CN104821323A - 图像传感器的形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种图像传感器的形成方法，包括：在第一晶圆内部以及表面形成传感结构；在所述第一晶圆上形成支撑结构，所述支撑结构围出一空腔，使得所述支撑结构包围第一晶圆表面的传感结构；在所述空腔中填充牺牲层；在所述第一晶圆上键合第二晶圆；在所述第二晶圆中形成露出所述牺牲层的通孔；对所述第一晶圆背向第二晶圆的一面进行减薄；去除所述牺牲层；使所述空腔密封。通过在第一晶圆的空腔内填充牺牲层，使得空腔承受压力的能力提高，在受到晶圆减薄工艺的压力的作用时，第一晶圆和支撑结构不会由于内部中空而产生显著变形，这样可以改善对第一晶圆背面进行减薄过程中晶圆以及支撑结构受到破坏的问题。

Description

图像传感器的形成方法

技术领域

本发明涉及本发明涉及半导体领域，具体涉及一种图像传感器的形成方法。

背景技术

接触式图像传感器（Contact Image Sensor，CIS）现在乃至于未来的发展方向要基于两个方面：一方面是对性能要求，千万级的像素对于消费者来说可能只是基本需求，更多的像素将使传感器所占晶圆尺寸变大。另一方面来源于应用端，接触式图像传感器主要应用在便携式消费类电子产品中，这就要求传感器的尺寸要越来越小。晶圆级封装通过缩小封装尺寸给扩容更多的像素带来了更多的空间，但是在制造工艺方面却也带来了更多的挑战。晶圆级封装要求晶圆的双面都进行制造工艺，也就是说，晶圆的双面都要受到制造过程中压力的影响。

如图1所示，在接触式图像传感器的形成过程中，在带有传感结构04的硅晶圆01上键合透明晶圆03以后，需要对硅晶圆01进行背面减薄工艺，减薄工艺一般为采用压力的研磨或抛光，由于硅晶圆01上有支撑结构02围出的空腔05，在施加压力06时，硅晶圆01会发生如图1所示的形变，容易引起支撑结构02与硅晶圆01的损伤，进而影响接触式图像传感器的性能。因此，如何防止在进行晶圆背面减薄时，施加的压力不破坏晶圆以及支撑结构成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种图像传感器的形成方法，在图像传感器的形成过程中，在对有传感结构的晶圆进行晶圆减薄工艺时，减小施加的压力对晶圆以及支撑结构的破坏。

为解决上述问题，本发明提供一种图像传感器的形成方法，包括：

提供第一晶圆，在第一晶圆内部以及表面形成传感结构；

在所述第一晶圆上形成支撑结构，所述支撑结构围出一空腔，用于容纳所述传感结构；

在所述空腔中填充牺牲层；

在所述第一晶圆上键合第二晶圆，使所述支撑结构与所述第二晶圆连接；

在所述第二晶圆中形成露出所述牺牲层的通孔；

对所述第一晶圆背向第二晶圆的一面进行减薄；

去除所述牺牲层；

在所述通孔中形成密封材料，以使所述空腔密封。

可选的，在所述空腔中填充牺牲层的步骤包括：所述牺牲层的材料为聚碳酸亚丙酯。

可选的，在所述空腔中填充牺牲层的步骤包括：

在第一晶圆表面旋涂溶解有聚碳酸亚丙酯材料的苯甲醚溶液，使所述苯甲醚溶液填充至空腔内部；

使苯甲醚溶液蒸发，以形成聚碳酸亚丙酯材料层；

去除支撑结构以上的聚碳酸亚丙酯材料层，使空腔内部的聚碳酸亚丙酯材料层与支撑结构齐平，剩余的空腔内部的聚碳酸亚丙酯材料层形成牺牲层。

可选的，使苯甲醚溶液蒸发的步骤包括：蒸发苯甲醚的温度在70摄氏度到150摄氏度的范围内。

可选的，去除所述牺牲层的步骤包括：对所述第一晶圆、第二晶圆进行热处理，以去除所述牺牲层。

可选的，对所述第一晶圆、第二晶圆进行热处理的温度在200摄氏度到300摄氏度的范围内。

可选的，在所述第一晶圆上键合第二晶圆的步骤包括：在所述第一晶圆上的支撑结构表面涂布粘合材料；将所述第二晶圆与第一晶圆对准贴合并施加压力，使得所述第二晶圆与第一晶圆的支撑结构表面粘合牢固。

可选的，在所述第一晶圆上键合第二晶圆的步骤中，所述第二晶圆的材料为透明的含硅材料。

可选的，在所述第二晶圆中形成露出所述牺牲层的通孔的步骤包括：对所述第二晶圆进行刻蚀，在所述第二晶圆进中形成多个通孔。

可选的，对所述第一晶圆背向第二晶圆的一面进行减薄工艺的步骤包括：

采用化学机械研磨对所述第一晶圆背向第二晶圆的一面进行处理，去掉部分晶圆材料，以实现第一晶圆的减薄。

可选的，在所述通孔中形成密封材料，以使所述空腔密封的步骤包括：

在所述第二晶圆表面沉积密封材料，使所述密封材料填充所述通孔；

去除第二晶圆表面多余的密封材料。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

在进行晶圆减薄之前，通过在第一晶圆的空腔内填充牺牲层，使得空腔承受压力的能力提高，在受到压力的作用时，第一晶圆和支撑结构不会由于内部中空而产生明显变形；此外，在晶圆减薄之后，牺牲层被去除干净，不会对第一晶圆造成影响，这样可以保护晶圆以及支撑结构，改善对第一晶圆背面进行减薄过程中晶圆以及支撑结构受到破坏的问题。

进一步，在所述空腔中填充牺牲层的步骤包括：在第一晶圆表面旋涂溶解有聚碳酸亚丙酯材料的苯甲醚溶液，使所述苯甲醚溶液填充至空腔内部；使苯甲醚溶液蒸发，在空腔内部以及第一晶圆表面形成聚碳酸亚丙酯材料层；去除第一晶圆表面的聚碳酸亚丙酯材料层，剩余的聚碳酸亚丙酯材料层形成牺牲层。苯甲醚溶液具有较强的流动性和填充性，这样形成的聚碳酸亚丙酯材料层能够紧实地填充满空腔内部，使得空腔承受压力的能力更强，并且聚碳酸亚丙酯材料层可以采用热处理的方式去除，聚碳酸亚丙酯材料层经过加热生成二氧化碳和水，这样在去除聚碳酸亚丙酯材料层的过程中空腔内的像素等较灵敏的器件不容易造成损伤，聚碳酸亚丙酯材料层也可以被较彻底的去除而不产生残留物。

附图说明

图1是现有技术一种图像传感器进行减薄工艺的剖视图；

图2是本发明图像传感器的形成方法一实施例的流程图；

图3至图10是图2所示图像传感器的形成方法各个步骤的剖视图。

具体实施方式

在接触式图像传感器的形成过程中，需要对带有传感结构的晶圆进行背面减薄工艺，减薄工艺一般为采用施加压力的研磨，由于晶圆上设置的支撑结构围出一空腔，在施加压力时，晶圆会发生形变，可能引起支撑结构与晶圆的损伤，进而影响接触式图像传感器的性能。

为了解决上述技术问题，本发明提出一种图像传感器的形成方法，在进行晶圆减薄工艺之前，通过在第一晶圆的空腔内填充牺牲层，使得空腔承受压力的能力提高，在受到压力的作用时，第一晶圆和支撑结构不会由于内部中空而产生显著变形，这样可以保护晶圆以及支撑结构，改善对第一晶圆背面进行减薄过程中晶圆以及支撑结构受到破坏的问题。

参考图2，示出了本发明图像传感器的形成方法一实施例的流程图，本实施例图像传感器的形成方法大致包括以下步骤：

步骤S1，提供第一晶圆，在第一晶圆内部以及表面形成传感结构；

步骤S2，在所述第一晶圆上形成支撑结构，所述支撑结构围出一空腔，用于容纳所述传感结构；

步骤S3，在所述空腔中填充材料为聚碳酸亚丙酯的牺牲层，使所述牺牲层充满空腔；

步骤S4，在所述第一晶圆上键合第二晶圆，使所述支撑结构与所述第二晶圆连接；

步骤S5，在所述第二晶圆中形成露出所述牺牲层的通孔；

步骤S6，对所述第一晶圆背向第二晶圆的一面进行减薄；

步骤S7，去除所述牺牲层；

步骤S8，在所述通孔中形成密封材料，以使所述空腔密封。

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。

参考图3，执行步骤S1，提供第一晶圆，在第一晶圆内部以及表面形成传感结构。

在本实施例中，第一晶圆即衬底100，所述衬底100为材料为硅，在其他实施例中，所述衬底100的材料还可以为锗硅衬底或绝缘体上硅衬底等其它半导体衬底，对此本发明不做任何限制。

在本实施例中，在所述衬底100上形成多个逻辑单元200，所述逻辑单元200包括位于衬底100中的有源区202以及所述有源区202上方的栅极201。需要说明的是，在本实施例中，为了图示简洁，在图2至图9中有源区202示出的形状为矩形，实际上有源区202可以包括源区、漏区、阱区等多部分，其形状较为复杂，本发明对有源区202的具体结构和形状不做限制。

然后在所述衬底100表面形成层间介质层101，所述层间介质层101的材料为氧化硅，但本发明对所所述层间介质层101的材料不做限制，在其他实施例中，所述层间介质层101的材料还可以为氮化硅等。

在所述层间介质层101表面形成多个感光像素204，在所述层间介质层101中形成多个互联结构203，多个互联结构203将感光像素204与逻辑单元200连接，将感光像素204接收到的光信号转化为逻辑单元200输出的电信号，从而实现传感器的功能。

需要说明的是，在本实施例中，所述传感结构包括感光像素204、互联结构203、逻辑单元200，但是本发明对所述传感结构的具体结构不做限制，在其他实施例中，所述传感结构还可以包括其他结构，所述传感结构的具体结构还可以采用现有技术中任意图像传感器中的传感结构。

参考图4，执行步骤S2，在所述第一晶圆上形成支撑结构102，所述支撑结构102围出一空腔104，用于容纳所述传感结构。

具体地，在本实施例中，在所述层间介质层101上形成掩模（未示出），所述掩模具有围绕所述传感结构的空隙，然后在所述掩模上涂布有机材料，去除掩模上的有机材料，去除所述掩模，剩余的填充于所述空隙中的有机材料形成支撑结构102。

但是本发明对所述支撑结构102的形成方法和材料不做限制，在其他实施例中，还可以采用沉积的方法形成所述支撑结构102，所述支撑结构102的材料还可以为氮化硅、氧化硅等其他材料。

需要说明的是，在本实施例中，所述支撑结构102采用遮光材料制成（例如所述支撑结构102采用黑色材料），这样支撑结构102还可以起到遮光的作用，避免入射角度过大的光进入图形传感器的感光像素中。需要说明的是，本发明对支撑结构102的颜色不做限制，在其他实施例中，支撑结构102的颜色还可以为深蓝色等其他颜色。

参考图5，执行步骤S3，在所述空腔104中填充材料为聚碳酸亚丙酯的牺牲层301，使所述牺牲层301填充满空腔104。

这样的好处在于，在第一晶圆的空腔104内填充牺牲层，使得空腔104承受压力的能力提高，在受到压力作用时，第一晶圆和支撑结构102由于牺牲层的支撑作用而不会由于内部中空而产生显著变形，这样可以保护第一晶圆以及支撑结构102，避免在第一晶圆背面进行减薄工艺的过程中，第一晶圆以及支撑结构102受到破坏。

具体地，在本实施例中，牺牲层301的材料为聚碳酸亚丙酯。形成牺牲层301的步骤包括：在第一晶圆表面旋涂溶解有聚碳酸亚丙酯材料的苯甲醚溶液，使所述苯甲醚溶液填充至空腔104内部；使苯甲醚溶液蒸发，在空腔104内部以及第一晶圆表面形成聚碳酸亚丙酯材料层，去除支撑结构102以上的聚碳酸亚丙酯材料层，去除支撑结构102以上的聚碳酸亚丙酯材料层，使空腔104内部的聚碳酸亚丙酯材料层与支撑结构102齐平，剩余的位于空腔104内部的聚碳酸亚丙酯材料层形成所述牺牲层301。

这样形成的聚碳酸亚丙酯材料层能够紧实的充满空腔104内部，并且由于聚碳酸亚丙酯材料层与支撑结构102齐平，在键合第二晶圆以后，聚碳酸亚丙酯材料层紧贴第二晶圆的下表面，使得空腔承受压力的能力更强。

此外，在形成聚碳酸亚丙酯材料层的过程中，蒸发苯甲醚溶液的温度在70摄氏度到150摄氏度的范围内，对空腔104内的感光像素204等较灵敏的器件基本不会造成影响。

也就是说，聚碳酸亚丙酯可以采用较低温度的热处理的方式去除，聚碳酸亚丙酯薄膜经过加热生成二氧化碳和水，这样在去除聚碳酸亚丙酯薄膜的过程中空腔104内的感光像素204等较灵敏的器件不会造成损伤，聚碳酸亚丙酯也可以被彻底的去除而不产生残留物。

需要说明的是，本发明对所述牺牲层301的具体材料不做限制，在其他实施例中，还可以采用其他材料形成所述牺牲层301，如无定形碳等，所述牺牲层301的材料可以选择容易去除的材料，以避免对较精密的感光像素204等器件造成影响，降低图像传感器的灵敏度。

参考图6，执行步骤S4，在所述第一晶圆上键合第二晶圆103，使所述支撑结构102与所述第二晶圆103连接。

具体地，在本实施例中，在所述第一晶圆上方键合第二晶圆103的步骤包括：在所述第一晶圆上的支撑结构102表面涂布粘合材料，将所述第二晶圆103与第一晶圆对准贴合并施加压力，使得所述第二晶圆103与第一晶圆的支撑结构102表面粘合牢固。但是本发明对在所述第一晶圆上方键合第二晶圆103的具体方法不做限制，在其他实施例中，还可以采用其他键合工艺在所述第一晶圆的空腔上方键合第二晶圆103。

在本实施例中，所述第二晶圆103的材料为透明的含硅材料，例如玻璃，这样的目的在于，第二晶圆103的作用是保护传感结构，为使感光像素204能够较准确的接受外界的光信号，位于感光像素204上方的第二晶圆103需要采用透明材料，但是本发明对第二晶圆103的材料不做限制，在其他实施例中，所述第二晶圆103的材料还可以为其他透明或半透明材料。

参考图7，执行步骤S5，在所述第二晶圆103上形成露出所述牺牲层301的通孔105。

具体地，在本实施例中，对所述第二晶圆103进行刻蚀，在所述第二晶圆103中形成多个通孔105。

形成通孔105的作用在于，在后续去除所述牺牲层的步骤中，可以采用热处理的方法去除通孔露出的所述牺牲层301，聚碳酸亚丙酯材料层经过加热生成二氧化碳和水，并通过通孔105排出空腔104。

需要说明的是，在本实施例中，通孔105具有较高的深宽比，即通孔105的深度与通孔105的宽度的比值很大，这样在后续对空腔104进行密封的步骤中，通孔105很容易被密封材料密封，并且密封材料不容易落入空腔104中。但是本发明对通孔105的形貌不做限制，在其他实施例中，通孔105还可以不具有较高的深宽比。

还需要说明的是，本发明对所述通孔105的数量不做限制，在其他实施例中，所述通孔105的数量还可以为一个。

参考图8，执行步骤S6，对所述第一晶圆背向第二晶圆103的一面进行减薄。

具体地，在本实施例中，采用晶圆减薄工艺对所述第一晶圆背向第二晶圆103的一面进行处理，去掉部分硅材料。

然后对所述第一晶圆背向第二晶圆103的一面进行化学机械研磨，化学机械研磨的过程较晶圆减薄工艺较精细并且更容易控制，使相对于晶圆减薄工艺，在采用化学机械研磨的过程中，所述第一晶圆背向第二晶圆103的一面接近有源区202的同时，有源区202不容易受损伤，这样可以获得更薄的第一晶圆。

在晶圆减薄工艺的过程中，例如在采用抛光机进行所述晶圆减薄工艺过程中，由于空腔104内部填充满牺牲层301，空腔104承受压力的能力提高，第一晶圆和支撑结构102不会由于内部中空而产生显著变形，能够减小抛光机的压力对第一晶圆以及支撑结构102产生的影响，改善对第一晶圆背面进行减薄过程中第一晶圆以及支撑结构102受到破坏的问题

需要说明的是，本发明对晶圆减薄工艺的具体方法不做限制，可以采用现有技术中任意晶圆减薄工艺对第一晶圆进行减薄，现有技术中晶圆减薄工艺一般都要对第一晶圆产生作用力，在第一晶圆受到晶圆减薄工艺的作用力时，牺牲层301能够减小作用力对第一晶圆以及支撑结构102的影响。

经过减薄以及化学机械研磨以后，所述第一晶圆厚度变小，这样之后形成的图像传感器的尺寸相应减小，可以满足图像传感器尺寸不断减小的需求。

参考图9，执行步骤S7，去除所述牺牲层301。具体地，在本实施例中，由于所述牺牲层301的材料为聚碳酸亚丙酯，采用热处理的方法去除所述牺牲层301，聚碳酸亚丙酯材料层经过加热生成二氧化碳和水，并通过通孔105排出空腔104。

在本实施例中，对所述第一晶圆、第二晶圆进行热处理的温度在200摄氏度到300摄氏度的范围内。这样在去除聚碳酸亚丙酯材料层的过程中，空腔104内的感光像素204等较灵敏的器件所承受的温度较低，不容易造成损伤。聚碳酸亚丙酯材料层也可以被较彻底的去除而不产生残留物。

参考图10，执行步骤S8，在所述通孔105中形成密封材料106，以使所述空腔104密封。

具体地，在本实施例中，阻塞所述通孔105使所述空腔104密封的步骤包括：在所述第二晶圆103表面沉积密封材料106，使所述密封材料106填充通孔105，然后去除第二晶圆表面多余的密封材料106。

需要说明的是，在本实施例中，所述密封材料106为氧化硅，在其他实施例中，所述密封材料106还可以为氮化硅等其他材料。

在本实施例中，由于所述通孔105具有很高的深宽比，沉积的密封材料106进入通孔105以后，在未进入空腔104之前，就会堵塞在通孔105中，后续的沉积的密封材料不能在继续在通孔105中向下移动，所以沉积的密封材料106不会影响空腔104内的洁净度。本发明不要求将所述通孔105全部填满，只要将通孔105堵塞，使得空腔104被密封即可。

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 (11)

1.一种图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：

提供第一晶圆，在第一晶圆内部以及表面形成传感结构；

在所述第一晶圆上形成支撑结构，所述支撑结构围出一空腔，用于容纳所述传感结构；

在所述空腔中填充牺牲层；

在所述第一晶圆上键合第二晶圆，使所述支撑结构与所述第二晶圆连接；

在所述第二晶圆中形成露出所述牺牲层的通孔；

对所述第一晶圆背向第二晶圆的一面进行减薄；

去除所述牺牲层；

在所述通孔中形成密封材料，以使所述空腔密封。

2.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在所述空腔中填充牺牲层的步骤包括：所述牺牲层的材料为聚碳酸亚丙酯。

3.如权利要求2所述的形成方法，其特征在于，在所述空腔中填充牺牲层的步骤包括：

在第一晶圆表面旋涂溶解有聚碳酸亚丙酯材料的苯甲醚溶液，使所述苯甲醚溶液填充至空腔内部；

使苯甲醚溶液蒸发，以形成聚碳酸亚丙酯材料层；

去除支撑结构以上的聚碳酸亚丙酯材料层，使空腔内部的聚碳酸亚丙酯材料层与支撑结构齐平，剩余的空腔内部的聚碳酸亚丙酯材料层形成牺牲层。

4.如权利要求3所述的形成方法，其特征在于，使苯甲醚溶液蒸发的步骤包括：蒸发苯甲醚溶液的温度在70摄氏度到150摄氏度的范围内。

5.如权利要求2所述的形成方法，其特征在于，去除所述牺牲层的步骤包括：对所述第一晶圆、第二晶圆进行热处理，以去除所述牺牲层。

6.如权利要求5所述的形成方法，其特征在于，对所述第一晶圆、第二晶圆进行热处理的温度在200摄氏度到300摄氏度的范围内。

7.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在所述第一晶圆上键合第二晶圆的步骤包括：在所述第一晶圆上的支撑结构表面涂布粘合材料；将所述第二晶圆与第一晶圆对准贴合并施加压力，使得所述第二晶圆与第一晶圆的支撑结构表面粘合牢固。

8.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在所述第一晶圆的上键合第二晶圆的步骤中，所述第二晶圆的材料为透明的含硅材料。

9.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在所述第二晶圆中形成露出所述牺牲层的通孔的步骤包括：对所述第二晶圆进行刻蚀，在所述第二晶圆进中形成多个通孔。

10.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，对所述第一晶圆背向第二晶圆的一面进行减薄工艺的步骤包括：

采用化学机械研磨对所述第一晶圆背向第二晶圆的一面进行处理，去掉部分晶圆材料，以实现第一晶圆的减薄。

11.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在所述通孔中形成密封材料，以使所述空腔密封的步骤包括：

在所述第二晶圆表面沉积密封材料，使所述密封材料填充所述通孔；

去除第二晶圆表面多余的密封材料。