專利名稱：圖像傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體技術領域，特別涉及一種帶有光通路的圖像傳感器。
背景技術：
眾所周知，圖像傳感器是一種能將光學圖像轉換成電信號的半導體器件。圖像傳感器大體上可以分為電荷稱合元件(Charge-Coupled Device,簡稱“CO)”)和互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,簡稱 “CMOS”)圖像傳感器。根據(jù)其讀出方式，現(xiàn)有的CMOS圖像傳感器大致可以分為無源式像素傳感器 (Passive Pixel Sensor,簡稱 “PPS”)、有源式像素傳感器(Active Pixel Sensor,簡稱“APS”)和數(shù)字像素傳感器(Digital Pixel Sensor，簡稱“DPS”)三種類型。圖I和圖2分別為理想狀況下和實際情況中圖像傳感器結構中的感光情況。如圖I所示，圖像傳感器，特別是在CMOS圖像傳感器中，由于將CMOS像素讀出電路與感光器件集成在同一半導體襯底上，鑒于電路的金屬互聯(lián)需求，感光區(qū)域表面通常覆蓋有一定厚度的介質層，并在介質層表面制備濾色器和微透鏡，分別實現(xiàn)濾光和聚光，以使得特定范圍內的光較為集中地入射到相應像素的感光區(qū)域。其中附圖標記11、12和13表示的是半導體器件的金屬互連層，金屬互連層之間是層間介質層。然而，在實際工作中，由于相對于需探測的外界環(huán)境而言，像素單元尺寸極小，微透鏡的聚光作用有限，大量光線進入層間介質層后，不僅會入射到對應像素的感光區(qū)域，還會進入相鄰像素，從而引起串擾，并降低感光區(qū)域的有效感光效率。在現(xiàn)有技術中，有人曾提出，在感光區(qū)域上方的介質層周圍，刻蝕形成空氣孔，從而在感光區(qū)域上方形成類波導的光通路，將大部分入射光限制在該通路中傳輸，但該方法對光的限制有限，尤其是感光區(qū)域上方的介質層通常為低介電常數(shù)材料，折射率通常較低(一般為1.5左右)；此外，也有人曾提出，在感光區(qū)域上方的介質層周圍，采用連續(xù)的金屬層作為反射層，以防止入射光對相鄰像素的影響，但金屬對電磁波有一定的吸收作用，隨著CMOS圖像傳感器尺寸的進一步縮小，對于某些極限波長的光，可以近似的視作電磁波，而對于金屬的吸收作用則不可忽視。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種圖像傳感器，可以減少串擾，提高感光區(qū)域的有效感光效率。為解決上述技術問題，本發(fā)明的實施方式公開了一種圖像傳感器，包括多個像素區(qū)域，像素區(qū)域包括感光器件，感光器件表面覆蓋有層間介質層，感光器件表面上方的周圍包圍有側墻反射層，構成用于將入射光導入該感光器件的通孔結構，該側墻反射層包括第一介質層、第二介質層和第三介質層形成的疊層結構，其中第一介質層與第二介質層的介電常數(shù)不同，第三介質層與第二介質層的介電常數(shù)不同。本發(fā)明實施方式與現(xiàn)有技術相比，主要區(qū)別及其效果在于
感光區(qū)域表面的介質層周圍，采用具有不同介電常數(shù)的第一介質層、第二介質層和第三介質層形成的疊層作為側墻反射層，構建光通路，將光限制在相應的像素感光區(qū)域，避免其入射到相鄰的像素感光區(qū)域，可以減少串擾，提聞感光區(qū)域的有效感光效率。進一步地，利用第一介質層、第二介質層和第三介質層形成的疊層作為側墻反射層，一方面首先利用第一介質層與層間介質層之間的折射率差對入射光起到限制作用，第二介質層即金屬層僅對透過第一介質層的光進行反射，一定程度上降低了金屬對光的吸收作用；另一方面，第一介質層和第三介質層作為硬掩膜環(huán)繞第二介質層即金屬層的疊層結構保障了后續(xù)化學機械拋 光過程中的拋光效果，防止拋光過程中金屬的脫落和剝離。進一步地，層間介質層的存在，可以使得特定范圍內的光較為集中地入射到相應像素的感光區(qū)域。進一步地，層間介質層自上而下介電常數(shù)遞增，即折射率遞增，根據(jù)光在不同介質間的傳輸原理可知，該結構可以更好地起到聚光作用，降低入射光在光通路傳輸過程中到達側墻反射層發(fā)生反射/透射的概率，進一步提高了入射光的吸收效率。


圖I是理想狀況下圖像傳感器結構中的感光情況示意圖；圖2是實際情況中圖像傳感器結構中的感光情況示意圖；圖3是本發(fā)明第一實施方式中一種圖像傳感器的結構示意圖；圖4是一種3T型結構的CMOS圖像傳感器的像素讀出電路的結構示意圖；圖5是一種4T型結構的CMOS圖像傳感器的像素讀出電路的結構示意圖。
具體實施例方式在以下的敘述中，為了使讀者更好地理解本申請而提出了許多技術細節(jié)。但是，本領域的普通技術人員可以理解，即使沒有這些技術細節(jié)和基于以下各實施方式的種種變化和修改，也可以實現(xiàn)本申請各權利要求所要求保護的技術方案。為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明的實施方式作進一步地詳細描述。本發(fā)明第一實施方式涉及一種圖像傳感器。圖3是該圖像傳感器的結構示意圖。具體地說，如圖3所示，該圖像傳感器包括多個像素區(qū)域，每個像素區(qū)域均包括感光器件，每個感光器件表面覆蓋有層間介質層，感光器件表面上方的周圍包圍有側墻反射層，構成用于將入射光導入該感光器件的通孔結構，該側墻反射層包括第一介質層、第二介質層和第三介質層形成的疊層結構，其中第一介質層與第二介質層的介電常數(shù)不同，第三介質層與第二介質層的介電常數(shù)不同。在這里，表面上方指光入射的方向，周圍指感光器件感光區(qū)域的四周。通孔結構為光通路。該圖像傳感器包括制備在半導體襯底上的感光器件和像素讀出電路，半導體襯底為硅襯底、鍺襯底、SOI襯底、GOI襯底、SGOI襯底或SSOI襯底等。感光器件及像素讀出電路表面具有金屬互連及層間介質層，層間介質層為一層或多層。該圖像傳感器中，第一介質層和第三介質層均為具有高介電常數(shù)的介質材料層，二者可以相同，也可以不同，第一介質層和第三介質層為A1203、ZrO2> La203、LaAIO3> LaErO3和HfO2中任意一種或任意幾種的疊層結構。在本實施方式中，優(yōu)選地,第一介質層和第三介質層的介質材料相同，均為Al2O3O第二介質材料為金屬材料，優(yōu)選為Cu、Al或W等。此外，可以理解，在本發(fā)明的其它某些實施方式中，第一介質層、第二介質層和第三介質層的介質材料也可以是其它的介質材料。利用第一介質層、第二介質層和第三介質層形成的疊層作為側墻反射層，一方面首先利用第一介質層與層間介質層之間的折射率差對入射光起到限制作用，第二介質層即金屬層僅對透過第一介質層的光進行反射，一定程度上降低了金屬對光的吸收作用。另一方面，第一介質層和第三介質層作為硬掩膜環(huán)繞第二介質層即金屬層的疊層結構保障了后續(xù)化學機械拋光過程中的拋光效果，防止拋光過程中金屬的脫落和剝離。在本實施方式中，感光器件為光電二極管，例如可以是PN結感光二極管、PIN本征 半導體二極管或金屬-半導體接觸光電二極管等。在本發(fā)明的其它某些實施方式中，感光器件也可以為光電門。光電門，又稱光門(photogate)。每個感光器件的表面上方覆蓋有層間介質層，層間介質層為介電常數(shù)小于硅的介電常數(shù)的介質材料層。本實施方式中，感光器件表面上方的層間介質層與半導體器件金屬互連的層間介質結構同步制備，或側墻反射層制備完成后單獨制備。層間介質層的存在，可以使得特定范圍內的光較為集中地入射到相應像素的感光區(qū)域，直至到達感光器件表面。該圖像傳感器中，層間介質層可以為一層或者多層。層間介質層為多層時，各層間介質層的介質材料可以相同，也可以不同。層間介質層為多層時，且各層材料不同時，自上而下不同層間介質層的介電常數(shù)遞增，且最底層層間介質層的介電常數(shù)小于硅的介電常數(shù)。該圖像傳感器中，層間介質層優(yōu)選為低介電常數(shù)材料，常見介質材料為Si02、Si3N4、SiC、含C的Si02、TE0S或含F(xiàn)氧化硅玻璃等，層間介質層可以為上述任意材料的單層結構，也可以為上述任意幾種介質材料組成的疊層結構。在本具體實施方式
中，優(yōu)選地，層間介質層為多層，且各層材料不同，層間介質層自上而下介電常數(shù)遞增，即折射率遞增，根據(jù)光在不同介質間的傳輸原理可知，該結構可以更好地起到聚光作用，降低入射光在光通路傳輸過程中到達側墻反射層發(fā)生反射/透射的概率，進一步提高了入射光的吸收效率。感光區(qū)域表面的介質層周圍，采用具有不同介電常數(shù)的第一介質層、第二介質層和第三介質層形成的疊層作為側墻反射層，構建光通路，將光限制在相應的像素感光區(qū)域，避免其入射到相鄰的像素感光區(qū)域，可以減少串擾，提聞感光區(qū)域的有效感光效率。該圖像傳感器中的像素讀出電路為3T、4T或5Τ結構等。根據(jù)一個像素讀出電路所包含的晶體管的數(shù)目，現(xiàn)有的CMOS圖像傳感器分為3T型結構或4T型結構，還可以有5T型結構。圖4是一種3T型結構的CMOS圖像傳感器的像素讀出電路的等效電路結構圖。具體地說，如圖4所示，該電路中包括一個光電二極管10，用于在曝光時進行光電轉換，將接收到的光信號轉換成電信號，所述光電ニ極管10包括P型區(qū)和N型區(qū)，所述P型區(qū)接地。一個復位晶體管Ml，用于在曝光前對所述光電ニ極管10進行復位，復位由復位信號Reset信號進行控制。在圖4中，所述復位晶體管Ml選用ー個N型金屬-氧化物-半導體(N Metal-Oxide-Semiconductor,簡稱“NM0S”)管,所述復位晶體管Ml的源極和所述光電ニ極管10的N型區(qū)相連；所述復位晶體管Ml的漏極接電源Vdd，所述電源Vdd為一正電源。當所述復位信號Reset為高電平時，所述復位晶體管Ml導通并將所述光電ニ極管10的N型區(qū)連接到電源Vdd，在所述電源Vdd的作用下，使所述光電ニ極管10反偏并會清除所述光電ニ極管10的全部累積的電荷，實現(xiàn)復位。所述復位晶體管Ml也可以由多個NMOS管串聯(lián)形成，或由多個NMOS管并聯(lián)形成，也可以用PMOS管代替所述NMOS管?！獋€放大晶體管M2，也為一源極跟隨器，用于將所述光電ニ極管10產(chǎn)生的電信號進行放大。在圖4中，所述放大晶體管M2選用ー NMOS管，所述放大晶體管M2的柵極接所述光電ニ極管10的N型區(qū)，所述放大晶體管M2的漏極接所述電源Vdd，所述放大晶體管M2的源極為放大信號的輸出端。所述放大晶體管M2也可以由多個NMOS管串聯(lián)形成或由多個NMOS管并聯(lián)形成。一個行選擇晶體管M3，用于將所述放大晶體管M2的源極輸出的放大信號輸出。在圖4中，所述行選擇晶體管M3選用ー NMOS管，所述行選擇晶體管M3的柵極接行選擇信號Rs，所述行選擇晶體管M3的源極接所述放大晶體管M2的源極，所述行選擇晶體管M3的漏極為輸出端。圖5是ー種4T型結構的CMOS圖像傳感器的像素讀出電路的等效電路結構圖。相比于3T型結構，現(xiàn)有4T型結構的CMOS圖像傳感器的像素讀出電路結構圖增加了一個轉移晶體管M4，所述轉移晶體管M4用于將所述光電ニ極管10產(chǎn)生的電信號輸入到所述感應節(jié)點NI。在圖5中，所述轉移晶體管M4選用ー NMOS管，所述轉移晶體管M4的柵極接轉移信號TX，所述轉移晶體管M4的源極接所述光電ニ極管10的N型區(qū)，所述轉移晶體管M4的漏極接所述復位晶體管M I的源極即所述感應節(jié)點NI。雖然通過參照本發(fā)明的某些優(yōu)選實施方式，已經(jīng)對本發(fā)明進行了圖示和描述，但本領域的普通技術人員應該明白，可以在形式上和細節(jié)上對其作各種改變，而不偏離本發(fā) 明的精神和范圍。
權利要求
1.一種圖像傳感器，其特征在于，包括多個像素區(qū)域，所述像素區(qū)域包括感光器件，所述感光器件表面覆蓋有層間介質層，所述感光器件表面上方的周圍包圍有側墻反射層，構成用于將入射光導入該感光器件的通孔結構，該側墻反射層包括第一介質層、第二介質層和第三介質層形成的疊層結構，其中第一介質層與第二介質層的介電常數(shù)不同，第三介質層與第二介質層的介電常數(shù)不同。
2.根據(jù)權利要求I所述的圖像傳感器，其特征在于，所述第一介質層的介電常數(shù)大于層間介質層的介電常數(shù)，所述第二介質層的介電常數(shù)大于層間介質層的介電常數(shù)。
3.根據(jù)權利要求2所述的圖像傳感器，其特征在于，所述第一介質層和第二介質層為A1203、ZrO2> La203、LaAIO3> LaErO3和HfO2中任意一種或任意幾種的疊層結構。
4.根據(jù)權利要求3所述的圖像傳感器，其特征在于，所述第一介質層和第二介質層的介質材料相同。
5.根據(jù)權利要求3所述的圖像傳感器，其特征在于，所述第一介質層和第二介質層的介質材料不同。
6.根據(jù)權利要求2所述的圖像傳感器，其特征在于，所述第二介質層的介質材料為金屬材料。
7.根據(jù)權利要求6所述的圖像傳感器，其特征在于，所述第二介質層的介質材料為Cu、Al 或 W。
8.根據(jù)權利要求I至7中任意一項所述的圖像傳感器，其特征在于，所述層間介質層的介電常數(shù)小于硅的介電常數(shù)。
9.根據(jù)權利要求8所述的圖像傳感器，其特征在于，所述層間介質層為Si02、Si3N4,SiC、含C的Si02、TEOS和含F(xiàn)氧化硅玻璃中任意一種或任意幾種的疊層結構。
10.根據(jù)權利要求9所述的圖像傳感器，其特征在于，所述層間介質層為多層，自上而下不同層間介質層的介電常數(shù)遞增，且最底層層間介質層的介電常數(shù)小于硅的介電常數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導體技術領域，公開了一種圖像傳感器。本發(fā)明中，感光區(qū)域表面上方的介質層周圍，采用包括第一介質層、第二介質層和第三介質層形成的疊層作為側墻反射層，構建光通路，將光限制在相應的像素感光區(qū)域，避免其入射到相鄰的像素感光區(qū)域，可以減少串擾，提高感光區(qū)域的有效感光效率。一方面首先利用第一介質層與層間介質層之間的折射率差對入射光起到限制作用，第二介質層即金屬層僅對透過第一介質層的光進行反射，一定程度上降低了金屬對光的吸收作用；另一方面，疊層的結構保障了后續(xù)化學機械拋光過程中的拋光效果，防止金屬的脫落和剝離。
文檔編號H01L27/146GK102693996SQ20121020635
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月20日 優(yōu)先權日2012年6月20日
發(fā)明者方娜, 汪輝, 田犁, 苗田樂, 陳杰 申請人:上海中科高等研究院