CN108288628A - 背照式图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及背照式图像传感器及其制造方法。一种背照式图像传感器，包括：半导体外延层；位于所述半导体外延层中的光电二极管，用于接收从所述半导体外延层的第一表面入射的光；透明电极，位于所述半导体外延层的第一表面；以及彩色滤光片和微透镜，位于所述透明电极上。
Description
技术领域
本公开涉及一种背照式图像传感器及其制造方法。
背景技术
在传统的CMOS图像传感器中，光电二极管位于电路层下方，入射光会受到电路布线的遮挡。在背照式图像传感器中，光线从图像传感器的背面入射。这样，能够使入射光先入射到光电二极管中，从而提高了入射光量，能够显著提高低光照条件下的拍摄效果。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供了一种背照式图像传感器，包括：半导体外延层；位于所述半导体外延层中的光电二极管，用于接收从所述半导体外延层的第一表面入射的光；透明电极，位于所述半导体外延层的第一表面；以及彩色滤光片和微透镜，位于所述透明电极上。
根据本公开的第二方面，提供了一种制造背照式图像传感器的方法，包括：在晶圆上形成半导体外延层；在所述半导体外延层中形成光电二极管，所述光电二极管用于接收从所述半导体外延层的第一表面入射的光；在所述半导体外延层的第一表面形成透明电极；以及在所述透明电极上形成彩色滤光片和微透镜。
根据本公开的第三方面，提供了一种成像装置，包括根据本公开的第一方面的背照式图像传感器。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
图1示出根据本公开的一个实施例的背照式图像传感器的示意图。
图2示出了根据本公开的一个实施例的制造背照式图像传感器的方法的流程图。
图3A-图3G是示出根据本公开的一个实施例的制造背照式图像传感器的流程的示意图。
图4A-图4C示出了图3F中虚线包围的部分的示意图。
注意，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在本说明书中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
为了便于理解，在附图等中所示的各结构的位置、尺寸及范围等有时不表示实际的位置、尺寸及范围等。因此，所公开的发明并不限于附图等所公开的位置、尺寸及范围等。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
图1示出了根据本公开的一个实施例的背照式图像传感器的示意图。如图1所示，该背照式图像传感器包括衬底1、多个金属布线层6、位于多个金属互连层6之间的多个介质层5、在外延层2中形成的光电二极管3和其它器件4、透明电极8、彩色滤光片9以及微透镜10。
衬底1可以是例如用于承载图像传感器的承载晶圆。在根据本公开的一些实施例中，在承载晶圆上可以没有任何逻辑电路，而仅是用于承载图像传感器的各个部件。在根据本公开的另一些实施例中，背照式图像传感器可以是堆叠式图像传感器。在堆叠式图像传感器中，在逻辑电路设置在承载晶圆中，而在器件晶圆中形成感光二极管。
金属互连层6可以将图像传感器中的各个元件电连接，并且能够向图像传感器外部发送和/或接收信号。在各个金属互连层6之间具有介质层5，用于使各个金属互连层6保持绝缘。
外延层2通常是在晶圆上通过外延生长形成的一层半导体。在外延层2中可以形成光电二极管3和其它半导体器件。在一些实施例中，其它器件4可以是例如电荷存储元件(浮置扩散区)、传输晶体管、重置晶体管、源跟随器晶体管、行选择晶体管等逻辑电路。
在根据本公开的一些实施例中，透明电极8可以由例如锡掺杂三氧化铟(ITO)或铝掺杂氧化锌(AZO)等透明导电氧化物制成。如后面将要描述的，通过调节透明电极8的电压，可以调节表面费米能级，从而在图像传感器的暗噪声和灵敏度之间取得良好的平衡。
彩色滤光片9和微透镜10布置在光电二极管上。微透镜可以对入射光进行会聚，从而使更多的光入射到光电二极管中。彩色滤光片可以使入射光中指定颜色的光透射。
下面接合图2-图3G详细描述根据本公开的一个实施例的制造背照式图像传感器的方法。
图2示出了根据本公开的一个实施例的制造背照式图像传感器的方法的流程图。
首先，在晶圆上形成半导体外延层(步骤201)。如图3A所示，可以在晶圆1正面形成半导体外延层2。在根据本公开的一个实施例中，通过例如化学气相沉积(Chemical VaporDeposition,CVD)或者分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,MBE)在硅晶圆1上生长硅外延层2。例如，可以使用四氯化硅(SiCl4)、三氯硅烷(SiHCl3)、二氯硅烷(SiH2Cl2)或硅烷(SiH4)，在800℃-1500℃下同氢气(H2)进行反应，从而在硅晶圆1正面形成硅外延层2。在一些可选实施例中，外延层2可以是例如P型掺杂的。例如，可以对生长后的外延层2进行离子注入，从而在外延层2中掺入P型杂质(例如硼或铟等)。
然后，在半导体外延层2中形成光电二极管3(步骤202)。如图3B所示，在半导体外延层2中可以形成光电二极管3以及其它器件4。如上所述，其它器件4可以是例如电荷存储元件(浮置扩散区)、传输晶体管、重置晶体管、源跟随器晶体管、行选择晶体管等逻辑电路。例如，在外延层2是P型掺杂的情况下，可以通过在预定深度(或深度范围)注入N型杂质(例如磷、砷等)，从而在外延层2中形成光电二极管。
接下来，如图3C所示，在外延层2上形成一个或多个金属互连层6。金属互连层6可以将图像传感器中的各个元件电连接，并且能够向图像传感器外部发送和/或接收信号。介质层5也被称作层间介质层，用于将各个金属互连层6绝缘。在一个示意性实施例中，可以通过例如物理气相沉积(诸如原子层沉积(ALD)或射频溅射沉积(RFPVD))或者化学电镀的方式形成金属互连层6。金属互连层6的材料可以是铝、铝合金或铜。介质层5的材料可以为例如二氧化硅等绝缘介质。通过化学气相沉积等方式，可以逐层沉积介质层5。
接下来，将制备有光电二极管的晶圆的正面与支撑衬底粘合。如图3D所示，支撑衬底7例如是另一个晶圆，可以将形成有光电二极管3和金属互连层6等结构的晶圆1的正面与支撑衬底7粘合。在一些可选实施例中，可以在金属互连层6上形成粘合层(未示出)，在支撑衬底7上也形成粘合层(未示出)，然后通过粘合层将支撑衬底7和晶圆1粘合在一起。粘合层的材料可以是例如低温玻璃浆料、粘合剂或金属(例如金)等材料。在一些可选实施例中，选择金作为粘合材料，通过热压工艺实现晶圆1与支撑衬底7的粘合。
接下来，对晶圆1的背面进行减薄处理，从而露出外延层。如图3E所示，利用减薄工艺去除晶圆1背面的硅衬底，露出外延层2。在一个示例中，图像传感器的整体厚度减小到例如15μm至20μm。为了保证减薄的均匀性以及降低减薄工艺的时间和成本，可以采用例如机械研磨、化学机械抛光以及湿法腐蚀相结合的工艺实现晶圆1的减薄。
接下来，在半导体外延层2上形成透明电极8(步骤203)。如图3F所示，透明电极8在图像传感器的背面形成。对于背照式图像传感器而言，需要在背面接收入射光。因此，电极8采用透明导电材料制成。如上所述，透明电极8的材料可以是例如ITO或AZO。这样，入射光中的可见光部分可以绝大部分入射到图像传感器中，从而减小对图像传感器接收到的入射光的影响。
如后面将要描述的，在根据本公开的背照式图像传感器的工作过程中，可以向电极8施加正电压或负电压，从而调节传感器背面的空穴浓度。
接下来，在透明电极8上形成彩色滤光片9和微透镜10(步骤204)。彩色滤光片9可以对入射光进行过滤，仅使得对应颜色的入射光入射到下面的光电二极管中。微透镜10可以对入射光进行会聚，从而使得更多的光入射到光电二极管中。
如上所述，在制造本公开的一个实施例的背照式图像传感器的过程中，需要生长半导体外延层，后续还要从背面对衬底和外延层进行减薄处理。在最终得到的背照式图像传感器中，外延层的厚度可能相对于设计值具有一定偏差。此外，由于晶圆的尺寸越来越大，外延层在整个晶圆范围上也可能存在一定波动。外延层的厚度变化会导致一些问题。例如，当外延层较厚时，表面费米能级增大，这会导致背照式图像传感器的暗噪声增加。当外延层较薄时，表面费米能级减小，暗噪声会减少，但是随之而来的是光电子复合增大，导致图像传感器的灵敏度降低。
此外，图4A-图4C示出了图3F中被虚线包围的部分的示意图。如图4A-图4C所示，在背照式图像传感器的制造过程中，用于形成光电二极管的杂质离子(例如，磷、砷等，在外延层为P型掺杂的情况下)从外延层的正面注入。因此，无论外延层的厚度是否均匀，光电二极管与外延层正面之间的距离d1通常是固定值。但是，在外延层厚度不均匀时，会导致外延层的背面(及光入射面)与光电二极管之间的距离d2发生变化。本公开中采用的透明电极可以通过施加电压来对外延层的背面(及光入射面)与光电二极管之间的距离的变化进行补偿。例如，图4A中的距离d2小于设计值(或预定值)，所以可以通过在透明电极8上施加负电压来补偿。图4B中的距离d2大致等于设计值，透明电极8的电压可以为接近零。图4C中的距离d2大于设计值，因此可以通过在透明电极8上施加正电压来补偿。
在根据本公开的一个实施例的背照式图像传感器中，设置有透明电极。通过向透明电极施加电压，可以调节表面费米能级，从而改变传感器背面的空穴浓度。
在一个实施例中，可以在经过上述的减薄处理之后测量晶圆上每个背照式图像传感器芯片(die)的外延层的厚度，然后根据测量的厚度值设置透明电极8的电压。例如，当外延层的厚度大于预定的厚度阈值(即第一预定值)时，可以向透明电极8施加正电压。在透明电极8的正电压的作用下，半导体材料的表面费米能级升高，从而提高了背照式图像传感器的灵敏度。反之，当外延层的厚度小于预定的厚度阈值(第一预定值)时，可以向透明电极8施加负电压。在透明电极8的负电压的作用下，半导体材料的表面费米能级降低，从而改善了暗噪声。当然，应当理解，根据上面的描述，本公开也可以测量图4A-图4C中所示的距离d1，然后根据d1的值来设置透明电极8的电压。
此外，在上面的实施例中，可以测量例如制备有背照式图像传感器的晶圆的中心的外延层的厚度。对于类似的处理过程和处理设备，外延层的厚度沿径向的分布通常是稳定的。这样，在知道了例如径向分布系数的情况下，根据测量的晶圆中心厚度以及芯片(die)在晶圆的位置就可以推测晶圆上各个芯片(die)的外延层的厚度。因此，可以根据推测的外延层厚度设置透明电极8的电压。
在根据本公开的另一个实施例中，还可以根据例如背照式图像传感器的暗噪声和灵敏度设置透明电极8的电压。例如，当背照式图像传感器的暗噪声大于预定的阈值时(即第二预定值)时，可以向透明电极8施加负电压，或者在已经施加有正电压的情况下可以减小该正电压。当背照式图像传感器的灵敏度小于预定的阈值(即第三预定值)时，可以向透明电极8施加正电压，或者在已经施加有正电压的情况下可以增大该正电压。这样，可以使得背照式图像传感器的灵敏度和暗噪声都保持在可以接受的、合适的范围。
应当理解，上面只是示例，在本公开的教导和启示下，本领域技术人员还可以根据其它合适的参数来设置透明电极的电压。
根据本公开的背照式图像传感器可以用在各种成像装置上，例如数码相机、移动电话、监控设备等。
在说明书及权利要求中的词语“前”、“后”、“顶”、“底”、“之上”、“之下”等，如果存在的话，用于描述性的目的而并不一定用于描述不变的相对位置。应当理解，这样使用的词语在适当的情况下是可互换的，使得在此所描述的本公开的实施例，例如，能够在与在此所示出的或另外描述的那些取向不同的其他取向上操作。
如在此所使用的，词语“示例性的”意指“用作示例、实例或说明”，而不是作为将被精确复制的“模型”。在此示例性描述的任意实现方式并不一定要被解释为比其它实现方式优选的或有利的。而且，本公开不受在上述技术领域、背景技术、发明内容或具体实施方式中所给出的任何所表述的或所暗示的理论所限定。
如在此所使用的，词语“基本上”意指包含由设计或制造的缺陷、器件或元件的容差、环境影响和/或其它因素所致的任意微小的变化。词语“基本上”还允许由寄生效应、噪音以及可能存在于实际的实现方式中的其它实际考虑因素所致的与完美的或理想的情形之间的差异。
上述描述可以指示被“连接”或“耦合”在一起的元件或节点或特征。如在此所使用的，除非另外明确说明，“连接”意指一个元件/节点/特征与另一种元件/节点/特征在电学上、机械上、逻辑上或以其它方式直接地连接(或者直接通信)。类似地，除非另外明确说明，“耦合”意指一个元件/节点/特征可以与另一元件/节点/特征以直接的或间接的方式在机械上、电学上、逻辑上或以其它方式连结以允许相互作用，即使这两个特征可能并没有直接连接也是如此。也就是说，“耦合”意图包含元件或其它特征的直接连结和间接连结，包括利用一个或多个中间元件的连接。
另外，仅仅为了参考的目的，还可以在下面描述中使用某种术语，并且因而并非意图限定。例如，除非上下文明确指出，否则涉及结构或元件的词语“第一”、“第二”和其它此类数字词语并没有暗示顺序或次序。
还应理解，“包括/包含”一词在本文中使用时，说明存在所指出的特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件以及/或者它们的组合。
在本公开中，术语“提供”从广义上用于涵盖获得对象的所有方式，因此“提供某对象”包括但不限于“购买”、“制备/制造”、“布置/设置”、“安装/装配”、和/或“订购”对象等。
本领域技术人员应当意识到，在上述操作之间的边界仅仅是说明性的。多个操作可以结合成单个操作，单个操作可以分布于附加的操作中，并且操作可以在时间上至少部分重叠地执行。而且，另选的实施例可以包括特定操作的多个实例，并且在其他各种实施例中可以改变操作顺序。但是，其它的修改、变化和替换同样是可能的。因此，本说明书和附图应当被看作是说明性的，而非限制性的。
本公开还可以包括以下实施方式：
1.一种背照式图像传感器，其特征在于，包括：
半导体外延层；
位于所述半导体外延层中的光电二极管，用于接收从所述半导体外延层的第一表面入射的光；
透明电极，位于所述半导体外延层的第一表面；以及
彩色滤光片和微透镜，位于所述透明电极上。
2.根据1所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述透明电极的电压取决于所述半导体外延层的厚度。
3.根据2所述的背照式图像传感器，其特征在于，当所述半导体外延层的厚度大于第一预定值时，所述透明电极的电压为正电压。
4.根据2所述的背照式图像传感器，其特征在于，当所述半导体外延层的厚度小于第一预定值时，所述透明电极的电压为负电压。
5.根据1所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述透明电极的电压取决于所述背照式图像传感器的暗噪声和灵敏度。
6.根据5所述的背照式图像传感器，其特征在于，当所述背照式图像传感器的暗噪声大于第二预定值时，所述透明电极的电压为负电压。
7.根据5所述的背照式图像传感器，其特征在于，当所述背照式图像传感器的灵敏度小于第三预定值时，所述透明电极的电压为正电压。
8.根据1所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述透明电极由锡掺杂三氧化铟(ITO)或铝掺杂氧化锌(AZO)制成。
9.一种制造背照式图像传感器的方法，其特征在于，包括：
在晶圆上形成半导体外延层；
在所述半导体外延层中形成光电二极管，所述光电二极管用于接收从所述半导体外延层的第一表面入射的光；
在所述半导体外延层的第一表面形成透明电极；以及
在所述透明电极上形成彩色滤光片和微透镜。
10.根据9所述的方法，其特征在于，所述透明电极由锡掺杂三氧化铟(ITO)或铝掺杂氧化锌(AZO)制成。
11.根据9所述的方法，其特征在于，还包括：
测量所述外延层的厚度，根据所述外延层的厚度设置所述透明电极的电压。
12.根据11所述的方法，其特征在于，当所述半导体外延层的厚度大于第一预定值时，将所述透明电极的电压设置为正电压。
13.根据11所述的方法，其特征在于，当所述半导体外延层的中心的厚度小于第一预定值时，将所述透明电极的电压设置为负电压。
14.根据9所述的方法，其特征在于，还包括：
测量所述背照式图像传感器的暗噪声和灵敏度，根据所述暗噪声和灵敏度设置所述透明电极的电压。
15.根据14所述的方法，其特征在于，当所述暗噪声大于第二预定值时，将所述透明电极的电压设置为负电压。
16.根据14所述的方法，其特征在于，当所述背照式图像传感器的灵敏度小于第三预定值时，将所述透明电极的电压设置为正电压。
17.一种成像装置，包括根据1-8中任一项所述的背照式图像传感器。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。在此公开的各实施例可以任意组合，而不脱离本公开的精神和范围。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本公开的范围和精神。本公开的范围由所附权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种背照式图像传感器，其特征在于，包括：
半导体外延层；
位于所述半导体外延层中的光电二极管，用于接收从所述半导体外延层的第一表面入射的光；
透明电极，位于所述半导体外延层的第一表面；以及
彩色滤光片和微透镜，位于所述透明电极上。
2.根据权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述透明电极的电压取决于所述半导体外延层的厚度。
3.根据权利要求2所述的背照式图像传感器，其特征在于，当所述半导体外延层的厚度大于第一预定值时，所述透明电极的电压为正电压。
4.根据权利要求2所述的背照式图像传感器，其特征在于，当所述半导体外延层的厚度小于第一预定值时，所述透明电极的电压为负电压。
5.根据权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述透明电极的电压取决于所述背照式图像传感器的暗噪声和灵敏度。
6.根据权利要求5所述的背照式图像传感器，其特征在于，当所述背照式图像传感器的暗噪声大于第二预定值时，所述透明电极的电压为负电压。
7.根据权利要求5所述的背照式图像传感器，其特征在于，当所述背照式图像传感器的灵敏度小于第三预定值时，所述透明电极的电压为正电压。
8.根据权利要求1所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述透明电极由锡掺杂三氧化铟(ITO)或铝掺杂氧化锌(AZO)制成。
9.一种制造背照式图像传感器的方法，其特征在于，包括：
在晶圆上形成半导体外延层；
在所述半导体外延层中形成光电二极管，所述光电二极管用于接收从所述半导体外延层的第一表面入射的光；
在所述半导体外延层的第一表面形成透明电极；以及
在所述透明电极上形成彩色滤光片和微透镜。
10.一种成像装置，包括根据权利要求1-8中任一项所述的背照式图像传感器。
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