CN109560098A - 图像传感器及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种图像传感器及其形成方法，所述图像传感器包括：半导体衬底，所述半导体衬底内形成有逻辑器件以及单向导通结构；金属互连层，位于所述半导体衬底的表面，所述金属互连层内具有泄电互连结构和逻辑互连结构；堆叠的至少三层光电转换层，位于所述金属互连层的表面，不同的光电转换层经由所述逻辑互连结构电连接至不同的逻辑器件；衬垫结构，位于所述堆叠的至少三层光电转换层的表面，所述堆叠的至少三层光电转换层经由所述泄电互连结构和单向导通结构与所述衬垫结构电连接。本发明方案可以将光电转换层内的光生载流子导出，降低发生图像拖尾的可能性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种图像传感器及其形成方法。
背景技术
图像传感器是摄像设备的核心部件，通过将光信号转换成电信号实现图像拍摄功能。以CMOS图像传感器(CMOS Image Sensors，CIS)器件为例，由于其具有低功耗和高信噪比的优点，因此在各种领域内得到了广泛应用。
然而，在现有技术中，采用离子注入工艺形成像素器件中的光电二极管(PhotoDiode，PD)，容易对半导体衬底产生损伤，并且手动像素器件的尺寸限制，光电二极管的尺寸往往较小，导致形成的光生载流子较少；并且在形成滤光镜矩阵的过程中，由于滤光镜的原材料价格昂贵，导致生产成本较高。
在一种图像传感器中，采用堆叠的光电转换层生成光生载流子，然后通过导电结构和金属互连结构将所述光生载流子传输至所述逻辑器件，可以不依赖于光电二极管以及滤光镜，即可实现光电转换功能且对光生载流子进行收集，由于光电转换层的表面尺寸可以大于现有技术中的光电二极管的尺寸，有助于形成更多的光生载流子。
然而，在上述图像传感器中，光生载流子需要移动较远的路径传输至逻辑器件中，容易发生前一次光照时生成的光生载流子在光电转换层残留的问题，导致对后一次光照形成的图像产生影响，发生图像拖尾的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种图像传感器及其形成方法，可以将光电转换层内的光生载流子导出，降低发生图像拖尾的可能性。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种图像传感器，包括：半导体衬底，所述半导体衬底内形成有逻辑器件以及单向导通结构；金属互连层，位于所述半导体衬底的表面，所述金属互连层内具有泄电互连结构和逻辑互连结构；堆叠的至少三层光电转换层，位于所述金属互连层的表面，不同的光电转换层经由所述逻辑互连结构电连接至不同的逻辑器件；衬垫结构，位于所述堆叠的至少三层光电转换层的表面，所述堆叠的至少三层光电转换层经由所述泄电互连结构和单向导通结构与所述衬垫结构电连接。
可选的，所述单向导通结构具有第一端和第二端，流经所述单向导通结构的电子的流动方向被限制为从所述第一端至第二端，所述泄电互连结构包括：衬垫互连结构以及成对的第一端互连结构和第二端互连结构，所述第一端互连结构的第一端连接至所述单向导通结构的第一端，所述第一端互连结构的第二端连接至所述光电转换层，所述第二端互连结构的第一端连接至所述单向导通结构的第二端，所述第二端互连结构的第二端连接至所述衬垫互连结构；其中，不同的光电转换层经由不同的第一端互连结构连接至不同的单向导通结构。
可选的，所述单向导通结构为PN结二极管，所述PN结二极管的第一端为N区，所述PN结二极管的第二端为P区。
可选的，所述图像传感器还包括：衬垫开关器件，位于所述半导体衬底内，所述衬垫开关器件包括衬垫第一端、衬垫第二端以及衬垫控制端；其中，所述衬垫互连结构包括连接至所述衬垫第一端的衬垫第一互连结构以及连接至所述衬垫第二端的衬垫第二互连结构，其中，所述衬垫第一互连结构连接至所述第二端互连结构，所述衬垫第二互连结构电连接至所述衬垫结构；所述衬垫控制端用于控制所述衬垫开关器件导通或关断。
可选的，所述衬垫开关器件为MOS器件；其中，所述衬垫第一端为所述MOS器件的源区，所述衬垫第二端为所述MOS器件的漏区，所述衬垫控制端为所述MOS器件的栅极。
可选的，所述图像传感器还包括：衬垫导电结构，所述衬垫导电结构的一端连接所述衬垫结构，另一端连接至所述衬垫第二互连结构。
可选的，所述图像传感器还包括以下一项或多项：多个光电导电结构，每个光电导电结构的一端连接所述光电转换层，另一端连接至所述逻辑互连结构，其中，不同的光电转换层经由不同的光电导电结构连接至不同的逻辑互连结构；多个单向导电结构，每个单向导电结构的一端连接所述光电转换层，另一端连接至所述第一端互连结构，其中，不同的光电转换层经由不同的单向导电结构连接至不同的第一端互连结构。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种图像传感器的形成方法，包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底内形成逻辑器件以及单向导通结构；在所述半导体衬底的表面形成金属互连层，所述金属互连层内具有泄电互连结构和逻辑互连结构；在所述金属互连层的表面，形成堆叠的至少三层光电转换层，不同的光电转换层经由所述逻辑互连结构电连接至不同的逻辑器件；在所述堆叠的至少三层光电转换层的表面，形成衬垫结构，所述堆叠的至少三层光电转换层经由所述泄电互连结构和单向导通结构与所述衬垫结构电连接。
可选的，所述单向导通结构具有第一端和第二端，流经所述单向导通结构的电子的流动方向被限制为从所述第一端至第二端，所述泄电互连结构包括：衬垫互连结构以及成对的第一端互连结构和第二端互连结构，所述第一端互连结构的第一端连接至所述单向导通结构的第一端，所述第一端互连结构的第二端连接至所述光电转换层，所述第二端互连结构的第一端连接至所述单向导通结构的第二端，所述第二端互连结构的第二端连接至所述衬垫互连结构；其中，不同的光电转换层经由不同的第一端互连结构连接至不同的单向导通结构。
可选的，所述单向导通结构为PN结二极管，所述PN结二极管的第一端为N区，所述PN结二极管的第二端为P区。
可选的，在形成所述金属互连层之前，所述的图像传感器的形成方法还包括：在所述半导体衬底内形成衬垫开关器件，所述衬垫开关器件包括衬垫第一端、衬垫第二端以及衬垫控制端；在所述半导体衬底的表面，形成金属互连层包括：形成连接至所述衬垫第一端的衬垫第一互连结构以及连接至所述衬垫第二端的衬垫第二互连结构；其中，所述衬垫第一互连结构连接至所述第二端互连结构，所述衬垫第二互连结构电连接至所述衬垫结构，所述衬垫控制端用于控制所述衬垫开关器件导通或关断。
可选的，所述衬垫开关器件为MOS器件；其中，所述衬垫第一端为所述MOS器件的源区，所述衬垫第二端为所述MOS器件的漏区，所述衬垫控制端为所述MOS器件的栅极。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
在本发明实施例中，通过在半导体衬底内形成单向导通结构，可以使所述堆叠的至少三层光电转换层经由所述泄电互连结构和单向导通结构与所述衬垫结构电连接，从而实现将光电转换层内的光生载流子导出，避免前一次光照时残留在光电转换层内的光生载流子对后一次光照形成的图像产生影响，降低发生图像拖尾的可能性。
进一步，所述单向导通结构具有第一端和第二端，所述泄电互连结构包括：衬垫互连结构以及成对的第一端互连结构和第二端互连结构，采用本发明实施例的方案，可以使所述堆叠的至少三层光电转换层经由所述第一端互连结构、单向导通结构、第二端互连结构以及衬垫互连结构与所述衬垫结构电连接，从而更好地将光电转换层内的光生载流子导出，降低发生图像拖尾的可能性；且由于具有单向导通功能，可以避免电子流回至光电转换层导致电子残留问题加重，从而提高图像传感器的品质。
进一步，通过设置衬垫开关器件，可以使光电转换层内的光生载流子自第二端互连结构经过衬垫第一互连结构到达衬垫第一端，然后通过衬垫控制端控制所述衬垫开关器件导通或关断并且在导通时移动到衬垫第二端，进而传输至衬垫结构。采用本发明实施例的方案，可以通过衬垫开关器件选择光电转换层内的光生载流子是否需要导出，从而仅在光照步骤完成后才导出残留的光生载流子，避免在光照过程中形成漏电流，有助于提高图像品质。
进一步，通过设置衬垫导电结构，可以实现使所述衬垫结构电连接至所述衬垫互连结构，从而可以将光电转换层内残留的光生载流子通过衬垫互连结构、衬垫导电结构移动至衬垫结构，从而实现导出电子。
附图说明
图1是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法的流程图；
图2至图12是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图。
具体实施方式
如前所述，在一种图像传感器中，采用堆叠的光电转换层生成光生载流子，然后通过导电结构和金属互连结构将所述光生载流子传输至所述逻辑器件，然而容易发生图像拖尾的问题。
本发明的发明人经过研究发现，在上述图像传感器中，光生载流子需要穿过光电转换层以及介质层、导通结构、金属互连结构等传至逻辑器件中，移动的路径较远，容易发生前一次光照时生成的光生载流子在光电转换层残留的问题，导致对后一次光照形成的图像产生影响，发生图像拖尾。
在本发明实施例中，通过在半导体衬底内形成单向导通结构，可以使所述堆叠的至少三层光电转换层经由所述泄电互连结构和单向导通结构与所述衬垫结构电连接，从而实现将光电转换层内的光生载流子导出，避免前一次光照时残留在光电转换层内的光生载流子对后一次光照形成的图像产生影响，降低发生图像拖尾的可能性。
为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
参照图1，图1是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法的流程图。所述图像传感器的形成方法可以包括步骤S11至步骤S15：
步骤S11：提供半导体衬底；
步骤S12：在所述半导体衬底内形成逻辑器件以及单向导通结构；
步骤S13：在所述半导体衬底的表面形成金属互连层，所述金属互连层内具有泄电互连结构和逻辑互连结构；
步骤S14：在所述金属互连层的表面，形成堆叠的至少三层光电转换层，不同的光电转换层经由所述逻辑互连结构电连接至不同的逻辑器件；
步骤S15：在所述堆叠的至少三层光电转换层的表面，形成衬垫结构，所述堆叠的至少三层光电转换层经由所述泄电互连结构和单向导通结构与所述衬垫结构电连接。
下面结合图2至图12对上述各个步骤进行说明。
图2至图12是本发明实施例中一种图像传感器的形成方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图。
参照图2，提供半导体衬底100，所述半导体衬底100的正面形成有逻辑器件110。
具体地，所述半导体衬底100可以为硅衬底，或者所述半导体衬底100的材料还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟等适当的应用于图像传感器的材料，所述半导体衬底100还可以为绝缘体表面的硅衬底或者绝缘体表面的锗衬底，或者是生长有外延层(Epitaxy layer，Epi layer)的衬底。优选地，所述半导体衬底100可以为轻掺杂的半导体衬底，且掺杂类型与漏区相反。具体地，可以通过向所述半导体衬底100进行离子注入，实现深阱掺杂(Deep Well Implant)。
其中，所述逻辑器件110可以包括浅槽隔离结构111、栅极结构112以及源漏掺杂区113。其中，所述栅极结构112以及源漏掺杂区113可以属于所述逻辑器件110的功能区，例如为所述逻辑器件的MOS晶体管，所述浅槽隔离结构111可以用于隔离相邻的功能区。
进一步，在所述半导体衬底100内形成衬垫开关器件，所述衬垫开关器件包括衬垫第一端114、衬垫第二端115以及衬垫控制端116。
其中，所述衬垫控制端116可以用于控制所述衬垫开关器件导通或关断。
在本发明实施例中，可以通过衬垫开关器件选择光电转换层内的光生载流子是否需要导出，从而仅在光照步骤完成后才导出残留的光生载流子，避免在光照过程中形成漏电流，有助于提高图像品质。
更进一步地，所述衬垫开关器件可以为MOS器件；其中，所述衬垫第一端114可以为所述MOS器件的源区，所述衬垫第二端115可以为所述MOS器件的漏区，所述衬垫控制端116可以为所述MOS器件的栅极。
其中，所述MOS器件的栅极可以上施加有可变的预设电压，以使所述MOS器件的源区与所述MOS器件的漏区之间导通或中断。
在本发明实施例中，通过设置衬垫开关器件为MOS器件，可以采用工艺成熟的MOS器件实现控制所述衬垫开关器件导通或关断的功能，有助于降低工艺研发复杂度并且提高图像传感器的品质。
需要指出的是，还可以采用其他常规的器件实现导通或关断的功能，在本发明实施例中，对衬垫开关器件的具体结构不作限制。
参照图3，在所述半导体衬底100的表面形成图形化的第一掩膜层161，以所述第一掩膜层161为掩膜，在所述半导体衬底100内，形成单向导通结构。
其中，所述单向导通结构能够限制流经所述单向导通结构的电子的流动方向。
在具体实施中，所述单向导通结构可以具有第一端101和第二端102，流经所述单向导通结构的电子的流动方向被限制为从所述第一端101至第二端102。
在本发明实施例中，由于具有单向导通结构提供单向导通功能，可以避免电子流回至光电转换层导致电子残留问题加重，从而有助于提高图像传感器的品质。
进一步地，所述单向导通结构可以为PN结二极管，所述PN结二极管的第一端为N区，所述PN结二极管的第二端为P区。
在本发明实施例中，通过设置单向导通结构为PN结二极管，可以采用工艺成熟的PN结二极管实现单向导通功能，有助于降低工艺研发复杂度并且提高图像传感器的品质。
需要指出的是，还可以采用其他常规的器件实现单向导通功能，在本发明实施例中，对单向导通结构的具体构造不作限制。
参照图4，在图4中示出有图像传感器的顶视图以及沿切割线A1-A2的剖面图。
在所述半导体衬底100的表面，形成金属互连层116，所述金属互连层116内具有金属互连结构115以及层间介质层114。其中，所述金属互连结构115可以与逻辑器件110连接。
进一步地，所述金属互连结构115位于所述金属互连层116内，可以包括泄电互连结构和逻辑互连结构。
其中，所述逻辑互连结构用于连接至不同的逻辑器件110，例如连接至逻辑器件110的源漏掺杂区113，以使后续工艺中形成的不同的光电转换层经由所述逻辑互连结构电连接至不同的逻辑器件110。
所述泄电互连结构可以包括：衬垫互连结构以及成对的第一端互连结构1153和第二端互连结构1154。所述第一端互连结构1153的一端连接至所述单向导通结构的第一端，所述第二端互连结构1154的一端连接至所述单向导通结构的第二端。
其中，形成所述衬垫互连结构的步骤可以包括：形成连接至所述衬垫第一端114的衬垫第一互连结构1151以及连接至所述衬垫第二端115的衬垫第二互连结构1152。
在具体实施中，不同的第二端互连结构1154可以相互导通，且与衬垫第一互连结构1151连接。
在本发明实施例中，通过设置不同的第二端互连结构1154连接至所述衬垫第一互连结构1151，可以实现将光电转换层内的光生载流子导出至后续形成的衬垫结构，从而实现将光电转换层内的光生载流子导出，避免前一次光照时残留在光电转换层内的光生载流子对后一次光照形成的图像产生影响，降低发生图像拖尾的可能性。
需要指出的是，图4示出的图像传感器的顶视图中的金属互连结构115可以并非来自同一金属层。在本发明实施例中，需要设置不同的第二端互连结构1154连接至所述衬垫第一互连结构1151，然而对于具体实现的线路布局不作限制。
参照图5，在所述金属互连层116的表面，形成导电介质层122，进而在所述导电介质层122的内部及表面填充导电材料121。
具体地，在所述导电介质层122的表面形成图形化的掩膜层(图未示)，以所述掩膜层为掩膜刻蚀所述导电介质层122，以形成导电结构沟槽(图未示)，进而填充导电材料121，然后采用平坦化工艺对所述导电材料121进行平坦化。
参照图6，刻蚀所述导电材料121(参照图5)，以得到导电结构120。
具体地，可以在所述导电材料121的表面形成图形化的掩膜层(图未示)，以所述掩膜层为掩膜刻蚀所述导电材料121，以形成导电结构120。所述导电结构120连接所述金属互连结构115的顶部，不同的导电结构120通过金属互连结构115电连接至不同的逻辑器件110。其中，所述导电结构120与导电介质层122可以形成导电层123。
进一步地，所述导电结构120可以选自：钛以及钨以及金属硅化物的叠层、钨以及金属硅化物的叠层。
更具体而言，可以先形成金属硅化物层，所述金属硅化物层覆盖所述导电结构沟槽的底部和内壁，再在所述金属硅化物层的表面形成钨层，或形成钛层以及钨层的叠层，进而在钨层或叠层的表面形成金属硅化物层。其中，所述钛层以及钨层的叠层可以为两层钛层之间夹着钨层的结构。
具体地，所述金属硅化物是指金属与硅生成的硬质化合物，采用金属硅化物连接金属材料和半导体材料有助于降低互连电阻，提高接触效果。
优选地，所述金属硅化物的材料可以为镍化硅。
在本发明实施例中，通过设置多个导电结构120，且导电结构120的一端连接后续形成的连接结构的底部，另一端连接金属互连结构115的顶部，相比于将连接结构直接连接至金属互连结构115的顶部，采用导电结构120连接金属材料和半导体材料有助于降低互连电阻，提高接触效果。
需要指出的是，根据不同的导电结构120连接至不同的金属互连结构115，例如连接至衬垫互连结构、第一端互连结构、第二端互连结构和逻辑互连结构，可以实现不同的导通功能。
参照图7，形成红光光电转换结构130，具体可以包括红光绝缘层131、红光耗尽层132、堆叠于所述红光耗尽层132的红光激发层133以及红光连接结构134。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，可以在形成红光绝缘层131、红光耗尽层132之后，刻蚀所述红光耗尽层132以及红光绝缘层131，以形成第一红光连接沟槽(图未示)，进而在第一红光连接沟槽内形成所述红光连接结构134。则所述红光连接结构134的材料可以与所述红光激发层133一致。
在本发明实施例的另一种具体实施方式中，可以在形成红光绝缘层131之后，刻蚀所述红光绝缘层131，以形成第二红光连接沟槽(图未示)，进而在第二红光连接沟槽内形成所述红光连接结构134。则所述红光连接结构134的材料可以与所述红光耗尽层132一致。
需要指出的是，在第一红光连接沟槽或第二红光连接沟槽的内壁可以形成隔离薄膜(图未示)，从而在填充后，有助于降低填充材料的光生载流子扩散至所述红光绝缘层131甚至导电介质层122的可能性，提高隔离效果。
其中，红光连接结构134可以包括红光逻辑连接结构1341，所述红光逻辑连接结构1341可以通过导电结构120以及逻辑互连结构连接至逻辑器件110，从而有助于使红光激发层133以及红光耗尽层132形成的光生载流子传输至逻辑器件110。
所述红光连接结构134还可以通过导电结构120以及第一端互连结构连接至所述单向导通结构的第一端101，从而使红光激发层133以及红光耗尽层132形成的光生载流子可以传输至所述单向导通结构的第一端101，并进行导出。
具体地，所述红光绝缘层131的材料可以选自：氧化硅、氮化硅。
在本发明实施例中，设置导电介质层122和导电结构120与红光耗尽层132之间具有红光绝缘层131，有助于防止红光光电转换结构与导电结构120以及金属互连结构115之间产生光电子干扰。
具体地，所述红光耗尽层132的材料可以选自：无定形硅、多晶硅、氮化镓、锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓以及镓化铟。优选地，可以采用无定形硅或者多晶硅作为所述红光耗尽层132的材料，以更好地满足成本和品质需求。
进一步地，所述红光耗尽层132的掺杂类型可以采用P型掺杂，例如采用硼离子作为所述红光耗尽层132的掺杂离子。
进一步地，所述红光激发层133的掺杂类型可以采用N型掺杂，例如采用磷离子以及砷离子作为所述红光激发层133的掺杂离子。具体地，可以在所述红光连接沟槽内以及红光耗尽层132的表面，采用所述红光激发层133的材料作为反应源与N型掺杂源进行掺杂沉积反应，以在红光耗尽层132的表面形成所述红光激发层133，在所述红光连接沟槽139(参照图6)内形成红光连接结构134。
具体地，所述红光激发层133的材料可以选自：无定形硅、多晶硅、氮化镓、锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓以及镓化铟。优选地，可以采用无定形硅或者多晶硅作为所述红光激发层133的材料，以更好地满足成本和品质需求。
进一步地，所述红光耗尽层132和红光激发层133的掺杂类型可以相反，材料可以相同。
在本发明实施例中，通过设置所述红光耗尽层132和红光激发层133具有相反的掺杂类型，可以形成P-N结，从而可以实现光电转换功能，生成光生载流子，并且所述红光耗尽层132可以对光生载流子的移动方向进行限制和阻隔，有助于促使光生载流子沿预设的连接结构方向移动。
在具体实施中，图像传感器可以包括多个光电导电结构，其中，不同的光电转换层经由不同的光电导电结构连接至不同的逻辑互连结构。
具体地，对应于红光的光电导电结构可以包括所述红光逻辑连接结构1341以及与其连接的导电结构120，一端连接所述红光光电转换层(例如为红光激发层133)，另一端连接至所述逻辑互连结构。
在具体实施中，图像传感器可以包括多个单向导电结构，其中，不同的光电转换层经由不同的单向导电结构连接至不同的第一端互连结构101。
具体地，对应于红光的单向导电结构可以包括所述红光连接结构134以及与其连接的导电结构120，一端连接所述红光光电转换层(例如为红光激发层133)，另一端连接至所述第一端互连结构。
在本发明实施例中，通过设置光电导电结构，可以将光电转换层内形成的光生载流子传输至逻辑器件110；通过设置单向导电结构，可以将光电转换层内残留的光生载流子传输至单向导通结构的第一端101。
参照图8，形成绿光光电转换结构140，所述绿光光电转换结构140堆叠于所述红光光电转换结构130。
具体地，所述形成绿光光电转换结构140可以包括：形成绿光绝缘层141、绿光耗尽层142、绿光激发层143以及绿光连接结构144。
其中，绿光连接结构144可以包括绿光逻辑连接结构1441，所述绿光逻辑连接结构1441可以通过导电结构120以及逻辑互连结构连接至逻辑器件110，从而有助于使绿光激发层143以及绿光耗尽层142形成的光生载流子传输至逻辑器件110。
所述绿光连接结构144还可以通过导电结构120以及第一端互连结构连接至所述单向导通结构的第一端101，从而使绿光激发层143以及绿光耗尽层142形成的光生载流子可以传输至所述单向导通结构的第一端101，并进行导出。
在具体实施中，有关形成绿光光电转换结构140的更多详细内容请参照前文以及图7示出的形成红光光电转换结构130的描述进行执行，此处不再赘述。
参照图9，形成蓝光光电转换结构150，所述蓝光光电转换结构150堆叠于所述绿光光电转换结构140。
具体地，所述形成蓝光光电转换结构150可以包括：形成蓝光绝缘层151、蓝光耗尽层152、蓝光激发层153以及蓝光连接结构154。
其中，蓝光连接结构154可以包括蓝光逻辑连接结构1541，所述蓝光逻辑连接结构1541可以通过导电结构120以及逻辑互连结构连接至逻辑器件110，从而有助于使蓝光激发层153以及蓝光耗尽层152形成的光生载流子传输至逻辑器件110。
所述蓝光连接结构154还可以通过导电结构120以及第一端互连结构连接至所述单向导通结构的第一端101，从而使蓝光激发层153以及蓝光耗尽层152形成的光生载流子可以传输至所述单向导通结构的第一端101，并进行导出。
在具体实施中，有关形成蓝光光电转换结构150的更多详细内容请参照前文以及图7示出的形成红光光电转换结构130的描述进行执行，此处不再赘述。
参照图10，形成隔离栅格170，以对不同区域的所述堆叠的至少三层光电转换层进行隔离。
具体地，可以形成图形化的栅格掩膜层(图未示)，以所述栅格掩膜层为掩膜，对所述蓝光光电转换结构150、绿光光电转换结构140、红光光电转换结构130中的叠层进行刻蚀，以获得栅格沟槽，进而在所述栅格沟槽内填充栅格材料，以形成隔离栅格170。
进一步地，所述隔离栅格170的材料可以为介质材料或金属材料。
优选地，可以采用介质材料形成所述隔离栅格170，例如可以选自：氧化硅、氮化硅，有助于降低金属污染，提高器件品质。
参照图11，形成衬垫绝缘层191、衬垫(Pad)层195以及衬垫通孔(Via)193。
其中，所述衬垫层195的材料可以为钨金属或铝金属。
参照图12，对所述衬垫层195进行刻蚀，以形成衬垫结构192，所述堆叠的至少三层光电转换层经由所述泄电互连结构和单向导通结构与所述衬垫结构192电连接。
在现有技术中，通常具有衬垫结构192以及衬垫通孔193，可以为图像传感器提供衬垫测量等功能或者进行接地或导入其他外围电路。
需要指出的是，在本发明实施例中，可以复用现有的衬垫结构192以及衬垫通孔193，还可以添加额外的衬垫结构(例如为衬垫结构1921)以及额外的衬垫通孔(例如为衬垫通孔1931)。
需要指出的是，可以复用形成现有的衬垫结构192以及衬垫通孔193的工艺步骤，即使添加额外的衬垫结构1921以及额外的衬垫通孔1931也不会使成本明显增加。
在具体实施中，图像传感器可以包括衬垫导电结构。
具体地，衬垫导电结构可以包括所述衬垫通孔1931以及与其连接的导电结构120，一端连接所述衬垫结构，另一端连接至所述衬垫第二互连结构。
在本发明实施例中，通过设置衬垫导电结构，可以实现使所述衬垫结构电连接至所述衬垫互连结构，从而可以将光电转换层内残留的光生载流子通过衬垫互连结构、衬垫导电结构移动至衬垫结构1921，从而实现导出电子。
在本发明实施例中，通过在半导体衬底100内形成单向导通结构，可以使所述堆叠的至少三层光电转换层经由所述泄电互连结构和单向导通结构与所述衬垫结构电连接，从而实现将光电转换层内的光生载流子导出，避免前一次光照时残留在光电转换层内的光生载流子对后一次光照形成的图像产生影响，降低发生图像拖尾的可能性。
在本发明实施例中，还提供了一种图像传感器，如图12所示，可以包括：半导体衬底100，所述半导体衬底100内形成有逻辑器件110以及单向导通结构；金属互连层116，位于所述半导体衬底100的表面，所述金属互连层116内具有泄电互连结构和逻辑互连结构；堆叠的至少三层光电转换层，位于所述金属互连层116的表面，不同的光电转换层经由所述逻辑互连结构电连接至不同的逻辑器件；衬垫结构1921，位于所述堆叠的至少三层光电转换层的表面，所述堆叠的至少三层光电转换层经由所述泄电互连结构和单向导通结构与所述衬垫结构1921电连接。
进一步地，所述单向导通结构可以具有第一端101和第二端102，流经所述单向导通结构的电子的流动方向被限制为从所述第一端101至第二端102，所述泄电互连结构可以包括：衬垫互连结构以及成对的第一端互连结构和第二端互连结构，所述第一端互连结构的第一端连接至所述单向导通结构的第一端101，所述第一端互连结构的第二端连接至所述光电转换层，所述第二端互连结构的第一端连接至所述单向导通结构的第二端102，所述第二端互连结构的第二端连接至所述衬垫互连结构；其中，不同的光电转换层经由不同的第一端互连结构连接至不同的单向导通结构。
在本发明实施例中，可以使所述堆叠的至少三层光电转换层经由所述第一端互连结构、单向导通结构、第二端互连结构以及衬垫互连结构与所述衬垫结构电连接，从而更好地将光电转换层内的光生载流子导出，降低发生图像拖尾的可能性；且由于具有单向导通功能，可以避免电子流回至光电转换层导致电子残留问题加重，从而提高图像传感器的品质。
进一步地，所述单向导通结构可以为PN结二极管，所述PN结二极管的第一端为N区，所述PN结二极管的第二端为P区。
进一步地，所述图像传感器还可以包括：衬垫开关器件，位于所述半导体衬底内，所述衬垫开关器件包括衬垫第一端114、衬垫第二端115以及衬垫控制端116；其中，所述衬垫互连结构包括连接至所述衬垫第一端114的衬垫第一互连结构以及连接至所述衬垫第二端115的衬垫第二互连结构，其中，所述衬垫第一互连结构连接至所述第二端互连结构，所述衬垫第二互连结构电连接至所述衬垫结构170；所述衬垫控制端116用于控制所述衬垫开关器件导通或关断。
在本发明实施例中，可以通过衬垫开关器件选择光电转换层内的光生载流子是否需要导出，从而仅在光照步骤完成后才导出残留的光生载流子，避免在光照过程中形成漏电流，有助于提高图像品质。
进一步地，所述衬垫开关器件可以为MOS器件；其中，所述衬垫第一端114为所述MOS器件的源区，所述衬垫第二端115为所述MOS器件的漏区，所述衬垫控制端116为所述MOS器件的栅极。
进一步地，所述图像传感器还可以包括：衬垫导电结构，所述衬垫导电结构的一端连接所述衬垫结构，另一端连接至所述衬垫第二互连结构。
在本发明实施例中，通过设置衬垫导电结构，可以实现使所述衬垫结构电连接至所述衬垫互连结构，从而可以将光电转换层内残留的光生载流子通过衬垫互连结构、衬垫导电结构移动至衬垫结构，从而实现导出电子。
进一步地，所述图像传感器还可以包括以下一项或多项：多个光电导电结构，每个光电导电结构的一端连接所述光电转换层，另一端连接至所述逻辑互连结构，其中，不同的光电转换层经由不同的光电导电结构连接至不同的逻辑互连结构；多个单向导电结构，每个单向导电结构的一端连接所述光电转换层，另一端连接至所述第一端互连结构，其中，不同的光电转换层经由不同的单向导电结构连接至不同的第一端互连结构。
在本发明实施例中，通过在半导体衬底内形成单向导通结构，可以使所述堆叠的至少三层光电转换层经由所述泄电互连结构和单向导通结构与所述衬垫结构170电连接，从而实现将光电转换层内的光生载流子导出，避免前一次光照时残留在光电转换层内的光生载流子对后一次光照形成的图像产生影响，降低发生图像拖尾的可能性。
关于该图像传感器的原理、具体实现和有益效果请参照前文及图1至图12示出的关于图像传感器的形成方法的相关描述，此处不再赘述。
需要指出的是，在通过蓝光光电转换结构150、绿光光电转换结构140以及红光光电转换结构130传输至逻辑器件110的光电子中，可能混合有其他颜色的光线产生的光电子，在具体实施中，可以通过计算，根据每层光电转换层的厚度，确定各种光线产生的光电子的比例，进而确定各种光线对应的电信号的参数值(例如电流值)，从而更准确地确定结果。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (12)
1.一种图像传感器，其特征在于，包括：
半导体衬底，所述半导体衬底内形成有逻辑器件以及单向导通结构；
金属互连层，位于所述半导体衬底的表面，所述金属互连层内具有泄电互连结构和逻辑互连结构；
堆叠的至少三层光电转换层，位于所述金属互连层的表面，不同的光电转换层经由所述逻辑互连结构电连接至不同的逻辑器件；
衬垫结构，位于所述堆叠的至少三层光电转换层的表面，所述堆叠的至少三层光电转换层经由所述泄电互连结构和单向导通结构与所述衬垫结构电连接。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，
所述单向导通结构具有第一端和第二端，流经所述单向导通结构的电子的流动方向被限制为从所述第一端至第二端，所述泄电互连结构包括：衬垫互连结构以及成对的第一端互连结构和第二端互连结构，所述第一端互连结构的第一端连接至所述单向导通结构的第一端，所述第一端互连结构的第二端连接至所述光电转换层，所述第二端互连结构的第一端连接至所述单向导通结构的第二端，所述第二端互连结构的第二端连接至所述衬垫互连结构；
其中，不同的光电转换层经由不同的第一端互连结构连接至不同的单向导通结构。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述单向导通结构为PN结二极管，所述PN结二极管的第一端为N区，所述PN结二极管的第二端为P区。
4.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，还包括：
衬垫开关器件，位于所述半导体衬底内，所述衬垫开关器件包括衬垫第一端、衬垫第二端以及衬垫控制端；
其中，所述衬垫互连结构包括连接至所述衬垫第一端的衬垫第一互连结构以及连接至所述衬垫第二端的衬垫第二互连结构，其中，所述衬垫第一互连结构连接至所述第二端互连结构，所述衬垫第二互连结构电连接至所述衬垫结构；
所述衬垫控制端用于控制所述衬垫开关器件导通或关断。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，所述衬垫开关器件为MOS器件；
其中，所述衬垫第一端为所述MOS器件的源区，所述衬垫第二端为所述MOS器件的漏区，所述衬垫控制端为所述MOS器件的栅极。
6.根据权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，还包括：
衬垫导电结构，所述衬垫导电结构的一端连接所述衬垫结构，另一端连接至所述衬垫第二互连结构。
7.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，还包括以下一项或多项：多个光电导电结构，每个光电导电结构的一端连接所述光电转换层，另一端连接至所述逻辑互连结构，其中，不同的光电转换层经由不同的光电导电结构连接至不同的逻辑互连结构；
多个单向导电结构，每个单向导电结构的一端连接所述光电转换层，另一端连接至所述第一端互连结构，其中，不同的光电转换层经由不同的单向导电结构连接至不同的第一端互连结构。
8.一种图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底内形成逻辑器件以及单向导通结构；
在所述半导体衬底的表面形成金属互连层，所述金属互连层内具有泄电互连结构和逻辑互连结构；
在所述金属互连层的表面，形成堆叠的至少三层光电转换层，不同的光电转换层经由所述逻辑互连结构电连接至不同的逻辑器件；
在所述堆叠的至少三层光电转换层的表面，形成衬垫结构，所述堆叠的至少三层光电转换层经由所述泄电互连结构和单向导通结构与所述衬垫结构电连接。
9.根据权利要求8所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，
所述单向导通结构具有第一端和第二端，流经所述单向导通结构的电子的流动方向被限制为从所述第一端至第二端，所述泄电互连结构包括：衬垫互连结构以及成对的第一端互连结构和第二端互连结构，所述第一端互连结构的第一端连接至所述单向导通结构的第一端，所述第一端互连结构的第二端连接至所述光电转换层，所述第二端互连结构的第一端连接至所述单向导通结构的第二端，所述第二端互连结构的第二端连接至所述衬垫互连结构；
其中，不同的光电转换层经由不同的第一端互连结构连接至不同的单向导通结构。
10.根据权利要求9所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述单向导通结构为PN结二极管，所述PN结二极管的第一端为N区，所述PN结二极管的第二端为P区。
11.根据权利要求9所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，
在形成所述金属互连层之前，还包括：
在所述半导体衬底内形成衬垫开关器件，所述衬垫开关器件包括衬垫第一端、衬垫第二端以及衬垫控制端；
在所述半导体衬底的表面，形成金属互连层包括：
形成连接至所述衬垫第一端的衬垫第一互连结构以及连接至所述衬垫第二端的衬垫第二互连结构；
其中，所述衬垫第一互连结构连接至所述第二端互连结构，所述衬垫第二互连结构电连接至所述衬垫结构，所述衬垫控制端用于控制所述衬垫开关器件导通或关断。
12.根据权利要求11所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述衬垫开关器件为MOS器件；
其中，所述衬垫第一端为所述MOS器件的源区，所述衬垫第二端为所述MOS器件的漏区，所述衬垫控制端为所述MOS器件的栅极。
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2018
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