CN107634074B - 防止划片损伤的cmos图像传感器结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防止划片损伤的CMOS图像传感器结构及其制作方法，通过在电路硅片的硅衬底上表面沿划片槽区域形成延伸至划片槽两侧的保护环上方位置的划片保护凹槽，在划片保护凹槽内壁表面形成阻挡层及在划片保护凹槽内进行介质层填充，并通过与位于其下方的沟槽隔离结构以及保护环结合，在芯片内部区域外围形成了一个复合的保护环结构，使得在介质层中因划片损伤造成的裂缝被阻挡层屏蔽，不会进一步沿着硅衬底一直延伸到芯片内部区域，因此不会对芯片造成不良影响，从而保证了CMOS图像传感器的性能和功能，提高了成品率和可靠性。

Description

防止划片损伤的CMOS图像传感器结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及CMOS图像传感器技术领域，更具体地，涉及一种可防止划片损伤的CMOS图像传感器结构及其制作方法。

背景技术

图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置，其中大规模商用的图像传感器芯片包括电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器芯片两大类。CMOS图像传感器和传统的CCD传感器相比具有低功耗，低成本和与CMOS工艺兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用。现在CMOS图像传感器不仅用于微型数码相机(DSC)，手机摄像头，摄像机和数码单反(DSLR)等消费电子领域，而且在汽车电子，监控，生物技术和医学等领域也得到了广泛的应用。

CMOS图像传感器按照入射光进入光电二极管的路径不同，可以分为前照式和背照式两种图像传感器，前照式是指入射光从硅片正面进入光电二极管的图像传感器，而背照式是指入射光从硅片背面进入光电二极管的图像传感器。通过采用背照式CMOS图像传感器工艺，使得入射光从硅片的背面进入光电二极管，从而减小介质层对入射光的损耗和增加CMOS图像传感器中光电二极管的面积，提高了像素单元的灵敏度，因此背照式工艺被越来越多的CMOS图像传感器所采用。

在背照式CMOS图像传感器完成硅片的制造工艺以后，如图1所示，需要进行减薄和划片，将硅片上的芯片切割下来，后续再进行封装和终测。在划片时，需要沿着芯片之间的划片槽区域D’进行X方向和Y方向的切割，而在切割过程中由于应力的作用，会在划片槽和芯片内造成损伤11。

如图2所示，其反映图1中常规芯片和划片槽的截面图结构，背照式工艺由两片硅片的介质层之间的键合后堆叠而成。图中位于堆叠结构上方的是电路硅片A’，位于堆叠结构下方的是载片硅片B’；其中，载片硅片的上表面和电路硅片的下表面分别具有介质层15、14，两个介质层通过硅片间的键合结合在一起。在电路硅片中包括了芯片内部区域C’和划片槽区域D’；其中，芯片内部区域即像素单元和处理电路所在的位置；在芯片内部区域和划片槽区域之间还设有常规保护环13。图1中一个芯片即由一个芯片内部区域及围绕芯片内部区域的保护环所在区域组成。同常规CMOS工艺不同的是，由于使用背照工艺，因此在整个芯片的最上方是硅衬底12，而通过后道互连工艺形成的常规保护环13位于硅衬底下方的介质层14内部，因而当进行硅片切割时，容易造成硅衬底的损伤。

如图3所示，其为芯片沿图2中的划片槽中间进行切割以后的示意图。由于在切割后的划片槽边缘容易产生损伤11，而这些硅片切割造成的损伤又会演变为裂缝11’，从切割后的划片槽区域D’沿着硅衬底12一直延伸到芯片内部区域C’，可能造成CMOS图像传感器暗电流上升、白色像素增加等性能的劣化，严重的甚至可能造成整个芯片的失效。

因此，需要设计一种新型结构来防止划片损伤对背照式CMOS图像传感器功能和性能的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种防止划片损伤的CMOS图像传感器结构及其制作方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种防止划片损伤的CMOS图像传感器结构，至少包括一电路硅片；

所述电路硅片自上而下包括：硅衬底、第一介质层；

所述电路硅片设有多个芯片内部区域，各芯片内部区域之间围绕设有划片槽区域；所述划片槽区域与其两侧芯片内部区域之间的第一介质层中设有围绕每个芯片内部区域的保护环；

所述芯片内部区域包括：设于硅衬底下表面用于感光的像素单元阵列和设于第一介质层中的第一金属互连层；

所述划片槽区域包括：设于硅衬底上表面且延伸至划片槽区域两侧保护环上方位置的划片保护凹槽；所述划片保护凹槽内填充有第二介质层，所述划片保护凹槽底部通过设于硅衬底下表面的沟槽隔离结构连接保护环上端。

优选地，所述划片保护凹槽的内壁与第二介质层之间填充有阻挡层，用于阻挡划片产生的裂痕向芯片内部区域延伸。

优选地，所述保护环由设于划片槽区域与其两侧芯片内部区域之间的第一介质层中的第二金属互连层构成。

优选地，所述第一金属互连层、第二金属互连层包括多层金属互连线以及用于连接各层金属互连线的通孔。

优选地，所述保护环通过位于第二金属互连层中最上一层上的接触孔连接沟槽隔离结构。

优选地，所述电路硅片下方还堆叠设有载片硅片。

优选地，所述载片硅片通过设于其上表面的第三介质层与电路硅片下表面的第一介质层键合结合在一起。

本发明还提供了一种上述的防止划片损伤的CMOS图像传感器结构的制作方法，包括：

在电路硅片的硅衬底上定义芯片内部区域、划片槽区域，然后，使用CMOS前道制造工艺，在位于各芯片内部区域的硅衬底正面表面形成用于感光的像素单元阵列，以及在划片槽区域与其两侧芯片内部区域之间的硅衬底正面表面形成沟槽隔离结构；

在硅衬底正面表面上形成第一介质层，然后，使用后道制造工艺，在位于各芯片内部区域的第一介质层中形成第一金属互连层结构，以及在对应沟槽隔离结构位置的第一介质层中形成保护环结构；

将电路硅片翻转后堆叠在具有第三介质层的载片硅片上，通过第一介质层、第三介质层之间的键合将电路硅片和载片硅片紧密结合在一起，然后，将电路硅片背面减薄到需要的厚度；

在电路硅片的硅衬底背面表面形成围绕每个芯片内部区域的划片保护凹槽，并使划片保护凹槽的底部与沟槽隔离结构相连接，然后，在划片保护凹槽内填充第二介质层。

优选地，还包括：在形成第一金属互连层结构的同时，在划片槽区域与其两侧芯片内部区域之间的第一介质层中同步形成构成保护环的第二金属互连层结构，使所述第一金属互连层、第二金属互连层包括多层金属互连线以及用于连接各层金属互连线的通孔，并使位于第二金属互连层中最下一层下的接触孔连接沟槽隔离结构。

优选地，还包括：在向划片保护凹槽内填充第二介质层之前，先在划片保护凹槽的内壁表面形成阻挡层，以及在填充第二介质层之后，去除划片保护凹槽以外硅衬底背面表面多余的第二介质层、阻挡层材料。

从上述技术方案可以看出，本发明通过在电路硅片的硅衬底上表面沿划片槽区域形成延伸至划片槽两侧的保护环上方位置的划片保护凹槽，在划片保护凹槽内壁表面形成阻挡层及在划片保护凹槽内进行介质层填充，并通过与位于其下方的沟槽隔离结构以及保护环结合，在芯片内部区域外围形成了一个复合的保护环结构，使得在介质层中因划片损伤造成的裂缝被阻挡层屏蔽，不会进一步沿着硅衬底一直延伸到芯片内部区域，因此不会对芯片造成不良影响，从而保证了CMOS图像传感器的性能和功能，提高了成品率和可靠性。

附图说明

图1是通常硅片上的芯片和划片槽排布及划片损伤状态示意图；

图2是常规的芯片和划片槽的截面结构示意图；

图3是沿图2中划片槽中间进行划片以后产生损伤时的状态示意图；

图4是本发明一较佳实施例的一种防止划片损伤的CMOS图像传感器结构示意图；

图5是采用图4的CMOS图像传感器结构进行划片以后的状态示意图；

图6是根据本发明一实施例的电路硅片经过前道加工工艺以后的结构示意图；

图7是根据本发明一实施例的完成芯片堆叠和背照工艺硅片减薄以后的结构示意图；

图8是根据本发明一实施例的形成划片保护凹槽以后的结构示意图；

图9是根据本发明一实施例的在划片保护凹槽内壁淀积阻挡层以后的结构示意图；

图10是根据本发明一实施例的在划片保护凹槽内继续淀积介质层后的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图4，图4是本发明一较佳实施例的一种防止划片损伤的CMOS图像传感器结构示意图。如图4所示，本发明的一种防止划片损伤的CMOS图像传感器结构，可采用背照式CMOS图像传感器结构形式，其至少包括一电路硅片A。所述电路硅片自上而下包括硅衬底20、第一介质层30。

请参阅图4。在所述电路硅片A上设有多个芯片内部区域C，各芯片内部区域C之间围绕设有划片槽区域D。在划片槽区域D和芯片内部区域C之间还存有一个保护环区域，保护环区域用于安置保护环29；具体为，在划片槽区域与其两侧芯片内部区域之间的第一介质层30中设有围绕每个芯片内部区域C的保护环29。一个芯片即由一个芯片内部区域及围绕芯片内部区域的保护环所在区域组成，从而构成如图1所示的芯片阵列及网格状的划片槽区域。这样，在每两个芯片内部区域C之间，就存在由两个(道)保护环29组成的双重保护环结构；每个保护环围绕一个芯片内部区域设置，所有的保护环可纵横连接，从而沿划片槽区域D两侧也形成网格状分布。

每个芯片内部区域C包括设于硅衬底20下表面用于感光的像素单元阵列21和22和设于第一介质层30中的第一金属互连层23；其中，像素单元阵列可包括设于硅衬底下表面并延伸入硅衬底中的光电二极管21和设于硅衬底下表面上的传输晶体管栅极22。在硅衬底下表面上设有第一介质层30，位于第一介质层中的第一金属互连层23可以是具有多层金属互连线以及用于连接各层金属互连线的通孔的多层后道金属互连结构(例如图示的两层结构)。

在划片槽区域D的硅衬底上表面、沿划片槽区域的网格设有划片保护凹槽26结构；并且，划片保护凹槽26向其面对芯片内部区域C的两侧方向延伸，进入保护环区域，直至位于保护环29上方的适当位置为止。在所述划片保护凹槽26内填充有第二介质层24。第二介质层的材质可以是氮化硅、氧化硅、氮氧化硅中的一种或者几种组成的复合结构。当进行芯片切割时，将在划片槽区域D的中间形成划片刀口；这样，由于划片过程而在划片槽切割边缘形成的损伤32而造成的裂缝32’，在第二介质层24中延伸到划片保护凹槽26内壁位置时，就难以再继续向不同材质的硅衬底20中延伸，也就不会影响到芯片内部，如图5所示。因此，划片保护凹槽结构起到了阻断裂缝延伸的作用。

还可以在所述划片保护凹槽26的内壁与第二介质层24之间填充阻挡层25，用于阻挡划片产生的裂缝向芯片内部区域延伸；例如可以采用钛、氮化钛、钽、氮化钽、铜、铝等金属或金属化合物中的一种或者几种组成的复合结构。这样，由于划片过程而在划片槽切割边缘形成的损伤32而造成的裂缝32’，在第二介质层24中延伸到阻挡层25处时即可被阻挡层有效屏蔽，不会进一步延伸到硅衬底20区域，也就不会影响到芯片内部，从而防止了背照式CMOS图像传感器的性能劣化和失效，提高了成品率和可靠性，如图5所示。因此，设置有阻挡层25的划片保护凹槽结构更好地起到了阻断裂缝延伸的作用。

请继续参阅图4。所述划片保护凹槽26底部通过设于硅衬底下表面的沟槽隔离结构27连接保护环29上端。沟槽隔离结构可利用CMOS前道制造工艺中的浅沟槽或深沟槽结构来形成。沟槽隔离结构27与保护环29对应设置两个(道)，并同样围绕每个芯片内部区域C，沟槽隔离结构在每两个芯片内部区域之间，与保护环一起形成双重保护结构；每个沟槽隔离结构围绕一个芯片内部区域设置，所有的沟槽隔离结构可纵横连接，从而沿划片槽区域两侧也形成网格状分布。

所述保护环29可由设于划片槽区域D与其两侧芯片内部区域C之间(即保护环区域)的第一介质层30中的第二金属互连层构成。可以在形成第一金属互连层23的同时，对应形成第二金属互连层。因而第二金属互连层可包括与第一金属互连层对应的多层金属互连线以及用于连接各层金属互连线的通孔结构。并且，所述保护环29可通过位于第二金属互连层中最上一层上的接触孔28与沟槽隔离结构27的底部连接，沟槽隔离结构27的底部再与划片保护凹槽26的底部连接。这样，就构成了由划片保护凹槽26(包括阻挡层和第二介质层)及其下方两道沟槽隔离结构27、两道保护环29组成的网格状复合保护结构。复合保护结构其中的两道沟槽隔离结构、两道保护环在芯片切割后分离，各自对其围绕的一个芯片(芯片内部区域)进行保护。

请参阅图4。在所述电路硅片A下方还可堆叠设有载片硅片B。所述载片硅片B可通过设于其上表面的第三介质层31与电路硅片A下表面的第一介质层30键合结合在一起。

下面将结合具体实施方式，对本发明的一种上述的防止划片损伤的CMOS图像传感器结构的制作方法进行详细说明。

本发明的防止划片损伤的CMOS图像传感器结构的制作方法，可包括电路硅片A的制备及与载片硅片B的连接等步骤。

请参阅图6。首先，在电路硅片A的硅衬底20上定义芯片内部区域C、划片槽区域D。然后，可使用CMOS前道制造工艺，在位于各芯片内部区域C的硅衬底20正面表面形成用于感光的像素单元阵列和内部电路区域，包括形成光电二极管21、传输晶体管栅极22等像素单元结构；并在划片槽区域D与其两侧芯片内部区域C之间的硅衬底20正面表面分别形成一个(道)沟槽隔离结构27；例如可利用CMOS前道制造工艺中的浅沟槽结构来形成沟槽隔离结构。本发明同传统保护环结构不同的地方，就是在常规保护环下方还形成有沟槽隔离区域；沟槽隔离结构区域可作为后续进行硅片背部刻蚀时的阻挡层，同时减小了后续进行划片保护凹槽刻蚀的深度，降低了工艺难度。

接着，在硅衬底20正面表面上形成第一介质层30；然后，可使用后道制造工艺，在位于各芯片内部区域的第一介质层中形成第一金属互连层23结构，以及在对应沟槽隔离结构27位置的第一介质层(保护环区域)中形成由第二金属互连层构成的保护环29结构。

在形成第一金属互连层23结构的同时，可在划片槽区域D与其两侧芯片内部区域C之间(保护环区域)的第一介质层30中同步形成构成保护环29的第二金属互连层结构；根据需要可以使所述第一金属互连层、第二金属互连层包括多层金属互连线以及用于连接各层金属互连线的通孔，并使位于第二金属互连层中最下一层下方的接触孔28连接沟槽隔离结构27(图6与图4的结构方位上下颠倒)。

如图7所示，接着，将电路硅片A翻转后堆叠在表面具有第三介质层31的载片硅片B上，通过第一介质层30、第三介质层31之间的键合，将电路硅片A和载片硅片B紧密结合在一起。然后，可通过背照工艺中的硅片减薄步骤，对电路硅片的背面进行减薄，将电路硅片的硅衬底20减薄到需要的厚度，以满足背照式图像传感器感光的需求。

如图8所示，随后，可通过干法刻蚀工艺，在电路硅片的硅衬底20背面表面形成围绕每个芯片内部区域C的划片保护凹槽26；在刻蚀过程中，可通过终点检测，使划片保护凹槽26的底部与沟槽隔离结构27的底部相连接。

如图9所示，然后，在划片保护凹槽26内淀积阻挡层材料，以在划片保护凹槽26的内壁表面形成阻挡层25，用于阻挡划片裂痕向芯片内部的延伸。阻挡层的材质可以是钛、氮化钛、钽、氮化钽、铜、铝等金属或金属化合物中的一种或者几种组成的复合结构。

如图10所示，接着，在划片保护凹槽26内继续淀积介质层材料，以在划片保护凹槽26内形成第二介质层24填充层。第二介质层的材质可以是氮化硅、氧化硅、氮氧化硅中的一种或者几种组成的复合结构。

最后，可通过光刻、刻蚀或者化学机械抛光，将划片保护凹槽26以外硅衬底20背面表面多余的第二介质层、阻挡层材料去除，最终形成如图4所示的结构。

综上所述，本发明通过在电路硅片的硅衬底上表面沿划片槽区域形成延伸至划片槽两侧的保护环上方位置的划片保护凹槽，在划片保护凹槽内壁表面形成阻挡层及在划片保护凹槽内进行介质层填充，并通过与位于其下方的沟槽隔离结构以及保护环结合，在芯片内部区域外围形成了一个复合的保护环结构，使得在介质层中因划片损伤造成的裂缝被阻挡层屏蔽，不会进一步沿着硅衬底一直延伸到芯片内部区域，因此不会对芯片造成不良影响，从而保证了CMOS图像传感器的性能和功能，提高了成品率和可靠性。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种防止划片损伤的CMOS图像传感器结构，其特征在于，至少包括一电路硅片；

所述电路硅片自上而下包括：硅衬底、第一介质层；

所述电路硅片设有多个芯片内部区域，各芯片内部区域之间围绕设有划片槽区域；所述划片槽区域与其两侧芯片内部区域之间的第一介质层中设有围绕每个芯片内部区域的保护环；

所述芯片内部区域包括：设于硅衬底下表面用于感光的像素单元阵列和设于第一介质层中的第一金属互连层；

所述划片槽区域包括：设于硅衬底上表面且延伸至划片槽区域两侧保护环上方位置的划片保护凹槽；所述划片保护凹槽内填充有第二介质层，所述划片保护凹槽底部通过设于硅衬底下表面的沟槽隔离结构连接保护环上端。

2.根据权利要求1所述的防止划片损伤的CMOS图像传感器结构，其特征在于，所述划片保护凹槽的内壁与第二介质层之间填充有阻挡层，用于阻挡划片产生的裂痕向芯片内部区域延伸。

3.根据权利要求1所述的防止划片损伤的CMOS图像传感器结构，其特征在于，所述保护环由设于划片槽区域与其两侧芯片内部区域之间的第一介质层中的第二金属互连层构成。

4.根据权利要求3所述的防止划片损伤的CMOS图像传感器结构，其特征在于，所述第一金属互连层、第二金属互连层包括多层金属互连线以及用于连接各层金属互连线的通孔。

5.根据权利要求4所述的防止划片损伤的CMOS图像传感器结构，其特征在于，所述保护环通过位于第二金属互连层中最上一层上的接触孔连接沟槽隔离结构。

6.根据权利要求1所述的防止划片损伤的CMOS图像传感器结构，其特征在于，所述电路硅片下方还堆叠设有载片硅片。

7.根据权利要求6所述的防止划片损伤的CMOS图像传感器结构，其特征在于，所述载片硅片通过设于其上表面的第三介质层与电路硅片下表面的第一介质层键合结合在一起。

8.一种如权利要求7所述的防止划片损伤的CMOS图像传感器结构的制作方法，其特征在于，包括：

在电路硅片的硅衬底上定义芯片内部区域、划片槽区域，然后，使用CMOS前道制造工艺，在位于各芯片内部区域的硅衬底正面表面形成用于感光的像素单元阵列，以及在划片槽区域与其两侧芯片内部区域之间的硅衬底正面表面形成沟槽隔离结构；

在硅衬底正面表面上形成第一介质层，然后，使用后道制造工艺，在位于各芯片内部区域的第一介质层中形成第一金属互连层结构，以及在对应沟槽隔离结构位置的第一介质层中形成保护环结构；

将电路硅片翻转后堆叠在具有第三介质层的载片硅片上，通过第一介质层、第三介质层之间的键合将电路硅片和载片硅片紧密结合在一起，然后，将电路硅片背面减薄；

在电路硅片的硅衬底背面表面形成围绕每个芯片内部区域的划片保护凹槽，并使划片保护凹槽的底部与沟槽隔离结构相连接，然后，在划片保护凹槽内填充第二介质层。

9.根据权利要求8所述的防止划片损伤的CMOS图像传感器结构的制作方法，其特征在于，还包括：在形成第一金属互连层结构的同时，在划片槽区域与其两侧芯片内部区域之间的第一介质层中同步形成构成保护环的第二金属互连层结构，使所述第一金属互连层、第二金属互连层包括多层金属互连线以及用于连接各层金属互连线的通孔，并使位于第二金属互连层中最下一层下的接触孔连接沟槽隔离结构。

10.根据权利要求8所述的防止划片损伤的CMOS图像传感器结构的制作方法，其特征在于，还包括：在向划片保护凹槽内填充第二介质层之前，先在划片保护凹槽的内壁表面形成阻挡层，以及在填充第二介质层之后，去除划片保护凹槽以外硅衬底背面表面多余的第二介质层、阻挡层材料。

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