基于裸晶圆的图像传感器的制备方法

技术领域

本发明属于半导体制造技术领域，特别是涉及一种基于裸晶圆的图像传感器的制备方法。

背景技术

图像传感器，是一种将光学图像转换成电子信号的设备，CMOS图像传感器(COMSImage Sensor，CIS)因其性能好、功耗低、集成度高等优点，在诸多领域得到广泛应用，例如，它被广泛地应用在数码相机和其他电子光学设备中。

背照式图像传感器(BSI CIS)是一项新兴技术，与传统的FSI CIS图像传感器相比具有诸多优势。然而，现有的背照式图像传感器一般采用SOI衬底制备，而SOI晶片成本太高，因此，如何降低成本且采用简单的制造工艺是批量生产图像传感器的关键。

因此，如何提供一种图像传感器的制备方法以解决现有技术中的上述问题实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于裸晶圆的图像传感器的制备方法，用于解决现有技术中背照式图形传感器制备成本高等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于裸晶圆的图像传感器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

提供裸晶圆，并于所述裸晶圆中通过离子注入形成离子掺杂层，所述离子掺杂层的上表面低于所述裸晶圆的上表面；

于所述裸晶圆的上表面上形成感光功能结构；

提供半导体基底，并将所述感光功能结构远离所述裸晶圆的一侧与所述半导体基底进行键合；

自所述裸晶圆远离所述感光结构的一侧减薄所述裸晶圆至所述离子掺杂层；

于所述离子掺杂层上制备虑光功能结构。

可选地，所述离子掺杂层包括氮离子掺杂层或氧离子掺杂层。

可选地，所述离子掺杂层中的离子掺杂剂量介于10

可选地，所述离子掺杂层的刻蚀速率小于等于所述裸晶圆刻蚀速率的2/3。

可选地，所述离子掺杂层的厚度介于200nm-400nm之间；所述离子掺杂层的上表面与所述裸晶圆的上表面之间的距离介于300nm-500nm之间。

可选地，在所述裸晶圆中形成离子植入层，所述离子植入层形成于所述离子掺杂层上，且所述离子植入层的上表面低于所述裸晶圆的上表面。

可选地，所述离子植入层的离子掺杂剂量介于10

可选地，形成所述离子植入层之后还包括于所述裸晶圆的上表面形成表面外延层的步骤。

可选地，所述感光功能结构包括感光层及形成于所述感光层上的金属互连层；所述虑光功能结构包括虑光结构及形成于所述虑光结构上的透镜结构。

可选地，减薄所述裸晶圆之后还包括采用湿法腐蚀工艺去除所述离子掺杂层的步骤。

可选地，形成所述离子掺杂层之后还包括对所述离子掺杂层进行退火处理的步骤。

可选地，所述退火处理的退火温度介于800℃-1100℃之间，退火时间介于5s-30s之间。

如上所述，本发明的基于裸晶圆的图像传感器的制备方法，可以采用裸晶圆进行图像传感器的制备，减小工艺成本，并基于离子掺杂层的形成，可以形成裸晶圆-离子掺杂层-裸晶圆的结构，并在后续减薄刻蚀工艺中作为刻蚀阻挡层，替代传统SOI结构。

附图说明

图1显示为本发明的图形传感器制备的工艺流程图。

图2显示为本发明实施例图像传感器制备中提供裸晶圆的结构示意图。

图3显示为本发明实施例图像传感器制备中形成离子掺杂层的结构示意图。

图4显示为本发明实施例图像传感器制备中形成退火离子掺杂层的结构示意图。

图5显示为本发明实施例图像传感器制备中形成离子植入层的结构示意图。

图6显示为本发明实施例图像传感器制备中形成表面外延层的结构示意图。

图7显示为本发明实施例图像传感器制备中形成感光功能结构的结构示意图。

图8显示为本发明实施例图像传感器制备中裸晶圆与半导体基底键合的结构示意图。

图9显示为本发明实施例图像传感器制备中减薄裸晶圆的结构示意图。

图10显示为本发明实施例图像传感器制备中湿法腐蚀去除离子掺杂层的结构示意图。

图11显示为本发明实施例图像传感器制备中形成虑光功能结构的结构示意图。

图12显示为本发明实施例图像传感器制备中形成封装层的结构示意图。

图13显示为本发明实施例图像传感器制备中减薄半导体基底的结构示意图。

图14显示为本发明实施例图像传感器制备中形成连接柱的结构示意图。

元件标号说明

100 裸晶圆

101 离子掺杂层

102 退火离子掺杂层

103 离子植入层

104 表面外延层

105 感光功能结构

106 感光层

106a 感光区域

106b 隔离区域

107 金属连接层

107a 金属互连结构

107b 介质层

200 半导体基底

300 虑光功能结构

301 虑光结构

302 透镜结构

303 抗反射阻挡层

304 封装层

305 连接柱

S1～S5 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，提供一种基于裸晶圆的图像传感器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

S1：提供裸晶圆，并于所述裸晶圆中通过离子注入形成离子掺杂层，所述离子掺杂层的上表面低于所述裸晶圆的上表面；

S2：于所述裸晶圆的上表面上形成感光功能结构；

S3：提供半导体基底，并将所述感光功能结构远离所述裸晶圆的一侧与所述半导体基底进行键合；

S4：自所述裸晶圆远离所述感光结构的一侧减薄所述裸晶圆至所述离子掺杂层；

S5：于所述离子掺杂层上制备虑光功能结构。

下面将结合附图详细说明本发明的半导体结构及其制备方法。其中，本发明所提供的半导体结构的制备方法中并不以上述步骤顺序为限，可以依据本领域常识进行调整，本实施例仅提供一种本发明的半导体结构制备方法的一种示例。

首先，如图1中的S1及图2-3所示，进行步骤S1，提供裸晶圆100，并于所述裸晶圆100中通过离子注入形成离子掺杂层101，所述离子掺杂层101的上表面低于所述裸晶圆100的上表面。其中，本发明基于裸晶圆100制备图像传感器，可以解决采用SOI衬底制备的成本高等问题。所述裸晶圆100的材料可以是硅、锗(Ge)等，本实施例中选择为单晶硅。

另外，在所述裸晶圆100中通过离子注入的方式形成一层离子掺杂层101，所述离子掺杂层101可以用于作为后续图像传感器制备刻蚀过程中的刻蚀停止层，本实施例中，选择所述裸晶圆100的上表面进行离子注入，自所述上表面向所述裸晶圆100内部进行离子注入，以在其内部形成一层离子掺杂层101。在一示例中，所述离子掺杂层101中的离子掺杂剂量介于10

作为示例，所述离子掺杂层101的厚度介于200nm-400nm之间，如图3中的d1所示，例如，可以是250nm、300nm、350nm；所述离子掺杂层101的上表面与所述裸晶圆100的上表面之间的距离介于300nm-500nm之间，如图3中的d2所示，例如，可以是350nm、400nm、450nm。从而更有利于可以制备接近于SOI的结构层。

如图4所示，作为一示例，形成所述离子掺杂层101之后还包括对所述离子掺杂层进行退火处理的步骤，以形成退火离子掺杂层102。可选地，进行所述退火处理的退火温度介于800℃-1100℃之间，例如，可以是850℃、900℃、1000℃。进行所述退火处理的退火时间介于5s-30s之间，例如，可以是10s、15s、20s、25s。退火处理工艺的引出，可以使得所述离子掺杂层101中的掺杂离子进行重新排布，以形成所述退火离子掺杂层102，从而可以进一步有利于替代SOI进行图像传感器的制备。

作为示例，如图5所示，于所述裸晶圆100中形成离子植入层103，所述离子植入层103形成于所述离子掺杂层102上，所述离子植入层103的上表面低于所述裸晶圆100的上表面。

其中，所述离子植入层103形成在所述离子掺杂层102上，所述离子植入层103可以降低器件漏电，减小暗电流。所述离子注入层103可以为传统的梯度注入层(GradientImplant)。在一示例中，所述离子植入层103的离子掺杂剂量介于10

如图6所示，作为一示例，形成所述离子植入层103之后还包括于所述裸晶圆100的上表面形成表面外延层104的步骤。其中，在一示例中，所述表面外延层104的材料包括但不限于Si，采用外延工艺形成所述表面外延层104。所述表面外延层104的厚度介于3-4um，电阻率8-15欧姆厘米之间，从而可以修复所述裸晶圆100的表面损伤，并进一步有利于其替代SOI结构的实施，本示例中，所述表面外延层104的厚度为3.5um，电阻率10欧姆厘米。在一示例中，形成所述表面外延层104之后还包括对其进行退火处理的步骤。

接着，如图1中的S2及图7所示，进行步骤S2，于所述裸晶圆100的上表面上形成感光功能结构105，其中，在一示例中，当形成有所述表面外延层104时，所述感光功能结构105形成于所述表面外延层104中，其中，在某一方向的截面图中，由于制作了所述感光功能结构导致所述表面外延层104不能被看到，因此，图中未显示出所述表面外延层104。作为示例，所述感光功能结构105包括感光层106及形成于所述感光层106上的金属互连层107。作为示例，所述感光层106包括若干个感光区域106a以及将相邻所述感光区域106a隔离的隔离区域106b，所述感光区域106a内可以形成有光电二极管(Photodiode)，用于将接收的外部光信号转化为激发电信号及图像输出信号，另外，各所述感光区域106a可以通过隔离区域106b隔离，在一示例中，每一所述隔离区域106b由两部分构成，即深沟槽隔离结构(DTI，Deep Trench Isolation)和浅沟槽隔离结构(STI，shallow trench isolation)，一示例中，二者上下对应设置，以将所述感光区域隔离，在一示例中，所述深沟槽隔离结构中可以但不限于填充氧化硅，所述浅沟槽隔离结构中可以但不限于填充氧化硅。

另外，在一示例中，所述金属互连层107包括金属互连结构(BEOL Metal)107a及位于所述金属互连结构之间的介质层(BEOL IMD)107b，所述金属互连结构107a位于所述介质层107b内，所述介质层107b用于将各所述金属互连结构107a绝缘隔离，另外，所述金属互连层107与所述感光层106电连接，如在背照式图像传感器中，所述光电二极管用于将接收的外部光信号转化为激发电信号及图像输出信号，并经由所述金属互连层107输出。

接着，如图1中的S3及图8所示，进行步骤S3，提供半导体基底200，并将所述感光功能结构105远离所述裸晶圆100的一侧与所述半导体基底200进行键合。其键合方式可以依据实际需求进行选择，在一示例中，可以通过形成结合层的方式实现二者的键合，即在二者之间形成结合层(Bonding interface)，所述结合层的材料包括但不限于氧化物。另外，所述半导体基底200可以依据实际选择，可以是单层材料层构成的支撑衬底结构，还可以在包括支撑衬底以及在支撑衬底上形成有需要的功能层的结构。

接着，如图1中的S4及图9-10所示，进行步骤S4，自所述裸晶圆100远离所述感光结构105的一侧减薄所述裸晶圆100至所述离子掺杂层101或所述退火离子掺杂层102。其中，将形成有所述半导体基底200的结构进行翻转，以进行上述减薄工艺，如可以采用干法刻蚀工艺进行减薄。其中，所述离子掺杂层101或所述退火离子掺杂层102可以作为减薄刻蚀过程中的刻蚀停止层，此时所述离子掺杂层101或所述退火离子掺杂层102可以取代SOI中的中间氧化层的作用。在一示例中，可以通过刻蚀减薄过程中监测刻蚀速率判断是否停止刻蚀，例如，当机台监测到刻蚀速率发生变化就立即停止刻蚀。在一可选示例中，所述离子掺杂层101的刻蚀速率小于所述裸晶圆100刻蚀速率，例如可以小于或等于所述裸晶圆100刻蚀速率的2/3，例如，可以是其1/2、1/3、1/5等，从而当刻蚀速率减小时立即停止减薄，可以通过所述离子掺杂层101的注入离子、注入剂量以及注入能量等实现。

另外，在一示例中，减薄停止之后，还可以包括进行湿法清洗的步骤，以进一步去除所述离子掺杂层101或所述退火离子掺杂层102，例如可以进行酸洗，如采用HF进行清洗。在另一示例中，还可以进行化学机械研磨(CMP)的工艺，例如，在酸洗后进行一次CMP，从而可以进一步改善所制备的裸晶圆-离子掺杂层-裸晶圆构成的结构的界面。其中，这里裸晶圆-离子掺杂层-裸晶圆中的裸晶圆并非完成的裸晶圆，这是本领域技术人员可以理解的，例如当所述裸晶圆的材料为硅时，离子注入后形成硅-离子掺杂层-硅的结构。

最后，如图1中的S5及图11所示，进行步骤S5，于所述离子掺杂层102上制备虑光功能结构300，当存在所述离子植入层103时，于所述离子植入层103上制备虑光功能结构300。在一示例中，所述虑光功能结构300包括虑光结构301及形成于所述虑光结构301上的透镜结构302。其中，所述虑光结构301可以是彩色滤光片，所述滤光结构可以将入射光转换成相应的彩色光，在一示例中，通过刻蚀工艺先于绝缘层中形成滤光结构沟槽再进行填充以滤光结构，可以是任意的RGB滤光片材料形成。另外，作为示例，形成所述滤光结构301之后还包括步骤：于各所述滤光结构301上制备透镜结构302，在一示例中，所述透镜结构302与各所述滤光结构301上下对应设置。

另外，在一示例中，形成所述虑光功能结构300之前还包括步骤，于所述离子掺杂层102或者进一步是所述离子植入层103上形成一层抗反射阻挡层303，所述抗反射阻挡层303的材料包括但不限于氮化硅，所述抗反射阻挡层303可以作为抗反射层(ARC)的作用，还可以作为后续工艺的刻蚀阻挡层，例如，作为后续刻蚀形成虑光结构之间沟槽的刻蚀阻挡层，从而在刻蚀过程中保证沟槽的侧壁等具有良好的刻蚀均匀性，其厚度可依据实际需求设定。另外，还可以在形成所述抗反射阻挡层之前形成一层高介电常数介质层，所述抗反射阻挡层形成于所述高介电常数介质层上。

如图12-14所示，形成所述虑光功能结构300之后还包括进行封装的过程，可以采用现有的封装工艺进行封装以制备图像传感器，在一示例中，进行图12中的键合工艺(glasswafer bonding)，形成封装层304，其材料包括但不限于玻璃，接着，进行图13所示的研磨减薄所述半导体基底200的步骤，最后进行图14所示的连接通孔305的制备，所述连接通孔可以是穿硅通孔(3D TSV)。当然，并不局限于上述步骤，可以依据实际进行选择。

综上所述，本发明的基于裸晶圆的图像传感器的制备方法，可以采用裸晶圆进行图像传感器的制备，减小工艺成本，并基于离子掺杂层的形成，可以形成裸晶圆-离子掺杂层-裸晶圆的结构，并在后续减薄刻蚀工艺中作为刻蚀阻挡层，替代传统SOI结构。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。