CN110459552A - 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，所述半导体衬底的表面形成有平坦层；在所述平坦层的表面形成氧化硅薄膜；在所述氧化硅薄膜的表面形成透镜结构，所述透镜结构包含有多个凸透镜；采用含有氟离子的刻蚀剂，对所述多个凸透镜进行刻蚀，并在刻蚀过程中，持续采集SiF4材料的光谱信号强度；根据所述光谱信号强度，确定对所述多个凸透镜停止刻蚀的停止时间点。本发明方案可以根据光谱信号强度准确判断是否已经完成对凸透镜的转印刻蚀，从而达到精确刻蚀的效果。
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。
在一种具体应用中，可以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)，在滤色镜的表面形成平坦层(Under Layer)以形成平整的表面，进而在所述平坦层的表面形成透镜(Micro-Lens)结构，所述透镜结构包含有多个凸透镜。
在形成凸透镜的过程中，通常先形成透镜材料层，传统方式采用回流(Reflow)工艺，使其自然形成凸透镜形貌，然而，容易导致相邻的凸透镜之间缝隙相粘，进而影响聚光效果。
在现有技术中，可以采用刻蚀工艺对透镜结构进行刻蚀，可以增加透镜的进光面积，然而对刻蚀截止点(End Point)的控制成为一个亟需解决的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种图像传感器的形成方法，可以根据光谱信号强度准确判断是否已经完成对凸透镜的转印刻蚀，从而达到精确刻蚀的效果。
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形成有平坦层；在所述平坦层的表面形成氧化硅薄膜；在所述氧化硅薄膜的表面形成透镜结构，所述透镜结构包含有多个凸透镜；采用含有氟离子的刻蚀剂，对所述多个凸透镜进行刻蚀，并在刻蚀过程中，持续采集SiF4材料的光谱信号强度；根据所述光谱信号强度，确定对所述多个凸透镜停止刻蚀的停止时间点。
可选的，所述平坦层与所述凸透镜的材料为含有C、H、O元素的化合物，且不包含Si元素。
可选的，所述平坦层的材料选自：环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯。
可选的，所述凸透镜的材料为正光阻材料。
可选的，根据所述光谱信号强度，确定对所述多个凸透镜停止刻蚀的停止时间点包括：当所述SiF4材料的光谱信号强度符合以下一项或多项时，确定对所述多个凸透镜停止刻蚀：所述SiF4材料的光谱信号强度上升至预设强度阈值、所述SiF4材料的光谱信号强度上升至预设百分比以及所述SiF4材料的光谱信号强度的曲线出现拐点。
可选的，所述刻蚀剂选自：CH2F2以及CF4。
可选的，所述氧化硅薄膜的材料选自：二氧化硅、氮氧化硅、硅、无定形硅以及多晶硅。
可选的，所述氧化硅薄膜的材料为二氧化硅；所述二氧化硅的厚度选自：20nm至100nm。
可选的，所述氧化硅薄膜的形成工艺选自：LTCVD、PECVD以及HDPCVD。
可选的，在采用含有氟离子的刻蚀剂，对所述多个凸透镜进行刻蚀之前，所述的图像传感器的形成方法还包括：采用回流工艺，对所述多个凸透镜进行处理。
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，通过在所述平坦层与透镜材料层之间形成氧化硅薄膜，进而设置采用含有氟离子的刻蚀剂，对所述多个凸透镜进行刻蚀，并在刻蚀过程中，持续采集SiF4材料的光谱信号强度，可以根据光谱信号强度，判断出刻蚀至氧化硅薄膜的时刻，相比于现有技术中，采用固定刻蚀时长进行刻蚀，无法根据具体工艺情况，实时控制刻蚀深度，精确性较低，采用本发明实施例的方案，可以根据光谱信号强度准确判断是否已经完成对凸透镜的转印刻蚀，从而达到精确刻蚀的效果。
进一步，在本发明实施例中，所述平坦层与所述凸透镜的材料为含有C、H、O元素的化合物，且不包含Si元素，相比于直接对平坦层与凸透镜的堆叠层进行刻蚀，光谱信号难以体现区别，采用本发明实施例的方案，可以更有效地根据光谱信号强度准确判断是否已经完成对凸透镜的转印刻蚀，从而达到精确刻蚀的效果。
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9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；
图10是本发明实施例中一种光谱信号强度测量曲线的示意图。
具体实施方式
在现有的形成透镜结构的制造工艺中，通常先形成透镜材料层，然后通过刻蚀形成互相隔离的透镜块，进而采用回流工艺，使其自然形成凸透镜形貌，然而，容易导致相邻的凸透镜之间存在粘连，进而影响透光效果。
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的表面形成有平坦层110。
具体地，所述半导体衬底100可以为硅衬底，所述半导体衬底100还可以包括位于所述半导体衬底100的表面的结构，例如栅极结构、金属互连结构，滤镜结构等，并不限于所述半导体衬底100的表面以内的部分。
所述平坦层110可以用于在形成滤镜结构后的表面平坦化。
参照图2，在所述平坦层110的表面形成透镜块121。
具体地，可以先形成透镜材料层，然后在所述透镜材料层的表面形成图形化的掩膜层，进而以所述图形化的掩膜层为掩膜，形成所述互相隔离的透镜块121。
参照图3，采用回流工艺，对所述透镜块121进行处理，使其自然形成凸透镜122。
如图3所示，容易导致相邻的凸透镜之间缝隙相粘，进而影响聚光效果。
在现有技术中，可以采用刻蚀工艺对透镜结构进行刻蚀，可以增加透镜的进光面积。然而容易存在过刻蚀的问题，导致对平坦层110产生损伤。
参照图4，对所述多个凸透镜122(参照图3)进行刻蚀，以形成相互隔离的凸透镜123。
本发明的发明人经过研究发现，在现有技术中，所述平坦层110与所述凸透镜的材料均为含有C、H、O元素的化合物，其刻蚀剂的成分也具有一致性。因此对凸透镜122进行刻蚀，必然会损伤平坦层110，导致对平坦层的平坦性能产生影响。
发明的发明人经过研究进一步发现，在现有技术中，由于平坦层110与所述凸透镜的材料相似，且不具有易识别的元素(如Si元素)，导致即使采用光谱信号强度检测的方法寻找刻蚀的停止时间点(End-point)，也难以找到适当的元素进行检测。
在本发明实施例中，通过在所述平坦层与透镜材料层之间形成氧化硅薄膜，进而设置采用含有氟离子的刻蚀剂，对所述多个凸透镜进行刻蚀，并在刻蚀过程中，持续采集SiF4材料的光谱信号强度，可以根据光谱信号强度，判断出刻蚀至氧化硅薄膜的时刻，相比于现有技术中，采用固定刻蚀时长进行刻蚀，无法根据具体工艺情况，实时控制刻蚀深度，精确性较低，采用本发明实施例的方案，可以根据光谱信号强度准确判断是否已经完成对凸透镜的转印刻蚀，从而达到精确刻蚀的效果。
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S25：
步骤S21：提供半导体衬底，所述半导体衬底的表面形成有平坦层；
步骤S22：在所述平坦层的表面形成氧化硅薄膜；
步骤S23：在所述氧化硅薄膜的表面形成透镜结构，所述透镜结构包含有多个凸透镜；
步骤S24：采用含有氟离子的刻蚀剂，对所述多个凸透镜进行刻蚀，并在刻蚀过程中，持续采集SiF4材料的光谱信号强度；
步骤S25：根据所述光谱信号强度，确定对所述多个凸透镜停止刻蚀的停止时间点。
下面结合图6至图9对上述各个步骤进行说明。
图6至图9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200的表面形成平坦层210，在所述平坦层210的表面形成氧化硅薄膜230。
其中，所述半导体衬底200可以为硅衬底，或者所述半导体衬底200的材料还可以包括锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟，所述半导体衬底200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(Epitaxy layer，Epi layer)的衬底。优选地，所述半导体衬底200为轻掺杂的半导体衬底，且掺杂类型与后续工艺中在所述半导体衬底200内形成的光电二极管相反。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)。
需要指出的是，所述半导体衬底200还可以包括位于所述半导体衬底200的表面的结构，例如栅极结构、金属互连结构，滤镜结构等，并不限于所述半导体衬底200的表面以内的部分。
其中，所述平坦层210的材料可以为含有C、H、O元素的化合物，且不包含Si元素的材料。
作为一个非限制性的例子，所述平坦层210的材料可以选自：环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯。
需要指出的是，在本发明实施例中，所述平坦层210的材料还可以为其他适当的材料。如果所述平坦层210的材料中包含有Si元素，则可以不形成氧化硅薄膜230，而直接采用光谱信号强度对SiF4材料进行检测。
其中，所述氧化硅薄膜230的材料可以选自：二氧化硅、氮氧化硅、硅、无定形硅以及多晶硅。
在本发明实施例的一种优选方案中，所述氧化硅薄膜230的材料可以为二氧化硅。从而可以在后续刻蚀过程中，对Si元素进行检测，有助于确定刻蚀停止点。
需要指出的是，所述氧化硅薄膜230的厚度不应当过小，否则在刻蚀过程中难以对平坦层220进行保护；所述氧化硅薄膜230的厚度不应当过大，否则增加原材料成本和工艺时长。
作为一个非限制性的例子，所述氧化硅薄膜230的材料可以为二氧化硅；所述二氧化硅的厚度可以选自：20nm至100nm。
优选地，所述二氧化硅的厚度可以为50nm。
在本发明实施例的另一种优选方案中，所述氧化硅薄膜230的材料可以为氮氧化硅。从而可以在后续刻蚀过程中，对Si元素和/或氮元素进行检测，有助于确定刻蚀停止点。
进一步地，所述氧化硅薄膜的形成工艺可以选自：低温化学气相沉积(LowTemperature Chemical Vapor Deposition，LTCVD)工艺、等离子体增强化学的气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)工艺以及高密度等离子体化学气相淀积(High density Plasma Chemical Vapor Deposition，HDPCVD)工艺，以利用上述工艺中形成的薄膜致密性好的特性，使得形成的氧化硅薄膜230能够更好地对平坦层210进行保护，并且在后续光谱信号检测的过程中提供更均匀的数据支持。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，采用LTCVD工艺形成氧化硅薄膜230，由于该工艺具有低温特性，可以对已形成的半导体器件进行较好的保护。
参照图7，在所述平坦层210的表面形成透镜块221。
具体地，可以先形成透镜材料层，然后在所述透镜材料层的表面形成图形化的掩膜层，进而以所述图形化的掩膜层为掩膜，形成所述互相隔离的透镜块221。
具体地，透镜材料可以为含有C、H、O元素的化合物，且不包含Si元素的材料。例如可以为正光阻(Photo Resist，PR)材料。
作为一个非限制性的例子，可以设置所述透镜材料为丙二醇单甲醚乙酸酯。
在本发明实施例中，所述平坦层与所述凸透镜的材料为含有C、H、O元素的化合物，且不包含Si元素，相比于直接对平坦层与凸透镜的堆叠层进行刻蚀，光谱信号难以体现区别，采用本发明实施例的方案，可以更有效地根据光谱信号强度准确判断是否已经完成对凸透镜的转印刻蚀，从而达到精确刻蚀的效果。
参照图8，采用回流工艺，对所述透镜块221进行处理，使其自然形成凸透镜222。
如图所示，相邻的凸透镜222之间存在粘连，严重时影响透光效果，且容易引起光学串扰。
参照图9，采用含有氟离子的刻蚀剂，对所述多个凸透镜222进行刻蚀，并在刻蚀过程中，持续采集SiF4材料的光谱信号强度，以及根据所述光谱信号强度，确定对所述多个凸透镜停止刻蚀的停止时间点，并在停止刻蚀时，形成相互隔离的凸透镜223。
具体地，所述刻蚀剂可以含有氟离子，以使得在刻蚀过程中，反应生成SiF4化合物，从而满足光谱信号强度检测的需要。
进一步地，所述刻蚀剂可以选自：CH2F2以及CF4。
需要指出的是，在本发明实施例中，还可以采用其他适当的含有氟离子的刻蚀剂。
进一步地，根据所述光谱信号强度，确定对所述多个凸透镜222停止刻蚀的停止时间点的步骤可以包括：当所述SiF4材料的光谱信号强度符合以下一项或多项时，确定对所述多个凸透镜222停止刻蚀：所述SiF4材料的光谱信号强度上升至预设强度阈值、所述SiF4材料的光谱信号强度上升至预设百分比以及所述SiF4材料的光谱信号强度的曲线出现拐点。
在具体实施中，可以采用光谱检测仪采集所述光谱信号强度，还可以选择具有自测量光谱信号强度功能的刻蚀机台，实现在对所述SiF4材料进行刻蚀的过程中，对所述SiF4材料的光谱信号强度进行测量。
参照图10，图10是本发明实施例中一种光谱信号强度测量曲线的示意图。
具体地，所述曲线示出的是所述SiF4材料的光谱信号强度曲线。
具体地，在刻蚀至终点之前，被刻蚀的是凸透镜；在刻蚀至终点之后，同时被刻蚀的是凸透镜以及氧化硅薄膜。由于被刻蚀的材料不同，不同材料对应的光谱信号会发生变化，因此用光学探测仪器对这些光谱信号的强度进行探测和计算，可以获知刻蚀过程是否达到终点。
在具体实施中，可以根据所述SiF4材料的光谱信号强度上升至预设强度阈值，判断所述凸透镜之间的粘连区域已经被刻蚀至一定程度；还可以根据所述SiF4材料的光谱信号强度上升至预设百分比，判断所述凸透镜之间的粘连区域已经被刻蚀至一定程度，例如采用控片(Monitor Wafer)进行刻蚀并记录完全不发生粘连的情况，并设置当时的光谱信号强度为百分之百。
在具体实施中，还可以采用所述SiF4材料的光谱信号强度的曲线出现拐点，判断所述氧化硅薄膜已经有被刻蚀穿透的迹象，从而判断凸透镜之间的粘连区域已经被刻蚀至较深的程度。
在本发明实施例中，通过在所述平坦层与透镜材料层之间形成氧化硅薄膜，进而设置采用含有氟离子的刻蚀剂，对所述多个凸透镜进行刻蚀，并在刻蚀过程中，持续采集SiF4材料的光谱信号强度，可以根据光谱信号强度，判断出刻蚀至氧化硅薄膜的时刻，相比于现有技术中，采用固定刻蚀时长进行刻蚀，无法根据具体工艺情况，实时控制刻蚀深度，精确性较低，采用本发明实施例的方案，可以根据光谱信号强度准确判断是否已经完成对凸透镜的转印刻蚀，从而达到精确刻蚀的效果。
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形成有平坦层；
在所述平坦层的表面形成氧化硅薄膜；
在所述氧化硅薄膜的表面形成透镜结构，所述透镜结构包含有多个凸透镜；
采用含有氟离子的刻蚀剂，对所述多个凸透镜进行刻蚀，并在刻蚀过程中，持续采集SiF4材料的光谱信号强度；
根据所述光谱信号强度，确定对所述多个凸透镜停止刻蚀的停止时间点。
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，
所述平坦层与所述凸透镜的材料为含有C、H、O元素的化合物，且不包含Si元素。
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，
所述平坦层的材料选自：环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯。
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，
所述凸透镜的材料为正光阻材料。
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，根据所述光谱信号强度，确定对所述多个凸透镜停止刻蚀的停止时间点包括：
当所述SiF4材料的光谱信号强度符合以下一项或多项时，确定对所述多个凸透镜停止刻蚀：所述SiF4材料的光谱信号强度上升至预设强度阈值、所述SiF4材料的光谱信号强度上升至预设百分比以及所述SiF4材料的光谱信号强度的曲线出现拐点。
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，
所述刻蚀剂选自：CH2F2以及CF4。
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，
所述氧化硅薄膜的材料选自：二氧化硅、氮氧化硅、硅、无定形硅以及多晶硅。
8.根据权利要求7所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述氧化硅薄膜的材料为二氧化硅；
所述二氧化硅的厚度选自：20nm至100nm。
9.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，
所述氧化硅薄膜的形成工艺选自：LTCVD、PECVD以及HDPCVD。
10.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，在采用含有氟离子的刻蚀剂，对所述多个凸透镜进行刻蚀之前，还包括：
采用回流工艺，对所述多个凸透镜进行处理。
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| US20090072285A1 (en) * | 2007-09-19 | 2009-03-19 | Jong-Taek Hwang | Cmos image sensor and method for fabricating the same |
| CN102881699A (zh) * | 2011-07-12 | 2013-01-16 | 索尼公司 | 固态成像器件、固态成像器件的制造方法以及电子装置 |
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