CN102891156B - Cmos影像传感器的深沟槽图形化方法 - Google Patents

Cmos影像传感器的深沟槽图形化方法 Download PDF

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本发明公开了一种CMOS影像传感器的深沟槽图形化方法，包括：利用标准CMOS工艺在硅衬底上制备光敏元件和用于CMOS器件的多层结构，光敏元件上方定义深沟槽图形，光敏元件上方自下而上制备栅极氧化层、刻蚀阻挡层和互连介质层；刻蚀光敏元件上方的互连介质层，并停留在刻蚀阻挡层上；刻蚀刻蚀阻挡层，并停留在栅极氧化层上；深沟槽图形化完成。本发明可以实现整个硅片内深沟槽刻蚀的均匀性，并能够防止过刻蚀造成的损伤和欠刻蚀带来的透光性问题，提高了工艺窗口和像元的灵敏度，提升了芯片的性能和可靠性。

Description

CMOS影像传感器的深沟槽图形化方法
技术领域
本发明涉及CMOS影像传感器技术领域，尤其涉及一种CMOS影像传感器的深沟槽图形化方法。
背景技术
CMOS影像传感器由于其与CMOS工艺兼容的特点，从而得到快速发展。相对于CCD工艺，其工艺完全与CMOS工艺兼容，其通过将光敏二极管和CMOS处理电路一起做在硅衬底上，从而在保证性能的基础上大幅度降低了成本，同时可以大幅度提高集成度，制造像素更高的产品。
传统CMOS影像传感器是使用正面光照的方法，将光敏二极管和CMOS处理电路一起做在硅衬底上使用同一层次实现，而芯片互连则制造在CMOS处理电路之上，光敏二极管之上为了光线的通过而不进行互连线的排步。然而，常规半导体材料的透光性较差，因此需要把光敏二极管上面的介质层次全部去除，并填充透光材料，以增强其光吸收。
然而，由于后道互连层次较多、厚度较厚，且薄膜层次比较复杂，因此，在移除光敏二极管上面介质层工艺中，如何能较好地控制工艺的均匀性和稳定性，是本领域技术人员面临的技术难题之一。
发明内容
本发明的目的在于弥补上述现有技术的不足，提供一种CMOS影像传感器的深沟槽图形化方法。
本发明的CMOS影像传感器的深沟槽图形化方法，包括以下步骤：
步骤S01：利用标准CMOS工艺在硅衬底上制备光敏元件和用于CMOS器件的多层结构，在光敏元件上方定义深沟槽图形，且光敏元件上方自下而上制备a.栅极氧化层、b.刻蚀阻挡层和c.互连介质层，其中，刻蚀阻挡层包括第一多晶硅层或第一金属层；
步骤S02：以该深沟槽图形刻蚀去除光敏元件上方的互连介质层，并停留在刻蚀阻挡层上；
步骤S03：以该深沟槽图形刻蚀去除刻蚀阻挡层，并停留在栅极氧化层上；
步骤S04：深沟槽图形化完成。
其中，该光敏元件是光敏二极管；该多层结构包括标准CMOS多晶硅层、接触孔层、金属互连层、通孔层和互连介质层。
本发明将第一多晶硅层或第一金属层作为刻蚀阻挡层，来实现对深沟槽刻蚀的深度控制。
其中，若该刻蚀阻挡层为第一多晶硅层，则光敏元件上方的互连介质层中不设其他层次互连线、通孔层和接触孔层，仅有互连介质，该互连技术是Al互连或Cu互连；若该刻蚀阻挡层为第一金属层，则光敏元件上方的互连介质层中不设多晶硅层、其他层次互连线、通孔层和接触孔层，仅有互连介质，该互连技术是Al互连或Cu互连。
进一步地，该刻蚀阻挡层图形大于深沟槽图形，即刻蚀阻挡层图形的范围覆盖过深沟槽的图形，刻蚀阻挡层图形的尺寸上限可以以恰好不接触深沟槽周围的器件、互连层次为限。
进一步地，该刻蚀阻挡层图形边缘距离深沟槽图形边缘0.05um-1um。
进一步地，定义光敏元件上方的栅极氧化层为标准CMOS工艺中的厚栅极氧化层，这是为了使得刻蚀停留在栅极氧化层上控制得更好，避免由于栅极氧化层过薄引起将其完全移出，并损伤下方的光敏元件。
进一步地，步骤S02中刻蚀的互连介质层的介质包括SiO2、SiN、SiON、SiC、SiCN等，以及掺有B、P等杂质的上述介质材料。刻蚀工艺包括干法刻蚀和湿法刻蚀，干法刻蚀主要使用CF类的本领域常规刻蚀气体，如CF4、CHF3、CH2F2、C4F6、CH3F3，设备主要是等离子体刻蚀设备；湿法刻蚀主要使用以HF为主的湿法药液，设备主要是湿法槽。其中，可以选择单步刻蚀或多步刻蚀。干法刻蚀SiO2等介质时，其刻蚀选择比可以大于20，湿法刻蚀的选择比可以大于数百，因此可以在去除介质的同时，不会去除太多刻蚀阻挡层。
进一步地，步骤S03中刻蚀的第一多晶硅层包括掺有B、P、As等杂质的多晶硅材料。刻蚀工艺包括干法刻蚀和湿法刻蚀，干法刻蚀主要使用SF6、HCl、BCl3、HBr、XeF2类的刻蚀气体，设备主要是等离子体刻蚀设备；湿法刻蚀主要使用以KOH、TMAH为主的湿法药液，设备主要是湿法槽。
刻蚀的第一金属层包括Ti、TiN、Al、TiN、TaN、Ta、Cu等金属或复合金属材料。刻蚀工艺包括干法刻蚀和湿法刻蚀，干法刻蚀工艺使用HCl、BCl3、HBr等气体，设备主要是等离子体刻蚀设备；湿法刻蚀包括NaOH、HPO4及其与硝酸等酸性药液的混合液，设备主要是湿法槽。
干法刻蚀多晶硅或金属时，其刻蚀选择比可以大于20，湿法刻蚀可以更高，因此可以在去除第一多晶硅层或第一金属层的同时，不会去除太多下方的栅极氧化层，以避免损伤下方的光敏元件。
进一步地，若该刻蚀阻挡层为第一金属层，则栅极氧化层和第一金属层之间还设有第一互连介质层，那么步骤S03包括：刻蚀第一金属层，停留在第一互连介质层；刻蚀第一互连介质层，停留在栅极氧化层上。
进一步地，上述步骤S03中刻蚀的第一互连介质层包括SiO2、SiN、SiON、SiC、SiCN等，以及掺有B、P等杂质的上述介质材料。刻蚀工艺包括干法刻蚀和湿法刻蚀，干法刻蚀主要使用CF类的本领域常规刻蚀气体，如CF4、CHF3、CH2F2、C4F6、CH3F3，设备主要是等离子体刻蚀设备；湿法刻蚀主要使用以HF为主的湿法药液，设备主要是湿法槽。其中，可以选择单步刻蚀或多步刻蚀。干法刻蚀SiO2等介质时，其刻蚀选择比可以大于20，湿法刻蚀的选择比可以大于数百，因此可以在去除介质的同时，不会去除太多栅极氧化层。
本发明的CMOS影像传感器的深沟槽图形化方法，定义光敏元件区域上方的栅极氧化层为CMOS工艺中的厚氧化层，并仅保留光敏元件区域栅极氧化层上面的第一多晶硅栅极或第一金属层。在深沟槽刻蚀工艺中，首先利用介质和多晶硅或金属的高刻蚀选择比，刻蚀所有刻蚀阻挡层上面的介质层，并停在第一多晶硅或第一金属层上，然后逆向使用多晶硅或金属对栅极氧化层的高刻蚀选择比去除多晶硅层或第一金属层，并保留光敏元件上面的部分氧化层，实现整个硅片内深沟槽刻蚀的均匀性，并能够防止过刻蚀造成的对光敏元件的损伤，以及欠刻蚀造成的介质厚度过厚引起的透光性差的问题，从而提高了工艺窗口和像元的灵敏度，提升了芯片的性能和可靠性。
附图说明
为能更清楚理解本发明的目的、特点和优点，以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细描述，其中：
图1a至1c是本发明第一实施例的深沟槽图形化方法示意图；
图2a至2c是本发明第二实施例的深沟槽图形化方法示意图。
具体实施方式
第一实施例
请参阅图1a，利用标准CMOS工艺在硅衬底1上制备光敏二极管7和用于CMOS器件的多层结构（自下而上依次包括栅极氧化层2、多晶硅层3、接触孔层4、铜互连层5以及其上的通孔层和金属互连层，以及钝化层6），光敏二极管7上方定义深沟槽图形，并且光敏二极管7上方自下而上制备栅极氧化层2、第一多晶硅层31和互连介质层32（SiO2）。其中，定义光敏二极管7区域上方的栅极氧化层2为标准CMOS工艺中的厚栅极氧化层。
请继续参阅图1b，用CF4气体刻蚀光敏二极管7上方的互连介质层32，并停留在第一多晶硅层31。其中，第一多晶硅层31图形边缘距离深沟槽图形边缘0.2um。
请接着参阅图1c，用HBr气体刻蚀第一多晶硅层31，并停留在栅极氧化层2上，完成深沟槽图形化工艺。
第二实施例
与第一实施例相同，利用标准CMOS工艺在硅衬底1上制备光敏二极管7和用于CMOS器件的多层结构（自下而上依次包括栅极氧化层2、多晶硅层3、接触孔层4、铝互连层8以及其上的通孔层和金属互连层，以及钝化层6），光敏二极管上方7上方定义深沟槽图形，并且光敏二极管7上方自下而上制备栅极氧化层2、第一互连介质层82（SiN）、第一金属层81（Al）和互连介质层（SiO2）。其中，定义光敏二极管7区域上方的栅极氧化层2为标准CMOS工艺中的厚栅极氧化层。
请参阅图2a，用CF4气体刻蚀光敏二极管上方的互连介质层，并停留在第一金属层81上。其中，第一金属层81图形边缘距离深沟槽图形边缘0.2um。
请继续参阅图2b，用HCl气体刻蚀第一金属层81，并停留在第一互连介质层82上。
请接着参阅图2c，用CHF3气体刻蚀第一互连介质层82，并停留在栅极氧化层2上，完成深沟槽图形化工艺。
其中，根据一般CMOS工艺顺序，栅极氧化层上方有会形成一层自对准硅化物阻挡层（SAB层），本发明的深沟槽图形化方法还可以包括去除该SAB层的步骤；而由于该层较薄，也可以保留该SAB层。对于上述第二实施例，可以在刻蚀第一互连介质82之后，停留在SAB层上；然后去除或保留该SAB层。

Claims (9)

1.一种CMOS影像传感器的深沟槽图形化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S01：利用标准CMOS工艺在硅衬底上制备光敏元件和用于CMOS器件的多层结构，在光敏元件上方定义深沟槽图形，且光敏元件上方自下而上制备a.栅极氧化层、b.刻蚀阻挡层和c.互连介质层，其中，刻蚀阻挡层包括第一多晶硅层或第一金属层；互连介质层的最底层中从下往上依次具有多晶硅、接触孔和铜互连层，铜互连层与上一层的互连介质相连接，铜互连层的底部与接触孔相连接，接触孔底部与多晶硅相连接，多晶硅位于栅极氧化层的表面；刻蚀阻挡层仅位于相邻的接触孔之间的互连介质层的最底层中，并且多晶硅、铜互连层和接触孔均在刻蚀阻挡层的边缘外围设置且与刻蚀阻挡层边缘具有间隔；刻蚀阻挡层的边缘在深沟槽图形的侧壁外围设置且与深沟槽图形侧壁具有间隔；刻蚀阻挡层在水平面的投影轮廓将光敏元件在水平面的投影轮廓包围且位于接触孔在水平面的投影轮廓之间；第一多晶硅层位于栅极氧化层表面，或者第一金属层位于互连介质层的最底层的顶部且与栅极氧化层之间不接触；
步骤S02：以该深沟槽图形刻蚀去除光敏元件上方的互连介质层，并停留在刻蚀阻挡层上；
步骤S03：以该深沟槽图形刻蚀去除刻蚀阻挡层，并停留在栅极氧化层上；
步骤S04：深沟槽图形化完成。
2.根据权利要求1所述的CMOS影像传感器的深沟槽图形化方法，其特征在于：该光敏元件是光敏二极管；该多层结构包括标准CMOS多晶硅层、接触孔层、金属互连层、通孔层和互连介质层。
3.根据权利要求1所述的CMOS影像传感器的深沟槽图形化方法，其特征在于：所述第一多晶硅层图形或第一金属层图形边缘距离深沟槽图形边缘0.05um-1um。
4.根据权利要求3所述的CMOS影像传感器的深沟槽图形化方法，其特征在于：定义光敏二极管上方的栅极氧化层为标准CMOS工艺中的厚栅极氧化层。
5.根据权利要求1所述的CMOS影像传感器的深沟槽图形化方法，其特征在于：步骤S02中刻蚀的互连介质层的介质包括SiO2、SiN、SiON、SiC、SiCN；刻蚀气体包括CF4、CHF3、CH2F2、C4F6、CH3F3，刻蚀液体包括HF。
6.根据权利要求1所述的CMOS影像传感器的深沟槽图形化方法，其特征在于：步骤S03中刻蚀的第一多晶硅层包括掺有B、P、As的多晶硅材料；刻蚀气体包括SF6、HCl、BCl3、HBr、XeF2，刻蚀液体包括KOH、TMAH。
7.根据权利要求1所述的CMOS影像传感器的深沟槽图形化方法，其特征在于：步骤S03中刻蚀的第一金属层包括Ti、TiN、Al、TaN、Ta、Cu及其复合金属；刻蚀气体包括HCl、BCl3、HBr，刻蚀液体包括NaOH、HPO4。
8.根据权利要求1所述的CMOS影像传感器的深沟槽图形化方法，其特征在于：若该刻蚀阻挡层为第一金属层，则栅极氧化层和第一金属层之间还有第一互连介质层，那么步骤S03包括刻蚀第一金属层，停留在第一互连介质层；刻蚀第一互连介质层，停留在栅极氧化层上。
9.根据权利要求8所述的CMOS影像传感器的深沟槽图形化方法，其特征在于：上述步骤S03中刻蚀的第一互连介质层包括SiO2、SiN、SiON、SiC、SiCN；刻蚀气体包括CF4、CHF3、CH2F2、C4F6、CH3F3，刻蚀液体包括HF。
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