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及其制造方法。更具体而言，本发明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，其中通过简化光刻程序减少了制造成本，并通过解决滤色器层与微透镜之间的对准问题提高了成品率。
背景技术：
通常，图像传感器是一种将光学图像转换成电信号的半导体器件。半导体图像传感器可分成电荷耦合器件(CCD)和CMOS图像传感器。
CMOS图像传感器包括用于检测光线的光电二极管区，和用于处理检测到的光线以生成电信号的CMOS逻辑电路区。光电二极管的光敏度特性可取决于光电二极管的大小。通常，如果光电二极管的感光面积很大，则该图像传感器将会有优异的光敏度特性。
要改善光敏度，必须提高填充系数(即，光电二极管在图像传感器总面积中所占的面积)。可选地，也许得改变可以直射到光电二极管以外区域的入射光的路径，以将光会聚至光电二极管上。
通常采用微透镜将光会聚至光电二极管上。在光电二极管上形成由具有良好的光透射特性的材料制成的凸微透镜，以折射入射光的路径，从而将更多的光透射和/或照射至光电二极管。这样，微透镜折射平行于微透镜光轴的光，以使焦点形成于光轴的特定位置或沿光轴的特定位置。
根据每单位像素或光电二极管的晶体管数量，可将CMOS图像传感器分类为三晶体管(3T)型、四晶体管(4T)型、和五晶体管(5T)型。3T型CMOS图像传感器包括光电二极管和三个晶体管。4T型CMOS图像传感器包括光电二极管和四个晶体管。5T型CMOS图像传感器包括光电二极管和五个晶体管。下面将参照图1-图3，描述3T型CMOS图像传感器的单位像素的等效电路和布置图。
图1是示出常规3T型CMOS图像传感器的等效电路图。图2是示出常规3T型CMOS图像传感器的布置图。图3是示出相关技术CMOS图像传感器的剖视图。
如图1所示，3T型CMOS图像传感器的单位像素包括光电二极管PD和三个NMOS晶体管T1、T2、和T3。光电二极管的阴极连接至第一NMOS晶体管T1的漏极和第二NMOS晶体管T2的栅极。第一和第二NMOS晶体管T1和T2的源极连接至供有基准电压VR的电源线。第一NMOS晶体管T1的栅极连接至供有复位信号RST的复位线。此外，第三NMOS晶体管T3的源极连接至第二NMOS晶体管T2的漏极。第三NMOS晶体管T3的漏极通过信号线连接至读取电路(未示出)，其栅极连接至供有热选择信号SLCT的热选择线。因此，第一NMOS晶体管T1可称作复位晶体管Rx，第二NMOS晶体管T2可称作激励晶体管Dx，第三NMOS晶体管T3可称作选择晶体管Sx。
如图2所示，在3T型CMOS图像传感器的单位像素中，光电二极管20形成于有源区10的宽部中，并且三个晶体管Rx、Dx、和Sx的栅电极30、40、和50分别形成于有源区10剩余部分的上面。换而言之，复位晶体管Rx部分地由栅电极30限定，激励晶体管Dx部分地由栅电极40限定，以及选择晶体管Sx部分地由栅电极50限定。将杂质离子注入各晶体管的有源区10的除了栅电极30、40、和50之下部分以外的部分，以形成各晶体管Rx、Dx、和Sx的源极区和漏极区。向复位晶体管Rx与激励晶体管Dx之间的源极区施加电源电压Vdd。选择晶体管Sx的漏极连接至读取电路(未示出)。
栅电极30、40、和50的一端均具有衬垫，以能够从各自的外部驱动电路(未示出)连接至信号线(未示出)。
下面将参照图3描述具有微透镜的相关技术CMOS图像传感器。图3是示出相关技术CMOS图像传感器的剖视图。
如图3所示，相关技术CMOS图像传感器包括衬底层11，具有光电二极管区和金属线形成于半导体衬底(未示出)中，以响应入射光生成电荷；电介质中间层12，形成于衬底层11的整个表面上；红色(R)、绿色(G)、和蓝色(B)滤色器层13，形成于电介质中间层12上，以分别使特定波长的光达到光电二极管区；平面层14，形成于滤色器层13上；以及凸微透镜15，其具有特定曲率，形成于平面层14上，以将光会聚到其在滤色器层13中的对应滤色器上，从而将色分离的光会聚到光电二极管区。
尽管图中未示出，可在电介质中间层12中形成遮光层，以防止光进入除光电二极管区以外的区域。CMOS图像传感器可包括光栅(photogate)(而不是光电二极管)，用于检测光。
在沉积了对应的光敏材料后，各个R、G、和B滤色器层13利用单独的掩模通过光刻法蚀刻处理形成。
此外，微透镜15的曲率和高度是考虑了各种因素(例如会聚光的焦点)来确定的。通常使用光刻胶来形成微透镜15。微透镜15通过沉积、形成图样、以及回流处理来形成。
然而，相关技术的CMOS图像传感器及其制造方法存在一些问题。
首先，由于滤色器层形成于微透镜之下，所以如果微透镜15与滤色器层13的对准超出了极限范围，则图像传感器的操作当中会发生不对准问题，从而可导致不能显示正常颜色。
第二，由于微透镜15是通过以150℃到200℃之间的温度回流保护层(resist，抗蚀剂)而形成，所以这些微透镜易受温度变化和保护层厚度的影响。这些因素可导致微透镜15与滤色器层13之间的对准误差，从而降低了成品率。
最后，由于滤色器层13和微透镜15分别由单独的光刻处理形成，所以增加了光刻处理的次数。这增加了制造成本。
发明内容
因此，本发明旨在提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，其能够基本消除由于相关技术的局限性和缺陷导致的一个或多个问题。
本发明的一个目的在于提供一种CMOS图像传感器及其制造方法，其中通过简化光刻程序减少了制造成本，并通过解决滤色器层与微透镜之间的对准问题提高了成品率。
本发明的其它优点、目的和特征将至少部分地在随后的说明书中阐述，部分地在本领域普通技术人员分析以下内容的基础上变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其它优点可通过在说明书、权利要求、以及附图中所特别指出的结构来实现和达到。
为了实现这些目标和其它优点，并根据本发明的目的，如本文中所体现和概括描述的，根据本发明的CMOS图像传感器，包括衬底层，其包括光电二极管和多个晶体管；平面层，位于衬底层上；以及整体式微透镜滤色器结构，其以恒定间距位于平面层上。
在本发明的另一方面中，一种用于制造CMOS图像传感器的方法，其包括在具有光电二极管和多个晶体管的衬底层的整个表面上形成平面层；以恒定的间距在平面层上形成多个滤色器层；以及通过回流滤色器层，从该滤色器层形成微透镜。
应该了解，本发明的前面的概述以及随后的详述是示范性和说明性的，目的在于提供对所要求的本发明的进一步的说明。
附图提供了对本发明的进一步理解，其被并入并且构成本申请的一部分。
本发明的实施例，并与说明书一起解释本发明的原理。在附图中图1是示出常规3T型CMOS图像传感器的等效电路图；图2是示出常规3T型CMOS图像传感器的布置图；图3是相关技术的CMOS图像传感器的剖视图；
图4是示出根据本发明的实施例的CMOS图像传感器的剖视图；以及图5A和图5B是示出根据本发明的实施例的制造CMOS图像传感器的过程步骤的剖视图。
具体实施例方式
以下将详细参照本发明的优选实施例，其实例在附图中示出。尽可能地，在所有附图中使用相同的参考标号表示相同或相似的部件。
图4是根据本发明的实施例的CMOS图像传感器的剖视图。
如图4所示，根据本发明的实施例的CMOS图像传感器包括平面层110，形成于衬底层100的整个表面上；以及多个微透镜130，其具有或提供滤色器功能，以基本恒定的间距形成于平面层110上。衬底层100具有单位像素(未示出)，其包括(i)受光区，例如光电二极管；以及(ii)CMOS逻辑电路，例如上述的各种晶体管(例如，图1-图2中的Rx、Dx、和Sx)。可用其他光变送器，例如光栅来代替光电二极管。单位像素可包括各种CMOS逻辑电路(例如3T、4T、5T型)中的任何一种。
微透镜滤色器结构130可用作滤色器层R、G、和B，或用作其他颜色方案(例如黄色、品红、和青色)的滤色器层。
图5A和图5B是示出根据本发明的实施例的制造CMOS图像传感器的过程步骤的剖视图。
如图5A所示，平面层110形成于衬底层100的整个表面上，该衬底层具有诸如光电二极管的受光区和各种晶体管，以构成单位像素(未示出)。可在衬底层100上和/或衬底层中形成单位像素的阵列(未示出)。
平面层110可通过例如CVD(化学气相沉积)形成。可通过例如CMP(化学机械抛光)、回流、回蚀(etchback)等使平面层110的表面平坦化。执行平坦化以消除涂层厚度和/或层高度的(例如，来自于光电传感器的)各种变化，这些变化可导致性能问题(例如，由下层的形貌变化导致的变色)。厚度和/或高度变化会导致穿透辐射中的强度变化，导致不可预测的光电响应，从而降低了产品性能。
在平面层110上顺序地形成多个滤色器层120(例如R、G、和B)。滤色器层120通常形成为与单位像素(未示出，但通常位于衬底层100的底部中)相对应或相对准，单位像素被设置为接收通过滤色器层120的照射辐射。各滤色器层120厚度可为1μm到5μm，其可通过沉积相应的光刻胶材料并使用单独的掩模(通常用于各滤色器层)通过光蚀刻处理使光刻胶材料形成图样来形成。各滤色器层120用于根据各滤色器层的波长吸收/透射特性来滤光。
在某些实施例中，滤色器层120可通过首先在平面层110上通过本领域公知的均厚沉积(blanket deposition，席状沉积)(例如，CVD，诸如PE-CVD或HDP-CVD，从诸如TEOS或硅烷(SiH4)的硅源、和诸如臭氧(O3)或氧气(O2)的氧源)形成牺牲氧化层(未示出)来形成。于2005年8月16日提交的美国专利申请第11/＿＿,＿＿号(代理人卷号第OPP-GZ-2005-0074-US-00号)中更加详细地描述了该处理，其相关部分结合于此作为参考，当平面层110包含具有比牺牲氧化层更低的蚀刻率的材料时，该处理会更有利于执行。
当在平面层110上形成氧化层(未示出)之后，在其上面涂覆光刻胶(未示出)。然后，执行曝光和显影程序。利用光刻胶图样作为蚀刻掩模，蚀刻氧化层(未示出)，由此，使氧化层具有或配有预定图样。在形成滤色器层120之后，通过选择性蚀刻处理可容易地去除形成图样的氧化层。
当使氧化层(未示出)形成图样后，在形成图样的氧化层的暴露了平面层110的多个部分的一个或多个开口中，涂覆或沉积用于蓝色滤色器层的保护层(未示出)。在蓝色滤色器保护层上执行曝光和显影程序(以及可选地，平坦化程序)，从而形成蓝色保护层图样，其被确定为与滤色器层120中的一个。
对例如红色和绿色的其他滤色器层重复执行该程序。从而，在平面层110的暴露部分以及形成图样的氧化层(未示出)的开口中形成用于蓝色、红色、和绿色滤色器层的保护层。此后，去除形成图样的氧化层(未示出)。
可选地，在不使用牺牲层的情况下，通过常规光刻法和显影或蚀刻，直接在平面层110上每次一个地形成各个滤色器层(例如，红色、绿色、和蓝色，或黄色、品红、和青色)。显然，在各个实施例中，可以改变制造滤色器层的次序以及颜色和颜色方案本身。
如图5B所示，通过回流形成于平面层110上的滤色器层120，来形成整体式微透镜滤色器结构的微透镜130。回流温度可在100℃至250℃之间，但优选地在150℃至200℃之间。实际上，实际的回流温度或温度范围可取决于本领域中的技术人员已知的多个变量(例如，所用的特定材料，期望的透镜形状等)。可在平面层110上形成微透镜滤色器结构的阵列，该阵列与衬底层100上的单位像素的阵列对准。在某些实施例中，微透镜130以相互分开的方式分别地形成。各实施例中的间距可以不同，最低至零间距。间距取决于多个因素，包括与底部图像传感器元件(未示出)的对准。在某些实施例中，间距可为基本恒定的间隔。
如上所述，根据本发明的CMOS图像传感器及其制造方法具有以下优点。
由于滤色器层和微透镜形成为整体，所以可使滤色器层与微透镜之间的不对准最小化，从而提高成品率。
另外，由于微透镜通过回流滤色器层形成，所以滤色器层和微透镜可通过执行一次光刻处理同时形成。因此，可减少制造成本。
此外，根据本发明的自对准图像传感器可使光透射效率提高，这是因为在微透镜与滤色器之间没有了中间层或交界面(在通常情况下，其会将一些光反射回常规CMOS图像传感器的表面)。
尽管结合目前认为是可行的典型实施例对本发明进行了描述，但是应该理解本发明不局限于所披露的实施例，相反，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
权利要求
1.一种CMOS图像传感器，包括衬底层，其包括光电二极管和多个晶体管；平面层，位于所示衬底层上；以及微透镜滤色器结构，其位于所述平面层上，以基本恒定的间距隔开。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述微透镜滤色器结构的厚度为1μm到5μm。
3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述微透镜滤色器结构将光会聚到对应的光电二极管上，并用作滤色器。
4.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述多个晶体管包括读取晶体管、激励晶体管、和选择晶体管。
5.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述微透镜滤色器结构包括红色滤色器、蓝色滤色器、和绿色滤色器。
6.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其中所述微透镜滤色器结构包括黄色滤色器、品红色滤色器、和青色滤色器。
7.一种用于制造CMOS图像传感器的方法，包括在包括光电二极管和多个晶体管的衬底层的表面上形成平面层；以恒定的间距在所述平面层上形成多个滤色器层；以及通过回流所述滤色器层，形成整体式微透镜滤色器结构。
8.根据权利要求7所述的方法，其中回流以100℃到250℃范围内的温度执行。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述回流处理以150℃到200℃范围内的温度执行。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述微透镜滤色器结构的厚度为1μm到5μm。
11.根据权利要求7所述的方法，其中所述平面层包括氮化层和氧化层中的一种。
12.根据权利要求7所述的方法，还包括在形成所述多个滤色器之前，形成滤色器图样形成层。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括在形成所述多个滤色器之后，去除所述滤色器图样形成层。
14.一种CMOS图像传感器，包括衬底，其包括光电传感器和CMOS逻辑电路的阵列；平面层，位于所述衬底上；以及多个整体式微透镜滤色器结构，位于所述平面层上。
15.根据权利要求14所述的CMOS图像传感器，其中所述微透镜滤色器结构的厚度为1μm到5μm。
16.根据权利要求14所述的CMOS图像传感器，其中所述微透镜滤色器结构将光会聚到对应的光电二极管上，并用作滤色器。
17.根据权利要求14所述的CMOS图像传感器，其中各所述光电传感器包括光电二极管。
18.根据权利要求14所述的CMOS图像传感器，其中所述CMOS逻辑电路包括多个晶体管。
19.根据权利要求18所述的CMOS图像传感器，其中所述多个晶体管包括读取晶体管、激励晶体管、和选择晶体管。
20.根据权利要求14所述的CMOS图像传感器，其中所述微透镜滤色器结构包括红色滤色器、蓝色滤色器、和绿色滤色器，或黄色滤色器、品红色滤色器、和青色滤色器。
全文摘要
本发明提供了一种CMOS图像传感器及其制造方法，其中通过减少光刻处理的次数减少了制造成本，并通过解决滤色器层与微透镜之间的对准问题提高了成品率。在一个实施例中，该CMOS图像传感器包括衬底层，其具有单位像素(例如，光电二极管和各种晶体管)；平面层，位于衬底层上；以及多个微透镜滤色器结构，其以恒定间距形成于平面层上。
文档编号H04N5/369GK1773713SQ20051010808
公开日2006年5月17日 申请日期2005年9月29日 优先权日2004年11月9日
发明者金荣实 申请人:东部亚南半导体株式会社