CN103378111B - 背照式图像传感器芯片的金属栅格及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种方法，所述方法包括在半导体衬底的正面上形成多个图像传感器，以及在所述半导体衬底的背面上形成介电层。所述介电层在所述半导体衬底上方。对所述介电层图案化以形成多个栅格填充区，其中所述多个栅格填充区中的每一个覆盖所述多个图像传感器中的一个。在所述多个栅格填充区的顶面以及侧壁上形成金属层。对所述金属层进行蚀刻以去除所述金属层的水平部分，其中在所述蚀刻步骤之后保留了所述金属层的垂直部分从而形成金属栅格。将透明材料填充至所述金属栅格的栅格开口中。本发明还公开了一种背照式图像传感器芯片的金属栅格及其形成方法。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，更具体地，涉及一种背照式图像传感器芯片的金属栅格及其形成方法。
背景技术
由于背照式(BSI)图像传感芯片可较高效地捕捉光子，因此背照式(BSI)图像传感芯片正在替代前照式图像传感芯片。在形成BSI图像传感芯片时，图像传感器(例如光电二极管)以及逻辑电路形成在晶圆的硅衬底上，接下来在硅芯片的正侧上形成互连结构。
响应于光子刺激，BSI图像传感芯片中的图像传感器产生电信号。电信号(例如电流)的大小取决于各个图像传感器接收到的入射光的强度。为降低不同图像传感器所接收到的光的光学串扰，因而形成金属栅格以隔离光。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种方法，包括：
在半导体衬底的正面上形成多个图像传感器；
在所述半导体衬底的背面上方形成介电层；
将所述介电层图案化成多个栅格填充区，其中所述多个栅格填充区的每一个都覆盖所述多个图像感器中的一个；
在所述多个栅格填充区的顶面以及侧壁上形成金属层；
对所述金属层进行蚀刻以去除每个栅格填充区的顶面上的所述金属层，从而在所述多个栅格填充区的侧壁上形成金属栅格；以及
将透明材料填充至所述金属栅格的栅格开口中。
在可选实施例中，所述多个栅格填充区具有棋盘状的白色或黑色的图案。
在可选实施例中，在所述介电层的图案化步骤之后，在所述金属栅格中形成空间，以及所述空间和所述多个栅格填充区在所述金属栅格的每一行和每一列中以交替方式设置。
在可选实施例中，所述多个栅格填充区中的两个相邻栅极填充区之间的距离基本上等于所述多个栅格填充区中的一个的宽度与两倍所述金属层的厚度的总和。
在可选实施例中，形成所述金属层的步骤使用保形沉积方法来实施。
在可选实施例中，在将所述透明材料填充至所述金属栅格的栅格开口的步骤之后，所述栅极开口填充有与所述多个栅格填充区的材料相同的材料。
在可选实施例中，每一个所述栅格开口均覆盖所述多个图像传感器中的一个。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种方法，包括：
在半导体衬底的正面上形成多个图像传感器，所述多个图像传感器形成阵列；
在所述半导体衬底的背面上方形成介电层；
对所述介电层进行图案化以形成多个第一栅格填充区，其中所述多个第一栅格填充区覆盖所述阵列中的多个第一图像传感器，并且所述多个第一图像传感器在所述阵列中的每一行和每一列中包括每隔一个的图像传感器；
在所述多个第一栅格填充区的顶面和侧壁上形成金属层；以及
对所述金属层进行蚀刻以去除所述金属层的水平部分，其中在所述蚀刻步骤之后保留所述金属层的垂直部分以形成金属栅格。
在可选实施例中，所述多个第一栅格填充区未覆盖所述阵列中的多个第二图像传感器，以及所述多个第一图像传感器和所述多个第二图像传感器以交替方式设置在所述阵列的每一行和每一列中。
在可选实施例中，所述方法还包括：
在所述金属栅格的栅格开口中填充透明材料以形成多个第二栅格填充区，其中所述透明材料包括填充到所述金属栅格的开口中的第一部分以及位于所述多个第二栅格填充区上方并与所述多个第二栅格填充区接触的第二部分；以及
形成覆盖所述多个第一栅格填充区和所述多个第二栅格填充区的滤色镜和微透镜。
在可选实施例中，所述多个第一栅格填充区和所述多个第二栅格填充区被设置成棋盘状图案。
在可选实施例中，所述多个第一栅格填充区和所述多个第二栅格填充区具有基本相同的俯视尺寸。
在可选实施例中，所述多个第一栅格填充区中的相邻两个栅格填充区之间的距离基本上等于所述多个第一栅格填充区中一个的宽度与两倍所述金属层的厚度的总和。
在可选实施例中，形成所述金属层的步骤使用保形沉积方法来实施。
根据本发明的又一个方面，提供了一种器件，包括：
具有正面和背面的半导体衬底；
设置在所述半导体衬底的正面上的多个图像传感器，其中，所述多个图像传感器形成阵列；
位于所述半导体衬底的背面上方的金属栅格；
设置在所述金属栅格的栅格开口中的多个第一栅格填充区和多个第二栅格填充区，其中所述多个第一栅格填充区和所述多个第二栅格填充区在所述栅格开口的每一行和每一列中以交替方式布置；以及
位于所述多个第一栅格填充区和所述多个第二栅格填充区上方的介电层，其中，在所述介电层和所述多个第一栅格填充区之间不形成可辨识的界面，而在所述介电层和所述多个第二栅格填充区之间形成可辨识的界面。
在可选实施例中，所述介电层以及所述多个第一栅格填充区和所述多个第二栅格填充区由相同材料形成。
在可选实施例中，所述介电层与所述多个第二栅格填充区由不同的材料形成。
在可选实施例中，所述金属栅格包括：与所述第一栅格填充区接触的第一边缘，所述第一边缘基本上是垂直的；以及与所述第二栅格填充区接触的第二边缘，其中所述第二边缘是倾斜的，所述第二边缘靠近所述第一栅格填充区的部分高于所述第二边缘靠近所述第二栅格填充区的部分。
在可选实施例中，所述多个第一栅格填充区以及所述多个第二栅格填充区包含氧化物。
在可选实施例中，所述介电层包含所述氧化物。
附图说明
为更完整地理解实施例及其优点，现将结合附图进行的以下描述作为参考，其中：
图1到图7是根据一些示例性实施例的制造背照式(BSI)图像传感器芯片的中间阶段的截面图和俯视图。
具体实施方式
下面详细讨论本发明各实施例的制造和使用。然而，本发明提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的概念。所讨论的具体实施例仅仅示出了制造和使用本发明的具体方式，而不用于限制本发明的范围。
根据不同的示例性实施例提供了背照式(BSI)图像传感器芯片中的金属栅格及其形成方法。示出了形成金属栅格的中间阶段，讨论了各实施例的变化。对于本说明书的各种视图及示例说明的实施例，相似的参考数字用于表示相似的元件。
图1到图6示出了根据一些示例性实施例的制造金属栅格的各中间阶段的截面图和俯视图。图1示出了图像传感器芯片20，所述图像传感芯片20可以是未经锯割的晶圆22的一部分。图像传感器芯片20包括半导体衬底26。半导体衬底26可以是晶体硅衬底或由其它半导体材料形成的半导体衬底。在本说明书中，表面26A是指半导体衬底26的正面，以及表面26B是指半导体衬底26的背面。图像传感器24形成在半导体衬底26的表面26A上。图像传感器24被配置成用于将光信号(光子)转换成电信号，并且其可以是光敏金属氧化半导体(MOS)晶体管或光敏二极管。因此，相应的晶圆22可以是图像传感器晶圆。在一些示例性实施例中，图像传感器24自正面26A延伸进入半导体衬底26。图像传感器24包括在由图像传感器24形成的图像传感器阵列(见图3B)的每一行以及每一列中以交替方式设置的24A和24B。尽管它们使用不同的符号来表示，但图像传感器24A和24B相互之间是一样的。图像传感器24可通过场注入区25而相互隔离，场注入区25注入在部分衬底26中。
正面互连结构28形成在半导体衬底26上方，用于与图像传感器芯片20中的各器件电互连。正面互连结构28包括介电层30，以及在介电层30中的金属线32和通孔34。在本说明书中，同一介电层30中的金属线32统称为金属层。正面互连结构28可包括多个金属层。在一些示例性实施例中，介电层30包括低k介电层和钝化层。低k介电层具有低k值，例如，k值低于大约3.0。钝化层可由k值大于3.9的非低k电介质材料来形成。在一些实施例中，钝化层包括氧化硅层以及氧化硅层上的氮化硅层。
参考图2，通过例如氧化物对氧化物的接合将载具37接合到晶圆22的正面。实施背面研磨以使半导体衬底26更薄，将晶圆22的厚度大约减至小于大约30μm，或例如小于大约5μm。在半导体衬底26具有较薄的厚度时，光可以自背面26B穿透而进入半导体衬底26，并到达图像传感器24A。
在减薄步骤之后，在半导体衬底26的表面上形成缓冲层40(有时也称为上层)。在一些示例性实施例中，缓冲层40包括一个或多个底部抗反射涂层(BARC)36、氧化硅层38以及氮化硅层39。在一些实施例中，用等离子体增强化学汽相沉积法(PECVD)来形成二氧化硅层38，并因此而称为等离子体增强(PE)氧化物层38。应当理解，缓冲层40可具有不同的结构，用不同的材料来形成，以及/或者具有与示出层数不同的层数。
接下来，如图3A以及图3B所示，沉积栅格填充材料，然后进行图案化以形成栅格填充区42。每一个栅格填充区42以一一对应地方式覆盖图像传感器24A中的一个，例如，每个图像传感器24A位于一个栅格填充区42之下并与其对准，并且每一个栅格填充区42覆盖图像传感器24A中的一个。图3A示出了截面图。如图3A所示，栅格填充区42的厚度T1足够薄以至于光可以穿透栅格填充区42。在一些示例性实施例中，栅格填充区42的厚度T1大约在1,500和3,000之间。然而，应当理解，在本说明书中列举的值只是示例性的，并且可变换成不同的值。在一些实施例中，栅格填充区42包括介电材料，其是透明的，并可以是氧化硅、氮化硅或相类似物。形成方法可包括例如诸如PECVD的化学汽相沉积(CVD)方法。
图3B示出了图3A中所示结构的俯视图，其中图3A中的截面图是沿图3B中的剖面线3A-3A得到的截面图。在一些实施例中，将栅格填充区42布置成棋盘状图案，其中栅格填充区42具有黑色棋盘或白色棋盘图案。栅格填充区42覆盖了图像传感器24A，并未覆盖图像传感器24B。栅格填充区42可具有正方形的俯视图，然而也可采用其它形状的俯视图，例如长方形(长度不同于相应的宽度)。相邻栅格填充区42之间的距离D1可大于栅格填充区42的长度/宽度W1。在每对相邻的栅格填充区域42之间，具有可覆盖图像传感器24B中的一个的空间。
参考图4，金属层44沉积在栅格填充区42的顶面以及侧壁上。金属层44也沉积在相邻栅格填充区42之间的空间中。在一些实施例中，金属层44包括金属或金属合金，其中金属层44中的金属可包括钨、铝、铜和/或相类似物。金属层44的厚度T2小于栅格填充区42的厚度T1。在一些实施例中，例如厚度T2是在大约500和2,000之间。可使用保形沉积方法沉积金属层44，例如化学汽相沉积(CVD)、物理汽相沉积(PVD)等。因而，金属层44位于栅格填充区42的侧壁上的垂直部分的厚度与位于栅格填充区42上方的水平部分的厚度相近。例如，垂直部分的厚度可大于水平部分的厚度的大约70％、80％或90％。
在图5A和图5B中，使用各向异性蚀刻方法(例如干蚀刻)对金属层44进行蚀刻。图5A示出了截面图。如图5A所示，去除金属层44的水平部分，水平部分包括在水平部分的顶面上的部分和缓冲层40上的部分。在蚀刻步骤之后，留下金属层44的一些侧壁部分未蚀刻。在蚀刻步骤之后，金属层44的一些相邻部分通过未填充的空间46而相互隔离，以及金属层44的一些相邻部分通过栅格填充区42而相互隔离。作为蚀刻工艺的结果，金属层44的剩余部分可具有与栅格填充区42相邻的侧壁44A以及与对应侧壁44A相对的侧壁44B。侧壁44A的轮廓通过栅格填充区42的侧壁的轮廓来确定，并可以是基本垂直的。另一方面，侧壁44B的轮廓则受蚀刻工艺的影响。例如，侧壁44B可以是倾斜的，如虚线所示，与栅格填充区42更近的侧壁44B的部分的高度高于与栅格填充区42更远的侧壁44B的部分的高度。此外，如虚线所示，侧壁44B的高度可自靠近栅格填充区42的区域向远离栅格填充区42的区域逐渐地连续降低。
图5B示出了图5A中所示的结构的俯视图，其中图5A中的截面图是沿图5B中的剖面线5A-5A获得的。如图中示出的，将金属层44的剩余部分互连以形成金属栅格。因而在下文中，金属层44的剩余部分统称为金属栅格44。在金属栅格44中的栅格开口的每一行以及每一列中，栅格填充区42和空间46以交替的方式布置。应当理解，通过选择合适的栅格填充区42(图4)的厚度T1，金属层44的厚度T2，以及位于栅格填充区42之间的距离D1，图5B中的空间46以及栅格填充区42可具有相互之间近似的俯视尺寸。例如，距离D1可被选择为基本上等于W1+2*T2，厚度T2可被选择为小于厚度T1的大约30％。
图6A和6B分别示出了形成透明层48的截面图和俯视图，透明层48是透明的并且具有较薄的厚度。在一些实施例中，透明层48是氧化物层。氧化物层48的材料可以与栅格填充区42的材料相同或不相同。可使用PECVD或其它的沉积方法来形成氧化物层48。在沉积氧化物层48后，实施诸如化学机械研磨(CMP)的平坦化步骤以使氧化物层48的顶面水平。
氧化物层48填充了空间46(图5A以及图5B)。在下文中，氧化物层48填充空间46的部分也称为栅格填充区50。氧化物层48还包括位于栅格填充区42以及金属栅格44上方的一部分。应当理解，由于在不同的工艺步骤中形成氧化层48以及栅格填充区42，无论氧化层48以及栅格填充区42是否是用相同的材料来形成，可辩识的界面52都可生成在氧化层48以及栅格填充区42之间。另一方面，由于栅格填充区50以及氧化物层48的覆盖部分在同一工艺步骤中形成，并由相同材料形成，因此在它们之间未生成界面。在一些实施例中，界面52与金属栅格44的顶端基本齐平。在可选实施例中，根据用于形成金属栅格44(图5A)的蚀刻步骤的工艺条件，界面52可略高于金属栅格44的顶边缘。
图6B示出了图6A中所示的结构的俯视图，其中图6A中的截面图是沿在图6B中剖面6A-6A线获得。可以看出，在由金属栅格44所限定的栅格的每一行以及每一列中，栅格填充区42和50以交替的方式布置。此外，在棋盘状图案的每隔一个中存在界面52。
在随后的工艺步骤中，如图7所示，形成附加的元件例如滤色镜54和微透镜56，每个滤色镜54和微透镜56均覆盖栅格填充区42和50中的一个。此外，每个滤色镜54和微镜头56以及栅格填充区42和50均覆盖图像传感器24中的一个。
在如图7所示的结构中，可以看出金属栅格44的宽度W2部分通过金属层44的厚度T2(图4)来确定并且可基本上等于金属层44的厚度T2。因此，金属栅格44的宽度W2的减少不再受限于光刻限制，所述光刻限制存在于通常的用于形成BSI芯片的金属栅格的工艺中。
根据实施例，一种方法包括：在半导体衬底的正面上形成多个图像传感器；以及在半导体衬底的背面上形成介电层。介电层位于半导体衬底的上方。将介电层图案化成多个栅格填充区，其中多个栅格填充区中的每一个均覆盖多个图像传感器中的一个。在多个栅格填充区的顶面和侧壁上形成金属层。对金属层进行蚀刻以去除金属层的水平部分，其中在蚀刻步骤之后保留金属层的垂直部分从而形成金属栅格。将透明材料填充进入金属栅格的栅格开口中。
根据其它实施例，一种方法包括：在半导体衬底的正面上形成多个图像传感器，其中多个图像传感器形成阵列。在半导体衬底的背面上形成介电层，其中介电层位于半导体衬底的上方。对介电层进行图案化以形成多个第一栅格填充区。多个第一栅格填充区覆盖阵列中的多个第一图像传感器。多个第一图像传感器在阵列中的每一行和每一列中包括每隔一个的图像传感器。在多个第一栅格填充区的顶面和侧壁上形成金属层。对金属层进行蚀刻以去除金属层的水平部分，其中在蚀刻步骤之后保留金属层的垂直部分从而形成金属栅格。
根据又一些实施例，一种器件包括：具有正面和背面的半导体衬底；以及设置在半导体衬底的正面上的多个图像传感器。多个图像传感器形成阵列。金属栅格设置在半导体衬底的背面上以及半导体衬底上方。多个第一栅格填充区以及多个第二栅格填充区设置在金属栅格的栅格开口中，其中多个第一和第二栅格填充区在栅格开口的每一行以及每一列中以交替图案布置。介电层设置在多个第一和第二栅格填充区上方。在介电层和多个第一栅格填充区之间不形成可辨识的界面。在介电层以及多个第二栅格填充区之间形成可辨识的界面。
尽管已经详细地描述了本发明及其优点，但应该理解为，在不背离所附权利要求限定的本发明主旨和范围的情况下，可以做各种不同的改变，替换和更改。而且，本申请的范围并不旨在仅限于本说明书中描述的工艺、机器、制造，材料组分、器件、方法和步骤的特定实施例。作为本领域普通技术人员从说明书中应理解，根据本发明现有或今后开发的基本与在此描述的相应实施例相比实现相同的功能或者获得相同结果的工艺、机器、制造，材料组分、装置、方法或步骤也可以使用。因此，所附权利要求旨在将这样的工艺、机器、制造、材料组分、器件、方法或步骤包括在范围内。此外，每项权利构成单独的实施例，以及各项权利和实施例的组合包括在本发明范围内。
Claims (19)
1.一种形成背照式图像传感器芯片的方法，包括：
在半导体衬底的正面上形成多个图像传感器；
在所述半导体衬底的背面上方形成介电层；
对所述介电层图案化以形成多个栅格填充区，其中所述多个栅格填充区的每一个都覆盖所述多个图像感器中的一个；
在所述多个栅格填充区的顶面以及侧壁上形成金属层；
对所述金属层进行蚀刻以去除每个栅格填充区的顶面上的所述金属层，从而在所述多个栅格填充区的侧壁上形成金属栅格；
将无色的透明材料填充至所述金属栅格的栅格开口中；以及
在所述金属栅格上方和所述透明材料上方形成多个滤色器。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个栅格填充区具有棋盘状的白色或黑色的图案。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述介电层的图案化步骤之后，在所述金属栅格中形成空间，以及所述空间和所述多个栅格填充区在所述金属栅格的每一行和每一列中以交替方式设置。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个栅格填充区中的两个相邻栅极填充区之间的距离等于所述多个栅格填充区中的一个的宽度与两倍所述金属层的厚度的总和。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述金属层的步骤使用保形沉积方法来实施。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，在将所述透明材料填充至所述金属栅格的栅格开口的步骤之后，所述栅格开口填充有与所述多个栅格填充区的材料相同的材料。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，每一个所述栅格开口均覆盖所述多个图像传感器中的一个。
8.一种形成背照式图像传感器芯片的方法，包括：
在半导体衬底的正面上形成多个图像传感器，所述多个图像传感器形成阵列；
在所述半导体衬底的背面上方形成介电层；
对所述介电层进行图案化以形成多个第一栅格填充区，其中所述多个第一栅格填充区覆盖所述阵列中的多个第一图像传感器，并且所述多个第一图像传感器在所述阵列中的每一行和每一列中包括每隔一个的图像传感器；
在所述多个第一栅格填充区的顶面和侧壁上形成金属层；以及
对所述金属层进行蚀刻以去除所述金属层的水平部分，其中在所述蚀刻步骤之后保留所述金属层的垂直部分以形成金属栅格；
在所述金属栅格的栅格开口中填充无色的透明材料以形成多个第二栅格填充区，其中所述透明材料包括填充到所述金属栅格的开口中的第一部分以及位于所述多个第二栅格填充区上方并与所述多个第二栅格填充区接触的第二部分；以及
形成覆盖所述多个第一栅格填充区和所述多个第二栅格填充区的滤色镜和微透镜。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述多个第一栅格填充区未覆盖所述阵列中的多个第二图像传感器，以及所述多个第一图像传感器和所述多个第二图像传感器以交替方式设置在所述阵列的每一行和每一列中。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述多个第一栅格填充区和所述多个第二栅格填充区被设置成棋盘状图案。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述多个第一栅格填充区和所述多个第二栅格填充区具有相同的俯视尺寸。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述多个第一栅格填充区中的相邻两个栅格填充区之间的距离等于所述多个第一栅格填充区中一个的宽度与两倍所述金属层的厚度的总和。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，形成所述金属层的步骤使用保形沉积方法来实施。
14.一种背照式图像传感器件，包括：
具有正面和背面的半导体衬底；
设置在所述半导体衬底的正面上的多个图像传感器，其中，所述多个图像传感器形成阵列；
位于所述半导体衬底的背面上方的金属栅格；
设置在所述金属栅格的栅格开口中的多个第一栅格填充区和多个第二栅格填充区，其中所述多个第一栅格填充区和所述多个第二栅格填充区在所述栅格开口的每一行和每一列中以交替方式布置；以及
位于所述多个第一栅格填充区和所述多个第二栅格填充区上方的介电层，其中，在所述介电层和所述多个第一栅格填充区之间不形成可辨识的界面，而在所述介电层和所述多个第二栅格填充区之间形成可辨识的界面。
15.根据权利要求14所述的器件，其中，所述介电层以及所述多个第一栅格填充区和所述多个第二栅格填充区由相同材料形成。
16.根据权利要求14所述的器件，其中，所述介电层与所述多个第二栅格填充区由不同的材料形成。
17.根据权利要求14所述的器件，其中，所述金属栅格包括：
与所述第一栅格填充区接触的第一边缘，所述第一边缘是垂直的；以及
与所述第二栅格填充区接触的第二边缘，其中所述第二边缘是倾斜的，所述第二边缘靠近所述第一栅格填充区的部分高于所述第二边缘靠近所述第二栅格填充区的部分。
18.根据权利要求14所述的器件，其中，所述多个第一栅格填充区以及所述多个第二栅格填充区包含氧化物。
19.根据权利要求18所述的器件，其中，所述介电层包含所述氧化物。
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