背照式图像传感器的形成方法与流程

1.本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种背照式图像传感器的形成方法。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.然而，现有的背照式图像传感器在形成过程中仍存在诸多问题。


技术实现要素：

5.本发明解决的技术问题是提供一种背照式图像传感器的形成方法，能够有效提升背照式图像传感器的性能。
6.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：提供第一半导体衬底，所述第一半导体衬底具有相对的第一面和第二面；对所述第二面进行减薄处理；在所述第一半导体衬底内形成若干深沟槽；填充流动性材料至所述深沟槽；采用uv光固化工艺照射所述流动性材料，形成第一隔离结构以填充所述深沟槽。
7.可选的，对所述第二面进行减薄处理之前，还包括：在所述第一半导体衬底内形成若干第二隔离结构和若干感光区、以及在所述第一面上形成器件层，各所述第二隔离结构自所述第一面延伸入所述第一半导体衬底内，各所述感光区设于所述第一半导体衬底内，且对应设于相邻的所述第二隔离结构之间，所述感光区内具有第一离子；各所述深沟槽对应各所述第二隔离结构，并自所述第二面向所述第一面延伸，且底部相连对应的所述第二隔离结构。
8.可选的，填充流动性材料至所述深沟槽的工艺包括：等离子体增强化学气相沉积工艺。
9.可选的，所述等离子体增强化学气相沉积工艺的工艺参数包括：反应物包括：硅前驱物、掺杂气体、含有等离子气体的等离子体；反应温度小于500摄氏度。
10.可选的，所述硅前驱物包括：乙硅烷、丙硅烷、四硅烷、新戊硅烷和环己硅烷中的一种或多种；所述等离子气体包括：he、ar、kr、h2、n2、o2、o3和nh3中的一种或多种；所述掺杂气体包括：bcl3、b2h6、bf3、ph3和ash3中的一种或多种。
11.可选的，所述流动性材料包括：掺杂非晶硅和掺杂多晶硅中的一种或两种。
12.可选的，所述uv光固化工艺的工艺参数包括：uv光的波长为100纳米～400纳米；固化时间为10分钟～4小时。
13.可选的，所述uv光固化工艺的同时或之后，还包括：对所述流动性材料进行退火处理。
14.可选的，所述退火处理的工艺参数包括：退火温度小于500摄氏度；退火时间为10分钟～4小时。
15.可选的，所述深沟槽的深宽比为5:1～40:1。
16.可选的，填充流动性材料至所述深沟槽之前，还包括：在所述第二面上、所述深沟槽的侧壁和底部形成优化层；所述流动性材料在所述优化层上形成。
17.可选的，所述优化层包括：单层结构或双层结构。
18.可选的，当所述优化层为单层时，所述优化层包括：缓冲氧化层。
19.可选的，当所述优化层为单层时，所述优化层包括：hk材料层。
20.可选的，当所述优化层为双层时，所述优化层包括：hk材料层、以及位于所述hk材料层上的缓冲氧化层。
21.可选的，所述缓冲氧化层的材料包括：sio2、tio2、zro2、al2o3、la2o3、pr2o3、ceo2、nd2o3、pm2o3、sm2o3、eu2o3、gd2o3、tb2o3、dy2o3、ho2o3、er2o3、tm2o3、yb2o3、lu2o3以及y2o3中的一种或多种。
22.可选的，所述hk材料层的材料包括：hfo2、tio2、hfzro、ta2o3、hfsio4、zro2以及zrsio2中的一种或多种。
23.可选的，所述第二隔离结构的形成方法包括：向所述第一半导体衬底内注入第二离子，形成所述第二隔离结构，所述第二离子与所述第一离子的电学类型相反。
24.可选的，所述流动性材料还覆盖所述第二面，采用uv光固化工艺照射所述流动性材料之后，形成初始第一隔离结构，所述初始第一隔离结构填充所述深沟槽及覆盖所述第二面；所述第一隔离结构的形成方法包括：对所述初始第一隔离结构进行平坦化处理直至暴露出所述缓冲氧化层为止，形成所述第一隔离结构。
25.可选的，在减薄所述第二面之前，还包括：提供第二半导体衬底；在所述第二半导体衬底表面覆盖键合层；将所述键合层与所述器件层相对以键合所述第一半导体衬底及所述第二半导体衬底。
26.可选的，在形成所述第一隔离结构之后，还包括：在所述第二面上形成若干栅格结构、若干彩色滤光层以及若干微凸透镜层，所述栅格结构位于所述第一隔离结构上，所述彩色滤光层位于相邻的所述栅格结构之间，所述微凸透镜层位于所述彩色滤光层上。
27.与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
28.在本发明技术方案的形成方法中，通过在所述深沟槽内形成流动性材料，采用uv光固化工艺照射所述流动性材料，形成第一隔离结构以填充所述深沟槽。由于uv光固化工艺的温度较低，能够减少对所述第一半导体衬底上形成的器件结构造成的损伤。
29.另外，所述流动性材料具有很好的填充性，能够适用深宽比较大的所述深沟槽的填充，且不受复杂形貌的影响，使得最终形成的所述第一隔离结构的致密性较高，能够有效提升隔离效果，进而提升背照式图像传感器的性能。
30.进一步，所述等离子体增强化学气相沉积工艺的反应物包括掺杂气体，所述掺杂
layer deposition，ald)形成。然而，原子层沉积工艺对于一些复杂形貌的沟槽(如十字形交叉沟槽)的填充能力较弱，所得最终形成的第二隔离结构106的致密性较低，进而影响隔离效果。
42.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，通过在深沟槽内形成流动性材料，采用uv光固化工艺照射流动性材料，形成第一隔离结构以填充深沟槽。由于uv光固化工艺的温度较低，能够减少对第一半导体衬底上形成的器件结构造成的损伤。另外，流动性材料具有很好的填充性，能够适用深宽比较大的深沟槽的填充，且不受复杂形貌的影响，使得最终形成的第一隔离结构的致密性较高，能够有效提升隔离效果。
43.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地说明。
44.图3至图10是本发明实施例中一种背照式图像传感器的形成方法各步骤结构示意图。
45.请参考图3，提供第一半导体衬底200，所述第一半导体衬底200具有相对的第一面201和第二面202。
46.在本实施例中，所述第一半导体衬底200的材料为硅；在其他实施例中，所述第一半导体衬底的材料还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟。
47.请继续参考图3，在所述第一半导体衬底200内形成若干第二隔离结构203和若干感光区204、以及在所述第一面201上形成器件层205。
48.在本实施例中，各所述第二隔离结构203自所述第一面201延伸入所述第一半导体衬底200内，各所述感光区204设于所述第一半导体衬底200内，且对应设于相邻的所述第二隔离结构203之间，所述感光区204内具有第一离子。
49.在本实施例中，所述感光区204的形成方法包括：在所述第一面201上形成第一图形化层(未图示)，所述第一图形化层暴露出部分所述第一面201；以所述第一图形化层为掩膜向所述第一半导体衬底200内注入所述第一离子，形成所述感光区204。
50.在本实施例中，所述第二隔离结构203的形成方法包括：在所述第一面201上形成第二图形化层(未图示)，所述第二图形化层覆盖所述感光区204且暴露出部分所述第一面201；以所述第二图形化层为掩膜向所述第一半导体衬底300内注入第二离子，形成所述第二隔离结构203，所述第二离子与所述第一离子的电学类型相反。
51.在本实施例中，所述第一离子为n型离子。在其他实施例中，所述第一离子还可以为p型离子。
52.在本实施例中，所述第二离子为p型离子。在其他实施例中，当所述第一离子为p型离子时，所述第二离子为n型离子。
53.所述p型离子包括：硼离子或铟离子。所述n型离子包括：磷离子或砷离子。
54.在本实施例中，所述第一半导体衬底200内掺杂具有p型阱区(未图示)，由于所述感光区204中掺杂的为n型离子。因此，在所述第一半导体衬底200内，所述感光区204与所述p型阱区的交界处光电二极管结构。后续，通过光线由所述第二面202照射到感光区204上，使感光区激发出电子，所述光电二极管结构用于将激发出的电子形成电信号。
55.在本实施例中，所述第二隔离结构203通过离子注入工艺形成。在其他实施例中，所述第二隔离结构还可以采用沟槽填充式结构。
56.通过所述第二隔离结构203隔离相邻的所述感光区，进而减少所述感光区204之间的光学串扰和电学串扰。
57.在本实施例中，所述器件层205包括：器件结构以及与所述器件结构电连接的电互连层(未图示)。
58.所述器件结构包括晶体管结构、电容结构、电感结构和电阻结构中的一种或多种。
59.请参考图4，提供第二半导体衬底300；在所述第二半导体衬底300表面覆盖键合层301；将所述键合层301与所述器件层205相对以键合所述第一半导体衬底200及所述第二半导体衬底300。
60.在本实施例中，所述第二半导体衬底300的材料为硅。在其他实施例中，所述第二半导体衬底的材料还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟。
61.在本实施例中，所述键合层301为硅层；在其他实施例中，所述键合层还可以为氧化物层，所述氧化物层的材料包括：二氧化硅、氮氧化硅或氮氧化硅。
62.在本实施例中，所述硅层为额外形成在所述第二半导体衬底300上的膜层；在其他实施例中，所述硅层还可以是所述第二半导体衬底的硅衬底的一部分。
63.请参考图5，对所述第二面202进行减薄处理。
64.由于所述第一半导体衬底200的初始厚度较大，为了减少自所述第二面200入射的外部光线达到所述感光区204的距离，进而提高背照式图像传感器的灵敏度，需要对所述第一半导体衬底200进行减薄处理。
65.对所述第二面202进行减薄处理的工艺包括物理机械研磨工艺、化学机械研磨工艺或是湿法刻蚀工艺。在本实施例中，对所述第二面202进行减薄处理的工艺采用化学机械研磨工艺。
66.请参考图6，在所述第一半导体衬底200内形成若干深沟槽206。
67.在本实施例中，各所述深沟槽206对应各所述第二隔离结构203，并自所述第二面202向所述第一面201延伸，且底部相连对应的所述第二隔离结构203。
68.在本实施例中，若干所述深沟槽206的形成方法包括：在所述第二面202上形成第三图形化层(未图示)，所述第三图形化层暴露出部分所述第二面202；以所述第三图形化层为掩膜刻蚀所述第一半导体衬底200，直至暴露出所述第二隔离结构203的表面为止，形成若干所述深沟槽206。
69.在本实施例中，所述刻蚀工艺采用干法刻蚀工艺；在其他实施例中，所述刻蚀工艺还可以采用湿法刻蚀工艺。
70.在本实施例中，所述深沟槽206的深宽比为5:1～40:1。
71.请参考图7，在形成若干所述深沟槽206之后，在所述第二面202上、所述深沟槽206的侧壁和底部形成优化层207。
72.在本实施例中，所述优化层207采用双层结构，所述优化层207包括：hk材料层、以及位于所述hk材料层上的缓冲氧化层。
73.通过所述hk材料层能够钝化修复所述深沟槽206侧壁和底部表面的缺陷，进而提升形成的图像传感器的性能。通过所述缓冲氧化层能够减少图像传感器工作时的光学串扰。
74.在其他实施例中，所述优化层还可以采用单层结构，所述优化层包括：缓冲氧化层
或hk材料层。
75.所述缓冲氧化层的材料包括：sio2、tio2、zro2、al2o3、la2o3、pr2o3、ceo2、nd2o3、pm2o3、sm2o3、eu2o3、gd2o3、tb2o3、dy2o3、ho2o3、er2o3、tm2o3、yb2o3、lu2o3以及y2o3中的一种或多种。
76.所述hk材料层的材料包括：hfo2、tio2、hfzro、ta2o3、hfsio4、zro2以及zrsio2中的一种或多种。
77.请参考图8，在形成所述优化层207之后，填充流动性材料208至所述深沟槽206。
78.在本实施例中，所述流动性材料208具有很好的填充性，能够适用深宽比较大的所述深沟槽206的填充，且不受复杂形貌的影响，使得后续形成的第一隔离结构的致密性较高，能够有效提升隔离效果，进而提升背照式图像传感器的性能。
79.在本实施例中，填充流动性材料208至所述深沟槽206的工艺包括：等离子体增强化学气相沉积工艺。
80.在本实施例中，所述等离子体增强化学气相沉积工艺的工艺参数包括：反应物包括：硅前驱物、掺杂气体、含有等离子气体的等离子体；反应温度小于500摄氏度。
81.所述硅前驱物包括：乙硅烷、丙硅烷、四硅烷、新戊硅烷和环己硅烷中的一种或多种。
82.所述等离子气体包括：he、ar、kr、h2、n2、o2、o3和nh3中的一种或多种。
83.所述掺杂气体包括：bc
l3
、b2h6、bf3、ph3和ash3中的一种或多种。使得形成的所述流动性材料208包括：掺杂非晶硅和掺杂多晶硅中的一种或两种。通过对所述掺杂气体的人为选择，使得后续由所述流动性材料208形成的第一隔离结构中掺杂有与所述第一离子反型的离子，进而提升所述第一隔离结构对相邻所述感光区的隔离效果。
84.在本实施例中，由于所述第一离子为n型离子。因此，所述掺杂气体选用bc
l3
、b2h6和bf3中的一种或多种。
85.在其他实施例中，若所述第一离子为p型离子，所述掺杂气体选用ph3和ash3中的一种或多种。
86.在本实施例中，所述流动性材料208还覆盖所述第二面202。在其他实施例中，所述流动性材料还可以只填充满所述深沟槽。
87.请参考图9，采用uv光固化工艺照射所述流动性材料208，形成第一隔离结构209以填充所述深沟槽206。
88.通过在所述深沟槽内形成流动性材料208，采用uv光固化工艺照射所述流动性材料208，形成第一隔离结构209以填充所述深沟槽。由于uv光固化工艺的温度较低，能够减少对所述第一半导体衬底200上形成的器件结构造成的损伤，进而提升背照式图像传感器的性能。
89.在本实施例中，所述uv光固化工艺的工艺参数包括：uv光的波长为100纳米～400纳米；固化时间为10分钟～4小时。
90.在本实施例中，所述uv光固化工艺的同时或之后，还包括：对所述流动性材料208进行退火处理。通过所述退火处理使得形成的所述第一隔离结构209具有更好的稳固性，进而提升隔离效果。
91.在本实施例中，所述退火处理的工艺参数包括：退火温度小于500摄氏度；退火时
间为10分钟～4小时。
92.在本实施例中，由于所述流动性材料208还覆盖所述第二面，采用uv光固化工艺照射所述流动性材料之后，形成初始第一隔离结构(未图示)，所述初始第一隔离结构填充所述深沟槽206及覆盖所述第二面202；所述第一隔离结构209的形成方法包括：对所述初始第一隔离结构进行平坦化处理直至暴露出所述缓冲氧化层为止，形成所述第一隔离结构209。
93.在本实施例中，所述缓冲氧化层不但能够减少图像传感器工作时的光学串扰，而且还能够作为平坦化处理的停止层，能够有效简化工艺制程，提高生产效率。
94.在本实施例中，所述平坦化处理的工艺采用化学机械研磨工艺。
95.请参考图10，在形成所述第一隔离结构209之后，在所述第二面202上形成若干栅格结构210、若干彩色滤光层211以及若干微凸透镜层212，所述栅格结构210位于所述第一隔离结构209上，所述彩色滤光层211位于相邻的所述栅格结构210之间，所述微凸透镜层212位于所述彩色滤光层211上。
96.在本实施例中，所述栅格结构210的形成方法包括：在所述第二面202表面沉积栅格膜(未图示)；在所述栅格膜表面形成第四图形化层(未图示)，所述第四图形化层暴露出部分所述栅格膜表面；以所述第四图形化层为掩膜，刻蚀所述栅格膜，直至暴露出所述第二面202为止，形成若干所述栅格结构210。
97.在本实施例中，所述栅格结构210的材料包括：钨、钛或者铝。
98.在本实施例中，所述栅格结构210用于相邻的所述彩色滤光层211之间发生光学串扰。
99.在本实施例中，所述彩色滤光层211包括：红色滤光层、绿色滤光层或蓝色滤光层，而且一个感光区204上方形成一种颜色的彩色滤光层211。入射的光线经过一种颜色的彩色滤光层211的滤色，成为单色光(红光、绿光或蓝光)再照射到感光区204上，使感光区204激发出电子。
100.在本实施例中，所述微凸透镜层212用于聚焦入射光线，将入射光汇聚到感光区204上。
101.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。