CN101044631A - 镶嵌铜布线图像传感器 - Google Patents

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Abstract

一种CMOS图像传感器阵列(100)及其制造方法，其中所述传感器包括铜(Cu)金属化层(M1、M2)，允许结合具有改善的厚度均匀性的更薄的层间电介质叠层(130a－c)以获得光敏度提高的像素阵列。在传感器阵列中，每一个Cu金属化层包括形成在每一个阵列像素之间的位置的Cu金属布线结构(135a、135b)。阻挡材料层(132a、132b)形成在横越像素光路的每一个Cu金属布线结构的顶部。通过实施单掩模或自对准掩模方法，执行单次蚀刻以彻底地去除横越所述光路的阻挡层和层间电介质。然后用电介质材料(150)再填充蚀刻的开口(51)。在淀积再填充电介质之前，反射层或吸收材料层(140)沿着蚀刻开口的侧壁形成以通过反射光到下伏的光电二极管(18)或通过消除光反射来提高像素的灵敏度。

Description

镶嵌铜布线图像传感器
技术领域
本发明总体上涉及半导体像素成像器阵列的制造，具体地，涉及用于通过优化透镜下方的电介质层来增加光学图像传感器的灵敏度的新半导体像素成像器结构及其新工艺。
背景技术
CMOS图像传感器正在开始取代传统CCD传感器用于需要图像采集的应用，如：数字照像机、蜂窝电话、PDA(个人数字助理)，个人计算机等。CMOS图像传感器的优势在于可以通过应用当前的用于半导体器件，比如光电二极管等的CMOS制造工艺来低成本地制造。另外，可以通过单电源操作CMOS图像传感器，这样用于CMOS图像传感器的功耗可以得到限制而低于CCD传感器的功耗，此外，CMOS逻辑电路和类似逻辑处理器件容易集成在传感器芯片中，由此可以使CMOS图像传感器小型化。
专利文献中有很多文献描述CMOS图像传感器阵列及其制造。美国专利申请公开说明书No.2003/0038293、2002/0033492和2001/0010952描述了CMOS图像阵列设计的典型现有技术水平，美国专利No.6635912、6611013和6362498公开了类似的内容。但是，描述的所有这些现有技术的器件都没有在像素设计中使用铜金属化层。也就是，当前在CMOS图像传感器中制造AlCu金属层，这样的CMOS图像传感器由于Al金属的增高的电阻率需要更厚的电介质叠层。电介质越厚意味着需要更厚的层间电介质层，这会导致到达像素光电转换元件(比如光电二极管)的光的强度的下降。结果，CMOS成像器像素的灵敏度受到影响。
由于预期半导体工业期望仍将AlCu用于0.18um节点的CMOS图像传感器技术，因此十分希望提供一种具有用于金属化(例如M1、M2)层的镶嵌铜(Cu)金属线的CMOS图像传感器，所述镶嵌铜金属线需要更薄的层间电介质叠层，该更薄的层间电介质叠层由于用缩减蚀刻(递减蚀刻，subtractive etch)AlCu布线取消了所需的电介质CMP步骤而具有更小的厚度变化，从而由于到达光电二极管的光更多而增加了像素阵列的灵敏度。但是，由于铜对氧化和污染的易感性，Cu金属上需要钝化层，在铜布线上需要SiN、SiC、SiCN或类似钝化层。也就是说，用于镶嵌铜布线的作为RIE停止层和Cu扩散阻挡层的SiN、SiC、SiCN或类似层由于折射率失配问题而和光学图像传感器不兼容。
因此十分希望提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，其中所述传感器包括用于金属化层的铜(Cu)金属线，其可解决折射率失配问题，同时可选地通过优化透镜下方的电介质层增加光学图像传感器的灵敏度。
发明内容
此发明提出了一种通过优化应用Cu布线的CMOS光学成像阵列中的透镜下方的电介质层增加光学图像传感器的灵敏度的结构和方法。
有数个取消图像过滤涂层和透镜下方的大部分或全部Cu扩散阻挡电介质材料(例如氮化物)的新的半导体光学成像器结构的实施方式。这是通过图案化和向下蚀刻硅衬底，在图像传感器上方留下氮化物层或者去除氮化物层来实现的。另外的实施方式沿着开口的侧壁增加电介质或电导体隔离体，和/或绕着开口的金属保护环结构以消除迁移离子污染问题，并可能将光从侧壁反射到探测器。
这样，提供了一种CMOS图像传感器及其制造方法，其中所述图像传感器包括铜(Cu)金属化层，其允许结合厚度变化减少的更薄的层间电介质叠层以获得光敏度提高的像素阵列。该CMOS图像传感器首先被制造为包括在横越传感器阵列中的每一个像素的光路的每一个层间Cu金属化层上方的薄(例如1到100nm)的电介质阻挡层(例如PECVD或HDPCVD SiN、SiC、SiCN等)。然后，通过实施单掩模或自对准方法，进行蚀刻以在阵列中每一个像素的光路的位置处完全去除阻挡层金属，之后提供再填充电介质以填充被蚀刻的开口。在另外的实施方式中，在淀积再填充电介质之前，沿着蚀刻的开口的侧壁形成反射或吸收材料层，以通过将光反射到下伏的光电二极管或通过消除光反射来提高像素的灵敏度。
根据本发明的一个方面，提供了一种包括像素阵列的图像传感器，其中每一个像素包括：
顶层，其包括用于接收光的像素微透镜；
半导体衬底，其包括形成在其中用于接收入射到所述像素微透镜的光的感光元件；
电介质材料结构，其设置在所述顶层和形成在所述衬底中的感光元件之间的光路中；以及
层间电介质材料层的叠层，其具有形成在其间的一个或多个Cu金属化层，每一个所述金属化层包括和所述像素的所述电介质材料结构相邻形成的Cu金属布线结构，每一个所述Cu金属布线结构包括形成在其上的阻挡材料层，
其中，在蚀刻所述像素中的开口以确定所述光路之后，作为电介质再填充工艺的一部分，形成所述电介质材料结构。
根据本发明的另一个方面，提供了一种制造像素的图像传感器阵列的方法，每一个像素包括包含用于接收光的像素微透镜的顶层，所述方法包括以下步骤：
a.对于每一个阵列像素在半导体衬底中形成感光元件，所述感光元件用于接收入射到相应像素微透镜的光；
b.在所述衬底顶上形成层间电介质层的叠层，在形成所述叠层的相邻层间电介质层之间包括以下步骤：形成包括在所述阵列中的每一个像素之间的位置处形成的Cu金属布线结构的Cu金属化层，在每一个所述Cu金属布线结构的顶上形成阻挡材料层；
c.去除所述层间电介质层的叠层在所述感光元件上方的一部分以确定像素的光路；以及
d.在顶层和感光元件之间用电介质材料在光路中再填充所述叠层的被去除的部分。
有利的是，所述用于制造像素的图像传感器阵列的方法包括实施单掩模或自对准掩模方法，其使得能进行单次蚀刻来完全去除横越每一个像素的光路的部分或全部阻挡层金属和电介质叠层。
在另外的实施方式中，在淀积再填充电介质之前，可以沿着被蚀刻的开口的侧壁形成反射或吸收材料层，通过将光反射到下伏的光电二极管或是通过消除光反射来提高像素的灵敏度。
附图说明
参见下面结合附图的详细说明，本领域普通技术人员将清楚本发明的目的、特征和优点，附图中：
图1描绘了CMOS图像传感器像素阵列10；
图2的剖面图图解了具有包括多个横越像素光路的Cu扩散阻挡层的铜层间布线的CMOS图像传感器阵列像素；
图2(a)-2(c)的剖面图描绘了CMOS图像传感器工艺步骤，形成具有最终布线层和钝化电介质(图2(a))、随后的用于端子通孔/引线接合或焊垫的蚀刻成的开口和用于图像传感器滤色镜的开口(图2(b))的结构；晶片处理；以及用可选的透镜和引线结合封装芯片(图2(c))；
图3的剖面图图解了在蚀刻的像素开口的侧壁处未设置反射衬层材料而形成的本发明的CMOS图像传感器阵列像素；
图3(a)-3(c)的剖面图描绘了用于在回蚀工艺之后使用反转开口掩模(reverse opening mask)(相反极性抗蚀剂，opposite polarityresist)来平面化图像传感器的CMOS图像传感器处理步骤，和执行的可选的CMP步骤；
图4的剖面图图解了在蚀刻的像素开口的侧壁处形成有反射衬层材料并在衬底顶上包括阻挡材料层的本发明的CMOS图像传感器阵列像素；
图5的剖面图图解了在蚀刻的像素开口的侧壁处形成有反射衬层材料并且在衬底顶上没有阻挡材料层的本发明的CMOS图像传感器阵列像素；
图6的剖面图图解了形成有围绕再填充像素电介质的附加的接触/金属保护环结构的图5的CMOS图像传感器阵列像素的一种示例实施方式；
图7的剖面图图解了在确定所述光路的蚀刻像素开口的底部在所述衬底上形成有滤色元件的CMOS图像传感器阵列像素的一种示例实施方式；
图8的剖面图图解了包括在部分地填充确定所述光路的蚀刻像素开口的再填充电介质结构顶上形成的滤色元件的CMOS图像传感器阵列像素；以及
图9的剖面图图解了包括在填充确定所述光路的蚀刻像素开口的再填充电介质结构的回蚀部分中形成的滤色元件的CMOS图像传感器阵列像素。
具体实施方式
图1描绘了CMOS图像传感器像素阵列10。如图所示，该阵列包括多个微透镜12，每一个都为半球形，设置在形成在允许形成微透镜阵列的滤色镜阵列15的顶部上的光滑的平面化层17例如旋涂聚合物上。滤色镜阵列15包括单独的红、绿和蓝滤色元件25(原色滤色镜)，或者是青色、洋红和黄色滤色元件(补色滤色镜)。微透镜阵列12的每一个微透镜22和相应的滤色元件25对准，并包括像素20的上部光接收部分。像素20包括制造在半导体衬底14部分上的单元部分，包括包含一个或多个层间电介质层30a-30c的叠层，所述层间电介质层中含有金属化互连层M1、M2铝(Al)布线层35a、35b。层间电介质材料可以包括例如聚合物或SiO2。由于Al金属化互连层35a、35b不需要钝化，未图示相应的阻挡层。还是如图1所示，每一个具有Al金属化层35a、b的像素单元20还包括最终铝金属层36，其允许与在每一个像素20之间的M1和M2金属化层的引线接合，最终钝化层28形成在所述引线接合层36上。此最终钝化层28可以包括SiN、SiO2、SiC、SiCN、SiON或它们的结合。尽管未详细图示，每一个像素20包括光电转换器件和执行电荷放大和开关的CMOS晶体管(未图示)，光电转换元件包括进行光电转换的感光元件比如光电二极管18。每一个像素20产生相应于由每一个像素接收的光的强度的信号电荷，由形成在半导体衬底14上的光电转换(光电二极管)元件18将其转换成信号电流。在Si衬底14的表面形成的未硅化的扩散区上方形成另一阻挡层或盖层，例如氮化物如SiN层38。
在CMOS图像传感器中使用铝金属层35a、35b要求更厚的电介质叠层，原因是Al金属的增加的电阻率。更厚的电介质意味着需要更厚的电介质层30a-30c，这导致抵达光电转换元件(光电二极管)的光的强度下降，也就是像素20的灵敏度受到影响。
本发明的目标在于具有用于M1、M2层的镶嵌铜(Cu)金属线的CMOS图像传感器技术，镶嵌铜(Cu)金属线要求更薄层间电介质叠层，由于用缩减蚀刻(递减蚀刻，subtractive etch)AlCu布线取消了电介质CMP或所需的其它金属平面化步骤，更薄的层间电介质叠层的厚度变化较小，这样，由于更多的光抵达光电二极管，提高了像素阵列的灵敏度。同时，由于铜对氧化和污染的易感性，在Cu金属上需要钝化层；为阻挡Cu扩散进入周围的电介质中，在铜布线上需要SiN、SiC、SiCN等钝化层。但是用于镶嵌铜布线作为RIE停止层和Cu扩散阻挡层的SiN、SiC、SiCN等层由于折射率失配问题和光学图像传感器不兼容，因此根据本发明从图像传感器像素中的光路中被去除。
图2的剖面图图解了后端线(BEOL)CMOS图像传感器阵列100，其类似于2004年12月23日递交的题为A CMOS IMAGER WITH CUWIRING AND METHOD OF ELIMINATING HIGHREFLECTIVITY INTERFACES THEREFROM的序列号为No.10/905277的共有的审查中的美国专利申请中描述的实施方式，该实施方式具有包括多个Cu扩散阻挡层的铜布线。尽管像素20(微透镜22和滤色镜25)的上部光接收部分和图1描绘的现有技术一样，本发明包括允许形成更薄的形成于衬底14上的层间电介质层130a-130c的叠层的Cu金属化互连M1、M2的形成。所述衬底14可以是体半导体，包括例如Si、SiGe、SiC、SiGeC、GaAs、InP、InAs和其它III-V族化合物半导体、II-VI族、II-V族等化合物半导体，或叠层半导体例如绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上SiC(SiCOI)、绝缘体上硅锗(SGOI)或绝缘衬底比如石英或氧化铝。优选地，层间电介质材料可以包括有机或无机层间电介质(ILD)材料，其可以通过数个公知技术比如溅射、旋涂或PECVD技术中的任何一种淀积，可以包括传统的旋涂有机电介质、旋涂无机电介质或二者的组合，具有大约4.2或更小的介电常数。本发明可以使用的合适的有机电介质包括含有C、O、F和/或H的电介质。本发明可以使用的有机电介质的一些类型的例子包括但不限于：芳族热固性聚合树脂，例如由DOW Chemical Company销售的商品名为SiLK的树脂，Honeywell销售的商品名为Flare的树脂，以及来自其它供货商的类似的树脂，以及其他类似的有机电介质。这些用作层间电介质层的有机电介质可以有孔也可以无孔，优选有孔的有机电介质层，因为其k值低。可以用作层间电介质的合适的无机电介质一般包括：Si、O和H，以及可选的C，例如SiO2、FSG(氟硅玻璃，氟化硅酸盐玻璃)、SiCOH、掺碳氧化物(CDO)、碳氧化硅(silicon-oxicarbides)、有机硅酸盐玻璃(OSG)，通过等离子体增强的化学汽相淀积(CVD)技术淀积。可以使用的无机电介质的一些类型的举例的例子包括，但不限于：倍半硅氧烷HOSP(Honeywell销售)、甲基倍半硅氧烷(MSQ)、氢倍半硅氧烷(氢基倍半硅氧烷、氢化倍半硅氧烷，hydrogen silsesquioxane)(HSQ)、MSQ-HSQ共聚物、使用原硅酸四乙酯(TEOS)或SiH4作为硅源并用O2、N2O、NO等作为氧化剂淀积的SiO2；有机硅烷和任何其它含硅材料。用于说明的目的，假定无机电介质材料是SiO2。
参见图2，按现有技术公知的方式制造前端线(FEOL)第一布线层(M1)结构即MOS晶体管、图像传感器等，以及到FEOL结构的钨或其它金属导体触点。用于形成M1层的方法包括：首先在衬底盖层38的顶上淀积例如SiO2或者其它电介质层130c，到大约2千埃到20千埃的范围内的厚度，该厚度范围优选在4千埃到5千埃之间，用已知的光刻和RIE技术在SiO2层130c中图案化沟槽，用金属衬层比如一个或多个难熔金属例如Ta、TaN、TiN、TiSiN、W、WCN、Ru来内衬所形成的沟槽。然后，用铜材料填充有衬层的沟槽以形成Cu M1层135b，其随后通过已知的CMP技术抛光。之后，阻挡或Cu扩散层132b，比如SiN，被淀积在Cu M1金属化层的顶上，例如到大约2nm至200nm范围内的厚度，优选范围在20nm到70nm之间。在此实施方式中，在Cu互连顶上的氮化物层132b的厚度被减小了以最小化反射系数。应当理解可以使用其它阻挡层材料，包括但不限于：SiON、SiC、SiCN、SiCON、SiCO材料等。对随后的双镶嵌第二Cu布线层M2和第一通孔层V1金属化层重复该处理，从而，薄M2/V1电介质层130b，比如SiO2淀积在Cu扩散层132b上，厚度在大约2千埃到20千埃的范围，优选地，厚度为1微米，然后通过用已知的光刻和RIE技术在SiO2层130b中图案化沟槽和通孔来形成M2/V1金属化层，用金属衬层比如难熔金属来内衬所形成的沟槽和通孔，然后，用铜材料填充有衬层的沟槽以形成Cu M2135a层，其随后被用已知的CMP技术抛光。之后，阻挡或Cu扩散层132b，比如SiN，被淀积在Cu M2层135a的顶上，厚度例如到大约20埃到2千埃的范围。随后的步骤包括在扩散层132a的顶上形成层间电介质层130a，形成镶嵌钨或其它导体通孔，以及根据已知的技术的最终缩减蚀刻AlCu金属化层36。或者，如本领域已知的，可以应用渐缩通孔来代替镶嵌钨通孔。在图2所示的实施方式中，优选地，M1和M2扩散阻挡层二者的总厚度在大约20nm或更小，以最小化反射系数。
如图2所示，提供互连的金属线和通孔的叠层，包括层间金属化层M1，其通过含导电材料例如金属比如铜的金属通孔(例如V1)连接到金属化层M2，同样，层间金属化层M2通过含导电材料例如金属比如钨的金属通孔(例如V2)连接到金属化层M3。同样，如图2所示，层间金属化层M1通过镶嵌触点C1或栓(plug)(比如含金属比如钨)连接到形成在衬底14上的有源器件区19(或其它扩散区)。对于如图2所示的实施方式，还应当理解折射率在SiN(1.98)和SiO2(1.46)之间的附加材料层(未图示)比如SiON可以形成在薄SiN层132a，b的顶上到相当的厚度(例如大约20埃到2千埃)，以帮助减小光折射。
根据图2所示的实施方式，在光路中提供Cu金属化层和相应的薄的层间电介质层130a-130b以及超薄扩散阻挡层132a，b最小化了光的反射系数。这样，允许更大量的光13流经像素20的光路并抵达下伏的光电二极管元件18。另外，在图2所示的实施方式中，图示了和有源硅区19和感光元件例如光电二极管18相邻形成的附加的浅沟槽隔离(STI)隔离电介质区138。
根据本发明的优选的实施方式，图3的CMOS成像器包括有源器件(晶体管)19、衬底盖层38、层间电介质层130a、层间金属化层135b(M1)和相应的阻挡层132b、M2电介质层130b、金属化层M2135a以及相应的阻挡层132a，最终电介质层130c被制造为一直到达包括最终铝金属层36的最后金属层M3。注意，尽管图示了三层布线，两个用铜，一个用AlCu，但可以使用任何数量的布线层。在随后的单步骤蚀刻工艺中，随后进行图案化光刻掩模以打开对应于每一个像素的区域，进行湿法或干法蚀刻以形成孔51，从像素的光路中有效地去除层间电介质130c和用于M2层的氮化物阻挡层132a的一部分，在同一蚀刻工艺步骤中，去除M2电介质层130b、M1阻挡层132b和M1电介质层130a。如果使用RIE蚀刻，则可以使用本领域已知的标准平行板，下游等离子体(downstream plasma)或高密度等离子室，以全氟碳化合物(perfluorocarbon)(PFC)和/或氢氟碳化合物(氟烷，氟代烷烃，hydrofluorocarbon)(HFC)气体用作氟源，氧、氢、氮，氩等用作稀释气体。如果使用湿法蚀刻，则如本领域所已知的，可以使用稀释氢氟酸蚀刻SiO2或类似氧化物膜；可以使用磷酸蚀刻SiN或类似膜等。优选地，图案化开口51并向下蚀刻到氮化物阻挡层38，但是，应当理解通过去除氮化物阻挡层38，可以向下蚀刻开口到衬底14的表面，接下来是标准清洗步骤。在像素中形成的开口51可以为大约1微米到3微米深，大约1微米到5微米宽。图3所示的蚀刻的开口51为锥形(渐缩形状，例如具有比底更宽的顶部开口)，但是，应当理解可以形成为反锥形(具有比顶部开口更宽的底)，或者，蚀刻可以形成基本上平行的侧壁。
在这个单蚀刻之后，如图3所示，层间电介质(例如氧化物)材料150被重新淀积到蚀刻的路径51中，例如使用旋涂再填充工艺，比如旋涂电介质(SiO2)、旋涂玻璃等，进行平面化步骤。应当理解，再填充电介质材料或者可以包括聚合物电介质(光敏聚酰亚胺，DowChemical的SiLK等)，可以使用具有优异的间隙填充能力的其它技术比如CVD或(等离子增强)PE-CVD处理来淀积层间电介质(氧化物、SiO2或基于碳的氧化物等)。优选地，使用常压CVD(APCVD)或次常压CVD(SACVD)淀积技术以达到99％的一致性(共形度，共形性)；如果使用淀积温度为400摄氏度的SACVD，则使用未掺杂的SiO2，因为无需淀积后退火。应当理解，所淀积的电介质的厚度取决于所使用的淀积方法和随后的处理方法。例如，如果图像传感器滤光涂层没有计划凹槽(recess)，则淀积的SACVD SiO2的厚度比稍小的沟槽深度或沟槽宽度的一半稍厚一些；或者，如果图像传感器滤光涂层计划有可选的自对准凹槽，则淀积比沟槽深度小的厚度。如果使用旋涂电介质，侧将优化旋涂参数(射斑大小(shot size)、旋涂速度、随后的烘焙温度)以实现开口150的填充而在晶片上别处的淀积最少。要使用的无机电介质的一些类型的其它例子(将在整个晶片上提供可再现的间隙填充)包括但不限于：倍半硅氧烷HOSP、甲基倍半硅氧烷(MSQ)、氢倍半硅氧烷(HSQ)、MSQ-HSQ共聚物、使用氧或N2O作为氧化剂并使用原硅酸四乙酯(TEOS)或硅烷作为硅源淀积的SACVD或PECVD SiO2。应当理解此处理步骤的关键方面在于每一个蚀刻的像素开口51都具有基本相同的纵横比以获得良好的填充均匀度。在间隙再填充工艺之后，可以可选地执行平面化步骤，由此可以使用反转开口掩模(相反极性抗蚀剂)，之后进行回蚀工艺，以及执行当前根据图3(a)-3(f)所描述的可选的CMP步骤。
具体地，如图3(a)所示，制造晶片，在要形成图像传感器的地方形成沟槽149。然后，在图3(b)所示的下一步包括淀积电介质材料150(例如SiO2)到使得沟槽被过度填充的厚度。接下来如图3(c)所示，使用与在图像传感器上方图案化所述沟槽相同的光刻掩模(或者可选地，使用相似的但是不同的光刻掩模)，但是用相反极性的光致抗蚀剂，来曝光并显影抗蚀剂179。然后，如图3(d)所示，在电介质填充150的表面上方蚀刻电介质到预定深度。接下来，如图3(e)所示，剥离光致抗蚀剂179，最后，如图3(f)所示，执行CMP平面化步骤以获得如图3(f)所示的结构。或者，如本领域所已知的，使用可选的第二电介质的牺牲淀积(例如如果使用SiO2用于填充则是SiN；如果使用聚合物用于再填充则是SiO2或SiN)进行CMP处理步骤，以防止在开口中的电介质的CMP侵蚀(也就是，防止滤色镜25下方的厚度不均匀)。但是应当理解，对于滤色镜材料可以使用自对准方法，然后，或者可以执行反转开口掩蔽，之后进行回蚀；或是CMP步骤，使用可选的第二电介质牺牲淀积(例如，如果使用SiO2用于填充则是SiN；如果使用聚合物用于再填充则是SiO2或SiN，)，以防止在开口中的电介质的CMP侵蚀(防止滤色镜的厚度不均匀)。在另一种实施方式中，可以实施“刮浆”(“SQUEEGEE”)工艺以用可流动的材料(例如聚酰亚胺)填充孔。虽然图3未图示，应当理解可以另外制造金属触点/布线保护环以防止可能进入通过透镜和滤色镜的迁移离子扩散(环境离子比如钠或钾)进入有源像素区。这样的金属保护环作为迁移离子屏障，由包括金属和通孔的材料或材料的叠层形成，围绕光路和有源硅区19之间的再填充电介质150。
在另一个实施方式中，如果对在焊垫处开口的最后金属层36有足够高的选择性，可以使用端子或或最终通孔掩模来进行该蚀刻。图2(a)图示了通过最终布线层和钝化电介质29处理的图像传感器。接下来，如图2(b)所示，使用一个掩模和电介质蚀刻步骤图案化用于开口到引线接合或者焊垫36的端子通孔49以及用于图像传感器滤色镜的开口59。接下来，进行晶片处理和封装，包括切割芯片、用可选的透镜封装、将芯片引线接合69到封装，如图2(c)所示。这样，只需一个掩模在单步骤蚀刻处理中去除两个金属化阻挡层132a，b。
在图4所示的另一种实施方式中，在每一个像素的光路中开孔51后，在用层间电介质(例如氧化物)填充所述孔之前，淀积与被蚀刻的孔的侧壁和底部共形的薄衬层140。随后，如本领域已知的，进行隔离体蚀刻工艺，以在侧壁上留下衬层而将衬层从底142和顶面去除。优选地，可以使用已知的淀积技术比如PE-CVD，淀积具有反光特性的薄氮化物衬层材料例如SiN、SiC、SiCN等，或者金属，以内衬蚀刻的开口的底部和侧壁。例如，其它具有反光特性的衬层材料包括但不限于：SiC、特定金属例如Al、TiN、钨、Ru、多晶Si、多晶Ge等。这个薄衬层140可以被淀积到厚度在50埃到2千埃之间的范围，有效地用以防止迁移离子进入芯片的有效区并另外地用作反射表面来反射入射光，使得以角度进入透镜22的任何光会到达光电二极管18。在随后的步骤中，在淀积薄衬层140之后，使用例如旋涂SiO2再填充工艺或CVD工艺将层间电介质重新淀积到有衬层的孔中，如上所述。可选地执行最终平面化步骤。如果重填的电介质150是折射率n为1.46(k～0)的SiO2，侧壁衬层140是折射率为1.98(k～0)的SiN，则入射在SiN上的部分光将被反射，如布喇格定律(bragg’s law)预言的那样。或者，通过使用更高折射率的导体或半导体，比如硅或钽用于隔离体140，可以提高反射程度。
图5图示了另一种实施方式，其中开口51已经图案化，且向下蚀刻到衬底14的表面以去除衬底氮化阻挡层38。在像素的光路中开孔51之后，在用层间电介质(例如氧化物)150填充所述孔之前，使用这里描述的已知的淀积技术，比如PE-CVD，淀积与蚀刻的孔的侧壁和底部共形的薄氮化物衬层140。之后，通过隔离体蚀刻，也就是用来沿着蚀刻的开口的侧壁形成SiN隔离体的任何定向蚀刻，去除与孔底部共形的反射衬层材料140。例如，使用PFC或HFC作为氟源比如CF4的F基定向蚀刻被用来形成SiN隔离体。在下一步骤中，在淀积薄氮化物并蚀刻以形成隔离体140之后，使用例如旋涂SiO2再填充处理或者这里描述的其他技术，向有衬层的孔重新淀积层间电介质材料150，并可选地执行最终平面化步骤。
图6图示了图5中图示的本发明的另一种实施方式(包括氮化物隔离体材料140)，其中开口51已经图案化，并向下蚀刻到衬底14的表面以去除衬底氮化物阻挡层38。如图6所示，已另外地制造了金属触点/布线保护环160来防止迁移离子进入有效像素区，迁移离子有可能穿过透镜和滤色镜进入。此金属保护环160作为迁移离子屏障，形成为与晶片上的常规布线和通孔一致，由围绕光路和有源硅区19之间的再填充电介质150的包括钨160和难溶金属衬层铜135b的材料或者材料叠层形成。总的来说，保护环由用于芯片布线的任何导体形成，包括：Cu、AlCu、W、Ta、TaN、TiN、WN、Ag、Au等。保护环160被连接到衬底14中并被接地(被连接到晶片中最低的电位)，这样正迁移离子将被吸引到保护环而不进入到芯片的有源区19中。如图6所示，垂直向上制造金属触点/布线保护环到最近的氮化物层，例如M1金属化氮化物阻挡层132b，但是，可以向上制造到最后的金属层。
图7图示了本发明的另一种实施方式，其中，在图案化并向所述像素中蚀刻开口51后，在沟槽开口的底部形成滤色镜25’。在此实施方式中，可以添加或不添加再填充电介质材料。另外，将上述的可选的反射侧壁衬层形成为在整个沟槽的长度上延伸，也就是延伸到滤色镜材料的底部，或者到滤色镜材料的顶部。图8图示了本发明的另一种实施方式，其中，在图案化并向所述像素中蚀刻开口51后，将再填充电介质材料51部分地填充到蚀刻的开口中，在上面的沟槽开口的顶部形成滤色镜25’。在图7所示的实施方式中，在侧壁上形成可选的吸收或反射衬层141，延伸到沟槽的底部。在图9所示的另一种实施方式中，在再填充电介质材料150被填充到蚀刻的开口51中之后，执行各向同性回蚀处理，以形成再填充电介质的浅的第二开口52，在这里，随后在非自对准工艺中形成滤色镜25”。应当理解此实施方式可以和上述的没有自对准滤色镜的其他结构中的任何一种实施方式相结合。
参照结合图7-9描述的实施方式，如果使用不透明(吸收性)侧壁衬层材料141(也就是，K＞0)，比如硅或钨，则在多层叠层中可以最优地组合两层或多层，以对所述叠层实现与光学范围上的波长(Wl)大致无关的特定的k(介电常数)、n(折射率)或n和k值。可能的吸收性侧壁衬层材料包括但不限于：Ta、TaN、Si、Ti、Cu、AlCu、TiN等。下面的表1(a)和1(b)显示了对于指定的衬层材料，在各种波长处叠层的n和k值：
            Ta         Si         Ti
  Wl   n   k   n   k   n   k
  4000   2.3   2.7   4.5   2.1   1.8   2.9
  5500   2.8   3.5   4.4   0.6   2.6   3.6
  7000   3.4   4.0   4.1   0.3   3.7   4.1
表1(a)
              Cu          AlCu          TiN
  Wl   n   k   n   k   n   k
  4000   1.1   2.1   0.4   4.1   2.3   1.2
  5500   0.8   2.7   0.8   5.6   2.1   1.5
  7000   0.3   4.5   1.5   7.0   1.9   1.9
表1(b)
例如，如果Ta和Si以等厚的多层(2，4，6，8等)结合在一起，那么组合的n和k值可以分别具有10％到15％的变化范围。n和k值的变化的减少使得在400nm到700nm的波长范围上有均匀的光学反射率；此变化比任何单层要小得多。
虽然已经示出并描述了被认为是本发明的优选实施方式，当然，应当理解，可以很容易做出各种形式上或细节上的修改和变化而不脱离本发明的精神实质。因此，应当理解本发明并不限定为所述和所示的确定形式，而应当被理解为覆盖落入所附权利要求范围之内的所有修改。

Claims (24)

1、一种包括像素阵列的图像传感器，其中每一个像素包括：
顶层，其包括用于接收光的像素微透镜；
半导体衬底，其包括形成在其中用于接收入射到所述像素微透镜的光的感光元件；
电介质材料结构，其设置在所述顶层和形成在所述衬底中的所述感光元件之间的光路中；以及
层间电介质材料层的叠层，在层间电介质材料层之间形成有两个或多个Cu金属化层，每一个所述金属化层包括和所述像素的所述电介质材料结构相邻形成的Cu金属布线结构，每一个所述Cu金属布线结构包括形成在其上的阻挡材料层，
其中，在所述像素中蚀刻开口以确定所述光路之后，作为电介质再填充工艺的一部分，形成所述电介质材料结构。
2、如权利要求1所述的图像传感器像素，其中所述叠层的每一个所述层间电介质层的厚度在2千埃到20千埃的范围内。
3、如权利要求2所述的图像传感器像素，还包括形成在所述衬底和第一层间电介质层之间的阻挡材料层。
4、如权利要求1所述的图像传感器像素，还包括形成在所述顶层中的滤色元件，其在所述像素微透镜之下并且在所述光路中形成的所述电介质材料结构之上。
5、如权利要求1所述的图像传感器像素，还包括形成在所述衬底之上的滤色元件，其在所述感光元件之上并且在所述光路中的所述电介质材料结构之下。
6、如权利要求1所述的图像传感器像素，其中所述电介质材料结构部分填充确定所述光路的被蚀刻的像素侧壁之间的开口，所述传感器像素还包括在所述侧壁之间的所述光路的顶部形成在所述电介质材料结构之上的滤色元件。
7、如权利要求1所述的图像传感器像素，其中所述层间电介质材料填充确定所述光路的像素侧壁之间的所述光路，所述传感器像素还包括在所述光路中在所述层间电介质材料的被回蚀部分中形成的滤色元件。
8、如权利要求1所述的图像传感器像素，其中每一个像素还包括形成在确定所述光路的像素侧壁上的光反射材料层，所述光反射材料层能增加通过所述感光元件接收的光量。
9、如权利要求1所述的图像传感器像素，其中每一个像素包括形成在确定所述光路的像素侧壁上的光吸收材料层。
10、如权利要求1所述的图像传感器像素，其中每一个像素还包括形成在确定所述光路的像素侧壁上的光吸收材料的多层叠层，以获得多层叠层的与光学范围上的波长无关的特定介电常数及折射率值。
11、如权利要求1所述的图像传感器像素，还包括环绕提供在所述光路中的所述层间电介质材料的迁移离子阻挡层结构，所述迁移离子阻挡层结构被连接到所述衬底并向上延伸。
12、一种制造像素的图像传感器阵列的方法，每一个像素包括包含用于接收光的像素微透镜的顶层，所述方法包括以下步骤：
a.针对每一个阵列像素在半导体衬底中形成感光元件，所述感光元件用于接收入射到相应像素微透镜的光；
b.在所述衬底顶上形成层间电介质层的叠层，在所述叠层的相邻层间电介质层的形成之间包括以下步骤：形成Cu金属化层，包括形成在所述阵列中的每一个像素之间的位置处的Cu金属布线结构；在每一个所述Cu金属布线结构的顶上形成阻挡材料层；
c.去除所述层间电介质层的叠层在所述感光元件上方的一部分以确定像素的光路；以及
d.在所述顶层和所述感光元件之间用电介质材料再填充所述光路中所述叠层的所述被去除的部分。
13、如权利要求12所述的方法，其中在所述金属互连层的所述Cu金属布线结构的顶上形成阻挡材料层的所述步骤b)包括在所述层间电介质层叠层的每层顶上的所述Cu金属布线结构顶上均厚淀积阻挡材料层，从而横越每一阵列像素的光路，所述去除步骤c)还包括去除所述阻挡材料层的横越所述光路的部分。
14、如权利要求12所述的方法，其中所述去除一部分所述层间电介质层叠层的步骤c)包括：
在所述层间电介质材料叠层的最后一层之上施加掩模结构，所述掩模结构被图案化以在确定每一个像素的光路的位置开孔；以及
执行蚀刻工艺以去除所述层间电介质叠层部分。
15、如权利要求14所述的方法，其中所述掩模结构是自对准掩模，其包括在所述层间电介质材料层叠层上方在每一个像素之间的位置处形成的最后一个金属化层的金属接合结构。
16、如权利要求12所述的方法，其中在所述衬底顶上形成所述层间电介质层叠层的所述步骤b)之前，在所述衬底上方形成阻挡材料层的步骤。
17、如权利要求12所述的方法，其中在所述光路中再填充所述层间电介质材料后，在所述像素微透镜下方在所述光路中形成包括一部分所述顶层的滤色元件的步骤。
18、如权利要求12所述的方法，其中在所述电介质材料再填充步骤d)之前，在所述光路中在所述感光元件上方形成在所述衬底顶上的滤色元件的步骤。
19、如权利要求12所述的方法，其中所述再填充步骤d)包括在确定所述光路的像素侧壁之间部分地填充所述光路，所述方法还包括形成滤色元件，该滤色元件形成在所述侧壁之间的所述光路的顶部的所述层间电介质材料上方。
20、如权利要求12所述的方法，其中所述再填充的层间电介质材料填充确定所述光路的像素侧壁之间的所述光路，所述方法还包括以下步骤：
回蚀所述光路中的一部分所述层间电介质材料；以及
在所述被回蚀的部分中形成滤色元件。
21、如权利要求12所述的方法，其中在所述再填充层间电介质材料步骤d)之前，形成与确定所述光路的侧壁共形的光反射材料的薄衬层的步骤。
22、如权利要求12所述的方法，其中在所述再填充层间电介质材料步骤d)之前，形成与确定所述光路的侧壁共形的光吸收材料的薄衬层的步骤。
23、如权利要求12所述的方法，在所述再填充层间电介质材料步骤d)之前，形成光吸收材料多层叠层的步骤，该光吸收材料多层叠层形成在确定所述光路的像素侧壁上，以获得特定的介电常数，以及和光学范围上的波长无关的多层叠层的折射率值。
24、如权利要求12所述的方法，还包括形成环绕提供在所述光路中的所述层间电介质材料的迁移离子阻挡层结构的步骤，所述迁移离子阻挡层结构被连接到所述衬底并向上延伸。
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