CN112466900B - 图像传感器及其深沟槽的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种图像传感器及其深沟槽的制作方法，包括在第一牺牲层表面沉积第二牺牲层；图形化所述第二牺牲层，形成贯穿所述第二牺牲层的第一开口；在所述第二牺牲层表面和所述第一开口的侧壁和底部沉积第三牺牲层；所述第三牺牲层的垂直部分在所述第一开口的侧壁形成侧壁保护墙；以所述第二牺牲层和所述侧壁保护墙为掩膜，刻蚀所述第一牺牲层，在所述第一开口底部形成贯穿所述第一牺牲层的第二开口；刻蚀去除所述第二牺牲层，并在所述第二开口底部的衬底内形成第三开口。本发明通过对多晶硅、硅衬底的一步刻蚀法形成了DTI结构，进一步缩小了DTI的尺寸，减少金属对入射光的反射，进而提高QE，提高了图像传感器的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种图像传感器及其深沟槽的制作方法。
背景技术
图像传感器应用了衬底上的像素阵列结构(通常包括光电二极管和晶体管)来感知照射在衬底上的光信号，并将光信号转变为电信号。高分辨率的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器被广泛应用于消费电子领域中，如数码相机、手机摄像头等。
现有技术制作深槽隔离结构的工艺方法，包括以下步骤：首先投入硅衬底并完成正面工艺和背部减薄；其次沉积硬掩膜层；然后，深槽隔离(DTI)光刻和刻蚀形成网格状的深槽，在所述深槽内壁形成绝缘层、扩散阻挡层；在深槽中进行金属填充；最后，采用CMP技术进行表面平坦化处理，去除表面多余的金属以及扩散阻挡层、绝缘层材料，形成完整的深槽隔离结构。
与传统的正面入射式CMOS图像传感器相比，背照式CMOS图像传感器可从背后接收入射光，从而提高了器件的量子效率(QE)。为了提高图像质量，减小像素的尺寸，当前的CMOS背照式图像传感器通过DTI结构减少了光信号串扰，但是，通过在深槽中进行金属填充工艺，所填充的金属会引起一部分入射光的反射，导致QE降低，图像传感器性能减弱。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种图像传感器及其深沟槽的制作方法。
为实现上述目的，本发明提供一种图像传感器的深沟槽的制作方法，其特征在于，包括：
步骤S01，提供具有第一侧衬底，所述衬底的第二侧与所述衬底的第一侧相对；
步骤S02，对所述衬底的第一侧进行硅衬底减薄处理；
步骤S03，在所述衬底的第一侧表面沉积第一牺牲层；
步骤S04，在所述第一牺牲层表面沉积第二牺牲层；
步骤S05，图形化所述第二牺牲层，形成贯穿所述第二牺牲层的第一开口；
步骤S06，在所述第二牺牲层表面和所述第一开口的侧壁和底部沉积第三牺牲层；
步骤S07，去除所述第三牺牲层的水平部分，所述第三牺牲层的垂直部分在所述第一开口的侧壁形成侧壁保护墙；
步骤S08，以所述第二牺牲层和所述侧壁保护墙为掩膜，刻蚀所述第一牺牲层，在所述第一开口底部形成贯穿所述第一牺牲层的第二开口；
步骤S09，以所述侧壁保护墙为掩膜，刻蚀去除所述第二牺牲层，并在所述第二开口底部的衬底内形成第三开口；
步骤S10，去除所述侧壁保护墙和所述第一牺牲层；
步骤S11，在所述衬底表面及所述第三开口的侧壁和底部沉积介质层，在介质层上形成填充所述第三开口的填充层；
步骤S12，平坦处理所述衬底。
优选地，所述第一开口具有第一开口尺寸，所述第二开口具有第二开口尺寸，所述第一开口尺寸大于所述第二开口尺寸。
优选地，所述第三开口具有第三开口尺寸，所述第一开口尺寸大于所述第三开口尺寸。
优选地，采用第一刻蚀工艺去除所述第三牺牲层的水平部分，所述第一刻蚀工艺为各向异性的刻蚀工艺；所述侧壁保护墙的顶面尺寸小于所述侧壁保护墙的底面尺寸。
优选地，采用第二刻蚀工艺形成所述第二开口，所述第二刻蚀工艺为各向异性的刻蚀工艺；采用第三刻蚀工艺形成所述第三开口，所述第三刻蚀工艺为各向异性的刻蚀工艺。
优选地，所述第一牺牲层的材料包括氮化硅、氧化硅、碳化硅、氮化钛、氮化钽、氧化钛、氧化钽中的一种或多种组合，所述第一牺牲层的厚度为1nm～1000nm。
优选地，所述第三牺牲层的材料不同于所述第一牺牲层的材料。
优选地，所述第三牺牲层的材料包括氮化硅、氧化硅、碳化硅、氮化钛、氮化钽、氧化钛、氧化钽中的一种或多种组合，所述第三牺牲层的厚度为1nm～1000nm。
优选地，所述第二牺牲层的材料包括多晶硅，所述第二牺牲层的厚度为1nm～3500nm。
优选地，所述填充层的材料包括钨。
从上述技术方案可以看出，本发明的一种背照式图像传感器的深沟槽的制作方法，基于现有DTI制备技术，未额外增加光刻成本的前提下，仅增加数道薄膜淀积、刻蚀等工艺，此方法十分简单、可控，易实现大规模量产。此外，本发明还通过对多晶硅、硅衬底的一步刻蚀法形成了DTI结构，进一步缩小了DTI的尺寸，减少金属对入射光的反射，进而提高QE，提高了图像传感器的性能，具有显著的意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明实施例的图像传感器的深沟槽的制备的流程图
图2至图10示出了根据本发明实施例的图像传感器的深沟槽的制备的阶段性剖面示意图
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面进一步结合图1示出了根据本发明实施例的图像传感器的深沟槽的制备的流程图，图2至图10示出了根据本发明实施例的图像传感器的深沟槽的制备的阶段性剖面示意图。
请参阅图1，图1共示出12个步骤，下面结合图1参阅图2-图10：
请参阅图2，图2为步骤S01的制作示意图。如图所示，步骤S01，提供具有第一侧的衬底201，所述衬底201的第二侧与所述衬底201的第一侧相对。所述衬底201的材料包括硅、锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟，所述衬底201还可以包括绝缘体上的硅衬底或者绝缘体上的锗衬底。本实施例中，所述衬底201为硅衬底。
步骤S02，对所述衬底201的第一侧进行衬底减薄处理。
再请参阅图2，如图所示，步骤S02是对所述衬底201的第一侧进行衬底减薄处理。所述衬底减薄处理的目的是获得具有合适厚度的衬底201，减薄处理后衬底201的厚度可以根据实际工艺需求进行设定。
步骤S03，在所述衬底201的第一侧表面沉积第一牺牲层202。
步骤S04，在所述第一牺牲层202表面沉积第二牺牲层203。
请参阅附图4，图4为步骤S03和步骤S04的结合示意图，所述第一牺牲层202的材料包括氮化硅、氧化硅、碳化硅、氮化钛、氮化钽、氧化钛、氧化钽中的一种或多种组合。所述第一牺牲层202的形成技术包括但不限于使用物理沉积、例如低压化学气相沉积(LPCVD)的化学沉积、例如等离子体增强化学气相沉积(PECVD)等离子体沉积、物理化学沉积的组合沉积、脉冲激光沉积、热蒸发、电子束蒸发、例如直流溅射和射频溅射的溅射沉积、原子排列(atomic alignment)等领域内熟知的技术。本实施例中，制备第一牺牲层202的方法为化学气相淀积，所述第一牺牲层的厚度为1nm～1000nm。
所述第二牺牲层203的材料包括多晶硅，第二牺牲层203的形成工艺包括化学气相沉积，本步骤中，制备所述第二牺牲层203的方法为化学气相淀积，所述第二牺牲层的厚度为1nm～3500nm。
步骤S05，图形化所述第二牺牲层203，形成贯穿所述第二牺牲层203的第一开口221。
图5为步骤S05的示意图，所述第一开口221具有第一开口尺寸。在一实施例中，通过在第二牺牲层203上形成光刻胶层，再采用带有图形的掩模版对所述光刻胶层进行曝光、显影等，以形成图形化光刻胶层，该图形化光刻胶层中的图形定义出第一开口221；然后以所述图形化光刻胶层为掩膜，采用刻蚀工艺图形化所述第二牺牲层203，形成贯穿所述第二牺牲层203的第一开口221。在本实施例中，通过采用带有图形的掩模版，采用刻蚀工艺刻蚀所述第二牺牲层203，图形化所述第二牺牲层203，形成贯穿所述第二牺牲层203的第一开口221。所述刻蚀工艺包括干法刻蚀或湿法刻蚀中的一种或两种组合。所述刻蚀工艺优选采用各向异性的刻蚀工艺，例如采用氟基等离子干法刻蚀、反应离子刻蚀(Reactive IonEtching，RIE)。
步骤S06，在所述第二牺牲层203表面和所述第一开口221的侧壁和底部沉积第三牺牲层204。
图6为步骤S06的示意图，所述第三牺牲层204的材料包括氮化硅、氧化硅、碳化硅、氮化钛、氮化钽、氧化钛、氧化钽中的一种或多种组合，所述第三牺牲层204的厚度为1nm～1000nm。所述第三牺牲层204的材料不同于所述第一牺牲层202，以确保在后续工艺中以形成不同的刻蚀选择比，避免由于过刻蚀导致的开口尺寸过大等问题。所述第三牺牲层204的形成技术包括但不限于使用物理沉积、例如低压化学气相沉积(LPCVD)的化学沉积、例如等离子体增强化学气相沉积(PECVD)等离子体沉积、物理化学沉积的组合沉积、脉冲激光沉积、热蒸发、电子束蒸发、例如直流溅射和射频溅射的溅射沉积、原子排列(atomicalignment)等领域内熟知的技术，在此不做赘述。
步骤S07，去除所述第三牺牲层(未图示)的水平部分，所述第三牺牲层的垂直部分在所述第一开口221的侧壁形成侧壁保护墙205。
请参阅附图7，图7为步骤S07的示意图，采用第一刻蚀工艺去除所述第三牺牲层的水平部分，所述第一刻蚀工艺为各向异性的干法刻蚀工艺。优选的，所述第一刻蚀工艺刻蚀所述第三牺牲层的刻蚀气体包括CF4、C3F8、C4F8、CHF3、CH3F、CH2F2、O2、N2中的一种或多种，此外，刻蚀气体中还能够包括载气，例如Ar或He。所述第一牺牲层202的材料和所述第三牺牲层的材料不同，在刻蚀所述第三牺牲层的过程中，所述刻蚀气体不会对所述第一牺牲层202造成刻蚀，从而避免造成过刻蚀或者后续形成的第二开口的尺寸失调；由于干法刻蚀工艺的等离子体轰击作用，所形成的侧壁保护墙205的顶面尺寸小于侧壁保护墙205的底面尺寸。
步骤S08，以所述第二牺牲层203和所述侧壁保护墙205为掩膜，刻蚀所述第一牺牲层202，在所述第一开口221底部形成贯穿所述第一牺牲层202的第二开口222。
图8为步骤S08的示意图，采用第二刻蚀工艺刻蚀所述第一牺牲层202，所述第二刻蚀工艺为各向异性的干法刻蚀工艺。所述第二开口222具有第二开口尺寸，由于第三牺牲层的材料不同于所述第一牺牲层202，所述侧壁保护墙205的材料不同于所述第一牺牲层202，所述第二刻蚀工艺对所述侧壁保护墙205和所述第一牺牲层202的刻蚀选择比不同，以材料不同于所述第一牺牲层202的侧壁保护墙205为掩膜，第一开口尺寸大于第二开口尺寸。在一实施例中，刻蚀所述第一牺牲层202之后，还进行清洗工艺，首先对所述第一开口221暴露出的第一牺牲层202进行所述第二刻蚀工艺处理，然后对所述衬底201的第一侧进行湿法清洗，一般选择常规的清洗液，如HCl/H2O2/H2O混合清洗液。
步骤S09，以所述侧壁保护墙205为掩膜，刻蚀去除所述第二牺牲层203，并在所述第二开口222底部的衬底201内形成第三开口223。
图9为步骤S09的示意图，采用第三刻蚀工艺刻蚀所述第二牺牲层203和所述第二开口222底部的衬底201，所述第三刻蚀工艺为各向异性的干法刻蚀工艺。所述第三开口223具有第三开口尺寸，以材料不同于所述衬底201的侧壁保护墙205为掩膜，所述第一开口尺寸大于所述第三开口尺寸。在一实施例中，所述第三刻蚀工艺包括Boach工艺，以所述侧壁保护墙205为掩膜，刻蚀所述第二开口222底部的衬底201，不断重复硅刻蚀工艺步骤和侧墙保护工艺步骤，获得倒梯形的第三开口223；紧接着，采用氧气进行快速去胶工艺处理，同时把第三开口223内的反应产物或副产物全部去除。最后，对所述衬底201的第一侧进行湿法清洗。第二牺牲层203的材料包括多晶硅，在采用第三刻蚀工艺刻蚀所述第二牺牲层203的同时，在所述第二开口222底部的衬底201内形成第三开口223，从而简化生产步骤。本实施例中，通过对多晶硅、衬底的一步刻蚀法形成第三开口223，缩小了DTI的尺寸，减少金属对入射光的反射，进而提高QE，增强了图像传感器的性能。
步骤S10，去除所述侧壁保护墙205和所述第一牺牲层202。
采用刻蚀工艺去除所述侧壁保护墙205和所述第一牺牲层202，所述刻蚀工艺包括干法刻蚀或湿法刻蚀中的一种或两种组合。所述刻蚀工艺包括一步刻蚀或多步刻蚀，在一实施例中，先去除所述侧壁保护墙205，再去除所述第一牺牲层202。由于去除所述侧壁保护墙205和所述第一牺牲层202的刻蚀工艺在本领域中是已知的，所以这里不再重复细节。接着进行刻蚀后的湿法清洗，一般选择对金属腐蚀较少的有机清洗液，如ST250、EKC系列清洗液。
步骤S11，在所述衬底201表面及所述第三开口223的侧壁和底部沉积介质层206，在介质层206上形成填充所述第三开口223的填充层207。
步骤S12，平坦处理所述衬底201。
图10为步骤11至步骤S12的示意图。所述填充层207的材料包括钨。在一实施例中，先沉积一层介质层206，可选的介质层材料包括AlO、TaO、Ta、TaN、Ti或TiN，所述介质层206厚度为
一般采用磁控溅射工艺来沉积介质层206，考虑第三开口223的深宽比，较难在磁控溅射工艺中获得理想的台阶覆盖，因此，可以采用原子层沉积工艺来沉积一层均匀且连续的介质层206。接着，采用物理气相沉积工艺对第三开口223进行填充，形成所述填充层207，可以将第三开口223快速填满。所述物理气相沉积工艺的厚度需要根据实际的第三开口223的填充工艺情况而定，接着，采用化学机械抛光工艺将所述衬底201表面的介质层206和填充层207全部去除，平坦处理所述衬底201。
与现有技术相比，本发明的一种背照式图像传感器的深沟槽的制作方法，基于现有DTI制备技术，未额外增加光刻成本的前提下，仅增加数道薄膜淀积、刻蚀等工艺，此方法十分简单、可控，易实现大规模量产。此外，本发明还通过对多晶硅、硅衬底的一步刻蚀法形成了DTI结构，进一步缩小了DTI的尺寸，减少金属对入射光的反射，进而提高QE，提高了图像传感器的性能。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
Claims (10)
1.一种图像传感器的深沟槽的制作方法，其特征在于，包括：
步骤S01，提供具有第一侧衬底，所述衬底的第二侧与所述衬底的第一侧相对；
步骤S02，对所述衬底的第一侧进行硅衬底减薄处理；
步骤S03，在所述衬底的第一侧表面沉积第一牺牲层；
步骤S04，在所述第一牺牲层表面沉积第二牺牲层；
步骤S05，图形化所述第二牺牲层，形成贯穿所述第二牺牲层的第一开口；
步骤S06，在所述第二牺牲层表面和所述第一开口的侧壁和底部沉积第三牺牲层；
步骤S07，去除所述第三牺牲层的水平部分，所述第三牺牲层的垂直部分在所述第一开口的侧壁形成侧壁保护墙；
步骤S08，以所述第二牺牲层和所述侧壁保护墙为掩膜，刻蚀所述第一牺牲层，在所述第一开口底部形成贯穿所述第一牺牲层的第二开口；
步骤S09，以所述侧壁保护墙为掩膜，刻蚀去除所述第二牺牲层，并在所述第二开口底部的衬底内形成第三开口；
步骤S10，去除所述侧壁保护墙和所述第一牺牲层；
步骤S11，在所述衬底表面及所述第三开口的侧壁和底部沉积介质层，在介质层上形成填充所述第三开口的填充层；
步骤S12，平坦处理所述衬底。
2.如权利要求1所述的图像传感器的深沟槽的制作方法，其特征在于，所述第一开口具有第一开口尺寸，所述第二开口具有第二开口尺寸，所述第一开口尺寸大于所述第二开口尺寸。
3.如权利要求1所述的图像传感器的深沟槽的制作方法，其特征在于，所述第三开口具有第三开口尺寸，所述第一开口尺寸大于所述第三开口尺寸。
4.如权利要求1所述的图像传感器的深沟槽的制作方法，其特征在于，采用第一刻蚀工艺去除所述第三牺牲层的水平部分，所述第一刻蚀工艺为各向异性的刻蚀工艺；所述侧壁保护墙的顶面尺寸小于所述侧壁保护墙的底面尺寸。
5.如权利要求1所述的图像传感器的深沟槽的制作方法，其特征在于，采用第二刻蚀工艺形成所述第二开口，所述第二刻蚀工艺为各向异性的刻蚀工艺；采用第三刻蚀工艺形成所述第三开口，所述第三刻蚀工艺为各向异性的刻蚀工艺。
6.如权利要求1所述的图像传感器的深沟槽的制作方法，其特征在于，所述第一牺牲层的材料包括氮化硅、氧化硅、碳化硅、氮化钛、氮化钽、氧化钛、氧化钽中的一种或多种组合，所述第一牺牲层的厚度为1nm～1000nm。
7.如权利要求1或6所述的图像传感器的深沟槽的制作方法，其特征在于，所述第三牺牲层的材料不同于所述第一牺牲层的材料。
8.如权利要求7所述的图像传感器的深沟槽的制作方法，其特征在于，所述第三牺牲层的材料包括氮化硅、氧化硅、碳化硅、氮化钛、氮化钽、氧化钛、氧化钽中的一种或多种组合，所述第三牺牲层的厚度为1nm～1000nm。
9.如权利要求1所述的图像传感器的深沟槽的制作方法，其特征在于，所述第二牺牲层的材料包括多晶硅，所述第二牺牲层的厚度为1nm～3500nm。
10.如权利要求1所述的图像传感器的深沟槽的制作方法，其特征在于，所述填充层的材料包括钨。
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