CN100463204C - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了CMOS图像传感器及其制造方法。CMOS图像传感器包括：器件隔离层、多个光电二极管区、中间绝缘层、折射层、平坦化层、滤色器层、以及多个微透镜。折射层具有的折射率大于中间绝缘层的折射率，折射层穿过中间绝缘层形成在器件隔离层的部分上，以分隔中间绝缘层，并使得中间绝缘层的经分隔的部分具有波导管的特性。

Description

CMOS图像传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及图像传感器及其制造方法，具体地说，涉及一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器以及一种制造该CMOS图像传感器的方法，该CMOS图像传感器能够防止到达光电二极管的光损失，同时减少光波之间的干涉。
背景技术
通常，图像传感器是将光学图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器主要分为电荷耦合器件和CMOS图像传感器。
利用CMOS制造技术，使用简单的制造过程可以制造CMOS图像传感器，该过程消耗相对较少量的能源，并且由较少量的光学处理步骤组成。
而且，由于控制电路、信号处理电路、模拟/数字转换电路等可以集成在一个CMOS图像传感器芯片上，所以产品易于小型化。
图1是根据现有技术的CMOS图像传感器的截面视图。
参照图1，p型外延层11在被分成器件隔离区和有源区的p型半导体基板10上生长，而器件隔离层12形成在半导体基板10的器件隔离区上，从而器件隔离层12形成为在有源区上被分隔的第一、第二、和第三n型区13、14、和15。
这里，第一、第二、和第三n型区13、14、和15是光电二极管区。
然后，栅电极17形成在半导体基板10的有源区上，而栅极绝缘层16插入其间，绝缘层侧壁18形成在栅电极17上的任一侧，而中间绝缘层19形成在包括栅电极17的半导体基板10的整个表面上。
第一平坦化层20形成在中间绝缘层19上，而蓝、绿、和红色滤色器层21形成在第一平坦化层20上，其中色段(color segment)与第一、第二、和第三n型区13、14、和15对应。
而且，第二平坦化层22形成在包括滤色器层21的每一色段的半导体基板10的整个表面上，而对应于每一色段的微透镜23形成在第二平坦化层22上。
在根据现有技术的具有上述结构的CMOS图像传感器中，光通过滤色器层21的每一色段入射到对应的第一、第二、和第三n型区13、14、和15(或光电二极管区)上。
然而，经过蓝、绿、和红色段的光可以与相邻的色段干涉，经过滤色器色段的光发生散射和衍射而导致聚焦在光电二极管上的光量损失。
发明内容
因此，本发明旨在提供一种能基本上消除由于现有技术的局限性和缺点造成的一个或多个问题的CMOS图像传感器及其制造方法。
本发明的目的在于提供一种CMOS图像传感器以及一种制造该CMOS图像传感器的方法，该CMOS图像传感器能够防止滤色器阵列的色段之间的干涉，同时还能够防止聚焦在光电二极管上的光量损失。
本发明的其它优点、目的、和特征，部分将在随后的说明中阐述，对于本领域的技术人员而言，通过随后的检验，部分将变得显而易见，或者可以从本发明的实践中获知。本发明的目的和其它优点可通过所写的说明书、权利要求、以及附图中所特别指出的结构来实现并获得。
为了实现这些目的和其它优点，并根据本发明的目的，如这里所实施并广泛描述的，提供了一种CMOS图像传感器，包括：器件隔离层，形成在被限定成器件隔离区和有源区的半导体基板的器件隔离区上；多个光电二极管区，以预定间隔形成在有源区中，并被器件隔离层隔离；中间绝缘层，形成在半导体基板的整个表面上；折射层，经过中间绝缘层，并形成在器件隔离层的部分上，从而中间绝缘层具有波导管的特性；平坦化层，形成在包括折射层的半导体基板的整个表面上；滤色器层，形成在平坦化层上，并包括分别与光电二极管区对应的多个色段；以及微透镜，分别形成在滤色器层的每个色段上。
在本发明的另一方面，提供了一种制造CMOS图像传感器的方法，包括：在被限定为器件隔离区和有源区的半导体基板的器件隔离区上形成器件隔离层；形成多个光电二极管区，该多个光电二极管区以预定间隔形成在有源区中并被器件隔离层隔离；在半导体基板的整个表面上形成中间绝缘层；选择性地去除中间绝缘层，以形成多个孔，用于露出器件隔离层表面的预定部分；在每个孔中形成折射层；在包括折射层的半导体基板的整个表面上形成平坦化层；在平坦化层上形成滤色器层，该滤色器层包括分别与光电二极管区对应的多个色段；以及分别在滤色器层的每个色段上形成微透镜。
应当理解，本发明的上述一般性描述和下面的详细描述是例示性和说明性的，目的在于对要求保护的本发明提供进一步的说明。
附图说明
附图包括进来以提供对本发明的进一步理解，且包含在说明书中并构成本说明书的一部分，附图示出了本发明的实施例，并与描述一起用来解释本发明的原理。附图中：
图1是根据现有技术的CMOS图像传感器的截面视图；
图2是根据本发明的CMOS图像传感器的截面视图；
图3A至图3G是示出了根据本发明的CMOS图像传感器的不同制造阶段的截面视图。
具体实施方式
现在详细描述根据本发明优选实施例的CMOS图像传感器及其制造方法，其实例在附图中示出。尽可能地，在所有附图中使用相同的参考标号表示相同或相似的部件。
图2是根据本发明的CMOS图像传感器的截面视图。
参照图2，p型外延层101形成在被分成器件隔离区和有源区的p型半导体基板100上；器件隔离层102形成在半导体基板100的器件隔离区上；以及栅电极104形成在半导体基板100的有源区上，而栅极绝缘层103插入其间；绝缘层侧壁105形成在栅电极104上的任一侧；多个n型扩散区107以预定间隔形成在半导体基板100的有源区上；而中间绝缘层108形成在包括栅电极104的半导体基板100的整个表面上；折射层110穿过中间绝缘层108形成在器件隔离层102的部分上；第一平坦化层111形成在包括折射层110和中间绝缘层108的半导体基板100的整个表面上；蓝、绿、和红色滤色器层112形成在第一平坦化层111上，其中色段对应于n型扩散区；第二平坦化层113形成在包括滤色器层112的每一色段的半导体基板100的整个表面上；以及对应于滤色器层112的每一色段的多个微透镜114形成在第二平坦化层113上。
在上述结构中，中间绝缘层108被多个折射层110的部分分隔。由于折射层110的折射率大于中间绝缘层108的折射率，入射光经过穿过中间绝缘层108的折射层110的部分之间。因此，折射层110的部分和中间绝缘层108形成多个波导管。
被折射层110分隔的中间绝缘层108的部分对应于滤色器层112的R、G、B色段的每一色段，而经过滤色器层的光穿过中间绝缘层108传输到包括栅电极104的光电二极管上。
这里，折射层110的部分对应滤色器层112中的每一色段的边缘。
图3A至图3G是示出了根据本发明的CMOS图像传感器的不同制造阶段的截面视图。
参照图3A，在p++型半导体基板100上进行外延工艺，以形成p-型外延层101。这里，单晶硅基板可以用作半导体基板100。
参照图3B，在半导体基板100的器件隔离区上形成器件隔离层102，以限定有源区。这里，器件隔离层102是通过浅槽隔离(STI)工艺或硅的局部氧化(LOCOS)工艺形成的。
然后，在外延层101上沉积栅极绝缘层103和用于栅电极的材料层，并使用光刻和蚀刻工艺来选择性地去除材料层和栅极绝缘层103，从而在器件隔离层102所限定的有源区上形成栅电极104。
这里，用于栅电极的材料层可以是多晶硅层或金属层，具有大约
Figure C200610126883D00101
的厚度。
栅电极104是转换(transfer)晶体管栅电极，并且还形成了形成单元像素的栅电极。
然后，在包括栅电极104的半导体基板100的整个表面上沉积绝缘层之后，在整个表面上进行回蚀刻(etchback)工艺，以在每个栅电极104上的任一侧形成绝缘层侧壁105。
参照图3C，在包括栅电极104的半导体基板100的整个表面上沉积光致抗蚀剂之后，通过曝光和显影工艺对光致抗蚀剂106进行图样化，以限定光电二极管区。
然后，将已图样化的光致抗蚀剂106用作掩膜，并在半导体基板100的整个表面上进行n型杂质的离子注入，以在光电二极管区上形成n型扩散区107。
参照图3D，去除光致抗蚀剂106，在半导体基板100的整个表面上形成中间绝缘层108，并且通过光刻和蚀刻工艺选择性地去除中间绝缘层108而形成孔109，以露出器件隔离层102的预定部分。
这里，中间绝缘层108使用诸如未掺杂的硅酸盐玻璃(USG)等的氧化物层。
参照图3E，在包括孔109的半导体表面的整个表面上形成多折射薄膜，并在多折射薄膜的整个表面上进行回蚀刻、CMP、或其它平坦化工艺，以在孔109内部形成折射层110。
这里，折射层110是具有折射率大于中间绝缘层108的折射率的区域，从而光传输路径在填充有中间绝缘层108的区域内具有减小的折射角度，因此，增加了在光电二极管区上的入射。即，对于被折射层110分隔的中间绝缘层108的每个部分，形成波导管。从而，穿过滤色器层传输的入射光被折射层110(具有的折射率大于中间绝缘层108的折射率)反射，并聚焦且穿过沉积在折射层110的部分之间的中间绝缘层108的部分传输。而且，折射层110可以形成为多个折射层。
当中间绝缘层108使用USG时，由于其折射率大约是1.2，因此折射层110应该具有大于1.2的折射值。
而且，多折射薄膜可以由氮化物层、基于氧化物的材料、或不透明金属层形成。
参照图3F，在包括折射层110的半导体基板100的整个表面上形成第一平坦化层111，然后，在第一平坦化层111上沉积具有蓝、绿、和红色段的抗染层(dyed resist layer)，以及通过曝光和显影工艺形成用于过滤对应的光波长范围的R、G、B滤色器层112。
参照图3G，在包括滤色器层112的半导体基板100上形成第二平坦化层113，以及在第二平坦化层113上沉积用于形成微透镜的材料。
然后，对材料进行选择性地图样化，然后将已图样化的材料回流，以形成对应于滤色器层112的每一色段的微透镜114。
这里，用于形成微透镜的材料可以是诸如抗蚀剂或TEOS的氧化层。
上述CMOS图像传感器及其制造方法具有下面的优点。
通过形成每一滤色器色段之间的波导管，可以防止相邻滤色器段之间发生干涉，同时入射到光电二极管上的光量可以增加，以提高图像传感器的感光度。
对本领域技术人员来说很显然，本发明可以有各种更改和变化。因此，只要这些更改和变化在所附权利要求及其等同物的范围之内，本发明将覆盖这些更改和变化。

Claims (13)

1.一种互补金属氧化物半导体图像传感器，包括：
器件隔离层，形成在被限定成器件隔离区和有源区的半导体基板的所述器件隔离区上；
多个光电二极管区，以预定间隔形成在所述有源区中，并被所述器件隔离层隔离；
中间绝缘层，形成在所述半导体基板的整个表面上；
折射层，所述折射层具有的折射率大于所述中间绝缘层的折射率，并且所述折射层经过所述中间绝缘层而形成在所述器件隔离层的部分上，从而所述中间绝缘层具有波导管的特性；
平坦化层，形成在包括所述折射层的所述半导体基板的整个表面上；
滤色器层，形成在所述平坦化层上，并包括分别与所述光电二极管区对应的多个色段；以及
微透镜，分别形成在所述滤色器层的每个色段上。
2.根据权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述折射层由以下之一形成：氮化物层、基于氧化物的材料、和不透明金属层。
3.根据权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述折射层形成为与所述滤色器层的各个色段之间的边缘部分对应。
4.根据权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述中间绝缘层是氧化物层。
5.根据权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述折射层分隔所述中间绝缘层，并且所述中间绝缘层的经分隔的段分别与所述滤色器层的色段对应。
6.根据权利要求1所述的互补金属氧化物半导体图像传感器，其中，所述折射层分隔所述中间绝缘层，并且所述中间绝缘层的经分隔的段具有波导管的特性，用于引导通过所述滤色器层入射的光。
7.一种制造互补金属氧化物半导体图像传感器的方法，所述方法包括：
在被限定为器件隔离区和有源区的半导体基板的所述器件隔离区上形成器件隔离层；
形成多个光电二极管区，所述光电二极管区以预定间隔形成在所述有源区中，并被所述器件隔离层隔离；
在所述半导体基板的整个表面上形成中间绝缘层；
选择性地去除所述中间绝缘层，以形成多个孔，用于露出所述器件隔离层表面的预定部分；
在每个所述孔中形成折射层；
在包括所述折射层的所述半导体基板的整个表面上形成平坦化层；
在所述平坦化层上形成滤色器层，所述滤色器层包括分别与所述光电二极管区对应的多个色段；以及
分别在所述滤色器层的每个色段上形成微透镜。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述折射层是通过在包括所述孔的所述半导体基板的整个表面上沉积氮化物层、基于氧化物的材料、和不透明金属层中的一种，并对所沉积的层进行平坦化而形成的。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，形成在每个所述孔中的所述折射层与所述滤色器层的色段之间的边缘部分对应。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述折射层具有的折射率大于所述中间绝缘层的折射率。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，所述中间绝缘层是氧化物层。
12.根据权利要求7所述的方法，其中，所述折射层分隔所述中间绝缘层，并且所述中间绝缘层的经分隔的段分别与所述滤色器层的色段对应。
13.根据权利要求7所述的方法，其中，所述折射层分隔所述中间绝缘层，并且所述中间绝缘层的经分隔的段具有波导管的特性，用于引导通过所述滤色器层入射的光。
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