CN101221964A - 图像传感器和其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供图像传感器及其制造方法。所述图像传感器包括光电二极管区域、绝缘层结构、防止漏光单元、滤色器和微透镜。半导体衬底的像素区域中的光电二极管区域产生对应于入射光的电信号。光电二极管区域包括第一光电二极管、第二光电二极管、和第三光电二极管。所述绝缘层结构包括对应于第一到第三光电二极管之间的边界的沟槽。防止漏光单元形成在所述光电二极管之间的沟槽中并且防止光通过沟槽。滤色器对应于第一到第三光电二极管而形成在绝缘层结构上，并且微透镜对应于每个滤色器位于滤色器上。
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
通常，图像传感器是将光学图像转化为电信号的半导体器件。电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体器(CMOS)图像传感器是典型的现有技术图像传感器。
根据现有技术的图像传感器制造方法在图像传感器的微透镜之间形成间隙。聚焦在特定微透镜上的光可通过对应于微透镜和相邻微透镜之间的间隙的区域漏出，并进入相邻的光电二极管。漏出的光导致光学串扰和混色，从而使色纯度下降。结果，光电二极管的图像质量变差。
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，其用于通过防止穿过微透镜的光漏入微透镜之间的间隙而改善光电二极管的图像质量。
在一个实施方案中，图像传感器包括：在半导体衬底的像素区域中的用于产生对应于入射光的电信号的光电二极管区域，具有第一光电二极管、第二光电二极管和第三光电二极管；具有对应于第一到第三光电二极管边界的沟槽的绝缘层结构；通过填充沟槽用于防止光通过沟槽的防止漏光单元；在绝缘层结构上的对应于第一到第三光电二极管的滤色器；和在滤色器上的对应于每个滤色器的微透镜。
在另一个实施方案中，制造图像传感器的方法可包括：在半导体衬底的像素区域中形成光电二极管区域，用于产生对应于入射光的电信号，包括第一光电二极管、第二光电二极管和第三光电二极管；通过在第一到第三光电二极管上形成绝缘层以覆盖第一到第三光电二极管，在所述绝缘层上涂敷光刻胶膜，和在通过使用光刻胶膜图案化所述绝缘层以在第一到第三光电二极管的边界处形成沟槽，从而形成绝缘层结构；通过在绝缘层结构上沉积填隙材料从而在沟槽中形成防止漏光单元；在绝缘层结构上形成对应于第一到第三光电二极管的滤色器；和在滤色器上形成对应于每个滤色器的微透镜。
一个或多个实施方案的细节阐述在附图和以下的详细说明中。其他特征将由说明书、附图和权利要求中显而易见。
附图说明
图1是根据一个实施方案的图像传感器的横截面图。
图2是图1所示光电二极管区域的俯视图。
图3A和图3B是说明在光电二极管区域上形成绝缘层结构的方法的横截面图。
图4是说明在绝缘层结构上形成防止漏光单元的方法的横截面图。
图5是说明在绝缘层结构上形成滤色器结构的方法的横截面图。
图6是说明在滤色器上形成平坦化层的方法的横截面图。
图7是说明在平坦化层上形成微透镜的方法的横截面图。
具体实施方式
以下，将参考附图详细说明根据实施方案的图像传感器和其制造方法。
在实施方案的说明中，应理解当层(或膜)称为在另一层或衬底‘上’的时候，其可以直接在另一层或衬底上，或也可存在插入的层。此外，应理解当层被称为在另一个层“下”的时候，其可以直接在另一层下，也可存在一个或多个插入的层。另外，也应理解当层称为在两层‘之间′的时候，其可以为两层之间的仅有的层，或也可存在一个或多个插入的层。
图1是根据一个实施方案的图像传感器的横截面图，图2是图1所示光电二极管区域的俯视图。根据该实施方案的图像传感器300可包括光电二极管区域100、绝缘层结构150、防止漏光单元160、滤色器200、平坦化层210、和微透镜250。
在半导体衬底10的像素区域中形成光电二极管区域100，并产生对应于进入的光的电信号。光电二极管区域100包含第一光电二极管102、第二光电二极管104、和第三光电二极管106。
参考图2，第一到第三光电二极管102、104和106中的每个包含用于感测光量的光电二极管PD、转移晶体管Tx、重置晶体管Rx、选择晶体管Sx、和存取晶体管Ax。转移晶体管的漏极用作作为浮动扩散层FD。
再次参考图1，绝缘层结构150包括用于使具有覆盖半导体衬底10的多层结构的线(未显示)绝缘的绝缘层152，在所述半导体衬底10上形成有三个光电二极管102、104和106。在对应于第一到第三光电二极管102、104和106之间边界的区域中在绝缘层152的顶表面中，以预定宽度w和深度d形成沟槽154。
在一个实施方案中，绝缘层152可包含氮化物。例如，绝缘层152可包含光折射率约1.9～2.0的SiN。绝缘层152的厚度可以为约200～300nm。可以通过例如物理气相沉积、化学气相沉积(CVD例如低压CVD、高密度等离子体CVD或等离子体增强的CVD)、或毯覆式沉积的方法形成绝缘层152。
沟槽154可以形成为具有比绝缘层152的厚度小的深度。而且，沟槽154形成为具有与形成在各微透镜250之间的间隙252相同或稍宽的宽度w。在微透镜制造期间可以在各微透镜250之间形成间隙252。间隙252的尺寸为至少约200nm～300nm。沟槽154的宽度w可以为约100nm～400nm或更小，沟槽154的深度可以为约100nm～300nm。
在聚焦的光传输到光电二极管PD时，防止漏光单元160防止聚焦到微透镜250的光漏到在微透镜之间形成的间隙252的区域。防止漏光单元160可以在沟槽154中形成，并可基本上填充沟槽154。也可形成预定厚度的防止漏光层以覆盖绝缘层结构150的整个顶表面，从而基本上平坦化图像传感器300的顶表面。
防止漏光单元160覆盖绝缘层结构150顶表面的部分的厚度(即，防止光的单元160的顶面到绝缘层152的顶表面的厚度)为约10nm～20nm。
在一个实施方案中，防止漏光单元160可包含氧化物材料，例如原硅酸乙酯(TEOS)氧化物材料，其折射率小于绝缘层结构的材料SiN的折射率。TEOS氧化物材料的光折射率为约1.4～1.5。可以通过例如物理气相沉积、化学气相沉积(CVD，例如低压CVD、高密度等离子体CVD、或等离子体增强的CVD)、或毯覆式沉积的方法形成防止漏光单元160。
滤色器200可以形成在防止漏光单元160上。滤色器200包括用于通过蓝色可见光的、形成在对应于第一光电二极管102的预定区域的蓝色滤色器202、用于通过绿色可见光的、形成在对应于第二光电二极管104的预定区域的绿色滤色器204、和用于通过红色可见光的、形成在对应于第三光电二极管106的预定区域的红色滤色器206。
蓝色、绿色和红色滤色器202、204和206可以形成为具有不同的厚度，如图1所示。更具体地说，滤色器在基本上平坦的衬底上形成为具有不同的厚度。例如，红色滤色器206可具有比与其相邻的绿色滤色器204大的厚度，绿色滤色器204可具有与其相邻的蓝色滤色器202大的厚度，其中蓝色滤色器202在绿色滤光器204远离红色滤色器206的的一侧。或者，蓝色、绿色和红色滤色器202、204、和206可以形成为具有相同的厚度。
平坦化层210可以形成在滤色器200上方或之上。平坦化层210降低或基本上除去可能在蓝色、绿色和红色滤色器202、204和206之间形成的阶梯差(例如滤色器达到的厚度差)。
微透镜250精确地聚焦并将光传播到每个光电二极管区域100。在平坦化层210上形成微透镜250以各自与蓝色、绿色或红色滤色器202、204和206对齐。
更具体地说，在平坦化层210上形成光刻胶膜。光刻胶膜可以由通过常规方法(例如旋涂)沉积的常规聚合物光刻胶材料形成。光刻胶层可以形成为200～500nm的厚度。然后通过包括在约120℃～250℃温度下的热回流工艺(reflow process)的曝光和显影过程来图案化光刻胶膜。热回流工艺使得微透镜具有凸形或半球形的形状。
在微透镜形成过程期间，间隙252可以形成在微透镜250之间。间隙252的尺寸为至少约100nm～300nm。
参考图1和2，尽管微透镜250精确地聚焦光并将聚焦的光传播到每个光电二极管PD，但是聚焦的光的一部分漏到对应于间隙252的区域。在现有技术的器件中，在聚焦的光通过每个滤色器200之后，在聚焦的光通过绝缘层结构150传播到光电二极管PD时，漏出的光可与通过相邻滤色器的另外的光混合。这导致相邻光电二极管PD之间的光学串扰。因此，光电二极管PD的图像质量下降。
在本发明的一个实施方案中，沟槽154形成在对应于微透镜250之间的间隙252的绝缘层结构150中。可以通过用光折射率低于绝缘层结构150的预定材料填充沟槽154来形成防止漏光单元160。防止漏光单元160通过基本上反射到达绝缘层结构150的所有的光来降低光学串扰，否则在光通过滤色器200之后到达绝缘层结构150的光可漏到另一个光电二极管。
更详细地，在光通过微透镜250之一已经精确聚焦之后到达绝缘层结构150时，其通过相应的滤色器。大多数滤过的光精确地从滤色器传播其相应的光电二极管PD。然而，一部分滤过的光向防止漏光单元160传播。光的物理性质防止其通过更高光反射率的材料到达具有更低光反射率的材料。因此，防止漏光单元160基本上将所有漏出的光反射到光电二极管PD，这是因为防止漏光单元160具有比绝缘层结构150的折射率(约1.9～约2.0)更小的折射率(约1.4～约1.5)。
因此，由于颜色没有混合并且防止了相邻光电二极管之间的光学串扰，所以改进了光电二极管PD的图像质量。从而可以改进图像传感器200的显示质量。
图3A～图7是用于说明根据本发明一个实施方案的制造图像传感器的方法的横截面图。
图3A和图3B是说明在光电二极管区域上形成绝缘层结构的横截面图，如图1所示。为了制造图像传感器300，在半导体衬底10上形成具有第一到第三光电二极管102、104、和106的光电二极管区域100。尽管在一个实施方案中光电二极管区域100包含三个光电二极管102、104和106，但是在半导体衬底10上可以根据需要布置更多的光电二极管100以实现需要的分辨率。
参考图2，每个第一到第三光电二极管102、104和106包含用于感测光量的光电二极管PD、转移晶体管Tx、重置晶体管Rx、选择晶体管Sx、和存取晶体管Ax。转移晶体管的漏极用作浮动扩散层FD。
在半导体衬底10上形成光电二极管区域100之后，在半导体衬底10上形成绝缘层152以覆盖第一到第三光电二极管102、104和106。绝缘层152可包含光折射率约1.9～约2.0的SiN。
然后，通过在绝缘层152上沉积光刻胶膜并通过光刻法图案化光刻胶膜来形成限定对应于第一到第三光电二极管102、104和106之间边界的沟槽的光刻胶图案170，如图3B所示。光刻胶膜可以由通过常规方法(例如旋涂)沉积的常规的聚合物光刻胶材料形成。然后通过常规的曝光和显影方法(例如，通过掩模的选择性辐照和后续显影的光刻法)来图案化所述光刻胶膜。
然后，使用光刻胶图案170作为蚀刻掩模蚀刻绝缘层152，从而在绝缘层结构150中形成与第一到第三光电二极管102、104和106之间的边界对齐的沟槽154。
沟槽154形成为具有比绝缘层152的厚度小的深度。而且，沟槽154形成为具有与形成在微透镜250之间的间隙252的尺寸相同或稍大的宽度w。例如，沟槽154的宽度是约100nm～400nm，沟槽154的深度d是约100nm～300nm。
图4是说明在绝缘层结构150上的防止漏光单元的横截面图。在形成对应于第一到第三光电二极管102、104和106之间的边界的沟槽154之后，可以通过在包括沟槽154的绝缘层结构150上沉积氧化物材料形成防止漏光单元160。
尽管防止漏光单元160的形成可包括完全填充沟槽154，但在沟槽154处的漏光防止单元160的上表面中可形成大的阶梯差。为了最小化阶梯差，继续进行沉积过程，直到在沟槽154完全地填充氧化物材料之后氧化物材料在绝缘层结构150上进一步沉积约10nm～20nm的厚度。为平坦化图像传感器300的上表面，可以在防止漏光单元160上形成平坦化层。
氧化物材料可包括例如折射率小于SiN折射率的TEOS氧化物材料，SiN可以包含在绝缘层结构150中。TEOS氧化物材料的光折射率是约1.4～约1.5。
图5是说明图4所示的绝缘层结构上的滤色器结构的横截面图。滤色器200形成在氧化物层160上方或之上以与第一到第三光电二极管102、104和106对齐。在一个实施方案中，滤色器200包括蓝色滤色器202、绿色滤色器204和红色滤色器206。
通过涂敷各自具有对应于所述滤色器之一的颜色的颜料和/或染料的光敏物质，并通过光蚀刻法来图案化所述涂敷的光敏物质，从而形成蓝色、绿色和红色滤色器202、204和206。
在一个实施方案中，如图5所示，蓝色、绿色和红色滤色器202、204和206的厚度可以不同，或者，蓝色、绿色和红色滤色器202、204和206的厚度可以相同。
图6是说明在图5所示的滤色器200上形成平坦化层的横截面图。在滤色器200上方或之上形成平坦化层210以完全地覆盖滤色器200。平坦化层210降低或完全消除了分别具有不同厚度的蓝色、绿色和红色滤色器202、204和206之间的阶梯差。
参考图7，在平坦化层210上方或之上形成光刻胶膜，并通过光刻法图案化所述光刻胶膜。光刻胶膜可以由通过常规方法(例如旋涂)沉积的常规的聚合物光刻胶形成。然后通过常规的曝光和显影方法(例如，通过掩模的选择性辐照和后续显影的光刻)图案化光刻胶膜。
然后，微透镜250形成为凸形或半球形的形状。这可以通过实施在熔融光刻胶膜的温度(约150℃～250℃)下加热图案光刻胶膜的回流工艺来实现。形成各个微透镜以与蓝色、绿色、和红色滤色器202、204、和206对齐。
在形成微透镜250的时候，宽度a至少约200nm～300nm的不希望的间隙252可能形成在各个微透镜250之间。穿过微透镜250的光可通过间隙252漏出，导致相邻光电二极管PD之间的混色和光学串扰。为了防止混色和光学串扰，在光通过滤色器200之后，如上所述防止漏光单元160基本上反射所有的到达绝缘层结构150的光。光精确地反射到适当的光电二极管PD，从而防止混色和光学串扰。
如上所述，在一个实施方案中，防止漏光单元形成在绝缘层结构中的光电二极管的边界处。因为防止漏光单元基本上反射所有聚焦的光到每个光电二极管，所以可以改善光电二极管的图像质量和图像传感器的显示质量。
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、结构或性能的时候，认为本领域技术人员能够在相关联的其他的实施方案实现这种特征、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。除了构件和/或布置的变化和改变之外，可替代的用途对于本领域技术人员而言也是显而易见的。
Claims (20)
1.一种图像传感器，包括：
在半导体衬底的像素区域中的光电二极管区域，用于产生对应于入射光的电信号并且包括第一光电二极管、第二光电二极管和第三光电二极管；
具有对应于所述第一光电二极管、第二光电二极管和第三光电二极管的两个或更多个之间边界的沟槽的绝缘层结构；
在所述沟槽中的防止漏光单元，用于防止光通过所述沟槽；
在所述绝缘层结构上对应于所述第一光电二极管、第二光电二极管和第三光电二极管的滤色器；和
在所述滤色器上对应于每个所述滤色器的微透镜。
2.权利要求1的图像传感器，其中所述绝缘层结构包括氮化物层。
3.权利要求1的图像传感器，其中所述沟槽的宽度是约100nm～400nm，所述沟槽的深度小于所述绝缘层结构的厚度。
4.权利要求3的图像传感器，其中所述沟槽的深度是约100～300nm。
5.权利要求1的图像传感器，其中所述防止漏光单元包含光折射率小于所述绝缘层结构的光折射率的氧化物材料。
6.权利要求5的图像传感器，其中所述氧化物材料包括TEOS(原硅酸四乙酯)。
7.权利要求1的图像传感器，其中所述防止漏光单元在包括所述沟槽的所述绝缘层结构的整个顶表面上，并且具有约10nm～20nm的厚度。
8.一种制造图像传感器的方法，所述方法包括：
在半导体衬底的像素区域中形成用于将光转化为电信号的光电二极管区域，所述光电二极管区域包括第一光电二极管、第二光电二极管和第三光电二极管；
形成绝缘层结构，包括在所述第一光电二极管、第二光电二极管和第三光电二极管上形成绝缘层以覆盖所述第一光电二极管、第二光电二极管和第三光电二极管，在所述绝缘层上涂敷并图案化光刻胶膜以在所述第一光电二极管、第二光电二极管和第三光电二极管之间的边界处限定沟槽，和使用所述图案化的光刻胶膜作为掩模来蚀刻所述绝缘层形成所述沟槽；
通过在所述绝缘层结构上沉积填隙材料，在所述沟槽中形成防止漏光单元；
在所述绝缘层结构上形成对应于所述第一光电二极管、第二光电二极管和第三光电二极管的滤色器；和
在所述滤色器上形成对应于每个所述滤色器的微透镜。
9.权利要求8的方法，其中所述绝缘层结构包括氮化物层。
10.权利要求8的方法，其中所述沟槽的宽度是约100nm～400nm，所述沟槽的深度小于所述绝缘层结构的厚度。
11.权利要求10的图像传感器，其中所述沟槽的深度是约100nm～300nm。
12.权利要求8的方法，其中所述防止漏光单元在所述绝缘层结构的整个顶表面上形成，厚度约为10nm～20nm。
13.权利要求8的方法，其中所述防止漏光单元包含光折射率小于所述绝缘层结构的光折射率的氧化物材料。
14.权利要求13的方法，其中所述氧化物材料包括TEOS(原硅酸四乙酯)。
15.权利要求13的方法，还包括在形成所述微透镜之前在所述滤色器上形成平坦化层。
16.权利要求8的方法，其中在所述微透镜的形成步骤期间，在所述各微透镜之间形成间隙。
17.权利要求16的方法，其中所述间隙的宽度为约100nm～约300nm，并且与所述第一光电二极管、第二光电二极管和第三光电二极管之间的所述边界对齐。
18.权利要求1的图像传感器，还包括在所述微透镜之间的间隙。
19.权利要求18的图像传感器，其中所述间隙的宽度为约100nm～约300nm，并且与所述第一光电二极管、第二光电二极管和第三光电二极管之间的所述边界对齐。
20.权利要求1的图像传感器，还包括在所述滤色器上的平坦化层。
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