CN106783901B - 背照式传感器的制造方法及版图结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种背照式传感器的制造方法及版图结构，所述版图结构中，金属栅格层的范围至少覆盖保护层靠近像素区的像素层的边界，从而在所述制造方法中，根据新的版图结构制造背照式传感器的金属栅格时，保护层与像素层的台阶处的金属不需要被蚀刻掉，从而避免金属残余缺陷，避免影响像素区的透光率，从而提高了最终制得的背照式图像传感器芯片的性能。
Description
技术领域
本发明涉及背照式传感器制造技术领域，尤其涉及一种背照式传感器的制造方法及版图结构。
背景技术
背照式(BSI)传感器的光是从衬底的背面而不是正面进入衬底的，因为减少了光反射，BSI传感器能够比前照式传感器捕捉更多的图像信号。目前，三维堆叠背照式传感器(UTS)通过硅穿孔(TSV:through Si Via)将逻辑运算芯片与像素(光电二极管)阵列芯片进行三维集成，一方面在保持芯片体积的同时，提高了传感器阵列尺寸和面积，另一方面大幅度缩短功能芯片之间的金属互联，减小发热、功耗、延迟，提高了芯片性能。
在三维堆叠背照式传感器(UTS)中，设置金属栅格，并利用金属栅格(metal grid)的不透光特性，防止不同像素(光电二极管)之间的光的串扰，但是这种金属栅格层工艺一直存在一些问题，其中金属栅格层蚀刻的残留缺陷，会影响像素区的透光率，使得成像不均匀，从而影响背照式传感器芯片的性能，这是本领域技术人员所不愿意看到的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种背照式传感器的制造方法及版图结构，能够明显消除金属栅格蚀刻的残余缺陷问题。
为解决上述问题，本发明提出一种背照式传感器的版图结构，包括逻辑区和像素区，所述逻辑区包括硅穿孔层和覆盖在所述硅穿孔层上的保护层；所述像素区包括像素层和覆盖在所述像素层上的金属栅格层，至少所述保护层面向所述像素层的边界线被所述金属栅格层覆盖。
进一步地，所述保护层从所述逻辑区延伸至所述像素区内且暴露出所述像素区内的像素层。
进一步的，所述金属栅格层在所述像素区内覆盖所述保护层面向所述像素层的边界线，或者所述金属栅格层在所述像素区内覆盖所述保护层所有的边界线。
进一步的，所述金属栅格层从所述像素区延伸至所述逻辑区内。
进一步的，所述金属栅格层在所述逻辑区内覆盖所述保护层面向所述像素层的边界线，或者所述金属栅格层在所述逻辑区内覆盖所述保护层所有的边界线。
进一步的，所述金属栅格层覆盖所述保护层所有的边界线。
进一步的，所述保护层为单层结构或者至少两层堆叠而成的复合层结构。
进一步的，所述金属栅格层包括覆盖在所述像素层上的粘合层和覆盖在所述粘合层上的金属层。
进一步的，所述像素层包括光电二极管和驱动所述光电二极管的晶体管。
本发明还提供一种背照式传感器的制造方法，该制造方法根据上述的背照式传感器的版图结构来制作金属栅格，包括以下步骤：
提供具有逻辑区和像素区的半导体衬底，所述像素区内形成有像素层；
采用硅穿孔工艺在所述逻辑区内形成连接所述像素层的硅穿孔层；
在具有所述硅穿孔层的半导体衬底表面形成保护层，所述保护层覆盖所述硅穿孔层区域表面，并暴露所述像素区的像素层区域表面；
在具有所述保护层的半导体衬底表面形成金属栅格层，所述金属栅格层暴露所述像素层的像素并覆盖所述保护层面向所述像素层的边界线。
进一步的，在具有所述硅穿孔层的半导体衬底表面形成保护层的步骤包括：
在所述具有所述硅穿孔层的半导体衬底表面沉积一定厚度的保护层材料；
采用刻蚀工艺至少去除所述像素层表面上的保护层材料，以形成所述保护层。
进一步的，所述保护层为氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层或者氧化硅层、氮化硅层交替堆叠而成的复合层结构。
进一步的，在具有所述保护层的半导体衬底表面形成金属栅格层的步骤包括：
在具有所述保护层的半导体衬底表面上依次形成粘合层、金属层、抗反射层和图形化光刻胶层；
以所述图形化光刻胶层为掩膜，依次刻蚀所述抗反射层、金属层和粘合层，所述刻蚀保留保护层边界台阶处的金属层和粘合层，从而形成所述金属栅格层，所述台阶为所述保护层面向所述像素层的边界线与所述像素层形成的台阶。
进一步的，所述粘合层的材料包括钛、钽、氮化钛、氮化钽中的至少一种。
进一步的，所述金属层的材料为铝、铜或钨。
与现有技术相比，本发明的技术方案更改了现有的版图设计，使新的版图结构中的金属栅格层的范围至少覆盖保护层靠近像素区的像素层的边界，从而在根据新的版图结构制造背照式传感器的金属栅格时，保护层与像素层的台阶处的金属不需要被蚀刻掉，从而避免金属残余缺陷，避免影响像素区的透光率，从而提高了最终制得的背照式图像传感器芯片的性能。
附图说明
图1是现有的一种背照式传感器的版图结构；
图2A至2B是根据图1所示的版图结构制造背照式传感器的金属栅格过程中的剖面结构示意图
图3A至图3D是本发明具体实施例的背照式传感器的版图结构；
图4是本发明具体实施例的背照式传感器的制造方法流程图；
图5A至图5B是图4所示的制造方法中的器件剖面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。再者，本发明中的“层”并不限定单层结构，也包含多层结构堆叠形成的复合层结构，而“上”、“下”等概念主要是结合示意图的方向来便于说明一些相对概念，便于更好地理解本发明的目的，因此，在实际制作中“层”、“上”、“下”等概念均包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
请参考图1，目前，发明人所熟知的一种用于制作背照式图像传感器的金属栅格的版图结构设计包括逻辑区I和像素区II。所述逻辑区I包括硅穿孔(TSV)层101和氮化硅保护层(SiN cap layer)102，硅穿孔层101的互连金属和通孔结构可以将逻辑区I的逻辑运算芯片和像素区II的像素层100c(即光电传感器阵列芯片)实现电连接和三维集成；所述像素区II包括金属栅格层103，金属栅格层103中具有能够防止不同像素(光电二极管)之间的光的串扰的金属栅格103a。
请参考图2A和2B，根据图1所示的版图结构设计，制作背照式图像传感器的金属栅格过程包括：首先，提供具有逻辑区I和像素区II的半导体衬底200，采用硅穿孔(TSV工艺)在逻辑区I中形成硅穿孔层，所述硅穿孔层包括下层互连金属200a、导电通孔结构201以及上层互连金属200b；然后，在具有硅穿孔层的半导体衬底表面沉积要沉积氮化硅(SiN)保护层202，并通过蚀刻保留硅穿孔层区域的SiN保护层202，去除像素区II的SiN保护层202，以保证像素区II的透光率；接着，在具有SiN保护层202的半导体衬底200表面依次形成氮化钛粘合层(未图示)、金属层203、抗反射层204(BARC)以及光刻胶(PR)层205，并通过光刻和蚀刻工艺，去除逻辑区I的SiN保护层202表面以及像素区II表面上多余的氮化钛粘合层、金属层203、抗反射层204(BARC)，以在像素区II的相邻像素(未图示)之间形成金属栅格203b，来隔离像素区II中像素与像素之间的干扰。但由于SIN保护层203在逻辑区I与像素区II存在高度差，形成台阶，光刻胶层205和BARC层204在该台阶处的涂覆厚度偏厚，进而导致后续的金属层203蚀刻不完全并形成残余缺陷203c，影响像素区II的透光率，降低产品良率。
为了克服上述问题，本发明的技术方案更改版图设计，使版图中的金属栅格(metal grid)层的范围覆盖氮化硅保护层靠近像素区的边界，从而消除由于氮化硅保护层靠近像素区的边界的台阶高度差带来的光刻胶、抗反射层(BARC)涂布不均匀问题，从而使像素区边界台阶处的金属不需要被蚀刻掉，从而避免金属刻蚀残余缺陷。
请参考图3A至图3D，本发明提供一种背照式图像传感器的版图结构，包括逻辑区I和像素区II，所述逻辑区I包括硅穿孔层301和覆盖在所述硅穿孔层301上的保护层302；所述像素区II包括像素层300a和覆盖在所述像素层300a上的金属栅格层303，所述像素层300a包括若干光电二极管形成的像素阵列(未图示)和驱动所述光电二极管的晶体管(未图示)，且所述保护层302面向所述像素层300a的边界线(即靠近所述像素阵列边界的保护层边界线)被所述金属栅格层303覆盖，所述金属栅格层303的金属暴露出像素层300a的像素表面并覆盖像素层300a的两相邻像素之间的区域，即所述金属栅格层303在两相邻像素之间的金属形成金属栅格303a。需要说明的是，所述保护层302可以为氮化硅或氧化硅单层结构，也可以为氧化硅和氮化硅堆叠的双层结构，还可以为氧化硅-氮化硅-氧化硅三层复合层结构。
进一步的，所述金属栅格层303可以包括覆盖在所述像素层300a上的粘合层和覆盖在所述粘合层上的金属层。
所述金属栅格层303可以仅仅覆盖所述保护层302靠近像素层300a的边界线，也可以覆盖所述保护层所有的边界线。
例如图3A所示的实施例中，所述金属栅格层303的边界303b从所述像素区II延伸至所述逻辑区I内，且所述金属栅格层303在所述逻辑区I内覆盖所述保护层302靠近像素层300a的边界线302a，保护层302的边界线距离像素层300a边界最近的边界线。
再如图3B所示的实施例中，所述金属栅格层303的边界303b从所述像素区II延伸至所述逻辑区I内，且所述金属栅格层303在所述逻辑区I内覆盖所述保护层302所有的边界线，即保护层302的面向像素层300a和远离像素层300a的边界线302a均被金属栅格层303覆盖。
又如图3C所示的实施例中，所述保护层302从所述逻辑区I延伸至所述像素区II内且暴露出所述像素区II的像素层300a所在区域，以保证像素区I的透光率，使像素层300a中的光电二极管能接收到充分的光线；且所述保护层302面向所述像素层300a的边界线302a被像素区II内的金属栅格层303覆盖，即在所述像素区II内，金属栅格层303的边界线303b在保护层302的边界线302a的外侧。
再如图3D所示的实施例中，所述保护层302从所述逻辑区I延伸至所述像素区II内且暴露出所述像素区II的像素层300a所在区域，以保证像素区I的透光率，使像素层300a中的光电二极管能接收到充分的光线；且所述保护层302在所述像素区II内所有边界线(包括图3D所示的面向像素层300a的内边界线302a和远离像素层300a的外边界线302b)均被像素区II内的金属栅格层303覆盖，即在所述像素区II内，金属栅格层303的边界线303b在保护层302的外边界线302b的外侧。
本发明的版图结构中，金属栅格层的范围至少覆盖保护层靠近像素区的像素层的边界线，从而在根据新的版图结构制造背照式传感器的金属栅格时，保护层与像素层的台阶处的金属不需要被蚀刻掉，从而避免金属刻蚀残余缺陷，避免影响像素区的透光率，从而提高了最终制得的背照式图像传感器芯片的性能。
请参考图4，本发明还提供一种背照式传感器的制造方法，该制造方法根据本发明的背照式传感器的版图结构来制作金属栅格，包括以下步骤：
S1，提供具有逻辑区和像素区的半导体衬底，所述像素区内形成有像素层；
S2，采用硅穿孔工艺在所述逻辑区内形成连接所述像素层的硅穿孔层；
S3，在具有所述硅穿孔层的半导体衬底表面形成保护层，所述保护层覆盖所述硅穿孔层区域表面，并暴露所述像素区的像素层区域表面；
S4，在具有所述保护层的半导体衬底表面形成金属栅格层，所述金属栅格层暴露所述像素层的像素并覆盖所述保护层面向所述像素层的边界线。
请参考图5A，在步骤S1中，提供的半导体衬底400具有像素区II和逻辑区I，所述像素区II中形成有像素层400c，像素层400c包括若干传感器元件(还称为像素)形成的像素阵列(未图示)，传感器元件检测朝向半导体衬底400正面的辐射(诸如，自然光、红外线IR、紫外线UV、X射线、微波等入射辐射的强度)。所述像素区II中还形成有若干晶体管，诸如，转移晶体管(未示出)、复位晶体管(未示出)、源极跟随晶体管(未示出)、选择晶体管(未示出)、其他晶体管或其组合。当传感器元件为光电二极管时，像素区II的透光区和和这些晶体管(其可以共同称为像素电路)允许光电二极管检测特定光波长的强度。逻辑区I包括一些附加电路、输入和/或输出电路，可以提供相应的信号给传感器元件，以提供用于传感器元件的操作环境和/或支持与传感器元件的通信。
请继续参考图5A，在步骤S2中，通过硅穿孔工艺在所述逻辑区I形成硅穿孔层，用于将逻辑区I的逻辑电路与像素区II的像素层400c的各器件电互连。硅穿孔层在三维堆叠背照式传感器中通常为多层互连结构，包括多层层间介电层(未标注)、在每层层间介电层中的金属互连线400a、400b和电连接相邻两层金属互连线的通孔结构401。层间介电层可以包括低k介电层和钝化层，层间介电层可以是二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、TEOS氧化物、磷硅酸玻璃(PSG)、硼磷硅玻璃(BPSG)、氟硅玻璃(FSG)、碳掺杂氧化硅、干凝胶(Xerogel)、气凝胶体(Aerogel)、氟化非晶碳、聚对二甲苯基、BCB(bis-benzocyclobutenes，双苯并环丁烯)、、聚酰亚胺、其他合适材料、或其结合。金属互连线400a、400b可以是铝、铝/硅/铜合金、钛、氮化钛、钽、氮化钽、钨、多晶硅、金属硅化物、或其结合的金属，其中的金属硅化物可以包括硅化镍、硅化钴、硅化钨、硅化钽、硅化钛、硅化铂、硅化铒、硅化钯、或其结合。因此，本发明中所述的硅穿孔层可以是铜互连结构。
请参考图5A，在步骤S3中，首先，可以采用化学气相沉积工艺在具有硅穿孔层的半导体衬底400表面沉积保护材料，所述保护材料可以为氧化硅、氮化硅或者由氧化硅、氮化硅交替堆叠；然后对所述保护材料进行光刻和刻蚀，保留逻辑区I的硅穿孔层表面上的保护材料，去除像素区II表面上的保护材料(以保证像素区的透光率)，从而形成保护层402。所述保护层402可以为氧化硅层、氮化硅层或氮氧化硅层单层结构，还可以为氧化硅层(O)、氮化硅层(N)交替堆叠而成的复合层结构，例如ONO结构。
请参考图5A和5B，在步骤S4中，首先，可以在包含保护层402的半导体衬底400表面上依次形成粘合层(未图示)、金属层403、抗反射层(BARC)404和图形化光刻胶层(PR)405，粘合层可以在高温真空条件下采用物理离子溅射工艺于半导体衬底表面上方形成，粘合层的材质可以为钛、氮化钛、钽、氮化钽中的至少一种，金属层403在高温真空条件下继续采用物理离子溅射工艺在粘合层的上表面上形成，该金属层403的材质可以为铝、铜或钨，抗反射层(BARC)404均可以通过旋转涂覆工艺形成，图形化光刻胶层405具有根据本发明的版图结构形成的金属栅格图形，同时图形化光刻胶层405的图形还可以使得保护层402边界与像素区II因高度差而成的台阶处的金属层403b和粘合层得以保留，其形成工艺可以采用本领域技术人员所熟知的技术，在此便不予赘述。然后，以图形化光刻胶层405为掩膜，按照从上至下的顺序依次刻蚀抗反射层404、金属层403和粘合层，该刻蚀在所述逻辑区的保护层402表面上大部分的金属层403和粘合层，保留保护层402靠近像素区II的边界与像素区II因高度差而成的台阶处的金属层403b和粘合层，同时在像素区II保留相邻像素之间的金属层403和粘合层，从而形成金属栅格层，该金属栅格层在像素区II的相邻像素之间形成金属栅格403a。之后可以去除图形化光刻胶层405和抗反射层。由于保护层402靠近像素区的边界台阶处的金属层403b和粘合层不需要被蚀刻掉，从而避免了金属栅格刻蚀造成的金属残余缺陷。
本发明的背照式传感器的制造方法，根据新的版图结构制造背照式传感器的金属栅格，由于在新的版图结构中的金属栅格层的范围至少覆盖保护层靠近像素区的像素层的边界，因而在金属栅格刻蚀时，保护层与像素层的台阶处的金属不需要被蚀刻掉，避免了金属残余缺陷，避免影响像素区的透光率，从而提高了最终制得的背照式图像传感器芯片的性能。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (14)
1.一种背照式传感器的版图结构，其特征在于，包括逻辑区和像素区，所述逻辑区包括硅穿孔层和覆盖在所述硅穿孔层上的保护层；所述像素区包括像素层和覆盖在所述像素层上的金属栅格层，所述金属栅格层还延伸覆盖在所述保护层上，且所述金属栅格层延伸覆盖在所述保护层上的部分仅仅覆盖所述保护层面向所述像素层的边界线或仅仅覆盖所述保护层所有的边界线。
2.如权利要求1所述的背照式传感器的版图结构，其特征在于，所述保护层从所述逻辑区延伸至所述像素区内且暴露出所述像素区内的像素层。
3.如权利要求2所述的背照式传感器的版图结构，其特征在于，所述金属栅格层在所述像素区内覆盖所述保护层面向所述像素层的边界线，或者所述金属栅格层在所述像素区内覆盖所述保护层所有的边界线。
4.如权利要求1所述的背照式传感器的版图结构，其特征在于，所述金属栅格层从所述像素区延伸至所述逻辑区内。
5.如权利要求4所述的背照式传感器的版图结构，其特征在于，所述金属栅格层在所述逻辑区内覆盖所述保护层面向所述像素层的边界线，或者所述金属栅格层在所述逻辑区内覆盖所述保护层所有的边界线。
6.如权利要求1所述的背照式传感器的版图结构，其特征在于，所述保护层为单层结构或者至少两层堆叠而成的复合层结构。
7.如权利要求1所述的背照式传感器的版图结构，其特征在于，所述金属栅格层包括覆盖在所述像素层上的粘合层和覆盖在所述粘合层上的金属层。
8.如权利要求1所述的背照式传感器的版图结构，其特征在于，所述像素层包括光电二极管和驱动所述光电二极管的晶体管。
9.一种背照式传感器的制造方法，其特征在于，根据权利要求1至8中任一项所述的背照式传感器的版图结构来制作金属栅格，包括以下步骤：
提供具有逻辑区和像素区的半导体衬底，所述像素区内形成有像素层；
采用硅穿孔工艺在所述逻辑区内形成连接所述像素层的硅穿孔层；
在具有所述硅穿孔层的半导体衬底表面形成保护层，所述保护层覆盖所述硅穿孔层区域表面，并暴露所述像素区的像素层区域表面；
在具有所述保护层的半导体衬底表面形成金属栅格层，所述金属栅格层暴露所述像素层的像素并覆盖所述保护层面向所述像素层的边界线。
10.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，在具有所述硅穿孔层的半导体衬底表面形成保护层的步骤包括：
在所述具有所述硅穿孔层的半导体衬底表面沉积保护层材料；
采用刻蚀工艺至少去除所述像素层表面上的保护层材料，以形成所述保护层。
11.如权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述保护层为氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层或者氧化硅层、氮化硅层交替堆叠而成的复合层结构。
12.如权利要求10所述的制造方法，其特征在于，在具有所述保护层的半导体衬底表面形成金属栅格层的步骤包括：
在具有所述保护层的半导体衬底表面上依次形成粘合层、金属层、抗反射层和图形化光刻胶层；
以所述图形化光刻胶层为掩膜，依次刻蚀所述抗反射层、金属层和粘合层，所述刻蚀保留保护层边界台阶处的金属层和粘合层，从而形成所述金属栅格层，所述台阶为所述保护层面向所述像素层的边界线与所述像素层形成的台阶。
13.如权利要求12所述的制造方法，其特征在于，所述粘合层的材料包括钛、钽、氮化钛、氮化钽中的至少一种。
14.如权利要求12所述的制造方法，其特征在于，所述金属层的材料为铝、铜或钨。
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