背照式cmos圖像傳感器及其形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種BSI (Back-Side Illumination,BSI) 圖像傳感器及其形成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 圖像傳感器是數(shù)字?jǐn)z像頭的重要組成部分，其作用是將光信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信 號。根據(jù)構(gòu)成元件不同，圖像傳感器分為電荷稱合（Charge Coupled Device, CCD)圖像傳 感器和金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)圖像傳感 器。
[0003] 與C⑶圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器(具有更方便的驅(qū)動模式并且能夠?qū)崿F(xiàn) 各種掃描類型。而且，將信號處理電路集成到單個芯片中使得小型化CMOS圖像傳感器成為 可能。此外，通過使用廣泛兼容的CMOS技術(shù)，CMOS圖像傳感器有助于降低功耗和制造成本。 因而，CMOS圖像傳感器具有更廣泛的應(yīng)用。
[0004] 背照式CMOS圖像傳感器因其更高的光子捕獲效率而代替了正面發(fā)光 (Front-Side Illumination，F(xiàn)SI)的 CMOS 圖像傳感器。
[0005] 現(xiàn)有的背照式CMOS圖像傳感器的形成方法包括：
[0006] 參照圖1，提供第一晶圓1，在第一晶圓1正面Sl中形成有淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)2,相鄰 兩淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)2之間為一像素單元3,第一晶圓1包括若干像素單元3,淺溝槽隔離結(jié) 構(gòu)2將相鄰像素單元3相互隔開；
[0007] 每個像素單元3包括一個發(fā)光二極管和多個MOS晶體管（圖中未示出），在第一晶 圓1正面Sl還形成有外圍電路（periphery circuit),所述發(fā)光二極管可吸收光信號并將 其轉(zhuǎn)化為電信號，位于同一像素單元的MOS晶體管接收并處理該電信號后輸出，外圍電路 接收MOS晶體管輸出的處理電信號并進(jìn)行轉(zhuǎn)換、運算處理等；
[0008] 在第一晶圓1正面Sl上形成互連結(jié)構(gòu)（圖中未示出）。
[0009] 參照圖2,取第二晶圓4,將第二晶圓4與第一晶圓1在第一晶圓1正面Sl方向鍵 合，并對第一晶圓1背面S2減薄，減薄后的第一晶圓1很薄，第二晶圓4將起到主要的支撐 作用。
[0010] 參照圖3,將第二晶圓4翻轉(zhuǎn)，使背面S2朝上，對第一晶圓1背面S2進(jìn)行離子注 入，并進(jìn)行激光退火處理，在第一晶圓1背面S2形成隔離層5,激光退火用于激活隔離層5 中的離子。隔離層5與光電二極管的隔離層的摻雜類型相反，起到絕緣隔離作用，避免出現(xiàn) 漏電。在對第一晶圓1背面S2進(jìn)行離子注入時，是采用傾斜注入法，即離子束與第一晶圓1 背面S2之間的夾角不為90°，以避免離子沿第一晶圓1的晶格之間的空隙進(jìn)入像素單元， 引發(fā)溝道燧穿效應(yīng)（channeling effect)。
[0011] 參照圖4,在第一晶圓1背面S2形成濾光片6、位于濾光片6上的透鏡7,每個濾光 片6與一個像素單元相對，入射光經(jīng)透鏡7進(jìn)入濾光片6,濾光片6允許特定顏色的光進(jìn)入 光電二極管。
[0012] 但是，使用現(xiàn)有技術(shù)形成的背照式CMOS圖像傳感器的性能不佳。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明解決的問題是，使用現(xiàn)有技術(shù)形成的背照式CMOS圖像傳感器的性能不佳。
[0014] 為解決上述問題，本發(fā)明提供一種背照式CMOS圖像傳感器的形成方法，該背照式 CMOS圖像傳感器的形成方法包括：
[0015] 提供第一晶圓和第二晶圓，在所述第一晶圓正面形成有多個像素單元，所述第一 晶圓正面和所述第二晶圓鍵合；
[0016] 對所述第一晶圓背面進(jìn)行減薄處理；
[0017] 減薄處理后，在所述第一晶圓背面形成保護(hù)層；
[0018] 對所述第一晶圓背面進(jìn)行離子注入，注入離子穿過所述保護(hù)層擴(kuò)散進(jìn)入第一晶圓 背面形成隔離層；
[0019] 在形成所述隔離層后，在所述保護(hù)層上形成多個濾光片和位于所述濾光片上的透 鏡，每個濾光片與一個像素單元對準(zhǔn)。
[0020] 可選地，所述保護(hù)層材料的反射率比第一晶圓材料的反射率低。
[0021] 可選地，所述第一晶圓為硅片，所述保護(hù)層為氧化硅層。
[0022] 可選地，使用等離子體增強化學(xué)氣相沉積，在所述第一晶圓背面形成保護(hù)層。
[0023] 可選地，在形成所述保護(hù)層過程，使用的材料為等離子體增強氧化硅。
[0024] 可選地，在所述等離子體增強化學(xué)氣相沉積過程，溫度范圍為350~450°C。
[0025] 可選地，所述保護(hù)層的厚度范圍為100~600人。
[0026] 可選地，在形成所述隔離層后，進(jìn)行激光退火。
[0027] 可選地，在激光退火過程使用紫外線。
[0028] 可選地，使用化學(xué)機(jī)械研磨，對所述第一晶圓背面進(jìn)行減薄處理。
[0029] 本發(fā)明還提供一種新的背照式CMOS圖像傳感器，該背照式CMOS圖像傳感器包 括：
[0030] 第一晶圓和第二晶圓，所述第一晶圓正面形成有多個像素單兀，且所述第一晶圓 正面和所述第二晶圓鍵合；
[0031] 位于所述第一晶圓背面上的保護(hù)層；
[0032] 位于保護(hù)層下的第一晶圓背面的隔離層；
[0033] 位于所述保護(hù)層上的多個濾光片和位于濾光片上的透鏡，每個濾光片與一個像素 單元對準(zhǔn)。
[0034] 可選地，所述保護(hù)層材料的反射率比第一晶圓材料材料的反射率低。
[0035] 可選地，所述第一晶圓為硅片，所述保護(hù)層為氧化硅層。
[0036] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點：
[0037] 在對第一晶圓背面進(jìn)行離子注入過程，離子束不會直接與第一晶圓背面接觸，而 是穿過保護(hù)層擴(kuò)散進(jìn)入第一晶圓背面，保護(hù)層使第一晶圓背面免遭離子束損傷，確保第一 晶圓背面平坦，利于后續(xù)封裝制程。而且，保護(hù)層可起到緩沖作用，達(dá)到有效控制離子注入 深度的目的，使得隔離層的深度保證離子不會擴(kuò)散到像素單元，且隔離層中各個位置深度 一致、摻雜離子分布均勻，使得各個位置的光電二極管在無光照狀態(tài)下的暗電流具有一致 性，有效避免漏電現(xiàn)象，這樣在光照狀態(tài)下得到的圖像清晰。
[0038] 進(jìn)一步，在離子注入形成隔離層后，進(jìn)行激光退火處理。由于保護(hù)層材料相比于第 一晶圓材料具有較低反射率，保護(hù)層對激光光線的吸收量較高。這樣，相比于現(xiàn)有的激光退 火過程，保護(hù)層和隔離層的溫度較高，較高的溫度可以在納秒范圍內(nèi)更有效激活隔離層中 的摻雜離子，并使摻雜離子聚集在距第一晶圓背面較淺位置處，避免擴(kuò)散到像素單元，確保 像素單元的性能較佳。
【附圖說明】
[0039] 圖1~圖4是現(xiàn)有技術(shù)的背照式CMOS圖像傳感器在形成過程中的剖面結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0040] 圖5~圖11、圖13是本發(fā)明具體實施例的背照式CMOS圖像傳感器在形成過程中 的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041] 圖12是本發(fā)明具體實施例的具有保護(hù)層的第一晶圓背面下不同深度處、現(xiàn)有的 未形成有保護(hù)層的第一晶圓背面下不同深度處的溫度值曲線。
【具體實施方式】
[0042] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)：參照圖3,第一晶圓1背面S2裸露。一方 面，在離子注入過程和激光退火過程，第一晶圓1背面S2會遭到損傷，第一晶圓1背面S2 凹凸不平，會使入射光在背面S2發(fā)生散射并影響后續(xù)封裝制程。另一方面，離子注入的深 度很難得到有效控制，隔離層5中摻雜離子分布不夠均勻，各個位置的深度不一致，這使得 所有光電二極管在無光照的靜態(tài)下的暗電流并不一致，會出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，這樣在光照狀態(tài) 下得到的圖像不清晰，出現(xiàn)因漏電產(chǎn)生的暗點。
[0043] 對此，本發(fā)明技術(shù)方案提出一種新的背照式CMOS圖像傳感器的形成方法。使用該 方法，在對減薄后的第一晶圓背面進(jìn)行離子注入之前，在所述第一晶圓背面形成保護(hù)層。保 護(hù)層用于保護(hù)第一晶圓背面免遭離子注入損傷，而且還可控制離子注入的深度。
[0044] 為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明 的具體實施例做詳細(xì)的說明。
[0045] 參照圖5,提供第一晶圓100,在所述第一晶圓100正面Sl形成有多個淺溝槽隔 離結(jié)構(gòu)101，相鄰兩淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)101之間為像素單元區(qū)，該像素單元區(qū)用于形成像素單 J Li 〇
[0046] 淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)101的形成方法為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，在此不再詳述。
[0047] 在具體實施例中，第一晶圓100可以為硅晶圓，也可以是鍺、鍺硅、砷化鎵晶圓或 絕緣體上硅晶圓。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)需要選擇晶圓，因此晶圓的類型不應(yīng)限制本 發(fā)明的保護(hù)范圍。本實施例中的第一晶圓100選擇硅晶圓，因為在硅晶圓上實施本技術(shù)方 案要比在上述其他晶圓上實施本技術(shù)方案的成本低。
[0048] 第一晶圓100具有P型摻雜或N型摻雜。在本實施例中，第一晶圓100具有P型 摻雜。
[0049] 參照圖6,在相鄰兩淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)101之間的像素單元區(qū)形成多個像素單元，每 個像素單元包括一個光電二極管和多個個MOS場效應(yīng)晶體管(通常為三個MOS場效應(yīng)晶體 管)。在形成像素單元時，還在第一晶圓100正面si形成外圍電路，該外圍電路包括多個晶 體管。
[0050] 具體地,形成像素單元的方法包括：
[0051] 在所述第一晶圓100正面Sl上形成柵極102和位于柵極102下的柵介質(zhì)層（圖中 未示出）；
[0052] 在像素單元區(qū)相鄰柵極102位置形成第一摻雜區(qū)103,該第一摻雜區(qū)103的摻雜 類型和第一晶圓100的摻雜類型相反，在本實施例中為N型摻雜，第一摻雜區(qū)103和第一晶 圓100之間具有PN結(jié)，形成一個光電二極管，用于將入射的光子轉(zhuǎn)化為電子。對MOS場效 應(yīng)晶體管的源極、漏極，可與摻雜區(qū)103在同一步驟形成，也可單獨形成。
[0053] 也就是，在像素單元區(qū)形成光電二極管和MOS場效應(yīng)晶體管的工藝，與現(xiàn)有的 CMOS工藝相兼容，且像素單元和外圍電路可在同一步驟形成。這降低了生產(chǎn)成本，且提高了 生產(chǎn)效率。
[0054] 在具體實施例中，參照圖6,在形成第一摻雜區(qū)103后，還可在第一摻雜區(qū)103中形 成第二摻雜區(qū)104,第二摻雜區(qū)104的摻雜類型和第一摻雜區(qū)103的摻雜類型相反，第二摻 雜區(qū)104和第一摻雜區(qū)103之間具有PN結(jié)，用于控制光電二極管在將光子轉(zhuǎn)化為電子后形 成的電流流動方向。
[0055] 參照圖7,在第一晶圓100正面Sl形成層間介質(zhì)層105,在層間介質(zhì)層105中形成 多層互連金屬層106和插塞層（圖中未示出），相鄰兩互連金屬層106之間為插塞層電連接。 多層互連金屬層106將像素單元和外圍電路之間、外圍電路之間電連接。
[0056] 參照圖7,互