專利名稱：一種cmos影像傳感器光學(xué)增強結(jié)構(gòu)及制備方法
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影像傳感器光學(xué)增強結(jié)構(gòu)及制備方法。
背景技術(shù)：
CMOS影像傳感器由于其與CMOS工藝兼容的特點，從而得到快速發(fā)展。相對于CXD 工藝，其工藝完全與CMOS工藝兼容，其通過將光敏二極管和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而不進行互連線的排步。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，以增強其光吸收。
與此同時，隨著像元尺寸減小，相鄰像元之間的間距也隨著急劇減小，入射光線可能會經(jīng)過折射和多次反射才能進入相鄰的像元，導(dǎo)致光學(xué)串擾的發(fā)生，便會引起像元的分辨率降低、芯片性能變差。因此，如如何減少相鄰像元之間的光學(xué)串擾、增強入射光的量以提高像元分辨率和靈敏度是本領(lǐng)域的技術(shù)難點之一。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于彌補上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種CMOS影像傳感器光學(xué)增強結(jié)構(gòu)及制備方法。
本發(fā)明的CMOS影像傳感器光學(xué)增強結(jié)構(gòu)，包括硅襯底及其上的光敏元件和標準 CMOS多層結(jié)構(gòu)，該光敏元件 上方具有形成透光空間的深溝槽，該深溝槽側(cè)壁由金屬反射層環(huán)繞，以反射入射到該金屬反射層的光線。
其中，該多層結(jié)構(gòu)包括標準CMOS多晶硅層、接觸孔層、金屬互連層、通孔層和互連介質(zhì)層。
進一步地，該多層結(jié)構(gòu)的頂層之上也具有金屬反射層，且該多層結(jié)構(gòu)的頂層為介質(zhì)層，用以將多層結(jié)構(gòu)中的金屬互連層與金屬反射層相隔離。在多層結(jié)構(gòu)頂層也設(shè)置金屬反射層的目的在于，反射從多層結(jié)構(gòu)頂部入射到多層結(jié)構(gòu)內(nèi)部的光線，而進一步避免光線對相鄰像元的光學(xué)串擾。
進一步地，該金屬反射層材料包括Al、Cu、Pt、Ru、TaN, Ta、T1、TiN等CMOS工藝中常用的金屬材料及其疊層復(fù)合材料，如Ti\TiN\Al復(fù)合金屬，且該金屬反射層的厚度為 50A-5000A,其是通過PVD (物理氣相沉積，Physical Vapor Deposition)、CVD (化學(xué)氣相沉積，Chemical Vapor Deposition)、ALD (原子層沉積，Atomic Layer Deposition)等成膜技術(shù)來制備的。
進一步地，該深溝槽內(nèi)填充透明材料以形成透光體。
進一步地，該透明材料所形成的透光體還覆蓋該多層結(jié)構(gòu)頂層的金屬反射層，在深溝槽內(nèi)透明材料的上表面還依次設(shè)置有彩色濾光層(colorfilter)和微透鏡 (microlens)。
進一步地，該透明材料是含碳、氫、氧的透明樹脂材料。
進一步地，該光敏元件是光敏二極管。
本發(fā)明的CMOS影像傳感器光學(xué)增強結(jié)構(gòu)的制備方法包括以下步驟步驟SOl :利用標準CMOS工藝在硅襯底上制備光敏元件和用于CMOS器件的多層結(jié)構(gòu)； 步驟S02 :光刻刻蝕去除光敏元件上方的介質(zhì)層，形成具有透光空間的深溝槽；步驟S03 :利用成膜工藝向硅片表面沉積金屬反射層；步驟S04 :去除深溝槽內(nèi)除深溝槽側(cè)壁以外的金屬反射層；步驟S05 :向深溝槽內(nèi)填充透明材料，并實現(xiàn)硅片平坦化；步驟S06 :在深溝槽內(nèi)透明材料的上表面依次制作彩色濾光層和微透鏡。
進一步地，步驟SOl與步驟S02之間還包括去除由數(shù)個光敏元件組成的像元陣列區(qū)域之上的鈍化層的步 驟S011，該鈍化層是包括下層SiN層(厚度為1000A-2000A)和上層 Si02層的疊層結(jié)構(gòu)，該步驟SOll包括去除Si02層并停留在SiN層以及去除SiN層。
進一步地，步驟S03中成膜工藝包括PVD、CVD、ALD等工藝。
其中，由于步驟S04需要去除多個高度平面上的金屬反射層，包括深溝槽底部、深溝槽內(nèi)除深溝槽側(cè)壁以外的區(qū)域，甚至深溝槽之間隔離區(qū)域的頂部，以及像元陣列外部區(qū)域，因此，該步驟包括單次或多次光刻多次不同焦平面的曝光技術(shù)。
具體地，步驟S04包括先實現(xiàn)深溝槽底部區(qū)域的曝光，露出需要刻蝕去除的金屬反射層；再實現(xiàn)深溝槽之間隔離區(qū)頂部金屬反射層的曝光，露出需要刻蝕去除的金屬反射層；最后實現(xiàn)像元陣列外部區(qū)域鈍化層上的金屬反射層曝光，露出需要刻蝕去除的金屬反射層；最后通過刻蝕去除上述區(qū)域的金屬反射層。
此外，也可以通過大面積刻蝕去除硅片表面平面之上的金屬反射層，這是由于深溝槽側(cè)壁的金屬反射層縱向高度很高，即很厚，因此，可以在刻蝕后被保留下來。
現(xiàn)有技術(shù)中，由于光敏元件區(qū)域上方的介質(zhì)層膜層較多且復(fù)雜，同時非常厚，也就是光線到達光敏元件的距離比較長，這樣光線傳輸中，會有不可避免的損失，該損失與光線傳輸路程成正比；同時，光線傳輸過程中，有一定角度的光線會入射到深溝槽側(cè)壁上，該部分光線會發(fā)生一定的折射、透射及吸收，導(dǎo)致相鄰像元之間的串擾以及光線損失。
因此，本發(fā)明的光學(xué)增強結(jié)構(gòu)在光敏元件上面形成的深溝槽側(cè)壁形成一層薄金屬反射層，使入射光線完全反射到光敏元件上，屏蔽了相鄰像元之間的光學(xué)串擾，增強了入射到光敏元件上的光線強度，從而提高了 CMOS影像傳感器的光學(xué)靈敏度，提升了芯片的性能和可靠性；此外，可以通過大面積去除光敏元件陣列區(qū)域的鈍化層，降低光線傳輸路徑的長度，入射角度也變得更大；同時，由于光敏元件到彩色濾光層及微透鏡的距離變短，能夠接受更大角度的入射光線，提高了光吸收能力。
為能更清楚理解本發(fā)明的目的、特點和優(yōu)點，以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實施例進行詳細描述，其中圖1是本發(fā)明第一實施例CMOS影像傳感器光學(xué)增強結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖2是本發(fā)明第二實施例CMOS影像傳感器光學(xué)增強結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖3a和圖3b是本發(fā)明光學(xué)增強結(jié)構(gòu)中有無鈍化層的效果示意圖；圖4是本發(fā)明光敏二極管陣列區(qū)域在制備金屬反射層之前的剖視圖；圖5是圖4在制備金屬反射層及其他層次之后的剖視圖。
具體實施方式
請參閱圖1，第一實施例中，CMOS影像傳感器的像元結(jié)構(gòu)包括硅襯底I上的光敏二極管10和多層結(jié)構(gòu)(用于標準CMOS器件的層次),本實施例中,本實施例中娃襯底I與多層結(jié)構(gòu)之間還具有一層?xùn)艠O氧化層2，其中，多層結(jié)構(gòu)自下而上包括多晶硅層3、鎢接觸孔層4、銅金屬互連層5以及其上的其他通孔層、金屬互連層和互連介質(zhì)層。光敏二極管10上方具有形成透光空間的深溝槽7，深溝槽7側(cè)壁由金屬反射層6環(huán)繞，以反射入射到該金屬反射層6的光線。金屬反射層6為鋁材料，厚度為100A，通過PVD成膜技術(shù)制備。
其中，深溝槽7內(nèi)填充透明材料形成透光體71，透明材料所形成的透光體71還覆蓋多層結(jié)構(gòu)的頂層，在深溝槽7內(nèi)透明材料的上表面一次設(shè)置有彩色濾光層8和微透鏡9。
本發(fā)明以第一實施例中多個CMOS影像傳感器光學(xué)增強結(jié)構(gòu)組成的像元陣列的制造方法包括步驟SOl :利用標準CMOS工藝在硅襯底上制備光敏二極管10和用于CMOS器件的多層結(jié)構(gòu)，去除像元陣列區(qū)域的鈍化層，該鈍化層是包括下層SiN層和上層SiO2層的疊層結(jié)構(gòu)， 去除鈍化層的步驟包括去除SiO2層并停留在SiN層以及去除SiN層； 步驟S02 :光刻刻蝕去除光敏二極管10上方的介質(zhì)層，形成具有透光空間的深溝槽7 ； 步驟S03 :利用PVD成膜工藝向硅片表面沉積金屬反射層6 ；步驟S04 :去除深溝槽7內(nèi)除深溝槽側(cè)壁以外的金屬反射層6 ；步驟S05 向深溝槽7內(nèi)填充透明材料，并實現(xiàn)硅片平坦化；步驟S06 :在深溝槽7內(nèi)透明材料的上表面依次制作彩色濾光層8和微透鏡9。
其中，步驟S04包括先實現(xiàn)深溝槽7底部區(qū)域的曝光，露出需要刻蝕去除的金屬反射層；再實現(xiàn)深溝槽7之間隔離區(qū)頂部金屬反射層的曝光，露出需要刻蝕去除的金屬反射層；最后實現(xiàn)像元陣列外部區(qū)域鈍化層上的金屬反射層曝光，露出需要刻蝕去除的金屬反射層；最后通過刻蝕去除上述區(qū)域的金屬反射層。
請繼續(xù)參閱圖2，第二實施例中，CMOS影像傳感器的像元結(jié)構(gòu)包括硅襯底I上的光敏二極管10和多層結(jié)構(gòu)(用于標準CMOS器件的層次),本實施例中,本實施例中娃襯底I 與多層結(jié)構(gòu)之間還具有一層?xùn)艠O氧化層2，其中，多層結(jié)構(gòu)自下而上包括多晶硅層3、鎢接觸孔層4、銅金屬互連層5以及其上的其他通孔層、金屬互連層和互連介質(zhì)層。光敏二極管 10上方具有形成透光空間的深溝槽7，深溝槽7側(cè)壁由金屬反射層6環(huán)繞，以反射入射到該金屬反射層6的光線；多層結(jié)構(gòu)的頂層之上也制備一層金屬反射層6，用以反射從多層結(jié)構(gòu)頂部入射到多層結(jié)構(gòu)內(nèi)部的光線，而進一步避免光線對相鄰像元的光學(xué)串擾。金屬反射層 6為鈦材料，厚度為500A，通過PVD成膜技術(shù)制備。
其中，深溝槽7內(nèi)填充透明材料形成透光體71，透明材料所形成的透光體71還覆蓋多層結(jié)構(gòu)的頂層，在深溝槽7內(nèi)透明材料的上表面一次設(shè)置有彩色濾光層8和微透鏡9。
請同時參閱圖3a和3b，圖3a中的多層結(jié)構(gòu)比圖3b的多層結(jié)構(gòu)多了一層鈍化層 11，可見，去除鈍化層后，像元的光線A入射角度變得更大，光線路程B則變得更短，可以提高光的吸收能力。
接著，請同時參閱圖4和圖5。
圖4中，光敏二極管陣列區(qū)域C-C的鈍化層12先被去除，其中，鈍化層12包括先后生成的下層SiN層和上層SiO2層的疊層結(jié)構(gòu)，該去除鈍化層步驟包括去除SiO2層并停留在SiN層以及去除SiN層；然后在各光敏二極管10的上方制備出深溝槽7 (圖中像元間的多層結(jié)構(gòu)31的各個層次被省略繪出)。
圖5中，光敏二極管陣列區(qū)域 C-C已制備完透光體、金屬反射層6、彩色濾光層8以及微透鏡9。從圖中可見，多層結(jié)構(gòu)31的頂層為介質(zhì)層14，目的是為了將多層結(jié)構(gòu)中的金屬互連層與金屬反射層6相互隔開與保護；同時，深溝槽7之間隔離區(qū)頂部金屬反射層6也被去除一部分，目的是避免相鄰像元間的串聯(lián)干擾。
其中，上述實施例的透明材料選用本領(lǐng)域常用的含碳、氫、氧的透明樹脂材料。
權(quán)利要求
1.一種CMOS影像傳感器光學(xué)增強結(jié)構(gòu),其特征在于其包括娃襯底及其上的光敏兀件和標準CMOS多層結(jié)構(gòu)，該光敏元件上方具有形成透光空間的深溝槽，該深溝槽側(cè)壁由金屬反射層環(huán)繞，以反射入射到該金屬反射層的光線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS影像傳感器光學(xué)增強結(jié)構(gòu)，其特征在于該多層結(jié)構(gòu)包括標準CMOS多晶硅層、接觸孔層、金屬互連層、通孔層和互連介質(zhì)層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS影像傳感器光學(xué)增強結(jié)構(gòu)，其特征在于該多層結(jié)構(gòu)的頂層之上也具有金屬反射層，且該多層結(jié)構(gòu)的頂層為介質(zhì)層，用以將多層結(jié)構(gòu)中的金屬互連層與金屬反射層相隔離。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的CMOS影像傳感器光學(xué)增強結(jié)構(gòu)，其特征在于該金屬反射層材料包括Al、Cu、Pt、Ru、TaN, Ta、T1、TiN及其疊層復(fù)合材料，且該金屬反射層的厚度為50A-5000A。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的CMOS影像傳感器光學(xué)增強結(jié)構(gòu)，其特征在于該深溝槽內(nèi)填充透明材料以形成透光體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的CMOS影像傳感器光學(xué)增強結(jié)構(gòu)，其特征在于該透明材料所形成的透光體還覆蓋該多層結(jié)構(gòu)頂層的金屬反射層，在深溝槽內(nèi)透明材料的上表面還依次設(shè)置有彩色濾光層和微透鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的CMOS影像傳感器光學(xué)增強結(jié)構(gòu)，其特征在于該透明材料是含碳、氫、氧的透明樹脂材料，該光敏元件是光敏二極管。
8.—種權(quán)利要求1所述CMOS影像傳感器光學(xué)增強結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟SOl :利用標準CMOS工藝在硅襯底上制備光敏元件和用于CMOS器件的多層結(jié)構(gòu)； 步驟S02 :光刻刻蝕去除光敏元件上方的介質(zhì)層，形成具有透光空間的深溝槽； 步驟S03 :利用成膜工藝向硅片表面沉積金屬反射層； 步驟S04 :去除深溝槽內(nèi)除深溝槽側(cè)壁以外的金屬反射層； 步驟S05 :向深溝槽內(nèi)填充透明材料，并實現(xiàn)硅片平坦化； 步驟S06 :在深溝槽內(nèi)透明材料的上表面依次制作彩色濾光層和微透鏡。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的CMOS影像傳感器光學(xué)增強結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于步驟SOl與步驟S02之間還包括去除由數(shù)個光敏元件組成的像元陣列區(qū)域之上的鈍化層的步驟S011，該鈍化層是包括下層SiN層和上層SiO2層的疊層結(jié)構(gòu)，該步驟SOll包括去除SiO2層并停留在SiN層以及去除SiN層。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的CMOS影像傳感器光學(xué)增強結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于步驟S03中成膜工藝包括PVD、CVD、ALD。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的CMOS影像傳感器光學(xué)增強結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于步驟S04包括單次或多次光刻多次不同焦平面的曝光技術(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的CMOS影像傳感器光學(xué)增強結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于步驟S04包括先實現(xiàn)深溝槽底部區(qū)域的曝光，露出需要刻蝕去除的金屬反射層；再實現(xiàn)深溝槽之間隔離區(qū)頂部金屬反射層的曝光，露出需要刻蝕去除的金屬反射層；最后實現(xiàn)像元陣列外部區(qū)域鈍化層上的金屬反射層曝光，露出需要刻蝕去除的金屬反射層；最后通過刻蝕去除上述區(qū)域的金屬反射層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種CMOS影像傳感器光學(xué)增強結(jié)構(gòu)及制備方法，該結(jié)構(gòu)包括硅襯底及其上的光敏元件和標準CMOS多層結(jié)構(gòu)，該光敏元件上方具有形成透光空間的深溝槽，該深溝槽側(cè)壁由金屬反射層環(huán)繞，以反射入射到該金屬反射層的光線。本發(fā)明的光學(xué)增強結(jié)構(gòu)在光敏元件上面形成的深溝槽側(cè)壁形成一層薄金屬反射層，使入射光線完全反射到光敏元件上，屏蔽了相鄰像元之間的光學(xué)串擾，增強了入射到光敏元件上的光線強度，從而提高了CMOS影像傳感器的光學(xué)靈敏度，提升了芯片的性能和可靠性。
文檔編號H01L27/146GK103000647SQ20121041460
公開日2013年3月27日 申請日期2012年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月25日
發(fā)明者康曉旭, 趙宇航, 李銘 申請人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司