CN109830493A - 一种改善寄生光响应的全局像元结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善寄生光响应的全局像元结构，在存储节点上方设置有挡光结构，挡光结构包括竖直围绕在存储节点四周的金属侧墙，以及水平覆盖在金属侧墙上的金属盖层，金属侧墙与传输管栅极、复位管栅极以及存储节点相绝缘；接触孔间隔位于金属侧墙以内，接触孔的下端电连接存储节点的上表面，上端通过金属盖层电连接后道金属互连层；挡光结构将存储节点上方与传输管栅极和复位管栅极之间存在的漏光间隙完全遮蔽，可有效阻止入射光线进入存储节点，达到了改善全局像元寄生光响应的技术效果。本发明还公开了一种改善寄生光响应的全局像元结构的制造方法。

Description

一种改善寄生光响应的全局像元结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体器件和工艺制造技术领域，更具体地，涉及一种改善寄生光响应的图像传感器全局像元结构及其制造方法。

背景技术

大规模商用图像传感器主要包括电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器两大类。其中，CMOS图像传感器由于具备低成本、低功耗和与CMOS工艺兼容等优势，被广泛应用于手机摄像、数码单反、汽车电子以及生物医学等领域。

CMOS图像传感器的像元是其实现感光的核心器件。通常，像元结构包含一个光电二极管和四个MOS晶体管(称为4T像素单元)。其中，光电二极管实现光电转换；四个晶体管实现对光电二极管的选取和复位，以及控制信号的存储、放大和读出。在数码相机中通常有两种快门控制方式：机械快门和电子快门。对于便携式数码相机，手机摄像以及视频监控应用，通常采用电子快门进行曝光时间的控制，即通过像元的时序控制改变积分时间，进而达到控制曝光时间的目的。电子快门通常分为两种：卷帘式(Rolling Shutter)和全局曝光式(Global Shutter)。卷帘式电子快门依次对每行进行曝光，存储电荷信号并输出，因此在拍摄高速运动物体时存在拖影现象；全局曝光式电子快门同时对所有行进行曝光，并将电荷信号进行存储，再依次逐行输出存储节点的信号，不存在拖影现象，因此被广泛应用于车载、道路监控等需要拍摄高速运动物体图像的领域。

对于全局像元，存储电荷信号的存储节点对光源的寄生光响应是一个非常重要的指标。在实际应用中，根据每个像元包含晶体管的数目，全局像元有5T，6T，7T，8T和12T等结构。图1给出了一种常规5T全局像元的结构示意图。如图1所示，该5T全局像元中包括设于衬底上的光电二极管11，以及传输管12、复位管13和源极跟随管16等晶体管，在传输管栅极和复位管栅极之间的衬底中设有存储节点14，存储节点14上通过接触孔17与金属互连层15实现连接。当入射光进入像元表面时，由于入射角度、折射以及散射的影响，部分光线可能进入位于传输管12和复位管13之间的电荷存储节点14。存储节点14在这部分光线的照射下，同样会产生光电响应，其产生的电荷会影响原本存储在节点14上的由光电二极管11产生的电荷信号，进而导致信号的失真。

要解决该问题，就需要改善全局像元存储节点对这部分光线的寄生响应。在CMOS工艺中，通常采用钨、铝和铜等不透光的金属遮蔽层覆盖在存储节点上方，以减少存储节点的寄生光响应。

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，提供一种改善寄生光响应的全局像元结构及其制造方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种改善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，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，以及一设于所述存储节点上方的挡光结构；所述挡光结构包括竖直围绕在所述存储节点四周的金属侧墙，以及水平覆盖在所述金属侧墙上的金属盖层，所述金属侧墙与所述传输管栅极、复位管栅极以及存储节点相绝缘；接触孔间隔位于所述金属侧墙以内，所述接触孔的下端电连接所述存储节点的上表面，上端通过所述金属盖层电连接后道金属互连层；所述挡光结构将所述存储节点上方与所述传输管栅极和复位管栅极之间存在的漏光间隙完全遮蔽。

进一步地，所述存储节点上方的所述衬底表面上设有绝缘介质层，所述金属侧墙的下端通过所述绝缘介质层与所述存储节点相绝缘，且所述金属侧墙与传输管栅极侧墙和/或复位管栅极侧墙相接。

进一步地，所述存储节点上方的所述衬底表面上设有绝缘介质层，所述金属侧墙的下端通过所述绝缘介质层与所述存储节点相绝缘，且所述金属侧墙与所述传输管栅极和复位管栅极相分离。

进一步地，所述金属盖层为后道第一层金属互连层。

进一步地，所述衬底上设有层间介质层，将所述传输管栅极和复位管栅极覆盖，所述挡光结构设于所述层间介质层中。

一种改善寄生光响应的全局像元结构的制造方法，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，包括在所述衬底的表面上形成传输管栅极及栅极侧墙和复位管栅极及栅极侧墙，以及在所述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；

在所述存储节点上方的所述衬底表面上形成绝缘介质层，以及在所述衬底整个表面上形成层间介质层；

在所述层间介质层中形成竖直围绕在所述存储节点上方四周的金属侧墙，并使所述金属侧墙的下端连接所述绝缘介质层的上表面，且使所述金属侧墙与所述传输管栅极和复位管栅极相绝缘；以及

在所述金属侧墙以内间隔形成接触孔，使所述接触孔的下端穿过所述绝缘介质层连接所述存储节点；

在所述金属侧墙和接触孔之上的所述层间介质层中形成后道第一层金属互连层，使所述金属侧墙和接触孔的上端同时连接所述后道第一层金属互连层的下表面，并使所述后道第一层金属互连层作为金属盖层覆盖在所述金属侧墙上形成挡光结构，将所述存储节点上方与所述传输管栅极和复位管栅极之间存在的漏光间隙完全遮蔽。

进一步地，形成所述金属侧墙和接触孔，具体包括：

采用光刻和刻蚀工艺，在所述层间介质层中形成竖直围绕在所述存储节点上方四周的侧墙沟槽结构，停止在所述绝缘介质层上；

采用有机介质填充所述侧墙沟槽，并去除所述层间介质层表面多余的有机介质，保留所述侧墙沟槽内的有机介质；

采用光刻和刻蚀工艺，在所述侧墙沟槽以内间隔形成接触孔沟槽，并使所述接触孔沟槽底部刻穿绝缘介质层，与所述存储节点接触；

去除所述侧墙沟槽中的有机介质；

在所述侧墙沟槽和接触孔沟槽中沉积金属，并进行平坦化，形成所述金属侧墙和接触孔。

进一步地，形成所述金属侧墙和接触孔，具体包括：

采用光刻和刻蚀工艺，在所述层间介质层中形成竖直围绕在所述存储节点上方四周的侧墙沟槽结构，停止在所述绝缘介质层上；

在所述侧墙沟槽中沉积金属，并进行平坦化，形成所述金属侧墙；

在形成的上述器件表面继续沉积层间介质层材料，并进行平坦化；

采用光刻和刻蚀工艺，在所述金属侧墙以内间隔形成接触孔沟槽，并使所述接触孔沟槽底部刻穿绝缘介质层，与所述存储节点接触；

在所述接触孔沟槽中沉积金属，并进行平坦化，形成所述接触孔；

对形成的上述器件表面进行减薄处理，使所述接触孔的上端与所述金属侧墙的上端平齐。

进一步地，形成所述金属侧墙时，使所述金属侧墙与传输管栅极侧墙和/或复位管栅极侧墙相接。

进一步地，形成所述金属侧墙时，使所述金属侧墙与所述传输管栅极和复位管栅极相分离。

从上述技术方案可以看出，本发明通过在存储节点四周增加不透光的金属侧墙以及侧墙上方覆盖的金属盖层，形成完全包围存储节点的挡光结构，基本阻止了入射光线进入存储节点，达到了改善全局像元寄生光响应的技术效果。同时，通过在存储节点上设置绝缘介质和进行两次刻蚀工艺，保证了接触孔正常的电学连接作用。

附图说明

图1是一种常规5T全局像元的结构示意图。

图2-图3是本发明一较佳实施例的一种改善寄生光响应的全局像元结构示意图。

图4-图10是本发明一较佳实施例的制造图3的改善寄生光响应的全局像元结构的工艺流程示意图。

图11-图16是本发明另一较佳实施例的制造图3的改善寄生光响应的全局像元结构的工艺流程示意图。

图17是本发明另一较佳实施例的一种改善寄生光响应的全局像元结构示意图。

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，请参考图2-图3，图2-图3是本发明一较佳实施例的一种改善寄生光响应的全局像元结构示意图。其中，图2显示器件的版图结构，图3显示沿图2中“A-B”方向上的器件截面结构。如图2-图3所示，本发明的一种改善寄生光响应的全局像元结构，包括设置在半导体衬底20上的光电二极管21、传输管22和复位管23，传输管22设有传输管栅极222和栅极侧墙221，复位管23设有复位管栅极和栅极侧墙；还包括设置在传输管栅极222和复位管栅极之间的衬底20中的存储节点24；以及包括一个设置在存储节点24上方的挡光结构25和30。本实施例显示一种5T全局像元结构，其还设有源极跟随管等其他晶体管。图3显示的器件截面结构，如与沿图1中“A-B”方向上的器件截面结构相比，区别即在于图3中增设有挡光结构25和30。

请参考图2-图3。挡光结构25和30包括竖直围绕在存储节点24四周的金属侧墙25，以及水平覆盖在金属侧墙25上的金属盖层30。金属侧墙25在存储节点24上方构成封闭的框形结构，其可以是图示的矩形框，或者是其他适用的形状。本发明不限于此。

在衬底20上还可设有层间介质层29；层间介质层29将传输管栅极222、复位管栅极和挡光结构25和30等位于衬底20表面上的所有器件结构都覆盖在其中。

金属侧墙25与传输管栅极222、复位管栅极以及存储节点24之间采取相绝缘的方式进行设置。例如，可在存储节点24上方的衬底20表面上设置绝缘介质层31，将金属侧墙25的下端连接设置在绝缘介质层31的上表面上。这样，金属侧墙25与存储节点24之间就形成了电性隔离。并且，由于传输管栅极侧墙221和复位管栅极侧墙也是由绝缘介质形成的，因此金属侧墙25与传输管栅极222和复位管栅极之间也形成了电学隔离。

同时，在靠近传输管栅极222和复位管栅极的区域，金属侧墙25可以与传输管栅极侧墙221和复位管栅极侧墙相接，即金属侧墙25的侧壁或下端可以至少部分位于传输管栅极侧墙221和复位管栅极侧墙上，形成跨接的形态。金属侧墙25可以挡住侧面的光线，而金属盖层30可以挡住上方的光线。这样，利用本发明的挡光结构25和30，就可将存储节点24上方与传输管栅极222和复位管栅极之间存在的漏光间隙完全遮蔽。

存储节点24需要通过接触孔28与上方的金属互连层进行连接。可直接利用后道第一层金属互连层26同时作为挡光结构25和30中的金属盖层30，即可在金属侧墙25的区域位置，采用一个块状的后道第一层金属互连层26结构，将金属侧墙25的上端完全覆盖来替代金属盖层30，形成挡光结构25和26。同时，将接触孔28设置在金属侧墙25以内，并与金属侧墙25保持间距；接触孔28的下端穿过绝缘介质层31后连接至存储节点24的上表面上，接触孔28的上端连接在作为金属盖层30的后道第一层金属互连层26的下表面上。上述结构设置可在起到挡光作用的同时，保证接触孔28正常的电学连接作用。

请参考图17，图17是本发明另一较佳实施例的一种改善寄生光响应的全局像元结构示意图。如图17所示，金属侧墙25还可以采用图示的另一种设置方式，即可采用将金属侧墙25与传输管栅极222和复位管栅极相分离的方式设置金属侧墙25。与图3相比，图17中显示金属侧墙25的整个框形下端全部连接设置在绝缘介质层31的上表面上，并使得金属侧墙25的侧壁与传输管栅极222(包括栅极侧墙221)和复位管栅极(包括栅极侧墙)相隔一定的距离。

显然，图3中挡光结构25和26的挡光效果较图17更好，但工艺控制要求也更严格。

可通过常规浅沟槽隔离32结构进行像元之间的电学隔离。

以下通过具体实施方式并结合附图，对本发明的一种改善寄生光响应的全局像元结构的制造方法进行详细说明。

请参考图4-图10，图4-图10是本发明一较佳实施例的制造图3的改善寄生光响应的全局像元结构的工艺流程示意图。如图4-图10所示，本发明的一种改善寄生光响应的全局像元结构的制造方法，可用于制造上述图3中的改善寄生光响应的全局像元结构，并可包括以下步骤：

首先，如图4所示，可在一个硅衬底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22和复位管23，包括在硅衬底20的表面上形成常规传输管22的栅氧、多晶栅极222和栅极侧墙221，以及形成复位管23的栅氧、多晶栅极和栅极侧墙等；以及在传输管栅极222和复位管栅极之间的硅衬底20中形成存储节点24，在有源区边界形成浅沟槽隔离32结构等常规器件结构。

然后，在存储节点24上方的衬底20表面上，采用常规光刻和刻蚀工艺，形成图形化的绝缘介质层31。

接着，在硅衬底20的整个表面上淀积层间介质，并通过化学机械研磨，形成层间介质层29。

其中，层间介质通常为二氧化硅，绝缘介质可以为氮化硅或氮氧化硅等绝缘材料。

接着，如图5所示，可采用光刻和刻蚀工艺，在层间介质层29中形成竖直围绕在存储节点24上方四周的金属侧墙沟槽25’结构。刻蚀时，使侧墙沟槽25’的底部停止在绝缘介质层31上，不与存储节点24接触，后续用于实现挡光效果。在靠近传输管栅极222和复位管栅极的区域，金属侧墙沟槽25’的底部可以与传输管栅极侧墙221和复位管栅极侧墙相接，即侧墙沟槽25’的侧壁或下端可以至少部分位于传输管栅极侧墙221和复位管栅极侧墙上，形成跨接的形态。

接着，如图6所示，可采用光阻或抗反射涂层等有机介质33填充侧墙沟槽25’。填充完后，可经酸槽去除层间介质层29表面多余的有机介质，保留侧墙沟槽25’内的有机介质33。

接着，如图7所示，可采用光刻和刻蚀工艺，在侧墙沟槽25’以内并相距侧墙沟槽25’形成接触孔沟槽28’，使接触孔沟槽28’的底部刻穿绝缘介质层31进入硅衬底20，与存储节点24接触，用于实现后续的电学连接。

接着，如图8所示，经酸槽去除侧墙沟槽25’中的有机介质33。

然后，如图9所示，在侧墙沟槽25’和接触孔沟槽28’中沉积金属，并采用化学机械抛光进行表面研磨，形成金属侧墙25和接触孔28。

金属可包括钨、铜、铝等不透光材料，同时金属也可以替换为氮化钛等不透光的金属化合物。此处的金属材料还需满足导电要求，以保证接触孔28的正常电学连接。

最后，如图10所示，可采用常规CMOS工艺，在金属侧墙25和接触孔28之上的层间介质层29中形成后道第一层金属互连层26，使金属侧墙25和接触孔28的上端同时连接后道第一层金属互连层26的下表面。此区域上的后道第一层金属互连层26同时还作为金属盖层30，覆盖在金属侧墙25上形成挡光结构25和26(30)，将存储节点24上方与传输管栅极222和复位管栅极之间存在的漏光间隙完全遮蔽。

本发明还给出了另一种实现图3结构的工艺方法。请参考图11-图16，图11-图16是本发明另一较佳实施例的制造图3的改善寄生光响应的全局像元结构的工艺流程示意图。如图11所示，在完成了图5中的侧墙沟槽刻蚀后，直接在侧墙沟槽25’中沉积金属，并采用化学机械抛光进行表面研磨，形成金属侧墙25。

然后，如图12所示，在形成的上述器件表面(即层间介质层29表面)继续沉积二氧化硅层间介质材料，并采用化学机械抛光进行表面研磨。所形成的新层间介质层29的表面将明显高于金属侧墙25的高度，并将金属侧墙25完全覆盖。

接着，如图13所示，采用光刻和刻蚀工艺，在金属侧墙25以内间隔形成接触孔沟槽28’，并使接触孔沟槽28’底部刻穿绝缘介质层31，与存储节点24接触。

接着，如图14所示，在接触孔沟槽28’中沉积金属，并采用化学机械抛光进行表面研磨，形成接触孔28。

然后，如图15所示，采用化学机械抛光，对形成的上述器件表面进行减薄处理，将接触孔28的上端磨至与金属侧墙25的上端相平齐为止。

最后，如图16所示，采用常规CMOS工艺，形成后道第一层金属互连层26。

图11-图16的工艺流程中，采用了先形成金属侧墙25，再形成接触孔28的步骤。也可以选择先形成接触孔28，再形成金属侧墙25的步骤，最终均能实现本发明提出的像元结构。

上述实现图3结构的工艺流程，同样也适用于实现图17的像元结构，即在形成金属侧墙25时，使金属侧墙25与传输管栅极222和复位管栅极相分离。

综上所述，本发明通过在存储节点四周增加不透光的金属侧墙以及侧墙上方覆盖的金属盖层，形成完全包围存储节点的挡光结构，基本阻止了入射光线进入存储节点，达到了改善全局像元寄生光响应的技术效果。同时，通过在存储节点上设置绝缘介质和进行两次刻蚀工艺，保证了接触孔正常的电学连接作用。

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)

1.一种改善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，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，以及一设于所述存储节点上方的挡光结构；所述挡光结构包括竖直围绕在所述存储节点四周的金属侧墙，以及水平覆盖在所述金属侧墙上的金属盖层，所述金属侧墙与所述传输管栅极、复位管栅极以及存储节点相绝缘；接触孔间隔位于所述金属侧墙以内，所述接触孔的下端电连接所述存储节点的上表面，上端通过所述金属盖层电连接后道金属互连层；所述挡光结构将所述存储节点上方与所述传输管栅极和复位管栅极之间存在的漏光间隙完全遮蔽。

2.根据权利要求1所述的改善寄生光响应的全局像元结构，其特征在于，所述存储节点上方的所述衬底表面上设有绝缘介质层，所述金属侧墙的下端通过所述绝缘介质层与所述存储节点相绝缘，且所述金属侧墙与传输管栅极侧墙和/或复位管栅极侧墙相接。

3.根据权利要求1所述的改善寄生光响应的全局像元结构，其特征在于，所述存储节点上方的所述衬底表面上设有绝缘介质层，所述金属侧墙的下端通过所述绝缘介质层与所述存储节点相绝缘，且所述金属侧墙与所述传输管栅极和复位管栅极相分离。

4.根据权利要求1所述的改善寄生光响应的全局像元结构，其特征在于，所述金属盖层为后道第一层金属互连层。

5.根据权利要求1所述的改善寄生光响应的全局像元结构，其特征在于，所述衬底上设有层间介质层，将所述传输管栅极和复位管栅极覆盖，所述挡光结构设于所述层间介质层中。

6.一种改善寄生光响应的全局像元结构的制造方法，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，包括在所述衬底的表面上形成传输管栅极及栅极侧墙和复位管栅极及栅极侧墙，以及在所述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；

在所述存储节点上方的所述衬底表面上形成绝缘介质层，以及在所述衬底整个表面上形成层间介质层；

在所述层间介质层中形成竖直围绕在所述存储节点上方四周的金属侧墙，并使所述金属侧墙的下端连接所述绝缘介质层的上表面，且使所述金属侧墙与所述传输管栅极和复位管栅极相绝缘；以及

在所述金属侧墙以内间隔形成接触孔，使所述接触孔的下端穿过所述绝缘介质层连接所述存储节点；

在所述金属侧墙和接触孔之上的所述层间介质层中形成后道第一层金属互连层，使所述金属侧墙和接触孔的上端同时连接所述后道第一层金属互连层的下表面，并使所述后道第一层金属互连层作为金属盖层覆盖在所述金属侧墙上形成挡光结构，将所述存储节点上方与所述传输管栅极和复位管栅极之间存在的漏光间隙完全遮蔽。

7.根据权利要求6所述的改善寄生光响应的全局像元结构的制造方法，其特征在于，形成所述金属侧墙和接触孔，具体包括：

采用光刻和刻蚀工艺，在所述层间介质层中形成竖直围绕在所述存储节点上方四周的侧墙沟槽结构，停止在所述绝缘介质层上；

采用有机介质填充所述侧墙沟槽，并去除所述层间介质层表面多余的有机介质，保留所述侧墙沟槽内的有机介质；

采用光刻和刻蚀工艺，在所述侧墙沟槽以内间隔形成接触孔沟槽，并使所述接触孔沟槽底部刻穿绝缘介质层，与所述存储节点接触；

去除所述侧墙沟槽中的有机介质；

在所述侧墙沟槽和接触孔沟槽中沉积金属，并进行平坦化，形成所述金属侧墙和接触孔。

8.根据权利要求6所述的改善寄生光响应的全局像元结构的制造方法，其特征在于，形成所述金属侧墙和接触孔，具体包括：

采用光刻和刻蚀工艺，在所述层间介质层中形成竖直围绕在所述存储节点上方四周的侧墙沟槽结构，停止在所述绝缘介质层上；

在所述侧墙沟槽中沉积金属，并进行平坦化，形成所述金属侧墙；

在形成的上述器件表面继续沉积层间介质层材料，并进行平坦化；

采用光刻和刻蚀工艺，在所述金属侧墙以内间隔形成接触孔沟槽，并使所述接触孔沟槽底部刻穿绝缘介质层，与所述存储节点接触；

在所述接触孔沟槽中沉积金属，并进行平坦化，形成所述接触孔；

对形成的上述器件表面进行减薄处理，使所述接触孔的上端与所述金属侧墙的上端平齐。

9.根据权利要求6或7所述的改善寄生光响应的全局像元结构的制造方法，其特征在于，形成所述金属侧墙时，使所述金属侧墙与传输管栅极侧墙和/或复位管栅极侧墙相接。

10.根据权利要求6或8所述的改善寄生光响应的全局像元结构的制造方法，其特征在于，形成所述金属侧墙时，使所述金属侧墙与所述传输管栅极和复位管栅极相分离。