CN101645416A - 背部照明图像传感器的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种背部照明图像传感器的制造方法。在该方法中，在第一衬底的前部的整个区域中形成离子注入层；在所述第一衬底的前部中形成器件隔离区域以定义像素区域；在所述像素区域中形成光感测单元和读出电路；在所述第一衬底上形成层间绝缘层和金属线；将第二衬底接合至其上形成有金属线的所述第一衬底的前部；除去第一衬底位于所述离子注入层之下的下部，使得在第一衬底的背部的光感测单元是可用的。本发明的制造方法可以采用离子注入技术稳定有效地去除衬底的背部，而且，通过采用Epi晶片而不是SOI晶片作为原料晶片，可显著降低制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种背部照明图像传感器的制造方法。
背景技术
图像传感器是一种将光学图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器一般被划分为电荷耦合器件(CCD)图像传感器或互补型金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)。
在现有技术的图像传感器中，采用离子注入在衬底中形成光电二极管。由于为了在不增加芯片尺寸的情况下增加像素的数目，光电二极管的尺寸越来越减小，所以光接收部分的面积也减小，使得图像质量降低。
此外，因为堆叠高度减少不像光接收部分的面积一样减少的那么多，所以由于称为艾里斑(airy disk)的光衍射，入射到光接收部分的光子数目也减少。
作为克服这种局限的一种选择，进行了以下尝试：通过经由晶片的背部接收光，最小化光接收部分的上表面的高度并且消除由于金属布线(metalrouting)引起的光干涉。利用这种方法的图像传感器可称为背部(back side)照明图像传感器。
在现有技术的背部照明图像传感器中，在衬底的前部(front side)执行用于形成光接收器件和金属线的工艺，然后，，执行以预设厚度去除该衬底背部的背部磨削。执行背部磨削是为了通过将衬底的背部磨削到适当的厚度，调整外部模块与光学透镜之间的间隔。
根据现有技术的背部照明图像传感器，绝缘层上硅(SOI)晶片作为其上形成有光接收器件和电路的原料晶片(donor wafer)。然后，将SOI晶片接合至处理晶片。其后，对原料晶片执行背部磨薄工艺。
以下将描述现有技术的用于原料晶片的背部磨薄工艺。
首先，执行用于原料晶片的背部磨薄，使得隐埋氧化物(BOX)的上表面只保留几十微米的厚度。其后，执行回蚀以完成背部磨薄工艺。
然而，由于现有技术的背部照明图像传感器采用昂贵的SOI晶片作为原料晶片，所以制造成本非常高。
同样，根据现有技术的用于原料晶片的背部磨削可能引起晶片边缘变薄。如果发生晶片边缘变薄，则位于晶片边缘的芯片可能失效，所以产量下降。
另外，根据现有技术，由于在回蚀工艺中，也晶片的中心也被暴露于等离子体损害下以将晶片蚀刻几十微米的厚度，因此图像传感器变化的可能性增大。
根据现有技术的图像传感器的另一种方法是通过沉积非晶硅形成光电二极管的图像传感器(参见“3D图像传感器”)。在硅衬底上形成读出电路并在另一个晶片上形成光电二极管，执行晶片至晶片的接合，从而在读出电路上形成光电二极管。该光电二极管和读出电路通过金属线相连接。
在将光电二极管设置在具有读出电路的晶片上之后，执行接合工艺。此时，由于接合问题，读出电路可能不会与光电二极管正确电连接。例如，金属线常常形成在读出电路上，然后，执行晶片至晶片的接合，使得金属线接触光电二极管。然而，此时，可能很难正确地使金属线接触光电二极管，而且可能很难提供金属线与光电二极管之间的欧姆接触。此外，根据现有技术，与光电二极管连接的金属线可能被短路。尽管有研究致力于防止金属线之间短路的缺陷，但是其问题在于需要复杂的工艺。
发明内容
本发明的实施例提供一种背部照明图像传感器的制造方法，能够稳定有效地去除其衬底背部。
实施例也提供一种能够降低制造成本的背部照明图像传感器的制造方法。
实施例也提供一种能够将入射光量最大化并且减少由于金属布线引起的光的干涉和反射的背部照明图像传感器的制造方法。
在一个实施例中，一种背部照明图像传感器的制造方法，可包括如下步骤：在第一衬底的前部的区域中形成离子注入层；在形成离子注入层之后，在所述第一衬底的前部中形成器件隔离区域以定义像素区域；在所述像素区域中形成光感测单元和读出电路；在所述第一衬底上形成层间绝缘层和金属线；将第二衬底接合至其上形成有所述金属线的所述第一衬底的所述前部；去除第一衬底位于所述离子注入层之下的下部(lower side)；以及在所述第一衬底的背部的光感测单元上形成微透镜。
在另一个实施例中，一种背部照明图像传感器的制造方法可包括如下步骤：在第一衬底的前部中形成器件隔离区域以定义像素区域；在形成离子注入层之后，在第一衬底的前部的区域中形成离子注入层；在所述像素区域中形成光感测单元和读出电路；在所述第一衬底上形成层间绝缘层和金属线；将第二衬底接合至其上形成有所述金属线的所述第一衬底的所述前部；去除第一衬底位于所述离子注入层之下的下部；以及在所述第一衬底的背部的光感测单元上形成微透镜。
在又一个实施例中，一种背部照明图像传感器的制造方法可包括如下步骤：在第一衬底的前部的区域中形成离子注入层；在所述第一衬底的前部形成光感测单元和读出电路；在所述第一衬底的前部上形成层间绝缘层和金属线；将第二衬底接合至所述第一衬底的所述前部；采用第二衬底作为处理(晶片)，去除第一衬底位于所述离子注入层之下的下部；以及在所述第一衬底的背部的光感测单元上形成微透镜。
在再一个实施例中，一种背部照明图像传感器的制造方法可包括如下步骤：在第一衬底的前部的整个区域中形成离子注入层；在其中形成有离子注入层的第一衬底的前部中形成光感测单元和独处电路；在所述第一衬底的前部上形成层间绝缘层和金属线；将第二衬底接合至所述第一衬底的所述前部；以及去除第一衬底位于所述离子注入层之下的下部。
在另一个实施例中，一种背部照明图像传感器的制造方法可包括如下步骤：在第一衬底的前部中形成光感测单元；在形成有光感测单元的第一衬底的前部中形成离子注入层；在所述第一衬底的前部中形成读出电路；在所述第一衬底的前部上形成层间绝缘层和金属线；将第二衬底接合至所述第一衬底的所述前部；以及去除第一衬底位于所述离子注入层之下的下部。
本发明的制造方法可以采用离子注入技术稳定有效地去除衬底的背部，而且，通过采用Epi晶片而不是SOI晶片作为原料晶片，可显著降低制造成本。
以下将在附图和说明书中阐述一个或多个实施例的细节。根据说明书和附图以及权利要求书，本发明的其它特征将变得清楚。
附图说明
图1至图5是示出根据实施例的背部照明图像传感器的制造方法的横截面图。
具体实施方式
以下将参照附图详细描述背部照明图像传感器的制造方法。
在实施例的描述中，应当理解，当提及一个层(或膜)在另一个层或衬底“上”时，其可以直接在另一个层或衬底上，或者也可以存在中间层。此外，应当理解，当提及一个层在另一个层“以下”时，其可以直接在另一个层下，或者也可以存在一个或多个中间层。另外，还应当理解，当提及一个层在两个层“之间”时，其可以是在两个层之间的唯一层，或者也可以存在一个或多个中间层。
图1A至图1C示例性地显示了根据本发明某些实施例的形成离子注入层105的操作。
参见图1A，可在第一衬底100的前部中形成离子注入层105。该第一衬底100可为Epi晶片，但在本发明中并不局限于此。在实施例中，可以在离子注入层105的上下定义第一衬底100的下部100a与第一衬底100的上部100b。
在根据一个实施例的背部照明图像传感器的制造方法中，可采用Epi晶片作为衬底100，充当原料晶片。与SOI晶片相比，当采用Epi晶片作为原料晶片时，可显著节省制造成本。
根据采用Epi晶片作为原料晶片的实施例，因为光感测单元和电路可一起形成在Epi晶片上，所以在不实施对于光电二极管形成在电路上的3D图像传感器而言必须的接合工艺的情况下，可以很容易地制造背部照明图像传感器。因此，无需考虑如在3D图像传感器中的接合问题和接触问题。
通过对第一衬底100的前部执行离子注入可形成离子注入层105。由于第一衬底100的背部具有几百微米的厚度，所以优选经由衬底的前部执行离子注入。
也就是说，由于与离子注入层105的深度相比，第一衬底100的厚度非常大，所以难以通过衬底100的背部执行离子注入。因此，通过在形成金属线140之前(见图2)或将第一衬底100与第二衬底200接合之前(见图3)预先形成离子注入层105，能够在将第一衬底100与第二衬底200接合之后很容易地去除第一衬底100的下部100a。
根据实施例，通过注入离子例如氢(H)或氦(He)可以形成离子注入层105。然而，本发明并不局限于此。
在另一个实施例中，如图1B所示，可以在将器件隔离层110形成在第一衬底100的前部中之后形成离子注入层105。在实施例中，通过例如浅沟道隔离(STI)，可以在第一衬底100的前部中形成器件隔离层110以定义像素区域，然后可以形成离子注入层105。
由于根据本发明实施例的方法不通过磨削就可以容易且稳定地去除第一衬底100的背部，而通过采用预先形成的离子注入层105，该方法可显著地提高背部照明图像传感器的产量。
同样，在实施例中，可执行采用氢(H)或氦(He)的离子注入工艺，使得在采用Epi晶片的工艺期间，预先形成切割层(cleaving layer)。在充当原料晶片的第一衬底100的工艺完成之后，可将第一衬底100与充当处理晶片的第二衬底200相接合。使用处理晶片200是因为下部被去除了的第一衬底100处于薄的状态，而处理晶片200有助于平稳地执行后续的工艺。
其后，可进行分割，用于将作为原料晶片的第一衬底100背部打薄。
根据实施例，通过使用离子注入工艺和分割工艺，就不需要进行背部磨削和回蚀，从而不会产生例如边缘裸片瑕疵(edge die fail)、等离子体损伤之类的现有技术问题。
同样，根据实施例，由于没有对原料晶片执行磨削，所以没有对原料晶片施加物理应力，从而抑制对光感测单元和读出电路的损害。
参见图1C，在又一个实施例中，在将光感测单元120形成在像素区域中之后，可以形成离子注入层105。光感测单元120可为光电二极管，但实施例并不局限于此。在一个实施例中，可通过在P型第一衬底100中形成N型离子注入区域120以及在第一衬底100的N型离子注入区域120上形成Po区域(未示出)来制备感测单元120。然而，实施例并不局限于此。对于利用这种光感测单元120的实施例，可使用Po区域抑制额外电子的产生。此外，通过形成PNP结(P-衬底、N型离子注入区120、Po区域)，可以获得电荷倾卸(charge dumping effect)效应。
参见图2，在形成离子注入层105之后，可在其上形成有光感测单元120的第一衬底100上形成读出电路130，该读出电路130可包含转移晶体管、复位晶体管、驱动晶体管和选择晶体管等等，但是实施例并不局限于此。
可在第一衬底100上形成层间绝缘层160，并且可在层间绝缘层160中形成金属线140。该金属线140可包含第一金属M1等等。
焊盘线150也可形成在逻辑区域中。焊盘线150可包含第一金属M1、第二金属M2、第三金属等等，但并不局限于此。此时，焊盘PAD可形成在与第一金属M1相同的水平面上。这样，在将第一衬底100和第二衬底200接合之后，可以容易地从第一衬底100的背部执行焊盘开口工艺。这是因为从第一衬底100的背部至焊盘PAD的深度小。
接下来，参见图3，可将第二衬底200接合至其上形成有金属线140的第一衬底100的前部。例如，可将第二衬底接合至第一衬底100的前部，以使第二衬底200(处理晶片)与第一衬底100的金属线140相对应。
通过在将第二衬底200与第一衬底100相接合之前，在第二衬底200上形成绝缘层210，根据本发明实施例的方法能够提高第二衬底200与第一衬底100之间的接合力。绝缘层210可为氧化层或氮化层，但并不局限于此。通过使绝缘层210与第一衬底100前部的层间绝缘层160相接触，以及将绝缘层210接合至层间绝缘层160，可以显著提高第一衬底100与第二衬底200之间的接合力。
根据实施例，由于Epi晶片可以用作第一衬底100(原料晶片)，并且光感测单元120和读出电路130可以一起形成在第一衬底100上，所以在不实施对于其上形成有光电二极管的3D图像传感器而言是必要的接合工艺的情况下，可以很容易地制造背部照明图像传感器。因此，也无需考虑接合问题和接触问题。同时，由于处理晶片与原料晶片之间的接合是在二者之间插入层间绝缘层的状态下执行的，所以可减轻接合问题。
另外，根据实施例，可将位于光感测单元上的堆叠(或材料层厚度)最小化以将入射光量最大化。另外，由于没有产生因金属布线引起的光干涉和反射现象，所以可以使图像传感器的光特性最大化。
接下来，参见图4，可以相对于离子注入层105而从接合至第二衬底的第一衬底100去除第一衬底100的下部100a，例如，可对离子注入层105进行热退火以使氢离子起泡，然后，采用刀片切割并去除第一衬底100的下部100a，以将第一衬底100的上部100b留在处理晶片200上。然后，可以将第一衬底100的切割平面平面化。
对于现有技术中利用分割技术制造3D图像传感器，将光感测单元和读出电路形成在独立的晶片上，然后执行接合和互联工艺。在此现有技术中，紧接在接合工艺之前，执行用于形成分割层的氢或氦离子注入工艺。
而且，根据现有技术的3-D图像传感器，很难正确地实现读出电路与光电二极管之间的电连接，并且与光电二极管电连接的金属线可能短路。
相反，根据本发明的实施例，由于采用Epi晶片作为充当原料晶片的衬底100，而光感测单元120和读出电路130可以一起形成在第一衬底100中，因此没有必要在其上形成有光感测单元的衬底与其上形成有电路的衬底之间实施接合工艺，例如在光感测单元形成在电路上的3D图像传感器的工艺。因此，可以很容易地实施制造工艺并且解决接合问题和接触问题。
在现有技术的3D图像传感器中，在接合工艺之前直接执行氢或氦离子注入工艺的原因在于：在光感测单元中产生的电子被传送到电子电路并且被转换成电压。也就是说，在不在衬底上形成金属和层间绝缘层的情况下，在该衬底上形成光电二极管PD。
然而，根据本发明的实施例，可以将光感测单元120和读出电路130一起形成在同一个晶片上，即，第一衬底100上。因此，根据实施例分割的晶片需要后段(BEOL，back end of line)工艺，例如形成金属线140和形成层间绝缘层160的工艺。
这样，在使用根据实施例的工艺方案时，不能像现有技术那样在接合工艺之前直接执行离子注入工艺。而是根据实施例，在将金属线140和层间绝缘层160形成在用作第一衬底100(原料晶片)的Epi晶片上之前，可以通过执行氢或氦离子注入工艺来形成离子注入层105。
接下来，如图5所示，可在第一衬底100的背部的光感测单元120上形成滤色镜170。在光感测单元120是R、G、B垂直堆叠类型的光电二极管的实施例中，可以忽略滤色镜。
接下来，可以在滤色镜170上形成微透镜180。
其后，可执行将焊盘开口的PAD工艺。在实施例中，可以从第一衬底的背部执行焊盘开口工艺。也就是说，由于焊盘PAD与第一金属M1形成在同一水平面上，所以从第一衬底的背部可以很容易地打开焊盘PAD。
根据实施例的背部照明图像传感器的制造方法，可以采用离子注入技术稳定有效地去除衬底的背部。也就是说，由于不需要背部磨削或回蚀工艺，所以不会产生边缘裸片瑕疵以及等离子体损坏。
此外，根据实施例，由于不需要执行用于原料晶片的磨削，所以可减少对光感测单元和电路的损害。
另外，根据实施例，通过采用Epi晶片作为原料晶片，光感测单元与电路可同时形成在Epi晶片上。而且，通过采用Epi晶片而不是SOI晶片，可显著降低制造成本。
根据实施例，由于采用Epi晶片作为原料晶片并且光感测单元与电路同时形成在Epi晶片上，所以，在不实施对于其上形成有光电二极管的3D图像传感器而言是必要的接合工艺的情况下，可以很容易地制造背部照明图像传感器，并且也无需考虑接合问题和接触问题。同时，由于处理晶片与原料晶片之间的接合是在二者之间插入中间绝缘层的状态下执行的，所以可减轻接合问题。
而且，根据实施例，可将光感测单元上的堆叠最小化以使入射光量最大化，并且，由于没有产生因金属布线引起的光干涉和反射现象，所以可以将图像传感器的光特性最大化。
在本说明书中对于“一个实施例”、“一实施例”、“示例性实施例”等的任意引用表示结合该实施例所描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。在说明书中各个位置中的这种短语的出现不必都涉及相同的实施例。此外，当结合任意实施例描述特定特征、结构或特性时，可认为在本领域普通技术人员所属范围内，可结合其它实施例实现这种特征、结构或特性。
尽管对实施例的描述中结合了其中多个示例性实施例，但可以理解的是本领域技术人员完全可以推导出许多其它变化和实施例，并落入本公开内容的原理的精神和范围之内。特别是，可以在该公开、附图和所附权利要求的范围内对组件和/或附件组合设置中的排列进行多种变化和改进。除组件和/或排列的变化和改进之外，其他可选择的应用对于本领域技术人员而言也是显而易见的。
Claims (20)
1.一种背部照明图像传感器的制造方法，包括如下步骤：
在第一衬底的前部的区域中形成离子注入层；
在所述第一衬底的所述前部中形成器件隔离区域以定义像素区域；
在所述像素区域中形成光感测单元和读出电路；
在所述第一衬底上形成层间绝缘层和金属线；
将第二衬底接合至其上形成有金属线的所述第一衬底的所述前部；以及
去除所述第一衬底位于所述离子注入层以下的下部。
2.如权利要求1所述的方法，其中形成所述离子注入层的步骤在形成所述器件隔离区域的步骤之前进行。
3.如权利要求1所述的方法，其中形成所述离子注入层的步骤在形成所述器件隔离区域的步骤之后、但在形成所述光感测单元和所述读出电路的步骤之前进行。
4.如权利要求1所述的方法，其中形成所述离子注入层的步骤在形成所述光感测单元的步骤之后、但在形成所述读出电路的步骤之前进行。
5.如权利要求1所述的方法，其中形成所述离子注入层的步骤包括执行氢离子注入或氦离子注入。
6.如权利要求1所述的方法，其中形成所述离子注入层的步骤包括经由所述第一衬底的前部执行离子注入。
7.如权利要求1所述的方法，其中去除所述第一衬底位于所述离子注入层以下的下部的步骤包括对所述离子注入层执行热处理。
8.如权利要求1所述的方法，还包括在去除所述第一衬底的所述下部的步骤之后，在所述第一衬底的背部上形成滤色镜。
9.如权利要求1所述的方法，还包括在去除所述第一衬底的所述下部的步骤之后，在所述第一衬底的背部的所述光感测单元上形成微透镜。
10.如权利要求1所述的方法，还包括在去除所述第一衬底位于所述离子注入层以下的下部的步骤之后，打开在形成所述层间绝缘层和所述金属线期间形成的焊盘。
11.如权利要求10所述的方法，其中打开所述焊盘的步骤包括从所述第一衬底的背部蚀刻至所述焊盘。
12.如权利要求1所述的方法，在将第二衬底接合至所述第一衬底之前，还包括在所述第二衬底上形成绝缘层，其中将所述第二衬底接合至所述第一衬底，使得形成在所述第二衬底上的所述绝缘层与所述第一衬底的前部相接触。
13.一种背部照明图像传感器的制造方法，包括如下步骤：
在第一衬底的前部的区域中形成离子注入层；
在所述第一衬底的所述前部中形成光感测单元；
在所述第一衬底的所述前部上形成读出电路；
在所述第一衬底的所述前部上形成层间绝缘层和金属线；
将第二衬底接合至所述第一衬底的所述前部；以及
去除所述第一衬底位于所述离子注入层以下的下部。
14.如权利要13所述的方法，其中形成所述离子注入层的步骤包括将氢离子或氦离子注入到其中形成有所述光感测单元的所述第一衬底的前部中。
15.如权利要13所述的方法，其中形成所述离子注入层的步骤包括在形成所述光感测单元的步骤之前，将氢离子或氦离子注入到所述第一衬底的前部中。
16.如权利要13所述的方法，其中去除所述第一衬底位于所述离子注入层以下的下部的步骤包括对所述离子注入层执行热处理。
17.如权利要13所述的方法，还包括在去除所述第一衬底的下部的步骤之后，在所述第一衬底的背部上形成滤色镜。
18.如权利要13所述的方法，还包括在去除所述第一衬底的下部的步骤之后，在所述第一衬底的背部的所述光感测单元上形成微透镜。
19.如权利要13所述的方法，在将第二衬底接合至所述第一衬底之前，还包括在所述第二衬底上形成绝缘层，其中将所述第二衬底接合至所述第一衬底，使得形成在所述第二衬底上的所述绝缘层与所述第一衬底的所述前部相接触。
20.如权利要13所述的方法，还包括在去除所述第一衬底位于所述离子注入层以下的下部之后，打开在形成所述层间绝缘层和所述金属线期间形成的焊盘。
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