CN104659040A

CN104659040A - 一种全隔离背照式图像传感器及其制造方法

Info

Publication number: CN104659040A
Application number: CN201310586603.XA
Authority: CN
Inventors: 刘华明
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2015-05-27

Abstract

本发明公开一种全隔离背照式图像传感器结构，由上至下依次包括：承载基片、后道膜层、外延后的器件硅基、埋入氧化层、滤光片和微透镜；所有器件制造在埋入氧化层上的器件硅基上；该图像传感器感光单元的隔离采用沟槽隔离，并且填充绝缘介质的沟槽与埋入氧化层直接连接，将感光单元有源区彼此完全隔离；所述器件硅基上形成有光电二极管，光电二级管的接地通过正表面的浓掺杂区引出。此外，本发明还公开了该全隔离背照式图像传感器的制造方法。本发明解决了现有工艺易发生的混色(cross talk)问题；埋入氧化层简化了BSI（背照式CMOS）背面工艺的复杂度，对器件进行了无损保护，避免了背面薄化均匀性不好，量子效率不一致等问题。

Description

一种全隔离背照式图像传感器及其制造方法

技术领域

本发明属于半导体集成电路制造领域，具体涉及半导体图像传感器，尤其涉及一种全隔离背照式图像传感器及其制造方法。

背景技术

现有的背照式图像传感器选用单晶硅片或者基片为重掺杂的外延片进行CIS(CMOSImage Sensor，CMOS图像传感器)芯片制造，背面处理通常包括背面薄化，表面注入，掺杂激活，表面钝化，金属遮光边墙等复杂而难点多的工艺。由于缺少材料分明的薄化刻蚀终止层，其器件厚度的控制难度较大，化学机械研磨CMP或刻蚀存在面内均匀性问题，对感光器件也会有直接损伤。这些问题直接影响感光器件的量子效率。光电二级管通常通过背侧表面进行接地，像素单位之间通过体硅相互连通，光线和电子容易相互串扰，造成混色(crosstalk)问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种全隔离背照式图像传感器，本发明引入埋入氧化层并且形成埋入氧化层与沟槽绝缘介质直接连接的结构，隔离了像素之间光线和电子的传输途径，解决了现有工艺易发生的混色(cross talk)问题；埋入氧化层简化了BSI（背照式CMOS）背面工艺的复杂度，对器件进行了无损保护，避免了背面薄化均匀性不好，量子效率不一致等问题。为此，本发明还提供该全隔离背照式图像传感器的制造方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种全隔离背照式图像传感器结构，由上至下依次包括：承载基片、后道膜层、外延后的器件硅基、埋入氧化层、滤光片和微透镜；所有器件制造在埋入氧化层上的器件硅基上；该图像传感器感光单元的隔离采用沟槽隔离，并且填充绝缘介质的沟槽与埋入氧化层直接连接，将感光单元有源区彼此完全隔离；所述器件硅基上形成有光电二极管，光电二级管的接地通过正表面的浓掺杂区引出。

所述滤光片包括彩色滤光片和不透光的黑色滤光片。

所述器件硅基上形成有光电二极管掩埋区、表面浓掺杂区、传输栅极和浮置扩散区；光电二极管的P极经过表面P+区引出接地；或者光电二极管的N极经过表面N+区引出接地。

此外，本发明还提供一种所述的全隔离背照式图像传感器的制造方法，包括如下步骤：

步骤1，在单晶硅基片上形成埋入氧化层和氧化层上器件硅基；

步骤2，对器件硅基进行掺杂，之后通过外延增加器件硅基厚度，满足器件设计需求；

步骤3，传感器感光单元的隔离采用沟槽工艺，沟槽底部完全接触到埋入氧化层，沟槽内绝缘介质与埋入氧化层连为一体，将相邻像素的有源区完全隔离；

步骤4，通过CMOS工艺制造完成CIS芯片，包括前道器件和后道金属互联，其中光电二级管的接地通过正表面的浓掺杂区引出；

步骤5，完成承载基片与器件硅基片的键合；

步骤6，对键合为一体的基片进行背面薄化，埋入氧化层作为薄化工艺的刻蚀终止层；

步骤7，背面感光区域制作形成三原色彩色滤光片以及微透镜。

步骤1中，在单晶硅基片上形成埋入氧化层之前，对单晶硅基片进行能量120～200keV，剂量4E17～1E18ions/cm²的O⁺离子注入，单晶硅基片的温度稳定在550～650℃。

步骤1中，单晶硅基片经过两阶段的1300～1350℃的高温退火和氧化：第一阶段在Ar中退火形成埋入氧化层；第二阶段在Ar与O₂混合气氛下氧化（其中O₂体积占混合气体体积的25～55%），埋入氧化层厚度增加，同时埋入氧化层上器件硅基形成表面氧化层；然后，采用湿法腐蚀去除表面氧化层，形成厚度为的埋入氧化层与厚度为0.15～0.25μm的器件硅基。

步骤2中，对器件硅基进行P型注入并完成退火激活，完成光电二级管在背侧的表面钝化；然后，依据不同器件的设计需求，在器件硅基上外延生长0.3～6μm的P型外延硅。

步骤3中，所述沟槽工艺采用浅沟槽隔离或者深沟槽隔离刻蚀工艺，背面工艺的套准图形在该步沟槽工艺中同步完成；沟槽经过热氧化在内壁生长衬垫氧化层，再用高密度等离子工艺淀积绝缘介质填充沟槽，经氧化并填充的沟槽与埋入氧化层连成一体，形成了完全隔离的感光单元有源区。

步骤4中，所述光电二级管区域主要包括：光电二极管N型掩埋区，表面P+区，Tx传输栅极，N+型FD区，后道膜层；光电二极管的P极经过表面P+区引出接地。

步骤6中，所述对键合为一体的基片进行背面薄化，采用Si对SiO₂高选择比的干法刻蚀或湿法腐蚀进行背面薄化，埋入氧化层作为薄化工艺的刻蚀终止层，去除单晶硅基片。

在步骤6和步骤7之间增加如下步骤：湿法腐蚀调整埋入氧化层的最终厚度，作为背面抗反射层。

步骤7中，背面感光区域制作形成红色，绿色，蓝色不同彩色滤光片；背面非感光区域覆盖不透光的黑色滤光片；所述彩色滤光片上制作形成微透镜。

和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明中埋入氧化层与沟槽内绝缘介质直接连接的结构隔离了像素之间光线和电子的传输途径，有效解决了混色问题，提高图像品质。本发明利用埋入氧化层SiO₂作为BSI薄化工艺的刻蚀终止层对器件进行了无损保护，器件厚度与光电二极管的上下PN结深完全由外延厚度与器件掺杂设计决定，保证了像素的高量子效率与高一致性好，直接提升了图像品质；背面工艺简化易控制，整个wafer（硅片）面内均匀性一致，提高产品良率。

附图说明

图1是本发明全隔离背照式图像传感器的结构示意图；

图2-图9是本发明实施例1的制造工艺流程示意图；其中，图2是本发明实施例1的步骤2完成后的断面结构示意图；图3是本发明实施例1的步骤3完成后的断面结构示意图；图4是本发明实施例1的步骤5完成后的断面结构示意图；图5是本发明实施例1的步骤6完成后的断面结构示意图；图6是本发明实施例1的步骤7完成后的断面结构示意图；图7是本发明实施例1的步骤8完成后的断面结构示意图；图8是本发明实施例1的步骤9完成后的断面结构示意图；图9是本发明实施例1的步骤10完成后的断面结构示意图；

附图标记说明如下：

1：单晶硅基片，2：埋入氧化层，3-1：器件硅基，3-2：外延后的器件硅基，4：表面氧化层，5-1：沟槽，5-2：经氧化并填充的沟槽，6：完全隔离的感光单元有源区，7：光电二极管N型掩埋区，8：表面P+区，9：Tx传输栅极，10：N+型FD(Floating Diffusion，浮置扩散)区，11：后道膜层，12：承载基片，13：彩色滤光片，14：不透光的黑色滤光片，15：微透镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

本发明以采用N-type掩埋型(Pinned)光电二极管(PhotoDiode)的背照式(BSI)CMOS图像传感器为实施例进行说明。最终结构如图1所示。本发明一种全隔离背照式图像传感器的具体制造工艺如下：

1、采用无掺杂或P型轻掺杂的(100)单晶硅基片1，进行能量120～200keV，剂量4E17～1E18ions/cm²的O⁺离子注入，硅基片1的温度稳定在550～650℃。

2、O⁺注入后的硅基片1经过两阶段的高温（1300～1350℃）退火和氧化：第一阶段在Ar中退火形成埋入氧化层2(BOX)；第二阶段在Ar与O₂混合气氛（其中O₂体积占混合气体体积的25～55%）下氧化，埋入氧化层2厚度增加，同时埋入氧化层2上器件硅基3-1形成表面氧化层4，如图2所示。

3、湿法腐蚀去除表面氧化层4，形成厚度为的埋入氧化层2(BOX)与厚度为0.15～0.25μm的器件硅基3-1，如图3所示。

4、对器件硅基3-1进行P型注入（硼离子）并完成退火激活，完成光电二级管背侧表面的P型掺杂（即完成光电二极管在背侧的表面钝化）。根据本发明，该步掺杂工艺可替代BSI后继工艺中通常较为困难和复杂的背面注入和激活。

5、依据不同器件的设计需求，可在器件硅基3-1上外延生长0.3～6μm的P型外延硅，经过外延后的器件硅基3-2如图4所示。

6、图像传感器感光单元（或像素单元）的隔离采用沟槽5-1隔离，使得每个像素彼此隔离。根据硅基的厚度不用，可采用浅沟槽隔离(STI)或者深沟槽隔离(DTI)刻蚀工艺，其要求与特点是沟槽5-1底部完全接触到埋入氧化层2(BOX)，如图5所示。背面工艺的套准图形在该步沟槽工艺中同步完成。

7、沟槽5-1经过热氧化在内壁生长衬垫氧化层，再用高密度等离子(HDP)工艺淀积SiO₂（或其他低折射率绝缘介质材料）进行填充沟槽5-1，经氧化并填充的沟槽5-2与埋入氧化层2连成一体，形成了完全隔离(Full-Isolated)的感光单元有源区6，如图6所示。本发明中埋入氧化层2与沟槽5-2内绝缘介质直接连接的结构隔离了像素之间光线和电子的传输途径，有效解决了混色问题，提高图像品质。

8、通过CMOS工艺制造完成CIS(CMOS Image Sensor，CMOS图像传感器)芯片。图7显示一两层金属的4-T CIS芯片的光电二级管区域的截面结构，主要包括：光电二极管N型掩埋区7，表面P+区8，Tx传输栅极9，N+型FD(Floating Diffusion)区10，后道膜层11，如图7所示。其中该结构的一特点是光电二极管的P极经过表面P+区8引出接地。

9、键合(bonding)承载基片12与完成正面器件制造的硅基片，如图8所示。

10、对键合为一体的基片进行背面薄化(thinning)工艺，采用对Si和SiO₂高选择比的化学制剂进行湿法腐蚀(Wet Etching)，埋入氧化层2(BOX)作为薄化工艺的刻蚀终止层，去除硅基片1，如图9所示。根据本发明结构，采用埋入氧化层2(BOX)为薄化终止层具有以下优点：（1）由于埋入氧化层的保护，薄化工艺对于芯片器件完全无损伤，器件厚度与光电二极管的上下PN结深完全由外延厚度与器件掺杂设计决定，保证了像素的高量子效率与高一致性好，直接提升了图像品质；（2）避免了通常薄化厚度控制精度要求高，面内均匀性一致等技术障碍，背面工艺简化易控制，整个wafer（硅片）面内均匀性一致，提高产品良率；（3）可选用湿法腐蚀，化学机械研磨CMP与湿法腐蚀组合，化学机械研磨CMP与干法刻蚀组合等多种薄化方式实现。

11、经过再次湿法腐蚀可调整埋入氧化层2膜厚到特定厚度，作为背面抗反射层。

12、背面感光区域制作形成红色，绿色，蓝色不同彩色滤光片13(Color Filter)；背面非感光区域制作不透光的黑色滤光片14，本发明采用黑色滤光片14替代通常的金属淀积与刻蚀形成的遮光边墙，如图1所示。

13、彩色滤光片上制作形成微透镜15(Micro-lens)，如图1所示。

采用本发明方法制造的全隔离背照式图像传感器结构如图1所示，该图像传感器由上至下依次包括：承载基片12、后道膜层11、外延后的器件硅基3-2、埋入氧化层2、彩色滤光片13、不透光的黑色滤光片14和微透镜15；所有器件制造在埋入氧化层2上的器件硅基3-2上；该图像传感器感光单元的隔离采用沟槽5-2隔离，并且填充绝缘介质的沟槽5-2与埋入氧化层2直接连接，将感光单元有源区彼此完全隔离；所述器件硅基3-2上形成有光电二极管，该光电二级管区域的截面结构，主要包括：光电二极管N型掩埋区7、表面P+区8、Tx传输栅极9、N+型FD区10、后道膜层11；该光电二极管的P极经过表面P+区8引出接地。

实施例2

以采用P-type掩埋型(Pinned)光电二极管(PhotoDiode)的背照式(BSI)CMOS图像传感器为实施例进行说明。与实施例1的区别在于：单晶硅基片1是无掺杂或N型轻掺杂的(100)单晶硅基片，光电二极管N型掩埋区7是光电二极管P型掩埋区，表面P+区8是表面N+区，N+型FD区10是P+型FD区。步骤4中，对器件硅基3-1进行N型注入并完成退火激活，完成光电二级管背侧表面的N型掺杂。步骤5中，在器件硅基3-1上外延生长0.3～6μm的N型外延硅。步骤8中，光电二极管的N极经过表面N+区引出接地。

以上对实施例便于本领域专业人士理解该发明结构和制造方法，并非限制为在本说明书中揭示的特定实例。在不脱离本发明范围内，可有多种修改形式。

Claims

1.一种全隔离背照式图像传感器结构，其特征在于：由上至下依次包括：承载基片、后道膜层、外延后的器件硅基、埋入氧化层、滤光片和微透镜；所有器件制造在埋入氧化层上的器件硅基上；该图像传感器感光单元的隔离采用沟槽隔离，并且填充绝缘介质的沟槽与埋入氧化层直接连接，将感光单元有源区彼此完全隔离；所述器件硅基上形成有光电二极管，光电二级管的接地通过正表面的浓掺杂区引出。

2.按权利要求1所述的结构，其特征在于，所述滤光片包括彩色滤光片和不透光的黑色滤光片。

3.按权利要求1所述的结构，其特征在于，所述器件硅基上形成有光电二极管掩埋区、表面浓掺杂区、传输栅极和浮置扩散区；光电二极管的P极经过表面P+区引出接地；或者光电二极管的N极经过表面N+区引出接地。

4.一种如权利要求1所述的全隔离背照式图像传感器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤5，完成承载基片与器件硅基片的键合；

5.按权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1中，在单晶硅基片上形成埋入氧化层之前，对单晶硅基片进行能量120～200keV，剂量4E17～1E18ions/cm²的O⁺离子注入，单晶硅基片的温度稳定在550～650℃。

6.按权利要求4或5所述的方法，其特征在于，步骤1中，单晶硅基片经过两阶段的1300～1350℃的高温退火和氧化：第一阶段在Ar中退火形成埋入氧化层；第二阶段在Ar与O₂混合气氛下氧化，埋入氧化层厚度增加，同时埋入氧化层上器件硅基形成表面氧化层；然后，采用湿法腐蚀去除表面氧化层，形成厚度为的埋入氧化层与厚度为0.15～0.25μm的器件硅基。

7.按权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤2中，对器件硅基进行P型注入并完成退火激活，完成光电二级管在背侧的表面钝化；然后，依据不同器件的设计需求，在器件硅基上外延生长0.3～6μm的P型外延硅。

8.按权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤3中，所述沟槽工艺采用浅沟槽隔离或者深沟槽隔离刻蚀工艺，背面工艺的套准图形在该步沟槽工艺中同步完成；沟槽经过热氧化在内壁生长衬垫氧化层，再用高密度等离子工艺淀积绝缘介质填充沟槽，经氧化并填充的沟槽与埋入氧化层连成一体，形成了完全隔离的感光单元有源区。

9.按权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤4中，所述光电二级管区域主要包括：光电二极管N型掩埋区，表面P+区，Tx传输栅极，N+型FD区，后道膜层；光电二极管的P极经过表面P+区引出接地。

10.按权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤6中，所述对键合为一体的基片进行背面薄化，采用Si对SiO₂高选择比的干法刻蚀或湿法腐蚀进行背面薄化，埋入氧化层作为薄化工艺的刻蚀终止层，去除单晶硅基片。

11.按权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤6和步骤7之间增加如下步骤：湿法腐蚀调整埋入氧化层的最终厚度，作为背面抗反射层。

12.按权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤7中，背面感光区域制作形成红色，绿色，蓝色不同彩色滤光片；背面非感光区域覆盖不透光的黑色滤光片；所述彩色滤光片上制作形成微透镜。