CN116364736A - Cis传感器及形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CIS传感器及形成方法，所述的CIS传感器形成于半导体衬底上，由多个独立的光学传感器单元形成的阵列构成；所述的光学传感器单元，在所述半导体衬底中形成光电转换单元；介质层中刻蚀形成接触孔将光电转换单元电极引出；介质层中各个光学传感器单元之间还具有金属屏蔽侧墙，将所述的各个光学传感器隔离，形成各自独立互不影响的光路空间；所述介质层顶部具有阵列形的突起，形成各个光学传感器单元的微透镜。本发明通过金属隔离侧墙结构，阻挡大角度入射光对相邻传感器单元的影响，使相邻传感器单元的光路实现独立互不干扰，提高传感器的抗串扰性能。制造工艺其简单易于实施。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制造领域，特别是指一种减少光串扰的CIS传感器。本发明还涉及所述CIS传感器的形成方法。
背景技术
CIS传感器以其低功耗，小尺寸，低成本，可随机读取以及与标准的CMOS工艺兼容等优点得到快速发展，实现了在平板电脑、智能手机等消费类电子领域的广泛应用。CIS的核心结构为光电转换单元，该光电转换单元的核心器件为光电二极管。通常，图像传感器的光电转换单元包括多个呈阵列式排布的光电二极管，光电二极管能够将采集到的光子转变为电子，然后通过其他辅助电路结构将该电子转变为电信号，并进行输出。但是，CIS的占有因子（fill factor, FF）较小，暗电流较大，串扰较大等缺点是其尚未成为主流光学图像传感器的主要原因，尤其在当前CIS的主流工艺已经降到0.35μm以下后，像素尺寸的不断减小使得像素间距越来越小，造成了串扰现象更容易发生。
暗电流和串扰等缺点是影响CMOS性能的主要原因；
串扰是指相邻的像素间互相干扰的现象。输出信号不仅取决于该像素的入射光，而且还受其相邻的其他像素的影响，从而对成像质量造成影响。串扰现象影响到图像的解析度和精度。串扰分为电学串扰和光学串扰。
CIS光学图像传感器中的串扰可分为两种：光串扰和电荷串扰。其中光串扰又包含两种形式：一是在像素单元上方以较大的入射角度入射的光，在被完全吸收前到达相邻的像素位置，并在相邻像素位置被吸收；二是部分光（也是大角度入射的光）并没有入射到感光位置，而是入射到互联层，经互联层间反射进入相邻像素的感光部位。如图1及图2所示，图中所示包含左右两个相邻的像素单元，最上面弧形结构为每个像素单元的微透镜，光线经微透镜折射到下方的光电二极管实现光信号到电信号的转换。图2所示为相邻像素单元的串扰示意图，当入射光以大角度入射进像素单元时，大角度的入射光线经过下部的金属互联层进行反射到其相邻的像素单元，导致相邻单元的像素单元产生干扰的杂讯。由串扰的发生机制可以看出，感光单元的间隔越小，串扰现象越严重，从而影响到图像的解析度和精度。因此在像素尺寸不断减小的趋势下，应采取有效措施来降低串扰的发生。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种CIS光学传感器的形成方法，解决大角度入射光导致的相邻像素间的串扰问题。
为解决上述问题，本发明所述的一种CIS光学传感器的形成方法，包含：
提供一半导体衬底，所述半导体衬底用于形成CIS光学传感器；在所述半导体衬底中进行离子注入形成所述的各个CIS光学传感器单元的光电二极管；并在所述的半导体衬底上形成介质层，刻蚀并填充金属形成所述光电二极管的引出接触孔；
在平坦化的所述的介质层表面再形成一层阻挡层；再在所述的阻挡层表面形成第一氧化层；对所述第一氧化层进行刻蚀形成各个CIS光学传感器单元的第一微透镜图形；
继续在器件表面沉积一层第二氧化层；覆盖在所述的整个结构表面，在所述的各个CIS光学传感器单元表面形成微透镜雏形；
光刻及刻蚀以打开各个微透镜雏形之间的填充缝隙，进行金属层的淀积积，填充满各个微透镜雏形之间的填充缝隙；
回刻蚀金属层，去除整体表面的剩余金属层，露出微透镜雏形；再次淀积第三氧化层，形成最终的微透镜。
进一步地，所述的半导体衬底为硅衬底或者是锗硅衬底。
进一步地，所述的阻挡层为氮化硅层。
进一步地，所述的第一氧化层的厚度为4000Å，刻蚀完成后仅保留位于各个CIS传感器的中心区域的第一氧化层，用于在后续的氧化层淀积中来形成中心凸起的微透镜形貌。
进一步地，所述的第二氧化层的厚度为淀积到各个微透镜之间存在填充缝隙而不是连接在一起；中间填充缝隙后续进行向下的刻蚀，在介质层中形成狭缝，刻蚀终点位于所述介质层下方的阻挡层上，并对阻挡层进行过刻蚀。
进一步地，所述的刻蚀形成的填充缝隙，先淀积一层Ti/TiN金属层，然后再进行铝的填充。所述的Ti/TiN金属层采用PVD工艺进行淀积，厚度为50～100Å；所述的淀积的铝的厚度为50～200Å。
进一步地，所述的对整个器件表面的金属铝层以及Ti/TiN金属层进行刻蚀，完全去除整个器件表面的剩余金属铝层以及Ti/TiN金属层，使微透镜雏形完全露出；刻蚀后仅保留填充缝隙中的金属铝层以及Ti/TiN金属层；形成金属屏蔽侧墙。
进一步地，所述的刻蚀为干法刻蚀工艺。
进一步地，所述的第三氧化层淀积在所述的微透镜雏形上，淀积厚度保证形成最终符合设计要求的微透镜。
进一步地，所述的第三氧化层的淀积厚度等于所述从第二氧化层厚直接淀积到形成微透镜的完整厚度的差值。
进一步地，所述的第一氧化层、第二氧化层、第三氧化层的材质均为氧化硅。
本发明所述的一种CMOS光学传感器，所述的CMOS光学传感器形成于半导体衬底上，所述的CMOS光学传感器由多个独立的光学传感器单元形成的阵列构成；
所述的光学传感器单元，在所述半导体衬底中形成光电二极管，作为光学传感器单元的光电转换结构；
所述半导体衬底上具有介质层，所述介质层刻蚀形成接触孔将所述光电二极管电极引出；
所述介质层中，各个光学传感器单元之间具有金属屏蔽侧墙，将所述的各个光学传感器隔离，形成各自独立互不影响的光路空间；
所述介质层顶部具有阵列形的突起，形成各个光学传感器单元的微透镜。
所述的半导体衬底为硅基衬底；所述的介质层中还包含有接触孔，将所述的光电二极管的电极以及阱区电极引出。
本发明所述的CIS传感器，在微透镜下方的介质层光路上为各个传感器单元设立了单独的金属隔离侧墙结构，阻挡大角度入射光对相邻传感器单元的影响，使相邻传感器单元的光路实现独立互不干扰，提高传感器的抗串扰性能。制造工艺简单易于实施。
附图说明
图1 是现有CIS光学传感器的剖面结构示意图。
图2 是图1所示的现有CMOS光学传感器在大角度入射光的情况下相邻传感器单元发生串扰的示意图。
图3 是本发明CIS光学传感器制造工艺中完成第一层氧化层刻蚀之后的示意图。
图4 是本发明CIS光学传感器制造工艺中完成第二层氧化层刻蚀之后的示意图。
图5 是本发明CIS光学传感器制造工艺中完成金属屏蔽侧墙之后的示意图。
图6 是本发明CIS光学传感器制造工艺中完成金属屏蔽侧墙之后的平面示意图。
图7 是本发明CIS光学传感器制造工艺中完成第三层氧化层刻蚀之后形成微透镜的示意图。
图8 是本发明CIS光学传感器结构在发生大角度入射光的情况时各传感器单元光路独立互不干扰的示意图。
实施方式
以下结合附图给出本发明的具体实施方式，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，但本发明不限于以下的实施方式。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。本领域普通技术人员在不做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同的元件。在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明所述的一种CIS光学传感器，参考如图7所示，所述的CIS传感器形成于半导体衬底上，比如硅衬底。在某些情况下，也不排除可以采用其他的如锗硅或者是氮化镓等其他特性的半导体衬底。所述的CMOS光学传感器由多个独立的光学传感器单元形成的阵列构成。
所述的光学传感器单元，在所述半导体衬底中形成光电二极管，作为光学传感器单元的光电转换结构。所述光电二极管由半导体衬底中进行离子注入形成的PN结构成，当光线照射到所述PN结区域时，PN结将光信号转换为变化的电流信号，实现光信号到电信号的转换。
所述半导体衬底上具有介质层ILD，一般为氧化硅材质。所述介质层刻蚀形成接触孔将所述光电二极管电极引出。
所述介质层中，各个光学传感器单元之间具有金属屏蔽侧墙，将所述的各个光学传感器隔离，形成各自独立互不影响的光路空间。
所述介质层顶部具有阵列形的突起，类似于多个凸透镜的结构，形成各个光学传感器单元的微透镜。入射光线经过微透镜折射进入下方的介质层中，最后照射到光电二极管上，由光电二极管完成光信号到电信号的转换，完成图像的采集。
如图8所示，图8中每个微透镜下方对应一个传感器单元。当入射光线以较大的入射角度照射到微透镜时，经过微透镜的折射，此时，折射光线仍具有较大的照射角度，会照射到介质层中金属屏蔽侧墙上，经过金属屏蔽侧墙的阻挡及再次反射之后到达该传感器单元的光电二极管上。若没有金属屏蔽侧墙的阻挡及反射，相邻传感器单元的大角度入射光线照射到本传感器单元，造成串扰。而金属屏蔽侧墙的结构会使各传感器单元的光路互相独立，彼此隔离，这样就消除了光线的串扰。金属屏蔽侧墙在介质层中形成类似于矩形的蜂窝组织，如图6所示，金属屏蔽侧墙具有一定的高度，在整个介质层厚度范围内形成隔离。
所述的介质层中还包含有接触孔，将所述的光电二极管的电极以及阱区电极引出。
形成上述结构的工艺方法包含：
提供一半导体衬底，所述半导体衬底用于形成CIS光学传感器；在所述半导体衬底中进行离子注入形成所述的各个CIS光学传感器单元的光电二极管；并在所述的半导体衬底上形成介质层，比如氧化硅层，刻蚀并填充金属形成所述光电二极管的引出接触孔。
在平坦化的所述的介质层表面再形成一层阻挡层，一般为氮化硅层，本实施例厚度为1800Å左右；再在所述的阻挡层表面形成第一氧化层，如厚度为4000Å的氧化硅，如图3所示。后续所述的第二、第三氧化层均为氧化硅层。对所述第一氧化层进行刻蚀形成各个CMOS光学传感器单元的第一微透镜图形。第一微透镜图形主要用于后续的持续淀积形成微透镜图形，因微透镜是个半凸透镜结构，中心形成凸起，因此第一氧化层刻蚀后保留中心区域的第一氧化层，在后续的第二、第三氧化硅层淀积之后，中心区域保留的第一氧化层的厚度会与第二、第三氧化硅层的厚度进行叠加，因此就形成了微透镜的结构。
第一氧化层刻蚀之后，继续在器件表面沉积一层第二氧化层；覆盖在所述的整个结构表面，在所述的各个CMOS光学传感器单元表面形成微透镜雏形。
需要注意的是，按照传统工艺，第二氧化层淀积完成之后就直接完成了微透镜的形成，但本发明需要制作金属屏蔽侧墙，因此，剩余的氧化层厚度还需要分步骤来完成。本发明工艺中，第二氧化层的淀积厚度有所保留，并不一次淀积完成达到目标厚度，而是先比传统工艺淀积厚度少1000Å左右，这样由于淀积厚度不够，形成的微透镜之间还没有完成合拢，还具有较宽的填充缝隙，如图4中虚线方框处所示。
增加一层光罩，进行光刻及刻蚀工艺，对所述的微透镜之间的缝隙进行刻蚀。以干法刻蚀打开上述的各个微透镜雏形之间的填充缝隙，对介质层进行刻蚀，刻蚀形成深沟槽，刻蚀终点位于介质层下方的阻挡层上，同时对阻挡层略微进行过刻蚀，不要刻穿阻挡层即可。在介质层中形成狭缝。
进行金属层的淀积，填充各个微透镜雏形之间的填充缝隙。先淀积一层Ti/TiN金属层，然后再进行铝的填充直至将所述填充缝隙填充满；所述的Ti/TiN金属层采用PVD工艺进行淀积，厚度为50～100Å；所述的淀积的铝的厚度为50～200Å。
回刻蚀金属层，去除整体表面的剩余金属层，露出微透镜雏形；完全去除整个器件表面的剩余金属铝层以及Ti/TiN金属层，使微透镜雏形完全露出；刻蚀后仅保留填充缝隙中的金属铝层以及Ti/TiN金属层，形成金属屏蔽侧墙。如图5所示。
再次淀积第三氧化层，淀积的厚度为第二层氧化层未完成的剩余厚度，直到完成形成最终的微透镜。如图7所示，相邻的传感器单元的微透镜边缘熔接在一起，不再保留的图5中所示的微透镜间的狭缝。
以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种CIS传感器的形成方法，其特征在于：
提供一半导体衬底，所述半导体衬底用于形成CIS传感器；在所述半导体衬底中进行离子注入形成所述的各个CIS传感器单元的光电转换单元；并在所述的半导体衬底上形成介质层，刻蚀并填充金属形成所述光电转换单元的引出接触孔；
在平坦化的所述的介质层表面再形成一层阻挡层；再在所述的阻挡层表面形成第一氧化层；对所述第一氧化层进行刻蚀形成各个CIS传感器单元的第一微透镜图形；
继续在器件表面沉积一层第二氧化层；覆盖在所述的整个结构表面，在所述的各个CIS传感器单元表面形成微透镜雏形；
光刻及刻蚀以打开各个微透镜雏形之间的填充缝隙，进行金属层的淀积积，填充满各个微透镜雏形之间的填充缝隙；
回刻蚀金属层，去除整体表面的剩余金属层，露出微透镜雏形；再次淀积第三氧化层，形成最终的微透镜。
2.如权利要求1所述的CIS传感器的形成方法，其特征在于：所述的半导体衬底为硅衬底或者是锗硅衬底。
3.如权利要求1所述的CIS传感器的形成方法，其特征在于：所述的光电转换单元为光电二极管。
4.如权利要求1所述的CIS传感器的形成方法，其特征在于：所述的阻挡层为氮化硅层。
5.如权利要求1所述的CMOS光学传感器的形成方法，其特征在于：所述的第一氧化层的厚度为4000Å，刻蚀完成后仅保留位于各个CIS传感器的中心区域的第一氧化层，用于在后续的氧化层淀积中来形成中心凸起的微透镜形貌。
6.如权利要求1所述的CIS传感器的形成方法，其特征在于：所述的第二氧化层的厚度为淀积到各个微透镜之间存在适当的填充缝隙而不是连接在一起；中间填充缝隙后续进行向下的刻蚀，增加一层金属屏蔽侧墙的刻蚀光罩，在介质层中形成狭缝，刻蚀终点位于所述介质层下方的阻挡层上，并对阻挡层进行过刻蚀。
7.如权利要求6所述的CIS传感器的形成方法，其特征在于：所述的增加一层光罩金属屏蔽侧墙的刻蚀光罩，金属屏蔽侧墙刻蚀形成的填充缝隙，先淀积一层Ti/TiN金属层，然后再进行铝的填充；所述的Ti/TiN金属层采用PVD工艺进行淀积，厚度为50～100Å；所述的淀积的铝的厚度为50～200Å。
8.如权利要求7所述的CIS传感器的形成方法，其特征在于：所述的对整个器件表面的金属铝层以及Ti/TiN金属层进行刻蚀，完全去除整个器件表面的剩余金属铝层以及Ti/TiN金属层，使微透镜雏形完全露出；刻蚀后仅保留填充缝隙中的金属铝层以及Ti/TiN金属层；形成金属屏蔽侧墙。
9.如权利要求8所述的CIS传感器的形成方法，其特征在于：所述的刻蚀为干法刻蚀工艺。
10.如权利要求8所述的CIS传感器的形成方法，其特征在于：所述的第三氧化层淀积在所述的微透镜雏形上，淀积厚度保证形成最终符合设计要求的微透镜。
11.如权利要求6所述的CIS传感器的形成方法，其特征在于：所述的第三氧化层的淀积厚度等于所述从第二氧化层厚直接淀积到形成微透镜的完整厚度的差值。
12.如权利要求1所述的CIS传感器的形成方法，其特征在于：所述的第一氧化层、第二氧化层、第三氧化层的材质均为氧化硅。
13.一种CIS传感器，其特征在于：所述的CIS传感器形成于半导体衬底上，所述的CIS传感器由多个独立的光学传感器单元形成的阵列构成；
所述的光学传感器单元，在所述半导体衬底中形成光电转换单元，王城光学传感器单元的光电信号转换；
所述半导体衬底上具有介质层，所述介质层刻蚀形成接触孔将所述光电二极管电极引出；
所述介质层中，各个光学传感器单元之间具有金属屏蔽侧墙，将所述的各个光学传感器隔离，形成各自独立互不影响的光路空间；
所述介质层顶部具有阵列形的突起，形成各个光学传感器单元的微透镜。
14.如权利要求13所述的CIS传感器，其特征在于：所述的半导体衬底为硅基衬底；所述的介质层中还包含有接触孔，将所述的光电转换单元的电极以及阱区电极引出。
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2023
- 2023-03-21 CN CN202310281609.XA patent/CN116364736A/zh active Pending
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