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CN109065565B - 图像传感器及其形成方法 - Google Patents

图像传感器及其形成方法 Download PDF

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Abstract

一种图像传感器及其形成方法，其中形成方法包括：提供基底，所述基底包括第一面、以及与第一面相对的第二面；对基底第一面进行多次第一离子注入，在所述基底内形成若干分立的第一离子层，所述第一离子层包括第三面、以及与第三面相对的第四面，所述第三面到基底第一面的距离小于第四面到基底第一面的距离；对所述基底第二面进行减薄，直至暴露出所述第一离子层的第四面表面；湿法刻蚀工艺去除所述第一离子层，在所述基底内形成背面深沟槽。所述方法形成的图像传感器性能较好。

Description

图像传感器及其形成方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种图像传感器及其形成方法。
背景技术
图像传感器是将光学图像信号转换为电信号的半导体器件。CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器是一种快速发展的固态图像传感器，由于CMOS图像传感器中的图像传感器部分和控制电路部分集成于同一芯片中，因此CMOS图像传感器的体积小、功耗低、价格低廉，相较于传统的CCD(电荷耦合)图像传感器更具优势，也更易普及。
现有的CMOS图像传感器中包括用于将光信号转换为电信号的光电传感器，所述光电传感器为形成于硅衬底中的光电二极管。此外，在形成有光电二极管的硅衬底表面还形成有介质层，所述介质层内形成有金属互联层，所述金属互联层用于使光电二极管与外围电路电连接。对于上述CMOS图像传感器来说，所述硅衬底具有介质层和金属互联层的一面为CMOS图像传感器的正面，与正面相对的一面为CMOS图像传感器的背面，根据光线照射方向的差异，所述CMOS图像传感器能够分为前照式(Front-side Illumination，FSI)CMOS图像传感器和背照式(Back-side Illumination)CMOS图像传感器。
然而，现有的背照式图像传感器的性能仍较差。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种图像传感器及其形成方法，以降低图像传感器的暗电流。
为解决上述技术问题，本发明提供一种图像传感器的形成方法，包括：提供基底，所述基底包括第一面、以及与第一面相对的第二面；对基底第一面进行多次第一离子注入，在所述基底内形成若干分立的第一离子层，所述第一离子层包括第三面、以及与第三面相对的第四面，所述第三面到基底第一面的距离小于第四面到基底第一面的距离；对所述基底第二面进行减薄，直至暴露出所述第一离子层的第四面表面；湿法刻蚀工艺去除所述第一离子层，在所述基底内形成背面深沟槽。
可选的，所述湿法刻蚀工艺对所述第一离子层和基底具有不同的刻蚀速率。
可选的，所述第一离子注入的参数包括：离子注入能量为500Kev～3000Kev，离子注入剂量为1E13～1E15；各次第一离子注入的离子注入能量不同。
可选的，所述第一离子层的形成方法包括：在所述基底表面形成图形化的光胶层，所述图形化的光胶层内具有若干开口；以所述图形化的光胶层为掩膜，进行多次第一离子注入，在所述基底内形成若干分立的第一离子层。
可选的，在形成所述第一离子层前，还包括：对所述基底第一面进行第二离子注入，在所述基底内形成第二离子层，所述第二离子层包括第五面，所述第二离子层的第五面与第一离子层的第四面相接触；所述湿法刻蚀工艺对所述第二离子层和基底具有不同的刻蚀速率。
可选的，所述第二离子注入的参数包括：离子注入能量为500Kev～3000Kev，离子注入剂量为1E13～1E15。
可选的，所述第一离子注入的注入离子包括：氧离子、碳离子或者氮离子。
可选的，当所述第一离子注入的注入离子为氧离子时，所述湿法刻蚀工艺的参数包括：采用氢氟酸溶液，所述氢氟酸溶液中水与氢氟酸的体积比例关系为10:1～50:1，刻蚀时间为120秒～1200秒。
可选的，形成所述第一离子层后，对所述基底第二面进行减薄前，还包括：进行退火处理，使第一离子层在所述基底内形成初始背面深沟槽结构。
可选的，所述退火处理的工艺为快速热退火工艺；所述快速热退火工艺的参数包括：退火温度为1000摄氏度～1200摄氏度，退火时间为30分钟～300分钟。
可选的，对所述基底第二面进行减薄的方法包括：提供操作衬底；将所述基底的第一面与操作衬底进行接合；与操作衬底相接合后，从所述基底第二面对基底进行减薄。与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下
有益效果：
本发明技术方案提供的图像传感器的形成方法中，对所述基底的第一面进行第一离子注入，在所述基底内形成若干分立的第一离子层，使形成的第一离子层与基底的材料不同，有利于后续进行湿法刻蚀工艺时，对所述第一离子层与基底具有较大的刻蚀速率比，从而去除所述第一离子层，在所述基底内形成背面深沟槽。由于所述湿法刻蚀工艺不具有高能量离子，从而避免了对基底内形成的背面深沟槽侧壁和底部表面造成较大的损害，能够避免背面深沟槽侧壁和底部表面产生悬挂键，同时也改善了背面深沟槽侧壁和底部表面的粗糙程度，从而使形成的背面深沟槽表面缺陷较少，有助于降低暗电流的产生，使形成的图像传感器的电学性能较好。
附图说明
图1至图3是一种图像传感器的形成方法各步骤的结构示意图；
图4至图12本发明一实施例的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
正如背景技术所述，图像传感器的暗电流较严重。
现结合一种图像传感器，分析所述图像传感器的暗电流较大的原因：
图1至图3是一种图像传感器的形成方法各步骤的结构示意图；
请参考图1，提供基底100，所述基底100包括第一面X。
请参考图2，在所述基底100第一面X的表面形成硬掩膜层(图中未示出)以及位于硬掩膜层表面的光胶层110，所述光胶层110内具有若干开口111。
请参考图3，以所述光胶层110为掩膜，对所述基底100进行刻蚀，在所述基底100内形成若干间隔的背面深沟槽120。
上述图像传感器中，所述背面深沟槽120用于形成背面深沟槽隔离结构。所述背面深沟槽隔离结构之间后续用于形成光电区，从而能够防止相邻光电区的电子发生电学串扰。所述背面深沟槽120的形成工艺包括干法刻蚀工艺。
然而，所述干法刻蚀工艺中包含高能量离子，对背面深沟槽120的侧壁和底部表面造成较大的损害，使背面深沟槽120侧壁和底部表面产生悬挂键，同时影响背面深沟槽120侧壁和底部表面形貌，粗糙程度较大，导致形成的背面深沟槽120侧壁和底部表面缺陷较多，容易产生暗电流，不利于提高图像传感器的性能。
为解决所述技术问题，本发明提供了一种图像传感器的形成方法，对基底第一面进行多次第一离子注入，在所述基底内形成若干分立的第一离子层；通过湿法刻蚀工艺去除所述第一离子层，在所述基底内形成背面深沟槽。所述方法能够降低图像传感器的暗电流。
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。
图4至图12本发明一实施例的图像传感器的形成方法各步骤的结构示意图。
请参考图4，提供基底200，所述基底包括第一面201。
在本实施例中，所述基底200的材料为硅(Si)。
在其他实施例中，所述基底的材料包括锗(Ge)，硅锗(GeSi)、碳化硅、绝缘体上硅、绝缘体上锗、砷化镓或者族化合物。
所述基底200还包括与第一面201相对的第二面(图中未示出)。
所述第一面201用于后续形成逻辑器件和像素器件。
所述第二面用于后续形成滤光片以及位于滤光片表面的微透镜。
请参考图5，对所述基底200进行第二离子注入，在所述基底200内形成第二离子层210，所述第二离子层210包括第五面。
掺杂有离子的第二离子层210相对于基底200在后续进行的湿法刻蚀工艺中具有不同的刻蚀速率，从而有利于后续去除第二离子层，在所述基底内形成背面深沟槽。
第二离子注入工艺的注入离子包括：氧离子、碳离子或者氮离子。
在本实施例中，第二离子注入工艺的注入离子为氧离子。
所述第二离子注入工艺的参数包括：离子注入能量为500Kev～3000Kev，离子注入剂量为1E13～1E15。
在本实施例中，形成所述第二离子层210后，对基底200第一面201进行第一离子注入，在所述基底内形成若干分立的第一离子层，所述第一离子层包括第三面、以及与第三面相对的第四面，且若干所述第二离子层第五面与第一离子层第四面相接触。后续结合图6至图7对所述第一离子层的形成过程进行说明。
请参考图6，在所述基底200第一面201形成图形化的光胶层220，所述图形化的光胶层220内具有若干开口221。
所述图形化的光胶层220的形成方法包括：在所述基底200第一面201表面形成光胶材料层；对所述光胶材料层进行曝光、显影，在所述光胶材料层内定义出若干开口221的位置和图形，形成图形化的光胶层220。
所述光胶材料层的形成方法包括：旋涂工艺。
请参考图7，以所述图形化的光胶层220为掩膜，进行多次第一离子注入，在所述基底200内形成若干分立的第一离子层230。
掺杂有离子的第一离子层230相对于基底200在后续进行的湿法刻蚀工艺中具有不同的刻蚀速率，从而有利于后续去除第一离子层，在所述基底200内形成背面深沟槽。
所述第一离子注入的注入离子与第二离子注入的注入离子相同或者不同。
所述第一离子注入的注入离子包括：氧离子、碳离子或者氮离子。
在本实施例中，所述第一离子注入的注入离子与第二离子注入的注入离子相同，注入离子为氧离子。
所述第一离子注入工艺的参数包括：离子注入能量为500Kev～3000Kev，离子注入剂量为1E13～1E15。
通过多次所述第一离子注入，且各次第一离子注入的离子注入能量不同，使在基底内200形成的若干分立的第一离子层230具有一定的深度。
在本实施例中，各次第一离子注入的离子注入能量在500Kev～3000Kev范围内逐渐减小。
请参考图8，进行退火处理，使第一离子层230在所述基底200内形成初始背面深沟槽结构240。
在本实施例中，进行退火处理，使第一离子层230和第二离子层210在所述基底200内共同形成初始背面深沟槽结构240。
所述退火处理包括快速热退火、激光退火、峰值退火或炉管退火。
在本实施例中，所述退火工艺为快速热退火工艺，所述快速热退火工艺的参数包括：退火温度为1000摄氏度～1200摄氏度，退火时间为30分钟～300分钟。
选择所述范围的退火温度的意义在于：若所述退火温度小于1000摄氏度，则无法使第二离子层210和第一离子层230内的离子与基底200发生反应，从而无法形成初始背面深沟槽结构；若所述退火温度大于1200摄氏度，太高温度会基底200中的材料发生变形，从而影响形成的图像传感器的形貌，进而不利于形成性能较好的图形传感器。
选择所述范围的退火时间的意义在于：若所述退火时间小于30分钟，则所述第二离子层210和第一离子层230内的离子无法充分与基底200发生反应，从而影响形成的初始背面深沟槽结构240的形貌；若所述退火时间大于300分钟，则会增加工艺时间，从而增大制备成本。
所述退火处理使第二离子层210和第一离子层230中的离子与基底200发生反应，形成初始背面深沟槽结构240，且所述初始背面深沟槽结构240的材料与基底200的材料不同，有利于后续进行刻蚀工艺，对所述初始背面深沟槽结构240和基底200具有较大的刻蚀速率比，从而去除基底200内的初始背面深沟槽结构240。
通过退火处理形成所述初始背面深沟槽结构240后，后续在所述基底200第一面201内形成像素器件202以及在基底200的第一面201表面形成逻辑器件203，能够有效避免退火处理中的高温对后续形成的像素器件202和逻辑器件203产生一定的热损伤，从而有利于形成性能较好的图像传感器。
请参考图9，形成所述初始背面深沟槽结构240后，在所述基底200的第一面201内形成像素器件202、以及在所述基底200的第一面201表面形成逻辑器件203。
所述像素器件202包括图像传感器的各种元件以及互联结构，所述逻辑器件包括203各种互连结构和封装结构。
在本实施例中，所述像素器件202包括有光电二级管(图中未示出)，所述光电二极管用于吸收光子产生电子。
在本实施例中，在所述逻辑器件203包括金属互联层(图中未示出)，所述金属互联层包括金属层、金属插塞或金属通孔，其中所述金属互联层的底层金属层位于所述基底第一面201的表面。
在其他实施例中，在所述基底内还可以形成其他器件，例如无源器件以及射频器件等。
请参考图10，形成所述像素器件202和逻辑器件203后，提供操作衬底300；将所述基底200的第一面201与操作衬底300相接合。
所述操作衬底300可以为普通硅衬底或其他合适的衬底。
在本实施例中，所述操作衬底300的材料与基底200的材料相同，为硅(Si)。
在其他实施例中，所述操作衬底材料包括锗(Ge)，硅锗(GeSi)、碳化硅、绝缘体上硅、绝缘体上锗、砷化镓或者族化合物。
通过键合工艺将基底200的第一面201与操作衬底300的一侧相接合。
在本实施例中，所述键合工艺为氧化物熔融键合工艺。
请参考图11，所述基底200的第一面201与操作衬底300接合后，对所述基底200的第二面204进行减薄处理，直至暴露出所述初始背面深沟槽结构240的表面。
所述基底200第一面201与操作衬底300相接合，并且在接合之后将所述基底200和操作衬底300一起翻转，以使所述基底200的第二面向上。
接着，从所述基底200的第二面对基底200进行减薄处理，直至暴露出所述初始背面深沟槽结构240的表面。
所述减薄处理的方法包括：化学机械研磨工艺。
请参考图12，所述初始背面深沟槽结构240表面暴露后，湿法刻蚀工艺去除所述初始深沟槽结构240，在所述基底200内形成背面深沟槽250。
所述背面深沟槽250用于后续形成背面深沟槽结构。
所述湿法刻蚀工艺，对初始背面深沟槽结构240的刻蚀速率大于基底200的刻蚀速率，从而能够在所述基底200内形成背面深沟槽250。同时，所述湿法刻蚀工艺不具有高能量离子，从而避免了对基底200内形成的背面深沟槽250侧壁和底部表面造成较大的损害，能够避免背面深沟槽250侧壁和底部表面产生悬挂键，同时也改善了表面的粗糙程度，从而使形成的背面深沟槽表面缺陷较少，有助于降低暗电流的产生，使形成的图像传感器的电学性能较好。
在本实施例中，所述湿法刻蚀工艺的参数包括：采用氢氟酸溶液，所述氢氟酸溶液中的水与氢氟酸的体积比例为10:1～50:1，刻蚀时间为120秒～1200秒。
选择所述体积比例的氢氟酸溶液的意义在于：若所述体积比例小于50:1，则所述稀释的氢氟酸溶液不易去除初始背面深沟槽结构240，从而影响在基底200内形成背面深沟槽250，从而加大刻蚀工艺时间，进而加大了制备成本；若所述稀释比例大于10:1，则所述稀释的氢氟酸溶液容易过度刻蚀初始背面深沟槽结构240，对背面深沟槽250的侧壁和底部表面造成损伤，从而产生缺陷，仍易产生暗电流，使形成的图像传感器的电学性能较差。
选择所述范围的刻蚀时间的意义在于：若所述刻蚀时间小于120秒，则所述稀释的氢氟酸溶液无法充分去除初始背面深沟槽结构240，从而影响在基底200内形成背面深沟槽250，影响后续在背面深沟槽250内形成背面深沟槽，进而影响隔离效果，使形成的图像传感器性能较差；若所述刻蚀时间大于1200秒，容易过度刻蚀初始背面深沟槽结构240，对背面深沟槽250的侧壁和底部表面造成损伤，从而产生缺陷，仍易产生暗电流，使形成的图像传感器的电学性能较差。
相应的，本发明实施例还提供一种采用上述方法所形成的图像传感器。
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。

Claims (12)

1.一种图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：
提供基底，所述基底包括第一面、以及与第一面相对的第二面；
对基底第一面进行多次第一离子注入，在所述基底内形成若干分立的第一离子层，所述第一离子层包括第三面、以及与第三面相对的第四面，所述第三面到基底第一面的距离小于第四面到基底第一面的距离；
对所述基底第二面进行减薄，直至暴露出所述第一离子层的第四面表面；
湿法刻蚀工艺去除所述第一离子层，在所述基底内形成背面深沟槽。
2.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述湿法刻蚀工艺对所述第一离子层和基底具有不同的刻蚀速率。
3.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一离子注入的参数包括：离子注入能量为500Kev～3000Kev，离子注入剂量为1E13～1E15；各次第一离子注入的离子注入能量不同。
4.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一离子层的形成方法包括：在所述基底表面形成图形化的光胶层，所述图形化的光胶层内具有若干开口；以所述图形化的光胶层为掩膜，进行多次第一离子注入，在所述基底内形成若干分立的第一离子层。
5.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，在形成所述第一离子层前，还包括：对所述基底第一面进行第二离子注入，在所述基底内形成第二离子层，所述第二离子层包括第五面，所述第二离子层的第五面与第一离子层的第四面相接触；所述湿法刻蚀工艺对所述第二离子层和基底具有不同的刻蚀速率。
6.如权利要求5所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第二离子注入的参数包括：离子注入能量为500Kev～3000Kev，离子注入剂量为1E13～1E15。
7.如权利要求2所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一离子注入的注入离子包括：氧离子、碳离子或者氮离子。
8.如权利要求7所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，当所述第一离子注入的注入离子为氧离子时，所述湿法刻蚀工艺的参数包括：采用氢氟酸溶液，所述氢氟酸溶液中水与氢氟酸的体积比例关系为10:1～50:1，刻蚀时间为120秒～1200秒。
9.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，形成所述第一离子层后，对所述基底第二面进行减薄前，还包括：进行退火处理，使第一离子层在所述基底内形成初始背面深沟槽结构。
10.如权利要求9所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述退火处理的工艺为快速热退火工艺；所述快速热退火工艺的参数包括：退火温度为1000摄氏度～1200摄氏度，退火时间为30分钟～300分钟。
11.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，对所述基底第二面进行减薄的方法包括：提供操作衬底；将所述基底的第一面与操作衬底进行接合；与操作衬底相接合后，从所述基底第二面对基底进行减薄。
12.一种采用如权利要求1至11任一项方法形成的图像传感器。
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