前照式图像传感器及形成方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种前照式图像传感器及形成方法。


背景技术：

2.cmos图像传感器具有低功耗、低成本和兼容cmos工艺等特点，得到越来越广泛的应用。现有的cmos图像传感器一般分为前照式(front-side illuminated，简称为fsi)图像传感器和背照式(back-side illuminated，简称为bsi)图像传感器两种。
3.如图1所示，现有技术的前照式图像传感器设置有布置成像素行和像素列的像素阵列1。各像素包括经由转移栅极（未图示）耦接到浮动扩散区（未图示）的光电二极管（未图示）。所述光电二极管设置于金属互连层（未图示）下，入射光穿过所述金属互连层至所述光电二极管，所述光电二极管接收入射光并将其转换成电信号。外围电路围绕所述像素阵列1，并包括列读出电路3耦接到每个像素列以用于读出来自各像素的像素信号，以及行控制电路2向各像素提供控制信号。
4.所述列读出电路3设有若干晶体管（未图示）及功能模块，比如数字电路模块、模拟电路模块等。在没有入射光照射的状态下，比如暗光环境中，所述器件及所述功能模块可以产生光、电子扩散（通过图1中的箭头示意），从而对像素阵列产生影响。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种前照式图像传感器及形成方法，通过设置包括有金属材料的隔离挡墙以隔离来自像素阵列外围的光和/或光生载流子。
6.基于以上考虑，本发明提供一种前照式图像传感器，包括：衬底、自下而上设于所述衬底上的感光层及介质层，所述感光层内设有像素阵列；隔离挡墙，自所述介质层延伸至所述感光层内且包括金属材料，以隔离所述像素阵列外围的光和/或光生载流子。
7.优选的，还包括：与所述隔离挡墙同时形成的金属接触孔。
8.优选的，所述隔离挡墙至少设于所述像素阵列的一侧。
9.优选的，所述隔离挡墙包括自内而外的金属材料层及阻挡材料层。
10.优选的，所述隔离挡墙还包括中空内腔。
11.优选的，所述像素阵列外围设有第一浅沟槽隔离结构，所述隔离挡墙穿过并排于所述第一浅沟槽隔离结构的第二浅沟槽隔离结构。
12.优选的，所述第二浅沟槽隔离结构的横向尺寸大于所述隔离挡墙的横向尺寸。
13.本发明的另一方面提供一种前照式图像传感器的形成方法，包括：于衬底上形成感光层及介质层，所述感光层内设有像素阵列；形成贯穿所述介质层并延伸至所述感光层内的隔离挡墙，所述隔离挡墙包括金属材料以隔离所述像素阵列外围的光和/或光生载流子。
14.形成所述隔离挡墙的同时还形成金属接触孔。
15.所述隔离挡墙包括金属材料层；形成贯穿所述介质层并延伸至所述感光层内的隔
离挡墙包括：于所述像素阵列外围形成对应所述隔离挡墙的深沟槽，形成至少覆盖所述深沟槽侧壁的所述金属材料层。
16.所述金属材料层至少填充部分所述深沟槽。
17.所述隔离挡墙还包括设于所述衬底及所述金属材料层之间的阻挡材料层。
18.本发明通过于衬底内形成自介质层延伸至感光层内的隔离挡墙，所述隔离挡墙包括金属材料。所述金属材料对来自像素阵列外围，比如围绕所述像素阵列的外围电路的光进行反射，并且可以隔挡光生载流子，从而能有效避免像素阵列外围的光和/或光生载流子对像素阵列的影响，提高图像传感器的性能。
19.进一步的，形成所述隔离挡墙的同时还形成金属接触孔，从而节省额外的成本，简化工艺步骤。
20.进一步的，所述隔离挡墙还对应穿过第二浅沟槽隔离结构，所述第二浅沟槽隔离结构的横向尺寸大于所述隔离挡墙的横向尺寸，以避免刻蚀形成深沟槽的同时对感光区造成损伤。
附图说明
21.通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
22.图1示出现有技术的前照式图像传感器的像素阵列及外围电路的平面示意图；图2～图4示出本发明实施例的一种前照式图像传感器的形成方法的各步骤对应的剖面结构示意图。
23.在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示相同或相似的装置（模块）或步骤。
具体实施方式
24.为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容做进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所 熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
25.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。
26.在前照式图像传感器的采样过程中，比如在曝光时间通常为一秒到几分钟左右的拍摄模式(又称长时曝光模式)下拍摄夜景时，由光生载流子和/或光生载流子引起的发光现象看起来很明显，另外，随着功耗的增加，伴随发热现象也会变得严重。
27.为解决上述现有技术中的问题，本发明于衬底内形成自介质层延伸至感光层内的隔离挡墙，所述隔离挡墙包括金属材料。所述金属材料对来自像素阵列外围，比如围绕所述像素阵列的外围电路的光进行反射，并具有良好的热传导性及可以隔挡光生载流子，从而能有效避免像素阵列外围的光和/或热和/或光生载流子对像素阵列的影响，提高显示性能。
28.以下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的形成方法进行
详细说明。
29.首先，如图2所示，提供衬底100，所述衬底上依次形成有内设有像素阵列的感光层101及介质层102,所述衬底100可以为现有技术中最广泛应用的硅衬底，然而还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟等适当的应用于前照式图像传感器的材料，还可以为绝缘体表面的硅衬底或者绝缘体表面的锗衬底。
30.各像素包括内设于所述感光层101内的感光区102。
31.入射光自所述衬底100正面（如图2所示的上面）入射至所述感光区102，产生光生载流子。在本实施例中，载流子为电子。所述载流子经传输晶体管转移至内设于所述感光层101内的浮置扩散区（未图示）。其中，所述传输晶体管的源极为所述感光区102，漏极为所述浮置扩散区，栅极结构103内设于所述介质层104内。
32.可通过在具有第一导电类型的感光层101内形成具有第二导电类型的感光区102。感光区102作为光生载流子收集区域，所述载流子可以为电子或空穴，本实施例载流子以电子为例。
33.由于本实施例中载流子为电子，因此，第一导电类型为p型，第二导电类型为n型。因此，感光层101可以掺杂有p型掺杂物，例如硼。但是在本发明的其它实施例中，载流子可以为空穴，此时第一导电类型为n型，对应的，第二导电类型为p型。
34.然后，如图3所示，于所述像素阵列的至少一侧形成深沟槽110，所述深沟槽110设于所述像素阵列及所述外围电路之间，并穿过所述介质层104并延伸至所述感光层内。
35.对于设置于像素阵列的外围电路，比如列读出电路的晶体管而言，其对应所产生的光生载流子也会被所述感光区所吸引，进而产生暗电流等异常问题。所述深沟槽110的纵向投影可以覆盖所述感光区102。所述深沟槽110还可以纵向延伸穿过所述感光层101以相连设于外延层101内的电荷溢出层或相连衬底100，以避免来自外围电路的光生载流子自所述衬底100表面逃逸至感光区102。
36.接着，形成至少覆盖所述深沟槽110侧壁的金属材料层112。
37.如图4所示，本实施例中，所述隔离挡墙还包括设于所述衬底100及所述金属材料层112之间的阻挡材料层111。
38.所述阻挡材料层111可以覆盖所述深沟槽110的侧壁表面，还可以覆盖所述深沟槽110的底面。
39.所述阻挡材料层111的材料可以是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氮化硅中的一种或多种组合。
40.于所述阻挡材料层111上形成至少部分填充所述深沟槽110的所述金属材料层112。
41.如图4所示，本实施例中，所述金属材料层112完全填充满所述深沟槽110，从而形成实心结构的隔离挡墙。
42.另一实施例中，所述金属材料层112填充部分所述深沟槽110，并闭合所述深沟槽110的顶部，从而形成内设有中空内腔的隔离挡墙。
43.又一实施例中，所述深沟槽110的侧壁及底面仅覆盖有金属材料层，或金属材料层部分填充或完全填充所述深沟槽110。
44.为简化工艺流程，所述深沟槽110的形成还可以与后续形成的接触孔同时形成，在填充所述接触孔形成金属通孔的同时，填充所述深沟槽110形成所述隔离挡墙，从而节省额外的光罩成本，简化工艺步骤。
45.此外，所述像素阵列外围还设有并排设置的第一浅沟槽隔离结构（未图示）及第二浅沟槽隔离结构（未图示）。所述第一浅沟槽隔离结构及所述第二浅沟槽隔离结构均设于所述感光层101内，所述隔离挡墙还对应穿过第二浅沟槽隔离结构。
46.优选的，所述第二浅沟槽隔离结构的横向尺寸大于所述隔离挡墙的横向尺寸，以避免刻蚀形成深沟槽的同时对感光区造成损伤。
47.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论如何来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，明显的，“包括”一词不排除其他元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。装置权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。