本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种背照式图像传感器及其形成 方法。
背景技术：
图像传感器是一种将光信号转化为电信号的半导体器件。图像传感器分 为互补金属氧化物(CMOS)图像传感器和电荷耦合器件(CCD)图像传感器。 CMOS图像传感器具有工艺简单、易于其它器件集成、体积小、重量轻、功耗 小和成本低等优点。因此，随着图像传感技术的发展，CMOS图像传感器越来 越多地取代CCD图像传感器应用于各类电子产品中。目前，CMOS图像传感器 已经广泛应用于静态数码相机、数码摄像机、医疗用摄像装置和车用摄像装 置等。
CMOS图像传感器包括前照式(FSI)图像传感器和背照式(BSI)图像传 感器。在背照式图像传感器中，光从图像传感器的背面入射到图像传感器中 的感光二极管上，从而将光能转化为电能。
然而，现有的背照式图像传感器的性能有待提高。
技术实现要素：
本发明解决的问题是提供一种背照式图像传感器及其形成方法，在金属 导线结构表面形成金属衬垫，减小了金属衬垫与金属导线结构之间的电阻， 同时减小了器件的功耗，提高了背照式图像传感器的性能。
为解决上述问题，本发明提供一种背照式图像传感器的形成方法，包括： 提供背板基底；提供背板基底；提供主体基底，所述主体基底包括第一区和 第二区，所述主体基底包括光电传感层和位于光电传感层表面的金属导线结 构，所述第二区的光电传感层内具有光电转换元件，所述光电传感层包括相 对的第一表面和第二表面，且所述金属导线结构位于所述第一表面；将主体 基底的金属导线结构与背板基底进行键合；在进行键合之后，自第二表面去 除第一区的光电传感层，暴露出主体基底第一区的金属导线结构，在光电传 感层内形成开口；在形成开口之后，在第二区光电传感层的部分第二表面形 成金属栅格层；在所述开口暴露出的金属导线结构表面形成金属衬垫，所述 金属衬垫与金属栅格层相连接；形成金属衬垫和金属栅格层后，在主体基底 第二区的光电传感层暴露出的第二表面形成受光结构，且所述金属栅格层包 围所述受光结构。
可选的，所述光电传感层的形成方法包括：提供半导体衬底，所述半导 体衬底包括初始第一区和初始第二区；在所述初始第二区形成光电转换元件， 光电转换元件包括位于半导体衬底内的光电二极管以及位于半导体衬底表面 的逻辑电路器件；形成光电转换元件后在半导体衬底表面形成介质层，形成 介质层后，在初始第二区的介质层内形成导电结构，导电结构在光电转换元 件和金属导线结构之间电连接。
可选的，所述金属栅格层的形成方法包括：在所述开口暴露出的金属导 线结构表面和光电传感层的第二表面形成初始金属栅格层；形成初始金属栅 格层后，去除部分主体基底第一区的初始金属栅格层，暴露出所述开口底部 的金属导线层；在去除部分主体基底第一区的初始金属栅格层后，刻蚀第二 区的部分初始金属栅格层，形成所述金属栅格层。
可选的，所述金属导线结构包括N层金属导线层，N为大于等于2的整 数。
可选的，还包括：去除主体基底第一区的光电传感层后，形成初始金属 栅格层前，去除开口底部暴露出的M层金属导线层，M为小于N的整数、且 大于等于0的整数。
可选的，所述金属衬垫位于开口底部暴露出的金属导线层表面。
相应的，本发明还提供一种背照式图像传感器，包括：主体基底，所述 主体基底包括第一区和第二区，所述主体基底包括光电传感层和位于光电传 感层表面的金属导线结构，所述光电传感层包括相对的第一表面和第二表面， 所述金属导线结构位于所述第一表面，所述主体基底的第一区内具有自所述 光电传感层第二表面至暴露出金属导线结构的开口，所述第二区的光电传感 层内具有光电转换元件；键合于金属导线结构表面的背板基底；位于主体基 底第二区部分光电传感层的第二表面的金属栅格层；位于所述开口暴露出的 金属导线结构表面的金属衬垫，所述金属衬垫与金属栅格层相连接；位于主 体基底第二区的光电传感层部分第二表面的受光结构，且所述金属栅格层包 围所述受光结构。
可选的，所述第二区的金属导线结构包括N层金属导线层，N为大于等 于2的整数。
可选的，所述第一区的金属导线结构包括N-M层金属导线层M为小于N 的整数、且大于等于0的整数。
可选的，所述金属衬垫位于开口底部暴露出的金属导线层。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明技术方案提供的背照式图像传感器中，光电传感器的光电转换元 件位于第二区，通过去除第一区的光电传感层形成开口，开口暴露出金属导 线结构表面，在开口暴露出的金属导线结构表面形成金属衬垫，所述金属衬 垫与位于第二区的金属栅格层电连接，金属栅格层与位于第二区的受光结构 相电连接，从而实现了金属导线结构与受光结构之间的电连接。金属导线结 构与受光结构之间通过金属衬垫连接，减少了中间器件的功率消耗，二者之 间的电阻较小。金属衬垫与金属导线结构直接相连，节约了形成中间器件的 材料和工艺成本，同时减少了工艺本身带来的工艺问题。综上，提高了所形 成器件的性能提高。
进一步，金属导线结构包括N层金属导线层，金属衬垫位于开口底部暴 露出的金属导线层表面，根据所要形成器件封装对金属衬垫的厚度的要求， 可以通过调节金属衬垫与金属导线结构的不同金属导线层之间的连接来满足 不同的厚度的金属衬垫的要求。
附图说明
图1是一种背照式图像传感器的结构示意图；
图2至图9是本发明一实施例中背照式图像传感器形成过程的结构示意 图。
具体实施方式
正如背景技术所述，现有技术形成的背照式图像传感器的性能较差。
参考图1，一种背照式图像传感器的结构示意图，包括：背板基底140和 主体基底，主体基底包括第一区A和第二区B；主体基底包括感光基底100， 感光基底100具有相对的第一表面和第二表面，感光基底100的第一表面具 有器件层110，器件层110内具有逻辑器件层111和金属导线结构112，逻辑 器件层111位于感光基底100第一表面，金属导线结构112与承载基底140 相连，器件层110与承载基底140相连，第一区感光基底100的第二表面具 有金属衬垫150，第二区感光基底100的第二表面具有滤镜单元120，感光单 元120与金属衬垫150电连接；金属衬垫150与感光基底100第一表面的器 件层110通过贯穿所述感光基底100第一区的导电插塞130电连接。
其中，金属衬垫150用于连接外部电路与内部电路，而所述金属衬垫150 通过导电插塞130和逻辑器件层111与金属导线结构112相连，金属衬垫150 与感光单元120电连接，从而实现感光单元120与金属导线结构112电连接。 然而，感光单元120与金属导线结构112之间的半导体器件和电路结构较复 杂，导致功耗过多。
其次，所述导电插塞130贯穿过整个感光基底，在形成导线结构130过 程中需要采用TSV(trough silicon via)工艺，TSV工艺本身的工艺较为复杂， 且所形成的导电插塞130的长度较大、电阻较大，造成背照式图像传感器的 性能下降。进一步的，金属衬垫150通过导电插塞130和逻辑器件层111与 金属导线结构112相连，形成导电插塞130和逻辑器件层111的工艺步骤较多， 使得背照式图像传感器的制程所耗费的材料、机器以及时间成本较高。
在此基础上，本发明提供一种背照式图像传感器的形成方法，在金属导 线结构表面形成金属衬垫，减小了金属衬垫与金属导线结构之间的电阻。因 此，提高了背照式图像传感器的性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图 对本发明的具体实施例做详细的说明。
图2至图9是本发明一实施例中背照式图像传感器形成过程的结构示意 图。
参考图2，提供主体基底，所述主体基底包括光电传感层。
本实施例中，所述主体基底包括有第一区X和第二区Y，第一区X为逻 辑输出区，第二区Y为光电传感区。
主体基底第二区Y的光电传感层具有光电转换元件，所述主体基底第一 区X的光电传感层不具有光电转换元件。
所述光电传感层的形成方法包括：提供半导体衬底200，所述半导体衬底 200包括初始第一区和初始第二区；在所述初始第二区形成光电转换元件，光 电转换元件包括位于半导体衬底内的光电二极管以及位于半导体衬底表面的 逻辑电路器件；形成光电转换元件后在半导体衬底表面形成介质层，形成介 质层后，在初始第二区的介质层内形成导电结构，导电结构在光电转换元件 和金属导线结构之间电连接。
逻辑电路器件包括栅极结构，电阻，电容或电感。
本实施例中，以所述逻辑电路器件为栅极结构作为示例，进行阐述。
本实施例中，所述光电传感层的形成方法包括：提供半导体衬底200，所 述半导体衬底200包括第一区X和第二区Y；在半导体衬底第二区Y表面形 成栅极结构210；形成栅极结构210后，在半导体衬底第二区Y的栅极结构 210两侧的半导体衬底200内形成源漏区201；形成源漏区201后，在半导体 衬底200和栅极结构210表面形成介质层202，所述介质层202覆盖栅极结构 210顶部表面和侧壁；形成介质层202后，在半导体衬底200第二区Y的介 质层202内形成开口，所述开口暴露出栅极结构210顶部表面；形成开口后， 在所述开口内形成插塞220，从而形成所述光电传感层。
本实施例中，所述半导体衬底200的材料为单晶硅。所述半导体衬底200 还可以是多晶硅或非晶硅。所述半导体衬底200的材料还可以为锗、锗化硅、 砷化镓等半导体材料。
本实施例中，所述栅极结构210包括栅极结构本体和位于栅极结构本体 侧壁的侧墙组成。栅极结构本体包括栅氧化层和栅极层，栅氧化层位于半导 体衬底200第二区Y表面，栅极层位于栅氧化层表面，侧墙位于栅极结构本 体侧壁。
本实施例中，所述栅极结构本体形成方法包括：在所述半导体衬底200 第二区Y上形成栅极结构膜，在所述栅极结构膜表面形成图形化层，所述图 形化层覆盖需要形成栅极结构位置和形状；以所述图形化层为掩膜，刻蚀所 述栅极结构膜，直至暴露出所述半导体衬底200的表面为止。
所述栅氧化层的材料包括氧化硅。所述栅极层的材料包括硅、非晶硅、 多晶硅或掺杂的多晶硅。所述栅极结构膜的形成工艺包括化学气相沉积工艺 或者物理气相沉积工艺。
所述侧墙的形成方法包括：形成栅极结构本体后，在所述半导体衬底200 和栅极结构本体上形成侧墙材料层；回刻蚀所述侧墙材料层，在栅极结构本 体侧壁形成侧墙。
所述侧墙材料层的形成工艺为化学气相沉积工艺、物理气相沉积工艺或 原子层沉积工艺中的一种或多种组合。所述侧墙的材料包括氧化硅、氮化硅、 氮氧化硅、碳氧化硅、碳氮化硅或碳氮氧化硅。
形成源漏区201的工艺包括外延生长工艺或离子注入工艺。
本实施例中，所述源漏区201的形成工艺为离子注入工艺。
形成插塞220的方法包括：形成开口后，在所述开口内和介质层表面形 成插塞材料层；形成插塞材料层后，平坦化所述插塞材料层，直至暴露出介 质层202顶部表面，形成插塞220。
所述插塞材料层的形成工艺为化学气相沉积工艺、物理气相沉积工艺或 原子层沉积工艺中的一种或多种组合。
由于主体基底第一区X的光电传感层不形成光电转换元件，仅包括主体 基底第一区X的半导体衬底200和位于主体基底第一区X的半导体衬底200 表面的介质层202，形成的工艺相对简单，节省了形成位于主体基底第一区X 的光电转换元件的材料；其次，由于不在主体基底第一区形成光电转换元件， 减少了功耗，从而降低了背照式传感器的功耗；进一步的，由于后续形成的 金属衬垫与金属导线结构230直接相连，节约了形成中间器件的材料和工艺 成本，同时减少了工艺本身带来的工艺问题。
所述主体基底还包括位于光电传感层表面的金属导线结构，所述光电传 感层包括相对的第一表面和第二表面，且所述金属导线结构位于所述第一表 面。
参考图3，形成光电传感层后，在光电传感层第一表面形成金属导线结构 230，从而形成主体基底；提供背板基底240，将背板基底240与金属导线结 构230键合。
形成光电传感层后，在光电传感层第一表面形成金属导线结构230，所述 金属导线结构230包括N层金属导线层，N为大于等于2的整数；所述金属 导线结构包括第一金属导线层至第N金属导线层，第一金属导线层位于光电 传感区表面，第二金属导线层位于第一金属导线层表面，第三金属导线层位 于第二金属导线层表面，第N金属导线层与背板基底240相连接。
所述金属导线层的材料为铜。
所述背板基底240与金属导线结构230键合，即背板基底240与金属导 线结构240的第N金属导线层相键合。
参考图4，键合背板基底240后，翻转背板基底240和主体基底，自光电 传感层的第二表面减薄半导体衬底200，形成基底。
所述基底顶部为半导体衬底200，底部为背板基底240。
减薄半导体衬底200的工艺包括化学机械抛光工艺，减薄的目的是为了 去除半导体衬底200底部的杂质，以便后续形成金属栅格层。
参考图5，自第二表面去除第一区X的光电传感层，直至暴露出主体基 底第一区的金属导线结构230，在光电传感层内形成开口。
去除主体基底第一区X的光电传感层包括：去除主体基底第一区X的半 导体衬底200和主体基底第一区X的介质层202。
由于主体基底第一区X的光电传感层仅包括主体基底第一区X的半导体 衬底和位于主体基底第一区X的半导体衬底表面的介质层202，去除的工艺 相对简单。
自第二表面去除第一区X的光电传感层，后续形成的金属衬垫直接与主 体基底第一区X暴露出的金属导线结构230相连，二者之间没有半导体器件， 电阻更小，功耗减小，提高了图像传感器的性能。
在形成开口之后，在第二区部分光电传感层的第二表面形成金属栅格层； 所述金属栅格层的形成方法包括：在所述开口暴露出的金属导线结构表面和 光电传感层的第二表面形成初始金属栅格层；形成初始金属栅格层后，去除 部分主体基底第一区的初始金属栅格层，暴露出所述开口底部的金属导线层； 在去除部分主体基底第一区的初始金属栅格层后，刻蚀第二区的部分初始金 属栅格层，形成所述金属栅格层。具体请参考图6～图8。
参考图6，形成开口后，在主体基底第一区X的金属导线结构230和主 体基底第二区Y的光电传感层上形成初始金属栅格层。
所述初始金属栅格层为形成金属栅格层提供材料。所述初始金属栅格层 的布局发生改变，以便后续金属衬垫与金属栅格层相连接。
所述初始金属栅格层包括第一隔离层251、金属层252，第二隔离层253， 金属层252位于第一隔离层251表面，第二隔离层253位于金属层252表面。
所述第一隔离层251的材料包括氧化硅或氮化硅，所述第一隔离层用于 防止金属层扩散进入光电传感层，从而产生暗电流或者白点，影响图像传感 器的性能。
所述金属层252为金属栅格层提供材料。所述金属层的材料包括钨。
所述第二隔离层253的材料包括氧化硅或氮化硅，所述第二隔离层253 用于防止金属层扩散进入图像传感器，从而产生暗电流或者白点，影响图像 传感器的性能。
参考图7，形成初始金属栅格层后，去除部分主体基底第一区X初始金 属栅格层，直至暴露出主体基底第一区X的金属导线结构230，形成金属栅 层250。
去除部分主体基底第一区X初始金属栅格层，暴露出主体基底第一区X 的金属导线结构230的金属导线层即可，后续形成的金属衬垫与金属导线层 连接，所述金属导线层可以为金属导线结构230的任意一层金属导线层。
本实施例中，所述金属栅层250位于主体基底第二区Y光电传感层表面， 覆盖主体基底第二区Y光电传感层侧壁及部分主体基底第一区X金属导线结 构230表面。
其他实施例中，所述金属栅层250仅位于主体基底第二区Y光电传感层 表面。
后续会在暴露出的主体基底第一区X的金属导线结构230表面形成金属 衬垫260，用于连通图像传感器的内外电路，金属衬垫260与金属栅层250相 连接。
所述金属衬垫位于开口底部暴露出的金属导线层表面。
本实施例中，去除主体基底第一区X初始金属栅格层，直至暴露出主体 基底第一区X的金属导线结构230的第一金属导线层。
后续形成的金属衬垫260与主体基底的金属导线结构230的第一金属导 线层相连接。
其他实施例中，去除主体基底第一区X的光电传感层后，形成金属栅层 前，去除主体基底第一区X金属导线结构的部分金属导线层，暴露出第M金 属导线层，M为小于N的整数、且大于等于0的整数。
后续形成的金属衬垫与主体基底的金属导线结构230的第M金属导线层 相连接。
根据所要形成器件封装对金属衬垫的厚度的要求，可以通过调节金属衬 垫与金属导线结构的不同金属导线层之间的连接来满足不同的厚度的金属衬 垫的要求。
参考图8，形成金属栅层250后，在主体基底第一区X暴露出的金属导 线结构230表面形成金属衬垫260，金属衬垫260与金属栅层250相连接；形 成金属衬垫260后，刻蚀所述金属栅层250，形成金属栅格层254。
所述金属衬垫260的材料为铝。
所述金属衬垫260用于连接图像传感器与外部电路，将图像传感器的信 息传输到外部电路。
所述金属栅格层254为形成受光结构提供空间。
所述金属栅格层的形成方法包括：形成金属衬垫260后，刻蚀主体基底 第二区Y的金属栅层250，直至暴露出主体基底第二区Y的光电传感层的第 二表面的半导体衬底200，形成金属栅格开口，形成金属栅格开口后，在金属 栅格开口侧壁形成保护层270，形成所述金属栅格层254。
所述保护层270用于隔离金属层内的金属进入到滤光区，形成暗电流或 者白点，影响图像传感器的性能。
通过改变金属衬垫260的位置，以及改变金属栅层250的布线设计，来 提高背照式图像传感器的性能，为背照式图像传感器的布线设计提供了一种 新的思路。
光电传感器的光电转换元件位于第二区Y，通过去除第一区X的光电传 感层形成开口，开口暴露出金属导线结构表面，在开口暴露出的金属导线结 构表面形成金属衬垫，所述金属衬垫与位于第二区Y的金属栅格层电连接， 金属栅格层与位于第二区Y的受光结构相电连接，从而实现了金属导线结构 与受光结构之间的电连接。金属导线结构与受光结构之间通过金属衬垫连接， 减少了中间器件的功率消耗，二者之间的电阻较小。金属衬垫与金属导线结 构直接相连，节约了形成中间器件的材料和工艺成本，同时减少了工艺本身 带来的工艺问题。综上，提高了所形成器件的性能提高。
参考图9，形成金属衬垫260和金属栅格层254后，在主体基底第二区Y 的光电传感层暴露出的第二表面形成受光结构，且所述金属栅格层254包围 所述受光结构。
所述受光结构包括：滤光层280和透镜层290。
所述滤光层280用于过滤特定波长的光线。
所述透镜层290用于改变光路，使得光线沿特定的光路进入滤光层和光 电传感层。
形成受光结构的方法包括：在金属栅格层254内形成滤光层280；形成滤 光层280后，在滤光层280上形成透镜层290，形成所述受光结构。
本发明还提供一种采用上述方法形成的背照式图像传感器，请参考图9， 包括：背板基底240；主体基底，所述主体基底包括第一区X和第二区Y， 所述主体基底包括光电传感层和位于光电传感层表面的金属导线结构230，所 述光电传感层包括相对的第一表面和第二表面，所述金属导线结构230位于 所述第一表面，所述主体基底的第一区内具有自所述光电传感层第二表面至 暴露出金属导线结构230的开口，所述第二区的光电传感层内具有光电转换 元件；键合于金属导线结构230表面的背板基底240；位于主体基底第二区部 分光电传感层的第二表面的金属栅格层254；位于所述开口暴露出的金属导线 结构230表面的金属衬垫260，所述金属衬垫260与金属栅格层254相连接； 位于主体基底第二区的光电传感层部分第二表面的受光结构，且所述金属栅 格层254包围所述受光结构。
所述第二区Y的金属导线结构包括N层金属导线层，N为大于等于2的 整数。
所述第一区X的金属导线结构包括N-M层金属导线层M为小于N的整 数、且大于等于0的整数。
所述金属衬垫位于开口底部暴露出的金属导线层。
本实施例中，所述金属衬垫260位于主体基底第一区X的第一金属导线 层表面。
其他实施例中，去除主体基底第一区X的光电传感层后，形成金属栅层 前，去除基底第一区X金属导线结构的部分金属导线层，暴露出第M金属导 线层，M为小于N的整数、且大于等于0的整数。
所述金属衬垫260位于主体基底第一区X的第M金属线层表面。
本实施例中，所述受光结构包括：滤光层280和透镜层290。
形成受光结构的方法包括：在金属栅格层254内形成滤光层280；形成滤 光层280后，在滤光层280上形成透镜层290，形成所述受光结构。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员， 在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保 护范围应当以权利要求所限定的范围为准。