CN101404290A - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种图像传感器及其制造方法。该图像传感器可以包括：半导体衬底、第一电介质、第二电介质图案、平坦化层以及滤色镜。该半导体衬底包括光电二极管。该第一电介质设置在该半导体衬底上。该第二电介质图案设置在该第一电介质上并且包括位于与该光电二极管相对应的区域内的沟槽。该平坦化层设置在该沟槽中。该滤色镜设置在位于该光电二极管上的该平坦化层上。本发明可以抑制由于表面缺陷而可能产生的悬挂键，从而改善图像传感器的暗特性。

Description

图像传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种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为电信号的半导体器件。一般将图像传感器划分为电荷耦合器件(CCD)图像传感器或者互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)。
CMOS图像传感器的每个单位像素通常包括光电二极管和金属氧化物半导体(MOS)晶体管。CMOS图像传感器以开关方式依次检测单位像素的电信号以生成图像。
CMOS图像传感器通常包括像素阵列、金属互连层、滤色镜以及微透镜。像素阵列包括晶体管和光电二极管，金属互连层包括位于像素阵列上的多个互连件。
随着CMOS图像传感器的设计规则继续减少，每个单位像素的尺寸减小，这使得能够光电二极管的光敏度降低。另外，由于金属互连层通常设置为多层结构，使得光电二极管的光吸收率可以进一步降低。
发明内容
本发明的实施例提供了一种能够提高光电二极管灵敏度的图像传感器及其制造方法。
在一个实施例中，图像传感器可以包括：半导体衬底，包括光电二极管；第一电介质，位于该半导体衬底上；第二电介质图案，位于该第一电介质上；沟槽，位于该第二电介质图案的一侧，其中至少一部分该沟槽位于该光电二极管上方；平坦化层，位于该沟槽中；以及滤色镜，位于该平坦化层上。
在另一个实施例中，一种制造图像传感器的方法可以包括如下步骤：在半导体衬底中形成光电二极管；在包括光电二极管的半导体衬底上形成第一电介质；在第一电介质上形成第二电介质图案；在该第二电介质图案的一侧形成第二沟槽，其中至少一部分该沟槽位于该光电二极管上方；在该沟槽中形成平坦化层；以及在该平坦化层上形成滤色镜。
在附图和下文的描述中阐述了一个或者多个实施例的细节。对于本领域普通技术人员而言，通过具体实施方式、附图和权利要求，其它的特征是显而易见的。
附图说明
图1到图8为示出根据本发明实施例的图像传感器的制造工艺的剖视图。
具体实施方式
现将参考附图详细描述根据本发明的实施例的图像传感器及其制造方法。
当此处使用术语“上”或“上方”或“其上”时，如涉及层、区域、图案或者结构，应理解为所述的层、区域、图案或者结构可以直接位于另一层或结构上，或者也可以存在中间的层、区域、图案、或者结构。当此处使用术语“下方”或“之下”时，如涉及层、区域、图案或者结构，应理解为所述的层、区域、图案或者结构可以直接位于另一层或结构下方，或者也可以存在中间的层、区域，图案，或结构。
图8为示出根据实施例的图像传感器的剖视图。
参见图8，图像传感器可以包括：半导体衬底10、第一电介质40、第二电介质图案65、平坦化层90以及滤色镜100。半导体衬底10可以包括光电二极管30。第一电介质40可以设置在包括光电二极管30的半导体衬底10上。第二电介质图案65可以设置在第一电介质40上，并且第二沟槽63可以设置在光电二极管30上方。平坦化层90可以设置在第二沟槽63中。滤色镜100可以设置在位于光电二极管30上方的平坦化层90上。
第一电介质40可以由本领域公知的任意适当的材料形成。在实施例中，第一电介质40可以由包括氢的硅烷(SiH4)材料形成。当形成第二沟槽63时，第一电介质40有助于保护半导体衬底10使其不受损害。
第二电介质图案65可以包括多个层间电介质。多个金属互连件70可以设置在第二电介质图案65中。包括金属互连件70的第二电介质图案65可形成为不在光电二极管30上方。另外，可以将第二沟槽63设置为使得第二沟槽63的至少一部分位于光电二极管30上方。
第一掩模图案55可以设置在第二电介质图案65的下方。第二掩模图案85可以设置在第二电介质图案65的上表面和侧面上。因此，第二掩模图案85可以设置在第二电介质图案65的外表面上。在实施例中，第一掩模图案55和第二掩模图案85可以由氮化物形成。
在一个实施例中，平坦化层90可以由感光材料形成。
因此，第一掩模图案55和第二掩模图案85可以仅沿着第二电介质图案65的周围而设置。平坦化层90可以设置在位于光电二极管30上的第二沟槽63中。因此，可以抑制入射到光电二极管30的光的漫反射和折射，并且可以提高图像传感器的灵敏度。
另外，将第一电介质40设置在半导体衬底10上有助于抑制在蚀刻期间可能出现的等离子损伤。可以抑制产生可能形成在半导体衬底10表面上的悬挂键(dangling bond)，从而改善图像传感器的暗特性。
现将参考根据图1到图8对根据实施例的图像传感器的制造方法进行描述。
参见图1在半导体衬底10上可以形成用于定义有源区和场区的器件隔离区20。可以将单位像素设置在有源区中。
单位像素可以包括：光电二极管30，用于接收光以产生光电荷；和互补金属氧化物半导体(CMOS)电路(未示出)，电连接到光电二极管30，以将光电荷转换成电信号。
在形成光电二极管30和CMOS电路(未示出)后，可以在半导体衬底10上方形成第一电介质40。第一电介质40可以由本领域公知的任意适当的材料形成，如包括氢的硅烷(SiH4)-基材料。在第一电介质40由硅烷(SiH4)-基材料形成的实施例中，在随后的电介质蚀刻工艺期间，第一电介质40有助于保护半导体衬底10。另外，第一电介质40有助于抑制由于半导体衬底10的表面缺陷而可能产生的悬挂键，从而改善图像传感器的暗特性。
第一掩模50可以形成在第一电介质40上。第一掩模50可以由本领域任意适当的材料来形成。在一个实施例中，在随后的蚀刻工艺期间，第一掩模50可以由氮化物形成以作为蚀刻阻挡层。
参见图2，包括金属互连件70的第二电介质60可以形成在第一掩模50上。在实施例中，第二电介质60可以包括多个层间电介质，并且金属互连件70可以包括多个层。
金属互连件70可以包括多个层以将电力线或信号线连接到单位像素和外围电路。金属互连件70可以形成为不直接位于光电二极管30上方，从而防止金属互连件70阻挡入射到光电二极管30的光。因此，可以将第二电介质60不包括金属互连件70的一部分设置在光电二极管30上方。
在实施例中，第二电介质60可以由氧化物形成。金属互连件70可以由如金属、合金、硅化物、铝、铜、钴或者钨形成。
参见图3，第一沟槽61可以形成在第二电介质60中。第一沟槽61可以暴露出第一掩模50设置在光电二极管30上方的一部分。在实施例中，第一沟槽61可以形成在每个单位像素中。
在实施例中，为了形成第一沟槽61，可以形成第一光致抗蚀剂图案200，暴露出第二电介质60位于光电二极管30上的表面。接着，可以使用第一光致抗蚀剂图案200作为蚀刻掩模蚀刻第二电介质60。在这一点上，在蚀刻第二电介质60期间，第一掩模50可以用作蚀刻阻挡层，从而防止蚀刻第一电介质40。
因此，可以形成第一沟槽61以暴露位于光电二极管30上方的第一掩模50的表面，从而形成包括金属互连件70的第二电介质图案65。
参见图4，可以在第二电介质图案65上和第一沟槽61中形成第二掩模80。可以在第二电介质图案65的上表面和侧表面上以及第一沟槽61中形成第二掩模80。第二掩模80可以作为第二电介质图案65的钝化层。第二掩模80可以由本领域公知的任意适当的材料(如氮化物)形成。
参见图5，可以在第二掩模80上形成第二光致抗蚀剂图案300。可以形成第二光致抗蚀剂图案300以遮蔽包括金属互连件70的第二电介质图案65，而暴露位于第一沟槽61中和光电二极管30上的第二掩模80。
参见图6，可以使用第二光致抗蚀剂图案300作为蚀刻掩模来蚀刻第一掩模50和第二掩模80。因此，可以在光电二极管30上方形成暴露第一电介质40的第二沟槽63。另外，可以保留位于第二电介质图案65下方的第一掩模图案55，并且可以保留位于第二电介质图案65的侧表面上的第二掩模图案85。
因此，可以去除设置在光电二极管30上方的第一掩模50和第二掩模80，以抑制入射到光电二极管30的光的漫反射和折射，从而改善图像传感器的光学特性。
当蚀刻第一掩模50和第二掩模80时，第一电介质40有助于保护半导体衬底10的表面，以抑制在蚀刻期间可能产生的缺陷。
参见图7，可以在第二沟槽63中形成平坦化层90。在随后的工艺期间，平坦化层90可以为半导体衬底10提供大体上平的表面以形成滤色镜100。
在实施例中，可以通过在半导体衬底10上和第二沟槽63中沉积绝缘材料并接着实施平坦化工艺来形成平坦化层90。例如，可以通过在半导体衬底10上沉积感光材料，并使用第二掩模图案85的上表面作为抛光终止点实施化学机械抛光(CMP)工艺，来形成平坦化层90。
虽然并未示出，在实施例中，可以通过随后的工艺在第二掩模图案85和平坦化层90上形成钝化层，以有助于保护器件使其不受潮或产生划痕。
参见图8，可以在第二掩模图案85和平坦化层90上形成滤色镜100。
在实施例中，可以通过在半导体衬底10上沉积滤色镜材料(未示出)、接着通过图案掩模(未示出)将滤色镜材料曝光、并将滤色镜材料显影，来形成滤色镜100。滤色镜的材料可以包括例如感光材料和色素、或者感光材料和染料。
滤色镜100可以形成在光电二极管30上方以和单位像素相对应，并且可以用来从入射光中分离颜色。例如，滤色镜100可以是红滤色镜、绿滤色镜或者蓝滤色镜。
接着，可以在滤色镜100上形成微透镜110。在实施例中，通过涂敷具有高透光率的硅氧化物基的感光性光致抗蚀剂(photosensitive photoresist)、接着实施图案化工艺，可以将微透镜110设置在与单位像素对应的成一角度的微透镜图案中。接着，可以实施回流工艺以形成圆顶状的微透镜110。在替代实施例中，微透镜110可以形成为低温氧化层。
根据本发明的图像传感器制造方法，可以在光电二极管30上方形成由感光材料制成的平坦化层90，以抑制入射到光电二极管30的光的反射和折射。因此，可以提高光电二极管30的光吸收率，从而改善图像传感器的灵敏度。
另外，可以在包括光电二极管30的半导体衬底10上形成由硅烷材料制成的第一电介质40，从而抑制半导体衬底10的表面缺陷。此外，可以抑制由于表面缺陷而可能产生的悬挂键，从而改善图像传感器的暗特性。
根据本发明的实施例，可以在光电二极管上方形成由感光材料制成的平坦化层，从而提高光吸收率。
电介质可以由包括光电二极管的半导体衬底的表面上方的硅烷材料形成，从而抑制半导体衬底的缺陷。
另外，可以抑制由于半导体衬底的表面缺陷而产生的悬挂键，从而改善图像传感器的暗特性。
说明书中所涉及的“一实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等，其含义是结合实施例描述的特定特征、结构、或特性均包括在本发明的至少一个实施例中。说明书中出现于各处的这些短语并不一定都涉及同一个实施例。此外，当结合任何实施例描述特定特征、结构或特性时，都认为其落在本领域技术人员结合其它实施例就可以实现这些特征、结构或特性的范围内。
尽管对实施例的描述中结合了其中多个示例性实施例，但可以理解的是本领域技术人员完全可以推导出许多其它变化和实施例，并落入本公开内容的原理的精神和范围之内。尤其是，可以在该公开、附图和所附权利要求的范围内对组件和/或附件组合设置中的设置进行多种变化和改进。除组件和/或设置的变化和改进之外，其他可选择的应用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：
半导体衬底，包括光电二极管；
第一电介质，位于该半导体衬底上；
第二电介质图案，位于该第一电介质上；
沟槽，位于该第二电介质图案的一侧，其中该沟槽的至少一部分位于该光电二极管上方；
平坦化层，位于该沟槽中；以及
滤色镜，位于该平坦化层上。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其中，该第一电介质包括硅烷材料。
3.如权利要求1所述的图像传感器，还包括：
第一掩模图案，位于该第一电介质上，并位于该第二电介质图案下方；以及
第二掩模图案，位于该第二电介质图案的外表面上。
4.如权利要求3所述的图像传感器，其中，该第一掩模图案包括氮化物材料，并且该第二电介质图案包括氮化物材料。
5.如权利要求1所述的图像传感器，其中，该平坦化层包括感光材料。
6.如权利要求1所述的图像传感器，其中，该第二电介质图案被设置为使得该第二电介质图案的任一部分都不位于该光电二极管上方。
7.如权利要求1所述的图像传感器，还包括：微透镜，位于该滤色镜上。
8.如权利要求1所述的图像传感器，其中，该第二电介质图案包括多个金属互连件。
9.一种图像传感器的制造方法，包括如下步骤：
在半导体衬底中形成光电二极管；
在包括该光电二极管的该半导体衬底上形成第一电介质；
在该第一电介质上形成第二电介质图案；
在该第二电介质图案的一侧形成第二沟槽，其中该第二沟槽的至少一部分位于该光电二极管上方；
在该沟槽中形成平坦化层；以及
在该平坦化层上形成滤色镜。
10.如权利要求9所述的方法，其中，该第一电介质包括硅烷材料。
11.如权利要求9所述的方法，其中，该第二电介质图案包括多个形成于其中的金属互连件。
12.如权利要求9所述的方法，其中，形成该第二电介质图案和该第二沟槽的步骤包括如下步骤：
在该第一电介质上形成第一掩模；
在该第一掩模上形成第二电介质和位于该第二电介质中的多个金属互连件；
去除该第二电介质位于该光电二极管上方的一部分，以形成该第二电介质图案，并在该第二电介质图案的一侧形成第一沟槽；
在该第二电介质图案上形成第二掩模；以及
去除该第一掩模位于该光电二极管上方的一部分和该第二掩模位于该光电二极管上方的一部分，以形成该第二沟槽。
13.如权利要求12所述的方法，其中，该第一掩模包括氮化物材料，并且该第二掩模包括氮化物材料。
14.如权利要求12所述的方法，其中，位于该第一电介质上和该第二电介质图案下方的该第一掩模的剩余部分形成第一掩模图案，并且位于该第二电介质图案的外表面上的该第二掩模的剩余部分形成第二掩模图案。
15.如权利要求9所述的方法，其中，该平坦化层包括感光材料。
16.如权利要求9所述的方法，其中，形成该平坦化层的步骤包括如下步骤：
在该第二沟槽中沉积感光材料；以及
在该感光材料上实施化学机械抛光工艺以形成该平坦化层。
17.如权利要求16所述的方法，还包括如下步骤：在该第二电介质图案的外表面上形成第二掩模图案，其中，在该化学机械抛光工艺期间，该第二掩模图案用作抛光终止点。
18.如权利要求9所述的方法，其中，该第二掩模图案被形成为使得该第二电介质图案的任一部分都不位于该光电二极管上方。
19.如权利要求9所述的方法，还包括在该滤色镜上形成微透镜。
20.如权利要求9所述的方法，还包括在形成该滤色镜之前，在平坦化层上形成钝化层。
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