CN1992325A - 图像传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过形成粗糙表面的光电二极管而增大光吸收系数的图像传感器及其制造方法。该图像传感器包括：半导体衬底，其形成有多个光电二极管，所述光电二极管具有粗糙的上表面；层间介电层，其形成在该半导体衬底上；滤色层，其形成在该层间介电层上；平坦化层，其形成在包括该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且对应于该滤色层。

Description

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。更具体地说，本发明涉及这样一种能够提高光电二极管灵敏度的图像传感器及其制造方法，其能够通过使光电二极管的表面粗糙从而增强光电二极管的光吸收系数并且可避免由光电二极管反射的光通过上层散出，来提高光电二极管的灵敏度。
背景技术
总的来说，图像传感器是将光学图像转换为电子信号的半导体器件，其通常分为电荷耦合器件(CCD)图像传感器和互补型金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。
CMOS图像传感器包括用于探测照射光的光电二极管和用于将探测到的光转换为电子信号以将其变为数据的逻辑电路。随着光电二极管接收的光量的增加，该图像传感器的光感度也得到提高。
为了提高光感度，要么必须提高填充因子(fill factor)——该填充因子为光电二极管的面积与该图像传感器的整个面积的比值；要么使用聚光(photo-gathering)技术来改变照在除光电二极管区域外的光的路径以使光可汇聚在光电二极管上。
聚光技术的代表性的例子是制造微透镜。换句话说，采用具有较高透光率的材料在光电二极管的上部形成微凸透镜，从而使入射光的路径发生折射以使更多光能传到光电二极管区域。
在此情况下，平行于该微透镜光轴的光被该微透镜折射，使得光聚焦于该光轴的特定位置上。
同时，典型的图像传感器包括光电二极管、层间介电层、滤色镜以及微透镜。
光电二极管检测光并将检测到的光转换为电信号；该层间介电层将金属互连彼此隔开；该滤色镜将红绿蓝(RGB)光表示成三原色；而微透镜则将光汇聚在光电二极管上。
以下将参照附图详细介绍传统的图像传感器及其制造方法。
图1为传统的图像传感器的示意图；图2a到图2c为该传统的图像传感器的制造方法的截面图；而图3为光通过微透镜的路径的视图，以说明传统技术中的问题。
如图1所示，在形成有多个光电二极管40的半导体衬底10上形成有层间介电层20，在层间介电层20上形成有红绿蓝(RGB)滤色层30且RGB滤色层30与光电二极管40对应。
此外，在滤色层30上形成有用以平坦化滤色层30的不规则表面层的平坦化层25，在平坦化层25上形成有微透镜50且微透镜50对应于光电二极管40和滤色层30。
在此情况下，微透镜50必须图案化成凸透镜的形状以将光汇聚到光电二极管上。为此要采用光蚀刻工艺。
具体地，如图2a所示，在平坦化层25上涂布用作微透镜材料的光致抗蚀剂60后，用掩模61覆盖该组合结构，然后利用散焦现象进行曝光处理，从而将光致抗蚀剂60图案化为如图2b所示的梯形形状。
然后，如图2c所示，将梯形的光致抗蚀剂图案加热至熔点以回流。在进行回流工艺时，该光致抗蚀剂图案由于柔性而变圆，从而完全形成微透镜50。
相应地，如图3所示，当预定对象70发光时，经过微透镜50照在图像传感器上的入射光发生折射并准确地聚焦到光电二极管40上。
但是，传统的光电二极管并不能吸收大量光而会反射光。被反射的光严重降低了图像传感器的灵敏度。
发明内容
本发明用于解决上述现有技术的问题，因此，本发明的一个目的在于提供一种图像传感器及其制造方法，该方法可通过不规则形成光电二极管的表面以产生漫反射并加强光吸收来提高图像传感器的灵敏度。
为了实现本发明的目的，本发明提供一种图像传感器，包括：半导体衬底，其形成有多个光电二极管，所述光电二极管具有粗糙的上表面；层间介电层，其形成在该半导体衬底上；滤色层，其形成在该层间介电层上；平坦化层，其形成在包括该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且对应于该滤色层。
根据本发明的另一方案，提供了一种图像传感器的制造方法，该方法包括以下步骤：在半导体衬底上形成多个光电二极管；通过蚀刻所述光电二极管的表面使所述光电二极管的表面粗糙；在包括所述光电二极管的该半导体衬底的整个表面上形成层间介电层；在该层间介电层上形成滤色层；在包括该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微透镜。
提高图像传感器的灵敏度是要达到的最重要的目的。为了提高图像传感器的灵敏度，虽然隔离层的厚度和微透镜是重要的变量，但是必须考虑用于检测光的光电二极管的光吸收系数。在此情况下，光吸收系数与入射光中的被吸收光的量密切相关。由此，使光的反射最小化，并使光的吸收最大化，如此即使在同样的隔离层厚度以及同样的微透镜的情况下也能提高该图像传感器的灵敏度。
为此，根据本发明，针对光电二极管的表面进行溅射蚀刻工艺以使光电二极管的表面粗糙，从而提高该光电二极管的光吸收系数。相应地，可吸收光的表面区域扩大，而且被反射的光可再次吸收，由此该光电二极管与具有平滑表面的传统光电二极管相比可大幅提高灵敏度。
因此，光电二极管的光吸收系数得到提高，从而可提高图像传感器产品的质量。
附图说明
图1为传统图像传感器的示意图；
图2a到图2c为该传统图像传感器的制造方法的截面图；
图3为光通过微透镜的路径的视图，用于解释传统技术中的问题；
图4为根据本发明的图像传感器的示意图；
图5为根据本发明的光电二极管中的光路的视图；以及
图6a到图6c为根据本发明的图像传感器的形成方法的截面图。
具体实施方式
以下将参照附图详细说明根据本发明的图像传感器及其制造方法。
图4为根据本发明的图像传感器的示意图；图5为根据本发明的光电二极管中的光路的视图；图6a到图6c为根据本发明的图像传感器的形成方法的截面图。
如图4所示，根据本发明的图像传感器包括多个光电二极管400，而且光电二极管400具有粗糙的表面。为了使光电二极管的表面粗糙，可进行溅射蚀刻工艺。
在包括光电二极管400的半导体衬底100上形成层间介电层200，并且在层间介电层200上形成滤色层300且使滤色层300对应于光电二极管400。该滤色层由R(红)、G(绿)和B(蓝)构成的矩阵图案交替布置形成。
然后，在包括滤色层的半导体衬底100的整个表面上选择性地沉积氧化层或氮化层，从而形成用于平坦化半导体衬底100表面的平坦化层250。
然后，在平坦化层250上形成具有预定图案的微透镜500且使微透镜500对应于光电二极管400和滤色层300。
在这种情况下，当由预定对象170发出的光穿过微透镜500和滤色层300时，光聚焦在光电二极管300上。
光电二极管的灵敏度可通过调节层间介电层和平坦化层的厚度以改变微透镜500的焦距位置而提高，或根据本发明使光电二极管的表面粗糙而提高。
具体地，如图5所示，如果使光电二极管400的表面粗糙，则由于光电二极管400可吸收光的表面区域增大，因而光电二极管的光吸收系数也得到提高。换句话说，由于从光电二极管400表面反射的光(见附图标记①)被再次吸收(见附图标记②)进入光电二极管400的表面，因而该光电二极管400的灵敏度与具有平坦表面的传统光电二极管相比得到显著提高。
以下详细介绍此图像传感器的制造方法。
如图6a所示，在半导体衬底100上形成硅层，并通过光蚀刻工艺图案化该硅层，从而在光电二极管区域中形成检测红(R)、绿(G)及蓝(B)信号的红、绿、蓝光电二极管400。在此情况下，该硅层可通过外延生长方法形成。
然后，为了使光电二极管400的表面如图6b所示变得粗糙，可进行溅射蚀刻工艺。在此情况下，将形成有光电二极管400的半导体衬底装入溅射蚀刻机，并且设定适当的条件以不规则地形成该光电二极管的表面。
具体地，该溅射蚀刻机包括：处理器腔；供气部件，其设置在该溅射蚀刻机的上方，以将例如氩气(Ar)等惰性气体以及可选的氧气(O2)供入处理器腔；排气部件，其设置在该溅射蚀刻机的下方，以通过泵送操作将在蚀刻工艺之后产生的气体排至外部同时控制腔内压力；以及台架(stage)，其设置有加热线，该加热线用于在支撑该半导体衬底的同时将预定的热量施加至半导体衬底上。
根据本发明的溅射蚀刻工艺可以通过使用氩气(Ar)在25度到30度的温度、200W到500W的功率以及2毫托(mTorr)到10毫托的压力下进行10秒到60秒。
然后，如图6c所示，在形成了多个光电二极管400的半导体衬底100上形成层间介电层200，然后在层间介电层200上形成红绿蓝(RGB)滤色层300。在此情况下，滤色层300形成为马赛克的形式且对应于相应颜色的红绿蓝光电二极管。
然后，在包括滤色层300的半导体衬底100的整个表面上选择性地沉积氧化层或氮化层，从而形成平坦化层250以平坦化半导体衬底100的表面。
平坦化层250用作导向部(guide)从而微透镜可以一致地形成，而且微透镜的厚度可以根据平坦化层250的厚度进行调节，从而可实现各种微透镜焦距。
然后，在平坦化层250上形成多个微透镜500且使微透镜500对应于滤色层300。
在此情况下，微透镜500必须图案化成凸透镜的形状，以将光汇聚到光电二极管上。为此要采用光蚀刻工艺。
具体地，在平坦化层250上涂布用作微透镜材料的光致抗蚀剂后，用掩模覆盖该组合结构，然后利用散焦现象进行曝光处理，从而将光致抗蚀剂图案化为梯形。
然后，将梯形的光致抗蚀剂图案加热至熔点以回流。在进行回流工艺时，光致抗蚀剂图案由于柔性而变圆，从而完全形成微透镜500。
根据本发明的图像传感器及其制造方法具有以下效果。
换句话说，针对光电二极管的表面进行溅射蚀刻工艺使得光电二极管的表面粗糙，从而可提高该光电二极管的光吸收系数。此外，该光电二极管可吸收光的表面区域扩大，甚至反射的光都可被再次吸收，从而该光电二极管与具有平滑表面的传统光电二极管相比可大幅提高灵敏度。
这样，光电二极管的光吸收系数得到提高，从而可提高图像传感器的质量。
另外，由于光电二极管的光吸收系数可以通过溅射蚀刻工艺得到提高，而该溅射蚀刻工艺为一典型工艺，所以可以简单地提高图像传感器的灵敏度。
尽管已经参考特定的优选实施例对本发明进行了图示及说明，但本领域技术人员应当理解的是，在不背离由所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以作出各种形式及细节上的变化。

Claims (5)

1.一种图像传感器，包括：
半导体衬底，其形成有多个光电二极管，所述光电二极管具有粗糙的上表面；
层间介电层，其形成在该半导体衬底上；
滤色层，其形成在该层间介电层上；
平坦化层，其形成在包括该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且对应于该滤色层。
2.一种图像传感器的制造方法，该方法包括以下步骤：
在半导体衬底上形成多个光电二极管；
通过蚀刻所述光电二极管的表面使所述光电二极管的表面粗糙；
在包括所述光电二极管的该半导体衬底的整个表面上形成层间介电层；
在该层间介电层上形成滤色层；
在包括该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微透镜。
3.如权利要求2所述的制造方法，其中，所述光电二极管通过在该半导体衬底上形成硅层并图案化该硅层而获得。
4.如权利要求2所述的制造方法，其中，该通过蚀刻所述光电二极管的表面使所述光电二极管的表面粗糙的步骤是通过溅射蚀刻工艺进行的。
5.如权利要求4所述的制造方法，其中，该溅射蚀刻工艺通过使用氩气在25度到30度的温度、200W到500W的功率以及2毫托到10毫托的压力的条件下进行10秒到60秒。
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