CN101211842A - Cmos图像传感器的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CMOS图像传感器的制造方法。一种CMOS图像传感器的制造方法包括在含有像素区和外围区的半导体衬底上方形成外延层。在含有外围区和在其中形成上层焊盘的外延层上方至少形成一层氧化物薄膜。在氧化物薄膜上方形成氮化物薄膜。对于氮化物薄膜使用用于开启像素区中的主像素区的第一光刻胶图案执行初级阵列蚀刻工艺。对于氮化物薄膜和氧化物薄膜使用用于开启上层焊盘的第二光刻胶图案执行次级阵列蚀刻工艺。将像素区的氧化物薄膜倾斜地去除到预定深度。在次级阵列蚀刻工艺之后可以在像素区上方形成多个色彩滤镜和多个微透镜。
Description
本申请要求享有2006年12月29日提交的韩国专利申请No.10-2006-0137288的权益，在此引入其全部内容作为参考。
技术领域
本发明涉及一种CMOS图像传感器，更具体地，涉及一种CMOS图像传感器的制造方法。
背景技术
图像传感器将光学图像转换为电信号。图像传感器可能分为互补型金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器或电荷耦合器件(CCD)图像传感器。与CMOS图像传感器相比CCD图像传感器具有相对较高的感光性和较低的噪音。然而，CCD图像传感器更难于小型化以及与其它器件集成。CCD图像传感器的功率损耗也较高。另一方面，CMOS图像传感器比CCD图像传感器使用更加简化的工艺制造。CMOS图像传感器更易于小型化并与其它器件集成。CCD图像传感器的功率损耗也较高。
随着半导体器件制造技术发展，CMOS图像传感器的制造技术及CMOS图像传感器的特征已有明显改进。因此，近年来已经对CMOS图像传感器进行了广泛研究。
CMOS图像传感器的像素包括用于接收光线的光敏二极管和用于控制来自光敏二极管的图像信号的CMOS器件。根据通过色彩滤镜入射的红光、绿光和蓝光的波长和强度，光敏二极管产生电子-空穴对。光敏二极管基于产生的电子数量改变输出信号。来自光敏二极管的输出信号的聚集能够使得图像降级。
图1示出了CMOS图像传感器的现有制造方法中发生的问题的视图。如图1所示，CMOS图像传感器包括像素区和外围电路区。像素区包括诸如光敏二极管的光电转换部分。外围电路区包括用于检测从像素区输出的信号的多个电路和焊盘。外围电路区围绕像素区。
现在将描述CMOS图像传感器的现有制造方法。在包括光敏二极管的半导体衬底上方形成外延层(未示出)。在外延层上方形成多个钝化层2和3。随后，蚀刻上层钝化层3以形成含有多个色彩滤镜的色彩滤镜阵列(CFA)4，。此后，在CFA 4上方形成多个微透镜5。
通过用于形成CFA 4的阵列蚀刻技术蚀刻上层钝化层3以减小其厚度，从而，大量光线到达用于接收光线的光敏二极管。因此，可以改进光敏二极管的光敏性。
然而，当使用现有阵列蚀刻技术时，可能深度蚀刻上层钝化层3。因此，在像素区发生台阶差。由于台阶差，在包括形成CFA 4的工艺和形成微透镜5的工艺的后续工艺中可能发生变形。即，在台阶附近的CFA 4和微透镜5变形，如标号“A”所示。因此，应该较浅地，不要过深地蚀刻上层钝化层3。
然而。如果过浅地蚀刻上层钝化层3，由于上层钝化层3的厚度，使得微透镜5和光敏二极管之间的距离增加，从而光线透射效率降级。
发明内容
本发明的实施方式涉及一种能够防止色彩滤镜阵列和微透镜由于阵列蚀刻工艺所形成的上层钝化层中的台阶差而变形的CMOS图像传感器的制造方法。实施方式涉及一种包括在含有像素区和外围区的半导体衬底上方形成外延层的CMOS图像传感器的制造方法。在其中含有外围区及在其中形成的上层焊盘的外延层上方至少形成一层氧化物薄膜。在氧化物薄膜上方可以形成氮化物薄膜。使用用于在像素区中开启主像素区的第一光刻胶图案对于氮化物薄膜执行初级阵列蚀刻工艺。使用用于开启上层焊盘的第二光刻胶图案对于氮化物薄膜和氧化物薄膜执行次级阵列蚀刻工艺。可将像素区的氧化物薄膜倾斜地去除到预定深度。在次级阵列蚀刻工艺之后，可以在像素区上方形成多个色彩滤镜和多个微透镜。
在实施方式中，方法还包括在上层焊盘中形成接触孔。方法还包括在初级阵列蚀刻工艺之后去除第一光刻胶图案。在实施方式中，可以通过初级阵列蚀刻工艺蚀刻氮化物薄膜，从而部分地暴露氧化物薄膜。在实施方式中，氧化薄膜的形成可以包括在外延层上方形成第一氧化物薄膜；在外围区中的第一氧化物薄膜上方形成上层焊盘；以及形成第二氧化物薄膜以覆盖上层焊盘。
实施方式涉及一种包括在含有像素区和外围区的半导体衬底的外延层上方形成下层钝化层，并且可以在外围区的下层钝化层上方形成上层焊盘的CMOS图像传感器的制造方法。可以形成上层钝化层以覆盖上层焊盘。相对于上层钝化层执行初级阵列蚀刻工艺，从而使用用于开启像素区的主像素区的第一光刻胶图案部分地暴露下层钝化层。可以在包括初级阵列蚀刻工艺之后残留的上层钝化层的衬底的整个表面上方形成具有预定斜面的未掺杂硅酸盐玻璃(USG)薄膜。可以在USG薄膜上方形成具有预定斜面的氮化物薄膜。可以使用用于开启上层焊盘的第二光刻胶图案对于氮化物薄膜和上层和下层钝化层执行次级阵列蚀刻工艺，从而暴露上层焊盘。在次级阵列蚀刻工艺之后可以在像素区中形成多个色彩滤镜和多个微透镜。
在实施方式中，可以在氮化物薄膜上方涂覆光刻胶并将其固化，从而使得氮化物薄膜轻微倾斜。在实施方式中，USG薄膜的形成可以包括使用高密度等离子体化学气相沉积(HDPCVD)工艺沉积USG。
附图说明
图1示出了在CMOS图像传感器的相关制造方法中发生的问题的视图。
图2A到2C示出了根据本发明的实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的横截面图。
图3A到3D示出了根据本发明实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的横截面图。
具体实施方式
图2A到2C示出了根据本发明实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的横截面图。如图2A所示，根据本发明实施方式的CMOS图像传感器包括在其下表面上方形成的外延层10。换句话说，在半导体衬底上方形成外延层10。外延层10包括像素区，其中形成诸如光敏二极管的光电转换部分。外延层还包括具有用于检测从像素区输出的信号的多个电路和焊盘的外围区。换句话说，由像素区和外围区限定在半导体衬底上方形成的层。此后，假定在含有像素区和外围区的半导体衬底上方形成根据本发明实施方式的多个层。
在外延层10上方形成钝化层20。在实施方式中，钝化层20由氧化物薄膜形成。当形成钝化层20时，执行平整化工艺以平整化其上表面。将钝化层20分为形成于像素区中的部分和形成于外围区中的部分。形成于外围区的部分中包括上层焊盘21。
在钝化层20上方形成氮化物薄膜30。在所形成的氮化物薄膜30上方形成用于在像素区开启主像素区的第一光刻胶图案41。氮化物薄膜30由例如Si3N4形成。
在钝化层20上方顺序形成氮化物薄膜30和第一光刻胶图案41之后，对于像素区执行初级阵列蚀刻工艺。即，氮化物薄膜30经过在像素区中形成第一光刻胶图案41所使用的初级阵列蚀刻工艺。因此，通过初级阵列蚀刻工艺部分地暴露在像素区中形成的钝化层20。
在通过初级阵列蚀刻工艺暴露钝化层20之后，如图2B所示，在外围区和像素区上执行次级阵列蚀刻工艺。即，为了开启外围区的上层焊盘21并在像素区中形成用于形成色彩滤镜和微透镜的空间，执行次级阵列蚀刻工艺。
在去除初级阵列蚀刻工艺中所用第一光刻胶图案41之后执行次级阵列蚀刻工艺。使用用于开启外围区的上层焊盘21的区域的第二光刻胶图案42执行次级阵列蚀刻工艺。通过次级阵列蚀刻工艺蚀刻氮化物薄膜30和钝化层20，以便暴露外围区的上层焊盘21。
同时，如示例图2B所示，对于沿虚线50的像素区钝化层20，执行各向同性蚀刻工艺。通过各向同性蚀刻工艺以与上层焊盘21相同的深度形成用于形成色彩滤镜和微透镜的空间，从而该空间轻微倾斜。另外，可在像素区具有由虚线50表示的轮廓的部分上方涂覆光刻胶图案并且固化，使得空间更加轻微倾斜。
如示例图2C所示，在去除第一光刻胶图案41之后，使用用于开启上层焊盘21的区域的第三光刻胶图案43蚀刻氮化物薄膜30和钝化层20。暴露外围区的上层焊盘21。同时，在像素区钝化层20上执行各向异性反应离子蚀刻(RIE)工艺以形成具有与由虚线50表示的氮化物薄膜30的台阶差相同的形状的钝化层20的轮廓。因此，能够防止在包括形成色彩滤镜阵列的工艺和形成微透镜的工艺的后续工艺中由于像素区的台阶差而发生变形。可选地，在形成如示例图2C中虚线所示的钝化层20轮廓之后，可能在由虚线表示的台阶差上方涂覆光刻胶并随后固化，从而具有更轻微的斜面。
参考示例图3A到3D描述根据本发明的实施方式的CMOS图像传感器的制造方法。如示例图3A所示，根据本发明实施方式的CMOS图像传感器包括在衬底下表面上方形成的外延层100。在包括像素区和外围区的半导体衬底的整个表面上方形成外延层100。
外延层100包括其中形成诸如光敏二极管的光电转换部分的像素区以及用于检测从像素区输出的信号的多个电路和焊盘的外围区。在外延层100上方形成多个钝化层200和300。在实施方式中，钝化层200和300由氧化物薄膜形成。在外延层100上方的形成多个钝化层200和300中，在平坦下层钝化层200上方形成上层钝化层300。当形成下层钝化层200时，在下层钝化层上表面上执行平整化工艺。
随后，在下层钝化层200上表面与外围区对应的区域中形成上层焊盘210。然后，形成上层钝化层300，以覆盖上层焊盘210。即，将钝化层200和300分为在像素区中形成的部分和在外围区中形成的部分，并且上层焊盘210包含在外围区中形成的上层钝化层300中。
平坦下层钝化层200由未掺杂硅酸盐(USG)形成，而上层钝化层300由正硅酸乙酯(TEOS)形成。因此，在形成上层钝化层300之后，通过涂覆具有上层钝化层300的上层焊盘210在外围区中形成凸起表面。在形成上层钝化层300之后，在上层钝化层300上方形成用于开启像素区的第一光刻胶图案并且使用第一光刻胶图案蚀刻上层钝化层300。
如示例图3B所示，通过蚀刻上层钝化层300部分地暴露像素区的下层钝化层200。在通过蚀刻工艺部分地暴露像素区的下层钝化层200之后，通过灰化工艺去除第一光刻胶图案。在含有残留上层钝化层300的衬底的整个表面上方使用高密度等离子体化学气相沉积(HDPCVD)工艺沉积USG。
因此，如示例图3C所示，形成具有轻微斜面的USG薄膜400。此后，使用化学机械抛光(CMP)工艺平整化USG层400。可选地，可以使用NH3基或CxFy基等离子体蚀刻USG薄膜400，以便形成具有大约2000到3000的厚度同时具有轻微斜面的USG薄膜400。
在形成USG薄膜400之后，如示例图3C所示，例如，在具有轻微斜面的USG薄膜400上方形成由Si3N4形成的氮化物薄膜500。氮化物薄膜500具有基本与USG薄膜400相似的斜面。
在形成氮化物薄膜500之后，如示例图3D所示，在氮化物薄膜500上方形成用于形成连接到外围区的上层焊盘210的接触孔的光刻胶图案。使用该光刻胶图案执行用于形成接触孔的干刻工艺。此后，在像素区的氮化物薄膜500上方顺序形成多个色彩滤镜和微透镜。可选地，在形成氮化物薄膜500以及顺序形成多个色彩滤镜和微透镜之前，可以在像素区的氮化物薄膜500上方涂覆光刻胶并固化，以具有更轻微的斜面。
因此，当根据本发明的实施方式执行阵列蚀刻工艺时，可以更深地形成用于形成多个色彩滤镜和微透镜的空间，并且由此防止台阶差的发生。因此，能够防止在包括形成色彩滤镜的工艺和形成微透镜的工艺的后续工艺中发生由于像素区的台阶差引起的变形。
如上所述，根据本发明的实施方式，由于当执行阵列蚀刻工艺时可以更深地形成用于形成多个色彩滤镜和微透镜的空间，降低了微透镜和光敏二极管之间的距离从而改进光耦合效率。
由于可以防止当执行阵列蚀刻工艺时发生的像素区的台阶差，能够有效地防止在包括形成色彩滤镜的工艺和形成微透镜的工艺的后续工艺中发生由于像素区的台阶差引起的变形。
显然对于本领域技术人员可以对所公开的实施方式作出各种改进和变型。因此，所公开的实施方式覆盖所有落入所附权利要求及其等效物内所包含的范围之内的改进和变型。
Claims (20)
1.一种方法，包括：
在含有像素区和外围区的半导体衬底上方形成外延层；
在所述外延层上方至少形成一层氧化物薄膜，在其中含有形成的上层焊盘的所述外围区的外延层上方形成的氧化物薄膜；
在所述氧化物薄膜上方形成氮化物薄膜；
在所述氮化物薄膜之上使用用于开启像素区的主像素区的第一光刻胶图案执行初级阵列蚀刻工艺；
在所述氮化物薄膜和所述氧化物薄膜之上使用用于开启上层焊盘的第二光刻胶图案执行次级阵列蚀刻工艺，并且倾斜地将所述像素区的氧化物薄膜去除到预定深度；以及
在所述像素区上方形成多个色彩滤镜和多个微透镜。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包含在所述上层焊盘中形成接触孔。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包含在所述初级阵列蚀刻工艺之后去除所述第一光刻胶图案。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过所述初级阵列蚀刻工艺蚀刻所述氮化物薄膜，以部分地暴露所述氧化物薄膜。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将所述氧化物薄膜倾斜地蚀刻到预定深度之后，在所述像素区中的氧化物薄膜上方涂覆光刻胶并固化，从而具有轻微斜面。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由所述次级阵列蚀刻工艺执行各向同性蚀刻工艺。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由所述次级阵列蚀刻工艺执行各向异性反应离子蚀刻工艺。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化物薄膜的形成包括：
在所述外延层上方形成第一氧化物薄膜；
在所述外围区中的第一氧化物薄膜上方形成所述上层焊盘；以及
形成第二氧化物薄膜以覆盖所述上层焊盘。
9.根据权利要求8所述的方法，包括在形成所述第二氧化物薄膜之前平整化所述第一氧化物薄膜。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述氮化物薄膜由Si3N4形成。
11.一种方法，包括：
在含有像素区和外围区的半导体衬底的外延层上方形成下层钝化层；
在所述外围区的下层钝化层上方形成上层焊盘；
形成上层钝化层以覆盖所述上层焊盘；
在所述上层钝化层之上执行初级阵列蚀刻工艺，以使用用于开启所述像素区的主像素区的第一光刻胶图案部分地暴露所述下层钝化层；
在含有初级阵列蚀刻工艺之后残留的所述上层钝化层的所述衬底的整个表面上方形成具有预定斜面的未掺杂硅酸盐玻璃薄膜；
在所述未掺杂硅酸盐玻璃薄膜上方形成具有预定斜面的氮化物薄膜；
对于所述氮化物薄膜和上层以及下层钝化层使用用于开启所述上层焊盘的第二光刻胶图案执行次级阵列蚀刻工艺，以暴露所述上层焊盘；以及
在所述次级阵列蚀刻工艺之后在所述像素区中形成多个色彩滤镜和多个微透镜。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述氮化物薄膜上方涂覆光刻胶并固化，以轻微地倾斜所述氮化物薄膜。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，使用化学机械抛光工艺平整化所述USG薄膜。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述未掺杂硅酸盐玻璃薄膜的形成包括使用高密度等离子体化学气相沉积工艺沉积未掺杂硅酸盐玻璃。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，以约2000到3000的厚度形成所述未掺杂硅酸盐玻璃薄膜。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，包括使用NH3基等离子体蚀刻所述未掺杂硅酸盐玻璃薄膜，以更轻微地倾斜所述未掺杂硅酸盐玻璃薄膜。
17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，包括使用CxFy基等离子体蚀刻所述未掺杂硅酸盐玻璃薄膜，以更轻微地倾斜所述未掺杂硅酸盐玻璃薄膜。
18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述上层钝化层由正硅酸乙酯形成。
19.一种装置，包括：
在含有像素区和外围区的半导体衬底上方形成的外延层；
在所述外延层上方形成的至少一层氧化物薄膜，所述氧化物薄膜在包括在其中形成的上层焊盘的所述外围区的所述外延层上方形成；
在所述氧化物薄膜上方形成的氮化物薄膜；
蚀刻到所述像素区的主像素区上方的所述氮化物薄膜的开口；
蚀刻到所述像素区的所述上层焊盘和所述氧化物薄膜上方的氮化物薄膜和氧化物薄膜中的开口；
在所述像素区上方形成的多个色彩滤镜和多个微透镜；以及
在所述像素区的所述氧化物薄膜上方固化的光刻胶，所述光刻胶具有轻微斜面。
20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，所述氧化物薄膜包括：
在所述外延层上方形成的第一氧化物薄膜，其中所述上层焊盘形成于所述外围区中的所述第一氧化物薄膜上方；以及
覆盖所述上层焊盘的第二氧化物薄膜。
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