图像传感器及其形成方法

摘要

一种图像传感器及其形成方法，其中图像传感器包含：半导体衬底，所述半导体衬底内形成有像素阵列，所述像素包含有感光单元，相邻像素之间以浅沟槽绝缘结构隔开；位于半导体衬底表面的透光层，所述透光层对准感光单元；位于半导体衬底表面的不透光层，所述不透光层包围所述透光层；位于不透光层内的金属层及连接相邻金属层的导电插塞。所述图像传感器像素可以有效阻止入射光线进入其他感光单元，避免发生光学串扰，提高图像传感器像素的图像显示质量。

权利要求

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像素阵列，所述像素包含有感光单元，相邻像素之间以浅沟槽绝缘结构隔开；

位于半导体衬底表面的透光层，所述透光层对准感光单元；

位于半导体衬底表面的不透光层，所述不透光层包围所述透光层，所述不透光层为硅氧氮化合物；

位于不透光层内的金属层及连接相邻金属层的导电插塞。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述金属层和导电插塞的材料为掺杂的多晶硅、铝、铜或钨。

3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，还包括：覆盖最上层金属层的钝化层，位于所述钝化层上的多个与感光单元一一对应的微透镜。

4.一种图像传感器的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：提供半导体衬底，所述半导体衬底内形成有像素阵列，所述像素包含有感光单元，相邻像素之间以浅沟槽绝缘结构隔开；

在所述半导体衬底上形成刻蚀停止层；

在所述刻蚀停止层上形成第一不透光层，所述第一不透光层覆盖所述感光单元和浅沟槽绝缘结构；

在第一不透光层内形成第一通孔；

向所述第一通孔内填充满导电物质，形成第一导电插塞；

在第一不透光层上或内形成分立的第一金属层，所述第一金属层与第一导电插塞连通；

在第一不透光层上形成覆盖第一金属层的第二不透光层；

在第二不透光层内形成第二导电插塞；

在第二不透光层上或内形成分立的第二金属层，所述第二金属层与第二导电插塞连通；

继续形成预定数量的不透光层、金属层及贯穿不透光层厚度与金属层连通的导电插塞；

在最后一层不透光层上形成覆盖最后一层金属层的钝化层；

刻蚀钝化层及不透光层至露出刻蚀停止层，形成垂直对准感光单元的沟槽；

向沟槽内填充满透光材料，形成透光层。

5.根据权利要求4所述的形成方法，其特征在于，所述不透光层材料为绝缘材料。

6.根据权利要求4所述的形成方法，其特征在于，所述刻蚀停止层材料为透光材料。

7.根据权利要求5所述的形成方法，其特征在于，所述绝缘材料为硅氧氮化合物。

说明书

图像传感器及其形成方法

技术领域

[0001] 本发明涉及CMOS图像处理领域，特别是涉及一种图像传感器及其形成方法。

背景技术

[0002] 目前，图像传感器已被广泛应用于照相机、医疗器械、便携式电话、汽车及其他场合。图像传感器的制造工艺，特别是CMOS(互补型金属氧化硅半导体)图像传感器(CIS)，已获得很大进步，并不断促使图像传感器向高集成度和小型化的方向发展。图像传感器的每个像素一般包含一个感光元件例如光电二极管以及一个或多个用于从感光元件中读出信号的晶体管。CMOS图像传感器采用金属导线将各个感光单元与其他感光单元及输出端连接；这些金属导线一般分布在不同层中，以便与晶体管的不同部分连接并形成有效通路。

[0003] 申请号为200710148796.5的中国专利申请中公开了一种如图1所示图像传感器，参阅图1，现有技术的图像传感器包括：位于衬底表面(未示出)的多个感光单元101，多个感光单元形成感光单元阵列，位于感光单元101表面的介质层102以及位于介质层内的金属层103，位于介质层102表面的第一平坦层104，位于第一平坦层104表面的彩色滤光片105，位于彩色滤光片105表面的第二平坦层106，以及位于第二平坦层106表面的微透镜
107。

[0004] 现有图像传感器包括背面照光图像传感器(BSI image sensor)和正面照光图像传感器(FSI image sensor)。背面照光和正面照光图像传感器通常都存在一个重要问题：光学串扰。

[0005] 如图2所示，在图像传感器中，当入射光线290以一定倾角照射感光单元101时，一部分光线通过透明的层间介质层(未示出)进入感光单元101，一部分光线照射到金属层1032、1033上；由于部分金属层1031、1032、1033之间不需要导电插塞连接，而是充满透明的层间介质层，使得这部分照射到金属层1032、1033的光线发生反射，并最终进入其他感光单元101(一般是相邻的感光单元)中，形成光学串扰。这种光学串扰造成了图像中的伪像成分，并且无法在图像处理中加以纠正，严重影响了图像质量。

发明内容

[0006] 本发明解决的问题是提供一种图像传感器及其形成方法，解决现有图像传感器，因入射光线经金属层反射进入相邻感光单元，形成光学串扰的问题。

[0007] 为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

[0008] 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像素阵列，所述像素包含有感光单元，相邻像素之间以浅沟槽绝缘结构隔开；位于半导体衬底表面的透光层，所述透光层对准感光单元；位于半导体衬底表面的不透光层，所述不透光层包围所述透光层；位于不透光层内的金属层及连接相邻金属层的导电插塞。

[0009] 可选的，所述不透光层材料为绝缘材料。

[0010] 可选的，所述绝缘材料为硅氧氮化合物。

[0011] 可选的，所述金属层和导电插塞的材料为掺杂的多晶硅、铝、铜或钨。

[0012] 可选的，还包括：覆盖最上层金属层的钝化层，位于所述钝化层上的多个与感光单元一一对应的微透镜。

[0013] 一种图像传感器的形成方法，包括以下步骤：提供半导体衬底，所述半导体衬底内形成有像素阵列，所述像素包含有感光单元，相邻像素之间以浅沟槽绝缘结构隔开；在所述半导体衬底上形成刻蚀停止层；在所述刻蚀停止层上形成第一不透光层，所述不透光层覆盖所述感光单元和浅沟槽绝缘结构；在第一不透光层内形成第一通孔；向所述第一通孔内填充满导电物质，形成第一导电插塞；在第一不透光层上或内形成分立的第一金属层，所述第一金属层与第一导电插塞连通；在第一不透光层上形成覆盖第一金属层的第二不透光层；在第二不透光层内形成第二导电插塞；在第二不透光层上或内形成分立的第二金属层，所述第二金属层与第二导电插塞连通；继续形成预定数量的不透光层、金属层及贯穿不透光层厚度与金属层连通的导电插塞；在最后一层不透光层上形成覆盖最后一层金属层的钝化层；刻蚀钝化层及不透光层至露出刻蚀停止层，形成垂直对准感光单元的沟槽；向沟槽内填充满透光材料，形成透光层。

[0014] 可选的，所述不透光层材料为绝缘材料。

[0015] 可选的，所述刻蚀停止层材料为透光材料。

[0016] 可选的，所述绝缘材料为硅氧氮化合物。

[0017] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：

[0018] 本发明实施例提供的图像传感器包含有位于半导体衬底表面的透光层，所述透光层对准感光单元；位于半导体衬底表面的不透光层，所述不透光层包围所述透光层；位于不透光层内的金属层及连接相邻金属层的导电插塞；当入射光线照射图像传感器像素时，入射光线只会通过透光层进入相应感光单元，而无法穿过透光层周围的不透光层进入其他感光单元，避免了对其他感光单元构成光学串扰。

[0019] 进一步，本发明实施例提供的图像传感器的形成方法，通过在对准感光单元的位置上设置透明层，在透明层周围设置不透光层，使得入射光线只会通过透光层进入到相应的感光单元，而无法进入其他感光单元，避免了对其他感光单元形成光学串扰。

附图说明

[0020] 图1是现有图像传感器结构示意图；

[0021] 图2是现有图像传感器形成光学串扰的示意图；

[0022] 图3是本发明的图像传感器具体实施例示意图；

[0023] 图4是本发明的图像传感器防止光学串扰示意图；

[0024] 图5是本发明的图像传感器形成方法具体实施例流程示意图；

[0025] 图6至图15是本发明图像传感器形成方法具体实施例示意图。

具体实施方式

[0026] 本发明的发明人发现现有的图像传感器，当入射光线以一定倾角入射时，一部分通过透明的层间介质层到达感光单元，另一部分则会照射在金属层上并发生反射。由于在未由导电插塞连接的金属层之间的位置，充满透明的层间介质层，使得照射在该位置的入射光线经金属层多次反射，最终进入其他感光单元(一般是相邻感光单元)，形成光学串扰，严重影响了图像传感器的图像显示质量。

[0027] 针对上述问题，发明人经过研究分析，提出一种图像传感器，包括：半导体衬底，所述半导体衬底内形成有像素阵列，所述像素包含有感光单元，相邻像素之间以浅沟槽绝缘结构隔开；位于半导体衬底表面的透光层，所述透光层对准感光单元；位于半导体衬底表面的不透光层，所述不透光层包围所述透光层；位于不透光层内的金属层及连接相邻金属层的导电插塞。

[0028] 本发明提供的图像传感器，由于在透光层只设置在感光单元的上方，而透光层周围则是不透光层，因此当入射光线射入图像传感器像素时，入射光线只会沿着透光层进入相应的感光单元，而无法穿过位于透光层周围的不透光层进入相邻的感光单元，避免了对相邻感光单元构成光学串扰，提高了图像传感器像素的图像显示质量。

[0029] 下面结合附图和实施例对本发明所提供图像传感器作进一步描述。

[0030] 图3为本发明的图像传感器具体实施例结构示意图。如图3所示，本发明的图像传感器包括：

[0031] 半导体衬底200，所述半导体衬底200内形成有像素阵列，所述像素包含有感光单元202，相邻像素之间以浅沟槽绝缘结构201隔开；位于半导体衬底200表面的透光层250，所述透光层250对准感光单元202；位于半导体衬底200表面的不透光层210，所述不透光层210包围所述透光层250；位于不透光层210内的金属层220及连接相邻金属层的导电插塞230。

[0032] 本实施例中，所述半导体衬底200可以为绝缘体上硅衬底(SOI衬底)、石英衬底、陶瓷衬底、玻璃衬底，而且衬底上还有用于图像传感器的其他器件(图中未示)。所述像素包含感光单元202，所述感光单元202包括多个光敏元件，例如感光二极管、色彩光传感器。所述相邻像素之间由浅沟槽绝缘结构201隔开。

[0033] 所述透光层250位于感光单元202的正上方，透光层250材料为透明材料，如氧化硅，使得光线从外部入射到透光层后进入感光单元202。

[0034] 所述不透光层210位于所述透光层250四周，由不透光绝缘材料形成，如硅氧氮化合物，光线无法穿过不透光层210，因此光线不会在相邻像素间产生光学串扰；所述不透光层210为多层结构。

[0035] 所述金属层220位于所述不透光层210内；所述金属层220可以是多层结构，在本发明的一个实例中，所述金属层220为3层结构；所述金属层220可以电连接至外部光检测部件(未示出)，每层金属层220具有一定的布局，不会挡在感光单元202的上方。所述不同层金属层220之间需要电连接的地方，由导电插塞230对应连接；所述金属层220和导电插塞230的材料可以是任何导电金属，如掺杂的多晶硅、铝、铜或钨；在本发明的一个实例中，所选择的材料是金属铝。

[0036] 本实施例中，所述图像传感器还包括覆盖最上层金属层220的钝化层240，位于所述钝化层240和透光层250上的彩色滤光片260，位于所述彩色滤光片260上的平坦层270，位于所述平坦层270上的多个与感光单元202一一对应的微透镜280。

[0037] 所述钝化层240的材料与透光层250的材料一致。

[0038] 所述彩色滤光片260可以选用现有技术所提供的彩色滤光片。在本实施例的一个实例中，用于形成彩色滤光片260的材料是染色的光致刻蚀剂。在与每个感光单元202正对的位置形成一个滤光片，每个滤光片分别通过不同的颜色的光，例如红色、绿色和蓝色。

[0039] 所述平坦层270的材料为有机材料。

[0040] 所述微透镜280朝向所述平坦层的表面为平面，背向所述平坦层的表面为凸面，每一个微透镜与对应的感光单元202中心对准。用于形成微透镜280的材料可以是氧化物，也可以是有机物。用于形成微透镜的材料的折射率在1.4～1.6之间。优选的，在微透镜280表面有具有低折射率的有机薄膜，使得反射减弱，从而提高光线的透过率。所述低折射率材料的折射率在1.1～1.4之间。

[0041] 本实施例中，根据实际设计需要，可以在钝化层240和彩色滤光片260之间增加一层平坦层，或者整个结构都不用平坦层，但这种改变并不影响本发明的实质。

[0042] 本实施例中，如果图像传感器像素仅用于黑色色彩领域，则彩色滤光片260可以不用设置。

[0043] 图4为本发明的图像传感器具体实施例防止光学串扰示意图。如图4所示，当入射光线290以一定倾斜角度照射图像传感器像素时，入射光线290仅能够穿过透光层250进入感光单元202。这是因为透光层250只设置在感光单元202的上方，而透光层250周围则是不透光层210，因此当入射光线290射入到透光层250侧壁时，会受到位于透光层250周围的不透光层210的阻挡而无法进入相邻的感光单元202，避免了对相邻感光单元构成光学串扰，提高了图像传感器像素的图像显示质量，从而避免了光学串扰，提高图像传感器的图像显示质量。

[0044] 此外，本发明还提供一种图像传感器的形成方法。图5为本发明的图像传感器形成方法的具体实施例流程图，具体为：如图5所示，

[0045] 执行步骤S11，提供半导体衬底，所述半导体衬底内形成有像素阵列，所述像素包含有感光单元，相邻像素之间以浅沟槽绝缘结构隔开；

[0046] 执行步骤S12，在所述半导体衬底上形成刻蚀停止层；

[0047] 执行步骤S13，在所述刻蚀停止层上形成第一不透光层，所述不透光层覆盖所述感光单元和浅沟槽绝缘结构；

[0048] 执行步骤S14，在第一不透光层内形成第一通孔；

[0049] 执行步骤S15，向所述第一通孔内填充满导电物质，形成第一导电插塞；执行步骤S16，在第一不透光层上或内形成分立的第一金属层，所述第一金属层与第一导电插塞连通；

[0050] 执行步骤S17，在第一不透光层上形成覆盖第一金属层的第二不透光层；

[0051] 执行步骤S18，在第二不透光层内形成第二导电插塞；

[0052] 执行步骤S19，在第二不透光层上上或内形成分立的第二金属层，所述第二金属层与第二导电插塞连通；

[0053] 执行步骤S20，继续形成预定数量的不透光层、金属层及贯穿不透光层厚度与金属层连通的导电插塞；

[0054] 执行步骤S21，在最后一层不透光层上形成覆盖最后一层金属层的钝化层；

[0055] 执行步骤S22，刻蚀钝化层及不透光层至露出刻蚀停止层，形成垂直对准感光单元的沟槽；

[0056] 执行步骤S23，向沟槽内填充满透光材料，形成透光层。

[0057] 本发明实施例提供的图像传感器的形成方法，通过在对准感光单元的上方设置透明层，在透明层周围设置不透光层，使得入射光线只会通过透光层进入到相应的感光单元，而无法进入其他感光单元，避免了对其他感光单元形成光学串扰，有效提高了图形传感器像素的图像显示质量。

[0058] 图6至图15为本发明图像传感器形成方法的具体实施例示意图。如图6所示，提供半导体衬底300；在所述半导体衬底300内形成有像素，所述像素包含有感光单元302；相邻像素间由浅沟槽绝缘结构301隔开。

[0059] 本实施例中，半导体衬底300的材料为任何可以支持感光单元302形成的材料，例如可以为绝缘体上硅衬底(SOI衬底)、石英衬底、陶瓷衬底、玻璃衬底，而且衬底上还形成有用于图像传感器的其他器件(图中未示)。

[0060] 所述感光单元302包括多个光敏元件，例如色彩光传感器、感光二极管。

[0061] 如图7所示，在所述半导体衬底300上形成刻蚀停止层310。

[0062] 本实施例中，所述刻蚀停止层310材料为透明绝缘材料，比如氧化硅，用于刻蚀时保护半导体衬底300。

[0063] 如图8所示，在所述刻蚀停止层310上形成第一不透光层320。

[0064] 本实施例中，所述第一不透光层320材料为不透光绝缘材料，如氮硅氧化物。

[0065] 如图9所示，在所述第一不透光层320内形成第一导电插塞340。具体形成工艺如下：在所述第一不透光层320上形成第一光刻胶层(未示出)，并定义出通孔图形；以第一光刻胶层为掩膜，沿通孔图形刻蚀第一不透光层320和刻蚀停止层310至露出半导体衬底300，形成第一通孔；向所述通孔内填充满导电物质，并用化学机械研磨法平坦导电物质至露出第一不透光层320，形成导电插塞340。

[0066] 本实施例中，导电插塞340的材料选用常见导电物质，如掺杂的多晶硅、铝、铜或钨。

[0067] 如图10所示，在第一不透光层320上形成分立的第一金属层350，所述金属层350与第一导电插塞340连通。具体形成第一金属层350的工艺如下：用真空蒸镀法在第一不透光层320上形成金属层；在金属层上形成第二光刻胶层(未示出)，并定义出第一金属布线图形；以第二光刻胶层为掩膜，用干法刻蚀法沿第一金属布线图形刻蚀金属层至露出第一不透光层320，形成第一金属层350；去除第二光刻胶层。

[0068] 如图11所示，继续形成第二金属层352、第三金属层354，第二不透光层322、第三不透光层324，第二导电插塞342、第三导电插塞344。具体形成各膜层的工艺如前面形成第一不透光层320、第一导电插塞340、第一金属层350所述。

[0069] 本实施例中，只列举形成至第三层金属层354，如果预期金属层数比较多，则按上述方法形成相应金属层、不透光层及导电插塞即可。

[0070] 如图12所示，用化学气相沉积法在所述第三不透光层324上形成覆盖第三金属层354的钝化层360，并平坦化所述钝化层360。

[0071] 本实施例中，所述钝化层360的材料可以是有机材料或无机材料，比如透明的氧化硅、氮化硅，其主要保护元件免受潮气和擦痕的影响

[0072] 如图13所示，刻蚀所述钝化层360和不透光层至露出刻蚀停止层310，形成对准感光单元302的沟槽。具体形成工艺如下：在钝化层360上形成第三光刻胶层(未示出)，并定义出对准感光单元302的沟槽图形；以所述第三光刻胶层为掩膜，沿沟槽图形，刻蚀所述钝化层360和第三不透光层324、第二不透光层322和第一不透光层320至露出刻蚀停止层310，形成沟槽。

[0073] 如图14所示，向所述沟槽填充满透光材料，形成透光层370。

[0074] 本实施例中，所述透光材料为氧化硅透光绝缘材料。

[0075] 本实施例中，可以在形成最后一层金属层354之后，再形成一层覆盖最后一层金属层354的不透光层，然后再形成钝化层360。本实施例还可以在形成最后一层金属层354之后，形成钝化层360之前，先形成沟槽并填充满透光材料形成透光层370，所述透光层370覆盖最后一层金属层354；然后再在透光层370上形成钝化层360。

[0076] 如图15所示，在透光层370表面形成彩色滤光片380，在所述彩色滤光片380表面形成平坦层385，以及在所述平坦层385表面形成多个与感光单元一一对应的微透镜390。

[0077] 本实施例中，所述彩色滤光片380可以选用现有技术所提供的彩色滤光片；在与每个感光单元302正对的位置形成一个滤光片，每个滤光片分别通过不同的颜色的光，例如红色、绿色和蓝色。

[0078] 本实施例中，所述微透镜390朝向所述平坦层的表面为平面，背向所述平坦层的表面为凸面，每一个微透镜390与对应的感光单元中心对准。用于形成微透镜390的材料可以是氧化物，也可以是有机物。用于形成微透镜390的材料的折射率在1.4～1.6之间。优选的，在微透镜390表面有具有低折射率的有机薄膜，使得反射减弱，从而提高光线的透过率。所述低折射率材料的折射率在1.1～1.4之间。

[0079] 本实施例中，根据实际情况，也可以不设置平坦层385。如果图像传感器像素为黑白图像传感器像素，则不需要设置作彩色滤光片380。

[0080] 本发明实施例提供的图像传感器的形成方法，通过在对准感光单元的上方设置透明层，在透明层周围设置不透光层，使得入射光线只会通过透光层进入到相应的感光单元，而无法进入其他感光单元，避免了对其他感光单元形成光学串扰，有效提高了图形传感器像素的图像显示质量。

[0081] 本发明虽然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，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。