CN100536154C - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种CMOS传感器及其制造方法，其减少光通过微透镜到达光电二极管的距离，并防止在涂覆用于微透镜的光致抗蚀剂层时产生条纹，从而提高厚度的均匀性。该CMOS图像传感器包括：半导体衬底，上面形成有像素阵列，所述像素阵列包括多个光电二极管，所述光电二极管以不同的深度形成于所述半导体衬底上，用于分别感测红色、绿色以及蓝色信号；层间介电质，形成于所述像素阵列的上部，具有预定深度的沟槽；绝缘层侧壁，形成于所述层间介电质的所述沟槽的侧面；以及多个微透镜，以预定间隔形成于所述沟槽内的所述层间介电质上。

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及其制造方法，更具体地，涉及一种在CMOS图像传感器的微透镜阵列形成过程中，微透镜阵列的均匀性能够得到改善的图像传感器及其制造方法。
背景技术
一般而言，图像传感器是将光学图像转换为电信号的半导体器件。在图像传感器中，CMOS图像传感器通过以使用了控制电路和信号处理电路的CMOS技术，制造出与像素数目差不多的光电二极管，以及通过以光电二极管依次检测输出，来适应于开关模式。
对于制造这样的图像传感器，正在作出各种努力来改善图像传感器的光敏感度。
例如，CMOS图像传感器由光电二极管和CMOS逻辑电路组成，其中光电二极管用于感测光，CMOS逻辑电路用于将感测到的光处理为电信号，以将其变为数据。为了获得更好的光敏感度，提出了两种方法。在第一种方法中，试图增加图像传感器的总面积中光电二极管所占的面积。在第二种方法中，采用了各种技术来缩短光的入射路径，在光电二极管的上部形成微透镜，以及在光电二极管区接收更多的光。
另一方面，根据晶体管的数量，CMOS图像传感器分为3T型，4T型和5T型。3T型CMOS图像传感器包括一个光电二极管和三个晶体管，而4T型CMOS图像传感器包括一个光电二极管和四个晶体管。以下参照其等效电路图和布局，说明3T CMOS图像传感器。
图1为根据现有技术的3T CMOS图像传感器的等效电路图。图2为示出3T CMOS图像传感器的单元像素的布局示意图。
如图1所示，根据现有技术的典型3T CMOS图像传感器的单元像素包括一个光电二极管(PD)和三个NMOS晶体管T1、T2以及T3。光电二极管的阴极连接至第一NMOS晶体管T1的漏极以及第二NMOS晶体管T2的栅极。
此外，第一和第二NMOS晶体管T1和T2的源极连接至提供基准电压的电源线，而第一NMOS晶体管T1的栅极连接至提供复位信号的复位线。
此外，第三NMOS晶体管T3的源极连接至第二NMOS晶体管的漏极，第三NMOS晶体管T3的漏极通过信号线连接至读取电路(未示出)。第三NMOS晶体管T3的栅极连接至一组提供选择信号SLCT的选择线。
因此，第一NMOS晶体管T1作为复位晶体管Rx运行，第二NMOS晶体管T2作为驱动晶体管Dx运行。第三NMOS晶体管T3作为选择晶体管Sx运行。
如图2所示，在3T CMOS图像传感器的普通单元像素中限定有源区10。在有源区10的较宽部分形成一个光电二极管20。晶体管的三个栅电极120、130与有源区10的剩余部分重叠。
图3a至图3f为CMOS传感器的剖视图，用于说明根据现有技术的制造具有垂直光电二极管结构的CMOS传感器的方法。
如图3a所示，通过在半导体衬底31的光电二极管区选择性地注入杂质离子形成像素阵列32。该像素阵列32包括以不同的深度形成于半导体衬底上的多个光电二极管，这些光电二极管分别感测红色、绿色和蓝色信号。
接下来，在形成有像素阵列32的半导体衬底31上，依次形成用于处理信号的器件(未示出)和多层金属导线(未示出)。该多层金属导线用于相互连接各自的部分。
接着，在半导体衬底31的整个表面上形成层间介电质33。在层间介电质33上形成氧化层以获得钝化层34，从而保护器件不受潮湿和外部物理震动。
如图3b所示，将光致抗蚀剂35涂覆在钝化层34上之后，通过曝光和显影工艺，选择性地图案化光致抗蚀剂35，以暴露出像素阵列32的上部。
如图3c所示，使用图案化的光致抗蚀剂35作为掩模，选择性地去除形成于像素阵列32上部的钝化层34。
另一方面，选择性地去除钝化层34的过程包括用于为金属焊盘开口的焊盘开口过程，该金属焊盘形成于半导体衬底31的焊盘区。
如图3d所示，去除光致抗蚀剂35，并且通过进行光刻和刻蚀工艺，将布置在像素阵列32上部的层间介电质33经干法刻蚀选择性地去除，从而形成与表面相距预定深度的沟槽36。
如图3e所示，在半导体衬底31的整个表面上涂覆用于微透镜的光致抗蚀剂层37a。
如图3f所示，将用于微透镜的光致抗蚀剂37a选择性地图案化之后，对所得物进行回流工艺，从而在沟槽内的层间介电质33上以预定间隔形成多个微透镜37。
但是，在传统的制造半导体器件的方法中，如图3e所示，在涂敷光致抗蚀剂层37a时，位于沟槽侧面的层间介电质33和钝化层34为垂直分布。因此，光致抗蚀剂层37a不是以相同的厚度涂覆的，并产生条纹。
发明内容
因此，本发明旨在保护一种充分避免由于现有技术的限制和缺点所产生的一或多个问题的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图像传感器及其制造方法，其减少光通过微透镜到达光电二极管的距离，并防止在涂覆用于微透镜的光致抗蚀剂层时产生条纹，从而提高厚度的均匀性。
本发明的其他优点、目的和特征将会在随后的说明书中部分地提出，并且通过随后的细查，其中的一部分对于所属领域技术人员将会变得显而易见，或者通过实施本发明而得到了解。本发明的目的和其他优点可以通过说明书和权利要求中具体指出的结构以及附图实现和获得。
为了实现这些目的和其他优点，并且根据本发明的目的，如在此具体表达和广泛描述的，提供了一种CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器，包括：半导体衬底，上面形成有像素阵列，所述像素阵列包括多个光电二极管，所述光电二极管以不同的深度形成于所述半导体衬底上，用于分别感测红色、绿色以及蓝色信号；层间介电质，形成于所述像素阵列的上部，具有预定深度的沟槽；绝缘层侧壁，形成于具有所述沟槽的所述层间介电质的侧壁；以及多个微透镜，以预定间隔形成于所述沟槽内的所述层间介电质上；其中所述绝缘层侧壁具有坡度。
在本发明的另一方案中，提供一种用于制造CMOS图像传感器的方法，包括以下步骤：在半导体衬底上以不同的深度形成用于感测红色、绿色以及蓝色信号的像素阵列；在包括所述像素阵列的所述半导体衬底的整个表面上依次形成层间介电质和钝化层；选择性地去除在所述像素阵列上部的所述钝化层和所述层间介电质，从而形成与表面相距预定深度的沟槽；在具有所述沟槽的所述层间介电质的侧壁形成绝缘层侧壁；以及在所述沟槽内的所述层间介电质上形成多个微透镜；其中所述绝缘层侧壁具有坡度。
应理解的是，对于本发明的以上概括性说明以及随后的具体说明都是示例性和解释性的，并且意在提供对于所要求的本发明的进一步解释。
附图说明
附图包括于并合并在说明书中，提供对本发明的进一步理解，组成本申请的一部分，示出本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1为根据现有技术的3T CMOS图像传感器的等效电路图；
图2为示出3T CMOS图像传感器的单元像素的布局示意图；
图3a至图3f为CMOS传感器的剖视图，用于说明根据现有技术的制造CMOS传感器的方法；以及
图4a至图4g为CMOS传感器的剖视图，用于说明根据本发明的制造CMOS传感器的方法。
具体实施方式
以下详细说明本发明的优选实施例，其实例在附图中示出。只要可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或相似的部分。
以下，结合附图详细说明根据本发明的图像传感器及其制造方法。
图4g为示出根据本发明的CMOS图像传感器的剖视图。
如图4g所示，该CMOS图像传感器包括半导体衬底101，层间介电质103，绝缘层侧壁107，以及多个微透镜108。像素阵列形成于半导体的衬底101中。该像素阵列包括以不同的深度形成于半导体衬底101上的多个光电二极管，这些光电二极管分别感测红色R，绿色G，以及蓝色B信号。该层间介电质103形成于像素阵列的上部，以在半导体衬底101的整个表面上具有预定深度的沟槽。该绝缘层侧壁107形成于层间介电质103的沟槽的侧面。多个微透镜108以预定间隔形成于沟槽106中的层间介电质103上。
在此，在半导体衬底101上，除了像素阵列102的上部以外，还形成多个器件和金属导线。进而在半导体衬底101上形成钝化层104，以保护器件不受潮湿和外部物理震动。
此外，该绝缘层侧壁具有一坡度角，范围在40到70度之间。
图4a至图4g为CMOS传感器的剖视图，用于说明根据本发明的制造CMOS传感器的方法。
如图4a所示，通过选择性地在半导体衬底100中注入杂质离子，形成像素阵列。该像素阵列102包括多个光电二极管，这些光电二极管以不同的深度形成于光电二极管区，并感测红色R、绿色G以及蓝色B信号。
在此，红色R光电二极管形成于最深的位置，并且绿色G光电二极管和蓝色B光电二极管依次形成于红色光电二极管之上。
此外，红色R光电二极管可以以预定深度形成于半导体衬底101的表面内，并且绿色G光电二极管可以以预定深度形成于第一外延层的表面内，其中该第一外延层通过半导体衬底101的第一外延处理形成。此外，蓝色B光电二极管可以以预定深度形成于第二外延层的表面内，其中该第二外延层通过半导体衬底101的第二外延处理形成在第一外延层上。
接下来，在形成有像素阵列102的半导体衬底101上依次形成用于处理信号的器件(未示出)和多层金属导线(未示出)。该多层金属导线用于相互连接各自的部分。
接着，在半导体衬底101的整个表面上形成层间介电质103。在层间介电质103上形成氧化层以获得钝化层104，从而保护器件不受潮湿和外部物理震动。
如图4b所示，将光致抗蚀剂105涂覆在钝化层104上之后，通过曝光和冲洗工艺选择性地图案化光致抗蚀剂105，以暴露出像素阵列102的上部。
如图4c所示，使用图案化的光致抗蚀剂105作为掩模，选择性地去除形成于像素阵列102上部的钝化层104。
另一方面，选择性地去除钝化层104的过程包括为金属焊盘开口的焊盘开口过程，该金属焊盘形成于半导体衬底101的焊盘区。
如图4d所示，去除光致抗蚀剂105，并且通过进行光刻和刻蚀工艺，将布置在像素阵列102上部的层间介电质103经干法刻蚀选择性地去除，从而形成与表面相距预定深度的沟槽36。
在此，在形成于像素阵列102上部的层间介电质103处形成沟槽106是为了减少微透镜和之后形成的像素阵列101之间的间隔，从而改善敏感度。
另一方面，本发明已经说明了通过分别进行光刻和刻蚀工艺，去除层间介电质103。但是，本发明并不局限于此。例如，可以使用光致抗蚀剂105作为掩模来形成沟槽，不需要去除光致抗蚀剂105。
此外，可以通过使用钝化层104作为硬掩模层，选择性地去除层间介电质103来形成沟槽。
如图4e所示，通过以绝缘层涂覆具有沟槽106的半导体衬底101的整个表面，以及回蚀具有沟槽106的半导体衬底101的整个表面，在层间介电质103和钝化层104的侧壁形成绝缘层侧壁107。
在此，形成绝缘层侧壁107是为了减少沟槽106侧面的陡坡度，其中沟槽106形成于层间介电质103处。
优选地，该绝缘层侧壁的坡度角范围在40到70度之间。为此，优选形成该绝缘层的厚度范围在1到2μm之间。
另外，在由HDP(高密度等离子体)氧化物层、氧化物系统PSG(磷硅玻璃)或USG(未掺杂的硅玻璃)、PETEOS(等离子体增强正硅酸乙酯)层、以及氮化硅Si3N4所组成的集合中任选一个用作绝缘层。
如图4f所示，将用于微透镜的光致抗蚀剂层108a涂覆在包括绝缘层侧壁107和沟槽106的半导体衬底101的整个表面上。
在此，在将用于微透镜的光致抗蚀剂层108a涂覆在半导体的衬底101的整个表面上的时候，因为沟槽106的侧面由于绝缘层侧壁107而具有预定坡度，所以在光致抗蚀剂层108a中没有条纹形成，并且涂覆在半导体衬底101的整个表面上的光致抗蚀剂层108a厚度均匀。
如图4g所示，将用于微透镜的光致抗蚀剂层108a选择性地图案化之后，进行回流工艺，从而在沟槽106中的层间介电质103上以预定间隔形成多个微透镜108。
在此，回流工艺可以通过电热板或炉来进行。此时，微透镜108的曲率根据压缩和加热的方法而变化。校准效果也根据微透镜的曲率而变化。
接着，向待固化的微透镜108照射红外线。在此，通过向待固化的微透镜108照射红外线可以保持最佳的曲率半径。
对于所属领域技术人员显而易见的是，可以对本发明做各种修改和变化。因此，本发明意在覆盖落入所附权利要求及其等同物范围内的本发明的所有修改和变化。
从前面的说明清楚可见，根据本发明的CMOS图像传感器及其制造方法具有以下优点。
也就是，由于绝缘层侧壁形成于沟槽的侧面，缩短了通过微透镜入射至光电二极管的光的路径，增加了光效率。此外，在涂覆用于微透镜的光致抗蚀剂层时，本发明防止了产生条纹，从而形成厚度均匀的微透镜。

Claims (8)

1.一种CMOS图像传感器，包括：
半导体衬底，上面形成有像素阵列，所述像素阵列包括多个光电二极管，所述光电二极管以不同的深度形成于所述半导体衬底上，用于分别感测红色、绿色以及蓝色信号；
层间介电质，形成于所述像素阵列的上部，具有预定深度的沟槽；
绝缘层侧壁，形成于具有所述沟槽的所述层间介电质的侧壁；以及
多个微透镜，以预定间隔形成于所述沟槽内的所述层间介电质上；
其中所述绝缘层侧壁具有坡度。
2.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，还包括：钝化层，形成于除所述像素阵列上部之外的所述层间介电质上。
3.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，所述绝缘层侧壁的坡度角范围在40至70度之间。
4.一种制造CMOS图像传感器的方法，包括以下步骤：
在半导体衬底上以不同的深度形成用于感测红色、绿色以及蓝色信号的像素阵列；
在包括所述像素阵列的所述半导体衬底的整个表面上依次形成层间介电质和钝化层；
选择性地去除在所述像素阵列上部的所述钝化层和所述层间介电质，从而形成与表面相距预定深度的沟槽；
在具有所述沟槽的所述层间介电质的侧壁形成绝缘层侧壁；以及
在所述沟槽内的所述层间介电质上形成多个微透镜；
其中所述绝缘层侧壁具有坡度。
5.如权利要求4所述的方法，还包括：照射并固化所述微透镜。
6.如权利要求4所述的方法，其中，所述绝缘层侧壁的厚度范围在1到2μm之间。
7.如权利要求4所述的方法，其中，所述绝缘层侧壁通过回蚀HDP氧化物层、氧化物系统PSG或USG、PETEOS层、以及氮化硅Si3N4中的任一个形成。
8.如权利要求4所述的方法，其中，所述绝缘层侧壁的坡度角范围在40至70度之间。
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