CN104425521A - 一种cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种CMOS图像传感器，包括：半导体基底；设置在半导体基底内的感光单元、晶体管；介质层，设置在半导体基底和晶体管之栅极的表面，并进一步在介质层内形成与晶体管电连接的互连层；光学通路，设置在感光单元上方；平坦化层，设置在介质层表面；侧壁，间隔设置在平坦化层上；彩色滤光片，进一步包括间隔设置在侧壁之间的子像素区域；以及微透镜，对应设置在所述彩色滤光片之子像素区域上。本发明在彩色滤光片之子像素区域之间设置二氧化硅侧壁，便可通过二氧化硅侧壁将经过微透镜、彩色滤光片的光进行反射到达感光单元，增加感光单元的光接收量，改善CMOS图像传感器的光量子效应，降低模式噪音，更好的提高光学成像质量。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种CMOS图像传感器及其制造方法。
背景技术
图像传感器的作用是将光学图像转化为相应的电信号。图像传感器分为互补金属氧化物（Complementary Metal-Oxide Semiconductor,CMOS）图像传感器和电荷耦合器件（Charge Coupled Device,CCD）传感器。CCD图像传感器的优点是对图像敏感度较高、噪音小。但是，CCD图像传感器与其它器件的集成难度较大，而且功耗相对较大。相比之下，所述CMOS图像传感器具有工艺简单、易于集成、体积小、重量轻、功耗小等优点。目前，CMOS图像传感器已经广泛应用于静态数码相机、照相手机、数码摄像机、医疗摄像灯装置。
但是，随着半导体技术的发展，现有的CMOS图像传感器之设计规则也成比例下降，导致所述CMOS图像传感器之像素电路的设计越来越复杂，像素区域金属互连结构中的金属互连层已经由先前的两层金属互连演变成为现有的三层金属互连。所述现有技术的CMOS图像传感器，金属互连结构包括三层金 属互连线，以及连接金属互连线与晶体管的插栓，由于互连结构的复杂，会导致像素结构变的复杂，而且每一个子像素区域的面积变小，每一个子像素区域接受的光变少，相应的射入光电二极管的光线也变少，势必影响光量子效应（light quantum efficiency），而且噪声模式（pattern noise）越来越明显。寻求一种增强光学密度，以改善光量子效应和像素敏感度的方法，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
故针对现有技术存在的问题，本案设计人凭借从事此行业多年的经验，积极研究改良，于是有了本发明一种CMOS图像传感器。
发明内容
本发明是针对现有技术中，所述的图像传感器因设计规则成比例下降，导致像素电路结构复杂，势必影响光量子效应（light quantum efficiency），使得噪声模式（pattern noise）越来越明显等缺陷提供一种CMOS图像传感器。
本发明之又一目的是针对现有技术中，所述的图像传感器因设计规则成比例下降，导致像素电路结构复杂，势必影响光量子效应（light quantum efficiency），使得噪声模式（pattern noise）越来越明显等缺陷提供一种CMOS图像传感器的制造方法。
为实现本发明之目的，本发明提供一种CMOS图像传感器，所述CMOS图像传感器包括：
半导体基底，所述半导体基底的材料为半导体材料；
感光单元，所述感光单元间隔设置在所述半导体基底内，并分别用于感测红（R）、绿（G）、蓝（B）三色光；
晶体管，所述晶体管进一步包括源极、漏极、栅极，所述源极、漏极设置在所述半导体基底内，所述栅极设置在所述半导体基底之上表面，且所述晶体管与所述感光单元电连接；
介质层，所述介质层设置在所述半导体基底和所述晶体管之栅极的表面，并进一步在所述介质层内形成所述互连层，所述互连层与所述晶体管电连接；
光学通路，所述光学通路设置在所述感光单元上方，并具有与所述介质层至少相同的深度；
平坦化层，所述平坦化层设置在所述介质层之异于所述感光单元一侧的表面；
侧壁，所述侧壁间隔设置在所述平坦化层上，且所述侧壁之邻近所述平坦化层的下边侧之宽度大于所述侧壁之远离所述平坦化层的上边侧之宽度；
彩色滤光片，所述彩色滤光片设置在所述平坦化层之异于所述介质层一侧，并进一步包括间隔设置在所述侧壁之间的子像素区域，所述子像素区域之红（R）、绿（G）、蓝（B）三原色光便通过所述光学通路分别与所述感光单元之红（R）、绿（G）、蓝（B）感光单元对应设置；以及，
微透镜，所述微透镜对应设置在所述彩色滤光片之子像素区域上。
可选地，所述半导体基底为单晶硅、单晶锗，或者绝缘体上硅（SOI）的其中之一。
可选地，所述侧壁为二氧化硅侧壁或者氮化硅侧壁的其中之一。
可选地，所述侧壁为二氧化硅侧壁。
为实现本发明之又一目的，本发明提供一种CMOS图像传感器的制造方法，所述CMOS图像传感器的制造方法，包括：
执行步骤S1：提供半导体基底，并在所述半导体基底上形成感光单元、晶体管，所述感光单元与所述晶体管电连接；
执行步骤S2：在所述半导体基底和所述晶体管之栅极表面形成所述介质层，并在所述介质层内形成所述互连层，且所述互连层与所述晶体管电连接；
执行步骤S3：在所述介质层内设置光学通路，且所述光学通路设置在所述感光单元上方，并具有与所述介质层至少相同的深度；
执行步骤S4：在所述介质层之异于所述感光单元一侧的表面设置所述平坦化层；
执行步骤S5：在所述平坦化层之异于所述介质层一侧设置所述侧壁；
执行步骤S6：在所述平坦化层之异于所述介质层一侧设置彩色滤光片， 所述彩色滤光片并进一步包括间隔设置在所述侧壁之间的子像素区域；
执行步骤S7：在所述彩色滤光片之子像素区域上对应设置微透镜。
可选地，所述侧壁的形成方法进一步包括：
执行步骤S51：在所述平坦化层上进行氮化硅钝化层沉积；
执行步骤S52：在所述氮化硅钝化层上进行所述二氧化硅层沉积；
执行步骤S53：在所述二氧化硅层上进行抗反射涂层沉积；
执行步骤S54：利用侧壁掩膜定义侧壁图形；
执行步骤S55：干刻形成所述侧壁；
执行步骤S56：进行光阻剥离；
执行步骤S57：进行氮化硅钝化层刻蚀。
综上所述，本发明所述CMOS图像传感器在所述彩色滤光片之子像素区域之间设置所述二氧化硅侧壁，便可通过所述二氧化硅侧壁将经过所述微透镜、彩色滤光片的光进行反射到达所述感光单元，增加了所述感光单元的光接收量，改善CMOS图像传感器的光量子效应，降低模式噪音，更好的提高光学成像质量。
附图说明
图1所示为本发明CMOS图像传感器的结构示意图；
图2（a）、图2（b）所示为本发明CMOS图像传感器的制造方法之流程图；
图3（a）～3（d）所示为本发明CMOS图像传感器之侧壁的制造阶段性SEM结构示意图。
具体实施方式
为详细说明本发明创造的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。
请参阅图1，图1所示为本发明CMOS图像传感器的结构示意图。所述CMOS图像传感器1包括半导体基底11，所述半导体基底11的材料为半导体材料，非限制性的列举，例如为单晶硅、单晶锗，或者绝缘体上硅（SOI）的其中之一；感光单元12，所述感光单元12间隔设置在所述半导体基底11内，并分别用于感测红（R）、绿（G）、蓝（B）三色光；晶体管13，所述晶体管13进一步包括源极131、漏极132、栅极133，所述源极131、漏极132设置在所述半导体基底11内，所述栅极133设置在所述半导体基底11之上表面，且所述晶体管13与所述感光单元12电连接；介质层14，所述介质层14设置在所述半导体基底11和所述晶体管13之栅极133的表面，并进一步在所述介质层14内形成所述互连层141，所述互连层141与所述晶体管13电连接；光学通路15，所述光学通路15设置在所述感光单元12上方，并具有与所述 介质层14至少相同的深度；平坦化层16，所述平台层16设置在所述介质层14之异于所述感光单元12一侧的表面；侧壁17，所述侧壁17呈梯形台状，并间隔设置在所述平坦化层16上，且所述侧壁17之邻近所述平坦化层16的下边侧171之宽度大于所述侧壁17之远离所述平坦化层16的上边侧172之宽度；彩色滤光片18，所述彩色滤光片18设置在所述平坦化层16之异于所述介质层14一侧，并进一步包括间隔设置在所述侧壁17之间的子像素区域181，所述子像素区域181之红（R）、绿（G）、蓝（B）三原色光便通过所述光学通路15分别与所述感光单元12之红（R）、绿（G）、蓝（B）感光单元对应设置；以及微透镜19，所述微透镜19对应设置在所述彩色滤光片18之子像素区域181上。
请参阅图2（a）、图2（b），并结合参阅图1，图2（a）、图2（b）所示为本发明CMOS图像传感器之制造方法流程图。所述CMOS图像传感器1之制造方法，包括：
执行步骤S1：提供半导体基底11，并在所述半导体基底11上形成感光单元12、晶体管13，所述感光单元12与所述晶体管13电连接；
其中，所述半导体基底11的材料为半导体材料，非限制性的列举，例如为单晶硅、单晶锗，或者绝缘体上硅（SOI）的其中之一。所述感光单元12为光电二极管。所述晶体管13进一步包括源极131、漏极132、栅极133，所 述源极131、漏极132设置在所述半导体基底11内，所述栅极133设置在所述半导体基底11之上表面，且所述源极131或漏极132与所述感光单元12电连接。在本发明中，形成所述感光单元12和所述晶体管13的方法为本领域技术人员公知的技术，在此不予赘述。
执行步骤S2：在所述半导体基底11和所述晶体管13之栅极133表面形成所述介质层14，并在所述介质层14内形成所述互连层141，且所述互连层141与所述晶体管13电连接；
执行步骤S3：在所述介质层14内设置光学通路15，且所述光学通路15设置在所述感光单元12上方，并具有与所述介质层14至少相同的深度；
执行步骤S4：在所述介质层14之异于所述感光单元12一侧的表面设置所述平坦化层16；
执行步骤S5：在所述平坦化层16之异于所述介质层14一侧设置所述侧壁17，所述侧壁17呈梯形台状，并间隔设置在所述平坦化层16上，且所述侧壁17之邻近所述平坦化层16的下边侧171之宽度大于所述侧壁17之远离所述平坦化层16的上边侧172之宽度；
请参阅图3（a）～3（d），图3（a）～3（d）所示为本发明CMOS图像传感器之侧壁的制造阶段性SEM结构示意图。作为具体的实施方式，所述侧壁17的形成方式进一步包括：
执行步骤S51：在所述平坦化层16上进行氮化硅钝化层沉积；
执行步骤S52：在所述氮化硅钝化层上进行所述二氧化硅层沉积；
执行步骤S53：在所述二氧化硅层上进行抗反射涂层沉积；
执行步骤S54：利用侧壁掩膜定义侧壁图形；
执行步骤S55：干刻形成所述侧壁；
执行步骤S56：进行光阻剥离；
执行步骤S57：进行氮化硅钝化层刻蚀。
执行步骤S6：在所述平坦化层16之异于所述介质层14一侧设置彩色滤光片18，所述彩色滤光片18并进一步包括间隔设置在所述侧壁17之间的子像素区域181，所述子像素区域181之红（R）、绿（G）、蓝（B）三原色光通过所述光学通路15分别与所述感光单元12之红（R）、绿（G）、蓝（B）感光单元对应设置；
执行步骤S7：在所述彩色滤光片18之子像素区域181上对应设置微透镜19。
为了更直观的阐述本发明之技术方案，凸显本发明之有益效果，不凡以侧壁17分别为氮化硅材质侧壁、二氧化硅材质侧壁、黑体侧壁，与无侧壁结构之CMOS图像传感器进行对比阐述。
请继续参阅图1，当光入射所述微透镜19后，所述光线经过微透镜19、彩色滤光片18，以及形成在所述介质层14内的光学通路15到达所述感光单元11，所述感光单元11并将所述光信号转换为电信号，所述电信号并进一步经过所述晶体管12以及所述互连层141传送至外围逻辑电路（未图示），所述外围逻辑电路对所述电信号处理后输出图像。
其中，当所述光入射所述微透镜19后，所述光线经过微透镜19、彩色滤光片18，以及形成在所述介质层14内的光学通路15到达所述感光单元11。与此同时，所述光并通过间隔设置在所述彩色滤光片18之子像素区域181之间的侧壁17进行反射后到达所述感光单元11，进而避免了相邻入射光的抵销损失。显然地，通过本发明之技术方案，可以增加所述感光单元11的光接收量，改善光密度，降低模式噪音，更好的提高光学成像质量。
在本发明中，以侧壁17分别为氮化硅材质侧壁、二氧化硅材质侧壁、黑体侧壁，与无侧壁结构之CMOS图像传感器进行对比可知，无侧壁结构之CMOS图像传感器的光密度为43.9%，所述具有二氧化硅材质侧壁的CMOS图像传感器之光密度为54.02%，所述具有氮化硅材质侧壁的CMOS图像传感器之光密度为46.58%，所述具有黑体侧壁的CMOS图像传感器之光密度为34.04%，所述具有二氧化硅材质侧壁的CMOS图像传感器与所述具有氮化硅材质侧壁的CMOS图像传感之光密度得到了明显增强。故，在本发明中，优 选地，所述侧壁17为而氮化硅材质侧壁，或者二氧化硅材质侧壁。更优选地，所述侧壁17为二氧化硅材质侧壁。
综上所述，本发明所述CMOS图像传感器在所述彩色滤光片之子像素区域之间设置所述二氧化硅侧壁，便可通过所述二氧化硅侧壁将经过所述微透镜、彩色滤光片的光进行反射到达所述感光单元，增加了所述感光单元的光接收量，改善CMOS图像传感器的光量子效应，降低模式噪音，更好的提高光学成像质量。
本领域技术人员均应了解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可对本发明进行各种修改和变型。因而，如果任何修改或变型落入所附权利要求书及等同物的保护范围内时，认为本发明涵盖这些修改和变型。
Claims (6)
1.一种CMOS图像传感器，其特征在于，所述CMOS图像传感器包括：
半导体基底，所述半导体基底的材料为半导体材料；
感光单元，所述感光单元间隔设置在所述半导体基底内，并分别用于感测红（R）、绿（G）、蓝（B）三色光；
晶体管，所述晶体管进一步包括源极、漏极、栅极，所述源极、漏极设置在所述半导体基底内，所述栅极设置在所述半导体基底之上表面，且所述晶体管与所述感光单元电连接；
介质层，所述介质层设置在所述半导体基底和所述晶体管之栅极的表面，并进一步在所述介质层内形成所述互连层，所述互连层与所述晶体管电连接；
光学通路，所述光学通路设置在所述感光单元上方，并具有与所述介质层至少相同的深度；
平坦化层，所述平坦化层设置在所述介质层之异于所述感光单元一侧的表面；
侧壁，所述侧壁间隔设置在所述平坦化层上，且所述侧壁之邻近所述平坦化层的下边侧之宽度大于所述侧壁之远离所述平坦化层的上边侧之宽度；
彩色滤光片，所述彩色滤光片设置在所述平坦化层之异于所述介质层一侧，并进一步包括间隔设置在所述侧壁之间的子像素区域，所述子像素区域之红（R）、绿（G）、蓝（B）三原色光便通过所述光学通路分别与所述感光单元之红（R）、绿（G）、蓝（B）感光单元对应设置；以及，
微透镜，所述微透镜对应设置在所述彩色滤光片之子像素区域上。
2.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述半导体基底为单晶硅、单晶锗，或者绝缘体上硅（SOI）的其中之一。
3.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述侧壁为二氧化硅侧壁或者氮化硅侧壁的其中之一。
4.如权利要求3所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述侧壁为二氧化硅侧壁。
5.一种如权利要求1所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，所述CMOS图像传感器的制造方法，包括：
执行步骤S1：提供半导体基底，并在所述半导体基底上形成感光单元、晶体管，所述感光单元与所述晶体管电连接；
执行步骤S2：在所述半导体基底和所述晶体管之栅极表面形成所述介质层，并在所述介质层内形成所述互连层，且所述互连层与所述晶体管电连接；
执行步骤S3：在所述介质层内设置光学通路，且所述光学通路设置在所述感光单元上方，并具有与所述介质层至少相同的深度；
执行步骤S4：在所述介质层之异于所述感光单元一侧的表面设置所述平坦化层；
执行步骤S5：在所述平坦化层之异于所述介质层一侧设置所述侧壁；
执行步骤S6：在所述平坦化层之异于所述介质层一侧设置彩色滤光片，所述彩色滤光片并进一步包括间隔设置在所述侧壁之间的子像素区域；
执行步骤S7：在所述彩色滤光片之子像素区域上对应设置微透镜。
6.如权利要求5所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述侧壁的形成方法进一步包括：
执行步骤S51：在所述平坦化层上进行氮化硅钝化层沉积；
执行步骤S52：在所述氮化硅钝化层上进行所述二氧化硅层沉积；
执行步骤S53：在所述二氧化硅层上进行抗反射涂层沉积；
执行步骤S54：利用侧壁掩膜定义侧壁图形；
执行步骤S55：干刻形成所述侧壁；
执行步骤S56：进行光阻剥离；
执行步骤S57：进行氮化硅钝化层刻蚀。
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| CN108598099A (zh) * | 2018-05-18 | 2018-09-28 | 上海华虹宏力半导体制造有限公司 | 图像传感器结构以及图像传感器 |
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2013
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