CN108470711B - 图像传感器的深沟槽和硅通孔的制程方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种图像传感器的深沟槽和硅通孔的制程方法，深沟槽和硅通孔的制程方法包括：提供像元硅片；在像元硅片的第二侧进行硅衬底减薄处理；在像元硅片的第二侧形成深沟槽；于深沟槽内填充有机物；在像元硅片的第二侧上涂布光刻胶；根据硅通孔图案对像元硅片的第二侧进行刻蚀以形成硅通孔；于深沟槽和硅通孔表面沉积介质保护层；于深沟槽内填充有机物；在像元硅片的第二侧上涂布光刻胶；根据接触孔图案对像元硅片的第二侧进行刻蚀以形成接触孔；在深沟槽和硅通孔表面沉积阻挡层，并于深沟槽内填充第一金属，同时在硅通孔表面形成一层籽晶层；于硅通孔内填充第一金属。本发明提供的制程方法减少图像传感器的制程工艺。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种图像传感器的深沟槽和硅通孔的制程方法
背景技术
随着智能手机和平板电脑的普及，CMOS图像传感器(CIS)产品需求与日俱增，智能手机摄像头的配置至少在300万像素以上，一些高端智能机甚至配有1000万以上像素的摄像头。这些高端应用对CIS产品性能有了更高的要求，包括像素、分辨率、功耗、物理尺寸等。因此，许多CIS产品供应商们都在着力开发背照式图像传感器技术(BSI CIS)，来进一步提高CIS产品的感光度和降低像元信号之间干扰，支持高端智能机的摄像需求。背照式图像传感器以3D CIS技术为研究热点，把图像传感器芯片和数字信号处理器芯片通过TSV(Through Silicon Vias，穿过硅片通道工艺)垂直互连在一起，能够有效减少封装尺寸、减低功耗。
目前已量产的3D CIS产品工艺是将像元硅片和数控硅片采用SiO2-SiO2直接键合工艺垂直粘接在一起；对像元硅片进行背面减薄工艺，减薄硅的厚度以接近受过注入的感光区；从像元硅片背面对感光单元(即像元单元)之间进行深沟槽隔离工艺(Deep TrenchIsolation)，在深沟槽内先后填入介质和金属，实现感光单元之间的电隔离和光隔离；在像元阵列旁的控制电路区域进行背面TSV工艺，分别连接像元硅片的第一层金属层和数控芯片的顶层金属层；在感光单元之间进行金属格栅工艺，金属格栅可以吸收杂散光，减少信号干扰；采用铝布线将TSV引出，形成导线邦定所需的铝焊垫；在感光区先后形成透过不同可见光的滤色薄膜，并最后在滤色膜上方制作显微透镜。
现有的深沟槽(DTI)工艺，有的是直接填入介质来形成像元之间的电隔离，有的是先后填入介质和金属进而同时获得像元之间的电隔离和光隔离。后者技术更先进，但工艺难度巨大，需要在深宽比大于10:1的深沟槽内填充金属。深沟槽填充工艺一般是先在深沟槽表面沉积一层介质层，然后沉积一层阻挡层，再进行金属填充，最后去除表面的金属。
背照式CIS的硅通孔工艺是在减薄的像元硅片第二侧进行硅通孔的工艺加工，依次进行硅通孔的光刻工艺、刻蚀工艺和清洗工艺来形成深孔，然后沉积一层介质保护层，再依次进行接触孔的深井光刻工艺、刻蚀工艺和清洗工艺来打开底部的介质并露出金属，接着沉积阻挡层和籽晶层，最后进行填充工艺和化学机械抛光工艺。
由此可见，现有技术中背照式CIS的制程工艺分别进行深沟槽和硅通孔的制程进而导致制程步骤复杂，过多的制程步骤会增加背照式CIS产品的制造成本。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种图像传感器的深沟槽和硅通孔的制程方法，以减少图像传感器的制程工艺。
根据本发明的一个方面，提供一种图像传感器的深沟槽和硅通孔的制程方法，包括：
步骤S01，提供像元硅片，所述像元硅片包括具有像元的硅衬底和在硅衬底上形成的金属互连层，所述金属互连层形成在所述像元硅片的第一侧，所述像元硅片的第二侧与所述第一侧相对；
步骤S02，在所述像元硅片的第二侧进行硅衬底减薄处理；
步骤S03，在所述像元硅片的第二侧形成深沟槽；
步骤S04，于所述深沟槽内填充有机物；
步骤S05.在所述像元硅片的第二侧上涂布光刻胶，并通过光刻工艺定义硅通孔图案；
步骤S06，根据所述硅通孔图案对所述像元硅片的第二侧进行刻蚀以形成硅通孔，并去除所述像元硅片的第二侧的光刻胶和所述深沟槽内的有机物；
步骤S07，于所述深沟槽和所述硅通孔表面沉积介质保护层；
步骤S08，于所述深沟槽内填充有机物；
步骤S09，在所述像元硅片的第二侧上涂布光刻胶，并通过光刻工艺定义接触孔图案，所述接触孔图案位于所述硅通孔图案内；
步骤S10，根据所述接触孔图案对所述像元硅片的第二侧进行刻蚀以形成所述接触孔，并去除所述像元硅片的第二侧的光刻胶和所述深沟槽内的有机物，所述接触孔暴露所述金属互连层内的金属；
步骤S11，在所述深沟槽和所述硅通孔表面沉积阻挡层，并于所述深沟槽内填充第一金属，同时在硅通孔表面形成一层籽晶层；
步骤S12，于所述硅通孔内填充第一金属。
可选地，所述硅衬底减薄处理后，所述像元硅片的厚度小于3um。
可选地，所述步骤S03中形成的深沟槽的宽度为0.2um-0.3um，深度为1um-2um。
可选地，所述步骤S04中采用的有机物和所述步骤S07中采用的有机物相同，且所述有机物具有流动性。
可选地，所述步骤S06和/或所述步骤S09采用干法去胶工艺去除所述像元硅片的第二侧的光刻胶和所述深沟槽内的有机物。
可选地，所述介质保护层为SiO2、Si3N4、SiON或SiCN，所述介质保护层的厚度为
可选地，所述阻挡层为Ta、TaN、Ti或TiN，所述阻挡层的厚度为
可选地，所述第一金属为铜，所述籽晶层为连续的铜籽晶层。
可选地，所述步骤S11采用化学镀工艺于所述深沟槽中填充铜，并使铜填满所述深沟槽，同时在硅通孔内形成一层连续的铜籽晶层。
可选地，所述步骤S12采用电镀工艺于所述硅通孔中填充铜，使铜填满所述硅通孔，并采用铜的化学机械抛光工艺去除所述像元硅片的背面的表面金属。
与现有技术相比，本发明的一种背照式图像传感器的深沟槽和硅通孔的制程方法，将深沟槽和硅通孔的介质、金属填充工艺结合在一起，同时完成，减少高成本的介质、金属填充工艺步骤，降低了工艺成本和减少了设备配置。此外，本发明还在深沟槽技术中采用了铜填充工艺取代现有的钨填充工艺，大大降低了金属应力的负面影响，提高了图像传感器，尤其是背照式图像传感器的可靠性。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1示出了根据本发明实施例的图像传感器的深沟槽和硅通孔的制程方法的流程图。
图2至图9示出了根据本发明实施例的图像传感器的深沟槽和硅通孔的制程方法的制程过程。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。
此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面进一步结合图1至图9对本发明作详细描述。图1示出了根据本发明实施例的图像传感器的深沟槽和硅通孔的制程方法的流程图。图2至图9示出了根据本发明实施例的图像传感器的深沟槽和硅通孔的制程方法的制程过程。
图1共示出11个步骤：
步骤S01，提供像元硅片200，所述像元硅片200包括具有像元211的硅衬底212和在硅衬底212上形成的金属互连层221。所述金属互连层221形成在所述像元硅片200的第一侧210。所述第二侧220与所述第一侧210相对。
步骤S02，在像元硅片200的第二侧220进行硅衬底212减薄处理。
图2为步骤S01的制程示意图，对像元硅片200的第二侧220进行硅衬底212减薄处理。像元211为感光单元，是对光非常敏感的区域，能够捕捉光子，并将光信号转化成电信号，通过电荷累积，把电信号传递给CMOS器件，最终通过外围电路放大并转化成数字信号。所述的步骤S01是对像元硅片200的第二侧220进行减薄处理使得像元硅片200的最终厚度h控制在3um以内。在步骤S01中，首先，采用常规的背面机械抛光将像元硅片200减薄至30um左右(先采用金刚刀进行快速背面抛光，将像元硅片200的厚度从775um减薄至50um左右，再采用化学机械抛光工艺CMP进行精细抛光，控制像元硅片200度均匀性和表面缺陷，将像元硅片200厚度控制在30um左右)；其次，采用多步湿法刻蚀工艺将像元硅片200厚度减薄至3um以内，先采用高氧化性的强酸进行选择性刻蚀，通过控制像元硅片200的掺杂情况，可以精确控制湿法刻蚀工艺的刻蚀终点；再采用TMAH(四甲基氢氧化铵)清洗液对像元硅片200的第二侧220进行各向同性的整体刻蚀，并最终控制像元硅片200的厚度h在3um以内。
步骤S03，在所述像元硅片的背面形成深沟槽。
图3为步骤S03的示意图，在减薄后的像元硅片200的第二侧220形成深沟槽213。深沟槽213隔离技术是图像传感器的关键技术之一，由于像元211的感光单元接收到外界光信号后，会产生电信号，在电荷累积的过程中，有一定几率出现电子漂移现象，被相邻的像元211所捕获，造成像元211之间的串扰，进而影响图像分辨率，因此，需要在各像元211之间插入深沟槽213隔离，杜绝这类电信号干扰。深沟槽213的形成方法类似于硅通孔，即通过光刻工艺定义出围绕着各个像元211的沟槽图形，然后采用硅刻蚀工艺来获得高深宽比的深沟槽结构。其中，这里的硅刻蚀工艺可以是典型的Boach(深硅刻蚀工艺)工艺，包括硅刻蚀工艺步骤和侧墙钝化工艺步骤，通过不断重复两种工艺步骤来获得侧墙较为平整的深沟槽213。接着，对刻蚀后的深沟槽2113进行湿法清洗，一般采用常规的清洗液，如HCl/H2O2/H2O、NH4OH/H2O2/H2O混合清洗液。根据像元211的大小，合理设计深沟槽213的物理尺寸。本发明较佳实施案例中的深沟槽的宽度为0.2-0.3um，深度为1-2um。
步骤S04，于所述深沟槽213内填充有机物230。
步骤S05.在所述像元硅片200的第二侧220上涂布光刻胶240，并通过光刻工艺定义硅通孔图案。
图4为步骤S04和步骤S05的示意图，先对深沟槽213填充有机物230，然后涂布光刻胶240，并进行硅通孔214的光刻工艺。在像元硅片200的第二侧220旋涂所述有机物230，所述有机物230具有流动性，能够填入深沟槽213内并将其填满。然后，进一步旋涂硅通孔光刻工艺所需的所述光刻胶240，由于硅通孔214深度接近3um，所述的光刻胶240厚度应该在2um以上。进一步地，进行硅通孔214光刻工艺，定义出硅通孔图形，所述硅通孔214的直径可以为3um-15um。
步骤S06，根据所述硅通孔图案对所述像元硅片200的第二侧220进行刻蚀以形成硅通孔214，并去除所述像元硅片200的第二侧220的光刻胶240和所述深沟槽213内的有机物230。
图5为步骤S06的示意图，进行硅通孔214的刻蚀工艺和清洗工艺，以形成硅通孔214。所述硅通孔刻蚀工艺首先进行所述有机物230的刻蚀工艺处理，将硅片表面的所述有机物230刻蚀掉，然后采用Boach工艺在光刻胶240保护下进行硅刻蚀，不断重复硅刻蚀工艺步骤和侧墙保护工艺步骤，逐步刻穿整个像元硅片200的硅衬底212，直到停在像元硅片200的金属互连层221的金属前介质上，获得倒梯形的硅通孔214。紧接着，采用氧气进行快速去胶工艺处理，同时把深沟槽214内的所述有机物230全部去除。最后，对像元硅片200的第二侧220进行湿法清洗，一般选择常规的清洗液，如HCl/H2O2/H2O、NH4OH/H62O2/H2O混合清洗液。
步骤S07，于所述深沟槽213和所述硅通孔214表面沉积介质保护层250。
步骤S08，于所述深沟槽213内填充有机物230。
步骤S09，在所述像元硅片200的第二侧220上涂布光刻胶240，并通过光刻工艺定义接触孔图案，所述接触孔图案位于所述硅通孔图案内。
图6为步骤S07至步骤S09的示意图，在深沟槽213和硅通孔214表面沉积介质保护层250。由于感光单元对金属杂质非常敏感，在暴露出深沟槽213和硅通孔214后，需要先沉积一层介质保护层250，来保护硅衬底212并修复刻蚀工艺对硅衬底212的损伤。由于深沟槽213的宽度很小，介质保护层250可选择SiO2介质，且厚度范围在
并采用400摄氏度以下的化学气相沉积技术来沉积SiO2，且要求所沉积的介质能够均匀地覆盖在深沟槽213和硅通孔214的表面，如采用原子层沉积技术来沉积一层均匀的SiO2介质。在其他实施例中，介质保护层250还可以采用Si3N4、SiON、SiCN等介质。
图6中先对深沟槽213填充有机物230，然后涂光刻胶240，并进行接触孔215的深井光刻工艺。类似于步骤S03和步骤S04，采用所述有机物230对像元硅片200的第二侧220进行旋涂，直到将深沟槽213填满。进一步旋涂接触孔215的光刻工艺所需的光刻胶240，所述光刻胶240会填入硅通孔214内，所述光刻胶240厚度由后续刻蚀工艺所需刻蚀的介质膜信息所决定。例如，接触孔215连接到像元硅片200的金属222，所需刻蚀的介质膜层包括SiO2介质保护层和金属前介质层，介质厚度约为
因此，光刻胶240最薄的厚度应该达到
以上，可以通过实际涂胶工艺评价合理的光刻胶厚度。接着，进行接触孔215的深井光刻工艺，即光刻机要聚焦到硅通孔214的底部，所述的接触孔215的直径控制在2um-3um之间。
步骤S10，根据所述接触孔图案对所述像元硅片200的第二侧220进行刻蚀以形成所述接触孔215，并去除所述像元硅片200的第二侧220的光刻胶240和所述深沟槽213内的有机物230，所述接触孔215暴露所述金属互连层211内的金属212。
图7为步骤S10的示意图，进行接触孔215的刻蚀工艺和清洗工艺(接触孔215位于硅通孔214底部以作为硅通孔214的一部分)，露出像元硅片200的金属互连层221中的金属222。所述接触孔215刻蚀工艺是在光刻胶240保护下，对硅通孔214底部的介质进行刻蚀，以金属222为例，所述接触孔215的刻蚀工艺需要先刻蚀掉所述有机物230，再依次刻蚀掉SiO2介质保护层、金属前介质层，最后停在金属222的Ta(N)阻挡层表面。接着进行刻蚀后的湿法清洗，一般选择对金属腐蚀较少的有机清洗液，如ST250、EKC系列清洗液。
步骤S11，在所述深沟槽213和所述硅通孔214表面沉积阻挡层260，并于所述深沟槽213内填充第一金属270，同时在硅通孔214表面形成一层籽晶层。
图8为步骤S11的示意图，在深沟槽213和硅通孔214表面沉积阻挡层260，并对深沟槽213进行第一金属270(第一金属270例如为铜)填充工艺，同时在硅通孔214表面形成一层籽晶层。在填充金属之前，需要先沉积一层金属阻挡层260，可选的阻挡层材料有Ta、TaN、Ti或TiN，阻挡层厚度为
一般采用磁控溅射工艺来沉积金属阻挡层260，但由于深沟槽213的深宽比远大于硅通孔214，较难在磁控溅射工艺中获得理想的台阶覆盖，因此，可以采用原子层沉积工艺来沉积一层均匀且连续的阻挡层260。接着，采用化学镀工艺对深沟槽213进行铜270填充，化学镀工艺具有较强的填充能力，可以将深沟槽213快速填满，同时在硅通孔214内沉积一层铜膜，成为硅通孔214内的铜籽晶层。化学镀铜厚度需要根据实际的深沟槽213填充工艺情况而定，本发明较佳实施案例中，所述深沟槽213的铜填充工艺厚度为
步骤S12，于所述硅通孔214内填充第一金属270。
图9为步骤S12的示意图，对硅通孔214进行第一金属270(第一金属270例如为铜)填充工艺，并采用铜的化学机械抛光工艺去除表面金属。采用电镀工艺将硅通孔214填满铜，电镀铜工艺厚度控制在2um-3um之间，可根据实际铜填充工艺效果来判断，保证硅通孔214被铜填满。接着，采用化学机械抛光工艺将表面金属全部去除，并停在SiO2介质保护层上。
与现有技术相比，本发明的一种背照式图像传感器的深沟槽和硅通孔的制程方法，将深沟槽和硅通孔的介质、金属填充工艺结合在一起，同时完成，减少高成本的介质、金属填充工艺步骤，降低了工艺成本和减少了设备配置。此外，本发明还在深沟槽技术中采用了铜填充工艺取代现有的钨填充工艺，大大降低了金属应力的负面影响，提高了图像传感器，尤其是背照式图像传感器的可靠性。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
Claims (10)
1.一种图像传感器的深沟槽和硅通孔的制程方法，其特征在于，包括：
步骤S01，提供像元硅片，所述像元硅片包括具有像元的硅衬底和在硅衬底上形成的金属互连层，所述金属互连层形成在所述像元硅片的第一侧，所述像元硅片的第二侧与所述第一侧相对；
步骤S02，在所述像元硅片的第二侧进行硅衬底减薄处理；
步骤S03，在所述像元硅片的第二侧形成深沟槽；
步骤S04，于所述深沟槽内填充有机物；
步骤S05.在所述像元硅片的第二侧上涂布光刻胶，并通过光刻工艺定义硅通孔图案；
步骤S06，根据所述硅通孔图案对所述像元硅片的第二侧进行刻蚀以形成硅通孔，并去除所述像元硅片的第二侧的光刻胶和所述深沟槽内的有机物；
步骤S07，于所述深沟槽和所述硅通孔表面沉积介质保护层；
步骤S08，于所述深沟槽内填充有机物；
步骤S09，在所述像元硅片的第二侧上涂布光刻胶，并通过光刻工艺定义接触孔图案，所述接触孔图案位于所述硅通孔图案内；
步骤S10，根据所述接触孔图案对所述像元硅片的第二侧进行刻蚀以形成所述接触孔，并去除所述像元硅片的第二侧的光刻胶和所述深沟槽内的有机物，所述接触孔暴露所述金属互连层内的金属；
步骤S11，在所述深沟槽和所述硅通孔表面沉积阻挡层，并于所述深沟槽内填充第一金属，同时在硅通孔表面形成一层籽晶层；
步骤S12，于所述硅通孔内填充第一金属。
2.如权利要求1所述的图像传感器的深沟槽和硅通孔的制程方法，其特征在于，所述硅衬底减薄处理后，所述像元硅片的厚度小于3um。
3.如权利要求1所述的图像传感器的深沟槽和硅通孔的制程方法，其特征在于，所述步骤S03中形成的深沟槽的宽度为0.2um-0.3um，深度为1um-2um。
4.如权利要求1所述的图像传感器的深沟槽和硅通孔的制程方法，其特征在于，所述步骤S04中采用的有机物和所述步骤S07中采用的有机物相同，且所述有机物具有流动性。
5.如权利要求1所述的图像传感器的深沟槽和硅通孔的制程方法，其特征在于，所述步骤S06和/或所述步骤S09采用干法去胶工艺去除所述像元硅片的第二侧的光刻胶和所述深沟槽内的有机物。
6.如权利要求1所述的图像传感器的深沟槽和硅通孔的制程方法，其特征在于，所述介质保护层为SiO2、Si3N4、SiON或SiCN，所述介质保护层的厚度为
7.如权利要求1所述的图像传感器的深沟槽和硅通孔的制程方法，其特征在于，所述阻挡层为Ta、TaN、Ti或TiN，所述阻挡层的厚度为
8.如权利要求1所述的图像传感器的深沟槽和硅通孔的制程方法，其特征在于，所述第一金属为铜，所述籽晶层为连续的铜籽晶层。
9.如权利要求8所述的图像传感器的深沟槽和硅通孔的制程方法，其特征在于，所述步骤S11采用化学镀工艺于所述深沟槽中填充铜，并使铜填满所述深沟槽，同时在硅通孔内形成一层连续的铜籽晶层。
10.如权利要求8所述的图像传感器的深沟槽和硅通孔的制程方法，其特征在于，所述步骤S12采用电镀工艺于所述硅通孔中填充铜，使铜填满所述硅通孔，并采用铜的化学机械抛光工艺去除所述像元硅片的第二侧的表面金属。
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