CN109003993A - 图像传感器及其形成方法 - Google Patents

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林宗德
黄仁德
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Abstract

本发明技术方案公开了一种图像传感器及其形成方法，所述图像传感器的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底包括像素区域和逻辑区域，所述像素区域的半导体衬底上形成有分立排列的滤色片隔离结构，所述逻辑区域的半导体衬底上形成有金属阻挡层；在所述滤色片隔离结构之间形成滤色片，所述滤色片包括白色滤色片；在所述滤色片上形成微透镜；在所述微透镜和金属阻挡层上覆盖光阻层材料；光刻所述光阻层材料，以形成第一光阻层和第二光阻层，所述第一光阻层部分覆盖所述白色滤色片上的微透镜，所述第二光阻层覆盖所述金属阻挡层。本发明技术方案可以提高图像质量，且工艺简单。

Description

图像传感器及其形成方法
技术领域
本发明涉及半导体器件的制造领域，尤其涉及图像传感器及其形成方法。
背景技术
图像传感器从物体接收光信号且将光信号转化为电信号，接着电信号可以被传输用于进一步的处理，诸如数字化，然后在诸如存储器、光盘或磁盘的存储器件中存储，或用于在显示器上显示、打印等。图像传感器通常用于诸如数字相机、摄像机、扫描仪、传真机等装置。
图像传感器通常有两种类型，电荷藕合器件(CCD)传感器和CMOS图像传感器(CIS)。CCD称为光电耦合器件，通过光电效应收集电荷，每行像素的电荷随时钟信号被送到模拟位移寄存器上，然后串行转换为电压。CIS是一种快速发展的固态图像传感器，由于CMOS图像传感器中的图像传感器部分和控制电路部分集成于同一芯片中，因此CMOS图像传感器的体积小、功耗低、价格低廉，相较于传统的CCD(电荷耦合)图像传感器更具优势，也更易普及。
然而，现有的图像传感器的成像质量仍有待提高。
发明内容
本发明技术方案要解决的技术问题是现有的图像传感器的成像质量有待提高。
为解决上述技术问题，本发明技术方案提供一种图像传感器的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底包括像素区域和逻辑区域，所述像素区域的半导体衬底上形成有分立排列的滤色片隔离结构，所述逻辑区域的半导体衬底上形成有金属阻挡层；在所述滤色片隔离结构之间形成滤色片，所述滤色片包括白色滤色片；在所述滤色片上形成微透镜；在所述微透镜和金属阻挡层上覆盖光阻层材料；光刻所述光阻层材料，以形成第一光阻层和第二光阻层，所述第一光阻层部分覆盖所述白色滤色片上的微透镜，所述第二光阻层覆盖所述金属阻挡层。
可选的，所述第一光阻层覆盖所述白色滤色片上的微透镜的部分或全部边缘。
可选的，所述第一光阻层覆盖所述白色滤色片上的微透镜的中间部分。
可选的，所述光阻层材料包括碳黑或钛黑材料。
可选的，采用化学气相沉积工艺在所述微透镜和金属阻挡层上沉积所述光阻层材料，所述光刻所述光阻层材料包括：在所述光阻层材料上涂布光刻胶层；对所述光刻胶层进行曝光显影，形成第一光阻层和第二光阻层图形；以所述光刻胶层为掩模，沿所述第一光阻层和第二光阻层图形刻蚀所述光阻层材料，形成第一光阻层和第二光阻层；去除所述光刻胶层。
可选的，采用旋涂工艺在所述微透镜和金属阻挡层上涂布所述光阻层材料，所述光刻所述光阻层材料包括：对所述光阻层材料进行曝光显影，形成第一光阻层和第二光阻层；进行烘烤工艺。
可选的，所述烘烤工艺的温度为180℃～300℃。
可选的，所述滤色片隔离结构包括介质层和金属层，所述介质层包覆所述金属层。
可选的，在形成微透镜前，还包括：在所述滤色片和滤色片隔离结构上形成平坦化层。
为解决上述技术问题，本发明技术方案提供一种图像传感器，包括：半导体衬底，所述半导体衬底包括像素区域和逻辑区域，所述像素区域的半导体衬底上形成有分立排列的滤色片隔离结构，所述逻辑区域的半导体衬底上形成有金属阻挡层；滤色片，形成在所述滤色片隔离结构之间，所述滤色片包括白色滤色片；微透镜，形成在所述滤色片上；第一光阻层，部分覆盖所述白色滤色片上的微透镜；第二光阻层，覆盖所述金属阻挡层。
可选的，所述第一光阻层覆盖所述白色滤色片上的微透镜的部分或全部边缘。
可选的，所述第一光阻层覆盖所述白色滤色片上的微透镜的中间部分。
可选的，所述光阻层材料包括碳黑或钛黑材料。
与现有技术相比，本发明技术方案具有以下有益效果：
通过在白色像素的微透镜上形成第一光阻层来减少白色像素的进光量，从而降低白光的量子转换效率(QE，Quantum Efficiency)，改善白光过饱和现象，由此提高了的图像传感器的成像质量。
第一光阻层和第二光阻层是通过一步光刻或刻蚀形成，不需要增加额外的工艺步骤，也不需要增加额外的掩模板，只需在掩模板图形中增加第一光阻层图形，通过掩模板图形控制第一光阻层和第二光阻层的位置和面积，通过掩模板的透光率控制第一光阻层和第二光阻层的厚度，以达到预期的光阻挡效果。因此具有工艺简单，且能够很好地控制光阻挡效果的优点。
附图说明
图1是一种图像传感器的结构示意图；
图2是本发明实施例的图像传感器的形成方法的流程示意图；
图3至图7为本发明实施例的图像传感器的形成方法各步骤对应的结构示意图；
图8和图9是本发明实施例的图像传感器的实例结构示意图。
具体实施方式
以RGB彩色图像传感器为例，为了在暗场条件下获得明亮画面、提高传感器灵敏度，除了R/G/B像素之外，还设计了白色(W)像素，图1所示的图像传感器包括：半导体衬底10，半导体衬底10包括像素区域(Pixel area)10P和逻辑区域(Logic area)10L；形成在半导体衬底10上的介质层11；形成在像素区域的介质层11上的滤色片隔离结构(CFI，colorfilter isolation)，所述滤色片隔离结构包括金属层12a和介质层12b；形成在逻辑区域的介质层11上的金属阻挡层13；形成在滤色片隔离结构之间的滤色片，包括绿色滤色片14g、红色滤色片14r、白色滤色片14w和蓝色滤色片14b；形成在滤色片上的微透镜，包括绿色滤色片14g上的微透镜15g、红色滤色片14r上的微透镜15r、白色滤色片14w上的微透镜15w和蓝色滤色片14b上的微透镜15b。另外，为了降低光线对逻辑区域的器件影响，以及金属阻挡层(Metal Shield)13对像素区域的影响，还可以在金属阻挡层13上形成光阻层(Lightblock layer)17b。
但是，在包括有白色像素的图像传感器中，由于W像素比其他像素更容易饱和，吸收白光的光电二极管(PD)产生的光电子会溢出到相邻的光电二极管中，造成图像质量下降。
为了解决上述问题，发明人提出，通过在白色像素的微透镜上形成光阻层来减少白色像素的进光量，从而降低白光的量子转换效率(QE，Quantum Efficiency)，改善白光过饱和现象。
本发明实施例的图像传感器的形成方法的流程如图2所示，包括：
步骤S11，提供半导体衬底，所述半导体衬底包括像素区域和逻辑区域，所述像素区域的半导体衬底上形成有分立排列的滤色片隔离结构，所述逻辑区域的半导体衬底上形成有金属阻挡层；
步骤S12，在所述滤色片隔离结构之间形成滤色片，所述滤色片包括白色滤色片；
步骤S13，在所述滤色片上形成微透镜；
步骤S14，在所述微透镜和金属阻挡层上覆盖光阻层材料；
步骤S15，光刻所述光阻层材料，以形成第一光阻层和第二光阻层，所述第一光阻层部分覆盖所述白色滤色片上的微透镜，所述第二光阻层覆盖所述金属阻挡层。
下面结合图3至图7对上述各步骤进行详细说明。
请结合参考图2和图3，步骤S11，提供半导体衬底20，所述半导体衬底20包括像素区域20P和逻辑区域20L，所述像素区域的半导体衬底20P上形成有分立排列的滤色片隔离结构，所述逻辑区域的半导体衬底20L上形成有金属阻挡层23。
半导体衬底20可以为硅衬底，或者，半导体衬底20的材料也可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟，半导体衬底20还可以为绝缘体上的硅衬底或者绝缘体上的锗衬底，或者是生长有外延层的衬底。
本实施例中，所述像素区域的半导体衬底20P内形成有多个分立的光电二极管(未图示)和位于光电二极管之间的沟槽隔离结构(未图示)，所述多个光电二极管包括吸收绿光的光电二极管、吸收红光的光电二极管、吸收白光的光电二极管和吸收蓝光的光电二极管。
所述滤色片隔离结构形成在像素区域的半导体衬底20P上，包括金属层22a和介质层22b，金属层22a的材料可以为钨、铝或铜等具有遮光效果的金属，介质层22b的材料可以例如包括氧化硅或氮化硅等，所述介质层22b用于防止金属与滤光材料接触影响滤光材料性能，本实施例中，所述滤色片隔离结构为金属层22a和介质层22b的叠层结构，且所述介质层22b包覆所述金属层22a。金属阻挡层23形成在逻辑区域的半导体衬底20L上，用以防止光线入射到逻辑区域而影响逻辑区域的半导体器件，金属阻挡层23的材料一般可以采用金属衬垫(Metal PAD)材料。在具体实施时，还可以在形成所述滤色片隔离结构和金属阻挡层前，在半导体衬底20的表面先形成一层介质层21，介质层21的材料一般可以为氧化硅等。
请结合参考图2和图4，步骤S12，在所述滤色片隔离结构之间形成滤色片，所述滤色片包括白色滤色片24w。
可以采用曝光、显影、刻蚀工艺形成多个滤色片。滤色片的材料可以为负性光阻材料，例如丙烯酸类聚合物。本实施例中，所述图像传感器为RGB彩色图像传感器，所述多个滤色片包括选择性透过红光的红色滤色片24r、选择性透过绿光的绿色滤色片24g、选择性透过蓝光的蓝色滤色片24b和选择性透过白光的白色滤色片24w，形成白色滤色片24w是为了在暗场条件下获得明亮画面，并且提高传感器的灵敏度。不同色的滤色片可以分别形成，例如先形成绿色滤色片24g，再分别形成红色滤色片24r、白色滤色片24w和蓝色滤色片24b。
各滤色片由滤色片隔离结构隔开，分别对应像素区域的半导体衬底20P内的光电二极管。这里所说的对应，是指位置上的对应，具体地，绿色滤色片24g下对应有吸收绿光的光电二极管，红色滤色片24r下对应有吸收红光的光电二极管、蓝色滤色片24b下对应有吸收蓝光的光电二极管，白色滤色片24b下对应有吸收白光的光电二极管。
请结合参考图2和图5，步骤S13，在所述滤色片上形成微透镜。
本实施例中，由于不同色的滤色片可能具有不同厚度，且所述滤色片的厚度也可能小于滤色片隔离结构的高度，为了使微透镜形成在平坦的表面上，可以先在所述滤色片和滤色片隔离结构上形成平坦化层26，然后在平坦化层26上形成多个微透镜。
形成多个微透镜的步骤可以包括：在所述滤色片和滤色片隔离结构上的平坦化层上形成透镜材料(例如透明树脂)层和光刻胶层；对所述光刻胶层进行曝光显影，形成微透镜阵列图形；以所述光刻胶层为掩模，沿微透镜阵列图形刻蚀所述透镜材料层，形成微透镜阵列(多个微透镜)；采用回流工艺，使所述微透镜表面凸起，所述多个微透镜的位置与多个滤色片的位置分别对应，包括绿色滤色片24g上的微透镜25g、红色滤色片24r上的微透镜25r、白色滤色片24w上的微透镜25w和蓝色滤色片24b上的微透镜25b。
在其他实施例中，在应用光刻工艺形成所述微透镜时，可以采用具有渐变透光率的掩膜版，使得曝光后的光刻胶具有不同的厚度，在后续蚀刻的过程中可实现对微透镜边缘和中心不同厚度的蚀刻量，由此形成表面凸起的微透镜。
请结合参考图2和图6，步骤S14，在所述微透镜25g、25r、25w、25b和金属阻挡层23上覆盖光阻层材料27。
本实施例中，所述光阻层材料27包括碳黑或钛黑等遮光材料，可以采用化学气相沉积工艺(CVD)沉积光阻层材料27，也可以采用旋涂工艺涂布光阻层材料27，光阻层材料27覆盖所述微透镜25g、25r、25w、25b和金属阻挡层23。
请结合参考图2和图7，步骤S15，光刻所述光阻层材料27，以形成第一光阻层27a和第二光阻层27b，所述第一光阻层27a部分覆盖所述白色滤色片24w上的微透镜25w，所述第二光阻层27b覆盖所述金属阻挡层23。
具体地，如果采用CVD沉积光阻层材料27，可以通过光刻胶层将掩模板图形转移到光阻层材料上，所述掩模板图形定义出第一光阻层和第二光阻的位置。光刻所述光阻层材料27包括：在所述光阻层材料27上涂布光刻胶层；对所述光刻胶层进行曝光显影，形成第一光阻层和第二光阻层图形；以所述光刻胶层为掩模，沿所述第一光阻层和第二光阻层图形刻蚀光阻层材料27，形成第一光阻层27a和第二光阻层27b；去除所述光刻胶层。
如果采用旋涂工艺涂布光阻层材料27，光阻层材料27类似于光刻胶，可以直接将所述掩模板图形转移到光阻层材料上。光刻所述光阻层材料27包括：对所述光阻层材料27进行曝光显影，形成第一光阻层27a和第二光阻层27b；进行烘烤工艺。所述烘烤工艺的温度一般为180℃～300℃，例如可以为240℃，通过烘烤工艺可以使得第一光阻层27a和第二光阻层27b的形貌保持更好，膜质更坚硬而不易发生变形，从而具有更好的光阻挡效果。
由上述可知，第一光阻层27a和第二光阻层27b是通过一步光刻或刻蚀形成，即在形成第二光阻层27b的同时形成第一光阻层27a，不需要增加额外的工艺步骤，也不需要增加额外的掩模板，只需在掩模板图形中增加第一光阻层图形，通过掩模板图形控制第一光阻层27a和第二光阻层27b的位置和面积，通过掩模板的透光率控制第一光阻层27a和第二光阻层27b的厚度，以达到预期的光阻挡效果。
所述第一光阻层可以覆盖所述白色滤色片24w上的微透镜25w的部分边缘，如图7所示的截面结构示意图中，第一光阻层27a覆盖微透镜25w一侧的边缘区域。所述第一光阻层也可以覆盖所述白色滤色片24w上的微透镜25w的全部边缘，如图8所示的截面结构示意图中，第一光阻层27c覆盖微透镜25w两侧的边缘区域。所述第一光阻层也可以覆盖所述白色滤色片24w上的微透镜25w的中间部分，如图9所示的截面结构示意图中，第一光阻层27d覆盖微透镜25w的中央区域。
基于上述图像传感器的形成方法，本发明实施例形成的图像传感器如图7所示，包括：半导体衬底20，所述半导体衬底20包括像素区域20P和逻辑区域20L，所述像素区域20P的半导体衬底20上形成有分立排列的滤色片隔离结构，所述滤色片隔离结构包括金属层22a和介质层22b，所述逻辑区域20L的半导体衬底20上形成有金属阻挡层23；滤色片，形成在所述滤色片隔离结构之间，所述滤色片包括白色滤色片24w，还包括绿色滤色片24g、红色滤色片24r和蓝色滤色片24b；微透镜，形成在所述滤色片上，包括白色滤色片24w上的微透镜25w、绿色滤色片24g上的微透镜25g、红色滤色片24r上的微透镜25r和蓝色滤色片24b上的微透镜25b；第一光阻层27a，部分覆盖所述白色滤色片24w上的微透镜25w；第二光阻层27b，覆盖所述金属阻挡层23。
所述光阻层材料包括碳黑或钛黑材料。所述第一光阻层27a可以覆盖所述白色滤色片24w上的微透镜25w的部分边缘，如图7所示。或者，所述第一光阻层27a可以覆盖所述白色滤色片24w上的微透镜25w的全部边缘，如图8所示。或者，所述第一光阻层27a可以覆盖所述白色滤色片24w上的微透镜25w的中间部分，如图9所示。在其他实施例中，所述第一光阻层27a也可以覆盖所述白色滤色片24w上的微透镜25w的其他部分，只要能达到预期的阻挡效果即可。
本实施例中，所述图像传感器还可以包括：形成在半导体衬底20上的介质层21和形成在所述滤色片隔离结构和滤色片上的平坦化层26，所述滤色片隔离结构和金属阻挡层形成在所述介质层21上，所述微透镜形成在所述平坦化层26上。
本发明虽然已以较佳实施方式公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (13)

1.一种图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底包括像素区域和逻辑区域，所述像素区域的半导体衬底上形成有分立排列的滤色片隔离结构，所述逻辑区域的半导体衬底上形成有金属阻挡层；
在所述滤色片隔离结构之间形成滤色片，所述滤色片包括白色滤色片；
在所述滤色片上形成微透镜；
在所述微透镜和金属阻挡层上覆盖光阻层材料；
光刻所述光阻层材料，以形成第一光阻层和第二光阻层，所述第一光阻层部分覆盖所述白色滤色片上的微透镜，所述第二光阻层覆盖所述金属阻挡层。
2.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一光阻层覆盖所述白色滤色片上的微透镜的部分或全部边缘。
3.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述第一光阻层覆盖所述白色滤色片上的微透镜的中间部分。
4.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述光阻层材料包括碳黑或钛黑材料。
5.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，采用化学气相沉积工艺在所述微透镜和金属阻挡层上沉积所述光阻层材料，所述光刻所述光阻层材料包括：在所述光阻层材料上涂布光刻胶层；对所述光刻胶层进行曝光显影，形成第一光阻层和第二光阻层图形；以所述光刻胶层为掩模，沿所述第一光阻层和第二光阻层图形刻蚀所述光阻层材料，形成第一光阻层和第二光阻层；去除所述光刻胶层。
6.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，采用旋涂工艺在所述微透镜和金属阻挡层上涂布所述光阻层材料，所述光刻所述光阻层材料包括：对所述光阻层材料进行曝光显影，形成第一光阻层和第二光阻层；进行烘烤工艺。
7.如权利要求6所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述烘烤工艺的温度为180℃～300℃。
8.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，所述滤色片隔离结构包括介质层和金属层，所述介质层包覆所述金属层。
9.如权利要求1所述的图像传感器的形成方法，其特征在于，在形成微透镜前，还包括：在所述滤色片和滤色片隔离结构上形成平坦化层。
10.一种图像传感器，其特征在于，包括：
半导体衬底，所述半导体衬底包括像素区域和逻辑区域，所述像素区域的半导体衬底上形成有分立排列的滤色片隔离结构，所述逻辑区域的半导体衬底上形成有金属阻挡层；
滤色片，形成在所述滤色片隔离结构之间，所述滤色片包括白色滤色片；
微透镜，形成在所述滤色片上；
第一光阻层，部分覆盖所述白色滤色片上的微透镜；
第二光阻层，覆盖所述金属阻挡层。
11.如权利要求10所述的图像传感器，其特征在于，所述第一光阻层覆盖所述白色滤色片上的微透镜的部分或全部边缘。
12.如权利要求10所述的图像传感器，其特征在于，所述第一光阻层覆盖所述白色滤色片上的微透镜的中间部分。
13.如权利要求10所述的图像传感器，其特征在于，所述光阻层材料包括碳黑或钛黑材料。
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