CN106129080B - 背照式图像传感器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种背照式图像传感器的制备方法，包括：提供一半导体衬底，所述半导体衬底具有第一面以及与所述第一面相背的第二面；在所述半导体衬底的第一面上制备第一外延半导体层、第二外延半导体层；在所述光电二极管区域上的第二外延半导体层中形成第一离子注入区，在所述隔离区域上的第二外延半导体层中形成第一隔离结构，所述第一离子注入区位于背离所述第一外延半导体层的一侧的表面；对所述半导体衬底的第二面进行减薄，直至暴露出所述第一外延半导体层；在暴露出的所述第一外延半导体层中制备第二隔离结构。本发明的背照式图像传感器的制备方法可以提高红外光的量子效率，同时改善蓝光的量子效率。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器技术领域，特别是涉及一种背照式图像传感器的制备方法。
背景技术
伴随着移动互联网的飞速发展，人们对智能终端的需求愈来愈庞大，而有着智能终端“眼睛”之称的图像传感器也迎来了前所未有的发展空间。传统的CCD(Charge-coupledDevice，电荷耦合元件)图像传感器由于其功耗较大，市场局限在高性能的数码相机中；CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor，简称CIS)不仅功耗低，速率快，而且易于与现有的半导体工艺相兼容，生产成本较低，这使得CMOS图像传感器占据了图像传感器市场的半壁江山。
CIS分为前照式和背照式两种技术，前照式是指光线通过晶片正面的金属互联层间隙进入光电二极管(PD)的技术，该技术的工艺流程简单，然而缺点是光线容易在金属互联层之间反射，造成图像信息的串扰；背照式是指光线通过晶片背面进入PD的技术，该技术需要将晶片背面抛光减薄至合适的厚度，背面研磨抛光的准确度和均匀性是背照式技术的挑战，然而该技术能够有效地减少串扰，提高传感器的灵敏度，增加金属互联层设计灵活性。因此，背照式技术成为目前主流的传感器技术。
背照式技术中遇到的主要问题是红外光的量子效率(QE，quantum efficiency)较低。量子效率是指一个光子转变成为PD中光生电子的概率。为了提高红外光的量子效率，现有技术中往往会增加半导体衬底的整体厚度，然而，这会减弱蓝光的量子效率。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种背照式图像传感器的制备方法，可以提高红外光的量子效率，同时改善蓝光的量子效率。
为解决上述技术问题，本发明提供一种背照式图像传感器的制备方法，包括：
提供一半导体衬底，所述半导体衬底具有第一面以及与所述第一面相背的第二面，所述半导体衬底包括光电二极管区域以及隔离区域；
在所述半导体衬底的第一面上制备第一外延半导体层，所述第一外延半导体层为第一掺杂类型；
在所述第一外延半导体层背离所述半导体衬底的一侧制备第二外延半导体层；
在所述光电二极管区域上的第二外延半导体层中形成第一离子注入区，在所述隔离区域上的第二外延半导体层中形成第一隔离结构，所述第一离子注入区为第二掺杂类型，所述第一离子注入区位于背离所述第一外延半导体层的一侧的表面；
对所述半导体衬底的第二面进行减薄，直至暴露出所述第一外延半导体层，或将所述半导体衬底减薄至一特定厚度；以及
在所述第一外延半导体层中制备第二隔离结构，所述第二隔离结构与所述第一隔离结构的位置相对应。
进一步的，所述第二外延半导体层为第二掺杂类型或第一掺杂类型；当所述第二外延半导体层为第二掺杂类型时，所述背照式图像传感器的制备方法还包括：
在暴露出的所述第二外延半导体层中形成第二离子注入区，所述第二离子注入区位于所述第一离子注入区和第一外延半导体层之间。
进一步的，所述背照式图像传感器的制备方法还包括：在所述第二外延半导体层背离所述第一外延半导体层的一侧依次形成栅极和互连层。
进一步的，在对所述半导体衬底的第二面进行减薄的步骤之前，还包括：
在所述第二外延半导体层背离所述第一外延半导体层的一侧键合一键合衬底。
进一步的，所述第二隔离结构为深沟槽隔离。
进一步的，对所述第二外延半导体层进行离子注入形成所述第一隔离结构，所述第一隔离结构为第二掺杂类型。
进一步的，所述第一外延半导体层的掺杂浓度均匀分布；或，所述第一外延半导体层的掺杂浓度由面向所述半导体衬底的一侧向背离所述半导体衬底的一侧逐渐变小；或，所述第一外延半导体层的掺杂浓度由面向所述半导体衬底的一侧向背离所述半导体衬底的一侧逐渐变大。
进一步的，所述半导体衬底为第二掺杂类型，其中，掺杂浓度为1E16cm3～5E18cm3。
进一步的，所述第一外延半导体层的厚度为2μm～7μm，所述第一外延半导体层的掺杂浓度为1E15cm3～1E17cm3。
进一步的，所述第二外延半导体层的厚度为2μm～3μm，所述第二外延半导体层的掺杂浓度为1E15cm3～1E16cm3。
进一步的，所述特定厚度小于等于1μm。
与现有技术相比，本发明提供的背照式图像传感器的制备方法具有以下优点：
在所述背照式图像传感器的制备方法中，通过外延工艺制备第一外延半导体层，所述第一外延半导体层的掺杂浓度可控，可以提高器件结构中光电二极管底部的第一掺杂类型的离子浓度，从而弥补了现有离子注入工艺的限制，可以提高蓝光的量子效率。
附图说明
图1为本发明一实施例中背照式图像传感器的制备方法的流程图；
图2至图7为本发明一实施例的背照式图像传感器的制备方法中器件结构的示意图。
具体实施方式
现有的背照式图像传感器中红外光和蓝光的量子效率不能同时提高。发明人对现有的背照式图像传感器研究发现，为了提高红外光的量子效率，会增加半导体衬底的整体厚度，一般半导体衬底的厚度会从2μm～3μm增加到5μm～10μm。但是由于现有离子注入和光刻胶工艺设备的限制，不能将离子注入到所需要的深度，从而导致二极管区域底部的离子浓度偏低，减弱蓝光的量子转换效率。
发明人深入研究发现，如果利用多层外延工艺，提高光电二级管底部掺杂浓度，则可以提高近红外光的量子效率的同时，改善蓝光的量子效率。
根据上述研究，本发明提供一种背照式图像传感器的制备方法，提供一种背照式图像传感器的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤S11，提供一半导体衬底，所述半导体衬底具有第一面以及与所述第一面相背的第二面，所述半导体衬底包括光电二极管区域以及隔离区域；
步骤S12，在所述半导体衬底的第一面上制备第一外延半导体层，所述第一外延半导体层为第一掺杂类型；
步骤S13，在所述第一外延半导体层背离所述半导体衬底的一侧制备第二外延半导体层；
步骤S14，在所述光电二极管区域上的第二外延半导体层中形成第一离子注入区，在所述隔离区域上的第二外延半导体层中形成第一隔离结构，所述第一离子注入区为第二掺杂类型，所述第一离子注入区位于背离所述第一外延半导体层的一侧的表面；
步骤S15，对所述半导体衬底的第二面进行减薄，直至暴露出所述第一外延半导体层；以及
步骤S16，在暴露出的所述第一外延半导体层中制备第二隔离结构，所述第二隔离结构与所述第一隔离结构的位置相对应。
通过外延工艺制备第一外延半导体层，所述第一外延半导体层的掺杂浓度可控，可以提高器件结构中光电二极管底部的第一掺杂类型的离子浓度，从而弥补了现有离子注入工艺的限制，可以提高蓝光的量子效率。
下面将结合示意图对本发明的背照式图像传感器的制备方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。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。
以下结合图2至图7，具体说明本发明的背照式图像传感器的制备方法，图2至图7为本发明一实施例的背照式图像传感器的制备方法中器件结构的示意图。
首先，进行步骤S11，如图2所示，提供一半导体衬底100，所述半导体衬底100具有第一面100a以及与所述第一面100a相背的第二面100b，所述半导体衬底100包括光电二极管区域101以及隔离区域102，其中，所述隔离区域102用于隔离相邻的所述光电二极管区域101。其中，所述光电二极管区域101上方用于形成光电二极管，所述隔离区域102上方用于形成隔离所述光电二极管的隔离结构。此外，所述半导体衬底100中还可以形成其他区域，例如另一器件区103，所述另一器件区103可以围绕所述光电二极管区域101和隔离区域102。所述半导体衬底100一般为硅衬底，此外，所述半导体衬底100还可以为硅锗衬底等等。
在本实施例中，第一掺杂类型为N型，第二掺杂类型为P型，在其它实施例中，还可以第一掺杂类型为P型，第二掺杂类型为N型。其中，所述半导体衬底100为第二掺杂类型(P型)，其中，掺杂离子的掺杂浓度为1E16cm3～5E18cm3。
然后，进行步骤S12，继续参考图2，在所述半导体衬底100的第一面100a上制备第一外延半导体层110，其中，所述第一外延半导体层110为第一掺杂类型(N型)，所述第一外延半导体层110的厚度较厚，以提高红外光的量子效率，优选的所述第一外延半导体层110的厚度为2μm～7μm，例如，3μm、4μm、5μm、6μm，所述第一外延半导体层110的掺杂浓度为1E15cm3～1E17cm3。
进一步的，所述第一外延半导体层110的掺杂浓度均匀分布；或，所述第一外延半导体层110的掺杂浓度由面向所述半导体衬底100的一侧向背离所述半导体衬底100的一侧逐渐变小；或，所述第一外延半导体层110的掺杂浓度由面向所述半导体衬底100的一侧向背离所述半导体衬底100的一侧逐渐变大，所述第一外延半导体层110的掺杂浓度的分布可以根据需要进行选择。
所述第一外延半导体层110由外延工艺形成，所述第一外延半导体层110的掺杂浓度可控，可以提高器件结构中光电二极管底部的第一掺杂类型的离子浓度，从而弥补了现有离子注入工艺的限制，可以提高蓝光的量子效率。
接着，进行步骤S13，继续参考图2，在所述第一外延半导体层110背离所述半导体衬底100的一侧制备第二外延半导体层120。在本实施例中，所述第二外延半导体层120为第二掺杂类型(P型)，所述第二外延半导体层120的厚度较厚，以提高红外光的量子效率，优选的所述第二外延半导体层120的厚度为2μm～3μm，所述第二外延半导体层120的掺杂浓度为1E15cm3～1E16cm3。
由于在本实施例中所述第二外延半导体层120为第二掺杂类型(P型)，所以，如图3所示，在所述第二外延半导体层120中形成第二离子注入区124，所述第二离子注入区124位于所述光电二极管区域101的上方。在其它实施例中，当所述第二外延半导体层120为第一掺杂类型(N型)时，还可以不形成所述第二离子注入区124。
之后，进行步骤S14，如图3所示，在所述光电二极管区域101上的第二外延半导体层120中形成第一离子注入区122，所述第一离子注入区122位于背离所述第一外延半导体层110的一侧的表面，即所述第二离子注入区124位于第一离子注入区122和第一外延半导体层110之间，所述第一离子注入区122为第二掺杂类型(P型)。
在所述隔离区域102上的第二外延半导体层120中形成第一隔离结构123，较佳的，对所述第二外延半导体层120进行离子注入形成所述第一隔离结构123，所述第一隔离结构123为第二掺杂类型(P型)，可以很好的隔离相邻的光电二极管之间的电性能。在其他实施例中，所述第一隔离结构123还可以为深沟槽隔离等结构。
然后，如图4所示，在所述第二外延半导体层120背离所述第一外延半导体层110的一侧依次形成栅极和互连层130，在图4中未示出栅极，但是本领域的普通技术人员可以理解栅极的结构和位置，在此不作赘述。此外，所述互连层130中可以包括互连结构或垫片等结构，此为本领域的普通技术人员可以理解的，在此不作赘述。
之后，在所述第二外延半导体层120背离所述第一外延半导体层110的一侧键合一键合衬底，在本实施例中，如图5所示，所述键合衬底200位于所述互连层130背离所述第二外延半导体层120的一侧键合所述键合衬底200。
随后，进行步骤S15，如图6所示，对所述半导体衬底100的第二面100b进行减薄，直至暴露出所述第一外延半导体层110，或将所述半导体衬底100减薄至一特定厚度，将所述半导体衬底100的厚度减薄至1μm以下，其中，可以采用机械研磨和化学刻蚀等工艺进行减薄。
接着，进行步骤S16，如图7所示，在暴露出的所述第一外延半导体层110中制备第二隔离结构111，所述第二隔离结构111与所述第一隔离结构123的位置相对应。较佳的，所述第二隔离结构111为深沟槽隔离，可以达到很好的隔离效果。
在图7中，所述第一离子注入区122、第二离子注入区124以及与所述第一离子注入区122相对应的第一外延半导体层110形成光电二极管10。所述第一外延半导体层110由外延工艺形成，所述第一外延半导体层110的掺杂浓度可控，可以提高器件结构中光电二极管底部的第一掺杂类型的离子浓度，从而弥补了现有离子注入工艺的限制，可以提高蓝光的量子效率。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种背照式图像传感器的制备方法，其特征在于，包括：
提供一半导体衬底，所述半导体衬底具有第一面以及与所述第一面相背的第二面，所述半导体衬底包括光电二极管区域以及隔离区域；
在所述半导体衬底的第一面上制备第一外延半导体层，所述第一外延半导体层为第一掺杂类型；
在所述第一外延半导体层背离所述半导体衬底的一侧制备第二外延半导体层；
在所述光电二极管区域上的第二外延半导体层中形成第一离子注入区，在所述隔离区域上的第二外延半导体层中形成第一隔离结构，所述第一离子注入区为第二掺杂类型，所述第一离子注入区位于背离所述第一外延半导体层的一侧的表面；
对所述半导体衬底的第二面进行减薄，直至暴露出所述第一外延半导体层，或将所述半导体衬底减薄至一特定厚度；以及
在暴露出的所述第一外延半导体层中制备第二隔离结构，所述第二隔离结构与所述第一隔离结构的位置相对应。
2.如权利要求1所述的背照式图像传感器的制备方法，其特征在于，所述第二外延半导体层为第二掺杂类型或第一掺杂类型；当所述第二外延半导体层为第二掺杂类型时，所述背照式图像传感器的制备方法还包括：
在所述第二外延半导体层中形成第二离子注入区，所述第二离子注入区位于所述第一离子注入区和第一外延半导体层之间。
3.如权利要求1或2所述的背照式图像传感器的制备方法，其特征在于，所述背照式图像传感器的制备方法还包括：在所述第二外延半导体层背离所述第一外延半导体层的一侧依次形成栅极和互连层。
4.如权利要求3所述的背照式图像传感器的制备方法，其特征在于，在对所述半导体衬底的第二面进行减薄的步骤之前，还包括：
在所述第二外延半导体层背离所述第一外延半导体层的一侧键合一键合衬底。
5.如权利要求1所述的背照式图像传感器的制备方法，其特征在于，所述第二隔离结构为深沟槽隔离。
6.如权利要求1所述的背照式图像传感器的制备方法，其特征在于，对所述第二外延半导体层进行离子注入形成所述第一隔离结构，所述第一隔离结构为第二掺杂类型。
7.如权利要求1所述的背照式图像传感器的制备方法，其特征在于，所述第一外延半导体层的掺杂浓度均匀分布；或，所述第一外延半导体层的掺杂浓度由面向所述半导体衬底的一侧向背离所述半导体衬底的一侧逐渐变小；或，所述第一外延半导体层的掺杂浓度由面向所述半导体衬底的一侧向背离所述半导体衬底的一侧逐渐变大。
8.如权利要求1所述的背照式图像传感器的制备方法，其特征在于，所述半导体衬底为第二掺杂类型，其中，掺杂浓度为1E16cm3～5E18cm3。
9.如权利要求1所述的背照式图像传感器的制备方法，其特征在于，所述第一外延半导体层的厚度为2μm～7μm，所述第一外延半导体层的掺杂浓度为1E15cm3～1E17cm3；所述第二外延半导体层的厚度为2μm～3μm，所述第二外延半导体层的掺杂浓度为1E15cm3～1E16cm3。
10.如权利要求1所述的背照式图像传感器的制备方法，其特征在于，所述特定厚度小于等于1μm。
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