CN116344558A - 背照式图像传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了背照式图像传感器及其形成方法，该方法包括：提供具有正面和背面的衬底；刻蚀所述衬底的背面，形成沟槽；至少在所述沟槽侧壁和底部形成第一介质层；在所述沟槽的下部填充第二介质层；通过沉积和刻蚀工艺，形成第一金属层；其中，所述第一金属层的下部填充所述沟槽的上部，所述第一金属层的上部位于所述沟槽的上方。本发明技术方案通过第一金属层的下部填充背面沟槽隔离结构的上部，可以降低相邻的像素之间的光线串扰；第一金属层的上部设置在背面沟槽隔离结构的上方，可以进一步降低相邻的像素之间的光线串扰。

Description

背照式图像传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体器件的制造领域，尤其涉及背照式图像传感器及其制备方法。
背景技术
CMOS图像传感器（CMOS Image Sensor, CIS）是将光学图像转化为电信号的半导体器件。CIS包括用于感光的光电二极管(photodiode, PD)和用于将所感测的光处理为电信号的逻辑电路。
常用于光学成像器件的一种类型的图像传感器是背照式图像传感器。背照式图像传感器采用背面深沟槽隔离(backside deep trench isolation, BDTI)来对各个像素进行隔离，来减少进光造成的串扰(crosstalk)。BDTI的材料通常采用氧化物或其他介质材料，利用入射光在一定角度产生全反射，从而达到防止光串扰的效果。在BDTI上方采用一定厚度的金属栅格隔离滤光材料。在BDTI和金属栅格之间有一定厚度的透明缓冲层，入射光通过滤光材料入射到BDTI的过程中，由于在缓冲层以及BDTI中不存在金属栅格，当入射角度过大的时候，在缓冲层和BDTI的上方区域容易发生光串扰。因此，如何有效降低串扰成为一大技术难题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，一方面，本发明提出了一种背照式图像传感器的形成方法，至少包括：提供具有正面和背面的衬底；刻蚀所述衬底的背面，形成沟槽；至少在所述沟槽侧壁和底部形成第一介质层；在所述沟槽的下部填充第二介质层；通过沉积和刻蚀工艺，形成第一金属层；其中，所述第一金属层的下部填充所述沟槽的上部，所述第一金属层的上部位于所述沟槽的上方。
可选地，所述第一介质层包括第一子介质层、第二子介质层和第三子介质层；所述在所述沟槽侧壁和底部形成第一介质层包括：在所述衬底的背面、所述沟槽侧壁和底部形成第一子介质层；在所述第一子介质层表面形成第二子介质层；在所述第二子介质层表面形成第三子介质层。
可选地，所述在所述衬底的背面、所述沟槽侧壁和底部形成第一子介质层包括：通过氧化所述衬底的背面、所述沟槽侧壁和底部，形成所述第一子介质层。
可选地，所述在所述第一子介质层表面形成第二子介质层包括：通过原子层沉积方式，形成所述第二子介质层；所述第二子介质层包括氧化铪、氧化铝或氧化钽中的至少一种。
可选地，所述在所述第二子介质层表面形成第三子介质层包括：在所述第二子介质层表面沉积第三子介质层；所述第三子介质层为氧化硅。
可选地，所述在所述沟槽的下部填充第二介质层包括：在所述衬底的背面沉积所述第二介质层，以填充所述沟槽；通过化学机械研磨，对所述衬底的背面进行减薄，停止在第三子介质层上；通过刻蚀工艺，去除所述沟槽上部的部分第二介质层。
可选地，所述通过沉积和刻蚀工艺，形成第一金属层包括：在所述衬底的背面沉积第一金属层对应的金属材料，以填充所述沟槽的上部；通过化学机械研磨，对所述衬底的背面的金属材料进行减薄；通过刻蚀工艺，形成栅格状的第一金属层，使所述第一金属层的上部位于所述沟槽的上方。
可选地，所述背照式图像传感器的形成方法还包括：在所述衬底的背面沉积第三介质层；对所述衬底的背面进行化学机械研磨；在所述第三介质层上形成金属栅格结构；所述金属栅格结构与所述第一金属层存在偏移；在所述金属栅格结构表面形成第四介质层；在所述第四介质层上形成滤光片和微透镜。
可选地，所述第三介质层为低折射率材料。
可选地，所述背照式图像传感器的形成方法还包括：通过离子注入，在所述衬底的正面形成正面隔离结构；所述沟槽的下部填充第二介质层，以及上部填充第一金属层，用于形成背面沟槽隔离结构；所述正面隔离结构与所述背面沟槽隔离结构共同用于感光单元之间的隔离。
另一方面，本发明还提供了一种背照式图像传感器，通过上述背照式图像传感器的形成方法形成。
另一方面，本发明还提供了一种背照式图像传感器，至少包括：衬底，其包括沟槽隔离结构；所述沟槽隔离结构的沟槽的侧壁和底部包括第一介质层；所述沟槽的下部填充第二介质层；所述沟槽的上部填充第一金属层的下部；所述第一金属层的上部位于所述沟槽的上方。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
本发明实施例提供的背照式图像传感器的形成方法：提供具有正面和背面的衬底；刻蚀所述衬底的背面，形成沟槽；至少在所述沟槽侧壁和底部形成第一介质层；在所述沟槽的下半部分填充第二介质层；通过沉积和刻蚀工艺，形成第一金属层；其中，所述第一金属层的下半部分填充所述沟槽的上半部分，所述第一金属层的上半部分位于所述沟槽的上方。通过第一金属层的下半部分填充背面沟槽隔离结构的上半部分，可以降低BDTI结构间相邻的像素之间的光线串扰；第一金属层的上半部分设置在背面沟槽隔离结构的上方，可以进一步降低入射光在缓冲层之间的光线串扰。
附图说明
图1为本发明实施例的一种背照式图像传感器的形成方法的流程图；
图2至图12为本发明实施例的一种背照式图像传感器的形成方法过程中的结构示意图。
具体实施方式
以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本发明的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
图1为本发明一实施例的一种图像传感器的形成方法100，该方法100包括以下步骤：
步骤S1：提供具有正面和背面的衬底；
步骤S2：刻蚀所述衬底的背面，形成沟槽；
步骤S3：至少在所述沟槽侧壁和底部形成第一介质层；
步骤S4：在所述沟槽的下部填充第二介质层；
步骤S5：通过沉积和刻蚀工艺，形成第一金属层；其中，所述第一金属层的下部填充所述沟槽的上部，所述第一金属层的上部位于所述沟槽的上方。
以下结合附图2至图12对图1的背照式图像传感器的形成方法进行详细描述。
参考图2，提供具有正面和背面的衬底10。衬底10可以是掺杂或未掺杂的半导体材料，诸如硅、锗、硅锗、绝缘体上锗硅(SGOI)或其组合。衬底10可以包括多层外延层的衬底。例如，衬底10可以在P型硅晶圆上形成至少一层P型或N型外延层。为了描述方便，在本发明实施例中，衬底10以硅衬底为示例。
在该实施例中，背照式图像传感器的形成方法100还包括：
通过离子注入，在所述衬底10的正面形成正面隔离结构10a。该正面隔离结构10a用于隔离光电二极管的感光单元10b（如图4所示）。
参考图3，在该实施例中，背照式图像传感器的形成方法100还包括：在衬底10的正面形成晶体管，例如，转移晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管等器件（图3中未示出），以及衬底10的正面形成金属互连层12和承载晶圆13。
参考图4，刻蚀所述衬底10的背面，形成沟槽13。沟槽13包括侧壁13a和底部13b。沟槽13和正面隔离结构10a之间的衬底10用于形成光电二极管的感光单元10b。
参考图5，至少在所述沟槽侧壁13a和底部13b形成第一介质层14。
在一实施例中，所述第一介质层14可以包括第一子介质层141、第二子介质层142和第三子介质层143。所述在所述沟槽侧壁13a和底部13b形成第一介质层14可以包括：
在所述衬底10的背面、所述沟槽侧壁13a和底部13b形成第一子介质层141；
在所述第一子介质层141表面形成第二子介质层142；
在所述第二子介质层142表面形成第三子介质层143。
在一具体实施方式中，所述在所述衬底10的背面、所述沟槽侧壁13a和底部13b形成第一子介质层141包括：通过氧化所述衬底10的背面、所述沟槽侧壁13a和底部13b，形成所述第一子介质层141。例如，通过耦合等离子氧化工艺(decoupled plasma oxidation,DPO)氧化所述衬底10的背面、所述沟槽侧壁13a和底部13b，形成第一子介质层141（即氧化硅）。该氧化过程可以消除沟槽13内的缺陷，有利于减少暗电流。
在一具体实施方式中，所述在所述第一子介质层141表面形成第二子介质层142包括：通过原子层沉积（atomlayerdeposition, ALD）方式，形成所述第二子介质层。其中，第二子介质层142可以包括氧化铪、氧化铝或氧化钽等高介电常数（high-k）材料中的至少一种。其中，第二子介质层142的厚度可以控制在50至1000埃。
在一具体实施方式中，所述在所述第二子介质层142表面形成第三子介质层143包括：在所述第二子介质层142表面沉积第三子介质层143（即氧化硅）。其中，第三子介质层143可以作为后续化学机械研磨（chemicalmechanical polish, CMP）的停止层。
参考图6和图7,在所述沟槽13的下部填充第二介质层15。其中，第二介质层15可以为氮化硅、氮氧化硅等材料。
在一具体实施方式中，所述在所述沟槽13的下部填充第二介质层15包括：
在所述衬底10的背面沉积所述第二介质层15，以填充所述沟槽13；
通过CMP，对所述衬底的背面进行减薄，停止在第三子介质层143上；
通过刻蚀工艺，去除所述沟槽13上部的部分第二介质层15。
参考图8和图9，通过沉积和刻蚀工艺，形成第一金属层16；其中，所述第一金属层16的下部16b填充所述沟槽13的上部，所述第一金属层16的上部16a位于所述沟槽13的上方。
在一具体实施方式中，所述通过沉积和刻蚀工艺，形成第一金属层16包括：
在所述衬底10的背面沉积第一金属层16对应的金属材料，以填充所述沟槽13的上部；其中，第一金属层对应的金属材料可以为铝、银、铜、钛、金、铂、钨等材料。具体地，可以通过化学气相沉积(chemicalvapordeposition, CVD)或ALD方式沉积第一金属层16。
通过CMP，对所述衬底10的背面的金属材料进行减薄；
通过刻蚀工艺，形成栅格状的第一金属层16，使所述第一金属层16的上部位于所述沟槽13的上方。
所述沟槽13的下部填充第二介质层15，以及上部填充第一金属层16，用于形成背面沟槽隔离结构；所述正面隔离结构10a与所述背面沟槽隔离结构共同用于光电二极管的感光单元10b之间的隔离。
参考图10至图12，在一实施例中，背照式图像传感器的形成方法100还包括：
在所述衬底10的背面沉积第三介质层17；第三介质层17可以为氧化硅或者其他透明材料。具体地，可以通过CVD或ALD沉积第三介质层17，其厚度可以控制在20至10000埃。
对所述衬底10的背面进行CMP；
在所述第三介质层17上形成金属栅格结构18；
在所述金属栅格结构18表面形成第四介质层19；
在所述第四介质层19上形成滤光片20和微透镜21。
其中，所述金属栅格结构18与所述第一金属层16存在偏移。其中，第四介质层19为低折射率(low-n)材料。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论如何来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，明显的，“包括”一词不排除其他元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (12)

1.一种背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，至少包括：
提供具有正面和背面的衬底；
刻蚀所述衬底的背面，形成沟槽；
至少在所述沟槽侧壁和底部形成第一介质层；
在所述沟槽的下部填充第二介质层；
通过沉积和刻蚀工艺，形成第一金属层；其中，所述第一金属层的下部填充所述沟槽的上部，所述第一金属层的上部位于所述沟槽的上方。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一介质层包括第一子介质层、第二子介质层和第三子介质层；所述在所述沟槽侧壁和底部形成第一介质层包括：
在所述衬底的背面、所述沟槽侧壁和底部形成第一子介质层；
在所述第一子介质层表面形成第二子介质层；
在所述第二子介质层表面形成第三子介质层。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在所述衬底的背面、所述沟槽侧壁和底部形成第一子介质层包括：
通过氧化所述衬底的背面、所述沟槽侧壁和底部，形成所述第一子介质层。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述在所述第一子介质层表面形成第二子介质层包括：
通过原子层沉积方式，形成所述第二子介质层；所述第二子介质层包括氧化铪、氧化铝或氧化钽中的至少一种。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述在所述第二子介质层表面形成第三子介质层包括：
在所述第二子介质层表面沉积第三子介质层；所述第三子介质层为氧化硅。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述在所述沟槽的下部填充第二介质层包括：
在所述衬底的背面沉积所述第二介质层，以填充所述沟槽；
通过化学机械研磨，对所述衬底的背面进行减薄，停止在第三子介质层上；
通过刻蚀工艺，去除所述沟槽上部的部分第二介质层。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述通过沉积和刻蚀工艺，形成第一金属层包括：
在所述衬底的背面沉积第一金属层对应的金属材料，以填充所述沟槽的上部；
通过化学机械研磨，对所述衬底的背面的金属材料进行减薄；
通过刻蚀工艺，形成栅格状的第一金属层，使所述第一金属层的上部位于所述沟槽的上方。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述衬底的背面沉积第三介质层；
对所述衬底的背面进行化学机械研磨；
在所述第三介质层上形成金属栅格结构；所述金属栅格结构与所述第一金属层存在偏移；
在所述金属栅格结构表面形成第四介质层；
在所述第四介质层上形成滤光片和微透镜。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第三介质层为低折射率材料。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
通过离子注入，在所述衬底的正面形成正面隔离结构；
所述沟槽的下部填充第二介质层，以及上部填充第一金属层，用于形成背面沟槽隔离结构；
所述正面隔离结构与所述背面沟槽隔离结构共同用于感光单元之间的隔离。
11.一种背照式图像传感器，其特征在于，通过如权利要求1至10中任一项所述的背照式图像传感器的形成方法形成。
12.一种背照式图像传感器，其特征在于，至少包括：
衬底，其包括沟槽隔离结构；
所述沟槽隔离结构的沟槽的侧壁和底部包括第一介质层；
所述沟槽的下部填充第二介质层；
所述沟槽的上部填充第一金属层的下部；所述第一金属层的上部位于所述沟槽的上方。
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