CN101677082A - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CMOS图像传感器及其制造方法。该方法包括：在衬底上形成多个滤色器，每个滤色器具有一个曲率；以及在滤色器上形成微透镜，每个微透镜具有随滤色器的波长变化的曲率半径，其中，微透镜形成在滤色器上。
Description
本申请要求于2008年9月16目提交的韩国专利申请第10-2008-0090718号的优先权，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，图像传感器是用于将光学图像转换为电信号的半导体器件。图像传感器可以分为电荷耦合器件(charge coupled device，CCD)图像传感器和互补金属氧化硅(Complementary Metal OxideSilicon，CMOS)图像传感器。
当前广泛使用的CMOS图像传感器是开关型器件(switchingtype device)，在这些开关型器件中利用CMOS技术将MOS晶体管作为单元像素设置在半导体衬底上，控制电路和信号处理电路是外围电路。控制电路和信号处理电路利用MOS晶体管顺序检测单元像素的输出。
即，CMOS图像传感器在单元像素中具有一个光电二极管和多个MOS晶体管，它们用来通过开关系统顺序检测和/或传输每个单元像素的电信号，从而产生图像。
由于CMOS图像传感器采用CMOS制造技术，所以CMOS图像传感器具有低功耗、制造工艺简单(由于光刻工艺步骤少)等优点。
将参照附图描述相关技术的CMOS图像传感器，在这些附图中图1示出了相关技术的CMOS图像传感器的局部横截面图。
在半导体衬底100上形成绝缘膜101(例如，栅极绝缘膜或层间绝缘膜)，以及在绝缘膜101的整个表面上形成第一保护膜102(例如，氧化膜或氮化膜)。
在半导体衬底100的整个表面上沉积热树脂或薄TEOS层(用来保护在后续步骤中形成的微透镜)以形成第二保护膜103，以及在第二保护膜103的整个表面上沉积氮化硅膜或氮氧化硅膜(silicon oxynitride film)，以形成平坦化层104。
然后，在每个光电二极管区(未示出)上方的平坦化层104上形成滤色器层105。通过涂敷颜色抗蚀剂(color resist)并利用另外提供的掩膜光刻刻蚀该颜色抗蚀剂来形成滤色器层105中的每个滤色器。
然后，在具有滤色器层105的衬底的整个表面上形成外敷层(overcoating layer)106。
在外敷层106上附着聚合物作为微透镜材料层。然后，通过曝光和显影图样化聚合物(例如感光膜)以限定微透镜区。选择性地图样化聚合物的微透镜材料层以在滤色器层105上方形成微透镜图样。微透镜图样经受回流热处理以形成有固定曲率的半球形微透镜107。
然而，在这种微透镜形成方法中，滤色器层上的平坦化层降低了光学效率。
此外，平坦化层通过其厚度增大了将在以下步骤中形成的光电二极管和微透镜之间的距离，从而不能最大化CMOS图像传感器的灵敏度。
发明内容
因此，本发明针对一种CMOS图像传感器及其制造方法。
本发明一个目的是用来提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，由于滤色器和/或平坦化层，该CMOS图像传感器及其制造方法可以去除制造方法中的一个或多个步骤。
本公开的其他优点、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和工艺，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衬底上形成多个滤色器(每个滤色器具有一个曲率)以及在滤色器上分别形成微透镜，这些微透镜具有随相应的滤色器的波长而变化的曲率半径。
在本发明的另一方面中，CMOS图像传感器包括在衬底上的多个滤色器以及在滤色器上的沉积的微透镜，其中，每个滤色器具有一个曲率，微透镜具有分别随相应的滤色器的波长变化的曲率半径。
因此，通过省略平坦化层，而在滤色器上沉积微透镜，本申请中的CMOS图像传感器及其制造方法能够简化制造工艺并提高CMOS图像传感器的灵敏度。
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
附图被包括用来提供对本发明的进一步理解，并结合于此而构成本申请的一部分。本发明的示例性实施例连同描述都用来解释本发明的原理。在附图中：
图1示出了相关技术的CMOS图像传感器的横截面图。
图2示出了根据本发明的一个或多个实施例的示例性CMOS图像传感器的横截面图。
图3A至3E示出了在实施示例性方法的步骤之后形成的结构的横截面图，其中，该示例性方法用来制造根据本发明的各个实施例的CMOS图像传感器。
具体实施方式
现在将详细描述参照本发明的具体的实施例，在附图中示出了实施例的实例。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2示出了根据本发明的一个或多个实施例的示例性CMOS图像传感器的横截面图。
参照图2，CMOS图像传感器包括：半导体衬底200，其中，半导体衬底200具有下部器件层(未示出)，该下部器件层具有至少一个光电二极管区和形成在其上的金属线，该至少一个光电二极管区用来从入射到下部器件层上的一些光中产生电荷；绝缘膜201，在半导体衬底200上；第一保护膜202，在绝缘膜201的整个表面上；第二保护膜203，在第一保护膜202上，包括热树脂或薄TEOS基氧化层，用来保护在以下步骤中形成的微透镜；以及平坦化层204，包括沉积在第二保护膜203的整个表面上的氮化硅或氮氧化硅。绝缘膜201可以包括栅极绝缘膜或层间绝缘膜，第一保护膜202可以包括氧化膜(例如，包括二氧化硅)或氮化膜(例如，包括氮化硅)。
CMOS图像传感器还包括在平坦化层204上的滤色器层205，其中，滤色器层205包括红色、绿色和蓝色滤色器(或者，可选地，黄色、青色和品红色滤色器)。可以在对应的光电二极管区上方形成每个滤色器，每个滤色器与固定曲率的透镜一起作为一个单元，用于向光电二极管区聚焦和传输特定波长的光。
在层205中的每个与透镜一起形成一个单元的滤色器具有可以随穿过滤色器的光的波长而改变的厚度。此外，滤色器是不平的，而是每个滤色器具有固定的曲率。
滤色器层205中的每个滤色器也可以包括与滤色器层205的每个滤色器形成一个单元的微透镜210。微透镜210可以包括氧化物(例如，TEOS基或硅烷基氧化硅，TEOS-or silane-based siliconoxide)、旋涂玻璃(spin-on glass)或基本透明或半透明的聚合抗蚀材料(polymeric resist material)。
通过具有与穿过滤色器的光的波长成反比的曲率半径，在多个滤色器上的微透镜210可以控制波长和滤色器的焦点，其中，多个滤色器有各不相同的波长。在本发明的一些实施例中，具有第一色的滤色器的高度与具有第二或第三色的滤色器的高度不同，具有第二色的滤色器的高度与具有第三色的滤色器的高度不同。在本发明的一个实施例中，滤色器的高度还与穿过滤色器的光的波长成反比。因此，红色滤色器可以具有小于相应的绿色和蓝色滤色器高度的第一高度，绿色滤色器可以具有小于蓝色滤色器高度的第二高度。
由于微透镜210具有圆顶形状(dome shape)，而滤色器层205具有固定的曲率，同时由于滤色器层205在微透镜210之下，所以，作为一个整体的微透镜210和滤色器层205将在图像传感器中光接收结构上或附近的光聚焦并传输特定波长或波段的光。而且，由于本发明的CMOS图像传感器在滤色器层205和微透镜210之间没有平坦化层，因此，可以减小到达光电二极管的入射光的损耗。
由于微透镜210的焦点可以更精确地向光电二极管聚焦，因此可以提高CMOS图像传感器的性能，而且微透镜210也可以容易地形成。
可以通过下述示例性的制造工艺来制造CMOS图像传感器。
图3A至3E示出了示例性结构的横截面图，该示例性结构示出了用来制造根据本发明实施例的CMOS图像传感器的示例性方法的步骤。
参照图3A，在半导体衬底300上形成绝缘膜301，诸如栅极绝缘膜(例如二氧化硅)或层间绝缘膜(例如一层或多层氮化硅和/或二氧化硅，其可以是无掺杂的、富含硅或掺杂有氟、碳或硼和/或磷)。可以通过暴露的硅的湿或干热氧化来形成栅极绝缘膜，可以通过从相应的硅、氧、氮和/或掺杂剂源化学气相沉积(chemicalvapor deposition，CVD)来形成层间绝缘膜。在绝缘膜301的整个表面上形成包括氧化膜(例如，二氧化硅)或氮化膜(例如，氮化硅)的第一保护膜302。
为了保护在随后的工艺中形成的微透镜306，可以在半导体衬底300的整个表面上沉积热树脂(thermal resin，TR)或薄TEOS(正硅酸乙酯)基氧化层，以形成第二保护膜(未示出)。
参照图3B，在半导体衬底300的整个表面上沉积氮化硅膜或氮氧化硅膜以形成平坦化层304，平坦化层304经受光刻图样化和刻蚀以选择性地刻蚀平坦化层304，从而在部分CMOS图像传感器中保留平坦化层304而不在金属垫部分中保留平坦化层304。
参照图3C，在各个光电二极管区(未示出)上方的平坦化层304上形成包括多个滤色器305a、305b和305c的滤色器层305。滤色器层305具有分别形成在其上的红色、绿色和蓝色(或者可选地，黄色、青色和品红色)滤色器305a、305b和305c，其中，这些滤色器通过聚合抗蚀合成物(polymeric resist composition)的旋涂沉积(spin-on deposition)、光刻图样化和显影来形成，其中，聚合抗蚀合成物进一步包括一种或多种染料，这些染料选择性地允许某一波长或波段的光穿过。在本发明的一个实施例中，滤色器305a-c包括负光刻胶，因此，在这种情况下利用显影液曝光并显影相应的沉积的滤色器以去除曝光的部分。例如，在涂敷光刻胶(未示出)后，光刻胶经受曝光和显影以图样化该光刻胶。
在这种情况下，滤色器层305具有三种不同颜色(例如红色、绿色和蓝色)的滤色器305a-c。具有不同颜色的滤色器305a-c还可以具有互不相同的厚度。在本发明的一个实施例中，滤色器具有与穿过滤色器的光的波长成反比的高度。换句话说，红色滤色器可以具有第一高度、绿色滤色器可以具有第二高度，而蓝色滤色器可以具有第三高度，其中，第三高度大于第二高度，而第二高度大于第一高度。
参照图3D，当曝光后对每个图样滤色器进行显影时，滤色器(例如绿色滤色器305a)的上表面的边缘部分可以被过显影(例如，显影过度)，从而形成了圆形的边缘部分。例如，当显影剂包括四甲基胺氢氧化物(tetramethylammonium hydroxide，TMAH)溶液(按重量计算大约为2.38％)时，显影大约2～5分钟即产生期望的效果。
在本发明的一个实施例中，拐角磨圆(corner rounding)度取决于显影的时长。因此，可以通过使用显影剂显影第一时长来形成蓝色滤色器，可以通过使用相同的显影剂显影第二时长来形成绿色滤色器，而可以通过使用相同的显影剂显影第三时长来形成红色滤色器，其中，第三时长大于第二时长，第二时长大于第一时长。在本发明的另一个实施例中，拐角磨圆度取决于显影剂中的活性剂(active reagent)的浓度。因此，可以通过使用具有第一活性剂浓度(例如TMAH)的显影剂显影来形成蓝色滤色器，可以通过使用具有第二活性剂浓度的显影剂显影来形成绿色滤色器，可以通过使用具有第三活性剂浓度的显影剂显影来形成红色滤色器，其中，第三活性剂浓度的大于第二活性剂浓度，第二活性剂浓度大于第一活性剂浓度。此后，如果用热平板加热(例如，在300℃下持续大约2～5分钟)，则滤色器会收缩，进一步磨圆滤色器305a、305b和305c的上部(或边缘)。
参照图3E，在各个滤色器(例如滤色器305a)上沉积固定曲率的微透镜306。通过在每个滤色器305a、305b和305c上沉积氧化物(例如，二氧化硅，通过从诸如TEOS或硅烷的硅源和诸如分子氧和/或臭氧的氧源的CVD)至大约为10～
的厚度来在滤色器上分别形成微透镜306。在本发明的一些实施例中，微透镜306具有与穿过相应的滤色器的光的波长成反比的曲率半径。
例如，作为微透镜前躯材料(precursor material)的厚光刻胶涂层(未示出)被涂覆到具有滤色器305a、305b和305c形成在其上的整个结构的顶部，以覆盖滤色器305a。因此，光刻胶具有大于最厚的滤色器的高度的厚度。通常，光刻胶是基本透明和/或半透明的。
然后，使用预定的光掩模(未示出)来实施曝光和显影步骤，以去除滤色器之间的光刻胶的宽度，从而形成彼此隔开的多个微透镜前驱(microlens precursor)(未示出)。通常，每个微透镜前驱的区域尺寸(例如半径或长度和宽度)小于相应滤色器(微透镜前驱形成在其上)的区域尺寸。这是为了确保一个间隙以用来防止邻近的微透镜合并，该合并可以由在随后的回流步骤时光刻胶不同程度的回流所导致。
加热微透镜前驱以回流图样化的光刻胶。执行回流步骤以在相应的滤色器的顶部上以圆顶形状来形成每个微透镜306。
一旦通过上述方法在滤色器305a、305b和305c上形成了微透镜306，则穿过滤色器的光的波长就会彼此相同，并且可以通过分别控制微透镜的曲率半径来控制穿过组合的滤色器-微透镜单元的光的焦点。
而且，可以省略相关技术中的滤色器上的平坦化层，这不仅简化了生产和/或制造工艺，降低了生产成本，而且提高了CMOS图像传感器的灵敏度。
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 (7)
1.一种用于制造CMOS图像传感器的方法，包括以下步骤：
在衬底上形成多个滤色器，其中，每个所述滤色器具有一个曲率；以及
形成沉积在所述滤色器上的微透镜，以便所述微透镜具有分别随所述相应的滤色器的波长变化的曲率半径。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，加热形成所述多个滤色器包括在热平板上以300℃～350℃加热。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述微透镜以便所述微透镜分别具有与穿过所述相应的滤色器的光的波长成反比的曲率半径。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述微透镜以微透镜形成且分别具有圆顶形状。
5.一种CMOS图像传感器，包括：
多个滤色器，在衬底上，每个滤色器具有一个曲率；以及
微透镜，在所述滤色器上，每个所述微透镜具有随穿过相应的所述滤色器的光的波长变化的曲率半径。
6.根据权利要求5所述的CMOS图像传感器，其中，所述微透镜分别具有与穿过所述滤色器的光的波长成反比的曲率半径。
7.根据权利要求6所述的CMOS图像传感器，其中，每个所述微透镜分别具有圆顶形状。
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