背照式CMOS图像传感器的形成方法与流程

背照式cmos图像传感器的形成方法
技术领域
1.本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种背照式cmos图像传感器的形成方法。


背景技术：

2.图像传感器是将光信号转换为电信号的装置，在数字电视、可视通信市场中有着广泛的应用。cmos图像传感器采用传统的cmos电路工艺制作，可将图像传感器以及其所需要的外围电路加以整合，从而使得cmos图像传感器具有广泛的应用前景。
3.按照接受光线的位置的不同，cmos图像传感器可以分为前照式(frontside illumination，简称fsi)和背照式(backside illumination，简称bsi)两种结构。与前照式图像传感器相比，背照式图像传感器的优化之处是改变了元件内部的结构，即将感光层的元件入射光路调转方向，让光线从背面直射进去，避免了在前照式图像传感器中，光线会受到微透镜和光电二极管之间的结构和厚度的影响，提高了光纤接收的效能。随着图像传感技术的发展，背照式cmos图像传感器技术正逐渐成为中高端cmos图像传感器主流技术。
4.然而，背照式cmos图像传感器的制造工艺涉及晶圆的正面和背面，比前照式cmos图像传感器复杂，现有的背照式cmos图像传感器形成方法有待进一步改进。


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cmos图像传感器的形成方法，以提高形成的背照式cmos图像传感器的性能。
6.为解决上述技术问题，本发明技术方案提供一种背照式cmos图像传感器的形成方法，包括：提供第一衬底，所述第一衬底包括相对的第一面和第二面；自所述第二面刻蚀所述第一衬底，在所述第一衬底内形成沟槽；在形成所述沟槽之后，在所述第一面上形成器件层；在所述沟槽内形成隔离层。
7.可选的，还提供第二衬底和第三衬底，所述方法还包括：在形成所述沟槽之后，且形成所述器件层之前，使所述第二面朝向所述第二衬底，将所述第一衬底和所述第二衬底进行键合；在形成所述器件层后，使所述第一面朝向所述第三衬底，将所述第一衬底和所述第三衬底进行键合；将所述第一衬底和所述第三衬底进行键合后，去除所述第二衬底，使所述第二面暴露；在使所述第二面暴露之后，在所述第二面和所述隔离层上形成滤光层和位于所述滤光层表面的若干透镜。
8.可选的，所述沟槽的形成工艺包括干法刻蚀工艺。
9.可选的，所述沟槽的形成方法包括：在所述第二面表面形成掩膜层，所述掩膜层暴露出部分所述第二面；以所述掩膜层为掩膜刻蚀所述第二面；去除所述掩膜层。
10.可选的，所述掩膜层的材料包括光刻胶或介电材料，所述介电材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、碳氮化硅和碳氮氧化硅中的一种或多种。
11.可选的，所述沟槽的形成工艺还包括所述干法刻蚀工艺之后的热退火工艺。
12.可选的，在形成所述沟槽后，且在形成所述隔离层之前，还包括：对所述沟槽侧壁和底部表面进行氧化处理，在所述沟槽侧壁和底部表面形成薄氧层。
13.可选的，在形成所述沟槽后，且在将所述第一衬底和所述第二衬底进行键合之前，包括：自所述第二面向所述第一衬底内注入掺杂离子，形成所述第一衬底内的光电二极管。
14.可选的，在形成所述沟槽之前，自所述第二面向所述第一衬底内注入掺杂离子，形成所述第一衬底内的初始光电二极管；所述初始光电二极管被刻蚀形成光电二极管。
15.可选的，将所述第一衬底和所述第二衬底进行键合的方法包括：在所述第二衬底表面形成缓冲层；使所述第二面朝向所述第二衬底的所述缓冲层表面，将所述第一衬底和所述第二衬底进行键合。
16.可选的，所述缓冲层的材料包括氧化硅或氮化硅。
17.可选的，将所述第一衬底和所述第二衬底进行键合之后，且在形成所述器件层之前，还包括：自所述第一面对所述第一衬底进行减薄处理。
18.可选的，所述减薄处理包括化学机械研磨工艺、化学湿法刻蚀工艺、化学机械研磨工艺中的一者或多者的结合。
19.可选的，自所述第一面对所述第一衬底进行减薄处理，直到所述第一衬底的厚度范围达到2μm至6μm。
20.可选的，所述沟槽在沿所述第一衬底表面法线方向上的深度范围为0.5μm至3μm，在沿平行于所述第一衬底表面方向上的宽度范围0.1μm至1μm。
21.可选的，去除所述第二衬底的工艺包括化学机械研磨工艺、化学湿法刻蚀工艺、化学机械研磨工艺中的一者或多者的结合。
22.可选的，所述器件层包括有源器件、无源器件、电互连结构、介质层中的多者。
23.可选的，所述器件层表面暴露出所述电互连结构表面；将所述第一衬底和所述第三衬底进行键合之前，还包括：在所述电互连结构表面形成介质材料层；采用化学机械研磨工艺平坦化所述介质材料层。
24.可选的，在所述第一面上形成所述器件层之前，对所述器件层与所述沟槽进行相对位置的对准。
25.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：
26.本发明技术方案提供的背照式cmos图像传感器的形成方法中，在形成沟槽之后，在所述第一面上形成器件层，所述沟槽的形成工艺在所述器件层的形成工艺之前完成，在所述沟槽形成后续的高温工艺过程(如源漏层的形成工艺过程)可以减少沟槽刻蚀过程带来的损伤，所述沟槽的形成工艺也可以包括高温热退火工艺，以减少所述沟槽的刻蚀过程中带来的损伤，进而减少器件暗电流的产生，提高所形成的背照式cmos图像传感器的性能。
附图说明
27.图1是一种背照式cmos图像传感器的结构示意图；
28.图2至图10是本发明实施例的背照式cmos图像传感器的形成方法各步骤的结构示意图。
具体实施方式
29.需要注意的是，本说明书中的“表面”、“上”，用于描述空间的相对位置关系，并不限定于是否直接接触。
30.如背景技术所述，现有的背照式cmos图像传感器形成方法有待进一步改进。现结合一种背照式cmos图像传感器的结构进行说明分析。
31.图1是一种背照式cmos图像传感器的结构示意图。
32.请参考图1，所述cmos图像传感器包括：衬底100，所述衬底100包括相对的第一面100a和第二面100b；位于所述第一面100a上的器件层101和所述器件层101上的金属层102；位于所述衬底100内的光电二级管区103，以及相邻光电二极管区103之间的深沟槽(图中未示出)，所述深沟槽自所述第二面100b向所述第一面100a延伸；位于所述第二面100b上和所述深沟槽内的隔离层104；位于所述隔离层104上的滤光层105和所述滤光层105表面的若干透镜106。
33.上述背照式cmos图像传感器的形成方法包括：在所述第一面100a上形成所述器件层101和所述金属层102；采用硅片键合工艺在所述金属层102上键合第二衬底(图中未示出)；在所述键合工艺后，自所述衬底100的第二面100b进行减薄；在所述减薄工艺后，在所述第二面100b内形成所述深沟槽；在所述第二面100b上和所述深沟槽内形成所述隔离层104；在所述隔离层104上形成所述滤光层105和位于所述滤光层105表面的若干透镜106。所述方法中，深沟槽采用干法刻蚀工艺完成。为了避免对所述第一面100a上的所述器件层101和所述金属层102的影响，所述深沟槽的形成过程需要将工艺温度控制在400摄氏度以下，然而，所述干法刻蚀过程在硅表面产生的损伤在低温下无法得到有效的恢复，等离子体诱发损伤(plasma induced damage,pid)是暗电流形成的一个重要原因，严重影响所形成的背照式cmos图像传感器的性能。
34.为了解决上述问题，本发明提供的一种背照式cmos图像传感器的形成方法中，在形成沟槽之后，在所述第一面上形成器件层，所述沟槽的形成工艺在所述器件层的形成工艺之前完成，在所述沟槽形成后续的高温工艺过程(如源漏层的形成工艺过程)可以减少沟槽刻蚀过程带来的损伤，所述沟槽的形成工艺也可以包括高温热退火工艺，以减少所述沟槽的刻蚀过程中带来的损伤，进而减少器件暗电流的产生，提高所形成的背照式cmos图像传感器的性能。
35.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。
36.图2至图10是本发明实施例的背照式cmos图像传感器的形成方法各步骤的结构示意图。
37.请参考图2，提供第一衬底200，所述第一衬底200包括相对的第一面200a和第二面200b。
38.本实施例中，所述第一衬底200的材料包括硅。其他实施例中，所述第一衬底的材料包括碳化硅、硅锗、
ⅲ‑ⅴ
族元素构成的多元半导体材料、绝缘体上硅(soi)或者绝缘体上锗。其中，
ⅲ‑ⅴ
族元素构成的多元半导体材料包括inp、gaas、gap、inas、insb、ingaas或者ingaasp。
39.本实施例中，还提供第二衬底和第三衬底。
40.请参考图3，自所述第二面200b刻蚀所述第一衬底200，在所述第一衬底200内形成沟槽201。
41.所述沟槽201在沿所述第一衬底200表面法线方向上的深度范围为0.5μm至3μm，在沿平行于所述第一衬底200表面方向上的宽度范围0.1μm至1μm。
42.所述沟槽201的形成工艺包括干法刻蚀工艺。所述干法刻蚀工艺利于形成较好形貌的沟槽。具体的，所述干法刻蚀工艺中采用等离子体刻蚀工艺，所述等离子体刻蚀工艺会导致所述沟槽201表面有大量的刻蚀损伤，所述刻蚀损伤容易增加最终形成的器件暗电流产生的概率。
43.所述背照式cmos图像传感器的形成方法中，在形成所述沟槽201之后，在所述第一面200a上形成器件层，所述沟槽201的形成工艺在所述器件层的形成工艺之前完成，在所述沟槽201形成后续的高温工艺过程(如源漏层的形成工艺过程)可以减少沟槽刻蚀过程带来的损伤；所述沟槽201的形成工艺也可以包括高温热退火工艺，以减少所述沟槽201的刻蚀过程中带来的损伤，进而减少器件暗电流的产生，提高所形成的背照式cmos图像传感器的性能。
44.本实施例中，所述沟槽201的形成工艺还包括所述干法刻蚀工艺之后的热退火工艺。所述热退火工艺用于减少所述沟槽201表面的损伤。在其他实施例中，所述沟槽的形成工艺可以不包括所述干法刻蚀工艺之后的热退火工艺。在所述沟槽形成后续的高温工艺过程(如源漏层的形成工艺过程)可以减少沟槽刻蚀过程带来的损伤。
45.在另一实施例中，在形成所述沟槽后，且在形成所述隔离层之前，还包括：对所述沟槽侧壁和底部表面进行氧化处理，在所述沟槽侧壁和底部表面形成薄氧层。所述薄氧层有助于减少所述沟槽表面在干法刻蚀工艺中产生的损伤。
46.本实施例中，所述沟槽201的形成方法包括：在所述第二面200b表面形成掩膜层(图中未示出)，所述掩膜层暴露出部分所述第二面200b；以所述掩膜层为掩膜刻蚀所述第二面200b；去除所述掩膜层。
47.所述掩膜层的材料包括光刻胶或介电材料，所述介电材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、碳氮化硅和碳氮氧化硅中的一种或多种。
48.本实施例中，所述掩膜层的材料为光刻胶。
49.本实施例中，去除所述掩膜层的工艺包括灰化工艺。
50.后续，使所述第二面200b朝向所述第二衬底，将所述第一衬底200和所述第二衬底进行键合。
51.本实施例中，在形成所述沟槽201后，且在将所述第一衬底200和所述第二衬底进行键合之前，包括：自所述第二面200b向所述第一衬底200内注入掺杂离子，形成所述第一衬底200内的光电二极管(图中未示出)。
52.在另一实施例中，在形成所述沟槽之前，自所述第二面向所述第一衬底内注入掺杂离子，形成所述第一衬底内的初始光电二极管；所述初始光电二极管被刻蚀形成光电二极管。
53.后续，在形成所述沟槽201之后，在所述第一面200a上形成器件层。本实施例中，在形成所述沟槽201之后，且形成所述器件层之前，请参考图4至图5。
54.请参考图4，使所述第二面200b朝向所述第二衬底300，将所述第一衬底200和所述
第二衬底300进行键合。
55.本实施例中，将所述第一衬底200和所述第二衬底300进行键合的方法包括：在所述第二衬底300表面形成缓冲层301；使所述第二面200b朝向所述第二衬底300的所述缓冲层301表面，将所述第一衬底200和所述第二衬底300进行键合。
56.所述缓冲层301的材料包括氧化硅或氮化硅。本实施例中，所述缓冲层301的材料包括氧化硅。
57.本实施例中，将所述第一衬底200和所述第二衬底300进行键合之后，且在形成所述器件层之前，请参考图5。
58.请参考图5，自所述第一面200a对所述第一衬底200进行减薄处理。
59.所述减薄处理包括化学机械研磨工艺、化学湿法刻蚀工艺、化学机械研磨工艺中的一者或多者的结合。
60.具体的，自所述第一面200a对所述第一衬底200进行减薄处理，直到所述第一衬底200的厚度范围达到2μm至6μm。所述第一衬底200的厚度根据实际需要决定。
61.请参考图6，在形成所述沟槽201之后，在所述第一面200a上形成器件层。
62.具体的，在自所述第一面200a对所述第一衬底200进行减薄处理之后，在所述第一面200a上形成器件层。
63.在所述第一面200a上形成所述器件层之前，对所述器件层与所述沟槽201进行相对位置的对准。
64.所述器件层包括有源器件(图中未示出)、无源器件(图中未示出)、电互连结构202、介质层203中的多者。所述器件层中的器件类型及器件结构根据实际需要形成。
65.本实施例中，所述器件层表面暴露出所述电互连结构202表面。具体的，所述互连结构202位于所述介质层203内，且暴露出所述互连结构202表面。
66.后续，使所述第一面200a朝向所述第三衬底，将所述第一衬底200和所述第三衬底进行键合。
67.本实施例中，将所述第一衬底200和所述第三衬底进行键合之前，还包括：在所述电互连结构202表面形成介质材料层204；采用化学机械研磨工艺平坦化所述介质材料层204。
68.所述介质材料层204利于所述第一衬底200和所述第三衬底的键合，且所述化学机械研磨工艺可使所述第一衬底200和所述第三衬底之间的键合性能更好。
69.请参考图7，在形成所述器件层后，使所述第一面200朝向所述第三衬底400，将所述第一衬底200和所述第三衬底400进行键合。
70.请参考图8，将所述第一衬底200和所述第三衬底400进行键合后，去除所述第二衬底300，使所述第二面200b暴露。
71.本实施例中，还去除所述缓冲层301，使所述第二面200b和所述沟槽201暴露。
72.去除所述第二衬底300的工艺包括化学机械研磨工艺、化学湿法刻蚀工艺、化学机械研磨工艺中的一者或多者的结合。
73.本实施例中，去除所述第二衬底300的工艺包括化学机械研磨工艺。
74.请参考图9，在所述沟槽201内形成隔离层205。
75.所述隔离层205的材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、碳氮化硅和碳氮
氧化硅中的一种或多种。本实施例中，所述隔离层205的材料为氧化硅。所述隔离层205用于形成各光电二极管器件之间的隔离。
76.本实施例中，在去除所述第二衬底300，使所述第二面200b和所述沟槽201暴露后，在所述沟槽201内形成隔离层205。在另一实施例中，在形成所述沟槽之后，且在将所述第一衬底和所述第二衬底进行键合之前，在所述沟槽内形成隔离层。
77.本实施例中，所述隔离层205还位于所述第二面200b表面。
78.请参考图10，在使所述第二面200b暴露之后，在所述第二面200b和所述隔离层205上形成滤光层206和位于所述滤光层206表面的若干透镜207。
79.本实施例中，具体的，在形成所述隔离层205之后，在所述第二面200b和所述隔离层205上形成滤光层206和位于所述滤光层206表面的若干透镜207。
80.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。