CN108807444A - Cmos图像传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CMOS图像传感器，包括：硅衬底；设于硅衬底正面的感光区；设于硅衬底正面的感光区下方的金属互连区，金属互连区包括第一介质层和设于第一介质层中的多层金属互连层；设于第一介质层中的光反弹结构，光反弹结构对应位于感光区的下方，光反弹结构通过金属互连层引出；光反弹结构用于将自硅衬底背面入射的光线再次反射至感光区中，以提高入射光线在硅衬底中的光程，从而进一步提升光的吸收和转化效率。本发明还公开了一种CMOS图像传感器制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及CMOS图像传感器技术领域，更具体地，涉及一种集成了电容器的CMOS图像传感器及其制备方法。
背景技术
随着多媒体、数字电视、可视通信等领域的热点增加，CMOS图像传感器的应用前景更加广阔。新功能正推动CMOS图像传感器产业的变革，未来五年的复合年增长率将为10.4％，预测2021年市场规模将达到188亿美元。新的应用：如无人机、机器人、虚拟现实(VR)和增强现实(AR)等，正促使CMOS图像传感器市场焕发新的生机。
与此同时，汽车摄像头市场、安防、生产、医疗和工业市场也已成为CMOS图像传感器的一个重要增长领域。预计2016年～2021年，汽车CMOS图像传感器市场的复合年增长率将高达23％。
技术革新依然是CMOS图像传感器的主要驱动力。最近几年，背照式CMOS图像传感器(BSI)正在兴起，极大地推动了CMOS图像传感器向高性能，小尺寸像素等多元化方向的发展。
但是，背照式CMOS图像传感器也带来了新的问题。
请参阅图1，图1是一种常规的背照式CMOS图像传感器器件的截面结构示意图。如图1所示，背照式CMOS图像传感器结构包括：硅衬底101、硅衬底正面用以感光的掺杂区103、隔离区102、正面金属互连层104、105，硅衬底背面的滤色片106及微透镜阵列107。上述背照式CMOS图像传感器结构中，由于硅衬底101需要经过背面减薄，保留的厚度一般为几个微米。这极大地缩短了入射光(如图示箭头所指)在硅衬底101内的光程，从而影响到了用以感光的掺杂区103对光的吸收以及转化效率。
因此，如何提高光在硅衬底内的光程，进而进一步提高光的吸收及转化效率，已成为本领域技术人员的重要课题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种CMOS图像传感器及其制备方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种CMOS图像传感器，包括：
硅衬底；
设于所述硅衬底正面的感光区；
设于所述硅衬底正面的感光区下方的金属互连区，所述金属互连区包括第一介质层和设于第一介质层中的多层金属互连层；
设于所述第一介质层中的光反弹结构，所述光反弹结构对应位于感光区的下方，所述光反弹结构通过金属互连层引出；其中，所述光反弹结构用于将自硅衬底背面入射的光线再次反射至感光区中；以及
设于所述硅衬底背面、对应位于感光区上方的滤色片及微透镜阵列。
进一步地，所述光反弹结构位于多层金属互连层中的任意一层金属互连层。
进一步地，所述光反弹结构为由不同材料叠设形成的复合层结构。
进一步地，所述光反弹结构为一电容器。
进一步地，所述电容器包括上极板、下极板和位于上极板、下极板之间的第二介质层。
进一步地，所述电容器的上极板、下极板通过栓塞分别连接上下不同层的金属互连层。
进一步地，所述第二介质层为单层结构或由不同材料叠设形成的复合层结构。
进一步地，还包括：设于所述硅衬底正面的用于隔离感光区的沟道隔离。
进一步地，所述感光区为掺杂区。
本发明还提供了一种CMOS图像传感器制备方法，包括：
提供一硅衬底，在所述硅衬底正面形成沟道隔离；
在所述硅衬底正面的沟道隔离之间形成感光区；
在所述硅衬底正面形成金属互连区，包括在所述硅衬底正面淀积第一介质层，并在第一介质层中形成多层金属互连层；以及
在所述多层金属互连层中对应任意一层金属互连层的第一介质层中形成作为光反弹结构的电容器，包括形成电容器所需的上极板、下极板和介质层，并将电容器的上极板、下极板通过栓塞分别连接上下不同层的金属互连层；
将完成正面工艺的所述硅衬底反转，使其背面朝上，然后将所述硅衬底的背面减薄至工艺要求的厚度；
在减薄后的所述硅衬底的背面形成滤色片及微透镜阵列，形成集成了电容器的背照式CMOS图像传感器。
从上述技术方案可以看出，本发明通过在背照式CMOS图像传感器的金属互连区设置光反弹结构，特别是在金属互连区集成一个电容器以反弹入射光线，当光线从硅衬底背面穿过感光区，照射到作为光反弹结构的电容器时，即被反弹到硅衬底的感光区，以此达到提高光在硅衬底中的光程的目的，从而进一步提升了光的吸收和转化效率。
附图说明
图1是一种常规的背照式CMOS图像传感器器件的截面结构示意图；
图2是本发明第一较佳实施例的一种集成了电容器的背照式CMOS图像传感器的截面结构示意图；
图3是本发明第二较佳实施例的一种集成了电容器的背照式CMOS图像传感器的截面结构示意图；
图4-图10是本发明一较佳实施例的一种集成了电容器的背照式CMOS图像传感器制备方法的各个制备步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图2，图2是本发明第一较佳实施例的一种集成了电容器的背照式CMOS图像传感器的截面结构示意图。如图2所示，本发明的一种CMOS图像传感器结构，建立在硅衬底201上。其中，在硅衬底201的正面，并位于硅衬底201中设置有背照式CMOS图像传感器各像素单元用于感光的感光区203和用于隔离各像素单元(隔离感光区203)的沟道隔离202等结构。在位于感光区203下方的硅衬底201的正面表面上，还设置有金属互连区；金属互连区包括第一介质层214和设于第一介质层214中的多层金属互连层204、211、208。各层金属互连层204、211、208之间通过栓塞(Via)215、212、213进行互连。
感光区203通常可采用用以感光的掺杂区形成。
请参阅图2。在金属互连区的第一介质层214中，对应每个像素单元的感光区203的下方位置，分别设有一个光反弹结构205、206、207。光反弹结构205、206、207具有金属结构，并通过与金属互连层连接而引出。
光反弹结构205、206、207用于将自硅衬底201背面入射的光线再次反射至感光区203中(如图示箭头所指)，以提高入射光线在硅衬底201中的光程，从而可进一步提升光的吸收和转化效率。
光反弹结构205、206、207可位于多层金属互连层204、211、208中的任意一层金属互连层，即可与任意一层金属互连层同层或近似同层设置。
光反弹结构205、206、207可以由不同材料叠设而成，形成复合层结构。
光反弹结构205、206、207还可以具体为一电容器205、206、207结构。此电容器205、206、207包括上极板207、下极板205和位于上极板207、下极板205之间的第二介质层206。电容器205、206、207的上极板207、下极板205可通过栓塞213、212分别连接上、下不同层的金属互连层208、211，从而与外部电路相连，实现电容器205、206、207的引出。
本实施例中，将电容器205、206、207设置在第二金属互连层211与第四金属互连层208之间，即电容器205、206、207可与第三金属互连层(隐藏)同层或接近同层设置。其中，电容器205、206、207的下极板205通过栓塞212与第二金属互连层211进行连接；电容器205、206、207的上极板207通过栓塞213与第四金属互连层208进行连接。
第二介质层可为由单一介质材料形成的单层结构；例如，第二介质层可为二氧化硅或氮化硅。或者，也可以是由不同介质材料叠设形成的复合层结构；例如，第二介质层可为二氧化硅-氮化硅-二氧化硅(ONO)等多层电介质材料。
背照式CMOS图像传感器结构中通常设置有用于存储电荷的电容器。本发明将传统的背照式CMOS图像传感器结构中硅衬底201正面用于储存电荷的电容器结构位置进行了改变，将电容器205、206、207设置在感光区203下方的金属互连层的留空区域，即可达到在正常用于储存电荷的功能基础上，进一步实现上述提高入射光线在硅衬底中的光程的目的。
在硅衬底201背面、对应位于感光区203上方的位置，还设置有滤色片209及微透镜210阵列。
图3显示本发明第二较佳实施例的一种集成了电容器的背照式CMOS图像传感器的截面结构示意图。如图3所示，本发明的一种CMOS图像传感器结构，包括：硅衬底301，感光区303，沟道隔离302，金属互连区，滤色片309及微透镜310阵列。其中，金属互连区包括第一介质层314和设于第一介质层314中的多层金属互连层308、312、313，各层金属互连层308、312、313之间通过栓塞311进行互连。
与上述图2第一较佳实施例的区别在于，本实施例中，将电容器305、306、307设置在第二金属互连层308与前道金属互连层304之间，即电容器305、306、307可与第一金属互连层(隐藏)同层或接近同层设置。其中，电容器305、306、307的下极板305通过栓塞315与前道金属互连层304进行连接；电容器305、306、307的上极板307通过栓塞311与第二金属互连层308进行连接。
下面通过具体实施方式及附图，对本发明的一种CMOS图像传感器制备方法进行详细说明。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、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。
请参阅图4-图10，图4-图10是本发明一较佳实施例的一种集成了电容器205、206、207的背照式CMOS图像传感器制备方法的各个制备步骤示意图。如图4-图10所示，本发明的一种CMOS图像传感器制备方法，可用于形成上述的集成了电容器205、206、207的背照式CMOS图像传感器结构(例如用于形成图2的集成了电容器205、206、207的背照式CMOS图像传感器结构)，并可包括以下步骤：
步骤01：请参阅图4，提供一硅衬底201；
具体地，硅衬底201的材料可为单晶硅。
步骤02：请参阅图4，在硅衬底201正面可通过光刻、刻蚀工艺及化学气相沉积，形成沟道隔离202。
具体地，这里的化学气相沉积可分别为炉管和化学气相沉积，用以生长例如垫氧和氮化硅掩膜，经过光刻、刻蚀形成沟道隔离202的沟槽，再经过炉管和化学气相沉积填满沟槽，最后经过化学机械研磨磨平表面，形成沟道隔离202。
步骤03：请参阅图5，在硅衬底201正面的沟道隔离202之间形成感光区203等。
具体地，可通过光刻定义感光区203的位置，再通过离子注入掺杂，形成所需的感光区203，以及形成其他需要的结构。
步骤04：请参阅图6，在硅衬底201正面形成金属互连区。
具体地，可通过化学气相沉积、物理气相沉积、光刻及刻蚀等工艺，在硅衬底201的正面继续淀积形成第一介质层214，并在第一介质层214中形成前道金属互连层以及后道多层金属互连层204、211、208，以及连接前道金属互连层与第一金属互连层的栓塞、连接各层金属互连层204、211、208的栓塞215、212、213，从而形成金属互连区。此处的金属互连层不限于铝制程或铜制程材质。
步骤05：请参阅图7，在多层金属互连层204、211、208中对应任意一层金属互连层的第一介质层214中，形成作为光反弹结构205、206、207的电容器205、206、207。例如，可以在步骤04中先形成至第二金属互连层211，然后，在形成第三金属互连层时，同步沉积形成电容器205、206、207所需的上极板207、下极板205与第二介质层206材料。这样，上极板207、下极板205与金属互连层可采用相同金属制作，第二介质层206可采用与第一介质层214相同的材料制作。其中，可通过在第二金属互连层211之上制作的栓塞212与电容器205、206、207的下极板205进行连接。
具体地，可采用物理气相沉积、化学气相沉积或电镀等工艺，淀积电容器205、206、207的下极板205、第二介质层206与上极板207材料。
上、下极板207、205材质可为铜、铝铜合金或氮化钛等导电材料。电容器205、206、207的介电层即第二介质层206可为二氧化硅、氮化硅、二氧化硅-氮化硅-二氧化硅(ONO)等电介质材料。
步骤06：请参阅图7，在电容器205、206、207薄膜上可通过光刻、刻蚀等工艺，形成所需尺寸的电容器205、206、207。
步骤07：请参阅图8，可通过物理、化学气相沉积、光刻及刻蚀等工艺继续在所形成的电容器205、206、207上(上极板207上)制备栓塞213及第四金属互连层208。
步骤08：请参阅图9，将完成正面工艺的硅衬底201反转，使硅衬底201背面朝上；然后，通过一定的减薄工艺，对硅衬底201背面进行减薄，至工艺要求的例如约几个微米的厚度。
步骤09：请参阅图10，在减薄后的硅衬底201背面，可采用光刻、刻蚀等工艺，继续形成滤色片209(彩色)及微透镜210的阵列。从而形成了一个集成了电容器的背照式CMOS图像传感器。
本发明的上述方法十分简单、可控，易实现大规模量产。
综上所述，本发明通过在背照式CMOS图像传感器的金属互连区设置光反弹结构，特别是在金属互连区集成一个电容器以反弹入射光线，当光线从硅衬底背面穿过感光区，照射到作为光反弹结构的电容器上时，即被反弹到硅衬底的感光区，以此达到提高光在硅衬底中的光程的目的，从而进一步提升了光的吸收和转化效率。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，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 (10)
1.一种CMOS图像传感器，其特征在于，包括：
硅衬底；
设于所述硅衬底正面的感光区；
设于所述硅衬底正面的感光区下方的金属互连区，所述金属互连区包括第一介质层和设于第一介质层中的多层金属互连层；
设于所述第一介质层中的光反弹结构，所述光反弹结构对应位于感光区的下方，所述光反弹结构通过金属互连层引出；其中，所述光反弹结构用于将自硅衬底背面入射的光线再次反射至感光区中；以及
设于所述硅衬底背面、对应位于感光区上方的滤色片及微透镜阵列。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述光反弹结构位于多层金属互连层中的任意一层金属互连层。
3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述光反弹结构为由不同材料叠设形成的复合层结构。
4.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述光反弹结构为一电容器。
5.根据权利要求4所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述电容器包括上极板、下极板和位于上极板、下极板之间的第二介质层。
6.根据权利要求5所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述电容器的上极板、下极板通过栓塞分别连接上下不同层的金属互连层。
7.根据权利要求5所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述第二介质层为单层结构或由不同材料叠设形成的复合层结构。
8.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，还包括：设于所述硅衬底正面的用于隔离感光区的沟道隔离。
9.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述感光区为掺杂区。
10.一种CMOS图像传感器制备方法，其特征在于，包括：
提供一硅衬底，在所述硅衬底正面形成沟道隔离；
在所述硅衬底正面的沟道隔离之间形成感光区；
在所述硅衬底正面形成金属互连区，包括在所述硅衬底正面淀积第一介质层，并在第一介质层中形成多层金属互连层；以及
在所述多层金属互连层中对应任意一层金属互连层的第一介质层中形成作为光反弹结构的电容器，包括形成电容器所需的上极板、下极板和介质层，并将电容器的上极板、下极板通过栓塞分别连接上下不同层的金属互连层；
将完成正面工艺的所述硅衬底反转，使其背面朝上，然后将所述硅衬底的背面减薄至工艺要求的厚度；
在减薄后的所述硅衬底的背面形成滤色片及微透镜阵列，形成集成了电容器的背照式CMOS图像传感器。
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