Cmos圖像傳感器及其形成方法

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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：半導體襯底；位于所述半導體襯底上的光電轉換元件和CMOS器件層；覆蓋所述半導體襯底、光電轉換元件和CMOS器件層的層間介質層；位于所述層間介質層上的金屬間介質層，所述金屬間介質層內具有金屬互連層；其特征在于，還包括：位于所述光電轉換元件上方的通孔，所述通孔貫穿所述金屬間介質層和至少部分厚度的所述層間介質層；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靈敏度提高。
【專利說明】
CMOS圖像傳感器及其形成方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及圖像傳感器領域，尤其涉及一種CMOS圖像傳感器及其形成方法。
【背景技術】
[0002] 通常，半導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，能夠感應光線，并將影像轉換成數字信號。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/列驅動器、時序控制邏輯、AD轉換器、數據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圖像傳感器廣泛應用在手機、個人電腦等消費電子產品中。
[0003] 請參考圖1，現有CMOS圖像傳感器通常包括以下結構：半導體襯底100,形成在半導體襯底100上的光電轉換元件110和CMOS器件層120,覆蓋光電轉換元件110和CMOS 器件層120的層間介質層（ILD) 130,位于層間介質層130上的金屬間介質層（IMD) 140，金屬間介質層140內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層140,位于金屬間介質層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所示的現有CMOS圖像傳感器中，光線（如圖1中各箭頭所示，未標注）需要透過微透鏡層170、濾色層160、金屬間介質層140和層間介質層130才能到達光電轉換元件110以進行光電信號的轉換（光電轉換元件110內部的多邊形代表接收到的光線），在此傳播過程中，由于各層結構都具有相應的折射作用，各層內部和不同層之間還會發(fā)生漫散射作用，并且有些層結構（例如金屬互連層）還對光線具有反射作用，從而使相應的光線大量損失，最終導致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靈敏度。

【發(fā)明內容】

[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換元件過程中的損失，從而增強CMOS圖像傳感器獲得的光信號，提高CMOS圖像傳感器的光響應靈敏度。
[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] 半導體襯底；
[0008] 位于所述半導體襯底上的光電轉換元件和CMOS器件層；
[0009] 覆蓋所述半導體襯底、光電轉換元件和CMOS器件層的層間介質層；
[0010] 位于所述層間介質層上的金屬間介質層，所述金屬間介質層內具有金屬互連層；
[0011] 還包括：
[0012] 位于所述光電轉換元件上方的通孔，所述通孔貫穿所述金屬間介質層和至少部分厚度的所述層間介質層；
[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] 提供半導體襯底；
[0024] 在所述半導體襯底上形成光電轉換元件和CMOS器件層；
[0025] 形成層間介質層覆蓋所述半導體襯底、光電轉換元件和CMOS器件層；
[0026] 在所述層間介質層上形成金屬間介質層和金屬互連層，所述金屬互連層位于所述金屬間介質層內；
[0027] 在所述光電轉換元件上方形成通孔，所述通孔貫穿所述金屬間介質層和至少部分厚度的所述層間介質層；
[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] 與現有技術相比，本發(fā)明的技術方案具有以下優(yōu)點：
[0037] 本發(fā)明的技術方案中，通過制作出貫穿金屬間介質層和至少部分厚度層間介質層的通孔，從而使光線能夠通孔到達光電轉換元件，減少了光線在金屬間介質層和至少部分厚度層間介質層內的損耗，從而使光電轉換元件獲得的光信號強度增大，提高CMOS圖像傳感器的光響應靈敏度。
[0038] 進一步，通過在通孔側壁形成反射層，大幅增加到達光電轉換元件的光線，從而大幅提高CMOS圖像傳感器的光響應靈敏度。
[0039] 進一步，采用真空密封工藝密封通孔，從而提高通孔內結構的可靠性，提高整個 CMOS圖像傳感器的耐用性能。
【附圖說明】
[0040] 圖1是現有CMOS圖像傳感器結構示意圖；
[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結構示意圖。
【具體實施方式】
[0042] 正如【背景技術】所述，現有CMOS圖像傳感器光感應靈敏度低，這是因為現有CMOS圖像傳感器的結構所限：光線必須穿過相應的金屬間介質層和層間介質層才能夠到達光電轉換元件，在這個過程中，光線在金屬間介質層和層間介質層內部發(fā)生漫反射等作用，導致光線大量損失，從而使光電轉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換元件上方的通孔，所述通孔貫穿金屬間介質層，并且同時貫穿至少部分厚度的層間介質層，這樣，大量的光線能夠通過所述通孔直接到達光電轉換元件，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層到達光電轉換元件，從而大幅提高光電轉換元件接收到的光信號強度，提高了 CMOS圖像傳感器的光響應靈敏度。
[0044] 同時，所述通孔的側壁具有反射層，反射層能使避免照射到所述通孔側壁的光線在側壁發(fā)生漫反射，而使得進入到通孔頂部開口的絕大部分光線都到達光電轉換元件，進一步提高了光電轉換元件接收到的光信號強度，進一步提高了 CMOS圖像傳感器的光響應靈敏度。
[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，下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施例做詳細的說明。
[0046] 本發(fā)明實施例提供一種CMOS圖像傳感器的形成方法，請結合參考圖2至圖6。
[0047] 請結合圖2,提供半導體襯底200,在半導體襯底200上形成光電轉換元件210和 CMOS器件層220,然后形成層間介質層230覆蓋半導體襯底200、光電轉換元件210和CMOS 器件層220,并在層間介質層230上形成金屬間介質層240和金屬互連層250。其中，金屬互連層250位于金屬間介質層240內。
[0048] 本實施例中，半導體襯底200可以為硅襯底，并且圖2所示半導體襯底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圖像傳感器進行分離。
[0049] 在本發(fā)明的其它實施例中，半導體襯底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構襯底，或絕緣體上硅襯底，還可以是本領域技術人員公知的其他合適的半導體材料襯底。
[0050] 本實施例中，光電轉換元件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結結構，也可以具有PIN結結構。
[0051] 本實施例中，CMOS器件層220中，每個光電轉換元件210可以與3個晶體管結構、 4個晶體管結構或者5個以上的晶體管結構組成相應的電路結構。其中，所述晶體管可以包括復位晶體管、轉移晶體管、源跟隨晶體管和行選通晶體管等。具體CMOS器件層220的結構可以參考現有的CMOS圖像傳感器內部結構，在此不再詳細描述。
[0052] 本實施例中，層間介質層230的材料可以為氧化硅，可以采用沉積方法形成層間介質層230。層間介質層230形成后還可以在其內部形成接觸孔，并在接觸孔內形成接觸插塞（未示出），從而使得被層間介質層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,再形成金屬間介質層240覆蓋此金屬互連層250,然而在這層金屬間介質層240上形成另一層金屬互連層250,并再次用金屬間介質層240覆蓋該金屬互連層250,如此交替往復。圖2中顯示形成了三層的金屬互連層250結構，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,在光電轉換元件210上方形成通孔201，通孔201貫穿金屬間介質層 240和部分層間介質層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層240和層間介質層230,直至剩余部分厚度的層間介質層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。例如當采用光刻膠層時，可以在整個晶圓的金屬間介質層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，刻蝕金屬間介質層240和層間介質層230所采用的工藝可以為干法刻蝕工藝。由于金屬間介質層240和層間介質層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層230厚度（如圖3所示，未標注）小于等于500/\,亦即剩余的層間介質層230厚度小于等于500A。通孔201底部剩余部分層間介質層230可以保護光電轉換元件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層 230才能到達光電轉換元件210。為了平衡這一對矛盾的關系，使得CMOS圖像傳感器的性能達到較為理想的水平，控制層間介質層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層240和層間介質層230,即形成通孔201時，在刻蝕至貫穿全部金屬間介質層240后，繼續(xù) 刻蝕至貫穿全部層間介質層230,最終形成的通孔201底部沒有剩余的層間介質層230,而是以光電轉換元件210所在半導體襯底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層230的方案更加有利于光線到達光電轉換元件210,因此，能夠進一步提高CMOS圖像傳感器的性能。但需要同時注意控制相應的刻蝕過程不對光電轉換元件210表面造成不利影響。
[0062] 本實施例中，通孔201側壁與通孔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側壁所在平面與通孔201底部所在平面構成的小于等于 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換元件210上表面面積，設置夾角α的范圍為75。~85。。
[0063] 本實施例中，在光電轉換元件210上方形成通孔201，以使得光電轉換元件210位于通孔201的底部下方。因為后續(xù)光線需要經過通孔201而到達光電轉換元件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換元件210上表面面積。由于通孔 201通常為上寬下窄的結構（相應的刻蝕工藝決定了通孔201具有上寬下窄的結構，上述通孔201側壁的傾斜角也進一步證明了此上寬下窄的結構），因此，當通孔201底部位于光電轉換元件210 (正）上方時，通孔201其它部分也都位于光電轉換元件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，原來的金屬間介質層240和層間介質層230 內部均不會存在導電結構或者器件結構。這是因為，原本這些位于光電轉換元件210正上方及一定范圍內斜正上方的金屬間介質層240和層間介質層230也需要通過光線，因此，原本就不會在這些位置設計導電結構或器件結構。也就是說，這些位置原本就是金屬間介質層240和層間介質層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層240和層間介質層230之間的任何結構。
[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，光線在到達光電轉換元件210的過程中損失量越少，最終光電轉換元件210獲得的光信號強度越大。然而，非鏡面的介質，例如本實施例采用的反射層，其反射率與介質的顏色、溫度和光的屬性等諸多方面因素有關。并且當光線接近正入射（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，通常折射率越高材料的反射能力也越強。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光電轉換元件210。
[0071] 當然，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，則其反射率能夠達到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制作工藝的調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直接到達光電轉換元件210,并且氮化硅或者氮氧化硅經常運用在半導體結構中，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相應的反射效果，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：利用化學氣相沉積（CVD)工藝在通孔 201的底部和側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光電轉換元件210的光線，提高CMOS圖像傳感器的光響應靈敏度。而如果沒有反射層270,光線進入通孔201以后，會有較大部分射入通孔201側壁中的介質層（所述介質層包括金屬間介質層240和層間介質層230)，并被所述介質層吸收或在側壁表面漫反射，造成部分光線不能有效到達光電轉換元件210,從而造成總體上光信號強度比沒有反射層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仍然能夠達到相應的光響應靈敏度需求，則可以不必在通孔201側壁制作反射層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行，從而使通孔201得到真空密封。
[0079] 當采用真空密封的方法時，通孔201內是真空環(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、綠色和藍色三種陣列排布的濾色單元，其作用和形成工藝為本領域技術人員所熟知，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構。
[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域技術人員所熟知，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圖像傳感器進行相應的封裝工藝，然后對各個CMOS圖像傳感器進行切割分離。切割過程中，如果透明基板280 是整塊結構密封在晶圓上時，需要對透明基板280也進行切割。具體切割時，可以采用傳統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，當透明基板280的個數與CMOS圖像傳感器相等，并且相互對應時，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層240和至少部分厚度層間介質層230的通孔201，從而使光線（如圖6中各箭頭所示，未標注）能夠通孔201到達光電轉換元件210,減少了光線在金屬間介質層240和至少部分厚度層間介質層230內的損耗，從而使光電轉換元件210獲得的光信號強度增大，提高CMOS 圖像傳感器的光響應靈敏度。
[0086] 本實施例進一步通過在通孔201側壁形成反射層270,大幅增加到達光電轉換元件210的光線，從而大幅提高CMOS圖像傳感器的光響應靈敏度。
[0087] 本實施例進一步采用真空密封工藝密封通孔201，從而提高通孔201內結構的可靠性，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內容。
[0089] 具體的，請結合參考圖6,本實施例所提供的CMOS圖像傳感器包括半導體襯底 200,位于半導體襯底200上的光電轉換元件210和CMOS器件層220,覆蓋半導體襯底200、光電轉換元件210和CMOS器件層220的層間介質層230,位于層間介質層230上的金屬間介質層240,金屬間介質層240內具有金屬互連層250。并且，所述CMOS圖像傳感器還包括位于光電轉換元件210上方的通孔201，通孔201貫穿金屬間介質層240和至少部分厚度的層間介質層230,位于通孔201側壁的反射層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，半導體襯底200可以為硅襯底。在本發(fā)明的其它實施例中，半導體襯底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構襯底，或絕緣體上硅襯底，還可以是本領域技術人員公知的其他合適的半導體材料襯底。
[0091] 本實施例中，光電轉換元件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結結構，也可以具有PIN結結構。
[0092] 本實施例中，CMOS器件層220中，每個光電轉換元件210可以與3個晶體管結構、 4個晶體管結構或者5個以上的晶體管結構組成相應的電路結構。其中，所述晶體管可以包括復位晶體管、轉移晶體管、源跟隨晶體管和行選通晶體管等。具體的CMOS器件層220結構可以參考現有的CMOS圖像傳感器內部結構，在此不再詳細描述。
[0093] 本實施例中，層間介質層230的材料可以為氧化娃。層間介質層230內部可以具有接觸插塞（未示出），從而使得被層間介質層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，光線在到達光電轉換元件210的過程中損失量越少，最終光電轉換元件210獲得的光信號強度越大。然而，非鏡面的介質，例如本實施例采用的反射層，其反射率與介質的顏色、溫度和光的屬性等諸多方面因素有關。并且當光線接近正入射（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，通常折射率越高材料的反射能力也越強。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光電轉換元件210。
[0100]當然，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，則其反射率能夠達到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相應的反射效果，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直接到達光電轉換元件210,并且氮化硅或者氮氧化硅經常運用在半導體結構中，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側壁制作反射層270。本實施例中，通孔201側壁與通孔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換元件210上表面面積，設置夾角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換元件210上表面面積。由于通孔201 通常為上寬下窄的結構（相應的刻蝕工藝決定了通孔201具有上寬下窄的結構，上述通孔 201側壁的傾斜角也進一步證明了此上寬下窄的結構），因此，當通孔201底部位于光電轉換元件210正上方時，通孔201其它部分也都位于光電轉換元件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層230厚度（如圖3所示，未標注）小于等于SOOAi通孔201底部保留層間介質層230可以保護光電轉換元件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層230才能到達光電轉換元件210。因此，為了平衡這一對矛盾的關系，使得CMOS圖像傳感器的性能達到較為理想的水平，控制層間介質層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層240和層間介質層230,即通孔201底部沒有層間介質層230,而是以光電轉換元件210 所在半導體襯底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層 230的方案更加有利于光線到達光電轉換元件210,因此，能夠進一步提高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層240和至少部分厚度層間介質層230的通孔201，從而使光線（如圖6中各箭頭所示，未標注）能夠通孔 201到達光電轉換元件210,減少了光線在金屬間介質層240和至少部分厚度層間介質層 230內的損耗，從而使光電轉換元件210獲得的光信號強度增大，提高CMOS圖像傳感器的光響應靈敏度。
[0110] 雖然本發(fā)明披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領域技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護范圍應當以權利要求所限定的范圍為準。
【主權項】
1. 一種CMOS圖像傳感器，包括：半導體襯底；位于所述半導體襯底上的光電轉換元件和CMOS器件層；覆蓋所述半導體襯底、光電轉換元件和CMOS器件層的層間介質層；位于所述層間介質層上的金屬間介質層，所述金屬間介質層內具有金屬互連層；其特征在于，還包括：位于所述光電轉換元件上方的通孔，所述通孔貫穿所述金屬間介質層和至少部分厚度的所述層間介質層；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壁的反射層。3. 如權利要求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，所述通孔側壁與通孔底部之間的夾角范圍為75。~85。。7. 如權利要求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：提供半導體襯底；在所述半導體襯底上形成光電轉換元件和CMOS器件層；形成層間介質層覆蓋所述半導體襯底、光電轉換元件和CMOS器件層；在所述層間介質層上形成金屬間介質層和金屬互連層，所述金屬互連層位于所述金屬間介質層內；在所述光電轉換元件上方形成通孔，所述通孔貫穿所述金屬間介質層和至少部分厚度的所述層間介質層；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壁形成反射層的步驟。11. 如權利要求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. 如權利要求9或10所述的形成方法，其特征在于，所述通孔側壁與通孔底部之間的夾角范圍為75。~85。。15. 如權利要求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

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