Cmos圖像傳感器及其形成方法
【專利摘要】一種CMOS圖像傳感器及其形成方法。其中，所述CMOS圖像傳感器包括：半導(dǎo)體襯底；位于所述半導(dǎo)體襯底上的光電轉(zhuǎn)換元件和CMOS器件層；覆蓋所述半導(dǎo)體襯底、光電轉(zhuǎn)換元件和CMOS器件層的層間介質(zhì)層；位于所述層間介質(zhì)層上的金屬間介質(zhì)層，所述金屬間介質(zhì)層內(nèi)具有金屬互連層；其特征在于，還包括：位于所述光電轉(zhuǎn)換元件上方的通孔，所述通孔貫穿所述金屬間介質(zhì)層和至少部分厚度的所述層間介質(zhì)層；密封所述通孔頂部開口的透明基板；位于所述透明基板上的濾色層。所述CMOS圖像傳感器的光響應(yīng)靈敏度提高。
【專利說明】
CMOS圖像傳感器及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及圖像傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種CMOS圖像傳感器及其形成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 通常，半導(dǎo)體圖像傳感器有電荷耦合圖像傳感器（CCD)和CMOS圖像傳感器（CIS) 兩種。電荷耦合圖像傳感器上有許多排列整齊的電容，能夠感應(yīng)光線，并將影像轉(zhuǎn)換成數(shù)字 信號。而CMOS圖像傳感器是由光電二極管和CMOS器件組成，包括像敏單元陣列、行/列驅(qū) 動器、時序控制邏輯、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)總線輸出口和控制總線等，而且這些組成部分通常都 可以集成在同一個芯片上。相較于電荷耦合傳感器件，CMOS圖像傳感器具有更好的抗干擾 能力等優(yōu)點，因此CMOS圖像傳感器廣泛應(yīng)用在手機(jī)、個人電腦等消費電子產(chǎn)品中。
[0003] 請參考圖1，現(xiàn)有CMOS圖像傳感器通常包括以下結(jié)構(gòu)：半導(dǎo)體襯底100,形成在半 導(dǎo)體襯底100上的光電轉(zhuǎn)換元件110和CMOS器件層120,覆蓋光電轉(zhuǎn)換元件110和CMOS 器件層120的層間介質(zhì)層（ILD) 130,位于層間介質(zhì)層130上的金屬間介質(zhì)層（IMD) 140， 金屬間介質(zhì)層140內(nèi)部具有一層或者多層金屬互連層150(圖1中示出了三層），或者說 金屬互連層150之間具有金屬間介質(zhì)層140,位于金屬間介質(zhì)層140上的濾色層（color filter) 160,以及位于濾色層160上的微透鏡層（lens) 170。
[0004] 在如圖1所示的現(xiàn)有CMOS圖像傳感器中，光線（如圖1中各箭頭所示，未標(biāo)注） 需要透過微透鏡層170、濾色層160、金屬間介質(zhì)層140和層間介質(zhì)層130才能到達(dá)光電轉(zhuǎn) 換元件110以進(jìn)行光電信號的轉(zhuǎn)換（光電轉(zhuǎn)換元件110內(nèi)部的多邊形代表接收到的光線）， 在此傳播過程中，由于各層結(jié)構(gòu)都具有相應(yīng)的折射作用，各層內(nèi)部和不同層之間還會發(fā)生 漫散射作用，并且有些層結(jié)構(gòu)（例如金屬互連層）還對光線具有反射作用，從而使相應(yīng)的光 線大量損失，最終導(dǎo)致CMOS圖像傳感器獲得的光信號較弱，極大地影響了 CMOS圖像傳感器 的光響應(yīng)靈敏度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明解決的問題是提供一種CMOS圖像傳感器及其形成方法，以減少光線在傳 播到光電轉(zhuǎn)換元件過程中的損失，從而增強(qiáng)CMOS圖像傳感器獲得的光信號，提高CMOS圖像 傳感器的光響應(yīng)靈敏度。
[0006] 為解決上述問題，本發(fā)明提供一種CMOS圖像傳感器，包括：
[0007] 半導(dǎo)體襯底；
[0008] 位于所述半導(dǎo)體襯底上的光電轉(zhuǎn)換元件和CMOS器件層；
[0009] 覆蓋所述半導(dǎo)體襯底、光電轉(zhuǎn)換元件和CMOS器件層的層間介質(zhì)層；
[0010] 位于所述層間介質(zhì)層上的金屬間介質(zhì)層，所述金屬間介質(zhì)層內(nèi)具有金屬互連層；
[0011] 還包括：
[0012] 位于所述光電轉(zhuǎn)換元件上方的通孔，所述通孔貫穿所述金屬間介質(zhì)層和至少部分 厚度的所述層間介質(zhì)層；
[0013] 密封所述通孔頂部開口的透明基板；
[0014] 位于所述透明基板上的濾色層。
[0015] 可選的，還包括位于所述通孔側(cè)壁的反射層。
[0016] 可選的，所述反射層的折射率為2. 0以上。
[0017] 可選的，所述反射層的厚度范圍為200 A~1000A。
[0018] 可選的，所述反射層的材料為氮化硅或者氮氧化硅的至少其中之一。
[0019] 可選的，所述通孔側(cè)壁與通孔底部之間的夾角范圍為75°~85°。
[0020] 可選的，所述透明基板對所述通孔的密封為真空密封。
[0021] 可選的，所述通孔底部保留的所述層間介質(zhì)層厚度小于等于500A。
[0022] 為解決上述問題，本發(fā)明還提供了一種CMOS圖像傳感器的形成方法，包括：
[0023] 提供半導(dǎo)體襯底；
[0024] 在所述半導(dǎo)體襯底上形成光電轉(zhuǎn)換元件和CMOS器件層；
[0025] 形成層間介質(zhì)層覆蓋所述半導(dǎo)體襯底、光電轉(zhuǎn)換元件和CMOS器件層；
[0026] 在所述層間介質(zhì)層上形成金屬間介質(zhì)層和金屬互連層，所述金屬互連層位于所述 金屬間介質(zhì)層內(nèi)；
[0027] 在所述光電轉(zhuǎn)換元件上方形成通孔，所述通孔貫穿所述金屬間介質(zhì)層和至少部分 厚度的所述層間介質(zhì)層；
[0028] 采用透明基板密封所述通孔頂部開口；
[0029] 在所述透明基板上形成濾色層。
[0030] 可選的，在形成所述通孔后，且在密封所述通孔頂部開口前，還包括在所述通孔側(cè) 壁形成反射層的步驟。
[0031] 可選的，所述反射層的折射率范圍為2. 0以上。
[0032] 可選的，所述反射層的厚度范圍為200A~1000A。
[0033] 可選的，所述反射層的材料為氮化硅或者氮氧化硅的至少其中之一。
[0034] 可選的，所述通孔側(cè)壁與通孔底部之間的夾角范圍為75°~85°。
[0035] 可選的，采用真空密封工藝密封所述通孔頂部開口。
[0036] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點：
[0037] 本發(fā)明的技術(shù)方案中，通過制作出貫穿金屬間介質(zhì)層和至少部分厚度層間介質(zhì)層 的通孔，從而使光線能夠通孔到達(dá)光電轉(zhuǎn)換元件，減少了光線在金屬間介質(zhì)層和至少部分 厚度層間介質(zhì)層內(nèi)的損耗，從而使光電轉(zhuǎn)換元件獲得的光信號強(qiáng)度增大，提高CMOS圖像傳 感器的光響應(yīng)靈敏度。
[0038] 進(jìn)一步，通過在通孔側(cè)壁形成反射層，大幅增加到達(dá)光電轉(zhuǎn)換元件的光線，從而大 幅提高CMOS圖像傳感器的光響應(yīng)靈敏度。
[0039] 進(jìn)一步，采用真空密封工藝密封通孔，從而提高通孔內(nèi)結(jié)構(gòu)的可靠性，提高整個 CMOS圖像傳感器的耐用性能。
【附圖說明】
[0040] 圖1是現(xiàn)有CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041] 圖2至圖6是本發(fā)明實施例所提供的CMOS圖像傳感器的形成方法各步驟對應(yīng)結(jié) 構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0042] 正如【背景技術(shù)】所述，現(xiàn)有CMOS圖像傳感器光感應(yīng)靈敏度低，這是因為現(xiàn)有CMOS圖 像傳感器的結(jié)構(gòu)所限：光線必須穿過相應(yīng)的金屬間介質(zhì)層和層間介質(zhì)層才能夠到達(dá)光電轉(zhuǎn) 換元件，在這個過程中，光線在金屬間介質(zhì)層和層間介質(zhì)層內(nèi)部發(fā)生漫反射等作用，導(dǎo)致光 線大量損失，從而使光電轉(zhuǎn)換元件接收到的光信號大幅減弱。
[0043] 為此，本發(fā)明提供一種新的CMOS圖像傳感器及其形成方法，所述CMOS圖像傳感器 具有位于光電轉(zhuǎn)換元件上方的通孔，所述通孔貫穿金屬間介質(zhì)層，并且同時貫穿至少部分 厚度的層間介質(zhì)層，這樣，大量的光線能夠通過所述通孔直接到達(dá)光電轉(zhuǎn)換元件，或者大量 的光線能夠通過所述通孔以及厚度較小的層間介質(zhì)層到達(dá)光電轉(zhuǎn)換元件，從而大幅提高光 電轉(zhuǎn)換元件接收到的光信號強(qiáng)度，提高了 CMOS圖像傳感器的光響應(yīng)靈敏度。
[0044] 同時，所述通孔的側(cè)壁具有反射層，反射層能使避免照射到所述通孔側(cè)壁的光線 在側(cè)壁發(fā)生漫反射，而使得進(jìn)入到通孔頂部開口的絕大部分光線都到達(dá)光電轉(zhuǎn)換元件，進(jìn) 一步提高了光電轉(zhuǎn)換元件接收到的光信號強(qiáng)度，進(jìn)一步提高了 CMOS圖像傳感器的光響應(yīng) 靈敏度。
[0045] 為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明 的具體實施例做詳細(xì)的說明。
[0046] 本發(fā)明實施例提供一種CMOS圖像傳感器的形成方法，請結(jié)合參考圖2至圖6。
[0047] 請結(jié)合圖2,提供半導(dǎo)體襯底200,在半導(dǎo)體襯底200上形成光電轉(zhuǎn)換元件210和 CMOS器件層220,然后形成層間介質(zhì)層230覆蓋半導(dǎo)體襯底200、光電轉(zhuǎn)換元件210和CMOS 器件層220,并在層間介質(zhì)層230上形成金屬間介質(zhì)層240和金屬互連層250。其中，金屬 互連層250位于金屬間介質(zhì)層240內(nèi)。
[0048] 本實施例中，半導(dǎo)體襯底200可以為硅襯底，并且圖2所示半導(dǎo)體襯底200可以是 一個硅晶圓的其中一部分，所述硅晶圓用于制作多個CMOS圖像傳感器，在制作完成之后， 再通過后續(xù)的封裝工藝對各個CMOS圖像傳感器進(jìn)行分離。
[0049] 在本發(fā)明的其它實施例中，半導(dǎo)體襯底200也可以為鍺硅襯底、III - V族元素化合 物襯底、碳化硅襯底或其疊層結(jié)構(gòu)襯底，或絕緣體上硅襯底，還可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知 的其他合適的半導(dǎo)體材料襯底。
[0050] 本實施例中，光電轉(zhuǎn)換元件210可以為光電二極管（photodiode)，并且具體的光 電二極管可以具有PN結(jié)結(jié)構(gòu)，也可以具有PIN結(jié)結(jié)構(gòu)。
[0051] 本實施例中，CMOS器件層220中，每個光電轉(zhuǎn)換元件210可以與3個晶體管結(jié)構(gòu)、 4個晶體管結(jié)構(gòu)或者5個以上的晶體管結(jié)構(gòu)組成相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)。其中，所述晶體管可以包 括復(fù)位晶體管、轉(zhuǎn)移晶體管、源跟隨晶體管和行選通晶體管等。具體CMOS器件層220的結(jié) 構(gòu)可以參考現(xiàn)有的CMOS圖像傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在此不再詳細(xì)描述。
[0052] 本實施例中，層間介質(zhì)層230的材料可以為氧化硅，可以采用沉積方法形成層間 介質(zhì)層230。層間介質(zhì)層230形成后還可以在其內(nèi)部形成接觸孔，并在接觸孔內(nèi)形成接觸插 塞（未示出），從而使得被層間介質(zhì)層230覆蓋的CMOS器件層220能夠與后續(xù)形成的金屬 互連層250電連接。
[0053] 本實施例中，金屬間介質(zhì)層240的材料也可以為氧化硅，同樣可以采用沉積方法 形成金屬間介質(zhì)層240。
[0054] 本實施例中，金屬互連層250的材料可以為鋁、銅或者鎢等，可以通過沉積工藝和 刻蝕工藝形成金屬互連層250。
[0055] 需要說明的是，金屬互連層250和金屬間介質(zhì)層240可以交替多次地形成。例如 先形成一層金屬互連層250,再形成金屬間介質(zhì)層240覆蓋此金屬互連層250,然而在這層 金屬間介質(zhì)層240上形成另一層金屬互連層250,并再次用金屬間介質(zhì)層240覆蓋該金屬 互連層250,如此交替往復(fù)。圖2中顯示形成了三層的金屬互連層250結(jié)構(gòu)，在其它實施例 中，也可以形成兩層或者四層以上的金屬互連層250,本發(fā)明對此不作限定。
[0056] 請參考圖3,在光電轉(zhuǎn)換元件210上方形成通孔201，通孔201貫穿金屬間介質(zhì)層 240和部分層間介質(zhì)層230。
[0057] 本實施例中，形成通孔201的過程可以包括：在金屬間介質(zhì)層240上形成圖案化的 掩膜層260,掩膜層260可以為光刻膠層，也可以是例如氮化硅材料的硬掩膜層；然后，以圖 案化的掩膜層260為掩模，依次刻蝕金屬間介質(zhì)層240和層間介質(zhì)層230,直至剩余部分厚 度的層間介質(zhì)層230,此時形成通孔201。
[0058] 上述形成過程中，無論是采用光刻膠層還是硬掩膜層作為掩模，通常都需要增加 一道光罩工藝。例如當(dāng)采用光刻膠層時，可以在整個晶圓的金屬間介質(zhì)層240上涂覆光刻 膠，然后曝光和顯影，以將需要形成通孔201的位置的光刻膠層去除，形成圖案化的光刻膠 層，此圖案化的光刻膠層作為圖案化的掩膜層260。
[0059] 本實施例中，刻蝕金屬間介質(zhì)層240和層間介質(zhì)層230所采用的工藝可以為干法 刻蝕工藝。由于金屬間介質(zhì)層240和層間介質(zhì)層230的材料為氧化娃，因而所述干法刻蝕 工藝采用的主刻蝕氣體可以為CF4、C4F8和CHF3的至少其中之一。在本發(fā)明的其它實施例 中，也可以選擇其它合適氣體，本發(fā)明對此不作限定。
[0060] 本實施例中，通孔201底部保留的層間介質(zhì)層230厚度（如圖3所示，未標(biāo)注）小 于等于500/\,亦即剩余的層間介質(zhì)層230厚度小于等于500A。通孔201底部剩余部分層間 介質(zhì)層230可以保護(hù)光電轉(zhuǎn)換元件210上表面免受刻蝕工藝（所述刻蝕工藝指通孔201形 成時采用的刻蝕工藝）的刻蝕作用，但同時也造成后續(xù)光線需要再穿過剩余的層間介質(zhì)層 230才能到達(dá)光電轉(zhuǎn)換元件210。為了平衡這一對矛盾的關(guān)系，使得CMOS圖像傳感器的性 能達(dá)到較為理想的水平，控制層間介質(zhì)層230的剩余厚度在5〇〇A以下。
[0061] 需要說明的是，在本發(fā)明的其它實施例中，通孔201也可以同時貫穿金屬間介質(zhì) 層240和層間介質(zhì)層230,即形成通孔201時，在刻蝕至貫穿全部金屬間介質(zhì)層240后，繼續(xù) 刻蝕至貫穿全部層間介質(zhì)層230,最終形成的通孔201底部沒有剩余的層間介質(zhì)層230,而 是以光電轉(zhuǎn)換元件210所在半導(dǎo)體襯底200表面作為通孔201底部。并且，這種通孔201 底部不存在剩余層間介質(zhì)層230的方案更加有利于光線到達(dá)光電轉(zhuǎn)換元件210,因此，能夠 進(jìn)一步提高CMOS圖像傳感器的性能。但需要同時注意控制相應(yīng)的刻蝕過程不對光電轉(zhuǎn)換 元件210表面造成不利影響。
[0062] 本實施例中，通孔201側(cè)壁與通孔201底部之間的夾角α的范圍為75°~85°。 如圖3所示，夾角α指通孔201側(cè)壁所在平面與通孔201底部所在平面構(gòu)成的小于等于 90°的角。由于干法刻蝕本身的特性決定通孔201會呈現(xiàn)上寬下窄的形狀，故而通孔201 底角通常大于90°，因此夾角α通常會是通孔201底角的補角，而不是通孔201底角本身。 夾角α的大小需要考慮通孔201頂部開口與金屬互連線之間的距離，以及通孔201底部光 電轉(zhuǎn)換元件210的面積兩個因素。為了既能夠保證通孔201頂部開口較大，以收集更多光 線，又能夠保證通孔201底部面積不小于光電轉(zhuǎn)換元件210上表面面積，設(shè)置夾角α的范 圍為75。~85。。
[0063] 本實施例中，在光電轉(zhuǎn)換元件210上方形成通孔201，以使得光電轉(zhuǎn)換元件210位 于通孔201的底部下方。因為后續(xù)光線需要經(jīng)過通孔201而到達(dá)光電轉(zhuǎn)換元件210。因此， 本實施例可以控制使得通孔201底部的形狀和面積與光電轉(zhuǎn)換元件210上表面的形狀和 面積基本相等，或者通孔201底部的面積略大于光電轉(zhuǎn)換元件210上表面面積。由于通孔 201通常為上寬下窄的結(jié)構(gòu)（相應(yīng)的刻蝕工藝決定了通孔201具有上寬下窄的結(jié)構(gòu)，上述通 孔201側(cè)壁的傾斜角也進(jìn)一步證明了此上寬下窄的結(jié)構(gòu)），因此，當(dāng)通孔201底部位于光電 轉(zhuǎn)換元件210 (正）上方時，通孔201其它部分也都位于光電轉(zhuǎn)換元件210 (正）上方和斜 (正）上方。
[0064] 本實施例中，通孔201的頂部開口直徑（未標(biāo)注）取決于金屬互連線之間的距離。 為了能更多收集光線，通孔201的頂部開口直徑只要比金屬互連線之間的距離稍小即可 (此處金屬互連線之間指制作通孔201位置附近的金屬互連線之間），例如當(dāng)金屬互連線之 間的距離為1 μπι時，通孔201的頂部開口直徑大致可以在0. 5 μL?~1 μπι。
[0065] 本實施例中，通孔201形成的位置中，原來的金屬間介質(zhì)層240和層間介質(zhì)層230 內(nèi)部均不會存在導(dǎo)電結(jié)構(gòu)或者器件結(jié)構(gòu)。這是因為，原本這些位于光電轉(zhuǎn)換元件210正上 方及一定范圍內(nèi)斜正上方的金屬間介質(zhì)層240和層間介質(zhì)層230也需要通過光線，因此，原 本就不會在這些位置設(shè)計導(dǎo)電結(jié)構(gòu)或器件結(jié)構(gòu)。也就是說，這些位置原本就是金屬間介質(zhì) 層240和層間介質(zhì)層230而已，因此，通孔201的形成絲毫不會影響CMOS圖像傳感器介于 金屬間介質(zhì)層240和層間介質(zhì)層230之間的任何結(jié)構(gòu)。
[0066] 需要說明的是，圖3中雖然顯示在形成通孔201之后還剩余有圖案化的掩模層，但 是，在實際工藝過程中，掩膜層260可以在形成通孔201的過程中被一并刻蝕去除，或者也 可以在通孔201形成之后，單獨采用相應(yīng)的去除工藝去除剩余的掩膜層260。
[0067] 請參考圖4,在通孔201側(cè)壁形成反射層270。
[0068] 本實施例中，反射層270的折射率范圍為2. 0以上。控制反射層270的折射率在 2. 0以上，是為了提高反射層270的反射率。通常反射層270越高越好，反射率越高，光線在 到達(dá)光電轉(zhuǎn)換元件210的過程中損失量越少，最終光電轉(zhuǎn)換元件210獲得的光信號強(qiáng)度越 大。然而，非鏡面的介質(zhì)，例如本實施例采用的反射層，其反射率與介質(zhì)的顏色、溫度和光的 屬性等諸多方面因素有關(guān)。并且當(dāng)光線接近正入射（即入射角Θ約等于〇)時，反射率計 算公式是：
[0069] R = 0^-?)2/ 0^+?)2
[0070] 其中，叫和η 2分別是反射層270的折射率和空氣的真實折射率（即相對于真空的 折射率）。折射率指光在真空中的速度與光在該材料中的速度之比率。材料的折射率越高， 使入射光發(fā)生折射的能力越強(qiáng)，通常折射率越高材料的反射能力也越強(qiáng)。因此本實施例中， 折射率&在2. 0以上。即為了獲得較為理想的光信號強(qiáng)度，控制反射層270的折射率在2. Ο 以上，從而保證反射層270將大量光線反射到達(dá)光電轉(zhuǎn)換元件210。
[0071] 當(dāng)然，在本發(fā)明其它實施例中，如果反射層270能夠制作成鏡面介質(zhì)，則其反射率 能夠達(dá)到100%，反射效果更好。
[0072] 本實施例中，反射層270的材料可以為氮化硅或者氮氧化硅的至少其中之一。氮 化硅或者氮氧化硅可以根據(jù)制作工藝的調(diào)整而制作成高反射率的反射層270,從而使更多 的光線能夠通過通孔201直接到達(dá)光電轉(zhuǎn)換元件210,并且氮化硅或者氮氧化硅經(jīng)常運用 在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，制作工藝成熟。需要說明的是，在本發(fā)明的其它實施例中，反射層270也 可以選擇其它合適材料。
[0073] 本實施例中，反射層270的厚度范圍為200Α~1000Α。反射層270需要具備一定 的厚度才能夠較好地實現(xiàn)相應(yīng)的反射效果，因此，通常控制其厚度在200A以上。同時，反 射層270厚度如果大于1 〇〇〇人，不僅延長制作工藝的工藝周期，而且造成通孔201的開口面 積減小，因此，控制反射層270的厚度在丨〇〇〇人以下。
[0074] 本實施例中，形成反射層270的過程可以為：利用化學(xué)氣相沉積（CVD)工藝在通孔 201的底部和側(cè)壁表面直接淀積形成2?〇Α~Η)0〇Λ的氮氧化硅薄膜或氮化硅薄膜以作為 反射材料層；然后利用干法刻蝕各向異性的特點將通孔201底部的反射材料層刻蝕掉，保 留側(cè)壁上的反射材料層，此剩余的反射材料層即為反射層270。由于只需要通孔201底部的 反射材料層去掉，側(cè)壁上的反射材料層是要保留的，所以通常只能采用干法刻蝕等各向異 性刻蝕方法，而如果用濕法刻蝕工藝，則會把通孔201側(cè)壁上的反射材料層也去除。
[0075] 需要說明的是，反射層270的制作能夠大量增加到達(dá)光電轉(zhuǎn)換元件210的光線，提 高CMOS圖像傳感器的光響應(yīng)靈敏度。而如果沒有反射層270,光線進(jìn)入通孔201以后，會 有較大部分射入通孔201側(cè)壁中的介質(zhì)層（所述介質(zhì)層包括金屬間介質(zhì)層240和層間介質(zhì) 層230)，并被所述介質(zhì)層吸收或在側(cè)壁表面漫反射，造成部分光線不能有效到達(dá)光電轉(zhuǎn)換 元件210,從而造成總體上光信號強(qiáng)度比沒有反射層270時弱。但是，在本發(fā)明的其它實施 例中，如果不制作反射層270時，通過通孔201仍然能夠達(dá)到相應(yīng)的光響應(yīng)靈敏度需求，則 可以不必在通孔201側(cè)壁制作反射層270。
[0076] 請參考圖5,采用透明基板280密封通孔201頂部開口。
[0077] 本實施例中，透明基板280的材料可以為石英玻璃。其它實施例中，透明基板280 的材料還可以為有機(jī)玻璃等材料。
[0078] 本實施例中，采用真空密封工藝密封通孔201。具體的，可以在真空環(huán)境下進(jìn)行粘 接或者焊接工藝，并且采用如圖5中所示的膠粘劑202粘接金屬間介質(zhì)層240和透明基板 280,從而將透明基板280與晶圓粘接在一起。膠粘膠將透明基板280與通孔201之間完全 密封，并且所述粘接過程中真空條件下進(jìn)行，從而使通孔201得到真空密封。
[0079] 當(dāng)采用真空密封的方法時，通孔201內(nèi)是真空環(huán)境，能大量減少空氣和水分等對 光線的散射作用，光線在傳播過程中損耗會更少，從而使CMOS圖像傳感器的光響應(yīng)靈敏度 更高。同時，真空環(huán)境能夠防止反射層270受空氣或者水分的污染，還能夠進(jìn)一步提高CMOS 圖像傳感器的可靠性和耐用性。
[0080] 需要說明的是，在本發(fā)明的其它實施例中，也可以不必采用真空密封，而采用透明 基板280將通孔201非真空地密封。
[0081] 請繼續(xù)參考圖5,在透明基板280上形成濾色層290。濾色層290也可以稱為濾色 陣列層，其通常包括紅色、綠色和藍(lán)色三種陣列排布的濾色單元，其作用和形成工藝為本領(lǐng) 域技術(shù)人員所熟知，在此不再贅述。
[0082] 本實施例中，將濾色層290直接制作在透明基板280上。在其它實施例中，透明基 板280與濾色層290之間也可以包含其它層結(jié)構(gòu)。
[0083] 請參考圖6,在濾色層290上形成微透鏡層203。微透鏡層203的作用和形成工藝 為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，在此不再贅述。
[0084] 圖中雖未示出，但本實施例后續(xù)可以對晶圓上的各個CMOS圖像傳感器進(jìn)行相應(yīng) 的封裝工藝，然后對各個CMOS圖像傳感器進(jìn)行切割分離。切割過程中，如果透明基板280 是整塊結(jié)構(gòu)密封在晶圓上時，需要對透明基板280也進(jìn)行切割。具體切割時，可以采用傳統(tǒng) 刀片切割工藝切割透明基板280,也可以采用激光切割工藝切割透明基板280。然而，當(dāng)透 明基板280的個數(shù)與CMOS圖像傳感器相等，并且相互對應(yīng)時，各個透明基板280之間相互 分離，此時則不需要對透明基板280進(jìn)行切割。
[0085] 本實施例所提供的CMOS圖像傳感器的形成方法中，通過制作出貫穿金屬間介質(zhì) 層240和至少部分厚度層間介質(zhì)層230的通孔201，從而使光線（如圖6中各箭頭所示，未 標(biāo)注）能夠通孔201到達(dá)光電轉(zhuǎn)換元件210,減少了光線在金屬間介質(zhì)層240和至少部分厚 度層間介質(zhì)層230內(nèi)的損耗，從而使光電轉(zhuǎn)換元件210獲得的光信號強(qiáng)度增大，提高CMOS 圖像傳感器的光響應(yīng)靈敏度。
[0086] 本實施例進(jìn)一步通過在通孔201側(cè)壁形成反射層270,大幅增加到達(dá)光電轉(zhuǎn)換元 件210的光線，從而大幅提高CMOS圖像傳感器的光響應(yīng)靈敏度。
[0087] 本實施例進(jìn)一步采用真空密封工藝密封通孔201，從而提高通孔201內(nèi)結(jié)構(gòu)的可 靠性，提高整個CMOS圖像傳感器的耐用性能。
[0088] 本發(fā)明另一實施例還提供一種CMOS圖像傳感器，所述CMOS圖像傳感器可以采用 前述實施例所提供的形成方法形成，因此，所述CMOS圖像傳感器可以參考前述實施例相應(yīng) 內(nèi)容。
[0089] 具體的，請結(jié)合參考圖6,本實施例所提供的CMOS圖像傳感器包括半導(dǎo)體襯底 200,位于半導(dǎo)體襯底200上的光電轉(zhuǎn)換元件210和CMOS器件層220,覆蓋半導(dǎo)體襯底200、 光電轉(zhuǎn)換元件210和CMOS器件層220的層間介質(zhì)層230,位于層間介質(zhì)層230上的金屬間 介質(zhì)層240,金屬間介質(zhì)層240內(nèi)具有金屬互連層250。并且，所述CMOS圖像傳感器還包括 位于光電轉(zhuǎn)換元件210上方的通孔201，通孔201貫穿金屬間介質(zhì)層240和至少部分厚度的 層間介質(zhì)層230,位于通孔201側(cè)壁的反射層270,密封通孔201頂部開口的透明基板280， 如圖6中所示，透明基板280通過膠粘劑202粘接在金屬間介質(zhì)層240上。所述CMOS圖像 傳感器還包括位于透明基板280上的濾色層290,以及位于濾色層290上的微透鏡層203。
[0090] 本實施例中，半導(dǎo)體襯底200可以為硅襯底。在本發(fā)明的其它實施例中，半導(dǎo)體襯 底200也可以為鍺硅襯底、III - V族元素化合物襯底、碳化硅襯底或其疊層結(jié)構(gòu)襯底，或絕 緣體上硅襯底，還可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其他合適的半導(dǎo)體材料襯底。
[0091] 本實施例中，光電轉(zhuǎn)換元件210可以為光電二極管（photodiode)，并且具體的光 電二極管可以具有PN結(jié)結(jié)構(gòu)，也可以具有PIN結(jié)結(jié)構(gòu)。
[0092] 本實施例中，CMOS器件層220中，每個光電轉(zhuǎn)換元件210可以與3個晶體管結(jié)構(gòu)、 4個晶體管結(jié)構(gòu)或者5個以上的晶體管結(jié)構(gòu)組成相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)。其中，所述晶體管可以包 括復(fù)位晶體管、轉(zhuǎn)移晶體管、源跟隨晶體管和行選通晶體管等。具體的CMOS器件層220結(jié) 構(gòu)可以參考現(xiàn)有的CMOS圖像傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在此不再詳細(xì)描述。
[0093] 本實施例中，層間介質(zhì)層230的材料可以為氧化娃。層間介質(zhì)層230內(nèi)部可以具 有接觸插塞（未示出），從而使得被層間介質(zhì)層230覆蓋的CMOS器件層220能夠與后續(xù)形 成的金屬互連層250電連接。
[0094] 本實施例中，金屬間介質(zhì)層240的材料也可以為氧化硅。
[0095] 本實施例中，金屬互連層250的材料可以為鋁、銅或者鎢等。
[0096] 需要說明的是，金屬互連層250和金屬間介質(zhì)層240可以交替重疊。例如圖6中 顯示了三層的金屬互連層250與金屬間介質(zhì)層240交替重疊在一起，在其它實施例中，也可 以是兩層或者四層以上的金屬互連層250與金屬間介質(zhì)層240交替重疊，本發(fā)明對此不作 限定。
[0097] 本實施例中，反射層270的折射率范圍為2. 0以上?？刂品瓷鋵?70的折射率在 2. 0以上，是為了提高反射層270的反射率。通常反射層270越高越好，反射率越高，光線在 到達(dá)光電轉(zhuǎn)換元件210的過程中損失量越少，最終光電轉(zhuǎn)換元件210獲得的光信號強(qiáng)度越 大。然而，非鏡面的介質(zhì)，例如本實施例采用的反射層，其反射率與介質(zhì)的顏色、溫度和光的 屬性等諸多方面因素有關(guān)。并且當(dāng)光線接近正入射（即入射角Θ約等于〇)時，反射率計 算公式是：
[0098] R = 0^-?)2/ 0^+?)2
[0099] 其中，叫和η 2分別是反射層270的折射率和空氣的真實折射率（即相對于真空的 折射率）。折射率指光在真空中的速度與光在該材料中的速度之比率。材料的折射率越高， 使入射光發(fā)生折射的能力越強(qiáng)，通常折射率越高材料的反射能力也越強(qiáng)。因此本實施例中， 折射率&在2. 0以上。即為了獲得較為理想的光信號強(qiáng)度，控制反射層270的折射率在2. 0 以上，從而保證反射層270將大量光線反射到達(dá)光電轉(zhuǎn)換元件210。
[0100]當(dāng)然，在本發(fā)明其它實施例中，如果反射層270能夠制作成鏡面介質(zhì)，則其反射率 能夠達(dá)到100%，反射效果更好。
[0101] 本實施例中，反射層270的厚度范圍可以為200Α~1000Α。反射層270需要具備 一定的厚度才能夠較好地實現(xiàn)相應(yīng)的反射效果，因此，通?？刂破浜穸仍?00A以上。同 時，反射層270厚度如果大于1000Λ,不僅延長制作工藝的工藝周期，而且造成通孔201的 開口面積減小，因此，控制反射層270的厚度在1000A以下。
[0102] 本實施例中，反射層270的材料可以為氮化硅或者氮氧化硅的至少其中之一。氮 化硅或者氮氧化硅可以根據(jù)制作工藝制作成高反射率的反射層270,從而使更多的光線能 夠通過通孔201直接到達(dá)光電轉(zhuǎn)換元件210,并且氮化硅或者氮氧化硅經(jīng)常運用在半導(dǎo)體 結(jié)構(gòu)中，制作工藝成熟。需要說明的是，在本發(fā)明的其它實施例中，反射層270也可以選擇 其它合適材料。
[0103] 需要說明的是，在本發(fā)明的其它實施例中，也可以不必在通孔201側(cè)壁制作反射 層270。本實施例中，通孔201側(cè)壁與通孔201底部之間的夾角α (如圖3所示）范圍可以 為75°~85°。夾角α的大小需要考慮通孔201頂部開口與金屬互連線之間的距離，以 及通孔201底部光電轉(zhuǎn)換元件210的面積兩個因素。為了既能夠保證通孔201頂部開口較 大，以收集更多光線，又能夠保證通孔201底部面積不小于光電轉(zhuǎn)換元件210上表面面積， 設(shè)置夾角α的范圍為75°~85°。
[0104] 本實施例中，透明基板280對通孔201的密封可以為真空密封。需要說明的是，在 本發(fā)明的其它實施例中，也可以不必采用真空密封工藝密封通孔201。
[0105] 本實施例中，通孔201底部的形狀和面積與光電轉(zhuǎn)換元件210上表面的形狀和面 積基本相等，或者通孔201底部的面積略大于光電轉(zhuǎn)換元件210上表面面積。由于通孔201 通常為上寬下窄的結(jié)構(gòu)（相應(yīng)的刻蝕工藝決定了通孔201具有上寬下窄的結(jié)構(gòu)，上述通孔 201側(cè)壁的傾斜角也進(jìn)一步證明了此上寬下窄的結(jié)構(gòu)），因此，當(dāng)通孔201底部位于光電轉(zhuǎn) 換元件210正上方時，通孔201其它部分也都位于光電轉(zhuǎn)換元件210正上方和斜正上方。
[0106] 本實施例中，通孔201的頂部開口直徑取決于金屬互連線之間的距離。為了能更 多收集光線，通孔201的頂部開口直徑只要比金屬互連線之間的距離稍小即可（此處金屬 互連線之間指制作通孔201位置附近的金屬互連線之間），例如當(dāng)金屬互連線之間的距離 為1 μπι時，通孔201的頂部開口直徑大致可以在0. 5 μπι~1 μπι。
[0107] 本實施例中，通孔201底部保留的層間介質(zhì)層230厚度（如圖3所示，未標(biāo)注）小 于等于SOOAi通孔201底部保留層間介質(zhì)層230可以保護(hù)光電轉(zhuǎn)換元件210上表面免受刻 蝕工藝的刻蝕作用，但同時也造成后續(xù)光線需要再穿過剩余的層間介質(zhì)層230才能到達(dá)光 電轉(zhuǎn)換元件210。因此，為了平衡這一對矛盾的關(guān)系，使得CMOS圖像傳感器的性能達(dá)到較為 理想的水平，控制層間介質(zhì)層230的剩余厚度在500A以下。
[0108] 需要說明的是，在本發(fā)明的其它實施例中，通孔201也可以同時貫穿金屬間介質(zhì) 層240和層間介質(zhì)層230,即通孔201底部沒有層間介質(zhì)層230,而是以光電轉(zhuǎn)換元件210 所在半導(dǎo)體襯底200表面作為通孔201底部。并且，這種通孔201底部不存在層間介質(zhì)層 230的方案更加有利于光線到達(dá)光電轉(zhuǎn)換元件210,因此，能夠進(jìn)一步提高CMOS圖像傳感器 的性能。
[0109] 本實施例所提供的CMOS圖像傳感器中，由于具有貫穿金屬間介質(zhì)層240和至少部 分厚度層間介質(zhì)層230的通孔201，從而使光線（如圖6中各箭頭所示，未標(biāo)注）能夠通孔 201到達(dá)光電轉(zhuǎn)換元件210,減少了光線在金屬間介質(zhì)層240和至少部分厚度層間介質(zhì)層 230內(nèi)的損耗，從而使光電轉(zhuǎn)換元件210獲得的光信號強(qiáng)度增大，提高CMOS圖像傳感器的光 響應(yīng)靈敏度。
[0110] 雖然本發(fā)明披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本 發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求所 限定的范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項】
1. 一種CMOS圖像傳感器，包括： 半導(dǎo)體襯底； 位于所述半導(dǎo)體襯底上的光電轉(zhuǎn)換元件和CMOS器件層； 覆蓋所述半導(dǎo)體襯底、光電轉(zhuǎn)換元件和CMOS器件層的層間介質(zhì)層； 位于所述層間介質(zhì)層上的金屬間介質(zhì)層，所述金屬間介質(zhì)層內(nèi)具有金屬互連層； 其特征在于，還包括： 位于所述光電轉(zhuǎn)換元件上方的通孔，所述通孔貫穿所述金屬間介質(zhì)層和至少部分厚度 的所述層間介質(zhì)層； 密封所述通孔頂部開口的透明基板； 位于所述透明基板上的濾色層。2. 如權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，還包括位于所述通孔側(cè)壁的反 射層。3. 如權(quán)利要求2所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述反射層的折射率為2. 0 W 上。4. 如權(quán)利要求2所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述反射層的厚度范圍為 200 A ~1000 A。5. 如權(quán)利要求2所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述反射層的材料為氮化娃或 者氮氧化娃的至少其中之一。6. 如權(quán)利要求1或2所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述通孔側(cè)壁與通孔底部 之間的夾角范圍為75。~85。。7. 如權(quán)利要求1或2所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述透明基板對所述通孔 的密封為真空密封。8. 如權(quán)利要求1或2所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述通孔底部保留的所述 層間介質(zhì)層厚度小于等于500A。9. 一種CMOS圖像傳感器的形成方法，其特征在于，包括： 提供半導(dǎo)體襯底； 在所述半導(dǎo)體襯底上形成光電轉(zhuǎn)換元件和CMOS器件層； 形成層間介質(zhì)層覆蓋所述半導(dǎo)體襯底、光電轉(zhuǎn)換元件和CMOS器件層； 在所述層間介質(zhì)層上形成金屬間介質(zhì)層和金屬互連層，所述金屬互連層位于所述金屬 間介質(zhì)層內(nèi)； 在所述光電轉(zhuǎn)換元件上方形成通孔，所述通孔貫穿所述金屬間介質(zhì)層和至少部分厚度 的所述層間介質(zhì)層； 采用透明基板密封所述通孔頂部開口； 在所述透明基板上形成濾色層。10. 如權(quán)利要求9所述的形成方法，其特征在于，在形成所述通孔后，且在密封所述通 孔頂部開口前，還包括在所述通孔側(cè)壁形成反射層的步驟。11. 如權(quán)利要求10所述的形成方法，其特征在于，所述反射層的折射率范圍為2. 0 W 上。12. 如權(quán)利要求10所述的形成方法，其特征在于，所述反射層的厚度范圍為 200A ~1000A。13. 如權(quán)利要求10所述的形成方法，其特征在于，所述反射層的材料為氮化娃或者氮 氧化娃的至少其中之一。14. 如權(quán)利要求9或10所述的形成方法，其特征在于，所述通孔側(cè)壁與通孔底部之間的 夾角范圍為75。~85。。15. 如權(quán)利要求9或10所述的形成方法，其特征在于，采用真空密封工藝密封所述通孔 頂部開口。
【文檔編號】H01L27/146GK105990377SQ201510046868
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年1月29日
【發(fā)明人】李磊, 彭坤, 趙連國, 王海蓮, 霍燕麗, 呼翔, 黃鵬
【申請人】中芯國際集成電路制造(上海)有限公司