CN1992212A - 制造cmos图像传感器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制造CMOS图像传感器的方法，利用该方法能够减少微透镜与光电二极管之间的距离，并简化CMOS图像传感器的制造工艺。
Description
技术领域
本发明涉及一种制造互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的方法。
背景技术
一般而言，图像传感器是用于将光学图像转换为电信号的半导体器件，并且主要分为电荷耦合器件(CCD)图像传感器和CMOS图像传感器。
CCD具有多个光电二极管(PD)，这些光电二极管布置为矩阵的形式，以将光学信号转换为电信号。CCD包括：多个垂直电荷耦合器件(VCCD)，这些垂直电荷耦合器件设置在垂直布置于矩阵中的光电二极管之间，从而当各个光电二极管产生电荷时，沿垂直方向传输这些电荷；多个水平电荷耦合器件(HCCD)，用于沿水平方向传输由多个VCCD传输的电荷；以及传感放大器，通过感测沿水平方向传输的电荷，输出电信号。
然而，这种CCD有很多缺点，例如驱动模式复杂，功耗高等等。另外，这种CCD需要多步骤光处理，所以其制造过程复杂。此外，因为难以将控制器、信号处理器以及模拟/数字转换器(A/D转换器)集成在单个CCD芯片上，所以这种CCD不适用于紧凑型产品。
近来，CMOS图像传感器作为能够解决上述CCD问题的下一代图像传感器而受到瞩目。CMOS图像传感器是一种采用开关模式，利用多个MOS晶体管依次检测各单元像素输出的器件，其中，通过使用了外围器件，例如控制器以及信号处理器的CMOS技术，对应于各单元像素，将多个MOS晶体管形成在半导体衬底上。也就是说，CMOS图像传感器在各单元像素中包括光电二极管和MOS晶体管，并且以开关模式依次检测各单元像素的电信号，从而获得图像。
因为CMOS图像传感器使用了CMOS技术，所以它具有例如功耗低，制造过程简单并且光处理步骤相对较少的优点。此外，CMOS图像传感器可使得产品的尺寸紧凑，因为控制器、信号处理器以及A/D转换器可集成在单个CMOS图像传感器芯片上。因此，CMOS图像传感器广泛用于各种应用，例如数码相机、数码摄像机等等。
以下参照附图描述CMOS图像传感器。
图1是根据现有技术的CMOS图像传感器的等效电路图，该CMOS图像传感器包括一个光电二极管和四个MOS晶体管。
CMOS图像传感器包括：光电二极管(PD)，用于接收光以产生光电荷；转移晶体管Tx，用于将光电二极管PD采集的光电荷转移到浮置扩散(FD)区；复位晶体管Rx，用于将浮置扩散(FD)区的电位设置为期望值并消耗电荷以使浮置扩散(FD)区复位；驱动晶体管Dx，供作源极跟随缓冲放大器(source follow buffer amplifier)；以及选择晶体管，执行开关以寻址。同时，在单元像素外形成有负载晶体管60以读取输出信号。
图2是示出根据现有技术的CMOS图像传感器的单元像素的剖视图，其中仅示出与光聚焦有关的重要元件。
如图2所示，在CMOS图像传感器中，在半导体衬底11上形成用于限定有源层的场氧化物层(未示出)，其中在半导体衬底11上限定了传感部分和外围驱动部分。此外，在半导体衬底11的有源区中形成多个光电二极管PD12和晶体管13。
第一层间介电层14形成于包括传感部分和外围驱动部分、具有光电二极管PD12和晶体管13的半导体衬底11的整个表面上，而第一金属互连M1形成于第一层间介电层14上。
此外，第二层间介电层15、第二金属互连M2、第三层间介电层16、第三金属互连M3、第四层间介电层17、第四金属互连M4以及保护层依次形成于第一金属互连M1上。
第二金属互连M2、第三金属互连M3及第四金属互连M4以不干扰入射到光电二极管12中的光的方式形成于外围驱动部分中。
此外，红色(R)、绿色(G)以及蓝色(B)滤色层19形成于传感部分的平面层18上以获得彩色图像。微透镜20形成于各滤色层19上。
为了获得微透镜20的所需曲率，涂覆并图案化光致抗蚀剂，使得光致抗蚀剂保留在光电二极管12上，并随后通过烘焙工艺使得光致抗蚀剂回流。
这样的微透镜20对于将光导入光电二极管12起到重要作用。
然而，由于半导体器件已经变得高度集成，不同层中的金属互连是对准的，使得层间介电层的高度增加，并且微透镜20与光电二极管12之间的间隔加大。因此，仅用微透镜20难以将光适当地引入光电二极管。
也就是说，虽然在传感部分中形成了第一金属互连M1和第二金属互连M2，但因为第二至第四层间介电层15、16、17叠置于微透镜20与接收光的光电二极管12之间，当光到达光电二极管12时光强受到削弱，因此图像的质量可能降低。
此外，因为微透镜20与光电二极管12之间的距离加大，如果光入射的时候偏离预定入射角，可能会发生被称为“串扰”的颜色干扰(colorinterference)，使得图像质量降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种制造CMOS图像传感器的方法，该方法能够缩短微透镜与光电二极管之间的距离，从而提高入射到光电二极管的光的强度，并能通过去除传感部分的层间介电层来简化CMOS传感器的制造工艺。
本发明提供一种制造CMOS图像传感器的方法，该方法包括步骤：
在半导体衬底上形成多个光电二极管和晶体管，其中所述半导体衬底上限定了传感部分和外围驱动部分；在所述半导体衬底的整个表面上形成第一层间介电层；在所述第一层间介电层的所述传感部分和所述外围驱动部分上形成第一金属互连；在包括所述第一金属互连的所述半导体衬底的整个表面上形成第二层间介电层；在所述第二层间介电层的所述传感部分和所述外围驱动部分上形成第二金属互连；在包括所述第二金属互连的所述半导体衬底的整个表面上形成第三层间介电层；在所述第三层间介电层的所述外围驱动部分上形成第三金属互连；在包括所述第三金属互连的所述半导体衬底的整个表面上形成第四层间介电层；在所述第四层间介电层的所述外围驱动部分上形成第四金属互连，并在焊盘部分的所述第四层间介电层上形成焊盘；在包括所述第四金属互连的所述半导体衬底的整个表面上形成平面层；选择性地去除所述传感部分中的所述平面层和所述第四层间介电层并同时去除形成于所述焊盘的上部的所述平面层；以及在所述传感部分中的所述第三层间介电层上形成滤色层和微透镜。
根据所述的方法，其中，通过反应离子刻蚀工艺去除所述平面层和所述第四层间介电层。
根据所述的方法，其中，所述第一至第四层间介电层和所述平面层包括氧化物层。
根据所述的方法，其中，所述第一至第四金属互连和所述焊盘包括选自铝、铜、钼、钛以及钽所构成的集合中的至少其中一种。
根据所述的方法，其中，如果所述焊盘具有铝和钛的堆叠结构，则使用C4F8/Co/N2/Ar气体，通过反应离子刻蚀工艺来去除所述平面层和所述第四层间介电层。
根据所述的方法，其中，所述第三层间介电层包含的材料不同于形成所述第四层间介电层以及所述平面层的材料。
根据所述的方法，其中，所述第三层间介电层包括氮化物层，而所述第四层间介电层和所述平面层包括氧化物层
根据本发明的CMOS图像传感器及其制造方法能够减少微透镜与光电二极管之间的距离，并简化CMOS图像传感器的制造工艺。
附图说明
图1是根据现有技术的CMOS图像传感器的单元像素的等效电路图，该单元像素包括一个光电二极管和四个MOS晶体管；
图2是示出根据现有技术的CMOS图像传感器的单元像素的剖视图。
图3是示出根据本发明第一实施例的CMOS传感器的剖视图；
图4A至4F是以剖视图示出根据本发明第一实施例制造CMOS图像传感器的过程；以及
图5A至5E是以剖视图示出根据本发明第二实施例制造CMOS图像传感器的过程。
具体实施方式
以下参照附图描述所述CMOS图像传感器及其制造方法。
图3是示出根据本发明第一实施例的CMOS传感器的剖视图。
如图1所示，CMOS图像传感器包括：多个光电二极管101和晶体管102，形成于半导体衬底100上，其中在半导体衬底100上限定了传感部分和外围驱动部分；第一层间介电层103，形成于包括光电二极管101和晶体管102的半导体衬底100的整个表面上；第一金属互连M1，形成于第一层间介电层103的传感部分和外围驱动部分上；第二层间介电层104，形成于包括第一金属互连M1的半导体衬底100的整个表面上；第二金属互连M2，形成于第二层间介电层104的传感部分和外围驱动部分上；氮化物层105，形成于包括第二金属互连M2的半导体衬底100的整个表面上；第三层间介电层106，形成于氮化物层105的外围驱动部分上；第三金属互连M3，形成于第三层间介电层106上；第四层间介电层107，形成于包括第三金属互连M3的半导体衬底100的外围驱动部分上；第四金属互连，形成于第四层间介电层107上；平面层109，形成于包括第四金属互连M4的半导体衬底100的整个表面上；以及滤色层110和微透镜111，依次形成于平面层109的传感部分上。
也就是说，在根据本发明第一实施例的CMOS图像传感器中，第一层间介电层103和第二层间介电层104形成于传感部分上，并且第一层间介电层103至第四层间介电层107形成于外围驱动部分上，从而缩短了微透镜111与光电二极管101之间的距离。
图4A至4F是以剖视图示出根据本发明第一实施例制造CMOS图像传感器的过程。
如图4A所示，在半导体衬底100上形成用于限定有源层的场氧化物层(未示出)，其中在半导体衬底100上限定了传感部分和外围驱动部分。此外，在半导体衬底11的有源区中形成多个光电二极管101和晶体管102。
然后，在包括光电二极管101和晶体管102的半导体衬底100的整个表面上形成第一层间介电层103。之后，在第一层间介电层103上沉积并选择性地图案化第一金属层，从而在传感部分和外围驱动部分中形成第一金属互连M1。
接下来，在包括第一金属互连M1的半导体衬底100的整个表面上形成第二层间介电层104。之后，在第二层间介电层104上沉积并选择性地图案化第二金属层，从而在传感部分和外围驱动部分中形成第二金属互连M2。
然后，如图4B所示，在包括第二金属互连M2的半导体衬底100的整个表面上形成刻蚀停止氮化物层105。
之后，如图4C所示，在氮化物层105上形成第三层间介电层106。然后，在第三层间介电层106上沉积并选择性地图案化第三金属层，从而在外围驱动部分中形成第三金属互连M3。
然后，在包括第三金属互连M3的半导体衬底100的整个表面上形成第四层间介电层107。在此情况下，在第四层间介电层107上沉积并选择性地图案化第四金属层，从而在外围驱动部分中形成第四金属互连M4。
之后，在包括第四金属互连M4的半导体衬底100的整个表面上涂覆光致抗蚀剂108，并随后通过曝光和显影工艺将光致抗蚀剂108图案化，使得光致抗蚀剂108仅保留在外围驱动部分中。
然后，如图4D所示，利用图案化的光致抗蚀剂108作为掩模，选择性地去除形成于半导体衬底100的传感部分上的第四层间介电层107和第三层间介电层106。
当选择性地去除第四层间介电层107和第三层间介电层106时，可将形成于第二层间介电层104上的氮化物层105用作刻蚀停止层。
此外，通过湿法刻蚀、干法刻蚀或湿-干法刻蚀来刻蚀第三层间介电层106和第四层间介电层107。
然后，如图4E所示，去除光致抗蚀剂108并在半导体衬底100的整个表面上沉积氮化物层，从而形成平面层109。
此外，如图4F所示，在平面层109上涂覆染色抗蚀剂(dyeable resist)，并随后通过曝光和显影工艺将染色抗蚀剂图案化，从而在传感部分上形成滤色层110。此时，以预定间隔对准滤色层110以便根据波长进行滤光。
然后，在包括滤色层110的半导体衬底100的整个表面上涂覆用于形成微透镜的材料层，并随后通过曝光和显影工艺将材料层图案化，从而在滤色层110上形成微透镜图案。
在此，用于形成微透镜的材料层包括抗蚀剂或氧化物层，例如TEOS层。
此时，也可在形成材料层之前，在滤色层上形成平面层(未示出)，其中材料层用于形成微透镜。
然后，在大约150℃至200℃温度条件下将微透镜图案进行回流，从而形成微透镜111。
在此，在回流工艺期间使用电热板(hot plate)或炉。此时，微透镜111的曲率可根据热压缩方案而变化，微透镜111的聚焦效率则根据微透镜111的曲率而变化。
然后，将紫外线照射到微透镜111上以使微透镜111固化。因为微透镜111是利用紫外线固化的，所以微透镜111可具有最佳曲率半径。
因此，在传感部分中，减少了微透镜与光电二极管之间的层间介电层的厚度，从而能够减少光损耗、提高光敏感度并防止串扰。所以，在亮处及暗处，图像质量都得到提高。
此外，虽然图中未示，在微透镜111形成之后，必须在外围驱动部分中的第四金属互连M4的焊盘(pad)部分中形成接触孔，以形成对外部驱动电路的电连接。
也就是说，通过选择性地去除形成于第四金属互连M4上的平面层109，来形成接触孔从而暴露出第四金属互连M4的焊盘部分。
所以，附加地执行光刻工艺以形成焊盘接触孔。
图5A至5E是以剖视图示出根据本发明第二实施例的制造CMOS图像传感器的过程。
如图5A所示，在半导体衬底200上形成用于限定有源层的场氧化物层(未示出)，其中该半导体衬底上限定了传感部分和外围驱动部分。此外，在半导体衬底11的有源区中形成多个光电二极管201和晶体管202。
然后，在包括光电二极管201和晶体管202的半导体衬底200的整个表面上形成第一层间介电层203。之后，在第一层间介电层203上沉积并选择性地图案化第一金属层，从而在传感部分和外围驱动部分中形成第一金属互连M1。
接下来，在包括第一金属互连M1的半导体衬底200的整个表面上形成第二层间介电层204。之后，在第二层间介电层204上沉积并选择性地图案化第二金属层，从而在传感部分和外围驱动部分中形成第二金属互连M2。
然后，如图5B所示，在包括第二金属互连M2的半导体衬底200的整个表面上形成第三层间介电层206。
之后，如图5C所示，在第三层间介电层206上沉积并选择性地图案化第三金属层，从而在外围驱动部分中形成第三金属互连M3。
然后，在包括第三金属互连M3的半导体衬底200的整个表面上形成第四层间介电层207。在此情况下，在第四层间介电层207上沉积并选择性地图案化第四金属层，从而在外围驱动部分中形成第四金属互连M4。
在此，各金属互连可通过堆叠铝、铜、钼、钛及钽之中至少一种或两种来形成。此外，各层间介电层包括氧化物基层(oxide-based layer)。
然后，如图5D所示，在平面层或保护层209上涂覆光致抗蚀剂210，并随后通过曝光和显影工艺将光致抗蚀剂210图案化，使得光致抗蚀剂210仅保留在外围驱动部分中。也就是说，光致抗蚀剂210仅保留在外围驱动部分和焊盘部分中，以暴露出传感部分和焊盘部分的上部。
此外，利用图案化的光致抗蚀剂210作为掩模，通过各向异性刻蚀工艺，例如反应离子刻蚀(RIE)工艺，选择性地去除形成在半导体衬底的传感部分上的平面层或保护层209以及第四层间介电层207。同时，选择性地去除形成于焊盘部分上的平面层或保护层209，从而形成焊盘接触孔211。
此时，如果第四金属互连M4被制备成铝(Al)和氮化钛(TiN)的堆叠结构，并且平面层或保护层209以及各层间介电层包括氧化物层，那么在RIE工艺期间使用C4F8/Co/N2/Ar气体。执行刻蚀工艺时，在焊盘部分的金属层、平面层或保护层209以及第四层间介电层207之中调整刻蚀选择性。也就是说，通过控制氮气量来调整刻蚀选择性。
或者，通过将用于第三层间介电层206、第四层间介电层以及平面层或保护层209的材料彼此加以区分，可将第三层间介电层206用作刻蚀停止层。
也就是说，如果第三层间介电层206是由氮化物层制成的，不同于由氧化物层制成的第四层间介电层和平面层或保护层209，当同时去除传感部分和焊盘部分的平面层或保护层209时，可将第三层间介电层206用作刻蚀停止层。在此情况下，可提高刻蚀选择性。
然后，如图5E所示，去除光致抗蚀剂120并在半导体衬底200的整个表面上涂覆染色抗蚀剂。在此状态下，通过曝光和显影工艺将染色抗蚀剂图案化，从而在传感部分上形成滤色层212。此时，滤色层212是以预定间隔对准的，以根据波长进行滤光。
接下来，在包括滤色层212的半导体衬底200的整个表面上涂覆用于形成微透镜的材料层，并随后通过曝光和显影工艺将材料层图案化，从而在滤色层212上形成微透镜图案。
在此，用于形成微透镜的材料层包括抗蚀剂或氧化物层，例如TEOS层。
然后，在大约150℃至200℃温度条件下将微透镜图案进行回流，从而形成微透镜213。
在此，在回流工艺期间使用电热板或炉。此时，微透镜213的曲率可根据热压缩方案而变化，并且微透镜213的聚焦效率根据微透镜213的曲率而变化。
然后，将紫外线照射到微透镜213上以将微透镜213固化。因为微透镜213是利用紫外线固化的，所以微透镜213可具有最佳曲率半径。
因此，在传感部分中，减少了微透镜与光电二极管之间的层间介电层的厚度，从而能够减少光损耗、提高光敏感度并防止因光入射角偏离而导致的串扰。此外，因为是同时刻蚀焊盘部分和传感部分，所以能够减少工艺时间并简化制造工艺。
根据本发明的CMOS图像传感器及其制造方法具有以下优点。
第一，在传感部分中，能够减少微透镜与光电二极管之间的层间介电层的厚度，从而减少光损耗，提高光敏感度。
第二，微透镜与光电二极管之间的距离变小，因此能够减少因光入射角偏离而导致的串扰。
第三，因为提高了光敏感度并防止了串扰，所以能够提高亮处及暗处的图像质量。
第四，因为是同时刻蚀焊盘部分和传感部分，所以能够减少工艺时间并简化制造工艺。
对所属领域技术人员显而易见的是，本发明可作各种修改和变化。因此，本发明旨在涵盖所附权利要求范围内的修改和变化。
Claims (9)
1.一种制造CMOS图像传感器的方法，该方法包括步骤：
在半导体衬底上形成多个光电二极管和晶体管，在所述半导体衬底上限定了传感部分和外围驱动部分；
在所述半导体衬底的整个表面上形成第一层间介电层；
在所述第一层间介电层的所述传感部分和所述外围驱动部分上形成第一金属互连；
在包括所述第一金属互连的所述半导体衬底的整个表面上形成第二层间介电层；
在所述第二层间介电层的所述传感部分和所述外围驱动部分上形成第二金属互连；
在包括所述第二金属互连的所述半导体衬底的整个表面上形成第三层间介电层；
在所述第三层间介电层的所述外围驱动部分上形成第三金属互连；
在包括所述第三金属互连的所述半导体衬底的整个表面上形成第四层间介电层；
在所述第四层间介电层的所述外围驱动部分上形成第四金属互连，并在焊盘部分的所述第四层间介电层上形成焊盘；
在包括所述第四金属互连的所述半导体衬底的整个表面上形成平面层；
选择性地去除所述传感部分中的所述平面层和所述第四层间介电层并同时去除形成于所述焊盘的上部的所述平面层；以及
在所述传感部分中的所述第三层间介电层上形成滤色层和微透镜。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过反应离子刻蚀工艺去除所述平面层和所述第四层间介电层。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一至第四层间介电层和所述平面层包括氧化物层。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一至第四金属互连和所述焊盘包括选自铝、铜、钼、钛以及钽所构成的集合中的至少其中一种。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，如果所述焊盘具有铝和钛的堆叠结构，则使用C4F8/Co/N2/Ar气体，通过反应离子刻蚀工艺来去除所述平面层和所述第四层间介电层。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第三层间介电层包含的材料不同于形成所述第四层间介电层以及所述平面层的材料。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第三层间介电层包括氮化物层，而所述第四层间介电层和所述平面层包括氧化物层。
8.一种制造CMOS图像传感器的方法，该方法包括步骤：
在半导体衬底上形成多个光电二极管和晶体管，在所述半导体衬底上限定了传感部分和外围驱动部分；
在所述半导体衬底的整个表面上形成第一层间介电层；
在所述第一层间介电层的所述传感部分和所述外围驱动部分上形成第一金属互连；
在包括所述第一金属互连的所述半导体衬底的整个表面上形成第二层间介电层；
在所述第二层间介电层的所述传感部分和所述外围驱动部分上形成第二金属互连；
在包括所述第二金属互连的所述半导体衬底的整个表面上形成第三层间介电层；
在所述第三层间介电层的所述外围驱动部分上形成第三金属互连；
在包括所述第三金属互连的所述半导体衬底的整个表面上形成第四层间介电层；
在所述第四层间介电层的所述外围驱动部分上形成第四金属互连，并在焊盘部分的所述第四层间介电层上形成焊盘；
在包括所述第四金属互连的所述半导体衬底的整个表面上形成保护层；
选择性地去除所述传感部分中的所述保护层和所述第四层间介电层，并同时去除形成于所述焊盘的上部的所述保护层；以及
在所述传感部分中的所述第三层间介电层上形成滤色层和微透镜。
9.一种制造CMOS图像传感器的方法，该方法包括步骤：
在半导体衬底上形成多个光电二极管和晶体管，在所述半导体衬底上限定了传感部分和外围驱动部分；
在所述半导体衬底的整个表面上形成第一层间介电层；
在所述第一层间介电层的所述传感部分和所述外围驱动部分上形成第一金属互连；
在包括所述第一金属互连的所述半导体衬底的整个表面上形成第二层间介电层；
在所述第二层间介电层的所述传感部分和所述外围驱动部分上形成第二金属互连；
在包括所述第二金属互连的所述半导体衬底的整个表面上形成第三层间介电层；
在所述第三层间介电层的所述外围驱动部分上形成第三金属互连；
在包括所述第三金属互连的所述半导体衬底的整个表面上形成第四层间介电层；
在所述第四层间介电层的所述外围驱动部分上形成第四金属互连和焊盘；
在包括所述第四金属互连的所述半导体衬底的整个表面上形成保护层；
选择性地去除所述传感部分中的所述保护层和所述第四层间介电层；
在所述传感部分中的所述第三层间介电层上形成滤色层和微透镜；以及
选择性地刻蚀所述外围驱动部分中的所述保护层，从而形成连接到所述焊盘的接触孔。
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