CN108321164A - 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，所述方法包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底具有正面和背面；自所述半导体衬底的正面对所述半导体衬底进行第一离子注入，以形成正面光电二极管掺杂区；自所述半导体衬底的背面对所述半导体衬底进行第二离子注入，以形成背面光电二极管掺杂区，其中，所述正面光电二极管掺杂区与所述背面光电二极管掺杂区连通。本发明方案可以提高图像传感器的灵敏度。
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
图像传感器(Image Sensors)是摄像设备的核心部件，通过将光信号转换成电信号实现图像拍摄功能。由于CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor，CIS)具有低功耗和高信噪比的优点，因此在各种领域内得到了广泛应用。
以红外线(Infrared Rays，IR)图像传感器为例，可以通过镜头(Micro-lens)捕捉到入射光，采用IR滤镜(Colour filter)或其他装置对入射光进行过滤以去除非相关光，然后使红外光子到达光电二极管区被其吸收，形成光电子。
然而，现有的红外线图像传感器灵敏度较低。具体而言，由于光电二极管的深度通常较小，而红外线的波长通常较长(0.76um至1000um)，导致在红外线穿过光电二极管的过程中，光吸收过少，难以产生足够的光电子，致使灵敏度降低。
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，可以提高图像传感器的灵敏度。
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：提供半导体衬底，所述半导体衬底具有正面和背面；自所述半导体衬底的正面对所述半导体衬底进行第一离子注入，以形成正面光电二极管掺杂区；自所述半导体衬底的背面对所述半导体衬底进行第二离子注入，以形成背面光电二极管掺杂区，其中，所述正面光电二极管掺杂区与所述背面光电二极管掺杂区连通。
可选的，所述正面光电二极管掺杂区在所述半导体衬底的厚度方向上的延伸长度为1μm至2.5μm；和/或所述背面光电二极管掺杂区在所述半导体衬底的厚度方向上的延伸长度为1μm至2.5μm。
可选的，自所述半导体衬底的背面对所述半导体衬底进行第二离子注入之前，所述图像传感器的形成方法还包括：自背面对所述半导体衬底进行减薄至预设厚度。
可选的，所述预设厚度为4μm至5μm。
可选的，在形成所述背面光电二极管掺杂区之后还包括：对所述背面光电二极管掺杂区进行退火。
可选的，所述退火的工艺包括：激光退火。
可选的，所述半导体衬底的正面具有对准标记，自所述半导体衬底的背面对所述半导体衬底进行第二离子注入，以形成背面光电二极管掺杂区包括：在所述半导体衬底的背面形成图案化的掩膜层，所述掩膜层的图案根据所述对准标记进行对准；以所述图案化的掩膜层为掩膜，对所述半导体衬底进行第二离子注入，以形成背面光电二极管掺杂区。
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：半导体衬底，所述半导体衬底具有正面和背面；正面光电二极管掺杂区，位于所述半导体衬底的正面；背面光电二极管掺杂区，位于所述半导体衬底的背面，其中，所述正面光电二极管掺杂区与所述背面光电二极管掺杂区连通。
可选的，所述正面光电二极管掺杂区在所述半导体衬底的厚度方向上的延伸长度为1μm至2.5μm；和/或所述背面光电二极管掺杂区在所述半导体衬底的厚度方向上的延伸长度为1μm至2.5μm。
可选的，所述半导体衬底的厚度为4μm至5μm。
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，提供半导体衬底，所述半导体衬底具有正面和背面；自所述半导体衬底的正面对所述半导体衬底进行第一离子注入，以形成正面光电二极管掺杂区；自所述半导体衬底的背面对所述半导体衬底进行第二离子注入，以形成背面光电二极管掺杂区，其中，所述正面光电二极管掺杂区与所述背面光电二极管掺杂区连通。采用上述方案，通过在半导体衬底的正面以及背面均形成光电二极管掺杂区，且正面光电二极管掺杂区与背面光电二极管掺杂区连通，可以得到贯通半导体衬底的光电二极管掺杂区，相比于现有技术中光电二极管掺杂区的深度仅占半导体衬底的厚度的一部分，致使在红外线穿过光电二极管的过程中，光吸收过少，难以产生足够的光电子，采用本发明实施例的方案，光电二极管掺杂区的深度更深，可以在红外线穿过光电二极管的过程中，吸收足够的入射光子，从而产生足够的光电子，提高所述图像传感器的灵敏度，并且提高光电二极管的满阱容量。
进一步，自所述半导体衬底的背面对所述半导体衬底进行第二离子注入，以形成背面光电二极管掺杂区之前，还包括自背面对所述半导体衬底进行减薄至预设厚度的步骤。在本发明实施例中，通过对所述半导体衬底进行减薄，可以降低半导体衬底的厚度，有助降低使正面光电二极管掺杂区与背面光电二极管掺杂区一一对应连通的工艺实施难度。
附图说明
图1是现有技术中一种图像传感器的俯视图；
图2是图1沿切割线A1-A2的剖面结构示意图；
图3是图1沿切割线B1-B2的剖面结构示意图；
图4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5是本发明实施例中一种图像传感器的俯视图；
图6至图9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器件的剖面结构示意图；
图10是图5沿切割线D1-D2的剖面结构示意图。
具体实施方式
在现有技术中，红外线图像传感器在监控、汽车、医疗等领域得到了广泛应用，然而，现有的红外线图像传感器灵敏度较低。
结合参照图1至图3，图1是现有技术中一种图像传感器的俯视图，图2是图1沿切割线A1-A2的剖面结构示意图，图3是图1沿切割线B1-B2的剖面结构示意图。
所述图像传感器可以包括半导体衬底100、隔离结构110、光电二极管掺杂区120、传输栅极130以及浮置扩散区132。
其中，所述隔离结构110位于所述半导体衬底100内，用于隔离相邻的光电二极管掺杂区120。
所述光电二极管掺杂区120位于所述半导体衬底100内。
所述传输栅极(Transfer Gate，TG)130位于所述半导体衬底100的表面，所述光电二极管掺杂区120可以位于所述传输栅极130一侧的半导体衬底100内，所述浮置扩散区(Floating Diffusion，FD)132可以位于所述传输栅极130另一侧的半导体衬底100内。
所述在所述半导体衬底100的表面，所述图像传感器还可以包括金属格栅(MetalGrid)150、滤镜(Color filter)152以及镜头(Micro-lens)154。
需要指出的是，为了避免图1过于繁杂，并未在图1中绘制并标注出所述图像传感器的所有器件结构。此外，图2及图3中的箭头用于指示入射光的入射路径。
本发明的发明人经过研究发现，在上述图像传感器中，由于光电二极管掺杂区120的深度通常较小，而红外线的波长通常较长(0.76um至1000um)，导致在红外线穿过光电二极管掺杂区120的过程中，光吸收过少，难以产生足够的光电子，致使图像传感器的灵敏度较低。
具体地，入射光在媒介中待计算位置的光强度I可以采用下述光强度方程式进行计算：
I＝I0exp(-αx)；
其中，I用于表示入射光在媒介中待计算位置的光强度；I0用于表示入射光进入媒介时的原始光强度；α用于表示光吸收系数；x用于表示入射光从入射位置传播至所述待计算位置的传播距离。
由上可知，在媒介中待计算位置的光强度I与光吸收系数α以及传播距离x有关，光吸收系数α越高，传播距离x越长，光强度I越小，越有助于吸收越多的光，以产生足够的光电子。
进一步地，所述光吸收系数α可以采用下述公式进行计算：
α＝4πk/λ；
其中，k用于表示消光系数，为表征光能的衰减程度的参数，与媒介的类型有关；λ用于表示入射光的波长。
由上可知，在媒介(即光电二极管掺杂区120)一致的前提下，光吸收系数α与原始光强度I0无关，而与入射光的波长λ有关，所述入射光的波长λ越长(例如采用红外线)，所述光吸收系数α越小，致使吸收的光越少，难以产生足够的光电子。
亟需一种增强红外线的传播距离x的方法，使红外线穿过光电二极管掺杂区120的过程中，吸收更多的光以产生足够的光电子，提高图像传感器的灵敏度。
然而，本发明的发明人经过进一步研究发现，在现有的图像传感器中，光电二极管掺杂区120的深度受到离子注入工艺的限制，难以无限制地增大。具体地，基于当前离子注入的工艺能力，光电二极管掺杂区120的掺杂深度在2.5μm左右，光吸收量较少，难以产生足够的光电子，导致图像传感器的灵敏度较低。
在本发明实施例中，提供半导体衬底，所述半导体衬底具有正面和背面；自所述半导体衬底的正面对所述半导体衬底进行第一离子注入，以形成正面光电二极管掺杂区；自所述半导体衬底的背面对所述半导体衬底进行第二离子注入，以形成背面光电二极管掺杂区，其中，所述正面光电二极管掺杂区与所述背面光电二极管掺杂区连通。采用上述方案，通过在半导体衬底的正面以及背面均形成光电二极管掺杂区，且正面光电二极管掺杂区与背面光电二极管掺杂区连通，可以得到贯通半导体衬底的光电二极管掺杂区，相比于现有技术中光电二极管掺杂区的深度仅占半导体衬底的厚度的一部分，致使在红外线穿过光电二极管的过程中，光吸收过少，难以产生足够的光电子，采用本发明实施例的方案，光电二极管掺杂区的深度更深，可以在红外线穿过光电二极管的过程中，吸收足够的入射光子，从而产生足够的光电子，提高所述图像传感器的灵敏度，并且提高光电二极管的满阱容量。
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4，图4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S21至步骤S23：
步骤S21：提供半导体衬底，所述半导体衬底具有正面和背面；
步骤S22：自所述半导体衬底的正面对所述半导体衬底进行第一离子注入，以形成正面光电二极管掺杂区；
步骤S23：自所述半导体衬底的背面对所述半导体衬底进行第二离子注入，以形成背面光电二极管掺杂区，其中，所述正面光电二极管掺杂区与所述背面光电二极管掺杂区连通。
下面结合图5至图10对上述各个步骤进行说明。
参照图5，图5是本发明实施例中一种图像传感器的俯视图，所述图像传感器可以包括半导体衬底200、隔离结构210、光电二极管掺杂区220、传输栅极230。需要指出的是，为了避免图5过于繁杂，并未在图5中绘制并标注出所述图像传感器的所有器件结构。
图6至图9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器件的剖面结构示意图。需要指出的是，图6至图9是图5沿切割线D1-D2的剖面结构示意图。
参照图6，提供半导体衬底200，所述半导体衬底200具有正面和背面，自所述半导体衬底200的正面对所述半导体衬底200进行第一离子注入，以形成正面光电二极管掺杂区220。
在具体实施中，所述半导体衬底200可以为硅衬底，或者所述半导体衬底200的材料还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟等适当的应用于图像传感器的材料，所述半导体衬底200还可以为绝缘体表面的硅衬底或者绝缘体表面的锗衬底，或者是生长有外延层(Epitaxy layer，Epi layer)的衬底。
在自所述半导体衬底200的正面对所述半导体衬底200进行第一离子注入之前，还可以在所述半导体衬底200内形成隔离结构210，所述隔离结构210用于隔离所述正面光电二极管掺杂区220，以防止不同区域的光生载流子扩散到相邻区域。
在具体实施中，所述隔离结构210可以包括浅槽隔离(Shallow TrenchIsolation，STI)结构以及深槽隔离(Deep Trench Isolation，DTI)结构。需要指出的是，所述深槽隔离结构还可以采用离子注入的方式形成，此时又可以称为深注入隔离(DeepImplant Isolation)结构或者光电二极管隔离(Photo Diode Isolation)结构。
所述正面光电二极管掺杂区220的掺杂类型包括N型。具体而言，所述正面光电二极管掺杂区220的掺杂类型与所述半导体衬底200的掺杂类型相反。如果所述半导体衬底200的掺杂类型为N型，则所述正面光电二极管掺杂区220的掺杂离子为P型离子，例如包括硼(B)或BF2；反之，如果所述半导体衬底200的掺杂类型为P型，则所述正面光电二极管掺杂区220的掺杂离子为N型离子，例如包括磷(P)或砷(As)。通常设置半导体衬底200的掺杂类型为P型，正面光电二极管掺杂区220的掺杂类型为N型。
作为一个非限制性的例子，所述正面光电二极管掺杂区220的掺杂离子可以为砷离子。
进一步地，所述正面光电二极管掺杂区220在所述半导体衬底200的厚度方向上的延伸长度不能过大，否则会增大离子注入工艺的难度；所述正面光电二极管掺杂区220在所述半导体衬底200的厚度方向上的延伸长度不能过小，否则难以在后续形成背面光电二极管掺杂区时，实现背面光电二极管掺杂区与正面光电二极管掺杂区220的连通。
作为一个非限制性的例子，所述正面光电二极管掺杂区220在所述半导体衬底200的厚度方向上的延伸长度可以为1μm至2.5μm。优选地，所述正面光电二极管掺杂区220在所述半导体衬底200的厚度方向上的延伸长度可以为2μm至2.5μm。
自所述半导体衬底200的正面对所述半导体衬底200进行第一离子注入之后，还可以对所述正面光电二极管掺杂区220进行退火。
其中，所述退火工艺可以选自：炉管退火、快速热退火(Rapid ThermalAnnealing，RTA)、尖峰退火(Spike Annealing)或激光退火(Laser Annealing)。
参照图7，在半导体衬底200内以及半导体衬底200的表面，形成逻辑器件以及像素器件的其他部分，例如可以包括传输栅极230、浮置扩散区232以及像素电路区240。
其中，所述传输栅极230可以位于所述半导体衬底200的表面，所述光电二极管掺杂区220可以位于所述传输栅极230一侧的半导体衬底200内，所述浮置扩散区232可以位于所述传输栅极230另一侧的半导体衬底200内。
所述像素电路区240可以包括形成选择晶体管、重置晶体管以及源随晶体管等各种适当的晶体管的器件。需要指出的是，在本发明实施例中，对于具体的像素电路区240的组成不作限制。
参照图8，在所述半导体衬底200的正面形成半导体器件，形成金属互连结构，并且与承载晶圆(Carrier Wafer)进行键合，然后自背面对所述半导体衬底200进行减薄至预设厚度。
需要指出的是，在本发明实施例中，形成正面光电二极管掺杂区220之后，在所述半导体衬底200的正面进行的处理工艺可以是现有的图像传感器的任何常规的处理工艺，本发明实施例对此不作限制。
进一步地，所述半导体衬底200的厚度不能过大，否则会增大离子注入工艺的难度，并且难以在后续形成背面光电二极管掺杂区时，实现背面光电二极管掺杂区与正面光电二极管掺杂区220的对应连通；所述半导体衬底100的厚度不能过小，否则对图像传感器的灵敏度的改进过少。优选地，所述半导体衬底200的厚度为4μm至5μm。
在本发明实施例中，通过对所述半导体衬底200进行减薄，可以降低半导体衬底200的厚度，有助降低使背面光电二极管掺杂区与正面光电二极管掺杂区220连通的工艺实施难度。
参照图9，自所述半导体衬底200的背面对所述半导体衬底200进行第二离子注入，以形成背面光电二极管掺杂区221，其中，所述正面光电二极管掺杂区220与所述背面光电二极管掺杂区221连通。
在具体实施中，所述正面光电二极管掺杂区220可以包括多个正面光电二极管，所述背面光电二极管掺杂区221可以包括多个背面光电二极管，所述正面光电二极管掺杂区220与所述背面光电二极管掺杂区221连通用于指示对应的正面光电二极管与背面光电二极管一一连通。
进一步地，所述半导体衬底200的正面可以具有对准标记，自所述半导体衬底200的背面对所述半导体衬底200进行第二离子注入，以形成背面光电二极管掺杂区221的步骤可以包括：在所述半导体衬底200的背面形成图案化的掩膜层，所述掩膜层的图案根据所述对准标记进行对准；以所述图案化的掩膜层为掩膜，对所述半导体衬底200进行第二离子注入，以形成背面光电二极管掺杂区221。
具体而言，所述半导体衬底200的正面的对准标记(Alignment Mark)可以复用主动区(Active Area，AA)层的对准标记，还可以采用其他可以在半导体衬底200的背面确定的对准标记。
进一步地，在形成所述背面光电二极管掺杂区221之后，还可以包括对所述背面光电二极管掺杂区221进行退火的步骤。
需要指出的是，在对所述背面光电二极管掺杂区221进行退火的过程中，优选采用仅对半导体衬底200的背面进行高温处理且不影响半导体衬底200的正面的退火工艺。具体而言，由于在形成所述背面光电二极管掺杂区221之前，在所述半导体衬底200的正面形成有金属互连结构，且在多种工艺平台中均采用铜(Cu)金属结构，而对金属互连结构进行退火会导致金属内的组织趋于平衡状态，电导率增大且电阻率减小，影响图像传感器的性能。
优选地，所述退火的工艺可以包括：激光退火(Laser Annealing)。具体地，激活退火为利用激光加热材料表面，并非对半导体衬底200的正面及背面进行整体化高温处理。可以理解的是，当选择其他退火工艺时，应当采用适当的方法对半导体衬底200的正面进行热隔离。
进一步地，所述背面光电二极管掺杂区221在所述半导体衬底200的厚度方向上的延伸长度不能过大，否则会增大离子注入工艺的难度；所述背面光电二极管掺杂区221在所述半导体衬底200的厚度方向上的延伸长度不能过小，否则难以实现背面光电二极管掺杂区221与正面光电二极管掺杂区220的连通。
作为一个非限制性的例子，所述背面光电二极管掺杂区221在所述半导体衬底200的厚度方向上的延伸长度可以为1μm至2.5μm。
优选地，所述背面光电二极管掺杂区221在所述半导体衬底200的厚度方向上的延伸长度可以为2μm至2.5μm，以在所述半导体衬底200减薄至预设厚度4μm至5μm时，实现背面光电二极管掺杂区221与正面光电二极管掺杂区220的连通。
有关所述背面光电二极管掺杂区221的其他内容，例如原理、具体实现和有益效果请参照前文及图6示出的关于背面光电二极管掺杂区220的相关描述，此处不再赘述。
在本发明实施例中，通过在半导体衬底200的正面以及背面均形成光电二极管掺杂区，且正面光电二极管掺杂区220与背面光电二极管掺杂区221连通，可以得到贯通半导体衬底的光电二极管掺杂区，相比于现有技术中光电二极管掺杂区的深度仅占半导体衬底的厚度的一部分，致使在红外线穿过光电二极管的过程中，光吸收过少，难以产生足够的光电子，采用本发明实施例的方案，光电二极管掺杂区的深度更深，可以在红外线穿过光电二极管的过程中，吸收足够的入射光子，从而产生足够的光电子，提高所述图像传感器的灵敏度，并且提高光电二极管的满阱容量。
参照图10，图10是图5沿切割线D1-D2的剖面结构示意图。所述图像传感器可以包括半导体衬底200、隔离结构210、正面光电二极管掺杂区220以及背面光电二极管掺杂区221，其中，所述正面光电二极管掺杂区220与所述背面光电二极管掺杂区221连通。
所述图像传感器还可以包括金属格栅250、滤镜252以及镜头254。此外，图中的箭头用于指示入射光的入射路径。
其中，所述金属格栅250多为网格状，且围绕所述滤镜252。在本发明实施例中，对于滤镜252的具体类型不作限制。
需要指出的是，所述隔离结构210在所述半导体衬底200的厚度方向上的延伸长度越大，越有助于更好地对正面光电二极管掺杂区220以及背面光电二极管掺杂区221进行隔离。
作为一个非限制性的例子，所述隔离结构210在所述半导体衬底200的厚度方向上的延伸长度可以为1μm至5μm。
在本发明实施例中，还提供了一种图像传感器，参照图10，所述图像传感器可以包括：
半导体衬底200，所述半导体衬底200具有正面和背面；
正面光电二极管掺杂区220，位于所述半导体衬底200的正面；
背面光电二极管掺杂区221，位于所述半导体衬底200的背面，其中，所述正面光电二极管掺杂区220与所述背面光电二极管掺杂区221连通。
进一步地，所述正面光电二极管掺杂区220在所述半导体衬底200的厚度方向上的延伸长度可以为1μm至2.5μm；和/或所述背面光电二极管掺杂区221在所述半导体衬底200的厚度方向上的延伸长度可以为1μm至2.5μm。
所述半导体衬底200的厚度可以为4μm至5μm。
进一步地，所述的图像传感器还可以包括隔离结构210，形成于所述半导体衬底的正面，其中，所述隔离结构210的深度可以为1μm至5μm。
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4至图10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。
此外，CIS可以包括前照式(Front-side Illumination，简称FSI)CIS和后照式(Back-side Illumination，简称BSI)CIS，所述后照式CIS也可以称为背照式CIS。在背照式CIS中，入射光从背面照射到光电二极管上产生光生载流子，进而形成电信号。
在本发明实施例中，所述图像传感器可以是背照式CIS。
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 (10)
1.一种图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底具有正面和背面；
自所述半导体衬底的正面对所述半导体衬底进行第一离子注入，以形成正面光电二极管掺杂区；
自所述半导体衬底的背面对所述半导体衬底进行第二离子注入，以形成背面光电二极管掺杂区，其中，所述正面光电二极管掺杂区与所述背面光电二极管掺杂区连通。
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，
所述正面光电二极管掺杂区在所述半导体衬底的厚度方向上的延伸长度为1μm至2.5μm；和/或
所述背面光电二极管掺杂区在所述半导体衬底的厚度方向上的延伸长度为1μm至2.5μm。
3.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，自所述半导体衬底的背面对所述半导体衬底进行第二离子注入之前，还包括：
自背面对所述半导体衬底进行减薄至预设厚度。
4.根据权利要求3所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述预设厚度为4μm至5μm。
5.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，在形成所述背面光电二极管掺杂区之后还包括：对所述背面光电二极管掺杂区进行退火。
6.根据权利要求5所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述退火的工艺包括：激光退火。
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，所述半导体衬底的正面具有对准标记，自所述半导体衬底的背面对所述半导体衬底进行第二离子注入，以形成背面光电二极管掺杂区包括：
在所述半导体衬底的背面形成图案化的掩膜层，所述掩膜层的图案根据所述对准标记进行对准；
以所述图案化的掩膜层为掩膜，对所述半导体衬底进行第二离子注入，以形成背面光电二极管掺杂区。
8.一种图像传感器，其特征在于，包括：
半导体衬底，所述半导体衬底具有正面和背面；
正面光电二极管掺杂区，位于所述半导体衬底的正面；
背面光电二极管掺杂区，位于所述半导体衬底的背面，其中，所述正面光电二极管掺杂区与所述背面光电二极管掺杂区连通。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，
所述正面光电二极管掺杂区在所述半导体衬底的厚度方向上的延伸长度为1μm至2.5μm；和/或
所述背面光电二极管掺杂区在所述半导体衬底的厚度方向上的延伸长度为1μm至2.5μm。
10.根据权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，
所述半导体衬底的厚度为4μm至5μm。
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