專利名稱：Cmos圖像傳感器及其制造方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種圖像傳感器，并且更具體地涉及一種互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器及其制造方法，其中光的集中效率被最大化以提高所述圖像傳感器的特性。
背景技術(shù)：
圖像傳感器是一種用于將光學圖像轉(zhuǎn)換成電信號的半導體裝置。其包括具有若干金屬氧化物半導體(MOS)晶體管的CMOS圖像傳感器，所述晶體管對應于像素數(shù)量，集成在具有外圍電路的單個芯片上，用于順序地輸出所述MOS晶體管的電信號。CMOS圖像傳感器使用互補MOS技術(shù)以實現(xiàn)減小的特征尺寸、功率消耗以及制造成本，并且適用于如數(shù)字相機、蜂窩電話、個人數(shù)字助理、筆記本電腦、條形碼讀取器以及玩具等產(chǎn)品。CMOS圖像傳感器主要由提供有放大器的光電二極管陣列的信號處理芯片、模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器、內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器、時序發(fā)生器以及數(shù)字邏輯電路組成。
為了增強CMOS圖像傳感器的光敏性，可提高其填充因子；即光電二極管區(qū)域相對于裝置自身的區(qū)域增加。但是，填充因子的增加受每個光電二極管的相關(guān)的邏輯和信號處理電路的存在的限制。增強的光敏性也可以通過聚焦入射光而實現(xiàn)，所述入射光由例如為每個光電二極管提供的微透鏡所偏轉(zhuǎn)，以將入射光集中到光電二極管中并且遠離沒有光電二極管表面的相鄰區(qū)。以此方式，平行于微透鏡的光軸的光由微透鏡折射以使焦點在沿著光軸的點處形成。
參考圖1，典型的CMOS圖像傳感器包括至少一個光電二極管11，形成在半導體基板(未示出)中以響應于入射光而產(chǎn)生電荷；層間電介質(zhì)層12，形成在包括光電二極管11的半導體基板的整個表面上；鈍化層13，形成在層間電介質(zhì)層12上；RGB濾色器層14，形成在鈍化層13上以根據(jù)其波長而通過光；平坦化層15，形成在濾色器層14上；以及凸微透鏡16，具有某種曲率，形成在平坦化層15上以將經(jīng)過濾的光聚焦到光電二極管11上。
微透鏡16的曲率和高度考慮各種因素如聚焦光的焦點來確定。樹脂如聚合物通常被用作微透鏡16。微透鏡16通過沉積、圖案化以及回流(reflow)工藝而形成。微透鏡16的最佳尺寸和厚度以及曲率半徑應根據(jù)單位像素的尺寸、相對位置以及形狀、形成在光屏蔽層中的孔的高度、相對位置以及尺寸、以及光電二極管厚度來確定。光阻劑(photoresist)通常被用作微透鏡16。光阻劑通過曝光和顯影工藝來圖案化以形成光阻劑圖案，所述光阻劑圖案可經(jīng)受回流工藝。
微透鏡的圖案輪廓取決于光阻劑的聚焦特性，使得微透鏡輪廓是變化的，并且其制造工藝參數(shù)取決于下層的結(jié)構(gòu)條件。微透鏡16被形成以提高光集中效率，并且是確定圖像傳感器特性的主要因素。在接收光信號時，微透鏡16將更多光集中到光電二極管11上，以通過濾色器層14的各個濾色器(由其過濾)。經(jīng)過濾的光入射對應的光電二極管11。
由于當制造相關(guān)技術(shù)CMOS圖像傳感器時光阻劑圖案的條件不穩(wěn)定，光的集中效率被降低。這會降低CMOS圖像傳感器的性能。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明涉及CMOS圖像傳感器及其制造方法，其基本消除了由于相關(guān)技術(shù)的局限性和缺點所導致的一個或者多個問題。
本發(fā)明的一個優(yōu)點是提供CMOS圖像傳感器及其制造方法，其中微透鏡圖案輪廓以矩形形狀而形成以促進微透鏡的回流工藝并改善其曲率，從而提高光的集中效率并改善圖像傳感器的特性。
本發(fā)明的另外優(yōu)點和特征將部分地在隨后的描述中闡明，并且將部分地從本描述中變得明顯或者可以通過本發(fā)明的實踐了解。本發(fā)明的這些以及其他優(yōu)點將通過本說明描述和權(quán)利要求以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)和達到。
為了實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明目的的這些以及其他優(yōu)點，如在此所體現(xiàn)以及廣泛描述的，CMOS圖像傳感器包括多個光電二極管，設置在半導體基板上；多個濾色器，對應于光電二極管而設置；平坦化層，形成在包括濾色器的半導體基板的整個表面上；第一微透鏡，具有矩形形狀，形成在平坦化層上以對應于光電二極管；以及第二微透鏡，被形成以圍繞第一微透鏡。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種用于制造CMOS圖像傳感器的方法包括對應于設置在半導體基板上的多個光電二極管而形成多個濾色器；在包括濾色器的半導體基板的整個表面上形成平坦化層；在平坦化層上形成具有矩形形狀的第一微透鏡以對應于光電二極管；以及形成對應于各個光電二極管并且圍繞第一微透鏡的第二微透鏡。
應理解的是，本發(fā)明前述的一般描述以及隨后的詳細描述都是示范性的和解釋性的，并且旨在提供對如權(quán)利要求的本發(fā)明的進一步解釋。


附圖被包括以提供對本發(fā)明的進一步理解，并且被結(jié)合且構(gòu)成本說明書的一部分，說明了本發(fā)明的示范實施例且與本說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。
在所述圖中圖1是典型CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)截面圖；以及圖2A-2D是分別說明根據(jù)本發(fā)明的示范實施例的制造CMOS圖像傳感器的方法的橫截面視圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在將對本發(fā)明的示范性實施例作出詳細參考，其實例在附圖中說明。只要可能，類似的參考標記將在整個附圖中被使用以引用相同或者類似的部分。
圖2A-2D是分別說明根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于制造CMOS圖像傳感器的方法的順序工藝步驟。
參考圖2A，層間電介質(zhì)層32形成在半導體基板(未示出)的整個表面上，其中形成多個光電二極管31，以便響應于入射光而產(chǎn)生電荷。光柵型裝置可以被用作光感測裝置。層間電介質(zhì)層32可以由一個或者幾個層形成。例如，光屏蔽層(未示出)可以形成在一個層間電介質(zhì)層上以防止光進入光電二極管31之外的部分，以及另一層間電介質(zhì)層可以形成在光屏蔽層上。隨后，鈍化層33形成在層間電介質(zhì)層32上以保護裝置免于受潮和磨損。鈍化層33被涂覆以抗鹽劑(salt resist)，所述抗鹽劑被圖案化以形成恒定間隔的濾色器層34，用于根據(jù)波長即色過濾入射光。平坦化層35形成在濾色器層34上以獲得用于設置焦距以及用于容納透鏡層的平的表面。
參考圖2B，平坦化層35被涂覆以用于形成第一微透鏡的材料層。所述材料層由光阻劑或者氧化物如氧氮化硅形成。隨后，用于第一微透鏡形成的材料層通過曝光和顯影工藝被選擇性地圖案化，從而在平坦化層35上形成多個第一微透鏡36，每個第一微透鏡對應于對應的光電二極管31的設置而形成。
參考圖2C，半導體基板的整個表面，包括第一微透鏡36，被涂覆以用于形成第二微透鏡的材料層37a。以此方式，用于第二微透鏡形成的材料層37a根據(jù)第一微透鏡36的矩形形狀而被賦予曲率。
參考圖2D，用于第二微透鏡的材料層37a通過曝光和顯影工藝被選擇性地圖案化，從而形成圍繞各個第一微透鏡36的第二微透鏡37。因此，所述第一和第二微透鏡36和37的每個可以對應于光電二極管31的一個以恒定的間隔形成。第二微透鏡37可以通過回流工藝或者通過紫外線照射被硬化以保持最佳曲率半徑。所述回流工藝可以使用熱板或爐來執(zhí)行。所生成的微透鏡的曲率以及其光聚焦效率取決于加熱以及收縮操作。因此，以可獲得用于最大化待透射到光電二極管31的光的量的最佳曲率的形狀來形成微透鏡是重要的。所述最佳曲率取決于微透鏡的尺寸(寬度)以及(垂直)高度，并且因此與CMOS圖像傳感器的集成度相關(guān)。更高度集成的裝置將需要更小以及更短的微透鏡。因此，在根據(jù)本發(fā)明實施例的CMOS圖像傳感器中，當透射第二微透鏡37以及第一微透鏡36時光進入光電二極管31，以提高其光集中(聚焦)效率以及濾色器層34的分辨率。
在根據(jù)本發(fā)明實施例的形成微透鏡的工藝中，材料涂層如氧氮化硅具有大于用于形成半球形微透鏡的光阻劑的折射率，在濾色器層以及平坦化層的形成之后被施加。因此，在半球形微透鏡形成之前矩形微透鏡形成。第一和第二微透鏡36和37可以使用具有相同或不同折射率的光阻劑或者氧化物而形成。
因此，根據(jù)本發(fā)明實施例的CMOS圖像傳感器在圖2D中示出。所述CMOS圖像傳感器包括至少一個光電二極管31，形成在半導體基板(未示出)中以響應于入射光而產(chǎn)生電荷；層間電介質(zhì)層32，形成在包括光電二極管的半導體基板的整個表面上；鈍化層33，形成在層間電介質(zhì)上；濾色器層34，形成在鈍化層上，所述濾色器層包括對應于光電二極管的多個濾色器，以透射根據(jù)波長而被過濾的光；平坦化層35，形成在包括濾色器層的半導體基板的整個表面上；第一微透鏡36，每個具有矩形形狀，形成在平坦化層上以對應于光電二極管；以及第二微透鏡37，每個具有凸半球形，被形成以對應于光電二極管并且圍繞各個第一微透鏡。
第二微透鏡37可以以光阻劑形成，而第一微透鏡36可以由光阻劑或者氧化物如氧氮化硅(SiON)形成。構(gòu)成第一微透鏡36的光阻劑可由具有大于構(gòu)成第二微透鏡37的光阻劑的折射率。第一微透鏡36可由具有與第二微透鏡37相同或不同折射率的材料形成。
如上所述，根據(jù)所述CMOS圖像傳感器及其制造方法，由于微透鏡以二次涂覆級(secondary coating level)形成，所述微透鏡的輪廓得以穩(wěn)定的形成以提高光的聚焦效率。通過提高光的聚焦效率，更多的光通過濾色器層以擊發(fā)光電二極管，使得在濾色器層中獲得提高的分辨率，從而提高圖像傳感器性能。另外，由于微透鏡具有多級結(jié)構(gòu)，在再加工工藝(rework process)期間不需要形成微透鏡的工藝之前的工藝，簡化了再加工工藝并且相應地降低了成本。
對于本領域的技術(shù)人員顯而易見的是，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可進行各種修改和變化。因此，意味著如果對本發(fā)明的修改和變化在所附的權(quán)利要求及其等效形式范圍內(nèi)，本發(fā)明覆蓋所述修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種CMOS圖像傳感器，包括多個光電二極管，設置在半導體基板上；多個濾色器，對應于所述光電二極管而設置；平坦化層，形成在包括所述濾色器的所述半導體基板的整個表面上；第一微透鏡，具有矩形形狀，形成在所述平坦化層上以對應于所述光電二極管；以及第二微透鏡，被形成以圍繞所述第一微透鏡。
2.如權(quán)利要求1的CMOS圖像傳感器，其中所述第二微透鏡具有凸半球形狀。
3.如權(quán)利要求1的CMOS圖像傳感器，其中所述第一和第二微透鏡由具有不同折射率的材料形成。
4.如權(quán)利要求1的CMOS圖像傳感器，其中所述第一和第二微透鏡由具有相同折射率的材料形成。
5.如權(quán)利要求4的CMOS圖像傳感器，其中所述第一和第二微透鏡的每個的材料是光阻劑和氧化物之一。
6.如權(quán)利要求1的CMOS圖像傳感器，還包括層間電介質(zhì)層，形成在包括所述光電二極管的所述半導體基板的整個表面上；以及鈍化層，形成在所述層間電介質(zhì)層上；其中所述濾色器以恒定間隔形成在所述鈍化層上。
7.一種用于制造CMOS圖像傳感器的方法，包括形成對應于設置在半導體基板上的多個光電二極管的多個濾色器；在包括所述濾色器的半導體基板的整個表面上形成平坦化層；在所述平坦化層上形成具有矩形形狀的第一微透鏡以對應于所述光電二極管；以及形成對應于所述各個光電二極管且圍繞所述第一微透鏡的第二微透鏡。
8.如權(quán)利要求7的方法，其中所述第一和第二微透鏡由具有不同折射率的材料形成。
9.如權(quán)利要求8的方法，其中所述第一和第二微透鏡的每個的材料是光阻劑和氧化物之一。
10.如權(quán)利要求7的方法，所述第二微透鏡形成包括以用于微透鏡形成的材料層涂覆包括所述第一微透鏡的所述半導體基板的整個表面；選擇性地圖案化所述材料層；回流所述圖案化的材料層以形成具有凸半球形的第二微透鏡；以及通過以紫外光照射所述第二微透鏡的整個表面來硬化所述第二微透鏡。
11.如權(quán)利要求7的方法，進一步包括在其中形成所述光電二極管的所述半導體基板上形成層間電介質(zhì)層；以及在所述層間電介質(zhì)層上形成鈍化層；其中所述濾色器以恒定間隔形成在所述鈍化層上。
12.一種形成用于圖像裝置的微透鏡的方法，包括在平坦化層上形成具有矩形形狀的第一微透鏡，其中每個微透鏡對應于所述圖像裝置中的光電二極管；以及形成對應于并且圍繞所述第一微透鏡的第二微透鏡。
13.如權(quán)利要求12的方法，其中所述第一和第二微透鏡由具有不同折射率的材料形成。
14.如權(quán)利要求13的方法，其中所述第一和第二微透鏡的每個的材料是光阻劑和氧化物之一。
15.如權(quán)利要求12的方法，其中形成所述第二微透鏡包括以用于微透鏡形成的材料層涂覆包括所述第一微透鏡的所述圖像裝置的整個表面；選擇性地圖案化所述材料層；回流所述圖案化的材料層以形成具有凸半球形的所述第二微透鏡；以及通過以紫外光照射所述第二微透鏡的整個表面來硬化所述第二微透鏡。
全文摘要
一種CMOS圖像傳感器及其制造方法，提供具有矩形形狀的微透鏡圖案輪廓以促進微透鏡的回流工藝并且改善其曲率，從而改善光的集中效率并改善圖像傳感器的特性。所述CMOS圖像傳感器包括多個光電二極管，設置在半導體基板上；多個濾色器，對應于所述光電二極管而設置；平坦化層，形成在包括所述濾色器的半導體基板的整個表面上；第一微透鏡，具有矩形形狀，形成在所述平坦化層上以對應于所述光電二極管；以及第二微透鏡，被形成以圍繞所述第一微透鏡。
文檔編號H01L21/822GK1819248SQ20051013761
公開日2006年8月16日 申請日期2005年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月30日
發(fā)明者白承源 申請人:東部亞南半導體株式會社