CN108538874A - 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，所述半导体衬底的表面具有第一介质层；刻蚀所述第一介质层，以在所述第一介质层内形成网格状的格栅沟槽；在所述格栅沟槽内填充格栅材料，以形成网格状的格栅；在所述第一介质层的表面形成衬垫，所述衬垫的一部分覆盖所述格栅的一部分，以使所述衬垫与所述格栅电连接。本发明方案可以减少光刻工艺的数量，有效地降低制造成本。
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(Image Sensors，IS)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，由于其具有低功耗和高信噪比的优点，因此在各种领域内得到了广泛应用。
以后照式(Back-side Illumination，BSI)CIS为例，在现有的制造工艺中，先在半导体衬底内形成逻辑器件、像素器件以及金属互连结构，然后采用承载晶圆与所述半导体衬底的正面键合，进而在半导体衬底的背面形成CIS的后续工艺，例如在所述像素器件的半导体衬底背面形成穿通孔(Through Silicon Via，TSV)、网格状的格栅(Grid)，在所述格栅之间的网格内形成滤镜(Color Filter)、微透镜结构(Micro lens)等。
然而，在现有技术中，自形成穿通孔之后，需要采用多道光刻工艺形成网格状的格栅，制造成本较高。
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，可以减少光刻工艺的数量，有效地降低制造成本。
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，所述半导体衬底的表面具有第一介质层；刻蚀所述第一介质层，以在所述第一介质层内形成网格状的格栅沟槽；在所述格栅沟槽内填充格栅材料，以形成网格状的格栅；在所述第一介质层的表面形成衬垫，所述衬垫的一部分覆盖所述格栅的一部分，以使所述衬垫与所述格栅电连接。
可选的，所述图像传感器的形成方法还包括：形成第二介质层，所述第二介质层覆盖所述衬垫、第一介质层以及格栅；刻蚀所述第二介质层以及所述第一介质层，以在所述衬垫上方的第二介质层内形成衬垫开口，以及在所述格栅之间的第一介质层和第二介质层内形成滤镜开口，所述衬垫开口的底部暴露所述衬垫。
可选的，所述滤镜开口的宽度小于相邻的格栅之间的距离。
可选的，在所述第一介质层的表面形成衬垫包括：形成衬垫层，所述衬垫层覆盖所述第一介质层；刻蚀所述衬垫层，以在所述第一介质层的表面形成所述衬垫。
可选的，在刻蚀所述第一介质层之前，所述图像传感器的形成方法还包括：刻蚀所述第一介质层和半导体衬底以形成穿通孔，所述穿通孔贯穿所述半导体衬底以及所述第一介质层。
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；第一介质层，位于所述半导体衬底的表面；网格状的格栅沟槽，位于所述第一介质层内；网格状的格栅，位于所述格栅沟槽内；衬垫，位于所述第一介质层的表面，所述衬垫的一部分覆盖所述格栅的一部分，以使所述衬垫与所述格栅电连接。
可选的，所述图像传感器还包括：第二介质层，覆盖所述衬垫、第一介质层以及格栅；衬垫开口，位于所述衬垫上方的第二介质层内；滤镜开口，位于所述格栅之间的第一介质层和第二介质层内，且所述衬垫开口的底部暴露所述衬垫。
可选的，所述滤镜开口的宽度小于相邻的格栅之间的宽度。
可选的，所述滤镜开口的底面与所述格栅沟槽的底面齐平。
可选的，所述图像传感器还包括：穿通孔，所述穿通孔贯穿所述半导体衬底以及所述第一介质层。
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，所述半导体衬底的表面具有第一介质层；刻蚀所述第一介质层，以在所述第一介质层内形成网格状的格栅沟槽；在所述格栅沟槽内填充格栅材料，以形成网格状的格栅；在所述第一介质层的表面形成衬垫，所述衬垫的一部分覆盖所述格栅的一部分，以使所述衬垫与所述格栅电连接。采用上述方案，可以采用第一道光刻工艺刻蚀第一介质层以形成网格状的格栅沟槽，进而形成网格状的格栅，再采用第二道光刻工艺刻蚀衬垫层以形成衬垫，因而最少仅需要采用两道光刻工艺。而在现有技术中，在形成第二介质层后，先采用第一道光刻工艺形成衬垫，再采用第二道光刻工艺形成格栅区域开口，再采用第三道光刻工艺形成第一衬垫开口，再采用第四道光刻工艺形成格栅以及滤镜开口，至少需要采用四道光刻工艺。由上，采用本发明实施例的方案，可以减少光刻工艺的数量，有效地降低制造成本。
进一步，以第三掩膜层为掩膜，刻蚀所述第二介质层以及所述第一介质层，以在所述衬垫上方的第二介质层内形成衬垫开口，以及在所述格栅之间的第一介质层和第二介质层内形成滤镜开口，所述衬垫开口的底部暴露所述衬垫。在本发明实施例中，最少可以通过三道光刻工艺形成格栅、衬垫开口以及滤镜开口。而在现有技术中，至少需要采用五道光刻工艺形成第二衬垫开口、格栅以及滤镜开口。采用本发明实施例的方案，对于掩膜层的利用率更高，有效地提高生产效率，降低制造成本。
进一步，设置所述滤镜开口的宽度小于相邻的格栅之间的宽度，可以使形成滤镜开口后，所述格栅的周围保留有所述第一介质层的一部分，从而在后续工艺中对格栅进行保护。相比于现有技术中需要额外添加钝化层对格栅进行保护，本发明实施例的方案可以减少使用钝化层原材料，进一步有效地提高生产效率，降低制造成本。
附图说明
图1至图9是现有技术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；
图10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11至图17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，自形成穿通孔之后，需要采用多道光刻工艺形成网格状的格栅，制造成本较高。
图1至图9是现有技术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1，提供半导体衬底100，所述半导体衬底100的表面具有第一介质层111，刻蚀所述第一介质层111和半导体衬底100以形成穿通孔102，所述穿通孔102贯穿所述半导体衬底100以及所述第一介质层111。
在具体实施中，所述第一介质层111的材料可以选自：氧化硅、氮化硅。
需要指出的是，在形成穿通孔102的过程中，还需要采用一道光刻工艺，也即还需要一张掩膜版(Mask)，并根据所述掩膜版形成一层掩膜层(Photo Resist，PR)。
参照图2，在所述第一介质层111的表面形成衬垫层130，在所述衬垫层130的表面形成第一掩膜层121。
具体地，所述第一掩膜层121可以用于在后续工艺中形成衬垫(Pad)。
参照图3，根据所述第一掩膜层121，刻蚀所述衬垫层130，以在所述第一介质层111的表面形成所述衬垫131。
在具体实施中，所述衬垫的材料可以为金属铝(Al)，以形成铝衬垫(Al Pad)。
参照图4，在所述衬垫131以及所述第一介质层111的表面形成第二介质层112，形成第二掩膜层122。
在具体实施中，所述第二介质层112的材料可以选自：氧化硅、氮化硅。
具体地，所述第二掩膜层122可以用于在后续工艺中形成格栅区域开口。
参照图5，以所述第二掩膜层122为掩膜，去除所述第二介质层112以及去除所述第一介质层111的一部分，以形成格栅区域开口141。
需要指出的是，所述格栅区域开口141的位置需要根据具体设计需求确定，通常位于像素器件区域。
参照图6，形成第三掩膜层123，根据所述第三掩膜层123刻蚀所述衬垫131表面的第二介质层112，以在所述衬垫131的表面形成第一衬垫开口151。
参照图7，形成金属层132，所述金属层132覆盖所述第一衬垫开口151以及所述格栅区域开口141，形成第三介质层113，所述第三介质层113覆盖所述金属层132以及所述衬垫131。
在具体实施中，所述第三介质层113的材料可以选自：氧化硅、氮化硅。
优选地，可以采用相同的材料形成所述第一介质层111、第二介质层112以及第三介质层113，例如均采用氧化硅。从而可以降低工艺复杂度。
参照图8，形成第四掩膜层124。
具体地，所述第四掩膜层124暴露出格栅位置，可以用于在后续工艺中形成格栅。
参照图9，以所述第四掩膜层124为掩膜，刻蚀所述格栅区域开口141内的金属层132的一部分，以得到格栅160以及滤镜开口152。
进一步地，在具体实施中，还会形成钝化层(Passivation，图未示)，在所述钝化层的表面形成第五掩膜层(图未示)，以所述第五掩膜层为掩膜，刻蚀所述第三介质层113的一部分，以在金属层132的表面形成第二衬垫开口(图未示)，其中，所述钝化层用于在刻蚀时保护所述格栅。
本发明的发明人经过研究发现，在现有技术中，形成衬垫131、格栅区域开口141、第一衬垫开口151、格栅160等多个结构的方式均为先沉积材料层，再采用一道光刻工艺对该材料层进行刻蚀，进而形成针对该材料的结构，其间需要采用至少四层掩膜层；进一步地，在现有技术中，分别对衬垫区域以及格栅区域进行刻蚀操作，导致需要制备多层掩膜层，以及采用多道光刻工艺，也导致难以对该四层掩膜层进行合并或删除。进一步地，在形成格栅160之后，还需要形成第五掩膜层，并根据所述第五掩膜层形成第二衬垫开口，导致掩膜层的数目进一步增加。
在本发明实施例中，提供半导体衬底，所述半导体衬底的表面具有第一介质层；刻蚀所述第一介质层，以在所述第一介质层内形成网格状的格栅沟槽；在所述格栅沟槽内填充格栅材料，以形成网格状的格栅；在所述第一介质层的表面形成衬垫，所述衬垫的一部分覆盖所述格栅的一部分，以使所述衬垫与所述格栅电连接。采用上述方案，可以采用第一道光刻工艺刻蚀第一介质层以形成网格状的格栅沟槽，进而形成网格状的格栅，再采用第二道光刻工艺刻蚀衬垫层以形成衬垫，因而最少仅需要采用两道光刻工艺。而在现有技术中，在形成第二介质层后，先采用第一道光刻工艺形成衬垫，再采用第二道光刻工艺形成格栅区域开口，再采用第三道光刻工艺形成第一衬垫开口，再采用第四道光刻工艺形成格栅以及滤镜开口，至少需要采用四道光刻工艺。由上，采用本发明实施例的方案，可以减少光刻工艺的数量，有效地降低制造成本。
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10，图10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S21至步骤S24：
步骤S21：提供半导体衬底，所述半导体衬底的表面具有第一介质层；
步骤S22：刻蚀所述第一介质层，以在所述第一介质层内形成网格状的格栅沟槽；
步骤S23：在所述格栅沟槽内填充格栅材料，以形成网格状的格栅；
步骤S24：在所述第一介质层的表面形成衬垫，所述衬垫的一部分覆盖所述格栅的一部分，以使所述衬垫与所述格栅电连接。
下面结合图11至图17对上述各个步骤进行说明。
图11至图17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11，提供半导体衬底200，所述半导体衬底200的表面具有第一介质层211，刻蚀所述第一介质层211和半导体衬底200以形成穿通孔202，所述穿通孔202贯穿所述半导体衬底200以及所述第一介质层211。
在具体实施中，所述半导体衬底200可以为硅衬底，或者所述半导体衬底200的材料还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟等适当的应用于图像传感器的材料，所述半导体衬底200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200可以为轻掺杂的半导体衬底，且掺杂类型与漏区相反。具体地，可以通过向所述半导体衬底200进行离子注入，实现深阱掺杂(Deep Well Implant)。
在半导体衬底200的一侧表面形成有第一介质层211，而在相对的另一侧表面可以形成有CIS的正面结构，而在半导体衬底200内还可以形成有光电二极管。
在具体实施中，所述形成穿通孔202的工艺可以包括：形成穿通掩膜层(图未示)，以所述穿通掩膜层为掩膜，刻蚀所述半导体衬底200以及所述第一介质层211，以形成贯穿所述半导体衬底200以及所述第一介质层211的穿通孔沟槽(图未示)；形成穿通孔介质层，所述穿通孔介质层覆盖所述穿通孔沟槽的内壁；形成导电插塞，所述导电插塞填充在所述穿通孔沟槽内，且所述穿通孔介质围绕所述导电插塞；平坦化所述导电插塞以形成所述穿通孔202，以暴露出所述第一介质层211的表面。
在具体实施中，所述第一介质层211的材料可以选自：氧化硅、氮化硅。
参照图12，形成第一掩膜层221，以所述第一掩膜层221为掩膜刻蚀所述第一介质层211，以在所述第一介质层211内形成网格状的格栅沟槽241。
在具体实施中，所述格栅沟槽241的底面与所述半导体衬底200的表面之间具有预设距离，也即在格栅沟槽241与半导体衬底200之间保留一部分第一介质层211，以在后续工艺中对半导体衬底200进行保护。
参照图13，在所述格栅沟槽241内填充格栅材料261。
在具体实施中，所述格栅材料261用于形成格栅，用于隔离入射光，从而降低通过不同滤镜结构接收到的入射光的光学串扰。
参照图14，采用平坦化工艺对所述格栅材料261进行平坦化，以形成网格状的格栅260；形成衬垫层230，所述衬垫层230覆盖所述第一介质层211；形成第二掩膜层222。
在本发明实施例中，通过先形成格栅沟槽241，再在填充格栅材料261后采用平坦化工艺形成格栅260，相比于现有技术中先形成金属层，再采用光刻工艺刻蚀形成格栅，进而导致增加一道光刻工艺，采用本发明实施例的方案，可以减少掩膜层以及光刻工艺的数量，降低制造成本。
参照图15，以所述第二掩膜层222为掩膜，刻蚀所述衬垫层230，以在所述第一介质层211的表面形成所述衬垫231，所述衬垫231的一部分覆盖所述格栅260的一部分，以使所述衬垫231与所述格栅260电连接。
在具体实施中，所述衬垫的材料可以为金属铝。
在本发明实施例中，通过形成所述衬垫231，所述衬垫231的一部分覆盖所述格栅260的一部分，实现衬垫231与格栅260之间的电连接。相比于现有技术中需要再采用一道光刻工艺形成第一衬垫开口，进而增加一层与格栅电连接的金属层使格栅与衬垫电连接，进而导致增加一道光刻工艺，采用本发明实施例的方案，可以减少掩膜层以及光刻工艺的数量，降低制造成本。
在本发明实施例中，可以采用第一道光刻工艺刻蚀第一介质层211以形成网格状的格栅沟槽241，进而形成网格状的格栅260，再采用第二道光刻工艺刻蚀衬垫层230以形成衬垫231，因而最少仅需要采用两道光刻工艺。而在现有技术中(参照图1至图8)，在形成第二介质层后，先采用第一道光刻工艺形成衬垫，再采用第二道光刻工艺形成格栅区域开口，再采用第三道光刻工艺形成第一衬垫开口，再采用第四道光刻工艺形成格栅以及滤镜开口，至少需要采用四道光刻工艺。由上，采用本发明实施例的方案，可以减少光刻工艺的数量，有效地降低制造成本。
参照图16，形成第二介质层212，所述第二介质层212覆盖所述衬垫231、第一介质层211以及格栅260。
在具体实施中，所述第二介质层212的材料可以选自：氧化硅、氮化硅。
优选地，可以采用相同的材料形成所述第一介质层211以及所述第二介质层212，例如均采用氧化硅。从而可以在后续的刻蚀工艺中，在单一刻蚀步骤中对第一介质层211以及所述第二介质层212进行刻蚀，降低工艺复杂度。
进一步地，形成第三掩膜层223。
参照图17，以所述第三掩膜层223为掩膜，刻蚀所述第二介质层212以及所述第一介质层211，以在所述衬垫231上方的第二介质层212内形成衬垫开口232，以及在所述格栅260之间的第一介质层211和第二介质层212内形成滤镜开口251，所述衬垫开口232的底部暴露所述衬垫231。
在具体实施中，可以设置所述滤镜开口251的宽度小于相邻的格栅260之间的宽度。
在本发明实施例中，通过设置所述滤镜开口251的宽度小于相邻的格栅260之间的宽度，可以使形成滤镜开口251后，所述格栅260的周围保留有所述第一介质层211的一部分，从而采用第一介质层211在后续工艺中对格栅260进行保护。相比于现有技术中需要额外添加钝化层对格栅进行保护，本发明实施例的方案可以减少使用钝化层原材料，进一步有效地提高生产效率，降低制造成本。
在具体实施中，可以设置所述滤镜开口251的底面与所述格栅沟槽241(参照图12)的底面齐平。
在本发明实施例中，通过设置所述滤镜开口251的底面与所述格栅沟槽241的底面齐平，可以在形成格栅260以及滤镜开口251之后，提高与现有技术中的后续工艺的吻合度。具体而言，在现有技术中，首先刻蚀形成格栅区域开口，进而在所述格栅区域开口的底面形成格栅以及滤镜开口，也即在现有技术中，格栅与滤镜开口的底面为同一平面，采用本发明实施例的方案，设置格栅与滤镜开口的底面，可以降低研发以及工艺的复杂度。
在本发明实施例中，最少可以通过三道光刻工艺形成格栅260、衬垫开口232以及滤镜开口251。而在现有技术中，至少需要采用五道光刻工艺形成第二衬垫开口、格栅以及滤镜开口。采用本发明实施例的方案，对于掩膜层的利用率更高，有效地提高生产效率，降低制造成本。
在本发明实施例中，还提供一种图像传感器，参照图17，所述图像传感器可以包括：半导体衬底200；第一介质层211，位于所述半导体衬底200的表面；网格状的格栅沟槽241，位于所述第一介质层211内；网格状的格栅260，位于所述格栅沟槽241内；衬垫231，位于所述第一介质层211的表面，所述衬垫231的一部分覆盖所述格栅260的一部分，以使所述衬垫231与所述格栅260电连接。
进一步地，所述图像传感器还可以包括：
第二介质层212，覆盖所述衬垫231、第一介质层211以及格栅260；
衬垫开口232，位于所述衬垫231上方的第二介质层212内；
滤镜开口251，位于所述格栅260之间的第一介质层211和第二介质层212内，且所述衬垫开口232的底部暴露所述衬垫231。
进一步地，所述滤镜开口251的宽度可以小于相邻的格栅260之间的宽度。
所述滤镜开口251的底面可以与所述格栅沟槽241的底面齐平。
进一步地，所述格栅沟槽241的底面与所述半导体衬底200的表面之间可以具有预设距离。其中，所述半导体衬底200的表面为上表面，也即与所述第一介质层211接触的表面。
进一步地，所述图像传感器还可以包括穿通孔202，所述穿通孔202贯穿所述半导体衬底200以及所述第一介质层211。更进一步地，所述穿通孔202可以包括：穿通孔沟槽(图未示)，所述穿通孔沟槽贯穿所述半导体衬底200以及所述第一介质层211；穿通孔介质层(图未示)，所述穿通孔介质层覆盖所述穿通孔沟槽的内壁；导电插塞(图未示)，所述导电插塞填充在所述穿通孔沟槽内，且所述穿通孔介质围绕所述导电插塞。
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10至图17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，所述半导体衬底的表面具有第一介质层；
刻蚀所述第一介质层，以在所述第一介质层内形成网格状的格栅沟槽；
在所述格栅沟槽内填充格栅材料，以形成网格状的格栅；
在所述第一介质层的表面形成衬垫，所述衬垫的一部分覆盖所述格栅的一部分，以使所述衬垫与所述格栅电连接。
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，还包括：
形成第二介质层，所述第二介质层覆盖所述衬垫、第一介质层以及格栅；
刻蚀所述第二介质层以及所述第一介质层，以在所述衬垫上方的第二介质层内形成衬垫开口，以及在所述格栅之间的第一介质层和第二介质层内形成滤镜开口，所述衬垫开口的底部暴露所述衬垫。
3.根据权利要求2所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述滤镜开口的宽度小于相邻的格栅之间的距离。
4.根据权利要求2所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，在所述第一介质层的表面形成衬垫包括：
形成衬垫层，所述衬垫层覆盖所述第一介质层；
刻蚀所述衬垫层，以在所述第一介质层的表面形成所述衬垫。
5.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，在刻蚀所述第一介质层之前，还包括：
刻蚀所述第一介质层和半导体衬底以形成穿通孔，所述穿通孔贯穿所述半导体衬底以及所述第一介质层。
6.一种图像传感器，其特征在于，包括：
半导体衬底；
第一介质层，位于所述半导体衬底的表面；
网格状的格栅沟槽，位于所述第一介质层内；
网格状的格栅，位于所述格栅沟槽内；
衬垫，位于所述第一介质层的表面，所述衬垫的一部分覆盖所述格栅的一部分，以使所述衬垫与所述格栅电连接。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，还包括：
第二介质层，覆盖所述衬垫、第一介质层以及格栅；
衬垫开口，位于所述衬垫上方的第二介质层内；
滤镜开口，位于所述格栅之间的第一介质层和第二介质层内，且所述衬垫开口的底部暴露所述衬垫。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其特征在于，所述滤镜开口的宽度小于相邻的格栅之间的宽度。
9.根据权利要求7所述的图像传感器，其特征在于，所述滤镜开口的底面与所述格栅沟槽的底面齐平。
10.根据权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，还包括：
穿通孔，所述穿通孔贯穿所述半导体衬底以及所述第一介质层。
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