一种具有挡光结构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具有挡光结构的全局像元结构，包括设于衬底上的光电二极管，传输管，存储节点，衬底上层间介质层中的金属互连层位于相邻像素单元的光电二极管之间的上方区域，并将存储节点覆盖，光电二极管上方的层间介质层中设有环状深沟槽，深沟槽下端与光电二极管的上表面之间相电性隔离，一复合挡光结构填充于深沟槽中，并自深沟槽上端转折覆盖于金属互连层上的层间介质层的上表面上，实现将复合挡光结构所覆盖的层间介质层、金属互连层以及存储节点完全绝缘遮蔽，因此储存节点的信号不会受到入射光线的影响，避免了输出信号的失真。本发明专利技术还公开了一种具有挡光结构的全局像元结构的形成方法。

A global pixel structure with light blocking structure and its forming method

The invention discloses a global pixel structure with a light blocking structure, which comprises a photodiode, a transmission tube, a storage node arranged on the substrate, a metal interconnection layer in the medium layer between the upper layers of the substrate located in the upper area between the photodiodes of the adjacent pixel units, and covers the storage node, and a ring-shaped deep groove and a deep groove groove are arranged in the interlayer medium layer above the photodiode The lower end is electrically isolated from the upper surface of the photodiode. A composite light barrier structure is filled in the deep groove and is turned from the upper end of the deep groove to cover the upper surface of the interlayer medium layer on the metal interconnection layer. The interlayer medium layer, the metal interconnection layer and the storage node covered by the composite light barrier structure are completely insulated and shielded, so the signals of the storage node will not be received The distortion of the output signal is avoided by the influence of the radiation. The invention also discloses a method for forming a global pixel structure with a light blocking structure.

【技术实现步骤摘要】
一种具有挡光结构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，涉及一种具有挡光结构的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，存储节点可以使用结电容或MOS(金属氧化物半导体结构)电容。如图1所示，现有5T全局曝光像素单元中的电荷存储节点就是传输管7旁的结电容6。存储节点6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衬底1上的光电二极管2表面，有部分入射光线可能通过多次反射进入到存储节点6上，存储节点6在入射光线的照射下也可以像光电二极管2一样产生光电响应，由于入射光而在存储节点6上产生的电荷会影响原来存储在上面的由光电二极管2产生的电压信号，造成了信号的失真。为了减小由于存储节点6漏光造成的光电响应，在存储节点6上面需要使用完全不透光的金属屏蔽层8来防止入射光线的影响。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层3中设有一层额外形成的金属掩蔽层8。这层金属掩蔽层8通常使用不透光的钨、铝和铜等金属或氮化钽、氮化钛等金属化合物材料制作。由于金属掩蔽层8大面积覆盖着传输管7和存储节点6，为了避免传输管7和存储节点6上在像元工作过程中相互串扰，全部金属掩蔽层8通过金属互连层4最终接地。金属掩蔽层是图像传感器中的特殊工艺，需要在常规CMOS工艺上进行开发。通常全局像元的金属掩蔽层形成方法，是在金属互连层4形成之前，使用额外的一层金属钨淀积和图形化工艺。但额外的金属淀积和刻蚀，容易造成金属沾污，从而影响像元性能。而且为了达到挡光的效果，金属掩蔽层8的覆盖面积较大，这更增加了金属沾污的风险。同时，存储节点6需要通过接触孔5连接到金属互连层4，由于存储节点6在工作过程中是一个不断变化的动态信号，因此存储节点6上的接触孔5和金属掩蔽层8不能相连接，必须保持一定的间距。由此在存储节点6上就形成了漏光间隙。在漏光间隙位置没有金属掩蔽层8或接触孔5的覆盖，因此入射光线可以经过金属互连层4的多次反射而穿过漏光间隙到达存储节点6，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，提供一种具有挡光结构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：一种具有挡光结构的全局像元结构，包括：设于衬底上的光电二极管，传输管，存储节点，以及覆盖于所述衬底上的层间介质层，所述层间介质层中设有金属互连层，所述金属互连层位于任意相邻两个像素单元的光电二极管之间的上方区域，并将所述存储节点覆盖，所述光电二极管上方的所述层间介质层中竖直设有一环状深沟槽，所述深沟槽的下端与所述光电二极管的上表面之间相电性隔离，一复合挡光结构填充于所述深沟槽中，并自所述深沟槽的上端转折覆盖于所述金属互连层上的层间介质层的上表面上，实现将所述复合挡光结构所覆盖的所述层间介质层、金属互连层以及存储节点完全绝缘遮蔽。进一步地，所述深沟槽的下端与所述光电二极管的上表面之间通过一绝缘层相电性隔离。进一步地，所述绝缘层为与所述深沟槽对应的环状，其在所述光电二极管的上方形成开口。进一步地，所述复合挡光结构采用钛、氮化钛、氮化钽、钨、铝、铜、钴和镍中的一种或多种形成。进一步地，所述绝缘层采用氮化硅、氮氧化硅和碳化硅中的一种或多种形成。一种具有挡光结构的全局像元结构的形成方法，包括以下步骤：提供一衬底，在所述衬底上使用常规CMOS图像传感器工艺，形成光电二极管、传输管及存储节点；在所述衬底表面上全片淀积刻蚀阻挡层材料；进行刻蚀阻挡层的光刻和刻蚀，仅保留环绕在光电二极管上方位置的一圈刻蚀阻挡层材料，形成刻蚀阻挡层，并作为绝缘层；在所述衬底表面上全片淀积层间介质层材料，形成层间介质层；在所述层间介质层中形成金属互连层，并使所述金属互连层仅位于任意相邻两个像素单元的光电二极管之间的上方区域；进行深沟槽的光刻和刻蚀，在所述光电二极管上方的所述层间介质层中竖直形成一与所述刻蚀阻挡层对应的环状深沟槽，并使所述深沟槽刻蚀穿透所述层间介质层，停在所述刻蚀阻挡层上；进行复合挡光结构材料的淀积，使所述复合挡光结构材料充满所述深沟槽，并自所述深沟槽上端延伸覆盖于所述层间介质层的上表面上；对所述复合挡光结构材料进行光刻和刻蚀，去除位于所述深沟槽的环状内侧的所述层间介质层表面上的部分所述复合挡光结构材料，保留位于所述深沟槽的环状外侧的的所述层间介质层表面上的部分所述复合挡光结构材料，形成复合挡光结构；其中，所述复合挡光结构将其所覆盖的所述层间介质层、金属互连层以及存储节点完全绝缘遮蔽。进一步地，所述刻蚀阻挡层材料为氮化硅、氮氧化硅和碳化硅中的一种或多种。进一步地，所述复合挡光结构材料为钛、氮化钛、氮化钽、钨、铝、铜、钴和镍中的一种或多种。进一步地，所述复合挡光结构材料的淀积厚度为10埃至10000埃。进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有挡光结构的全局像元结构，其特征在于，包括：设于衬底上的光电二极管，传输管，存储节点，以及覆盖于所述衬底上的层间介质层，所述层间介质层中设有金属互连层，所述金属互连层位于任意相邻两个像素单元的光电二极管之间的上方区域，并将所述存储节点覆盖，所述光电二极管上方的所述层间介质层中竖直设有一环状深沟槽，所述深沟槽的下端与所述光电二极管的上表面之间相电性隔离，一复合挡光结构填充于所述深沟槽中，并自所述深沟槽的上端转折覆盖于所述金属互连层上的层间介质层的上表面上，实现将所述复合挡光结构所覆盖的所述层间介质层、金属互连层以及存储节点完全绝缘遮蔽。

【技术特征摘要】
1.一种具有挡光结构的全局像元结构，其特征在于，包括：设于衬底上的光电二极管，传输管，存储节点，以及覆盖于所述衬底上的层间介质层，所述层间介质层中设有金属互连层，所述金属互连层位于任意相邻两个像素单元的光电二极管之间的上方区域，并将所述存储节点覆盖，所述光电二极管上方的所述层间介质层中竖直设有一环状深沟槽，所述深沟槽的下端与所述光电二极管的上表面之间相电性隔离，一复合挡光结构填充于所述深沟槽中，并自所述深沟槽的上端转折覆盖于所述金属互连层上的层间介质层的上表面上，实现将所述复合挡光结构所覆盖的所述层间介质层、金属互连层以及存储节点完全绝缘遮蔽。2.根据权利要求1所述的具有挡光结构的全局像元结构，其特征在于，所述深沟槽的下端与所述光电二极管的上表面之间通过一绝缘层相电性隔离。3.根据权利要求2所述的具有挡光结构的全局像元结构，其特征在于，所述绝缘层为与所述深沟槽对应的环状，其在所述光电二极管的上方形成开口。4.根据权利要求1所述的具有挡光结构的全局像元结构，其特征在于，所述复合挡光结构采用钛、氮化钛、氮化钽、钨、铝、铜、钴和镍中的一种或多种形成。5.根据权利要求2所述的具有挡光结构的全局像元结构，其特征在于，所述绝缘层采用氮化硅、氮氧化硅和碳化硅中的一种或多种形成。6.一种具有挡光结构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，在所述衬底上使用常规CMOS图像传感器工艺，形成光电二极管、传输管及存储节点；在所述衬底表面上全片淀积刻蚀阻挡层材料；进行刻蚀阻挡层的光刻和刻蚀，仅保留环绕在光电二...

【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