CN102891158A

CN102891158A - 一种背照式cmos图像传感器的制造方法

Info

Publication number: CN102891158A
Application number: CN2012104137786A
Authority: CN
Inventors: 李琛; 康晓旭; 顾学强
Original assignee: Shanghai Integrated Circuit Research and Development Center Co Ltd
Current assignee: Shanghai IC R&D Center Co Ltd
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2032-10-25
Also published as: CN102891158B

Abstract

本发明公开了一种背照式CMOS图像传感器的制造方法，包括在衬底中依次形成感光二极管区及至少一层金属互连层；在衬底下表面形成并刻蚀介质层，以使介质层间形成开口区域，金属互连层的金属互连线通过开口区域引出；在开口区域形成多孔硅结构，多孔硅结构的深度为衬底下表面至所述金属互连线的深度；去除介质层；以及在多孔硅结构中填充导电材料。本发明工艺简便，成本低廉，且所制造的图像传感器中的多孔硅结构与衬底应力非常小，可实现零失配。

Description

一种背照式CMOS图像传感器的制造方法

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种背照式CMOS图像传感器的制造方法。

背景技术

图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置，是组成数字摄像头的重要组成部分。根据元件的不同，可分为CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合元件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件）两大类。CMOS图像传感器和传统的CCD传感器相比具有的低功耗，低成本和与CMOS工艺兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用。CMOS传感器获得广泛应用的一个前提是其所拥有的较高灵敏度、较短曝光时间和日渐缩小的像素尺寸。

其中,CMOS图像传感器重要的性能指标之一的像素灵敏度主要由填充因子（感光面积与整个像素面积之比）与量子效率（由轰击屏幕的光子所生成的电子的数量）的乘积来决定。在CMOS图像传感器中，为了实现堪与CCD转换器相媲美的噪声指标和灵敏度水平，在CMOS图像传感器中应用了有源像素。然而有源像素（像素单元）的应用却不可避免地导致填充因子降低，因为像素表面相当大的一部分面积被放大器晶体管所占用，留给感光二极管的可用空间较小。所以，当今CMOS传感器的一个重要的研究方向就是扩大填充因子。

随着像素尺寸的变小，提高填充因子所来越困难，目前最流行的技术是从传统的前感光式（FSI，Front Side Illumination）变为背部感光式（BSI，Back SideIllumination），放大器等晶体管以及互连电路置于背部，前部全部留给感光二极管，这样就实现了100%的填充因子。

为了实现背部感光式CMOS传感器，其中一项重要的技术便是硅通孔技术（TSV，Through-Silicon-Via）。硅通孔技术是通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间互连的最新技术。硅通孔技术的优点是外观尺寸较小，可按需集成在CMOS工艺的各个环节。图1所示为现有技术中基于硅通孔技术制造的图像传感器像素单元。硅通孔技术主要是这样实现的：在按照标准CMOS工艺流程制作完图像传感器的感光二极管、金属层1、金属层2、金属层3等层次以后，首先通过化学机械抛光减薄（CMP）工艺将硅衬底底部厚度进行减薄；然后在芯片底部需要通孔引出连线的区域（即需要通孔引出区域）进行光刻标识；接着在这些光刻标识区域用反应离子刻蚀（RIE）技术挖深槽；进一步在深槽槽壁上形成绝缘层，绝缘层的作用在于将每个通孔内部的导电材料与外界相互隔离；最后在每个由硅通孔技术产生的深槽内部填充通孔导电材料。这样形成的基于TSV技术的硅通孔。

然而，虽然硅通孔技术可按需集成在CMOS工艺的各个环节，但其难度较高，对设备的要求较高，其成本也相对较高。因此，如果能实现一种方便、低成本的背部通孔技术，对于背部感光式CMOS传感器将会有很大好处。

发明内容

本发明的主要目的在克服现有技术的缺陷，提供一种背照式CMOS图像传感器的制造方法，解决了传统硅通孔技术对深槽刻蚀设备要求较高的问题，也降低了制造传感器的成本。

为达成上述目的，本发明提供一种背照式CMOS图像传感器制造方法，包括如下步骤：在衬底上表面依次形成感光二极管区及至少一层金属互连层；在所述衬底下表面形成并刻蚀介质层，以使所述介质层间形成开口区域，所述金属互连层的金属互连线通过所述开口区域引出；在所述衬底下表面的所述开口区域形成多孔硅结构，所述多孔硅结构的深度为所述衬底下表面至所述金属互连线的深度；去除所述介质层；以及在所述多孔硅结构中填充导电材料。

可选的，在所述衬底下表面形成并刻蚀介质层的步骤后，还包括研磨所述衬底下表面，使所述衬底底部的厚度与所述多孔硅结构的深度匹配。

可选的，在所述衬底下表面的所述开口区域形成多孔硅结构的步骤包括：通过电化学腐蚀工艺形成多孔硅深槽；以及在所述多孔硅深槽槽壁形成隔离层。

可选的，所述多孔硅深槽的孔径为所述开口区域的宽度，所述多孔硅深槽的深度为所述衬底下表面至所述金属互连线的深度。

可选的，所述电化学腐蚀工艺采用的腐蚀溶液为氢氟酸（40%）和乙醇（99.7%）的混合溶液，其中氢氟酸和乙醇的体积比为1:1~1:10，优选为1:4；电化学腐蚀电流密度为10~50mA/cm²，优选为30mA/cm²。

可选的，所述电化学腐蚀工艺采用的腐蚀溶液为氢氟酸（40%）和二甲基甲酰胺的混合溶液，其中氢氟酸和二甲基甲酰胺溶液的体积比为1:1~1:10，优选为1:4；电化学腐蚀电流密度为5~40mA/cm²，优选为20mA/cm²。

可选的，所述多孔硅结构的孔径与所述多孔硅结构的深度的比例为1:10~1:30。

可选的，所述多孔硅结构的深度为20~100um，优选为40um，所述多孔硅结构的孔径为0.8~4um，优选为2um。

可选的，所述隔离层的材料为Si3N4，其厚度为50~300nm，优选为100nm。

可选的，所述导电材料为钨。

本发明的优点在于利用多孔硅技术代替传统硅通孔技术来实现背照式CMOS图像传感器底部金属接触的引出，整个工艺工程只需通过廉价且日常的腐蚀液对体硅（硅衬底）进行电化学腐蚀，且工艺过程所使用的设备也较为便宜，因此本发明能极大地减小了工艺复杂度和工艺成本。此外，通过多孔硅技术所形成的多孔硅结构是是一种硅基的材料，其与体硅之间的应力非常小，因此在多孔硅结构形成之后经过适当处理就可以充分释放其与体硅的应力，实现多孔硅结构与体硅的零失配。

附图说明

图1所示为现有技术中背照式CMOS图像传感器的结构剖视图。

图2~图6所示为本发明的背照式CMOS图像传感器制造方法的剖视图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

下面将参照图2至图6描述根据本发明的用于制造背照式CMOS图像传感器的方法。

请参考图2，首先，提供硅衬底，使用常规的背部感光（BSI，Back SideIllumination）工艺在衬底中依次形成用于感光的感光二极管区10以及一层或多层金属互连层20，在本实施例中，形成的金属互连层20的层数为3，且三层金属互连层20中分别形成有金属互连线M1、M2、M3。其中，感光二极管的厚度约为1.5um、第一金属互连层厚度约为0.4um、第二金属互连层厚度约为0.4um、第三金属互连层厚度约为0.8um。进一步的，为了更好地控制后续所形成的多孔硅结构的深度，可在衬底下表面通过化学机械研磨(CMP)工艺将衬底底部的厚度进行减薄，减薄的目的是为了使衬底底部的厚度与后续所形成的多孔硅结构深度相匹配。接下来，请参考图3，通过常规的生长工艺在衬底下表面形成介质层40，刻蚀介质层40形成开口区域41，开口区域41即为需要引出金属互连线的区域（即需要通孔引出区域），也即是形成多孔硅结构的区域，开口区域41的位置可根据引出线走线的实际需求加以设计，其宽度可为0.8~4um，较佳的为2um。介质层40的材料可为二氧化硅或低介电常数材料等。请继续参考图4，接下来，在硅衬底底部介质层的开口区域41形成多孔硅结构。具体方法例如是，通过电化学腐蚀工艺形成多孔硅深槽31。电化学腐蚀工艺所采用的腐蚀溶液为氢氟酸（40%）和乙醇（99.7%）的混合液，氢氟酸和乙醇的体积比为1:1~1:10，优选为1:4，电化学腐蚀电流密度为10~50mA/cm²，优选为30mA/cm²。可选的，腐蚀溶液为也可以采用体积比为1:1~1:10的氢氟酸（40%）与二甲基甲酰胺溶液，较佳的，体积比为1:4；电流密度可为5~40mA/cm²，较佳的，选取电流密度为20mA/cm²，整个多孔硅结构的制备是在室温下完成。多孔硅深槽的孔径大小与介质层的开口区域41的大小相同，也为0.8~4um，较佳的为2um。多孔硅深槽31的深度取决于硅衬底底部至金属互连线M3的深度。值得指出的是，为了后续的导电体填充工艺能够顺利开展，多孔硅深槽31的孔径与多孔硅深槽31的深度的比例（aspect ratio）较佳为1:5~1:30，优选为1：20，在本实施例中，多孔硅结构的生长深度为20~100um，优选为40um。因此，在形成金属互连线的步骤后，通过研磨衬底底部来减薄其厚度，能够使得硅衬底底部至金属互连线M3的深度达到40um，从而更好地控制多孔硅结构的生长深度。此外，对于给定的硅片衬底，在固定电流密度下的腐蚀速率是恒定的，也即是多孔硅结构的生长速度是恒定的，形成多孔硅结构所需的电化学腐蚀时间由多孔硅结构的生长深度与多孔硅结构的生长速度决定，因此，可以根据电化学腐蚀时间来控制生长多孔硅结构的深度达到所需深度。

进一步地，请参考图5，去除硅片衬底下表面的介质层40，去除方法例如是化学机械抛光减薄（CMP）。然后，在多孔硅深槽31的槽壁上形成一层隔离层32，隔离层的材料例如为Si3N4，其厚度可为50~300nm，优选为100nm，隔离层32的作用在于进行后续导电材料填充后，能够使多孔硅结构30内部的导电材料与外界相互隔离。之后，如图6所示，在每个多孔硅深槽31内填充通孔导电材料，最终形成金属互连线M3的引导区，可引出金属互连线M3。其中，导电材料例如是钨。

进一步地，本实施例的背照式CMOS图像传感器制造方法还包括通过彩色滤镜工艺，在每个感光二极管区域（即图像像素单元）上方形成彩色滤镜（ColorFilter），以及通过微透镜工艺，在每个彩色滤镜上方形成微透镜（Micro Len）的步骤，彩色滤镜的厚度可为0.5um，微透镜的厚度可为0.5um。制造彩色滤镜和微透镜的步骤可以在形成金属互连线的步骤之后进行，也可在形成多孔硅结构30的步骤之后进行。

最后采用常规工艺在硅衬底底部的多孔硅结构30下方形成MOS晶体管区域，从而完成背照式CMOS图像传感器的制造。

综上所述，本发明利用多孔硅技术中电化学腐蚀的深槽工艺代替传统硅通孔技术中反应离子刻蚀的深槽工艺，工艺简便、更避免了对工艺设备的较高要求，加大降低了制造背照式CMOS图像传感器的成本。另一方面，由于多孔硅结构与衬底体硅之间的应力非常小，且多孔硅结构形成后经适当处理（例如H₂O₂漂洗）就能够充分释放其与体硅的应力，实现多孔硅结构与体硅的零失配，避免了多孔硅结构应力对背照式CMOS图像传感器像素的影响。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims

1.一种背照式CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

在衬底中依次形成感光二极管区及至少一层金属互连层；

在所述衬底下表面形成并刻蚀介质层，以使所述介质层之间形成开口区域，所述金属互连层的金属互连线通过所述开口区域引出；

在所述衬底下表面的所述开口区域形成多孔硅结构，所述多孔硅结构的深度为所述衬底下表面至所述金属互连线的深度；

去除所述介质层；以及

在所述多孔硅结构中填充导电材料。

2.根据权利要求1所述的背照式CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，在所述衬底下表面形成并刻蚀介质层的步骤之前，还包括减薄所述衬底下表面，使所述衬底底部的厚度与所述多孔硅结构的深度匹配。

3.根据权利要求1所述的背照式CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，在所述衬底下表面的所述开口区域形成多孔硅结构的步骤包括：

通过电化学腐蚀工艺形成多孔硅深槽；以及

在所述多孔硅深槽槽壁形成隔离层。

4.根据权利要求3所述的背照式CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，所述多孔硅深槽的孔径为所述开口区域的宽度，所述多孔硅深槽的深度为所述衬底下表面至所述金属互连线的深度。

5.根据权利要求3所述的背照式CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，所述电化学腐蚀工艺采用的腐蚀溶液为氢氟酸（40%）和乙醇（99.7%）的混合溶液，其中氢氟酸和乙醇的体积比为1:1~1:10，优选为1:4；电化学腐蚀电流密度为10~50mA/cm²，优选为30mA/cm²。

6.根据权利要求3所述的背照式CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，所述电化学腐蚀工艺采用的腐蚀溶液为氢氟酸（40%）和二甲基甲酰胺的混合溶液，其中氢氟酸和二甲基甲酰胺溶液的体积比为1:1~1:10，优选为1:4；电化学腐蚀电流密度为5~40mA/cm²，优选为20mA/cm²。

7.根据权利要求1所述的背照式CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，所述多孔硅结构的孔径与所述多孔硅结构的深度的比例为1:5~1:30，优选为1：20。

8.根据权利要求7所述的背照式CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，所述多孔硅结构的深度为20~100um，优选为40um，所述多孔硅结构的孔径为0.8~4um，优选为2um。

9.根据权利要求3所述的背照式CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，所述隔离层的材料为Si3N4，其厚度为50~300nm，优选为100nm。

10.根据权利要求1所述的背照式CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，所述导电材料为钨。