CN107316878B - 背照式cmos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CMOS图像传感器的制备方法，包括：提供一衬底，所述衬底具有前侧以及与所述前侧相对的背侧；对所述衬底的前侧进行离子注入，在所述衬底中形成一具有一定厚度的掺杂埋层，所述掺杂埋层具有一平均深度，所述离子注入的能量大于等于1000Kev；在所述衬底的前侧制备图像传感器结构；对所述衬底的背侧减薄至所述掺杂埋层；在所述衬底的背侧制备微透镜结构。本发明的背照式CMOS图像传感器的制备方法经济、简单，能够防止暗电流。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器领域，特别是涉及一种背照式CMOS图像传感器的制备方法。
背景技术
图像传感器是在光电技术基础上发展起来的，所谓图像传感器，就是能够感受光学图像信息并将其转换成可输出信号的传感器。图像传感器可以提高人眼的视觉范围，使人们看到肉眼无法看到的微观世界和宏观世界，看到人们暂时无法到达处发生的事情，看到超出肉眼视觉范围的各种物理、化学变化过程，生命、生理、病变的发生发展过程，等等。可见图像传感器在人们的文化、体育、生产、生活和科学研究中起到非常重要的作用。可以说，现代人类活动已经无法离开图像传感器了。
目前，传感器多采用互补金属氧化物半导体(CMOS)电路来实现。在CMOS传感器中，每一像素通常包括形成于衬底上的传感器层中的光电二极管及其它电路元件。一个或一个以上的电介质层通常形成于所述传感器层上面且可并入有额外电路元件以及用于形成互连结构的多个金属互连层。此外，CMOS传感器中还需要制备垫片，用于导通各种电路元件。一般的，所述CMOS传感器上形成有电介质层以及相关互连结构的一侧成为前侧，所述CMOS传感器上具有所述衬底的一侧成为背侧。
按照接收光线的位置的不同，CMOS图像传感器可以分为前照式的CMOS图像传感器及背照式CMOS图像传感器，其中，背照式的CMOS影像传感器与前照式的CMOS图像传感器相比，最大的优化之处就是将元件内部的结构改变了，即将感光层的元件入射光路调转方向，让光线能从背侧直射进去，避免了在前照式的CMOS图像传感器结构中，光线会受到微透镜和光电二极管之间的结构和厚度的影响，提高了光线接收的效能。
然而，背照式CMOS图像传感器中存在较大的暗电流(Dark Current)。暗电流在图像传感器工作时，会掺入信号电流中，造成信号干扰，导致图像传感器性能下降。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种背照式CMOS图像传感器的制备方法，可以通过经济、简单的方法减小或消除背照式CMOS图像传感器中的暗电流。
为解决上述技术问题，本发明提供一种背照式CMOS图像传感器，包括：
提供一衬底，所述衬底具有前侧以及与所述前侧相对的背侧；
对所述衬底的前侧进行离子注入，在所述衬底中形成一具有一定厚度的掺杂埋层，所述掺杂埋层具有一平均深度，所述离子注入的能量大于等于1000Kev；
在所述衬底的前侧制备图像传感器结构；
对所述衬底的背侧减薄至所述掺杂埋层；以及
在所述衬底的背侧制备微透镜结构。
进一步的，所述离子注入的过程为多步注入的过程，所述对所述衬底的前侧进行离子注入的步骤包括：
分别对所述衬底的前侧进行两次以上的子步离子注入，前一次子步离子注入的能量大于后一次子步离子注入的能量。
进一步的，对所述衬底的背侧减薄至所述掺杂埋层后，暴露出的所述掺杂埋层的表面的杂质浓度大于所述掺杂埋层的底部的杂质浓度。
进一步的，所述离子注入的类型为P型。
进一步的，所述离子注入的杂质为一价硼或二价硼。
进一步的，所述离子注入的能量为1300Kev～1500Kev。
进一步的，所述离子注入的剂量为5.0E11cm-3～1.0E13cm-3。
进一步的，所述掺杂埋层距所述衬底的前侧表面的平均深度为
进一步的，所述掺杂埋层的厚度为
进一步的，利用制备所述图像传感器结构过程中的退火工艺，对所述掺杂埋层进行退火。
进一步的，减薄后的所述衬底的厚度为
进一步的，对所述衬底的背侧减薄至所述掺杂埋层的步骤中，去除部分所述掺杂埋层。
进一步的，减薄后的所述衬底中，剩余的所述掺杂埋层的厚度为
进一步的，对所述衬底的前侧进行离子注入之前，在所述衬底的前侧制备一氧化层。
进一步的，所述氧化层的厚度为
进一步的，在所述衬底的背侧制备微透镜结构的步骤包括：
在所述衬底的背侧制备一抗反射层，所述抗反射层覆盖暴露出的所述掺杂埋层；
在所述抗反射层背离所述衬底的一侧依次制备背侧金属、背侧钝化层、滤光片以及微透镜。
与现有技术相比，本发明提供的背照式CMOS图像传感器的制备方法具有以下优点：
本发明提供的背照式CMOS图像传感器的制备方法中，在所述衬底的前侧制备图像传感器结构之前，先对所述衬底的前侧进行高能量的离子注入，在所述衬底中形成一掺杂埋层，由于形成所述掺杂埋层时所述衬底上并没有金属层、多晶硅等结构，所以所述掺杂埋层的激活无需使用激光退火，使用高温退火即可；在所述衬底的前侧制备图像传感器结构之后，对所述衬底的背侧减薄至所述掺杂埋层，并在所述衬底的背侧制备微透镜结构，所述掺杂埋层可以降低接触电阻，能有效防止暗电流等问题。
本发明提供的背照式CMOS图像传感器的制备方法中，所述离子注入的过程为多步注入的过程，分别对所述衬底的前侧进行两次以上的子步离子注入，前一次子步离子注入的能量大于后一次子步离子注入的能量，可以使所述掺杂埋层具有一浓度梯度，使得所述掺杂埋层靠近所述衬底的背侧的一面的杂质浓度较高，当对所述衬底的背侧减薄后，在暴露出所述掺杂埋层中，位于表面的杂质浓度高于底部的杂质浓度，可以进一步降低接触电阻。
附图说明
图1为本发明一实施例中的背照式CMOS图像传感器的制备方法的流程图；
图2-图10为本发明一实施例中的背照式CMOS图像传感器的制备方法中的结构示意图；
图11-图12为本发明另一实施例中的背照式CMOS图像传感器的制备方法中的结构示意图。
具体实施方式
现有技术中的背照式CMOS图像传感器中存在较大的暗电流，导致图像传感器性能下降。发明人对现有技术研究发现，可以对衬底的背侧进行减薄后，在衬底的背侧进行一道离子注入工艺，在衬底的背侧表面形成一掺杂层，之后在所述掺杂层上形成背侧金属等结构，可以有效地防止暗电流等问题。但是，对衬底的背侧进行减薄后，衬底的前侧已经制备了图像传感器结构，图像传感器结构包括光电二极管及其互连结构的多个金属互连层，所以，为了避免金属造成的污染，活化衬底的背侧的掺杂层的退火工艺需用激光退火，工艺复杂，成本高。
发明人对现有技术深入研究发现，如果能够避免对衬底的背侧进行离子注入工艺，在制备图像传感器结构之前，在衬底的前侧进行一道深注入，形成一掺杂埋层，使得掺杂的杂质可以注入的比较深，此时由于没有金属层污染源，可以使用普通的高温退火。在后续的减薄工艺中，只需减薄至掺杂埋层，再在所述掺杂埋层上形成背侧金属等结构，便可防止暗电流。
为了能够使得深注入形成的掺杂埋层能够足够深，发明人进一步研究发现，可以增加离子注入的能量，控制杂质能够注入到合适的深度。
下面将结合示意图对本发明的背照式CMOS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。
本发明的核心思想在于，提供一种背照式CMOS图像传感器的制备方法，如图1所示，包括：
步骤S11、提供一衬底，所述衬底具有前侧以及与所述前侧相对的背侧；
步骤S12、对所述衬底的前侧进行离子注入，在所述衬底中形成一具有一定厚度的掺杂埋层，所述掺杂埋层具有一平均深度，所述离子注入的能量大于等于1000Kev；
步骤S13、在所述衬底的前侧制备图像传感器结构；
步骤S14、对所述衬底的背侧减薄至所述掺杂埋层；以及
步骤S15、在所述衬底的背侧制备微透镜结构。
在所述衬底的前侧制备图像传感器结构之前，先对所述衬底的前侧进行高能量的离子注入，在所述衬底中形成一掺杂埋层，由于形成所述掺杂埋层时所述衬底上并没有金属层、多晶硅等结构，所以所述掺杂埋层的激活无需使用激光退火，使用高温退火即可；在所述衬底的前侧制备图像传感器结构之后，对所述衬底的背侧减薄至所述掺杂埋层，并在所述衬底的背侧制备微透镜结构，能有效防止暗电流等问题。
一实施例
请参阅图1和图2-图10具体说明本实施例中背照式CMOS图像传感器的制备方法，其中，图1为本发明一实施例中的背照式CMOS图像传感器的制备方法的流程图；图2-图10为本发明一实施例中的背照式CMOS图像传感器的制备方法中的结构示意图。
如图2所示，进行步骤S11，提供一衬底100，所述衬底100具有前侧101以及与所述前侧101相对的背侧102。
在具体实施例中，所述衬底100可以为硅衬底，也可以是锗、锗硅、砷化镓衬底或绝缘体上硅。本领域的技术人员可以根据需要选择衬底，因此衬底的类型不应限制本发明的保护范围。本实施例中的所述衬底100选择硅衬底，因为在硅衬底上实施本技术方案要比在上述其他衬底上实施本技术方案的成本低。一般的，所述衬底100为P型衬底。所述前侧101上用于形成CMOS图像传感器，包括有源区、栅极、电介质层以及相关互连结构的，所述背侧102上用于形成微透镜结构。
在本实施例中，在所述步骤S11和步骤S12之间，如图3所示，在所述衬底100的前侧101制备一氧化层110。所述氧化层110可以采用热氧化等工艺形成，所述氧化层110的厚度较佳的为
所述氧化层110在步骤S12中的离子注入时可以保护所述衬底100的前侧101不受损伤。
接着进行步骤S12，如图4所示，对所述衬底100的前侧101进行离子注入，在所述衬底100中形成一掺杂埋层121。在本实施例中，所述步骤S12采用一次离子注入的方法形成所述掺杂埋层121，为了保证掺杂的杂质能够注入到足够深，所述离子注入的能量大于等于1000Kev。
在进行离子注入时，掺杂的杂质会注入到具有一定宽度的区域内，使得所述掺杂埋层121具有一定厚度H1，较佳的，所述掺杂埋层121的厚度H1为
优选的为
等等，可以保证减薄后剩余的所述掺杂埋层121具有合适的厚度。由于所述掺杂埋层121具有一定厚度H1，所以，所述掺杂埋层121具有一平均深度D1，较佳的，所述掺杂埋层121距所述衬底100的前侧101表面的平均深度D1为
优选的为
等等，可以保证所述掺杂埋层121与所述衬底100的前侧101表面的最短距离D2合适，不影响图像传感器结构的制备，并保证在最终的结构中，前侧的图像传感器结构与背侧的微透镜之间具有合适的距离。
较佳的，所述离子注入的类型为P型，优选的，所述离子注入的杂质为一价硼或二价硼，可以使得杂质注入的比较深，在本实施例中，所述离子注入的杂质为二价硼，可以在同样的能量下，注入的深度更深。
然而，在高能量的离子注入工艺中，如何控制离子注入的深度D1和厚度H1很关键，在高能量的离子注入工艺中，即要保证杂质注入到比较合适的深度，又要保证杂质注入的深度的均匀性高，使得厚度H1不要太厚，对本领域的技术难点。发明人深入眼界发现，在同一高能量下，剂量越大，注入的深度D1越大，然而，随着剂量的增大，注入的深度的均匀性先变好后变差。较佳的，所述离子注入的能量为1300Kev～1500Kev，例如1400Kev，可以保证所述掺杂埋层121具有合适的深度。优选的，所述离子注入的剂量为5.0E11cm-3～1.0E13cm-3，例如8.0E11cm-3、1.0E12cm-3、5.0E12cm-3、8.0E12cm-3等等，可以保证深度的均匀性，即厚度H1合适。
之后进行步骤S13，如图5所示，在所述衬底100的前侧101制备图像传感器结构130，所述图像传感器结构130包括隔离结构131、有源区132、绝缘层133、栅极结构134、互连结构135等等。在制备所述图像传感器结构130过程中会用到很多退火工艺，较佳的，利用制备所述图像传感器结构130过程中的退火工艺，对所述掺杂埋层121进行退火，可以进一步简化工艺。
然后进行步骤S14，对所述衬底100的背侧102减薄，在本实施例中，将所述衬底100的前侧101通过一粘结层191粘贴到支撑晶圆190上，如图6所示。接着，如图7所示，对所述衬底100的背侧102减薄至所述掺杂埋层121，减薄后的所述衬底100的厚度为
较佳的，在减薄的过程中，去除部分所述掺杂埋层121，优选的，剩余的所述掺杂埋层121的厚度为
例如
等等，可以有效降低接触电阻。
最后进行步骤S15，在所述衬底100的背侧102制备微透镜结构。在具体的实施例中，所述步骤S15包括：
如图8所示，在所述衬底100的背侧102制备一抗反射层141，所述抗反射层141覆盖暴露出的所述掺杂埋层121；
如图8和图9所示，在所述抗反射层141背离所述衬底100的一侧依次制备背侧金属142、背侧钝化层143、滤光片144以及微透镜145，形成最终的背照式CMOS图像传感器。
在背照式CMOS图像传感器中，所述掺杂埋层121位于所述衬底100和所述背侧金属142之间，可以降低接触电阻，能有效防止暗电流等问题。
另一实施例
请参阅图11和图12，其中，图11-图12为本发明另一实施例中的背照式CMOS图像传感器的制备方法中的结构示意图。在图11和图12中，参考标号表示与图2和图10相同的表述与第一实施方式相同的结构。所述另一实施例的制备方法与所述一实施例的制备方法基本相同，其区别在于：如图11所示，在步骤S12中，所述离子注入的过程为多步注入的过程，分别对所述衬底100的前侧101进行两次以上的子步离子注入，前一次子步离子注入的能量大于后一次子步离子注入的能量。
在本实施例中以所述离子注入的过程为两步注入为例进行说明。
先对所述衬底100的前侧101进行第一次子步离子注入，在所述衬底100中形成第一子掺杂埋层221；再对所述衬底100的前侧101进行第二次子步离子注入，在所述衬底100中形成第二子掺杂埋层222，所述第一子掺杂埋层221和第二子掺杂埋层222形成掺杂埋层220。由于第一次子步离子注入的能量大于第二次子步离子注入的能量，所以，第一子掺杂埋层221的深度大于第二子掺杂埋层222的深度，且第一子掺杂埋层221的掺杂浓度大于第二子掺杂埋层222的掺杂浓度，所述第一子掺杂埋层221和第二子掺杂埋层222可以有部分重叠。
较佳的，所述掺杂埋层220的厚度H2为
优选的为
等等，所述掺杂埋层220距所述衬底100的前侧101表面的平均深度D3为
优选的为
等等，可以保证所述掺杂埋层220与所述衬底100的前侧101表面的最短距离D4合适，不影响图像传感器结构的制备，并保证在最终的结构中，前侧的图像传感器结构与背侧的微透镜之间具有合适的距离。
较佳的，所述离子注入的类型为P型，优选的，所述离子注入的杂质为一价硼或二价硼，可以使得杂质注入的比较深，在本实施例中，所述离子注入的杂质为二价硼，可以在同样的能量下，注入的深度更深。
较佳的，所述第一次子步离子注入的能量为1300Kev～1500Kev，第二次子步离子注入的能量为1300Kev～1500Kev，只要保证所述第一次子步离子注入的能量大于第二次子步离子注入的能量即可。优选的，所述第一次子步离子注入的剂量为5.0E11cm-3～1.0E13cm-3，例如8.0E11cm-3、1.0E12cm-3、5.0E12cm-3、8.0E12cm-3等等，所述第二次子步离子注入的剂量为5.0E11cm-3～1.0E13cm-3，例如8.0E11cm-3、1.0E12cm-3、5.0E12cm-3、8.0E12cm-3等等，可以保证深度的均匀性，即厚度H2合适。在步骤S14中，对所述衬底100的背侧102减薄，如图12所示，对所述衬底100的背侧102减薄至所述掺杂埋层220，减薄后的所述衬底100的厚度为
较佳的，在减薄的过程中，去除部分所述掺杂埋层220，优选的，剩余的所述掺杂埋层220的厚度为
例如
等等，保留部分第一子掺杂埋层221和第二子掺杂埋层222，使得暴露出的所述掺杂埋层220表面的杂质浓度大于所述掺杂埋层220内部的杂质浓度，使得所述掺杂埋层220从表面到内部具有一浓度梯度，可以进一步降低接触电阻，防止暗电流。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 (16)
1.一种背照式CMOS图像传感器的制备方法，包括：
提供一衬底，所述衬底具有前侧以及与所述前侧相对的背侧；
对所述衬底的前侧进行离子注入，在所述衬底中形成一具有一定厚度的掺杂埋层，所述掺杂埋层具有一平均深度，所述离子注入的能量大于等于1000Kev，所述离子注入的过程为多步注入的过程；
在所述衬底的前侧制备图像传感器结构；
对所述衬底的背侧减薄至所述掺杂埋层；以及
在所述衬底的背侧制备微透镜结构。
2.如权利要求1所述的背照式CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，所述对所述衬底的前侧进行离子注入的步骤包括：
分别对所述衬底的前侧进行两次以上的子步离子注入，前一次子步离子注入的能量大于后一次子步离子注入的能量。
3.如权利要求2所述的背照式CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，对所述衬底的背侧减薄至所述掺杂埋层后，暴露出的所述掺杂埋层的表面的杂质浓度大于所述掺杂埋层的底部的杂质浓度。
4.如权利要求1或2或3所述的背照式CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，所述离子注入的类型为P型。
5.如权利要求4所述的背照式CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，所述离子注入的杂质为一价硼或二价硼。
6.如权利要求5所述的背照式CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，所述离子注入的能量为1300Kev～1500Kev。
7.如权利要求5所述的背照式CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，所述离子注入的剂量为5.0E11cm-3～1.0E13cm-3。
8.如权利要求1或2或3所述的背照式CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，所述掺杂埋层距所述衬底的前侧表面的平均深度为
9.如权利要求1或2或3所述的背照式CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，所述掺杂埋层的厚度为
10.如权利要求1所述的背照式CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，利用制备所述图像传感器结构过程中的退火工艺，对所述掺杂埋层进行退火。
11.如权利要求1所述的背照式CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，减薄后的所述衬底的厚度为
12.如权利要求1所述的背照式CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，对所述衬底的背侧减薄至所述掺杂埋层的步骤中，去除部分所述掺杂埋层。
13.如权利要求12所述的背照式CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，减薄后的所述衬底中，剩余的所述掺杂埋层的厚度为
14.如权利要求1所述的背照式CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，对所述衬底的前侧进行离子注入之前，在所述衬底的前侧制备一氧化层。
15.如权利要求14所述的背照式CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，所述氧化层的厚度为
16.如权利要求1所述的背照式CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，在所述衬底的背侧制备微透镜结构的步骤包括：
在所述衬底的背侧制备一抗反射层，所述抗反射层覆盖暴露出的所述掺杂埋层；
在所述抗反射层背离所述衬底的一侧依次制备背侧金属、背侧钝化层、滤光片以及微透镜。
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