CN108281439A - 图像传感器及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种图像传感器及其形成方法，所述方法包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底具有正面和背面；自所述半导体衬底的正面对所述半导体衬底进行刻蚀，以形成正面沟槽；在所述正面沟槽中填充介质材料；自所述半导体衬底的背面对所述半导体衬底进行刻蚀，以形成背面沟槽，其中，所述背面沟槽与所述正面沟槽一一对应连通，连通的正面沟槽和背面沟槽之间的半导体衬底用于形成光电二极管；在所述背面沟槽中填充介质材料。本发明方案可以有效地降低电学串扰，并且可以提高光电二极管的厚度，从而提高满阱容量。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种图像传感器及其形成方法。
背景技术
图像传感器是摄像设备的核心部件，通过将光信号转换成电信号实现图像拍摄功能。以CMOS图像传感器(CMOS Image Sensors，CIS)器件为例，在制造工艺中，为防止不同区域的光生载流子扩散到相邻区域，需要在半导体衬底的内部形成深槽隔离(Deep TrenchIsolation，DTI)。
在一种现有技术中，可以在器件晶圆(Device Wafer)的半导体衬底的正面形成有源器件之后，在所述半导体衬底的背面形成DTI。具体地，自所述半导体衬底的背面对所述半导体衬底进行刻蚀以形成沟槽，然后在所述沟槽中填充介质材料，然后平坦化所述半导体衬底的背面以及所述介质材料。
在另一种现有技术中，可以在所述半导体衬底的正面形成DTI。具体地，自所述半导体衬底的正面对所述半导体衬底进行刻蚀以形成沟槽，然后在所述沟槽中填充介质材料，然后平坦化所述半导体衬底的正面以及所述介质材料。
然而，在上述两种技术中，均存在DTI深度不够，导致电学串扰严重的问题；以及受到DTI深度的限制，光电二极管的厚度不够，导致满阱容量过低的问题。其中，所述DTI深度以及光电二极管的厚度的方向均为垂直于所述半导体衬底表面的方向。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种图像传感器及其形成方法，可以有效地降低电学串扰，并且可以提高光电二极管的厚度，从而提高满阱容量。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种图像传感器的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底具有正面和背面；自所述半导体衬底的正面对所述半导体衬底进行刻蚀，以形成正面沟槽；在所述正面沟槽中填充介质材料；自所述半导体衬底的背面对所述半导体衬底进行刻蚀，以形成背面沟槽，其中，所述背面沟槽与所述正面沟槽一一对应连通，连通的正面沟槽和背面沟槽之间的半导体衬底用于形成光电二极管；在所述背面沟槽中填充介质材料。
可选的，自所述半导体衬底的正面对所述半导体衬底进行刻蚀，以形成正面沟槽包括：在所述半导体衬底的正面形成保护层；在所述保护层的表面形成图案化的掩膜层；以所述图案化的掩膜层为掩膜，对所述保护层和半导体衬底进行刻蚀，以形成正面沟槽。
可选的，所述介质材料选自：氧化硅、氮化硅、非掺杂多晶硅以及高K材料。
可选的，所述半导体衬底的正面具有对准标记，自所述半导体衬底的背面对所述半导体衬底进行刻蚀，以形成背面沟槽包括：在所述半导体衬底的背面形成保护层；在所述保护层的表面形成图案化的掩膜层，所述掩膜层的图案根据所述对准标记进行对准；以所述图案化的掩膜层为掩膜，对所述保护层和半导体衬底进行刻蚀，以形成背面沟槽。
可选的，所述保护层为：氧化硅和氮化硅的叠层结构，氧化硅，氮化硅，无定形碳层，或者氧化硅、氮化硅和无定形碳的叠层结构。
可选的，所述正面沟槽的深度为0.5μm至4μm，所述背面沟槽的深度为0.5μm至4μm。
可选的，自所述半导体衬底的背面对所述半导体衬底进行刻蚀，以形成背面沟槽之前，所述的图像传感器的形成方法还包括：自背面对所述半导体衬底进行减薄至预设厚度。
可选的，所述预设厚度为2μm至4μm。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种图像传感器，包括：半导体衬底，所述半导体衬底具有正面和背面；正面沟槽，位于所述半导体衬底的正面，所述正面沟槽内填充有介质材料；背面沟槽，位于所述半导体衬底的背面，其中，所述背面沟槽与所述正面沟槽一一对应连通，连通的正面沟槽和背面沟槽之间的半导体衬底用于形成光电二极管，所述背面沟槽内填充有介质材料。
可选的，所述正面沟槽的深度为0.5μm至4μm，所述背面沟槽的深度为0.5μm至4μm。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
在本发明实施例中，提供半导体衬底，所述半导体衬底具有正面和背面；自所述半导体衬底的正面对所述半导体衬底进行刻蚀，以形成正面沟槽；在所述正面沟槽中填充介质材料；自所述半导体衬底的背面对所述半导体衬底进行刻蚀，以形成背面沟槽，其中，所述背面沟槽与所述正面沟槽一一对应连通，连通的正面沟槽和背面沟槽之间的半导体衬底用于形成光电二极管；在所述背面沟槽中填充介质材料。采用上述方案，通过在半导体衬底的正面以及背面均形成沟槽，且背面沟槽与正面沟槽一一对应连通，使得在沟槽中填充介质材料后，形成贯通半导体衬底的介质材料，相比于现有技术中DTI深度仅占半导体衬底的厚度的一部分，致使光电二极管也受到限制，厚度较薄的情况，采用本发明实施例的方案，介质材料的深度更深，可以有效地降低电学串扰，并且可以提高光电二极管的厚度，从而提高满阱容量。
进一步，自所述半导体衬底的背面对所述半导体衬底进行刻蚀，以形成背面沟槽之前，还包括自背面对所述半导体衬底进行减薄至预设厚度的步骤。在本发明实施例中，通过对所述半导体衬底进行减薄，可以降低半导体衬底的厚度，有助降低使背面沟槽与正面沟槽一一对应连通的工艺实施难度。
附图说明
图1是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法的流程图；
图2至图8是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图。
具体实施方式
在现有技术中，为防止不同区域的光生载流子扩散到相邻区域，需要在半导体衬底的内部形成DTI。然而由于DTI深度不够，导致电学串扰严重，并且受到DTI深度的限制，导致光电二极管的厚度不够，导致满阱容量过低。具体地，满阱容量是像素在导致信号劣化的饱和之前可以保持的最大电荷。当像素中的电荷超过饱和水平时，电荷开始填充相邻像素，这是被称为高光溢出(blooming)的过程。
本发明的发明人经过研究发现，在现有技术中，仅在半导体衬底的单面形成DTI，受到现有工艺能力的限制，难以形成非常深的DTI。具体而言，例如现有的刻蚀工艺的技术难以形成非常深的DTI沟槽，现有的沉积工艺难以在非常深的DTI沟槽内均匀填充介质材料。
在本发明实施例中，提供半导体衬底，所述半导体衬底具有正面和背面；自所述半导体衬底的正面对所述半导体衬底进行刻蚀，以形成正面沟槽；在所述正面沟槽中填充介质材料；自所述半导体衬底的背面对所述半导体衬底进行刻蚀，以形成背面沟槽，其中，所述背面沟槽与所述正面沟槽一一对应连通，连通的正面沟槽和背面沟槽之间的半导体衬底用于形成光电二极管；在所述背面沟槽中填充介质材料。采用上述方案，通过在半导体衬底的正面以及背面均形成沟槽，且背面沟槽与正面沟槽一一对应连通，使得在沟槽中填充介质材料后，形成贯通半导体衬底的介质材料，相比于现有技术中DTI深度仅占半导体衬底的厚度的一部分，致使光电二极管也受到限制，厚度较薄的情况，采用本发明实施例的方案，介质材料的深度更深，可以有效地降低电学串扰，并且可以提高光电二极管的厚度，从而提高满阱容量。
为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
参照图1，图1是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法的流程图。所述图像传感器的形成方法可以包括步骤S11至步骤S15：
步骤S11：提供半导体衬底，所述半导体衬底具有正面和背面；
步骤S12：自所述半导体衬底的正面对所述半导体衬底进行刻蚀，以形成正面沟槽；
步骤S13：在所述正面沟槽中填充介质材料；
步骤S14：自所述半导体衬底的背面对所述半导体衬底进行刻蚀，以形成背面沟槽，其中，所述背面沟槽与所述正面沟槽一一对应连通，连通的正面沟槽和背面沟槽之间的半导体衬底用于形成光电二极管；
步骤S15：在所述背面沟槽中填充介质材料。
下面结合图2至图8对上述各个步骤进行说明。
图2至图8是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图。
参照图2，提供半导体衬底100，所述半导体衬底100具有正面和背面，在所述半导体衬底100的正面形成保护层110。
在具体实施中，所述半导体衬底100可以为硅衬底，或者所述半导体衬底100的材料还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟，所述半导体衬底100还可以为绝缘体表面的硅衬底或者绝缘体表面的锗衬底，或者是生长有外延层(Epitaxy layer，Epi layer)的衬底。
优选地，所述半导体衬底100为轻掺杂的半导体衬底，且掺杂类型与后续工艺中在所述半导体衬底100内形成的光电二极管相反。具体地，可以通过向所述半导体衬底100进行离子注入，实现深阱掺杂(Deep Well Implant)。如果所述光电二极管的掺杂离子的类型为N型，则所述半导体衬底100的掺杂离子为P型离子，例如包括B、Ga或In；反之，如果所述光电二极管的掺杂离子的类型为P型，则所述半导体衬底100的掺杂离子为N型离子，例如包括P、As或Sb。
所述保护层110用于保护半导体衬底100，以避免在后续工艺中形成正面沟槽时对半导体衬底100形成伤害。
具体地，所述保护层110可以为氧化硅，氮化硅，氧化硅和氮化硅的叠层结构，无定形碳层，或者氧化硅、氮化硅和无定形碳的叠层结构。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，可以采用氧化硅和氮化硅的叠层结构作为保护层110，例如为SiO2和Si3N4，由于氧化硅和氮化硅两种材料的应力相反，可以避免对半导体衬底100形成过高的应力，影响器件性能，并且所述氮化硅可以作为后续化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)工艺中的停止层(Stop Layer)。
在本发明实施例的另一种具体实施方式中，可以采用氮化硅或氧化硅作为保护层110。例如在一种常规的硬掩膜层(Hard Mask)中，其材料为氮化硅，所述硬掩膜层也可以作为后续CMP工艺中的停止层。
在本发明实施例的再一种具体实施方式中，可以采用无定形碳(AmorphousCarbon)层作为保护层110。
在本发明实施例的又一种具体实施方式中，可以采用氧化硅、氮化硅和无定形碳的叠层结构作为保护层110，例如先形成硬度较高的氧化硅和氮化硅，再形成硬度较低的无定形碳层。
参照图3，在所述保护层110的表面形成图案化的掩膜层160，进而以所述图案化的掩膜层160为掩膜，对所述保护层110和半导体衬底100进行刻蚀，以形成正面沟槽121。
具体地，所述正面沟槽121的深度为0.5μm至4μm。
可以理解的是，所述正面沟槽121的深度不能过深，否则会提高工艺复杂度；所述正面沟槽121的深度不能过浅，否则难以在后续形成背面沟槽时，实现背面沟槽与正面沟槽的对应连通。优选地，所述正面沟槽121的深度为1μm至2μm。
进一步地，对所述半导体衬底100进行刻蚀的工艺可以为干法刻蚀(Dry Etch)。
参照图4，在所述正面沟槽121中填充介质材料130，然后平坦化所述介质材料130。
具体地，所述介质材料130可以选自：氧化硅、氮化硅、非掺杂多晶硅以及高K材料。
其中，所述氧化硅、氮化硅的形成工艺可以包括高密度等离子体化学气相淀积(High Density Plasma Chemical Vapor Deposition，HDP CVD)工艺、高深宽比化学气相淀积(High Aspect Ratio Process Chemical Vapor Deposition，HARP CVD)工艺、流体化学气相沉积(Flowable Chemical Vapor Deposition，FCVD)工艺等。其中，HDP CVD工艺以及HARP CVD工艺可以较好地提高所述介质材料130的填孔(gap-filling)能力，以与所述正面沟槽121接触更为紧密，且降低在正面沟槽121内形成空洞的可能性。
所述非掺杂多晶硅(Undoped Poly)具有较好的绝缘作用，可以用于对正面沟槽121进行填充。
所述高K材料可以是K值大于3.9的介质材料，例如可以选自：HfO2、La2O3、HfSiON、HfAlO2、ZrO2、Al2O3以及HfSiO4。
需要指出的是，通过在所述正面沟槽121中填充介质材料130，可以形成图像传感器的DTI，还可以形成其他用于隔离有源区的隔离结构。
进一步地，所述平坦化处理的工艺包括化机械研磨工艺。
参照图5，在正面沟槽121之间的半导体衬底内，形成光电二极管140。
当所述光电二极管140的掺杂类型为N型时，可以设置所述光电二极管140的掺杂离子包括P、As或Sb；当所述光电二极管140的掺杂类型为P型时，可以设置所述光电二极管140的掺杂离子包括B、Ga或In。
优选地，所述光电二极管140的掺杂离子可以为硼离子(P)或砷离子(As)。
需要指出的是，所述光电二极管140的厚度可以大于正面沟槽121的深度，从而获得更大的满阱容量。其中，所述正面沟槽121的深度以及光电二极管140的厚度的方向均为垂直于所述半导体衬底表面的方向。
参照图6，在所述半导体衬底100的正面形成半导体器件，形成金属互连结构，并且与承载晶圆(Carrier Wafer)进行键合，然后自背面对所述半导体衬底100进行减薄至预设厚度，进而在所述半导体衬底100的背面形成保护层112。
其中，所述半导体器件例如可以包括逻辑区域的半导体器件以及像素区域除光电二极管140之外的其他半导体器件结构。需要指出的是，在本发明实施例中，在所述正面沟槽121中填充介质材料130之后，在所述半导体衬底100的正面进行的处理工艺可以是现有的图像传感器的任何常规的处理工艺，本发明实施例对此不作限制。
所述预设厚度可以为2μm至4μm。
可以理解的是，所述半导体衬底100的厚度不能过薄，否则会提高减薄工艺的复杂度以及晶圆破片率；所述半导体衬底100的厚度不能过厚，否则难以在后续形成背面沟槽时，实现背面沟槽与正面沟槽的对应连通。优选地，所述半导体衬底100的厚度为2.5μm至3.5μm。
在本发明实施例中，通过对所述半导体衬底100进行减薄，可以降低半导体衬底100的厚度，有助降低使背面沟槽与正面沟槽121一一对应连通的工艺实施难度。
所述保护层112可以为氧化硅和氮化硅的叠层结构，硬掩膜层、无定形碳层，或者氧化硅、氮化硅和无定形碳的叠层结构。
有关保护层112的原理、具体实现和有益效果请参照前文及图2示出的关于保护层110的相关描述，此处不再赘述。
参照图7，所述半导体衬底100的正面具有对准标记，在所述保护层112的表面形成图案化的掩膜层162，所述掩膜层162的图案根据所述对准标记进行对准，以所述图案化的掩膜层162为掩膜，对所述保护层112和半导体衬底100进行刻蚀，以形成背面沟槽123。
具体地，所述半导体衬底100的正面的对准标记(Alignment Mark)可以复用主动区(Active Area，AA)层的对准标记，还可以采用其他可以在半导体衬底100的背面确定的对准标记。
有关背面沟槽123的原理、具体实现和有益效果请参照前文及图3示出的关于正面沟槽121的相关描述，此处不再赘述。
参照图8，在所述背面沟槽123中填充介质材料132。
具体地，所述介质材料132可以选自：氧化硅、氮化硅、非掺杂多晶硅以及高K材料。
有关介质材料132的原理、具体实现和有益效果请参照前文及图4示出的关于介质材料130的相关描述，此处不再赘述。
需要指出的是，由于高K介质材料有助于使电势稳定，因此采用高K介质材料对半导体衬底100的背面沟槽进行填充，可以获得较好的器件性能。为了降低成本，还可以采用高K介质材料填充半导体衬底100的背面沟槽，而采用其他成本较低的介质材料填充半导体衬底100的正面沟槽。
在具体实施中，可以在所述半导体衬底100的背面对介质材料132进行平坦化，其中，所述平坦化处理的工艺包括化机械研磨工艺。
接下来，可以在所述半导体衬底100的背面形成铝垫层(Pad)、钝化层(Passivation Layer)等后期工艺步骤。
需要指出的是，在本发明实施例中，在所述背面沟槽123中填充介质材料132之后，在所述半导体衬底100的背面进行的处理工艺可以是现有的图像传感器的任何常规的处理工艺，本发明实施例对此不作限制。
在本发明实施例中，通过在半导体衬底100的正面以及背面均形成沟槽，且背面沟槽123与正面沟槽121一一对应连通，使得在沟槽中填充介质材料130(132)后，形成贯通半导体衬底的介质材料，相比于现有技术中DTI深度仅占半导体衬底的厚度的一部分，致使光电二极管也受到限制，厚度较薄的情况，采用本发明实施例的方案，介质材料130(132)的深度更深，可以有效地降低电学串扰，并且可以提高光电二极管140的厚度，从而提高满阱容量。
在本发明实施例中，还提供了一种图像传感器，参照图8，所述图像传感器可以包括：
半导体衬底100，所述半导体衬底100具有正面和背面；
正面沟槽121，位于所述半导体衬底100的正面，所述正面沟槽121内填充有介质材料13；
背面沟槽123，位于所述半导体衬底100的背面，其中，所述背面沟槽123与所述正面沟槽121一一对应连通，连通的正面沟槽121和背面沟槽123之间的半导体衬底100用于形成光电二极管140，所述背面沟槽123内填充有介质材料132。
进一步地，所述正面沟槽121的深度可以为0.5μm至4μm，所述背面沟槽123的深度可以为0.5μm至4μm。
所述介质材料130(132)可以选自：氧化硅、氮化硅、非掺杂多晶硅以及高K材料。
所述半导体衬底100的厚度可以为2μm至4μm。
关于该图像传感器的原理、具体实现和有益效果请参照前文及图1至图8示出的关于图像传感器的形成方法的相关描述，此处不再赘述。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (10)
1.一种图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底具有正面和背面；
自所述半导体衬底的正面对所述半导体衬底进行刻蚀，以形成正面沟槽；
在所述正面沟槽中填充介质材料；
自所述半导体衬底的背面对所述半导体衬底进行刻蚀，以形成背面沟槽，其中，所述背面沟槽与所述正面沟槽一一对应连通，连通的正面沟槽和背面沟槽之间的半导体衬底用于形成光电二极管；
在所述背面沟槽中填充介质材料。
2.根据权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，自所述半导体衬底的正面对所述半导体衬底进行刻蚀，以形成正面沟槽包括：
在所述半导体衬底的正面形成保护层；
在所述保护层的表面形成图案化的掩膜层；
以所述图案化的掩膜层为掩膜，对所述保护层和半导体衬底进行刻蚀，以形成正面沟槽。
3.根据权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述介质材料选自：氧化硅、氮化硅、非掺杂多晶硅以及高K材料。
4.根据权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述半导体衬底的正面具有对准标记，自所述半导体衬底的背面对所述半导体衬底进行刻蚀，以形成背面沟槽包括：
在所述半导体衬底的背面形成保护层；
在所述保护层的表面形成图案化的掩膜层，所述掩膜层的图案根据所述对准标记进行对准；
以所述图案化的掩膜层为掩膜，对所述保护层和半导体衬底进行刻蚀，以形成背面沟槽。
5.根据权利要求2或4所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述保护层为：氧化硅和氮化硅的叠层结构，氧化硅，氮化硅，无定形碳层，或者氧化硅、氮化硅和无定形碳的叠层结构。
6.根据权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述正面沟槽的深度为0.5μm至4μm，所述背面沟槽的深度为0.5μm至4μm。
7.根据权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，自所述半导体衬底的背面对所述半导体衬底进行刻蚀，以形成背面沟槽之前，还包括：自背面对所述半导体衬底进行减薄至预设厚度。
8.根据权利要求7所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述预设厚度为2μm至4μm。
9.一种图像传感器，其特征在于，包括：
半导体衬底，所述半导体衬底具有正面和背面；
正面沟槽，位于所述半导体衬底的正面，所述正面沟槽内填充有介质材料；
背面沟槽，位于所述半导体衬底的背面，其中，所述背面沟槽与所述正面沟槽一一对应连通，连通的正面沟槽和背面沟槽之间的半导体衬底用于形成光电二极管，所述背面沟槽内填充有介质材料。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其特征在于，所述正面沟槽的深度为0.5μm至4μm，所述背面沟槽的深度为0.5μm至4μm。
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