CN104576664A - 一种背照式cmos传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体制造领域,尤其涉及一种背照式CMOS传感器及其制作方法,通过改变晶背硅刻蚀图形的设计,实现减少刻蚀的面积,即在干法刻蚀工艺中,仅仅去除掉连接盘凹槽内的器件层,从而可增加出新增电路结构,进而实现在不增加传感器面积的情况下增加有效电路面积。利用这些面积在晶圆正面设计的时候可以额外放置一些电路,来提高CMOS传感器的成像质量。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域,尤其涉及一种背照式CMOS传感器及其制作方法。
背景技术
背照式CMOS传感器(BSI CMOS sensor)是通过将感光层的原件调转方向,使得光线从器件背面直射进去,从而有效的避免了传统CMOS传感器结构中,光线需经过位于微透镜和光电二极管之间的电路、晶体管等结构层才能到达感光层,进而显著的提高了光的效能,大大改善了低光照条件下的感光效果。
随着技术的发展,人们对用户体验的要求也越来越高,从而对背照式CMOS传感器的成像质量的要求也越来越高。但是如何在控制成本的前提下,有效的提高传感器的成像质量,成为了各大公司争先研究的课题。所以人们对如何提高背照式CMOS传感器成像质量的研究也从未停止。
其中,最为有效的方法就是扩大背照式CMOS传感器的面积尺寸,这样可以将更多的电路集成在传感器上,从而提高传感器的成像质量。但是这种方法无疑会提高背照式CMOS传感器的制作成本,且可能导致设备整体的体积增大,不利于当今的科技的要求。
中国专利(公布号:102800686A)记载了一种背照式CMOS图像传感器,包括:器件晶圆,所述器件晶圆具有正面及背面,所述器件晶圆中形成有光电二极管,所述光电二极管靠近所述器件晶圆的背面;及带正电荷膜层,所述带正电荷膜层覆盖所述器件晶圆的背面。通过带正电荷膜层提高了靠近器件晶圆背面的能带势垒,提高了电子从光电二极管中逃离的难度,从而降低了电子从光电二极管中逃离的概率,进而提高了光子转换效率,提高了背照式CMOS影像传感器的成像质量。该专利文献中并没有记载如何在不增加CMOS传感器面积的前提下,提高背照式CMOS传感器的有效面积。
中国专利(公布号:103094298A)记载了一种背照式CMOS图像传感器, 包括:半导体基底,包括至少两个像素单元区域,所述半导体基底具有正面和与之相对的背面;所述半导体基底的正面形成有至少两个像素,每一所述像素单元区域内具有一个所述像素;所述半导体基底的背面形成有沟槽,所述沟槽位于相邻所述像素单元区域之间;所述半导体基底的背面形成有隔绝层,所述隔绝层与所述沟槽形成空气隙;所述隔绝层上依次形成有滤光片和微透镜。同时,本发明还提供一种背照式的CMOS图像传感器的制备方法,采用本发明的背照式的CMOS图像传感器,能够减少或避免光线进入相邻的像素单元区域,改善对相邻的像素单元区域造成光学串扰现象,提高背照式的CMOS图像传感器的成色质量。该专利文献中并没有记载如何在不增加CMOS传感器面积的前提下,提高背照式CMOS传感器的有效面积。
发明内容
本发明记载了一种背照式CMOS传感器,其中,所述传感器包括介质层和覆盖于该介质层上表面的器件层;所述介质层中还设置有金属层,所述器件层中设置有连接盘,该连接盘位于所述金属层的正上方;以及位于相邻的两连接盘之间的器件层中还设置有新增器件结构。
上述的背照式CMOS传感器,其中,所述介质层中对应所述新增器件结构位置处还设置有金属连接线,所述新增器件结构与所述金属连接线连接。
上述的背照式CMOS传感器,其中,所述连接盘的材质为铝。
上述的背照式CMOS传感器,其中,所述器件层内还设置有若干个光电二极管。
上述的背照式CMOS传感器,其中,所述介质层的材质为硅的氧化物。
上述的背照式CMOS传感器,其中,所述连接盘贯穿所述器件层,且所述连接盘与所述器件层之间还设置有隔离层。
上述的背照式CMOS传感器,其中,所述隔离层的材质为绝缘材料。
上述的背照式CMOS传感器,其中,所述器件层的材质为硅。
本发明还提供了一种背照式CMOS传感器的制造方法,其中,所述方法包括:
提供一具有器件层和介质层的半导体结构,所述器件层覆盖所述介质层上表 面,所述器件层中预设有若干连接盘区,对应每个所述连接盘区下方的介质层中均设置有金属层,且位于相邻的两连接盘区之间的器件层中还设置有新增器件结构;
去除位于所述连接盘区内的器件层并停止在所述介质层的上表面,形成连接盘凹槽;
制备一隔离层,该隔离层覆盖所述连接盘凹槽的底部及其侧壁;
部分去除位于所述连接盘凹槽底部的隔离层以及位于其下方的介质层至所述金属层的上表面,于剩余的介质层中形成连接线沟槽;
继续进行金属填充工艺,形成充满所述连接线沟槽和所述连接盘凹槽的填充金属层;
对所述填充金属层进行平坦化处理,形成连接线及通过该连接线与所述金属层连接的连接盘。
上述的背照式CMOS传感器的制造方法,其中,通过干法刻蚀去除位于所述连接盘区内的器件层。
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明一种背照式CMOS传感器及其制作方法,通过改变晶背硅刻蚀图形(BLS)的设计,实现减少刻蚀的面积,即在干法刻蚀工艺中,仅仅去除掉连接盘凹槽内的器件层,从而可增加出新增电路结构,进而实现在不增加传感器面积的情况下增加有效电路面积。利用这些面积在晶圆正面设计的时候可以额外放置一些电路,来提高CMOS传感器的成像质量。
附图说明
图1是本发明一种背照式CMOS传感器中一实施例的结构示意图;
图2~5是本发明一种背照式CMOS传感器的制造方法中一实施例的流程结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的背照式CMOS传感器结构进行详细说明:
图1是本发明一种背照式CMOS传感器的结构示意图;如图1所示,一种 背照式CMOS传感器,包括材质为硅的器件层18(优选的该器件层18可为硅衬底(Si substrate)如晶圆等)和材质为氧化硅(SiOx)的介质层11,器件层18位于介质层11的上表面;在实际的生产制造过程中,介质层11可覆盖于晶圆的正面,即如图1中所示器件层18的上表面为晶圆的背面,下表面为晶圆的正面。
进一步的,上述的器件层18中还设置有若干材质为金属(优选的为铝等)的连接盘15,每个连接盘15均贯穿器件层18,即该连接盘15的上表面暴露于器件层18的上表面,其下表面与介质层11中设置的器件结构接触;在上述连接盘15与器件层18之间还设置有隔离层14,该隔离层14用于阻止连接盘15中的金属扩散至器件层18,同时还起到绝缘的作用。
优选的,隔离层14的材质为绝缘材料,如氧化硅等。
进一步的,在位于相邻的连接盘15之间的器件层18中还设置有新增器件结构17,该新增器件结构17为根据工艺需求及工艺条件在传统的COMS传感器中新增的器件结构,由于在传统的CMOS传感器中,在连接盘15周围保留很少部分的器件层18,甚至在相邻的连接盘15之间的区域完全去除器件层18,这就造成该区域被浪费,不能增设一些器件结构,对于日趋微型化的CMOS传感器而言器件结构面积被大大的浪费,而本实施例中在相邻连接盘15之间的区域中保留有绝大部分的器件层18(即仅去除制备连接盘15和隔离层14所需的器件层),以便于在该保留的区域中增设一些新的器件结构,从而大大提升了器件结构区域的面积。
在实际的制备工艺中,如面积为4127um×4127um=1.7E8um2的COMS传感器,新增加的有效面积可达到55um×110um×26×4=6.3E6um2,进而使得可设置器件结构区域的面积提升6.3E6/1.7E8×100%≈3.7%,大大提高了COMS传感器的可设置器件结构的有效面积。
优选的,在上述的新增器件结构17的周围还设置有隔离结构如浅沟槽隔离结构(STI)等。
进一步的,在介质层11中对应上述的器件层18中设置有多个连接线结构,即对应每个连接盘15的位置处均设置有金属层12,该金属层12通过连接线13与连接盘15连接;对应上述的新增器件结构17的位置处,在介质层11中还设置有金属连接线结构9,该金属连接线结构9与上述的新增器件结构17共同构 成新增电路结构,且金属连接线结构9还与金属层10可根据工艺需求连接,进而实现整个COMS传感器的正常工作。
优选的,金属连接线结构9的材质与连接盘15的材质相同,也可在同一工艺步骤中制备,且在金属连接线结构9与介质层11接触的部分,及连接盘15与介质层11接触的部分均设置有隔离的结构,该隔离的结构可与上述的隔离层14在同一工艺步骤中形成。
优选的,器件层18中还设置有若干个光电二极管,且位于器件层18的上方还设置有如滤镜等其他公知的背照式COMS传感器结构,而位于介质层11中还设置有基底结构如负载晶圆等公知结构。
图2~5是本发明一种背照式CMOS传感器的制造方法中一实施例的流程结构示意图;如图2~5所示,在进行背照式CMOS传感器的制备工艺中,于一器件层28如硅晶圆等中根据工艺需求和工艺条件预设若干连接盘区28,并于相邻的连接盘区28之间设置新增器件结构区26,并于该新增器件结构区26中根据工艺的需求设置相应的新增器件结构27,且位于该新增器件结构27的周围还设置有隔离结构如STI等;具体的,在实际生产工艺中,可于制备为器件层的硅晶圆上先预设连接盘区,以于该连接盘区中制备连接盘及相应的隔离层等,该连接盘区相对于传统的设置连接盘的区要小很多,这是因为传统的工艺中,设定的连接盘区的面积要远远大于连接盘自身的面积,甚至将相邻的两连接盘之间的区域也设定为连接盘区,这样在后续的制备工艺中,去除的器件层的面积就很多,保留的部分很小,很难在保留的器件层中增设一些器件结构,而本实施例则是根据连接盘实际面积设定连接盘区,只要设定的连接盘区中能够制备工艺需求的连接盘及其隔离层即可,这样就大大减小了去除器件层的面积,而在保留的器件层中就可根据工艺需求及工艺条件新增设一些器件结构,进而达到增大器件结构的目的。
优选的,上述于器件层28中制备新增器件结构27的下表面暴露于该器件层28的下表面,即在硅晶圆的正面进行新增器件结构27的制备工艺。
进一步的,在上述设有连接盘区28的器件层22的表面进行材质为氧化硅的介质层21的制备工艺,并于该介质层21中对应连接盘区28的位置处进行金属层23的制备工艺,对应新增器件结构27的位置处进行金属连接线25的制备, 可通过先于介质层21中对应新增器件结构区26的位置处设定金属连接线区24.再于该金属连接线区24中对于上述新增器件结构27的位置处进行金属连接线25的制备,使得金属连接线25连接于暴露的新增器件结构27的表面;其中,新增器件结构区26与金属连接线区24共同构成一新增电路区,新增器件结构27与金属连接线25共同构成一新增电路,该新增电路位于上述的新增电路区中。
优选的,上述的工艺步骤均是将晶圆的正面朝上(即将图2~5所示的结构反转180°),所以在进行后续的工艺时,需要将上述工艺步骤中制备的器件结构进行反转,使得晶圆的正面朝下,进而得到如图2所示的结构。
进一步的,采用干法刻蚀工艺去除位于上述连接盘区28中的器件层,并停止在介质层21的上表面,形成位于金属层23上方连接盘凹槽30,即形成如图3所示的结构。
继续沉积一材质为绝缘材料(如氧化硅等)的隔离层32,以覆盖上述的连接盘凹槽30的底部及其侧壁,同时还覆盖器件层22的上表面,且该隔离层32未充满上述的连接盘凹槽30。
然后,采用干法刻蚀工艺,以部分去除位于连接盘凹槽30底部的隔离层,及位于其下方的介质层,并停止在金属层23的上表面,以于介质层21中形成连接线沟槽31,进而形成如图4所示的结构。
进一步的,于上述连接线沟槽31和连接盘凹槽30中填充金属如铝等,形成一充满上述连接线沟槽31和连接盘凹槽30的填充金属层,该填充金属层同时也覆盖于器件层22的上表面;对上述的填充金属层进行平坦化工艺,以去除位于器件层22上方的填充金属层至该器件层22的上表面,以形成连接盘33和隔离层32,该隔离层32用于阻挡连接盘33的金属扩散至器件层22中,同时也起到绝缘的作用,即形成如图5所示的结构。
优选的,在进行上述连接线沟槽31的工艺步骤中,可将位于上述连接盘凹槽30底部及位于器件层22上表面的隔离层同时去除,也可仅去除位于形成连接线沟槽31区域中的隔离层,并将覆盖在上述器件层22上表面的隔离层于上述的填充金属层平坦化工艺中去除;本实例中是将位于连接盘凹槽30底部的部分隔离层保留,并将位于器件层22上表面的隔离层于平坦化工艺中去除,进而形成如图5所示的结构。
优选的,在制备上述连接盘33的同时,于连接线沟槽31中也同时形成了连接线34,连接盘33通过该连接线34与金属层23连接。
最后,继续后续背照式CMOS的制备工艺,以完成整个传感器器件的制备工艺。
在实际的制备工艺中,采用上述的背照式CMOS传感器的制造方法制备如面积为4127um×4127um=1.7E8um2的COMS传感器,新增加的有效面积可达到55um×110um×26×4=6.3E6um2,进而使得可设置器件结构区域的面积提升6.3E6/1.7E8×100%≈3.7%,大大提高了COMS传感器的可设置器件结构的有效面积。
由于采用了上述技术方案,本发明一种背照式CMOS传感器及其制作方法,通过改变晶背硅刻蚀图形的设计,实现减少刻蚀的面积,即在干法刻蚀工艺中,仅仅去除掉连接盘凹槽内的器件层,从而可增加出新增电路结构,进而实现在不增加传感器面积的情况下增加有效电路面积。利用这些面积在晶圆3正面设计的时候可以额外放置一些电路,来提高CMOS传感器的成像质量。
通过说明和附图,给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例,基于本发明精神,还可作其他的转换。尽管上述发明提出了现有的较佳实施例,然而,这些内容并不作为局限。
对于本领域的技术人员而言,阅读上述说明后,各种变化和修正无疑将显而易见。因此,所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容,都应认为仍属本发明的意图和范围内。
Claims (10)
1.一种背照式CMOS传感器,其特征在于,所述传感器包括介质层和覆盖于该介质层上表面的器件层;所述介质层中设置有金属层,所述器件层中设置有连接盘,且该连接盘位于所述金属层的正上方;以及位于相邻的两连接盘之间的器件层中还设置有新增器件结构。
2.如权利要求1所述的背照式CMOS传感器,其特征在于,所述介质层中对应所述新增器件结构位置处还设置有金属连接线,所述新增器件结构与所述金属连接线连接。
3.如权利要求1所述的背照式CMOS传感器,其特征在于,所述连接盘的材质为铝。
4.如权利要求1所述的背照式CMOS传感器,其特征在于,所述器件层内还设置有若干个光电二极管。
5.如权利要求1所述的背照式CMOS传感器,其特征在于,所述介质层的材质为硅的氧化物。
6.如权利要求1所述的背照式CMOS传感器,其特征在于,所述连接盘贯穿所述器件层,且所述连接盘与所述器件层之间还设置有隔离层。
7.如权利要求6所述的背照式CMOS传感器,其特征在于,所述隔离层的材质为绝缘材料。
8.如权利要求1-7中任意一项所述的背照式CMOS传感器,其特征在于,所述器件层的材质为硅。
9.一种背照式CMOS传感器的制造方法,其特征在于,所述方法包括:
提供一具有器件层和介质层的半导体结构,所述器件层覆盖所述介质层上表面,所述器件层中预设有若干连接盘区,对应每个所述连接盘区下方的介质层中均设置有金属层,且位于相邻的两连接盘区之间的器件层中还设置有新增器件结构;
去除位于所述连接盘区内的器件层并停止在所述介质层的上表面,形成连接盘凹槽;
制备一隔离层,该隔离层覆盖所述连接盘凹槽的底部及其侧壁;
部分去除位于所述连接盘凹槽底部的隔离层以及位于其下方的介质层至所述金属层的上表面,于剩余的介质层中形成连接线沟槽;
继续进行金属填充工艺,形成充满所述连接线沟槽和所述连接盘凹槽的填充金属层;
对所述填充金属层进行平坦化处理,形成连接线及通过该连接线与所述金属层连接的连接盘。
10.如权利要求9所述的背照式CMOS传感器的制造方法,其特征在于,通过干法刻蚀去除位于所述连接盘区内的器件层。
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