图像传感器及其制作方法与流程

1.本发明属于集成电路制造技术领域，具体涉及一种图像传感器及其制作方法。


背景技术：

2.cis（cmos image sensor， cmos图像传感器）利用光电器件的光电转换功能，将感光面上的光信号转换为与光信号成相应比例关系的电信号。与光敏二极管，光敏三极管等“点”光源的光敏元件相比，图像传感器是将其受光面上的光像，分成许多小单元，将其转换成可用的电信号的一种功能器件。
3.图1为一种cmos图像传感器，包括基底01和位于基底上的像素区i和逻辑区ii，层间介质层02覆盖像素区i和位于像素区i两侧的逻辑区ii，在层间介质层02上表面位于逻辑区ii的上方形成有金属层03，保护层04覆盖层间介质层02和金属层03，由于金属层03的存在，使形成的保护层04不平整，有台阶；像素区i中间区域上方的保护层04的厚度为h1，且h1的厚度小于金属层03的厚度；像素区i边缘区域（靠近逻辑区ii的区域）上方的保护层04的厚度为h2，由于像素区i（感光区）上方的保护层04厚度不一致，导致cis（cmos图像传感器）成像不均匀，即cis成像均一性较差。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种图像传感器及其制作方法，增加光透过率，提高图像传感器的感光强度。
5.本发明提供一种图像传感器的制作方法，包括：提供基底，所述基底上方依次形成有像素单元和覆盖所述像素单元的层间介质层，所述层间介质层的表面形成有金属层，所述金属层在所述基底上的投影与所述像素单元不重合；形成覆盖所述层间介质层和所述金属层的保护层；刻蚀所述保护层和所述层间介质层，形成位于所述像素单元上方的沟槽。
6.进一步的，形成所述沟槽之后还包括：依次形成覆盖所述沟槽侧壁的第一膜层和第二膜层，所述第二膜层的折射率大于所述第一膜层的折射率。
7.进一步的，所述第二膜层的折射率为2.0～2.5，所述第一膜层的折射率为1.2～1.5。
8.进一步的，所述第二膜层包括氧化钛膜、氧化钨膜或硫化锌膜中的至少一种；所述第一膜层包括氮化硅膜。
9.进一步的，所述第一膜层还覆盖所述沟槽的底面以及所述保护层的顶表面。
10.进一步的，形成所述第二膜层具体包括：先采用溅射或沉积工艺形成所述第二膜层，所述第二膜层覆盖位于所述沟槽的侧壁和底面的所述第一膜层的表面，以及所述第一膜层的顶表面；
再采用无掩膜干法刻蚀，去除位于所述第一膜层的顶表面的所述第二膜层和位于所述沟槽的底部的所述第二膜层，保留位于所述沟槽的侧壁的所述第二膜层。
11.本发明还提供一种图像传感器，包括：基底，所述基底上方依次形成有像素单元和层间介质层，所述层间介质层的表面形成有金属层，所述金属层在所述基底上的投影与所述像素单元不重合；保护层，所述保护层覆盖所述层间介质层和所述金属层；沟槽，所述沟槽贯穿所述保护层和部分厚度的所述层间介质层，所述沟槽位于所述像素单元的上方。
12.进一步的，还包括：依次覆盖所述沟槽侧壁的第一膜层和第二膜层，所述第二膜层的折射率大于所述第一膜层的折射率。
13.进一步的，所述基底上方形成有像素区和位于所述像素区两侧的逻辑区，所述像素单元形成在所述像素区中，所述金属层位于所述逻辑区的正上方。
14.进一步的，所述层间介质层中位于所述像素单元正上方的两侧区域分布有层间金属层，所述层间金属层包括沿垂直于所述基底方向间隔分布的第一层间金属层和第二层间金属层。
15.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明提供一种图像传感器及其制作方法，制作方法包括：提供基底，所述基底上方依次形成有像素单元和覆盖所述像素单元的层间介质层，所述层间介质层的表面形成有金属层，所述金属层在所述基底上的投影与所述像素单元不重合；形成覆盖所述层间介质层和所述金属层的保护层；刻蚀所述保护层和所述层间介质层，形成位于所述像素单元上方的沟槽。沟槽位于像素单元的正上方，正面光线由于像素单元上方的膜层厚度减薄，使感光强度增加，让更多光线进入像素单元，即光透过率增加，提高了图像传感器的感光强度。
16.进一步的，依次形成覆盖所述沟槽侧壁的第一膜层和第二膜层，所述第二膜层的折射率大于所述第一膜层的折射率。侧面光线通过第二膜层和第一膜层的高低折射率搭配，增强侧壁的光线反射率，从而提高了图像传感器的感光强度。
附图说明
17.图1为一种cmos图像传感器示意图。
18.图2至图5为另一种cmos图像传感器制作方法各步骤示意图。
19.图6为本发明实施例的图像传感器的制作方法流程示意图。
20.图7至图13为本发明实施例的图像传感器的制作方法各步骤示意图。
21.其中，附图标记如下：01-基底；i-像素区；ii-逻辑区；02-层间介质层；03-金属层；04-保护层；05-保护层；06-钝化层；11-基底；i-像素区；ii-逻辑区；12-像素单元；13-层间介质层；14-金属层；15-保护层；16-第一层间金属层；17-第二层间金属层；18-图形化的光阻层；k-开口；v-沟槽；19-第一膜层；20-第二膜层。
具体实施方式
22.如背景技术所述，cis成像均一性较差。为改善cis成像均一性，发明人尝试如下改善方案。
23.如图2所示，提供基底01，所述基底01上形成有像素区i和位于所述像素区i两侧的逻辑区ii；层间介质层02覆盖像素区i和位于像素区i两侧的逻辑区ii，在层间介质层02上表面位于逻辑区ii的上方形成有金属层03。如图3所示，形成保护层05，保护层05覆盖层间介质层02和金属层03，且位于像素区i正上方的保护层05的厚度大于金属层03的厚度，以避免厚度不一致导致的cis成像不均匀。
24.如图4所示，采用化学机械研磨（cmp）工艺研磨保护层05，使其顶表面平整，如此一来，位于像素区i正上方的保护层05的厚度一致。如图5所示，在研磨后的保护层05的表面形成钝化层06。
25.本改善方案通过形成较厚的保护层05，即位于像素区i正上方的保护层05的厚度大于金属层03的厚度，再通过cmp工艺使保护层05顶面平齐，使位于像素区i正上方的保护层05的厚度一致，避免了保护层05的厚度不一致导致的cis成像不均匀。但是发明人深入研究又发现，由于像素区i正上方的保护层05较厚，光通过钝化层06和较厚的保护层05最终进入像素区i（感光区），又存在光透过率降低的问题，影响cis的感光强度。
26.基于上述研究，本发明实施例提供了一种图像传感器及其制作方法。以下结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
27.为了便于描述，本技术一些实施例可以使用诸如“在
…
上方”、“在
…
之下”、“顶部”、“下方”等空间相对术语，以描述如实施例各附图所示的一个元件或部件与另一个（或另一些）元件或部件之间的关系。应当理解的是，除了附图中描述的方位之外，空间相对术语还旨在包括装置在使用或操作中的不同方位。例如若附图中的装置被翻转，则被描述为在其它元件或部件“下方”或“之下”的元件或部件，随后将被定位为在其它元件或部件“上方”或“之上”。下文中的术语“第一”、“第二”、等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换。
28.本发明实施例提供了一种图像传感器的制作方法，如图6所示，包括：提供基底，所述基底上方依次形成有像素单元和覆盖所述像素单元的层间介质层，所述层间介质层的表面形成有金属层，所述金属层在所述基底上的投影与所述像素单元不重合；形成覆盖所述层间介质层和所述金属层的保护层；刻蚀所述保护层和所述层间介质层，形成位于所述像素单元上方的沟槽。
29.下面结合图7至图13介绍本发明实施例的图像传感器的制作方法的各步骤。
30.如图7所示，提供基底11，所述基底11上方形成有像素区i和位于所述像素区i两侧的逻辑区ii；基底11可以为半导体衬底，由适合于半导体装置的任何半导体材料（诸如si、sic、sige等）制成。层间介质层13覆盖所述像素区i和所述逻辑区ii，在所述层间介质层13表面位于逻辑区ii的正上方的区域形成金属层14，像素区i包括若干像素单元12，所述金属层14在所述基底11上的投影与所述像素单元12不重合。像素单元12例如包括光电二极管，
用于对光通路中的入射光进行光电转换。
31.金属层14用于将像素单元12光电转换的电信号传输到外围电路（图中未示出）进行处理。在形成金属层14时，可以利用物理溅射沉积或电镀沉积技术，通过磁控溅射机台和ecp 机台形成例如cu 材质的金属层。但是，在形成金属层时也不限于这些具体的工艺设备和工艺条件，也可以利用其他设备，只要可以形成金属层即可。层间介质层13中位于像素单元12正上方的两侧区域分布有层间金属层，层间金属层用于像素单元12的电信号互连。层间金属层可包括沿垂直于基底11方向间隔分布的第一层间金属层16和第二层间金属层17。形成保护层15，所述保护层15填充像素区i正上方的位于金属层14之间的凹槽并覆盖所述金属层14，且位于像素区i正上方的保护层15的厚度大于金属层14的厚度。保护层15例如为氧化硅层或有机硅脂。采用化学机械研磨（cmp）工艺研磨所述保护层15，使位于凹槽和金属层14上方的保护层15平整。
32.如图8和图9所示，在研磨后的保护层15表面形成图形化的光阻层18，所述图形化的光阻层18具有位于所述像素单元12正上方的开口k。以图形化的光阻层18为掩膜，刻蚀所述开口k暴露出的保护层15、部分厚度的层间介质层13，形成沟槽v，沟槽v位于像素单元12的正上方。所述刻蚀可采用等离子干法刻蚀。
33.如图10所示，形成第一膜层19，所述第一膜层19覆盖沟槽v的侧壁和底面、以及保护层15的顶表面。第一膜层19可以利用化学气相沉积工艺形成。
34.如图11和图12所示，形成第二膜层20，所述第二膜层20至少覆盖所述沟槽v侧壁的第一膜层19的表面。具体的，可采用溅射或沉积工艺形成第二膜层20，第二膜层20覆盖沟槽v的侧壁和底面的第一膜层19的表面、以及第一膜层19的顶表面。可采用无掩膜干法刻蚀，去除位于第一膜层19的顶表面的第二膜层20和位于沟槽v底部的第二膜层20，保留位于所述沟槽的侧壁的所述第二膜层。具体的，第二膜层20的折射率大于第一膜层19的折射率。第二膜层20设置为高折射率膜层，第一膜层19设置为低折射率膜层。第二膜层20的厚度例如为100nm～200nm，折射率为2.0～2.5；第一膜层19的厚度例如为150 nm～250nm，折射率为1.2～1.5。第二膜层20例如包括氧化钛膜、氧化钨膜或硫化锌膜中的至少一种。第一膜层19例如包括氮化硅膜。
35.如图12和图13所示，沟槽v位于像素单元12的正上方，正面光线由于像素单元12上方的膜层厚度（仅有少许厚度的层间介质层13和第一膜层19）减薄，使感光强度增加，让更多光线进入像素单元12，即光透过率增加，提高了cis的感光强度。
36.进一步的，依次形成覆盖所述沟槽侧壁的第一膜层19和第二膜层20，所述第二膜层20的折射率大于所述第一膜层19的折射率。侧面光线通过第二膜层20和第一膜层19的高低折射率搭配，增强侧壁的光线反射率。具体的，利用光的全反射原理：即当光从光密介质（第二膜层20）入射到光疏介质（第一膜层19）时，如果入射角大于一个固定的角度（取决于两种膜层的折射率），则该入射光能发生全反射。当入射光以大角度入射时，该入射光在像素单元12上面的沟槽侧壁发生全反射，从而该入射光也能到达像素单元12，提高了cis的感光强度。
37.本发明在现行工艺基础上，通过减薄像素单元上方的膜层厚度和增强侧壁的反射率使更多的光线进入像素（感光）单元，有效消除为改善成像均一性带来的副作用（像素单元上方膜层较厚导致光接收强度降低），在保持优秀的成像均一性的情况下，提高了cis的
感光强度。
38.如图12所示，本发明还提供一种图像传感器，包括：基底11，所述基底11上方依次形成有像素单元12和层间介质层13，所述层间介质层13的表面形成有金属层14，所述金属层14在所述基底11上的投影与所述像素单元12不重合；保护层15，所述保护层15覆盖所述层间介质层13和所述金属层14；沟槽v，所述沟槽v贯穿所述保护层15和部分厚度的所述层间介质层13，所述沟槽v位于所述像素单元12的上方。
39.进一步的，图像传感器，还包括：依次覆盖所述沟槽侧壁的第一膜层19和第二膜层20，所述第二膜层20的折射率大于所述第一膜层19的折射率。
40.具体的，所述基底11上方形成有像素区i和位于所述像素区i两侧的逻辑区ii，所述像素单元12形成在所述像素区i中，所述金属层14位于所述逻辑区ii的正上方。
41.所述层间介质层13中位于所述像素单元12正上方的两侧区域分布有层间金属层，所述层间金属层包括沿垂直于所述基底11方向间隔分布的第一层间金属层16和第二层间金属层17。
42.综上所述，本发明提供一种图像传感器及其制作方法，制作方法包括：提供基底，所述基底上方依次形成有像素单元和覆盖所述像素单元的层间介质层，所述层间介质层的表面形成有金属层，所述金属层在所述基底上的投影与所述像素单元不重合；形成覆盖所述层间介质层和所述金属层的保护层；刻蚀所述保护层和所述层间介质层，形成位于所述像素单元上方的沟槽。沟槽位于像素单元的正上方，正面光线由于像素单元上方的膜层厚度减薄，使感光强度增加，让更多光线进入像素单元，即光透过率增加，提高了图像传感器的感光强度。
43.进一步的，依次形成覆盖所述沟槽侧壁的第一膜层和第二膜层，所述第二膜层的折射率大于所述第一膜层的折射率。侧面光线通过第二膜层和第一膜层的高低折射率搭配，增强侧壁的光线反射率，从而提高了图像传感器的感光强度。
44.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于与实施例公开的器件相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
45.上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明权利范围的任何限定，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。