CN101473440A - 使用背照式光电二极管的图像传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提出了一种使用背照式光电二极管的图像传感器及其制造方法。根据本发明，由于可以对背照式光电二极管的表面进行稳定地处理，所以能够形成背照式光电二极管使其具有弱暗电流和高灵敏度，同时，使所有光电二极管对蓝光具有恒定的灵敏度。另外，通过采用将光电二极管和逻辑电路分别形成在不同衬底上的三维结构，可以制造出具有高密度的图像传感器。

Description

使用背照式光电二极管的图像传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种图像传感器，更具体地，涉及一种使用通过底侧吸收光的背照式光电二极管的图像传感器及其制造方法。
背景技术
互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器是一种测量光强度的装置。通常，此类图像传感器具有如下结构，即，在形成数字/模拟电路的平板上形成有光电二极管，并且，在该光电二极管的顶侧形成有金属线和金属间介电(inter-metal dielectric，IMD)层。
在传统图像传感器中，光首先通过微透镜和彩色滤光器，然后沿几层薄膜形成的通道行进，最后被光电二极管吸收。在此过程中，光的灵敏度，特别是蓝光的灵敏度会被削弱。
另外，在传统图像传感器中，光在通过绿、红和蓝色的彩色滤光器后被多层金属线反射。这样会影响相邻的光电二极管，从而导致色串扰。还有，由于红光的波长较长，所以会在光电二极管的底侧发生电串扰。
在使用背照式光电二极管的图像传感器中，光不通过层叠于光电二极管顶侧的IMD层，而是直接被其上形成有光电二极管的硅衬底吸收。因此，光灵敏度得到显著提高。
为了利用背照式光电二极管的结构，需要去除由表面缺陷(例如，存在于低浓度外延层表面上的悬键)引起的噪声。然而，问题是由于金属线的存在，所以不能在高温下实现热处理。
因此，使用背照式光电二极管的传统图像传感器不能解决由其上形成有背照式光电二极管的硅衬底的表面缺陷所引起的噪声问题。
为了解决上述问题，通常利用激光扫描进行瞬间高温热处理，但其缺点是费用较高并且费时。
发明内容
技术问题
本发明提出了一种使用背照式光电二极管的图像传感器及其制造方法，其中，通过光电二极管的底侧而不是顶侧吸收光，通过对晶片的表面进行处理来抑制噪音和串扰的产生，从而提高了其灵敏度。
技术方案
根据本发明的一个方面，提出了一种使用背照式光电二极管的图像传感器，包括：外延层，其通过掺杂低浓度的杂质而在特定类型的晶片上形成；势垒，其形成于外延层的表面上；背照式光电二极管，其形成于在第一晶片的背面所形成的外延层上；逻辑电路，其形成于晶片的特定区域上使其通过金属线与背照式光电二极管电连接；衬垫，其形成于势垒上，并与图像传感器的外部电路电连接；穿过外延层的通道(via)以及填充通道的连接器(plug)，从而衬垫与逻辑电路电连接。
根据本发明的另一个方面，提出了一种使用背照式光电二极管的图像传感器，其包括：外延层，其通过掺杂低浓度的杂质而在各具有特定类型的第一晶片和第二晶片上形成；势垒，其形成于第一晶片的外延层的表面上；背照式光电二极管，其形成于在第一晶片的背面所形成的外延层上；第二晶片，其上形成有逻辑电路；金属结合区，与形成于第一晶片上的背照式光电二极管相连的金属线，通过该金属结合区，和与形成于第二晶片上的逻辑电路相连的金属线电连接；衬垫，其形成于第一晶片的势垒上，并与图像传感器的外部电路电连接；穿过外延层的通道以及填充通道的连接器，从而衬垫与第二晶片的逻辑电路电连接。
根据本发明的又一个方面，提出了一种图像传感器的制造方法，包括以下步骤：(a)在特定类型的晶片上形成低浓度的外延层，并在外延层的表面上形成势垒；(b)去除晶片的、除了外延层之外的背面；(c)在步骤(b)中被暴露的外延层的表面上形成背照式光电二极管和逻辑电路；(d)在背照式光电二极管上形成金属间介电(IMD)层，并在IMD层内部形成金属线以将背照式光电二极管与逻辑电路进行电连接；(e)在势垒的表面形成钝化层、彩色滤光器和微透镜；(f)形成与逻辑电路连接的通道，该通道从势垒的表面穿过外延层，以及在通道中填入连接器；以及(g)在填充有连接器的通道的表面上形成衬垫。
根据本发明的又一个方面，提出了一种图像传感器的制造方法，包括以下步骤：(a)在各具有特定类型的第一晶片和第二晶片上形成低浓度的外延层，并在第一晶片的外延层的表面上形成势垒；(b)去除第一晶片的、除了外延层之外的背面；(c)在步骤(b)中被暴露的外延层的表面上形成背照式光电二极管；(d)在背照式光电二极管上形成金属间介电(IMD)层，并在IMD层内部形成金属线；(e)形成与金属线连接的通道，该通道从势垒的表面穿过外延层，以及在通道中填入连接器；(f)在第二晶片上形成的外延层上形成IMD层，并在IMD层内形成包括金属线的逻辑电路；(g)利用金属结合，将第一晶片的金属线与第二晶片的逻辑电路的金属线进行连接；(h)在势垒的表面形成钝化层、彩色滤光器和微透镜；以及(i)在第一晶片的填充有连接器的通道的表面上形成衬垫。
附图说明
图1是根据本发明一个实施方式的使用背照式光电二极管的图像传感器结构的剖面图；
图2是根据本发明另一个实施方式的使用背照式光电二极管的图像传感器结构的剖面图；
图3是根据本发明一个实施方式的使用背照式光电二极管的图像传感器的制造方法的流程图；
图4示出了用于解释图3中的主要过程的剖面图组；
图5是根据本发明另一个实施方式的使用背照式光电二极管的图像传感器的制造方法的流程图；
图6示出了用于解释图5中的主要过程的剖面图组。
具体实施方式
下面，结合附图对本发明中的实施方式进行详细描述。
图1是根据本发明一个实施方式的使用背照式光电二极管的图像传感器结构的剖面图。该图像传感器由特定类型的晶片10、外延层20、势垒30、背照式光电二极管40、金属间介电(IMD)层50、金属线60、衬垫70、通道及连接器75、钝化层80、彩色滤光器82和微透镜84构成。
通过掺杂与外延层20具有相同类型但具有更高浓度的杂质，在低浓度的外延层20表面上形成势垒30。
可以利用离子注入、外延生长或硼硅酸盐玻璃(BSG)沉积来形成势垒30。
背照式光电二极管40在形成于晶片10背面的外延层20上形成，即，势垒30的背面。
IMD层50形成于背照式光电二极管40的下方，也就是，在形成有势垒30的部分的相反方向上。
金属线60形成于IMD层50中，使得背照式光电二极管40与形成于晶片10的特定区域的逻辑电路(未示出)电连接。
衬垫70与外部电路电连接并形成于势垒30上方。通道75被形成为穿过外延层20与逻辑电路(未示出)的金属线60相连，使得衬垫70与逻辑电路(未示出)相连。连接器被填入通道75内。
作为保护层，钝化层80形成于势垒30上。多个彩色滤光器82形成于钝化层80上。微透镜84形成于彩色滤光器82上。
图2是根据本发明另一实施方式的使用背照式光电二极管的图像传感器结构的剖面图。背照式光电二极管40和逻辑电路(未示出)分别形成于第一晶片11和第二晶片12上。然后，通过使用金属结合区90，使晶片11和晶片12彼此结合。
参考图2，第一晶片11由外延层20、势垒30、背照式光电二极管40、IMD层50、金属线60、衬垫70、通道及连接器75、钝化层80、彩色滤光器82、微透镜84和结合区90构成。另外，第二晶片12由外延层20、IMD层50、金属线61、位于逻辑电路区域上的晶体管92和金属结合区90构成。
金属线60和金属线61分别形成于第一晶片11和第二晶片12上，并通过金属结合而互相电连接。
在图2中，通过使用金属结合区90，金属线60与金属线61电连接，其中，金属线60与第一晶片11的背照式光电二极管40相连接，金属线61与包括第二晶片12的逻辑电路区域上的晶体管92的逻辑电路(未示出)相连接。
与图1中的图像传感器不同，因为逻辑电路(未示出)和背照式光电二极管40形成于不同的晶片11、12上，所以图2中的图像传感器能够被形成为具有高密度。
图3是根据本发明一个实施方式的使用背照式光电二极管的图像传感器的制造方法的流程图。该方法包括以下步骤：形成势垒(步骤110)；去除背面(步骤S120)；形成背照式光电二极管(步骤S130)；形成金属线(步骤S140)；形成彩色滤光器(步骤S150)；形成通道及连接器(步骤S160)；以及形成衬垫(步骤S170)。
在步骤110中，通过掺杂低浓度的杂质，而在特定类型的晶片上形成外延层，然后在外延层的表面形成势垒。
可以使用选自离子注入、外延层生长和BSG沉积中的至少一种方法来形成势垒。为了稳定其上形成有势垒的外延层的表面，可以在特定温度下对其进行热处理。
在步骤S120中，除了外延层以外，去除晶片的背面。经过此道工序，只有外延层留在晶片上。
在某些情况下，半导体衬底(即，晶片)可能在步骤S120中去除背面之后而变得过薄，使得无法进行后续处理。为了确保厚度足以进行后续处理，可以在去除背面之前或之后使外延层的表面结合第一层石英。
在步骤S130中，利用现有的图像传感器的制造工艺，在外延层的暴露表面上形成背照式光电二极管。在此步骤中还形成了逻辑电路。
在步骤S140中，在形成有背照式光电二极管的外延层表面上形成IMD层。此外，形成金属线，使得形成于IMD层内部的背照式光电二极管与逻辑电路电连接。
在步骤S150中，在步骤S110中形成的势垒表面上形成钝化层、彩色滤光器和微透镜。
当结合第一层石英的情况下，可以使IMD层结合第二层石英，并可以在去除第一层石英后形成彩色滤光器等元件。
在步骤S160中，形成通道使其与逻辑电路相连。在步骤S150后，形成该通道使其从势垒的表面穿过外延层，并且在该通道内填入连接器。
在步骤S170中，在填有连接器的通道的表面形成衬垫，使得通道通过该衬垫与外部电路电连接。
图4示出了用于说明图3中的主要处理的剖面图组。参考图4对图1中的图像传感器的制造过程进行详细地描述。
在步骤1中，如第一图所示，通过利用离子注入等方法，在低密度的外延层20的整个表面上，掺杂与外延层20具有相同类型的杂质，形成势垒30。然后，利用热处理等方法来稳定外延层20的表面。
在步骤2中，如第二图所示，第一层石英95被结合至外延层20。在步骤3中，如第三图所示，对晶片10进行抛光或刻蚀处理以得到期望厚度的外延层20。
在完成步骤1～3后，在步骤4中，将晶片10翻转倒置。然后，利用通常的图像传感器制造工艺，在经刻蚀后的外延层20的剩余部分上形成包括金属线60的逻辑电路以及背照式光电二极管40。
此后，为了穿过背面形成衬垫70，在步骤5中，形成通道及连接器75，使通道及连接器75穿过外延层20，使得金属线60可以与背面连接。
然后，将第二层石英96结合至形成有逻辑电路的IMD层50。在步骤6中，用蚀刻法去除背面的第一层石英95。在步骤7中，形成衬垫70、彩色滤光器82和微透镜84。因此，就完成了具有高灵敏度并使用背照式光电二极管的图像传感器的制造。
图5是根据本发明另一个实施方式的使用背照式光电二极管的图像传感器的制造方法的流程图。该方法包括以下步骤：形成势垒(步骤210)；去除背面(步骤S220)；形成背照式光电二极管(步骤S230)；形成金属线(步骤S240)；形成通道及连接器(步骤S250)；形成逻辑电路(步骤S260)；结合晶片(步骤S270)；形成彩色滤光器(步骤S280)；以及形成衬垫(步骤S290)。
在步骤S210中，通过掺杂相反类型的杂质，在第一和第二晶片上形成外延层。在第一晶片的外延层的表面形成势垒。
参考图3如上所述，在图5中，可以通过利用选自离子注入、外延层生长和BSG沉积中的至少一种方法来形成势垒。为了稳定其上形成有势垒的外延层的表面，可以在第一晶片的势垒形成后对其进行热处理。
在步骤S220中，除了外延层，去除第一晶片的背面。
在步骤S230中，背照式光电二极管形成于因在步骤S220中去除第一晶片的背面而暴露的外延层表面上。
在步骤S240中，在背照式光电二极管上形成IMD层，并在该IMD层内部形成金属线。
在步骤S250中，形成通道使其与金属线相连，形成该通道使其从势垒的表面穿过外延层。在该通道内填入连接器。
在步骤S260中，在第二晶片的外延层上形成IMD层，并在IMD层的内部形成包括金属线的逻辑电路。
在步骤S270中，通过金属结合，使形成于第一晶片上的金属线与形成于第二晶片上的逻辑电路的金属线相连接。
在步骤S280中，在势垒的表面上形成钝化层、彩色滤光器和微透镜。
在步骤S290中，在第一晶片的填有连接器的通道的表面上形成衬垫。
参考图3如上所示，在图5中，为了确保厚度足以进行后续加工，可以在步骤S220的去除背面之前或之后，在外延层的表面结合第一层石英。如果结合了第一层石英，则可在步骤S280之前将其去除。
图6示出了用于说明图5中的主要处理的剖面图组。参考图6对图2中的图像传感器的制造过程进行描述。
步骤1至3与图4中的步骤1至3相同。在步骤4中，利用通常的图像传感器的制造工艺，单独形成光电二极管和控制晶体管。在步骤5中，形成通道及连接器75，使其穿过外延层20，使得金属结合区与形成于第二晶片12上的逻辑电路通过导线电连接。
在步骤6中，通过使用金属结合区，将其上形成有光电二极管的第一晶片11与其上形成有逻辑电路的、分离的第二晶片12进行电连接，在接下来的步骤7中，对形成于具有光电二极管的衬底上的第一层石英95进行蚀刻。在步骤8中，形成衬垫70、彩色滤光器82和微透镜84。因此，就完成了使用背照式光电二极管并具有高灵敏度和高密度的图像传感器的制造。
在本发明中，光可通过光电二极管的底侧而不是顶侧被吸收。因此，可以省略从光电二极管到彩色滤光器的步骤，因此，即使当传输深度较浅时也可以提高光电二极管的效率。另外，当光在穿过各自的彩色滤光器后不会影响到其他的光电二极管，所以可以避免色串扰。
此外，由于在采用传统方法制造图像传感器(此时在半导体衬底上未形成构图)之前就在外延层的表面上通过掺杂高浓度的杂质形成了势垒，因此可以在限定温度下很容易地进行热处理，而这正是传统方法中的障碍。因此，可以轻易去除表面缺陷，从而可以显著地抑制由表面缺陷引起的噪声。
尽管参考本发明的示例性实施方式对本发明进行了详细地说明和描述，但本领域技术人员可以理解，在不背离权利要求所限定的本发明的主旨和范围的情况下，可对本发明进行各种形式上和细节上的改动。
工业应用性
在根据本发明的使用背照式光电二极管的图像传感器的制造方法中，可以对硅衬底的背面进行稳定性处理。因此，可以避免背照式光电二极管的噪声问题。
另外，由于是通过背照式光电二极管的底侧吸收光，所以显著地提高了灵敏度，并能够抑制串扰。

Claims (7)

1.一种使用背照式光电二极管的图像传感器，其包括：
外延层，其通过掺杂低浓度的杂质而在各具有特定类型的第一晶片和第二晶片上形成；
势垒，其形成于所述第一晶片的所述外延层的表面上；
背照式光电二极管，其形成于在所述第一晶片的背面所形成的所述外延层上；
所述第二晶片，其上形成有逻辑电路；
金属结合区，与形成于所述第一晶片上的所述背照式光电二极管相连的金属线，通过所述金属结合区，和与形成于所述第二晶片上的所述逻辑电路相连的金属线电连接；
衬垫，其形成于所述第一晶片的所述势垒上，并与所述图像传感器的外部电路电连接；
穿过所述外延层的通道以及填充所述通道的连接器，从而所述衬垫与所述第二晶片的所述逻辑电路电连接。
2.如权利要求1所述的图像传感器，进一步包括：
钝化层，其形成于所述势垒上；
彩色滤光器，其形成于所述钝化层上；
微透镜，其形成于所述彩色滤光器上。
3.如权利要求1所述的图像传感器，其中，所述势垒掺杂有与所述外延层具有相同类型但比所述外延层具有更高浓度的杂质。
4.一种图像传感器的制造方法，包括以下步骤：
(a)在各具有特定类型的第一晶片和第二晶片上形成低浓度的外延层，并在所述第一晶片的所述外延层的表面上形成势垒；
(b)去除所述第一晶片的、除了所述外延层之外的背面；
(c)在步骤(b)中被暴露的所述外延层的表面上形成背照式光电二极管；
(d)在所述背照式光电二极管上形成金属间介电(IMD)层，并在所述IMD层内部形成金属线；
(e)形成与所述金属线连接的通道，所述通道从所述势垒的表面穿过所述外延层，以及在所述通道中填入连接器；
(f)在所述第二晶片上形成的所述外延层上形成IMD层，并在所述IMD层内形成包括金属线的逻辑电路；
(g)利用金属结合，将所述第一晶片的金属线与所述第二晶片的所述逻辑电路的金属线进行连接；
(h)在所述势垒的表面形成钝化层、彩色滤光器和微透镜；以及
(i)在所述第一晶片的填充有所述连接器的所述通道的表面上形成衬垫。
5.如权利要求4所述的方法，进一步包括：
在步骤(b)之前或之后，将第一层石英结合至所述外延层的所述表面；
在步骤(h)之前，去除所述第一层石英。
6.如权利要求4所述的方法，其中，通过利用选自离子注入、外延生长和硼硅酸盐玻璃(BSG)沉积中的至少一种方法形成所述势垒。
7.如权利要求4所述的方法，其中，在步骤(a)中，在所述第一晶片上形成所述势垒之后，通过热处理来稳定其上形成有所述势垒的所述外延层的表面。
CN2007800228302A 2006-06-19 2007-06-14 使用背照式光电二极管的图像传感器及其制造方法 Active CN101473440B (zh)

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