本發(fā)明涉及圖像傳感領(lǐng)域，特別涉及一種堆疊結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器及其形成方法。

背景技術(shù)：

隨著電氣技術(shù)和電子技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多應(yīng)用圖像傳感器技術(shù)的現(xiàn)代移動電子產(chǎn)品，如智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦等得到飛速發(fā)展及普及。目前，人們在手機(jī)等電子產(chǎn)品上的消費比例越來越高，對產(chǎn)品的質(zhì)量和個人體驗要求越來越苛刻?，F(xiàn)在電子產(chǎn)品都具備照相和攝像功能，像素由原先的幾十萬，發(fā)展到500、500萬甚至更高。圖像傳感器作為電子產(chǎn)品成像的主要部件，對其成像品質(zhì)的要求也越來越高。

圖像傳感器是指將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置。圖像傳感器包括電荷耦合器件(Charge Coupled Device，簡稱CCD)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor，簡稱CMOS)圖像傳感器芯片。CMOS圖像傳感器和傳統(tǒng)的CCD傳感器相比具有的低功耗，低成本和與CMOS工藝兼容等特點，因此得到越來越廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在CMOS圖像傳感器不僅用于消費電子領(lǐng)域，例如數(shù)碼相機(jī)，手機(jī)攝像頭和攝像機(jī)中，而且在汽車電子，監(jiān)控，生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。

但是現(xiàn)有CMOS圖像傳感器的性能仍有待提高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的問題是怎樣提高CMOS圖像傳感器的性能，減小噪音。

為解決上述問題，本發(fā)明提供一種CMOS圖像傳感器的形成方法，包括：

提供第一襯底，在所述第一襯底上形成第一介質(zhì)層；

在所述第一介質(zhì)層上形成若干分立的第一極板；

形成覆蓋所述第一極板和第一介質(zhì)層的第二介質(zhì)層；

刻蝕所述第二介質(zhì)層，在所述第二介質(zhì)層中形成若干刻蝕槽，每個刻蝕槽暴露出相應(yīng)的第一極板的表面；

在所述刻蝕槽的側(cè)壁和底部表面形成第一電極材料層；

在所述第一電極材料層表面和第二介質(zhì)層表面形成電介質(zhì)材料層；

在刻蝕槽內(nèi)的電介質(zhì)材料層表面形成填充剩余刻蝕槽的第二電極材料層；

在所述電介質(zhì)材料層上形成若干分立的第二極板，每個第二極板與相應(yīng)的第二電極材料層電連接；

形成覆蓋所述第二極板和電介質(zhì)材料層的第三介質(zhì)層，所述第三介質(zhì)層中形成有若干第一金屬互連結(jié)構(gòu)，每個第一金屬互連結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的第二極板電連接；

提供第二襯底，所述第二襯底上形成有若干分立的信號處理電路；

形成覆蓋所述第二襯底的第四介質(zhì)層，所述第四介質(zhì)層中形成有若干分立的第二金屬互連結(jié)構(gòu)，每個第二金屬互連結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的信號處理電路電連接；

將第三介質(zhì)層與第四介質(zhì)層鍵合，第三介質(zhì)層中的第一金屬互連結(jié)構(gòu)和第四介質(zhì)層中的第二金屬互連結(jié)構(gòu)鍵合，第一金屬互連結(jié)構(gòu)與第二金屬互連結(jié)構(gòu)電連接；

鍵合后，去除第一襯底，在第一介質(zhì)層中形成第三金屬互連結(jié)構(gòu)，所述第三金屬互連結(jié)構(gòu)與第二極板電連接；

提供第三襯底，所述第三襯底上形成有若干分立的圖像傳感單元；

在所述第三襯底上形成第五介質(zhì)層，所述第五介質(zhì)層中形成有若干分立的第四金屬互連結(jié)構(gòu)，所述第四金屬互連結(jié)構(gòu)與圖像傳感單元電連接；

將第一介質(zhì)層和第五介質(zhì)層鍵合，第一介質(zhì)層中的第三金屬互連結(jié)構(gòu)與第五介質(zhì)層中的第四金屬互連結(jié)構(gòu)鍵合，第三金屬互連結(jié)構(gòu)與第四金屬互連結(jié)構(gòu)電連接。

可選的，每個刻蝕槽包括至少一個子凹槽。

可選的，每個刻蝕槽中子凹槽的數(shù)量≥2個時，相鄰子凹槽是相互分立的，每個子凹槽的底部暴露出同一第二極板的表面。

可選的，刻蝕槽的每個子凹槽中形成一個第一子電極材料層及位于電介質(zhì)材料層上對應(yīng)的第二子電極材料層，若干第一子電極材料層構(gòu)成第一電極材料層，若干第二子電極材料層構(gòu)成第二電極材料層。

所述鍵合工藝包括融合鍵合和金屬鍵合，在進(jìn)行鍵合時先進(jìn)行融合鍵合，再進(jìn)行金屬鍵合，金屬鍵合的溫度為350～450攝氏度?？蛇x的，所述第二電極材料層和第一電極材料層的為摻雜的多晶硅。

可選的，所述第一電極材料層的厚度為200～1000埃，所述第一電極材料層中雜質(zhì)離子的濃度為1E17atom/cm³～1E21atom/cm³。

可選的，所述電介質(zhì)材料層的材料為氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或高K介質(zhì)材料的一種或幾種。

可選的，所述電介質(zhì)材料層的厚度為10～500埃。

可選的，第一金屬互連結(jié)構(gòu)、第二金屬互連結(jié)構(gòu)、第三金屬互連結(jié)構(gòu)、第四金屬互連結(jié)構(gòu)為雙大馬士革或者單大馬士革互連結(jié)構(gòu)。

可選的，每個第四金屬互連結(jié)構(gòu)與一個圖像傳感單元電連接。

可選的，每個第四金屬互連結(jié)構(gòu)與至少兩個圖像傳感單元電連接。

可選的，所述圖像傳感器為背照式圖像傳感器。

本發(fā)明提供了一種CMOS圖像傳感器，包括：

底層信號處理層，所述底層信號處理層包括：第二襯底，所述第二襯底上形成有若干分立的信號處理電路；位于所述第二襯底上的第四介質(zhì)層，所述第四介質(zhì)層中形成有若干分立的第二金屬互連結(jié)構(gòu)，每個第二金屬互連結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的信號處理電路電連接；

位于底層信號處理層上的中間電容層，所述中間電容層包括：介質(zhì)層；位于介質(zhì)層中的若干電容，每個電容從上到下包括：第一極板、與第一極板 電連接的倒“V”型或“U”型的第一電極材料層、與第一電極材料層相對的第二電極材料層、位于第一電極材料層和第二電極材料層之間的電介質(zhì)材料層；位于介質(zhì)層中與第一極板電連接的第三金屬互連結(jié)構(gòu)，第三金屬互連結(jié)構(gòu)位于第一極板上方；位于介質(zhì)層與第二極板電連接的第一金屬互連結(jié)構(gòu)，第一金屬互連結(jié)構(gòu)位于第二極板下方，且所述第一金屬互連結(jié)構(gòu)與第二金屬互連結(jié)構(gòu)鍵合連接；

位于中間電容層上的圖像傳感器層，所述圖像傳感器層包括第三襯底，所述第三襯底正面上形成有若干分立的圖像傳感單元；位于第三襯底正面上的第五介質(zhì)層，所述第五介質(zhì)層中形成有若干分立的第四金屬互連結(jié)構(gòu)，所述第四金屬互連結(jié)構(gòu)的一端與圖像傳感單元電連接，第四金屬互連結(jié)構(gòu)的另一端與第三金屬互連結(jié)構(gòu)鍵合連接。

可選的，每個倒“V”型或“U”型的第一電極材料層包括至少一個倒“V”型或“U”型的第一子電極材料層。

可選的，每個倒“V”型或“U”型的第一電極材料層中倒“V”型或“U”的第一子電極材料層數(shù)量≥2個時，若干“V”型或“U”型的第一子電極材料層的型底端通過第一極板電連接，相鄰倒“V”型或“U”型的第一子電極材料層的的開口端是相互分立的，每個倒“V”型或“U”型第一子電極材料層與介質(zhì)層中一個第二子電極材料層對應(yīng)，相鄰第二子電極材料層之間是相互分立的，每個第二子電極材料層位于相應(yīng)的第一子電極材料層的“V”型或“U”型口內(nèi)，第一子電極材料層和第二子電極材料層之間通過電介質(zhì)材料層隔離，若干第二子電極材料層構(gòu)成第二電極材料層，若干第二子電極材料層一端通過一個第二極板電連接。

可選的，所述第二極板和第一極板的材料為摻雜多晶硅或金屬。

可選的，所述第二電極材料層和第一電極材料層的為摻雜的多晶硅。

可選的，所述第一電極材料層的厚度為200～1000埃，所述第一電極材料層中雜質(zhì)離子的濃度為1E17atom/cm³～1E21atom/cm³。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點：

本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的形成方法，底層信號處理層(包括信號處 理電路)、中間電容層(包括電容)、圖像傳感器層(包括圖像傳感單元)通過獨立的工藝形成，然后通過鍵合工藝將底層信號處理層、中間電容層、圖像傳感器層鍵合形成堆疊的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)圖像傳感器層與中間電容層電連接以及中間電容層與信號處理層的電連接，由于制作過程中，信號處理電路和電容制作在不同于圖像傳感單元所在的襯底上，因而第三襯底上圖像傳感單元的感光區(qū)面積可以做得更大，在保證CMOS圖像傳感器集成度較高的同時，提高了CMOS圖像傳感器的填充因子(fill factor)；并且中間電容層中的電容的第一電極材料層位于刻蝕槽的側(cè)壁和底部表面，第一電極材料層的面積增大，提高了形成的電容的電容值的大小，有利于減小CMOS圖像傳感器工作時產(chǎn)生的熱噪音(KTC噪音)；并且第一金屬互連結(jié)構(gòu)、第二金屬互連結(jié)構(gòu)、第三金屬互連結(jié)構(gòu)、第四金屬互連結(jié)構(gòu)除了作為電連接結(jié)構(gòu)外，第一金屬互連結(jié)構(gòu)、第二金屬互連結(jié)構(gòu)、第三金屬互連結(jié)構(gòu)、第四金屬互連結(jié)構(gòu)還用于阻擋外部的光線向下(電容和信號處理電路所在的方向)傳輸而產(chǎn)生影響(比如在摻雜的硅材料中容易產(chǎn)生感應(yīng)電荷)，影響電容和信號處理電路的性能；進(jìn)一步，鍵合也可采用通過雙鍵合工藝(融合鍵合工藝和金屬鍵合工藝)，提高了鍵合面的鍵合強(qiáng)度和機(jī)械穩(wěn)定性。

進(jìn)一步，每個刻蝕槽中子凹槽的數(shù)量≥2個時，相鄰子凹槽是相互分立的，每個子凹槽的底部暴露出同一第二極板的表面，子凹槽的數(shù)量為多個時，每個子凹槽中相應(yīng)的都可以形成一個電容，并且多個子凹槽中形成的多個電容均與相應(yīng)的第一極板和后續(xù)形成的第二極板電連接，使得作為連接點的第一極板和第二極板之間電連接有多個并聯(lián)的電容，從而進(jìn)一步增加的第一極板和第二極板之間電容值的大小，有利于減小CMOS圖像傳感器工作時產(chǎn)生的熱噪音(KTC噪音)，KTC噪音電容充放電過程因為充放電路中電阻因為溫度造成的漲落噪音。

本發(fā)明的CMOS圖像傳感器，自下而上由底層信號處理層(包括信號處理電路)、中間電容層(包括電容)、圖像傳感器層(包括圖像傳感單元)構(gòu)成堆疊的結(jié)構(gòu)，通過第四金屬互連結(jié)構(gòu)和第三金屬互連結(jié)構(gòu)將圖像傳感器層與中間電容層電連接，以及通過第一金屬互連結(jié)構(gòu)與第二金屬互連結(jié)構(gòu)將中間電容層與信號處理層的電連接，由于信號處理電路和電容制作在不同于圖 像傳感單元所在的襯底上，因而第三襯底上圖像傳感單元的感光區(qū)面積可以做得更大，在保證CMOS圖像傳感器集成度較高的同時，提高了CMOS圖像傳感器的填充因子(fill factor)；并且中間電容層中的電容的第一電極材料層呈倒“V”型或“U”型，使得單位面積內(nèi)的第一電極材料層的面積增大，提高了形成的電容的電容值的大小，有利于減小CMOS圖像傳感器工作時產(chǎn)生的熱噪音(KTC噪音)；并且第一金屬互連結(jié)構(gòu)、第二金屬互連結(jié)構(gòu)、第三金屬互連結(jié)構(gòu)、第四金屬互連結(jié)構(gòu)除了作為電連接結(jié)構(gòu)外，第一金屬互連結(jié)構(gòu)、第二金屬互連結(jié)構(gòu)、第三金屬互連結(jié)構(gòu)、第四金屬互連結(jié)構(gòu)還用于阻擋外部的光線向下(電容和信號處理電路所在的方向)傳輸而產(chǎn)生影響(比如在摻雜的硅材料中容易產(chǎn)生感應(yīng)電荷)，影響電容和信號處理電路的性能；進(jìn)一步，鍵合采用通過雙鍵合工藝(融合鍵合工藝和金屬鍵合工藝)，提高了鍵合面的鍵合強(qiáng)度和機(jī)械穩(wěn)定性。

進(jìn)一步，每個倒“V”型或“U”型的第一電極材料層中倒“V”型或“U”的第一子電極材料層數(shù)量≥2個時，若干“V”型或“U”型的第一子電極材料層的底端通過第一極板電連接，相鄰倒“V”型或“U”型的第一子電極材料層的開口端是相互分立的，每個倒“V”型或“U”型第一子電極材料層與介質(zhì)層中一個第二子電極材料層對應(yīng)，相鄰第二子電極材料層之間是相互分立的，每個第二子電極材料層位于相應(yīng)的第一子電極材料層的“V”型或“U”型口內(nèi)，第一子電極材料層和第二子電極材料層之間通過電介質(zhì)材料層隔離，若干第二子電極材料層構(gòu)成第二電極材料層，若干第二子電極材料層一端通過一個第二極板電連接，因而第一電極和第二電極之間為多個并聯(lián)的電容，從而進(jìn)一步增加的第一極板和第二極板之間電容值的大小，有利于減小CMOS圖像傳感器工作時產(chǎn)生的熱噪音(KTC噪音)，KTC噪音電容充放電過程因為充放電路中電阻因為溫度的造成的漲落噪音。

附圖說明

圖1～圖14是本發(fā)明實施例CMOS圖像傳感器的形成過程的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖15為4T圖像傳感單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

如背景技術(shù)所言現(xiàn)有CMOS圖像傳感器的性能仍有待提高，比如現(xiàn)有的CMOS圖像傳感填充因子(fill factor)仍較小，并且在工作時會產(chǎn)生的噪音(比如KTC熱噪音)。

本發(fā)明實施例，提供了一種CMOS圖像傳感器及其形成方法，本發(fā)明的方法形成的CMOS圖像傳感器具有更高的填充因子(fill factor)；并且中間電容層中的電容的第一電極材料層位于刻蝕槽的側(cè)壁和底部表面，第一電極材料層的面積增大，提高了形成的電容的電容值的大小，有利于減小CMOS圖像傳感器工作時產(chǎn)生的熱噪音(KTC噪音)；并且第一金屬互連結(jié)構(gòu)、第二金屬互連結(jié)構(gòu)、第三金屬互連結(jié)構(gòu)、第四金屬互連結(jié)構(gòu)除了作為電連接結(jié)構(gòu)外，第一金屬互連結(jié)構(gòu)、第二金屬互連結(jié)構(gòu)、第三金屬互連結(jié)構(gòu)、第四金屬互連結(jié)構(gòu)還用于阻擋外部的光線向下(電容和信號處理電路所在的方向)傳輸而產(chǎn)生影響(比如在摻雜的硅材料中容易產(chǎn)生感應(yīng)電荷)，影響電容和信號處理電路的性能；進(jìn)一步，鍵合可采用通過雙鍵合工藝(融合鍵合工藝和金屬鍵合工藝)，提高了鍵合面的鍵合強(qiáng)度和機(jī)械穩(wěn)定性。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例做詳細(xì)的說明。在詳述本發(fā)明實施例時，為便于說明，示意圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。此外，在實際制作中應(yīng)包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。

參考圖1，提供第一襯底100，在所述第一襯底100上形成第一介質(zhì)層101；在所述第一介質(zhì)層101上形成若干分立的第一極板102。

所述第一襯底100作為后續(xù)工藝的載體。所述第一襯底100的硅(Si)、鍺(Ge)、或硅鍺(GeSi)、碳化硅(SiC)或者還可以為其它的材料，例如砷化鎵等Ⅲ-Ⅴ族化合物。

所述第一介質(zhì)層101材料為氧化硅、氮化硅或其他合適的介質(zhì)材料。

所述第一極板102作為后續(xù)形成的電容的與其他器件電連接的一個連接點，并且在形成多個第一子電極材料層時，用于將多個第一子電極材料層的電連接，以形成多個并聯(lián)的電容。

所述第一極板102的材料為摻雜的多晶硅或金屬。本實施例中所述第一極板102的材料為摻雜的多晶硅。

在一實施例中，所述第一極板102的形成過程為：在所述第一介質(zhì)層101上形成極板材料層；刻蝕所述極板材料層，形成若干分立的第一極板102。

參考圖2，形成覆蓋所述第一極板102和第一介質(zhì)層101的第二介質(zhì)層103。

所述第二介質(zhì)層103中后續(xù)形成電容。所述第二介質(zhì)層103的材料為氧化硅、氮化硅或其他合適的介質(zhì)材料。

參考圖3，刻蝕所述第二介質(zhì)層103，在所述第二介質(zhì)層103中形成若干刻蝕槽104，每個刻蝕槽104暴露出相應(yīng)的第一極板102的表面。

形成刻蝕槽104的目的是為了后續(xù)用于形成電容，并且使得形成電容占據(jù)橫向面積較小的同時提高形成電容的電容值的大小。

每個刻蝕槽104包括至少一個子凹槽。

在一實施例中，每個刻蝕槽中子凹槽的數(shù)量≥2個時，相鄰子凹槽是相互分立的，每個子凹槽的底部暴露出同一第二極板102的表面，子凹槽的數(shù)量為多個時，每個子凹槽中相應(yīng)的都可以形成一個電容，并且多個子凹槽中形成的多個電容均與相應(yīng)的第一極板102和后續(xù)形成的第二極板電連接，使得作為連接點的第一極板102和第二極板之間電連接有多個并聯(lián)的電容，從而進(jìn)一步增加的第一極板102和第二極板之間電容值的大小，有利于減小CMOS圖像傳感器工作時產(chǎn)生的熱噪音(KTC噪音)，KTC噪音電容充放電過程因為充放電路中電阻因為溫度的造成的漲落噪音。

本實施例中，以每個刻蝕槽104具有兩個子凹槽104a作為示例，每個子凹槽104a形狀和尺寸相同，以使得每個子凹槽104a中形成的電容的形狀、結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能相同，因而在提升總的電容值的同時，使得每個子凹槽104a中的充放電性能保持一致，有利于提高CMOS圖像傳感器的性能。需要說明的是，所述形狀為沿垂直于第一襯底100表面的切割線獲得的子凹槽104a的剖面形狀(為“V”型或“U”型)以及平行于半導(dǎo)體襯底100表面的切割線獲得的子凹槽104a的剖面形狀(為圓形或多邊形或者其他形狀)，所述尺寸值 子凹槽104a的深度和寬度。

在一實施例中，所述沿垂直于第一襯底100表面的切割線獲得的子凹槽104a的剖面形狀為“V”型，子凹槽104a側(cè)壁延長線與第一襯底100表面的夾角為60°～90°，使得子凹槽104a的上部開口寬度較大，且開口寬度向底部逐漸減小，在后續(xù)采用沉積工藝形成第一電極材料層時，沉積材料不會在堆積在子凹槽104a的開口處，沉積材料能均勻的向子凹槽104a底部沉積，從而在子凹槽104a的側(cè)壁和底部可以較容易的形成厚度均勻分布的第一電極材料層，并使得后續(xù)通過沉積工藝也可以形成后續(xù)均勻分布的電介質(zhì)材料層，平行于半導(dǎo)體襯底100表面的切割線獲得的子凹槽104a的剖面形狀為圓形，使得子凹槽104a的側(cè)壁表面不會存在邊角，也有利于提高子凹槽104a側(cè)壁表面形成的第一電極材料層厚度的均勻性，因而在子凹槽104的電介質(zhì)材料層表面填充滿第二電極材料層后，使得“V”型第一電極材料層和第二電極材料層之間的距離保持均勻性并且介電常數(shù)保持均勻性，從而提高了形成的電容的電容值的精度。

在一實施例中，形成“V”型的子凹槽104a的工藝為等離子體刻蝕工藝，所述等離子體刻蝕工藝采用的刻蝕氣體為CF₄、CHF₃、Ar，CF₄的流量為10sccm至200sccm，CHF₃的流量為10sccm至200sccm，Ar的流量為50sccm至200sccm，源功率為1100～1250W，偏置功率為200～220W，刻蝕腔壓力為10～20mtorr，腔室溫度為20攝氏度至100攝氏度，使形成的“V”型的子凹槽104a的表面形貌較好，并且子凹槽104a側(cè)壁延長線與第一襯底100表面的夾角的精度較高。

在其他實施例中，所述沿垂直于第一襯底100表面的切割線獲得的子凹槽104a的剖面形狀為“U”型、矩形或其他的形狀。

在其他實施例中，平行于半導(dǎo)體襯底100表面的切割線獲得的子凹槽104a的剖面形狀為多邊形或其他合適的形狀。

參考圖4，在所述刻蝕槽104的側(cè)壁和底部表面形成第一電極材料層105。

所述第一電極材料層105作為電容的一個電極。

本實施例中，所述第一電極材料層105的材料為摻雜的多晶硅，采用沉 積工藝形成的多晶硅材料的第一電極材料層105的均勻性較好，并且第一電極材料層105與第二介質(zhì)層103之間的應(yīng)力較小，提高形成的電容的性能。摻雜的多晶硅摻雜的雜質(zhì)離子為磷離子、砷離子、硼離子的一種。

研究發(fā)現(xiàn)，第一電極材料層105(摻雜的多晶硅)中雜質(zhì)離子的濃度不能太小，這樣會使得形成的電容的寄生電阻較大，電容的充放電的時間會增長，CMOS圖像傳感器信號傳遞會受到較大的影響。

另外，第一電極材料層105的厚度不能太薄，太薄的話寄生的阻值就太大，太厚的話會影響到電容大小。

本發(fā)明實施例中，所述第一電極材料層105中的雜質(zhì)離子的濃度為度為1E17atom/cm³～1E21atom/cm³，第一電極材料層105的厚度為200～1000埃。

所述形成第一電極材料層105的過程為：采用化學(xué)氣相沉積工藝形成覆蓋所述第二介質(zhì)層103表面以及刻蝕槽104側(cè)壁和底部表面的第一電極材料層；采用化學(xué)機(jī)械研磨工藝或回刻蝕工藝去除介質(zhì)層表面的第一電極材料層，刻蝕槽104內(nèi)剩余的第一電極材料層作為第一電極材料層105。

為了保證凹槽內(nèi)第一電極材料層不會受到化學(xué)機(jī)械研磨工藝或回刻蝕工藝的影響，在進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨工藝或回刻蝕工藝之前，在刻蝕槽104內(nèi)的第一電極材料層表面形成填充刻蝕槽的犧牲層，在化學(xué)機(jī)械研磨工藝或回刻蝕工藝之后，去除犧牲層。在一實施例中，所述犧牲層的材料可以為光刻膠或其他合適的犧牲材料。

在一實施例中，形成第一電極材料層的化學(xué)氣相沉積工藝采用的硅源氣體為SiH₄或SiH₂Cl₂，流量為10sccm～300sccm，反應(yīng)溫度為500～800攝氏度；反應(yīng)氣壓為10～100Torr，載氣為H₂，H₂的流量為0.1slm～40slm，以提高形成的第一電極材料層后續(xù)均勻性。

所述第一電極材料層中的雜質(zhì)離子可以在沉積工藝時通過原位摻雜或者沉積工藝后通過離子注入的方式形成。

需要說明的是，當(dāng)每個刻蝕槽中子凹槽的數(shù)量≥2個時，刻蝕槽的每個子凹槽中形成一個第一子電極材料層，相鄰子凹槽中的第一子電極材料層是分立的，該刻蝕槽中的若干第一子電極材料層構(gòu)成第一電極材料層，并且該刻 蝕槽內(nèi)的若干第一子電極材料層的底部與第一極板電連接。

本實施例中，每個刻蝕槽具有2個子凹槽，每個子凹槽中形成一個第一子電極材料層105a，2個第一子電極材料層105a構(gòu)成第一電極材料層105。

參考圖5，在所述第一電極材料層105表面和第二介質(zhì)層103的表面形成電介質(zhì)材料層106。

所述刻蝕槽內(nèi)的電介質(zhì)材料層106用于調(diào)節(jié)電容的介電常數(shù)；第二介質(zhì)層103表面上的電介質(zhì)材料層106用于作為第一電極材料層105與后續(xù)形成的第二極板之間的隔離層。

所述電介質(zhì)材料層106的材料為氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或高K介質(zhì)材料的一種或幾種。在一實施例中，所述高K介質(zhì)材料為HfO₂、TiO₂、HfZrO、HfSiNO、Ta₂O₅、ZrO₂、ZrSiO₂、Al₂O₃、SrTiO₃或BaSrTiO。

所述電介質(zhì)材料層106的形成工藝為原子層沉積工藝、等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積工藝、次壓化學(xué)氣相沉積工藝、濺射或者也可以為其他合適的沉積工藝或形成工藝。

本實施例中，所述電介質(zhì)材料層106的形成工藝為原子層沉積工藝，所述電介質(zhì)材料層106的厚度為10～500埃。

參考圖6，在刻蝕槽內(nèi)的電介質(zhì)材料層表面形成填充剩余刻蝕槽104(參考圖5)的第二電極材料層107；在所述電介質(zhì)材料層106上形成若干分立的第二極板110，每個第二極板110與相應(yīng)的第二電極材料層107電連接。

所述第二電極材料層107和第二極板110的材料為摻雜的多晶硅，多晶硅中的摻雜類型與第一電極材料層102的摻雜類型相同。為了便于區(qū)分，圖6中第二電極材料層107和第二極板110之間用虛線分開。

所述第一電極材料層107作為電容的另一個電極。所述第二極板110為電容與其他器件電連接的一個連接點，并且所述第二極板110將刻蝕槽104的若干子凹槽104a(參考圖5)中形成的分立的第二電極材料層107電連接，因而每個第二極板110和對應(yīng)的第一極板102之間并聯(lián)有若干電容，使得每個第二極板110和對應(yīng)的第一極板102之間的電容的電容值增大，從而減小 了CMOS圖像傳感器工作時的KTC噪音。

所述形成的第一極板102與后續(xù)與第三襯底上的圖像傳感單元的輸出端電連接，所述第二極板110后續(xù)與第二襯底上的信號處理電路一端電連接，第一極板102和第二極板110之間的電容用于存儲圖像傳感單元輸出的感應(yīng)電荷，在對運動的物體進(jìn)行拍攝時獲得清晰的影像。需要說明的是，本發(fā)明的形成的CMOS圖像傳感器可以用于全局快門(global shutter)的相機(jī)、攝像頭或者其他影像設(shè)備上，采用具有本實施例的CMOS圖像傳感器的相機(jī)、攝像頭或者其他影像設(shè)備對運動物體進(jìn)行拍攝時，使獲得的影像不會變形。

本實施例中，所述第二極板110和第二電極材料層107同時形成，具體過程為：形成覆蓋所述電介質(zhì)材料層106的摻雜的多晶硅層，所述摻雜的多晶硅層填充滿刻蝕槽；采用平坦化工藝(比如化學(xué)機(jī)械研磨工藝)平坦化的摻雜的多晶硅層的表面；在所述平坦化后的摻雜的多晶硅表面形成掩膜層，所述掩膜層覆蓋刻蝕槽上的摻雜的多晶硅層的表面；以所述掩膜層為掩膜，刻蝕所述摻雜的多晶硅層，在所述刻蝕槽中的電介質(zhì)材料層106表面上形成第二電極材料層107，且第二電極材料層107填充滿刻蝕槽，并同時在第二電極材料層107表面上形成第二電極110。

需要說明的是，當(dāng)每個刻蝕槽中子凹槽的數(shù)量≥2個時，在每個子凹槽中的電介質(zhì)材料層上形成一個第二子電極材料層，相鄰第二子電極材料層是相互分立的，所述若干第二子電極材料層構(gòu)成第二電極材料層，一個第二電極將一個刻蝕槽中的若干第二子電極材料層電連接。

本實施例中，每個刻蝕槽中子凹槽的數(shù)量為2個，每個子凹槽中的電介質(zhì)材料層上形成一個第二子電極材料層107a，2個第二子電極材料層107a構(gòu)成一個第二電極材料層，一個第二電極110將兩個第二子電極材料層107a電連接。

參考圖7和圖8，形成覆蓋所述第二極板110和電介質(zhì)材料層106的第三介質(zhì)層108，所述第三介質(zhì)層108中形成有若干第一金屬互連結(jié)構(gòu)109，每個第一金屬互連結(jié)構(gòu)109與相應(yīng)的第二極板110電連接。

所述第三介質(zhì)層108的材料為氧化硅、氮化硅或其他合適的介質(zhì)材料。

所述第三介質(zhì)層108可以為單層或多層(≥2層)堆疊結(jié)構(gòu)。

所述第一金屬互連結(jié)構(gòu)109用于將第二極板110的電連接點引出，并且所述第一金屬互連結(jié)構(gòu)109還用于第二襯底上的第二金屬互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行金屬鍵合，提高了鍵合的強(qiáng)度和圖像傳感器機(jī)械穩(wěn)定性，進(jìn)一步所述第一金屬互連結(jié)構(gòu)還作為光的遮蔽層，防止入射的光對第二襯底上的信號處理電路產(chǎn)生影響(由于第二襯底上的信號處理電路中包括若干晶體管，晶體管包括形成第二襯底內(nèi)的若干摻雜區(qū)，比如源漏區(qū)，摻雜區(qū)在受到光照時可能會產(chǎn)生感應(yīng)電荷，影響了晶體管的性能)。

所述第一金屬互連結(jié)構(gòu)109的材料可以為Cu、W、Al或其他合適的導(dǎo)電金屬或合金。

本實施例中，所述第一金屬互連結(jié)構(gòu)109為雙大馬士革或者單大馬士革互連結(jié)構(gòu)，所述第一金屬互連結(jié)構(gòu)109的形成過程為：刻蝕去除部分厚度的第三介質(zhì)層108，在第三介質(zhì)層108中形成若干凹槽，每個凹槽相應(yīng)的位于第二極板110上方；刻蝕凹槽底部的部分第三介質(zhì)層，在凹槽底部的第三介質(zhì)層中形成暴露出第二極板表面的至少兩個刻蝕孔，所述刻蝕孔與凹槽相互貫穿；在所述凹槽和刻蝕孔中填充金屬，形成第一金屬互連結(jié)構(gòu)109，所述第一金屬互連結(jié)構(gòu)109的表面與第三介質(zhì)層108的表面齊平。

在其他實施例中，所述第一金屬互連結(jié)構(gòu)也可以為金屬層和與金屬層電連接的金屬插塞構(gòu)成。在一實施例中，所述金屬層可以為多層結(jié)構(gòu)，相鄰層的金屬層之間通過金屬插塞電連接。

參考圖9，提供第二襯底200，所述第二襯底200上形成有若干分立的信號處理電路(圖中未示出)；形成覆蓋所述第二襯底200的第四介質(zhì)層201，所述第四介質(zhì)層201中形成有若干分立的第二金屬互連結(jié)構(gòu)202，每個第二金屬互連結(jié)構(gòu)202與相應(yīng)的信號處理電路電連接。

所述信號處理電路用于對后續(xù)第三襯底上形成的圖像傳感單元感應(yīng)產(chǎn)生的電信號進(jìn)行處理。

所述信號處理電路的數(shù)量可以為多個，信號處理電路用于對圖像傳感單元產(chǎn)生的電信號進(jìn)行處理。

所述信號處理電路通過集成工藝形成在第二襯底200上。在一實施例中，所述信號處理電路為集成電路，包括若干半導(dǎo)體器件和將若干半導(dǎo)體器件電連接的互連結(jié)構(gòu)。所述半導(dǎo)體器件包括有源器件(如晶體管等)和/或無源器件(如電阻、電容等)，所述互連結(jié)構(gòu)包括金屬插塞和與金屬插塞電連接的金屬線。

在一實施例中，所述第二襯底200可以包括半導(dǎo)體襯底和位于半導(dǎo)體襯底上的介質(zhì)層。所述半導(dǎo)體襯底的材料可以為硅、硅鍺、絕緣體上硅或其他合適的半導(dǎo)體材料，所述半導(dǎo)體襯底上形成有緣器件，所述介質(zhì)層可以為單層或多層堆疊結(jié)構(gòu)，所述介質(zhì)層中形成有互連結(jié)構(gòu)和無源器件。

所述第四介質(zhì)層201覆蓋所述第二襯底200，所述第四介質(zhì)層201的材料可以為氧化硅、氮化硅或其他合適的介質(zhì)材料。在一實施例中第四介質(zhì)層201可以通過化學(xué)氣相沉積工藝形成在第二襯底200上。

所述第二金屬互連結(jié)構(gòu)202的表面與第四介質(zhì)層201的表面齊平，所述第二金屬互連結(jié)構(gòu)202的數(shù)量為多個，每個第二金屬互連結(jié)構(gòu)202與相應(yīng)的信號處理電路電連接，第二金屬互連結(jié)構(gòu)202作為信號處理電路與前述形成的電容的連接端口，并且所述第二金屬互連結(jié)構(gòu)202用于與前述形成的第一金屬互連結(jié)構(gòu)109(參考圖8)通過金屬鍵合工藝鍵合連接，以提高形成的CMOS圖像傳感器的各層之間的鍵合強(qiáng)度和機(jī)械穩(wěn)定性。

本實施例中，所述第二金屬互連結(jié)構(gòu)202為雙大馬士革或者單大馬士革互連結(jié)構(gòu)。在其他實施例中，所述第二金屬互連結(jié)構(gòu)可以采用有金屬線和與金屬線電連接的金屬插塞構(gòu)成的互連結(jié)構(gòu)。

參考圖10，將第三介質(zhì)層108與第四介質(zhì)層201鍵合，第三介質(zhì)層108中的第一金屬互連結(jié)構(gòu)109與第四介質(zhì)層201中的第二金屬互連結(jié)構(gòu)202鍵合，第一金屬互連結(jié)構(gòu)109與第二金屬互連結(jié)構(gòu)202電連接。

所述第三介質(zhì)層108和第四介質(zhì)層201通過融合鍵合工藝鍵合，所述第一金屬互連結(jié)構(gòu)109與第二金屬互連結(jié)構(gòu)202通過金屬鍵合工藝鍵合，本發(fā)明實施例中，通過雙鍵合工藝提高了鍵合面的鍵合強(qiáng)度和機(jī)械穩(wěn)定性。

本實施例中，先進(jìn)行融合鍵合，再進(jìn)行金屬鍵合，金屬鍵合的溫度為 350～450攝氏度。

參考圖11和圖12，鍵合后，去除第一襯底200(參考圖10)，在第一介質(zhì)層101中形成第三金屬互連結(jié)構(gòu)112，所述第三金屬互連結(jié)構(gòu)112與第二極板102電連接。

所述第三金屬互連結(jié)構(gòu)112與第二極板102電連接并將第二極板102的連接點引出，并且所述第三金屬互連結(jié)構(gòu)112后續(xù)還與第三襯底上的第四金屬互連結(jié)構(gòu)通過金屬鍵合工藝鍵合(即將圖像傳感單元的輸出電連接值電容的一個極板，電容對圖像傳感單元輸出的光生電荷進(jìn)行存儲)，提高鍵合面的鍵合強(qiáng)度，更進(jìn)一步，所述第三金屬互連結(jié)構(gòu)112還用于阻擋外部的光線向下(電容和信號處理電路所在的方向)傳輸而產(chǎn)生影響(比如在摻雜的硅材料中容易產(chǎn)生感應(yīng)電荷)，影響電容和信號處理電路的性能。

本實施例中，所述第三金屬互連結(jié)構(gòu)112為雙大馬士革或者單大馬士革互連結(jié)構(gòu)。在其他實施例中，所述第三金屬互連結(jié)構(gòu)為金屬層和與金屬層電連接的金屬插塞構(gòu)成的互連結(jié)構(gòu)。

參考圖13，提供第三襯底300，所述第三襯底300上形成有若干分立的圖像傳感單元303。

每個圖像傳感單元為圖像傳感器的像素，一個圖像傳輸晶體管包括感光二極管和若干個晶體管，所述感光二極管用于感應(yīng)外部光線，產(chǎn)生光生載流子，若干晶體管用于對光生載流子的采集和傳輸過程等進(jìn)行控制。

在一實施例中，所述圖像傳感單元包括一個感光二極管和3個或4個晶體管，稱為3T型或4T型。以4T型圖像傳感單元作為示例，請參考圖15，所述4T型圖像傳感器包括：4個MOS晶體管和1個光電二極管PD，所述4個MOS晶體管分別為復(fù)位晶體管M1、放大晶體管M2、選擇晶體管M3的和傳輸晶體管M4。如圖15所示的4T型圖傳感器的像素單元的工作過程為：首先，在接收光照前，復(fù)位晶體管M1和傳輸晶體管M4導(dǎo)通，其他晶體管關(guān)斷，對所述浮置擴(kuò)散區(qū)FD和光電二極管PD進(jìn)行復(fù)位；然后，所有晶體管關(guān)斷，光電二極管PD接收光照，并且進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換形成光生載流子；然后傳輸晶體管M4導(dǎo)通，其他晶體管關(guān)斷，光生載流子自光電二極管PD轉(zhuǎn)移到浮置擴(kuò)散 區(qū)FD；接著，放大晶體管M2和選擇晶體管M3導(dǎo)通，光生載流子依次從浮置擴(kuò)散區(qū)FD經(jīng)過放大晶體管M2和選擇晶體管M3輸出，完成一次光信號的采集與傳輸。

所述圖像傳感單元303的形成過程采用半導(dǎo)體集成制作工藝形成，具體過程請參考現(xiàn)有的圖像傳感單元的形成過程。需要說明的是，本發(fā)明形成的圖像傳感單元為背照式(BSI)圖像傳感單元，即外部光線是從第三襯底300(參考圖13)的背面入射，而晶體管以及將晶體管相連的互連結(jié)構(gòu)形成在第三襯底300的正面上，以提高形成的圖像傳感器的集成度。

請繼續(xù)參考圖13，在形成圖像傳感單元303后，在所述第三襯底300上形成第五介質(zhì)層301，所述第五介質(zhì)層301中形成有若干分立的第四金屬互連結(jié)構(gòu)304，所述第四金屬互連結(jié)構(gòu)304與圖像傳感單元303(的輸出端)電連接。

所述第四金屬互連結(jié)構(gòu)304的表面與第五介質(zhì)層301的表面齊平。

本實施例中，所述第四金屬互連結(jié)構(gòu)304為雙大馬士革或者單大馬士革互連結(jié)構(gòu)。在其他實施例中，所述第四金屬互連結(jié)構(gòu)為金屬層和與金屬層電連接的金屬插塞構(gòu)成的互連結(jié)構(gòu)。

本實施例中每個第四金屬互連結(jié)構(gòu)304與一個圖像傳感單元303電連接。在其他實施例中每個第四金屬互連結(jié)構(gòu)可以與至少兩個圖像傳感單元電連接。

參考圖14，將第一介質(zhì)層101和第五介質(zhì)層301鍵合，第一介質(zhì)層101中的第三金屬互連結(jié)構(gòu)112與第五介質(zhì)層301中的第四金屬互連結(jié)構(gòu)304鍵合，第三金屬互連結(jié)構(gòu)112與第四金屬互連結(jié)構(gòu)304電連接。

所述第一介質(zhì)層101和第五介質(zhì)層301通過融合鍵合工藝鍵合，所述第三金屬互連結(jié)構(gòu)112與第四金屬互連結(jié)構(gòu)304通過金屬鍵合工藝鍵合，本發(fā)明實施例中，通過雙鍵合工藝提高了鍵合面的鍵合強(qiáng)度和機(jī)械穩(wěn)定性。

本實施例中，在進(jìn)行鍵合時，先進(jìn)行融合鍵合，再進(jìn)行金屬鍵合，金屬鍵合的溫度為350～450攝氏度。

本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的形成方法，底層信號處理層(包括信號處理電路)、中間電容層(包括電容)、圖像傳感器層(包括圖像傳感單元)通過獨立的工藝形成，然后通過鍵合工藝將底層信號處理層、中間電容層、圖像傳感器層鍵合形成堆疊的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)圖像傳感器層與中間電容層電連接以及中間電容層與信號處理層的電連接，由于制作過程中，信號處理電路和電容制作在不同于圖像傳感單元所在的襯底上，因而第三襯底上圖像傳感單元的感光區(qū)面積可以做得更大，在保證CMOS圖像傳感器集成度較高的同時，提高了CMOS圖像傳感器的填充因子(fill factor)；并且中間電容層中的電容的第一電極材料層位于刻蝕槽的側(cè)壁和底部表面，第一電極材料層的面積增大，提高了形成的電容的電容值的大小，有利于減小CMOS圖像傳感器工作時產(chǎn)生的熱噪音(KTC噪音)；并且第一金屬互連結(jié)構(gòu)、第二金屬互連結(jié)構(gòu)、第三金屬互連結(jié)構(gòu)、第四金屬互連結(jié)構(gòu)除了作為電連接結(jié)構(gòu)外，第一金屬互連結(jié)構(gòu)、第二金屬互連結(jié)構(gòu)、第三金屬互連結(jié)構(gòu)、第四金屬互連結(jié)構(gòu)還用于阻擋外部的光線向下(電容和信號處理電路所在的方向)傳輸而產(chǎn)生影響(比如在摻雜的硅材料中容易產(chǎn)生感應(yīng)電荷)，影響電容和信號處理電路的性能；進(jìn)一步，鍵合采用通過雙鍵合工藝(融合鍵合工藝和金屬鍵合工藝)，提高了鍵合面的鍵合強(qiáng)度和機(jī)械穩(wěn)定性。

本發(fā)明實施例還提供了一種CMOS圖像傳感器，請參考圖14，包括：

底層信號處理層，所述底層信號處理層包括：第二襯底200，所述第二襯底200上形成有若干分立的信號處理電路(圖中未示出)；位于所述第二襯底200上的第四介質(zhì)層201，所述第四介質(zhì)層201中形成有若干分立的第二金屬互連結(jié)構(gòu)202，每個第二金屬互連結(jié)構(gòu)202與相應(yīng)的信號處理電路電連接；

位于底層信號處理層上的中間電容層，所述中間電容層包括：介質(zhì)層；位于介質(zhì)層中的若干電容，每個電容從上到下包括：第一極板102、與第一極板102電連接的倒“V”型或“U”型的第一電極材料層105、與第一電極材料層105相對的第二電極材料層107、位于第一電極材料層105和第二電極材料層107之間的電介質(zhì)材料層106；位于介質(zhì)層中與第一極板102電連接的第三金屬互連結(jié)構(gòu)112，第三金屬互連結(jié)構(gòu)112位于第一極板102上方；位于介質(zhì)層中與第二極板110電連接的第一金屬互連結(jié)構(gòu)109，第一金屬互連結(jié)構(gòu) 109位于第二極板110下方，且所述第一金屬互連結(jié)構(gòu)109與第二金屬互連結(jié)構(gòu)202鍵合連接；

位于中間電容層上的圖像傳感器層，所述圖像傳感器層包括第三襯底300，所述第三襯底300正面上形成有若干分立的圖像傳感單元303；位于第三襯底300正面上的第五介質(zhì)層301，所述第五介質(zhì)層301中形成有若干分立的第四金屬互連結(jié)構(gòu)304，所述第四金屬互連結(jié)構(gòu)304的一端與圖像傳感單元(的輸出端)電連接，第四金屬互連結(jié)構(gòu)304的另一端與第三金屬互連結(jié)構(gòu)112鍵合連接。

具體的，所述介質(zhì)層包括第三介質(zhì)層108、位于第三介質(zhì)層108上的第二介質(zhì)層103、位于第二介質(zhì)層103上的第一介質(zhì)層101。其中，第一金屬互連結(jié)構(gòu)109和第二極板110位于第三介質(zhì)層108中，第一極板102、第一電極材料層105、部分電介質(zhì)材料層106、第二電極材料層107位于第二介質(zhì)層103中，第三互連結(jié)構(gòu)112位于第一介質(zhì)層101中。

每個倒“V”型或“U”型的第一電極材料層105包括至少一個倒“V”型或“U”型的第一子電極材料層。

在一實施例中，每個倒“V”型或“U”型的第一電極材料層中倒“V”型或“U”的第一子電極材料層數(shù)量≥2個時，若干“V”型或“U”型的第一子電極材料層的底端通過第一極板電連接，相鄰倒“V”型或“U”型的第一子電極材料層的開口端是相互分立的，每個倒“V”型或“U”型第一子電極材料層與介質(zhì)層中一個第二子電極材料層對應(yīng)，相鄰第二子電極材料層之間是相互分立的，每個第二子電極材料層位于相應(yīng)的第一子電極材料層的“V”型或“U”型口內(nèi)，第一子電極材料層和第二子電極材料層之間通過電介質(zhì)材料層隔離，若干第二子電極材料層構(gòu)成第二電極材料層，若干第二子電極材料層一端通過一個第二極板電連接。

本實施例中，以每個倒“V”型的第一電極材料層包括2個倒“V”型的第一子電極材料層作為示例，2個“V”型的第一子電極材料層的底端通過第一極板102電連接，相鄰倒“V”型的第一子電極材料層的開口端是相互分立的，每個倒“V”型的第一子電極材料層與介質(zhì)層中一個第二子電極材料層對 應(yīng)，相鄰第二子電極材料層之間是相互分立的，每個第二子電極材料層位于相應(yīng)的第一子電極材料層的“V”型口內(nèi)，第一子電極材料層和第二子電極材料層之間通過電介質(zhì)材料層106隔離，2個第二子電極材料層構(gòu)成第二電極材料層，2個第二子電極材料層一端通過一個第二極板110電連接。

所述第一金屬互連結(jié)構(gòu)109與第二金屬互連結(jié)構(gòu)202通過金屬鍵合工藝鍵合連接，第四金屬互連結(jié)構(gòu)304與第三金屬互連結(jié)構(gòu)112通過金屬鍵合工藝鍵合連接，介質(zhì)層與第四介質(zhì)層201和第五介質(zhì)層301通過融合鍵合工藝鍵合連接。

需要說明的是，所述第一電極材料層還可以為其他具有凹陷狀的形狀。

所述第二極板110和第一極板102的材料為摻雜多晶硅或金屬。

所述第二電極材料層107和第一電極材料層105的材料為摻雜的多晶硅。

所述第一電極材料層105的厚度為200～1000埃，所述第一電極材料層105中雜質(zhì)離子的濃度為1E17atom/cm³～1E21atom/cm³。

雖然本發(fā)明披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求所限定的范圍為準(zhǔn)。