CN113764452A - 像素单元结构及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种像素单元结构及其形成方法，所述像素单元结构的形成方法包括：提供衬底，衬底内形成有间隔分布的第一感光元件和第二感光元件；去除第一感光元件和第二感光元件的感光区域上方的第二阻挡层和金属层；形成图案化的光刻胶层，覆盖第二感光元件的感光区域并暴露第一感光元件的感光区域；以图案化的光刻胶层为掩模，刻蚀去除第一感光元件的感光区域上方的第一阻挡层，第二感光元件的感光区域上方的第一阻挡层的作为第二感光元件的挡光层保留。本发明大幅减少了第一感光元件和第二感光元件在刻蚀中受到的等离子体损伤，避免了像素单元性能的劣化，从而提高图像传感器的可靠性和成品率，同时简化了工艺流程，降低了工艺成本。

Description

像素单元结构及其形成方法
技术领域
本发明涉及集成电路制造技术领域，尤其涉及一种像素单元结构及其形成方法。
背景技术
图像传感器是一种将光信号转换为电信号的装置，其中，大规模商用的图像传感器芯片包括电荷耦合器件(Charge-Coupled Device，CCD)和互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)图像传感器芯片两大类。CMOS图像传感器和传统的CCD传感器相比具有的低功耗，低成本和兼容CMOS工艺等特点，因此得到越来越广泛的应用。现在CMOS图像传感器不仅应用于微型数码相机(Digital Still Camera，DSC)、手机摄像头、摄像机和数码单反(Digital Single Lens Reflex，DSLR)等消费电子领域，而且在汽车电子、监控、生物技术和医学等领域也得到了广泛的应用。
像素单元是CMOS图像传感器实现感光功能的核心器件，其通常包括用于光电转换的光电二极管、用于信号控制和传输的传输管、复位管、源极跟随管和行选管等。像素单元的动态范围指的是在同一场景中能够探测的最强和最弱光之间的比值，而动态范围是图像传感器最重要的性能指标之一。为了提升像素单元的动态范围，通常在一个像素单元中同时设置大光电二极管和小光电二极管两种感光结构。其中，大光电二极管对光的灵敏度高，用于感应弱光；小光电二极管对光的灵敏度低，用于感应强光。此外，还可以在小光电二极管上覆盖挡光层来减少进光量，从而感应强光。
然而，在实现所述大光电二极管和小光电二极管的光学隔离的过程中，所述大光电二极管和所述小光电二极管的表面均会受到第一次等离子体损伤，在后续制备所述挡光层的过程中，所述大光电二极管会受到第二次等离子体损伤，引起暗电流和白色像素增加，从而导致像素单元的性能劣化，进而导致图像传感器的可靠性和成品率下降。同时，形成所述挡光层还需要额外的工艺步骤，造成工艺制作的成本上升。
因此，需要一种方法在减少像素单元受到等离子体损伤的同时不增加额外的工艺成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种像素单元结构及其形成方法，减少了第一感光元件和第二感光元件受到的等离子体损伤，避免了像素单元的性能劣化，从而提高图像传感器的可靠性和成品率，控制工艺成本。
为了达到上述目的，本发明提供了一种像素单元结构的形成方法，包括：
提供衬底，所述衬底内形成有间隔分布的第一感光元件和第二感光元件；
在所述衬底的背面上形成金属隔离层，所述金属隔离层自所述衬底的背面依次包括第一阻挡层和金属层；
去除所述第一感光元件和所述第二感光元件的感光区域上方的所述金属层；
形成图案化的光刻胶层，所述图案化的光刻胶层覆盖所述第二感光元件的感光区域，并暴露所述第一感光元件的感光区域；以及，
以所述图案化的光刻胶层为掩模，刻蚀去除所述第一感光元件的感光区域上方的所述第一阻挡层，所述第二感光元件的感光区域上方的所述第一阻挡层的作为所述第二感光元件的挡光层保留。
可选的，所述第一感光元件对光的灵敏度高于所述第二感光元件，且所述第一感光元件和所述第二感光元件均为光电二极管。
可选的，所述金属隔离层还包括第二阻挡层，所述第二阻挡层形成于所述金属层的远离所述衬底的表面。
可选的，所述第一阻挡层和所述第二阻挡层均包括钛/氮化钛层，所述金属层包括铝层。
可选的，所述第一阻挡层的厚度范围为5nm～500nm。
可选的，采用干法刻蚀工艺去除所述第一感光元件和所述第二感光元件的感光区域上方的所述金属层，及采用干法刻蚀工艺去除所述第一感光元件的感光区域上方的所述第一阻挡层。
相应地，本发明还提供一种像素单元结构，采用所述像素单元结构的形成方法制成，包括：
衬底，所述衬底内形成有间隔分布的第一感光元件和第二感光元件；
金属隔离层，设置在所述第一感光元件和所述第二感光元件的感光区域之间，所述金属隔离层自所述衬底的背面依次包括第一阻挡层和金属层；以及，
挡光层，设置在所述第二感光元件的感光区域上，其中，所述挡光层和所述第一阻挡层的材料相同。
可选的，所述第一感光元件对光的灵敏度高于所述第二感光元件，且所述第一感光元件和所述第二感光元件均为光电二极管。
可选的，所述金属隔离层还包括第二阻挡层，所述第二阻挡层设置于所述金属层的远离所述衬底的表面。
可选的，所述第一阻挡层和所述第二阻挡层均包括钛/氮化钛层，所述金属层包括铝层。
可选的，所述挡光层和所述第一阻挡层是在同一工艺步骤中形成的。
可选的，所述挡光层和所述第一阻挡层的厚度范围均为5nm～500nm。
综上所述，本发明提供一种像素单元结构及其形成方法，其中，所述像素单元结构的形成方法包括：提供衬底，所述衬底内形成有间隔分布的第一感光元件和第二感光元件，所述衬底的背面形成金属隔离层，所述金属隔离层自所述衬底的背面依次包括第一阻挡层和金属层；去除第一感光元件和第二感光元件的感光区域上方的金属层；形成图案化的光刻胶层，覆盖所述第二感光元件的感光区域，并暴露所述第一感光元件的感光区域；以所述图案化的光刻胶层为掩模，刻蚀去除所述第一感光元件的感光区域上方的所述第一阻挡层，所述第二感光元件的感光区域上方的所述第一阻挡层的作为所述第二感光元件的挡光层保留。本发明大幅减少了第一感光元件和第二感光元件在刻蚀过程中受到的等离子体损伤，避免了像素单元性能的劣化，从而提高图像传感器的可靠性和成品率，同时简化了工艺流程，降低了工艺成本。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的像素单元结构的形成方法的流程图；
图2-图9为本发明一实施例提供的像素单元结构的形成方法中各个步骤对应的结构示意图；
图10为本发明一实施例提供的像素单元结构的结构示意图；
其中，附图标记如下：
100-衬底；101-第一感光元件；102-第二感光元件；103正面隔离沟槽；104-背面隔离沟槽；105-悬浮漏极；
110-控制晶体管；120-层间介质层；121-金属互连布线；122-电连接件；
130-载片；140-金属隔离层；141-第一阻挡层；142-金属层；143-第二阻挡层；150-图案化的第一光刻胶层；160-图案化的第二光刻胶层；
200-衬底；201-第一感光元件；202-第二感光元件；203正面隔离沟槽；204-背面隔离沟槽；205-悬浮漏极；
210-控制晶体管；220-层间介质层；221-金属互连布线；222-电连接件；
230-金属隔离层；231-第一阻挡层；232-金属层；233-第二阻挡层；240-挡光层。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，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。
图1为本实施例提供的像素单元结构的形成方法的流程图。参阅图1，本实施例所述的像素单元结构的形成方法包括：
步骤S01：提供衬底，所述衬底内形成有间隔分布的第一感光元件和第二感光元件；
步骤S02：在所述衬底的背面上形成金属隔离层，所述金属隔离层自所述衬底的背面依次包括第一阻挡层和金属层；
步骤S03：去除所述第一感光元件和所述第二感光元件的感光区域上方的所述金属层；
步骤S04：形成图案化的光刻胶层，所述图案化的光刻胶层覆盖所述第二感光元件的感光区域，并暴露所述第一感光元件的感光区域；
步骤S05：以所述图案化的光刻胶层为掩模，刻蚀去除所述第一感光元件的感光区域上方的所述第一阻挡层，所述第二感光元件的感光区域上方的所述第一阻挡层的作为所述第二感光元件的挡光层保留。
图2-图9为本实施例所述的像素单元结构的形成方法中各个步骤对应的结构示意图。下面结合图2-图9详细说明所述像素单元结构的形成方法。
首先，参阅图2-图4，执行步骤S01，提供衬底100，所述衬底100内形成有间隔分布的第一感光元件101和第二感光元件102。具体的，参阅图2，提供衬底100，在所述衬底100的正面采用常规CMOS前道制造工艺形成构成大小像素单元结构的第一感光元件101、第二感光元件102、控制晶体管110以及用于电学隔离的正面隔离沟槽103；参阅图3，在所述控制晶体管110及所述衬底100的正面形成层间介质层120，并采用后道制造工艺在所述层间介质层120中形成金属互连布线121和电连接件122；接着，参阅图4，翻转所述衬底100，将所述层间介质层120粘合到载片130上，并对所述衬底100进行背面减薄工艺。
本实施例中，所述衬底100为硅衬底，所述第一感光元件101和所述第二感光元件102均为光电二极管，其中，所述第一感光元件101对光的灵敏度高于所述第二感光元件102，以通过所述第一感光元件101感应弱光，通过所述第二感光元件102感应强光，因此，可以将所述第一感光元件101所在的像素单元定义为大像素单元，将所述第二感光元件102所在的像素单元定义为小像素单元。本实施例中，所述层间介质层120内包括两层金属互连布线121，在本发明的其他实施例中，所述金属互连布线121的层数和所述电连接件122的位置及数量可以根据实际需要进行调整，本发明对此不作限制。可选的，所述正面隔离沟槽103和所述控制晶体管110之间的衬底100内还形成有悬浮漏极105。
接着，参阅图5，执行步骤S02，在所述衬底100的背面上形成金属隔离层140，所述金属隔离层140自所述衬底100的背面依次包括第一阻挡层141和金属层142。本实施例中，所述金属隔离层140还包括第二阻挡层143，所述第二阻挡层143形成于所述金属层142的远离所述衬底100的表面，此时，所述金属层142为铝层，所述第一阻挡层141和所述第二阻挡层143均为钛/氮化钛层，以增加所述金属隔离层140和所述衬底100之间的粘附性并防止电迁移，在本发明的其他实施例中，所述金属隔离层140的具体结构可以根据实际需要进行调整，所述第一阻挡层141、所述金属层142和所述第二阻挡层143的材料也可以根据实际需要进行选择，例如所述金属层142可以为钨层，本发明对此不作限制。可选的，所述第一阻挡层141的厚度范围为5nm～500nm。本实施例中，在形成所述第一阻挡层141之前，还包括：在所述衬底100的背面形成背面隔离沟槽104，且所述背面隔离沟槽104形成于所述第一感光元件101和所述第二感光元件102之间，以实现所述第一感光元件101和所述第二感光元件102之间的电学隔离。
随后，参阅图6，执行步骤S03，去除所述第一感光元件101和所述第二感光元件102的感光区域上方的所述金属层142。在本实施例中，由于所述金属层142的表面还形成有第二阻挡层，因此，所述步骤S03的具体过程包括：在所述第二阻挡层143上形成图案化的第一光刻胶层150，所述图案化的第一光刻胶层150暴露所述第一感光元件101和所述第二感光元件102的感光区域上方的所述第二阻挡层143；以所述图案化的第一光刻胶层150为掩模刻蚀所述第二阻挡层143和所述金属层142，以暴露所述第一感光元件101和所述第二感光元件102的感光区域上方的所述第一阻挡层141。本实施例中，采用等离子体刻蚀工艺刻蚀所述第二阻挡层143和所述金属层142，在本发明的其他实施例中，还可以采用其他干法刻蚀工艺，本发明对此不作限制。需要说明的是，上述刻蚀工艺通过终点检测停止在所述第一阻挡层141的上方，由于所述第一阻挡层141对等离子的隔离作用，所述第一感光元件101和所述第二感光元件102的感光区域在本次刻蚀过程中均未受到等离子体损伤。
接着，参阅图7，执行步骤S04，形成图案化的光刻胶层(即图案化的第二光刻胶层160)，所述图案化的光刻胶层覆盖所述第二感光元件102的感光区域，并暴露所述第一感光元件101的感光区域。可选的，在执行步骤S04之前还包括，去除所述图案化的第一光刻胶层150。
随后，参阅图8和图9，执行步骤S05，以所述图案化的光刻胶层(即图案化的第二光刻胶层160)为掩模，刻蚀去除所述第一感光元件101的感光区域上方的所述第一阻挡层141，所述第二感光元件102的感光区域上方的所述第一阻挡层141的作为所述第二感光元件102的挡光层保留。具体的，以所述图案化的第二光刻胶层160为掩模刻蚀所述第一阻挡层141，以暴露所述第一感光元件101的感光区域；去除所述图案化的第二光刻胶层160。可选的，采用等离子体刻蚀工艺刻蚀所述第一阻挡层141。由于所述图案化的第二光刻胶层160覆盖了所述第二感光元件102的感光区域，因此，在刻蚀所述第一阻挡层141的过程中所述第一感光元件101的感光区域受到一次等离子体损伤，而所述第二感光元件102未受到等离子体损伤。此外，参阅图9，去除所述图案化的第二光刻胶层160后，所述第二感光元件102的感光区域上方的所述第一阻挡层141作为挡光层保留，以降低所述第二感光元件102对光的灵敏度，避免所述第二感光元件102在强光下过快饱和。
与现有技术相比，本实施例所述的像素单元结构的形成方法大幅减少了第一感光元件和第二感光元件受到的等离子体损伤，避免了像素单元性能的劣化，从而提高图像传感器的可靠性和成品率。同时，本实施例所述的像素单元结构的形成方法无需形成额外的挡光层，通过利用第二感光元件上方的第一阻挡层的挡光特性，降低了小像素单元的灵敏度，避免了第二感光元件在强光下过快饱和，从而增加了像素单元的动态范围，降低了工艺加工成本。
相应地，本发明还提供一种像素单元结构，采用所述像素单元结构的形成方法制成。
具体的，参阅图10，所述像素单元结构包括：
衬底200，所述衬底200内形成有间隔分布的第一感光元件201和第二感光元件202；
金属隔离层230，设置在所述第一感光元件201和所述第二感光元件202的感光区域之间，所述金属隔离层230自所述衬底200的背面依次包括第一阻挡层231和金属层232；以及
挡光层240，设置在所述第二感光元件202的感光区域上，其中，所述挡光层240和所述第一阻挡层231的材料相同。
本实施例中，所述像素单元结构还包括设置于衬底200正面的正面隔离沟槽203及设置于衬底200背面的背面隔离沟槽204，所述正面隔离沟槽203和所述背面隔离沟槽204均设置于所述第一感光元件201和所述第二感光元件202之间。所述衬底200的正面还设置有控制晶体管210和层间介质层220，所述层间介质层220覆盖所述控制晶体管210及所述控制晶体管210两侧的衬底200，且所述层间介质层220内设置有金属互连布线221及电连接件222。
本实施例中，所述金属隔离层230还包括第二阻挡层233，所述第二阻挡层233形成于所述金属层232的远离所述衬底200的表面，此时，所述金属层232为铝层，所述第一阻挡层231和所述第二阻挡层233均为钛/氮化钛层，以增加所述金属隔离层230和所述衬底200之间的粘附性并防止电迁移，在本发明的其他实施例中，所述金属隔离层230的具体结构可以根据实际需要进行调整，所述第一阻挡层231、所述金属层232和所述第二阻挡层233的材料也可以根据实际需要进行选择，例如所述金属层232可以为钨层，本发明对此不作限制。优选的，所述挡光层240和所述第一阻挡层231是在同一工艺步骤中形成的，所述第一阻挡层231和所述挡光层240的厚度范围均为5nm～500nm。
本实施例中，所述第一感光元件201和所述第二感光元件202均为光电二极管，且所述第一感光元件201对光的灵敏度高于所述第二感光元件202，以通过所述第一感光元件201感应弱光，通过所述第二感光元件202感应强光，从而实现对光线的收集并将光子转换为电子；所述控制晶体管210是控制单元，实现对所述第一感光元件201和所述第二感光元件202的控制；所述控制晶体管210和所述正面隔离沟槽203之间的衬底200内还形成有悬浮漏极205，所述第一感光元件201和所述第二感光元件202产生的电子传输到相应的所述悬浮漏极205并转换为电压信号输出。
由于所述第一感光元件201和所述第二感光元件202对光的灵敏度不同，因此，将所述第一感光元件201所在的像素单元定义为大像素单元，将所述第二感光元件202所在的像素单元定义为小像素单元。所述正面隔离沟槽203和所述背面隔离沟槽204用于大、小像素单元之间的电学隔离，所述金属隔离层230用于大、小像素单元之间的光学隔离。部分所述第一阻挡层231作为挡光层240覆盖所述第二感光元件202的感光区域，降低了所述第二感光元件202对光的灵敏度，避免了所述第二感光元件202在强光下过快饱和，从而增加了大小像素单元的动态范围。
综上，本发明提供一种像素单元结构及其形成方法，其中，所述像素单元结构的形成方法包括：提供衬底，所述衬底内形成有间隔分布的第一感光元件和第二感光元件；去除第一感光元件和第二感光元件的感光区域上方的第二阻挡层和金属层；形成图案化的光刻胶层，所述图案化的光刻胶层覆盖所述第二感光元件的感光区域，并暴露所述第一感光元件的感光区域；以所述图案化的光刻胶层为掩模，刻蚀去除所述第一感光元件的感光区域上方的所述第一阻挡层，所述第二感光元件的感光区域上方的所述第一阻挡层的作为所述第二感光元件的挡光层保留。本发明大幅减少了第一感光元件和第二感光元件在刻蚀过程中受到的等离子体损伤，避免了像素单元性能的劣化，从而提高图像传感器的可靠性和成品率，同时简化了工艺流程，降低了工艺成本。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种像素单元结构的形成方法，其特征在于，包括：
提供衬底，所述衬底内形成有间隔分布的第一感光元件和第二感光元件；
在所述衬底的背面上形成金属隔离层，所述金属隔离层自所述衬底的背面依次包括第一阻挡层和金属层；
去除所述第一感光元件和所述第二感光元件的感光区域上方的所述金属层；
形成图案化的光刻胶层，所述图案化的光刻胶层覆盖所述第二感光元件的感光区域，并暴露所述第一感光元件的感光区域；以及，
以所述图案化的光刻胶层为掩模，刻蚀去除所述第一感光元件的感光区域上方的所述第一阻挡层，所述第二感光元件的感光区域上方的所述第一阻挡层的作为所述第二感光元件的挡光层保留。
2.如权利要求1所述的像素单元结构的形成方法，其特征在于，所述第一感光元件对光的灵敏度高于所述第二感光元件，且所述第一感光元件和所述第二感光元件均为光电二极管。
3.如权利要求1所述的像素单元结构的形成方法，其特征在于，所述金属隔离层还包括第二阻挡层，所述第二阻挡层形成于所述金属层的远离所述衬底的表面。
4.如权利要求3所述的像素单元结构的形成方法，其特征在于，所述第一阻挡层和所述第二阻挡层均包括钛/氮化钛层，所述金属层包括铝层。
5.如权利要求1、3或4所述的像素单元结构的形成方法，其特征在于，所述第一阻挡层的厚度范围为5nm～500nm。
6.如权利要求1所述的像素单元结构的形成方法，其特征在于，采用干法刻蚀工艺去除所述第一感光元件和所述第二感光元件的感光区域上方的所述金属层，及采用干法刻蚀工艺去除所述第一感光元件的感光区域上方的所述第一阻挡层。
7.一种像素单元结构，采用如权利要求1～6中任一项所述的像素单元结构的形成方法制成，包括：
衬底，所述衬底内形成有间隔分布的第一感光元件和第二感光元件；
金属隔离层，设置在所述第一感光元件和所述第二感光元件的感光区域之间，所述金属隔离层自所述衬底的背面依次包括第一阻挡层和金属层；以及，
挡光层，设置在所述第二感光元件的感光区域上，其中，所述挡光层和所述第一阻挡层的材料相同。
8.如权利要求7所述的像素单元结构，其特征在于，所述第一感光元件对光的灵敏度高于所述第二感光元件，且所述第一感光元件和所述第二感光元件均为光电二极管。
9.如权利要求7所述的像素单元结构，其特征在于，所述金属隔离层还包括第二阻挡层，所述第二阻挡层设置于所述金属层的远离所述衬底的表面。
10.如权利要求9所述的像素单元结构，其特征在于，所述第一阻挡层和所述第二阻挡层均包括钛/氮化钛层，所述金属层包括铝层。
11.如权利要求7所述的像素单元结构，其特征在于，所述挡光层和所述第一阻挡层是在同一工艺步骤中形成的。
12.如权利要求7所述的像素单元结构，其特征在于，所述挡光层和所述第一阻挡层的厚度范围均为5nm～500nm。
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