專利名稱：一種cmos圖像傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種CMOS圖像傳感器。
背景技術(shù)：
通常，圖像傳感器是指將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。圖像傳感器包括電荷耦合器件(CXD)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器芯片。CMOS圖像傳感器和傳統(tǒng)的C⑶傳感器相比具有的低功耗，低成本和與CMOS工藝兼容等特點(diǎn)，因此得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在CMOS圖像傳感器不僅用于消費(fèi)電子領(lǐng)域，例如微型數(shù)碼相機(jī)(DSC)，手機(jī)攝像頭，攝像機(jī)和數(shù)碼單反(DSLR)中，而且在汽車電子，監(jiān)控，生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。 CMOS圖像傳感器可以根據(jù)像素單元晶體管數(shù)目分類成三管，四管和五管式，三管式的CMOS圖像傳感器像素單元包括一個(gè)光電二極管和3個(gè)MOS晶體管，四管和五管式像素單元分別包括一個(gè)光電二極管和4個(gè)或5個(gè)MOS晶體管。這些器件中光電二極管是感光單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)光線的收集和光電轉(zhuǎn)換，其它的MOS晶體管是控制單元，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)光電二極管的選中，復(fù)位和讀出的控制。常規(guī)的像素單元的截面圖如圖I所示，只有在沒(méi)有金屬層覆蓋的光電二極管區(qū)域20的光線能夠在光電轉(zhuǎn)換中起作用，因此像素單元的靈敏度直接和像素單元中光電二極管區(qū)域20的面積占整個(gè)像素單元面積的比例成正比，我們把這個(gè)比例定義為填充因子。由于光電二極管區(qū)20之間存在用于信號(hào)控制的3個(gè)，4個(gè)或5個(gè)MOS晶體管，占用了大量的面積，而為了防止入射光到達(dá)MOS晶體管表面產(chǎn)生噪聲和串?dāng)_，金屬互連線la，2a，3a將MOS晶體管區(qū)域10全部覆蓋，因此造成金屬互連線覆蓋的MOS晶體管區(qū)域10的垂直入射光和斜入射光全部被反射，使得CMOS圖像傳感器中像素單元的填充因子在20%到50%之間，這就意味著50%到80%的面積上的入射光是被屏蔽掉的，不能參與光電轉(zhuǎn)換的過(guò)程，因而造成了入射光的損失和像素單元靈敏度的降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種CMOS圖像傳感器及其制造方法，使得有更多的入射光能夠到達(dá)光電二極管的感光區(qū)域，參與光電轉(zhuǎn)換過(guò)程的目的，有效地提高了像素單元的靈敏度。為達(dá)成上述目的，本發(fā)明提供一種CMOS圖像傳感器制造方法，包括如下步驟在襯底上形成MOS晶體管區(qū)及光電二極管區(qū)；在所述MOS晶體管區(qū)上方形成金屬互連結(jié)構(gòu)，所述金屬互連結(jié)構(gòu)形成于互連介質(zhì)層中，包括接觸孔，N-I層金屬互連線以及與所述金屬互連線配套的通孔；其中，N為金屬互連線層的總層數(shù)，且為大于等于2的正整數(shù)；淀積并刻蝕第N層金屬，以形成上表面窄下表面寬即橫截面為梯形的頂層金屬互連線，所述頂層金屬互連線環(huán)繞所述光電二極管區(qū)上方；在所述頂層金屬互連線之間及上方淀積頂層互連介質(zhì)層；刻蝕所述頂層互連介質(zhì)層，在所述光電二極管區(qū)上方形成溝槽，所述溝槽包括由所述頂層金屬互連線環(huán)繞而成的第一部分，以及位于所述頂層金屬互連線上方的第二部分，其中所述第二部分的側(cè)壁環(huán)繞所述光電二極管區(qū)上方；以及在所述第一部分與所述第二部分形
成第一反射層與第二反射層?？蛇x的，在所述第一部分與所述第二部分形成第一 反射層與第二反射層的步驟包括在所述溝槽進(jìn)行反射層薄膜的淀積以形成反射層；以及移除所述頂層互連介質(zhì)層上表面和所述溝槽底部的所述反射層，以形成所述第一反射層與所述第二反射層?？蛇x的，在形成所述第一反射層及所述第二反射層后，在所述溝槽淀積并平坦化介質(zhì)材料，其中所述介質(zhì)材料與所述頂層互連介質(zhì)層的介質(zhì)材料相同?？蛇x的，所述溝槽的底部面積大于或等于所述光電二極管區(qū)的面積?？蛇x的，所述溝槽的頂部面積大于其底部面積?？蛇x的，所述第二部分的側(cè)壁與所述頂層金屬互連線上表面垂直相接。可選的，所述反射層薄膜的材料為氮化硅、碳化硅、多晶硅、鈦、氮化鈦或鎢；所述反射層薄膜的厚度為20 A到3000 A之間?？蛇x的，所述溝槽的底部和頂部均為正方形，且其頂部正方形的邊長(zhǎng)大于底部正方形邊長(zhǎng)；所述頂層金屬互連線為環(huán)繞所述溝槽的正方形互連線?？蛇x的，所述溝槽的底部位于所述頂層金屬互連線下表面到其下層的所述金屬互連線上表面之間。可選的，通過(guò)反應(yīng)聚合物的成分比調(diào)節(jié)所述頂層金屬互連線橫截斜面的角度。本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種CMOS圖像傳感器，包括MOS晶體管區(qū)和光電二極管區(qū)，形成于襯底上；金屬互連結(jié)構(gòu)，形成于所述MOS晶體管區(qū)上方的互連介質(zhì)層中，包括接觸孔，金屬互連線以及與所述金屬互連線配套的通孔，其中，頂層金屬互連線上表面窄下表面寬即橫截面呈梯形，所述頂層金屬互連線環(huán)繞所述光電二極管區(qū)上方；溝槽，形成在所述光電二極管區(qū)的上方，所述溝槽包括由所述頂層金屬互連線環(huán)繞而成的第一部分，以及位于所述頂層金屬互連線上方的第二部分，其中所述第二部分的側(cè)壁環(huán)繞所述光電二極管區(qū)上方；以及第一反射層及第二反射層，分別形成在所述第一部分及所述第二部分?？蛇x的，所述溝槽的底部面積大于或等于所述光電二極管區(qū)的面積?？蛇x的，所述溝槽的頂部面積大于其底部面積。可選的，所述第二部分的側(cè)壁與所述頂層金屬互連線上表面垂直相接?？蛇x的，所述第一反射層及所述第二反射層由反射層薄膜淀積形成，所述反射層薄膜的材料為氮化硅、碳化硅、多晶硅、鈦、氮化鈦或鎢；所述反射層薄膜的厚度為20 A到3000 A之間。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于能夠使得原先位于MOS晶體管上方被屏蔽的入射光被收集，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光電二極管以外區(qū)域的光線收集，從而達(dá)成了更多入射光到達(dá)光電二極管的感光區(qū)域，參與光電轉(zhuǎn)換過(guò)程的目的，有效地提高了像素單元的靈敏度。此外，由于金屬互連線是多層之間交錯(cuò)分布的，入射光不會(huì)到達(dá)MOS晶體管區(qū)域而造成漏電，可有效減少噪聲產(chǎn)生，同時(shí)溝槽上形成的反射層也進(jìn)一步防止了像素之間串?dāng)_的發(fā)生。


圖I所示為現(xiàn)有技術(shù)中CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)剖視圖。
圖2所示為本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)剖視圖。圖3-9所示為本發(fā)明的CMOS圖像傳感器制造方法的剖視圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚易懂，以下結(jié)合說(shuō)明書附圖，對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步說(shuō)明。當(dāng)然本發(fā)明并不局限于該具體實(shí)施例，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。圖2是本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)剖視圖。如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器包括多個(gè)進(jìn)行讀寫控制和復(fù)位的MOS晶體管區(qū)10和用于感光的光電二極管區(qū)20形成在襯底上。金屬互連結(jié)構(gòu)形成于MOS晶體管區(qū)上方的互連介質(zhì)層30中，金屬互連結(jié)構(gòu)包括金屬互連線1，金屬互連線2，頂層金屬互連線3以及與金屬互連線1，2，3配套的接觸孔4，通孔5，以及通孔6。金屬互連線I通過(guò)接 觸孔4與MOS晶體管電連接。金屬互連線2通過(guò)通孔5與金屬互連線I電連接。頂層金屬互連線3通過(guò)通孔6與金屬互連線2電連接。需要注意的是，盡管圖2中除頂層金屬互連線3以外，金屬互連線為兩層，但也可形成僅一層或多于兩層的金屬互連線。此外，這些金屬互連線被設(shè)置成將MOS晶體管區(qū)域10全部覆蓋。頂層金屬互連線3為上表面窄下表面寬，也即是橫截面為梯形，環(huán)繞于光電二極管區(qū)20的上方。此外，還可通過(guò)反應(yīng)聚合物的成分比來(lái)調(diào)節(jié)頂層金屬互連線3橫截斜面的角度。光電二極管區(qū)20的上方形成有溝槽40，溝槽40包括頂層金屬互連線3環(huán)繞而成的第一部分41，以及位于頂層金屬互連線3上方的第二部分42，其中第二部分42環(huán)繞光電二極管區(qū)20的上方。第一部分41和第二部分42上分別形成有第一反射層51和第二反射層52,共同負(fù)責(zé)將垂直入射光或斜入射光反射進(jìn)入光電二極管區(qū)20。進(jìn)一步的,溝槽40的第二部分42與頂層金屬互連線3的上表面垂直相接，從而能夠更好地使得斜入射光反射到光電二極管的感光區(qū)域20。溝槽40的底部是位于頂層金屬互連線3的下表面到金屬互連線2的上表面之間。更進(jìn)一步的，溝槽40底部的面積大于或等于光電二極管區(qū)20的面積，溝槽40的頂部面積大于其底部面積，以收集更多的MOS晶體管區(qū)域10的入射光，使其能夠被反射進(jìn)入光電二極管的感光區(qū)域20。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，溝槽40的底部和頂部均為正方形，且其頂部正方形的邊長(zhǎng)大于底部正方形的邊長(zhǎng)，頂層金屬互連線3為環(huán)繞溝槽40的正方形互連線。當(dāng)然，溝槽40的底部和頂部也可為其他多邊形，頂層金屬互連線3也可為多邊形互連線，本發(fā)明并不限于此。此外，第一反射層51及第二反射層52可由反射層薄膜淀積而成，其中反射層薄膜可以采用高反射率的氮化硅，碳化硅，多晶硅，鈦，氮化鈦，鎢或其它金屬，其厚度可以在20 A到3000 A之間。頂層金屬互連線3橫截斜面的角度可通過(guò)反應(yīng)聚合物的成分比來(lái)調(diào)節(jié)，以保證反射光線能到達(dá)光電二極管的感光區(qū)20。下面將參照?qǐng)D3至圖9描述根據(jù)本發(fā)明的用于制造上述CMOS圖像傳感器的方法。請(qǐng)參考圖3，首先，使用常規(guī)工藝在襯底上形成進(jìn)行讀寫控制和復(fù)位的MOS晶體管區(qū)10及用于感光的光電二極管區(qū)20 ;隨后在MOS晶體管區(qū)10上方形成互連介質(zhì)層30，在互連介質(zhì)層30中形成金屬互連結(jié)構(gòu)，金屬互連結(jié)構(gòu)包括金屬互連線1，金屬互連線2，以及與金屬互連線1，2相配套的接觸孔4，通孔5，及通孔6。金屬互連線I通過(guò)接觸孔4與MOS晶體管電連接。金屬互連線2通過(guò)通孔5與金屬互連線I電連接。需要注意的是，盡管圖3至圖5中金屬互連線為兩層，但也可形成僅一層或多于兩層的金屬互連線。此外，這些金屬互連線被設(shè)置成將MOS晶體管區(qū)域10全部覆蓋。其次，請(qǐng)參考圖4，淀積并刻蝕頂層金屬，以形成頂層金屬互連線3，頂層金屬互連線3通過(guò)通孔6與金屬互連線2電連接。在本發(fā)明的實(shí)施例中，采用Al刻蝕工藝，通過(guò)在刻蝕過(guò)程中增加反應(yīng)生成物在金屬側(cè)壁的淀積量，來(lái)形成具有上表面窄下表面寬，也即是橫截面為梯形的頂層金屬互連線3。當(dāng)然，也可以采用其他工藝刻蝕出具有這一結(jié)構(gòu)的頂層金屬互連線3，本發(fā)明并不限于此。頂層金屬互連線3環(huán)繞光電二極管區(qū)20的上方，其橫截斜面的角度可通過(guò)反應(yīng)聚合物的成分比來(lái)加以調(diào)節(jié)，從而調(diào)整入射光反射的角度。接著，如圖5所示，使用化學(xué)汽相淀積的方法在頂層金屬互連線3及其上方淀積頂層互連介質(zhì)層。再次，如圖6所示，刻蝕頂層互連介質(zhì)層以形成溝槽40。其中，溝槽40包括由頂層金屬互連線3環(huán)繞而成的第一部分41，以及位于頂層金屬互連線3上方的第二部分42，第 二部分42環(huán)繞光電二極管區(qū)20的上方。進(jìn)一步的，溝槽40的第二部分42的側(cè)壁與頂層金屬互連線3的上表面垂直相接，從而能夠更好地反射斜入射光到光電二極管的感光區(qū)域20。溝槽40的底部是位于頂層金屬互連線3的下表面到金屬互連線2的上表面之間。溝槽40底部的面積要大于或等于光電二極管區(qū)20的面積，其頂部面積則大于其底部面積，從而能夠收集到更多MOS晶體管區(qū)域10的入射光反射進(jìn)入光電二極管的感光區(qū)域20。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，溝槽40的底部和頂部均為正方形，且其頂部正方形的邊長(zhǎng)大于底部正方形邊長(zhǎng)，頂層金屬互連線3為環(huán)繞溝槽40的正方形互連線。當(dāng)然，溝槽40底部和頂部的形狀也可為其他多邊形，頂層金屬互連線3也可為多邊形互連線，本發(fā)明并不限于此。隨后，如圖7所示，在溝槽40上進(jìn)行反射層薄膜淀積而形成反射層50。反射層薄膜可以采用高反射率的氮化硅，碳化硅，多晶硅，鈦，氮化鈦，鎢或其它金屬，其厚度可以在20 A到3000 A之間。然后，如圖8所示，刻蝕反射層50，使得在頂層互連介質(zhì)層上表面和溝槽40底部的反射層被移除，只保留溝槽40側(cè)壁的反射層。此時(shí)，溝槽40側(cè)壁的反射層為包括第一反射層51和第二反射層52的復(fù)合反射層結(jié)構(gòu)，其中第一反射層51形成在溝槽40的第一部分41上，第二反射層52則形成在溝槽40的第二部分42上，共同負(fù)責(zé)將垂直入射光及斜入射光反射進(jìn)入光電二極管的感光區(qū)20。最后，如圖9所示，使用化學(xué)汽相的方法在溝槽中淀積并平坦化與頂層互連介質(zhì)層相同的介質(zhì)材料。綜上所述，本發(fā)明在像素的MOS晶體管區(qū)域上方形成了一個(gè)包括第一反射層和第二反射層的復(fù)合反射層結(jié)構(gòu)，從而可將垂直入射光和斜入射光都反射進(jìn)入光電二極管感光區(qū)，這樣就使得原先位于MOS晶體管區(qū)域上方被屏蔽的入射光能夠通過(guò)反射被收集，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光電二極管以外區(qū)域的光線收集，從而達(dá)成了更多入射光到達(dá)光電二極管的感光區(qū)域，參與光電轉(zhuǎn)換過(guò)程的目的，有效地提高了像素單元的靈敏度。此外，由于金屬互連線是多層之間交錯(cuò)分布的，入射光不會(huì)到達(dá)MOS晶體管區(qū)域而造成漏電，從而可有效減少噪聲產(chǎn)生，同時(shí)溝槽側(cè)壁上的反射層也進(jìn)一步防止了像素之間串?dāng)_的發(fā)生。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭示如上，然所述諸多實(shí)施例僅為了便于說(shuō)明而舉例而已，并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下可作若干的更動(dòng)與潤(rùn)飾，本發(fā)明所主張的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求書所述為 準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種CMOS圖像傳感器制造方法，其特征在于，包括以下步驟 在襯底上形成MOS晶體管區(qū)及光電二極管區(qū)； 在所述MOS晶體管區(qū)上方形成金屬互連結(jié)構(gòu)，所述金屬互連結(jié)構(gòu)形成于互連介質(zhì)層中，包括接觸孔，N-I層金屬互連線以及與所述金屬互連線配套的通孔；其中，N為金屬互連線層的總層數(shù)，且為大于等于2的正整數(shù)； 淀積并刻蝕第N層金屬，以形成上表面窄下表面寬即橫截面為梯形的頂層金屬互連線，所述頂層金屬互連線環(huán)繞所述光電二極管區(qū)上方； 在所述頂層金屬互連線之間及上方淀積頂層互連介質(zhì)層； 刻蝕所述頂層互連介質(zhì)層，在所述光電二極管區(qū)上方形成溝槽，所述溝槽包括由所述頂層金屬互連線環(huán)繞而成的第一部分，以及位于所述頂層金屬互連線上方的第二部分，其中所述第二部分的側(cè)壁環(huán)繞所述光電二極管區(qū)上方；以及 在所述第一部分與所述第二部分形成第一反射層與第二反射層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的CMOS圖像傳感器制造方法，其特征在于，在所述第一部分與所述第二部分形成第一反射層與第二反射層的步驟包括 在所述溝槽進(jìn)行反射層薄膜的淀積以形成反射層；以及 移除所述頂層互連介質(zhì)層上表面和所述溝槽底部的所述反射層，以形成所述第一反射層與所述第二反射層。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的CMOS圖像傳感器制造方法，其特征在于，還包括在形成所述第一反射層及所述第二反射層后，在所述溝槽淀積并平坦化介質(zhì)材料，其中所述介質(zhì)材料與所述頂層互連介質(zhì)層的介質(zhì)材料相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的CMOS圖像傳感器制造方法，其特征在于，所述溝槽的底部面積大于或等于所述光電二極管區(qū)的面積。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的CMOS圖像傳感器制造方法，其特征在于，所述溝槽的頂部面積大于其底部面積。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的CMOS圖像傳感器制造方法，其特征在于，所述第二部分的側(cè)壁與所述頂層金屬互連線上表面垂直相接。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的CMOS圖像傳感器制造方法，其特征在于，所述反射層薄膜的材料為氮化硅、碳化硅、多晶硅、鈦、氮化鈦或鎢；所述反射層薄膜的厚度為20 A到3000 A之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的CMOS圖像傳感器制造方法，其特征在于，所述溝槽的底部和頂部均為正方形，且其頂部正方形的邊長(zhǎng)大于底部正方形的邊長(zhǎng)；所述頂層金屬互連線為環(huán)繞所述溝槽的正方形互連線。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的CMOS圖像傳感器制造方法，其特征在于，所述溝槽的底部位于所述頂層金屬互連線下表面到其下層的所述金屬互連線上表面之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的CMOS圖像傳感器制造方法，其特征在于，通過(guò)反應(yīng)聚合物的成分比調(diào)節(jié)所述頂層金屬互連線橫截斜面的角度。
11.一種CMOS圖像傳感器，其特征在于，包括 MOS晶體管區(qū)和光電二極管區(qū)，形成于襯底上； 金屬互連結(jié)構(gòu)，形成于所述MOS晶體管區(qū)上方的互連介質(zhì)層中，包括接觸孔，金屬互連線以及與所述金屬互連線配套的通孔，其中，頂層金屬互連線上表面窄下表面寬即橫截面呈梯形，所述頂層金屬互連線環(huán)繞所述光電二極管區(qū)上方； 溝槽，形成在所述光電二極管區(qū)的上方，所述溝槽包括由所述頂層金屬互連線環(huán)繞而成的第一部分，以及位于所述頂層金屬互連線上方的第二部分，其中所述第二部分的側(cè)壁環(huán)繞所述光電二極管區(qū)上方；以及 第一反射層及第二反射層，分別形成在所述第一部分及所述第二部分。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述溝槽的底部面積大于或等于所述光電二極管區(qū)的面積。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述溝槽的頂部面積大于其底部面積。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述第二部分的側(cè)壁與所述頂層金屬互連線上表面垂直相接。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述第一反射層及所述第二反射層由反射層薄膜淀積形成，所述反射層薄膜的材料為氮化硅、碳化硅、多晶硅、鈦、氮化鈦或鎢；所述反射層薄膜的厚度為20 A到3000 A之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種CMOS圖像傳感器制造方法，包括在襯底上形成MOS晶體管區(qū)及光電二極管區(qū)；在MOS晶體管區(qū)上方形成金屬互連結(jié)構(gòu)，金屬互連結(jié)構(gòu)形成于互連介質(zhì)層中；形成上表面窄下表面寬即橫截面為梯形的頂層金屬互連線；淀積并刻蝕頂層互連介質(zhì)層，以在光電二極管區(qū)上方形成溝槽，所述溝槽包括由頂層金屬互連線環(huán)繞而成的第一部分，以及位于頂層金屬互連線上方的第二部分，所述第二部分環(huán)繞光電二極管區(qū)上方；以及在所述第一部分與所述第二部分形成第一反射層與第二反射層。本發(fā)明還公開了一種CMOS圖像傳感器，使得更多的入射光到達(dá)光電二極管的感光區(qū)域，參與光電轉(zhuǎn)換過(guò)程，有效地提高了像素單元的靈敏度。
文檔編號(hào)H01L27/146GK102881700SQ201210348088
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者顧學(xué)強(qiáng) 申請(qǐng)人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司