CN109256403B - 前照式图像传感器及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种前照式图像传感器及其形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底形成有对应于像素单元的光电二极管区域；于所述半导体衬底上形成多层金属互连层；至少一层金属互连层的形成方法包括：于所述光电二极管区域上方形成光密介质区域；于光密介质区域周围形成金属层；形成覆盖所述金属层及光密介质区域周围的光疏介质区域。本发明的工艺方法与当前常规的CMOS半导体工艺兼容，工艺简单，同时又可以根据设计需求独立调配光密介质区域的折射率、形貌等，设计灵活。此外，通过在光电二极管区域上增加折射率高的光密介质材料，起到光导管的作用，减少反射和折射引起得光信号损失，从而提高图像传感器的灵敏度，降低串扰。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器技术领域，尤其涉及一种前照式图像传感器及其形成方法。
背景技术
图像传感器是能够感受光学图像信息并将其转换成可用输出信号的传感器，是组成数字摄像头的重要组成部分。根据元件的不同，可分为CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合元件）和CMOS（Complementary Metal-OxideSemiconductor，金属氧化物半导体元件）两大类。随着CMOS集成电路制造工艺特别是CMOS图像传感器设计及制造工艺的不断发展，CMOS图像传感器已经逐渐取代CCD图像传感器成为主流。CMOS图像传感器相比较具有工业集成度更高、功率更低等优点。
CMOS图像传感器产品可分为FSI（FrontSide Illumination，前照式）和BSI（BackSide Illumination，背照式）。前照式CMOS图像传感器产品中，BEOL（Back RndOfLine，后段工艺）制程中具有至少为两层以上的金属布线，即包括多层的金属线及介质层。对于感光区，从芯片表面到感光表面的距离比较大，这就使入射光线必须经过一个较长的路程才能被感光区吸收，不仅光线衰减较大，而且使芯片的CRA（Chief Ray Angle，主光线与成像面法线方向的夹角）不能太大，从而影响了图像传感器的广泛应用。
另外，由于不同介质层的存在，光线在传播的过程中会发生反射、折射，从而使得光产生损失，造成能量减小，这样从芯片表面到达光电二极管底部的电子数目减小，降低了光的感度，影响了图像传感器的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种前照式图像传感器及其形成方法，解决现有技术的图像传感器光线传播过程中的光损失，提高灵敏度。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种前照式图像传感器的形成方法，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底形成有对应于像素单元的光电二极管区域；
于所述半导体衬底上形成多层金属互连层；
至少一层金属互连层的形成方法包括：于所述光电二极管区域上方形成光密介质区域；于光密介质区域周围形成金属层；形成覆盖所述金属层及光密介质区域周围的光疏介质区域。
可选的，所述光密介质区域的截面形状为正梯形或三角形。
可选的，所述光密介质的折射率至少比所述光疏介质的折射率大15%以上。
可选的，所述光密介质的材料为氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、二氧化铪中的一种或其组合。
可选的，所述光疏介质的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、二氧化铪中的一种或其组合。
可选的，所述半导体衬底上形成有2~4层金属互连层。
可选的，所述第一层至次顶层的金属互连层的形成方法还包括：于所述光疏介质区域中形成连接相邻金属互连层的通孔结构。
可选的，至少一层的所述金属互连层的形成方法包括：
于所述半导体衬底上形成光密介质，刻蚀所述光密介质，保留所述光电二极管区域上方的部分光密介质；
形成覆盖剩余的半导体衬底及光密介质的金属层，刻蚀所述金属层，保留所述光密介质周围的部分金属层；
形成覆盖所述金属层及光密介质的光疏介质，化学机械研磨所述光疏介质，暴露出所述光密介质的顶部。
可选的，所述第一层至次顶层的金属互连层的形成方法还包括：刻蚀所述光疏介质，形成暴露出部分所述金属层的沟槽，于所述沟槽中填充金属，形成通孔结构。
可选的，所述光密介质区域的宽度小于等于所述光电二极管区域的宽度。
相应的，本发明的另一方面还提供一种前照式图像传感器，包括：
半导体衬底，所述半导体衬底形成有对应于像素单元的光电二极管区域；
形成于所述半导体衬底上的多层金属互连层；
至少一层金属互连层具有：形成于所述光电二极管区域上方的光密介质区域；位于所述光密介质区域周围的金属层；覆盖所述金属层及光密介质区域周围的光疏介质区域。
可选的，所述光密介质区域的截面形状为正梯形或三角形。
可选的，所述光密介质的折射率至少比所述光疏介质的折射率大15%以上。
可选的，所述光密介质的材料为氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、二氧化铪中的一种或其组合。
可选的，所述光疏介质的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、二氧化铪中的一种或其组合。
可选的，所述半导体衬底上形成有2~4层金属互连层。
可选的，所述第一层至次顶层金属互连层还具有：形成于所述光疏介质区域中连接相邻金属互连层的通孔结构。
可选的，所述光密介质区域的宽度小于等于所述光电二极管区域的宽度。
相对于现有技术，本发明中的前照式图像传感器及其形成方法具有以下有益效果：
本发明中，至少一层金属互连层的形成方法包括：于所述光电二极管区域上方形成光密介质区域；于光密介质区域周围形成金属层；形成覆盖所述金属层及光密介质区域周围的光疏介质区域。本发明的工艺方法与当前常规的CMOS半导体工艺兼容，工艺简单，同时又可以根据设计需求独立调配光密介质区域的折射率、形貌等，设计灵活。
此外，通过在光电二极管区域上增加折射率高的光密介质材料，起到光导管的作用，减少反射和折射引起得光信号损失，从而提高图像传感器的灵敏度，降低串扰。
附图说明
图1为本发明一实施例中前照式图像传感器形成方法的流程图；
图2为本发明一实施例中金属互连层形成方法的流程图；
图3为本发明一实施例中半导体衬底的剖面示意图；
图4为本发明一实施例中形成光密介质的剖面示意图；
图5为本发明一实施例中剩余的光密介质的剖面示意图；
图6为本发明一实施例中形成金属层的剖面示意图；
图7为本发明一实施例中剩余的金属层的剖面示意图；
图8为本发明一实施例中形成光疏介质的剖面示意图；
图9为本发明一实施例中剩余的光疏介质的剖面示意图；
图10为本发明一实施例中形成沟槽的剖面示意图；
图11为本发明一实施例中形成通孔结构的剖面示意图；
图12为本发明一实施例中形成多层金属互连线的剖面示意图。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，以下结合附图对本发明的前照式图像传感器及其形成方法进行详细描述。
参考图12所示，本发明提供的一种前照式图像传感器包括：半导体衬底10，所述半导体衬底10形成有对应于像素单元的光电二极管区域11；形成于所述半导体衬底10上的多层金属互连层30、40、50；至少一层金属互连层30、40或50具有：形成于所述光电二极管区域11上方的光密介质区域31’、41或51；位于所述光密介质区域31’、41或51周围的金属层32’、42或52；覆盖所述金属层及光密介质区域周围的光疏介质区域33’、43或53。
参考图1所示，本发明的前照式图像传感器的形成方法包括如下步骤：
执行步骤S1，参考图3所示，提供半导体衬底10，所述半导体衬底10形成有若干个对应于像素单元（Pixel）的光电二极管（Photo Diode，PD）区域11。半导体衬底10的表面具有绝缘层20以及位于绝缘层20中的通孔结构21，绝缘层20用于保护半导体衬底10中的器件结构，通孔结构21用于将半导体衬底10中的器件结构电性引出。
执行步骤S2，参考图12所示，在后段工艺制程中，于所述半导体衬底10上形成多层金属互连层，所述半导体衬底10上形成有2~4层金属互连层，例如本实施例中以在半导体衬底10上形成3层金属互连层为例进行说明，包括第一金属互连层30、第二金属互连层40、第三金属互连层（顶层金属互连层）50。其中，至少一层金属互连层的形成方法包括：于所述光电二极管区域上方形成光密介质区域；于光密介质区域周围形成金属层；形成覆盖所述金属层及光密介质区域周围的光疏介质区域。
本发明中，所述光密介质的折射率至少比所述光疏介质的折射率大15%以上，例如，光密介质的折射率比光疏介质的折射率大于20%，通过在光电二极管区域上增加折射率高的光密介质材料，起到光导管的作用，减少光的介质层中反射和折射引起得光信号损失，从而提高图像传感器的灵敏度，降低串扰。其中，所述光密介质的材料为氮化硅（SiN）、氮氧化硅（SiON）、碳化硅（SiC）、二氧化铪（HfO2）中的一种或其组合。所述光疏介质的材料为氧化硅（SiO2）、氮化硅（SiN）、氮氧化硅（SiON）、碳化硅（SiC）、二氧化铪（HfO2）中的一种或其组合。
此外，为了实现各层金属互连层之间的电性连接，所述第一层至次顶层（第二层）的金属互连层的形成方法还包括：于所述光疏介质区域中形成连接相邻金属互连层的通孔结构，通孔结构与相邻层金属互连层中的金属层电性连接。
参考图2所示，至少一层的所述金属互连层的形成方法具体的包括如下步骤：
执行步骤S21，参考图4所示，于所述半导体衬底10上形成光密介质31，刻蚀所述光密介质31，保留所述光电二极管区域11上方的部分光密介质区域31’，参考图5所示。本实施例中，可以采用传统的光刻技术对光密介质进行刻蚀，例如，在光密介质31上形成光阻（PH），经过曝光、显影、刻蚀、去除光阻等步骤，形成光密介质区域31’。所述光密介质区域31’的截面形状为正梯形或三角形，例如，正梯形底部的角度为80°，使得光线进入光密介质区域31’后在光密介质区域31’的侧壁尽可能的反射回光密介质区域31’，从而光线尽可能的进入光电二极管区域11，提高图像传感器的光学性能。并且，所述光密介质区域31’的宽度小于等于所述光电二极管区域11的宽度。所述光密介质的材料为氮化硅（SiN）、氮氧化硅（SiON）、碳化硅（SiC）、二氧化铪（HfO2）中的一种或其组合，本实施例中以光密介质31为氮化硅为例进行说明，氮化硅的折射率为1.8~2.0之间。
执行步骤S22，参考图6所示，形成覆盖剩余的半导体衬底10及光密介质31’的金属层32，刻蚀所述金属层32，保留所述光密介质31’周围的部分金属层32’，金属层32’位于通孔结构21的上方，并与通孔结构21电性连接，实现与半导体衬底10中的器件结构电性连接，参考图7所示。
执行步骤S23，参考图8所示，形成覆盖所述金属层32’、光密介质31’以及剩余的半导体衬底10的光疏介质33。接着，化学机械研磨（CMP）所述光疏介质33，保留部分光疏介质33’，并刻蚀停止扎起光密介质31’，暴露出所述光密介质31’的顶部，参考图9所示。所述光疏介质的材料为氧化硅（SiO2）、氮化硅（SiN）、氮氧化硅（SiON）、碳化硅（SiC）、二氧化铪（HfO2）中的一种或其组合，本实施例中以光疏介质33为氧化硅为例进行说明，氧化硅的折射率为1.4~1.6之间。
进一步的，采用上述形成方法在第一金属互连层30上形成第二金属互连层40及第三金属互连层（顶层金属互连层）50，并且在顶层金属互连层50上形成保护层60。本发明的工艺方法与当前常规的CMOS半导体工艺兼容，工艺简单，同时还可以根据设计需求独立调配每一层金属互连层30、40、50中的光密介质区域31’、41、51的折射率、形貌等，即每一层的光密介质可以采用折射率不同的材料，且其形貌也可以不同，设计灵活，从而满足不同的设计需求。本发明中，在光电二极管区域11上形成折射率高的光密介质31’、41、51，光密介质31’、41、51的折射率大于周围的光疏介质33’、43、53，起到光导管的作用，使得光线在后段工艺的介质层中传播过程中，形成全反射，从而减少反射和折射引起得光信号损失，提高图像传感器的灵敏度，降低串扰。
此外，为了实现各层金属互连层30、40、50的电性连接，所述第一层至次顶层（第二层）的金属互连层30、40的形成方法还包括：刻蚀所述光疏介质，形成暴露出部分所述金属层的沟槽，于所述沟槽中填充金属，形成通孔结构。以第一金属互连层30为例进行说明，还需要在光疏介质33’中形成通孔结构，具体的，首先，参考图10所示，刻蚀光疏介质33’形成暴露出部分金属层32’的沟槽34，接着，参考图11所示，在沟槽34中填充金属，用于形成通孔结构35，光密介质31’、金属层32’、光疏介质33’及通孔结构35共同形成第一金属互连层30。第二金属互连层40可以采用相同的工艺形成通孔结构45，形成图12中的金属互连层的结构，本发明在此不做赘述。
综上所述，本发明中提供一种前照式图像传感器及其形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底形成有对应于像素单元的光电二极管区域；于所述半导体衬底上形成多层金属互连层；至少一层金属互连层的形成方法包括：于所述光电二极管区域上方形成光密介质区域；于光密介质区域周围形成金属层；形成覆盖所述金属层及光密介质区域周围的光疏介质区域。通过在光电二极管区域上增加折射率高的光密介质材料，起到光导管的作用，减少反射和折射引起得光信号损失，从而提高图像传感器的灵敏度，降低串扰。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (15)
1.一种前照式图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底形成有对应于像素单元的光电二极管区域；
于所述半导体衬底上形成多层金属互连层；
至少一层金属互连层的形成方法包括：于所述光电二极管区域上方形成光密介质区域；于光密介质区域周围形成金属层；形成覆盖所述金属层及光密介质区域周围的光疏介质区域；
至少一层的所述金属互连层的形成方法包括：
于所述半导体衬底上形成光密介质，刻蚀所述光密介质，保留所述光电二极管区域上方的部分光密介质；
形成覆盖剩余的半导体衬底及光密介质的金属层，刻蚀所述金属层，保留所述光密介质周围的部分金属层；
形成覆盖所述金属层及光密介质的光疏介质，化学机械研磨所述光疏介质，暴露出所述光密介质的顶部；
第一层至次顶层的金属互连层的形成方法还包括：刻蚀所述光疏介质，形成暴露出部分所述金属层的沟槽，于所述沟槽中填充金属，形成通孔结构。
2.根据权利要求1所述的前照式图像传感器的形成方法，其特征在于，所述光密介质区域的截面形状为正梯形或三角形。
3.根据权利要求1所述的前照式图像传感器的形成方法，其特征在于，所述光密介质的折射率至少比所述光疏介质的折射率大15%以上。
4.根据权利要求1所述的前照式图像传感器的形成方法，其特征在于，所述光密介质的材料为氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、二氧化铪中的一种或其组合。
5.根据权利要求1所述的前照式图像传感器的形成方法，其特征在于，所述光疏介质的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、二氧化铪中的一种或其组合。
6.根据权利要求1所述的前照式图像传感器的形成方法，其特征在于，所述半导体衬底上形成有2~4层金属互连层。
7.根据权利要求1所述的前照式图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一层至次顶层的金属互连层的形成方法还包括：于所述光疏介质区域中形成连接相邻金属互连层的通孔结构。
8.根据权利要求1所述的前照式图像传感器的形成方法，其特征在于，所述光密介质区域的宽度小于等于所述光电二极管区域的宽度。
9.一种前照式图像传感器，其特征在于，包括：
半导体衬底，所述半导体衬底形成有对应于像素单元的光电二极管区域；
形成于所述半导体衬底上的多层金属互连层；
至少一层金属互连层具有：形成于所述光电二极管区域上方的光密介质区域；位于所述光密介质区域周围的金属层；覆盖所述金属层及光密介质区域周围的光疏介质区域；
形成于所述半导体衬底上的光密介质，通过刻蚀保留所述光电二极管区域上方的部分光密介质；
覆盖于剩余的半导体衬底及光密介质上的金属层，通过刻蚀保留所述光密介质周围的部分金属层；
覆盖于所述金属层及光密介质上的光疏介质，所述光密介质通过化学机械研磨暴露出顶部；
第一层至次顶层金属互连层还具有：形成于所述光疏介质区域中连接相邻金属互连层的通孔结构。
10.根据权利要求9所述的前照式图像传感器，其特征在于，所述光密介质区域的截面形状为正梯形或三角形。
11.根据权利要求9所述的前照式图像传感器，其特征在于，所述光密介质的折射率至少比所述光疏介质的折射率大15%以上。
12.根据权利要求9所述的前照式图像传感器，其特征在于，所述光密介质的材料为氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、二氧化铪中的一种或其组合。
13.根据权利要求9所述的前照式图像传感器，其特征在于，所述光疏介质的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、二氧化铪中的一种或其组合。
14.根据权利要求9所述的前照式图像传感器，其特征在于，所述半导体衬底上形成有2~4层金属互连层。
15.根据权利要求9所述的前照式图像传感器，其特征在于，所述光密介质区域的宽度小于等于所述光电二极管区域的宽度。
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