CN113629087A - Bsi图像传感器装置及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种BSI图像传感器装置及制作方法。所述制作方法中，在衬底背面形成凹槽和穿通孔，穿通孔从衬底背面穿通至设置于衬底正面的互连结构顶面，互连结构通过所述穿通孔中形成的导电柱和于衬底背面和凹槽内表面形成的电连接层电性引出，焊盘形成在凹槽中的电连接层上，从而焊盘与互连结构实现了电性连接。所述穿通孔的位置不设置焊盘，因而穿通孔的孔径可设置得较小，且焊盘的位置受互连结构的引出位置影响小，可根据节约衬底面积的需要设置焊盘，便于缩小焊盘对衬底面积的消耗，提高设计灵活性和实现小尺寸。所述图形传感器装置可采用所述制作方法制作。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种BSI图像传感器装置及一种BSI图像传感器装置的制作方法。
背景技术
CMOS图像传感器技术由于具有高灵敏度、宽动态范围、高分辨率、低功耗、灵活的图像捕获能力以及优良的系统集成能力，已经成为相机的主流传感器类型。CMOS图像传感器按照光线入射方向分为前照式(FSI)结构和背照式(BSI)结构，其中，BSI结构中，光从传感器的背面入射，较FSI结构可以更加直接地进入光电二极管，减少了光线损失，在同一单位时间内，单个像素能获取的光能量更大，对画质有明显提升，因而BSI技术将CMOS成像的灵敏度提升到了一个新的水平。
目前基于BSI技术的CMOS图像传感器的装置(如芯片、模组等)的设计逐渐向高像素、高灵敏度、小尺寸等方向发展，其中，为了增加设计灵活性，以及使装置尽可能地尺寸小，需要尽量减少各种引线、焊盘对图像传感器基底范围的消耗。图1是一种现有BSI图像传感器装置的焊盘区域的剖面示意图。如图1所示，该BSI图像传感器装置中，衬底上布置有专门的焊盘设置区，在焊盘设置区形成有从衬底(例如硅衬底)的背面侧开设的凹槽10，互连结构20位于凹槽10的正下方，焊盘30设置于凹槽10内并与互连结构20电性连接。该结构中，焊盘设置区的设置以及凹槽10的设置需要占用较大的衬底面积，相对减少了衬底上可以用来设置像素阵列以及其它元器件的范围，不利于BSI图像传感器装置的小尺寸化。
另外，目前基于BSI技术的CMOS图像传感器装置的工艺成本仍然较高，有待改进工艺来降低成本。
发明内容
为了缩小焊盘对衬底面积的消耗，方便提高设计灵活性和实现小尺寸，本发明提供一种BSI图像传感器装置的制作方法，且通过优化，可以减少光罩使用，从而降低成本。另外，本发明还提供一种BSI图像传感器装置，其结构相对于现有技术可缩小焊盘对衬底面积的消耗，有助于提高设计灵活性和实现小尺寸。
一方面，本发明提供一种BSI图像传感器装置的制作方法，包括：
提供衬底，所述衬底具有相对的正面和背面且于正面形成有互连结构，所述衬底的背面形成有凹槽和位于凹槽外围且从所述衬底背面穿通至所述互连结构顶面的穿通孔，所述衬底的背面、所述凹槽内表面以及所述穿通孔侧壁随形覆盖有隔离层；
在所述隔离层上沉积导电材料，所述穿通孔中的导电材料形成导电柱，所述衬底背面以及所述凹槽内表面上的导电材料形成电连接层，所述互连结构通过所述导电柱以及所述电连接层电性引出；
在所述凹槽中的所述电连接层上形成焊盘，并在所述焊盘和所述焊盘覆盖范围以外的电连接层上覆盖保护层；以及，
在覆盖所述焊盘的保护层中形成开口，暴露出所述焊盘，且所述保护层将所述电连接层掩埋在内。
可选的，所述焊盘的上表面高于位于所述凹槽外的所述电连接层的上表面。
可选的，在覆盖所述焊盘的保护层中形成开口的方法包括：
利用平坦化工艺使所述保护层的上表面平坦；以及，进行无掩模刻蚀，以去除部分厚度的所述保护层，使得所述焊盘的上表面被露出，而所述电连接层仍被剩余的所述保护层覆盖。
可选的，在形成所述焊盘之后且在覆盖所述焊盘的保护层中形成开口之前，所述BSI图像传感器装置的制作方法还包括：
在所述焊盘和所述焊盘覆盖范围以外的电连接层上覆盖第一保护层；刻蚀所述凹槽和所述穿通孔外围的所述第一保护层、所述电连接层、所述隔离层，形成金属栅格；以及，在所述衬底的背面形成第二保护层，所述第二保护层至少填充所述金属栅格中的间隙，且将所述第一保护层和所述金属栅格掩埋在内，其中，所述第一保护层和所述第二保护层构成所述保护层。
可选的，所述第一保护层和所述第二保护层均为氧化层。
可选的，在所述衬底背面形成所述凹槽、所述穿通孔以及所述隔离层的方法包括：
刻蚀所述衬底背面以形成所述凹槽，并于所述衬底背面以及所述凹槽内表面随形覆盖第一隔离层；依次刻蚀所述第一隔离层和所述衬底，于所述凹槽外围形成第一开孔；以及，在所述第一开孔侧壁形成第二隔离层，并刻蚀所述第一开孔底部以形成第二开孔，所述第二开孔暴露所述互连结构的顶面，其中，所述第一开孔和所述第二开孔构成所述穿通孔，所述第一隔离层和所述第二隔离层构成所述隔离层。
可选的，所述第一隔离层包括由下至上依次叠加形成的高k介质层、第一氧化层、氮化层和第二氧化层；所述第二隔离层包括氧化层。
一方面，本发明提供一种BSI图像传感器装置，包括：
衬底，所述衬底具有相对的正面和背面，所述衬底正面形成有互连结构，所述衬底背面形成有凹槽和位于所述凹槽外围从所述衬底背面穿通至所述互连结构的顶面的穿通孔；
电连接层和导电柱，所述电连接层随形覆盖在所述衬底背面和所述凹槽内表面，所述导电柱填充于所述穿通孔内并与所述电连接层电性连接，所述互连结构通过所述导电柱以及所述电连接层电性引出，所述电连接层与所述导电柱通过隔离层与所述衬底隔离；
焊盘，形成在所述凹槽中的所述电连接层上；以及，
具有开口的保护层，所述保护层将所述电连接层掩埋在内，并且所述保护层中的开口暴露出所述焊盘。
可选的，所述BSI图像传感器装置还包括金属栅格，所述金属栅格位于所述凹槽以及所述穿通孔的外围，所述金属栅格包括构成所述电连接层的导电材料。
可选的，所述焊盘的上表面高于位于所述凹槽外的所述电连接层的上表面。
本发明提供的BSI图像传感器装置的制作方法，穿通孔从衬底背面穿通至互连结构顶面，互连结构通过所述穿通孔中形成的导电柱和于衬底背面和凹槽内表面形成的电连接层电性引出，焊盘形成在凹槽中的电连接层上，从而焊盘与互连结构实现了电性连接。所述穿通孔的位置不设置焊盘，因而穿通孔的孔径可设置得较小，焊盘的位置受互连结构的引出位置影响小，可根据节约衬底面积的需要设置焊盘，从而便于缩小焊盘对衬底面积的消耗，提高设计灵活性和实现小尺寸。进一步的，利用本发明的图形传感器装置的制作方法，使焊盘在凹槽中的电连接层上形成，并使焊盘的上表面高于凹槽外的电连接层的上表面，在保护层中形成暴露所述焊盘的开口的步骤中，可以通过平坦化工艺以及无掩模刻蚀来形成所述开口，从而节约光罩，节省了工艺成本。
本发明提供的图形传感器装置，穿通孔从衬底背面穿通至互连结构顶面，互连结构通过所述穿通孔中形成的导电柱和于衬底背面和凹槽内表面形成的电连接层电性引出，焊盘设置在凹槽中的电连接层上，从而焊盘与互连结构实现了电性连接。所述穿通孔的位置不设置焊盘，因而穿通孔的孔径可设置得较小，焊盘的位置受互连结构的引出位置影响小，可根据节约衬底面积的需要设置焊盘，从而便于缩小焊盘对衬底面积的消耗，便于提高设计灵活性和实现小尺寸。
附图说明
图1是一种现有BSI图像传感器装置的焊盘区域的剖面示意图。
图2是本发明实施例的BSI图像传感器装置的制作方法的流程示意图。
图3A至图3L是本发明实施例的BSI图像传感器装置的制作方法在制作过程中的剖面示意图。
附图标记说明：
(图1)10-凹槽；20-互连结构；30-焊盘；
(图3A至图3L)100-第一衬底；100a-正面；100b-背面；110-互连结构；120-隔离层；121-第一隔离层；1211-高k材料层；1212-ONO层；122-第二隔离层；130-导电柱；140-电连接层；140a-金属栅格；150-焊盘；160-第一保护层；170-第二保护层；101-凹槽；102-穿通孔；200-第二衬底。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的BSI图像传感器装置及制作方法作进一步详细说明。根据下面的说明，本发明的优点和特征将更清楚。应当理解，说明书的附图均采用了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。
需要说明的是，下文中的术语“第一”、“第二”等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换，例如可使得本文所述的本发明实施例能够不同于本文所述的或所示的其它顺序来操作。类似的，如果本文所述的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是执行这些步骤的唯一顺序，一些所述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其它步骤可被添加到该方法。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的结构被倒置或者以其它不同方式定位(如旋转)，示例性术语“在……上”也可以包括“在……下”和其它方位关系。
图2是本发明实施例的BSI图像传感器装置的制作方法的流程示意图。参照图2，本发明实施例涉及一种BSI图像传感器装置的制作方法，该制作方法包括如下步骤：
S1：提供衬底，所述衬底具有相对的正面和背面且于正面形成有互连结构，所述衬底的背面形成有凹槽和位于凹槽外围且从所述衬底背面穿通至所述互连结构顶面的穿通孔，所述衬底的背面、所述凹槽内表面以及所述穿通孔侧壁随形覆盖有隔离层；
S2：在所述隔离层上沉积导电材料，所述穿通孔中的导电材料形成导电柱，所述衬底背面以及所述凹槽内表面上的导电材料形成电连接层，所述互连结构通过所述导电柱以及所述电连接层电性引出；
S3：在所述凹槽中的所述电连接层上形成焊盘，并在所述焊盘和所述焊盘覆盖范围以外的电连接层上覆盖保护层；
S4：在覆盖所述焊盘的保护层中形成开口，暴露出所述焊盘，且所述保护层将所述电连接层掩埋在内。
图3A至图3L是本发明实施例的BSI图像传感器装置的制作方法在制作过程中的剖面示意图。以下参照图3A至图3L对本发明实施例的BSI图像传感器装置的制作方法作进一步详细说明。
先执行上述第一步骤S1。作为示例，上述第一步骤S1的实施可包括如下过程：
首先，如图3A所示，提供衬底，所述衬底例如为形成有BSI图像传感器像素阵列的器件晶圆(pixel wafer)，记为第一衬底100，第一衬底100例如采用公开方法完成了像素阵列以及互连结构110的制作，其中，形成有互连结构110的一侧表面为第一衬底100的正面100a，而与正面100a相对的一面为背面100b，此外，还提供一第二衬底200，第二衬底200例如为支撑晶圆(carrierwafer)；
接着，如图3B所示，将第一衬底100和第二衬底200键合，第二衬底键合在第一衬底100正面100a一侧，以便后续在第一衬底100的背面100b实施进一步操作，为了减小要制作的图像传感器装置的体积以及便于形成穿通孔，在键合之后，对第一衬底100的背面进行减薄，得到新的背面(仍以100b表示)；
然后，如图3C所示，在第一衬底100背面100b形成凹槽101，凹槽101的制作可以采用本领域公开的光刻及刻蚀工艺制作，此处称为第一光罩工艺，后续要在凹槽101的范围内形成焊盘，因而凹槽101位于像素阵列外围，凹槽101的深度记为D1；
接着，如图3D所示，在第一衬底100背面100b形成第一隔离层121，第一隔离层121随形地覆盖第一衬底100背面100b以及凹槽101的内表面，第一隔离层121用于隔离后续设置的电连接层与第一衬底100，以避免电连接层与硅直接接触；
然后，如图3E所示，刻蚀第一隔离层121和第一衬底100，在凹槽101外围形成第一开孔，第一开孔的深度例如贯穿第一衬底100，第一开孔可以采用本领域公开的光刻及刻蚀工艺制作，此处称为第二光罩工艺；
接着，仍如图3E所示，在所述第一开孔侧壁形成第二隔离层122，并刻蚀所述第一开孔底部而形成第二开孔，所述第二开孔暴露互连结构110的顶面，其中，上下连通的所述第一开孔和所述第二开孔构成上述第一步骤S1中的穿通孔，记为穿通孔102，相互连接的第一隔离层121和第二隔离层122构成上述第一步骤S1中的隔离层120。
上述第一衬底100和第二衬底200可包括硅、锗、硅锗、碳化硅、氧化镓、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟或锑化铟等材料，或者还可以为其它的材料，例如GaAs、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP或GaInAsP等，或者还可以是上述材料的组合。第一衬底100的正面100a可包括用于设置像素阵列的像素区，本发明实施例要制作的BSI图像传感器装置为背照式结构，即，入射光可以从背面100b一侧进入第一衬底100，并且可以被像素阵列中的一个或多个像素检测到。本发明实施例中，像素阵列中的像素均包括光电二极管。为了简化，附图中仅示出了部分像素区。此外，在像素区的外围可设置有用于形成外围元器件(如实现逻辑功能的MOS器件)的外围电路区，所述互连结构110可与像素区的像素阵列以及外围电路区的外围元器件电性连接。
互连结构110可以是多层电性互连结构，其中包括通过介质材料隔离的多层图形化的导电层以及导电插塞，所述导电层和导电插塞在BSI图像传感器装置的各掺杂区、电路和输入/输出之间提供互连。互连结构110的顶面朝向第一衬底100的背面100b，后续可通过该顶面将互连结构110的电性从背面100b引出。应该理解，附图中仅是示意性地示出了互连结构110的组件和位置，实际中可以根据设计需求而变化。第二衬底200可通过分子力键合(如直接键合或光纤熔接)或本领域已知的其它键合技术(如金属扩散或阳极键合)与第一衬底100键合。
凹槽101的设置较为灵活，可以结合像素阵列以及外围元器件的设计进行设置，避免影响像素阵列以及外围元器件的设计灵活性。并且，在不影响BSI图像传感器装置正常工作的前提下，可选择能够节约第一衬底100正面和背面面积的位置来设置凹槽101，后续在凹槽101范围内设置焊盘后，焊盘不需要正对着互连结构110的引出位置，因而受互连结构110的位置影响小，焊盘对衬底面积的消耗较小。为了节约第一衬底100的面积，一实施例中，凹槽101在第一衬底100的正面100a的正投影可位于外围电路区。此外，凹槽101的位置可以设置地离像素阵列尽量近，以缩小像素阵列外围区域的大小，进而缩小BSI图像传感器装置的尺寸。一实施例中，相对于导通孔102，凹槽101距离像素阵列更近(此处比较的是在平行于第一衬底100正面100a的方向上的距离)。
上述第一隔离层121可以包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、氮化物掺杂碳化硅(NSiCN)以及高介电常数(即高k)材料(如氧化铝、氧化铪等)等绝缘材料中的至少一种。第一隔离层121可以是单层绝缘层或者多层材料组合形成的复合绝缘层。本实施例中的第一隔离层121例如为一复合绝缘层，具体包括在第一衬底100背面100b由下至上依次叠加形成的高k材料层1211、第一氧化层、氮化层和第二氧化层，其中，所述第一氧化层、氮化层和第二氧化层的叠层记为ONO层1212。第二隔离层122例如为氧化层(例如氧化硅层)。
上述第一开孔和第二开孔构成的穿通孔102例如为TSV孔，穿通孔102露出相应区域的互连结构110顶面。在第一衬底100背面100b随形地形成第一隔离层121后，所述第一开孔、第二隔离层122和第二开孔的制作例如包括如下过程(未图示)：先利用光刻胶定义出第一开孔对应的第一隔离层121的范围；然后刻蚀第一隔离层121，露出第一衬底100背面100b；接着利用第一隔离层121作掩模，刻蚀第一衬底100并形成第一开孔；然后采用化学气相沉积(CVD)或者原子层沉积(ALD)工艺在第一衬底100的背面100b和第一开孔内表面沉积第二隔离层122；去除覆盖在第一衬底背面100b的第二隔离层122和覆盖在第一开孔102底面的至少部分第二隔离层122，并向下刻蚀形成第二开孔，使第二开孔露出相应区域的互连结构110的顶面。上下连通的第一开孔和第二开孔构成穿通孔102。需要说明的是，图3E中的穿通孔102仅作示意，在实际中，经过上述步骤，穿通孔102的部分底面也可保留有第二隔离层122，并且，所述第二开孔的孔径可小于或等于所述第一开孔，在同一第一开孔的底部，向下刻蚀形成的第二开孔可以是一个或两个以上，它们均与所述第一开孔连通，不同的所述第二开孔露出的互连结构110的顶面位置不同。此外，根据电性引出的需要，在第一衬底100中可同时制作一个或者两个以上的穿通孔102，各个穿通孔均露出对应区域的互连结构110顶面。穿通孔102的孔径(平均值)可以根据BSI图像传感器装置的设计确定，例如约10μm～100μm。相较于如图1所示的现有技术，本发明实施例的穿通孔102内以及上方均不设置焊盘(焊盘在凹槽区域设置)，穿通孔102消耗的衬底面积大为减小，有助于使BSI图像传感器装置实现小尺寸。
接着执行上述本发明实施例的BSI图像传感器装置的制作方法的第二步骤S2。如图3F所示，在所述隔离层120上沉积导电材料，所述穿通孔102中的导电材料形成导电柱130，所述衬底100背面100b以及所述凹槽101内表面上的导电材料形成电连接层140，所述互连结构110通过导电柱130以及电连接层140电性引出。
本实施例中，电连接层140可随形地覆盖在衬底100的背面100b以及凹槽101的内表面，从而在凹槽101内外，电连接层140的上表面具有与凹槽101深度基本相等的落差。可采用物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、电镀或化学镀等工艺沉积上述导电材料来同时制作导电柱130以及电连接层140。所述导电材料可选自铜、铜合金、钛、氮化钛、钽、氮化钽、钴和钨中的至少一种。
接着执行上述本发明实施例的BSI图像传感器装置的制作方法的第三步骤S3：在凹槽101中的电连接层140上形成焊盘150，并在所述焊盘150和所述焊盘150覆盖范围以外的电连接层140上覆盖保护层。
如图3G所示，先在电连接层140上沉积导电材料(例如为铝)，然后利用本领域公开的光刻及刻蚀工艺对形成的导电层进行图形化(记为第三光罩工艺)，以在凹槽101中的电连接层140上形成焊盘150。所述焊盘150可以设置为仅底面与电连接层140接触，而侧面与电连接层140未接触。本实施例中，为了在后续沉积保护层之后，便于再将焊盘150露出，在形成所述焊盘150时，通过控制导电层的厚度使焊盘150的上表面高于凹槽101外的电连接层140的上表面。由于本实施例的隔离层120和电连接层140随形地覆盖第一衬底100背面100b和凹槽101内表面，为了使焊盘150的上表面高于凹槽101外的电连接层140的上表面，焊盘150的厚度(D2)应大于电连接层140上表面在凹槽101内外的落差，由于电连接层140上表面在凹槽101内外的落差基本等于凹槽101的深度，因此可设置焊盘150的厚度(D2)大于凹槽101的深度(D1)，即D2>D1，即可使得焊盘150的上表面较凹槽101外的电连接层140的上表面高。
可选的，在形成焊盘150之后，本实施例还利用覆盖在第一衬底100背面100b的电连接层140制作金属栅格。所述金属栅格的作用是使从背面100b一侧照射到像素阵列各个像素的入射光线相互隔离，即避免串扰。因而金属栅格对应于像素阵列设置。由于金属钨具有良好的光隔离效果，电连接层140材料例如为钨。
具体的，在凹槽101中的电连接层140上形成焊盘150之后，本实施例的BSI图像传感器装置的制作方法包括如下过程：
首先，如图3H所示，在焊盘150和所述焊盘150覆盖范围以外的电连接层140上覆盖第一保护层160，第一保护层160例如随形地覆盖在焊盘150的上表面、侧表面以及电连接层140被露出的表面上，第一保护层160的材料可采用氧化层(如氧化硅)；
接着，刻蚀凹槽101和穿通孔102外围的第一保护层160、电连接层140和隔离层120，以形成金属栅格140a，所述金属栅格140a与像素阵列对应，且包括构成电连接层140的导电材料；
接着，如图3J所示，形成第二保护层170，所述第二保护层170至少填充金属栅格140a中的间隙并将第一保护层160和金属栅格140a掩埋在内，其中，第一保护层160、第二保护层170构成上述第三步骤S3所述的保护层。
刻蚀凹槽101和穿通孔102外围的第一保护层160、电连接层140和隔离层120来形成金属栅格140a具体可采用如下过程：在第一保护层160上利用光刻工艺形成图形化的光刻胶层(记为第四光罩工艺)，利用所述图形化的光刻胶层刻蚀第一保护层160、电连接层140和隔离层120而形成所述金属栅格140a；或者，先利用所述图形化的光刻胶层刻蚀第一保护层160，使第一保护层160图形化，然后去除光刻胶层，进而利用图形化的第一保护层160作为硬掩模，刻蚀电连接层140和隔离层120构成的叠层，在第一衬底100背面100b形成所述金属栅格140a。本实施例中，第一隔离层121为复合绝缘层(高k材料层1211和ONO层1212)，在刻蚀电连接层140和第一隔离层121构成的叠层时，可以不完全刻穿第一隔离层121，而是保留高k材料层1211和ONO层1212的底层氧化层(即上述第一氧化层)，避免刻蚀过程损伤第一衬底100背面100b。
本实施例中，在形成第二保护层170时，第一保护层160保留下来，第二保护层170覆盖第一保护层160，以二者构成的叠层作为保护层，第一保护层160和第二保护层170例如均为氧化硅。本发明不限于此，另一实施例中，根据需要，在形成金属栅格140a后，第一保护层160也可以被去除，然后沉积保护层，使其填充金属栅格140a中的间隙并将金属栅格140a、焊盘150以及电连接层140掩埋在内。
接着执行上述本发明实施例的BSI图像传感器装置的制作方法的第四步骤S4：在覆盖焊盘150的保护层上形成开口，暴露出焊盘150，且所述保护层将所述电连接层140掩埋在内。
本实施例中，焊盘150的上表面高于凹槽101外的电连接层140的上表面，在形成第一保护层160和第二保护层170后，位于焊盘150上方的保护层的上表面较焊盘150外围高，为了使焊盘150露出，在形成上述保护层后，如图3K所示，可先利用平坦化工艺(如化学机械研磨，CMP)使所述保护层的上表面平坦，此时焊盘150、电连接层140(包括形成金属栅格140a的部分)均还被剩余的保护层覆盖，然后如图3L所示，进行无掩模刻蚀(即不采用掩模保护衬底的任意区域)，以去除部分厚度的保护层，使得焊盘150的上表面被露出，而电连接层140仍被剩余的所述保护层覆盖。所述无掩模刻蚀的原理在于，在对所述保护层进行平坦化后，由于焊盘150较高，焊盘150上方的保护层较周围薄，在不采用掩模保护的情况下，刻蚀过程中所述保护层整体以基本相同的速率被减薄，从而焊盘150的上表面最先被露出。通过控制所述无掩模刻蚀的刻蚀时间，可确保焊盘150的上表面被露出，而电连接层140被剩余的所述保护层掩埋而不露出。一些实施例中，焊盘150的邻近上表面的部分侧表面也可被露出。
经过上述步骤，在第一衬底100的背面100b形成了BSI图像传感器装置的焊盘150，并且还利用电连接层140形成了金属栅格140a。所述焊盘150可不止一个，若是多个焊盘，每个焊盘均可形成在相应的凹槽内的电连接层140上。在完成上述第四步骤S4后，可以进一步在焊盘150上制作电连接组件(如焊球或导线)。此外，后续可以进一步在第一衬底100背面100b对应于像素阵列制作非埋藏式滤色器(即非BCF)，所述非埋藏式滤色器用于对从背面100b一侧入射的光线进行过滤，经过过滤的光线再通过金属栅格110b中的间隙进入第一衬底100内，并被像素阵列中的像素感测。所述非埋藏式滤色器的制作可采用本领域公开的方法。
本发明实施例的BSI图像传感器装置的制作方法中，穿通孔102从衬底背面穿通至互连结构110顶面，互连结构110通过所述穿通孔102中形成的导电柱130和于衬底背面和凹槽内表面形成的电连接层140电性引出，焊盘150设置在凹槽中的电连接层140上，从而焊盘150与互连结构110实现了电性连接。所述穿通孔102的位置不设置焊盘，因而导通孔140的孔径可设置得较小，对第一衬底100(无论是正面还是背面)的占用面积小，而且凹槽以及焊盘150的位置受互连结构110的引出位置影响小(不同于图1所示的现有技术，图1中的焊盘30和互连结构20需正对着进行连接)，使得焊盘的设置对衬底面积的必要消耗较小，有助于提高设计灵活性和实现小尺寸。另外，利用本发明的图形传感器装置的制作方法，使焊盘150位于凹槽101中的电连接层140上，通过使焊盘150的上表面高于凹槽101外的电连接层140的上表面，在所述保护层中形成开口以暴露焊盘150的步骤中，可以通过平坦化工艺以及无掩模刻蚀来形成所述开口，节约光罩(完成上述四个步骤仅需要四次光罩工艺)，节省了工艺成本。
本发明实施例还涉及一种BSI图像传感器装置，所述BSI图像传感器装置可以采用本发明实施例描述的BSI图像传感器装置的制作方法制作。
参照图3L，所述BSI图像传感器装置包括：
衬底(如图3A～3L所示的第一衬底100)，所述衬底具有相对的正面100a和背面100b且正面形成有互连结构110，所述衬底的背面100b形成有凹槽101和位于凹槽101外围且从所述衬底背面100b穿通至互连结构110顶面的穿通孔102；
电连接层140和导电柱130，所述电连接层140随形覆盖在所述衬底背面100b和凹槽101内表面，所述导电柱130填充于所述穿通孔102内并与电连接层140电性连接，所述互连结构110通过所述导电柱130以及所述电连接层140电性引出，所述电连接层140与所述导电柱130通过隔离层120与所述衬底隔离；
焊盘150，形成在凹槽101中的电连接层140上；以及，
具有开口的保护层(如图3L中由第一保护层160和第二保护层170构成的保护层)，所述保护层将电连接层140掩埋在内，并且所述保护层中的开口暴露出所述焊盘150。
所述衬底可具有用于形成像素阵列的像素区以及位于像素区外围的外围电路区，在所述第一衬底100的正面100a一侧，对应于所述外围电路区可设置有外围电子元器件，如专用集成电路(ASIC)器件或芯片上系统(SOC)器件。所述凹槽101、焊盘150可对应于所述外围电路区设置。为了缩小BSI图像传感器装置的尺寸，一实施例中，上述焊盘150在第一衬底100正面100a的正投影位于所述外围器件区。另一实施例中，相对于穿通孔102，焊盘150距离像素区更近。
上述隔离层120可包括覆盖衬底背面100b和凹槽101内表面的第一隔离层121和覆盖穿通孔102侧壁的第二隔离层122(参照图3E)，所述第一隔离层121可以为单层绝缘膜或者复合绝缘膜，且可以包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、氮化物掺杂碳化硅(NSiCN)等绝缘材料中的任意一种，也可以包括高介电常数(即高k)材料(如氧化铝、氧化铪等)，所述第二隔离层122例如为氧化硅。上述电连接层140和导电柱130的材料可选自铜、铜合金、钛、氮化钛、钽、氮化钽、钴和钨等导电材料中的至少一种。一实施例中，上述隔离层120和电连接层140还位于凹槽101以及穿通孔102外围，例如对应于像素区设置在第一衬底100背面100b，以构造为对应于像素阵列的金属栅格140a(grid)。一实施例中，第一隔离层121包括在第一衬底100背面100b依次叠加的高k材料层1211和ONO层1212，且电连接层140和第一隔离层121中ONO层1212的最上面两层(第二氧化层和氮化层)被图形化，以形成金属栅格140a。
可选的，焊盘150的上表面高于位于凹槽101外的电连接层140的上表面，以在设置保护层时，便于仅将焊盘150露出。进一步的，上述隔离层120中的第一隔离层121和电连接层140构成的叠层可以保形地覆盖凹槽101的内表面以及衬底背面100b，则凹槽101的深度与电连接层140上表面在凹槽101内外的落差大体相同，因而为了使焊盘150的上表面高于凹槽101外的电连接层140的上表面，可设置焊盘150的厚度大于凹槽101的深度。
所述保护层可包括第一保护层160和第二保护层170，第一保护层160和第二保护层170例如均为氧化硅。所述保护层将电连接层140掩埋在内，并通过在相应区域设置的开口将焊盘150露出。另外，所述BSI图像传感器装置还可包括第二衬底200，第二衬底200位于第一衬底100的正面100a一侧，且与第一衬底100接合在一起。
本发明实施例的BSI图像传感器装置中，穿通孔102中填充有导电柱130，导电柱130将设置于第一衬底100正面100a的互连结构110和设置于第一衬底100背面100b的电连接层140电性连接，焊盘150设置在凹槽101内的电连接层140上，从而焊盘150与互连结构110实现了电性连接。所述穿通孔102的位置不设置焊盘，因而穿通孔的孔径可设置得较小(如10μm～100μm)，而且焊盘150的位置受互连结构110的引出位置影响小，可根据节约衬底面积的需要设计，从而便于缩小焊盘对衬底面积的消耗，提高设计灵活性和实现小尺寸。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明权利范围的任何限定，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种BSI图像传感器装置的制作方法，其特征在于，包括：
提供衬底，所述衬底具有相对的正面和背面且于正面形成有互连结构，所述衬底的背面形成有凹槽和位于凹槽外围且从所述衬底背面穿通至所述互连结构顶面的穿通孔，所述衬底的背面、所述凹槽内表面以及所述穿通孔侧壁随形覆盖有隔离层；
在所述隔离层上沉积导电材料，所述穿通孔中的导电材料形成导电柱，所述衬底背面以及所述凹槽内表面上的导电材料形成电连接层，所述互连结构通过所述导电柱以及所述电连接层电性引出；
在所述凹槽中的所述电连接层上形成焊盘，并在所述焊盘和所述焊盘覆盖范围以外的电连接层上覆盖保护层；以及，
在覆盖所述焊盘的保护层中形成开口，暴露出所述焊盘，且所述保护层将所述电连接层掩埋在内。
2.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述焊盘的上表面高于位于所述凹槽外的所述电连接层的上表面。
3.如权利要求2所述的制作方法，其特征在于，在覆盖所述焊盘的保护层中形成开口的方法包括：
利用平坦化工艺使所述保护层的上表面平坦；以及，
进行无掩模刻蚀，以去除部分厚度的所述保护层，使得所述焊盘的上表面被露出，而所述电连接层仍被剩余的所述保护层覆盖。
4.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在形成所述焊盘之后且在覆盖所述焊盘的保护层中形成开口之前，还包括：
在所述焊盘和所述焊盘覆盖范围以外的电连接层上覆盖第一保护层；
刻蚀所述凹槽和所述穿通孔外围的所述第一保护层、所述电连接层、所述隔离层，形成金属栅格；以及，
在所述衬底的背面形成第二保护层，所述第二保护层至少填充所述金属栅格中的间隙，且将所述第一保护层和所述金属栅格掩埋在内，其中，所述第一保护层和所述第二保护层构成所述保护层。
5.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述第一保护层和所述第二保护层均为氧化层。
6.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在所述衬底背面形成所述凹槽、所述穿通孔以及所述隔离层的方法包括：
刻蚀所述衬底背面以形成所述凹槽，并于所述衬底背面以及所述凹槽内表面随形覆盖第一隔离层；
依次刻蚀所述第一隔离层和所述衬底，于所述凹槽外围形成第一开孔；以及，
在所述第一开孔侧壁形成第二隔离层，并刻蚀所述第一开孔底部以形成第二开孔，所述第二开孔暴露所述互连结构的顶面，其中，所述第一开孔和所述第二开孔构成所述穿通孔，所述第一隔离层和所述第二隔离层构成所述隔离层。
7.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述第一隔离层包括由下至上依次叠加形成的高k介质层、第一氧化层、氮化层和第二氧化层；所述第二隔离层包括氧化层。
8.一种BSI图像传感器装置，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底具有相对的正面和背面，所述衬底正面形成有互连结构，所述衬底背面形成有凹槽和位于所述凹槽外围从所述衬底背面穿通至所述互连结构的顶面的穿通孔；
电连接层和导电柱，所述电连接层随形覆盖在所述衬底背面和所述凹槽内表面，所述导电柱填充于所述穿通孔内并与所述电连接层电性连接，所述互连结构通过所述导电柱以及所述电连接层电性引出，所述电连接层与所述导电柱通过隔离层与所述衬底隔离；
焊盘，形成在所述凹槽中的所述电连接层上；以及，
具有开口的保护层，所述保护层将所述电连接层掩埋在内，并且所述保护层中的开口暴露出所述焊盘。
9.如权利要求8所述的BSI图像传感器装置，其特征在于，还包括：
金属栅格，位于所述凹槽以及所述穿通孔的外围，所述金属栅格包括构成所述电连接层的导电材料。
10.如权利要求8所述的BSI图像传感器装置，其特征在于，所述焊盘的上表面高于位于所述凹槽外的所述电连接层的上表面。
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