CN101207148A

CN101207148A - 图像传感器和其制造方法

Info

Publication number: CN101207148A
Application number: CNA2007103021283A
Authority: CN
Inventors: 尹盈提
Original assignee: Dongbu Electronics Co Ltd
Current assignee: DB HiTek Co Ltd
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2008-06-25
Also published as: KR20080058549A; US20080150059A1

Abstract

提供了图像传感器以及制造方法。可以在光电二极管区域上形成可包含沟槽的绝缘层结构。可以在具有对应于光电二极管区域中的光电二极管的滤色器的绝缘层结构上形成滤色器2结构。所述滤色器的上表面可以大致互相平齐。

Description

图像传感器和其制造方法

技术领域

本发明涉及图像传感器及其制造方法。

背景技术

图像传感器是将光学图像转化为电信号的半导体器件，并可以分类为电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。

在制造图像传感器的典型现有技术方法中，在半导体衬底上形成晶体管和电连接到晶体管的光电二极管。在晶体管和光电二极管上形成绝缘层结构和互连，在绝缘层结构上形成红色、绿色和蓝色滤色器。

根据制造图像传感器的典型现有技术的方法，因为滤色器具有不同的厚度，在滤色器的上表面上涂敷光刻胶材料以形成平坦的层。然后，在平坦层的上表面上涂敷另一种光刻胶膜，并进行回流工艺(reflowprocess)以形成微透镜，使得光集中在光电二极管上。然而，覆盖滤色器的平坦层可引起光损失。换句话说，随着平坦层的厚度增加，光信号的灵敏度下降，使得图像传感器的性能也可能下降。

另外，根据制造图像传感器的现有技术的方法，平坦层可抑制微透镜在像素区域上精确地聚焦。因此，为了补偿由于平坦层的厚度的聚焦距离，微透镜往往形成为较薄的。然而，这可降低图像传感器的工艺裕度。

此外，由于在形成有滤色器和平坦层的像素区域以及没有滤光器或平坦层的划线(scribe line)之间的厚度差异，在形成微透镜的过程中可以形成涂层剥离图案。

因此，在所述领域中存在改进图像传感器和其制造方法的需要。

发明内容

本发明的实施方案提供图像传感器及其制造方法，其能够形成具有彼此平齐的上表面的滤色器。

在一个实施方案中，一种图像传感器可包括光电二极管区域、在光电二极管区域上的包括沟槽的绝缘层结构、和绝缘层结构上的滤色器结构。滤色器结构可包括第一滤色器、第二滤色器和第三滤色器。第三滤色器可以比第一滤色器厚，第一滤色器的上表面可以大致与第二滤色器和第三滤色器的上表面平齐。

在一个实施方案中，一种制造图像传感器的方法可包括：在半导体衬底上形成光电二极管区域；在光电二极管区域上形成包括沟槽的绝缘层结构；通过在绝缘层结构的上表面上涂敷并图案化第一滤色器材料形成第一滤色器；通过在绝缘层结构的上表面上涂敷和图案化第二滤色器材料形成第二滤色器；和通过在绝缘层结构的上表面上涂敷和图案化第三滤色器材料形成第三滤色器，其中所述第三滤色器比第一滤色器厚，第一滤色器的上表面大致与第二滤色器和第三滤色器的上表面平齐。

附图说明

图1是显示根据本发明的一个实施方案的图像传感器的横截面图。

图2是显示图1的光电二极管区域的平面图。

图3～8是显示根据本发明的一个实施方案制造图像传感器的方法的横截面图。

具体实施方式

在本发明中使用“上(on)”或“上方(over)”时，当涉及层、区域、图案或结构时，理解为所述层、区域、图案或结构可以直接在另一层或结构上，或也可存在插入其间的层、区域、图案或结构。在本发明中使用“下(under)”或“下方(below)”时，当涉及层、区域、图案或结构时，理解为所述层、区域、图案或结构可以直接在另一层或结构下，或也可存在插入其间的层、区域、图案或结构。

图1表示根据本发明的一个实施方案的图像传感器300，图2是表示图1的光电二极管区域的平面图。

参考图1，根据一个实施方案的图像传感器300可包括光电二极管像素区100、绝缘层结构150、滤色器结构200和微透镜250。光电二极管像素区100可以形成在半导体衬底10的像素区中，以通过入射光产生电信号。光电二极管像素区100可包括任意适当数目的光电二极管。在一个实施方案中，光电二极管像素区100可包括第一像素区102、第二像素区104和第三像素区106。

参考图2，光电二极管像素区100的每个光电二极管像素区20(例如第一像素区102、第二像素区104和第三像素区106)可包括可检测光的光电二极管PD、转移晶体管Tx、重置晶体管Rx、选择晶体管Sx、存取晶体管Ax。转移晶体管Tx的漏极可用作浮置扩散FD区。

再次参考图1，绝缘层结构150可包含绝缘层152以通过覆盖含有光电二极管像素区(例如第一像素区102、第二像素区104和第三像素区106)的半导体衬底10的上部来使多层互连(未显示)彼此绝缘，绝缘层结构150还包括在对应于光电二极管(例如第三像素区106)的绝缘层152的上部中形成的有预定深度的沟槽154。沟槽154的深度例如可以为约300nm～约500nm。

可以在绝缘层结构150的上表面上形成滤色器结构200以传播特定颜色的光。滤色器结构200可包括蓝色滤色器202、绿色滤色器204和红色滤色器206。在一个实施方案中，蓝色滤色器202可以形成在对应于第一像素区102的绝缘层152的上表面上，绿色滤色器204可以形成在对应于第二像素区104的绝缘层152的上表面上，红色滤色器206可以形成在对应于第三像素区106的绝缘层结构150的沟槽154中。

在一个实施方案中，蓝色滤色器202的厚度可以近似等于绿色滤色器204的厚度，而红色滤色器206可以比蓝色滤色器202和绿色滤色器204厚。借助沟槽154的深度，红色滤色器206的厚度可以大于蓝色滤色器202和绿色滤色器204的厚度。因此，尽管红色滤色器206比蓝色滤色器202和绿色滤色器204厚，但是红色滤色器206的上表面可以大致与蓝色滤色器202的上表面和绿色滤色器的上表面平齐。

在一个实施方案中，为了抑制颜色的互相混合，绿色滤色器204可以比蓝色滤色器202稍厚，当绿色滤色器204不但传播绿色波长带的光而且传播波长类似于蓝色波长的光时，有时可能发生所述颜色的互相混合。为了形成具有均一(uniform)的上表面的滤色器结构200同时将绿色滤色器204形成为比蓝色滤色器202稍厚，可以在对应于绿色滤色器204的绝缘层152的一部分中形成第二沟槽，第二沟槽具有对应于绿色滤色器204和蓝色滤色器202之间的厚度差的深度。

微透镜250将光集中到光电二极管像素区100，并可以在滤色器结构200的上表面上形成为部分球形形状。

根据本发明的一个实施方案，滤色器结构200的上表面可以是均一的，并且微透镜250可以直接形成在滤色器结构200上，而不形成平坦层。

因此，由于在滤色器结构200和微透镜250之间不存在平坦层，可以在光传输到光电二极管像素区100时降低光损失。微透镜250也可以更精确地在光电二极管PD上聚焦，使得可以容易地形成微透镜250。另外，因为在划线和形成有光电二极管区域的像素区域之间仅略微地产生的、台阶差异，因此在用于形成微透镜250的光刻胶材料的涂敷期间可以抑制涂层剥离的发生。

另外，因为蓝色滤色器202、绿色滤色器204和红色滤色器206可具有变化的厚度同时滤色器结构200的上表面可以大致均一，所以可以抑制颜色混合现象。

图3～8表示根据本发明的一个实施方案制造图像传感器300的方法。

图3是表示根据本发明的一个实施方案的图像传感器的光电二极管像素区100的横截面图。

参考图3，可以在半导体衬底10上形成包括第一像素区102、第二像素区104和第三像素区106的光电二极管像素区100。尽管图3显示第一像素区102、第二像素区104和第三像素区106，但是光电二极管像素区100可以根据需要包含任意适当数目的像素区，以提供特定的分辨率。

参考图4A，在半导体衬底10上形成光电二极管像素区100之后，可以在半导体衬底10上方在像素区100上形成绝缘层152。

然后，光刻胶膜160可以涂敷在绝缘层152的上表面上。光刻胶膜160可包含例如其在暴露于光的部分中的交联断开的正性光刻胶材料。

参考图4B，在绝缘层上涂敷光刻胶膜160之后，可以通过使用曝光掩模来曝光光刻胶膜160，使得对应于第三像素区106的光刻胶膜160的部分曝光。然后，可以通过蚀刻光刻胶膜160使光刻胶膜160图案化为第一光刻胶图案160a。在蚀刻光刻胶膜160时，仅除去其中通过光反应而断开交联的一部分光刻胶膜160，即仅除去对应于第三像素区106的光刻胶膜160的部分。

然后，利用第一光刻胶图案160a作为蚀刻掩模，通过反应性离子刻蚀(RIE)可以蚀刻绝缘层152。通过蚀刻对应于第三像素区106的绝缘层152的部分，可以形成具有预定深度的沟槽154。例如，沟槽154的深度可以为约300nm～约500nm。

参考图5A和5B，在形成绝缘层结构150之后，蓝色滤色器202可以形成在绝缘层结构150上。

为了形成蓝色滤色器202，可以在绝缘层结构150的整个表面上涂敷蓝色滤色器材料，从而形成蓝色滤色器层202a。蓝色滤色器材料可包括例如蓝色颜料和/或染料和光刻胶材料。在一个实施方案中，光刻胶材料可以为其中在曝光部分中形成交联的负性光刻胶材料。

然后，可以通过包括光刻工艺和显影工艺的光工艺来图案化蓝色滤色器层202a以在相应于第一像素区102的绝缘层结构150上形成蓝色滤色器202。

参考图6A和6B，可以在绝缘层结构150上形成绿色滤色器204。

为了形成绿色滤色器204，可以在绝缘层结构150的整个表面上涂敷绿色滤色器材料，从而形成绿色滤色器层204a。绿色滤色器材料可包括例如绿颜料和/或染料和光刻胶材料。在一个实施方案中，光刻胶材料可以为在曝光部分中形成交联的负性光刻胶材料。

然后，可以通过包括光刻工艺和显影工艺的光工艺来图案化绿色滤色器层204a，以在对应于第二像素区104的绝缘层结构150上形成绿色滤色器204。

在一个实施方案中，绿色滤色器204的厚度近似等于蓝色滤色器202的厚度。

参考图7A和7B，红色滤色器206可以形成在绝缘层结构150上。

为了形成红色滤色器206，可以在绝缘层结构150的整个表面上涂敷红色滤色器材料，从而形成红色滤色器层206a。红色滤色器材料可包括例如红色颜料和/或染料和光刻胶材料。在一个实施方案中，光刻胶材料可以为其中在曝光部分形成交联的负性光刻胶材料。

然后，可以通过利用曝光掩模过程曝光红色滤色器层206a，使得在沟槽154上的红色滤色器层206a的部分曝光。可以通过显影红色滤色器层206a的工艺来图案化红色滤色器层206a，以在沟槽154中形成红色滤色器206。红色滤色器206可以形成得比蓝色滤色器202和绿色滤色器204厚。

可以通过使用与用于曝光涂敷在绝缘层152的上表面上的光刻胶膜160以形成沟槽154相同的曝光掩模来进行红色滤色器层206a的曝光过程。如果通过显影工艺来图案化红色滤色器层206a，仅保留而不是除去光反应形成交联的红色滤色器层206a的部分。即，仅保留在沟槽154上的红色滤色器层206a的部分，使得可以形成红色滤色器206。

在一个实施方案中，通过沟槽154的深度，红色滤色器206的厚度可以比蓝色滤色器202和绿色滤色器204的厚度厚。因此，参考图7B，尽管红色滤色器206可以比蓝色滤色器202和绿色滤色器204厚，但是由于沟槽154，蓝色滤色器202、绿色滤色器204和红色滤色器206的上表面彼此大致平齐。

然后，参考图8，在沟槽154中形成红色滤色器206之后，光刻胶材料可以直接涂敷在蓝色滤色器202、绿色滤色器204和红色滤色器206的上表面上，然后可以对所得结构进行回流工艺，以形成微透镜250。因此，不需要在蓝色滤色器202、绿色滤色器204和红色滤色器206的上表面上形成平坦层。

根据本发明的一个实施方案，蓝色滤色器202的厚度可以近似等于绿色滤色器204的厚度，借助于沟槽154的深度，红色滤色器206可以比蓝色滤色器202和绿色滤色器204厚。因此，蓝色滤色器202、绿色滤色器204、和红色滤色器206的上表面可以互相大致平齐。

在另一个实施方案中，为了抑制颜色互相混合，绿色滤色器204可以比蓝色滤色器202稍厚，当绿色滤色器204传播具有类似于蓝色波长带的波长的光时，有时可能发生所述颜色互相混合。为了形成具有均一上表面的滤色器结构200，同时将绿色滤色器204形成为比蓝色滤色器202稍厚，可以在对应于第二像素区104的绝缘层152的部分中形成沟槽，所述沟槽具有对应于绿色滤色器204和蓝色滤色器202之间的厚度差异的深度。红色滤色器204的沟槽154也可形成在对应于第三像素区104的绝缘层152的部分中。在该实施方案中，在图案化和显影第一光刻胶膜160并蚀刻绝缘层152以形成沟槽154之前或之后可使用第二光刻胶膜。

在本发明的实施方案中，滤色器结构的上表面可以是均一的，使得微透镜可以直接形成在滤色器结构的顶表面上，而不形成平坦层。因此，可以简化图像传感器的制造工艺。

另外，由于在滤色器结构和微透镜之间不存在平坦层，可以在光传输到光电二极管区域时降低光损失，所述微透镜可用于将光更精确地聚焦在光电二极管上。这可改善图像传感器的性能并使得能够容易地形成微透镜。

此外，因为划线和形成有光电二极管区域的像素区域之间的台阶差异可以是小的，所以在形成微型透镜时，当涂敷光刻胶材料时可以使涂层剥离的发生最小化。因此，可以降低弯曲和变色现象的发生。

此外，在一个实施方案中，因为滤色器结构的上表面是均一的，并且红色和绿色滤色器比蓝色滤色器厚，所以可以抑制颜色混合现象的发生。

在该说明书中对“一个实施方案”、“实施方案”、“示例实施方案”等的任何引用，表示与所述实施方案相关的具体的特征、结构或性能包含于与本发明一致的至少一个实施方案中。在说明书不同地方出现的这些术语不必都涉及相同的实施方案。另外，与任何实施方案相关地记载具体特征、结构或性能时，认为在本领域技术人员的范围内能够实现与其他的实施方案相关的这些特征、结构或性能。

尽管本发明中已经参考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/或结构中可能具有各种的变化和改变。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，可替代的用途是显而易见的。

Claims

1.一种图像传感器，包括：

半导体衬底；

在所述半导体衬底上的第一像素区中的第一光电二极管、第二像素区中的第二光电二极管、和第三像素区中的第三光电二极管；

在所述半导体衬底上的绝缘层结构，其中所述绝缘层结构包括在所述第三像素区域上的沟槽；和

在所述绝缘层结构上的滤色器结构，所述滤色器结构包括对应于所述第一像素区的第一滤色器，对应于所述第二像素区的第二滤色器，和对应于所述第三像素区域的第三滤色器；

其中在所述沟槽上提供所述第三滤色器。

2.权利要求1的图像传感器，还包括在所述滤色器结构上的微透镜。

3.权利要求1的图像传感器，其中所述沟槽具有大约400nm的厚度。

4.权利要求1的图像传感器，其中所述第三滤色器比所述第一滤色器厚；和其中所述第一滤色器的上表面与所述第二滤色器的上表面和所述第三滤色器的上表面大致平齐。

5.权利要求1的图像传感器，其中所述第一滤色器的厚度大致等于所述第二滤色器的厚度。

6.权利要求1的图像传感器，其中所述绝缘层结构还包括：

在所述第二像素区域上的第二沟槽，其中所述第二滤色器提供在所述第二沟槽上。

7.权利要求6的图像传感器，其中所述第二滤色器比所述第一滤色器厚，和其中所述第三滤色器比所述第二滤色器厚。

8.权利要求7的图像传感器，其中所述第一滤色器的上表面与所述第二滤色器的上表面以及所述第三滤色器的上表面大致平齐。

9.权利要求1的图像传感器，其中所述第一滤色器是蓝色滤色器，所述第二滤色器是绿色滤色器，所述第三滤色器是红色滤色器。

10.一种制造图像传感器的方法，包括：

在半导体衬底上形成包括第一光电二极管、第二光电二极管和第三光电二极管的光电二极管区域；

形成绝缘层结构，所述绝缘层结构包括在所述第三光电二极管上形成的沟槽；

在所述第一光电二极管上方，在所述绝缘层结构的上表面上形成第一滤色器；

在所述第二光电二极管上方，在所述绝缘层结构的上表面上形成第二滤色器；和

在所述第三光电二极管上方，在所述绝缘层结构的沟槽中形成第三滤色器。

11.权利要求10的方法，其中形成所述绝缘层结构包括：

在绝缘层上沉积光刻胶材料；

曝光和显影所述光刻胶膜以形成光刻胶图案；和

利用所述光刻胶图案作为蚀刻掩模蚀刻所述绝缘层以形成所述沟槽；

其中用于曝光所述光刻胶膜的曝光掩模与用于曝光形成所述第三滤色器的材料的曝光掩模相同。

12.权利要求11的方法，其中所述光刻胶膜是正性光刻胶材料，用于形成所述第三滤色器材料的所述材料是负性光刻胶材料。

13.权利要求10的方法，其中形成所述绝缘层结构包括通过反应性离子刻蚀来蚀刻绝缘层以形成所述沟槽。

14.权利要求10的方法，其中所述沟槽具有大约400nm的深度。

15.权利要求10的方法，其中所述第二滤色器的厚度与所述第一滤色器的厚度大致相等；和其中所述第三滤色器比所述第一滤色器厚；和其中所述第一滤色器的上表面与所述第二滤色器的上表面和所述第三滤色器的上表面大致平齐。

16.权利要求10的方法，其中所述绝缘层结构还包括：

在所述第二光电二极管上的第二沟槽，其中所述第二滤色器形成在所述第二沟槽上。

17.权利要求16的方法，其中所述第二滤色器比所述第一滤色器厚，和其中所述第三滤色器比所述第二滤色器厚。

18.权利要求10的方法，其中所述第一滤色器的上表面与所述第二滤色器的上表面和所述第三滤色器的上表面大致平齐。

19.权利要求10的方法，其中所述第一滤色器是蓝色滤色器，所述第二滤色器是绿色滤色器，和所述第三滤色器是红色滤色器。

20.权利要求11的方法，还包括在每个所述第一滤色器、所述第二滤色器和所述第三滤色器上形成微透镜。