CN101159278B - 图像感应元件及其系统芯片半导体结构 - Google Patents

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Abstract

本发明有关于一种图像感应元件及其系统芯片半导体结构，其中该图像感应元件的基底具有光感应区于其内和/或其上；互连线结构在基底上方，并包含多条金属线设于多个金属层间介电(IMD)层内。至少一个IMD层微透镜设于至少一IMD层内，并位于光感应区上方。在IMD层之间优选设置阻挡层，该阻挡层的净厚度为100埃或100埃以下，且IMD层微透镜和蚀刻停止层的折射率大于IMD层的折射率。在金属线上优选设置覆盖层，特别是当金属线包含铜时。上层微透镜可设置于互连线结构之上。本发明对于密集的像素区和/或高度整合的嵌入式结构(例如三层以上结构)无HDP间隙填充问题，并且不需额外的步骤去移除在光感应区上方的阻挡层。

Description

图像感应元件及其系统芯片半导体结构
技术领域
本发明有关于一种固态图像元件，特别有关于一种具有微透镜的图像感应元件，适用于逻辑嵌入芯片或系统芯片。
背景技术
固态图像元件通常包含在基底内或基底上的光感应器，在感光元件上方的彩色滤光片，以及在彩色滤光片上方的微透镜阵列。其中光感应器例如为光电二极管、互补式金属氧化物半导体晶体管(CMOS)感应器或电荷耦合元件(CCD)，最常见的则是N+型光感应器(NPS’s)。在光感应器和彩色滤光片之间通常有相对较厚的金属层间介电质(IMD)，其可容纳固态图像元件周边电路的多层互连线。
图像元件的灵敏度(即，到达光感应器的光线量)要越大越好。图像元件的缺点之一为光感应器的灵敏度与填充因子成比例，填充因子的定义为光感应器与像素区面积的比率。厚的金属层间介电质会使得透镜和光感应器难以对准，并且很难保证通过透镜的光线会到达光感应器。随着IMD厚度的增加，直接到达光感应器的光线量也会减少。此外，在IMD内的互连线金属可能会反射入射光，进而降低光信号以及光感应器的灵敏度。
图1A为现有的固态图像感应元件20，其包含依据现有技术在基底24内形成的光感应器22。此外，图像感应元件20还包含具有多层金属互连线32的IMD层26，金属线32的位置在光感应器22之间，以保留光线28到达光感应器22的光路径。保护层30位于互连线结构34上，保护层30可包含氮化硅薄层以及另一个介电层，其可由高密度等离子体化学气相沉积法形成。图像感应元件还包含平坦层(plain layer)35、彩色滤光片36、微间隙层(microspacer)37以及对准光感应器22上方的最上层微透镜38。选择性的涂层39覆盖在最上层微透镜38上，可由适当的材料形成，例如丙烯酸酯(acrylate)、丙烯酸甲酯(methacrylate)、环氧丙烯酸酯(epoxy-acrylate)或聚亚酰胺(polyimide)，其厚度例如为0.3-3.0μm。平坦层35的折射率可为1.4-1.7，其可由丙烯酸酯、丙烯酸甲酯、环氧丙烯酸酯或聚亚酰胺组成，且其厚度可为0.3-3.0μm。微间隙层37的折射率可为1.4-1.7，其可由丙烯酸酯、丙烯酸甲酯、环氧丙烯酸酯或聚亚酰胺组成，且其厚度可为0.3-3.0μm。彩色滤光片36的折射率可为1.4-1.7，其可由丙烯酸酯、丙烯酸甲酯或环氧丙烯酸酯组成，且其厚度可为0.3-2.5μm。互连线结构34的厚度40必须可容纳多层的金属互连线32，并使得最上层微透镜38与其对应的光感应器22相隔一段距离，因此可能会减少光线28到达光感应器22的量。
图1B为图1A的互连线结构34的放大图，铜是目前用来作为金属线32的材料，其通常需要阻挡层，当使用铜镶嵌或双镶嵌法形成金属线32时，通常需要使用阻挡层42以阻挡铜扩散。目前优选为使用低介电常数材料作为IMD层26和阻挡层42，并且也可用在蚀刻停止层。如图1B所示，传统的阻挡层42太厚，且部分的光(例如图1B中的光线28)会被阻挡层42反射，随着新型芯片的发展(例如系统芯片或系统级芯片(SoC)结构、逻辑嵌入或逻辑电路与图像感应元件在相同的芯片上)，金属线32的数目与层数也随之增加，因此使光线28具有足够的能量到达光感应器22的能力已经无法与目前制造图像感应元件的设计相容。此外，当感应器和微透镜持续缩小，以增加每一个芯片上像素的数量时(对特定尺寸的芯片增加其分辨率)，这些问题会变得更明显(因为光感应区22也随着缩小)。
因此，业界亟需一种改进结构的图像感应元件，其可以通过让更多的光被光感应器接收，而增加图像元件的灵敏度。此外，图像感应元件需要改进结构，使其可以与更厚的互连线结构(更多的金属层)相容，以及与缩小的像素区(每平方厘米较多的像素量)相容。同时希望改进结构的图像感应元件不要与目前的制造方法以及目前的设计结构相差太远，以避免增加额外的成本。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种图像感应元件，其包含基底、互连线结构以及至少一个金属层间介电(IMD)层微透镜。基底内以及/或上具有光感应区，基底上方有互连线结构，其包含多条金属线设置于多个金属层间介电(IMD)层内。至少一个IMD层微透镜设于至少一IMD层内，并位于光感应区上方。在IMD层之间优选设置阻挡层，除了在IMD层微透镜的位置之外，该阻挡层在光感应区上方的厚度优选为100埃或100埃以下。
以下为依据本发明实施例的变化，IMD层微透镜的折射率优选为大于其所在的IMD层的折射率。在金属线上优选设置覆盖层，特别是当金属线包含铜时，适用于覆盖层的材料可包含导电材料、金属氮化物、CoWP、CoWB、金属硅化物或前述的组合。互连线结构可具有至少三层的金属线。阻挡层和IMD层微透镜的材料可以不同，此外，IMD层微透镜与阻挡层也可由相同的材料以及相同的初始层形成。IMD层微透镜可包含任何适合透镜的材料，例如金属氧化物、氧化铝、氧化铪、氧化锆、含氮材料、含碳材料或前述的组合。阻挡层的材料可包含金属氧化物、氧化铝、氧化铪、氧化锆、含氮材料、含碳材料或前述的组合。IMD层微透镜可位于光感应区和彩色滤光片之间，其可以是任何合适的形状，例如凸面、菲涅尔透镜(Fresnel lens)、双凸面、平凸、凸面在上(convex-up)、凸面在下(convex-down)或前述的组合。上层微透镜可位于光感应区上方，且位于互连线结构上方。彩色滤光片可位于光感应区上方，且上层微透镜可在彩色滤光片和IMD层微透镜之间。彩色滤光片可位于光感应区上方，且可在上层微透镜和IMD层微透镜之间。
本发明还提供一种系统芯片半导体结构，其可包含本发明的图像感应元件以及逻辑电路，逻辑电路电连接至少部分的图像感应元件。
本发明还提供一种图像感应元件，其包含基底、互连线结构、上层微透镜、覆盖层以及阻挡层。基底内和/或基底上具有光感应区，互连线结构在基底上方形成，并包含多条金属线在多个IMD层内，其中至少部分金属线包含铜，上层微透镜位于光感应区上方，且在互连线结构之上，覆盖层设置于包含铜的金属线上，阻挡层设置于所述金属层间介电层之间，且净厚度为100埃或100埃以下。
如上所述的图像感应元件，其中还包括至少一个IMD层微透镜，设于该IMD层内且位于该光感应区上方，其中该IMD层微透镜的材料包括介电层材料、金属氧化物、氧化铝、氧化铪、氧化锆、含氮材料、含碳材料、含氧材料或前述的组合。
如上所述的图像感应元件，其中阻挡层位于该光感应区上方。
如上所述的图像感应元件，其中阻挡层位于该光感应区上方，且除了在该IMD层微透镜的位置之外，该阻挡层在该光感应区上方的净厚度为100埃或100埃以下。
本发明再提供一种图像感应元件，其包含光感应区、互连线结构、至少一个IMD层微透镜、阻挡层以及覆盖层。基底内和/或基底上具有光感应区，互连线结构在基底上方，并包含多条金属线在多个IMD层内，其中至少部分金属线包含铜。至少一个IMD层微透镜设于至少一IMD层内，且位于光感应区上方，该IMD层微透镜的折射率大于其所在的IMD层的折射率。阻挡层设置于所述IMD层之间，除了IMD层微透镜所在的位置之外，阻挡层在光感应区上方的厚度为100埃或100埃以下。覆盖层设置于包含铜的金属线上。此外，图像感应元件还包括上层微透镜设置于光感应区上方，且在互连线结构上方(如果有彩色滤光片的话，可在上层微透镜之上或之下)。
本发明还提供一种图像感应元件，其包含光感应区、互连线结构、上层微透镜、阻挡层以及覆盖层。基底内和/或基底上具有光感应区，互连线结构在基底上方形成，并包含多条金属线在多个IMD层内，其中至少部分金属线包含铜。上层微透镜位于光感应区上方，且在互连线结构上方。阻挡层设置于所述IMD层之间，其在光感应区上方的厚度为100埃或100埃以下(不考虑微透镜可能在的位置)，覆盖层设置于包含铜的金属线上。上层微透镜可位于表面上(最上面)、保护层内、彩色滤光片上、彩色滤光片下或前述适当的组合。此外，图像感应元件还包括至少一个IMD层微透镜设于至少一IMD层内，且在光感应区上方，在此例中，除了在IMD层微透镜所在的位置之外，阻挡层在光感应区上方的厚度为100埃或100埃以下。
本发明还提供一种图像感应元件的形成方法，其包含以下步骤，步骤的顺序可以改变，如果没有指定其它方法，其可以是按顺序的、部分重叠、并行或是前述的组合。首先提供具有光感应区在其内和/或其上的基底，在基底上形成第一IMD层，在第一IMD层内形成金属线，在第一IMD层和金属线上形成阻挡层材料的初始层。将光刻胶层图案化，并将在初始层上的光刻胶层在光感应区上方蚀刻成为一般透镜形状部分。蚀刻阻挡层材料的初始层，使得IMD层微透镜在此过程中，直接由光刻胶层的一般透镜形状部分下方的阻挡层材料初始层形成，且使得由初始层形成的阻挡层与IMD层微透镜相邻，并位于金属线上方，其中阻挡层的厚度为100埃或100埃以下。第二IMD层在IMD层微透镜和阻挡层上方形成，其中阻挡层的折射率大于第一和第二IMD层的折射率。金属线可包含铜，且在此例中，可在阻挡层材料的初始层形成之前，形成覆盖层于金属线上。此方法还包括在第二IMD层上形成额外的IMD层和额外的金属线以形成互连线结构，以及在光感应区上方形成上层微透镜，其位于互连线结构上方。此方法还可包含形成逻辑电路，电连接至少部分的图像感应元件，以及在第二IMD层上形成额外的IMD层和额外的金属线以形成互连线结构。
本发明对于密集的像素区和/或高度整合的嵌入式结构(例如三层以上结构)无HDP间隙填充问题，并且不需额外的步骤去移除在光感应区上方的阻挡层。
为了让本发明的上述目的、特征、及优点能更明显易懂，以下配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
图1A和图1B为现有的图像感应元件。
图2为依据本发明第一实施例的图像感应元件部分的剖面图。
图3为依据本发明第二实施例的图像感应元件部分的剖面图。
图4为依据本发明第三实施例的图像感应元件部分的剖面图。
图5为依据本发明第四实施例的图像感应元件部分的剖面图。
图6为依据本发明第五实施例的图像感应元件部分的剖面图。
图7-图12为图6的图像感应元件的制造方法的各步骤流程图。
图13-图18为本发明一些实施例的图像感应元件的部分剖面图，其说明一些可以纳入本发明实施例的示范性的微透镜形状和结构。
图19A和图19B为两个阻挡层材料在不同净厚度下对阻挡层的一些实验数据。
其中，附图标记说明如下：
20～现有的固态图像感应元件；      22～光感应区；
24～基底；                        26～金属层间介电(IMD)层；
28～光线；                        30～保护层；
32～金属线；                        34～互连线结构；
35～平坦层；                        36～彩色滤光片；
37～微间隙层；                      38～最上层微透镜；
39～选择性的涂层；                  40～互连线结构的厚度；
42、54～阻挡层；                    50～本发明的图像感应元件；
52～层间介电(ILD)层；               56～IMD层微透镜；
58～微透镜；                        62～覆盖层；
64～阻挡层材料的初始层；            66～透镜形状的光刻胶部分；
68～阻挡层在微透镜外的净厚度。
具体实施方式
图2为依据本发明第一实施例的图像感应元件50部分的剖面图，在图2中有三个光感应区22(其在许多光感应区之中可形成阵列)，于此实施例中，光感应区或光感应器22在基底24内形成，层间介电(ILD)层52在基底24上形成，互连线结构34在ILD层52上形成，互连线结构34包含金属层间介电(IMD)层26和金属线32，阻挡层54在IMD层26之间形成。在第一实施例中，IMD层微透镜56在互连线结构34的第二金属层形成，IMD层微透镜56在光感应区22上方且介于金属线32之间。
在图2-图6以及图13-图18中，图像感应元件50上方可包含彩色滤光片、其它透镜以及保护层，为了简化附图，在上述图中并未绘出。同样地，在基底24中相邻于光感应区22以及其以下的部分也未绘出。含有图像感应元件50的集成电路芯片也可包含其它在图2-图6以及图13-图18中未绘出的电路和结构。此外，为了适应目前已知的各种不同应用(例如手机、数字音乐播放器iPod、膝上型电脑等)或是之后开发的应用，图像感应元件50也可并入其它各种不同的芯片中(例如系统芯片或逻辑嵌入芯片)。
在实施例中，光感应区22可以在基底上、部分在基底内、部分在基底上、在基底内或前述的组合方式形成，在附图中光感应区22以简化的方式表示。在本发明实施例中，光感应区22可以是目前所使用或后来开发的光感应器或像素区。每个光感应区22通常被称为一个像素，在传统的图像感应元件中，像素在平面观看下具有方形格子状阵列的配置，任何现在或未来开发的像素配置都可用在本发明实施例中。光感应区22可包含任何合适的光感应器，例如包括(但不限于)：CMOS图像感应器(CIS)、电荷耦合元件(CCD)、三个晶体管(three transistor)CIS(3T)、四个晶体管(fourtransistor)CIS(4T)、光电二极管、N+型光感应器(NPS)或前述适当的组合。
实施例中的ILD层52可以是任何合适的介电材料(任意层数)，例如包括：氧化物、硅氧化物、低介电常数材料、BPSG、TEOS、SiOC或前述的组合。IMD层26可包含任何合适的介电材料(任意层数)，例如包括(但不限于)：氧化物、硅氧化物、低介电常数材料、FSG、PSG、黑钻石、TEOS、SiOC或前述的组合。互连线结构34的金属线32可由任何合适的导电材料制成(可以全部或部分是金属)(任意种材料的组合)(任意层数)，例如包括(但不限于)：金属、掺杂的半导体、掺杂的多晶硅、铜、铝、AlCu、钨、金、银或前述的组合。阻挡层54可由任何合适的阻挡层材料制成，例如包括(但不限于)：碳化硅、氮化硅、Al2O3、ZrO2、氧化铪、含氮材料、含碳材料或前述的组合。微透镜38、56、58可由任何合适的透镜材料制成，例如包括(但不限于)：碳化硅、氮化硅、Al2O3、ZrO2、氧化铪、含氮材料、含碳材料或前述的组合。
再回到图2和第一实施例，IMD层微透镜由相同的材料以及与同一层的阻挡层相同的初始层所形成，详细的IMD层微透镜56的形成方法如下所述，并请参阅图8-图9。
在第一实施例以及本发明其它实施例中，在各层中的阻挡层54除了在IMD层微透镜56所在的位置以外，在光感应区22上方时，其净厚度优选为100埃或100埃以下。通过维持阻挡层54(无论在某一层中的阻挡层有几层)的净厚度在100埃或100埃以下，每一个阻挡层54可让光线通过光感应区22上方时具有较大的穿透率和较少的反射。实验显示，当阻挡层的净厚度在100埃或100埃以下时，不会影响光线通过的量子效率，更详细的描述可参阅图19A和图19B。通过限定每一个阻挡层54的净厚度，本发明的图像感应元件50的结构可与具有三层或三层以上金属层的芯片相容(例如系统芯片的应用、逻辑嵌入CIS元件)。目前互连线结构34的金属化层数有增加的趋势，特别是当图像感应元件50被整合至具有逻辑和/或其它元件的复合芯片中，或是整个系统在一个芯片上时。
在第一实施例以及本发明其它实施例中，在各层中的阻挡层54的折射率优选为大于相邻的IMD层26的折射率。在第一实施例以及本发明其它实施例中，IMD层微透镜56的折射率优选为大于其所嵌入的IMD层26的折射率。
第一实施例中的金属线32，优选为使用镶嵌(或双镶嵌)工艺由铜制成，在图2中，互连线结构34的每一个铜金属线上都有覆盖层62，在金属线32上的覆盖层62可为铜线提供扩散阻挡作用。通常是在IMD层26内为金属线32形成洞或沟槽，并且在插塞填入洞时也带有扩散阻挡层(为了简化附图未绘出)。图案化并蚀刻覆盖层62，使得其位于金属线32上方，但不在别处(例如不在光感应区22上方，且不会造成金属线32之间的短路)。实施例中的覆盖层62可包含任何合适的覆盖层材料(一层或多层堆叠)，例如包括(但不限于)：CoWP、CoWB、金属硅化物、导电扩散阻挡材料或前述的组合。在本发明实施例中，覆盖层62为选择性的部分，在某些实施例中也可以不使用。当本发明第一实施例中使用覆盖层62和IMD层微透镜56时，可以选择性的使用阻挡层54，因为覆盖层62可作为铜扩散阻挡层。在其它实施例中，当使用覆盖层62和IMD层微透镜56时，在光感应区22上方不会有阻挡层54。在另一实施例中，当使用覆盖层62和IMD层微透镜56时，在光感应区22上方，除了IMD层微透镜56所在的位置以外，在每一层的阻挡层54的净厚度被限定为100埃或100埃以下。
图3为依据本发明第二实施例的图像感应元件50部分的剖面图，第二实施例除了具有多层的IMD层微透镜56之外，其实质上与图2的第一实施例相同，其说明在实施例中，可以有任意层数的IMD层微透镜56。
图4为依据本发明第三实施例的图像感应元件50部分的剖面图，在第三实施例中，微透镜58在互连线结构34上方形成，且位于光感应区22上方。在第三实施例中，微透镜58可在介于互连线结构34和彩色滤光片之间的水平面上形成(在图4中未绘出，但可参阅图1A和图6中的彩色滤光片36)。此外，虽然在图2-图5中未绘出，在本发明的任一实施例中可包含如图1A和图6中所示的最上层的彩色滤光片36和/或最上层微透镜38。图4中的微透镜58可以在IMD层内、保护层内、任何其它层上或互连线结构34上方形成。
图5为依据本发明第四实施例的图像感应元件50部分的剖面图，第四实施例实质上为第一(或第二)与第三实施例的结合，其图像感应元件50具有IMD层微透镜56以及在互连线结构34上方的微透镜58。
图6为依据本发明第五实施例的图像感应元件50部分的剖面图，第五实施例具有多层的微透镜38、56、58。当金属化层增加时(例如超过三层以上的金属化层结构)，依据本发明的实施例，必须或希望有多层的微透镜存在，如此当与逻辑嵌入元件(例如SOC)合并时，可以让像素尺寸缩小并且使得阵列密度增加。在图6的第五实施例中有三层IMD层微透镜56、一层微透镜58在互连线结构上方以及最上层微透镜38，并且还有彩色滤光片36在最上层微透镜38和其它微透镜56、58之间，其为目前具有三层或三层以上金属化层的实施例的最佳设计之一。
请参阅图6-图12，其说明第五实施例的图像感应元件50的制造方法，此方法或者与此方法相关的部分都可应用在制造本发明其它实施例上，如上所述，图6的图像感应元件50已经制造完成，图7-图12为形成图6的结构的流程图。
在图7中，基底24内具有光感应区22，ILD层52在基底24上形成，阻挡层54和第一层的IMD层微透镜56在ILD层52上形成。图8-图9说明由与阻挡层相同的材料以及相同的初始层64形成微透镜(56和/或58)的方法，此方法也可用来形成同一层的阻挡层54。在图8中，阻挡层材料的初始层64在下方的层上形成(在此例中为ILD层52，但也可以是任何层的水平面)，光刻胶层在初始层64上形成，然后如图8所示，在初始层64上被图案化，并蚀刻成透镜形状的光刻胶部分66。透镜形状的光刻胶部分66形成之后，进行各向异性的蚀刻(例如RIE蚀刻和/或干蚀刻)，蚀刻之后，透镜形状的光刻胶部分66以及在透镜形状区以外大部分的初始层64都一起被蚀刻掉，以形成如图9的结构。可以通过控制初始层64的厚度、透镜形状的光刻胶部分66的尺寸以及蚀刻性质(蚀刻化学作用、蚀刻时间和/或蚀刻停止控制)，使得阻挡层54在微透镜结构56外的净厚度68为100埃或100埃以下。虽然优选为如图8和图9所示，将微透镜(56和/或58)的形成与阻挡层54整合在一起，但在本发明其它实施例中，微透镜也可由不同的材料形成，和/或由相同的材料形成，但是不和阻挡层整合在一起。
参阅图10，IMD层26已经在第一层的IMD层微透镜56上形成，然后使用镶嵌工艺形成铜金属线32。在金属线32上形成覆盖层62，将其图案化且蚀刻，以提供扩散阻挡层。接下来，如图10所示，另一个与IMD层微透镜56整合在一起的阻挡层54在IMD层26和金属线32上形成。在图11中，使用双镶嵌工艺形成另一金属线32，并且另一覆盖层62作为扩散阻挡层覆盖在金属线上。在图12中，又再有另一阻挡层54与IMD层微透镜56整合在一起，于IMD层26和金属线32上形成，此步骤持续进行，直到互连线结构34全部的金属化层都完成为止。请注意，在其它实施例中，并非每一层都需要有微透镜56或58，上述所完成的图像感应元件50如图6所示。
在本公司的美国专利公开号第2005/0274968号中，微透镜(56和/或58)可以有多种形状，依此，在本发明实施例中，任意层的微透镜可为任何合适的微透镜形状(目前已知或后来开发的)。图13-图18是本发明一些实施例的图像感应元件50的部分剖面图，这些实施例说明一些示范性的微透镜形状和结构，其可以纳入本发明实施例中。在图13中，IMD层微透镜56为双凸面(bi-convex)形状，且埋在IMD层26内，介于阻挡层54之间(且位于光感应区22上方)。在图14中，IMD层微透镜56为凸面在下(convex-down)形状。在图15中，IMD层微透镜56为带有部分的菲涅尔透镜形状的凸面在下形状。在图16中，IMD层微透镜56为菲涅尔透镜形状(凸面在下)。在图17中，IMD层微透镜56为菲涅尔透镜形状(凸面在上)。在图18中，IMD层微透镜56为带有部分的菲涅尔透镜形状的凸面在上(convex-up)形状。任何形状的结合以及任何数量的不同形状的微透镜都可以纳入本发明实施例中(例如在不同层有不同的微透镜形状)，此外，微透镜的尺寸和焦点可以随着不同层而改变，以提供所希望的光聚焦或光线进入图像感应元件50的方向。
图19A和图19B为两种示范性的阻挡层材料：SiC(图19A)和Al2O3(图19B)在不同净厚度的阻挡层的实验数据，在图19A和图19B中，纵轴表示相对穿透率，横轴表示阻挡层的净厚度。值得注意的是，在这两个优选阻挡层材料的图中，在三种光波长测试下(例如400-500nm、500-600nm以及600-700nm)，相对穿透率在大约100埃的净厚度之后会下降，因此，由这些实验数据显示，例如由SiC和Al2O3所制造的阻挡层，当其净厚度为100埃或100埃以下时，在这些波长下，对于量子效率或光的相对穿透率而言较无影响。
本发明的实施例具有下列优点：
·可以与系统芯片结构、逻辑嵌入结构以及其它在互连线结构中具有三层或三层以上金属化层的结构相容。
·提供优选的光穿透率以及在像素之间较少的互相干扰。
·即使在较厚的元件中，仍能增加到达光感应区的入射光。
·与其它现有的结构比较，对于密集的像素区和/或高度整合的嵌入式结构(例如三层以上结构)无HDP间隙填充问题，并且不需额外的步骤去移除在光感应区上方的阻挡层。
·结构设计可允许使用多层的微透镜，其有助于将光线聚焦至光感应区。
·结构设计可与铜线和覆盖层相容。
·结构设计可与低介电常数材料相容。
·结构设计可与全部或大部分形状的光感应器相容。
·结构设计可允许较大的像素密度。
·可轻易与现有的制造方法及设备整合。
·容易与相同芯片上其它元件的制造流程整合(适合SOC)。
虽然本发明已公开优选实施例如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许变更与修饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (12)

1.一种图像感应元件，包括：
基底，具有光感应区；
互连线结构，设置于该基底上方，该互连线结构包含多条金属线设于多个金属层间介电层内；
至少一个金属层间介电层微透镜，设于至少一金属层间介电层内，且位于该光感应区上方；以及
阻挡层，设置于所述金属层间介电层之间，其中该阻挡层的净厚度为100埃以下，且其中该金属层间介电层微透镜与该阻挡层由一相同的初始层所形成。
2.如权利要求1所述的图像感应元件，其中该金属层间介电层微透镜的折射率大于其所在的金属层间介电层的折射率。
3.如权利要求1所述的图像感应元件，其中该金属层间介电层微透镜的材料包括金属氧化物、含氮材料、含碳材料或前述的组合。
4.如权利要求1所述的图像感应元件，其中该阻挡层的材料包括金属氧化物、含氮材料、含碳材料或前述的组合。
5.如权利要求1所述的图像感应元件，还包括彩色滤光片，设置于该光感应区上方，该金属层间介电层微透镜位于该光感应区与该彩色滤光片之间。
6.如权利要求1所述的图像感应元件，还包括上层微透镜，设置于该光感应区上方，且其在该互连线结构之上。
7.如权利要求6所述的图像感应元件，还包括彩色滤光片，设置于该光感应区上方，且其位于该上层微透镜和该金属层间介电层微透镜之间。
8.一种系统芯片半导体结构，包括如权利要求1所述的图像感应元件；以及逻辑电路，电耦接至该图像感应元件的至少一部分。
9.一种图像感应元件，包括：
基底，具有光感应区在其内和/或其上；
互连线结构，设置于该基底上方，该互连线结构包含多条金属线设于多个金属层间介电层内，其中至少部分金属线包含铜；
上层微透镜，设置于该光感应区上方，且在该互连线结构之上；
覆盖层，设置于该包含铜的金属线上；
至少一个金属层间介电层微透镜，设于该金属层间介电层内且位于该光感应区上方；以及
阻挡层，设置于所述金属层间介电层之间，其中该阻挡层的净厚度为100埃以下，且其中该金属层间介电层微透镜与该阻挡层由一相同的初始层所形成。
10.如权利要求9所述的图像感应元件，其中该金属层间介电层微透镜的材料包括金属氧化物、含氮材料、含碳材料、含氧材料或前述的组合。
11.如权利要求9所述的图像感应元件，其中该阻挡层位于该光感应区上方。
12.如权利要求10所述的图像感应元件，其中该阻挡层位于该光感应区上方，且除了在该金属层间介电层微透镜的位置之外，该阻挡层在该光感应区上方的净厚度为100埃或100埃以下。
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Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7294818B2 (en) * 2004-08-24 2007-11-13 Canon Kabushiki Kaisha Solid state image pickup device and image pickup system comprising it
US20060057765A1 (en) * 2004-09-13 2006-03-16 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Image sensor including multiple lenses and method of manufacture thereof
KR100784871B1 (ko) * 2006-07-31 2007-12-14 삼성전자주식회사 내부 렌즈를 구비한 이미지 센서의 제조방법
US7755154B2 (en) * 2006-08-01 2010-07-13 Dongbu Hitek Co., Ltd. Image sensor
US7537951B2 (en) * 2006-11-15 2009-05-26 International Business Machines Corporation Image sensor including spatially different active and dark pixel interconnect patterns
CN100517653C (zh) * 2006-12-08 2009-07-22 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 用于dram单元和外围晶体管的方法及所产生的结构
US20080173791A1 (en) * 2007-01-19 2008-07-24 Palum Russell J Image sensor with three sets of microlenses
JP5159120B2 (ja) * 2007-02-23 2013-03-06 キヤノン株式会社 光電変換装置およびその製造方法
JP5288823B2 (ja) * 2008-02-18 2013-09-11 キヤノン株式会社 光電変換装置、及び光電変換装置の製造方法
US7977201B2 (en) * 2008-08-14 2011-07-12 International Business Machines Corporation Methods for forming back-end-of-line resistive semiconductor structures
US7939911B2 (en) * 2008-08-14 2011-05-10 International Business Machines Corporation Back-end-of-line resistive semiconductor structures
KR101550433B1 (ko) * 2009-01-30 2015-09-07 삼성전자주식회사 반도체 장치의 제조 방법
JP5428400B2 (ja) * 2009-03-04 2014-02-26 ソニー株式会社 固体撮像装置、および、その製造方法、電子機器
JP5367459B2 (ja) * 2009-05-28 2013-12-11 株式会社東芝 半導体撮像装置
TWI418024B (zh) * 2009-07-06 2013-12-01 Pixart Imaging Inc 影像感測元件及其製作方法
US8330840B2 (en) * 2009-08-06 2012-12-11 Aptina Imaging Corporation Image sensor with multilayer interference filters
US8981510B2 (en) 2010-06-04 2015-03-17 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Ridge structure for back side illuminated image sensor
JP6029266B2 (ja) 2011-08-09 2016-11-24 キヤノン株式会社 撮像装置、撮像システムおよび撮像装置の製造方法
US20140197508A1 (en) * 2013-01-17 2014-07-17 United Microelectronics Corporation Image sensor and method for fabricating the same
US9547231B2 (en) * 2013-06-12 2017-01-17 Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. Device and method for making photomask assembly and photodetector device having light-collecting optical microstructure
KR102268712B1 (ko) 2014-06-23 2021-06-28 삼성전자주식회사 자동 초점 이미지 센서 및 이를 포함하는 디지털 영상 처리 장치
JP6598436B2 (ja) * 2014-08-08 2019-10-30 キヤノン株式会社 光電変換装置、撮像システム、及び光電変換装置の製造方法
US10535558B2 (en) * 2016-02-09 2020-01-14 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Method of forming trenches
CN110073493A (zh) * 2016-12-27 2019-07-30 凸版印刷株式会社 固体拍摄元件及其制造方法
DE102017218772A1 (de) * 2017-10-20 2019-04-25 Infineon Technologies Dresden Gmbh Mikrolinse mit trägerlosem optischem Interferenzfilter
KR102554417B1 (ko) 2018-06-18 2023-07-11 삼성전자주식회사 이미지 센서
KR20210078632A (ko) 2019-12-18 2021-06-29 삼성전자주식회사 이미지 센서

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6521523B2 (en) * 2001-06-15 2003-02-18 Silicon Integrated Systems Corp. Method for forming selective protection layers on copper interconnects
US7078746B2 (en) * 2003-07-15 2006-07-18 Micron Technology, Inc. Image sensor with floating diffusion gate capacitor
US7084056B2 (en) * 2003-07-01 2006-08-01 Samsung Electronics Co., Ltd. Electrical interconnection, method of forming the electrical interconnection, image sensor having the electrical interconnection and method of manufacturing the image sensor

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6577342B1 (en) * 1998-09-25 2003-06-10 Intel Corporation Image sensor with microlens material structure
US6665014B1 (en) * 1998-11-25 2003-12-16 Intel Corporation Microlens and photodetector
KR100303774B1 (ko) * 1998-12-30 2001-11-15 박종섭 개선된 광감도를 갖는 씨모스이미지센서 제조방법
US6137634A (en) * 1999-02-01 2000-10-24 Intel Corporation Microlens array
US6736626B1 (en) * 1999-03-24 2004-05-18 Foxfire, Llc Pressed earth block machine
US6249034B1 (en) * 1999-03-29 2001-06-19 Intel Corporation Microlens formed of negative photoresist
US6583438B1 (en) * 1999-04-12 2003-06-24 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Solid-state imaging device
US6301051B1 (en) * 2000-04-05 2001-10-09 Rockwell Technologies, Llc High fill-factor microlens array and fabrication method
US6639726B1 (en) * 2000-05-16 2003-10-28 Micron Technology, Inc. Microlenses with spacing elements to increase an effective use of substrate
US6821810B1 (en) * 2000-08-07 2004-11-23 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company High transmittance overcoat for optimization of long focal length microlens arrays in semiconductor color imagers
JP2003204050A (ja) * 2002-01-08 2003-07-18 Canon Inc 固体撮像装置
US6861686B2 (en) * 2003-01-16 2005-03-01 Samsung Electronics Co., Ltd. Structure of a CMOS image sensor and method for fabricating the same
US6977218B2 (en) * 2003-07-17 2005-12-20 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Method for fabricating copper interconnects
JP2005057024A (ja) * 2003-08-04 2005-03-03 Matsushita Electric Ind Co Ltd 固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、カメラ
JP2005072364A (ja) * 2003-08-26 2005-03-17 Fuji Film Microdevices Co Ltd 固体撮像素子及びその製造方法
EP1626442B1 (fr) * 2004-08-13 2011-01-12 St Microelectronics S.A. Capteur d'image
US7193289B2 (en) * 2004-11-30 2007-03-20 International Business Machines Corporation Damascene copper wiring image sensor
KR100666371B1 (ko) * 2004-12-23 2007-01-09 삼성전자주식회사 이미지 소자의 제조 방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6521523B2 (en) * 2001-06-15 2003-02-18 Silicon Integrated Systems Corp. Method for forming selective protection layers on copper interconnects
US7084056B2 (en) * 2003-07-01 2006-08-01 Samsung Electronics Co., Ltd. Electrical interconnection, method of forming the electrical interconnection, image sensor having the electrical interconnection and method of manufacturing the image sensor
US7078746B2 (en) * 2003-07-15 2006-07-18 Micron Technology, Inc. Image sensor with floating diffusion gate capacitor

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Publication number Publication date
KR20080031101A (ko) 2008-04-08
US7544982B2 (en) 2009-06-09
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KR100892719B1 (ko) 2009-04-15
CN101159278A (zh) 2008-04-09

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