背照式cmos图像传感器及其形成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种BSI (Back-Side Illumination,BSI) 图像传感器及其形成方法。
【背景技术】
[0002] 图像传感器是数字摄像头的重要组成部分，其作用是将光信号转化为相应的电信 号。根据构成元件不同，图像传感器分为电荷稱合（Charge Coupled Device, CCD)图像传 感器和金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)图像传感 器。
[0003] 与C⑶图像传感器相比，CMOS图像传感器(具有更方便的驱动模式并且能够实现 各种扫描类型。而且，将信号处理电路集成到单个芯片中使得小型化CMOS图像传感器成为 可能。此外，通过使用广泛兼容的CMOS技术，CMOS图像传感器有助于降低功耗和制造成本。 因而，CMOS图像传感器具有更广泛的应用。
[0004] 背照式CMOS图像传感器因其更高的光子捕获效率而代替了正面发光 (Front-Side Illumination，FSI)的 CMOS 图像传感器。
[0005] 现有的背照式CMOS图像传感器的形成方法包括：
[0006] 参照图1，提供第一晶圆1，在第一晶圆1正面Sl中形成有浅沟槽隔离结构2,相邻 两浅沟槽隔离结构2之间为一像素单元3,第一晶圆1包括若干像素单元3,浅沟槽隔离结 构2将相邻像素单元3相互隔开；
[0007] 每个像素单元3包括一个发光二极管和多个MOS晶体管（图中未示出），在第一晶 圆1正面Sl还形成有外围电路（periphery circuit),所述发光二极管可吸收光信号并将 其转化为电信号，位于同一像素单元的MOS晶体管接收并处理该电信号后输出，外围电路 接收MOS晶体管输出的处理电信号并进行转换、运算处理等；
[0008] 在第一晶圆1正面Sl上形成互连结构（图中未示出）。
[0009] 参照图2,取第二晶圆4,将第二晶圆4与第一晶圆1在第一晶圆1正面Sl方向键 合，并对第一晶圆1背面S2减薄，减薄后的第一晶圆1很薄，第二晶圆4将起到主要的支撑 作用。
[0010] 参照图3,将第二晶圆4翻转，使背面S2朝上，对第一晶圆1背面S2进行离子注 入，并进行激光退火处理，在第一晶圆1背面S2形成隔离层5,激光退火用于激活隔离层5 中的离子。隔离层5与光电二极管的隔离层的掺杂类型相反，起到绝缘隔离作用，避免出现 漏电。在对第一晶圆1背面S2进行离子注入时，是采用倾斜注入法，即离子束与第一晶圆1 背面S2之间的夹角不为90°，以避免离子沿第一晶圆1的晶格之间的空隙进入像素单元， 引发沟道燧穿效应（channeling effect)。
[0011] 参照图4,在第一晶圆1背面S2形成滤光片6、位于滤光片6上的透镜7,每个滤光 片6与一个像素单元相对，入射光经透镜7进入滤光片6,滤光片6允许特定颜色的光进入 光电二极管。
[0012] 但是，使用现有技术形成的背照式CMOS图像传感器的性能不佳。
【发明内容】
[0013] 本发明解决的问题是，使用现有技术形成的背照式CMOS图像传感器的性能不佳。
[0014] 为解决上述问题，本发明提供一种背照式CMOS图像传感器的形成方法，该背照式 CMOS图像传感器的形成方法包括：
[0015] 提供第一晶圆和第二晶圆，在所述第一晶圆正面形成有多个像素单元，所述第一 晶圆正面和所述第二晶圆键合；
[0016] 对所述第一晶圆背面进行减薄处理；
[0017] 减薄处理后，在所述第一晶圆背面形成保护层；
[0018] 对所述第一晶圆背面进行离子注入，注入离子穿过所述保护层扩散进入第一晶圆 背面形成隔离层；
[0019] 在形成所述隔离层后，在所述保护层上形成多个滤光片和位于所述滤光片上的透 镜，每个滤光片与一个像素单元对准。
[0020] 可选地，所述保护层材料的反射率比第一晶圆材料的反射率低。
[0021] 可选地，所述第一晶圆为硅片，所述保护层为氧化硅层。
[0022] 可选地，使用等离子体增强化学气相沉积，在所述第一晶圆背面形成保护层。
[0023] 可选地，在形成所述保护层过程，使用的材料为等离子体增强氧化硅。
[0024] 可选地，在所述等离子体增强化学气相沉积过程，温度范围为350~450°C。
[0025] 可选地，所述保护层的厚度范围为100~600人。
[0026] 可选地，在形成所述隔离层后，进行激光退火。
[0027] 可选地，在激光退火过程使用紫外线。
[0028] 可选地，使用化学机械研磨，对所述第一晶圆背面进行减薄处理。
[0029] 本发明还提供一种新的背照式CMOS图像传感器，该背照式CMOS图像传感器包 括：
[0030] 第一晶圆和第二晶圆，所述第一晶圆正面形成有多个像素单兀，且所述第一晶圆 正面和所述第二晶圆键合；
[0031] 位于所述第一晶圆背面上的保护层；
[0032] 位于保护层下的第一晶圆背面的隔离层；
[0033] 位于所述保护层上的多个滤光片和位于滤光片上的透镜，每个滤光片与一个像素 单元对准。
[0034] 可选地，所述保护层材料的反射率比第一晶圆材料材料的反射率低。
[0035] 可选地，所述第一晶圆为硅片，所述保护层为氧化硅层。
[0036] 与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
[0037] 在对第一晶圆背面进行离子注入过程，离子束不会直接与第一晶圆背面接触，而 是穿过保护层扩散进入第一晶圆背面，保护层使第一晶圆背面免遭离子束损伤，确保第一 晶圆背面平坦，利于后续封装制程。而且，保护层可起到缓冲作用，达到有效控制离子注入 深度的目的，使得隔离层的深度保证离子不会扩散到像素单元，且隔离层中各个位置深度 一致、掺杂离子分布均匀，使得各个位置的光电二极管在无光照状态下的暗电流具有一致 性，有效避免漏电现象，这样在光照状态下得到的图像清晰。
[0038] 进一步，在离子注入形成隔离层后，进行激光退火处理。由于保护层材料相比于第 一晶圆材料具有较低反射率，保护层对激光光线的吸收量较高。这样，相比于现有的激光退 火过程，保护层和隔离层的温度较高，较高的温度可以在纳秒范围内更有效激活隔离层中 的掺杂离子，并使掺杂离子聚集在距第一晶圆背面较浅位置处，避免扩散到像素单元，确保 像素单元的性能较佳。
【附图说明】
[0039] 图1~图4是现有技术的背照式CMOS图像传感器在形成过程中的剖面结构示意 图；
[0040] 图5~图11、图13是本发明具体实施例的背照式CMOS图像传感器在形成过程中 的剖面结构示意图；
[0041] 图12是本发明具体实施例的具有保护层的第一晶圆背面下不同深度处、现有的 未形成有保护层的第一晶圆背面下不同深度处的温度值曲线。
【具体实施方式】
[0042] 针对现有技术存在的问题，经分析发现：参照图3,第一晶圆1背面S2裸露。一方 面，在离子注入过程和激光退火过程，第一晶圆1背面S2会遭到损伤，第一晶圆1背面S2 凹凸不平，会使入射光在背面S2发生散射并影响后续封装制程。另一方面，离子注入的深 度很难得到有效控制，隔离层5中掺杂离子分布不够均匀，各个位置的深度不一致，这使得 所有光电二极管在无光照的静态下的暗电流并不一致，会出现漏电现象，这样在光照状态 下得到的图像不清晰，出现因漏电产生的暗点。
[0043] 对此，本发明技术方案提出一种新的背照式CMOS图像传感器的形成方法。使用该 方法，在对减薄后的第一晶圆背面进行离子注入之前，在所述第一晶圆背面形成保护层。保 护层用于保护第一晶圆背面免遭离子注入损伤，而且还可控制离子注入的深度。
[0044] 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。
[0045] 参照图5,提供第一晶圆100,在所述第一晶圆100正面Sl形成有多个浅沟槽隔 离结构101，相邻两浅沟槽隔离结构101之间为像素单元区，该像素单元区用于形成像素单 J Li 〇
[0046] 浅沟槽隔离结构101的形成方法为本领域技术人员所熟知，在此不再详述。
[0047] 在具体实施例中，第一晶圆100可以为硅晶圆，也可以是锗、锗硅、砷化镓晶圆或 绝缘体上硅晶圆。本领域的技术人员可以根据需要选择晶圆，因此晶圆的类型不应限制本 发明的保护范围。本实施例中的第一晶圆100选择硅晶圆，因为在硅晶圆上实施本技术方 案要比在上述其他晶圆上实施本技术方案的成本低。
[0048] 第一晶圆100具有P型掺杂或N型掺杂。在本实施例中，第一晶圆100具有P型 掺杂。
[0049] 参照图6,在相邻两浅沟槽隔离结构101之间的像素单元区形成多个像素单元，每 个像素单元包括一个光电二极管和多个个MOS场效应晶体管(通常为三个MOS场效应晶体 管)。在形成像素单元时，还在第一晶圆100正面si形成外围电路，该外围电路包括多个晶 体管。
[0050] 具体地,形成像素单元的方法包括：
[0051] 在所述第一晶圆100正面Sl上形成栅极102和位于栅极102下的栅介质层（图中 未示出）；
[0052] 在像素单元区相邻栅极102位置形成第一掺杂区103,该第一掺杂区103的掺杂 类型和第一晶圆100的掺杂类型相反，在本实施例中为N型掺杂，第一掺杂区103和第一晶 圆100之间具有PN结，形成一个光电二极管，用于将入射的光子转化为电子。对MOS场效 应晶体管的源极、漏极，可与掺杂区103在同一步骤形成，也可单独形成。
[0053] 也就是，在像素单元区形成光电二极管和MOS场效应晶体管的工艺，与现有的 CMOS工艺相兼容，且像素单元和外围电路可在同一步骤形成。这降低了生产成本，且提高了 生产效率。
[0054] 在具体实施例中，参照图6,在形成第一掺杂区103后，还可在第一掺杂区103中形 成第二掺杂区104,第二掺杂区104的掺杂类型和第一掺杂区103的掺杂类型相反，第二掺 杂区104和第一掺杂区103之间具有PN结，用于控制光电二极管在将光子转化为电子后形 成的电流流动方向。
[0055] 参照图7,在第一晶圆100正面Sl形成层间介质层105,在层间介质层105中形成 多层互连金属层106和插塞层（图中未示出），相邻两互连金属层106之间为插塞层电连接。 多层互连金属层106将像素单元和外围电路之间、外围电路之间电连接。
[0056] 参照图7,互