CN101615595A - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明披露了一种CMOS图像传感器及其制造方法。该方法包括：在其中形成有多个光电二极管的半导体衬底上形成层间绝缘膜，在层间绝缘膜上形成多个与光电二极管相对应的滤色器层，在包括各个滤色器层的半导体衬底的整个表面上方形成平坦化层，在位于滤色器层的边界上方的平坦化层上形成一个以上的间隙绝缘膜，以及在间隙绝缘膜之间的平坦化层上形成一个以上的微透镜，以与各个光电二极管相对应。
Description
本申请要求于2008年6月27日递交的第10-2008-0061516号韩国专利申请的优先权，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种半导体器件，更具体地，涉及一种CMOS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。这样的图像传感器可以被大致地分为电荷耦合器件(CCD)图像传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。
CMOS图像传感器由光电二极管部分和CMOS逻辑电路部分构成，其中，光电二极管部分用以检测所照射的光，而CMOS逻辑电路部分用以将检测到的光处理为用于数据形成(data formation)的电信号。由光电二极管接收到的光的量越多，图像传感器的光敏性(photo-sensitivity)就越高。
为了增强光敏性，使用了用以提高所谓的“填充系数”的技术，或者使用了用以改变射入到除了光电二极管之外的区域中的光的路径以从而将光聚集到光电二极管的技术，其中填充系数指的是光电二极管相对于图像传感器的整个区域的占有比。聚光技术(condensing technology)的一个典型示例是用于形成微透镜的方法，在该方法中，通过使用高透光率(light transmittance)材料在光电二极管上方形成常规的凸微透镜，该凸微透镜用来折射入射光的路径以允许更多的光量照射到光电二极管。在这种情况下，与微透镜的光轴水平的光被该微透镜折射，从而在光轴上的预定位置上聚焦。
在制造用于图像传感器的器件中，用于图像接收的光电二极管的数量决定了图像分辨率。由于这个原因，已经改进地使像素具有更小的尺寸，并提供更多数量的像素。利用这尺寸更小和数量更多的像素，输入到图像平面(image plane)中的外部图像经由微透镜聚焦。
关于滤色器，原色型(primary color type)或补色型(complementary color type)的滤色器层被形成用于颜色分离(colorseparation)。更具体地，为了实现颜色分离以及随后的颜色再现(color reproduction)，在原色型的情形下以片上(On-Chip)方式来形成红色、绿色和蓝色滤色器层，以及在互补色型的情形下以片上方式来形成青色(Cyan)、黄色和品红色(Magenta)滤色器层。
注意的是，微透镜被设置用来提高聚光效率(condensingefficiency)，以实现对入射光的有效利用，也就是，实现对入射光的最大利用。典型地，通过光刻胶热回流来形成这样的微透镜。然而，如果实施光刻胶热回流以使用于聚集更多光量的微透镜的尺寸最大化，可能会在相邻的微透镜之间引起桥接(bridge)。因此，就良好的均匀性(uniformity)而言，必须提供一定程度的临界尺寸(CD)。
基于晶体管的数量，CMOS图像传感器被分为3T型、4T型、5T型等。3T型CMOS图像传感器包括一个光电二极管和三个晶体管，而4T型CMOS图像传感器包括一个光电二极管和四个晶体管。现在，将描述关于3T型CMOS图像传感器的单元像素的布局。
图1是常规3T型CMOS图像传感器的等效电路图，而图2是示出了常规3T型CMOS图像传感器的单元像素的布局图。
如图1所示，常规3T型CMOS图像传感器的单元像素包括一个光电二极管PD和三个nMOS晶体管T1、T2和T3。光电二极管PD的阴极连接至第一nMOS晶体管T1的漏极和第二nMOS晶体管T2的栅极。第一nMOS晶体管T1和第二nMOS晶体管T2两者的源极都连接至用于提供参考电压VR的电源线。第一nMOS晶体管T1的栅极连接至用于提供复位信号RST的复位线。同样，第三nMOS晶体管T3的源极连接至第二nMOS晶体管T2的漏极，第三nMOS晶体管T3的漏极经由信号线连接至读出电路(readingcircuit)(未示出)，而第三nMOS晶体管T3的栅极连接至用于提供选择信号SLCT的行选择线(row selection line)。这样，第一nMOS晶体管T1称作复位晶体管Rx，第二nMOS晶体管T2称作驱动晶体管Dx，而第三nMOS晶体管T3称作选择晶体管Sx。
如图2所示，用有源区10来限定常规3T型CMOS图像传感器的单元像素。在有源区10的大宽度部分(large-width portion)上形成一个光电二极管20，而在有源区10的剩余部分上形成重叠(overlapping)的三个晶体管的栅电极120、栅电极130、栅电极140。特别地，通过栅电极120来形成复位晶体管Rx，通过栅电极130来形成驱动晶体管Dx，以及通过栅电极140来形成选择晶体管Sx。这里，将掺杂离子注入到除了栅电极120、栅电极130、栅电极140各自的下面之外的各个晶体管的有源区10中，从而形成各个晶体管的源/漏区。从而，电源电压Vdd被施加到位于复位晶体管Rx和驱动晶体管Dx之间的源/漏极区，而位于选择晶体管Sx一侧的源/漏极区被连接至读出电路(未示出)。尽管在图中未示出，但上述栅电极120、栅电极130、栅电极140分别被连接至信号线，而每个信号线在其端部设置有一个衬垫(pad)以连接至外部驱动电路。
图3是示出了相关的CMOS图像传感器的截面图。
如图3所示，在P++型半导体衬底100上生长P-型外延层101，其中，在半导体衬底100中限定了器件隔离区和有源区(包括光电二极管区和晶体管区)。在半导体衬底100的器件隔离区中形成场氧化膜102，该场氧化膜102用于隔开绿光输入区、红光输入区和蓝光输入区。在半导体衬底100的光电二极管区中形成N-型扩散区103。
其次，在半导体衬底100的晶体管区中形成栅电极105，其中在半导体衬底100和栅电极105之间插入有栅极绝缘膜104。在每个栅电极105的相对的侧表面上形成绝缘膜侧壁106。
在包括栅电极105的半导体衬底100的整个表面上方形成第一层间绝缘膜108，在第一层间绝缘膜108上形成多个金属布线109，其中，金属布线109之间具有预定的间隔。
在包括金属布线109的半导体衬底100的整个表面上方形成厚度大约为4000埃的第二层间绝缘膜110，并在第二层间绝缘膜110上形成氮化膜111。在氮化膜111上形成红色、绿色和蓝色滤色器层112，以与各个N-型扩散区103相对应。
在包括各个滤色器层112的半导体衬底100的整个表面上方形成平坦化层(flattening layer)113，并在平坦化层113上形成微透镜114，以与各个滤色器层112相对应。这里，参考标号107指的是晶体管的源极和漏极掺杂区。
在上述的CMOS图像传感器中，为了实现更高的灵敏度，必须在图样化微透镜114之后实现微透镜114之间的零间隙。然而，在实际的应用中，很难在微透镜114之间获得零间隙。这是因为降低微透镜114之间的间隙以实现零间隙可能引起微透镜114之间的桥接，从而导致微透镜114的散焦误差(defocusing error)和其他性能的恶化。目前，微透镜114之间的间隙是几十微米。
发明内容
因此，本发明涉及一种CMOS图像传感器及其制造方法，该CMOS图像传感器及其制造方法基本上消除了由于相关技术的局限和缺点而导致的一个或多个问题。
本发明的一个目的在于提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，在该CMOS图像传感器中，最小化了微透镜之间的间隙，从而使CMOS图像传感器的性能提高。
本发明的其他优点、目的和特征一部分将在下文中阐述，一部分对于本领域的普通技术人员而言通过下文的实验将变得显而易见或者可以从本发明的实践中获得。通过所写的说明书及其权利要求以及附图中特别指出的结构，可以了解和获知本发明的这些目的和其他优点。
为了实现这些目的和其他优点以及根据本发明的目的，如在本文中所体现和概括描述的，一种用于制造CMOS图像传感器的方法包括：在其中形成有多个光电二极管的半导体衬底上形成层间绝缘膜，在层间绝缘膜上形成多个与光电二极管相对应的滤色器层，在包括各个滤色器层的半导体衬底的整个表面上方形成平坦化层，在位于滤色器层的边界(boundary)上方的平坦化层上形成一个以上的间隙绝缘膜，以及在间隙绝缘膜之间的平坦化层上形成一个以上的微透镜，以与各个光电二极管相对应。
根据本发明的另一个方面，一种CMOS图像传感器包括：在其中形成有多个光电二极管的半导体衬底上形成的层间绝缘膜，在层间绝缘膜上形成的多个滤色器层，在包括各个滤色器层的半导体衬底的整个表面上方形成的平坦化层，在位于滤色器层的边界上方的平坦化层上形成的一个以上的间隙绝缘膜，以及在间隙绝缘膜之间的平坦化层上形成的一个以上的微透镜，其与各个光电二极管相对应。
可以理解的是，本发明的上述总体描述和以下的具体描述都是示例性的和说明性的，并且旨在提供对所要求的本发明的进一步解释。
附图说明
附图示出了本发明的实施例并与说明书一起用来解释本发明的原理，其中，附图包括在本申请中以提供对本发明的进一步理解并结合在本申请中且组成本申请的一部分。在附图中：
图1是常规3T型CMOS图像传感器的等效电路图；
图2是示出了常规3T型CMOS图像传感器的单元像素的布局图；
图3是示出了相关CMOS图像传感器的截面图；以及
图4A到图4F是示出了根据本发明的示例性实施例的用于制造CMOS图像传感器的方法的过程截面图(process sectional view)。
具体实施方式
现在将详细地参照本发明的示例性实施方式，其实施例在附图中示出。在所有可能的地方，在整个附图中使用相同的标号以表示相同或相似的部件。
图4A到图4F是示出了根据本发明的示例性实施例的用于制造CMOS图像传感器的方法的过程截面图。
参照图4A，在其中形成有多个光电二极管202的半导体衬底200上形成层间绝缘膜204。这里，半导体衬底200由器件隔离区(未示出)和有源区(未示出)所限定，并且依次地，有源区由光电二极管区和晶体管区所限定。在光电二极管区中形成多个光电二极管202。光电二极管202和多个晶体管以非常简化的结构示出，由于该结构在本领域中是公知的，因而在此将省略对其具体的描述。可以以各种结构(configuration)来表示光电二极管202和晶体管，例如，如图3所示的结构。这里，可以通过使用无杂质硅酸盐玻璃(Undoped Silicate Glass)(USG)、磷硅酸盐玻璃(PhosphorSilicate Glass)(PSG)、硼硅酸盐玻璃(Boron Silicate Glass)(BSG)和硼磷硅酸盐玻璃(Boron Phosphor Silicate Glass)(BPSG)中的任意一种来形成层间绝缘膜204。
然后，参照图4B，在层间绝缘膜204上形成保护膜206。该保护膜206用来保护器件免受湿气和划痕。在形成保护膜206后，在保护膜206上形成多个红色、蓝色和绿色滤色器层208，以与各个光电二极管202相对应。例如，在用可燃光刻胶(flammable resist)涂覆保护膜206的整个表面后，实施曝光和显影工艺(exposure anddeveloping processes)，从而形成滤色器层208，其中，滤色器层208基于各波长范围来过滤光。这里，可以省略保护膜206。在这种情况下，在层间绝缘膜204上形成多个滤色器层208。如图4B所示，滤色器层208彼此可以具有不同的厚度，因而，可以实施诸如化学机械抛光(CMP)工艺的平坦化工艺。
其次，如图4C所示，在包括各个滤色器层208的半导体衬底200的整个表面上方形成平坦化层210。
其次，如图4D和图4E所示，在位于滤色器层208的边界上方的平坦化层210上形成间隙绝缘膜(gap insulating film)212A。具体地，分别在蓝色滤色器层和绿色滤色器层之间的边界上方以及在绿色滤色器层和红色滤色器层之间的边界上方形成间隙绝缘膜212A。
更具体地，在平坦化层210的整个表面上方沉积氧化膜212。氧化膜212经受感光和刻蚀工艺(photographing and etchingprocesses)，从而在用来形成微透镜214的空间(space)之间的间隙中形成氧化膜212A以作为间隙绝缘膜212A，该间隙绝缘膜212A中具有最小的宽度。对于本发明，相对于在感光和刻蚀工艺中使用的掩模，间隙绝缘膜212A的宽度t在允许的临界尺寸(CD)范围内被最小化，例如，可以为10nm到20nm。
其次，如图4F所示，在间隙绝缘膜212A之间的平坦化层210上形成微透镜214，以与各个光电二极管202相对应。例如，以用于微透镜的光刻胶来涂覆平坦化层210的上表面，然后通过曝光和显影工艺来选择性地图样化所涂覆的光刻胶，从而形成微透镜图样。将其上形成有微透镜图样的半导体衬底200放在热板(hot plate)(未示出)上，在这种情况下，在例如150℃到300℃的温度下对半导体衬底200进行热处理，以引起微透镜图样的回流。随着微透镜图样的回流，在间隙绝缘膜212A之间形成了半球形的微透镜214。随后，可以对通过热回流获得的微透镜214进行冷却处理(coolingprocess)。可以在半导体衬底200被放在冷却板上的情况下实施冷却处理。
通常，在对微透镜图样进行加热时，如果相邻的微透镜214之间没有间隙，则加热回流的光刻胶会聚集(colligate)而引起微透镜214变畸形，这使得很难制造没有间隙的微透镜。然而，在本发明中，由于在形成微透镜214之前，在用于形成微透镜214的区域之间形成了间隙绝缘膜212A，所以可以防止在热处理期间微透镜变畸形。
在下文中，将参照图4F来描述根据本发明示例性实施例的CMOS图像传感器的整个结构。
参照图4F，根据本发明的CMOS图像传感器可以包括半导体衬底200、多个光电二极管202、层间绝缘膜204、保护膜206、多个滤色器层208、平坦化层210、一个以上的间隙绝缘膜212A和一个以上的微透镜214。
这里，在其中形成有多个光电二极管202的半导体衬底200上形成层间绝缘膜204，该层间绝缘膜204可以采用多层的形式。
在层间绝缘膜204上形成平坦化的保护膜206，以保护器件免受湿气和划痕，以及在保护膜206上形成多个滤色器层208。此处，可以选择性地形成保护膜206。
在包括各个滤色器层208的半导体衬底200的整个表面上方形成平坦化层210，以及在位于滤色器层208的边界上方的平坦化层210上形成间隙绝缘膜212A。这里，间隙绝缘膜212A可以由氧化膜形成。在间隙绝缘膜212A之间的平坦化层210上形成微透镜214，以与各个光电二极管202相对应。
从以上描述显而易见的是，本发明提供了一种CMOS图像传感器及其制造方法，在该CMOS图像传感器及其制造方法中，最小化了微透镜之间的间隙，从而使传感器的特性增强。此外，即使由于例如工艺的变化(variations)而使得微透镜的尺寸增大，也可以防止相邻微透镜之间的桥接，从而防止了散焦误差(defocusing error)等。
在不脱离本发明的精神和范围内可以作各种修改及变形，这对于本领域的技术人员而言是显而易见的。因此，本发明意在涵盖在所附权利要求及其等同替换的范围内的对本发明的修改和变形。
Claims (10)
1.一种用于制造CMOS图像传感器的方法，包括：
在其中形成有多个光电二极管的半导体衬底上形成层间绝缘膜；
在所述层间绝缘膜上形成多个与所述光电二极管相对应的滤色器层；
在包括所述各个滤色器层的所述半导体衬底的整个表面上方形成平坦化层；
在位于所述滤色器层的边界上方的所述平坦化层上形成一个以上的间隙绝缘膜；以及
在所述间隙绝缘膜之间的所述平坦化层上形成一个以上的微透镜，以与所述各个光电二极管相对应。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述间隙绝缘膜的所述形成包括：
在所述平坦化层的整个表面上方形成氧化膜；以及
通过在所述氧化膜上实施感光和刻蚀工艺来图样化位于所述微透镜之间的间隙中的所述氧化层，以形成所述间隙绝缘膜。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述间隙绝缘膜的宽度在10nm到20nm的范围内。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在所述层间绝缘膜上形成保护膜，
其中，在所述保护膜上形成所述滤色器层。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述间隙绝缘膜的宽度在允许的临界尺寸(CD)范围内具有最小值。
6.一种CMOS图像传感器，包括：
层间绝缘膜，形成在其中形成有多个光电二极管的半导体衬底上；
多个滤色器层，形成在所述层间绝缘膜上；
平坦化层，形成在包括所述各个滤色器层的所述半导体衬底的整个表面上方；
一个以上的间隙绝缘膜，形成在位于所述滤色器层的边界上方的所述平坦化层上；以及
一个以上的微透镜，形成在所述间隙绝缘膜之间的所述平坦化层上以与所述各个光电二极管相对应。
7.根据权利要求6所述的传感器，其中，所述间隙绝缘膜的宽度在10nm到20nm的范围内。
8.根据权利要求6所述的传感器，其中，所述间隙绝缘膜由氧化膜形成。
9.根据权利要求6所述的传感器，进一步包括：
保护膜，形成在所述层间绝缘膜上，
其中，在所述保护膜上形成所述多个滤色器层。
10.根据权利要求6所述的传感器，其中，所述间隙绝缘膜的宽度在允许的临界尺寸(CD)范围内具有最小值。
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