专利名称：用于图像传感器的光导阵列的制作方法
技术领域：
本发明主要内容大体上涉及用于制造固态图像传感器的结构与方法。
背景技术：
·
摄影设备(例如数字相机与数字摄录像机)可含有电子图像传感器，它们会捉取光·以处理成静态或视频图像。电子图像传感器通常含有数百万个光捉取组件，例如光二极管。固态图像传感器可为电荷耦合装置(CXD)型或互补金属氧化物半导体(CMOS)型。在任一类型的图像传感器中，光传感器会形成在衬底中且以二维阵列来排列。图像传感器通常含有数百万个像素，用以提供高分辨率图像。图IA所示的是现有技术固态图像传感器I的剖面图，图中在CMOS型传感器中显示多个相邻像素，其揭露于美国专利案7，119，319号。每一个像素具有一光电转换单元2。每一个转换单兀2位于传输电极3邻近处,其会将电荷传输到浮动扩散单兀(未显不)。该结构包含埋置在绝缘层5中的多条电线4。该传感器通常包含位于彩色滤光片8下方的平坦化层6，用以补偿因该等电线4所导致的顶表面不平整，因为平坦表面对借光刻来进行的常规彩色滤光片构成方式来说相当重要。第二平坦化层10被设置在该彩色滤光片8上方，用以提供平坦表面来形成微透镜9。平坦化层6与10加上彩色滤光片8的总厚度约为
2.Oum0光导7被集成到该传感器中，以便将光引导到该等转换单元2上。该等光导7由折射率高于绝缘层5的氮化硅的材料构成。各光导7均具有比该等转换单元2旁边的区域还宽的入口。传感器I还可具有彩色滤光片8与微透镜9。微透镜9将光聚焦在光电转换单元2上。如图IB中所示，由于光学衍射的关系，微透镜9可造成衍射光，传导到附近的光电转换单元2并且产生光学串扰(crosstalk)与光损。当彩色滤光片的上方或下方有平坦化层时，会让该微透镜定位在较远离该光导处，串扰的数量便会增加。藉由通过平坦化层(彩色滤光片的上方或下方)或彩色滤光片的侧壁，光可串扰到邻近的像素中。金属屏蔽有时候会被集成到该等像素中，用以阻挡串扰光。此夕卜，微透镜、彩色滤光片、以及光导之间的对准误差也会造成串扰。虽然可改变微透镜的形成、尺寸、以及形状以降低串扰。不过，其必须增加精密微透镜形成工艺的额外成本，串扰却仍无法消除。来自衬底界面处的图像传感器的向后反射是造成光接收损失的另一项问题。如图IA中所示，光导会与硅直接接触。此界面可能会造成远离该传感器的非所期望的向后反射。用于图像传感器的常规抗反射结构包含在该硅衬底上方直接插入氧化物加氮化物双层膜堆叠(oxide-plus-nitride dual-layer film stack)、或是具有不同氮氧比例的氮氧化物层，不过仅能减少该硅衬底与高氧化物绝缘体之间的反射。当该界面为硅衬底与氮化物光导时，此方式便不适用。
发明内容
一种图像传感器像素，其包含一由一衬底支撑的光电转换单元以及一位于该衬底邻近的绝缘体。该像素可具有一串联式光导，其中该串联式光导的一部分位于该绝缘体内，而另一部分在该绝缘体上方延伸。该串联式光导可包含一自动对准彩色滤光片。该像素可在该衬底与该串联式光导之间具有一抗反射堆叠。
图IA为显示现有技术的两个图像传感器像素的示意图； 图IB为显示现有技术的相邻像素之间的光串扰的示意图；图2为显示本发明的一实施例的两个像素的示意图；图3A为显示沿着两个彩色滤光片之间的间隙前进的光的示意图；图3B为显示从该间隙处将光再导向到该等彩色滤光片中的示意图；图3C为光功率相对于该间隙中的距离的关系图；图3D为三种不同颜色的光在间隙中深度为O. 6um与I· Oum处的间隙功率损失相对于间隙宽度的关系图；图3E为最大间隙功率损失相对于深度为I. Oum处的间隙宽度的关系图；图3F为深度为I. Oum处的不同间隙宽度的最大间隙功率损失表；图3G为以像素面积百分比来表示不同间隙宽度与不同像素节距的间隙面积的表格；图3H为不同间隙宽度与不同像素节距的像素功率损失的表格；图31为不同间隙宽度的像素功率损失相对于像素节距的关系图；图4A到L为显示用以制造图2中所示的像素的过程的示意图；图5为显示图2的像素内的射线路径的示意图；图6A为显示该阵列的角落处的像素的示意图；图6B为显示图6A的像素内的光线路径的示意图；图7为显示阵列内四个像素的俯视示意图；图8为传感器像素的一替代实施例，图中有射线路径；图9A到M为显示用以制造图8中所示的像素的过程的示意图；图IOA到H为显示用以曝光结合垫的过程的示意图；图11为显示传感器内的抗反射堆叠的示意图；图12A到E为显示用以在该传感器内形成抗反射堆叠的替代过程的示意图；图13A为抗反射堆叠的透射系数相对于光波长的关系图；图13B为该抗反射堆叠的透射系数相对于光波长的关系图；图13C为该抗反射堆叠的透射系数相对于光波长的关系图14A到G为用以在该传感器内形成两个抗反射堆叠的替代过程的示意图；图15A为图14G左手边部分上的第一抗反射堆叠的透射系数相对于光波长的关系图；图15B为图14G右手边部 分上的第二抗反射堆叠的透射系数相对于光波长的关系图。
具体实施例方式本文揭示一种图像传感器像素，其包含一由一衬底支撑的光电转换单元以及一位于该衬底邻近的绝缘体。该像素包含一位于该绝缘体的一开口内且在该绝缘体上方延伸的光导，使得该光导的一部分具有一空气界面。该空气界面改善该光导的内反射。除此之外，用来建构该光导与一相邻彩色滤光片的工艺会优化该光导的上孔径且降低串扰。该光导的前述特征不需要用到微透镜。除此之外，在该光电转换单元的上方和该光导的下方建构一抗反射堆叠，用以降低经由来自该图像传感器的向后反射造成的光损。可通过修正该抗反射堆叠内的一层膜的厚度以针对抗反射来个别优化两个不同颜色的像素。该像素可包含两个光导，其中一者位于另一者上方。第一光导位于该衬底邻近处的绝缘体的第一开口内。第二光导位于一支撑膜的第二开口内，该支撑膜最后在该像素的制造期间被移除。一彩色滤光片被设置在相同的开口内且因而会自动对准该第二光导。该第二光导在该像素阵列的外角落处可偏离该第一光导，以便捉取以相对于垂直轴为非零角度入射的光。在相邻彩色滤光片之间，一间隙藉由移除该滤光片邻近处的支撑膜材料而产生。空气的折射率低于该支撑膜并且会增强该彩色滤光片与该光导内的内反射。此外，该间隙经配置以用以将入射在该间隙上的光“弯折”到该彩色滤光片中并且提高被提供给该传感器的光的数量。该娃-光导(silicon-light-guide)界面处的反射以在该第一光导下方形成氮化物膜与第一氧化物膜而降低。第二氧化物膜可额外被插入在该氮化物膜下方，用以增宽有效抗反射的光频率范围。该第一氧化物可在施加该光导材料之前被沉积在已蚀刻的凹槽中。在替代实施例中，在蚀刻凹槽之前形成所有的抗反射膜，而额外的光导蚀刻停止膜则会覆盖该等抗反射膜，用以保护它们，以免受到该凹槽蚀刻剂破坏。参考图式，尤其是图2、4A到L、5以及6A到B，图中所示的是图像传感器100中的两个相邻像素的实施例。每一个像素包含一光电转换单兀102,其会将光能量转换成电荷。在常规的4T像素中，电极104可为传输电极，用以将该等电荷传输到分离的感测节点(未显示)。或者，在常规的3T像素中，电极104可为复位电极，用以复位该光电转换单元102。该等电极104与转换单元102形成在衬底106上。传感器100还包含被埋置在绝缘层110中的电线108。每一像素均具有一第一光导116。第一光导116是由折射率高于绝缘层110的折射材料构成。如图4B中所示，每一第一光导116可具有相对于垂直轴倾斜角度α的侧壁118。角度 α 被选为小于 90_asin(ninsulating
layer/^-light guide )，
优选为0，使得在该光导内会
有完全内反射，其中，
^■insulating layer ^light guide
分别为绝缘层材料与光导材料的折射率。光导116会在内部将光从第二光导130反射到转换单元102。
第二光导130位于第一光导116上方并且可由和第一光导116相同的材料制成。第二光导130的顶端宽于该第二光导130与该第一光导116接合处的底端。因此，在该底端处，相邻的第二光导130等之间的间隙(后文称为“第二间隙”)大于顶端处的间隙，而且会大于第二光导130上方的彩色滤光片114B、114G之间的间隙422。该等第二光导130可横向偏离第一光导116和/或转换单元102，如图6A中所示，其中，第二光导130的中线C2偏离第一光导116或光电转换单元102的中线Cl。该偏离可根据阵列内的像素位置而改变。举例来说，位于该阵列的外部处的像素的偏离可能会比较大。该偏离可为与入射光相同的横向方向，以优化该第一光导的接收。对以相对于垂直轴为非零角度抵达的入射光来说，偏离第二光导130会让更多光传递到第一光导116。实效上,第二光导130与第一光导116会共同构成在不同像素处具有不同垂直剖面形状的光导。该形状会依照每一个像素处的入射光线角度被优化。图5与6B所示的分别是追踪阵列的中央和该阵列的角落处的像素的射线。在图5中，入射光线垂直进入。第二光导130置中于第一光导116处。光线a与b会在第二光
导130中反射一次，接着会进入第一光导116，反射一次(射线a)或两次(射线b)，且接着会进入转换单元102。在图6B中，第二光导130偏离到右边，远离该阵列的中央(其在左边)。以相对于垂直轴高达25度的角度来自左边的光线c会在第二光导130的右侧壁反射，照射且穿过其左下方侧壁，进入第一光导116，且最后会抵达转换单元102。该偏离会让该第一光导116重新捉取离开该第二光导130左下方侧壁的光线。每当跨越光导侧壁，不论离开第二光导或进入第一光导，光线c的每一次折射均会让折射射线相对于该垂直轴的角度变得更小，强化朝该光电转换单元的传导效果。因此，利用第一光导116与第二光导130来建立光导可让该光导的垂直剖面形状随着像素而改变，用以优化将光传送到光电转换单元102的效果。利用两个单独的光导116、130来建立光导的第二项优点是减少每一光导116、130的蚀刻深度。结果，侧壁斜角控制便能达到更高的精确性。其还可让光导材料的沉积较不会产生不想要的键孔(keyholes)，该等键孔经常出现在将薄膜沉积到深凹穴中时，其会导致光在碰到该等键孔时会从该光导处散射。彩色滤光片114B、114G位于第二光导130的上方。在该等彩色滤光片处(与邻近)的侧壁上方部分的垂直性大于第二光导的其余部分。该等彩色滤光片之间的第一间隙422的宽度为O. 45um或更小，深度为O. 6um或更大。具有上述尺寸限制的间隙会让该间隙内的光转向进入该等彩色滤光片中且最后会抵达传感器。因由该间隙造成的入射到该像素上的光损百分比(后文称为“像素损失”)因此会大大地降低。入射在较高折射率的两个半透明区域之间的间隙上的光会在该间隙足够窄时转向到其中一个区域或另一个区域。明确地说，入射在两个彩色滤光片之间的间隙上的光会在该间隙宽度足够小时转向到彩色滤光片或另一彩色滤光片。图3A所示的是两个彩色滤光片区域之间填充低折射率介质(举例来说，空气)的垂直间隙。进入该间隙且比较靠近其中一侧壁的入射光线会转向进入该侧壁，而其余的入射光则会转向进入另一侧壁。图3B所示的是相隔一个波长的多个波前。波前在较高折射率介质中的前进速度较慢，在本实例中，彩色滤光片的折射率η约为1.6。因此，该间隙中(假设填充着空气)介于波前之间的分隔距离为该彩色滤光片的分隔距离的I. 6倍，从而会导致波前在该彩色滤光片与间隙之间的界面处弯折并且导致光线转向进入彩色滤光片。图3C为沿着间隙的垂直轴z的传导光功率P (z)除以入射光功率P (O)相对于距离z的关系图。如图3C所示，光功率在不同的间隙宽度中均会在深入该间隙中时下降，在小到约为波长左右的间隙宽度下降越快，而且对O. 4倍波长或更小的间隙宽度来说，在I. 5倍波长的深度处为趋于基本上可被忽略的。从图3C中，深度最佳为感兴趣的波长(在此可见光图像传感器的实施例中，其为650nm)的最长者的至少I倍。在此深度处，入射在该间隙上且损失于更下方空间中的光功率百分比(后面称为“间隙损失”)会小于15%。因此，彩色滤光片的厚度需为该波长的至少I倍，以便过滤进入该间隙的入射光，避免未经过滤的光通过光导130、116且最后进入转换单元102。倘若该间隙填充着空气以外的透明介质(折射率ngap>1.0)，则可推测该间隙必须缩窄到O. 45um/ngap或更小，因为以波长为基准的有效距离保持相同但绝对距离则缩小l/ngap。参考图3C，对空气中波长为650nm的红光，以及宽度为空气中波长的O. 6倍(也就是，O. 39um)的间隙来说，在深度O. 65um处(也就是，空气中波长的I. O倍)，间隙功率通量衰减到O. 15 (15%)。衰减会在Ium的深度附近达到最大值。波长越短，随着深度的衰减会越 陡峭。图3D所示的分别是在深度O. 6um与I. Oum处三种颜色(450nm波长的蓝色，550nm波长的绿色，以及650nm波长的红色)的间隙损失相对于间隙宽度W的关系图。对I. Oum的深度来说，3个颜色中的最高间隙损失以及O. 2um到O. 5um间隙宽度的最大间隙损失绘制在图3E中。图3F中为间隙损失与间隙宽度的关系列表。在图3G中为以像素面积百分比来表示的间隙面积相对于像素节距和间隙宽度的列表。图3G的表格中的每一个项目(百分比间隙面积)乘以对应的列项目(也就是，间隙损失)便会产生图3H中表列的像素损失。图31绘制的是在不同间隙宽度(范围从O. 2um到O. 5um)下像素损失相对于像素节距的关系图。图31显示出对I. Oum的彩色滤光片厚度以及介于I. 8um与2. 8um之间的像素节距(小型相机与相机电话的图像传感器尺寸范围)来说，间隙宽度保持在O. 45um以下会造成小于8%的像素损失。如果要小于3%，则需要O. 35um以下的间隙宽度；如果要小于I. 5%，则间隙宽度要在O. 3um以下；而如果要小于O. 5%，则间隙宽度要在O. 25um以下。图31还显示出，在相同间隙宽度前提下，较大像素的像素损失较小。因此，对大于5um的像素来说，上述方针可导致减少至少一半的像素损失。再次参考图2与5，可以清楚看见，第一间隙422借内反射防止从其中一像素的彩色滤光片传到相邻像素的串扰。因此，彩色滤光片114BU14G每一者的功能如同一光导。图5中沿着射线a的彩色滤光片、第二光导、以及第一光导串联在一起，用以捉取入射光且传递到光电转换单元102，同时将损失与串扰最小化。和在彩色滤光片之间使用金属壁或光吸收壁来降低串扰的现有技术不同，其不会损失照射在这些壁部的光，第一间隙422通过将光转向到最近的彩色滤光片达到可被忽略的间隙损失。且因该等彩色滤光片下方并没有类似于现有技术(参见图1B)的平坦化层在相邻光导之间作桥接，所以也会消除相关的串扰。空气界面可从该彩色滤光片侧壁沿着第二光导侧壁延伸到保护膜410上方，从而产生第二间隙424。第二间隙424与第二光导130之间的空气界面会增强第二光导130的内反射。可在绝缘层110上方以氮化硅形成一保护膜410，以防止碱金属离子进入硅中。碱金属离子(通常可在彩色滤光片材料中发现)可造成MOS晶体管的不稳定。保护膜410还可隔离湿气。保护膜410可由厚度介于10，000埃与4，000埃之间的氮化硅(Si3N4)制成，优选为7，000埃。如果第一光导116或第二光导130由氮化娃制成,则由氮化娃制成的保护膜410便会接续跨越且位于绝缘层110上方，以密封该等晶体管隔离碱金属离子与湿气。如果第一光导116与第二光导130并非由氮化娃制成,则保护膜410可覆盖第一光导116的顶表面以提供类似的密封效果，或者，覆盖第一光导116的侧壁与底部。第一间隙422与第二间隙424在该图像传感器的顶表面上方共同构成连接到空气的开口。另一种观点是，从该保护膜410到彩色滤光片114BU14G的顶表面存在连续的空气界面。明确地说，在该等像素的顶表面430之间会有间隙。制造期间有此开口存在可在该图像传感器的制造期间移除在第一间隙422与第二间隙424的构成期间所形成的废料。如果因某种理由在后面使用堵塞材料来密封第一间隙422，则此堵塞材料的折射率应该低于该彩色滤光片，使得(i)在该彩色滤光片内会有内反射，以及(ii)入射在第一间隙422内的光会转向到彩色滤光片114BU14G。同样地，如果某种填充材料填充第二间隙424，则此填充材料的折射率要低于第二光导130。彩色滤光片114与光导130和116会共同构成“串联式光导”,其会运用和外部介质(例如绝缘层110和间隙422与424)连接的界面处的完全内反射将光导向光电转换单元102。不同于现有技术构造，进入彩色滤光片的光不会跨越到下一个像素的彩色滤光片，而仅能够向下传导到第二光导130。这使其上方不需要有微透镜来将光聚焦到该像素区的中心以防止光线从像素的彩色滤光片跑到相邻像素。除了降低制造成本外，移除微透镜的好处还有排除前述可能造成串扰的微透镜与彩色滤光片之间的对准误差问题。如前面所提，串联式光导优于在彩色滤光片之间使用不透明壁部材料的现有技术的另一项优点是因为落在彩色滤光片114B与114G之间的第一间隙422中的入射光会转向到任一彩色滤光片，因此不会损失任何光，和光会损失在该等滤光片间的不透明壁部中的现有技术像素不同。此种彩色滤光片构成方法优于现有技术方法的优点为彩色滤光片侧壁并非由构成该等彩色滤光片的光致抗蚀剂和染料材料来界定。在现有技术彩色滤光片构成方法中，所构成的彩色滤光片必须在显影(developing)后产生垂直侧壁。此必要条件会限制光致抗蚀剂和染料材料的选择，因为染料不可以吸收使该光致抗蚀剂感光的光，否则彩色滤光片的底部将会接收较少的光，导致彩色滤光片的底部会窄于其顶端。本发明的彩色滤光片构成方法通过被蚀入支撑膜134中的凹部210来构成彩色滤光片侧壁且与彩色滤光片材料的特征和光刻的精确性无关，从而产生较便宜的工艺。优于现有技术彩色滤光片构成方法的另一项优点是所有像素之间的间隙分隔距离控制得非常一致且可以低成本达到很高的精确性。此处，间隙分隔距离为用以在支撑膜中蚀刻开口的单一光刻步骤中的线宽(line-width)加上干式蚀刻期间的侧向蚀刻控制，两者均很容易控制均匀且无须增加成本便可非常精确。如果这些间隙是通过如同现有技术在3道不同光刻步骤中放置3个不同颜色的彩色滤光片而产生，则很难达到间隙宽度的一致性，光刻步骤会变得非常昂贵，且侧壁轮廓控制会变得更严峻。在支撑膜134中的相同开口中形成彩色滤光片114与光导130的串联式光导(后面称为“自动对准串联式光导”)优于现有技术的优点是彩色滤光片114与光导130之间没有任何对准误差。彩色滤光片114的侧壁会自动对准光导130的侧壁。图4A到L是显示用以形成该图像传感器100的过程。该传感器会被处理成如图4A中所示这样，即该等转换单元102与栅极电极104形成在硅衬底106上而电线108埋置在绝缘体材料110中。绝缘体110可由低折射率(RI)材料(例如(二氧化硅)(RI=L 46))所构成。可以利用化学机械研磨工艺(CMP)来平坦化绝缘体110的顶端。如图4B中所示，绝缘材料可被移除以形成光导开口 120。开口 120具有角度α的倾斜侧壁。可以使用例如反应离子蚀刻(RIE)工艺来形成该等开口 120。对以氧化硅作为绝缘材料来说，合适的蚀刻剂为流量比1:2的CF4+CHF3，其携载于125mTorr、45°C的氩气中。可通过以13. 56MHz在300W与800W之间调整RF功率来调整该侧壁角度。图4C所示的是加入光导材料122。举例来说，光导材料122可为折射率2. O (大于绝缘材料110的折射率(举例来说，氧化硅RI=L 46 的氮化硅。除此之外，氮化硅还提 供扩散屏障，阻止H2O与碱金属离子。可通过例如等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)来加入该光导材料。可蚀除该光导材料而留下较薄且较平坦的保护膜410来覆盖该绝缘体并密封转换单元102、栅极电极104以及电线108，用以在后续工艺期间阻止H20与碱金属离子。或者，如果该第一光导材料122并非氮化硅，则可在蚀刻该光导材料122以平坦化该顶表面后，在光导材料122的顶端沉积氮化硅膜，以形成保护膜410，其会密封转换单元102、栅极电极104以及电线108，用以阻止H2O与碱金属离子。该保护膜410的厚度可介于10,000埃与4，000埃之间，优选为7，000埃。如图4D中所示，支撑膜134形成在该氮化硅的顶端。支撑膜134可为通过高密度等离子体(HDP)沉积的氧化硅。在图4E中，该支撑膜被蚀刻以形成开口。该等开口可包含倾斜角度β的侧壁136。角度β经选择以使得iK90-asin (l/n2light 以便在第二光导130内会有全内反射，其中，n2light guide为第二光导材料130的折射率。结合两个分离的光导会缩减每一光导的蚀刻深度。因此，比较容易达到更高精确性的斜侧壁蚀刻效果。支撑膜134与第二光导130分别可由和绝缘层Iio和第一光导116相同的材料与相同的工艺来制成。如图4E中所示，侧壁可具有垂直部分与倾斜部分。该垂直部分与倾斜部分可通过在蚀刻工艺期间改变蚀刻化学作用或等离子体条件来实现。垂直部分蚀刻期间的蚀刻方式经选择以便有利于形成垂直侧壁162，接着会改变成有利于形成倾斜侧壁的方式。图4F显示光导材料的加入。举例来说，该光导材料可为通过等离子体增强型化学气相沉积(PECVD )沉积的氮化硅。图4G显示每一第二光导130均具有一凹部210。该等凹部210由支撑壁212 (其为支撑膜134的一部分)隔开。凹部210的形成是通过蚀刻光导材料以露出壁部212并且进一步蚀刻到光导顶表面低于壁部212顶表面O. 6um到I. 2um之间。对于将被吸收的非所要的颜色(不会太厚而达到小于最大透射系数的85%)，只要形成于每一凹部210的彩色滤光片的最终厚度足够厚以提供足够低的透射系数(例如低于10%)，则还可使用较深的深度。如图4H中所示，具有某一颜色染料的有色膜材料114B可被施加，以便填充该等凹部210并且在支撑膜134上方延伸。在此实例中，该有色材料可含有蓝色染料。彩色滤光片材料可由负光致抗蚀剂制成，其会构成在曝光后变成不可溶于光致抗蚀剂显影剂中的聚合物。掩膜(未显示)会被放置在材料114B上方，其具有开口用以露出当其余部分被蚀除时仍会留下的区域。图41显示蚀刻步骤后的传感器。该工艺可利用不同颜色(例如绿色或红色)的材料来重复进行，用以产生不同像素的彩色滤光片，如图4J中所示。最后施加的有色材料会填充剩余的凹部210,因此不需要掩蔽步骤。换句话说,曝光光(exposure light)可被施加在该图像传感器晶圆片上的每一个地方，用以曝光最后彩色滤光片膜的每一个地方。在烘干步骤期间，该最后彩色滤光片形成重叠所有像素(包含其它颜色的像素)的膜。在其它像素上的最后彩色滤光片的重叠在图4K中所示的后续彩色滤光片的朝下的蚀除工艺期间被移除。参考图4G，该等凹部210提供自动对准特征，用以自动对准该彩色滤光片材料与第二光导130。该等凹部210可宽于对应的掩膜开口。为给定像素节距与所要的第二光导开口来缩减该支撑壁212的厚度，可提高等离子体反应室中的压力，用以增强侧向(也就是，等向性)蚀刻作用(通过提高离子散射)，以便下切该掩膜。 如图4K中所示，彩色滤光片114BU14G被朝下蚀刻而露出支撑壁212，其为支撑膜134的一部分。接着会如图4L中所示般地移除该支撑膜134的一部分，使得对于该等彩色滤光片114BU14G而言，有一空气/材料界面。可如图4L中所示般地移除该支撑膜134的另一部分，使得对于第二光导130而言，有一空气/材料界面，以便更有助于内反射(通过让较靠近该界面的法线的光线产生全内反射)。第一间隙422具有足够小的宽度，O. 45um或更小，使得照射在第一间隙422中的入射红光和更小波长的光转向到彩色滤光片114B或114G，从而会改进光接收效果。光会沿着彩色滤光片114BU14G和光导130与116进行内反射。彩色滤光片114BU14G的折射率高于空气，因此彩色滤光片114BU14G提供内反射。同样地，第二光导130具有会改进光导的内反射性质的空气界面。如果支撑膜134未被完全移除，只要该支撑膜的折射率(举例来说，氧化硅，I. 46)低于光导材料(举例来说，氮化硅，
2.O),则第二光导130与支撑膜134之间的界面具有良好的内反射。同样地，第一光导116与第一绝缘膜110之间的界面也会有良好的内反射。图7为像素阵列的四个像素200的俯视图。对包含第一光导与第二光导两者的实施例来说，区域B可为第二光导顶表面的区域，而区域C则代表第一光导底表面的区域。区域A扣除区域B则可为彩色滤光片之间的第一间隙422的区域。图8所示的是替代实施例，其在形成该支撑膜134后使用同一掩膜来蚀刻第二与第一光导两者且在一步骤中利用光导材料填充两者。图9A到M中展示用于制造此替代实施例的一过程。该过程类似于图4A到L中展示的过程，除了第一光导的开口是在第二光导的开口之后形成，如图9F中所示，其中不需要任何额外掩膜，因为保护膜410与上方的支撑膜134会充当硬掩膜，用以阻挡蚀刻剂。两个光导均在图9G中所示的相同步骤中被填充。图IOA到H为用以曝光图像传感器的结合垫214的过程。如图IOA到B中所示，在覆盖结合垫214的第一绝缘材料110中形成开口 216。如图IOC到D中所示，施加第一光导材料116且移除大部分的材料116，留下较薄层，用以密封下面的第一绝缘材料110。如图IOE到F中所示，施加支撑膜材料134且在其中形成对应开口 218。如图IOG中所示，施加第二光导材料130。如图IOH中所示，用无掩膜蚀刻步骤来形成露出结合垫214的开口220。该蚀刻剂优选具有侵蚀光导材料116与130 (举例来说，氮化硅)的速度快过绝缘材料110与134 (举例来说，氧化硅)和彩色滤光片114 (光致抗蚀剂)的特性。在CH3F/02中对氮化硅进行干式蚀刻的蚀刻速率会比对彩色滤光片或氧化硅进行干式蚀刻大5到10倍。图11展示抗反射(AR)堆叠的一实施例，其包含顶端AR膜236、第二 AR膜234、以及覆盖转换单元102的第三AR膜232。该抗反射堆叠会改进光从第一光导116到该等转换单元102的透射。AR堆叠中的部件可共同构成层230，其还会覆盖衬底106、转换单元102、以及电极104，以保护该等组件，防止化学污染物与湿气。举例来说，第二 AR膜234可为CMOS晶片制造中常用的接触蚀刻停止氮化物膜，其为阻止接触孔的氧化物蚀刻以防止多晶硅接点(其接触孔通常会比源极/漏极接点浅2，000埃)的过度蚀刻。第三AR膜232可为氧化硅。该氧化硅膜可为栅极电极104下方的栅极绝缘膜；或是在常用的深亚微米CMOS工艺中在该栅极电极与間隙壁(未显示)之间，延着栅极电极104的侧边向下延伸的間隙壁衬料氧化物(spacer liner oxide)膜；在接点娃化之前所沉积的娃化物阻挡(silicide-blocking)氧化物膜，用以阻止接点硅化；或是前述的组合；或是在硅化物阻挡氧化物蚀刻(其会蚀除和光导116的底部一致的区域中的所有氧化物)之后所沉积的毯覆式 氧化物膜。使用既有的氮化硅接触蚀刻停止膜作为AR堆叠的一部分会节省成本。相同的接触蚀刻停止膜还可在该光导的制造中用来阻止蚀刻绝缘体110中的开口。最后，在以光导材料填充绝缘体110中的开口之前，在该开口中先形成顶端AR膜236。顶端AR膜236的折射率低于光导116。第二 AR膜234的折射率高于顶端AR膜236。第三AR膜232的折射率低于第二 AR膜234。顶端AR膜236可为氧化硅或氮氧化硅，其折射率约为I. 46，厚度介于750埃与2000埃之间，优选为800埃。第二 AR膜234可为氮化硅(Si3N4),其折射率约为2. 0，厚度介于300埃与900埃之间，优选为500埃。第三AR膜232可为氧化硅或氮氧化硅(SiOxNy，其中，0〈x〈2且0〈y〈4/3)，其折射率约为I. 46，厚度介于25埃与170埃之间，优选为75埃。第三AR膜232可包含图2栅极电极104下方和衬底106上方的栅极氧化物，如美国专利申请号第61/009，454号图3中所示。第三AR膜232可进一步包含同案图3中所示的栅极衬料氧化物。或者，第三AR膜232可通过在硅化物阻挡蚀刻移除美国专利申请案第61/009，454号的图2中所示的硅化物阻挡氧化物64、栅极衬料氧化物55、以及栅极氧化物54之后(其使用具有和光导116的底部一致的掩膜开口的硅化物阻挡蚀刻掩膜)，毯覆式氧化硅沉积(blanket silicon oxide deposition)在晶片的每一个地方而形成。图11中所示的抗反射结构可通过在该衬底上分别形成第三AR膜232与第二 AR膜234来制成。接着可在第二 AR膜234上形成绝缘体110。氮化硅膜可通过PECVD被沉积在该第一绝缘体110上，其沉积的方式会覆盖与密封该绝缘体和下方的层，用以形成厚度介于10，000埃与4，000埃之间，优选为7，000埃的保护膜410。举例来说，支撑膜134可通过HDP氧化硅沉积而形成在保护膜410上。掩蔽支撑膜134且施加第一蚀刻剂以蚀刻支撑膜134中的开口。选择第一蚀刻剂为对保护膜材料具有很高的选择性。举例来说，如果支撑膜134包含HDP氧化硅而保护膜410包含氮化硅，则第一蚀刻剂便可为CHF3，其蚀刻HDP氧化硅会比氮化硅快5倍。接着，施加第二蚀刻剂以蚀穿氮化硅保护膜410。第二蚀刻剂可为CH3F/02。接着，再次施加第一蚀刻剂以蚀刻第一绝缘体110并且停止在包含氮化硅的接触蚀刻停止膜234上。接触蚀刻停止层234充当蚀刻剂停止层，用以界定开口的底部。接着通过各向异性沉积法(举例来说，PECVD或HDP氧化硅沉积)在该开口中形成顶端AR膜236，其主要沉积到开口的底部而非侧壁。可施加蚀刻剂以蚀除在该开口的侧壁中延伸的任何残留的顶端AR膜材料，举例来说，使用第一蚀刻剂进行干式蚀刻并且让晶片衬底保持一倾角且绕着平行于外来离子束的轴线旋转。接着通过例如氮化硅PECVD在该等开口中形成光导材料。彩色滤光片可形成在该光导上方，而相邻彩色滤光片之间的一部分支撑膜和相邻光导之间的另一部分则可被蚀刻以产生图5中所示的结构。图12A到E展示用以在光导116与衬底202之间制造另一抗反射堆叠实施例的过程。参考图12E，在此实施例中，在光导116以及包含顶端AR膜236、第二 AR膜234、和第三AR膜232的抗反射(AR)堆叠之间插设蚀刻停止膜238。该光导蚀刻停止膜238可为由和光导116相同的材料构成,且可为氮化娃,其厚度介于100埃与300埃之间,优选为150埃。本实施例中形成该AR堆叠的优点为可更精确地控制第二 AR膜234的厚度，其代价为多一道沉积步骤以及蚀穿接触孔开口(未显示)的氧化物-氮化物-氧化物-氮化物-氧化物堆叠而非氧化物-氮化物-氧化物堆叠的复杂度会略增。先前实施例使用第二 AR膜234作为光导蚀刻停止膜并且会在最后的绝缘体凹槽蚀刻过度蚀刻步骤中损失部分厚度。 如图12A到B中所示，施加第三AR膜232和第二 AR膜234于衬底106上且接着施加顶端AR膜236在第二 AR膜234上，之后则施加由氮化硅制成的光导蚀刻停止膜238。如图12C中所示，形成绝缘层110与电线连接电线108在AR膜232、234、236、以及光导蚀刻停止膜238上方。图12D显示蚀入绝缘体110中的开口，其停止在光导蚀刻停止膜238的顶端。图12E显示该开口填充着光导材料。图13A为图11与图12E的抗反射堆叠的透射系数相对于光波长的关系图，顶端AR膜236 (氧化物)标称厚度为800埃，变化为+/-10% ;而第二 AR膜234 (氮化物)标称厚度为500埃；以及第三AR膜232(氧化物)厚度为75埃。透射曲线在紫色区(400nm到450nm)中呈现陡峭的下垂。构成AR堆叠的AR膜232、234、236的标称厚度被选为将该透射曲线的最大值设置在蓝色区(450nm到490nm)中而非绿色区(490nm到560nm),使得因制造公差所造成的任何膜厚度偏移均不会导致透射系数在紫色区中的下降会远大于红色区(630nm到700nm)中。图13B为图11与图12E的抗反射堆叠的透射系数相对于光波长的关系图，标称的第二 AR膜(氮化物)厚度为500埃，变化为+/-10%。图13C为图11与图12E的抗反射堆叠的透射系数相对于光波长的关系图，第三AR膜232 (氮化物)标称厚度为75埃，变化为+/-10%。图14A到G所示的是用以在光导116与衬底202之间制造另一抗反射堆叠实施例的过程，用以在两个不同像素处提供两个不同AR堆叠，其个别优化不同颜色的区域。第三AR膜232和第二 AR膜234被设于图14A中的光电转换单元201上方，类似于图12A中所示的实施例。在图14A中，顶端AR膜236沉积到图14B中所示的较厚的顶端AR膜236b的厚度。接着会应用光刻掩膜(未显示)，用以在使用较薄顶端AR膜236a的像素上方产生掩膜开口。应用蚀刻步骤以将该掩膜开口下方的顶端AR膜236薄化到图14B中顶端AR膜236a的较小厚度。图14C到14G中所示的后续步骤类似于图12B到E。施加绿色彩色滤光片114G在具有较薄顶端AR膜236a的像素上，而蓝色与红色彩色滤光片则在具有较厚顶端AR膜236b的像素上。
图15A为图14G的抗反射堆叠的透射系数相对于光波长的关系图，标称较薄顶端AR膜236a的标称厚度为O. 12um,第二 AR膜234的标称厚度为500埃，而第三AR膜232的标称厚度为75埃。此关系图的尖峰值约为99%，是在绿色区域处，缓慢地降到红色区域中心处的约93%。此关系图显示出顶端AR膜236a可被使用于红色像素以及绿色像素。图15B为图14G的抗反射堆叠的透射系数相对于光波长的关系图，顶端AR膜236b的标称厚度为O. 20um,第二 AR膜234的标称厚度为500埃，而第三AR膜232的标称厚度为75埃。此关系图尖峰值在两个不同颜色区域中，也就是，紫色与红色。此关系图显示出顶端AR膜236b可被使用于蓝色像素以及红色像素。像素阵列可使用较薄的顶端AR膜236a仅于绿色像素而使用较厚的顶端AR膜236b于蓝色与红色像素两者。或者，该像素阵列可使用较薄的顶端AR膜236a于绿色与红色像素两者而使用较厚的顶端AR膜236b仅于蓝色像素。通过产生不同的第二 AR膜厚度同时保持相同的顶端AR膜厚度，可提供另一实施例，其提供两个不同AR堆叠，每一堆叠优化不同颜色的区域。其会决定出两个不同厚度，每 一个颜色区域一种厚度。第二 AR膜会先被沉积到较大厚度。接着会应用光刻掩膜，以在使用较小第二 AR膜厚度的图像传感器上方产生掩膜开口。蚀刻步骤会被应用以将该掩膜开口下方的第二 AR膜薄化到较小厚度。后续步骤类似于图12B到E。虽然在附图中已说明和显示特定的示范性实施例，不过，应该了解的是，这些实施例仅解释而非限制本发明，且本发明并不受限于所示和所述的特定构造和排列，因为所属领域的技术人员可进行各种其它修正。
权利要求
1.一种图像传感器像素，其包含 一衬底； 一光电转换单元，其由该衬底支撑； 一保护膜，其在该衬底上方延伸且跨越该衬底；以及 一串联式光导，其中该串联式光导的一第一部分位于该保护膜与该衬底之间而该串联式光导的一第二部分则在该保护膜上方延伸， 其中两个不同像素中至少有两个串联式光导具有不同的剖面轮廓， 其中第一部分的垂直中线和第二部分的垂直中线彼此偏离， 该偏离根据阵列内的像素位置而改变，位于该阵列的外部处的像素的偏离比较大。
2.根据权利要求I所述的像素，其中该偏离使到第二部分的垂直中线较第一部分的垂直中线远离该阵列的中央。
3.—种制造一图像传感器像素的方法，其包含 在该衬底上方形成一下方透明光导，该衬底支撑一光电转换单兀; 在该下方透明光导之上形成一支撑膜，其具有一开口 ；以及 在该支撑膜的开口中形成一上方透明光导， 其中该下方透明光导的垂直中线偏离该支撑膜的开口的垂直中线。
4.根据权利要求3所述的方法，其中该偏离使到该支撑膜的开口的垂直中线较下方透明光导的垂直中线远离像素阵列的中央。
5.一种图像传感器像素，其包含 一衬底； 一光电转换单元，其由该衬底支撑； 一光导，其耦合到该光电转换单元； 抗反射构件，其用以降低在该光导与该光电转换单元之间的反射， 其中该抗反射构件包含第一抗反射膜与第二抗反射膜，该第一抗反射膜的折射率低于该第二抗反射膜的折射率和该光导的折射率，且该第一抗反射膜位于该第二抗反射膜与该光导之间。
6.根据权利要求5所述的像素，其中该抗反射构件包含第三抗反射膜，其折射率低于该第二抗反射膜的折射率，且其位于该第一抗反射膜与该第三抗反射膜之间。
7.一种形成一图像传感器像素的一部分的方法，其包含 在支撑一光电转换单元的一衬底上方形成第一抗反射膜； 在该第一抗反射膜上方形成一绝缘体； 利用蚀刻该绝缘体快过该第一抗反射膜的蚀刻剂，在该绝缘体中蚀刻一开口 ； 在该开口内形成第二抗反射膜；以及 在该开口内形成光导材料。
8.一种包含一像素阵列的图像传感器，其包含 一衬底； 由所述衬底支撑的多个光电转换单元； 多个彩色滤光片，其每一被耦合以透射一光至所述多个光电转换单元中的其一， 其中，在所述多个彩色滤光片中的其一与所述多个彩色滤光片中的一横向相邻者之间有一气隙，所述气隙含有空气或一气体，并具有一宽度，所述宽度为O. 45微米或更小，所述气隙从彩色滤光片之侧开始向往所述衬底的方向延伸。
9.一种形成一图像传感器的方法，其包含 形成一衬底支撑的多个光电转换单元； 形成多个彩色滤光片，其每一被耦合以透射一光至所述多个光电转换单元中的其一，其中，在所述多个彩色滤光片中的其一与所述多个彩色滤光片中的一横向相邻者之间有一气隙，所述气隙含有空气或一气体，并具有O. 45微米或更小的一宽度。
10.根据权利要求9所述的方法，成多个彩色滤光片是以个别形成一种颜色的彩色滤光片的多个步骤组合而成的。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述多个彩色滤光片是由负光致抗蚀剂制成的。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，蓝色彩色滤光片含有蓝色染料。
全文摘要
一种图像传感器，其包含一由一衬底支撑的光电转换单元以及一位于该衬底邻近处的绝缘体。该图像传感器包含一串联式光导，该串联式光导位于该绝缘体的一开口内且在该绝缘体上方延伸，使得该串联式光导的一部分具有一空气界面。该空气界面会改进该串联式光导的内反射。该串联式光导可包含一自动对准彩色滤光片，其在相邻彩色滤光片之间具有间隙。该光导的前述特征不需要用到微透镜。除此之外，一抗反射堆叠插设在该衬底与该光导之间，用以降低来自该图像传感器的向后反射。具有不同彩色滤光片的两个像素对于在该抗反射堆叠内的一抗反射膜可有不同的厚度。
文档编号H01L27/146GK102938407SQ20121024590
公开日2013年2月20日 申请日期2008年12月22日 优先权日2008年3月14日
发明者郑苍隆, 坦-特龙多 申请人:郑苍隆, 坎德拉微系统(S)私人有限公司