專利名稱:具有平面化層的凹陷的圖象傳感器和制做方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及電子圖象傳感器,特別是彩色圖象傳感器。
背景技術(shù):
這樣的傳感器通過(guò)使用各種技術(shù),包括CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)技術(shù)和CMOS/CCD混合技術(shù)(CCD表示電荷耦合器件),在硅芯片上產(chǎn)生。這些技術(shù)使得在相同的硅芯片上不僅可以集成光敏點(diǎn)的矩陣,而且可以集成外圍電子電路,其中將轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)的圖象被投射在光敏點(diǎn)上,外圍電子電路圍繞這一矩陣,而且外圍電路或者為將圖象轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)的目的而驅(qū)動(dòng)矩陣,或者在轉(zhuǎn)換圖象后,處理來(lái)自矩陣的電子信號(hào)。
對(duì)于彩色圖象傳感器,光敏矩陣的上表面覆蓋有構(gòu)成與光敏點(diǎn)的矩陣陣列對(duì)準(zhǔn)的濾色器的拼接(mosaic of color filters)。每個(gè)單獨(dú)的濾色器分別位于接收單色光的各個(gè)光敏硅區(qū)域上。直接相鄰的光敏區(qū)之上的直接相鄰的濾光器具有不同的顏色并對(duì)應(yīng)于不同圖象點(diǎn)或像素。
濾色器位于絕緣和導(dǎo)電層之上,絕緣和導(dǎo)電層用來(lái)定義光敏點(diǎn)、給定的光敏點(diǎn)處的內(nèi)部互連以及與芯片的其余部分(行導(dǎo)體、列導(dǎo)體等等)的互連。
現(xiàn)在,在當(dāng)前采用的技術(shù)中,這些互連僅能使用幾層的導(dǎo)電和絕緣層沉積和蝕刻,在包含實(shí)際光敏區(qū),即,將光子轉(zhuǎn)換成每個(gè)像素處的電荷的那些光敏區(qū)的硅表面上產(chǎn)生。
典型地,使用六層互連來(lái)產(chǎn)生構(gòu)成圖象傳感器及其相關(guān)電路的整個(gè)芯片,例如兩個(gè)多晶硅層(在本發(fā)明的上下文內(nèi)多晶硅被比作導(dǎo)體)和四個(gè)鋁層。
由于導(dǎo)電要求,導(dǎo)電層的厚度(鋁層或多晶硅層)僅能低于幾十微米。兩個(gè)連續(xù)的層必須通過(guò)約1微米的絕緣層分隔開(kāi),這首先是為了產(chǎn)生足夠的絕緣,其次是為了在蝕刻導(dǎo)電層后以及沉積和蝕刻下一層之前使表面足夠平面化(planarization)。
的確,平面化是必須的操作。平面化在于通過(guò)沉積其厚度在形成在前層的區(qū)域的點(diǎn)處較小、但在在前層的材料通過(guò)選擇蝕刻而被去除的點(diǎn)處更大的層,來(lái)填充通過(guò)蝕刻形成的階梯(step),因此在平面化步驟后,芯片的上表面實(shí)質(zhì)上是平的。這一平面化因?yàn)橐韵聝蓚€(gè)原因而是有用的首先,它使下一層的光刻更容易,因?yàn)楣饪淘谄矫婊瘜由媳仍诰哂邪枷莺屯蛊鸬膶由细行腋_,其次,它使得在形成所有中間層后,更容易沉積和蝕刻(仍然是通過(guò)光刻)濾色器的拼接。濾色器的拼接的沉積只在所有其他互連層和這些層之間的中間平面化層沉積后,最后一個(gè)平面化層形成之后進(jìn)行。
在傳統(tǒng)技術(shù)中,濾色器拼接最后形成在光敏硅區(qū)之上約10微米的高度。然而,在傳感器分辨率足夠的情況下,這一區(qū)域具有僅幾微米的邊。因此,光敏區(qū)被平放成好像它處于由疊加絕緣透明層填充的一個(gè)阱的底部,被定義出該阱的其他疊加的絕緣和導(dǎo)電層所環(huán)繞(導(dǎo)電層通常是不透明和反光的,特別是當(dāng)它們由鋁制成時(shí))。
由此得出結(jié)論,已通過(guò)濾色器的光子并不立即到達(dá)對(duì)應(yīng)于該濾色器的光敏區(qū),在濾色器后仍要行進(jìn)的路徑上,它們可能被衰減、色散、經(jīng)受折射、反射等等。除隨之發(fā)生的靈敏度損失以外,可以理解到一些光子可能到達(dá)相鄰的光敏區(qū)。在單色光中,這導(dǎo)致空間分辨率的某些損失。然而,在彩色照相機(jī)中,這一問(wèn)題更嚴(yán)重,因?yàn)榧词箖H具有低空間頻率的圖象區(qū)域(例如均勻的紅色的圖象區(qū)域)也會(huì)被大大地影響——由于相應(yīng)于其他顏色的像素總是接收并非用于它們的一小部分光通量,顏色將系統(tǒng)地降低。因此,由于在將濾色器與對(duì)應(yīng)于它的光敏區(qū)分開(kāi)的間隙中的光色散,色度學(xué)方面(colorimetry)的質(zhì)量尤其變得劣化。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供用于彩色圖象傳感器的制做方法和結(jié)構(gòu),以稍微增加產(chǎn)品復(fù)雜度為代價(jià),明顯地提高所獲得的圖象的色度學(xué)質(zhì)量,以及在低照度中的分辨率、對(duì)比度和靈敏度。
盡管該方法的主要益處是用于濾色器,但應(yīng)注意到本方法在非彩色圖象傳感器的情況下使用也具有一些好處。
因此,所提出的是在平面半導(dǎo)體襯底上產(chǎn)生的集成圖象傳感器,該傳感器包括在該襯底的第一區(qū)域中的光敏單元矩陣以及在第二區(qū)域中的外圍電路,該傳感器由幾層絕緣層與蝕刻的導(dǎo)電層交替的層疊產(chǎn)生,其中,絕緣層的層疊用作為用于被蝕刻的導(dǎo)電層的平面化層,該傳感器的特征在于,存在于該第一區(qū)中的絕緣層的在半導(dǎo)體襯底之上的累積高度小于該第二區(qū)域中絕緣層的累積高度。
必須從光敏矩陣的上面到達(dá)的光將通過(guò)的絕緣透明層的厚度,與在兩個(gè)區(qū)域中的上述累積高度相同時(shí)相比更小。因此,如果在整個(gè)硅芯片上保留產(chǎn)生第二區(qū)域的電路所需的所有平面化層,則光將更少地衰減并且將經(jīng)受更少的不期望的反射和色散。
實(shí)際上,在制做過(guò)程結(jié)束時(shí),該第一區(qū)域中用作平面化層的層疊的絕緣層的數(shù)量少于該第二區(qū)域中用作平面化層的絕緣層的數(shù)量。在用于沉積和蝕刻各個(gè)層的操作結(jié)束時(shí),有選擇地從第一區(qū)域去除存在于第二區(qū)域中但不在第一區(qū)域中的這些另外的平面化層,而在這些操作期間,在第一區(qū)域(光敏矩陣)和第二區(qū)域(外圍電路)中均勻地沉積導(dǎo)電和絕緣層。
原則上,所沉積的導(dǎo)電層的整個(gè)結(jié)構(gòu)將使光敏矩陣區(qū)中的導(dǎo)電層的數(shù)量小于這一區(qū)域外的導(dǎo)電層的數(shù)量;導(dǎo)電層的第一層用在矩陣區(qū)域中和這一區(qū)域外,而其他另外的導(dǎo)電層將僅存在于該矩陣外。
總體上,用來(lái)產(chǎn)生芯片的所有電子電路,包括光敏矩陣的導(dǎo)電和半導(dǎo)體層的層疊將具有在光敏矩陣內(nèi)的一凹陷(hollow),在矩陣區(qū)中的層疊的厚度小于這一層疊之外的厚度。該厚度最好是在矩陣區(qū)中小至少30%,以及最好是50%。
對(duì)彩色傳感器,在光敏矩陣上具有濾色器的拼接,因此,這時(shí)絕緣和導(dǎo)電層的層疊具有小于芯片上剩余部分的厚度。
為獲得圖象傳感器的性能方面的這一改進(jìn),本發(fā)明提供了用于制做圖象傳感器的方法,在這一方法中,連續(xù)地在半導(dǎo)體襯底上沉積和蝕刻與透明絕緣層交替的幾個(gè)導(dǎo)電層,以便一方面定義出集成電路芯片的第一區(qū)域中的光敏矩陣,另一方面定義出芯片的第二區(qū)域中的外圍電路,絕緣層在導(dǎo)電層已被沉積和蝕刻后,特別用作平面化層,該方法的特征在于,在該芯片的整個(gè)表面上沉積絕緣和導(dǎo)電層,然后以各自的圖形蝕刻每個(gè)層,隨后在該光敏矩陣上均勻地去除絕緣厚度,以及在該外圍電路上保留絕緣厚度。
在閱讀參考附圖給出的詳細(xì)描述后,本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見(jiàn),其中圖1表示包括光敏矩陣和外圍電路的集成電路芯片的整體平面圖;圖2表示相應(yīng)于矩陣的區(qū)域;圖3表示集成電路芯片的橫截面;圖4表示根據(jù)本發(fā)明的圖象傳感器芯片的頂視圖;圖5表示這一芯片的橫截面;圖6表示在矩陣區(qū)(在右邊)以及其之外(在左邊)中的根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)電和絕緣層的層疊。
具體實(shí)施例方式
圖1表示在硅襯底上產(chǎn)生并構(gòu)成具有第一區(qū)MP的圖象傳感器的核心的集成電路芯片10的頂視圖,第一區(qū)MP對(duì)應(yīng)于光敏矩陣,光敏矩陣上投射有待檢測(cè)的電子圖象。
典型地,集成電路芯片放置在聚焦物鏡的后面,聚焦物鏡的焦平面是硅襯底的表面。
區(qū)域MP被其他區(qū)ZC1、ZC2、ZC3所環(huán)繞,這些其他區(qū)包括用于驅(qū)動(dòng)光敏矩陣或用于處理從該矩陣獲得的信號(hào)的電子電路。
通常芯片由將傳感器連接到傳感器外部的連接墊環(huán)繞。最終,在光敏矩陣間延伸的電子電路和墊形成了互連導(dǎo)體陣列(未示出)。
光敏矩陣、電子電路、互連導(dǎo)體和墊首先通過(guò)在硅襯底上執(zhí)行的雜質(zhì)注入、擴(kuò)散和氧化操作(特別為了在矩陣的每個(gè)像素處形成光敏區(qū)以及形成晶體管的源極和漏極),然后通過(guò)在硅襯底的表面的頂部沉積和蝕刻交替的絕緣和導(dǎo)體層而產(chǎn)生。
產(chǎn)生光敏矩陣的技術(shù)可以是CCD(電荷耦合器件)技術(shù)或CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)技術(shù)。用CMOS技術(shù)產(chǎn)生外圍電子電路正日益普遍。
圖2再次用頂視圖表示了為光敏矩陣而預(yù)留的區(qū)域MP。實(shí)際上,矩陣MP的中心部分ZL被預(yù)留,用于接收將轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)的光圖象。象矩陣那樣構(gòu)造并形成與矩陣相同的陣列的一部分的外圍部分ZM被預(yù)留,用于形成用于矩陣的電子平衡的參考像素。這一區(qū)域被鋁層完全屏蔽,而且位于其之下的光敏點(diǎn)接收不到光,因此它們傳送黑色電平信息。被屏蔽的區(qū)ZM和未被屏蔽的區(qū)ZL的組合構(gòu)成為光敏矩陣而預(yù)留的區(qū)域MP。在這一區(qū)域外是傳感器的所有其他元件,特別是形成區(qū)域ZE的部分的區(qū)域ZC1、ZC2、ZC3的外圍電路被定位的區(qū)域ZE。
在矩陣區(qū)域中沉積的是濾色器FC的拼接,在圖2中僅示出了該拼接的單個(gè)線。每個(gè)濾色器位于矩陣像素之上。
圖3表示在垂直方向中,放大比例很大的圖2的橫截面??紤]到產(chǎn)生矩陣及其相關(guān)的外圍電路的復(fù)雜性,有必要形成連續(xù)的多個(gè)交替絕緣和導(dǎo)電層,其中每個(gè)交替和導(dǎo)電層以各自的圖形被蝕刻。所得到的層疊20的高度是在硅襯底30的表面S之上約10微米,并且在這一平面化層疊上沉積可選的(optional)濾色器。
根據(jù)本發(fā)明,在沉積濾色器前,在用于矩陣MP的區(qū)域中存在的絕緣層的基本厚度在整個(gè)該區(qū)域中被去除。這是因?yàn)榇嬖谟诰仃嚿系慕^緣層的上面部分并不用于使導(dǎo)電層彼此隔離,因此能被去除。相反地,在外圍電路中,這一上面部分用于使導(dǎo)電層彼此隔離,因此在相應(yīng)于這些電路的區(qū)域中不能被去除。
如在圖4和5中所看到的,絕緣從區(qū)域MP(被照明的區(qū)ZL和被屏蔽的區(qū)ZM)被均勻地去除,但仍在外部區(qū)域ZE中仍被保留。同時(shí)示出了完全包圍區(qū)域MP的過(guò)渡區(qū)ZT,在該過(guò)渡區(qū)中絕緣和導(dǎo)電層的層疊的高度在較低水平H1(區(qū)域MP)和較高水平H2(區(qū)域ZE)之間變化。
因此,絕緣和導(dǎo)體層的層疊20具有遍及區(qū)域MP的凹陷,并且就是在該凹陷中,在彩色圖象傳感器的情況下沉積濾色器FC,或在單色傳感器的情況下,沉積其他光學(xué)部件(諸如微透鏡)。在區(qū)域MP中層疊的高度至少減少了30%,最好至少降低50%。因此,與區(qū)域ZE中10微米相比,在區(qū)域MP中,可以約為5微米。
在圖6中的典型的實(shí)施例中,給出了沉積層的詳細(xì)情況。在該圖的左邊,可以看出區(qū)域ZE中的層疊,以及在右邊,可以看出區(qū)域MP中的層疊。
在襯底30中在表面S下方,注入摻雜區(qū)40以便與襯底形成p-n結(jié),構(gòu)成沿幾微米的邊延伸的光電二極管。其他雜質(zhì)注入操作(形成源、漏等)在襯底的區(qū)域MP和區(qū)域ZE中執(zhí)行。
下面將給出將在襯底上發(fā)現(xiàn)的典型的連續(xù)的絕緣和導(dǎo)電層。通常如果由鋁制成則不透明、或如果由多晶硅制成則稍微透明的導(dǎo)電層,按所需的互連圖形被蝕刻,但在任一情況下為不致削弱光電二極管的曝光,該導(dǎo)電層均不會(huì)出現(xiàn)在光電二極管的上方。因此,在光電二極管一側(cè)出現(xiàn)導(dǎo)電層。
為簡(jiǎn)化附圖,未示出在絕緣層中局部形成的、允許通過(guò)在兩個(gè)不同導(dǎo)電層間沉積導(dǎo)電材料形成接觸的連接孔。
典型的層疊如下-第一絕緣層IS1覆蓋結(jié),具有約0.1至0.2微米的厚度;-第一多晶硅層SIP1沉積在這一層的上面以及形成電荷傳送柵(charge transfer gate)或晶體管柵,具有約0.3微米的厚度;-第二絕緣層IS2,具有約0.1至0.2微米的厚度;-第二多晶硅層SIP2,具有約0.3微米的厚度;-第三絕緣層IS3,具有約1微米的厚度;-第一導(dǎo)電金屬(鋁)層M1,具有0.6微米的厚度;-第四絕緣層IS4,具有約1微米的厚度;-第二導(dǎo)電層M2,具有約0.6微米的厚度。
在這一實(shí)施例中,所有上述層均存在于區(qū)域MP和區(qū)域ZE中。區(qū)域MP的最后一個(gè)金屬層為M2層。絕緣平面化層IS1至IS4必須是透明的,因?yàn)樵谥谱鼋Y(jié)束時(shí),它們保留在區(qū)域MP上。
用于分隔和用于平面化的其他金屬層M3和M4以及絕緣層將順序地被沉積在區(qū)域MP和區(qū)域ZE中,但它們將從區(qū)域MP被完全去除金屬化層在蝕刻這些層的操作期間將被去除,因?yàn)樗鼈儗?duì)矩陣的電子操作無(wú)用;原則上,絕緣層在沉積隨后的導(dǎo)電層前,在蝕刻階段并不被去除(盡管對(duì)某些層來(lái)說(shuō),原理上可以這么做),但它們?cè)诰鶆虻厝コ齾^(qū)域MP上絕緣層的厚度的步驟期間,將被完全去除。
從這一點(diǎn)以及直到這一去除操作為止,絕緣平面化層不一定是透明的,因?yàn)樗鼈儗⒈蝗コ?。?shí)際上,它們?nèi)匀痪哂信c在前層(透明氧化硅)相同的屬性。
因此,在已經(jīng)蝕刻金屬層M2后,在芯片上均勻地沉積第五絕緣平面化層IS5(具有約1微米的厚度)。它在區(qū)域ZE中被蝕刻以便特別地定義用于與下面的導(dǎo)電層M2接觸的孔。
沉積和蝕刻具有約0.6微米的厚度的第三導(dǎo)電(鋁)層M3。它僅保留在區(qū)域ZE中。
在芯片上均勻地沉積并在區(qū)域ZE中蝕刻具有約1微米厚度的第六絕緣平面化層IS6,以便定義用于與下面的導(dǎo)電層接觸的孔。
具有約0.6微米的厚度的第四導(dǎo)電層M4均勻地沉積在芯片上,該層被蝕刻,并從區(qū)域MP被去除。
原則上,在這一階段,在芯片上均勻地沉積具有約2微米的厚度的第七絕緣層IS7,但這不是必須的,因?yàn)槟苡迷谕诔鰠^(qū)域MP后沉積的平面化層代替它。
然后,執(zhí)行去除位于區(qū)域MP上的部分絕緣層的厚度的操作,這一厚度對(duì)這一區(qū)域中的電操作是不必要的。通過(guò)保護(hù)區(qū)域ZE的掩膜執(zhí)行這一操作。將絕緣層挖空到調(diào)整到所需值的深度,或直到檢測(cè)到存在于區(qū)域MP中的最后一個(gè)金屬層,即,這一例子中的層M2露出為止。
在這一操作期間,絕緣層IS5、IS6和IS7完全或幾乎完全從區(qū)域MP消失(少量的層IS5可以局部存在)。
在芯片的整個(gè)表面上沉積絕緣平面化層PL1。
然后具有約2微米厚度的濾色器FC的層可以被沉積并蝕刻、并從區(qū)域ZE去除以及僅剩下位于區(qū)域MP上。隨后,在進(jìn)一步平面化步驟后,可以在矩陣MP上形成微透鏡(每個(gè)彩色像素具有一個(gè)透鏡)。
在均勻地從區(qū)域MP去除絕緣層后,區(qū)域MP中絕緣層的累積高度H1明顯地小于區(qū)域ZE中的累積高度H2,產(chǎn)生區(qū)域MP內(nèi)圖5中可見(jiàn)的凹陷。濾色器沉積在這一凹陷中,因此具有低于現(xiàn)有技術(shù)的、在硅表面之上的高度H1。
權(quán)利要求
1.一種在平面半導(dǎo)體襯底(30)上產(chǎn)生的集成圖象傳感器,所述傳感器包括在所述襯底的表面的第一區(qū)域(MP)中的光敏單元矩陣以及在第二區(qū)域(ZE)中的外圍電路,所述傳感器由幾層絕緣層(IS1至IS7)與被蝕刻的導(dǎo)電層(M1至M4)交替的層疊而產(chǎn)生,其中,所述絕緣層的層疊用作為用于被蝕刻的導(dǎo)電層的平面化層,所述傳感器的特征在于,存在于所述第一區(qū)中的絕緣層的在半導(dǎo)體襯底之上的累積高度小于所述第二區(qū)域中絕緣層的累積高度。
2.如權(quán)利要求1所述的圖象傳感器,其特征在于,在所述第一區(qū)域中用作平面化層的絕緣層的數(shù)量少于所述第二區(qū)域中用作平面化層的絕緣層的數(shù)量。
3.如權(quán)利要求1或2所述的圖象傳感器,其特征在于,該圖象傳感器包括同時(shí)存在于所述第一區(qū)域(MP)和所述第二區(qū)域(ZE)中的幾層導(dǎo)電層(SIP1、SIP2、M1、M2),以及僅存在于所述第二區(qū)域(ZE)中的其他另外的層(M3、M4)。
4.如在前任何一個(gè)權(quán)利要求所述的圖象傳感器,其特征在于,該圖象傳感器包括在所述第一區(qū)域的絕緣層之上的濾色器的拼接,存在于所述第一區(qū)域中所述濾色器之下的絕緣和導(dǎo)電層的層疊的厚度小于存在于所述第二區(qū)域中絕緣和導(dǎo)電層的層疊的厚度。
5.如在前任何一個(gè)權(quán)利要求所述的圖象傳感器,其特征在于,在所述第二區(qū)域中比在所述第一區(qū)域中至少多包括兩個(gè)金屬層(M3、M4)。
6.一種用于制做圖象傳感器的方法,在這一方法中,連續(xù)地在半導(dǎo)體襯底上沉積和蝕刻與透明絕緣層交替的幾個(gè)導(dǎo)電層,以便一方面定義出集成電路芯片的第一區(qū)域(MP)中的光敏矩陣,另一方面定義出芯片的第二區(qū)域(ZE)中的外圍電路,所述絕緣層在所述導(dǎo)電層被沉積和蝕刻后特別用作為平面化層,所述方法的特征在于,在所述芯片的整個(gè)表面上沉積絕緣和導(dǎo)電層,然后以各自的圖形蝕刻每個(gè)層,絕緣層的厚度在所述光敏矩陣上被均勻地去除,以及在所述外圍電路上被保留。
7.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所去除的絕緣層厚度為在這一去除步驟時(shí),存在于所述芯片上的絕緣層厚度的至少30%,以及最好是至少50%。
8.如權(quán)利要求6和7的任何一個(gè)所述的方法,其特征在于,所述光敏矩陣由包括用于這一區(qū)域的最后一個(gè)金屬層(M2)的幾個(gè)導(dǎo)電層形成,其特征還在于在這一最后一層后,在所述芯片的整個(gè)表面上沉積平面化層,隨后是另外的交替導(dǎo)電和絕緣層,這些導(dǎo)電層的蝕刻僅將這些層留在所述第二區(qū)域中,以及其特征還在于去除絕緣層厚度的步驟在于去除絕緣層,達(dá)到露出所述光敏矩陣的所述最后一個(gè)金屬層的程度。
9.如權(quán)利要求9所述的方法,其特征在于,所述去除步驟之后,是沉積透明平面化層的步驟。
10.如權(quán)利要求6至9的任何一個(gè)所述的方法,其特征在于,在所述去除步驟和所述沉積透明平面化層的可選步驟后,濾色器的拼接放置就位。
全文摘要
本發(fā)明涉及制做圖象傳感器,特別是涉及彩色圖象傳感器。圖象傳感器包括區(qū)域MP,其中包括光敏矩陣,將被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的圖象投射在該光敏矩陣上,以及外部區(qū)域ZE,該外部區(qū)域ZE包括用于驅(qū)動(dòng)該矩陣或用于處理圖象信號(hào)的電子電路。在襯底30上形成用于產(chǎn)生矩陣和外圍電路的導(dǎo)電層和絕緣層的層疊后,在沉積濾色器的拼接之前,僅在矩陣的區(qū)域MP中去除絕緣層的基本厚度以便降低濾色器相對(duì)于光敏區(qū)域的高度H1。這導(dǎo)致對(duì)比度和色度學(xué)方面的提高。
文檔編號(hào)H01L23/367GK1555578SQ02818064
公開(kāi)日2004年12月15日 申請(qǐng)日期2002年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月14日
發(fā)明者路易·布里索, 路易 布里索, 索利耶, 阿梅代·索利耶 申請(qǐng)人:Atmel格勒諾布爾公司