CN103066089B - Cmos影像传感器像元结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CMOS影像传感器的像元结构及其制备方法，该结构包括硅衬底上的光敏元件和用于标准CMOS器件的多层结构，在所述光敏元件的上方具有形成透光空间的深沟槽，其中，所述深沟槽的侧壁由光线反射屏蔽层环绕，所述光线反射屏蔽层在纵向上连续排布，以反射入射到所述光线反射屏蔽层的光线。本发明将深沟槽被环形的金属互连线、通孔、接触孔和多晶硅所包围，使入射到上面的光线基本被完全反射，避免了光学出串扰的发生，有效地提高了像元的光学分辨率和灵敏度，提升了芯片的性能和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及CMOS影像传感器技术领域，尤其涉及一种可提高光学性能的CMOS影像传感器的像元结构及其制造方法。
背景技术
CMOS影像传感器由于其与CMOS工艺兼容的特点，从而得到快速发展。相对于CCD工艺，其工艺完全与CMOS工艺兼容，其通过将光敏元件和CMOS处理电路一起做在硅衬底上，从而在保证性能的基础上大幅度降低了成本，同时可以大幅度提高集成度，制造像素更高的产品。
传统CMOS影像传感器是使用正面光照的方法，将光敏元件和CMOS处理电路一起做在硅衬底上使用同一层次实现，而芯片互连则制造在CMOS处理电路之上，光敏元件之上为了光线的通过而不进行互连线的排步。然而，常规半导体材料的透光性较差，因此需要把光敏元件上面的介质层次全部去除，并填充透光材料，以增强其光吸收。
然而，随着像元尺寸减小，相邻像元之间的间距也随着急剧减小，当光线入射时，会使光线经过折射和多次反射穿过相邻像元之间区域到达旁边一个像元，这会引起像元之间的光学串扰，导致像元图像信号灵敏度、分辨率和清晰度变差，芯片性能变差。因此，如何减小相邻像元之间的光学串扰、增强入射光的量以提高像元分辨率和灵敏度，是本领域技术人员亟待解决的技术难题之一。
发明内容
本发明的目的在于弥补上述现有技术的不足，提供一种CMOS影像传感器的像元结构及其制造方法。
本发明的CMOS影像传感器的像元结构，其包括硅衬底上的光敏元件和用于标准CMOS器件的多层结构，在所述光敏元件的上方具有形成透光空间的深沟槽，其中，所述深沟槽的侧壁由光线反射屏蔽层环绕，所述光线反射屏蔽层在纵向上连续排布，以反射入射到所述光线反射屏蔽层的光线。
进一步地，所述深沟槽在纵向方向的投影面完全覆盖所述光敏元件，以使所有入射到深沟槽内的光线都可被光敏元件所吸收。
其中，该多层结构包括第一多晶硅层、第一金属互连层、第一接触孔层、第一通孔层和第一互连介质层。
在第一个应用中，所述光线反射屏蔽层是一层金属反射层。
进一步地，所述金属反射层贴着深沟槽的侧壁向内而设。此处“向内”指从深沟槽外部朝深沟槽内部的方向。
进一步地，所述金属反射层自深沟槽底端向上延伸至深沟槽顶端，并进一步延伸覆盖所述多层结构。较佳地，所述多层结构中的顶层为介质层，用以将金属反射层与多层结构中的金属互连层相隔开。在多层结构顶层也设置金属反射层的目的在于，反射从多层结构顶部入射到多层结构内部的光线，而进一步避免光线对相邻像元的光学串扰。
进一步地，所述金属反射层的材料包括Al、Cu、Pt、Ru、TaN、Ta、Ti、TiN等CMOS工艺中常用的金属材料及其叠层复合材料，如Ti\TiN\Al复合金属，且该金属反射层的厚度为50A-5000A，其是通过PVD（物理气相沉积，Physical Vapor Deposition）、CVD（化学气相沉积，Chemical Vapor Deposition）、ALD（原子层沉积，Atomic Layer Deposition）等成膜技术来制备的。
在第二个应用中，所述光线反射屏蔽层是一层金属反射层，其沿着深沟槽的侧壁向外而设，使得金属反射层与深沟槽侧壁之间具有介质层。此处的“向外”指从深沟槽内部朝深沟槽外部的方向。
在第三个应用中，所述光线反射屏蔽层包括自下而上连续层叠排布的由多晶硅所围成的第二多晶硅层、由多个接触孔密集排布所围成的第二接触孔层、由金属连线所围成的第二金属互连层和由多个通孔密集排布所围成的第二通孔层，所述光线反射屏蔽层沿着深沟槽的侧壁向外而设，使得其与深沟槽侧壁之间具有介质层。
其中，上述第三个应用中光线反射屏蔽层中的多个层次相对应于标准CMOS工艺中的相应层次，是利用标准CMOS工艺来实现的。
其中，所述光线反射屏蔽层有数个第二金属互连层和数个第二通孔层，且两两交错而设。
其中，第二接触孔层中的多个接触孔和第二通孔层中的多个通孔的间距是按照CMOS标准工艺最小间距来定义的。
进一步地，所述光线反射屏蔽层在从上至下的投影面上呈多边形并包围所述光敏元件。优选的，所述多边形为方形或六角形。
进一步地，所述深沟槽内填充透明材料以形成透光体。
进一步地，所述透明材料所形成的透光体还覆盖该多层结构顶层的金属反射层，在透光体的上表面还依次设置有彩色滤光层（colorfilter）和微透镜层（microlens）。
进一步地，所述光线反射屏蔽层与深沟槽侧壁之间的介质层的厚度为0.05um-1um。
进一步地，该第二多晶硅层采用标准CMOS工艺的栅极材料的工艺实现，其材料可以是n型掺杂的多晶硅或p型掺杂的多晶硅或者无掺杂的多晶硅，其实现工艺可以是与N型MOS（金属-氧化物-半导体，Metal-Oxide-Semiconductor）的栅极一起实现，或者和P型MOS以及高阻多晶硅结构一起实现。
进一步地，该第二接触孔层采用标准CMOS工艺的接触孔工艺来实现，其材料可以是Cu或者W。
进一步地，该第二金属互连层采用标准CMOS工艺的接触孔工艺来实现，其材料可以是Cu或者Al。其中，该第二金属互连层可以采用标准CMOS工艺的Al后道工艺来实现，也可以由铜后道工艺大马士革工艺来实现。
进一步地，该第二通孔层采用标准CMOS工艺的接触孔工艺来实现，其材料可以是Cu或者W。其中，该通孔层可以采用标准CMOS工艺的Al后道工艺来实现，也可以由铜后道工艺大马士革工艺来实现。
进一步地，该透明材料是含碳、氢、氧的透明树脂。
进一步地，所述光敏元件是光敏二极管。
本发明上述第一个应用中CMOS影像传感器的像元结构的制造方法，包括以下步骤：
步骤S101：在硅衬底上排布光敏元件和用于标准CMOS器件的多层结构；
步骤S102：光刻刻蚀去除光敏元件上方的介质层，形成具有透光空间的深沟槽；
步骤S103：利用成膜工艺向硅片表面沉积金属反射层；
步骤S104：去除附着于深沟槽侧壁的金属反射层以外的沉积金属。
进一步地，还包括步骤S105：向深沟槽内填充透明材料，并实现硅片平坦化；步骤S106：在透明材料的上表面依次制作彩色滤光层和微透镜层。
其中，步骤S101与步骤S102之间还包括去除由数个光敏元件组成的像元阵列区域之上的钝化层的步骤S1011，该钝化层是包括例如下层SiN层（厚度为1000A-2000A）和上层SiO2层的叠层结构，该步骤S011包括去除SiO2层并停留在SiN层以及去除SiN层。
其中，步骤S103中成膜工艺包括PVD、CVD、ALD等工艺。
其中，由于步骤S104需要去除多个高度平面上的金属反射层，包括深沟槽底部、深沟槽内除深沟槽侧壁以外的区域，甚至深沟槽之间隔离区域的顶部，以及像元阵列外部区域，因此，该步骤包括单次或多次光刻多次不同焦平面的曝光技术。
具体地，步骤S104包括：先实现深沟槽底部区域的曝光，露出需要刻蚀去除的金属反射层；然后实现深沟槽之间隔离区顶部金属反射层的曝光，露出需要刻蚀去除的金属反射层；再实现像元阵列外部区域钝化层上的金属反射层曝光，露出需要刻蚀去除的金属反射层；最后通过刻蚀去除上述区域的金属反射层。
此外，也可以通过大面积刻蚀去除硅片表面平面之上的金属反射层，这是由于深沟槽侧壁的金属反射层纵向高度很高，即很厚，因此，可以在刻蚀后被保留下来。
本发明上述第二个应用中CMOS影像传感器的像元结构的制造方法，包括以下步骤：
步骤S201：在硅衬底上排布光敏元件和用于标准CMOS器件的多层结构，并利用标准CMOS工艺实现包括光敏元件和多层结构；
步骤S202：实现所述多层结构顶层的通孔和用于容置所述光线反射屏蔽层的孔槽；
步骤S203：实现所述多层结构顶层第一金属互连层中用于容置金属连线的沟槽；
步骤S204：实现顶层第一金属互连层的金属连线和光线反射屏蔽层的金属层；
步骤S205：刻蚀实现深沟槽。
进一步地，所述步骤S202和步骤S203采用双大马士革工艺中的先刻全孔工艺（full via first）。
进一步地，还包括步骤S206，向深沟槽内填充透明材料以形成透明体，并在所述透明体上表面实现的彩色滤光层和微透镜层。
本发明上述第三个应用中CMOS影像传感器的像元结构的制造方法，包括以下步骤：
步骤S301：在硅衬底上排布光敏元件、用于标准CMOS器件的多层结构和光线反射屏蔽层，并利用标准CMOS工艺实现包括光敏元件、多层结构和光线反射屏蔽层，其中，所述光线反射屏蔽层包括第二多晶硅层、由多个接触空密集排布所围成的第二接触孔层、由金属连线所围成的第二金属互连层和由多个通孔密集排布所围成的第二通孔层；
步骤S302：刻蚀实现深沟槽。
进一步地，还包括步骤S303，向深沟槽内填充透明材料以形成透明体，并在所述透明体上表面实现的彩色滤光层和微透镜层。
现有技术中，由于光敏元件区域上方的介质层膜层较多且复杂，同时非常厚，也就是光线到达光敏元件的距离比较长，这样光线传输中，会有不可避免的损失，该损失与光线传输路程成正比；同时，光线传输过程中，有一定角度的光线会入射到深沟槽侧壁上，该部分光线会发生一定的折射、透射及吸收，导致相邻像元之间的串扰以及光线损失。
因此，本发明的CMOS影像传感器的像元结构中，在光敏元件上方的深沟槽侧壁，被环形的金属互连线、通孔、接触孔和多晶硅所包围，或直接被金属层所包围，由于金属层、通孔、接触孔层以及多晶硅层使用金属或多晶硅，入射到上面的光线基本被完全反射，入射角度较大的光线入射到深沟槽侧壁时，不会发生穿过相邻像元之间区域到达旁边一个像元，避免了光学出串扰的发生，有效地提高了像元的光学分辨率和灵敏度；同时，由于入射光线被反射到光敏元件之上，从而提高了像元的光吸收量，这样可以提高整个CMOS影像传感器的光学灵敏度和清晰度，提升了芯片的性能和可靠性；此外，可以通过大面积去除光敏元件阵列区域的钝化层，降低光线传输路径的长度，入射角度也变得更大；同时，由于光敏元件到彩色滤光层及微透镜的距离变短，能够接受更大角度的入射光线，提高了光吸收能力。
附图说明
为能更清楚理解本发明的目的、特点和优点，以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细描述，其中：
图1是本发明第一实施例CMOS影像传感器像元结构的剖视图；
图2是本发明第二实施例CMOS影像传感器像元结构的剖视图；
图3a和图3b是本发明像元结构中有无钝化层的效果示意图；
图4是本发明光敏二极管阵列区域在制备金属反射层之前的剖视图；
图5是图4在制备金属反射层及其他层次之后的剖视图；
图6是本发明CMOS影像传感器像元结构的第三实施例示意图；
图7是本发明第三实施例中第二金属互连层的俯视图；
图8是本发明第三实施例中第二接触孔层的俯视图；
图9a至图9d是本发明第四实施例的工艺流程示意图。
具体实施方式
第一实施例
请参阅图1，第一实施例中，CMOS影像传感器的像元结构包括硅衬底1上的光敏二极管10和多层结构（用于标准CMOS器件的层次），本实施例中，本实施例中硅衬底1与多层结构之间还具有一层栅极氧化层2，其中，多层结构自下而上包括多晶硅层3、钨接触孔层4、铜金属互连层5以及其上的其他通孔层、金属互连层和互连介质层。光敏二极管10上方具有形成透光空间的深沟槽7，深沟槽7侧壁向内由金属反射层6环绕，以反射入射到该金属反射层6的光线。金属反射层6为铝材料，厚度为100A，通过PVD成膜技术制备。
其中，深沟槽7内填充透明材料形成透光体71，透明材料所形成的透光体71还覆盖多层结构的顶层，在深沟槽7内透明材料的上表面一次设置有彩色滤光层8和微透镜9。
本发明以第一实施例中多个CMOS影像传感器光学增强结构组成的像元阵列的制造方法包括：
步骤S101：利用标准CMOS工艺在硅衬底上制备光敏二极管10和用于CMOS器件的多层结构，去除像元阵列区域的钝化层，该钝化层是包括下层SiN层和上层SiO2层的叠层结构，去除钝化层的步骤包括去除SiO2层并停留在SiN层以及去除SiN层；
步骤S102：光刻刻蚀去除光敏二极管10上方的介质层，形成具有透光空间的深沟槽7；
步骤S103：利用PVD成膜工艺向硅片表面沉积金属反射层6；
步骤S104：去除深沟槽7内除深沟槽侧壁以外的金属反射层6；
步骤S105：向深沟槽7内填充透明材料，并实现硅片平坦化；
步骤S106：在深沟槽7内透明材料的上表面依次制作彩色滤光层8和微透镜9。
其中，步骤S04包括：先实现深沟槽7底部区域的曝光，露出需要刻蚀去除的金属反射层；再实现深沟槽7之间隔离区顶部金属反射层的曝光，露出需要刻蚀去除的金属反射层；最后实现像元阵列外部区域钝化层上的金属反射层曝光，露出需要刻蚀去除的金属反射层；最后通过刻蚀去除上述区域的金属反射层。
第二实施例
请继续参阅图2，第二实施例中，CMOS影像传感器的像元结构包括硅衬底1上的光敏二极管10和多层结构（用于标准CMOS器件的层次），本实施例中，本实施例中硅衬底1与多层结构之间还具有一层栅极氧化层2，其中，多层结构自下而上包括多晶硅层3、钨接触孔层4、铜金属互连层5以及其上的其他通孔层、金属互连层和互连介质层。光敏二极管10上方具有形成透光空间的深沟槽7，深沟槽7侧壁由金属反射层6环绕，以反射入射到该金属反射层6的光线；多层结构的顶层之上也制备一层金属反射层6，用以反射从多层结构顶部入射到多层结构内部的光线，而进一步避免光线对相邻像元的光学串扰。金属反射层6为钛材料，厚度为500A，通过PVD成膜技术制备。
其中，深沟槽7内填充透明材料形成透光体71，透明材料所形成的透光体71还覆盖多层结构的顶层，在深沟槽7内透明材料的上表面一次设置有彩色滤光层8和微透镜9。
请同时参阅图3a和3b，图3a中的多层结构比图3b的多层结构多了一层钝化层11，可见，去除钝化层后，像元的光线A入射角度变得更大，光线路程B则变得更短，可以提高光的吸收能力。
接着，请同时参阅图4和图5。
图4中，光敏二极管阵列区域C-C的钝化层12先被去除，其中，钝化层12包括先后生成的下层SiN层和上层SiO2层的叠层结构，该去除钝化层步骤包括去除SiO2层并停留在SiN层以及去除SiN层；然后在各光敏二极管10的上方制备出深沟槽7（图中像元间的多层结构31的各个层次被省略绘出）。
图5中，光敏二极管阵列区域C-C已制备完透光体、金属反射层6、彩色滤光层8以及微透镜9。从图中可见，多层结构31的顶层为介质层14，目的是为了将多层结构中的金属互连层与金属反射层6相互隔开与保护；同时，深沟槽7之间隔离区顶部金属反射层6也被去除一部分，目的是避免相邻像元间的串联干扰。
其中，第一、第二实施例的透明材料选用本领域常用的含碳、氢、氧的透明树脂材料。
第三实施例
请参阅图6，CMOS影像传感器的像元结构包括硅衬底31上的光敏二极管37和多层结构（用于标准CMOS器件的层次），本实施例中硅衬底31与多层结构之间还具有一层栅极氧化层32，其中，多层结构自下而上包括第一多晶硅层33、W接触孔层34、Cu金属互连层35和第一通孔层351、互连介质层（未标示），光敏二极管37上方设有深沟槽38，在深沟槽38的侧壁介质内还具有光线反射屏蔽层39，该光线反射屏蔽层39与深沟槽38侧壁的距离为0.1um，其完全包围深沟槽39，且其包括纵向上自栅极氧化层32起，向上连续层叠排布的第二多晶硅层391、第二接触孔层392、第二金属互连层A 393、第二通孔层A 394、第二属互连层B 395、第二通孔层B 396、第二金属互连层C 397，该深沟槽38内还填充透明材料形成的透光体36。
请继续参阅图7，第二金属互连层A 393、第二属互连层B 395、第二金属互连层C397是连续的环形结构，并完全包围深沟槽38。
请继续参阅图8，第二接触孔层392由多个接触孔密集排布而形成环形，并包围深沟槽38；第二通孔层A 394、第二通孔层B 396亦由多个通孔密集排布而形成环形，并包围深沟槽38。
本实施例中，第二多晶硅层391采用标准CMOS工艺的栅极材料的工艺实现，其材料是n型掺杂的多晶硅，其实现工艺是与N型MOS的栅极一起实现。第二接触孔层392采用标准CMOS工艺的接触孔工艺来实现，其材料是W。三层第二金属互连层均采用标准CMOS工艺的接触孔工艺来实现，其材料可以是Cu，采用铜后道工艺大马士革工艺来实现。两层第二通孔层采用标准CMOS工艺的接触孔工艺来实现，其材料是Cu，采用铜后道工艺大马士革工艺来实现。
本实施例中，在平坦化后透明体36的上表面，同时对应深沟槽38的上方，自下而上依次制备彩色滤光片312和微透镜311。
本实施例CMOS影像传感器的像元结构的制造方法，包括以下步骤：
步骤S201，在硅衬底31上排布光敏二极管37、多层结构和光线反射屏蔽层39，利用标准CMOS工艺实现光敏二极管37、多层结构和光线反射屏蔽层39；
步骤S202，刻蚀深沟槽38，去除光敏二极管37上方所有介质；
步骤S203，向深沟槽38内填充透明体36，并平坦化表面；
步骤S204，在平坦化后的透明体36上表面依次制备彩色滤光片312和微透镜311。
第四实施例
本实施例中，光线反射屏蔽层是由金属围成的金属层，且纵向上自栅极氧化层起，向上连续排布成一体。
请参阅图9a至图9d，本实施例CMOS影像传感器的像元结构的制造方法，包括以下步骤：
步骤S301：在硅衬底上排布光敏二极管和用于标准CMOS器件的多层结构，并利用标准CMOS工艺实现包括光敏二极管和多层结构；
步骤S302：利用光刻工艺，实现多层结构顶层的通孔401和用于容置光线反射屏蔽层的孔槽402；
步骤S303：利用光刻工艺，实现多层结构顶层第一金属互连层中用于容置金属连线的沟槽403；
步骤S304：通过标准工艺，实现顶层第一金属互连层的金属连线404和光线反射屏蔽层的金属层405；
步骤S305：刻蚀实现深沟槽406，填充透明体，并平坦化表面；
步骤S306，在平坦化后的透明体上表面依次制备彩色滤光片和微透镜。
Claims (9)
1.一种CMOS影像传感器的像元结构，其包括硅衬底上的光敏元件和用于标准CMOS器件的多层结构，其中，所述多层结构包括第一多晶硅层、第一接触孔层、第一金属互连层和第一通孔层；在所述光敏元件的上方具有形成透光空间的深沟槽，其特征在于：所述硅衬底与多层结构之间还具有一层栅极氧化层；所述多层结构中的顶层上的钝化层被去除；所述光敏元件上方的深沟槽具有从所述多层结构的顶层至所述栅极氧化层的深度且所述深沟槽的侧壁由光线反射屏蔽层环绕，所述光线反射屏蔽层在纵向从栅极氧化层起至所述多层结构的顶层连续排布，以反射入射到所述光线反射屏蔽层的光线；其中所述深沟槽内填充透明材料以形成透光体，所述深沟槽在纵向方向的投影面完全覆盖所述光敏元件，所述光线反射屏蔽层与所述透光体之间具有介质层；所述光线反射屏蔽层包括位于所述第一多晶硅层中并由多晶硅所围成的第二多晶硅层、位于所述第一接触孔层中并由多个接触孔密集排布所围成的第二接触孔层、位于所述第一金属互连层中由金属连线所围成的第二金属互连层和位于所述第一通孔层中并由多个通孔密集排布所围成的第二通孔层；其中所述第二金属互连层为连续的封闭式环形结构并完全包围所述深沟槽；所述第二接触孔层由多个接触孔密集排布而形成不封闭的环形结构并包围所述深沟槽，所述第二通孔层由多个通孔密集排布而形成不封闭的环形结构并包围所述深沟槽。
2.根据权利要求1所述的CMOS影像传感器的像元结构，其特征在于所述光线反射屏蔽层的厚度为50A-5000A。
3.根据权利要求1所述的CMOS影像传感器的像元结构，其特征在于：所述第二多晶硅层是N型掺杂的多晶硅或P型掺杂的多晶硅或者无掺杂的多晶硅；所述第二接触孔层和第二通孔层中的接触孔和通孔的材料为铜或钨；所述第二金属互连层中金属连线的材料为铜或铝。
4.根据权利要求1所述的CMOS影像传感器的像元结构，其特征在于：所述光线反射屏蔽层与透光体之间的介质层的厚度为0.05um-1um。
5.根据权利要求1所述的CMOS影像传感器的像元结构，其特征在于：所述光线反射屏蔽层在从上至下的投影面上呈多边形并包围所述光敏元件；所述多边形为方形或六角形。
6.根据权利要求1所述的CMOS影像传感器的像元结构，其特征在于：所述透明材料所形成的透光体还覆盖所述多层结构的顶层。
7.根据权利要求6所述的CMOS影像传感器的像元结构，其特征在于：该透明材料是含碳、氢、氧的透明树脂。
8.根据权利要求1所述的CMOS影像传感器的像元结构，其特征在于：所述深沟槽之间隔离区顶部的所述光线反射屏蔽层部分被去除，以避免相邻像元间的串联干扰。
9.一种权利要求1所述的CMOS影像传感器的像元结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S301：在硅衬底上排布光敏元件、用于标准CMOS器件的多层结构、硅衬底与多层结构之间的栅极氧化层和光线反射屏蔽层，并利用标准CMOS工艺实现包括光敏元件、多层结构、栅极氧化层和光线反射屏蔽层；其中，所述多层结构包括第一多晶硅层、第一接触孔层、第一金属互连层和第一通孔层；所述光线反射屏蔽层在纵向上自所述栅极氧化层起至所述多层结构的顶层连续排布；所述光线反射屏蔽层包括位于所述第一多晶硅层中的第二多晶硅层、位于所述第一接触孔层中的由多个接触孔密集排布所围成的第二接触孔层、位于所述第一金属互连层中的由金属连线所围成的第二金属互连层、和位于所述第一通孔层中的由多个通孔密集排布所围成的第二通孔层；其中所述第二金属互连层为连续的封闭式环形结构并完全包围所述深沟槽；所述第二接触孔层由多个接触孔密集排布而形成不封闭的环形结构并包围所述深沟槽，所述第二通孔层由多个通孔密集排布而形成不封闭的环形结构并包围所述深沟槽；
步骤S302：在所述光线反射屏蔽层所围成区域的中间且在所述光敏元件的上方刻蚀实现深沟槽；其中，所述深沟槽具有从所述多层结构的顶层至所述栅极氧化层的深度，且所述深沟槽的侧壁与所述光线反射屏蔽层之间具有介质层；
步骤S303，向深沟槽内填充透明材料以形成透光体，并在所述透光体上表面实现的彩色滤光层和微透镜层。
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