專利名稱：背面照射式圖像傳感器及其制造方法
技術領域：
本發明公開的內容涉及一種背面照射式圖像傳感器。
背景技術：
圖像傳感器是將光學圖像轉變成電信號的半導體器件，并且圖像傳感器通常分為 CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器或CMOS圖像傳感器(CIS)。 現有技術的CIS中的光電二極管通過離子注入工藝設置在襯底上。隨著光電二極 管的尺寸逐漸地減小以在不增加芯片尺寸的情況下增加像素數量，圖像質量降低的趨勢因 照射部件的面積減小而日益明顯。 而且，由于堆疊高度的降低幅度不如照射部件的面積的減小幅度那樣大，因而有
如下趨勢進入照射部件的光子的數量由于光的衍射而減少，這被稱為"艾里斑"。 為了解決上述問題，提供一種背面照射式圖像傳感器，該傳感器通過晶片的背面
接收光，以使光接收部的上部處的階差最小，并避免由金屬布線引起的光干涉。 圖1是示出根據現有技術的背面照射式圖像傳感器的剖視圖。 在根據現有技術的背面照射式圖像傳感器中，在襯底的正面形成照射器件和互連
結構，接著執行背面研磨以將襯底的后側去除到預定厚度。對該襯底的后側進行的這種背
面研磨工藝用于將外部模塊與光學透鏡之間的間隙適配到合適的厚度。 然而，在根據現有技術的背面照射式傳感器中，將SOI (絕緣體上硅)晶片用作設
置照射器件和電路部件的供體晶片，并接著將SOI晶片接合到承載晶片。此后，將背面薄化
工藝應用于供體晶片。
根據現有技術，背面薄化工藝如下所述地應用于供體晶片 首先，將背面研磨工藝應用于供體晶片，以使得供體晶片在SOI晶片的BOX(埋置
氧化物)層的上部之上剩余數十微米。此后，通過執行回蝕完成背面薄化工藝。 然而，根據現有技術，由于將昂貴的SOI晶片用作供體晶片，所以制造工藝的成本增加。 而且，根據現有技術，如圖1所示，通過供體晶片的背面研磨工藝產生了晶片邊緣 薄化。因此，在背面研磨工藝之后進行的回蝕工藝中，位于晶片邊緣的芯片可能產生故障， 從而導致經濟效益顯著降低的問題。 而且，根據現有技術，晶片的中心在回蝕數十微米的過程中也遭受到等離子體破 壞，從而導致傳感器性能可能降低的問題。 而且，根據現有技術，由于在焊盤打開工藝中用于打開焊盤的裕度可能不夠，因而 存在用作焊盤觸點的金屬可能被穿孔或不能被打開的問題。 同時，根據現有技術，可使用非晶硅來沉積光電二極管。否則的話，在讀出電路形 成于硅襯底上、且光電二極管形成于另一晶片上之后，通過晶片接合方式，在讀出電路上方 形成光電二極管以形成圖像傳感器(以下文稱為"3D圖像傳感器")。在這種情況下，光電 二極管和讀出電路通過金屬線連接。
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然而，根據現有技術的3D圖像傳感器，當將帶有讀出電路的晶片接合至帶有光電 二極管的晶片時，由于與接合相關的問題而難以將讀出電路與光電二極管完全電連接。例 如，根據現有技術，金屬線形成于讀出電路上，并進行晶片對晶片的接合，以使金屬線與光 電二極管接觸。然而，不僅金屬線不能完全接觸光電二極管，而且難以實現金屬線與光電二 極管之間的歐姆接觸。而且，根據現有技術，與光電二極管電連接的金屬線可能會產生短 路。因此，已經對防止產生短路進行了研究，但是工藝變得更復雜了。
發明內容
實施例提供一種背面照射式圖像傳感器，其能夠穩定且有效地移除背面照射式圖
像傳感器中的襯底的后側，還提供一種該背面照射式圖像傳感器的制造方法。 而且，實施例提供一種背面照射式圖像傳感器，其能夠通過確保焊盤打開工藝的
裕度來確保工藝的穩定性，還提供一種該背面照射式圖像傳感器的制造方法。 而且，實施例提供一種背面照射式圖像傳感器，其能夠顯著地降低制造成本，還提
供一種該背面照射式圖像傳感器的制造方法。 而且，實施例提供一種背面照射式圖像傳感器，能夠通過使照射部件上的堆疊結 構最小化而達到使入射光量最大化，同時將光敏器件和讀出電路設置在同一襯底上，并能 夠防止由于金屬布線而產生的光干涉和光反射，還提供一種制造該背面照射式圖像傳感器 的方法。 根據實施例的背面照射式圖像傳感器包括光敏器件和讀出電路，位于第一襯底 的正面；層間電介質層，位于所述第一襯底的正面；金屬線，位于所述層間電介質層上；焊 盤，具有階梯部，位于所述層間電介質層上；以及第二襯底，與所述第一襯底的正面接合，處 于所述層間電介質層和所述金屬線的上方。 而且，根據實施例的制造背面照射式圖像傳感器的方法包括以下步驟在第一襯 底的正面形成離子注入層；在形成所述離子注入層的所述第一襯底的正面形成光敏器件和 讀出電路；在所述第一襯底的正面形成層間電介質層；在所述層間電介質層上形成金屬線 和焊盤金屬線；在所述層間電介質層和所述金屬線上方，將第二襯底與所述第一襯底的正 面相接合；以及移除所述襯底的位于所述離子注入層下方的下部。 而且，根據實施例的制造背面照射式圖像傳感器的方法包括在所述第一襯底的正 面形成光敏器件；在形成了所述光敏器件的所述第一襯底的正面形成離子注入層；在所述第 一襯底的正面形成讀出電路；在所述第一襯底的正面形成層間電介質層；在所述層間電介質 層上形成金屬線和焊盤金屬線；在所述層間電介質層與金屬線上方將所述第二襯底與所述 第一襯底的正面接合在一起；以及移除所述襯底的位于所述離子注入層下方的下部。
圖1是示出根據現有技術的背面照射式圖像傳感器的剖視圖。 圖2A-7是示出根據實施例的背面照射式圖像傳感器的制造方法的剖視圖。
具體實施例方式
在下文中，將參照附圖描述根據實施例的背面照射式圖像傳感器以及制造該背面照射式圖像傳感器的方法。 在對實施例的描述中，應當理解的是，當將一層(或膜)稱為位于另一層或襯底 "上"時，該層可以直接位于另一層或襯底上，也可以存在中間層。而且，應當理解的是，當將 一層稱為位于另一層"下"時，該層可以直接位于另一層下，也可以存在一個或多個中間層。 另外，還應當理解的是，當將一層稱為位于兩層"之間"時，這兩層之間可以僅存在該層，也 可以存在一個或多個中間層。
圖7是示出根據實施例的背面照射式圖像傳感器的剖視圖。 根據實施例的背面照射式圖像傳感器可以包括光敏器件120和讀出電路130， 位于第一襯底100的正面；層間電介質層160，位于第一襯底100的正面；金屬線140，位于
層間電介質層160上；焊盤，位于層間電介質層160上，該焊盤具有階梯部；以及第二襯底
200，接合到第一襯底100的正面。 根據實施例的該背面照射式圖像傳感器，能夠使用離子注入技術來穩定且有效地 移除襯底的背面。也就是說，根據實施例，通過使用離子注入和分裂(cleaving)技術，即不 需要進行研磨(grinding)和回蝕(etch-back)。因此，可以避免現有技術中的問題，諸如邊 緣裸片損壞以及等離子體破壞。 而且，根據實施例，可以通過使焊盤形成階梯部來確保焊盤打開工藝(pad-open process)的裕度(margin)，從而確保工藝的穩定性。 在下文中，將參照圖2-7描述根據本發明實施例的背面照射式圖像傳感器的制造 方法。 圖2A至圖2C示出了用于形成離子注入層205的示意性實施例。在圖2A所示的 一個實施例中，在形成器件結構之前，在第一襯底100的正面形成注入層205。在圖2B所示 的另一實施例中，通過在第一襯底100中形成器件隔離區110而限定有源區(active area) 之后，形成離子注入層205。在如圖2C所示的再一實施例中，在第一襯底100中形成光敏器 件120之后形成離子注入層。 首先，如圖2A所示，離子注入層105可以形成在第一襯底100的正面。第一襯底 IOO可以是外延晶片，但不限于此。第一襯底IOO可被離子注入層105分成第一襯底的下部 100a以及第一襯底的上部100b。 在根據實施例的背面照射式圖像傳感器的制造方法中，外延晶片可被用作供體晶 片。與使用SOI晶片相比，使用外延晶片能顯著降低制造成本。 而且，根據實施例，外延晶片可被用作供體晶片，并且光敏器件和電路裝置可一起 形成于外延晶片上。因此，由于不進行3D圖像傳感器的接合工藝以在電路上方形成光電二 極管，制造變得簡單。因此，消除了與接合和接觸有關的問題。 通過對第一襯底100的正面執行離子注入，可以提供離子注入層105。由于第一襯 底100的背面為數百微米，因此，優選的是通過正面執行離子注入。 也就是說，由于第一襯底100的厚度相對于離子注入的深度非常大，因而難以通 過第一襯底100的背面執行離子注入。根據該實施例，通過在形成金屬線140或與第二襯 底200相接合的工藝之前，預先形成離子注入層105，能夠在接合之后容易地移除第一襯底 的下部100a。 可以通過注入諸如氫(H)或氦(He)但不限于氫或氦的離子，來執行形成離子注入
6層105的工藝。 或者，根據一個實施例，可以在第一襯底100的正面形成器件隔離區110之后形成 離子注入層105，如圖2B所示。例如，通過在第一襯底100的正面形成器件隔離區110來限 定像素區。此后，可形成離子注入層105。器件隔離區可由STI形成。 根據該實施例，通過使用預先形成的離子注入層105來容易且穩定地移除襯底的 背面，而不是通過研磨來移除該襯底的背面，能顯著地提高背面照射式圖像傳感器的制造 而且，根據該實施例，在對外延晶片進行處理的過程中，執行氫或氦的離子注入工
藝來形成作為分裂層(cleaving layer)的離子注入層105。接著，在第一襯底100的工藝
完成之后，將作為供體晶片的第一襯底100接合到作為承載晶片的第二襯底200上。分裂
層可用于移除下部。由于在接合之后，作為供體晶片的第一襯底100因移除了下部而較薄，
所以將第二襯底200用作承載晶片，以平穩地進行后續的工藝諸如濾色鏡工藝等。 根據實施例，通過離子注入和分裂技術，而不需要進行研磨和回蝕，因此，具有不
會產生現有技術中諸如邊緣裸片損壞以及等離子體破壞之類問題的優點。 而且，根據該實施例，由于研磨不應用于供體晶片，物理應力也沒有施加于該供體
晶片，因此能夠防止對光敏器件和讀出電路的破壞。 或者，根據另一實施例，如圖2C所示，能夠在像素區中形成光敏器件之后形成離 子注入區105。光敏器件120可以是光電二極管，但不限于此。可通過在P型第一襯底100 上形成N型離子注入區120以及在第一襯底的N型離子注入區120上形成Po區(未示出)， 但不限于此，來獲得光敏器件120。通過Po區可以阻止額外的電子。而且，根據實施例，能 夠通過形成用于光敏器件120的PNP結，來實現電荷排放(charge dumping)效應。
參照圖3，在形成離子注入層105、器件隔離區110以及光敏器件120之后，如圖3 所示，在形成了光敏器件120的第一襯底100上形成作為電路裝置的讀出電路130。讀出電 路130可以包括轉移晶體管、復位晶體管、驅動晶體管以及選擇晶體管，但不限于此。
根據實施例，可用外延晶片作為第一襯底100 (第一襯底100為供體晶片)，并且光 敏器件120和讀出電路130可以一起形成在第一襯底100上。因此，不需3D圖像傳感器的 接合工藝(其在電路上方形成光敏器件)。因此，制造簡單并消除了與接合和接觸有關的問 題。同時，承載晶片和供體晶片通過介于它們之間的電介質層(如層間電介質層)而接合， 從而減少了接合中的問題。 而且，根據該實施例，能夠通過使照射部件上的堆疊結構最小，來使得入射光線量 達到最大，并且消除由于金屬布線引起的光干涉和光反射。因此，能夠優化圖像傳感器的光 學特性。 參照圖3和圖4，層間電介質層160和金屬線140形成于第一襯底100上。金屬線 140可包括第一金屬Ml、第二金屬M2等。 另外，根據該實施例，焊盤金屬線150可以形成于邏輯區上。焊盤金屬線150可包 括第一金屬M1、第二金屬M2以及第三金屬M3，但不限于此。在該構造中，焊盤可以形成于 與第一金屬Ml相同的層級上。因此，在第一襯底100與第二襯底200接合之后，可以容易 地將焊盤打開工藝應用于第一襯底100的背面，這是因為從第一襯底100的背面到焊盤的 深度比較小。
而且，根據實施例，如圖3和圖4所示，在形成焊盤金屬線的焊盤時，能夠通過使焊 盤具有階梯部來確保焊盤打開工藝的裕度。當第一金屬M1形成為比第二金屬M2和第三金 屬M3低時，第一金屬Ml用作焊盤。在焊盤打開工藝中由于工藝裕度而使得用作焊盤的第 一金屬M1可能被穿孔或未被打開。因此，根據該實施例，該焊盤形成為具有階梯部，以防止 該問題的發生。因此，通過確保焊盤打開工藝的裕度，確保了焊盤打開工藝的穩定性。
在下文中，將參照圖3和圖4詳細地描述形成具有階梯部的焊盤的工藝。
首先，如圖3所示，通過在將要形成焊盤的那部分區域移除第一層間電介質層 160a的一部分，來形成階梯部。第一層間電介質層160a可以是覆蓋讀出電路130的中間電 介質層。 此后，在具有階梯部的第一層間電介質層160a上形成第一金屬層140a。 接著，如圖4所示，通過將金屬層140a圖案化，來形成金屬線140的第一金屬Ml
以及具有階梯部的焊盤PAD。 隨后，在金屬線140的第一金屬M1和焊盤PAD上形成第二層間電介質層160b，并 形成金屬線140和焊盤金屬線150的其它金屬線(未示出)。 接著，如圖5所示，可將第二襯底200與具有金屬線140、 150的第一襯底100的正 面相接合。例如，作為承載晶片的第二襯底200可以接合成與第一襯底100的金屬線140 相對應。 根據該實施例，能夠通過在與第一襯底100相接合的第二襯底200的上表面上形 成電介質層，來增強與第一襯底的接合力。該電介質層210可以是氧化物層或氮化物層，但 不限于此。通過電介質層210與處于第一襯底100的正面的層間電介質層160相接觸來執 行接合，由此可顯著增強第一襯底100與第二襯底200之間的接合力。
接著，在如圖5所示的被接合的第一襯底100中，移除第一襯底的位于離子注入層 105下方的下部100a，如圖6所示。例如，通過對離子注入層105進行熱處理而使氫離子起 泡，并用刀片切割并移除第一襯底的下部100a，來保留第一襯底的上部100b。此后，可對第 一襯底100的切割面應用平坦化處理。 同時，在與使用現有技術的分裂技術的3D圖像傳感器有關的專利中，通常，光敏 器件和讀出電路形成于各自的晶片中，并隨后進行接合和互連操作。在現有技術中，剛好在 接合之前進行形成分裂層的氫或氦的離子注入操作。 然而，根據現有技術的3D圖像傳感器，難以完全地電連接讀出電路和光電二極 管，并存在與光電二極管電連接的金屬線產生短路的問題。 相反，根據實施例，外延晶片可以用作作為供體晶片的第一襯底IOO，并且光敏器 件120和讀出電路130可以一起形成于第一襯底100上。因此，不需要如3D圖像傳感器 (其中光敏器件形成于電路上方)中的襯底與光敏器件以及襯底與電路之間的接合工藝， 從而使得制造工藝簡單并避免了與接合和接觸有關的問題。 同時，根據現有技術的3D圖像傳感器，會剛好在接合工藝之前注入氫離子。也就 是說，將從光電探測器產生的電子傳輸到形成于另一晶片上的電路部，以改變電壓。因此， 根據現有技術，不需要在具有光電探測器的晶片上形成金屬線和層間電介質層，從而能夠 剛好在用于現有技術的傳感器的接合工藝之前注入氫離子。 相反，根據該實施例，光敏器件120和讀出電路130形成于相同的晶片、即第一襯
8底100上。因此，根據該實施例，由于光敏器件120和讀出電路130處于相同的第一襯底
100上，因此諸如形成金屬線140和層間電介質層160的后期處理是必需的。 因此，當采用本發明的實施例的處理方案時，不能剛好在接合之前用氫或氦進行
離子注入。相反，離子注入層105是在金屬線140和層間電介質層160形成于第一襯底
IOO(供體晶片)的外延晶片上方之前，通過進行氫或氦的離子注入而形成的。 接著，如圖7所示，可在第一襯底100的背面上、光敏器件120的上方形成濾色鏡
170。同時，對于諸如光敏器件120為R-G-B豎直堆疊型光電二極管的特定實施例來說，可
以省略濾色鏡。 另外，可在濾色鏡170上形成微透鏡180。 而且，可以執行打開焊盤的工藝。焊盤打開工藝可接著執行以形成微透鏡180。根 據實施例，能夠將打開焊盤的工藝應用于第一襯底100的背面。根據實施例，由于焊盤形成 于第一金屬M1的層級上，所以能夠容易地從第一襯底100的背面打開焊盤。
根據實施例的背面照射式圖像傳感器以及該背面照射式圖像傳感器的制造方法， 能夠使用離子注入技術穩定且有效地移除襯底的背面。也就是說，根據實施例，通過使用離 子注入和分裂，則不需要進行研磨和回蝕。因此，具有不會產生現有技術的諸如邊緣裸片損 壞以及等離子體破壞之類問題的優點。 而且，根據實施例，可以通過使焊盤形成階梯部來確保焊盤打開工藝(pad-open process)的裕度，從而確保工藝的穩定性。 而且，根據實施例，由于不將研磨應用于供體晶片，所以能夠防止對光敏器件和電 路裝置產生的約束。 而且，根據實施例，光敏器件和電路裝置可一起形成于用作供體晶片的外延晶片 上。因此，根據實施例，與使用S0I晶片的情況相比，通過使用外延晶片能夠顯著地降低制 造成本。 而且，根據實施例，外延晶片可用作供體晶片，并且光敏器件和電路裝置可一起形 成于外延晶片上。因此，就不需3D圖像傳感器的接合工藝(該接合工藝在電路上方形成光 敏器件)，而使得制造簡單，并消除了與接合和接觸有關的問題。同時，承載晶片和供體晶 片通過介于它們之間的諸如層間電介質層的電介質層而接合，從而減少了接合中出現的問題。 而且，根據實施例，能夠通過使照射部件上的堆疊結構最小，來使得入射光線量達 到最大，并且消除了由于金屬布線引起的光干涉和光反射。因此，能夠優化圖像傳感器的光 學特性。 本說明書中對"一個實施例"、"實施例"、"示意性實施例"等用語的引用意味著，結 合該實施例描述的特定的特性、結構和特征包括在本發明的至少一個實施例中。在說明書 的不同地方出現的這些用語不一定都指同一個實施例。而且，當結合任一實施例來描述某 個特定的特性、結構或特征時，應當認識到，結合其它實施例來使上述特性、結構或特征起 作用也在本領域技術人員的范圍內。 盡管參照多個示意性實施例描述了實施例，應當理解的是，在本發明公開內容的 實質和原理范圍內，本領域技術人員可以構想許多其它的變型和實施例。更具體地，在公開 內容、附圖和所附的權利要求的范圍內的主題組合排列的構成部件和/布置可以機械能各種變化和變型。除了對構成部件和/布置進行變化和變型，對于本領域技術人員來說多個 可選的用途也是顯而易見的。
權利要求
一種背面照射式圖像傳感器，其包括光敏器件和讀出電路，位于第一襯底的正面；層間電介質層，位于所述第一襯底的正面，處于所述光敏器件和所述讀出電路的上方；金屬線，位于所述層間電介質層上；焊盤，具有階梯部，位于所述層間電介質層上；以及第二襯底，與所述第一襯底的正面接合，處于所述金屬線和所述焊盤的上方。
2. 根據權利要求1所述的背面照射式圖像傳感器，其中所述金屬線的第一金屬與所述 焊盤形成于相同的金屬層級處。
3. 根據權利要求1所述的背面照射式圖像傳感器，還包括位于所述第一襯底的背面的 濾色鏡。
4. 根據權利要求1所述的背面照射式圖像傳感器，還包括在所述焊盤上方形成于所述 第二襯底和所述第一襯底的正面之間的電介質層。
5. —種制造背面照射式圖像傳感器的方法，包括下列步驟 在第一襯底的正面形成離子注入層；在第一襯底的正面、形成所述離子注入層的位置的上方，形成光敏器件和讀出電路； 在所述第一襯底的正面、所述光敏器件和所述讀出電路的上方，形成層間電介質層； 在所述層間電介質層上形成金屬線和焊盤金屬線；在所述金屬線和所述焊盤金屬線上方，將第二襯底與所述第一襯底的正面相接合；以及移除所述第一襯底的位于所述離子注入層下方的下部。
6. 根據權利要求5所述的制造背面照射式圖像傳感器的方法，其中形成所述離子注入 層的步驟以及形成所述光敏器件和所述讀出電路的步驟包括在所述第一襯底的正面形成所述光敏器件；在形成所述光敏器件之后，通過將離子注入所述第一襯底來形成所述離子注入層；以及在形成所述離子注入層之后，在所述第一襯底的正面形成所述讀出電路。
7. 根據權利要求5所述的制造背面照射式圖像傳感器的方法，其中在形成所述光敏器 件和所述讀出電路之前形成所述離子注入層。
8. 根據權利要求5所述的制造背面照射式圖像傳感器的方法，其中在形成所述金屬線 和所述焊盤金屬線時，所述金屬線的第一金屬和所述焊盤金屬線的焊盤形成于相同的金屬 層級處。
9. 根據權利要求8所述的制造背面照射式圖像傳感器的方法，其中在形成所述焊盤金 屬線的焊盤時，所述焊盤形成為具有階梯部。
10. 根據權利要求8所述的制造背面照射式圖像傳感器的方法，其中形成所述層間電 介質層的步驟以及形成所述金屬線和所述焊盤金屬線的步驟包括在所述第一襯底的正面形成第一層間電介質層；在所述第一層間電介質層的將要形成所述焊盤金屬線的焊盤的那部分區域，移除所述 第一層間電介質層的一部分；在部分被移除的所述第一層間電介質層上形成第一金屬金屬線； 通過將所述金屬層圖案化來形成所述金屬線的第一金屬以及所述焊盤金屬線的焊盤；所述焊盤形成在所述第一層間電介質層上且覆蓋所述第一層間電介質層的所述被移除部分，以具有階梯部；以及在所述第一金屬和所述焊盤上形成第二層間電介質層。
全文摘要
一種背面照射式圖像傳感器，其包括光敏器件和讀出電路，位于第一襯底的正面；層間電介質層，位于所述第一襯底的正面；金屬線，位于所述層間電介質層上；焊盤，具有階梯部，位于所述層間電介質層上；以及第二襯底，與所述第一襯底的正面接合，處于所述層間電介質層、所述金屬線和所述焊盤的上方。本發明能夠解決邊緣裸片損壞以及等離子體破壞等問題。
文檔編號H01L27/146GK101771066SQ20091026567
公開日2010年7月7日 申請日期2009年12月28日 優先權日2008年12月26日
發明者金文煥 申請人:東部高科股份有限公司