CN102938410A - 一种cmos图像传感器制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CMOS图像传感器制造方法，包括提供SOI衬底，所述SOI衬底包括薄体硅衬底，厚体硅衬底以及二氧化硅层；在所述薄体硅衬底上依次形成感光二极管区及第一金属键合层；沿所述二氧化硅层将所述厚体硅衬底剥离；提供体硅衬底，所述体硅衬底包括感光二极管对应区及其他电路区；在所述体硅衬底上的感光二极管对应区依次形成多晶硅层、至少一层金属互连层，并在顶层金属互连层上方形成第二金属键合层；以及对所述第一薄体硅衬底与所述体硅衬底进行金属键合。本发明工艺简便，成本低廉，广泛应用于各种像素的CMOS图像传感器制造。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种CMOS图像传感器的制造方法。
背景技术
图像传感器是组成数字摄像头的重要组成部分。根据元件的不同，可分为CCD（ChargeCoupled Device，电荷耦合元件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件）两大类。CMOS传感器获得广泛应用的一个前提是其所拥有的较高灵敏度、较短曝光时间和日渐缩小的像素尺寸。
其中,CMOS图像传感器重要的性能指标之一的像素灵敏度主要由填充因子（感光面积与整个像素面积之比）与量子效率（由轰击屏幕的光子所生成的电子的数量）的乘积来决定。在CMOS图像传感器中，为了实现堪与CCD转换器相媲美的噪声指标和灵敏度水平，在CMOS图像传感器中应用了有源像素。然而有源像素（像素单元）的应用却不可避免地导致填充因子降低，因为像素表面相当大的一部分面积被放大器晶体管所占用，留给感光二极管的可用空间较小。所以，当今CMOS传感器的一个重要的研究方向就是扩大填充因子。
传统的CMOS图像传感器采用的前感光式（FSI，Front Side Illumination）技术，即前照技术。如图1所示，前照技术的主要特点是在硅片正面按顺序制作感光二极管、金属互连层以及彩色滤镜。其优点是：工艺简单，与CMOS工艺完全兼容；成本较低；彩色滤镜填充材料折射率可调；有利于提高入射光的透射率，减少串扰等。前照技术是一种与CMOS标准工艺兼容的技术，广泛应用于各种（尤其是大像素）CMOS图像传感器芯片的制作。然而，由于光线首先需要经过上层的金属互连层才能照射到下方的感光二极管，因此前照技术的填充因子和灵敏度通常较低。
随着像素尺寸的变小，提高填充因子所来越困难，目前另一种技术是从传统的前感光式变为背部感光式（BSI，Back Side Illumination），即背照技术。如图2所示，背照技术的主要特点是首先在硅片正面按顺序制作感光二极管、金属互连层，然后对硅片背面进行减薄（通常需要减薄至20um以下），并通过对于背部感光式CMOS传感器最重要的硅通孔技术（TSV，Through-Silicon-Via）将感光二极管进行互连引出。硅通孔技术是通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间互连的最新技术。由于互连电路置于背部，前部全部留给感光二极管，这样就实现了尽可能大的填充因子。硅通孔技术的优点是照射到感光二极管的入射光不受金属互连影响，灵敏度较高，填充因子较高。然而，硅通孔技术难度较高，对设备的要求较高，其成本也相对较高。而且由于对于超薄硅片的减薄工艺的限制，通常背照技术应用于小像素的图像传感器中，如智能手机的中小像素摄像头，而无法应用于大像素的图像传感器制造。
发明内容
为达成上述目的，本发明提供一种CMOS图像传感器制造方法，包括如下步骤：提供SOI衬底，所述SOI衬底包括薄体硅衬底，厚体硅衬底以及二氧化硅层；在所述薄体硅衬底上依次形成感光二极管区及第一金属键合层；沿所述SiO2层将所述厚体硅衬底剥离；提供体硅衬底，所述体硅衬底包括感光二极管对应区及其他电路区；在所述体硅衬底上的感光二极管对应区依次形成多晶硅层、至少一层金属互连层，并在顶层金属互连层上方形成第二金属键合层；以及对所述薄体硅衬底与所述体硅衬底进行金属键合。
可选的，对所述薄体硅衬底与所述体硅衬底进行金属键合的步骤包括：将所述薄体硅衬底翻转；将所述薄体硅衬底与所述体硅衬底对准；通过金属键合工艺对所述薄体硅衬底与所述体硅衬底进行金属键合。
可选的，将所述薄体硅衬底与所述体硅衬底对准的步骤包括：在所述感光二极管区之外形成第一对准标记；在所述感光二极管对应区之外形成第二对准标记；通过所述第一对准标记与所述第二对准标记将所述薄体硅衬底与所述体硅衬底对准。
可选的，将所述第一金属键合层与所述第二金属键合层对准的步骤包括在形成所述第一金属键合层时，在所述感光二极管区之外形成第一对准标记；在形成所述第二金属键合层时，在所述感光二极管对应区之外形成第二对准标记；通过所述第一对准标记与所述第二对准标记将所述薄体硅衬底与所述体硅衬底对准。
可选的，所述第一键合层和所述第二键合层包括Ti层和Au层。
可选的，通过蒸镀金属膜形成所述第一金属键合层及所述第二金属键合层。
可选的，对所述薄体硅衬底与所述体硅衬底进行金属键合的键合时间为30~120分钟，键合温度为420℃。
可选的，所述CMOS图像传感器制造方法还包括在所述体硅衬底的其他电路区形成读取电路、控制电路、互连线、IO及焊盘。
可选的，所述第一金属键合层通过所述互连线与所述感光二极管区互连，所述第二金属键合层通过所述互连线与所述体硅衬底上的顶层金属互连层互连；所述体硅衬底上的多晶硅区、至少一层金属互连层通过所述互连线互连。
可选的，所述CMOS图像传感器制造方法还包括形成彩色滤镜以及在每个所述彩色滤镜上方形成微透镜的步骤。
可选的，所述CMOS图像传感器制造方法还包括将所述焊盘进行金属线引出以对所述CMOS图像传感器进行封装的步骤。
本发明的有益效果在于，
（1）采用先进的工艺技术在标准体硅衬底制作对工艺要求较高的读取电路、控制电路等，而以低成本的微米级工艺在SOI衬底制作图像传感器像素单元，因此对图像传感器像素单元的制作节省了大量工艺成本。
（2）通过将标准体硅衬底和SOI衬底金属键合的方法代替传统前照、背照工艺，使得照射到感光二极管的入射光不受金属互连影响，灵敏度较高，填充因子较高。且与背照式CMOS图像传感器制造工艺相比，在避免了复杂、高成本的超薄减薄工艺、硅通孔技术前提下，实现了背照式CMOS图像传感器制造工艺所具有的像素单元高填充因子性能。此外，本发明也突破了背照式CMOS图像传感器制造工艺只能用于中小像素传感器的限制，可以广泛应用于各种尤其是大像素CMOS图像传感器的制作。
附图说明
图1所示为现有技术中前照式CMOS图像传感器的结构剖视图。
图2所示为现有技术中背照式CMOS图像传感器制造方法的剖视图。
图3A~图3E所示为本发明的CMOS图像传感器制造方法的剖视图。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
下面将参照图3A至图3E描述根据本发明的用于制造新型CMOS图像传感器的方法。
请参考图3A，首先，提供半导体衬底，半导体衬底为SOI衬底，包括薄体硅衬底1，厚体硅衬底3以及薄体硅衬底和厚体硅衬底之间引入的一层二氧化硅层2。接着在薄体硅衬底1上形成用于感光的感光二极管区10，并在感光二极管区的上方形成第一金属键合层(MetalX)11，在本实施例中，所形成的第一金属键合层11与感光二极管区10互连，用于后续感光二极管电信号的引出和控制信号的连接。由于感光二极管也即是像素单元的尺寸通常较大，如5um×5um，因此上述在标准的SOI衬底上的工艺只需微米级的工艺设备即可完成。
接下来，请参考图3B，沿二氧化硅层将厚体硅衬底剥离，剩余的薄体硅衬底1用于下一步工艺。
请参考图3C，接着，提供另一个标准的体硅衬底4，该体硅衬底4包括感光二极管对应区及其他电路区。在感光二极管对应区依次形成多晶硅层40以及一层或多层金属互连层41，在本实施例中形成的金属互连层41的层数为3，在除感光二极管对应区以外的其他电路区域形成读取电路（如ADC），控制电路（如数字连线等），互连线、IO及焊盘PAD43等。感光二极管对应区的多晶硅层40、第一金属互连层M1、第二金属互连层M2、顶层金属互连层M3间通过互连线互连。由于读取电路例、控制电路等通常受工艺技术影响较大，如55nm的工艺技术带制作的读取电路、控制电路等，在面积、功耗上都要优于0.18um的工艺技术，因此可以采用先进的工艺技术实现。
接着，在标准体硅衬底4感光二极管对应区的上方，形成第二金属键合层（Metal Y）42，第二金属键合层42与顶层金属互连层M3通过互连线互连。
其中，第一金属键合层11和第二金属键合层42都可通过蒸镀金属膜形成，较佳的金属膜可为Ti膜和Au膜。具体来说，先蒸镀Ti膜，再蒸镀Au膜，由于Ti膜的粘附性较好，还可作为扩散阻挡层防止Au及键合缺陷进入器件。当然，在本发明的其他实施例中，金属膜也可为Pt膜，In膜，In/Sn膜，Cu/Ti膜，Cr/Au膜等，本发明并不限于此。
接下来，请参考图3D，将薄体硅衬底1和标准的体硅衬底4进行金属键合。具体来说，首先将上述制备有感光二极管10、第一金属键合层11的薄体硅衬底1进行翻转，为后续金属键合工艺做准备。之后将已翻转的薄体硅衬底1与标准体硅衬底4进行对准。较佳的，对准方法是通过对准标记来进行。具体来说，在上述制造过程中，在形成第一金属键合层11时在感光二极管区之外形成第一对准标记；在形成第二金属键合层42时在感光二极管对应区之外形成第二对准标记，然后通过将第一对准标记和第二对准标记对准来完成对准。在对准了薄体硅衬底1与标准体硅衬底4后，通过金属键合工艺将薄体硅衬底上的第一金属键合层11与标准体硅衬底上的第二金属键合层42对应键合。其中金属键合工艺可采用金属扩散键合或熔化共熔晶键合技术。在本实施例中，通过在金属键合装置中进行热压退火完成金属键合工艺，退火温度为420℃，退火时间为30~120分钟，使金属键合层牢靠地键合在一起。当然，在金属键合层材料为其他金属时，其金属键合条件也相应改变。在其他实施例中，也可直接通过在金属键合装置中加热加压来完成键合，金属键合工艺为本领域技术人员所熟知，在此不作赘述。最终通过金属键合实现薄体硅衬底1与标准体硅衬底4的结合以形成CMOS图像传感器。
在形成CMOS图像传感器后，还可通过标准体硅衬底4上的焊盘43有效将感光二极管的电信号引出，同时实现了CMOS图像传感器与外界电源和控制信号交互。
此外，请参考图3E，本实施例的CMOS图像传感器制造方法还包括通过彩色滤镜工艺，在每个感光二极管区（即图像像素单元）上方形成彩色滤镜（Color Filter），以及通过微透镜工艺，在每个彩色滤镜上方形成微透镜（Micro Len）的步骤。
最后，采用传统的CMOS图像传感器封装技术，将焊盘43进行金属线引出，对该CMOS图像传感器芯片进行封装。
综上所述，本发明通过分别在薄体硅衬底制作感光二极管，在另一标准硅片衬底制作读取电路、控制电路等，并将两者金属键合的方法代替传统前照式、背照式CMOS图像传感器制造工艺，实现了背照式CMOS图像传感器工艺的像素单元高填充因子性能。此外，本发明在标准的SOI衬底上制作图像传感器像素单元，工艺简便，只需低成本的微米级工艺就可以实现，更避免了对工艺设备的较高要求，从而大幅降低了制造CMOS图像传感器的成本。另一方面，本发明还突破了传统背照式工艺只能用于中小像素传感器的限制，能广泛应用于各种（尤其是大像素）CMOS图像传感器的制造。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。
Claims (10)
1.一种CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供SOI衬底，所述SOI衬底包括薄体硅衬底，厚体硅衬底以及二氧化硅层；
在所述薄体硅衬底上依次形成感光二极管区及第一金属键合层；
沿所述二氧化硅层将所述厚体硅衬底剥离；
提供体硅衬底，所述体硅衬底包括感光二极管对应区及其他电路区；
在所述体硅衬底上的感光二极管对应区依次形成多晶硅层、至少一层金属互连层，并在顶层金属互连层上方形成第二金属键合层；以及
对所述薄体硅衬底与所述体硅衬底进行金属键合。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，对所述薄体硅衬底与所述体硅衬底进行金属键合的步骤包括：
将所述薄体硅衬底翻转；
将所述薄体硅衬底与所述体硅衬底对准；
通过金属键合工艺对所述薄体硅衬底与所述体硅衬底进行金属键合。
3.根据权利要求2所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，将所述薄体硅衬底与所述体硅衬底对准的步骤包括：
在所述感光二极管区之外形成第一对准标记；
在所述感光二极管对应区之外形成第二对准标记；
通过所述第一对准标记与所述第二对准标记将所述薄体硅衬底与所述体硅衬底对准。
4.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，所述第一键合层和所述第二键合层包括Ti层和Au层。
5.根据权利要求4所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，通过蒸镀金属膜形成所述第一金属键合层及所述第二金属键合层。
6.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，对所述薄体硅衬底与所述体硅衬底进行金属键合的键合时间为30~120分钟，键合温度为420℃。
7.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，所述制造方法还包括：
在所述体硅衬底的其他电路区形成读取电路、控制电路、互连线、IO及焊盘。
8.根据权利要求7所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，所述第一金属键合层通过所述互连线与所述感光二极管区互连，所述第二金属键合层通过所述互连线与所述体硅衬底上的顶层金属互连层互连；所述体硅衬底上的多晶硅区、至少一层金属互连层通过所述互连线互连。
9.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，还包括形成彩色滤镜以及在每个所述彩色滤镜上方形成微透镜的步骤。
10.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，还包括将所述焊盘进行金属线引出以对所述CMOS图像传感器进行封装的步骤。
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