背照式互补金属氧化物半导体图像传感器及其制备方法与流程

1.本发明实施例涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种背照式互补金属氧化物半导体图像传感器及其制备方法。


背景技术：

2.随着半导体器件技术的发展，互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，cmos)图像传感器因其具有优良的光电转换性能在图像传感器领域的应用越来越广泛。
3.背照式(bsi，backside illumination)cmos图像传感器因其导电互连单元位于感光区域的非入光面，从而增加了cmos图像传感器的感光面积，并且提升了弱光环形下的灵敏度。现有技术中，背照式cmos图像传感器在制备过程中，通常是通过干法刻蚀或者干法刻蚀为主来形成像素单元之间的隔离结构，导致背照式cmos图像传感器因干法刻蚀工艺受到损伤，影响器件的良率。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种背照式互补金属氧化物半导体图像传感器及其制备方法，以降低互补金属氧化物半导体图像传感器在形成像素单元的隔离结构受到的损伤。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种互补金属氧化物半导体图像传感器的制备方法，其包括：
6.提供第一晶圆；
7.在第一晶圆的表面形成外延层，其中，外延层和第一晶圆的导电类型相同，且外延层的掺杂浓度小于第一晶圆的掺杂浓度，外延层内设置有至少一个像素单元；
8.在外延层形成至少一个掺杂区，其中，所述掺杂区围绕所述像素单元设置，掺杂区的深度等于外延层的厚度；
9.在第一晶圆的表面形成第二晶圆，其中，第二晶圆内设置有图像处理电路；
10.通过湿法刻蚀工艺去除第一晶圆；
11.通过湿法刻蚀工艺去除掺杂区。
12.可选地，在外延层形成至少一个掺杂区包括：
13.在外延层背离第一晶圆的表面形成光刻胶，其中，光刻胶设置有至少一个凹槽，凹槽暴露外延层；
14.以光刻胶作为掩膜版，对外延层进行掺杂，以形成至少一个掺杂区，其中，所述掺杂区围绕所述像素单元设置，掺杂区的深度等于外延层的厚度；
15.去除光刻胶。
16.可选地，在外延层形成至少一个掺杂区包括：
17.在外延层形成至少一个包括导电类型以及离子浓度和第一晶圆相同的掺杂区；
18.对应的，通过湿法刻蚀工艺去除第一晶圆包括：
19.选择第一刻蚀液，通过湿法刻蚀工艺去除第一晶圆；
20.通过湿法刻蚀工艺去除掺杂区包括：
21.选择第二刻蚀液，通过湿法刻蚀工艺去除掺杂区，第二刻蚀液的成分和第一刻蚀液的成分相同。
22.可选地，在外延层形成至少一个掺杂区包括：
23.在外延层形成至少一个包括掺杂氧元素或者氮元素的掺杂区；
24.对应的，通过湿法刻蚀工艺去除第一晶圆包括：
25.选择第三刻蚀液，通过湿法刻蚀工艺去除第一晶圆；
26.通过湿法刻蚀工艺去除掺杂区包括：
27.选择第四刻蚀液，通过湿法刻蚀工艺去除第一晶圆，第三刻蚀液的成分和第四刻蚀液的成分不同。
28.可选地，通过湿法刻蚀工艺去除第一晶圆之前还包括：
29.将第一晶圆进行减薄处理。
30.可选地，在第一晶圆的表面形成第二晶圆包括：
31.通过键合工艺在第一晶圆的表面形成第二晶圆。
32.可选地，第一晶圆的导电类型为p型，掺杂区的掺杂元素包括硼元素。
33.可选地，第一刻蚀液包括硝酸、氢氟酸以及醋酸的混合溶液。
34.可选地，第一晶圆包括硅晶圆。
35.第二方面，本发明实施例还提供了一种背照式互补金属氧化物半导体图像传感器，包括第一方面任意实施例提供的互补金属氧化物半导体图像传感器的制备方法制备而成。
36.本实施例的技术方案，通过在第一晶圆表面设置包括像素单元的外延层，在外延层设置相邻像素单元之间的外延层采用离子注入工艺形成掺杂区，在第一晶圆形成外延层的表面形成包含像素处理电路的第二晶圆，并通过湿法刻蚀工艺依次去除第一晶圆和掺杂区，得到去除掺杂区的外延层和第二晶圆，实现了外延层像素单元的隔离，减少了像素单元之间的串扰，减少了噪声，提升了像素单元质量，从而优化了外延层内的像素单元和第二晶圆内的图像电路连接形成的图像传感器的性能。本方案相比于干法刻蚀，可以避免对硅表面的损伤，无需修复硅表面的损伤，由此降低互补金属氧化物半导体图像传感器在形成像素单元的隔离结构受到的损伤。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图虽然是本发明的一些具体的实施例，对于本领域的技术人员来说，可以根据本发明的各种实施例所揭示和提示的器件结构，驱动方法和制造方法的基本概念，拓展和延伸到其它的结构和附图，毋庸置疑这些都应该是在本发明的权利要求范围之内。
38.图1为本发明实施例提供的一种互补金属氧化物半导体图像传感器的制备方法的流程示意图；
39.图2
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图7为本发明实施例提供的一种互补金属氧化物半导体图像传感器的制备方
法各步骤对应的剖面图；
40.图8为本发明实施例提供的另一种互补金属氧化物半导体图像传感器的制备方法的流程示意图；
41.图9
‑
图10为图8中步骤130包括的各步骤对应的一种剖面图；
42.图11
‑
图12为图8中步骤130包括的各步骤对应的另一种剖面图；
43.图13
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图14为图1中步骤150和步骤160对应的另一种剖面图；
44.图15为本发明实施例提供的一种将图5中的第一晶圆进行减薄处理的剖面图。
具体实施方式
45.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
46.图1为本发明实施例提供的一种互补金属氧化物半导体图像传感器的制备方法的流程示意图，图2为图7为本发明实施例提供的一种互补金属氧化物半导体图像传感器的制备方法各步骤对应的剖面图。参见图1，所述方法具体包括如下步骤：
47.s110、提供第一晶圆。
48.参见图2，提供第一晶圆001。
49.可选的，第一晶圆001包括硅晶圆。硅晶圆因纯度高，晶格缺陷少，在硅晶圆上形成的互补金属氧化物半导体图像传感器产品信号优良，且良率高。
50.s120、在第一晶圆的表面形成外延层，其中，外延层和第一晶圆的导电类型相同，且外延层的掺杂浓度小于第一晶圆的掺杂浓度，外延层内设置有至少一个像素单元。
51.参见图3，在第一晶圆001的表面形成外延层002，其中，外延层002和第一晶圆001的导电类型相同，且外延层002的掺杂浓度小于第一晶圆001的掺杂浓度，外延层002内设置有至少一个像素单元003。
52.其中，在第一晶圆001的表面形成外延层002。选用在第一晶圆001的表面形成外延层002的离子掺杂浓度需要小于第一晶圆001的离子掺杂浓度，例如第一晶圆001为掺杂硼离子的p型重掺杂硅p ，外延层002为掺杂硼离子的p型轻掺杂p
‑
。在外延层002的内部设置有至少一个像素单元003，并且相邻像素单元003之间具有一定的距离，便于后续对相邻的像素单元003进行隔离处理，从而减少像素单元003之间的串扰，减少噪声。
53.s130、在外延层形成至少一个掺杂区，其中，掺杂区围绕像素单元设置，掺杂区的深度等于外延层的厚度。
54.参见图4，在外延层002形成至少一个掺杂区004，其中，掺杂区004围绕像素单元003设置，掺杂区004的深度d1等于外延层002的厚度d2。
55.具体地，对外延层002的不同区域进行离子注入工艺可以形成至少一个掺杂区004，其中掺杂区004设置于外延层002内设置的相邻像素单元003之间，由此可知每一像素单元003所在的外延层002的离子浓度小于掺杂区004的离子浓度。需要注意的是掺杂区004的离子注入深度d1需要等于外延层002的厚度d2，以便保证相邻像素单元003被外延层002的掺杂区004完全隔离。
56.s140、在第一晶圆的表面形成第二晶圆，其中，第二晶圆内设置有图像处理电路。
57.参见图5，在第一晶圆001的表面形成第二晶圆005，其中，第二晶圆005内设置有图像处理电路006。可选的，第二晶圆005包括硅晶圆。
58.具体地，在第一晶圆001设置外延层002的表面形成第二晶圆005，例如外延层002的表面设置有金属互联层(在图中未示出)，第二晶圆005通过金属互联层和第一晶圆001键合在一起。第二晶圆005内设置有图像处理电路006，外延层002内设置有至少一个像素单元003，第一晶圆001设置外延层002的表面形成第二晶圆005，可以使像素单元003与图像处理电路006连接，进而形成图像传感器。由此，在第一晶圆001的表面形成第二晶圆005，可以实现像素单元003与图像处理电路006的连接，形成完整的图像传感器。
59.s150、通过湿法刻蚀工艺去除第一晶圆。
60.对比图5和图6，通过湿法刻蚀工艺去除第一晶圆001。
61.其中，湿法刻蚀是将刻蚀材料浸泡在腐蚀液内进行腐蚀的技术。湿法刻蚀是一种纯化学刻蚀，具有优良的选择性，刻蚀完当前薄膜就会停止，而不会损坏下面一层其他材料的薄膜。例如选择湿法腐蚀药液对第一晶圆001进行高选择比腐蚀，将第一晶圆001腐蚀掉，剩下外延层002和第二晶圆005。
62.s160、通过湿法刻蚀工艺去除掺杂区。
63.对比图6和图7，通过湿法刻蚀工艺去除掺杂区004。
64.示例性的，选择湿法腐蚀药液对外延层002的掺杂区004进行高选择比腐蚀，将掺杂区004腐蚀掉，剩下去除掺杂区004的外延层002和第二晶圆005，实现了外延层002内相邻像素单元003之间的隔离，减少了像素单元003之间的串扰，减少了噪声，提升了像素单元003质量，从而优化了外延层002内的像素单元003和第二晶圆005内的图像处理电路006连接形成的图像传感器的性能。
65.综上，本方案通过在第一晶圆表面设置包括像素单元的外延层，在外延层设置相邻像素单元之间的外延层采用离子注入工艺形成掺杂区，在第一晶圆形成外延层的表面形成包含像素处理电路的第二晶圆，并通过湿法刻蚀工艺依次去除第一晶圆和掺杂区，得到去除掺杂区的外延层和第二晶圆，实现了外延层像素单元的隔离，减少了像素单元之间的串扰，减少了噪声，提升了像素单元质量，从而优化了外延层内的像素单元和第二晶圆内的图像电路连接形成的图像传感器的性能。本方案相比于干法刻蚀，可以避免对硅表面的损伤，无需修复硅表面的损伤，由此降低互补金属氧化物半导体图像传感器在形成像素单元的隔离结构受到的损伤。
66.图8为本发明实施例提供的另一种互补金属氧化物半导体图像传感器的制备方法的流程示意图，图9
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图10为图8中步骤130包括的各步骤对应的一种剖面图。参见图8，s130在外延层形成至少一个掺杂区包括：
67.s1301、在外延层背离第一晶圆的表面形成光刻胶，其中，光刻胶设置有至少一个凹槽，凹槽暴露外延层。
68.参见图9，在外延层002背离第一晶圆001的表面形成光刻胶007，其中，光刻胶007设置有至少一个凹槽008，凹槽008暴露外延层002。
69.其中，光刻胶007是指通过紫外光、电子束、离子束、x射线等的照射或辐射，使其溶解度发生变化的耐蚀剂刻薄膜材料。光刻胶007是由感光树脂、增感剂和溶剂组成的对光敏
感的混合液体。半导体材料在表面加工时，若采用适当的光刻胶007，可在表面上得到所需的图像。例如本方案在外延层002背离第一晶圆001的表面设置光刻胶007，并且光刻胶007设置有至少一个凹槽008，凹槽008为通孔类型，以便于使凹槽008的底部暴露出外延层002。
70.s1302、以光刻胶作为掩膜版，对外延层进行掺杂，以形成至少一个掺杂区，其中，掺杂区围绕像素单元设置，掺杂区的深度等于外延层的厚度；
71.参见图10，以光刻胶007作为掩膜版，对外延层002进行掺杂，以形成至少一个掺杂区004，其中，掺杂区004围绕像素单元003设置，掺杂区004的深度d1等于外延层002的厚度d2。
72.其中，外延层002有光刻胶007保护的地方，离子束无法穿透光刻胶007，在没有光刻胶007的地方离子束才能被注入到外延层002中实现掺杂，由此将光刻胶007作为掩膜版，将外延层002不需要进行掺杂的区域遮挡起来，即将外延层002内包含像素单元003的区域遮挡起来。光刻胶007的凹槽008的底部暴露出外延层002并且光刻胶007的凹槽008对准于外延层002内相邻像素单元003中间的区域，在对相邻像素单元003之间的区域进行离子注入，会在光刻胶007设置凹槽008的部位形成掺杂区004。需要注意的是掺杂区004的离子注入深度d1需要等于外延层002的厚度d2，以便保证相邻像素单元003被外延层002的掺杂区004完全隔离。
73.s1302、去除光刻胶。
74.对比图10和图4，图4为图10去除光刻胶007后的剖面图。
75.其中，去除光刻胶007后得到第一晶圆001和第一晶圆001表面形的外延层002，其中外延层002上具有至少一个掺杂区004。
76.可选地，在上述技术方案的基础上，s130在外延层形成至少一个掺杂区包括：
77.在外延层形成至少一个包括导电类型以及离子浓度和第一晶圆相同的掺杂区；
78.图11
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图12为图8中步骤130包括的各步骤对应的另一种剖面图。参见图11，在外延层002形成至少一个包括导电类型以及离子浓度和第一晶圆001相同的掺杂区004。
79.其中，光刻胶007作为掩膜版，对光刻胶007设置的凹槽008部位暴露出来的外延层002进行注入与第一晶圆001掺杂离子类型相同的离子，直至掺杂区004的离子浓度与第一晶圆001掺杂的离子浓度相同，形成掺杂区004。掺杂区004的离子注入深度d1等于外延层002的厚度d2，保证相邻的未被掺杂的外延层002被外延层002的掺杂区004完全隔离，从而使相邻的未被掺杂的外延层002内的像素单元003被外延层002的掺杂区004完全隔离。参见图12，去除光刻胶007后得到第一晶圆001和第一晶圆001表面形成的外延层002，并且外延层002具有至少一个导电类型以及离子浓度和第一晶圆001相同的掺杂区004。
80.对应的，s150、通过湿法刻蚀工艺去除第一晶圆包括：
81.选择第一刻蚀液，通过湿法刻蚀工艺去除第一晶圆；
82.图13
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图14为图1中步骤150和步骤160对应的另一种剖面图。对比图13和图14，选择第一刻蚀液，通过湿法刻蚀工艺去除第一晶圆001。
83.其中，选择第一刻蚀液对第一晶圆001进行高选择比腐蚀，将第一晶圆001腐蚀掉，剩下外延层002和第二晶圆005。
84.s160、通过湿法刻蚀工艺去除掺杂区包括：
85.选择第二刻蚀液，通过湿法刻蚀工艺去除掺杂区，第二刻蚀液的成分和第一刻蚀
液的成分相同。
86.对比图14和图7，选择第二刻蚀液，通过湿法刻蚀工艺去除掺杂区004，第二刻蚀液的成分和第一刻蚀液的成分相同。其中，外延层002和第一晶圆001的导电类型相同，且外延层002的掺杂浓度小于第一晶圆001的掺杂浓度，由此在外延层002的掺杂区004可以注入与第一晶圆001掺杂离子类型相同的离子，直至掺杂区004的离子浓度与第一晶圆001掺杂的离子浓度相同。由此，在去除第一晶圆001时使用的第一刻蚀液和去除掺杂区004时使用的第二刻蚀液的成分相同。
87.可选地，在上述技术方案的基础上，s130在外延层形成至少一个掺杂区包括：
88.在外延层形成至少一个包括掺杂氧元素或者氮元素的掺杂区；
89.参见图4，在外延层002形成至少一个包括掺杂氧元素或者氮元素的掺杂区004。
90.其中，掺杂区004内的硅元素会被空气中的氧元素氧化生成氧化硅或被空气中的氮元素氮化生成氮化硅，由此外延层002形成的掺杂区004掺杂氧元素或者氮元素。
91.对应的，s150、通过湿法刻蚀工艺去除第一晶圆包括：
92.选择第三刻蚀液，通过湿法刻蚀工艺去除第一晶圆；
93.对比图5和图6，选择第三刻蚀液，通过湿法刻蚀工艺去除第一晶圆001。
94.其中，选择第一刻蚀液对第一晶圆001进行高选择比腐蚀，将第一晶圆001腐蚀掉，剩下外延层002和第二晶圆005。
95.s160、通过湿法刻蚀工艺去除掺杂区包括：
96.选择第四刻蚀液，通过湿法刻蚀工艺去除掺杂区，第三刻蚀液的成分和第四刻蚀液的成分不同。
97.对比图6和图7，选择第四刻蚀液，通过湿法刻蚀工艺去除掺杂区004，第三刻蚀液的成分和第四刻蚀液的成分不同。其中在外延层002的掺杂区004可以注入与第一晶圆001掺杂离子类型不同的离子或注入与第一晶圆001掺杂离子浓度不同的离子浓度。由于离子的类型和浓度对刻蚀液的需求不同，由此在去除第一晶圆001时使用的第三刻蚀液和去除掺杂区004时使用的第四刻蚀液的成分不同。示例性的，在第一晶圆001为硅材料，在外延层002形成至少一个包括掺杂氮元素掺杂区004时，第四刻蚀液可以选择热磷酸，热磷酸由85％浓磷酸和15％去离子水配合而成，并保持在160℃的温度下进行刻蚀。在第一晶圆001为硅材料，在外延层002形成至少一个包括掺杂氧元素掺杂区004时；在第一晶圆001为硅材料掺杂氧元素时，第四刻蚀液可以选择氢氟酸。第一晶圆001为硅材料时，第三刻蚀液包括硝酸、氢氟酸以及醋酸的混合溶液，其中第一晶圆001可以是p型也可以是n型。
98.可选地，s150通过湿法刻蚀工艺去除第一晶圆之前还包括：将第一晶圆进行减薄处理。
99.图15为本发明实施例提供的一种将图5中的第一晶圆进行减薄处理的剖面图，对比图5和图15，显然图15中第一晶圆001进行了减薄处理。
100.其中，晶圆减薄处理是对晶圆(主要是硅晶片)的背面基体材料进行磨削，去掉一定厚度的材料。本方案通过湿法刻蚀去除第一晶圆001前对第一晶圆001进行减薄处理，可以节约利用湿法刻蚀去除第一晶圆001时使用的刻蚀液，从而减少刻蚀液的损耗，从而节约成本。
101.可选地，s140在第一晶圆的表面形成第二晶圆包括：
102.通过键合工艺在第一晶圆的表面形成第二晶圆。
103.参见图5，通过键合工艺在第一晶圆001的表面形成第二晶圆005。
104.其中，晶圆键合工艺是指通过化学和物理作用将两块已镜面抛光的同质或异质的晶片紧密地结合起来，晶片接合后，界面的原子受到外力的作用而产生反应形成共价键结合成一体，并使接合界面达到特定的键合强度。由此，本方案采用键合工艺使第一晶圆001的表面原子与第二晶圆005表面原子结合，从而使第一晶圆001的表面形成第二晶圆005。
105.可选地，第一晶圆的导电类型为p型，掺杂区的掺杂元素包括硼元素。
106.其中，晶圆的导电类型包括p型和n型，本方案采用p型的第一晶圆，则掺杂区掺杂的元素包括硼元素。
107.具体的，硼元素掺杂形成的掺杂区004为p型，和第一晶圆001的掺杂类型相同，在湿法刻蚀时，可以采用相同的刻蚀液。可选地，第一刻蚀液包括硝酸、氢氟酸以及醋酸的混合溶液。
108.其中，硝酸、氢氟酸以及醋酸的混合溶液对第一晶圆具有较强的腐蚀性，利用硝酸、氢氟酸以及醋酸的混合溶液可以去除第一晶圆。若外延层的掺杂区注入的离子是与第一晶圆掺杂离子类型相同的离子，并且掺杂区的离子浓度与第一晶圆掺杂的离子浓度相同，硝酸、氢氟酸以及醋酸的混合溶液也可去除外延层的掺杂区。
109.本发明实施例还提供了一种背照式互补金属氧化物半导体图像传感器，包括上述实施例中任一项的互补金属氧化物半导体图像传感器的制备方法制备而成。
110.背照式互补金属氧化物半导体图像传感器是由本发明任意实施例提供的互补金属氧化物半导体图像传感器的制备方法制备而成，因此具有本发明实施例提供的互补金属氧化物半导体图像传感器的制备方法的有益效果，此处不再赘述。
111.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。