背照式图像传感器及其形成方法与流程

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种背照式图像传感器及其形成方法。

背景技术：

背照式图像传感器是一种将光信号转化为电信号的半导体器件。背照式图像传感器分为互补金属氧化物(cmos)背照式图像传感器和电荷耦合器件(ccd)背照式图像传感器。cmos背照式图像传感器具有工艺简单、易于其它器件集成、体积小、重量轻、功耗小和成本低等优点。因此，随着图像传感技术的发展，cmos背照式图像传感器越来越多地取代ccd背照式图像传感器应用于各类电子产品中。目前，cmos背照式图像传感器已经广泛应用于静态数码相机、数码摄像机、医疗用摄像装置和车用摄像装置等。

cmos背照式图像传感器包括前照式(fsi)背照式图像传感器和背照式(bsi)背照式图像传感器。在背照式背照式图像传感器中，光从背照式图像传感器的背面入射到背照式图像传感器中的感光二极管上，从而将光能转化为电能。

然而，现有的背照式图像传感器的性能有待提高。

技术实现要素：

本发明解决的问题是提供一种背照式图像传感器及其形成方法，以提高背照式图像传感器的性能。

为解决上述问题，本发明提供一种背照式图像传感器的形成方法，包括：提供晶圆，所述晶圆包括隔离区，所述晶圆包括相对的晶圆正面和晶圆背面；从所述晶圆正面对所述晶圆进行第一离子注入，在所述晶圆的隔离区中形成第一隔离掺杂区；形成第一隔离掺杂区后，从所述晶圆背面减薄所述晶圆，晶圆背面至第一隔离掺杂区之间的最小距离大于零；减薄所述晶圆后，从所述晶圆背面对晶圆进行第二离子注入，在所述晶圆的隔离区中形成第二隔离掺杂区，晶圆正面至第二隔离掺杂区之间的最小距离大于零，第二隔离掺杂区与第一隔离掺杂区连接。

可选的，所述第二隔离掺杂区的深度大于所述第一隔离掺杂区的深度。

可选的，所述第一隔离掺杂区与所述第二隔离掺杂区部分重叠；或者，所述第一隔离掺杂区与所述第二隔离掺杂区邻接。

可选的，所述第一隔离掺杂区和所述第二隔离掺杂区的导电类型均为p型。

可选的，还包括：在减薄所述晶圆之前，在所述晶圆的隔离区中形成第一隔离结构，第一隔离结构朝向所述晶圆正面；在减薄所述晶圆之后，在所述晶圆的隔离区中形成第二隔离结构，第二隔离结构朝向所述晶圆背面，所述第二隔离结构与第一隔离结构分立。

可选的，所述第一隔离结构被所述第一隔离掺杂区包围；所述第二隔离结构被所述第二隔离掺杂区包围。

可选的，形成所述第一隔离结构之后，形成第一隔离掺杂区；或者，形成第一隔离掺杂区后，形成所述第一隔离结构。

可选的，形成第二隔离掺杂区后，形成所述第二隔离结构；或者，形成所述第二隔离结构之后，形成第二隔离掺杂区。

可选的，所述第二隔离结构包括第二垫氧化层和第二填充层；形成第二隔离结构的方法包括：在所述晶圆的隔离区中形成第二凹槽，第二凹槽的开口朝向晶圆背面；在所述第二凹槽的内壁形成第二垫氧化层；形成第二垫氧化层后，在第二凹槽中形成位于第二垫氧化层上的传导层；形成所述传导层后，进行退火处理；进行所述退火处理后，去除所述传导层；去除所述传导层之后，在第二凹槽中形成位于第二垫氧化层表面的第二填充层。

可选的，还包括：在形成所述传导层之前，在所述第二凹槽中形成位于所述第二垫氧化层表面的粘附层；在所述第二凹槽中形成位于所述粘附层表面的阻挡层；形成所述传导层之后，所述传导层位于所述阻挡层表面；进行所述退火处理后，且在形成第二填充层之前，去除所述阻挡层和粘附层。

可选的，所述退火处理包括激光退火；所述退火处理的温度为800摄氏度～900摄氏度；形成所述第二垫氧化层的工艺包括原子层沉积工艺。

可选的，所述第一隔离结构包括第一垫氧化层和第一填充层；形成所述第一隔离结构的方法包括：在所述晶圆的隔离区中形成第一凹槽，第一凹槽的开口朝向晶圆正面；在第一凹槽的内壁形成第一垫氧化层；在第一凹槽中形成位于第一垫氧化层表面的第一填充层。

本发明还提供一种背照式图像传感器，包括：晶圆，所述晶圆包括隔离区，所述晶圆包括相对的晶圆正面和晶圆背面；位于所述晶圆的隔离区中的第一隔离掺杂区，第一隔离掺杂区朝向所述晶圆正面；位于所述晶圆的隔离区中的第二隔离掺杂区，第二隔离掺杂区朝向所述晶圆背面，所述第二隔离掺杂区与所述第一隔离掺杂区连接。

可选的，所述第二隔离掺杂区的深度大于所述第一隔离掺杂区的深度。

可选的，还包括：位于所述晶圆的隔离区中的第一隔离结构，第一隔离结构朝向所述晶圆正面，所述第一隔离结构被所述第一隔离掺杂区包围；位于所述晶圆的隔离区中的第二隔离结构，第二隔离结构朝向所述晶圆背面，所述第二隔离结构与第一隔离结构分立，所述第二隔离结构被所述第二隔离掺杂区包围。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明技术方案提供的背照式图像传感器的形成方法中，第二隔离掺杂区与第一隔离掺杂区连接，第二隔离掺杂区和第一隔离掺杂区共同形成隔离掺杂区，与相邻的像素区形成pn结，利用pn结的单向导电性对相邻的像素区进行电学隔离。由于第一隔离掺杂区和第二隔离掺杂区分别从晶圆正面以及晶圆背面分两次形成，因此第一隔离掺杂区的深度和第二隔离掺杂区的深度均得到减小，第一隔离掺杂区和第二隔离掺杂区的形貌较好，第一隔离掺杂区和第二隔离掺杂区中离子分布的均匀性较好。因此第一隔离掺杂区和第二隔离掺杂区的隔离性能较好。综上，提高了背照式图像传感器的性能。

其次，由于第一隔离掺杂区的深度较小，因此减薄晶圆后，晶圆背面不会暴露出第一隔离掺杂区，第一隔离掺杂区无需被部分去除。而第二隔离掺杂区的形成步骤在减薄晶圆的背面后进行，因此第二隔离掺杂区无需被部分去除。综上，降低了工艺成本。

进一步，从晶圆背面隔离相邻的像素区方面，不仅形成了第二隔离结构，还形成了第二隔离掺杂区，采用第二隔离结构和第二隔离掺杂区共同对相邻的像素区进行隔离，提高了隔离效果。从晶圆正面隔离相邻的像素区方面，不仅形成了第一隔离结构，还形成了第一隔离掺杂区，采用第一隔离结构和第一隔离掺杂区共同对相邻的像素区进行隔离，提高了隔离效果。

进一步，所述第二隔离结构被所述第二隔离掺杂区包围，即第二隔离结构的侧壁和底部均被第二隔离掺杂区包围，避免第二隔离结构的缺陷产生暗电流进入像素区中。所述第一隔离结构被所述第一隔离掺杂区包围，即第一隔离结构的侧壁和底部均被第一隔离掺杂区包围，避免第一隔离结构的缺陷产生暗电流进入像素区中。

其次，第二隔离结构和第二隔离掺杂区均在减薄晶圆后形成，这样第二隔离结构能够较为容易的与第二隔离掺杂区的位置对准，避免第二隔离结构与第二隔离掺杂区之间的对准受到在减薄晶圆之前的工艺步骤对晶圆可能产生的形变的影响。

附图说明

图1至图2是一种背照式图像传感器形成过程的结构示意图；

图3至图9是本发明一实施例中背照式图像传感器形成过程的结构示意图。

具体实施方式

正如背景技术所述，现有技术形成的背照式图像传感器的性能较差。

图1至图2是一种背照式图像传感器形成过程的结构示意图。

参考图1，提供晶圆100，所述晶圆100包括隔离区a，所述晶圆100包括相对的晶圆正面1001和晶圆背面1002；从晶圆正面1001对所述晶圆100进行离子注入，在所述晶圆100的隔离区a中形成隔离掺杂区110。

参考图2，从晶圆背面1002减薄所述晶圆100，使所述晶圆背面1002暴露出隔离掺杂区110。

然而，上述方法形成的背照式图像传感器的性能较差，经研究发现，原因在于：

所述隔离掺杂区110适于隔离相邻的像素区。形成隔离掺杂区110的步骤包括：在所述晶圆正面1001形成图像化的光刻胶层，所述图形化的光刻胶层暴露出隔离区a；以所述图形化的光刻胶层为掩膜对隔离区a进行离子注入；之后，去除图形化的光刻胶层。

为了较好的进行电学隔离相邻的像素区，需要使得隔离掺杂区110的深度较深。由于隔离掺杂区110的深度较深，因此对形成隔离掺杂区110的离子注入工艺提出了挑战，具体表现在：需要形成较厚的光刻胶层较，光刻胶层较容易坍塌。基于形成隔离掺杂区110的工艺挑战，进而导致隔离掺杂区110的形貌较差，隔离掺杂区110中离子分布均匀性较差。综上，导致隔离掺杂区110的隔离性能较差。

在此基础上，本发明提供一种背照式图像传感器的形成方法，包括：提供晶圆，所述晶圆包括隔离区；从晶圆正面对所述晶圆进行第一离子注入，在晶圆的隔离区中形成第一隔离掺杂区；之后，从晶圆背面减薄所述晶圆，晶圆背面至第一隔离掺杂区之间的最小距离大于零；之后，从晶圆背面对晶圆进行第二离子注入，在晶圆的隔离区中形成第二隔离掺杂区，晶圆正面至第二隔离掺杂区之间的最小距离大于零，第二隔离掺杂区与第一隔离掺杂区连接。所述方法提高了背照式图像传感器的性能。

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

图3至图9是本发明一实施例中背照式图像传感器形成过程的结构示意图。

参考图3，提供晶圆200，所述晶圆200包括隔离区b，所述晶圆200包括相对的晶圆正面2001和晶圆背面2002。

所述晶圆200的材料包括单晶硅。所述隔离区b位于相邻的像素区(未标示)之间。

参考图4，在所述晶圆200的隔离区b中形成第一隔离结构210，第一隔离结构210朝向所述晶圆正面2001。

第一隔离结构210的作用包括：从晶圆正面2001电学隔离相邻的像素区。

所述第一隔离结构210的材料包括氧化硅。

形成第一隔离结构210的方法包括：在晶圆200的隔离区b中形成第一凹槽，第一凹槽的开口朝向晶圆正面2001；在第一凹槽中填充第一隔离结构210。

第一隔离结构210包括位于第一凹槽中的第一垫氧化层和第一填充层。具体的，在第一凹槽的内壁形成第一垫氧化层；在第一凹槽中形成位于第一垫氧化层表面的第一填充层。形成第一垫氧化层的工艺包括氧化工艺，如原位蒸汽氧化工艺(issg)。

第一垫氧化层的材料为氧化硅。第一垫氧化层用于修复第一凹槽内壁的刻蚀损伤。

第一填充层的材料为氧化硅。

在后续减薄晶圆200之前，晶圆背面2002未暴露出第一隔离结构210。

参考图5，从所述晶圆正面2001对所述晶圆200进行第一离子注入，在所述晶圆200的隔离区b中形成第一隔离掺杂区220。

第一离子注入将第一离子注入晶圆的隔离区b中，第一隔离掺杂区220中具有第一离子，第一离子的导电类型为p型，如硼离子。

形成所述第一隔离掺杂区220的步骤包括：在所述晶圆正面2001形成图形化的第一光刻胶层，第一光刻胶层暴露出隔离区b；以第一光刻胶层为掩膜进行所述第一离子注入，形成所述第一隔离掺杂区220；进行所述第一离子注入之后，去除所述第一光刻胶层。

本实施例中，第一隔离掺杂区220的深度较小，因此第一光刻胶层的厚度降低，第一光刻胶层不容易坍塌，进而使得第一隔离掺杂区220的形貌较好，第一隔离掺杂区220中离子分布均匀性较好。

本实施例中，由于第一隔离掺杂区220的深度较小，因此第一离子注入的能量降低，对注入设备的要求降低。

本实施例中，分多次深度依次增加的注入过程形成第一隔离掺杂区220，使得第一隔离掺杂区220中离子分布的均匀性得到提高。

本实施例中，形成所述第一隔离结构210之后，形成第一隔离掺杂区220，好处包括：降低形成第一隔离结构210过程中的高温过程对第一隔离掺杂区220中第一离子造成扩散的影响。形成第一垫氧化层的工艺包括氧化工艺，如原位蒸汽氧化工艺(issg)，通常形成第一垫氧化层的氧化工艺的温度为1100摄氏度至1150摄氏度。

在其它实施例中，形成第一隔离掺杂区后，形成所述第一隔离结构。

第一隔离掺杂区220的作用包括：第一隔离掺杂区220与相邻的像素区之间形成pn结，利用pn的单向导电性电学隔离相邻的像素区。

本实施例中，从晶圆正面2001隔离相邻的像素区方面，不仅形成了第一隔离掺杂区220，还形成了第一隔离结构210，采用第一隔离结构210和第一隔离掺杂区220共同对相邻的像素区进行隔离，提高了隔离效果。

本实施例中，所述第一隔离结构210被所述第一隔离掺杂区220包围，即第一隔离结构210的侧壁和底部均被第一隔离掺杂区220包围，这样的好处在于：避免第一隔离结构210的缺陷产生暗电流进入像素区中，即：即使第一隔离结构210的缺陷引起一些暗电流，第一隔离掺杂区220与像素区形成的pn结也能阻挡这些暗电流进入像素区中。

在其它实施例中，所述第一隔离结构位于第一隔离掺杂区的侧部。

形成第一隔离掺杂区220后，从所述晶圆背面2002减薄所述晶圆200，晶圆背面2002至第一隔离掺杂区220之间的最小距离大于零。

所述晶圆背面2002至第一隔离掺杂区220之间的最小距离指的是：晶圆背面2002的边缘至第一隔离掺杂区220的边缘的距离的最小值。

本实施例中，还包括：形成第一隔离掺杂区220和第一隔离结构210后，在隔离区b侧部的晶圆200中形成正面结构，所述正面结构朝向晶圆正面2001。所述正面结构主要包括：cis的逻辑区结构、感光结构及金属互联层等结构。

具体的，形成第一隔离结构210、第一隔离掺杂区220、以及所述正面结构后，从所述晶圆背面2002减薄所述晶圆。

参考图6，提供承载晶圆300；形成第一隔离掺杂区220、第一隔离结构210和正面结构后，将承载晶圆300与晶圆200键合在一起，且所述承载晶圆200朝向所述晶圆正面2001。

参考图7，将承载晶圆300与晶圆200键合在一起后，从所述晶圆背面2002减薄所述晶圆200。

减薄晶圆200之前，晶圆背面2002未暴露出第一隔离结构210，即晶圆背面2002至第一隔离结构210之间的最小距离大于零。

所述晶圆背面2002至第一隔离结构210之间的最小距离指的是：晶圆背面2002的边缘至第一隔离结构210的边缘的距离的最小值。

参考图8，在减薄所述晶圆200之后，从所述晶圆背面2002对晶圆200进行第二离子注入，在所述晶圆200的隔离区b中形成第二隔离掺杂区240，晶圆正面2001至第二隔离掺杂区240之间的最小距离大于零，第二隔离掺杂区240与第一隔离掺杂区220连接。

所述晶圆正面2001至第二隔离掺杂区240之间的最小距离指的是：晶圆正面2001的边缘至第二隔离掺杂区240的边缘的距离的最小值。

第二离子注入将第二离子注入晶圆的隔离区b中，第二隔离掺杂区240中具有第二离子，第二离子的导电类型为p型，如硼离子。

形成所述第二隔离掺杂区240的步骤包括：在所述晶圆背面2002形成图形化的第二光刻胶层，第二光刻胶层暴露出隔离区b；以第二光刻胶层为掩膜进行所述第二离子注入，形成所述第二隔离掺杂区240；进行所述第二离子注入之后，去除所述第二光刻胶层。

第二隔离掺杂区240的作用包括：第二隔离掺杂区240与相邻的像素区之间形成pn结构，利用pn结的单向导电性，电学隔离相邻的像素区。

本实施中，分多次深度依次增加的注入过程形成第二隔离掺杂区240，使得第二隔离掺杂区240中离子分布的均匀性得到提高。

第二隔离掺杂区240与第一隔离掺杂区220连接，这样使得第二隔离掺杂区240与第一隔离掺杂区220贯通在一起，更好的电学隔离相邻的像素区。

在一个实施例中，所述第一隔离掺杂区220与所述第二隔离掺杂区240部分重叠，降低了工艺的难度。

在一个具体的实施例中，所述第一隔离掺杂区220与所述第二隔离掺杂区240的重叠区域的深度小于或等于0.3微米。选择该数值范围的意义在于：在第一隔离掺杂区220的深度一定的情况下，若第一隔离掺杂区220与所述第二隔离掺杂区240的重叠区域的深度大于0.3微米，那么所述第二隔离掺杂区240的深度过大，相应的，第二离子注入的注入损伤修复的难度将极大。

在其它实施例中，所述第一隔离掺杂区与所述第二隔离掺杂区邻接。

所述第二隔离掺杂区240的深度大于第一隔离掺杂区220的深度，原因包括：背照式图像传感器在工作时，光需要从晶圆背面入射至背面结构中的感光器件中，因此非常需要防止晶圆背面相邻像素之间的光学串扰和电学串扰，因此第二隔离掺杂区240的深度设计的较深，以更好的隔离相邻的像素区，防止晶圆背面相邻像素之间的光学串扰和电学串扰。

参考图9，减薄所述晶圆200后，在所述晶圆200的隔离区b中形成第二隔离结构230，第二隔离结构230朝向所述晶圆背面2002，所述第二隔离结构230与第一隔离结构210分立。

第二隔离结构230的作用包括：从晶圆背面2002电学隔离相邻的像素区。

所述第二隔离结构230的材料包括氧化硅。

所述第二隔离结构230包括第二垫氧化层和第二填充层。第二垫氧化层的材料为氧化硅。第二填充层的材料为氧化硅。

形成第二隔离结构230的方法包括：在晶圆200的隔离区b中形成第二凹槽，第二凹槽的开口朝向晶圆背面2002；在所述第二凹槽的内壁形成第二垫氧化层；形成第二垫氧化层后，在第二凹槽中形成位于第二垫氧化层上的传导层；形成所述传导层后，进行退火处理；进行所述退火处理后，去除所述传导层；去除所述传导层之后，在第二凹槽中形成位于第二垫氧化层表面的第二填充层。

本实施例中，还包括：在形成所述传导层之前，在所述第二凹槽中形成位于所述第二垫氧化层表面的粘附层；在所述第二凹槽中形成位于所述粘附层表面的阻挡层；形成所述传导层之后，所述传导层位于所述阻挡层表面；进行所述退火处理后，且在形成第二填充层之前，去除所述阻挡层和粘附层。

所述粘附层的材料包括钛。所述阻挡层的材料包括氮化钛。

所述阻挡层的作用包括：阻挡传导层的原子扩散至晶圆中。

所述粘附层的作用包括：提高阻挡层和第二垫氧化层之间的结合力。

所述传导层的材料包括金属，如钨。

所述退火处理包括激光退火。所述退火处理包括激光退火；所述退火处理的温度为800摄氏度～900摄氏度。

形成所述第二垫氧化层的工艺为沉积工艺，包括原子层沉积工艺。

本实施例中，第二垫氧化层的形成工艺为原子层沉积工艺，第二垫氧化层形成的工艺温度小于第一垫氧化层的形成的工艺温度，且第二垫氧化层的质量较好。

本实施例中，第二氧化层和所述退火处理用于共同修复第二凹槽侧壁的刻蚀损伤，以更好的修复第二凹槽内壁的缺陷。

本实施例中，退火处理的温度通过所述传导层传导至晶圆，对第二凹槽侧壁的晶圆进行修复。由于传导层的导热性较好，这样退火处理采用较低的温度就可以达到修复晶圆的目的。尽管形成第二凹槽的刻蚀工艺对晶圆200的刻蚀损伤深度较大，但是无需采用较高的温度修复第二凹槽的刻蚀损伤，降低了工艺的热预算。

本实施例中，退火处理的温度为800摄氏度～950摄氏度，退火处理的温度较低，且形成第二垫氧化层的工艺采用原子层沉积工艺，形成第二垫氧化层的工艺温度较低，这样使得形成第二隔离结构230的工艺对第二隔离掺杂区240中第二离子的扩散的影响较小。

本实施例中，形成所述第二隔离掺杂区240后，形成所述第二隔离结构230，好处包括：利用第二隔离结构230形成过程中采用的温度激活第二隔离掺杂区240中的第二离子。

在其它实施例中，形成所述第二隔离结构后，形成所述第二隔离掺杂区。

需要说明的是，在形成所述正面结构之前，可采用单独的退火工艺激活第一隔离掺杂区中的第一离子，也可以是：利用第二隔离结构230形成过程中采用的温度激活第一隔离掺杂区中的第一离子。

本实施例中，从晶圆背面2002隔离相邻的像素区方面，不仅形成了第二隔离结构230，还形成了第二隔离掺杂区240，采用第二隔离结构230和第二隔离掺杂区240共同对相邻的像素区进行隔离，提高了隔离效果。

本实施例中，所述第二隔离结构230被所述第二隔离掺杂区240包围，即第二隔离结构230的侧壁和底部均被第二隔离掺杂区240包围，这样的好处在于：避免第二隔离结构230的缺陷产生暗电流进入像素区中，即：即使第二隔离结构230的缺陷引起一些暗电流，第二隔离掺杂区240与像素区形成的pn结也能阻挡这些暗电流进入像素区中。

在其它实施例中，第二隔离结构位于第二隔离掺杂区的侧部。

本实施例中，还包括：形成第二隔离结构230和第二隔离掺杂区240之后，在晶圆的像素区中形成背面结构，所述背面结构朝向所述晶圆背面；之后，分离所述晶圆200和承载晶圆300。

本发明还提供一种背照式图像传感器，请参考图9，包括：

晶圆200，所述晶圆200包括隔离区b，所述晶圆200包括相对的晶圆正面2001和晶圆背面2002；

位于所述晶圆200的隔离区b中的第一隔离掺杂区220，第一隔离掺杂区220朝向所述晶圆正面2001；

位于所述晶圆200的隔离区b中的第二隔离掺杂区240，第二隔离掺杂区240朝向所述晶圆背面2002，第二隔离掺杂区240与第一隔离掺杂区220连接。

所述第二隔离掺杂区240的深度大于所述第一隔离掺杂区220的深度。

所述背照式图像传感器还包括：位于所述晶圆200的隔离区b中的第一隔离结构210，第一隔离结构210朝向所述晶圆正面2001，所述第一隔离结构210被所述第一隔离掺杂区220包围；位于所述晶圆200的隔离区b中的第二隔离结构230，第二隔离结构230朝向所述晶圆背面2002，所述第二隔离结构230与第一隔离结构210分立，所述第二隔离结构230被所述第二隔离掺杂区240包围。

本实施例中的背照式图像传感器，所述第一隔离结构210被所述第一隔离掺杂区220包围，即第一隔离结构210的侧壁和底部均被第一隔离掺杂区220包围，避免第一隔离结构210的缺陷产生暗电流进入像素区中。所述第二隔离结构230被所述第二隔离掺杂区240包围，即第二隔离结构230的侧壁和底部均被第二隔离掺杂区240包围，避免第二隔离结构230的缺陷产生暗电流进入像素区中。

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。