图像传感器以及制造该图像传感器的方法
【专利摘要】一种图像传感器以及制造该图像传感器的方法。所述图像传感器包括支撑衬底、位于所述支撑衬底下的布线层、位于所述布线层下的外延层、以及位于所述外延层中的光电二极管。所述外延层相对于[001]晶向具有大约0.3°至大约1.5°的偏离角。
【专利说明】图像传感器以及制造该图像传感器的方法
【技术领域】
[0001] 实施例涉及一种图像传感器以及制造该图像传感器的方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，CMOS图像传感器被作为下一代图像传感器受到关注。这样的CMOS传感 器是利用MOS (Metal Oxide Semiconductor,金属氧化物半导体）晶体管以切换方式进行顺 序检测的器件。在控制电路和信号处理电路被用作外围电路的情况下，这些M0S传感器利 用CMOS技术形成在半导体衬底上，其中M0S传感器的数量与单元像素的数量相同。也就是 说，CMOS传感器在每个单元像素中形成有一光电二极管和一 M0S晶体管，并且通过以切换 方式对这些单元像素的电信号进行顺序检测来得到图像。
[0003] CMOS图像传感器使用CMOS制作技术，并因此具有诸如低功耗、少量的光刻工艺导 致的简单的制作工艺等等优点。此外，因为CMOS图像传感器能够将控制电路、信号处理电 路、模数转换器电路等等集成到一个CMOS图像传感器芯片中，所以很容易将使用该CMOS图 像传感器的产品做到最小。相应地，CMOS图像传感器已被广泛用于诸如数字静物照相机和 数字摄像机之类的各种产品。
[0004] 通常情况下，倘若像素具有低分辨率以及半导体设计规则不够精细，则使用具有 正面光照（FSI，front side illumination)结构的图像传感器。然而，随着半导体设计规 则变得非常精细，并且CMOS图像传感器具有高分辨率，则很难保证入射到光电二极管以及 光传输路径中的光量。相应地，具有背面光照（BSI，back side illumination)结构的图像 传感器已经被开发出来，在背面光照结构中滤色片和透镜被形成在晶圆的背面上。
[0005] 如上制造的BSI CMOS图像传感器可以克服FSI CMOS图像传感器的缺点，并且由 于所具有的高敏感度而对于实现高清晰度是非常有利的。然而，因为BSI CMOS图像传感器 使用对晶圆的背面进行处理以接收光的方法，所以CMOS图像传感器难以通过半导体工艺 进行制造并且产量很低。
[0006] 同样地，在形成光电二极管的区域以及晶圆背面上的硅单晶区域中应当完全除去 杂质。在此，通常可使用外延生长晶圆（epitaxy wafer)而不是抛光晶圆作为用作CMOS图 像传感器的衬底。
【发明内容】
[0007] 实施例提供一种具有更少缺陷和改进性能的图像传感器以及制造该传感器的方 法。
[0008] 在一个实施例中，图像传感器包括：支撑衬底；布线层，位于所述支撑衬底下；夕卜 延层，位于所述布线层下；以及光电二极管，位于所述外延层中，其中，所述外延层相对于 [001]晶向具有大约0.3°至大约1.5°的偏离角。
[0009] 在另一个实施例中，一种制造图像传感器的方法，包括：提供相对于[001]晶向具 有大约0. 3°至大约1. 5°的偏离角的娃晶圆；在所述娃晶圆上形成外延层；在所述外延层 上形成光电二极管；在所述外延层上形成布线层；在所述布线层上形成支撑衬底；以及移 除所述硅晶圆。
[0010] 根据该实施例，图像传感器相对于[001]晶向具有大约〇· 3°至大约1. 5°的偏离 角。在此情况下，外延层的缺陷被显著降低。
[0011] 因此，根据实施例的图像传感器能够减少缺陷并且能够具有改进的感应效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1为对用于形成硅晶圆的生长硅锭工艺进行说明的示意图；
[0013] 图2为对在娃晶圆上形成外延层的工艺进行说明的不意图；
[0014] 图3至8为对根据一个实施例制造图像传感器的工艺进行说明的示意图；
[0015] 图9为对根据外延层的偏离角的缺陷数量进行说明的示意图；
[0016] 图10为对根据硅晶圆的偏离角的图像传感器的缺陷率进行说明的示意图。
【具体实施方式】
[0017] 在实施例的说明中，应当理解的是，当衬底、图案、区域或者层被称为在另一衬底、 图案、区域或者层"上"或"下"时，术语"上"和"下"包括"直接地"和"非直接地"两种意 思。
[0018] 图1为对用于形成硅晶圆的硅锭生长工艺进行说明的示意图。
[0019] 参照图1，生长硅锭。可以在[001]晶向上生长硅锭。也就是说，硅锭的延展方向 可以是[001]晶向。
[0020] 之后，通过诸如线切割工艺之类的切片工艺将硅锭切片为多个晶圆。此时，晶圆中 每一个的偏离角（Off angle) ( Θ )可以被确定。
[0021] 也就是说，硅锭可以在相对于[100]平面倾斜的方向上被切片。硅锭可以在相对 于[100]平面倾斜预定的偏离角（Θ)的方向上被切片。
[0022] 在此，硅锭以大约(λ 3°至大约1. 5°的偏离角（Θ )被切片，从而形成多个晶圆 (200)。
[0023] 更加详细地，硅锭可以在倾斜大约0.3°至大约0.7°的更窄的偏离角（Θ)的方 向上被切片。
[0024] 也就是说，偏离角（Θ )就是硅锭的[001]晶向与垂直于切片表面的方向之间的 角。[001]晶向是垂直于[100]平面的方向。也就是说，偏尚角（Θ)就是垂直于切片表面 的方向与[001]晶向之间的角。
[0025] 此后，娃晶圆（200)可以通过抛光工艺被抛光以使得娃晶圆（200)适合于其它工 艺。如上所述,硅晶圆（200)可以具有大约0.3°至大约1.5°的偏离角（Θ)。而且，硅晶 圆（200)可以具有大约0· 3°至大约0· 7°的偏离角（Θ )。
[0026] 硅晶圆（200)的偏离角（Θ )是晶圆的上表面与晶圆（200)的[100]平面之间的 角。也就是说，硅晶圆（200)的偏离角（Θ)是垂直于晶圆的上表面的直线与晶圆（200)的 [001]晶向之间的角。也就是说，硅晶圆（200)的偏离角（Θ)可以代表在不考虑X轴和Υ 轴的情况下相对于[001]晶向倾斜的角。
[0027] 同样地，娃晶圆（200)可以是ρ型娃晶圆。可替代地，娃晶圆（200)可以是η型娃 晶圆。
[0028] 硅晶圆（200)可以具有大约0· 005 Ω · cm至大约〇· 02 Ω · cm的电阻率。
[0029] 图2为对在硅晶圆上形成外延层的工艺进行说明的示意图。
[0030] 参照图2,在晶圆上形成外延层的方法中，硅晶圆（200)被放置在用于生长外延层 (210)的装置（此后被称为"外延层生长装置"）内以形成外延层（210)。外延层生长装置 包括加热器（11)和基座（12)。加热器（11)加热硅晶圆（200)。在这个时候，基座（12)支 撑硅晶圆（200)。
[0031] 如上所述，在硅晶圆（200)被加热的状态中，源气体被提供到硅晶圆（200)上。四 氯化硅可以被用作用于生长外延层（210)的源气体。乙硼烷（B2H6)可以被用作用于将掺 杂物注入到外延层（210)中的气体。同样地，氢气可以被用作运载气体。
[0032] 相应地，p型杂质可以被掺杂到外延层（210)中。在此，硅晶圆（200)还可以是p 型娃晶圆。
[0033] 可替代地，η型杂质可以被掺杂到外延层（210)中。在此，硅晶圆（200)还可以是 η型娃晶圆。
[0034] 在用于生长外延层（210)的工艺中，用于生长外延层（200)的娃外延工艺可以在 大约1100°C至大约1200°C的温度以及与大气压对应的工艺压力下进行。
[0035] 因为外延层（210)使用外延工艺形成，外延层（210)可以具有与硅晶圆（200)相 同的晶体结构。相应地，外延层（210)可以具有大约0.3°至大约1.5°或者大约0.3°至 大约0.7°的偏离角（Θ)。
[0036] 同样地，外延层（210)可以具有大约1 μ m至20μπι的厚度。外延层（210)可以具 有大约1 Ω · cm至大约10 Ω · cm的电阻率。
[0037]自此，参照附图对根据一个实施例的制造图像传感器的方法进行说明。
[0038] 图3至8为对根据一个实施例的制造图像传感器的工艺进行说明的示意图。
[0039] 参照图3,在外延层（210)上形成光电二极管（PD)。低浓度杂质可以被选择性地 注入到外延层（210)中以形成光电二极管（PD)。例如，低浓度η型和p型杂质可以彼此不 同的深度被注入以形成光电二极管（PD)。光电二极管（PD)包括掺杂有低浓度η型杂质的 区域（211)和掺杂有低浓度ρ型杂质的区域（212)。
[0040] 参照图4,在外延层（210)上形成多个晶体管。同样地，强导电性杂质可以被注入 到外延层（210)中以形成浮动扩散（floating diffusion)层（FD)。尽管图4中示出了连 接到光电二极管（PD)上的一传输晶体管（Tx)，本发明并不仅限于此。例如，在外延层（210) 上形成更多的传输晶体管（Τχ)。例如，可以进一步在外延层（210)上形成复位晶体管、选择 晶体管以及存取晶体管。
[0041] 传输晶体管（Τχ)和复位晶体管被串联连接到光电二极管（PD)上。传输晶体管 (Τχ)的源极被连接到光电二极管（PD)上，同时传输晶体管（Τχ)的漏极被连接到复位晶体 管的源极上。在复位晶体管的漏极上施加电源电压（Vdd)。
[0042] 传输晶体管（Τχ)的漏极作为浮动扩散层（FD)。浮动扩散层（FD)被连接到选择 晶体管的栅极。选择晶体管和存取晶体管相互串联连接。也就是说，选择晶体管的源极和 存取晶体管的漏极被相互连接。在存取晶体管的漏极和复位晶体管的源极上施加电源电 压（Vdd)。选择晶体管的漏极相当于输出端（Out)。在选择晶体管的栅极上施加选择信号 (Row)。
[0043] 将对具有上述结构的图像传感器的操作进行简单说明。首先，在复位晶体管被导 通以使得浮动扩散层（FD)的电势等于电源电压（Vdd)之后，复位晶体管被截止。该操作被 定义为复位操作。
[0044] 当外部光入射到光电二极管（PD)中时，在光电二极管（PD)内部产生电子-空穴 对（EHP，electron-hole pairs)以在光电二极管（PD)内积累信号电荷。随后，传输晶体管 (Tx)被导通，并且光电二极管（PD)内积累的信号电荷被输出到浮动扩散层（FD)中并且被 储存在浮动扩散层（FD)中。因此，浮动扩散层（FD)的电势与从光电二极管（PD)输出的电 荷量成比例地改变。因此，存取晶体管的栅极的电势可以被改变。当使用选择信号（Row) 导通选择晶体管时，数据被输出到输出端（Out)。在数据被输出后，像素（P)重新执行复位 操作。根据实施例的图像传感器重复执行上述过程以将光转换为电信号并因此输出所转换 的电信号。
[0045] 参照图5,在外延层（210)上形成多个布线层（310、320、330、340)。例如，多个布 线层（310、320、330、340)可以包括第一布线层（310)、第二布线层（320)、第三布线层（330) 和第四布线层（340)。
[0046] 布线层（310、320、330、340)进一步可以包括接线和通孔。接线被安置在布线层 (310、320、330、340)中的每一个中分别包括的层间电介质内。第一布线层（310)包括第一 接线（311)和第一通孔（312)。第二布线层（320)包括第二接线（321)和第二通孔。第三 布线层（330)包括第三接线（331)和第三通孔。第四布线层（340)包括第四接线（341)和 第四通孔。
[0047] 布线层（310、320、330、340)可以通过双镶嵌（dual damascene)工艺来形成。也 就是说，可以在层间电介质中形成凹槽，诸如铜（Cu)之类的导电材料被填入到凹槽中，并 且对布线层（310、320、330、340)执行化学机械抛光工艺。
[0048] 参照图6,在布线层（310、320、330、340)上形成支撑衬底（400)。支撑衬底（400) 对外延层（210)和布线层（310、320、330、340)进行支撑。也就是说，支撑衬底（400)具有 足够的强度来对外延层（210)和布线层（310、320、330、340)进行支撑。支撑衬底（400)可 以是硅衬底、金属衬底、塑料衬底或者玻璃衬底。
[0049] 参照图7,硅晶圆被去除。使用化学和机械工艺去除硅晶圆（200)。例如，在硅晶 圆（200)被机械切片后使用刻蚀液体通过刻蚀工艺来去除硅晶圆（200)。同样地，可以进一 步执行化学抛光工艺以去除硅晶圆（200)。
[0050] 参照图8,滤色片（500)被放置在外延层（210)下。覆盖层被进一步放置在滤色片 (500)与外延层（210)之间。滤色片（500)可以包括有色色素或颜料。滤色片（500)可以 对具有特定颜色的光进行过滤。
[0051] 在滤色片（500)下形成微透镜￠00)。微透镜（600)通过回流焊接工艺形成并且 具有凸形形状。
[0052] 如上所述，根据实施例的图像传感器包括支撑衬底（400)，位于支撑衬底（400)下 的布线层（310、320、330、340)，位于布线层（310、320、330、340)下的外延层（210)，以及位 于外延层（210)内部的光电二极管（PD)。
[0053] 在此，外延层（210)具有大约0· 3°至大约1. 5°的偏离角（Θ )。当外延层（210) 具有大约0.3°至大约1.5°的偏离角（Θ)时，外延层（210)的缺陷可以明显被减少。因 此，根据实施例的图像传感器的缺陷被减少并且具有改进的感应效率。
[0054] 特别地，为了形成根据实施例的图像传感器，将各种离子注入到外延层（210)中。 例如，为了在外延层（210)中形成光电二极管（PD)，n型杂质和/或ρ型杂质被注入到外延 层（210)中。
[0055] 在此，根据离子的注入浓度和深度可以决定光电二极管（PD)的特性和性能。同样 地，因为外延层（210)的偏离角（Θ)被精密调整，执行离子注入工艺的时候出现的缺陷和 特性改变能够得到控制。也就是说，在根据实施例的用于制造图像传感器的方法中，对偏离 角（Θ)进行调整以对执行离子注入工艺时出现的缺陷和特性改变进行限制。
[0056] 同样地，在根据实施例的图像传感器中，硅晶圆（200)被去除，并且随后光可以通 过图像传感器的背面入射。因此，在根据实施例的图像传感器中，光能够以短光程入射到光 电二极管（PD)中。此外，图像传感器可以具有改进的感应效率。
[0057] 尽管已经参照若干说明性实施例对实施例进行了说明，然而应当理解的是，本领 域的技术人员能够设计出在本发明原理的精神和范围内的大量的其它修改和实施例。更加 特别地，在本发明、附图以及权利要求书范围内，对主组合装置的组件部分和/或排布的各 种变型和修改都是可能的。除了组件部分和/或排布的变型和修改之外，替换使用对于本 领域的技术人员而言也是显而易见的。
[0058] 实骀示例
[0059] 生长具有各种偏离角和直径大约为300mm的硅锭，并且随后执行切片和抛光工艺 以形成硅晶圆。之后，使用四氯化硅作为源气体并且使用B 2H6作为掺杂气体来形成具有大 约Ιμπι至20μπι厚度的外延层。之后，将η型杂质注入到外延层中以形成光电二极管。之 后，在外延层上执行双镶嵌工艺以形成布线层。之后，将作为支撑衬底的晶圆附着在最高的 布线层上，并且去除硅晶圆。随后，在外延层下形成滤色片和微透镜。
[0060] 结论
[0061] 如上所述，根据偏离角形成的外延层的缺陷和图像传感器的缺陷率在图9和10中 示出。图9为示出缺陷数量与外延层的偏离角之间的关系的示意图；图10为示出图像传感 器的缺陷率与硅晶圆的偏离角之间的关系的示意图。
[0062] 如图9和10中所示，当偏离角为大约0.3°至大约0.7°时，图像传感器的缺陷率 被降低。
[0063] 工业实用件
[0064] 因为实施例能够被应用于图像传感器以及制造该图像传感器的方法，则明显具有 很强的工业实用性。
【权利要求】
1. 一种图像传感器，包括： 支撑衬底； 布线层，位于所述支撑衬底下； 外延层，位于所述布线层下；以及 光电二极管，位于所述外延层中， 其中，所述外延层相对于[001]晶向具有大约0.3°至大约1.5°的偏离角。
2. 根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述外延层相对于[001]晶向具有大约 0.3°至大约0.7°的偏离角。
3. 根据权利要求1所述的图像传感器，进一步包括位于所述外延层上的传输晶体管， 所述传输晶体管被连接到所述光电二极管上。
4. 根据权利要求1所述的图像传感器，进一步包括位于所述外延层下的滤色片。
5. 根据权利要求4所述的图像传感器，进一步包括位于所述滤色片下的微透镜。
6. 根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述外延层具有大约1Ω · cm至大约 10 Ω · cm的电阻率。
7. -种制造图像传感器的方法，包括： 提供相对于[001]晶向具有大约〇. 3°至大约1. 5°的偏尚角的娃晶圆； 在所述娃晶圆上形成外延层； 在所述外延层上形成光电二极管； 在所述外延层上形成布线层； 在所述布线层上形成支撑衬底；以及 去除所述娃晶圆。
8. 根据权利要求7所述的方法，进一步包括：在所述去除所述硅晶圆之后，在所述外延 层下形成滤色片。
9. 根据权利要求8所述的方法，进一步包括：在所述滤色片下形成微透镜。
10. 根据权利要求7所述的方法，其中，所述硅晶圆相对于[001]晶向具有大约0.3° 至大约0.7°的偏离角。
11. 根据权利要求7所述的方法，其中，所述硅晶圆具有大约0.005Ω · cm至大约 0. 02 Ω · cm的电阻率。
12. 根据权利要求7所述的方法，其中，所述外延层具有大约1Ω ·〇ιι至大约10 Ω · cm 的电阻率。
【文档编号】H01L27/146GK104145337SQ201280070992
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2012年11月29日 优先权日:2012年2月29日
【发明者】林鸿江 申请人:Lg矽得荣株式会社