CN104867951A - 一种背照式传感器芯片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种背照式传感器芯片及其制造方法，所述背照式传感器芯片包括：逻辑区和像素区，所述像素区包括像素区边缘区域和位于所述像素区边缘区域内的像素区中心区域；其中，所述像素区边缘区域与所述像素区中心区域之间呈阶梯状布置，且所述像素区边缘区域高于所述像素区中心区域，从而使得摄像时，像素区边缘区域更接近光源。由此，所述背照式传感器芯片在接收光线的过程中，可以使得像素区边缘区域接收到的光线较像素区中心区域接收到的光线多，提高了像素区边缘区域的感光能力，从而弥补了透镜带来的摄像头中心区域和边缘区域之间成像不均匀的缺陷，即使得摄像头的成像更加均匀。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路制造技术领域，特别涉及一种背照式传感器芯片及其制造方法。
背景技术
摄像头是图像传感器的主要应用之一。摄像头主要包括图像传感器以及与图像传感器配合的透镜。现有摄像头的透镜在聚焦时，往往存在中心区域和边缘区域成像不均匀的缺陷。通常体现在：图像的边缘区域成像效果要比中心区域效果差，包括清晰度和亮度等。上述现象是由透镜的特性所决定的，很难在透镜上有所改善。
目前，索尼公司在解决摄像头的透镜在聚焦时，存在中心区域和边缘区域成像不均匀的问题上，提出了一种弧形的图像传感器芯片硅基底的形状。该弧形结构模拟了人体眼球的成像原理，使透镜到各个光电二极管的距离相等，使得图像传感器边缘区域与中心区域的成像效果相仿。尽管上述原理能够解决现有技术成像不均匀的问题，但是，弧形结构硅基底的形成工艺会对芯片产生应力。这种工艺主要会带来两方面的风险：一方面芯片可能会因此而崩裂，另一方面在芯片上施加应力会一定程度的影响成像效果，具体表现在：暗电流、白点、噪声等。如果要避免上述两方面的风险，则会对生产工艺的要求异常严苛，严重影响了良率。
因此，如何改善摄像头的上述缺陷成了本领域技术人员需要解决的一大难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种背照式传感器芯片及其制造方法，以解决现有的摄像头的透镜成像不均匀的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种背照式传感器芯片，所述背照式传感器芯片包括：逻辑区和像素区，所述像素区包括像素区边缘区域和位于所述像素区边缘区域内的像素区中心区域；
其中，所述像素区边缘区域与所述像素区中心区域之间呈阶梯状布置，且所述像素区边缘区域高于所述像素区中心区域。
可选的，在所述的背照式传感器芯片中，所述像素区边缘区域高于所述像素区中心区域10μm-200μm。
可选的，在所述的背照式传感器芯片中，所述像素区中心区域包括第一像素区中心区域，以及位于所述第一像素区中心区域内的第二像素区中心区域；其中，所述第一像素区中心区域与所述第二像素区中心区域之间呈阶梯状布置，且所述第一像素区中心区域高于所述第二像素区中心区域。
可选的，在所述的背照式传感器芯片中，所述第一像素区中心区域高于所述第二像素区中心区域5μm-160μm。
可选的，在所述的背照式传感器芯片中，所述芯片单元是复合基底中的一块，所述复合基底包括器件晶圆和载体晶圆，所述复合基底的厚度为700μm-900μm。
本发明还提供一种上述背照式传感器芯片的制造方法，所述背照式传感器芯片的制造方法包括如下步骤：
提供器件晶圆和载体晶圆的复合基底，对所述器件晶圆的晶背进行减薄处理，其中，所述复合基底中的芯片单元包括逻辑区和像素区，所述像素区包括像素区边缘区域和位于所述像素区边缘区域内的像素区中心区域；
在减薄处理后的所述器件晶圆上方形成第一氧化硅层；
在像素区边缘区域对应的所述第一氧化硅层上方形成第一光阻层；
除去所述像素区中心区域上方的第一氧化硅层后，刻蚀所述像素区中心区域；
除去所述第一光阻层以及其下方的第一氧化硅层。
可选的，在所述的背照式传感器芯片的制造方法中，在刻蚀所述像素区中心区域之后，在除去所述第一光阻层以及其下方的第一氧化硅层之前，还包括：
在刻蚀后的像素区中心区域上形成第二氧化硅层，其中，所述像素区中心区域包括第一像素区中心区域，以及位于所述第一像素区中心区域内的第二像素区中心区域；
在第一像素区中心区域对应的所述第二氧化硅层上方形成第二光阻层；
除去所述第二像素区中心区域上方的第二氧化硅层后，刻蚀所述第二像素区中心区域；
除去所述第二光阻层以及其下方的所述第二氧化硅层。
可选的，在所述的背照式传感器芯片的制造方法中，对所述器件晶圆的晶背进行减薄处理之前，还包括：
对所述像素区边缘区域进行多道离子注入。
可选的，在所述的背照式传感器芯片的制造方法中，在除去所述第一光阻层之后，还包括：
对所述像素区边缘区域进行离子注入。
可选的，在所述的背照式传感器芯片的制造方法中，所述减薄处理的厚度为20μm-200μm。
本发明提供的背照式传感器芯片及其制造方法中，所述背照式传感器芯片包括：逻辑区和像素区，所述像素区包括像素区边缘区域和位于所述像素区边缘区域内的像素区中心区域；其中，所述像素区边缘区域与所述像素区中心区域之间呈阶梯状布置，且所述像素区边缘区域高于所述像素区中心区域，从而使得摄像时，像素区边缘区域更接近光源。由此，所述背照式传感器芯片在接收光线的过程中，可以使得像素区边缘区域接收到的光线较像素区中心区域接收到的光线多，提高了像素区边缘区域的感光能力，从而弥补了透镜带来的摄像头中心区域和边缘区域之间成像不均匀的缺陷，即使得摄像头的成像更加均匀。
附图说明
图1a～1e是本发明实施例一的背照式传感器芯片的制造方法制造背照式传感器芯片的过程中所形成的像素区的剖面图；
图2a～2b是本发明实施例一的背照式传感器芯片的制造方法中所使用的芯片单元的像素区边缘区域和像素区中心区域的示意图；
图3a～3d是本发明实施例三的背照式传感器芯片的制造方法制造背照式传感器芯片的过程中所形成的像素区剖面图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种背照式传感器芯片及其制造方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
【实施例一】
请参考图1a～1e，其为本发明实施例一的背照式传感器芯片的制造方法制造背照式传感器芯片的过程中所形成的像素区的剖面图。
首先，提供器件晶圆和载体晶圆(粘合)的复合基底，对所述器件晶圆的晶背进行减薄处理，其中，所述复合基底包括多个芯片单元，每个芯片单元包括像素区以及围绕像素区的逻辑区。请参考图1a，其仅示出了一个芯片单元的像素区10，该芯片单元的像素区10包括部分器件晶圆12和部分载体晶圆11。进一步的，如图1a所示，所述像素区10包括像素区边缘区域100和位于所述像素区边缘区域100内的像素区中心区域101。在本申请实施例中，所述复合基底的材料可以是硅，也可以是锗硅等。优选的，所述复合基底的厚度为700μm～900μm；所述减薄处理的厚度为20μm-200μm。其中，图1a示出了经过减薄处理后的像素区10，或者说，图1a示出了经过减薄处理后的复合基底中一芯片单元的一像素区10。
在本申请实施例中，所述像素区边缘区域100包括：像素区10的边缘像素至边缘像素内的一个像素所包括的区域～像素区10的边缘像素至中心像素外的一个像素所包括的区域；所述像素区中心区域101为像素区边缘区域100内剩余的像素区10部分。下面结合图2a和图2b所示内容作进一步说明。在此，假设X表示第X列像素，Y表示第Y行像素，X、Y均为奇数，则像素区边缘区域100为最小的情况时，可如图2a中斜线区域所示，而像素区中心区域101为像素区边缘区域100内的剩余部分，此时也是像素区中心区域101为最大的情况；像素区边缘区域100为最大的情况时，可如图2b中斜线区域所示，而像素区中心区域101为像素区边缘区域100内的剩余部分，此时也是像素区中心区域101为最小的情况。在此基础上，当X为奇数、Y为偶数；X为偶数、Y为奇数；以及X、Y均为偶数时，也能很容易的得出像素区边缘区域100和像素区中心区域101能够包括的范围。
接着，如图1b所示，在本申请实施例中，在减薄处理后的所述器件晶圆12上方(即减薄处理后的所述器件晶圆12的晶背)形成第一氧化硅层13。具体的，可以通过CVD(化学气相沉积)工艺在所述器件晶圆12上形成所述第一氧化硅层13。通过在所述器件晶圆12上形成氧化硅层13，可以使得后续完成对像素区10的刻蚀后，方便的去除像素区10(也即器件晶圆12)上的光阻。
在本申请实施例中，接着，如图1c所示，在像素区边缘区域100对应的所述第一氧化硅层13上方形成第一光阻层14。在此，所述第一光阻层14为图案化的光阻，即其仅覆盖部分第一氧化硅层13。
接着，如图1d所示，除去所述像素区中心区域101上方的第一氧化硅层13后，刻蚀所述像素区中心区域101。由此，便可使得所述像素区边缘区域100与所述像素区中心区域101之间呈阶梯状布置，且所述像素区边缘区域100高于所述像素区中心区域101。
具体的，首先通过湿法刻蚀工艺对所述第一氧化硅层13进行刻蚀。优选的，可以通过氢氟酸溶液(HF)对所述第一氧化硅层13执行刻蚀工艺。
接着，在除去所述第一氧化硅层13后，通过第二道湿法刻蚀工艺刻蚀所述像素区10(具体为像素区中心区域101)。优选的，可以通过氢氟酸(HF)和硝酸(HNO3)的混合液对所述像素区中心区域101执行刻蚀工艺。进一步的，可以通过控制所述刻蚀工艺的时间和/或所述氢氟酸(HF)和硝酸(HNO3)的混合液的浓度来控制所述像素区中心区域101的刻蚀深度，本申请对此不再赘述。较佳的，经过本道刻蚀工艺后，所述像素区边缘区域100比所述像素区中心区域101高10μm～200μm。
经过上述工艺后，像素区边缘区域100将高出像素区中心区域101，从而使得摄像时，像素区边缘区域100更接近光源。由此，所述背照式传感器芯片在接收光线的过程中，可以使得像素区边缘区域100接收到的光线较像素区中心区域101接收到的光线多，提高了像素区边缘区域100的感光能力，从而弥补了透镜带来的摄像头中心区域和边缘区域之间成像不均匀的缺陷，即使得摄像头的成像更加均匀。
在本申请实施例中，刻蚀所述像素区中心区域101后，接下去便可去除所述第一光阻层14(可相应参考图1e)以及其下方的第一氧化硅层13。
通过上述工艺，可同时形成多个背照式传感器芯片，其中，各背照式传感器芯片之间可通过切割予以分离，每个背照式传感器芯片包括：逻辑区(图中未示出)和像素区10，所述像素区10包括像素区边缘区域100和位于所述像素区边缘区域100内的像素区中心区域101；其中，所述像素区边缘区域100与所述像素区中心区域101之间呈阶梯状布置，且所述像素区边缘区域100高于所述像素区中心区域101。
【实施例二】
本实施例二与实施例一的差别在于，像素区边缘区域100中所注入离子的浓度比像素区中心区域101中所注入离子的浓度高。在此，可继续参考图1e，具体的，所述背照式传感器芯片包括：逻辑区(图中未示出)和像素区10，所述像素区10包括像素区边缘区域100和位于所述像素区边缘区域100内的像素区中心区域101；其中，所述像素区边缘区域100与所述像素区中心区域101之间呈阶梯状布置，且所述像素区边缘区域100高于所述像素区中心区域101，并且所述像素区边缘区域100中所注入离子的浓度比像素区中心区域101中所注入离子的浓度高。
具体的，在本申请实施例中，在器件晶圆12的生产工艺中(即在对所述器件晶圆12的晶背进行减薄处理之前)，对所述像素区边缘区域100进行多次离子注入，即在常规的离子注入基础上增加一次或者更多次额外的离子注入。通过对所述像素区边缘区域100进行额外离子注入，可以使得所述像素区边缘区域100的离子浓度高于所述像素区中心区域101的离子浓度。进一步的，对所述像素区边缘区域100进行额外离子注入的工艺，可在器件晶圆12进行n型阱区离子注入过程中加以完成。具体的，可利用光阻图形定义来对像素区边缘区域100作额外离子注入，即提供复合基底时，像素区边缘区域100中所注入离子的浓度已经高于像素区中心区域101中所注入离子的浓度，由此相对于原有工艺所需要的额外工艺成本较低。
此外，在本申请实施例中，也可以在除去所述第一光阻层14之后，对所述像素区边缘区域100进行离子注入，从而使得所述像素区边缘区域100的离子浓度高于所述像素区中心区域101的离子浓度。
在本申请实施例中，通过像素区边缘区域100中所注入离子的浓度比像素区中心区域101中所注入离子的浓度高，可提高像素区边缘区域100的感光能力，由此可以弥补透镜带来的摄像头中心区域和边缘区域之间成像不均匀的缺陷，即使得摄像头的成像更加均匀。
也就是说，在本申请实施例中，通过如下两个因素共同作用，提高了像素区边缘区域100的感光能力：
1、像素区边缘区域100高于像素区中心区域101；
2、像素区边缘区域100中所注入离子的浓度比像素区中心区域101中所注入离子的浓度高。
关于因素1的作用原理，在实施例一中已做说明，本实施例不再赘述；关于因素2的作用原理，本实施例将在接下去的描述中加以说明。具体原理如下：
阱容是每个像素的势阱容纳电荷的能力，最大阱容是体现背照式传感器芯片成像效果的主要参数之一，理论最大阱容由芯片单元中注入的离子浓度决定，而实际测得的最大阱容还受光照条件影响，间接反映了背照式传感器芯片感光的能力，即产生光电子数量的能力。
在现有的摄像头中，由于透镜的存在，背照式传感器芯片(即众所周知的，芯片单元的表面平坦、各位置离子注入浓度相等的情况，若用本申请文件的用语加以描述，即像素区边缘区域的高度与像素区中心区域的高度相等，并且像素区边缘区域注入离子的浓度与像素区中心区域注入离子的浓度相同)像素区边缘区域与像素区中心区域的光照条件不相同，像素区边缘区域通常不能达到最佳光照，从而使得像素区边缘区域的实际最大产生光电子的数量不能达到满足理论最大阱容的光电子数量；同时，像素区中心区域通常能够达到最佳光照，从而使得像素区中心区域的实际产生光电子的数量能够达到满足理论最大阱容的光电子数量，由此使测得的像素区中心区域的(实际)最大阱容与像素区边缘区域的(实际)最大阱容具有了差异，通常的，该差异可以达到5％～20％。基此，在现有的摄像头中，便出现了中心区域和边缘区域之间成像不均匀的问题。
基此，在本申请实施例中，通过像素区边缘区域100中所注入离子的浓度比像素区中心区域101中所注入离子的浓度高，提高了像素区边缘区域100的理论最大阱容，以此弥补像素区边缘区域100不能达到最佳光照条件的缺失，弥补了透镜带来的摄像头中心区域和边缘区域之间成像不均匀的缺陷，即使得摄像头的成像更加均匀。同时，在实施例一中，通过像素区边缘区域100高出像素区中心区域101，弥补透镜带来的摄像头中心区域和边缘区域之间成像不均匀的缺陷，使得摄像头的成像更加均匀，既可以从像素区边缘区域100更接近光源，从而使得像素区边缘区域100接收到的光线较中心部分接收到的光线多方面加以说明，也可以从提高了像素区边缘区域100的理论最大阱容加以说明。
【实施例三】
本实施例三与实施例一的差别在于，所述像素区中心区域101包括第一像素区中心区域，以及位于所述第一像素区中心区域内的第二像素区中心区域，其中，所述第一像素区中心区域与所述第二像素区中心区域之间呈阶梯状布置，且所述第一像素区中心区域高于所述第二像素区中心区域。即相对于实施例一，本实施例对于像素区10的调整更加精细化，实现与透镜更高的匹配度，进而得到成像更均匀的摄像头。
本实施例可在实施例一的图1a～1d的基础上(即在本实施例中，不执行图1e)，继续执行图3a～3d的操作而实现。
即在图1d的基础上，继续参考图3a，在刻蚀后的像素区中心区域101上形成第二氧化硅层15，其中，所述像素区中心区域101包括第一像素区中心区域102，以及位于所述第一像素区中心区域102内的第二像素区中心区域103。
接着，如图3b所示，在第一像素区中心区域102对应的所述第二氧化硅层15上方形成第二光阻层16。即在此，所述第二光阻层16同样也是图案化的光阻，在此其仅覆盖部分第一像素区中心区域102。
接着，如图3c所示，除去所述第二像素区中心区域103上方的第二氧化硅层15后，刻蚀所述第二像素区中心区域103。由此，便可使得所述第一像素区中心区域102与所述第二像素区中心区域103之间呈阶梯状布置，且所述第一像素区中心区域102高于所述第二像素区中心区域103。
具体的，首先通过湿法刻蚀工艺对所述第二氧化硅层15进行刻蚀。优选的，可以通过氢氟酸溶液(HF)对所述第二氧化硅层15执行刻蚀工艺。
接着，在除去所述第二氧化硅层15后，通过第二道湿法刻蚀工艺刻蚀所述像素区10(具体为第二像素区中心区域103)。优选的，可以通过氢氟酸(HF)和硝酸(HNO3)的混合液对所述第二像素区中心区域103执行刻蚀工艺。进一步的，可以通过控制所述刻蚀工艺的时间和/或所述氢氟酸(HF)和硝酸(HNO3)的混合液的浓度来控制所述第二像素区中心区域103的刻蚀深度，本申请对此不再赘述。较佳的，经过本道刻蚀工艺后，所述第一像素区中心区域102比所述第二像素区中心区域103高5μm～160μm。
经过上述工艺后，像素区边缘区域100将高出像素区中心区域101，进一步的，在像素区中心区域101中，所述第一像素区中心区域102高出所述第二像素区中心区域103。从而使得摄像时，像素区边缘区域100较第一像素区中心区域102接近光源，第一像素区中心区域102较第二像素区中心区域103接近光源，由此，所述背照式传感器芯片在接收光线的过程中，可以使得像素区边缘区域100接收到的光线较第一像素区中心区域102接收到的光线多，第一像素区中心区域102接收到的光线较第二像素区中心区域103接收到的光线多，从而依次提高了像素区边缘区域100以及第一像素区中心区域102的感光能力，进而更好的弥补了透镜带来的摄像头中心区域和边缘区域之间成像不均匀的缺陷，即使得摄像头的成像更加均匀。
在本申请实施例中，刻蚀所述第二像素区中心区域103后，接下去便可同时去除所述第一光阻层14以及其下方的第一氧化硅层13，所述第二光阻层16以及其下方的所述第二氧化硅层15。
进一步的，在本申请实施例中，还可以使得所述第一像素区中心区域102中所注入离子的浓度比所述第二像素区中心区域103中所注入离子的浓度高；并且所述第一像素区中心区域102中所注入离子的浓度比所述像素区边缘区域100中所注入离子的浓度低。从而进一步弥补透镜带来的摄像头中心区域和边缘区域之间成像不均匀的缺陷，即使得摄像头的成像更加均匀。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (10)
1.一种背照式传感器芯片，其特征在于，包括：逻辑区和像素区，所述像素区包括像素区边缘区域和位于所述像素区边缘区域内的像素区中心区域；
其中，所述像素区边缘区域与所述像素区中心区域之间呈阶梯状布置，且所述像素区边缘区域高于所述像素区中心区域。
2.根据权利要求1所述的背照式传感器芯片，其特征在于，所述像素区边缘区域高于所述像素区中心区域10μm-200μm。
3.根据权利要求1或2所述的背照式传感器芯片，其特征在于，所述像素区中心区域包括第一像素区中心区域，以及位于所述第一像素区中心区域内的第二像素区中心区域；
其中，所述第一像素区中心区域与所述第二像素区中心区域之间呈阶梯状布置，且所述第一像素区中心区域高于所述第二像素区中心区域。
4.根据权利要求3所述的背照式传感器芯片，其特征在于，所述第一像素区中心区域高于所述第二像素区中心区域5μm-160μm。
5.根据权利要求1所述的背照式传感器芯片，其特征在于，所述芯片单元是复合基底中的一块，所述复合基底包括器件晶圆和载体晶圆，所述复合基底的厚度为700μm-900μm。
6.一种权利要求1-5中任一项所述的背照式传感器芯片的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供器件晶圆和载体晶圆的复合基底，对所述器件晶圆的晶背进行减薄处理，其中，所述复合基底中的芯片单元包括逻辑区和像素区，所述像素区包括像素区边缘区域和位于所述像素区边缘区域内的像素区中心区域；
在减薄处理后的所述器件晶圆上方形成第一氧化硅层；
在像素区边缘区域对应的所述第一氧化硅层上方形成第一光阻层；
除去所述像素区中心区域上方的第一氧化硅层后，刻蚀所述像素区中心区域；
除去所述第一光阻层以及其下方的第一氧化硅层。
7.根据权利要求6所述的背照式传感器芯片的制造方法，其特征在于，在刻蚀所述像素区中心区域之后，在除去所述第一光阻层以及其下方的第一氧化硅层之前，还包括：
在刻蚀后的像素区中心区域上形成第二氧化硅层，其中，所述像素区中心区域包括第一像素区中心区域，以及位于所述第一像素区中心区域内的第二像素区中心区域；
在第一像素区中心区域对应的所述第二氧化硅层上方形成第二光阻层；
除去所述第二像素区中心区域上方的第二氧化硅层后，刻蚀所述第二像素区中心区域；
除去所述第二光阻层以及其下方的所述第二氧化硅层。
8.根据权利要求6所述的背照式传感器芯片的制造方法，其特征在于，对所述器件晶圆的晶背进行减薄处理之前，还包括：
对所述像素区边缘区域进行多道离子注入。
9.根据权利要求6或7所述的背照式传感器芯片的制造方法，其特征在于，在除去所述第一光阻层之后，还包括：
对所述像素区边缘区域进行离子注入。
10.根据权利要求6所述的背照式传感器芯片的制造方法，其特征在于，所述减薄处理的厚度为20μm-200μm。
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