CN1794460A - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种CMOS图像传感器及其制造方法，其有源器件(例如，光电二极管)具有改善的光接收效率。该CMOS图像传感器包括：至少一个光电二极管，设置在半导体衬底上；以及微透镜，布置在每个光电二极管之上，其中，微透镜由表现出优异的透射率的聚合物形成。
Description
本申请要求于2004年12月21日提交的韩国专利申请第10-2004-0109602号的优先权，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种图像传感器，更具体地，涉及一种具有改善的光接收效率的CMOS图像传感器及其制造方法。
背景技术
图像传感器是用于将光学图像转换成电信号的半导体器件，包括电荷耦合器件和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。
一般的电荷耦合器件包括：光电二极管阵列，用于将光信号转换成电信号；多个垂直电荷耦合器件，形成在矩阵型结构排列的各个垂直光电二极管之间，并且垂直传送每个光电二极管所产生的电荷；水平电荷耦合器件，用于水平传送由每个垂直电荷耦合器件传送的电荷；以及读出放大器，用于读出并且输出水平传送的电荷。电荷耦合器件不足之处在于驱动方法复杂、功率消耗大、以及制造工艺复杂(需要多阶段的光学工艺(multi-phased photo-process))。此外，难以将诸如控制电路、信号处理器、以及模拟-数字转换器的辅助电路集成到单芯片电荷耦合器件中，因此，阻碍了使用这种图像传感器的产品的微型化发展。
另一方面，CMOS图像传感器采用了将调节电路和信号处理电路用作外围电路的CMOS技术，并且采用了开关技术(switchingtechnology)，允许通过排列的各像素使用MOS晶体管来检测输出从而检测图像。由此，CMOS图像传感器使用CMOS制造技术(即，一种使用较少的光刻步骤的简单制造方法)，从而使器件具有能耗低的优点。
通常，在前述的CMOS图像传感器中，光电二极管是用于基于入射光信号产生光学图像的有源器件(active device)。在这种CMOS图像传感器中，其中，每个光电二极管感应入射光并且相应的COMS逻辑电路将读出的光转换成电信号。越多的光能够到达光电二极管，则光电二极管的光敏度增大。一种增强CMOS图像传感器的光敏度的方法是提高其“填充因数”，即，光电二极管所占表面面积与图像传感器整个表面面积的比值程度。通过增加对入射光敏感的区域的大小来提高填充因数。此外，当在全波长(白光)处的量子效率为“1”时，还有助于将入射光聚集到光电二极管上。
表现出优异的透光率的器件(例如，用于折射入射光的凸微透镜)，可用于将任何可能入射至图像传感器的光电二极管外面附近区域的光重导向，并将入射光会聚(聚焦)到一个或多个光电二极管本身上。在彩色图像传感器中，可将这种具有预定曲率的微透镜(即，凸透镜)设置在用于使各种颜色(波长)的光穿过的滤色器层之上。图1示出根据相关技术的CMOS图像传感器，其中，设置了三个光电二极管11，用于根据入射光的量产生电信号。
参照图1，根据相关技术的CMOS图像传感器包括：绝缘中间层12，形成在设置在衬底表面(未示出)处的光电二极管11之上；钝化层13，形成在绝缘中间层上；滤色器(RGB)层14，形成在钝化层上；平坦化层15，形成在滤色器层上；以及对应每个光电二极管的微透镜16，用于从而聚焦入射光穿过滤色器层并到达底层光电二极管上。微透镜16通常由涂覆在平坦化层15上的光刻胶层形成，并然后使用光刻工艺形成图样。形成图样的光刻胶经过回流(热)处理，以使各微透镜16具有半球形的上表面。然而，用光刻胶材料制作而成的微透镜16，表现出不良的透光特性，并因此限制了CMOS图像传感器的光接收效率，从而还限制了该关键特性的任何进一步改善。
发明内容
因此，本发明涉及一种CMOS图像传感器及其制造方法，其能够很好地解决由于相关技术的限制和不足而导致的一个或多个问题。
本发明的一个优点在于提供了一种CMOS图像传感器及其制造方法，以通过用表现出优异透射率的聚合物形成的微透镜来提高图像传感器的光接收效率。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，如文中所具体和概括描述的，提供了一种CMOS图像传感器，包括：至少一个光电二极管，设置在半导体衬底上；以及微透镜，布置在至少一个光电二极管中的每个光电二极管之上，其中，微透镜由聚合物材料形成。
在本发明的另一方面中，提供了一种CMOS图像传感器的制造方法，包括：在其上设置有至少一个光电二极管的半导体衬底上形成绝缘中间层；通过首先形成聚合物材料层，然后使该聚合物材料层形成图样，来形成与至少一个光电二极管的位置相对应的聚合物图样；以及回流聚合物图样的聚合物材料，以形成用于将入射光射到至少一个光电二极管上的微透镜。
应该了解，前面的概述以及随后的本发明的详述是示例性和说明性的，目的在于提供对所要求的本发明的进一步的说明。
附图说明
附图提供了对本发明的进一步理解，结合到本申请中并构成本申请的一部分，附图说明了本发明的实施例，并与说明书一起解释
本发明的原理。在附图中：
图1是根据相关技术的CMOS图像传感器的剖视图；以及
图2A-2C是根据本发明的CMOS图像传感器的制造过程的剖视图。
具体实施方式
以下将详细参照本发明的优选实施例，其实例在附图中示出。尽可能地，在所有附图中使用相同的参考标号表示相同或相似的部件。
图2A-2C示出根据本发明的实施例的CMOS图像传感器的制造过程。
参照图2A，在半导体衬底(未示出)上设置用于根据入射光的量产生电荷的至少一个光电二极管31。在一个实施例中，彩色CMOS图像传感器的每个像素单元的三个这样的光电二极管以预定间隔排列。在光电二极管31的顶上形成绝缘中间层32，以与半导体衬底的表面接触并且完全地覆盖半导体二极管。绝缘中间层32可形成为多层结构，以包括设置在绝缘中间层材料的第一和第二沉积物之间的遮光层(optical shielding layer)(未示出)，用于允许入射光到达每个光电二极管31并且阻挡射向半导体衬底的未被光电二极管占据的区域的光。随后，在绝缘中间层32之上形成钝化层33，以使器件免遭潮湿污染和由于磨损导致的损坏。
对于彩色图像传感器，通过连续地涂覆一系列的有色抗蚀剂层并且使其形成图样，在钝化层33上形成有色抗蚀剂的滤色器层34。滤色器层可通过与三个光电二极管31的布置相对应而交错布置(interlace)多个滤色器R、G、B来形成，该滤色器层用于分别过滤预定波长的光(红色、绿色、和蓝色)。在滤色器层34上形成平坦化层35，以控制焦距并且实现用于形成透镜层的平面性(平坦化)。
在图2B中，通过聚合或凝结在平坦化层35上形成例如聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)膜的聚合物材料的透镜层，然后将该层粘附到平坦化层上。应该理解，图中没有明确地示出最初形成(即，形成图样之前)的聚合物材料层。
PMMA膜由于其高透明度(光学透射率)、高强度、以及特殊的UV辐射特性，而经常被用作玻璃的替代品，玻璃表现出比聚甲基丙烯酸甲酯(即，约93％)较低的透射率(即，约91％)。聚甲基丙烯酸甲酯易于被诸如异丙醇(isopropyl alcohol)的有机溶剂溶解。此外，PMMA膜具有大约110℃的热变形温度。在当将PMMA膜粘附到平坦化层35上时进行的热处理中，该低热变形温度很有利。在热处理过程中，将PMMA膜加热到大约100℃到200℃的温度。通过光刻法(曝光和显影处理，然后是选择性蚀刻)选择性地使PMMA膜形成图样，从而形成与光电二极管31的布置相对应的PMMA图样36，以使入射光的透射最大化。相对于滤色器层34的各个滤色器的相应宽度，使得到的图样的每个部分的宽度最大化。特别地，在PMMA膜上涂覆光刻胶(未示出)，通过曝光和显影使所涂覆的光刻胶形成图样，以限定微透镜区域。使用形成图样的光刻胶作为掩模来选择性地覆盖PMMA膜，通过使用诸如异丙醇等有机溶剂进行蚀刻来去除PMMA膜的曝光部分，只剩下PMMA图样36。最后，去除光刻胶层(即，掩模)。
参照图2C，对PMMA图样36本身执行单独的热处理，即，形成图样的PMMA膜的材料(聚甲基丙烯酸甲酯)的回流。回流是使形成图样的PMMA膜的上表面具有平滑的凸形的处理。该处理用于形成多个微透镜36a，每个微透镜具有预定的曲率，用于分别使入射光射到(聚焦到)底层光电二极管31中的一个上。在回流处理过程中，将PMMA图样36加热到保持在大约300℃-700℃的温度。
图2C示出根据本发明的CMOS图像传感器。特别地，CMOS图像传感器包括设置在半导体衬底(未示出)上的至少一个光电二极管31，并且多个微透镜36a分别设置在每个光电二极管之上。每个微透镜由聚合物材料(例如，聚甲基丙烯酸甲酯)膜形成，聚合物材料被形成图样并回流以形成各个微透镜。根据本发明的另一实施例，多个光电二极管以预定间隔排列在半导体衬底上。图2A-2C示出带有对应于光的三原色(即，滤色器层34的红(R)、绿(G)、以及蓝(B))的三个光电二极管的实施例。本发明的原理可同样适用于单色图像传感器。
根据本发明的CMOS图像传感器包括：绝缘中间层32；遮光层(未示出)，用于允许入射光到达每个光电二极管31并阻挡射向半导体衬底的未被任何光电二极管占据的区域的光；钝化层33；滤色器层34；以及平坦化层35。绝缘中间层32覆盖光电二极管31，并形成在半导体衬底的表面上，而且可包括遮光层。在绝缘中间层的上部施加(apply)钝化层33，该钝化层用于使至少一个光电二极管免遭潮湿污染和由于磨损导致的损坏。滤色器层34形成在绝缘中间层32上，并具有与三个光电二极管31的布置相对应的交错的多个滤色器R、G、B，用于分别过滤预定波长的光(红色、绿色、和蓝色)。在滤色器层34上形成平坦化层35以占据半导体衬底的整个上表面，从而控制微透镜36a的焦距，以及提供用于容纳微透镜的水平(平坦化的)表面，每个微透镜具有略小于或与底层滤色器层的对应的滤色器基本上相同的宽度。
如上所述，在根据本发明的CMOS图像传感器中，用于将入射光射到底层光电二极管上的微透镜由与光刻胶材料相比，表现出更优异的透射率并因此可具有改善的光接收特性的聚合物材料所形成。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (24)
1.一种CMOS图像传感器，包括：
至少一个光电二极管，设置在半导体衬底上；以及
微透镜，布置在所述至少一个光电二极管中的每个光电二极管之上，其中，
所述微透镜由聚合物材料形成。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，所述至少一个光电二极管包括排列在所述半导体衬底上的多个光电二极管。
3.根据权利要求2所述的CMOS图像传感器，其中，所述多个光电二极管排列在所述半导体衬底上，以预定间隔布置。
4.根据权利要求2所述的CMOS图像传感器，还包括：绝缘中间层，覆盖所述多个光电二极管，并且形成在所述半导体衬底的表面上；
滤色器层，形成在所述绝缘中间层之上，具有与所述多个光电二极管的布置相对应的交错的多个滤色器；以及
平坦化层，形成在所述滤色器层上，用于相对于所述多个光电二极管的布置控制微透镜焦距，并用于提供用于容纳所述微透镜的平坦化的表面。
5.根据权利要求4所述的CMOS图像传感器，其中，所述绝缘中间层还包括遮光层，用于允许入射光到达所述至少一个光电二极管，和阻挡射向所述半导体衬底的未被所述至少一个光电二极管占据的区域的光。
6.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，所述聚合物材料为聚甲基丙烯酸甲酯。
7.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，还包括钝化层，形成在所述绝缘中间层的上部，用于使所述至少一个光电二极管免遭潮湿污染和由于磨损导致的损坏。
8.一种CMOS图像传感器的制造方法，包括：
在其上设置有至少一个光电二极管的半导体衬底上形成绝缘中间层；
通过首先形成聚合物材料层，然后使所述聚合物材料层形成图样，在所述至少一个光电二级管的位置之上并且对应于所述至少一个光电二极管的所述位置形成聚合物图样；以及回流所述聚合物图样的所述聚合物材料，用于形成用于使入射光射到所述至少一个光电二极管上的微透镜。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述至少一个光电二极管包括排列在所述半导体衬底上的多个光电二极管。
10根据权利要求9所述的方法，其中，将所述多个光电二极管排列在所述半导体衬底上，以预定间隔布置。
11.根据权利要求9所述的方法，还包括：
在所述绝缘中间层上形成滤色器层，所述滤色器层具有与所述多个光电二极管的布置相对应的交错的多个滤色器；以及
在所述滤色器层上形成平坦化层，用于相对于所述多个光电二极管的布置控制微透镜的焦距，以及用于提供用于容纳所述微透镜的平坦化的表面。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
通过热处理将所述聚合物材料粘附到所述平坦化层。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，以大约100℃-200℃的温度执行所述热处理。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，所述绝缘中间层形成为多层结构。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述绝缘中间层的多层结构包括遮光层，其布置在绝缘中间层材料的第一和第二沉积物之间，用于允许入射光到达所述至少一个光电二极管中的每个光电二极管，和阻挡射向所述半导体衬底的未被光电二极管占据的区域的光。
16.根据权利要求8所述的方法，还包括：
在所述绝缘中间层的上部形成钝化层，用于使所述至少一个光电二极管免遭潮湿污染和由于磨损导致的损坏。
17.根据权利要求8所述的方法，其中，所述聚合物材料层包括聚甲基丙烯酸甲酯膜。
18.根据权利要求8所述的方法，其中，通过聚合过程和凝结过程中的一种来形成所述聚合物材料层。
19.根据权利要求8所述的方法，其中，通过光刻法形成所述聚合物图样。
20.根据权利要求8所述的方法，所述聚合物图样的形成包括：
在所述聚合物材料层上涂覆光刻胶；
通过曝光和显影使所涂覆的光刻胶形成图样；
使用所述形成图样的光刻胶作为掩模，蚀刻所述聚合物材料层；以及
去除所述光刻胶。
21根据权利要求20所述的方法，其中，使用有机溶剂蚀刻所述聚合物材料层。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述有机溶剂为异丙醇。
23.根据权利要求8所述的方法，其中，以大约300℃-700℃的温度执行所述回流。
24.一种CMOS图像传感器，包括：
多个光电二极管，以预定间隔设置在半导体衬底上；
绝缘中间层，形成在所述半导体衬底的表面上的所述多个光电二极管之上；
滤色器层，形成在所述绝缘中间层上，具有对应于所述多个光电二极管的多个滤色器；以及
多个聚合物材料的微透镜，布置为与所述滤色器层的所述滤色器相对应。
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