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，尤其涉及一种图像传感器及其形成方法。

背景技术：

在cmos图像传感器(cis，cmosimagesensor)产品中，一个像素的满阱容量很大程度上决定了整个cis成像的效率。其中，像素的满阱容量是指通过光电二极管可以收集并顺利转移至浮空节点fd的最大可用光生电荷数。现有技术中，主要是通过增加光电二极管的面积来增加满阱容量。

在目前的满阱容量的提高方案中，主要是在形成光电二极管时增加离子注入能量，或者，通过在硅片减薄时减少化学机械研磨厚度(即增加硅片减薄后厚度)，来扩大单个像素的侧部结电容的面积，以此提高满阱容量。例如，离子注入的能量可以从4mev提高到6mev，硅片研磨后厚度可以从2.5μm增加到3μm。

然而，这种通过增加硅片研磨后厚度和增加离子注入的能量来提高像素的满阱容量的方式很大程度上受离子注入的最大能量的限制，满阱容量难以达到理想的状态。

技术实现要素：

本发明技术方案要解决的技术问题是提供一种新的图像传感器及其形成方法，以提高像素的满阱容量。

为解决上述技术问题，本发明技术方案提供一种图像传感器的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底具有相对的第一面和第二面；从所述半导体衬底的第一面进行第一次离子注入，以在所述半导体衬底内形成光电二极管第一掺杂区；在所述半导体衬底的第一面上形成金属层；对所述半导体衬底的第二面进行化学机械研磨，以减薄所述半导体衬底；从减薄后的半导体衬底的第二面进行第二次离子注入，以在所述半导体衬底内形成与所述光电二极管第一掺杂区连续的光电二极管第二掺杂区。

可选的，所述图像传感器的形成方法还包括：在所述化学机械研磨前，将像素晶圆与逻辑晶圆键合，所述像素晶圆包括所述半导体衬底及其第一面上的金属层。

可选的，所述图像传感器的形成方法还包括：采用硅通孔工艺和铜填充工艺实现所述像素晶圆和逻辑晶圆的金属层互连。

可选的，所述图像传感器的形成方法还包括：在所述第二次离子注入后，采用退火工艺修复所述半导体衬底。

可选的，所述退火工艺为快速激光退火或炉管高温退火或快速热退火。

可选的，所述快速激光退火的温度范围为300℃～1100℃。

可选的，所述第一次离子注入的深度范围为2.8μm～3.8μm，所述第二次离子注入的深度范围为2.8μm～3.8μm。

可选的，所述第二次离子注入的温度范围为-100℃～-80℃。

可选的，所述光电二极管第一掺杂区与所述光电二极管第二掺杂区的掺杂类型相同，且与所述半导体衬底的掺杂类型相反。

本发明技术方案还提供一种采用上述形成方法形成的图像传感器。

与现有技术相比，本发明技术方案具有以下有益效果：

通过双面分段式离子注入的方式，即分两次从半导体衬底的相对面进行离子注入，在半导体衬底内形成光电二极管掺杂区，可以减低受离子注入的最大注入能量的限制，由此增加光电二极管的掺杂深度，延长光的吸收路径，提高满阱容量及量子转化效率。另一方面，在提高满阱容量的情况下，还可以相对地减小晶圆减薄后的厚度和离子注入的能量。

进一步，在第二次离子注入时采用低温注入的方式，能有效的减低离子注入对晶圆的损伤。并且，在第二次离子注入后，采用快速激光退火的方式可以修复晶圆损伤，并通过控制退火的温度和时间可以减少对下端逻辑晶圆的影响。

附图说明

图1至图6是本发明实施例的图像传感器的形成方法中各步骤对应的截面结构示意图。

具体实施方式

现有的通过增加硅片研磨后厚度和增加离子注入的能量来提高像素的满阱容量的方式很大程度上受离子注入能量的限制，基于此，本发明技术方案提供一种新的图像传感器的形成方法，通过双面分段式离子注入的方式来提高满阱容量，并且还能降低注入能量的限制。

本发明技术方案的图像传感器的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底具有相对的第一面和第二面；从所述半导体衬底的第一面进行第一次离子注入，以在所述半导体衬底内形成光电二极管第一掺杂区；在所述半导体衬底的第一面上形成金属层；对所述半导体衬底的第二面进行化学机械研磨，以减薄所述半导体衬底；从减薄后的半导体衬底的第二面进行第二次离子注入，以在所述半导体衬底内形成与所述光电二极管第一掺杂区连续的光电二极管第二掺杂区。

通过双面分段式离子注入的方式，可以不受离子注入的最大注入能量的限制，由此增加光电二极管的掺杂深度，延长光的吸收路径，提高满阱容量及量子转化效率。

下面结合实施例和附图对本发明技术方案进行详细说明。图像传感器可以由像素晶圆与逻辑晶圆键合并互连、再分割而得，其中，像素晶圆集成了像素区域的器件，逻辑晶圆集成了逻辑区域的器件，并且可以在减薄像素晶圆时起到支撑像素晶圆的作用。图像传感器也可以由器件晶圆与载片晶圆键合、再分割而得，其中，器件晶圆集成了像素区域和逻辑区域的器件，载片晶圆可以在减薄器件晶圆时起到支撑器件晶圆的作用。本发明实施例是以像素晶圆和逻辑晶圆为例对图像传感器及其形成进行说明。

请参考图1，提供半导体衬底10，所述半导体衬底10具有相对的第一面10a和第二面10b；从所述半导体衬底10的第一面10a进行第一次离子注入，以在所述半导体衬底10内形成光电二极管第一掺杂区11a。

所述半导体衬底10作为像素晶圆的半导体衬底，其可以为硅衬底，或者所述半导体衬底10的材料还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟等适用于图像传感器的材料，所述半导体衬底10还可以为绝缘体表面的硅衬底或者绝缘体表面的锗衬底。

需要说明的是，实际应用中，半导体衬底内形成有多个光电二极管，呈阵列排布，且光电二极管之间由沟槽隔离结构进行隔离。也就是，光电二极管第一掺杂区11a是分立排列在像素晶圆的半导体衬底内，而本实施例的附图仅示意性地示出了光电二极管的掺杂区域。

形成所述光电二极管第一掺杂区11a的工艺步骤具体可以包括：在所述半导体衬底10的第一面10a形成光刻胶层；通过曝光、显影，图案化所述光刻胶层，定义出光电二极管第一掺杂区的位置；以图案化的所述光刻胶层为掩膜，对所述半导体衬底10进行第一次离子注入，在所述半导体衬底10内形成光电二极管第一掺杂区11a；去除所述光刻胶层。

本实施例中，所述光电二极管第一掺杂区11a的掺杂类型为n型。一般来说，所述光电二极管第一掺杂区11a的掺杂类型与所述半导体衬底10的掺杂类型相反。如果所述半导体衬底10为n型衬底，则所述光电二极管第一掺杂区11a的掺杂离子为p型离子，例如可以为硼(b)离子；反之，如果所述半导体衬底10为p型衬底，则所述光电二极管掺杂区11a的掺杂离子为n型离子，例如可以为磷(p)离子或砷(as)离子。

本实施例中，所述半导体衬底10为p型衬底，光电二极管第一掺杂区11a的掺杂类型为n型，所述光电二极管第一掺杂区11a的掺杂离子可以例如为砷离子。在本实施例的工艺节点中，所述半导体衬底10的厚度约为750μm。所述第一次离子注入的深度范围可以为2.8μm～3.8μm，例如，离子注入的深度范围可以为2.8μm～3μm，或者，离子注入的深度范围可以为3.5μm～3.8μm。所述第一次离子注入的能量范围可以为7mev～8mev，注入的剂量可以为2e12atom/cm²，半导体衬底内n型离子的掺杂浓度与注入的剂量相关。

请结合参考图1和图2，在所述半导体衬底10的第一面10a上形成金属层12。

在完成第一次离子注入工艺后，可以继续进行像素晶圆的前端制程和后端制程，包括在半导体衬底10内和在半导体衬底10上形成像素区域的器件结构(未图示)，以及在器件结构上形成金属层12，所述金属层12形成有金属连线，用于实现与像素区域的器件互连。

请参考图3，将像素晶圆与逻辑晶圆键合。

具体地，所述像素晶圆包括半导体衬底10及其第一面上的金属层12。所述逻辑晶圆包括半导体衬底20、半导体衬底20上的逻辑区域21以及逻辑区域21上的金属层22，所述逻辑区域21形成有器件结构，所述金属层22形成有金属连线，用于实现与逻辑区域的器件互连。在晶圆键合时，像素晶圆的金属层12与逻辑晶圆的金属层22相对并进行键合，金属层12和金属层22之间具有键合面(bondingsurface，图中未标示)。

请结合参考图3和图4，对所述半导体衬底10的第二面10b进行化学机械研磨，以减薄所述半导体衬底10，减薄后的半导体衬底10具有第二面10b'。

实际实施中，所述半导体衬底10减薄后的厚度与两次离子注入的深度相关，具体来说，为了使第二次离子注入形成的掺杂区与第一次离子注入形成的掺杂区连接，所述半导体衬底10减薄后的厚度应该略小于或者等于两次离子注入的深度之和。由于研磨的厚度比较大，逻辑晶圆能够很好地支撑像素晶圆，防止像素晶圆在研磨过程中破片。

请参考图5，从减薄后的半导体衬底10的第二面10b'进行第二次离子注入，以在所述半导体衬底10内形成与所述光电二极管第一掺杂区11a连续的光电二极管第二掺杂区11b。连续的光电二极管第一掺杂区11a和光电二极管第二掺杂区11b构成光电二极管掺杂区，图5中以虚线分隔两次离子注入的区域。

具体地，形成所述光电二极管第二掺杂区11a的工艺步骤可以包括：在所述半导体衬底10的第二面10b'形成光刻胶层；通过曝光、显影，图案化所述光刻胶层，定义出光电二极管第二掺杂区的位置，所述光电二极管第二掺杂区的位置与所述光电二极管第一掺杂区的位置对应；以图案化的所述光刻胶层为掩膜，对所述半导体衬底10进行第二次离子注入，在所述半导体衬底10内形成与所述光电二极管第一掺杂区11a连续的光电二极管第二掺杂区11b；去除所述光刻胶层。

本实施例中，所述光电二极管第二掺杂区11b的掺杂类型与所述光电二极管第一掺杂区11a的掺杂类型相同，即为n型。在本实施例的工艺节点中，所述第二次离子注入的深度范围可以为2.8μm～3.8μm，例如，离子注入的深度范围可以为2.8μm～3μm，或者，离子注入的深度范围可以为3.5μm～3.8μm。所述第二次离子注入的深度与所述第一次离子注入的深度根据实际应用需求，可以相同也可以不同。所述第二次离子注入的能量范围可以为7mev～8mev，注入的剂量可以为2e12atom/cm²，半导体衬底内n型离子的掺杂浓度与注入的剂量相关。另外，所述第二次离子注入可以采用低温注入的方式，能有效的减低离子注入对晶圆的损伤，例如，所述第二次离子注入的温度范围可以为-100℃～-80℃。

进一步，在所述第二次离子注入后，还可以采用退火工艺修复所述半导体衬底10。

具体来说，离子注入会对晶圆造成一定的损伤，可以采用快速激光退火、炉管高温退火或快速热退火来修复晶格损伤。其中，炉管高温退火或快速热退火需要对整片晶圆进行加热，而此时晶圆已经完成金属制程和一些器件，热过程可能会影响器件和金属的可靠性。因此，本发明实施例采用快速激光退火的方式来修复晶圆损伤，通过控制退火的温度和时间可以减少对下端逻辑晶圆的影响，所述快速激光退火的温度范围一般可以为300℃～1100℃。以掺杂砷离子为例，由于砷原子核比较大，对晶圆的损伤主要集中在表面，而且由于晶圆上已有金属层，激光退火的温度控制在400℃～450℃、时间控制在1min左右即能满足不同深度的需求。

请参考图6，采用硅通孔工艺(tsv，throughsiliconvia)和铜填充工艺形成金属互连结构30，以实现所述像素晶圆和逻辑晶圆的金属层12、22互连。硅通孔工艺可以实现像素晶圆和逻辑晶圆之间的高密度垂直布线，通过金属层12和金属层22的互连，实现像素晶圆和逻辑晶圆的互连。

进一步，可以在像素晶圆的半导体衬底10的第二面10b'上继续形成滤光片和微透镜，所述滤光片和微透镜的位置与半导体衬底10内的光电二极管掺杂区的位置对应。

采用本发明实施例的形成方法形成的图像传感器如图6所示，包括：像素晶圆和逻辑晶圆；所述像素晶圆至少包括半导体衬底10、形成在半导体衬底内的光电二极管掺杂区11a和11b、像素区域的器件结构(图中未示出)、以及形成在半导体衬底10第一面上的金属层12；所述逻辑晶圆至少包括半导体衬底20、形成有器件结构的逻辑区域21、以及形成在逻辑区域21上的金属层22。所述图像传感器还包括：金属互连结构30、与光电二极管掺杂区对应的滤光片和微透镜。

本发明虽然已以较佳实施方式公开如上，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方式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。