专利名称：用于图像传感器的改良的激光退火的制作方法
技术领域：
本发明大体而言涉及图像传感器，且具体地(但非排他地)，本发明涉及背面照射式CMOS图像传感器。
背景技术：
图1说明常规的包括像素电路101及周边电路102的背面照射式 (“BSI”)图像传感器100。像素电路101包括置于P型硅外延(“印i”)层110内的光电二极管(“PD”)区域105。晶体管像素电路至少部分地形成在P阱115中或P阱115上。 为清楚起见且免得附图混乱，仅说明像素电路101的转移晶体管(Tl)及复位晶体管(T2)。 用于耦合至转移晶体管及复位晶体管的栅极的第一金属层Ml置于层间介电层120内。周边电路102也置于外延层110中或外延层110上，且可作为控制电路、读出电路、逻辑电路、暗电流基准单元等。将周边电路定义为不是像素电路101的部分的任何互补金属氧化物半导体(CMOS)器件。在图1中，像素电路101示成紧邻于周边电路102 ；然而， 像素电路101与周边电路102可由外延层110内的浅沟槽隔离(STI)和/或掺杂阱分隔开， 这些浅沟槽隔离(STI)和/或掺杂阱隔离像素阵列与图像传感器100的其余部分。BSI图像传感器100对入射在传感器管芯的背面上的光具有光敏感性。对于BSI 图像传感器，大部分的光子吸收发生在背面硅表面附近。为了分离由光子吸收所产生的电子-空穴对且将电子驱赶至PD区域105，背硅表面附近的电场是有帮助的。可通过对背表面进行掺杂及激光退火来产生该电场。激光退火是形成局部加热的退火工艺。对于厚P-外延层110，激光脉冲使背表面温度大大升高(例如，超过1000C)，但归因于短脉冲，温度在外延层110体(bulk)中迅速降低。然而，当外延层110薄(例如，P-外延层110<4微米厚)时，层间介电层120与后端工艺(“BE0L”)元件的剩余部分的绝缘可造成衬底及外延层温度在激光退火期间的显著增加，此可导致不利的影响，诸如大于800C 的温度下的掺杂剂扩散和/或大于400C的温度下的BEOL金属劣化/熔融。可通过使用较厚的P-外延层110来解决此问题，可通过在背面薄化工艺期间移除较少外延层来产生较厚的P-外延层。在背面与前侧之间保留厚硅层使激光辐照的高温背表面远离前侧上的掺杂剂分布及金属/硅化物触点。然而，增加厚度导致图像传感器阵列中邻近像素之间的电串扰增加。因此，趋势已变成使P-外延层110较薄。附图简述参照以下诸附图来描述本发明的非限制性及非详尽的实施例，其中除非另有规定，否则相似附图标记在各种视图中始终指代相似部分。图1 (现有技术)是常规背面照射式图像传感器的截面图。图2是说明根据本发明的一实施例的背面照射式成像系统的框图。图3是说明根据本发明的一实施例的背面照射式成像系统内的两个4T像素的像素电路的框图。图4是根据本发明的一实施例的背面照射式图像传感器的截面图。图5是说明根据本发明的一实施例的用于制造背面照射式图像传感器的工艺的流程图。
图6A是根据本发明的一实施例的直至BEOL完成所制造的部分制造的背面照射式成像传感器的截面图。图6B是根据本发明的一实施例的部分制造的背面照射式成像传感器的截面图， 其说明背面上的掺杂剂层植入物。图6C是根据本发明的一实施例的部分制造的背面照射式成像传感器的截面图， 其说明背面上的激光退火工艺。图6D是根据本发明的一实施例的部分制造的背面照射式成像传感器的截面图， 其说明金属光屏蔽物的形成。图6E是根据本发明的一实施例的部分制造的背面照射式成像传感器的截面图， 其说明背面上的氮化硅层的沉积。图6F是完全制造的背面照射式成像传感器的截面图。
具体实施例方式本文中描述用于制造背面照射式(“BSI”)成像传感器的系统及方法的实施例。 在以下描述中，陈述众多特定细节以提供对实施例的透彻理解。然而，本领域技术人员将认识到，可在没有这些特定细节之一或多个的情况下或用其它方法、组件、材料等来实践本文中所描述的技术。在其它实例中，未展示或详细描述熟知结构、材料或操作以避免混淆某些方面。贯穿本说明书引用“一项实施例”或“一实施例”意味着结合实施例所描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一实施例中。因此，贯穿本说明书在各处出现的短语 “在一项实施例中”或“在一实施例中”未必均指代同一实施例。此外，在一或多个实施例中可按照任何合适方式组合特定特征、结构或特性。图2是说明根据本发明一实施例的BSI成像系统200的框图。成像系统200的所说明实施例包括像素阵列205、读出电路210、功能逻辑215及控制电路220。像素阵列205是背面照射式成像传感器或像素(例如，像素P1、P2.....Pn)的二
维(“2D”)阵列。在一项实施例中，每一像素为互补金属氧化物半导体(“CMOS”)成像像素。如所说明，将每一像素排列成行(例如，行Rl至Ry)及列(例如，列Cl至Cx)以获取人、地点或对象的图像数据，随后可使用图像数据来呈现人、地点或对象的二维图像。在每一像素已获取其图像数据或图像电荷之后，图像数据由读出电路210读出并被转移至功能逻辑215。读出电路210可包括放大电路、模数(“ADC”)转换电路或其它电路。功能逻辑215可仅储存图像数据或甚至通过应用后期图像效果(例如，裁剪、旋转、去红眼、调整亮度、调整对比度或其它操作)来操纵图像数据。在一项实施例中，读出电路210 可沿着读出列线一次读出一行图像数据(经说明)或可使用多种其它技术(诸如，串行读出或同时对所有像素的全并行读出)读出图像数据(未说明)。控制电路220耦合至像素阵列205以控制像素阵列205的操作特性。举例而言， 控制电路220可产生用于控制图像获取的快门信号。在一项实施例中，快门信号为用于同时使像素阵列205内的所有像素能够在单个获取窗期间同时俘获其各自图像数据的全局快门信号。在一替代实施例中，快门信号为滚动快门(rolling shutter)信号，以在连续的获取窗期间顺序地启用像素的各行、列或群组。
图3是说明根据本发明的一实施例的BSI成像阵列内的两个四晶体管(“4T”)像素的像素电路300的电路图。像素电路300为用于实现图2的像素阵列200内的每一像素的一个可能的像素电路体系结构。然而，应了解，本发明的实施例并不限于4T像素体系结构；更确切而言，受益于本发明的普通技术人员将理解，本发明的教示亦可适用于3T设计、 5T设计及各种其它像素体系结构。在图3中，将像素1 及1 排列成两行及一列。每一像素电路300的所说明实施例包括光电二极管PD、转移晶体管Tl、复位晶体管T2、源极跟随器 (“SF”)晶体管T3及选择晶体管T4。在操作期间，转移晶体管Tl接收转移信号TX，该转移信号TX将积聚在光电二极管PD中的电荷转移至浮动扩散节点FD。在一项实施例中，浮动扩散节点FD可耦合至用于临时储存图像电荷的储存电容器。复位晶体管T2耦合在电轨 VDD与浮动扩散节点FD之间以在复位信号RST的控制下复位(例如，使FD放电或充电至预设电压)。浮动扩散节点FD经耦合以控制SF晶体管T3的栅极。SF晶体管T3耦合在电轨 VDD与选择晶体管T4之间。SF晶体管T3作为提供来自像素的高阻抗输出的源极跟随器而操作。最后，选择晶体管T4在选择信号SEL的控制下选择性地将像素电路300的输出耦合至读出列线。在一项实施例中，由控制电路220产生TX信号、RST信号及SEL信号。图4是根据本发明的一实施例的BSI图像传感器400的截面图，该BSI图像传感器400包括像素电路区域401及周边电路区域402且具有置于其背面上的经激光退火的掺杂剂层405。像素电路区域401包括用于实现图2的像素阵列205内的像素Pl至Pn的电路的电路及像素元件。像素电路区域401的所说明实施例包括P+掺杂剂层405、P_外延层410、光电二极管区域415、P阱420、N+源极/漏极扩散体425、像素晶体管(仅说明了转移晶体管Tl及复位晶体管1 、层间介电层445、P+钝化或钉扎层447及金属叠层450。置于管芯背面上的层包括平坦化层460及465、彩色滤光片470及471、微透镜480、抗反射层490、氮化硅层 491及492以及金属光屏蔽物493。金属叠层450的所说明实施例包括由层间电介质455 分隔开且用触点互连的多个金属层(例如，M1、M2等)。尽管图4仅说明两层的金属叠层， 但金属叠层450可包括更多或更少层以用于经由像素阵列205的前侧来路由信号。最后， 浅沟槽隔离(“STI”)隔离所说明像素的内部组件与邻近像素(未说明)。在图4中，像素电路区域401示成紧邻于周边电路区域402然而，像素电路区域 401与周边电路区域402可由置于外延层410内的一个或多个STI和/或掺杂阱分隔开，该一个或多个STI和/或掺杂阱隔离像素阵列与图像传感器400的其余部分。在一项实施例中，周边电路区域402包括用于实现读出电路210、控制电路220及其它电路的电路，但至少排除图3中所说明的晶体管T1-T4及光电二极管PD。图5是说明根据本发明的一实施例的用于制造BSI图像传感器400的工序500的流程图。将参照图6A至图6E来描述工序500。在工序500中出现的一些或全部工序框的次序不应被视作限制性的。更确切而言，受益于本发明的本领域普通技术人员将理解，可按多种未说明的次序来执行工序框中的一些。在工序框505中，图像传感器400的制造遵循常规技术直至后端工艺(“BE0L”) 组件的制造，包括扩散植入物、硅化物、像素晶体管电路及金属叠层450(参见图6A)。在工序框510中，在金属叠层450之上将处置晶片接合至BSI图像传感器400的前侧。在工序框515中，使图像传感器400的背面薄化以移除P+衬底且曝露P-外延层410。可用化学机械抛光(“CMP”)与化学蚀刻的组合来执行背面薄化。在工序框520中，将掺杂剂层405植入至图像传感器400的背面中作为覆盖式 (blanket) P+掺杂剂层(参见图6B)。在一项实施例中，使用已建立的离子植入技术将硼植入至背表面中。掺杂剂层405形成掺杂剂梯度，该梯度提供用于将光生电子垂直地推向光电二极管区域415的收集耗尽区域的垂直电力。另外，掺杂剂层405使P-外延层410的背表面钝化，且由此防止来自背表面的漏电流进入N+光电二极管区域415。在使用背面植入物的标准BSI制造工序中，掺杂剂植入后通常跟随激光退火以激活掺杂剂。在激光退火期间，经退火的表面的温度可取决于激光波长、功率、穿透深度及脉冲时间而大大上升超过1000C。然而，预期温度在半导体材料(例如，硅)内归因于至主体中的热扩散而下降。BSI结构基本上为绝缘体上半导体(“S0I”)器件，因为硅有源区域由 BEOL介电层与较大体硅衬底隔离。当硅有源区域较厚(L>4微米)时，背表面与前表面之间的距离足够大以使得前表面温度显著低于背表面温度。举例而言，若背表面温度上升至 > 1000C，则前表面温度应仍在400C以下。然而，厚硅增加邻近像素之间的电串扰。在背表面附近产生的光电子归因于背表面P+掺杂(即，掺杂剂层405)而经受朝向前表面的垂直力。除了所产生的垂直运动之外，电子归因于扩散而横向地移动。电子为了到达光电二极管收集区域必须行进越远，其横向地扩散至相邻像素中(称为电串扰的现象)的机率便越高。因此，BSI技术倾向于较薄的硅厚度(L<4微米)以减少电串扰。减小硅厚度在使背面掺杂剂层405激光退火方面引入工艺复杂性。在激光退火期间，像素电路及周边电路中的金属引线及触点曝露于激光退火相关的热，进而导致可能的破坏。像素电路区域401中的金属引线及触点通常不承载与周边电路区域402中的典型金属引线一样大的电流。因此，因为所得的增加的引线电阻在较低电流下影响较小，像素电路区域401可经受住比周边电路区域402更大的热应力破坏(例如， 造成电阻增大的损害)。在实验中发现，当在激光退火之前在掺杂剂层405之上沉积双重目的的抗反射及绝热层(例如，氧化物或氧化硅)时，达成相同的背面退火特性需要较小激光功率。因此，在工序框525中，在图像传感器400的背表面上沉积大致200埃士 100埃的抗反射层490 (例如，氧化硅)。在工序框530中，使用光图案化从邻近于周边电路402或在周边电路402之下的背面部分移除抗反射层490(参见图6C)。在一项实施例中，抗反射层490形成像素阵列205之下的单个连续覆盖层。在工序框535中，用激光(例如，绿光波长激光)对图像传感器400的背表面进行退火。抗反射层490作用为以下两者抗反射膜，其促进至掺杂剂层405中的较大激光穿透；及在像素电路401下方的区域中的掺杂剂层405之上的热覆盖层，其减少向背面外的散热。因而，较小功率(例如，与在抗反射层490不存在的情况下对掺杂剂层405进行激光退火所需的强度或脉冲持续时间相比，较小激光强度或较短激光脉冲)可达到使像素电路区域401下方的掺杂剂层405退火的必需热量。然而，因为自周边电路区域402下方的掺杂剂层405移除抗反射层490，所以较大激光功率在此区域中反射离开背表面且较大热耗散可在此区域中向背表面外辐照，由此在退火工艺期间降低局部温度，且导致对周边电路区域402的较少的激光退火相关热损害。在掺杂剂层405的激光退火之前从周边电路区域402移除氧化物看似提供许多优点。硅所吸收的能量的量减少，由此减小曝露的管芯部分的温度上升。通常在光电二极管区域415上方不存在金属/硅化物触点，且因此前表面可容许比具有金属触点的区域大的温度上升。金属触点通常在400C以上老化，但掺杂剂分布在800C以下通常不扩散。在一些实施例中，在激光退火之前施用金属光屏蔽物493，由此进一步保护周边电路区域402使其免于高温退火工艺的有害影响。另外，金属光屏蔽物493阻挡激光且禁止掺杂剂层405 的在金属光屏蔽物493之后的部分被激活。掺杂剂层405的未激活部分导致高重组区。迁移至或形成于此区域中的电子将较容易重组，从而减少串扰。在工序框MO中，跨越图像传感器400的背面沉积金属光屏蔽物493。在工序框 545中，从像素电路区域401下方移除金属光屏蔽物493 (参见图6D)，从而留下金属以阻挡光进入周边电路及暗电流基准单元。在工序框550中，跨越管芯的背面沉积氮化硅(图 6E)，从而形成氮化硅层491及492 (参见图6F)。虽然抗反射层490的厚度(例如，300埃)单独用于改良绿光退火激光的透射，但亦可选择成使得当其与氮化硅层491组合时，产生宽带抗反射多层结构。在一项实施例中， 针对图像传感器400的操作期间的典型入射图像光的RGB可见光谱设计抗反射多层结构。在工序框555中，用添加平坦化层460及465、彩色滤光片470及471及微透镜480 来完成图像传感器400的制造(参见图6F)。请注意，图4及图6A至图6F仅说明像素阵列 205内的单个像素的横截面。因此，尽管抗反射层490、氮化硅层491及492以及金属光屏蔽物493的实施例可为由多个重复的器件共享的覆盖层，但成像系统200的制造将包括彩色滤光片470及471的阵列及微透镜480的阵列的制造。本发明的所说明实施例的以上描述(包括“发明摘要”中所描述的内容)并不旨在详尽的或将本发明限于所揭示的精确形式。如本领域技术人员将认识到，尽管本文中出于说明性目的而描述了本发明的特定实施例及示例，但各种修改在本发明的范围内是可能的。可根据上文的详细描述来对本发明进行这些修改。在以下权利要求中所使用的术语不应被解释为将本发明限于本说明书中所揭示的特定实施例。更确切而言，本发明的范围将完全由以下权利要求来确定，权利要求将根据权利要求解释的已建立准则来理解。
权利要求
1.一种制造包括像素电路区域及周边电路区域的图像传感器的方法，所述方法包括 在所述图像传感器的前侧上或所述前侧中制造前侧组件；在所述图像传感器的背面上植入掺杂剂层；在所述背面上形成抗反射层，所述抗反射层覆盖所述掺杂剂层的在所述像素电路区域下方的第一部分而曝露所述掺杂剂层的在所述周边电路区域下方的第二部分；以及经由所述抗反射层从所述图像传感器的所述背面对所述掺杂剂层的所述第一部分进行激光退火，其中所述抗反射层增大退火激光至所述掺杂剂层的所述第一部分中的穿透， 同时相对于所述激光退火期间从所述掺杂剂层的所述第二部分向所述图像传感器的所述背面外的第二散热速率减小所述激光退火期间从所述掺杂剂层的所述第一部分向所述图像传感器的所述背面外的第一散热速率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光退火的激光强度或激光脉冲持续时间中的至少一个减小至低于在所述抗反射层不存在的情况下激光退火所述掺杂剂层所需的级别。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述抗反射层使所述掺杂剂层的所述第一部分的第一温度在所述激光退火期间相比于所述掺杂剂层的未被所述抗反射层所覆盖的所述第二部分的第二温度增大，从而导致所述周边电路区域中的第一前侧电路的热损害小于所述像素电路区域中的第二前侧电路的热损害。
4.如权利要求1所述的方法，其进一步包括在所述抗反射层之上形成氮化硅层，其中所述抗反射层及所述氮化硅层的厚度选择成使得所述抗反射层单独用于增大所述退火激光的透射，同时所述抗反射层及所述氮化硅层的组合形成多层抗反射结构，所述多层抗反射结构用于改良在所述图像传感器的操作期间入射在所述图像传感器的所述背面上的宽带可见光谱光的透射。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述抗反射层的厚度在100埃与300埃之间。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光退火包含利用绿光波长激光的激光退火。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述像素电路区域包含所述管芯的包括成像像素阵列的第一部分，且其中所述周边电路区域包含所述管芯的不包括成像像素阵列的第二部分。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述抗反射层包含氧化硅。
9.如权利要求1所述的方法，其进一步包括在所述掺杂剂层的在所述周边电路区域下方的所述第二部分之上形成金属光屏蔽物。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，制造所述前侧组件包括 在半导体衬底上形成外延层；在所述像素电路区域内的所述外延层的前侧上或所述前侧内形成光电二极管区域及相关联的像素电路；在所述外延层的所述前侧上形成金属叠层；以及从所述外延层的背面移除所述半导体衬底。
11.如权利要求10所述的方法，其进一步包括从所述背面使所述外延层薄化，直至所述外延层的厚度小于或等于4微米。
12.如权利要求11所述的方法，其进一步包括在所述像素电路区域下方在所述背面之上形成微透镜阵列。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述图像传感器包括背面照射式互补金属氧化物半导体(CM0Q图像传感器。
14.一种背面照射式(“BSI”)互补金属氧化物半导体(“CMOS”)图像传感器，其包括置于半导体层的第一区域中或所述第一区域上的光敏区域阵列与像素电路，所述光敏区域对入射在所述BSI CMOS图像传感器的背面上的光敏感；周边电路，其置于所述半导体层的第二区域中或所述第二区域上； 掺杂剂层，其置于所述半导体层的背面上；以及抗反射层，其置于在所述半导体层的所述第一区域下方的所述掺杂剂层上。
15.如权利要求14所述的BSICMOS图像传感器，其特征在于，所述掺杂剂层的上面置有所述抗反射层的第一部分经由激光退火来激活，且所述掺杂剂层的未被所述抗反射层所覆盖的第二部分保持未激活。
16.如权利要求15所述的BSICMOS图像传感器，其特征在于，所述掺杂剂层的所述第一部分包括置于光敏区域阵列下方的单个连续部分，且所述掺杂剂层的所述第二部分在所述光敏区域阵列周边。
17.如权利要求15所述的BSICMOS图像传感器，其进一步包括置于所述抗反射层上的氮化硅层，其中所述抗反射层及所述氮化硅层的厚度选择成使得所述抗反射层单独用于增大退火激光的透射，同时所述抗反射层及所述氮化硅层的组合形成多层抗反射结构，所述多层抗反射结构用于改良宽带可见光谱光至所述光敏区域阵列的透射。
18.如权利要求17所述的BSICMOS图像传感器，其特征在于，所述抗反射层包括氧化娃。
19.如权利要求17所述的BSICMOS图像传感器，其特征在于，所述氧化硅层的厚度在 100埃与300埃之间。
20.如权利要求17所述的BSICMOS图像传感器，其进一步包括置于所述掺杂剂层的在所述周边电路之下的所述第二部分上的金属光屏蔽物，其中所述氮化硅层在所述抗反射层及所述金属光屏蔽物之上延伸。
21.如权利要求20所述的BSICMOS图像传感器，其进一步包括一个或多个平坦化层，所述一个或多个平坦化层置于所述氮化硅层上； 彩色滤光片阵列，其置于所述平坦化层之一上，所述彩色滤光片阵列置于所述光敏区域阵列之下；微透镜阵列，其置于所述彩色滤光片阵列上，所述微透镜阵列用于将入射在所述BSI CMOS图像传感器阵列的所述背面上的所述光聚焦至所述光敏区域阵列中。
全文摘要
本文涉及用于图像传感器的改良的激光退火。一种用于制造包括像素电路区域及周边电路区域的图像传感器的技术包括在该图像传感器的前侧上制造前侧组件。在该图像传感器的背面上植入掺杂剂层。抗反射层形成在该背面上且覆盖该掺杂剂层的在像素电路区域下方的第一部分同时曝露该掺杂剂层的在周边电路区域下方的第二部分。经由该抗反射层从该图像传感器的背面对该掺杂剂层的第一部分进行激光退火。该抗反射层使该掺杂剂层的第一部分的温度在该激光退火期间增加。
文档编号H04N5/374GK102237386SQ20111011468
公开日2011年11月9日 申请日期2011年4月25日 优先权日2010年4月27日
发明者D·毛, H·E·罗兹, V·韦内齐亚, 戴幸志, 钱胤 申请人:美商豪威科技股份有限公司