CN101207146A - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种图像传感器及其制造方法，所述方法可包括：在半导体衬底的有源区中形成包括光电二极管结构和绝缘膜结构的像素阵列；在所述绝缘膜结构上形成金属焊盘；在所述金属焊盘上(以及可选地在所述像素阵列上方)形成介电和/或蚀刻停止膜；在所述介电和/或蚀刻停止膜上形成保护层；以及通过蚀刻所述保护层来形成焊盘开口和像素开口。本发明的图像传感器及其制造方法能够简化工艺，并且能够减小光电二极管的焦距以及使得因不同材料之间的折射率差而产生的光反射受到抑制，从而能够提高灵敏度。
Description
本专利申请要求享有申请日为2006年12月20日的韩国专利申请No.10-2006-0131288的优先权，在此结合引用该韩国专利申请的全部内容。
技术领域
本发明涉及图像传感器及其制造方法。
背景技术
图像传感器是一种将光学图像转换成电信号的半导体器件，图像传感器的特点可用电荷耦合器件(CCD)图像传感器或互补金属氧化物硅(Complementary Metal Oxide Silicon，CMOS)图像传感器来表示。
CMOS图像传感器包括单元像素中的光电二极管和MOS晶体管，用于以开关方式顺序地产生和检测电信号，从而实现图像。CMOS图像传感器包括晶体管和像素阵列，其中在半导体衬底上光电二极管电连接到晶体管。在像素阵列上形成包括一个或多个布线层以及接合焊盘的绝缘膜结构。焊盘主要由导电金属形成，该导电金属连接到内部线路(internal wire)并从绝缘膜结构露出以将焊盘电连接到外部线路(external wire)。
在上述绝缘膜结构上形成滤色镜阵列，用于检测不同色彩和/或实现图像传感器的彩色图像。且随后在滤色镜阵列的上表面上施加光致抗蚀剂膜并执行回流(reflow)工艺，从而形成将会聚的光提供至像素阵列内的微透镜。
然而，随着图像传感器的设计规则逐渐变小，单元像素的尺寸减小。因此，从图像传感器的外部入射到微透镜的光量也就减少，导致在光电二极管中检测光变得相对困难。为了提高光电二极管的灵敏度，应减小外部入射光从微透镜行进到光电二极管的长度。因此，为了减小焦距，可以减小光电二极管上的布线和层间介电层的高度。
发明内容
本发明的实施例提供一种用于制造图像传感器的方法，该方法能够通过减小焦距来提高灵敏度。
根据本发明示例性实施例的用于制造图像传感器的方法包括以下步骤：在半导体衬底的有源区中形成包括光电二极管结构和绝缘膜结构的像素阵列；在该像素阵列上形成金属焊盘；在该金属焊盘上形成绝缘膜；在该绝缘膜上形成保护层；通过蚀刻该保护层来形成焊盘开口和像素开口；以及(可选地)除去该绝缘膜。
此外，根据本发明示例性实施例的图像传感器包括：像素阵列，包括光电二极管结构和绝缘膜结构；金属焊盘，位于该像素阵列之上或与该像素阵列相邻；介电膜，位于所述金属焊盘之上；保护层，位于该金属焊盘和该绝缘膜之上；以及暴露出所述金属焊盘的上表面的焊盘开口和暴露出所述绝缘膜结构的上表面的像素开口。
本发明的图像传感器及其制造方法能够简化工艺，并且能够减小光电二极管的焦距以及使得因不同材料之间的折射率差而产生的光反射受到抑制，从而能够提高灵敏度。
附图说明
图1是横截面图，示出示例性光电二极管结构。
图2是俯视图，示出CMOS图像传感器中的一个单元像素。
图3至图7是横截面图，示出用于制造根据本发明实施例的示例性图像传感器的方法。
图8至图10是横截面图，示出用于制造根据本发明替代性实施例的另一示例性图像传感器的方法。
具体实施方式
以下将参照附图描述根据本发明实施例的图像传感器及其制造方法。
图7是横截面图，示出根据本发明实施例的示例性图像传感器。在该示例性图像传感器中，包括光电二极管结构20和绝缘膜结构30的像素阵列形成于半导体衬底10上。此处，该示例性图像传感器具有形成了多个像素的结构，每个像素包括光电二极管和多个MOS晶体管。上述像素阵列可包括x行×y列的阵列，其中x和y各自独立地为至少为2、3、4、8、16等等的整数。像素阵列也可包括两个或更多个像素区块，每个像素区块包含上述阵列。通常，每个单元像素包含3至5个晶体管。
并且，绝缘膜结构30包括层间介电层和金属布线31，其中层间介电层用于光电二极管结构20的绝缘和布线，金属布线31穿透层间介电层(例如穿入和穿出页面)。绝缘膜结构30可包含氧化物(例如可用氟或硼和/或磷掺杂或未掺杂的二氧化硅)，且可选择地具有下部蚀刻停止层(例如SiN)。如果体绝缘膜结构30包含掺杂的氧化物，则在该掺杂的氧化物上方和/或下方可存在未掺杂的二氧化硅层(例如USG和/或TEOS基氧化物)。
金属焊盘40形成于绝缘膜结构30上，用于与外部信号线电连接。因此，金属焊盘40也可称为接合焊盘，用于在其上形成引线接头、球接头、凸点接头(bump bond)等等。
保护层80形成于金属焊盘40的上表面和绝缘膜结构30之上或上方。可选择性地蚀刻金属焊盘40和绝缘膜结构30上的保护层，由此形成焊盘开口110和像素开口120。例如，保护层80可具有包括USG膜61和氮化物膜71的堆叠结构。
滤色镜阵列90和微透镜100形成于被像素开口120暴露出来的绝缘膜结构30上。因此，一方面的滤色镜阵列90和/或微透镜100与另一方面的光电二极管结构20之间的距离，通过保护层80与绝缘膜结构30之间的台阶高度差异(step difference)而减小，从而使得焦距减小，由此能够增加入射到光电二极管的光量。
图1至图7是根据本发明实施例用于制造图像传感器的方法的俯视图和横截面图。
图1是横截面图，示出根据本发明实施例的光电二极管结构20，而图2是俯视图，示出包含于图1所示示例性图像传感器中的单元像素。
参照图3，在半导体衬底10的有源区中形成包括多个光电二极管结构20和绝缘膜结构30的像素阵列。光电二极管结构20包括光电二极管和晶体管结构，如图1和图2所示，以单元像素的形式形成于硅衬底上。示例性单元像素包括光电二极管PD、转移晶体管Tx、复位晶体管Rx、选择晶体管Sx、及存取晶体管(access transistor)Ax，并将光信号转换成电信号以输出图像(或图像的一部分)。光电二极管结构20具有形成了多个上述单元像素的结构。
在光电二极管结构20上形成绝缘膜结构30。绝缘膜结构30设置有层间介电层和下部金属布线31，其中层间介电层用于包括光电二极管结构20的半导体衬底10上的绝缘，下部金属布线31穿透层间介电层以驱动单元像素中的信号。绝缘膜结构30可用多层形式形成于光电二极管结构20上，但图中未示。例如，以FSG膜和TEOS膜的堆叠结构可以形成层间介电层。
连接到下部金属布线31的金属焊盘40形成于绝缘膜结构30上，其中下部金属布线31将连接到外部驱动电路。金属焊盘40是这样形成的：在绝缘膜结构30上形成金属层(图中未示)，形成定义出至少焊盘区(以及可选地，将接合焊盘40连接到图像传感器中其它电路的附加金属布线)的光致抗蚀剂图案(图中未示)，随后利用该光致抗蚀剂图案作为掩模来蚀刻上述金属层。
在绝缘膜结构30和金属焊盘40上形成绝缘膜(即介电膜)50，绝缘膜50与其上所沉积的材料相比，在给定的一组蚀刻条件下具有相对小的蚀刻速率(例如，相对于覆盖材料设定至少1∶10的蚀刻选择率)。例如，绝缘膜50可包括氮化物膜(例如Si3N4)或由氮化物膜(例如Si3N4)构成。
参照图4，保护层60和70形成于绝缘膜50上，用于保护器件免于外部湿气和划伤。例如，保护层60和70可包括USG膜或氮化物膜，或由USG膜或氮化物膜构成，或者是，保护层60和70可用包括USG膜60和氮化物膜70的堆叠结构来形成。通常，保护层60和70是在已知条件下通过化学气相沉积(CVD)来沉积的。保护层60可在沉积保护层70之前被平面化——特别是在保护层60包括USG或基本由USG构成时。在一个实施例中，保护层80使用USG膜作为第一保护层60，并使用氮化物膜作为第二保护层70。
参照图5和图6，在第一保护层60和第二保护层70上形成光致抗蚀剂图案150。光致抗蚀剂图案150包括适用于选择性地暴露出金属焊盘40以及绝缘膜结构30在像素区中的表面的图案，光致抗蚀剂图案150是通过将光致抗蚀剂膜施加到保护层80上并随后将光致抗蚀剂膜图案化来形成的。利用光致抗蚀剂图案150作为蚀刻掩模来蚀刻第一保护层60和第二保护层70。然后，形成暴露出金属焊盘40的上表面的焊盘开口110以及暴露出绝缘膜结构30在像素区中的表面的像素开口120。例如，可通过反应离子蚀刻来蚀刻第一保护层60和第二保护层70。
此时，因为绝缘膜结构30和金属焊盘40上的绝缘膜50可包括氮化物膜，所以它能够在蚀刻第一保护层60时起到蚀刻停止层的作用。因此，第一保护层60和第二保护层70被蚀刻，直到在本示例性实施例中作为蚀刻停止层的绝缘膜50处，从而能够同时形成焊盘开口110和像素开口120。
如果选择性地除去保留在像素开口120中的绝缘膜50，则在像素开口120中选择性地暴露绝缘膜结构30的表面。此时，没有除去焊盘开口110中的氮化物膜(例如，绝缘膜50)，而是将其保留，因此当在后续工艺中形成滤色镜阵列90时，能够将氮化物膜(例如绝缘膜50)用作金属焊盘40的抗腐蚀层。
通过后续工艺，在通过蚀刻保护层80而形成的像素开口120中形成滤色镜阵列90和微透镜100。特别是，因为一方面的滤色镜阵列90和/或微透镜100与另一方面的光电二极管结构20之间的焦距减小，且减小量约等于保护层80与绝缘膜结构30之间的台阶高度差异，因此入射到光电二极管的光量能够增加。
参照图7，在像素开口120中形成滤色镜阵列90，并在滤色镜阵列90中的滤色镜上形成微透镜100。滤色镜阵列90是通过与像素对应地将光致抗蚀剂膜图案化来形成的，上述光致抗蚀剂膜包含：(1)一种或多种颜料和/或染料以及(2)光敏材料。
在形成滤色镜阵列90之后，可在滤色镜阵列90上形成平面化层，但图中未示。当形成滤色镜阵列90而导致滤色镜阵列90中滤色镜之间的台阶高度差异(例如参看图9)时，平面化层消除了滤色镜之间的台阶高度差异。
在形成滤色镜阵列90之后，在与各个滤色镜对应的位置形成微透镜100。微透镜100将外部光会聚到光电二极管结构20中的光电二极管上。
在形成微透镜100之后，可除去焊盘开口110中的绝缘膜50。
滤色镜阵列90和微透镜100形成于绝缘膜结构30的上表面上(此处是通过蚀刻保护层80而形成的像素开口120)，因此滤色镜阵列90和微透镜100的功能和/或聚焦路径(focal path)不会受到保护层80中可能的干扰和/或改变影响，从而能够提高吸收入射光的效率。换言之，当选择性地除去保护层80位于光电二极管结构20上方的预定区域时，与保留了保护层80的区域相比，该预定区域中的折射率就变得较小而焦深变得较短。因此，滤色镜阵列90和微透镜100形成于绝缘膜结构30的除去了保护层80的表面上，使得折射率减小，从而能提高光敏度。并且，穿过微透镜100的光的波长可变得相对大于穿过保护层80的光的波长，从而具有缩短焦距的效果，所以能够减少因光的透射、吸收及反射而导致的退化。
此外，保护层80在微透镜100的形成期间保护金属焊盘40的表面，从而能够防止金属焊盘40的表面受到污染。
图8至图10示出用于制造图像传感器的本发明方法的替代性实施例。图8示出与图6所示的结构类似的图像传感器结构，不过其中的绝缘膜/蚀刻停止层50保持完整(即保留在像素区中)。此后，在像素区中形成具有不同高度的滤色镜91、92及93。上述滤色镜可包括蓝滤色镜(B)、绿滤色镜(G)及红滤色镜(R)。作为选择。上述滤色镜可包括黄滤色镜、蓝绿(cyan)滤色镜及洋红(magenta)滤色镜。通常，各个滤色镜是通过沉积和光刻图案化(例如曝光和显影)而分别形成的。在各种实施例中，第一滤色镜91(例如蓝滤色镜)可具有从6000
至7500(例如从6500至7200)的高度；第二滤色镜92(例如绿滤色镜)可具有比第一滤色镜的高度更大的高度，第二滤色镜92的高度处于6500
至8000
(例如7000至7500)的范围内；而第三滤色镜93(例如红滤色镜)可具有比第二滤色镜的高度更大的高度，第三滤色镜93的高度处于7000
至9000
(例如7500
至8500)的范围内。通常，保护层80的高度大于滤色镜91-93各自的高度。
随后，可在滤色镜91-93上形成平面化层95，如图10所示。平面化层95可包含具有大于90％的光透射率的抗蚀剂(例如对于可见光谱中的所有色彩)。平面化层95可通过毯覆式(blanket)沉积(例如通过旋涂)抗蚀剂并将该抗蚀剂平面化(例如通过回蚀或抛光，如借助固定研磨垫进行的机械抛光或借助浆料进行的化学机械抛光(CMP))来形成。随后，在上面以与图7所示实质上相同的方式，形成微透镜100。
借助于根据本发明实施例的图像传感器以及用于制造该图像传感器的方法，在绝缘膜结构和金属焊盘上形成蚀刻停止层(例如氮化物膜)，由此通过蚀刻保护层而同时形成焊盘开口和像素开口，从而能够简化工艺。
此外，滤色镜和微透镜形成于像素开口中的绝缘膜结构上，从而能够缩短微透镜与光电二极管之间的距离。并且，减小了光电二极管的焦距，从而能够提高灵敏度。
并且，将可包括USG膜和氮化物膜的一个或多个保护层除去，使得因不同材料之间的折射率差而产生的光的反射受到抑制，从而能够提高图像传感器的灵敏度。
在本说明书中，对于“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等等的任何引用都意味着，结合该实施例描述的特定的特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。在本说明书中多处出现的这类短语不一定都引用同一个实施例。此外，当结合任一实施例来描述特定的特征、结构或特性时，应认为结合其它实施例来实现这类特征、结构或特性处于本领域技术人员的范围内。
尽管以上参考多个说明性的实施例描述了本发明，但是应理解本领域技术人员可在本发明公开原理的精神和范围内构想出许多其它修改方案和实施例。更具体地说，在本说明书、附图及所附权利要求书的范围内，本发明的主要组合配置方案的部件和/或配置能够有各种改变和修改。除了部件和/或配置的改变和修改之外，替代性用途对于本领域技术人员来说也是显而易见的。
Claims (18)
1.一种用于制造图像传感器的方法，包括以下步骤：
在半导体衬底的有源区中形成像素阵列，所述像素阵列包括光电二极管结构和绝缘膜结构；
在所述绝缘膜结构上形成金属焊盘；
在所述金属焊盘上形成介电膜；
在所述介电膜上形成保护层；
通过蚀刻所述保护层来形成焊盘开口和像素开口；以及
除去所述介电膜。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述介电膜包括氮化物膜。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述焊盘开口和所述像素开口是同时形成的。
4.根据权利要求3所述的方法，其中蚀刻出所述焊盘开口和所述像素开口的步骤包括反应离子蚀刻工艺。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述介电膜包括蚀刻停止层。
6.根据权利要求5所述的方法，其中在所述金属焊盘和所述绝缘膜结构上都形成所述蚀刻停止层。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述保护层包括USG膜和氮化物膜。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：在所述像素开口中形成滤色镜阵列。
9.根据权利要求6所述的方法，还包括以下步骤：在所述滤色镜阵列上形成微透镜。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述焊盘开口中的所述介电膜包括抗腐蚀层，所述抗腐蚀层配置为当形成所述滤色镜阵列时保护所述金属焊盘。
11.一种图像传感器，包括：
像素阵列，包括光电二极管结构和绝缘膜结构；
金属焊盘，位于所述绝缘膜结构之上；
介电膜，位于所述金属焊盘之上；
保护层，位于所述金属焊盘和所述介电膜之上；以及
焊盘开口和像素开口，所述焊盘开口位于所述保护层中并暴露出所述金属焊盘的上表面，所述像素开口位于所述保护层中并暴露出所述绝缘膜结构的表面。
12.根据权利要求11所述的图像传感器，其中所述保护层包括USG膜和氮化物膜。
13.根据权利要求11所述的图像传感器，其中所述介电膜包括氮化物膜。
14.根据权利要求11所述的图像传感器，还包括：滤色镜阵列，位于所述像素开口中。
15.根据权利要求14所述的图像传感器，还包括：微透镜，位于所述滤色镜阵列之上或上方。
16.根据权利要求14所述的图像传感器，还包括：平面化层，位于所述滤色镜阵列之上。
17.根据权利要求14所述的图像传感器，其中所述滤色镜阵列包括第一滤色镜、不同于所述第一滤色镜的第二滤色镜及不同于所述第一滤色镜和所述第二滤色镜的第三滤色镜。
18.根据权利要求11所述的图像传感器，其中所述介电膜也位于所述像素开口中的所述绝缘膜结构之上。
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