专利名称：一种cmos影像传感器的后端平坦化方法及像元结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及CMOS影像传感器技术领域，尤其涉及一种CMOS影像传感器的后端平坦化方法及像元结构。
背景技术：
CMOS影像传感器由于其与CMOS工艺兼容的特点，从而得到快速发展。相对于CXD工艺，其工艺完全与CMOS工艺兼容，其通过将光敏二极管和CMOS处理电路一起做在硅衬底上，从而在保证性能的基础上大幅度降低了成本，同时可以大幅度提高集成度，制造像素更闻的广品。传统CMOS影像传感器是使用正面光照的方法，将光敏二极管和CMOS处理电路一起做在硅衬底上使用同一层次实现，而芯片互连则制造在CMOS处理电路之上，光敏二极管 之上为了光线的通过而不进行互连线的排步。然而，常规半导体材料的透光性较差，因此需要把光敏二极管上面的介质层次全部去除，并填充透光材料，以增强其光吸收。同时，由于后道互连层次较多，厚度较厚，导致光敏二极管上面介质层去除后，形成很深的沟槽，如何实现平坦化，并完成后续的彩色滤光层(color-filter)和微透镜(microlens)等工艺是传统工艺、产品的技术难点。同时传统CIS (CMOS图像传感器)结构彩色滤光层(color-filter)上制作的微透镜(miCTolens)是平凸透镜结构，限于其材料和结构等限制，需要一定的距离才能将光线较好地汇聚在光敏二极管上，而光线在媒质中随传输距离增加而损失增加，因此，如何提高微透镜(microlens)的汇聚能力也是提高CIS性能的瓶颈之一。
发明内容
本发明的目的在于弥补上述现有技术的不足，提供一种CMOS影像传感器的后端平坦化的方法。本发明的CMOS影像传感器的后端平坦化的方法，包括以下步骤
a.通过深沟槽刻蚀工艺去除硅衬底上光敏元件上方的介质层，以形成深沟槽；
b.利用第一透光材料对该深沟槽进行一次或多次填充，形成凹形的半填充结构；
c.使用光刻板对该第一透光材料进行曝光显影，去除深沟槽外围的第一透光材料；
d.利用第二透光材料对凹形半填充结构进行填充，实现硅片表面平坦化。其中，本发明的方法是在标准CMOS工艺器件、互连层次以及PAD (焊盘)钝化层次完成后再进行的。进一步地，步骤a中深沟槽刻蚀工艺去除介质层后停留在栅极氧化层(如SiO2)上面。具体地，去除的介质层包括栅极氧化层之上的金属前介质层(如Si02)、互连介质层(如SiO2)及钝化介质层(如Si02)。进一步地，步骤a包括依次去除金属前介质中接触孔刻蚀阻挡层(如SiN或SiON)之上的互连层介质，以及去除金属前介质中接触孔刻蚀阻挡层，最终停留在栅极氧化层之上。本工艺利用的是SiO2对SiN的高刻蚀选择比以及SiN对SiO2的高刻蚀选择比。进一步地，步骤b中的第一透光材料为负性透光光敏材料。具体地，该负性透光光敏材料的主要成分是透明树脂，具体地是由C、H、O组成的有机大分子链结构，并含有光敏成分，如聚异戊二烯、线性酚醛树脂的酚醛甲醛、重氮萘醌(DNQ)等等。进一步地，步骤c使用与深沟槽刻蚀工艺同一张光刻板进行曝光显影，实现成本的控制，也不会带来由于光刻板自身误差带来的影响，故而可以达到更好的光刻效果。其中，步骤c通过曝光工艺，利用透光光敏材料的负性效果，使深沟槽外围及深沟槽内边缘的第一透光材料都被曝光并被显影去除，且步骤c可以包括在每次用第一透光材料对深沟槽填充之后，都使用光刻板对该第一填充材料进行曝光显影，去除深沟槽外围的第一透光材料。其中，步骤b和c的多次填充和光刻是为了适用于沟槽较深的情况，其次数只要保证深沟槽内可以形成凹形的半填充结构即可，以便于后续的平坦化步骤。·
进一步地，步骤d中的第二透光材料为负性透光非光敏材料，如合成环化橡胶树脂和双芳化基类光敏材料，其在无光照时，可以溶解于显影液中，光照后，该材料发生胶联，不再溶解于显影液中，且该第二透光材料的折射率高于第一透光材料。进一步地，该第一透光材料填充后形成的凹形半填充结构，以及第二透光材料填充平坦化而形成的平凸透镜结构，共同构成一个CMOS影像传感器的第一微透镜。进一步地，该方法还包括在平坦化后的硅片表面制作彩色滤光层，并在该彩色滤光层上制作标准的第二微透镜。进一步地，该彩色滤光层下方的平凸微透镜结构和上方制作的第二微透镜共同构成凸透镜，以加强对光线的汇聚作用。进一步地,步骤b中的第一透光材料也可以是正性透光光敏材料。进一步地，步骤b中的第一透光材料为彩色滤光材料，本方法还包括在平坦化的硅片表面上制作标准的第二微透镜。进一步地，该光敏元件是光敏二极管。本发明还提供一种CMOS影像传感器的像元结构，其包括光敏元件及其上方所形成的深沟槽，其中，该深沟槽内的下部由第一透光材料填充并形成凹形的半填充结构，该深沟槽内第一透光材料之上由第二透光材料填充。进一步地，该第二透光材料的折射率高于第一透光材料。进一步地，根据权利要求16所述的CMOS影像传感器的像元结构，其特征在于该第二透光材料的表面平坦化，且其上制备有微透镜或依次制备有彩色滤光层和微透镜。本发明先将CMOS影像传感器光敏元件区域上方的介质材料去除，形成深沟槽；再进行透光光敏材料的第一次填充；然后使用光刻板进行曝光显影，直接显影去除深沟槽外的透光光敏填充材料；最后再填充高折射率透光材料实现深沟槽的平坦化；同时利用第二次高折射率填充材料在凹槽内形成的平凸透镜作为CMOS影像传感器的微透镜；最后在微透镜上制作彩色滤光层和标准的微透镜。对比现有技术，本发明利用一次或多次填充和光刻，实现硅片表面的平坦化，从而使光敏元件区域的光线直接通过透光材料进入光敏元件，降低了光损失；同时，利用最后一次填充平坦化自对准形成的平凸透镜作为CMOS影像传感器的微透镜，然后在其上面制作彩色滤光层和标准的微透镜，利用两个平凸微透镜共同形成聚光能力更强的凸透镜，从而能在更短的距离内将入射光线会聚在光敏元件上，极大地简化了工艺，减少了光线的损失，提高了像元的灵敏度，提升了芯片的性能和可靠性，并大幅度降低芯片成本。
为能更清楚理解本发明的目的、特点和优点，以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细描述，其中
图Ia至Ig是本发明第一实施例CMOS影像传感器后端平坦化方法每个步骤中硅片表面的剖视 图2是本发明第二实施例平坦化后的结构示意图。
具体实施例方式请参阅图Ia至lg，显示了本发明第一实施例中，CMOS影像传感器后端平坦化方法·每个步骤硅片表面的剖视图。本实施例的具体步骤包括
图la，制备待平坦化硅片，包括在硅衬底I上设置标准CMOS工艺器件、接触孔层2、铜互连线层3以及PAD钝化层4等。图Ib,使用光刻板5,利用深沟槽刻蚀工艺对娃衬底上光敏二极管(未图不)上方的介质层全部去除,形成深沟槽。图lc，利用含有聚异戊二烯的负性透光光敏材料6对深沟槽进行第一次填充，形成凹形的半填充结构。图ld，使用与深沟槽刻蚀工艺同一张光刻板进行曝光显影，去除深沟槽外围的透光光敏材料。图le，利用折射率高于上述负性透光光敏材料的含合成环化橡胶树脂负性透光非光敏材料7，对第一次填充和曝光显影后形成的凹形凹槽进行第二次填充，实现硅片表面平坦化。图If，在平坦化后的硅片表面制作彩色滤光层8。图lg，在该彩色滤光层上制作标准的微透镜92。其中，凹形半填充结构和第二次填充后形成的平凸透镜结构91共同构成一个CMOS影像传感器的第一微透镜；平凸透镜结构91和微透镜92共同构成凸透镜，以加强对光线的汇聚作用。图2是本发明第二实施例示意图，与第一实施例不同的是，第二实施例中第一次填充的材料是彩色滤光材料61，而后直接在平坦化的硅片表面上制作标准的微透镜92。
权利要求
1.一种CMOS影像传感器的后端平坦化的方法，其特征在于 通过深沟槽刻蚀工艺去除硅衬底上光敏元件上方的介质层，以形成深沟槽； 利用第一透光材料对该深沟槽进行一次或多次填充，形成凹形的半填充结构； 使用光刻板对该第一透光材料进行曝光显影，去除深沟槽外围的第一透光材料； 利用第二透光材料对凹形半填充结构进行填充，实现硅片表面平坦化。
2.根据权利要求I所述的CMOS影像传感器的后端平坦化的方法，其特征在于步骤a中深沟槽刻蚀工艺去除介质层后停留在栅极氧化层上面。
3.根据权利要求I所述的CMOS影像传感器的后端平坦化的方法，其特征在于步骤b中的第一透光材料为负性透光光敏材料。
4.根据权利要求3所述的CMOS影像传感器的后端平坦化的方法，其特征在于该第一透光材料含有聚异戊二烯、线性酚醛树脂的酚醛甲醛或重氮萘醌。
5.根据权利要求I所述的CMOS影像传感器的后端平坦化的方法，其特征在于步骤c包括在每次用第一透光材料对深沟槽填充之后，都使用光刻板对该第一填充材料进行曝光显影，去除深沟槽外围的第一透光材料。
6.根据权利要求5所述的CMOS影像传感器的后端平坦化的方法，其特征在于步骤c使用与深沟槽刻蚀工艺同一张光刻板进行曝光显影。
7.根据权利要求3所述的CMOS影像传感器的后端平坦化的方法，其特征在于步骤d中的第二透光材料为负性透光非光敏材料，且该第二透光材料的折射率高于第一透光材料。
8.根据权利要求7所述的CMOS影像传感器的后端平坦化的方法，其特征在于该第二透光材料含有合成环化橡胶树脂或双芳化基类光敏材料。
9.根据权利要求7所述的CMOS影像传感器的后端平坦化的方法，其特征在于该第一透光材料填充后形成的凹形半填充结构，以及第二透光材料填充平坦化而形成的平凸透镜结构，共同构成一个CMOS影像传感器的第一微透镜。
10.根据权利要求9所述的CMOS影像传感器的后端平坦化的方法，其特征在于该方法还包括在平坦化后的硅片表面制作彩色滤光层，并在该彩色滤光层上制作标准的第二微透镜。
11.根据权利要求10所述的CMOS影像传感器的后端平坦化的方法，其特征在于该彩色滤光层下方的平凸微透镜结构和上方制作的第二微透镜共同构成凸透镜。
12.根据权利要求I所述的CMOS影像传感器的后端平坦化的方法，其特征在于步骤b中的第一透光材料是正性透光光敏材料。
13.根据权利要求12所述的CMOS影像传感器的后端平坦化的方法，其特征在于步骤b中的第一透光材料为彩色滤光材料，本方法还包括在平坦化的硅片表面上制作标准的第二微透镜。
14.根据权利要求I至13任一项所述的CMOS影像传感器的后端平坦化的方法，其特征在于该光敏元件是光敏二极管。
15.—种CMOS影像传感器的像元结构，其包括光敏元件及其上方所形成的深沟槽，其特征在于该深沟槽内的下部由第一透光材料填充并形成凹形的半填充结构，该深沟槽内第一透光材料之上由第二透光材料填充。
16.根据权利要求15所述的CMOS影像传感器的像元结构，其特征在于该第二透光材料的折射率高于第一透光材料。
17.根据权利要求16所述的CMOS影像传感器的像元结构，其特征在于该第二透光材料的表面平坦化，且其上形成有微透镜或依次形成有彩色滤光层和微透镜。
全文摘要
本发明公开了一种CMOS影像传感器的后端平坦化方法及像元结构，该方法包括先将光敏元件区域上方的介质材料去除，形成深沟槽；再进行透光光敏材料的第一次填充；然后使用光刻板进行曝光显影；最后再填充高折射率透光材料实现深沟槽的平坦化；同时利用第二次高折射率填充材料在凹槽内形成的平凸透镜作为CMOS影像传感器的微透镜；最后在微透镜上制作彩色滤光层和标准的微透镜。本发明可以有效降低光损失，提高像元的灵敏度，提升芯片的性能和可靠性，并大幅度降低芯片成本。
文档编号H01L27/146GK102891157SQ20121041345
公开日2013年1月23日 申请日期2012年10月25日 优先权日2012年10月25日
发明者赵宇航, 康晓旭, 李铭 申请人:上海集成电路研发中心有限公司