CN113451344A - 背照式图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种背照式图像传感器及其制造方法，其通过在金属栅格的侧壁设有至少两层保护层，至少两层保护层能够很好的保护金属栅格的侧壁不被水汽侵蚀，进而提升制造而成的背照式图像传感器的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种背照式图像传感器及其制造方法。
背景技术
背照式(BSI)传感器的光是从衬底的背面而不是正面进入衬底的，因为减少了光反射，BSI传感器能够比前照式传感器捕捉更多的图像信号。目前，堆栈式CMOS图像传感器(Ultra-Thin Stacked CMOS ImageSensor，UTS CIS)通过硅穿孔(TSV:through Si Via)将逻辑运算芯片与像素(光电二极管)阵列芯片进行三维集成，一方面在保持芯片体积的同时，提高了传感器阵列尺寸和面积，另一方面大幅度缩短功能芯片之间的金属互联，减小发热、功耗、延迟，提高了芯片性能。
在堆栈式CMOS图像传感器(UTS)中，设置金属栅格，并利用金属栅格(metal grid)的不透光特性，防止不同像素(光电二极管)之间的光的串扰，金属栅格的性能很大程度上影响着背照式(BSI)图像传感器的性能，现有技术中的金属栅格的侧壁通常会被水汽侵蚀，如此则导致金属栅格的性能不佳，进而导致背照式(BSI)图像传感器的性能不佳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种背照式图像传感器及其制造方法，以解决现有背照式(BSI)图像传感器中的金属栅格侧壁被水汽侵蚀，而导致的背照式(BSI)图像传感器性能不佳的问题。
为解决上述问题，提供一种背照式图像传感器的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成金属栅格层，所述金属栅格层包括多个金属栅格；
至少在所述金属栅格的侧壁上依次形成至少两层保护层。
可选的，形成所述金属栅格层的方法包括：
在所述衬底上依次形成金属材料层和第一氮化层，其中，所述第一氮化层具有多个第一开口；
以所述第一氮化层为掩模，对所述金属材料层执行第一干法刻蚀工艺，以使所述第一开口延伸至所述金属栅格层中以形成第二开口，所述第二开口将所述金属栅格层分割为多个金属栅格。
可选的，所述至少两层保护层包括第一保护层和第二保护层，其中，形成所述第一保护层和所述第二保护层的方法包括：
在所述衬底、所述金属栅格的顶表面和侧壁上形成第一保护材料层；
刻蚀去除位于所述衬底上的所述第一保护材料层，并同时刻蚀去除位于所述金属栅格的顶表面上的所述第一保护材料层和所述第一氮化层，以形成所述第一保护层；
在所述衬底、所述金属栅格的顶表面和所述第一保护层的侧壁上形成第二保护层。
可选的，在形成所述金属栅格层之前，所述方法还包括：在所述衬底上依次形成第一氧化层、第二氮化材料层和第二氧化材料层，所述第一保护材料层形成在所述第二氧化材料层表面、所述金属栅格的顶表面和侧壁上；以及，
在形成所述第一保护材料层之后，所述方法还包括：执行第二干法刻蚀工艺，刻蚀去除第二开口下方的所述第一保护材料层和所述第二氧化材料层并停止于所述第二氮化材料层，以形成第二氮化层，并同步刻蚀去除位于所述金属栅格顶表面上的所述第一保护材料层和第一氮化层。
可选的，所述第一保护层的材料为氮化硅或氮氧化硅，所述第二保护层的材料为氧化硅。
可选的，所述第二干法刻蚀工艺的刻蚀气体为CL2和N2的混合气体。
可选的，所述第二干法刻蚀工艺中，所述第一保护层和/或所述第二保护层与所述金属材料层的刻蚀选择比大于6:1。
可选的，所述CL2和N2的气体体积配比为：1:3～1:7，刻蚀温度为30℃～60℃；所述第一干法刻蚀工艺的源功率为300W～500W，偏置功率为600W～800W。
可选的，形成所述第二保护层的方法为化学气相沉积法。
可选的，所述第一保护层的厚度为
所述第二保护层的厚度为
为解决上述问题，本发明还提供一种背照式图像传感器，其特征在于，所述背照式图像传感器根据如上述任意一项所述的背照式图像传感器的制造方法制造而成。
本发明提供的一种背照式图像传感器制造方法中，由于在金属栅格的侧壁设有至少两层保护层，至少两层保护层能够很好的保护金属栅格的侧壁不被水汽侵蚀，进而提升制造而成的背照式图像传感器的性能。
附图说明
图1是本发明一实施例中的背照式图像传感器的制造流程示意图；
图2～图10是本发明一实施例中的背照式图像传感器的制造过程结构示意图；
其中，附图标记如下：
1-衬底；
2-介质层；
3-高k电介质层；
4-第一氧化层；
5-第二氮化层； 50-第二氮化材料层；
6-第二氧化层； 60-第二氧化材料层；
7-金属栅格层； 70-金属材料层；
71-金属栅格；
8-第三氧化层； 80-第三氧化材料层；
9-第一氮化层； 90-第一氮化材料层；
10-第四氧化层； 100-第四氧化材料层；
11-硬掩膜层； 110-硬掩膜材料层；
12-介质掩膜层； 120-介质掩模材料层；
13-抗反射层； 130-抗反射材料层；
14-光阻层；
9a-第一开口；
7a-第二开口；
11a-第一开槽；
14a-第二开槽。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种背照式图像传感器及其制造方法作进一步详细说明。根据下面说明，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。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
图1是本发明一实施例中的背照式图像传感器的制造流程示意图；图2～图10是本发明一实施例中的背照式图像传感器的制造过程结构示意图。下面结合附图2～图10对本实施例提供的背照式图像传感器的制造方法其各个步骤进行详细说明。
在步骤S10中，如图2所示，在本实施例中，提供衬底1。
所述衬底1可以包括半导体材料、导体材料或者它们的任意组合，可以为单层结构，也可以包括多层结构。因此，衬底1可以是诸如Si、SiGe、SiGeC、SiC、GaAs、InAs、InP和其它的III/V或II/VI化合物半导体的半导体材料。也可以包括诸如，例如Si/SiGe、Si/SiC、绝缘体上硅(SOI)或绝缘体上硅锗的层状衬底。
在步骤S20中，参图6所示，在所述衬底1上形成金属栅格层7，所述金属栅格层7包括多个金属栅格71。
在本实施例中，形成所述金属栅格层7的方法包括如下步骤一到步骤二。
在步骤一中，参图2～图6所示，在所述衬底1上依次形成金属材料层70和第一氮化层9，其中，所述第一氮化层9具有多个第一开口9a，多个所述第一开口9a的图案构成金属栅格图案。
其中，形成所述第一氮化层9的方法包括如下第一步骤到第二步骤。
在第一步骤中，如图4和图5所示，在所述金属材料层70上依次形成第一氮化材料层90和硬掩膜层11，其中所述硬掩膜层11中开设有多个第一开槽11a，多个所述第一开槽11a构成所述金属栅格图案。其中，在本实施例中，所述硬掩膜层11可以为APF(AdvancedPatterning Film,无定形碳材料)层、SOC(旋涂碳层)层或者ODL(organicdielectric layer，有机介电)层。以及，在本实施例中，所述硬掩膜层11的厚度为
在第二步骤中，继续参图5所示，以所述硬掩膜层11为掩膜，刻蚀所述第一氮化材料层90以形成第一氮化层9，并使所述第一开槽11a延伸至所述第一氮化层9中以形成所述第一开口9a。
进一步的，在本实施例中，形成所述硬掩膜层11的方法包括如下步骤。
首先，参图2所示，在所述第一氮化材料层90上依次形成硬掩膜材料层110和光阻层14，其中，所述光阻层14中具有多个第二开槽14a，多个所述第二开槽14a的图案构成所述金属栅格图案。
其次，继续参图2并结合图3和图4所示，以所述光阻层14为掩膜，刻蚀所述硬掩膜材料层110以形成所述硬掩膜层11，并使所述第二开槽14a延伸至所述硬掩膜层11中以形成所述第一开槽11a。
在本实施例中，形成所述光阻层14的方法包括如下步骤。
首先，继续参图2所示，在所述硬掩膜材料层110上形成光阻材料层；
其次，继续参图2所示，提供具有金属栅格图案的掩模版，对所述光阻材料层执行光刻工艺，以将所述金属栅格图案复制至所述光阻材料层，以形成具有多个第二开槽14a的光阻层14。
其中，在形成所述光阻材料层之前，所述方法还包括：在所述硬掩膜材料层110上形成抗反射材料层130和介质掩膜材料层120，其中，所述抗反射材料层130的厚度为
进一步的，参图2和图3所示，在刻蚀所述硬掩膜材料层110之前，所述方法还包括：以所述光阻层14为掩膜，依次刻蚀所述抗反射材料层130和所述介质掩膜材料层120以形成抗反射层13和介质掩模层12，以使所述第二开槽14a延伸至所述抗反射层13和所述介质掩膜层12中，并去除所述光阻层14。
继续参图3和图4所示，在刻蚀所述硬掩膜材料层110的同时，所述方法还包括：以所述抗反射层13和所述介质掩膜层12为掩膜，对所述抗反射层13和所述硬掩膜材料层110同时执行第三干法刻蚀工艺，刻蚀所述硬掩膜材料层110形成硬掩膜层11，并在刻蚀所述硬掩膜材料层110的同时刻蚀所述抗反射层13以逐步去除所述抗反射层13。
进一步的，在本实施例中，所述第三干法刻蚀工艺的刻蚀气体为：羰基硫气体(COS)和氧气(O2)，其中，所述羰基硫气体和所述氧气的气体体积配比为1:2。
进一步的，继续参图2到图6所示，在本实施例中，在形成所述硬掩膜层11之前，所述方法还包括：在所述第一氮化材料层90上形成第四氧化材料层100。以及，在以所述硬掩膜层11为掩模，刻蚀所述第一氮化材料层90的同时或之前，以所述硬掩膜层11为掩模，刻蚀所述第四氧化材料层100以形成第四氧化层10，并使所述第一开槽11a延伸至所述第四氧化层10中。
以及，继续参图4到图7所示，在本实施例中，在形成第一氮化材料层90之前，所述方法还包括：在所述第一金属材料层70上形成第三氧化材料层80。
并在刻蚀所述第一氮化材料层90的同时或之后，以所述硬掩膜层11为掩膜，刻蚀所述第三氧化材料层80以形成第三氧化层8，并使所述第一开口9a延伸至所述第三氧化层8。
进一步的，在本实施例中，所述第一氮化层9的材料为氮化硅或氮氧化硅，所述第四氧化层10和所述第三氧化层8的材料为氧化硅。
以及，在本实施例中，以所述硬掩膜层11为掩模，刻蚀所述第一氮化材料层90的刻蚀方法为干法刻蚀，刻蚀所述第一氮化材料层90的刻蚀气体为三氟甲烷(CHF3)、甲基氟(CH3F)和氧气(O2)的混合气体。其中，所述三氟甲烷(CHF3)、甲基氟(CH3F)和氧气(O2)的混合气体对所述硬掩膜层11与所述第一氮化材料层90的刻蚀选择比大于5:1。如此一来，可设置厚度较薄的所述硬掩膜层11即可达到掩模的目的，节省材料的使用。
此外，在本实施例中，在刻蚀所述第一氮化材料层90的同时，刻蚀所述第三氧化材料层80和所述第四氧化材料层100的方法为干法刻蚀，同时刻蚀所述第三氧化材料层80、所述第一氮化材料层90和所述第四氧化材料层100的的刻蚀气体为四氟化碳(CF4)、二氟甲烷(CH2F2)和氧气(O2)的混合气体。
进一步的，在本实施例中，以所述硬掩膜层11为掩模，在刻蚀所述第一氮化材料层90之前刻蚀所述第四氧化材料层100，或者，在刻蚀所述第一氮化材料层90之后，刻蚀所述第三氧化材料层80的刻蚀方法为干法刻蚀。刻蚀所述第三氧化材料层80的刻蚀气体为：八氟环丁烷(C4F8)和氧气(O2)的混合气体。
在本实施例中，通过上述步骤，在所述金属材料层70上形成了依次设置的第三氧化层8、第一氮化层9和第四氧化层10，即ONO层。在可选的实施例中，所述金属材料层70上还可以仅形成第一氮化层9，或者形成第一氮化层9并仅在所述第一氮化层9上形成第四氧化层10，或者仅在所述第一氮化层9下方形成第三氧化层8。具体的在此不做限定，依据实际情况而定。
进一步的，继续参图5和图6所示，在本实施例中，在所述金属材料层70上形成依次设置的所述第三氧化层8、所述第一氮化层9和所述第四氧化层10之后，所述方法还包括：去除所述硬掩膜层11。
在第二步骤中，如图5和图6所示，以所述第一氮化层9为掩模，对所述所述金属材料层70同时执行第一干法刻蚀工艺，以使所述第一开口9a延伸至所述金属栅格层7中以形成第二开口7a，所述第二开口7a将所述金属栅格曾7分割为多个金属栅格71。其中，在执行第一干法刻蚀工艺的过程中轰击所述第一氮化层9，以使所述第一氮化层9中的氮原子或氮离子逸出，以使所述氮原子或所述氮离子在执行所述第一干法刻蚀工艺的过程中，与所述金属栅格71的侧壁的金属发生反应生成金属氮化物。该金属氮化物能够防止所述金属栅格71的侧壁被侵蚀。
进一步的，在本实施例中，由于所述金属材料层70上形成有依次堆叠设置的所述第三氧化层8、所述第一氮化层9和所述第四氧化层10。因此，在刻蚀所述金属材料层70以形成所述金属栅格层7时，以依次堆叠设置的所述第三氧化层8、所述第一氮化层9和所述第四氧化层10为掩模刻蚀所述金属材料层70。
可选的，还可在所述金属材料层70上仅形成所述第一氮化层9时，仅以所述第一氮化层9为掩模刻蚀所述金属材料层70，以及，在所述金属材料层70形成依次堆叠设置的所述第三氧化层8和所述第一氮化层9时，以所述堆叠设置的所述第三氧化层8和所述第一氮化层9为掩模刻蚀所述金属材料层70。在此不做具体限制，以实际情况为准。
进一步的，在本实施例中，所述第一干法刻蚀工艺为脉冲干法刻蚀工艺，在本实施例中，采用所述脉冲干法刻蚀工艺刻蚀时堆积在所述第二开口7a中的金属材料能够被及时清除，如此以保证堆积的所述金属材料不会影响刻蚀效果，进而保证刻蚀形成的所述金属栅格71具有较佳的形貌。
进一步的，在本实施例中，所述第一干法刻蚀工艺的刻蚀气体为氯气(CL2)和三氟化氮气体(NF3)的混合气体。其中，所述第三氧化层8或所述第四氧化层10与所述金属材料层70的刻蚀选择比大于6:1，所述第一氮化层9与所述金属材料层70的刻蚀选择比大于3:1。由于所述第三氧化层8或所述第四氧化层10相对所述所述金属材料层70来说具有较高的刻蚀选择比，则可设置膜厚较薄的所述第三氧化层8或所述第四氧化层10即能够起到掩膜作用，如此以节省材料的使用。
此外，在本实施例中，所述第一干法刻蚀工艺中的所述CL2和NF3的气体体积配比为：1：1～1：5，刻蚀温度为55℃～65℃；所述第一干法刻蚀工艺的源功率为300W～500W，偏置功率为600W～800W。
进一步的，继续参图2～图6所示，在本实施例中，在形成所述金属材料层70之前，所述方法还包括：在所述衬底1上依次形成介质层2和高K电介质层3，所述高介电常数介质层3的介电常数大于25。在本实施例中，所述高K电介质层3可以为金属氧化层或者非金属材质进行离子掺杂之后形成，当所述高K电介质层3为金属氧化层时，所述金属氧化层可以包括依次形成的氧化铝材料层和氧化钽材料层；所述高K电介质层3的材料在此不做具体限定，能够实现调节衬底1表面电性的作用即可。以及，所述介质层2的材料可以为氧化硅，所述介质层2用于保护位于所述衬底1内的相关器件以及隔离所述高K电介质材料层3和所述衬底1。
在步骤S30中，如图7～10所示，至少在所述金属栅格71的侧壁上形成至少两层保护层。在本实施例中，所述至少两层保护层包括第一保护层15和第二保护层16。所述第一保护层15的厚度为
所述第二保护层16的厚度为
所述第一保护层15的材料为氮化硅或氮氧化硅，所述第二保护层16的材料为氧化硅。
在本实施例中，由于在金属栅格71的侧壁设有至少两层保护层，至少两层保护层能够很好的保护金属栅格的侧壁不被水汽侵蚀，进而提升制造而成的背照式图像传感器的性能。
在本实施例中，形成所述第一保护层15和所述第二保护层16的方法包括如下步骤。
首先，在所述衬底1、所述金属栅格71的顶表面和侧壁上形成第一保护材料层150。
其次，刻蚀去除位于所述衬底1上的所述第一保护材料层150，并同时刻蚀去除位于所述金属栅格的71顶表面上的所述第一保护材料层150和所述第一氮化层9，以形成所述第一保护层15。在本实施例中，所述第一保护层15的材料为氮化硅或氮氧化硅。所述第一保护层15的厚度为
在本实施例中，在形成所述金属栅格层9之前，所述方法还包括：在所述衬底1上依次形成第一氧化层层40、第二氮化材料层50和第二氧化材料层60。所述第一保护材料层150形成在所述第二氧化材料层60表面、所述金属栅格71的顶表面和侧壁上。
以及，在形成所述第一保护材料层150之后，所述方法还包括：执行第二干法刻蚀工艺，刻蚀去除第二开口7a下方的所述第一保护材料层150和所述第二氧化材料层60并停止于所述第二氮化材料层50，以形成第二氮化层5，并同步刻蚀去除位于所述金属栅格71顶表面上的所述第一保护材料层150和第一氮化层9，保留所述金属栅格71侧壁上的所述第一保护材料层150。
在本实施例的所述第二干法刻蚀工艺中，所述第一保护层和/或所述第二保护层与所述金属材料层的刻蚀选择比大于6:1。所述第二干法刻蚀工艺的刻蚀气体为CL2和N2的混合气体。所述CL2(氯气)和N2(氮气)的气体体积配比为：
1:3～1:7，刻蚀温度为30℃～60℃；所述第一干法刻蚀工艺的源功率为300W～500W，偏置功率为600W～800W。
在本实施例中，由于在所述第一氧化层4和所述金属栅格层7之间形成有所述第二氮化材料层50，则在对所述第一氮化层9和所述第二氮化材料层50执行第二干法刻蚀工艺时，所述第一氮化层9相对所述第一氧化层4具有较高的刻蚀选择比，如此以使刻蚀所述第二氮化材料层50之后暴露出的所述第一氧化层4的顶表面比较平坦。其中，所述第一氧化层4暴露出的部分的最高点和最低点的高度差小于30nm。
最后，在所述衬底1、所述金属栅格71的顶表面和所述第一保护层15的侧壁上形成第二保护层16。进一步的，在本实施例中，形成所述第二保护层的方法为化学气相沉积法，形成所述第二保护层的条件为：在低压400℃温度下，使用TEOS(硅酸乙酯)和O2(氧气)作为反应物，膜生长速率100-150A/min。在上述条件下，气体分子在表面加速扩散，沉积的SiO2均匀性更优，覆盖能力更强。
本发明还提供一种背照式图像传感器，所述背照式图像传感器采用上述方法制造而成。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (11)
1.一种背照式图像传感器的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成金属栅格层，所述金属栅格层包括多个金属栅格；
至少在所述金属栅格的侧壁上依次形成至少两层保护层。
2.如权利要求1所述的背照式图像传感器的制造方法，其特征在于，形成所述金属栅格层的方法包括：
在所述衬底上依次形成金属材料层和第一氮化层，其中，所述第一氮化层具有多个第一开口；
以所述第一氮化层为掩模，对所述金属材料层执行第一干法刻蚀工艺，以使所述第一开口延伸至所述金属栅格层中以形成第二开口，所述第二开口将所述金属栅格层分割为多个金属栅格。
3.如权利要求2所述的背照式图像传感器的制造方法，其特征在于，所述至少两层保护层包括第一保护层和第二保护层，其中，形成所述第一保护层和所述第二保护层的方法包括：
在所述衬底、所述金属栅格的顶表面和侧壁上形成第一保护材料层；
刻蚀去除位于所述衬底上的所述第一保护材料层，并同时刻蚀去除位于所述金属栅格的顶表面上的所述第一保护材料层和所述第一氮化层，以形成所述第一保护层；
在所述衬底、所述金属栅格的顶表面和所述第一保护层的侧壁上形成第二保护层。
4.如权利要求3所述的背照式图像传感器的制造方法，其特征在于，
在形成所述金属栅格层之前，所述方法还包括：在所述衬底上依次形成第一氧化层、第二氮化材料层和第二氧化材料层，所述第一保护材料层形成在所述第二氧化材料层表面、所述金属栅格的顶表面和侧壁上；以及，
在形成所述第一保护材料层之后，所述方法还包括：执行第二干法刻蚀工艺，刻蚀去除第二开口下方的所述第一保护材料层和所述第二氧化材料层并停止于所述第二氮化材料层，以形成第二氮化层，并同步刻蚀去除位于所述金属栅格顶表面上的所述第一保护材料层和第一氮化层。
5.如权利要求4所述的背照式图像传感器的制造方法，其特征在于，所述第一保护层的材料为氮化硅或氮氧化硅，所述第二保护层的材料为氧化硅。
6.如权利要求5所述的背照式图像传感器的制造方法，其特征在于，所述第二干法刻蚀工艺的刻蚀气体为CL2和N2的混合气体。
7.如权利要求5所述的背照式图像传感器的制造方法，其特征在于，所述第二干法刻蚀工艺中，所述第一保护层和/或所述第二保护层与所述金属材料层的刻蚀选择比大于6:1。
8.如权利要求6所述的背照式图像传感器的制造方法，其特征在于，所述CL2和N2的气体体积配比为：1:3～1:7，刻蚀温度为30℃～60℃；所述第一干法刻蚀工艺的源功率为300W～500W，偏置功率为600W～800W。
9.如权利要求3所述的背照式图像传感器的制造方法，其特征在于，形成所述第二保护层的方法为化学气相沉积法。
10.如权利要求1所述的背照式图像传感器的制造方法，其特征在于，所述第一保护层的厚度为
所述第二保护层的厚度为
11.一种背照式图像传感器，其特征在于，所述背照式图像传感器根据如上述权利要求1～10任意一项所述的背照式图像传感器的制造方法制造而成。
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