CN102522415A - Cmos图像传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种CMOS图像传感器及其制作方法，所述CMOS图像传感器包括光电二极管、将入射光汇聚至光电二极管所在位置处的第一微透镜、位于光电二极管与微透镜之间的金属连接层，所述金属连接层暴露出所述光电二极管的至少部分；所述CMOS图像传感器另包括位于第一微透镜与光电二极管之间的第二微透镜，所述第二微透镜位于所述金属连接层外的区域。本发明通过在第一微透镜与光电二极管之间增设第二微透镜，增强了CMOS图像传感器的光灵敏度，却几乎不需增加制作成本。

Description

CMOS图像传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及CMOS图像传感器装置及其形成方法。

背景技术

图像传感器是一种将一维或二维光学信息(optical information)转换为电信号的装置。图像传感器可以被分为两种类型：摄像管和固态摄像装置(solidimage pickup device)。摄像管被广泛的应用在与集中于电视的图像处理技术相适应的测量、控制和识别的相关领域中。已经开发出各种基于摄像管的应用技术。

图像传感器可以被进一步地分为两种不同的类型：互补金属氧化物半导体(CMOS)型和电荷耦合器件(CCD)型。与CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器(CMOS图像传感器可以称作CIS)具有更方便的驱动模式并且能够实现各种扫描类型。而且，将信号处理电路集成到单个芯片中使得小型化CMOS图像传感器成为可能。此外，通过使用广泛兼容的CMOS技术，CMOS图像传感器有助于更低的功耗并降低制造成本。因而，CMOS图像传感器具有更广泛的应用。

CMOS图像传感器包括用于感测辐射光的光电二极管以及用于将所感测的光处理为电信号数据的CMOS逻辑电路。为了增加光灵敏度，一种技术是增加填充因数(光电二极管面积与图像传感器的整个面积的比)。另一种是其中改变入射到不是光电二极管的区域的光的路径，以将光聚焦到光电二极管的技术。

聚焦技术的典型例子包括微透镜形成。在微透镜形成中，凸起的(convex)微透镜由光电二极管上的优异光透射材料所形成，使得可以通过折射入射光将光引导到光电二极管区。在这种情况下，通过微透镜折射平行于微透镜的光轴的光，因此在光轴的预设位置上形成微透镜的焦点。

图1是现有的CMOS图像传感器的截面图。在下文中，将参照图1描述现有的CMOS图像传感器。

如图1所示，在衬底11上顺序地形成光电二极管12、层间绝缘层13、滤光层14和平整层15。然后，在平整层15上形成微透镜16。由于微透镜16的对入射光的汇聚作用，光电二极管12区域外的光线也能被光电二极管12所利用，提高了CMOS图像传感器的光灵敏度。其中，层间绝缘层13内设置有金属连接层135，以电性连接衬底11内的有源器件。

然而，现有的CMOS图像传感器具有下面的问题。

随着集成度的提高，器件尺寸变得越来越小，但是由于设计的需要和工艺的限制，金属连接层135减小的幅度远小于其它器件，因而经微透镜16汇聚的光线会有部分被金属连接层135阻挡而无法到达光电二极管12，致使光灵敏度降低。

为解决上述问题，业内提出了如图2所示的CMOS图像传感器。如图2，在衬底21的正面依次地形成光电二极管22、滤光层24、平整层25及微透镜26，之后，通过减薄工艺除去衬底21背面的一部分，并在衬底21背面形成介电层23、通孔(未图示)以及金属连接层23。由于金属连接层23形成在背面，因而它不会阻挡正面的光路，避免了对器件光灵敏度的损害。但是，其制作成本增加较多。

因而，有必要提供一种装置或方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种CMOS图像传感器，其光灵敏度得以提高，却不会大幅增加其制作成本。本发明的另一目的是提供上述图像传感器的制作方法。

为实现上述目的，本发明提供的一种CMOS图像传感器，包括：

光电二极管；

适于将入射光汇聚至光电二极管所在位置处的第一微透镜；

位于光电二极管与微透镜之间的金属连接层，所述金属连接层暴露出所述光电二极管的感光部分；

位于第一微透镜与光电二极管之间的第二微透镜，所述第二微透镜位于所述金属连接层外的区域。

可选的，所述第二微透镜为半球形微透镜，其平整面面对所述第一微透镜，球形面面对所述光电二极管。

可选的，所述第二微透镜将入射光变化为平行光传递给所述光电二极管。

可选的，所述第二微透镜位于所述光电二极管的正上方。

为实现上述目的，本发明另提供一种CMOS图像传感器的制作方法，包括：

在半导体衬底上形成光电二极管；

在具有光电二极管的半导体衬底上形成层间绝缘层，所述层间绝缘层内形成有金属连接层与第二微透镜，所述第二微透镜位于所述光电二极管上方，并暴露在所述金属连接层外；

在层间绝缘层上形成第一微透镜，所述第一微透镜位于所述金属连接层与第二微透镜上方。

可选的，所述第二微透镜为半球形微透镜，其平整面面对所述第一微透镜，球形面面对所述光电二极管。

可选的，所述第二微透镜将入射光变化为平行光传递给所述光电二极管。

可选的，形成所述第二微透镜的方法，包括：

形成介质层和阻挡层；

在所述阻挡层的上方涂覆光刻胶，图案化所述光刻胶，使用所述被图案化的光刻胶作为掩模蚀刻所述阻挡层来形成阻挡层图形；

通过使用所述阻挡层图形作为掩模实施各向同性蚀刻来图案化所述介质层；

通过将具有折射率高于所述介质层的折射率的材料填入所述介质层中被图案化的部分来形成第二微透镜。

可选的，所述阻挡层是氮化硅膜。

与现有技术相比，本发明通过增设第二微透镜，增强了CMOS图像传感器的光灵敏度，却几乎不需增加制作成本。

附图说明

通过参照附图更详细地描述示范性实施例，以上和其它的特征以及优点对于本领域技术人员将变得更加明显，附图中：

图1至图2是现有CMOS图像传感器的结构示意图。

图3是本发明实施例的CMOS图像传感器的结构示意图。

图4至图7是本发明实施例提供的微透镜制作方法的示意图。

具体实施方式

在下文将参照附图更全面地描述示例性实施例；然而，它们可以以不同的形式实施，而不应被解释为限于这里阐述的实施例。而是，提供这些实施例使得本公开透彻和完整，并将本发明的范围充分传达给本领域技术人员。

在附图中，为了示出的清晰，层和区的尺寸及相对尺寸可以被夸大。应当理解，当称一层或元件在另一层或衬底“上”时，它可以直接在另一层或衬底上，或者还可以存在插入的层。此外，应当理解，当称一层在另一层“下”时，它可以直接在另一层下，或者还可以存在一个或多个插入的层。此外，还应当理解，当称一层在两个层“中间”时，它可以是这两个层之间的唯一的层，或者还可以存在一个或多个插入的层。相同的附图标记始终指代相同的元件。

应当理解，当称一元件或层在另一元件或层“上”、“连接到”或“耦接到”另一元件或层时，它可以直接在另一元件或层上、直接连接到或耦接到另一元件或层，或者可以存在插入的元件或层。相反，当称一元件“直接”在另一元件或层“上”、“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件或层时，不存在插入的元件或层。相同的附图标记指代相同的元件。如此处所用的，术语“和/或”包括一个或多个所列相关项目的任何及所有组合。

应当理解，虽然这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、组件、区域、层和/或部分，但这些元件、组件、区域、层和/或部分不应受限于这些术语。这些术语仅用于将一个元件、组件、区域、层或部分与另一区域、层或部分区别开。因此，以下讨论的第一元件、组件、区域，层或部分可以被称为第二元件、组件、区域、层或部分而不背离示例性实施例的教导。

为便于描述此处可以使用诸如“上(upper)”等的空间相对性术语以描述如附图所示的一个元件或特征与另一个(些)元件或特征之间的关系。应当理解，空间相对性术语是用来概括除附图所示取向之外器件在使用或操作中的不同取向。器件可以另外地取向(旋转90度或在其它取向)。

这里所用的术语仅仅是为了描述特定示例性实施例，并非要限制示例性实施例。如此处所用的，除非上下文另有明确表述，否则单数形式“一”和“该”均同时旨在包括复数形式。还应当理解，术语“包括”和/或“包含”，当在本说明书中使用时，指定了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它的特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在或增加。

这里参照截面图描述示例性实施例，这些截面图为理想化示例性实施例(和中间结构)的示意图。因而，举例来说，由制造技术和/或公差引起的插图形状的变化是可能发生的。因此，示例性实施例不应被解释为限于此处示出的区域的特定形状，而是包括由倒如制造引起的形状偏差在内。例如，图示为矩形的注入区域将通常具有圆形或弯曲的特征和/或在其边缘处的注入浓度的梯度，而不是从注入区域到非注入区域的二元变化。类似地，由注入形成的埋入区域可以导致在埋入区域与注入穿过其发生的表面之间的区域中的一些注入。因此，附图中示出的区域实质上是示意性的，它们的形状并非要示出器件区域的真实形状，也并非要限制示例性实施例的范围。

除非另行定义，此处使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)都具有本发明所属领域内的普通技术人员所通常理解的同样的含义。还应当理解，诸如通用词典中所定义的术语，除非此处加以明确定义，否则应当被解释为具有与它们在相关领域的语境中的含义相一致的含义，而不应被解释为理想化的或过度形式化的意义。

实施例1

为避免背景技术中所提到的，经微透镜汇聚的光被金属连接层所阻挡而不能完全到达光电二极管的情形，或其它影响光灵敏度的情形发生，本发明的实施例在原微透镜和光电二极管之间增设第二微透镜，该第二微透镜进一步对经原微透镜汇聚的光调整，一方面避免光被金属连接层阻挡而不能到达光电二极管，另一方面也可以防止光被原微透镜过度汇聚而使得光电二极管的部分区域过度受光、部分区域没有光入射的情形。

下面将描述根据本发明的第一实施例的CMOS图像传感器(CIS)的结构及其制作方法。

如图3所示.可以在半导体衬底101上形成光电二极管102和各种晶体管(未示出)，以构成CMOS图像传感器的单位像素。

接下来，可以在具有光电二极管102的半导体衬底101上形成层间绝缘层103。

在实施例中，可以以多层结构形成层间绝缘层103。在特定实施例中，在形成一个层间绝缘层之后，可以形成光阻挡层(未示出)，用于防止光入射到光电二极管102之外的区域(如，周边电路区域)，然后可以在其上形成另一层间绝缘层。

在一个实施例中，层间绝缘层103可以由氧化硅(SiO₂)，例如未掺杂的硅酸盐玻璃(USG)的氧化物由所形成。

为实现与外部电路或电源的电性连接，层间绝缘层103内可以形成有与单位像素内的各晶体管或其它结构接触的接触孔结构(未图示)、金属连接层125。

在最上层的金属连接层125之间、光电二极管102的正上方处设置有微透镜116(第二微透镜)。微透镜116的平整面朝上，即面对入射光方向放置，其球形面面向光电二极管102，起到将光线扩散的作用。在一个实施例中，微透镜116用于将汇聚的光束组转化为平行的光束组。

然后，可以在层间绝缘层103上涂布可染色阻抗(resist)，然后曝光并显影以形成RGB滤光层104，以过滤在每个波长范围内的光。

可以在滤光层104上形成平整层105，以获得焦点距离调解的平整和透镜层的形成。

接下来，可以将微透镜材料层应用到平整层105上，然后选择性地蚀刻并回流(reflow)微透镜材料层以形成半球形的微透镜106，以对应于滤光层。

尽管在上述的实施例中形成平整层105，微透镜106可以直接形成在滤光层104上，而不必形成平整层105。

在图3所示的实施例中，没有微透镜116作用的话，经微透镜106汇聚的光线部分被金属连接层125阻挡，没有被金属连接层125阻挡的光也只能入射到光电二极管102的部分区域，不利于提高器件的光灵敏度。而增设的微透镜116将入射光转化为了平行光束，使得整个光电二极管102被均匀照射，增强了光灵敏度。微透镜116要大体位于光电二极管102的正上方。

微透镜116的尺寸可以大体与光电二极管103相当。也可以制作得更大些，以便接收尽可能多的入射光，但要注意的是，经其调整的光线仍要能基本都照射在光电二极管103所在区域，并要能照射到边缘区域。这意味着增设的微透镜116并不局限于图3中所给出的类型。

实施例2

本实施例提供的产品结构与实施例1相同，不同之处仅在于微透镜的制造方法。以下重点介绍本实施例中应用的微透镜的制作方法及其优点。

图4到图7是示出了制造微透镜或微透镜阵列(MLA)的方法的横截面图。参考图4，沉积介质层303，这里的介质层可以是实施例1中的层间绝缘层103的部分。接着，在303层的顶部的整个表面上方形成阻挡层305。该阻挡层可以由氮化硅膜(Si₃N₄)形成。

然后，形成用于形成微透镜图案的PR图案307。将PR(光刻胶)涂覆在阻挡层305顶部的整个表面的上方。通过使用设计为预期图案的光刻版(reticle)实施曝光工艺并实施显影工艺来选择性的去除顶部PR的多个部分。

如图5所示，可以使用如上所形成的PR图案307作为掩模来实施蚀刻工艺，通过刻蚀去除部分阻挡层305来形成阻挡层图形305a。可以通过实施去膜工艺(stripping process)来去除残留的PR图案307。

接着，如图6所示，可以通过使用阻挡层图形305a作为掩模实施各向同性蚀刻来形成微透镜图案304。这里，各向同性蚀刻可以是湿法蚀刻或干法蚀刻。

最后，在阻挡层图形305a去除之后，如图7所示，可以通过将具有比介质层303的折射率n1更高的折射率n2的材料填入所形成的微透镜图案304顶部的整个表面，并实施平坦化工艺去除309层来制造具有凹形形状的微透镜。

本发明实施例可以提高感光效率，这是因为在经过第二微透镜，形成平行光路，可以减少因折射而被金属层挡住的光线，使CMOS图像传感器的灵敏度最优化。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但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，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (9)

1.一种CMOS图像传感器，包括：

光电二极管；

适于将入射光汇聚至光电二极管所在位置处的第一微透镜；

位于光电二极管与微透镜之间的金属连接层，所述金属连接层暴露出所述光电二极管的至少部分；

其特征在于，所述CMOS图像传感器另包括位于第一微透镜与光电二极管之间的第二微透镜，所述第二微透镜位于所述金属连接层外的区域。

2.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述第二微透镜为半球形微透镜，其平整面面对所述第一微透镜，球形面面对所述光电二极管。

3.如权利要求2所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述第二微透镜将入射光变化为平行光传递给所述光电二极管。

4.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述第二微透镜位于所述光电二极管的正上方。

5.一种CMOS图像传感器的制作方法，其特征在于，包括：

在半导体衬底上形成光电二极管；

在具有光电二极管的半导体衬底上形成层间绝缘层，所述层间绝缘层内形成有金属连接层与第二微透镜，所述第二微透镜位于所述光电二极管上方，并暴露在所述金属连接层外；

在层间绝缘层上形成第一微透镜，所述第一微透镜位于所述金属连接层与第二微透镜上方。

6.如权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述第二微透镜为半球形微透镜，其平整面面对所述第一微透镜，球形面面对所述光电二极管。

7.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述第二微透镜将入射光变化为平行光传递给所述光电二极管。

8.如权利要求5所述的制作方法，其特征在于，形成所述第二微透镜的方法，包括：

形成介质层和阻挡层；

在所述阻挡层的上方涂覆光刻胶，图案化所述光刻胶，使用所述被图案化的光刻胶作为掩模蚀刻所述阻挡层来形成阻挡层图形；

通过使用所述阻挡层图形作为掩模实施各向同性蚀刻来图案化所述介质层；

通过将具有折射率高于所述介质层的折射率的材料填入所述介质层中被图案化的部分来形成第二微透镜。

9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述阻挡层是氮化硅膜。

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