CN1992322A - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种CMOS图像传感器及其制造方法，其通过在微透镜和光电二极管之间形成反射层来增强聚光功能，从而改善图像传感器的灵敏度。该CMOS图像传感器包括：多个光电二极管，其形成在半导体衬底上；第一层间介电层，其形成在包括所述光电二极管的该半导体衬底的整个表面上；反射层，其形成在该第一层间介电层上，且使该反射层具有对应于所述光电二极管的多个开口；第二层间介电层，其形成在包括该反射层的第一层间介电层的整个表面上；多个滤色层，其形成在该第二层间介电层上且相互之间形成规律的间隔；平坦化层，其形成在包括所述滤色层的该半导体衬底的整个表面上；以及多个微透镜，其形成在该平坦化层上，各微透镜对应于各光电二极管设置。

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，尤其是涉及一种CMOS图像传感器及其制造方法，该CMOS图像传感器能够通过在微透镜和光电二极管之间形成反射层来增强聚光功能，从而改善该图像传感器的灵敏度。
背景技术
一般地，图像传感器是一种用于将光学图像转换为电信号的半导体器件，其主要划分为电荷耦合器(CCD)图像传感器器件和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器器件。
CMOS图像传感器包括用于探测光的光电二极管和用于将所探测的光转换成电信号以使所述电信号成为数据的CMOS逻辑电路。由于光电二极管接收的光量增加，因此图像传感器的光灵敏度得以改善。
为了改善光灵敏度，必须增加填充系数，其中填充系数为光电二极管面积与图像传感器整体面积的比；或者采用聚光技术来改变入射至光电二极管区域以外的区域上的光的路线，以使光可以汇聚至光电二极管中。
聚光技术的典型实例为制造微透镜。即在光电二极管的顶面上，采用具有高透光率的材料形成凸形微透镜，从而以这样的方式折射入射光：使更大量的光可以被传输至光电二极管区域。
在这种情况下，与微透镜的光轴平行的光被微透镜折射，使得光汇聚在该光轴的某一位置。
下面，将参考附图描述传统的CMOS图像传感器。
图1为示出了传统的CMOS图像传感器的剖视图。
如图1所示，传统的CMOS图像传感器包括：多个光电二极管11，其中至少一个光电二极管形成在半导体衬底10上，以根据入射光量产生电荷；层间介电层12，其形成在包括光电二极管11的半导体衬底10的整个表面上；保护层13，其形成在该层间介电层12上；多个RGB滤色层14，其形成在该保护层13上，以使特定波段的光通过其中；平坦化层(planarization layer)15；其形成在该滤色层14上；以及微透镜16，其以具有预定曲率的凸透镜的形式设于该平坦化层15上，以通过该滤色层14将光引导至光电二极管11。
也可以采用光栅(photo gate)替代光电二极管来探测光。
此时，通过考虑诸如聚光的焦点等各种因素确定微透镜16的曲率和高度等，其中，主要采用聚合物基树脂作为微透镜16的材料，并通过沉积、图案化、回流等工艺形成微透镜16。
也就是说，微透镜16必须形成基于像素的尺寸、位置和形状，光敏元件(photo sensing element)的厚度，以及遮光层的高度、位置和尺寸所确定的最佳尺寸、最佳厚度和最佳曲率半径。
通过考虑诸如聚光的焦点等各种因素确定微透镜16的曲率、高度等。可以使用光致抗蚀剂作为微透镜16的材料，且通过进行涂布光致抗蚀剂、通过曝光和显影使光致抗蚀剂图案化以形成光致抗蚀剂图案，以及回流所述光致抗蚀剂图案等一系列工艺形成微透镜16。
当自然光射入微透镜16时，微透镜16使得更大量的光根据其波长穿过滤色层14以汇聚至光电二极管11上。
射入图像传感器的光通过微透镜16汇聚并经过滤色层14滤光，随后经滤光的光射入相应位于各滤色层14下方的各光电二极管11上。
传统的CMOS图像传感器具有以下缺点：如图2所示，由于入射到光电二极管11上的光18的一部分20被光电二极管11反射，因此降低了光的汇聚效果，由此降低了CMOS图像传感器的灵敏度。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中出现的上述问题。本发明的目的在于提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，该CMOS图像传感器能够通过在微透镜和光电二极管之间形成反射层以增强聚光功能，从而改善图像传感器的灵敏度。
为达到上述目的，本发明提供一种CMOS图像传感器，其包括：多个光电二极管，其形成在半导体衬底上且使所述多个光电二极管之间形成规律的间隔；第一层间介电层，其形成在包括所述光电二极管的该半导体衬底的整个表面上；反射层，其形成在该第一层间介电层上且使该反射层具有对应于所述光电二极管的多个开口；第二层间介电层，其形成在包括该反射层的该第一层间介电层的整个表面上；多个滤色层，其形成在该第二层间介电层上且使所述多个滤色层之间形成规律的间隔；平坦化层，其形成在包括所述滤色层的该半导体衬底的整个表面上；以及多个微透镜，其对应于所述多个光电二极管形成在该平坦化层上。
根据本发明的另一方面，在此提供一种制造CMOS图像传感器的方法，该方法包括以下步骤：在形成有多个光电二极管的半导体衬底上形成第一层间介电层；在该第一层间介电层上形成反射层，且使该反射层具有分别对应于所述光电二极管的多个开口；在包括该反射层的该第一层间介电层的整个表面上形成第二层间介电层；在该第二层间介电层上以规律的间隔形成多个滤色层；在包括所述滤色层的该半导体衬底的整个表面上形成平坦化层；以及在该平坦化层上形成多个微透镜，且使所述多个微透镜分别对应于所述多个光电二极管设置。
根据本发明的又一方案，在此提供了一种CMOS图像传感器，其包括：微透镜；光电二极管，用于吸收射过该微透镜的光；以及反射层，用于将该光电二极管反射的光的一部分朝向该光电二极管再次反射。
反射层形成在形成所述光电二极管的区域的顶部，并且在该反射层的中部形成有开口，所述开口用于允许射过所述微透镜的光通过。
附图说明
图1是示出传统的CMOS图像传感器的结构的剖视图；
图2是示出传统的CMOS图像传感器的结构的剖视图，其中通过光电二极管形成反射；
图3是示出根据本发明的CMOS图像传感器的结构的剖视图；
图4是示出根据本发明的CMOS图像传感器的结构的剖视图；其中通过反射层形成再次反射；以及
图5a至图5g是示出制造根据本发明的CMOS图像传感器的过程的剖视图。
具体实施方式
下面，将参考附图详细描述CMOS图像传感器及其制造方法。
图3是示出根据本发明的CMOS图像传感器的结构的剖视图。
如图3所示，根据本发明的CMOS图像传感器包括：多个光电二极管31，至少一个光电二极管形成在半导体衬底30上，以根据一定量的入射光产生电荷；第一层间介电层32a，其形成在包括光电二极管31的半导体衬底30的整个表面上；反射层40，其以这样的方式形成在该第一层间介电层32a上：该反射层40具有多个开口42，各开口42形成在各光电二极管31上；第二层间介电层32b，其形成在包括反射层40的第一层间介电层32a的整个表面上；保护层33，其形成在第二层间介电层32b的整个表面上；多个滤色层34，其相应于光电二极管31形成在保护层33上，以使得特定波段的光照射在光电二极管31上；平坦化层35，其形成在包括滤色层34的半导体衬底的整个表面上；以及多个微透镜36，其对应于所述光电二极管31形成在平坦化层35上，以将光汇聚在光电二极管31上。
反射层40可以包括金属层，该金属层为半导体器件制造工艺中所使用的任一金属层。反射层40可以通过用于在半导体器件制造工艺中形成金属层的任一金属层沉积法，形成在透明的第一层间介电层32a上。最佳地，采用化学气相沉积(CVD)方法或物理气相沉积(PVD)方法形成反射层40。
在这种情况下，反射层40通过对采用沉积工艺沉积所得的薄层进行图案化和蚀刻形成为具有多个开口。图案化所述开口，以使通过微透镜36汇聚的光可以入射到该光电二极管31上。另一方面，微透镜36形成为凸半球形，以便于光的汇聚。
图4是示出反射层40功能的视图。
如图4所示，形成在第一层间介电层32a上的反射层40将通过光电二极管31向上反射的光50朝向光电二极管31再次反射。因此，根据本发明，由于光的汇聚效果增强，CMOS图像传感器的灵敏度得以改善。
图5a至图5g是示出了制造图3所示的根据本发明的CMOS图像传感器的过程的剖视图。
首先，如图5a所示，在半导体衬底30上以矩阵形式设置多个光电二极管31。
在半导体衬底30上形成光电二极管的工艺是本领域公知的，因此在下文中将省略其详细说明。
如图5b所示，在形成有光电二极管31的半导体衬底30的整个表面上形成第一层间介电层32a。
接着，如图5c所示，在该第一层间介电层32a的整个表面上沉积金属层40，并随之将该金属层图案化。
如图5c所示，已图案化的金属层40具有围绕光电二极管31边缘区域的形状。在已图案化的金属层40的中部形成开口，以引导通过微透镜射入的光。所述开口表示为附图标记42。
已图案化为图5c所示形状的金属层40用作反射层，以将光电二极管31所反射的光朝向光电二极管31再次反射。
根据本发明，金属层40包括与在半导体器件制造工艺中形成各种金属图案的材料相同的材料。
接着，如图5d所示，在形成有反射层40的第一层间介电层32a的整个表面上形成第二层间介电层32b。在这种情况下，第二层间介电层32b最佳包括与形成第一层间介电层32a的材料相同的材料。
下面，如图5e所示，在第二层间介电层32b上形成平坦的保护层33，用于防止器件受潮或受到刮伤。
在保护层33上涂布可染色的抗蚀剂之后，进行图案化工艺，以形成RGB滤色层34，该滤色层过滤特定波段的光。
此外，在滤色层34上形成平坦化层35。本领域的普通技术人员可以调节平坦化层35的厚度，从而控制通过后续工艺形成的微透镜的焦距。
接着，如图5f所示，在平坦化层35上沉积诸如抗蚀剂、SiON以及类似物等用于形成微透镜的材料层。
通过曝光和显影工艺选择性地图案化该用于微透镜的材料层，以形成与光电二极管31相对应的微透镜图案36。
接着，如图5g所示，在120℃至200℃的温度下，对微透镜图案36进行回流加工，从而形成具有半球形的微透镜36。之后，通过使紫外线作用于微透镜36，对其进行固化。
当采用上述制造工艺制作CMOS图像传感器时，通过微透镜36入射的光可以穿过反射层40的开口42，随之被引导至光电二极管31。
同时，引至光电二极管31的光的一部分从光电二极管31的表面反射。然而，由于反射层40，朝向光电二极管31再次反射的可能性增加。因此，该光电二极管31的聚光率提高。
即：根据本发明，由于从光电二极管反射的光能够再次被吸收到光电二极管中，光的汇聚效果增加。因而，CMOS图像传感器的灵敏度得了到有利地改善。
在此示出和说明的实施例和附图并不用于限制本发明。对本领域的普通技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的技术精神的情况下，可以对本发明进行各种变化、修改和改进。

Claims (13)

1.一种CMOS图像传感器，其包括：
多个光电二极管，其形成在半导体衬底上且使所述多个光电二级管之间形成规律的间隔；
第一层间介电层，其形成在包括所述光电二极管的该半导体衬底的整个表面上；
反射层，其形成在该第一层间介电层上且使该反射层具有对应于所述光电二极管的多个开口；
第二层间介电层，其形成在包括该反射层的该第一层间介电层的整个表面上；
多个滤色层，其形成在该第二层间介电层上且使所述多个滤色层之间形成规律的间隔；
平坦化层，其形成在包括所述滤色层的该半导体衬底的整个表面上；以及
多个微透镜，其形成在该平坦化层上，所述多个微透镜分别对应于所述多个光电二极管设置。
2.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，该反射层包括金属材料。
3.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，所述开口对应于通过微透镜汇集的光入射至所述光电二极管上的区域。
4.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，该第一层间介电层包括与形成该第二层间介电层的材料相同的材料。
5.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中，该反射层具有围绕所述光电二极管边缘区域的形状。
6.一种制造CMOS图像传感器的方法，该方法包括以下步骤：
在形成有多个光电二极管的半导体衬底上形成第一层间介电层；
在该第一层间介电层上形成反射层，且使该反射层具有分别对应于所述光电二极管的多个开口；
在包括该反射层的该第一层间介电层的整个表面上形成第二层间介电层；
在该第二层间介电层上形成多个滤色层，且使所述多个滤色层之间形成规律的间隔；
在包括所述滤色层的该半导体衬底的整个表面上形成平坦化层；以及
在该平坦化层上形成多个微透镜，以使所述多个微透镜分别对应于所述多个光电二极管设置。
7.如权利要求6所述的方法，其中，该反射层包括金属材料。
8.如权利要求6所述的方法，其中，所述开口对应于通过所述微透镜汇聚的光入射至所述光电二极管上的区域。
9.如权利要求6所述的方法，其中，该第一层间介电层包括与形成该第二层间介电层的材料相同的材料。
10.如权利要求6所述的方法，其中，该反射层具有围绕所述光电二极管边缘区域的形状。
11.一种CMOS图像传感器，其包括：
微透镜；
光电二极管，用于吸收射过该微透镜的光；以及
反射层，用于将该光电二极管反射的光的一部分再次朝向该光电二极管反射。
12.如权利要求11所述的CMOS图像传感器，其中，该反射层形成在形成有该光电二极管的区域的顶部上。
13.如权利要求11所述的CMOS图像传感器，其中，该反射层的中部形成有开口，该开口用于允许射过该微透镜的光通过。
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