專利名稱：一種cmos影像傳感器的后端平坦化方法及像元結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及CMOS影像傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種CMOS影像傳感器的后端平坦化方法及像元結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
CMOS影像傳感器由于其與CMOS工藝兼容的特點(diǎn)，從而得到快速發(fā)展。相對(duì)于CXD工藝，其工藝完全與CMOS工藝兼容，其通過(guò)將光敏二極管和CMOS處理電路一起做在硅襯底上，從而在保證性能的基礎(chǔ)上大幅度降低了成本，同時(shí)可以大幅度提高集成度，制造像素更聞的廣品。傳統(tǒng)CMOS影像傳感器是使用正面光照的方法，將光敏二極管和CMOS處理電路一起做在硅襯底上使用同一層次實(shí)現(xiàn)，而芯片互連則制造在CMOS處理電路之上，光敏二極管 之上為了光線的通過(guò)而不進(jìn)行互連線的排步。然而，常規(guī)半導(dǎo)體材料的透光性較差，因此需要把光敏二極管上面的介質(zhì)層次全部去除，并填充透光材料，以增強(qiáng)其光吸收。同時(shí)，由于后道互連層次較多，厚度較厚，導(dǎo)致光敏二極管上面介質(zhì)層去除后，形成很深的溝槽，如何實(shí)現(xiàn)平坦化，并完成后續(xù)的彩色濾光層(color-filter)和微透鏡(microlens)等工藝是傳統(tǒng)工藝、產(chǎn)品的技術(shù)難點(diǎn)。同時(shí)傳統(tǒng)CIS (CMOS圖像傳感器)結(jié)構(gòu)彩色濾光層(color-filter)上制作的微透鏡(miCTolens)是平凸透鏡結(jié)構(gòu)，限于其材料和結(jié)構(gòu)等限制，需要一定的距離才能將光線較好地匯聚在光敏二極管上，而光線在媒質(zhì)中隨傳輸距離增加而損失增加，因此，如何提高微透鏡(microlens)的匯聚能力也是提高CIS性能的瓶頸之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于彌補(bǔ)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種CMOS影像傳感器的后端平坦化的方法。本發(fā)明的CMOS影像傳感器的后端平坦化的方法，包括以下步驟
a.通過(guò)深溝槽刻蝕工藝去除硅襯底上光敏元件上方的介質(zhì)層，以形成深溝槽；
b.利用第一透光材料對(duì)該深溝槽進(jìn)行一次或多次填充，形成凹形的半填充結(jié)構(gòu)；
c.使用光刻板對(duì)該第一透光材料進(jìn)行曝光顯影，去除深溝槽外圍的第一透光材料；
d.利用第二透光材料對(duì)凹形半填充結(jié)構(gòu)進(jìn)行填充，實(shí)現(xiàn)硅片表面平坦化。其中，本發(fā)明的方法是在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝器件、互連層次以及PAD (焊盤)鈍化層次完成后再進(jìn)行的。進(jìn)一步地，步驟a中深溝槽刻蝕工藝去除介質(zhì)層后停留在柵極氧化層(如SiO2)上面。具體地，去除的介質(zhì)層包括柵極氧化層之上的金屬前介質(zhì)層(如Si02)、互連介質(zhì)層(如SiO2)及鈍化介質(zhì)層(如Si02)。進(jìn)一步地，步驟a包括依次去除金屬前介質(zhì)中接觸孔刻蝕阻擋層(如SiN或SiON)之上的互連層介質(zhì)，以及去除金屬前介質(zhì)中接觸孔刻蝕阻擋層，最終停留在柵極氧化層之上。本工藝?yán)玫氖荢iO2對(duì)SiN的高刻蝕選擇比以及SiN對(duì)SiO2的高刻蝕選擇比。進(jìn)一步地，步驟b中的第一透光材料為負(fù)性透光光敏材料。具體地，該負(fù)性透光光敏材料的主要成分是透明樹脂，具體地是由C、H、O組成的有機(jī)大分子鏈結(jié)構(gòu)，并含有光敏成分，如聚異戊二烯、線性酚醛樹脂的酚醛甲醛、重氮萘醌(DNQ)等等。進(jìn)一步地，步驟c使用與深溝槽刻蝕工藝同一張光刻板進(jìn)行曝光顯影，實(shí)現(xiàn)成本的控制，也不會(huì)帶來(lái)由于光刻板自身誤差帶來(lái)的影響，故而可以達(dá)到更好的光刻效果。其中，步驟c通過(guò)曝光工藝，利用透光光敏材料的負(fù)性效果，使深溝槽外圍及深溝槽內(nèi)邊緣的第一透光材料都被曝光并被顯影去除，且步驟c可以包括在每次用第一透光材料對(duì)深溝槽填充之后，都使用光刻板對(duì)該第一填充材料進(jìn)行曝光顯影，去除深溝槽外圍的第一透光材料。其中，步驟b和c的多次填充和光刻是為了適用于溝槽較深的情況，其次數(shù)只要保證深溝槽內(nèi)可以形成凹形的半填充結(jié)構(gòu)即可，以便于后續(xù)的平坦化步驟?！?br> 進(jìn)一步地，步驟d中的第二透光材料為負(fù)性透光非光敏材料，如合成環(huán)化橡膠樹脂和雙芳化基類光敏材料，其在無(wú)光照時(shí)，可以溶解于顯影液中，光照后，該材料發(fā)生膠聯(lián)，不再溶解于顯影液中，且該第二透光材料的折射率高于第一透光材料。進(jìn)一步地，該第一透光材料填充后形成的凹形半填充結(jié)構(gòu)，以及第二透光材料填充平坦化而形成的平凸透鏡結(jié)構(gòu)，共同構(gòu)成一個(gè)CMOS影像傳感器的第一微透鏡。進(jìn)一步地，該方法還包括在平坦化后的硅片表面制作彩色濾光層，并在該彩色濾光層上制作標(biāo)準(zhǔn)的第二微透鏡。進(jìn)一步地，該彩色濾光層下方的平凸微透鏡結(jié)構(gòu)和上方制作的第二微透鏡共同構(gòu)成凸透鏡，以加強(qiáng)對(duì)光線的匯聚作用。進(jìn)一步地,步驟b中的第一透光材料也可以是正性透光光敏材料。進(jìn)一步地，步驟b中的第一透光材料為彩色濾光材料，本方法還包括在平坦化的硅片表面上制作標(biāo)準(zhǔn)的第二微透鏡。進(jìn)一步地，該光敏元件是光敏二極管。本發(fā)明還提供一種CMOS影像傳感器的像元結(jié)構(gòu)，其包括光敏元件及其上方所形成的深溝槽，其中，該深溝槽內(nèi)的下部由第一透光材料填充并形成凹形的半填充結(jié)構(gòu)，該深溝槽內(nèi)第一透光材料之上由第二透光材料填充。進(jìn)一步地，該第二透光材料的折射率高于第一透光材料。進(jìn)一步地，根據(jù)權(quán)利要求16所述的CMOS影像傳感器的像元結(jié)構(gòu)，其特征在于該第二透光材料的表面平坦化，且其上制備有微透鏡或依次制備有彩色濾光層和微透鏡。本發(fā)明先將CMOS影像傳感器光敏元件區(qū)域上方的介質(zhì)材料去除，形成深溝槽；再進(jìn)行透光光敏材料的第一次填充；然后使用光刻板進(jìn)行曝光顯影，直接顯影去除深溝槽外的透光光敏填充材料；最后再填充高折射率透光材料實(shí)現(xiàn)深溝槽的平坦化；同時(shí)利用第二次高折射率填充材料在凹槽內(nèi)形成的平凸透鏡作為CMOS影像傳感器的微透鏡；最后在微透鏡上制作彩色濾光層和標(biāo)準(zhǔn)的微透鏡。對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明利用一次或多次填充和光刻，實(shí)現(xiàn)硅片表面的平坦化，從而使光敏元件區(qū)域的光線直接通過(guò)透光材料進(jìn)入光敏元件，降低了光損失；同時(shí)，利用最后一次填充平坦化自對(duì)準(zhǔn)形成的平凸透鏡作為CMOS影像傳感器的微透鏡，然后在其上面制作彩色濾光層和標(biāo)準(zhǔn)的微透鏡，利用兩個(gè)平凸微透鏡共同形成聚光能力更強(qiáng)的凸透鏡，從而能在更短的距離內(nèi)將入射光線會(huì)聚在光敏元件上，極大地簡(jiǎn)化了工藝，減少了光線的損失，提高了像元的靈敏度，提升了芯片的性能和可靠性，并大幅度降低芯片成本。


為能更清楚理解本發(fā)明的目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述，其中
圖Ia至Ig是本發(fā)明第一實(shí)施例CMOS影像傳感器后端平坦化方法每個(gè)步驟中硅片表面的剖視 圖2是本發(fā)明第二實(shí)施例平坦化后的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖Ia至lg，顯示了本發(fā)明第一實(shí)施例中，CMOS影像傳感器后端平坦化方法·每個(gè)步驟硅片表面的剖視圖。本實(shí)施例的具體步驟包括
圖la，制備待平坦化硅片，包括在硅襯底I上設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝器件、接觸孔層2、銅互連線層3以及PAD鈍化層4等。圖Ib,使用光刻板5,利用深溝槽刻蝕工藝對(duì)娃襯底上光敏二極管(未圖不)上方的介質(zhì)層全部去除,形成深溝槽。圖lc，利用含有聚異戊二烯的負(fù)性透光光敏材料6對(duì)深溝槽進(jìn)行第一次填充，形成凹形的半填充結(jié)構(gòu)。圖ld，使用與深溝槽刻蝕工藝同一張光刻板進(jìn)行曝光顯影，去除深溝槽外圍的透光光敏材料。圖le，利用折射率高于上述負(fù)性透光光敏材料的含合成環(huán)化橡膠樹脂負(fù)性透光非光敏材料7，對(duì)第一次填充和曝光顯影后形成的凹形凹槽進(jìn)行第二次填充，實(shí)現(xiàn)硅片表面平坦化。圖If，在平坦化后的硅片表面制作彩色濾光層8。圖lg，在該彩色濾光層上制作標(biāo)準(zhǔn)的微透鏡92。其中，凹形半填充結(jié)構(gòu)和第二次填充后形成的平凸透鏡結(jié)構(gòu)91共同構(gòu)成一個(gè)CMOS影像傳感器的第一微透鏡；平凸透鏡結(jié)構(gòu)91和微透鏡92共同構(gòu)成凸透鏡，以加強(qiáng)對(duì)光線的匯聚作用。圖2是本發(fā)明第二實(shí)施例示意圖，與第一實(shí)施例不同的是，第二實(shí)施例中第一次填充的材料是彩色濾光材料61，而后直接在平坦化的硅片表面上制作標(biāo)準(zhǔn)的微透鏡92。
權(quán)利要求
1.一種CMOS影像傳感器的后端平坦化的方法，其特征在于 通過(guò)深溝槽刻蝕工藝去除硅襯底上光敏元件上方的介質(zhì)層，以形成深溝槽； 利用第一透光材料對(duì)該深溝槽進(jìn)行一次或多次填充，形成凹形的半填充結(jié)構(gòu)； 使用光刻板對(duì)該第一透光材料進(jìn)行曝光顯影，去除深溝槽外圍的第一透光材料； 利用第二透光材料對(duì)凹形半填充結(jié)構(gòu)進(jìn)行填充，實(shí)現(xiàn)硅片表面平坦化。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的CMOS影像傳感器的后端平坦化的方法，其特征在于步驟a中深溝槽刻蝕工藝去除介質(zhì)層后停留在柵極氧化層上面。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的CMOS影像傳感器的后端平坦化的方法，其特征在于步驟b中的第一透光材料為負(fù)性透光光敏材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的CMOS影像傳感器的后端平坦化的方法，其特征在于該第一透光材料含有聚異戊二烯、線性酚醛樹脂的酚醛甲醛或重氮萘醌。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的CMOS影像傳感器的后端平坦化的方法，其特征在于步驟c包括在每次用第一透光材料對(duì)深溝槽填充之后，都使用光刻板對(duì)該第一填充材料進(jìn)行曝光顯影，去除深溝槽外圍的第一透光材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的CMOS影像傳感器的后端平坦化的方法，其特征在于步驟c使用與深溝槽刻蝕工藝同一張光刻板進(jìn)行曝光顯影。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的CMOS影像傳感器的后端平坦化的方法，其特征在于步驟d中的第二透光材料為負(fù)性透光非光敏材料，且該第二透光材料的折射率高于第一透光材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的CMOS影像傳感器的后端平坦化的方法，其特征在于該第二透光材料含有合成環(huán)化橡膠樹脂或雙芳化基類光敏材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的CMOS影像傳感器的后端平坦化的方法，其特征在于該第一透光材料填充后形成的凹形半填充結(jié)構(gòu)，以及第二透光材料填充平坦化而形成的平凸透鏡結(jié)構(gòu)，共同構(gòu)成一個(gè)CMOS影像傳感器的第一微透鏡。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的CMOS影像傳感器的后端平坦化的方法，其特征在于該方法還包括在平坦化后的硅片表面制作彩色濾光層，并在該彩色濾光層上制作標(biāo)準(zhǔn)的第二微透鏡。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的CMOS影像傳感器的后端平坦化的方法，其特征在于該彩色濾光層下方的平凸微透鏡結(jié)構(gòu)和上方制作的第二微透鏡共同構(gòu)成凸透鏡。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的CMOS影像傳感器的后端平坦化的方法，其特征在于步驟b中的第一透光材料是正性透光光敏材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的CMOS影像傳感器的后端平坦化的方法，其特征在于步驟b中的第一透光材料為彩色濾光材料，本方法還包括在平坦化的硅片表面上制作標(biāo)準(zhǔn)的第二微透鏡。
14.根據(jù)權(quán)利要求I至13任一項(xiàng)所述的CMOS影像傳感器的后端平坦化的方法，其特征在于該光敏元件是光敏二極管。
15.—種CMOS影像傳感器的像元結(jié)構(gòu)，其包括光敏元件及其上方所形成的深溝槽，其特征在于該深溝槽內(nèi)的下部由第一透光材料填充并形成凹形的半填充結(jié)構(gòu)，該深溝槽內(nèi)第一透光材料之上由第二透光材料填充。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的CMOS影像傳感器的像元結(jié)構(gòu)，其特征在于該第二透光材料的折射率高于第一透光材料。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的CMOS影像傳感器的像元結(jié)構(gòu)，其特征在于該第二透光材料的表面平坦化，且其上形成有微透鏡或依次形成有彩色濾光層和微透鏡。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種CMOS影像傳感器的后端平坦化方法及像元結(jié)構(gòu)，該方法包括先將光敏元件區(qū)域上方的介質(zhì)材料去除，形成深溝槽；再進(jìn)行透光光敏材料的第一次填充；然后使用光刻板進(jìn)行曝光顯影；最后再填充高折射率透光材料實(shí)現(xiàn)深溝槽的平坦化；同時(shí)利用第二次高折射率填充材料在凹槽內(nèi)形成的平凸透鏡作為CMOS影像傳感器的微透鏡；最后在微透鏡上制作彩色濾光層和標(biāo)準(zhǔn)的微透鏡。本發(fā)明可以有效降低光損失，提高像元的靈敏度，提升芯片的性能和可靠性，并大幅度降低芯片成本。
文檔編號(hào)H01L27/146GK102891157SQ20121041345
公開日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月25日
發(fā)明者趙宇航, 康曉旭, 李銘 申請(qǐng)人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司