CN101667585A - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
由于具有不同表面特性的相邻微透镜之间存在着排斥力，所以图像传感器具有大的桥接余量。由于具有在两个区域之间的阶梯部分的结构，所以图像传感器具有较大的桥接余量，其中，该阶梯部分的结构在两个区域之下的平坦化层上方，第一和第二组微透镜形成在这两个区域。因此，实现了零间隙，即，在微透镜之间不存在间隙，微透镜的填充系数被最大化。通过零间隙的实现，减少了干涉效应，噪声减少了，填充系数提高了，因此提高了图像传感器的灵敏度，特别提高了绿色灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种图像传感器及其制造方法，更具体地，涉及一种具有相邻微透镜的图像传感器及其制造方法，其中，相邻微透镜具有不同的表面特性(surface property)。
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。图像传感器的类型包括CCD(电荷耦合器件)图像传感器和CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器。
CMOS图像传感器是一种利用CMOS制造技术将光学图像转换成电信号的器件。CMOS传感器采用了一种开关方法，该开关方法使得MOS晶体管的数量和相素数量一样多，并用它们来顺序检测输出。CMOS图像传感器与CCD图像传感器相比更易于操作，扫描方法灵活，并且通过将图像检测和信号处理电路集成到单个晶片上而减小了最终产品的尺寸。此外，由于CMOS图像传感器是使用普遍兼容的CMOS技术来制造的，所以可以降低制造成本，并且大幅降低了CMOS图像传感器的能耗。
在图像传感器的制造工艺中，人们尽力去最大化感光性(photosensitivity)。一种方法就是优化聚光装置(light condensingapparatus)。例如，CMOS图像传感器包括检测光的光检测器和通过电信号将检测到的光处理为数据的逻辑电路。光电二极管可以用作光检测器。当制造具有这种结构的CMOS图像检测器(CMOSimage detector)时，就需要增加在整个图像传感器上方的光检测器的区域从而增加感光性。然而，由于光检测器只能形成在逻辑电路之外的区域，所以用作逻辑电路的区域就限制了光检测器的区域。因此，已经对聚光技术(light condensing technology)进行了研究，这些聚光技术改变投射到这些区域上的光的路径而不是改变光检测器。聚光技术中的一种就是在图像传感器的滤色器上方的微透镜。
通过参照图1A至1E，来说明根据相关技术的具有这样的微透镜的图像传感器及其制造方法，其中，图1A至1E是半导体器件的横截面图。如图1A所示，例如，在半导体衬底10上形成氮化硅膜基(silicon nitride film-based)保护层21，其中，半导体衬底10具有光检测器13，该光检测器13包括光电二极管11和电路连接衬垫(circuit bonding pad)。通过光刻工艺来暴露电路连接衬垫，其中，该光刻工艺用来去除形成在电路连接衬垫上方的保护层。这里，通过如下实施光刻工艺：涂覆光刻胶并将其图样化；通过刻蚀去除部分保护层21；通过反应性离子刻蚀(reactive ion etching)来去除残留的光刻胶。
此后，如图1B所示，在保护层21上方形成滤色器阵列23。这里，滤色器阵列23是红色滤色器R、绿色滤色器G和蓝色滤色器B的组合，其中，红色滤色器R、绿色滤色器G和蓝色滤色器B通过涂覆、曝光和显影光刻胶而形成，该光刻胶包括特定颜色的色素，诸如红色、绿色和蓝色。
那么，如图1C所示，在滤色器阵列23上方形成平坦化层25。平坦化层25用于滤色器阵列23的阶梯部分修复，微透镜27的均匀制造和焦距控制。这里，平坦化层25可以由诸如光刻胶，氧化膜或者氮化膜的绝缘膜形成。
接下来，如图1D所示，在平坦化层25的表面上方依次涂覆、曝光和显影光刻胶。然后，通过将光刻胶漂白、热处理以回流光刻胶而使其成为透镜形状、以及硬化来形成微透镜27。其后，如图1E所示，在微透镜27上方保护层29。由于用作微透镜27的光刻胶是一种脆弱的固体(weak solid)，所以，当从晶片切面(wafersawing)产生的粒子黏附在表面上时，微透镜27就可能破碎，因此，使用了保护层29。这里，保护层29是在低温下(大约180℃)USG(未掺杂硅酸盐玻璃)的沉积，这被称为LTO(低温氧化)。
如上所述，在相关技术中，由图像传感器制造方法得到的图像传感器具有间隙r以防止相邻微透镜27之间的桥接(bridge)现象。间隙r减小了微透镜27的填充系数(fill factor)，并且穿过那些间隙的入射光线引起了串扰(crosstalk)。随着器件逐渐小型化，这些问题日益突出。
发明内容
本发明实施例涉及一种图像传感器及其制造方法，更具体地，涉及一种具相邻微透镜的图像传感器及其制造方法，其中，相邻微透镜具有不同表面特性。本发明实施例涉及一种图像传感器及其制造方法，其中，该图像传感器的相邻的微透镜具有不同的表面特性，以从而通过形成在它们之间的排斥力来确保较宽的余量。
通过在平坦化层中设置阶梯部分可以更宽地确保桥接余量，其中，在平坦化层上形成了第一类型表面特性的微透镜组所在区域和第二类型表面特性的微透镜组所在区域，从而在在这些区域之间保持(keep)阶梯部分。
根据本发明的一个方面，提供了：一个半导体衬底；形成在半导体衬底中的光检测器；第一组微透镜，形成在半导体衬底上方，并且相互隔离，第一组微透镜中的每个微透镜都具有第一表面特性；第二组微透镜，形成在第一组微透镜之间，第二组微透镜中的每一个微透镜都具有第二表面特性。
这里，图像传感器可以进一步包括形成在半导体衬底上方、第一和第二组微透镜下方的平坦化层，其中，平坦化层具有相应于形成第一组微透镜的区域的阶梯部分和相应于形成第二组微透镜的区域的阶梯部分。
第一表面特性可以是亲水的，而第二表面特性可以是疏水的。
根据本发明的另一方面，提供了一种图像传感器的制造方法，该方法可以包括：在具有光检测器和滤色器阵列的半导体衬底上方形成第一组微透镜，该第一组微透镜以特定距离彼此隔离并具有第二表面特性；通过在第一组微透镜上实施一种处理，将第二表面特性变为第一表面特性；在第一组微透镜之间形成第二组微透镜，第二组微透镜具有第二表面特性。
这里，所述将第二表面特性变为第一表面特性可以包括将第一组微透镜暴露在氧等离子体中。形成第一组微透镜可以包括在半导体衬底上方形成平坦化层，以及在平坦化层上方形成第一组微透镜。当通过刻蚀第一组微透镜和将要形成第二组微透镜的平坦化层的区域来在平坦化层上方形成阶梯部分时，可以实施将第二表面特性变为第一表面特性。第一表面特性可以是亲水的，第二表面特性可以是疏水的。
根据本发明的这些方面，相邻微透镜具有不同的表面特性以在其间产生排斥力，从而确保大的桥接余量。此外，形成在第一表面特性微透镜组所在区域和第二表面特性微透镜组所在区域下方的平坦化层在相应于上述区域的区域中具有阶梯部分，从而确保了较大的桥接余量。
此外，通过实现零间隙提高了微透镜的填充系数，在零间隙中，微透镜之间没有间隙。由于零间隙的实现使得干涉效应(interferenceeffect)减小，从而减小了噪音。通过提高填充系数，可以提高图像传感器的灵敏度，特别是绿色灵敏度(green sensitivity)。
附图说明
上文所述以及本发明的其他目的和特征通过以下结合附图对优选实施方式的描将变得显而易见，其中：
图1A至1E是用来说明相关的图像传感器制造方法的半导体器件的横截面图；
图2是通过使用根据本发明实施例的图像传感器制造方法而形成的图像传感器的横截面图；以及
图3A至3F是用来说明根据本发明实施例的图像传感器的制造方法的半导体器件的横截面图。
具体实施方式
在下文中，将参照形成本申请一部分的附图来详细描述本发明。
图2是通过使用根据本发明实施例的图像传感器制造方法而形成的图像传感器的横截面图。参照图2，本发明实施例的图像传感可以包括：半导体衬底100，具有光检测器104和滤色器阵列108；平坦化层110，具有阶梯部分，其中，阶梯部分相应于可以形成第一组微透镜112的区域和可以形成第二组微透镜116的区域；第一组微透镜112和第二组微透镜116。第一组微透镜112有亲水性表面特性，而第二组微透镜116有疏水性表面特性。此外，参考标号102指的是形成光检测器104的光电二极管，参考标号118是保护膜。
可以通过参照以下描述的根据本发明实施例的制造方法来理解图像传感器的结构。图3A至3F是用来说明根据本发明实施例的图像传感器制造方法的半导体器件的横截面图。
如图3A所示，可以在半导体衬底100上方形成氮化硅膜基保护层106，其中，半导体衬底100具有光检测器104，光检测器104包括光电二极管102和至少一个电路连接衬垫。可以通过实施光刻工艺以去除形成在电路连接衬垫上方的保护层106来暴露电路连接衬垫。在光刻工艺中，首先涂覆光刻胶并将其图样化。通过刻蚀去除部分保护层106，残留的光刻胶通过反应性刻蚀来去除。
如图3B所示，可以在保护层106上方形成滤色器阵列108。滤色器阵列108可以是红色滤色器R、绿色滤色器G和蓝色滤色器B的组合，其中，红色滤色器R、绿色滤色器G和蓝色滤色器B通过涂覆、曝光和显影光刻胶而形成，该光刻胶包括特定颜色的色素，诸如红色、绿色和蓝色。
如图3C所示，可以在滤色器阵列108上形成平坦化层110。平坦化层110可以用于滤色器阵列108的阶梯部分修复，微透镜112和116的均匀制造和焦距控制，这将参照图3F随后进行描述，此处可以省略。平坦化层110可以由诸如光刻胶、氧化膜或者氮化膜的绝缘膜形成。
如图3D所示，第一组微透镜112是一组微透镜，该组微透镜中的每个微透镜都是根据图像传感器的设计，每隔一个选择形成在平坦化层110上方的透镜。为了形成第一组微透镜112，可以在平坦化层110的表面上方涂覆光刻胶。然后，可以曝光、显影和漂白该光刻胶。使用热处理，可以回流该光刻胶以形成透镜形状，然后将其硬化以形成第一组微透镜112。这里，第一组微透镜112的表面特性具有疏水性，该疏水性具有低的润湿性(water affinity)。
如图3E所示，通过对透镜的表面进行处理，第一组微透镜的表面特性可以从疏水性变为亲水性，或者换句话说变为具有高的润湿性。这里，如果可以将第一组微透镜112暴露在氧等离子体中，第一组微透镜112的表面就可以从疏水性变为亲水性。
根据图像传感器的设计，通过从将要形成在平坦化层110上方的所有透镜中排除第一组微透镜112，可以将所有的剩余微透镜限定为第二组微透镜116。根据本发明实施例，当已经改变了第一微透镜112的表面特性时，第二组微透镜116可以具有在在第一组微透镜112和第二组微透镜116之间的阶梯部分114。通过这个，可以确保宽的余量以防止微透镜之间的桥接效应。
为了实现这个，当第一组微透镜112的表面特性由疏水性变为亲水性时，可以通过在第一组微透镜112上和平坦化层110的多个区域上实施反应性离子刻蚀来形成平坦化层110的阶梯部分114，其中，第二组微透镜116将在平坦化层110的所述多个区域上方形成。
如图3F所示，为了形成第二组微透镜116，可以在平坦化层110的表面上方涂覆光刻胶。然后，可以将该光刻胶曝光，显影和漂白。然后，可以通过热处理将其回流以形成透镜形状。然后将光刻胶硬化以形成第二组微透镜116。这里，第二组微透镜116的表面特性具有疏水性，而不同于被变为具有亲水性的第一组微透镜112。
因此，在第一组微透镜112和第二组微透镜116之间产生了排斥力(repulsive force)，由此可以防止相邻微透镜之间的桥接效应。此外，阶梯部分114确保了微透镜之间一个较宽的余量，从而进一步的防止了桥接效应。因此，从图1E和图3F可以看出，在相关技术中微透镜之间存在间隙r，而在本发明实施中实现了微透镜之间的零间隙。
接下来，在微透镜组112和116上方形成保护层118。形成保护层118是由于用来形成微透镜112和116的光刻胶是一种脆弱的固体，当从晶片切面产生的粒子黏附在透镜的表面时，微透镜组112和116可能破碎。这里，可以在低温下通过沉积二氧化硅(SiO2)来形成保护层118。因为氧化膜在低温下沉积，所以，如在相关技术中，二氧化硅也可以被称为LTO(低温氧化物)。
虽然已经参照本发明的示例性实施例特别地示出和描述了本发明，但对本领域的技术人员来说可以理解的是，在不脱离本发明的范围内可以作各种形式上和细节上的修改。
Claims (14)
1.一种装置，包括：
半导体衬底；
光检测器，形成在所述半导体衬底中；
第一组微透镜，形成在所述半导体衬底上方并彼此隔离，所述第一组微透镜中的每个透镜具有第一表面特性；以及
第二组微透镜，形成在所述第一组微透镜之间，所述第二组微透镜中的每个微透镜具有第二表面特性。
2.根据权利要求1所述的装置，包括：
平坦化层，形成在所述半导体衬底上方、所述第一和第二组微透镜之下，其中，所述平坦化层具有相应于形成所述第一组微透镜的区域的阶梯部分，和相应于形成所述第二组微透镜的区域的阶梯部分。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述平坦化层是由光刻胶、氧化膜和氮化膜之一制成的绝缘膜。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一表面特性为亲水的，而所述第二表面特性为疏水的。
5.根据权利要求1所述的装置，包括在所述第一和第二组透镜上方的保护层。
6.根据权利要求1所述的装置，包括形成在所述半导体衬底上方、所述第一和第二组微透镜之下的滤色器阵列。
7.根据权利要求6所述的装置，包括形成在所述半导体衬底上方、所述滤色器阵列之下的保护层。
8.一种方法，包括：
在具有光检测器和滤色器阵列的半导体衬底上方形成第一组微透镜，所述第一组微透镜以特定距离彼此隔离并具有第二表面特性；
通过在所述第一组微透镜上实施处理，将所述第二表面特性变为第一表面特性；以及
在所述第一组微透镜之间形成第二组微透镜，所述第二组微透镜有第二表面特性。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述将所述第二表面特性变为所述第一表面特性包括将所述第一组微透镜暴露在氧等离子体中。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，形成所述第一组微透镜包括在半导体衬底上方形成平坦化层以及在所述平坦化层上方形成所述第一组微透镜。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述平坦化层是由光刻胶、氧化膜和氮化膜之一制成的绝缘膜。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，当通过刻蚀所述第一组微透镜和将要形成所述第二组微透镜的所述平坦化层的区域来
在所述平坦化层上方形成阶梯部分时，实施所述的将所述第二表面特性变为所述第一表面特性。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一表面特性是亲水的，而所述第二表面特性是疏水的。
14.根据权利要求8所述的方法，进一步包括在所述第一组微透镜和所述第二组微透镜上方形成保护层。
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