CN101771066A - 背面照射式图像传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种背面照射式图像传感器，其包括：光敏器件和读出电路，位于第一衬底的正面；层间电介质层，位于所述第一衬底的正面；金属线，位于所述层间电介质层上；焊盘，具有阶梯部，位于所述层间电介质层上；以及第二衬底，与所述第一衬底的正面接合，处于所述层间电介质层、所述金属线和所述焊盘的上方。本发明能够解决边缘裸片损坏以及等离子体破坏等问题。

Description

背面照射式图像传感器及其制造方法

技术领域

本发明公开的内容涉及一种背面照射式图像传感器。

背景技术

图像传感器是将光学图像转变成电信号的半导体器件，并且图像传感器通常分为CCD(电荷耦合器件)图像传感器或CMOS图像传感器(CIS)。

现有技术的CIS中的光电二极管通过离子注入工艺设置在衬底上。随着光电二极管的尺寸逐渐地减小以在不增加芯片尺寸的情况下增加像素数量，图像质量降低的趋势因照射部件的面积减小而日益明显。

而且，由于堆叠高度的降低幅度不如照射部件的面积的减小幅度那样大，因而有如下趋势：进入照射部件的光子的数量由于光的衍射而减少，这被称为“艾里斑”。

为了解决上述问题，提供一种背面照射式图像传感器，该传感器通过晶片的背面接收光，以使光接收部的上部处的阶差最小，并避免由金属布线引起的光干涉。

图1是示出根据现有技术的背面照射式图像传感器的剖视图。

在根据现有技术的背面照射式图像传感器中，在衬底的正面形成照射器件和互连结构，接着执行背面研磨以将衬底的后侧去除到预定厚度。对该衬底的后侧进行的这种背面研磨工艺用于将外部模块与光学透镜之间的间隙适配到合适的厚度。

然而，在根据现有技术的背面照射式传感器中，将SOI(绝缘体上硅)晶片用作设置照射器件和电路部件的供体晶片，并接着将SOI晶片接合到承载晶片。此后，将背面薄化工艺应用于供体晶片。

根据现有技术，背面薄化工艺如下所述地应用于供体晶片：

首先，将背面研磨工艺应用于供体晶片，以使得供体晶片在SOI晶片的BOX(埋置氧化物)层的上部之上剩余数十微米。此后，通过执行回蚀完成背面薄化工艺。

然而，根据现有技术，由于将昂贵的SOI晶片用作供体晶片，所以制造工艺的成本增加。

而且，根据现有技术，如图1所示，通过供体晶片的背面研磨工艺产生了晶片边缘薄化。因此，在背面研磨工艺之后进行的回蚀工艺中，位于晶片边缘的芯片可能产生故障，从而导致经济效益显著降低的问题。

而且，根据现有技术，晶片的中心在回蚀数十微米的过程中也遭受到等离子体破坏，从而导致传感器性能可能降低的问题。

而且，根据现有技术，由于在焊盘打开工艺中用于打开焊盘的裕度可能不够，因而存在用作焊盘触点的金属可能被穿孔或不能被打开的问题。

同时，根据现有技术，可使用非晶硅来沉积光电二极管。否则的话，在读出电路形成于硅衬底上、且光电二极管形成于另一晶片上之后，通过晶片接合方式，在读出电路上方形成光电二极管以形成图像传感器(以下文称为“3D图像传感器”)。在这种情况下，光电二极管和读出电路通过金属线连接。

然而，根据现有技术的3D图像传感器，当将带有读出电路的晶片接合至带有光电二极管的晶片时，由于与接合相关的问题而难以将读出电路与光电二极管完全电连接。例如，根据现有技术，金属线形成于读出电路上，并进行晶片对晶片的接合，以使金属线与光电二极管接触。然而，不仅金属线不能完全接触光电二极管，而且难以实现金属线与光电二极管之间的欧姆接触。而且，根据现有技术，与光电二极管电连接的金属线可能会产生短路。因此，已经对防止产生短路进行了研究，但是工艺变得更复杂了。

发明内容

实施例提供一种背面照射式图像传感器，其能够稳定且有效地移除背面照射式图像传感器中的衬底的后侧，还提供一种该背面照射式图像传感器的制造方法。

而且，实施例提供一种背面照射式图像传感器，其能够通过确保焊盘打开工艺的裕度来确保工艺的稳定性，还提供一种该背面照射式图像传感器的制造方法。

而且，实施例提供一种背面照射式图像传感器，其能够显著地降低制造成本，还提供一种该背面照射式图像传感器的制造方法。

而且，实施例提供一种背面照射式图像传感器，能够通过使照射部件上的堆叠结构最小化而达到使入射光量最大化，同时将光敏器件和读出电路设置在同一衬底上，并能够防止由于金属布线而产生的光干涉和光反射，还提供一种制造该背面照射式图像传感器的方法。

根据实施例的背面照射式图像传感器包括：光敏器件和读出电路，位于第一衬底的正面；层间电介质层，位于所述第一衬底的正面；金属线，位于所述层间电介质层上；焊盘，具有阶梯部，位于所述层间电介质层上；以及第二衬底，与所述第一衬底的正面接合，处于所述层间电介质层和所述金属线的上方。

而且，根据实施例的制造背面照射式图像传感器的方法包括以下步骤：在第一衬底的正面形成离子注入层；在形成所述离子注入层的所述第一衬底的正面形成光敏器件和读出电路；在所述第一衬底的正面形成层间电介质层；在所述层间电介质层上形成金属线和焊盘金属线；在所述层间电介质层和所述金属线上方，将第二衬底与所述第一衬底的正面相接合；以及移除所述衬底的位于所述离子注入层下方的下部。

而且，根据实施例的制造背面照射式图像传感器的方法包括：在所述第一衬底的正面形成光敏器件；在形成了所述光敏器件的所述第一衬底的正面形成离子注入层；在所述第一衬底的正面形成读出电路；在所述第一衬底的正面形成层间电介质层；在所述层间电介质层上形成金属线和焊盘金属线；在所述层间电介质层与金属线上方将所述第二衬底与所述第一衬底的正面接合在一起；以及移除所述衬底的位于所述离子注入层下方的下部。

附图说明

图1是示出根据现有技术的背面照射式图像传感器的剖视图。

图2A-7是示出根据实施例的背面照射式图像传感器的制造方法的剖视图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图描述根据实施例的背面照射式图像传感器以及制造该背面照射式图像传感器的方法。

在对实施例的描述中，应当理解的是，当将一层(或膜)称为位于另一层或衬底“上”时，该层可以直接位于另一层或衬底上，也可以存在中间层。而且，应当理解的是，当将一层称为位于另一层“下”时，该层可以直接位于另一层下，也可以存在一个或多个中间层。另外，还应当理解的是，当将一层称为位于两层“之间”时，这两层之间可以仅存在该层，也可以存在一个或多个中间层。

图7是示出根据实施例的背面照射式图像传感器的剖视图。

根据实施例的背面照射式图像传感器可以包括：光敏器件120和读出电路130，位于第一衬底100的正面；层间电介质层160，位于第一衬底100的正面；金属线140，位于层间电介质层160上；焊盘，位于层间电介质层160上，该焊盘具有阶梯部；以及第二衬底200，接合到第一衬底100的正面。

根据实施例的该背面照射式图像传感器，能够使用离子注入技术来稳定且有效地移除衬底的背面。也就是说，根据实施例，通过使用离子注入和分裂(cleaving)技术，即不需要进行研磨(grinding)和回蚀(etch-back)。因此，可以避免现有技术中的问题，诸如边缘裸片损坏以及等离子体破坏。

而且，根据实施例，可以通过使焊盘形成阶梯部来确保焊盘打开工艺(pad-open process)的裕度(margin)，从而确保工艺的稳定性。

在下文中，将参照图2-7描述根据本发明实施例的背面照射式图像传感器的制造方法。

图2A至图2C示出了用于形成离子注入层205的示意性实施例。在图2A所示的一个实施例中，在形成器件结构之前，在第一衬底100的正面形成注入层205。在图2B所示的另一实施例中，通过在第一衬底100中形成器件隔离区110而限定有源区(active area)之后，形成离子注入层205。在如图2C所示的再一实施例中，在第一衬底100中形成光敏器件120之后形成离子注入层。

首先，如图2A所示，离子注入层105可以形成在第一衬底100的正面。第一衬底100可以是外延晶片，但不限于此。第一衬底100可被离子注入层105分成第一衬底的下部100a以及第一衬底的上部100b。

在根据实施例的背面照射式图像传感器的制造方法中，外延晶片可被用作供体晶片。与使用SOI晶片相比，使用外延晶片能显著降低制造成本。

而且，根据实施例，外延晶片可被用作供体晶片，并且光敏器件和电路装置可一起形成于外延晶片上。因此，由于不进行3D图像传感器的接合工艺以在电路上方形成光电二极管，制造变得简单。因此，消除了与接合和接触有关的问题。

通过对第一衬底100的正面执行离子注入，可以提供离子注入层105。由于第一衬底100的背面为数百微米，因此，优选的是通过正面执行离子注入。

也就是说，由于第一衬底100的厚度相对于离子注入的深度非常大，因而难以通过第一衬底100的背面执行离子注入。根据该实施例，通过在形成金属线140或与第二衬底200相接合的工艺之前，预先形成离子注入层105，能够在接合之后容易地移除第一衬底的下部100a。

可以通过注入诸如氢(H)或氦(He)但不限于氢或氦的离子，来执行形成离子注入层105的工艺。

或者，根据一个实施例，可以在第一衬底100的正面形成器件隔离区110之后形成离子注入层105，如图2B所示。例如，通过在第一衬底100的正面形成器件隔离区110来限定像素区。此后，可形成离子注入层105。器件隔离区可由STI形成。

根据该实施例，通过使用预先形成的离子注入层105来容易且稳定地移除衬底的背面，而不是通过研磨来移除该衬底的背面，能显著地提高背面照射式图像传感器的制造产量。

而且，根据该实施例，在对外延晶片进行处理的过程中，执行氢或氦的离子注入工艺来形成作为分裂层(cleaving layer)的离子注入层105。接着，在第一衬底100的工艺完成之后，将作为供体晶片的第一衬底100接合到作为承载晶片的第二衬底200上。分裂层可用于移除下部。由于在接合之后，作为供体晶片的第一衬底100因移除了下部而较薄，所以将第二衬底200用作承载晶片，以平稳地进行后续的工艺诸如滤色镜工艺等。

根据实施例，通过离子注入和分裂技术，而不需要进行研磨和回蚀，因此，具有不会产生现有技术中诸如边缘裸片损坏以及等离子体破坏之类问题的优点。

而且，根据该实施例，由于研磨不应用于供体晶片，物理应力也没有施加于该供体晶片，因此能够防止对光敏器件和读出电路的破坏。

或者，根据另一实施例，如图2C所示，能够在像素区中形成光敏器件之后形成离子注入区105。光敏器件120可以是光电二极管，但不限于此。可通过在P型第一衬底100上形成N型离子注入区120以及在第一衬底的N型离子注入区120上形成Po区(未示出)，但不限于此，来获得光敏器件120。通过Po区可以阻止额外的电子。而且，根据实施例，能够通过形成用于光敏器件120的PNP结，来实现电荷排放(charge dumping)效应。

参照图3，在形成离子注入层105、器件隔离区110以及光敏器件120之后，如图3所示，在形成了光敏器件120的第一衬底100上形成作为电路装置的读出电路130。读出电路130可以包括转移晶体管、复位晶体管、驱动晶体管以及选择晶体管，但不限于此。

根据实施例，可用外延晶片作为第一衬底100(第一衬底100为供体晶片)，并且光敏器件120和读出电路130可以一起形成在第一衬底100上。因此，不需3D图像传感器的接合工艺(其在电路上方形成光敏器件)。因此，制造简单并消除了与接合和接触有关的问题。同时，承载晶片和供体晶片通过介于它们之间的电介质层(如层间电介质层)而接合，从而减少了接合中的问题。

而且，根据该实施例，能够通过使照射部件上的堆叠结构最小，来使得入射光线量达到最大，并且消除由于金属布线引起的光干涉和光反射。因此，能够优化图像传感器的光学特性。

参照图3和图4，层间电介质层160和金属线140形成于第一衬底100上。金属线140可包括第一金属M1、第二金属M2等。

另外，根据该实施例，焊盘金属线150可以形成于逻辑区上。焊盘金属线150可包括第一金属M1、第二金属M2以及第三金属M3，但不限于此。在该构造中，焊盘可以形成于与第一金属M1相同的层级上。因此，在第一衬底100与第二衬底200接合之后，可以容易地将焊盘打开工艺应用于第一衬底100的背面，这是因为从第一衬底100的背面到焊盘的深度比较小。

而且，根据实施例，如图3和图4所示，在形成焊盘金属线的焊盘时，能够通过使焊盘具有阶梯部来确保焊盘打开工艺的裕度。当第一金属M1形成为比第二金属M2和第三金属M3低时，第一金属M1用作焊盘。在焊盘打开工艺中由于工艺裕度而使得用作焊盘的第一金属M1可能被穿孔或未被打开。因此，根据该实施例，该焊盘形成为具有阶梯部，以防止该问题的发生。因此，通过确保焊盘打开工艺的裕度，确保了焊盘打开工艺的稳定性。

在下文中，将参照图3和图4详细地描述形成具有阶梯部的焊盘的工艺。

首先，如图3所示，通过在将要形成焊盘的那部分区域移除第一层间电介质层160a的一部分，来形成阶梯部。第一层间电介质层160a可以是覆盖读出电路130的中间电介质层。

此后，在具有阶梯部的第一层间电介质层160a上形成第一金属层140a。

接着，如图4所示，通过将金属层140a图案化，来形成金属线140的第一金属M1以及具有阶梯部的焊盘PAD。

随后，在金属线140的第一金属M1和焊盘PAD上形成第二层间电介质层160b，并形成金属线140和焊盘金属线150的其它金属线(未示出)。

接着，如图5所示，可将第二衬底200与具有金属线140、150的第一衬底100的正面相接合。例如，作为承载晶片的第二衬底200可以接合成与第一衬底100的金属线140相对应。

根据该实施例，能够通过在与第一衬底100相接合的第二衬底200的上表面上形成电介质层，来增强与第一衬底的接合力。该电介质层210可以是氧化物层或氮化物层，但不限于此。通过电介质层210与处于第一衬底100的正面的层间电介质层160相接触来执行接合，由此可显著增强第一衬底100与第二衬底200之间的接合力。

接着，在如图5所示的被接合的第一衬底100中，移除第一衬底的位于离子注入层105下方的下部100a，如图6所示。例如，通过对离子注入层105进行热处理而使氢离子起泡，并用刀片切割并移除第一衬底的下部100a，来保留第一衬底的上部100b。此后，可对第一衬底100的切割面应用平坦化处理。

同时，在与使用现有技术的分裂技术的3D图像传感器有关的专利中，通常，光敏器件和读出电路形成于各自的晶片中，并随后进行接合和互连操作。在现有技术中，刚好在接合之前进行形成分裂层的氢或氦的离子注入操作。

然而，根据现有技术的3D图像传感器，难以完全地电连接读出电路和光电二极管，并存在与光电二极管电连接的金属线产生短路的问题。

相反，根据实施例，外延晶片可以用作作为供体晶片的第一衬底100，并且光敏器件120和读出电路130可以一起形成于第一衬底100上。因此，不需要如3D图像传感器(其中光敏器件形成于电路上方)中的衬底与光敏器件以及衬底与电路之间的接合工艺，从而使得制造工艺简单并避免了与接合和接触有关的问题。

同时，根据现有技术的3D图像传感器，会刚好在接合工艺之前注入氢离子。也就是说，将从光电探测器产生的电子传输到形成于另一晶片上的电路部，以改变电压。因此，根据现有技术，不需要在具有光电探测器的晶片上形成金属线和层间电介质层，从而能够刚好在用于现有技术的传感器的接合工艺之前注入氢离子。

相反，根据该实施例，光敏器件120和读出电路130形成于相同的晶片、即第一衬底100上。因此，根据该实施例，由于光敏器件120和读出电路130处于相同的第一衬底100上，因此诸如形成金属线140和层间电介质层160的后期处理是必需的。

因此，当采用本发明的实施例的处理方案时，不能刚好在接合之前用氢或氦进行离子注入。相反，离子注入层105是在金属线140和层间电介质层160形成于第一衬底100(供体晶片)的外延晶片上方之前，通过进行氢或氦的离子注入而形成的。

接着，如图7所示，可在第一衬底100的背面上、光敏器件120的上方形成滤色镜170。同时，对于诸如光敏器件120为R-G-B竖直堆叠型光电二极管的特定实施例来说，可以省略滤色镜。

另外，可在滤色镜170上形成微透镜180。

而且，可以执行打开焊盘的工艺。焊盘打开工艺可接着执行以形成微透镜180。根据实施例，能够将打开焊盘的工艺应用于第一衬底100的背面。根据实施例，由于焊盘形成于第一金属M1的层级上，所以能够容易地从第一衬底100的背面打开焊盘。

根据实施例的背面照射式图像传感器以及该背面照射式图像传感器的制造方法，能够使用离子注入技术稳定且有效地移除衬底的背面。也就是说，根据实施例，通过使用离子注入和分裂，则不需要进行研磨和回蚀。因此，具有不会产生现有技术的诸如边缘裸片损坏以及等离子体破坏之类问题的优点。

而且，根据实施例，可以通过使焊盘形成阶梯部来确保焊盘打开工艺(pad-open process)的裕度，从而确保工艺的稳定性。

而且，根据实施例，由于不将研磨应用于供体晶片，所以能够防止对光敏器件和电路装置产生的约束。

而且，根据实施例，光敏器件和电路装置可一起形成于用作供体晶片的外延晶片上。因此，根据实施例，与使用SOI晶片的情况相比，通过使用外延晶片能够显著地降低制造成本。

而且，根据实施例，外延晶片可用作供体晶片，并且光敏器件和电路装置可一起形成于外延晶片上。因此，就不需3D图像传感器的接合工艺(该接合工艺在电路上方形成光敏器件)，而使得制造简单，并消除了与接合和接触有关的问题。同时，承载晶片和供体晶片通过介于它们之间的诸如层间电介质层的电介质层而接合，从而减少了接合中出现的问题。

而且，根据实施例，能够通过使照射部件上的堆叠结构最小，来使得入射光线量达到最大，并且消除了由于金属布线引起的光干涉和光反射。因此，能够优化图像传感器的光学特性。

本说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示意性实施例”等用语的引用意味着，结合该实施例描述的特定的特性、结构和特征包括在本发明的至少一个实施例中。在说明书的不同地方出现的这些用语不一定都指同一个实施例。而且，当结合任一实施例来描述某个特定的特性、结构或特征时，应当认识到，结合其它实施例来使上述特性、结构或特征起作用也在本领域技术人员的范围内。

尽管参照多个示意性实施例描述了实施例，应当理解的是，在本发明公开内容的实质和原理范围内，本领域技术人员可以构想许多其它的变型和实施例。更具体地，在公开内容、附图和所附的权利要求的范围内的主题组合排列的构成部件和/布置可以机械能各种变化和变型。除了对构成部件和/布置进行变化和变型，对于本领域技术人员来说多个可选的用途也是显而易见的。

Claims (10)

1.一种背面照射式图像传感器，其包括：

光敏器件和读出电路，位于第一衬底的正面；

层间电介质层，位于所述第一衬底的正面，处于所述光敏器件和所述读出电路的上方；

金属线，位于所述层间电介质层上；

焊盘，具有阶梯部，位于所述层间电介质层上；以及

第二衬底，与所述第一衬底的正面接合，处于所述金属线和所述焊盘的上方。

2.根据权利要求1所述的背面照射式图像传感器，其中所述金属线的第一金属与所述焊盘形成于相同的金属层级处。

3.根据权利要求1所述的背面照射式图像传感器，还包括位于所述第一衬底的背面的滤色镜。

4.根据权利要求1所述的背面照射式图像传感器，还包括在所述焊盘上方形成于所述第二衬底和所述第一衬底的正面之间的电介质层。

5.一种制造背面照射式图像传感器的方法，包括下列步骤：

在第一衬底的正面形成离子注入层；

在第一衬底的正面、形成所述离子注入层的位置的上方，形成光敏器件和读出电路；

在所述第一衬底的正面、所述光敏器件和所述读出电路的上方，形成层间电介质层；

在所述层间电介质层上形成金属线和焊盘金属线；

在所述金属线和所述焊盘金属线上方，将第二衬底与所述第一衬底的正面相接合；以及

移除所述第一衬底的位于所述离子注入层下方的下部。

6.根据权利要求5所述的制造背面照射式图像传感器的方法，其中形成所述离子注入层的步骤以及形成所述光敏器件和所述读出电路的步骤包括：

在所述第一衬底的正面形成所述光敏器件；

在形成所述光敏器件之后，通过将离子注入所述第一衬底来形成所述离子注入层；以及

在形成所述离子注入层之后，在所述第一衬底的正面形成所述读出电路。

7.根据权利要求5所述的制造背面照射式图像传感器的方法，其中在形成所述光敏器件和所述读出电路之前形成所述离子注入层。

8.根据权利要求5所述的制造背面照射式图像传感器的方法，其中在形成所述金属线和所述焊盘金属线时，所述金属线的第一金属和所述焊盘金属线的焊盘形成于相同的金属层级处。

9.根据权利要求8所述的制造背面照射式图像传感器的方法，其中在形成所述焊盘金属线的焊盘时，所述焊盘形成为具有阶梯部。

10.根据权利要求8所述的制造背面照射式图像传感器的方法，其中形成所述层间电介质层的步骤以及形成所述金属线和所述焊盘金属线的步骤包括：

在所述第一衬底的正面形成第一层间电介质层；

在所述第一层间电介质层的将要形成所述焊盘金属线的焊盘的那部分区域，移除所述第一层间电介质层的一部分；

在部分被移除的所述第一层间电介质层上形成第一金属金属线；

通过将所述金属层图案化来形成所述金属线的第一金属以及所述焊盘金属线的焊盘；所述焊盘形成在所述第一层间电介质层上且覆盖所述第一层间电介质层的所述被移除部分，以具有阶梯部；以及

在所述第一金属和所述焊盘上形成第二层间电介质层。

Images