本發(fā)明涉及圖像傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種圖像傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

伴隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，人們對智能終端的需求愈來愈龐大，而有著智能終端“眼睛”之稱的圖像傳感器也迎來了前所未有的發(fā)展空間。傳統(tǒng)的CCD(Charge-coupled Device，電荷耦合元件)圖像傳感器由于其功耗較大，市場局限在高性能的數(shù)碼相機(jī)中；CMOS圖像傳感器(CMOS Image Sensor，簡稱CIS)不僅功耗低，速率快，而且易于與現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝相兼容，生產(chǎn)成本較低，這使得CMOS圖像傳感器占據(jù)了圖像傳感器市場的半壁江山。

CMOS圖像傳感器遇到的主要問題是近紅外光的量子效率(QE，quantum efficiency)較低。量子效率是指一個光子轉(zhuǎn)變成為PD中光生電子的概率。為了提高紅外光的量子效率，現(xiàn)有技術(shù)中往往會增加硅襯底的整體厚度，然而，采用這種方法得到的CMOS圖像傳感器的性能不佳。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，提供一種圖像傳感器及其制備方法，可以提高近紅外光的量子效率，同時改善CMOS圖像傳感器的性能。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種圖像傳感器的制備方法，包括：

提供第一晶圓，所述第一晶圓包括層疊的第一硅襯底和第一硅外延層，所述第一硅外延層中具有第一光電二極管區(qū)域和用于隔離所述第一光電二極管區(qū)域的第一隔離結(jié)構(gòu)；

從所述硅襯底的一側(cè)對所述第一晶圓進(jìn)行減薄至所述第一硅外延層；

提供第二晶圓，所述第二晶圓包括第二晶圓襯底和位于所述第二晶圓襯底一側(cè)的半導(dǎo)體層，所述半導(dǎo)體層的禁帶寬度小于所述硅襯底的禁帶寬度；

將所述第二晶圓與減薄后的第一晶圓進(jìn)行鍵合，其中，所述半導(dǎo)體層面向所述第一硅外延層；

將所述第二晶圓襯底從所述第二晶圓剝離；以及

在暴露出的所述半導(dǎo)體層中制備第二隔離結(jié)構(gòu)，并在所述半導(dǎo)體層中形成第二光電二極管區(qū)，所述第二隔離結(jié)構(gòu)隔離所述第二光電二極管區(qū)，所述第二隔離結(jié)構(gòu)與所述第一隔離結(jié)構(gòu)的位置相對應(yīng)，所述第二光電二極管區(qū)與所述第一光電二極管區(qū)的位置相對應(yīng)

進(jìn)一步的，所述圖像傳感器的制備方法還包括：進(jìn)行離子注入在所述第二晶圓襯底面向所述半導(dǎo)體層一側(cè)的表面形成缺陷層。

進(jìn)一步的，將所述第二晶圓襯底從所述第二晶圓剝離的步驟中，沿所述缺陷層將所述第二晶圓襯底從所述半導(dǎo)體層的一側(cè)剝離。

進(jìn)一步的，所述缺陷層為氫離子摻雜層。

進(jìn)一步的，所述半導(dǎo)體層為硅鍺層。

進(jìn)一步的，所述提供第二晶圓的步驟包括：

提供所述第二晶圓襯底；

在所述第二晶圓襯底進(jìn)行離子注入形成第二晶圓摻雜層；

利用外延工藝在所述第二晶圓襯底的一側(cè)形成鍺層，并在所述第二晶圓襯底和鍺層之間形成所述硅鍺層，所述硅鍺層為所述半導(dǎo)體層；

利用循環(huán)熱處理工藝將所述鍺層中的鍺推進(jìn)到所述第二晶圓襯底中，同時所述第二晶圓襯底中的硅擴(kuò)散至所述鍺層中，形成更厚的所述半導(dǎo)體層；

去除所述鍺層。

進(jìn)一步的，所述缺陷層的深度大于所述第二晶圓摻雜層的深度。

進(jìn)一步的，所述循環(huán)熱處理工藝包括多個第一溫度和第二溫度循環(huán)處理的過程，所述第一溫度為750℃～950℃，所述第二溫度為650℃～850℃。

進(jìn)一步的，所述第二晶圓襯底包括第二硅襯底和位于所述第二硅襯底一側(cè)的第二硅外延層，所述第二晶圓摻雜層位于所述第二硅外延層中，所述硅鍺層位于所述第二硅外延層背離所述第二硅襯底的一側(cè)，所述第二晶圓摻雜層位于所述第二硅外延層內(nèi)。

進(jìn)一步的，所述第一光電二極管區(qū)域包括第一類型摻雜區(qū)域和第二類型摻雜區(qū)域，所述第二類型摻雜區(qū)域面向所述第一硅襯底設(shè)置，所述第二光電二極管區(qū)的摻雜類型為第二類型。

本發(fā)明還提供一種圖像傳感器，包括：

第一晶圓，所述第一晶圓包括第一硅外延層，所述第一硅外延層中具有第一光電二極管區(qū)域和用于隔離所述第一光電二極管區(qū)域的第一隔離結(jié)構(gòu)；

第二晶圓，所述第二晶圓包括半導(dǎo)體層，所述半導(dǎo)體層的禁帶寬度小于單晶硅的禁帶寬度，所述半導(dǎo)體層中具有第二光電二極管區(qū)和用于隔離所述第二光電二極管區(qū)的第二隔離結(jié)構(gòu)；

所述第二晶圓和第一晶圓鍵合在一起，其中，所述半導(dǎo)體層面向所述第一硅外延層設(shè)置，所述第二隔離結(jié)構(gòu)與所述第一隔離結(jié)構(gòu)的位置相對應(yīng)，所述第二光電二極管區(qū)與所述第一光電二極管區(qū)的位置相對應(yīng)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的圖像傳感器及其制備方法具有以下優(yōu)點：

在所述圖像傳感器及其制備方法中，通過晶圓鍵合的方法，在所述第一晶圓的第一硅外延層(即光電二極管區(qū)域)鍵合了一半導(dǎo)體層，所述半導(dǎo)體層的禁帶寬度小于所述硅襯底的禁帶寬度，能夠更好的吸收近紅外光，可以有效提高CMOS圖像傳感器量子轉(zhuǎn)換效率。

進(jìn)一步的，鍺硅外延工藝能與現(xiàn)在的硅單晶制成工藝很好的兼容，因而比較容易應(yīng)用在目前的CMOS圖像傳感器工藝中。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實施例中圖像傳感器的制備方法的流程圖；

圖2至圖11為本發(fā)明一實施例的圖像傳感器的制備方法中器件結(jié)構(gòu)的示意圖。

具體實施方式

現(xiàn)有的圖像傳感器中通過增加硅襯底的整體厚度來提高近紅外光的量子效率，然而，采用這種方法得到的CMOS圖像傳感器的性能不佳。發(fā)明人對現(xiàn)有的圖像傳感器研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的圖像傳感器中通過增加硅襯底的整體厚度來提高近紅外光的量子效率，從目前的2um～3um增加到5um～10um。單純增加單晶硅厚度可以提高量子轉(zhuǎn)換效率，但是隨之而來的工藝挑戰(zhàn)也不斷加劇，比如需要更深的離子注入，而更深的離子注入又會要求更厚的光刻膠，而厚的光刻膠又會降低最小尺寸的分辨率，最終影響到CMOS圖像傳感器的性能。此外厚的單晶硅又會帶來光刻對準(zhǔn)的工藝問題，需要增加額外的工藝來實現(xiàn)對準(zhǔn)工藝。

發(fā)明人進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，由于能帶結(jié)構(gòu)的固有特性，硅單晶材料對近紅外光存在吸收系數(shù)低、吸收長度長等問題。尤其是隨著半導(dǎo)體器件特征尺寸進(jìn)入亞微米、深亞微米范圍，工作電壓越來越小，晶體管P-N結(jié)越來越淺，耗盡區(qū)離表面越來越近、厚度越來越薄、很難有效吸收入射光信號，并且在襯底深處產(chǎn)生的光生載流子由于沒有受到電場牽引會很快復(fù)合，對光電流沒有貢獻(xiàn)，造成制作出來的CMOS圖像傳感器量子轉(zhuǎn)化效率很低。

發(fā)明人深入研究發(fā)現(xiàn)，鍺硅材料的禁帶寬度小于硅的禁帶寬度，如果將鍺硅材料應(yīng)用在CMOS圖像傳感器產(chǎn)品中，能夠更好的吸收近紅外光，可以有效提高CMOS圖像傳感器量子轉(zhuǎn)換效率。

根據(jù)上述研究，本發(fā)明提供一種圖像傳感器的制備方法，提供一種圖像傳感器的制備方法，如圖1所示，包括如下步驟：

步驟S11，提供第一晶圓，所述第一晶圓包括層疊的第一硅襯底和第一硅外延層，所述第一硅外延層中具有第一光電二極管區(qū)域和用于隔離所述第一光電二極管區(qū)域的第一隔離結(jié)構(gòu)；

步驟S12，從所述硅襯底的一側(cè)對所述第一晶圓進(jìn)行減薄至所述第一硅外延層；

步驟S13，提供第二晶圓，所述第二晶圓包括第二晶圓襯底和位于所述第二晶圓襯底一側(cè)的半導(dǎo)體層，所述半導(dǎo)體層的禁帶寬度小于所述硅襯底的禁帶寬度；

步驟S14，將所述第二晶圓與減薄后的第一晶圓進(jìn)行鍵合，其中，所述半導(dǎo)體層面向所述第一硅外延層；以及

步驟S15，將所述第二晶圓襯底從所述第二晶圓剝離。

步驟S16，在暴露出的所述半導(dǎo)體層中制備第二隔離結(jié)構(gòu)，并在所述半導(dǎo)體層中形成第二光電二極管區(qū)，所述第二隔離結(jié)構(gòu)隔離所述第二光電二極管區(qū)，所述第二隔離結(jié)構(gòu)與所述第一隔離結(jié)構(gòu)的位置相對應(yīng)，所述第二光電二極管區(qū)與所述第一光電二極管區(qū)的位置相對應(yīng)。

通過晶圓鍵合的方法，在所述第一晶圓的第一硅外延層(即光電二極管區(qū)域)鍵合了一半導(dǎo)體層，所述半導(dǎo)體層的禁帶寬度小于所述硅襯底的禁帶寬度，能夠更好的吸收近紅外光，可以有效提高CMOS圖像傳感器量子轉(zhuǎn)換效率。

進(jìn)一步的，鍺硅外延工藝能與現(xiàn)在的硅單晶制成工藝很好的兼容，因而比較容易應(yīng)用在目前的CMOS圖像傳感器工藝中。

下面將結(jié)合示意圖對本發(fā)明的圖像傳感器及其制備方法進(jìn)行更詳細(xì)的描述，其中表示了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，應(yīng)該理解本領(lǐng)域技術(shù)人員可以修改在此描述的本發(fā)明，而仍然實現(xiàn)本發(fā)明的有利效果。因此，下列描述應(yīng)當(dāng)被理解為對于本領(lǐng)域技術(shù)人員的廣泛知道，而并不作為對本發(fā)明的限制。

為了清楚，不描述實際實施例的全部特征。在下列描述中，不詳細(xì)描述公知的功能和結(jié)構(gòu)，因為它們會使本發(fā)明由于不必要的細(xì)節(jié)而混亂。應(yīng)當(dāng)認(rèn)為在任何實際實施例的開發(fā)中，必須做出大量實施細(xì)節(jié)以實現(xiàn)開發(fā)者的特定目標(biāo)，例如按照有關(guān)系統(tǒng)或有關(guān)商業(yè)的限制，由一個實施例改變?yōu)榱硪粋€實施例。另外，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為這種開發(fā)工作可能是復(fù)雜和耗費時間的，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說僅僅是常規(guī)工作。

在下列段落中參照附圖以舉例方式更具體地描述本發(fā)明。根據(jù)下面說明和權(quán)利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實施例的目的。

以下結(jié)合圖2至圖11，具體說明本發(fā)明的圖像傳感器的制備方法，圖2至圖11為本發(fā)明一實施例的圖像傳感器的制備方法中器件結(jié)構(gòu)的示意圖。

首先，進(jìn)行步驟S11，如圖2所示，提供第一晶圓100，所述第一晶圓100包括依次層疊的第一硅襯底110和第一硅外延層120，所述第一硅外延層120中具有多個第一光電二極管區(qū)域121和用于隔離所述第一光電二極管區(qū)域121的第一隔離結(jié)構(gòu)122，其中，所述第一光電二極管區(qū)域121用于制備光電二極管。

此外，所述第一晶圓100還可以包括互連層130，所述互連層130位于所述第一硅外延層120背離所述第一硅襯底110的一側(cè)，所述互連層130包括像素陣列，所述像素陣列的結(jié)構(gòu)可以包括柵極、連接孔結(jié)構(gòu)、互連線等結(jié)構(gòu)。所述第一硅襯底110、第一硅外延層120和互連層130的制備過程可以采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝，此為本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的，在此不作贅述。

在本實施例中，所述第一硅襯底110和第一硅外延層120均為P型摻雜，在其它實施例中，所述第一硅襯底110和第一硅外延層120還可以均為N型摻雜。所述第一硅外延層120的摻雜濃度低于所述第一硅襯底110的摻雜濃度，所述第一硅外延層120的阻值約為1ohm/cm～50ohm/cm，所述第一硅襯底110的阻值約為0.01ohm/cm～0.1ohm/cm。

較佳的，所述第一光電二極管區(qū)域121包括第一類型摻雜區(qū)域1211和第二類型摻雜區(qū)域1212，所述第二類型摻雜區(qū)域1212面向所述第一硅襯底110設(shè)置，其中，在本實施例中，第一類型為P型，第二類型為N型，在其它實施例中，還可以第一類型為N型，第二類型為P型。在本實施例中，所述第一隔離結(jié)構(gòu)122為離子注入隔離結(jié)構(gòu)，所述第一隔離結(jié)構(gòu)122的摻雜類型為P型，在其它實施例中，所述第一隔離結(jié)構(gòu)122還可以為電介質(zhì)隔離(如淺槽隔離或深槽隔離)等結(jié)構(gòu)。

然后，進(jìn)行步驟S12，如圖3所示，從所述硅襯底110的一側(cè)對所述第一晶圓100進(jìn)行減薄至所述第一硅外延層120。具體的，可以在所述互連層130背離所述第一硅外延層120的一側(cè)和一鍵合晶圓300進(jìn)行鍵合，然后對所述硅襯底110的一側(cè)對所述第一晶圓100進(jìn)行研磨。在減薄的過程中，可以對部分所述第一硅外延層120進(jìn)行減薄至合適的厚度，減薄的第一硅外延層的厚度可以為2μm～10μm。

之后，進(jìn)行步驟S13，如圖4所示，提供第二晶圓200，所述第二晶圓200包括第二晶圓襯底和位于所述第二晶圓襯底一側(cè)的半導(dǎo)體層。在本實施例中，所述步驟S13包括以下子步驟S131～子步驟S135：

子步驟S131，如圖4所示，提供所述第二晶圓襯底210，在本實施例中，所述第二晶圓襯底210包括第二硅襯底211和位于所述第二硅襯底212一側(cè)的第二硅外延層212：

子步驟S132，如圖5所示，在所述第二晶圓襯底210進(jìn)行離子注入形成第二晶圓摻雜層213，所述第二晶圓摻雜層213位于所述第二硅外延層212中。在本實施例中，所述第二晶圓摻雜層213為N型摻雜，在其它實施例中，所述第二晶圓摻雜層213還可以為P型摻雜。具體的，可以在所述第二硅外延層212上注入磷離子，從而在所述第二晶圓200表面形成高濃度的N型所述第二晶圓摻雜層213；

子步驟S133，如圖6所示，利用外延工藝在所述第二晶圓襯底210的一側(cè)形成鍺層230，在形成所述鍺層230時，部分鍺離子會進(jìn)入所述第二硅外延層212中，從而在所述第二晶圓襯底210和鍺層230之間形成所述硅鍺層220，所述硅鍺層220作為所述半導(dǎo)體層，所述硅鍺層220的禁帶寬度小于所述硅襯底的禁帶寬度，在其它實施例中，所述半導(dǎo)體層還可以為其它材料，在此不一一列舉；

為了在后續(xù)步驟中方便將所述硅鍺層220與第二晶圓襯底210進(jìn)行剝離，較佳的，在本實施例中，還包括：如圖7所示，進(jìn)行離子注入在所述第二晶圓襯底210面向所述半導(dǎo)體層220一側(cè)的表面形成缺陷層214，所述缺陷層214的深度大于所述第二晶圓摻雜層213的深度。較佳的，所述缺陷層214為氫離子摻雜層，即在所述第二晶圓襯底210面向所述半導(dǎo)體層220一側(cè)的表面注入H離子，所述H離子會破壞所述第二晶圓襯底210中晶體的晶格，以形成所述缺陷層214，可以方便地進(jìn)行剝離。

子步驟S134，如圖8所示，利用循環(huán)熱處理工藝將所述鍺層230中的鍺推進(jìn)到所述第二晶圓襯底210中，同時所述第二晶圓襯底210中的硅擴(kuò)散至所述鍺層230中，形成更厚的所述半導(dǎo)體層(所述硅鍺層220)。在本實施例中，剩余的所述第二晶圓摻雜層213和部分所述鍺層230成為所述硅鍺層220。進(jìn)一步的，所述循環(huán)熱處理工藝包括多個第一溫度和第二溫度循環(huán)處理的過程，所述第一溫度為750℃～950℃，所述第二溫度為650℃～850℃，每個循環(huán)大約1分鐘～10分鐘，經(jīng)過5～15個循環(huán)熱處理過程，即可以形成厚度合適的所述硅鍺層220；

子步驟S135，如圖9所示，去除所述鍺層230，具體的，可以采用研磨工藝將所述鍺層230去除。

之后，進(jìn)行步驟S14，如圖10所示，將所述第二晶圓200與減薄后的第一晶圓100進(jìn)行鍵合，其中，所述半導(dǎo)體層220面向所述第一硅外延層220進(jìn)行鍵合。

接著，進(jìn)行步驟S15，如圖11所示，將所述第二晶圓襯底210從所述第二晶圓200剝離，露出所述半導(dǎo)體層220，在本實施例中，由于制備了所述缺陷層214，所述缺陷層214中的晶體中具有缺陷，當(dāng)加熱時，可以沿所述缺陷層214將所述第二晶圓襯底210從所述半導(dǎo)體層220的一側(cè)剝離。

隨后，進(jìn)行步驟S16，繼續(xù)參考圖11，在暴露出的所述半導(dǎo)體層220中制備第二隔離結(jié)構(gòu)222，并在所述半導(dǎo)體層220中形成多個第二光電二極管區(qū)221，所述第二隔離結(jié)構(gòu)222隔離所述第二光電二極管區(qū)，所述第二隔離結(jié)構(gòu)222與所述第一隔離結(jié)構(gòu)122的位置相對應(yīng)，所述第二光電二極管221區(qū)與所述第一光電二極管區(qū)121的位置相對應(yīng)。在本實施例中，在形成所述第二隔離結(jié)構(gòu)222時，自然形成被所述第二隔離結(jié)構(gòu)222所隔離的多個所述第二光電二極管區(qū)221。

由于所述第二晶圓摻雜層213為N型摻雜，所以所述第一光電二極管區(qū)1211的摻雜類型為N型摻雜，在本實施例中，所述第二隔離結(jié)構(gòu)222為深槽隔離結(jié)構(gòu)。

此外，還可以在所述半導(dǎo)體層220背離所述第一硅外延層120的一側(cè)形成一P型層，并可以出去所述鍵合晶圓300。

如圖11所示的圖像傳感器中，所述圖像傳感器包括第一晶圓100和第二晶圓200，所述第一晶圓100包括第一硅外延層120，所述第一硅外延層120中具有第一光電二極管區(qū)域121和用于隔離所述第一光電二極管區(qū)域121的第一隔離結(jié)構(gòu)122；所述第二晶圓200包括半導(dǎo)體層220，所述半導(dǎo)體層220的禁帶寬度小于單晶硅的禁帶寬度，所述半導(dǎo)體層220中具有第二光電二極管區(qū)221和用于隔離所述第二光電二極管區(qū)221的第二隔離結(jié)構(gòu)222；所述第二晶圓100和第一晶圓200鍵合在一起，其中，所述半導(dǎo)體層220面向所述第一硅外延層120設(shè)置，所述第二隔離結(jié)構(gòu)222與所述第一隔離結(jié)構(gòu)122的位置相對應(yīng)，所述第二光電二極管區(qū)221與所述第一光電二極管區(qū)121的位置相對應(yīng)。所述第二光電二極管區(qū)221與所述第一光電二極管區(qū)121形成光電二極管2，所述第二隔離結(jié)構(gòu)222與所述第一隔離結(jié)構(gòu)122共同隔離相鄰的所述光電二極管2。

在最終形成的結(jié)構(gòu)中，在所述半導(dǎo)體層220用于形成光電二極管，所述半導(dǎo)體層220的禁帶寬度小于硅的禁帶寬度，能夠更好的吸收近紅外光，可以有效提高CMOS圖像傳感器量子轉(zhuǎn)換效率。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。