CN104752448A - 背照式cmos图像传感器及其形成方法 - Google Patents

Abstract

一种背照式CMOS图像传感器及其形成方法，其中背照式CMOS图像传感器的形成方法包括：提供第一晶圆和第二晶圆，在第一晶圆正面形成有多个像素单元，第一晶圆正面和第二晶圆键合；对第一晶圆背面进行减薄处理；在第一晶圆背面形成保护层；对第一晶圆背面进行离子注入，注入离子穿过保护层扩散进入第一晶圆背面形成隔离层；在形成隔离层后，在保护层上形成多个滤光片和位于滤光片上的透镜，每个滤光片与一个像素单元对准。保护层使第一晶圆背面免遭离子束损伤。而且，保护层可有效控制离子注入深度的目的，保证离子不会扩散到像素单元，光电二极管在无光照状态下的暗电流具有一致性，避免漏电现象，在光照状态下得到的图像清晰。

Description

背照式CMOS图像传感器及其形成方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种BSI（Back-Side Illumination，BSI）图像传感器及其形成方法。

背景技术

图像传感器是数字摄像头的重要组成部分，其作用是将光信号转化为相应的电信号。根据构成元件不同，图像传感器分为电荷耦合（Charge CoupledDevice，CCD）图像传感器和金属氧化物半导体（Complementary Metal-OxideSemiconductor，CMOS）图像传感器。

与CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器（具有更方便的驱动模式并且能够实现各种扫描类型。而且，将信号处理电路集成到单个芯片中使得小型化CMOS图像传感器成为可能。此外，通过使用广泛兼容的CMOS技术，CMOS图像传感器有助于降低功耗和制造成本。因而，CMOS图像传感器具有更广泛的应用。

背照式CMOS图像传感器因其更高的光子捕获效率而代替了正面发光（Front-Side Illumination，FSI）的CMOS图像传感器。

现有的背照式CMOS图像传感器的形成方法包括：

参照图1，提供第一晶圆1，在第一晶圆1正面S1中形成有浅沟槽隔离结构2，相邻两浅沟槽隔离结构2之间为一像素单元3，第一晶圆1包括若干像素单元3，浅沟槽隔离结构2将相邻像素单元3相互隔开；

每个像素单元3包括一个发光二极管和多个MOS晶体管（图中未示出），在第一晶圆1正面S1还形成有外围电路（periphery circuit），所述发光二极管可吸收光信号并将其转化为电信号，位于同一像素单元的MOS晶体管接收并处理该电信号后输出，外围电路接收MOS晶体管输出的处理电信号并进行转换、运算处理等；

在第一晶圆1正面S1上形成互连结构（图中未示出）。

参照图2，取第二晶圆4，将第二晶圆4与第一晶圆1在第一晶圆1正面S1方向键合，并对第一晶圆1背面S2减薄，减薄后的第一晶圆1很薄，第二晶圆4将起到主要的支撑作用。

参照图3，将第二晶圆4翻转，使背面S2朝上，对第一晶圆1背面S2进行离子注入，并进行激光退火处理，在第一晶圆1背面S2形成隔离层5，激光退火用于激活隔离层5中的离子。隔离层5与光电二极管的隔离层的掺杂类型相反，起到绝缘隔离作用，避免出现漏电。在对第一晶圆1背面S2进行离子注入时，是采用倾斜注入法，即离子束与第一晶圆1背面S2之间的夹角不为90°，以避免离子沿第一晶圆1的晶格之间的空隙进入像素单元，引发沟道燧穿效应（channeling effect）。

参照图4，在第一晶圆1背面S2形成滤光片6、位于滤光片6上的透镜7，每个滤光片6与一个像素单元相对，入射光经透镜7进入滤光片6，滤光片6允许特定颜色的光进入光电二极管。

但是，使用现有技术形成的背照式CMOS图像传感器的性能不佳。

发明内容

本发明解决的问题是，使用现有技术形成的背照式CMOS图像传感器的性能不佳。

为解决上述问题，本发明提供一种背照式CMOS图像传感器的形成方法，该背照式CMOS图像传感器的形成方法包括：

提供第一晶圆和第二晶圆，在所述第一晶圆正面形成有多个像素单元，所述第一晶圆正面和所述第二晶圆键合；

对所述第一晶圆背面进行减薄处理；

减薄处理后，在所述第一晶圆背面形成保护层；

对所述第一晶圆背面进行离子注入，注入离子穿过所述保护层扩散进入第一晶圆背面形成隔离层；

在形成所述隔离层后，在所述保护层上形成多个滤光片和位于所述滤光片上的透镜，每个滤光片与一个像素单元对准。

可选地，所述保护层材料的反射率比第一晶圆材料的反射率低。

可选地，所述第一晶圆为硅片，所述保护层为氧化硅层。

可选地，使用等离子体增强化学气相沉积，在所述第一晶圆背面形成保护层。

可选地，在形成所述保护层过程，使用的材料为等离子体增强氧化硅。

可选地，在所述等离子体增强化学气相沉积过程，温度范围为350～450℃。

可选地，所述保护层的厚度范围为。

可选地，在形成所述隔离层后，进行激光退火。

可选地，在激光退火过程使用紫外线。

可选地，使用化学机械研磨，对所述第一晶圆背面进行减薄处理。

本发明还提供一种新的背照式CMOS图像传感器，该背照式CMOS图像传感器包括：

第一晶圆和第二晶圆，所述第一晶圆正面形成有多个像素单元，且所述第一晶圆正面和所述第二晶圆键合；

位于所述第一晶圆背面上的保护层；

位于保护层下的第一晶圆背面的隔离层；

位于所述保护层上的多个滤光片和位于滤光片上的透镜，每个滤光片与一个像素单元对准。

可选地，所述保护层材料的反射率比第一晶圆材料材料的反射率低。

可选地，所述第一晶圆为硅片，所述保护层为氧化硅层。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

在对第一晶圆背面进行离子注入过程，离子束不会直接与第一晶圆背面接触，而是穿过保护层扩散进入第一晶圆背面，保护层使第一晶圆背面免遭离子束损伤，确保第一晶圆背面平坦，利于后续封装制程。而且，保护层可起到缓冲作用，达到有效控制离子注入深度的目的，使得隔离层的深度保证离子不会扩散到像素单元，且隔离层中各个位置深度一致、掺杂离子分布均匀，使得各个位置的光电二极管在无光照状态下的暗电流具有一致性，有效避免漏电现象，这样在光照状态下得到的图像清晰。

进一步，在离子注入形成隔离层后，进行激光退火处理。由于保护层材料相比于第一晶圆材料具有较低反射率，保护层对激光光线的吸收量较高。这样，相比于现有的激光退火过程，保护层和隔离层的温度较高，较高的温度可以在纳秒范围内更有效激活隔离层中的掺杂离子，并使掺杂离子聚集在距第一晶圆背面较浅位置处，避免扩散到像素单元，确保像素单元的性能较佳。

附图说明

图1～图4是现有技术的背照式CMOS图像传感器在形成过程中的剖面结构示意图；

图5～图11、图13是本发明具体实施例的背照式CMOS图像传感器在形成过程中的剖面结构示意图；

图12是本发明具体实施例的具有保护层的第一晶圆背面下不同深度处、现有的未形成有保护层的第一晶圆背面下不同深度处的温度值曲线。

具体实施方式

针对现有技术存在的问题，经分析发现：参照图3，第一晶圆1背面S2裸露。一方面，在离子注入过程和激光退火过程，第一晶圆1背面S2会遭到损伤，第一晶圆1背面S2凹凸不平，会使入射光在背面S2发生散射并影响后续封装制程。另一方面，离子注入的深度很难得到有效控制，隔离层5中掺杂离子分布不够均匀，各个位置的深度不一致，这使得所有光电二极管在无光照的静态下的暗电流并不一致，会出现漏电现象，这样在光照状态下得到的图像不清晰，出现因漏电产生的暗点。

对此，本发明技术方案提出一种新的背照式CMOS图像传感器的形成方法。使用该方法，在对减薄后的第一晶圆背面进行离子注入之前，在所述第一晶圆背面形成保护层。保护层用于保护第一晶圆背面免遭离子注入损伤，而且还可控制离子注入的深度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

参照图5，提供第一晶圆100，在所述第一晶圆100正面S1形成有多个浅沟槽隔离结构101，相邻两浅沟槽隔离结构101之间为像素单元区，该像素单元区用于形成像素单元。

浅沟槽隔离结构101的形成方法为本领域技术人员所熟知，在此不再详述。

在具体实施例中，第一晶圆100可以为硅晶圆，也可以是锗、锗硅、砷化镓晶圆或绝缘体上硅晶圆。本领域的技术人员可以根据需要选择晶圆，因此晶圆的类型不应限制本发明的保护范围。本实施例中的第一晶圆100选择硅晶圆，因为在硅晶圆上实施本技术方案要比在上述其他晶圆上实施本技术方案的成本低。

第一晶圆100具有P型掺杂或N型掺杂。在本实施例中，第一晶圆100具有P型掺杂。

参照图6，在相邻两浅沟槽隔离结构101之间的像素单元区形成多个像素单元，每个像素单元包括一个光电二极管和多个个MOS场效应晶体管（通常为三个MOS场效应晶体管）。在形成像素单元时，还在第一晶圆100正面S1形成外围电路，该外围电路包括多个晶体管。

具体地，形成像素单元的方法包括：

在所述第一晶圆100正面S1上形成栅极102和位于栅极102下的栅介质层（图中未示出）；

在像素单元区相邻栅极102位置形成第一掺杂区103，该第一掺杂区103的掺杂类型和第一晶圆100的掺杂类型相反，在本实施例中为N型掺杂，第一掺杂区103和第一晶圆100之间具有PN结，形成一个光电二极管，用于将入射的光子转化为电子。对MOS场效应晶体管的源极、漏极，可与掺杂区103在同一步骤形成，也可单独形成。

也就是，在像素单元区形成光电二极管和MOS场效应晶体管的工艺，与现有的CMOS工艺相兼容，且像素单元和外围电路可在同一步骤形成。这降低了生产成本，且提高了生产效率。

在具体实施例中，参照图6，在形成第一掺杂区103后，还可在第一掺杂区103中形成第二掺杂区104，第二掺杂区104的掺杂类型和第一掺杂区103的掺杂类型相反，第二掺杂区104和第一掺杂区103之间具有PN结，用于控制光电二极管在将光子转化为电子后形成的电流流动方向。

参照图7，在第一晶圆100正面S1形成层间介质层105，在层间介质层105中形成多层互连金属层106和插塞层（图中未示出），相邻两互连金属层106之间为插塞层电连接。多层互连金属层106将像素单元和外围电路之间、外围电路之间电连接。

参照图7，互连金属层106位于浅沟槽隔离结构101和栅极102上，并不位于光电二极管上，避免在光照过程中对入射光线造成干扰。

多层互连金属层106和插塞层的形成方法为本领域技术人员所公知在此不再赘述。在具体实施例中，互连金属层106的材料为铜或铝。

参照图8，取第二晶圆200，将所述第一晶圆100正面S1和第二晶圆200键合，也就是层间介质层105上表面和第二晶圆200键合。

在键合过程中，首先，对层间介质层105上表面和第二晶圆200的键合面进行清洁和活化处理；

之后，将第二晶圆200的键合面和层间介质层105的上表面对准、接触、键合。具体键合工艺为本领域技术人员所熟知，在此不再详述。

参照图9，将第一晶圆100翻转，第一晶圆100背面S2朝上；

对第一晶圆100背面S2进行减薄处理。在图9中，虚线表示未减薄时的第一晶圆100背面所在位置，可清楚显示减薄前和减薄后第一晶圆100的厚度。由于背照式CMOS图像传感器工作时，入射光由第一晶圆100背面S2方向进入光电二极管，因此，需要对第一晶圆100背面S2进行减薄处理，以缩短第一晶圆100中入射光的路径。

在具体实施例中，使用化学机械研磨工艺，对第一晶圆100背面S2进行减薄处理。减薄后的第一晶圆100非常薄，很难单独支撑第一晶圆100正面S1的器件，这时第二晶圆200起到足够的支撑作用。

参照图10，减薄处理后，在第一晶圆100背面S2形成保护层107。

在本实施例中，保护层107为氧化硅层，使用等离子体增强化学气相沉积形成保护层107，在形成保护层107过程使用的材料为等离子体增强氧化硅（Plasma Enhanced Oxide，PEOX）。

在等离子体增强化学气相沉积过程中，温度范围为350～450℃，在本实施例中，温度为400℃。最终形成的保护层107的厚度范围为如果保护层107的厚度小于则在后续离子注入过程中很难起到保护作用；如果保护层107的厚度大于后续离子注入过程中的离子无法穿过保护层到达第一晶圆背面。

参照图11，对第一晶圆100背面S2进行离子注入，注入离子束穿过保护层107扩散进入第一晶圆100背面S2形成隔离层108，隔离层108的掺杂类型和第一掺杂区103的掺杂类型相反，隔离层108和第一扩散区103之间形成PN结，防止光电二极管漏电；

进行激光退火，激光退火过程用于激活隔离层108中掺杂的离子。

在对第一晶圆100背面S2进行离子注入过程和激光退火过程，保护层107起到保护作用，离子束和高温不会直接与第一晶圆100背面S2接触，而是穿过保护层107扩散进入第一晶圆100背面S2，第一晶圆100背面S2不会遭到损伤，确保第一晶圆100背面S2平坦，其上的入射光不会发生散射且利于后续封装制程。另外，考虑到保护层107的阻挡，离子注入过程中的离子束可沿垂直于第一晶圆100背面S2方向注入，或倾斜注入，而不会发生沟道燧穿效应。而且，保护层107可起到缓冲作用，达到有效控制离子注入深度的目的，使得隔离层108的深度保证离子不会扩散到像素单元，且隔离层108中各个位置深度一致、掺杂离子分布均匀，使得各个位置的光电二极管在无光照状态下的暗电流具有一致性，有效避免漏电现象，这样在光照状态下得到的图像清晰。

在本实施例中，激光过火过程使用紫外线（Ultraviolet ray，UV）。相比于传统的绿光，紫外线的波长较短，穿透力弱，可避免紫外线穿过保护层107和隔离层108后进一步对像素单元和互连金属层造成不必要的损伤。

而且，参照图12，曲线L1表示具有保护层的第一晶圆背面下不同深度处的温度变化，曲线L2表示未形成有保护层的第一晶圆背面下不同深度处的温度变化，横坐标表示深度变化，纵坐标表示温度变化。设置保护层材料的反射率比第一晶圆材料的反射率低，由于保护层为氧化硅层，第一晶圆为硅片，保护层的反射率低于第一晶圆的反射率，保护层对紫外线的吸收量较高，因此在距第一晶圆背面相同深度处、具有保护层的第一晶圆温度高于未形成有保护层的第一晶圆温度，这样，较高温度可以在纳秒范围内更有效激活隔离层108中的掺杂离子。虚线框109对应隔离层的温度，具有保护层的隔离层温度明显高于未形成有保护层的隔离层温度。

参照图12，对应曲线L1的箭头d1为第一层互连金属层所在位置的温度，大约为555℃，对应曲线L2的箭头d2为第一层互连金属层所在位置的温度，大约为431℃。当互连金属层的材料为铝时，铝的熔点为660.4℃，对具有保护层的第一晶圆进行激光退火过程不会损伤到互连金属层。当互连金属层的材料为铜，铜的熔点高于铝，激光退火过程也不会损伤到互连金属层。在本实施例中，保护层的厚度范围为可在保持第一隔离层具有较高温度的前提下，不会损伤到互连金属层。

参照图13，在形成隔离层108后，在保护层107上形成多个滤光片110和位于滤光片110上的透镜111。

每个滤光片110只允许特定颜色的光通过，例如可为红光、蓝光或绿光中的一种。使用光刻工艺形成滤光片110，每个滤光片110与一个像素单元在垂直于第一晶圆100正面S1方向上对准，可准确捕捉入射光。

在具体实施例中，形成所述透镜111的方法包括：

在保护层107上表面沉积透镜材料层，该透镜材料可以是氧化物或有机材料；使用曝光和显影工艺对透镜材料层进行图形化；之后，使用回流工艺得到背向所述保护层107上表面的表面为凸面的透镜111，控制回流工艺中的温度实现控制凸面曲率半径。

本发明实施例还提供一种背照式CMOS图像传感器。

参照图13，该背照式CMOS图像传感器包括：

第一晶圆100和第二晶圆200，第一晶圆100正面S1形成有多个像素单元，且第一晶圆100正面S1和第二晶圆200键合；

位于第一晶圆100背面S2上的保护层107；

位于保护层107下的第一晶圆100背面S2的隔离层108；

位于保护层107上的多个滤光片110和位于滤光片110上的透镜111，每个滤光片110与一个像素单元在垂直于第一晶圆100背面S2方向上对准。

在具体实施例中，保护层107材料的反射率比第一晶圆100材料的反射率低。第一晶圆100为硅片，而保护层107为氧化硅层。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (13)

1.一种背照式CMOS图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：

提供第一晶圆和第二晶圆，在所述第一晶圆正面形成有多个像素单元，所述第一晶圆正面和所述第二晶圆键合；

对所述第一晶圆背面进行减薄处理；

减薄处理后，在所述第一晶圆背面形成保护层；

对所述第一晶圆背面进行离子注入，注入离子穿过所述保护层扩散进入第一晶圆背面形成隔离层；

在形成所述隔离层后，在所述保护层上形成多个滤光片和位于所述滤光片上的透镜，每个滤光片与一个像素单元对准。

2.如权利要求1所述的背照式CMOS图像传感器的形成方法，其特征在于，所述保护层材料的反射率比第一晶圆材料的反射率低。

3.如权利要求1所述的背照式CMOS图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一晶圆为硅片，所述保护层为氧化硅层。

4.如权利要求3所述的背照式CMOS图像传感器的形成方法，其特征在于，使用等离子体增强化学气相沉积，在所述第一晶圆背面形成保护层。

5.如权利要求4所述的背照式CMOS图像传感器的形成方法，其特征在于，在形成所述保护层过程，使用的材料为等离子体增强氧化硅。

6.如权利要求4所述的背照式CMOS图像传感器的形成方法，其特征在于，在所述等离子体增强化学气相沉积过程，温度范围为350～450℃。

7.如权利要求1所述的背照式CMOS图像传感器的形成方法，其特征在于，所述保护层的厚度范围为。

8.如权利要求1所述的背照式CMOS图像传感器的形成方法，其特征在于，在形成所述隔离层后，进行激光退火。

9.如权利要求8所述的背照式CMOS图像传感器的形成方法，其特征在于，在激光退火过程使用紫外线。

10.如权利要求1所述的背照式CMOS图像传感器的形成方法，其特征在于，使用化学机械研磨，对所述第一晶圆背面进行减薄处理。

11.一种背照式CMOS图像传感器，其特征在于，包括：

第一晶圆和第二晶圆，所述第一晶圆正面形成有多个像素单元，且所述第一晶圆正面和所述第二晶圆键合；

位于所述第一晶圆背面上的保护层；

位于保护层下的第一晶圆背面的隔离层；

位于所述保护层上的多个滤光片和位于滤光片上的透镜，每个滤光片与一个像素单元对准。

12.如权利要求11所述的背照式CMOS图像传感器，其特征在于，所述保护层材料的反射率比第一晶圆材料的反射率低。

13.如权利要求12所述的背照式CMOS图像传感器，其特征在于，所述第一晶圆为硅片，所述保护层为氧化硅层。