CN110767667B - 一种图像传感器结构和形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种图像传感器结构和形成方法，图像传感器结构包括：像素单元阵列，位于像素单元阵列外围的外围电路，围绕设于像素单元阵列与外围电路之间的复合屏蔽结构，复合屏蔽结构设有热屏蔽结构和光屏蔽结构；其中，热屏蔽结构设有空腔，空腔内通有流体冷却介质，用于将外围电路发出的热量带走，光屏蔽结构设有金属环，用于对外围电路发出的光进行隔离，防止热量和光向所述像素单元阵列传递。本发明能避免因图像传感器外围电路的发光和发热造成的成像质量劣化和失真问题。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器技术领域，特别是涉及一种可防止边缘响应异常的图像传感器结构和形成方法。
背景技术
图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置，其中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微型数码相机(DSC)，手机摄像头，摄像机和数码单反(DSLR)等消费电子领域，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。
请参考图1-图2，图1是一种常规CMOS图像传感器芯片的布局示意图，图2是沿图1中A-B位置的截面结构示意图。如图1所示，芯片中央是密集排布的像素单元阵列，像素单元阵列负责将光信号转换为电信号；像素单元阵列四周是各种外围控制和读出电路，包括列级读出电路和行选控制电路等外围电路。在这些外围电路的工作过程中，其可能发生电子和空穴对的复合，复合过程伴随着光子的产生，也就是电路发光的现象。而发热现象是由于电流通过电路中的导体或半导体时，就会释放一部分的热量，造成芯片温度的升高。这些外围电路的发光和发热的现象会直接影响图像传感器的性能。其中，电路发热的热量会传递到像素单元阵列，造成像素单元暗电流上升；电路的发光会造成像素单元阵列的边缘输出信号的异常增大，造成图像的失真。
如图2所示，由于硅衬底10是热的良导体，而介质层12是热的不良导体，两者之间的热阻有数量级的差距。所以，电路发热产生的热量主要在硅衬底10中传播，最终到达像素单元区域用于实现光电转换的光电二极管11区域，造成像素单元的暗电流上升和性能劣化；而由于硅衬底10和介质层12都可以透光，因此电路发光产生的光子同时通过硅衬底10和介质层12进行传播，最终到达光电二极管11区域，从而造成像素单元阵列区域边缘的光电二极管输出值异常变大和图像失真。
因此，需要提供一种能够防止外围电路发光和发热造成图像传感器边缘响应异常的新技术。
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，提供一种图像传感器结构和形成方法，避免因图像传感器外围电路的发光和发热造成的成像质量的劣化和失真问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种图像传感器结构，包括：像素单元阵列，位于所述像素单元阵列外围的外围电路，围绕设于所述像素单元阵列与外围电路之间的复合屏蔽结构，所述复合屏蔽结构设有热屏蔽结构和光屏蔽结构；其中，所述热屏蔽结构设有空腔，所述空腔内通有流体冷却介质，用于将所述外围电路发出的热量带走，所述光屏蔽结构设有金属环，用于对所述外围电路发出的光进行隔离，以防止热量和光向所述像素单元阵列传递。
进一步地，所述空腔包括并列竖直设置的环状第一空腔和环状第二空腔，所述第一空腔一端与第二空腔一端之间通过水平设置的环状第三空腔相连，所述第一空腔另一端设有流体冷却介质入口，所述第二空腔另一端设有流体冷却介质出口；所述金属环悬设于所述第一空腔和第二空腔之间，所述金属环与所述第三空腔之间设有支撑结构。
进一步地，所述第一空腔位于靠近所述外围电路的一侧。
进一步地，所述像素单元阵列和外围电路设于器件硅片上，所述器件硅片包括硅衬底和设于所述硅衬底正面表面上的后道介质层，所述后道介质层正面表面上相连设有载片；所述第一空腔和第二空腔贯通所述硅衬底和后道介质层设置，所述第一空腔一端和第二空腔一端在所述硅衬底背面表面分别形成所述入口和所述出口，所述第一空腔另一端和第二空腔另一端分别连接设于所述后道介质层正面表面上的所述第三空腔，所述第三空腔以及所述第一空腔另一端和第二空腔另一端通过所述载片封闭。
进一步地，所述金属环为复合结构，包括依次相连设于所述硅衬底中的金属沟槽，设于所述后道介质层中的接触孔和一至多层金属互连层金属。
进一步地，所述第三空腔的上下腔壁之间具有由所述后道介质层材料延伸所形成的突起，所述突起抵触所述载片，形成所述支撑结构。
进一步地，所述流体冷却介质为空气或冷却液体。
进一步地，所述像素单元阵列包括：所述像素单元阵列包括：设于所述硅衬底正面上的光电二极管和控制晶体管，设于所述后道介质层中的像素单元金属互连层；所述外围电路包括：设于所述硅衬底正面上的外围电路晶体管，设于所述后道介质层中的外围电路金属互连层。
进一步地，所述外围电路包括列级读出电路和行选控制电路。
一种图像传感器结构形成方法，包括以下步骤：
提供一具有硅衬底和后道介质层的器件硅片，在所述硅衬底正面上形成像素单元阵列中用于感光的光电二极管，控制晶体管，在像素单元阵列外侧形成外围电路中的外围电路晶体管，以及在所述硅衬底正面表面上的后道介质层中形成金属互连层；其中，在形成金属互连层的同时，通过版图设计，在像素单元阵列和外围电路之间形成围绕像素单元阵列的环状接触孔和一至多层环状金属互连层金属；
在环状接触孔和环状金属互连层金属两侧的所述后道介质层中并列形成竖直贯通所述后道介质层且围绕像素单元阵列的环状第一沟槽和环状第二沟槽；
在所述第一沟槽和第二沟槽之间的所述后道介质层正面表面上形成围绕像素单元阵列的水平环状第三沟槽，使所述第三沟槽两端分别连接所述第一沟槽上端和第二沟槽上端；其中，在形成所述第三沟槽的同时，通过对所述后道介质层正面部分表面进行保护，在所述第三沟槽中形成突起的支撑结构；
提供一载片，将器件硅片倒置后与所述载片进行键合，使所述第三沟槽以及所述第一沟槽上端和第二沟槽上端同时被所述载片覆盖；其中，由被封闭的所述第三沟槽形成第三空腔；
对所述硅衬底进行减薄；
在减薄后的所述硅衬底中并列形成竖直贯通所述硅衬底且围绕像素单元阵列的环状第四沟槽、第五沟槽和第六沟槽，并使所述第四沟槽下端和第六沟槽下端分别与所述第二沟槽下端和第一沟槽下端相连，同时使所述第五沟槽下端与所述环状接触孔下端相连；其中，由所述第四沟槽和第二沟槽形成第一空腔，由所述第六沟槽和第一沟槽形成第二空腔，并且，所述第五沟槽的尺寸大于所述第四沟槽和第六沟槽的尺寸；
在所述第四沟槽中进行金属填充，并使所述第三沟槽上端和第五沟槽上端保持开口状态。
从上述技术方案可以看出，本发明通过在像素单元区域和外围电路区域之间插入包括金属环、垂直空腔(第一空腔和第二空腔)和水平空腔(第三空腔)的复合屏蔽结构，金属环从上至下包括了硅衬底中的填充金属隔离结构、后道介质层中的接触孔和金属互连层金属，由于这些全部是金属材质，利用金属不透光的特性，可以实现对电路发光的屏蔽。垂直空腔和水平空腔相互之间实现了连接，因此在空腔内通入空气或冷却液体，就可以实现在垂直空腔和水平空腔内的循环，从而可以将外围电路发出的热量带走，避免了电路发热对像素单元的影响。
附图说明
图1是一种常规CMOS图像传感器芯片的布局示意图。
图2是沿图1中A-B位置的截面结构示意图。
图3是本发明一较佳实施例的一种图像传感器芯片的布局示意图。
图4是沿图3中C-D位置的截面结构示意图。
图5是沿图3中E-F位置的截面结构示意图。
图6-图13是本发明一较佳实施例的一种图像传感器结构形成方法工艺步骤示意图。
具体实施方式
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，请参考图3-图5，图3是本发明一较佳实施例的一种图像传感器芯片的布局示意图，图4是沿图3中C-D位置的截面结构示意图，图5是沿图3中E-F位置的截面结构示意图。如图3-图5所示，本发明的一种图像传感器结构，可建立在上下键合的器件硅片和载片上。图像传感器芯片结构包括像素单元区域和围绕在像素单元区域四周的外围电路区域。其中，像素单元区域设有像素单元阵列，外围电路区域设有列级读出电路和行选控制电路等外围电路。像素单元区域(像素单元阵列)与外围电路区域(外围电路)之间设有复合屏蔽结构37，复合屏蔽结构37围绕设于像素单元阵列外侧。
请参考图3-图4。复合屏蔽结构37设有热屏蔽结构32和光屏蔽结构26。其中，热屏蔽结构32设有空腔30、27和34，空腔30、27和34内通有流体冷却介质，用于将外围电路发出的热量带走。流体冷却介质可以采用空气或冷却液体。光屏蔽结构26设有金属环25、24、23和22，用于对外围电路发出的光进行隔离。复合屏蔽结构37可以对外围电路产生的光和热进行屏蔽，防止热量和光向像素单元阵列传递而使像素单元阵列受到发光和发热的影响。
请参考图4。像素单元阵列和外围电路设于器件硅片上，器件硅片包括硅衬底20和设于硅衬底20正面表面上的后道介质层32，后道介质层32正面表面上相连设有载片。
像素单元阵列可包括：设于硅衬底20正面上的光电二极管21和控制晶体管36，设于后道介质层32中的像素单元金属互连层35。外围电路可包括：设于硅衬底20正面上的外围电路晶体管31，设于后道介质层32中的外围电路金属互连层33。
空腔30、27和34包括并列竖直设置的第一空腔30和第二空腔27，以及水平设置的第三空腔34。第一空腔30和第二空腔27竖直设置，并围绕像素单元阵列各自形成环状结构。第一空腔30位于靠近外围电路的一侧。第一空腔30的一端(图示为下端)与第二空腔27的一端(图示为下端)之间通过水平设置的环状第三空腔34相连；第一空腔30的另一端(图示为上端)设有流体冷却介质入口29，第二空腔27的另一端(图示为上端)设有流体冷却介质出口28(但入口29与出口28位置也可以互换)。
第一空腔30和第二空腔27贯通硅衬底20和后道介质层32设置。第一空腔30图示上端和第二空腔27图示上端在硅衬底20背面表面分别形成流体冷却介质入口29和出口28；第一空腔30图示下端和第二空腔27图示下端分别连接水平设于后道介质层32正面表面上的第三空腔34。利用载片与后道介质层32正面表面的键合，将第三空腔34以及与第三空腔34两端连接的第一空腔30下端和第二空腔27下端封闭。
金属环25、24、23和22悬设于第一空腔30和第二空腔27之间，并位于第三空腔34的上方。
如图4所示的复合屏蔽结构37中由于使用了垂直空腔(第一空腔30和第二空腔27)和水平空腔(第三空腔34)，其包围的金属环25、24、23和22处于悬空状态。为了实现对金属环25、24、23和22的支撑，在金属环25、24、23和22与第三空腔34之间设置有支撑结构38，用于对空腔结构进行力学支撑。如图3所示，在复合屏蔽结构37的转折位置(例如在每个芯片的复合屏蔽结构37的四个角上)设置了支撑结构38，来实现对金属环25、24、23和22的支撑。支撑结构38的截面图如图5所示，同图4中的结构相比，图5中支撑位置处不具有水平空腔，因此金属环25、24、23和22可以由下方的部分后道介质层32材料进行支撑，防止了整个金属光屏蔽结构26的塌陷。
请参考图5和图3。作为一可选的实施方式，支撑结构38可利用后道介质层32材料形成。例如，可在第三空腔34的上下腔壁之间设置由部分后道介质层32材料向下延伸所形成的突起，突起下端抵触载片表面，形成支撑结构38，从而将第三空腔34上方的后道介质层32材料以及金属环25、24、23和22托起。
进一步地，金属环25、24、23和22可为复合结构。例如，金属环25、24、23和22自上而下可包括依次相连设于硅衬底20中的金属沟槽25，设于后道介质层32中的接触孔24和一至多层金属互连层金属23(利用常规金属互连层结构形成)。其中，当采用多层金属互连层金属23时，各层金属互连层金属23之间可采用通孔22相连接。由于复合结构的金属环25、24、23和22中采用的全部是金属材质，利用金属不透光的特性，可以实现对电路发光的屏蔽。
如图3所示，同常规接触孔和通孔不同，本发明的接触孔24和通孔22在平面上为环状结构，以有效屏蔽电路发光现象。如图4所示，垂直空腔(第一空腔30和第二空腔27)和水平空腔(第三空腔34)相互之间实现了连接，因此在空腔30、34和27内通入空气或冷却液体，可以实现在垂直空腔和水平空腔内的循环，从而可以将外围电路发出的热量带走，避免了电路发热对像素单元的影响。
下面通过具体实施方式并结合附图，对本发明的一种图像传感器结构形成方法进行详细说明。
请参考图6-图13，图6-图13是本发明一较佳实施例的一种图像传感器结构形成方法工艺步骤示意图。如图6-图13所示，本发明的一种图像传感器芯片结构形成方法，可用于制作上述例如图3-图5的图像传感器芯片结构，并可包括以下步骤：
首先，如图6所示，可使用常规的CMOS图像传感器制造工艺，在器件硅片的硅衬底20正面上形成像素单元阵列中用于感光的光电二极管21，控制晶体管36，在像素单元阵列外侧形成外围电路中的外围电路晶体管31，以及在硅衬底20正面表面上的后道介质层32中形成金属互连层35、33，包括像素单元金属互连层35和外围电路金属互连层33。
在形成金属互连层35、33的同时，可通过版图设计，在像素单元阵列和外围电路之间形成围绕像素单元阵列的环状接触孔24和图例的二层环状金属互连层金属23。其中，二层环状金属互连层金属23之间可采用环状通孔22进行连接。
接着，如图7所示，通过使用光刻和刻蚀工艺，在环状接触孔24和环状金属互连层金属23两侧的后道介质层32中形成部分垂直空腔。垂直空腔包括并列形成在环状金属互连层金属23两侧的环状第一沟槽40和环状第二沟槽39。第一沟槽40和第二沟槽39竖直贯通后道介质层32，且围绕像素单元阵列设置。可通过版图设计，使第一沟槽40和第二沟槽39在环状金属互连层金属23两侧等距排列。
随后，如图8所示(其中，图8中的左图显示复合屏蔽结构37特征，右图显示支撑结构38特征，下同)，通过光刻和刻蚀，在第一沟槽40和第二沟槽39之间的后道介质层32正面表面上形成围绕像素单元阵列的水平环状第三沟槽41图形，使第三沟槽41的两端与第一沟槽40的上端和第二沟槽39的上端分别对准，以实现相互之间的连通。在形成第三沟槽41的同时，通过对后道介质层32正面部分表面进行保护，在第三沟槽41中形成突起的支撑结构38。例如，在工艺过程中，在全部支撑结构38形成位置上对后道介质层32采用光刻胶进行保护，因此在支撑结构38所在位置的后道介质层32中没有形成水平空腔34图形。
然后，如图9所示，将器件硅片倒置后与载片进行键合，使器件硅片上的第三沟槽41以及与第三沟槽41连通的第一沟槽40的上端和第二沟槽39的上端同时被载片表面所覆盖，形成右图所示的由被封闭的第三沟槽41形成的水平第三空腔34结构。
接着，如图10所示，可使用常规背照式工艺，对器件硅片上硅衬底20的背面进行减薄。
随后，如图11所示，可通过光刻和刻蚀，在减薄后的硅衬底20中并列形成竖直贯通硅衬底20且围绕像素单元阵列的环状第四沟槽42、第五沟槽43和第六沟槽44。其中，使第四沟槽42的下端和第六沟槽44的下端分别与第二沟槽39的下端和第一沟槽40的下端相连；同时，使第五沟槽43的下端与环状接触孔24的下端对准相连。这样，由第四沟槽42和第二沟槽39相连形成第一空腔30，由第六沟槽44和第一沟槽40相连形成第二空腔27。并且，使第五沟槽43的尺寸(宽度)远大于第四沟槽42和第六沟槽44的尺寸(宽度)。
然后，如图12所示，使用金属淀积程序，对第五沟槽43进行金属45填充。填充时，宽度较大的第五沟槽43可以实现金属45填充，而宽度较小的第四沟槽42和第六沟槽44由于淀积工艺能力的限制，将无法进行金属45填充，这将使第四沟槽42的上端和第六沟槽44的上端保持开口状态。第五沟槽43经金属45填充后，形成金属沟槽25。
最后，如图13所示，可使用反刻或化学机械抛光工艺，去除硅衬底20背面表面上多余的金属45，暴露出第四沟槽42的上端和第六沟槽44的上端，从而形成第一空腔30的入口29和第二空腔27的出口28结构。
这样，由相连通的环状第一空腔30、第三空腔34和第二空腔27共同组成用于隔绝热的热屏蔽结构32。由环状金属沟槽25与环状接触孔24和二层环状金属互连层金属23以及通孔22共同组成用于屏蔽光的光屏蔽结构26。
以上的仅为本发明的优选实施例，实施例并非用以限制本发明的保护范围，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)
1.一种图像传感器结构，其特征在于，包括：像素单元阵列，位于所述像素单元阵列外围的外围电路，围绕设于所述像素单元阵列与外围电路之间的复合屏蔽结构，所述复合屏蔽结构设有热屏蔽结构和光屏蔽结构；其中，所述热屏蔽结构设有空腔，所述空腔内通有流体冷却介质，用于将所述外围电路发出的热量带走，所述光屏蔽结构设有金属环，用于对所述外围电路发出的光进行隔离，以防止热量和光向所述像素单元阵列传递。
2.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其特征在于，所述空腔包括并列竖直设置的环状第一空腔和环状第二空腔，所述第一空腔一端与第二空腔一端之间通过水平设置的环状第三空腔相连，所述第一空腔另一端设有流体冷却介质入口，所述第二空腔另一端设有流体冷却介质出口；所述金属环悬设于所述第一空腔和第二空腔之间，所述金属环与所述第三空腔之间设有支撑结构。
3.根据权利要求2所述的图像传感器结构，其特征在于，所述第一空腔位于靠近所述外围电路的一侧。
4.根据权利要求2所述的图像传感器结构，其特征在于，所述像素单元阵列和外围电路设于器件硅片上，所述器件硅片包括硅衬底和设于所述硅衬底正面表面上的后道介质层，所述后道介质层正面表面上相连设有载片；所述第一空腔和第二空腔贯通所述硅衬底和后道介质层设置，所述第一空腔一端和第二空腔一端在所述硅衬底背面表面分别形成所述入口和所述出口，所述第一空腔另一端和第二空腔另一端分别连接设于所述后道介质层正面表面上的所述第三空腔，所述第三空腔以及所述第一空腔另一端和第二空腔另一端通过所述载片封闭。
5.根据权利要求4所述的图像传感器结构，其特征在于，所述金属环为复合结构，包括依次相连设于所述硅衬底中的金属沟槽，设于所述后道介质层中的接触孔和一至多层金属互连层金属。
6.根据权利要求4所述的图像传感器结构，其特征在于，所述第三空腔的上下腔壁之间具有由所述后道介质层延伸所形成的突起，所述突起抵触所述载片，形成所述支撑结构。
7.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其特征在于，所述流体冷却介质为空气或冷却液体。
8.根据权利要求4所述的图像传感器结构，其特征在于，所述像素单元阵列包括：设于所述硅衬底正面上的光电二极管和控制晶体管，设于所述后道介质层中的像素单元金属互连层；所述外围电路包括：设于所述硅衬底正面上的外围电路晶体管，设于所述后道介质层中的外围电路金属互连层。
9.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其特征在于，所述外围电路包括列级读出电路和行选控制电路。
10.一种图像传感器结构形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一具有硅衬底和后道介质层的器件硅片，在所述硅衬底正面上形成像素单元阵列中用于感光的光电二极管，控制晶体管，在像素单元阵列外侧形成外围电路中的外围电路晶体管，以及在所述硅衬底正面表面上的后道介质层中形成金属互连层；其中，在形成金属互连层的同时，通过版图设计，在像素单元阵列和外围电路之间形成围绕像素单元阵列的环状接触孔和一至多层环状金属互连层金属；
在环状接触孔和环状金属互连层金属两侧的所述后道介质层中并列形成竖直贯通所述后道介质层且围绕像素单元阵列的环状第一沟槽和环状第二沟槽；
在所述第一沟槽和第二沟槽之间的所述后道介质层正面表面上形成围绕像素单元阵列的水平环状第三沟槽，使所述第三沟槽两端分别连接所述第一沟槽上端和第二沟槽上端；其中，在形成所述第三沟槽的同时，通过对所述后道介质层正面部分表面进行保护，在所述第三沟槽中形成突起的支撑结构；
提供一载片，将器件硅片倒置后与所述载片进行键合，使所述第三沟槽以及所述第一沟槽上端和第二沟槽上端同时被所述载片覆盖；其中，由被封闭的所述第三沟槽形成第三空腔；
对所述硅衬底进行减薄；
在减薄后的所述硅衬底中并列形成竖直贯通所述硅衬底且围绕像素单元阵列的环状第四沟槽、第五沟槽和第六沟槽，并使所述第四沟槽下端和第六沟槽下端分别与所述第二沟槽下端和第一沟槽下端相连，同时使所述第五沟槽下端与所述环状接触孔下端相连；其中，由所述第四沟槽和第二沟槽形成第一空腔，由所述第六沟槽和第一沟槽形成第二空腔，并且，所述第五沟槽的尺寸大于所述第四沟槽和第六沟槽的尺寸；
在所述第四沟槽中进行金属填充，并使所述第三沟槽上端和第五沟槽上端保持开口状态。
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