BSI图像传感器及其形成方法与流程

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种bsi图像传感器及其形成方法。

背景技术：

图像传感器是摄像设备的核心部件，通过将光信号转换成电信号实现图像拍摄功能。以互补金属氧化物半导体图像传感器(cmosimagesensors，cis)器件为例，由于其具有低功耗和高信噪比的优点，因此在各种领域内得到了广泛应用。

以后照式(back-sideillumination，bsi)cis为例，在现有的制造工艺中，先形成器件晶圆，所述器件晶圆内形成逻辑器件、像素器件以及金属互连结构，然后对承载晶圆的正面与所述器件晶圆的正面进行键合，进而对器件晶圆的背部进行减薄，进而在器件晶圆的背面形成cis的后续工艺，例如在所述像素器件的半导体衬底背面形成网格状的格栅(grid)，在所述格栅之间的网格内形成滤光镜(filter)矩阵等。

在现有的对承载晶圆的正面与所述器件晶圆的正面进行键合的工艺中，在器件晶圆正面和承载晶圆的正面均沉积一层氧化层，然后通过对氧化层进行激活，在界面处生成si-o-h的结构，在后续进行退火的过程中，两片晶圆之间形成si-o键，并通过si-o键固定在一起。

然而，在退火过程中，界面处的si-o-h结构会反应生成h2o，进而由于h2o水汽逸出，在氧化层中形成空洞(void)，随着晶圆面积增大，晶圆中心区域的水汽需要移动更远的路径才能移动至晶圆的边缘区域，进而离开氧化层，导致空洞数量变多、空洞尺寸增大。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供一种bsi图像传感器及其形成方法，可以减少键合层中的空洞，提高bsi图像传感器的品质。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种bsi图像传感器的形成方法，包括：提供器件晶圆和承载晶圆，所述器件晶圆内具有多个图像传感器器件，相邻的图像传感器器件之间具有切割区域，且所述器件晶圆的正面具有第一键合层，所述承载晶圆的正面具有第二键合层；对所述切割区域内的第一键合层进行刻蚀以得到多个第一沟槽，和/或，对所述第二键合层进行刻蚀以得到多个第二沟槽；将所述器件晶圆的正面以及所述承载晶圆的正面键合

可选的，所述多个第一沟槽交错成网格状，和/或，所述多个第二沟槽交错成网格状。

可选的，所述第一键合层包括第一氧化物层，对所述切割区域内的第一键合层进行刻蚀以得到多个第一沟槽包括：在所述第一氧化物层的表面形成图形化的第一掩膜板；根据所述第一掩膜板对所述第一氧化物层进行刻蚀，以得到多个第一沟槽。

可选的，所述第一键合层包括第一氧化物层和氮化物层的叠层，对所述切割区域内的第一键合层进行刻蚀以得到多个第一沟槽包括：在所述第一氧化物层的表面形成图形化的第二掩膜板；以所述氮化物层作为停止层，根据所述第二掩膜板对所述第一氧化物层进行刻蚀，以得到多个第一沟槽。

可选的，所述第一氧化物层的材料选自：sio2、sioc以及sion。

可选的，所述第二键合层为第二氧化物层或硅层；其中，所述第二氧化物层的材料选自：sio2、sioc以及sion。

可选的，所述bsi图像传感器的形成方法还包括：对键合后的所述器件晶圆以及承载晶圆进行退火处理。

可选的，所述退火处理的工艺参数选自以下一项或多项：退火压力为10torr至50torr；退火温度为300℃至400℃；退火时长为90分钟至150分钟。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种bsi图像传感器，包括：器件晶圆，所述器件晶圆内具有多个图像传感器器件，相邻的图像传感器器件之间具有切割区域，且所述器件晶圆的正面具有第一键合层；承载晶圆，所述承载晶圆的正面具有第二键合层，所述承载晶圆的正面与所述器件晶圆的正面键合；第一沟槽和/或第二沟槽，其中，所述第一沟槽形成于所述切割区域内的第一键合层内，所述第二沟槽形成于所述第二键合层内。

可选的，所述第一键合层包括：第一氧化物层和氮化物层的叠层；其中，所述第一沟槽的底部暴露出所述氮化物层的表面。

可选的，所述第一氧化物层的材料选自：sio2、sioc以及sion。

可选的，所述第二键合层为第二氧化物层或硅层；其中，所述第二氧化物层的材料选自：sio2、sioc以及sion。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

在本发明实施例中，提供器件晶圆和承载晶圆，所述器件晶圆内具有多个图像传感器器件，相邻的图像传感器器件之间具有切割区域，且所述器件晶圆的正面具有第一键合层，所述承载晶圆的正面具有第二键合层；对所述切割区域内的第一键合层进行刻蚀以得到多个第一沟槽，和/或，对所述第二键合层进行刻蚀以得到多个第二沟槽；将所述器件晶圆的正面以及所述承载晶圆的正面键合。采用上述方案，通过对器件晶圆的切割区域内的第一键合层进行刻蚀以得到多个第一沟槽，和/或对承载晶圆的第二键合层进行刻蚀以得到多个第二沟槽，可以在键合后的界面上形成沟槽，从而使h2o水汽和挥发性有机物经由沟槽逸出，相比于现有技术中，需要使h2o水汽和挥发性有机物移动至晶圆的边缘区域然后离开键合层，可以减少键合层中的空洞，提高bsi图像传感器的品质。

进一步，所述第一键合层包括第一氧化物层和氮化物层的叠层，以所述氮化物层作为停止层，根据所述第二掩膜板对所述第一氧化物层进行刻蚀，以得到多个第一沟槽。采用本发明实施例的方案，可以采用氮化物层作为刻蚀第一氧化物层时的停止层，从而对图像传感器器件更好地进行保护，进一步提高bsi图像传感器的品质。

附图说明

图1是现有技术中一种bsi图像传感器的结构示意图；

图2是现有技术中一种bsi图像传感器在对器件晶圆和承载晶圆进行键合后的退火原理示意图；

图3是本发明实施例中一种bsi图像传感器的形成方法的流程图；

图4至图12是本发明实施例中一种bsi图像传感器的形成方法中各步骤对应的器件结构示意图；

图13是本发明实施例中一种bsi图像传感器的剖面结构示意图。

具体实施方式

在现有技术中，对承载晶圆的正面与所述器件晶圆的正面进行键合时，通常在器件晶圆正面和承载晶圆的正面均沉积一层氧化层。

参照图1，图1是现有技术中一种bsi图像传感器的结构示意图。所述bsi图像传感器包括器件晶圆100和承载晶圆110。

其中，所述器件晶圆100内具有多个图像传感器器件，且所述器件晶圆的正面具有第一氧化层101，所述承载晶圆110的正面具有第二氧化层111，所述承载晶圆110的正面与所述器件晶圆100的正面键合，交界处氧化层内的水汽130需要移动至晶圆的边缘区域，然后离开氧化层(如图2中示出的虚线箭头)。

参照图2，图2是现有技术中一种bsi图像传感器在对器件晶圆和承载晶圆进行键合后的退火原理示意图。

具体地，在对器件晶圆和承载晶圆进行键合后，可以通过对第一氧化层以及第二氧化层进行激活，在界面处生成si-o-h的结构，进而在退火的过程中，两片晶圆之间形成si-o键，并通过si-o键固定在一起。其中，所述激活的步骤可以为：采用等离子体(plasma)破坏si-o键(silicon-oxygenbond)，输入去离子水(di-water)以在被破坏的si-o键处生成si-o-h的结构。

进而在退火过程中，界面处的si-o-h结构形成si-o键，并通过si-o键使器件晶圆和承载晶圆固定在一起。

本发明的发明人经过研究发现，在退火过程中，由于界面处的si-o-h结构形成si-o键，会生成h2o，进而由于退火的温度较高(例如300℃至400℃)，会导致h2o呈气态逸出。进一步地，逸出的水汽容易在氧化层中形成空洞，晶圆中心区域的水汽需要移动至晶圆的边缘区域，进而离开氧化层，并且随着晶圆面积增大，需要移动的路径更远，导致空洞数量变多、空洞尺寸增大。

在本发明实施例中，提供器件晶圆和承载晶圆，所述器件晶圆内具有多个图像传感器器件，相邻的图像传感器器件之间具有切割区域，且所述器件晶圆的正面具有第一键合层，所述承载晶圆的正面具有第二键合层；对所述切割区域内的第一键合层进行刻蚀以得到多个第一沟槽，和/或，对所述第二键合层进行刻蚀以得到多个第二沟槽；将所述器件晶圆的正面以及所述承载晶圆的正面键合。采用上述方案，通过对器件晶圆的切割区域内的第一键合层进行刻蚀以得到多个第一沟槽，和/或对承载晶圆的第二键合层进行刻蚀以得到多个第二沟槽，可以在键合后的界面上形成沟槽，从而使h2o水汽和挥发性有机物经由沟槽逸出，相比于现有技术中，需要使h2o水汽和挥发性有机物移动至晶圆的边缘区域然后离开键合层，可以减少键合层中的空洞，提高bsi图像传感器的品质。

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

参照图3，图3是本发明实施例中一种bsi图像传感器的形成方法的流程图。所述bsi图像传感器的形成方法可以包括步骤s11至步骤s13：

步骤s11：提供器件晶圆和承载晶圆，所述器件晶圆内具有多个图像传感器器件，相邻的图像传感器器件之间具有切割区域，且所述器件晶圆的正面具有第一键合层，所述承载晶圆的正面具有第二键合层；

步骤s12：对所述切割区域内的第一键合层进行刻蚀以得到多个第一沟槽，和/或，对所述第二键合层进行刻蚀以得到多个第二沟槽；

步骤s13：将所述器件晶圆的正面以及所述承载晶圆的正面键合。

下面结合图4至图12对上述各个步骤进行说明。

图4至图12是本发明实施例中一种bsi图像传感器的形成方法中各步骤对应的器件结构示意图。

参照图4，提供器件晶圆200，所述器件晶圆200内具有多个图像传感器器件(图未示)，相邻的图像传感器器件之间具有切割区域，且所述器件晶圆的正面具有第一键合层201。

具体地，所述图像传感器器件例如可以包括形成在半导体衬底内的逻辑器件、像素器件，以及形成在半导体衬底的表面的金属互连结构。

在封装测试的过程中，会从晶圆上对每个晶片(die)进行切割，然后经过封装工艺形成芯片(chip)，因此在器件设计中，会设计切割区域，所述切割区域上通常仅存在整片测试键(testkey)，而不存在有效的半导体器件，从而可以在不伤害芯片的情况下进行对晶圆进行切割。其中，所述切割区域又可以称为切割道(scribeline)。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述第一键合层201可以包括第一氧化物层203和氮化物层202的叠层，例如所述第一氧化物层203形成于所述氮化物层202的表面。

在本发明实施例的另一种具体实施方式中，所述第一键合层201可以包括第一氧化物层203，所述第一氧化物层203形成于所述器件晶圆200的表面。

进一步地，所述第一氧化物层203的材料可以选自：二氧化硅(sio2)、碳氧化硅(sioc)以及氮氧化硅(sion)。

参照图5，对所述切割区域内的第一键合层201进行刻蚀以得到多个第一沟槽241。

具体地，可以在所述第一键合层201的表面形成图形化的第一掩膜板261，然后根据所述第一掩膜板261对所述第一键合层201内的第一氧化物层203进行刻蚀，以得到多个第一沟槽241。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述第一键合层201可以包括第一氧化物层203,对所述切割区域内的第一键合层201进行刻蚀以得到多个第一沟槽241的步骤可以包括：在所述第一氧化物层203的表面形成图形化的第一掩膜板261；根据所述第一掩膜板261对所述第一氧化物层203进行刻蚀，以得到多个第一沟槽241。

在本发明实施例中，通过设置第一沟槽241形成于所述切割区域中，可以有效地对器件晶圆200中的图像传感器器件进行保护，避免在形成第一沟槽241的过程中对其造成伤害。

在本发明实施例的另一种具体实施方式中，所述第一键合层201可以包括第一氧化物层203和氮化物层202的叠层，对所述切割区域内的第一键合层201进行刻蚀以得到多个第一沟槽241的步骤可以包括：在所述第一氧化物层的表面形成图形化的第二掩膜板；以所述氮化物层202作为停止层，根据所述第二掩膜板对所述第一氧化物层203进行刻蚀，以得到多个第一沟槽241。

其中，所述第二掩膜板的形成以及结构可以参照图5示出的第一掩膜板261。

在本发明实施例中，以所述氮化物层202作为停止层，根据所述第二掩膜板对所述第一氧化物层203进行刻蚀，以得到多个第一沟槽241。采用本发明实施例的方案，可以采用氮化物层202作为刻蚀第一氧化物层203时的停止层，从而对图像传感器器件更好地进行保护，进一步提高bsi图像传感器的品质。

在本发明实施例中，通过设置第一沟槽241形成于所述切割区域中，并且采用氮化物层202作为刻蚀工艺的停止层(stoplayer)，可以进一步有效地对器件晶圆200中的图像传感器器件进行保护，避免在形成第一沟槽241的过程中对其造成伤害。

进一步地，所述多个第一沟槽241可以交错成网格状。

在本发明实施例中，由于所述多个第一沟槽241均位于切割区域内，且所述切割区域呈网状分布，因此可以设置多个第一沟槽241交错成网格状，以使得多个第一沟槽241包围一个或多个芯片，从而使多个第一沟槽241围绕的区域内的水汽可以通过附近的第一沟槽241逸出，提高半导体器件的品质。

结合参照图6和图7，图6是本发明实施例中一种bsi图像传感器的器件剖面结构示意图，图7是图6示出的bsi图像传感器的顶视图。

去除第一掩膜板261(参照图5)，所述第一沟槽241形成于所述切割区域内的第一键合层201内。具体地，所述第一沟槽241的底部暴露出所述氮化物层202的表面。

参照图8，提供承载晶圆210，所述承载晶圆210的正面具有第二键合层211。

其中，所述承载晶圆210可以为硅衬底，或者所述承载晶圆210的材料还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟等适当的材料。

所述第二键合层211可以为第二氧化物层或硅层，所述第二氧化物层可以形成于所述承载晶圆210的表面。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述硅层可以为额外形成的硅材料层；在本发明实施例的另一种具体实施方式中，所述承载晶圆210可以为硅衬底，则所述硅层还可以为承载晶圆210的硅衬底的一部分。

进一步地，所述第二氧化物层的材料可以选自：二氧化硅(sio2)、碳氧化硅(sioc)以及氮氧化硅(sion)。

参照图9，对所述第二键合层211进行刻蚀以得到多个第二沟槽242。

具体地，可以在所述第二键合层211的表面形成图形化的第二掩膜板262，然后根据所述第二掩膜板262对所述第二键合层211进行刻蚀，以得到多个第二沟槽242。

进一步地，所述多个第二沟槽242可以交错成网格状。

在本发明实施例中，可以设置多个第二沟槽242交错成网格状，以使得在将所述器件晶圆的正面以及所述承载晶圆的正面键合后，多个第二沟槽242包围器件晶圆内一个或多个芯片，从而使第二沟槽242围绕的区域内的水汽可以通过附近的第一沟槽241逸出，提高半导体器件的品质。

进一步地，由于对芯片进行切割封装时，会去除围绕图像传感器器件的无效区域(例如切割区域)，因此设置第二沟槽242交错成网格状，有助于在切割时去除第二沟槽242，相比于第二沟槽242在器件晶圆上的投影落在图像传感器器件的中心区域，降低对芯片成品的影响。

结合参照图10和图11，图10是本发明实施例中一种bsi图像传感器的器件剖面结构示意图，图11是图10示出的bsi图像传感器的顶视图。

去除第一掩膜板262(参照图9)，所述第二沟槽242形成于所述第二键合层211内。具体地，所述第一沟槽241的底部暴露出所述承载晶圆210的表面。

参照图12，将所述器件晶圆200的正面以及所述承载晶圆210的正面键合。

在本发明实施例中，可以设置仅在器件晶圆200内具有第一沟槽，还可以设置仅在承载晶圆210内具有第二沟槽，还可以设置在器件晶圆200内具有第一沟槽并且在承载晶圆210内具有第二沟槽。

如图12所示，当在器件晶圆200内具有第一沟槽并且在承载晶圆210内具有第二沟槽时，可以设置第一沟槽与第二沟槽的位置一一对应。

在本发明实施例中，通过设置第一沟槽与第二沟槽的位置一一对应，可以在将所述器件晶圆200的正面以及所述承载晶圆210的正面键合后，使得沟槽的深度增加，从而更有助于水汽逸出。其中，所述沟槽的深度方向垂直于器件晶圆200以及承载晶圆210的表面。

进一步地，所述bsi图像传感器的形成方法还可以包括：对键合后的所述器件晶圆200以及承载晶圆210进行退火处理。

具体地，所述退火处理的工艺参数可以选自以下一项或多项：

退火压力为10torr至50torr；

退火温度为300℃至400℃；

退火时长为90分钟至150分钟。

在具体实施中，通常退火的温度较高，大于h2o蒸发的温度，且退火时长较长，因此容易导致界面处的si-o-h结构形成si-o键时生成的h2o呈气态逸出，进而在氧化层中形成空洞。

在本发明实施例中，通过对器件晶圆200的切割区域内的第一键合层201进行刻蚀以得到多个第一沟槽，和/或对承载晶圆210的第二键合层211进行刻蚀以得到多个第二沟槽，可以在键合后的界面上形成沟槽，从而使h2o水汽和挥发性有机物经由沟槽逸出，相比于现有技术中，需要使h2o水汽和挥发性有机物移动至晶圆的边缘区域然后离开键合层，可以减少键合层中的空洞，提高bsi图像传感器的品质。

参照图13，图13是本发明实施例中一种bsi图像传感器的剖面结构示意图。所述bsi图像传感器包括器件晶圆200和承载晶圆210。

其中，所述器件晶圆200的正面具有第一键合层201，所述承载晶圆110的正面具有第二键合层211，所述承载晶圆210的正面与所述器件晶圆200的正面键合，交界处键合层内的水汽230仅需要移动至沟槽，就可以离开键合层(如图13中示出的虚线箭头)。

在本发明实施例中，由于存在沟槽，h2o水汽和挥发性有机物移动的距离有效减少，有助于减少键合层中的空洞，提高bsi图像传感器的品质。

在本发明实施例中，还提供了一种bsi图像传感器，如图12所示，包括：器件晶圆200，所述器件晶圆200内可以具有多个图像传感器器件，相邻的图像传感器器件之间具有切割区域，且所述器件晶圆200的正面具有第一键合层201；承载晶圆210，所述承载晶圆210的正面具有第二键合层，所述承载晶圆210的正面与所述器件晶圆200的正面键合；第一沟槽和/或第二沟槽，其中，所述第一沟槽形成于所述切割区域内的第一键合层201内，所述第二沟槽形成于所述第二键合层211内。

进一步地，所述第一键合层201可以包括：第一氧化物层203和氮化物层202的叠层；其中，所述第一沟槽的底部可以暴露出所述氮化物层202的表面。

进一步地，所述第一键合层201可以包括：第一氧化物层203；其中，所述第一沟槽的底部可以暴露出所述器件晶圆200的表面。

进一步地，所述第一氧化物层203的材料可以选自：sio2、sioc以及sion。

进一步地，所述第二键合层211可以为第二氧化物层或硅层；其中，所述第二氧化物层的材料可以选自：sio2、sioc以及sion。

关于该bsi图像传感器的原理、具体实现和有益效果请参照前文及图3至图12示出的关于bsi图像传感器的形成方法的相关描述，此处不再赘述。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。