CN105842706A - 激光三维成像装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种激光三维成像装置及其制作方法，包括步骤：提供第一半导体晶圆；刻蚀第一半导体晶圆，在衬底中形成接触孔；填充接触孔，并在接触孔上形成金属连线；在接触孔、金属连线、APD和衬底上形成介质层；在介质层上形成玻璃层；研磨第一半导体晶圆的背面直到露出接触孔的底部；在所述第一半导体晶圆的背面形成掺杂区；形成与掺杂区互连的互连电极；提供第二半导体晶圆，其包括CMOS电路和金属层；将第一半导体晶圆和第二半导体晶圆相对重叠放置，并将第二半导体晶的金属层和第一半导体晶圆背面的互连电极对应键合。本发明的激光三维成像装置及其制作方法，将三维APD阵列和CMOS像素原位信号放大器纵向的整合为一个器件，从而明显减小了电路的面积。
Description
技术领域
本发明涉及三维成像技术领域，特别涉及激光三维成像装置及其制造方法。
背景技术
激光三维成像技术，是由激光雷达向探测目标发射出一系列扫描光束，从探测目标返回的回波信号的二维平面信息和激光雷达测距得到的距离信息来合成图像的技术。
激光三维成像装置通常包括：发射激光的激光雷达，接收从探测目标返回的回波信号的三维APD(雪崩光电二极管)阵列，处理由APD阵列输出的电信号的数据处理装置。其中，APD阵列为激光三维成像装置中的核心部件，所述数据处理装置包括阵列的每个单元对应的CMOS像素原位信号放大器。信号通过阵列的发射和接收，将光信号转换为电信号，通过连接电路传到每个CMOS像素原位信号放大器，将信号放大转换，从而在显示装置中形成一个三维物体图像。PN结反向电压增大到一数值时，载流子倍增就像雪崩一样，增加得多而快，利用这个特性制作的二极管就是APD。
因为，现有的激光三维成像装置的电路是由三维SI-APD阵列和每个单元对应的CMOS像素原位信号放大器两种独立的器件组成，随着成像物体分辨率的不断提高，SI-APD阵列的单元数目不断增加，对应的CMOS像素原位信号放大器的数目也随之增加，所以目前在提高成像物体的分辨率的同时，明显的降低了电路的集成度并增加了器件的封装费用。
发明内容
本发明解决的其中一个问题是现有技术的激光三维成像装置集成度低，封装费用高。
本发明提出一种激光三维成像装置的制作方法，包括步骤：
提供第一半导体晶圆，其包括衬底和位于衬底上的APD；
刻蚀第一半导体晶圆，在衬底中形成接触孔；
填充接触孔，并在接触孔上形成金属连线；
在接触孔、金属连线、APD和衬底上形成介质层；
在介质层上形成玻璃层；
研磨第一半导体晶圆的背面直到露出接触孔的底部；
在所述第一半导体晶圆的背面形成掺杂区；
形成与掺杂区互连的互连电极；
提供第二半导体晶圆，其包括CMOS电路，以及与CMOS电路互连的金属层；
将第一半导体晶圆和第二半导体晶圆相对重叠放置，并将第二半导体晶的金属层和第一半导体晶圆背面的互连电极对应键合。
优选的，在形成接触孔的步骤还包括形成环绕在APD外围的环形沟槽。
优选的，所述第二半导体晶圆包括N个阵列排列的像素原位信号放大器，所述每一个像素原位信号放大器和图像采集器的面积及排列位置相同。
优选的，将第一半导体晶圆和第二半导体晶圆相对重叠放置的时候，所述图像采集器和像素原位信号放大器一一对应，并且其表面的金属层相接触。
优选的，所述接触孔的深度为40um-150um，所述环形沟槽的深度大于或者等于所述接触孔的深度。
优选的，所述研磨第一半导体晶圆的背面包括步骤：
进行BSI研磨工艺减薄芯片，直到接触孔的底部覆盖至少5um的衬底。
优选的，所述键合是高温键合。
优选的，所述接触孔内填充的金属为Cu。
优选的，所述金属层的材料为Al。
本发明还提供了一种激光三维成像装置，包括：
第一半导体晶圆，其正面包括衬底，衬底上的APD，接触孔以及与APD的一个电极互连的金属互连线，在正面的最顶层具有玻璃层，背面形成有与APD的另一个电极互连的金属层；
第二半导体晶圆，其包括CMOS电路，以及与CMOS电路互连的金属层；
第一半导体晶圆和第二半导体晶圆相对重叠放置，并且第二半导体晶的金属层和第一半导体晶圆背面的互连电极对应键合。
和现有技术相比：
本发明的激光三维成像装置及其制作方法，利用了TSV与BSI工艺，将三维SI-APD阵列和每个单元对应的CMOS像素原位信号放大器纵向的整合，整合为一个器件，从而明显减小了电路的面积，提高了电路的集成度，并降低了器件的封装费用。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种激光三维成像装置的制作方法的流程图；
图2-图7是本发明实施例提供的一种激光三维成像装置的制作方法在各个制备阶段的结构示意图。
具体实施方式
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。
图1是本发明的实施例提供的一种激光三维成像装置的制造方法流程图，参考图1，本发明实施例的激光三维成像装置的制造方法包括：步骤S1，提供第一半导体晶圆；步骤S2，刻蚀第一半导体晶圆，在衬底中形成接触孔；步骤S3填充接触孔，并在接触孔上形成金属连线；步骤S4，在接触孔、金属连线、APD和衬底上形成介质层；步骤S5，在介质层上形成玻璃层；步骤S6，研磨第一半导体晶圆的背面直到露出接触孔的底部；步骤S7，在所述第一半导体晶圆的背面形成掺杂区；步骤S8，形成与掺杂区互连的互连电极；步骤S9，提供第二半导体晶圆，其包括CMOS电路，以及与CMOS电路互连的金属层；步骤S10，将第一半导体晶圆和第二半导体晶圆相对重叠放置，并将第二半导体晶圆上的金属层和第一半导体晶圆背面上的互连电极对应键合。
下面结合图2-图7详细说明本发明实施例中激光三维成像装置的制造方法。图3为激光三维成像装置中APD及接触孔的平面示意图，图3中APD的数量为示意作用，实际的数量根据晶圆尺寸和APD尺寸决定。图4为图3中b-b方向的剖面结构示意图。
参考图2，提供第一半导体晶圆100，其包括衬底10。在本实施例中所述衬底10为P型掺杂的单晶硅衬底。在衬底10上具有APD(雪崩光电二极管Avalanche Photodiode)，每个APD包括：P型掺杂的硅衬底10，N型掺杂的本征区22、N型重掺杂区23。如图3所示，在第一半导体晶圆100上APD呈阵列分布构成APD阵列。
具体的，APD形成方法包括：在所述衬底10正面形成本征区22；在所述本征区22上形成重掺杂区23，例如现在衬底上生长200埃至300埃的氧化层，离子注入形成本征区22，再进行离子注入然后退火形成高浓度的重掺杂区23。
参考图3和图4，图4是图3的剖面示意图，在所述衬底10中形成接触孔30，具体的在本实施例中，优选的在形成接触孔30的同时形成环形沟槽31，所述环形沟槽31位于APD的外围，在环形沟槽31的外围形成接触孔30。所述环形沟槽31的深度大于所述本征区22的深度，所述环形沟槽31填充后可以绝缘隔离相邻两个APD。所述接触孔30填充后可以互连APD与外部电路。所述接触孔30位于APD的一侧，且位于所述环形沟槽31外侧，例如在本实施例中所述接触孔30都位于环形沟槽31的左侧。除此之外，所述接触孔30也可以形成在环形沟槽的内侧。
具体的，所述环形沟槽31和接触孔30的形成方法在本实施例中为干法刻蚀。具体方法可以为：在所述衬底10正面上形成图形化的硬掩膜层；然后，以图形化的硬掩膜为掩膜对衬底10进行干法刻蚀形成环形沟槽31和接触孔30；形成环形沟槽31和接触孔30后，去除硬掩膜层。硬掩膜层的材料为氧化硅，或者氮化硅，或者氧化硅和氮化硅的叠层结构，氮化硅位于氧化硅层上。在该实施例中，所述环形沟槽31和接触孔30的深度为8微米～200微米。
接着，在所述硅衬底10正面形成与所述重掺杂区23互连的N型电极42，并在N型电极上淀积形成电极43，所述电极43可以为金属材料。所述N型电极42可以在形成环形沟槽和接触孔之前形成，具体的步骤本发明不做限定。
在本实施例中，先刻蚀氧化层暴露重掺杂区23，在重掺杂区上电极金属层形成与重掺杂区接触的电极42，接着去除氧化层，在重掺杂区和电极42上形成厚度为7000埃至8000埃的光刻胶层和厚度为100埃至200埃的氮氧化硅层的叠层结构，然后刻蚀所述光刻胶层和氮氧化硅的叠层结构暴露出部分电极42，在暴露的电极42上形成钛和/或钨化合物的金属层。在钛和/或钨化合物的金属层上继续形成800埃至1000埃的硬掩膜层。刻蚀硬掩膜层和衬底形成接触孔30和环形沟槽31，所述接触孔的CD小于或等于13μm。去除硬掩膜层。
参考图5，在环形沟槽31和接触孔30的侧壁和底部形成垫氧化层(lineroxide)32。垫氧化层32的材料为氧化硅。形成垫氧化层32的方法为：利用热氧化工艺在硅衬底10和环形沟槽31和接触孔30的侧壁和底部形成氧化层，然后去除硅衬底上的氧化层，剩余环形沟槽31和接触孔30侧壁和底部的氧化层作为垫氧化层。垫氧化层厚度为200埃～5000埃。
接着，在环形沟槽31和接触孔30中填充铜等金属导电材料，分别形成隔离环和互连插塞。然后在衬底10正面形成钝化层51、位于钝化层51上的金属连线32，钝化层51覆盖电极43、重掺杂N型锗层。钝化层51保护其下方的器件结构不受外界环境比如氧化、腐蚀等的影响。钝化层51的材料可以为氧化硅等本领域技术人员熟知的材料，研磨钝化层露出接触孔和电极43，形成金属连线32使所述电极43和接触孔互连。在本实施例中，先形成一层钽/铝或其化合物层，作为铜的种子层，在形成一层铜金属层，这样可以使得各层之间的导电性能更好，然后研磨铜层，暴露垫氧化层，在其上形成金属连线，导通接触孔和电极42。
需要说明的是，本发明中不限于形成了隔离环，也可以不包括隔离环即不形成环形沟槽，只刻蚀形成接触孔，或者每2个或者4个APD中有一个具有隔离环。所述隔离环和互连插塞的位置关系也不做限定，只要满足隔离环可以隔离相邻的图像采集器的APD，所述互连插塞用于互连APD的重掺杂区。
在本实施例中，优选的，每一个APD的一侧具有一个接触孔30形成的互连插塞，例如所有的互连插塞都位于APD的同一测，这样即可以实现互连，又可以节省面积。
参考图6，在填充后的接触孔30、金属连线以及钝化层上形成介质层52，所述介质层52用于形成平坦化的表面，以便后续粘结玻璃层53。
继续参考图6，在介质层52表面上形成玻璃层53，例如可以采用粘结的方式形成。
参考图7，对衬底10的背面进行减薄至露出接触孔30和隔离环的底部。
减薄后，对衬底10的背面进行离子注入形成电极44，也就是在隔离环内形成掺杂电极44，所述掺杂电极作为APD的另外一个电极，例如所述注入可以先形成掩膜，刻蚀掩膜形成窗口，在窗口中注入形成电极44，在电极44上形成金属层，例如铜层，刻蚀铜层形成开口，暴露电极44及接触孔，在暴露的电极44上形成钛或其化合物层，在钛层和接触孔上形成铝或其化合物层作为互连线。
接着，在衬底10背面形成互连电极45，互连电极45与掺杂电极44以及接触孔30的底部电连接。互连电极45的材料可以为铝、铜等金属材料。形成互连电极的方法包括：在衬底10背面形成金属层，对金属层进行图形化形成互连电极45。之后，在衬底背面形成覆盖互连电极的介质层，对介质层进行平坦化至露出互连电极45。
本实施例形成的APD阵列，可以感测红外波段的激光。而且，红外雪崩光电二极管利用CMOS工艺形成，相邻的雪崩光电二极管之间通过隔离环绝缘，不会出现串扰的现象。
参考图7，提供第二半导体晶圆200，其包括CMOS电路，及与CMOS电路互连的金属层，将第一半导体晶圆100和第二半导体晶圆200相对重叠放置，并将第二半导体晶圆200的金属层45和第一半导体晶圆背面的互连电极45相对应键合。
在本实施例中所述第二半导体晶圆包括N个阵列排列的像素原位信号放大器，所述每一个像素原位信号放大器和图像采集器的面积及排列位置相同，将第一半导体晶圆和第二半导体晶圆相对重叠放置的时候，所述图像采集器和像素原位信号放大器一一对应，并且其表面的金属层相接触。所述键合是采用高温键合。
本实施例中对于APD的掺杂区类型以及APD的结构仅是示例说明，在此不做限定，也可以为其他本领域技术人员熟知的变型。
除此之外，本发明还公开了一种激光三维成像装置，包括：
第一半导体晶圆，其正面包括衬底，衬底上的APD，接触孔以及与APD的一个电极互连的金属互连线，在正面的最顶层具有玻璃层，背面形成有与APD的另一个电极互连的互连电极；
第二半导体晶圆，其包括CMOS电路，以及与CMOS电路互连的金属层；
第一半导体晶圆和第二半导体晶圆相对重叠放置，并且第二半导体晶的金属层和第一半导体晶圆背面的互连电极对应键合。
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 (10)
1.一种激光三维成像装置的制作方法，其特征在于，包括步骤：
提供第一半导体晶圆，其包括衬底和位于衬底上的APD；
刻蚀第一半导体晶圆，在衬底中形成接触孔；
填充接触孔，并在接触孔上形成金属连线；
在接触孔、金属连线、APD和衬底上形成介质层；
在介质层上形成玻璃层；
研磨第一半导体晶圆的背面直到露出接触孔的底部；
在所述第一半导体晶圆的背面形成掺杂区；
形成与掺杂区互连的互连电极；
提供第二半导体晶圆，其包括CMOS电路，以及与CMOS电路互连的金属层；
将第一半导体晶圆和第二半导体晶圆相对重叠放置，并将第二半导体晶的金属层和第一半导体晶圆背面的互连电极对应键合。
2.如权利要求1所述的激光三维成像装置的制作方法，其特征在于，在形
成接触孔的步骤还包括形成环绕在APD外围的环形沟槽。
3.如权利要求1所述的激光三维成像装置的制作方法，其特征在于，
所述第二半导体晶圆包括N个阵列排列的像素原位信号放大器，所述每一
个像素原位信号放大器和图像采集器的面积及排列位置相同。
4.如权利要求1所述的激光三维成像装置的制作方法，其特征在于，将第
一半导体晶圆和第二半导体晶圆相对重叠放置的时候，所述图像采集器和
像素原位信号放大器一一对应，并且其表面的金属层相接触。
5.如权利要求1所述的激光三维成像装置的制作方法，其特征在于，所述
接触孔的深度为40um-150um，所述环形沟槽的深度大于或者等于所述接
触孔的深度。
6.如权利要求1所述的激光三维成像装置的制作方法，其特征在于，所述
研磨第一半导体晶圆的背面包括步骤：
进行BSI研磨工艺减薄芯片，直到接触孔的底部覆盖至少5um的衬底。
7.如权利要求1所述的激光三维成像装置的制作方法，其特征在于，所述键合是高温键合。
8.如权利要求1所述的激光三维成像装置的制作方法，其特征在于，所述接触孔内填充的金属为Cu。
9.如权利要求1所述的激光三维成像装置的制作方法，其特征在于，所述金属层的材料为Al。
10.一种激光三维成像装置，其特征在于，包括：
第一半导体晶圆，其正面包括衬底，衬底上的APD，接触孔以及与APD的一个电极互连的金属互连线，在正面的最顶层具有玻璃层，背面形成有与APD的另一个电极互连的金属层；
第二半导体晶圆，其包括CMOS电路，以及与CMOS电路互连的金属层；第一半导体晶圆和第二半导体晶圆相对重叠放置，并且第二半导体晶的金属层和第一半导体晶圆背面的金属层对应键合。
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20230530 Address after: 323000 room 307, block B, building 1, No.268 Shiniu Road, nanmingshan street, Liandu District, Lishui City, Zhejiang Province Patentee after: Zhejiang Core Microelectronics Co.,Ltd. Address before: Room 501B, Building 5, 3000 Longdong Avenue, Zhangjiang High-tech Park, Pudong New Area, Shanghai, 201203 Patentee before: LEXVU OPTO MICROELECTRONICS TECHNOLOGY (SHANGHAI) Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Laser 3D imaging device and its manufacturing method Effective date of registration: 20230630 Granted publication date: 20190222 Pledgee: Lishui Branch of Shanghai Pudong Development Bank Co.,Ltd. Pledgor: Zhejiang Core Microelectronics Co.,Ltd. Registration number: Y2023980046851 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |