CN103515401A - 用于背照式图像传感器的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种背照式图像传感器包括位于第一衬底中的光电二极管以及第一晶体管，其中第一晶体管电连接至光电二极管。背照式图像传感器进一步包括形成在第二衬底中的多个逻辑电路，其中第二衬底堆叠在第一衬底上并且逻辑电路通过多个接合焊盘连接至第一晶体管。本发明还提供了用于背照式图像传感器的装置和方法。

Description

用于背照式图像传感器的装置和方法

技术领域

本发明一般地涉及半导体技术领域，更具体地来说，涉及用于背照式图像传感器的装置和方法。

背景技术

随着技术演进，由于CMOS图像传感器中固有的一些优势，互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器比传统的电荷耦合元件(CDD)更受欢迎。尤其是，CMOS图像传感器可以具有较高的图像捕获率、较低的工作电压、较低的功耗和较高的抗扰度。另外，可以在与逻辑和存储器件相同的高容量晶圆生产线上制造CMOS图像传感器。结果，CMOS图像芯片可以包括图像传感器和所有必需的逻辑器件(例如，放大器，A/D转换器等)。

CMOS图像传感器为像素化的金属氧化物半导体。CMOS图像传感器通常包括感光图像元件(像素)的阵列，感光图像元件中的每个都可以包括晶体管(开关二极管和复位晶体管)、电容器以及感光元件(例如，光电二极管)。CMOS图像传感器使用感光CMOS电路以将光子转换成电子。感光CMOS电路通常包括形成在硅衬底中的光电二极管。当光电二极管暴露在光下时，在光电二极管中感应电荷。当来自主体场景(subject scene)光入射到像素上时，每个像素可以产生与落在像素上的光量成比例的电子。而且，电子被转换成像素中的电压信号并且进一步通过A/D转换器转换成数字信号。许多外围电路可接收数字信号并且对这些数字信号进行处理以显示主体场景的图像。

CMOS图像传感器可以包括诸如形成在衬底顶部上的介电层和互连金属层的多个附加层，其中，互连层用于连接光电二极管和外围电路。具有CMOS图像传感器的附加层的侧面通常称为前面，而具有衬底的侧面称为背面。根据光路的区别，CMOS图像传感器可以进一步分成两个主类，即，前照式(FSI)图像传感器和背照式(BSI)图像传感器。

在前照式(FSI)图像传感器中，来自主体场景的光入射到CMOS图像传感器的前面上，穿过介电层和互连层，并且最终落在光电二极管上。光路径中的附加层(例如，不透明和反射金属层)可以限制通过光电二极管吸收的光量以降低量子效率。相反，没有来自BSI图像传感器中的附加层(例如，金属层)的障碍。光入射在CMOS图像传感器的背面上。结果，光可以通过直接路径到达光电二极管。这种直接路径有助于提高转换成电子的光子数量。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种方法，包括：提供第一晶圆，所述第一晶圆包括光有源区和连接至所述光有源区的图像传感器的第一晶体管；在所述第一晶圆的第一面上形成第一接合焊盘；提供第二晶圆，所述第二晶圆包括所述图像传感器的逻辑电路以及位于所述第二晶圆的第一面上的第二接合焊盘；将所述第一晶圆堆叠在所述第二晶圆上；以及接合所述第一晶圆和所述第二晶圆，其中：位于所述第一晶圆的第一面上的所述第一接合焊盘电连接至位于所述第二晶圆的第一面上的所述第二接合焊盘；并且所述图像传感器的所述第一晶体管电连接至所述图像传感器的所述逻辑电路。

该方法进一步包括：在所述第一晶圆的第二面上形成输入/输出部件，其中，所述输入/输出部件连接至所述图像传感器的所述逻辑电路。

在该方法中，所述输入/输出部件包括铝铜焊盘。

该方法进一步包括：在接合所述第一晶圆和所述第二晶圆的步骤之后，将所述第一晶圆的第二面减薄至第一厚度。

在该方法中，所述第一厚度在大约2um至大约3um的范围内。

该方法进一步包括：在所述第一晶圆的第二面上形成p+层；以及对所述p+层施加退火工艺。

该方法进一步包括：在所述第一晶圆中形成第二晶体管，其中：所述第一晶体管为所述图像传感器的转移晶体管；所述第二晶体管为复位晶体管；并且所述图像传感器的所述第一晶体管、所述图像传感器的所述第二晶体管、形成在所述第一晶圆中的源极跟随器、形成在所述第一晶圆中的选择晶体管以及所述光有源区形成4晶体管背照式图像传感器。

该方法进一步包括：在具有第一导电性的衬底上生长外延层；在所述外延层中注入具有第二导电性的离子以形成第一光有源区；在所述外延层中注入具有所述第一导电性的离子以形成第二光有源区；以及减薄所述衬底的背面直到暴露所述外延层。

根据本发明的另一方面，提供了一种装置，包括：背照式图像传感器器件，包括：第一晶体管，与所述背照式图像传感器器件的第一面相邻；第一接合焊盘，形成在所述背照式图像传感器器件的第一面中；和光有源区，与所述背照式图像传感器器件的第二面相邻；以及载体，包括多个逻辑电路以及形成在所述载体的第一面中的第二接合焊盘，其中，所述载体和所述背照式图像传感器器件面对面接合在一起，并且所述第一接合焊盘电连接至所述第二接合焊盘。

该装置进一步包括：p+层，形成在所述背照式图像传感器器件的第二面上；滤色器层，形成在所述p+层上；以及微透镜层，形成在所述滤色器层上。

在该装置中，所述光有源区是光电二极管。

该装置进一步包括：外延层，在所述背照式图像传感器器件中生长；光电二极管，内嵌在所述外延层中；隔离区，内嵌在所述外延层中，其中，所述光电二极管被所述隔离区包围；介电层，形成在位于所述背照式图像传感器器件的第一面上方的所述外延层上；以及互连层，形成在所述介电层上。

该装置进一步包括：形成在所述背照式图像传感器器件中的第二晶体管，其中，所述第一晶体管电连接至所述第二晶体管。

在该装置中，所述第一晶体管是4晶体管背照式图像传感器的转移晶体管。

在该装置中，所述第二晶体管是4晶体管背照式图像传感器的复位晶体管。

根据本发明的又一方面，提供了一种器件，包括：光电二极管，位于第一衬底中，其中，所述光电二极管与所述第一衬底的第二面相邻；第一晶体管，形成在所述第一衬底中并且电连接至所述光电二极管，其中，所述第一晶体管连接至形成在所述第一衬底的第一面中的第一接合焊盘；以及逻辑电路，形成在第二衬底中并且连接至形成在所述第二衬底的第一面中的第二接合焊盘，其中：所述第二衬底与所述第一衬底接合，并且所述第二接合焊盘电连接至所述第一接合焊盘。

该器件进一步包括形成在所述第一衬底中的第二晶体管，其中：所述第一晶体管为转移晶体管；并且所述第二晶体管为复位晶体管。

该器件进一步包括：第三晶体管，形成在所述第一衬底中并且连接至所述第二晶体管；以及第四晶体管，形成在所述第一衬底中并且连接至所述第二晶体管。

在该器件中：所述第三晶体管为源极跟随器；并且所述第四晶体管为选择晶体管。

在该器件中，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管、所述第四晶体管以及所述光电二极管形成4晶体管背照式图像传感器。

附图说明

为了更全面理解本发明及其优势，现在将结合附图所进行以下描述作为参考，其中：

图1示出了根据实施例的4晶体管背照式图像传感器的示意图；

图2A示出了根据实施例的背照式图像传感器系统；

图2B示出了根据实施例的背照式图像传感器的截面图；

图3示出了根据另一个实施例的背照式图像传感器的截面图；

图4是根据实施例的当在衬底上实施前面离子注入工艺时的背照式图像传感器的截面图；

图5示出了根据实施例在附加的前面层已经形成在光有源区上方之后图4所示的半导体器件的截面图；

图6是根据实施例在晶圆翻转并接合在载体上之后的背照式图像传感器的截面图；

图7是根据实施例的在已经将减薄工艺应用于晶圆背面之后的图6所示的背照式图像传感器的截面图；

图8是根据实施例的在薄p+离子层已经施加至晶圆背面之后的图7所示的背照式图像传感器的截面图；

图9是根据实施例在已经应用彩色滤光层之后的图8所示的背照式图像传感器的截面图；

图10是根据实施例在已经施加微透镜层之后的图9所示的背照式图像传感器的截面图；以及

图11示出了根据实施例的用于形成背照式图像传感器的方法的流程图。

除非另有说明，否则不同附图中相应的数字和符号通常指的是相应的部分。绘制附图以清楚地示出各种实施例的相关方面并且不必按比例进行绘制。

具体实施方式

下面详细论述了本实施例的制造和使用。然而，应当理解本发明提供了很多可以在各种具体环境中实现的可应用的发明概念。所论述的具体实施例仅是为了说明制造和使用本发明实施例的特定方式，而且并没有限制公开的范围。

将结合具体背景中的实施例(即，背照式图像传感器)描述本发明。然而，本发明的实施例还可以应用于各种图像传感器和半导体器件。此后，将结合附图详细解释各种实施例。

图1示出了根据实施例的4晶体管背照式图像传感器的示意图。4晶体管背照式图像传感器100包括第一部分100A和第二部分100B。第一晶圆中的背照式图像传感器100可以进一步连接至第二晶圆中的逻辑电路(未示出)。更具体地，第一晶圆中的电路通过将第二晶圆堆叠第一晶圆顶部上并且通过诸如接合焊盘的多种互连件将两个晶圆接合在一起来电连接至第二晶圆中的电路。下文中关于图2B论述了堆叠管芯结构的具体描述。

第一部分100A包括串联连接的光电二极管PD和第一晶体管M1。具体地，光电二极管PD具有接地的正极和连接至第一晶体管M1的源极的负极。根据实施例，第一晶体管M1是转移晶体管并且具有连接至转移线(transferline)的栅极。第一晶体管M1的漏极通过多个接合焊盘(未示出，但在图2中示出)连接至第二部分100B。

第二部分100B包括第二晶体管M2、第三晶体管M3和第四晶体管M4。第一晶体管M1的漏极连接至第二晶体管M2的漏极和第三晶体管M3的栅极。第二晶体管M2用作复位晶体管并具有连接至复位线RST的栅极。第二晶体管M2的源极连接至电压源VDD。第二晶体管M2用于预置第三晶体管M3的栅极的电压。第三晶体管M3的源极连接至电压源VDD，并且第三晶体管M3的漏极连接至第四晶体管M4。第三晶体管M3是为4晶体管图像传感器100提供高阻抗输出的源极跟随器。第四晶体管M4用作选择晶体管。第四晶体管M4的栅极连接至选择线SEL。第四晶体管M4的漏极连接至输出线，该输出线连接至数据处理电路(未示出)。

在操作中，光到达光电二极管PD的光有源区。因此，光电二极管PD生成与光强度或者光亮度成比例的电荷。通过施加在第一晶体管M1的栅极的转移信号开启第一晶体管M1来转移电荷。通过第一晶体管M1从光电二极管PD转移的电荷开启第三晶体管M3，从而使得与通过光电二极管PD所生成的电荷成比例的电荷从电压源VDD穿过第三晶体管M3到达第四晶体管M4。当期望采样时，开启选择线SEL，使得电荷流经第四晶体管M4到达连接至第四晶体管M4的输出端的数据处理电路(未示出)。

应该注意，图1示出了背照式图像传感器中的单个像素的示意图。图1所示的像素的示意图可被复制并且可以增加电路以为背照式图像传感器提供多个像素。还应该注意，尽管图1示出了4晶体管结构的像素，但本领域技术人员应该意识到，4晶体管图仅是实例，该实例不能过度限制权利要求的范围。本领域技术人员应该识别出许多变型例、替换以及修改。例如，各种实施例可以包括但不限于3晶体管像素、5晶体管像素等。

图2A示出了根据实施例的背照式图像传感器系统。背照式图像传感器系统包括具有布置为行和列的多个像素的像素阵列286。每个像素的电路图类似于图1所示的图像传感器100，因此本文中没有详细论述以避免重复。像素阵列286通过多个接合焊盘284连接至逻辑电路282。如图2A所示，逻辑电路282可以包括读取电路、信号处理电路、输出电路等。根据实施例，像素阵列286可以形成在第一晶圆(未示出)中。逻辑电路282形成在第二晶圆(未示出)中。可以存在在第一晶圆和第二晶圆之间连接的多个接合焊盘。

图2B示出了根据实施例的背照式图像传感器的截面图。背照式图像传感器200包括四个像素。每个像素都包括第一部分100A和第二部分100B。如图2B所示，第一部分100A和第二部分100B都内嵌在第一半导体晶圆110中。如图2B所示，第二半导体晶圆120被堆叠在第一半导体晶圆110的顶部。多个接合焊盘分别形成在第一半导体晶圆110和第二半导体晶圆120中。而且，位于第二半导体晶圆120处的接合焊盘(例如，接合焊盘123)与位于第一半导体晶圆110处的它们相应的接合焊盘(例如，接合焊盘113)直接接触(face-to-face)对准。第一半导体晶圆110和第二半导体晶圆120通过合适的接合技术(例如，直接结合)结合在一起。下面将结合图6描述直接结合工艺。

根据实施例，图2B所示的接合焊盘可以为圆形。接合焊盘(例如，接合焊盘113)的直径小于图像传感器像素(例如，第一部分110A)的间距。然而，接合焊盘的直径可以大于图像传感器像素的间距。例如，相邻图像传感器像素的接合焊盘可以置于不同行中以形成交错的接合焊盘。这些交错的接合焊盘可以允许接合焊盘具有大于图像传感器像素的间距的直径。

第二半导体晶圆120可包括逻辑电路100C。逻辑电路100C可以为模-数转换器。然而，逻辑电路100C还仅为可以在背照式图像传感器中利用的许多类型的功能电路的代表。例如，尽管逻辑电路100C可以为数据处理电路，但是各种实方式还可以包括连接至背照式图像传感器的其他电路，例如存储电路、偏置电路、基准电路等。

逻辑电路100C可以连接至多个输入/输出端，例如，铝铜焊盘132。如图2B所示，铝铜焊盘132形成在第一半导体晶圆110的背面上。铝铜焊盘132通过通孔和接合焊盘(例如，接合焊盘111和121)电连接至逻辑电路100C。

图3示出了根据另一个实施例的背照式图像传感器的截面图。背照式图像传感器300形成在包括第一半导体晶圆110和第二半导体晶圆120的堆叠的半导体结构中。通过本领域已知的CMOS工艺技术来制造第一半导体晶圆110。具体地，第一半导体晶圆110包括位于硅衬底上方的外延层。根据背照式图像传感器的制造工艺，已经在背面减薄工艺中去除硅衬底直到暴露外延层。如图3所示，保留外延层103的部分。p型光有源区105和n型光有源区104形成在剩余的外延层103中。为了进一步减少形状因子和提高电路密度，可以在较小的工艺节点上制造第一半导体晶圆110。

图3所示的堆叠的半导体结构的有利特征在于，可以通过不同的工艺节点制造光电二极管和逻辑电路(例如，数据处理电路)。例如，可以在较小的工艺节点中制造像素电路，使得可以相应地改善逻辑电路的成本和密度。另外，光电二极管和逻辑电路可以垂直集成在三维芯片中。这种三维芯片有助于进一步减小形状因子。而且，基于图像传感器的三维芯片有助于降低功耗并且防止寄生电容干扰。

光有源区(例如，p型光有源区105和n型光有源区104)可以形成PN结，该PN结用作与图1所示的光电二极管PD相对应的光电二极管。根据实施例，在从p型半导体衬底(未示出)生长的外延层103上形成光有源区(例如，n型光有源区104和P型光有源区)。

第一半导体晶圆100进一步包括形成在外延层103中的隔离区114。如图3所示，通过隔离区密封光有源区104和105。具体地，隔离区有助于防止相邻像素(未示出)的串扰和干扰。根据实施例，隔离区114可以由P-型材料(例如，硼、BF₂等)形成。另外，隔离区114可以包括浅沟槽隔离(STI)结构(未示出)。根据实施例，隔离区114具有大约101²/cm³的掺杂浓度。隔离区114具有大约0um至大约2～3um范围内的掺杂深度。

第一半导体晶圆110可以包括与图1的第一晶体管M1相对应的晶体管。晶体管包括栅电极204。具体地，晶体管可以生成与照射在光有源区104和105上的光的强度或者亮度有关的信号。根据实施例，晶体管可以为转移晶体管。然而，晶体管可以是可以用在背照式图像传感器内的许多类型的功能晶体管的实例。例如，尽管图3所示的晶体管是转移晶体管，但是各种实施例可包括位于背照式图像传感器300内的其他晶体管，例如，复位晶体管、源极跟随器晶体管或者选择晶体管。可以用在图像传感器中的所有合适的晶体管和结构完全旨在包括在本实施例的范围内。

图3所示的晶体管包括形成在外延层103上方的栅极介电层202以及形成在栅极介电层202上方的栅电极204。可以通过本领域已知的任何合适的工艺来形成和图案化栅极介电层202和栅电极204。栅极介电层202可以为高-K介电材料，例如二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化物、含氮的氧化物、氧化铝、氧化镧、二氧化铪、氧化锆、氮氧化铪、它们的组合等。

根据实施例，栅极介电层202包括可以通过任何氧化工艺(例如，湿式热氧化或者干式热氧化)或者通过使用正硅酸乙酯(TEOS)和氧气作为前体的化学汽相沉积(CVD)技术形成的氧化层。

栅电极204可以包括导电材料，例如，金属(例如，钽、钛、钼、钨、铂金、铝、铪、钌)、金属硅化物(例如，硅化钛、硅化钴、硅化镍、硅化钽)、金属氮化物(例如，氮化钛，氮化钽)、掺杂多晶硅、其他导电材料或者它们的组合。根据实施例，可以通过低压化学汽相沉积(LPCVD)沉积掺杂或者非掺杂多晶硅栅电极204由多晶硅形成。

漏极/源极区206可以形成在栅极介电层202远离光有源区104和105的相对侧面上的外延层103中。根据实施例，可以通过注入合适的n-型掺杂剂(例如，磷、砷、锑等)来形成漏极和源极区206。

如图3所示，层间电介质(ILD)层208形成在包括光电二极管的衬底的上方。ILD层208可以包括诸如掺硼磷硅玻璃(BPSG)的材料，但是任何合适的电介质可以用于任何层。尽管可以可选地使用其他工艺(例如，LPCVD)，但是可以使用诸如PECVD的工艺来形成ILD层208。

可以存在连接至栅电极204和漏极/源极206的多个接触件210。可以利用合适的光刻和蚀刻技术形成通过ILD层208的接触件210。通常，这些光刻技术包括沉积光刻胶材料，该光刻胶材料被掩蔽、曝光和显影以暴露要被去除的ILD层208的部分。剩余的光刻胶材料保护下面的材料免于后续工艺步骤(例如，蚀刻)。

接触件210可以包括势垒层/粘合层(未示出)来阻止扩散并且为接触件210提供较好的粘附性。在一种实施例中，势垒层由钛层、氮化钛层、钽层、氮化钽层等的一种或者多种形成。尽管可以可选地使用其他技术，但是可以通过化学汽相沉积来形成势垒层。

接触件210可以由任何合适的导电材料(例如，高导电和低阻抗金属、元素金属、过渡金属等)形成。根据实施例，尽管可以可选地使用例如铜的其他材料，但是接触件210由钨形成。在接触件210由钨形成的实施例中，尽管可以可选地使用任何形成方法，但是可以通过本领域已知的CVD技术来沉积接触件210。

在形成接触件210以后，可以存在形成在ILD层208上方的多个互连层。为了简化，仅示出了两个互连层以表示各个实施例的发明方面。第一互连层212形成在ILD层208上方。如图3所示，第一互连层212可以包括分别连接至栅电极204以及漏极和源极区206的金属线214和216。金属线214和216可以通过任何合适的形成工艺(例如，光刻与蚀刻、镶嵌、双镶嵌等)制作并且可以使用合适的导电材料(例如，铜、铝、铝合金、铜合金等)形成。

第二互连层222形成在第一互连层212的上方。第二互连层222可包括接合焊盘224和226。根据实施例，接合焊盘224和226由诸如铜等的导电材料形成。如图3所示，接合焊盘224和226通过通孔228分别电连接至金属线214和216。

图3所示的第二半导体晶圆120堆叠在第一半导体晶圆110的顶部上。第二半导体晶圆120可以包括逻辑电路100C。逻辑电路100C可以包括适于图像处理的各种逻辑电路。根据实施例，第二半导体晶圆120包括数字电路。

第二半导体晶圆120进一步包括接合焊盘254和256。如图3所示，接合焊盘254和256分别与接合焊盘224和226直接接触对准。而且，诸如254的接合焊盘和诸如224的接合焊盘接合在一起以形成一体化接合结构。换句话说，诸如254和224的接合焊盘为堆叠的半导体结构的接合介质。下面将结合图6详细描述第一半导体晶圆110和第二半导体晶圆120的接合工艺。

图4至图10示出了根据实施例的制造背照式图像传感器的方法。图4是根据实施例当在衬底上实施前面离子注入工艺时的背照式图像传感器晶圆的截面图。背照式图像传感器晶圆300包括具有第一导电性的衬底102。根据实施例，衬底102为p型衬底。衬底102可以由硅、锗、硅锗、逐渐变化的硅锗、绝缘体上半导体、碳、石英、蓝宝石、玻璃等形成，并且可以被多层化(例如，应变层)。在p型衬底102上生长p型外延层103。

可以通过本领域已知的离子注入或者扩散工艺来实现图4所示的光有源区。根据实施例，p型杂质离子从晶圆的前面注入到p型外延层103以形成p型光有源区105。另外，n型杂质离子从晶圆的前面注入以形成n型光有源区104。

背照式图像传感器晶圆300可以包括多个像素(未示出)，每个像素都包括通过p型光有源区(例如，光有源区105)和n型光有源区(例如，光有源区104)形成的PN结。为了防止相邻像素之间的串扰和干扰，采用隔离区114来密封光有源区104和105。

根据实施例，隔离区114可以包括STI结构(未示出)。可通过蚀刻部分衬底以形成沟槽并且用氧化物和/或其他介电材料填充沟槽来形成STI结构。隔离区114有助于阻止来自相邻像素的反射光到达光有源区104和光有源区105。

图5示出了根据实施例在附加的前面层已经形成在光有源区上方以后的图4所示的半导体器件的截面图。ILD层208形成在外延层103上方。第一互连层212可以形成在ILD层208上方。第二互连层222形成在第一互连层212上方。第一互连层212的金属线和第二互连层222的接合焊盘可以通过等离子蚀刻或者镶嵌工艺图案化并且可以由任何适于具体应用的导电材料形成。可以是合适的材料包括诸如铝、铜、掺杂的多晶硅等。根据实施例，在直接接合工艺中，可以通过Cu-Cu接合、Au-Au接合、Ni-Ni接合等来实现两个晶圆之间的连接。可以形成接触件210和通孔228以提供互连层212和下面电路(例如，栅电极204以及漏极/源极区206)之间的电连接。

图6是根据实施例的在翻转晶圆并且接合在载体250上之后的背照式图像传感器的截面图。一旦形成互连层212和222，就翻转背照式图像传感器晶圆300并且进一步接合在载体250上。具体地，背照式图像传感器晶圆300的前面面对载体250的前面。根据实施例，载体250是包括背照式图像传感器的逻辑电路的半导体晶圆。具体地，在载体250中制造各种逻辑电路，例如，像素电路、存储电路、数据处理电路等的复位晶体管。

可以采用各种接合技术以实现在背照式图像传感器晶圆200和载体250之间的接合。根据实施例，合适的接合技术可包括直接结合、混合结合等。根据实施例，通过这种接合卡盘的结合结构(未示出)，背照式图像传感器晶圆300堆叠位于腔(未示出)中的载体250的顶部。具体地，背照式图像传感器晶圆300的接合焊盘(例如，接合焊盘224和226)与设置在载体250处的它们相应的接合焊盘(例如，接合焊盘254和256)直接接触对准。

可以在堆叠的晶圆结构上实施热压法接合工艺。这种热压法接合工艺可以导致铜内部扩散。更具体地，接合焊盘的铜原子获得足够的能量以在两个相邻的接合焊盘之间扩散。结果，均匀的铜层形成在两个相邻的接合焊盘之间。这种均匀的铜层有助于诸如224的接合焊盘和诸如254的接合焊盘形成一体化结合部件。一体化结合部件确立背照式图像传感器晶圆300和载体晶圆250之间的导电路径。另外，一体化的结合部件还提供了机械结合以保持背照式图像传感器晶圆300和载体晶圆250。

根据实施例，两个接合焊盘之间的对准精度小于0.9um。可以通过X方向位移、Y方向位移以及旋转角度来定义对准精度。根据实施例，两个接合焊盘之间的X方向位移小于0.8um。两个接合焊盘之间的Y方向位移小于0.8um。两个接合焊盘之间的旋转角度在大约一度至大约两度的范围内。

可以在位于具有惰性气体(例如，氩气、氮气、氦等)的腔中堆叠的半导体结构上实施后接合退火工艺。堆叠的半导体结构在大于150度的温度下烘焙大约30分钟至3小时。结果，背照式图像传感器晶圆的接合焊盘和载体250的接合焊盘通过后接合退火工艺可靠地接合在一起。

载体250包括各种功能电路。功能电路通过接合工艺连接至图像传感器像素，使得可以通过功能电路处理由图像传感器像素所生成的电子。另外，载体250可提供足够的机械支承以抵抗由于减薄工艺的研磨步骤所产生的力。下面将结合图7描述减薄工艺。

图7是根据实施例在晶圆的背面已经应用减薄工艺之后的图6所示的背照式图像传感器晶圆的截面图。根据背照式图像传感器的制造工艺，减薄衬底直到去除衬底102(图6中示出的)并且暴露外延层103为止。更具体地，可以将背照式图像传感器晶圆300的衬底背面(例如，剩余的p型外延层103)减薄到在大约2um至大约3um范围内的厚度。这种薄衬底层允许光穿过衬底(未示出)并且到达内嵌在衬底中的光电二极管，而没有被衬底吸收。

可以通过合适的技术(例如，研磨、抛光和/或化学蚀刻)来实施减薄工艺。根据实施例，可以通过使用化学机械抛光(CMP)工艺来实施减薄工艺。在CMP工艺中，蚀刻材料和研磨材料的组合与衬底的背面接触并且研磨焊盘(未示出)用于研磨掉衬底的背面直到实现期望的厚度。

图8是根据实施例在晶圆的背面已经施加薄p+离子层之后的图7所示的背照式图像传感器晶圆的截面图。而且，可以在减薄衬底的背面上形成薄p+离子层802以提高转换成电子的光子数量。p+离子注入工艺可以造成晶体缺陷。为了修复晶体缺陷和激活注入p+离子，可以在背照式图像传感器晶圆300的背面上实施退火工艺。

图9是根据实施例在已经应用滤色器层之后的图8所示的背照式图像传感器晶圆的截面图。滤色器层902可用于允许特定波长的光穿过而反射其他波长的光，从而允许图像传感器来确定通过光有源区104接收的光的颜色。滤色器层902可以变化，例如，红色、绿色和蓝色滤光片。也可以使用其他组合(例如，青绿色、黄色和品红色)。还可以改变不同颜色的滤色器902的数量。

根据实施例，滤色器层902可以包括颜料或者染色材料，例如，丙烯酸。例如，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或者聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(PGMA)为可以加入颜料或者染色剂以形成彩色滤波片层902的合适材料。然而，可以使用其他材料。可以通过本领域已知的任何合适的方法来形成滤色器层902。

图10是根据实施例的在已经应用微透镜层之后的图9所示的背照式图像传感器晶圆的截面图。微透镜层1002可以由可以图案化并且形成透镜的任何材料形成，例如，高透射率的丙烯酸聚合物。微透镜层1002的厚度为大约0.1um至大约2.5um。根据实施例，可以使用本领域已知的液体状态的材料和旋涂技术来形成微透镜层1002。已经发现这种方法来制造基本上平坦的表面以及具有基本上均匀厚度的微透镜层1002，从而提供更均匀的微透镜。也可使用其他方法，例如，化学汽相沉积(CVD)、物理汽相沉积(PVD)等的沉积技术。

图11示出了根据实施例的用于形成背照式图像传感器的方法流程图。在步骤1102中，将前面注入工艺应用于CMOS图像传感器晶圆以形成各种掺杂区域，例如，光有源区和隔离区。根据实施例，光有源区可以为大约2um的深度。

在步骤1104中，将CMOS图像传感器晶圆翻转并且接合在载体上，其中载体包括用于CMOS图像传感器的逻辑电路。根据背照式图像传感器晶圆的制造工艺，在衬底的背面上实施衬底减薄工艺，使得衬底的厚度减小至大约2um的厚度。这种减薄的衬底有助于允许光从衬底的背面传播。

在步骤1106中，通过离子注入工艺，薄p+离子层可以形成在减薄衬底上以提高量子效率。根据实施例，薄p+离子层具有大约100的厚度。在步骤1108中，在衬底的背面上实施退火工艺以修复由于p+离子注入产生的缺陷并且激活p+离子。

尽管已经详细地描述了本发明的实施例及其优势，但应该理解，可以在不背离所附权利要求限定的本发明主旨和范围的情况下，做各种不同的改变、替换和更改。

而且，本申请的范围并不仅限于本说明书中描述的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法和步骤的特定实施例。作为本领域普通技术人员应理解，通过本发明，现有的或今后开发的用于执行与根据本发明所采用的所述相应实施例基本相同的功能或获得基本相同结果的工艺、机器、制造，材料组分、装置、方法或步骤根据本发明可以被使用。因此，所附权利要求旨在包括在这种工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤的范围内。

Claims (10)

1.一种方法，包括：

提供第一晶圆，所述第一晶圆包括光有源区和连接至所述光有源区的图像传感器的第一晶体管；

在所述第一晶圆的第一面上形成第一接合焊盘；

提供第二晶圆，所述第二晶圆包括所述图像传感器的逻辑电路以及位于所述第二晶圆的第一面上的第二接合焊盘；

将所述第一晶圆堆叠在所述第二晶圆上；以及

接合所述第一晶圆和所述第二晶圆，其中：

位于所述第一晶圆的第一面上的所述第一接合焊盘电连接至位于所述第二晶圆的第一面上的所述第二接合焊盘；并且

所述图像传感器的所述第一晶体管电连接至所述图像传感器的所述逻辑电路。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

在所述第一晶圆的第二面上形成输入/输出部件，其中，所述输入/输出部件连接至所述图像传感器的所述逻辑电路。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述输入/输出部件包括铝铜焊盘。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

在接合所述第一晶圆和所述第二晶圆的步骤之后，将所述第一晶圆的第二面减薄至第一厚度。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一厚度在大约2um至大约3um的范围内。

6.根据权利要求4所述的方法，进一步包括：

在所述第一晶圆的第二面上形成p+层；以及

对所述p+层施加退火工艺。

7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：在所述第一晶圆中形成第二晶体管，其中：

所述第一晶体管为所述图像传感器的转移晶体管；

所述第二晶体管为复位晶体管；并且

所述图像传感器的所述第一晶体管、所述图像传感器的所述第二晶体管、形成在所述第一晶圆中的源极跟随器、形成在所述第一晶圆中的选择晶体管以及所述光有源区形成4晶体管背照式图像传感器。

8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

在具有第一导电性的衬底上生长外延层；

在所述外延层中注入具有第二导电性的离子以形成第一光有源区；

在所述外延层中注入具有所述第一导电性的离子以形成第二光有源区；以及

减薄所述衬底的背面直到暴露所述外延层。

9.一种装置，包括：

背照式图像传感器器件，包括：

第一晶体管，与所述背照式图像传感器器件的第一面相邻；

第一接合焊盘，形成在所述背照式图像传感器器件的第一面中；

和

光有源区，与所述背照式图像传感器器件的第二面相邻；以及

载体，包括多个逻辑电路以及形成在所述载体的第一面中的第二接合焊盘，其中，所述载体和所述背照式图像传感器器件面对面接合在一起，并且所述第一接合焊盘电连接至所述第二接合焊盘。

10.一种器件，包括：

光电二极管，位于第一衬底中，其中，所述光电二极管与所述第一衬底的第二面相邻；

第一晶体管，形成在所述第一衬底中并且电连接至所述光电二极管，其中，所述第一晶体管连接至形成在所述第一衬底的第一面中的第一接合焊盘；以及

逻辑电路，形成在第二衬底中并且连接至形成在所述第二衬底的第一面中的第二接合焊盘，其中：

所述第二衬底与所述第一衬底接合，并且

所述第二接合焊盘电连接至所述第一接合焊盘。

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