[發明專利]一種全隔離背照式圖像傳感器及其制造方法

在審

• 申請號: 201310586603.X
• 申請日: 2013-11-20
• 公開（公告）號: CN104659040A
• 公開（公告）日: 2015-05-27
• 發明（設計）人: 劉華明
• 申請（專利權）人: 上海華虹宏力半導體制造有限公司
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146
• 代理公司: 上海浦一知識產權代理有限公司 31211
• 代理人: 王函

技術領域

本發明屬于半導體集成電路制造領域，具體涉及半導體圖像傳感器，尤其涉及一種全隔離背照式圖像傳感器及其制造方法。

背景技術

現有的背照式圖像傳感器選用單晶硅片或者基片為重摻雜的外延片進行CIS(CMOS?Image?Sensor，CMOS圖像傳感器)芯片制造，背面處理通常包括背面薄化，表面注入，摻雜激活，表面鈍化，金屬遮光邊墻等復雜而難點多的工藝。由于缺少材料分明的薄化刻蝕終止層，其器件厚度的控制難度較大，化學機械研磨CMP或刻蝕存在面內均勻性問題，對感光器件也會有直接損傷。這些問題直接影響感光器件的量子效率。光電二級管通常通過背側表面進行接地，像素單位之間通過體硅相互連通，光線和電子容易相互串擾，造成混色(cross?talk)問題。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種全隔離背照式圖像傳感器，本發明引入埋入氧化層并且形成埋入氧化層與溝槽絕緣介質直接連接的結構，隔離了像素之間光線和電子的傳輸途徑，解決了現有工藝易發生的混色(cross?talk)問題；埋入氧化層簡化了BSI（背照式CMOS）背面工藝的復雜度，對器件進行了無損保護，避免了背面薄化均勻性不好，量子效率不一致等問題。為此，本發明還提供該全隔離背照式圖像傳感器的制造方法。

為解決上述技術問題，本發明提供一種全隔離背照式圖像傳感器結構，由上至下依次包括：承載基片、后道膜層、外延后的器件硅基、埋入氧化層、濾光片和微透鏡；所有器件制造在埋入氧化層上的器件硅基上；該圖像傳感器感光單元的隔離采用溝槽隔離，并且填充絕緣介質的溝槽與埋入氧化層直接連接，將感光單元有源區彼此完全隔離；所述器件硅基上形成有光電二極管，光電二級管的接地通過正表面的濃摻雜區引出。

所述濾光片包括彩色濾光片和不透光的黑色濾光片。

所述器件硅基上形成有光電二極管掩埋區、表面濃摻雜區、傳輸柵極和浮置擴散區；光電二極管的P極經過表面P+區引出接地；或者光電二極管的N極經過表面N+區引出接地。

此外，本發明還提供一種所述的全隔離背照式圖像傳感器的制造方法，包括如下步驟：

步驟1，在單晶硅基片上形成埋入氧化層和氧化層上器件硅基；

步驟2，對器件硅基進行摻雜，之后通過外延增加器件硅基厚度，滿足器件設計需求；

步驟3，傳感器感光單元的隔離采用溝槽工藝，溝槽底部完全接觸到埋入氧化層，溝槽內絕緣介質與埋入氧化層連為一體，將相鄰像素的有源區完全隔離；

步驟4，通過CMOS工藝制造完成CIS芯片，包括前道器件和后道金屬互聯，其中光電二級管的接地通過正表面的濃摻雜區引出；

步驟5，完成承載基片與器件硅基片的鍵合；

步驟6，對鍵合為一體的基片進行背面薄化，埋入氧化層作為薄化工藝的刻蝕終止層；

步驟7，背面感光區域制作形成三原色彩色濾光片以及微透鏡。

步驟1中，在單晶硅基片上形成埋入氧化層之前，對單晶硅基片進行能量120～200keV，劑量4E17～1E18ions/cm²的O⁺離子注入，單晶硅基片的溫度穩定在550～650℃。

步驟1中，單晶硅基片經過兩階段的1300～1350℃的高溫退火和氧化：第一階段在Ar中退火形成埋入氧化層；第二階段在Ar與O₂混合氣氛下氧化（其中O₂體積占混合氣體體積的25～55%），埋入氧化層厚度增加，同時埋入氧化層上器件硅基形成表面氧化層；然后，采用濕法腐蝕去除表面氧化層，形成厚度為的埋入氧化層與厚度為0.15～0.25μm的器件硅基。

步驟2中，對器件硅基進行P型注入并完成退火激活，完成光電二級管在背側的表面鈍化；然后，依據不同器件的設計需求，在器件硅基上外延生長0.3～6μm的P型外延硅。

步驟3中，所述溝槽工藝采用淺溝槽隔離或者深溝槽隔離刻蝕工藝，背面工藝的套準圖形在該步溝槽工藝中同步完成；溝槽經過熱氧化在內壁生長襯墊氧化層，再用高密度等離子工藝淀積絕緣介質填充溝槽，經氧化并填充的溝槽與埋入氧化層連成一體，形成了完全隔離的感光單元有源區。

步驟4中，所述光電二級管區域主要包括：光電二極管N型掩埋區，表面P+區，Tx傳輸柵極，N+型FD區，后道膜層；光電二極管的P極經過表面P+區引出接地。

步驟6中，所述對鍵合為一體的基片進行背面薄化，采用Si對SiO₂高選擇比的干法刻蝕或濕法腐蝕進行背面薄化，埋入氧化層作為薄化工藝的刻蝕終止層，去除單晶硅基片。