一种防止寄生光响应的全局像元结构及形成方法技术

本发明专利技术公开了一种防止寄生光响应的全局像元结构，包括设于衬底上的光电二极管、传输管和复位管，以及形成于传输管栅极和复位管栅极之间的衬底中的存储节点；传输管栅极表面、复位管栅极表面和存储节点表面上覆盖有金属掩蔽层，且金属掩蔽层在存储节点上方形成金属掩蔽层开口，接触孔通过金属掩蔽层开口连接存储节点；其中，接触孔自上方将金属掩蔽层开口完全封闭，金属掩蔽层与接触孔的配合面之间充满绝缘介质，可防止入射光线进入存储节点的电荷存储区，避免产生寄生光响应，有效保证全局曝光像素单元存储电容中信号的准确性，避免输出信号的失真。本发明专利技术还公开了一种防止寄生光响应的全局像元结构的形成方法。

A Global Pixel Structure and Formation Method for Preventing Parasitic Light Response

The invention discloses a global pixel structure for preventing parasitic light response, including photodiodes, transmission tubes and reset tubes on the substrate, and storage nodes in the substrate formed between the transmission tube gate and the reset tube grid; metal masking layer is covered on the transmission tube grid surface, the reset tube grid surface and the storage node surface, and the metal masking layer is on the storage node. The metal mask layer openings are formed above, and the contact holes connect the storage nodes through the metal mask layer openings. The metal mask layer openings are completely closed from the top of the contact holes, and the interface between the metal mask layer and the contact hole is filled with insulating medium, which can prevent the incident light from entering the charge storage area of the storage node, avoid the parasitic light response and effectively ensure the global exposure of single pixel. The accuracy of the signal in the meta-storage capacitor avoids the distortion of the output signal. The invention also discloses a method for forming a global pixel structure to prevent parasitic light response.

【技术实现步骤摘要】
一种防止寄生光响应的全局像元结构及形成方法
本专利技术涉及CMOS图像传感器
，更具体地，涉及一种可防止寄生光响应的CMOS图像传感器全局像元结构及形成方法。
技术介绍
图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置，通常大规模商用的图像传感器芯片包括电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器芯片两大类。CMOS图像传感器和传统的CCD传感器相比，具有低功耗、低成本以及与CMOS工艺相兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用。现在CMOS图像传感器不仅已应用于消费电子领域，例如微型数码相机(DSC)，手机摄像头，摄像机和数码单反(DSLR)中，而且在汽车电子，监控，生物技术和医学等领域也得到了广泛的应用。CMOS图像传感器的像素单元是图像传感器实现感光的核心器件，最常用的像素单元为包含一个光电二极管和四个晶体管的有源像素结构。在这些器件中，光电二极管是感光单元，实现对光线的收集和光电转换；其它的MOS晶体管是控制单元，主要实现对光电二极管的选中，复位，信号放大和读出的控制。一个像素单元中MOS晶体管的多少，决定了非感光区域所占的面积大小。上述包含四个晶体管的像素结构通常称为4T像素单元。在数码相机中通常有两种快门控制方式：即机械快门和电子快门。机械快门通过安装在CMOS图像传感器前面的机械件的开合来控制曝光时间；电子快门通过像素单元的时序控制来改变积分时间，从而达到控制曝光时间的目的。由于机械快门需要机械件，会占用数码相机的面积，因此不适用于便携式的数码相机。对于视频监控应用而言，由于通常是进行视频采集，因此，一般采用电子快门控制曝光时间。其中电子快门又分为两种：即卷帘式和全局曝光式。卷帘式电子快门的每行之间的曝光时间是不一致的，在拍摄高速物体时容易造成拖影现象；而全局曝光式电子快门的每一行在同一时间曝光，然后同时将电荷信号存储在像素单元的存储节点，最后将存储节点的信号逐行输出。全局曝光式电子快门由于所有行在同一时间进行曝光，所以不会造成拖影现象。随着CMOS图像传感器在工业、车载、道路监控和高速相机中越来越广泛的应用，对于可以捕捉高速运动物体图像的图像传感器的需求进一步提高。为了监控高速物体，CMOS图像传感器需要使用全局曝光的像素单元(简称全局像元)，而全局曝光像素单元中用于存储电荷信号的存储节点对于光源的寄生响应是一个非常重要的指标。在实际应用中，根据每个像素单元使用晶体管的数目，全局曝光像素单元有4T、5T、6T、8T和12T等。请参阅图1，图1是现有的一种5T全局曝光像素单元的版图结构。如图1所示，5T全局曝光像素单元中的电荷存储节点12就是传输管11和复位管13之间的结电容。存储节点的寄生光响应是指存储节点电容对入射光的寄生响应，对于像素单元而言，入射到像素单元表面的光线由于折射和散射而不能全部聚焦到光电二极管10表面，有部分光线可能入射到存储节点12上，存储节点12在入射光的照射下也可以像光电二极管10一样产生光电响应。由于入射光的照射而在存储节点12上产生的电荷，会影响原来存储在存储节点12上的由光电二极管10产生的电压信号，造成了信号的失真。为了减小存储节点的光源寄生响应，在存储节点上面就需要使用完全不透光的金属屏蔽层来防止入射光线的影响。请参阅图2，图2是沿图1中A-B方向的全局像元结构截面图。如图2所示，同普通CMOS工艺相比，为了防止全局像元的寄生光响应，常规全局像素单元在层间介质16中设有一层额外形成的金属掩蔽层17。这层金属掩蔽层17通常使用不透光的钨、铝和铜等金属或氮化钽、氮化钽等金属化合物材料制作。由于金属掩蔽层17大面积覆盖着传输管11、复位管13和存储节点12，为了避免传输管11、复位管13和存储节点12上在像元工作过程中相互串扰，全部金属掩蔽层17通过金属互连最终接地；同时，存储节点12通过接触孔15连接到金属互连层14。在上述全局像元结构中，由于存储节点12在工作过程中是一个不断变化的动态信号，因此存储节点12上的接触孔15和金属掩蔽层17不能连接，而必须保持一定的间距。由此在存储节点12上就形成了漏光间隙18。在漏光间隙18位置没有金属掩蔽层17或接触孔15的覆盖，因此入射光可以直接穿过漏光间隙18到达存储节点12，产生寄生光响应，造成全局像元存储信号的失真和图像质量的下降。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种防止寄生光响应的全局像元结构及形成方法。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：本专利技术提供了一种防止寄生光响应的全局像元结构，包括设于衬底上的光电二极管、传输管和复位管，以及形成于传输管栅极和复位管栅极之间的所述衬底中的存储节点；所述传输管栅极表面、复位管栅极表面和存储节点表面上覆盖有金属掩蔽层，且所述金属掩蔽层在所述存储节点上方形成金属掩蔽层开口，接触孔通过所述金属掩蔽层开口连接存储节点；其中，所述接触孔自上方将所述金属掩蔽层开口完全封闭，所述金属掩蔽层与接触孔的配合面之间充满绝缘介质。进一步地，所述金属掩蔽层通过金属掩蔽层开口侧壁自所述接触孔底部伸入接触孔内，所述绝缘介质至少充满于所述接触孔与所述金属掩蔽层伸入接触孔内部分的上表面和金属掩蔽层开口侧壁的配合面之间。进一步地，所述绝缘介质由一层或多层绝缘介质材料堆叠形成。进一步地，所述金属掩蔽层为单层结构或多层复合结构。进一步地，所述衬底上及传输管栅极和复位管栅极上覆盖设有层间介质层，所述接触孔设于所述层间介质层中，并连接上方的后道金属互连层。本专利技术还提供了一种防止寄生光响应的全局像元结构的形成方法，包括以下步骤：提供一衬底，在所述衬底上形成光电二极管、传输管和复位管，以及在传输管栅极和复位管栅极之间的所述衬底中形成存储节点；在所述衬底表面全片淀积金属掩蔽层材料，并将光电二极管上方的金属掩蔽层材料移除，同时在存储节点的上方形成金属掩蔽层开口，形成金属掩蔽层；在所述衬底表面全片淀积绝缘介质材料，将金属掩蔽层开口充满；在金属掩蔽层开口以内对应形成绝缘介质开口，保留金属掩蔽层开口侧壁和金属掩蔽层上方表面上的部分绝缘介质材料，形成绝缘介质图形；在所述衬底表面全片淀积层间介质材料，在层间介质中形成穿过绝缘介质开口连接存储节点的接触孔图形，并使接触孔图形处于绝缘介质图形的外周和绝缘介质开口之间；进行接触孔的填充，形成接触孔，以及形成连接接触孔的后道金属互连层。进一步地，所述衬底为N型或P型硅衬底。进一步地，所述金属掩蔽层为由钛、氮化钛、钨、铝、铜、钴和镍中的一种或多种形成的单层结构或多层复合结构。进一步地，所述绝缘介质为氮化硅、氮氧化硅或含氮碳化硅，所述层间介质为二氧化硅。进一步地，所述接触孔填充材料为不透光的金属或/和金属化合物。从上述技术方案可以看出，本专利技术通过将金属掩蔽层伸入接触孔的下方，从而可避免形成常规全局像元中的漏光间隙；同时为了避免接触孔和金属掩蔽层的短路，在两者之间设置绝缘介质，对入射光进行反射。本专利技术可防止入射光线进入存储节点的电荷存储区，避免产生寄生光响应，从而有效保证了全局曝光像素单元存储电容中信号的准确性，避免了输出信号的失真，使图像传感器最终能得到高质量的图像。附图说明图1是现有的一种5T全局曝光像素单元的版图结构示意图；图2是沿图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种防止寄生光响应的全局像元结构，其特征在于，包括设于衬底上的光电二极管、传输管和复位管，以及形成于传输管栅极和复位管栅极之间的所述衬底中的存储节点；所述传输管栅极表面、复位管栅极表面和存储节点表面上覆盖有金属掩蔽层，且所述金属掩蔽层在所述存储节点上方形成金属掩蔽层开口，接触孔通过所述金属掩蔽层开口连接存储节点；其中，所述接触孔自上方将所述金属掩蔽层开口完全封闭，所述金属掩蔽层与接触孔的配合面之间充满绝缘介质。

【技术特征摘要】
1.一种防止寄生光响应的全局像元结构，其特征在于，包括设于衬底上的光电二极管、传输管和复位管，以及形成于传输管栅极和复位管栅极之间的所述衬底中的存储节点；所述传输管栅极表面、复位管栅极表面和存储节点表面上覆盖有金属掩蔽层，且所述金属掩蔽层在所述存储节点上方形成金属掩蔽层开口，接触孔通过所述金属掩蔽层开口连接存储节点；其中，所述接触孔自上方将所述金属掩蔽层开口完全封闭，所述金属掩蔽层与接触孔的配合面之间充满绝缘介质。2.根据权利要求1所述的防止寄生光响应的全局像元结构，其特征在于，所述金属掩蔽层通过金属掩蔽层开口侧壁自所述接触孔底部伸入接触孔内，所述绝缘介质至少充满于所述接触孔与所述金属掩蔽层伸入接触孔内部分的上表面和金属掩蔽层开口侧壁的配合面之间。3.根据权利要求1所述的防止寄生光响应的全局像元结构，其特征在于，所述绝缘介质由一层或多层绝缘介质材料堆叠形成。4.根据权利要求1或2所述的防止寄生光响应的全局像元结构，其特征在于，所述金属掩蔽层为单层结构或多层复合结构。5.根据权利要求1所述的防止寄生光响应的全局像元结构，其特征在于，所述衬底上及传输管栅极和复位管栅极上覆盖设有层间介质层，所述接触孔设于所述层间介质层中，并连接上方的后道金属互连层。6.一种防止寄生光响应的全局像元结构的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：提供一衬底，在所述衬底上形成...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾学强，王言虹，陈力山，
申请(专利权)人：上海集成电路研发中心有限公司，成都微光集电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31