[發(fā)明專利]圖像感應(yīng)元件及其系統(tǒng)芯片半導體結(jié)構(gòu)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200710100964.3
• 申請日: 2007-04-28
• 公開（公告）號: CN101159278A
• 公開（公告）日: 2008-04-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 喻中一;蔡嘉雄;傅士奇
• 申請（專利權(quán)）人: 臺灣積體電路制造股份有限公司
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146
• 代理公司: 隆天國際知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 陳晨

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明有關(guān)于一種固態(tài)圖像元件，特別有關(guān)于一種具有微透鏡的圖像感應(yīng)元件，適用于邏輯嵌入芯片或系統(tǒng)芯片。

背景技術(shù)

固態(tài)圖像元件通常包含在基底內(nèi)或基底上的光感應(yīng)器，在感光元件上方的彩色濾光片，以及在彩色濾光片上方的微透鏡陣列。其中光感應(yīng)器例如為光電二極管、互補式金屬氧化物半導體晶體管(CMOS)感應(yīng)器或電荷耦合元件(CCD)，最常見的則是N+型光感應(yīng)器(NPS’s)。在光感應(yīng)器和彩色濾光片之間通常有相對較厚的金屬層間介電質(zhì)(IMD)，其可容納固態(tài)圖像元件周邊電路的多層互連線。

圖像元件的靈敏度(即，到達光感應(yīng)器的光線量)要越大越好。圖像元件的缺點之一為光感應(yīng)器的靈敏度與填充因子成比例，填充因子的定義為光感應(yīng)器與像素區(qū)面積的比率。厚的金屬層間介電質(zhì)會使得透鏡和光感應(yīng)器難以對準，并且很難保證通過透鏡的光線會到達光感應(yīng)器。隨著IMD厚度的增加，直接到達光感應(yīng)器的光線量也會減少。此外，在IMD內(nèi)的互連線金屬可能會反射入射光，進而降低光信號以及光感應(yīng)器的靈敏度。

圖1A為現(xiàn)有的固態(tài)圖像感應(yīng)元件20，其包含依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)在基底24內(nèi)形成的光感應(yīng)器22。此外，圖像感應(yīng)元件20還包含具有多層金屬互連線32的IMD層26，金屬線32的位置在光感應(yīng)器22之間，以保留光線28到達光感應(yīng)器22的光路徑。保護層30位于互連線結(jié)構(gòu)34上，保護層30可包含氮化硅薄層以及另一個介電層，其可由高密度等離子體化學氣相沉積法形成。圖像感應(yīng)元件還包含平坦層(plain?layer)35、彩色濾光片36、微間隙層(microspacer)37以及對準光感應(yīng)器22上方的最上層微透鏡38。選擇性的涂層39覆蓋在最上層微透鏡38上，可由適當?shù)牟牧闲纬桑绫┧狨?acrylate)、丙烯酸甲酯(methacrylate)、環(huán)氧丙烯酸酯(epoxy-acrylate)或聚亞酰胺(polyimide)，其厚度例如為0.3-3.0μm。平坦層35的折射率可為1.4-1.7，其可由丙烯酸酯、丙烯酸甲酯、環(huán)氧丙烯酸酯或聚亞酰胺組成，且其厚度可為0.3-3.0μm。微間隙層37的折射率可為1.4-1.7，其可由丙烯酸酯、丙烯酸甲酯、環(huán)氧丙烯酸酯或聚亞酰胺組成，且其厚度可為0.3-3.0μm。彩色濾光片36的折射率可為1.4-1.7，其可由丙烯酸酯、丙烯酸甲酯或環(huán)氧丙烯酸酯組成，且其厚度可為0.3-2.5μm。互連線結(jié)構(gòu)34的厚度40必須可容納多層的金屬互連線32，并使得最上層微透鏡38與其對應(yīng)的光感應(yīng)器22相隔一段距離，因此可能會減少光線28到達光感應(yīng)器22的量。

圖1B為圖1A的互連線結(jié)構(gòu)34的放大圖，銅是目前用來作為金屬線32的材料，其通常需要阻擋層，當使用銅鑲嵌或雙鑲嵌法形成金屬線32時，通常需要使用阻擋層42以阻擋銅擴散。目前優(yōu)選為使用低介電常數(shù)材料作為IMD層26和阻擋層42，并且也可用在蝕刻停止層。如圖1B所示，傳統(tǒng)的阻擋層42太厚，且部分的光(例如圖1B中的光線28)會被阻擋層42反射，隨著新型芯片的發(fā)展(例如系統(tǒng)芯片或系統(tǒng)級芯片(SoC)結(jié)構(gòu)、邏輯嵌入或邏輯電路與圖像感應(yīng)元件在相同的芯片上)，金屬線32的數(shù)目與層數(shù)也隨之增加，因此使光線28具有足夠的能量到達光感應(yīng)器22的能力已經(jīng)無法與目前制造圖像感應(yīng)元件的設(shè)計相容。此外，當感應(yīng)器和微透鏡持續(xù)縮小，以增加每一個芯片上像素的數(shù)量時(對特定尺寸的芯片增加其分辨率)，這些問題會變得更明顯(因為光感應(yīng)區(qū)22也隨著縮小)。

因此，業(yè)界亟需一種改進結(jié)構(gòu)的圖像感應(yīng)元件，其可以通過讓更多的光被光感應(yīng)器接收，而增加圖像元件的靈敏度。此外，圖像感應(yīng)元件需要改進結(jié)構(gòu)，使其可以與更厚的互連線結(jié)構(gòu)(更多的金屬層)相容，以及與縮小的像素區(qū)(每平方厘米較多的像素量)相容。同時希望改進結(jié)構(gòu)的圖像感應(yīng)元件不要與目前的制造方法以及目前的設(shè)計結(jié)構(gòu)相差太遠，以避免增加額外的成本。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提供一種圖像感應(yīng)元件，其包含基底、互連線結(jié)構(gòu)以及至少一個金屬層間介電(IMD)層微透鏡。基底內(nèi)以及/或上具有光感應(yīng)區(qū)，基底上方有互連線結(jié)構(gòu)，其包含多條金屬線設(shè)置于多個金屬層間介電(IMD)層內(nèi)。至少一個IMD層微透鏡設(shè)于至少一IMD層內(nèi)，并位于光感應(yīng)區(qū)上方。在IMD層之間優(yōu)選設(shè)置阻擋層，除了在IMD層微透鏡的位置之外，該阻擋層在光感應(yīng)區(qū)上方的厚度優(yōu)選為100埃或100埃以下。