CN103337502A - 一种版图结构、暗像素结构及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种版图结构、暗像素结构及其形成方法，该暗像素结构包括位于感光器件的上方两侧的接触孔，位于接触孔上方的第一金属层，位于第一金属层上方的通孔，以及通孔上方的第二金属层，第二金属层含有衬垫层，在第二金属层的衬垫层上方设有填充有金属的通孔槽，在通孔槽的上方设有带有开槽的顶层金属层，通孔槽位于开槽的下方的四周。本发明通过衬垫层将通孔槽的底部挡住，由于通孔槽内填充有金属以及衬垫层材料为金属，穿过开槽进入通孔槽的光线被通孔槽和第二金属层的衬垫层挡住，入射光不能进入感光器件，从而形成不漏光的暗像素。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种版图结构、暗像素结构及其形成方法。
背景技术
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
和传统的CCD传感器相比,CMOS图像传感器具有低功耗，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图像传感器的像素单元是图像传感器实现感光的核心器件。最常用像素单元为包含一个光电二极管和四个晶体管的有源像素结构，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，信号放大和读出的控制。请参阅图1和图2，图1为感光像素单元的顶层金属截面示意图，图2为沿着图1中的AB方向做断面得到的像素阵列的截面示意图，如图2所示，像素阵列的结构包括位于感光器件1’的上方四周的接触孔2’，位于所述接触孔2’上方的第一金属层3’，位于所述第一金属层3’上方的通孔4，以及位于所述通孔4’上方的第二金属层5’，位于第二金属层5’上方且不与第二金属层接触的顶层金属层6’，感光窗口7’通过顶层金属层6’、第二金属层5’和第一金属层3’与感光器件1’连通，在顶层金属层6’上设有一层保护介质层8’。
在图像传感器芯片的像素阵列中，除了需要用于感光的像素单元以外，还需要使用对光不产生响应的暗像素单元。暗像素单元的作用是得到像素单元在没有光照时的输出信号，也就是像素单元的本底噪声，在感光的像素单 元输出信号中减掉本底噪声就可以得到感光像素单元的真实输出信号，对像素阵列的输出信号进行校正，以提高图像传感器芯片的成像质量。为了实现暗像素，需要对入射光进行屏蔽，由于CMOS工艺的后道互连中使用的金属层是不透光的，因此可以通过金属互连层的大面积覆盖来实现对入射光的屏蔽。在CMOS图像传感器阵列中通常需要使用多行或多列的暗像素，因此金属屏蔽层的面积就会变得很大，例如一个5um的暗像素单元，如果放20列，金属层的宽带就是100um，在使用铝互连工艺的时候，由于金属层是通过刻蚀形成的，因此宽金属形成没有问题。请参阅图3和图4，图3是铝互连工艺中形成暗像素结构的顶层金属层的版图结构的示意图，图4是沿着图3中CD方向做断面得到的暗像素结构的示意图。如图4所示，铝互连工艺中的暗像素结构包括：位于感光器件1’’的上方四周的接触孔2’’，位于所述接触孔2’’上方的第一金属层3’’，位于所述第一金属层3’’上方的通孔4’’，以及位于所述通孔4’’上方的第二金属层5’’，位于第二金属层5’’上方且不与第二金属层5’’接触的顶层金属层6’’，在顶层金属层6’’上方设有保护介质层7’’，感光窗口被顶层金属层6’’覆盖，且在感光器件1’’上无入射光进入，从而感光器件1’’能够进行光电转换，实现了铝互连工艺中的暗像素结构。
但随着CMOS图像传感器工艺的发展，后道工艺开始采用铜互连，由于铜互连是通过化学机械抛光工艺形成的，因此当金属太宽时，金属层容易产生凹陷，在铜互连的设计规则中规定在宽金属上必须开槽，以防止金属层凹陷，请参阅图5和图6，图5是常规的铜互连工艺中形成的顶层金属层结构的示意图，图6是沿着图5中EF方向做断面得到的像素结构的截面图，常规铜互连工艺中形成的像素结构包括：位于感光器件601的上方四周的接触孔602，位于所述接触孔602上方的第一金属层603，位于所述第一金属层603上方的通孔604，以及位于所述通孔604上方的第二金属层605，位于第二金属层605上方且不与第二金属层605接触的顶层金属层606，位于顶层金属层606上的保护介质层608，在顶层金属层606中带有开槽607，由于开槽607的存在，入射光线可以通过开槽607进入感光器件601，这样就无法实现不漏光的暗像素，不能形成用于校正本底噪声暗像素。
因此在使用比如铜互连工艺制造CMOS图像传感器时，在带有开槽的顶层金属层的像素结构中，需要一种形成不漏光的暗像素的结构及其方法。
发明内容
为了克服上述问题，本发明旨在形成不漏光的暗像素的结构，以及提出形成该不漏光的暗像素结构所使用的版图结构，以及形成不漏光的暗像素的方法。
本发明提供一种形成暗像素结构的版图结构，包括：带有开槽图形的顶层金属层图案的第一版图，带有通孔槽图形的第二版图，带有第二金属层图形的第三版图，所述第一、第二和第三版图依次从上到下相互配合以形成暗像素结构的版图结构；其中，所述第一版图的开槽图形位于所述第二版图的通孔槽图形内边缘围成的图形的上方，所述第三版图的第二金属层图形位于所述第二版图的通孔槽图形的下方。
优选地，所述开槽图形的中心位置与所述通孔槽图形内边缘围成的图形的中心位置上下对齐。
优选地，所述的通孔槽图形为回形或环形。
优选地，所述第二金属层图形包括衬垫层图形，所述衬垫层图形位于所述通孔槽图形外边缘围成的图形的下方且将所述通孔槽图形外边缘围成的图形遮挡住。
优选地，所述衬垫层图形的横截面面积大于等于所述通孔槽图形外边缘围成的图形的横截面面积。
优选地，所述通孔槽图形内边缘围成的图形的横截面面积大于等于所述开槽图形的横截面面积。本发明还提供一种利用上述任一版图结构形成的暗像素结构，包括位于感光器件的上方的接触孔，位于所述接触孔上方的第一金属层，位于所述第一金属层上方的通孔，以及位于所述通孔上方的第二金属层，其中：在所述第二金属层的上方设有填充有金属的通孔槽，在所述通孔槽的上方设有带有开槽的顶层金属层，其中，所述开槽位于所述通孔槽的内边缘围成的区域的上方。
优选地，所述的通孔槽为回形槽或环形槽。
优选地，所述开槽的横截面的图形的中心位置与所述通孔槽的内边缘围成的区域的横截面的图形的中心位置上下对齐。
优选地，所述的第二金属层包括衬垫层，所述衬垫层位于所述通孔槽外 边缘围成的区域的下方且将所述通孔槽外边缘围成的区域的底部挡住。
优选地，所述第二金属层的衬垫层的横截面面积大于等于所述通孔槽外边缘围成的区域的横截面面积。
优选地，所述通孔槽内边缘围成的区域的横截面面积大于等于所述开槽的横截面面积。
优选地，所述暗像素结构用于铜互连工艺中，所述顶层金属层的材料和所述通孔槽中填充的材料为铜。
优选地，第二金属层的材料为铜。
本发明还提供一种形成暗像素结构的方法，包括：
步骤S01：在感光器件上方的形成接触孔，在所述接触孔的上方形成第一金属层，在所述第一金属层的上方形成通孔；
步骤S02：在所述通孔的上方形成第二金属层；
步骤S03：在所述第二金属层的上方沉积介质层，经光刻和刻蚀，在所述介质层中形成通孔槽和带有开槽的顶层金属层结构；
步骤S04：在所述通孔槽和所述顶层金属层结构中填充金属，从而形成顶层金属层。
优选地，所述步骤S02中，包括在第二金属层中形成衬垫层，在所述衬垫层的上方形成所述通孔槽，所述衬垫层位于所述通孔槽外边缘围成的区域的下方且将所述通孔槽外边缘围成的区域的底部挡住。
优选地，所述步骤S04中，所述的填充金属之后，对所述的顶层金属层结构中的填充金属进行平坦化处理，形成顶层金属层，然后在所述的顶层金属层上沉积一层保护介质层。
优选地，所述开槽的横截面的图形的中心位置与所述通孔槽的内边缘围成的区域的横截面图形的中心位置上下对齐。
优选地，所述第二金属层的衬垫层的横截面面积大于等于所述通孔槽外边缘围成的区域的横截面面积。
优选地，所述通孔槽内边缘围成的区域的横截面面积大于等于所述开槽的横截面面积。
优选地，所述形成暗像素结构的方法用于铜互连工艺中，所述顶层金属层结构和所述通孔槽中填充的金属为铜。
本发明的形成暗像素的版图结构，利用该版图结构形成的暗像素结构以及形成方法，通过在带有开槽的顶层金属层的下方设置通孔槽，利用通孔槽将开槽的下方包围，然后再通孔槽的下方设置带有衬垫层的第二金属层，通过衬垫层将通孔槽的底部挡住，由于通孔槽内填充有金属比如铜，穿过开槽进入通孔槽的光线被通孔槽和第二金属层的衬垫层挡住，入射光不能进入感光器件，从而形成不漏光的暗像素，实现光电器件的转换。
附图说明
图1为感光像素单元的顶层金属截面示意图
图2为沿着图1中的AB方向做断面得到的像素阵列的截面示意图
图3是铝互连工艺中形成暗像素结构的顶层金属层的版图结构的示意图
图4是沿着图3中CD方向做断面得到的暗像素结构的示意图
图5是常规的铜互连工艺中形成的顶层金属层结构的示意图
图6是沿着图5中EF方向做断面得到的像素结构的截面图
图7是本发明的一个较佳实施例的形成暗像素结构的版图结构示意图
图8是本发明的利用上述较佳实施例的形成的暗像素结构的示意图
图9是本发明的一个较佳实施例的形成暗像素结构的方法的流程示意图
图10-13是本发明的上述较佳实施例的形成暗像素结构的方法的各制备步骤所形成的结构的示意图
具体实施方式
体现本发明特征与优点的实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的示例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当做说明之用，而非用以限制本发明。
由于金属互连工艺中，由于顶层金属层的形成工艺的影响，如前所述，比如在铜互连工艺中，由于铜互连工艺采用化学机械抛光，会造成顶部铜金属层的凹陷，需要对顶部铜金属层开槽，然而对顶层金属层开槽，会导致入射光通过开槽进入光感器件，造成暗像素的漏光。因此，本发明所应用的范围是在顶层金属需要开槽的金属互连工艺中，例如铜互连工艺等。
以下结合附图7-13，通过具体实施例对本发明的形成暗像素结构的版图结构、暗像素结构及形成方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、明晰地达到辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的一个较佳实施例的形成暗像素结构的版图结构，请参阅图7，图7是本发明的一个较佳实施例的形成暗像素结构的版图结构示意图。该版图结构包括：带有开槽图形702的顶层金属层图案701的第一版图，带有通孔槽图形703的第二版图，带有第二金属层图形的第三版图，第一、第二和第三版图依次从上到下相互配合以形成暗像素结构的版图结构；其中，第二版图的通孔槽图形703位于第一版图的开槽图形702的下方的四周，第三版图的第二金属层图形位于第二版图的通孔槽图形703的下方。本发明中，通孔槽图形703的图形可以为回形或环形，在本实施例中，通孔槽图形703为回形；本实施例中，第二金属层图形包括衬垫层图形704，如图7中虚线所示为衬垫层图形704，衬垫层图形704的横截面面积大于等于通孔槽图形703外边缘围成的图形的横截面面积，通孔槽图形703外边缘围成的图形的横截面面积大于等于开槽图形702的横截面面积；较佳的，衬垫层图形704的横截面面积大于通孔槽图形703外边缘围成的图形的横截面面积，通孔槽图形703外边缘围成的图形的横截面面积大于开槽图形702的横截面面积。
本发明的利用上述版图结构形成的暗像素结构请参阅图8，图8是本发明的利用上述较佳实施例的形成的暗像素结构的示意图，该暗像素的结构包括：在感光器件1的上方两侧设有接触孔2，在接触孔2上方设有第一金属层3，在第一金属层3上方设有通孔4，在通孔4上方设有第二金属层5，在第二金属层5的上方设有通孔槽6，在通孔槽6的上方设有带有开槽8的顶层金属层7，在顶层金属层7上设有保护介质层9，其中，开槽8位于通孔槽6内边缘围成的区域的上方。本发明的本实施例中，第二金属层5包括衬垫层51，衬垫层51位于通孔槽6围成的区域的下方且将通孔槽6围成的区域的底部挡住。这样，即使入射光从开槽8穿入通孔槽6，由于通孔槽6围成的区域的底部被衬垫层51遮挡住，入射光不能够进入感光器件1中，从而实现不漏光的暗像素。本发明中，通孔槽6为环形槽或回形槽，在本实施例中，通孔槽6为回形槽；本实施例中，第二金属层5的衬垫层51的横截面面积大 于等于通孔槽6外边缘围成的区域的横截面面积，通孔槽6内边缘围成的区域的横截面面积大于等于开槽8的横截面面积；较佳的，第二金属层5的衬垫层51的横截面面积大于通孔槽6外边缘围成的区域的横截面面积，通孔槽6内边缘围成的图形的横截面面积大于开槽8的横截面面积。本发明的暗像素结构可以用于铜互连工艺中，本实施例中顶层金属层7的材料为铜。
以下结合附图9-13，对本发明的一个较佳实施例的形成暗像素结构的方法做进一步详细的描述，其中，图9为本发明的一个较佳实施例的形成暗像素结构的方法的流程示意图，图10-13是该较佳实施例的形成暗像素结构的方法的各制备步骤所形成的结构的示意图。
请参阅图9，本发明的本实施例的形成暗像素结构的方法包括：
步骤S01：请参阅图10，在感光器1上方的两侧形成接触孔2，在接触孔2的上方形成第一金属层3，在第一金属层3的上方形成通孔4；这里，形成感光器1、接触孔2、第一金属层3和通孔4均采用常规工艺，比如采用等离子体干法刻蚀经光刻和刻蚀形成，本发明对此不作限制。
步骤S02：请参阅图11，在通孔4的上方形成第二金属层5；第二金属层5的形成可以采用光刻和刻蚀的方法，第二金属层5可以包括衬垫层51，本实施例中，衬垫层51将其上方的通孔槽6外边缘围成的区域的底部挡住，衬垫层51的横截面面积大于通孔槽6外边缘围成的区域的横截面积，这样衬垫层51才能够将通孔槽6外边缘围成区域的底部挡住，避免入射光线向下进入光感器件。
步骤S03：请参阅图12，在第二金属层5的上方沉积介质层，经光刻和刻蚀，在介质层中形成通孔槽6和带有开槽8的顶层金属层结构70；本实施例中，光刻和刻蚀方法可以但不限于采用等离子体干法刻蚀，形成的通孔槽6位于衬垫层51上面，与衬垫层51相连，第二金属层5的材料可以但不限于是铜。
步骤S04：请参阅图13，在通孔槽6和顶层金属层结构70中填充金属,从而形成带有开槽8的顶层金属层7；具体的，本发明的形成暗像素结构的方法可以用于铜互连工艺中，本实施例中所填充的金属可以是铜，可以但不限于采用铜电镀的方法在通孔槽6和顶层金属层结构70中填充金属铜；本实施例中，在填充金属之后，还可以但不限于采用化学机械抛光法对顶层金属 层结构70中的填充金属进行平坦化处理，从而形成顶层金属层7，然后在顶层金属层7上沉积一层保护介质层9，保护介质层9的作用是防止顶层金属层受到污染，比如发生氧化等。
本发明的形成暗像素的版图结构，利用该版图结构形成的暗像素结构以及形成方法，通过在带有开槽的顶层金属层的下方设置通孔槽，利用通孔槽将开槽的下方包围，然后再通孔槽的下方设置带有衬垫层的第二金属层，通过衬垫层将通孔槽的底部挡住，由于通孔槽内填充有金属比如铜，穿过开槽进入通孔槽的光线被通孔槽和第二金属层的衬垫层挡住，入射光不能进入感光器件，从而形成不漏光的暗像素，实现光电器件的转换。
以上所述的仅为本发明的实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (21)
1.一种形成暗像素结构的版图结构，其特征在于，包括：带有开槽图形的顶层金属层图案的第一版图，带有通孔槽图形的第二版图，带有第二金属层图形的第三版图，所述第一、第二和第三版图依次从上到下相互配合以形成暗像素结构的版图结构；其中，所述第一版图的开槽图形位于所述第二版图的通孔槽图形内边缘围成的图形的上方，所述第三版图的第二金属层图形位于所述第二版图的通孔槽图形的下方。
2.根据权利要求1所述的一种形成暗像素结构的版图结构，其特征在于，所述开槽图形的中心位置与所述通孔槽图形内边缘围成的图形的中心位置上下对齐。
3.根据权利要求1所述的一种形成暗像素结构的版图结构，其特征在于，所述的通孔槽图形为回形或环形。
4.根据权利要求1所述的一种形成暗像素结构的版图结构，其特征在于，所述第二金属层图形包括衬垫层图形，所述衬垫层图形位于所述通孔槽图形外边缘围成的图形的下方且将所述通孔槽图形外边缘围成的图形遮挡住。
5.根据权利要求1所述的一种形成暗像素结构的版图结构，其特征在于，所述衬垫层图形的横截面面积大于等于所述通孔槽图形外边缘围成的图形的横截面面积。
6.根据权利要求1所述的一种形成暗像素结构的版图结构，其特征在于，所述通孔槽图形内边缘围成的图形的横截面面积大于等于所述开槽图形的横截面面积。
7.一种利用上述权利要求1-6任一版图结构形成的暗像素结构，包括位于感光器件的上方的接触孔，位于所述接触孔上方的第一金属层，位于所述第一金属层上方的通孔，以及位于所述通孔上方的第二金属层，其特征在于：在所述第二金属层的上方设有填充有金属的通孔槽，在所述通孔槽的上方设有带有开槽的顶层金属层，其中，所述开槽位于所述通孔槽的内边缘围成的区域的上方。
8.根据权利要求7所述的暗像素结构，其特征在于，所述的通孔槽为回形槽或环形槽。
9.根据权利要求7所述的暗像素结构，其特征在于，所述开槽的横截面的图形的中心位置与所述通孔槽的内边缘围成的区域的横截面的图形的中心位置上下对齐。
10.根据权利要求7所述的暗像素结构，其特征在于，所述的第二金属层包括衬垫层，所述衬垫层位于所述通孔槽外边缘围成的区域的下方且将所述通孔槽外边缘围成的区域的底部挡住。
11.根据权利要求7所述的暗像素结构，其特征在于，所述第二金属层的衬垫层的横截面面积大于等于所述通孔槽外边缘围成的区域的横截面面积。
12.根据权利要求7所述的暗像素结构，其特征在于，所述通孔槽内边缘围成的区域的横截面面积大于等于所述开槽的横截面面积。
13.根据权利要求7所述的暗像素结构，其特征在于，所述暗像素结构用于铜互连工艺中，所述顶层金属层的材料和所述通孔槽中填充的材料为铜。
14.根据权利要求7所述的暗像素结构，其特征在于，第二金属层的材料为铜。
15.一种形成暗像素结构的方法，其特征在于，包括：
步骤S01：在感光器件上方的形成接触孔，在所述接触孔的上方形成第一金属层，在所述第一金属层的上方形成通孔；
步骤S02：在所述通孔的上方形成第二金属层；
步骤S03：在所述第二金属层的上方沉积介质层，经光刻和刻蚀，在所述介质层中形成通孔槽和带有开槽的顶层金属层结构；
步骤S04：在所述通孔槽和所述顶层金属层结构中填充金属,从而形成顶层金属层。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述步骤S02中，包括在第二金属层中形成衬垫层，在所述衬垫层的上方形成所述通孔槽，所述衬垫层位于所述通孔槽外边缘围成的区域的下方且将所述通孔槽外边缘围成的区域的底部挡住。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述步骤S04中，所述的填充金属之后，对所述的顶层金属层结构中的填充金属进行平坦化处理，形成顶层金属层，然后在所述的顶层金属层上沉积一层保护介质层。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述开槽的横截面的图形的中心位置与所述通孔槽的内边缘围成的区域的横截面图形的中心位置上下对齐。
19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第二金属层的衬垫层的横截面面积大于等于所述通孔槽外边缘围成的区域的横截面面积。
20.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述通孔槽内边缘围成的区域的横截面面积大于等于所述开槽的横截面面积。
21.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述形成暗像素结构的方法用于铜互连工艺中，所述顶层金属层结构和所述通孔槽中填充的金属为铜。
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