CN1794463B - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种包括半导体衬底的CMOS图像传感器，具有多个以预定间隔布置于半导体衬底上的光电二极管。遮光层部分地与多个光电二极管交叠，以及绝缘中间层形成于包括多个光电二极管的半导体衬底的整个表面上。包括多个分隔预定间隙的滤色器的滤色器层形成于绝缘中间层上，以及平坦化层形成于包括滤色器层的半导体衬底的整个表面上。多个微透镜对应于滤色器层的滤色器形成于平坦化层上，其中设有设置于滤色器层与绝缘中间层之间的附加结构层，以封闭滤色器层的滤色器之间的预定间隙。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2004年12月24日提交的第10-2004-0112056号韩国专利申请的优先权，其全部内容结合于此供参考。
技术领域
本发明涉及一种图像传感器，更具体地，涉及一种CMOS图像传感器及其制造方法，其通过使用用于封闭(closing)滤色器阵列的元件之间的间隙的附加结构层，来改进传感器的图像特性。
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。典型的电荷耦合器件包括将光信号转换为电信号的光电二极管阵列。然而，这种装配(set up)具有复杂的驱动方法、高功耗、以及需要多阶段(multi-phased)光刻工艺的复杂制造工序。另外，在电荷耦合器件中，补偿电路诸如控制电路、信号处理器、以及模数转换器难以集成在单芯片器件上，因此阻碍了小(薄)型产品，诸如使用这种图像传感器的数字照相机和数字摄像机的发展。
另一方面，CMOS图像传感器采用了CMOS技术，该技术使用控制电路及信号处理电路作为外围电路，并采用了开关技术(switching technology)，其允许对应于阵列像素的数量提供使用MOS晶体管顺序地检测输出。另外，CMOS图像传感器使用CMOS制造技术，这是一种具有较少光刻步骤的简单制造方法，其有利于器件呈现出低功耗。
典型地，在前述的CMOS图像传感器中，光电二极管是有源器件，其基于入射光信号，通过根据入射光的强度和波长(颜色)产生电信号来形成光学图像。在这样的CMOS图像传感器中，其中每个光电二极管感测(senses)入射光，并且对应的CMOS逻辑电路根据输入波长将感测的光转换成电信号，光电二极管的光敏度随着能到达光电二极管的光的增加而增加。提高CMOS图像传感器的光敏度的一种方法就是提高其“填充系数”，也即，光电二极管所覆盖的表面积与整个图像传感器的表面积相对比的程度。填充系数是通过增加响应入射光的面积来提高的。而且，进入光电二极管的入射光的聚焦(concentration)在所有波长(白色光)的量子效应为“1”时受到有利的影响，其代表在光谱上向光电二极管的平衡传送，以包括由光电二极管接收的红光、蓝光、和绿光的互补元件。
为使任何可能入射到图像传感器的在光电二极管的本身区域(immediate area)之外的光改变方向，以及将入射光集中(聚焦)在一个或多个光电二极管本身上，可以设置具有优异透光率材料的器件，例如具有用于折射入射光的预定曲率的凸微透镜。撞击(striking)微透镜的凸结构的表面而平行于微透镜的光轴的入射光根据凸微透镜的曲率而被微透镜折射，从而聚焦于沿光轴的预定点上。如图1所示，根据相关技术的CMOS彩色图像传感器可以设置有微透镜层，该微透镜层设于滤色器层上方，滤色器层包括红(R)、蓝(B)、和绿(G)滤色元件用于聚焦每种颜色(波长)的光。
参见图1，根据相关技术的CMOS图像传感器包括：半导体衬底100，多个(列)光电二极管110以预定间隔布置于其上；遮光层120，用于通过阻挡任何到达光电二极管之间的光来允许仅在每个光电二极管上的光信号接收；绝缘中间层130，形成于遮光层与光电二极管阵列的结构之上，以容纳滤色器层150，该滤色器层被图样形成包括R、G、和B元件的与光电二极管阵列相对应的滤色器阵列；以及平坦化层160，形成于该整个得到的结构之上，以容纳多个与滤色器阵列相对应的微透镜170。以固定间隔布置的滤色器层150的各单个滤色器，通过在绝缘中间层130上涂覆相应的光敏性材料并对其图样形成来形成。每个涂层通过使用单独的掩模的光刻步骤进行图样形成来形成相应的像素阵列。滤色器层150的每个元件布置成传送相应于元件颜色的预定波长的光。
沿着相邻布置的要过滤不同颜色的滤色器之间的接合点，自然地会出现预定间隙。而此间隙的尺寸最好是保持至最小值，其存在是由于不可避免的光刻工艺的误差允许量所导致的，该光刻工艺用于在形成滤色器层的各种彩色抗蚀剂(colored resists)的图样形成处理期间，形成滤色器层。间隙的存在，尤其是在四个布置作为滤色器阵列的拜尔(Bayer)图样部分的相邻设置滤色器的交界处是有问题的，其妨碍了最优光电二极管工作，这是因为允许通过未经由滤色器层滤色的入射光降低了图像特性。
发明内容
因此，本发明旨在提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，其能基本上消除由于相关技术的局限性和缺陷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，其通过封闭滤色器阵列的元件之间的间隙改进了图像特性。
本发明的另一个优点在于，提供了一种CMOS图像传感器，由于阻挡光入射到存在于滤色器阵列的元件之间的间隙，使之具有提高的图像特性。
本发明的又一个优点在于，提供了一种具有滤色器阵列的CMOS图像传感器，其通过包括与滤色器层结合的附加结构，获得提高的图像特性。
本发明的又一个优点在于，提供了一种CMOS图像传感器，其能防止由于相应的滤色器阵列的元件间存在的间隙使图像传感器的光电二极管阵列的图像生成特性下降。
本发明的又一个优点在于，提供了一种具有滤色器阵列的CMOS图像传感器，其通过使滤色器阵列各单个滤色器元件之间趋近于没有间隙来提供更大的色分离(描绘delineation)，获得提高的图像特性。
本发明的又一个优点在于，提供了一种用于制造CMOS图像传感器的方法，其具有上述的优点。
本发明的优点及特征的其他例子部分地将在随后的说明中阐述，部分地从说明书或通过本发明的实施变得显而易见。
为获得根据本发明的实施例的这些目的和其他优点，如已概括和充分说明的，提供了一种CMOS图像传感器，包括具有多个分隔预定间隙的滤色器的滤色器层；以及具有用于遮挡光在预定间隙处入射至滤色器层的图样(pattern)的附加结构层。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于制造CMOS图像传感器的方法，包括：在半导体衬底上以预定间隔形成多个光电二极管；在包括多个光电二极管的半导体衬底的整个表面上形成绝缘中间层；在绝缘中间层上形成包括多个分隔预定间隙的滤色器的滤色器层；在绝缘中间层上形成附加结构层；在包括滤色器层的半导体衬底的整个表面上形成平坦化层；以及在平坦化层上形成多个与滤色器层的滤色器相对应的微透镜，其中附加结构层设置在滤色器层与绝缘中间层之间，并且图样形成为封闭滤色器层的滤色器之间的预定间隙.
应该理解，以上对本发明的一般性描述和以下的详细描述都是列举和说明性质的，目的在于对要求保护的本发明提供进一步的说明。
附图说明
构成本说明书的一部分的附图有助于进一步理解本发明，这些附图图解了本发明的一些实施例，并可与说明书一起用来说明本发明的原理。
附图中：
图1为根据相关技术的CMOS图像传感器的剖视图；以及
图2A-2D为用于制造根据本发明的CMOS图像传感器的工艺的剖视图。
具体实施方式
下面将详细说明本发明的实施例，其实例示于附图中。尽可能地，在所有附图中，用相同的标号表示相同或相近似的部件。
图2A-2D示出了用于制造根据本发明的CMOS图像传感器的工艺。
如图2A所示，多个光电二极管210以预定间隔形成于半导体衬底200的表面上。代替光电二极管，晶体管(未示出)的光敏性栅极(gate)可以作为有源器件，用于感应通过滤色器阵列接收到的入射光信号，以通过输出基于光信号的电信号产生图像。不透明金属例如铬的层，形成于包括光电二极管210的半导体衬底200的整个表面上。铬层通过光刻可选地形成图样，在半导体衬底200的暴露于光电二极管210之间的部分上留下不透明金属，并完全覆盖暴露的部分，从而形成遮光层220，用于通过阻挡任何到达光电二极管之间的光来仅允许在每个光电二极管上的光信号接收。可以形成为多层结构的绝缘中间层230，形成于包括遮光层220的半导体衬底200的整个表面上。
如图2B所示，黑色光刻胶(photoresist，也称光致抗蚀剂)涂覆在绝缘中间层230上，然后通过曝光及显影过程(即，光刻)形成图样，以形成用于遮挡任何入射到预定间隙的光的附加结构层240，该预定间隙将出现在将形成在绝缘中间层230上的滤色器阵列的元件之间。附加结构层240可以具有类似于遮光层220的图样。各附加结构层240的图样的各单个元件的宽度最好是大于沿相邻布置的滤色器之间的交界处自然会出现的间隙的相应宽度。
参见图2C，用于按照波长来过滤光的彩色抗蚀剂(coloredresist)层顺序地涂覆在包括附加结构层240的半导体衬底200的整个表面之上.每一涂层进而通过给出滤色器层250的光刻步骤来形成图样，其中滤色器层的各单个元件(即，红、绿、蓝滤色器)的周边部分地交叠附加结构层240的相邻部分.从而附加结构层240布置在滤色器层250的图样元件之间，并基本上设置在滤色器层与绝缘中间层230之间，其在结构上设置在滤色器下面.这种交叠确保了任何入射到元件间间隙的光被完全阻挡，并将不会进入绝缘中间层230或未过滤而到达光电二极管阵列.平坦化层260形成于包括滤色器层250的半导体衬底200的整个表面上，以设置在滤色器层的滤色器之间且设置在附加结构层240的顶部上，附加结构层是在构成滤色器层的彩色抗蚀剂图样的各涂层光刻后曝光后所留下的.
如图2D所示，用于微透镜成形的材料层被涂覆在平坦化层260上，然后通过光刻形成图样，以形成微透镜图样(未示出)。微透镜材料层可以形成为抗蚀剂层或例如四乙基原硅酸盐(TEOS)的氧化层。微透镜图样是用加热板或加热炉回流的，以形成多个具有预定凸曲率的微透镜270，该凸曲率可以根据所使用的热收缩方法而变化。微透镜270通过用紫外光照射而硬化，从而保持由回流工艺所获得的曲率。如此获得的微透镜270结构，包括其曲率和重量，确定了聚光效率(light-concentration efficiency)以及焦点。
根据本发明的CMOS图像传感器如图2D所示。多个光电二极管210以预定间隔布置在半导体衬底200内，且当允许在每个光电二极管处接收光信号时遮挡到达光电二极管之间的光的遮光层220，布置在光电二极管之间并部分交叠光电二极管的相邻边缘。绝缘中间层230形成在包括光电二极管210的半导体衬底200的整个表面上。包括多个分开预定间隙的滤色器的滤色器层250形成于绝缘中间层230上。平坦化层260形成于包括滤色器层250的半导体衬底200的整个表面上，且多个微透镜270形成于平坦化层上与各滤色器相对应。附加结构层240设置在滤色器层250与绝缘中间层230之间，以具有与各单个滤色器的交界处(junction)相对应的图样布置，并且用于封闭滤色器层的滤色器之间的预定间隙。
在根据本发明的CMOS图像传感器中，通过包括设置于滤色器层与绝缘中间层之间的附加结构层，并与滤色器层相结合，可以阻挡入射到存在于滤色器阵列的元件之间的间隙的光，其中绝缘中间层设于滤色器层之下。在这种情况下，间隙被封闭，且防止了图像传感器的光电二极管阵列的图像生成特性的下降。通过在提供更大的彩色分离(delineation)而使在单个颜色元件之间趋近于没有间隙的滤色器阵列，改善了图像特性。
可以理解，尽管本发明已经参照附图和优选实施例进行了说明，但显然，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明作出各种更改和变化。因此，本发明的各种更改、变化由所附的权利要求书及其等同物的内容涵盖。
Claims (14)
1.一种CMOS图像传感器，包括：
多个光电二极管，以预定间隔布置于半导体衬底上；
遮光层，形成在所述半导体衬底的暴露于光电二极管之间的部分上，通过阻挡任何到达光电二极管之间的光来允许仅在每个光电二极管上的光信号接收；
绝缘中间层，形成于包括所述遮光层的半导体衬底的整个表面上；
滤色器层，具有多个以预定间隙分隔开的滤色器，形成于所述绝缘中间层上；以及
附加结构层，布置在以预定间隙分隔开的滤色器之间，具有用于阻挡入射到所述滤色器层的所述预定间隙处的光的图样，位于所述绝缘中间层上，所述附加结构层的图样被所述滤色器部分地交叠。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述附加结构层由根据所述滤色器层的所述预定间隙形成图样的黑色光刻胶形成。
3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述滤色器层通过用于按照波长过滤光的彩色抗蚀剂的连续施加来形成，各彩色抗蚀剂涂覆在设于所述滤色器层之下的所述附加结构层上，并分开形成图样，以交叠所述附加结构层的相邻部分。
4.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述绝缘中间层形成为多层结构。
5.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，通过在半导体衬底的暴露于光电二极管之间的部分上留下不透明金属的光刻法，所述遮光层被选择性地图样化。
6.根据权利要求5所述的CMOS图像传感器，其中所述遮光层具有对应于所述光电二极管的布置的图样。
7.根据权利要求6所述的CMOS图像传感器，其中所述附加结构层具有类似于所述遮光层的所述图样的图样。
8.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述附加结构层的图样具有大于所述预定间隙的宽度。
9.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，进一步包括：平坦化层，形成于所述滤色器层上，并设置于所述滤色器层的滤色器之间且设置于所述附加结构层的顶部上。
10.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，进一步包括：多个微透镜，分别设置于所述滤色器层的滤色器上方。
11.CMOS图像传感器，包括：
半导体衬底；
多个光电二极管，以预定间隔布置在所述半导体衬底上；
遮光层，形成在所述半导体衬底的暴露于光电二极管之间的部分上，与所述多个光电二极管部分地交叠；
绝缘中间层，形成于包括所述多个光电二极管的所述半导体衬底的整个表面上；
滤色器层，形成于所述绝缘中间层上，包括多个以预定间隙分隔开的滤色器；
平坦化层，形成于包括所述滤色器层的半导体衬底的整个表面上；
多个微透镜，形成于所述平坦化层上，与所述滤色器层的所述滤色器相对应；以及
附加结构层，设置于所述滤色器层与所述绝缘中间层之间，其中，所述附加结构层以封闭所述滤色器层的所述滤色器之间的预定间隙而设置，并被所述滤色器部分地交叠。
12.一种用于制造CMOS图像传感器的方法，包括：
在半导体衬底中以预定间隔形成多个光电二极管；
在所述半导体衬底的暴露于光电二极管之间的部分上形成遮光层，所述遮光层通过阻挡任何到达光电二极管之间的光来允许仅在每个光电二极管上的光信号接收；
在包括所述多个光电二极管和所述遮光层的所述半导体衬底的整个表面上形成绝缘中间层；
在所述绝缘中间层上形成包括分隔预定间隙的多个滤色器的滤色器层；
在所述绝缘中间层上形成附加结构层；
在包括所述滤色器层的所述半导体衬底的整个表面上方形成平坦化层；以及
在所述平坦化层上形成与所述滤色器层的滤色器相对应的多个微透镜，
其中所述附加结构层设置于所述滤色器层与所述绝缘中间层之间，并形成图样以封闭所述滤色器层的滤色器之间的预定间隙，所述附加结构层被所述滤色器部分地交叠。
13.根据权利要求12所述的方法，所述附加结构层形成步骤包括：
在包括所述滤色器层的所述半导体衬底的整个表面的上方涂覆黑色光刻胶；以及
根据所述滤色器层的所述预定间隙，选择性地将所涂覆的黑色光刻胶图样化。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括：
用紫外线光照射所述微透镜，以硬化所述微透镜。
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