CN102693994A - 背照式cmos图像传感器的背面处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种背照式CMOS图像传感器的背面处理方法，包括，提供一衬底；在衬底的正面上形成图形化的研磨停止层；在衬底和图形化的研磨停止层上形成外延层，并进行化学机械研磨平坦化外延层；在外延层内形成光电二极管；在外延层上形成器件层；对衬底的背面进行背面抛光；对衬底的背面进行化学机械研磨直到暴露出图形化的研磨停止层；刻蚀去除图形化的研磨停止层，暴露出所外延层；进行化学机械研磨平坦化外延层。本发明采用了图形化的研磨停止层，保证了背照式CMOS图形传感器的背面处理后的TTV比较小。
Description
技术领域
本发明属于集成电路制造技术领域，特别涉及一种背照式CMOS图像传感器的背面处理方法。
背景技术
CMOS图像传感器是近年来得到快速发展的一种新型固态图像传感器。由于采用了CMOS技术，可以将图像传感器部分和控制电路高度集成在同一芯片里，体积明显减小、功耗也大大降低，满足了对高度小型化、低功耗成像系统的要求。与传统的CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器还具有集成度高、控制简单、体积小、功耗低、价格低廉等诸多优点。因此随着CMOS集成电路工艺的不断进步和完善，CMOS图像传感器已经广泛应用于各种通用图像采集系统中。
背照式(Backside Illumination，BSI)图像传感器是是相对于正照式（FrontsideIllumination，FSI）而提出的一种图像传感器，是指采用从背面对传感器进行照明，即采用背面照度技术的传感器。采用BSI构建像素，光线无需穿过金属互连层。BSI图像传感器的主要优势是能够使电气组件与光线分离，使光路径能够被独立地优化，反之亦然。而且，这无需在金属层或光导管中创建一个孔径，从而消除了入射光的损耗机理。随着半导体工艺的逐渐成熟，出现了背照式CMOS图像传感器。
具体的说，背照技术是指光线从原先作为衬底的硅基层入射到达感光区。为了使光线尽可能多的入射，需要对硅基层进行减薄，减薄后的硅基层厚度大概是传统的正照式CMOS图像传感器硅基层厚度的1/100，这给衬底生产工艺以及装配带来了极大的困难。背照式CMOS图像传感器对半导体生产工艺和微处理技术的要求非常高，具体表现为，原来厚度为725μm左右的衬底经过背面减薄处理后厚度要小于5μm，并且要求总厚度偏差（total thickness variation，TTV）小于1μm。因此在背照式CMOS图像传感器的制造过程中，背面减薄处理是非常重要的工艺步骤，背面减薄后衬底的总厚度偏差（TTV）成为检验背面减薄处理工艺的重要指标之一。
目前，对于背面减薄处理大多采用背面抛光（back grind）与化学机械研磨（Chemical Mechanical Polishing，CMP）相结合的方式，即，先利用背面抛光方法减薄大部分的厚度，然后再利用CMP工艺进行精细减薄，直至达到预定厚度。例如，先使用背面抛光方法将厚度为725μm的衬底薄化到10μm的厚度，然后再采用CMP工艺去除5μm的厚度，最终剩余5μm的厚度。然而，由于背面抛光减薄的厚度比较大（多达几百微米），导致背面抛光后的衬底的TTV比较大（1.5μm~3μm），即便之后采用CMP工艺进一步平坦化衬底背面，但是由于CMP前衬底的TTV已经很大，因而经过CMP后衬底的TTV也不会有很大改善，而且因为大厚度的减薄会导致衬底背面的划伤增多，且衬底表面的光滑度下降，对背照式CMOS图像传感器的入射光的损耗也会随之上升。
为此，需要提供一种保证背面减薄处理后衬底的TTV足够小、对衬底表面损伤小、经济实用的背照式CMOS图像传感器的背面处理方法。
发明内容
本发明提供一种背照式CMOS图像传感器的背面处理方法，以解决背照式CMOS图像传感器的背面衬底TTV偏大。
为解决上述技术问题，本发明一种背照式CMOS图像传感器的背面处理方法，包括：
提供一衬底；
在所述衬底的正面上形成图形化的研磨停止层；
在所述衬底和所述图形化的研磨停止层上形成外延层，并进行化学机械研磨平坦化所述外延层；
在所述外延层内形成光电二极管；
在所述外延层上形成器件层；
对所述衬底的背面进行背面抛光；
对所述衬底的背面进行化学机械研磨直到暴露出图形化的研磨停止层；
刻蚀去除所述图形化的研磨停止层，暴露出所述外延层；
进行化学机械研磨平坦化所述外延层。
可选的，所述衬底为硅衬底，所述图形化的研磨停止层为氧化硅或者氮化硅。
可选的，所述图形化的研磨停止层的厚度范围为
可选的，在所述衬底和所述图形化的研磨停止层上形成外延层，并进行化学机械研磨平坦化所述外延层的步骤包括：
在所述衬底和图形化的研磨停止层上依次形成第一外延层和第二外延层；
进行化学机械研磨平坦化所述第二外延层，直至形成平坦化的表面。
可选的，在所述衬底和所述图形化的研磨停止层上形成外延层，并进行化学机械研磨平坦化所述外延层的步骤包括：
在所述衬底和图形化的研磨停止层上依次形成第一外延层和第二外延层；
进行化学机械研磨平坦化所述第二外延层和第一外延层，直至形成平坦化的表面。
可选的，采用CVD工艺形成所述第一外延层和第二外延层，形成所述第二外延层的CVD工艺的温度大于形成所述第一外延层的CVD工艺的温度。
可选的，形成所述第二外延层的CVD工艺的温度范围为600℃~900℃，形成所述第一外延层的CVD工艺的温度范围为900℃~1300℃。
可选的，对所述衬底的背面进行背面抛光后，剩余的衬底的厚度范围为5μm~10μm。
可选的，在进行化学机械研磨平坦化所述外延层之后，还包括：在所述外延层上装配彩色滤光器和微透镜。
在本发明的背面处理方法中，利用图形化的研磨停止层作为研磨停止层，图形化的研磨停止层的TTV决定了背照式CMOS图形传感器最终的TTV，因为图形化的研磨停止层的具有较小的TTV，从而保证了背照式CMOS图形传感器的背面处理后的TTV比较小。
附图说明
图1为本发明实施例的背照式CMOS图像传感器的背面处理方法的流程图；
图2为本发明实施例的图形化的研磨停止层的俯视图；
图3~12为本发明实施例一的背照式CMOS图像传感器的背面处理方法中各步骤的器件剖面示意图；
图13~22为本发明实施例二的背照式CMOS图像传感器的背面处理方法中各步骤的器件剖面示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚，下面结合附图来进一步做详细说明。
本发明的核心思想在于利用图形化的研磨停止层将背面处理后的平面停止在同一水平面上，图形化的研磨停止层的TTV决定了背照式CMOS图形传感器最终的TTV，由于图形化的研磨停止层的具有较小的TTV，从而保证了背照式CMOS图形传感器的背面处理后的TTV比较小。
图1为本发明实施例的背照式CMOS图像传感器的背面处理方法的流程图。如图1所示，该背面处理方法包括以下步骤：
S101：提供一衬底；
S102：在所述衬底的正面上形成图形化的研磨停止层；
S103：在所述衬底和所述图形化的研磨停止层上形成外延层，并进行化学机械研磨平坦化所述外延层；
S104：在所述外延层内形成光电二极管；
S105：在所述外延层上形成器件层；
S106：对所述衬底的背面进行背面抛光；
S107：对所述衬底的背面进行化学机械研磨直到暴露出图形化的研磨停止层；
S108：刻蚀去除所述图形化的研磨停止层，暴露出所述外延层；
S109：进行化学机械研磨平坦化所述外延层。
实施例一
下面结合图2至图12对本发明实施例一的背照式CMOS图像传感器的各步骤进行详细说明。
首先，如图3所示，提供衬底1，在所述衬底1的正面上形成图形化的研磨停止层2。图形化的研磨停止层2需要选择与衬底1有高的选择比的材料，在本实施例中，所述衬底1为硅晶圆，所述图形化的研磨停止层2为氧化硅或者氮化硅。图形化的研磨停止层2的厚度范围为
本实施例中，如图2所示，所述图形化的研磨停止层2的图形为矩形阵列。应当理解的是，本发明中的图形化的研磨停止层2的图形也可以是圆形阵列或者三角形阵列等，本领域技术人员可以根据实际生产工艺的要求设计图形的尺寸及形状，以满足实际生产的需要。
接着，如图4所示，在所述衬底1和图形化的研磨停止层2上形成第一外延层3，所述第一外延层3完全覆盖所述图形化的研磨停止层2的表面。本实施例中，采用CVD工艺形成第一外延层3，CVD工艺的温度范围为600℃~900℃。为了保证所述第一外延层3能够完全覆盖所述图形化的研磨停止层2，可以调整图形化的研磨停止层2的尺寸和图形密度，或者，调整所述CVD工艺的温度和时间等工艺参数，此为现有技术，不再赘述。
接着，如图5所示，在所述第一外延层3上形成第二外延层4。其中，第二外延层4用以形成光电二极管，因此必须控制第二外延层4的晶格缺陷。第一外延层3是生长在衬底1和图形化的研磨停止层2上的，因为第一外延层3的生长层面存在断差，所以第一外延层3在生长过程中容易出现晶格缺陷，第一外延层3的晶格缺陷会延伸影响到第二外延层4的晶格形成。为了从根本上降低第二外延层4的晶格缺陷，第一外延层3可以采用慢速生长的CVD工艺，以控制第二外延层4的生长面，即第一外延层3的晶格缺陷。同时，为了提高生产效率，在第一外延层3采用慢速生长CVD工艺的前提下，第二外延层4可以采用相对高速生长的CVD工艺（大于第一外延层3的生长速率）。本实施例中，形成第二外延层4时的CVD工艺的温度大于形成第一外延层3时的CVD工艺的温度，例如，形成第二外延层4时的CVD工艺的温度范围为900℃~1300℃。然后，采用化学机械研磨（CMP）对所述第二外延层4的表面进行平坦化，直至形成平坦化的表面。平坦化后，所述第一外延层3和第二外延层4的总厚度范围为3μm~10μm。
接着，如图6和7所示，在所述第二外延层4内部形成光电二极管5，在所述第二外延层4和光电二极管5上形成器件层，例如，在所述第二外延层4和光电二极管5上形成多层金属互连网络，并在所述多层金属互连网络上涂覆粘合层8，在所述粘合层8上粘合承载层9。所述承载层9在后续背面处理过程中为整个器件提供支撑力。所述多层金属互连网络包括层间介质层（ILD）6、层间金属介质层（IMDX）7、以及金属互连线（图中未示出），形成光电二极管5以及金属互连网络的技术为本领域技术人员所熟知，本发明并不涉及该部分的改进，在此不再详细说明。
接着，如图8所示，对所述衬底1的背面进行背面抛光（back grind），去除大部分厚度的衬底。背面抛光后的衬底1的厚度范围T1为5μm~10μm，经过背面抛光步骤后，TTV的范围达到1.5μm~3μm。
接着，如图9所示，对所述衬底1进行化学机械研磨（CMP），本实施例中，由于硅和氧化硅的刻蚀选择比为100：1左右，在衬底1全部被研磨完，到达图形化的研磨停止层2时停止研磨。此时，图形化的研磨停止层2的TTV在0.1μm左右。
接着，如图10所示，刻蚀去除图形化的研磨停止层2，使第一外延层3完全暴露出来。可以采用传统的干法刻蚀或湿法刻蚀技术去除图形化的研磨停止层2。
接着，如图11所示，采用化学机械研磨（CMP）对所述第一外延层3进行平坦化，平坦化后，第一外延层3和第二外延层4的总厚度范围为2.9μm~9.9μm。所述第一外延层3的TTV继承了图形化的研磨停止层2的TTV，因此，经过平坦化后的膜层厚度的TTV可以达到小于0.1μm的水平。
接着，在所述第二外延层4上依次装配彩色滤光器（color filter）10和微透镜11，至此形成了如图12所示的背照式CMOS图像传感器。
实施例二
下面结合图13至图22对本发明实施例二的背照式CMOS图像传感器的各步骤进行详细说明。
首先，如图13所示，提供衬底1’，在所述衬底1’的正面上形成图形化的研磨停止层2’。
接着，如图14所示，在所述衬底1’和图形化的研磨停止层2’上形成第一外延层3’，所述第一外延层3’完全覆盖所述图形化的研磨停止层2’的表面。
接着，如图15所示，在所述第一外延层3’上形成第二外延层4’,然后，采用化学机械研磨（CMP）依次对所述第二外延层4’和第一外延层3’的表面进行平坦化，直至形成平坦化的表面，本实施例中第二外延层4’几乎被全部研磨掉。
接着，如图16和17所示，在所述第一外延层3’内部形成光电二极管5’，在所述第一外延层3’和光电二极管5’上形成器件层。
接着，如图18所示，对所述衬底1’的背面进行背面抛光（back grind），去除大部分厚度的衬底。
接着，如图19所示，对所述衬底1’进行化学机械研磨（CMP），到达图形化的研磨停止层2’时停止研磨。
接着，如图20所示，刻蚀去除图形化的研磨停止层2’，使第一外延层3’完全暴露出来。
接着，如图21所示，采用化学机械研磨（CMP）对所述第一外延层3’进行平坦化。
接着，在所述第一外延层3’上依次装配彩色滤光器（color filter）10’和微透镜11’，至此形成了如图22所示的背照式CMOS图像传感器。
综上，在本发明的背面处理方法中，利用图形化的研磨停止层将背面处理后的平面停止在同一水平面上，图形化的研磨停止层的TTV决定了背照式CMOS图形传感器最终的TTV。因为图形化的研磨停止层的具有较小的TTV（小于0.1μm），从而保证了背照式CMOS图形传感器的背面处理后的TTV能够小于0.1μm。
需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种背照式CMOS图像传感器的背面处理方法，包括：
提供一衬底；
在所述衬底的正面上形成图形化的研磨停止层；
在所述衬底和所述图形化的研磨停止层上形成外延层，并进行化学机械研磨平坦化所述外延层；
在所述外延层内形成光电二极管；
在所述外延层上形成器件层；
对所述衬底的背面进行背面抛光；
对所述衬底的背面进行化学机械研磨直到暴露出图形化的研磨停止层；
刻蚀去除所述图形化的研磨停止层，暴露出所述外延层；
进行化学机械研磨平坦化所述外延层。
2.如权利要求1所述的背照式CMOS图像传感器的背面处理方法，其特征在于，所述衬底为硅衬底，所述图形化的研磨停止层为氧化硅或者氮化硅。
3.如权利要求1所述的背照式CMOS图像传感器的背面处理方法，其特征在于，所述图形化的研磨停止层的厚度范围为
4.如权利要求1所述的背照式CMOS图像传感器的背面处理方法，其特征在于，在所述衬底和所述图形化的研磨停止层上形成外延层，并进行化学机械研磨平坦化所述外延层的步骤包括：
在所述衬底和图形化的研磨停止层上依次形成第一外延层和第二外延层；
进行化学机械研磨平坦化所述第二外延层，直至形成平坦化的表面。
5.如权利要求1所述的背照式CMOS图像传感器的背面处理方法，其特征在于，在所述衬底和所述图形化的研磨停止层上形成外延层，并进行化学机械研磨平坦化所述外延层的步骤包括：
在所述衬底和图形化的研磨停止层上依次形成第一外延层和第二外延层；
进行化学机械研磨平坦化所述第二外延层和第一外延层，直至形成平坦化的表面。
6.如权利要求4或5所述的背照式CMOS图像传感器的背面处理方法，其特征在于，采用CVD工艺形成所述第一外延层和第二外延层，形成所述第二外延层的CVD工艺的温度大于形成所述第一外延层的CVD工艺的温度。
7.如权利要求6所述的背照式CMOS图像传感器的背面处理方法，其特征在于，形成所述第二外延层的CVD工艺的温度范围为600℃~900℃，形成所述第一外延层的CVD工艺的温度范围为900℃~1300℃。
8.如权利要求1所述的背照式CMOS图像传感器的背面处理方法，其特征在于，对所述衬底的背面进行背面抛光后，剩余的衬底的厚度范围为5μm~10μm。
9.如权利要求1所述的背照式CMOS图像传感器的背面处理方法，其特征在于，在进行化学机械研磨平坦化所述外延层之后，还包括：在所述外延层上装配彩色滤光器和微透镜。
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