Cmos图像传感器及其形成方法
【专利摘要】一种CMOS图像传感器及其形成方法。其中，所述CMOS图像传感器包括：半导体衬底；位于所述半导体衬底上的光电转换元件和CMOS器件层；覆盖所述半导体衬底、光电转换元件和CMOS器件层的层间介质层；位于所述层间介质层上的金属间介质层，所述金属间介质层内具有金属互连层；其特征在于，还包括：位于所述光电转换元件上方的通孔，所述通孔贯穿所述金属间介质层和至少部分厚度的所述层间介质层；密封所述通孔顶部开口的透明基板；位于所述透明基板上的滤色层。所述CMOS图像传感器的光响应灵敏度提高。
【专利说明】
CMOS图像传感器及其形成方法
技术领域
[0001] 本发明涉及图像传感器领域，尤其涉及一种CMOS图像传感器及其形成方法。
【背景技术】
[0002] 通常，半导体图像传感器有电荷耦合图像传感器（CCD)和CMOS图像传感器（CIS) 两种。电荷耦合图像传感器上有许多排列整齐的电容，能够感应光线，并将影像转换成数字 信号。而CMOS图像传感器是由光电二极管和CMOS器件组成，包括像敏单元阵列、行/列驱 动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出口和控制总线等，而且这些组成部分通常都 可以集成在同一个芯片上。相较于电荷耦合传感器件，CMOS图像传感器具有更好的抗干扰 能力等优点，因此CMOS图像传感器广泛应用在手机、个人电脑等消费电子产品中。
[0003] 请参考图1，现有CMOS图像传感器通常包括以下结构：半导体衬底100,形成在半 导体衬底100上的光电转换元件110和CMOS器件层120,覆盖光电转换元件110和CMOS 器件层120的层间介质层（ILD) 130,位于层间介质层130上的金属间介质层（IMD) 140， 金属间介质层140内部具有一层或者多层金属互连层150(图1中示出了三层），或者说 金属互连层150之间具有金属间介质层140,位于金属间介质层140上的滤色层（color filter) 160,以及位于滤色层160上的微透镜层（lens) 170。
[0004] 在如图1所示的现有CMOS图像传感器中，光线（如图1中各箭头所示，未标注） 需要透过微透镜层170、滤色层160、金属间介质层140和层间介质层130才能到达光电转 换元件110以进行光电信号的转换（光电转换元件110内部的多边形代表接收到的光线）， 在此传播过程中，由于各层结构都具有相应的折射作用，各层内部和不同层之间还会发生 漫散射作用，并且有些层结构（例如金属互连层）还对光线具有反射作用，从而使相应的光 线大量损失，最终导致CMOS图像传感器获得的光信号较弱，极大地影响了 CMOS图像传感器 的光响应灵敏度。
【发明内容】
[0005] 本发明解决的问题是提供一种CMOS图像传感器及其形成方法，以减少光线在传 播到光电转换元件过程中的损失，从而增强CMOS图像传感器获得的光信号，提高CMOS图像 传感器的光响应灵敏度。
[0006] 为解决上述问题，本发明提供一种CMOS图像传感器，包括：
[0007] 半导体衬底；
[0008] 位于所述半导体衬底上的光电转换元件和CMOS器件层；
[0009] 覆盖所述半导体衬底、光电转换元件和CMOS器件层的层间介质层；
[0010] 位于所述层间介质层上的金属间介质层，所述金属间介质层内具有金属互连层；
[0011] 还包括：
[0012] 位于所述光电转换元件上方的通孔，所述通孔贯穿所述金属间介质层和至少部分 厚度的所述层间介质层；
[0013] 密封所述通孔顶部开口的透明基板；
[0014] 位于所述透明基板上的滤色层。
[0015] 可选的，还包括位于所述通孔侧壁的反射层。
[0016] 可选的，所述反射层的折射率为2. 0以上。
[0017] 可选的，所述反射层的厚度范围为200 A~1000A。
[0018] 可选的，所述反射层的材料为氮化硅或者氮氧化硅的至少其中之一。
[0019] 可选的，所述通孔侧壁与通孔底部之间的夹角范围为75°~85°。
[0020] 可选的，所述透明基板对所述通孔的密封为真空密封。
[0021] 可选的，所述通孔底部保留的所述层间介质层厚度小于等于500A。
[0022] 为解决上述问题，本发明还提供了一种CMOS图像传感器的形成方法，包括：
[0023] 提供半导体衬底；
[0024] 在所述半导体衬底上形成光电转换元件和CMOS器件层；
[0025] 形成层间介质层覆盖所述半导体衬底、光电转换元件和CMOS器件层；
[0026] 在所述层间介质层上形成金属间介质层和金属互连层，所述金属互连层位于所述 金属间介质层内；
[0027] 在所述光电转换元件上方形成通孔，所述通孔贯穿所述金属间介质层和至少部分 厚度的所述层间介质层；
[0028] 采用透明基板密封所述通孔顶部开口；
[0029] 在所述透明基板上形成滤色层。
[0030] 可选的，在形成所述通孔后，且在密封所述通孔顶部开口前，还包括在所述通孔侧 壁形成反射层的步骤。
[0031] 可选的，所述反射层的折射率范围为2. 0以上。
[0032] 可选的，所述反射层的厚度范围为200A~1000A。
[0033] 可选的，所述反射层的材料为氮化硅或者氮氧化硅的至少其中之一。
[0034] 可选的，所述通孔侧壁与通孔底部之间的夹角范围为75°~85°。
[0035] 可选的，采用真空密封工艺密封所述通孔顶部开口。
[0036] 与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
[0037] 本发明的技术方案中，通过制作出贯穿金属间介质层和至少部分厚度层间介质层 的通孔，从而使光线能够通孔到达光电转换元件，减少了光线在金属间介质层和至少部分 厚度层间介质层内的损耗，从而使光电转换元件获得的光信号强度增大，提高CMOS图像传 感器的光响应灵敏度。
[0038] 进一步，通过在通孔侧壁形成反射层，大幅增加到达光电转换元件的光线，从而大 幅提高CMOS图像传感器的光响应灵敏度。
[0039] 进一步，采用真空密封工艺密封通孔，从而提高通孔内结构的可靠性，提高整个 CMOS图像传感器的耐用性能。
【附图说明】
[0040] 图1是现有CMOS图像传感器结构示意图；
[0041] 图2至图6是本发明实施例所提供的CMOS图像传感器的形成方法各步骤对应结 构示意图。
【具体实施方式】
[0042] 正如【背景技术】所述，现有CMOS图像传感器光感应灵敏度低，这是因为现有CMOS图 像传感器的结构所限：光线必须穿过相应的金属间介质层和层间介质层才能够到达光电转 换元件，在这个过程中，光线在金属间介质层和层间介质层内部发生漫反射等作用，导致光 线大量损失，从而使光电转换元件接收到的光信号大幅减弱。
[0043] 为此，本发明提供一种新的CMOS图像传感器及其形成方法，所述CMOS图像传感器 具有位于光电转换元件上方的通孔，所述通孔贯穿金属间介质层，并且同时贯穿至少部分 厚度的层间介质层，这样，大量的光线能够通过所述通孔直接到达光电转换元件，或者大量 的光线能够通过所述通孔以及厚度较小的层间介质层到达光电转换元件，从而大幅提高光 电转换元件接收到的光信号强度，提高了 CMOS图像传感器的光响应灵敏度。
[0044] 同时，所述通孔的侧壁具有反射层，反射层能使避免照射到所述通孔侧壁的光线 在侧壁发生漫反射，而使得进入到通孔顶部开口的绝大部分光线都到达光电转换元件，进 一步提高了光电转换元件接收到的光信号强度，进一步提高了 CMOS图像传感器的光响应 灵敏度。
[0045] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明 的具体实施例做详细的说明。
[0046] 本发明实施例提供一种CMOS图像传感器的形成方法，请结合参考图2至图6。
[0047] 请结合图2,提供半导体衬底200,在半导体衬底200上形成光电转换元件210和 CMOS器件层220,然后形成层间介质层230覆盖半导体衬底200、光电转换元件210和CMOS 器件层220,并在层间介质层230上形成金属间介质层240和金属互连层250。其中，金属 互连层250位于金属间介质层240内。
[0048] 本实施例中，半导体衬底200可以为硅衬底，并且图2所示半导体衬底200可以是 一个硅晶圆的其中一部分，所述硅晶圆用于制作多个CMOS图像传感器，在制作完成之后， 再通过后续的封装工艺对各个CMOS图像传感器进行分离。
[0049] 在本发明的其它实施例中，半导体衬底200也可以为锗硅衬底、III - V族元素化合 物衬底、碳化硅衬底或其叠层结构衬底，或绝缘体上硅衬底，还可以是本领域技术人员公知 的其他合适的半导体材料衬底。
[0050] 本实施例中，光电转换元件210可以为光电二极管（photodiode)，并且具体的光 电二极管可以具有PN结结构，也可以具有PIN结结构。
[0051] 本实施例中，CMOS器件层220中，每个光电转换元件210可以与3个晶体管结构、 4个晶体管结构或者5个以上的晶体管结构组成相应的电路结构。其中，所述晶体管可以包 括复位晶体管、转移晶体管、源跟随晶体管和行选通晶体管等。具体CMOS器件层220的结 构可以参考现有的CMOS图像传感器内部结构，在此不再详细描述。
[0052] 本实施例中，层间介质层230的材料可以为氧化硅，可以采用沉积方法形成层间 介质层230。层间介质层230形成后还可以在其内部形成接触孔，并在接触孔内形成接触插 塞（未示出），从而使得被层间介质层230覆盖的CMOS器件层220能够与后续形成的金属 互连层250电连接。
[0053] 本实施例中，金属间介质层240的材料也可以为氧化硅，同样可以采用沉积方法 形成金属间介质层240。
[0054] 本实施例中，金属互连层250的材料可以为铝、铜或者钨等，可以通过沉积工艺和 刻蚀工艺形成金属互连层250。
[0055] 需要说明的是，金属互连层250和金属间介质层240可以交替多次地形成。例如 先形成一层金属互连层250,再形成金属间介质层240覆盖此金属互连层250,然而在这层 金属间介质层240上形成另一层金属互连层250,并再次用金属间介质层240覆盖该金属 互连层250,如此交替往复。图2中显示形成了三层的金属互连层250结构，在其它实施例 中，也可以形成两层或者四层以上的金属互连层250,本发明对此不作限定。
[0056] 请参考图3,在光电转换元件210上方形成通孔201，通孔201贯穿金属间介质层 240和部分层间介质层230。
[0057] 本实施例中，形成通孔201的过程可以包括：在金属间介质层240上形成图案化的 掩膜层260,掩膜层260可以为光刻胶层，也可以是例如氮化硅材料的硬掩膜层；然后，以图 案化的掩膜层260为掩模，依次刻蚀金属间介质层240和层间介质层230,直至剩余部分厚 度的层间介质层230,此时形成通孔201。
[0058] 上述形成过程中，无论是采用光刻胶层还是硬掩膜层作为掩模，通常都需要增加 一道光罩工艺。例如当采用光刻胶层时，可以在整个晶圆的金属间介质层240上涂覆光刻 胶，然后曝光和显影，以将需要形成通孔201的位置的光刻胶层去除，形成图案化的光刻胶 层，此图案化的光刻胶层作为图案化的掩膜层260。
[0059] 本实施例中，刻蚀金属间介质层240和层间介质层230所采用的工艺可以为干法 刻蚀工艺。由于金属间介质层240和层间介质层230的材料为氧化娃，因而所述干法刻蚀 工艺采用的主刻蚀气体可以为CF4、C4F8和CHF3的至少其中之一。在本发明的其它实施例 中，也可以选择其它合适气体，本发明对此不作限定。
[0060] 本实施例中，通孔201底部保留的层间介质层230厚度（如图3所示，未标注）小 于等于500/\,亦即剩余的层间介质层230厚度小于等于500A。通孔201底部剩余部分层间 介质层230可以保护光电转换元件210上表面免受刻蚀工艺（所述刻蚀工艺指通孔201形 成时采用的刻蚀工艺）的刻蚀作用，但同时也造成后续光线需要再穿过剩余的层间介质层 230才能到达光电转换元件210。为了平衡这一对矛盾的关系，使得CMOS图像传感器的性 能达到较为理想的水平，控制层间介质层230的剩余厚度在5〇〇A以下。
[0061] 需要说明的是，在本发明的其它实施例中，通孔201也可以同时贯穿金属间介质 层240和层间介质层230,即形成通孔201时，在刻蚀至贯穿全部金属间介质层240后，继续 刻蚀至贯穿全部层间介质层230,最终形成的通孔201底部没有剩余的层间介质层230,而 是以光电转换元件210所在半导体衬底200表面作为通孔201底部。并且，这种通孔201 底部不存在剩余层间介质层230的方案更加有利于光线到达光电转换元件210,因此，能够 进一步提高CMOS图像传感器的性能。但需要同时注意控制相应的刻蚀过程不对光电转换 元件210表面造成不利影响。
[0062] 本实施例中，通孔201侧壁与通孔201底部之间的夹角α的范围为75°~85°。 如图3所示，夹角α指通孔201侧壁所在平面与通孔201底部所在平面构成的小于等于 90°的角。由于干法刻蚀本身的特性决定通孔201会呈现上宽下窄的形状，故而通孔201 底角通常大于90°，因此夹角α通常会是通孔201底角的补角，而不是通孔201底角本身。 夹角α的大小需要考虑通孔201顶部开口与金属互连线之间的距离，以及通孔201底部光 电转换元件210的面积两个因素。为了既能够保证通孔201顶部开口较大，以收集更多光 线，又能够保证通孔201底部面积不小于光电转换元件210上表面面积，设置夹角α的范 围为75。~85。。
[0063] 本实施例中，在光电转换元件210上方形成通孔201，以使得光电转换元件210位 于通孔201的底部下方。因为后续光线需要经过通孔201而到达光电转换元件210。因此， 本实施例可以控制使得通孔201底部的形状和面积与光电转换元件210上表面的形状和 面积基本相等，或者通孔201底部的面积略大于光电转换元件210上表面面积。由于通孔 201通常为上宽下窄的结构（相应的刻蚀工艺决定了通孔201具有上宽下窄的结构，上述通 孔201侧壁的倾斜角也进一步证明了此上宽下窄的结构），因此，当通孔201底部位于光电 转换元件210 (正）上方时，通孔201其它部分也都位于光电转换元件210 (正）上方和斜 (正）上方。
[0064] 本实施例中，通孔201的顶部开口直径（未标注）取决于金属互连线之间的距离。 为了能更多收集光线，通孔201的顶部开口直径只要比金属互连线之间的距离稍小即可 (此处金属互连线之间指制作通孔201位置附近的金属互连线之间），例如当金属互连线之 间的距离为1 μπι时，通孔201的顶部开口直径大致可以在0. 5 μL?~1 μπι。
[0065] 本实施例中，通孔201形成的位置中，原来的金属间介质层240和层间介质层230 内部均不会存在导电结构或者器件结构。这是因为，原本这些位于光电转换元件210正上 方及一定范围内斜正上方的金属间介质层240和层间介质层230也需要通过光线，因此，原 本就不会在这些位置设计导电结构或器件结构。也就是说，这些位置原本就是金属间介质 层240和层间介质层230而已，因此，通孔201的形成丝毫不会影响CMOS图像传感器介于 金属间介质层240和层间介质层230之间的任何结构。
[0066] 需要说明的是，图3中虽然显示在形成通孔201之后还剩余有图案化的掩模层，但 是，在实际工艺过程中，掩膜层260可以在形成通孔201的过程中被一并刻蚀去除，或者也 可以在通孔201形成之后，单独采用相应的去除工艺去除剩余的掩膜层260。
[0067] 请参考图4,在通孔201侧壁形成反射层270。
[0068] 本实施例中，反射层270的折射率范围为2. 0以上。控制反射层270的折射率在 2. 0以上，是为了提高反射层270的反射率。通常反射层270越高越好，反射率越高，光线在 到达光电转换元件210的过程中损失量越少，最终光电转换元件210获得的光信号强度越 大。然而，非镜面的介质，例如本实施例采用的反射层，其反射率与介质的颜色、温度和光的 属性等诸多方面因素有关。并且当光线接近正入射（即入射角Θ约等于〇)时，反射率计 算公式是：
[0069] R = 0^-?)2/ 0^+?)2
[0070] 其中，叫和η 2分别是反射层270的折射率和空气的真实折射率（即相对于真空的 折射率）。折射率指光在真空中的速度与光在该材料中的速度之比率。材料的折射率越高， 使入射光发生折射的能力越强，通常折射率越高材料的反射能力也越强。因此本实施例中， 折射率&在2. 0以上。即为了获得较为理想的光信号强度，控制反射层270的折射率在2. Ο 以上，从而保证反射层270将大量光线反射到达光电转换元件210。
[0071] 当然，在本发明其它实施例中，如果反射层270能够制作成镜面介质，则其反射率 能够达到100%，反射效果更好。
[0072] 本实施例中，反射层270的材料可以为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据制作工艺的调整而制作成高反射率的反射层270,从而使更多 的光线能够通过通孔201直接到达光电转换元件210,并且氮化硅或者氮氧化硅经常运用 在半导体结构中，制作工艺成熟。需要说明的是，在本发明的其它实施例中，反射层270也 可以选择其它合适材料。
[0073] 本实施例中，反射层270的厚度范围为200Α~1000Α。反射层270需要具备一定 的厚度才能够较好地实现相应的反射效果，因此，通常控制其厚度在200A以上。同时，反 射层270厚度如果大于1 〇〇〇人，不仅延长制作工艺的工艺周期，而且造成通孔201的开口面 积减小，因此，控制反射层270的厚度在丨〇〇〇人以下。
[0074] 本实施例中，形成反射层270的过程可以为：利用化学气相沉积（CVD)工艺在通孔 201的底部和侧壁表面直接淀积形成2?〇Α~Η)0〇Λ的氮氧化硅薄膜或氮化硅薄膜以作为 反射材料层；然后利用干法刻蚀各向异性的特点将通孔201底部的反射材料层刻蚀掉，保 留侧壁上的反射材料层，此剩余的反射材料层即为反射层270。由于只需要通孔201底部的 反射材料层去掉，侧壁上的反射材料层是要保留的，所以通常只能采用干法刻蚀等各向异 性刻蚀方法，而如果用湿法刻蚀工艺，则会把通孔201侧壁上的反射材料层也去除。
[0075] 需要说明的是，反射层270的制作能够大量增加到达光电转换元件210的光线，提 高CMOS图像传感器的光响应灵敏度。而如果没有反射层270,光线进入通孔201以后，会 有较大部分射入通孔201侧壁中的介质层（所述介质层包括金属间介质层240和层间介质 层230)，并被所述介质层吸收或在侧壁表面漫反射，造成部分光线不能有效到达光电转换 元件210,从而造成总体上光信号强度比没有反射层270时弱。但是，在本发明的其它实施 例中，如果不制作反射层270时，通过通孔201仍然能够达到相应的光响应灵敏度需求，则 可以不必在通孔201侧壁制作反射层270。
[0076] 请参考图5,采用透明基板280密封通孔201顶部开口。
[0077] 本实施例中，透明基板280的材料可以为石英玻璃。其它实施例中，透明基板280 的材料还可以为有机玻璃等材料。
[0078] 本实施例中，采用真空密封工艺密封通孔201。具体的，可以在真空环境下进行粘 接或者焊接工艺，并且采用如图5中所示的胶粘剂202粘接金属间介质层240和透明基板 280,从而将透明基板280与晶圆粘接在一起。胶粘胶将透明基板280与通孔201之间完全 密封，并且所述粘接过程中真空条件下进行，从而使通孔201得到真空密封。
[0079] 当采用真空密封的方法时，通孔201内是真空环境，能大量减少空气和水分等对 光线的散射作用，光线在传播过程中损耗会更少，从而使CMOS图像传感器的光响应灵敏度 更高。同时，真空环境能够防止反射层270受空气或者水分的污染，还能够进一步提高CMOS 图像传感器的可靠性和耐用性。
[0080] 需要说明的是，在本发明的其它实施例中，也可以不必采用真空密封，而采用透明 基板280将通孔201非真空地密封。
[0081] 请继续参考图5,在透明基板280上形成滤色层290。滤色层290也可以称为滤色 阵列层，其通常包括红色、绿色和蓝色三种阵列排布的滤色单元，其作用和形成工艺为本领 域技术人员所熟知，在此不再赘述。
[0082] 本实施例中，将滤色层290直接制作在透明基板280上。在其它实施例中，透明基 板280与滤色层290之间也可以包含其它层结构。
[0083] 请参考图6,在滤色层290上形成微透镜层203。微透镜层203的作用和形成工艺 为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。
[0084] 图中虽未示出，但本实施例后续可以对晶圆上的各个CMOS图像传感器进行相应 的封装工艺，然后对各个CMOS图像传感器进行切割分离。切割过程中，如果透明基板280 是整块结构密封在晶圆上时，需要对透明基板280也进行切割。具体切割时，可以采用传统 刀片切割工艺切割透明基板280,也可以采用激光切割工艺切割透明基板280。然而，当透 明基板280的个数与CMOS图像传感器相等，并且相互对应时，各个透明基板280之间相互 分离，此时则不需要对透明基板280进行切割。
[0085] 本实施例所提供的CMOS图像传感器的形成方法中，通过制作出贯穿金属间介质 层240和至少部分厚度层间介质层230的通孔201，从而使光线（如图6中各箭头所示，未 标注）能够通孔201到达光电转换元件210,减少了光线在金属间介质层240和至少部分厚 度层间介质层230内的损耗，从而使光电转换元件210获得的光信号强度增大，提高CMOS 图像传感器的光响应灵敏度。
[0086] 本实施例进一步通过在通孔201侧壁形成反射层270,大幅增加到达光电转换元 件210的光线，从而大幅提高CMOS图像传感器的光响应灵敏度。
[0087] 本实施例进一步采用真空密封工艺密封通孔201，从而提高通孔201内结构的可 靠性，提高整个CMOS图像传感器的耐用性能。
[0088] 本发明另一实施例还提供一种CMOS图像传感器，所述CMOS图像传感器可以采用 前述实施例所提供的形成方法形成，因此，所述CMOS图像传感器可以参考前述实施例相应 内容。
[0089] 具体的，请结合参考图6,本实施例所提供的CMOS图像传感器包括半导体衬底 200,位于半导体衬底200上的光电转换元件210和CMOS器件层220,覆盖半导体衬底200、 光电转换元件210和CMOS器件层220的层间介质层230,位于层间介质层230上的金属间 介质层240,金属间介质层240内具有金属互连层250。并且，所述CMOS图像传感器还包括 位于光电转换元件210上方的通孔201，通孔201贯穿金属间介质层240和至少部分厚度的 层间介质层230,位于通孔201侧壁的反射层270,密封通孔201顶部开口的透明基板280， 如图6中所示，透明基板280通过胶粘剂202粘接在金属间介质层240上。所述CMOS图像 传感器还包括位于透明基板280上的滤色层290,以及位于滤色层290上的微透镜层203。
[0090] 本实施例中，半导体衬底200可以为硅衬底。在本发明的其它实施例中，半导体衬 底200也可以为锗硅衬底、III - V族元素化合物衬底、碳化硅衬底或其叠层结构衬底，或绝 缘体上硅衬底，还可以是本领域技术人员公知的其他合适的半导体材料衬底。
[0091] 本实施例中，光电转换元件210可以为光电二极管（photodiode)，并且具体的光 电二极管可以具有PN结结构，也可以具有PIN结结构。
[0092] 本实施例中，CMOS器件层220中，每个光电转换元件210可以与3个晶体管结构、 4个晶体管结构或者5个以上的晶体管结构组成相应的电路结构。其中，所述晶体管可以包 括复位晶体管、转移晶体管、源跟随晶体管和行选通晶体管等。具体的CMOS器件层220结 构可以参考现有的CMOS图像传感器内部结构，在此不再详细描述。
[0093] 本实施例中，层间介质层230的材料可以为氧化娃。层间介质层230内部可以具 有接触插塞（未示出），从而使得被层间介质层230覆盖的CMOS器件层220能够与后续形 成的金属互连层250电连接。
[0094] 本实施例中，金属间介质层240的材料也可以为氧化硅。
[0095] 本实施例中，金属互连层250的材料可以为铝、铜或者钨等。
[0096] 需要说明的是，金属互连层250和金属间介质层240可以交替重叠。例如图6中 显示了三层的金属互连层250与金属间介质层240交替重叠在一起，在其它实施例中，也可 以是两层或者四层以上的金属互连层250与金属间介质层240交替重叠，本发明对此不作 限定。
[0097] 本实施例中，反射层270的折射率范围为2. 0以上。控制反射层270的折射率在 2. 0以上，是为了提高反射层270的反射率。通常反射层270越高越好，反射率越高，光线在 到达光电转换元件210的过程中损失量越少，最终光电转换元件210获得的光信号强度越 大。然而，非镜面的介质，例如本实施例采用的反射层，其反射率与介质的颜色、温度和光的 属性等诸多方面因素有关。并且当光线接近正入射（即入射角Θ约等于〇)时，反射率计 算公式是：
[0098] R = 0^-?)2/ 0^+?)2
[0099] 其中，叫和η 2分别是反射层270的折射率和空气的真实折射率（即相对于真空的 折射率）。折射率指光在真空中的速度与光在该材料中的速度之比率。材料的折射率越高， 使入射光发生折射的能力越强，通常折射率越高材料的反射能力也越强。因此本实施例中， 折射率&在2. 0以上。即为了获得较为理想的光信号强度，控制反射层270的折射率在2. 0 以上，从而保证反射层270将大量光线反射到达光电转换元件210。
[0100]当然，在本发明其它实施例中，如果反射层270能够制作成镜面介质，则其反射率 能够达到100%，反射效果更好。
[0101] 本实施例中，反射层270的厚度范围可以为200Α~1000Α。反射层270需要具备 一定的厚度才能够较好地实现相应的反射效果，因此，通常控制其厚度在200A以上。同 时，反射层270厚度如果大于1000Λ,不仅延长制作工艺的工艺周期，而且造成通孔201的 开口面积减小，因此，控制反射层270的厚度在1000A以下。
[0102] 本实施例中，反射层270的材料可以为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据制作工艺制作成高反射率的反射层270,从而使更多的光线能 够通过通孔201直接到达光电转换元件210,并且氮化硅或者氮氧化硅经常运用在半导体 结构中，制作工艺成熟。需要说明的是，在本发明的其它实施例中，反射层270也可以选择 其它合适材料。
[0103] 需要说明的是，在本发明的其它实施例中，也可以不必在通孔201侧壁制作反射 层270。本实施例中，通孔201侧壁与通孔201底部之间的夹角α (如图3所示）范围可以 为75°~85°。夹角α的大小需要考虑通孔201顶部开口与金属互连线之间的距离，以 及通孔201底部光电转换元件210的面积两个因素。为了既能够保证通孔201顶部开口较 大，以收集更多光线，又能够保证通孔201底部面积不小于光电转换元件210上表面面积， 设置夹角α的范围为75°~85°。
[0104] 本实施例中，透明基板280对通孔201的密封可以为真空密封。需要说明的是，在 本发明的其它实施例中，也可以不必采用真空密封工艺密封通孔201。
[0105] 本实施例中，通孔201底部的形状和面积与光电转换元件210上表面的形状和面 积基本相等，或者通孔201底部的面积略大于光电转换元件210上表面面积。由于通孔201 通常为上宽下窄的结构（相应的刻蚀工艺决定了通孔201具有上宽下窄的结构，上述通孔 201侧壁的倾斜角也进一步证明了此上宽下窄的结构），因此，当通孔201底部位于光电转 换元件210正上方时，通孔201其它部分也都位于光电转换元件210正上方和斜正上方。
[0106] 本实施例中，通孔201的顶部开口直径取决于金属互连线之间的距离。为了能更 多收集光线，通孔201的顶部开口直径只要比金属互连线之间的距离稍小即可（此处金属 互连线之间指制作通孔201位置附近的金属互连线之间），例如当金属互连线之间的距离 为1 μπι时，通孔201的顶部开口直径大致可以在0. 5 μπι~1 μπι。
[0107] 本实施例中，通孔201底部保留的层间介质层230厚度（如图3所示，未标注）小 于等于SOOAi通孔201底部保留层间介质层230可以保护光电转换元件210上表面免受刻 蚀工艺的刻蚀作用，但同时也造成后续光线需要再穿过剩余的层间介质层230才能到达光 电转换元件210。因此，为了平衡这一对矛盾的关系，使得CMOS图像传感器的性能达到较为 理想的水平，控制层间介质层230的剩余厚度在500A以下。
[0108] 需要说明的是，在本发明的其它实施例中，通孔201也可以同时贯穿金属间介质 层240和层间介质层230,即通孔201底部没有层间介质层230,而是以光电转换元件210 所在半导体衬底200表面作为通孔201底部。并且，这种通孔201底部不存在层间介质层 230的方案更加有利于光线到达光电转换元件210,因此，能够进一步提高CMOS图像传感器 的性能。
[0109] 本实施例所提供的CMOS图像传感器中，由于具有贯穿金属间介质层240和至少部 分厚度层间介质层230的通孔201，从而使光线（如图6中各箭头所示，未标注）能够通孔 201到达光电转换元件210,减少了光线在金属间介质层240和至少部分厚度层间介质层 230内的损耗，从而使光电转换元件210获得的光信号强度增大，提高CMOS图像传感器的光 响应灵敏度。
[0110] 虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本 发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所 限定的范围为准。
【主权项】
1. 一种CMOS图像传感器，包括： 半导体衬底； 位于所述半导体衬底上的光电转换元件和CMOS器件层； 覆盖所述半导体衬底、光电转换元件和CMOS器件层的层间介质层； 位于所述层间介质层上的金属间介质层，所述金属间介质层内具有金属互连层； 其特征在于，还包括： 位于所述光电转换元件上方的通孔，所述通孔贯穿所述金属间介质层和至少部分厚度 的所述层间介质层； 密封所述通孔顶部开口的透明基板； 位于所述透明基板上的滤色层。2. 如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，还包括位于所述通孔侧壁的反 射层。3. 如权利要求2所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述反射层的折射率为2. 0 W 上。4. 如权利要求2所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述反射层的厚度范围为 200 A ~1000 A。5. 如权利要求2所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述反射层的材料为氮化娃或 者氮氧化娃的至少其中之一。6. 如权利要求1或2所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述通孔侧壁与通孔底部 之间的夹角范围为75。~85。。7. 如权利要求1或2所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述透明基板对所述通孔 的密封为真空密封。8. 如权利要求1或2所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述通孔底部保留的所述 层间介质层厚度小于等于500A。9. 一种CMOS图像传感器的形成方法，其特征在于，包括： 提供半导体衬底； 在所述半导体衬底上形成光电转换元件和CMOS器件层； 形成层间介质层覆盖所述半导体衬底、光电转换元件和CMOS器件层； 在所述层间介质层上形成金属间介质层和金属互连层，所述金属互连层位于所述金属 间介质层内； 在所述光电转换元件上方形成通孔，所述通孔贯穿所述金属间介质层和至少部分厚度 的所述层间介质层； 采用透明基板密封所述通孔顶部开口； 在所述透明基板上形成滤色层。10. 如权利要求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 孔顶部开口前，还包括在所述通孔侧壁形成反射层的步骤。11. 如权利要求10所述的形成方法，其特征在于，所述反射层的折射率范围为2. 0 W 上。12. 如权利要求10所述的形成方法，其特征在于，所述反射层的厚度范围为 200A ~1000A。13. 如权利要求10所述的形成方法，其特征在于，所述反射层的材料为氮化娃或者氮 氧化娃的至少其中之一。14. 如权利要求9或10所述的形成方法，其特征在于，所述通孔侧壁与通孔底部之间的 夹角范围为75。~85。。15. 如权利要求9或10所述的形成方法，其特征在于，采用真空密封工艺密封所述通孔 顶部开口。
【文档编号】H01L27/146GK105990377SQ201510046868
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年1月29日
【发明人】李磊, 彭坤, 赵连国, 王海莲, 霍燕丽, 呼翔, 黄鹏
【申请人】中芯国际集成电路制造(上海)有限公司