CN104576662A - 一种高量子转换效率的堆叠式cmos传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高量子转换效率的堆叠式CMOS传感器及其制备方法，通过去除多余氮化硅薄膜，提高量子转化效率,从而提高成像质量。本发明具有如下技术优势：1、本发明把逻辑晶圆结构和像素晶圆结构堆叠为一体，因此能够实现在较小的传感器芯片尺寸上形成大量像素点，可以把腾出来的空间放置更多的像素。并且，逻辑晶圆结构和像素晶圆结构相互独立，所以像素点部分可以进行更高的画质优化，电路部分亦可进行高性能优化。2、通过对像素晶圆结构，逻辑晶圆结构及绝缘层的孔注入铜，形成金属连接件，像素晶圆结构，逻辑晶圆结构形成互联结构。3、通过光罩及干法蚀刻工艺，去除多余的氮化硅薄膜，改变入射光路的薄膜结构，提高量子转换效率。

Description

一种高量子转换效率的堆叠式CMOS传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及图像传感器领域，具体地说是一种高量子转换效率的堆叠式CMOS传感器及形成流程。

背景技术

堆栈式CMOS传感器是将原来传感器里的信号处理电路放到了原来的基板上，在传感器芯片上重叠形成背照式CMOS传感器的像素部分，因此能够实现在较小的传感器芯片尺寸上形成大量像素点，可以把腾出来的空间放置更多的像素。另外，传感器里的像素点和电路是分开独立的，所以像素点部分可以进行更高的画质优化，电路部分亦可进行高性能优化。

由于COMS传感器在具有高图像采集速度和高抗干扰性的同时，还具有低操作电压、低功耗等特点，并可利用相同的高容量晶圆生产线上进行COMS图像传感器的制备，但现有产品对CMOS图像传感器的图像质量要求越来越高，而传统堆叠式CMOS传感器设有一层阻挡层来作为铜阻挡层，这样会降低CMOS图像传感器的量子转化效率，影响电子设备的成像质量。

中国专利（公开号：102376724A）本发明提供了一种呈现改进的量子率的图像传感器器件。例如，提供了一种背照式（ＢＳＩ）图像传感器器件，包括：具有前表面和后表面的基板；设置在基板的前表面处的感光区；以及设置在基板的后表面上方的抗反射层。当在小于700ｎｍ的波长处进行测量时，抗反射层具有大于或等于约2.2的折射率以及小于或等于约0.05的消光系数。本发明还提供了用于背照式图像传感器的抗反射层及其制造方法。

中国专利（公开号：103165633A）记载了一种背照式CMOS图像传感器，通过使用正面离子注入工艺形成在衬底上方的光电有源区域以及与该光电有源区域相邻形成的延伸的光电有源区域，并使用背面离子注入工艺来形成延伸的光电有源区域，且继续于衬底背面上制备一激光退火层，进而达到增大光子到电子的转化量，改善量子效率。该专利文献中并没有记载改善CMOS器件白像素问题的相关技术特征。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种高量子转换效率的堆叠式CMOS传感器及形成流程，通过改变入射光路薄膜结构，使用光罩和干法蚀刻去除多余阻挡层，提高堆叠式CMOS传感器的量子转化效率,从而提高成像质量。

为达到上述目的，本发明采用如下方案：

一种高量子转换效率的堆叠式COMS传感器，所述传感器包括像素晶圆结构和逻辑晶圆结构，该逻辑晶圆结构通过一绝缘层与键合于所述像素晶圆结构的上方，其中，所述传感器还包括金属互连线区，所述像素晶圆结构通过所述金属互连线区与所述逻辑晶圆结构连接；

其中，所述像素晶圆结构包括一阻挡层，该阻挡层覆盖于所述金属互连线的上表面。

上述的高量子转换效率的堆叠式COMS传感器，其中，所述像素晶圆结构中还包括感光层和受光层，所述受光层覆盖所述感光层的上表面。

上述的高量子转换效率的堆叠式COMS传感器，其中，所述感光层设置有光电二极管区和金属互连线区，所述阻挡层位于所述受光层中，且所述阻挡层位于所述金属互连线区的上方，所述金属互连线区贯穿所述感光层，且所述感光层中设置有若干个光电二极管。

上述的高量子转换效率的堆叠式COMS传感器，其中，所述金属互连线区中填充有铜。

上述的高量子转换效率的堆叠式COMS传感器，其中，所述像素晶圆结构中还包括像素布线层，所述像素布线层覆盖所述绝缘层的上表面。

上述的高量子转换效率的堆叠式COMS传感器，其中，所述像素布线层内设有若干个第一层间金属布线。

上述的高量子转换效率的堆叠式COMS传感器，其中，所述逻辑晶圆结构包括基底，逻辑布线层，所述逻辑布线层位于所述衬底的上表面。

上述的高量子转换效率的堆叠式COMS传感器，其中，所述逻辑布线层中设有若干个第二层间金属布线。

上述的高量子转换效率的堆叠式COMS传感器，其中，所述感光层的材质为硅。

上述的高量子转换效率的堆叠式COMS传感器，其中，所述像素晶圆结构的上表面还设置有若干颜色滤镜。

上述的高量子转换效率的堆叠式COMS传感器，其中，每个所述颜色滤镜的上表面均设置有一微透镜。

上述的一种制备高量子转换效率的堆叠式COMS传感器的方法，其中，若干块所述焊接板间隔排列在所述受光层的上表面的边缘，并围绕所述微透镜和所述阻挡层。

本发明还提供了一种制备高量子转换效率的堆叠式COMS传感器的方法，其中，所述方法包括：

步骤S1，提供一具有像素晶圆结构的半导体器件，该像素晶圆结构中包括感光层和像素布线层，所述感光层覆盖所述像素布线层的上表面，且所述感光层设置有光电二极管区和金属互连线区；

步骤S2，制备一阻挡薄膜，该阻挡薄膜覆盖所述感光层的上表面；

步骤S3，去除位于所述光电二极管区上方的阻挡薄膜，于所述金属互连线区上方形成阻挡层。

上述的一种制备高量子转换效率的堆叠式COMS传感器的方法，其中，采用光刻工艺和干法刻蚀工艺去除位于所述光电二极管区上方的阻挡薄膜。

上述的一种制备高量子转换效率的堆叠式COMS传感器的方法，其中，所述阻挡层的材质为氮化硅。

与现有技术相比，本发明具有如下技术优势：

1、本发明采用堆叠式的CMOS传感器，把逻辑晶圆结构和像素晶圆结构堆叠为一体，因此能够实现在较小的传感器芯片尺寸上形成大量像素点，可以把腾出来的空间放置更多的像素。并且，逻辑晶圆结构和像素晶圆结构相互独立，所以像素点部分可以进行更高的画质优化，电路部分亦可进行高性能优化。

2、通过对像素晶圆结构，逻辑晶圆结构及绝缘层的孔注入铜，形成金属互连线像素晶圆结构，逻辑晶圆结构形成互联结构。

3、通过光刻工艺及干法蚀刻工艺，去除多余的阻挡层，改变入射光路的薄膜结构，提高量子转换效率。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1-4是本发明高量子转换效率的堆叠式CMOS传感器的制备方法中一实施例的流程结构示意图；

图5是本发明的高量子转换效率的堆叠式CMOS传感器中一实施例的剖面结构示意图；

图6为本发明高量子转换效率的堆叠式CMOS传感器中一实施例的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

图1-4为本发明高量子转换效率的堆叠式CMOS传感器的制备方法中一实施例的流程结构示意图。

如图1所示，首先，提供一具有感光层5的半导体结构，在该感光层5中设置有若干光电二极管11和若干个晶体管（图中未示出），在感光层5的正面（图中为下表面）进行工艺制程形成布线层7，然后在布线层7下表面通过绝缘层3和逻辑晶圆结构2相互键合。其中，逻辑晶圆结构2中包含逻辑布线层6和基底4，逻辑布线层6位于基底4的上表面；在布线层7中设置有若干个第一层间金属布线10，在逻辑布线层6中设置有若干个第二层间金属布线16。绝缘层3采用不导电的绝缘材料。

如图2所示，刻蚀感光层5、布线层7和逻辑晶圆结构2的上部，并将刻蚀停止于逻辑晶圆结构2的上部，经过该刻蚀后，形成接触孔贯穿感光层5和布线层7，且其底部位于逻辑晶圆结构的上部；然后在所形成的接触孔内注入金属，以形成金属互连线区8，通过金属互连线区8可以使感光层5、布线层7以及逻辑布线层6形成互连结构。其中，在接触孔内注入的金属可以优选采用铜，因为铜具有优良的导电性能。

如图3所示，制备一层阻挡薄膜9’覆盖感光层5的上表面以及金属互连线区8的上表面。该阻挡薄膜9’可以通过化学气相沉积或其他沉积方法根据具体的工艺需要进行制备，本发明对此不做限定。其中，阻挡薄膜9’的材质可优选采用氮化硅。

如图4所示，由于阻挡薄膜9’会降低传感器的量子转换效率，需要将位于光电二极管11所在光电二极管区20上方的阻挡薄膜9’进行去除，所以先进行光刻工艺，即在该阻挡薄膜上制备一层光刻胶（图中未示出），然后通过具有图形的光掩模进行曝光和显影工艺，以在该光刻胶中形成开口，通过该开口，暴露出位于光电二极管区20上方部分的阻挡薄膜9’的上表面，然后以该具有开口的光刻胶为掩膜对阻挡薄膜9’进行干法刻蚀，并控制刻蚀的进行，使其停止于感光层的上表面，从而暴露出光电二极管区20的上表面，同时经过刻蚀后的阻挡薄膜9’中仅剩下位于金属互连线区8上表面的部分，该部分构成阻挡层9。继续进行沉积工艺，于光电二极管区20以及阻挡层9的上表面沉积一层受光层12，并控制沉积速率使得位于光电二极管区20和阻挡层9上方的受光层12的上表面保持在同一高度。同样的，对于受光层的沉积可以采用如化学气相沉积等任何公知的沉积方法。

继续对上述器件结构进行后续工艺，以在金属互连线区8的正上方形成焊接版15，以及在光电二极管区20的正上方形成若干个颜色滤镜13，该若干个颜色滤镜13并排排列于光电二极管区20的上表面，且每相邻两个颜色滤镜13之间没有间隙，在每个颜色滤镜13上均形成有一个微透镜，如图5所示。

以上是本发明高量子转换效率的堆叠式CMOS传感器的制备方法的详细实施例，下面就该实施例并结合附图5和附图6对本发明的量子转换效率的堆叠式CMOS传感器的结构进行详细说明。

图5是本发明的高量子转换效率的堆叠式CMOS传感器中一实施例的剖面结构示意图；图6为本发明高量子转换效率的堆叠式CMOS传感器中一实施例的俯视结构示意图。

如图5所示，本发明实施例的高量子换转效率的堆叠式CMOS传感器主要包括像素晶圆结构1、逻辑晶圆结构2绝缘层3和金属互连线区8；其中，绝缘层3位于像素晶圆结构1和逻辑晶圆结构2之间，以将像素晶圆结构1和逻辑晶圆结构2隔离，逻辑晶圆结构1和晶圆结构2分别位于绝缘层3的上表面和下表面；像素晶圆结构1和逻辑晶圆结构2之间通过金属互连线21实现连接。

像素晶圆结构1包括像素布线层7，感光层5，受光层12。其中，像素布线层7位于像素晶圆结构1的底部，即覆盖绝缘层3的上表面，感光层5覆盖像素布线层7的上表面，受光层12覆盖像素布线层7的上表面。

逻辑晶圆结构2包括基底4和逻辑布线层6。其中，逻辑布线层6位于逻辑晶圆结构的顶部，即逻辑布线层6的上表面与绝缘层3的下表面连接，并且逻辑布线层6的下表面与基底4的上表面连接，即逻辑布线层6覆盖基底4的上表面。

金属互连线区8位于感光层5、绝缘层3、像素布线层7和逻辑布线层6中，并且该金属互连线区8贯穿感光层5、绝缘层3和像素布线层7，该金属互连线区中已经填充了铜，因此具有良好的导电性能。

在受光层12中还设置有一阻挡层，该阻挡层覆盖于金属互连线21的上表面。

在感光层5中还设置有若干光电二极管区20，在光电二极管区中包含若干个光电二极管11，该若干个光电二极管11在光电二极管区20中优选为均匀分布，即分布于同一高度处，且每相邻两个光电二极管11之间的间距设置为相等。

在像素晶圆结构1的像素布线层7中还设置有若干个第一层间金属布线10；在逻辑晶圆结构2的逻辑布线层6中还设置有若干个第二层间金属布线16；该第一层间金属布线10的作用是用于连接同设于感光层5中的若干光电二极管11和若干晶体管（未在图中示出）；该第二层间金属布线16的作用是用于连接基底4中的若干个晶体管（未在图中示出）。

在像素晶圆结构1的上表面还设置有若干个颜色滤镜13和若干个焊接板15，在每个颜色滤镜13的正上方均设有一个微透镜14，如图6所示，若干个微透镜14呈矩阵形式排列于像素晶圆结构的顶部，若干个焊接板15设置于像素晶圆结构1的边缘，且若干个焊接板15通过导线（图中未显示）与金属互连线区8导通。

综上所述，本发明的堆叠式的CMOS传感器，通过把逻辑晶圆结构和像素晶圆结构堆叠合为一体，因此能够实现在较小的传感器芯片尺寸上形成大量像素点，可以把腾出来的空间放置更多的像素。并且，逻辑晶圆结构和像素晶圆结构相互独立，所以像素点部分可以进行更高的画质优化，电路部分亦可进行高性能优化。并且通过对像素晶圆结构，逻辑晶圆结构及绝缘层的孔注入铜，形成金属互连线像素晶圆结构，逻辑晶圆结构形成互联结构。另外，本发明还通过光刻工艺及干法蚀刻工艺，去除多余的阻挡层，改变入射光路的薄膜结构，提高量子转换效率。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所做出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (15)

1.一种高量子转换效率的堆叠式COMS传感器，所述传感器包括像素晶圆结构和逻辑晶圆结构，该逻辑晶圆结构通过一绝缘层与键合于所述像素晶圆结构的上方，其特征在于，所述传感器还包括金属互连线区，所述像素晶圆结构通过所述金属互连线区与所述逻辑晶圆结构连接；

其中，所述像素晶圆结构包括一阻挡层，该阻挡层覆盖于所述金属互连线的上表面。

2.如权利要求1所述的高量子转换效率的堆叠式COMS传感器，其特征在于，所述像素晶圆结构中还包括感光层和受光层，所述受光层覆盖所述感光层的上表面。

3.如权利要求2所述的高量子转换效率的堆叠式COMS传感器，其特征在于，所述感光层设置有光电二极管区和金属互连线区，所述阻挡层位于所述受光层中，且所述阻挡层位于所述金属互连线区的上方，所述金属互连线区贯穿所述感光层，且所述感光层中设置有若干个光电二极管。

4.如权利要求1所述的高量子转换效率的堆叠式COMS传感器，其特征在于，所述金属互连线区中填充有铜。

5.如权利要求1所述的高量子转换效率的堆叠式COMS传感器，其特征在于，所述像素晶圆结构中还包括像素布线层，所述像素布线层覆盖所述绝缘层的上表面。

6.如权利要求5所述的高量子转换效率的堆叠式COMS传感器，其特征在于，所述像素布线层内设有若干个第一层间金属布线。

7.如权利要求1所述的高量子转换效率的堆叠式COMS传感器，其特征在于，所述逻辑晶圆结构包括基底，逻辑布线层，所述逻辑布线层位于所述衬底的上表面。

8.如权利要求7所述的高量子转换效率的堆叠式COMS传感器，其特征在于，所述逻辑布线层中设有若干个第二层间金属布线。

9.如权利要求3所述的高量子转换效率的堆叠式COMS传感器，其特征在于，所述感光层的材质为硅。

10.如权利要求1所述的高量子转换效率的堆叠式COMS传感器，其特征在于，所述像素晶圆结构的上表面还设置有若干颜色滤镜。

11.如权利要求10所述的高量子转换效率的堆叠式COMS传感器，其特征在于，每个所述颜色滤镜的上表面均设置有一微透镜。

12.如权利要求11所述的一种制备高量子转换效率的堆叠式COMS传感器的方法，其特征在于，若干块所述焊接板间隔排列在所述受光层的上表面的边缘，并围绕所述微透镜和所述阻挡层。

13.一种制备高量子转换效率的堆叠式COMS传感器的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S1，提供一具有像素晶圆结构的半导体器件，该像素晶圆结构中包括感光层和像素布线层，所述感光层覆盖所述像素布线层的上表面，且所述感光层设置有光电二极管区和金属互连线区；

步骤S2，制备一阻挡薄膜，该阻挡薄膜覆盖所述感光层的上表面；

步骤S3，去除位于所述光电二极管区上方的阻挡薄膜，于所述金属互连线区上方形成阻挡层。

14.如权利要求13所述的一种制备高量子转换效率的堆叠式COMS传感器的方法，其特征在于，采用光刻工艺和干法刻蚀工艺去除位于所述光电二极管区上方的阻挡薄膜。

15.如权利要求13所述的一种制备高量子转换效率的堆叠式COMS传感器的方法，其特征在于，所述阻挡层的材质为氮化硅。