CN117276294A - 背照式图像传感器及其形成方法 - Google Patents

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；在所述外围电路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，形成具有间隙的第一沟槽隔离结构。本发明技术方案通过在背照式图像传感器的衬底背面形成具有间隙的背面深沟槽隔离结构，用于减弱由于背面沉积介电材料和（或）金属材料引起的应力。

Description

背照式图像传感器及其形成方法

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。然而，在背照式图像传感器的制备工艺中，往往会在入光面沉积大面积的介电层（如氧化硅、氮化硅、高介电常数材料等）。这些大面积的膜层在沉积或后续高温过程中，不可避免地会向芯片引入应力。应力会带来很多不利的影响，比如应力会导致硅的禁带宽度和迁移率发生变化，导致电路基本器件晶体管的速度发生变化。在某些情况下，应力还会导致膜与膜之间出现分层、产生空洞，带来可靠性问题。因此，需要提出简单有效的方式，以缓解应力对背照式图像传感器性能的影响。

发明内容

基于上述描述的问题，本发明提供了一种背照式图像传感器及其形成方法。

第一方面，本发明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；在所述外围电路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，形成具有间隙的第一沟槽隔离结构。

在一些实施例中，所述第一沟槽的形状包括长条状、网格状、环形、矩形或孔状中的至少一种。

在一些实施例中，所述至少一层介质层至少包括一层高介电常数材料层，所述第一沟槽隔离结构用于减少所述至少一层介质层存在分层问题。

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，所述第一介质层为氧化硅；第三介质层为氧化硅。

在一些实施例中，所述至少一层介质层包括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；所述第三介质层为氧化硅。

在一些实施例中，在所述外围电路区的衬底背面形成第一沟槽包括：在所述衬底背面形成图形化的第一掩膜层；刻蚀所述衬底背面，在所述外围电路区形成所述第一沟槽，在所述像素区形成第二沟槽；所述第二沟槽用于形成像素区的感光单元之间的第二沟槽隔离结构。

在一些实施例中，在所述外围电路区的衬底背面形成第一沟槽还包括：去除所述第一掩膜层，在所述衬底背面形成图形化的第二掩膜层；刻蚀所述衬底背面，在所述外围电路区的衬底背面形成第三沟槽；所述第三沟槽用于形成金属走线。

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和所述第二沟槽，形成所述第一沟槽隔离结构和所述第二沟槽隔离结构。

在一些实施例中，所述第一沟槽隔离结构和所述第二沟槽隔离结构具有中空间隙。

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：在所述衬底背面形成金属层；刻蚀所述金属层，在所述第三沟槽内形成所述背面的金属走线。

在一些实施例中，在金属走线以外的区域，设置所述第一沟槽隔离结构。

第二方面，本发明提供了一种照式图像传感器，包括：衬底，其包括像素区和位于所述像素区外围的外围电路区；所述外围电路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，且具有间隙。

在一些实施例中，所述第一沟槽隔离结构的形状包括长条状、网格状、环形、矩形或孔状中的至少一种。

在一些实施例中，所述至少一层介质层至少包括一层高介电常数材料层，所述第一沟槽隔离结构用于减少所述至少一层介质层存在存在分层问题。

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，所述第一介质层为氧化硅；第三介质层为氧化硅。

在一些实施例中，所述外围电路区的衬底背面还包括金属走线；在金属走线以外的区域设置所述第一沟槽隔离结构。

在一些实施例中，所述至少一层介质层包括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；所述第三介质层为氧化硅。

与现有技术相比本发明技术方案具有以下有益效果：本发明实施例通过在背照式图像传感器的衬底背面形成具有间隙的背面深沟槽隔离结构，用于减弱由于背面沉积介电材料和（或）金属材料引起的应力。本发明技术方案基于背照式图像传感器现有的工艺模块，没有额外增加工艺复杂性和工艺费用，可以降低工艺中引入的应力对背照式图像传感器图像性能的影响。

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12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。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

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，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S:2：在所述外围电路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，形成具有间隙的第一沟槽隔离结构。

在一具体实施方式中，所述第一沟槽的形状包括长条状、网格状、环形、矩形或孔状中的至少一种。

在一具体实施方式中，所述至少一层介质层至少包括一层高介电常数材料层，所述第一沟槽隔离结构用于减少所述至少一层介质层存在分层问题。

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，所述第一介质层为氧化硅；第三介质层为氧化硅。

在一具体实施方式中，所述至少一层介质层包括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；所述第三介质层为氧化硅。

在一具体实施方式中，在所述外围电路区的衬底背面形成第一沟槽包括：在所述衬底背面形成图形化的第一掩膜层；刻蚀所述衬底背面，在所述外围电路区形成所述第一沟槽，在所述像素区形成第二沟槽；所述第二沟槽用于形成像素区的感光单元之间的第二沟槽隔离结构。

在一具体实施方式中，在所述外围电路区的衬底背面形成第一沟槽还包括：去除所述第一掩膜层，在所述衬底背面形成图形化的第二掩膜层；刻蚀所述衬底背面，在所述外围电路区的衬底背面形成第三沟槽；所述第三沟槽用于形成金属走线。

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和所述第二沟槽，形成所述第一沟槽隔离结构和所述第二沟槽隔离结构。

在一具体实施方式中，所述第一沟槽隔离结构和所述第二沟槽隔离结构具有中空间隙。

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：在所述衬底背面形成金属层；刻蚀所述金属层，在所述第三沟槽内形成所述背面的金属走线。

在一具体实施方式中，在金属走线以外的区域，设置所述第一沟槽隔离结构。

以下结合附图对图1的背照式图像传感器的形成方法进行详细描述。

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，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。第一掩膜层31也可以为光阻。

参考图5，刻蚀衬底10背面，在外围电路区10b形成所述第一沟槽41，在像素区10a形成第二沟槽42。在一具体实施方式中，第一沟槽41的形状可以为长条状、网格状、环形、矩形或孔状。第二沟槽42用于形成像素区10a的感光单元11之间的第二沟槽隔离结构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，第二掩膜层51可以为光阻材料。可选的，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和第二沟槽42的衬底表面与第二掩膜层51的接触。

参考图8，刻蚀所衬底10背面，在外围电路区10b形成第三沟槽43。第三沟槽43用于形成背面的金属走线70a（如图12所示）。

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形成具有间隙的第二沟槽隔离结构60b。其中，介质层60至少包括一层高介电常数材料层，第一沟槽隔离结构60a用于减少介质层60存在分层现象。

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和第二沟槽42，形成第一沟槽隔离结构60a和第二沟槽隔离结构60b。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背面形成金属层70。在一具体实施方式中，金属层70可以包括第一金属层71和第二金属层72。第一金属层71可以为钨。第二金属层72可以为铝。

参考图12，刻蚀金属层70，在第三沟槽43内形成背面的金属走线70a。在一具体实施方式中，相邻的两条背面金属走线70a之间的区域中可以设置第一沟槽隔离结构60a。

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外围的外围电路区；所述外围电路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，且具有间隙。具体的，可以参考关于图2至12的描述。

在一些实施例中，所述第一沟槽隔离结构的形状包括长条状、网格状环形、矩形或孔状。

在一些实施例中，所述至少一层介质层至少包括一层高介电常数材料层，所述第一沟槽隔离结构用于减少所述至少一层介质层存在的分层问题。

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还包括金属走线； 在非金属走线区域设置所述第一沟槽隔离结构。

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 (19)

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；

在所述外围电路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，形成具有间隙的第一沟槽隔离结构。

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，所述第一沟槽的形状包括长条状、网格状、环形、矩形或孔状中的至少一种。

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，所述至少一层介质层至少包括一层高介电常数材料层，所述第一沟槽隔离结构用于减少所述至少一层介质层存在分层问题。

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，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。

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，所述第一介质层为氧化硅；第三介质层为氧化硅。

6.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，所述至少一层介质层包括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；所述第三介质层为氧化硅。

7.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，在所述外围电路区的衬底背面形成第一沟槽包括：

在所述衬底背面形成图形化的第一掩膜层；

刻蚀所述衬底背面，在所述外围电路区形成所述第一沟槽，在所述像素区形成第二沟槽；所述第二沟槽用于形成像素区的感光单元之间的第二沟槽隔离结构。

8.如权利要求7所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，

在所述外围电路区的衬底背面形成第一沟槽还包括：

去除所述第一掩膜层，在所述衬底背面形成图形化的第二掩膜层；

刻蚀所述衬底背面，在所述外围电路区的衬底背面形成第三沟槽；所述第三沟槽用于形成金属走线。

9.如权利要求8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和所述第二沟槽，形成所述第一沟槽隔离结构和所述第二沟槽隔离结构。

10.如权利要求9所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一沟槽隔离结构和所述第二沟槽隔离结构具有中空间隙。

11.如权利要求10所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，还包括：

在所述衬底背面形成金属层；

刻蚀所述金属层，在所述第三沟槽内形成所述背面的金属走线。

12.如权利要求11所述的背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，在金属走线以外的区域，设置所述第一沟槽隔离结构。

13.一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外围的外围电路区；

所述外围电路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，且具有间隙。

14.如权利要求13所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述第一沟槽隔离结构的形状包括长条状、网格状、环形、矩形或孔状中的至少一种。

15.如权利要求14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至少包括一层高介电常数材料层，所述第一沟槽隔离结构用于减少所述至少一层介质层存在存在分层问题。

16.如权利要求15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。

17.如权利要求16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。

18.如权利要求17所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述外围电路区的衬底背面还包括金属走线；在金属走线以外的区域设置所述第一沟槽隔离结构。

19.如权利要求18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；所述第三介质层为氧化硅。