CN103441132A - 一种用低温裂片硅晶圆制备背照射cmos图像传感器的方法 - Google Patents

一种用低温裂片硅晶圆制备背照射cmos图像传感器的方法 Download PDF

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CN103441132A CN2013102903075A CN201310290307A CN103441132A CN 103441132 A CN103441132 A CN 103441132A CN 2013102903075 A CN2013102903075 A CN 2013102903075A CN 201310290307 A CN201310290307 A CN 201310290307A CN 103441132 A CN103441132 A CN 103441132A
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景蔚亮
陈邦明
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Abstract

本发明涉及一种用低温裂片硅晶圆制备背照射CMOS图像传感器的方法，通过在晶圆衬底上表面沉积一收集层，再于该收集层上表面生长一外延层后，对收集层进行离子注入工艺，在进行完后续的CMOS图像传感器工艺后，形成具有CMOS图像传感器单元的半导体结构，并且将该半导体结构与一键合单元进行键合操作，而后进行退火工艺，从而使得收集层迅速崩裂，克服了现有技术中由于高温退火使得器件性能失效的问题，也克服了现有技术中由于采用长时间背面减薄工艺，导致器件生产成本巨大的问题，从而既降低器件的生产成本，又能保证器件的良好性能，同时剥离出来的晶圆还可以继续使用，进一步的增大了晶圆衬底的使用效率，降低了器件的生产成本。

Description

一种用低温裂片硅晶圆制备背照射CMOS图像传感器的方法
技术领域
本发明涉及半导体器件的制造技术领域，尤其涉及一种用低温裂片硅晶圆制备背照式CMOS图像传感器的方法。
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）图像传感器和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小，每个光电二极管的光接收部分的面积也越来越小，导致图像质量极大下降。
业界为克服上述局限，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引起的光干涉。利用这种方法的图像传感器称为背照式（BSI）图像传感器。
背照式图像传感器是指采用从背面对传感器进行照明的图像传感器，光线首先进入感光二极管，感光二极管从入射方向上来看位于金属互联层的上方；而正照式图像传感器的感光二极管从光线入射方向上看，位于金属互联层的下方。采用BSI构建像素，光线无需穿过金属互连层。
背照式图像传感器相较于正照式图像传感器具有如下优点：背照式图像传感器的主要优势在于能够使电气组件与光线分离，使光路和电路能够被独立地优化，从而无需在金属层或者光导管中创建一个孔径，从而减小了入射光的损耗，同时，背照式图像传感器的量子效率较正照式图像传感器要高。另外，由于背照式图像传感器由于不受金属线路和晶体管的阻碍，开口率（即光电转换部分在一个像素中所占的面积比例）可提高至近100%，背照式图像传感器在灵敏度上具有很大优势，从而改善了正照式图像传感器的感光度，显著提高低光照条件下的拍摄效果。随着像素的不断增加，感光元件尺寸的不断缩小，背照式图像传感器的优势越来越明显。
背照式图像传感器虽然具有很大的优势，但是在器件制造方面也面临着很多挑战，例如晶圆贴片和减薄、背面处理对准以及背面界面钝化对准等制造工艺。在背照式图像传感器的制造工艺中，通常使用硅绝缘体（SOI）晶片作为主要晶片，在SOI晶片上形成光接收装置和电路有其独特的优势。
美国专利（公开号：US7582502B1）公开了一种背部照明图像传感器的制造方法，包括：在第一衬底的前部的整个区域中形成离子注入区；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。
该发明在形成离子注入区，将第一衬底和第二衬底键合后，采用高温退火的方法使离子注入区中的离子成为气体并膨胀，从而使得第一衬底在离子注入区崩裂剥离，最后在剥离的表面制备滤光片阵列和微透镜阵列及芯片焊盘开孔，该发明所提供的技术方法能够直接使用第一衬底制备背照式CMOS图像传感器，省略了制备埋层氧化层的步骤，能够节约器件的制造成本，但是该发明直接在第一衬底中形成离子注入区，整片晶圆离子注入的均匀性及纵向深度分布的均匀性都有很大的挑战；另外，为使离子注入区能够崩裂，从而需要进行高温退火工艺，而高温退火的温度通常在500℃～600℃，而此时图像传感器的感光二极管阵列和电路部分CMOS工艺均已完成，而一般CMOS后道工艺要求温度低于450℃，否则将造成芯片失效。
所以，在目前主流的背照式CMOS图像传感器的制造工艺中，并不使用该发明提供的制备方法，而是采用对厚的晶圆进行长时间抛光减薄，再进行激光退火来保证晶圆表面平整度，该方法虽然可以保证芯片性能不受影响，但是成本消耗较大。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供一种用低温裂片硅晶圆制备背照射CMOS图像传感器的方法，以克服现有技术中由于高温退火使得器件性能失效的问题，也克服现有技术中由于采用长时间背面减薄工艺，导致器件生产成本巨大的问题，既降低了器件的生产成本，又能保证器件的良好性能。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种用低温裂片硅晶圆制备背照式CMOS图像传感器的方法，其中，包括以下步骤：
提供一晶圆衬底；
于所述晶圆衬底上沉积一收集层；
于所述收集层上生长一外延层后，对所述外延层和所述收集层进行离子注入工艺；
继续CMOS图像传感器的制备工艺，形成具有CMOS图像传感器单元的半导体结构后，将该半导体结构与一键合单元进行键合操作；
继续退火工艺，以使所述晶圆衬底剥离；
对所述外延层进行平坦化工艺，继续后期处理操作，完成背照式CMOS图像传感器的制备。
上述的用低温裂片硅晶圆制备背照式CMOS图像传感器的方法，其中，所述晶圆衬底的材质为单晶硅或者多晶硅，且所述晶圆衬底的厚度为0.1mm～1mm。
上述的用低温裂片硅晶圆制备背照式CMOS图像传感器的方法，其中，所述收集层的材质为锗硅或者碳化硅。
上述的用低温裂片硅晶圆制备背照式CMOS图像传感器的方法，其中，在温度为600℃～1500℃的条件下，采用GeH4和SiCl2H2制备所述收集层，或者采用GeH4、SiH4和He制备所述收集层，或者采用C3H8、SiH4和He制备所述收集层；
其中，所述收集层的厚度为0.1nm～200nm。
上述的用低温裂片硅晶圆制备背照式CMOS图像传感器的方法，其中，利用外延生长的方法制备所述外延层，且所述外延层的材质为单晶硅层，所述外延层的厚度为0.1um～5um。
上述的用低温裂片硅晶圆制备背照式CMOS图像传感器的方法，其中，在注入能量为5KeV～1000KeV、注入剂量为1E15cm-2～1E18cm-2、注入温度为20℃～30℃的条件下进行所述离子注入工艺。
上述的用低温裂片硅晶圆制备背照式CMOS图像传感器的方法，其中，采用氢离子和/或氦离子或者由硼离子和氢离子构成的混合离子进行所述离子注入工艺。
上述的用低温裂片硅晶圆制备背照式CMOS图像传感器的方法，其中，所述CMOS图像传感器单元包括光敏二极管，读出电路和外围电路结构，以及焊盘引出结构。
上述的用低温裂片硅晶圆制备背照式CMOS图像传感器的方法，其中，所述键合单元包括键合晶圆和键合层，且所述键合层覆盖于所述键合晶圆的上表面；
其中，所述键合层为氧化物或者氮化物，所述键合晶圆的材质为单晶硅或者多晶硅。
上述的用低温裂片硅晶圆制备背照式CMOS图像传感器的方法，其中，所述键合操作为疏水键合操作、亲水键合操作或者等离子辅助键合操作。
上述的用低温裂片硅晶圆制备背照式CMOS图像传感器的方法，其中，在温度为200℃～450℃的条件下进行所述退火工艺。
上述的用低温裂片硅晶圆制备背照式CMOS图像传感器的方法，其中，所述后期处理操作包括：
于所述外延层表面制备滤光片阵列和微透镜阵列，并于焊盘引出结构上方制备焊盘开孔，以通过该焊盘开孔进行芯片测试。
上述技术方案具有如下优点或者有益效果：
本发明通过在晶圆衬底上表面沉积一收集层，具体为气体收集层，再于气体收集层上表面生长一外延层后，对气体收集层进行离子注入工艺，在进行完后续的CMOS图像传感器工艺后，形成具有CMOS图像传感器单元的半导体结构，并将该半导体结构与一键合单元进行键合操作，而后进行退火工艺，从而使得气体收集层迅速崩裂，克服了现有技术中由于高温退火使得器件性能失效的问题，也克服了现有技术中由于采用长时间背面减薄工艺，导致器件生产成本高昂的问题，既降了低器件的生产成本，又能保证器件的良好性能，同时剥离出来的晶圆还可以继续使用，进一步的降低了器件的生产成本。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1是本发明实施例1提供的一种用低温裂片硅晶圆制备背照式CMOS图像传感器的方法的流程示意图；
图2～图10是本发明实施例2提供的一种用低温裂片硅晶圆制备背照式CMOS图像传感器的方法的截面结构流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。
实施例1：
图1是本发明实施例1提供的一种用低温裂片硅晶圆制备背照式CMOS图像传感器的方法的流程示意图；如图所示，首先提供一晶圆衬底，该晶圆衬底的材质为单晶硅或者多晶硅，并且该晶圆衬底的厚度为0.1mm～1mm，如0.1mm、0.2mm、0.5mm、0.7mm、0.9mm、1mm等。
而后，在上述晶圆衬底的上表面上沉积一收集层，该收集层为气体收集层，且该收集层的材质为锗硅或者碳化硅，厚度为0.1nm～200nm，如0.1nm、10nm、60nm、105nm、155nm、195nm、200nm等，具体制备条件为：采用气体GeH4和SiCl2H2或者GeH4和SiH4、He，在温度600℃～1500℃的条件下（如600℃、650℃、750℃、950℃、1150℃、1400℃、1490℃、1500℃等），制备材质为锗硅的收集层；或者采用气体C3H8和SiH4、He，在温度600℃～1500℃的条件下（如600℃、610℃、730℃、980℃、1050℃、1350℃、1495℃、1500℃等），制备材质为碳化硅的收集层，收集层能够使后续的离子注入工艺中的收集离子效率更高，从而在较低退火温度下，便能使收集层崩裂。
再在上述收集层的上表面，采用外延生长的方式制备一外延层，且该外延层为单晶硅层，该外延层的厚度为0.1um～5um，如0.1um、0.5um、1.1um、1.9um、2.5um、3.6um、4.9um、5um等。
然后，采用氢离子和/或氦离子或者由硼离子和氢离子构成的混合离子对上述制备有外延层和收集层的晶圆进行离子注入工艺，具体离子注入条件为：注入能量为5KeV～1000KeV，如5KeV、10KeV、105KeV、550KeV、890KeV、990KeV、1000KeV等；注入剂量为1E15cm-2～1E18cm-2，如1.1E15cm-2、2E15cm-2、1E16cm-2、1E17cm-2、9E17cm-2、1E18cm-2等；注入温度为20℃～30℃，如20℃、21℃、23℃、26℃、28℃、29℃、30℃等；注入的离子主要分布于收集层中，由于收集层中存在大量的离子，容易形成气体，从而能够降低后续的退火工艺的退火温度。
而后再利用CMOS图像传感器工艺于晶圆上表面的外延层内制备CMOS图像传感器单元，该CMOS图像传感器单元包括光敏二极管，读出电路和外围电路结构，以及焊盘引出结构，该步骤中的CMOS图像传感器工艺在现有技术中均有提及，在此不作赘述；另外，本实施例的CMOS图像传感器单元也可以制备在外延层和于外延层上表面形成的层间绝缘层内，与现有技术中的CMOS图像传感器单元的形成方法无异，在此不作赘述。
将该形成有CMOS图像传感器单元的半导体结构反转，再将该反转后的半导体结构与一键合单元进行键合操作，该键合单元包括键合晶圆和键合层，且键合层覆盖于键合晶圆的上表面；其中，键合层为氧化物或者氮化物，而键合晶圆的材质为单晶硅或者多晶硅；另外，键合操作为疏水键合操作、亲水键合操作或者等离子辅助键合操作，进行完键合操作后的组合晶圆结构为，其键合层上表面与具有CMOS图像传感器单元的半导体结构的外延层或者层间绝缘层紧密结合。
然后再在温度为200℃～450℃的条件下，如200℃、210℃、280℃、330℃、380℃、400℃、440℃、450℃等，对组合晶圆进行退火工艺，以使收集层中的离子在收集层中聚集，聚集的离子形成气体，膨胀的气体会使收集层崩裂，从而使得晶圆衬底剥离，进而实现晶圆衬底的智能剥离，且该剥离后的晶圆衬底可以反复使用，从而降低了器件的生产成本，并且退火温度较低，从而保证器件的性能不受损伤。
最后，对崩裂后的半导体结构的暴露的外延层进行平坦化工艺，该外延层上还可能具有未崩裂的残余收集层，通过平坦化工艺，能够保证该外延层具有一定的平坦度，有益于器件的性能，再对CMOS图像传感器单元进行后期处理操作，该后期处理包括：于该最表面的外延层上制备滤光片阵列和微透镜阵列，同时在焊盘引出结构上方制备焊盘开孔，从而完成背照式CMOS图像传感器的制备。同时，每颗芯片均可通过该焊盘开孔进行芯片测试，测试完成后，可将芯片进行切割，用焊盘引线与外部封装壳连接。
本发明实施例1通过在晶圆衬底上表面沉积一收集层，具体为气体收集层，再于气体收集层上表面生长一外延层后，对气体收集层进行离子注入工艺，在进行完后续的CMOS图像传感器工艺后，形成具有CMOS图像传感器单元的半导体结构，并该半导体结构与一键合单元进行键合操作，而后进行退火工艺，从而使得气体收集层迅速崩裂，克服了现有技术中由于高温退火使得器件性能失效的问题，也克服了现有技术中由于采用长时间背面减薄工艺，导致器件生产成本巨大的问题，从而既降低了器件的生产成本，又能保证器件的良好性能，同时剥离出来的晶圆还可以继续使用，进一步的降低了器件的生产成本。
实施例2：
图2～图10是本发明实施例2提供的一种用低温裂片硅晶圆制备背照式CMOS图像传感器的方法的截面结构流程示意图；如图所示，首先提供一晶圆衬底1，该晶圆衬底1的材质为单晶硅或者多晶硅，并且该晶圆衬底1的厚度为0.1mm～1mm，如0.1mm、0.2mm、0.5mm、0.7mm、0.9mm、1mm等（参见图1）。
而后，在上述晶圆衬底1的上表面上沉积一收集层2，该收集层2为气体收集层，且该收集层2的材质为锗硅或者碳化硅，厚度为0.1nm～200nm，如0.1nm、10nm、60nm、105nm、155nm、195nm、200nm等，具体制备条件为：采用气体GeH4和SiCl2H2或者GeH4和SiH4、He，在温度600℃～1500℃的条件下（如600℃、650℃、750℃、950℃、1150℃、1400℃、1490℃、1500℃等），制备材质为锗硅的收集层2；或者采用气体C3H8和SiH4、He，在温度600℃～1500℃的条件下（如600℃、610℃、730℃、980℃、1050℃、1350℃、1495℃、1500℃等），制备材质为碳化硅的收集层2（参见图2）。
再在上述收集层2的上表面，采用外延生长的方式制备一外延层3，且该外延层3为单晶硅层，该外延层3的厚度为0.1um～5um，如0.1um、0.5um、1.1um、1.9um、2.5um、3.6um、4.9um、5um等（参见图3）。
然后，采用氢离子和/或氦离子或者由硼离子和氢离子构成的混合离子对上述制备有外延层3和收集层2的晶圆进行离子注入工艺，具体离子注入条件为：注入能量为5KeV～1000KeV，如5KeV、10KeV、105KeV、550KeV、890KeV、990KeV、1000KeV等；注入剂量为1E15cm-2～1E18cm-2，如1.1E15cm-2、2E15cm-2、1E16cm-2、1E17cm-2、9E17cm-2、1E18cm-2等；注入温度为20℃～30℃，如20℃、20.5℃、22℃、25℃、27℃、29.5℃、30℃等；注入的离子主要分布于收集层中，由于收集层中存在大量的离子，容易形成气体，从而能够降低后续的退火工艺的退火温度（参见图5和图6）。
在本发明实施例2中，在外延层3的上表面还形成有层间绝缘层30，并利用CMOS图像传感器工艺于晶圆上表面的外延层3和层间绝缘层30内制备CMOS图像传感器单元，该CMOS图像传感器单元包括光敏二极管4、读出电路和外围电路结构以及焊盘引出结构8，读出电路和外围电路结构包括读出电路和外围电路区域5、读出电路和外围电路晶体管6以及读出电路和外围电路金属互连层7，该步骤中的CMOS图像传感器工艺在现有技术中均有提及，在此不作赘述（参见图7）。
将该形成有CMOS图像传感器单元的半导体结构反转，再将该反转后的半导体结构与一键合单元进行键合操作，该键合单元包括键合晶圆10和键合层9，且键合层9覆盖于键合晶圆10的上表面，其中，键合层9为氧化物或者氮化物，而键合晶圆10的材质为单晶硅或者多晶硅；而键合操作为疏水键合操作、亲水键合操作或者等离子辅助键合操作，进行完键合操作后的组合晶圆结构为：键合层9的上表面与层间绝缘层30的外表面紧密结合（参见图8）。
然后再在温度为200℃～450℃的条件下，如200℃、210℃、280℃、330℃、380℃、400℃、440℃、450℃等，对组合晶圆进行退火工艺，以使收集层2中的离子在收集层2中聚集，聚集的大量离子形成气体，使得该收集层2崩裂，从而使得该晶圆衬底1剥离，从而实现晶圆衬底1的智能剥离，且该剥离后的晶圆衬底1可以反复使用，从而降低了器件的生产成本，并且退火温度较低，从而保证器件的性能不受损伤（参见图8）。
最后，对崩裂后的半导体结构的暴露的外延层3进行平坦化工艺，该外延层3上还可能具有未崩裂的残余收集层，通过平坦化工艺，能够保证该外延层3具有一定的平坦度，有益于器件的性能，再对CMOS图像传感器单元进行后期处理操作，该后期处理包括：于该最外表面的外延层3上制备滤光片阵列11和微透镜阵列12，同时在焊盘引出结构8上方制备焊盘开孔13，从而完成背照式CMOS图像传感器的制备。同时，每颗芯片均可通过该焊盘开孔13进行芯片测试，测试完成后，可将芯片进行切割，用焊盘引线14与外部封装壳连接。
本发明实施例2通过在晶圆衬底上表面沉积一收集层，具体为气体收集层，再于气体收集层上表面生长一外延层后，对气体收集层进行离子注入工艺，在进行完后续的CMOS图像传感器工艺后，形成具有CMOS图像传感器单元的半导体结构，并将该半导体结构与一键合单元进行键合操作，而后进行退火工艺，从而使得气体收集层迅速崩裂，克服了现有技术中由于高温退火使得器件性能失效的问题，也克服了现有技术中由于采用长时间背面减薄工艺，导致器件生产成本巨大的问题，从而既降低器件的生产成本，又能保证器件的良好性能，同时剥离出来的晶圆还可以继续使用，进一步的降低了器件的生产成本。
综上所述，本发明通过在晶圆衬底上表面沉积一收集层，具体为气体收集层，再于气体收集层上表面生长一外延层后，对气体收集层进行离子注入工艺，在进行完后续的CMOS图像传感器工艺后，形成具有CMOS图像传感器单元的半导体结构，并将该半导体结构与一键合单元进行键合操作，而后进行退火工艺，从而使得气体收集层迅速崩裂，克服了现有技术中由于高温退火使得器件性能失效的问题，也克服了现有技术中由于采用长时间背面减薄工艺，导致器件生产成本高昂的问题，从而既降了低器件的生产成本，又能保证器件的良好性能，同时剥离出来的晶圆还可以继续使用，进一步的降低了器件的生产成本。
本领域技术人员应该理解，本领域技术人员结合现有技术以及上述实施例可以实现所述变化例，在此不予赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。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做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种用低温裂片硅晶圆制备背照式CMOS图像传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一晶圆衬底；
于所述晶圆衬底上沉积一收集层；
于所述收集层上生长一外延层后，对所述外延层和所述收集层进行离子注入工艺；
继续CMOS图像传感器的制备工艺，形成具有CMOS图像传感器单元的半导体结构后，将该半导体结构与一键合单元进行键合操作；
继续退火工艺，以使所述晶圆衬底剥离；
对所述外延层进行平坦化工艺，继续后期处理操作，完成背照式CMOS图像传感器的制备。
2.如权利要求1所述的用低温裂片硅晶圆制备背照式CMOS图像传感器的方法，其特征在于，所述晶圆衬底的材质为单晶硅或者多晶硅，且所述晶圆衬底的厚度为0.1mm～1mm。
3.如权利要求1所述的用低温裂片硅晶圆制备背照式CMOS图像传感器的方法，其特征在于，所述收集层的材质为锗硅或者碳化硅。
4.如权利要求1所述的用低温裂片硅晶圆制备背照式CMOS图像传感器的方法，其特征在于，在温度为600℃～1500℃的条件下，采用GeH4和SiCl2H2制备所述收集层，或者采用GeH4、SiH4和He制备所述收集层，或者采用C3H8、SiH4和He制备所述收集层；
其中，所述收集层的厚度为0.1nm～200nm。
5.如权利要求1所述的用低温裂片硅晶圆制备背照式CMOS图像传感器的方法，其特征在于，利用外延生长的方法制备所述外延层，且所述外延层的材质为单晶硅层，所述外延层的厚度为0.1um～5um。
6.如权利要求1所述的用低温裂片硅晶圆制备背照式CMOS图像传感器的方法，其特征在于，在注入能量为5KeV～1000KeV、注入剂量为1E15cm-2～1E18cm-2、注入温度为20℃～30℃的条件下进行所述离子注入工艺。
7.如权利要求1所述的用低温裂片硅晶圆制备背照式CMOS图像传感器的方法，其特征在于，采用氢离子和/或氦离子或者由硼离子和氢离子构成的混合离子进行所述离子注入工艺。
8.如权利要求1所述的用低温裂片硅晶圆制备背照式CMOS图像传感器的方法，其特征在于，所述键合单元包括键合晶圆和键合层，且所述键合层覆盖于所述键合晶圆的上表面；
其中，所述键合层为氧化物或者氮化物，所述键合晶圆的材质为单晶硅或者多晶硅。
9.如权利要求1所述的用低温裂片硅晶圆制备背照式CMOS图像传感器的方法，其特征在于，所述键合操作为疏水键合操作、亲水键合操作或者等离子辅助键合操作。
10.如权利要求1所述的用低温裂片硅晶圆制备背照式CMOS图像传感器的方法，其特征在于，在温度为200℃～450℃的条件下进行所述退火工艺。
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