CN100514660C - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种CMOS图像传感器及其制造方法。该CMOS图像传感器包括半导体衬底，具有光电二极管和晶体管。层间绝缘层形成在半导体衬底的整个表面上。第一、第二和第三滤色镜层在层间绝缘体上以规则间隔形成。第一、第二和第三微透镜分别形成在第一、第二和第三滤色镜层上。微透镜具有至少两个不同的曲率。

Description

CMOS图像传感器及其制造方法

相关申请

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2005年9月22日提交的韩国专利申请号10-2005-0088088的优先权，将其全部内容在次引入作为参考。

技术领域

本发明涉及图像传感器及其制造方法，更具体，涉及提供改进的光接收效率的CMOS图像传感器及其制造方法。

背景技术

通常，图像传感器是将光学图像转换为电信号的半导体器件，并大致分为CCD(电荷耦合器件)图像传感器或CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器。

CMOS图像传感器包括光电二极管，用于感测照射的光，以及CMOS逻辑电路，用于将所感测的光转换为电信号，其中由于光电二极管的光接收能力增加，图像传感器的光敏性增加。

图1是示出根据现有技术的CMOS图像传感器的原理图，以及图2是示出现有技术CMOS图像传感器的多个像素阵列的排列的平面图。

如图1所示，现有技术CMOS图像传感器包括图像传感器阵列10、在图像传感器阵列10上形成的多个微透镜20、以及聚光镜头30，用于将光聚集到微透镜20。

各种图像传感器通常集聚并引导光，如图1所示。这样，光的入射角在轴X和Y的方向中远离中心(A)增加，如图1和2所示。最大入射角大约是20°至30°。

在下文中，将参照附图详细说明现有技术CMOS图像传感器。

图3是沿着图2的线IV-IV’所取的截面图，示出现有技术CMOS图像传感器。

如图3所示，现有技术CMOS图像传感器包括半导体衬底11、在半导体衬底11上形成的一个或多个光电二极管12，以对应于入射光的强度生成电荷、层间绝缘层13，形成在包括光电二极管12的半导体衬底11的整个表面上、R/G/B滤色镜层14，形成在层间绝缘体13上，以透射具有预设波长的光束、平整层15，形成在包括滤色镜层14的半导体衬底11的整个表面上、以及多个微透镜16，形成在平整层15上。微透镜16具有恒定曲率的凸起形状。微透镜16接收来自滤色镜14的光并将所接收的光集中到光电二极管12。

尽管没有在图3中示出，可以在层间绝缘层13中形成光学遮蔽层，以防止光入射到除了光电二极管区的区域上。

可以用光闸(photogate)代替光电二极管。

滤色镜层14包括R(红色)、G(绿色)和B(蓝色)滤色镜。通过淀积相应的光敏材料并使用单独的掩模在所得结构上执行光刻工序，形成每个滤色镜。

同样，考虑各种因素例如所聚集的光的焦距，确定微透镜16的曲率和高度。通常使用光刻胶，并通过淀积、构图和回流(reflow)来形成微透镜16。

在向左倾斜入射光的情况下，CMOS图像传感器的微透镜16不能将光①引导到其像素的相应光电二极管12，但是可以将光②引导到其像素的相应光电二极管12。

在向右倾斜入射光的情况下，微透镜16可以将光③引导到其像素的相应光电二极管12，但是不能将光④引导到其像素的相应光电二极管12。

然而，现有技术CMOS图像传感器具有下面的问题。

由于微透镜16具有恒定的曲率并在整个像素阵列中一致地形成，它们不能将向左或向右倾斜的入射光引导到光电二极管，如图3的①、②、③和④所示。

现有技术CMOS图像传感器不能产生具有良好质量的图像，因为由于变化的敏感性出现镜头阴影，该敏感性在镜片的中心增加而朝着阵列边缘减小。

发明内容

因此，本发明涉及CMOS图像传感器及其制造方法，其解决和/或基本上避免了现有技术的一个或多个问题、限制和/或不足。

本发明的目标是提供一种CMOS图像传感器，用于通过形成微透镜以具有根据传感器阵列中的位置的入射角度的差异的最佳形状而改进图像质量，以使得提供一致的敏感度，及其制造方法。

本发明的额外优势、目标和特性，将部分地在下面的说明书中阐述部分地对于本领域普通技术人员来说在审查下文时是显而易见的，或者可以从本发明的实践中学习。可以通过在文本说明书和其权利要求以及附图中特别指出的结构，实现和获得本发明的目标和其他优势。

为了获得这些目标和其他优势，并与本发明的目标相一致，如在此实施并概括说明，提供了一种CMOS图像传感器，包括：半导体衬底，具有光电二极管和晶体管；层间绝缘层，形成在半导体衬底的整个表面上；第一、第二和第三滤色镜层，在层间绝缘体上以规则间隔形成；以及第一、第二和第三微透镜，分别形成在第一、第二和第三滤色镜层上，其中第一、第二和第三微透镜具有至少两个不同的曲率。

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：在具有光电二极管和晶体管的半导体衬底的整个表面上形成层间绝缘层；在层间绝缘层上以规则间隔形成多个滤色镜层；以及对应于每个滤色镜层形成多个微透镜，其中多个微透镜具有至少两个不同曲率。

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：在具有光电二极管和不同晶体管的半导体衬底的整个表面上形成层间绝缘层；在层间绝缘层上以规则间隔形成第一、第二和第三滤色镜层；对应于第一、第二和第三滤色镜层，形成具有不同台阶差异的第一、第二和第三微透镜图形；以及通过回流第一、第二和第三微透镜图形形成具有不同曲率的第一、第二和第三微透镜，其中，形成微透镜图形包括：在包括第一、第二和第三滤色镜层的半导体衬底的整个表面上淀积用于微透镜的光刻胶层；通过选择性地曝光和显影光刻胶层，执行第一曝光；以及通过使用小于第一曝光的能量曝光并显影相对于第二微透镜图形第一微透镜图形和第三微透镜图形的内侧区域，形成第一和第三微透镜图形的外侧部分比内侧部分厚的台阶部分。

应理解，本发明的上述通常说明和下面详细说明都是示例性和解释性的，并旨在提供如权利要求的本发明的进一步解释。

附图说明

的平面图；

图3是沿着图2的线IV-IV’所取的截面图，说明现有技术CMOS图像传感器；

图4是沿着图2的线IV-IV’所取的截面图，说明根据本发明的实施例的CMOS图像传感器；

图5A至5C是示出通过图4中示出的CMOS图像传感器的每个微透镜，传播到光电二极管的入射光的路径的图；以及

图6A至6D是说明根据本发明的实施例制造CMOS图像传感器的方法的截面图。

具体实施方式

现在将详细参照本发明的优选实施例，在附图中说明实施例的例子。只要可能，在整个附图中使用相同的参考标号指示相同或相似的部件。

在下文中，将参照附图详细说明根据本发明的CMOS图像传感器及制造CMOS图像传感器的方法。

图4是根据本发明的实施例的CMOS图像传感器的截面图。

参照图4，CMOS图像传感器可包括在其上形成有光电二极管102和晶体管的半导体衬底101，以构成CMOS图像传感器的单位像素；层间绝缘层103，形成在半导体衬底101的整个表面上；第一、第二和第三滤色镜层104、105和106，在层间绝缘层103上以规则间隔形成；平整层107，形成在包括第一、第二和第三滤色镜层104、105和106的半导体衬底101的整个表面上；第一微透镜1(08，以其对应于第一滤色镜104的方式形成在平整层107上，并具有在外部比在内部更加凸起的非一致的曲率；第二微透镜109，以其对应于第二滤色镜104的方式形成在平整层107上，并具有一致的曲率；以及第三微透镜110，以其对应于第三滤色镜106的方式形成在平整层107上，并具有在外部比在内部更加凸起的非一致曲率。

如上所述，由多个像素阵列所组成的CMOS图像传感器包括三个具有不同曲率的微透镜。即，在中心区域形成的微透镜具有不同于在左侧和右侧形成的微透镜的曲率。即，在左侧和右侧的微透镜具有凸起的(convex)形状，其外部比内部更加凸起，这反映在具有比内部更大的曲率的外部。

图5A至5C是示出通过图4中示出的CMOS图像传感器的每个微透镜，传播到光电二极管的入射光的路径的图。

如图5A所示，第一微透镜108可以具有可变曲率，其中其外部比其内部更加凸起，使得向左倾斜的入射光①、②和③可以在凸起的区域中弯折，并通过第一微透镜108照射到相应光电二极管102。

如图5B所示，中心区域中的第二微透镜109形成为具有如在现有技术中所述的恒定曲率，使得入射光束④、⑤和⑥可以照射到相应光电二极管102。

如图5C所示，第三微透镜110可以具有可变曲率，其中其外部比其内部更加凸起，使得向右倾斜的入射光⑦、⑧和⑨可以在凸起部分弯折，并通过第三微透镜110照射到相应光电二极管102。

如图5A至5C所述，第一微透镜108和第三微透镜110的外部比其内部凸起更高，其分别在第二微透镜的左侧和右侧形成。

图6A至6D是说明根据本发明的实施例制造CMOS图像传感器的方法的截面图。

如图6A所示，可以在半导体衬底101上形成构成单位像素的光电二极管102和晶体管(未示出)。

随后，可以在包括光电二极管102的半导体衬底101的整个表面上形成层间绝缘层103。

在一个实施例中，可以以多结构形成层间绝缘层103(未示出)。在特定实施例中，在形成一个层间绝缘层之后，可以在层间绝缘层上形成光学遮蔽层，以防止光入射到光电二极管102上，并可在其上形成另一层间绝缘层。

在一个实施例中，可以使用例如未掺杂的硅酸盐玻璃(USG)的氧化物来形成层间绝缘层103。

此后，可以通过在层间绝缘层103上淀积光敏材料并通过光刻和曝光工序选择性地构图光敏材料，在层间绝缘层103上形成第一、第二和第三滤色镜层104、105和106。

可以通过淀积可染色的阻抗并执行曝光和显影工序，形成用于过滤具有预设波长的光的滤色镜层104、105和106。

在特定实施例中，可以使用相应光敏材料涂布滤色镜层104、105和106的每一个达1至5um的厚度。然后，可以使用单独的掩模通过光刻构图滤色镜层，由此形成单个的滤色镜层，其过滤具有预设波长的光。

可以在包括滤色镜层104、105和106的半导体衬底101的整个表面上形成平整层107。

如图6B所示，可以在平整层107上形成微透镜层，以及可以在微透镜材料层上排列第一光掩模PM1。

然后，可以通过使用第一光掩模将微透镜材料层曝光于UV辐射并显影所曝光的区域，以规则间隔形成第一、第二和第三微透镜图形108a、109a和110a。

这里，可以分别对应于第一、第二和第三滤色镜层104、105和106，形成第一、第二和第三微透镜图形108a、109a和110a。

如图6C所示，可以在半导体衬底101之上设置第二光掩模PM2，以及可以使用第二光掩模PM2，将第一微透镜图形108a和第三微透镜图形110a的内部曝光于具有小于第一UV辐射能量的第二UV辐射。

随后，可以通过显影第二曝光的区域，在第一微透镜图形108a和第三微透镜图形110a的内侧和外侧形成高度差。

这里，第一微透镜图形108a和第三微透镜图形110a的内部和外部之间的台阶部分可导致第一微透镜图形108a和第三微透镜图形110a的外部比内部要厚。

即，可以分别在第二微透镜图形109a的左侧和右侧形成第一微透镜图形108a和第三微透镜图形110a，以及由于该高度差，第一和第三微透镜图形108a和110a的外部和内部可具有不同的厚度。

如图6D所示，可以回流第一、第二和第三微透镜图形108a、109a和110a以形成分别对应于第一、第二和第三滤色镜层104、105和106的第一、第二和第三微透镜108、109和110。

在实施例中，微透镜材料层可以由例如氧化物层或光刻胶的绝缘层构成。

同样，可以在回流工序中使用热盘或熔炉。此时，微透镜的曲率可以基于收缩/加热处理而变化，并且因此基于曲率聚光效率变化。

然后，可以通过照射UV辐射硬化第一、第二和第三微透镜108、109和110。

在特定实施例中，可以通过辐射UV线来硬化第一、第二和第三微透镜108、109和110，获得第一、第二和第三微透镜108、109和110的最佳曲率。在一个实施例中，可以使用激光执行硬化。

在本发明的上述实施例中形成平整层107。然而，第一、第二和第三微透镜108、109和110可以直接形成在第一、第二和第三滤色镜层104、105和106上，而不形成平整层107。

如上所述，根据本发明的CMOS图像传感器和制造其的方法具有下面的优点。

根据本发明的CMOS图像传感器可以通过形成微透镜以根据传感器阵列中的位置的入射角度的差异而具有最佳的形状，改进图像质量，从而提供一致的敏感性。

对于本领域技术人员，很明显可以在本发明中做出各种改进和变化。因此，本发明旨在覆盖本发明的改进和变化，只要它们落入所附权利要求及其等效的范围中。

Claims (8)

1.一种制造CMOS图像传感器的方法，包括：

在具有光电二极管和晶体管的半导体衬底的整个表面上形成层间绝缘层；

在层间绝缘层上以规则间隔形成第一、第二和第三滤色镜层；

形成对应于第一滤色镜层的第一微透镜图形、对应于第二滤色镜层的第二微透镜图形、和对应于第三滤色镜层的第三微透镜图形，其中第一和第三微透镜图形每个具有台阶部分；以及

通过回流第一、第二和第三微透镜图形，形成具有不同曲率的第一、第二和第三微透镜，

其中，形成微透镜图形包括：

在包括第一、第二和第三滤色镜层的半导体衬底的整个表面上淀积用于微透镜的光刻胶层；

通过选择性地曝光和显影光刻胶层，执行第一曝光；以及

通过使用小于第一曝光的能量曝光并显影相对于第二微透镜图形第一微透镜图形和第三微透镜图形的内侧区域，形成第一和第三微透镜图形的外侧部分比内侧部分厚的台阶部分。

2.如权利要求1所述的方法，其中第二微透镜图形形成为具有恒定的高度。

3.如权利要求1所述的方法，其中第二微透镜形成为具有恒定的曲率。

4.如权利要求1所述的方法，其中在第二微透镜的一侧形成第一微透镜，以及在第二微透镜的另一侧形成第三微透镜。

5.如权利要求1所述的方法，其中还包括硬化第一、第二和第三微透镜。

6.如权利要求1所述的方法，其中分别在设置在衬底的中心区域的第二微透镜的左侧和右侧排列第一和第三微透镜，以及第一微透镜和第三微透镜的相邻于第二微透镜的部分的曲率小于其相对部分的曲率。

7.如权利要求1所述的方法，其中每一个微透镜的表面具有圆形的形状。

8.如权利要求1所述的方法，还包括在包括滤色镜层的半导体衬底的整个表面上形成平整层。

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