CN116469903A - 背照式图像传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种背照式图像传感器及其制备方法，包括具有正表面和背表面的半导体衬底，第一介质层叠加覆盖于所述半导体衬底的正表面，金属互连层设于所述第一介质层中；第二介质层覆盖于所述半导体衬底的背表面；微透镜覆盖于所述第二介质层，且微透镜位置与感光单元相对应；所述感光单元设于所述半导体衬底内，且靠近所述半导体衬底的正表面，所述感光单元的注入深度浅于所述第二介质层的位置；全通隔离沟槽设于所述半导体衬底内，从半导体衬底的正表面向背表面延伸，且位于所述感光单元的旁侧，全通隔离沟槽的注入深度深于所述第二介质层的位置。该结构因全通隔离沟槽起到完全隔离作用，用以改善像元结构间光学串扰和电学串扰的问题。

Description

背照式图像传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体集成电路技术领域，尤其涉及一种背照式图像传感器及其制备方法。
背景技术
目前，随着互补金属氧化物半导体(complementary metal oxidesemiconductor，CMOS)图像传感器在工业、车载、道路监控和高速相机中越来越广泛的应用，对于可以捕捉高速运动物体图像的图像传感器的需求进一步提高。CMOS图像传感器广泛应用于手机、数码相机、医疗器械、汽车电子、安防监控及航空航天等多个领域。CMOS图像传感器的像元结构也经历了从以往的前照式像元结构往背照式像元结构发展的趋势，现在背照式像元结构基本成为了主流。因为前照式结构，入射光线需要穿过金属互连层及介质层，之后才能到达感光区，入射光在此过程中受到了一定程度的损失。而背照式像元结构入射光可以直接进入到感光区，中间几乎无任何损失，填充因子基本可以达到百分之百，极大的提高了灵敏度性能。
在图像传感器中主要存在两种形式的串扰，分别是光学串扰及电子串扰。光学串扰主要是由于光线入射到相邻的像素引起的。电子串扰是指电子扩散或漂移到其他像素引起。为了降低像元之间的串扰，现有的背照式图像传感器结构如图1所示，通过形成金属栅格700降低入射光产生的光串扰；通过在半导体衬底100中形成正面隔离沟槽300及背面隔离沟槽400来降低对感光单元200的电串扰；但是现有结构中正面浅沟槽隔离300、背面沟槽隔离400及金属栅格700之间均存在一定距离，导致会产生光学及电学串扰产生，降低图像传感器成像质量。
因此，如何改善像元结构间光学串扰和电学串扰的问题，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种背照式图像传感器及其制备方法，用以改善像元结构间光学串扰和电学串扰的问题。
第一方面，本发明提供一种背照式图像传感器，包括：具有正表面和背表面的半导体衬底，第一介质层叠加覆盖于所述半导体衬底的正表面，金属互连层设于所述第一介质层中；第二介质层覆盖于所述半导体衬底的背表面；微透镜覆盖于所述第二介质层，且微透镜位置与感光单元相对应；所述感光单元设于所述半导体衬底内，且靠近所述半导体衬底的正表面，所述感光单元的注入深度浅于所述第二介质层的位置；全通隔离沟槽设于所述半导体衬底内，从半导体衬底的正表面向背表面延伸，且位于所述感光单元的旁侧，全通隔离沟槽的注入深度深于所述第二介质层的位置。
本发明提供的背照式图像传感器的有益效果在于：因全通隔离沟槽替代了传统的正面浅沟槽隔离和背面沟槽隔离，所以不再存在间隙的问题，因此能够在相邻感光单元之间起到物理隔离作用，以改善像元间光学串扰和电学串扰的作用，提高图像传感器的成像质量。
一种可能的实施方式中，所述全通隔离沟槽内的膜层结构从外到内包括氧化层和由多层金属层堆叠形成的金属复合层。该实施例中，全通隔离沟槽的金属堆叠结构能够有效地阻挡光线和电子扩散，改善像元间光学串扰和电学串扰。
另一种可能的实施方式中，由多层金属层堆叠形成的金属复合层包括层层堆叠的钛层、氮化钛层和金属层。
其它可能的实施方式中，所述全通隔离沟槽的沟槽宽度大于或等于0.1um，以及沟槽深度大于或等于2um。
又一种可能的实施方式中，所述全通隔离沟槽的底部与注氧层之间的距离介于0.1um～1um之间。
第二方面，本发明提供一种背照式图像传感器的制备方法，该方法包括如下步骤：提供半导体衬底，所述半导体衬底具有正表面和背表面；对所述半导体衬底进行刻蚀形成沟槽，以及在所述沟槽内依次薄膜沉积形成氧化层和金属复合层，所述氧化层和金属复合层构成全通隔离沟槽；
在所述半导体衬底的正表面进行注氧处理，形成注氧层，全通隔离沟槽的注入深度深于所述注氧层的位置；在所述半导体衬底的正表面上形成第一介质层和金属互连层；在所述半导体衬底的正表面形成感光单元，其中所述感光单元的注入深度要浅于第二介质层的位置；对所述半导体衬底的背表面进行减薄，去除注氧层以及注氧层表面的半导体衬底，使得露出部分全通隔离沟槽；在减薄后的背表面形成第二介质层；在所述第二介质层上制备微透镜；微透镜位置与所述感光单元相对应。
一种可能的实施方式中，对所述半导体衬底的背表面进行减薄之前，还包括：将当前硅片的第一介质层与另一硅片通过第三介质层进行背面键合。
另一种可能的实施方式中，在减薄后的背表面形成第二介质层，包括：在减薄后的背表面通过热氧化或者沉积的方式形成第二介质层。
其它可能的实施方式中，在所述沟槽内依次薄膜沉积形成氧化层和金属复合层，所述氧化层和金属复合层构成全通隔离沟槽，包括：依次在沟槽内沉积氧化层、钛层、氮化钛层和金属层，其中，氧化层、钛层、氮化钛层和金属层层层堆叠形成全通隔离沟槽。
又一种可能的实施方式中，所述第二介质层的厚度小于或等于10nm。
本发明提供的制备方法的有益效果在于：通过本发明提供的背照式图像传感器的制备方法，形成的隔离沟槽结构为全联通的结构，实现了感光单元之间的完全隔离。而且微透镜在沟槽之间，解决了入射光引起的光串扰及电串扰的问题，提高了图像传感器的成像质量，而且在制作上，优化了工艺步骤，不再需要制作金属栅格等部件，所以节省了背面沟槽及金属栅格加工所需要的光罩版，节约了加工成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，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，对于本领域的普通技术人员来讲，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为现有技术提供的一种背照式图像传感器剖面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种背照式图像传感器剖面结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种照式图像传感器的制备方法流程示意图；
图4A至图4H为本发明实施例提供的一种背照式图像传感器的制备工艺中间阶段示意图。
元件标号说明
110半导体衬底；101正表面；102背表面；103注氧层；
210感光单元；310全通隔离沟槽；410第一介质层；510金属互连层；
610另一硅片；
710第二介质层；810微透镜；910第三介质层。
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。
根据本发明的主旨构思，本发明提供一种背照式图像传感器，如图2所示，包括：半导体衬底110、感光单元210、全通隔离沟槽310、第一介质层410、金属互连层510、第二介质层710、微透镜810。
具体来说，半导体衬底110具有正表面101及背表面102。第二介质层710覆盖于半导体衬底110的背表面102。感光单元210设于半导体衬底110内，且靠近半导体衬底110的正表面，且感光单元210的注入深度要浅于第二介质层710的位置。全通隔离沟槽310位于感光单元210的旁侧，且全通隔离沟槽310设于从半导体衬底110的正表面101向背表面102延伸，且全通隔离沟槽310的注入深度深于所述第二介质层710的位置。第一介质层410叠加覆盖于所述半导体衬底110的正表面，金属互连层510位于第一介质层410中。微透镜810覆盖于所述第二介质层710，且微透镜810位置与所述感光单元210相对应。
其中，全通隔离沟槽310在相邻感光单元210之间起到物理隔离作用，以改善像元间光学串扰和电学串扰的作用，提高图像传感器的成像质量。一种可能的实施例中，所述全通隔离沟槽310内的膜层结构从外到内依次是氧化层和金属复合层。例如，全通隔离沟槽310内膜层结构从外到内分别是二氧化硅层、钛(Ti)层、氮化钛(TiN)层和金属层，其中金属层的金属可以是铜、铝、钨等。
可选的，所述全通隔离沟槽310的沟槽宽度大于或等于0.1um，以及沟槽深度大于或等于2um；所述全通隔离沟槽310的底部与注氧层103之间的距离介于0.1um～1um之间。
下面进一步结合图3示出了一种背照式图像传感器的制备方法流程示意图。结合图4A至图4H，本发明实施例提供的背照式图像传感器的制备工艺包括如下步骤：
S301，提供半导体衬底110，所述半导体衬底具有正表面101和背表面102。
如图4A所示，半导体衬底110可以是N型或P型硅衬底。所述半导体衬底110的材料包括硅、锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓、镓化铟中的一种或多种组合，所述半导体衬底110还可以为绝缘体上的硅半导体衬底或者绝缘体上的锗半导体衬底。
S302，对半导体衬底110进行刻蚀形成沟槽。
其中，如图4A所示，沟槽从正表面101向背表面102延伸，可选的，沟槽的宽度大于0.1um，沟槽的深度大于2um。
S303，在沟槽内依次薄膜沉积氧化层和金属复合层后，形成全通隔离沟槽310。
示例性地，如图4B所示，在沟槽内依次沉积二氧化硅层、钛(Ti)层、氮化钛(TiN)层和金属层后形成全通隔离沟槽310，其中金属层的金属可以是铜、铝、钨等。
S304，在半导体衬底110的正表面101进行注氧处理，形成的注氧层103。
示例性地，如图4C所示，在半导体衬底110的正表面101进行注氧处理，形成注氧层103，注氧层103的位置距离半导体衬底110的正表面101≥1um，且小于全通隔离沟槽310的沟槽深度。
S305，在所述半导体衬底110注入形成感光单元210。
示例性的，如图4D所示，通过光刻以及离子注入工艺形成感光单元210，感光单元210的注入深度浅于注氧层103的位置。
S306，在所述半导体衬底110的正表面101上形成第一介质层410和金属互连层510。
示例性的，如图4E所示，先通过薄膜沉积在所述半导体衬底110的正表面101上形成第一介质层410，然后通过大马式革工艺形成金属互连层510；或者通过金属沉积形成金属互连层510，然后通过薄膜沉积形成第一介质层410。
可选的，上述方法还包括S307，将当前硅片的第一介质层410与另一硅片610通过第三介质层910进行背面键合。
示例性的，如图4F所示，通过背面键合工艺将两片硅片完成晶圆键合。
S308，对当前硅片的背表面102进行减薄，去除注氧层103以及注氧层103表面的半导体衬底，使得露出全通隔离沟槽310。
示例性的，如图4G所示，对含有感光单元210的当前硅片进行背面减薄工艺，先通过磨削将硅片减薄到几十um厚度，再通过化学机械研磨进行精细减薄，通过调节研磨的时间，使得全通隔离沟槽310靠近半导体衬底的背表面的底部的SiO2被研磨掉，露出次膜层Ti，研磨停在Ti表面；去除注氧层103以及注氧层103表面的半导体衬底，使得露出的全通隔离沟槽高度更多。因为不同材料的研磨速率不同，当Ti表面暴露时，硅会被多磨掉一些，高度低于沟槽底部。
S309，在减薄后的背表面102通过热氧化或者沉积的方式形成第二介质层710。
示例性的，如图4H所示，在减薄后的背表面102通过热氧化或者沉积的方式形成第二介质层，如第二介质层为SiO2，SiO2层的厚度≤10nm。
S310，在第二介质层710上制备微透镜810；微透镜810位置与所述感光单元210相对应。
示例性的，通过光刻胶回流方式制备微透镜810；微透镜810位于全通隔离沟槽之间，最终形成的背照式传感器如图2所示。
通过本发明提供的背照式图像传感器的制备方法，形成的隔离沟槽结构为全联通的结构，实现了感光单元之间的完全隔离。而且微透镜在沟槽之间，解决了入射光引起的光串扰及电串扰的问题，提高了图像传感器的成像质量，而且在制作上，优化了工艺步骤，不再需要制作金属栅格等部件，所以节省了背面沟槽及金属栅格加工所需要的光罩版，节约了加工成本。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。
对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种背照式图像传感器，其特征在于，包括：
半导体衬底，所述半导体衬底具有正表面和背表面；
第一介质层叠加覆盖于所述半导体衬底的正表面，金属互连层设于所述第一介质层中；
第二介质层覆盖于所述半导体衬底的背表面；
微透镜覆盖于所述第二介质层，且微透镜位置与感光单元相对应；
所述感光单元设于所述半导体衬底内，且靠近所述半导体衬底的正表面，所述感光单元的注入深度浅于所述第二介质层的位置；
全通隔离沟槽设于所述半导体衬底内，从半导体衬底的正表面向背表面延伸，且位于所述感光单元的旁侧，全通隔离沟槽的注入深度深于所述第二介质层的位置。
2.根据权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述全通隔离沟槽内的膜层结构从外到内包括氧化层和由多层金属层堆叠形成的金属复合层。
3.根据权利要求2所述的背照式图像传感器，其特征在于，由多层金属层堆叠形成的金属复合层包括层层堆叠的钛层、氮化钛层和金属层。
4.根据权利要求3所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述全通隔离沟槽的沟槽宽度大于或等于0.1um，以及沟槽深度大于或等于2um。
5.根据权利要求4所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述全通隔离沟槽的底部与注氧层之间的距离介于0.1um～1um之间。
6.一种背照式图像传感器的制备方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底具有正表面和背表面；
对所述半导体衬底进行刻蚀形成沟槽，以及在所述沟槽内依次薄膜沉积形成氧化层和金属复合层，所述氧化层和金属复合层构成全通隔离沟槽；
在所述半导体衬底的正表面进行注氧处理，形成注氧层，全通隔离沟槽的注入深度深于所述注氧层的位置；
在所述半导体衬底的正表面上形成第一介质层和金属互连层；
在所述半导体衬底注入形成感光单元，其中所述感光单元的注入深度要浅于第二介质层的位置，所述感光单元靠近所述半导体衬底的正表面；
对所述半导体衬底的背表面进行减薄，去除注氧层以及注氧层表面的半导体衬底，使得露出部分全通隔离沟槽；
在减薄后的背表面形成第二介质层；
在所述第二介质层上制备微透镜；微透镜位置与所述感光单元相对应。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，对所述半导体衬底的背表面进行减薄之前，还包括：
将当前硅片的第一介质层与另一硅片通过第三介质层进行背面键合。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在减薄后的背表面形成第二介质层，包括：
在减薄后的背表面通过热氧化或者沉积的方式形成第二介质层。
9.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在所述沟槽内依次薄膜沉积形成氧化层和金属复合层，所述氧化层和金属复合层构成全通隔离沟槽，包括：
依次在沟槽内沉积氧化层、钛层、氮化钛层和金属层，其中，氧化层、钛层、氮化钛层和金属层层层堆叠形成全通隔离沟槽。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第二介质层的厚度小于或等于10nm。
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