CN108231809A - 一种背照式图像传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种背照式图像传感器及其制备方法，包括M个像素单元，每个像素单元包括微透镜、彩色滤光片、感光衬底和布线衬底，所述感光衬底位于布线衬底的上方，所述感光衬底中包括光电二极管以及环绕光电二极管的深沟槽隔离，所述深沟槽隔离的底部与光电二极管的底部平行，且所述深沟槽隔离中填充光屏蔽层；所述彩色滤光片位于感光衬底的上方，所述微透镜覆盖于彩色滤光片的上方且位于光电二极管的垂直上方。本发明可以很好地避免相邻像素之间的串扰，并且精确控制光电二极管与微透镜之间的关系，提高背照式图像传感器的入射率以及光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器领域，具体涉及一种背照式图像传感器及其制备方法。
背景技术
图像传感器包括电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)，CCD制造工艺复杂，成本较高，CMOS太容易出现杂点，并且工艺复杂。目前常用的背面照光技术(BSI)型的CMOS采用晶片键合技术，来改变元件内部的结构，即将感光层的元件调转方向，让光能从背面直射进去，避免了传统CMOS传感器结构中光线会受到微透镜和光二极管之间的电路和晶体管的影响，从而显著提高光的效能，大大改善低光照条件下的拍摄效果；同时背面照光型的CMOS改变了传统CMOS传感器中像素间隔离的方式。
在BSI型的传感器中，入射光从晶片背面射入到达光电二极管，在光传输过程中，会发生光电转换产生载流子，通过一定的设备读出这些载流子信号。近些年来，作为半导体集成电路发展的一部分，对于半导体图像传感器，辐射感应像素的尺寸稳步减小。随着像素和邻近像素之间的间隔尺寸缩小，相邻像素单元之间的载流子、入射光以及电荷都很容易进入相邻像素单元中，从而影响图像传感器的感光性以及灵敏度。
为了避免相邻像素之间的串扰现象，现有技术中通常采用沟槽隔离来隔离相邻的像素单元，但是沟槽隔离因为深度不能完全覆盖图像传感器中的背面衬底，在其未覆盖的背面衬底底下，入射光或者光电二极管产生的载流子还是会影响到相邻的像素单元。并且在现有技术中的沟槽隔离中，光电二极管周边产生的载流子经过沟槽隔离中隔离层的折射可能会进入相邻的像素单元中，从而影响相邻像素单元中入射光的精确性。
随着背照式图像传感器的尺寸越来越小，在制作背照式图像传感器的过程中，微透镜以及彩色滤光片距离光电二极管的距离往往很难控制，若这一距离控制不好就会严重影响图像传感器的入射率以及光电转换效率。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种背照式图像传感器及其制备方法，该背照式图像传感器采用填充光屏蔽层的深沟槽隔离作为隔离相邻像素的隔离区域，能够避免与相邻像素的串扰，并且降低噪音载流子，从而提高图像传感器的感光性和灵敏度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种背照式图像传感器，包括M个像素单元，每个像素单元包括微透镜、彩色滤光片、感光衬底和布线衬底，所述感光衬底位于布线衬底的上方，所述感光衬底中包括光电二极管以及环绕光电二极管的深沟槽隔离，所述深沟槽隔离的底部与光电二极管的底部平行，且所述深沟槽隔离中填充光屏蔽层；所述彩色滤光片位于感光衬底的上方，所述微透镜覆盖于彩色滤光片的上方且位于光电二极管的垂直上方，其中，M为大于等于1的整数。
进一步地，所述光屏蔽层包括至少两层隔离膜。
进一步地，所述隔离膜为金属氧化物、金属氮化物、金属氮氧化物、硅基氧化物、硅基氮化物、硅基氮氧化物中的一种。
进一步地，所述光屏蔽层包括三层隔离膜。
进一步地，所述深沟槽隔离中从中心到外围的隔离膜依次为TiN层、Si3N4层和SiO2层。
进一步地，所述深沟槽隔离的深度与其开口宽度的比例大于2。
进一步地，所述感光衬底和布线衬底之间通过钨塞导通。
本发明提供的一种制备背照式图像传感器的方法，包括以下步骤：
S01：在感光衬底的两侧制备环形的深沟槽隔离；
S02：在深沟槽隔离中填充光屏蔽层，并平坦化去除多余的光屏蔽层；
S03：在感光衬底的环形深沟槽隔离中间制备光电二极管，在光电二极管以及深沟槽隔离的上方沉积栅氧化层，并在栅氧化层上形成钨塞；
S04：在布线衬底的上表面沉积交替隔离层，并在交替隔离层中进行金属布线；
S05：将感光衬底中含有钨塞的上表面和布线衬底的上表面粘合起来，对感光衬底不与布线衬底接触的下表面进行平坦化直至暴露出深沟槽隔离及其中的光屏蔽层；
S06：在暴露出深沟槽隔离和光屏蔽层的衬底表面上沉积彩色滤光片，并在彩色滤光片上且位于光电二极管的垂直上方覆盖微透镜。
进一步地，所述步骤S05中对感光衬底不与布线衬底接触的下表面进行平坦化的过程中，采用光学系统检测平坦化的终止时刻。
进一步地，所述布线衬底中交替隔离层为Si3N4隔离层和SiO2隔离层交替沉积形成。
本发明的有益效果为：本发明提供的一种背照式图像传感器，采用填充光屏蔽层的深沟槽隔离作为隔离相邻像素的隔离区域，光屏蔽层能够屏蔽相邻像素之间入射光的串扰，从而提高图像传感器的感光性和灵敏度。同时在制备背照式图像传感器的过程中，对感光衬底的背面进行抛光的过程中，采用光学检测系统检测抛光界面的光反射率，因为深沟槽隔离中的光屏蔽层与感光衬底材质不同，其光反射率也均不相同，本发明能够准确检测到抛光到深沟槽隔离中的时刻，并精确控制图像传感器的上表面与光电二极管以及深沟槽隔离之间的距离关系，从而使得后期制作的彩色滤光片和微透镜与光电二极管之间保持最佳距离，提高背照式图像传感器的入射率以及光电转换效率。
附图说明
图1-6为本发明的制作方法剖面示意图。
图中：1感光衬底，2SiO2层，3多晶硅层，4Si3N4层，8深沟槽隔离，9SiO2层，10Si3N4层，11TiN层，13P阱区，14N型光电二极管，15P型光电二极管，16栅氧化层，17转移栅电极，18重置栅电极，19热氧化层，20N型轻掺杂区，21N型源漏区，22光电二极管保护膜，23隔离层，24接触孔，25钨塞，26布线衬底，27Si3N4隔离层，28SiO2隔离层，29Si3N4隔离层，30Si3N4隔离层，31SiO2隔离层，32Si3N4隔离层，33SiO2隔离层，34Si3N4隔离层，35Si3N4隔离层，36SiO2隔离层，37Si3N4隔离层，38SiO2隔离层，39Si3N4隔离层，40Si3N4隔离层，41硅通孔，42SiO2绝缘层，43铜金属，44金属脚，46彩色滤光片，47微透镜。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
本发明提供的一种背照式图像传感器，包括M个像素单元，每个像素单元包括微透镜、彩色滤光片、感光衬底和布线衬底，感光衬底位于布线衬底的上方，感光衬底中包括光电二极管以及环绕光电二极管的深沟槽隔离，深沟槽隔离的底部与光电二极管的底部平行，且深沟槽隔离中填充光屏蔽层；彩色滤光片位于感光衬底的上方，微透镜覆盖于彩色滤光片的上方且位于光电二极管的垂直上方，M为大于等于1的整数。光电二极管包括P型光电二极管和N型光电二极管。
其中，本发明中光屏蔽层包括至少两层隔离膜，隔离膜为金属氧化物、金属氮化物、金属氮氧化物、硅基氧化物、硅基氮化物、硅基氮氧化物中的一种。其中，深沟槽隔离最中心的隔离膜选用熔点较高的金属氧化物或氮化物，光屏蔽层中的隔离膜城市具体可以根据实际生产中的需求进行设置。本实施例中选用TiN材质作为最中心的光屏蔽层，外围依次为Si3N4层和SiO2层。
本发明还提供了一种制备背照式图像传感器的方法，包括以下步骤：
S01：在感光衬底的两侧制备环形的深沟槽隔离。
采用P(100)方向，电阻率为80-100Ω·m的硅晶圆作为感光衬底1，并使用含有SC1，HF，SC2的清洗液对其进行RCA清洗，在感光衬底1上依次沉积15nm的SiO2层层2、50nm的多晶硅层3和120nm的Si3N4层4，其中，SiO2层、多晶硅层和Si3N4层可以采用现有技术中沉积工艺进行沉积，在此不做详细介绍。
在Si3N4层4上涂覆一层光刻胶，并在光刻胶上定义出深沟槽隔离的位置，深沟槽隔离的位置位于感光沉底的周边，并成环形分布。去除光刻胶，并采用干法刻蚀对感光沉底中深沟槽隔离的位置进行刻蚀，控制干法刻蚀的工艺条件，使得最终得到的深沟槽隔离8的深度与其开口宽度的比例大于2，在本实施例中，我们设定深沟槽隔离的深度为4.5μm，深沟槽隔离的开口宽度为0.5μm。深沟槽隔离被刻蚀完成之后，在其底部和侧面上通过等离子体掺杂方式掺杂硼离子。
S02：在深沟槽隔离中依次填充光屏蔽层，并平坦化去除多余的光屏蔽层。
其中，光屏蔽层包括至少两层隔离膜，隔离膜为金属氧化物、金属氮化物、金属氮氧化物、硅基氧化物、硅基氮化物、硅基氮氧化物中的一种。本实施例中隔离膜为金属氧化物、金属氮化物、金属氮氧化物、硅基氧化物、硅基氮化物、硅基氮氧化物中的一种。
具体步骤为：在深沟槽隔离中以及感光衬底的上表面依次沉积150nm的SiO2层9和50nm的Si3N4层10，并保持在1050℃下的氮气氛围中退火25分钟。在SiO2层上面通过化学气相沉积的方法沉积光屏蔽层TiN层11，并且TiN层填充满整个深沟槽隔离以及感光衬底的表面。之后在氮气氛围中825℃下退火30，并通过化学机械抛光工艺对其表面进行平坦化去除感光衬底表面多余的SiO2层、Si3N4层和TiN层，对感光衬底进行清洗之后在填充了光屏蔽层之后的表面上采用气相沉积法沉积SiON层。如此一来，形成了深沟槽隔离从中间到外围依次为TiN层、Si3N4层和SiO2层，均为光屏蔽层的组成部分，配合深沟槽隔离共同防止相邻像素之间的串扰。
S03：在感光衬底的环形深沟槽隔离中间制备P型光电二极管和N型光电二极管，在P型光电二极管、N型光电二极管以及深沟槽隔离的上方沉积栅氧化层，并在栅氧化层上形成钨塞和栅电极。
其中，在感光衬底上以光刻胶为掩膜，经过刻蚀和硼离子注入形成P阱区13，并去除光刻胶；之后以光刻胶为掩膜，经过刻蚀和砷离子注入形成N型光电二极管14，并去除光刻胶；同样以光刻胶为掩膜，经过刻蚀和硼离子注入形成P型光电二极管15，之后去除光刻胶，在1000℃条件下对光电二极管热退火30分钟。
对退火后的感光衬底进行RCA清洗，并采用HF刻蚀去除SiON层，并采用原位水气生成法形成7nm的栅氧化层16，在栅氧化层16上，通过化学气相沉积法沉积一层200nm的多晶硅。在多晶硅上以光刻胶为掩膜，经过刻蚀和砷离子注入形成N型多晶，去除光刻胶；同样以光刻胶为掩膜，经过刻蚀和硼离子注入形成P型多晶，去除光刻胶。之后，以光刻胶作为掩膜剂，通过干刻蚀多晶硅并去除光刻胶，形成转移栅电极17和重置栅电极18。
以光刻胶为掩膜，通过磷离子注入并去除光刻胶得到N型轻掺杂区20。在感光衬底上经过900℃湿氧化形成热氧化层19。对热氧化层19进行RCA清洗并在表面依次沉积10nm的SiO2层和30nm的Si3N4隔离层，并在光电二极管的正上方位置涂覆光刻胶，其余部分的热氧化层经过干刻蚀去除，形成位于光电二极管上方的光电二极管保护膜22，之后去除光刻胶。将光刻胶涂覆在浮动扩散像素区，以光刻胶为掩膜，经过刻蚀和砷离子注入，并去除光刻胶，形成N型源漏区21。最后，在半导体衬底上表面依次沉积80nm的氧化硅和1200nm的硼磷硅玻璃，在825℃的氮气环境中退火30分钟，并经过化学机械抛光形成隔离层23。在隔离层23上涂覆光刻胶，以光刻胶掩膜，刻蚀出接触孔24，去除光刻胶，在接触孔24中依次沉积10nm的Ti层、7nm的TiN层和300nm的W层，并经过CMP去除多余部分的W层，形成钨塞25。
S04：在布线衬底的上表面沉积交替隔离层，并在交替隔离层中进行金属布线。
其中，交替隔离层为Si3N4隔离层和SiO2隔离层交替沉积形成。具体步骤为：采用另外一个P(100)方向，电阻率为80-100Ω·m的硅晶圆作为布线衬底，在布线衬底的上表面依次沉积28nm的Si3N4隔离层27，200nm的SiO2隔离层28和60nm的Si3N4隔离层29，在隔离层中进行金属布线，金属线采用Ta-Cu以及Cu的混合物。之后再次在Si3N4隔离层20的上表面依次沉积50nm的Si3N4隔离层30，270nm的SiO2隔离层31，40nm的Si3N4隔离层32，300nm的SiO2隔离层33，80nm的Si3N4隔离层34，在隔离层中进行金属布线，金属线采用Ta-Cu以及Cu的混合物。之后再次在Si3N4隔离层34的上表面依次沉积50nm的Si3N4隔离层35，270nm的SiO2隔离层36，40nm的Si3N4隔离层37，300nm的SiO2隔离层38，100nm的Si3N4隔离层39，在隔离层中进行金属布线，金属线采用Ta-Cu以及Cu的混合物。在Si3N4隔离层39的上表面通过化学气相沉积法沉积80nm的Si3N4隔离层40。
S05：将感光衬底的上表面和布线衬底的上表面粘合起来，对感光衬底不与布线衬底接触的下表面进行平坦化直至暴露出深沟槽隔离及其中的光屏蔽层。
具体步骤为：将感光衬底的上表面即含有钨塞25和隔离层23的一侧与布线衬底的上表面即沉积有Si3N4隔离层40的一侧粘合起来。具体的粘合步骤为：将感光沉底和布线衬底的上表面经过等离子体氧的轰击，并经过清洗之后再氮气氛围中热处理60分钟使得两个衬底中被等离子氧轰击出的未饱和键进行结合，从而使得感光沉底和布线衬底结合在一起。
之后对布线衬底的下表面即未与感光衬底结合的一侧进行抛光，使得布线衬底的下表面与交替隔离层之间的距离为40μm。在布线衬底的下表面刻蚀出硅通道41。通过化学气相沉积法在硅通道的侧壁以及布线衬底的下表面上沉积一层SiO2绝缘层42，并在硅通道的底部以及侧壁的SiO2绝缘层上再沉积一层铜金属43，沉积的铜金属43将布线衬底中的金属导线引出至金属脚44上。这样一来，光电二极管上的信号通过钨塞传输至布线衬底中的交替隔离层上，再通过铜金属43引出至金属脚44上。
对感光衬底未与布线衬底结合的一面进行化学机械抛光，在抛光过程中采用光学系统检测抛光的终止时刻，因为在深沟槽隔离中沉积有光屏蔽层，且光屏蔽层中的多层隔离膜与感光衬底对光的反射率均不相同，采用光学检测系统监测抛光过程，当抛光界面进入深沟槽隔离中时，光学检测系统可以监测到表面上的光反射率发生变化，此时，停止抛光操作，使得深沟槽隔离通过感光衬底未与布线衬底接触的一面暴露出来。
S06：在暴露出深沟槽隔离和光屏蔽层的衬底表面上沉积彩色滤光片，并在彩色滤光片上且位于P型光电二极管和N型光电二极管的垂直上方覆盖微透镜，即可制得本发明的背照式图像传感器。
以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于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所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种背照式图像传感器，包括M个像素单元，每个像素单元包括微透镜、彩色滤光片、感光衬底和布线衬底，其特征在于，所述感光衬底位于布线衬底的上方，所述感光衬底中包括光电二极管以及环绕光电二极管的深沟槽隔离，所述深沟槽隔离的底部与光电二极管的底部平行，且所述深沟槽隔离中填充光屏蔽层；所述彩色滤光片位于感光衬底的上方，所述微透镜覆盖于彩色滤光片的上方且位于光电二极管的垂直上方，其中，M为大于等于1的整数。
2.根据权利要求1所述的一种背照式图像传感器，其特征在于，所述光屏蔽层包括至少两层隔离膜。
3.根据权利要求2所述的一种背照式图像传感器，其特征在于，所述隔离膜为金属氧化物、金属氮化物、金属氮氧化物、硅基氧化物、硅基氮化物、硅基氮氧化物中的一种。
4.根据权利要求1或2所述的一种背照式图像传感器，其特征在于，所述光屏蔽层包括三层隔离膜。
5.根据权利要求4所述的一种背照式图像传感器，其特征在于，所述深沟槽隔离中从中心到外围的隔离膜依次为TiN层、Si3N4层和SiO2层。
6.根据权利要求1所述的一种背照式图像传感器，其特征在于，所述深沟槽隔离的深度与其开口宽度的比例大于2。
7.根据权利要求1所述的一种背照式图像传感器，其特征在于，所述感光衬底和布线衬底之间通过钨塞导通。
8.一种制备权利要求1中所述背照式图像传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：在感光衬底的两侧制备环形的深沟槽隔离；
S02：在深沟槽隔离中填充光屏蔽层，并平坦化去除多余的光屏蔽层；
S03：在感光衬底的环形深沟槽隔离中间制备光电二极管，在光电二极管以及深沟槽隔离的上方沉积栅氧化层，并在栅氧化层上形成钨塞；
S04：在布线衬底的上表面沉积交替隔离层，并在交替隔离层中进行金属布线；
S05：将感光衬底中含有钨塞的上表面和布线衬底中沉积交替隔离层的上表面粘合起来，对感光衬底不与布线衬底接触的下表面进行平坦化直至暴露出深沟槽隔离及其中的光屏蔽层；
S06：在暴露出深沟槽隔离和光屏蔽层的衬底表面上沉积彩色滤光片，并在彩色滤光片上且位于光电二极管的垂直上方覆盖微透镜。
9.根据权利要求8所述的一种制备背照式图像传感器的方法，其特征在于，所述步骤S05中对感光衬底不与布线衬底接触的下表面进行平坦化的过程中，采用光学系统检测平坦化的终止时刻。
10.根据权利要求8所述的一种制备背照式图像传感器的方法，其特征在于，所述布线衬底中交替隔离层为Si3N4隔离层和SiO2隔离层交替沉积形成。
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