專利名稱：一種cmos圖像傳感器制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種CMOS圖像傳感器的制造方法。
背景技術(shù)：
圖像傳感器是組成數(shù)字?jǐn)z像頭的重要組成部分。根據(jù)元件的不同，可分為CCD (ChargeCoupled Device,電荷稱合兀件)和 CMOS (Complementary Metal-OxideSemiconductor,金屬氧化物半導(dǎo)體元件)兩大類。CMOS傳感器獲得廣泛應(yīng)用的一個前提是其所擁有的較高靈敏度、較短曝光時(shí)間和日漸縮小的像素尺寸。其中，CMOS圖像傳感器重要的性能指標(biāo)之一的像素靈敏度主要由填充因子(感光 面積與整個像素面積之比)與量子效率(由轟擊屏幕的光子所生成的電子的數(shù)量)的乘積來決定。在CMOS圖像傳感器中，為了實(shí)現(xiàn)堪與CCD轉(zhuǎn)換器相媲美的噪聲指標(biāo)和靈敏度水平，在CMOS圖像傳感器中應(yīng)用了有源像素。然而有源像素(像素單元)的應(yīng)用卻不可避免地導(dǎo)致填充因子降低，因?yàn)橄袼乇砻嫦喈?dāng)大的一部分面積被放大器晶體管所占用，留給感光二極管的可用空間較小。所以，當(dāng)今CMOS傳感器的一個重要的研究方向就是擴(kuò)大填充因子。傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器采用的前感光式(FSI,Front Side Illumination)技術(shù)，即前照技術(shù)。如圖I所示，前照技術(shù)的主要特點(diǎn)是在硅片正面按順序制作感光二極管、金屬互連層以及彩色濾鏡。其優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單，與CMOS工藝完全兼容；成本較低；彩色濾鏡填充材料折射率可調(diào)；有利于提聞入射光的透射率，減少串?dāng)_等。如照技術(shù)是一種與CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝兼容的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各種(尤其是大像素)CMOS圖像傳感器芯片的制作。然而，由于光線首先需要經(jīng)過上層的金屬互連層才能照射到下方的感光二極管，因此前照技術(shù)的填充因子和靈敏度通常較低。隨著像素尺寸的變小，提高填充因子所來越困難，目前另一種技術(shù)是從傳統(tǒng)的前感光式變?yōu)楸巢扛泄馐?BSI，Back Side Illumination)，即背照技術(shù)。如圖2所示，背照技術(shù)的主要特點(diǎn)是首先在硅片正面按順序制作感光二極管、金屬互連層，然后對硅片背面進(jìn)行減薄(通常需要減薄至20um以下)，并通過對于背部感光式CMOS傳感器最重要的硅通孔技術(shù)(TSV, Through-Si I icon-Via)將感光二極管進(jìn)行互連弓I出。娃通孔技術(shù)是通過在芯片和芯片之間、晶圓和晶圓之間制作垂直導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)芯片之間互連的最新技術(shù)。由于互連電路置于背部，前部全部留給感光二極管，這樣就實(shí)現(xiàn)了盡可能大的填充因子。硅通孔技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是照射到感光二極管的入射光不受金屬互連影響，靈敏度較高，填充因子較高。然而，硅通孔技術(shù)難度較高，對設(shè)備的要求較高，其成本也相對較高。而且由于對于超薄硅片的減薄工藝的限制，通常背照技術(shù)應(yīng)用于小像素的圖像傳感器中，如智能手機(jī)的中小像素?cái)z像頭，而無法應(yīng)用于大像素的圖像傳感器制造。

發(fā)明內(nèi)容
為達(dá)成上述目的，本發(fā)明提供一種CMOS圖像傳感器制造方法，包括如下步驟提供SOI襯底，所述SOI襯底包括薄體硅襯底，厚體硅襯底以及二氧化硅層；在所述薄體硅襯底上依次形成感光二極管區(qū)及第一金屬鍵合層；沿所述Si02層將所述厚體硅襯底剝離；提供體硅襯底，所述體硅襯底包括感光二極管對應(yīng)區(qū)及其他電路區(qū)；在所述體硅襯底上的感光二極管對應(yīng)區(qū)依次形成多晶硅層、至少一層金屬互連層，并在頂層金屬互連層上方形成第二金屬鍵合層；以及對所述薄體硅襯底與所述體硅襯底進(jìn)行金屬鍵合?？蛇x的，對所述薄體硅襯底與所述體硅襯底進(jìn)行金屬鍵合的步驟包括將所述薄體硅襯底翻轉(zhuǎn)；將所述薄體硅襯底與所述體硅襯底對準(zhǔn)；通過金屬鍵合工藝對所述薄體硅襯底與所述體硅襯底進(jìn)行金屬鍵合?？蛇x的，將所述薄體硅襯底與所述體硅襯底對準(zhǔn)的步驟包括在所述感光二極管區(qū)之外形成第一對準(zhǔn)標(biāo)記；在所述感光二極管對應(yīng)區(qū)之外形成第二對準(zhǔn)標(biāo)記；通過所述第一對準(zhǔn)標(biāo)記與所述第二對準(zhǔn)標(biāo)記將所述薄體硅襯底與所述體硅襯底對準(zhǔn)?？蛇x的，將所述第一金屬鍵合層與所述第二金屬鍵合層對準(zhǔn)的步驟包括在形成所述第一金屬鍵合層時(shí)，在所述感光二極管區(qū)之外形成第一對準(zhǔn)標(biāo)記；在形成所述第二金屬 鍵合層時(shí)，在所述感光二極管對應(yīng)區(qū)之外形成第二對準(zhǔn)標(biāo)記；通過所述第一對準(zhǔn)標(biāo)記與所述第二對準(zhǔn)標(biāo)記將所述薄體硅襯底與所述體硅襯底對準(zhǔn)?？蛇x的，所述第一鍵合層和所述第二鍵合層包括Ti層和Au層?？蛇x的，通過蒸鍍金屬膜形成所述第一金屬鍵合層及所述第二金屬鍵合層?？蛇x的，對所述薄體硅襯底與所述體硅襯底進(jìn)行金屬鍵合的鍵合時(shí)間為3(Γ120分鐘，鍵合溫度為420°C?？蛇x的，所述CMOS圖像傳感器制造方法還包括在所述體硅襯底的其他電路區(qū)形成讀取電路、控制電路、互連線、IO及焊盤?？蛇x的，所述第一金屬鍵合層通過所述互連線與所述感光二極管區(qū)互連，所述第二金屬鍵合層通過所述互連線與所述體硅襯底上的頂層金屬互連層互連；所述體硅襯底上的多晶硅區(qū)、至少一層金屬互連層通過所述互連線互連。可選的，所述CMOS圖像傳感器制造方法還包括形成彩色濾鏡以及在每個所述彩色濾鏡上方形成微透鏡的步驟。可選的，所述CMOS圖像傳感器制造方法還包括將所述焊盤進(jìn)行金屬線引出以對所述CMOS圖像傳感器進(jìn)行封裝的步驟。本發(fā)明的有益效果在于，(I)采用先進(jìn)的工藝技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)體硅襯底制作對工藝要求較高的讀取電路、控制電路等，而以低成本的微米級工藝在SOI襯底制作圖像傳感器像素單元，因此對圖像傳感器像素單元的制作節(jié)省了大量工藝成本。(2)通過將標(biāo)準(zhǔn)體硅襯底和SOI襯底金屬鍵合的方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)前照、背照工藝，使得照射到感光二極管的入射光不受金屬互連影響，靈敏度較高，填充因子較高。且與背照式CMOS圖像傳感器制造工藝相比，在避免了復(fù)雜、高成本的超薄減薄工藝、硅通孔技術(shù)前提下，實(shí)現(xiàn)了背照式CMOS圖像傳感器制造工藝所具有的像素單元高填充因子性能。此外，本發(fā)明也突破了背照式CMOS圖像傳感器制造工藝只能用于中小像素傳感器的限制，可以廣泛應(yīng)用于各種尤其是大像素CMOS圖像傳感器的制作。


圖I所示為現(xiàn)有技術(shù)中前照式CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)剖視圖。圖2所示為現(xiàn)有技術(shù)中背照式CMOS圖像傳感器制造方法的剖視圖。
圖3A 圖3E所示為本發(fā)明的CMOS圖像傳感器制造方法的剖視圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚易懂，以下結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步說明。當(dāng)然本發(fā)明并不局限于該具體實(shí)施例，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。下面將參照圖3A至圖3E描述根據(jù)本發(fā)明的用于制造新型CMOS圖像傳感器的方法。請參考圖3A，首先，提供半導(dǎo)體襯底，半導(dǎo)體襯底為SOI襯底，包括薄體硅襯底1，厚體硅襯底3以及薄體硅襯底和厚體硅襯底之間引入的一層二氧化硅層2。接著在薄體硅襯底I上形成用于感光的感光二極管區(qū)10，并在感光二極管區(qū)的上方形成第一金屬鍵合層(MetalX) 11，在本實(shí)施例中，所形成的第一金屬鍵合層11與感光二極管區(qū)10互連，用于后續(xù)感光二極管電信號的引出和控制信號的連接。由于感光二極管也即是像素單元的尺寸通常較大，如5umX5um，因此上述在標(biāo)準(zhǔn)的SOI襯底上的工藝只需微米級的工藝設(shè)備即可完成。接下來，請參考圖3B，沿二氧化硅層將厚體硅襯底剝離，剩余的薄體硅襯底I用于下一步工藝。請參考圖3C，接著，提供另一個標(biāo)準(zhǔn)的體硅襯底4，該體硅襯底4包括感光二極管對應(yīng)區(qū)及其他電路區(qū)。在感光二極管對應(yīng)區(qū)依次形成多晶硅層40以及一層或多層金屬互連層41，在本實(shí)施例中形成的金屬互連層41的層數(shù)為3，在除感光二極管對應(yīng)區(qū)以外的其他電路區(qū)域形成讀取電路(如ADC)，控制電路(如數(shù)字連線等)，互連線、IO及焊盤PAD43等。感光二極管對應(yīng)區(qū)的多晶硅層40、第一金屬互連層Ml、第二金屬互連層M2、頂層金屬互連層M3間通過互連線互連。由于讀取電路例、控制電路等通常受工藝技術(shù)影響較大，如55nm的工藝技術(shù)帶制作的讀取電路、控制電路等，在面積、功耗上都要優(yōu)于O. ISum的工藝技術(shù)，因此可以采用先進(jìn)的工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)。接著，在標(biāo)準(zhǔn)體硅襯底4感光二極管對應(yīng)區(qū)的上方，形成第二金屬鍵合層(MetalY) 42，第二金屬鍵合層42與頂層金屬互連層M3通過互連線互連。其中，第一金屬鍵合層11和第二金屬鍵合層42都可通過蒸鍍金屬膜形成，較佳的金屬膜可為Ti膜和Au膜。具體來說，先蒸鍍Ti膜，再蒸鍍Au膜，由于Ti膜的粘附性較好，還可作為擴(kuò)散阻擋層防止Au及鍵合缺陷進(jìn)入器件。當(dāng)然，在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，金屬膜也可為Pt膜，In膜，In/Sn膜，Cu/Ti膜，Cr/Au膜等，本發(fā)明并不限于此。接下來，請參考圖3D，將薄體硅襯底I和標(biāo)準(zhǔn)的體硅襯底4進(jìn)行金屬鍵合。具體來說，首先將上述制備有感光二極管10、第一金屬鍵合層11的薄體硅襯底I進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，為后續(xù)金屬鍵合工藝做準(zhǔn)備。之后將已翻轉(zhuǎn)的薄體硅襯底I與標(biāo)準(zhǔn)體硅襯底4進(jìn)行對準(zhǔn)。較佳的，對準(zhǔn)方法是通過對準(zhǔn)標(biāo)記來進(jìn)行。具體來說，在上述制造過程中，在形成第一金屬鍵合層11時(shí)在感光二極管區(qū)之外形成第一對準(zhǔn)標(biāo)記；在形成第二金屬鍵合層42時(shí)在感光二極管對應(yīng)區(qū)之外形成第二對準(zhǔn)標(biāo)記，然后通過將第一對準(zhǔn)標(biāo)記和第二對準(zhǔn)標(biāo)記對準(zhǔn)來完成對準(zhǔn)。在對準(zhǔn)了薄體硅襯底I與標(biāo)準(zhǔn)體硅襯底4后，通過金屬鍵合工藝將薄體硅襯底上的第一金屬鍵合層11與標(biāo)準(zhǔn)體硅襯底上的第二金屬鍵合層42對應(yīng)鍵合。其中金屬鍵合工藝可采用金屬擴(kuò)散鍵合或熔化共熔晶鍵合技術(shù)。在本實(shí)施例中，通過在金屬鍵合裝置中進(jìn)行熱壓退火完成金屬鍵合工藝，退火溫度為420°C，退火時(shí)間為3(Γ120分鐘，使金屬鍵合層牢靠地鍵合在一起。當(dāng)然，在金屬鍵合層材料為其他金屬時(shí)，其金屬鍵合條件也相應(yīng)改變。在其他實(shí)施例中，也可直接通過在金屬鍵合裝置中加熱加壓來完成鍵合，金屬鍵合工藝為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，在此不作贅述。最終通過金屬鍵合實(shí)現(xiàn)薄體硅襯底I與標(biāo)準(zhǔn)體硅襯底4的結(jié)合以形成CMOS圖像傳感器。在形成CMOS圖像傳感器后，還可通過標(biāo)準(zhǔn)體硅襯底4上的焊盤43有效將感光二極管的電信號引出，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了 CMOS圖像傳感器與外界電源和控制信號交互。此外，請參考圖3E，本實(shí)施例的CMOS圖像傳感器制造方法還包括通過彩色濾鏡工藝，在每個感光二極管區(qū)(即圖像像素單元)上方形成彩色濾鏡(Color Filter)，以及通過微透鏡工藝，在每個彩色濾鏡上方形成微透鏡(Micro Len)的步驟?！ぁぷ詈?，采用傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器封裝技術(shù)，將焊盤43進(jìn)行金屬線引出，對該CMOS圖像傳感器芯片進(jìn)行封裝。綜上所述，本發(fā)明通過分別在薄體硅襯底制作感光二極管，在另一標(biāo)準(zhǔn)硅片襯底制作讀取電路、控制電路等，并將兩者金屬鍵合的方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)前照式、背照式CMOS圖像傳感器制造工藝，實(shí)現(xiàn)了背照式CMOS圖像傳感器工藝的像素單元高填充因子性能。此外，本發(fā)明在標(biāo)準(zhǔn)的SOI襯底上制作圖像傳感器像素單元，工藝簡便，只需低成本的微米級工藝就可以實(shí)現(xiàn)，更避免了對工藝設(shè)備的較高要求，從而大幅降低了制造CMOS圖像傳感器的成本。另一方面，本發(fā)明還突破了傳統(tǒng)背照式工藝只能用于中小像素傳感器的限制，能廣泛應(yīng)用于各種(尤其是大像素)CMOS圖像傳感器的制造。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭示如上，然所述諸多實(shí)施例僅為了便于說明而舉例而已，并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下可作若干的更動與潤飾，本發(fā)明所主張的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求書所述為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種CMOS圖像傳感器制造方法，其特征在于，包括以下步驟 提供SOI襯底，所述SOI襯底包括薄體硅襯底，厚體硅襯底以及二氧化硅層； 在所述薄體硅襯底上依次形成感光二極管區(qū)及第一金屬鍵合層； 沿所述二氧化硅層將所述厚體硅襯底剝離； 提供體硅襯底，所述體硅襯底包括感光二極管對應(yīng)區(qū)及其他電路區(qū)； 在所述體硅襯底上的感光二極管對應(yīng)區(qū)依次形成多晶硅層、至少一層金屬互連層，并在頂層金屬互連層上方形成第二金屬鍵合層；以及對所述薄體硅襯底與所述體硅襯底進(jìn)行金屬鍵合。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的CMOS圖像傳感器制造方法，其特征在于，對所述薄體硅襯底與所述體硅襯底進(jìn)行金屬鍵合的步驟包括 將所述薄體硅襯底翻轉(zhuǎn)； 將所述薄體硅襯底與所述體硅襯底對準(zhǔn)； 通過金屬鍵合工藝對所述薄體硅襯底與所述體硅襯底進(jìn)行金屬鍵合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的CMOS圖像傳感器制造方法，其特征在于，將所述薄體硅襯底與所述體硅襯底對準(zhǔn)的步驟包括 在所述感光二極管區(qū)之外形成第一對準(zhǔn)標(biāo)記； 在所述感光二極管對應(yīng)區(qū)之外形成第二對準(zhǔn)標(biāo)記； 通過所述第一對準(zhǔn)標(biāo)記與所述第二對準(zhǔn)標(biāo)記將所述薄體硅襯底與所述體硅襯底對準(zhǔn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的CMOS圖像傳感器制造方法，其特征在于，所述第一鍵合層和所述第二鍵合層包括Ti層和Au層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的CMOS圖像傳感器制造方法，其特征在于，通過蒸鍍金屬膜形成所述第一金屬鍵合層及所述第二金屬鍵合層。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的CMOS圖像傳感器制造方法，其特征在于，對所述薄體硅襯底與所述體硅襯底進(jìn)行金屬鍵合的鍵合時(shí)間為3(Γ120分鐘，鍵合溫度為420°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的CMOS圖像傳感器制造方法，其特征在于，所述制造方法還包括 在所述體硅襯底的其他電路區(qū)形成讀取電路、控制電路、互連線、IO及焊盤。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的CMOS圖像傳感器制造方法，其特征在于，所述第一金屬鍵合層通過所述互連線與所述感光二極管區(qū)互連，所述第二金屬鍵合層通過所述互連線與所述體硅襯底上的頂層金屬互連層互連；所述體硅襯底上的多晶硅區(qū)、至少一層金屬互連層通過所述互連線互連。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的CMOS圖像傳感器制造方法，其特征在于，還包括形成彩色濾鏡以及在每個所述彩色濾鏡上方形成微透鏡的步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的CMOS圖像傳感器制造方法，其特征在于，還包括將所述焊盤進(jìn)行金屬線引出以對所述CMOS圖像傳感器進(jìn)行封裝的步驟。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種CMOS圖像傳感器制造方法，包括提供SOI襯底，所述SOI襯底包括薄體硅襯底，厚體硅襯底以及二氧化硅層；在所述薄體硅襯底上依次形成感光二極管區(qū)及第一金屬鍵合層；沿所述二氧化硅層將所述厚體硅襯底剝離；提供體硅襯底，所述體硅襯底包括感光二極管對應(yīng)區(qū)及其他電路區(qū)；在所述體硅襯底上的感光二極管對應(yīng)區(qū)依次形成多晶硅層、至少一層金屬互連層，并在頂層金屬互連層上方形成第二金屬鍵合層；以及對所述第一薄體硅襯底與所述體硅襯底進(jìn)行金屬鍵合。本發(fā)明工藝簡便，成本低廉，廣泛應(yīng)用于各種像素的CMOS圖像傳感器制造。
文檔編號H01L27/146GK102938410SQ20121050895
公開日2013年2月20日 申請日期2012年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月3日
發(fā)明者李琛, 顧學(xué)強(qiáng) 申請人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司