CN102891159B - Cmos影像传感器的像元结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CMOS影像传感器的像元结构及其制备方法，该结构包括硅衬底上的光敏元件和用于CMOS器件的多层结构，该多层结构包括多晶硅层、接触孔层、金属互连、通孔层和互连介质层，其中，该光敏元件上方的空间被光线反射屏蔽层所包围，该光线反射屏蔽层自下而上包括第一多晶硅层、第一接触孔层和第一金属互连层。本发明将深沟槽被环形的金属互连线、通孔、接触孔和多晶硅所包围，使入射到上面的光线基本被完全反射，避免了光学出串扰的发生，有效地提高了像元的光学分辨率和灵敏度，提升了芯片的性能和可靠性。

Description

CMOS影像传感器的像元结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及CMOS影像传感器技术领域，尤其涉及一种CMOS影像传感器的像元结构及其制造方法。

背景技术

CMOS影像传感器由于其与CMOS工艺兼容的特点，从而得到快速发展。相对于CCD工艺，其工艺完全与CMOS工艺兼容，其通过将光敏元件和CMOS处理电路一起做在硅衬底上，从而在保证性能的基础上大幅度降低了成本，同时可以大幅度提高集成度，制造像素更高的产品。

传统CMOS影像传感器是使用正面光照的方法，将光敏元件和CMOS处理电路一起做在硅衬底上使用同一层次实现，而芯片互连则制造在CMOS处理电路之上，光敏元件之上为了光线的通过而不进行互连线的排步。然而，常规半导体材料的透光性较差，因此需要把光敏元件上面的介质层次全部去除，并填充透光材料，以增强其光吸收。

然而，随着像元尺寸减小，相邻像元之间的间距也随着急剧减小，当光线入射时，会使光线经过折射和多次反射穿过相邻像元之间区域到达旁边一个像元，这会引起像元之间的光学串扰，导致像元图像信号灵敏度、分辨率和清晰度变差，芯片性能变差。因此，如何减小相邻像元之间的光学串扰，是本领域技术人员亟待解决的技术难题之一。

发明内容

本发明的目的在于弥补上述现有技术的不足，提供一种CMOS影像传感器的像元结构及其制造方法。

本发明的CMOS影像传感器的像元结构，其包括硅衬底上的光敏元件和用于标准CMOS器件的多层结构，该多层结构包括第一多晶硅层、第一金属互连层、第一接触孔层、第一通孔层和第一互连介质层，在所述光敏元件上方具有形成透光空间的深沟槽，其中，所述光敏元件上方的深沟槽侧壁内侧由光线反射屏蔽层环绕，所述光线反射屏蔽层在纵向上连续排布，以反射入射到所述光线反射屏蔽层的光线。

在一个应用中，所述光线反射屏蔽层是由金属围成的金属层，且纵向上自栅极氧化层起，向上连续排布成一体。

在另一个应用中，所述光线反射屏蔽层包括纵向上自栅极氧化层起，向上连续层叠排布的由多晶硅所围成的第二多晶硅层、由多个接触孔密集排布所围成的第二接触孔层、由金属连线所围成的第二金属互连层和由多个通孔密集排布所围成的第二通孔层。

其中，上述第二个应用中光线反射屏蔽层中的多个层次相对应于标准CMOS工艺中的相应层次，是利用标准CMOS工艺来实现的。

其中，所述光线反射屏蔽层有数个第二金属互连层和数个第二通孔层，且两两交错而设。

其中，第二接触孔层中的多个接触孔和第二通孔层中的多个通孔的间距是按照CMOS标准工艺最小间距来定义的。

进一步地，所述光线反射屏蔽层在从上至下的投影面上呈多边形并包围所述光敏元件。优选的，所述多边形为方形或六角形。

进一步地，所述深沟槽内填充透明材料以形成透光体，所述深沟槽中的透光体在从上至下的投影面上完全覆盖光敏元件。

进一步地，所述光线反射屏蔽层与所述深沟槽中的透光体之间具有一层第二互连介质层。优选的，所述第二互连介质层的厚度为0.05um-1um。

进一步地，还包括形成在所述透光体上表面的彩色滤光层和微透镜层。

进一步地，该第二多晶硅层采用标准CMOS工艺的栅极材料的工艺实现，其材料可以是n型掺杂的多晶硅或p型掺杂的多晶硅或者无掺杂的多晶硅，其实现工艺可以是与N型MOS（金属-氧化物-半导体，Metal-Oxide-Semiconductor）的栅极一起实现，或者和P型MOS以及高阻多晶硅结构一起实现。

进一步地，该第二接触孔层采用标准CMOS工艺的接触孔工艺来实现，其材料可以是Cu或者W。

进一步地，该第二金属互连层采用标准CMOS工艺的接触孔工艺来实现，其材料可以是Cu或者Al。其中，该第二金属互连层可以采用标准CMOS工艺的Al后道工艺来实现，也可以由铜后道工艺大马士革工艺来实现。

进一步地，该第二通孔层采用标准CMOS工艺的接触孔工艺来实现，其材料可以是Cu或者W。其中，该通孔层可以采用标准CMOS工艺的Al后道工艺来实现，也可以由铜后道工艺大马士革工艺来实现。

进一步地，该透明材料是透明树脂。

进一步地，所述光敏元件是光敏二极管。

本发明上述第一个应用中CMOS影像传感器的像元结构的制造方法，包括以下步骤：

步骤S101：在硅衬底上排布光敏元件和用于标准CMOS器件的多层结构，所述多层结构包括第一多晶硅层、第一金属互连层、第一接触孔层、第一通孔层和第一互连介质层，并利用标准CMOS工艺实现包括光敏元件和多层结构；

步骤S102：实现所述多层结构顶层的通孔和用于容置所述光线反射屏蔽层的孔槽；

步骤S103：实现所述多层结构顶层第一金属互连层中用于容置金属连线的沟槽；

步骤S104：实现顶层第一金属互连层的金属连线和光线反射屏蔽层的金属层；

步骤S105：刻蚀实现深沟槽。

进一步地，所述步骤S102和步骤S103采用双大马士革工艺中的先刻全孔工艺（full via first）。

进一步地，还包括步骤S106，向深沟槽内填充透明材料以形成透明体，并在所述透明体上表面实现的彩色滤光层和微透镜层。

本发明上述第二个应用中CMOS影像传感器的像元结构的制造方法，包括以下步骤：

步骤S201：在硅衬底上排布光敏元件、用于标准CMOS器件的多层结构和光线反射屏蔽层，并利用标准CMOS工艺实现包括光敏元件、多层结构和光线反射屏蔽层，其中，所述多层结构包括第一多晶硅层、第一金属互连层、第一接触孔层、第一通孔层和第一互连介质层，所述光线反射屏蔽层包括第二多晶硅层、由多个接触空密集排布所围成的第二接触孔层、由金属连线所围成的第二金属互连层和由多个通孔密集排布所围成的第二通孔层；

步骤S202：刻蚀实现深沟槽。

进一步地，还包括步骤S203，向深沟槽内填充透明材料以形成透明体，并在所述透明体上表面实现的彩色滤光层和微透镜层。

本发明的CMOS影像传感器的像元结构中，在光敏元件上方的深沟槽侧壁介质内侧，被环形的金属互连线、通孔、接触孔和多晶硅所包围，或直接被金属层所包围，由于金属层、通孔、接触孔层以及多晶硅层使用金属或多晶硅，入射到上面的光线基本被完全反射，入射角度较大的光线入射到深沟槽侧壁时，不会发生穿过相邻像元之间区域到达旁边一个像元，避免了光学出串扰的发生，有效地提高了像元的光学分辨率和灵敏度；同时，由于入射光线被反射到光敏元件之上，从而提高了像元的光吸收量，这样可以提高整个CMOS影像传感器的光学灵敏度和清晰度，提升了芯片的性能和可靠性。

附图说明

为能更清楚理解本发明的目的、特点和优点，以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细描述，其中：

图1是本发明CMOS影像传感器像元结构的第一实施例示意图；

图2是本发明第一实施例中第二金属互连层的俯视图；

图3是本发明第一实施例中第二接触孔层的俯视图；

图4a至图4d是本发明第二实施例的工艺流程示意图。

具体实施方式

第一实施例

请参阅图1，CMOS影像传感器的像元结构包括硅衬底1上的光敏二极管7和多层结构（用于标准CMOS器件的层次），本实施例中硅衬底1与多层结构之间还具有一层栅极氧化层2，其中，多层结构自下而上包括第一多晶硅层3、W接触孔层4、Cu金属互连层5和第一通孔层51、互连介质层（未标示），光敏二极管7上方设有深沟槽8，在深沟槽8的侧壁介质内还具有光线反射屏蔽层9，该光线反射屏蔽层9与深沟槽8侧壁的距离为0.1um，其完全包围深沟槽9，且其包括纵向上自栅极氧化层2起，向上连续层叠排布的第二多晶硅层91、第二接触孔层92、第二金属互连层A 93、第二通孔层A 94、第二属互连层B 95、第二通孔层B 96、第二金属互连层C 97，该深沟槽8内还填充透明材料形成的透光体6。

请继续参阅图2，第二金属互连层A 93、第二属互连层B 95、第二金属互连层C 97是连续的环形结构，并完全包围深沟槽8。

请继续参阅图3，第二接触孔层92由多个接触孔密集排布而形成环形，并包围深沟槽8；第二通孔层A 94、第二通孔层B 96亦由多个通孔密集排布而形成环形，并包围深沟槽8。

本实施例中，第二多晶硅层91采用标准CMOS工艺的栅极材料的工艺实现，其材料是n型掺杂的多晶硅，其实现工艺是与N型MOS的栅极一起实现。第二接触孔层92采用标准CMOS工艺的接触孔工艺来实现，其材料是W。三层第二金属互连层均采用标准CMOS工艺的接触孔工艺来实现，其材料可以是Cu，采用铜后道工艺大马士革工艺来实现。两层第二通孔层采用标准CMOS工艺的接触孔工艺来实现，其材料是Cu，采用铜后道工艺大马士革工艺来实现。

本实施例中，在平坦化后透明体6的上表面，同时对应深沟槽8的上方，自下而上依次制备彩色滤光片12和微透镜11。

本实施例CMOS影像传感器的像元结构的制造方法，包括以下步骤：

步骤S201，在硅衬底1上排布光敏二极管7、多层结构和光线反射屏蔽层9，利用标准CMOS工艺实现光敏二极管7、多层结构和光线反射屏蔽层9；

步骤S202，刻蚀深沟槽8，去除光敏二极管7上方所有介质；

步骤S203，向深沟槽8内填充透明体6，并平坦化表面；

步骤S204，在平坦化后的透明体6上表面依次制备彩色滤光片12和微透镜11。

第二实施例

本实施例中，光线反射屏蔽层是由金属围成的金属层，且纵向上自栅极氧化层起，向上连续排布成一体。

请参阅图4a至图4d，本实施例CMOS影像传感器的像元结构的制造方法，包括以下步骤：

步骤S101：在硅衬底上排布光敏二极管和用于标准CMOS器件的多层结构，并利用标准CMOS工艺实现包括光敏二极管和多层结构；

步骤S102：利用光刻工艺，实现多层结构顶层的通孔101和用于容置光线反射屏蔽层的孔槽102；

步骤S103：利用光刻工艺，实现多层结构顶层第一金属互连层中用于容置金属连线的沟槽103；

步骤S104：通过标准工艺，实现顶层第一金属互连层的金属连线104和光线反射屏蔽层的金属层105；

步骤S105：刻蚀实现深沟槽106，填充透明体，并平坦化表面；

步骤S106，在平坦化后的透明体上表面依次制备彩色滤光片和微透镜。

Claims (8)

1.一种CMOS影像传感器的像元结构，其包括硅衬底上的光敏元件、用于标准CMOS器件的多层结构和所述硅衬底与多层结构之间的栅极氧化层，该多层结构包括第一多晶硅层、第一金属互连层、第一接触孔层、第一通孔层和第一互连介质层，在所述光敏元件上方具有形成透光空间的深沟槽，其特征在于：所述光敏元件上方的深沟槽具有从所述多层结构的顶层至所述栅极氧化层的深度，且其侧壁内侧由光线反射屏蔽层环绕，所述光线反射屏蔽层在纵向上自所述栅极氧化层起至所述多层结构的顶层连续排布，以反射入射到所述光线反射屏蔽层的光线；其中所述深沟槽内填充透明材料以形成透光体，所述深沟槽中的透光体在从上至下的投影面上完全覆盖光敏元件，所述光线反射屏蔽层与所述深沟槽中的透光体之间具有一层第二互连介质层；其中所述光线反射屏蔽层包括纵向上自所述栅极氧化层起，向上连续层叠排布的由多晶硅所围成的第二多晶硅层、由多个接触孔密集排布所围成的第二接触孔层、由金属连线所围成的第二金属互连层和由多个通孔密集排布所围成的第二通孔层；其中所述第二金属互连层为连续的封闭式环形结构并完全包围所述深沟槽；所述第二接触孔层由多个接触孔密集排布而形成不封闭的环形结构并包围所述深沟槽，所述第二通孔层由多个通孔密集排布而形成不封闭的环形结构并包围所述深沟槽。

2.根据权利要求1所述的CMOS影像传感器的像元结构，其特征在于：所述光线反射屏蔽层在从上至下的投影面上呈多边形并包围所述光敏元件。

3.根据权利要求2所述的CMOS影像传感器的像元结构，其特征在于：所述多边形为方形或六角形。

4.根据权利要求1所述的CMOS影像传感器的像元结构，其特征在于：所述第二互连介质层的厚度为0.05um-1um。

5.根据权利要求1所述的CMOS影像传感器的像元结构，其特征在于：还包括形成在所述透光体上表面的彩色滤光层和微透镜层。

6.根据权利要求1所述的CMOS影像传感器的像元结构，其特征在于：所述第二多晶硅层是N型掺杂的多晶硅或P型掺杂的多晶硅或者无掺杂的多晶硅；所述第二接触孔层和第二通孔层中的接触孔和通孔的材料为铜或钨；所述第二金属互连层中金属连线的材料为铜或铝。

7.一种制造权利要求1所述的CMOS影像传感器的像元结构的方法，其包括以下步骤：

步骤S201：在硅衬底上排布光敏元件、用于标准CMOS器件的多层结构、所述硅衬底与多层结构之间的栅极氧化层和光线反射屏蔽层，并利用标准CMOS工艺实现包括光敏元件、栅极氧化层、多层结构和光线反射屏蔽层，其中，所述多层结构包括第一多晶硅层、第一金属互连层、第一接触孔层、第一通孔层和第一互连介质层，所述光线反射屏蔽层在纵向上自所述栅极氧化层起至所述多层结构的顶层连续排布，所述光线反射屏蔽层包括第二多晶硅层、由多个接触孔密集排布所围成的第二接触孔层、由金属连线所围成的第二金属互连层和由多个通孔密集排布所围成的第二通孔层；其中所述第二金属互连层为连续的封闭式环形结构并完全包围所述深沟槽；所述第二接触孔层由多个接触孔密集排布而形成不封闭的环形结构并包围所述深沟槽，所述第二通孔层由多个通孔密集排布而形成不封闭的环形结构并包围所述深沟槽；

步骤S202：刻蚀实现深沟槽，所述深沟槽具有从所述多层结构的顶层至所述栅极氧化层的深度，且所述深沟槽的侧壁与所述光线反射屏蔽层之间具有一层第二互连介质层。

8.根据权利要求7所述的CMOS影像传感器的像元结构的方法，其特征在于：还包括步骤S203，向深沟槽内填充透明材料以形成透明体，并在所述透明体上表面实现的彩色滤光层和微透镜层。