CN109192743A - 图像传感器及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种图像传感器及其形成方法，所述图像传感器的形成方法包括：提供第一半导体衬底和第二半导体衬底，所述第二半导体衬底的正面形成有外延层，其中，所述第一半导体衬底的正面和/或所述外延层的表面形成有碳化物层；对所述第一半导体衬底的正面和所述第二半导体衬底的正面进行键合；去除所述第二半导体衬底，以暴露出所述外延层；在所述外延层表面形成金属互连层。本发明方案可以利用碳化物层对金属粒子的吸附能力，降低外延层内的金属污染，提高图像传感器的品质。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种图像传感器及其形成方法。
背景技术
目前CMOS图像传感器(CMOS Image Sensors，CIS)器件在摄像头领域得到了广泛应用，为了获得更佳的拍摄效果，对于CIS器件的性能要求也越来越高。其中，白像素(WhitePixel)以及暗电流(Dark Current)被视为评价CIS器件性能的关键参数。
具体地，在半导体制造工艺中，金属杂质污染是导致白像素数量增加的主要原因。更具体地，由于金属粒子的影响，会导致在没有光线照射到像素单元上时，像素点自身也会产生电荷，随着电荷不断增多并聚集在一起，就形成了暗电流。对于一个像素单元而言，当暗电流值超过了通过捕获光子产生的光电流后，该像素点就会被控制电路默认为白像素。
由上可知，图像传感器对金属污染非常敏感，亟需一种图像传感器的形成方法，可以减少或避免金属污染，有效的改善图像传感器的品质。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种图像传感器及其形成方法，可以利用碳化物层对金属粒子的吸附能力，降低外延层内的金属污染，提高图像传感器的品质。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种图像传感器的形成方法，包括：提供第一半导体衬底和第二半导体衬底，所述第二半导体衬底的正面形成有外延层，其中，所述第一半导体衬底的正面和/或所述外延层的表面形成有碳化物层；对所述第一半导体衬底的正面和所述第二半导体衬底的正面进行键合；去除所述第二半导体衬底，以暴露出所述外延层；在所述外延层表面形成金属互连层。
可选的，所述碳化物层的形成工艺包括：化学气相沉积工艺或者碳离子注入工艺。
可选的，所述碳离子注入工艺的工艺参数选自以下一项或多项：注入能量为0.5KeV至60KeV；注入剂量为1E13atom/cm2至5E16atom/cm2。
可选的，在对所述第一半导体衬底的正面和所述第二半导体衬底的正面进行键合之前，所述的图像传感器的形成方法还包括：采用退火工艺对所述碳化物层进行退火。
可选的，所述退火工艺的工艺参数选自以下一项或多项：退火温度为800摄氏度至1200摄氏度；退火时长为5s至60s。
可选的，所述第一半导体衬底以及所述第二半导体衬底为硅衬底，所述碳化物层的材料为碳化硅。
可选的，所述图像传感器为BSI-CIS，所述方法还包括：自所述第一半导体衬底的背面，移除所述碳化物层以及所述第一半导体衬底。
可选的，所述碳化物层的厚度为2μm至10μm。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种图像传感器，包括：第一半导体衬底；与所述第一半导体衬底的正面键合的外延层；碳化物层，位于所述第一半导体衬底的正面和所述外延层之间；金属互连层，位于所述外延层的表面。
可选的，所述半导体衬底为硅衬底，所述碳化物层的材料为碳化硅。
可选的，所述碳化物层的厚度为2μm至10μm。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
在本发明实施例中，提供第一半导体衬底和第二半导体衬底，所述第二半导体衬底的正面形成有外延层，其中，所述第一半导体衬底的正面和/或所述外延层的表面形成有碳化物层；对所述第一半导体衬底的正面和所述第二半导体衬底的正面进行键合；去除所述第二半导体衬底，以暴露出所述外延层；在所述外延层表面形成金属互连层。采用上述方案，通过在第一半导体衬底的正面形成碳化物层，和/或在第二半导体衬底的正面形成的外延层内形成碳化物层，进而对所述第一半导体衬底的正面以及所述第二半导体衬底的正面进行键合，并去除所述第二半导体衬底，以暴露出所述外延层，可以利用碳化物层对金属粒子的吸附能力，透过外延层吸附落在外延层表面的金属粒子，或者吸附进入所述外延层内的金属粒子，从而降低外延层内的金属污染，提高图像传感器的品质。
进一步，在对所述第一半导体衬底的正面和所述第二半导体衬底的正面进行键合之前，可以采用退火工艺对所述碳化物层进行退火，有助于促进形成更多碳-硅共价键以及碳-碳共价键，或者形成更多碳-锗共价键以及碳-碳共价键，从而提高碳化物层对金属粒子的吸附能力，有助于更好地降低外延层内的金属污染，进一步提高图像传感器的品质。尤其在采用碳离子注入工艺形成碳化物层之后，采用退火工艺对所述碳化物层进行退火有助于提高碳化物层的品质。
进一步，所述图像传感器为BSI-CIS，在所述外延层的内部及表面形成逻辑器件以及像素器件之后，自所述第一半导体衬底的背面，移除所述碳化物层以及所述第一半导体衬底，也即保留外延层，由于大多数外延层中的金属粒子均已被碳化物层吸附，有助于减小外延层中的金属粒子对BSI-CIS的影响，改善BSI-CIS的白像素以及暗电流的问题。
进一步，所述第一半导体衬底以及所述第二半导体衬底为硅衬底，所述碳化物层的材料为碳化硅，可以通过碳-硅共价键和/或碳-碳共价键对金属粒子进行吸附，从而在外延层材料为硅时，降低外延层内的金属污染，提高图像传感器的品质。
附图说明
图1是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法的流程图；
图2至图8是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图。
具体实施方式
在现有技术中，为了提高图像传感器性能，需要对部分参数进行优化，例如需要改进关键参数白像素以及暗电流的结果。
具体而言，在半导体制造工艺中，金属杂质污染是导致白像素数量增加的主要原因。更具体地，由于金属粒子的影响，会导致在没有光线照射到像素单元上时，像素点自身也会产生电荷，随着电荷不断增多并聚集在一起，就形成了暗电流。对于一个像素单元而言，当暗电流值较大，甚至超过了通过捕获光子产生的光电流后，该像素点就会被控制电路默认为白像素。
本发明的发明人经过研究发现，在现有技术中，通常采用对金属粒子的源头进行改进的方法，例如改进离子注入机器结构，对离子注入的能量、剂量进行调整等等，花费成本较高却难以达到理想效果。亟需一种图像传感器的形成方法，可以采用较小成本的方式降低金属污染，有效的改善图像传感器的品质。
在本发明实施例中，提供第一半导体衬底和第二半导体衬底，所述第二半导体衬底的正面形成有外延层，其中，所述第一半导体衬底的正面和/或所述外延层的表面形成有碳化物层；对所述第一半导体衬底的正面和所述第二半导体衬底的正面进行键合；去除所述第二半导体衬底，以暴露出所述外延层；在所述外延层表面形成金属互连层。采用上述方案，通过在第一半导体衬底的正面形成碳化物层，和/或在第二半导体衬底的正面形成的外延层内形成碳化物层，进而对所述第一半导体衬底的正面以及所述第二半导体衬底的正面进行键合，并去除所述第二半导体衬底，以暴露出所述外延层，可以利用碳化物层对金属粒子的吸附能力，透过外延层吸附落在外延层表面的金属粒子，或者吸附进入所述外延层内的金属粒子，从而降低外延层内的金属污染，提高图像传感器的品质。
为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
参照图1，图1是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法的流程图。
所述图像传感器的形成方法可以包括步骤S11至步骤S14：
步骤S11：提供第一半导体衬底和第二半导体衬底，所述第二半导体衬底的正面形成有外延层，其中，所述第一半导体衬底的正面和/或所述外延层的表面形成有碳化物层；
步骤S12：对所述第一半导体衬底的正面和所述第二半导体衬底的正面进行键合；
步骤S13：去除所述第二半导体衬底，以暴露出所述外延层；
步骤S14：在所述外延层表面形成金属互连层。
下面结合图2至图8对上述各个步骤进行说明。
图2至图8是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图。
参照图2，提供第一半导体衬底100，所述第一半导体衬底100的正面形成有碳化物层120。
在具体实施中，所述第一半导体衬底100可以为硅衬底，或者所述第一半导体衬底100的材料还可以为锗、锗化硅、砷化镓或镓化铟等适当的应用于图像传感器，例如BSI-CIS图像传感器的材料。
进一步地，所述第一半导体衬底100可以为硅衬底，所述碳化物层120的材料可以为碳化硅。
在本发明实施例中，采用最常规的硅材料作为第一半导体衬底100，有助于降低半导体制造工艺中的原材料成本，且可以复用现有的工艺技术，降低制造工艺及其参数的研发难度。
在本发明实施例中，所述第一半导体衬底100为硅衬底，所述碳化物层120的材料为碳化硅，可以通过碳-硅共价键和/或碳-碳共价键对金属粒子进行吸附，从而降低金属污染，提高图像传感器的品质。
进一步地，所述碳化物层120的形成工艺可以包括：化学气相沉积工艺或者碳离子注入工艺。
在一种具体实施方式中，可以采用热丝化学气相沉积(Hot-Filament-assistedChemical Vapor Deposition，HFCVD)工艺生长所述碳化物层120。
更具体地，可以采用HFCVD技术，通过两步CVD生长法，以CH4+SiH4+H2混合气体为生长源气体，在硅衬底上生长3C-Si C晶体薄膜。
在另一种具体实施方式中，还可以采用高温化学气相沉积(High TemperatureChemical Vapor Deposition，HTCVD)工艺生长所述碳化物层120
更具体地，可以在反应腔室中，设置反应气体为SiH4且由H2或He作为载气，与C2H4混合，在高温下分解生成碳化硅并附着在第一半导体衬底100的表面。反应化学式可以为：
2SiH4+C2H4＝2SiC+6H2。
在又一种具体实施方式中，可以对所述第一半导体衬底100进行碳离子注入，以在所述第一半导体衬底100内形成碳化物层120。
更进一步地，对所述第一半导体衬底100进行碳离子注入的注入参数可以包括：
注入能量为1KeV至1000KeV；
注入剂量为1E12atom/cm2至1E16atom/cm2。
需要指出的是，注入能量不应当过大，否则会使碳离子注入第一半导体衬底100内过深区域，导致碳离子不容易对第一半导体衬底100的表面的金属粒子进行吸附。
作为一个非限制性的例子，所述注入能量可以为1KeV至1000KeV。优选地，可以设置为1KeV至60KeV。
需要指出的是，注入剂量不应当过大，否则会使碳离子注入第一半导体衬底100内的量过高，导致注入时长过长，降低制造效率，且成本增加过多；注入剂量不应当过小，否则会使注入第一半导体衬底100内的碳离子数量过少，导致碳离子对第一半导体衬底100的表面的金属粒子的吸附过少。
作为一个非限制性的例子，所述注入剂量可以为1E12atom/cm2至1E16atom/cm2。优选地，可以设置为1E14atom/cm2至1E15atom/cm2。
在本发明实施例中，通过在所述第一半导体衬底100的正面形成碳化物层120，可以形成碳-硅共价键以及碳-碳共价键，或者形成碳-锗共价键以及碳-碳共价键，从而实现碳化物层120对金属粒子的吸附。
更具体地，以所述碳化物层120为碳化硅(SiC)为例，能隙宽度为2.9eV或2.2eV，处于蓝、绿光等短波长发光波段，在结构上为可发蓝光的镭射二极体，例如碳化硅蓝、绿光LED。
进一步地，由于能带和高温稳定，SiC可以应用于MESFET等元件，例如由于其具有较高的饱和电子速度以及高临界击穿场强，可以用于42GHz以上的SiC MESFET。
此外，碳-碳键也有助于对金属粒子进行吸附，可以依靠碳结构自身发达的孔隙结构和表面积，较大程度的接触到金属粒子，被动吸附一些金属粒子到碳-碳键之间的孔隙中。
参照图3，提供第二半导体衬底200，所述第二半导体衬底200的正面形成有外延层210，所述外延层210的表面形成有碳化物层220。
具体地，采用所述外延层(Epitaxy layer，Epi layer)210，并且在外延层210内形成图像传感器的逻辑器件以及像素器件，有助于提高图像传感器的品质。需要指出的是，在本发明实施例中，对得到外延层210的具体工艺不作限制。
关于第二半导体衬底200以及碳化物层220的原理、具体实现和有益效果请参照前文及图1示出的关于第一半导体衬底100以及碳化物层120的相关描述，此处不再赘述。
进一步地，在对所述第一半导体衬底100的正面和所述第二半导体衬底200的正面进行键合之前，所述图像传感器的形成方法还可以包括：采用退火工艺对所述碳化物层进行退火。
优选地，可以在对所述第一半导体衬底100进行碳离子注入，以在所述第一半导体衬底100内形成碳化物层120之后，采用退火工艺对所述碳化物层120进行退火；还可以在对所述外延层210进行碳离子注入，以在所述外延层210内形成碳化物层220之后，采用退火工艺对所述碳化物层220进行退火。
具体地，所述退火工艺的工艺参数可以为：
退火温度为800摄氏度至1200摄氏度；
退火时长为5s至60s。
需要指出的是，退火温度不应当过大，否则会使碳离子扩散进入第一半导体衬底100或外延层210内过深区域，导致碳离子不容易对第一半导体衬底100或外延层210的表面的金属粒子进行吸附；退火温度不应当过小，否则会使碳离子注入第一半导体衬底100或外延层210内过浅区域且扩散不开，导致碳离子对第一半导体衬底100或外延层210的表面的金属粒子的吸附过少。
作为一个非限制性的例子，所述退火温度可以为800摄氏度至1200摄氏度。优选地，可以设置为900摄氏度至1000摄氏度。
需要指出的是，退火时长不应当过大，否则会使碳离子扩散进入第一半导体衬底100或外延层210内过深区域，导致碳离子不容易对第一半导体衬底100或外延层210的表面的金属粒子进行吸附；退火时长不应当过小，否则会使碳离子注入第一半导体衬底100或外延层210内过浅区域且扩散不开，导致碳离子对第一半导体衬底100或外延层210的表面的金属粒子的吸附过少。
作为一个非限制性的例子，所述退火时长可以为5s至60s。优选地，可以设置为40s至50s。
在本发明实施例中，采用退火工艺对所述碳化物层进行退火，有助于促进形成更多碳-硅共价键以及碳-碳共价键，或者形成更多碳-锗共价键以及碳-碳共价键，从而提高碳化物层对金属粒子的吸附能力，有助于更好地降低外延层内的金属污染，进一步提高图像传感器的品质。尤其在采用碳离子注入工艺形成碳化物层之后，采用退火工艺对所述碳化物层进行退火有助于提高碳化物层的品质。
作为一个非限制性的例子，所述碳化物层120或碳化物层220的厚度可以为2μm至10μm。
需要指出的是，所述碳化物层120或碳化物层220的厚度不应当过厚，否则容易增加制造成本，降低生产效率；所述碳化物层120或碳化物层220的厚度不应当过薄，否则容易导致吸附能力不够，影响器件品质。
参照图4，对所述第一半导体衬底100的正面和所述第二半导体衬底200的正面进行键合。
需要指出的是，在本发明实施例中，所述第一半导体衬底100的正面和/或所述外延层210的表面形成有碳化物层，并未要求第一半导体衬底100的正面以及所述外延层210的表面均需要具有碳化物层。
在优选方案中，可以采用仅在所述外延层210的表面形成碳化物层220的方案，或者还可以采用在第一半导体衬底100的正面以及外延层210表面均形成碳化物层220的方案。具体地，由于在现有的一种键合(Bonding)工艺中，需要采用介质层(如氧化硅层)实现键合，如果仅在第一半导体衬底100的正面形成碳化物层120，则键合后碳化物层120与外延层210表面之间存在氧化硅，容易影响碳化物层120从外延层210吸附金属粒子的效果。
可以理解的是，在键合之后，所述第一半导体衬底100和所述外延层210之间具有碳化物层121，所述碳化物层121可以为碳化物层120，还可以为碳化物层220，还可以为碳化物层120与碳化物层220的叠层。
在本发明实施例中，可以根据具体情况选择在第一半导体衬底100的正面和/或所述外延层210的表面形成碳化物层，有助于提高便利性。
参照图5，在所述外延层210表面形成金属互连层141。
具体地，在所述外延层210的内部及表面形成逻辑器件130以及像素器件131，其中，所述像素器件131包含有光电二极管132，所述光电二极管132位于所述外延层210内。
进一步地，在所述外延层210的表面形成金属互连结构140，所述金属互连结构140位于所述金属互连层141内。
在形成逻辑器件130以及像素器件131的过程中，容易形成金属粒子(又称为金属杂质粒子)150落在所述外延层210的表面或者渗入所述外延层210内。例如在离子注入工艺中采用的金属掺杂物即可能形成金属粒子150。
在本发明实施例中，由于碳化物层121对金属粒子150具有吸附能力，可以透过外延层210吸附落在外延层210表面的金属粒子150，或者吸附进入所述外延层210内的金属粒子150，从而降低外延层210内的金属污染，提高图像传感器的品质。
参照图6，经过碳化物层121对金属粒子150的吸附，许多外延层210表面以及外延层210内的金属粒子均被吸附到碳化物层121内。
在本发明实施例中，通过在第一半导体衬底100的正面形成碳化物层，和/或在第二半导体衬底200(参照图2)的正面形成的外延层210内形成碳化物层，进而对所述第一半导体衬底100的正面以及所述第二半导体衬底200的正面进行键合，并去除所述第二半导体衬底200，以暴露出所述外延层210，可以利用碳化物层对金属粒子的吸附能力，透过外延层210吸附落在外延层表面的金属粒子，或者吸附进入所述外延层210内的金属粒子，从而降低外延层内的金属污染，提高图像传感器的品质。
参照图7，所述图像传感器为后照式(Back-side Illumination，BSI)CIS，则在现有的制造工艺中，通常采用承载晶圆(图未示)与所述第一半导体衬底100的正面键合。
需要指出的是，所述图7示出的图像传感器为图6示出的图像传感器的倒置状态。
进一步地，还可以对第一半导体衬底100的背部进行减薄，进而在第一半导体衬底100的背面形成BSI-CIS的后续工艺。例如在所述像素器件131的第一半导体衬底100背面形成网格状的格栅(Grid)，在所述格栅之间的网格内形成滤光器(Filter)矩阵以及微透镜等。
参照图8，自所述第一半导体衬底100的背面，移除所述碳化物层121(参照图7)以及所述第一半导体衬底100(参照图7)。
具体地，可以采用化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)工艺移除所述碳化物层121以及所述第一半导体衬底100，还可以采用刻蚀工艺移除所述碳化物层121以及所述第一半导体衬底100，在本发明实施例中对此不作限制。
在本发明实施例中，所述图像传感器为BSI-CIS，在所述外延层210的内部及表面形成逻辑器件130以及像素器件131之后，自所述第一半导体衬底100的背面，移除所述碳化物层121以及所述第一半导体衬底100，也即至少保留外延层210，由于大多数外延层210中的金属粒子均已被碳化物层121吸附，有助于减小外延层210中的金属粒子对BSI-CIS的影响，改善BSI-CIS的白像素以及暗电流的问题。
在本发明实施例中，还可以提供一种图像传感器，参照图5，所述图像传感器可以包括：第一半导体衬底100；与所述第一半导体衬底100的正面键合的外延层210；碳化物层121，位于所述第一半导体衬底100的正面和所述外延层210之间；金属互连层141，位于所述外延层210的表面。
进一步地，所述半导体衬底100可以为硅衬底，所述碳化物层121的材料可以为碳化硅。
进一步地，所述碳化物层121的厚度为2μm至10μm。
更进一步地，所述图像传感器还可以包括：逻辑器件130以及像素器件131，位于所述外延层210的内部及表面；其中，所述像素器件131包含有光电二极管132。
关于该图像传感器的原理、具体实现和有益效果请参照前文及图1至图8示出的关于图像传感器的形成方法的相关描述，此处不再赘述。
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 (11)
1.一种图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：
提供第一半导体衬底和第二半导体衬底，所述第二半导体衬底的正面形成有外延层，其中，所述第一半导体衬底的正面和/或所述外延层的表面形成有碳化物层；
对所述第一半导体衬底的正面和所述第二半导体衬底的正面进行键合；
去除所述第二半导体衬底，以暴露出所述外延层；
在所述外延层表面形成金属互连层。
2.根据权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述碳化物层的形成工艺包括：
化学气相沉积工艺或者碳离子注入工艺。
3.根据权利要求2所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述碳离子注入工艺的工艺参数选自以下一项或多项：
注入能量为0.5KeV至60KeV；
注入剂量为1E13atom/cm2至5E16atom/cm2。
4.根据权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，在对所述第一半导体衬底的正面和所述第二半导体衬底的正面进行键合之前，还包括：采用退火工艺对所述碳化物层进行退火。
5.根据权利要求4所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述退火工艺的工艺参数选自以下一项或多项：
退火温度为800摄氏度至1200摄氏度；
退火时长为5s至60s。
6.根据权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一半导体衬底以及所述第二半导体衬底为硅衬底，所述碳化物层的材料为碳化硅。
7.根据权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述图像传感器为BSI-CIS，所述方法还包括：
自所述第一半导体衬底的背面，移除所述碳化物层以及所述第一半导体衬底。
8.根据权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述碳化物层的厚度为2μm至10μm。
9.一种图像传感器，其特征在于，包括：
第一半导体衬底；
与所述第一半导体衬底的正面键合的外延层；
碳化物层，位于所述第一半导体衬底的正面和所述外延层之间；
金属互连层，位于所述外延层的表面。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其特征在于，所述半导体衬底为硅衬底，所述碳化物层的材料为碳化硅。
11.根据权利要求9所述的图像传感器，其特征在于，所述碳化物层的厚度为2μm至10μm。
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