一種CMOS圖像傳感器的製作方法
2023-06-23 03:57:26 1
本實用新型涉及半導體技術領域，特別涉及一種CMOS圖像傳感器。
背景技術：
圖像傳感器是組成數字攝像頭的重要組成部分。根據元件的不同，可分為CCD(Charge Coupled Device，電荷耦合元件)和CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金屬氧化物半導體元件)兩大類。隨著CMOS集成電路製造工藝特別是CMOS圖像傳感器設計及製造工藝的不斷發展，CMOS圖像傳感器已經逐漸取代CCD圖像傳感器成為主流。CMOS圖像傳感器相比較具有工業集成度更高、功率更低等優點。
在現有的CMOS圖像傳感器產品中，世界各地集成電路設計公司和製造廠的工藝不盡相同，卻有一個共同的特點，即後端金屬布線不少於三層。對於感光區，從晶片表面到感光表面的距離比較大，這就使入射光線必須經過一個較長的路程才能被感光區吸收，不僅光線衰減較大，而且使晶片的CRA(Chief Ray Angle:主光線與成像面法線方向的夾角)不能太大，從而影響了圖像傳感器的廣泛應用。
另外光在傳播的過程中，由於不同介質層的存在，使得光會發生反射、折射，從而使得光產生損失，造成能量減小，這樣從晶片表面到達光電二極體底部的電子數目減小，降低了光的感度，影響了圖像傳感器的性能。
技術實現要素：
本實用新型的目的在於提供一種CMOS圖像傳感器，能夠提高感光區的光接收總量，提高圖像顯示效果。
本實用新型的技術方案是一種CMOS圖像傳感器，包括外圍電路與內部電路，所述外圍電路與內部電路均包括襯底、位於襯底上的各層金屬層以及位於頂層的金屬層上的鈍化層，其特徵在於，所述內部電路鈍化層的厚度小於所述外圍電路鈍化層的厚度。
進一步的，還包括位於所述各層金屬層之間以及底層的金屬層與所述襯底之間的介質層。
進一步的，所述內部電路的襯底內形成有光電二極體。
進一步的，所述光電二極體上的介質層採用的材料為高折射率材料，所述高折射率材料能使入射至其中的光線在傳輸過程中發生全反射。
進一步的，所述光電二極體上的鈍化層採用的材料為高折射率材料，所述高折射率材料能使入射至其中的光線在傳輸過程中發生全反射。
進一步的，所述高折射率材料為氧化矽。
與現有技術相比，本實用新型提供的CMOS圖像傳感器具有以下有益效果：
1、本實用新型通過刻蝕減薄內部電路上鈍化層的厚度，使內部電路感光區的厚度比外圍電路薄，在不影響外圍電路金屬布線和感光區功能的情況下，有效地減小了感光區入射光線到光電二極體表面的傳輸距離，減少了光路傳輸過程中因光電子吸收和散射而產生的損失，提高了入射光線的透光率並增大了CAR的範圍；
2、本實用新型通過對光電二極體上的介質層與鈍化層進行刻蝕，並填充高折射率材料，使入射光線在所述高折射率材料中發生全反射，從而減小入射光因反射或折射而產生的損失，提高光電二極體的感光度，從而提高圖像的顯示效果。
附圖說明
圖1為本實用新型實施例一所提供的CMOS圖像傳感器的橫截面示意圖。
圖2為本實用新型實施例一所提供的CMOS圖像傳感器的橫截面示意圖。
圖3為本實用新型實施例二所提供的CMOS圖像傳感器的製作方法的流程圖。
具體實施方式
為使本實用新型的內容更加清楚易懂，以下結合說明書附圖，對本實用新型的內容做進一步說明。當然本實用新型並不局限於該具體實施例，本領域的技術人員所熟知的一般替換也涵蓋在本實用新型的保護範圍內。
其次，本實用新型利用示意圖進行了詳細的表述，在詳述本實用新型實例時，為了便於說明，示意圖不依照一般比例局部放大，不應對此作為本實用新型的限定。
本實用新型的核心思想是：通過刻蝕減薄內部電路上鈍化層的厚度，使內部電路感光區的厚度比外圍電路薄，在不影響外圍電路金屬布線和感光區功能的情況下，有效地減小了感光區入射光線到光電二極體表面的傳輸距離，減少了光路傳輸過程中因光電子吸收和散射而產生的損失，提高了入射光線的透光率並增大了CAR的範圍。
【實施例一】
圖1為本實用新型實施例一所提供的CMOS圖像傳感器的橫截面示意圖，如圖1所示，本實用新型提出一種CMOS圖像傳感器10，包括外圍電路11與內部電路12，所述外圍電路11與內部電路12內均包括襯底100、位於襯底上的各層金屬層M1、M2、……、Mn，圖1中僅示出三層，底層的金屬層M1、中間的金屬層M2及頂層的金屬層M3，以及位於所述頂層的金屬層M3上的鈍化層102，所述內部電路12中鈍化層102的厚度小於所述外圍電路11中鈍化層102的厚度。
所述CMOS圖像傳感器10還包括位於所述各層金屬層之間以及所述底層的金屬層M1與所述襯底100之間的介質層101。並且在所述內部電路12的襯底100內形成有光電二極體121，所述光電二極體121所在的區域為感光區。
所述內部電路12中鈍化層102的厚度小於所述外圍電路11中鈍化層102的厚度，使得內部電路12感光區的厚度比外圍電路的厚度11薄，在不影響外圍電路11金屬布線和感光區功能的情況下，有效地減小了感光區入射光線到光電二極體表面的傳輸距離，減少了光路傳輸過程中因光電子吸收和散射而產生的損失，提高了入射光線的透光率並增大了CAR的範圍。
優選的，所述光電二極體121上的介質層為高折射率材料，所述高折射率材料能夠使入射至其中的光線在傳輸過程中發生全反射。優選的，所述光電二極體121上的鈍化層為高折射率材料，所述高折射率材料能夠使入射至其中的光線在傳輸過程中發生全反射。最佳的，位於所述光電二極體121上方的介質層及鈍化層均為高折射率材料，如圖2中所示，在所述光電二極體121上方的鈍化層102、介質層101中形成溝槽122，並在其中填充高折射率材料。在感光區，入射至所述高折射率材料的光線在傳輸過程中發生全反射，從而減小入射光因反射折射而產生的損失，提高光電二極體的感光度，提高圖像的顯示效果。
所述高折射率材料的折射率大於相鄰的介質層及鈍化層的折射率，入射至所述高折射率材料中的光線在其中進行反射或折射時，是由光密介質射向光疏介質，當入射角超過某一角度C(臨界角)時，折射光完全消失，只剩下反射光線，即光線在所述高折射率材料中發生全反射，直至光線進入光電二極體121。所述高折射率材料為透明材料，不會對入射光線產生影響，可以是使入射光在其中產生全反射的任何材料，需要根據與所述高折射率材料相鄰的介質層或鈍化層的折射率來確定，一般可以選擇含有矽和氧的化合物，例如氧化矽，根據矽與氧含量的不同來實現不同的折射率。
需要說明的是，在本實用新型實施例提供的上述CMOS圖像傳感器中，所述外圍電路11的金屬層的層數為三層，所述內部電路12的金屬層的層數為兩層，在具體實施例中，可以根據實際情況，選擇不同層數的金屬層，在此不作限定。
本實施例主要通過降低內部電路感光區的厚度來減少入射光的傳輸距離，然後通過將光電二極體上方的材質更換為高折射率材料，使光線發生全反射來減小因入射光反射或折射而產生的損失，在本實施例中，所述兩種方案同時實施，可以理解的是，在其他實施例中，可以根據實際的工藝條件只實施一種。
【實施例二】
圖3為本實用新型實施例二所提供的CMOS圖像傳感器的製作方法的流程圖，如圖3所示，本實用新型提出一種CMOS圖像傳感器的製作方法，包括以下步驟：
步驟S01：提供一襯底100，在所述襯底100上形成各層金屬層；
步驟S02：在頂層金屬層上沉積鈍化層102；
步驟S03：通過刻蝕減薄內部電路12上所述鈍化層102的厚度。
具體的，在步驟S01中，提供一襯底100，所述襯底100可以是矽襯底，比如單晶矽、多晶矽或非晶矽中的一種，也可以是絕緣體上矽(Silicon On Insulator，SOI)，還可以是矽鍺化合物。本實施例中，所述襯底100為矽襯底。所述矽襯底包括外圍電路11與內部電路12，需要說明的是，在所述內部電路12中的襯底100上已經形成有柵極、源極和漏極等半導體結構(圖中未示出)，該半導體結構通過金屬互連結構及焊墊結構可以與外界電連，從而實現器件的各種功能，所述內部電路12的襯底上還形成有光電二極體121，所述光電二極體121所在的區域為感光區。
接著，通過在所述襯底100上進行介質層沉積和平坦化、通孔及金屬層工藝，並重複該步驟在所述襯底100上形成各層金屬層。詳細的，在所述襯底100上進行介質層101化學氣相沉積與平坦化，然後進行通孔及金屬層工藝，形成底層的金屬層M1，然後重複進行介質層101沉積和平坦化、通孔及金屬層工藝，形成中間的金屬層M2以及頂層的金屬層M3，或者形成所需數量的金屬層。
在步驟S02中，在頂層金屬層M3上沉積鈍化層102。形成所述鈍化層102的工藝方法包括但不限於物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)或原子層沉積(ALD)工藝。
在步驟S03中，通過刻蝕減薄內部電路12上所述鈍化層102的厚度。在所述鈍化層102上沉積一層光刻膠，通過曝光與顯影，形成圖形化的光刻膠，暴露出所述內部電路12上的鈍化層，以圖形化的光刻膠為掩膜，刻蝕掉部分厚度的所述鈍化層102，使得所述內部電路12上的鈍化層的厚度小於所述外圍電路11上的鈍化層的厚度。所述內部電路12上保留的鈍化層的厚度範圍可以為例如或者根據實際的工藝條件，儘可能多的刻蝕所述鈍化層102，所述鈍化層越薄，則內部電路12感光區的厚度越薄，從而有效地減小感光區入射光線到光電二極體表面的傳輸距離，減少光路傳輸過程中的因光電子吸收和散射而產生的損失，提高了入射光線的透光率並增大了CAR的範圍。
優選的，在步驟S02之前還包括：對所述光電二極體121上的介質層101進行刻蝕，停止在所述襯底100之上，形成溝槽，並在所述溝槽中填充高折射率材料，所述高折射率材料能使入射至其中的光線發生全反射。由此減少入射光的損失。
優選的，也可以在步驟S02之後，對所述光電二極體121上的鈍化層102、介質層101進行刻蝕，停止在所述襯底100之上，在所述光電二極體121上形成溝槽，然後在所述溝槽中填充高折射率材料，所述高折射率材料能使入射至其中的光線發生全反射，從而儘可能的較少、入射光的損失，提高光電二極體的感光度，提高圖像的顯示效果。
所述高折射率材料的折射率大於相鄰的介質層及鈍化層的折射率，入射至所述高折射率材料中的光線在其中進行反射或折射時，是由光密介質射向光疏介質，當入射角超過某一角度C(臨界角)時，折射光完全消失，只剩下反射光線，即光線在所述高折射率材料中發生全反射，直至光線進入光電二極體121。所述高折射率材料為透明材料，不會對入射光線產生影響，可以是使入射光在其中產生全反射的任何材料，需要根據與所述高折射率材料相鄰的介質層或鈍化層的折射率來確定，一般可以選擇含有矽和氧的化合物，例如氧化矽，根據矽與氧含量的不同來實現不同的折射率。
綜上所述，本實用新型提供的CMOS圖像傳感器及其製作方法，通過刻蝕減薄內部電路上鈍化層的厚度，使內部電路感光區的厚度比外圍電路薄，在不影響外圍電路金屬布線和感光區功能的情況下，有效地減小了感光區入射光線到光電二極體表面的傳輸距離，減少了光路傳輸過程中因光電子吸收和散射而產生的損失，提高了入射光線的透光率並增大了CAR的範圍；本實用新型通過對光電二極體上的介質層與鈍化層進行刻蝕，填充高折射率材料，使入射光線在所述高折射率材料中發生全反射，從而減小入射光因反射或折射而產生的損失，提高光電二極體的感光度，從而提高圖像的顯示效果。
上述描述僅是對本實用新型較佳實施例的描述，並非對本實用新型範圍的任何限定，本實用新型領域的普通技術人員根據上述揭示內容做的任何變更、修飾，均屬於權利要求書的保護範圍。