Cmos图像传感器及其制备方法
【专利摘要】本申请提供了一种CMOS图像传感器及其制备方法。该CMOS图像传感器包括：半导体衬底，内部形成有多个光电二极管；介电层，形成在半导体衬底上；反光层，形成在介电层上；绝缘层，形成在反光层上；平坦化层，形成在绝缘层上；微透镜，形成在平坦化层上；多个滤光片设置槽，形成在介电层、反光层、绝缘层中相应于各光电二极管的位置；以及多个滤光片，一一对应地设置在各滤光片设置槽中。该CMOS图像传感器通过在介电层上设置反光层，避免了杂散光与衍射线串扰进入相邻的光电二极管中，使得由目标图像的光线只能够通过滤光片这一特定窗口通过滤后进而光电二极管，从而可以提高CMOS图像传感器的成像质量。
【专利说明】CMOS图像传感器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体领域，尤其涉及一种CMOS图像传感器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]与传统图像传感技术相比，CMOS图像传感技术因所生成的图像质量更为清晰而被广为推广使用，然而，随着科技的发展，物质生活的不断提升，人们已经不满足现有图像的质量，而是对图像的质量提出了更高的要求。
[0003]现有的CMOS图像传感器，通常包括:内部设有多个光电二极管的半导体衬底，在半导体衬底上的介电层，在介电层之上对应光电二极管位置的滤光片；在滤光片之上的微透镜；在微透镜之上的绝缘层等。
[0004]为了改善这种CMOS图像传感器所生成的图像的质量，研究人员发现，在CMOS图像传感器使用过程中，光电二极管所接收的光线除了由微透镜聚拢的光纤外，还包括从相邻微透镜间的间隙射入到光电二极管中的杂散光或衍射线，而这部分由杂散光或衍射线正是影响所形成的图片的质量的一个原因。
[0005]为了解决由杂散光或衍射线所导致的图片质量恶化的问题，在美国专利US7713775B2中，给出了一种CMOS图像传感器及其制备方法。在该专利提出在微透镜之间的绝缘层中形成具有凹透镜形成的沟槽，在沟槽内部形成凹透镜间隙填充绝缘材料，这种新型的结构通过在微透镜之间形成凹透镜间隙填充绝缘材料，将微透镜之间的杂散光束分散并再次聚集到临近微透镜中，进而将目标图像的光线全部或基本全部光线采集到光电二极管中以改进图像质量。
[0006]上述这种结构在一定程度改善了图像质量，但为了满足人们对图像的质量的高要求,如何进一步改善CMOS图像传感器所形成的图像的质量仍需继续研究。
【发明内容】
[0007]为了解决现有技术中的不足，本发明提供了一种CMOS图像传感器及其制备方法，以提高成像效果。
[0008]为此，在本申请中提供了一种CMOS图像传感器，包括:半导体衬底，内部形成有多个光电二极管；介电层，形成在半导体衬底上；反光层，形成在介电层上；绝缘层，形成在反光层上；平坦化层，形成在绝缘层上；微透镜，形成在平坦化层上；多个滤光片设置槽，各滤光片设置槽形成在介电层、反光层、绝缘层中相应于各光电二极管的位置；多个滤光片，一一对应地设置在各滤光片设置槽中。
[0009]优选地，上述滤光片设置槽的槽内表面上形成有保护层，滤光片形成在保护层上。
[0010]优选地，上述保护层为氮化物保护层。
[0011]优选地，上述反光层为金属层。
[0012]优选地，上述光电二极管、滤光片以及微透镜的横截面积依次递增。
[0013]优选地，上述滤光片为红色滤光片、绿色滤光片或蓝色滤光片。[0014]同时，在本申请中还提供了一种CMOS图像传感器的制备方法，包括以下步骤:提供内部具有多个光电二极管的半导体衬底；在半导体衬底上形成介电层；在介电层上形成反光层；在反光层上形成绝缘层；在绝缘层上形成图案与半导体衬底中光电二极管排布结构相对应的掩膜层，依次刻蚀绝缘层、反光层、介电层至半导体衬底，形成多个滤光片设置槽；刻蚀去除掩膜层；在各滤光片设置槽中分别形成滤光片；在绝缘层和滤光片上形成平坦化层；在平坦化层上形成微透镜。
[0015]优选地，上述制备方法中进一步包括以下步骤:在各滤光片设置槽的槽内表面上形成保护层，在保护层上形成滤光片。
[0016]优选地，上述制备方法中滤光片设置槽采用等离子刻蚀法形成。
[0017]优选地，上述制备方法中反光层为金属层。
[0018]本申请中CMOS图像传感器及其制备方法通过在介电层上设置反光层，避免了杂散光与衍射线串扰进入相邻的光电二极管中，使得由目标图像的光线只能够通过特定窗口通道，也就是滤光片过滤后进而光电二极管。同时，通过在介电层中设置滤光片设置槽，使滤光片直接设置在半导体衬底上，这就使得光线通过滤光片后可直接进入光电二极管，无需再通过介电层，减少了因介电层中金属连接结构反射或衍射所产生的信号串扰产生类似光纤效应的导光效果，同时，在这种结构中，滤光片的设置还能够吸收相邻像素点中光线经介电层中金属结构反射所产生的串扰，避免这些串扰对光电二极管造成的影响，可以提高CMOS图像传感器的成像质量。
[0019]除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。 【专利附图】
【附图说明】
[0020]附图构成本说明书的一部分、用于进一步理解本发明，附图示出了本发明的优选实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。图中:
[0021]图1示出了根据本申请实施例的CMOS图像传感器的剖面结构示意图；
[0022]图2示出了根据本申请实施例的CMOS图像传感器制备方法的工艺流程图；以及
[0023]图3a至图3d示出了根据本申请CMOS图像传感器制备方法的各步骤中半导体器件的过渡结构的剖面结构示意图。
【具体实施方式】
[0024]应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属【技术领域】的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0025]需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本发明的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0026]为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述符作出相应解释。
[0027]为了获得更好地图像质量，本申请发明人对现有的CMOS图像传感器的结构进行了的研究，发现对于现有的CMOS图像传感器光线在光路中遇到金属布线发生衍射导致相邻像素间的信号串扰。即在光电二极管收集目标图像的光线以显影的过程中，由微透镜或其间隙射入的不规则杂散光或衍射光经某一像素点中滤光片过滤后在介电层中穿梭的过程中，经介电层中的这些金属结构反射或衍射后进入相邻像素点后就产生的信号串扰，这也是造成图像质量恶化的一个重要因素。
[0028]然而，设置半导体衬底与滤色片之间的介电层和金属布线是CMOS图像传感器必不可少的组成部分，如何解决金属布线对光线衍射、折射效应导致的串扰，改善因不规则杂散光或衍射光由某一像素点介电层中金属结构反射或衍射进入相邻像素点后造成图像质量恶化的问题已经形成了一个新的课题，本申请正是为了解决这一问题所提出的。
[0029]如图1所示，在本申请的一种实施例中，提供了 CMOS图像传感器，其包括:半导体衬底1、介电层2、反光层3、绝缘层4、平坦化层5、微透镜6、多个滤光片设置槽7以及多个滤光片8。其中，半导体衬底I内部形成有多个光电二极管11 ;介电层2形成在半导体衬底I上；反光层3形成在介电层2上；绝缘层4形成在反光层3上；平坦化层5形成在绝缘层4上；微透镜6形成在平坦化层5上；多个滤光片设置槽7，各滤光片设置槽7形成在介电层
2、反光层3、绝缘层4中相应于各光电二极管11的位置；多个滤光片8，一一对应地设置在各滤光片设置槽7中。
[0030]在本申请中，通过在介电层2上设置反光层3，避免了杂散光与衍射线直接串扰进入相邻的光电二极管中，使得由目标图像的光线只能够通过特定窗口通道，也就是滤光片过滤后进而光电二极管。同时，通过在介电层2中设置滤光片设置槽7，使滤光片8直接设置在半导体衬底I上，这就使得光线通过滤光片后可直接进入光电二极管11，无需再通过介电层，减少了因介电层中金属连接结构反射或衍射所产生的像素串扰产生类似光纤效应的导光效果。同时，在这种结构中，滤光片的设置还能够吸收相邻像素点中光线经介电层中金属结构反射所产生的串扰，避免这些串扰对光电二极管造成的影响。
[0031]在本申请中，反光层3可以采用任何具有反光作用的材料，只要不影响CMOS图像传感器功能即可，其中优选采用金属材料。当反光层3为金属层时，在不增加额外材料的基础上，金属层一方面可以实现反光的目的，另一方面可以作为最后一层金属布线使用，降低生产成本。
[0032]在本申请所 提供的CMOS图像传感器中滤光片设置槽7的槽内表面上形成有保护层9，此时滤光片8形成在保护层9上。优选地，该保护层为氮化物保护层。氮化物保护层的材料包括但不限于SiN。保护层9的设置有利于在向滤光片设置槽7内形成滤光片8的过程中保护各层材料，以提高所形成的CMOS图像传感器的质量与产率。
[0033]在CMOS图像传感器中微透镜将光线聚焦至光电二极管的中心处，这是本【技术领域】技术人员的常用技术手段，在此不再赘述。在本申请中优选将滤光片与微透镜的同轴设置，且光电二极管、滤光片设置槽以及微透镜面积依次递增。
[0034]在本申请所提供的CMOS图像传感器中，滤光片为红色滤光片、绿色滤光片或蓝色滤光片。本【技术领域】技术人员可以根据需要将红色滤光片、绿色滤光片或蓝色滤光片设置在相应的光电二极管上，以便于实现显影的目的。
[0035]如图2，在本申请的一种实施方式中，提供了 CMOS图像传感器制备方法，包括以下步骤:提供内部具有多个光电二极管11的半导体衬底I ;在半导体衬底I上形成介电层2 ；在介电层2上形成反光层3 ;在反光层3上形成绝缘层4 ;在绝缘层4上形成图案与半导体衬底I中光电二极管11排布结构相对应的掩膜层，依次刻蚀绝缘层4、反光层3、介电层2至半导体衬底1，形成多个滤光片设置槽7 ;刻蚀去除掩膜层；在各滤光片设置槽7中分别形成滤光片8 ;在绝缘层4和滤光片8上形成平坦化层5 ;在平坦化层5上形成微透镜6。
[0036]本申请所提供的上述方法，通过对绝缘层4、反光层3、介电层2进行刻蚀形成滤光片设置槽7的方式，就可以在保留介电层2的同时，将滤光片8直接设置在半导体衬底I上，相邻的滤光片设置为允许不同波长的光通过，使得只有特定波长的光线才能通过滤光片进入相应光电二极管中，减少了串扰产生的几率，同时，通过滤光片对光电二极管进行保护，过滤经由相邻像素点发送的光线，减少了串扰影响，提高了成像灵敏度。
[0037]在本申请CMOS图像传感器制备方法中进一步包括在各滤光片设置槽的槽内表面上形成保护层，在保护层上形成滤光片的步骤。在滤光片设置槽7的槽内表面上形成有保护层9，有利于在形成滤光片8的过程中保护各层材料，以提高所形成的CMOS图像传感器的质量与产率。其中保护层优选为氮化物保护层。氮化物保护层的材料包括但不限于SiN。
[0038]在本申请CMOS图像传感器制备方法中，滤光片设置槽采用等离子刻蚀法形成。
[0039]在本申请CMOS图像传感器制备方法中，优选反光层为金属层。金属层时的使用在不增加额外材料的基础上，一方面可以实现反光的目的，另一方面还可用于与介电层中金属层一起传输信号。
[0040]以下将结合图3a至图3d详细说明根据本申请CMOS图像传感器制备方法的一种实施方式的具体操作步骤。图3a至图3d示出了根据本申请CMOS图像传感器制备方法中半导体器件的过渡结构的剖面结构示意图。
[0041]实施例1
[0042]如图3a所示，提供内部具有多个光电二极管11的半导体衬底I ;在半导体衬底I上形成介电层2 ;在介电层2上形成反光层3 ;在反光层3上形成绝缘层4。
[0043]在该实施例中半导体衬底I可以采用多晶硅衬底，在形成光电二极管的过程中可以通过在P型硅衬底Ila上，形成外延生长硅层11b，在外延生长硅层中形成N型掺杂部11c，进而形成光电二极管结构11。在该半导体衬底I上还包括图中未示出的源极和漏极，以及根据需要设置浅沟道隔离槽(STI)12，N+掺杂部13等。这些结构的设置都是本【技术领域】技术人员的常用技术手段，在此不再赘述。
[0044]在该实施例中，介电层2中包括绝缘材料层和交叠设置在绝缘材料层中的3层金属布线层，其中还设有一个或多个晶体管21，晶体管21可环绕滤光片设置槽7。介电层2和晶体管21的设置采用本【技术领域】技术人员的常用技术手段皆可，在此不再赘述。
[0045]在该实施例中，反光层3采用金属材料，一方面可以实现反光的目的，另一方面可以作为最后一层金属布线使用，降低生产成本。绝缘层4与介质层2中的绝缘材料层材料相同，皆为低介电常数材料，例如Si02。
[0046]如图3b所示，在绝缘层4上形成图案与半导体衬底I中光电二极管11排布结构相对应的掩膜层，依次刻蚀绝缘层4、反光层3、介电层2至半导体衬底1，形成多个滤光片设置槽7。然后刻蚀去除掩膜层；其中，刻蚀绝缘层4、反光层3、介电层2的过程包括:根据光电二极管的中心位置，设置微透镜的位置，使得微透镜的光线聚焦在光电二极管的中心处，并根据微透镜与光电二极管的位置设置滤光片设置槽7的位置，采用等离子刻蚀法进行刻蚀形成滤光片设置槽7。
[0047]如图3c所示，在各滤光片设置槽7中分别形成滤光片8 ;如图3d所示，在绝缘层4和滤光片8上形成平坦化层5 ;在平坦化层5上形成微透镜6，然后根据本【技术领域】的常用技术手段进行合理布局，形成本申请CMOS图像传感器。
[0048]该实施例所制备的CMOS图像传感器，通过在介电层2上设置反光层3，避免了杂散光与衍射线直接串扰进入相邻的光电二极管中，使得由目标图像的光线只能够通过特定窗口通道，也就是滤光片过滤后进而光电二极管。同时，通过在介电层2中设置滤光片设置槽7，使滤光片8直接设置在半导体衬底I上，这就使得光线通过滤光片后可直接进入光电二极管11，无需再通过介电层，减少了因介电层中金属连接结构反射或衍射所产生的像素串扰产生类似光纤效应的导光效果。同时，在这种结构中，滤光片的设置还能够吸收相邻像素点中光线经介电层中金属结构反射所产生的串扰，避免这些串扰对光电二极管造成的影响。
[0049]以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种CMOS图像传感器，其特征在于，包括: 半导体衬底，内部形成有多个光电二极管； 介电层，形成在所述半导体衬底上； 反光层，形成在所述介电层上； 绝缘层，形成在所述反光层上； 平坦化层，形成在所述绝缘层上； 微透镜，形成在所述平坦化层上； 多个滤光片设置槽，各所述滤光片设置槽形成在所述介电层、所述反光层、所述绝缘层中相应于各所述光电二极管的位置；以及 多个滤光片，一一对应地设置在各所述滤光片设置槽中。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述滤光片设置槽的槽内表面上形成有保护层，所述滤光片形成在所述保护层上。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述保护层为氮化物保护层。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述反光层为金属层。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述光电二极管、所述滤光片以及所述微透镜的横截面积依次递增。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述滤光片为红色滤光片、绿色滤光片或蓝色滤光片。
7.—种CMOS图像传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 提供内部具有多个光电二极管的半导体衬底； 在所述半导体衬底上形成介电层； 在所述介电层上形成反光层； 在所述反光层上形成绝缘层； 在所述绝缘层上形成图案与所述半导体衬底中光电二极管排布结构相对应的掩膜层，依次刻蚀所述绝缘层、所述反光层、所述介电层至所述半导体衬底，形成多个滤光片设置槽； 刻蚀去除所述掩膜层； 在各所述滤光片设置槽中分别形成滤光片； 在所述绝缘层和所述滤光片上形成平坦化层；以及 在所述平坦化层上形成微透镜。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括以下步骤: 在各所述滤光片设置槽的槽内表面上形成保护层，在所述保护层上形成所述滤光片。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述滤光片设置槽采用等离子刻蚀法形成。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述反光层为金属层。
【文档编号】H01L27/146GK104009048SQ201310060959
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2013年2月26日 优先权日:2013年2月26日
【发明者】马燕春 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司