CN101211949B - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种图像传感器及其制造方法，该图像传感器可包括：滤色镜层，位于半导体衬底上；以及微透镜，位于滤色镜层上且包括非光敏绝缘层。本发明能够提高图像传感器的灵敏度并且提高其产量。
Description
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。在制造图像传感器时所要解决的问题当中，一个问题是要增加将入射光信号转换成电信号的比率，亦即灵敏度。因此，在形成用于会聚光线的微透镜阵列方面，提出了各种用于实现零间隙(即微透镜阵列中的相邻透镜之间没有间隙)的技术。
当利用光敏层来形成用于会聚光线的微透镜时，在晶片背面磨削工艺和/或晶片切割工艺及类似工艺中，可能产生诸如聚合物、硅、二氧化硅等等材料的颗粒附着到微透镜上的现象。这可能会降低图像传感器的灵敏度及其产量，这是因为难以从上述微透镜上清除这类颗粒。
发明内容
本发明提供一种图像传感器及其制造方法，其能通过将入射光有效地传送到光电二极管区域来提高灵敏度。
根据本发明一个实施例的图像传感器包括位于半导体衬底上的滤色镜层以及位于该滤色镜层上且包括非光敏绝缘层的微透镜阵列，其中该微透镜阵列包括位于第一滤色镜上的第一微透镜以及位于第二滤色镜上的第二微透镜，第一微透镜和第二微透镜具有彼此不同的厚度。
根据本发明另一实施例的图像传感器包括位于半导体衬底上的滤色镜层以及位于该滤色镜层上且包括非光敏绝缘层的微透镜阵列，其中该微透镜阵列包括位于第一滤色镜上的第一微透镜、位于第二滤色镜上的第二微透镜、及位于第三滤色镜上的第三微透镜，其中第一微透镜、第二微透镜及第三微透镜各自具有彼此不同的厚度。
根据本发明另一实施例的图像传感器的制造方法包括：在滤色镜层上形成非光敏绝缘层；在该非光敏绝缘层上形成光敏层；通过图案化该光敏层形成牺牲微透镜；通过蚀刻上述牺牲微透镜以及非光敏绝缘层，由该非光敏绝缘层形成微透镜。
本发明还提供一种图像传感器，包括：滤色镜层，位于半导体衬底上；以及微透镜阵列，位于所述滤色镜层上且包括非光敏绝缘层，所述微透镜阵列包括位于所述滤色镜层中第一滤色镜上的第一微透镜、位于所述滤色镜层中第二滤色镜上的第二微透镜以及位于所述滤色镜层中第三滤色镜上的第三微透镜，其中所述第一微透镜和所述第三微透镜的厚度相同，所述第二微透镜比所述第一微透镜和所述第三微透镜更厚，以去除相邻微透镜之间的间隙，并且相邻微透镜的边界相互接触。
本发明还提供一种制造图像传感器的方法，包括以下步骤：在滤色镜层上形成非光敏绝缘层；在所述非光敏绝缘层上形成光敏层；通过图案化所述光敏层来形成牺牲微透镜；通过蚀刻所述牺牲微透镜和所述非光敏绝缘层，由所述非光敏绝缘层或在所述非光敏绝缘层中形成微透镜阵列；其中所述牺牲微透镜包括第一微透镜、第二微透镜和第三微透镜，所述第一微透镜位于所述滤色镜层中的红色滤色镜上，所述第二微透镜位于所述滤色镜层中的绿色滤色镜上，所述第三微透镜位于所述滤色镜层中的蓝色滤色镜中，其中通过相同的工艺首先形成所述第一微透镜和所述第三微透镜，然后通过另一工艺形成所述第二微透镜，其中所述第一微透镜和所述第三微透镜厚度相同，所述第二微透镜比所述第一微透镜和所述第三微透镜更厚，以去除相邻的微透镜之间的间隙，并且相邻的微透镜的边界相互接触。
本发明能够提高图像传感器的灵敏度并且提高其产量。
附图说明
图1至图4是示意图，概念性地示出根据本发明实施例制造图像传感器的方法；以及
图5至图7是示意图，概念性地示出根据本发明实施例制造图像传感器的替代方法。
具体实施方式
在以下对各实施例的描述中，当一层(膜)、区域、图案或结构被描述为形成于另一层(膜)、区域、图案或结构“之上/上方”或“之下/下方”时，可理解为这种情况：该层(膜)、区域、图案或结构是通过直接接触到另一层(膜)、区域、图案或结构来形成的，并且还可理解为这种情况：在它们之间额外地形成了其它层(膜)、其它区域，其它图案或其它结构。因此，其含义应根据实施例的技术概念而定。
以下将参考附图描述各实施例。
图1至图4是示意图，概念性地示出制造图像传感器的示例性方法。
通过根据一个实施例制造图像传感器的示例性方法，如图1所示，在滤色镜层11之上形成非光敏绝缘层13。滤色镜层11可包括红色滤色镜11R、绿色滤色镜11G、及蓝色滤色镜11B，或由红色滤色镜11R、绿色滤色镜11G、及蓝色滤色镜11B构成。可选地，滤色镜层11可包括黄滤色镜、青(cyan)滤色镜、及红色紫(magenta)滤色镜。在任一情况下，滤色镜11R、11G、及11B均可具有相同的厚度或不同的厚度。构成滤色镜层11的红色滤色镜11R、绿色滤色镜11G、蓝色滤色镜11b的排列可根据设计而改变。
与光敏材料相比，非光敏绝缘层13可包含刚性材料和/或透明材料，或由刚性材料和/或透明材料来形成。非光敏绝缘层13可包括透明氧化物(例如二氧化硅、氧化铝、各种硅酸盐、铝酸盐、铝硅酸盐(aluminosilicate)和钛酸盐、氧化锆、氧化铪等等)层，或由上述透明氧化物层组成。在非光敏绝缘层13之上形成光敏层15(此层一般包含光致抗蚀剂)。
在此示例性实施例中，在形成滤色镜层11之前，上述方法可进一步包括在半导体衬底中形成光接收部件。作为一个示例，该光接收部件可包括光电二极管。
接下来，如图2所示，通过曝光工艺和显影工艺将光敏层15图案化，以形成牺牲微透镜15R、15G、及15B。牺牲微透镜15R、15G、及15B可包括红色牺牲微透镜15R、绿色牺牲微透镜15G、及蓝色牺牲微透镜15B。红色牺牲微透镜15R形成在对应于红色滤色镜11R的位置，绿色牺牲微透镜15G形成在对应于绿色滤色镜11G的位置，而蓝色牺牲微透镜15B形成在对应于蓝色滤色镜11B的位置。所有的红色牺牲微透镜15R、绿色牺牲微透镜15G、及蓝色牺牲微透镜15B均可具有相同的厚度或不同的厚度。
此后，如图3所示，通过蚀刻牺牲微透镜15R、15G、及15B以及非光敏绝缘层13，在非光敏绝缘层中形成微透镜13R、13G、及13B。此时，关于对牺牲微透镜15R、15G、及15B和非光敏绝缘层13的蚀刻，牺牲微透镜和非光敏绝缘层以彼此相对大约1∶1的蚀刻速率比，被非选择性地毯覆式蚀刻(blanket etching)(例如各向异性蚀刻或回蚀)。
微透镜13R、13G、及13B可包括第一微透镜13R、第二微透镜13G、及第三微透镜13B。第一微透镜13R可形成在对应于红色滤色镜11R的位置，第二微透镜13G可形成在对应于绿色滤色镜11G的位置，而第三微透镜13B可形成在对应于蓝色滤色镜11B的位置。
与现有技术的光敏材料相比，通过如上所述根据示例性实施例的制造图像传感器的方法，微透镜13R、13G、及13B可包含刚性材料或由刚性材料形成。因此，在晶片背面磨削工艺、切割工艺以及类似工艺中，能够减少或防止出现附着到微透镜的颗粒。结果，能够提高器件的灵敏度及其产量。
同时，如图3所示，微透镜13R、13G、13B之间可具有间隙。可选地，根据各实施例制造图像传感器的一种或多种示例性方法可进一步包括：在微透镜13R、13G、及13B之上形成保护层17，如图4所示。
保护层17包括低温氧化物(LTO)层或旋涂玻璃(spin on glass，SOG)层至少其中之一，或由上述低温氧化物层或旋涂玻璃层至少其中之一组成。LTO层可包括含有四乙基原硅酸盐(tetraethyl orthosilicate，TEOS)的玻璃或含有等离子体-硅烷(plasma-silane，p-Si)的玻璃。当然，形成保护层17的材料不限于此，而是可根据设计和需要由多种材料形成。
在一个实施例中，保护层17是无间隙的(例如，至少在一个位置，相邻的透镜之间没有间隙)。保护层17使无间隙的微透镜得以形成，并可防止微透镜13R、13G、及13B被外部颗粒等等损伤。
以上描述是基于在微透镜形成于滤色镜层之上的情况。然而，本发明制造图像传感器的方法不限于此。作为一个示例，可在滤色镜层之上形成平坦化层，并可随后在平坦化层之上形成微透镜。
同时，参考图1至图4描述的实施例是基于以单一的步骤顺序将用于形成牺牲微透镜的光敏层形成于厚度均匀的非光敏绝缘层之上的情况。
然而，用于形成牺牲微透镜的光敏层不一定是在单个步骤中沉积的，而是也可以多个步骤来形成(例如两个或三个独立的步骤)。同样，用于形成牺牲微透镜的不同的光敏层的厚度根据其位置也可以是不同。
现在将参考图5至图7描述经由两个系列的步骤来形成牺牲微透镜的情况。图5至图7是示意图，概念性地示出根据另一实施例制造图像传感器的方法。
通过如图5所示制造图像传感器的方法，在滤色镜层21之上形成非光敏绝缘层23。在形成滤色镜层21之前，所述方法可进一步包括在半导体衬底中形成光接收单元。作为一个示例，该光接收单元可以是光电二极管。
滤色镜层21可包括红色滤色镜21R、绿色滤色镜21G及蓝色滤色镜21B。构成滤色镜层21的红色滤色镜21R、绿色滤色镜21G及蓝色滤色镜21B的排列可根据设计而改变。红色滤色镜21R、绿色滤色镜21G及蓝色滤色镜21B可具有相同的厚度或不同的厚度。然而，当滤色镜21R、21G及21B具有不同的厚度时，微透镜25R、25G及25B优选也具有不同的厚度，以使(1)滤色镜21R与微透镜25R的组合厚度、(2)滤色镜21G与微透镜25G的组合厚度、以及(3)滤色镜21B与微透镜25B的组合厚度实质相等。
与光敏材料相比，非光敏绝缘层23可包含刚性材料和/或透明材料，或由刚性材料和/或透明材料形成。作为一个示例，非光敏绝缘层23可包括透明氧化物层或由透明氧化物层构成(参见以上说明)。
此后，通过实际上与以上牺牲微透镜15R、15G以及15B相同的工艺，在非光敏绝缘层23之上形成第一牺牲微透镜25R和25B。图5示出首先形成对应于红色滤色镜21R的牺牲微透镜25R和对应于蓝色滤色镜21B的牺牲微透镜25B的情况。然而，可根据设计和需要而改变第一牺牲微透镜的构成。
接下来，如图6所示，在非光敏绝缘层23之上的开放空间中形成第二牺牲微透镜25G。此时，第二牺牲微透镜的厚度可以比第一牺牲微透镜25R和25B的厚度厚。当然，第二牺牲微透镜的厚度也可以比第一牺牲微透镜的厚度薄。
为避免影响第一牺牲微透镜25R和25B，用于第二牺牲微透镜25G的材料可以与用于第一牺牲微透镜25R和25B的材料是互补的。例如，用于第一牺牲微透镜25R和25B的材料可以是正性光致抗蚀剂，而用于第二牺牲微透镜25G的材料可以是负性光致抗蚀剂，或者反过来。可选地，可在形成第一牺牲微透镜25R和25B之后，通过将用于第一牺牲微透镜25R和25B的掩模移位一个单元像素，以相同类型的光致抗蚀剂来形成第二牺牲微透镜。
此后，如图7所示，通过如以上参考图3所描述的蚀刻牺牲微透镜25R、25G及25B与非光敏绝缘层23，由非光敏绝缘层(或在非光敏绝缘层中)形成微透镜23R、23G及23B。此时，可以大约1∶1的蚀刻比来毯覆式蚀刻牺牲微透镜25R、25G及25B与非光敏绝缘层23。
通过如上所述制造图像传感器的方法，与光敏材料相比，微透镜23R、23G及23B可包含刚性材料或以刚性材料形成。因此，在晶片背面磨削工艺、晶片切割工艺以及类似工艺中，能够减少或防止诸如聚合物、硅等等颗粒附着到微透镜的现象。结果，根据本发明实施例，能够提高器件的灵敏度及其产量。
并且，如图5至图7所示，当以一种工艺形成多个第一牺牲微透镜并以另一种工艺形成多个第二牺牲微透镜时，微透镜(或微透镜阵列)之间可以是无间隙的(例如，相邻透镜之间没有间隙)。
就本说明书所述图像传感器的制造方法而言，该方法可进一步包括在微透镜23R、23G及23B之上形成保护层，类似于图4所示的工艺。
同样，通过本发明制造微透镜阵列的方法，可首先形成第一多个牺牲微透镜(例如对应于滤色镜层中的第一种颜色的牺牲微透镜)，且可在此后形成第二多个牺牲微透镜(例如对应于滤色镜层中的第二种颜色的牺牲微透镜)。对应于滤色镜层中的第三种颜色的牺牲微透镜可在与第一多个牺牲微透镜或第二多个牺牲微透镜形成的同时形成，或滤色镜层可以在第三牺牲微透镜形成工艺中来形成。当滤色镜层中的各个滤色镜(例如红色滤色镜、绿色滤色镜或蓝色滤色镜)具有不同的厚度时，上面的后一个实施例尤其有利。此时，各个的牺牲微透镜可具有相同的厚度或彼此不同的厚度。
根据本发明各个实施例的图像传感器及其制造方法具有多项优点，包括能够提高器件的灵敏度并且提高其产量。
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，结合该实施例所描述的特定的特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。在本说明书中各处出现的这类短语不一定都参考同一个实施例。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、结构或特性也落入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，应理解本领域技术人员可在本发明公开的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的范围内，在本发明的主要组合配置方案的组合部件和/或配置中能够有各种改变和修改。除了组合部件和/或配置中的改变和修改之外，替代性用途对本领域技术人员来说也是显而易见的。
Claims (10)
1.一种图像传感器，包括：
滤色镜层，位于半导体衬底上；以及
微透镜阵列，位于所述滤色镜层上且包括非光敏绝缘层，所述微透镜阵列包括位于所述滤色镜层中第一滤色镜上的第一微透镜、位于所述滤色镜层中第二滤色镜上的第二微透镜以及位于所述滤色镜层中第三滤色镜上的第三微透镜，其中所述第一微透镜和所述第三微透镜的厚度相同，所述第二微透镜比所述第一微透镜和所述第三微透镜更厚，以去除相邻微透镜之间的间隙，并且相邻微透镜的边界相互接触。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：平坦化层，位于所述滤色镜层上。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：保护层，位于所述微透镜上。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其中所述保护层包括低温氧化物层和旋涂玻璃层至少其中之一。
5.一种制造图像传感器的方法，包括以下步骤：
在滤色镜层上形成非光敏绝缘层；
在所述非光敏绝缘层上形成光敏层；
通过图案化所述光敏层来形成牺牲微透镜；
通过蚀刻所述牺牲微透镜和所述非光敏绝缘层，由所述非光敏绝缘层或在所述非光敏绝缘层中形成微透镜阵列；
其中所述牺牲微透镜包括第一微透镜、第二微透镜和第三微透镜，所述第一微透镜位于所述滤色镜层中的红色滤色镜上，所述第二微透镜位于所述滤色镜层中的绿色滤色镜上，所述第三微透镜位于所述滤色镜层中的蓝色滤色镜中，
其中通过相同的工艺首先形成所述第一微透镜和所述第三微透镜，然后通过另一工艺形成所述第二微透镜，
其中所述第一微透镜和所述第三微透镜厚度相同，所述第二微透镜比所述第一微透镜和所述第三微透镜更厚，以去除相邻的微透镜之间的间隙，并且相邻的微透镜的边界相互接触。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括以下步骤：在所述滤色镜层上形成平坦化层。
7.根据权利要求5所述的方法，其中相邻的微透镜是无间隙的。
8.根据权利要求5所述的方法，还包括以下步骤：在所述微透镜上形成保护层。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述保护层包括低温氧化物层和旋涂玻璃层至少其中之一。
10.根据权利要求5所述的方法，其中所述牺牲微透镜和所述非光敏绝缘层以大约1∶1的蚀刻比被毯覆式蚀刻。
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