CN100468758C - Cmos图像传感器和其制造方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种CMOS图像传感器及其制造方法，通过其所述传感器光聚集效果通过提供内部微透镜到半导体基板而得到增强。本发明包括在基板上的多个光电二级管、在所述多个光电二级管上的多个内部微透镜、在所述多个内部微透镜上的绝缘间层、在所述绝缘间层内的多条金属线、在所述绝缘间层上的器件保护层以及在所述器件保护层上的多个微透镜。

Description

CMOS图像传感器和其制造方法

本申请要求在2004年12月30日提出的韩国专利申请No.10-2004-0116424和在2004年12月30日提出的韩国专利申请No.10-2004-0116425的利益，其如同在此完全阐述一样以用于任何目的通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及一种CMOS图像传感器和其制造方法。本发明适合于广泛的应用，并且尤其适合于通过在半导体基板上提供内部微透镜来增强光聚集效果。

背景技术

图像传感器是把光图像转换成电信号的半导体器件。在CCD(电荷耦合器件)图像传感器中，多个MOS(金属-氧化物-金属)电容彼此紧密排列以转移和存储电荷载体。在CMOS(互补MOS)图像传感器中，多个MOS晶体管对应于若干像素并且通过CMOS技术制造。CMOS技术使用控制电路和信号处理电路作为外围电路，以及使用MOS晶体管逐步检测输出的开关系统。

CMOS图像传感器包括包含光电二级管的信号处理芯片。CMOS图像传感器在其集成度上有优势，因为放大器、模拟/数字(A/D)转换器、内部电压生成器、定时发生器、数字逻辑等能够集成在每个芯片上。CMOS图像传感器在功率和成本降低上也有优势。此外，CMOS图像传感器的大规模生产通过比CCD制造工艺便宜的硅晶圆蚀刻工艺而成为可能。CCD通过特殊工艺制造。因此，这种图像传感器已经扩展到如数码相机、智能电话、PDA(个人数字助理)、笔记本电脑、安全相机、条形码检测器和玩具等应用领域。

当CMOS图像传感器的尺寸因为高集成度而减小，像素尺寸下降。因此，指示芯片内像素区域的比率的填充因子通常变为只有大约30-40％。因此，感光度不能最大化。增加填充因子的方法已被提出以提高感光度，然而，用于数字处理的逻辑电路部分仍然在对应领域有局限性。因此，微透镜(ML)，包括光阻剂(photoresist)层从而使利用光电二级管的最大光吸收成为可能，通过转向入射在除光电二级管的区域上的光的路径而聚集光。微透镜主要用于使入射光的强度最大化。

根据相关技术制造带有微透镜的CMOS图像传感器的方法参考图1解释如下。

参考图1，多个外延层(未示出)可在半导体基板10上形成。多个光电二级管18在外延层上形成。特别地，第一外延层(未示出)可在半导体基板10上生长，红光电二级管(未示出)可在第一外延层上形成，第二外延层(未示出)可在包括红光电二级管的第一外延层上生长，以及绿光电二级管(未示出)然后可在第二外延层上形成。

第三外延层(未示出)可在包括绿光电二级管的第二外延层上生长，蓝光电二级管(未示出)可在第三外延层上形成，以及用于场隔离的沟槽在第三外延层上形成。STI(浅沟槽隔离)层11然后通过以绝缘材料填充沟槽而形成。

绝缘间层13在第三外延层上形成，第一金属层(未示出)可在绝缘间层13上形成，以及金属线14然后通过图案化第一金属层而形成。形成绝缘间层13和金属线14的工艺重复几次以堆叠间层(interlayer)13和金属线14。

然后，滤色器层15在绝缘间层14上形成。器件保护绝缘层16在滤色器层15上形成以保护器件免于受潮或受物理撞击。微透镜17然后在器件保护绝缘层16上形成。

然而，当根据相关技术制造CMOS图像传感器时，在顶层上形成的微透镜17依赖于半导体基板10和顶层之间的焦距(focal length)。因此，微透镜17的具有长焦距的侧面所折射的光不进入光电二极管。替代地，所述光进入相邻的像素，这导致相邻像素之间的光学串扰。

发明内容

因此，本发明涉及CMOS图像传感器及其制造方法，其基本上避免了由于相关技术的局限性和缺点引起的一个或多个问题。

本发明的一个优点是提供了CMOS图像传感器及其制造方法，通过其光聚集效果通过在光电二极管和微透镜之间提供内部微透镜而得到增强。

本发明的另外特征和优点将在随后的描述中阐述，并且部分将通过所述描述而显而易见，或可通过本发明的实践而了解。本发明的目的和其它优点将通过于此的书面描述和权利要求以及附图所特别指出的结构和方法而认识到和达到。

为了实现这些和其它优点并且与本发明的目的相一致，如所体现和广泛描述的，根据本发明的CMOS传感器包括在半导体基板上的多个光电二级管、在所述多个光电二级管上的多个内部微透镜、在所述多个内部微透镜上的绝缘间层、在所述绝缘间层内的多个金属线、在所述绝缘间层上的器件保护层以及在所述器件保护层上的多个微透镜。

在本发明的另一方面，多个内部微透镜在半导体基板内部形成以分别对应于多个所述光电二级管。

在本发明的另一方面，半导体基板由由于蚀刻度(etched degree)而具有倒三角形轮廓(profile)的硅形成，所述蚀刻度根据当使用蚀刻剂蚀刻时的结晶方向而改变。

在本发明的另一方面，半导体基板由具有结晶结构为(1，0，0)的硅形成。

在本发明的另一方面，CMOS图像传感器包括：在半导体基板上的多个光电二级管、在所述多个光电二级管上的第一绝缘间层、在所述第一绝缘间层内的第一金属线、在所述第一绝缘间层上的多个内部微透镜、在所述多个内部微透镜上的第二绝缘间层、在所述第二绝缘间层内的第二金属线、在所述第二绝缘间层上的器件保护层以及在所述器件保护层上的多个微透镜。

在本发明的另一方面，CMOS图像传感器进一步包括附着到第一绝缘间层上的硅层，其中多个内部微透镜在所述硅层内形成，以分别对应于多个光电二级管。

在本发明的另一方面，所述硅层由由于蚀刻度而具有倒三角形轮廓的硅构成，所述蚀刻度根据当使用蚀刻剂蚀刻时的结晶方向而改变。

在本发明的另一方面，半导体基板由具有结晶结构为(1，0，0)的硅构成。

在本发明的另一方面，制造CMOS图像传感器的方法包括：在半导体基板上形成多个光电二级管、在所述多个光电二级管上形成多个内部微透镜、在所述多个内部微透镜上交替形成绝缘间层和金属线从而在所述金属线上形成所述绝缘间层、在所述绝缘间层上形成器件保护层以及在所述器件保护层上形成多个微透镜。

在本发明的另一方面，其中形成多个内部微透镜包括：在所述半导体基板上形成光阻剂图案以曝光对应所述多个光电二级管的区域；通过使用光阻剂图案作为掩模在所述半导体基板上执行湿蚀刻来形成凹陷；以及在包括所述凹陷(concave recess)的半导体基板上形成氮化物层。

在本发明的另一方面，凹陷形成步骤包括通过在半导体基板上执行湿蚀刻而产生倒三角形轮廓以及通过化学干蚀刻使倒三角形轮廓变圆以形成每个凹陷的步骤。

在本发明的另一方面，制造CMOS图像传感器的方法包括以下步骤：在半导体基板上形成多个光电二级管；在所述多个光电二级管上交替形成第一绝缘间层和第一金属线从而在所述第一金属线上形成所述第一绝缘间层；在所述第一绝缘间层上形成多个内部微透镜；在所述多个内部微透镜上交替形成第二绝缘间层和第二金属线从而在所述第二金属线上形成第二绝缘间层；在所述第二绝缘间层上形成器件保护层；以及在所述器件保护层上形成多个微透镜。

在本发明的另一方面，其中形成多个内部微透镜包括：在第一绝缘间层上附着硅层，其中氧化物层分别涂覆在硅层的顶和底表面上；在所述硅层上形成光阻剂图案以曝光对应多个光电二级管的区域；通过使用所述光阻剂图案作为掩模在所述硅层上执行湿蚀刻以形成凹陷；以及在包括凹陷的半导体基板上形成氮化物层。

在本发明的另一方面，其中形成凹陷包括：通过在硅层上执行湿蚀刻而产生倒三角形轮廓；从硅层顶表面去除氧化物层；以及通过化学干蚀刻使倒三角形轮廓变圆以形成每个凹陷。

应理解前述的一般描述和随后的详细描述都是示范性的和说明性的，且旨在提供对如权利要求的本发明的进一步解释。

附图说明

附图被包括以提供对本发明的进一步理解，并且被并入且构成本说明书的部分，说明了本发明的实施例，且与描述一起用于解释本发明的原理。在所述图中：

图1是根据相关技术通过CMOS图像传感器制造方法所制造的CMOS图像传感器的横截面图；

图2-5是根据本发明的一个实施例的制造CMOS图像传感器的方法的横截面图；

图6是使用蚀刻剂所蚀刻的半导体基板的真实图像的图片；

图7-13是根据本发明的另一实施例的制造CMOS图像传感器的方法的横截面图：

图14是相关技术和本发明的CMOS图像传感器的位置追踪(laytracing)的仿真结果图。

具体实施方式

对本发明的实施例的参考现将详细进行，其实例在附图中说明。只要可能，在整个附图中相同的参考标记将用来引用相同或相似的部分。

参考图2，多个外延层(未示出)可在半导体基板30上形成。多个光电二极管在光电二极管区域32内形成。例如，第一外延层(未示出)可在半导体基板30上生长，红光电二级管(未示出)可在第一外延层上形成，第二外延层(未示出)可在包括红光电二级管的半导体基板30上生长，以及绿光电二级管(未示出)然后可在第二外延层上后形成。随后，第三外延层(未示出)可在包括绿光电二级管的第二外延层上生长，蓝光电二级管(未示出)可在第三外延层上形成，用于场隔离的沟槽在第三外延层上形成，而STI(浅沟槽隔离)层33然后通过以绝缘材料填充沟槽而形成。

光阻剂(未示出)可涂覆在包括STI层33的半导体基板30上。光阻剂图案39然后通过曝光和显影来曝光光电二极管区域32之上的区域。

参考图3，使用光阻剂图案39作为掩模通过蚀刻剂在半导体基板30上执行湿蚀刻。在使用蚀刻剂的湿蚀刻中，蚀刻度根据结晶方向而变化。因此，(1，0，0)硅基板可用作半导体基板30以便具有倒三角形轮廓。倒三角形轮廓的倾斜的平面然后将具有(1，1，1)方向，如图7所示，其示出了由蚀刻剂蚀刻的半导体基板的真实图像。

参考图4，光阻剂图案39被去除。

蚀刻的半导体基板30的轮廓通过用于使STI33的边缘部分变圆的化学干蚀刻工艺而变圆。

具有大折射率的氮化物层41堆叠在变圆的半导体基板30上。化学机械抛光在氮化物41上执行以形成内部微透镜41。

参考图5，绝缘间层34在包括内部微透镜41的半导体基板30上形成。

金属层(未示出)可在绝缘间层34上形成然后可图案化以形成金属线35。在本发明的示范性实施例中，形成绝缘间层34和第一金属线35的工艺重复几次以形成绝缘间层34和第一金属线35。因此，绝缘间层34沉积在第一金属线35上。滤色器层44在沉积的绝缘间层34上形成。

器件保护层45，可以是绝缘层，沉积在滤色器层44上以保护传感器免于受潮或受物理撞击。然后，微透镜46在器件保护层45上形成。

在本发明的另一实施例中，为了通过减小焦距而进一步提高入射在光电二极管上的光的强度，内部微透镜通过在绝缘间层上附着氧化物涂覆硅层并蚀刻所附着的硅层而形成，而不是直接蚀刻半导体基板。这参考图7-13得到详细解释。

参考图7，多个外延层(未示出)可在半导体基板50上形成而多个光电二极管在光电二极管区域52内形成。外延层和光电二极管形成工艺与参考图2所解释的类似。第一绝缘间层54在外延层上沉积。

第一金属层(未示出)可在第一绝缘间层54上形成然后图案化以形成第一金属线55。在本发明的示范性实施例中，形成绝缘间层54和第一金属线55的工艺重复几次以形成绝缘间层54和第一金属线55。因此，绝缘间层54沉积在第一金属线55上。STI(浅沟槽隔离)层53被示出。

参考图8，硅层57附着在第一绝缘间层54上。硅层57的顶和底表面可分别以热氧化物层56涂覆。

参考图9，光阻剂涂覆在热氧化物层56上。曝光和显影在光阻剂上执行以形成光阻剂图案59，曝光光电二极管区域52之上的热氧化物层56的一部分。硅层57通过用于制造SOI(绝缘体上硅)晶圆的技术而附着到第一绝缘间层54。

参考图10，使用光阻剂图案59作为掩模通过蚀刻剂在硅层57上执行湿蚀刻。光阻剂图案59然后被去除。图10示出了蚀刻的硅层57的放大图。

在使用蚀刻剂的湿蚀刻中，蚀刻度根据结晶方向而改变。因此，优选地使用(1，0，0)-硅层作为硅层57以便具有倒三角形轮廓。倒三角形轮廓的倾斜平面具有(1，1，1)方向。

参考图11，硅层57的顶表面上的氧化物层56可被去除。

硅层57的轮廓通过用于使STI53的边缘部分变圆的化学干蚀刻工艺而如透镜一样变圆。

参考图12，具有大折射率的氮化物层60堆叠在变圆的硅层57上。

化学机械抛光在氮化物上执行以形成内部微透镜60。

参考图13，第二绝缘间层62在包括内部微透镜60的半导体基板50上形成。

第二金属层(未示出)可在第二绝缘间层62上形成，并且然后图案化以形成第二金属线63。在本发明的示范性实施例中，形成第二绝缘间层62和第二金属线63的工艺重复几次以形成第二绝缘间层62和第二金属线63。因此，第二绝缘间层62沉积在第二金属线63上。

滤色器层64在沉积的第二绝缘间层62上形成。

器件保护层65，可以是绝缘层，沉积在滤色器层64上以保护传感器免于受潮或受物理撞击。微透镜66在器件保护层65上形成。

图14是相关技术和本发明的CMOS图像传感器的位置追踪的仿真结果图。在图14的(A)中，根据相关技术的CMOS图像传感器的位置追踪仿真结果被示出。在图14的(B)中，根据本发明的CMOS图像传感器的位置追踪仿真结果被示出。

参考图14，聚集到根据本发明的具有内部微透镜的CMOS传感器的光电二极管的光的强度好于聚集到根据相关技术的在顶层上具有微透镜的CMOS传感器的光电二极管的光的强度。

相应地，本发明提供了以下的效果或优势。

根据对由于高度集成电路造成的增加的焦距的依赖性能够减小。特别是当光入射在光电二极管上时，内部微透镜和提供在顶层上的微透镜补偿了由于薄膜干涉或衍射发生所造成的光损失。因此，传感能力得到增加以提高图像质量。

此外，内部透镜通过蚀刻附着到绝缘间层的硅层来形成，以减少焦距。因此，本发明可进一步提高入射在光电二极管上的光的强度。

对于本领域的技术人员显而易见的是，在不背离本发明的精神和范围的情况下可进行各种修改和变化。因此，意味着如果对本发明的修改和变化在所附的权利要求及其等价物范围内，本发明覆盖所述修改和变化。

Claims (4)

1.一种制造CMOS图像传感器的方法，包括：

在半导体基板上形成多个光电二极管；

在所述多个光电二极管上形成多个内部微透镜；

在所述多个内部微透镜上交替形成绝缘间层和金属线，从而在所述金属线上形成所述绝缘间层；

在所述绝缘间层上形成器件保护层；

在所述器件保护层上形成多个微透镜；

其中形成多个内部微透镜包括：

在所述半导体基板上形成光阻剂图案以曝光对应于所述多个光电二极管的区域；

通过使用所述光阻剂图案作为掩模在所述半导体基板上执行湿蚀刻以形成凹陷；以及

在包括所述凹陷的所述半导体基板上形成氮化物层。

2.权利要求1所述方法，其中所述凹陷形成步骤包括：

通过在半导体基板上执行所述湿蚀刻而产生倒三角形轮廓；以及

通过化学干蚀刻使所述倒三角形轮廓变圆以形成每个所述凹陷。

3.一种制造CMOS图像传感器的方法，包括：

在半导体基板上形成多个光电二极管；

在所述多个光电二极管上交替形成第一绝缘间层和第一金属线从而在所述第一金属线上形成所述第一绝缘间层；

在所述第一绝缘间层上形成多个内部微透镜；

在所述多个内部微透镜上交替形成第二绝缘间层和第二金属线，从而在所述第二金属线上形成所述第二绝缘间层；

在所述第二绝缘间层上形成器件保护层；

在所述器件保护层上形成多个微透镜；

其中形成多个内部微透镜包括：

在所述第一绝缘间层上附着硅层，其中氧化物层分别涂覆在所述硅层的顶和底表面上；

在所述硅层上形成光阻剂图案以曝光对应于所述多个光电二极管的区域；

通过使用所述光阻剂图案作为掩模在所述硅层上执行的湿蚀刻来形成凹陷；以及

在包括所述凹陷的所述半导体基板上形成氮化物层。

4.权利要求3所述方法，其中形成凹陷包括：

通过在所述硅层上执行湿蚀刻而产生倒三角形轮廓；

从所述硅层的顶表面去除氧化物层；以及

通过化学干蚀刻使所述倒三角形轮廓变圆以形成每个所述凹陷。

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