CN100454563C - 固态图像传感装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有三维结构的固态图像传感装置，其制造工艺可被简化。提供了一种通过粘合第一组件(104)和第二组件(108)形成的固态图像传感装置。第一组件(104)具有位于第一组件(104)和第二组件(108)粘合界面一侧的第一表面，和位于粘合界面的相对侧的第二表面。第二组件(108)具有位于粘合界面一侧的第三表面，和位于粘合界面相对侧的第四表面。第一组件(104)包括在第一组件(104)被粘合到第二组件(108)之前形成在第一表面上的光电转换元件(105)。第二组件(108)包括在粘合之前形成在第三表面上的电路元件(106)。

Description

固态图像传感装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及固态图像传感装置及其制造方法，更具体地，涉及到一种通过粘合包括第一组件和第二组件的多个组件形成的固态图像传感装置，以及制造这种装置的方法。
背景技术
作为固态图像传感(sensing)装置，CCD(电荷耦合器件)图像传感器和CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器被广泛使用。在固态图像传感元件中，随着像素密度的大幅增加，每个像素中的互连(interconnection)占有比例和用作开关的晶体管也随之增加。光接收区域的比(孔径比)减小，因此，光接收灵敏度变得较低。为了避免该问题，采用在每个像素上安装微透镜的技术或通过使用微图案形成(micropattern)工艺减少互连比例的技术。
固态图像传感元件的一个用途是视网膜芯片。为了这个应用目的，需要有为每个像素处理输入信息的高级功能或高速处理。因为给每个像素添加了存储器和信号处理电路，孔径比进一步地减小。一种有望解决该问题的方法是采用一种所谓的三维电路元件结构，在该结构中固态图像传感元件和控制处理电路是层叠的(stacked)。
现有技术中关于三维电路元件的对比文件有日本公开专利11-17017。在日本公开专利11-17017中描述的三维电路元件制造方法包含这些步骤，在半导体衬底上形成多孔层，在多孔层上形成单晶半导体层，在单晶半导体层上形成第一个二维电路元件，将第一个二维电路元件粘合到一个支撑衬底上，然后将半导体衬底从粘合体上去除，使得第一个二维电路元件从半导体衬底被转移到支撑衬底上，以及将第一个二维电路元件转移到的支撑衬底粘合到具有第二个二维电路元件的衬底上。
在日本公开专利11-17017中描述的这种三维电路元件制造工艺将在下面描述。
首先，如图5A所示，多孔层2通过阳极氧化形成在半导体衬底上。单晶硅层3形成在多孔层2上。
如图5B所示，第一个二维LSI(大规模集成电路)4形成在单晶硅层3上，此单晶硅层3形成在多孔层2上。二维LSI 4包括元件隔离氧化膜5，MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)6，多晶硅互连7，层间介电膜8，穿孔8a，上表面金属互连9，和层间介电膜10。
如图5C所示，聚酰亚胺11被涂在二维LSI 4的表面上。支撑衬底12被粘合到聚酰亚胺11上。
如图5D所示，由支撑衬底12支撑的二维LSI 4与单晶硅衬底1分离开来。
如图5E所示，延伸到多晶硅互连7的通孔13在单晶硅层3和元件隔离氧化膜5内形成，元件隔离氧化膜5在剥离的(peeled)二维LSI 4的下表面侧。氧化膜14形成在通孔13内。氧化膜14通过蚀刻被部分去除使得多晶硅互连7再次暴露。与多晶硅互连7相接触的下表面金属互连15形成。聚酰亚胺16被施加。金-铟池(pool)17形成在下表面金属互连15的凹陷部分。
在另一方面，如图5F所示，多孔硅层22和单晶硅层23按上述的方式被形成在另一单晶硅衬底21上。二维LSI 24形成在单晶硅层23上。二维LSI 24包括元件隔离氧化膜25，MOSFET 26，多晶硅互连27，层间介电膜28，穿孔28a，上表面金属互连29，层间介电膜30，穿孔30a，和钨插塞31。
如图5G所示，图5F中所示的二维LSI 24的上表面通过聚酰亚胺16和30被粘合到图5E中所示的二维LSI 4的下表面上。
与图5D中相同，二维LSI 4和24与单晶硅衬底21分离开来。
当所需数目的薄膜二维LSI中每个都形成在单晶硅层上，且以上述的方式按序被粘合在一起时，一种所需的三维超LSI完成了。
在上述的三维LSI制造方法中，形成在多孔层2上的二维LSI 4被粘合到支撑衬底12上。在此之后，由支撑衬底12支撑的二维LSI 4与单晶硅衬底1分离开来。执行一种半导体工艺，以便分离面形成下表面金属互连15。形成在另一单晶硅衬底21上的二维LSI 24的表面被粘合到下表面金属互连15。在此之后，支撑衬底12通过抛光或蚀刻被去除。就是说，层的形成加工是复杂的。
发明内容
本发明考虑到上述的情况而提出，它的目的是，例如，简化固态图像传感装置的制造工艺或提供一种可通过一种简化的制造工艺制造的固态图像传感装置。
本发明的固态图像传感装置涉及到一种通过粘合多个组件，包括第一组件和第二组件，形成的固态装置。第一组件具有位于第一组件和第二组件间粘合界面一侧的第一表面，和位于粘合界面的相对侧的第二表面，第二组件具有位于粘合界面一侧的第三表面，和位于粘合界面的相对侧的第四表面。第一组件包括在第一组件被粘合到第二组件之前形成在第一表面上的光电转换元件，第二组件包括在粘合之前形成在第三表面上的电路元件。第一组件的光电转换元件被电连接到第二组件的电路元件上。
根据本发明优选的方面，第二组件的电路元件优选包括用来控制光电转换元件的电路和/或用来处理从光电转换元件获得的信号的电路。此外，优选地，光电转换元件被排列以形成多个以二维形式排列的像素，并且第二组件的电路元件被排列以与上述的多个像素对应形成多个以二维形式排列的电路。
根据本发明优选的方面，优选地，第一组件被设置使得光通过第二表面入射到光电转换元件上。
根据本发明优选的方面，优选地，该装置还包括在第一组件第二表面的一侧的抗反射膜和/或彩色滤光片。
根据本发明优选的方面，优选地，一种遮蔽或衰减光线的薄膜被形成在第一组件和第二组件之间的粘合界面上。
根据本发明，一种制造固态图像传感装置的方法包括：第一步骤，在第一组件的第一表面上形成光电转换元件，该第一组件有第一表面、第二表面和设置在第一表面和第二表面之间的分离层；第二步骤，在第二组件的第三表面上形成电路元件，该第二组件有第三表面和第四表面；第三步骤，使第一组件从第一表面侧与第二组件的第三表面侧相对，以形成第一组件和第二组件的粘合体；以及第四步骤，在分离层分离所述粘合体。
根据本发明优选的方面，在第二步骤中形成的电路元件优选包括用来控制光电转换元件的电路和/或用来处理从光电转换元件获得的信号的电路。
根据本发明优选的方面，该方法还优选包括在第一组件第二表面的一侧形成抗反射膜和/或彩色滤光片的步骤。
根据本发明优选的方面，第一步骤中优选包括在第一组件第一表面的一侧形成一种遮蔽或衰减光线的薄膜的步骤。
根据本发明优选的方面，优选地，第一步骤中包括在第一组件上形成分离层的步骤和在第一组件的分离层之上形成电路元件的步骤，此外制造方法还包括在粘合体形成后，将在分离层分离第一组件的步骤。
根据下面的说明书结合附图，本发明其它的特色和优点将会显而易见，其中所有图中的相似参考符号代表相同或相似的部件。
附图说明
附图被结合在说明书中并且组成了说明书的一个部分，它说明了本发明的实施例，并且和说明书一起用来解释本发明的原理。
图1A到1F是截面图，它根据本发明的优选实施例显示了制造三维半导体器件的步骤。
图2是一个截面图，它根据本发明的优选实施例显示了三维半导体器件的一种结构。
图3是一个截面图，它根据本发明的优选实施例显示了三维半导体器件的另一种结构。
图4是一个截面图，它根据本发明的优选实施例显示了三维半导体器件的又一种结构。
图5A到5G是截面图，它显示了日本公开专利11-17017中描述的三维电路元件制造步骤。
具体实施方式
图1A到1F根据本发明的优选实施例显示了制造三维半导体器件的步骤。
参考图1E和1F，将描述根据本发明的优选实施例的三维半导体器件结构。根据本发明的优选实施例的三维半导体器件通过将第一组件104(例如半导体，如单晶硅)粘合到第二组件108(例如，单晶硅半导体)上形成。第一组件104具有第一表面在第一组件104和第二组件108之间的粘合界面一侧，以及第二表面在粘合界面的相对一侧。第二组件108具有第三表面在粘合界面一侧，以及第四表面在粘合界面的相对一侧。第一组件104包括电路元件105(例如，排列成阵列的光接收单元)，它们在第一组件104粘合到第二组件108之前形成在第一表面上。第二组件108包括电路元件106(例如，用来控制光接收单元的电路元件和/或用来存储和/或处理从光接收单元获得的信号的电路元件)，它们在第一组件104粘合到第二组件108之前形成在第三表面上。
参考图1A到1F，下面将描述根据本发明的优选实施例的三维半导体器件及其制造该三维半导体器件的方法。
首先，如图1A所示，用作分离层的一个或多个多孔硅层通过阳极氧化(anodizing)或类似的方法形成在单晶硅衬底101上，衬底101作为第一半导体衬底。接下来的说明假定两个多孔硅层102和103形成在单晶硅衬底101上。当使用阳极氧化时，多孔层从表面向深处形成。当需要形成两个或多个多孔层时，优选地，具有低孔隙度的多孔层103首先被形成，然后，具有高孔隙度的多孔层102被形成。因此，具有低孔隙度的多孔层103形成在表面。具有高孔隙度的多孔层102形成在多孔层103之下。根据这种特征的多层结构，在外延生长之前填充衬底表面上存在的孔洞(hole)的步骤变得容易。此外，单晶硅衬底101在两个半导体衬底被粘合后可容易地被分离。
代替形成多孔硅层，可通过注入(implant)氢离子或类似的方法在第一半导体衬底(第一组件)101的预先确定深度区域形成离子注入层。这种离子注入层也可起到分离层的作用。
接下来，通过高温氢化热处理(annealing)和使用SiH4或SiCl4作为气源(source gas)的CVD(化学气相沉积)，多孔硅层103表面上存在的孔洞被填充，因此在多孔硅层103表面上形成了一种符合要求的硅表面。此外，如图1B所示，单晶硅层(半导体层)104在多孔层103上被外延生长。
作为外延生长层的单晶硅层104，其杂质浓度和厚度取决于需要形成的器件(电路元件)的设计。通常，杂质浓度为1014到1017/cm3，厚度为10微米或更小。外延生长层厚度的可控性非常高。因此，对于器件容易获得具有最佳厚度的单晶硅层104。
如图1C所示，固态图像传感装置(例如，CCD图像传感器和CMOS图像传感器)的光接收单元105通过常规半导体工艺形成在单晶硅层104中。光接收单元105包括按二维阵列排列的电路元件。光接收元件105包括CCD或具有CMOS结构的光电转换元件。
如图1D所示，电路(例如，光接收单元的控制电路，图像信号处理电路，和存储器)106具有控制固态图像传感装置的光接收单元105的功能和/或存储和/或处理从光接收单元105获得的信号的功能，电路106通过常规的半导体工艺形成在第二半导体衬底108的表面上。形成在第一半导体衬底101上的光接收单元105以面朝下的状态被粘合到第二半导体衬底108的表面上。通过这种粘合，形成光接收单元的电路元件被电连接到形成在第二半导体衬底108上的电路106的电路元件上。这种粘合可在相对较低的温度下完成，例如，350℃或更低。因为这个温度低于电路元件形成在各自衬底上的过程中的最高温度，所以元件的特性不会降低。形成光接收单元105的电路元件和在第二半导体衬底108一侧形成电路106的电路元件可通过粘合为各自元件准备的电极被互相电连接起来。这样，不同于现有技术，各层之间就不需要任何用于电连接的插塞(plug)。
除了光接收单元105，一些控制光接收单元105和/或存储和/或处理从光接收单元105获得的信号的功能电路也可形成在第一半导体衬底101上。根据器件设计、加工设计和电路设计，将被形成在第一半导体衬底101和第二半导体衬底108上的电路分布被最优化。
每个光接收单元105被形成为CMOS图像传感器结构，具有为各自像素存储和/或处理信号功能的电路被形成在第二半导体衬底108的表面上，使得输入到电路的二维输入信号可被并行地处理。使用这种结构，高速运行和反馈控制是可能的。因此，高性能的视网膜芯片(retina chip)可被实现。
互相粘合在一起的两个半导体衬底101和108在形成在第一半导体衬底101上的多孔层102和103附近被分离。因为大的作用力(stress)被施加在多孔层上，并且它们的密度低，因此蚀刻速率高。因此，可通过从其侧面蚀刻多孔层102和103或施加外作用力给多孔层102和103将第一半导体衬底101分离。然而，如图1E所示，一种通过在多孔硅层102和103附近注入集中的流体例如高压液流(水射流)分离第一半导体衬底101的方法是一种更加可靠并且更好的方法。
根据需要，通过在多孔层处分离第一半导体衬底101形成的表面经历通过蚀刻去除多孔层，通过CMP(化学机械抛光)进行平坦化，以及形成钝化膜。
为了形成彩色固态图像传感装置，可添加在光入射表面形成彩色滤光片(filter)的步骤。
由形成在第二半导体衬底108上的电路106存储或处理的信号可通过连接到电路106的电极片(pad)107被提取。该信号可从电极片107被提取，例如，通过去除单晶硅层104的一部分(除光接收单元105形成区域外的不需要区域)使得电极片107暴露出来以及对暴露出的电极片107进行引线接合，如图1F所示。可选择地，如图2所示，电极片110被形成在单晶硅层104的上表面一侧(分离面一侧)上并且通过插塞109被连接到电极片107上。这样，信号可通过电极片110被提取。
在可由如上所述方法制造的三维半导体器件中，光接收单元105形成于其上的第一半导体衬底(单晶硅层104)101的上表面(第一表面)侧被粘合到第二半导体衬底108的上表面(第三表面)侧。第一半导体衬底101的单晶硅层104的下表面(第二表面；与多晶硅层的接触面)侧被排列在第一半导体衬底101和第二半导体衬底108之间粘合界面的相对面上(也就是，光入射表面)。
对于与多孔硅层102分离的第一半导体衬底101，残留在表面的多孔硅层被去除之后，进行表面抛光以减小厚度。因为可获得与加工前相同的状态，所以第一半导体衬底可被重复使用。因此，可降低制造的成本。
作为第二半导体衬底，可使用，例如，锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、或磷化铟(InP)制造的衬底来代替硅衬底。当使用不同的材料制成的第一和第二衬底时，可实现一种含有不同种材料的器件。
任何衬底都可被用作第一半导体衬底，如果多孔层可被形成在其上面，并且单晶硅层可被形成在多孔层上。除了硅衬底，也可使用锗衬底。
任何外延层可形成在多孔层上，不受衬底晶体的约束，只要它们有相近的晶格常数。例如，使用硅衬底作为衬底，而锗层或硅-锗混合晶体层作为外延层被形成在多孔层上。可选择地，使用锗衬底作为衬底，而砷化镓层作为外延层被形成。
图3是一个截面图，它显示了图1F和图2中所示的三维半导体器件的变体。如图3所示，一种遮蔽(shield)或衰减(attenuate)光线的薄膜111被优选形成在单晶硅层104和第二半导体衬底108之间，用来防止任何光线进入形成在第二半导体衬底108上的电路106。当薄膜111被形成后，可防止电路106的任何操作错误。薄膜111可被形成在第二半导体衬底108的整个表面上或仅仅形成在第二半导体衬底108的部分表面上。例如，在光接收单元105被形成在第一半导体衬底101上之后，在第一半导体衬底101被粘合到第二半导体衬底108之前，薄膜111可被形成在单晶硅层104上。可选择地，在电路106被形成在第二半导体衬底108上之后，在第一半导体衬底101被粘合到第二半导体衬底108之前，薄膜111可被形成在第二半导体衬底108的表面上。
图4是一个截面图，它显示三维半导体器件的另一个变体。如图4所示，抗反射膜(anti-reflection film)和/或彩色滤光片(filter)112被形成在三维半导体器件的表面上。
作为集成电路形成的半导体器件，包括上述的固态图像传感元件，适合用作的组成元件，所述图像处理装置包括电子照相机如数字照相机或数字电影摄影机，或者用作根据这种图像处理装置的处理结果操作的独立的系统或独立的机器人。
作为本发明的详细例子，下面参考图1A到1F描述一种制造CMOS图像传感器(固态图像传感元件)的方法。
首先，如图1A所示，两个多孔硅层102和103通过阳极氧化被形成在单晶硅衬底101上，衬底101作为第一半导体衬底。这时，具有低孔隙度的多孔层103首先被形成。然后，具有高孔隙度的多孔层102被形成。因此，在外延生长之前填充衬底表面上存在的孔洞的步骤变得容易。此外，单晶硅衬底101在两个半导体衬底被粘合后可容易地被分离。
接下来，通过高温氢化热处理和使用SiH4或SiCl4作为气源的CVD，多孔硅层103表面上存在的孔洞被填充，由此在多孔硅层103表面上形成了一种符合要求的硅表面。此外，如图1B所示，单晶硅层104被外延生长。
外延生长层104的厚度大约是10微米或更小，虽然它取决于单个CMOS图像传感器的设计。
如图1C所示，CMOS图像传感器的传感器单元105通过使用常规半导体工艺形成在外延生长层104中。
另一方面，电路106和电极片107，其包括以一一对应方式为元件形成的电路，通过常规的半导体工艺被形成在用作第二半导体衬底的另一个单晶硅衬底108的表面上，用来控制构成CMOS图像传感器的传感器单元105的元件，以及处理从这些元件的获得的信号。与构成传感器单元105的元件不相对应但对图像传感器控制和信号输出所必需的外围电路被形成在电路106的周围。如图1D所示，形成在第一半导体衬底101上的CMOS图像传感器的传感器单元105以面朝下的状态被粘合到形成在第二半导体衬底108表面上的电路106。
为了直接将CMOS图像传感器的传感器单元105的电极和用来控制和处理的电路106的相应电极相连接，优选地，每个电极(没有显示)具有一种突出的形状。此外，为了防止通过CMOS图像传感器的传感器单元105的入射光成为电路106中的噪声源，优选地，在第一半导体衬底101粘合到第二半导体衬底108时或在此之前，一种如图3或图4中示出的遮蔽薄膜111被形成在传感器单元105的表面或第二半导体衬底108(电路106)的表面。
如图1E所示，集中的高压液流(水射流)被注入到粘合在一起的两个半导体衬底的多孔层102和103附近，由此在多孔层102和103部分将第一半导体衬底101分离。
残留在分离表面上的多孔硅通过蚀刻被去除。然后，如图1F所示，电极片107的上部从单晶硅层104上被去除。
如图4所示，一种彩色滤光片和/或抗反射膜112被形成。接着，芯片从衬底上形成。
根据具有依照本发明优选的应用例子的三维结构的固态图像传感装置，孔径比(ratio)和入射立体角(solid angle)可大幅增加。因此，容易以高密度形成像素。在第二半导体衬底侧的电路规模如果小于像素尺寸，那么它是不受特别限制的。因为可对各存储器安装存储器，并且可安排二维并行信号处理电路，所以可形成多功能的图像传感器。
根据本发明优选实施例的制造方法，第一半导体衬底被粘合到第二半导体衬底之前，粘合第一半导体衬底到支撑衬底的步骤，与第一半导体衬底被粘合到第二半导体衬底之后去除支撑衬底的步骤可被省略。由于这个原因，制造步骤可被大幅简化，并且三维半导体器件可以以低成本制造出来。
根据本发明，固态图像传感元件的制造过程可被简化。此外，可提供通过简化的制造过程制造出来的固态图像传感元件。
因为可以做出许多本发明的显然广泛不同的实施例，而不偏离其中的精神和范围，所以应当理解本发明不受具体实施例的限制，而由权利要求限定。

Claims (5)

1.一种制造固态图像传感装置的方法，包括：
第一步骤，在第一组件的第一表面上形成光电转换元件，该第一组件有第一表面、第二表面和设置在第一表面和第二表面之间的分离层；
第二步骤，在第二组件的第三表面上形成电路元件，该第二组件有第三表面和第四表面；
第三步骤，使第一组件的第一表面侧与第二组件的第三表面侧相对，以形成第一组件和第二组件的粘合体；以及
第四步骤，在分离层分离所述粘合体。
2.如权利要求1所述的方法，其中在所述第二步骤中形成的所述电路元件包括用来控制所述光电转换元件的电路和/或用来处理从所述光电转换元件获得的信号的电路。
3.如权利要求1所述的方法，还包括在所述第一组件的第二表面侧形成抗反射膜和/或彩色滤光片的步骤。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述第一步骤包括在所述第一组件的第一表面侧形成遮蔽或衰减光线的薄膜的步骤。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述第二步骤包括在所述第二组件的第三表面侧形成遮蔽或衰减光线的薄膜的步骤。
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