专利名称：Bsi图像传感器形成方法
技术领域：
本发明涉及图像传感器形成方法，特别涉及一种BSI图像传感器形成方法。
背景技术：
图像传感器是数字摄像头的重要组成部分，根据元件不同分为电荷耦合(CXD， Charge Coupled Device)图像传感器和金属氧化物半导体(CMOS，Complementary Metal-Oxide Semiconductor)图像传感器。在公开号为CN101312202A的中国专利申请中公开了一种现有的CMOS图像传感 器。现有的CMOS图像传感器包括半导体衬底，所述半导体衬底通常包括若干呈矩阵排布的 像素单元区域，相邻的像素单元区域之间具有浅沟槽隔离结构(STI)。请参考图1，图1是 现有的背面照光(BSLBackside illuminated)的CMOS图像传感器结构示意图，所述CMOS 图像传感器包括半导体衬底100，所述半导体衬底100包括若干像素单元区域103，图中 以2个像素单元区域103为例进行说明；相邻像素单元区域103之间具有浅沟槽隔离结构 106 ；其中所述像素单元区域103包括光电二极管区域104和晶体管区域105，所述光电二 极管区域104用于形成光电二极管，所述光电二极管用于光电转换；所述晶体管区域105用 于形成晶体管，所述晶体管用于将光电二极管转换的电信号放大后输出。所述半导体衬底 100包括第一表面101和与之相对的第二表面102。光线从第二表面102进入像素单元区 域103内。然而，因为半导体衬底100的厚度通常是600-1000 μ m,可见光从第二表面102入 射，在半导体衬底100内传播的过程中，会被全部吸收而无法进入像素单元区域103。所以 在实际工艺中会通过研磨工艺将半导体衬底100的厚度研磨到5 μ m左右，再通过刻蚀工艺 将半导体衬底100的厚度减薄到2μπι左右。现有的研磨工艺是先沿第一表面101对半导 体衬底100进行离子注入，形成掺杂层，并且通过控制掺杂的能量和剂量使得近邻第一表 面101的区域的掺杂浓度尽量小。然后以所形成的掺杂层为研磨阻挡层，沿第二表面102对 半导体衬底100进行研磨，直到半导体衬底100的厚度为5μπι左右，再通过刻蚀工艺将半 导体衬底100的厚度减薄到2μπι左右，然后在经过上述处理所形成的表面上形成微透镜。但是实际中发现，通过上述方法所形成的BSI图像传感器的产品良率比较低，并 且图像传感器的性能不好，比如容易产生偏色现象。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种BSI图像传感器的形成方法，所提供的方法可以提 高BSI图像传感器的良率，并且改进BSI图像传感器的性能。为解决上述问题，本发明提供一种BSI图像传感器的形成方法，包括提供半导体衬底，所述半导体衬底包括第一表面和与之相对第二表面；在第一表面形成第一外延层，所述半导体衬底相对于所述第一外延层具有较高研 磨选择比；
在第一外延层表面形成第二外延层，所述第二外延层包括朝向第一外延层的下表 面，和背离第一外延层的上表面；沿所述第二表面研磨所述半导体衬底，直至暴露第一外延层；去除第一外延层，暴露第二外延层的下表面；在第二外延层的下表面依次形成有滤光片和微透镜。优选地，所述半导体衬底相对于所述第一外延层的研磨选择比为3 1-10 1。优选地，所述第一外延层的材料是砷化镓。优选地，所述第一外延层的形成工艺为金属有机化学汽相淀积(MOCVD)工艺。优选地，所述第一外延层的形成参数为温度600-800°C，气压50-500torr，反应 气体为GaRn与AsH3或者GaRn与AsRn，，其中Rn，Rn，为烷基。优选地，所述第一外延层的厚度为1-50 μ m。优选地，采用含有H2SO4或者HCl的溶液湿法去除第一外延层。优选地，所述第二外延层的材料是硅。优选地，所述第二外延层的形成工艺为外延工艺。优选地，所述外延沉积工艺的含硅气体为SiH4或SiH2Cl2或Si2H6，含硅气体的流量 为10-1000sccm，温度600-1100°C，压强l_500Torr，还包括HCl气体，HCl气体的作用是提 高第二外延层的外延选择性。优选地，形成第二外延层的步骤还包括对第二外延层进行掺杂，所述掺杂采用离 子注入掺杂法或者原位掺杂法。优选地，沿所述第二表面研磨所述半导体衬底分为两个研磨阶段，其中，第一研磨 阶段为机械研磨，第二研磨阶段为化学机械研磨。优选地，所述半导体衬底的厚度为50-100 μ m时，第一研磨阶段结束。优选地，第一研磨阶段结束后，开始第二研磨阶段，直至暴露所述第一外延层。与现有技术相比，本发明具有以下优点第一，本发明以第一外延层为研磨停止层，对所述半导体衬底进行研磨，因为所述 第一外延层与所述半导体衬底具有较高研磨选择比，所以研磨所形成的结构表面平坦，厚 度均勻，并且不易碎片，从而提高了 BSI图像传感器的良率。第二，本发明中所形成的第一外延层和第二外延层热稳定性好，在后续高温工艺 中不会热扩散，所以后续形成的滤色片的化学组分稳定，滤光功能好，从而提高了 BSI图像 传感器的性能。
图1是现有的CMOS图像传感器的结构示意图。图2本发明的一个实施例所提供的BSI图像传感器的形成方法的流程示意图。图3至图9为本发明一个实施例所提供的BSI图像传感器的形成方法的剖面结构 示意图。图10为本发明一个实施例所提供的滤光片的俯视图。
具体实施例方式由背景技术可知，通过现有的方法所形成的BSI图像传感器的产品良率比较低， 并且图像传感器的性能不好，容易产生偏色现象。本发明的发明人针对上述问题进行研究， 创造性地在半导体衬底第一表面生长第一外延层，然后沿与第一表面相对的第二表面研磨 所述半导体衬底，并以所述第一外延层为研磨停止层。发明人发现按照上述方法研磨半导 体衬底不易碎片，并且可以提高BSI图像传感器的良率。发明人对上述现象进行分析，现有方法沿半导体衬底第一表面注入离子，形成掺 杂层，并沿与第一表面相对的第二表面研磨所述半导体衬底，并以所述掺杂层为研磨停止 层。发明人认为受掺杂工艺的影响，所形成的掺杂层沿径向的掺杂浓度不一样，而研磨时， 研磨选择性与掺杂浓度相关，掺杂浓度越小，研磨的选择性也越小，这导致研磨所得到的结 构的表面不平整，沿径向的厚度不一致。一般而言，中间部分比较厚，四周比较薄，所以所形 成的BSI图像传感器的良率不够高，此外，在研磨时容易碎片。此外，由于所形成的掺杂层的热稳定性比较差，在高温环境下，掺杂离子会四处扩 散，部分掺杂离子会进入滤光片，从而会对滤光片的滤光性能产生影响，造成偏光现象，影 响所形成的BSI图像传感器的性能。发明人经过进一步的研究，在本发明中提供一种BSI图像传感器形成方法。本发 明所提供的BSI图像传感器的形成方法包括提供半导体衬底，所述半导体衬底包括第一 表面和与之相对的第二表面；在第一表面形成第一外延层，所述半导体衬底相对于所述第 一外延层具有较高研磨选择比；在第一外延层表面形成第二外延层，所述第二外延层包括 朝向第一外延层的下表面，和背离第一外延层的上表面；沿所述第二表面研磨所述半导体 衬底，直至暴露第一外延层；去除第一外延层，暴露第二外延层的下表面；在第二外延层的 下表面依次形成有滤光片和微透镜。本发明所提供的BSI图像传感器的形成方法可以提高BSI图像传感器的良率，并 且可以提高BSI图像传感器的性能。为了阐明本发明的精神和实质，下面结合附图和实施方式对本发明所提供的BSI 图像传感器的形成方法进行详细描述。图2是本发明的一个实施例所提供的BSI图像传感器的形成方法的流程示意图， 包括步骤S101，提供半导体衬底，所述半导体衬底包括第一表面和与之相对的第二表面；步骤S102，在第一表面形成第一外延层，所述半导体衬底相对于所述第一外延层 具有较高研磨选择比；步骤S103，在第一外延层表面形成第二外延层，所述第二外延层包括上表面和下 表面，其中，上表面背离第一外延层，下表面朝向第一外延层；步骤S104，在第二外延层内形成光传感区，在第二外延层上表面依次形成像素区、 互连层和钝化层；步骤S105，沿所述第二表面研磨所述半导体衬底，直至暴露第一外延层；步骤S106，去除第一外延层；步骤S107，在第二外延层下表面依次形成滤光片、微透镜。首先，请参考图3，执行步骤S101，提供半导体衬底200，所述半导体衬底200包括第一表面210和与之相对的第二表面220。所述半导体衬底200的材料可以为硅、锗硅、绝缘体上硅等。在本实施例中，所述 半导体衬底200是硅衬底。参考图4，执行步骤S102，在第一表面210形成第一外延层230，所述半导体衬底 200相对于所述第一外延层230具有较高研磨选择比。所述第一外延层230的作用是在后续研磨半导体衬底200的步骤中，起到研磨停 止层的作用。所以所述第一外延层230的材料可以选择满足如下条件所述半导体衬底200 相对于所述第一外延层230有较高刻蚀选择比的任何材料。在本实施例中，所述半导体衬底200是硅衬底，所述第一外延层230的材料选择的 是砷化镓，在本实施例的其他变形中，所述第一外延层230的材料还可以是与硅具有较高 研磨选择比的其他材料。本实施例中，第一外延层230的形成工艺为金属有机化学气相淀 积工艺。所述工艺的参数为温度600-800°C，气压50-500torr，反应气体为GaRn与々州3或 者GaRn与AsRn，，其中Rn，Rn，为烷基。在本发明的较佳实施例中，气压为70_100torr，比 如 85torr。在所述工艺环境中，氢气通过温度可控的液体源鼓泡携带金属有机物到生长区， 即半导体衬底200。并在半导体衬底200发生如下述方程式所示的化学反应，生成砷化镓RnGa+AsHn — GaAs+nRH或RnGa+AsR，η — GaAs+n (R-R，n)其中R、R’为烷基。经过上述工艺所形成的第一外延层230具有与衬底相同的晶向。在本发明的优选 实施例中，形成第一外延层230的工艺中还通入等离子体，所述等离子可以打断半导体衬 底200表面的硅-硅键，有助于反应气体中的砷原子或者镓与半导体衬底200的硅原子键 合，从而进一步提高所形成的第一外延层230与半导体衬底200的结合度。所形成的第一外延层230太薄，可能会在后续第二研磨阶段被机械地研磨去除， 从而无法起来研磨停止层的作用。第一外延层230太厚，会增加后续去除第一外延层230 的工艺难度，并且会造成原料浪费。所以在本发明的实施例中，所述第一外延层230的厚度 范围是1_50μπι，在本发明的优选实施例中，所述第一外延层230的厚度是ΙΟμπι。优选地，所述半导体衬底200相对于所述第一外延层230的研磨选择比为 3 1-10 1。 参考图5，执行步骤S103，在第一外延层230表面形成第二外延层240，所述第二外 延层240包括上表面250和下表面260，其中，上表面250背离第一外延层230，下表面260 朝向第一外延层230。所述第二外延层240的作用是在后续工艺中在下表面260依次形成滤光片和微透 镜，在第二外延层240内形成光传感区，在上表面250依次形成像素区、互连层以及钝化层。 所以第二外延层240的材料可以选择任何与半导体工艺兼容的材料，且第二外延层240的 材料不同于第一外延层230的材料。在本实施例中，通过外延工艺在第一外延层230的表 面形成所述第二外延层240，所述第二外延层240的材料是硅。具体的工艺参数为含硅气体为SiH4或SiH2Cl2或Si2H6，含硅气体的流量为10-1000sccm，温度600-1100°C，压强l_500Torr，还包括HCl气体，HCl气体的作用是提高
第二外延层的外延选择性。所形成的第二外延层240为与第一外延层230具有相同晶向的晶体层。第二外延层240的厚度范围为1_20μπι，在本发明的较佳实施例中，第二外延层 240的厚度为1 7 μ m，比如3 μ m。所述第二外延层240厚度过小可能导致红光透过第二 外延层240的分量过多，导致红光被位于第二外延层240内的光传感区吸收的分量减少，从 而产生偏色。所述第二外延层240厚度过大，经由后续形成的微透镜入射的光在所述第二 外延层240内传播时，可能因为传播路径过长而导致光的损失过大，尤其是蓝光只能在较 浅区域被吸收。在本发明的其他实施例中，还可以根据工艺的需要对第二外延层240进行掺杂， 所述掺杂可以采用原位掺杂法或者离子注入掺杂法。具体地，第二外延层的掺杂浓度为IO14 IOlfVcm3，在本发明的较佳实施例中，所 述第二外延层的掺杂浓度为1015/cm3。所述第二外延层的电阻率为100 10000 Ω · m，在 本发明的较佳实施例中，所述第二外延层的电阻率为1000Ω ·πι。请参考图6，执行步骤S104，在第二外延层240内形成光传感区(未示出)，在第二 外延层240上表面250依次形成像素区280、互连层290和钝化层300。所述光传感区用于将光信号转化为电信号。光传感区包含光电二极管。所述像素区280用于将光电二极管转换的电信号放大后输出。相邻像素之间以隔 离结构，比如浅沟槽隔离结构隔离。所述互连层290由介质层和镶嵌在所述介质层中的金属层组成。所述金属层一般 是2-5层的金属层结构，所述金属的材料可以选择铝或者铜。互连层290的作用是电连接 所形成的BSI图像传感器的部件，并将图像传感器所产生的电信号输出。所述钝化层300对所述互连层290形成保护，所述钝化层300的材料是氧化硅、氮 化硅或者二者的组合。因为形成光传感区、像素区280、互连层290和钝化层300的工艺已是本领域技术 人员公知的技术，在此不再赘述。参考图7，执行步骤S105，沿所述第二表面220研磨所述半导体衬底200，直至暴露 第一外延层230。在形成光传感区、像素区280、互连层290和钝化层300之前，沿所述第二表面220 研磨所述半导体衬底200，因为半导体衬底200与第一外延层230、第二外延层240组成的 结构厚度过小，容易在研磨的过程中产生碎片，所以在本发明的优选实施例中，先形成光传 感区、像素区280、互连层290和钝化层300，然后对半导体衬底200进行研磨。在本发明的 其他实施例中，还可以在形成光传感区、像素区280、互连层290、钝化层300中的任何一个 步骤之后，对半导体衬底200进行研磨，只需要在研磨的过程中不损坏所形成的结构即可。为了进一步提高研磨的效率，在本实施例中，沿所述第二表面230研磨所述半导 体衬底分为两个研磨阶段，其中，第一研磨阶段为机械研磨，第二研磨阶段为化学机械研 磨。在第一研磨阶段，所述半导体衬底的厚度被研磨到50-100 μ m。第一研磨阶段采用 机械研磨的方法进行。可以通过增加研磨剂中研磨颗粒的数目而提高研磨的速度。在本实施例中，通过控制研磨时间控制研磨厚度。第一研磨阶段结束后，开始第二研磨阶段，第二研磨阶段采用化学机械研磨的方 法，通过调节研磨剂中与被研磨材料发生化学反应的反应物的组分，使得半导体衬底200 相对于第一外延层230具有较高的研磨选择比，在本实施例中，半导体衬底200相对于第一 外延层230研磨选择比为3 1-10 1。在本实施例中，被研磨材料为半导体衬底200的材料，即硅。研磨剂中的反应物与 硅发生化学反应，形成疏松的物质，所形成的疏松的物质在与研磨剂中的研磨颗粒的相对 运动中被机械地磨去，直至暴露第一外延层230。参考图8，执行步骤S106，去除第一外延层。在本实施例中，所述第一外延层的材料是砷化镓，所以选择可以溶解砷化镓的溶 液，比如H2SO4或恥1溶液湿法去除所述第一外延层。在本发明的其他实施例中，对应地选 择可以溶解第一外延层的溶液去除所述第一外延层。因为所选择的溶液不溶解硅，所以通过所述的湿法去除工艺可以完整地去除第一 外延层，暴露第二外延层240的下表面260。参考图9，执行步骤步骤S107，在第二外延层240下表面260依次形成滤光片270 和微透镜310。图10是滤光片270的俯视图。所述滤光片270包括横向和纵向间隔分布的滤光 单元，每个滤光单元可以通过蓝光、绿光或者红光中的一种。比如滤光单元400只可以通过 蓝光、滤光单元500只可以通过红光、滤光单元600只可以通过绿光。所述滤光片270的厚 度为3000 10000埃。滤光片270厚度过大，也会造成较大的光损，而不利于传感器成像。形成所述微透镜310为本领域技术人员所熟知。所述微透镜310靠近第二外延层 240的表面为平面，背向第二外延层240的表面为凸面，每一个微透镜与对应的光传感区中 心对准。用于形成微透镜310的材料可以是氧化物，也可以是有机物。用于形成微透镜310 的材料的折射率在1. 4 1. 6之间。具体形成微透镜310的步骤包括，在第二外延层240的下表面260沉积用于微透 镜的材料；随后，用于形成微透镜的材料层通过曝光和显影被图案化；接着，通过回流工艺 得到背向第二外延层240的表面为凸面的微透镜，并且可以通过控制回流工艺的温度控制 所述凸面的曲率半径。与现有技术相比，本发明具有以下优点第一，本发明以第一外延层为研磨停止层，对所述半导体衬底进行研磨，因为所述 第一外延层与所述半导体衬底具有较高研磨选择比，所以研磨所形成的结构表面平坦，厚 度均勻，并且不易碎片，从而提高了 BSI图像传感器的良率。第二，本发明中所形成的第一外延层和第二外延层热稳定性好，在后续高温工艺 中不会热扩散，所以后续形成的滤色片的化学组分稳定，滤光功能好，从而提高了 BSI图像 传感器的性能。本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域 技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发 明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明 的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
权利要求
1.一种BSI图像传感器的形成方法，其特征在于，包括提供半导体衬底，所述半导体衬底包括第一表面和与之相对的第二表面；在第一表面形成第一外延层，所述半导体衬底相对于所述第一外延层具有较高的研磨 选择比；在第一外延层表面形成第二外延层，所述第二外延层包括朝向第一外延层的下表面， 和背离第一外延层的上表面；沿所述第二表面研磨所述半导体衬底，直至暴露第一外延层；去除第一外延层，暴露第二外延层的下表面；在第二外延层的下表面依次形成有滤光片和微透镜。
2.依据权利要求1的BSI图像传感器的形成方法，其特征在于，所述半导体衬底相对于 所述第一外延层的研磨选择比为3 1-10 1。
3.依据权利要求1的BSI图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一外延层的材料 是砷化镓。
4.依据权利要求1的BSI图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一外延层的形成 工艺为金属有机化学气相沉积工艺。
5.依据权利要求3或4的BSI图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一外延层 的形成参数为衬底温度600-800°C，气压50-500torr，反应气体为GaRn与AsH3,或者GaRn 与AsRn，，其中Rn，Rn，为烷基。
6.依据权利要求3或4的BSI图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一外延层的 厚度为1 50 μ m。
7.依据权利要求3的BSI图像传感器的形成方法，其特征在于，采用含有H2SO4或HCl 的溶液湿法去除第一外延层。
8.依据权利要求1的BSI图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第二外延层的材料是硅。
9.依据权利要求IWBSI图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第二外延层的形成 工艺为外延工艺。
10.依据权利要求8或9的BSI图像传感器的形成方法，其特征在于，所述外延沉 积工艺的含硅气体为SiH4或SiH2Cl2或Si2H6，含硅气体的流量为lO-lOOOsccm，温度 600-1100°C、压强l_500Torr，还包括HCl气体，HCl气体的作用是提高第二外延层的外延选 择性。
11.依据权利要求1的BSI图像传感器的形成方法，其特征在于，形成第二外延层的步 骤还包括对第二外延层进行掺杂，所述掺杂采用离子注入掺杂法或者原位掺杂法。
12.依据权利要求1的BSI图像传感器的形成方法，其特征在于，沿所述第二表面研磨 所述半导体衬底分为两个研磨阶段，其中，第一研磨阶段为机械研磨，第二研磨阶段为化学 机械研磨。
13.依据权利要求12的BSI图像传感器的形成方法，其特征在于，当所述半导体衬底的 厚度为50-100 μ m时，第一研磨阶段结束。
14.依据权利要求12的BSI图像传感器的形成方法，其特征在于，第一研磨阶段结束 后，开始第二研磨阶段，直至暴露所述第一外延层。
全文摘要
一种BSI图像传感器的形成方法，包括提供半导体衬底，所述半导体衬底包括第一表面和与之相对的第二表面；在第一表面形成第一外延层，所述半导体衬底相对于所述第一外延层具有较高研磨选择比；在第一外延层表面形成第二外延层，所述第二外延层包括上表面和下表面，其中，上表面背离第一外延层，下表面朝向第一外延层；在第二外延层内形成光传感区，在第二外延层上表面依次形成像素区、互连层和钝化层；沿所述第二表面研磨所述半导体衬底，直至暴露第一外延层；去除第一外延层；在第二外延层下表面依次形成滤光片、微透镜。本发明提高了BSI图像传感器的良率和性能。
文档编号H01L27/146GK102117819SQ20111002133
公开日2011年7月6日 申请日期2011年1月19日 优先权日2011年1月19日
发明者杨瑞坤, 王景 申请人:格科微电子(上海)有限公司