CN110634897B - 一种背照式近红外像素单元及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种背照式近红外像素单元的制备方法，包括如下步骤：S01：准备一衬底，在所述衬底表面外延生成第一外延层，并在第一外延层表面形成第一对准标记；S02：在第一外延层表面外延生成第二外延层，并在第二外延层表面形成与第一对准标记对准的第二对准标记；S03：重复步骤S02直至生成第N外延层和第N对准标记；S04：在第N外延层表面形成正面器件；S05：将上述衬底倒置，并将正面器件和载片键合；S06：去除衬底，暴露出第一外延层；在暴露出来的第一外延层表面形成背面器件，背面器件通过第一外延层、第二外延层直至第N外延层与正面器件对准。本发明提供的一种背照式近红外像素单元及其制备方法，能够提高背照式近红外像素单元的外延层厚度。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器领域，具体涉及一种背照式近红外像素单元及其制备方法。
背景技术
图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置，通常大规模商用的图像传感器芯片包括电荷耦合器件(CCD)图像传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器芯片两大类。CMOS图像传感器和传统的CCD图像传感器相比具有的低功耗，低成本和与CMOS工艺兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用。现在CMOS图像传感器不仅用于微型数码相机(DSC)，手机摄像头，摄像机和数码单反(DSLR)中等消费电子领域，而且在汽车电子，监控，生物技术和医学等领域也得到了广泛的应用。
在目前的安防监控、机器视觉、智能交通***和科学探测等应用中，对像素单元的近红外感光性能的需求越来越高，由于外延层对入射光的吸收系数随波长的增加而减小的特性，外延层通常为硅感光材料；常规像素单元受到外延层的厚度限制，其仅对可见光波段敏感。为了增加像素单元对近红外波段的感光特性，需要增加外延层的厚度，以尽量收集波长较长的近红外波段的光线，因此制造近红外像素单元通常需要将用于外延层厚度从常规的2到3微米增加至几十甚至上百微米。
在进行背照工艺加工时，硅片背面需要进行沟槽隔离和金属隔离等工艺，而这些工艺步骤需要和正面已加工完成的晶体管实现对准，这样才能保证像素单元正常工作。进行背面和正面的对准工艺时，需要使用光刻机将背面层次的图形和正面的对准标记进行对准，当使用常规2到3微米厚度的硅层时，光刻机的对准激光能够穿透硅层，实现背面和正面的对准。但光刻机能穿透的硅层极限是5微米，因此当使用几十到上百微米的外延层时光刻机已经无法有效穿透，也就无法实现硅片背面图形和正面晶体管的对准，从而影响近红外像素单元的性能。因此需要一种在厚硅层上进行背面器件和正面器件进行对准的背照式近红外像素单元的加工工艺。
发明内容
本发明的目的是提供一种背照式近红外像素单元及其制备方法，通过多次小于5微米的外延，并在每层外延层上留下对准标记来实现背照式工艺背面和正面的对准，用于提高背照式近红外像素单元的外延层厚度，增加像素单元对近红外波段的感光特性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种背照式近红外像素单元的制备方法，包括如下步骤：
S01：准备一衬底，在所述衬底表面外延生成第一外延层，并在所述第一外延层表面通过刻蚀形成第一对准标记；
S02：在所述第一外延层表面外延生成第二外延层，并在所述第二外延层表面通过刻蚀形成与所述第一对准标记对准的第二对准标记；
S03：重复步骤S02直至生成第N外延层和第N对准标记；其中，第M对准标记和第M-1对准标记对准；N为大于1的正整数；M为大于1小于等于N的正整数；
S04：在所述第N外延层表面形成正面器件，且所述正面器件和所述第N对准标记对准；
S05：将上述形成的衬底、第一外延层、第二外延层直至第N外延层以及正面器件整体倒置，并将所述正面器件和载片键合；
S06：去除所述衬底，暴露出所述第一外延层；在暴露出来的所述第一外延层表面形成背面器件，且所述背面器件与所述第一对准标记对准，从而使得所述背面器件通过第一外延层、第二外延层直至第N外延层与所述正面器件对准。
进一步地，所述第一外延层、第二外延层直至第N外延层的厚度均小于等于5微米。
进一步地，所述第一外延层、第二外延层直至第N外延层均为硅感光材料。
进一步地，所述背面器件包括背面沟槽隔离，所述背面沟槽隔离位于第一外延层中，且所述背面沟槽隔离与所述第一对准标记对准。
进一步地，所述背面器件还包括背面金属隔离，所述背面金属隔离的形成方法为：在暴露出来的第一外延层表面沉积金属隔离层，并进行抛光和图像化形成背面金属隔离，使得所述背面金属隔离覆盖所述背面沟槽隔离。
进一步地，所述正面器件包括正面晶体管、光电二极管和正面金属互连，所述光电二极管位于所述正面晶体管之间；所述正面晶体管通过第N对准标记、第N-1对准标记直至第一对准标记和所述背面沟槽隔离对准。
一种背照式近红外像素单元，包括载片、正面器件、外延层和背面器件，其中，所述外延层包括第一外延层、第二外延层直至第N外延层，且所述第一外延层、第二外延层直至第N外延层中分别含有第一对准标记、第二对准标记直至第N对准标记，第M对准标记和第M-1对准标记对准；N为大于1的正整数；M为大于1小于等于N的正整数；所述正面器件位于载片表面，所述第N外延层位于所述正面器件表面，且所述第N对准标记位于所述第N外延层和所述正面器件的接触面上；第N-1外延层位于所述第N外延层表面，且第N-1对准标记位于所述第N-1外延层和所述第N外延层接触面上；直至所述第一外延层位于所述第二外延层表面，且所述第一对准标记位于所述第一外延层和所述第二外延层接触面上；所述背面器件位于所述第一外延层表面，所述背面器件通过第N对准标记、第N-1对准标记直至第一对准标记与所述正面器件对准。
进一步地，所述第一外延层、第二外延层直至第N外延层的厚度均小于等于5微米。
进一步地，述背面器件包括背面沟槽隔离，所述背面沟槽隔离位于第一外延层中，且所述背面沟槽隔离与所述第一对准标记对准。
进一步地，所述正面器件包括正面晶体管、光电二极管和正面金属互连，所述光电二极管位于所述正面晶体管之间；所述正面晶体管通过第N对准标记、第N-1对准标记直至第一对准标记和所述背面沟槽隔离对准。
本发明的有益效果为：本发明突破了常规背照式工艺外延层厚度必须小于5微米的限制，可以实现任意厚度外延层的背照式近红外像素单元，其中，外延层即为感光材料；通过多次小于5微米的外延，并在每层外延层上留下对准的对准标记来实现背照式工艺背面和正面的对准，用于提高背照式近红外像素单元的外延层厚度，增加近红外像素单元对近红外波段的感光特性。
附图说明
附图1为现有技术中背照式近红外像素单元的截面图。
附图2为形成第一外延层的截面图。
附图3为形成第一对准标记的截面图。
附图4为形成第二外延层和第二对准标记的截面图。
附图5为形成第N外延层和第N对准标记的截面图。
附图6为形成正面器件之后的截面图。
附图7为将外延层和载片键合之后的截面图。
附图8为去除衬底之后的截面图。
附图9为本发明背照式近红外像素单元的截面图。
图中：1衬底，2背面沟槽隔离，3背面金属隔离，4外延层，41第一外延层，42第二外延层，43第N外延层，51第一对准标记，52第二对准标记，53第N对准标记，6正面金属互连，7正面晶体管，8载片，11正面器件，12背面器件。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
如附图1所示，由于近红外像素单元中需要的外延层4厚度为几十甚至上百微米，而在该厚度下，光刻机无法将硅层底部的正面晶体管7和硅层顶部的背面沟槽隔离2和背面金属隔离3进行对准，从而影响近红外像素单元的正常工作。
如附图9所示，本发明提供的一种背照式近红外像素单元，包括载片8、正面器件11、外延层和背面器件12，其中，外延层包括第一外延层41、第二外延层42直至第N外延层43，且第一外延层41、第二外延层42直至第N外延层43中分别含有第一对准标记51、第二对准标记52直至第N对准标记53；第M对准标记和第M-1对准标记对准；N为大于1的正整数；M为大于1小于等于N的正整数；本发明中第一外延层、第二外延层直至第N外延层均才用硅感光材料。
正面器件11位于载片9上表面，第N外延层43位于正面器件上表面，且第N对准标记53位于第N外延层43和正面器件的接触面上；第N-1外延层位于第N外延层43上表面，且第N-1对准标记位于第N-1外延层和第N外延层接触面上；直至第一外延层41位于第二外延层42上表面，且第一对准标记51位于第一外延层41和第二外延层42接触面上；背面器件位于第一外延层41上表面，背面器件通过第N对准标记、第N-1对准标记直至第一对准标记与正面器件对准。
如附图9所示，正面器件包括正面晶体管7、位于正面晶体管之间的光电二极管(图中未显示)，且正面晶体管7和光电二极管位于介质层中，介质层中还包括正面金属互连6，用于将正面器件的信号引出，正面器件与第N对准标记对准。背面器件包括背面沟槽隔离2和背面金属隔离3，其中，背面金属隔离3覆盖在背面沟槽隔离2上，背面沟槽隔离与第一对准标记对准。本发明中背面沟槽隔离2通过第N对准标记、第N-1对准标记直至第一对准标记对准标记和正面晶体管7对准。
一种背照式近红外像素单元的制备方法，包括如下步骤：
S01：如附图2和3所示，先准备一衬底，在衬底1表面外延生成第一外延层41，并在第一外延层表面41通过刻蚀形成第一对准标记51。其中，衬底可以为硅衬底，第一外延层为硅感光材料，第一对准标记形成在第一外延层的上表面。第一对准标记可以为多处标记，分布在第一外延层上表面的各个位置，具体的分布位置为后续工艺中需要对准的正面器件和背面器件生成的位置，且第一对准标记的个数根据需要对准的正面器件和背面器件的个数来确定。第一外延层的厚度小于等于5微米，这是因为正常的光刻机能够穿透的硅层极限是5微米。
S02：如附图4所示，在第一外延层41表面外延生成第二外延层42，并在第二外延层42表面通过刻蚀形成与第一对准标记51对准的第二对准标记52。第二外延层同样为硅感光材料，且厚度小于等于5微米；其中，第二对准标记的形成位置与第一对准标记对准，即其在竖直方向上位于相同的位置。
S03：如附图5所示，重复步骤S02直至生成第N外延层43和第N对准标记53；N为大于1的正整数。每层外延层均为硅感光材料，且厚度小于等于5微米，依次生成的对准标记在竖直方向上均位于相同的位置。形成的总体外延层，即第一外延层、第二外延层直至第N外延层的总厚度可以为几十甚至上百微米，具体厚度根据像素单元的功能及需求进行设定。在依次形成上述外延层过程中，第M对准标记和第M-1对准标记对准；N为大于1的正整数；M为大于1小于等于N的正整数；
S04：如附图6所示，在第N外延层上表面形成正面器件11，且正面器件和第N对准标记对准。具体的正面器件包括正面晶体管7、位于正面晶体管之间的光电二极管，且正面晶体管和光电二极管位于介质层中，且介质层中还包括正面金属互连6，用于将正面器件信号引出。
具体方法包括：在第N外延层上表面沉积介质层，并在介质层与第N外延层接触部分形成正面晶体管7、位于正面晶体管之间的光电二极管以及其他正面器件，并在介质层中形成正面金属互连6，用于信号的引出。本步骤中具体正面器件的形成方法属于现有技术，在此不做详细介绍。值得说明的是，本步骤中正面晶体管的形成位置与第N对准标记对准，由于各个外延层中的对准标记均是对准的，即在竖直方向上位置相同，正面晶体管与第N对准标记对准，即与第一对准标记至第N对准标记均对准。注意，附图中对准标记的位置只是示意，并不代表其具***置，本发明中对准标记的位置可以设置在任意需要对准的背面器件和正面器件之间。
本发明中正面器件形成过程中，正面晶体管和正面金属之间的对准及相关位置设置可以参阅现有技术，在此不对正面晶体管的对准形成工艺做详细介绍。
S05：如附图7所示，将上述形成的衬底、第一外延层、第二外延层直至第N外延层以及正面器件整体倒置，倒置之后正面器件位于最下方，并将正面器件的表面和载片8键合；此时衬底1位于最上方，衬底1下方依次为第一外延层41、第二外延层42直至第N外延43层。具体的键合工艺可以采用现有技术中工艺。
S06：如附图8和9所示，通过研削、腐蚀和化学机械抛光等工艺去除衬底，暴露出第一外延层41；此时，第一外延层41中的第一对准标记51位于第一外延层和第二外延层接触面上，在第一外延层上表面形成背面器件，且背面器件与第一对准标记对准，从而使得正面器件和背面器件对准。
背面器件包括背面沟槽隔离2，背面沟槽隔离2位于外延层中，且背面沟槽隔离2与对准标记对准。具体的背面沟槽隔离可以通过图形化刻蚀的方式形成在外延层中，图形化刻蚀的位置即为第一对准标记的位置，背面沟槽在外延层中的深度可以根据像素单元的需求进行设定。
背面器件还包括背面金属隔离3，背面金属隔离的形成方法为：在第一外延层表面沉积金属隔离层，并进行抛光和图像化形成背面金属隔离，使得背面金属隔离覆盖背面沟槽隔离。
由于第一外延层的厚度小于等于5微米，因此背面金属隔离和背面沟槽隔离的光刻工艺可以和第一对准标记之间实现对准，正面器件形成过程中和第N对准标记进行对准，而在外延层中第M对准标记和第M-1对准标记对准，即正面晶体管和正面金属互连通过多次外延和光刻和第一外延层对准，因此最终实现了正面晶体管和背面金属隔离、背面沟槽隔离工艺之间的对准。本发明中凡是需要对准的正面器件和背面器件均可以通过上述对准标记进行对准。通过多次含有对准标标记的外延工艺可以提高背照式近红外像素单元的外延层的厚度，即感光材料层的厚度，从而增加近红外像素单元对近红外波段的感光特性。
以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种背照式近红外像素单元的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01：准备一衬底，在所述衬底表面外延生成第一外延层，并在所述第一外延层表面通过刻蚀形成第一对准标记；
S02：在所述第一外延层表面外延生成第二外延层，并在所述第二外延层表面通过刻蚀形成与所述第一对准标记对准的第二对准标记；
S03：重复步骤S02直至生成第N外延层和第N对准标记；其中，第M对准标记和第M-1对准标记对准；N为大于2的正整数；M为大于1小于等于N的正整数；
S04：在所述第N外延层表面形成正面器件，且所述正面器件和所述第N对准标记对准；
S05：将上述形成的衬底、第一外延层、第二外延层直至第N外延层以及正面器件整体倒置，并将所述正面器件和载片键合；
S06：去除所述衬底，暴露出所述第一外延层；在暴露出来的所述第一外延层表面形成背面器件，且所述背面器件与所述第一对准标记对准，从而使得所述背面器件通过第一外延层、第二外延层直至第N外延层与所述正面器件对准。
2.根据权利要求1所述的一种背照式近红外像素单元的制备方法，其特征在于，所述第一外延层、第二外延层直至第N外延层的厚度均小于等于5微米。
3.根据权利要求1所述的一种背照式近红外像素单元的制备方法，其特征在于，所述第一外延层、第二外延层直至第N外延层均为硅感光材料。
4.根据权利要求1所述的一种背照式近红外像素单元的制备方法，其特征在于，所述背面器件包括背面沟槽隔离，所述背面沟槽隔离位于第一外延层中，且所述背面沟槽隔离与所述第一对准标记对准。
5.根据权利要求4所述的一种背照式近红外像素单元的制备方法，其特征在于，所述背面器件还包括背面金属隔离，所述背面金属隔离的形成方法为：在暴露出来的第一外延层表面沉积金属隔离层，并进行抛光和图像化形成背面金属隔离，使得所述背面金属隔离覆盖所述背面沟槽隔离。
6.根据权利要求4所述的一种背照式近红外像素单元的制备方法，其特征在于，所述正面器件包括正面晶体管、光电二极管和正面金属互连，所述光电二极管位于所述正面晶体管之间；所述正面晶体管通过第N对准标记、第N-1对准标记直至第一对准标记和所述背面沟槽隔离对准。
7.一种背照式近红外像素单元，其特征在于，包括载片、正面器件、外延层和背面器件，其中，所述外延层包括第一外延层、第二外延层直至第N外延层，且所述第一外延层、第二外延层直至第N外延层中分别含有第一对准标记、第二对准标记直至第N对准标记，第M对准标记和第M-1对准标记对准；N为大于2的正整数；M为大于1小于等于N的正整数；所述正面器件位于载片表面，所述第N外延层位于所述正面器件表面，且所述第N对准标记位于所述第N外延层和所述正面器件的接触面上；第N-1外延层位于所述第N外延层表面，且第N-1对准标记位于所述第N-1外延层和所述第N外延层接触面上；直至所述第一外延层位于所述第二外延层表面，且所述第一对准标记位于所述第一外延层和所述第二外延层接触面上；所述背面器件位于所述第一外延层表面，所述背面器件通过第N对准标记、第N-1对准标记直至第一对准标记与所述正面器件对准。
8.根据权利要求7所述的一种背照式近红外像素单元，其特征在于，所述第一外延层、第二外延层直至第N外延层的厚度均小于等于5微米。
9.根据权利要求7所述的一种背照式近红外像素单元，其特征在于，所述背面器件包括背面沟槽隔离，所述背面沟槽隔离位于第一外延层中，且所述背面沟槽隔离与所述第一对准标记对准。
10.根据权利要求9所述的一种背照式近红外像素单元，其特征在于，所述正面器件包括正面晶体管、光电二极管和正面金属互连，所述光电二极管位于所述正面晶体管之间；所述正面晶体管通过第N对准标记、第N-1对准标记直至第一对准标记和所述背面沟槽隔离对准。
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