CN100527430C - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种CMOS图像传感器及其制造方法。该CMOS图像传感器包括：光电二极管，形成在半导体衬底中，用于从入射光产生光信号；第一微透镜，形成在该半导体衬底上；多个层间介电层和金属线，形成在具有该第一微透镜的半导体衬底上；平面化层，形成在所述层间介电层或者金属线上；以及第二微透镜，形成在该平面化层上。

Description

CMOS图像传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种图像传感器。
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。在图像传感器中，CMOS图像传感器通过如下方式适用于开关模式：通过使用控制电路和信号处理电路的CMOS技术将多个光电二极管制成同样多个像素；然后通过光电二极管检测输出。
在制作上述各种图像传感器中，人们致力于提高图像传感器的光灵敏度。
例如，CMOS图像传感器包括光电二极管和CMOS逻辑电路，其中光电二极管用于感测光，而CMOS逻辑电路用于将感测到的光处理成电信号以使其成为数据。为了获得更高的光灵敏度，提出有两种方法。在第一种方法中，尽量增加图像传感器的总面积中由光电二极管占用的面积。在第二种方法中，使用多种技术来减少光的入射路径、在图像传感器的上部形成微透镜以及在光电二极管区接收更多的光。
图1为示出根据现有技术具有光电二极管配置的CMOS图像传感器的示意图。
如图1所示，光电二极管32是通过在半导体衬底31中选择性地注入杂质离子而形成的，用于感测红(R)、绿(G)和蓝(B)信号。
此外，第一层间介电层33形成在半导体衬底31上。在第一层间介电层33上第一金属线34彼此间隔开。第二层间介电层35形成在具有第一金属线34的半导体衬底31的整个表面上。在第二层间介电层35上第二金属线36彼此间隔开。第三层间介电层37形成在具有第二金属线36的半导体衬底31上。在第三层间介电层37上第三金属线38彼此间隔开。平面化层39形成在第三金属线38上。微透镜40形成在平面化层39上并接收光。
另一方面，在根据现有技术具有上述结构的CMOS图像传感器中，在平面化层39上涂布敏感性聚合物，然后通过曝光和显影处理将产物选择性地图案化并对其进行热处理，从而形成微透镜40。
此时，为使微透镜40具有一定的曲率半径，在对敏感性聚合物进行显影之后，通常在固化烘烤阶段使敏感性聚合物受热流动，从而将敏感性聚合物变为曲面形。
如上所述，在将光照射到根据现有技术的完整CMOS图像传感器中的微透镜40表面时，沿着微透镜的曲形表面以不同的角度折射光。此时，折射的光经过多个层间介电层并到达光电二极管32。
然而，在被微透镜40折射的光中，有预定量的光由于其折射角度而没有到达光电二极管32。这些光会使图像传感器的功能降低。
也就是说，由微透镜40宽范围分散开的光到达光电二极管32的可能性很小。此外，在相邻光电二极管中会出现干扰。
发明内容
因此，本发明旨在提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，其能够充分消除由于现有技术的局限和缺点而引起的一个或多个问题。
因此，本发明的提出是为了解决现有技术中存在的上述问题，并且本发明的一个目的是提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，其通过减小光电二极管和微透镜来防止经过微透镜入射到光电二极管的光的散射。
本发明的第二目的是提供一种能够通过确保入射光的均匀性来提高器件性能的CMOS图像传感器。
本发明的其它优点、目的及特征将在以下说明书中阐明一部分，其另一部分对于本领域的技术人员而言可通过研究以下内容而清楚了解，或者通过实施本发明而获知。通过在文字说明书、权利要求书以及附图中所具体指出的结构，可以实现和获得本发明的目的和其它优点。
为实现这些目的和其它优点，并根据本发明的目的，如在此具体实施和广泛描述的，提供一种CMOS(互补金属氧化物硅)图像传感器，其包括：光电二极管，形成在半导体衬底中，用于从入射光产生光信号；第一微透镜，形成在该半导体衬底上；多个层间介电层和金属线，形成在具有该第一微透镜的半导体衬底上；平面化层，形成在所述层间介电层或者金属线上；以及第二微透镜，形成在该平面化层。
在本发明的另一方案中，提供一种制造CMOS(互补金属氧化物硅)图像传感器的方法，该方法包括以下步骤：(i)在半导体衬底中形成光电二极管；(ii)在该光电二极管的上侧形成第一微透镜；(iii)在具有该第一微透镜的半导体衬底上形成层间介电层和金属线；(iv)在该层间介电层或该金属线上形成平面化层；以及(v)在该平面化层上形成第二微透镜。
应当理解的是，本发明的以上的概括说明和下面的详细说明都是示意性的和说明性的，其旨在提供对请求保护的发明的进一步说明。
附图说明
附图用于提供对本发明的进一步理解，其包含在本申请中并构成本申请的一部分。附图示出本发明的实施例，并和说明书一起用于说明本发明的原理。在附图中：
图1为示出根据现有技术具有光电二极管配置的CMOS图像传感器的示意图；
图2为示出根据本发明实施例的CMOS图像传感器的横截面图；以及
图3至图8为用于描述根据本发明实施例的CMOS图像传感器的制造方法的CMOS图像传感器的横截面图。
具体实施方式
下面将详细介绍本发明的优选实施例，其实例在附图中示出。在所有附图中，使用相同的附图标记表示相同或相似的部件。
图2为示出根据本发明实施例的CMOS图像传感器的横截面图。
参照图2，在根据本发明的CMOS图像传感器中，光电二极管102形成在衬底101中，并且氧化物膜103形成在半导体衬底101上。
此外，光电二极管102根据入射光的波长感测红(R)、绿(G)和蓝(B)信号。
另外，第一微透镜106形成在光电二极管102的上侧，并且第一微透镜106形成为夹在氧化物膜103的一部分中。也就是说，第一微透镜106形成为穿透氧化物膜的一部分。
第一层间介电层107、第一金属线108、第二层间介电层109、第二金属线110、第三层间介电层111、第三金属线112和平面化层113依次形成在氧化物膜103上。
第二微透镜114形成在平面化层113上相应于每个光电二极管102的位置处，并且第二微透镜114具有蝇眼透镜(FEL)或者蛾眼(moth-eye)透镜图案。
在本发明的具有上述结构的CMOS图像传感器中，在将入射光照射到第二微透镜114的表面时，第二微透镜114用作FEL，单独的透镜使入射的亮度不均(shading)的光透射并通过光耦合提供均匀的光分布。
第一微透镜106形成在第二微透镜114与光电二极管102之间的入射光路径上，从而通过第一微透镜106可将入射光收集在光电二极管102中。
此外，第一金属线108和第二金属线111形成在除了光电二极管形成区之外的部位上，并且阻止各个金属线部分中单独的光散射。
图3至图8为用于描述根据本发明实施例的CMOS图像传感器的制造方法的CMOS图像传感器的横截面图。
首先，如图3所示，在半导体衬底101中选择性地注入杂质离子以形成光电二极管，所述光电二极管感测来自入射光的光信号。
这里，光电二极管102通过将杂质注入至不同深度而形成。根据注入的深度，分别形成用于感测红、绿和蓝信号的光电二极管。
红光电二极管形成在最深的位置处，而绿光电二极管和蓝光电二极管依次形成在红光电二极管上。
此外，红光电二极管可形成在半导体衬底101的表面中且具有预定的深度，而绿光电二极管可形成在第一外延层的表面中以具有预定的深度，其中该第一外延层是通过半导体衬底101的第一外延处理而形成的。
此外，蓝光电二极管可形成在第二外延层的表面中以具有预定深度，其中该第二外延层是通过半导体衬底101的第二外延处理在第一外延层上形成的。
接下来，在形成有光电二极管102的半导体衬底101的整个表面上依次形成氧化物膜103和氮化物膜104。
此外，在氮化物膜104上涂布光致抗蚀剂105。
参照图4，为了暴露位于光电二极管102形成位置上侧的氧化物膜103和氮化物膜104，选择性地图案化光致抗蚀剂105。
即，使用光致抗蚀剂105作为蚀刻掩模，蚀刻掉氮化物膜104和氧化膜103的部分，以暴露位于光电二极管102上侧的半导体衬底101。
参照图5，通过去除光致抗蚀剂105暴露氮化物膜104和氧化膜103的部分。
参照图6，使用氮化物膜104和氧化物膜103作为掩模，生长暴露的半导体衬底101的硅Si，从而在每个光电二极管102的上侧生长成第一微透镜106。
这里，为了形成第一微透镜106，在氧气氛下执行硅Si的生长工艺。此时，氮化物膜104的预定部分转变成鸟嘴图案。
更具体地，氮化物膜104用于控制硅在半导体衬底101上的部分生长，从而使生长成的硅具有椭圆微透镜形状。
第一微透镜106的形状为：第一微透镜106的厚度从其边缘朝向其中心逐渐增厚。
参照图7，去除氮化物膜104，然后在半导体衬底101中进行热氧化。
参照图8，在具有第一微透镜106的半导体衬底101上依次形成第一层间介电层107、第一金属线108、第二层间介电层109、第二金属线110、第三层间介电层111和第三金属线112。
此外，在具有第三金属线112的半导体衬底101的整个表面上形成平面化层113。
而且，在平面化层113上涂布光致抗蚀剂之后，通过执行曝光处理和显影处理将产物图案化，以形成光致抗蚀剂图案，从而使光致抗蚀剂的尺寸比第一微透镜106的尺寸的25％小。
此外，使光致抗蚀剂图案受热流动以形成FEL图案的第二微透镜114。
这里，第二微透镜114形成在相应于第一微透镜116的位置，即第一微透镜106的垂直上侧。
因此，经过第二微透镜114入射的光首先聚集并移至第一微透镜106。此外，入射至第一微透镜106的光再次聚集并入射至位于第一微透镜106下侧的光电二极管102。
第一微透镜106和第二微透镜114形成在光电二极管102的上侧，因此能够使入射至图像传感器的光更准确地入射至光电二极管，并防止相邻光电二极管之间的干扰。
对于本领域的技术人员来说显而易见的是，可对本发明进行各种修改和变化。因此，本发明应涵盖落入所附权利要求书及其等效范围内的本发明的修改和变化。

Claims (11)

1.一种CMOS图像传感器，包括：
光电二极管，形成在半导体衬底中；
第一微透镜，形成在该半导体衬底上；
多个层间介电层和金属线，形成在具有该第一微透镜的半导体衬底上；
平面化层，形成在所述层间介电层或者金属线上；以及
第二微透镜，形成在该平面化层上。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中该第一微透镜设置于该光电二极管的垂直上侧。
3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中该第一微透镜设置于该第二微透镜与该光电二极管之间。
4.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中入射至该第二微透镜的光经过该第一微透镜到达该光电二极管。
5.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中在该半导体衬底与所述层间介电层之间还形成有氧化物膜，并且该第一微透镜形成为穿透该氧化物膜的预定部分。
6.一种CMOS图像传感器，包括：
半导体衬底；
光电二极管，位于该半导体衬底中；
层间介电层，位于该半导体衬底上；
第一微透镜，形成在该光电二极管与该层间介电层之间；
金属线，形成在该层间介电层上；
平面化层，形成在该金属线上；以及
第二微透镜，形成在该平面化层上。
7.根据权利要求6所述的CMOS图像传感器，其中该第一微透镜形成在该第二微透镜与该光电二极管之间的入射光路径上。
8.一种制造CMOS图像传感器的方法，包括以下步骤：
(i)在半导体衬底中形成光电二极管；
(ii)在该光电二极管的上侧形成第一微透镜；
(iii)在具有该第一微透镜的半导体衬底上形成层间介电层和金属线；
(iv)在该层间介电层或该金属线上形成平面化层；以及
(v)在该平面化层上形成第二微透镜。
9.根据权利要求8所述的方法，其中步骤(ii)包括：
在该半导体衬底上依次形成氧化物膜和氮化物膜；
选择性地蚀刻该氧化物膜和该氮化物膜的预定区域；以及
生长该半导体衬底的一部分。
10.根据权利要求9所述的方法，其中通过选择性地蚀刻该氧化物膜和该氮化物膜的预定区域暴露该半导体衬底的该部分。
11.根据权利要求9所述的方法，其中在生长该半导体衬底的该部分之后去除该氮化物膜。
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