在背面金屬和像素陣列之間具有低階梯高度的圖像傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了在背面金屬和像素陣列之間具有低階梯高度的CMOS圖像傳感器及其形成方法。CMOS圖像傳感器可包括器件晶圓。導(dǎo)電部件可形成在器件晶圓的背面。器件晶圓可包括形成在其中的像素。鈍化層可形成在器件晶圓的背面和導(dǎo)電部件上方。柵格膜可形成在鈍化層上方。可圖案化柵格膜以容納濾色片。柵格膜圖案可使濾色片與器件晶圓中的對應(yīng)像素對齊。柵格膜形成在導(dǎo)電部件上方的部分可減少至與導(dǎo)電部件相鄰的柵格膜的部分基本平齊。根據(jù)蝕刻工藝、化學(xué)機(jī)械工藝和它們的組合來執(zhí)行圖案化和減少。
【專利說明】在背面金屬和像素陣列之間具有低階梯高度的圖像傳感器
[0001]本申請要求于2012年5月31日提交的標(biāo)題為“Image Sensor with LowStepHeight Between Backside Metal and Pixel Array” 的美國臨時專利申請序列號61/653,846的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容結(jié)合于此作為參考。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明總的來說涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，更具體地，涉及在背面金屬和像素陣列之間具有低階梯高度的圖像傳感器。
【背景技術(shù)】
[0003]背照式(“BSI”)CM0S圖像傳感器(“CIS”)因為相對于傳統(tǒng)前照式(“FST”)CIS器件的性能提高而變得越來越流行。雖然BSI器件消除了由CIS的透鏡和光電二極管區(qū)之間的光路中的多層金屬互連所引起的問題，但BSI器件引入了它們自身的性能劣化特征。一種這樣的特征是由像素陣列邊界處的構(gòu)形(topography)所引起的濾色片均勻性。該構(gòu)形包括背面金屬部件和像素區(qū)之間所謂的階梯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種方法，包括:提供襯底，襯底具有光電二極管和位于襯底的第一面上的導(dǎo)電部件；在襯底的第一面和所述導(dǎo)電部件上方形成鈍化層；在鈍化層上方形成柵格膜；減少導(dǎo)電部件上方的柵格膜；以及圖案化柵格膜以形成柵格圖案。
[0005]優(yōu)選地，該方法進(jìn)一步包括:在柵格圖案中形成濾色片，所柵格圖案使濾色片與光電二極管對齊。
[0006]優(yōu)選地，形成柵格膜包括:將柵格膜形成為具有約1000A和約8000A之間的厚度。
[0007]優(yōu)選地，柵格膜相對于導(dǎo)電部件上方的鈍化層的第一表面的高度被減小至小于約
2000A。
[0008]優(yōu)選地，柵格膜相對于導(dǎo)電部件的第一表面的高度被減小至小于約2000A。
[0009]優(yōu)選地，柵格膜由選自由電介質(zhì)、金屬、絕緣體和它們的組合所組成的組中的材料制成。
[0010]優(yōu)選地，圖案化柵格膜進(jìn)一步包括:圖案化柵格膜上方的光刻膠；以及使用回蝕工藝去除柵格膜。
[0011]優(yōu)選地，減少柵格膜進(jìn)一步包括:使用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)步驟減薄導(dǎo)電部件上方的柵格膜。
[0012]優(yōu)選地，減少柵格膜進(jìn)一步包括:使用蝕刻步驟減薄導(dǎo)電部件上方的柵格膜。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種方法，包括:提供襯底，襯底具有形成在襯底的第一面上的多個導(dǎo)電部并且還具有多個像素器件；在襯底的第一面和導(dǎo)電部件上方形成柵格膜；減少導(dǎo)電部件上方的柵格膜；以及圖案化柵格膜以形成柵格圖案。
[0014]優(yōu)選地，該方法進(jìn)一步包括:在柵格圖案中形成濾色片陣列，其中，濾色片陣列中的每一個濾色片都與多個像素器件中的一個對應(yīng)像素器件對齊。
[0015]優(yōu)選地，形成柵格膜包括:將柵格膜形成為具有約丨OOOA和約8000A之間的厚度。
[0016]優(yōu)選地，柵格膜相對于導(dǎo)電部件的第一表面的高度被減小至小于約2000A。
[0017]優(yōu)選地，柵格膜由選自由電介質(zhì)、金屬、絕緣體和它們的組合所組成的組中的材料制成。
[0018]優(yōu)選地，圖案化柵格膜進(jìn)一步包括:圖案化柵格膜上方的光刻膠；以及使用回蝕工藝去除柵格膜。
[0019]優(yōu)選地，減少柵格膜進(jìn)一步包括:使用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)步驟減薄柵格膜。
[0020]優(yōu)選地，減少柵格膜進(jìn)一步包括:使用蝕刻步驟減薄柵格膜。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供了一種器件，包括:襯底；光電二極管，形成在襯底中；導(dǎo)體，形成在襯底的第一面上；鈍化層，形成在襯底的第一面上；圖案化柵格膜，形成在鈍化層上方，圖案化柵格膜具有與導(dǎo)體的第一面基本平齊的第一面。
[0022]優(yōu)選地，柵格膜相對于導(dǎo)體的第一面被平坦化至小于約2000A。
[0023]優(yōu)選地，柵格膜由選自由電介質(zhì)、金屬、絕緣體和它們的組合所組成的組中的材料制成。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]為了更完整地理解本實施例以及它們的優(yōu)點，現(xiàn)在結(jié)合附圖作為參考進(jìn)行以下描述，其中:
[0025]圖1至圖5示出了形成實施例的各個中間階段。
【具體實施方式】
[0026]以下詳細(xì)討論實施例的制造和使用。然而，應(yīng)該理解，本發(fā)明提供了許多可在各種具體環(huán)境中具體化的可應(yīng)用發(fā)明概念。所討論的具體實施例僅僅是所公開主題的制造和使用的具體方式的說明，而不限制不同實施例的范圍。
[0027]總的來說，本發(fā)明的實施例可使用背面柵格膜來補(bǔ)償背面金屬部件和相鄰像素區(qū)之間的階梯高度差。通過減少圍繞像素陣列的構(gòu)形，有利的結(jié)果可以為使濾色片均勻性的潛在劣化最小化。
[0028]現(xiàn)在參照圖1，示出了器件晶圓100的截面圖。器件晶圓100可具有第一面和第二面，本文分別稱為“背面”和“正面”。器件晶圓100可具有形成在其中的多個像素150.1-150.N、一個或多個介電層(表不為介電層110)、載體晶圓120、一個或多個背面金屬部件(表示為背面金屬部件130)以及鈍化層140。
[0029]例如，器件晶圓100可以是諸如硅、鍺、金剛石等的襯底。在各個實施例中，器件晶圓100可摻雜有本領(lǐng)域公知的諸如硼、鋁、鎵等的P型或η型摻雜物。在各個實施例中，器件晶圓100可經(jīng)歷蝕刻或減薄工藝來使器件晶圓100的背面變薄，使得通過其背面的光可以有效地到達(dá)形成在襯底中的一個或多個像素150.1-150.N。例如，載體晶圓120可包括通常被稱為操作晶圓(handle wafer)的晶圓類型。
[0030]例如，像素150.1-150.N中的每一個都可以包括晶體管(例如，開關(guān)晶體管、復(fù)位晶體管等)、電容器和光敏元件(例如，光電二極管)。光電二極管可將光子轉(zhuǎn)換為電子，使得像素內(nèi)的光電二極管暴露于光，電荷被引入光電二極管。當(dāng)來自目標(biāo)場景的光入射到像素上時，每個像素150.1-150.N都可以產(chǎn)生與落在對應(yīng)像素上的光量成比例的電子。然后，電子可被轉(zhuǎn)換成像中素的電壓信號，并且利用A/D轉(zhuǎn)換器(未示出)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。多個外圍電路(也未示出)可接收數(shù)字信號并對它們進(jìn)行處理以顯示目標(biāo)場景的圖像。
[0031]介電層110可形成在器件晶圓100上方,并且可以包括一個或多個金屬化層以電連接電子器件來形成電路。鈍化層可覆蓋介電層110以保護(hù)部件免受環(huán)境影響。
[0032]載體晶圓120可以為器件晶圓100提供附加支持。載體晶圓120可由各種材料形成，包括但不限于玻璃、硅、陶瓷、它們的組合等。在一個實施例中，器件晶圓100例如可使用UV膠而粘附至載體晶圓120。
[0033]背面金屬部件130可形成在器件晶圓100的背面上。可使用諸如一種或多種金屬蝕刻(subtractive etch)工藝、電化學(xué)沉積、電化學(xué)鍍等的工藝由銅、招、金、鶴、它們的組合等形成背面金屬部件130。在一個實施例中，背面金屬部件130可提供用于形成與器件晶圓100電連接的互連點。在另一個實施例中，可將背面金屬部件130用作定距器件。
[0034]鈍化層140可形成在器件晶圓100和背面金屬部件130上方。鈍化層140可以由例如聚酰亞胺層、聚苯并惡唑(“ΡΒ0”)、苯并環(huán)丁烯(“BCB”)、非光敏聚合物形成，并且在可選實施例中，其可由氮化物、碳化物、氧化硅、氮化硅、諸如摻碳氧化物的低k電介質(zhì)、諸如多孔摻碳二氧化硅的極低k電介質(zhì)、它們的組合和/或其他類似材料形成。可在器件晶圓100的背面和背面金屬部件130上方形成鈍化層140之前執(zhí)行上文討論的器件晶圓100的減薄工藝。
[0035]如圖1所示，可通過背面金屬部件130和形成在其上的鈍化層140生成具有由Hstep表示高度的階梯。如以下參照圖5所討論的，濾色片陣列(“CFA”)可形成在鈍化層140上方。為了得到改善的CFA的濾色片均勻性，期望將金屬部件130上方的鈍化層140的頂面和與其相鄰的區(qū)域的頂面之間的階梯高度減小為高度Hminstep。將階梯高度減小為Hminstep可改善CFA的濾色片均勻性，并且改善像素150.1-150.N的信噪比性能和量子效應(yīng)(“QE”)性能。
[0036]圖2示出了圖1的器件外加?xùn)鸥衲?10。柵格膜210可形成有足以覆蓋背面金屬部件130的厚度。如圖所示，可以沉積或以其他方式共形地形成柵格膜210，使其可覆蓋器件晶圓100的背面、背面金屬部件130和鈍化層140。
[0037]在一些實施例中，例如，柵格膜210可由諸如氧化硅、氮化硅、聚酰亞胺等的介電層形成。在其他實施例中，使用適合的絕緣層(未示出)，柵格膜210可能是諸如鋁、銅、鎢、它們的組合等的金屬膜，或者可能包括諸如鋁、銅、鎢、它們的組合等的金屬膜。在一些實施例中，柵格膜210可以是具有介電層和金屬層的多層膜。例如，可使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積(“PECVD”)、熱化學(xué)汽相沉積(“00)”)、大氣壓00)( “APCVD”)、物理汽相沉積(“PVD”)等來沉積介電材料?？墒褂美鏟VD、濺射、等離子體工藝等沉積金屬材料。
[0038]在示例性實例中，參照圖2，形成在背面金屬部件130和鈍化層140上方的柵格膜210可形成為具有約IOOOA到約8000A之間的厚度(這里示為“XI”)。鈍化層140可形成為具有約IOOA到約4000A之間的厚度(這里示為“X2”)，并且背面金屬部件可形成為具有約1000人到約8000人之間的厚度(這里示為“X3”)。
[0039]在柵格膜210可形成在鈍化層140上方之后，可處理柵格膜210以適應(yīng)在柵格膜210中放置CFA。還可以去除柵格膜210形成在背面金屬部件130上的鈍化層140上方的部分，以減小背面金屬部件130/鈍化層140的頂面和器件晶圓100的其上形成有柵格膜210的相鄰區(qū)域之間的階梯高度(例如，以下圖5中更詳細(xì)討論的Hminstep)。在一個實施例中，減小的階梯高度可優(yōu)選保持約2000A以下，通過以下方程表示:
[0040](X2+X3)-(X I +X2) <200OA 方程式 I
[0041]各種技術(shù)可用于處理柵格膜210以適應(yīng)在其中放置CFA，并且減小背面金屬部件130/鈍化層140的頂面和器件晶圓100的其上形成有柵格膜210的相鄰區(qū)域之間的階梯高度。
[0042]例如，圖3示出了圖2的器件在柵格膜210上形成并圖案化光刻膠膜310，來以預(yù)定的對準(zhǔn)偏移圖案化用于在其中形成CFA的柵格膜210，同時減少位于背面金屬部件130上方的柵格膜210。對準(zhǔn)偏移可以使CFA與形成在器件晶圓100中的一個或多個像素150.1-150.N對齊。在示例性實例中，通過虛線312示出光刻膠膜310的圖案偏移，這表示與像素150.1-150.N的對準(zhǔn)偏移。如圖3所示，還可以圖案化光刻膠膜310來去除柵格膜210形成在背面金屬部件130上的鈍化層140上方的部分。
[0043]如圖4所示，在圖案化之后，可使用適合的工藝蝕刻掉柵格膜210。蝕刻可在柵格膜210中形成用于在其中放置濾色片陣列的凹槽。蝕刻還以可去除形成在背面金屬部件130上方的柵格膜210。在各個實施例中，蝕刻工藝可包括干刻蝕、濕蝕刻或它們的組合。
[0044]在一個施例中，可使用化學(xué)機(jī)械拋光(“CMP”)工藝從背面金屬部件130/鈍化層140上方的區(qū)域去除柵格膜210。在這種實施例中，如上所討論的，柵格膜210可形成在器件晶圓100的背面、鈍化層140和背面金屬部件130上方。然后，CMP工藝可用于將柵格膜210減薄至與背面金屬部件130上方的鈍化層140的頂面相對平齊的高度。將柵格膜210減薄至這個高度可減小背面金屬部件130和其上形成有柵格膜210的器件晶圓100的相鄰背面區(qū)域之間的階梯高度。在減薄之后，然后可利用如上討論的蝕刻工藝來圖案化和蝕刻柵格膜210，以適應(yīng)在像素150.1-150.N上方的柵格膜210中放置CFA。
[0045]如圖4所示，去除或減薄背面金屬部件130上方的柵格膜210可將背面金屬部件130和與其相鄰的柵格膜210區(qū)域之間的階梯高度減小至高度Hminstep。應(yīng)該注意，僅僅為了說明的目的，增大了圖4所示減小的階梯高度Hminstep。理論上，相對于傳統(tǒng)技術(shù)和器件，減小的階梯高度Hminstep是不存在的或者至少為大幅減小(即，小于20()0A )。在一個實施例中，可進(jìn)一步去除或減薄形成在背面金屬部件130上方的鈍化層140以與背面金屬部件130相鄰的柵格膜210相對平齊。
[0046]圖5示出了可放置在圖4的柵格膜210內(nèi)形成的凹槽中的濾色片陣列510.1-510.N(即，本文稱為CFA)。如圖5所示，濾色片510.1-510.N可利用形成在柵格膜210中的凹槽而在柵格膜210中自對齊，因此，可以改善濾色片510.1-510.N的對齊。
[0047]濾色片510.1-510.N中的每一個都可以用于允許預(yù)定波長的光穿過濾色片同時反射其他波長的光，從而使得圖像傳感器(未示出)確定由每個對應(yīng)像素所接收的光的顏色?？梢愿淖?yōu)V色片510.1-510.N,諸如包括紅色、綠色和藍(lán)色濾色片的組合。還可以使用諸如青色、黃色和洋紅色的其他組合。還可以改變?yōu)V色片510.1-510.N的不同顏色和/或顏色組合的數(shù)目。例如，濾色片510.1-510.N可包括著色或染色的材料，諸如丙烯酸。例如，聚甲基丙烯酸甲酯(“PMMA”)或丙二醇單硬脂酸酯(“PGMS”)是合適的材料，可利用它們增加顏料或染料來形成濾色片510.1-510.No然而,還可以使用其他材料?？赏ㄟ^任何適合的方法形成濾色片510.1-510.N。
[0048]圖5還示出了背面金屬部件130/鈍化層140的頂面和與背面金屬部件130相鄰的柵格膜210的部分之間減小的階梯高度Hminstep。再次，應(yīng)該注意，僅僅為了說明的目的，增大了圖5所示減小的階梯高度Hminstep。理論上，減小的階梯高度Hminstep是不存在的，或者至少為大幅減小(即，小于2000A )。如上文所討論的，減小的階梯高度和改善的對齊可提高濾色片510.1-510.N的濾色片均勻性，以及改善像素150.1-150.N的信噪比性能和量子效應(yīng)(“QE”)性能。
[0049]在一個實施例中，提出了一種方法。該方法包括:提供襯底，具有形成在其中的光電二極管和位于襯底背面的導(dǎo)電部件；在襯底的背面和導(dǎo)電部件上方形成鈍化層；在鈍化層上方形成柵格膜；減少位于導(dǎo)電部件上方的柵格膜；以及圖案化柵格膜以形成柵格圖案。
[0050]在另一個實施例中，提出了另一種方法。該方法包括:提供半導(dǎo)體晶圓，具有形成在半導(dǎo)體晶圓背面的導(dǎo)電部件以及形成在半導(dǎo)體晶圓內(nèi)的多個像素器件；在CMOS圖像傳感器的背面和導(dǎo)電部件上方形成柵格膜；減少位于導(dǎo)電部件上方的柵格膜；以及圖案化柵格膜以形成柵格圖案。
[0051]在一個實施例中，提供了一種器件。該器件包括:襯底、形成在襯底中的光電二極管、形成在襯底背面上的導(dǎo)體、形成在襯底背面上的鈍化層以及形成在鈍化層上的圖案化柵格膜，圖案化柵格膜具有與導(dǎo)體的頂面基本平齊的頂面。
[0052]應(yīng)該理解，以上描述提供了實施例的一般描述，并且實施例可包括許多其他部件。例如，實施例可包括形成接觸件、鈍化層、模塑料、互連結(jié)構(gòu)(例如，為器件提供電互連的線路和通孔、金屬層以及層間介電層)。另外，僅僅為了說明的目的，提供像素和濾色片的結(jié)構(gòu)、放置和位置，因此，其他實施例可使用不同的結(jié)構(gòu)、放置和位置。
[0053]盡管詳細(xì)描述了本實施例及它們的優(yōu)點，但是應(yīng)該理解，在不背離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，本文可以進(jìn)行各種改變、替換和變更。例如，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會很容易理解，當(dāng)在本發(fā)明的范圍內(nèi)時，可改變上文所述的結(jié)構(gòu)和步驟的順序。
[0054]此外，本申請的范圍不用于限制說明書中所述工藝、機(jī)器裝置、制造和物質(zhì)組成、工具、方法和步驟的特定實施例。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，根據(jù)本發(fā)明可以利用與本文描述對應(yīng)的實施例執(zhí)行基本相同或?qū)崿F(xiàn)基本相同結(jié)果的目前現(xiàn)有或或即將開發(fā)的工藝、機(jī)器裝置、制造和物質(zhì)組成、工具、方法或步驟。因此，所附權(quán)利要求用于包括這種工藝、機(jī)器裝置，制造和物質(zhì)組成，工具、方法或步驟范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種方法，包括: 提供襯底，所述襯底具有光電二極管和位于所述襯底的第一面上的導(dǎo)電部件； 在所述襯底的第一面和所述導(dǎo)電部件上方形成鈍化層； 在所述鈍化層上方形成柵格膜； 減少所述導(dǎo)電部件上方的所述柵格膜；以及 圖案化所述柵格膜以形成柵格圖案。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括: 在所述柵格圖案中形成濾色片，所述柵格圖案使所述濾色片與所述光電二極管對齊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，形成所述柵格膜包括:將所述柵格膜形成為具有約I O(K)A和約8000A之間的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述柵格膜相對于所述導(dǎo)電部件上方的所述鈍化層的第一表面的高度被減小至小于約2000A。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述柵格膜相對于所述導(dǎo)電部件的第一表面的高度被減小至小于約20001
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述柵格膜由選自由電介質(zhì)、金屬、絕緣體和它們的組合所組成的組中的材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，圖案化所述柵格膜進(jìn)一步包括: 圖案化所述柵格膜上方的光刻膠；以及 使用回蝕工藝去除所述柵格膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，減少所述柵格膜進(jìn)一步包括: 使用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)步驟減薄所述導(dǎo)電部件上方的柵格膜。
9.一種方法，包括: 提供襯底，所述襯底具有形成在所述襯底的第一面上的多個導(dǎo)電部并且還具有多個像素器件； 在所述襯底的第一面和所述導(dǎo)電部件上方形成柵格膜； 減少所述導(dǎo)電部件上方的所述柵格膜；以及 圖案化所述柵格膜以形成柵格圖案。
10.一種器件，包括: 襯底； 光電二極管，形成在所述襯底中； 導(dǎo)體，形成在所述襯底的第一面上； 鈍化層，形成在所述襯底的第一面上； 圖案化柵格膜，形成在所述鈍化層上方，所述圖案化柵格膜具有與所述導(dǎo)體的第一面基本平齊的第一面。
【文檔編號】H01L27/146GK103456751SQ201310153835
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年4月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月31日
【發(fā)明者】曾建賢, 鄭乃文, 伍壽國, 王明璁, 吳東庭 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司