一种CMOS图像传感器及CMOS图像传感器的制造方法

摘要

本发明提供了一种CMOS图像传感器及CMOS图像传感器的制造方法，相应的CMOS图像传感器包括高反射率薄膜和两层金属连线，用于屏蔽入射光的高反射率薄膜设置在两层金属连线的四周和顶部。相应的方法包括在硅衬底材料上将As或P离子植入衬底材料形成N型光电二极管；光电二极管之间的衬底材料采用腐蚀工艺蚀刻开并填充形成浅沟槽绝缘；在衬底表面逐层淀积介质层和金属层，复合层作为金属的介质层；将光电二极管表面的介质材料腐蚀，形成凹槽侧壁及凹槽状，在凹槽侧壁及凹槽外部介质上表面形成一层高反射率薄膜；在凹槽中淀积彩色滤光片材料并在其上制作微透镜。本发明避免了入射光在金属间反射而造成的串扰，缩短了入射光到达像素表面的距离。

说明书

技术领域

本发明涉及一种CMOS图像传感器及CMOS图像传感器的制造方法，属于图像传感器技 术领域。

背景技术

现代图像传感器的广泛应用驱使CMOS图像传感器向越来越小的尺寸发展。随着像素 尺寸的缩小，与之密切相关的感光二极管电容、灵敏度、量子效率等参数面临着严峻的 挑战。因此，使得光能够更加有效的被感光二极管吸收的方法或者设备成为了小尺寸像 素成像质量的关键因素之一。

传统的CMOS图像传感器(以三层金属的像素结构为例)如图1所示，在P型衬底材料100 上通过光刻，离子注入，腐蚀和扩散等传统的集成电路制造工艺形成光电二极管102，光 电二极管之间用浅沟槽绝缘(STI)101结构隔离。通过溅射工艺在光电二极管102上面形成 控制信号的金属线。通过化学气相淀积(CVD)工艺形成介质层作为金属与金属，金属与硅 的隔离层。光电二极管102表面自下而上的介质层是ILD-Si₃N₄103a，ILD-SiO₂103b、第 一IMD105、第二IMD107、第三IMD109a和钝化层-Si₃N₄109b，其中钝化层-Si₃N₄109b有两 个作用，一是保护表面，二是作为彩色滤光片阵列111a和111b的平坦层。在介质层间分 布着控制光电二极管102正常工作的第一金属线metal106、第二金属线metal108、第三金 属线metal110，其中第一金属线metal106通过接触孔104与P型外延层100上形成的器件相 连接。图像传感器另外一个重要的组成部分是彩色滤光片阵列(color filter  array)111a和111b，其作用是将入射光分解成红、绿、蓝三种基本单色光，在color  filter array上面是微透镜(micro lens)112。

传统的图像传感器的入射光在折射率较大的光密介质Si₃N₄109b和折射率较小的光疏 介质SiO₂ 109a的界面时，入射光将发生全反射(Color filter材料的折射率约为1.5，介 质材料SiO₂折射率约为1.45，Si₃N₄折射率约为2.0)，从而影响了入射光的利用率。其 次，传统图像传感器从微透镜(micro lens)112底部到光电二极管102的上表面总的介质 厚度约在2微米以上，如此长的光路通道不利于入射光有效的到达像素表面，并且传统的 图像传感器结构无法避免入射光到达金属表面或侧面，如图1中的入射光103经金属反射 最终到达相邻的photodiode表面引起串扰。另外，介质层(ILD-SiO₂ 103b，第一IMD105， 第二IMD107，第三IMD109a)虽然都是SiO₂材料，但是在实际的集成电路工艺制程中，介 质层的淀积常常采用不同的化学气相淀积(CVD)设备和方法来完成，如等离子体化学气相 淀积(PECVD)、低温气相化学淀积(LPCVD)等。因此，介质层实际是一种特殊的复合 层，层内的折射率存在微小的差异，当入射光经过复合层时会发生不同程度的反射。

发明内容

本发明提供了一种CMOS图像传感器及CMOS图像传感器的制造方法，能够有效的将入 射光引导至光电二极管的表面，从而改善了光电二极管的灵敏度和量子效率，同时该结 构感光通道和平坦层抑制了入射光在通道外的介质中发生折射，从而有效的屏蔽了光的 串扰。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种CMOS图像传感器，包括高反射率薄膜和两层金属连线，用于屏蔽入射光的高反 射率薄膜设置在两层金属连线的四周和顶部。

一种CMOS图像传感器的制造方法，包括：

在硅衬底材料上通过预定的集成电路制造工艺将As或P离子植入衬底材料形成N型感 光二极管；

相邻的光电二极管之间的衬底材料采用腐蚀工艺蚀刻开并用SiO₂材料填充形成浅沟 槽绝缘；

在衬底表面逐层淀积介质层和金属层，在衬底材料表面淀积一层Si₃N₄作为阻止层和 防反射层；

采用预定工艺制成金属一和金属二，将Si₃N₄和SiO₂构成的复合层作为金属层一的介 质层，将掺有硼和磷的SiO₂作为金属层二的介质层；

将光电二极管表面的介质材料腐蚀至Si₃N₄上表面，形成凹槽侧壁及凹槽状，在所述 凹槽侧壁及凹槽外部介质上表面形成一层高反射率薄膜；

在所述凹槽中淀积彩色滤光片材料并在彩色滤光片材料上面制作微透镜。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明采用的高反射率薄膜包围着金属层， 有效的避免了入射光在金属间反射而造成的串扰，该结构图像传感器只采用两层金属 线，减薄的金属连线和介质层有效的缩短了入射光到达像素表面的距离。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的 附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于 本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得 其它附图。

图1为现有技术中的CMOS图像传感器感光结构示意图；

图2为本发明具体实施方式提供的CMOS图像传感器结构示意图；

图3为本发明具体实施方式提供的CMOS图像传感器中入射光光路示意图；

图4-图7为本发明实施方式提供的CMOS图像传感器制造分步骤成型示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地 描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明的保护范围。

本具体实施方式提供了一种CMOS图像传感器，如图2所示，包括高反射率薄膜207和 两层金属连线204，用于屏蔽入射光的高反射率薄膜207设置在两层金属连线204的四周和 顶部。

具体的，本具体实施方式是在传统的CMOS图像传感器的基础上采用两层金属连线 204，且金属连线204及介质层均进行减薄，因此，入射光到达光电二极管表面的距离可 缩短1um-2um。金属连线204的四周和顶部淀积一层高反射率薄膜207，用于屏蔽入射光因 金属层反射引起的串扰。光电二极管的表面淀积着折射率相对较高的Si₃N₄薄膜201作为 防反射层，防反射层上面分布着彩色滤光片阵列208，将彩色滤光片阵列208置于光电二 极管102的表面，一方面避免了入射光在不同介质中发生反射，同时也简化了工艺。而本 具体实施方式提供的CMOS图像传感器中的P型衬底材料100、浅沟槽绝缘101、光电二极管 102、接触孔202和微透镜209与图1中现有的CMOS图像传感器相同，在此不再敷述。

结合图3入射光示意图进一步说明本具体实施方式的CMOS图像传感器的结构，第一入 射光301和第二入射光302是两束不同位置的入射光，第一入射光301以一定的倾斜角度经 过彩色滤光片阵列208入射到高反射率薄膜207的表面，高反射率薄膜207具有高的反射从 而使第一入射光301发生反射，反射后光线到达彩色滤光片阵列材料208和防反射薄膜 Si₃N₄ 201a界面，界面材料Si₃N₄的折射率(约为2.0)高于彩色滤光阵列材料的折射率(约 为1.5)，因此光线在此界面发生折射后到达光电二极管102表面。第二入射光302以一定 的角度照射到金属层上方的高反射率薄膜207上面，高反射系数的高反射率薄膜207使其 发生反射，从而抑制了入射光到达金属表面和侧面。

本具体实施方式还提供了一种CMOS图像传感器的制造方法，具体步骤如下：

如图4所示，首先选择硅衬底材料100，一般是重掺杂P型硅上外延轻掺杂P型硅，通 过光刻、注入、扩散等传统集成电路制造工艺将As或P离子植入衬底材料100内形成N型光 电二极管102。相邻的光电二极管之间的衬底材料采用腐蚀工艺蚀刻开并用SiO₂材料填充 形成浅沟槽绝缘101；其次，在衬底表面逐层淀积介质层和金属层，如图5所示，为了防 止硅表面在后续接触孔202腐蚀时受到损伤，需要在衬底材料100表面淀积约35-40nm的 Si₃N₄ 201a作为介质SiO₂ 201b腐蚀时的阻止层，同时Si₃N₄ 201a也作为入射光进入光电二 极管102的防反射层。为了使绝缘层平坦的覆盖，需要在SiO₂ 201b中添加B或P以提高其流 动性，工艺上将Si₃N₄ 201a和SiO₂ 201b构成的复合层称为层间介质(ILD)，用以多晶硅 电极的隔离层和接触孔202的绝缘层。在层间介质(ILD)表面上采用溅射、光刻、腐蚀 等工艺形成金属连线204，经过淀积、光刻、腐蚀等工艺形成隔离金属连线204的绝缘层 203，再经光刻、腐蚀后在绝缘层203上形成互联孔，采用金属连线204和绝缘层203相同的 工艺再自上而下依次再形成第二金属连线206和第二绝缘层205。

然后，采用干法腐蚀将光电二极管102表面的介质材料腐蚀至Si₃N₄ 201a上表面，刻蚀 后的结构如图6所示，本具体实施方式将601定义为光路通道。再采用化学气相淀积和腐 蚀等工艺在光路通道601侧壁及介质第二绝缘层205上表面形成一层高反射率薄膜207，如 图7所示。最后在光路通道601中淀积彩色滤光片材料，并在彩色滤光片材料上面制作微 透镜，制成的CMOS图像传感器如图2所示。

从图2所示的结构可以看出，高反射率薄膜层包围着金属连线，有效的避免了入射光 在金属间反射而造成的串扰，该结构图像传感器采用减薄的金属连线和介质层，有效的 缩短了入射光到达像素表面的距离。该结构图像传感器将彩色滤光阵列材料替代传统结 构的介质材料避免了入射光因介质折射率差异造成的反射。该结构图像传感器像素表面 的防反射层薄膜屏蔽了光的反射，从而提高了入射光的利用效率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替 换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。