CN107302008A - 增强近红外感光性能的背照式像素单元结构及形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增强近红外感光性能的背照式像素单元结构及形成方法，通过增加硅衬底的厚度，并在背面的硅衬底中增设背面光电二极管，从而增加了用于光电转换的硅衬底区域的深度，提高了像素单元的近红外感光性能；同时，通过增加背面传输管、背面悬浮漏极以及双深槽隔离结构，使得背面悬浮漏极与正面悬浮漏极、背面传输管与正面传输管分别通过深槽隔离连接在一起，只需在正面传输管上进行时序控制就可以同时控制背面传输管，从而保证了背面光电二极管中的电荷能够顺利传输到正面悬浮漏极，避免了由于硅衬底厚度增加而无法将完成光电转换的电荷从背面光电二极管中传出而造成图像残影和噪声的问题。

Description

增强近红外感光性能的背照式像素单元结构及形成方法

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，更具体地，涉及一种可增强近红外感光性能的背照式像素单元结构及形成方法。

背景技术

图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置，通常大规模商用的图像传感器芯片包括电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器芯片两大类。

CMOS图像传感器和传统的CCD传感器相比，具有低功耗、低成本和与CMOS工艺兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用。现在CMOS图像传感器不仅用于消费电子领域，例如微型数码相机(DSC)、手机摄像头、摄像机和数码单反(DSLR)中，而且在汽车电子、监控、生物技术和医学等领域也得到了广泛的应用。

CMOS图像传感器的像素单元是图像传感器实现感光的核心器件。最常用的像素单元为包含一个光电二极管和多个晶体管的有源像素结构。一种常规的CMOS图像传感器像素单元的电路结构如图1所示，通常包括光电二极管PD和传输管TX、复位管RX、源极跟随管DX和行选管SX等其它的MOS晶体管。其中，光电二极管是感光单元，实现对光线的收集并负责光电转换，将光子转换为电子；其它的MOS晶体管是控制单元，主要实现对光电二极管的选中、复位、信号放大和读出的控制，其中传输管负责将光电二极管中产生的电子传输到悬浮漏极FD，并转换为电压信号输出。

CMOS图像传感器按照入射光进入光电二极管的路径不同，可以分为前照式和背照式两种图像传感器，前照式是指入射光从硅片正面进入光电二极管的图像传感器，而背照式是指入射光从硅片背面进入光电二极管的图像传感器。

在CMOS图像传感器中，像素单元的灵敏度直接和像素单元中光电二极管的面积占整个像素单元面积的比例成正比，我们把这个比例定义为填充因子。通常的前照式图像传感器由于光电二极管之间存在用于信号控制的多个晶体管，因此占用了大量的面积。通常CMOS图像传感器中像素单元的填充因子在20％到50％之间，这就意味着50％到80％面积上的入射光是被屏蔽掉的，不能参与光电转换的过程，因而造成了入射光的损失和像素单元灵敏度的降低。同时，像素单元上面有后道金属互连和介质层覆盖，入射光需要穿过介质层才能到达光电二极管表面，从而造成了入射光的损耗和降低了灵敏度。

为了提高CMOS图像传感器中光电二极管的面积和减少介质层对入射光的损耗，我们可以采用背照式CMOS图像传感器工艺，即入射光从硅片的背面进入光电二极管，从而减小介质层对入射光的损耗，提高像素单元的灵敏度。

如图2所示，其显示一种常规背照工艺中用于挡光的金属层版图结构。其金属挡光层17呈网格状排布，由于金属不透光，因此可用于隔离像素之间的光学串扰。网格中间的空白区域为进光窗口16，入射光线可从进光窗口进入到下方的光电二极管。

如图3所示，其显示沿图2“A-B”向的结构截面图。其中金属挡光层17位于结构最上方，用于屏蔽像素之间的串扰。高K介质层18用于降低暗电流和白色像素。光电二极管19位于减薄后的硅衬底13中，传输管20位于光电二极管和悬浮漏极15之间的硅衬底上，像素之间通过位于硅衬底中的浅槽隔离14进行电学隔离。图3中以具有两层金属互连层为例，在后道介质层12中设有金属互连布线21和通孔11等互连结构。载片10用于在背照工艺中减薄硅衬底时提供支撑作用。

硅材料对入射光的吸收系数随波长的增加而减小。常规像素单元通常使用红、绿、蓝三原色的滤光层。蓝光的波长为450纳米，绿光的波长为550纳米，红光的波长为650纳米。因此红光在硅片中的吸收位置最深，而蓝光最浅。蓝光在最靠近硅片表面的位置被吸收，其吸收系数最高；红光可进入硅片最深，大约可以进入硅片2.3微米左右，其吸收系数最低；绿光介于两者之间，而近红外光的吸收则需要大于2.3微米的吸收厚度。

在目前的安防监控、机器视觉和智能交通系统的应用中，夜晚红外补光的光线波长集中在850nm至940纳米，常规背照式像素单元对这一波段的光线并不敏感。而且随着硅片感光厚度的增加，在硅片深处收集的电荷可能无法通过传输晶体管传出，造成图像残影和噪声。

如图3所示，减薄后硅衬底13的厚度和光电二极管19的注入深度决定了像素单元的近红外感光能力。其中通过注入形成光电二极管时，受到注入机台最大注入能量的限制。以N型光电二极管使用的磷(P)注入为例，其最大注入能量在2000kev左右，其最大注入深度在2-3微米左右。而为了保证表面蓝光的量子效率，减薄后的硅衬底厚度需要小于光电二极管的注入深度，以保证光电二极管的表面和硅衬底的表面接触。因此，当减薄后的硅衬底厚度在2-3微米左右时，无法满足近红外感光的要求。同时，如果单纯地增加硅衬底厚度，由于传输管20位于硅片正面，远离硅衬底深处的光电二极管，光电二极管中存储的电荷无法有效地通过位于硅片正面的传输管传出，造成图像残影和噪声上升。

因此，需要设计新的背照式像素单元结构和形成方法，以提高近红外波段的灵敏度，提升产品的夜视效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种增强近红外感光性能的背照式像素单元结构及形成方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种增强近红外感光性能的背照式像素单元结构，包括：

硅衬底，其包括设于正面硅衬底中的正面光电二极管、正面悬浮漏极和正面硅衬底上的正面传输管，设于背面硅衬底中的背面光电二极管、背面悬浮漏极和背面硅衬底上的背面传输管，设于硅衬底中并位于像素之间的双深槽隔离结构，以及设于背面硅衬底上并位于像素之间的金属挡光结构；

设于正面硅衬底上的后道介质层，其设有金属互连布线；

所述正面光电二极管和背面光电二极管在竖直方向上叠设并相连；所述双深槽隔离结构包括第一深槽隔离和第二深槽隔离，所述第一深槽隔离和第二深槽隔离内部填充有金属；所述背面悬浮漏极通过第一深槽隔离内部填充的金属、金属互连布线与正面悬浮漏极相连，所述背面传输管通过第二深槽隔离内部填充的金属、金属互连布线与正面传输管相连；所述正面悬浮漏极依次连接正面传输管、正面光电二极管，所述背面悬浮漏极依次连接背面传输管、背面光电二极管。

优选地，所述硅衬底背面表面与金属挡光结构之间设有高K介质层，并且，所述高K介质层在背面传输管位置构成背面传输管的栅氧层。

优选地，所述后道介质层还设有接触孔、通孔，所述金属互连布线至少设有两层；其中，所述第一深槽隔离通过其内部填充的金属、接触孔、第一层金属互连布线与正面悬浮漏极相连，所述第二深槽隔离通过其内部填充的金属、接触孔、第一层金属互连布线、通孔、第二层金属互连布线与正面传输管相连。

优选地，所述正面光电二极管和背面光电二极管在竖直方向填满整个硅衬底。

优选地，所述第一深槽隔离由第一正面深槽隔离和第一背面深槽隔离竖直相连构成，所述第二深槽隔离由第二正面深槽隔离和第二背面深槽隔离竖直相连构成。

优选地，所述第一背面深槽隔离通过设于背面硅衬底上的背面悬浮漏极互连与背面悬浮漏极相连，所述第二背面深槽隔离通过设于背面硅衬底上的背面传输管互连与背面传输管相连。

优选地，所述金属挡光结构与背面传输管的栅极、背面悬浮漏极互连、背面传输管互连在背面硅衬底表面同层设置。

优选地，所述背面传输管互连在背面传输管的栅极两侧连接形成暴露背面光电二极管的封闭结构。

优选地，所述金属挡光结构环绕背面传输管互连、背面传输管的栅极设置，并连接背面悬浮漏极互连。

一种增强近红外感光性能的背照式像素单元结构的形成方法，包括以下步骤：

提供一硅衬底，在所述硅衬底正面采用常规CMOS前道制造工艺形成构成像素单元结构的正面光电二极管、正面悬浮漏极、正面传输管以及用于像素之间电学隔离的第一正面深槽隔离沟槽、第二正面深槽隔离沟槽，所述第一正面深槽隔离沟槽、第二正面深槽隔离沟槽的深度大于等于正面光电二极管的深度；在第一正面深槽隔离沟槽、第二正面深槽隔离沟槽中填充金属材料，形成第一正面深槽隔离、第二正面深槽隔离的双深槽隔离结构；

在所述硅衬底正面表面形成后道介质层，采用后道制造工艺在后道介质层中形成接触孔、至少两层金属互连布线和通孔，并使第一正面深槽隔离通过其内部填充的金属、接触孔、第一层金属互连布线与正面悬浮漏极相连，使第二正面深槽隔离通过其内部填充的金属、接触孔、第一层金属互连布线、通孔、第二层金属互连布线与正面传输管相连；

将所述硅衬底翻转，并将后道介质层粘合到载片上，然后进行硅衬底背面的减薄工艺，使减薄后的硅衬底厚度为常规背照工艺厚度的两倍左右；

在对应第一正面深槽隔离、第二正面深槽隔离位置的背面硅衬底中形成第一背面深槽隔离沟槽和第二背面深槽隔离沟槽；在第一背面深槽隔离沟槽、第二背面深槽隔离沟槽中填充金属材料，形成第一背面深槽隔离、第二背面深槽隔离的双深槽隔离结构，并使第一正面深槽隔离与第一背面深槽隔离相连实现电学连接，使第二正面深槽隔离与第二背面深槽隔离相连实现电学连接；

在对应正面光电二极管位置的背面硅衬底中形成背面光电二极管，使背面光电二极管与正面光电二极管相连，并在竖直方向填满整个硅衬底；

在硅衬底的背面表面形成高K介质层，然后将用于形成背面悬浮漏极互连的第一背面深槽隔离上方和部分背面悬浮漏极上方的高K介质材料移除，露出第一背面深槽隔离内的金属材料和背面悬浮漏极位置上的硅衬底，并将用于形成背面传输管互连的第二背面深槽隔离上方的高K介质材料移除，露出第二背面深槽隔离内的金属材料，形成背面悬浮漏极互连孔和背面传输管互连孔；

在硅衬底背面全片形成金属挡光层，然后通过光刻和刻蚀工艺图形化金属挡光层，形成背面悬浮漏极互连、背面传输管互连、背面传输管的栅极以及像素单元之间的金属挡光结构，并使背面传输管互连在背面传输管的栅极两侧连接形成暴露背面光电二极管的封闭结构，以及使金属挡光结构环绕背面传输管互连、背面传输管的栅极设置，并连接背面悬浮漏极互连；

最后在硅衬底背面形成背面悬浮漏极。

从上述技术方案可以看出，本发明通过增加硅衬底的厚度，并在背面的硅衬底中增设背面光电二极管，从而增加了用于光电转换的硅衬底区域的深度，提高了像素单元的近红外感光性能；同时，通过增加背面传输管、背面悬浮漏极以及双深槽隔离结构，使得背面悬浮漏极与正面悬浮漏极、背面传输管与正面传输管分别通过深槽隔离连接在一起，只需在正面传输管上进行时序控制就可以同时控制背面传输管，从而保证了背面光电二极管中的电荷能够顺利传输到正面悬浮漏极，避免了由于硅衬底厚度增加而无法将完成光电转换的电荷从背面光电二极管中传出而造成图像残影和噪声的问题。

附图说明

图1是一种常规的CMOS图像传感器像素单元的电路结构示意图；

图2是一种常规背照工艺中用于挡光的金属层版图结构示意图；

图3是沿图2“A-B”向的像素单元结构示意图；

图4是本发明一较佳实施例的一种增强近红外感光性能的背照式像素单元结构示意图；

图5-图15是根据本发明一较佳实施例的一种增强近红外感光性能的背照式像素单元结构的形成方法制备像素单元结构时的工艺步骤示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种增强近红外感光性能的背照式像素单元的结构和形成方法。由于入射光的吸收能力直接和硅衬底收集区域的厚度相关，而近红外光由于波长较长，其吸收的深度远大于常规的蓝绿红三色，为了增强像素单元近红外光的吸收能力，需要增加吸收区域的深度。由于常规背照工艺减薄后硅衬底的厚度受到最大注入能量的限制，因此其厚度通常在2-3微米左右，仅适用于常规的红绿蓝三色的吸收。

为了增加近红外光吸收的硅衬底厚度，本发明增加了背面光电二极管的注入；同时由于硅衬底厚度的增加，正面传输管远离背面光电二极管的电荷收集区域，背面光电二极管内的电荷因此无法通过正面传输管完全传输到正面悬浮漏极，这将造成图像噪声上升和残影现象；因此本发明在硅衬底背面利用金属挡光层和高K介质层形成了背面传输管，并通过背面注入形成了背面悬浮漏极，使得背面光电二极管中的电荷首先通过背面传输管传输到背面悬浮漏极，而背面悬浮漏极和正面悬浮漏极又通过深槽隔离以及金属互连连接在一起，且背面传输管和正面传输管也通过同样的方式进行互连，保证只需在正面传输管上进行时序控制就可以同时控制背面传输管。在增加感光区域厚度、提高像素单元近红外感光能力的同时，保证了背面光电二极管中的电荷能够顺利传输到悬浮漏极，避免了由于硅衬底厚度增加而无法将完成光电转换的电荷从光电二极管中传出而造成图像残影和噪声的问题。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图4，图4是本发明一较佳实施例的一种增强近红外感光性能的背照式像素单元结构示意图。如图4所示，本发明的一种增强近红外感光性能的背照式像素单元结构，建立在比常规背照工艺厚度增加约2倍的减薄后的硅衬底37上，包括设置有光电二极管45、44和其他各MOS晶体管的硅衬底，以及位于硅衬底正面表面上、设置有接触孔34、通孔32以及金属互连布线31、33的后道介质层30。其中，光电二极管45、44是感光单元，实现对光线的收集并负责光电转换，将光子转换为电子；其他的MOS晶体管是控制单元，主要实现对光电二极管的选中、复位、信号放大和读出的控制，可包括例如传输管、复位管、源极跟随管和行选管等；其中传输管46、41负责将光电二极管45、44中产生的电子传输到悬浮漏极47、40，并转换为电压信号输出。

请参阅图4。每个像素单元在正面的硅衬底中都设有正面光电二极管45、正面悬浮漏极47，在正面的硅衬底上设有正面传输管46(图示为正面传输管的栅极)；同时，在背面的硅衬底中都设有背面光电二极管44、背面悬浮漏极40，在背面的硅衬底上设有背面传输管41(图示为背面传输管的栅极)。在硅衬底中、位于像素之间设有双深槽隔离35和35’、36和36’结构，用于像素之间的隔离，起到像素单元之间防串扰的作用。在背面的硅衬底上、位于像素之间还设有金属挡光42结构，每个金属挡光结构在对应光电二极管的上方形成开口，以便引导光线从该开口进入并照射至所述光电二极管。

后道介质层30中的金属互连布线根据需要可设置两层或两层以上；各层的金属互连布线33、31之间可通过通孔32进行连接，其中第一层的金属互连布线33还可通过接触孔34与硅衬底上的正面传输管46、正面悬浮漏极47以及双深槽隔离35、36分别相连。

所述正面光电二极管45和背面光电二极管44在竖直方向上叠设并相连，共同形成光电转换区域；这增加了用于光电转换的硅衬底区域的深度，提高了像素单元的近红外感光性能。所述正面光电二极管45和背面光电二极44管可在竖直方向填满整个硅衬底37。

所述双深槽隔离结构包括第一深槽隔离35和35’和第二深槽隔离36和36’；所述第一深槽隔离和第二深槽隔离内部填充有金属。本发明与常规背照像元的不同处为使用了深槽隔离而不是浅槽隔离结构；第一、第二深槽隔离的深度大于或等于正面光电二极管和背面光电二极管的最大注入深度，并可在深槽隔离中填充钨、铝或铜等金属材料。这样，深槽隔离既可起到像素单元之间防串扰的作用，也可作为正面悬浮漏极与背面悬浮漏极、正面传输管与背面传输管之间的互连部分。

具体而言，所述背面悬浮漏极40可通过第一深槽隔离35和35’内部填充的金属、接触孔34、第一层金属互连布线33与正面悬浮漏极47相连，所述背面传输管41可通过第二深槽隔离36和36’内部填充的金属、接触孔34、第一层金属互连布线33、通孔32、第二层金属互连布线31与正面传输管46相连。所述正面悬浮漏极47依次连接正面传输管46、正面光电二极管45，所述背面悬浮漏极40依次连接背面传输管41、背面光电二极管44。

请参阅图4。在所述硅衬底背面的表面与金属挡光42结构之间可设有高K介质层43。在常规背照工艺中，高K介质的作用为减小像素单元的暗电流和白色像素；而在本发明中，位于背面传输管41位置的所述高K介质层还可同时作为背面传输管的栅极介质材料，并构成背面传输管的栅氧层。

作为可选的实施方式，所述第一深槽隔离可由从硅衬底正面向内形成的第一正面深槽隔离35和从硅衬底背面向内形成的第一背面深槽隔离35’竖直相连构成，并且第一正面深槽隔离和第一背面深槽隔离内部各自填充的金属也相连；所述第二深槽隔离可由从硅衬底正面向内形成的第二正面深槽隔离36和从硅衬底背面向内形成的第二背面深槽隔离36’竖直相连构成，并且第二正面深槽隔离和第二背面深槽隔离内部各自填充的金属也相连。

所述第一背面深槽隔离35’的上端可通过设于背面硅衬底上的背面悬浮漏极互连39与背面悬浮漏极40相连；所述第二背面深槽隔离36’的上端可通过设于背面硅衬底上的背面传输管互连38与背面传输管41相连。

所述金属挡光42结构可与背面传输管41的栅极、背面悬浮漏极互连39、背面传输管互连38在背面硅衬底表面同层设置。

请结合参阅图10，其显示本发明一实施例提供的像素单元版图结构示意图。如图10所示，所述背面传输管互连38在背面传输管41的栅极两侧连接形成暴露背面光电二极管44的封闭结构。所述金属挡光42结构环绕背面传输管互连、背面传输管的栅极设置，并连接背面悬浮漏极互连39。与图2中常规背照工艺的金属挡光层版图结构对比，本发明提供的版图结构通过金属挡光层的复用——即由背面传输管互连38、背面传输管41的栅极形成的封闭结构，以及环绕该封闭结构的金属挡光42结构、背面悬浮漏极互连39所构成的双层挡光层结构，既实现了像素单元之间的光学隔离，又可使用同一层金属实现背面传输管41结构和背面悬浮漏极40的引出。

下面将结合具体实施方式，对本发明的一种上述的增强近红外感光性能的背照式像素单元结构的形成方法进行详细说明。

请参阅图5-图15，图5-图15是根据本发明一较佳实施例的一种增强近红外感光性能的背照式像素单元结构的形成方法制备像素单元结构时的工艺步骤示意图。如图5-图15所示，本发明的一种增强近红外感光性能的背照式像素单元结构的形成方法，可包括以下步骤：

请参阅图5。首先，提供一硅衬底37，在所述硅衬底正面可采用常规CMOS前道制造工艺制作形成构成像素单元结构的正面光电二极管45、正面悬浮漏极47、正面传输管46以及用于像素之间电学隔离的第一正面深槽隔离35沟槽、第二正面深槽隔离36沟槽。所述第一正面深槽隔离沟槽、第二正面深槽隔离沟槽的深度大于等于正面光电二极管的最大注入深度。然后，在第一正面深槽隔离沟槽、第二正面深槽隔离沟槽中可填充钨、铝或铜等金属材料，形成第一正面深槽隔离35、第二正面深槽隔离36的双深槽隔离结构。

接着，在所述硅衬底正面表面淀积形成后道介质层30；然后可采用后道制造工艺在后道介质层中形成接触孔34、至少两层金属互连布线33、31和通孔32。经过本步骤，使得第一正面深槽隔离35通过其内部填充的金属、接触孔34、第一层金属互连布线33与正面悬浮漏极47相连，以及使得第二正面深槽隔离36通过其内部填充的金属、接触孔34、第一层金属互连布线33、通孔32、第二层金属互连布线31与正面传输管46相连。

请参阅图6。接着，将所述硅衬底37翻转，并将后道介质层30粘合到一块载片48上；载片48用于背照工艺中在减薄硅衬底37时提供支撑作用。然后进行硅衬底背面的减薄工艺，使减薄后的硅衬底37厚度为常规背照工艺厚度的两倍左右(即将硅衬底的厚度减薄为常规背照工艺厚度的两倍，或略大于/小于常规背照工艺厚度的两倍，无须精确计量)；

随后，如图7所示，进行第一背面深槽隔离35’沟槽和第二背面深槽隔离36’沟槽的刻蚀，分别停止在第一正面深槽隔离35、第二正面深槽隔离36层，在对应第一正面深槽隔离、第二正面深槽隔离位置的背面硅衬底中形成第一背面深槽隔离沟槽和第二背面深槽隔离沟槽。接着，在第一背面深槽隔离沟槽、第二背面深槽隔离沟槽中填充钨、铝或铜等金属导电材料(最好与第一正面深槽隔离、第二正面深槽隔离中填充的金属材料一致)，形成第一背面深槽隔离35’、第二背面深槽隔离36’的双深槽隔离结构。经过本步骤，使得第一正面深槽隔离35与第一背面深槽隔离35’相连，并通过其各自内部填充的金属材料实现电学连接；同样地，也使得第二正面深槽隔离36与第二背面深槽隔离36’相连并实现电学连接。

进行第一、第二背面深槽隔离的刻蚀、金属材料填充和化学机械抛光步骤后，每个像素单元即具有两个贯通硅衬底正面、背面的深槽隔离结构。正面、背面的深槽隔离通过其沟槽内填充的金属材料实现相互之间的电学连接，相连的正面、背面沟槽隔离既起到防止像素之间串扰的作用，也作为正面悬浮漏极和背面悬浮漏极，正面传输管和背面传输管互连的一部分。

然后，如图8所示，在对应正面光电二极管45位置的背面硅衬底中注入形成背面光电二极管44，其注入条件和注入区域可和正面光电二极管相同。通过背面光电二极管的注入，使背面光电二极管与正面光电二极管的感光区域在整个减薄后的硅衬底内相连，并在竖直方向填满整个硅衬底，保证了入射光线在整个硅衬底的厚度范围内都可以被充分吸收。通过使用正面和背面的光电二极管注入，克服了现有最大注入能量对光电二极管节深的限制，其感光深度可以达到常规背照工艺的两倍。

接着，如图9所示，在硅衬底的背面表面淀积形成高K介质层43，在常规背照工艺中，高K介质的作用为减小像素单元的暗电流和白色像素，本发明中高K介质还同时作为背面传输管的栅极介质材料。

请参阅图10，其显示本发明一实施例提供的像素单元金属挡光层、背面传输管、背面悬浮漏极、背面悬浮漏极互连和背面光电二极管的版图结构示意图，其中背面传输管41的栅极和金属挡光42层使用同一层金属。同图2中常规背照工艺的金属挡光层版图结构对比，本发明提供的版图结构通过金属挡光层的复用，既实现了像素单元之间的光学隔离，又使用同一层金属实现了背面传输管结构和背面悬浮漏极的引出。

请参阅图11-图15，其中，图11-图13为沿图10中版图结构的“C-D”向的像素单元截面图，图14-15为沿图10中版图结构的“E-F”向的像素单元截面图。

首先，如图11、图14所示，在高K介质层43中通过光刻和刻蚀，将用于形成背面悬浮漏极互连39的第一背面深槽隔离35’上方和部分背面悬浮漏极40上方的高K介质材料移除，露出第一背面深槽隔离内的金属材料和背面悬浮漏极位置上的硅衬底，形成背面悬浮漏极互连孔49。同时，将用于形成背面传输管互连38的第二背面深槽隔离36’上方的高K介质材料移除，露出第二背面深槽隔离内的金属材料，形成背面传输管互连孔50。

接着，如图12、图15所示，在硅衬底背面全片淀积铝、钨或铜等金属材料，形成金属挡光层，并将背面悬浮漏极互连孔49、背面传输管互连孔50填满。然后通过光刻和刻蚀等工艺过程，按照图10的版图结构，对金属挡光层进行图形化，形成背面悬浮漏极互连39、背面传输管互连38、背面传输管41的栅极以及像素单元之间的金属挡光42等结构。经过本步骤，使得背面传输管互连38在背面传输管41的栅极两侧连接形成暴露背面光电二极管44的封闭结构，以及使金属挡光42结构环绕背面传输管互连、背面传输管的栅极设置，并连接背面悬浮漏极互连39。其中背面悬浮漏极互连39通过其所在的金属层(即沉积的金属挡光层)，将第一背面深槽隔离35’和背面悬浮漏极40的有源区相连接。

最后，按照图10的版图结构，在硅衬底背面通过离子注入和自对准形成背面悬浮漏极40。背面悬浮漏极40通过背面悬浮漏极互连39、第一背面深槽隔离35’、第一正面深槽隔离35、接触孔34、第一层金属互连布线33和正面悬浮漏极47相连；背面传输管41通过背面传输管互连38、第二背面深槽隔离36’、第二正面深槽隔离36、接触孔34、第一层金属互连布线33、通孔32、第二层金属互连布线31、接触孔34和正面传输管46相连，使得控制正面传输管46即可同时控制背面传输管41。

综上所述，本发明通过增加硅衬底的厚度，并在背面的硅衬底中增设背面光电二极管，从而增加了用于光电转换的硅衬底区域的深度，提高了像素单元的近红外感光性能；同时，通过增加背面传输管、背面悬浮漏极以及双深槽隔离结构，使得背面悬浮漏极与正面悬浮漏极、背面传输管与正面传输管分别通过深槽隔离连接在一起，只需在正面传输管上进行时序控制就可以同时控制背面传输管，从而保证了背面光电二极管中的电荷能够顺利传输到正面悬浮漏极，避免了由于硅衬底厚度增加而无法将完成光电转换的电荷从背面光电二极管中传出而造成图像残影和噪声的问题。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种增强近红外感光性能的背照式像素单元结构，其特征在于，包括：

硅衬底，其包括设于正面硅衬底中的正面光电二极管、正面悬浮漏极和正面硅衬底上的正面传输管，设于背面硅衬底中的背面光电二极管、背面悬浮漏极和背面硅衬底上的背面传输管，设于硅衬底中并位于像素之间的双深槽隔离结构，以及设于背面硅衬底上并位于像素之间的金属挡光结构；

设于正面硅衬底上的后道介质层，其设有金属互连布线；

所述正面光电二极管和背面光电二极管在竖直方向上叠设并相连；所述双深槽隔离结构包括第一深槽隔离和第二深槽隔离，所述第一深槽隔离和第二深槽隔离内部填充有金属；所述背面悬浮漏极通过第一深槽隔离内部填充的金属、金属互连布线与正面悬浮漏极相连，所述背面传输管通过第二深槽隔离内部填充的金属、金属互连布线与正面传输管相连；所述正面悬浮漏极依次连接正面传输管、正面光电二极管，所述背面悬浮漏极依次连接背面传输管、背面光电二极管。

2.根据权利要求1所述的增强近红外感光性能的背照式像素单元结构，其特征在于，所述硅衬底背面表面与金属挡光结构之间设有高K介质层，并且，所述高K介质层在背面传输管位置构成背面传输管的栅氧层。

3.根据权利要求1所述的增强近红外感光性能的背照式像素单元结构，其特征在于，所述后道介质层还设有接触孔、通孔，所述金属互连布线至少设有两层；其中，所述第一深槽隔离通过其内部填充的金属、接触孔、第一层金属互连布线与正面悬浮漏极相连，所述第二深槽隔离通过其内部填充的金属、接触孔、第一层金属互连布线、通孔、第二层金属互连布线与正面传输管相连。

4.根据权利要求1所述的增强近红外感光性能的背照式像素单元结构，其特征在于，所述正面光电二极管和背面光电二极管在竖直方向填满整个硅衬底。

5.根据权利要求1所述的增强近红外感光性能的背照式像素单元结构，其特征在于，所述第一深槽隔离由第一正面深槽隔离和第一背面深槽隔离竖直相连构成，所述第二深槽隔离由第二正面深槽隔离和第二背面深槽隔离竖直相连构成。

6.根据权利要求5所述的增强近红外感光性能的背照式像素单元结构，其特征在于，所述第一背面深槽隔离通过设于背面硅衬底上的背面悬浮漏极互连与背面悬浮漏极相连，所述第二背面深槽隔离通过设于背面硅衬底上的背面传输管互连与背面传输管相连。

7.根据权利要求6所述的增强近红外感光性能的背照式像素单元结构，其特征在于，所述金属挡光结构与背面传输管的栅极、背面悬浮漏极互连、背面传输管互连在背面硅衬底表面同层设置。

8.根据权利要求6或7所述的增强近红外感光性能的背照式像素单元结构，其特征在于，所述背面传输管互连在背面传输管的栅极两侧连接形成暴露背面光电二极管的封闭结构。

9.根据权利要求8所述的增强近红外感光性能的背照式像素单元结构，其特征在于，所述金属挡光结构环绕背面传输管互连、背面传输管的栅极设置，并连接背面悬浮漏极互连。

10.一种增强近红外感光性能的背照式像素单元结构的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供一硅衬底，在所述硅衬底正面采用常规CMOS前道制造工艺形成构成像素单元结构的正面光电二极管、正面悬浮漏极、正面传输管以及用于像素之间电学隔离的第一正面深槽隔离沟槽、第二正面深槽隔离沟槽，所述第一正面深槽隔离沟槽、第二正面深槽隔离沟槽的深度大于等于正面光电二极管的深度；在第一正面深槽隔离沟槽、第二正面深槽隔离沟槽中填充金属材料，形成第一正面深槽隔离、第二正面深槽隔离的双深槽隔离结构；

在所述硅衬底正面表面形成后道介质层，采用后道制造工艺在后道介质层中形成接触孔、至少两层金属互连布线和通孔，并使第一正面深槽隔离通过其内部填充的金属、接触孔、第一层金属互连布线与正面悬浮漏极相连，使第二正面深槽隔离通过其内部填充的金属、接触孔、第一层金属互连布线、通孔、第二层金属互连布线与正面传输管相连；

将所述硅衬底翻转，并将后道介质层粘合到载片上，然后进行硅衬底背面的减薄工艺，使减薄后的硅衬底厚度为常规背照工艺厚度的两倍左右；

在对应第一正面深槽隔离、第二正面深槽隔离位置的背面硅衬底中形成第一背面深槽隔离沟槽和第二背面深槽隔离沟槽；在第一背面深槽隔离沟槽、第二背面深槽隔离沟槽中填充金属材料，形成第一背面深槽隔离、第二背面深槽隔离的双深槽隔离结构，并使第一正面深槽隔离与第一背面深槽隔离相连实现电学连接，使第二正面深槽隔离与第二背面深槽隔离相连实现电学连接；

在对应正面光电二极管位置的背面硅衬底中形成背面光电二极管，使背面光电二极管与正面光电二极管相连，并在竖直方向填满整个硅衬底；

在硅衬底的背面表面形成高K介质层，然后将用于形成背面悬浮漏极互连的第一背面深槽隔离上方和部分背面悬浮漏极上方的高K介质材料移除，露出第一背面深槽隔离内的金属材料和背面悬浮漏极位置上的硅衬底，并将用于形成背面传输管互连的第二背面深槽隔离上方的高K介质材料移除，露出第二背面深槽隔离内的金属材料，形成背面悬浮漏极互连孔和背面传输管互连孔；

在硅衬底背面全片形成金属挡光层，然后通过光刻和刻蚀工艺图形化金属挡光层，形成背面悬浮漏极互连、背面传输管互连、背面传输管的栅极以及像素单元之间的金属挡光结构，并使背面传输管互连在背面传输管的栅极两侧连接形成暴露背面光电二极管的封闭结构，以及使金属挡光结构环绕背面传输管互连、背面传输管的栅极设置，并连接背面悬浮漏极互连；

最后在硅衬底背面形成背面悬浮漏极。