CN1819248A - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种CMOS图像传感器及其制造方法，提供具有矩形形状的微透镜图案轮廓以促进微透镜的回流工艺并且改善其曲率，从而改善光的集中效率并改善图像传感器的特性。所述CMOS图像传感器包括：多个光电二极管，设置在半导体基板上；多个滤色器，对应于所述光电二极管而设置；平坦化层，形成在包括所述滤色器的半导体基板的整个表面上；第一微透镜，具有矩形形状，形成在所述平坦化层上以对应于所述光电二极管；以及第二微透镜，被形成以围绕所述第一微透镜。
Description
对相关申请的交叉引用
本申请要求2004年12月30日提交的韩国专利申请No.10-2004-0116547的利益，如同在此完全阐述一样以任何目的通过引用结合于本申请中。
技术领域
本发明涉及一种图像传感器，并且更具体地涉及一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器及其制造方法，其中光的集中效率被最大化以提高所述图像传感器的特性。
背景技术
图像传感器是一种用于将光学图像转换成电信号的半导体装置。其包括具有若干金属氧化物半导体(MOS)晶体管的CMOS图像传感器，所述晶体管对应于像素数量，集成在具有外围电路的单个芯片上，用于顺序地输出所述MOS晶体管的电信号。CMOS图像传感器使用互补MOS技术以实现减小的特征尺寸、功率消耗以及制造成本，并且适用于如数字相机、蜂窝电话、个人数字助理、笔记本电脑、条形码读取器以及玩具等产品。CMOS图像传感器主要由提供有放大器的光电二极管阵列的信号处理芯片、模拟到数字转换器、内部电压调节器、时序发生器以及数字逻辑电路组成。
为了增强CMOS图像传感器的光敏性，可提高其填充因子；即光电二极管区域相对于装置自身的区域增加。但是，填充因子的增加受每个光电二极管的相关的逻辑和信号处理电路的存在的限制。增强的光敏性也可以通过聚焦入射光而实现，所述入射光由例如为每个光电二极管提供的微透镜所偏转，以将入射光集中到光电二极管中并且远离没有光电二极管表面的相邻区。以此方式，平行于微透镜的光轴的光由微透镜折射以使焦点在沿着光轴的点处形成。
参考图1，典型的CMOS图像传感器包括：至少一个光电二极管11，形成在半导体基板(未示出)中以响应于入射光而产生电荷；层间电介质层12，形成在包括光电二极管11的半导体基板的整个表面上；钝化层13，形成在层间电介质层12上；RGB滤色器层14，形成在钝化层13上以根据其波长而通过光；平坦化层15，形成在滤色器层14上；以及凸微透镜16，具有某种曲率，形成在平坦化层15上以将经过滤的光聚焦到光电二极管11上。
微透镜16的曲率和高度考虑各种因素如聚焦光的焦点来确定。树脂如聚合物通常被用作微透镜16。微透镜16通过沉积、图案化以及回流(reflow)工艺而形成。微透镜16的最佳尺寸和厚度以及曲率半径应根据单位像素的尺寸、相对位置以及形状、形成在光屏蔽层中的孔的高度、相对位置以及尺寸、以及光电二极管厚度来确定。光阻剂(photoresist)通常被用作微透镜16。光阻剂通过曝光和显影工艺来图案化以形成光阻剂图案，所述光阻剂图案可经受回流工艺。
微透镜的图案轮廓取决于光阻剂的聚焦特性，使得微透镜轮廓是变化的，并且其制造工艺参数取决于下层的结构条件。微透镜16被形成以提高光集中效率，并且是确定图像传感器特性的主要因素。在接收光信号时，微透镜16将更多光集中到光电二极管11上，以通过滤色器层14的各个滤色器(由其过滤)。经过滤的光入射对应的光电二极管11。
由于当制造相关技术CMOS图像传感器时光阻剂图案的条件不稳定，光的集中效率被降低。这会降低CMOS图像传感器的性能。
发明内容
因此，本发明涉及CMOS图像传感器及其制造方法，其基本消除了由于相关技术的局限性和缺点所导致的一个或者多个问题。
本发明的一个优点是提供CMOS图像传感器及其制造方法，其中微透镜图案轮廓以矩形形状而形成以促进微透镜的回流工艺并改善其曲率，从而提高光的集中效率并改善图像传感器的特性。
本发明的另外优点和特征将部分地在随后的描述中阐明，并且将部分地从本描述中变得明显或者可以通过本发明的实践了解。本发明的这些以及其他优点将通过本说明描述和权利要求以及附图中所特别指出的结构而实现和达到。
为了实现根据本发明目的的这些以及其他优点，如在此所体现以及广泛描述的，CMOS图像传感器包括：多个光电二极管，设置在半导体基板上；多个滤色器，对应于光电二极管而设置；平坦化层，形成在包括滤色器的半导体基板的整个表面上；第一微透镜，具有矩形形状，形成在平坦化层上以对应于光电二极管；以及第二微透镜，被形成以围绕第一微透镜。
根据本发明的另一方面，一种用于制造CMOS图像传感器的方法包括：对应于设置在半导体基板上的多个光电二极管而形成多个滤色器；在包括滤色器的半导体基板的整个表面上形成平坦化层；在平坦化层上形成具有矩形形状的第一微透镜以对应于光电二极管；以及形成对应于各个光电二极管并且围绕第一微透镜的第二微透镜。
应理解的是，本发明前述的一般描述以及随后的详细描述都是示范性的和解释性的，并且旨在提供对如权利要求的本发明的进一步解释。
附图说明
附图被包括以提供对本发明的进一步理解，并且被结合且构成本说明书的一部分，说明了本发明的示范实施例且与本说明书一起用于解释本发明的原理。
在所述图中：
图1是典型CMOS图像传感器的结构截面图；以及
图2A-2D是分别说明根据本发明的示范实施例的制造CMOS图像传感器的方法的横截面视图。
具体实施方式
现在将对本发明的示范性实施例作出详细参考，其实例在附图中说明。只要可能，类似的参考标记将在整个附图中被使用以引用相同或者类似的部分。
图2A-2D是分别说明根据本发明的实施例的用于制造CMOS图像传感器的方法的顺序工艺步骤。
参考图2A，层间电介质层32形成在半导体基板(未示出)的整个表面上，其中形成多个光电二极管31，以便响应于入射光而产生电荷。光栅型装置可以被用作光感测装置。层间电介质层32可以由一个或者几个层形成。例如，光屏蔽层(未示出)可以形成在一个层间电介质层上以防止光进入光电二极管31之外的部分，以及另一层间电介质层可以形成在光屏蔽层上。随后，钝化层33形成在层间电介质层32上以保护装置免于受潮和磨损。钝化层33被涂覆以抗盐剂(salt resist)，所述抗盐剂被图案化以形成恒定间隔的滤色器层34，用于根据波长即色过滤入射光。平坦化层35形成在滤色器层34上以获得用于设置焦距以及用于容纳透镜层的平的表面。
参考图2B，平坦化层35被涂覆以用于形成第一微透镜的材料层。所述材料层由光阻剂或者氧化物如氧氮化硅形成。随后，用于第一微透镜形成的材料层通过曝光和显影工艺被选择性地图案化，从而在平坦化层35上形成多个第一微透镜36，每个第一微透镜对应于对应的光电二极管31的设置而形成。
参考图2C，半导体基板的整个表面，包括第一微透镜36，被涂覆以用于形成第二微透镜的材料层37a。以此方式，用于第二微透镜形成的材料层37a根据第一微透镜36的矩形形状而被赋予曲率。
参考图2D，用于第二微透镜的材料层37a通过曝光和显影工艺被选择性地图案化，从而形成围绕各个第一微透镜36的第二微透镜37。因此，所述第一和第二微透镜36和37的每个可以对应于光电二极管31的一个以恒定的间隔形成。第二微透镜37可以通过回流工艺或者通过紫外线照射被硬化以保持最佳曲率半径。所述回流工艺可以使用热板或炉来执行。所生成的微透镜的曲率以及其光聚焦效率取决于加热以及收缩操作。因此，以可获得用于最大化待透射到光电二极管31的光的量的最佳曲率的形状来形成微透镜是重要的。所述最佳曲率取决于微透镜的尺寸(宽度)以及(垂直)高度，并且因此与CMOS图像传感器的集成度相关。更高度集成的装置将需要更小以及更短的微透镜。因此，在根据本发明实施例的CMOS图像传感器中，当透射第二微透镜37以及第一微透镜36时光进入光电二极管31，以提高其光集中(聚焦)效率以及滤色器层34的分辨率。
在根据本发明实施例的形成微透镜的工艺中，材料涂层如氧氮化硅具有大于用于形成半球形微透镜的光阻剂的折射率，在滤色器层以及平坦化层的形成之后被施加。因此，在半球形微透镜形成之前矩形微透镜形成。第一和第二微透镜36和37可以使用具有相同或不同折射率的光阻剂或者氧化物而形成。
因此，根据本发明实施例的CMOS图像传感器在图2D中示出。所述CMOS图像传感器包括：至少一个光电二极管31，形成在半导体基板(未示出)中以响应于入射光而产生电荷；层间电介质层32，形成在包括光电二极管的半导体基板的整个表面上；钝化层33，形成在层间电介质上；滤色器层34，形成在钝化层上，所述滤色器层包括对应于光电二极管的多个滤色器，以透射根据波长而被过滤的光；平坦化层35，形成在包括滤色器层的半导体基板的整个表面上；第一微透镜36，每个具有矩形形状，形成在平坦化层上以对应于光电二极管；以及第二微透镜37，每个具有凸半球形，被形成以对应于光电二极管并且围绕各个第一微透镜。
第二微透镜37可以以光阻剂形成，而第一微透镜36可以由光阻剂或者氧化物如氧氮化硅(SiON)形成。构成第一微透镜36的光阻剂可由具有大于构成第二微透镜37的光阻剂的折射率。第一微透镜36可由具有与第二微透镜37相同或不同折射率的材料形成。
如上所述，根据所述CMOS图像传感器及其制造方法，由于微透镜以二次涂覆级(secondary coating level)形成，所述微透镜的轮廓得以稳定的形成以提高光的聚焦效率。通过提高光的聚焦效率，更多的光通过滤色器层以击发光电二极管，使得在滤色器层中获得提高的分辨率，从而提高图像传感器性能。另外，由于微透镜具有多级结构，在再加工工艺(rework process)期间不需要形成微透镜的工艺之前的工艺，简化了再加工工艺并且相应地降低了成本。
对于本领域的技术人员显而易见的是，在不背离本发明的精神和范围的情况下可进行各种修改和变化。因此，意味着如果对本发明的修改和变化在所附的权利要求及其等效形式范围内，本发明覆盖所述修改和变化。
Claims (15)
1.一种CMOS图像传感器，包括：
多个光电二极管，设置在半导体基板上；
多个滤色器，对应于所述光电二极管而设置；
平坦化层，形成在包括所述滤色器的所述半导体基板的整个表面上；
第一微透镜，具有矩形形状，形成在所述平坦化层上以对应于所述光电二极管；以及
第二微透镜，被形成以围绕所述第一微透镜。
2.如权利要求1的CMOS图像传感器，其中所述第二微透镜具有凸半球形状。
3.如权利要求1的CMOS图像传感器，其中所述第一和第二微透镜由具有不同折射率的材料形成。
4.如权利要求1的CMOS图像传感器，其中所述第一和第二微透镜由具有相同折射率的材料形成。
5.如权利要求4的CMOS图像传感器，其中所述第一和第二微透镜的每个的材料是光阻剂和氧化物之一。
6.如权利要求1的CMOS图像传感器，还包括：
层间电介质层，形成在包括所述光电二极管的所述半导体基板的整个表面上；以及
钝化层，形成在所述层间电介质层上；
其中所述滤色器以恒定间隔形成在所述钝化层上。
7.一种用于制造CMOS图像传感器的方法，包括：
形成对应于设置在半导体基板上的多个光电二极管的多个滤色器；
在包括所述滤色器的半导体基板的整个表面上形成平坦化层；
在所述平坦化层上形成具有矩形形状的第一微透镜以对应于所述光电二极管；以及
形成对应于所述各个光电二极管且围绕所述第一微透镜的第二微透镜。
8.如权利要求7的方法，其中所述第一和第二微透镜由具有不同折射率的材料形成。
9.如权利要求8的方法，其中所述第一和第二微透镜的每个的材料是光阻剂和氧化物之一。
10.如权利要求7的方法，所述第二微透镜形成包括：
以用于微透镜形成的材料层涂覆包括所述第一微透镜的所述半导体基板的整个表面；
选择性地图案化所述材料层；
回流所述图案化的材料层以形成具有凸半球形的第二微透镜；以及
通过以紫外光照射所述第二微透镜的整个表面来硬化所述第二微透镜。
11.如权利要求7的方法，进一步包括：
在其中形成所述光电二极管的所述半导体基板上形成层间电介质层；以及
在所述层间电介质层上形成钝化层；
其中所述滤色器以恒定间隔形成在所述钝化层上。
12.一种形成用于图像装置的微透镜的方法，包括：
在平坦化层上形成具有矩形形状的第一微透镜，其中每个微透镜对应于所述图像装置中的光电二极管；以及
形成对应于并且围绕所述第一微透镜的第二微透镜。
13.如权利要求12的方法，其中所述第一和第二微透镜由具有不同折射率的材料形成。
14.如权利要求13的方法，其中所述第一和第二微透镜的每个的材料是光阻剂和氧化物之一。
15.如权利要求12的方法，其中形成所述第二微透镜包括：
以用于微透镜形成的材料层涂覆包括所述第一微透镜的所述图像装置的整个表面；
选择性地图案化所述材料层；
回流所述图案化的材料层以形成具有凸半球形的所述第二微透镜；以及
通过以紫外光照射所述第二微透镜的整个表面来硬化所述第二微透镜。
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