CN101447496A - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种图像传感器及其制造方法，可以包括：半导体衬底；多个光电二极管，形成在该半导体衬底上和/或上方；第一绝缘层，形成在包括所述多个光电二极管的该半导体衬底上和/或上方；至少一根金属线，形成在该第一绝缘层上和/或上方；具有多个阱的第二绝缘层，形成在所述多个光电二极管上和/或上方；多个滤色镜，通过在所述多个阱中嵌入多个滤色镜层而形成；以及多个微透镜，形成在所述多个滤色镜上和/或上方。

Description

图像传感器及其制造方法
根据美国法典第35条119款，本申请要求享有在2007年11月30号递交的韩国专利申请第10-2007-0123619号的优先权，其全部内容通过引用而合并于此。
技术领域
本发明涉及一种半导体器件，尤其涉及一种CMOS图像传感器及其制造方法。
背景技术
一般来说，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。图像传感器可以分为CCD(电荷耦合器件)和CMOS(互补金属氧化物半导体)器件。图像传感器包括：具有光电二极管以感知光的光接收区域，和将感知到的光处理为可以转换成数据的电信号的逻辑区域。人们为了提高光敏度作出了很多努力。
图1是CMOS图像传感器1的剖视图，示出了包括光电二极管20a、20b和20c的光接收区域。参见图1，图像传感器1可以包括多个光电二极管20a、20b和20c，和用于使多个光电二极管20a、20b和20c彼此隔离的器件隔离层(浅沟槽隔离，或＂STI＂)12。第一和第二绝缘层30和34可以形成在半导体衬底10的上方。金属线32可以电连接位于第二绝缘层34中的逻辑区域。接触件36可以电连接金属线32到另一区域。包括红色(R)、蓝色(B)和绿色(G)的滤色镜层42可以形成在第二绝缘层34上方，并且和多个光电二极管20a、20b和20c的每一个对应。平坦化层44可以形成在滤色镜层42上方，并且，可以形成在平坦化层44上方的微透镜46和包括红色(R)、蓝色(B)、绿色(G)的滤色镜层42对应。
由于CMOS图像传感器的像素间距减小，尽管形成了最佳微透镜，光电二极管也可能不能完全聚焦。这是由于在最佳聚焦条件下的可聚光的最小光点的大小为艾里斑(airy disc)的大小，其与1/NA和焦距成比例。在这种情况下，NA(数值孔径)指的是光圈(iris)的孔径。
在CMOS图像传感器的像素中，NA对应于像素间距，并且焦距对应于金属线层的厚度。为了获得同样大小的焦点，金属线层的厚度的减小应当和给定的CMOS图像传感器中的像素大小的减小成比例。然而，当金属线需要具有的厚度小于其它设计方法所规定的要求的最小厚度时，图像传感器结构达到了设计极限。因此，产生了像素间距限制，并阻止了像素大小更进一步的减小。根据计算机模拟研究的结果，上述光学极限估计达到每像素约1.75μm。
发明内容
实施例涉及一种半导体器件，尤其涉及一种CMOS图像传感器及其制造方法。实施例涉及一种图像传感器及其制造方法，通过有效减小图像传感器的光电二极管和微透镜之间的垂直距离，提高微透镜的聚光效率，可以提高图像传感器的灵敏度。实施例涉及一种图形传感器及其制造方法，使用比其它微透镜厚的微透镜，聚集的光也可以有其它图像传感器相同的水平。
实施例涉及一种图像传感器的制造方法，其可以包括：提供半导体衬底；形成多个光电二极管，位于该半导体衬底上方；形成第一绝缘层，位于包括所述多个光电二极管的该半导体衬底上方；形成至少一根金属线，位于该第一绝缘层上方；形成第二绝缘层，位于包括至少一根所述金属线的该第一绝缘层上方；通过蚀刻该第二绝缘层而形成多个阱，位于所述多个光电二极管上方；使用滤色镜层填充所述多个阱，以形成多个滤色镜；形成多个微透镜，位于所述多个滤色镜上方。
实施例涉及一种图像传感器，其可以包括：半导体衬底；多个光电二极管，形成在该半导体衬底上方；第一绝缘层，形成在包括所述多个光电二极管的该半导体衬底上方；至少一根金属线，形成在该第一绝缘层上方；具有多个阱的第二绝缘层，形成在所述多个光电二极管上方；多个滤色镜，通过在所述多个阱中填充多个滤色镜层而形成；多个微透镜，形成在所述多个滤色镜上方。
实施例涉及一种图像传感器的制造方法，其可以包括：形成多个光电二极管，位于该半导体衬底上方；形成第一绝缘层，位于包括所述多个光电二极管的该半导体衬底上方；形成至少一根金属线，位于该第一绝缘层上方；在该第一绝缘层中形成多个阱，位于所述多个光电二极管上方；通过在所述多个阱中放置滤色镜层，以形成多个滤色镜；形成第二绝缘层，位于包括至少一根所述金属线和所述多个滤色镜的该第一绝缘层上方；形成多个微透镜，位于所述多个滤色镜上方。
实施例涉及一种图像传感器，其可以包括：半导体衬底；多个光电二极管，形成在该半导体衬底上方；包括多个蚀刻的阱的第一绝缘层，位于所述多个光电二极管上方；至少一根金属线，位于该第一绝缘层上方；多个滤色镜，通过形成在所述多个蚀刻的阱中的滤色镜层而形成；第二绝缘层，位于包括至少一根金属线和所述多个滤色镜的该第一绝缘层上方；多个微透镜，形成在所述多个滤色镜上方。
因此，实施例可以提供如下效果和/或优点。不像其它的CMOS图像传感器，形成在第二绝缘层中的多个阱可以被滤色镜填充。直接形成微透镜，而不在所述多个滤色镜之间形成平坦化层。因此，通过有效减小图像传感器的光电二极管和微透镜之间的垂直距离，提高微透镜的聚光效率，可以优化该图像传感器的灵敏度。另外，使用比其它微透镜厚的微透镜，聚集的光也可以有与其它图像传感器相同的水平。因此，在微透镜形成工艺中，可以增加形成微透镜的厚度裕度。
附图说明
图1是CMOS图像传感器的剖视图。
图2A到图2F是依据实施例制造图像传感器的方法的剖视图。
图3A到图3D是依据实施例制造图像传感器的方法的剖视图。
具体实施方式
图2A到图2F是依据实施例制造图像传感器的方法的剖视图。
参见图2A，多个光电二极管20a、20b和20c可以形成在半导体衬底10上方。然后，可以形成器件隔离层(浅沟槽隔离)12，以使多个光电二极管20a、20b和20c相互隔离。或者，在器件隔离层12形成在半导体衬底10中之后，可以形成多个光电二极管20a、20b和20c。第一绝缘层30可以由透明材料形成，并位于其中形成有多个光电二极管20a、20b和20c的半导体衬底10上和/或上方。通过使用掩模进行光刻蚀刻，沟槽可以形成在第一绝缘层30的一部分中。沟槽可以填充导电物质(如Al，Cu等)以形成接触件36。连接到另一个区域的金属线32可以形成在第一绝缘层30上和/或上方，并覆盖接触件36。金属线32和接触件36可以共同用在电接触逻辑区域和光接收区域中。第二绝缘层34可以通过在其上形成有金属线32的第一绝缘层30上和/或上方沉积(涂覆)透明材料而形成。
参见图2B，光致抗蚀剂图案40可以形成在第二绝缘层34上和/或上方，以和金属线34相对应。可以图案化光致抗蚀剂图案40，以暴露和光电二极管20a、20b和20c对应的第二绝缘层34的部分区域。尤其可以图案化光致抗蚀剂图案40，以形成分别和光电二极管20a、20b和20c对应的多个滤色镜。
参见图2C，通过使用光致抗蚀剂图案40作为蚀刻掩模来蚀刻第二绝缘层34，可以使得多个阱42、44和46在第二绝缘层34中形成指定的深度。例如，每个阱42、44和46可以形成在金属线之间。每个阱42、44和46的深度可以在约100nm到1000nm的范围内，尤其可以对应滤色镜层的厚度，使得深度在约600nm到700nm的范围内。
参见图2D，滤色镜50可以形成在第二绝缘层34的每个阱42、44和46中，以对应每个光电二极管20a、20b和20c。例如，蓝色滤色镜、绿色滤色镜和红色滤色镜可以提供在阱42、44和46中，以分别对应每个光电二极管20a、20b和20c。关于光电二极管20a、20b和20c，通过绿色(G)滤色镜的光可以被第一光电二极管20a接收，通过蓝色(B)滤色镜的光可以被第二光电二极管20b接收，通过红色(R)滤色镜的光可以被第三光电二极管20c接收。
参见图2E，微透镜60a、60b和60c可以形成在滤色镜层50上和/或上方，并分别对应滤色镜50。通过在温度约为120℃到200℃的范围内执行回流工艺，可以形成具有半球状横截面的微透镜60a、60b和60c。微透镜60a、60b和60c可以通过对其施加紫外(UV)线而硬化。
参见图2F，保护层70可以形成在微透镜60a、60b和60c上和/或上方，以保护其免于受潮和产生刮痕。由于保护层70的物质可以具有的反射指数(如在约1.6到1.7的范围内)几乎和用于可见光波长的微透镜60a、60b和60c的反射指数相同，所以，光学折射可以在保护层70和微透镜60a、60b和60c之间最小化。
比较依据实施例的方法制造的图像传感器和如图1所示的图像传感器，滤色镜层可以嵌入到第二绝缘层中。形成在滤色镜层上方的平坦化层可以省略。因此，实施例可以减小光电二极管20和微透镜60之间的距离到约1μm到2μm的范围内。因此，光电二极管实质上可以用比其它微透镜厚的透镜来完成聚焦。由于可以减小光电二极管20和微透镜60之间的距离，可以减小光损失，并可以相对提高聚集光的功能，从而可以最大化图像传感器的灵敏度。
图2F是依据实施例的方法制造的图像传感器的光接收区域的剖视图。参见图2F，图像传感器可以包括多个提供给半导体衬底的光电二极管20a、20b和20c，以将入射光转换成电信号。第一绝缘层30可以形成在具有光电二极管20a、20b和20c的半导体衬底10上和/或上方。金属线32可以形成在第一绝缘层30上和/或上方。第二绝缘层34’可以和多个阱形成在包括金属线32的第一绝缘层30上和/或上方。滤色镜层50可以提供在分别和多个光电二极管20a、20b和20c对应的多个阱中。多个微透镜60a、60b和60c可以被提供以分别和滤色镜层50对应。因此，如图2F所示的实施例的图像传感器和图1所示的图像传感器的不同点在于：滤色镜可以嵌入到第二绝缘层的阱中。可以直接形成微透镜60a、60b和60c，而不在滤色镜层50之间形成平坦化层。因此，实施例减小了微透镜60a、60b和60c和光电二极管20a/20b/20c之间的距离到约1μm到约2μm的范围。因此，可以提高微透镜的聚光效率，从而提高了图像传感器的灵敏度。另外，由于实施例使用比其它微透镜厚的微透镜而达到了和其它图像传感器同样水平的聚光能力，因此在微透镜形成期间，微透镜允许的厚度的裕度变化可以增加。
图3A到3D是依据实施例制造图像传感器的方法的剖视图，其中形成金属线32的步骤实质上和图2A到图2F的图示和描述相同。
参见图3A，多个阱310可以在第一绝缘层30中形成指定的深度，通过使用掩模进行光刻在第一绝缘层30上和/或上方形成金属线32。阱310可以分别对应光电二极管20a、20b和20c而形成。每个阱310的深度可以在约100nm到1000nm的范围内，尤其是可以对应滤色镜层的厚度，使得深度在约600nm到700nm的范围内。
参见图3B，形成在第一绝缘层30中的每个阱310可以填充滤色镜层320。参见图3C，第二绝缘层330可以使用透明材料形成在包括金属线32和滤色镜层320的第一绝缘层30上和/或上方。
参见图3D，微透镜340可以形成在第二绝缘层330上和/或上方，并对应滤色镜层320。保护层350可以形成在微透镜340上和/或上方，以保护微透镜340和/或滤色镜层320免于受潮和产生刮痕。因此，依据实施例的图像传感器可以包括多个提供在半导体衬底10上和/或上方的光电二极管20a、20b和20c，以将入射光转换成电信号。第一绝缘层30可以形成在半导体衬底10上和/或上方，其中在该半导体衬底10上和/或上方形成有光电二极管20a、20b和20c。金属线32可以形成在第一绝缘层30上和/或上方。滤色镜层320可以嵌入到通过蚀刻和多个光电二极管20a、20b和20c对应的第一绝缘层30而形成的多个阱中。第二绝缘层330可以形成在包括金属线32和滤色镜层320的第一绝缘层30上和/或上方。多个微透镜340可以形成在第二绝缘层330上和/或上方，以对应滤色镜层320。依据实施例的图像传感器可以进一步包括形成在微透镜340上和/或上方的另一个保护层，以保护微透镜340和/或滤色镜层320免于受潮和产生刮痕。依据实施例的如图3D所示的图像传感器，类似如图2F所示的图像传感器，可以减小微透镜和对应的光电二极管之间的距离。因此，可以提高微透镜的聚光效率，从而提高图像传感器的灵敏度。
尽管此处对实施例进行了描述，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排列进行多种变化和改进。除组件和/或排列的变化和改进之外，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)

1.一种方法，包括以下步骤：
提供半导体衬底；然后
在该半导体衬底中形成多个光电二极管；然后
在包括所述多个光电二极管的该半导体衬底上方形成第一绝缘层；然后
在该第一绝缘层上方形成至少一根金属线；然后
在包括所述至少一根金属线的该第一绝缘层上方形成第二绝缘层；然后
通过蚀刻该第二绝缘层而在所述多个光电二极管上方形成多个阱；然后
用滤色镜层填充所述多个阱，以形成多个滤色镜；以及然后
在所述多个滤色镜上方形成多个微透镜。
2.如权利要求1所述的方法，还包括在所述微透镜上方形成保护层。
3.如权利要求2所述的方法，其中形成所述多个阱的步骤包括将该第二绝缘层蚀刻至深度范围约为600nm到700nm之间。
4.如权利要求2所述的方法，其中形成该保护层的步骤包括形成具有和所述多个微透镜实质相同的可见光谱中的光折射率的该保护层。
5.如权利要求1所述的方法，其中形成所述多个微透镜的步骤包括通过执行温度范围约为120℃到200℃之间的回流工艺来形成具有半球横截面的所述微透镜。
6.一种器件，包括：
半导体衬底；
多个光电二极管，形成在该半导体衬底中；
第一绝缘层，形成在包括所述多个光电二极管的该半导体衬底上方；
至少一根金属线，形成在该第一绝缘层上方；
第二绝缘层，形成在包括所述至少一根金属线的该第一绝缘层上方；
多个阱，形成在所述多个光电二极管上方并与其在空间上对应；
多个滤色镜，各自形成在所述多个阱的一个中；
多个微透镜，形成在所述多个滤色镜上方并与其在空间上对应。
7.如权利要求6所述的器件，还包括保护层，形成在所述微透镜上方。
8.如权利要求7所述的器件，其中所述保护层由保护所述滤色镜层和所述微透镜免于受潮和刮伤的材料制成。
9.如权利要求7所述的器件，其中所述保护层和所述微透镜的每一个由具有实质相同的可见光谱中的光折射率的材料制成。
10.如权利要求6所述的器件，其中在该第二绝缘层中的所述阱的深度范围约为600nm到700nm之间。
11.如权利要求6所述的器件，还包括接触件，形成在该第一绝缘层中，并且该接触件电连接到所述至少一根金属线。
12.一种方法，包括以下步骤：
在半导体衬底中形成多个光电二极管；然后
在包括所述多个光电二极管的该半导体衬底上方形成第一绝缘层；然后
在该第一绝缘层上方形成至少一根金属线；然后
在该第一绝缘层中形成多个阱，所述多个阱位于所述多个光电二极管上方并与其在空间上对应；然后
通过在所述多个阱中形成滤色镜层，形成多个滤色镜；然后
在包括所述至少一根金属线和所述多个滤色镜的该第一绝缘层上方形成第二绝缘层；然后
在所述滤色镜上方形成多个微透镜。
13.如权利要求12所述的方法，其中形成所述多个阱的步骤包括将该第一绝缘层蚀刻至深度范围约为600nm到700nm之间。
14.如权利要求12所述的方法，其中形成所述多个阱的步骤包括将该第一绝缘层蚀刻至其深度范围约为100nm到1000nm之间。
15.如权利要求12所述的方法，还包括以下步骤：在所述微透镜上方形成保护层。
16.如权利要求15所述的方法，其中形成该保护层的步骤包括形成具有和微透镜实质相同的可见光谱中的光折射率的该保护层。
17.如权利要求12所述的方法，还包括以下步骤：在形成该第一绝缘层之后：
在该第一绝缘层的一部分中形成沟槽；以及然后
用导电物质填充该沟槽，以形成接触件。
18.如权利要求17所述的方法，其中该导电物质包括铝和铜中至少一种。
19.如权利要求17所述的方法，其中该沟槽通过使用掩模进行光刻蚀刻而形成。
20.如权利要求17所述的方法，其中所述至少一根金属线电连接到该接触件。
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