CN112436024B - 背照式图像传感器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种背照式图像传感器及其制作方法，包括：提供衬底，将所述衬底的正面与一承载基片进行键合后，对所述衬底的背面进行减薄处理，然后在所述衬底的背面形成氧化层并对所述衬底的背面进行离子注入。本发明通过在减薄后的衬底背面形成氧化层及实行离子注入工艺，有效修复背面减薄工艺造成的衬底表面的缺陷，降低器件漏电，从而减小图像传感器的暗电流。

Description

背照式图像传感器及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体集成电路的制造领域，尤其涉及一种背照式图像传感器及其制作方法。
背景技术
现有图像传感器通常基于互补型金属氧化物半导体(CMOS)技术制作而成。按照接收光线的位置的不同，图像传感器可以分为前照式图像传感器和背照式图像传感器。前照式图像传感器中的感光二级管位于电路晶体管后方，使得进光量受到遮挡，进而导致量子转换效率降低。背照式图像传感器与前照式图像传感器相比，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，让光线首先从背部进入光电二极管，避免了在前照式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。
在背照式图像传感器的制造工艺中，需要通过背面减薄工艺对硅衬底进行减薄，减薄工艺会使减薄后硅衬底表面产生的缺陷、悬挂键和损伤等将导致硅表面出现暗电流。背照式图像传感器的表面暗电流将导致背照式图像传感器的噪点较前照式图像传感器会急剧增大，成像质量将会大幅下降，甚至难以有效成像。
发明内容
本发明的目的在于提供一种背照式图像传感器及其制作方法，以修复背面减薄工艺造成的衬底表面的缺陷，降低器件漏电。
本发明提供一种背照式图像传感器的制作方法，包括：
提供衬底，将所述衬底的正面与一承载基片进行键合，所述衬底内靠近所述承载基片的一面形成有掺杂层；
对所述衬底的背面进行减薄处理；
在所述衬底的背面形成氧化层；以及
在所述衬底的背面进行离子注入。
可选的，减薄处理后的所述衬底的厚度为所述掺杂层的厚度的1.1～1.3倍。
可选的，所述衬底为P型衬底，在所述衬底的背面注入的离子为P型离子。
可选的，所述P型离子为BF2+大质量离子团。
可选的，所述离子注入的注入能量范围为20～50keV，注入离子的剂量范围为10E13～10E15/cm2。
可选的，所述氧化层为二氧化硅层。
可选的，所述氧化层的厚度为
可选的，采用臭氧氧化CVD工艺形成所述氧化层。
可选的，在所述衬底的背面进行离子注入后进行激光退火处理。
相应的，本发明还提供一种背照式图像传感器，包括：衬底及与所述衬底的正面键合的承载基片，所述衬底内靠近所述承载基片的一面形成有掺杂层，所述衬底的背面形成有氧化层，所述衬底内靠近所述氧化层的一侧形成有离子注入层。
可选的，所述衬底的厚度为所述掺杂层的厚度的1.1～1.3倍。
可选的，所述衬底为P型衬底，所述离子注入层为P型离子注入层。
综上，本发明提供一种背照式图像传感器及其制作方法，包括：提供衬底，将所述衬底的正面与一承载基片进行键合后，对所述衬底的背面进行减薄处理，然后在所述衬底的背面形成氧化层并对所述衬底的背面进行离子注入。本发明通过在减薄后的衬底背面形成氧化层及实行离子注入工艺，有效修复背面减薄工艺造成的衬底表面的缺陷，降低器件漏电，从而减小图像传感器的暗电流。
进一步的，本发明中背面减薄后的衬底的厚度较薄，增加了光转化效率，提高了背照式图像传感器的性能。
进一步的，本发明采用臭氧氧化CVD工艺在减薄后的衬底背面形成氧化层，工艺简单，降低了制程的复杂程度，节约了生产成本。
进一步的，本发明在减薄后的衬底背面进行离子注入，提高了器件的击穿电压。
附图说明
图1A至图1C为一背照式图像传感器的制作方法中各步骤对应的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的背照式图像传感器的制作方法的流程图；
图3A至图3C为本发明一实施例提供的背照式图像传感器的制作方法中各步骤对应的结构示意图；
其中，附图标记为：
110、210-承载基片；120、220-衬底；120a、220a-掺杂层；121、221-器件层；130、230-粘结层；140、240-氧化层；150-高介质层；220b-离子注入层。
具体实施方式
图1A至图1C为一背照式图像传感器的制作方法中各步骤对应的结构示意图。所述背照式图像传感器的制作方法包括以下步骤：
首先，如图1A所示，提供承载基片110和衬底120，所述承载基片110与所述衬底120的正面进行键合。其中，所述衬底120内靠近所述承载基片110的一面形成有掺杂层120a，所述衬底120的正面还形成有器件层121，所述衬底120通过一粘结层130与所述承载基片110键合。
然后，对所述衬底120的背面进行减薄处理。例如可以采用干法刻蚀、湿法刻蚀或化学机械研磨等工艺对所述衬底120进行减薄，背面减薄处理会使减薄后的衬底120的表面存在缺陷，带来负电荷累积，造成图像传感器的暗电流(dark current)等问题，因而需要进行修复缺陷的处理。现有工艺中，为了解决减薄后衬底120表面产生的缺陷造成的漏电，减薄后的所述衬底120的厚度D1为掺杂层120a的厚度D2的2倍以上。
接着，在减薄后的衬底120的背面形成氧化层140来进行缺陷修复，如图1B所示。所述氧化层140为二氧化硅层，现有工艺一般通过淀积蒸汽氧化物的方式形成氧化层140。淀积蒸汽氧化物是使用携带水蒸气的氧气代替干氧作为氧化气体，水蒸汽也常由蒸汽供给，称为热蒸汽，在氧化生长中，湿氧反应会产生一层二氧化硅膜。虽然采用蒸汽氧化物可以在一定程度上缓解衬底120表面缺陷的问题，但是反应生成的氢分子会束缚在固态的二氧化硅层中，使得表面缺陷修复的效果仍然不佳。
接着，在所述氧化层140上形成高介电常数层(HiK)150并进行退火处理，如图1C所示。然后进行其它后续方法步骤。
上述背照式图像传感器的制作方法中是通过在减薄的衬底120的背面淀积蒸汽氧化物进行修复，淀积蒸汽氧化物之后再继续淀积一高介电常数层150。该方法一方面受限于器件技术要求，其衬底(背照晶圆)120减薄的厚度受限于器件的掺杂深度(掺杂层120a的厚度)，通常衬底120的厚度为掺杂层120a的2倍以上以减小器件的漏电，但另一方面保留较厚的衬底120，增大了入射光在衬底120内的光程，从而影响到了用以感光的掺杂层120a对光的吸收以及转化效率，降低背照式图像传感器的性能。
为解决上述问题，本发明提供一种背照式图像传感器及其制作方法，包括：提供衬底，将所述衬底的正面与一承载基片进行键合后，对所述衬底的背面进行减薄处理，然后在所述衬底的背面形成氧化层并对所述衬底的背面进行离子注入。本发明通过在减薄后的衬底背面形成氧化层及实行离子注入工艺，有效修复背面减薄工艺造成的衬底表面的缺陷，降低器件漏电，从而减小图像传感器的暗电流。进一步的，本发明中背面减薄后的衬底的厚度较薄，增加了光转化效率，提高了背照式图像传感器的性能。
以下结合附图和具体实施例对本发明的背照式图像传感器及其制作方法作进一步详细说明。根据下面的说明和附图，本发明的优点和特征将更清楚，然而，需说明的是，本发明技术方案的构思可按照多种不同的形式实施，并不局限于在此阐述的特定实施例。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。
在说明书中的术语“第一”“第二”等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换，例如可使得本文所述的本发明实施例能够以不同于本文所述的或所示的其他顺序来操作。类似的，如果本文所述的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些所述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其他步骤可被添加到该方法。若某附图中的构件与其他附图中的构件相同，虽然在所有附图中都可轻易辨认出这些构件，但为了使附图的说明更为清楚，本说明书不会将所有相同构件的标号标于每一图中。
图2为本实施例提供的背照式图像传感器的制作方法的流程图，参考图2所示，本实施例提供的背照式图像传感器的制作方法包括：
步骤S01：提供衬底，将所述衬底的正面与一承载基片进行键合，所述衬底内靠近所述承载基片的一面形成有掺杂层；
步骤S02：对所述衬底的背面进行减薄处理；
步骤S03：在所述衬底的背面形成氧化层；以及
步骤S04：在所述衬底的背面进行离子注入。
图3A至图3C为本实施例提供的背照式图像传感器的制作方法中各步骤对应的结构示意图，以下将参考图2及图3A至图3C详细说明本实施例提供的背照式图像传感器的制作方法。
首先，参考图3A所示，执行步骤S01，提供承载基片210和衬底220，所述承载基片210与所述衬底220的正面进行键合，所述衬底220内靠近所述承载基片210的一面形成有掺杂层220a。
所述衬底220例如可以通过一粘结层230与所述承载基片210键合，所述衬底220可以通过一混合键合结构与所述承载基片210键合。所述衬底220例如为P型衬底(P Sub)，可以为掺杂有P型掺杂物例如硼的硅衬底，所述掺杂层220a包括通过掺杂形成的P阱(P Well)和N阱(N Well)。所述衬底220上还形成有器件层221，所述器件层221包括通过薄膜沉积、光刻、刻蚀、离子注入等工艺形成诸如NMOS和/或PMOS等器件，以及介质层和金属层构成的互连层和其他结构。为便于后续技术方案的表述，本实施例中，所述衬底220不包括器件层221，可以理解为，所述衬底220和所述器件层221构成键合所需的器件晶圆。
所述承载基片210可以是仅仅起承载作用的空白基片，也可以是既有承载作用又具有器件功能的基片。所述承载基片210作为衬底220的载体，其可以是硅晶圆，也可以是由二氧化硅、陶瓷、玻璃、金属、合金等有机材料制成的载片。
接着，继续参考图3A所示，执行步骤S02，对所述衬底220的背面进行减薄处理。对所述衬底220的背面进行减薄处理的目的是获得具有合适厚度的衬底220，以使得入射到衬底220的背面的光线更容易到达后续掺杂层220a和器件层221，以获得较好的光转化效率。本实施例中，减薄处理后的所述衬底220的厚度D3为所述掺杂层220a的厚度D4的1.1～1.3倍，例如，D3＝1.2D4。
对所述衬底220的背面进行减薄处理可以采用磨削、研磨、化学机械抛光(CMP)、干式抛光、电化学腐蚀、湿法腐蚀、等离子辅助化学腐蚀(PACE)或者常压等离子腐蚀(ADPE)等方法。上述工艺为本领域现有技术，在此不再赘述。
接着，参考图3B所示，执行步骤S03，在所述衬底220的背面形成氧化层240。本实施例中，所述氧化层240为二氧化硅层，所述氧化层240的厚度为例如所述氧化层240的厚度为/>可以采用臭氧氧化CVD工艺形成所述氧化层240，相比于淀积蒸汽氧化物的方式形成氧化层，采用臭氧氧化CVD能够利用高浓度臭氧来进行牺牲氧化，从而能够在相对低温的环境形成氧化层，无需提供蒸汽环境，工艺简单且节省成本。
接着，参考图3C所示，执行步骤S04，对所述衬底220的背面进行离子注入。所述衬底的背面注入的离子为P型离子，所述P型离子通过所述氧化层240在所述衬底220的背面形成离子注入层220b，以提升器件的耐压。所述P型离子可以为BF2+等大质量离子团，通过注入大质量离子团的P型离子，便于控制注入离子的扩散速率，进而控制离子注入层220b的厚度。其中，进行离子注入过程中离子的注入能量范围为20～50keV，注入离子的剂量范围为10E13～10E15/cm2。
本实施例提供的背照式图像传感器的制作方法还包括：在所述衬底的背面进行离子注入后进行激光退火处理，以通过激光激活注入的离子，且提高注入离子分布的均匀性。例如激光退火处理过程中，激光波长为300～350nm，激光能量密度为1.7～2.0J/cm2，处理温度为1000～1400℃，处理时间小于1μs。
进一步的，本实施例提供的背照式图像传感器的制作方法还包括：在所述氧化层240上依次形成滤波片和微透镜(图3C中未示出)，所述滤波片可以允许具有特定波长的光通过，并将其他波长的光反射回背照式图像传感器中。形成上述滤波片和微透镜的方法为本领域现有技术，在此不再赘述。
本实施例提供的背照式图像传感器的制作方法中，将衬底和承载基片键合并对所述衬底的背面进行减薄处理后，并在所述衬底的背面形成氧化物层后进行离子注入，进而中和背面减薄工艺造成的衬底表面积累的负电荷，同时降低器件漏电，从而减小图像传感器的暗电流。
另外，由于上述氧化层的形成和实行衬底背面离子注入工艺，有效修复背面减薄工艺造成衬底表面的缺陷，衬底背面减薄的厚度可以相应减小，进行背面减薄后的衬底的厚度D3可以是掺杂层的厚度D4的1.1倍至1.3倍。也就是说，相比于现有技术中，本实施例中衬底的背面减薄量增加，背面减薄后的衬底的厚度减小，增加了光转化效率，提高了背照式图像传感器的性能。
本实施例还提供一种背照式图像传感器，采用上述背照式图像传感器的制作方法制成，参考图3C所示，所述背照式图像传感器包括衬底220及与所述衬底220的正面键合的承载基片210，所述衬底220内靠近所述承载基片210的一面形成有掺杂层220a，在所述衬底220的背面还形成有氧化层240，所述衬底220靠近所述氧化层240的一侧形成有离子注入层220b。
可选的，所述衬底220的厚度D3为所述掺杂层220a的厚度D4的1.1～1.3倍，例如，所述P型衬底220的厚度D3为所述掺杂层220a的厚度D4的1.2倍，即D3＝1.2D4。
可选的，所述衬底220为P型衬底，所述离子注入层220b为P型离子注入层，例如可以通过注入BF2+离子形成所述离子注入层220b，在本发明其他实施例中，也可以通过注入其他大质量离子团来形成离子注入层。
可选的，所述氧化层240例如可以为二氧化硅层。
可选的，所述衬底220的正面还形成有器件层221。
可选的，所述衬底220通过一粘结层230与所述承载基片210键合。
综上所述，本发明提供一种背照式图像传感器及其制作方法，包括：提供衬底，将所述衬底的正面与一承载基片进行键合后，对所述衬底的背面进行减薄处理，然后在所述衬底的背面形成氧化层并对所述衬底的背面进行离子注入。本发明通过在减薄后的衬底背面形成氧化层及实行离子注入工艺，有效修复背面减薄工艺造成的衬底表面的缺陷，降低器件漏电，从而减小图像传感器的暗电流。
进一步的，本发明中背面减薄后的衬底的厚度较薄，增加了光转化效率，提高了背照式图像传感器的性能。
进一步的，本发明采用臭氧氧化CVD工艺在减薄后的衬底背面形成氧化层，工艺简单，降低制程的复杂程度，节约了生产成本。
进一步的，本发明在减薄后的衬底背面进行离子注入，提高了器件的击穿电压。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (12)

1.一种背照式图像传感器的制作方法，其特征在于，包括：
提供衬底，将所述衬底的正面与一承载基片进行键合，所述衬底内靠近所述承载基片的一面形成有掺杂层；
对所述衬底的背面进行减薄处理；
在所述衬底的背面形成氧化层；以及
在所述衬底的背面进行离子注入，以在所述衬底内靠近所述氧化层的一侧形成离子注入层。
2.根据权利要求1所述的背照式图像传感器的制作方法，其特征在于，减薄处理后的所述衬底的厚度为所述掺杂层的厚度的1.1~1.3倍。
3.根据权利要求1所述的背照式图像传感器的制作方法，其特征在于，所述衬底为P型衬底，所述衬底的背面注入的离子为P型离子。
4.根据权利要求3所述的背照式图像传感器的制作方法，其特征在于，所述P型离子为BF2+大质量离子团。
5.根据权利要求4所述的背照式图像传感器的制作方法，其特征在于，所述离子注入的注入能量范围为20~50keV，注入离子的剂量范围为10E13~10E15/cm2。
6.根据权利要求1所述的背照式图像传感器的制作方法，其特征在于，所述氧化层为二氧化硅层。
7.根据权利要求1所述的背照式图像传感器的制作方法，其特征在于，所述氧化层的厚度为15Å -35Å。
8.根据权利要求1所述的背照式图像传感器的制作方法，其特征在于，采用臭氧氧化CVD工艺形成所述氧化层。
9.根据权利要求1所述的背照式图像传感器的制作方法，其特征在于，在所述衬底的背面进行离子注入后进行激光退火处理。
10.一种背照式图像传感器，其特征在于，包括：衬底及与所述衬底的正面键合的承载基片，所述衬底内靠近所述承载基片的一面形成有掺杂层，所述衬底的背面形成有氧化层，所述衬底内靠近所述氧化层的一侧形成有离子注入层。
11.根据权利要求10所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述衬底的厚度为所述掺杂层的厚度的1.1~1.3倍。
12.根据权利要求10所述的背照式图像传感器，其特征在于，所述衬底为P型衬底，所述离子注入层为P型离子注入层。
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