CN107946330A - 图像传感器及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种图像传感器及其形成方法，包括以下步骤：提供半导体衬底，所述半导体衬底内具有光电二极管有源层；在所述半导体衬底的表面形成牺牲层；刻蚀所述牺牲层以及所述半导体衬底，以形成深沟槽，所述深沟槽至少贯穿所述光电二极管有源层的一部分；形成深槽隔离层，所述深槽隔离层覆盖所述深沟槽的内壁；向所述深沟槽内填充金属，以形成金属格栅。本发明方案可以有效地减少工艺步骤，降低工艺复杂度和成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种图像传感器及其形成方法。
背景技术
在CMOS图像传感器(CMOS Image Sensors，CIS)器件的制造工艺中，为降低不同图像传感器件接收到的入射光的光学串扰，需要在半导体衬底的表面形成金属格栅(MetalGrid)以隔离入射光；为防止不同区域的光生载流子扩散到相邻区域，需要在半导体衬底的内部形成深槽隔离(Deep Trench Isolation，DTI)结构。
现有技术中，深槽隔离结构和金属格栅是分别进行图案化形成的。
具体地，在器件晶圆(Device Wafer)的晶面半导体衬底形成有源器件之后，在所述器件晶圆的晶背半导体衬底中形成深槽隔离结构。更具体地，图案化所述晶背半导体衬底以形成凹槽，然后在所述凹槽中填充绝缘材料(例如可以包括氧化硅或氮化硅)，然后平坦化所述晶背半导体衬底和所述绝缘材料。
进一步地，在晶背半导体衬底的表面依次形成衬底保护层、阻挡层、金属层等，图案化并刻蚀所述衬底保护层、阻挡层、金属层以形成所述金属格栅。
现有的形成深槽隔离结构和金属格栅的工艺复杂度和成本较高，工艺步骤较多。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种图像传感器及其形成方法，可以有效地减少工艺步骤，降低工艺复杂度和成本。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种图像传感器的形成方法，包括以下步骤：提供半导体衬底，所述半导体衬底内具有光电二极管有源层；在所述半导体衬底的表面形成牺牲层；刻蚀所述牺牲层以及所述半导体衬底，以形成深沟槽，所述深沟槽至少贯穿所述光电二极管有源层的一部分；形成深槽隔离层，所述深槽隔离层覆盖所述深沟槽的内壁；向所述深沟槽内填充金属，以形成金属格栅。
可选的，所述图像传感器的形成方法还包括：去除所述牺牲层；形成格栅保护层，所述格栅保护层覆盖所述金属格栅、所述深槽隔离层以及所述半导体衬底；在相邻的金属格栅之间设置滤镜。
可选的，所述去除所述牺牲层包括：平坦化所述牺牲层、所述深槽隔离层以及所述金属格栅；去除平坦化后的所述牺牲层。
可选的，所述形成深槽隔离层包括：采用原子层沉积工艺形成所述深槽隔离层。
可选的，在所述半导体衬底的表面形成牺牲层之前，所述图像传感器的形成方法还包括：形成衬底保护层；其中，所述牺牲层堆叠于所述衬底保护层。
可选的，所述牺牲层的材料包括多晶硅。
可选的，向所述深沟槽内填充金属之前，所述图像传感器的形成方法还包括：形成阻挡层，所述阻挡层覆盖所述深槽隔离层的表面。
可选的，所述阻挡层的材料包括氮化钛，其中，所述氮化钛是采用TiCl4形成的。
可选的，向所述深沟槽内填充金属包括：采用化学气相沉积工艺，向所述深沟槽内填充钨。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种图像传感器，包括：半导体衬底，所述半导体衬底内具有光电二极管有源层；牺牲层，位于所述半导体衬底的表面；深沟槽，位于所述牺牲层和所述半导体衬底内，所述深沟槽至少贯穿所述光电二极管有源层的一部分；深槽隔离层，所述深槽隔离层覆盖所述深沟槽的内壁；金属格栅，所述金属格栅填充于所述深沟槽内。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
在本发明实施例中，提供半导体衬底，所述半导体衬底内具有光电二极管有源层；在所述半导体衬底的表面形成牺牲层；刻蚀所述牺牲层以及所述半导体衬底，以形成深沟槽，所述深沟槽至少贯穿所述光电二极管有源层的一部分；形成深槽隔离层，所述深槽隔离层覆盖所述深沟槽的内壁；向所述深沟槽内填充金属，以形成金属格栅。采用上述方案，通过在半导体衬底的表面形成牺牲层，进而在所述牺牲层和半导体衬底内形成深沟槽，从而通过形成覆盖所述深沟槽的内壁的深槽隔离层，以及向所述深沟槽内填充金属，可以在形成深槽隔离层后无需再次图案化即可形成金属格栅，相比于现有技术中通过两次图案化工艺分别形成深槽隔离结构和金属格栅，采用本发明实施例的方案可以有效地减少工艺步骤，降低工艺复杂度和成本。进一步地，由于金属格栅的金属是向所述深沟槽内填充形成的，相比于现有技术中通过刻蚀形成，可以有效避免刻蚀过程中的金属倒塌或剥落的问题。更进一步地，现有技术中的深槽隔离结构内填充的是绝缘层，当深槽隔离结构受到损伤时可能会发生载流子扩散到相邻区域，而在本发明实施例中，由于深槽隔离层内填充有金属，当深槽隔离层受到损伤时，载流子会随金属的布线导出，降低扩散危害性。
进一步，在本发明实施例中，可以采用原子层沉积工艺形成所述深槽隔离层。由于原子层沉积工艺通常用于进行原子尺度可控的薄膜生长，对深槽隔离层的均匀度控制更好，并且，由于原子层沉积工艺是以单原子膜形式一层一层沉积形成薄膜，相比于其他沉积工艺，具有更强的填隙能力，可以满足深沟槽内的深宽比的需求。
进一步，在本发明实施例中，采用化学气相沉积工艺，向所述深沟槽内填充钨，相比于物理气相沉积工艺，具有更强的填隙能力，可以满足深沟槽内的深宽比的需求。
附图说明
图1至图5是现有技术中一种图像传感器的形成方法中各步骤对应的器件的剖面结构示意图；
图6是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法的流程图；
图7至图14是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法中各步骤对应的器件的剖面结构示意图。
具体实施方式
在现有的CIS器件的制造工艺中，需要在半导体衬底的表面形成金属格栅以及深槽隔离结构。
具体地，通过镜头(Microlens)捕捉到入射光之后，可以采用滤镜(Colourfilter)进行过滤以去除非相关光，形成单色光且使入射光子到达光电二极管区被其吸收。在单色光到达光电二极管之前，由于入射角度的差异，可能会发生串扰现象。为解决上述入射光的光学串扰问题，需要在不同像素(pixel)区域，增加金属格栅，从而利用金属的较强反射效果，能够使得偏移点的单色光，经过金属的反射作用，固定在特定的区域，而不会串扰到相邻的像素区域，从而使量子效率得到显著提升，且提高图像传感器的灵敏度以及图像的质量。
在半导体衬底内的光电二极管区域，为了防止不同区域的光生载流子扩散到相邻区域，造成图像失真的问题，可以在半导体衬底内形成深槽隔离，有助于避免在不同像素区域之间发生光生载流子扩散的问题。
更具体地，对于背照式CMOS图像传感器(Backside Illumination-CMOS ImageSensors，BSI-CIS)器件，可以在晶圆背面的半导体衬底的表面形成金属格栅，在晶圆背面的半导体衬底的内部形成深槽隔离结构；对于前照式CMOS图像传感器(Front-sideIllumination-CMOS Image Sensors，FSI-CIS)器件，可以在晶圆正面选择区域的半导体衬底的表面形成金属格栅，在晶圆背面的半导体衬底的内部形成深槽隔离结构。
具体地，深槽隔离结构和金属格栅是分别进行图案化形成的。
图1至图5是现有技术中一种图像传感器的形成方法中各步骤对应的器件的剖面结构示意图。具体地，在图1至图2示出的步骤中形成深槽隔离结构，进而在图3至图5示出的步骤中形成金属格栅。
参照图1，提供半导体衬底100，所述半导体衬底内具有光电二极管有源层101，图案化所述半导体衬底100且通过刻蚀形成凹槽112。
具体的，所述半导体衬底100可以为硅衬底，或者所述半导体衬底100的材料还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟，所述半导体衬底100还可以为绝缘体上的硅衬底或者绝缘体上的锗衬底，或者是生长有外延层(Epitaxy layer，Epi layer)的衬底。
在所述光电二极管有源层101内，可以具有第一导电性的第一有源层、与第一导电性相反的第二导电性的第二有源层以及将第一和第二有源层分开的本征层(图未示)，以在所述半导体衬底100内形成光电二极管。
所述图案化所述半导体衬底100以形成凹槽112的步骤可以包括：在所述半导体衬底100的表面形成图形化的深槽隔离光刻胶层111，以所述图形化的深槽隔离光刻胶层111为掩膜刻蚀所述半导体衬底100以得到凹槽112。
可以理解的是，所述凹槽112的深度可以比所述光电二极管有源层101深，从而获得更好的隔离效果，避免在不同像素区域之间发生光生载流子扩散的问题。
参照图2，去除所述深槽隔离光刻胶层111，然后在所述凹槽112中填充绝缘材料以形成深槽隔离层110，进而对所述半导体衬底100以及所述深槽隔离层110进行平坦化。
其中，形成所述深槽隔离层110的绝缘材料例如可以包括氧化硅或氮化硅。
参照图3，在所述半导体衬底100的表面形成衬底保护层122、阻挡层124、金属层126、介质层128、正硅酸乙酯(TEOS)层129，进而形成图案化的金属格栅光刻胶层131。
其中，所述衬底保护层122可以包括氧化硅以及氮化硅，或者还可以包括氧化硅；所述阻挡层124的材料可以包括氮化钛；所述金属层126的填充材料可以包括金属钨；所述介质层128的材料可以包括氮化硅。
参照图4，以图案化的金属格栅光刻胶层131为掩膜，对阻挡层124、金属层126、介质层128以及正硅酸乙酯(TEOS)层129进行刻蚀，以形成沟槽149。
具体地，可以采用至少三个刻蚀步骤形成沟槽149。首先以图案化的金属格栅光刻胶层131为掩膜，采用适当的刻蚀剂以及刻蚀工艺对正硅酸乙酯(TEOS)层129以及介质层128进行刻蚀，其次对金属层126进行金属刻蚀，最后采用适当的刻蚀剂以及刻蚀工艺对阻挡层124进行刻蚀。
需要指出的是，刻蚀后的阻挡层124、金属层126、介质层128以及正硅酸乙酯(TEOS)层129共同形成金属格栅。
参照图5，形成格栅保护层142，并且在相邻的金属格栅之间设置滤镜150。
其中，所述格栅保护层142的材料可以包括氧化硅或氮化硅。
本发明的发明人经过研究发现，在现有技术中，采用两次图案化工艺分别形成深槽隔离结构和金属格栅，工艺复杂度和成本较高，工艺步骤较多，进一步地，由于金属格栅的关键尺寸(Critical Dimension，CD)很小，通过刻蚀工艺形成金属格栅的过程中，金属格栅容易发生坍塌及剥落(Peeling)，并且容易损伤金属格栅下面的衬底保护层，影响光电转化效率，也即导致增大形成衬底保护层的工艺难度。
在本发明实施例中，提供半导体衬底，所述半导体衬底内具有光电二极管有源层；在所述半导体衬底的表面形成牺牲层；刻蚀所述牺牲层以及所述半导体衬底，以形成深沟槽，所述深沟槽至少贯穿所述光电二极管有源层的一部分；形成深槽隔离层，所述深槽隔离层覆盖所述深沟槽的内壁；向所述深沟槽内填充金属，以形成金属格栅。采用上述方案，通过在半导体衬底的表面形成牺牲层，进而在所述牺牲层和半导体衬底内形成深沟槽，从而通过形成覆盖所述深沟槽的内壁的深槽隔离层，以及向所述深沟槽内填充金属，可以在形成深槽隔离层后无需再次图案化即可形成金属格栅，相比于现有技术中，通过两次图案化工艺分别形成深槽隔离结构和金属格栅，采用本发明实施例的方案，可以有效地减少工艺步骤，降低工艺复杂度和成本。进一步地，由于金属格栅的金属是向所述深沟槽内填充形成的，相比于现有技术中通过刻蚀形成，可以有效避免刻蚀过程中的金属倒塌或剥落的问题。更进一步地，现有技术中的深槽隔离结构内填充的是绝缘层，当深槽隔离结构受到损伤时可能会发生载流子扩散到相邻区域，而在本发明实施例中，由于深槽隔离层内填充有金属，当深槽隔离层受到损伤时，载流子会随金属的布线导出，降低扩散危害性。
为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
参照图6，图6是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法的流程图。所述图像传感器的形成方法可以包括步骤S21至步骤S25：
步骤S21：提供半导体衬底，所述半导体衬底内具有光电二极管有源层；
步骤S22：在所述半导体衬底的表面形成牺牲层；
步骤S23：刻蚀所述牺牲层以及所述半导体衬底，以形成深沟槽，所述深沟槽至少贯穿所述光电二极管有源层的一部分；
步骤S24：形成深槽隔离层，所述深槽隔离层覆盖所述深沟槽的内壁；
步骤S25：向所述深沟槽内填充金属，以形成金属格栅。
下面结合图7至图14对上述各个步骤进行说明。
图7至图14是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法中各步骤对应的器件的剖面结构示意图。
参照图7，提供半导体衬底200，所述半导体衬底200内具有光电二极管有源层201，在所述半导体衬底200的表面可以形成有衬底保护层，在所述衬底保护层的表面堆叠有牺牲层225。
其中，所述衬底保护层可以包括氧化硅(Oxide)层222以及氮化硅(SiN)层223，或者还可以仅包括氧化硅层222。
所述牺牲层225的材料可以包括多晶硅(Poly)。由于多晶硅为非金属材料，可以避免金属污染，并且价位适当，经济性较好。当然，所述牺牲层225的材料也可以是其他适当的材料。
所述光电二极管有源层201可以包括堆叠的P型掺杂层和N型掺杂层，二者之间还可以具有本征半导体层。
进一步地，在所述牺牲层225的表面形成图案化的金属格栅光刻胶层231。
参照图8，以图案化的金属格栅光刻胶层231为掩膜，对牺牲层225、氮化硅层223、氧化硅层222以及半导体衬底200进行刻蚀，以形成深沟槽211，所述深沟槽211至少贯穿所述光电二极管有源层201的一部分。
具体地，可以采用多个刻蚀步骤，分别采用适当的刻蚀剂刻蚀牺牲层225、氮化硅层223、氧化硅层222以及半导体衬底200，以形成深沟槽211。其中，深沟槽211可以贯穿整个光电二极管有源层201，也可以仅贯穿其中一部分，例如贯穿P型掺杂层或N型掺杂层。
在本发明实施例中，可以采用单次图案化工艺的方式，也即仅以图案化的金属格栅光刻胶层231为掩膜，即可形成容纳深槽隔离层以及金属格栅的深沟槽211，相比于现有技术中需要通过两次图案化工艺分别形成深槽隔离结构和金属格栅，可以有效地减少工艺步骤，降低工艺复杂度和成本。
可以理解的是，所述深沟槽211的深度可以比所述光电二极管有源层201深(也即，贯穿整个光电二极管有源层201)，从而获得更好的隔离效果，避免在不同像素区域之间发生光生载流子扩散的问题。
参照图9，形成深槽隔离层242，所述深槽隔离层242覆盖所述深沟槽211的内壁。
其中，所述深槽隔离层242的材料可以包括氧化硅或氮化硅。
所述深槽隔离层242的厚度较薄，作为一个非限制性的例子，可以设置深槽隔离层242的厚度为20纳米至200纳米。
具体地，所述深槽隔离层242的形成工艺可以采用原子层沉积工艺(Atomic LayerDeposition，ALD)、流体化学气相沉积、等离子体化学气相沉积、亚常压化学气相沉积或低压化学气相沉积。
在本发明实施例中，优选地，可以采用原子层沉积工艺形成所述深槽隔离层242。由于原子层沉积工艺通常用于进行原子尺度可控的薄膜生长，对深槽隔离层的均匀度控制更好，并且，由于原子层沉积工艺是以单原子膜形式一层一层沉积形成薄膜，相比于其他沉积工艺，具有更强的填隙能力，可以满足深沟槽内的深宽比的需求。
参照图10，形成阻挡层244，所述阻挡层244覆盖所述深槽隔离层242的表面。
具体地，所述阻挡层244的材料可以包括氮化钛(TiN)，所述氮化钛可以防止在后续工艺中填充的金属钨发生扩散，生成的副产物对深槽隔离层242或半导体衬底200产生影响。
进一步地，所述氮化钛可以是采用TiCl4形成的。具体地，采用TiCl4形成的反应物填充性能较好，在深宽比数值较高的深沟槽211中，有助于达到更好的填充效果。
参照图11，向所述深沟槽211内填充金属，以形成金属格栅226。
具体地，可以采用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)工艺，向所述深沟槽211内填充金属钨(W)。采用W-CVD工艺，在深宽比数值较高的深沟槽211中，有助于更好地进行填充。
在本发明实施例中，采用化学气相沉积工艺，向所述深沟槽内填充钨，相比于物理气相沉积工艺，具有更强的填隙能力，可以满足深沟槽内的深宽比的需求。
在本发明实施例中，由于金属格栅226的金属是向所述深沟槽211内填充形成的，相比于现有技术中通过刻蚀形成，可以有效避免刻蚀过程中的金属倒塌或剥落的问题。
进一步地，现有技术中的深槽隔离结构内填充的是绝缘层，当深槽隔离结构受到损伤时可能会发生载流子扩散到相邻区域，而在本发明实施例中，由于深槽隔离层内填充有金属，当深槽隔离层受到损伤时，载流子会随金属的布线导出，降低扩散危害性。
参照图12，平坦化所述牺牲层225、所述深槽隔离层242、阻挡层244以及所述金属格栅226。
具体地，可以采用化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)工艺平坦化所述牺牲层225、所述深槽隔离层242、阻挡层244以及所述金属格栅226。
参照图13，去除平坦化后的所述牺牲层225。
具体地，可以采用常规的去除多晶硅的方式，去除平坦化后的所述牺牲层225，在本发明实施例中，对去除多晶硅的具体方法不作限制。
参照图14，形成格栅保护层246，所述格栅保护层246覆盖所述金属格栅226、所述深槽隔离层242、阻挡层244以及所述半导体衬底200。
具体地，采用平坦化工艺之后，所述牺牲层225、所述深槽隔离层242、阻挡层244以及所述金属格栅226的顶部均被暴露出来，采用格栅保护层246进行覆盖，可以对所述牺牲层225、所述深槽隔离层242、阻挡层244以及所述金属格栅226的顶部进行有效的保护。
更具体地，如果所述半导体衬底200的表面形成有氧化硅层222，则所述格栅保护层246覆盖所述金属格栅226、所述深槽隔离层242、阻挡层244以及所述氧化硅层222。
进一步地，在相邻的金属格栅246之间设置滤镜252。采用滤镜252可以对入射光进行过滤以去除非相关光，形成适当的单色光。
在本发明实施例中，通过在半导体衬底的表面形成牺牲层，进而在所述牺牲层和半导体衬底内形成深沟槽，从而通过形成覆盖所述深沟槽的内壁的深槽隔离层，以及向所述深沟槽内填充金属，可以在形成深槽隔离层后无需再次图案化即可形成金属格栅，相比于现有技术中，通过两次图案化工艺分别形成深槽隔离结构和金属格栅，采用本发明实施例的方案，可以有效地减少工艺步骤，降低工艺复杂度和成本。进一步地，由于金属格栅的金属是向所述深沟槽内填充形成的，相比于现有技术中通过刻蚀形成，可以有效避免刻蚀过程中的金属倒塌或剥落的问题。更进一步地，现有技术中的深槽隔离结构内填充的是绝缘层，当深槽隔离结构受到损伤时可能会发生载流子扩散到相邻区域，而在本发明实施例中，由于深槽隔离层内填充有金属，当深槽隔离层受到损伤时，载流子会随金属的布线导出，降低扩散危害性。
关于图7至图14示出的图像传感器的形成方法的其他原理、具体实现和有益效果请参照前文及图1至图5示出的关于图像传感器的形成方法及其各步骤对应的器件剖面结构的相关描述，此处不再赘述。
在本发明实施例中，还提供了一种图像传感器，参照图12，该图像传感器可以包括：半导体衬底200，所述半导体衬底200内具有光电二极管有源层201；牺牲层225，位于所述半导体衬底200的表面；深沟槽，位于所述牺牲层225和所述半导体衬底200内，所述深沟槽至少贯穿所述光电二极管有源层201的一部分；深槽隔离层242，所述深槽隔离层242覆盖所述深沟槽的内壁；金属格栅226，所述金属格栅226填充于所述深沟槽内。
关于该图像传感器的原理、具体实现和有益效果请参照前文及图6至图14示出的关于图像传感器的形成方法的相关描述，此处不再赘述。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (10)
1.一种图像传感器的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供半导体衬底，所述半导体衬底内具有光电二极管有源层；
在所述半导体衬底的表面形成牺牲层；
刻蚀所述牺牲层以及所述半导体衬底，以形成深沟槽，所述深沟槽至少贯穿所述光电二极管有源层的一部分；
形成深槽隔离层，所述深槽隔离层覆盖所述深沟槽的内壁；
向所述深沟槽内填充金属，以形成金属格栅。
2.根据权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，还包括：
去除所述牺牲层；
形成格栅保护层，所述格栅保护层覆盖所述金属格栅、所述深槽隔离层以及所述半导体衬底；
在相邻的金属格栅之间设置滤镜。
3.根据权利要求2所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述去除所述牺牲层包括：
平坦化所述牺牲层、所述深槽隔离层以及所述金属格栅；
去除平坦化后的所述牺牲层。
4.根据权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述形成深槽隔离层包括：
采用原子层沉积工艺形成所述深槽隔离层。
5.根据权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，在所述半导体衬底的表面形成牺牲层之前，还包括：
形成衬底保护层；
其中，所述牺牲层堆叠于所述衬底保护层。
6.根据权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，
所述牺牲层的材料包括多晶硅。
7.根据权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，向所述深沟槽内填充金属之前，还包括：
形成阻挡层，所述阻挡层覆盖所述深槽隔离层的表面。
8.根据权利要求7所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，
所述阻挡层的材料包括氮化钛，其中，所述氮化钛是采用TiCl4形成的。
9.根据权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，向所述深沟槽内填充金属包括：
采用化学气相沉积工艺，向所述深沟槽内填充钨。
10.一种图像传感器，其特征在于，包括：
半导体衬底，所述半导体衬底内具有光电二极管有源层；
牺牲层，位于所述半导体衬底的表面；
深沟槽，位于所述牺牲层和所述半导体衬底内，所述深沟槽至少贯穿所述光电二极管有源层的一部分；
深槽隔离层，所述深槽隔离层覆盖所述深沟槽的内壁；
金属格栅，所述金属格栅填充于所述深沟槽内。
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