CN103066088B - 背照式cmos影像传感器的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种背照式CMOS影像传感器的制造方法，所述背照式CMOS影像传感器的制造方法包括：提供器件晶圆及功能器件；利用键合工艺将所述器件晶圆及功能器件结合在一起；利用金属硬掩膜作为掩膜，刻蚀所述器件晶圆及功能器件，形成接触孔。通过该方法能够形成质量可靠的接触孔，从而可获取可靠性高的增强型器件晶圆，并进而提高了背照式CMOS影像传感器的质量。

Description

背照式CMOS影像传感器的制造方法

技术领域

本发明涉及影像传感器技术领域，特别涉及一种背照式CMOS影像传感器的制造方法。

背景技术

影像传感器是在光电技术基础上发展起来的，所谓影像传感器，就是能够感受光学图像信息并将其转换成可用输出信号的传感器。影像传感器可以提高人眼的视觉范围，使人们看到肉眼无法看到的微观世界和宏观世界，看到人们暂时无法到达处发生的事情，看到超出肉眼视觉范围的各种物理、化学变化过程，生命、生理、病变的发生发展过程，等等。可见影像传感器在人们的文化、体育、生产、生活和科学研究中起到非常重要的作用。可以说，现代人类活动已经无法离开影像传感器了。

影像传感器可依据其采用的原理而区分为电荷耦合装置（Charge-Coupled Device）影像传感器（亦即俗称CCD影像传感器）以及CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）影像传感器，其中CMOS影像传感器即基于互补型金属氧化物半导体（CMOS）技术而制造。由于CMOS影像传感器是采用传统的CMOS电路工艺制作，因此可将影像传感器以及其所需要的外围电路加以整合，从而使得CMOS影像传感器具有更广的应用前景。

按照接收光线的位置的不同，CMOS影像传感器可以分为前照式CMOS影像传感器及背照式CMOS影像传感器，其中，背照式CMOS影像传感器与前照式CMOS影像传感器相比，最大的优化之处就是将元件内部的结构改变了，即将感光层的元件入射光路调转方向，让光线能从背面直射进去，避免了在前照式CMOS影像传感器结构中，光线会受到微透镜和光电二极管之间的结构和厚度的影响，提高了光线接收的效能。

对于背照式CMOS影像传感器而言，为了使得入射到其背面的光线能够有 效地到达感光元件，在背照式CMOS影像传感器的制造过程中，对于器件晶圆（device wafer，其上形成有功能器件的晶圆）进行薄型化处理是一项必要的工艺步骤。

传统的薄型化处理是将器件晶圆与一承载晶圆（carrier wafer，其上未形成有功能器件的晶圆）键合，通过所述承载晶圆的支撑，以对所述器件晶圆的基底执行减薄工艺，从而得到减薄后的器件晶圆/薄型化处理后的器件晶圆。请参考图1，其为现有的器件晶圆与承载晶圆键合后的结构示意图。如图1所示，器件晶圆10与承载晶圆11通过键合工艺结合在了一起，所述器件晶圆10包括基底100及形成于所述基底100上的金属介质层101，其中，通过所述金属介质层101能够将器件晶圆中不同的功能元件予以连接。通过所述承载晶圆11的承载，便可方便地对所述基底100执行减薄工艺，从而得到薄型化的器件晶圆10。然后，再对所述薄型化的器件晶圆10执行后续工艺，得到满足功能设计要求的器件晶圆成品。

在上述对于器件晶圆进行薄型化处理的过程中，存在一定的不足之处。为此，本领域技术人员提出了一种新的器件晶圆薄型化工艺/结构。在该种新的器件晶圆薄型化工艺/结构中，本领域技术人员提出将两片器件晶圆键合，当然，其中一片器件晶圆可以不那么完整，例如其只具备一些功能电路/元件即可（为了加以区别，将该器件晶圆称为功能器件）。由此，当对器件晶圆进行薄型化处理时，可以利用所述功能器件进行支撑；而当完成对所述器件晶圆的薄型化处理之后，可打通所述器件晶圆与所述功能器件，以得到一功能更加强大的器件晶圆（为了表述方便，下文中称为增强型器件晶圆）。

具体的，请参考图2，其为现有的器件晶圆与功能器件键合后的结构示意图。如图2所示，在该新的器件晶圆薄型化工艺/结构中，器件晶圆20与功能器件21通过键合工艺结合在了一起，所述器件晶圆20包括基底200及形成于所述基底200上的金属介质层201。在此，通过所述功能器件21的承载，便可方便地对所述基底200执行减薄工艺，从而得到薄型化的器件晶圆20。在完成了对于所述器件晶圆20的减薄工艺之后，只需将所述器件晶圆20与所述功能器件21连通，具体的，通过接触孔将所述金属介质层201与功能器件21连通即可。

通过该新的器件晶圆薄型化工艺/结构，既可降低工艺成本，又能够得到器件功能更加强大/完善的器件晶圆。但是，该新的器件晶圆薄型化工艺/结构面临一个极大的难题，就是难于形成质量可靠的接触孔，由此，也便降低了通过接触孔而形成的增强型器件晶圆的质量及可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种背照式CMOS影像传感器的制造方法，以解决现有的背照式CMOS影像传感器的制造过程中，难于形成质量可靠的接触孔，从而所得到的增强型器件晶圆可靠性低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种背照式CMOS影像传感器的制造方法，所述背照式CMOS影像传感器的制造方法包括：

提供器件晶圆及功能器件；

利用键合工艺将所述器件晶圆及功能器件结合在一起；

利用金属硬掩膜作为掩膜，刻蚀所述器件晶圆及功能器件，形成接触孔。

可选的，在所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法中，所述金属硬掩膜为Ta金属硬掩膜、Tan金属硬掩膜、Ti金属硬掩膜或者TiN金属硬掩膜。

可选的，在所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法中，所述金属硬掩膜的厚度为500埃~2000埃。

可选的，在所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法中，还包括：填充所述接触孔，形成连接所述器件晶圆及功能器件的连接层。

可选的，在所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法中，所述器件晶圆包括第一连接金属，所述功能器件包括第二连接金属，通过所述连接层将所述第一连接金属及第二连接金属连通。

可选的，在所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法中，形成接触孔的工艺包括如下步骤：

刻蚀所述器件晶圆，形成第一接触孔，所述第一接触孔露出所述第一连接金属；

刻蚀所述功能器件或者刻蚀所述器件晶圆和功能器件，形成第二接触孔，所述第二接触孔露出所述第二连接金属。

可选的，在所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法中，在形成第一接触孔时，以光阻或者金属硬掩膜作为掩膜；在形成第二接触孔时，以金属硬掩膜作为掩膜。

可选的，在所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法中，当利用光阻作为掩膜时，所述光阻的厚度为5000埃~15000埃。

可选的，在所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法中，形成接触孔的工艺包括如下步骤：

刻蚀所述器件晶圆和功能器件，形成第一接触孔，所述第一接触孔露出所述第二连接金属；

刻蚀所述器件晶圆，形成第二接触孔，所述第二接触孔露出所述第一连接金属。

可选的，在所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法中，在形成第一接触孔时，以金属硬掩膜作为掩膜；在形成第二接触孔时，以光阻或者金属硬掩膜作为掩膜。

可选的，在所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法中，通过两步刻蚀工艺形成所述第一接触孔，该两步刻蚀工艺包括：

第一步刻蚀工艺：利用光阻作为掩膜，对所述器件晶圆执行刻蚀工艺，形成部分第一接触孔；

第二步刻蚀工艺，利用金属硬掩膜作为掩膜，对所述功能器件或者对所述器件晶圆和功能器件执行刻蚀工艺，形成完整的第一接触孔。

在本发明提供的背照式CMOS影像传感器的制造方法中，能够形成质量可靠的接触孔，从而可获取可靠性高的增强型器件晶圆，并进而提高了背照式CMOS影像传感器的质量。

附图说明

图1是现有的器件晶圆与承载晶圆键合后的结构示意图；

图2是现有的器件晶圆与功能器件键合后的结构示意图；

图3是本发明实施例的背照式CMOS影像传感器的制造方法的流程示意图；

图4a~4c是本发明实施例的背照式CMOS影像传感器的制造方法所形成的结构的剖面示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的背照式CMOS影像传感器的制造方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

现有技术提出了将器件晶圆与功能器件键合，利用功能器件的承载实现对于器件晶圆的减薄处理，然后再将减薄后的器件晶圆与功能器件连通，从而得到功能增强的器件晶圆这一先进工艺/方法/结构。

但是，在该先进的工艺中，存在一个较为严重的问题，就是难以获取质量可靠的接触孔，以将减薄后的器件晶圆与功能器件连通，从而也就难以获取质量可靠的背照式CMOS影像传感器。

为此，本领域技术人员花了大量的人力、物力、财力，以期获取质量可靠的接触孔。对于本申请发明人而言，同样的，在进行了大量的研究之后，才提出了本申请以解决现有技术中的这一难题。

首先，本申请发明人在进行了研究之后发现，现有技术中所得到的接触孔质量低的原因在于：由于所形成的接触孔需要将器件晶圆及功能器件连通，即所形成的接触孔的深宽比非常高（通常的，所需形成的接触孔的截面宽度仅为一微米左右，而其深度通常要到几十微米），要形成深宽比如此高的接触孔需要使用非常厚的光阻层，通常，所需的光阻层厚度在70000埃以上；首先，要形成如此厚光阻层是非常困难的，其次对于如此厚的光阻层而言，（接触孔）图形的精确转化是非常困难的，即难以将所要形成的接触孔的图形精确的转移到光阻层上，并通过光阻层的掩膜作用，精确的刻蚀出接触孔，由此也就难以形成质量可靠的接触孔。

在发现了这一导致接触孔质量差的原因之后，发明人进行了进一步的研究，发现对于器件晶圆、功能器件这种非金属介质材料为主的器件，金属硬掩膜能够起到非常好的掩膜作用，即仅需非常薄的金属硬掩膜便可很好的起到刻 蚀形成接触孔工艺中的掩膜作用，特别的，通常的刻蚀液对于金属硬掩膜与非金属材料具有非常高的刻蚀选择比，由此，发明人提出了本申请——背照式CMOS影像传感器的制造方法。具体的，请参考图3，其为本发明实施例的背照式CMOS影像传感器的制造方法的流程示意图。如图3所示，所述背照式CMOS影像传感器的制造方法包括：

S30：提供器件晶圆及功能器件；

S31：利用键合工艺将所述器件晶圆及功能器件结合在一起；

S32：利用金属硬掩膜作为掩膜，刻蚀所述器件晶圆及功能器件，形成接触孔。

由于在本申请提供的背照式CMOS影像传感器的制造方法中，使用了金属硬掩膜作为掩膜，根据前述的分析可知，仅需非常薄的金属硬掩膜便可很好的起到刻蚀形成接触孔工艺中的掩膜作用，由此，便能将（接触孔）图形精确转化，从而形成质量可靠的接触孔，获取可靠性高的增强型器件晶圆，并进而提高了背照式CMOS影像传感器的质量。

具体的，请参考图4a~4c，其为本发明实施例的背照式CMOS影像传感器的制造方法所形成的结构的剖面示意图。

如图4a所示，提供器件晶圆40及功能器件41，其中，所述器件晶圆40包括基底400及形成于所述基底400上的金属介质层401。具体的，所述金属介质层401可以为单层结构，也可以为多层结构；当所述金属介质层401为单层结构时，其包括一介质层，所述介质层中形成有一个或者多个连接金属；当所述金属介质层401为多层结构时，其包括多个上述单层结构，各单层结构之间的关系为现有技术，本申请不再赘述。

在此，以所述器件晶圆40包括第一连接金属50，所述功能器件41包括第二连接金属51，需要将所述第一连接金属50及第二连接金属51相连为例，即需要形成一接触孔，所述接触孔需要暴露出所述第一连接金属50及第二连接金属51。而对于所述器件晶圆40及功能器件41的内部结构，即内部连接金属需要通过接触孔连接的情况，现有技术能够很好的予以实现，本申请对此不再赘述；当然，其也可以通过本申请所提供的方法加以实现，对此本申请并不做限定。

在本实施例中，所述器件晶圆40及功能器件41上均形成有键合层（图4a中未示出），由此，可便于后续将所述器件晶圆40及功能器件41通过键合工艺结合在一起。其中，键合层分别形成于所述器件晶圆40及功能器件41将键合的表面上。

接着，如图4b所示，通过键合工艺将所述器件晶圆40及功能器件41结合在一起，其中，该步骤通过现有的技术实现即可，本实施例对此不再赘述。

通过现有的键合工艺将所述器件晶圆40及功能器件41结合在一起之后，即可利用所述功能器件41支撑所述器件晶圆40，减薄所述基底400，即实现所述器件晶圆40的薄型化，从而便于所述器件晶圆40中的光电二极管接收光线。此为现有技术，本申请对此不再赘述。

关键的，在上述器件晶圆40及功能器件41键合之后，如何形成一能够连接所述器件晶圆40及功能器件41的接触孔，且该接触孔具有较高的可靠性。对此，本申请利用金属硬掩膜作为掩膜，具体通过如下几种方式予以实现。当然，需说明的是，下述实现方式是一种列举，而非穷举，本领域技术人员根据本申请所公开的内容，可进一步加以变形。

【实现方式一】

请参考图4c-1及图4c-2，在本形成接触孔的实现方式中，具体通过两步工艺形成连接第一连接金属50及第二连接金属51的接触孔。具体的，

首先，如图4c-1所示，刻蚀所述器件晶圆40，形成第一接触孔60，所述第一接触孔60露出所述第一连接金属50，在此，所述第一接触孔60的深宽比相对较小，其可以使用金属硬掩膜作为掩膜，也可以使用光阻作为掩膜。当使用光阻作为掩膜时，由于所形成的第一接触孔60的深宽比相对较小，所述光阻的厚度为5000埃~15000埃；当使用金属硬掩膜作为掩膜时，所述掩膜层的厚度可以更小，例如为3000埃~10000埃，在这两种厚度的掩膜层下，都能够保证（接触孔）图形的转移，得到质量可靠的第一接触孔60。

接着，如图4c-2所示，刻蚀所述功能器件41或者刻蚀所述器件晶圆40和功能器件41，形成第二接触孔61，所述第二接触孔61露出所述第二连接金属51。通常的，此时需要刻蚀器件晶圆40和功能器件41，所需要形成的第二接触孔61的深宽比较大，此时，利用金属硬掩膜52作为掩膜，该金属硬掩膜52的 厚度优选为500埃~2000埃。通过利用所述金属硬掩膜作为掩膜，相对于利用光阻作为掩膜，可极大的减小掩膜层厚度，从而能够保证（接触孔）图形的转移，得到质量可靠第二接触孔。

综上，便可得到质量可靠的、暴露出第一连接金属50及第二连接金属51的接触孔。在形成所述接触孔之后，便可沉积金属层，填充所述接触孔（即将第一接触孔60及第二接触孔61填满），形成连接所述第一连接金属50及第二连接金属51的连接层（图4c中未示出），此点可通过现有技术形成，本申请不再赘述。

本申请所关注的是如何形成质量可靠的接触孔，该接触孔具有较大的深宽比，能够暴露出位于器件晶圆及功能器件中的连接金属。

优选的，所述金属硬掩膜为Ta金属硬掩膜或者Tan金属硬掩膜，所述金属硬掩膜通过化学气相沉积工艺形成。

通过上述实现方式能够得到质量可靠的接触孔，接下去再介绍一种得到质量可靠的接触孔的实现方式。

【实现方式二】

请参考图4c-3至图4c-5，在本形成接触孔的实现方式中，同样的，具体通过两步工艺形成连接第一连接金属50及第二连接金属51的接触孔，进一步的，在形成暴露第一连接金属50的工艺中，又采用了两步刻蚀工艺予以实现。具体的，

如图4c-3及4c-4所示，刻蚀所述器件晶圆40及功能器件41，形成第一接触孔70，所述第一接触孔70露出所述第二连接金属51，即在本实现方式二中，首先暴露出第二连接金属51。

其中，所述第一接触孔70通过两步刻蚀工艺形成。首先，如图4c-3所示，对所述器件晶圆40执行刻蚀工艺，形成部分第一接触孔70’，在此，该部分第一接触孔70’可利用光阻作为掩膜，所述光阻的厚度可以为5000埃~15000埃。在图4c-3所示的示例中，所述部分第一接触孔70’通过对基底400执行刻蚀工艺而形成，在本申请的其他实施例中，也可以刻蚀部分金属介质层401，以形成所述部分第一接触孔70’，本申请对此不作限定。

接着，如图4c-4所示，对所述功能器件41或者对所述器件晶圆40和功能 器件41执行刻蚀工艺，形成另一部分第一接触孔70”，从而形成完整的第一接触孔70，在此，所述第一接触孔70暴露出第二连接金属51。其中，该另一部分第一接触孔70”利用金属硬掩膜53作为掩膜，所述金属硬掩膜53的厚度可以为500埃~2000埃。

最后，如图4c-5所示，刻蚀所述器件晶圆40，形成第二接触孔71，所述第二接触孔71露出所述第一连接金属50，其中，所述第二接触孔71可以利用金属硬掩膜作为掩膜，也可以利用光阻作为掩膜。

综上，便可得到质量可靠的、暴露出第一连接金属50及第二连接金属51的接触孔。在形成所述接触孔之后，便可沉积金属层，填充所述接触孔（即将第一接触孔70及第二接触孔71填满），形成连接所述第一连接金属50及第二连接金属51的连接层（图4c中未示出），此点可通过现有技术形成，本申请不再赘述。

通过上述实现方式能够得到质量可靠的接触孔，从而可获取可靠性高的增强型器件晶圆，并进而提高了背照式CMOS影像传感器的质量。

在本申请提供的背照式CMOS影像传感器的制造方法中，利用较薄的金属硬掩膜作为掩膜，从而能将（接触孔）图形精确转化，从而形成质量可靠的接触孔，获取可靠性高的增强型器件晶圆，并进而提高了背照式CMOS影像传感器的质量。

进一步的，本申请通过多步刻蚀工艺形成暴露器件晶圆及功能器件中的连接金属的接触孔，同时，仅对其中深宽比较大的部分刻蚀工艺选用金属硬掩膜作为掩膜，由此，即可进一步保证所得到的接触孔的可靠性，又能够部分利用光阻（这种通用、成熟的掩膜材料）作为掩膜。当然，在通过多步刻蚀工艺形成暴露器件晶圆及功能器件中的连接金属的接触孔的工艺中，也可全部选用金属硬掩膜作为掩膜，本申请对此不作限定。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (8)

1.一种背照式CMOS影像传感器的制造方法，其特征在于，包括：

提供器件晶圆及功能器件，所述器件晶圆包括基底及形成于所述基底上的金属介质层，所述金属介质层中包括第一连接金属；所述功能器件包括第二连接金属；

利用键合工艺将所述器件晶圆及功能器件结合在一起；

利用金属硬掩膜作为掩膜，刻蚀所述器件晶圆及功能器件，形成接触孔；

其中，形成接触孔的工艺包括如下步骤：

刻蚀所述器件晶圆，形成第一接触孔，所述第一接触孔露出所述第一连接金属；

在所述第一接触孔内刻蚀所述功能器件或者刻蚀所述器件晶圆和功能器件，形成第二接触孔，所述第二接触孔露出所述第二连接金属；

或，形成接触孔的工艺包括如下步骤：

利用光阻作为掩膜，对所述器件晶圆执行刻蚀工艺，形成部分第一接触孔；

利用金属硬掩膜作为掩膜，在部分第一接触孔内对所述功能器件或者对所述器件晶圆和功能器件执行刻蚀工艺，形成完整的第一接触孔；

刻蚀所述器件晶圆，形成第二接触孔，所述第二接触孔露出所述第一连接金属。

2.如权利要求1所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，其特征在于，所述金属硬掩膜为Ta金属硬掩膜、TaN金属硬掩膜、Ti金属硬掩膜或者TiN金属硬掩膜。

3.如权利要求1所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，其特征在于，所述金属硬掩膜的厚度为500埃～2000埃。

4.如权利要求1至3中的任一项所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，其特征在于，还包括：填充所述接触孔，形成连接所述器件晶圆及功能器件的连接层。

5.如权利要求4所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，其特征在于，所述器件晶圆包括第一连接金属，所述功能器件包括第二连接金属，通过 所述连接层将所述第一连接金属及第二连接金属连通。

6.如权利要求5所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，其特征在于，在刻蚀所述器件晶圆，形成第一接触孔时，以光阻或者金属硬掩膜作为掩膜；在刻蚀所述功能器件或者刻蚀所述器件晶圆和功能器件，形成第二接触孔时，以金属硬掩膜作为掩膜。

7.如权利要求6所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，其特征在于，当利用光阻作为掩膜时，所述光阻的厚度为5000埃～15000埃。

8.如权利要求5所述的背照式CMOS影像传感器的制造方法，其特征在于，在刻蚀所述器件晶圆，形成第二接触孔时，以光阻或者金属硬掩膜作为掩膜。