CN1992323A - Cmos图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种互补型金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。CMOS图像传感器包括半导体衬底、层间绝缘层、滤色层、覆盖层和多个微透镜。该半导体衬底包括多个恒定间隔的光电二极管和晶体管；该层间绝缘层形成在该半导体衬底的整个表面上；该滤色层形成在该层间绝缘层上，并且该滤色层的各滤色镜与各光电二极管相对应；该覆盖层与每一光电二极管相对应的部分具有弧形的沟槽且形成在该半导体衬底的整个表面上；每一微透镜具有凸透镜形状并形成于该沟槽内。
Description
技术领域
本发明涉及一种互补型金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器及其制造方法。
背景技术
通常，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器件。图像传感器通常划分为电荷耦合器件(CCD)图像传感器和CMOS图像传感器(CIS)。
CCD不仅驱动方法复杂、能量消耗高，而且还需要多个光刻加工。因此，CCD的缺点是制造工艺复杂。近来，CMOS图像传感器作为能克服CCD缺点的下一代图像传感器已成为大家关注的焦点。
CMOS图像传感器在单位像素内设置光电二极管和MOS晶体管，并以切换方式(switching manner)依次检测各单位像素的电信号，以完成图像。
图1是根据现有技术的CMOS图像传感器的剖视图。
参考图1，层间绝缘层108形成在衬底(未示出)上，在该衬底上形成有晶体管(未示出)和光电二极管(未示出)。多种金属线109以恒定间隔形成在层间绝缘层108上。
此外，在包括金属线109的半导体衬底100的整个表面上形成第一覆盖层(overcoat layer)110。滤色层111形成在第一覆盖层110上。
此外，在包括滤色层111的半导体衬底100的整个表面上形成第二覆盖层112。微透镜113形成在第二覆盖层112上，以与滤色层111的各滤色镜相对应。
通过在第二覆盖层112上涂覆抗蚀剂、选择性地使抗蚀剂图案化以形成抗蚀剂图案、并在预定温度使该抗蚀剂图案回流，来形成上述现有技术的CMOS图像传感器的半球形微透镜113。
然而，根据现有技术，通过在第二覆盖层112上形成抗蚀剂图案并使抗蚀剂图案回流来形成半球形微透镜。因此，聚光度低。
并且，根据现有技术，透镜形状很难控制，因此不容易控制非球面系数。
并且，根据现有技术，根据抗蚀剂图案的密度，相邻的微透镜可能会彼此融合。
发明内容
因此，本发明涉及一种CMOS图像传感器及其制造方法，其基本上消除了由现有技术的局限和缺点所导致的一个或多个问题。
本发明的一个目的是提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，其能够提高聚光度且易于控制非球面系数。
本发明的另一目的是提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，其能够防止相邻微透镜的融合。
本发明的其他优点、目的和特征将在以下的说明中部分地阐明。对于本领域普通技术人员而言，通过阅读下文将能在某种程度上明晰或者从本发明的实践中将能了解本发明的其他优点、目的和特征。本发明的任务和其它优点可以通过所撰写的说明书、权利要求书以及附图中特别指出的结构实现和获得。
为了实现这些目的和其它优点，并且根据本发明的意图，如在此具体实施及广泛描述的，本发明提供了一种互补型金属氧化物半导体图像传感器，包括：半导体衬底，其包括多个恒定间隔的光电二极管和晶体管；层间绝缘层，其形成在该半导体衬底的整个表面上；滤色层，其形成在该层间绝缘层上，该滤色层的滤色镜与光电二极管相对应；覆盖层，其与每一光电二极管相对应的部分具有弧形的沟槽且形成在该半导体衬底的整个表面上；以及多个微透镜，每一微透镜具有凸透镜形状并形成于该沟槽内。
本发明的另一方面提供了一种互补型金属氧化物半导体图像传感器的制造方法，包括：在半导体衬底上形成多个恒定间隔的光电二极管和多种晶体管；在半导体衬底的整个表面上形成层间绝缘层；在层间绝缘层上形成滤色层，使该滤色层的各滤色镜与各光电二极管相对应；在包括该滤色层的半导体衬底的整个表面上形成覆盖层；从该覆盖层的表面选择性地去除该覆盖层至预定厚度，以相应于各自的光电二极管形成具有弧形形状的沟槽；以及形成微透镜，每一微透镜具有凸透镜形状并位于该沟槽内。
应当理解的是，本发明的前述概括说明和以下具体说明都是示例和解释性的，旨在对本发明的权利要求书的提供进一步解释。
附图说明
这里所包含的附图提供了对本发明的进一步理解，其被并入到本说明书中并构成本说明书的一部分。所述的附图示出了本发明的实施例，其与文字描述一起用于解释本发明的原理。
其中：
图1是根据现有技术的CMOS图像传感器的剖视图；
图2是根据本发明的实施例的CMOS图像传感器的剖视图；以及
图3至图10是用于描述根据本发明的实施例的CMOS图像传感器的制造方法的剖视图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的优选实施例，其实例在附图中示出。
应当理解的是，当描述“一层在另一层或衬底之上”时，该层可以是直接位于另一层或衬底的上面，也可以是介入层。
图2是根据本发明的实施例的CMOS图像传感器的剖视图。
参考图2，p-型外延层201形成于p++型半导体衬底200上，该衬底限定有器件隔离区以及包括光电二极管区和晶体管区的有源区(active region)。用于隔离绿光、红光和蓝光输入区的器件隔离层202形成在半导体衬底200的器件隔离区。n型扩散区205a、205b和205c形成在半导体衬底200的光电二极管区。
依次，栅电极204形成在半导体衬底200的晶体管区栅电极，其间夹设栅绝缘层203。绝缘层侧壁206形成在栅电极204的两侧。扩散阻挡层208形成在包括栅电极204的半导体衬底200的整个表面上。此外，晶体管的源极/漏极杂质区207形成在栅电极204的一侧。
此外，层间绝缘层211形成在扩散阻挡层208上。多种金属线212以恒定间隔形成在层间绝缘层211上。该层间绝缘层是磷硅酸盐玻璃层、硼硅酸盐玻璃层和硼磷硅酸盐玻璃层中的一种。
第一覆盖层213形成在包括金属线212的半导体衬底200的整个表面上覆盖层。红(R)滤色镜、蓝(B)滤色镜和绿(G)滤色镜形成在第一覆盖层213上，以分别与n-型扩散区205a、205b和205c相对应。
此外，具有弧形沟槽217的第二覆盖层215形成在包括各滤色镜的半导体衬底200的整个表面上，以与各n-型扩散区205a、205b和205c相对应。微透镜218形成为具有向内和向外凸出的形状并与滤色层214的各滤色镜相对应，该形状包括第二覆盖层215的沟槽217的内侧。
根据本发明的实施例的CMOS图像传感器以类似于凸透镜的垂直凸起形状来形成微透镜，以提高聚光能力，从而提高灵敏度。
此外，根据本发明，第二覆盖层是各向同性蚀刻的，以具有弧形的沟槽，从而使得沟槽下球面的非球面系数得到控制，以自由地形成焦距。
此外，根据本发明，可以避免相邻微透镜的融合。
图3至图10是用于描述根据本发明的实施例的CMOS图像传感器的制造方法的剖视图。
参考图3，在诸如高浓度的第一导电型(p++型)多晶硅的半导体衬底200上，通过外延工艺形成低浓度的第一导电型(P-型)外延层201。
其中，外延层201用于在光电二极管内形成大而深的耗尽区，以增加用于收集光电荷的低压光电二极管的能力，并提高光敏度。
此外，半导体衬底200限定有光电二极管区、晶体管区和器件隔离区。通过浅沟槽隔离(STI)工艺或硅的局部氧化(LOCOS)工艺，在器件隔离区内形成器件隔离层202。
之后，在其内形成有器件隔离层202的外延层201的整个表面上，依次沉积栅绝缘层203和导电层(例如，高浓度多晶硅层)。选择性地去除导电层和栅绝缘层203，以形成每一晶体管的栅电极204。
其中，可以利用热氧化或化学气相沉积(CVD)形成栅绝缘层203。可在导电层上进一步形成硅化物层，以形成栅电极。
同时，可在栅电极204和半导体衬底200的表面上进行热氧化，以形成热氧化物层(未示出)。
此外，栅电极204的宽度可以制成大于现有技术的栅电极的宽度，以反映热氧化物层的厚度增加量。
接着，在半导体衬底200的光电二极管区注入低浓度的第二导电型(n-型)杂质离子，以形成n-型扩散区205a、205b和205c。
接着，在半导体衬底200的整个表面形成绝缘层之后，进行回蚀，以在栅电极204的两侧形成绝缘层侧壁206。
此外，在半导体衬底200的晶体管区注入高浓度的第二导电型(n+型)杂质离子，以形成高浓度的n+型扩散区207。
接着，如图4所示，在半导体衬底200上进行热处理工艺(例如，快速热处理工艺)，以使包含在n-型扩散区205a、205b和205c和高浓度n+型扩散区207内的杂质离子扩散。
同时，在高浓度n+型扩散区207形成之前，可采用低于形成n-型扩散区205a、205b、205c所使用的离子注入能，在晶体管区形成n-型扩散区(未示出)。
接着，在半导体衬底200的整个表面形成用作扩散阻挡件的氮化物层208。
其中，氮化物层208形成为具有大约100-600的厚度。氮化物层208的厚度可以是考虑反射效果和扩散阻挡件最小厚度而确定的任何厚度。
下面，参考图5，在半导体衬底200的整个表面上形成层间绝缘层211。
其中，利用硅烷层间绝缘层形成层间绝缘层211。包含在硅烷层间绝缘层内的大量氢离子恢复(recover)半导体衬底200的悬空键，以有效地降低暗电流。该层间绝缘层可以是磷硅酸盐玻璃层、硼硅酸盐玻璃层和硼磷硅酸盐玻璃层中的一种。
接着，在层间绝缘层211上沉积金属层。利用光刻对金属层进行选择性地蚀刻，以形成多种金属线212。
下面，参考图6，在包括金属线212的半导体衬底的整个表面上形成第一覆盖层213。在第一覆盖层213上，分别相应于n-型扩散区205a、205b和205c形成红(R)滤色镜、蓝(B)滤色镜和绿(G)滤色镜。
其中，通过在第一覆盖层213上涂覆可染色的抗蚀剂并且在可染色的抗蚀剂上进行曝光和显影处理，形成滤色层214，该滤色层包括用于每一波段的滤光用的滤色镜。
此外，涂覆相关的光致抗蚀剂，以使得组成滤色层214的各自的滤色镜具有1-5μm的厚度，并且采用单独的掩模通过光刻使涂覆的光致抗蚀剂图案化，从而在单层上形成滤色层214，其包括用于每一波段的滤光用的滤色镜。
下面，参考图7，在包括滤色层214的半导体衬底的整个表面上形成第二覆盖层215。
其中，采用透明绝缘层，在包括滤色层214的半导体衬底200的整个表面上形成第二覆盖层215，以实现可靠性；其中，该透明绝缘层用于防止外部湿气或重金属进入器件内，同时用作环氧树脂模封材料(EMC)且具有高透光性。
例如，通过在300℃或以下的温度沉积低温氧化物(LTO)层，形成第二覆盖层215。
同时，由于图像传感器中光传输很重要，因此第二覆盖层215的厚度可以形成为具有1000-6000的厚度覆盖层，以排除由于薄层引起的干扰。
下面，参考图7，在包括第二覆盖层215的半导体衬底200的整个表面上形成光致抗蚀剂层216。利用曝光和显影处理使光致抗蚀剂层216图案化，以使得相应于n-型扩散区205a、205b、205c的部分敞开。
下面，参考图8，利用图案化的光致抗蚀剂层216作为掩模，将第二覆盖层215从表面各向同性(isotropic-etched)蚀刻至预定厚度，以形成具有弧形形状的沟槽217。
例如，利用湿蚀刻来蚀刻第二覆盖层215，以形成具有弧形形状的沟槽217。
下面，参考图9，去除光致抗蚀剂层，并且在包括沟槽217的半导体衬底200的整个表面上涂覆用于微透镜的抗蚀剂，以将光线有效地聚集在n-型扩散区205a、205b、205c。
接着，利用曝光和显影工艺进行选择性图案化，以形成微透镜图案218a。
其中，在光致抗蚀剂是正性抗蚀剂的情况下，作为光致抗蚀剂吸收件的启动器的光敏化合物应当被分解，以提高传输性能。因此，利用全面曝光使微透镜内保留的光敏化合物分解。
同时，在微透镜图案218a上进行全面曝光，以提高传输性能，并产生光酸，以提高微透镜的流动能力。
下面，参考图10，将形成有微透镜图案的半导体衬底200放置在热板(未示出)上，并在150-300℃的温度范围加热，以使微透镜图案218a回流，从而形成半球形微透镜218。
接着，对微透镜218进行冷处理。其中，该冷处理通过将半导体衬底200放置在冷板上进行。
此外，使紫外线(UV)照射到微透镜218上，以固化微透镜218。其中，通过使UV照射微透镜218来固化微透镜218，可以使微透镜218保持最佳的曲率半径。
如上所述，根据本发明的CMOS图像传感器的制造方法，以类似于凸透镜的垂直凸起形状来形成微透镜，以便提高聚光能力，进而增加灵敏度。
此外，根据本发明，利用各向同性蚀刻，在覆盖层上形成弧形沟槽，以控制沟槽下球面的非球面系数，进而可自由地形成焦距，从而简化了工艺。
此外，根据本发明，在沟槽内形成微透镜图案后，在微透镜图案上进行回流，以在沟槽内形成具有垂直凸起形的微透镜，从而可消除相邻微透镜的融合，并且易于控制抗蚀剂的量。
对于本领域普通技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神或范围内，可对本发明进行各种修改和变化。因而，本发明旨在覆盖落入所附权利要求书及其等同范围内的对于本发明的修改和变化。
Claims (16)
1.一种互补型金属氧化物半导体图像传感器，包括：
半导体衬底，其包括多个恒定间隔的光电二极管和晶体管；
层间绝缘层，其形成在该半导体衬底的整个表面上；
滤色层，其形成在该层间绝缘层上，该滤色层的各滤色镜与各光电二极管相对应；
覆盖层，其与每一光电二极管相对应的部分具有弧形的沟槽且形成在该半导体衬底的整个表面上；以及
多个微透镜，每一微透镜具有凸透镜形状并形成于该沟槽内。
2.如权利要求1所述的互补型金属氧化物半导体图像传感器，其中，每一微透镜具有沿垂直方向的凸起形状。
3.如权利要求1所述的互补型金属氧化物半导体图像传感器，其中，该覆盖层是透明绝缘层。
4.如权利要求3所述的互补型金属氧化物半导体图像传感器，其中，该覆盖层是低温氧化物层。
5.如权利要求3所述的互补型金属氧化物半导体图像传感器，其中，该覆盖层形成为具有1000-6000的厚度。
6.如权利要求1所述的互补型金属氧化物半导体图像传感器，其中，该层间绝缘层是磷硅酸盐玻璃层、硼硅酸盐玻璃层和硼磷硅酸盐玻璃层中的一种。
7.一种互补型金属氧化物半导体图像传感器的制造方法，包括：
在半导体衬底上形成多个恒定间隔的光电二极管和多种晶体管；
在该半导体衬底的整个表面上形成层间绝缘层；
在该层间绝缘层上形成滤色层，使该滤色层的各滤色镜与各光电二极管相对应；
在包括该滤色层的半导体衬底的整个表面上形成覆盖层；
从该覆盖层的表面选择性地去除该覆盖层至预定厚度，以相应于各光电二极管形成具有弧形形状的沟槽；以及
形成微透镜，每一微透镜具有凸透镜形状并位于该沟槽内。
8.如权利要求7所述的方法，其中，该覆盖层是透明绝缘层。
9.如权利要求8所述的方法，其中，该覆盖层是低温氧化物层。
10.如权利要求8所述的方法，其中，该覆盖层形成为具有1000-6000的厚度。
11.如权利要求7所述的方法，其中，该层间绝缘层是磷硅酸盐玻璃层、硼硅酸盐玻璃层和硼磷硅酸盐玻璃层中的一种。
12.如权利要求7所述的方法，其中，利用各向同性蚀刻去除该覆盖层。
13.如权利要求12所述的方法，其中，该各向同性蚀刻为湿蚀刻。
14.如权利要求7所述的方法，其中，通过在所述沟槽的整个表面上涂覆抗蚀剂、选择性地使抗蚀剂图案化以形成抗蚀剂图案、在预定温度使该抗蚀剂图案回流，来形成所述微透镜。
15.如权利要求14所述的方法，其中，在150-300℃的温度范围，进行所述微透镜图案的回流。
16.如权利要求7所述的方法，进一步包括用紫外线照射所述微透镜。
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