CN1992318A - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种CMOS图像传感器及其制造方法。该CMOS图像传感器包括：光电二极管，其形成于半导体器件上，所述光电二极管用于根据入射光的量产生电荷；第一平坦化层，其形成于所述光电二极管的上侧；多个滤色层，其形成于所述第一平坦化层的上侧，每个滤色层的上侧是弯曲的；以及多个微透镜，其形成于所述多个滤色层的上侧。

Description

CMOS图像传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种图像传感器及其制造方法。
背景技术
通常，图像传感器是将光图像转换为电信号的半导体器件。图像传感器一般分为电荷耦合器件(CCD)和CMOS图像传感器。
CMOS图像传感器由光电二极管和CMOS逻辑电路构成，其中该光电二极管用于感测照射光，该CMOS逻辑电路用于将感测到的光处理成电信号，以将它们制作为数据。光电二极管的光接收量越大，图像传感器的光敏度越高。
为了提高光敏度，在图像传感器的总面积中，光电二极管的面积填充因子增加，或者入射到光电二极管之外区域的光路改变以使其聚焦到光电二极管。
聚焦技术的典型实例是形成微透镜。也就是在光电二极管的上部利用光透射率极好的材料制造凸微透镜来折射入射光路，从而将更多的光照射到光电二极管区域。
在这种情况下，微透镜折射与微透镜的光轴水平的光，从而在光轴上的预定位置形成光聚焦。
以下将参照附图说明根据相关技术的CMOS图像传感器。
图1是示出根据相关技术的CMOS图像传感器的横截面图。
参照图1，CMOS图像传感器包括：至少一个光电二极管12，第一平坦化层13，R、G、B滤色层14，第二平坦化层15，以及微透镜16。光电二极管12形成于半导体衬底11的表面内，并根据入射光的量产生电荷。第一平坦化层13形成于包括光电二极管12的半导体衬底11的整个表面上。R、G、B滤色层14形成于第一平坦化层13上，并分别使特定波长的光通过。第二平坦化层15形成于滤色层14上。微透镜16以具有预定曲率的凸形形成于第二平坦化层15上。微透镜16使光透射对应的滤色层14，以聚焦于光电二极管12。
这里，微透镜16的曲率和高度是根据聚焦光的焦点确定的。微透镜16是由聚合物系统树脂通过包括沉积、曝光和显影的图案化工艺以及回流(reflow)工艺制成的。
即，微透镜16具有由单位像素的尺寸、位置和形状、光感测器件的厚度、以及光屏蔽层的高度、位置和尺寸所确定的最佳尺寸、厚度和曲率半径。
在根据相关技术的CMOS图像传感器的制造方法中，被形成用来提高光聚焦性能的微透镜16是用于控制图像传感器特性的重要因素。
在照射自然光时，微透镜16用于通过各滤色层14将更多光聚焦到光电二极管12。
微透镜16将入射到图像传感器的光聚焦，并且滤色层14中过滤的光入射到与滤色层14的下端相对应的光电二极管。
但是，根据相关技术的CMOS图像传感器具有以下问题。
即，根据滤光器的种类而形成具有不同厚度的多个滤色层14，从而出现台阶覆盖(step coverage)。为了对此进行补偿，在形成滤色层14之后，在衬底的整个表面上形成第二平坦化层15。
此时，由于是自然光，所以光出现在位于滤光层之前位置的第二平坦化层15中。光在两个滤光层14之间穿过并到达光电二极管12，这成为引起噪声的主要因素。
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，其充分消除了由于相关技术的局限和缺点所造成的各种问题。
因此，提出本发明来解决相关技术中出现的上述问题，本发明的目的在于提供一种能够通过最小化噪声成分来提高光敏度的CMOS图像传感器。
本发明的第二目的在于提供一种能够提高聚光性能的CMOS图像传感器。
本发明的其它优点、目的和特征将部分阐述于以下说明中，并且通过检查下文对于本领域普通技术人员将部分地变得显而易见，或者可通过实践本发明而被了解。通过书面说明书及其权利要求书以及附图中特别指出的结构，可以实现和获得本发明的目的和其它优点。
为实现这些目的以其它优点并且按照本发明的意图，如在此具体实施和广泛描述的，本发明提供一种CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器，包括：光电二极管，其形成于半导体器件上，所述光电二极管用于根据入射光的量产生电荷；第一平坦化层，其形成于所述光电二极管的上侧；多个滤色层，其形成于所述第一平坦化层的上侧，每个滤色层的上侧是弯曲的；以及多个微透镜，其形成于所述多个滤色层的上侧。
在本发明的另一实施例中，提供一种CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器，包括：光电二极管，其形成于半导体器件上，所述光电二极管用于根据入射光的量产生电荷；第一平坦化层，其形成于所述光电二极管的上侧，并根据其位置而具有不同高度；多个滤色层，其形成于所述第一平坦化层的上侧；以及多个微透镜，其形成于所述多个滤色层的上侧。
在本发明的另一方案中，提供一种制造CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器的方法，包括以下步骤：在半导体器件上形成多个光电二极管；在所述多个光电二极管的上侧形成第一平坦化层，所述第一平坦化层根据其位置而具有不同高度；在所述第一平坦化层的上侧形成多个滤色层；以及在所述多个滤色层的上侧形成多个微透镜。
应当理解，对于本发明的前述概括说明及以下具体说明都是示例及解释性的，旨在提供对于所要求保护的发明的进一步解释。
附图说明
附图包含在本申请中并构成本申请的一部分，用以提供对于本发明的进一步理解，附图示出本发明的实施例，并与说明书一起用于解释发明原理。在附图中：
图1是示出根据相关技术的CMOS图像传感器的横截面图；
图2是示出根据本发明的CMOS图像传感器的横截面图；
图3A至图3G是CMOS图像传感器的横截面图，用于说明根据本发明实施例的制造CMOS图像传感器的方法；以及
图4是示出根据本发明另一实施例的CMOS图像传感器的横截面图。
具体实施方式
以下详细参照本发明的优选实施例，其实例示出于附图中。在全部附图中尽可能用相同的附图标号来指代相同或相似的部件。
以下参照附图说明根据本发明的CMOS图像传感器及其制造方法。
图2是示出根据本发明的CMOS图像传感器的横截面图。
参照图2，CMOS图像传感器包括：至少一个光电二极管102，第一平坦化层103，蓝(B)滤色层106，绿(G)滤色层107，红(R)滤色层108，第二平坦化层109，以及多个微透镜110。至少一个光电二极管102形成在半导体衬底101上，并根据入射光的量产生电荷。第一平坦化层103以凸形形成在包括光电二极管102的半导体衬底101上。蓝(B)滤色层106形成在沟槽中，该沟槽在凸形的第一平坦化层103的表面内形成预定深度。绿(G)滤色层107形成在第二沟槽中，该第二沟槽在第一平坦化层103中形成的深度小于第一沟槽的深度。这里，第二沟槽与第一沟槽间隔开。红(R)滤色层108形成于在蓝滤色层106与绿滤色层107之间的第一平坦化层103上。第二平坦化层109形成在蓝滤色层106、绿滤色层107及红滤色层108上。多个微透镜110与滤色层106、107及108相对应地形成在第二平坦化层109上。
这里，蓝滤色层106、绿滤色层107及红滤色层108的上侧通过第一和第二沟槽形成为凸形，并在整体上形成微弯曲线。
即，在滤色层106、107及108之间，因为相邻滤色层上侧的边界没有高度差，所以第二平坦化层109的厚度可以形成得较薄。
特别地，当以与滤色层106、107及108的上侧相同的曲率形成第二平坦化层109时，其可形成具有较薄的均匀厚度。
此外，在滤色层106、107及108之间，因为相邻滤色层上侧的边界没有高度差，并且它们的上侧形成为弯曲形状，所以第二平坦化层109被选择性地形成。也就是说，可以在不形成第二平坦化层109的情况下，在滤色层106、107及108的上侧直接形成多个微透镜110。
另一方面，由于多个微透镜110形成在弯曲形状的第二平坦化层109上，所以与形成为平面的平坦化层相比，该弯曲形状的第二平坦化层109会具有更大的聚光面积。
图3A至图3G是CMOS图像传感器的横截面图，用于说明根据本发明实施例的制造CMOS图像传感器的方法。
如图3A所示，形成至少一个光电二极管102，用于根据入射到半导体衬底101的光的量来产生电荷，在光电二极管102上形成层间电介质(未示出)和第一平坦化层103。
这里，可形成具有多层的层间电介质。在形成一层层间电介质之后，形成光屏蔽层，其用于阻挡入射到除光电二极管102之外的其余部分的光。然后，可再次形成层间电介质。
另一方面，层间电介质由诸如无掺杂的硅酸盐玻璃(USG)的氧化物制成。
此外，可通过SiN层来获得第一平坦化层103。
如图3B所示，在第一平坦化层103上已涂覆光致抗蚀剂层之后，通过曝光和显影工艺对所得物进行图案化，以仅在像素阵列区域保留光致抗蚀剂层。接着，在从150到200℃范围的温度下对图案化的光致抗蚀剂层进行回流，以形成凸表面。
如图3C所示，在第一平坦化层103以及凸形的光致抗蚀剂层110中进行空白蚀刻(blank etching)工艺，以具有1∶1的蚀刻选择比，从而形成第一平坦化层103的凸表面。
这里，第一平坦化层103的厚度从其中央部分向其边缘部分逐渐变薄。
如图3D所示，通过光刻和蚀刻工艺选择性地去除具有凸形的第一平坦化层103的预定部分，以形成距离表面预定深度的第一沟槽104。这里，第一沟槽104是将成为蓝滤色层的形成区域的区域。
如图3E所示，通过光刻和蚀刻工艺，选择性地去除第一平坦化层103的与第一沟槽104相隔开的预定部分，以形成深度小于第一沟槽104的第二沟槽105。这里，第二沟槽105是将成为绿滤色层的形成区域的区域。
如图3F所示，在包括第一和第二沟槽104和105的半导体衬底的整个表面上涂覆了用于蓝色滤光器的抗蚀剂之后，对所得物进行曝光和显影以在第一沟槽104内形成蓝滤色层106。这里，在形成第一沟槽104时所用的标线(reticle)可被用作形成蓝滤色层106时所用的标线。
接下来，在已涂覆用于绿滤光器的抗蚀剂之后，对所得物进行曝光和显影以在第二沟槽105内形成绿滤色层107。这里，在形成第二沟槽105时所用的标线可被用作形成绿滤色层107时所用的标线。
此外，已涂覆用于红滤光器的抗蚀剂后，对所得物进行曝光和显影以在在蓝滤色层106与绿滤色层107之间的第一平坦化层103上形成红滤色层108。
另一方面，本发明的实施例已描述：滤色层是以蓝滤色层106、绿滤色层107和红滤色层108的顺序形成的。但是，本发明不限于此。滤色层的形成顺序可随意调整。
如图3G所示，在包括滤色层106、107及108的半导体衬底101的整个表面上形成第二平坦化层109，其用于焦距调整和平面度保障以形成透镜层。
另一方面，在本发明的实施例中，为了减小并形成第二平坦化层109的厚度以使通过微透镜的自然光直接进入滤色层，在滤色层106、107及108中，相邻滤色层的边界没有高度差，并且滤色层106、107及108的上侧具有弯曲的形状。
也就是说，在本发明的实施例中，在形成滤色层106、107及108之前，在第一平坦化层103中形成沟槽，之后再形成各滤色层。
另外，由于第一平坦化层103具有凸表面，所以其上形成的滤色层106、107及108以及第二平坦化层109也具有凸的弯曲表面。
接下来，在凸形的第二平坦化层109上已涂覆了用于形成微透镜的材料层之后，利用曝光和显影工艺对该材料层进行图案化，以形成微透镜图案。
这里，诸如抗蚀剂或TEOS的氧化物层可被用作形成微透镜的材料层。
然后，在从150到300℃范围的温度下对微透镜图案进行回流，以形成微透镜110。
这里，回流工艺可使用热板或熔炉。此时，根据收缩加热方法，微透镜110的曲率改变。根据微透镜110的曲率，聚焦效率改变。
随后，将红外线照射到微透镜110，以使其固化。这里，通过将红外线照射并固化到微透镜110，微透镜110可保持最佳的曲率半径。
图4示出根据本发明另一实施例的CMOS图像传感器的横截面图。
参照图4，CMOS图像传感器包括：至少一个光电二极管202，第一平坦化层203，蓝(B)滤色层206，绿(G)滤色层207，红(R)滤色层208，第二平坦化层209，以及多个微透镜210。至少一个光电二极管202形成在半导体衬底201上，并根据入射光的量产生电荷。第一平坦化层203形成在包括光电二极管202的半导体衬底201上，以根据其位置而具有不同高度。蓝(B)滤色层206形成在沟槽中，该沟槽在第一平坦化层203内形成预定深度。绿(G)滤色层207形成在第二沟槽中，该第二沟槽在第一平坦化层203中形成的深度小于第一沟槽的深度。这里，第二沟槽与第一沟槽间隔开。红(R)滤色层208形成在蓝滤色层206与绿滤色层207之间的第一平坦化层203上。第二平坦化层209形成在蓝滤色层206、绿滤色层207及红滤色层208上。多个微透镜210与滤色层206、207及208相对应地形成在第二平坦化层209上。
这里，蓝滤色层206、绿滤色层207及红滤色层208的上侧可通过第一和第二沟槽而被形成为具有相同高度。
即，因为在滤色层206、207及208之间没有高度差，所以第二平坦化层209的厚度可以形成得较薄。此外，可以在不形成第二平坦化层209的情况下直接形成多个微透镜210。
以下是根据本发明另一实施例的CMOS图像传感器的制造方法。
首先，在已形成至少一个光电二极管202之后，形成层间电介质(未示出)和第一平坦化层203，其中所述至少一个光电二极管202用于根据入射到半导体衬底201的光的量来产生电荷。此外，第一平坦化层203由SiN层构成。
另外，在第一平坦化层203上已涂覆光致抗蚀剂层之后，光致抗蚀剂层被通过曝光和显影工艺选择性地图案化，以保留像素阵列区域。
利用光刻和蚀刻工艺选择性地去除第一平坦化层203的预定部分，以根据其位置形成具有不同高度的表面。
在第一平坦化层203上具有不同高度的位置形成蓝滤色层206、绿滤色层207及红滤色层208。此时，蓝滤色层206、绿滤色层207及红滤色层208形成为不同厚度。蓝滤色层206、绿滤色层207及红滤色层208的上侧可以形成在相同高度。
在包括滤色层206、207及208的半导体衬底201的整个表面上形成第二平坦化层209，其用于焦距调整和平面度保障以形成透镜层。
接下来，在第二平坦化层209上已涂覆了用于形成微透镜的材料层之后，利用曝光和显影工艺对该材料层进行图案化，以形成微透镜图案。这里，诸如抗蚀剂或TEOS的氧化物层可被用作形成微透镜的材料层。
然后，在从150到300℃范围的温度下对微透镜图案进行回流，以形成微透镜210。这里，回流工艺可使用热板或熔炉。此时，根据收缩加热方法，微透镜210的曲率改变。根据微透镜210的曲率，聚焦效率改变。
随后，将红外线照射到微透镜210，以使其固化。这里，通过将红外线照射并固化到微透镜210，微透镜210可保持最佳的曲率半径。
从上述说明中可见，CMOS图像传感器及其制造方法具有以下效果。
首先，在形成滤色层之前，在第一平坦化层的表面内形成沟槽，之后再形成各滤色层以减小第二平坦化层的厚度。因此，通过微透镜的自然光直接进入滤色层，从而增加图像传感器的光敏度。
第二，因为第一平坦化层形成为具有凸的弯曲表面，并且形成于其上的第二平坦化层也形成为凸形，所以微透镜的表面面积增加以提高微透镜的聚焦性能。
对于本领域技术人员明显的是，在本发明中可进行各种改型和变化。因此，本发明旨在涵盖落入随附权利要求及其等效范围内的各种改型和变化。

Claims (15)

1、一种CMOS图像传感器，包括：
光电二极管，其形成于半导体器件上，所述光电二极管用于根据入射光的量产生电荷；
第一平坦化层，其形成于所述光电二极管的上侧；
多个滤色层，其形成于所述第一平坦化层的上侧，每个滤色层的上侧是弯曲的；以及
多个微透镜，其形成于所述多个滤色层的上侧。
2、如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述第一平坦化层形成于所述滤色层与所述微透镜之间。
3、一种互补金属氧化物半导体CMOS图像传感器，包括：
光电二极管，其形成于半导体器件上，所述光电二极管用于根据入射光的量产生电荷；
第一平坦化层，其形成于所述光电二极管的上侧，并根据其位置而具有不同高度；
多个滤色层，其形成于所述第一平坦化层的上侧；以及
多个微透镜，其形成于所述多个滤色层的上侧。
4、如权利要求3所述的CMOS图像传感器，其中所述第一平坦化层具有不同高度，所述滤色层的形成位置的高度根据所述滤色层的厚度而改变。
5、如权利要求3所述的CMOS图像传感器，其中在所述第一平坦化层的所述滤色层的各形成区域上侧是弯曲的。
6、如权利要求3所述的CMOS图像传感器，其中在所述多个滤色层与所述微透镜之间形成第二平坦化层。
7、如权利要求6所述的CMOS图像传感器，其中所述第二平坦化层形成为均匀的厚度。
8、如权利要求3所述的CMOS图像传感器，其中所述多个滤色层的上侧形成一条曲线。
9、如权利要求3所述的CMOS图像传感器，其中所述多个滤色层的上侧形成为相同高度。
10、一种互补金属氧化物半导体CMOS图像传感器的制造方法，包括以下步骤：
在半导体器件上形成多个光电二极管；
在所述多个光电二极管的上侧形成第一平坦化层，所述第一平坦化层根据其位置而具有不同高度；
在所述第一平坦化层的上侧形成多个滤色层；以及
在所述多个滤色层的上侧形成多个微透镜。
11、如权利要求10所述的方法，其中所述第一平坦化层的形成步骤将所述第一平坦化层形成为均匀的厚度，并且选择性地蚀刻所述第一平坦化层，以根据其位置而具有不同高度。
12、如权利要求10所述的方法，其中所述第一平坦化层的形成步骤将所述第一平坦化层形成为凸形，并且选择性地蚀刻所述第一平坦化层以根据其位置而具有不同高度，并且具有弯曲的上侧。
13、如权利要求10所述的方法，其中还包括在所述多个滤色层与所述多个微透镜之间形成第二平坦化层的步骤。
14、如权利要求13所述的方法，其中将所述第二平坦化层形成为均匀的厚度。
15、如权利要求10所述的方法，其中将所述多个滤色层的上侧形成为相同高度。
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