[发明专利]图像感应元件及其系统芯片半导体结构

说明书

技术领域

本发明有关于一种固态图像元件，特别有关于一种具有微透镜的图像感应元件，适用于逻辑嵌入芯片或系统芯片。

背景技术

固态图像元件通常包含在基底内或基底上的光感应器，在感光元件上方的彩色滤光片，以及在彩色滤光片上方的微透镜阵列。其中光感应器例如为光电二极管、互补式金属氧化物半导体晶体管(CMOS)感应器或电荷耦合元件(CCD)，最常见的则是N+型光感应器(NPS’s)。在光感应器和彩色滤光片之间通常有相对较厚的金属层间介电质(IMD)，其可容纳固态图像元件周边电路的多层互连线。

图像元件的灵敏度(即，到达光感应器的光线量)要越大越好。图像元件的缺点之一为光感应器的灵敏度与填充因子成比例，填充因子的定义为光感应器与像素区面积的比率。厚的金属层间介电质会使得透镜和光感应器难以对准，并且很难保证通过透镜的光线会到达光感应器。随着IMD厚度的增加，直接到达光感应器的光线量也会减少。此外，在IMD内的互连线金属可能会反射入射光，进而降低光信号以及光感应器的灵敏度。

图1A为现有的固态图像感应元件20，其包含依据现有技术在基底24内形成的光感应器22。此外，图像感应元件20还包含具有多层金属互连线32的IMD层26，金属线32的位置在光感应器22之间，以保留光线28到达光感应器22的光路径。保护层30位于互连线结构34上，保护层30可包含氮化硅薄层以及另一个介电层，其可由高密度等离子体化学气相沉积法形成。图像感应元件还包含平坦层(plain layer)35、彩色滤光片36、微间隙层(microspacer)37以及对准光感应器22上方的最上层微透镜38。选择性的涂层39覆盖在最上层微透镜38上，可由适当的材料形成，例如丙烯酸酯(acrylate)、丙烯酸甲酯(methacrylate)、环氧丙烯酸酯(epoxy-acrylate)或聚亚酰胺(polyimide)，其厚度例如为0.3-3.0μm。平坦层35的折射率可为1.4-1.7，其可由丙烯酸酯、丙烯酸甲酯、环氧丙烯酸酯或聚亚酰胺组成，且其厚度可为0.3-3.0μm。微间隙层37的折射率可为1.4-1.7，其可由丙烯酸酯、丙烯酸甲酯、环氧丙烯酸酯或聚亚酰胺组成，且其厚度可为0.3-3.0μm。彩色滤光片36的折射率可为1.4-1.7，其可由丙烯酸酯、丙烯酸甲酯或环氧丙烯酸酯组成，且其厚度可为0.3-2.5μm。互连线结构34的厚度40必须可容纳多层的金属互连线32，并使得最上层微透镜38与其对应的光感应器22相隔一段距离，因此可能会减少光线28到达光感应器22的量。

图1B为图1A的互连线结构34的放大图，铜是目前用来作为金属线32的材料，其通常需要阻挡层，当使用铜镶嵌或双镶嵌法形成金属线32时，通常需要使用阻挡层42以阻挡铜扩散。目前优选为使用低介电常数材料作为IMD层26和阻挡层42，并且也可用在蚀刻停止层。如图1B所示，传统的阻挡层42太厚，且部分的光(例如图1B中的光线28)会被阻挡层42反射，随着新型芯片的发展(例如系统芯片或系统级芯片(SoC)结构、逻辑嵌入或逻辑电路与图像感应元件在相同的芯片上)，金属线32的数目与层数也随之增加，因此使光线28具有足够的能量到达光感应器22的能力已经无法与目前制造图像感应元件的设计相容。此外，当感应器和微透镜持续缩小，以增加每一个芯片上像素的数量时(对特定尺寸的芯片增加其分辨率)，这些问题会变得更明显(因为光感应区22也随着缩小)。

因此，业界亟需一种改进结构的图像感应元件，其可以通过让更多的光被光感应器接收，而增加图像元件的灵敏度。此外，图像感应元件需要改进结构，使其可以与更厚的互连线结构(更多的金属层)相容，以及与缩小的像素区(每平方厘米较多的像素量)相容。同时希望改进结构的图像感应元件不要与目前的制造方法以及目前的设计结构相差太远，以避免增加额外的成本。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种图像感应元件，其包含基底、互连线结构以及至少一个金属层间介电(IMD)层微透镜。基底内以及/或上具有光感应区，基底上方有互连线结构，其包含多条金属线设置于多个金属层间介电(IMD)层内。至少一个IMD层微透镜设于至少一IMD层内，并位于光感应区上方。在IMD层之间优选设置阻挡层，除了在IMD层微透镜的位置之外，该阻挡层在光感应区上方的厚度优选为100埃或100埃以下。