CN110085616A - 图像传感器的形成方法 - Google Patents

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Abstract

一种图像传感器的形成方法，所述方法包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底的背面形成介质薄膜；对所述介质薄膜以及所述半导体衬底进行刻蚀，以形成刻蚀沟槽；采用原子层沉积工艺形成氮化硅薄膜，所述氮化硅薄膜覆盖所述刻蚀沟槽的侧壁和底部表面。本发明方案有助于解决在刻蚀沟槽的顶部过早收口导致侧壁覆盖过薄的问题。

Description

图像传感器的形成方法
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的形成方法。
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。以互补金属氧化物半导体图像传感器(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，先在半导体衬底内及表面形成逻辑器件、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，进而对半导体衬底的背部进行减薄，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网格状的格栅(Grid)，在所述格栅之间的网格内形成多种滤色镜(Color Filter)等，在滤色镜的表面形成透镜结构等。
需要指出的是，对半导体衬底的背部进行减薄之后，还需要采用背部硅通孔(Backside Through Silicon Via，BTSV)工艺，自半导体衬底的背部形成穿通所述半导体衬底并连接至栅极结构的BTSV结构。
然而，在现有的BTSV技术中，需要在形成BTSV刻蚀沟槽之后，在刻蚀沟槽内形成氮化硅隔离薄膜以对金属材料和半导体衬底之间进行隔离，然而容易发生在刻蚀沟槽的顶部过早收口导致侧壁薄膜厚度过薄的问题，影响隔离效果。
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，有助于解决在刻蚀沟槽的顶部过早收口导致侧壁覆盖过薄的问题。
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；在所述半导体衬底的背面形成介质薄膜；对所述介质薄膜以及所述半导体衬底进行刻蚀，以形成刻蚀沟槽；采用原子层沉积工艺形成氮化硅薄膜，所述氮化硅薄膜覆盖所述刻蚀沟槽的侧壁和底部表面。
可选的，所述半导体衬底内包含有浅槽隔离结构，所述半导体衬底的正面具有栅极结构，所述栅极结构与所述浅槽隔离结构接触，所述刻蚀沟槽的底部暴露出所述浅槽隔离结构；所述形成方法还包括：对所述刻蚀沟槽的底部表面的氮化硅薄膜进行刻蚀；对所述刻蚀沟槽的底部暴露出的浅槽隔离结构进行延伸刻蚀以形成延伸沟槽，所述延伸沟槽暴露出所述栅极结构；在所述延伸沟槽内填充金属材料，以形成金属互连线。
可选的，在所述延伸沟槽内填充金属材料，以形成金属互连线包括：填充所述金属材料，所述金属材料覆盖所述延伸沟槽以及所述半导体衬底；对所述金属材料进行平坦化，以形成金属互连线。
可选的，对所述介质薄膜以及所述半导体衬底进行刻蚀，以形成刻蚀沟槽包括：在所述介质薄膜的表面形成氮化硅层；对所述氮化硅层、所述介质薄膜以及所述半导体衬底进行刻蚀，以形成所述刻蚀沟槽。
可选的，在所述介质薄膜的表面形成氮化硅层包括：采用等离子增强型化学气相沉积工艺，在所述介质薄膜的表面形成氮化硅层。
可选的，所述氮化硅层的厚度为280nm至300nm。
可选的，所述氮化硅薄膜的厚度为270nm至290nm。
可选的，所述介质薄膜选自：氧化硅薄膜与氮化硅膜的堆叠层、氧化硅薄膜、氮化硅膜。
可选的，所述介质薄膜为氧化硅薄膜与氮化硅膜的堆叠层；其中，所述氧化硅薄膜的厚度为190nm至210nm。
可选的，采用原子层沉积工艺，形成所述氧化硅薄膜。
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；在所述半导体衬底的背面形成介质薄膜；对所述介质薄膜以及所述半导体衬底进行刻蚀，以形成刻蚀沟槽；采用原子层沉积工艺形成氮化硅薄膜，所述氮化硅薄膜覆盖所述刻蚀沟槽的侧壁和底部表面。采用上述方案，可以通过采用原子层沉积工艺形成氮化硅薄膜，由于原子层沉积工艺通常用于进行原子尺度可控的薄膜生长，对氮化硅薄膜的均匀度控制更好，并且，由于原子层沉积工艺是以单原子膜形式一层一层沉积形成薄膜，相比于其他沉积工艺，具有更强的填隙能力以及台阶覆盖能力，有助于解决在刻蚀沟槽的顶部过早收口导致侧壁覆盖过薄的问题。
进一步，在本发明实施例中，通过采用等离子增强型化学气相沉积工艺，可以在较短时间内形成厚度较厚、质量较好的氮化硅层，有助于在后续工艺中对所述介质薄膜进行有效保护。
附图说明
图1至图4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5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6至图10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
如前所述，在现有的BTSV技术中，通常在形成BTSV刻蚀沟槽之后，在刻蚀沟槽内形成氮化硅隔离薄膜以对金属材料和半导体衬底之间进行隔离。
图1至图4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内可以包含有浅槽隔离结构132，所述半导体衬底100的正面可以具有栅极结构134，所述栅极结构134与所述浅槽隔离结构132接触。
进而在所述半导体衬底100的背面形成有介质薄膜110，对所述介质薄膜110以及所述半导体衬底100进行刻蚀，以形成刻蚀沟槽141。
其中，所述刻蚀沟槽141可以用于形成BTSV。
在具体实施中，所述半导体衬底100的正面还可以形成金属互连结构层。
参照图2，形成初始氮化硅层121，所述初始氮化硅层121覆盖所述介质薄膜110的表面以及所述刻蚀沟槽141的侧壁与底部表面，并且在刻蚀沟槽141的顶部收口。
需要指出的是，在现有技术中，所述初始氮化硅层121是采用等离子体增强化学的气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)工艺形成的，具有成膜质量好等优点。
本发明的发明人经过研究发现，由于PECVD工艺成膜的台阶覆盖能力较差，采用PECVD工艺形成所述初始氮化硅层121，容易发生膜层过早收口的问题，进而导致所述刻蚀沟槽141的侧壁形成的初始氮化硅层121过薄，严重时影响隔离效果。
参照图3，采用刻蚀工艺，去除所述初始氮化硅层121的一部分以形成氮化硅层120，并且暴露出刻蚀沟槽141。
参照图4，对所述刻蚀沟槽141(参照图3)的底部表面的氮化硅层120进行刻蚀，然后对所述刻蚀沟槽141的底部暴露出的浅槽隔离结构132进行延伸刻蚀以形成延伸沟槽142，所述延伸沟槽142暴露出所述栅极结构134。
在刻蚀过程中，所述氮化硅层120可以作为保护层，对介质薄膜110进行保护。
本发明的发明人经过研究进一步发现，在发生膜层过早收口的问题时，为了更有效地暴露出刻蚀沟槽，往往需要去除更多的初始氮化硅层，导致形成的所述氮化硅层120厚度较薄，进而影响对介质薄膜110的保护效果。
在本发明实施例中，提供半导体衬底；在所述半导体衬底的背面形成介质薄膜；对所述介质薄膜以及所述半导体衬底进行刻蚀，以形成刻蚀沟槽；采用原子层沉积工艺形成氮化硅薄膜，所述氮化硅薄膜覆盖所述刻蚀沟槽的侧壁和底部表面。采用上述方案，可以通过采用原子层沉积工艺形成氮化硅薄膜，由于原子层沉积工艺通常用于进行原子尺度可控的薄膜生长，对氮化硅薄膜的均匀度控制更好，并且，由于原子层沉积工艺是以单原子膜形式一层一层沉积形成薄膜，相比于其他沉积工艺，具有更强的填隙能力以及台阶覆盖能力，有助于解决在刻蚀沟槽的顶部过早收口导致侧壁覆盖过薄的问题。
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5，图5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；
步骤S22：在所述半导体衬底的背面形成介质薄膜；
步骤S23：对所述介质薄膜以及所述半导体衬底进行刻蚀，以形成刻蚀沟槽；
步骤S24：采用原子层沉积工艺形成氮化硅薄膜，所述氮化硅薄膜覆盖所述刻蚀沟槽的侧壁和底部表面。
下面结合图6至图10对上述各个步骤进行说明。
图6至图10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6，提供半导体衬底200，在所述半导体衬底的背面形成介质薄膜210，在所述介质薄膜210的表面形成氮化硅层220。
其中，所述半导体衬底200内可以包含有浅槽隔离结构232，所述半导体衬底200的正面可以具有栅极结构234以及金属互连介质层，所述栅极结构234与所述浅槽隔离结构232接触。
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)。
进一步地，所述介质薄膜210可以选自：氧化硅薄膜与氮化硅膜的堆叠层、氧化硅薄膜、氮化硅膜。
其中，所述氧化硅薄膜的材料可以为SiO2，所述氮化硅膜的材料可以为Si3N4。
更进一步地，所述介质薄膜210为氧化硅薄膜与氮化硅膜的堆叠层；其中，所述氧化硅薄膜的厚度为190nm至210nm。
优选地，所述氧化硅薄膜的厚度可以为200nm。
在本发明实施例中，可以采用氧化硅薄膜与氮化硅膜的堆叠层作为所述介质薄膜210，由于氧化硅与氮化硅的应力方向相反，有助于降低所述半导体衬底承受的应力，并且提高器件品质。
更进一步地，可以采用原子层沉积工艺，形成所述氧化硅薄膜，从而使得形成的氧化硅薄膜具有更好的填隙能力以及台阶覆盖能力。
进一步地，可以在所述介质薄膜210的表面形成硬掩膜(Hard Mask，HM)层。
其中，形成所述硬掩膜层的步骤可以为：采用等离子增强型化学气相沉积工艺，在所述介质薄膜210的表面形成氮化硅层220。
其中，所述氮化硅层220的厚度为280nm至300nm。
优选地，所述氮化硅层220的厚度可以为290nm。
在本发明实施例中，通过采用等离子增强型化学气相沉积工艺，可以在较短时间内形成厚度较厚、质量较好的氮化硅层220，有助于在后续工艺中对所述介质薄膜210进行有效保护。
参照图7，在所述氮化硅层220的表面形成图形化的掩膜层260，以所述掩膜层260为掩膜，对所述氮化硅层220、所述介质薄膜210以及所述半导体衬底200进行刻蚀，以形成刻蚀沟槽241。
其中，所述刻蚀沟槽241的底部可以暴露出所述浅槽隔离结构232。
进一步地，可以采用干法刻蚀工艺，形成所述刻蚀沟槽241。
需要指出的是，可以采用常规的BTSV刻蚀工艺，形成所述刻蚀沟槽241，本发明实施例中，对于具体的刻蚀工艺不作限制。
参照图8，采用原子层沉积工艺形成氮化硅薄膜280，所述氮化硅薄膜280覆盖所述刻蚀沟槽241的侧壁和底部表面。
进一步地，所述氮化硅薄膜280的材料可以为Si3N4。
进一步地，所述氮化硅薄膜280的厚度可以为270nm至290nm。
优选地，所述氮化硅薄膜280的厚度可以为280nm。
在本发明实施例中，采用原子层沉积工艺形成氮化硅薄膜280，由于原子层沉积工艺通常用于进行原子尺度可控的薄膜生长，对氮化硅薄膜280的均匀度控制更好，并且，由于原子层沉积工艺是以单原子膜形式一层一层沉积形成薄膜，相比于其他沉积工艺，具有更强的填隙能力以及台阶覆盖能力，有助于解决过早收口导致侧壁覆盖过薄的问题。
参照图9，对所述刻蚀沟槽241(参照图8)的底部表面的氮化硅薄膜280进行刻蚀，对所述刻蚀沟槽241的底部暴露出的浅槽隔离结构232进行延伸刻蚀以形成延伸沟槽242，所述延伸沟槽242暴露出所述栅极结构234，在所述延伸沟槽242内填充金属材料290，所述金属材料290覆盖所述延伸沟槽以及所述半导体衬底。
其中，所述金属材料290可以选自：铜、铝、银、金、铂以及钴。
优选地，可以采用金属铜填充所述延伸沟槽242，在后续工艺中形成金属互连线后，具有较好的导通特性。
在本发明实施例中，在对所述刻蚀沟槽241的底部表面的氮化硅薄膜280进行刻蚀的过程中，可以采用氮化硅薄膜280以及氮化硅层220对介质薄膜210进行双重保护，有助于显著提高对介质薄膜210的保护效果。
需要指出的是，如图9所示，根据所述氮化硅薄膜280的厚度为270nm至290nm，在形成延伸沟槽242后，所述氮化硅薄膜280可能被完全消耗，所述氮化硅层220可能会发生一部分损耗，相比于现有技术中可能会完全消耗氮化硅层且导致氧化硅薄膜发生损耗，采用本发明实施例的方案，可以有效地保护介质薄膜210。
参照图10，对所述金属材料290进行平坦化，以形成金属互连线291。
具体地，可以采用化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)工艺对所述金属材料290进行平坦化。
在具体实施中，经过平坦化工艺，可以去除剩余的氮化硅层220并暴露出介质薄膜210。
在本发明实施例中，采用原子层沉积工艺形成氮化硅薄膜280，由于原子层沉积工艺通常用于进行原子尺度可控的薄膜生长，对氮化硅薄膜280的均匀度控制更好，并且，由于原子层沉积工艺是以单原子膜形式一层一层沉积形成薄膜，相比于其他沉积工艺，具有更强的填隙能力以及台阶覆盖能力，有助于解决在刻蚀沟槽的顶部过早收口导致侧壁覆盖过薄的问题。进一步地，由于采用氮化硅薄膜280以及氮化硅层220对介质薄膜210进行双重保护，有助于获得更好的保护效果。
在本发明实施例中，还公开了一种图像传感器，参照图8，可以包括：半导体衬底200；介质薄膜210，位于所述半导体衬底200的背面；氮化硅层220，位于所述介质薄膜210的表面；刻蚀沟槽241，位于所述介质薄膜210以及所述半导体衬底200内；氮化硅薄膜280，覆盖所述刻蚀沟槽241的侧壁，其中，所述刻蚀沟槽241穿通所述氮化硅层220。
具体而言，所述氮化硅薄膜280可以是采用原子层沉积工艺形成的，所述初始氮化硅层121可以是采用PECVD工艺形成的。在采用原子层沉积工艺形成所述氮化硅薄膜280的过程中，不易发生刻蚀沟槽241的顶部过早收口的问题。
进一步地，所述半导体衬底200内可以包含有浅槽隔离结构232，所述半导体衬底200的正面可以具有栅极结构234，所述栅极结构234与所述浅槽隔离结构232接触，所述刻蚀沟槽241的底部暴露出所述浅槽隔离结构232。
进一步地，所述图像传感器还可以包括：延伸沟槽，位于所述氧化硅薄膜以及所述半导体衬底内，且暴露出所述栅极结构。具体地，所述延伸沟槽可以是对所述刻蚀沟槽241的底部暴露出的浅槽隔离结构232进行延伸刻蚀形成的。
进一步地，所述图像传感器还可以包括：金属互连线，覆盖所述氮化硅薄膜280。
进一步地，所述氮化硅薄膜280的厚度可以为5μm至100um。
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5至图10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；
在所述半导体衬底的背面形成介质薄膜；
对所述介质薄膜以及所述半导体衬底进行刻蚀，以形成刻蚀沟槽；
采用原子层沉积工艺形成氮化硅薄膜，所述氮化硅薄膜覆盖所述刻蚀沟槽的侧壁和底部表面。
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，所述半导体衬底内包含有浅槽隔离结构，所述半导体衬底的正面具有栅极结构，所述栅极结构与所述浅槽隔离结构接触，所述刻蚀沟槽的底部暴露出所述浅槽隔离结构；
所述形成方法还包括：
对所述刻蚀沟槽的底部表面的氮化硅薄膜进行刻蚀；
对所述刻蚀沟槽的底部暴露出的浅槽隔离结构进行延伸刻蚀以形成延伸沟槽，所述延伸沟槽暴露出所述栅极结构；
在所述延伸沟槽内填充金属材料，以形成金属互连线。
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，在所述延伸沟槽内填充金属材料，以形成金属互连线包括：
填充所述金属材料，所述金属材料覆盖所述延伸沟槽以及所述半导体衬底；
对所述金属材料进行平坦化，以形成金属互连线。
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，对所述介质薄膜以及所述半导体衬底进行刻蚀，以形成刻蚀沟槽包括：
在所述介质薄膜的表面形成氮化硅层；
对所述氮化硅层、所述介质薄膜以及所述半导体衬底进行刻蚀，以形成所述刻蚀沟槽。
5.根据权利要求3所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，在所述介质薄膜的表面形成氮化硅层包括：
采用等离子增强型化学气相沉积工艺，在所述介质薄膜的表面形成氮化硅层。
6.根据权利要求4所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述氮化硅层的厚度为280nm至300nm。
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，所述氮化硅薄膜的厚度为270nm至290nm。
8.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，
所述介质薄膜选自：氧化硅薄膜与氮化硅膜的堆叠层、氧化硅薄膜、氮化硅膜。
9.根据权利要求8所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述介质薄膜为氧化硅薄膜与氮化硅膜的堆叠层；
其中，所述氧化硅薄膜的厚度为190nm至210nm。
10.根据权利要求8所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，
采用原子层沉积工艺，形成所述氧化硅薄膜。
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