CN109860215B - 图像传感器及其形成方法 - Google Patents

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，所述半导体衬底的表面具有第一介质层；形成穿透硅通孔沟槽，所述穿透硅通孔沟槽贯穿所述半导体衬底以及所述第一介质层；形成格栅材料，所述格栅材料的一部分填充所述穿透硅通孔沟槽以形成穿透硅通孔，所述格栅材料的另一部分覆盖所述第一介质层以形成格栅材料层；在所述格栅材料层的表面形成衬垫；对未被所述衬垫覆盖的格栅材料层进行刻蚀，以形成网格状的格栅结构。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

图像传感器及其形成方法

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，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；形成穿透硅通孔沟槽，所述穿透硅通孔沟槽贯穿所述半导体衬底以及所述第一介质层；形成格栅材料，所述格栅材料的一部分填充所述穿透硅通孔沟槽以形成穿透硅通孔，所述格栅材料的另一部分覆盖所述第一介质层以形成格栅材料层；在所述格栅材料层的表面形成衬垫；对未被所述衬垫覆盖的格栅材料层进行刻蚀，以形成网格状的格栅结构。

可选的，形成穿透硅通孔沟槽包括：在所述第一介质层的表面形成图案化的第一掩膜层；以所述第一掩膜层为掩膜，刻蚀所述第一介质层和半导体衬底以形成穿透硅通孔沟槽，所述穿透硅通孔沟槽贯穿所述半导体衬底以及所述第一介质层。

可选的，在所述格栅材料层的表面形成衬垫包括：在所述格栅材料层的表面形成衬垫材料层；在所述衬垫材料层的表面形成图案化的第二掩膜层；以所述第二掩膜层为掩膜，对所述衬垫材料层进行刻蚀以形成所述衬垫。

可选的，对未被所述衬垫覆盖的格栅材料层进行刻蚀，以形成网格状的格栅结构包括：在所述衬垫以及格栅材料层的表面形成图案化的第三掩膜层；以所述第三掩膜层为掩膜，对未被所述衬垫覆盖的格栅材料层进行刻蚀，以形成所述格栅结构。

可选的，在对未被所述衬垫覆盖的格栅材料层进行刻蚀，以形成网格状的格栅结构之前，所述的图像传感器的形成方法还包括：在所述衬垫以及格栅材料层的表面形成第二介质层。

可选的，在对未被所述衬垫覆盖的格栅材料层进行刻蚀，以形成网格状的格栅结构之后，所述的图像传感器的形成方法还包括：形成第三介质层，所述第三介质层覆盖所述衬垫、所述格栅结构的顶部表面以及所述网格状的格栅结构的开口的底部表面与侧壁。

可选的，所述格栅材料层的材料为钨。

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，所述半导体衬底的表面具有第一介质层；穿透硅通孔沟槽，所述穿透硅通孔沟槽贯穿所述半导体衬底以及所述第一介质层；格栅材料，覆盖所述穿透硅通孔沟槽，所述格栅材料未被覆盖的部分具有网格状的格栅结构。

可选的，所述的图像传感器还包括：衬垫，形成于所述格栅材料的表面；第二介质层，覆盖所述衬垫，且覆盖所述格栅结构的顶部表面。

可选的，所述的图像传感器还包括：衬垫，形成于所述格栅材料的表面；第三介质层，覆盖所述衬垫、所述格栅结构的顶部表面以及所述格栅结构的开口的底部表面与侧壁。

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；形成穿透硅通孔沟槽，所述穿透硅通孔沟槽贯穿所述半导体衬底以及所述第一介质层；形成格栅材料，所述格栅材料的一部分填充所述穿透硅通孔沟槽以形成穿透硅通孔，所述格栅材料的另一部分覆盖所述第一介质层以形成格栅材料层；在所述格栅材料层的表面形成衬垫；对未被所述衬垫覆盖的格栅材料层进行刻蚀，以形成网格状的格栅结构。采用上述方案，可以采用第一道光刻工艺刻蚀所述第一介质层和半导体衬底以形成穿透硅通孔沟槽，再采用第二道光刻工艺对所述衬垫材料层进行刻蚀以形成所述衬垫，再采用第三道光刻工艺对未被所述衬垫覆盖的格栅材料层进行刻蚀，以形成网格状的格栅结构，因而最少仅需要采用三道光刻工艺。而在现有技术中，先采用第一道光刻工艺刻蚀所述第一介质层和半导体衬底以形成穿透硅通孔沟槽，在形成第二介质层后，再采用第二道光刻工艺形成衬垫，再采用第三道光刻工艺形成格栅区域开口，再采用第四道光刻工艺形成第一衬垫开口，再采用第五道光刻工艺形成格栅以及滤镜开口，至少需要采用五道光刻工艺。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，在本发明实施例中，通过在所述衬垫以及格栅材料层的表面形成第二介质层，可以在刻蚀形成格栅结构的过程中，对所述衬垫以及格栅材料层进行有效的保护，提高图像传感器的质量。

进一步，在本发明实施例中，通过形成第三介质层，可以对形成的格栅结构进行保护，方便进行后续工艺，提高图像传感器的质量。

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18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，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以形成穿透硅通孔沟槽102，所述穿透硅通孔沟槽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，在形成穿透硅通孔沟槽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(AlPad)。

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，其间需要采用至少五层掩膜层；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，也导致难以对该五层掩膜层进行合并或删除。进一步地，在形成格栅160之后，还需要形成第六掩膜层，并根据所述第六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；形成穿透硅通孔沟槽，所述穿透硅通孔沟槽贯穿所述半导体衬底以及所述第一介质层；形成格栅材料，所述格栅材料的一部分填充所述穿透硅通孔沟槽以形成穿透硅通孔，所述格栅材料的另一部分覆盖所述第一介质层以形成格栅材料层；在所述格栅材料层的表面形成衬垫；对未被所述衬垫覆盖的格栅材料层进行刻蚀，以形成网格状的格栅结构。采用上述方案，可以采用第一道光刻工艺刻蚀所述第一介质层和半导体衬底以形成穿透硅通孔沟槽，再采用第二道光刻工艺对所述衬垫材料层进行刻蚀以形成所述衬垫，再采用第三道光刻工艺对未被所述衬垫覆盖的格栅材料层进行刻蚀，以形成网格状的格栅结构，因而最少仅需要采用三道光刻工艺。而在现有技术中，先采用第一道光刻工艺刻蚀所述第一介质层和半导体衬底以形成穿透硅通孔沟槽，在形成第二介质层后，再采用第二道光刻工艺形成衬垫，再采用第三道光刻工艺形成格栅区域开口，再采用第四道光刻工艺形成第一衬垫开口，再采用第五道光刻工艺形成格栅以及滤镜开口，至少需要采用五道光刻工艺。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S25：

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：形成穿透硅通孔沟槽，所述穿透硅通孔沟槽贯穿所述半导体衬底以及所述第一介质层；

步骤S23：形成格栅材料，所述格栅材料的一部分填充所述穿透硅通孔沟槽以形成穿透硅通孔，所述格栅材料的另一部分覆盖所述第一介质层以形成格栅材料层；

步骤S24：在所述格栅材料层的表面形成衬垫；

步骤S25：对未被所述衬垫覆盖的格栅材料层进行刻蚀，以形成网格状的格栅结构。

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，在所述第一介质层211的表面形成图案化的第一掩膜层221，以所述第一掩膜层221为掩膜，刻蚀所述第一介质层211和半导体衬底200以形成穿透硅通孔沟槽202，所述穿透硅通孔沟槽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，所述第一介质层211可以选自：氧化硅层、氮化硅层、氧化硅与氮化硅的叠层。

参照图12，形成格栅材料260，所述格栅材料260的一部分填充所述穿透硅通孔沟槽202以形成穿透硅通孔261，所述格栅材料的另一部分覆盖所述第一介质层211以形成格栅材料层262。

在具体实施中，所述格栅材料260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。

进一步地，所述格栅材料层262的材料可以为钨。

在本发明实施例中，由于格栅材料260用于一体化形成穿透硅通孔261以及格栅材料层262，进而形成格栅材料，因此相比于在现有技术中，可以采用相同或不同的格栅材料分别形成穿透硅通孔以及格栅结构，采用本发明实施例的方案，可以采用更适当的材料，一体化形成穿透硅通孔261以及格栅材料层262，从而不仅有助于减少掩膜层以及光刻工艺的数量，还可以进一步降低制造成本。

需要指出的是，所述格栅材料层262的材料还可以为其他适当的材料，在本发明实施例中，对于所述格栅材料层262的具体材料不做限制。

参照图13，在所述格栅材料层262的表面形成衬垫材料层230。

在具体实施中，所述衬垫材料层230的材料可以为金属铝。

需要指出的是，所述衬垫材料层230的材料还可以为其他适当的材料，在本发明实施例中，对于所述衬垫材料层230的具体材料不做限制。

参照图14，在所述衬垫材料层230(参照图13)的表面形成图案化的第二掩膜层222，以所述第二掩膜层222为掩膜，对所述衬垫材料层230进行刻蚀以形成所述衬垫231。

参照图15，在所述衬垫231以及格栅材料层262的表面形成第二介质层212。

在具体实施中，所述第二介质层212可以选自：氧化硅层、氮化硅层、氧化硅与氮化硅的叠层。

在本发明实施例中，通过在所述衬垫231以及格栅材料层262的表面形成第二介质层212，可以在后续刻蚀形成格栅结构的过程中，对所述衬垫231以及格栅材料层262进行有效的保护，提高图像传感器的质量。

参照图16，在所述衬垫231以及格栅材料层262的表面形成图案化的第三掩膜层223。

参照图17，以所述第三掩膜层223为掩膜，对未被所述衬垫262覆盖的格栅材料层262进行刻蚀，以形成网格状的格栅结构263。

参照图18，形成第三介质层213，所述第三介质层213覆盖所述衬垫231、所述格栅结构263的顶部表面以及所述网格状的格栅结构263的开口的底部表面与侧壁。

在具体实施中，所述第三介质层213可以选自：氧化硅层、氮化硅层、氧化硅与氮化硅的叠层。

优选地，可以采用相同的材料形成所述第二介质层212以及所述第三介质层213，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二介质层212以及所述第三介质层213进行刻蚀，降低工艺复杂度。

在本发明实施例中，通过形成第三介质层213，可以对形成的格栅结构263进行保护，方便进行后续工艺，提高图像传感器的质量。相比于现有技术中需要在后续工艺中形成钝化层，以对格栅结构进行保护，采用本发明实施例的方案，可以在形成格栅材料263后，采用第三介质层213及时对其进行保护。

可以理解的是，在本发明实施例中，根据具体需求，还可以采用第四道光刻工艺，也即形成第四掩膜层，对第二介质层212以及第三介质层213进行刻蚀，以形成衬垫开口。

然而，需要指出的是，在现有技术中，在形成钝化层之后，也需要在所述钝化层的表面形成第六掩膜层，对钝化层进行刻蚀以形成第二衬垫开口。因此，与现有技术相比，形成衬垫开口的步骤并未额外增加光刻工艺的数目。

在本发明实施例中，可以采用第一道光刻工艺刻蚀所述第一介质层211和半导体衬底200以形成穿透硅通孔沟槽202，再采用第二道光刻工艺对所述衬垫材料层进行刻蚀以形成所述衬垫231，再采用第三道光刻工艺对未被所述衬垫231覆盖的格栅材料层262进行刻蚀，以形成网格状的格栅结构263，因而最少仅需要采用三道光刻工艺。而在现有技术中，先采用第一道光刻工艺刻蚀所述第一介质层和半导体衬底以形成穿透硅通孔沟槽，在形成第二介质层后，再采用第二道光刻工艺形成衬垫，再采用第三道光刻工艺形成格栅区域开口，再采用第四道光刻工艺形成第一衬垫开口，再采用第五道光刻工艺形成格栅以及滤镜开口，至少需要采用五道光刻工艺。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。

在本发明实施例中，还提供一种图像传感器，参照图18，所述图像传感器可以包括：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；穿透硅通孔沟槽202，所述穿透硅通孔沟槽202贯穿所述半导体衬底200以及所述第一介质层211；格栅材料260，覆盖所述穿透硅通孔沟槽202，所述格栅材料260未被覆盖的部分具有网格状的格栅结构263。

进一步地，所述图像传感器还可以包括衬垫231，形成于所述格栅材料260的表面；第二介质层212，覆盖所述衬垫231，且覆盖所述格栅结构263的顶部表面。

进一步地，所述图像传感器还可以包括衬垫231，形成于所述格栅材料260的表面；第三介质层213，覆盖所述衬垫231、所述格栅结构263的顶部表面以及所述格栅结构263的开口的底部表面与侧壁。

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18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；

形成穿透硅通孔沟槽，所述穿透硅通孔沟槽贯穿所述半导体衬底以及所述第一介质层；

形成格栅材料，所述格栅材料的一部分填充所述穿透硅通孔沟槽以形成穿透硅通孔，所述格栅材料的另一部分覆盖所述第一介质层以形成格栅材料层；

在所述格栅材料层的表面形成衬垫；

对未被所述衬垫覆盖的格栅材料层进行刻蚀，以形成网格状的格栅结构。

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，形成穿透硅通孔沟槽包括：

在所述第一介质层的表面形成图案化的第一掩膜层；

以所述第一掩膜层为掩膜，刻蚀所述第一介质层和半导体衬底以形成穿透硅通孔沟槽，所述穿透硅通孔沟槽贯穿所述半导体衬底以及所述第一介质层。

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，在所述格栅材料层的表面形成衬垫包括：

在所述格栅材料层的表面形成衬垫材料层；

在所述衬垫材料层的表面形成图案化的第二掩膜层；

以所述第二掩膜层为掩膜，对所述衬垫材料层进行刻蚀以形成所述衬垫。

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，对未被所述衬垫覆盖的格栅材料层进行刻蚀，以形成网格状的格栅结构包括：

在所述衬垫以及格栅材料层的表面形成图案化的第三掩膜层；

以所述第三掩膜层为掩膜，对未被所述衬垫覆盖的格栅材料层进行刻蚀，以形成所述格栅结构。

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，在对未被所述衬垫覆盖的格栅材料层进行刻蚀，以形成网格状的格栅结构之前，还包括：

在所述衬垫以及格栅材料层的表面形成第二介质层。

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，在对未被所述衬垫覆盖的格栅材料层进行刻蚀，以形成网格状的格栅结构之后，还包括：

形成第三介质层，所述第三介质层覆盖所述衬垫、所述格栅结构的顶部表面以及所述网格状的格栅结构的开口的底部表面与侧壁。

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，所述格栅材料层的材料为钨。

8.一种图像传感器，其特征在于，包括：

半导体衬底，所述半导体衬底的表面具有第一介质层；

穿透硅通孔沟槽，所述穿透硅通孔沟槽贯穿所述半导体衬底以及所述第一介质层；

格栅材料，所述格栅材料的一部分填充所述穿透硅通孔沟槽以形成穿透硅通孔，所述格栅材料的另一部分覆盖所述第一介质层以形成格栅材料层；

衬垫，形成于所述格栅材料的表面；

网格状的格栅结构，是对未被所述衬垫覆盖的格栅材料层进行刻蚀形成的。

9.根据权利要求8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，且覆盖所述格栅结构的顶部表面。

10.根据权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，还包括：

第三介质层，覆盖所述衬垫、所述格栅结构的顶部表面以及所述格栅结构的开口的底部表面与侧壁。

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