一种CMOS图像传感器及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种CMOS图像传感器制造方法，包括在衬底上形成MOS晶体管区及光电二极管区；在MOS晶体管区上方形成金属互连结构，金属互连结构形成于互连介质层中；淀积并刻蚀微透镜介质层以形成位于光电二极管区上方的内嵌式微透镜；在金属互连结构上方形成上表面窄下表面宽即横截面为梯形的顶层金属互连线；淀积并刻蚀顶层互连介质层，以在内嵌式微透镜上方形成沟槽，所述沟槽包括由位于顶层金属互连线上方的第一部分，以及顶层金属互连线环绕而成的第二部分；以及在所述第一部分与所述第二部分形成第一反射层与第二反射层。本发明专利技术还公开了一种CMOS图像传感器，使得更多的入射光到达光电二极管的感光区域，参与光电转换过程，有效地提高了像素单元的灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种CMOS图像传感器及其制造方法
本专利技术涉及图像传感器领域，特别涉及一种CMOS图像传感器。
技术介绍
通常，图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置。图像传感器包括电荷耦合器件（CCD）和互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器芯片。CMOS图像传感器和传统的CCD传感器相比具有的低功耗，低成本和与CMOS工艺兼容等特点，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图像传感器可以根据像素单元晶体管数目分类成三管，四管和五管式，三管式的CMOS图像传感器像素单元包括一个光电二极管和3个MOS晶体管，四管和五管式像素单元分别包括一个光电二极管和4个或5个MOS晶体管。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，复位和读出的控制。常规的像素单元的截面图如图1所示，只有在没有金属层覆盖的光电二极管区域20的光线能够在光电转换中起作用，因此像素单元的灵敏度直接和像素单元中光电二极管区域20的面积占整个像素单元面积的比例成正比，我们把这个比例定义为填充因子。由于光电二极管区20之间存在用于信号控制的3个，4个或5个MOS晶体管，占用了大量的面积，而为了防止入射光到达MOS晶体管表面产生噪声和串扰，金属互连线1a，2a，3a将MOS晶体管区域10全部覆盖，因此造成金属互连线覆盖的MOS晶体管区域10的垂直入射光和斜入射光全部被反射，使得CMOS图像传感器中像素单元的填充因子在20%到50%之间，这就意味着50%到80%的面积上的入射光是被屏蔽掉的，不能参与光电转换的过程，因而造成了入射光的损失和像素单元灵敏度的降低。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，使得有更多的入射光能够到达光电二极管的感光区域，参与光电转换过程的目的，有效地提高了像素单元的灵敏度。为达成上述目的，本专利技术提供一种CMOS图像传感器制造方法，包括如下步骤：在衬底上形成MOS晶体管区及光电二极管区；在所述MOS晶体管区上方形成金属互连结构，所述金属互连结构形成于互连介质层中，包括接触孔，N-1层金属互连线以及连接于相邻层的所述金属互连线之间的通孔；其中，N为金属互连线的总层数，且为大于等于2的正整数；在所述N-1层金属互连线上淀积并刻蚀微透镜介质层，以形成具有一定曲率半径的内嵌式微透镜，所述内嵌式微透镜位于所述光电二极管区上方；在上述结构上方淀积互连介质层，并形成通孔；淀积并刻蚀第N层金属，以形成上表面窄下表面宽即横截面为梯形的顶层金属互连线，所述顶层金属互连线环绕所述光电二极管区上方；在所述顶层金属互连线之间及上方淀积顶层互连介质层；刻蚀所述顶层互连介质层，在所述内嵌式微透镜上方形成沟槽，所述沟槽包括位于所述顶层金属互连线上方的第一部分，以及由所述顶层金属互连线环绕而成的第二部分，其中所述第一部分的侧壁环绕所述光电二极管区上方；以及在所述第一部分与所述第二部分形成第一反射层与第二反射层。可选的，在所述第一部分与所述第二部分形成第一反射层与第二反射层的步骤包括在所述沟槽进行反射层薄膜的淀积以形成反射层；以及移除所述顶层互连介质层上表面和所述沟槽底部的所述反射层，以形成所述第一反射层与所述第二反射层。可选的，在形成所述第一反射层及所述第二反射层后，在所述沟槽淀积并平坦化介质材料，其中所述介质材料与所述顶层互连介质层的介质材料相同。可选的，所述沟槽的底部面积大于或等于所述内嵌式微透镜的面积。可选的，所述沟槽的顶部面积大于其底部面积。可选的，所述内嵌式微透镜的面积大于或等于所述光电二极管区的面积。可选的，所述第一部分的侧壁与所述顶层金属互连线上表面垂直相接。可选的，所述内嵌式微透镜的材料为氮化硅。可选的，所述反射层薄膜的材料为氮化硅、碳化硅、多晶硅、钛、氮化钛或钨；所述反射层薄膜的厚度为到可选的，所述沟槽的底部位于所述内嵌式微透镜上表面的上方。可选的，通过刻蚀反应聚合物的成分比调节所述顶层金属互连线横截斜面的角度。本专利技术进一步提供了一种CMOS图像传感器，包括MOS晶体管区和光电二极管区，形成于衬底上；金属互连结构，形成于所述MOS晶体管区上方的互连介质层中，包括接触孔，金属互连线以及连接于所述金属互连线之间的通孔，其中，顶层金属互连线上表面窄下表面宽即横截面呈梯形，所述顶层金属互连线环绕所述光电二极管区上方；内嵌式微透镜，形成于所述光电二极管区的上方的互连介质层中，位于所述顶层金属互连线和次顶层金属互连线之间；沟槽，形成在所述内嵌式微透镜的上方的互连介质层中，所述沟槽包括位于所述顶层金属互连线上方的第一部分，以及由所述顶层金属互连线环绕而成的第二部分，其中所述第一部分的侧壁环绕所述光电二极管区上方；以及第一反射层及第二反射层，分别形成在所述第一部分及所述第二部分。可选的，所述沟槽的底部面积大于或等于所述内嵌式微透镜的面积。可选的，所述沟槽的顶部面积大于其底部面积。可选的，所述内嵌式微透镜的面积大于或等于光电二极管区的面积。可选的，所述第一部分的侧壁与所述顶层金属互连线上表面垂直相接。可选的，所述第一反射层及所述第二反射层由反射层薄膜淀积形成，所述反射层薄膜的材料为氮化硅、碳化硅、多晶硅、钛、氮化钛或钨；所述反射层薄膜的厚度为到可选的，所述内嵌式微透镜的材料为氮化硅。本专利技术的优点在于通过反射层和内嵌式微透镜能够使得原先位于MOS晶体管上方被屏蔽的入射光被收集并聚焦，实现了对光电二极管以外区域的光线收集，从而达成了更多入射光到达光电二极管的感光区域，参与光电转换过程的目的，有效地提高了像素单元的灵敏度。此外，由于金属互连线是多层之间交错分布的，入射光不会到达MOS晶体管区域而造成漏电，可有效减少噪声产生，同时沟槽上形成的反射层也进一步防止了像素之间串扰的发生。附图说明图1所示为现有技术中CMOS图像传感器的结构剖视图。图2所示为本专利技术的CMOS图像传感器的结构剖视图。图3-12所示为本专利技术的CMOS图像传感器制造方法的剖视图。具体实施方式为使本专利技术的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本专利技术的内容作进一步说明。当然本专利技术并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本专利技术的保护范围内。图2是本专利技术的CMOS图像传感器的结构剖视图。如图2所示，根据本专利技术的CMOS图像传感器包括形成在衬底上的多个进行读写控制和复位的MOS晶体管区10和用于感光的光电二极管区20。金属互连结构形成于MOS晶体管区上方的互连介质层30中，金属互连结构包括金属互连线1，金属互连线2，顶层金属互连线3，与金属互连线1，2，3配套的接触孔4，通孔5，以及通孔6。金属互连线1通过接触孔4与MOS晶体管电连接，金属互连线2通过通孔5与金属互连线1电连接，顶层金属互连线3通过通孔6与金属互连线2电连接。需要注意的是，尽管图2中除顶层金属互连线3以外，金属互连线为两层，但也可形成仅一层或多于两层的金属互连线。此外，这些金属互连线被设置成将MOS晶体管区域10全本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，包括以下步骤：在衬底上形成MOS晶体管区及光电二极管区；在所述MOS晶体管区上方形成金属互连结构，所述金属互连结构形成于互连介质层中，包括接触孔，N?1层金属互连线以及连接于相邻层的所述金属互连线之间的通孔；其中，N为金属互连线的总层数，且为大于等于2的正整数；在所述N?1层金属互连线上淀积并刻蚀微透镜介质层，以形成具有一定曲率半径的内嵌式微透镜，所述内嵌式微透镜位于所述光电二极管区上方；在上述结构上方淀积互连介质层，并在所述互连介质层中形成通孔；淀积并刻蚀第N层金属，以形成上表面窄下表面宽即横截面为梯形的顶层金属互连线，所述顶层金属互连线环绕所述光电二极管区上方；在所述顶层金属互连线之间及上方淀积顶层互连介质层；刻蚀所述顶层互连介质层，在所述内嵌式微透镜上方形成沟槽，所述沟槽包括位于所述顶层金属互连线上方的第一部分，以及由所述顶层金属互连线环绕而成的第二部分，其中所述第一部分的侧壁环绕所述光电二极管区上方；以及在所述第一部分与所述第二部分形成第一反射层与第二反射层。

【技术特征摘要】
1.一种CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，包括以下步骤：在衬底上形成MOS晶体管区及光电二极管区；在所述MOS晶体管区上方形成金属互连结构，所述金属互连结构形成于互连介质层中，包括接触孔，N-1层金属互连线以及连接于相邻层的所述金属互连线之间的通孔；其中，N为金属互连线的总层数，且为大于等于2的正整数；在所述N-1层金属互连线上淀积并刻蚀微透镜介质层，以形成具有一定曲率半径的内嵌式微透镜，所述内嵌式微透镜位于所述光电二极管区上方；在上述结构上方淀积互连介质层，并在所述互连介质层中形成通孔；淀积并刻蚀第N层金属，以形成上表面窄下表面宽即横截面为梯形的顶层金属互连线，所述顶层金属互连线环绕所述光电二极管区上方；在所述顶层金属互连线之间及上方淀积顶层互连介质层；刻蚀所述顶层互连介质层，在所述内嵌式微透镜上方形成沟槽，所述沟槽包括位于所述顶层金属互连线上方的第一部分，以及由所述顶层金属互连线环绕而成的第二部分，其中所述第一部分的侧壁环绕所述光电二极管区上方；以及在所述第一部分与所述第二部分形成第一反射层与第二反射层。2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，在所述第一部分与所述第二部分形成第一反射层与第二反射层的步骤包括：在所述沟槽进行反射层薄膜的淀积以形成反射层；以及移除所述顶层互连介质层上表面和所述沟槽底部的所述反射层，以形成所述第一反射层与所述第二反射层。3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，还包括：在形成所述第一反射层及所述第二反射层后，在所述沟槽淀积并平坦化介质材料，其中所述介质材料与所述顶层互连介质层的介质材料相同。4.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，所述沟槽的底部面积大于或等于所述内嵌式微透镜的底部面积。5.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，所述沟槽的顶部面积大于其底部面积。6.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，所述内嵌式微透镜的底部面积大于或等于所述光电二极管区的面积。7.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，所述第一部分的侧壁与所述顶层金属互连线上表面垂直相接。8.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾学强，周伟，陈力山，
申请(专利权)人：上海集成电路研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：