CN117525096A - 背照式图像传感器及其形成方法 - 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形成方法，该方法包括：提供具有正面和背面的衬底，所述衬底包括像素区和位于所述像素区外围的外围电路区；在所述像素区的衬底背面形成第一沟槽；在所述衬底背面形成至少一层介质层填充所述第一沟槽，形成第一沟槽隔离结构；去除外围电路区的部分或全部所述至少一层介质层。本发明通过增加一步刻蚀工艺，保留像素区域的高介电常数材料层、除去外围电路区域的部分或者全部的高介电常数材料层，从而既保留了高介电常数材料层对像素区域光电二极管表面的钝化效果，又解决了外围电路区域的高介电常数材料层存在的分层问题。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种背照式图像传感器及其形成方法。
背景技术
图像传感器是利用像素阵列中光电器件的光电转换功能将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号，再经过外围电路的处理、存储等，从而记录图像信息。
相比于传统的前照式图像传感器，背照式图像传感器由于光线不会被金属布线层阻挡，大大提高了光的透过率，使得图像传感器拥有更优异的性能。通常，在背照式图像传感器的制备工艺中，会在硅表面和深沟槽内沉积高介电常数薄膜层。这些高介电常数薄膜层本身带有负电荷，会在硅表面感应出空穴积累层，形成一个p+的反型区域，从而有效的降低暗电流，提升背照式图像传感器的性能。然而高介电常数材料的使用也会引入缺陷，在高介电常数材料覆盖的区域，由于高介电常数材料与其接触的介质层之间结合不够紧密，容易在应力的作用下出现分层、孔洞的现象，带来可靠性问题。
发明内容
基于上述描述的问题，本发明提出增加一步刻蚀工艺，保留像素区域的高介电常数薄膜、除去外围电路区域的高介电常数薄膜，以解决沉积高介电常数薄膜带来的负面影响。
第一方面，本发明实施例提供了一种背照式图像传感器的形成方法，包括： 提供具有正面和背面的衬底，所述衬底包括像素区和位于所述像素区外围的外围电路区；在所述像素区的衬底背面形成第一沟槽；在所述衬底背面形成至少一层介质层填充所述第一沟槽，形成第一沟槽隔离结构；去除外围电路区部分或全部区域的所述至少一层介质层。
在一些实施例中，所述至少一层介质层包括第一介质层、第二介质层和第三介质层；其中，第二介质层为高介电常数材料层。
在一些实施例中，在所述像素区的衬底形成第一沟槽包括： 在所述衬底背面形成图形化的第一掩膜层；刻蚀所述像素区的衬底形成所述第一沟槽；去除所述图形化的第一掩膜层；在所述衬底背面形成图形化的第二掩膜层；刻蚀所述外围电路区的衬底背面，形成第二沟槽，所述第二沟槽用于形成背面的金属走线。
在一些实施例中，在所述衬底背面形成至少一层介质层填充所述第一沟槽，形成第一沟槽隔离结构包括：去除所述图形化的第二掩膜层；在所述衬底背面依次形成所述第一介质层、第二介质层和第三介质层填充所述第一沟槽，形成所述第一沟槽隔离结构。
在一些实施例中，所述去除外围电路区部分或全部区域的所述至少一层介质层包括：在所述衬底背面形成图形化的第三掩膜层；刻蚀去除外围电路区部分或全部区域的第一介质层、第二介质层和第三介质层。
在一些实施例中，所述背照式图像传感器的形成方法还包括：去除所述图形化的第三掩膜层；在所述衬底背面形成第四介质层；在所述衬底背面形成金属层；刻蚀所述金属层，形成所述背面的金属走线。
在一些实施例中，所述第一介质层为氧化硅；第三介质层为氧化硅；第四介质层为氧化硅。
第二方面，本发明还提供了一种背照式图像传感器，包括：衬底，其包括像素区和位于所述像素区周围的外围电路区；所述像素区的衬底背面包括第一沟槽隔离结构；所述第一沟槽隔离结构填充有至少一层介质层；所述像素区的衬底背面具有所述至少一层介质层；所述外围电路区的衬底背面不存在或只在部分区域存在所述至少一层介质层。
在一些实施例中，所述至少一层介质层包括第一介质层、第二介质层和第三介质层；其中，第二介质层为高介电常数材料层。
在一些实施例中，所述外围电路区的衬底背面具有第二沟槽，所述第二沟槽内填充有金属层，形成背面的金属走线。
与现有技术相比本发明技术方案具有以下有益效果：对于本发明实施例的背照式图像传感器的形成方法，通过增加一步刻蚀工艺，保留像素区域的高介电常数材料层、除去外围电路区域的部分或者全部的高介电常数材料层，从而既保留了高介电常数材料层对像素区域的光电二极管表面的钝化效果，又解决了外围电路区域的高介电常数材料层存在的分层问题。
附图说明
本发明附图构成本说明书的一部分、用于进一步理解本发明，附图示出了本发明的实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。
图1为本发明一实施例的一种背照式图像传感器的形成方法的流程示意图。
图2至图13为背照式图像传感器的形成方法过程中的背照式图像传感器结构的截面示意图。
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。
图1为本发明一实施例的一种背照式图像传感器的形成方法，该方法包括以下步骤。
步骤S1：提供具有正面和背面的衬底，所述衬底包括像素区和位于所述像素区外围的外围电路区。
步骤S2：在所述像素区的衬底背面形成第一沟槽。
步骤S3：在所述衬底背面形成至少一层介质层填充所述第一沟槽，形成第一沟槽隔离结构。
步骤S4：去除外围电路区部分或全部区域的所述至少一层介质层。
在一具体实施方式中，所述至少一层介质层包括第一介质层、第二介质层和第三介质层；其中，第二介质层为高介电常数材料层。
在一具体实施方式中，在所述像素区的衬底形成第一沟槽包括：在所述衬底背面形成图形化的第一掩膜层；刻蚀所述像素区的衬底形成所述第一沟槽；去除所述图形化的第一掩膜层；在所述衬底背面形成图形化的第二掩膜层；刻蚀所述外围电路区的衬底背面，形成第二沟槽，所述第二沟槽用于形成背面的金属走线。
在一具体实施方式中，在所述衬底背面形成至少一层介质层填充所述第一沟槽，形成第一沟槽隔离结构包括：去除所述图形化的第二掩膜层；在所述衬底背面依次形成所述第一介质层、第二介质层和第三介质层填充所述第一沟槽，形成所述第一沟槽隔离结构。
在一具体实施方式中，所述第一沟槽隔离结构具有间隙。
在一具体实施方式中，所述去除外围电路区的部分或全部所述至少一层介质层包括：在所述像素区形成图形化的第三掩膜层；刻蚀去除外围电路区部分或全部区域的第一介质层、第二介质层和第三介质层。
在一具体实施方式中，所述背照式图像传感器的形成方法还包括：去除所述图形化的第三掩膜层；在所述衬底背面形成第四介质层；在所述衬底背面形成金属层；刻蚀所述金属层，形成所述背面的金属走线。
在一具体实施方式中，所述第一介质层为氧化硅；第三介质层为氧化硅；第四介质层为氧化硅。
图2至图13为背照式图像传感器的形成方法过程中的背照式图像传感器结构的截面示意图。
图2至图12为本发明一实施例的背照式图像传感器的截面示意图。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的各个步骤进行详细描述。
参考图2，提供具有正面（Frontside, FS）和背面(Backside, BS)的衬底10。衬底10包括像素区10a和位于所述像素区10a外围的外围电路区10b。衬底10正面的像素区10a形成有感光单元11，即背照式图像传感器的光电二极管的N型或P型掺杂区。在该实施例中，在形成感光单元11后，可以继续通过离子注入等方法形成感光单元11的正面隔离结构（图中未示出）。
参考图3，在衬底10正面形成金属互连层21，并将金属互连层21与承载晶圆22键合。金属互连层21内部包括金属互连结构21a。
参考图4，在衬底10背面形成图形化的第一掩膜层31。具体的，图形化的第一掩膜层31可以为硬掩膜材料，例如，氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等中的一种或多种组合。图形化的第一掩膜层31也可以为光阻。
参考图5，刻蚀衬底10背面，在像素区10a形成第一沟槽41。第一沟槽41用于形成像素区10a的感光单元11之间的第一沟槽隔离结构62a（如图10所示）。
参考图6，去除第一掩膜层31。例如，可以通过湿法工艺去除第一掩膜层31。
参考图7，在衬底10背面形成图形化的第二掩膜层51。可选的，图形化的第二掩膜层51可以为光阻材料。可选的，图形化的第二掩膜层51也可以为硬掩膜材料，例如，氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等中的一种或多种组合。
在具体实施方式中，在衬底10背面形成图形化的第二掩膜层51之前，可以通过生长或沉积一层介质层（例如，氧化硅），用于保护第一沟槽41的衬底表面与图形化的第二掩膜层51的接触。
参考图8，刻蚀所衬底10背面，在外围电路区10b形成第二沟槽42。第二沟槽42用于形成背面的金属走线。
参考图9，去除图形化的第二掩膜层51。例如，可以通过湿法工艺去除第二掩膜层51。
参考图10，在衬底背面10形成介质层60填充所述第一沟槽41，在外围电路区10 b形成具有间隙的第一沟槽隔离结构60a，在像素区10a形成具有间隙的第一沟槽隔离结构60a。其中，介质层60至少包括一层高介电常数材料层。
如图10所示，在该实施例子中，介质层60可以包括第一介质层61、第二介质层62和第三介质层63。在一具体实施方式中，在衬底10背面依次形成第一介质层61、第二介质层62和第三介质层63填充第一沟槽41，形成第一沟槽隔离结构60a。其中，第二介质层62可以为一层或多层高介电常数材料层，例如氧化铝、氧化钽、氧化铪等或是其组合。第一介质层61和第三介质层61可以为氧化硅。
在另一种实施方式中，第一介质层61可以省略，直接通过第二介质层62和第三介质层63填充第一沟槽41和第二沟槽42。需要说明的是，在背照式图像传感器的形成工艺过程中，还可以包括其他工艺步骤，例如，形成硅通孔（TSV）等，在此不再赘述。
参考图11，在衬底10背面形成图形化的第三掩膜层71；刻蚀去除外围电路区10 b全部或部分区域的介质层60。例如，可以在外围电路区10b的某些区域去除介质层60。其中，图形化的第三掩膜层71可以为光阻材料。图形化的第三掩膜层71也可以为硬掩膜材料，例如，氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等中的一种或多种组合。
参考图12，去除图形化的第三掩膜层71。
参考图13，在衬底10b背面形成第四介质层72。第四介质层72可以为氧化硅。
进一步地，可以在衬底10b背面形成金属层，并通过刻蚀所述金属层，形成背面的金属走线（图中未示出）。
本发明实施例还涉及一种背照式图像传感器，包括：衬底，其包括像素区和位于所述像素区周围的外围电路区；所述像素区的衬底背面包括第一沟槽隔离结构；所述第一沟槽隔离结构填充有至少一层介质层；所述像素区的衬底背面具有所述至少一层介质层；所述外围电路区的衬底背面不存在所述至少一层介质层或只在部分区域存在所述至少一层介质层。具体的，可以参考关于图2至13的描述。
在一些实施例中，所述至少一层介质层包括第一介质层、第二介质层和第三介质层；其中，第二介质层为高介电常数材料层。
在一些实施例中，所述外围电路区的衬底背面具有第二沟槽，所述第二沟槽内填充有金属层，形成背面的金属走线。
上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对本发明的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本发明进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本发明中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本发明示范实施例的精神和范围。
应当理解的是，本发明中所述实施例仅用以说明本发明实施例的原则。其他的变形也可能属于本发明的范围。因此，作为示例而非限制，本发明实施例的替代配置可视为与本发明的教导一致。相应地，本发明的实施例不仅限于本发明明确介绍和描述的实施例。
Claims (10)
1.一种背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：
提供具有正面和背面的衬底，所述衬底包括像素区和位于所述像素区外围的外围电路区；
在所述像素区的衬底背面形成第一沟槽；
在所述衬底背面形成至少一层介质层填充所述第一沟槽，形成第一沟槽隔离结构；
去除外围电路区部分区域或全部区域的所述至少一层介质层。
2.如权利要求1所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，所述至少一层介质层包括第一介质层、第二介质层和第三介质层；其中，第二介质层为高介电常数材料层。
3.如权利要求2所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，在所述像素区的衬底形成第一沟槽包括：
在所述衬底背面形成图形化的第一掩膜层；
刻蚀所述像素区的衬底形成所述第一沟槽；
去除所述图形化的第一掩膜层；
在所述衬底背面形成图形化的第二掩膜层；
刻蚀所述外围电路区的衬底背面，形成第二沟槽，所述第二沟槽用于形成背面的金属走线。
4.如权利要求3所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，在所述衬底背面形成至少一层介质层填充所述第一沟槽，形成第一沟槽隔离结构包括：
去除所述图形化的第二掩膜层；
在所述衬底背面依次形成所述第一介质层、第二介质层和第三介质层填充所述第一沟槽，形成所述第一沟槽隔离结构。
5.如权利要求4所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，所述去除外围电路区的部分或全部所述至少一层介质层包括：
在所述衬底背面形成图形化的第三掩膜层；
刻蚀去除外围电路区部分或全部区域的第一介质层、第二介质层和第三介质层。
6.如权利要求5所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，还包括：
去除所述图形化的第三掩膜层；
在所述衬底背面形成第四介质层；
在所述衬底背面形成金属层；
刻蚀所述金属层，形成所述背面的金属走线。
7.如权利要求6所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一介质层为氧化硅；第三介质层为氧化硅；第四介质层为氧化硅。
8.一种背照式图像传感器，其特征在于，包括：
衬底，其包括像素区和位于所述像素区周围的外围电路区；
所述像素区的衬底背面包括第一沟槽隔离结构；
所述第一沟槽隔离结构填充有至少一层介质层；
所述像素区的衬底背面具有所述至少一层介质层；
所述外围电路区的衬底背面不存在所述至少一层介质层或只在部分区域存在所述至少一层介质层。
9.如权利要求8所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述至少一层介质层包括第一介质层、第二介质层和第三介质层；其中，第二介质层为高介电常数材料层。
10.如权利要求9所述的背照式图像传感器，所述外围电路区的衬底背面具有第二沟槽，所述第二沟槽内填充有金属层，形成背面的金属走线。
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