CN104051478B - Bsi图像传感器件的新型背面结构 - Google Patents
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- H01L27/14692—Thin film technologies, e.g. amorphous, poly, micro- or nanocrystalline silicon
Abstract
本发明公开了一种制造图像传感器件（诸如BSI图像传感器）的方法和用此方法制造的图像传感器，其中，防止了BARC层中的电荷被金属屏蔽接地件中的相反电荷不期望的中和，从而减少暗电流并且提高器件的性能。图像传感器包括具有在与其正面相邻处形成的多个辐射传感器的衬底、形成在衬底背面上方的第一绝缘层、形成在第一绝缘层上方的BARC层、设置在BARC层上方的金属栅格、从金属栅格延伸进入衬底内以实现接地目的的一个或多个金属接地件以及设置在每一个金属接地件的侧壁与周围的BARC层之间的侧壁绝缘层。侧壁绝缘层使金属接地件与周围的BARC层电隔离。
Description
技术领域
本发明总体涉及半导体领域，更具体地，涉及图像传感器的背面结构及其形成方法。
背景技术
半导体图像传感器用于感测诸如光的辐射。互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器（CIS）和电荷耦合器件（CCD）传感器被广泛用于各种应用中，诸如应用于数码相机或手机相机。这些器件利用衬底中的像素阵列，其包括能吸收投射向衬底的辐射并且把感测到的辐射转换成电信号的光电二极管和晶体管。背照式（BSI）图像传感器件是图像传感器件的一种。可操作这些BSI图像传感器件以从它们的背面检测光线。
传统的传感器，也称为这些CMOS芯片的“前照式”图像传感器，其以类似于人眼的方式构建，其中透镜位于正面，具有引线的金属层位于中间，以及硅衬底上的光电检测器（吸收光线）位于背面。这些金属层不但能偏转传感器上的光线，而且它们还能反射光线，从而减少由光电检测器捕获的入射光。相反，背照式（BSI）图像传感器面具有与FSI相同的元件，但通过在制造过程中翻转硅晶圆然后减薄硅晶圆反面而使引线位于光电检测器层的背面，从而使得光线首先到达硅和光电检测器层而不会经过引线层。这个改变可将捕获输入光子的概率从约60%提高至90%以上，并提高单位面积的灵敏度以提供更好的低光拍摄。
BSI图像传感器件通常具有辐射吸收区、外围区或辐射阻挡区、接合焊盘区。辐射吸收区具有硅衬底，硅衬底包括形成于内部用于感测和记录从背面进入衬底的电磁辐射或波（如光）的强度的像素阵列或像素栅格，以及与像素栅格邻近的用于为像素提供工作环境和支持与像素的外部通信的一些电路和输入/输出。在衬底内形成像素栅格和电路以及输入/输出之后，从衬底的背面减薄衬底至期望的厚度，衬底在辐射吸收区中的背面被一层或多层底部抗反射涂层（BARC）或膜和缓冲氧化层或膜覆盖。辐射阻挡区包括需要保存在光暗处的器件，诸如专用集成电路（ASIC）器件、片上系统（SOC）器件、逻辑电路或用于建立光强度的基线的参考或校准像素。为此，包括金属栅格和金属屏蔽接地件的导电层形成在BARC层上方。金属栅格阻挡外部辐射进入辐射阻挡区中的衬底，并且金属屏蔽接地件将晶圆工艺期间聚集或感应在金属栅格上的电荷释放至接地的衬底。
在一些情况下，BARC层是由高介电常数（“K”）材料制成并且通常具有蓄积电荷（通常是负电荷但在某些情况下是正电荷）。BARC膜的电荷蓄积层在改善暗电流、白色像素和暗图像非均匀性（DINU）质量问题上起着重要作用。这种BARC层的不期望的中和是由金属屏蔽接地件上的过剩电荷引起的。当BARC层具有蓄积的负（正）电荷时，它们将衬底中的正（负）电荷吸引至BARC/衬底界面以形成电偶极子。而电偶极子起着电荷屏障的作用，限制诸如悬空接合（dangling bond）的缺点或缺陷。
在这方面，金属接地件有效释放聚集在金属栅格上的电荷的性能对于质量控制和改进串扰非常重要。然而，问题是不可避免存在于金属接地和衬底之间的界面中的缺点会破坏性能。当金属接地件的性能不够好时，蓄积在金属接地件上的过剩电荷易于中和存在于相邻的BARC层上的负电荷。当电偶极子被BARC层的这些中和破坏的时候，未受限制的缺点或缺陷产生暗电流，引起DINU故障，并且损害器件的质量。
因此，为了使BSI图像传感器件中的BARC层有效地限制缺点或缺陷，从而降低暗电流和DINU以及提高器件的质量和性能，期望提供一种防止BARC层中蓄积的电荷被蓄积在金属屏蔽接地件上的过剩电荷非期望中和的系统和方法。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种图像传感器件，其具有辐射吸收区和辐射阻挡区，并且还包括：衬底，具有正面和背面，并且延伸横跨辐射吸收区和辐射阻挡区；多个辐射传感器，在辐射吸收区的衬底中形成为与正面相邻，可操作辐射传感器以检测穿过背面进入衬底的辐射波；第一绝缘层，形成在衬底的背面的上方；抗反射涂层，形成在第一绝缘层上方；导电层，形成在辐射阻挡区中，导电层包括设置在抗反射涂层上方的水平部分以及一个或多个垂直部分，并且一个或多个垂直部分从水平部分基本垂直地延伸、穿透抗反射涂层和第一绝缘层、并且到达衬底以使导电层接地，同时一个或多个垂直部分中的每一个都具有基本上与水平部分垂直的侧壁；以及侧壁绝缘层，设置在每一个垂直部分的侧壁与周围的抗反射涂层之间以在它们之间提供电隔离。
优选地，图像传感器件是背照式（BSI）图像传感器。
优选地，该图像传感器件还包括：形成在导电层的水平部分与抗反射涂层之间的第二绝缘层。
优选地，该图像传感器件还包括：形成在导电层上方的第三绝缘层。
优选地，每一个侧壁绝缘层都由氧化物材料制成。
优选地，一个或多个垂直部分中的每一个大体都具有细长盒状外壳的配置。
根据本发明的另一方面，提供了一种器件，包括：衬底，具有正面和背面；辐射传感器，在辐射吸收区中的衬底中形成为邻近正面，可操作辐射传感器以检测穿过背面进入衬底的辐射波；互连结构，形成在衬底的正面上；抗反射涂层，形成在衬底的背面上，并且抗反射涂层在其中限定向下到达至衬底的背面的一个或多个沟槽；以及金属接地结构。其中，金属接地结构包括：水平金属栅格，形成在部分抗反射涂层的上方以阻止任何辐射进入其下方的衬底的背面；一个或多个金属接地件，从水平金属栅格基本上垂直地延伸，穿过一个或多个沟槽进入抗反射涂层，并且到达衬底以达到电接地的目的，并且一个或多个金属接地件中的每一个都具有基本上与水平金属栅格垂直的的侧壁；和侧壁绝缘层，设置在每一个金属接地件的侧壁与周围的抗反射涂层之间以在它们之间提供电隔离。
优选地，辐射传感器是背照式（BSI）图像传感器的一部分。
优选地，该器件还包括：第一绝缘层，形成在衬底与抗反射涂层之间。
优选地，该器件还包括：第二绝缘层，形成在水平金属栅格与抗反射涂层之间。
优选地，该器件还包括：第三绝缘层，形成在水平金属栅格和一个或多个金属接地件上方。
优选地，每一个侧壁绝缘层都由氧化物材料制成。
优选地，一个或多个金属接地件中的每一个都大体具有细长盒状外壳的配置。
根据本发明的又一方面，提供了一种制造具有辐射吸收区和辐射阻挡区的图像传感器件的方法，包括：提供横跨辐射吸收区和辐射阻挡区延伸的衬底，衬底具有在辐射吸收区中形成为与正面邻近的多个辐射传感器，可操作辐射传感器以检测穿过背面进入衬底的辐射波；在衬底的背面上方形成第一绝缘层；在第一绝缘层上方形成抗反射涂层；形成穿过抗反射涂层和第一绝缘层、并且部分地进入衬底的一个或多个沟槽，每一个沟槽都具有由抗反射涂层、第一绝缘层和部分衬底的侧面部分限定的内沟槽壁；在每一个内沟槽壁周围都形成侧壁绝缘层；在辐射阻挡区中形成包括水平部分和一个或多个垂直部分的导电层，水平部分设置在抗反射涂层上方，而一个或多个垂直部分从水平部分基本上垂直地延伸，进入相应的一个或多个沟槽内，同时通过相应的侧壁绝缘层与相应的内沟槽壁分离，并且到达衬底以达到接地目的。
优选地，图像传感器件是背照式（BSI）图像传感器。
优选地，该方法还包括：在形成第一绝缘层之前，从衬底的背面减薄衬底以达到期望的厚度。
优选地，该方法还包括：在形成抗反射涂层之后，在抗反射涂层上方形成第二绝缘层。
优选地，该方法还包括：在导电层上方形成第三绝缘层。
优选地，每一个侧壁绝缘层都由氧化物材料制成。
优选地，一个或多个垂直部分中的每一个都大体具有细长盒状外壳的配置。
附图说明
当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以理解本发明。应该强调，根据工业中的标准实践，各种部件没有按比例绘制。实际上，为了清楚论述起见，各种部件的尺寸可被任意的增大或缩小。
图1是根据本发明的一方面制造的背照式（BSI）图像传感器件的示意性截面侧视图；
图2A和2B是现有技术中常规制造的辐射阻挡区中的BSI图像传感器件的上部的示意性截面侧视图；
图3是根据本发明的一方面制造的背照式（BSI）图像传感器的一部分，更具体而言，用于形成辐射吸收区中的侧壁绝缘层的方法的流程图；以及
图4A至4F示意性地示出了根据本发明的一方面的图3中示出的方法的部分步骤。
具体实施方式
应该理解，为实现本发明的不同特征，以下说明提供了很多不同的实施例或实例。以下描述了部件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例而不旨在限定。此外，在以下的描述中，第一部件形成于第二部件上方或之上包括第一和第二部件以直接接触的方式形成的实施例，也包括其中形成介入第一和第二部件之间的额外的部件，从而使第一和第二部件不可能直接接触的实施例。为了简化和清楚起见，可以以不同比例任意绘制各个部件。
图1是根据本发明的一方面制造的背照式（BSI）图像传感器器件100的截面侧视示图。图像传感器件100包括用于感测和记录直接射向其背面的电磁辐射或波（诸如光）的强度的像素阵列或像素栅格。图像传感器件100可以包括电荷耦合器件（CCD）、互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器（CIS）、有源像素传感器（APS）或无源像素传感器。图像传感器件100还包括设置在像素栅格邻近处并且为像素提供工作环境和支持与像素的外部通信的附加的电路和输入/输出端。应该理解，对图1进行了简化以便更好地理解本发明的发明构思，并且不必按比例绘制图1。
参考图1，图像传感器件100通常具有辐射吸收区110、外围区120、接合焊盘区130和划线区140。图1中的虚线代表区域110、120、130和140之间的大概界线。应当理解，区域110、120、130和140在器件衬底102上方和下方垂直地延伸。以下将更加具体地描述的辐射吸收区110包括接收辐射的硅衬底102和形成在其中的辐射检测器件。外围区120包括需要保存于暗处的其他器件122和124。比如，器件122在一个实施例中是数字器件，诸如专用集成电路（ASIC）器件或片上系统（SOC）器件。其他器件124可以是用于为图像传感器件100建立光强的基线的参考像素。接合焊盘区130可包括一个或多个导电接合焊盘或E-焊盘，通过接合焊盘可建立图像传感器件100和外部器件之间的电连接。划线区140是使包括接合焊盘区130、外围区120和辐射吸收区110的一个半导体管芯与相邻的半导体管芯（未显示）分离的区域。划线区140在后续的制造工艺中被切割以在管芯被封装并且作为集成电路芯片销售之前分离相邻的芯片。以这样的方式切割划线区140使得每个管芯中的半导体器件都不会受到破坏。
仍然参考图1，辐射吸收区110包括器件衬底102。器件衬底102是掺杂有诸如硼的p型掺杂剂（例如，p型衬底）或诸如磷或砷的n型掺杂剂（n型衬底）的硅衬底。衬底102可由单一的半导体材料（诸如块状硅）或其他任何合适的元素半导体材料（诸如晶体锗）；化合物半导体（诸如碳化硅、硅锗、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟和/或锑化铟）；或它们的组合组成。衬底102也包括在半导体层顶部的绝缘体层。绝缘体层包括任何合适的材料，包括氧化硅、蓝宝石、其他适合的绝缘材料和/或它们的组合。示例性的绝缘体层是埋氧层（BOX）。可通过任何适合的工艺（诸如注氧隔离（SIMOX）、热氧化、沉积和/或其他适合的工艺）形成绝缘体。可选地，衬底102还可以包括位于绝缘体层顶部上的另一个半导体层以形成绝缘体上硅（SOI）衬底，其可使用晶圆接合和/或其他适合的方法制造。衬底102可包括任何适合的晶向（例如，a（100）、（110）、（111）或（001）晶向）。
衬底102具有正面104和背面106。通常器件衬底102的厚度介于约100微米（μm）和3000μm之间。在器件衬底102中形成辐射感测区110，其包括辐射检测器件、像素112和114。可操作像素112和114以感测辐射，诸如向器件衬底102的背面106投射的入射光115。在一个实施例中，每一个像素112和114都可以包括光电二极管。在另一个实施例中，像素112和114可以包括钉扎层光电二极管、光栅、复位晶体管、源极跟随器晶体管和转移晶体管。
虽然图示中绘制的像素112和114相同，但是它们可具有彼此不同的连结深度、厚度、宽度等。此外，虽然图1中仅示出了两个像素以便简化本发明，但是应该理解，在器件衬底102上可应用任意数量的辐射检测器件。在一个示出的实施例中，可以通过从正面104向器件衬底102实施适合的注入工艺来形成像素112和114。注入工艺可包括用p型掺杂剂（诸如硼）或n型掺杂剂（诸如磷或砷）掺杂器件衬底102。在另一个实施例中，也可通过扩散工艺形成像素112和114。
继续参考图1，器件衬底102的辐射吸收区110还可以包括隔离结构，例如，在像素112和114之间提供电隔离和光学隔离的隔离结构116和118。隔离结构116和118可以包括由介电材料（诸如氧化硅或氮化硅）形成的浅槽隔离（STI）结构。通过从正面104在衬底102内蚀刻沟槽或开口，然后用介电材料填充开口来形成STI结构。在其他实施例中，隔离结构116和118可以包括经过掺杂的隔离部件，诸如重掺杂的n型或p型区。应该理解，隔离结构116和118形成在像素112和114之前。此外，虽然图1中仅示出了两个隔离结构116和118以简化本发明，但是应该理解，在器件衬底102中可应用任意数量的隔离结构，从而可适当地隔离诸如像素112和114的辐射感测区。
仍参考图1，图像传感器件100还可以具有形成在器件衬底102的正面104上方的互连结构150。互连结构150包括在图像传感器件100的不同掺杂部件、电路和输入/输出之间提供互连（例如，引线）的多个图案化的介电层和导电层。互连结构150还可以包括层间介电层（ILD）156和多层互连（MLI）结构。MLI结构包括接触件、通孔和金属线。出于说明的目的，图1中示出了多个导电金属线152和通孔/接触件154。应该理解，示出的导电线152和通孔/接触件154仅仅是示例性的，可以根据设计需求改变导电线152和通孔/接触件154的实际位置和配置。被称为铝互连件的MLI结构可以包括导电材料，诸如铝、铝/硅/铜合金、钛、氮化钛、钨、多晶硅、金属硅化物或它们的组合。可通过包括物理汽相沉积（PVD）（或溅射）、化学汽相沉积（CVD）、原子层沉积（ALD）或它们的组合的工艺来形成铝互连件。其他形成铝互连件的制造技术包括光刻处理和蚀刻以图案化导电材料从而形成垂直连接（例如，通孔/接触件）和水平连接（例如，导电线）。可选地，铜多层互连件可用于形成金属图案。铜互连结构包括铜、铜合金、钛、氮化钛、钽、氮化钽、钨、多晶硅、金属硅化物或它们的组合。可通过包括CVD、溅射、喷镀或其他合适的工艺的技术来形成铜互连结构。
仍参考图1，图像传感器件100还可以包括形成在互连结构150上的缓冲层160。在本实施例中，缓冲层160包括诸如氧化硅的介电材料。可选地，缓冲层160可选择包括氮化硅。通过CVD、PVD或其他合适的技术形成缓冲层160。可以通过化学机械抛光（CMP）工艺使缓冲层160平坦化以形成平滑的表面。
此后，载体衬底165可通过缓冲层160与器件衬底102进一步结合，从而可实施对器件衬底102的背面106的加工。本实施例中的载体衬底165与衬底102类似并且包括硅材料。可选地，载体衬底165可包括玻璃衬底或另外合适的材料。载体衬底165可通过分子力（已知为直接接合或光学融合接合的技术）或通过本领域已知的其他接合技术（诸如金属扩散或阳极接合）接合至器件衬底102。
缓冲层160在器件衬底102与载体衬底165之间提供电隔离。载体衬底165为形成在器件衬底102的正面104上的各个部件（诸如像素112和114）提供保护。载体衬底165也为以下论述的加工器件衬底102的背面106提供机械强度和支持。在接合之后，可选择对器件衬底102和载体衬底165进行退火以提高接合强度。
仍参考图1，在衬底的正面完成CMOS工艺后，翻转衬底102并且从背面106实施减薄工艺以使器件衬底102变薄。减薄工艺可包括机械研磨工艺和化学减薄工艺。首先，在机械研磨工艺过程中，从器件衬底102中去除大量的衬底材料。然后，通过化学减薄工艺可向器件衬底102的背面106应用化学蚀刻剂以进一步将器件衬底102减薄至期望的厚度。当衬底102是SOI型时，嵌入的埋氧层（BOX）可用作蚀刻停止层。通常，BSI图像传感器中的衬底的厚度介于5μm和10μm之间。在一个实施例中，厚度可以小于5μm，甚至低至介于2μm和3μm之间。可根据图像传感器件100的应用类型和设计需求配置器件衬底102的厚度。
在将衬底102减薄至期望的厚度之后，通过蚀刻工艺去除接合焊盘区130中的衬底102，蚀刻工艺从衬底102的背面106开始，直到露出互连结构150上的层间介电层（ILD）156，以在其上形成接合焊盘结构。图1示出了已经去除衬底102之后的接合焊盘区130。
仍参考图1，在器件衬底102的背面106上方和在接合焊盘区130中的ILD层156的暴露表面上方形成氧化层170。然后，进一步蚀刻接合焊盘区130中的缓冲氧化层170的一部分以露出互连结构150中最上方的导线152的一部分，其中，接合焊盘将形成在最上方的导线152中露出的部分上。在氧化层170上方形成一层或多层底部抗反射涂布（BARC）层（未示出）。在一个实施例中，在BARC层上方还可形成被称为缓冲氧化层的附加的氧化层。
之后，在缓冲氧化层上方以及在接合焊盘区130中露出的导电线152上方形成导电层180。在一个实施例中，导电层180包括金属或金属合金材料，例如，铝（Al）或铝铜合金（AlCu）。随后，导电层180中与接合焊盘区130中最上方的导线152形成物理接触的部分被图案化为接合焊盘。
接着，实施蚀刻工艺以去除导电层180中覆盖辐射吸收区110的部分直至与缓冲氧化层平齐，从而使得辐射可以穿过缓冲氧化层、BARC层、氧化层170进入衬底102到达衬底102中的像素112和114而不会被导电层180（可能不透明）遮挡。图1示出了在去除导电层180在辐射吸收区110中的部分之前的导电层180。蚀刻工艺也去除接合焊盘区130中的部分导电层180，从而使得导电层180在接合焊盘区130中的剩余部分形成导电接合焊盘。
在去除覆盖辐射吸收区110的导电层180之后，将辐射吸收区110中露出的缓冲氧化层减薄至关键厚度，以与下面的BARC层一起用作光学膜，从而使得进入衬底102的辐射在衬底表面上可受到很小的反射并且被衬底102最大程度地吸收。在这种意义上来讲，缓冲氧化层用作BARC层的一层。
之后，虽然在图1中未示出，实施额外的加工以完成图像传感器件100的制造。例如，在图像传感器件周围形成钝化层以发挥保护作用（例如防尘或防潮）。可在辐射吸收区110内形成滤色片。设置滤色片从而将入射光引到滤色片上并且通过滤色片。滤色片可包括用于过滤入射光中特定波段的基于染料的（或基于颜料的）聚合物或树脂，其中入射光的特定波段相当于色谱（例如红色、绿色和蓝色）。之后，在滤色片上方形成微透镜以用于指引和聚焦入射光至器件衬底102中的特定辐射感测区，诸如像素112和114。根据微透镜所使用材料的折光率和与传感器表面的距离，可以以不同的排列设置微透镜并且使其具有不同的形状。还应该理解，在形成滤色片或微透镜之前，还可选地对器件衬底102进行激光退火工艺。
图2A和2B是现有技术中常规制造的BSI图像传感器件200在辐射阻挡区或外围区中的上部的示意性截面侧视图。BSI图像传感器件200的上部包括衬底202、形成在衬底202的背面203上方的氧化层204、底部抗反射涂层（BARC）或膜206和208、缓冲氧化层210、金属栅格212、金属屏蔽接地件214和附加的氧化层216。金属屏蔽接地件214从水平的金属栅格212垂直地延伸并且到达接地的衬底202内从而使晶圆工艺期间在金属栅格212上聚集的任何电荷（主要是正电荷）释放至衬底202。图2A示出了理想情况，其中负电荷蓄积在BARC层上，而正电荷被吸引至衬底/氧化层界面203处，以形成电偶极子。电偶极子用作电荷屏障，限制诸如悬空接合的缺点或缺陷，从而降低暗电流和DINU以提高器件的质量和性能。图2B示出了主要由于在金属屏蔽接地件/衬底界面中存在的缺点使得金属屏蔽接地件214的性能不够好时遇到的问题。在金属栅格212上收集的正电荷没有被释放至衬底202，而是流入邻近金属屏蔽接地件214的BARC层206和208，中和BARC层206和208中围绕金属屏蔽接地件214的区域220中的负电荷，从而破坏区域220中的电偶极子。图2B示出了在金属屏蔽接地件214周围的这种不含电偶极子的区域220。
图3是根据本发明的一方面的用于制造图像传感器件（诸如背照式（BSI）图像传感器）的方法300的流程图。本发明在描述方法300中，同时参考图4A至4F，图4A至4F示意性地示出了根据本发明的一方面的在方法300中实施的部分步骤。通过实施方法300制造的图像传感器件包括辐射吸收区和辐射阻挡区。辐射吸收区接收通过诸如形成在其中的像素的辐射检测器件所检测到的辐射。在图1的描述中被称为外围区的辐射阻挡区，其中保存有需要置于光暗处的器件，诸如专用集成电路（ASIC）器件、片上系统（SOC）器件、逻辑电路或用于建立光强度的基线的参考像素或校准像素。
在方法300的第一步骤302中，提供衬底。本发明中，词语“提供”从广义上用于涵盖获得衬底的所有方式，包括但不限于“购买”、“制备”、“制造”、“布置”或“订购”对象，该对象为衬底。衬底延伸跨越辐射吸收区和辐射阻挡区并且具有正面和背面。衬底可由单一半导体材料（诸如块状硅）或其他任意合适的元素半导体材料（诸如晶体锗）；化合物半导体材料（诸如碳化硅、锗化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟和/或锑化铟或它们的组合）构成，并且可掺有诸如硼的p型掺杂剂（例如，p型衬底）或诸如磷或砷的n型掺杂剂（n型衬底）。衬底也可以包括位于半导体层顶部上的绝缘体层。绝缘体可包括任何适合的材料，包括氧化硅、蓝宝石、其他适合的绝缘材料和/或它们的组合。示例性的绝缘体层是埋氧层（BOX）。绝缘体层可通过任何合适的工艺形成，诸如注氧隔离（SIMOX）、氧化、沉积和/或其他合适的工艺。可选地，衬底还可以包括位于绝缘体层顶部上的另一个半导体层以形成绝缘体上硅（SOI）衬底，其中SOI衬底可通过晶圆接合和/或其他适合的方法制造。衬底可包括任何合适的晶向（例如，a（100）、（110）、（111）或（001）晶向）。通常，衬底的厚度介于约100微米（μm）和3000μm之间。
在辐射吸收区，衬底具有被称为像素的多个辐射传感器，其通过CMOS工艺形成于邻近衬底的正面。可操作每一个辐射传感器以感测从衬底背面进入的辐射并且在一个实施例中可包括光电二极管。在另一个实施例中，辐射传感器可包括钉扎层光电二极管、光栅、复位晶体管、源极跟随器晶体管和转移晶体管。在一个实施例中，可通过从正面对衬底实施合适的注入工艺形成辐射传感器。注入工艺可包括用诸如硼的p型掺杂剂或诸如磷或砷的n型掺杂剂掺杂该衬底。在另一个实施例中，也可以通过扩散工艺形成辐射传感器。
衬底还可以包括隔离结构，其在辐射传感器之间提供电隔离和光学隔离。隔离结构可包括由诸如氧化硅或氮化硅的介电材料形成的浅沟槽隔离（STI）结构。通过从正面在衬底内蚀刻沟槽或开口，然后用介电材料填充开口来形成STI结构。在其他实施例中，隔离结构可以包括经过掺杂的隔离部件，诸如重掺杂n型或p型区。在一个实施例中，隔离结构形成在辐射传感器之前。
在提供衬底之后，然后执行步骤304，从背面减薄衬底至合适的预定厚度的值。减薄工艺可包括机械研磨工艺和化学减薄工艺。首先，在机械研磨工艺期间，从器件衬底中去除大量的衬底材料。然后，通过化学减薄工艺可向衬底的背面应用化学蚀刻剂以进一步将衬底至减薄期望的厚度。当衬底是SOI型时，嵌入的埋氧层（BOX）可用作蚀刻停止层。通常，BSI图像传感器中的衬底的厚度介于5μm和10μm之间。在一个实施例中，厚度小于5μm，甚至低至介于2μm和3μm之间。可根据图像传感器件的应用类型和设计需求配置衬底的厚度。
参考图3，在步骤306中，在衬底的背面上方形成第一绝缘层。在一个实施例中，第一绝缘层包括诸如氧化硅的介电材料。可选地，第一绝缘层可选择地包括氮化硅。氧化层可通过CVD、PVD、热氧化、旋涂、旋涂式介电材料（SOD）工艺或其他适合的技术形成。可通过化学机械抛光（CMP）工艺对第一绝缘层进行平坦化以形成平滑表面。第一绝缘层为衬底提供电隔离。
仍参考图3，在步骤308中，在衬底的背面上形成一层或多层的底部抗反射涂（BARC）层以增加入射至衬底的辐射的吸收，从而提高图像传感器件的效率。反射的减少也通过消除杂散光而提高了图像的对比度并且减少了伴随衬底表面处的反射而产生的图像失真。通过由BARC层中蓄积负电荷以及通过电感应被吸引至衬底界面处的正电荷构成的电偶极子，BARC层在阻止晶格缺陷或晶格缺点方面起着重要的作用。BARC层可包括具有显著差异的折射率的介电材料的交互层的透明薄膜结构。在一个实施例中，BARC层可由高k材料构成，诸如二氧化铪（HfO2）、HfSiO、HfSiON、HfTaO、HfTiO、HfZrO、氧化锆、氧化铝、二氧化铪-氧化铝（HfO2-Al2O3）合金、氮化钛（TiN）。在另一个实施例中，BARC层可由常用于BSI图像传感器件的三族材料（G线、I线或DUV）中的任意一种构成。在一个实施例中，可使用氮化硅和氧化硅（SiN/SiO）层。在另一个实施例中，可使用碳化硅（SiC）层。但是BARC层可包括本领域已知的任何其他合适的材料。
可通过CVD、PVD、热氧化或其他合适的技术形成BARC层。选择单个层的厚度以在从界面反射的光束中发生相消干涉，而在相应的透射光束中发生相长干涉，从而使得在衬底表面处的入射辐射的吸收最大化。BARC层可由在专门的沉积室中沉积在衬底上的无机材料制成，或者由类似光刻胶的应用方式而不必使用昂贵的沉积室的有机材料制成。
继续参考图3，在步骤310中，在BARC层上方形成第二绝缘层。在一个实施例中，第二绝缘层是缓冲氧化层。用于第二绝缘层的介电材料可以是典型的未掺杂和掺杂的二氧化硅（SiO2）、氮氧化硅（SiON）、氮化硅（Si3O4）、高密度等离子体（HDP）氧化物、TEOS氧化物、高k介电材料（诸如二氧化铪（HfO2）、HfSiO、HfSiON、HfTaO、HfTiO、HfZrO、氧化锆、氧化铝、二氧化铪-氧化铝（HfO2-Al2O3）合金）或其他任意合适的材料或它们的组合。在一些实施例中，第二绝缘层具有诸如用氮化硅或氧化硅填充的热氧化衬垫层的多层结构。可通过CVD、PVD、热氧化、旋涂、旋涂介电材料（SOD）工艺或其他合适的技术形成氧化层。可通过化学机械抛光（CMP）工艺对第二绝缘层进行平坦化以形成平滑表面。
图4A至4F示意性地示出了当实施根据本发明的一方面的方法300的部分步骤时，辐射阻挡区中的图像传感器件的顶部400的截面侧视图。图4A示出了当方法300进行至步骤310时的图像传感器件的顶部400。在完成步骤310之后，顶部400包括包含辐射传感器的衬底402、诸如氧化层的第一绝缘层404、形成在衬底402的背面上方的一层或多层的BARC层406和408、以及第二绝缘层410（被称为缓冲氧化层的另一个氧化层）。
现在，重新参考图3，在步骤312中，通过光刻图案化和蚀刻工艺形成用于设置金属屏蔽接地件的一个或多个沟槽。图4B示出了在步骤312中形成沟槽420之后的图像传感器件的顶部400的部分。为了简化，图4B仅示出了一个这样的沟槽。每一个沟槽420都从第二绝缘层的顶面延伸，穿透第二绝缘层410、BARC层406和408、第一绝缘层404，并到达部分衬底402内。每个沟槽420都具有由BARC层406和408、第一绝缘层404、第二绝缘层410及部分的衬底402的侧面部分所限定的内沟槽壁425。
形成沟槽420的光刻图案化工艺可包括光刻胶涂覆（例如，旋涂）、软烘、掩模对准、曝光、曝光后烘烤、使光刻胶显影、清洗、干燥（例如，硬烘）、其他合适的工艺和/或它们的组合。可选地，光刻胶曝光工艺可通过其他适当的方法（诸如无掩模光刻、电子束写入和离子束写入）实施或代替。
更具体地，将光刻胶（“PR”）层涂覆在第二绝缘层410上以用于图案化。光刻胶可以是本领域使用的任何合适的材料，诸如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚甲基戊二酰亚胺（PMGI）、酚醛树脂（DNQ/线型酚醛树脂）、SU-8，并且可以是正性或负性光刻胶。所有这些材料都以液体形式应用，并且通常被旋涂以确保厚度的均匀性。在预烘焙之后，通过光掩模的图案将光刻胶层暴露于紫外光（UV）、深紫外光（DUV）或电子束下。曝光引起化学变化，使得可用根据照相显影剂而类推出的被称为“显影剂”的特殊溶液来去除一些光刻胶。对于最常见的正性光刻胶，经过曝光的部分变得可溶于显影剂中。在经过曝光后烘烤工艺之后，剩余的（未经曝光）部分形成抗蚀刻的掩模（未示出）。在一个实施例中，将掩模图案化为相等间距以获得相等间距的沟槽。根据设计需求与应用，可将掩模之间的间距调节为不同的值。
接着，对第二绝缘层410实施蚀刻以去除其中未受光刻胶掩模保护的区域。蚀刻停止于从衬底402的背面起的预定深度处。为此目的，在一个实施例中，已经将蚀刻停止层嵌入衬底402中。在这一步骤312中，可使用任何已知的蚀刻工艺，诸如湿蚀刻、干蚀刻或等离子体蚀刻，但是当期望使用各向异性蚀刻时，可使用等离子体蚀刻。用于蚀刻聚合物的蚀刻剂包括但不限于，诸如氢氧化钾（KOH）、乙二胺和邻苯二酚（EDP）或羟化四甲铵（TMAH）的湿蚀刻剂，或者诸如Cl2、CCl4、SiCl2、BCl3、CCl2F2、CF4、SF6或NF3的等离子体蚀刻剂。在对第一和第二绝缘层402和410、BARC层406和408、部分衬底402中未被光刻胶掩模覆盖的部分进行蚀刻以形成一个或多个沟槽后，通过称为灰化的工艺去除光刻胶掩模。这通常需要一种液态“光刻胶剥离液”，其改变了光刻胶化学性质，从而使光刻胶不再粘附于第二绝缘层410。可选地，光刻胶掩模可通过使其氧化的含氧等离子体来去除。
重新参考图3，在步骤314中，在图4B中的每一个内沟槽壁425的周围都形成侧壁绝缘层。侧壁绝缘层主要通过两个子步骤形成。首先，在第二绝缘层410和一个或多个的沟槽420上沉积介电材料或氧化物材料（诸如氧化硅）以形成氧化层。可选地，氧化层可选择包括氮化硅。可通过CVD、PVD、热氧化、旋涂、旋涂介电材料（SOD）工艺或其他合适的沉积技术来形成氧化层。在一个实施例中，可通过化学机械抛光（CMP）工艺对氧化层进行平坦化以形成平滑表面。图4C显示了这种氧化层430，其具有形成在第二绝缘层410和一个或多个的沟槽420上的水平部分433以及形成在每一内沟槽壁425周围的垂直部分435。
接着，通过全面（blanket）蚀刻工艺去除氧化层430的水平部分433。再一次，在这里可使用任何已知的蚀刻工艺，诸如湿蚀刻、干蚀刻或等离子体蚀刻。当期望使用各向异性蚀刻以清楚地限定边缘时，可使用等离子体蚀刻。用于蚀刻聚合物的蚀刻剂包括但不限于，诸如氢氧化钾（KOH）、乙二胺和邻苯二酚（EDP）或羟化四甲铵（TMAH）的湿蚀刻剂，或者诸如Cl2、CCl4、SiCl2、BCl3、CCl2F2、CF4、SF6或NF3的等离子体蚀刻剂。图4D示出了在全面蚀刻工艺之后的氧化层430的剩余部分，即，垂直部分435。氧化层430的水平部分433已经被去除，露出了第二绝缘层410和位于沟槽420底部的衬底402。氧化层430的剩余的垂直部分435成为侧壁绝缘层435，侧壁绝缘层435可使在后续步骤中将要形成在沟槽420内的金属屏蔽接地件与周围的各层电隔离，尤其是与BARC层406和408电隔离，从而可防止任何不期望的金属屏蔽接地件中的电荷泄漏至BARC层406和408内。
在氧化层430的沉积和蚀刻期间，通过调整沉积速率和蚀刻时间，可以很好地控制侧壁绝缘层435的厚度以使其具有期望数值。在本发明的一个实施例中，厚度介于1纳米至500纳米（nm）之间。但是根据图像传感器件的不同应用的设计需求，在其他实施例中，可将厚度值变为在范围之外。
现在重新参考图3，在步骤316中，通过合适的沉积工艺，在辐射阻挡区的第二绝缘层410上方以及在沟槽420底部的衬底402的露出表面上形成导电层。实际上，在这一步骤中，在辐射吸收区和辐射阻挡区的第二绝缘层410上方都会沉积导电层。如图4E部分所示，由于外部的辐射应被允许进入辐射吸收区，因此随后通过适合的蚀刻工艺去除导电层位于辐射吸收区的部分。在一个实施例中，沉积的导电材料可以是金属或金属合金材料，例如，铜（Cu）、铝（Al）、铝铜合金（AlCu）或钨。沉积工艺可以是本领域已知的任何工艺，包括物理汽相沉积（PVD）（或溅射）、化学汽相沉积（CVD）、原子层沉积（ALD）、喷镀、它们的组合或其他合适的工艺。
图4E示出了在步骤316中，在图像传感器件的辐射阻挡区中形成的导电层。导电层包括两部分，水平部分440和一个或多个垂直部分450。与沟槽420类似，为了简化，图4E中仅示出了一个这样的垂直部分450。导电层沉积在第二绝缘层410上方的水平部分是阻止外部辐射进入辐射阻挡区的金属栅格440。在金属栅格440上是聚集的需要被释放出来的电荷（主要是正电荷），这些电荷是在先前的晶圆工艺期间和在方法300的步骤中由不同的来源产生的。导电层的一个或多个垂直部分450成为用于将电荷通过接地的衬底402释放至接地端的金属屏蔽接地件450。金属屏蔽接地件450从金属栅格440基本上垂直地延伸至相应的一个或多个沟槽420，并且到达沟槽420的底部处露出的衬底402以实现接地目的。在本发明的一个实施例中，金属屏蔽接地件450的宽度和深度（沟槽内部）的尺寸均介于1μm和5μm之间。
在一个实施例中，如图4E所示，通常而言，如果沟槽420具有矩形孔状配置，则每一个金属屏蔽接地件450都具有内部中空的细长盒状外壳。但是金属屏蔽接地件可随着沟槽配置的改变而具有不同的配置。因此，侧壁绝缘层的结构也将会改变。
最后，在步骤318中，通过适合的沉积工艺在导电层上方（金属栅格440和金属屏蔽接地件上方）形成用于物理保护和电隔离的另一个绝缘层（即，第三绝缘层或另一个氧化层）。图4F示出了如此形成的第三绝缘层460。用于第三绝缘层的介电材料可以与第一或第二绝缘层相同或不同。可通过CVD、PVD、热氧化、旋涂、旋涂介电材料（SOD）工艺或其他合适的沉积技术形成第三绝缘层。在一个实施例中，如图4F所示，第三绝缘层460的介电材料可完全地填充金属屏蔽接地件450的中空内部。在形成以后，可通过化学机械抛光（CMP）工艺对第三绝缘层460进一步平坦化以形成平滑表面。
使用本发明的这个方法，在每一个金属屏蔽接地件的侧面与BARC层、第一和第二绝缘层、部分衬底的暴露侧面部分之间形成侧壁绝缘层。由于侧壁绝缘层，每个金属屏蔽接地件都与周围相邻的层，尤其是与BARC层完全分开，从而与它们电隔离。因此，通过本发明的结构和方法，可以有效防止本领域已知的BARC层中的任何负电荷与金属屏蔽接地件中的正电荷的不期望的中和的问题。
上面概述了若干实施例的特征，从而本领域普通技术人员可以更好地理解随后的具体说明。本领域普通技术人员应该理解，他们可容易地利用本发明为基础来设计或改进用于达到与本发明介绍的实施例相同的目的和/或实现相同的优势的其他工艺和结构。本领域普通技术人员也应该意识到，这些等效构造不背离本发明的精神与范围，并且在不背离本发明的精神与范围的情况下，他们对本发明可作出各种变化、替代和改变。
Claims (20)
1.一种图像传感器件，具有辐射吸收区和辐射阻挡区，所述图像传感器件包括：
衬底，具有前面和背面，并且延伸跨过所述辐射吸收区和所述辐射阻挡区；
多个辐射传感器，形成在所述辐射吸收区中与所述衬底的前面相邻处，可操作所述辐射传感器以检测穿过所述背面进入所述衬底的辐射波；
第一绝缘层，形成在所述衬底的背面的上方；
抗反射涂层，形成在所述第一绝缘层上方；
导电层，形成在所述辐射阻挡区中，所述导电层包括：沉积在所述抗反射涂层上方的水平部分和从所述水平部分基本上垂直地延伸，穿透所述抗反射涂层和所述第一绝缘层，并且到达所述衬底以使所述导电层接地的一个或多个垂直部分，所述一个或多个垂直部分中的每一个都具有基本上与所述水平部分垂直的侧壁；以及
侧壁绝缘层，设置在每一个所述垂直部分的侧壁与周围的所述抗反射涂层之间以在它们之间提供电隔离。
2.根据权利要求1所述的图像传感器件，其中，所述图像传感器件是背照式(BSI)图像传感器。
3.根据权利要求1所述的图像传感器件，还包括：形成在所述导电层的水平部分与所述抗反射涂层之间的第二绝缘层。
4.根据权利要求1所述的图像传感器件，还包括：形成在所述导电层上方的第三绝缘层。
5.根据权利要求1所述的图像传感器件，其中，每一个所述侧壁绝缘层由氧化物材料制成。
6.根据权利要求1所述的图像传感器件，其中，所述一个或多个垂直部分中的每一个都具有细长盒状外壳的配置。
7.一种图像传感器件，包括：
衬底，具有前面和背面；
辐射传感器，形成在辐射吸收区中与所述衬底的前面邻近处，可操作所述辐射传感器以检测穿过所述背面进入所述衬底的辐射波；
互连结构，形成在所述衬底的前面上；
抗反射涂层，形成在所述衬底的背面上，所述抗反射涂层限定其中的向下到达至所述衬底的背面的一个或多个沟槽；以及
金属接地结构，包括：
水平金属栅格，形成在所述抗反射涂层的部分的上方以阻止任何辐射进入其下方的所述衬底的背面；
一个或多个金属接地件，从所述水平金属栅格基本上垂直地延伸，穿过所述一个或多个沟槽进入所述抗反射涂层，并且到达所述衬底以达到电接地的目的，所述一个或多个金属接地件中的每一个都具有基本上与所述水平金属栅格垂直的的侧壁；以及
侧壁绝缘层，设置在每一个所述金属接地件的侧壁与周围的所述抗反射涂层之间以在它们之间提供电隔离。
8.根据权利要求7所述的图像传感器件，其中，所述辐射传感器是背照式(BSI)图像传感器的一部分。
9.根据权利要求7所述的图像传感器件，还包括：
第一绝缘层，形成在所述衬底与所述抗反射涂层之间。
10.根据权利要求9所述的图像传感器件，还包括：
第二绝缘层，形成在所述水平金属栅格与所述抗反射涂层之间。
11.根据权利要求10所述的图像传感器件，还包括：
第三绝缘层，形成在所述水平金属栅格和所述一个或多个金属接地件上方。
12.根据权利要求7所述的图像传感器件，其中，每一个所述侧壁绝缘层都由氧化物材料制成。
13.根据权利要求7所述的图像传感器件，其中，所述一个或多个金属接地件中的每一个都具有细长盒状外壳的配置。
14.一种制造具有辐射吸收区和辐射阻挡区的图像传感器件的方法，所述方法包括：
提供延伸跨过所述辐射吸收区和所述辐射阻挡区的衬底，所述衬底具有形成在与所述辐射吸收区中的前面邻近处的多个辐射传感器，可操作所述辐射传感器以检测穿过背面进入所述衬底的辐射波；
在所述衬底的背面上方形成第一绝缘层；
在所述第一绝缘层上方形成抗反射涂层；
形成穿过所述抗反射涂层和所述第一绝缘层，并且部分地进入所述衬底的一个或多个沟槽，每一个所述沟槽都具有由所述抗反射涂层、所述第一绝缘层和所述衬底的部分的侧面部分限定的内沟槽壁；
在每一个所述内沟槽壁周围都形成侧壁绝缘层；
在所述辐射阻挡区中形成包括水平部分和一个或多个垂直部分的导电层，所述水平部分设置在所述抗反射涂层上方，所述一个或多个垂直部分从所述水平部分基本上垂直地延伸，进入相应的所述一个或多个沟槽内，同时通过相应的所述侧壁绝缘层与相应的所述内沟槽壁分离，并且到达所述衬底以达到接地目的。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述图像传感器件是背照式(BSI)图像传感器。
16.根据权利要求14所述的方法，还包括：在形成所述第一绝缘层之前，从所述衬底的背面减薄所述衬底以达到期望的厚度。
17.根据权利要求14所述的方法，还包括：在形成所述抗反射涂层之后，在所述抗反射涂层上方形成第二绝缘层。
18.根据权利要求14所述的方法，还包括：在所述导电层上方形成第三绝缘层。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，每一个所述侧壁绝缘层都由氧化物材料制成。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，所述一个或多个垂直部分中的每一个都具有细长盒状外壳配置。
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| US8736006B1 (en) | 2014-05-27 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |