CN112885861A - Cmos图像传感器的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CMOS图像传感器的制造方法，包括：步骤一、提供形成了光电二极管的半导体衬底；入射光从半导体衬底的第一表面进入，在半导体衬底的第一表面上形成具有第一折射率的第一介质层；步骤二、在第一介质层的顶部表面上形成多个凹槽，凹槽的内侧表面呈弧形下凹结构，各凹槽位于对应的光电二极管的正上方；步骤三、在凹槽中填充具有第二折射率的第二介质层形成下微透镜；步骤四、在第一介质层的顶部表面上形成多个顶部表面呈弧形上凸结构的上微透镜，上微透镜的材料具有第三折射率；第三折射率大于等于第二折射率，第二折射率大于第一折射率。本发明能增加光线入射到光电二极管的入射角，从而能增加光学吸收效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体集成电路制造方法，特别涉及一种CMOS图像传感器的制造方法。
背景技术
现有CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor，CIS)由像素(Pixel)单元电路和CMOS电路构成，相对于CCD图像传感器，CMOS图像传感器因为采用CMOS标准制作工艺，因此具有更好的可集成度，可以与其他数模运算和控制电路集成在同一块芯片上，更适应未来的发展。
根据现有CMOS图像传感器的像素单元电路所含晶体管数目，其主要分为3T型结构和4T型结构。
如图1所示，是现有3T型CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路示意图；现有3T型CMOS图像传感器的像素单元电路包括感光二极管即光电二极管(Photo Diode，PD)D1和CMOS像素读出电路。所述CMOS像素读出电路为3T型像素电路，包括复位管M1、放大管M2、选择管M3，三者都为NMOS管。
所述感光二极管D1的N型区和所述复位管M1的源极相连。
所述复位管M1的栅极接复位信号Reset，所述复位信号Reset为一电位脉冲，当所述复位信号Reset为高电平时，所述复位管M1导通并将所述感光二极管D1的电子吸收到读出电路的电源Vdd中实现复位。当光照射的时候所述感光二极管D1产生光生电子，电位升高，经过放大电路将电信号传出。所述选择管M3的栅极接行选择信号Rs，用于选择将放大后的电信号输出即输出信号Vout。
如图2所示，是现有4T型CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路示意图；和图1所示结构的区别之处为，图2所示结构中多了一个转移晶体管或称为传输管M4，所述转移晶体管4的源区为连接所述感光二极管D1的N型区，所述转移晶体管4的漏区为浮空有源区(Floating Diffusion，FD)，所述转移晶体管4的栅极连接传输控制信号Tx。所述感光二极管D1产生光生电子后，通过所述转移晶体管4转移到浮空有源区中，然后通过浮空有源区连接到放大管M2的栅极实现信号的放大。
按照光线的入射方式，CMOS图像传感器分为前照式(Frontside Illumination，FSI)CMOS图像传感器和背照式(Backside Illumination，BSI)CMOS图像传感器。FSI CIS中，入射光需要穿过金属互联结构进入到光电二极管中，由于金属会反射光，故需要在光电二极管顶部设置入射通道，入射通道中不设置金属连线和通孔。通常，入射通道的尺寸减小，入射光能够达到光电二极管的角度较小。为了增加入射到光电二极管中的光线，通常会设置微透镜(microlens)进行聚光，微透镜能将更大区域范围如违约金属连线或通孔正上方的光线也汇聚到光电二极管中，从而能提高敏感性(sensitivity)。
BSI CIS中入射光则从半导体衬底的背面入射，而金属互联结构位于半导体衬底的正面，故金属互联结构不会影响到入射光，所以，BSI CIS的光线利用率极高。
近年来随着集成电路制造工艺技术的进步加上5G、人工智能的发展，CMOS图像传感器越来越发挥着重要的作用；作为图像传感器里面重要分支，前照式CMOS图像传感器的工艺也是一直在发展，现有前照式CMOS图像传感器均采用微透镜形式进行聚光，来提升敏感性。
如图3所示，是现有FSI CMOS图像传感器的器件结构示意图；图4是对图3中一个光电二极管的入射光的入射角的分析图；现有FSI CMOS图像传感器中，在所述半导体衬底(未显示)上形成有光电二极管103；CMOS图像传感器的像素区中包括多个像素单元，各所述像素单元中包括一个光电二极管103；
入射到所述光电二极管103的入射光从所述半导体衬底的正面进入，在所述半导体衬底的正面上形成第一介质层101。
所述像素单元还包括CMOS像素读取电路，所述CMOS像素读取电路用于对所述光电二极管103的光生电子进行读取，步骤一中提供的所述半导体衬底已形成了所述CMOS像素读取电路。
所述半导体衬底的第一表面之上还形成有金属互联结构104，所述金属互联结构104中包括多层金属连线，相邻的所述金属连线之间通过通孔连接以及通过层间膜隔离。
在各所述光电二极管103的正上方未设置所述金属连线和所述通孔并从而形成入射通道。
在所述第一介质层101的顶部表面上形成多个微透镜102，所述微透镜102的顶部表面呈弧形上凸结构。微透镜102的折射率会大于等于所述第一介质层101的折射率。
入射光105会经过微透镜102的汇聚后经过入射通道入射到所述光电二极管103中。
如图4所示，以光线a为例，在点o处，由于微透镜102的折射率大于空气折射率，故光线a进入到所述微透镜102后的折射角会小于入射角，这样光线会向右偏移。
如果微透镜102的折射率等于所述第一介质层101的折射率，则光线经过点o不会再发生偏折，最后会沿光线b入射到所述光电二极管103中；如果微透镜102的折射率大于所述第一介质层101的折射率则光线进入到所述第一介质层101后会进一步向右偏折。如果能进一步提升光线入射到光电二极管的入射角，则势必能提高器件的敏感性并增加光学吸收效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种CMOS图像传感器的制造方法，能增加光线入射到光电二极管的入射角，从而能提高器件的敏感性并增加光学吸收效率。
为解决上述技术问题，本发明提供的CMOS图像传感器的制造方法包括如下步骤：
步骤一、提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成了光电二极管；CMOS图像传感器的像素区中包括多个像素单元，各所述像素单元中包括一个光电二极管；入射到所述光电二极管的入射光从所述半导体衬底的第一表面进入，在所述半导体衬底的第一表面上形成第一介质层，所述第一介质层具有第一折射率。
步骤二、在所述第一介质层的顶部表面上形成多个凹槽，所述凹槽的内侧表面呈弧形下凹结构，各所述凹槽位于对应的所述光电二极管的正上方。
步骤三、在所述凹槽中填充第二介质层形成下微透镜，所述下微透镜的材料具有第二折射率。
步骤四、在所述第一介质层的顶部表面上形成多个上微透镜，所述上微透镜的顶部表面呈弧形上凸结构，所述上微透镜的材料具有第三折射率；各所述上微透镜位于对应的所述下微透镜的正上方。
所述第三折射率大于等于所述第二折射率，所述第二折射率大于所述第一折射率。
所述上微透镜和所述下微透镜在所述入射光的路径上形成组合微透镜，所述组合微透镜使所述入射光入射到所述光电二极管时的入射角增加。
进一步的改进是，所述CMOS图像传感器为前照式CMOS图像传感器，所述半导体衬底的第一表面为正面。
进一步的改进是，所述半导体衬底包括硅衬底。
进一步的改进是，所述像素单元还包括CMOS像素读取电路，所述CMOS像素读取电路用于对所述光电二极管的光生电子进行读取，步骤一中提供的所述半导体衬底已形成了所述CMOS像素读取电路。
进一步的改进是，所述CMOS图像传感器包括3T型CMOS图像传感器，4T型CMOS图像传感器。
所述3T型CMOS图像传感器中，所述CMOS像素读取电路包括复位管、放大管和选择管。
所述4T型CMOS图像传感器中，所述CMOS像素读取电路包括复位管、放大管、选择管、转移晶体管和浮空有源区。
进一步的改进是，所述复位管、所述放大管、所述选择管和所述转移晶体管都为NMOS管。
进一步的改进是，步骤一提供的所述半导体衬底的第一表面之上还形成有金属互联结构，所述金属互联结构中包括多层金属连线，相邻的所述金属连线之间通过通孔连接以及通过层间膜隔离。
进一步的改进是，在各所述光电二极管的正上方未设置所述金属连线和所述通孔并从而形成入射通道。
进一步的改进是，各所述光电二极管的N型区由形成于所述半导体衬底上的N型离子注入区或者N型外延层组成，各所述光电二极管的P型区由所述N型区底部的P型掺杂的所述半导体衬底组成。
进一步的改进是，步骤一提供的所述半导体衬底上形成有设置在各所述光电二极管之间的隔离结构，所述隔离结构用于实现所述光电二极管之间的光线或电学隔离。
进一步的改进是，所述隔离结构包括深沟槽隔离。
进一步的改进是，所述下微透镜的顶部表面和所述第一介质层的顶部表面相平，所述上微透镜的底部表面和所述第一介质层的顶部表面相平，所述下微透镜的顶部表面和所述上微透镜的底部表面相接触。
进一步的改进是，所述下微透镜的顶部表面和所述上微透镜的底部表面的大小相等且完全对齐。
进一步的改进是，所述组合微透镜的俯视面尺寸大于所述入射通道的俯视面尺寸且将所述入射通道完全覆盖，所述光电二极管的俯视面尺寸大于所述入射通道的俯视面尺寸将所述入射通道完全覆盖。
进一步的改进是，所述组合微透镜、所述入射通道和所述光电二极管的中心线对齐。
进一步的改进是，步骤二包括如下分步骤：
步骤21、形成硬质掩膜层，光刻定义出所述凹槽的形成区域并对所述硬质掩膜层进行刻蚀将所述凹槽的形成区域打开。
步骤22、以所述硬质掩膜层为掩膜对所述半导体衬底进行湿法刻蚀形成所述凹槽；
步骤23、去除所述硬质掩膜层。
进一步的改进是，步骤三包括如下分步骤：
步骤31、全面沉积形成所述第二介质层，所述第二介质层将所述凹槽完全填充并延伸到所述凹槽外的所述第一介质层的表面。
步骤32、进行化学机械研磨将所述凹槽外的所述第二介质层去除以及将所述凹槽内的所述第二介质层的顶部表面和所述第一介质层的顶部表面相平。
和现有技术中直接在第一介质层的顶部表面形成上凸的微透镜不同，本发明中在第一介质层形成后，结合刻蚀和第二介质层填充工艺能形成位于内侧表面呈弧形下凹结构的凹槽中的下微透镜，之后再在第一介质层的表面上形成上微透镜，将上微透镜的第三折射率大于等于下微透镜的第二折射率以及将第二折射率大于第一介质层的第一折射率，上述设置后形成的组合微透镜能使入射光入射到光电二极管时的入射角增加，从而能提高器件的敏感性并增加光学吸收效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是现有3T型CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路示意图；
图2是现有4T型CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路示意图；
图3是现有FSI CMOS图像传感器的器件结构示意图；
图4是对图3中一个光电二极管的入射光的入射角的分析图；
图5是本发明实施例CMOS图像传感器的制造方法的流程图；
图6A-图6G是本发明实施例CMOS图像传感器的制造方法各步骤中的器件结构示意图；
图7是本发明实施例CMOS图像传感器的制造方法形成的CMOS图像传感器的一个光电二极管的入射光的入射角的分析图。
具体实施方式
如图5所示，是本发明实施例CMOS图像传感器的制造方法的流程图；如图6A至图6G所示，是本发明实施例CMOS图像传感器的制造方法各步骤中的器件结构示意图；如图7所示，是本发明实施例CMOS图像传感器的制造方法形成的CMOS图像传感器的一个光电二极管3的入射光的入射角的分析图；本发明实施例CMOS图像传感器的制造方法包括如下步骤：
步骤一、如图6A所示，提供半导体衬底(未显示)，在所述半导体衬底上形成了光电二极管3；CMOS图像传感器的像素区中包括多个像素单元，各所述像素单元中包括一个光电二极管3；入射到所述光电二极管3的入射光从所述半导体衬底的第一表面进入，在所述半导体衬底的第一表面上形成第一介质层1，所述第一介质层1具有第一折射率。
本发明实施例中，所述CMOS图像传感器为前照式CMOS图像传感器，所述半导体衬底的第一表面为正面。
所述半导体衬底包括硅衬底。
所述像素单元还包括CMOS像素读取电路，所述CMOS像素读取电路用于对所述光电二极管3的光生电子进行读取，步骤一中提供的所述半导体衬底已形成了所述CMOS像素读取电路。
所述CMOS图像传感器包括3T型CMOS图像传感器，4T型CMOS图像传感器。
所述3T型CMOS图像传感器中，所述CMOS像素读取电路包括复位管、放大管和选择管。
所述4T型CMOS图像传感器中，所述CMOS像素读取电路包括复位管、放大管、选择管、转移晶体管和浮空有源区。
所述复位管、所述放大管、所述选择管和所述转移晶体管都为NMOS管。
步骤一提供的所述半导体衬底的第一表面之上还形成有金属互联结构4，所述金属互联结构4中包括多层金属连线，相邻的所述金属连线之间通过通孔连接以及通过层间膜隔离。
在各所述光电二极管3的正上方未设置所述金属连线和所述通孔并从而形成入射通道。
各所述光电二极管3的N型区由形成于所述半导体衬底上的N型离子注入区或者N型外延层组成，各所述光电二极管3的P型区由所述N型区底部的P型掺杂的所述半导体衬底组成。
步骤一提供的所述半导体衬底上形成有设置在各所述光电二极管3之间的隔离结构，所述隔离结构用于实现所述光电二极管3之间的光线或电学隔离。
所述隔离结构包括深沟槽隔离。
由于本发明实施例方法主要对微透镜2的形成工艺做了改进，故未显示所述半导体衬底的结构，图6A中仅显示了所述第一介质层1，图7中还显示了所述第一介质层1，所述光电二极管3以及所述金属互联结构4。
步骤二、在所述第一介质层1的顶部表面上形成多个凹槽203，所述凹槽203的内侧表面呈弧形下凹结构，各所述凹槽203位于对应的所述光电二极管3的正上方。
本发明实施例方法中，步骤二包括如下分步骤：
步骤21、如图6A所示，形成硬质掩膜层201，进行光刻工艺，包括涂布光刻胶202，进行曝光和显影形成光刻胶202的图形结构，光刻胶202的图形结构将所述凹槽203的形成区域打开。
如图6B所示，对所述硬质掩膜层201进行刻蚀将所述凹槽203的形成区域打开。
步骤22、如图6C所示，以所述硬质掩膜层201为掩膜对所述半导体衬底进行湿法刻蚀形成所述凹槽203；
步骤23、如图6D所示，去除所述硬质掩膜层201。
步骤三、在所述凹槽203中填充第二介质层204形成下微透镜2a，所述下微透镜2a的材料具有第二折射率。
本发明实施例方法中，步骤三包括如下分步骤：
步骤31、如图6E所示，全面沉积形成所述第二介质层204，所述第二介质层204将所述凹槽203完全填充并延伸到所述凹槽203外的所述第一介质层1的表面。
步骤32、如图6F所示，进行化学机械研磨将所述凹槽203外的所述第二介质层204去除以及将所述凹槽203内的所述第二介质层204的顶部表面和所述第一介质层1的顶部表面相平，剩余的填充于所述凹槽203中的所述第二介质层204组成所述下微透镜2a。
步骤四、如图6G所示，在所述第一介质层1的顶部表面上形成多个上微透镜2b，所述上微透镜2b的顶部表面呈弧形上凸结构，所述上微透镜2b的材料具有第三折射率；各所述上微透镜2b位于对应的所述下微透镜2a的正上方。
所述第三折射率大于等于所述第二折射率，所述第二折射率大于所述第一折射率。
所述上微透镜2b和所述下微透镜2a在所述入射光的路径上形成组合微透镜2，所述组合微透镜2使所述入射光入射到所述光电二极管3时的入射角增加。
本发明实施例中，所述下微透镜2a的顶部表面和所述第一介质层1的顶部表面相平，所述上微透镜2b的底部表面和所述第一介质层1的顶部表面相平，所述下微透镜2a的顶部表面和所述上微透镜2b的底部表面相接触。
所述下微透镜2a的顶部表面和所述上微透镜2b的底部表面的大小相等且完全对齐。
所述组合微透镜2的俯视面尺寸大于所述入射通道的俯视面尺寸且将所述入射通道完全覆盖，所述光电二极管3的俯视面尺寸大于所述入射通道的俯视面尺寸将所述入射通道完全覆盖。
所述组合微透镜2、所述入射通道和所述光电二极管3的中心线对齐。
如图7所示，以光线a为例来说明本发明实施例能提高入射到所述光电二极管3处的入射角：
在点o处，由于所述第三折射率大于空气折射率，故光线a进入到所述上微透镜2b后的折射角会小于入射角，这样光线会向右偏移；
如果所述第二折射率等于所述第三折射率，则光线从点o到点o’不会发生偏折；如果所述第二折射率小于所述第三折射率则光线进入到所述下微透镜2a后会进一步向右偏折。
在点o’处，由于所述第二折射率大于所述第一折射率，光线会进一步向右偏折，最后是沿光线b’入射到所述光电二极管3中。虚线对应的光线b为图4对应的现有器件的入射到所述光电二极管103中的光线，可以看出，光线b’的入射到所述光电二极管3的入射角即和中心线的夹角会大于光线b的入射角。
和现有技术中直接在第一介质层1的顶部表面形成上凸的微透镜不同，本发明实施例中在第一介质层1形成后，结合刻蚀和第二介质层204填充工艺能形成位于内侧表面呈弧形下凹结构的凹槽203中的下微透镜2a，之后再在第一介质层1的表面上形成上微透镜2b，将上微透镜2b的第三折射率大于等于下微透镜2a的第二折射率以及将第二折射率大于第一介质层1的第一折射率，上述设置后形成的组合微透镜2能使入射光入射到光电二极管3时的入射角增加，从而能提高器件的敏感性并增加光学吸收效率。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。
Claims (17)
1.一种CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成了光电二极管；CMOS图像传感器的像素区中包括多个像素单元，各所述像素单元中包括一个光电二极管；入射到所述光电二极管的入射光从所述半导体衬底的第一表面进入，在所述半导体衬底的第一表面上形成第一介质层，所述第一介质层具有第一折射率；
步骤二、在所述第一介质层的顶部表面上形成多个凹槽，所述凹槽的内侧表面呈弧形下凹结构，各所述凹槽位于对应的所述光电二极管的正上方；
步骤三、在所述凹槽中填充第二介质层形成下微透镜，所述下微透镜的材料具有第二折射率；
步骤四、在所述第一介质层的顶部表面上形成多个上微透镜，所述上微透镜的顶部表面呈弧形上凸结构，所述上微透镜的材料具有第三折射率；各所述上微透镜位于对应的所述下微透镜的正上方；
所述第三折射率大于等于所述第二折射率，所述第二折射率大于所述第一折射率；
所述上微透镜和所述下微透镜在所述入射光的路径上形成组合微透镜，所述组合微透镜使所述入射光入射到所述光电二极管时的入射角增加。
2.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图像传感器为前照式CMOS图像传感器，所述半导体衬底的第一表面为正面。
3.如权利要求2所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于：所述半导体衬底包括硅衬底。
4.如权利要求2所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于：所述像素单元还包括CMOS像素读取电路，所述CMOS像素读取电路用于对所述光电二极管的光生电子进行读取，步骤一中提供的所述半导体衬底已形成了所述CMOS像素读取电路。
5.如权利要求4所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于：所述CMOS图像传感器包括3T型CMOS图像传感器，4T型CMOS图像传感器；
所述3T型CMOS图像传感器中，所述CMOS像素读取电路包括复位管、放大管和选择管；
所述4T型CMOS图像传感器中，所述CMOS像素读取电路包括复位管、放大管、选择管、转移晶体管和浮空有源区。
6.如权利要求5所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于：所述复位管、所述放大管、所述选择管和所述转移晶体管都为NMOS管。
7.如权利要求5所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于：步骤一提供的所述半导体衬底的第一表面之上还形成有金属互联结构，所述金属互联结构中包括多层金属连线，相邻的所述金属连线之间通过通孔连接以及通过层间膜隔离。
8.如权利要求7所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于：在各所述光电二极管的正上方未设置所述金属连线和所述通孔并从而形成入射通道。
9.如权利要求2所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于：各所述光电二极管的N型区由形成于所述半导体衬底上的N型离子注入区或者N型外延层组成，各所述光电二极管的P型区由所述N型区底部的P型掺杂的所述半导体衬底组成。
10.如权利要求9所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于：步骤一提供的所述半导体衬底上形成有设置在各所述光电二极管之间的隔离结构，所述隔离结构用于实现所述光电二极管之间的光线或电学隔离。
11.如权利要求10所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于：所述隔离结构包括深沟槽隔离。
12.如权利要求8所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于：所述下微透镜的顶部表面和所述第一介质层的顶部表面相平，所述上微透镜的底部表面和所述第一介质层的顶部表面相平，所述下微透镜的顶部表面和所述上微透镜的底部表面相接触。
13.如权利要求12所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于：所述下微透镜的顶部表面和所述上微透镜的底部表面的大小相等且完全对齐。
14.如权利要求13所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于：所述组合微透镜的俯视面尺寸大于所述入射通道的俯视面尺寸且将所述入射通道完全覆盖，所述光电二极管的俯视面尺寸大于所述入射通道的俯视面尺寸将所述入射通道完全覆盖。
15.如权利要求14所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于：所述组合微透镜、所述入射通道和所述光电二极管的中心线对齐。
16.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：步骤二包括如下分步骤：
步骤21、形成硬质掩膜层，光刻定义出所述凹槽的形成区域并对所述硬质掩膜层进行刻蚀将所述凹槽的形成区域打开；
步骤22、以所述硬质掩膜层为掩膜对所述半导体衬底进行湿法刻蚀形成所述凹槽；
步骤23、去除所述硬质掩膜层。
17.如权利要求1或16所述的CMOS图像传感器的制造方法，其特征在于：步骤三包括如下分步骤：
步骤31、全面沉积形成所述第二介质层，所述第二介质层将所述凹槽完全填充并延伸到所述凹槽外的所述第一介质层的表面；
步骤32、进行化学机械研磨将所述凹槽外的所述第二介质层去除以及将所述凹槽内的所述第二介质层的顶部表面和所述第一介质层的顶部表面相平。
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