CN117316962A - 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，其中方法包括：提供器件结构，器件结构包括第一衬底和第二衬底，第一衬底和第二衬底键合，第一衬底内具有导电层和若干像素结构，第二衬底内具有器件结构以及与器件结构电连接的电互连层；在第一衬底内形成开口，且开口暴露出部分导电层的表面；在开口的侧壁和底部表面形成过渡金属层，过渡金属层与导电层接触；对过渡金属层的表面进行氧化处理形成钝化层；在开口内形成金属板，金属板与钝化层接触；对钝化层进行还原处理，使得金属板与导电层之间恢复金属连通性。利用钝化层的绝缘性质能够在形成金属板的过程中，阻隔带有电荷的等离子体流入第二衬底内形成高压，进而对器件结构造成损伤，以此提升图像传感器的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种图像传感器及其形成方法。
背景技术
背照式图像传感器是一种将光信号转化为电信号的半导体器件。背照式图像传感器分为互补金属氧化物(CMOS)背照式图像传感器和电荷耦合器件(CCD)背照式图像传感器。CMOS背照式图像传感器具有工艺简单、易于其它器件集成、体积小、重量轻、功耗小和成本低等优点。因此，随着图像传感技术的发展，CMOS背照式图像传感器越来越多地取代CCD背照式图像传感器应用于各类电子产品中。目前，CMOS背照式图像传感器已经广泛应用于静态数码相机、数码摄像机、医疗用摄像装置和车用摄像装置等。
CMOS背照式图像传感器包括前照式(FSI)背照式图像传感器和背照式(BSI)背照式图像传感器。在背照式背照式图像传感器中，光从背照式图像传感器的背面入射到背照式图像传感器中的感光二极管上，从而将光能转化为电能。
然而，现有的背照式图像传感器在形成过程中仍存在诸多问题。
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，以提升图像传感器的性能。
为解决上述问题，本发明提供一种图像传感器的形成方法，包括：提供器件结构，器件结构包括第一衬底和第二衬底，第一衬底和第二衬底键合，第一衬底内具有导电层和若干像素结构，第二衬底内具有器件结构以及与器件结构电连接的电互连层，导电层与电互连层接触；在第一衬底内形成开口，开口暴露出部分导电层的表面；在开口的侧壁和底部表面形成过渡金属层，过渡金属层与导电层接触；对过渡金属层的表面进行氧化处理，形成钝化层；在开口内形成金属板，金属板与钝化层接触；对钝化层进行还原处理，使得金属板与导电层之间恢复金属连通性。
可选的，氧化处理的参数包括：氧化气体包括：O2的等离子体；氧化时间为0min～30min。
可选的，钝化层的厚度为10nm～100nm。
可选的，还原处理的参数包括：还原气体包括：H2、NH3、CO或CH4等；还原时间为0min～30min。
可选的，过渡金属层的形成方法包括：在开口的侧壁和底部表面、以及第一衬底表面上形成过渡金属材料层；去除位于第一衬底表面上的过渡金属材料层，形成过渡金属层。
可选的，金属板的形成方法包括：在钝化层的表面、以及第一衬底表面上形成金属板材料层；回刻蚀金属板材料层，形成金属板，且金属板位于开口内。
可选的，开口包括：第一开口和第二开口，第一开口暴露出第二开口，第二开口暴露出导电层的部分顶部表面；沿垂直与开口侧壁的方向，第一开口具有第一宽度尺寸，第二开口具有第二宽度尺寸，且第一宽度尺寸大于第二宽度尺寸。
可选的，开口的形成方法包括：采用第一图形化工艺对第一衬底进行刻蚀，在第一衬底内形成第一开口；在形成第一开口之后，采用第二图形化工艺对第一开口的底部表面进行刻蚀，直至暴露出导电层的顶部表面为止，形成第二开口。
可选的，在形成第一开口之后且在形成第二开口之前，还包括：在第一开口的侧壁和底部表面、以及第一衬底表面形成隔离层。
可选的，在将第一衬底和第二衬底进行键合之后，还包括：对第一衬底进行减薄处理。
可选的，像素结构包括：彩色滤光层以及位于彩色滤光层上的微凸透镜层。
可选的，器件结构包括：晶体管结构。
相应的，本发明技术方案中还提供一种图像传感器，其特征在于，包括：器件结构，器件结构包括第一衬底和第二衬底，第一衬底和第二衬底键合，第一衬底内具有导电层和若干像素结构，第二衬底内具有器件结构以及与器件结构电连接的电互连层，导电层与电互连层接触；位于第一衬底内的开口，开口暴露出部分导电层的表面；位于开口的侧壁和底部表面的过渡金属层，过渡金属层与导电层接触；位于开口内的金属板，金属板与过渡金属层接触。
可选的，过渡金属层的材料包括：钨或铜。
可选的，金属板的材料包括：铝。
可选的，开口包括：第一开口和第二开口，第一开口暴露出第二开口，第二开口暴露出导电层的部分顶部表面；沿垂直与开口侧壁的方向，第一开口具有第一宽度尺寸，第二开口具有第二宽度尺寸，且第一宽度尺寸大于第二宽度尺寸。
可选的，还包括：位于第一开口的侧壁和底部表面、以及第一衬底表面的隔离层。
可选的，隔离层的材料包括：氧化硅。
可选的，像素结构包括：彩色滤光层以及位于彩色滤光层上的微凸透镜层。
可选的，器件结构包括：晶体管结构。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明技术方案的图像传感器的形成方法中，在形成金属板之前，在开口的侧壁和底部表面形成过渡金属层，对过渡金属层的表面进行氧化处理形成钝化层。利用钝化层的绝缘性质能够在形成金属板的过程中，阻隔带有电荷的等离子体流入第二衬底内，避免在第二衬底内的器件结构上形成高压，进而对器件结构造成损伤，以此提升图像传感器的性能。
进一步，钝化层的厚度为10nm～100nm。当钝化层的厚度小于10nm时，积累的电荷容易将钝化层击穿，进而导致带有电荷的等离子体流入第二衬底内；当钝化层的厚度大于100nm时，会增加氧化处理和还原处理的时间，进而影响制程效率。
进一步，开口包括：第一开口和第二开口，第一开口暴露出第二开口，第二开口暴露出导电层的部分顶部表面；沿垂直与开口侧壁的方向，第一开口具有第一宽度尺寸，第二开口具有第二宽度尺寸，且第一宽度尺寸大于第二宽度尺寸；开口的形成方法包括：采用第一图形化工艺对第一衬底进行刻蚀，在第一衬底内形成第一开口；在形成第一开口之后，采用第二图形化工艺对第一开口的底部表面进行刻蚀，直至暴露出导电层的顶部表面为止，形成第二开口。由于导电层被暴露出的面积不能过大，会对导电层造成较大的刻蚀损伤，因此通过先形成尺寸较大的第一开口，以提升刻蚀效率。在形成第一开口之后，形成尺寸较小的第二开口，且第二开口暴露出导电层的顶部表面，能够减少对导电层的刻蚀损伤。
进一步，在形成第一开口之后且在形成第二开口之前，还包括：在第一开口的侧壁和底部表面、以及第一衬底表面上形成隔离层。通过在第一衬底表面上形成隔离层，能够在形成金属板的过程中阻挡等离子体，以减少等离子体对像素结构造成损伤。
附图说明
图1至图2是一种图像传感器的形成方法各步骤结构示意图；
图3至图11是本发明实施例中图像传感器的形成方法各步骤结构示意图。
具体实施方式
正如背景技术，现有的背照式图像传感器在形成过程中仍存在诸多问题。以下将进行具体说明。
请参考图1，提供第一衬底100，第一衬底100包括相对的第一面101和第二面102，第一衬底100内具有导电层103和若干像素结构104；提供第二衬底200，第二衬底200包括相对的第三面201和第四面202，第二衬底200内具有器件结构以及与器件结构电连接的电互连层(未图示)；将第二面102和第三面201进行键合，且导电层103与电互连层接触；在第一衬底100内形成开口105，开口105自第一面101向第二面102延伸，且开口105暴露出部分导电层103的表面；在开口105表面以及第一面101上形成金属板材料层106。
请参考图2，回刻蚀金属板材料层106，形成金属板107，且金属板107位于开口105内。
在本实施例中，由于在回刻蚀金属板材料层106采用的等离子体干法刻蚀工艺，而且在第一面101上也形成由大面积的金属板材料层106，因此在回刻蚀的过程中，会有大量带有电荷的等离子体通过金属板材料层106和导电层103流入第二衬底200内，进而会在第二衬底200的器件结构上积累形成高压。器件结构包括晶体管结构，当在晶体管结构的栅极上形成高压时，容易将栅极的氧化层击穿，导致晶体管结构的损坏。
在此基础上，本发明提供一种图像传感器及其形成方法，在形成金属板之前，在开口的侧壁和底部表面形成过渡金属层，对过渡金属层的表面进行氧化处理形成钝化层。利用钝化层的绝缘性质能够在形成金属板的过程中，阻隔带有电荷的等离子体流入第二衬底内，避免在第二衬底内的器件结构上形成高压，进而对器件结构造成损伤，以此提升图像传感器的性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细地说明。
图3至图11是本发明实施例中图像传感器的形成方法各步骤结构示意图。
提供器件结构，器件结构包括第一衬底和第二衬底，第一衬底和第二衬底键合，第一衬底内具有导电层和若干像素结构，第二衬底内具有器件结构以及与器件结构电连接的电互连层，导电层与电互连层接触。具体过程请参考图3至图6。
请参考图3，提供第一衬底300，第一衬底300包括相对的第一面301和第二面302，第一衬底300内具有导电层303和若干像素结构304。
在本实施例中，第一衬底300的材料为硅；在其他实施例中，第一衬底的材料还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟。
在本实施例中，像素结构304包括：彩色滤光层以及位于彩色滤光层上的微凸透镜层(未图示)。
需要说明的是，在本实施例中，第一衬底300内还具有与每个像素结构304相对应的感光区和阱区(未图示)，且感光区内掺杂的离子电学类型与阱区内掺杂的离子电学类型相反，进而在感光区与阱区的交界处形成光电二极管结构。后续，通过光线由第第一面照射到感光区上，使感光区激发出电子，光电二极管结构用于将激发出的电子形成电信号。
在本实施例中，若干彩色滤光层包括：红色滤光层、绿色滤光层或蓝色滤光层，而且一个感光区上方形成一种颜色的彩色滤光层。入射的光线经过一种颜色的彩色滤光层的滤色，成为单色光(红光、绿光或蓝光)再照射到感光区上，使感光区激发出电子。
在本实施例中，微凸透镜层用于聚焦入射光线，将入射光汇聚到感光区上。
请参考图4，提供第二衬底400，第二衬底400包括相对的第三面401和第四面402，第二衬底400内具有器件结构以及与器件结构电连接的电互连层(未图示)。
在本实施例中，第二衬底400的材料为硅。在其他实施例中，第二衬底的材料还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟。
在本实施例中，器件结构包括：晶体管结构。
在本实施例中，器件结构包括还包括：电容结构、电感结构和电阻结构中的一种或多种。
请参考图5，将第二面302和第三面401进行键合，且导电层303与电互连层接触。
在本实施例中，第二面302和第三面401之间的通过键合层(未图示)进行键合，键合层为硅层；在其他实施例中，键合层还可以为氧化物层，氧化物层的材料包括：二氧化硅、氮氧化硅或氮氧化硅。
在本实施例中，硅层为额外形成在第一衬底300或第二衬底400上的膜层；在其他实施例中，硅层还可以是第一衬底或第二衬底的硅衬底的一部分。
在本实施例中，通过在导电层303和电互连层之间形成导电插塞(未图示)，以实现导电层303与电互连层之间的接触。
请参考图6，在将第二面302和第三面401进行键合之后，自第一面301向第二面302对第一衬底300进行减薄处理。
由于第一衬底300的初始厚度较大，为了减少自第一面301入射的外部光线达到感光区的距离，进而提高图像传感器的灵敏度，需要对第一衬底300进行减薄处理。
减薄处理的工艺包括物理机械研磨工艺、化学机械研磨工艺或是湿法刻蚀工艺。在本实施例中，减薄处理的工艺采用化学机械研磨工艺。
请参考图7，在第一衬底300内形成开口，开口自第一面301向第二面302延伸，且开口暴露出部分导电层303的表面。
在本实施例中，开口包括：第一开口305和第二开口306，第一开口305暴露出第二开口306，第二开口306暴露出导电层303的部分顶部表面；沿垂直与开口侧壁的方向，第一开口305具有第一宽度尺寸d1，第二开口306具有第二宽度尺寸d2，且第一宽度尺寸d1大于第二宽度尺寸d2。
在本实施例中，开口的形成方法包括：采用第一图形化工艺，自第一面301向第二面302进行刻蚀，在第一衬底300内形成第一开口305；在形成第一开口305之后，采用第二图形化工艺，自第一开口305的底部表面向第二面302进行刻蚀，直至暴露出导电层303的顶部表面为止，形成第二开口306。
在本实施例中，由于导电层303被暴露出的面积不能过大，会对导电层303造成较大的刻蚀损伤，因此通过先形成尺寸较大的第一开口305，以提升刻蚀效率。在形成第一开口305之后，形成尺寸较小的第二开口306，且第二开口306暴露出导电层303的顶部表面，能够减少对导电层303的刻蚀损伤。
请继续参考图7，在形成第一开口305之后且在形成第二开口306之前，还包括：在第一开口305的侧壁和底部表面、以及第一面301上形成隔离层307。
在本实施例中，通过在第一面301上形成隔离层307，能够在后续形成金属板的过程中阻挡等离子体，以减少等离子体对像素结构304造成损伤。
在本实施例中，隔离层307采用原子层沉积工艺形成。
在本实施例中，隔离层307的材料采用氧化硅。
请参考图8，在开口的侧壁和底部表面形成过渡金属层308，过渡金属层308与导电层303接触。
在本实施例中，过渡金属层308的形成方法包括：在开口的侧壁和底部表面、以及第一面301上形成过渡金属材料层(未图示)；去除位于第一面301上的过渡金属材料层，形成过渡金属层308。
在本实施例中，去除位于第一面301上的过渡金属材料层的工艺采用化学机械研磨工艺。
在本实施例中，过渡金属层308的材料采用钨；在其他实施例中，过渡金属层的材料还可以采用铜。
请继续参考图8，在形成过渡金属层308之前，还包括：在隔离层的侧壁形成粘附层309。
由于采用钨材料的过渡金属层308与采用氧化硅材料的隔离层307之间的结合性不好，因此通过形成粘附层309以增加过渡金属层308与隔离层307之间的结合性。
在本实施例中，粘附层309的材料包括钛和氮化钛。
请参考图9，对过渡金属层308的表面进行氧化处理，形成钝化层310。
在本实施例中，氧化处理的参数包括：氧化气体包括：O2的等离子体；氧化时间为0min～30min。
在本实施例中，钝化层310的材料为氧化钨。
在本实施例中，钝化层310的厚度为10nm～100nm。当钝化层310的厚度小于10nm时，积累的电荷容易将钝化层310击穿，进而导致带有电荷的等离子体流入第二衬底400内；当钝化层310的厚度大于100nm时，会增加氧化处理和还原处理的时间，进而影响制程效率。
请参考图10，在开口内形成金属板311，金属板311与钝化层310接触。
在本实施例中，金属板311的形成方法包括：在钝化层310的表面、以及第一面301上形成金属板材料层(未图示)；回刻蚀金属板材料层，形成金属板311，且金属板311位于开口内。
在本实施例中，回刻蚀金属板材料层的工艺采用等离子体的干法刻蚀工艺。
在本实施例中，在形成金属板311之前，在开口的侧壁和底部表面形成过渡金属层308，对过渡金属层308的表面进行氧化处理形成钝化层310。利用钝化层310的绝缘性质能够在形成金属板311的过程中，阻隔带有电荷的等离子体流入第二衬底400内，避免在第二衬底400内的器件结构上形成高压，进而对器件结构造成损伤，以此提升图像传感器的性能。
请参考图11，在形成金属板311之后，对钝化层310进行还原处理，使得金属板311与导电层303之间恢复金属连通性。
在本实施例中，还原处理的参数包括：还原气体包括：H2、NH3、CO或CH4；还原时间为0min～30min。
在本实施例中，通过对钝化层310进行还原处理，使得金属板311与导电层303之间恢复金属连通性，以保证图像传感器的正常运行。
相应的，本发明实施例中还提供一种图像传感器，请继续参考图11，包括：第一衬底300，第一衬底300包括相对的第一面301和第二面302，第一衬底300内具有导电层303和若干像素结构304；第二衬底400，第二衬底400包括相对的第三面401和第四面402，第二衬底400内具有器件结构以及与器件结构电连接的电互连层；第二面401和第三面402键合，且导电层303与电互连层接触；位于第一衬底300内的开口，开口自第一面301向第二面302延伸，且开口暴露出部分导电层303的表面；位于开口的侧壁和底部表面的过渡金属层308，过渡金属层308与导电层303接触；位于开口内的金属板311，金属板311与过渡金属层308接触。
在本实施例中，过渡金属层308的材料采用钨；在其他实施例中，过渡金属层的材料还可以采用铜。
在本实施例中，金属板311的材料采用铝。
在本实施例中，开口包括：第一开口305和第二开口306，第一开口305暴露出第二开口306，第二开口306暴露出导电层303的部分顶部表面；沿垂直与开口侧壁的方向，第一开口305具有第一宽度尺寸d1，第二开口306具有第二宽度尺寸d2，且第一宽度尺寸d1大于第二宽度尺寸d2。
在本实施例中，还包括：位于第一开口305的侧壁和底部表面、以及第一面301上的隔离层307。
在本实施例中，隔离层307的材料采用氧化硅。
在本实施例中，像素结构304包括：彩色滤光层以及位于彩色滤光层上的微凸透镜层。
在本实施例中，器件结构包括：晶体管结构。
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 (20)
1.一种图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：
提供器件结构，所述器件结构包括第一衬底和第二衬底，所述第一衬底和第二衬底键合，所述第一衬底内具有导电层和若干像素结构，所述第二衬底内具有器件结构以及与所述器件结构电连接的电互连层，所述导电层与所述电互连层接触；
在所述第一衬底内形成开口，所述开口暴露出部分所述导电层的表面；
在所述开口的侧壁和底部表面形成过渡金属层，所述过渡金属层与所述导电层接触；
对所述过渡金属层的表面进行氧化处理，形成钝化层；
在所述开口内形成金属板，所述金属板与所述钝化层接触；
对所述钝化层进行还原处理，使得所述金属板与所述导电层之间恢复金属连通性。
2.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述氧化处理的参数包括：氧化气体包括：O2的等离子体；氧化时间为0min～30min。
3.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述钝化层的厚度为10nm～100nm。
4.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述还原处理的参数包括：还原气体包括：H2、NH3、CO或CH4等；还原时间为0min～30min。
5.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述过渡金属层的形成方法包括：在所述开口的侧壁和底部表面、以及所述第一衬底表面上形成过渡金属材料层；去除位于所述第一衬底表面上的所述过渡金属材料层，形成所述过渡金属层。
6.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述金属板的形成方法包括：在所述钝化层的表面、以及所述第一衬底表面上形成金属板材料层；回刻蚀所述金属板材料层，形成所述金属板，且所述金属板位于所述开口内。
7.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述开口包括：第一开口和第二开口，所述第一开口暴露出所述第二开口，所述第二开口暴露出所述导电层的部分顶部表面；沿垂直与所述开口侧壁的方向，所述第一开口具有第一宽度尺寸，所述第二开口具有第二宽度尺寸，且所述第一宽度尺寸大于所述第二宽度尺寸。
8.如权利要求7所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述开口的形成方法包括：采用第一图形化工艺对所述第一衬底进行刻蚀，在所述第一衬底内形成所述第一开口；在形成所述第一开口之后，采用第二图形化工艺对所述第一开口的底部表面进行刻蚀，直至暴露出所述导电层的顶部表面为止，形成所述第二开口。
9.如权利要求8所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，在形成所述第一开口之后且在形成所述第二开口之前，还包括：在所述第一开口的侧壁和底部表面、以及所述第一衬底表面形成隔离层。
10.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，在将所述第一衬底和所述第二衬底进行键合之后，还包括：对所述第一衬底进行减薄处理。
11.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述像素结构包括：彩色滤光层以及位于所述彩色滤光层上的微凸透镜层。
12.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述器件结构包括：晶体管结构。
13.一种图像传感器，其特征在于，包括：
器件结构，所述器件结构包括第一衬底和第二衬底，所述第一衬底和第二衬底键合，所述第一衬底内具有导电层和若干像素结构，所述第二衬底内具有器件结构以及与所述器件结构电连接的电互连层，所述导电层与所述电互连层接触；
位于所述第一衬底内的开口，所述开口暴露出部分所述导电层的表面；
位于所述开口的侧壁和底部表面的过渡金属层，所述过渡金属层与所述导电层接触；
位于所述开口内的金属板，所述金属板与所述过渡金属层接触。
14.如权利要求13所述的图像传感器，其特征在于，所述过渡金属层的材料包括：钨或铜。
15.如权利要求13所述的图像传感器，其特征在于，所述金属板的材料包括：铝。
16.如权利要求13所述的图像传感器，其特征在于，所述开口包括：第一开口和第二开口，所述第一开口暴露出所述第二开口，所述第二开口暴露出所述导电层的部分顶部表面；沿垂直与所述开口侧壁的方向，所述第一开口具有第一宽度尺寸，所述第二开口具有第二宽度尺寸，且所述第一宽度尺寸大于所述第二宽度尺寸。
17.如权利要求16所述的图像传感器，其特征在于，还包括：位于所述第一开口的侧壁和底部表面、以及所述第一衬底表面的隔离层。
18.如权利要求17所述的图像传感器，其特征在于，所述隔离层的材料包括：氧化硅。
19.如权利要求13所述的图像传感器，其特征在于，所述像素结构包括：彩色滤光层以及位于所述彩色滤光层上的微凸透镜层。
20.如权利要求13所述的图像传感器，其特征在于，所述器件结构包括：晶体管结构。
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