专利名称：图像传感器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体4支术，更具体地，涉及一种图像传感器 及其制造方法。
背景技术：
图像传感器是用来将光学图像转换为电信号的半导体器件，图 像传感器可以分为电荷耦合器件(CCD)图像传感器和互补金属氧 化半导体(CMOS)图像传感器(CIS)。 CMOS图像传感器在每个 单位像素中包括光电二极管和MOS晶体管，这样，在开关模式 (switching mode )下顺序检测各个单位像素的电信号，从而显示图 像。由于CMOS图像传感器中的设计规则已经逐渐减少，所以单位 〈象素的尺寸减小，A人而填充系凄欠(占空系凄丈，fill factor)可能净皮减 小。
发明内容
本发明实施例涉及一种图像传感器以及制造该图像传感器的 方法，该方法使用双微透镜来最大化填充系数。本发明实施例涉及一种图像传感器，该图像传感器可以包括以
下之中的至少一个在半导体衬底中形成的光电二极管，该光电二 极管分别设置在单位像素中；在半导体衬底上和/或上方设置的第一 绝缘层，该第一绝缘层包括在空间上与光电二极管的位置相对应的 籽晶图样；第一微透镜，该第一微透镜通过用有机材料涂覆第一绝 缘层形成在籽晶图样上和/或上方；在包括第一孩史透镜的有机材料上 和/或上方i殳置的第二绝纟彖层；以及在第二绝纟彖层上和/或上方顺序 i殳置的过滤器(filter)和第二孩吏透4竟。
本发明实施例涉及一种图像传感器，该图像传感器可以包括以 下之中的至少一个在半导体衬底中形成的光电二极管；在半导体 衬底上方形成的第一绝缘层，该第 一绝缘层包括在空间上与光电二 极管的位置相对应的籽晶图样；由有机材料组成的下部微透镜，该 下部微透镜形成在籽晶图样上方；在下部孩t透镜上方形成的第二绝 缘层；在第二绝缘层上方形成的第三绝缘层；在第三绝缘层上方形 成的滤色器(color filter );在滤色器上方形成的上部樣t透4竟。
本发明实施例涉及 一 种制造图像传感器的方法，该方法可以包 括下列中的至少之一在半导体衬底中形成光电二极管，该光电二 极管分别设置在单位像素中；在半导体衬底上和/或上方形成第一绝 纟彖层；通过部分蚀刻第一绝纟彖层来在绝纟彖层上和/或上方形成空间上 与光电二极管的位置相对应的籽晶图样；形成覆盖籽晶图样的第一 微透镜；在包括第一微透镜的半导体衬底的整个表面上和/或上方形 成第二绝缘层；以及然后在第二绝缘层上和/或上方顺序形成过滤器 和第二孩t透镜。
本发明实施例涉及 一 种制造图^象传感器的方法，该方法可以包 括下列中的至少之一在半导体衬底中形成光电二极管；在半导体 衬底上方形成第一绝缘层；通过部分蚀刻第一绝纟彖层来形成空间上 与光电二极管的位置相对应的第一绝缘层籽晶图样；在籽晶图样上方形成下部孩i透4竟；在下部孩t透4竟上方顺序形成第二绝纟彖层和第三 绝缘层；在第三绝缘层上方形成空间上相应于下部微透镜的滤色 器；在滤色器上方形成空间上与滤色器的位置相对应的上部纟效透镜。
本发明实施例涉及一种制造图像传感器的方法，该方法可以包 括下列中的至少之一在半导体衬底中形成限定有源区和场区(field region)的隔离层；在半导体村底中形成光电二极管；在半导体衬 底上方形成电连接至光电二极管的晶体管；在包括光电二极管、晶 体管和隔离层的整个半导体衬底上方形成金属前介电层(pre-metal dielectric layer);在金属前介电层上方形成第一绝缘层；形成空间 上相应于光电二极管的第 一绝缘层籽晶图样；通过在籽晶图样上方 形成有才几层来形成下部孩t透4免；在下部孩t透4竟上方顺序形成第二绝 缘层和第三绝缘层；在第三绝缘层上方形成空间上相应于下部微透 镜的滤色器；以及然后在滤色器上方形成空间上与滤色器的位置相 对应的上部樣史透镜。
实例图1到图6示出了制造根据本发明实施例的图像传感器的 方法。
具体实施例方式
在下文中，将参照附图详细地描述根据本发明实施例的图像传 感器及其制造方法。在附图中，为了方便和清楚的描述，各个层的 厚度或尺寸将被放大、省略或示意性地示出。各个元件的尺寸不代 表元件的实际尺寸。如实例图l所示，根据本发明实施例的图像传感器可以包括形
成隔离层15,该隔离层15限定了在半导体衬底10中^皮隔离的有源 区和场区。然后在半导体衬底10中形成用于4姿收光以产生光电子 的光电二4及管20。然后在半导体#于底10的单位-f象素的有源区上和/ 或上方形成CMOS电路30，该CMOS电路30 ^皮电连4妄至光电二 极管20以将接收到的光电子转换为电信号。然后在包括光电二极 管20和CMOS电^各30的半导体衬底10上和/或上方形成PMD层 40。 PMD层40包4舌金属线和电连4姿至金属线的"t妻触插塞(contact plug)。然后在PMD层40上和/或上方形成第一绝^彖层50。第一绝 缘层50可以由氧化膜或氮化膜制成。例如，第一绝乡彖层50由非掺 杂硅酸盐玻璃(undoped silicate glass ) ( USG )膜制成。第一绝缘层 50可以包括金属线，并且进一步包括电连接至金属线的4妄触插塞。 第一绝缘层50的金属线和"l妄触插塞^皮形成以致不遮蔽在光电二才及 管20之上入射的光。意味着，可以在引导(guide)入射光的第一 绝缘层50的区域周围形成金属线和接触插塞。
如实例图2所示，然后通过用光刻月交膜涂^隻第一绝纟彖层50的 最上表面并然后曝光和显影该光刻胶膜来在第一绝缘层50上和/或 上方形成光刻月交图才羊200。光刻月交图才羊200形成在空间上与光电二 极管20的位置相对应的区域中。意p未着，光刻胶图样200覆盖形 成光电二极管20的区域并暴露剩余的区域。
如实例图3所示，然后通过使用光刻胶图样200作为蚀刻掩模 部分蚀刻第一绝缘层50至预定的深度来在单位像素中的第一绝缘 层50上和/或上方形成籽晶图样(seed pattern) 55。从而，在除了 被光刻胶图样200覆盖的区域外的剩余区域中去除部分第 一绝缘层 50至预定的深度。从而，形成包括籽晶图样55的第一绝缘图样51。 籽晶图样55在空间上与分别形成在单位像素中的光电二极管20的位置相对应。当蚀刻第一绝《彖层50时，通过调整光刻月交图样200 的蚀刻选择性来形成具有矩形或梯形横截面的籽晶图样55。
^口实例图4戶斤示，然后用i者3口热固寸生杉于月旨(thermosetting resin ) 的有机材料来涂覆包括籽晶图样55的第一绝缘图样51的最上表 面。通过用有机材料涂覆第一绝缘图样51的最上表面，形成有机 材料层60，该有机材料层60具有与籽晶图样55的横截面相对应的 部分。从而，与籽晶图样55的横截面相对应的部分有机材料层60 在泮予晶图样55上和/或上方形成第一孩i透4竟65。由于籽晶图样55 形成具有矩形或梯形的4黄截面，所以形成在籽晶图样55上和/或上 方的第一孩t透镜65可以形成具有半球状的横截面。第一微透镜65 寻皮形成以在空间上相应于光电二才及管20的4立置，乂人而最大4t^真充 系数。意p木着，由于第一孩i透4竟65邻近光电二才及管20形成，所以 第一孩史透4竟65可以更有效地聚集光，乂人而尽管光电二才及管20的区 域减小，但提高了填充系数。此外，使用自对准方法(self-alignment method)形成第一孩i透镜65具有半球状的横截面，这样，最大化 了光聚集率(light concentration rate )。意。木着，当用有才几材冲牛涂覆 包括籽晶图样55的第一绝缘图样51的上部表面时，由于下部的籽 晶图样(underlying seed pattern ) 55的梯形形状，使得覆盖在籽晶 图样55上的有机材料形成具有半球状的横截面，这样，提高了第 一微透镜65的光聚集率。
如实例图5所示，在形成第一孩t透镜65之后，在包括第一微 透镜65的有机材料层60上和/或上方顺序形成第二绝缘层70和第 三绝纟彖层80。意p未着，在包4舌第一孩i透4竟65的半导体^)"底10的整 个表面上和/或上方首先形成第二绝缘层70，然后在第二绝缘层70 上和/或上方形成第三绝缘层80。由于下部结构引起在包括第一孩支 透镜65的有机层60上和/或上方形成的第二绝缘层70的最上表面 不均匀(即，不平坦)，所以对第二绝纟彖层70的最上表面实施平坦化(planarization )。其后，在第二绝纟彖层70 ^皮平坦化的最上表面上 和/或上方形成第三绝纟彖层80。第二绝纟彖层70和第三绝纟彖层80由 氧化膜或氮化膜制成。可以在第二绝纟彖层70和第三绝缘层80中形 成金属线，该金属线被电连接至第一绝缘层50的金属线。
如实例图6所示，然后可以在第三绝^彖层80上和/或上方顺序 形成滤色器90和第二樣t透4竟100。使用包括感光材料和颜料 (pigment)或感光材津+和染并牛的滤色器材并+经由4t涂工艺(spin coating process)形成滤色器90。其后，使用图样掩模来曝光滤色 器材料并进行显影，从而产生滤色器90。滤色器卯被分別形成以 在空间上与光电二极管20的位置相对应，并用来从入射光中分离 出(separate)颜色。例如，每个滤色器90是纟工、纟录和蓝滤色器中 的一种。然后，通过应用由具有高光透射率的氧化硅膜制成的感光 光刻月交(photosensitive photoresist)首先形成空间上才目应于单4立<象 素的角形透4竟图才羊(angled lens pattern )来在滤色器90上和/或上方 形成第二樣i透4竟100。然后图样化感光光刻月交以/人而通过对图才羊化 的感光光刻力交实施回流工艺(reflow process )来形成具有半^求状牙黄 截面的第二孩i透4竟100。第二孩i透4竟100用来<吏光聚集在光电二相_ 管20上和/或上方，其中在每个单位像素中形成一个第二微透镜 100，而光电二才及管20 i殳置在半导体邱于底10中的第二孩丈透4竟100 下面。
因此，如实例图6所示，根据本发明实施例的图像传感器包括 器件隔离层15,该器件隔离层15形成在半导体衬底10中以限定有 源区。在半导体4于底10中形成接收光以产生光电子的光电二才及管 20,每个光电二极管设置在每个单位像素中。在半导体衬底10上 和/或上方形成CMOS电路30以1更光电二4及管20和CMOS电路30 分别i殳置在每个单位^象素中，其中CMOS电^各3(H皮电连4妄至光电 二极管20以将接收到的光电子转换为电信号。在包括光电二极管20的半导体衬底10上和/或上方设置金属前介电(PMD)层40。 在PMD层40上和/或上方形成包括籽晶图样55的第 一绝缘图样51 。 例如，第一绝缘图样51和籽晶图样55可以由非掺杂硅酸盐玻璃 (USG)膜组成。可以在空间上与光电二极管20相对应的区域上 和/或上方分别形成具有梯形横截面的籽晶图样55。在包括籽晶图 样55的第一绝缘图样51上和/或上方形成有机材料层60。有机材 料层60由热固性树脂组成。由于下部籽晶图样55的突出(梯形的) 形状，^f吏得形成在冲予晶图样55上和/或上方的部分有才几材一+层60可 以形成具有半J求状的冲黄截面。形成在籽晶图4羊55上和/或上方的这 部分有4几材津牛层60形成第一孩￡透4竟65。在第一纟鼓透镜65上和/或 上方顺序形成第二绝缘层70和第三绝缘层80。然后在第三绝缘层 80上和/或上方形成滤色器90以从入射光中分离出颜色。第二微透 4竟100 ^皮分别i殳置在单位^象素中的滤色器90上和/或上方，并用来 使传输至光电二极管20的光聚集。在根据本发明实施例的图像传 感器中，在光电二才及管20上和/或上方分别形成第一孩先透4竟65和第 二微透镜100,从而最大化图像传感器的填充系数。
通过前述的说明可以明了 ，本发明实施例提供了一种图像传感 器及其制造方法，其中，在分别形成于单位像素中的光电二极管上 和/或上方形成双(上部和下部)微透镜以提高填充系数。在形成于 光电二极管上和/或上方的绝缘层中形成第 一或下部微透镜，并在光 电二极管上和/或上方形成第二或上部孩史透镜，从而在图像传感器之
上入射的光经由第 一和第二微透镜聚集两次以提高填充系数。此 外，第一微透镜形成在具有梯形横截面的籽晶图样上和/或上方，这 样，无需任何附加的工艺，第一〗效透4竟就可以形成具有半球状的横 截面。因此，提高光电二极管的光聚集率是可能的。
尽管本文中描述了多个实施例，但是应该理解，本领域技术人 员可以想到多种其他修改和实施例，他们都将落入本公开的原则的精神和范围内。更特别地，在本公开、附图、以及所附权利要求的
种修改和改变。除了组成部分和/或排列方面的修改和改变以外，可 选的使用对本领域技术人员来说也是显而易见的选择。
权利要求
1. 一种图像传感器，包括光电二极管，形成在半导体衬底中；第一绝缘层，形成在所述半导体衬底上方，所述第一绝缘层包括在空间上与所述光电二极管的位置相对应的籽晶图样；下部微透镜，由有机材料组成并形成在所述籽晶图样上方；第二绝缘层，形成在所述下部微透镜上方；第三绝缘层，形成在所述第二绝缘层上方；滤色器，形成在所述第三绝缘层上方；以及上部微透镜，形成在所述滤色器上方。
2. 根据权利要求1所述的图像传感器，其中，包括所述籽晶图样 的所述第一绝纟彖层包含非掺杂,圭酸盐玻璃(USG)。
3. 根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述籽晶图样形成 具有矩形横截面和梯形横截面中的一种。
4. 根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述有机材料包含 热固性树脂。
5. 根据权利要求4所述的图像传感器，其中，所述下部微透镜形 成具有半^求状的 一黄截面。
6. 根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述上部微透镜和 所述下部孩i透镜;波形成以在空间上相应于光电二极管的位置。
7. 根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第二绝缘层和 所述第三绝缘层包括氧化膜和氮化膜中的 一种。
8. 根据权利要求1所述的图像传感器，进一步包括隔离层，限定了所述半导体衬底中的有源区和场区；CMOS电^各，^皮电连4妄至在所述半导体衬底的所述有源 区上方形成的所述光电二极管；以及金属前介电层，形成在包括所述光电二4及管和所述 CMOS电路的整个半导体村底上方。
9. 一种制造图像传感器的方法，包括在半导体衬底中形成光电二极管；在所述半导体衬底上方形成第一绝缘层；通过部分蚀刻所述第 一 绝缘层来形成在空间上与所述光 电二才及管的位置相对应的第 一绝纟彖层籽晶图样；在所述籽晶图样上方形成下部孩i透4竟；在所述下部樣i透4竟上方顺序形成第二绝纟彖层和第三绝桑彖层；在所述第三绝缘层上方形成空间上与所述下部微透镜相 对应的滤色器；以及然后在所述滤色器上方形成空间上与所述滤色器的位置相对 应的上部微透镜。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中，形成所述籽晶图样包括在所述第一绝缘层的最上表面的区域上方形成光刻胶图 样，其中所述区域在空间上与所述光电二4及管的位置相对应； 以及然后使用所述光刻胶图样作为蚀刻掩模来部分蚀刻所述第一 绝缘层。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中，所述籽晶图样形成具有矩形4黄截面和梯形4黄截面中的一种。
12. 根据权利要求9所述的方法，其中，通过用有机材料涂覆包括 所述籽晶图样的所述第 一绝缘层来形成具有半球形状的所述 第一樣i透4竟。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中，包括所述籽晶图样的所 述第一绝缘层包含非掺杂硅酸盐玻璃(USG)。
14. 根据权利要求12所述的方法，其中，所述有机材料包含热固 性树脂。
15. 根据权利要求9所述的方法，其中，所述第二绝缘层和所述第 三绝缘层包括氧化膜和氮化膜中的一种。
16. —种制造图像传感器的方法，包括在半导体衬底中形成限定有源区和场区的隔离层；在所述半导体村底中形成光电二极管；在所述半导体衬底上方形成电连接至所述光电二极管的 晶体管；在包括所述光电二极管、所述晶体管和所述隔离层的整 个半导体^)"底上方形成金属前介电层；在所述金属前介电层上方形成第一绝缘层；形成空间上相应于所述光电二极管的第 一绝缘层籽晶图样；通过在所述籽晶图样上方形成有冲几层来形成下部孩吏透镜；在所述下部微透镜上方顺序形成第二绝缘层和第三绝缘层；在所述第三绝缘层上方形成空间上相应于所述下部樣么透 镜的的滤色器；以及然后在所述滤色器上方形成空间上与所述滤色器的位置相对 应的上部孩i透4竟。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中，所述晶体管包括CMOS 电路。
18. 根据权利要求16所述的方法，其中，包括所述籽晶图样的所 述第一绝缘层包含非掺杂硅酸盐玻璃(USG)。
19. 根据权利要求16所述的方法，其中，所述籽晶图样形成具有 矩形片黄截面和一弟形坤黄截面中的一种。
20. 根据权利要求16所述的方法，其中，所述有机材料包含热固 性树脂。
全文摘要
一种图像传感器及其制造方法，该图像传感器包括在半导体衬底中形成的光电二极管；在半导体衬底上方形成的第一绝缘层，该第一绝缘层包括在空间上与光电二极管的位置相对应的籽晶图样；在籽晶图样上方形成的由有机材料组成的下部微透镜；在下部微透镜上方形成的第二绝缘层；在第二绝缘层上方形成的第三绝缘层；在第三绝缘层上方形成的滤色器；以及在滤色器上方形成的上部微透镜。
文档编号H01L21/822GK101419975SQ20081017055
公开日2009年4月29日 申请日期2008年10月21日 优先权日2007年10月22日
发明者朴珍皞 申请人:东部高科股份有限公司