CN101183663B

CN101183663B - 图像传感器及其制造方法

Info

Publication number: CN101183663B
Application number: CN2007101703201A
Authority: CN
Inventors: 尹盈提
Original assignee: Dongbu Electronics Co Ltd
Current assignee: DB HiTek Co Ltd
Priority date: 2006-11-13
Filing date: 2007-11-12
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2027-11-12
Also published as: KR100801850B1; CN101183663A

Abstract

一种制造图像传感器的方法，包括形成第一到第三光电二极管和与其对应的第一到第三彩色滤光器；在第一到第三彩色滤光器的上表面上形成包括光敏材料的光刻胶膜；通过在单个彩色滤光器之间的边界处，使用具有第一宽度的第一光透射部分的第一图案掩模，利用第一曝光能量曝光所述光刻胶膜，形成第一曝光部分；通过使用具有宽于第一宽度的第二宽度的第二光透射部分的第二图案掩模，利用小于第一曝光能量的第二曝光能量曝光所述光刻胶膜，形成交叠第一曝光部分的一部分的第二曝光部分；和通过显影所述光刻胶膜形成微透镜。

Description

图像传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及图像传感器及其制造方法。

背景技术

图像传感器定义为将光学图像转化为电信号的半导体器件。电荷耦合器件(CCD)和CMOS图像传感器等是典型的图像传感器。

CMOS图像传感器包括布置在像素区中检测光量的多个像素和对应于像素的微透镜以利用像素聚集光。

发明内容

本发明的实施方案提供一种图像传感器及其制造方法，其减小微透镜之间的间隙和/或微透镜的球面像差。

根据一个实施方案的制造图像传感器的方法可包括以下步骤：形成第一到第三光电二极管和对应于第一到第三光电二极管的第一到第三彩色滤光器；在第一到第三彩色滤光器的上表面上形成包括光敏材料的光刻胶膜；使用在第一彩色滤光器和第二彩色滤光器之间的第一边界和在第二彩色滤光器和第三彩色滤光器之间的第二边界处具有第一宽度的第一光透射部分的第一图案掩模，利用第一曝光能量曝光(或辐照)所述光刻胶膜，形成第一曝光部分；使用在第一和第二边界处具有比第一宽度更宽的第二宽度的第二光透射部分的第二图案掩模，利用小于第一曝光能量的第二曝光能量曝光(或辐照)所述光刻胶膜，形成交叠第一曝光部分的一部分的第二曝光部分；和通过使光刻胶膜显影形成微透镜。

根据另一个实施方案的制造图像传感器的方法包括以下步骤：形成第一到第三光电二极管和对应于第一到第三光电二极管的第一到第三彩色滤光器；在第一到第三彩色滤光器的上表面上形成包括光敏材料的光刻胶膜；利用具有对应于第一彩色滤光器和第二彩色滤光器之间的第一边界和第二彩色滤光器和第三彩色滤光器之间的第二边界的光透射部分的图案掩模，聚焦曝光光刻胶膜；利用所述图案掩模散焦曝光所述聚焦曝光的光刻胶膜；和通过使所述聚焦曝光和散焦曝光的光刻胶膜显影形成微透镜。

根据又一个实施方案的制造图像传感器的方法包括以下步骤：形成第一到第三光电二极管和对应于第一到第三光电二极管的第一到第三彩色滤光器；在第一到第三彩色滤光器的上表面上形成包括光敏材料的光刻胶膜；使用各个彩色滤光器上的位于各个彩色滤光器的边缘和中心之间的多个同心圆的光透射部分来图案化光刻胶膜；和通过使所述曝光的光刻胶膜显影形成微透镜。

根据另一个实施方案的制造图像传感器的方法包括以下步骤：形成第一到第三光电二极管和对应于第一到第三光电二极管的第一到第三彩色滤光器；在第一到第三彩色滤光器的上表面上形成具有第一光敏度的光刻胶膜；在第一光刻胶膜上形成具有比第一光敏度高的第二光敏度的第二光刻胶膜；和通过利用一个或多个图案掩模图案化第一和第二光刻胶膜形成微透镜，使得图案化的第一光刻胶膜具有第一区域，图案化的第二光刻胶膜具有小于第一方形区域的第二区域。

图像传感器可包括在半导体衬底的像素区中配置为由接收的入射光产生电信号的光电二极管结构；和布置在光电二极管结构上或上方的非球面微透镜。通常，所述图像传感器含有与其具有的光电二极管结构相同数目的非球面微透镜。

附图说明

图1是显示光电二极管结构、绝缘层结构、和彩色滤光器的截面图；

图2是显示包含如图1所示的光电二极管结构之一的示例性单元像素的平面图；

图3是图2所示的单元像素的电路图；

图4是显示在图2的结构上的光刻胶膜的截面图；

图5是显示图4所示的光刻胶膜的第一曝光的截面图；

图6是显示图4～5所示的光刻胶膜的第二曝光的截面图；

图7是显示(至少部分)通过显影如图6所示的光刻胶膜形成一个或多个微透镜的截面图；

图8是显示根据第二实施方案在光刻胶膜上或上方的图案掩模对准的截面图；

图9显示当光刻胶膜通过图8所示图案掩模聚焦曝光时，光刻胶膜的曝光特征图；

图10显示当光刻胶膜通过图8所示图案掩模散焦曝光时，光刻胶膜的曝光特征图；

图11是显示根据第三实施方案在光刻胶膜上或上方的图案掩模对准的截面图；

图12显示暴露于透过图11或12所示的图案掩模的光的光刻胶的曝光特征图；

图13是显示根据第四实施方案的双层光刻胶膜上的图案掩模对准的截面图；

图14是显示根据第四实施方案，图13的双层光刻胶膜在曝光和显影之后的截面图；和

图15是根据第四实施方案，双层微透镜回流之后的截面图。

具体实施方式

以下，将参考附图详细说明根据实施方案的图像传感器及其制造方法。

第一实施方案

图1是显示光电二极管结构、绝缘层结构、和彩色滤光器层70的截面图。通常，单个彩色滤光器72、74和76对应于图像传感器的色彩处理系统(例如，红色、绿色和蓝色彩色滤光器[即，RGB系统]或黄色、青色和品红色彩色滤光器[即YCM系统])。

参考图1，为了制造图像传感器，首先在半导体衬底10上形成多个在像素区50中的光电二极管结构，包括第一到第三光电二极管结构(例如20、30和40)。如本领域技术人员所显而易见的，像素区50包括一个或多个(优选多个)单个像素，每个像素包含单个光电二极管22、32或42。

尽管显示三个光电二极管结构20、30和40作为光电二极管结构50，但是可以在衬底10上布置对应于分辨率的多个光电二极管结构50。第一到第三光电二极管结构20、30和40各自包括第一到第三光电二极管22、32和42。

图2是显示单元像素24的平面图，包括第一光电二极管结构PD(例如，图1所示光电二极管结构的22、32或42)，图3是图2的单元像素的电路图。

参考图1、2和3，第一光电二极管结构20或单元像素24包括感测光量的光电二极管PD和晶体管结构。晶体管结构包括转移晶体管Tx、重置晶体管Rx、选择晶体管Sx、和存取晶体管Ax。

转移晶体管Tx和重置晶体管Rx串联连接到光电二极管PD。转移晶体管Tx的一个源极/漏极端(通常源极)连接到光电二极管PD，转移晶体管Tx的另一个源极/漏极端(通常漏极)连接到重置晶体管Rx的源极。电源电压Vdd施加于重置晶体管Rx的漏极。

转移晶体管Tx的漏极用作浮置扩散层FD。浮置扩散(FD)层连接到选择晶体管Sx的栅极。选择晶体管Sx和存取晶体管Ax串联连接。换句话说，选择晶体管Sx的源极和存取晶体管Ax的漏极彼此连接。

电源电压Vdd施加于选择晶体管Sx的漏极和重置晶体管Rx的源极。存取晶体管Ax的漏极对应于输出端Out，存取晶体管Ax的栅极连接到选择信号。

将简要地描述具有上述结构的第一光电二极管结构20的操作。首先，通过打开重置晶体管Rx，使浮置扩散(FD)层的电势等于电源电压Vdd，然后关闭重置晶体管Rx。这种操作定义为重置操作。

如果外界光入射到光电二极管PD上，则在光电二极管PD内产生电子空穴对(EHP)，使得在光电二极管PD内累积信号电荷。然后，在转移晶体管Tx打开时，累积在光电二极管PD内的累积信号电荷输出到浮置扩散层FD，以存储在浮置扩散(FD)层中。

因此，浮置扩散(FD)层的电势与由光电二极管PD输出的电荷量成比例变化，从而改变选择晶体管Sx的栅极的电势。此时，如果通过选择信号Row打开存取晶体管Ax，则数据输出到输出端Out。

输出数据之后，再次进行重置操作。包括第一光电二极管结构20的各个光电二极管结构50重复这一过程，由此将光转化为电信号用于输出(例如到显示器件)。

在半导体衬底10上形成光电二极管结构50之后，在半导体衬底10上形成绝缘层结构60。绝缘结构60可包括氧化物(例如，二氧化硅，掺杂有氟或硼和/或磷，富硅氧化物，或[氢化]碳氧化硅[例如，SiOC和/或SiOCH])、绝缘氮化物(例如，氮化硅)、氧氮化物(例如，氮氧化硅)、或其层合的组合。在后一种情况下，可以在绝缘层结构60中，在绝缘层中或在绝缘层之间形成线路结构(未显示)。在图1的实施方案中，绝缘层结构60可以包括在光电二极管结构50中。

在绝缘层结构60上形成彩色滤光器层70。彩色滤光器层70包括例如选择性透射红光波长的红色滤光器72、选择性透射绿光波长的绿色滤光器74、和选择性透射蓝光波长的蓝色滤光器76。在图1的实施方案中，红色、绿色、和蓝色滤光器72、74和76可具有相同的厚度或不同的厚度。

图4是显示在图1所示的彩色滤光器上光刻胶膜的形成的截面图。

参考图4，在绝缘层结构60上形成彩色滤光器层70之后，在彩色滤光器层70上沉积(通常通过液相沉积或旋涂)包括一种或多种光敏材料的光刻胶膜80。

在图4的实施方案中，光敏材料可包括正型光敏材料(例如，其中光减少交联)。或者，光敏材料可包括负型光敏材料(例如，其中光形成交联)。

图5是显示图4所示的光刻胶膜的第一曝光的横截面图。

参考图5，在形成光刻胶膜80之后，在光刻胶膜80上对准第一图案掩模90。第一图案掩模90具有第一光透射部分92。在图5的实施方案中，第一光透射部分92具有第一宽度W1。在对应于第一彩色滤光器72和第二彩色滤光器74之间和第二彩色滤光器74和第三彩色滤光器76之间的边界的位置处，在掩模90上形成第一光透射部分92。

在图5的实施方案中，在光刻胶膜80上或其上方对准第一图案掩模90之后，使光刻胶膜80暴露于通过第一图案掩模90的第一光透射部分92透射的光，使得在光刻胶膜80上形成第一曝光部分82。

在图5的实施方案中，通过第一光透射部分92透射的光具有第一曝光能量，并且利用第一曝光能量形成第一曝光部分82(例如，从第一曝光部分82可具有相对大宽度的光刻胶膜80的上表面到该上表面相反的第一曝光部分82可具有相对小宽度的下表面)。可选择地和/或另外地，第一曝光部分82具有由通过掩模90的第一光透射部分92的光的聚焦特征控制的轮廓和/或斜度。

图6是显示图5所示的光刻胶膜的第二曝光的截面图。

参考图6，在光刻胶膜80中形成第一曝光部分82之后，在光刻胶膜80上或在其上方对准第二图案掩模100。第二图案掩模100具有第二光透射部分102。在图6的实施方案中，第二光透射部分102具有大于第一宽度W1的第二宽度W2。在对应于第一彩色滤光器72和第二彩色滤光器74之间和第二彩色滤光器74和第三彩色滤光器76之间的边界的位置处，在掩模90上形成第二光透射部分102。

在图6的实施方案中，通过第二光透射部分102透射的光具有第二曝光能量，其可为第一曝光能量的40％～60％。在图6的实施方案中，例如，第二曝光能量可以为第一曝光能量的50％。

利用第二曝光能量形成第二曝光部分84。第二曝光部分84交叠第一曝光部分82，并具有比第一曝光部分82更浅或更小的厚度和更宽或更大的宽度。可选择地和/或另外地，第二曝光部分102具有由通过第二掩模100的第二光透射部分102的光的聚焦特征和/或能量控制的轮廓、深度和/或斜度。例如，第二曝光部分102的深度可以为光刻胶膜80厚度的30～70％、40～60％，或在一个例子中，为约50％。

图7是通过显影图6所示的光刻胶膜形成微透镜(或微透镜前体)的截面图。

参考图7，在形成第二曝光部分84之后，使用常规显影剂显影光刻胶膜，从而通过显影剂除去第一和第二曝光部分82和84，以在各个彩色滤光器(例如74)上形成微透镜或微透镜前体。形成微透镜88之后，可以在微透镜(前体)88上进行回流工艺以形成最终的微透镜。

本发明的方法通过类似于掩模90或100之一的掩模获得相对于常规的单曝光工艺的特殊优点和/或长处。例如，光刻法的曝光/辐照工艺的控制通常比热回流工艺的控制更容易。因此，通过本发明的方法一般地提高了容限，结果，本发明的方法能更易于控制用于形成最终微透镜的热回流工艺。

而且，本发明方法的一个目的是提供一种微透镜前体，其形状比通过常规单掩模工艺提供的形状更类似于最终微透镜的形状。因此，可用第二和第三掩模代替第二掩模100，其中第二掩模具有中间宽度(大于W1)和中间深度(小于第一曝光部分82的深度)，第三掩模具有最大的宽度(大于中间宽度)和最浅的深度(小于中间深度)。

第二实施方案

图8是根据第二实施方案在光刻胶膜上对准图案掩模的截面图。在根据第二实施方案制造图像传感器的方法中，形成光刻胶结构50、绝缘层结构60、彩色滤光器70、和光刻胶膜80的步骤基本上与上述实施方案相同，因此此处将省略其说明。此外对于相同的组成，将给出相同的附图标记和术语。

参考图8，在包括正型光敏材料的光刻胶膜80上对准图案掩模110。图案掩模110具有光透射部分112。

在第二实施方案中，在掩模110上对应于第一和第二彩色滤光器72和74之间、和第二和第三彩色滤光器74和76之间的边界的位置处形成光透射部分112。

图9显示当光刻胶膜通过图8所示图案掩模110聚焦曝光时，光刻胶膜的曝光特征图，图10显示当光刻胶膜通过图8所示图案掩模110散焦曝光时，光刻胶膜的曝光特征图。

参考图8～10，在光刻胶膜80上对准图案掩模110之后，首先使用具有第一曝光能量的光来聚焦曝光光刻胶膜80。当聚焦曝光光刻胶膜80时，初步曝光第一曝光部分(例如类似于图5中的曝光部分82)，使得其具有相对深的深度和相对窄的宽度。

其后，使用具有第二曝光能量的光来散焦曝光光刻胶膜80，但是使用相同的图案掩模110。当散焦曝光所述聚焦曝光的光刻胶膜80时，光刻胶膜80在与聚焦曝光相比相对宽的宽度上再次曝光。

在第二实施方案中，优选聚焦曝光中的第一曝光能量和散焦曝光中的第二曝光能量为完全曝光光刻胶膜80的曝光能量的约一半(例如，40～60％)。

如上所述，在聚焦曝光和散焦曝光之后，通过用常规的显影剂显影光刻胶层80形成光刻胶膜80来形成微透镜，其中用这样的方式形成的微透镜可大幅改善相邻微透镜之间的分辨率。作为选择，可以反转聚焦曝光和散焦曝光步骤，没有明显的相反作用。

第三实施方案

图11是根据第三实施方案在光刻胶膜80上或上方对准图案掩模120的截面图。在根据第三实施方案制造图像传感器的方法中，形成光电二极管结构50、绝缘层结构60、彩色滤光器层70和光刻胶膜80的步骤基本上与上述另一实施方案相同，因此，此处将省略其重复的说明。此外，相同的组成将使用相同的附图标记和术语。

参考图11，在光刻胶膜80的上表面上或上方对准图案掩模120。在该实施方案中，图案掩模120具有多个光透射部分122。在一个实施方案中，多个光透射部分122在每个彩色滤光器72、74和76上方形成为同心圆，该同心圆从各个第一到第三彩色滤光器72、74和76的中心部分朝向第一到第三彩色滤光器72、74和76的边缘，和/或反之亦然。

在该实施方案中，对应于一个彩色滤光器的约三到五个光透射部分122形成为同心圆，其中光透射部分122之间的间隙可以为150nm～200nm。同时，各个光透射部分122的宽度可以作为从彩色滤光器的边缘到各个彩色滤光器(例如72、74或76)中心的距离的函数连续地和/或间断地变宽。

图12是显示利用通过图11和/或12所示的图案掩模的光透射部分透射的光的光刻胶曝光的特征图。

参考图12，在对应于一个彩色滤光器的区域中形成图案掩模120的多个光透射部分122，并且光透射部分122的宽度增加可使光透射部分122更接近彩色滤光器的中心(或使光透射部分更远离彩色滤光器的边缘)。其后，使用掩模120的光透射部分122曝光并显影光刻胶图案，使得其能够在彩色滤光器上形成极好的微透镜。

在各种实施中，掩模120的彩色滤光器区域中心上的光透射部分122具有掩模120的整个彩色滤光器区域宽度的约20％～约40％的宽度。通常，微透镜越薄，中心光透射部分122的宽度就越大，并且微透镜越厚，中心光透射部分122的宽度就越小。然而，最外侧的光透射部分122可具有与掩模120的分辨率极限一样小的宽度。

第四实施方案

图13是根据第四实施方案在光刻胶膜(例如81和83)上或上方对准图案掩模130的截面图。在根据第四实施方案的制造图像传感器的方法中，形成光电二极管结构50、绝缘层结构60、和彩色滤光器层70的步骤基本上与如上所述的实施方案相同，并且因此，此处将省略其重复的说明。此外，对于相同的组成将给出相同的附图标记和术语。

参考图13，在彩色滤光器层70上侧上形成第一光刻胶膜81和第二光刻胶膜83。第一光刻胶膜81具有第一光敏度。第二光刻胶膜83具有比第一光刻胶膜81的第一光敏度更高的第二光敏度，第二光刻胶膜83通常在第一光刻胶膜81的上侧上。

在该实施方案中，第二光刻胶膜83的厚度和光学折射系数可以独立地与第一光刻胶膜81的相同或不同。此外，第一光刻胶膜81和第二光刻胶膜83也可具有相同的熔点(例如，加热时，膜81和83可显示出相同或类似的性能和/或现象)。然而，第二光刻胶膜83的光敏度可以为第一光刻胶膜81的光敏度的约1.2倍或以上(例如，约1.5倍到约2倍)。

图14是说明根据第四实施方案曝光之后的光刻胶膜的视图。

参考图14，在第一光刻胶膜81和第二光刻胶膜83的上表面上或上方对准图案掩模130。在该实施方案中，图案掩模130具有多个光透射部分132。

在该实施方案中，在掩模130上对应于第一彩色滤光器72和第二彩色滤光器74之间、和第二彩色滤光器74和第三彩色滤光器76之间的边界的位置处，形成各光透射部分132。

使用图案掩模130图案化第一和第二光刻胶膜81和83以形成具有第一区域的下部微透镜部分85和具有小于第一区域的第二区域的第二上部微透镜部分86。通常，第二上部微透镜部分86形成在第一微透镜85上。尤其是，具有比第一光刻胶膜81更高光敏度的第二光刻胶膜83被移除到比第一光刻胶膜81更大的程度，使得第二光刻胶膜83具有比第一光刻胶膜81更小的区域。

同时，通过掩模130透射向第一和第二光刻胶膜81和83的光可以聚焦在第二光刻胶膜83的上表面上。如果这种光聚焦在第二光刻胶膜83的上表面上，那么在图案化第一和第二光刻胶膜81和83时，显影的膜81和83的侧壁可具有相对于膜81和/或83的上表面或下表面的预定倾斜或角度。

图15是说明根据第四实施方案的微透镜85/86回流的视图。

参考图15，通过使第一和第二微透镜85和86退火可以制造非球面的微透镜。根据该实施方案的图像传感器可使得微透镜和微透镜之间的间隙小，在有些情况下接近或等于零(0)。

此外，根据该实施方案的图像传感器可形成非球面形状的微透镜，使得可矫正微透镜中的球面像差。例如，微透镜在中心(例如，在微透镜的最厚部分和/或在其附近，尤其是在第四实施方案的上部微透镜部分86的最内部区域中)附近可具有一般的凸形，在边缘(例如在微透镜的最薄部分和/或在其附近，尤其是在第四实施方案中下部微透镜部分85的最外部区域中)附近通常为凹形，和/或在中间厚度部分(例如，在第四实施方案中，在上部微透镜部分86和下部微透镜部分85之间界面和/或在其附近)为基本上线性倾斜。

如上所述，本发明的优点涉及形成具有极好聚光性能的微透镜能力。

在该说明书中对″一个实施方案″、″实施方案″、″例子实施方案″等的任何引用，表示与实施方案相关的具体的特征、结构、或性能包含于本发明的至少一个实施方案中。在说明书不同地方的这些术语不必都涉及相同的实施方案。在本说明书中不同地方出现的这些术语不必都表示相同的实施方案。此外，关于任何实施方案记载具体的特征、结构或性能的时候，认为其在本领域技术人员实现与其他的实施方案相关这些特征、结构或性能的范围内。

尽管已经参考其许多说明性的实施方案描述了实施方案，但是很清楚本领域技术人员可以知道很多的其它改变和实施方案，这些也在本公开的原理的精神和范围内。更具体地，在公开、附图和所附的权利要求的范围内，在本发明的组合排列的构件和/或结构中可能具有许多变化和改变。除构件和/或结构的变化和改变之外，对本领域技术人员而言，可替代的用途会是显而易见的。

Claims

1.一种制造图像传感器的方法，包括以下步骤：

形成第一到第三光电二极管和对应于所述第一到第三光电二极管的第一到第三彩色滤光器；

在所述第一到第三彩色滤光器的上表面上形成具有第一光敏度的第一光刻胶膜；

在所述第一光刻胶膜上形成具有比所述第一光敏度更高的第二光敏度的第二光刻胶膜；和

通过使用一个或多个图案掩模图案化所述第一和第二光刻胶膜来形成微透镜，使得所述图案化的第一光刻胶膜具有在所述光电二极管结构上的第一区域，并且所述图案化的第二光刻胶膜具有小于所述第一区域的第二区域。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括退火并回流所述第一和第二光刻胶膜。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一光刻胶膜具有与所述第二光刻胶膜相同的厚度。

4.根据权利要求1所述的方法，其中使用单个图案掩模来图案化所述第一光刻胶膜和所述第二光刻胶膜。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二光刻胶膜的第二光敏度为所述第一光刻胶膜的第一光敏度的1.5倍～2倍。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一光刻胶膜和所述第二光刻胶膜具有相同的折射率。