技术领域
[0001] 本
发明涉及图像传感器技术领域，特别是涉及一种可防止输出失真的图像传感器结构和形成方法。
背景技术
[0002] 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。
[0003] 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，往往伴随着电路发光和发热现象。发热现象是由于
电流通过外围电路中的导体或半导体时，就会释放出一部分的热量，从而造成芯片
温度的升高。这些外围电路的发热现象会直接影响图像传感器的性能。如图2所示，外围电路区域发出的热量可以通过器件
硅片的硅衬底14、浅槽隔离15、金属互连层12、介质层13以及载片
硅片的介质层11和硅衬底10等导体和半导体向像素单元区域传播，最终到达光电
二极管16区域，造成像素单元
暗电流上升，从而造成像素单元阵列区域的
光电二极管16输出值异常变大和图像失真。
[0004] 因此，需要提供一种能够防止外围电路发热对图像传感器像素单元阵列感光造成影响的新技术。
发明内容
[0005] 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热造成的成像
质量的劣化和失真问题。
[0006] 为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0007] 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热屏蔽结构；所述热屏蔽结构设有空腔，所述空腔内填充有热的不良导体，所述热屏蔽结构将所述外围电路发出的热量全部隔离，防止热量向所述像素单元阵列传递。所述热的不良导体是指在相同外界条件下，导热系数比硅低的材料。
[0008] 进一步地，所述像素单元阵列和外围电路设于器件硅片上，所述器件硅片包括第一硅衬底和设于所述第一硅衬底
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，所述载片包括第二硅衬底和设于所述第二硅衬底正面表面上的键合介质层，所述键合介质层与所述后道介质层相连；所述像素单元阵列与外围电路之间的所述第一硅衬底正面上围绕设有浅槽隔离；所述空腔包括相连的纵向空腔和横向空腔，所述纵向空腔穿设于所述浅槽隔离中，将所述像素单元阵列与所述外围电路相热隔离，所述横向空腔设于所述后道介质层与所述键合介质层之间，将所述外围电路与所述载片相热隔离。
[0009] 进一步地，所述纵向空腔由第一沟槽和第二沟槽上下相连而成，所述第一沟槽上端与所述横向空腔相连，所述第一沟槽下端穿过所述浅槽隔离与所述第二沟槽下端相连，所述第二沟槽上端封闭于所述第一硅衬底的背面表面上。
[0010] 进一步地，所述第二沟槽上端通过封口介质封闭于所述第一硅衬底的背面表面上。
[0011] 进一步地，所述横向空腔由设于所述后道介质层正面表面上的第三沟槽与设于所述键合介质层正面表面上的第四沟槽相拼合而成。
[0012] 进一步地，所述外围电路外围设有划片槽，所述横向空腔与所述划片槽之间保持间距。
[0013] 进一步地，所述热的不良导体包括空气、氦气或氮气。
[0014] 进一步地，所述像素单元阵列包括：设于所述第一硅衬底正面上的光电二极管和传输管，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：设于所述第一硅衬底正面上的电路控制管，设于所述后道介质层中的外围电路金属互连层。
[0015] 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。
[0016] 一种图像传感器结构形成方法，包括以下步骤：
[0017] 提供一具有第一硅衬底的器件硅片，在所述第一硅衬底上形成像素单元阵列中用于感光的光电二极管，传输管，外围电路中的电路控制管，用于隔离像素单元阵列和外围电路的浅槽隔离，以及在所述第一硅衬底正面表面上的后道介质层中形成像素单元金属互连层和外围电路金属互连层；
[0018] 在器件硅片的后道介质层和浅槽隔离中纵向形成第一沟槽；
[0019] 在外围电路金属互连层上方的后道介质层中横向形成第三沟槽，并使第三沟槽的一端与第一沟槽相连，另一端与位于所述外围电路外围的划片槽保持间距；
[0020] 提供一具有第二硅衬底的载片，在所述第二硅衬底上的键合介质层中横向形成与第三沟槽对应的第四沟槽；
[0021] 将器件硅片翻转后与载片进行键合，使后道介质层与键合介质层相连，并使第三沟槽与第四沟槽相拼合形成横向空腔；
[0022] 对所述第一硅衬底进行减薄；
[0023] 在减薄后的所述第一硅衬底背面上纵向形成第二沟槽，使第二沟槽下端与第一沟槽下端相连，形成上下贯通的纵向空腔；
[0024] 在所述第一硅衬底背面上全片淀积封口介质材料，将第二沟槽上端的开口
覆盖；
[0025] 将所述第一硅衬底背面表面上多余的封口介质材料去除，仅保留第二沟槽上端开口处的部分封口介质材料，将第二沟槽的上端封闭；由封闭的纵向空腔和横向空腔构成热屏蔽结构。
[0026] 从上述技术方案可以看出，本发明通过在像素单元阵列区域和外围电路区域之间插入热屏蔽结构，热屏蔽结构由相连的纵向空腔和横向空腔组成，并填充空气等热的不良导体，形成纵向屏蔽结构和横向屏蔽结构，其中，纵向屏蔽结构从上至下贯穿器件硅片的第一硅衬底、浅槽隔离和后道介质层，同时在外围电路区域位置使用横向屏蔽结构进行隔离，由于空气等是热的不良导体，通过纵向屏蔽结构和横向屏蔽结构可以将外围电路发出的热量全部隔离，同时器件硅片的第一硅衬底上方也是空气层，即外围电路被热的不良导体空气所包围，因此可以防止热量向像素单元的传播，从而外围电路的发热不会影响像素单元边缘的感光特性，有效防止了图像传感器的输出失真和图像劣化。
附图说明
[0027] 图1是一种常规CMOS图像传感器芯片的布局示意图。
[0028] 图2是沿图1中A-B位置的截面结构示意图。
[0029] 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。
[0030] 图4是沿图3中C-D位置的截面结构示意图。
[0031] 图5-图14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
[0032] 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。
[0033] 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。
[0034] 在以下本发明的具体实施方式中，请参考图3-图4，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。如图3-图4所示，本发明的一种图像传感器结构，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)之间通过浅槽隔离27结构进行隔离。
[0035] 请参考图3-图4。像素单元阵列外侧围绕设有热屏蔽结构32；热屏蔽结构32外侧围绕设有外围电路。
[0036] 热屏蔽结构32设有空腔30、29和23；空腔30、29和23内填充有热的不良导体。本文中，热的不良导体是指在相同外界条件下，导热系数比硅低的材料。例如，可利用空气、氦气或氮气等热的不良导体进行热屏蔽。热屏蔽结构32将外围电路发出的热量全部隔离，防止热量向像素单元阵列传递，从而不会影响像素单元边缘的感光特性，防止了图像传感器的输出失真和图像劣化。
[0037] 具体地，像素单元阵列和外围电路设于器件硅片上。器件硅片包括第一硅衬底26和设于第一硅衬底26的正面表面上的后道介质层25。
[0038] 后道介质层25的正面表面上相连设有载片。载片包括第二硅衬底20和设于第二硅衬底20的正面表面上的键合介质层21。键合介质层21的正面表面与后道介质层25的正面表面相连。
[0039] 像素单元阵列与外围电路之间的第一硅衬底26的正面上围绕设有浅槽隔离27。空腔30、29和23包括相连的纵向空腔30、29和横向空腔23。其中，纵向空腔30、29穿设于浅槽隔离27中，将像素单元阵列与外围电路相热隔离；横向空腔23设于后道介质层25与键合介质层21之间，将外围电路与载片相热隔离。
[0040] 请参考图4。纵向空腔30、29可由第一沟槽30和第二沟槽29上下相连而成。第一沟槽30和第二沟槽29可采用深沟槽结构。其中，第一沟槽30的上端与横向空腔23的一端(图示为左端)相连，第一沟槽30的下端穿过浅槽隔离27与第二沟槽29的下端相连，第二沟槽29的上端可通过封口介质28封闭于第一硅衬底26的背面表面上。可利用空气、氮气或氦气等介质作为热的不良导体。
[0041] 横向空腔23可由设于后道介质层25正面表面上的第三沟槽23-1与设于键合介质层21正面表面上的第四沟槽23-2相拼合而成。
[0042] 这样，填充有热的不良导体介质的纵向空腔30、29就构成纵向屏蔽结构31；同样地，填充有热的不良导体介质的横向空腔23就构成横向屏蔽结构23。由相连的纵向屏蔽结构31和横向屏蔽结构23构成热屏蔽结构32。其中，纵向屏蔽结构31位于像素单元区域和外围电路区域之间，横向屏蔽结构23位于外围电路区域。
[0043] 请参考图3-图4。外围电路外围设有划片槽37，横向空腔23与划片槽37之间保持间距。具体地，可利用横向空腔23另一端(图示为右端)上向后道介质层25表面和键合介质层21表面分别形成的台阶22-1和22-2，构成键合
支撑22结构，并实现横向空腔23与划片槽37之间的隔离。
[0044] 请参考图4。像素单元阵列具体可包括：设于第一硅衬底26正面上的光电二极管33和传输管34，以及设于后道介质层25中的像素单元金属互连层35。外围电路具体可包括：设于第一硅衬底26正面上的电路控制管36，以及设于后道介质层25中的外围电路金属互连层24。
[0045] 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。
[0046] 请参考图5-图14，图5-图14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5-图14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4的图像传感器芯片结构，并可包括以下步骤：
[0047] 首先，如图5所示，可使用常规的CMOS图像传感器制造工艺，在器件硅片的第一硅衬底26上形成像素单元阵列中用于感光的光电二极管33，传输管34，外围电路中的电路控制管36，用于隔离像素单元阵列和外围电路的浅槽隔离27等结构，以及在第一硅衬底26正面表面上的后道介质层25中形成像素单元金属互连层35和外围电路金属互连层24。
[0048] 接着，如图6所示，可使用
光刻和
刻蚀，在器件硅片的后道介质层25和浅槽隔离27中形成沿纵向设置的第一沟槽30。
[0049] 由于后道介质层25和浅槽隔离27中一般是使用
二氧化硅等介质材料，因此可以仅通过一次刻蚀，在后道介质层25和浅槽隔离27中形成至上而下的第一沟槽30。通过将浅槽隔离27中的介质材料移除，可以降低后续在第一硅衬底26中形成纵向的第二沟槽29时刻蚀的深宽比，从而降低刻蚀难度。
[0050] 然后，如图7所示，可使用光刻和刻蚀，在外围电路金属互连层24上方的后道介质层25中形成沿横向设置的第三沟槽23-1，并使第三沟槽23-1的一端(图示为右端)与第一沟槽30的上端相连，同时，在第三沟槽23-1的另一端(图示为左端)保留部分后道介质层25材料，形成台阶22-1，使第三沟槽23-1的另一端与位于外围电路外围的划片槽37保持间距，作为后续器件硅片与载片键合时的键合支撑22结构之一。台阶22-1处的后道介质层25材料在刻蚀过程中可使用
光刻胶进行保护。
[0051] 随后，如图8所示，通过淀积，在载片的第二硅衬底20上形成全面覆盖的键合介质层21。
[0052] 然后，如图9所示，使用光刻和刻蚀，在键合介质层21中横向形成与第三沟槽23-1对应的第四沟槽23-2。在第四沟槽23-2的一端(图示为右端)同样保留部分键合介质层21材料，形成台阶22-2，使第四沟槽23-2的一端与位于外围电路外围的划片槽37保持间距，作为后续器件硅片与载片键合时的键合支撑22结构之二。
[0053] 第三沟槽23-1与第四沟槽23-2的尺寸相当，且当器件硅片翻转后第三沟槽23-1与第四沟槽23-2两者在芯片上的位置也是完全对应的。
[0054] 接着，如图10所示，将器件硅片翻转后与载片进行键合，使后道介质层25与键合介质层21相连，并使第三沟槽23-1与第四沟槽23-2相拼合形成横向空腔23。
[0055] 由于第三沟槽23-1与第四沟槽23-2位置对应且宽度相同，其键合后形成图10中的最终横向屏蔽结构23。在图示横向屏蔽结构23的右侧，具有前道工序工艺保留的键合介质层台阶22-1、22-2作为键合支撑22结构，给横向屏蔽结构23的空腔提供
力学支撑。
[0056] 随后，如图11所示，可使用常规背照式CMOS图像传感器的加工工艺，对器件硅片的第一硅衬底26的背面进行减薄。
[0057] 接着，如图12所示，在减薄后的第一硅衬底26背面上进行光刻和刻蚀，纵向形成第二沟槽29，使第二沟槽29的下端与第一沟槽30的下端相连，形成上下贯通的纵向空腔。可通过版图设计，使第二沟槽29和第一沟槽30对准，并通过刻蚀实现两者之间的贯通。
[0058] 再次，如图13所示，在第一硅衬底26背面上全片淀积封口介质材料28’，将第二沟槽29上端的开口覆盖。可通过第二沟槽29的线宽设计和淀积菜单的调整，使得封口介质材料28’淀积时无法填充第二沟槽29，只在第二沟槽29的开口处形成部分填充。
[0059] 最后，如图14所示，可通过刻蚀或化学机械
抛光，将第一硅衬底26背面表面上多余的封口介质材料28’去除，仅保留第二沟槽29上端开口处的部分封口介质材料28’作为封口介质28，将第二沟槽29的上端封闭。从而形成例如空气填充的由封闭式纵向空腔(纵向屏蔽结构)31和横向空腔(横向屏蔽结构)23合成的热屏蔽结构32。
[0060] 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。
