減少cmos圖像傳感器中光學串擾的方法和設備的製作方法

2023-04-24 11:39:11

專利名稱：減少cmos圖像傳感器中光學串擾的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種CMOS圖像傳感器及像素，更具體地講，本發 明涉及一種改善了光學串擾的CMOS圖像傳感器及像素。
背景技術：
圖像傳感器已經變得無處不在，它們被廣泛地用於數位照相機、 可攜式電話、保密照相機、醫療器械、汽車和其它應用場合。製造圖 像傳感器的技術、特別是CMOS (互補型金屬氧化半導體)圖像傳感 器持續地快速發展。例如，高解析度和低能耗的要求促進了圖像傳感 器的進一步的小型化及集成。
通常，圖像傳感器的每個像素包括一感光元件如光電二極體以及 一個或多個用於從感光元件中讀出信號的電晶體。CMOS圖像傳感器 採用金屬導線將各個像素與其它像素及輸出端連接。這些金屬導線 (也可稱為金屬互連件)通常位於矽的不同層中，以便與電晶體的不 同部分相連接並形成有效的通路。
這些圖像傳感器的一個重要問題是光學串擾。當本應照射到某個 像素上的光線照射到其它像素(通常是相鄰的像素)上時，就會發生 光學串擾。這造成了圖像中的偽像成分，而且不能在圖像處理過程中 得以糾正。導致光學串擾的一個通常原因是矽反射的和/或金屬導線 反射的光線隨後照射到 一個遠處的像素上。

發明內容
本發明的目的是提供一種可改善光學串擾性能的CMOS圖像傳 感器、像素及其製造方法。
為了實現上述的發明目的， 一方面，本發明提供了一種CMOS 像素陣列，其包括
排列並形成於半導體基底上的若干像素；以及
位於像素上方的金屬互連件，該金屬互連件的至少一側的至少一 部分包覆有防反射塗層。
優選地，金屬互連件在其所有側面上包覆有防反射塗層；防反射 塗層是吸收光的塗層；上述若干像素可以是3T、 4T、 5T、 6T或7T 像素；金屬互連件可以被設置在像素上方的多個層面上。
本發明中，防反射塗層的厚度可以由入射光線的預期入射角度和
預期波長決定。選擇入射光線的預期入射角度和預期波長，可以降低 對來自鄰近像素的光線的反射。預期的入射角度e可由以下公式決定
- tarT， ^
A
其中，w是從像素中心到金屬互連件中心的距離，而h是金屬互連件 在像素之上的高度。
進一步地，金屬互連件可以包覆有多層防反射塗層。
進一步地，對防反射塗層的厚度進行選擇，以降低對具有標準 RGB色彩編碼方案中的紅色、綠色和藍色光線波長的光線的反射。
另一方面，為了實現本發明的目的，本發明還提供了一種用於形 成CMOS像素陣列的方法，其包括
在半導體基底上形成^f象素；
在像素上方形成電介質；
在金屬互連件模版(pattern)所需的位置處形成通道； 形成底層導電防反射塗層； 在該防反射塗層的上方形成金屬層；以及以金屬互連件模版所需的圖案形狀(pattern)來定形防反射塗層 和金屬層。
上述的方法可進一步包括如下步驟在定形金屬互連件形狀之 前，在金屬層的上方形成頂層絕緣防反射塗層。
上述的方法還可進一步包括如下步驟在金屬層上方形成頂層絕 緣防反射塗層，並以金屬互連件模版所需的圖案來定形頂層防反射塗 層。
上述方法中，形成電介質層、形成通道、形成底層防反射塗層、 形成金屬層以及定形防反射層和金屬層的步驟，可以進行必要的重 復，以形成晶片工作所需要的金屬互連件。
優選地，上述方法中所用的金屬為鋁；導電防反射塗層可以為氧 化錫、銦錫氧化物或者氧化銦；絕緣防反射塗層可以為氮化矽。
本發明還進一步提供了一種如下的、用於形成CMOS像素陣列 的方法，其包括
在半導體基底上形成像素；
在像素上方形成電介質；
在電介質層塗層的上方形成金屬層；
形成頂層絕緣防反射塗層；以及
以金屬互連件模版所需的圖案或形狀來對防反射塗層和金屬層 進行定形。
本發明還進一步提供了一種如下的、用於形成CMOS像素陣列 的方法，其包括
在半導體基底上形成像素；
在像素上方形成電介質；
在電介質層上方形成金屬層；
以金屬互連件模版所需的圖案來定形金屬層；
形成頂層導電防反射塗層；以及
以金屬互連件模版所需的圖案來定形防反射塗層。
本發明還進一步提供了 一種如下的、用於形成CMOS像素陣列 的方法，其包括在半導體基底上形成像素；
在像素上方形成電介質； 形成底層絕緣防反射塗層； 在金屬互連件模版所需的位置處形成通道； 在防反射塗層的上方形成金屬層；以及 以金屬互連件模版所需的圖案來定形底層絕緣防反射塗層和金 屬層。
上述的方法可進一步包括在定形金屬互連件形狀之前，在金屬 層的上方形成頂層絕緣防反射塗層。
上述的方法還可進一步包括在金屬層上方形成頂層絕緣防反射 塗層，並以金屬互連件模版所需的圖案按理定形頂層防反射塗層。
本發明還進一步提供了一種如下的、用於形成CMOS像素陣列 的方法，其包括
在半導體基底上形成像素；
在像素上方形成電介質；
在金屬互連件模版所需的位置處形成通道；
以金屬互連件模版所需的圖案形狀移除電介質；
在電介質層上方形成導電防反射塗層；
在導電防反射塗層的上方形成金屬層；以及
進行拋光(或平整)處理，以移除電介質平面上方的防反射塗層 和金屬。
優選地，上述方法中所使用的金屬為銅。 本發明還進一步提供了一種如下的、用於形成CMOS 4象素陣列 的方法，其包括
在半導體基底上形成像素； 在像素上方形成電介質； 在金屬互連件^f莫版所需的位置處形成通道； 以金屬互連件模版所需的圖案形狀移除電介質； 在電介質層上方形成防反射塗層； 移除防反射塗層以形成側牆隔片；在電介質層上方形成金屬層；以及
進行拋光平整處理，以移除電介質平面上方的金屬。
本發明的有益效果是採用防反射塗層包覆金屬互連件具有以下
優點首先防反射塗層可以吸收部分的入射光線；其次防反射塗層可
以使防反射塗層上的不同反射光線之間相消幹涉。因此，防反射塗層
的採用有效解決了光學串擾問題。
以下結合附圖和實施方式，來進一步說明本發明，但本發明不局
限於這些實施方式，任何在本發明基本精神上的改進或替代，仍屬於
本發明權利要求書中所要求保護的範圍。


圖l是現有技術圖像傳感器發生光學串擾時的剖視圖。 圖2是本發明一實施方式的圖像傳感器的剖視圖。 圖3是入射到防反射塗層上的光線的特寫圖。 圖4是一圖像傳感器發生一特定類型光學串擾時的剖視圖。 圖5是本發明另一採用了多層防反射塗層的實施方式。 圖6-25是本發明多個實施方式的剖視圖，其顯示了防反射塗層 的形成。
具體實施例方式
在下面的描述中，提供了許多特定細節，以便對本發明的具體實 施方式進行透徹的理解。但所屬領域的熟練技術人員可以認識到，在 沒有這些具體細節中的一個或多個的情況下仍能實施本發明，或者採 用其它方法、元件、材料、操作等的情況下仍能實施本發明。另夕卜， 為了清楚地描述本發明的各種實施方案，因而對眾所周知的結構和操 作沒有示出或進行詳細地描述。
在本發明的說明書中，提及"一實施方案"或"某一實施方案" 時是指該實施方案所述的特定特徵、結構或者特性至少包含在本發明 的一個實施方案中。因而，在說明書各處所出現的"在一實施方案中" 或"在某一實施方案中，，並不一定指的是全部屬於同一個實施方案；而且，特定的特徵、結構或者特性可能以合適的方式結合到一個或多 個的具體實施方案中。
參考圖1,其顯示了一個現有技術圖像傳感器的剖視圖。圖1中 顯示了兩個鄰近的像素。請注意，像素精確的內部結構與本發明並不
特別相關，事實上，本發明可用於任何CMOS像素設計，包括但不 限於3T、 4T、 5T、 6T、 7T或其它的^f象素設計。
如圖1所示，圖像傳感器可在其集成電路的不同層上採用金屬互 連件，以連接傳感器的不同部件。金屬互連件的準確層或位置隨傳感 器的特定設計而變化。
如圖1所示，入射光線A照射到光電二極體PD1上。部分光線 按照設計而被光電二極體吸收，但是，部分光線A2被光電二極體的 表面反射出來並照射到金屬互連件如M21上。這些光線隨後可能被 相鄰的光電二極體PD2所接收；這些光線也有可能被金屬互連件如 M22的底面反射出來並照射到一個位於較低層的金屬互連件M13上。 然後，這些光線可繼續被反射直到照射到更遠的像素上。
為了解決這一問題，本發明給金屬互連件塗上一層防反射(AR) 塗層，以降低金屬互連件的反射作用。該AR塗層可以是本領域中眾 多已知材料中的任何一種。所用的塗層可以是絕緣的，如氧化錫、銦 錫氧化物(indium tin oxide)或者氧化銦，也可是導電的，如氮化矽。
參考圖2，其顯示了在金屬互連件上設置有AR塗層的圖像傳感 器的剖視圖。如同圖l,像素的具體內部結構並不重要。在一實施方 式中，AR塗層被設置於金屬互連件的底面上，以減少對來自下層金 屬互連件的入射光線的反射作用。在另一實施方式中，AR塗層被設
用。照射到金屬互連件AR塗層上的入射光線，不會被反射，或者反 射的強度被大大地減弱。
AR塗層能以兩種方式減少反射。第一，它可吸收部分的入射光 線；第二，它可引起塗層上不同反射光線之間相消幹涉。參考圖3， 其顯示了防反射塗層上入射光線的特寫圖。圖3說明了 AR塗層怎樣 引起相消幹涉。波長為、的光線以角度0i入射。當一部分入射光線Aj照射到AR塗層的外表面時被反射，而另 一部分入射光線Bi照射 到內表面時被反射。當反射光線A2與反射光線B2之間具有180°的 相位差時，反射光線的強度將被最大程度地削弱。
選擇AR層厚度的慣例是假設光線以通常的方式入射到AR塗層 上。在這種情況下，當材料的厚度t等於X/4時，反射光線的強度將 被最大程度地削弱。
但是，在光學串擾的情況下，所有光線都會以與通常情況不同的
角度入射。這時，光線強度的減弱會隨入射角度e及入射光線的波長
而變化。這樣，可以通過選擇塗層的厚度，來減弱具有某一特定波長 、及入射角度&的光線。光線在以接近但不等於e！的角度入射時， 反射光線的強度將被極大地減弱，但不會完全消除。類似地，光線在 以接近但不等於？w的波長人2入射時，反射光線將被極大地減弱，但 不會完全消除。
參考圖4，其顯示了光學串擾的一個具體示例。產生光學串擾的 重要因素是那些本應該被相鄰像素收集的光線。在本發明的一實施方 式中，可以選擇AR塗層的厚度，以便使來自相鄰像素的光線反射最 小化。入射到金屬互連件上某一特定點P的光線的預期入射角度，可 根據P與PD中心之間的水平距離w以及金屬互連件高於PD的高度
h來計算。此時，在p點的預期入射角度e應等於
tan —
在本實施方式中，p點的厚度可根據e、入射光線的預期波長以及AR
塗層的折射率n來選擇。該厚度可由公式
細
分析得出。然而，在實際情況中，該厚度可由計算機模擬決定，計算 機模擬可將其它的因素考慮進去，如金屬互連件的特性、覆蓋金屬互
連件的擴散P鬲板(diffusion barrier)以及夾層(interlayer)和金屬間 的電介質(inter-metal dielectrics )。
例如，假設圖像傳感器設計成在傳感器表面0.58微米處具有一 層金屬互連件，PD的中心與金屬互連件之間的水平距離為l微米。同時假設AR塗層要阻隔波長為650納米的入射光線。此時，照射到 金屬互連件上的光線的預期入射角度為60° 。假設折射率為2，那麼 AR塗層需要的厚度為40.625納米。
參考圖5，其顯示了具有多個AR層的另一實施方式。可將任意 數量的AR層連續合併在一個堆疊中，從而削弱具有多波長及多入射 角度的光線的反射。然後，層的厚度可以採用與上述計算單層厚度的 相同方法來計算。
在一實施方式中，圖像傳感器採用基於紅色、藍色和綠色的色彩 編碼方案(color coding scheme )。在本實施方式中，金屬互連件可塗 上三種不同的、分別針對編碼方案中每個不同色彩的AR層。然後， 基於該三種波長以及預期的入射角選擇厚度，入射角度可以以任何方 式選擇。
本領域的技術人員可以理解，本發明的實施方式可以按照許多方 式實現。形成各種實施方式的工藝方法取決於金屬互連件所用金屬的 類型及其它因素。例如，如果金屬互連件是用鋁製成的，製備工藝很 可能採用減少法(subtractive methods )，而當金屬互連件是用銅製成 的，則很可能採用添加法(additive methods )。下面將介紹幾種可行 的方法。
圖6-25顯示了製備圖2所示實施方式的幾種方法。具體地，參 考圖6,其顯示了經前端(front-end-of-line，簡稱FEOL)處理後的 像素陣列中的兩個像素。此時，在像素平面上方未形成任何其它結構。 如上所述，像素內部結構與該工藝方法無密切關係。現在介紹的方法 可以與任何實現FEOL處理的方法一起4吏用。
參考圖7，其顯示了具有第一電介質層的像素陣列。在FEOL處 理結束之後，當第一電介質層Dl沉積到像素上時，開始進行後端 (back-end-of-line,簡稱BEOL)處理。該電介質層所用電介質材料 的具體類型與本發明並無密切關係，因為可採用本領域已知的任何電 介質材*+，如平面氧4匕物(planar oxide )。
參考圖8，其顯示了一像素陣列，該像素陣列具有可與金屬互連 件層相連接的通道(via)。在沉積電介質層之後，可採用本領域已知的任何處理方法來形成連接不同金屬互連件層的通道。在圖8中，形 成了可將位於較高平面上的金屬互連件連接到金屬互連件Mil的通 道。此時，較高平面的金屬互連件還未形成。如同像素結構一樣，所 選擇的形成通道的方法與本發明也無密切關係。在形成實施方式中結 構時需要考慮的一個重要問題是，必須保持通道與互連件之間的連接 關係。可行方法的選擇將取決於採用的是絕緣塗層還是導電塗層。
如上所述，減少法通常用於形成鋁製金屬互連件。下面將介紹採 用減少法的實施方式。
在一實施方式中，導電的AR塗層一皮用於底層。參考圖9，其顯 示了具有導電AR塗層的像素陣列。在沉積電介質層之後，可採用任 何常規方法來沉積導電AR塗層。本領域的技術人員可以理解，上述 的過程可以利用本領域已知的任何沉積方法完成，包括濺射法和化學 氣相澱積(CVD)。
參考圖10，其顯示了具有金屬層和AR塗層的像素陣列。當導電 的AR塗層被沉積之後，可採用任何常規方法沉積金屬層。如上所述， 本領域的技術人員可以理解，上述過程可利用本領域已知的任何沉積 方法完成。
參考圖11,其顯示了具有金屬互連件的像素陣列。當金屬層被 沉積之後，可採用本領域的任何已知方法移除金屬和AR塗層，以形 成預期模版(pattern)的金屬互連件。例如，本領域的技術人員可以 理解，上述過程可通過任何方法完成，包括掩模和蝕刻步驟。導電 AR塗層與金屬可在相同的步驟中被移除，因而僅僅保留在金屬互連 件下方的AR塗層。
參考圖12，其顯示了具有沉積的頂層絕緣AR塗層的像素陣列。 在金屬互連件形成之後，可採用任何常規方法沉積一層絕緣的AR塗 層，如利用上面提到的方法。然後，如圖13所示，可釆用任何常規 方法，將遠離金屬互連件的區域上的AR塗層移除。如上所述，本領 域的技術人員可以理解，這可以通過任何方法完成，包括掩才莫和蝕刻 步驟。在另一實施方式中，在金屬互連件形成之前，沉積頂層絕緣 AR塗層。然後，底層AR塗層、金屬層以及頂層AR塗層在同一個步驟中被定形(patterned)及蝕刻。
儘管顯示了在金屬互連件的頂部和底部都具有AR塗層的像素陣 列的製造，但是這並非實現本發明的唯一方法。在另一實施方式中， 省略了在金屬互連件頂部形成AR塗層的步驟，從而形成僅在金屬互 連件的底部具有AR塗層的像素陣列，如圖11所示。或者，可省略 形成第一AR塗層的步驟；在該實施方式中，形成僅在金屬互連件的 頂部具有AR塗層的像素陣列，如圖14所示。
在另一實施方式中，在整個製造過程中使用絕緣的AR塗層。參 考圖15,其顯示了在通道形成之前，具有沉積的絕緣AR塗層的像素 陣列。在電介質層沉積完成之後，但在通道形成之前，沉積絕緣AR 塗層。可採用任何上述的方法沉積塗層。
參考圖16，其顯示了具有通道的像素陣列。在絕緣的AR塗層被 沉積之後，可採用任何常規方法形成通道。如上所述，選擇的用於形 成通道的具體方法與本發明無密切關係。
參考圖17,其顯示了具有金屬互連件的像素陣列。在通道形成 之後，釆用與前述方法相似的減少法形成金屬互連件。在一實施方式 中，金屬和AR塗層在同一時間被移除，因此AR塗層僅在金屬互連 件的下方形成。
參考圖18,其顯示了在金屬互連件上方具有頂層絕緣AR塗層的 像素陣列。在金屬互連件形成之後，按照與前述形成頂層塗層相同的 方法形成頂層AR塗層，先採用沉積步驟，接著進行移除。在一實施 方式中，當互連件形成時下層AR塗層還未被移除，當頂層塗層被移 除時它才被移除。在另一實施方式中，可省略形成上層AR塗層的步 驟，僅使金屬互連件的底部保留AR塗層。
與通常採用的適用於鋁金屬互連件的減少法相反，添加法通常^皮 用於形成銅金屬互連件。下文將介紹採用添加法的實施方式。這裡介 紹的多個實施方式在鑲嵌(damascene)處理上有變化，鑲嵌處理是 形成銅互連件的標準方法。在該方法中，按照預期的^^版(pattern) 移除電介質材料。然後，晶片的表面被均一地覆蓋上金屬以形成互連 件。在最後的步驟中，通常採用化學-機械拋光(CMP)移除位於電介質平面上方的多餘金屬。拋光的細節是本領域已知的，此處不再介 紹。
參考圖19，其顯示了將材料從電介質層移除後的像素陣列。在 本實施方式中，在金屬間的電介質層被沉積以及通道形成之後，按金 屬互連件同樣的模版移除電介質材料。該過程可以採用本領域已知的 任何方法完成。例如，本領域的技術人員可以理解，該過程可採用掩 模和蝕刻過程完成，其是鑲嵌過程的初始步驟。
參考圖20,其顯示了具有沉積的AR塗層的像素陣列。在電介質 按照與金屬互連件相同的模版被移除之後，沉積AR塗層。該AR塗 層可為絕緣的或導電的。該AR塗層被均勻沉積，即忽略其下方的幾 何形態，塗層的厚度保持一致。可釆用任何方法實現塗層的均勻沉積， 例如CVD (化學氣相沉積)或者旋轉塗覆(spin coating )。
參考圖21,其顯示了具有側牆隔片(sidewall spacer)的像素陣 列。在AR塗層被沉積之後，可採用任何常規方法均勻移除AR塗層。 例如，本領域的技術人員可以理解，可採用任何形式的幹法刻蝕(dry etching )移除AR塗層。因為當均勻沉積時，塗層在垂直臺階處(vertical steps)的邊緣最厚，在刻蝕之後可能僅僅留下那些臺階處的塗層，這 些塗層形成AR材料的側牆隔片。
參考圖22，其顯示了具有沉積的金屬層的像素陣列。在側牆隔 片形成後，可採用本領域任何已知的方法來沉積金屬層，如前述的方 法。
參考圖23,其顯示了移除多餘金屬之後的像素陣列。在金屬被 沉積之後，多餘金屬被均勻移除，直至下降到電介質所在的平面處， 例如採用CMP。
剛才描述的實施方式並非添加法可以採用的唯一方法。在另一實 施方式中，可省略蝕刻AR塗層的步驟。如圖24所示，接著採用本 領域已知的任何方法沉積金屬層。在本實施方式中，採用導電的AR 塗層。
參考圖25,其顯示了移除了多餘金屬和AR塗層之後的像素陣 列。在金屬層被沉積之後，進行上述的CMP步驟，在金屬互連件的底部和側面保留導電的AR塗層。
先前介紹的方法描述了怎樣在半導體晶片上形成單層的金屬互 連件。但是，為了圖像傳感器的工作需要，可以增加多層的金屬互連 件。重複進行這裡介紹的處理工藝，可以形成每一新的層面。
另外，雖然此處只顯示了^f義具有一層AR塗層的金屬互連件，但 是本發明並不受此限制。在另一實施方式中，在沉積形成單層AR塗 層的每一階段，均可以沉積形成多層AR層，如圖5所示。
同時，本說明書僅僅描述了 AR塗層和金屬互連件的形成，而未 描述像素中實際結構的形成，而這是本領域眾所周知的。這樣做的目 的是為了避免使本發明不清晰，因為在像素中形成有源器件的步驟是 本領域眾所周知的。
上述的內容應理解為此處所介紹的本發明的具體實施方式
只是 為了描述本發明，但是在不偏離本發明宗旨與範圍的情況下可以做出 各種改進。因此，除權利要求以外，本發明不受任何限制。
權利要求
1、一種CMOS像素陣列，其包括排列並形成於半導體基底上的若干像素；以及，所述像素上方的金屬互連件，所述金屬互連件的至少一側的至少一部分包覆有防反射塗層；其中，該防反射塗層是一種能防止可見光反射的塗層。
2、 如權利要求1所述的像素陣列，其中，所述的金屬互連件在 其所有的側面都塗敷有所述的防反射塗層。
3、 如權利要求1所述的像素陣列，其中，所述的防反射塗層是 一種吸收塗層。
4、 如權利要求1所述的像素陣列，其中，所述的防反射塗層的 厚度是由入射光線的預期入射角度和預期波長決定的。
5、 如權利要求4所述的像素陣列，其中，所述入射光線的預期 入射角度和預期波長是如此選擇的，其能降低來自相鄰像素的反射。
6、 如權利要求5所述的像素陣列，其中，所述的預期入射角度 0由以下/>式決定的其中，w是從所述像素的中心到所述金屬互連件的中心的距離，h是 所述金屬互連件在所述像素之上的高度。
7、 如權利要求1所述的像素陣列，其中，所述的金屬互連件包 覆有多層防反射塗層。
8、 如權利要求7所述的像素陣列，其中，所述防反射塗層的厚 度如此選擇的，其能降低標準RGB色彩編碼方案中的紅色、綠色和 藍色光線波長的光線反射。
9、 如權利要求1所迷的像素陣列，其中，所述的若干像素是3T、 4T、 5T、 6T或7T像素。
10、 如權利要求1所述的像素陣列，其中，所述的金屬互連件被 設置在所述像素上方的多個層面上。
全文摘要
本發明公開了一種圖像傳感器，該圖像傳感器的金屬互連件包覆有防反射塗層。在金屬互連件的頂部、底部和側面可進行包覆，以降低來自各個方向的光線的反射。可以選擇塗層的厚度，以減弱具有特定波長、以特定預期角度入射的光線的反射。特別地，可以選擇塗層的厚度，以減少對來自鄰近像素的光線的反射。本發明也可給金屬包覆多層防反射塗層，以減弱多種波長的光線或者多種入射角度的光線反射。
文檔編號H01L23/522GK101567376SQ20091013010
公開日2009年10月28日 申請日期2006年8月22日 優先權日2005年8月23日
發明者塞提亞得·H·那戈拉加, 霍華德·E·羅德斯 申請人:豪威科技有限公司