图像传感器及其制备方法

摘要

本发明揭示了一种图像传感器及其制备方法，包括：提供第一晶圆，所述第一晶圆包括依次层叠的第一硅衬底、第一硅外延层和互连层；从所述硅衬底的一侧对所述第一晶圆进行减薄至所述第一硅外延层；提供第二晶圆，所述第二晶圆包括第二晶圆衬底和位于所述第二晶圆衬底一侧的半导体层；将所述第二晶圆与减薄后的第一晶圆进行键合，所述半导体层面向所述第一硅外延层；将所述第二晶圆衬底从所述第二晶圆剥离；在暴露出的所述半导体层中制备第二隔离结构，并在所述半导体层中形成第二光电二极管区。其中，所述半导体层的禁带宽度小于硅的禁带宽度，能够更好的吸收近红外光，可以有效提高CMOS图像传感器量子转换效率。

权利要求

1.一种图像传感器的制备方法，其特征在于，包括：

提供第一晶圆，所述第一晶圆包括层叠的第一硅衬底和第一硅外延层，所述第一硅外延层中具有第一光电二极管区域和用于隔离所述第一光电二极管区域的第一隔离结构；

从所述硅衬底的一侧对所述第一晶圆进行减薄至所述第一硅外延层；

提供第二晶圆，所述第二晶圆包括第二晶圆衬底和位于所述第二晶圆衬底一侧的半导体层，所述半导体层的禁带宽度小于所述硅衬底的禁带宽度；

将所述第二晶圆与减薄后的第一晶圆进行键合，其中，所述半导体层面向所述第一硅外延层；

将所述第二晶圆衬底从所述第二晶圆剥离；以及

在暴露出的所述半导体层中制备第二隔离结构，并在所述半导体层中形成第二光电二极管区，所述第二隔离结构隔离所述第二光电二极管区，所述第二隔离结构与所述第一隔离结构的位置相对应，所述第二光电二极管区与所述第一光电二极管区的位置相对应。

2.如权利要求1所述的图像传感器的制备方法，其特征在于，所述图像传感器的制备方法还包括：进行离子注入在所述第二晶圆衬底面向所述半导体层一侧的表面形成缺陷层。

3.如权利要求2所述的图像传感器的制备方法，其特征在于，将所述第二晶圆衬底从所述第二晶圆剥离的步骤中，沿所述缺陷层将所述第二晶圆衬底从所述半导体层的一侧剥离。

4.如权利要求2所述的图像传感器的制备方法，其特征在于，所述缺陷层为氢离子掺杂层。

5.如权利要求2-4中任意一项所述的图像传感器的制备方法，其特征在于，所述半导体层为硅锗层。

6.如权利要求5所述的图像传感器的制备方法，其特征在于，所述提供第二晶圆的步骤包括：提供所述第二晶圆衬底；

在所述第二晶圆衬底进行离子注入形成第二晶圆掺杂层；

利用外延工艺在所述第二晶圆衬底的一侧形成锗层，并在所述第二晶圆衬底和锗层之间形成所述硅锗层，所述硅锗层为所述半导体层；

利用循环热处理工艺将所述锗层中的锗推进到所述第二晶圆衬底中，同时所述第二晶圆衬底中的硅扩散至所述锗层中，形成更厚的所述半导体层；

去除所述锗层。

7.如权利要求6所述的图像传感器的制备方法，其特征在于，所述循环热处理工艺包括多个第一温度和第二温度循环处理的过程，所述第一温度为750℃～950℃，所述第二温度为650℃～850℃。

8.如权利要求1所述的图像传感器的制备方法，其特征在于，所述第一光电二极管区域包括第一类型掺杂区域和第二类型掺杂区域，所述第二类型掺杂区域面向所述第一硅衬底设置，所述第二光电二极管区的掺杂类型为第二类型。

9.一种图像传感器，其特征在于，包括：

第一晶圆，所述第一晶圆包括第一硅外延层，所述第一硅外延层中具有第一光电二极管区域和用于隔离所述第一光电二极管区域的第一隔离结构；

第二晶圆，所述第二晶圆包括半导体层，所述半导体层的禁带宽度小于单晶硅的禁带宽度，所述半导体层中具有第二光电二极管区和用于隔离所述第二光电二极管区的第二隔离结构；

所述第二晶圆和第一晶圆键合在一起，其中，所述半导体层面向所述第一硅外延层设置，所述第二隔离结构与所述第一隔离结构的位置相对应，所述第二光电二极管区与所述第一光电二极管区的位置相对应。

说明书

图像传感器及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及图像传感器技术领域，特别是涉及一种图像传感器及其制备方法。

背景技术

[0002] 伴随着移动互联网的飞速发展，人们对智能终端的需求愈来愈庞大，而有着智能终端“眼睛”之称的图像传感器也迎来了前所未有的发展空间。传统的CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)图像传感器由于其功耗较大，市场局限在高性能的数码相机中；CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor，简称CIS)不仅功耗低，速率快，而且易于与现有的半导体工艺相兼容，生产成本较低，这使得CMOS图像传感器占据了图像传感器市场的半壁江山。

[0003] CMOS图像传感器遇到的主要问题是近红外光的量子效率(QE，quantum efficiency)较低。量子效率是指一个光子转变成为PD中光生电子的概率。为了提高红外光的量子效率，现有技术中往往会增加硅衬底的整体厚度，然而，采用这种方法得到的CMOS图像传感器的性能不佳。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于，提供一种图像传感器及其制备方法，可以提高近红外光的量子效率，同时改善CMOS图像传感器的性能。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供一种图像传感器的制备方法，包括：

[0006] 提供第一晶圆，所述第一晶圆包括层叠的第一硅衬底和第一硅外延层，所述第一硅外延层中具有第一光电二极管区域和用于隔离所述第一光电二极管区域的第一隔离结构；

[0007] 从所述硅衬底的一侧对所述第一晶圆进行减薄至所述第一硅外延层；

[0008] 提供第二晶圆，所述第二晶圆包括第二晶圆衬底和位于所述第二晶圆衬底一侧的半导体层，所述半导体层的禁带宽度小于所述硅衬底的禁带宽度；

[0009] 将所述第二晶圆与减薄后的第一晶圆进行键合，其中，所述半导体层面向所述第一硅外延层；

[0010] 将所述第二晶圆衬底从所述第二晶圆剥离；以及

[0011] 在暴露出的所述半导体层中制备第二隔离结构，并在所述半导体层中形成第二光电二极管区，所述第二隔离结构隔离所述第二光电二极管区，所述第二隔离结构与所述第一隔离结构的位置相对应，所述第二光电二极管区与所述第一光电二极管区的位置相对应[0012] 进一步的，所述图像传感器的制备方法还包括：进行离子注入在所述第二晶圆衬底面向所述半导体层一侧的表面形成缺陷层。

[0013] 进一步的，将所述第二晶圆衬底从所述第二晶圆剥离的步骤中，沿所述缺陷层将所述第二晶圆衬底从所述半导体层的一侧剥离。

[0014] 进一步的，所述缺陷层为氢离子掺杂层。

[0015] 进一步的，所述半导体层为硅锗层。

[0016] 进一步的，所述提供第二晶圆的步骤包括：

[0017] 提供所述第二晶圆衬底；

[0018] 在所述第二晶圆衬底进行离子注入形成第二晶圆掺杂层；

[0019] 利用外延工艺在所述第二晶圆衬底的一侧形成锗层，并在所述第二晶圆衬底和锗层之间形成所述硅锗层，所述硅锗层为所述半导体层；

[0020] 利用循环热处理工艺将所述锗层中的锗推进到所述第二晶圆衬底中，同时所述第二晶圆衬底中的硅扩散至所述锗层中，形成更厚的所述半导体层；

[0021] 去除所述锗层。

[0022] 进一步的，所述缺陷层的深度大于所述第二晶圆掺杂层的深度。

[0023] 进一步的，所述循环热处理工艺包括多个第一温度和第二温度循环处理的过程，所述第一温度为750℃～950℃，所述第二温度为650℃～850℃。

[0024] 进一步的，所述第二晶圆衬底包括第二硅衬底和位于所述第二硅衬底一侧的第二硅外延层，所述第二晶圆掺杂层位于所述第二硅外延层中，所述硅锗层位于所述第二硅外延层背离所述第二硅衬底的一侧，所述第二晶圆掺杂层位于所述第二硅外延层内。

[0025] 进一步的，所述第一光电二极管区域包括第一类型掺杂区域和第二类型掺杂区域，所述第二类型掺杂区域面向所述第一硅衬底设置，所述第二光电二极管区的掺杂类型为第二类型。

[0026] 本发明还提供一种图像传感器，包括：

[0027] 第一晶圆，所述第一晶圆包括第一硅外延层，所述第一硅外延层中具有第一光电二极管区域和用于隔离所述第一光电二极管区域的第一隔离结构；

[0028] 第二晶圆，所述第二晶圆包括半导体层，所述半导体层的禁带宽度小于单晶硅的禁带宽度，所述半导体层中具有第二光电二极管区和用于隔离所述第二光电二极管区的第二隔离结构；

[0029] 所述第二晶圆和第一晶圆键合在一起，其中，所述半导体层面向所述第一硅外延层设置，所述第二隔离结构与所述第一隔离结构的位置相对应，所述第二光电二极管区与所述第一光电二极管区的位置相对应。

[0030] 与现有技术相比，本发明提供的图像传感器及其制备方法具有以下优点：

[0031] 在所述图像传感器及其制备方法中，通过晶圆键合的方法，在所述第一晶圆的第一硅外延层(即光电二极管区域)键合了一半导体层，所述半导体层的禁带宽度小于所述硅衬底的禁带宽度，能够更好的吸收近红外光，可以有效提高CMOS图像传感器量子转换效率。

[0032] 进一步的，锗硅外延工艺能与现在的硅单晶制成工艺很好的兼容，因而比较容易应用在目前的CMOS图像传感器工艺中。

附图说明

[0033] 图1为本发明一实施例中图像传感器的制备方法的流程图；

[0034] 图2至图11为本发明一实施例的图像传感器的制备方法中器件结构的示意图。

具体实施方式

[0035] 现有的图像传感器中通过增加硅衬底的整体厚度来提高近红外光的量子效率，然而，采用这种方法得到的CMOS图像传感器的性能不佳。发明人对现有的图像传感器研究发现，现有的图像传感器中通过增加硅衬底的整体厚度来提高近红外光的量子效率，从目前的2um～3um增加到5um～10um。单纯增加单晶硅厚度可以提高量子转换效率，但是随之而来的工艺挑战也不断加剧，比如需要更深的离子注入，而更深的离子注入又会要求更厚的光刻胶，而厚的光刻胶又会降低最小尺寸的分辨率，最终影响到CMOS图像传感器的性能。此外厚的单晶硅又会带来光刻对准的工艺问题，需要增加额外的工艺来实现对准工艺。

[0036] 发明人进一步研究发现，由于能带结构的固有特性，硅单晶材料对近红外光存在吸收系数低、吸收长度长等问题。尤其是随着半导体器件特征尺寸进入亚微米、深亚微米范围，工作电压越来越小，晶体管P-N结越来越浅，耗尽区离表面越来越近、厚度越来越薄、很难有效吸收入射光信号，并且在衬底深处产生的光生载流子由于没有受到电场牵引会很快复合，对光电流没有贡献，造成制作出来的CMOS图像传感器量子转化效率很低。

[0037] 发明人深入研究发现，锗硅材料的禁带宽度小于硅的禁带宽度，如果将锗硅材料应用在CMOS图像传感器产品中，能够更好的吸收近红外光，可以有效提高CMOS图像传感器量子转换效率。

[0038] 根据上述研究，本发明提供一种图像传感器的制备方法，提供一种图像传感器的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：

[0039] 步骤S11，提供第一晶圆，所述第一晶圆包括层叠的第一硅衬底和第一硅外延层，所述第一硅外延层中具有第一光电二极管区域和用于隔离所述第一光电二极管区域的第一隔离结构；

[0040] 步骤S12，从所述硅衬底的一侧对所述第一晶圆进行减薄至所述第一硅外延层；

[0041] 步骤S13，提供第二晶圆，所述第二晶圆包括第二晶圆衬底和位于所述第二晶圆衬底一侧的半导体层，所述半导体层的禁带宽度小于所述硅衬底的禁带宽度；

[0042] 步骤S14，将所述第二晶圆与减薄后的第一晶圆进行键合，其中，所述半导体层面向所述第一硅外延层；以及

[0043] 步骤S15，将所述第二晶圆衬底从所述第二晶圆剥离。

[0044] 步骤S16，在暴露出的所述半导体层中制备第二隔离结构，并在所述半导体层中形成第二光电二极管区，所述第二隔离结构隔离所述第二光电二极管区，所述第二隔离结构与所述第一隔离结构的位置相对应，所述第二光电二极管区与所述第一光电二极管区的位置相对应。

[0045] 通过晶圆键合的方法，在所述第一晶圆的第一硅外延层(即光电二极管区域)键合了一半导体层，所述半导体层的禁带宽度小于所述硅衬底的禁带宽度，能够更好的吸收近红外光，可以有效提高CMOS图像传感器量子转换效率。

[0046] 进一步的，锗硅外延工艺能与现在的硅单晶制成工艺很好的兼容，因而比较容易应用在目前的CMOS图像传感器工艺中。

[0047] 下面将结合示意图对本发明的图像传感器及其制备方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

[0048] 为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

[0049] 在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

[0050] 以下结合图2至图11，具体说明本发明的图像传感器的制备方法，图2至图11为本发明一实施例的图像传感器的制备方法中器件结构的示意图。

[0051] 首先，进行步骤S11，如图2所示，提供第一晶圆100，所述第一晶圆100包括依次层叠的第一硅衬底110和第一硅外延层120，所述第一硅外延层120中具有多个第一光电二极管区域121和用于隔离所述第一光电二极管区域121的第一隔离结构122，其中，所述第一光电二极管区域121用于制备光电二极管。

[0052] 此外，所述第一晶圆100还可以包括互连层130，所述互连层130位于所述第一硅外延层120背离所述第一硅衬底110的一侧，所述互连层130包括像素阵列，所述像素阵列的结构可以包括栅极、连接孔结构、互连线等结构。所述第一硅衬底110、第一硅外延层120和互连层130的制备过程可以采用标准半导体工艺，此为本领域的技术人员可以理解的，在此不作赘述。

[0053] 在本实施例中，所述第一硅衬底110和第一硅外延层120均为P型掺杂，在其它实施例中，所述第一硅衬底110和第一硅外延层120还可以均为N型掺杂。所述第一硅外延层120的掺杂浓度低于所述第一硅衬底110的掺杂浓度，所述第一硅外延层120的阻值约为1ohm/cm～50ohm/cm，所述第一硅衬底110的阻值约为0.01ohm/cm～0.1ohm/cm。

[0054] 较佳的，所述第一光电二极管区域121包括第一类型掺杂区域1211和第二类型掺杂区域1212，所述第二类型掺杂区域1212面向所述第一硅衬底110设置，其中，在本实施例中，第一类型为P型，第二类型为N型，在其它实施例中，还可以第一类型为N型，第二类型为P型。在本实施例中，所述第一隔离结构122为离子注入隔离结构，所述第一隔离结构122的掺杂类型为P型，在其它实施例中，所述第一隔离结构122还可以为电介质隔离(如浅槽隔离或深槽隔离)等结构。

[0055] 然后，进行步骤S12，如图3所示，从所述硅衬底110的一侧对所述第一晶圆100进行减薄至所述第一硅外延层120。具体的，可以在所述互连层130背离所述第一硅外延层120的一侧和一键合晶圆300进行键合，然后对所述硅衬底110的一侧对所述第一晶圆100进行研磨。在减薄的过程中，可以对部分所述第一硅外延层120进行减薄至合适的厚度，减薄的第一硅外延层的厚度可以为2μm～10μm。

[0056] 之后，进行步骤S13，如图4所示，提供第二晶圆200，所述第二晶圆200包括第二晶圆衬底和位于所述第二晶圆衬底一侧的半导体层。在本实施例中，所述步骤S13包括以下子步骤S131～子步骤S135：

[0057] 子步骤S131，如图4所示，提供所述第二晶圆衬底210，在本实施例中，所述第二晶圆衬底210包括第二硅衬底211和位于所述第二硅衬底211一侧的第二硅外延层212；

[0058] 子步骤S132，如图5所示，在所述第二晶圆衬底210进行离子注入形成第二晶圆掺杂层213，所述第二晶圆掺杂层213位于所述第二硅外延层212中。在本实施例中，所述第二晶圆掺杂层213为N型掺杂，在其它实施例中，所述第二晶圆掺杂层213还可以为P型掺杂。具体的，可以在所述第二硅外延层212上注入磷离子，从而在所述第二晶圆200表面形成高浓度的N型所述第二晶圆掺杂层213；

[0059] 子步骤S133，如图6所示，利用外延工艺在所述第二晶圆衬底210的一侧形成锗层230，在形成所述锗层230时，部分锗离子会进入所述第二硅外延层212中，从而在所述第二晶圆衬底210和锗层230之间形成所述硅锗层220，所述硅锗层220作为所述半导体层，所述硅锗层220的禁带宽度小于所述硅衬底的禁带宽度，在其它实施例中，所述半导体层还可以为其它材料，在此不一一列举；

[0060] 为了在后续步骤中方便将所述硅锗层220与第二晶圆衬底210进行剥离，较佳的，在本实施例中，还包括：如图7所示，进行离子注入在所述第二晶圆衬底210面向所述半导体层220一侧的表面形成缺陷层214，所述缺陷层214的深度大于所述第二晶圆掺杂层213的深度。较佳的，所述缺陷层214为氢离子掺杂层，即在所述第二晶圆衬底210面向所述半导体层220一侧的表面注入H离子，所述H离子会破坏所述第二晶圆衬底210中晶体的晶格，以形成所述缺陷层214，可以方便地进行剥离。

[0061] 子步骤S134，如图8所示，利用循环热处理工艺将所述锗层230中的锗推进到所述第二晶圆衬底210中，同时所述第二晶圆衬底210中的硅扩散至所述锗层230中，形成更厚的所述半导体层(所述硅锗层220)。在本实施例中，剩余的所述第二晶圆掺杂层213和部分所述锗层230成为所述硅锗层220。进一步的，所述循环热处理工艺包括多个第一温度和第二温度循环处理的过程，所述第一温度为750℃～950℃，所述第二温度为650℃～850℃，每个循环大约1分钟～10分钟，经过5～15个循环热处理过程，即可以形成厚度合适的所述硅锗层220；

[0062] 子步骤S135，如图9所示，去除所述锗层230，具体的，可以采用研磨工艺将所述锗层230去除。

[0063] 之后，进行步骤S14，如图10所示，将所述第二晶圆200与减薄后的第一晶圆100进行键合，其中，所述半导体层220面向所述第一硅外延层220进行键合。

[0064] 接着，进行步骤S15，如图11所示，将所述第二晶圆衬底210从所述第二晶圆200剥离，露出所述半导体层220，在本实施例中，由于制备了所述缺陷层214，所述缺陷层214中的晶体中具有缺陷，当加热时，可以沿所述缺陷层214将所述第二晶圆衬底210从所述半导体层220的一侧剥离。

[0065] 随后，进行步骤S16，继续参考图11，在暴露出的所述半导体层220中制备第二隔离结构222，并在所述半导体层220中形成多个第二光电二极管区221，所述第二隔离结构222隔离所述第二光电二极管区，所述第二隔离结构222与所述第一隔离结构122的位置相对应，所述第二光电二极管221区与所述第一光电二极管区121的位置相对应。在本实施例中，在形成所述第二隔离结构222时，自然形成被所述第二隔离结构222所隔离的多个所述第二光电二极管区221。

[0066] 由于所述第二晶圆掺杂层213为N型掺杂，所以所述第一光电二极管区1211的掺杂类型为N型掺杂，在本实施例中，所述第二隔离结构222为深槽隔离结构。

[0067] 此外，还可以在所述半导体层220背离所述第一硅外延层120的一侧形成一P型层，并可以出去所述键合晶圆300。

[0068] 如图11所示的图像传感器中，所述图像传感器包括第一晶圆100和第二晶圆200，所述第一晶圆100包括第一硅外延层120，所述第一硅外延层120中具有第一光电二极管区域121和用于隔离所述第一光电二极管区域121的第一隔离结构122；所述第二晶圆200包括半导体层220，所述半导体层220的禁带宽度小于单晶硅的禁带宽度，所述半导体层220中具有第二光电二极管区221和用于隔离所述第二光电二极管区221的第二隔离结构222；所述第二晶圆100和第一晶圆200键合在一起，其中，所述半导体层220面向所述第一硅外延层120设置，所述第二隔离结构222与所述第一隔离结构122的位置相对应，所述第二光电二极管区221与所述第一光电二极管区121的位置相对应。所述第二光电二极管区221与所述第一光电二极管区121形成光电二极管2，所述第二隔离结构222与所述第一隔离结构122共同隔离相邻的所述光电二极管2。

[0069] 在最终形成的结构中，在所述半导体层220用于形成光电二极管，所述半导体层220的禁带宽度小于硅的禁带宽度，能够更好的吸收近红外光，可以有效提高CMOS图像传感器量子转换效率。

[0070] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。