CN100536157C - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种图像传感器及其制造方法。该图像传感器包括设置在有源区中的多个像素和设置在外围区中的虚设像素。层间介电层在有源区中具有第一厚度以及在外围区中具有比该第一厚度薄的第二厚度。滤色镜设置在有源区中，以及光阻挡部设置在外围区中。在滤色镜和光阻挡部之间基本上不存在高度差。
Description
技术领域
本发明涉及一种图像传感器及其制造方法。
背景技术
通常，图像传感器是一种将光学图像转换为电信号的半导体器件，并且图像传感器主要分为电荷耦合器件(CCD)图像传感器或互补式金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。
典型地，CMOS图像传感器在每个单位像素内包含光电二极管和MOS晶体管，并以开关模式依次检测每个单位像素的电信号来生成图像。
CMOS图像传感器包含多个用于检测光线的像素。像素通常包含：光电二极管；多个用于驱动光电二极管的晶体管；覆盖光电二极管的层间介电层；对应于该光电二极管在层间介电层上设置的滤色镜；在滤色镜上设置的平坦化层(planar layer)；以及在该滤色镜上的平坦化层上设置的微透镜。
CMOS图像传感器的像素设置于有源区内，以及光阻挡区(light blockingregion)通常形成于有源区的周围。在光阻挡区中，滤色镜通常彼此重叠来阻挡入射光。
由于平坦化层覆盖了彼此重叠的滤色镜，所以平坦化层通常会非常厚，因此降低了至光电二极管的入射光。
发明内容
本发明实施例提供一种图像传感器及其制造方法，其可以降低至光电二极管的入射光损耗。
根据本发明实施例，提供一种图像传感器，其包含设置在有源区中的多个像素和设置在外围区中的多个虚设像素。层间介电层覆盖该有源区和外围区，并且在有源区中具有第一厚度以及在外围区中具有第二厚度，其中该第一厚度大于该第二厚度。在有源区中设置滤色镜，以及在外围区中设置光阻挡部。在该滤色镜与该光阻挡部之间基本上不存在高度差。平坦化层设置在该滤色镜和该光阻挡部上且可以很薄。
根据本发明实施例，提供一种图像传感器的制造方法，包含下列步骤：在有源区中形成像素以及在外围区中形成虚设像素。形成在该有源区中具有第一厚度以及在该外围区中具有第二厚度的层间介电层，以使该第一厚度大于该第二厚度。在该外围区中形成光阻挡部，以及在该有源区中形成滤色镜。在该滤色镜与该光阻挡部之间基本上不存在高度差(即不存在台阶)。在该滤色镜和该光阻挡部上形成平坦化层，且该平坦化层可以很薄。
附图说明
图1为示出根据本发明实施例的图像传感器的平面图。
图2为根据本发明实施例的可设置在图像传感器的有源区中的像素的示意图。
图3为示出图2中的像素的布局视图。
图4为根据本发明实施例沿图1的I-I’线的横截面图。
图5为根据本发明另一实施例的横截面图。
图6为示出设置在图4的图像传感器上的微透镜的横截面图。
图7至图12示出根据本发明实施例的图像传感器的制造方法的横截面图。
具体实施方式
在这里，当提及层、区域、图案或结构时所使用的术语“上”或“上方”，应理解为这些层、区域、图案或结构可以直接位于另一层或结构上，或者也可以存在插入的层、区域、图案或结构。当提及层、区域、图案或结构时所使用的术语“下”或“下方”，应理解为这些层、区域、图案或结构可以直接位于另一层或结构下，或者也可以存在插入的层、区域、图案或结构。
请参见图1，根据实施例，图像传感器100包括有源区AR和外围区PR。
在图像传感器100的有源区AR中的衬底上设置多个像素。每个像素P用于检测及输出入射的外部光。
请参见图2和图3，每个像素P包括用于检测外部光的光电二极管PD以及多个晶体管，所述晶体管控制存储于光电二极管PD中的电荷的传输和/或输出。在实施例中，图像传感器100的像素P包含4个晶体管。
像素P可以包含用于感测光的光电二极管PD、转移晶体管Tx，复位晶体管Rx、选择晶体管Sx、以及存取晶体管Ax。
光电二极管PD可与转移晶体管Tx相连接，而转移晶体管Tx可与复位晶体管Rx串连。转移晶体管Tx的源极可与光电二极管PD相连接，以及转移晶体管Tx的漏极可与复位晶体管Rx的源极相连接。可以对复位晶体管Rx的漏极施加电源供应电压VDD。
转移晶体管Tx的漏极可以作为浮置扩散区域FD。浮置扩散区域FD可以和存取晶体管Ax的栅极相连接。选择晶体管Sx可以和存取晶体管Ax串连，以使存取晶体管Ax的源极可以和选择晶体管Sx的漏极相连接。可以对存取晶体管Ax的漏极以及复位晶体管Rx的漏极均施加电源供应电压VDD。选择晶体管Sx的源极可以相当于输出端，以及可以对选择晶体管Sx的栅极施加选择信号。
可通过开启复位晶体管Rx来调整浮置扩散区域FD的电势。一旦浮置扩散区域FD的电势与电源供应电压VDD基本相同，就关闭复位晶体管Rx。上述操作被称为复位操作。
如果外部光入射至入光电二极管PD，则产生电子-空穴对(EHP)，从而使光电二极管PD充满信号电荷。如果开启转移晶体管Tx，则光电二极管PD中的信号电荷会被输出并存储于浮置扩散区域FD中。因此，浮置扩散区域FD的电势可以与从光电二极管PD输出的电荷成比例变化。这会导致存取晶体管Ax的栅极电势发生变化。如果通过选择信号开启选择晶体管Sx，则数据被输出至输出端。然后，像素P可以执行复位操作。每个像素P可以重复执行上述过程以将光信号转换为电信号。
图4为沿图1的I-I’线的横截面图。
请参见图1至图4，在外围区PR中设置虚设像素DP。虚设像素的结构和排布与在有源区AR内设置的像素P的结构和排布基本上相同。虚设像素有助于使外围区PR的高度基本上与有源区AR的高度相同，因此防止了在有源区AR与外围区PR之间出现台阶。
可以在包括像素P和虚设像素DP的衬底上形成层间介电层。在许多实施例中，还可以形成多层层间介电层。在本实施例中，可以在有源区AR和外围区PR的衬底上形成三层层间介电层10a、10b和10c。在有源区AR中的顶层层间介电层10c的部分可以具有第一厚度T1，在外围区PR中的顶层层间介电层10c的部分可以具有第二厚度T2，并使第一厚度T1大于第二厚度T2。在仅具有单层层间介电层的实施例中，第一厚度T1和第二厚度T2分别对应于有源区AR和外围区PR中的该单层层间介电层的厚度。在具有两层或多于三层的层间介电层的实施例中，第一厚度T1和第二厚度T2分别对应于有源区AR和外围区PR中的顶层层间介电层的厚度。
在有源区AR中可以设置第一滤色镜C1、第二滤色镜C2以及第三滤色镜C3。可以为每个像素P设置一个滤色镜。在实施例中，第一滤色镜C1、第二滤色镜C2以及第三滤色镜C3具有相同的厚度T3。
在外围区PR中可以设置具有厚度T4的光阻挡部20。在实施例中，光阻挡部20反射或吸收入射至入外围区PR中的光，从而防止入射到外围区PR中的光进行到有源区AR中。
在实施例中，光阻挡部20的厚度T4和外围区中的层间介电层10c的第二厚度T2之和与每个滤色镜的厚度T3和有源区AR中的层间介电层的第一厚度T1之和基本上相同。因此，滤色镜(C1、C2和C3)的上表面与光阻挡部20的上表面基本上相平。
因此，外围区PR中的层间介电层10c的部分比有源区AR中的层间介电层10c的部分薄。形成光阻挡部20以使其厚度近似等于有源区AR和外围区PR中的层间介电层的厚度差与滤色镜(C1、C2或C3)的厚度和。这样使得光阻挡部20的上表面与滤色镜(C1、C2和C3)的上表面之间基本上不存在高度差(台阶)。
光阻挡部20可以包括第一光阻挡部22和第二光阻挡部24。第二光阻挡部24可以设置在第一光阻挡部22上。在实施例中，第一光阻挡部22可以与第一滤色镜C1基本上相同，以及第二光阻挡部24可以与第二滤色镜C2基本上相同。在某些实施例中，第一光阻挡部可以与任一滤色镜(C1、C2或C3)基本上相同，以及第二光阻挡部可以与另外的两个滤色镜(C1、C2或C3)中的任一一个基本上相同。
在实施例中，光阻挡部20的第二光阻挡部24可以与第一滤色镜C1基本上相同，以及可以在有源区AR的邻近于第二光阻挡部24的部分中设置第三滤色镜C3。
请参见图5，在可选实施例中，第二光阻挡部24可以与第三滤色镜C3基本上相同，以及可以在有源区AR的邻近于第二光阻挡部24的部分中设置第三滤色镜C3。
可以在滤色镜(C1、C2或C3)以及光阻挡部20上设置平坦化层30。在实施例中，由于滤色镜(C1、C2或C3)与光阻挡部20之间基本上不存在高度差，所以平坦化层30可以很薄。
请参见图6，在平坦化层30上可以设置多个微透镜40。微透镜40可以形成在有源区AR中的每个滤色镜(C1、C2或C3)上。
在实施例中，在外围区PR中未设置微透镜。在可选实施例中，可以在外围区PR中设置虚设微透镜45。
图7至图12为示出根据本发明实施例的图像传感器的制造方法的横截面图。
请参见图7，可在有源区AR的衬底上形成像素P，以及在外围区PR中形成虚设像素DP。在实施例中，像素P包含第一像素P1、第二像素P2以及第三像素P3。
在衬底上可至少形成一层层间介电层。在实施例中，在衬底上形成三层层间介电层10a、10b以及10c。可在层间介电层10a、10b和10c之间设置金属互连结构。在实施例中，顶层层间介电层10c具有第一厚度T1。
在层间介电层10c上可以形成光致抗蚀剂薄膜(未显示)。可通过包括曝光和显影工艺的光刻工艺图案化光致抗蚀剂薄膜，以在层间介电层10c上形成光致抗蚀剂图案12。通过光致抗蚀剂图案12覆盖有源区AR，而暴露外围区PR。
然后，通过利用光致抗蚀剂图案12作为蚀刻掩模来图案化层间介电层10c的暴露部分。例如，可通过干法刻蚀工艺蚀刻层间介电层10c。在外围区PR中的层间介电层10c的暴露部分具有第二厚度T2，使得第一厚度T1比第二厚度T2大。
去除光致抗蚀剂图案12。例如，可通过灰化/剥离工艺去除光致抗蚀剂图案12。
请参见图8，可以形成包含第一滤色镜材料的第一滤色镜层，然后对其图案化，由此在有源区AR中的层间介电层10c的部分上形成第一滤色镜C1。根据图8所示的实施例，对应于第二像素P2可以形成第一滤色镜C1。
在实施例中，通过图案化第一滤色镜层材料形成第一光阻挡部22。第一光阻挡部22的厚度可以与第一滤色镜C1的厚度基本上相同，并且顶层层间介电层10c的第一厚度T1和第二厚度T2之间的厚度差与第一滤色镜C1的厚度基本上相同。当在有源区AR中形成第一滤色镜C1时，在外围区PR中可形成第一光阻挡部22。
请参见图9，可以在层间介电层10c上形成包含第二滤色镜材料的第二滤色镜层并对其图案化，由此在有源区AR中的层间介电层10c的部分上形成第二滤色镜C2。根据如图9所示的实施例，对应于第一像素P1可以形成第二滤光片C2。
在实施例中，通过图案化第二滤色镜层材料可以形成第二光阻挡部24。第二光阻挡部24的厚度可以与第二滤色镜C2的厚度基本上相同。第二光阻挡部24可以与第二滤色镜C2同时形成。
请参见图10，可以在层间介电层10c上形成包含第三滤色镜材料的第三滤色镜层并对其图案化，由此在有源区AR中的层间介电层10c的部分上形成第三滤色镜C3。根据如图10所示的实施例，对应于第三像素P3可以形成第三滤光片C3。
请参见图11，可在衬底上形成平坦化层30以覆盖滤色镜(C1、C2和C3)和光阻挡部20。在实施例中，由于滤色镜(C1、C2和C3)与光阻挡部20之间基本上不存在高度差，因此平坦化层30可以很薄。因此，由于降低了平坦化层30的厚度，所以能够增加到达像素(P1、P2和P3)的入射光量。
请参见图12，在实施例中，可在平坦化层30上形成光敏有机层(photosensitive organic layer)并对其图案化，由此在有源区AR中形成微透镜40。在实施例中，可在每个像素(P1、P2及P3)上形成微透镜40。
在实施例中，在外围区PR中可以形成虚设微透镜45。在可选实施例中，在外围区PR中未形成虚设微透镜45。
在根据本发明实施例的图像传感器及其制造方法中，在有源区AR中的滤色镜与外围区PR中的光阻挡部之间基本上不存在高度差，这使得能够降低覆盖滤色镜和光阻挡部的平坦化层的厚度。因此，能够将由于平坦化层导致的光损失降低至最小。
在本说明书中所使用的“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等均表示在该相关实施例中描述的具体特征、结构或特点包含于本发明的至少一个实施例中。在说明书的不同地方出现的这种措辞并不一定限于相同的实施例。此外，当描述与任何实施例相关的具体特征、结构或特点时，应清楚本领域技术人员可以将这些特征、结构或特点实施于其它实施例中。
尽管已经通过参考几个示例性实施例对本发明的实施例进行了描述，应理解本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围内想到其它的修改和实施例。更具体的是，可以在公开文本、附图以及所附权利要求的范围内对元件的组合和/或布置作出各种修改和变化。此外，本领域技术人员来说选用这些元件和/或布置的变化和修改也是显而易见的。
Claims (16)
1.一种图像传感器，该图像传感器包括：
多个像素，设置在衬底的有源区中；
虚设像素，设置在该衬底的外围区中；
层间介电层，设置在该有源区和该外围区上，并在该有源区中具有第一厚度和在该外围区中具有第二厚度，其中该第一厚度大于该第二厚度；
多个滤色镜，设置在该有源区上；
光阻挡部，设置在该外围区的层间介电层上，其中在该光阻挡部的上表面与邻近于该光阻挡部的滤色镜的上表面之间基本上不存在高度差，以及
平坦化层，设置在所述多个滤色镜和该光阻挡部上。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其中该光阻挡部包括位于该外围区的层间介电层上的第一光阻挡部和位于该第一光阻挡部上的第二光阻挡部。
3.如权利要求2所述的图像传感器，其中所述多个滤色镜包括第一滤色镜、第二滤色镜和第三滤色镜；以及
其中该第三滤色镜邻近于该第二光阻挡部。
4.如权利要求3所述的图像传感器，其中该第一光阻挡部基本上与该第一滤色镜相同，以及该第二光阻挡部基本上与该第二滤色镜相同。
5.如权利要求3所述的图像传感器，其中该第一光阻挡部基本上与该第一滤色镜相同，以及该第二光阻挡部基本上与该第三滤色镜相同。
6.如权利要求1所述的图像传感器，还包括位于该有源区的平坦化层上的多个微透镜。
7.如权利要求6所述的图像传感器，还包括位于该外围区的平坦化层上的虚设微透镜。
8.一种图像传感器的制造方法，包含下列步骤：
在半导体衬底的有源区中形成多个像素；
在该半导体衬底的外围区中形成虚设像素；
在所述多个像素和该虚设像素上形成具有第一厚度的层间介电层；
对相应于该外围区的层间介电层的部分进行图案化，以使该外围区中的层间介电层的部分变为第二厚度，其中该第二厚度小于该第一厚度；
在该外围区中形成第一光阻挡部；
在该有源区中形成第一滤色镜；
在该第一光阻挡部上形成第二光阻挡部；
在该有源区上形成第二滤色镜；
在该有源区上形成第三滤色镜；以及
在该第二光阻挡部、该第一滤色镜、该第二滤色镜以及该第三滤色镜上形成平坦化层，
其中在该第二光阻挡部的上表面与邻近于该第二光阻挡部的滤色镜的上表面之间基本上不存在高度差。
9.如权利要求8所述的方法，其中该第一厚度与该第二厚度之间的厚度差等于该第一光阻挡部的厚度。
10.如权利要求8所述的方法，还包括在该有源区的平坦化层上形成多个微透镜的步骤。
11.如权利要求8所述的方法，还包括在该外围区的平坦化层上形成虚设微透镜的步骤。
12.如权利要求11所述的方法，其中在该有源区的平坦化层上形成多个微透镜，所述多个微透镜与该虚设微透镜是同时形成的。
13.如权利要求8所述的方法，其中该第一光阻挡部与该第一滤色镜同时形成。
14.如权利要求13所述的方法，其中该第二光阻挡部与该第二滤色镜同时形成。
15.如权利要求14所述的方法，其中该第二滤色镜邻近于该第二光阻挡部。
16.如权利要求14所述的方法，其中该第三滤色镜邻近于该第二光阻挡部。
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