CN101188244A - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例涉及一种图像传感器及其制造方法。在本发明实施例中，图像传感器可包括：光电二极管结构，具有在半导体衬底上排列的多个像素；无机微透镜组，包含无机物质，并排列在与该光电二极管结构上的多个像素的第一像素组中的像素对应的位置；和有机微透镜组，包含有机物质，并排列在与该光电二极管结构上的多个像素中的除了无机微透镜组之外的第二像素组对应的位置。在本发明实施例中，形成微透镜，以使得在相邻微透镜之间不存在间隙。

Description

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
图像传感器可以一种被配置为将光学图像转换为电信号的半导体器件，并且可分类为电荷耦合器件(CCD)和CMOS图像传感器中的一种。
通过以下过程来制造现有技术的图像传感器。
首先，可在半导体衬底上形成晶体管和电连接至晶体管的光电二极管。在晶体管和光电二极管上可形成绝缘层结构和互连。随后，在绝缘层结构上可形成滤色镜，其包含红色、绿色和蓝色滤色镜。在滤色镜上可涂覆正型的光致抗蚀剂膜，从而形成平坦化层。之后，在平坦化层上可涂覆光致抗蚀剂膜，并随后可执行回流处理，从而形成微透镜，用以提供导向至光电二极管的光。
然而，在通过上述对光致抗蚀剂膜图案化而形成微透镜时，在微透镜之间可形成大约100-200nm的间隙，并且光可通过该间隙射入。因此，大大降低了图像的质量。
发明内容
本发明实施例涉及一种图像传感器及其制造方法。本发明实施例可提供一种通过去除微透镜之间的间隙来提高图像质量的图像传感器，以及该图像传感器的制造方法。
根据本发明实施例，提供一种图像传感器，包括：光电二极管结构，包含在半导体衬底上排列的多个像素；无机微透镜组，包含无机物质，并排列在与该光电二极管结构上的多个像素的第一像素组对应的位置；和有机微透镜组，包含有机物质，并排列在与该光电二极管结构上的多个像素的除了无机微透镜组之外的第二像素组对应的位置。
根据本发明实施例，提供一种图像传感器的制造方法，可包括如下步骤：在半导体衬底上形成包含多个像素的光电二极管结构；在所述光电二极管结构上形成氧化层；对所述氧化层进行图案化，以在与多个像素的第一像素组对应的位置形成第一微透镜组；在所述光电二极管结构上形成光致抗蚀剂膜；和对所述光致抗蚀剂膜进行图案化，以在与多个像素的未包含在所述第一微透镜组中的第二像素组对应的位置形成第二微透镜。
附图说明
图1是根据本发明实施例的图像传感器的横截面图。
图2是在图1中所示的光电二极管结构中包括的其中一个像素的平面图。
图3是根据本发明实施例的图像传感器中的光电二极管结构的横截面图。
图4是示出在图3中所示的光电二极管结构上形成氧化层的横截面图。
图5是示出对图4中所示的氧化层进行图案化从而形成无机微透镜组的横截面图。
图6是示出在图5中所示的平坦化层上形成并图案化光致抗蚀剂膜的横截面图。
图7是示出通过图案化图6中所示的光致抗蚀剂膜形成的预备微透镜的横截面图。
具体实施方式
图1是根据本发明实施例的图像传感器的横截面图。
参照图1和图2，图像传感器100可包括：半导体衬底10、光电二极管结构50、无机微透镜组60和有机微透镜组70。
光电二极管结构50可位于半导体衬底10上。在本发明实施例中，光电二极管结构50可包括：多个像素20、绝缘层结构30、滤色镜40和平坦化层48。
多个像素20可形成在半导体衬底10上。在图1中，作为实例示出4个像素20。以下，将4个像素20定义为第一、第二、第三和第四像素16、17、18和19。此外，第一和第三像素16和18可构成第一像素组，第二和第四像素17和19可构成第二像素组。
在本发明实施例中，作为实例，在第一像素组中的像素个数可以是像素20的总个数的一半。在本发明实施例中，在第一像素组中的像素个数没必要一定是像素20的总个数的一半，像素组中的像素个数可以改变。
图2是在图1中所示的光电二极管结构中包括的其中一个像素的平面图。
参照图2，像素20可包括光电二极管PD和晶体管结构(TS)。
晶体管结构(TS)可包括：转移晶体管Tx、复位晶体管Rx、选择晶体管Sx和存取晶体管Ax。
在光电二极管PD中，转移晶体管Tx和复位晶体管Rx可串联。转移晶体管Tx的源极可连接至光电二极管PD，转移晶体管Tx的漏极可连接至复位晶体管Rx的源极。可向复位晶体管Rx的漏极施加电源电压Vdd。
转移晶体管Tx的漏极可用作浮置扩散区(FD)。浮置扩散区FD可连接至选择晶体管Sx的栅极。选择晶体管Sx和存取晶体管Ax可串联。即，选择晶体管Sx的源极与存取晶体管Ax的漏极可彼此连接。可向存取晶体管Ax的漏极和复位晶体管Rx的源极施加电源电压Vdd。选择晶体管Sx的漏极可对应于输出终端OUT，并且可向选择晶体管Sx的栅极施加选择信号。
以下将简单描述根据本发明实施例的图像传感器100中的光电二极管结构50的像素20的操作。
首先，可导通复位晶体管Rx，以使得浮置扩散区FD的电压与电源电压Vdd相同，随后可关闭复位晶体管Rx。这种操作可定义为复位操作。
当外部光射入在光电二极管PD上时，在光电二极管中可产生电子-空穴对，从而在光电二极管PD中可聚积信号电荷。随后，如果转移晶体管Tx导通，则在光电二极管中聚积的信号电荷可输出至浮置扩散区FD，并被存储在浮置扩散区FD中。
因此，浮置扩散区FD的电压可以与从光电二极管PD输出的信号电荷的量成比例改变，因此可改变存取晶体管Ax的栅极的电压。根据本发明实施例，如果通过选择信号导通选择晶体管Sx，则可将数据输出至输出终端OUT。
在数据输出之后，在像素20中可再次执行复位操作。构成光电二极管结构50的各像素20重复执行上述处理，以将光转换成电信号，从而输出图像。
再参照图1，可在半导体衬底10上排列的像素20上形成绝缘层结构30。可在绝缘层结构30中形成用以驱动像素20的互连结构(未示出)。
可在绝缘层结构30上排列滤色镜40。滤色镜40可包括绿色、红色和蓝色滤色镜42、44和46。在本发明实施例中，可在第一像素16和第三像素18上排列绿色滤色镜42，可在第二像素17上排列红色滤色镜44，以及可在第四像素19上排列蓝色滤色镜46。
可在滤色镜40上形成平坦化层48。如果在滤色镜40之间形成阶差，则平坦化层48可用以去除阶差。
可在包含像素20、绝缘层结构30、滤色镜40和平坦化层48的光电二极管结构50中的平坦化层48上形成无机微透镜组60和有机微透镜组70。构成无机微透镜组60的透镜个数优选地等于构成有机微透镜组70的透镜个数。
在本发明实施例中，例如可在上述定义的第一像素组16和18上排列无机微透镜组60。无机微透镜组60可包括无机物质。具体地，无机微透镜组60可以是通过在大约400℃至450℃下经过LPCVD处理形成的低温氧化层。
例如可在上述定义的第二像素组17和19上排列有机微透镜组70。有机微透镜组70可包括有机物质。在本发明实施例中，有机微透镜组70可包括光致抗蚀剂物质和/或感光材料。
在本发明实施例中，可在平坦化层48上共同排列无机微透镜组60和有机微透镜组70，从而可去除在无机微透镜组60和有机微透镜组70之间的间隙。这是因为可通过薄膜图案化处理形成无机微透镜组60，以及可通过回流处理形成有机微透镜组70。
图3是根据本发明实施例在图像传感器中的光电二极管结构的横截面图。
参照图3，可在半导体衬底10上形成光电二极管结构50。
为了形成光电二极管结构50，可在半导体衬底10上形成包括3至5个晶体管的晶体管结构TS以及均具有光电二极管PD的多个像素20。以下，在半导体衬底10上形成的多个像素20中的如图1所示的像素20可定义为第一至第四像素16、17、18和19。此外，第一像素16和第三像素18(间隔排列的像素)可构成第一像素组，第二像素17和第四像素19(间隔排列的像素)可构成第二像素组。
在半导体衬底10上形成像素20之后，可在半导体衬底10上形成绝缘层结构30。绝缘层结构30可用以覆盖像素20和使得像素20绝缘。在形成绝缘层结构30的同时，可在绝缘层结构30中形成用以驱动像素的互连结构(未示出)。
在形成绝缘层结构30之后，可在绝缘层结构30上形成滤色镜40。可通过对含有色素或染料和光致抗蚀剂的光致抗蚀剂膜进行图案化来形成滤色镜40。滤色镜40可包括绿色、红色和蓝色滤色镜42、44和46。可在对应于第一像素组的绝缘层结构30上形成绿色滤色镜42，以及可在对应于第二像素组的绝缘层结构30上形成红色和蓝色滤色镜44和46。
在形成滤色镜40之后，可在滤色镜40上形成平坦化层48，从而制造光电二极管结构50。如果在滤色镜40之间形成阶差，则平坦化层48可用以去除阶差。
图4是示出在图3中所示的光电二极管结构上形成氧化层的横截面图。图5是示出对图4中所示的氧化层进行图案化从而形成无机微透镜组的横截面图。
参照图4和图5，在形成光电二极管结构50之后，可在平坦化层48上形成氧化层62。在本发明实施例中，氧化层62可以是在400℃至450℃下通过LPCVD(低压化学气相沉积)处理形成的低温氧化层。
在形成氧化层62之后，例如可通过旋涂处理等在氧化层62上形成光致抗蚀剂膜(未示出)。之后，对光致抗蚀剂膜进行图案化，从而在氧化层62上形成牺牲(sacrifice)微透镜图案64。在本发明实施例中，例如可在第一像素组16和18上形成牺牲微透镜图案64。
随后，可通过利用牺牲微透镜图案64作为蚀刻掩模进行回蚀处理来蚀刻氧化层62，从而形成与图5中所示的第一像素组16和18对应的无机微透镜图案60。
图6是示出在图5中所示的平坦化层上形成并图案化光致抗蚀剂膜的横截面图。图7是示出通过图案化图6中所示的光致抗蚀剂膜形成的预备微透镜的横截面图。
参照图6，可在具有无机微透镜图案60的平坦化层48的表面(例如，整个表面)上形成光致抗蚀剂膜72。例如可通过旋涂处理等形成光致抗蚀剂膜72。在本发明实施例中，光致抗蚀剂膜72例如可包括正型光致抗蚀剂材料。
在形成光致抗蚀剂膜72之后，可在光致抗蚀剂膜72上排列刻线(reticle)74。刻线74可包括光吸收部76和光发射部78。在对应于具有无机微透镜图案60的第一像素组16和18的位置可形成光吸收部76。在对应于不具有无机微透镜图案60的第二像素组17和19的位置可形成光发射部78。
在光致抗蚀剂膜72上排列刻线74之后，使用刻线74可暴露光致抗蚀剂膜72，从而使得对应于光发射部78的光致抗蚀剂膜72曝光。之后，可使用显影溶液对曝光的光致抗蚀剂膜72进行显影，从而可在图7中所示的平坦化层48上形成预备微透镜79。
可通过图1中所示的回流处理使得预备微透镜79变为有机微透镜70。在本发明实施例中，可以在对应于第二像素组17和19的位置形成有机微透镜70。
当回流预备微透镜79时，预备微透镜79可流动并与无机微透镜60的边缘接触。为此，在无机微透镜60和有机微透镜70之间不形成间隙。
如上所述，可通过回流处理，对含有无机物质的无机层进行图案化以形成无机微透镜，以及可对含有有机物质的有机层进行图案化以形成有机微透镜，从而去除在无机微透镜和有机微透镜之间的间隙。因此，可改善由图像传感器产生的图像质量。
对于所属领域普通技术人员清楚的是，可以对本发明实施例进行各种修改和改变。因此，本发明实施例旨在覆盖在所附权利要求的范围内进行的修改和改变。也可以理解的是，在提到一个层在另一层或衬底“上”或“上方”时，表示这个层可直接在该另一层或衬底上，或者也可以在其间插入有其它层。

Claims (20)

1.一种器件，包括：
光电二极管结构，其包含在半导体衬底上排列的多个像素；
无机微透镜组，其包含无机物质，并排列在与该光电二极管结构上的多个像素的第一像素组中的像素对应的位置；和
有机微透镜组，其包含有机物质，并排列在与该光电二极管结构上的多个像素的第二像素组中的像素对应的位置。
2.如权利要求1所述的器件，其中所述第一像素组和所述第二像素组没有共有像素。
3.如权利要求1所述的器件，其中所述无机微透镜组包括在400℃至450℃温度下形成的低温氧化层。
4.如权利要求1所述的器件，其中所述有机微透镜组包括感光材料。
5.如权利要求1所述的器件，其中构成所述第一像素组的像素个数等于像素总数的一半。
6.如权利要求5所述的器件，其中所述第一像素组包括在所述多个像素中的间隔排列的像素。
7.如权利要求1所述的器件，其中构成所述无机微透镜组的微透镜和构成所述有机微透镜组的微透镜以交替方式排列。
8.如权利要求7所述的器件，其中构成所述有机微透镜组的所述微透镜中的至少一个与构成所述无机微透镜组的所述微透镜中的至少一个接触，并消除相接触的透镜之间的间隙。
9.如权利要求8所述的器件，其中通过回流处理形成构成所述有机微透镜组的所述微透镜。
10.一种方法，包括如下步骤：
在半导体衬底上形成包含多个像素的光电二极管结构；
在所述光电二极管结构上形成氧化层；
对所述氧化层进行图案化，以在与所述多个像素的第一像素组对应的位置形成第一微透镜组；
在所述光电二极管结构上形成光致抗蚀剂膜；和
对所述光致抗蚀剂膜进行图案化，以在未包含在所述第一像素组中的剩余像素的第二像素组对应的位置形成第二微透镜组。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述形成氧化层的步骤包括：在400℃至450℃执行低压化学气相沉积处理。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述形成第一微透镜组的步骤包括：
在所述氧化层上形成光致抗蚀剂膜；
对所述光致抗蚀剂膜进行图案化，以形成牺牲微透镜图案；和
使用所述牺牲微透镜图案作为蚀刻掩模来对所述氧化层进行图案化。
13.如权利要求10所述的方法，其中所述形成第二微透镜组的步骤包括：
对所述光致抗蚀剂膜进行图案化，以形成预备微透镜；和
对所述预备微透镜进行回流处理，使得在所述第一微透镜组和所述第二微透镜组之间不形成间隙。
14.如权利要求10所述的方法，其中构成所述第一微透镜组的至少一个透镜位于构成所述第二微透镜组的透镜之间。
15.如权利要求10所述的方法，其中构成所述第一微透镜组的透镜个数等于构成所述第二微透镜组的透镜个数。
16.一种器件，包括：
第一光电二极管，其位于半导体衬底上；
第二光电二极管，其位于半导体衬底上且与所述第一光电二极管相邻；
第一无机微透镜，其位于所述第一光电二极管上；和
第一有机微透镜，其位于所述第二光电二极管上。
17.如权利要求16所述的器件，其中所述第一无机微透镜和所述第一有机微透镜彼此接触。
18.如权利要求17所述的器件，其中通过回流处理形成所述第一有机微透镜。
19.如权利要求17所述的器件，还包括：
与所述第二光电二极管相邻的第三光电二极管和与所述第三光电二极管相邻的第四光电二极管；和
位于所述第三光电二极管上的第二无机微透镜和位于所述第四光电二极管上的第二有机微透镜，所述第二无机微透镜与所述第一有机微透镜接触，以及所述第二有机微透镜与所述第二无机微透镜接触，使得在相邻的微透镜之间不存在间隙。
20.如权利要求17所述的器件，其中所述第一无机微透镜包括在大约400℃至450℃温度下形成的低温氧化层。
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