专利名称：Cmos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，且更具体地，涉及一种互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器及其制造方法，其中光的会聚效率被最大化以改进图像传感器的特性。
背景技术：
图像传感器是将光学图像转换成电信号的半导体装置。图像传感器被分为电荷耦合器件(CCD)图像传感器和CMOS图像传感器。
CMOS图像传感器包括感测光的光电二极管区域以及处理被感测的光以产生电信号的CMOS逻辑电路区域。如果光电二极管的光接收量大，则图像传感器具有优秀的光灵敏度特性。
为了增强光灵敏度，有必要增大光电二极管在图像传感器的全部区域中所占据的区域的填充因子。可替换地，有必要将入射光的路径改变到除光电二极管以外的区域，以使光聚集到光电二极管。
为了将光聚集到光电二极管，通常使用微透镜。由具有良好的光透射率的材料制成的凸微透镜形成在光电二极管上以使入射光的路径折射，由此将更多的光照射到光电二极管。
平行于微透镜光轴的光被微透镜折射以使焦点形成于光轴的某个位置上。
在下文中，将参考附图来描述相关技术的CMOS图像传感器。
图1为说明相关技术的CMOS图像传感器的截面视图。
如图1中所示，相关技术的CMOS图像传感器包括至少一个或多个光电二极管11，形成在半导体基片(未示出)中以响应于入射光而产生电荷；内电介质层(inter-dielectric layer)12，形成在包括光电二极管11的半导体基片的整个表面上；钝化层13，形成在内电介质层12上；R/G/B滤色器层14，形成在钝化层13上以使特定波长的光分别通过；平坦化层15，形成在滤色器层14上；以及凸微透镜16，具有某个曲率，形成在平坦化层15上以通过滤色器层14，由此将光聚集在光电二极管11上。
尽管未示出，CMOS图像传感器进一步包括内电介质层12中的光遮蔽层以防止光进入除光电二极管11以外的部分。
替代光电二极管，光电栅(photogate)类型的装置可被用作感测光的装置。
微透镜16的曲率和高度(图1的“A”)通过考虑各种因素如聚集的光的焦点来确定。树脂例如聚合物通常被用作微透镜16。微透镜16通过沉积、图案化和回流工艺而形成。
微透镜16的优化尺寸和厚度及曲率半径应由以下来确定单元象素的尺寸、位置和形状，光电二极管的厚度，以及光遮蔽层的高度、位置和尺寸。
光阻剂(photoresist)通常被用作微透镜16，其曲率和高度通过考虑各种因素如聚集的光的焦点来确定。光阻剂被涂覆并且然后通过曝光和显影工艺而被图案化以形成光阻剂图案。光阻剂图案可通过回流工艺而形成。
同时，图案轮廓(profile)依赖于光阻剂的焦点而变化。
例如，工艺条件依赖于子层的条件而改变。因此，微透镜的轮廓得以改变。
在用于制造前述相关技术的CMOS图像传感器的工艺中，被形成以提高光的聚集效率的微透镜16用作确定图像传感器特性的主要因素。
当光被照射时，微透镜16依赖于光的波长通过相应的滤色器层14用来将更多的光会聚到光电二极管11。
到图像传感器的入射光由微透镜16来聚集并且由滤色器层14来过滤。然后光进入对应于滤色器层14的光电二极管11。
光遮蔽层用来防止入射光逸出其路径。
当相关技术的CMOS图像传感器被制造时，因为光阻剂图案的条件不稳定，所以光的聚集效率恶化。这可恶化CMOS图像传感器的性能。
发明内容
因此，本发明指向一种CMOS图像传感器及其制造方法，其基本上消除了由于相关技术的局限和缺点所引起的一个或多个问题。
本发明的一个优点是提供了一种CMOS图像传感器及其制造方法，其中双微透镜使用具有不同折射率的材料而形成以提高光的聚集效率，由此改进图像传感器的特性。
本发明的另外的优点及特征将在随后的描述的部分中提出并且部分地对本领域普通技术人员将变得显而易见，或可通过对本发明的实践而习得。本发明的这些和其它优点可通过在书面描述和权利要求以及附图中所特别指出的结构来实现并获得。
为了实现这些和其它优点并根据本发明的目的，如这里所实施和宽泛描述的，根据本发明的CMOS图像传感器包括多个光电二极管，其形成在半导体基片中，彼此之间有预定距离；内电介质层，形成在包括光电二极管的半导体基片的整个表面上；滤色器层，其形成在内电介质层上，彼此之间有预定距离；第一微透镜，其形成在对应于光电二极管的滤色器层之上；以及第二微透镜，其形成为包围第一微透镜，第二微透镜具有不同于第一微透镜折射率的折射率。
在本发明的另一方面，用于制造CMOS图像传感器的方法包括在其中形成多个光电二极管的半导体基片的整个表面上形成内电介质层；在内电介质层上形成滤色器层，彼此之间有预定距离；在滤色器层之上形成具有第一折射率的第一微透镜以对应于光电二极管；以及在第一微透镜上形成具有第二折射率的第二微透镜使得第二微透镜包围第一微透镜。
应当理解，本发明的前述一般性描述和以下详细描述二者是示范性和说明性的，且意图是提供如所要求的本发明的进一步解释。
附图被包括以提供对本发明的深入理解、并被引入并组成本申请的部分，其说明本发明的实施例并连同说明书用于解释本发明的原理。
在图中图1为相关技术的CMOS图像传感器的截面视图；图2说明依赖于根据材料而变化的折射率的光路径；图3为说明根据本发明的CMOS图像传感器的截面视图；以及图4A到图4D为说明根据本发明来制造CMOS图像传感器的工艺步骤的截面视图。
具体实施例方式
现在将详细参考本发明的优选实施例，其实例在附图中说明。在任何可能的地方，相同参考数字将被用于所有附图以指示相同或相似部件。
图2说明依赖于根据材料而变化的折射率的光路径。
如图2中所示，当具有不同折射率的多级材料层被沉积时，发生束的折射。
当光从具有低折射率的部分进入具有高折射率的部分时，透射角减小。基于这个原理，具有小于第二折射率的第一折射率的材料层被沉积在具有第二折射率的材料层上。
如图2中所示，在具有第一折射率n1的第二微透镜、具有第二折射率n2(n2＞n1)的第一微透镜、以及具有第三折射率n3(n3＞n2)的滤色器层的情况下，光的透射角以θ1、θ2和θ3的次序而变化。这意味着更多的光被聚集在中心轴上。
现在将描述一种基于上述原理的CMOS图像传感器及其制造方法。
图3为说明根据本发明的CMOS图像传感器的截面视图。
如图3中所示，根据本发明一实施例的CMOS图像传感器可包括至少一个或多个光电二极管31，形成在半导体基片(未示出)中以响应于入射光而产生电荷；内电介质层32，形成在包括光电二极管31的半导体基片的整个表面上；钝化层33，形成在内电介质层32上；R/G/B滤色器层34，对应于光电二极管31形成在钝化层33上以过滤和照射特定波长的光；平坦化层35，形成在包括滤色器层34的半导体基片的整个表面上；第一微透镜36，形成在平坦化层35上以对应光电二极管31；以及第二微透镜37，其包围第一微透镜36并以不同于第一微透镜36的折射率而聚集光以将聚集的光照射到光电二极管31。
假设滤色器层34具有折射率n3，第一微透镜36具有折射率n2，而第二微透镜37具有折射率n1，折射率可具有以n3＞n2＞n1的次序的大小。
第二微透镜37具有凸半球的形状，而第一微透镜26具有多边形的形状。
同时，第二微透镜37可由光阻剂形成，而第一微透镜36可由光阻剂或氧化物膜如SiON形成。构成第一微透镜36的光阻剂可具有大于构成第二微透镜37的光阻剂折射率的折射率。
在根据本发明的前述CMOS图像传感器中，滤色器层34、第一微透镜36和第二微透镜37可以不同的折射率而沉积，使得到光电二极管31的入射光可被折射三次以提高聚集效率。
图4A到图4D为说明根据本发明来制造CMOS图像传感器的工艺步骤的截面视图。
如图4A中所示，内电介质层32形成在半导体基片的整个表面上，在该半导体基片中形成响应于入射光而产生电荷的光电二极管31。
内电介质层32可以若干级来形成。例如，在光遮蔽层(未示出)形成在一个内电介质层上以防止光进入除光电二极管31之外的部分之后，另一内电介质层可形成在光遮蔽层上。
随后，钝化层33形成在内电介质层32上以保护装置免于水和擦划的侵害。
接着，盐阻止剂(salt resist)被沉积在钝化层33上并且然后被图案化以形成以相应波长来滤光的滤色器层34。
平坦化层35形成在滤色器层34上以获得用于焦距和透镜层的平坦化。
如图4B中所示，用于透镜的材料层通过使用阻止剂或氧化物膜如SiON而被沉积在平坦化层35上。阻止剂或氧化物膜具有小于滤色器层34折射率的折射率。
随后，用于透镜的材料层通过曝光和显影工艺而选择性地图案化，使得具有梯形形状(或矩形形状)的第一微透镜36形成在平坦化层35上以对应光电二极管31。
具有梯形形状的第一微透镜36可通过在曝光工艺期间调节光的聚焦而形成以选择性地图案化材料层。
如图4C中所示，具有梯形形状的微透镜36经历回流工艺以具有多边形的形状。
如图4D中所示，用于透镜的材料层通过使用具有不同于第一微透镜36折射率的折射率的阻止剂或氧化物膜而被沉积在包括第一微透镜36的整个表面上。
随后，第二微透镜37可通过图案化工艺和回流工艺而形成以对应光电二极管31且包围第一微透镜36。
第二微透镜37可通过照射紫外线而硬化。在此情况下，第二微透镜37可具有优化的曲率半径。
在根据本发明一示范性实施例的前述CMOS图像传感器中，假定滤色器层34具有折射率n3，第一微透镜36具有折射率n2，而第二微透镜37具有折射率n1，折射率可具有以n3＞n2＞n1的次序的大小。
当光从具有低折射率的部分进入具有高折射率的部分时，透射角减小。
因此，有可能在光透射第二微透镜37和第一微透镜36时提高光的聚集效率。同样，有可能提高滤色器层34的分辨率。
而且，如果由于用于形成微透镜的回流工艺之后的任何问题而需要再加工，则不需要形成微透镜的工艺之前的工艺，因为微透镜由多级结构形成。在此情况下，再加工被简化并且成本被减少。
在根据本发明一示范性实施例形成微透镜的工艺中，具有大于用于半球形微透镜的光阻剂折射率的折射率的材料如SiON在滤色器层和平坦化层形成之后被沉积。因此，多边形的微透镜可在半球形的微透镜形成之前而形成。
第一和第二微透镜可通过同时使用氧化物膜和光阻剂二者而形成。可替换地，第一和第二微透镜可通过使用具有不同折射率的氧化物膜或具有不同折射率的光阻剂而形成。
如上所述，根据本发明一示范性实施例的CMOS图像传感器及其制造方法具有如下优点。
首先，因为微透镜可通过使用具有不同折射率的材料而形成为具有多级结构，所以与单个微透镜结构相比，有可能提高光的会聚效率。
其次，由于提高的光的聚集效率，大部分穿过滤色器层的光进入光电二极管。在此情况下，滤色器层可获得更清晰的分辨率。
最后，因为微透镜具有多级结构，所以在再加工期间不需要形成微透镜的工艺之前的工艺，在此情况下，再加工被简化并且成本得以减少。对本领域的技术人员来说显而易见的是，在本发明中可进行各种修改和变化而不背离本发明的精神或范围。因此，意图是，倘若这样的修改和变化在所附权利要求及其等价的范围内，本发明将涵盖这样的修改和变化。
权利要求
1.一种CMOS图像传感器，包括半导体基片；多个光电二极管，其形成在半导体基片中，彼此之间有预定距离；内电介质层，其形成在包括所述光电二极管的所述半导体基片的整个表面上；滤色器层，其形成在所述内电介质层上，彼此之间有预定距离；第一微透镜，其形成在对应于所述光电二极管的所述滤色器层之上；以及第二微透镜，其形成为包围所述第一微透镜，所述第二微透镜具有不同于所述第一微透镜折射率的折射率。
2.根据权利要求1的CMOS图像传感器，其中所述第一微透镜具有大于所述第二微透镜折射率的折射率。
3.根据权利要求2的CMOS图像传感器，其中所述滤色器层具有大于所述第一微透镜折射率的折射率。
4.根据权利要求1的CMOS图像传感器，进一步包括形成于所述滤色器层和所述第一微透镜之间的平坦化层。
5.根据权利要求1的CMOS图像传感器，其中所述第一微透镜具有多边形的形状。
6.根据权利要求1的CMOS图像传感器，其中所述第二微透镜具有凸半球的形状。
7.根据权利要求1的CMOS图像传感器，其中所述第一微透镜由SiON形成，而所述第二微透镜由光阻剂形成。
8.根据权利要求1的CMOS图像传感器，其中所述第一微透镜和第二微透镜由具有不同折射率的光阻剂或氧化物膜形成。
9.一种用于制造CMOS图像传感器的方法，包括在其中形成多个光电二极管的半导体基片的整个表面上形成内电介质层在所述内电介质层上形成滤色器层，彼此之间有预定距离；在所述滤色器层之上形成具有第一折射率的第一微透镜以对应所述光电二极管；以及在所述第一微透镜上形成具有第二折射率的第二微透镜，使得所述第二微透镜包围所述第一微透镜。
10.根据权利要求9的方法，其中所述第一折射率不同于所述第二折射率。
11.根据权利要求9的方法，进一步包括在形成所述第一微透镜之前，在包括所述滤色器层的所述半导体基片的整个表面上形成平坦化层。
12.根据权利要求9的方法，其中所述第一微透镜由氧化物膜形成。
13.根据权利要求9的方法，其中所述第二微透镜由光阻剂形成。
14.根据权利要求9的方法，其中所述第一微透镜和所述第二微透镜由具有不同折射率的光阻剂或氧化物膜形成。
15.根据权利要求9的方法，其中所述第一微透镜由具有大于所述第二微透镜折射率的折射率的材料形成。
16.根据权利要求15的方法，其中所述滤色器层由具有大于所述第一微透镜折射率的折射率的材料形成。
17.根据权利要求11的方法，其中形成所述第一微透镜的步骤包括在所述平坦化层上沉积用于透镜的材料层；选择性地图案化所述材料层以形成第一微透镜图案使得所述第一微透镜图案具有梯形的形状；以及回流所述第一微透镜图案以形成具有多边形的形状的所述第一微透镜。
18.根据权利要求17的方法，其中当执行曝光工艺以选择性地图案化所述材料层时，具有梯形的形状的所述第一微透镜图案通过调节光的聚焦而形成。
19.根据权利要求9的方法，其中形成所述第二微透镜的步骤包括在包括所述第一微透镜的所述半导体基片的整个表面上沉积用于透镜的材料层；选择性地图案化用于透镜的所述材料层；以及回流用于透镜的所述材料层以形成具有凸半球形状的所述第二微透镜。
全文摘要
公开了一种CMOS图像传感器及其制造方法，其中双微透镜使用具有不同折射率的材料而形成以提高光的聚集效率，由此改进图像传感器的特性。
文档编号H01L21/822GK1815747SQ20051013508
公开日2006年8月9日 申请日期2005年12月23日 优先权日2004年12月24日
发明者金德洙 申请人:东部亚南半导体株式会社