专利名称：背侧照明cmos图像传感器及其制造方法
技术领域：
本发明构思的示例实施方式涉及背侧照明CMOS图像传感器，更特别地，涉及包括光电二极管的背侧照明CMOS传感器及其制造方法，该光电二极管具有凸起的光接收表面。
背景技术：
CMOS图像传感器可包括将感测到的图像转换成电信号的多个单位像素元件(像素)。每个单位像素可包括感测所输入的图像信号的光电二极管以及可用于将所感测的图像信号转换成电信号的多个MOS晶体管。光可以通过芯片的顶表面被图像传感器接收，芯片包括形成在其上的光电二极管和MOS晶体管。因为单位像素不仅包括光电二极管而且包括MOS晶体管，所以仅部分单位像素可分配给光电二极管的光接收区。背侧照明CMOS图像传感器可接收通过芯片(例如基板)的底表面的光。该背侧照明CMOS图像传感器可以以这样的方式制造形成组成背侧照明CMOS图像传感器的光电二极管和MOS晶体管；将芯片的底面研磨至最适于接收光的厚度；以及在被研磨的底面上形成滤色器和微透镜。
发明内容
本发明构思的示例实施方式可提供将入射光子折射到光电二极管的中心的背侧照明CMOS图像传感器及其制造方法。根据本发明构思的示例实施方式，提供包括金属层、绝缘层和光电二极管的背侧照明CMOS图像传感器。绝缘层可以形成在金属层上。光电二极管可以形成在绝缘层上，光电二极管的接收光的顶面具有预定曲率。根据本发明构思的另一示例实施方式，提供包括一个或多个金属层、至少一个金属间电介质、层间电介质和光电二极管的背侧照明CMOS图像传感器。该至少一个金属间电介质可以形成在一个或多个金属层之间。该层间电介质可以形成在该一个或多个金属层上。该光电二极管可以形成在该层间电介质上。该光电二极管的接收光的顶面可以朝接收光的方向凸起。根据本发明构思的另一示例实施方式，提供制造背侧照明CMOS图像传感器的方法，该背侧照明CMOS图像传感器包括具有凸起光接收面的光电二极管，该方法包括在光电二极管的光接收面的预定部分上形成小于光电二极管的岛；以及退火所述岛以形成具有凸起光接收面的光电二极管。根据本发明构思的另一示例实施方式，一种背侧照明CMOS图像传感器包括多个金属层、在该多个金属层之间的至少一个金属间电介质、在该多个金属层上的层间电介质、 以及在该层间电介质上具有凸起表面的光电二极管，该凸起表面在光电二极管的与该层间电介质相反的侧上。根据本发明构思的另一示例实施方式，一种背侧照明CMOS图像传感器包括导电层；在该导电层上的绝缘层；以及在该绝缘层上具有至少一个弯曲表面的光电二极管。
示例实施方式将从下面结合附图的简要描述被更清楚地理解。图1-10非限制性地表示在此描述的示例实施方式。图1是横截面示图，示出根据本发明构思的示例实施方式的背侧照明CMOS图像传感器的堆叠结构；图2是横截面示图，示出根据本发明构思的示例实施方式的背侧照明CMOS图像传感器的堆叠结构；图3是横截面示图，示出具有平坦光接收表面的光电二极管；图4是横截面示图，示出包括凸起的光接收表面的光电二极管；图5是根据本发明构思的示例实施方式的CMOS图像传感器的单位像素的电路图；图6是单位像素的横截面示图；图7-9是横截面示图，示出根据本发明构思的示例实施方式的光电二极管和MOS 晶体管的制造方法；以及图10是框图，示出根据示例实施方式的包括背侧照明CMOS图像传感器的基于处理器的系统。这些图旨在示出在特定示例实施方式中使用的方法、结构和/或材料的一般特征并且旨在补充以下提供的书面描述。然而，这些图没有按比例绘制并且可以不精确地反映任何所给实施方式的精确结构特征或性能特征，且不应被解释为定义或限制由示例实施方式所包括的特性或数值的范围。例如，为了清晰，可以减少或夸大微结构(molecule)、层、区域和/或结构元件的相对厚度和位置。在不同的图中使用相似或相同的附图标记旨在显示相似或相同的元件或特征的存在。
具体实施例方式现在将参照其中示出示例实施方式的附图更全面地描述本发明构思的示例实施方式。然而，实施方式可以体现为许多不同的形式，不应解释为局限于在此阐述的实施方式；而是，提供这些实施方式使得本公开将彻底和完整，并将示例实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员。在图中，为了清晰，夸大了层和区域的厚度。在图中相似的附图标记表示相似的元件，因而将省略对它们的描述。将理解，当元件被称为“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一元件时，则没有中间元件存在。相似的附图标记通篇表示相似的元件。如这里所使用的，术语“和/或”包括相关列举项中的一个或更多的任何和所有组合。用于描述元件或层之间的
关系的其它词语应以相似的方式理解(例如，“在......之间”与“直接在......之间”，
“邻近”与“直接邻近”，“在......上”与“直接在......上”)。将理解，虽然术语“第一”、“第二”等可在此用来描述各种元件、部件、区域、层和/ 或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一元件、部件、区域、层或部分区别开。因此，下面论述的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分，而不背离示例实施方式的教导。在这里为了描述的方便，可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上方”、“上”等，来描述一个元件或特征与另一元件(或多个元件)或特征(或多个特征)如图所示的关系。将理解，空间相对术语旨在包含除了图示取向之外器件在使用或操作中的不同取向。例如，如果图中的器件被倒置，则描述为在其它元件或特征“下方”或“下面”的元件则应取向在所述其它元件或特征的“上方”。因此，示范性术语“下方”能包含上和下两种取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)且相应地解释这里使用的空间相对描述语。这里所使用的术语是仅用于描述特定实施方式，无意限制本发明构思的示例实施方式。这里使用时，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外表示。还将理解，当在此使用时术语“包括”和/或“包含”说明所述特征、整体、步骤、 操作、元件和/或部件的存在，但是不排除存在或添加一个或更多其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组。这里参考横截面图描述了本发明构思的示例实施方式，该横截面图是示例实施方式的理想实施方式(和中间结构)的示意图。因此，可以预期由于例如制造技术和/或容差引起的图示形状的变化。因而，示例实施方式不应解释为局限于这里所示的特定区域形状，而是包括由于例如制造引起的形状的偏离。例如，示为矩形的注入区可具有圆化或弯曲的特征和/或在其边缘具有注入浓度的梯度，而不是从注入区到非注入区的二元变化。相似地，由注入形成的埋入区可以引起埋入区和通过其进行注入的表面之间的区域中的一些注入。因此，图中示出的区域本质上是示意性的，它们的形状无意示出器件的区域的实际形状且无意限制示例实施方式的范围。除非另外定义，否则这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有示例实施方式所属领域的普通技术人员一般理解的相同意思。还将理解，术语，诸如在公共使用的字典中定义的那些，应解释为具有与它们在相关领域的背景中的涵义一致的涵义，而不应在理想化或过于正式的意义上理解，除非在这里明确地如此定义。本发明构思的示例实施方式可包括具有凸起的光接收面的光电二极管。当与光对应的光子输入到光电二极管时，光子可以被折射并集中到光电二极管的中心上。因为大多数所输入的光子可被折射并且集中到光电二极管的中心上，所以相对少的光子可落在相邻光电二极管上或附近。落在相邻光电二极管上或附近的光子可能被传送到相邻的光电二极管并且被错误地转变成电信号。相邻光电二极管中的电信号的误产生可被称为串扰。如果发生串扰，则不能产生正确的图像信号。图1是横截面图，示出根据本发明构思的示例实施方式的背侧照明CMOS图像传感器的堆叠结构。图1示出背侧照明CMOS图像传感器100的多个单位像素中的两个。参考图1，单位像素可包括第二导电层110、在第二导电层110上的层间电介质120、在层间电介质120上的第一导电层130以及在第一导电层130上的层间电介质140。光电二极管PDl 和PD2可以在层间电介质140上。光电二极管PDl和PD2的光接收表面可以是弯曲的，而光电二极管PDl和PD2的在层间电介质140上的表面可以是平坦的。第一平坦化层150可以在光电二极管PDl和PD2上，滤色器160可以在第一平坦化层150上，第二平坦化层170可以在滤色器上，微透镜180可以在第二平坦化层170上。光电二极管PDl和PD2可以通过隔离材料190彼此分隔开。第一导电层130和第二导电层110可以是例如金属。图2是横截面图，示出根据本发明构思的示例实施方式的背侧照明CMOS图像传感器的堆叠结构。图2示出背侧照明CMOS图像传感器200的多个单位像素中的两个。参考图2，单位像素可包括第二导电层210、在第二导电层210上的层间电介质220、在层间电介质220上的第一导电层230、以及在第一导电层230上的层间电介质M0。光电二极管PDl 和PD2可以在层间电介质240上。光电二极管PDl和PD2的光接收表面可以是弯曲的，而光电二极管PDl和PD2的在层间电介质240上的表面可以是平坦的。滤色器250可以在光电二极管PDl和PD2上，平坦化层260可以在滤色器250上，微透镜270可以在第一平坦化层260上。光电二极管PDl和PD2可以通过隔离材料280彼此分隔开。滤色器250中的虚线示出具有平坦表面的滤色器的示例实施方式。滤色器250的顶表面和底表面可以是弯曲的和/或滤色器250的顶表面可以是平坦的而滤色器250的底表面可以是弯曲的。其它组合是可能的，并且示例实施方式不限于此。图2示出的背侧照明CMOS图像传感器200的滤色器250的曲率可以例如与光电二极管PDl和PD2的在滤色器250下的表面的曲率相同，而图1示出的背侧照明CMOS图像传感器100的滤色器160 的表面可以是平坦表面。图2示出的背侧照明CMOS图像传感器200可包括单个平坦化层沈0，而图1示出的背侧照明CMOS图像传感器100可包括第一平坦化层150和第二平坦化层170。图1和图2示出的背侧照明CMOS图像传感器100和200可以例如根据制造CMOS 图像传感器的两种不同方法形成。光电二极管和MOS晶体管以及用于电连接光电二极管和MOS晶体管的金属层可以形成在基板(例如晶片)的第一侧上。例如，图1和图2示出的背侧照明CMOS图像传感器 100和200的多个层中的光电二极管PDl和PD2、层间电介质层140和M0、第一金属层130 和230、金属间电介质120和220、以及第二金属层110和210可以形成在基板的第一侧上。 基板的第二侧可以被研磨至期望厚度。平坦化层150和沈0、滤色器160和250以及微透镜 180和270可以形成在基板第二侧的研磨面上。图3是横截面图，示出具有平坦的光接收表面的光电二极管PDl和PD2。参考图 3，因为光电二极管PDl和PD2的光接收表面可以是平坦的，所以入射到光电二极管PDl和 PD2的光子的方向可以对应于光电二极管PDl和PD2内光子行进的方向。如果光由光子表示，则图3示出输入到光电二极管PDl和PD2的八个光子1-8。八个光子中的四个可输入到光电二极管PDl，另四个光子可输入到光电二极管PD2。两个光子4和5可以在光电二极管 PDl和PD2的边界(图3的虚线)附近。在光子被转变成电信号时两个光子4和5中的任一个可以移到其相邻的光电二极管且可引起串扰。图4是横截面图，示出包括凸起的光接收表面的光电二极管。参考图4，光电二极管PDl和PD2的光接收表面可以是弯曲的，入射光子可以朝光电二极管PDl和PD2的中心行进而与光子的入射方向无关。八个光子中的光子1、2、3和4可以输入到光电二极管PD1， 光子5、6、7和8可以输入到光电二极管PD2。光子4和5可以分别集中到光电二极管PDl 和PD2的中心。在光子被转变成电信号时，光子4和5不易移到相邻的光电二极管。图5是根据本发明构思的示例实施方式的CMOS图像传感器的单位像素的电路图。 参考图5，单位像素500可以包括光电二极管PD，用于感测光；转移晶体管M1，用于将集中在光电二极管PD上的光子转移到浮置扩散区F/D ；重置晶体管M2，用于重置浮置扩散区F/ D ；转换晶体管M3，用于产生与转移到浮置扩散区F/D的光子相应的电信号；以及选择晶体管M4，用于传输电信号到外部器件。电源Vdd可以连接在重置晶体管M2和转换晶体管M3之间。电源Vss可以连接到光电二极管PD。转移晶体管Ml、重置晶体管M2、以及选择晶体管M4的操作可以分别通过转移控制信号Tx、复位控制信号RE以及选择控制信号控制。背侧照明CMOS图像传感器可以根据接收光的方向而与常规CMOS图像传感器区别开。背侧照明CMOS图像传感器可以接收输入到光电二极管PD的P型电极的光LIGHT 2，而常规CMOS图像传感器可以接收输入到光电二极管PD的N型电极的光LIGHT 1。在常规CMOS图像传感器中，MOS晶体管可以阻挡单位像素的入射光输入到光电二极管。背侧照明CMOS图像传感器可以接收通过整个单位像素的光，背侧照明CMOS图像传感器的光接收效率可以高于常规CMOS图像传感器的光接收效率。图6是单位像素600的横截面图。参考图6，单位像素600可以包括在P型基板 SUB上的光电二极管PD和MOS晶体管M0S。单位像素可以根据例如CMOS工艺形成。光电二极管PD的第一电极可对应于基板SUB，光电二极管PD的第二电极可以对应于N+型扩散区。 MOS晶体管MOS可以通过施加信号到两个N+型扩散区之间的栅极而操作。栅极可以包括例如堆叠在基板SUB上的栅电介质⑶(例如SiO2)和栅导电膜GC (例如多晶硅)。光LIGHT 2 输入到光电二极管PD的P基板SUB时光电二极管PD的可接收光LIGHT 2的区域可以大于光LIGHT 1输入到光电二极管PD的N+型扩散区时光电二极管PD的可接收光LIGHT 1的区域。根据本发明构思的示例实施方式的背侧照明CMOS图像传感器可以接收输入到光电二极管PD的P基板SUB的光。图7-9是横截面图，示出根据示例实施方式的制造光电二极管和MOS晶体管的方法。图7示出单位像素700，单位像素700包括当晶片面朝下时形成在晶片上的光电二极管PD2和MOS晶体管。参考图7，在形成单位像素700的工艺期间对应最下层的光电二极管 PD2被示为顶层，在形成单位像素700的工艺期间对应顶层的导电层710示为最下层。层间电介质720可以将用作光电二极管的电极的基板与导电层710分隔开。在形成光电二极管和MOS晶体管后，其上形成光电二极管的电极的基板表面可以被研磨以调整光电二极管的端子的宽度。研磨深度可以针对选择来形成岛的工艺调整。图8是单位像素800的横截面图，示出形成在光电二极管PD2上的岛830。参考图8，单位像素800可以包括岛830，其小于基板的用作光电二极管PD2的电极的区域。可对于每个单位像素800形成岛830，岛830的尺寸可以根据后续处理变化。岛830的形状可对应于单位像素800的形状并且可以根据单位像素800的形状按比例缩小。例如，如果单位像素800具有矩形形状，则岛830可具有矩形形状；如果单位像素800具有六边形或八边形形状，则岛830可具有六边形或八边形形状。此外，岛830可具有圆形形状。岛830的形状不受限制。根据本发明构思的示例实施方式的岛830可以通过形成定义岛830的掩模来制造，例如，岛830可以通过光刻工艺来定义，光刻工艺中光致抗蚀剂保留在光电二极管 PDl和PD2的将要形成岛830的部分上。岛830 (例如硅岛)可以利用蚀刻工艺蚀刻没有光致抗蚀剂存在的区域中的基板来形成。图9是单位像素900的横截面图，示出热工艺的结果。例如，热可以施加到形成在光电二极管PD2上的岛830使得光电二极管的光接收表面弯曲。单位像素900可以通过施加热到岛830使得光电二极管PDl和PD2的光接收表面弯曲而形成。图10是框图，示意性示出包括背侧照明CMOS图像传感器1040的基于处理器的系统1000。参考图10，基于处理器的系统1000可以包括经由汇流线1060彼此通信的处理器 (CPU) 1010、随机存取存储器(RAM) 1020、硬盘驱动器(HDD) 1030、背侧照明CMOS图像传感器 1040以及输入/输出(I/O)器件1050。背侧照明CMOS图像传感器1040可以是以上关于图 1-9描述的图像传感器之一。背侧照明CMOS图像传感器1040可以接收来自处理器1010和 /或基于处理器的系统1000的其它元件的控制信号和/或数据。背侧照明CMOS图像传感器1040可以将基于控制信号和/或数据定义图像的信号供应到处理器1010。处理器1010 可以处理从背侧照明CMOS图像传感器1040接收的信号。基于处理器的系统1000的示例可以包括例如数字电路、计算机系统、摄影机系统、扫描仪、视频电话、电子监视系统、车辆导航系统、自动聚焦系统、星象跟踪系统(star tracker system)、运动检测系统、图像稳定系统、数据压缩系统、和/或可以包括根据示例实施方式的背侧照明CMOS图像传感器的其它各种系统。虽然已经特别地显示并描述了本发明构思的示例实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，可以在其中进行形式和细节上的变化而不脱离权利要求书的精神和范围。本申请要求享有2010年2月5日提交到韩国知识产权局(KIPO)的韩国专利申请 No. 10-2010-0011180的优先权，在此通过引用并入其全部内容。
权利要求
1.一种背侧照明CMOS图像传感器，包括 导电层；在所述导电层上的绝缘层；以及在所述绝缘层上的具有至少一个弯曲表面的光电二极管。
2.根据权利要求1所述的背侧照明CMOS图像传感器，其中所述光电二极管的所述至少一个弯曲表面是凸起表面，且所述光电二极管配置来接收通过所述凸起表面的光。
3.根据权利要求1所述的背侧照明CMOS图像传感器，还包括 在所述光电二极管上的第一平坦化层。
4.根据权利要求3所述的背侧照明CMOS图像传感器，还包括 在所述第一平坦化层上的滤色器。
5.根据权利要求4所述的背侧照明CMOS图像传感器，其中所述滤色器是平坦的。
6.根据权利要求4所述的背侧照明CMOS图像传感器，还包括 在所述滤色器上的微透镜。
7.根据权利要求6所述的背侧照明CMOS图像传感器，还包括 在所述滤色器与所述微透镜之间的第二平坦化层。
8.根据权利要求1所述的背侧照明CMOS图像传感器，还包括 在所述光电二极管上的滤色器。
9.根据权利要求8所述的背侧照明CMOS图像传感器，其中所述滤色器的距所述光电二极管最远的表面是平坦的。
10.根据权利要求8所述的背侧照明CMOS图像传感器，其中所述滤色器的距所述光电二极管最远的表面是弯曲的。
11.根据权利要求10所述的背侧照明CMOS图像传感器，其中所述滤色器的所述表面的曲率对应于所述光电二极管的所述至少一个弯曲表面的曲率。
12.根据权利要求10所述的背侧照明CMOS图像传感器，还包括在所述滤色器上的微透镜。
13.根据权利要求12所述的背侧照明CMOS图像传感器，还包括在所述滤色器与所述微透镜之间的平坦化层。
14.一种背侧照明CMOS图像传感器，包括 多个金属层；在所述多个金属层之间的至少一个金属间电介质； 在所述多个金属层上的层间电介质；以及在所述层间电介质上的具有凸起表面的光电二极管，所述凸起表面在所述光电二极管的与所述层间电介质相反的侧上。
15.根据权利要求14所述的背侧照明CMOS图像传感器，还包括在所述光电二极管的凸起表面上的滤色器和微透镜。
16.根据权利要求15所述的背侧照明CMOS图像传感器，其中所述滤色器的距所述光电二极管最远的表面是平坦的，所述微透镜在所述滤色器的所述平坦表面上。
17.根据权利要求16所述的背侧照明CMOS图像传感器，还包括在所述光电二极管与所述滤色器之间的平坦化层。
18.根据权利要求15所述的背侧照明CMOS图像传感器，其中所述滤色器的距所述光电二极管最远的表面是弯曲的，所述滤色器的所述弯曲表面的曲率对应于所述光电二极管的所述凸起表面的曲率。
19.根据权利要求18所述的背侧照明CMOS图像传感器，还包括在所述滤色器与所述微透镜之间的平坦化层。
20.一种制造权利要求14的背侧照明CMOS图像传感器的方法，包括 在所述光电二极管的所述相反侧上形成比所述光电二极管小的岛；以及退火所述岛以形成具有所述凸起表面的所述光电二极管。
全文摘要
本发明公开一种具有凸起的光接收面的背侧照明CMOS图像传感器及其制造方法。背侧照明CMOS图像传感器包括金属层、绝缘层和光电二极管。绝缘层在金属层上。光电二极管在绝缘层上，光电二极管的接收光的顶面是弯曲的。制造具有带凸起表面的光电二极管的背侧照明CMOS图像传感器的方法包括在光电二极管的光接收面的一部分上形成小于光电二极管的岛；以及退火所述岛以形成具有凸起的光接收面的光电二极管。
文档编号H01L27/146GK102194838SQ20111002799
公开日2011年9月21日 申请日期2011年1月26日 优先权日2010年2月5日
发明者安正*, 李景镐 申请人:三星电子株式会社