前照式图像传感器及其形成方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

Front-looking image sensor and its formation method

The present invention relates to a forward-looking image sensor and its forming method, which includes: providing a semiconductor substrate with a photodiode region corresponding to a pixel unit; forming a multilayer metal interconnection layer on the semiconductor substrate; and forming at least one layer of metal interconnection layer, including: forming a light-tight dielectric region above the photodiode region; A metal layer is formed around the optical dense medium area, and an optical sparse medium area covering the metal layer and the optical dense medium area is formed. The process method of the invention is compatible with the current conventional CMOS semiconductor process, has simple process, and can independently adjust the refractive index and morphology of the optical dense medium region according to the design requirements, so that the design is flexible. In addition, by adding dense medium material with high refractive index in the photodiode area, it can play the role of optical conduit, reduce the loss of optical signal caused by reflection and refraction, thus improving the sensitivity of image sensor and reducing crosstalk.

【技术实现步骤摘要】
前照式图像传感器及其形成方法
本专利技术涉及图像传感器
，尤其涉及一种前照式图像传感器及其形成方法。
技术介绍
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（ChargeCoupledDevice，电荷耦合元件）和CMOS（ComplementaryMetal-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（FrontSideIllumination，前照式）和BSI（BackSideIllumination，背照式）。前照式CMOS图像传感器产品中，BEOL（BackRndOfLine，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（ChiefRayAngle，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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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束介质的折射率大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，本专利技术中的前照式图像传感器及其形成方法具有以下有益效果：本专利技术中，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。本专利技术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为本专利技术一实施例中前照式图像传感器形成方法的流程图；图2为本专利技术一实施例中金属互连层形成方法的流程图；图3为本专利技术一实施例中半导体衬底的剖面示意图；图4为本专利技术一实施例中形成光密介质的剖面示意图；图5为本专利技术一实施例中剩余的光密介质的剖面示意图；图6为本专利技术一实施例中形成金属层的剖面示意图；图7为本专利技术一实施例中剩余的金属层的剖面示意图；图8为本专利技术一实施例中形成光疏介质的剖面示意图；图9为本专利技术一实施例中剩余的光疏介质的剖面示意图；图10为本专利技术一实施例中形成沟槽的剖面示意图；图11为本专利技术一实施例中形成通孔结构的剖面示意图；图12为本专利技术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专利技术。但是本专利技术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专利技术内涵的情况下做类似推广，因此本专利技术不受下面公开的具体实施的限制。其次，本专利技术利用示意图进行详细描述，在详述本专利技术实施例时，为便于说明，所述示意图只是实例，其在此不应限制本专利技术保护的范围。为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，以下结合附图对本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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（PhotoDiode，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，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。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，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐泽，李杰，
申请(专利权)人：格科微电子上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31