沟槽形成方法、背照式图像传感器及其制作方法与流程

本发明属于半导体领域，具体涉及一种沟槽形成方法、背照式图像传感器及其制作方法。

背景技术：

在半导体工艺中，经常需要在衬底上形成深度不一致的沟槽，通常，这些深度不一致的沟槽需要采用多道光罩进行曝光，并通过多次刻蚀工艺形成，每次刻蚀只能形成深度相同的沟槽。该种方式工艺较为复杂，成本较高。

技术实现要素：

本发明的目的在于，简化工艺，降低成本。

为了实现上述目的，本发明提供了一种沟槽形成方法，包括：

提供一光罩，所述光罩上形成有第一沟槽图形和第二沟槽图形；

提供一衬底，在所述衬底上形成光阻层；

采用所述光罩，进行曝光及显影工艺，形成图形化的光阻层；以及，

以所述图形化的光阻层为掩膜，通过一次刻蚀工艺在所述衬底上形成多个第一沟槽和至少一个第二沟槽，所述第一沟槽和所述第二沟槽形状相同且规则排列，所述第二沟槽的深度大于所述第一沟槽的深度；在垂直于所述衬底表面的截面上，所述第二沟槽的截面宽度大于所述第一沟槽的截面宽度，和/或，所述第一沟槽的图形密度大于所述第二沟槽的图形密度。

进一步的，所述第一沟槽和第二沟槽垂直于所述衬底表面的截面形状为矩形、倒三角形或倒梯形。

进一步的，所述第一沟槽和第二沟槽平行于所述衬底表面的截面形状为矩形。

进一步的，所述衬底是硅衬底，所述刻蚀是干法刻蚀，采用cf4、c4f8和sf6的混合气体。

本发明还提供了一种背照式图像传感器制作方法，包括：

提供一光罩，所述光罩上形成有第一沟槽图形和第二沟槽图形；

提供一衬底，在所述衬底上形成光阻层；

采用所述光罩，进行曝光及显影工艺，形成图形化的光阻层；以及，

以所述图形化的光阻层为掩膜，通过一次刻蚀工艺在所述衬底上形成多个第一沟槽和至少一个第二沟槽，所述第一沟槽和所述第二沟槽形状相同且规则排列，所述第二沟槽的深度大于所述第一沟槽的深度；在垂直于所述衬底表面的截面上，所述第二沟槽的截面宽度大于所述第一沟槽的截面宽度，和/或，所述第一沟槽的图形密度大于所述第二沟槽的图形密度。

所述衬底上形成有若干像素单元区域，所述第一沟槽位于所述像素单元区域中，所述第二沟槽位于相邻的像素单元区域之间。

进一步的，每个像素单元区域中形成有阵列分布的多个第一沟槽。

进一步的，形成所述第一沟槽和第二沟槽之后，还包括：

形成填充层，所述填充层覆盖所述衬底背面并填充所述第一沟槽和第二沟槽；

形成滤色层，所述滤色层位于所述填充层上方，所述滤色层包括多个滤色单元；形成透镜层，所述透镜层位于所述滤色层上方，所述透镜层包括多个微透镜；

其中，所述滤色单元、所述微透镜与所述像素单元在垂直于所述衬底的方向上一一对应；以及

形成层间介质层和金属层，所述层间介质层覆盖所述衬底正面，所述金属层嵌设于所述层间介质层中。

本发明还提供了一种背照式图像传感器，包括：

衬底，所述衬底上形成有若干像素单元区域，所述衬底背面形成有第一沟槽和第二沟槽，所述第一沟槽位于所述像素单元区域中，所述第二沟槽位于相邻的像素单元区域之间，所述第二沟槽的深度大于所述第一沟槽的深度。

进一步的，背照式图像传感器还包括：

填充层，所述填充层覆盖所述衬底背面并填充所述第一沟槽和第二沟槽；

滤色层，所述滤色层位于所述填充层上方，所述滤色层包括多个滤色单元；

透镜层，所述透镜层位于所述滤色层上方，所述透镜层包括多个微透镜；以及

层间介质层和金属层，所述层间介质层覆盖所述衬底正面，所述金属层嵌设于所述层间介质层中。

与现有技术相比，本发明提供了一种沟槽形成方法，利用刻蚀时的负载效应，通过一张光罩、一次刻蚀工艺在衬底上同时形成第一沟槽和第二沟槽，简化了沟槽制作工艺，降低了成本。

在背照式图像传感器制作过程中，利用刻蚀时的负载效应，通过一张光罩、一次刻蚀工艺在衬底背面同时形成第一沟槽和第二沟槽，简化了背照式图像传感器中的制作沟槽工艺，降低了成本。

进一步的，在衬底背面同时形成第一沟槽和第二沟槽，既提高了量子效率又改善了电学串扰。在衬底背面形成第一沟槽，通过入射光在第一沟槽的侧壁之间的反射以增加对光的吸收，从而提高量子效率；在衬底背面形成第二沟槽，第二沟槽位于相邻的像素单元区域之间，每个像素单元区域中的横向扩散的光生电子在扩散的过程中受到了第二沟槽隔离的阻挡，对入射光从衬底背面激发形成的不同波长的光生电子均能起到有效的隔离作用，从而改善电学串扰。

附图说明

图1为本发明实施例一种沟槽形成方法中形成图形化的光阻层后的剖面示意图；

图2为本发明实施例一种沟槽形成方法中形成第一沟槽和第二沟槽后的剖面示意图；

图3为本发明实施例的背照式图像传感器的剖面示意图。

其中，附图标记如下：

11-衬底；12-光阻层；

31-第一沟槽；32-第二沟槽；

21-衬底；21a-衬底正面；21b-衬底背面；22-填充层；23-滤色层；24-透镜层；25-层间介质层；26-金属层；50-像素单元区域；

41-第一沟槽；42-第二沟槽。

具体实施方式

如背景所述，通常，衬底上深度不一致的沟槽需要采用多道光罩进行曝光，并通过多次刻蚀工艺形成，每次刻蚀只能形成深度相同的沟槽。该种方式工艺较为复杂，成本较高。

基于此，利用刻蚀时的负载效应，本发明提出了一种沟槽形成方法。

以下结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种沟槽形成方法，包括：

提供一光罩，所述光罩上形成有第一沟槽图形和第二沟槽图形；

提供一衬底11，在所述衬底11上形成光阻层12；

采用所述光罩，进行曝光及显影工艺，形成图形化的光阻层12；以及，

以所述图形化的光阻层为掩膜，通过一次刻蚀工艺在所述衬底上形成多个第一沟槽31和至少一个第二沟槽32，所述第一沟槽31和所述第二沟槽32形状相同且规则排列，所述第二沟槽32的深度大于所述第一沟槽31的深度；在垂直于所述衬底表面的截面上，所述第二沟槽32的截面宽度大于所述第一沟槽31的截面宽度，和/或，所述第一沟槽31的图形密度大于所述第二沟槽32的图形密度。

其中，所述第一沟槽31和所述第二沟槽32规则排列，例如相邻的所述第二沟槽32之间的间距相等，第二沟槽32周期性排列；位于相邻第二沟槽32之间的若干第一沟槽31之间的间距可以相等，也可以不相等，根据实际需求设计，相邻第二沟槽32之间的若干第一沟槽31构成第一沟槽组，第一沟槽组周期性排列。

本实施例中，所述第一沟槽和第二沟槽垂直于所述衬底表面的截面形状为矩形，其他实施例中还可以为倒三角形或倒梯形。

进一步的，所述第一沟槽31和第二沟槽32平行于所述衬底11表面的截面形状为矩形。

进一步的，所述衬底11是硅衬底，所述刻蚀是干法刻蚀，采用cf4、c4f8和sf6的混合气体。第一沟槽的形状例如为矩形，深度例如为0.2～0.8μm，宽度为100～150nm，第二沟槽的形状例如为矩形，深度例如深度为1.0～2.5um，宽度为130～200nm。通过对气体流量、气压等参数的调控，经过一次刻蚀，形成的第一沟槽和第二沟槽的深度例如分别为0.5μm和1.6μm。

另外，传统的背照式图像传感器的光电转换效率仍不够理想，量子效率还有待提高，而且相邻的像素单元之间存在光生电子横向扩散导致的电学串扰问题。其中，量子效率是指在入射到光电二极管表面的光子中，被光电二极管最终收集到的光生电子所占的比例，该参数表征了光电二极管的成像性能。

具体的，一方面，传统的背照式图像传感器，由于衬底背面通常为平坦的表面，对入射光存在一定的反射，量子效率还有待提高。

另一方面，传统的背照式图像传感器，为解决光生电子在相邻像素单元之间的电学串扰问题，常采用在衬底正面(有光电二极管和外围电路的一面)形成浅槽隔离或深槽隔离。

然而，衬底正面浅槽隔离因为沟槽深度较浅，更适合隔离正面入射光子的前照式图像传感器，而对于背照式图像传感器中的短波串扰抑制作用微乎其微；衬底正面深槽隔离由于沟槽仍从衬底正面形成，衬底正面的底部即靠近衬底背面区域仍存在没有沟槽隔离的盲区，因此对于背照式图像传感器中在衬底背表面激光的短波光生电子并不能起到有效的隔离作用，仍存在电学串扰。

基于此，发明人研究提出了在背照式图像传感器的每个像素单元区域的衬底背面制作若干第一沟槽，通过入射光在第一沟槽的侧壁之间的反射以增加对光的吸收，从而增加量子效率；在像素单元区域之间制作第二沟槽(该第二沟槽为深沟槽)用于防止不同像素单元间的电学串扰。

在形成第一沟槽和第二沟槽的工艺中，先采用第一光罩，进行第一次曝光及显影工艺，再进行第一次蚀刻工艺形成第一沟槽，然后采用流动性好的有机溶胶(如barc)对第一沟槽进行填充；之后采用第二光罩，进行第二次曝光及显影工艺，再进行第二次蚀刻工艺形成第二沟槽。

进一步研究，发明人发现这种通过两次显影及蚀刻形成第一沟槽和第二沟槽的工艺较复杂，成本较高。

基于此，如图3所示，本发明实施例提供了一种背照式图像传感器制作方法。

提供一光罩，所述光罩上形成有第一沟槽图形和第二沟槽图形；

提供一衬底21，衬底21具有衬底正面21a和衬底背面21b，在所述衬底背面21b形成光阻层；

采用所述光罩，进行曝光及显影工艺，形成图形化的光阻层；以及，

以所述图形化的光阻层为掩膜，通过一次刻蚀工艺在所述衬底上形成多个第一沟槽31和至少一个第二沟槽32，所述第一沟槽31和所述第二沟槽32形状相同且规则排列，所述第二沟槽32的深度大于所述第一沟槽31的深度；在垂直于所述衬底表面的截面上，所述第二沟槽32的截面宽度大于所述第一沟槽31的截面宽度，和/或，所述第一沟槽31的图形密度大于所述第二沟槽32的图形密度。

所述衬底21上形成有若干像素单元区域50，所述第一沟槽41位于所述像素单元区域50中，所述第二沟槽42位于相邻的像素单元区域之间。

进一步的，每个像素单元区域50中形成有阵列分布的多个第一沟槽41。

通过入射光在第一沟槽41的侧壁之间的反射以增加对光的吸收，从而增加量子效率；

第二沟槽42位于相邻的像素单元区域50之间，每个像素单元区域中的横向扩散的光生电子在扩散的过程中受到了第二沟槽隔离的阻挡，同时第二沟槽42形成于衬底背面21b上，这样对入射光从衬底背面激发形成的不同波长的光生电子(含短波光生电子)均能起到有效的隔离作用，从而减弱电学串扰。

在背照式图像传感器制作过程中，利用刻蚀时的负载效应，通过一张光罩、一次刻蚀工艺在衬底背面21b上同时形成第一沟槽41和第二沟槽42，相较于现有技术中使用的通过两次显影及蚀刻分别形成第一沟槽和第二沟槽得工艺，简化了背照式图像传感器中的制作沟槽工艺，降低了成本，同时既提高了量子效率又改善了电学串扰。

进一步的，形成所述第一沟槽41和第二沟槽42之后，还包括，

形成填充层22，所述填充层22覆盖所述衬底背面21b并填充所述第一沟槽41和第二沟槽42；所述填充层22可以选择对入射光透射性能好但吸收和反射性能较差的材料，如二氧化硅(si02)，以减小光的反射损耗以及吸收损耗。

形成滤色层23，所述滤色层23位于所述填充层22上方，所述滤色层23包括多个滤色单元(例如是滤光片)，每个滤色单元只允许特定颜色的入射光通过；

形成透镜层24，所述透镜层24位于所述滤色层23上方，所述透镜层24包括多个微透镜，所述微透镜起聚光作用；

所述滤色单元、所述微透镜与所述像素单元在垂直于所述衬底21的方向上一一对应，以保证能够准确捕捉入射光。

形成层间介质层25和金属层26，所述层间介质层25覆盖所述衬底正面21a，所述金属层26嵌设于所述层间介质层25中。

优选的，在填充层22与滤色层23之间，还可以形成透明的电极层，透明的电极层与对应的驱动电路电连接，将电信号传输至外围电路，其中电极层材料可为透明导电氧化物或者铝金属层等。

进一步的，背照式图像传感器的衬底正面21a朝下，入射光从衬底背面21b的方向进入像素单元。衬底21可以为硅、锗、锗硅、砷化镓衬底或者绝缘体上硅衬底。本领域技术人员可以根据需要选择衬底类型。衬底21上还形成有多个像素单元，每个像素单元例如包括一个光电二极管和多个用作驱动电路的mos晶体管(图中未示出)。单个像素单元往往采用3t(3个晶体管)或4t(4个晶体管)结构。在形成像素单元时，还在衬底正面21a形成外围电路，金属层26用于电连接光电二极管、驱动电路和外围电路。光电二极管接收光信号并将其转化为电信号，该电信号传输到驱动电路，驱动电路将电信号传输至外围电路。

继续参照图3所示，本发明实施例提供了一种背照式图像传感器，包括：

衬底21，所述衬底21上形成有若干像素单元区域50，所述衬底背面21b形成有多个第一沟槽41和至少一个第二沟槽42，所述第一沟槽41位于所述像素单元区域50中，所述第二沟槽42位于相邻的像素单元区域之间，所述第二沟槽的深度大于所述第一沟槽的深度。

进一步的，背照式图像传感器还包括：

填充层22，所述填充层22覆盖所述衬底背面21b并填充所述第一沟槽41和第二沟槽42；

滤色层23，所述滤色层23位于所述填充层22上方，所述滤色层23包括多个滤色单元；

透镜层24，所述透镜层24位于所述滤色层23上方，所述透镜层24包括多个微透镜；以及

层间介质层25和金属层26，所述层间介质层25覆盖所述衬底正面21a，所述金属层26嵌设于所述层间介质层25中。

综上所述，本发明提供了一种沟槽形成方法，利用刻蚀时的负载效应，通过一张光罩、一次刻蚀工艺在衬底上同时形成第一沟槽和第二沟槽，简化了沟槽形成工艺，降低了成本。

在背照式图像传感器制作过程中，利用刻蚀时的负载效应，通过一张光罩、一次刻蚀工艺在衬底背面同时形成第一沟槽和第二沟槽，简化了背照式图像传感器中的制作沟槽工艺，降低了成本。

进一步的，在衬底背面同时形成第一沟槽和第二沟槽，既通过第一沟提高了量子效率又通过第二沟槽改善了电学串扰。在衬底背面形成第一沟槽，通过入射光在第一沟槽的侧壁之间的反射以增加对光的吸收，从而提高量子效率；在衬底背面形成第二沟槽，每个像素单元区域中的横向扩散的光生电子在扩散的过程中受到了第二沟槽隔离的阻挡，对入射光从衬底背面激发形成的不同波长的光生电子均能起到有效的隔离作用，从而改善电学串扰。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的器件而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

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。