CN115000112A - 背照式图像传感器及形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种背照式图像传感器及形成方法，本发明于第一衬底的正面形成内设有若干凹槽的外延叠层，各所述凹槽的底部及至少部分侧壁覆盖有介质层，所述介质层用作刻蚀停止层，在去除所述第一衬底及减薄所述外延叠层时停止于所述介质层，从而精确地控制刻蚀终点。所述凹槽自所述第一外延层的表面向所述第一衬底延伸，释放第一外延层的应力，从而避免由于应力导致的翘曲或变形。所述介质层与第一外延层之间的界面可以吸附杂质金属离子，用于隔离来自第一衬底的杂质金属离子。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种背照式图像传感器及形成方法。
背景技术
随着图像传感技术的发展，CMOS图像传感器越来越多的取代CCD图像传感器应用于各类电子产品中。CMOS图像传感器包括前照式（FSI）图像传感器和背照式（BSI）图像传感器，后者采用从衬底的远离电路层的一侧进行照射的机制，以增加光线的光通量，并防止相邻像素单元件的光线串扰（crosstalk），因此为业界广泛使用。
背照式图像传感器的制程涉及晶圆的正面工艺以及背面工艺，其中，背面工艺包括减薄、通孔等工序，在生产过程中，所述背照式图像传感器的背面（即入光面）产生大量表面缺陷，表面缺陷处的电子或空穴进入光生载流子收集区，从而引起暗电流或图像白点现象，影响所述背照式图像传感器的性能。
在现有技术中，通常采用hige-k材料形成于所述背面，比如氧化铪（HFO）或氧化铝（AlO）等，以钉扎表面缺陷，减少由此引起的暗电流以及避免白点现象。但是由于hige-k材料的表面缺陷钉扎能力不足，对于改善图像白点现象效果不明显。
因此，如何提供一种图像传感器的制备方法以解决现有技术中的上述问题实属必要。
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形成方法，于所述背照式图像传感器的背面形成外延钉扎层，以降低暗电流及改善白点现象。
基于以上考虑，本发明提供一种背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：依次形成内设有若干凹槽的第一外延层及至少填充各所述凹槽的顶部的第二外延层；其中，所述第一外延层经减薄并停止于所述第二外延层形成所述背照式图像传感器的钉扎层。
优选的，所述第一外延层形成于第一衬底上，减薄所述第一外延层之前，去除所述第一衬底。
优选的，沿至少远离所述第一衬底的部分侧壁，所述第二外延层填充各所述凹槽的顶部形成若干第一凸台。
优选的，各所述凹槽的底部及剩余侧壁覆盖有介质层。
优选的，去除所述第一衬底并停止于所述第一外延层；减薄所述第一外延层且停止于所述介质层。
优选的，去除所述介质层后，减薄所述第一外延层并停止于所述第一凸台。
优选的，沿各所述凹槽的剩余侧壁上的所述介质层，所述第二外延层还延伸形成若干第二凸台。
优选的，去除所述介质层后，减薄所述第一外延层并去除所述第二凸台且停止于所述第一凸台。
优选的，形成所述介质层包括：于所述第一外延层上形成覆盖所述凹槽的底部及侧壁的介质材料；回刻蚀去除所述第一外延层上的所述介质材料形成所述介质层。
优选的，所述介质材料包括氮化硅、氧化硅、碳氮化硅、碳化硅、氮氧化硅中的一种或多种组合。
优选的，去除所述第一衬底之前，于所述第二外延层上形成键合层并翻转所述第一衬底以键合于第二衬底上。
优选的，所述第一外延层的掺杂浓度高于所述第二外延层的掺杂浓度。
本发明的另一方面提供一种前照式图像传感器，采用上述形成方法而形成。
本发明于第一衬底上依次形成内设有若干凹槽的第一外延层及至少填充各所述凹槽的顶部的第二外延层，去除所述第一衬底，并减薄所述第一外延层时，可以停止于所述凹槽的顶部的第二外延层，从而保留相邻所述凹槽的顶部的所述第一外延层，通过外延及减薄工艺形成背照式图像传感器的钉扎层。
进一步的，通过化学机械研磨工艺控制剩余的第一外延层的厚度，通过研磨时间灵活调整钉扎层的区域及厚度，便于产品性能的提升。
进一步的，第一衬底的正面形成内设有若干凹槽的外延叠层，各所述凹槽的底部及至少部分侧壁覆盖有介质层，所述介质层用作刻蚀停止层，在去除所述第一衬底及减薄所述外延叠层时停止于所述介质层，从而精确地控制刻蚀终点。
进一步的，所述凹槽自所述第一外延层的表面向所述第一衬底延伸，释放第一外延层的应力，从而避免由于应力导致的翘曲或变形。
进一步的，所述介质层与第一外延层之间的界面可以吸附来自第一衬底的杂质金属离子，从而降低对所述第一衬底的规格需求，有效地降低生产成本。
附图说明
通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1～图8示出本发明实施例的一种背照式图像传感器的形成方法的各步骤对应的剖面结构示意图。
在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示相同或相似的装置（模块）或步骤。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容做进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所 熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
为解决上述现有技术中的问题，本发明于第一衬底上依次形成内设有若干凹槽的第一外延层及至少填充各所述凹槽的顶部的第二外延层，去除所述第一衬底，并减薄所述第一外延层时，可以停止于所述凹槽的顶部的第二外延层，从而保留相邻所述凹槽的顶部的所述第一外延层，通过外延及减薄工艺形成背照式图像传感器的钉扎层，避免离子注入工艺对第二外延层的损伤。
以下通过具体实施方式并结合附图，对本发明的一种图像传感器的形成方法进行详细说明。
如图1所示，提供第一衬底100，所述第一衬底100具有相对的正面（如图所示的上面）及背面（如图所示的下面）。
本实施例中，所述第一衬底100的材料为硅，在其他实施例中，所述第一衬底100的材料还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟。
于所述第一衬底100的正面形成第一外延层101，并图形化第一外延层101形成若干凹槽102。
如图1所示，所述凹槽102自所述第一外延层101的表面向所述第一衬底100延伸。
本实施例中，如图2所示，于所述第一外延层101上形成覆盖各所述凹槽102的底部及侧壁的介质层。所述介质层可以包括第一子介质层103和/或第二子介质层104。
第一子介质层103形成于所述第一外延层101上，并覆盖所述凹槽102底部及侧壁，其厚度远小于所述凹槽102的横向尺寸。
所述第一子介质层103的材料包括氮化硅、氧化硅、碳氮化硅、碳化硅、氮氧化硅中的一种，所述第一子介质层与第一外延层之间的界面可以吸附来自第一衬底的杂质金属离子，从而降低对所述第一衬底100的规格需求，有效地降低生产成本。
可以采用热氧化工艺、化学气相沉积工艺或原子层沉积工艺等沉积工艺形成第一子介质层103。例如，采用热氧化工艺形成材料为氧化硅的第一子介质层103，由于热氧化工艺具有短时间内形成较厚的氧化层的特点，可以获得较高的生产效率，以及较低的生产成本。同时，还能在深宽比较大的凹槽102的侧壁及底部形成形貌完整且厚度均匀的第一子介质层103。
本实施例中，第二子介质层104形成于第一子介质层103上，其材料包括氮化硅、氧化硅、碳氮化硅、碳化硅、氮氧化硅中的另一种。
第二子介质层104可以采用沉积工艺而形成于第一子介质层103上。如图2所示，位于凹槽102两侧侧壁的第二子介质层104于所述凹槽102的顶部相融合，从而闭合各所述凹槽102的顶部。
本实施例中，第一子介质层103的材料采用与第一外延侧101粘附力较佳的氧化硅，第二子介质层104的材料则采用隔离性能较佳的氮化硅。
受凹槽102的深宽比较大的影响，所述第二子介质层104不足以完全填充凹槽102，经过较长时间的沉积，所述凹槽102顶部的第二子介质层104的顶面闭合，并于所述凹槽102内部形成中空内腔105，中空内腔有利于应力的释放。
另一实施例中，所述介质层为单层的第一子介质层103或单层的第二子介质层104，通过延长热氧化时间或沉积时间，所述介质层未完全填充所述凹槽102，并凹陷且闭合各所述凹槽102的顶部，以于所述凹陷102内形成中空内腔105。
接着，回刻蚀去除至少所述第一外延层101上的所述介质层。比如，采用回刻蚀工艺去除述第一外延层101上的所述介质层的同时，所述回刻蚀工艺还至少去除闭合各所述凹槽102的顶部的所述介质层。
如图3所示，本实施例中，回刻蚀所述第二子介质层104及所述第一外延层101至预定深度，以暴露所述第一外延层101、凹槽102的顶部及部分侧壁。
然后，于所述第一外延层101上形成第二外延层105。
如图4所示，所述第二外延层106还填充于凹槽102的顶部并覆盖各所述凹槽102的剩余侧壁。通过控制所述第二外延层106的外延生长时间，所述第二外延层106还可以向各所述凹槽102的底部延伸，即填充至中空内腔105内并覆盖部分所述介质层。
所述第一外延层101及所述第二外延层110均具有第一导电类型，且所述第一外延层101的掺杂浓度大于所述第二外延层110的掺杂浓度。比如，所述第一外延层101的掺杂浓度大于所述第二外延层110的掺杂浓度至少2个数量级。
所述第一外延层101、所述第二外延层106和所述第一衬底100的导电类型相同，可以均为第一导电类型或均为第二导电类型。
所述掺杂隔离层102设于所述第一外延层101内，所述第一外延层的掺杂浓度至少可以为1E17atom/cm3，所述第二外延层106的掺杂浓度至多可以为5E15atom/cm3。所述第一外延层101的掺杂浓度高于是第二外延层106，可以对感光区起到钉扎作用。
通过先形成所述第一外延层101，并于所述第一外延层101内形成凹槽以释放应力，且通过介质层阻挡来自第一衬底的杂质金属离子的逃逸，所述第二外延层106用于形成阵列排布的若干感光区（未图示）。
本实施例中，所述第一外延层101及所述第二外延层106均具有第一导电类型，所述感光区具有第二导电类型。所述第一外延层101的厚度包括0.2μm~2μm，所述第二外延层106的厚度包括3μm~4μm。
然后，于所述第二外延层106上形成器件叠层，所述器件叠层包括金属互连层（未图示）及位于所述金属互连层上的第一键合层（未图示）。所述金属互连层内设有若干互连结构，还可以包括其他器件（未图示），例如无源器件叠层（未图示）以及射频器件（未图示）等。
所述器件叠层的形成方法及结构可以选用常规的制造方法，本领域的技术人员可以根据实际需要参照现有技术进行选择，此处不再赘述。
如图5所示，然后，提供第二衬底200，并翻转所述第一衬底100，使得第一衬底100的背面远离所述第二衬底200，并键合所述第一衬底100及所述第二衬底200。
所述第二衬底200为承载衬底（carrier wafer)，用于在后续去除第一衬底100、对第一外延层101进行减薄处理以及承载和保护所述感光器件层。所述第二衬底200可以为硅衬底或其他合适的衬底，在此并不进行限定。
通过键合工艺，将所述第二衬底200与第一衬底100正面上的感光器件层的表面相接合（键合），所述键合工艺可采用本领域技术人员熟知的任何方法进行，在此不再赘述。
如图6所示，自所述背面，去除所述第一衬底100。
所述第一衬底100的正面覆盖有所述第一外延层101，以所述第一外延层101为第一停止层，去除所述第一衬底100。
本实施例中，可以先研磨减薄所述第一衬底100至预设厚度，以加快所述第一衬底100的去除速度。通过研磨时间的控制，以调整所述预设厚度的大小，方便制程管控。
研磨减薄之后，所述第一衬底100的厚度小于等于30μm，本实施例中，剩余的所述第一衬底100的厚度为5μm。以所述第一外延层101为第一停止层，采用第一刻蚀工艺，去除剩余的所述第一衬底100，缩短所述第一刻蚀工艺的刻蚀时间，同时，也避免研磨导致的表面粗糙度较高，影响背照式图像传感器的显示性能。
采用第一刻蚀工艺去除所述第一衬底100之后，暴露出远离所述第二衬底200的所述第一外延层101的一面，为避免第一衬底100的残留，所述第一刻蚀工艺的刻蚀时间可适当延长，所述第一刻蚀工艺还去除所述部分第一外延层101，然后，化学机械抛光减薄所述第一外延层101直至暴露出所述介质层。
如图7所示，去除所述介质层。
本实施例中，通过刻蚀工艺去除第一子介质层103及第二子介质层104以暴露凹槽102。
一实施例中，所述凹槽102不仅用于释放第一外延层102的应力，通过减薄所述第一外延层102至预设高度，入射光经所述凹槽102汇聚至感光区，从而提高图像传感器的灵敏度。
另一实施例中，沿至少远离所述第一衬底100的部分侧壁，所述第二外延层106填充各所述凹槽102的顶部形成若干第一凸台，去除所述介质层后，减薄所述第一外延层101并停止于所述第一凸台，剩余的第一外延层101的掺杂浓度高于所述第二外延层106，可以用做背照式图像传感器的钉扎层，避免离子注入工艺对第二外延层106的损伤。
本实施例中，沿各所述凹槽102的剩余侧壁上的所述介质层，所述第二外延层106还延伸形成若干第二凸台。如图8所示，去除所述介质层之后，采用化学机械研磨工艺减薄所述第一外延层101，并去除所述第二凸台且停止于所述第一凸台。
通过化学机械研磨工艺控制剩余的第一外延层的厚度，通过研磨时间灵活调整钉扎层的区域及厚度，便于产品性能的提升。
进一步的，第一衬底的正面形成内设有若干凹槽的外延叠层，各所述凹槽的底部及至少部分侧壁覆盖有介质层，所述介质层用作刻蚀停止层，在去除所述第一衬底及减薄所述外延叠层时停止于所述介质层，从而精确地控制刻蚀终点。
进一步的，所述凹槽自所述第一外延层的表面向所述第一衬底延伸，释放第一外延层的应力，从而避免由于应力导致的翘曲或变形。
进一步的，所述介质层与第一外延层之间的界面可以吸附来自第一衬底的杂质金属离子，从而降低对所述第一衬底的规格需求，有效地降低生产成本。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论如何来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，明显的，“包括”一词不排除其他元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。装置权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
Claims (13)
1.一种背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：依次形成内设有若干凹槽的第一外延层及至少填充各所述凹槽的顶部的第二外延层；其中，
所述第一外延层经减薄并停止于所述第二外延层形成所述背照式图像传感器的钉扎层。
2.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述第一外延层形成于第一衬底上，减薄所述第一外延层之前，去除所述第一衬底。
3.如权利要求2所述的形成方法，其特征在于，沿至少远离所述第一衬底的部分侧壁，所述第二外延层填充各所述凹槽的顶部形成若干第一凸台。
4.如权利要求3所述的形成方法，其特征在于，各所述凹槽的底部及剩余侧壁覆盖有介质层。
5.如权利要求4所述的形成方法，其特征在于， 去除所述第一衬底并停止于所述第一外延层；减薄所述第一外延层且停止于所述介质层。
6.如权利要求5所述的形成方法，其特征在于，去除所述介质层后，减薄所述第一外延层并停止于所述第一凸台。
7.如权利要求4所述的形成方法，其特征在于，沿各所述凹槽的剩余侧壁上的所述介质层，所述第二外延层还延伸形成若干第二凸台。
8.如权利要求7所述的形成方法，其特征在于，去除所述介质层后，减薄所述第一外延层并去除所述第二凸台且停止于所述第一凸台。
9.如权利要求4所述的形成方法，其特征在于，形成所述介质层包括：
于所述第一外延层上形成覆盖所述凹槽的底部及侧壁的介质材料；回刻蚀去除所述第一外延层上的所述介质材料形成所述介质层。
10.如权利要求10所述的形成方法，其特征在于，所述介质材料包括氮化硅、氧化硅、碳氮化硅、碳化硅、氮氧化硅中的一种或多种组合。
11.如权利要求2所述的形成方法，其特征在于，去除所述第一衬底之前，于所述第二外延层上形成键合层并翻转所述第一衬底以键合于第二衬底上。
12.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述第一外延层的掺杂浓度高于所述第二外延层的掺杂浓度。
13.一种背照式图像传感器，采用如权利要求1~12任一项的背照式图像传感器的形成方法而形成。
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| CN202210694901.XA CN115000112A (zh) | 2022-06-20 | 2022-06-20 | 背照式图像传感器及形成方法 |
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