Cmos圖像傳感器及其製作方法
2023-09-22 02:02:15 1
專利名稱：Cmos圖像傳感器及其製作方法
技術領域：
本發明涉及CMOS圖像傳感器裝置及其形成方法。
背景技術：
圖像傳感器是一種將一維或二維光學信息(optical information)轉換為電信號的裝置。圖像傳感器可以被分為兩種類型攝像管和固態攝像裝置(solid image pickup device)。攝像管被廣泛的應用在與集中於電視的圖像處理技術相適應的測量、控制和識別的相關領域中。已經開發出各種基於攝像管的應用技術。圖像傳感器可以被進一步地分為兩種不同的類型互補金屬氧化物半導體 (CMOS)型和電荷耦合器件(CCD)型。與CCD圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器(CMOS圖像傳感器可以稱作CIS)具有更方便的驅動模式並且能夠實現各種掃描類型。而且，將信號處理電路集成到單個晶片中使得小型化CMOS圖像傳感器成為可能。此外，通過使用廣泛兼容的CMOS技術，CMOS圖像傳感器有助於更低的功耗並降低製造成本。因而，CMOS圖像傳感器具有更廣泛的應用。CMOS圖像傳感器包括用於感測輻射光的光電二極體以及用於將所感測的光處理為電信號數據的CMOS邏輯電路。為了增加光靈敏度，一種技術是增加填充因數(光電二極體面積與圖像傳感器的整個面積的比)。另一種是其中改變入射到不是光電二極體的區域的光的路徑，以將光聚焦到光電二極體的技術。聚焦技術的典型例子包括微透鏡形成。在微透鏡形成中，凸起的(convex)微透鏡由光電二極體上的優異光透射材料所形成，使得可以通過折射入射光將光引導到光電二極體區。在這種情況下，通過微透鏡折射平行於微透鏡的光軸的光，因此在光軸的預設位置上形成微透鏡的焦點。圖1是現有的CMOS圖像傳感器的截面圖。在下文中，將參照圖1描述現有的CMOS 圖像傳感器。如圖1所示，在襯底11上順序地形成光電二極體12、層間絕緣層13、濾光層14和平整層15。然後，在平整層15上形成微透鏡16。由於微透鏡16的對入射光的匯聚作用， 光電二極體12區域外的光線也能被光電二極體12所利用，提高了 CMOS圖像傳感器的光靈敏度。其中，層間絕緣層13內設置有金屬連接層135，以電性連接襯底11內的有源器件。然而，現有的CMOS圖像傳感器具有下面的問題。隨著集成度的提高，器件尺寸變得越來越小，但是由於設計的需要和工藝的限制， 金屬連接層135減小的幅度遠小於其它器件，因而經微透鏡16匯聚的光線會有部分被金屬連接層135阻擋而無法到達光電二極體12，致使光靈敏度降低。為解決上述問題，業內提出了如圖2所示的CMOS圖像傳感器。如圖2，在襯底21 的正面依次地形成光電二極體22、濾光層M、平整層25及微透鏡沈，之後，通過減薄工藝除去襯底21背面的一部分，並在襯底21背面形成介電層23、通孔(未圖示)以及金屬連接層 23。由於金屬連接層23形成在背面，因而它不會阻擋正面的光路，避免了對器件光靈敏度的損害。但是，其製作成本增加較多。因而，有必要提供一種裝置或方法，以解決上述問題。
發明內容
本發明的目的是提供一種CMOS圖像傳感器，其光靈敏度得以提高，卻不會大幅增加其製作成本。本發明的另一目的是提供上述圖像傳感器的製作方法。為實現上述目的，本發明提供的一種CMOS圖像傳感器，包括光電二極體；適於將入射光匯聚至光電二極體所在位置處的第一微透鏡；位於光電二極體與微透鏡之間的金屬連接層，所述金屬連接層暴露出所述光電二極體的感光部分；位於第一微透鏡與光電二極體之間的第二微透鏡，所述第二微透鏡位於所述金屬連接層外的區域。可選的，所述第二微透鏡為半球形微透鏡，其平整面面對所述第一微透鏡，球形面面對所述光電二極體。可選的，所述第二微透鏡將入射光變化為平行光傳遞給所述光電二極體。可選的，所述第二微透鏡位於所述光電二極體的正上方。為實現上述目的，本發明另提供一種CMOS圖像傳感器的製作方法，包括在半導體襯底上形成光電二極體；在具有光電二極體的半導體襯底上形成層間絕緣層，所述層間絕緣層內形成有金屬連接層與第二微透鏡，所述第二微透鏡位於所述光電二極體上方，並暴露在所述金屬連接層外；在層間絕緣層上形成第一微透鏡，所述第一微透鏡位於所述金屬連接層與第二微透鏡上方。可選的，所述第二微透鏡為半球形微透鏡，其平整面面對所述第一微透鏡，球形面面對所述光電二極體。可選的，所述第二微透鏡將入射光變化為平行光傳遞給所述光電二極體。可選的，形成所述第二微透鏡的方法，包括形成介質層和阻擋層；在所述阻擋層的上方塗覆光刻膠，圖案化所述光刻膠，使用所述被圖案化的光刻膠作為掩模蝕刻所述阻擋層來形成阻擋層圖形；通過使用所述阻擋層圖形作為掩模實施各向同性蝕刻來圖案化所述介質層；通過將具有折射率高於所述介質層的折射率的材料填入所述介質層中被圖案化的部分來形成第二微透鏡。可選的，所述阻擋層是氮化矽膜。與現有技術相比，本發明通過增設第二微透鏡，增強了 CMOS圖像傳感器的光靈敏度，卻幾乎不需增加製作成本。
通過參照附圖更詳細地描述示範性實施例，以上和其它的特徵以及優點對於本領域技術人員將變得更加明顯，附圖中圖1至圖2是現有CMOS圖像傳感器的結構示意圖。圖3是本發明實施例的CMOS圖像傳感器的結構示意圖。圖4至圖7是本發明實施例提供的微透鏡製作方法的示意圖。
具體實施例方式在下文將參照附圖更全面地描述示例性實施例；然而，它們可以以不同的形式實施，而不應被解釋為限於這裡闡述的實施例。而是，提供這些實施例使得本公開透徹和完整，並將本發明的範圍充分傳達給本領域技術人員。在附圖中，為了示出的清晰，層和區的尺寸及相對尺寸可以被誇大。應當理解，當稱一層或元件在另一層或襯底「上」時，它可以直接在另一層或襯底上，或者還可以存在插入的層。此外，應當理解，當稱一層在另一層「下」時，它可以直接在另一層下，或者還可以存在一個或多個插入的層。此外，還應當理解，當稱一層在兩個層「中間」時，它可以是這兩個層之間的唯一的層，或者還可以存在一個或多個插入的層。相同的附圖標記始終指代相同的元件。應當理解，當稱一元件或層在另一元件或層「上」、「連接到」或「耦接到」另一元件或層時，它可以直接在另一元件或層上、直接連接到或耦接到另一元件或層，或者可以存在插入的元件或層。相反，當稱一元件「直接」在另一元件或層「上」、「直接連接到」或「直接耦接到」另一元件或層時，不存在插入的元件或層。相同的附圖標記指代相同的元件。如此處所用的，術語「和/或」包括一個或多個所列相關項目的任何及所有組合。應當理解，雖然這裡可以使用術語第一、第二、第三等描述各種元件、組件、區域、 層和/或部分，但這些元件、組件、區域、層和/或部分不應受限於這些術語。這些術語僅用於將一個元件、組件、區域、層或部分與另一區域、層或部分區別開。因此，以下討論的第一元件、組件、區域，層或部分可以被稱為第二元件、組件、區域、層或部分而不背離示例性實施例的教導。為便於描述此處可以使用諸如「上(upper)」等的空間相對性術語以描述如附圖所示的一個元件或特徵與另一個(些)元件或特徵之間的關係。應當理解，空間相對性術語是用來概括除附圖所示取向之外器件在使用或操作中的不同取向。器件可以另外地取向 (旋轉90度或在其它取向)。這裡所用的術語僅僅是為了描述特定示例性實施例，並非要限制示例性實施例。 如此處所用的，除非上下文另有明確表述，否則單數形式「一」和「該」均同時旨在包括複數形式。還應當理解，術語「包括」和/或「包含」，當在本說明書中使用時，指定了所述特徵、 整體、步驟、操作、元件和/或組件的存在，但並不排除一個或多個其它的特徵、整體、步驟、 操作、元件、組件和/或其組合的存在或增加。這裡參照截面圖描述示例性實施例，這些截面圖為理想化示例性實施例(和中間結構)的示意圖。因而，舉例來說，由製造技術和/或公差引起的插圖形狀的變化是可能發生的。因此，示例性實施例不應被解釋為限於此處示出的區域的特定形狀，而是包括由倒如製造引起的形狀偏差在內。例如，圖示為矩形的注入區域將通常具有圓形或彎曲的特徵和
5/或在其邊緣處的注入濃度的梯度，而不是從注入區域到非注入區域的二元變化。類似地， 由注入形成的埋入區域可以導致在埋入區域與注入穿過其發生的表面之間的區域中的一些注入。因此，附圖中示出的區域實質上是示意性的，它們的形狀並非要示出器件區域的真實形狀，也並非要限制示例性實施例的範圍。除非另行定義，此處使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)都具有本發明所屬領域內的普通技術人員所通常理解的同樣的含義。還應當理解，諸如通用詞典中所定義的術語，除非此處加以明確定義，否則應當被解釋為具有與它們在相關領域的語境中的含義相一致的含義，而不應被解釋為理想化的或過度形式化的意義。實施例1為避免背景技術中所提到的，經微透鏡匯聚的光被金屬連接層所阻擋而不能完全到達光電二極體的情形，或其它影響光靈敏度的情形發生，本發明的實施例在原微透鏡和光電二極體之間增設第二微透鏡，該第二微透鏡進一步對經原微透鏡匯聚的光調整，一方面避免光被金屬連接層阻擋而不能到達光電二極體，另一方面也可以防止光被原微透鏡過度匯聚而使得光電二極體的部分區域過度受光、部分區域沒有光入射的情形。下面將描述根據本發明的第一實施例的CMOS圖像傳感器(CIS)的結構及其製作方法。如圖3所示.可以在半導體襯底101上形成光電二極體102和各種電晶體(未示出)，以構成CMOS圖像傳感器的單位像素。接下來，可以在具有光電二極體102的半導體襯底101上形成層間絕緣層103。在實施例中，可以以多層結構形成層間絕緣層103。在特定實施例中，在形成一個層間絕緣層之後，可以形成光阻擋層(未示出)，用於防止光入射到光電二極體102之外的區域(如，周邊電路區域)，然後可以在其上形成另一層間絕緣層。在一個實施例中，層間絕緣層103可以由氧化矽(SiO2)，例如未摻雜的矽酸鹽玻璃 (USG)的氧化物由所形成。為實現與外部電路或電源的電性連接，層間絕緣層103內可以形成有與單位像素內的各電晶體或其它結構接觸的接觸孔結構(未圖示)、金屬連接層125。在最上層的金屬連接層125之間、光電二極體102的正上方處設置有微透鏡 116(第二微透鏡)。微透鏡116的平整面朝上，即面對入射光方向放置，其球形面面向光電二極體102，起到將光線擴散的作用。在一個實施例中，微透鏡116用於將匯聚的光束組轉化為平行的光束組。然後，可以在層間絕緣層103上塗布可染色阻抗(resist)，然後曝光並顯影以形成RGB濾光層104，以過濾在每個波長範圍內的光。可以在濾光層104上形成平整層105，以獲得焦點距離調解的平整和透鏡層的形成。接下來，可以將微透鏡材料層應用到平整層105上，然後選擇性地蝕刻並回流 (reflow)微透鏡材料層以形成半球形的微透鏡106，以對應於濾光層。儘管在上述的實施例中形成平整層105，微透鏡106可以直接形成在濾光層104 上，而不必形成平整層105。在圖3所示的實施例中，沒有微透鏡116作用的話，經微透鏡106匯聚的光線部分被金屬連接層125阻擋，沒有被金屬連接層125阻擋的光也只能入射到光電二極體102的部分區域，不利於提高器件的光靈敏度。而增設的微透鏡116將入射光轉化為了平行光束， 使得整個光電二極體102被均勻照射，增強了光靈敏度。微透鏡116要大體位於光電二極體102的正上方。微透鏡116的尺寸可以大體與光電二極體103相當。也可以製作得更大些，以便接收儘可能多的入射光，但要注意的是，經其調整的光線仍要能基本都照射在光電二極體103 所在區域，並要能照射到邊緣區域。這意味著增設的微透鏡116並不局限於圖3中所給出的類型。實施例2本實施例提供的產品結構與實施例1相同，不同之處僅在於微透鏡的製造方法。 以下重點介紹本實施例中應用的微透鏡的製作方法及其優點。圖4到圖7是示出了製造微透鏡或微透鏡陣列(MLA)的方法的橫截面圖。參考圖 4，沉積介質層303，這裡的介質層可以是實施例1中的層間絕緣層103的部分。接著，在303 層的頂部的整個表面上方形成阻擋層305。該阻擋層可以由氮化矽膜(Si3N4)形成。然後，形成用於形成微透鏡圖案的ra圖案307。將ra(光刻膠)塗覆在阻擋層305 頂部的整個表面的上方。通過使用設計為預期圖案的光刻版(reticle)實施曝光工藝並實施顯影工藝來選擇性的去除頂部PR的多個部分。如圖5所示，可以使用如上所形成的I3R圖案307作為掩模來實施蝕刻工藝，通過刻蝕去除部分阻擋層305來形成阻擋層圖形30fe。可以通過實施去膜工藝(stripping process)來去除殘留的I3R圖案307。接著，如圖6所示，可以通過使用阻擋層圖形30 作為掩模實施各向同性蝕刻來形成微透鏡圖案304。這裡，各向同性蝕刻可以是溼法蝕刻或幹法蝕刻。最後，在阻擋層圖形30 去除之後，如圖7所示，可以通過將具有比介質層303的折射率nl更高的折射率n2的材料填入所形成的微透鏡圖案304頂部的整個表面，並實施平坦化工藝去除309層來製造具有凹形形狀的微透鏡。本發明實施例可以提高感光效率，這是因為在經過第二微透鏡，形成平行光路，可以減少因折射而被金屬層擋住的光線，使CMOS圖像傳感器的靈敏度最優化。雖然本發明已以較佳實施例披露如上，但本發明並非限定於此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以權利要求所限定的範圍為準。
權利要求
1.一種CMOS圖像傳感器，包括光電二極體；適於將入射光匯聚至光電二極體所在位置處的第一微透鏡；位於光電二極體與微透鏡之間的金屬連接層，所述金屬連接層暴露出所述光電二極體的至少部分；其特徵在於，所述CMOS圖像傳感器另包括位於第一微透鏡與光電二極體之間的第二微透鏡，所述第二微透鏡位於所述金屬連接層外的區域。
2.如權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特徵在於，所述第二微透鏡為半球形微透鏡，其平整面面對所述第一微透鏡，球形面面對所述光電二極體。
3.如權利要求2所述的CMOS圖像傳感器，其特徵在於，所述第二微透鏡將入射光變化為平行光傳遞給所述光電二極體。
4.如權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特徵在於，所述第二微透鏡位於所述光電二極體的正上方。
5.一種CMOS圖像傳感器的製作方法，其特徵在於，包括在半導體襯底上形成光電二極體；在具有光電二極體的半導體襯底上形成層間絕緣層，所述層間絕緣層內形成有金屬連接層與第二微透鏡，所述第二微透鏡位於所述光電二極體上方，並暴露在所述金屬連接層外；在層間絕緣層上形成第一微透鏡，所述第一微透鏡位於所述金屬連接層與第二微透鏡上方。
6.如權利要求5所述的製作方法，其特徵在於，所述第二微透鏡為半球形微透鏡，其平整面面對所述第一微透鏡，球形面面對所述光電二極體。
7.如權利要求6所述的製作方法，其特徵在於，所述第二微透鏡將入射光變化為平行光傳遞給所述光電二極體。
8.如權利要求5所述的製作方法，其特徵在於，形成所述第二微透鏡的方法，包括形成介質層和阻擋層；在所述阻擋層的上方塗覆光刻膠，圖案化所述光刻膠，使用所述被圖案化的光刻膠作為掩模蝕刻所述阻擋層來形成阻擋層圖形；通過使用所述阻擋層圖形作為掩模實施各向同性蝕刻來圖案化所述介質層；通過將具有折射率高於所述介質層的折射率的材料填入所述介質層中被圖案化的部分來形成第二微透鏡。
9.根據權利要求8所述的製作方法，其特徵在於，所述阻擋層是氮化矽膜。
全文摘要
本發明提供一種CMOS圖像傳感器及其製作方法，所述CMOS圖像傳感器包括光電二極體、將入射光匯聚至光電二極體所在位置處的第一微透鏡、位於光電二極體與微透鏡之間的金屬連接層，所述金屬連接層暴露出所述光電二極體的至少部分；所述CMOS圖像傳感器另包括位於第一微透鏡與光電二極體之間的第二微透鏡，所述第二微透鏡位於所述金屬連接層外的區域。本發明通過在第一微透鏡與光電二極體之間增設第二微透鏡，增強了CMOS圖像傳感器的光靈敏度，卻幾乎不需增加製作成本。
文檔編號H04N5/374GK102522415SQ201110436569
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月22日 優先權日2011年12月22日
發明者孔蔚然, 巨曉華, 張克雲 申請人:上海宏力半導體製造有限公司