一種cmos圖像傳感器及其製造方法
2023-06-05 23:42:16
專利名稱：一種cmos圖像傳感器及其製造方法
技術領域：
本發明涉及圖像傳感器領域，特別涉及一種CMOS圖像傳感器。
背景技術：
通常，圖像傳感器是指將光信號轉換為電信號的裝置。圖像傳感器包括電荷耦合器件(CXD)和互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器晶片。CMOS圖像傳感器和傳統的C⑶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用。現在CMOS圖像傳感器不僅用於消費電子領域，例如微型數位相機(DSC)，手機攝像頭，攝像機和數碼單反( DSLR)中，而且在汽車電子，監控，生物技術和醫學等領域也得到了廣泛的應用。CMOS圖像傳感器可以根據像素單元電晶體數目分類成三管，四管和五管式，三管式的CMOS圖像傳感器像素單元包括一個光電二極體和3個MOS電晶體，四管和五管式像素單元分別包括一個光電二極體和4個或5個MOS電晶體。這些器件中光電二極體是感光單元，實現對光線的收集和光電轉換，其它的MOS電晶體是控制單元，主要實現對光電二極體的選中，復位和讀出的控制。常規的像素單元的截面圖如圖1所示，只有在沒有金屬層覆蓋的光電二極體區域20的光線能夠在光電轉換中起作用，因此像素單元的靈敏度直接和像素單元中光電二極體區域20的面積佔整個像素單元面積的比例成正比，我們把這個比例定義為填充因子。由於光電二極體區20之間存在用於信號控制的3個，4個或5個MOS電晶體，佔用了大量的面積，而為了防止入射光到達MOS電晶體表面產生噪聲和串擾，金屬互連線la，2a，3a將MOS電晶體區域10全部覆蓋，因此造成金屬互連線覆蓋的MOS電晶體區域10的垂直入射光和斜入射光全部被反射，使得CMOS圖像傳感器中像素單元的填充因子在20%到50%之間，這就意味著50%到80%的面積上的入射光是被屏蔽掉的，不能參與光電轉換的過程，因而造成了入射光的損失和像素單元靈敏度的降低。
發明內容
本發明的主要目的在於克服現有技術的缺陷，提供一種CMOS圖像傳感器及其製造方法，使得有更多的入射光能夠到達光電二極體的感光區域，參與光電轉換過程的目的，有效地提高了像素單元的靈敏度。為達成上述目的，本發明提供一種CMOS圖像傳感器製造方法，包括如下步驟在襯底上形成MOS電晶體區及光電二極體區；在所述MOS電晶體區上方形成金屬互連結構，所述金屬互連結構形成於互連介質層中，包括接觸孔，N-1層金屬互連線以及連接於相鄰層的所述金屬互連線之間的通孔；其中，N為金屬互連線的總層數，且為大於等於2的正整數；在所述N-1層金屬互連線上澱積並刻蝕微透鏡介質層，以形成具有一定曲率半徑的內嵌式微透鏡，所述內嵌式微透鏡位於所述光電二極體區上方；在上述結構上方澱積互連介質層，並形成通孔；澱積並刻蝕第N層金屬，以形成上表面窄下表面寬即橫截面為梯形的頂層金屬互連線，所述頂層金屬互連線環繞所述光電二極體區上方；在所述頂層金屬互連線之間及上方澱積頂層互連介質層；刻蝕所述頂層互連介質層，在所述內嵌式微透鏡上方形成溝槽，所述溝槽包括位於所述頂層金屬互連線上方的第一部分，以及由所述頂層金屬互連線環繞而成的第二部分，其中所述第一部分的側壁環繞所述光電二極體區上方；以及在所述第一部分與所述第二部分形成第一反射層與第二反射層。可選的，在所述第一部分與所述第二部分形成第一反射層與第二反射層的步驟包括在所述溝槽進行反射層薄膜的澱積以形成反射層；以及移除所述頂層互連介質層上表面和所述溝槽底部的所述反射層，以形成所述第一反射層與所述第二反射層。可選的，在形成所述第一反射層及所述第二反射層後，在所述溝槽澱積並平坦化介質材料，其中所述介質材料與所述頂層互連介質層的介質材料相同。可選的，所述溝槽的底部面積大於或等於所述內嵌式微透鏡的面積。 可選的，所述溝槽的頂部面積大於其底部面積。可選的，所述內嵌式微透鏡的面積大於或等於所述光電二極體區的面積。可選的，所述第一部分的側壁與所述頂層金屬互連線上表面垂直相接。可選的，所述內嵌式微透鏡的材料為氮化矽。可選的，所述反射層薄膜的材料為氮化矽、碳化矽、多晶矽、鈦、氮化鈦或鎢；所述反射層薄膜的厚度為20 A到3000 A D可選的，所述溝槽的底部位於所述內嵌式微透鏡上表面的上方。可選的，通過刻蝕反應聚合物的成分比調節所述頂層金屬互連線橫截斜面的角度。本發明進一步提供了一種CMOS圖像傳感器，包括MOS電晶體區和光電二極體區，形成於襯底上；金屬互連結構，形成於所述MOS電晶體區上方的互連介質層中，包括接觸孔，金屬互連線以及連接於所述金屬互連線之間的通孔，其中，頂層金屬互連線上表面窄下表面寬即橫截面呈梯形，所述頂層金屬互連線環繞所述光電二極體區上方；內嵌式微透鏡，形成於所述光電二極體區的上方的互連介質層中，位於所述頂層金屬互連線和次頂層金屬互連線之間；溝槽，形成在所述內嵌式微透鏡的上方的互連介質層中，所述溝槽包括位於所述頂層金屬互連線上方的第一部分，以及由所述頂層金屬互連線環繞而成的第二部分，其中所述第一部分的側壁環繞所述光電二極體區上方；以及第一反射層及第二反射層，分別形成在所述第一部分及所述第二部分。可選的，所述溝槽的底部面積大於或等於所述內嵌式微透鏡的面積。可選的，所述溝槽的頂部面積大於其底部面積。可選的，所述內嵌式微透鏡的面積大於或等於光電二極體區的面積。可選的，所述第一部分的側壁與所述頂層金屬互連線上表面垂直相接。可選的，所述第一反射層及所述第二反射層由反射層薄膜澱積形成，所述反射層薄膜的材料為氮化矽、碳化矽、多晶矽、鈦、氮化鈦或鎢；所述反射層薄膜的厚度為20 A到
{)[}{) \c.可選的，所述內嵌式微透鏡的材料為氮化矽。本發明的優點在於通過反射層和內嵌式微透鏡能夠使得原先位於MOS電晶體上方被屏蔽的入射光被收集並聚焦，實現了對光電二極體以外區域的光線收集，從而達成了更多入射光到達光電二極體的感光區域，參與光電轉換過程的目的，有效地提高了像素單元的靈敏度。此外，由於金屬互連線是多層之間交錯分布的，入射光不會到達MOS電晶體區域而造成漏電，可有效減少噪聲產生，同時溝槽上形成的反射層也進一步防止了像素之間串擾的發生。
圖1所示為現有技術中CMOS圖像傳感器的結構剖視圖。圖2所示為本發明的CMOS圖像傳感器的結構剖視圖。圖3-12所示為本發明的CMOS圖像傳感器製造方法的剖視圖。
具體實施方式
為使本發明的內容更加清楚易懂，以下結合說明書附圖，對本發明的內容作進一步說明。當然本發明並不局限於該具體實施例，本領域內的技術人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發明的保護範圍內。圖2是本發明的CMOS圖像傳感器的結構剖視圖。如圖2所示，根據本發明的CMOS圖像傳感器包括形成在襯底上的多個進行讀寫控制和復位的MOS電晶體區10和用於感光的光電二極體區20。金屬互連結構形成於MOS電晶體區上方的互連介質層30中，金屬互連結構包括金屬互連線1，金屬互連線2，頂層金屬互連線3，與金屬互連線1，2，3配套的接觸孔4，通孔5，以及通孔6。金屬互連線I通過接觸孔4與MOS電晶體電連接，金屬互連線2通過通孔5與金屬互連線I電連接，頂層金屬互連線3通過通孔6與金屬互連線2電連接。需要注意的是，儘管圖2中除頂層金屬互連線3以外，金屬互連線為兩層，但也可形成僅一層或多於兩層的金屬互連線。此外，這些金屬互連線被設置成將MOS電晶體區域10全部覆蓋。頂層金屬互連線3為上表面窄下表面寬，也即是橫截面為梯形，環繞於光電二極體區20的上方。內嵌式微透鏡61形成於MOS電晶體區上方的互連介質層30中，位於頂層金屬互連線3和次頂層金屬互連線2之間，負責將反射光折射進入光電二極體區20。內嵌式微透鏡61位於光電二極體區20上方並具有一定的曲率半徑，其材料為高折射率的材料如氮化矽。更進一步的，內嵌式微透鏡61的面積大於或等於光電二極體區的面積。內嵌式微透鏡61的上方互連介質層中形成有溝槽40，溝槽40包括位於頂層金屬互連線3上方的第一部分41，以及頂層金屬互連線3環繞而成的第二部分42，其中第一部分41側壁環繞光電二極體區20的上方。第一部分41和第二部分42上分別形成有第一反射層51和第二反射層52,共同負責將斜入射光或垂直入射光反射進入內嵌式微透鏡61。較佳的，溝槽40的第一部分41與頂層金屬互連線3的上表面垂直相接，從而能夠更好地使得斜入射光反射到內嵌式微透鏡61。此外，頂層金屬互連線3可通過版圖設計來減小線寬，以使垂直入射光充分進入反射區域。為保證垂直入射光的反射光線能到達內嵌式微透鏡61，頂層金屬互連線3斜面的角度根據其反射層到內嵌式微透鏡61的距離進行相應調節。溝槽40的底部是位於內嵌式微透鏡61上表面的上方。優選的，溝槽40底部的面積大於或等於內嵌式微透鏡61的面積，溝槽40的頂部面積大於其底部面積，以收集更多的MOS電晶體區域10的入射光，使其能夠被反射進入內嵌式微透鏡61。在本發明的一實施例中，溝槽40的底部和頂部均為正方形，且其頂部正方形的邊長大於底部正方形的邊長，頂層金屬互連線3為環繞溝槽40的正方形互連線。當然，溝槽40的底部和頂部也可為其他多邊形，頂層金屬互連線3也可為多邊形互連線，本發明並不限於此。此外，第一反射層51及第二反射層52可由反射層薄膜澱積而成，其中反射層薄膜可以採用高反射率的氮化矽，碳化娃，多晶娃，鈦，氮化鈦，鶴或其它金屬，其厚度可以在20 A到3000 A之間。頂層金屬互連線3橫截斜面的角度可通過刻蝕反應聚合物的成分比來調節，以保證斜面角度滿足反射光線到達內嵌式微透鏡61的要求。由此,第一反射層51負責將斜入射光反射進入內嵌式微透鏡61，第二反射層52負責將垂直入射光反射進入內嵌式微透鏡61，這些有一定角度的反射光可以由內嵌式微透鏡61再次聚焦，經過折射後形成接近垂直於光電二極體區20表面的光線，這樣就實現了對光電二極體以外區域的光線收集，有效地提高了像素單元的靈敏度。下面將參照圖3至圖12描述根據本發明的用於製造上述CMOS圖像傳感器的方法。 請參考圖3，首先，使用常規工藝在襯底上形成進行讀寫控制和復位的MOS電晶體區10及用於感光的光電二極體區20 ;隨後在MOS電晶體區10上方形成互連介質層30，在互連介質層30中形成金屬互連結構，金屬互連結構包括金屬互連線1，金屬互連線2，以及與金屬互連線1，2相配套的接觸孔4，通孔5。金屬互連線I通過接觸孔4與MOS電晶體電連接，金屬互連線2通過通孔5與金屬互連線I電連接。需要注意的是，儘管圖3至圖5中金屬互連線為兩層，但也可形成僅一層或多於兩層的金屬互連線。此外，這些金屬互連線被設置成將MOS電晶體區域10全部覆蓋。接著，請參考圖4，在上述結構上方澱積微透鏡介質層60，微透鏡介質層60的材料可為高折射率材料如氮化矽，澱積方法例如化學汽相澱積。接著光刻和刻蝕微透鏡介質層60，以形成具有一定曲率半徑的內嵌式微透鏡61。具體來說，可通過調整刻蝕菜單的功率、刻蝕氣體流量和氣體配比來形成具有一定曲率半徑的內嵌式微透鏡61。如圖5所示，內嵌式微透鏡61位於光電二極體區20上方，內嵌式微透鏡61的面積大於或等於光電二極體區20的面積。內嵌式微透鏡61的作用在於將入射的光線進行聚焦，從而使經其折射後的光線能夠垂直於光電二極體區20的表面，以更好地進行光線收集。隨後，如圖6所示，在上述結構上方澱積互連介質層，並形成通孔6。接著，如圖7所示，澱積並刻蝕頂層金屬，以形成頂層金屬互連線3，頂層金屬互連線3通過通孔6與金屬互連線2電連接。在本發明的實施例中，通過在刻蝕過程中增加反應生成物在金屬側壁的澱積量，來形成具有上表面窄下表面寬，也即是橫截面為梯形的頂層金屬互連線3。當然，也可以採用其他工藝刻蝕出具有這一結構的頂層金屬互連線3，本發明並不限於此。頂層金屬互連線3環繞光電二極體區20的上方，其橫截斜面的角度可通過刻蝕過程中反應聚合物的成分比來加以調節，從而調整入射光反射的角度。接著，如圖8所示，使用化學汽相澱積的方法在頂層金屬互連線3及其上方澱積頂層互連介質層。再次，請參考圖9，刻蝕頂層互連介質層以形成溝槽40。其中，溝槽40包括位於頂層金屬互連線3上方的第一部分41，以及由頂層金屬互連線3環繞而成的第二部分42，第一部分41環繞光電二極體區20的上方。刻蝕中通過採用對金屬和互連介質層具有高選擇比的刻蝕反應聚合物，使得溝槽的第二部分42形成和頂層金屬互連線3環繞相一致的形貌。較佳的，溝槽40的第一部分41的側壁與頂層金屬互連線3的上表面垂直相接，從而能夠更好地反射斜入射光到內嵌式微透鏡61。溝槽40的底部是位於內嵌式微透鏡61上表面的上方。溝槽40底部的面積要大於或等於內嵌式微透鏡61的面積，其頂部面積則大於其底部面積，從而能夠收集到更多MOS電晶體區域10的入射光反射進入內嵌式微透鏡61。在本發明的另一實施例中，溝槽40的底部和頂部均為正方形，且其頂部正方形的邊長大於底部正方形邊長，頂層金屬互連線3為環繞溝槽40的正方形互連線。當然，溝槽40底部和頂部的形狀也可為其他多邊形，頂層金屬互連線3也可為多邊形互連線，本發明並不限於此。隨後，如圖10所示，在溝槽40上進行反射層薄膜澱積而形成反射層50。反射層薄膜可以採用高反射率的氮化矽，碳化矽，多晶矽，鈦，氮化鈦，鎢或其它金屬，其厚度可以在20A到3000 A之間。然後，如圖11所示，刻蝕反射層50，使得在頂層互連介質層上表面和溝槽40底部 的反射層被移除，只保留溝槽40側壁的反射層。此時，溝槽40側壁的反射層為包括第一反射層51和第二反射層52的複合反射層結構，其中第一反射層51形成在溝槽40的第一部分41上，第二反射層52則形成在溝槽40的第二部分42上，共同負責將斜入射光及垂直入射光反射進入內嵌式微透鏡61。由於反射層反射後的光線並不一定是垂直於光電二極體區20表面的，而是有一定角度的，因此它們可能無法全部到達光電二極體的表面並產生光電反應，因此通過互連介質層中高折射率的內嵌式微透鏡61，這些有一定角度的反射光可以由內嵌式微透鏡61再次聚焦，經過折射後形成接近垂直於到光電二極體區20表面的光線，這樣就實現了對光電二極體以外區域光線的有效收集，提高了像素單元的靈敏度。最後，如圖12所示，使用化學汽相的方法在溝槽中澱積並平坦化與頂層互連介質層相同的介質材料。綜上所述，本發明在像素的MOS電晶體區域上方形成了一個包括第一反射層和第二反射層的複合反射層結構以及內嵌式微透鏡，合反射層結構可將垂直入射光和斜入射光都反射進入內嵌式微透鏡，內嵌式微透鏡再將入射光折射進光電二極體區，這樣就使得原先位於MOS電晶體區域上方被屏蔽的入射光能夠通過反射被收集，通過內嵌式微透鏡折射被聚焦，實現了對光電二極體以外區域的光線收集，從而達成了更多入射光到達光電二極體的感光區域，參與光電轉換過程的目的，有效地提高了像素單元的靈敏度。此外，由於金屬互連線是多層之間交錯分布的，入射光不會到達MOS電晶體區域而造成漏電，從而可有效減少噪聲產生，同時溝槽側壁上的反射層也進一步防止了像素之間串擾的發生。雖然本發明已以較佳實施例揭示如上，然所述諸多實施例僅為了便於說明而舉例而已，並非用以限定本發明，本領域的技術人員在不脫離本發明精神和範圍的前提下可作若干的更動與潤飾，本發明所主張的保護範圍應以權利要求書所述為準。
權利要求
1.一種CMOS圖像傳感器製造方法，其特徵在於，包括以下步驟在襯底上形成MOS電晶體區及光電二極體區；在所述MOS電晶體區上方形成金屬互連結構，所述金屬互連結構形成於互連介質層中，包括接觸孔，N-1層金屬互連線以及連接於相鄰層的所述金屬互連線之間的通孔；其中，N為金屬互連線的總層數，且為大於等於2的正整數；在所述N-1層金屬互連線上澱積並刻蝕微透鏡介質層，以形成具有一定曲率半徑的內嵌式微透鏡，所述內嵌式微透鏡位於所述光電二極體區上方；在上述結構上方澱積互連介質層，並在所述互連介質層中形成通孔；澱積並刻蝕第N層金屬，以形成上表面窄下表面寬即橫截面為梯形的頂層金屬互連線，所述頂層金屬互連線環繞所述光電二極體區上方；在所述頂層金屬互連線之間及上方澱積頂層互連介質層；刻蝕所述頂層互連介質層，在所述內嵌式微透鏡上方形成溝槽，所述溝槽包括位於所述頂層金屬互連線上方的第一部分，以及由所述頂層金屬互連線環繞而成的第二部分，其中所述第一部分的側壁環繞所述光電二極體區上方；以及在所述第一部分與所述第二部分形成第一反射層與第二反射層。
2.根據權利要求1所述的CMOS圖像傳感器製造方法，其特徵在於，在所述第一部分與所述第二部分形成第一反射層與第二反射層的步驟包括在所述溝槽進行反射層薄膜的澱積以形成反射層；以及移除所述頂層互連介質層上表面和所述溝槽底部的所述反射層，以形成所述第一反射層與所述第二反射層。
3.根據權利要求1所述的CMOS圖像傳感器製造方法，其特徵在於，還包括在形成所述第一反射層及所述第二反射層後，在所述溝槽澱積並平坦化介質材料，其中所述介質材料與所述頂層互連介質層的介質材料相同。
4.根據權利要求1所述的CMOS圖像傳感器製造方法，其特徵在於，所述溝槽的底部面積大於或等於所述內嵌式微透鏡的面積。
5.根據權利要求1所述的CMOS圖像傳感器製造方法，其特徵在於，所述溝槽的頂部面積大於其底部面積。
6.根據權利要求1所述的CMOS圖像傳感器製造方法，其特徵在於，所述內嵌式微透鏡的面積大於或等於所述光電二極體區的面積。
7.根據權利要求1所述的CMOS圖像傳感器製造方法，其特徵在於，所述第一部分的側壁與所述頂層金屬互連線上表面垂直相接。
8.根據權利要求1所述的CMOS圖像傳感器製造方法，其特徵在於，所述微透鏡介質層的材料為氮化矽。
9.根據權利要求2所述的CMOS圖像傳感器製造方法，其特徵在於，所述反射層薄膜的材料為氮化矽、碳化矽、多晶矽、鈦、氮化鈦或鎢；所述反射層薄膜的厚度為20 A到;UOO Λ
10.根據權利要求1所述的CMOS圖像傳感器製造方法，其特徵在於，所述溝槽的底部位於所述內嵌式微透鏡上表面的上方。
11.根據權利要求1所述的CMOS圖像傳感器製造方法，其特徵在於，通過刻蝕反應聚合物的成分比調節所述頂層金屬互連線橫截斜面的角度。
12.—種CMOS圖像傳感器，其特徵在於，包括MOS電晶體區和光電二極體區，形成於襯底上；金屬互連結構，形成於所述MOS電晶體區上方的互連介質層中，包括接觸孔，金屬互連線以及連接於所述金屬互連線之間的通孔，其中，頂層金屬互連線上表面窄下表面寬即橫截面呈梯形，所述頂層金屬互連線環繞所述光電二極體區上方；內嵌式微透鏡，形成於所述光電二極體區上方的互連介質層中，位於所述頂層金屬互連線和次頂層金屬互連線之間；溝槽，形成在所述內嵌式微透鏡的上方的互連介質層中，所述溝槽包括位於所述頂層金屬互連線上方的第一部分，以及由所述頂層金屬互連線環繞而成的第二部分，其中所述第一部分的側壁環繞所述光電二極體區上方；以及第一反射層及第二反射層，分別形成在所述第一部分及所述第二部分。
13.根據權利要求12所述的CMOS圖像傳感器，其特徵在於，所述溝槽的底部面積大於或等於所述內嵌式微透鏡的面積。
14.根據權利要求12所述的CMOS 其底部面積。
15.根據權利要求12所述的CMOS 大於或等於光電二極體區的面積。
16.根據權利要求12所述的CMOS 述頂層金屬互連線上表面垂直相接。
17.根據權利要求12所述的CMOS圖像傳感器，其特徵在於，所述第一反射層及所述第二反射層由反射層薄膜澱積形成，所述反射層薄膜的材料為氮化矽、碳化矽、多晶矽、鈦、氮化鈦或鶴；所述反射層薄膜的厚度為20 A到3000 A。
18.根據權利要求12所述的CMOS圖像傳感器，其特徵在於，所述內嵌式微透鏡的材料為氮化矽。圖像傳感器，其特徵在於，所述溝槽的頂部面積大於圖像傳感器，其特徵在於，所述內嵌式微透鏡的面積圖像傳感器，其特徵在於，所述第一部分的側壁與所
全文摘要
本發明公開了一種CMOS圖像傳感器製造方法，包括在襯底上形成MOS電晶體區及光電二極體區；在MOS電晶體區上方形成金屬互連結構，金屬互連結構形成於互連介質層中；澱積並刻蝕微透鏡介質層以形成位於光電二極體區上方的內嵌式微透鏡；在金屬互連結構上方形成上表面窄下表面寬即橫截面為梯形的頂層金屬互連線；澱積並刻蝕頂層互連介質層，以在內嵌式微透鏡上方形成溝槽，所述溝槽包括由位於頂層金屬互連線上方的第一部分，以及頂層金屬互連線環繞而成的第二部分；以及在所述第一部分與所述第二部分形成第一反射層與第二反射層。本發明還公開了一種CMOS圖像傳感器，使得更多的入射光到達光電二極體的感光區域，參與光電轉換過程，有效地提高了像素單元的靈敏度。
文檔編號H01L27/146GK103022068SQ201210567369
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月24日 優先權日2012年12月24日
發明者顧學強, 周偉, 陳力山 申請人:上海集成電路研發中心有限公司