背照式CMOS图像传感器的制作方法

背照式cmos图像传感器
技术领域
1.本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种背照式cmos图像传感器。


背景技术：

2.cmos图像传感器按照光线入射方向分为前照式(fsi)和背照式(bsi)，其中，背照式cmos图像传感器中，光从传感器的背面入射，较前照式可以更加直接地进入衬底内的光电传感区域(即像素)，减少了光线损失，在同一单位时间内，单个像素能获取的光能量更大，对画质有明显提升，因而bsi技术将cmos成像的灵敏度提升到了一个新的水平。
3.一种背照式cmos图像传感器的制作工艺中，在经过减薄的衬底背面沉积隔离介质层，并在隔离介质层上形成金属格栅(backside metal grid，bmg)以及金属导线，并进行焊盘连接区域工艺(pad open)，所述金属导线为实心的线条。然而，在对相应的传感器进行高温模拟使用寿命的可靠性测试后发现，在金属导线之间的沟槽内容易产生泡状缺陷(如图1中虚线圈出位置所示)，使得不能通过可靠性测试，表明相应结构的传感器的可靠性及质量较差。


技术实现要素：

4.为了避免在金属导线之间的沟槽中产生泡状缺陷，提高背照式cmos图像传感器的质量和可靠性，本发明提供一种背照式cmos图像传感器。
5.本发明提供的背照式cmos图像传感器包括：
6.像素基底，所述像素基底中具有多个光电传感区域，每个所述光电传感区域用于感测从所述像素基底的背面进入的光线；
7.隔离介质层，覆盖所述像素基底的背面；以及
8.金属导线，间隔着所述隔离介质层设置在所述像素基底的背面，其中，至少部分所述金属导线内具有暴露所述隔离介质层的应力释放插槽。
9.可选的，所述背照式cmos图像传感器包括：
10.深沟槽，设置在所述像素基底的背面，所述深沟槽用于隔开进入相邻所述光电传感区域的光线，所述隔离介质层填充所述深沟槽并覆盖所述深沟槽外的像素基底背面。
11.可选的，所述隔离介质层包括：
12.高介电常数层，随形地覆盖所述深沟槽的内表面和所述深沟槽外的像素基底背面；以及
13.氧化层，堆叠在所述高介电常数层上并填充所述深沟槽，所述氧化层具有平坦的上表面。
14.可选的，所述背照式cmos图像传感器包括：
15.金属格栅，对应于所述深沟槽并间隔着所述隔离介质层设置在所述像素基底的背面。
16.可选的，所述金属格栅和所述金属导线包括包括钨或铝。
17.可选的，所述像素基底包括像素区和外围区，所述金属导线对应于所述外围区设置。
18.可选的，所述金属导线的宽度为5μm～250μm。
19.可选的，各所述金属导线被暴露所述隔离介质层的沟槽隔离，所述沟槽的宽度为2.5μm～50μm。
20.可选的，所述应力释放插槽的横截面形状为三角形、四边形、五边形、六边形、圆形或者椭圆形。
21.本发明提供的背照式cmos图像传感器中，金属导线间隔着隔离介质层设置在所述像素基底的背面，并且至少部分所述金属导线内具有暴露所述隔离介质层的应力释放插槽。所述应力释放插槽可以有效分担及缓释从金属导线指向两侧沟槽方向上的应力，减小所述沟槽内的应力聚集，降低产生泡状缺陷的几率，有助于满足可靠性测试要求；并且，所述应力释放插槽的设置降低了传感器背面的金属材料密度，可以降低金属材料对像素基底整体产生的应力，避免像素基底向上翘曲，有助于提高背照式cmos图像传感器的质量和可靠性。
附图说明
22.图1是一种背照式cmos图像传感器经高温模拟使用寿命的可靠性测试后在相邻金属导线的沟槽内产生泡状缺陷的照片。
23.图2是一种背照式cmos图像传感器中金属导线附近的应力示意图。
24.图3是本发明一实施例的背照式cmos图像传感器的剖面结构示意图。
25.图4是本发明一实施例的背照式cmos图像传感器中金属导线内的应力释放插槽的横截面示意图。
26.图5是本发明一实施例的背照式cmos图像传感器中金属导线附近的应力示意图。
27.附图标记说明：
28.10、100-像素基底；101-光电传感区域；102-衬底；103-互连层；104-深沟槽；11、110-隔离介质层；111-高介电常数层；112-氧化层；12、120-金属导线；12a、121-沟槽；122-应力释放插槽；130-金属格栅；20-空隙。
具体实施方式
29.以下结合附图和具体实施例对本发明的背照式cmos图像传感器作进一步详细说明。根据下面的说明，本发明的优点和特征将更清楚。应当理解，说明书的附图均采用了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。
30.在对常规的背照式cmos图像传感器进行高温模拟使用寿命的可靠性测试之后，进一步检测发现，在传感器背面的金属导线之间的沟槽内容易产生泡状缺陷(如图1中虚线圈出位置所示)，表明相应的传感器的可靠性及质量较差。
31.图2是一种背照式cmos图像传感器中金属导线附近的应力示意图。参照图2，金属导线12通常是通过在像素基底10的背面一侧沉积金属层并对该金属层进行局部刻蚀而形成。在所述金属层与像素基底10的背面之间，设置有隔离介质层11，各所述金属导线12被暴露所述隔离介质层11的沟槽12a隔离，即沟槽12a位于各金属导线12两侧以及金属导线12之
间。但是，研究发现，金属导线12(尤其是宽度和/或厚度较大的金属导线12)形成后，增加了像素基底10背面的应力，沟槽12a区域的像素基底10及背面介质层11受到从金属导线12指向沟槽12a方向上的应力(如图2粗直线箭头所示)，沟槽12a内的背面介质层11在应力挤压作用下，与像素基底10背面分离，形成空隙20，表现为如图1所示的泡状缺陷。
32.本发明实施例涉及一种背照式cmos图像传感器，相对于容易产生如图1所示的泡状缺陷的背照式cmos图像传感器，减小了所述沟槽内的应力聚集，能够避免产生上述泡状缺陷，提高背照式cmos图像传感器的质量和可靠性。具体说明如下。
33.图3是本发明一实施例的背照式cmos图像传感器的剖面结构示意图。参照图3，本发明一实施例的背照式cmos图像传感器包括像素基底100、隔离介质层110以及金属导线120；其中，所述像素基底100中具有多个光电传感区域101，每个所述光电传感区域101用于感测从所述像素基底100的背面进入的光线，所述隔离介质层110覆盖所述像素基底100的背面，所述金属导线120间隔着所述隔离介质层110设置在所述像素基底100的背面，其中，至少部分所述金属导线120内具有暴露所述隔离介质层110的应力释放插槽122。
34.所述像素基底100包括衬底102以及互连层103。所述衬底102可包括硅、锗、硅锗、碳化硅、氧化镓、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟或锑化铟等材料，或者还可以包括其它的材料，例如gaasp、alinas、algaas、gainas、gainp或gainasp等，或者还可以是上述材料的组合。多个光电传感区域101可通过从衬底102正面进行离子注入等方式在衬底102内形成，每个所述光电传感区域101对应于一个像素，用于感测从所述像素基底100的背面进入的光线。所述光电传感区域101可包括光电二极管。可以理解，附图中仅示出了部分数量的光电传感区域101。所述互连层103在衬底102正面形成，其可以是多层互连层。互连层103可包括通过介质材料隔离的多层图形化的导电层以及导电插塞，所述导电层和导电插塞在背照式cmos图像传感器的各掺杂区、电路和输入/输出之间提供互连。
35.从所述像素基底100的横截面看，其包括像素区ⅰ和外围区ⅱ，所述像素区ⅰ为设置上述多个光电传感区域101的区域，所述外围区ⅱ设置在所述像素区ⅰ外围，用于形成背照式cmos图像传感器的外围元器件，如用于实现逻辑功能的元器件。所述互连层103可横跨像素区ⅰ和外围区ⅱ。在外围区ⅱ的所述衬底102中还可形成有tsv导通孔(未示出)，所述tsv导通孔可连接至所述互连层103中的导电层。
36.隔离介质层110覆盖在像素基底100的背面，可以隔离衬底102与在像素基底100的背面形成的结构。此外，为了隔离进入各个光电传感区域101的光线，避免串扰，可选的，所述像素基底100中形成有深沟槽104，所述深沟槽104设置在所述像素基底100的背面，用于隔开进入相邻光电传感区域101的光线，所述隔离介质层110填充所述深沟槽104并覆盖所述深沟槽104外的像素基底100背面，所述隔离介质层110可横跨像素区ⅰ和外围区ⅱ。
37.本实施例中，所述隔离介质层110包括一高介电常数层111(hik film)，所述高介电常数层111随形地覆盖所述深沟槽104的内表面和所述深沟槽104外的像素基底100背面。所述高介电常数层111的介电常数高于氧化硅，例如超过3.9。所述高介电常数层111的材料可包括al2o3、ta2o5、zro2、lao、bazro、alo、hfzro、hfzron、hflao、hfsion、hfsio、lasio、alsio、hftao、hftio、(ba,sr)tio3(bst)、si3n4、tio2、氮氧化物或者其它适合的材料中的至少一种，其厚度范围例如为至所述高介电常数层111具有吸收像素基底100背面表面电荷的作用，有助于减少“白像素”缺陷。
38.所述隔离介质层110还可包括覆盖所述高介电常数层111的氧化层112，例如为缓冲氧化层(buffer oxide，bfox)。所述氧化层112堆叠在所述高介电常数层111上并填充所述深沟槽104，所述氧化层112具有平坦的上表面(此处氧化层112的上表面指远离像素基底100的一侧表面)。所述氧化层112可包括氧化硅。
39.参照图3，所述金属导线120间隔着所述隔离介质层110设置在像素基底100的背面，所述金属导线120可用于连接像素区ⅰ的金属层或者背照式cmos图像传感器中的电子元器件的连接端，所述金属导线120可通过上述tsv导通孔与互连层103连接。本实施例中，所述金属导线120对应于所述外围区ⅱ设置，并位于上述隔离介质层110上。各金属导线120被暴露所述隔离介质层110的沟槽121隔离，作为示例，所述沟槽121的宽度在2.5μm～50μm，所述金属导线120的宽度为5μm～250μm。
40.本实施例中，至少部分所述金属导线120内设置有应力释放插槽122，所述应力释放插槽122插在金属导线120的线条内，但并不使金属导线120隔断，因而与沟槽121不同。例如，由于当所述金属导线120之间的沟槽121的宽度在15μm以下时，更容易产生如图1所示的泡状缺陷，故而，可以在宽度在15μm以下的沟槽121两侧的金属导线120中设置应力释放插槽122。但不限于此，一实施例中，可以在外围区ⅱ的像素基底100背面各条金属导线120内均设置所述应力释放插槽122，并且，每条金属导线120内可设置多个应力释放插槽122，多个所述应力释放插槽122也可以均匀分布在各条金属导线120内。所述应力释放插槽122可以在对形成所述金属导线120的金属层进行图形化时一并形成，所述应力释放插槽贯穿所述金属层从而暴露隔离介质层110。
41.图4是本发明一实施例的背照式cmos图像传感器中金属导线内的应力释放插槽的横截面示意图。参照图4，作为示例，所述应力释放插槽122的横截面形状可以为三角形、四边形、五边形、六边形、圆形或者椭圆形等等，所述应力释放插槽122的横截面形状也可以是不规则图形。
42.图5是本发明一实施例的背照式cmos图像传感器中金属导线附近的应力示意图。参照图5，通过设置所述应力释放插槽122，使得金属导线120产生的应力(如粗直线箭头所示)在金属导线120内得到了一定释放及阻隔，使在金属导线两侧沟槽121中聚集的应力减小，从而降低了在该沟槽121中产生前述泡状缺陷的风险，有助于满足可靠性测试要求。并且，所述应力释放插槽122的设置降低了传感器背面的金属材料密度，可以降低金属材料对像素基底100整体产生的应力，避免像素基底100向上翘曲，有助于提高背照式cmos图像传感器的质量和可靠性。
43.参照图3，在一些实施例中，所述背照式cmos图像传感器还包括金属格栅130(backside metal grid，bmg)，所述金属格栅130对应于像素区ⅰ的深沟槽104设置，并间隔着所述隔离介质层110设置在所述像素基底100的背面。所述金属格栅130的作用是使从背面照射到像素基底100内各光电传感区域101的光线相互隔离，从而可减小串扰。可选的，上述金属导线120可以与所述金属格栅130通过同一图形化工艺形成。所述金属格栅130和所述金属导线120可包括相同的金属材料。所述金属导线120的材料可包括单质金属(例如铜、镍、锌、锡、银、金、钨、镁、钽、钛、钼、铂、铝、铪、钌等)以及合金(例如铜合金或铝合金等)中的至少一种，进一步的，所述金属导线120的材料可包括钨或铝，本实施例中，所述金属导线的材料为钨。
44.可选的，本发明实施例的背照式cmos图像传感器还可包括在像素基底100的背面设置的介质层(未示出)，所述介质层可覆盖所述金属导线120和所述金属格栅130，并且，所述介质层可填充在所述应力释放插槽122以及所述金属导线120两侧的沟槽121内。所述介质层可包括氧化硅、氮化硅或氮氧化等介质材料中的一种或其组合，还可以包括硼磷硅酸盐玻璃(bpsg)、非掺杂的硅酸盐玻璃(usg)、旋涂玻璃(sog)、四乙基原硅酸盐(teos)、高密度等离子体cvd(hdp-cvd)氧化物或者其它适合的材料。
45.本发明提供的背照式cmos图像传感器中，金属导线120间隔着隔离介质层110设置在像素基底100的背面，并且至少部分所述金属导线120内具有暴露所述隔离介质层110的应力释放插槽122。所述应力释放插槽122可以有效分担及缓释从金属导线120指向两侧沟槽121方向上的应力，减小所述沟槽121内的应力聚集，降低产生上述泡状缺陷的几率，有助于满足可靠性测试要求；并且，所述应力释放插槽122的设置降低了传感器背面的金属材料密度，可以降低金属材料对像素基底100整体产生的应力，避免像素基底100向上翘曲，有助于提高背照式cmos图像传感器的质量和可靠性。
46.上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明权利范围的任何限定，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。