CN103000647B - 一种cmos影像传感器光学增强结构及制备方法 - Google Patents

一种cmos影像传感器光学增强结构及制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103000647B
CN103000647B CN201210414607.5A CN201210414607A CN103000647B CN 103000647 B CN103000647 B CN 103000647B CN 201210414607 A CN201210414607 A CN 201210414607A CN 103000647 B CN103000647 B CN 103000647B
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
light
image sensor
metallic reflector
cmos image
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201210414607.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103000647A (zh
Inventor
康晓旭
赵宇航
李铭
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai IC R&D Center Co Ltd
Original Assignee
Shanghai Integrated Circuit Research and Development Center Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Integrated Circuit Research and Development Center Co Ltd filed Critical Shanghai Integrated Circuit Research and Development Center Co Ltd
Priority to CN201210414607.5A priority Critical patent/CN103000647B/zh
Publication of CN103000647A publication Critical patent/CN103000647A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103000647B publication Critical patent/CN103000647B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

本发明公开了一种CMOS影像传感器光学增强结构及制备方法，该结构包括硅衬底及其上的光敏元件和标准CMOS多层结构，该光敏元件上方具有形成透光空间的深沟槽，该深沟槽侧壁由金属反射层环绕，以反射入射到该金属反射层的光线。本发明的光学增强结构在光敏元件上面形成的深沟槽侧壁形成一层薄金属反射层，使入射光线完全反射到光敏元件上，屏蔽了相邻像元之间的光学串扰，增强了入射到光敏元件上的光线强度，从而提高了CMOS影像传感器的光学灵敏度，提升了芯片的性能和可靠性。

Description

一种CMOS影像传感器光学增强结构及制备方法
技术领域
本发明涉及CMOS影像传感器技术领域，尤其涉及一种CMOS影像传感器光学增强结构及制备方法。
背景技术
CMOS影像传感器由于其与CMOS工艺兼容的特点，从而得到快速发展。相对于CCD工艺，其工艺完全与CMOS工艺兼容，其通过将光敏二极管和CMOS处理电路一起做在硅衬底上，从而在保证性能的基础上大幅度降低了成本，同时可以大幅度提高集成度，制造像素更高的产品。
传统CMOS影像传感器是使用正面光照的方法，将光敏二极管和CMOS处理电路一起做在硅衬底上使用同一层次实现，而芯片互连则制造在CMOS处理电路之上，光敏二极管之上为了光线的通过而不进行互连线的排步。然而，常规半导体材料的透光性较差，因此需要把光敏二极管上面的介质层次全部去除，并填充透光材料，以增强其光吸收。
与此同时，随着像元尺寸减小，相邻像元之间的间距也随着急剧减小，入射光线可能会经过折射和多次反射才能进入相邻的像元，导致光学串扰的发生，便会引起像元的分辨率降低、芯片性能变差。因此，如如何减少相邻像元之间的光学串扰、增强入射光的量以提高像元分辨率和灵敏度是本领域的技术难点之一。
发明内容
本发明的目的在于弥补上述现有技术的不足，提供一种CMOS影像传感器光学增强结构及制备方法。
本发明的CMOS影像传感器光学增强结构，包括硅衬底及其上的光敏元件和标准CMOS多层结构，该光敏元件上方具有形成透光空间的深沟槽，该深沟槽侧壁由金属反射层环绕，以反射入射到该金属反射层的光线，该多层结构的顶层之上也具有金属反射层，以反射从多层结构顶部入射到多层结构内部的光线，且该多层结构的顶层为介质层，用以将多层结构中的金属互连层与金属反射层相隔离，同时，深沟槽之间隔离区顶部金属反射层也被去除一部分，以避免相邻像元间的串联干扰；该深沟槽内填充透明材料以形成透光体，该透明材料是含碳、氢、氧的透明树脂材料，该透明材料所形成的透光体还覆盖该多层结构顶层的金属反射层；其中，通过去除由数个光敏元件组成的像元阵列区域之上的钝化层，使像元的光线入射角度变得更大，光线路程变得更短，以提高光的吸收能力。
其中，该多层结构包括标准CMOS多晶硅层、接触孔层、金属互连层、通孔层和互连介质层。
进一步地，该多层结构的顶层之上也具有金属反射层，且该多层结构的顶层为介质层，用以将多层结构中的金属互连层与金属反射层相隔离。在多层结构顶层也设置金属反射层的目的在于，反射从多层结构顶部入射到多层结构内部的光线，而进一步避免光线对相邻像元的光学串扰。
进一步地，该金属反射层材料包括Al、Cu、Pt、Ru、TaN、Ta、Ti、TiN等CMOS工艺中常用的金属材料及其叠层复合材料，如Ti\TiN\Al复合金属，且该金属反射层的厚度为50A-5000A，其是通过PVD(物理气相沉积，Physical Vapor Deposition)、CVD(化学气相沉积，Chemical Vapor Deposition)、ALD(原子层沉积，Atomic Layer Deposition)等成膜技术来制备的。
在深沟槽内透明材料的上表面还依次设置有彩色滤光层(colorfilter)和微透镜(microlens)。
进一步地，该光敏元件是光敏二极管。
本发明的CMOS影像传感器光学增强结构的制备方法包括以下步骤：
步骤S01：利用标准CMOS工艺在硅衬底上制备光敏元件和用于CMOS器件的多层结构，去除像元阵列区域的钝化层；
步骤S02：光刻刻蚀去除光敏元件上方的介质层，形成具有透光空间的深沟槽；
步骤S03：利用成膜工艺向硅片表面沉积金属反射层；
步骤S04：去除深沟槽内除深沟槽侧壁以外的金属反射层；
步骤S05：向深沟槽内填充透明材料，并实现硅片平坦化；
步骤S06：在深沟槽内透明材料的上表面依次制作彩色滤光层和微透镜。
进一步地，步骤S01与步骤S02之间还包括去除由数个光敏元件组成的像元阵列区域之上的钝化层的步骤S011，该钝化层是包括下层SiN层(厚度为1000A-2000A)和上层SiO2层的叠层结构，该步骤S011包括去除SiO2层并停留在SiN层以及去除SiN层。
进一步地，步骤S03中成膜工艺包括PVD、CVD、ALD等工艺。
其中，由于步骤S04需要去除多个高度平面上的金属反射层，包括深沟槽底部、深沟槽内除深沟槽侧壁以外的区域，甚至深沟槽之间隔离区域的顶部，以及像元阵列外部区域，因此，该步骤包括单次或多次光刻多次不同焦平面的曝光技术。
具体地，步骤S04包括：先实现深沟槽底部区域的曝光，露出需要刻蚀去除的金属反射层；再实现深沟槽之间隔离区顶部金属反射层的曝光，露出需要刻蚀去除的金属反射层；最后实现像元阵列外部区域钝化层上的金属反射层曝光，露出需要刻蚀去除的金属反射层；最后通过刻蚀去除上述区域的金属反射层。
此外，也可以通过大面积刻蚀去除硅片表面平面之上的金属反射层，这是由于深沟槽侧壁的金属反射层纵向高度很高，即很厚，因此，可以在刻蚀后被保留下来。
现有技术中，由于光敏元件区域上方的介质层膜层较多且复杂，同时非常厚，也就是光线到达光敏元件的距离比较长，这样光线传输中，会有不可避免的损失，该损失与光线传输路程成正比；同时，光线传输过程中，有一定角度的光线会入射到深沟槽侧壁上，该部分光线会发生一定的折射、透射及吸收，导致相邻像元之间的串扰以及光线损失。
因此，本发明的光学增强结构在光敏元件上面形成的深沟槽侧壁形成一层薄金属反射层，使入射光线完全反射到光敏元件上，屏蔽了相邻像元之间的光学串扰，增强了入射到光敏元件上的光线强度，从而提高了CMOS影像传感器的光学灵敏度，提升了芯片的性能和可靠性；此外，可以通过大面积去除光敏元件阵列区域的钝化层，降低光线传输路径的长度，入射角度也变得更大；同时，由于光敏元件到彩色滤光层及微透镜的距离变短，能够接受更大角度的入射光线，提高了光吸收能力。
附图说明
为能更清楚理解本发明的目的、特点和优点，以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细描述，其中：
图1是本发明第一实施例CMOS影像传感器光学增强结构的剖视图；
图2是本发明第二实施例CMOS影像传感器光学增强结构的剖视图；
图3a和图3b是本发明光学增强结构中有无钝化层的效果示意图；
图4是本发明光敏二极管阵列区域在制备金属反射层之前的剖视图；
图5是图4在制备金属反射层及其他层次之后的剖视图。
具体实施方式
请参阅图1，第一实施例中，CMOS影像传感器的像元结构包括硅衬底1上的光敏二极管10和多层结构(用于标准CMOS器件的层次)，本实施例中，本实施例中硅衬底1与多层结构之间还具有一层栅极氧化层2，其中，多层结构自下而上包括多晶硅层3、钨接触孔层4、铜金属互连层5以及其上的其他通孔层、金属互连层和互连介质层。光敏二极管10上方具有形成透光空间的深沟槽7，深沟槽7侧壁由金属反射层6环绕，以反射入射到该金属反射层6的光线。金属反射层6为铝材料，厚度为100A，通过PVD成膜技术制备。
其中，深沟槽7内填充透明材料形成透光体71，透明材料所形成的透光体71还覆盖多层结构的顶层，在深沟槽7内透明材料的上表面一次设置有彩色滤光层8和微透镜9。
本发明以第一实施例中多个CMOS影像传感器光学增强结构组成的像元阵列的制造方法包括：
步骤S01：利用标准CMOS工艺在硅衬底上制备光敏二极管10和用于CMOS器件的多层结构，去除像元阵列区域的钝化层，该钝化层是包括下层SiN层和上层SiO2层的叠层结构，去除钝化层的步骤包括去除SiO2层并停留在SiN层以及去除SiN层；
步骤S02：光刻刻蚀去除光敏二极管10上方的介质层，形成具有透光空间的深沟槽7；
步骤S03：利用PVD成膜工艺向硅片表面沉积金属反射层6；
步骤S04：去除深沟槽7内除深沟槽侧壁以外的金属反射层6；
步骤S05：向深沟槽7内填充透明材料，并实现硅片平坦化；
步骤S06：在深沟槽7内透明材料的上表面依次制作彩色滤光层8和微透镜9。
其中，步骤S04包括：先实现深沟槽7底部区域的曝光，露出需要刻蚀去除的金属反射层；再实现深沟槽7之间隔离区顶部金属反射层的曝光，露出需要刻蚀去除的金属反射层；最后实现像元阵列外部区域钝化层上的金属反射层曝光，露出需要刻蚀去除的金属反射层；最后通过刻蚀去除上述区域的金属反射层。
请继续参阅图2，第二实施例中，CMOS影像传感器的像元结构包括硅衬底1上的光敏二极管10和多层结构(用于标准CMOS器件的层次)，本实施例中，本实施例中硅衬底1与多层结构之间还具有一层栅极氧化层2，其中，多层结构自下而上包括多晶硅层3、钨接触孔层4、铜金属互连层5以及其上的其他通孔层、金属互连层和互连介质层。光敏二极管10上方具有形成透光空间的深沟槽7，深沟槽7侧壁由金属反射层6环绕，以反射入射到该金属反射层6的光线；多层结构的顶层之上也制备一层金属反射层6，用以反射从多层结构顶部入射到多层结构内部的光线，而进一步避免光线对相邻像元的光学串扰。金属反射层6为钛材料，厚度为500A，通过PVD成膜技术制备。
其中，深沟槽7内填充透明材料形成透光体71，透明材料所形成的透光体71还覆盖多层结构的顶层，在深沟槽7内透明材料的上表面一次设置有彩色滤光层8和微透镜9。
请同时参阅图3a和3b，图3a中的多层结构比图3b的多层结构多了一层钝化层11，可见，去除钝化层后，像元的光线A入射角度变得更大，光线路程B则变得更短，可以提高光的吸收能力。
接着，请同时参阅图4和图5。
图4中，光敏二极管阵列区域C-C的钝化层12先被去除，其中，钝化层12包括先后生成的下层SiN层和上层SiO2层的叠层结构，该去除钝化层步骤包括去除SiO2层并停留在SiN层以及去除SiN层；然后在各光敏二极管10的上方制备出深沟槽7(图中像元间的多层结构31的各个层次被省略绘出)。
图5中，光敏二极管阵列区域C-C已制备完透光体、金属反射层6、彩色滤光层8以及微透镜9。从图中可见，多层结构31的顶层为介质层14，目的是为了将多层结构中的金属互连层与金属反射层6相互隔开与保护；同时，深沟槽7之间隔离区顶部金属反射层6也被去除一部分，目的是避免相邻像元间的串联干扰。
其中，上述实施例的透明材料选用本领域常用的含碳、氢、氧的透明树脂材料。

Claims (10)

1.一种CMOS影像传感器光学增强结构，其特征在于：其包括硅衬底及其上的光敏元件和标准CMOS多层结构，该光敏元件上方具有形成透光空间的深沟槽，该深沟槽侧壁由金属反射层环绕，以反射入射到该金属反射层的光线，该多层结构的顶层之上也具有金属反射层，以反射从多层结构顶部入射到多层结构内部的光线，且该多层结构的顶层为介质层，用以将多层结构中的金属互连层与金属反射层相隔离，同时，深沟槽之间隔离区顶部金属反射层也被去除一部分，以避免相邻像元间的串联干扰；该深沟槽内填充透明材料以形成透光体，该透明材料是含碳、氢、氧的透明树脂材料，该透明材料所形成的透光体还覆盖该多层结构顶层的金属反射层；其中，通过去除由数个光敏元件组成的像元阵列区域之上的钝化层，使像元的光线入射角度变得更大，光线路程变得更短，以提高光的吸收能力。
2.根据权利要求1所述的CMOS影像传感器光学增强结构，其特征在于：该多层结构包括标准CMOS多晶硅层、接触孔层、金属互连层、通孔层和互连介质层。
3.根据权利要求1所述的CMOS影像传感器光学增强结构，其特征在于：该金属反射层材料包括Al、Cu、Pt、Ru、TaN、Ta、Ti、TiN及其叠层复合材料，且该金属反射层的厚度为50A-5000A。
4.根据权利要求1所述的CMOS影像传感器光学增强结构，其特征在于：在深沟槽内透明材料的上表面还依次设置有彩色滤光层和微透镜。
5.根据权利要求4所述的CMOS影像传感器光学增强结构，其特征在于：该光敏元件是光敏二极管。
6.一种权利要求1所述CMOS影像传感器光学增强结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S01：利用标准CMOS工艺在硅衬底上制备光敏元件和用于CMOS器件的多层结构，去除像元阵列区域的钝化层；
步骤S02：光刻刻蚀去除光敏元件上方的介质层，形成具有透光空间的深沟槽；
步骤S03：利用成膜工艺向硅片表面沉积金属反射层；
步骤S04：去除深沟槽内除深沟槽侧壁以外的金属反射层；
步骤S05：向深沟槽内填充透明材料，并实现硅片平坦化；
步骤S06：在深沟槽内透明材料的上表面依次制作彩色滤光层和微透镜。
7.根据权利要求6所述的CMOS影像传感器光学增强结构的制备方法，其特征在于：步骤S01与步骤S02之间还包括去除由数个光敏元件组成的像元阵列区域之上的钝化层的步骤S011，该钝化层是包括下层SiN层和上层SiO2层的叠层结构，该步骤S011包括去除SiO2层并停留在SiN层以及去除SiN层。
8.根据权利要求6所述的CMOS影像传感器光学增强结构的制备方法，其特征在于：步骤S03中成膜工艺包括PVD、CVD、ALD。
9.根据权利要求6所述的CMOS影像传感器光学增强结构的制备方法，其特征在于：步骤S04包括单次或多次光刻多次不同焦平面的曝光技术。
10.根据权利要求9所述的CMOS影像传感器光学增强结构的制备方法，其特征在于：步骤S04包括先实现深沟槽底部区域的曝光，露出需要刻蚀去除的金属反射层；再实现深沟槽之间隔离区顶部金属反射层的曝光，露出需要刻蚀去除的金属反射层；最后实现像元阵列外部区域钝化层上的金属反射层曝光，露出需要刻蚀去除的金属反射层；最后通过刻蚀去除上述区域的金属反射层。
CN201210414607.5A 2012-10-25 2012-10-25 一种cmos影像传感器光学增强结构及制备方法 Active CN103000647B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210414607.5A CN103000647B (zh) 2012-10-25 2012-10-25 一种cmos影像传感器光学增强结构及制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210414607.5A CN103000647B (zh) 2012-10-25 2012-10-25 一种cmos影像传感器光学增强结构及制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103000647A CN103000647A (zh) 2013-03-27
CN103000647B true CN103000647B (zh) 2018-10-16

Family

ID=47929025

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201210414607.5A Active CN103000647B (zh) 2012-10-25 2012-10-25 一种cmos影像传感器光学增强结构及制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103000647B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103066089B (zh) * 2012-12-26 2018-08-28 上海集成电路研发中心有限公司 Cmos影像传感器像元结构及其制造方法
TWI669811B (zh) * 2018-02-01 2019-08-21 Powerchip Semiconductor Manufacturing Corporation 具有類光導管結構之影像感測器

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1574378A (zh) * 2003-06-11 2005-02-02 索尼株式会社 固态摄像器件
CN1917222A (zh) * 2005-08-18 2007-02-21 联华电子股份有限公司 互补式金属氧化物半导体晶体管影像感测器及其制造方法
CN101132014A (zh) * 2006-08-25 2008-02-27 联华电子股份有限公司 图像感测装置及其制作方法
CN102593138A (zh) * 2012-01-19 2012-07-18 北京思比科微电子技术股份有限公司 一种cmos图像传感器及cmos图像传感器的制造方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1574378A (zh) * 2003-06-11 2005-02-02 索尼株式会社 固态摄像器件
CN1917222A (zh) * 2005-08-18 2007-02-21 联华电子股份有限公司 互补式金属氧化物半导体晶体管影像感测器及其制造方法
CN101132014A (zh) * 2006-08-25 2008-02-27 联华电子股份有限公司 图像感测装置及其制作方法
CN102593138A (zh) * 2012-01-19 2012-07-18 北京思比科微电子技术股份有限公司 一种cmos图像传感器及cmos图像传感器的制造方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN103000647A (zh) 2013-03-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9978784B2 (en) Grids in backside illumination image sensor chips and methods for forming the same
KR101438268B1 (ko) 후면 조명 이미지 센서 칩 내의 그리드 및 이러한 그리드를 형성하기 위한 방법
US7935994B2 (en) Light shield for CMOS imager
JP6325620B2 (ja) 半導体装置およびその製造方法
US9305951B2 (en) Pixel structure of CMOS image sensor and manufacturing method thereof
JP6019099B2 (ja) 半導体装置の製造方法
CN110660817A (zh) 抗裂缝的深沟槽隔离结构、图像传感器结构及其形成方法
KR102300877B1 (ko) Bsi 이미지 센서에서 자기 정렬된 그리드들을 형성하는 방법
US20110227180A1 (en) Solid-state imaging device and method for manufacturing same
CN106783901B (zh) 背照式传感器的制造方法及版图结构
JP6083572B2 (ja) 固体撮像装置及びその製造方法
US20120086091A1 (en) Backside image sensor
CN103066089B (zh) Cmos影像传感器像元结构及其制造方法
CN103000647B (zh) 一种cmos影像传感器光学增强结构及制备方法
US8581313B2 (en) Solid-state imaging device
JP4682568B2 (ja) 固体撮像素子の製造方法
CN105655361A (zh) 背照式cmos图像传感器及其形成方法
CN102891159B (zh) Cmos影像传感器的像元结构及其制造方法
TWI701820B (zh) 彩色濾光片裝置及形成方法
JP7457989B2 (ja) 光検出器、固体撮像素子、及び、光検出器の製造方法
JP2005209676A (ja) 固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法
US20120161269A1 (en) Low-crosstalk front-side illuminated image sensor
WO2023013408A1 (ja) 光検出器、光検出器の製造方法及び電子機器

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant