CN109148497B - 一种防止寄生光响应的全局像元结构及形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防止寄生光响应的全局像元结构，包括设于衬底上的光电二极管、传输管和复位管，以及形成于传输管栅极和复位管栅极之间的衬底中的存储节点；传输管栅极表面、复位管栅极表面和存储节点表面上覆盖有金属掩蔽层，且金属掩蔽层在存储节点上方形成金属掩蔽层开口，接触孔通过金属掩蔽层开口连接存储节点；其中，接触孔自上方将金属掩蔽层开口完全封闭，金属掩蔽层与接触孔的配合面之间充满绝缘介质，可防止入射光线进入存储节点的电荷存储区，避免产生寄生光响应，有效保证全局曝光像素单元存储电容中信号的准确性，避免输出信号的失真。本发明还公开了一种防止寄生光响应的全局像元结构的形成方法。

Description

一种防止寄生光响应的全局像元结构及形成方法

技术领域

本发明涉及CMOS图像传感器技术领域，更具体地，涉及一种可防止寄生光响应的CMOS图像传感器全局像元结构及形成方法。

背景技术

图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置，通常大规模商用的图像传感器芯片包括电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器芯片两大类。

CMOS图像传感器和传统的CCD传感器相比，具有低功耗、低成本以及与CMOS工艺相兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用。现在CMOS图像传感器不仅已应用于消费电子领域，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，最常用的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。在这些器件中，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。一个像素单元中MOS晶体管的多少，决定了非感光区域所占的面积大小。上述包含四个晶体管的像素结构通常称为4T像素单元。

在数码相机中通常有两种快门控制方式：即机械快门和电子快门。机械快门通过安装在CMOS图像传感器前面的机械件的开合来控制曝光时间；电子快门通过像素单元的时序控制来改变积分时间，从而达到控制曝光时间的目的。由于机械快门需要机械件，会占用数码相机的面积，因此不适用于便携式的数码相机。对于视频监控应用而言，由于通常是进行视频采集，因此，一般采用电子快门控制曝光时间。其中电子快门又分为两种：即卷帘式和全局曝光式。卷帘式电子快门的每行之间的曝光时间是不一致的，在拍摄高速物体时容易造成拖影现象；而全局曝光式电子快门的每一行在同一时间曝光，然后同时将电荷信号存储在像素单元的存储节点，最后将存储节点的信号逐行输出。全局曝光式电子快门由于所有行在同一时间进行曝光，所以不会造成拖影现象。

随着CMOS图像传感器在工业、车载、道路监控和高速相机中越来越广泛的应用，对于可以捕捉高速运动物体图像的图像传感器的需求进一步提高。为了监控高速物体，CMOS图像传感器需要使用全局曝光的像素单元(简称全局像元)，而全局曝光像素单元中用于存储电荷信号的存储节点对于光源的寄生响应是一个非常重要的指标。在实际应用中，根据每个像素单元使用晶体管的数目，全局曝光像素单元有4T、5T、6T、8T和12T等。

请参阅图1，图1是现有的一种5T全局曝光像素单元的版图结构。如图1所示，5T全局曝光像素单元中的电荷存储节点12就是传输管11和复位管13之间的结电容。存储节点的寄生光响应是指存储节点电容对入射光的寄生响应，对于像素单元而言，入射到像素单元表面的光线由于折射和散射而不能全部聚焦到光电二极管10表面，有部分光线可能入射到存储节点12上，存储节点12在入射光的照射下也可以像光电二极管10一样产生光电响应。由于入射光的照射而在存储节点12上产生的电荷，会影响原来存储在存储节点12上的由光电二极管10产生的电压信号，造成了信号的失真。为了减小存储节点的光源寄生响应，在存储节点上面就需要使用完全不透光的金属屏蔽层来防止入射光线的影响。

请参阅图2，图2是沿图1中A-B方向的全局像元结构截面图。如图2所示，同普通CMOS工艺相比，为了防止全局像元的寄生光响应，常规全局像素单元在层间介质16中设有一层额外形成的金属掩蔽层17。这层金属掩蔽层17通常使用不透光的钨、铝和铜等金属或氮化钽、氮化钽等金属化合物材料制作。由于金属掩蔽层17大面积覆盖着传输管11、复位管13和存储节点12，为了避免传输管11、复位管13和存储节点12上在像元工作过程中相互串扰，全部金属掩蔽层17通过金属互连最终接地；同时，存储节点12通过接触孔15连接到金属互连层14。

在上述全局像元结构中，由于存储节点12在工作过程中是一个不断变化的动态信号，因此存储节点12上的接触孔15和金属掩蔽层17不能连接，而必须保持一定的间距。由此在存储节点12上就形成了漏光间隙18。在漏光间隙18位置没有金属掩蔽层17或接触孔15的覆盖，因此入射光可以直接穿过漏光间隙18到达存储节点12，产生寄生光响应，造成全局像元存储信号的失真和图像质量的下降。

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，提供一种防止寄生光响应的全局像元结构及形成方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种防止寄生光响应的全局像元结构，包括设于衬底上的光电二极管、传输管和复位管，以及形成于传输管栅极和复位管栅极之间的所述衬底中的存储节点；所述传输管栅极表面、复位管栅极表面和存储节点表面上覆盖有金属掩蔽层，且所述金属掩蔽层在所述存储节点上方形成金属掩蔽层开口，接触孔通过所述金属掩蔽层开口连接存储节点；其中，所述接触孔自上方将所述金属掩蔽层开口完全封闭，所述金属掩蔽层与接触孔的配合面之间充满绝缘介质。

进一步地，所述金属掩蔽层通过金属掩蔽层开口侧壁自所述接触孔底部伸入接触孔内，所述绝缘介质至少充满于所述接触孔与所述金属掩蔽层伸入接触孔内部分的上表面和金属掩蔽层开口侧壁的配合面之间。

进一步地，所述绝缘介质由一层或多层绝缘介质材料堆叠形成。

进一步地，所述金属掩蔽层为单层结构或多层复合结构。

进一步地，所述衬底上及传输管栅极和复位管栅极上覆盖设有层间介质层，所述接触孔设于所述层间介质层中，并连接上方的后道金属互连层。

本发明还提供了一种防止寄生光响应的全局像元结构的形成方法，包括以下步骤：

提供一衬底，在所述衬底上形成光电二极管、传输管和复位管，以及在传输管栅极和复位管栅极之间的所述衬底中形成存储节点；

在所述衬底表面全片淀积金属掩蔽层材料，并将光电二极管上方的金属掩蔽层材料移除，同时在存储节点的上方形成金属掩蔽层开口，形成金属掩蔽层；

在所述衬底表面全片淀积绝缘介质材料，将金属掩蔽层开口充满；

在金属掩蔽层开口以内对应形成绝缘介质开口，保留金属掩蔽层开口侧壁和金属掩蔽层上方表面上的部分绝缘介质材料，形成绝缘介质图形；

在所述衬底表面全片淀积层间介质材料，在层间介质中形成穿过绝缘介质开口连接存储节点的接触孔图形，并使接触孔图形处于绝缘介质图形的外周和绝缘介质开口之间；

进行接触孔的填充，形成接触孔，以及形成连接接触孔的后道金属互连层。

进一步地，所述衬底为N型或P型硅衬底。

进一步地，所述金属掩蔽层为由钛、氮化钛、钨、铝、铜、钴和镍中的一种或多种形成的单层结构或多层复合结构。

进一步地，所述绝缘介质为氮化硅、氮氧化硅或含氮碳化硅，所述层间介质为二氧化硅。

进一步地，所述接触孔填充材料为不透光的金属或/和金属化合物。

从上述技术方案可以看出，本发明通过将金属掩蔽层伸入接触孔的下方，从而可避免形成常规全局像元中的漏光间隙；同时为了避免接触孔和金属掩蔽层的短路，在两者之间设置绝缘介质，对入射光进行反射。本发明可防止入射光线进入存储节点的电荷存储区，避免产生寄生光响应，从而有效保证了全局曝光像素单元存储电容中信号的准确性，避免了输出信号的失真，使图像传感器最终能得到高质量的图像。

附图说明

图1是现有的一种5T全局曝光像素单元的版图结构示意图；

图2是沿图1中A-B方向的全局像元结构截面图；

图3是本发明一较佳实施例的一种防止寄生光响应的全局像元结构示意图；

图4-图12是本发明一较佳实施例的一种防止寄生光响应的全局像元结构的形成方法的工艺步骤示意图。

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3，图3是本发明一较佳实施例的一种防止寄生光响应的全局像元结构示意图。如图3所示，本发明的一种防止寄生光响应的全局像元结构，包括设置在衬底20上的光电二极管21、传输管23和复位管27，传输管23设有传输管栅极23’，复位管27设有复位管栅极27’；以及包括形成于传输管栅极23’和复位管栅极27’之间的衬底20中的存储节点29。其中，电荷存储节点29就是传输管23和复位管27之间的结电容。在衬底20上可设有层间介质22；层间介质22将传输管栅极23’和复位管栅极27’覆盖在其中。

请参阅图3。在层间介质22中设有金属掩蔽层24；金属掩蔽层24覆盖在传输管栅极23’表面上、复位管栅极27’表面上和存储节点29表面上。

金属掩蔽层24在存储节点29上方形成有金属掩蔽层开口30。层间介质22中形成有接触孔25；接触孔25下端穿过金属掩蔽层24，并通过金属掩蔽层开口30连接存储节点29。接触孔25从金属掩蔽层开口30的上方将金属掩蔽层开口30完全封闭，并且在金属掩蔽层24与接触孔25的配合面之间充满绝缘介质28。这样，在常规全局像素单元中存在于金属掩蔽层24和接触孔25之间的漏光间隙(请参考图2中的漏光间隙18)就得以彻底消除，从而可有效防止入射光线进入存储节点29的电荷存储区。

可通过将金属掩蔽层24伸入接触孔25内的方式来避免在金属掩蔽层24与接触孔25之间产生上述漏光间隙。具体可通过金属掩蔽层开口30的侧壁从接触孔25的底部贴着衬底20表面伸入接触孔25内。由此在金属掩蔽层开口30的侧壁以及金属掩蔽层开口30上方的金属掩蔽层24表面与接触孔25之间就形成了一种类似倒“L”形的配合面。

请继续参阅图3。为了防止接触孔25与金属掩蔽层24之间发生短路，需要在金属掩蔽层24与接触孔25的配合面之间充满绝缘介质28；绝缘介质28至少应充满于接触孔25与金属掩蔽层24伸入接触孔25内部分的上表面和金属掩蔽层开口30侧壁的配合面之间，即至少应完全充满图示倒“L”形的配合面之间。

接触孔尺寸b应大于等于绝缘介质底部开口(绝缘介质开口31)尺寸a，以保证接触孔25和金属掩蔽层24之间没有横向间隙，从而保证没有入射光进入下方存储节点29；同时绝缘介质上方外周尺寸(绝缘介质图形尺寸)c应大于等于接触孔尺寸b，以防止接触孔25与金属掩蔽层24之间发生短路。即带有绝缘介质开口的绝缘介质图形28插入并盖在金属掩蔽层开口30上。

在金属掩蔽层24和接触孔25之间设置绝缘介质28后，不但可使得绝大部分入射光被反射，而且保证了存储节点29上的接触孔25和金属掩蔽层24之间的电学隔离。

绝缘介质28可以由一层或多层绝缘介质材料堆叠形成。常规的单层绝缘介质通常都是透光的，但单层绝缘介质28同时与金属掩蔽层24进行互相堆叠，就可以实现对入射光的充分反射，减小全局像元存储节点29原存在的漏光问题。可以使用碳化硅、氮氧化硅或含氮碳化硅等绝缘介质膜。

金属掩蔽层24可以采用不透光的金属或/和金属化合物来形成单层结构或多层复合结构。并且，金属掩蔽层24可通过金属互连层最终接地。存储节点29可通过接触孔25连接到上方的后道金属互连层26。接触孔25也可使用不透光的金属或/和金属化合物进行填充。

本发明的上述结构可用于4T、5T、6T、8T和12T等各种需要存储电容的全局像元结构中。

下面通过具体实施方式及附图，对本发明的一种防止寄生光响应的全局像元结构的形成方法进行详细说明。

请参阅图4-图12，图4-图12是本发明一较佳实施例的一种防止寄生光响应的全局像元结构的形成方法的工艺步骤示意图。如图4-图12所示，本发明的一种防止寄生光响应的全局像元结构的形成方法，可用于制作上述的防止寄生光响应的全局像元结构，并可包括以下步骤：

如图4所示，首先提供一衬底20，例如可以是N型或P型硅衬底20。在N型或P型硅衬底20上使用常规CMOS图像传感器工艺，形成光电二极管21、传输管23和复位管27，包括形成常规传输管23的栅氧、多晶栅极和侧墙和复位管27的栅氧、多晶栅极和侧墙等；以及在传输管栅极23’和复位管栅极27’之间的衬底20中形成存储节点29。

其次如图5所示，在硅衬底20表面全片淀积金属掩蔽层材料24’。金属掩蔽层材料24’可以使用CMOS工艺中常规的金属或金属化合物材料来形成，包括钛、氮化钛、钨、铝、铜、钴和镍等金属或金属化合物材料中的一种或数种，形成单层结构或多层复合结构。

金属掩蔽层材料24’淀积的总厚度可在10埃到10000埃之间。

再次如图6所示，进行金属掩蔽层的光刻和刻蚀，将光电二极管21上方的金属掩蔽层材料24’移除，同时在存储节点29的上方形成金属掩蔽层开口30，从而形成金属掩蔽层24图形。

接着如图7所示，在硅衬底20表面全片淀积绝缘介质材料28’。绝缘介质可采用氮化硅、氮氧化硅、含氮碳化硅等材料中的一种或者多种形成，以保证后续接触孔刻蚀时二氧化硅等层间介质和绝缘介质之间有较高的选择比。通过使用绝缘介质与金属掩蔽层进行堆叠，可以对入射光进行有效地反射。

利用淀积的绝缘介质材料28’，将金属掩蔽层开口30充满。

随后如图8所示，对绝缘介质材料28’进行光刻和刻蚀，在存储节点29上方的金属掩蔽层开口30以内对应形成绝缘介质开口31，并通过光刻和刻蚀保留金属掩蔽层开口30侧壁和金属掩蔽层24上方表面上的部分绝缘介质材料，形成如图8所示的倒“L”形绝缘介质图形28盖在金属掩蔽层开口30上。

然后如图9所示，在硅衬底20表面全片淀积层间介质22，例如可以使用二氧化硅、低介电常数介质等材料作为层间介质22，使传输管栅极23’、复位管栅极27’和绝缘介质图形28等器件结构完全掩盖在其中。

随后，如图10所示，进行接触孔的光刻和刻蚀，通过接触孔刻蚀，在层间介质22中形成穿过绝缘介质开口31连接存储节点29的接触孔开口25’图形，并使接触孔开口25’图形尺寸处于绝缘介质图形28的外周和绝缘介质开口31之间。例如可使得接触孔的尺寸b大于绝缘介质开口尺寸a，小于绝缘介质的上方外周尺寸c(请参考图3加以理解)。

通过绝缘介质和层间介质材料之间的高选择比，例如绝缘介质可以使用氮化硅、氮氧化硅或含氮碳化硅等材料，层间介质可以使用二氧化硅等材料，从而在进行接触孔的光刻和刻蚀时，可以使得位于绝缘介质开口内的接触孔部分实现自对准工艺，保证了工艺的稳定性。

最后进入常规CMOS工艺，如图11所示，通过淀积和化学机械抛光实现接触孔的填充，接触孔填充的物质可以为钛、氮化钛和钨等不透光的金属和金属化合物，接触孔开口25’在填充金属或金属化合物后，就形成了接触孔25。

如图12所示，在层间介质22上淀积金属互连材料，例如金属铜，然后通过光刻和刻蚀，形成连接接触孔25的后道金属互连层26，从而形成例如图3的防止寄生光响应的全局像元结构。

综上所述，本发明通过将金属掩蔽层伸入接触孔的下方，从而可避免形成常规全局像元中的漏光间隙；同时为了避免接触孔和金属掩蔽层的短路，在两者之间设置绝缘介质，对入射光进行反射。本发明可防止入射光线进入存储节点的电荷存储区，避免产生寄生光响应，从而有效保证了全局曝光像素单元存储电容中信号的准确性，避免了输出信号的失真，使图像传感器最终能得到高质量的图像。

以上的仅为本发明的优选实施例，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)

1.一种防止寄生光响应的全局像元结构，其特征在于，包括设于衬底上的光电二极管、传输管和复位管，以及形成于传输管栅极和复位管栅极之间的所述衬底中的存储节点；所述传输管栅极表面、复位管栅极表面和存储节点表面上覆盖有金属掩蔽层，且所述金属掩蔽层在所述存储节点上方形成金属掩蔽层开口，接触孔通过所述金属掩蔽层开口连接存储节点；其中，所述接触孔自上方将所述金属掩蔽层开口完全封闭，所述金属掩蔽层与接触孔的配合面之间充满绝缘介质,所述金属掩蔽层通过金属掩蔽层开口的侧壁从接触孔底部贴着衬底表面伸入接触孔内，且接触孔尺寸大于等于绝缘介质底部开口尺寸。

2.根据权利要求1所述的防止寄生光响应的全局像元结构，其特征在于，所述金属掩蔽层通过金属掩蔽层开口侧壁自所述接触孔底部伸入接触孔内，所述绝缘介质至少充满于所述接触孔与所述金属掩蔽层伸入接触孔内部分的上表面和金属掩蔽层开口侧壁的配合面之间。

3.根据权利要求1所述的防止寄生光响应的全局像元结构，其特征在于，所述绝缘介质由一层或多层绝缘介质材料堆叠形成。

4.根据权利要求1或2所述的防止寄生光响应的全局像元结构，其特征在于，所述金属掩蔽层为单层结构或多层复合结构。

5.根据权利要求1所述的防止寄生光响应的全局像元结构，其特征在于，所述衬底上及传输管栅极和复位管栅极上覆盖设有层间介质层，所述接触孔设于所述层间介质层中，并连接上方的后道金属互连层。

6.一种防止寄生光响应的全局像元结构的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供一衬底，在所述衬底上形成光电二极管、传输管和复位管，以及在传输管栅极和复位管栅极之间的所述衬底中形成存储节点；

在所述衬底表面全片淀积金属掩蔽层材料，并将光电二极管上方的金属掩蔽层材料移除，同时在存储节点的上方形成金属掩蔽层开口，形成金属掩蔽层；

在所述衬底表面全片淀积绝缘介质材料，将金属掩蔽层开口充满；

在金属掩蔽层开口以内对应形成绝缘介质开口，保留金属掩蔽层开口侧壁和金属掩蔽层上方表面上的部分绝缘介质材料，形成绝缘介质图形；

在所述衬底表面全片淀积层间介质材料，在层间介质中形成穿过绝缘介质开口连接存储节点的接触孔图形，并使接触孔图形处于绝缘介质图形的外周和绝缘介质开口之间，且接触孔尺寸大于等于绝缘介质底部开口尺寸；

进行接触孔的填充，形成接触孔，所述金属掩蔽层通过金属掩蔽层开口的侧壁从接触孔底部贴着衬底表面伸入接触孔内，以及形成连接接触孔的后道金属互连层。

7.根据权利要求6所述的防止寄生光响应的全局像元结构的形成方法，其特征在于，所述衬底为N型或P型硅衬底。

8.根据权利要求6所述的防止寄生光响应的全局像元结构的形成方法，其特征在于，所述金属掩蔽层为由钛、氮化钛、钨、铝、铜、钴和镍中的一种或多种形成的单层结构或多层复合结构。

9.根据权利要求6所述的防止寄生光响应的全局像元结构的形成方法，其特征在于，所述绝缘介质为氮化硅、氮氧化硅或含氮碳化硅，所述层间介质为二氧化硅。

10.根据权利要求6所述的防止寄生光响应的全局像元结构的形成方法，其特征在于，所述接触孔填充材料为不透光的金属或/和金属化合物。

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