CN112397541B - 背照式图像传感器的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种背照式图像传感器的制造方法，在本发明的背照式图像传感器制造方法中，先在牺牲层中形成多个开口，之后在开口和牺牲层顶表面上形成金属材料层，最后对金属材料层执行化学机械研磨工艺以去除位于牺牲层顶表面的金属材料层以形成金属栅格，则经过化学机械研磨形成的金属栅格顶表面光滑，如此可避免通过刻蚀工艺形成的金属栅格出现顶表面粗糙的问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种背照式图像传感器的制造方法。
背景技术
背照式(BSI)图像传感器的光是从衬底的背面而不是正面进入衬底的，因为减少了光反射，BSI图像传感器能够比前照式图像传感器捕捉更多的图像信号。目前，三维堆叠背照式图像传感器(UTS)通过硅穿孔(TSV)将逻辑运算芯片与像素(包括光电二极管)阵列芯片进行三维集成，一方面在保持芯片体积的同时，提高了图像传感器阵列尺寸和面积，另一方面大幅度缩短功能芯片之间的金属互联，减小发热、功耗、延迟，提高了芯片性能。
在三维堆叠背照式图像传感器(UTS)中，设置金属栅格(metal grid)，并利用金属栅格的不透光特性，防止不同像素之间的光的串扰。通常使用铝和钨两种材质制备金属栅格，其中，由于钨的光隔离的性能更好，所以钨材质被更广泛的应用。
目前，在金属栅格制备工艺中，通常是先沉积金属材料形成金属层，然后再刻蚀得到金属栅格，通过刻蚀形成的金属栅格顶表面比较粗糙，进而影响光吸收的均匀性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种背照式图像传感器的制造方法，以解决现有背照式图像传感器中的金属栅格层顶表面比较粗糙的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种背照式图像传感器的制造方法，所述方法包括：
提供衬底；
在所述衬底上依次形成第一介质层和牺牲层，其中，所述牺牲层中具有多个开口；
形成金属材料层，所述金属材料层填充所述开口且覆盖所述牺牲层的顶表面；
对所述金属材料层执行化学机械研磨工艺，以至少去除位于所述牺牲层顶表面上方的所述金属材料层，以在所述开口内形成金属栅格。
可选的，所述化学机械研磨工艺中，研磨时间为80s～180s，研磨压力为2.4PSI～2.6PSI，研磨液的流量为250～350ml/mins。
可选的，形成所述牺牲层的方法包括：
在所述第一介质层上依次形成牺牲材料层和掩模材料层；
提供具有金属栅格图案的掩模版，利用所述掩模版执行光刻工艺，以将所述金属栅格图案复制至所述掩模材料层；以及，
以所述掩模材料层为掩模，刻蚀所述牺牲材料层以形成具有多个开口的牺牲层。
可选的，在形成金属栅格之后，所述方法还包括：去除所述牺牲层。
可选的，在形成牺牲层之前，所述方法还包括：在所述第一介质层上形成氮化材料层。
可选的，去除所述牺牲层的方法包括：执行干法刻蚀工艺，以去除所述牺牲层并停止于所述氮化材料层。
可选的，在形成所述氮化材料层之前，所述方法还包括：在所述第一介质层上形成氧化层；以及，在去除所述牺牲层之后，所述方法还包括：以所述金属栅格层为掩模刻蚀所述氮化材料层，以去除相邻所述金属栅格之间的所述氮化材料层以形成氮化层。
可选的，在形成所述氮化层之后，所述方法还包括：在所述金属栅格层上形成第二介质层。
可选的，在形成牺牲层之前，所述方法还包括：在所述第一介质层上形成高K介电质层。
可选的，所述金属栅格远离所述衬底的一端的宽度大于所述金属栅格靠近所述衬底的一端的宽度。
在本发明提供的一种背照式图像传感器的制造方法中，先在牺牲层中形成多个开口，之后在开口和牺牲层顶表面上形成金属材料层，最后对金属材料层执行研磨工艺以去除位于牺牲层顶表面的金属材料层以形成金属栅格，则经过研磨形成的金属栅格顶表面光滑，如此可避免通过刻蚀工艺形成的金属栅格出现顶表面粗糙的问题。
附图说明
图1是本发明一实施例中的背照式图像传感器的制造流程示意图；
图2～图7是本发明一实施例中的背照式图像传感器的制造过程结构示意图；
其中，附图标记如下：
1-衬底；
2-像素层； 21-像素；
3-第一介质层；
4-高K介电质层；
5-氧化层；
6-氮化层； 60-氮化材料层；
7-牺牲层； 70-牺牲材料层；
8-掩模层；
9-金属栅格层； 91-金属栅格；
10-第二介质层；
100-开槽；
200-开口。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种背照式图像传感器的制造方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
图1是本发明一实施例中的背照式图像传感器的制造流程示意图；图2～图7是本发明一实施例中的背照式图像传感器的制造过程结构示意图。下面结合附图1～图7对本实施例提供的背照式图像传感器的制造方法其各个步骤进行详细说明。
首先，执行步骤S10，如图2所示，提供衬底1。
在本实施例中，所述衬底1可以包括半导体材料、导体材料或者它们的任意组合，可以为单层结构，也可以包括多层结构。因此，衬底可以是诸如Si、SiGe、SiGeC、SiC、GaAs、InAs、InP和其它的III/V或II/VI化合物半导体的半导体材料。也可以包括诸如，例如Si/SiGe、Si/SiC、绝缘体上硅(SOI)或绝缘体上硅锗的层状衬底。
其次，执行步骤S20，继续参图2并结合图3所示，在本实施例中，在所述衬底1上依次形成第一介质层3和牺牲层7，其中，所述牺牲层7中具有多个开口200，多个所述开口200构成金属栅格图案。较佳的，所述金属栅格图案呈网格状设置。
在本实施例中，所述第一介质层3和/或所述牺牲层7可以为氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层，或者为氧化硅层、氮化硅层交替堆叠而成的复合层结构。其中，所述第一介质层3可以为通过化学气相沉积法形成在所述衬底1表面且覆盖所述衬底1表面的整面结构，所述第一介质层3用于保护衬底1中形成的元器件，比如保护衬底1中形成的互连金属或通孔结构。形成第一介质层3之后，形成牺牲层7，具体的，可先在所述第一介质层3上通过化学气相沉积法沉积形成牺牲材料层70，再刻蚀牺牲材料层70以形成所述牺牲层7。
具体的，继续参图2和图3所示，在本实施例中，形成所述牺牲层7的具体方法包括如下步骤一到步骤三。
在步骤一中，如图2所示，在所述第一介质层3上依次形成牺牲材料层70和掩模材料层。此外，在本实施例中，在形成所述掩模材料层之前，所述方法还可以包括：在所述牺牲材料层70上形成抗反射层(图未示)。其中所述抗反射层(图未示)可以为底部抗反射薄膜(BARC)、材料层有机介电层(organic dielectric layer，ODL)或含硅硬掩模底部抗反射层(silicon-containing hard-mask bottom anti-reflective coating，SHB)其中之一或其中至少两层的叠加。
在步骤二中，继续参图2并结合图3所示，提供具有金属栅格图案的掩模版，并利用所述掩模版对所述掩模材料层执行光刻工艺，以将所述金属栅格图案复制至所述掩模材料层，以形成具有多个开槽100的掩模层8。
在本实施例中，所述掩模层8的材质可以为光阻，在本实施例中，可通过在所述牺牲材料层70上形成光阻材料层，之后，使用具有金属栅格图案的掩模版对所述光阻材料层进行光刻以形成掩模层8。所述光刻条件以及所述掩模层8的厚度等根据具体情况而定，在此不做具体限定。
在步骤三中，继续参图2和图3所示，以所述掩模层8为掩模刻蚀所述牺牲材料层70以形成牺牲层7，并使所述开槽100延伸至所述牺牲层7中以形成所述开口200，并去除所述掩模层8。此外，在本实施例中，刻蚀所述牺牲材料层70的方法可以为干法刻蚀，也可以为湿法刻蚀，在此不做具体限定，以实际情况为准。
其中，在本实施例中，所述开口200远离所述衬底1的一端的宽度大于所述开口200靠近所述衬底1的一端的宽度。如此一来，则后续形成在所述开口200内的金属栅格能够形成上宽下窄的结构，则后续形成的所述金属栅格也将形成上宽下窄的结构，则照射至相邻所述金属栅格91间的光，在照射到所述金属栅格91的侧壁上时能够被所述金属栅格91反射，如此以提升所述金属栅格91的遮光性。较佳的，所述开口200的横截面形状为倒梯形。当然，所述开口200的横截面的形状也可以为其他形状，例如可以为正梯形，长方形等，在此不做具体限定。
此外，在本实施例中，在刻蚀所述牺牲材料层70的同时，所述方法还包括：刻蚀所述抗反射层(图未示)，并使所述开槽100延伸至所述抗反射层(图未示)中。
进一步的，继续参图2和图3所示，在形成所述第一介质层3之后，以及形成所述牺牲材料层70之前，所述方法还包括：在所述第一介质层上依次形成高K介电质层4、氧化层5和氮化材料层60。在本实施例中，所述高K介电质层4可以为金属氧化层或者非金属材质进行离子掺杂之后形成的高K介电质层4，其中所述高K介电质层4中的介电常数大于25。当所述高K介电质层4为金属氧化层时，所述金属氧化层可以包括依次形成的氧化铝材料层和氧化钽材料层；所述高K介电质层4的材质在此不做具体限定，能够实现调节衬底1表面电性的作用即可。此外，在本实施例中，所述氧化层5的材质可以为氧化硅，所述氧化层5用于保护所述高K介电质层4。
接着，去除所述掩模层8和所述抗反射层(图未示)。当然，具体实施时，也可以通过调整工艺参数，在刻蚀所述牺牲材料层70时，同步消耗掉剩余的掩模层8和所述抗反射层(图未示)。
接下来，执行步骤S30，如图4所示，并结合图3所示，形成金属材料层(图未示)，所述金属材料层(图未示)填充所述开口200且覆盖所述牺牲层7的顶表面。
以及，在本实施例中，在形成所述金属材料层之前，还可以在所述开口200和所述牺牲层7的顶表面形成粘合材料层，以使所述金属材料层在所述开口200和所述牺牲层7的顶表面的粘附性更强。其中，所述粘合材料层可以在高温真空条件下采用物理离子溅射工艺于半导体衬底表面上方形成，粘合材料层的材质可以为钛、氮化钛、钽、氮化钽中的至少一种。在本实施例中，金属材料层可以在高温真空条件下继续采用物理离子溅射工艺在粘合材料层的上表面上形成，所述子金属材料层的材质可以为钨。
最后，执行步骤S40，继续参图4所示，对所述金属材料层执行化学机械研磨工艺，以至少去除位于所述牺牲层7顶表面上的所述金属材料层，以在所述开口200内形成金属栅格91。在本实施例中，去除的所述金属材料层位于所述牺牲层7所在的平面以上。以及，多个所述金属栅格91构成所述金属栅格层9。其中，所述金属栅格91能够防止不同像素(光电二极管)之间的光的串扰。
在本实施例中，通过先在所述牺牲层7中形成多个开口200，之后在所述开口200和所述牺牲层7顶表面上形成金属材料层，最后对所述金属材料层执行化学机械研磨工艺以去除位于所述牺牲层7顶表面上的金属材料层以形成金属栅格，避免了刻蚀形成金属栅格时导致的金属栅格顶表面粗糙的问题。同时，通过化学机械研磨以进一步的使所述金属栅格层顶表面光滑。
其中，在本实施例中，所述化学机械研磨工艺的研磨时间为80s～180s，研磨压力为2.4PSI～2.6PSI，研磨液的流量为250～350ml/mins。
进一步的，在形成所述金属栅格层9之后，所述方法还包括：去除所述牺牲层7。在本实施例中，去除所述牺牲层7的方法包括：对所述牺牲层7执行干法刻蚀工艺，以去除所述牺牲层7并停止于所述氮化材料层60。其中，若所述牺牲层7为氧化硅，则刻蚀所述牺牲层7的刻蚀气体为：四氟甲烷(CF4)、二氟甲烷(CH2F2)、氧气(O2)和氦气(He)，其中，所述四氟甲烷(CF4)、所述二氟甲烷(CH2F2)、所述氧气(O2)和所述氦气(He)的气体流速配比为：4:8:1:20，刻蚀速率为2.5nm/s～3.5nm/s，刻蚀时间为65s～75s，刻蚀温度为25℃～35℃。以及，若所述牺牲层7为氮化硅，则刻蚀所述牺牲层7的刻蚀气体为八氟环丁烷(C4F8)、氧气(O2)和氦气(He)，其中，所述八氟环丁烷(C4F8)、所述氧气(O2)和所述氦气(He)的气体流速配比为：3:1:80，刻蚀速率为13nm/s～17nm/s，刻蚀时间为35s～45s，刻蚀温度为25℃～35℃。
此外，在去除所述牺牲层7之后，所述方法还包括：以所述金属栅格层9为掩模刻蚀所述氮化材料层60，以去除相邻所述金属栅格91之间的所述氮化材料层60，以形成氮化层6。其中，在本实施例中，所述氮化材料层60的材质为氮化硅。刻蚀所述氮化材料层60的方法为干法刻蚀。所述干法刻蚀的刻蚀气体为：三氟甲烷(CHF3)和甲基氟(CH3F)的混合气体。在本实施例中，由于用于刻蚀所述氮化材料层60的刻蚀气体，即三氟甲烷(CHF3)和甲基氟(CH3F)的混合气体基本不会刻蚀氧化层。故刻蚀所述氮化材料层60之后暴露出的所述氧化层顶表面平坦，如此能够增大所述背照式图像传感器的感光度。
在其它实施例中，可以通过湿法刻蚀工艺去除所述牺牲层7。其中，若所述牺牲层7的材质为氧化硅，则刻蚀所述牺牲层7的刻蚀液为氢氟酸溶液；以及，若所述牺牲层7的材质为氮化硅，则刻蚀所述牺牲层7的刻蚀液为磷酸溶液。通过湿法刻蚀去除所述牺牲层7时刻蚀液不侵蚀所述金属栅格层9，以避免因去除所述牺牲层7而导致所述金属栅格层9表面被破坏而增加所述金属栅格层9表面的粗糙度。且若采用湿法刻蚀去除所述牺牲层7则刻蚀停止在所述高K介电质层4上。如此，可不在所述高K介电质层4和所述牺牲层7之间额外设置介质层，以节省工艺流程且降低成本。
此外，在去除所述牺牲层7之后，如图7所示，所述方法还包括：在所述金属栅格层9上形成第二介质层10。较佳的，所述第二介质层10形成在所述氮化层6形成之后。所述第二介质层10的形成方法可以为热氧化法，或化学气相沉积法。所述第二介质层10的材质可以为氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层或者氧化硅层、氮化硅层交替堆叠而成的复合层结构。
进一步的，在本实施例中，所述衬底1具有逻辑区和像素区，在去除所述牺牲层7之后，所述方法还包括：在所述像素区形成像素层2，其中所述像素层2包括多个像素21，多个所述像素21和多个所述金属栅格91交替设置。
此外，在可选的实施例中，还可以将所述像素层2形成在所述衬底1中，使所述金属栅格层9位于所述像素层2的上方。在本实施例中，所述像素层2的位置不做具体限定，以实际产品结构为准。
进一步的，在所述衬底1的所述逻辑区内形成互连金属和通孔结构，所述互连金属和所述通孔结构可以将逻辑区的逻辑运算芯片和像素区的像素层2(即光电图像传感器阵列芯片)实现电连接和三维集成。
进一步的，在本实施例中，还提供一种背照式图像传感器，所述背照式图像传感器根据如上述所述的背照式图像传感器的制造方法制备而成。其中，所述背照式图像传感器中的金属栅格远离所述衬底1的一端的宽度大于所述金属栅格91靠近所述衬底1的一端的宽度，即所述金属栅格91为上宽下窄的结构。较佳的，所述金属栅格91横截面形状为倒梯形。
需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可，此外，各个实施例之间不同的部分也可互相组合使用，本发明对此不作限定。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (8)
1.一种背照式图像传感器的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
提供衬底；
在所述衬底上依次形成第一介质层、氮化材料层和牺牲层，其中，所述牺牲层中具有多个开口；
形成金属材料层，所述金属材料层填充所述开口且覆盖所述牺牲层的顶表面；
对所述金属材料层执行化学机械研磨工艺，以至少去除位于所述牺牲层顶表面上方的所述金属材料层，以在所述开口内形成金属栅格；
去除所述牺牲层；
以所述金属栅格层为掩模刻蚀所述氮化材料层，以去除相邻所述金属栅格之间的所述氮化材料层以形成氮化层。
2.如权利要求1所述的背照式图像传感器的制造方法，其特征在于，所述化学机械研磨工艺中，研磨时间为80s~180s，研磨压力为2.4PSI~2.6PSI，研磨液的流量为250~350ml/mins。
3.如权利要求1所述的背照式图像传感器的制造方法，其特征在于，形成所述牺牲层的方法包括：
在所述第一介质层上依次形成牺牲材料层和掩模材料层；
提供具有金属栅格图案的掩模版，利用所述掩模版执行光刻工艺，以将所述金属栅格图案复制至所述掩模材料层；以及，
以所述掩模材料层为掩模，刻蚀所述牺牲材料层以形成具有多个开口的牺牲层。
4.如权利要求1所述的背照式图像传感器的制造方法，其特征在于，去除所述牺牲层的方法包括：执行干法刻蚀工艺，以去除所述牺牲层并停止于所述氮化材料层。
5.如权利要求1所述的背照式图像传感器的制造方法，其特征在于，在形成所述氮化材料层之前，所述方法还包括：在所述第一介质层上形成氧化层。
6.如权利要求1所述的背照式图像传感器的制造方法，其特征在于，在形成所述氮化层之后，所述方法还包括：在所述金属栅格层上形成第二介质层。
7.如权利要求1所述的背照式图像传感器的制造方法，其特征在于，在形成牺牲层之前，所述方法还包括：在所述第一介质层上形成高K介电质层。
8.如权利要求1所述的背照式图像传感器的制造方法，其特征在于，所述金属栅格远离所述衬底的一端的宽度大于所述金属栅格靠近所述衬底的一端的宽度。
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