CN102456697A

CN102456697A - 一种图像传感器及其形成方法

Info

Publication number: CN102456697A
Application number: CN2010105185434A
Authority: CN
Inventors: 霍介光
Original assignee: Galaxycore Shanghai Ltd Corp
Current assignee: Galaxycore Shanghai Ltd Corp
Priority date: 2010-10-18
Filing date: 2010-10-18
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2030-10-18
Also published as: CN102456697B

Abstract

一种图像传感器，包含位于衬底表面的多个感光单元，还包含位于感光单元表面的介质层以及位于介质层内和介质层表面的金属层；覆盖所述介质层和金属层的过渡层，所述过渡层厚度小于金属焊垫厚度，表面有凹槽；位于所述过渡层表面的彩色滤光片，所述彩色滤光片与所述平坦层相邻的表面有朝向所述过渡层的凸起；位于所述彩色滤光片表面的平坦层；以及位于所述平坦层表面的多个微透镜，所述微透镜朝向所述平坦层的表面为平面，背向所述平坦层的表面为凸面。相应地，本发明还提供用于形成前述图像传感器的图像传感器形成方法。本发明所提供的图像传感器可以减小入射光在图像传感器中的传播距离，从而减小由于光的散射造成光损，提高图像的均匀性。

Description

一种图像传感器及其形成方法

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，尤其涉及半导体中的图像传感器及其形成方法。

背景技术

图像传感器根据元件不同分为电荷耦合元件(CCD，Charge CoupledDevice)图像传感器和金属氧化物半导体元件(CMOS，ComplementaryMetal-Oxide Semiconductor)图像传感器。

图1为现有技术的图像传感器的截面结构示意图，参阅图1，现有技术的图像传感器包括：位于衬底表面(未示出)的多个感光单元101，多个感光单元形成感光单元阵列，位于感光单元101表面的介质层102以及位于介质层内的金属层103，位于介质层102表面的第二平坦层104，位于第二平坦层104表面的彩色滤光片105，位于彩色滤光片105表面的第一平坦层106，以及位于第一平坦层106表面的微透镜107。

该现有的图像传感器的形成方法是，提供包含多个感光单元的衬底；在所述衬底表面形成包含金属层103的介质层102；对所形成的介质层进行平坦化处理；接着，在经过平坦化处理的表面上形成第二平坦层104；在第二平坦层104表面形成彩色滤光片105；在彩色滤光片105表面形成第一平坦层106；在第一平坦层106表面的形成微透镜107。其中，彩色滤光片105和位于衬底表面的多个感光单元101之间的距离范围是1～3微米。

但是，现有的图像传感器所得到的图像的均匀性较差，其应用范围受到了一定的限制。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种彩色滤光片和感光单元之间的距离小，所得到的图像的均匀性较高的图像传感器。相应地，本发明还提供形成所述图像传感器的图像传感器形成方法。

为解决上述问题，本发明提供一种图像传感器，包含位于衬底表面的多个感光单元，还包含：位于感光单元表面的介质层，位于介质层内和介质层表面的金属层，位于介质层表面的金属层包括至少两个金属焊垫；覆盖所述介质层和金属层的过渡层，所述过渡层厚度小于金属焊垫厚度，表面有凹槽；位于所述过渡层表面的彩色滤光片，所述彩色滤光片表面与所述过渡层相邻的表面有朝向所述过渡层的凸起；位于所述彩色滤光片表面的平坦层；以及位于所述平坦层表面的多个微透镜，所述微透镜朝向所述平坦层的表面为平面，背向所述平坦层的表面为凸面。

相应地，本发明还提供一种图像传感器形成方法，包含以下步骤：

提供包含多个感光单元的衬底，该多个感光单元排列成阵列。

在所述感光单元表面形成介质层。

在所述介质层内和表面形成金属层，位于介质层表面的金属层包括至少两个金属焊垫。

在所述金属层表面和介质层暴露的表面形成过渡层，所述过渡层厚度小于金属焊垫厚度，表面有凹槽。

在所述过渡层表面形成彩色滤光片，所述彩色滤光片与所述过渡层相邻的表面有朝向所述过渡层的凸起。

在所述彩色滤光片表面形成平坦层。

在所述平坦层表面形成微透镜。

与现有技术相比，本发明所提供的图像传感器的彩色滤光片与感光单元之间的距离减小，从而有效减小了入射光在图像传感器内的传播距离，从而减小了入射光在图像传感器内的内传播时由于光的散射而引起的入射光的损失而造成的暗角，提高了图像的均匀性。

此外，本发明所提供的图像传感器的形成方法中，在形成介质层内的金属层后，在所暴露的介质层和金属层表面形成较薄的过渡层，在过渡层表面形成彩色滤光片，与现有技术相比，节约了工艺成本，提高了工艺效率。

附图说明

图1是现有的图像传感器的结构示意图；

图2是本发明所提供的图像传感器的实施例的结构示意图；

图3是本发明所提供的图像传感器形成方法的示意性流程图；

图4至图9是本发明所提供的图像传感器形成方法的实施例的示意图。

具体实施方式

由背景技术可知，现有图像传感器所得到的图像的均匀性较差。本发明的发明人经过研究发现，现有图像传感器所得到的图像的均匀性较差是因为彩色滤光片和位于衬底表面的多个感光单元之间的距离比较大，入射光线经过很长的路径才能由彩色滤光片进入感光单元，光传播的过程中产生光的散射造成光损，从而更容易在感光单元四周出现入射光的损失而造成暗角，使得图像的均匀性较差。本发明的发明人由此得出，减小彩色滤光片与感光单元之间的距离是减小光的损失，提高图像均匀性的一种有效办法。本发明的发明人经过研究发明一种彩色滤光片与感光单元之间的距离较小，所得到的图像的均匀性高的图像传感器。

本发明所提供的图像传感器可以为CCD图像传感器或CMOS图像传感器。需要说明的是本发明提供的图像传感器主要涉及对彩色滤光片和感光单元之间的结构以及形成方法的改进，对图像传感器的其他方面为本领域的公知常识，在本发明的具体实施方式中不做详细介绍，仅对彩色滤光片和感光单元之间的结构以及形成方法做详细介绍。

本发明所提供的图像传感器的彩色滤光片与感光单元之间的距离小于现有图像传感器的彩色滤光片与感光单元之间的距离，从而有效减小了入射光在彩色滤光片与感光单元之间的介质层内的传播距离，进一步减小了入射光在彩色滤光片与感光单元之间的介质层内传播时，由于光的散射引起的入射光的损失而造成的暗角，提高了图像的均匀性。

本发明提供的图像传感器包含位于衬底表面的多个感光单元，还包含：位于感光单元表面的介质层，位于介质层内和介质层表面的金属层，位于介质层表面的金属层包括至少两个金属焊垫；覆盖所述介质层和金属层的过渡层，所述过渡层厚度小于金属焊垫厚度，表面有凹槽；位于所述过渡层表面的彩色滤光片，所述彩色滤光片与所述过渡层相邻的表面有朝向所述过渡层的凸起；位于所述彩色滤光片表面的平坦层；以及位于所述平坦层表面的多个微透镜，所述微透镜朝向所述平坦层的表面为平面，背向所述平坦层的表面为凸面。下面结合附图和实施例对本发明所提供图像传感器做进一步描述。

在下面阐述了许多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实现，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下作类似推广，因此本发明不受下面公开的事实方式的限制。

其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明的实施例时，为了便于说明，标识器件结构的剖面图不会依一般比例作局部放大，而且所示示意图只是实例，因此不应限制本发明的保护范围。此外，在实际制作中应该包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

图2为本发明的图像传感器的实施例的截面结构示意图，参考图2，本发明的图像传感器包括：

位于衬底(未示出)表面的多个感光单元201。

所述衬底可以为绝缘体上硅衬底(SOI衬底)、石英衬底、陶瓷衬底、玻璃衬底，而且衬底上还有用于图像传感器的其他器件(图中未示)。

所述感光单元201包括多个光敏元件，例如CCD照相机像素、色彩光传感器、光电发射元件。例如感光二极管。

位于感光单元表面的介质层202，位于介质层202内和介质层202表面的金属层203，位于介质层202表面的金属层203包括至少两个金属焊垫。

所述介质层202由透明材料形成，光可以穿过该介质层202，所述介质层202可以是单层结构也可以是多层结构。

所述金属层203可以是多层结构，在本发明的一个实施例中，所述金属层203是3层结构，金属层203可以电连接至外部光检测部件(未示出)，每层金属层具有一定的布局，不会屏蔽入射到光电二极管的光。所述金属层的材料可以是任何导电金属，在本发明的一个实施例中，所选择的材料是金属铝。

覆盖所述介质层和金属层的过渡层，所述过渡层厚度小于金属焊垫厚度，表面有凹槽。

所述凹槽位于介质层表面相邻的金属焊垫之间。所述过渡层204可以是单层结构也可以是多层堆叠结构。在本发明的一个实施例中，所述过渡层204是双层结构，包括依次位于介质层202和金属层203表面的缓冲层和保护层。直接在介质层202和金属层203表面形成保护层应力比较大，所述缓冲层用于减小保护层与金属层203及介质层202之间的应力。所述缓冲层的材料可以选择电解质材料，在本发明的一个实施例中，所述缓冲层的材料是二氧化硅。所述保护层致密性好，用于防止水汽通过缓冲层进入介质层202，从而影响器件性能，所述保护层的材料一般选择氮化硅。所述过渡层204的整体厚度为1000～3000埃，所述过渡层厚度小于金属焊垫厚度，可以根据实际需要进行优化。在本发明的一个实施例中，所述过渡层204的厚度为1000埃。

此外，利用刻蚀工艺形成具有预期布局的金属层203之后，介质层202的表面低于金属层203的表面，所以在形成过渡层204之后，所述过渡层204的表面不是平整的，所述过渡层204的表面有形状为倒梯形的凹槽，所述凹槽的深度大约是4000～6000埃，与位于介质层202表面的金属层203的高度相同，位置位于介质层表面相邻的金属焊垫之间。

需要说明的是，请参考图1，在现有技术中，在形成金属层103之后，为了实现表面的平坦化，会在金属层103表面继续生长一层覆盖金属层103的介质层，所述介质层的材料一般是二氧化硅，并对介质层进行平坦化处理。为了进一步形成光滑界面，并对图像传感器进行保护，会在介质层表面再形成一层平坦层104，所述平坦层104的厚度不低于3000埃，材料选择的是有机材料。在所述平坦层104表面形成彩色滤光片105。

还需要说明的是，本领域技术人员通常认为，彩色滤光片105的上下界面必须保存水平，否则会引起光传输中的损失，但是本发明的发明人经过创造性研究发现，，由于光线经过微透镜后被汇聚，所以平坦层204平面的凹槽不会引起额外的光损，即彩色滤光片105下的凹槽界面并不会或者过多地引起额外的光损；并且，本发明的发明人经过反复的实验证明，本发明所提供的图像传感器中，通过减小彩色滤光片205与感光单元201之间的距离而减小的光损的优势要远远大于过渡层204与彩色滤光片205之间的界面引起的光损。

此外，可以通过调节微透镜207的位置，使得入射光可以全部进入感光单元。

综上，本发明所提供的图像传感器有效减少光在彩色滤光片205与感光单元201之间传播造成的光损。

位于所述过渡层204表面的彩色滤光片205，所述彩色滤光片205与所述过渡层204相邻的表面有朝向所述过渡层204的凸起。

因为所述彩色滤光片205是在过渡层204的表面有凹槽的表面形成的，所以彩色滤光片205与所述过渡层204相邻的表面有朝向所述过渡层204的凸起，所述凸起与所述凹槽位置相对应。

所述彩色滤光片205可以选用现有技术所提供的彩色滤光片。在本方面的一个实施例中，用于形成彩色滤光片205的材料是染色的光致刻蚀剂。在与每个感光单元202正对的位置形成一个滤光片，每个滤光片分别通过不同的颜色的光，例如红色、绿色和蓝色。

所述彩色滤光片205不包括凸起的部分的高度为3000～10000埃。

位于彩色滤光片205表面的平坦层206。

所述平坦层206用于实现微透镜207朝向平坦层206的表面的平坦化。

位于平坦层206表面的多个微透镜207。

所述微透镜207为本领域技术人员所熟知。所述微透镜朝向所述平坦层的表面为平面，背向所述平坦层的表面为凸面，每一个微透镜与对应的感光单元中心对准。用于形成微透镜207的材料可以是氧化物，也可以是有机物。用于形成微透镜的材料的折射率在1.4～1.6之间。

优选地，在微透镜207表面有具有低折射率的有机薄膜，使得反射减弱，从而提高光线的透过率。所述低折射率材料的折射率在1.1～1.4之间。

综上，本发明所提供的图像传感器通过减小彩色滤光片与感光单元之间的距离有效减小了入射光在彩色滤光片与感光单元之间的介质层内传播时，由于光的散射引起的入射光的损失而造成的暗角，提高了图像的均匀性。

此外，本发明还提供一种图像传感器形成方法，图3为本发明所提供的图像传感器形成方法的示意性流程图，本发明所提供的图像传感器形成方法包含以下步骤：

步骤S101，提供包含多个感光单元的衬底，该多个感光单元排列成阵列。

步骤S102，在所述感光单元表面形成介质层。

步骤S103，在所述介质层内和表面形成金属层，位于介质层表面的金属层包括至少两个金属焊垫。

步骤S104，在所述金属层表面和介质层暴露的表面形成过渡层，所述过渡层厚度小于金属焊垫厚度，表面有凹槽。

步骤S105，在所述过渡层表面形成彩色滤光片，所述彩色滤光片与所述过渡层相邻的表面有朝向所述过渡层的凸起。

步骤S106，在所述彩色滤光片表面形成平坦层。

步骤S107，在所述平坦层表面形成微透镜。

本发明提供的图像传感器形成方法在位于介质层表面的金属层表面形成一层较薄的过渡层，在过渡层表面直接形成彩色滤光片，所述过渡层的厚度为1000～3000埃。

现有图像传感器形成方法是在金属层表面形成较厚的介质层和厚度不低于3000埃的第二平坦层104，在第二平坦层104表面形成彩色滤光片。

利用本发明所提供的图像传感器形成方法形成的图像传感器的彩色滤光片与感光单元之间的距离下降，从而减小了入射光在图像传感器内传播时由于光的散射引起的入射光的损失而造成的暗角，提高了图像的均匀性。

参考图4，提供包含多个感光单元201的衬底(未示出)，该多个感光单元排列成阵列。

衬底的材料为任何可以支持感光单元201形成的材料，例如可以为绝缘体上硅衬底(SOI衬底)、石英衬底、陶瓷衬底、玻璃衬底，而且衬底上还形成有用于图像传感器的其他器件(图中未示)。

感光单元201包括多个光敏元件，例如CCD照相机像素、色彩光传感器、光电发射元件例如感光二极管。

在所述感光单元201表面形成介质层。

参考图5，在所述介质层内和表面形成金属层，位于介质层表面的金属层包括至少两个金属焊垫。

所述金属层203的形成方法可以采用本领域技术人员所熟知的金属互连技术形成。在本发明的一个实施例中，所述金属层203是三层结构，所述金属层203的材料选择的是金属铝，在本发明的其他实施例中还可以选择金属铜或者其它金属。所述金属层203的厚度可调控。如图5所示。在介质层202表面形成金属层203后，得到如图5所示的界面。

参考图6，在所述金属层203表面和介质层202暴露的表面形成过渡层204，所述过渡层厚度小于金属焊垫厚度，表面有凹槽。

过渡层204表面的凹槽208位于相邻金属焊垫之间。

所述过渡层204是单层结构或者是多层堆叠结构。在本发明的一个实施例中，所述过渡层204是双层结构，包括依次位于介质层202和金属层203表面的缓冲层和保护层。

直接在介质层202和金属层203表面形成保护层应力比较大，所述缓冲层用于减小保护层和金属层203及介质层202之间的应力。所述缓冲层的材料可以选择电解质材料，在本发明的一个实施例中，所述缓冲层的材料选择的是二氧化硅。所述保护层致密性好，用于防止水汽通过缓冲层进入介质层202，从而影响器件性能，所述保护层的材料一般选择氮化硅。所述过渡层204的整体厚度为1000～3000埃，所述过渡层厚度小于金属焊垫厚度，可以根据实际需要进行优化。在本发明的一个实施例中，所述过渡层204的整体厚度为1000埃。

需要说明的是，请参考图1，在现有技术中，在形成金属层103之后，为了实现表面的平坦化，会在金属层103表面继续生长一层覆盖金属层103的介质层，所述介质层的材料一般是二氧化硅，并对介质层进行平坦化处理。为了进一步形成光滑界面，并对图像传感器形成保护，会在介质层表面再形成一层平坦层104，所述平坦层104的厚度不低于3000埃，材料选择的是有机材料。在所述平坦层104表面形成彩色滤光片105。

此外，可以通过调节微透镜的位置，使得入射光可以全部进入感光单元。

综上，本发明所提供的图像传感器有效减少光在彩色滤光片205与感光单元201之间传播所引起的光损。参考图7，在所述过渡层204表面形成彩色滤光片205，所述彩色滤光片205与所述过渡层204相邻的表面有朝向所述过渡层204的凸起。

所述彩色滤光片205与所述过渡层204相邻的表面的凸起的位置与所述述过渡层204表面的凹槽的位置相对应。

形成所述彩色滤光片205的方法可以采用现有的彩色滤光片形成方法。在本发明的一个实施例中，用于形成彩色滤光片205的材料是染色的光致刻蚀剂。可在与每个感光单元202正对的位置形成一个滤光片，以从入射光分离颜色。每个滤色镜分别通过不同的颜色，例如红色、绿色和蓝色。

在本发明所提供的图像传感器形成方法中，形成位于介质层202表面的金属层203之后，直接在介质层202表面的金属层203表面形成厚度为1000～3000埃的过渡层204，在过渡层204表面形成彩色滤光片205。而其他部分与现有图像传感器相同。所以本发明所提供的图像传感器彩色滤光片与感光单元之间的距离小于现有图像传感器的彩色滤光片与感光单元之间的距离，从而有效减小了入射光在彩色滤光片与感光单元之间的介质层内的传播距离，进一步减小了入射光在彩色滤光片与感光单元之间的介质层内传播时，由于光的散射引起的入射光的损失而造成的暗角，提高了图像的均匀性。

所述彩色滤光片205的厚度为3000～10000埃。

参考图8，在所述彩色滤光片205表面形成平坦层206。

所述平坦层206用于实现微透镜207朝向彩色滤光片205的表面的平坦化。

如图9所示，在平坦层206表面形成微透镜207。

所述微透镜207为本领域技术人员所熟知。所述微透镜207朝向过渡层204的表面为平面，背向过渡层204的表面为凸面，每一个微透镜与对应的感光单元201中心对准。用于形成微透镜207的材料可以是氧化物，也可以是有机物。用于形成微透镜207的材料的折射率在1.4～1.6之间。

具体形成微透镜207的步骤包括，在平坦层206表面沉积用于微透镜的材料；随后，用于形成微透镜的材料层通过曝光和显影被图案化；接着，通过回流工艺得到背向过渡层204的表面为凸面的微透镜，并且可以通过控制回流工艺的温度控制所述凸面的曲率半径。

优选地，在微透镜207表面形成具有低折射率的有机薄膜，使得反射减弱，从而提高光线的透过率。所述低折射率材料的折射率在1.1～1.4之间。

综上，本发明所提供的图像传感器形成方法，通过减小彩色滤光片与感光单元之间的距离，有效减小了入射光在彩色滤光片与感光单元之间的介质层内传播时，由于光的散射引起的入射光的损失而造成的暗角，提高了图像的均匀性。

虽然本发明以较佳实施例披露如上，但是本发明并非限定于此。任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种变更和修改而不脱离本发明的保护范围，因此本发明的保护范围以权力要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种图像传感器，包含位于衬底表面的多个感光单元，其特征在于，还包含：

位于感光单元表面的介质层，位于介质层内和介质层表面的金属层，位于介质层表面的金属层包括至少两个金属焊垫；

覆盖所述介质层和金属层的过渡层，所述过渡层厚度小于金属焊垫厚度，表面有凹槽；

位于所述过渡层表面的彩色滤光片，所述彩色滤光片与所述过渡层相邻的表面有朝向所述过渡层的凸起；

位于所述彩色滤光片表面的平坦层；

以及位于所述平坦层表面的多个微透镜，所述微透镜朝向所述平坦层的表面为平面，背向所述平坦层的表面为凸面。

2.依据权利要求1的图像传感器，其特征在于，所述过渡层表面的凹槽的位于介质层表面相邻的金属焊垫之间。

3.依据权利要求1的图像传感器，其特征在于，所述过渡层表面的凹槽的深度为4000～6000埃。

4.依据权利要求1的图像传感器，其特征在于，所述过渡层的厚度为1000～3000埃。

5.依据权利要求1至4中的任意一项的图像传感器，其特征在于，所述过渡层是双层结构。

6.依据权利要求5的图像传感器，其特征在于，所述过渡层包含依次位于金属层和暴露的介质层表面的缓冲层和保护层。

7.依据权利要求1的图像传感器，其特征在于，所述彩色滤光片表面的凸起的位置与所述过渡层表面的凹槽的位置相对应。

8.依据权利要求1或7的图像传感器，其特征在于，所述彩色滤光片表面的凸起的高度为4000～6000埃。

9.依据权利要求6的图像传感器，其特征在于，所述缓冲层的材料为二氧化硅。

10.依据权利要求6的图像传感器，其特征在于，所述保护层的材料为氮化硅。

11.依据权利要求1的图像传感器，其特征在于，还包括：位于微透镜表面的低折射率的有机薄膜。

12.依据权利要求11的图像传感器，其特征在于，所述低折射率的有机薄膜的折射率为1.1～1.4。

13.一种图像传感器形成方法，其特征在于，包含以下步骤：

提供包含多个感光单元的衬底，该多个感光单元排列成阵列；

在所述感光单元表面形成介质层；

在所述介质层内和表面形成金属层，位于介质层表面的金属层包括至少两个金属焊垫；

在所述金属层表面和介质层暴露的表面形成过渡层，所述过渡层厚度小于金属焊垫厚度，表面有凹槽；

在所述过渡层表面形成彩色滤光片，所述彩色滤光片表面有朝向所述过渡层的凸起；

在所述彩色滤光片表面形成平坦层；

在所述平坦层表面形成微透镜。

14.依据权利要求13的图像传感器形成方法，其特征在于，过渡层表面的凹槽的位于介质层表面相邻的金属焊垫之间。

15.依据权利要求13的图像传感器形成方法，其特征在于，所述过渡层表面的凹槽的深度为4000～6000埃。

16.依据权利要求13的图像传感器形成方法，其特征在于，所述过渡层的厚度为1000～3000埃。

17.依据权利要求13至16中的任意一项的图像传感器形成方法，其特征在于，所述过渡层是双层结构。

18.依据权利要求17的图像传感器形成方法，其特征在于，所述过渡层包含依次位于金属层和暴露的介质层表面的缓冲层和保护层。

19.依据权利要求13的图像传感器形成方法，其特征在于，所述彩色滤光片表面的凸起的位置与所述过渡层表面的凹槽的位置相对应。

20.依据权利要求18的图像传感器形成方法，其特征在于，所述缓冲层的材料为二氧化硅。

21.依据权利要求18的图像传感器形成方法，其特征在于，所述保护层的材料为氮化硅。

22.依据权利要求13的图像传感器形成方法，其特征在于，还包括：位于微透镜表面的低折射率的有机薄膜。

23.依据权利要求22的图像传感器形成方法，其特征在于，所述低折射率的有机薄膜的折射率为1.1～1.4。