[发明专利]具有凸透镜结构的像元结构及制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及CMOS影像传感器技术领域，尤其涉及一种具有凸透镜结构的CMOS影像传感器的像元结构及制造方法。

背景技术

CMOS影像传感器由于其与CMOS工艺兼容的特点，从而得到快速发展。相对于CCD工艺，其工艺完全与CMOS工艺兼容，其通过将光敏二极管和CMOS处理电路一起做在硅衬底上，从而在保证性能的基础上大幅度降低了成本，同时可以大幅度提高集成度，制造像素更高的产品。

传统CMOS影像传感器是使用正面光照的方法，将光敏二极管和CMOS处理电路一起做在硅衬底上使用同一层次实现，而芯片互连则制造在CMOS处理电路之上，光敏二极管之上为了光线的通过而不进行互连线的排步。然而，常规半导体材料的透光性较差，因此需要把光敏二极管上面的介质层次全部去除，并填充透光材料，以增强其光吸收。同时，由于后道互连层次较多，厚度较厚，导致光敏二极管上面介质层去除后，形成很深的沟槽，如何实现平坦化，并完成后续的彩色滤光层（color-filter）和微透镜（microlens）等工艺是传统工艺、产品的技术难点。

同时，传统CIS（CMOS影像传感器）结构是在CMOS工艺完成后，在后续工艺中利用有机材料及相关工艺制造彩色滤光层和微透镜，利用微透镜来汇聚光线，实现每个像元对光信号的吸收。然而，彩色滤光层上制作的微透镜是平凸透镜结构，且限于其材料、结构和工艺等限制，其汇聚光线的能力有限，可能会有部分光线无法汇聚到像元之中而损失掉，直接影响CIS芯片的性能；此外，还需要一定的距离才能将光线较好地汇聚在光敏二极管上，而光线在媒质中又随传输距离增加而损失增加。

因此，如何提高CIS像元结构汇聚光线的能力，以提高CIS芯片的性能是本领域技术人员亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明的目的在于弥补上述现有技术的不足，提供一种具有凸透镜结构的像元结构及制造方法。

本发明的具有凸透镜结构的像元结构，其包括硅衬底上的光敏元件和用于标准CMOS器件的多层结构，该光敏元件的上方具有向下凸的下凸透镜和向上凸的上凸透镜，该上凸透镜位于下凸透镜的上方，并与下凸透镜组成全凸透镜。

其中，该多层结构包括多晶硅层、接触孔层、金属互连层、通孔层和互连介质层；该上凸透镜和下凸透镜均为透光材料。

在一个应用中，该光敏元件上方具有深沟槽，该深沟槽的底部由透光材料填充，该下凸透镜设于深沟槽内并于透光材料的上方。其中，该填充为半填充，以形成圆弧形凹形表面。

进一步地，该下凸透镜的上表面向上延伸至多层结构顶面或多层结构顶面以上，该上凸透镜设于下凸透镜上表面之上。其中，该多层结构顶面即是深沟槽顶面。

进一步地，该深沟槽的底面与光敏元件之间还具有介质层。也就是说，深沟槽并非一通到底的结构，而是可以仅在光敏元件上方介质层的顶层或靠近顶面的几个层刻蚀出深沟槽，这样既达到了设置下凸透镜的目的，也省去了部分工艺步骤。

进一步地，该上凸透镜和下凸透镜的中间还具有一层彩色滤光层。当然，若上凸透镜或下凸透镜本身材质具有彩色滤光性能的话，即可省去该彩色滤光层。

在另一个应用中，该光敏元件的区域上方为厚介质层，该下凸透镜设于该厚介质层上方。其中，该“光敏元件的区域上方”在这里是指光敏元件区域的正上方，目的是为了排除光敏元件区域的正上方设置多晶硅层、接触孔层、通孔层或金属互连层的可能；该“厚介质层”由并仅由多层结构中的多层互连介质层组成，其顶面也即是多层结构的顶面。

进一步地，该厚介质层的上表面之上设有容纳下凸透镜的容纳层，该容纳层具有凹槽，该下凸透镜设于该凹槽内。

进一步地，该凹槽底部由透光材料填充，该下凸透镜设于该透光材料的上方。其中，该填充为半填充，以形成圆弧形凹形面。

进一步地，该上凸透镜位于下凸透镜的上表面之上，并与下凸透镜为一体。

进一步地，该厚介质层与容纳层的中间还具有一层彩色滤光层。当然，若上凸透镜或下凸透镜本身材质具有彩色滤光性能的话，即可省去该彩色滤光层。

进一步地，该容纳层为透光材料。

进一步地，该凹槽面积大于光敏元件区域的面积。如此设置，以便于吸收更多的光线至光敏元件。

进一步地，该光敏元件是光敏二极管。

本发明具有凸透镜结构的像元结构的一个制造方法包括以下步骤：

步骤S101，在硅衬底上排布光敏元件和用于标准CMOS器件的多层结构，通过深沟槽刻蚀工艺去除光敏元件上方的介质层，以形成深沟槽；