背照式图像传感器及形成方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种背照式图像传感器及形成方法。


背景技术：

2.随着图像传感技术的发展，cmos图像传感器越来越多的取代ccd图像传感器应用于各类电子产品中。cmos图像传感器包括前照式（fsi）图像传感器和背照式（bsi）图像传感器。
3.背照式图像传感器是一项新兴技术，与传统的fsi cis图像传感器相比具有诸多优势，其通常使用键合（fusion bonding）方法将cmos图像传感器晶圆（cis）与读出电路晶圆（roic）键合，之后再减薄cmos图像传感器晶圆（cis)。然而，现有背照式图像传感器的形成方法，在键合之后，使用研磨和/或湿法刻蚀减薄所述图像传感器晶圆过程中，由于刻蚀选择比或者研磨选择比不高，导致器件叠层受损，性能下降。
4.因此，如何提供一种图像传感器的制备方法以解决现有技术中的上述问题实属必要。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种背照式图像传感器及形成方法，于第一衬底的正面覆盖第一外延层，所述第一外延层内的形成有图形化层，所述图形化层可作为停止层，降低去除所述第一衬底的难度。
6.基于以上考虑，本发明提供一种图像传感器，其特征在于，包括：于第一衬底的正面形成内设有图形化层的感光叠层，自所述第一衬底的背面去除所述第一衬底及所述图形化层时，所述图形化层的图案转印至所述感光叠层。
7.优选的，键合所述第一衬底及第二衬底，去除所述第一衬底时停止于所述图形化层。
8.优选的，先研磨减薄所述第一衬底，再采用第一刻蚀工艺去除剩余的所述第一衬底。
9.优选的，研磨减薄之后，所述第一衬底的厚度小于等于30μm。
10.优选的，所述感光叠层包括自所述正面由下向上的第一外延层及第二外延层，所述图形化层形成于所述第一外延层上，所述第二外延层覆盖所述图形化层及所述第一外延层。
11.优选的，所述第一刻蚀工艺还去除所述部分第一外延层，再研磨去除剩余第一外延层直至暴露所述图形化层。
12.优选的，采用第二刻蚀工艺去除所述图形化层。
13.优选的，所述图形化层的材料包括氮化硅、氧化硅、碳氮化硅、碳化硅、氮氧化硅中的一种或多种组合。
14.优选的，形成所述第二外延层后，于所述第二外延层内形成阵列排布的若干感光
区，所述图形化层具有对应所述感光区的若干图案。
15.优选的，各所述图案具有周期排布的若干图形。
16.优选的，所述图形包括点图、线图、多边形图及异形图中的一种或多种组合。
17.优选的，所述第一外延层的厚度包括0.2μm~2μm，所述第二外延层的厚度包括3μm~4μm。
18.优选的，所述第一衬底、 所述第一外延层及所述第二外延层均具有第一导电类型，所述感光区具有第二导电类型。
19.优选的，所述第一外延层的掺杂浓度及所述第二外延层的掺杂浓度至多为5e15atom/cm3。
20.本发明的另一方面提供一种前照式图像传感器，采用上述形成方法而形成。
21.本发明于第一衬底的正面形成内设有图形化层的感光叠层，所述感光叠层包括自所述正面由下向上的第一外延层及第二外延层，所述图形化层形成于所述第一外延层上，所述第二外延层覆盖所述图形化层及所述第一外延层。翻转所述第一衬底，并键合所述第一衬底及第二衬底，所述图形化层可以用作停止层以去除所述第一衬底及所述第一外延层，便于研磨终点或刻蚀终点的抓取，降低去除工艺的难度。
22.进一步的，先研磨减薄所述第一衬底，再采用第一刻蚀工艺去除剩余的所述第一衬底，缩短第一刻蚀工艺的刻蚀时间。
23.进一步的，第一刻蚀工艺还可以去除部分所述第一外延层，再研磨去除剩余第一外延层直至暴露所述图形化层，避免第二外延层的过刻蚀。
24.进一步的，所述图形化层具有对应所述感光区的若干图案，各所述图案具有周期排布的若干图形，去除所述图形化层以于所述第二外延层内形成若干凹槽，所述凹槽增大了入射光线与感光区的接触面积，从而提高对应的所述感光区的灵敏度。
附图说明
25.通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
26.图1～图7示出本发明实施例的一种背照式图像传感器的形成方法的各步骤对应的剖面结构示意图。
27.在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示相同或相似的装置（模块）或步骤。
具体实施方式
28.为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容做进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所 熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
29.需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
30.在制备背照式图像传感器时，cmos图像传感器晶圆上覆盖有感光器件层，去除所
述cmos图像传感器晶圆时，受刻蚀选择比或研磨选择比不高的影响，刻蚀工艺或化学机械研磨工艺难以准确抓取对应的停止终点，从而导致感光器件层损耗较大，进而影响背照式图像传感器的性能。
31.为解决上述现有技术中的问题，本发明于第一衬底的正面形成内设有图形化层的感光叠层，所述感光叠层包括自所述正面由下向上的第一外延层及第二外延层，所述图形化层形成于所述第一外延层上，所述第二外延层覆盖所述图形化层及所述第一外延层。翻转所述第一衬底，并键合所述第一衬底及第二衬底，所述图形化层可以用作停止层以去除所述第一衬底及所述第一外延层。
32.以下通过具体实施方式并结合附图，对本发明的一种图像传感器的形成方法进行详细说明。
33.如图1所示，提供第一衬底100，所述第一衬底100具有相对的正面（如图所示的上面）及背面（如图所示的下面）。
34.本实施例中，所述第一衬底100的材料为硅，在其他实施例中，所述第一衬底100的材料还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟。
35.其次，于所述正面上形成内设有图形化层的感光叠层。
36.请结合参考图1～图3，本实施例中，所述感光叠层包括自所述正面由下向上的第一外延层101及第二外延层110，所述图形化层形成于所述第一外延层101上，所述第二外延层110覆盖所述图形化层及所述第一外延层101。
37.如图1所示，所述第一外延层101覆盖所述衬底100的正面。本实施例中，所述第一衬底100为硅衬底，所述第一外延层101为硅外延层。
38.如图2所示，于所述第一外延层101上形成图形化层102。所述图形化层102的材料可以是氮化硅、氧化硅、碳氮化硅、碳化硅、氮氧化硅中的一种或多种组合。去除所述第一衬底100及去除所述第一外延层101以减薄所述感光叠层时，所述图形化层102用作停止层，便于工艺管控。
39.所述图形化层102可以是单层或多层，本实施例中，所述图形化层102为自下而上层叠设置的氧化硅图形层1021及氮化硅图形层1022。可以采用热氧化（thermal oxide）工艺，于所述第一外延层表面形成氧化硅层（未图示）。由于热氧化工艺具有短时间内形成较厚的氧化层的特点，可以获得较高的生产效率，以及较低的生产成本。
40.然后，于所述氧化硅层上形成氮化硅层（未图示），可以采用化学气相沉积工艺或原子层沉积工艺等沉积工艺形成所述氮化硅层。本实施例中，采用化学气相沉积工艺形成所述氮化硅层。所述化学气相沉积工艺采用的反应气体为sih4和nh3。
41.图形化所述氮化硅层及氧化硅层形成所述图形化层102。
42.所述图形化层102具有对应感光区的若干图案。所述图案可以具有周期排布的若干图形，所述图形包括点图、线图、多边形图及异形图中的一种或多种组合，后续去除所述图形化层102后，于所述第二外延层102内，对应感光区形成若干凹槽，所述凹槽增大了入射光线与感光区的接触面积，从而提高对应的所述感光区的灵敏度。
43.如图3所示，于所述第一外延层101及所述图形化层102上形成第二外延层110。
44.所述第一外延层101、所述第二外延层110和所述第一衬底100的导电类型相同，可以均为第一导电类型或均为第二导电类型。
45.根据背照式图像传感器的感光区的导电类型，所述第二外延层110还可以掺入不同类型的杂质离子。后续形成的感光区的导电类型为n型时，所述第二外延层110掺杂有p型杂质离子，所述p型杂质离子为硼离子、镓离子或铟离子中的一种或几种；所述感光区的类型为p型时，所述第二外延层110掺杂有n型杂质离子，所述n型杂质离子为磷离子。
46.请结合参考图4，所述感光叠层包括第二外延层110及位于所述第二外延层110内的感光区113。形成所述第二外延层110后，于所述第二外延层110内形成阵列排布的若干感光区113。
47.本实施例中，所述第一外延层101及所述第二外延层110均具有第一导电类型，所述感光区具有第二导电类型。作为一个非限制性的例子，所述第一外延层101及所述第二外延层110的掺杂浓度至多可以为5e15atom/cm3。
48.如图4所示，第二隔离区112自所述第二外延层110的表面延伸至所述第二外延层110内，第一隔离区111相连所述第二隔离区112的底部并向所述第一外延层101延伸，第一隔离区111及所述第二隔离区112隔离相邻的感光区，避免信号串扰。
49.所述感光区设于所述第一隔离区111及所述第二隔离区112所围绕的所述第二外延层110内。
50.本实施例中，对所述第二外延层110进行离子注入，以在所述第二外延层110内依次形成所述感光区113。
51.所述感光区113的掺杂类型与所述第二外延层110的掺杂类型相反。本实施例中，所述第二外延层具有第一导电类型，所述感光区113具有第二导电类型。
52.所述感光叠层还包括位于所述第二外延层110上的器件叠层，所述器件叠层包括金属互连层120及位于所述金属互连层120上的第一键合层（未图示），所述金属互连层120内设有若干互连结构121。
53.所述金属互连层120还可以包括其他器件（未图示），例如无源器件叠层（未图示）以及射频器件（未图示）等。所述无源器件叠层可以包括金属－绝缘层－金属电容（mim，未图示）及螺旋电感器（未图示）等。
54.所述互连结构121的形成方法可以选用常规的制造方法，其中，在所述器件叠层的各个组件的具体结构和形成方法，本领域的技术人员可以根据实际需要参照现有技术进行选择，此处不再赘述。
55.如图5所示，然后，提供第二衬底200，并翻转所述第一衬底100，使得第一衬底100的背面远离所述第二衬底200，正面及覆盖于所述正面上的第一外延层101及感光叠层朝向所述第二衬底200，并键合所述第一衬底100及所述第二衬底200。
56.所述第二衬底200为承载衬底（carrier wafer)，用于在后续去除第一衬底100、对第一外延层101进行减薄处理以及其他后续工艺中承载和保护所述感光叠层。所述第二衬底200可以为硅衬底或其他合适的衬底，在此并不进行限定。
57.通过键合工艺，将所述第二衬底200与第一衬底100正面上的感光叠层的表面相接合（键合），所述键合工艺可采用本领域技术人员熟知的任何方法进行。
58.如图6所示，自所述背面，去除所述第一衬底100。
59.所述第一衬底100的正面覆盖有所述第一外延层101，以所述第一外延层101为第一停止层，去除所述第一衬底100。
60.本实施例中，可以先研磨减薄所述第一衬底100至预设厚度，以加快所述第一衬底100的去除速度。通过研磨时间的控制，以调整所述预设厚度的大小，方便制程管控。
61.研磨减薄之后，所述第一衬底100的厚度小于等于30μm，本实施例中，剩余的所述第一衬底100的厚度为5μm。以所述第一外延层101为第一停止层，采用第一刻蚀工艺，去除剩余的所述第一衬底100，缩短所述第一刻蚀工艺的刻蚀时间，同时，也避免研磨导致的表面粗糙度较高，影响背照式图像传感器的显示性能。
62.采用第一刻蚀工艺去除所述第一衬底100之后，暴露出远离所述第二衬底200的所述第一外延层101的一面，为避免第一衬底100的残留，所述第一刻蚀工艺的刻蚀时间可适当延长，所述第一刻蚀工艺还去除所述部分第一外延层，然后，再以所述图形化层102为停止层，再化学机械抛光去除剩余第一外延层101直至暴露所述图形化层102。
63.如图7所示，最后，采用第二刻蚀工艺去除所述图形化层102，于所述第二外延层内对应形成若干凹槽103。
64.所述第一刻蚀工艺及所述第二刻蚀工艺均包括干法刻蚀工艺和/或湿法刻蚀工艺。相比于采用干法刻蚀工艺，采用湿法刻蚀工艺可以降低对所述第一外延层101及第二外延层110表面的损伤，有效降低对图像传感器的噪音影响。
65.本发明于第一衬底的正面形成内设有图形化层的感光叠层，所述感光叠层包括自所述正面由下向上的第一外延层及第二外延层，所述图形化层形成于所述第一外延层上，所述第二外延层覆盖所述图形化层及所述第一外延层。翻转所述第一衬底，并键合所述第一衬底及第二衬底，所述图形化层可以用作停止层以去除所述第一衬底及所述第一外延层，便于研磨终点或刻蚀终点的抓取，降低去除工艺的难度。
66.进一步的，先研磨减薄所述第一衬底，再采用第一刻蚀工艺去除剩余的所述第一衬底，缩短第一刻蚀工艺的刻蚀时间。
67.进一步的，第一刻蚀工艺还可以去除部分所述第一外延层，再研磨去除剩余第一外延层直至暴露所述图形化层，避免第二外延层的过刻蚀。
68.进一步的，所述图形化层具有对应所述感光区的若干图案，各所述图案具有周期排布的若干图形，去除所述图形化层以于所述第二外延层内形成若干凹槽，所述凹槽增大了入射光线与感光区的接触面积，从而提高对应的所述感光区的灵敏度。
69.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论如何来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，明显的，“包括”一词不排除其他元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。装置权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。