CN116137273A - 用于形成背照式图像传感器的晶圆结构及工艺方法 - Google Patents

用于形成背照式图像传感器的晶圆结构及工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于形成背照式图像传感器的晶圆结构及工艺方法,通过在器件晶圆的衬底层与器件层之间设置多个外延层,所述衬底层与多个外延层具有掺杂浓度差异,以使得从背面减薄所述器件晶圆时,可以通过控制刻蚀选择比,实现至少两次的刻蚀自停止,从而降低背面减薄的总厚度偏差,保证背面减薄的精度,满足背照式图像传感器工艺要求,进一步的,由于多个外延层的掺杂浓度差异,可以形成由外延层界面指向光电二极管区域的负浓度梯度,作为有效的背面钉扎层,降低暗电流的影响,从而提高产品良率和成像质量,改善图像传感器性能。

Description

用于形成背照式图像传感器的晶圆结构及工艺方法
技术领域
本发明涉及图像传感器领域,具体涉及一种用于形成背照式图像传感器的晶圆结构及工艺方法。
背景技术
图像传感器作为将光信号转化为数字电信号的器件单元,广泛应用于智能手机、平板电脑、汽车、医疗等各类新兴领域。典型的图像传感器通过像素阵列将入射光子转换成电子或空穴,当一个积分周期完成,收集的电荷通过模拟电路和数字电路转换成数字信号,传输到传感器的输出终端。
传统的图像传感器采用前照式入射,即入射光子想要到达光电二极管被其顺利吸收,需要穿过多层介质层组成的光路通道及/或金属互联层,同时,部分入射光子会受到金属互联层界面的反射而弹回空气中甚至串扰到其他像素单元,造成图像传感器灵敏度降低及/或颜色失真。
随着图像传感器技术的不断发展,像素单元尺寸不断降低,光子需要经过的介质层光路通道将同步减小,导致灵敏度和暗光表现等性能严重恶化。此时,背照式图像传感器因其独特的结构能从根本上解决上述问题。在背照式图像传感器中,入射光子从图像传感器的背面入射,一方面避免了经过介质层及/或金属互联层时的能量损失,另一方面无需权衡光电二极管和金属互联层的面积比例,方便了器件设计,从而能够明显提高图像传感器的灵敏度及暗光表现等性能。
参见图1-图4,现有背照式图像传感器制造工艺中,通常采用P型重掺杂的衬底层101上生长有轻掺杂外延层102的第一晶圆100作为器件晶圆(如图1所示),在该器件晶圆100的外延层102中形成光电二极管等半导体器件(未示出)之后,再将器件晶圆100与一支撑晶圆(第二晶圆)110键合后翻转(如图2所示),从背面减薄器件晶圆100,减薄时通常先用粗研磨(grinding)去除大部分的衬底层101(图4中T11点为粗研磨终点),再用湿法刻蚀把剩余的衬底层101完全去除(如图3所示),由于衬底层101和外延层102的掺杂浓度差异大,刻蚀速率差异大,该刻蚀步骤会自停止于轻掺杂外延层102表面(图4中T12点为第一次刻蚀终点),然后通过化学机械抛光(CMP)去除(损失不超过1微米厚度)外延层102表面由于湿法刻蚀而导致的疏松部分(图4中T13点为CMP终点),并且可以随后再次使用湿法刻蚀(损失不超过1微米厚度)修复CMP导致的表面缺陷(图4中T14点为第二次刻蚀终点),从而提高晶圆表面平整度和一致性。然而,CMP和第二次刻蚀均通过控制工艺时间(by time)来确定抛光或者刻蚀的终点,给产品带来较大的总厚度偏差(Total Thickness Variation, TTV),精度控制能力有限(一般为50-500纳米),随着图像传感器像素尺寸不断缩小,工艺节点不断进步,无法满足背照式图像传感器工艺的精度要求,影响产品良率和成像质量。
此外,背面减薄工艺容易在晶圆背面的表面区域产生缺陷、悬挂键、晶格损伤等,导致晶圆表面产生暗电流,从而在图像传感器中引入噪声,极大地降低成像质量。在现有技术中,通常借助减薄后的轻掺杂外延层102作为背面钉扎层,通过在轻掺杂外延层102中进行深层离子注入对晶圆表面缺陷进行钉扎,但是常常由于轻掺杂外延层102掺杂浓度低,且高能注入扩散范围较宽,无法在一个特定的深度位置形成集中的浓度分布,钉扎效果较弱,同时由于离子注入的隧道效应,光电二极管的耗尽区容易延伸至晶圆表面,带来较大的暗电流。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于形成背照式图像传感器的晶圆结构及工艺方法,保证背面减薄的精度,降低暗电流的影响,提高产品良率和成像质量,改善图像传感器性能。
基于以上考虑,本发明的一个方面提供一种用于形成背照式图像传感器的工艺方法,包括:提供器件晶圆,所述器件晶圆包括衬底层和器件层,以及位于所述衬底层与器件层之间的多个外延层;在所述器件层中形成半导体器件之后,从背面减薄所述器件晶圆,通过控制所述衬底层与多个外延层的掺杂浓度差异,控制刻蚀选择比,实现至少两次的刻蚀自停止,保证背面减薄的精度;进行后续工艺以形成背照式图像传感器。
优选的,所述衬底层为重掺杂衬底层,所述重掺杂衬底层和器件层之间依次包括第一本征硅层外延层或第一轻掺杂外延层、重掺杂外延层、第二本征硅层外延层或第二轻掺杂外延层;从背面减薄所述器件晶圆的步骤包括:通过粗研磨和刻蚀去除所述重掺杂衬底层,自停止于所述第一本征硅外延层或第一轻掺杂外延层,通过化学机械抛光去除所述第一本征硅外延层或第一轻掺杂外延层,通过刻蚀去除所述重掺杂外延层,自停止于所述第二本征硅层外延层或第二轻掺杂外延层。
优选的,去除所述重掺杂外延层之后,再次通过化学机械抛光和刻蚀去除所述第二本征硅层外延层或第二轻掺杂外延层。
优选的,所述刻蚀为湿法刻蚀或干法刻蚀。
优选的,从背面减薄所述器件晶圆的步骤包括:从器件层一侧将所述器件晶圆与一支撑晶圆键合,从衬底层一侧减薄所述器件晶圆。
优选的,所述器件层为P型轻掺杂外延层或N型轻掺杂外延层。
本发明的另一方面提供一种用于形成背照式图像传感器的晶圆结构,包括:衬底层;器件层,所述器件层用于形成半导体器件;位于所述衬底层和器件层之间的多个外延层;所述衬底层与多个外延层具有掺杂浓度差异,以使得从背面减薄所述晶圆时,通过控制刻蚀选择比,实现至少两次的刻蚀自停止,保证背面减薄的精度。
优选的,所述衬底层为重掺杂衬底层,所述重掺杂衬底层和器件层之间依次包括第一本征硅外延层或第一轻掺杂外延层、重掺杂外延层、第二本征硅外延层或第二轻掺杂外延层。
优选的,所述器件层为P型轻掺杂外延层或N型轻掺杂外延层。
本发明的用于形成背照式图像传感器的晶圆结构及工艺方法,通过在器件晶圆的衬底层与器件层之间设置多个外延层,所述衬底层与多个外延层具有掺杂浓度差异,以使得从背面减薄所述器件晶圆时,可以通过控制刻蚀选择比,实现至少两次的刻蚀自停止,从而降低背面减薄的总厚度偏差,保证背面减薄的精度,满足背照式图像传感器工艺要求,进一步的,由于多个外延层的掺杂浓度差异,可以形成由外延层界面指向光电二极管区域的负浓度梯度,作为有效的背面钉扎层,降低暗电流的影响,从而提高产品良率和成像质量,改善图像传感器性能。
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为现有技术用于形成背照式图像传感器的晶圆结构的示意图;
图2-图3为现有技术用于形成背照式图像传感器的工艺方法的背面减薄过程示意图;
图4为现有技术用于形成背照式图像传感器的工艺方法的背面减薄过程中掺杂浓度随时间变化的曲线图;
图5为本发明用于形成背照式图像传感器的晶圆结构的示意图;
图6-图10为本发明用于形成背照式图像传感器的工艺方法的背面减薄过程示意图;
图11为本发明用于形成背照式图像传感器的工艺方法的背面减薄过程中掺杂浓度随时间变化的曲线图。
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
为解决上述现有技术中的问题,本发明提供一种用于形成背照式图像传感器的晶圆结构及工艺方法,通过在器件晶圆的衬底层与器件层之间设置多个外延层,所述衬底层与多个外延层具有掺杂浓度差异,以使得从背面减薄所述器件晶圆时,可以通过控制刻蚀选择比,实现至少两次的刻蚀自停止,从而保证背面减薄的精度,满足背照式图像传感器工艺的精度要求,提高产品良率和成像质量,改善图像传感器性能。
在以下优选的实施例的具体描述中,将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解,在不偏离本发明的范围的前提下,可以利用其他实施例,也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此,以下的具体描述并非限制性的,且本发明的范围由所附的权利要求所限定。
下面结合具体实施例进行详细阐述。
图5示出根据本发明一个优选实施例的用于形成背照式图像传感器的晶圆结构,该晶圆200包括衬底层201,器件层202,以及位于所述衬底层201和器件层202之间的多个外延层,在此示出为外延层203、204、205。
其中,衬底层201优选为P型重掺杂衬底层,掺杂浓度一般为大于1E18个每立方厘米;在未示出的其他优选实施例中,衬底层201也可以为N型重掺杂衬底层。
器件层202优选为P型轻掺杂外延层,掺杂浓度一般为1E14至1E15个每立方厘米,也可以采用N型轻掺杂外延层作为器件层202,N型轻掺杂外延层可以直接用作光电二极管的载流子收集区域,从而省略了N型离子注入步骤,对于需要形成较深的光电二极管的图像传感器工艺来说,有效降低了工艺难度。
在本实施例中,衬底层201和器件层202之间依次包括第一本征硅外延层或第一轻掺杂外延层203(掺杂浓度约为0-1E15个每立方厘米)、重掺杂外延层204(掺杂浓度约为大于1E18个每立方厘米)、第二本征硅外延层或第二轻掺杂外延层205(掺杂浓度约为0-1E15个每立方厘米)。由于衬底层201与多个外延层203、204、205具有较大的掺杂浓度差异,当从背面减薄所述晶圆200时,可以通过控制刻蚀选择比,实现至少两次的刻蚀自停止,以保证背面减薄的工艺精度,背面减薄的过程参见图6-图11。
具体的,以第一晶圆200作为器件晶圆,在该器件晶圆200的器件层202中形成光电二极管等半导体器件(未示出)之后,再从器件层202一侧将器件晶圆200与一支撑晶圆(第二晶圆)210键合后翻转,形成如图6所示的结构,以便从背面(即从衬底层201一侧)减薄器件晶圆200。
首先用粗研磨去除大部分的衬底层201(图11中T21点为粗研磨终点),再用干法或湿法刻蚀把剩余的衬底层201完全去除,由于重掺杂的衬底层201和其下方的第一本征硅外延层或第一轻掺杂外延层203的掺杂浓度差异大,刻蚀速率差异大,该刻蚀步骤会自停止于第一本征硅外延层或第一轻掺杂外延层203表面(图11中T22点为第一次刻蚀终点),形成如图7所示的结构。
然后通过化学机械抛光去除(损失不超过1微米厚度)所述第一本征硅外延层或第一轻掺杂外延层203(图11中T23点为第一次CMP终点),形成如图8所示的结构,再通过干法或湿法刻蚀去除(损失不超过1微米厚度)所述重掺杂外延层204,由于重掺杂外延层204和其下方的第二本征硅外延层或第二轻掺杂外延层205的掺杂浓度差异大,刻蚀速率差异大,该刻蚀步骤会自停止于所述第二本征硅外延层或第二轻掺杂外延层205表面(图11中T24点为第二次刻蚀终点),形成如图9所示的结构。
本领域技术人员可以理解,本实施例中衬底层201与器件层202之间的多个外延层203、204、205的层数、掺杂类型、掺杂浓度等组合仅仅作为示例而非限制,具体设置可以根据工艺需要进行选择,只要通过控制衬底层与多个外延层的掺杂浓度差异,来控制刻蚀选择比,实现至少两次的刻蚀自停止,即可有效降低背面减薄的总厚度偏差,提高背面减薄的精度(可达20至200纳米),从而满足背照式图像传感器工艺要求,提高产品良率和成像质量,改善图像传感器性能。
此外,经背面减薄后,通常会在晶圆背面的表面区域产生缺陷、悬挂键、晶格损伤等,导致晶圆表面产生暗电流,从而在图像传感器中引入噪声,极大地降低成像质量。在本实施例中,多个外延层203、204、205之间存在较大的掺杂浓度差异,由于外延层生长过程温度较高,其掺杂元素会因浓度梯度驱使而向低浓度一侧产生扩散。通过掺杂杂质原子的扩散作用,第二本征硅外延层或第二轻掺杂外延层205中可以形成由外延层204/205的界面指向光电二极管区域的杂质原子的负浓度梯度,即靠近晶圆背面的掺杂浓度高,靠近光电二极管区域的掺杂浓度低,再加上该浓度梯度在减薄过程作为刻蚀停止区,减薄时就同时形成自对准的背面界面钉扎掺杂区域。该钉扎掺杂区域有两个优势:一方面,在晶圆背面由缺陷等产生的电子将在掺杂浓度高的第二本征硅外延层或第二轻掺杂外延层205区域被复合;另一方面,受掺杂浓度梯度影响,光电二极管的耗尽区将被限制在第二本征硅外延层或第二轻掺杂外延层205内部,难以触及晶圆表面,从而降低光电二极管区域的暗电流。
此外,在本发明的其他实施例中,也可以如图10所示,在去除所述重掺杂外延层204之后,再次通过化学机械抛光(损失不超过0.5微米厚度)和干法或湿法刻蚀(损失不超过0.5微米厚度)去除至少部分的所述第二本征硅外延层或第二轻掺杂外延层205,并修复表面缺陷,从而进一步提高晶圆表面平整度和一致性。
综上所述,本发明的用于形成背照式图像传感器的晶圆结构及工艺方法,通过在器件晶圆的衬底层与器件层之间设置多个外延层,所述衬底层与多个外延层具有掺杂浓度差异,以使得从背面减薄所述器件晶圆时,可以通过控制刻蚀选择比,实现至少两次的刻蚀自停止,从而降低背面减薄的总厚度偏差,保证背面减薄的精度,满足背照式图像传感器工艺要求,并且降低暗电流的影响,提高产品良率和成像质量,改善图像传感器性能。
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 (9)

1.一种用于形成背照式图像传感器的工艺方法,其特征在于,包括:
提供器件晶圆,所述器件晶圆包括衬底层和器件层,以及位于所述衬底层与器件层之间的多个外延层;
在所述器件层中形成半导体器件之后,从背面减薄所述器件晶圆,通过控制所述衬底层与多个外延层的掺杂浓度差异,控制刻蚀选择比,实现至少两次的刻蚀自停止,保证背面减薄的精度;
进行后续工艺以形成背照式图像传感器。
2.如权利要求1所述的用于形成背照式图像传感器的工艺方法,其特征在于,
所述衬底层为重掺杂衬底层,所述重掺杂衬底层和器件层之间依次包括第一本征硅层外延层或第一轻掺杂外延层、重掺杂外延层、第二本征硅层外延层或第二轻掺杂外延层;
从背面减薄所述器件晶圆的步骤包括:通过粗研磨和刻蚀去除所述重掺杂衬底层,自停止于所述第一本征硅外延层或第一轻掺杂外延层,通过化学机械抛光去除所述第一本征硅外延层或第一轻掺杂外延层,通过刻蚀去除所述重掺杂外延层,自停止于所述第二本征硅层外延层或第二轻掺杂外延层。
3.如权利要求2所述的用于形成背照式图像传感器的工艺方法,其特征在于,
去除所述重掺杂外延层之后,再次通过化学机械抛光和刻蚀去除所述第二本征硅外延层或第二轻掺杂外延层。
4.如权利要求1所述的用于形成背照式图像传感器的工艺方法,其特征在于,所述刻蚀为湿法刻蚀或干法刻蚀。
5.如权利要求1所述的用于形成背照式图像传感器的工艺方法,其特征在于,从背面减薄所述器件晶圆的步骤包括:从器件层一侧将所述器件晶圆与一支撑晶圆键合,从衬底层一侧减薄所述器件晶圆。
6.如权利要求1所述的用于形成背照式图像传感器的工艺方法,其特征在于,所述器件层为P型轻掺杂外延层或N型轻掺杂外延层。
7.一种用于形成背照式图像传感器的晶圆结构,其特征在于,包括:
衬底层;
器件层,所述器件层用于形成半导体器件;
位于所述衬底层和器件层之间的多个外延层;
所述衬底层与多个外延层具有掺杂浓度差异,以使得从背面减薄所述晶圆时,通过控制刻蚀选择比,实现至少两次的刻蚀自停止,保证背面减薄的精度。
8.如权利要求7所述的用于形成背照式图像传感器的晶圆结构,其特征在于,所述衬底层为重掺杂衬底层,所述重掺杂衬底层和器件层之间依次包括第一本征硅外延层或第一轻掺杂外延层、重掺杂外延层、第二本征硅外延层或第二轻掺杂外延层。
9.如权利要求7所述的用于形成背照式图像传感器的晶圆结构,其特征在于,所述器件层为P型轻掺杂外延层或N型轻掺杂外延层。
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