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轉(zhuǎn)換為電信號的裝置。圖像傳感器包括電荷耦合器件(CXD)和互補金屬氧化物半導(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，因此得到越來越廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在CMOS圖像傳感器不僅用于消費電子領(lǐng)域，例如微型數(shù)碼相機(DSC)，手機攝像頭，攝像機和數(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光電二極管和3個MOS晶體管，四管和五管式像素單元分別包括一個光電二極管和4個或5個MOS晶體管。這些器件中光電二極管是感光單元，實現(xiàn)對光線的收集和光電轉(zhuǎn)換，其它的MOS晶體管是控制單元，主要實現(xiàn)對光電二極管的選中，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的面積占整個像素單元面積的比例成正比，我們把這個比例定義為填充因子。由于光電二極管區(qū)20之間存在用于信號控制的3個，4個或5個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為大于等于2的正整數(shù)；沉積并刻蝕第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；沉積并刻蝕頂層互連介質(zhì)層，以形成位于所述頂層金屬互連線上方的環(huán)狀隔離槽；對所述環(huán)狀隔離槽進行高反射率材料填充，形成環(huán)狀反射隔離環(huán)。
可選的，所述CMOS圖像傳感器制造方法，還包括對所述環(huán)狀隔離槽進行高反射率材料填充后，通過反刻或化學(xué)機械拋光刻蝕暴露在所述頂層互連介質(zhì)層表面的高反射率材料?？蛇x的，所述頂層金屬互連線環(huán)繞所述光電二極管區(qū)上方，由所述頂層金屬互連線環(huán)繞的面積大于或等于所述光電二極管區(qū)的面積?？蛇x的，所述環(huán)狀隔離槽垂直相接于所述頂層金屬互連線上表面。可選的，所述高反射率材料為金屬、氮化硅、碳化硅、多晶硅或氮化鈦。可選的，所述頂層金屬互連線為環(huán)繞的正方形互連線，所述環(huán)狀反射隔離環(huán)為正方形環(huán)。可選的，所述環(huán)狀反射隔離環(huán)的底邊寬度小于所述頂層金屬互連線上表面的寬 度?？蛇x的，通過反應(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；以及環(huán)狀反射隔離環(huán)，位于所述頂層金屬互連線上方的頂層互連介質(zhì)層中?？蛇x的，所述頂層金屬互連線環(huán)繞所述光電二極管區(qū)上方，由所述頂層金屬互連線環(huán)繞的面積大于或等于所述光電二極管區(qū)的面積?？蛇x的，所述環(huán)狀隔離環(huán)與所述頂層金屬互連線上表面垂直相接?？蛇x的，所述環(huán)狀反射隔離環(huán)的材料為金屬、氮化硅、碳化硅、多晶硅或氮化鈦?？蛇x的，所述環(huán)狀反射隔離環(huán)的底邊寬度小于所述頂層金屬互連線上表面的寬度。本發(fā)明的優(yōu)點在于通過環(huán)狀反射隔離環(huán)和頂層金屬互連線構(gòu)成復(fù)合反射結(jié)構(gòu)，能夠使得原先位于MOS晶體管上方被屏蔽的入射光被收集，實現(xiàn)了對光電二極管以外區(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)換過程的目的，有效地提高了像素單元的靈敏度。此外，由于互連介質(zhì)層中的金屬互連線是多層之間交錯分布的，入射光不會到達(dá)MOS晶體管區(qū)域而造成漏電，可有效減少噪聲產(chǎn)生，同時環(huán)狀反射隔離環(huán)也進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3-5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)合說明書附圖，對本發(fā)明的內(nèi)容作進一步說明。當(dāng)然本發(fā)明并不局限于該具體實施例，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進行讀寫控制和復(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通過接觸孔4與MOS晶體管電連接。金屬互連線2通過通孔5與金屬互連線I電連接。頂層金屬互連線3通過通孔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。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，頂層金屬互連線3環(huán)繞于光電二極管區(qū)20的上方，由頂層金屬互連線3環(huán)繞的面積大于或等于光電二極管區(qū)20的面積，也即是頂層金屬互連線3下表面內(nèi)側(cè)側(cè)邊環(huán)繞而成的面積要大于或等于光電二極管區(qū)20的面積，以使得MOS晶體管區(qū)域10的入射光能夠被反射進入光電二極管的感光區(qū)域20。此外，還可通過反應(yīng)聚合物的成分比來調(diào)節(jié)頂層金屬互連線橫截斜面的角度。環(huán)狀反射隔離環(huán)40位于頂層金屬互連線3上方的頂層互連介質(zhì)層中。環(huán)狀反射隔離環(huán)40的材料可為金屬、氮化 硅、碳化硅、多晶硅或氮化鈦等高反射率材料。進一步的，環(huán)狀反射隔離環(huán)40的底邊寬度小于頂層金屬互連線3上表面的寬度；環(huán)狀反射隔離環(huán)40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。在本發(fā)明的一個實施例中，頂層金屬互連線3是環(huán)繞的正方形互連線，環(huán)狀反射隔離環(huán)40為正方形環(huán)，當(dāng)然頂層金屬互連線3還可以是其他多邊形互連線，環(huán)狀反射隔離環(huán)40也可為多邊形環(huán)，本發(fā)明并不限于此。下面將參照圖3至圖5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。請參考圖3，首先，使用常規(guī)工藝在襯底上形成進行讀寫控制和復(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通過接觸孔4與MOS晶體管電連接。金屬互連線2通過通孔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，請參考圖4，淀積并刻蝕金屬形成頂層金屬互連線3，頂層金屬互連線3通過通孔6與金屬互連線2電連接。在本發(fā)明的實施例中，采用Al刻蝕工藝，通過在刻蝕過程中增加反應(yīng)生成物在金屬側(cè)壁的淀積量，來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，也可以采用其他刻蝕工藝來形成具有這一結(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，由頂層金屬互連線3環(huán)繞的面積大于或等于光電二極管區(qū)20的面積，也即是頂層金屬互連線3下表面內(nèi)側(cè)側(cè)邊環(huán)繞而成面積要大于或等于光電二極管區(qū)20的面積，以使得更多光電二極管以外區(qū)域的入射光能夠被反射進入光電二極管的感光區(qū)域20。此外，頂層金屬互連線3橫截斜面的角度也可以通過反應(yīng)聚合物的成分比來加以調(diào)節(jié)，從而調(diào)整入射光反射的角度。
接著，如圖5所示，沉積并刻蝕頂層互連介質(zhì)層以形成位于頂層金屬互連線3上方的環(huán)狀隔離槽，其中沉積方法例如是化學(xué)汽相淀積，刻蝕方法例如是等離子刻蝕。接著對環(huán)狀隔離槽進行高反射率材料填充，填充方法例如是化學(xué)汽相淀積，本發(fā)明并不限于此。其中，高反射率材料可為氮化硅、碳化硅、多晶硅或氮化鈦，亦可為銅、鋁等金屬。然后，通過反刻或化學(xué)機械拋光技術(shù)來刻蝕暴露在頂層互連介質(zhì)層表面的高反射率材料，最終獲得環(huán)狀反射隔離環(huán)40。通過環(huán)狀反射隔離環(huán)40，入射光被反射而進入光電二極管20感光區(qū)，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，環(huán)狀隔離環(huán)40與頂層金屬互連線3垂直相接，從而能夠更好地將斜入射光反射到光電二極管的感光區(qū)域。進一步的，環(huán)狀反射隔離環(huán)40的底邊寬度小于頂層金屬互連線的寬度。頂層金屬互連線3可為環(huán)繞的正方形互連線或其他多邊形互連線，環(huán)狀反射隔離環(huán)40可為正方形環(huán)或其他多邊形環(huán)。綜上所述，本發(fā)明在像素的MOS晶體管區(qū)域上方形成了一個包括環(huán)狀反射隔離環(huán)和頂層金屬互連線的復(fù)合反射結(jié)構(gòu)，可以將斜入射光和垂直入射光都反射進入光電二極 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被反射收集，實現(xiàn)了對光電二極管以外區(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分布的，入射光不會到達(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，同時環(huán)狀反射隔離環(huán)也進一步防止了像素之間串?dāng)_的發(fā)生。雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭示如上，然所述諸多實施例僅為了便于說明而舉例而已，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與潤飾，本發(fā)明所主張的保護范圍應(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為大于等于2的正整數(shù)； 沉積并刻蝕第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. 沉積并刻蝕頂層互連介質(zhì)層，以形成位于所述頂層金屬互連線上方的環(huán)狀隔離槽； 對所述環(huán)狀隔離槽進行高反射率材料填充，形成環(huán)狀反射隔離環(huán)。
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，還包括 對所述環(huán)狀隔離槽進行高反射率材料填充后，通過反刻或化學(xué)機械拋光刻蝕暴露在所述頂層互連介質(zhì)層表面的高反射率材料。
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，所述頂層金屬互連線環(huán)繞所述光電二極管區(qū)上方，由所述頂層金屬互連線環(huán)繞的面積大于或等于所述光電二極管區(qū)的面積。
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，所述環(huán)狀隔離槽垂直相接于所述頂層金屬互連線上表面。
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，所述高反射率材料為金屬、氮化娃、碳化娃、多晶娃或氮化鈦。
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，所述頂層金屬互連線為環(huán)繞的正方形互連線，所述環(huán)狀反射隔離環(huán)為正方形環(huán)。
7.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，所述環(huán)狀反射隔離環(huán)的底邊寬度小于所述頂層金屬互連線上表面的寬度。
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， 通過反應(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。
9.一種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；以及 環(huán)狀反射隔離環(huán)，位于所述頂層金屬互連線上方的頂層互連介質(zhì)層中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述頂層金屬互連線環(huán)繞所述光電二極管區(qū)上方，由所述頂層金屬互連線環(huán)繞的面積大于或等于所述光電二極管區(qū)的面積。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述環(huán)狀隔離環(huán)與所述頂層金屬互連線上表面垂直相接。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述環(huán)狀反射隔離環(huán)的材料為金屬、氮化娃、碳化娃、多晶娃或氮化鈦。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述環(huán)狀反射隔離環(huán)的底邊寬度小于所述頂層金屬互連線 上表面的寬度。
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-1層金屬互連線以及與所述金屬互連線配套的通孔；沉積并刻蝕第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；沉積并刻蝕頂層互連介質(zhì)層，以形成位于所述頂層金屬互連線上方的環(huán)狀隔離槽；對所述環(huán)狀隔離槽進行高反射率材料填充，形成環(huán)狀反射隔離環(huán)。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)換過程，有效地提高了像素單元的靈敏度。
文檔編號H01L27/146GK102903725SQ20121034959
公開日2013年1月30日 申請日期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 申請人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司