CN101771058A - 背面照明图像传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及背面照明图像传感器及其制造方法。其中，根据实施例的背面照明图像传感器包括：位于第一衬底的正面上的器件隔离区和像素区；位于像素区上的光传感器和读出电路；位于第一衬底的正面上的层间电介质层和金属线；键合到其上形成有金属线的第一衬底的正面的第二衬底；位于第一衬底的背面的器件隔离区上的像素隔离电介质层；以及位于第一衬底的背面的光传感器上的微透镜。

Description

背面照明图像传感器及其制造方法
技术领域
本公开涉及背面照明图像传感器(back side illumination imagesensor)。
背景技术
图像传感器是将光学图像转换成电信号的半导体器件，通常分为CCD(电荷耦合器件)图像传感器或CMOS图像传感器(CIS)。
在相关技术CIS中，通过离子注入工艺将光电二极管沉积在衬底上。随着光电二极管尺寸逐渐减小以增加像素数量而不增大芯片尺寸，存在着照明(illumination)部分面积减小导致的图像质量下降的增长趋势。
此外，由于堆叠高度减小不如照明部分面积减小的那么多，因而存在着光衍射使进入照明部分的光子数量减少的趋势，其被称为“艾里斑”。
为了解决以上问题，提供了背面照明图像传感器，其接收通过晶圆背面的光以使照明部分的上部的台阶(step)最小化，并消除金属布线带来的光干涉。
图1是示出根据相关技术的背面照明图像传感器的截面图。
在根据相关技术的背面照明图像传感器中，照明器件和互连形成在衬底的正面上，然后执行用于将衬底背面去除到预定厚度的背磨。该背磨工艺是为了使外部模组和光学透镜之间的间隙适于适当厚度。
然而，在根据相关技术的背面照明图像传感器中，SOI(绝缘体上硅)晶圆被用作沉积有照明器件和电路部分的施主晶圆(donor wafer)，然后SOI晶圆被键合至处理晶圆(handle wafer)。此后，背面减薄工艺被应用于施主晶圆。
根据相关技术被应用于施主晶圆的背面减薄工艺如下：
首先，背磨工艺被应用于施主晶圆使得在SOI晶圆的BOX(埋置氧化物)层的上部留几十μm。此后，通过执行回蚀来完成背面减薄工艺。
然而，根据相关技术，由于用于施主晶圆的SOI晶圆昂贵，因而用于制造工艺的成本增加。
此外，根据相关技术，如图1所示，施主晶圆的背磨工艺可能导致晶圆边缘减薄。因而，在背磨工艺之后执行的回蚀工艺中，可能在晶圆边缘处的芯片中发生失效(fail)，导致经济效率显著下降的问题。
此外，根据相关技术，在几十μm的回蚀工艺中，晶圆中央也面临着等离子体损坏，使得存在传感器性能可能恶化的问题。
另外，根据相关技术，器件隔离区仅位于其上形成有光电二极管的衬底的表面上，从而引起串扰现象。
同时，根据相关技术，在图像传感器中(以下，称为“3D图像传感器”)，可以通过使用非晶硅来沉积光电二极管。另外，读出电路形成在硅衬底上，光电二极管形成在另一晶圆上，然后通过晶圆到晶圆键合将光电二极管沉积到读出电路上。光电二极管和读出电路通过金属线相连接。
然而，根据相关技术的3D图像传感器，晶圆到晶圆键合是对于具有读出电路的晶圆和具有光电二极管的晶圆执行的。此处，由于与键合相关的问题，导致很难完全使读出电路与光电二极管电连接。例如，根据相关技术，金属线在读出电路上，执行晶圆到晶圆键合，使得金属线与光电二极管相接触，但金属线可能不能与光电二极管完全接触，这使得难以实现金属线和光电二极管之间的欧姆接触。此外，根据相关技术，与光电二极管电连接的金属线中可能发生短路。因而，已经对防止短路进行了研究，但工艺变得复杂。
发明内容
实施例提供了使得能够稳定且高效地为背面照明图像传感器去除衬底背面的背面照明图像传感器以及制造该背面照明图像传感器的方法。
此外，实施例提供了使得能够抑制串扰噪声现象的背面照明图像传感器以及制造该背面照明图像传感器的方法。
此外，实施例提供了使得能够显著减少制造成本的背面照明图像传感器以及制造该背面照明图像传感器的方法。
此外，实施例提供了使得能够通过在同一衬底上沉积光传感器和读出电路的同时最小化照明部分上的堆叠来最大化入射光量并抑制由于金属布线导致的光干涉和光反射的背面照明图像传感器以及制造该背面照明图像传感器的方法。
根据实施例的背面照明图像传感器包括：位于第一衬底正面上的器件隔离区和像素区；位于像素区上的光传感器和读出电路；位于第一衬底正面上的层间电介质层和金属线；键合至形成有金属线的第一衬底的正面的第二衬底；位于第一衬底的背面的器件隔离区上的像素隔离电介质层；以及在第一衬底背面的光传感器上的微透镜。
根据实施例的制造背面照明图像传感器的方法包括：通过在第一衬底的整个正面注入离子来形成离子注入层；通过在第一衬底的正面上形成器件隔离区来限定像素区；在像素区上形成光传感器和读出电路；在第一衬底的正面上形成层间电介质层和金属线；将第二衬底键合至形成有金属线的第一衬底的正面；基于离子注入层去除第一衬底的下部；在第一衬底的背面的器件隔离区上形成像素隔离电介质层；以及在第一衬底的背面的光传感器上形成微透镜。
此外，根据实施例的制造背面照明图像传感器的方法包括：通过在第一衬底的正面上形成器件隔离区来限定像素区；通过在第一衬底的整个正面注入离子来形成离子注入层；在像素区上形成光传感器和读出电路；在第一衬底的正面上形成层间电介质层和金属线；将第二衬底键合至形成有金属线的第一衬底的正面；基于离子注入层去除第一衬底的下部；在第一衬底的背面的器件隔离区上形成像素隔离电介质层；以及在第一衬底的背面的光传感器上形成微透镜。
附图说明
图1是示出根据相关技术的背面照明图像传感器的截面图。
图2是示出根据实施例的背面照明图像传感器的截面视图。
图3至图9是示出根据实施例的制造背面照明图像传感器的方法的工艺截面图。
具体实施方式
以下，将参考附图来说明背面照明图像传感器以及制造背面照明图像传感器的方法的实施例。
在实施例的说明中，将会理解，当层(或膜)被称为在另一层或衬底“上”时，该层可以直接在另一层或衬底上，或者也可能出现介于中间的层。此外，将会理解，当层被称为在另一层“下”时，该层可以直接在另一层下，或者也可能出现一个或多个介于中间的层。此外，将会理解，当层被称作在两层之间，该层可以是介于两层之间仅有的层，或者也可能出现一个或多个介于中间的层。
图2是示出根据实施例的背面照明图像传感器的截面视图。
根据实施例的背面照明图像传感器包括：位于第一衬底正面上的器件隔离区110和像素区；位于像素区中的光传感器120和读出电路130；位于第一衬底100的正面上的层间电介质层160和金属线140；键合到其上形成有金属线140的第一衬底100的正面的第二衬底200；位于第一衬底100背面的器件隔离区110上的像素隔离电介质层112；位于第一衬底背面的光传感器120上的微透镜180。
在另外的实施例中，像素隔离离子注入层114可以围绕像素隔离电介质层112和器件隔离区110的侧面形成。
根据实施例的背面照明图像传感器和制造背面照明图像传感器的方法，可以稳定且高效地使用离子注入技术去除衬底的背面。也就是说，根据实施例，通过使用离子注入和劈开(cleaving)而无需研磨和回蚀，这带来不会产生相关技术的问题(诸如边缘管芯(die)失效和等离子体损坏)的好处。
此外，根据实施例，像素隔离电介质层在衬底背面的器件隔离区上，像素隔离离子注入层在像素隔离电介质层和/或器件隔离区的侧面上以更好地抑制像素间的串扰，从而可以改善图像特性。
换句话说，根据实施例，像素隔离电介质层通过硅蚀刻形成于衬底的背面上，以在毗邻的像素的光传感器之间进行物理隔离，然后围绕像素隔离电介质层和/或器件隔离区的侧面形成P型像素隔离离子注入层，从而可以有效地抑制串扰。
而且，根据实施例，由于形成像素隔离电介质层而引起的硅蚀刻损坏导致发生的缺陷，可以使用像素隔离离子注入层的P型掺杂物来隔离，从而可以抑制串扰。
此外，实施例利用如下事实：用于形成像素隔离电介质层的硬掩模是自对准的，当用于形成像素隔离离子注入层的离子注入工艺被应用时可以使用硬掩模，从而可以应用像素隔离离子注入层而无需另外的掩模工艺。
以下，参考图3至图9说明根据本发明实施例的制造背面照明图像传感器的方法。
图3A至图3C示出根据某些实施例的形成离子注入层105的实例。
首先，如图3A所示，离子注入层105可以形成于第一衬底100的正面上。第一衬底100可以是磊晶圆(epi wafer)，但不限于磊晶圆。第一衬底100可以被离子注入层105划分成第一衬底下部100a和第一衬底上部100b。
在根据实施例的制造背面照明图像传感器的方法中，磊晶圆可以用作施主晶圆(第一衬底100)。根据实施例，与使用SOI晶圆相比，使用磊晶圆可以显著减少制造成本。
此外，根据实施例，磊晶圆可以用作施主晶圆，并且光传感器和电路器件可以一起形成在磊晶圆上。因此，通过不执行在电路上形成光电二极管的3D图像传感器的键合工艺，便利了制造工艺并消除了与键合和接触相关的问题。
离子注入层105可以通过对第一衬底100的正面执行离子注入来提供。优选地通过正面执行离子注入，这是因为第一衬底100的背面为几百μm。
也就是说，由于第一衬底100的厚度相对于离子注入深度来说很大，因而难以通过第一衬底100的背面执行离子注入。因此，根据实施例，在形成金属线140或与第二衬底200键合的工艺之前在第一衬底100中形成离子注入层105，使得可以易于在键合之后去除第一衬底的下部100a。
形成离子注入层105的工艺可以通过注入离子(诸如氢(H)或氦(He))来执行，但不限于此。
在如图3B所示的另一实施例中，可以在第一衬底的正面上形成器件隔离区之后形成离子注入层105。例如，通过在第一衬底100的正面上形成器件隔离区110来限定像素区。然后，可以形成离子注入层105。例如，可以通过浅沟槽隔离(STI)来形成器件隔离区110。
根据实施例，通过使用预先形成的离子注入层105容易且稳定地去除衬底的背面而不是通过研磨去除衬底的背面，可以显著增加背面照明图像传感器的制造成品率。
此外，根据实施例，在使用磊晶圆工艺期间，执行氢或氦的离子注入工艺以形成离子注入层105，该离子注入层是一个劈开层(cleaving layer)。然后，在用于第一衬底100的工艺完成后，作为施主晶圆的第一衬底100被键合至作为处理晶圆的第二衬底200。键合之后，执行劈开工艺以去除第一衬底的下部100a。由于在键合之后作为去除了下部的施主晶圆的第一衬底100变薄，因而第二衬底200被用作处理晶圆以顺利进行后续工艺，诸如滤色器工艺。
根据实施例，通过使用离子注入和劈开而无需研磨和回蚀，这带来不会产生相关技术的问题(诸如边缘管芯失效和等离子体损坏)的好处。
此外，根据实施例，由于研磨不应用于施主晶圆，因而物理应力未施加到施主晶圆，使得可以抑制对光传感器和读出电路的损坏。
在另一实施例中，如图3C所示，可以在像素区中形成光传感器之后形成离子注入层105。光传感器120可以是光电二极管，但不限于此。光传感器120可以通过在P型第一衬底100上形成N型离子注入区120以及在第一衬底的N型离子注入区120上形成Po区(未示出)来获得，但是不限于此。额外的电子可以被Po区抑制。此外，根据实施例，可以通过形成PNP结来达到电荷突释效果(charge dumping effect)。
接下来，如图4所示，在形成有光传感器120的第一衬底100上形成读出电路130，读出电路是电路器件。读出电路130可以包括转移晶体管、复位晶体管、驱动晶体管以及选择晶体管，但不限于此。
根据实施例，磊晶圆可以用作第一衬底100，磊晶圆是施主晶圆，并且光传感器120和读出电路130可以在第一衬底100上彼此一起形成。因而，无需在电路上形成光传感器的3D图像传感器的键合工艺，这使得制造便利，并且消除了与键合和接触相关的问题。同时，处理晶圆和施主晶圆利用介于其间的电介质层(诸如层间电介质层)键合，使得键合时出现的问题更少。
此外，根据实施例，可以通过最小化照明部分的堆叠来最大化入射光量，并且去除由于金属布线带来的光干涉和光反射，使得可以最优化图像传感器的亮度特性。
再次参考图4，层间电介质层160和金属线140形成在第一衬底100上。金属线140可以包括第一金属M1和第二金属M2。
还有，焊盘金属线150可以位于逻辑区上。焊盘金属线150可以包括第一金属M1、第二金属M2以及第三金属M3等，但是不限于此。在这种构造中，焊盘可以与金属线140的第一金属M1形成在同一水平面。因而，在第一衬底100与第二衬底200键合之后很容易将焊盘开口(pad-open)工艺应用于第一衬底100的背面。这是因为从第一衬底100的背面到焊盘的深度较浅。
接下来，如图5所示，第二衬底200可以与其上形成有金属线140的第一衬底100的正面键合。例如，作为处理晶圆的第二衬底200可以被键合为对应于第一衬底100的金属线140。
根据实施例，可以通过在与第一衬底100键合的第二衬底200的上表面上形成电介质层来增加与第一衬底的键合力。电介质层210可以是氧化物层或氮化物层，但不限于此。执行与电介质层210的键合，该电介质层与作为第一衬底100的正面的层间电介质层160相接触，使得可以显著增大第一衬底100和第二衬底200之间的键合力。
接下来，在如图5所示键合的第一衬底100中，由离子注入层105所限定的第一衬底的下部100a被去除，如图6所示。例如，可以将热处理应用于离子注入层105并用刀片切掉和去除第一衬底的下部100a，通过使氢离子冒泡(bubble)，而留下第一衬底的上部100b。此后，可以将平面化应用于第一衬底100的切削表面。
同时，在涉及使用相关技术的劈开技术的3D图像传感器的专利中，一般而言，光传感器和读出电路形成在单独的晶圆上，然后执行键合和互连。根据相关技术，用于形成劈开层的氢或氦离子注入常常刚好在键合之前执行。
然而，根据3D图像传感器的相关技术，难以完全将读出电路和光电二极管电连接，并且有在与光电二极管电连接的金属线上产生短路的问题。
相比之下，根据实施例，磊晶圆可以用作第一衬底100，它是施主晶圆，并且光传感器120和读出电路130可以一起形成在第一衬底100上。因此，无需衬底与光传感器之间以及衬底与电路之间的键合工艺(如在电路上形成光传感器的3D图像传感器中那样)。因此，易于制造并且消除了与键合及接触相关的问题。
同时，根据相关技术的3D图像传感器，氢或氦离子可以恰好在键合工艺之前被注入。也就是说，由光传感器产生的电子被传送到形成在独立晶圆上的电子电路器件并被转换成电压，并且在施主晶圆上只形成光电二极管。因此，无需在相关技术的施主晶圆上形成金属层和层间电介质层，使得可以刚好在相关技术的3D图像传感器中进行键合之前执行氢或氦离子注入。
然而，本发明的实施例的光传感器120和读出电路130位于同一晶圆(即，第一衬底100)上。因此，根据实施例，由于光传感器120和读出电路130位于同一第一衬底100上，因而执行诸如形成金属线140和层间电介质层160的后期工艺。
因此，根据实施例的工艺方案，不刚好在键合之前执行利用氢或氦的离子注入。确切地说，通过在第一衬底100的磊晶圆上形成金属线140和层间电介质层160之前执行氢或氦的离子注入来形成离子注入层105。
接下来，参考图7，在第一衬底背面的器件隔离区110上形成像素隔离电介质层112。例如，在器件隔离区的上部上的第一衬底的背面上形成沟槽(未示出)。可以通过使用硬掩模310作为蚀刻掩模来蚀刻晶圆背面而形成沟槽。硬掩模310可以由氧化物层和氮化物层形成。像素隔离电介质层112可以通过埋置沟槽而形成。
根据实施例，像素隔离电介质层通过硅蚀刻而位于第一衬底的背面上以在光传感器之间进行物理隔离，由此可以抑制串扰。
参考图8，可以执行形成像素隔离离子注入层114的步骤。像素隔离离子注入层114可以围绕像素隔离电介质层在第一衬底100的背面上形成。此时，像素隔离离子注入层114还可以围绕在器件隔离区110上形成。例如，像素隔离离子注入层114可以为高浓度P型离子注入区(P+)。
例如，为了形成像素隔离离子注入层114，利用用于像素隔离电介质层112的用作自对准掩模的硬掩模310保持的状态，由P型掺杂物(例如，B，BF等)执行离子注入，使得可以形成高浓度P型离子注入区(P+)。在一个实施例中，像素隔离离子注入层114可以通过在将硬掩模310用作注入掩模的同时将P型掺杂物注入到第一衬底100的背面中来形成。注入工艺可以以多种角度对衬底执行。尽管像素隔离离子注入层114被描述成在像素隔离电介质层112形成之后形成，但是实施例不限于此。例如，可以在将像素隔离电介质埋置到在第一衬底的背面的沟槽中之前注入P型掺杂物或可以通过在蚀刻衬底以形成沟槽之前使用硬掩模310将P型掺杂物注入到衬底背面中来注入P型掺杂物。
根据实施例，像素隔离电介质层通过硅蚀刻形成在衬底的背面以在光传感器之间进行物理隔离，然后P型像素隔离离子注入层围绕像素隔离电介质层和/或器件隔离区的侧面形成，从而可以抑制串扰。
而且，根据实施例，形成像素隔离电介质层所引起的硅蚀刻损坏可能导致发生的缺陷，在后续的工艺期间使用像素隔离离子注入层的P型掺杂物来隔离，从而可以完全解决串扰问题。
此外，实施例利用如下事实：当应用用于形成像素隔离离子注入层的离子注入工艺时，用于形成像素隔离电介质层的硬掩模是自对准的，从而可以应用像素隔离离子注入层而无需额外的掩模工艺。
接下来，如图9所示，滤色器170可以在第一衬底100的背面上的光传感器120上形成。对于诸如光传感器120是R-G-B垂直堆叠型光电二极管的实施例而言，滤色器可以省略。
然后，可以在滤色器170上形成微透镜180。
此外，可以执行对焊盘开口的工艺。焊盘可以在形成微透镜之后被开口。根据实施例，可以将对焊盘开口的工艺应用于第一衬底100的背面。根据实施例，由于焊盘在第一金属M1的水平面上形成，因而可以容易地将焊盘从第一衬底100的背面开口。
根据实施例的制造背面照明图像传感器的方法，可以利用离子注入技术稳定且高效地去除衬底的背面。也就是说，根据实施例，通过使用离子注入和劈开而无需研磨和回蚀，这带来不会产生相关技术的问题(诸如边缘管芯失效和等离子体损坏)的好处。
此外，根据实施例，像素隔离电介质层通过硅蚀刻形成在衬底的背面上以在光传感器之间进行物理隔离，然后P型像素隔离离子注入层围绕像素隔离电介质层和/或器件隔离区的侧面形成，从而可以进一步抑制串扰。
而且，根据实施例，形成像素隔离电介质层所引起的硅蚀刻损坏可能导致发生的缺陷，使用像素隔离离子注入层的P型掺杂物来隔离，从而可以进一步抑制串扰。
此外，实施例利用如下事实：当应用用于形成像素隔离离子注入层的离子注入工艺时，用于形成像素隔离电介质层的硬掩模是自对准的，从而可以应用像素隔离离子注入层而无需额外的掩模工艺。
此外，根据实施例，像素隔离离子注入层形成于像素隔离电介质层上，像素隔离电介质层起到衬底背面的器件隔离区的作用，这有效抑制了像素间的串扰，从而可以改善图像特性。
此外，根据实施例，由于不将研磨应用于施主晶圆，因而可以抑制光传感器和电路器件的损坏。
此外，根据实施例，光传感器和电路器件可以在用作施主晶圆的磊晶圆上一起形成。因此，根据实施例，与使用SOI晶圆相比，可以通过使用磊晶圆来显著减少制造成本。
此外，根据实施例，磊晶圆可用作施主晶圆，光传感器和电路器件可以在磊晶圆上一起形成。因此，无需在电路上形成光电二极管的3D图像传感器的键合工艺，这使得制造容易并且消除了与键合和接触相关的问题。同时，处理晶圆和施主晶圆利用介于其间的电介质层(诸如层间电介质层)键合，这使得键合时的问题更少。
此外，根据实施例，可以通过最小化照明部分的堆叠来最大化入射光量，并且去除由于金属布线带来的光干涉和光反射，从而可以最优化图像传感器的亮度特性。
本说明书中称“一个实施例”“实施例”“示例性实施例”等，都是指结合该实施例所说明的特定特征、结构或特性被包括于本发明的至少一个实施例中。在说明书的各个地方这种短语的出现不一定都涉及同一实施例。此外，当结合任何实施例来说明特定特征、结构或特性时，认为在本领域技术人员的理解能力范围内这种特征、结构或特性结合这些实施例中的其他实施例仍有效。
尽管参考其若干示例性实施例对实施方式进行了说明，但是应该理解本技术领域技术人员可以设计出许多其他修改和实施例，它们都将落入本公开的原理的精神和范围之内。更具体地，在本公开、附图以及所附权利要求的范围之内，可以对该主题的组合排列的组成部分和/或排列做各种变形和修改。除了对组成部分和/或排列做变形和修改之外，对于本领域技术人员来说替换方式也是显而易见的。

Claims (10)

1.一种背面照明图像传感器，包括：
器件隔离区和像素区，位于第一衬底的正面上；
光传感器和读出电路，位于所述像素区上；
层间电介质层和金属线，位于所述第一衬底的所述正面上；
第二衬底，键合至形成有所述金属线的所述第一衬底的所述正面；
像素隔离电介质层，位于所述第一衬底的背面的所述器件隔离区上；以及
微透镜，位于所述第一衬底的所述背面的所述光传感器上。
2.根据权利要求1所述的背面照明图像传感器，还包括围绕所述像素隔离电介质层的侧面的像素隔离离子注入层。
3.根据权利要求2所述的背面照明图像传感器，其中所述像素隔离离子注入层还围绕所述器件隔离区的侧面。
4.根据权利要求2所述的背面照明图像传感器，其中所述像素隔离离子注入层是P型离子注入区。
5.根据权利要求1所述的背面照明图像传感器，还包括所述第一衬底的所述正面上的焊盘，所述焊盘对所述第一衬底的所述背面开口。
6.根据权利要求1所述的背面照明图像传感器，还包括所述第二衬底和所述第一衬底之间的接触所述第二衬底的电介质层。
7.一种制造背面照明图像传感器的方法，包括：
通过在第一衬底的整个正面上注入离子来形成离子注入层；
通过在所述第一衬底的所述正面上形成器件隔离区来限定像素区；
在所述像素区上形成光传感器和读出电路；
在所述第一衬底的所述正面上形成层间电介质层和金属线；
将第二衬底与形成有所述金属线的所述第一衬底的所述正面键合；
基于所述离子注入层去除所述第一衬底的下部；
在所述第一衬底的背面的所述器件隔离区上形成像素隔离电介质层；以及
在所述第一衬底的所述背面的光传感器上形成微透镜。
8.根据权利要求7所述的制造背面照明图像传感器的方法，还包括围绕所述像素隔离电介质层的侧面形成像素隔离离子注入层。
9.根据权利要求8所述的制造背面照明图像传感器的方法，其中所述像素隔离离子注入层的形成还围绕所述器件隔离区的侧面形成所述像素隔离离子注入层。
10.根据权利要求8所述的制造背面照明图像传感器的方法，其中所述像素隔离离子注入层的形成包括将像素隔离离子注入到所述第一衬底的所述背面的表面中。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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