CN102117819B - Bsi图像传感器形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种BSI图像传感器的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底包括第一表面和与之相对的第二表面；在第一表面形成第一外延层，所述半导体衬底相对于所述第一外延层具有较高研磨选择比；在第一外延层表面形成第二外延层，所述第二外延层包括上表面和下表面，其中，上表面背离第一外延层，下表面朝向第一外延层；在第二外延层内形成光传感区，在第二外延层上表面依次形成像素区、互连层和钝化层；沿所述第二表面研磨所述半导体衬底，直至暴露第一外延层；去除第一外延层；在第二外延层下表面依次形成滤光片、微透镜。本发明提高了BSI图像传感器的良率和性能。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器形成方法，特别涉及一种BSI图像传感器形成方法。
背景技术
图像传感器是数字摄像头的重要组成部分，根据元件不同分为电荷耦合(CCD，Charge Coupled Device)图像传感器和金属氧化物半导体(CMOS，Complementary Metal-Oxide Semiconductor)图像传感器。
在公开号为CN101312202A的中国专利申请中公开了一种现有的CMOS图像传感器。现有的CMOS图像传感器包括半导体衬底，所述半导体衬底通常包括若干呈矩阵排布的像素单元区域，相邻的像素单元区域之间具有浅沟槽隔离结构(STI)。请参考图1，图1是现有的背面照光(BSI，Backside illuminated)的CMOS图像传感器结构示意图，所述CMOS图像传感器包括：半导体衬底100，所述半导体衬底100包括若干像素单元区域103，图中以2个像素单元区域103为例进行说明；相邻像素单元区域103之间具有浅沟槽隔离结构106；其中所述像素单元区域103包括光电二极管区域104和晶体管区域105，所述光电二极管区域104用于形成光电二极管，所述光电二极管用于光电转换；所述晶体管区域105用于形成晶体管，所述晶体管用于将光电二极管转换的电信号放大后输出。所述半导体衬底100包括第一表面101和与之相对的第二表面102。光线从第二表面102进入像素单元区域103内。
然而，因为半导体衬底100的厚度通常是600-1000μm，可见光从第二表面102入射，在半导体衬底100内传播的过程中，会被全部吸收而无法进入像素单元区域103。所以在实际工艺中会通过研磨工艺将半导体衬底100的厚度研磨到5μm左右，再通过刻蚀工艺将半导体衬底100的厚度减薄到2μm左右。现有的研磨工艺是先沿第一表面101对半导体衬底100进行离子注入，形成掺杂层，并且通过控制掺杂的能量和剂量使得近邻第一表面101的区域的掺杂浓度尽量小。然后以所形成的掺杂层为研磨阻挡层，沿第二表面102对半导体衬底100进行研磨，直到半导体衬底100的厚度为5μm左右，再通过刻蚀工艺将半导体衬底100的厚度减薄到2μm左右，然后在经过上述处理所形成的表面上形成微透镜。
但是实际中发现，通过上述方法所形成的BSI图像传感器的产品良率比较低，并且图像传感器的性能不好，比如容易产生偏色现象。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种BSI图像传感器的形成方法，所提供的方法可以提高BSI图像传感器的良率，并且改进BSI图像传感器的性能。
为解决上述问题，本发明提供一种BSI图像传感器的形成方法，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底包括第一表面和与之相对第二表面；
在第一表面形成第一外延层，所述半导体衬底相对于所述第一外延层具有较高研磨选择比；
在第一外延层表面形成第二外延层，所述第二外延层包括朝向第一外延层的下表面，和背离第一外延层的上表面；
沿所述第二表面研磨所述半导体衬底，直至暴露第一外延层；
去除第一外延层，暴露第二外延层的下表面；
在第二外延层的下表面依次形成有滤光片和微透镜。
优选地，所述半导体衬底相对于所述第一外延层的研磨选择比为3∶1-10∶1。
优选地，所述第一外延层的材料是砷化镓。
优选地，所述第一外延层的形成工艺为金属有机化学汽相淀积(MOCVD)工艺。
优选地，所述第一外延层的形成参数为：温度600-800℃，气压50-500torr，反应气体为GaRn与AsH3或者GaRn与AsRn’，其中Rn，Rn’为烷基。
优选地，所述第一外延层的厚度为1-50μm。
优选地，采用含有H2SO4或者HCl的溶液湿法去除第一外延层。
优选地，所述第二外延层的材料是硅。
优选地，所述第二外延层的形成工艺为外延工艺。
优选地，所述外延沉积工艺的含硅气体为SiH4或SiH2Cl2或Si2H6，含硅气体的流量为10-1000sccm，温度600-1100℃，压强1-500Torr，还包括HCl气体，HCl气体的作用是提高第二外延层的外延选择性。
优选地，形成第二外延层的步骤还包括对第二外延层进行掺杂，所述掺杂采用离子注入掺杂法或者原位掺杂法。
优选地，沿所述第二表面研磨所述半导体衬底分为两个研磨阶段，其中，第一研磨阶段为机械研磨，第二研磨阶段为化学机械研磨。
优选地，所述半导体衬底的厚度为50-100μm时，第一研磨阶段结束。
优选地，第一研磨阶段结束后，开始第二研磨阶段，直至暴露所述第一外延层。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
第一，本发明以第一外延层为研磨停止层，对所述半导体衬底进行研磨，因为所述第一外延层与所述半导体衬底具有较高研磨选择比，所以研磨所形成的结构表面平坦，厚度均匀，并且不易碎片，从而提高了BSI图像传感器的良率。
第二，本发明中所形成的第一外延层和第二外延层热稳定性好，在后续高温工艺中不会热扩散，所以后续形成的滤色片的化学组分稳定，滤光功能好，从而提高了BSI图像传感器的性能。
附图说明
图1是现有的CMOS图像传感器的结构示意图。
图2本发明的一个实施例所提供的BSI图像传感器的形成方法的流程示意图。
图3至图9为本发明一个实施例所提供的BSI图像传感器的形成方法的剖面结构示意图。
图10为本发明一个实施例所提供的滤光片的俯视图。
具体实施方式
由背景技术可知，通过现有的方法所形成的BSI图像传感器的产品良率比较低，并且图像传感器的性能不好，容易产生偏色现象。本发明的发明人针对上述问题进行研究，创造性地在半导体衬底第一表面生长第一外延层，然后沿与第一表面相对的第二表面研磨所述半导体衬底，并以所述第一外延层为研磨停止层。发明人发现按照上述方法研磨半导体衬底不易碎片，并且可以提高BSI图像传感器的良率。
发明人对上述现象进行分析，现有方法沿半导体衬底第一表面注入离子，形成掺杂层，并沿与第一表面相对的第二表面研磨所述半导体衬底，并以所述掺杂层为研磨停止层。发明人认为受掺杂工艺的影响，所形成的掺杂层沿径向的掺杂浓度不一样，而研磨时，研磨选择性与掺杂浓度相关，掺杂浓度越小，研磨的选择性也越小，这导致研磨所得到的结构的表面不平整，沿径向的厚度不一致。一般而言，中间部分比较厚，四周比较薄，所以所形成的BSI图像传感器的良率不够高，此外，在研磨时容易碎片。
此外，由于所形成的掺杂层的热稳定性比较差，在高温环境下，掺杂离子会四处扩散，部分掺杂离子会进入滤光片，从而会对滤光片的滤光性能产生影响，造成偏光现象，影响所形成的BSI图像传感器的性能。
发明人经过进一步的研究，在本发明中提供一种BSI图像传感器形成方法。本发明所提供的BSI图像传感器的形成方法包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底包括第一表面和与之相对的第二表面；在第一表面形成第一外延层，所述半导体衬底相对于所述第一外延层具有较高研磨选择比；在第一外延层表面形成第二外延层，所述第二外延层包括朝向第一外延层的下表面，和背离第一外延层的上表面；沿所述第二表面研磨所述半导体衬底，直至暴露第一外延层；去除第一外延层，暴露第二外延层的下表面；在第二外延层的下表面依次形成有滤光片和微透镜。
本发明所提供的BSI图像传感器的形成方法可以提高BSI图像传感器的良率，并且可以提高BSI图像传感器的性能。
为了阐明本发明的精神和实质，下面结合附图和实施方式对本发明所提供的BSI图像传感器的形成方法进行详细描述。
图2是本发明的一个实施例所提供的BSI图像传感器的形成方法的流程示意图，包括：
步骤S101，提供半导体衬底，所述半导体衬底包括第一表面和与之相对的第二表面；
步骤S102，在第一表面形成第一外延层，所述半导体衬底相对于所述第一外延层具有较高研磨选择比；
步骤S103，在第一外延层表面形成第二外延层，所述第二外延层包括上表面和下表面，其中，上表面背离第一外延层，下表面朝向第一外延层；
步骤S104，在第二外延层内形成光传感区，在第二外延层上表面依次形成像素区、互连层和钝化层；
步骤S105，沿所述第二表面研磨所述半导体衬底，直至暴露第一外延层；
步骤S106，去除第一外延层；
步骤S107，在第二外延层下表面依次形成滤光片、微透镜。
首先，请参考图3，执行步骤S101，提供半导体衬底200，所述半导体衬底200包括第一表面210和与之相对的第二表面220。
所述半导体衬底200的材料可以为硅、锗硅、绝缘体上硅等。在本实施例中，所述半导体衬底200是硅衬底。
参考图4，执行步骤S102，在第一表面210形成第一外延层230，所述半导体衬底200相对于所述第一外延层230具有较高研磨选择比。
所述第一外延层230的作用是在后续研磨半导体衬底200的步骤中，起到研磨停止层的作用。所以所述第一外延层230的材料可以选择满足如下条件：所述半导体衬底200相对于所述第一外延层230有较高刻蚀选择比的任何材料。
在本实施例中，所述半导体衬底200是硅衬底，所述第一外延层230的材料选择的是砷化镓，在本实施例的其他变形中，所述第一外延层230的材料还可以是与硅具有较高研磨选择比的其他材料。本实施例中，第一外延层230的形成工艺为金属有机化学气相淀积工艺。所述工艺的参数为：温度600-800℃，气压50-500torr，反应气体为GaRn与AsH3或者GaRn与AsRn’，其中Rn，Rn’为烷基。在本发明的较佳实施例中，气压为70-100torr，比如85torr。
在所述工艺环境中，氢气通过温度可控的液体源鼓泡携带金属有机物到生长区，即半导体衬底200。并在半导体衬底200发生如下述方程式所示的化学反应，生成砷化镓：
RnGa+AsHn→GaAs+nRH
或
RnGa+AsR’n→GaAs+n(R-R’n)
其中R、R’为烷基。
经过上述工艺所形成的第一外延层230具有与衬底相同的晶向。在本发明的优选实施例中，形成第一外延层230的工艺中还通入等离子体，所述等离子可以打断半导体衬底200表面的硅-硅键，有助于反应气体中的砷原子或者镓与半导体衬底200的硅原子键合，从而进一步提高所形成的第一外延层230与半导体衬底200的结合度。
所形成的第一外延层230太薄，可能会在后续第二研磨阶段被机械地研磨去除，从而无法起来研磨停止层的作用。第一外延层230太厚，会增加后续去除第一外延层230的工艺难度，并且会造成原料浪费。所以在本发明的实施例中，所述第一外延层230的厚度范围是1-50μm，在本发明的优选实施例中，所述第一外延层230的厚度是10μm。
优选地，所述半导体衬底200相对于所述第一外延层230的研磨选择比为3∶1-10∶1。
参考图5，执行步骤S103，在第一外延层230表面形成第二外延层240，所述第二外延层240包括上表面250和下表面260，其中，上表面250背离第一外延层230，下表面260朝向第一外延层230。
所述第二外延层240的作用是在后续工艺中在下表面260依次形成滤光片和微透镜，在第二外延层240内形成光传感区，在上表面250依次形成像素区、互连层以及钝化层。所以第二外延层240的材料可以选择任何与半导体工艺兼容的材料，且第二外延层240的材料不同于第一外延层230的材料。在本实施例中，通过外延工艺在第一外延层230的表面形成所述第二外延层240，所述第二外延层240的材料是硅。
具体的工艺参数为：含硅气体为SiH4或SiH2Cl2或Si2H6，含硅气体的流量为10-1000sccm，温度600-1100℃，压强1-500Torr，还包括HCl气体，HCl气体的作用是提高第二外延层的外延选择性。
所形成的第二外延层240为与第一外延层230具有相同晶向的晶体层。
第二外延层240的厚度范围为1-20μm，在本发明的较佳实施例中，第二外延层240的厚度为1～7μm，比如3μm。所述第二外延层240厚度过小可能导致红光透过第二外延层240的分量过多，导致红光被位于第二外延层240内的光传感区吸收的分量减少，从而产生偏色。所述第二外延层240厚度过大，经由后续形成的微透镜入射的光在所述第二外延层240内传播时，可能因为传播路径过长而导致光的损失过大，尤其是蓝光只能在较浅区域被吸收。
在本发明的其他实施例中，还可以根据工艺的需要对第二外延层240进行掺杂，所述掺杂可以采用原位掺杂法或者离子注入掺杂法。
具体地，第二外延层的掺杂浓度为1014～1016/cm3，在本发明的较佳实施例中，所述第二外延层的掺杂浓度为1015/cm3。所述第二外延层的电阻率为100～10000Ω·m，在本发明的较佳实施例中，所述第二外延层的电阻率为1000Ω·m。
请参考图6，执行步骤S104，在第二外延层240内形成光传感区(未示出)，在第二外延层240上表面250依次形成像素区280、互连层290和钝化层300。
所述光传感区用于将光信号转化为电信号。光传感区包含光电二极管。
所述像素区280用于将光电二极管转换的电信号放大后输出。相邻像素之间以隔离结构，比如浅沟槽隔离结构隔离。
所述互连层290由介质层和镶嵌在所述介质层中的金属层组成。所述金属层一般是2-5层的金属层结构，所述金属的材料可以选择铝或者铜。互连层290的作用是电连接所形成的BSI图像传感器的部件，并将图像传感器所产生的电信号输出。
所述钝化层300对所述互连层290形成保护，所述钝化层300的材料是氧化硅、氮化硅或者二者的组合。
因为形成光传感区、像素区280、互连层290和钝化层300的工艺已是本领域技术人员公知的技术，在此不再赘述。
参考图7，执行步骤S105，沿所述第二表面220研磨所述半导体衬底200，直至暴露第一外延层230。
在形成光传感区、像素区280、互连层290和钝化层300之前，沿所述第二表面220研磨所述半导体衬底200，因为半导体衬底200与第一外延层230、第二外延层240组成的结构厚度过小，容易在研磨的过程中产生碎片，所以在本发明的优选实施例中，先形成光传感区、像素区280、互连层290和钝化层300，然后对半导体衬底200进行研磨。在本发明的其他实施例中，还可以在形成光传感区、像素区280、互连层290、钝化层300中的任何一个步骤之后，对半导体衬底200进行研磨，只需要在研磨的过程中不损坏所形成的结构即可。
为了进一步提高研磨的效率，在本实施例中，沿所述第二表面230研磨所述半导体衬底分为两个研磨阶段，其中，第一研磨阶段为机械研磨，第二研磨阶段为化学机械研磨。
在第一研磨阶段，所述半导体衬底的厚度被研磨到50-100μm。第一研磨阶段采用机械研磨的方法进行。可以通过增加研磨剂中研磨颗粒的数目而提高研磨的速度。在本实施例中，通过控制研磨时间控制研磨厚度。
第一研磨阶段结束后，开始第二研磨阶段，第二研磨阶段采用化学机械研磨的方法，通过调节研磨剂中与被研磨材料发生化学反应的反应物的组分，使得半导体衬底200相对于第一外延层230具有较高的研磨选择比，在本实施例中，半导体衬底200相对于第一外延层230研磨选择比为3∶1-10∶1。
在本实施例中，被研磨材料为半导体衬底200的材料，即硅。研磨剂中的反应物与硅发生化学反应，形成疏松的物质，所形成的疏松的物质在与研磨剂中的研磨颗粒的相对运动中被机械地磨去，直至暴露第一外延层230。
参考图8，执行步骤S106，去除第一外延层。
在本实施例中，所述第一外延层的材料是砷化镓，所以选择可以溶解砷化镓的溶液，比如H2SO4或HCl溶液湿法去除所述第一外延层。在本发明的其他实施例中，对应地选择可以溶解第一外延层的溶液去除所述第一外延层。
因为所选择的溶液不溶解硅，所以通过所述的湿法去除工艺可以完整地去除第一外延层，暴露第二外延层240的下表面260。
参考图9，执行步骤步骤S107，在第二外延层240下表面260依次形成滤光片270和微透镜310。
图10是滤光片270的俯视图。所述滤光片270包括横向和纵向间隔分布的滤光单元，每个滤光单元可以通过蓝光、绿光或者红光中的一种。比如滤光单元400只可以通过蓝光、滤光单元500只可以通过红光、滤光单元600只可以通过绿光。所述滤光片270的厚度为3000～10000埃。滤光片270厚度过大，也会造成较大的光损，而不利于传感器成像。
形成所述微透镜310为本领域技术人员所熟知。所述微透镜310靠近第二外延层240的表面为平面，背向第二外延层240的表面为凸面，每一个微透镜与对应的光传感区中心对准。用于形成微透镜310的材料可以是氧化物，也可以是有机物。用于形成微透镜310的材料的折射率在1.4～1.6之间。
具体形成微透镜310的步骤包括，在第二外延层240的下表面260沉积用于微透镜的材料；随后，用于形成微透镜的材料层通过曝光和显影被图案化；接着，通过回流工艺得到背向第二外延层240的表面为凸面的微透镜，并且可以通过控制回流工艺的温度控制所述凸面的曲率半径。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
第一，本发明以第一外延层为研磨停止层，对所述半导体衬底进行研磨，因为所述第一外延层与所述半导体衬底具有较高研磨选择比，所以研磨所形成的结构表面平坦，厚度均匀，并且不易碎片，从而提高了BSI图像传感器的良率。
第二，本发明中所形成的第一外延层和第二外延层热稳定性好，在后续高温工艺中不会热扩散，所以后续形成的滤色片的化学组分稳定，滤光功能好，从而提高了BSI图像传感器的性能。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，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。
Claims (14)
1.一种BSI图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底包括第一表面和与之相对的第二表面；
在第一表面形成第一外延层，所述半导体衬底相对于所述第一外延层具有较高的研磨选择比；
在第一外延层表面形成第二外延层，所述第二外延层包括朝向第一外延层的下表面，和背离第一外延层的上表面；
沿所述第二表面研磨所述半导体衬底，直至暴露第一外延层；
选择可溶解第一外延层的溶液去除第一外延层，暴露第二外延层的下表面；
在第二外延层的下表面依次形成有滤光片和微透镜。
2.依据权利要求1的BSI图像传感器的形成方法，其特征在于，所述半导体衬底相对于所述第一外延层的研磨选择比为3：1-10：1。
3.依据权利要求1的BSI图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一外延层的材料是砷化镓。
4.依据权利要求1的BSI图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一外延层的形成工艺为金属有机化学气相沉积工艺。
5.依据权利要求3或4的BSI图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一外延层的形成参数为：衬底温度600-800℃，气压50-500torr，反应气体为GaRn与AsH3，或者GaRn与AsRn’，其中Rn，Rn’为烷基。
6.依据权利要求3或4的BSI图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一外延层的厚度为1～50μm。
7.依据权利要求3的BSI图像传感器的形成方法，其特征在于，采用含有H2SO4或HCl的溶液湿法去除第一外延层。
8.依据权利要求1的BSI图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第二外延层的材料是硅。
9.依据权利要求1的BSI图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第二外延层的形成工艺为外延工艺。
10.依据权利要求8或9的BSI图像传感器的形成方法，其特征在于，所述外延沉积工艺的含硅气体为SiH4或SiH2Cl2或Si2H6，含硅气体的流量为10-1000sccm，温度600-1100℃、压强1-500Torr，还包括HCl气体，HCl气体的作用是提高第二外延层的外延选择性。
11.依据权利要求1的BSI图像传感器的形成方法，其特征在于，形成第二外延层的步骤还包括对第二外延层进行掺杂，所述掺杂采用离子注入掺杂法或者原位掺杂法。
12.依据权利要求1的BSI图像传感器的形成方法，其特征在于，沿所述第二表面研磨所述半导体衬底分为两个研磨阶段，其中，第一研磨阶段为机械研磨，第二研磨阶段为化学机械研磨。
13.依据权利要求12的BSI图像传感器的形成方法，其特征在于，当所述半导体衬底的厚度为50-100μm时，第一研磨阶段结束。
14.依据权利要求12的BSI图像传感器的形成方法，其特征在于，第一研磨阶段结束后，开始第二研磨阶段，直至暴露所述第一外延层。
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