的像素。光电转换区PD可包括彼此垂直重叠的多个光电转换单元。每个光电转换单元可以是包括N型杂质区和P型杂质区的光电二极管。光电二极管可通过杂质离子注入工艺形成。
可在包括光电转换区PD的衬底51之上形成钝化层52。钝化层52可由热导率比衬底51的热导率更低的材料形成。钝化层52可为单一的层或层叠的层。举例来说，如果衬底51包括含硅材料，则钝化层52可包括例如含硅绝缘层或含金属绝缘层。含硅绝缘层可包括氧化硅层SiO₂，含金属绝缘层可包括氧化锆层ZrO₂。
可在钝化层52之上形成包括信号发生电路的层间电介质层53。层间电介质层53可为例如氧化物层、氮化物层、或氮氧化物层。层间电介质层53可具有多层式结构。信号发生电路产生（或输出）与光电转换区PD中产生的电荷相对应的电信号。信号发生电路可包括（如图1所示）多个晶体管和多层金属线54。晶体管可包括转移晶体管TX、复位晶体管RX、选择晶体管SX和访问晶体管AX。多层金属线54可通过多个接触插塞（未示出）电连接至所述多个晶体管。
参见图8B，可在衬底51的背面上形成掩模图案（未示出）。掩模图案可具有与第一隔离结构将形成在衬底51中的位置相对应的开口。
可通过使用掩模图案（未示出）作为刻蚀阻挡层来选择性地刻蚀衬底51而形成用于形成第一隔离结构的沟槽55。沟槽55可具有垂直侧壁或倾斜侧壁以控制入射光的路径。用于形成沟槽55的刻蚀工艺可为干法刻蚀工艺。
虽然图中未示出，但是可通过在形成信号发生电路之后在衬底51的背面上执行薄化工艺来减小衬底51的厚度。这是为了通过减小入射光进入光电转换区PD的距离来增加光接收效率。薄化工艺可通过背面研磨和抛光执行。
参见图8C，可执行第一退火工艺以形成在衬底51的背面上与光电转换区PD相对应的突出表面51A。第一退火工艺可为激光退火，所述激光退火可局部地执行以选择性 地形成在衬底51的背面上与光电转换区PD相对应的突出表面51A。突出表面51A可改善聚焦入射光的能力，并可借助于由第一退火工艺造成的晶格移动来形成。
此外，可通过第一退火工艺来消除在限定有沟槽55的衬底51的表面上产生的任何损伤或缺陷，从而防止暗电流的产生。此外，在第一退火工艺期间，钝化层52，其包括具有比衬底51的热导率更小的热导率的材料层，可保护预先形成的信号发生电路、特别是多层金属线54免于受损。
参见图8D，执行预非晶化工艺，所述预非晶化工艺用于通过使用掩模图案（未示出）作为离子注入阻挡层而将杂质离子注入至衬底51的背面中。如果衬底51由含硅材料形成，则用于预非晶化工艺的杂质可包括锗（Ge）、硅（Si）、碳（C）等。通过预非晶化工艺，可在衬底51中形成非晶区56。非晶区56可形成为具有大体柱型构造，所述柱型构造的顶表面形成沟槽55的底部，且所述柱型构造的底表面接触钝化层52。
非晶区56可具有比衬底51的熔化温度更小的熔化温度。在一个示例性实施方式中，非晶区56可具有约200℃的熔化温度，所述熔化温度比单晶硅衬底的熔化温度低。
参见图8E，可起到对光电转换区PD的势垒作用的杂质通过使用掩模图案（未示出）作为离子注入阻挡层而离子注入至非晶区56中，以形成非晶杂质区57。
可形成势垒的杂质可具有与相邻的光电转换区PD的导电类型相反的导电类型。举例来说，如果相邻的光电转换区PD具有N型导电性，则非晶杂质区57可具有P型杂质，诸如硼（B）。
根据一个示例性实施方式，可使杂质具有比包括光电转换区PD的衬底51更小的折射率。所述杂质可具有比包括光电转换区PD的衬底51的折射率更小的折射率。所述杂质可包括例如金属。举例来说，如果相邻的光电转换区PD具有N型导电性，则非晶杂质区57可具有P型杂质，诸如P型金属。
参见图8F，执行第二退火工艺以激活注入至非晶杂质区57中的杂质，同时使非晶杂质区57再结晶。选择性地仅对非晶杂质区57执行第二退火工艺，以防止可由注入杂质的扩散而发生的特性劣化，以及减小施加至已形成的结构的热负荷。为此目的，第二退火工艺可以是可局部执行的激光退火。
在激光退火工艺期间，激光束以预定时间照射在非晶杂质区57上，使得具有比单晶衬底51更低的熔化温度的非晶杂质区57熔化。当熔化的非晶杂质区57固化时，其结晶为单晶状态，并且注入的杂质被激活。由于衬底的熔化温度高于非晶杂质区57的熔化温度，因此激光束不会使衬底51熔化。因此，通过使用具有比单晶衬底51更低的熔化 温度的非晶杂质区57，可实现非晶杂质区57的选择性熔化。
结果，可形成第二隔离结构60。第二隔离结构60可包括第一杂质区58和形成为围绕第一杂质区58的第二杂质区59。第二杂质区59可具有比第一杂质区58的杂质掺杂浓度更大的杂质掺杂浓度。由于非晶杂质区57在第二退火工艺期间熔化，因此可实现高品质的再结晶，并可改善注入的杂质的激活率。此外，由于注入至边界区中的杂质在再结晶工艺期间积聚，因此可同时形成第一杂质区58和第二杂质区59。
同时，在第二退火工艺期间，包括热导率比衬底51的热导率更低的材料层的钝化层52可保护预先形成的信号发生电路、特别是多层金属线54免于受损。
参见图8G，可形成绝缘层61以填充沟槽55。可通过在衬底51之上形成绝缘材料以填充沟槽55以及将绝缘材料平坦化直到暴露出衬底51的表面而形成绝缘层61。接着可将绝缘层61部分地凹陷，直到暴露出突出表面51A为止。
绝缘层61可为单一的层，诸如氧化物层、氮化物层、或氮氧化物层。可替选地，绝缘层61可为层叠的层，所述层叠的层包括上述层中的两种或更多种。举例来说，虽然图中未示出，但是绝缘层61可为例如如下的层叠的层，其包括通过热氧化工艺而形成在沟槽55的侧壁上的侧壁氧化物层、形成在侧壁氧化物层之上的内衬氮化物层、形成在内衬氮化物层之上的内衬氧化物层、以及填充内衬氧化物层之上的沟槽55的流质绝缘层（诸如旋涂电介质（SOD）层或高密度等离子体氧化物（HDP）层）。绝缘层61可具有比衬底51的折射率更小的折射率。
在一个示例性实施方式中，绝缘层61可具有比衬底51的折射率更小的折射率。
结果，可形成包括填充形成在衬底51中的沟槽55的绝缘层61的第一隔离结构62。另外，可形成包括彼此垂直重叠的第一隔离结构62和第二隔离结构60的隔离结构63。
随后，如图7A和图7B所示，可在衬底301的背面上形成现有的彩色滤光片305和现有的微透镜306。
在具有第一隔离结构62和第二隔离结构60彼此垂直重叠的隔离结构63的情况下，通过上述制造工艺形成的图像传感器可有效地防止相邻像素之间的物理串扰或电串扰。
此外，由于隔离结构63具有比衬底51更小的折射率，因此第二隔离结构60可有效地防止相邻像素之间的物理串扰。
此外，由于包围第一杂质区58的第二杂质区59的杂质掺杂浓度大于第一杂质区58 的杂质掺杂浓度，因此第二隔离结构60可有效地防止电串扰。
此外，由于通过第一退火工艺而设置了衬底51的突出表面51A，因此可改善聚焦入射光的能力，并可更有效地防止暗电流的产生。
此外，通过退火工艺，其中选择性地熔化具有比单晶状态衬底51的熔化温度更低的熔化温度的非晶区57，可防止由注入杂质的扩散所导致的特性劣化，并减轻施加至已形成的结构的热负荷。
图9是示出通过示例性激光退火工艺而形成的杂质区的杂质掺杂浓度的图。
参见图9，可确定通过包括选择性熔化的激光退火工艺来激活的杂质积聚在第二隔离结构与第一隔离结构（或衬底）之间的边界区。换言之，可见第二隔离结构中的第一杂质区和具有比第一杂质区更高的杂质掺杂浓度的第二杂质区是通过包括选择性熔化的激光退火工艺而形成的。作为参考，图9中所示的“深度”表示从第二隔离结构中的第二杂质区的中心至第一隔离结构（或衬底）的方向。
此外，第一杂质区根据深度的改变来保持相对均匀的杂质掺杂浓度，且第二隔离结构的深度可基于激光照射能量来调整。
图10是示出非晶硅和单晶硅的状态基于激光能量的电平的图。
参见图10，可见当具有相同能量的激光照射在非晶硅和单晶硅时，由于晶体结构中的差异而可执行选择性熔化。换言之，由于晶体结构中的差异，非晶硅和单晶硅具有不同的熔化温度。通过利用所述差异，可选择性地将非晶硅熔化。
图11示出根据激光退火的晶格移动。
参见图11，随着激光照射能量增加，正方形（其对应于本发明的第三实施方式中的沟槽）的边缘变成圆形。简而言之，由于硅晶格因为激光退火而移动以具有修改的形状，因此可形成突出表面。
图12是说明示例性图像感测器件的框图。
参见图12，图像感测器件2100可包括有源像素传感器阵列（APS阵列）2110、控制器2130、行驱动器2120和像素信号处理器2140。有源像素传感器阵列2110可包括示例性图像传感器。图像感测器件2100可用做CMOS图像传感器。
有源像素传感器阵列2110通过在多个光电转换区PD中转换电像素信号来输出与入 射光相对应的电像素信号。电像素信号通过垂直信号线提供给像素信号处理器2140。有源像素传感器阵列2110中的像素传感器以行为单位一次一个个地被读取。因此，有源像素传感器阵列2110的一行中的所有像素通过作为行驱动器2120的输出的行选择信号而被同时激活。
选中的行中的每个像素将对应于入射光的信号提供给对应列的输出线。在有源像素传感器（APS）阵列2110中，每个列包括选择线，且响应于列选择信号而选择性地读取每个列中的像素。响应于行驱动器2120的输出信号而激活有源像素传感器（APS）阵列2110中的行。
控制器2130控制行驱动器2120和像素信号处理器2140以执行适用于从有源像素传感器阵列2110输出的像素信号的处理。像素信号处理器2140包括相关双采样器（CDS）2142、模数转换器（ADC）2144和缓冲器2146。
相关双采样器（CDS）2142经由垂直信号线来接收在有源像素传感器阵列2110中产生的电像素信号，之后对电像素信号采样并保持电像素信号。也就是，相关双采样器2142对特定的噪声电平和产生的电像素信号的信号电平双采样，并输出与噪声电平和信号电平之间的差相对应的差电平。可输入从斜坡信号发生器（“Ramp Gen”）2148产生的斜坡信号值并相互比较，之后可将比较结果输出至输出端。斜坡信号发生器（“Ramp Gen”）2148可基于从控制器2130产生的控制信号来操作。
模数转换器（ADC）2144将对应于差电平的模拟信号转换为数字信号。缓冲器2146包括列存储块（未示出）和感测放大器（未示出）。列存储块（未示出）可包括多个存储器（未示出）。
缓冲器2146锁存数字信号。根据列译码器（未示出）的译码结果而顺序地输出锁存的信号至图像处理器（未示出）。
图12中的图像感测器件2100可通过进一步包括图像处理器（未示出）来实现为一个半导体芯片。图像处理器（未示出）对数字化的像素信号执行适当的图像处理并输出图像数据。图像感测器件2100在图像处理器（未示出）的控制下感测通过透镜成像的物体。图像处理器（未示出）可将图像感测器件2100感测和输出的图像输出至显示单元（未示出）。此时，显示单元（未示出）包括能够输出视频的所有器件。举例来说，显示单元（未示出）可包括计算机、移动电话和其它视频输出终端。图12中所示的图像感测器件2100可包括示例性图像传感器。因此，可输出不因相邻像素之间导致的串扰和暗电流而受损的图像数据。
图13是说明包括示例性图像传感器的系统的框图。
这里，图13中的系统2200可为计算机系统、摄影机系统、扫描仪、车用导航、视频电话、安全系统、动作检测系统、或图像数据为必要的任何系统。
如图13所示，系统2200包括中央处理单元（CPU）2210或处理器2210、非易失性存储器2220、图像传感器2230、输入/输出（I/O）器件2240、随机存取存储器（RAM）2250。
中央处理单元（CPU）2210经由总线2260与输入/输出（I/O）器件2240通信。
图像传感器2230经由总线2260与中央处理单元（CPU）2210通信。RAM2250和非易失性存储器2220也经由总线2260与中央处理单元（CPU）2210通信。图像传感器2230可作为独立的半导体芯片存在，或者可与中央处理单元2210耦合以形成一个半导体芯片。
图13的系统中包括的图像传感器2230可包括根据本发明的第一至第三实施方式的图像传感器。因此，可输出不因相邻像素之间导致的串扰和暗电流而受损的图像数据。
虽然已经相对于具体的实施方式描述了本发明，但是本领域技术人员将清楚的是，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的主旨和范围的情况下，可进行各种变化和修改。
通过以上实施例可以看出，本申请提供了以下的技术方案。
1.一种用于将多个器件区彼此隔离的隔离结构，所述隔离结构包括：
第一隔离结构，所述第一隔离结构具有形成在衬底中的沟槽内的绝缘层；以及
第二隔离结构，所述第二隔离结构形成在所述第一隔离结构上，所述第二隔离结构包括：
形成在所述衬底中的第一杂质区，所述第一杂质区具有第一杂质掺杂浓度；以及
形成为围绕所述第一杂质区的第二杂质区，所述第二杂质区具有大于所述第一掺杂浓度的第二杂质掺杂浓度。
2.如技术方案1所述的隔离结构，其中，所述第二隔离结构还包括：
第三杂质区，所述第三杂质区形成在所述衬底与所述第一隔离结构之间。
3.如技术方案1所述的隔离结构，其中，所述第一杂质区和所述第二杂质区包括：
杂质，所述杂质起到位于所述衬底的与所述器件区相对应的部分之间的势垒的作用。
4.如技术方案1所述的隔离结构，其中，所述第二隔离结构相对于所述衬底的背面形成在所述第一隔离结构之上，或者所述第一隔离结构相对于所述衬底的背面形成在所述第二隔离结构之上。
5.如技术方案1所述的隔离结构，其中，所述第一隔离结构和所述第二隔离结构穿通所述衬底。
6.一种图像传感器，包括：
衬底；
多个光电转换区，所述多个光电转换区形成在所述衬底中，其中，所述光电转换区中的每个与所述图像传感器中的像素相对应；以及
隔离结构，所述隔离结构形成在所述衬底中，位于所述多个光电转换区中的每个之间，所述隔离结构包括：
第一隔离结构，所述第一隔离结构形成在所述衬底中的沟槽内；以及
第二隔离结构，所述第二隔离结构相邻于所述第一隔离结构而形成，所述第二隔离结构包括：
形成在所述衬底中的第一杂质区，所述第一杂质区具有第一杂质掺杂浓度；以及
形成为围绕所述第一杂质区的第二杂质区，所述第二杂质区具有大于所述第一杂质掺杂浓度的第二杂质掺杂浓度。
7.如技术方案6所述的图像传感器，其中，所述第二隔离结构还包括：
第三杂质区，所述第三杂质区形成在所述衬底与所述第一隔离结构之间。
8.如技术方案6所述的图像传感器，其中，所述第二隔离结构包括杂质，所述杂质起到位于所述多个光电转换区之间的势垒的作用。
9.如技术方案6所述的图像传感器，其中，所述第二隔离结构的折射率小于所述衬底的折射率。
10.如技术方案9所述的图像传感器，其中，所述第一杂质区和所述第二杂质区以杂质掺杂，所述杂质具有与所述衬底和所述多个光电转换区的导电类型相反的导电类型。
11.如技术方案6所述的图像传感器，其中，所述第二隔离结构相对于所述衬底的背面形成在所述第一隔离结构之上，或者所述第一隔离结构相对于所述衬底的背面形成 在所述第二隔离结构之上。
12.如技术方案6所述的图像传感器，其中，所述隔离结构具有比所述光电转换区的深度更大的深度。
13.如技术方案6所述的图像传感器，其中，所述隔离结构穿通所述衬底的整个厚度。
14.如技术方案6所述的图像传感器，还包括：
钝化层，所述钝化层形成在所述衬底的正面之上；
层间电介质层，所述层间电介质层包括金属线，形成在所述钝化层之上；以及
突出表面，所述突出表面与所述光电转换区相对应地形成在所述衬底的背面之上。
15.如技术方案6所述的图像传感器，其中，所述钝化层具有比所述衬底的热导率更低的热导率。
16.一种图像感测器件，包括：
有源像素传感器阵列，所述有源像素传感器阵列适用于输出与入射光相对应的像素信号；
行驱动器，所述行驱动器适用于通过将所述有源像素传感器阵列的一行中的所有像素同时激活来驱动读取操作；
像素信号处理器，所述像素信号处理器适用于接收从所述有源像素传感器阵列输出的像素信号，以通过对所述像素信号采样来输出数字信号；以及
控制器，所述控制器适用于控制所述行驱动器和所述像素信号处理器以执行适用于所述像素信号的处理，
其中，所述有源像素传感器阵列包括：
衬底；
多个光电转换区，所述多个光电转换区形成在所述衬底中，其中，所述光电转换区中的每个与所述有源像素传感器阵列的像素相对应；以及
形成在所述衬底中的隔离结构，所述隔离结构位于所述多个光电转换区中的每个之间，所述隔离结构包括：
第一隔离结构，所述第一隔离结构形成在所述衬底中的沟槽内；以及
第二隔离结构，所述第二隔离结构相邻于所述第一隔离结构而形成，所述第二隔离结构包括：
形成在所述衬底中的第一杂质区，所述第一杂质区具有第一杂质掺杂浓度；以及
形成为围绕所述第一杂质区的第二杂质区，所述第二杂质区具有大于所述第一杂质掺杂浓度的第二杂质掺杂浓度。
17.如技术方案16所述的图像感测器件，其中，所述像素信号处理器包括：
斜坡信号发生器，适用于响应于由所述控制器产生的控制信号的斜坡信号；
相关双采样器，适用于对所述像素信号采样并保持所述像素信号，以及将采样的像素信号与所述斜坡信号进行比较以输出比较结果；
模数转换器，适用于将所述比较结果转换为数字信号；以及
缓冲器，适用于锁存所述数字信号。
18.如技术方案16所述的图像感测器件，其中，所述第二隔离结构还包括：
第三杂质区，所述第三杂质区形成在所述衬底与所述第一隔离结构之间。
19.如技术方案16所述的图像感测器件，其中，所述第二隔离结构的折射率小于所述衬底的折射率。
20.如技术方案16所述的图像感测器件，其中，所述隔离结构具有比所述光电转换区的深度更大的深度。