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器件，且更具体地，涉及一种能够避免 光损耗且能够抑制交叉旋转(cross torque，交叉转矩)的图像传感 器及其制造方法。
背景技术：
通常，图像传感器指的是一种将光学图像转换为电信号的半导 体器件。电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化硅(CMOS)器件 属于图^f象传感器。图^f象传感器由光接收区和逻辑区构成，其中，光 接收区包括检测光的光电二极管，逻辑区将检测到的光处理为电信 号数据。也就是，图像传感器是这样一种器件，这种器件利用每个 像素单元的光电二极管以及一个或多个晶体管从入射到光接收区 的光中捕获图像。
图1是根据相关技术的图像传感器的截面图，更具体地，示出 了包含在图像传感器的光接收区中的一个单元像素(unit pixel )。参 照图1，该图i象传感器包括至少一个形成在半导体衬底110中的 光电二极管120;层间电介质130,该层间电介质形成在包括至少 一个光电二才及管120的半导体衬底110上，具有多层结构并包括金 属线135;滤色器层140，形成在层间电介质130上并只于应于至少一个光电二才及管120;形成在滤色器层140上的平坦化层150;以 及孩t透镜160,形成在平坦化层150上并对应于滤色器层140。
完全穿过孩史透镜160并被滤色器层140过滤的入射光由对应于 滤色器层140的光电二才及管120所接收。另一方面，穿过孩i透4竟160 的边缘部分并^皮滤色器层140过滤的入射光，可能进入与对应于滤 色器层140的光电二^^管相邻的另一个光电二^l管，乂人而引起了交 叉旋转。
发明内容
因此，本发明涉及一种图像传感器及其制造方法，该图像传感
的一个或多个问题。
本发明的 一个目的在于提供一种能够避免光损耗和交叉旋转 的图像传感器及其制造方法。
将在下文中阐述本发明的其他优点、目的和特4正一部分， 一部 分对于本领域的普通^支术人员而言通过下文的实-验将变4寻显而易 见或者可以从本发明的实践中获得。通过所撰写的说明书及其权利 要求以及附图中特别指出的结构，可以了解和获知本发明的这些目 的和其他优点。
为了实现这些目的和其他优点以及才艮据本发明的目的，如在本 文中所体现和概括描述的，图像传感器包括光电二极管区，通过
在半导体衬底中注入杂质离子来形成；层间电介质，形成在半导体
衬底上；凹槽，形成在层间电介质中，对应于光电二极管区而设置； 多个折射层，顺序地气相沉积在凹槽的内表面上以分别具有不同的
6折射率；滤色器层，对应于光电二极管区而i殳置在层间电介质上； 以及孩t透4竟，对应于滤色器层而设置。
在本发明的另一个方面中， 一种用来制造图像传感器的方法包 括通过在半导体衬底中注入杂质离子来形成光电二极管区；在具 有光电二极管区的半导体衬底上形成层间电介质；在层间电介质中 形成凹槽以暴露出光电二极管区；通过改变气相沉积温度或退火温 度在凹槽的内表面上气相沉积多个折射层以分别具有不同的折射 率；在具有多个折射层的层间电介质上形成滤色器层；以及在滤色 器层上形成微透镜。
可以理解的是，本发明的上述总体描述和以下的具体描述都是 示例性的和说明性的，并且旨在提供对所要求的本发明的进一步解 释。
附图^皮包括用来4是供对本发明的进一步理解，并结合于此而构 成本申请的 一部分，本发明的示例性实施例连同描述一起用来解释
本发明的原理。在附图中
图l是示出了根据相关技术的图像传感器的截面图2a是示出了根据本发明一个实施例的图像传感器的截面图2b是示出了在图2a中所示的多个折射层中的光的折射的视
图3a到图3h是示出了用来制造根据本发明实施例的图像传感 器的方法的过程图；图4是示出了气相沉积温度和折射率之间的关系的曲线图。
具体实施例方式
现在将详细地介绍本发明的优选实施方式和在附图中示出的 实施例。在所有附图中任何所有可能的地方均使用相同的参考标号 来表示相同或相似的部件。
图2a是根据本发明一个实施例的图像传感器的截面图，特别 示出了图像传感器的光接受区的一个单元像素。参照图2a,该图像 传感器包4舌衬底210,器件隔离层217,单元光电二极管215，层 间电介质220,凹槽(未示出)，金属线225,多个折射层230、 235 和240,钝化层245,滤色器层250,平坦化层255以及微透镜260。
器件隔离层217形成在半导体衬底中，从而限定了有源区和器 件隔离区。通过在有源区中注入杂质离子(诸如N型杂质离子)来 形成单元光电二才及管215。
层间电介质220可以具有多层结构，其中，该多层结构由包括 未掺杂娃酸盐玻璃(undoped silicate glass) ( USG)或正硅酸乙酯 (tetraethoxysilane，四乙氧基硅烷)(TEOS )的多个电介质层(未 示出)构成。金属线225i殳置在层间电介质220中。
凹槽(未示出)形成在层间电介质中以暴露出对应于单元光电 二极管215的区域。凹槽可以是孔或漏斗的形式，其中，该孔或漏 斗在孔宽度上或者孔直径上从上部到下部逐渐减小。
多个折射层230、 235和240顺序堆积在凹槽的内表面上，从 而填充凹槽。折射层230、 235和240可以分别具有不同的折射率。
8例如，折射层230、 235和240的折射率可以在朝着凹槽中心的方 向上增大。
具体地，折射层230、 235和240可以包括第一折射层230, 气相沉积在凹槽的内表面上以具有第一4斤射率n 1;第二折射层235, 气相沉积在第一折射层230上以具有第二折射率n2;以及第三4斤射 层240，气相沉积在第二4斤射层235上以具有第三折射率n3。这里， 第二折射率n2大于第一折射率nl而小于第三折射率n3 (nl<n2<n3 )。
在形成有折射层230、 235和240的层间电介质220的整个表 面上形成钝化层245，从而保护器件免于湿气和划痕。滤色器层250 形成在4屯化层245上对应于单元光电二4及管215的位置上。平坦化 层255形成在滤色器层250上。孩i透4竟260形成在平坦4匕层255上 对应于滤色器层250的位置上。
图2b示出了净皮多个折射层230、 235和240折射的光。参照图 2b,穿过分别具有不同4斤射率的第三折射层240、第二折射层235 和第一折射层230的光Ll可以被各折射层折射或者全反射，从而 最终被单元光电二极管215所接收。通常，光在两种不同介质的界 面处^皮折射，并且折射角可以由两种介质的折射率确定。而且，折 射率由各个介质的密度确定。折射层230、 235和240的厚度(可
能全部相同或者不同)影响各个层中折射光的传播距离。例如，由 第二折射层235折射的光的传播距离与第二折射层235的厚度成比 例。
图3a到图3h仅为单元像素的截面图，用以说明制造根据本发 明实施例的图像传感器的方法。参照图3a,首先，在半导体衬底310上形成限定有源区和器件 隔离区的器件隔离层315 。可以利用硅的凹槽局部氧化法 (recessed-local oxidation of silicon) ( R画LOCOS )或者浅沟才曹隔离 (shallow trench isolation ) ( STI)〉、去来开j成器^f牛卩鬲离层315。 ；t匕夕卜， 在有源区中选择性地注入诸如N型的杂质离子，从而形成光电二极 管区320。
接下来，如图3b所示，在形成有光电二极管区320的半导体 衬底310上形成包含金属线330的层间电介质325。
层间电介质325可以具有多层结构，该多层结构由包含USG 或TEOS的多个电介质层(未示出)构成。例如，在半导体衬底310 上形成第一层间电介质(未示出)之后，可以在第一层间电介质上 形成第一金属线(未示出)，然后可以在形成有第一金属线的第一 层间电介质上形成第二层间电介质。重复实施这样的过程，从而完 成电介质层的多层结构，其中，电介质层包含金属线。然而，金属 线330没有形成在i殳置于光电二才及管区320上部处的层间电介质 (对应于光接收路径)上。
参照图3c，接下来，在层间电介质325中形成凹槽335以暴露 出光电二极管区320。对应于图像传感器的每个像素的光电二极管 区320来i殳置凹槽335。更具体地，例如，在通过光刻工艺在层间 电介质325上形成光刻胶图样(未示出)之后，利用光刻胶图样作 为掩膜蚀刻层间电介质325,其中，光刻胶图样暴露出层间电介质 325的一部分，该部分对应于每个Y象素的光电二才及管区320。 /人而， 可以形成凹槽。这里，凹槽335可以是孔或者漏斗的形式，其中， 该孔或者漏斗在孔宽度上或者孔直径上/人上部到下部逐沐斤减小。
如图3d所示，接下来，在具有凹槽335的层间电介质325的 整个表面上形成具有第一折射率nl的第一折射层340。更具体地，
10可以在凹槽350的内表面上和层间电介质325的上表面上以第一厚 度来形成第一折射层340。
接下来，如图3e所示，在第一折射层340的表面上形成具有 第二折射率n2的第二折射率层345。此外，如图3f所示，在第二 折射层345上形成具有第三折射率n3的第三折射层350，以1"更填充 凹槽335。虽然已经将本发明实施例描述为具有如图3d到图3f所 示的第一到第三折射层340、 345和350, ^f旦是，本发明并不限于这 个实施例，而是可以具有形成在凹槽内表面上的多个折射层。
图3d到图3f示出了在对应于光接收路径而设置的凹槽335中 形成多个折射层340、 345和350的过程，其中，这些折射层分别 具有不同的折射率。下文中，将详细描述形成折射层的方法。
可以将诸如TEOS或TEOS-03层的氧化层用于折射层。首先， 将TEOS方文置在4吏用N2载气(carrier gas)的反应器中，在第一气 相沉积温度Tl下，在具有凹槽335的层间电介质325的表面上气 相沉积TEOS,并持续第一处理时间以使沉积达到第一厚度dl。这 里，可以根据在第一气相沉积温度Tl下气相沉积的材料的密度来 得到第一折射层340的第一折射率nl。
图4示出了气相沉积温度与折射率之间的关系的曲线图。通常， 在预定的基准温度(例如300°C)之下，4斤射率随着气相沉积温度 的升高而增大。然而，在气相沉积温度超过基准温度以后，折射率 随着气相沉积温度的升高而减小。
在第一折射层340完全形成之后，将气相沉积温度变为第二气 相沉积温度T2并持续第二处理时间，从而在第一折射层340上以 第二厚度d2来形成第二折射层345。可以才艮据在第二气相沉积温度T2下气相沉积的材料的密度来得到第二折射层345的第二折射率 n2。
在第二折射层345完全形成之后，将气相沉积温度变为第三气 相沉积温度T3并持续第三处理时间，从而在第二折射层345上以 第三厚度d3来形成第三4斤射层350。可以才艮据在第三气相沉积温度 T3下气相沉积的材料的密度来得到第三折射层350的第三折射率 n3。
为了使进入到光电二极管中的光的损耗以及交叉旋转最小化， 有必要调节折射层的折射率以便通过折射率之间的差异将光路 (lightpath)导向光电二4及管。
为此，具体地，需要以折射层340、 345和350的顺序增大折 射率。也就是，第二折射率n2大于第一折射率nl而小于第三折射 率n3 ( nl<n2<n3 )。
例如，在约3ocrc的基准温度之下的温度区域中，可以顺序地
气相沉积第一4斤射层340、第二折射层345和第三折射层350，因 此气相沉积温度逐渐增加至T1<T2<T3。这里，可以通过改变气相 沉积温度来调整折射率nl、 n2和n3,以便将光从折射层340、 345 和350之间的界面折射到光电二极管或者全反射。
可以根据处理时间将折射层340、 345和350的气相沉积厚度 dl、 d2和d3调整为，例如，全部相同或者全部不同。折射层340、 345和350的厚度影响折射光在各个折射层中的传播距离。例如， 通过第二折射层235折射的光传播距离与第二折射层235的厚度成 比例。一处理时间来在层间电介质 325 (形成有凹冲曹335 )的表面上气相沉积TEOS达到第一厚度dl, 从而形成第一折射层340。接着，在第一退火温度Tal下将第一折 射层340退火。因此，第一折射层340根据由第一退火温度Tal确 定的密度得到了第一折射率nl 。通过在基准气相沉积温度Tref下持续第二处理时间来在第一 折射层340上气相沉积TEOS达到第二厚度d2，从而形成第二折射 层345。此外，在第二退火温度Ta2下将第二折射层345退火。因 此，第二折射层345根据由第二退火温度Ta2确定的密度得到了第 二折射率n2。通过在基准气相沉积温度Tref下持续第三处理时间来在第二 折射层345上气相沉积TEOS达到第三厚度d3，从而形成第三折射 层350。此外，在第三退火温度Ta3下将第三折射层350退火。因 此，第三折射层350根据由第三退火温度Ta3确定的密度得到了第 三折射率n3。这里，第一退火温度T1、第二退火温度T2和第三退火温度T3 可以高于基准气相沉积温度。通过将第二退火温度设置为高于第一 退火温度Tal而j氐于第三退火温度Ta3 ( Tal<Ta2<Ta3 )，可以将第 二折射率控制为高于第一折射率nl而低于第三折射率n3。通过退 火工艺可以解决在形成各个折射层340、 345和345期间产生的缺 陷。虽然根据图3d到图3f在凹槽335中形成了三层折射层340、 345和350, ^f旦本发明并不限于示出的实施例。接下来，通过化学机械抛光(CMP)将形成有折射层340、 345 和350的层间电介质325平坦化，从而4吏其暴露。在平坦化工艺之 后，形成了填充凹槽335的多个折射层340-1、 345-1和350-1。接下来，参照图3h，在包含折射层340-1、 345-1和350-1的层间电介质325上形成钝化层355，以保护器件免于湿气和划痕。在钝化层355上形成滤色器层360以对应于光电二极管区320。 ^接下来，在滤色器层360上形成平坦^fb层365，在平坦化层365上 形成〗鼓透4竟370以只于应于滤色器层360。才艮据上述实施例，在包括层间电介质325的光接收路径中(其 包括微透镜370、滤色器层360、折射层340、 345和350和光电二 极管区320),多个折射层340、 345和350能够通过它们不同的折 射率将光路转向光电二极管区320。因此，可以避免射向光电二极 管区320的光损失以及交叉^:转。从以上描述显而易见的是，在根据本发明实施例的图像传感器 及其制造方法中，利用设置在光接收路径上的多个折射层的不同的 折射率将光路转向光电二才及管。因此，可以避免光损库毛和交叉旋转。此外，由于通过改变气相沉积温度或退火温度来获得不同的折 射层，所以可以利用现有设备制造图像传感器而不会产生任何附加 的成本。而且，可以利用单一材料获得具有变化的折射率的多层膜 功能(multi-film function )。同样，可以通过改变气相沉积温度来形 成多个连续的折射层。对于本领域的才支术人员而言是显而易见的是，在不脱离本发明 的精神和范围内可以对本发明做出各种《务改及变形。因此，本发明意在涵盖在所附权利要求及其等同替换的范围内的对本发明做出 的j奮改和变形。
权利要求
1.一种图像传感器，包括光电二极管区，通过在半导体衬底中注入杂质离子来形成；层间电介质，形成在所述半导体衬底上；凹槽，形成在所述层间电介质中，对应于所述光电二极管区而设置；多个折射层，顺序地气相沉积在所述凹槽的内表面上以分别具有不同的折射率；滤色器层，对应于所述光电二极管区设置在所述层间电介质上；以及微透镜，对应于所述滤色器层而设置。
2. 根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个折射层被 设置以使折射率朝着凹槽中心的方向增大。
3. —种用于制造图像传感器的方法，包括通过在半导体衬底中注入杂质离子来形成光电二极管区；在具有所述光电二极管区的所述半导体衬底上形成层间 电介质；在所述层间电介质中形成凹槽以暴露出所述光电二极管区；通过改变气相沉积温度或退火温度，在所述凹^f曹的内表 面上气相沉积多个折射层以^吏它们分别具有不同的折射率；在具有所述多个折射层的所述层间电介质上形成滤色器层；以及在所述滤色器层上形成孩i透镜。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中，实施所述多个折射层的所 述气相沉积以使所述气相沉积的折射层的折射率顺序增大。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中，所述多个折射层的所述气 相沉积包括在第一气相沉积温度下，通过在所述凹槽的表面上气相 沉积氧化物来形成第 一折射层；在第二气相沉积温度下，通过在所述第一4斤射层上气相 沉积氧化物来形成第二折射层；以及在第三气相沉积温度下，通过在所述第二折射层上气相 沉积氧化物来形成第三折射层。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中，所述氧化物包括正硅酸乙 西旨(TEOS)或TEOS匿03。
7. 根据权利要求5所述的方法，其中，所述第二气相沉积温度高 于所述第一气相;冗积温度而j氐于所述第三气相:^积温度。
8. 根据权利要求4所述的方法，其中，所述多个折射层的所述气 相沉积包括在基准气相沉积温度下，通过在具有所述凹槽的所述层 间电介质的表面上气相沉积氧化物来形成第 一折射层；在第一退火温度下将所述气相沉积的第一折射层退火， 以使所述第一折射层具有第一折射率；在所述基准气相沉积温度下，通过在所述第一折射层上气相沉积氧4b物来形成第二折射层；以及在不同于所述第一退火温度的第二退火温度下对所述气 相沉积的第二折射层退火，以使所述第二折射层具有第二折射率。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中，所述第二退火温度高于所 述第一退火温度。
10. 根据权利要求3所述的方法，其中，实施所述多个折射层的所 述气相沉积以使所述折射层分别具有不同的厚度。
全文摘要
一种图像传感器及其制造方法。图像传感器的制造方法包括通过在半导体衬底中注入杂质离子形成光电二极管区；在具有光电二极管区的半导体衬底上形成层间电介质；在层间电介质中形成凹槽以暴露出光电二极管区；通过改变气相沉积温度或退火温度，在凹槽的内表面上气相沉积多个折射层以使它们分别具有不同的折射率；在具有多个折射层的层间电介质上形成滤色器层；以及在滤色器层上形成微透镜。
文档编号H01L27/146GK101667586SQ20091017166
公开日2010年3月10日 申请日期2009年9月3日 优先权日2008年9月5日
发明者崔夏奎 申请人:东部高科股份有限公司