专利名称：一种cmos图像传感器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种CMOS图像传感器。
背景技术：
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(CXD)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C⑶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I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la，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。
发明内容
本发明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，本发明提供一种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-I层金属互连线以及与所述金属互连线配套的通孔；其中，N为大于等于2的正整数；沉积并刻蚀第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；沉积并刻蚀顶层互连介质层，以形成位于所述顶层金属互连线上方的环状隔离槽；对所述环状隔离槽进行高反射率材料填充，形成环状反射隔离环。
可选的，所述CMOS图像传感器制造方法，还包括对所述环状隔离槽进行高反射率材料填充后，通过反刻或化学机械抛光刻蚀暴露在所述顶层互连介质层表面的高反射率材料。可选的，所述顶层金属互连线环绕所述光电二极管区上方，由所述顶层金属互连线环绕的面积大于或等于所述光电二极管区的面积。可选的，所述环状隔离槽垂直相接于所述顶层金属互连线上表面。可选的，所述高反射率材料为金属、氮化硅、碳化硅、多晶硅或氮化钛。可选的，所述顶层金属互连线为环绕的正方形互连线，所述环状反射隔离环为正方形环。可选的，所述环状反射隔离环的底边宽度小于所述顶层金属互连线上表面的宽 度。可选的，通过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。本发明进一步提供了一种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晶体管区上方互连介质层中，包括接触孔，金属互连线以及与所述金属互连线配套的通孔，其中，顶层金属互连线上表面窄下表面宽即横截面呈梯形；以及环状反射隔离环，位于所述顶层金属互连线上方的顶层互连介质层中。可选的，所述顶层金属互连线环绕所述光电二极管区上方，由所述顶层金属互连线环绕的面积大于或等于所述光电二极管区的面积。可选的，所述环状隔离环与所述顶层金属互连线上表面垂直相接。可选的，所述环状反射隔离环的材料为金属、氮化硅、碳化硅、多晶硅或氮化钛。可选的，所述环状反射隔离环的底边宽度小于所述顶层金属互连线上表面的宽度。本发明的优点在于通过环状反射隔离环和顶层金属互连线构成复合反射结构，能够使得原先位于MOS晶体管上方被屏蔽的入射光被收集，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，由于互连介质层中的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，同时环状反射隔离环也进一步防止了像素之间串扰的发生。
图I所示为现有技术中CMOS图像传感器的结构剖视图。图2所示为本发明的CMOS图像传感器的结构剖视图。图3-5所示为本发明的CMOS图像传感器制造方法的剖视图。
具体实施例方式为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明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发明的保护范围内。
图2是本发明的CMOS图像传感器的结构剖视图。如图2所示，根据本发明的CMOS图像传感器包括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形成在衬底上。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以及与金属互连线1，2，3配套的接触孔4，通孔5，以及通孔6。金属互连线I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I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全部覆盖。顶层金属互连线3为上表面窄下表面宽，也即是横截面为梯形。在本发明的优选实施例中，顶层金属互连线3环绕于光电二极管区20的上方，由顶层金属互连线3环绕的面积大于或等于光电二极管区20的面积，也即是顶层金属互连线3下表面内侧侧边环绕而成的面积要大于或等于光电二极管区20的面积，以使得MOS晶体管区域10的入射光能够被反射进入光电二极管的感光区域20。此外，还可通过反应聚合物的成分比来调节顶层金属互连线横截斜面的角度。环状反射隔离环40位于顶层金属互连线3上方的顶层互连介质层中。环状反射隔离环40的材料可为金属、氮化 硅、碳化硅、多晶硅或氮化钛等高反射率材料。进一步的，环状反射隔离环40的底边宽度小于顶层金属互连线3上表面的宽度；环状反射隔离环40与顶层金属互连线3的上表面垂直相接，从而能够更好地使得斜入射光反射到光电二极管的感光区域20。在本发明的一个实施例中，顶层金属互连线3是环绕的正方形互连线，环状反射隔离环40为正方形环，当然顶层金属互连线3还可以是其他多边形互连线，环状反射隔离环40也可为多边形环，本发明并不限于此。下面将参照图3至图5描述根据本发明的用于制造上述CMOS图像传感器的方法。请参考图3，首先，使用常规工艺在衬底上形成进行读写控制和复位的MOS晶体管区10及用于感光的光电二极管区20 ;随后在MOS晶体管区10上方形成互连介质层30，在互连介质层30中形成金属互连结构，金属互连结构包括金属互连线1，金属互连线2，以及与金属互连线1，2相配套的接触孔4，通孔5，及通孔6。金属互连线I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I电连接。需要注意的是，尽管图3至图5中金属互连线为两层，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全部覆盖。其次，请参考图4，淀积并刻蚀金属形成顶层金属互连线3，顶层金属互连线3通过通孔6与金属互连线2电连接。在本发明的实施例中，采用Al刻蚀工艺，通过在刻蚀过程中增加反应生成物在金属侧壁的淀积量，来形成具有上表面窄下表面宽，也即是横截面为梯形的顶层金属互连线3。当然，也可以采用其他刻蚀工艺来形成具有这一结构的顶层金属互连线3，本发明并不限于此。顶层金属互连线3环绕光电二极管区20的上方，由顶层金属互连线3环绕的面积大于或等于光电二极管区20的面积，也即是顶层金属互连线3下表面内侧侧边环绕而成面积要大于或等于光电二极管区20的面积，以使得更多光电二极管以外区域的入射光能够被反射进入光电二极管的感光区域20。此外，顶层金属互连线3横截斜面的角度也可以通过反应聚合物的成分比来加以调节，从而调整入射光反射的角度。
接着，如图5所示，沉积并刻蚀顶层互连介质层以形成位于顶层金属互连线3上方的环状隔离槽，其中沉积方法例如是化学汽相淀积，刻蚀方法例如是等离子刻蚀。接着对环状隔离槽进行高反射率材料填充，填充方法例如是化学汽相淀积，本发明并不限于此。其中，高反射率材料可为氮化硅、碳化硅、多晶硅或氮化钛，亦可为铜、铝等金属。然后，通过反刻或化学机械抛光技术来刻蚀暴露在顶层互连介质层表面的高反射率材料，最终获得环状反射隔离环40。通过环状反射隔离环40，入射光被反射而进入光电二极管20感光区，在本发明的优选实施例中，环状隔离环40与顶层金属互连线3垂直相接，从而能够更好地将斜入射光反射到光电二极管的感光区域。进一步的，环状反射隔离环40的底边宽度小于顶层金属互连线的宽度。顶层金属互连线3可为环绕的正方形互连线或其他多边形互连线，环状反射隔离环40可为正方形环或其他多边形环。综上所述，本发明在像素的MOS晶体管区域上方形成了一个包括环状反射隔离环和顶层金属互连线的复合反射结构，可以将斜入射光和垂直入射光都反射进入光电二极 管感光区，这样就使得原先位于MOS晶体管区域上方被屏蔽的入射光能够被反射收集，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，从而可有效减少噪声产生，同时环状反射隔离环也进一步防止了像素之间串扰的发生。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。
权利要求
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-I层金属互连线以及与所述金属互连线配套的通孔；其中，N为大于等于2的正整数； 沉积并刻蚀第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. 沉积并刻蚀顶层互连介质层，以形成位于所述顶层金属互连线上方的环状隔离槽； 对所述环状隔离槽进行高反射率材料填充，形成环状反射隔离环。
2.根据权利要求I所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，还包括 对所述环状隔离槽进行高反射率材料填充后，通过反刻或化学机械抛光刻蚀暴露在所述顶层互连介质层表面的高反射率材料。
3.根据权利要求I所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，所述顶层金属互连线环绕所述光电二极管区上方，由所述顶层金属互连线环绕的面积大于或等于所述光电二极管区的面积。
4.根据权利要求I所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，所述环状隔离槽垂直相接于所述顶层金属互连线上表面。
5.根据权利要求I所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，所述高反射率材料为金属、氮化娃、碳化娃、多晶娃或氮化钛。
6.根据权利要求I所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，所述顶层金属互连线为环绕的正方形互连线，所述环状反射隔离环为正方形环。
7.根据权利要求I所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于，所述环状反射隔离环的底边宽度小于所述顶层金属互连线上表面的宽度。
8.根据权利要求I所述的CMOS图像传感器制造方法，其特征在于， 通过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。
9.一种CMOS图像传感器，其特征在于，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晶体管区上方互连介质层中，包括接触孔，金属互连线以及与所述金属互连线配套的通孔，其中，顶层金属互连线上表面窄下表面宽即横截面呈梯形；以及 环状反射隔离环，位于所述顶层金属互连线上方的顶层互连介质层中。
10.根据权利要求9所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述顶层金属互连线环绕所述光电二极管区上方，由所述顶层金属互连线环绕的面积大于或等于所述光电二极管区的面积。
11.根据权利要求9所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述环状隔离环与所述顶层金属互连线上表面垂直相接。
12.根据权利要求9所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述环状反射隔离环的材料为金属、氮化娃、碳化娃、多晶娃或氮化钛。
13.根据权利要求9所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述环状反射隔离环的底边宽度小于所述顶层金属互连线 上表面的宽度。
全文摘要
本发明公开了一种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层金属互连线以及与所述金属互连线配套的通孔；沉积并刻蚀第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；沉积并刻蚀顶层互连介质层，以形成位于所述顶层金属互连线上方的环状隔离槽；对所述环状隔离槽进行高反射率材料填充，形成环状反射隔离环。本发明还公开了一种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。
文档编号H01L27/146GK102903725SQ20121034959
公开日2013年1月30日 申请日期2012年9月18日 优先权日2012年9月18日
发明者顾学强 申请人:上海集成电路研发中心有限公司