CN103022068A - 一种cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CMOS图像传感器制造方法，包括在衬底上形成MOS晶体管区及光电二极管区；在MOS晶体管区上方形成金属互连结构，金属互连结构形成于互连介质层中；淀积并刻蚀微透镜介质层以形成位于光电二极管区上方的内嵌式微透镜；在金属互连结构上方形成上表面窄下表面宽即横截面为梯形的顶层金属互连线；淀积并刻蚀顶层互连介质层，以在内嵌式微透镜上方形成沟槽，所述沟槽包括由位于顶层金属互连线上方的第一部分，以及顶层金属互连线环绕而成的第二部分；以及在所述第一部分与所述第二部分形成第一反射层与第二反射层。本发明还公开了一种CMOS图像传感器，使得更多的入射光到达光电二极管的感光区域，参与光电转换过程，有效地提高了像素单元的灵敏度。

Description

一种CMOS图像传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种CMOS图像传感器。

背景技术

通常，图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置。图像传感器包括电荷耦合器件（CCD）和互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器芯片。

CMOS图像传感器和传统的CCD传感器相比具有的低功耗，低成本和与CMOS工艺兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用。现在CMOS图像传感器不仅用于消费电子领域，例如微型数码相机（DSC），手机摄像头，摄像机和数码单反（DSLR）中，而且在汽车电子，监控，生物技术和医学等领域也得到了广泛的应用。

CMOS图像传感器可以根据像素单元晶体管数目分类成三管，四管和五管式，三管式的CMOS图像传感器像素单元包括一个光电二极管和3个MOS晶体管，四管和五管式像素单元分别包括一个光电二极管和4个或5个MOS晶体管。这些器件中光电二极管是感光单元，实现对光线的收集和光电转换，其它的MOS晶体管是控制单元，主要实现对光电二极管的选中，复位和读出的控制。

常规的像素单元的截面图如图1所示，只有在没有金属层覆盖的光电二极管区域20的光线能够在光电转换中起作用，因此像素单元的灵敏度直接和像素单元中光电二极管区域20的面积占整个像素单元面积的比例成正比，我们把这个比例定义为填充因子。由于光电二极管区20之间存在用于信号控制的3个，4个或5个MOS晶体管，占用了大量的面积，而为了防止入射光到达MOS晶体管表面产生噪声和串扰，金属互连线1a，2a，3a将MOS晶体管区域10全部覆盖，因此造成金属互连线覆盖的MOS晶体管区域10的垂直入射光和斜入射光全部被反射，使得CMOS图像传感器中像素单元的填充因子在20%到50%之间，这就意味着50%到80%的面积上的入射光是被屏蔽掉的，不能参与光电转换的过程，因而造成了入射光的损失和像素单元灵敏度的降低。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，使得有更多的入射光能够到达光电二极管的感光区域，参与光电转换过程的目的，有效地提高了像素单元的灵敏度。

为达成上述目的，本发明提供一种CMOS图像传感器制造方法，包括如下步骤：在衬底上形成MOS晶体管区及光电二极管区；在所述MOS晶体管区上方形成金属互连结构，所述金属互连结构形成于互连介质层中，包括接触孔，N-1层金属互连线以及连接于相邻层的所述金属互连线之间的通孔；其中，N为金属互连线的总层数，且为大于等于2的正整数；在所述N-1层金属互连线上淀积并刻蚀微透镜介质层，以形成具有一定曲率半径的内嵌式微透镜，所述内嵌式微透镜位于所述光电二极管区上方；在上述结构上方淀积互连介质层，并形成通孔；淀积并刻蚀第N层金属，以形成上表面窄下表面宽即横截面为梯形的顶层金属互连线，所述顶层金属互连线环绕所述光电二极管区上方；在所述顶层金属互连线之间及上方淀积顶层互连介质层；刻蚀所述顶层互连介质层，在所述内嵌式微透镜上方形成沟槽，所述沟槽包括位于所述顶层金属互连线上方的第一部分，以及由所述顶层金属互连线环绕而成的第二部分，其中所述第一部分的侧壁环绕所述光电二极管区上方；以及在所述第一部分与所述第二部分形成第一反射层与第二反射层。

可选的，在所述第一部分与所述第二部分形成第一反射层与第二反射层的步骤包括在所述沟槽进行反射层薄膜的淀积以形成反射层；以及移除所述顶层互连介质层上表面和所述沟槽底部的所述反射层，以形成所述第一反射层与所述第二反射层。

可选的，在形成所述第一反射层及所述第二反射层后，在所述沟槽淀积并平坦化介质材料，其中所述介质材料与所述顶层互连介质层的介质材料相同。

可选的，所述沟槽的底部面积大于或等于所述内嵌式微透镜的面积。

可选的，所述沟槽的顶部面积大于其底部面积。

可选的，所述内嵌式微透镜的面积大于或等于所述光电二极管区的面积。

可选的，所述第一部分的侧壁与所述顶层金属互连线上表面垂直相接。

可选的，所述内嵌式微透镜的材料为氮化硅。

可选的，所述反射层薄膜的材料为氮化硅、碳化硅、多晶硅、钛、氮化钛或钨；所述反射层薄膜的厚度为

到

可选的，所述沟槽的底部位于所述内嵌式微透镜上表面的上方。

可选的，通过刻蚀反应聚合物的成分比调节所述顶层金属互连线横截斜面的角度。

本发明进一步提供了一种CMOS图像传感器，包括MOS晶体管区和光电二极管区，形成于衬底上；金属互连结构，形成于所述MOS晶体管区上方的互连介质层中，包括接触孔，金属互连线以及连接于所述金属互连线之间的通孔，其中，顶层金属互连线上表面窄下表面宽即横截面呈梯形，所述顶层金属互连线环绕所述光电二极管区上方；内嵌式微透镜，形成于所述光电二极管区的上方的互连介质层中，位于所述顶层金属互连线和次顶层金属互连线之间；沟槽，形成在所述内嵌式微透镜的上方的互连介质层中，所述沟槽包括位于所述顶层金属互连线上方的第一部分，以及由所述顶层金属互连线环绕而成的第二部分，其中所述第一部分的侧壁环绕所述光电二极管区上方；以及第一反射层及第二反射层，分别形成在所述第一部分及所述第二部分。

可选的，所述沟槽的底部面积大于或等于所述内嵌式微透镜的面积。

可选的，所述沟槽的顶部面积大于其底部面积。

可选的，所述内嵌式微透镜的面积大于或等于光电二极管区的面积。

可选的，所述第一部分的侧壁与所述顶层金属互连线上表面垂直相接。

可选的，所述第一反射层及所述第二反射层由反射层薄膜淀积形成，所述反射层薄膜的材料为氮化硅、碳化硅、多晶硅、钛、氮化钛或钨；所述反射层薄膜的厚度为

到

可选的，所述内嵌式微透镜的材料为氮化硅。

本发明的优点在于通过反射层和内嵌式微透镜能够使得原先位于MOS晶体管上方被屏蔽的入射光被收集并聚焦，实现了对光电二极管以外区域的光线收集，从而达成了更多入射光到达光电二极管的感光区域，参与光电转换过程的目的，有效地提高了像素单元的灵敏度。此外，由于金属互连线是多层之间交错分布的，入射光不会到达MOS晶体管区域而造成漏电，可有效减少噪声产生，同时沟槽上形成的反射层也进一步防止了像素之间串扰的发生。

附图说明

图1所示为现有技术中CMOS图像传感器的结构剖视图。

图2所示为本发明的CMOS图像传感器的结构剖视图。

图3-12所示为本发明的CMOS图像传感器制造方法的剖视图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

图2是本发明的CMOS图像传感器的结构剖视图。

如图2所示，根据本发明的CMOS图像传感器包括形成在衬底上的多个进行读写控制和复位的MOS晶体管区10和用于感光的光电二极管区20。金属互连结构形成于MOS晶体管区上方的互连介质层30中，金属互连结构包括金属互连线1，金属互连线2，顶层金属互连线3，与金属互连线1，2，3配套的接触孔4，通孔5，以及通孔6。金属互连线1通过接触孔4与MOS晶体管电连接，金属互连线2通过通孔5与金属互连线1电连接，顶层金属互连线3通过通孔6与金属互连线2电连接。需要注意的是，尽管图2中除顶层金属互连线3以外，金属互连线为两层，但也可形成仅一层或多于两层的金属互连线。此外，这些金属互连线被设置成将MOS晶体管区域10全部覆盖。顶层金属互连线3为上表面窄下表面宽，也即是横截面为梯形，环绕于光电二极管区20的上方。

内嵌式微透镜61形成于MOS晶体管区上方的互连介质层30中，位于顶层金属互连线3和次顶层金属互连线2之间，负责将反射光折射进入光电二极管区20。内嵌式微透镜61位于光电二极管区20上方并具有一定的曲率半径，其材料为高折射率的材料如氮化硅。更进一步的，内嵌式微透镜61的面积大于或等于光电二极管区的面积。

内嵌式微透镜61的上方互连介质层中形成有沟槽40，沟槽40包括位于顶层金属互连线3上方的第一部分41，以及顶层金属互连线3环绕而成的第二部分42，其中第一部分41侧壁环绕光电二极管区20的上方。第一部分41和第二部分42上分别形成有第一反射层51和第二反射层52，共同负责将斜入射光或垂直入射光反射进入内嵌式微透镜61。较佳的，沟槽40的第一部分41与顶层金属互连线3的上表面垂直相接，从而能够更好地使得斜入射光反射到内嵌式微透镜61。此外，顶层金属互连线3可通过版图设计来减小线宽，以使垂直入射光充分进入反射区域。为保证垂直入射光的反射光线能到达内嵌式微透镜61，顶层金属互连线3斜面的角度根据其反射层到内嵌式微透镜61的距离进行相应调节。沟槽40的底部是位于内嵌式微透镜61上表面的上方。优选的，沟槽40底部的面积大于或等于内嵌式微透镜61的面积，沟槽40的顶部面积大于其底部面积，以收集更多的MOS晶体管区域10的入射光，使其能够被反射进入内嵌式微透镜61。在本发明的一实施例中，沟槽40的底部和顶部均为正方形，且其顶部正方形的边长大于底部正方形的边长，顶层金属互连线3为环绕沟槽40的正方形互连线。当然，沟槽40的底部和顶部也可为其他多边形，顶层金属互连线3也可为多边形互连线，本发明并不限于此。此外，第一反射层51及第二反射层52可由反射层薄膜淀积而成，其中反射层薄膜可以采用高反射率的氮化硅，碳化硅，多晶硅，钛，氮化钛，钨或其它金属，其厚度可以在

到

之间。顶层金属互连线3横截斜面的角度可通过刻蚀反应聚合物的成分比来调节，以保证斜面角度满足反射光线到达内嵌式微透镜61的要求。由此，第一反射层51负责将斜入射光反射进入内嵌式微透镜61，第二反射层52负责将垂直入射光反射进入内嵌式微透镜61，这些有一定角度的反射光可以由内嵌式微透镜61再次聚焦，经过折射后形成接近垂直于光电二极管区20表面的光线，这样就实现了对光电二极管以外区域的光线收集，有效地提高了像素单元的灵敏度。

下面将参照图3至图12描述根据本发明的用于制造上述CMOS图像传感器的方法。

请参考图3，首先，使用常规工艺在衬底上形成进行读写控制和复位的MOS晶体管区10及用于感光的光电二极管区20；随后在MOS晶体管区10上方形成互连介质层30，在互连介质层30中形成金属互连结构，金属互连结构包括金属互连线1，金属互连线2，以及与金属互连线1，2相配套的接触孔4，通孔5。金属互连线1通过接触孔4与MOS晶体管电连接，金属互连线2通过通孔5与金属互连线1电连接。需要注意的是，尽管图3至图5中金属互连线为两层，但也可形成仅一层或多于两层的金属互连线。此外，这些金属互连线被设置成将MOS晶体管区域10全部覆盖。

接着，请参考图4，在上述结构上方淀积微透镜介质层60，微透镜介质层60的材料可为高折射率材料如氮化硅，淀积方法例如化学汽相淀积。接着光刻和刻蚀微透镜介质层60，以形成具有一定曲率半径的内嵌式微透镜61。具体来说，可通过调整刻蚀菜单的功率、刻蚀气体流量和气体配比来形成具有一定曲率半径的内嵌式微透镜61。如图5所示，内嵌式微透镜61位于光电二极管区20上方，内嵌式微透镜61的面积大于或等于光电二极管区20的面积。内嵌式微透镜61的作用在于将入射的光线进行聚焦，从而使经其折射后的光线能够垂直于光电二极管区20的表面，以更好地进行光线收集。

随后，如图6所示，在上述结构上方淀积互连介质层，并形成通孔6。

接着，如图7所示，淀积并刻蚀顶层金属，以形成顶层金属互连线3，顶层金属互连线3通过通孔6与金属互连线2电连接。在本发明的实施例中，通过在刻蚀过程中增加反应生成物在金属侧壁的淀积量，来形成具有上表面窄下表面宽，也即是横截面为梯形的顶层金属互连线3。当然，也可以采用其他工艺刻蚀出具有这一结构的顶层金属互连线3，本发明并不限于此。顶层金属互连线3环绕光电二极管区20的上方，其横截斜面的角度可通过刻蚀过程中反应聚合物的成分比来加以调节，从而调整入射光反射的角度。

接着，如图8所示，使用化学汽相淀积的方法在顶层金属互连线3及其上方淀积顶层互连介质层。

再次，请参考图9，刻蚀顶层互连介质层以形成沟槽40。其中，沟槽40包括位于顶层金属互连线3上方的第一部分41，以及由顶层金属互连线3环绕而成的第二部分42，第一部分41环绕光电二极管区20的上方。刻蚀中通过采用对金属和互连介质层具有高选择比的刻蚀反应聚合物，使得沟槽的第二部分42形成和顶层金属互连线3环绕相一致的形貌。较佳的，沟槽40的第一部分41的侧壁与顶层金属互连线3的上表面垂直相接，从而能够更好地反射斜入射光到内嵌式微透镜61。沟槽40的底部是位于内嵌式微透镜61上表面的上方。沟槽40底部的面积要大于或等于内嵌式微透镜61的面积，其顶部面积则大于其底部面积，从而能够收集到更多MOS晶体管区域10的入射光反射进入内嵌式微透镜61。在本发明的另一实施例中，沟槽40的底部和顶部均为正方形，且其顶部正方形的边长大于底部正方形边长，顶层金属互连线3为环绕沟槽40的正方形互连线。当然，沟槽40底部和顶部的形状也可为其他多边形，顶层金属互连线3也可为多边形互连线，本发明并不限于此。

随后，如图10所示，在沟槽40上进行反射层薄膜淀积而形成反射层50。反射层薄膜可以采用高反射率的氮化硅，碳化硅，多晶硅，钛，氮化钛，钨或其它金属，其厚度可以在

到

之间。

然后，如图11所示，刻蚀反射层50，使得在顶层互连介质层上表面和沟槽40底部的反射层被移除，只保留沟槽40侧壁的反射层。此时，沟槽40侧壁的反射层为包括第一反射层51和第二反射层52的复合反射层结构，其中第一反射层51形成在沟槽40的第一部分41上，第二反射层52则形成在沟槽40的第二部分42上，共同负责将斜入射光及垂直入射光反射进入内嵌式微透镜61。由于反射层反射后的光线并不一定是垂直于光电二极管区20表面的，而是有一定角度的，因此它们可能无法全部到达光电二极管的表面并产生光电反应，因此通过互连介质层中高折射率的内嵌式微透镜61，这些有一定角度的反射光可以由内嵌式微透镜61再次聚焦，经过折射后形成接近垂直于到光电二极管区20表面的光线，这样就实现了对光电二极管以外区域光线的有效收集，提高了像素单元的灵敏度。

最后，如图12所示，使用化学汽相的方法在沟槽中淀积并平坦化与顶层互连介质层相同的介质材料。

综上所述，本发明在像素的MOS晶体管区域上方形成了一个包括第一反射层和第二反射层的复合反射层结构以及内嵌式微透镜，合反射层结构可将垂直入射光和斜入射光都反射进入内嵌式微透镜，内嵌式微透镜再将入射光折射进光电二极管区，这样就使得原先位于MOS晶体管区域上方被屏蔽的入射光能够通过反射被收集，通过内嵌式微透镜折射被聚焦，实现了对光电二极管以外区域的光线收集，从而达成了更多入射光到达光电二极管的感光区域，参与光电转换过程的目的，有效地提高了像素单元的灵敏度。此外，由于金属互连线是多层之间交错分布的，入射光不会到达MOS晶体管区域而造成漏电，从而可有效减少噪声产生，同时沟槽侧壁上的反射层也进一步防止了像素之间串扰的发生。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (18)

1.一种CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

在衬底上形成MOS晶体管区及光电二极管区；

在所述MOS晶体管区上方形成金属互连结构，所述金属互连结构形成于互连介质层中，包括接触孔，N-1层金属互连线以及连接于相邻层的所述金属互连线之间的通孔；其中，N为金属互连线的总层数，且为大于等于2的正整数；

在所述N-1层金属互连线上淀积并刻蚀微透镜介质层，以形成具有一定曲率半径的内嵌式微透镜，所述内嵌式微透镜位于所述光电二极管区上方；

在上述结构上方淀积互连介质层，并在所述互连介质层中形成通孔；

淀积并刻蚀第N层金属，以形成上表面窄下表面宽即横截面为梯形的顶层金属互连线，所述顶层金属互连线环绕所述光电二极管区上方；

在所述顶层金属互连线之间及上方淀积顶层互连介质层；

刻蚀所述顶层互连介质层，在所述内嵌式微透镜上方形成沟槽，所述沟槽包括位于所述顶层金属互连线上方的第一部分，以及由所述顶层金属互连线环绕而成的第二部分，其中所述第一部分的侧壁环绕所述光电二极管区上方；以及

在所述第一部分与所述第二部分形成第一反射层与第二反射层。

2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，在所述第一部分与所述第二部分形成第一反射层与第二反射层的步骤包括：

在所述沟槽进行反射层薄膜的淀积以形成反射层；以及

移除所述顶层互连介质层上表面和所述沟槽底部的所述反射层，以形成所述第一反射层与所述第二反射层。

3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，还包括：在形成所述第一反射层及所述第二反射层后，在所述沟槽淀积并平坦化介质材料，其中所述介质材料与所述顶层互连介质层的介质材料相同。

4.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，所述沟槽的底部面积大于或等于所述内嵌式微透镜的面积。

5.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，所述沟槽的顶部面积大于其底部面积。

6.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，所述内嵌式微透镜的面积大于或等于所述光电二极管区的面积。

7.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，所述第一部分的侧壁与所述顶层金属互连线上表面垂直相接。

8.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，所述微透镜介质层的材料为氮化硅。

9.根据权利要求2所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，所述反射层薄膜的材料为氮化硅、碳化硅、多晶硅、钛、氮化钛或钨；所述反射层薄膜的厚度为

到

10.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，所述沟槽的底部位于所述内嵌式微透镜上表面的上方。

11.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，通过刻蚀反应聚合物的成分比调节所述顶层金属互连线横截斜面的角度。

12.一种CMOS图像传感器，其特征在于，包括：

MOS晶体管区和光电二极管区，形成于衬底上；

金属互连结构，形成于所述MOS晶体管区上方的互连介质层中，包括接触孔，金属互连线以及连接于所述金属互连线之间的通孔，其中，顶层金属互连线上表面窄下表面宽即横截面呈梯形，所述顶层金属互连线环绕所述光电二极管区上方；

内嵌式微透镜，形成于所述光电二极管区上方的互连介质层中，位于所述顶层金属互连线和次顶层金属互连线之间；

沟槽，形成在所述内嵌式微透镜的上方的互连介质层中，所述沟槽包括位于所述顶层金属互连线上方的第一部分，以及由所述顶层金属互连线环绕而成的第二部分，其中所述第一部分的侧壁环绕所述光电二极管区上方；以及

第一反射层及第二反射层，分别形成在所述第一部分及所述第二部分。

13.根据权利要求12所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述沟槽的底部面积大于或等于所述内嵌式微透镜的面积。

14.根据权利要求12所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述沟槽的顶部面积大于其底部面积。

15.根据权利要求12所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述内嵌式微透镜的面积大于或等于光电二极管区的面积。

16.根据权利要求12所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述第一部分的侧壁与所述顶层金属互连线上表面垂直相接。

17.根据权利要求12所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述第一反射层及所述第二反射层由反射层薄膜淀积形成，所述反射层薄膜的材料为氮化硅、碳化硅、多晶硅、钛、氮化钛或钨；所述反射层薄膜的厚度为

到

18.根据权利要求12所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述内嵌式微透镜的材料为氮化硅。

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