CN108666331A - 金属栅格的形成方法、图像传感器及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明技术方案公开了一种金属栅格的形成方法、图像传感器及其形成方法，其中金属栅格的形成方法，包括：提供半导体衬底，在所述半导体衬底内形成分立的光电二极管及深沟槽隔离结构，所述深沟槽隔离结构位于所述光电二极管之间；在所述半导体衬底上形成无定型碳层；在所述无定型碳层形成露出所述半导体衬底的凹槽，所述凹槽定义出金属栅格的位置和尺寸；在所述无定型碳层表面、凹槽侧壁及底部形成绝缘层；在所述绝缘层表面形成金属层，所述金属层填满所述凹槽；平坦化所述金属层至露出所述无定型碳层上的所述绝缘层；去除所述无定型碳层及其上的所述绝缘层，露出分立排列的金属栅格。所形成的金属栅格的关键尺寸在足够小时，不会发生坍塌情况。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件的制造领域，尤其涉及金属栅格的形成方法、图像传感器及其形成方法。
背景技术
图像传感器从物体接收光信号且将光信号转化为电信号，接着电信号可以被传输用于进一步的处理，诸如数字化，然后在诸如存储器、光盘或磁盘的存储器件中存储，或用于在显示器上显示、打印等。图像传感器通常用于诸如数字相机、摄像机、扫描仪、传真机等装置。
图像传感器通常有两种类型，电荷藕合器件(CCD)传感器和CMOS图像传感器(CIS)。CCD称为光电耦合器件，通过光电效应收集电荷，每行像素的电荷随时钟信号被送到模拟位移寄存器上，然后串行转换为电压。CIS是一种快速发展的固态图像传感器，由于CMOS图像传感器中的图像传感器部分和控制电路部分集成于同一芯片中，因此CMOS图像传感器的体积小、功耗低、价格低廉，相较于传统的CCD(电荷耦合)图像传感器更具优势，也更易普及。
现有的CMOS图像传感器主要包括前照式(FSI，Front-side Illumination，简称)CMOS图像传感器和背照式(BSI，Back-side Illumination)CMOS图像传感器两种。其中，在背照式图像传感器中，光从图像传感器的背面入射到图像传感器中的感光二极管上，从而将光能转化为电能；背照式CMOS图像传感器因其更好的光电转换效果(即量子转化效率高)而获得的更广泛的应用。
但是随着工艺节点的不断减小，在制作背照式图像传感器过程中，金属栅格的尺寸越来越不容易控制。
发明内容
本发明技术方案要解决的技术问题是如何有效控制金属栅格的尺寸，保证图像传感器的性能。
为解决上述技术问题，本发明技术方案提供一种金属栅格的形成方法，包括：提供半导体衬底，在所述半导体衬底内形成分立的光电二极管及深沟槽隔离结构，所述深沟槽隔离结构位于所述光电二极管之间；在所述半导体衬底上形成无定型碳层；在所述无定型碳层形成露出所述半导体衬底的凹槽，所述凹槽定义出金属栅格的位置和尺寸；在所述无定型碳层表面、凹槽侧壁及底部形成绝缘层；在所述绝缘层表面形成金属层，所述金属层填满所述凹槽；平坦化所述金属层至露出所述无定型碳层上的所述绝缘层；去除所述无定型碳层及其上的所述绝缘层，露出分立排列的金属栅格。
可选的，形成所述无定型碳层采用化学气相沉积法。
可选的，形成所述凹槽采用刻蚀工艺或灰化工艺。
可选的，形成所述凹槽的刻蚀工艺采用的气体是O3。
可选的，形成所述凹槽的灰化工艺的温度范围为300℃～800℃。
可选的，所述绝缘层的材料是氧化物或氮化物，形成所述绝缘层采用化学气相沉积法。
可选的，所述金属层的材料为钨或铝，形成所述金属层采用化学气相沉积法或物理气相沉积法。
可选的，去除所述无定型碳层采用刻蚀工艺或灰化工艺。
可选的，去除所述无定型碳层的刻蚀工艺采用的气体是O3。
可选的，去除所述无定型碳层的灰化工艺的温度范围为300℃～800℃。
为解决上述技术问题，本发明技术方案还提供一种图像传感器的形成方法，包括：上述的金属栅格的形成方法；在所述金属栅格之间形成滤光层；在所述滤光层上形成透镜层。
采用上述方法形成的图像传感器，包括：半导体衬底；光电二极管，位于所述半导体衬底内，且所述光电二极管分立排列；深沟槽隔离结构，位于所述半导体衬底内，且位于所述光电二极管之间；金属栅格，分立排列于所述半导体衬底上；绝缘层，位于所述金属栅格的底部及侧壁上；滤光层，位于所述金属栅格之间；透镜层，位于所述滤光层上。
与现有技术相比，本发明技术方案具有以下有益效果：
在形成金属栅格前，先形成一层无定型碳层，在所述无定型碳层形成凹槽，由于无定型碳具有多孔疏松的特性，容易去除且容易形成形貌好的结构，因此能够很好地控制所述无定型碳层的凹槽形成，形成关键尺寸符合要求的凹槽；后续在凹槽内填充金属由此形成金属栅格，由于填充金属时无定型碳层很好地支撑了金属，确保形成尺寸形貌符合要求的金属栅格结构，并且无需再刻蚀金属层，因而避免了刻蚀形成金属栅格时发生坍塌及剥落的情况；进一步，在工艺节点不断减小的过程中，有效控制了所述金属栅格关键尺寸达到相应要求，进一步保证了图像传感器的性能及器件的良率。
附图说明
图1是本发明实施例的金属栅格的形成方法的流程示意图；
图2是本发明实施例的图像传感器的形成方法的流程示意图；
图3至图12为本发明实施例的图像传感器的形成方法各步骤对应的结构示意图。
具体实施方式
在现有的背照式图像传感器的制造工艺中，在半导体衬底内的光电二极管(PD，Photo Diode)区域，为了防止不同区域的光生载流子扩散到相邻区域，造成图像失真的问题，可以在半导体衬底内形成深槽隔离结构(DTI，Deep Trench Insulation)，有助于避免在不同像素区域之间发生光生载流子扩散的问题。然后在晶圆背面的半导体衬底的表面形成金属栅格(Metal Grid)。
本发明的发明人经过研究发现，随着工艺节点的不断变小，金属栅格的关键尺寸(CD，Critical Dimension)也不断减小，现有工艺是通过刻蚀半导体衬底上的金属层形成金属栅格，然而在刻蚀过程中，由于尺寸小难以控制，金属栅格容易发生坍塌及剥落(Peeling)，不但影响金属栅格的尺寸控制，而且还会影响后续光电转化效率，使图像传感器的良率降低。
为解决所述技术问题，本发明实施例提供一种金属栅格的形成方法，在半导体衬底上先形成一层无定型碳(α-carbon)层，在所述无定型碳层定义出金属栅格的位置和尺寸(凹槽)，由于无定型碳具有多孔疏松的特性，容易去除且容易形成形貌好的结构，因此能够很好地控制所述无定型碳层的凹槽形成，形成关键尺寸符合要求的凹槽；后续在凹槽内填充金属由此形成金属栅格，由于填充金属时无定型碳层很好地支撑了金属，确保形成尺寸形貌符合要求的金属栅格结构，并且无需再刻蚀金属层，因而避免了刻蚀形成金属栅格时发生坍塌及剥落的情况。
本发明实施例的金属栅格的形成方法的流程如图1所示，包括：
步骤S11，提供半导体衬底，在所述半导体衬底内形成分立的光电二极管及深沟槽隔离结构，所述深沟槽隔离结构位于所述光电二极管之间；
步骤S12，在所述半导体衬底上形成无定型碳层；
步骤S13，在所述无定型碳层形成露出所述半导体衬底的凹槽，所述凹槽定义出金属栅格的位置和尺寸；
步骤S14，在所述无定型碳层表面、凹槽侧壁及底部形成绝缘层；
步骤S15，在所述绝缘层表面形成金属层，所述金属层填满所述凹槽；
步骤S16，平坦化所述金属层至露出所述无定型碳层上的所述绝缘层；
步骤S17，去除所述无定型碳层及其上的所述绝缘层，露出分立排列的金属栅格。
在此基础上，继续形成滤光层和透镜层，由此形成的图像传感器具有良好的器件性能，所述的图像传感器的形成方法的流程如图2所示，包括：
步骤S11，提供半导体衬底，在所述半导体衬底内形成分立的光电二极管及深沟槽隔离结构，所述深沟槽隔离结构位于所述光电二极管之间；
步骤S12，在所述半导体衬底上形成无定型碳层；
步骤S13，在所述无定型碳层形成露出所述半导体衬底的凹槽，所述凹槽定义出金属栅格的位置和尺寸；
步骤S14，在所述无定型碳层表面、凹槽侧壁及底部形成绝缘层；
步骤S15，在所述绝缘层表面形成金属层，所述金属层填满所述凹槽；
步骤S16，平坦化所述金属层至露出所述无定型碳层上的所述绝缘层；
步骤S17，去除所述无定型碳层及其上的所述绝缘层，露出分立排列的金属栅格；
步骤S18，在所述金属栅格之间形成滤光层；
步骤S19，在所述滤光层上形成透镜层。
下面结合图3至图12对上述各步骤进行详细说明。
请结合参考图2和图3，步骤S11，提供半导体衬底10，在半导体衬底10内形成分立的光电二极管12；在半导体衬底10内形成深沟槽隔离结构13，深沟槽隔离结构13位于光电二极管12之间，且深沟槽隔离结构13的深度比所述光电二极管12深，从而获得更好的隔离效果，避免在不同像素区域之间发生光生载流子扩散的问题。本实施例中，半导体衬底10具有相对的第一表面10a和第二表面10b，后续金属栅格是形成在半导体衬底10的第一表面10a上，在半导体衬底10的第二表面10b上还形成有金属互连层11，金属互连层11内形成有金属互连结构11a。在具体实施时，还可以在利用无定型碳层形成金属栅格前，在半导体衬底10的第一表面10a上先形成层间介质层、抗反射层、平坦化层等。
本实施例中，半导体衬底10可以为硅衬底，或者，半导体衬底10的材料也可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟，半导体衬底10还可以为绝缘体上的硅衬底或者绝缘体上的锗衬底，或者是生长有外延层的衬底。
光电二极管12为感光器件，用于将接收到的光信号转换为电信号。为了满足半导体衬底10的总厚度薄化的要求，通常各个光电二极管12在半导体衬底10中的位置基本上处于同一深度。
本实施例中，形成深沟槽隔离结构13的工艺如下：在半导体衬底10的表面形成光刻胶层(未图示)；图形化光刻胶层，定义出深沟槽隔离图形；以图形化的光刻胶层为掩膜，沿深沟槽隔离图形刻蚀所述半导体衬底10，以得到深沟槽；去除所述光刻胶层，然后在所述半导体衬底10上形成绝缘材料层，且所述绝缘材料层填充满所述深沟槽；对绝缘材料层进行平坦化，至露出半导体衬底10，形成深沟槽隔离结构13。其中，所述绝缘材料层可以包括氧化硅或氮化硅。
在其他实施例中，可以在填充绝缘材料层之前，在所述深沟槽侧壁及底部形成阻挡层，更进一步的防止光线串扰及电子串扰的问题。
请结合参考图2和图4，步骤S12，在半导体衬底10上形成无定型碳层15。
本实施例中，形成无定型碳层15的工艺可以采用化学气相沉积法等用于形成膜层的工艺。所述无定型碳层15的作用是定义金属栅格的高度，支撑金属栅格的形成。
请结合参考图2和图5，步骤S13，在无定型碳层15形成露出半导体衬底10的凹槽15a，凹槽15a定义出金属栅格的位置和尺寸。
本实施例中，形成凹槽15a的工艺可以包括：在无定型碳层15的表面形成光刻胶层(未图示)；图形化光刻胶层，定义出凹槽图形；以图形化的光刻胶层为掩膜，沿凹槽图形刻蚀所述无定型碳层15，至露出半导体衬底10，以得到凹槽15a；去除所述光刻胶层。刻蚀所述无定型碳层15的工艺可以是干法刻蚀，所采用的刻蚀气体为O3。
在其它实施例中，形成凹槽15a的工艺可以包括：在无定型碳层15的表面形成光刻胶层(未图示)；图形化光刻胶层，定义出凹槽图形；以图形化的光刻胶层为掩膜，沿凹槽图形灰化所述无定型碳层15，至露出半导体衬底10，以得到凹槽15a；去除所述光刻胶层。灰化所述无定型碳层15的工艺温度范围为300℃～800℃。
请结合参考图2和图6，步骤S14，在无定型碳层15表面、凹槽15a侧壁及底部形成绝缘层16。
本实施例中，绝缘层16的材料可以是氧化物或氮化物等用于绝缘的材料，例如，氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等，形成绝缘层16的工艺可以采用化学气相沉积法等用于形成膜层的工艺。
请结合参考图2和图7，步骤S15，在绝缘层16表面形成金属层17，金属层17填满图6所示的凹槽15a。
本实施例中，金属层17的材料可以是钨或铝等，可以采用化学气相沉积工艺(CVD)或物理气相沉积工艺(PVD)形成。金属层17覆盖绝缘层16，且金属层17填充满凹槽15a。
请结合参考图2和图8，步骤S16，平坦化金属层17至露出无定型碳层15上的绝缘层16。本实施例中，采用化学机械抛光工艺(CMP)平坦化图7所示的金属层17。
请结合参考图2和图9，步骤S17，去除图8所示的无定型碳层15及其上的绝缘层16，露出分立排列的金属栅格17a。此外，还有部分绝缘层16半包围于所述金属栅格17a，即绝缘层16位于金属栅格17a的底部和侧壁。
本实施例中，先去除无定型碳层上的绝缘层，再去除无定型碳层。具体可以包括：在绝缘层和金属层的表面形成光刻胶层(未图示)；图形化光刻胶层，以图形化的光刻胶层为掩膜，刻蚀所述绝缘层至露出所述无定型碳层；继续刻蚀所述无定形碳层至露出所述半导体衬底；去除所述光刻胶层。
刻蚀所述绝缘层的工艺可以是干法刻蚀，绝缘层的材料不同，采用的刻蚀气体也不同，例如，绝缘层的材料为Si3N4，刻蚀气体可以采用CF4/O2、CF4/H2、CHF3/O2、CH2F2等；绝缘层的材料为SiO2，刻蚀气体可以采用SFn、NF、CF4等。刻蚀所述无定型碳层15的工艺可以是干法刻蚀，所采用的刻蚀气体为O3。
在其它实施例中，刻蚀所述绝缘层至露出所述无定型碳层后，也可以采用灰化去除所述无定型碳层至露出所述半导体衬底，灰化的温度范围为300℃～800℃。
请结合参考图2和图10，步骤S18，在金属栅格17a之间形成滤光层18。可以采用曝光、显影、刻蚀工艺在金属栅格17a之间形成滤光层18。滤光层18的材料可以为负性光阻材料，例如丙烯酸类聚合物。滤光层18可以包括选择性透过红光波长的红色滤光器、选择性透过绿光波长的绿色滤光器和选择性透过蓝光波长的蓝色滤光器，各滤光器由金属栅格17a隔开，分别对应半导体衬底10内的光电二极管12。
请结合参考图2和图11，步骤S19，在滤光层18上形成透镜层19。透镜层19包括多个微透镜，分别覆盖滤光层18的各个滤光器。微透镜的宽度可以等于或略大于滤光器的宽度。
本实施例中，在滤光层18上形成透镜层19可以包括：在所述滤光层18和金属栅格17a上依次形成透镜材料(例如透明树脂)层和光刻胶层(未图示)；图形化所述光刻胶层，定义出微透镜图形；以图形化的光刻胶层为掩膜，沿微透镜图形刻蚀所述透镜材料层至露出所述金属栅格17a，形成间隔排列的微透镜；去除光刻胶层；采用回流工艺，使微透镜表面凸起。
上述实施例形成的图像传感器如图11所示，包括：半导体衬底10；光电二极管12，位于所述半导体衬底10内，且所述光电二极管12分立排列；深沟槽隔离结构13，位于所述半导体衬底10内，且位于所述光电二极管12之间；金属栅格17a，分立排列于所述半导体衬底10上；绝缘层16，位于所述金属栅格17a的底部及侧壁上；滤光层18，位于所述金属栅格17a之间；透镜层19，位于所述滤光层18上。后续还可以在微透镜之间形成隔离结构，用于防止光线串扰，如图12所示。
本发明虽然已以较佳实施方式公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (12)
1.一种金属栅格的形成方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，在所述半导体衬底内形成分立的光电二极管及深沟槽隔离结构，所述深沟槽隔离结构位于所述光电二极管之间；
在所述半导体衬底上形成无定型碳层；
在所述无定型碳层形成露出所述半导体衬底的凹槽，所述凹槽定义出金属栅格的位置和尺寸；
在所述无定型碳层表面、凹槽侧壁及底部形成绝缘层；
在所述绝缘层表面形成金属层，所述金属层填满所述凹槽；
平坦化所述金属层至露出所述无定型碳层上的所述绝缘层；
去除所述无定型碳层及其上的所述绝缘层，露出分立排列的金属栅格。
2.如权利要求1所述金属栅格的形成方法，其特征在于，形成所述无定型碳层采用化学气相沉积法。
3.如权利要求1所述金属栅格的形成方法，其特征在于，形成所述凹槽采用刻蚀工艺或灰化工艺。
4.如权利要求3所述的金属栅格的形成方法，其特征在于，形成所述凹槽的刻蚀工艺采用的气体是O3。
5.如权利要求3所述的金属栅格的形成方法，其特征在于，形成所述凹槽的灰化工艺的温度范围为300℃～800℃。
6.如权利要求1所述金属栅格的形成方法，其特征在于，所述绝缘层的材料是氧化物或氮化物，形成所述绝缘层采用化学气相沉积法。
7.如权利要求1所述金属栅格的形成方法，其特征在于，所述金属层的材料为钨或铝，形成所述金属层采用化学气相沉积法或物理气相沉积法。
8.如权利要求1所述金属栅格的形成方法，其特征在于，去除所述无定型碳层采用刻蚀工艺或灰化工艺。
9.如权利要求8所述的金属栅格的形成方法，其特征在于，去除所述无定型碳层的刻蚀工艺采用的气体是O3。
10.如权利要求8所述的金属栅格的形成方法，其特征在于，去除所述无定型碳层的灰化工艺的温度范围为300℃～800℃。
11.一种图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：
权利要求1至10任一项所述的金属栅格的形成方法；
在所述金属栅格之间形成滤光层；
在所述滤光层上形成透镜层。
12.一种如权利要求11所述的方法形成的图像传感器，其特征在于，包括：
半导体衬底；
光电二极管，位于所述半导体衬底内，且所述光电二极管分立排列；
深沟槽隔离结构，位于所述半导体衬底内，且位于所述光电二极管之间；
金属栅格，分立排列于所述半导体衬底上；
绝缘层，位于所述金属栅格的底部及侧壁上；
滤光层，位于所述金属栅格之间；
透镜层，位于所述滤光层上。
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