CN101471297A

CN101471297A - 图像传感器及其制造方法

Info

Publication number: CN101471297A
Application number: CNA2008101698015A
Authority: CN
Inventors: 尹盈提
Original assignee: Dongbu Electronics Co Ltd
Current assignee: DB HiTek Co Ltd
Priority date: 2007-12-24
Filing date: 2008-10-07
Publication date: 2009-07-01
Also published as: US20090160002A1; KR20090068808A; KR100937662B1

Abstract

一种图像传感器及其制造方法，该图像传感器可包括：光电二极管，形成在半导体衬底上方；层间电介质，可包括位于晶体管区中的多条金属线，可形成在半导体衬底上方，其包括波导电介质，用于在光电二极管区中引导入射光；折射层，可形成在层间电介质中的波导电介质的底部；滤色镜，可形成在层间电介质的上表面上方；覆盖膜，可形成在滤色镜上方；微透镜，可形成在层间电介质上方。由此，能在波导底部有效抑制高反射率，同时确保该波导针对非垂直入射光的反射率。

Description

图像传感器及其制造方法

相关申请的交叉参考

本申请基于35 U.S.C.119而要求韩国专利申请10-2007-0136571号(申请日为2007年12月24)的优先权，并在此通过参考援引该申请的全部内容。

技术领域

本发明涉及一种半导体器件，尤其涉及一种图像传感器及其制造方法。

背景技术

图像传感器为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为电荷耦合器件(CCD)和互补型金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。采用每一像素至少有一个MOS晶体管的切换方式，CMOS图像传感器同时组合了控制电路和信号处理电路。CMOS传感器通过MOS晶体管检测输出。

CMOS图像传感器包括光电二极管和多个MOS晶体管。基本上，CMOS图像传感器通过将光信号(即从图像传感器芯片的前面或背面入射的可见光)转换成电信号来实现成像。近年来，开发出了一种具有垂直光电二极管的垂直图像传感器。与水平图像传感器相比，垂直图像传感器具有在一个像素中实现多种颜色的能力。

图1为通过下列工艺制造的有关的CMOS图像传感器的剖视图。请参照图1，可在半导体衬底1上方形成至少一个光电二极管2。在包括光电二极管2的半导体衬底1上方，可形成包括金属线的多层结构的层间电介质3。可使用汽相沉积技术，通过在层间电介质3上方沉积氧化物或氮化物来形成保护电介质4。此外，可在该保护电介质4上方与光电二极管2对应地形成至少一个滤色镜。最后，可形成至少一个微透镜7。可在微透镜7的下部加覆盖膜(overcoat)。

在上述制造图像传感器的工艺中，主要步骤包括：形成用于聚焦光的微透镜7，形成用于区分光线中不同彩色(例如红色、绿色和蓝色)信号的滤色镜，以及形成光电二极管2。光电二极管2通过收集由被聚焦光产生的电子而产生电信号。

上述图像传感器的层间电介质3厚于CCD的层间电介质。因为这种差别，随着像素间距减少，即使将优化的微透镜7用于CMOS半导体图像传感器，光电二极管2的适当聚焦在CMOS图像传感器中也会产生比CCD中更为严重的恶化。这是因为，在微透镜7的优化条件下，能聚焦光的最小光点直径与焦距成比例，且与数值孔径相关。在图像传感器的像素中，数值孔径对应于像素间距，而焦距对应于其中包括有金属线的层间电介质3的厚度。因此，为了获得较好的聚焦，就需要减少像素的尺寸和层间电介质3的厚度。

然而，在相关的CCD图像传感器中，减少层间电介质3的厚度是有限的。也就是说，像素间距上的限度不允许更多地减少像素尺寸。例如，像素间距的限度估计约为1.75μm。为了要克服相关的限度，可在层间电介质3内部形成无机微透镜。然而，这导致了制造工艺的复杂化。

可选地，为了克服所述的限度，可更进一步包括如图2A和图2B所示的为入射光提供传输光路径的波导(wave guide)。图2A为配备有波导的相关图像传感器的剖视图。图2B示出图2A的图像传感器中的入射光。如图2A所示，尺寸几乎与像素相同的沟槽形成于光电二极管2的上部上，沟槽的深度与层间电介质3的厚度几乎一致。

通过以旋涂玻璃(SOG)完全填充沟槽，或使用具有比层间电介质3更大的折射系数(折射度)的材料完全填充沟槽，来形成波导8。波导8能有效地将入射光传送到光电二极管2。然而，如图2B所示，波导8也有在层间电介质3与波导8之间的界面处存在反射率的问题。此问题影响到光不能垂直入射于波导8的底部，特别是影响到光从波导的侧壁的反射。

发明内容

本发明涉及半导体器件，尤其涉及一种图像传感器及其制造方法。本发明涉及一种图像传感器及其制造方法，该图像传感器在采用波导作为入射光的传输路径时，能够有效地抑制非垂直入射的侧光在波导底部的反射。

本发明涉及制造图像传感器方法，包括：在半导体衬底上方形成光电二极管；在上面具有所述光电二极管的所述半导体衬底上方形成层间电介质；在所述层间电介质的上部中形成波导的沟槽；在所述沟槽的底部表面上方形成折射层；形成波导电介质以填充所述沟槽；在波导电介质上方形成滤色镜；在滤色镜上方形成覆盖膜；在覆盖膜上方形成微透镜。

该层间电介质包括多条金属线。形成电介质以填充沟槽可覆盖该层间电介质的上部，以形成保护层。该沟槽可通过蚀刻该层间电介质的光电二极管区来形成。该波导形成入射光的传输路径。该折射层由具有比所述波导电介质更高的折射率的材料制成。该折射层可由包含氮化硅的有机或无机材料制成。形成沟槽可包括蚀刻光电二极管区，使得部分层间电介质存留在该沟槽的下部。该折射层可由具有比存留在该沟槽下部的部分层间电介质更高的折射率的材料制成。

在实施例中，图像传感器可包括在半导体衬底上方形成的光电二极管。层间电介质可形成在半导体衬底上方，层间电介质可在晶体管区中包括多条金属线，该层间电介质包括波导电介质，用于在光电二极管区中引导入射光。在所述层间电介质中的所述波导电介质的底部可形成折射层。在该层间电介质的上表面上方可形成滤色镜。在滤色镜上方可形成覆盖膜。在层间电介质上方可形成微透镜。该折射层可具有与该波导电介质和该层间电介质相比更高的折射率。该折射层可由包含氮化硅的无机或有机材料制成。

附图说明

图1为相关CMOS图像传感器的剖视图；

图2A为配备有波导的相关CMOS图像传感器的剖视图，而图2B为示出图2A的图像传感器中入射光的示意图；

示例图3A为依照本发明实施例图像传感器的剖视图；

示例图3B为图2A的图像传感器中折射平面层的详细示意图。

具体实施方式

下面，将结合附图描述根据本发明实施例的图像传感器及其制造方法。示例图3A为依照实施例图像传感器的剖面图，而示例图3B为图2A中的图像传感器中包括折射面的层的详细示意图。请参照示例图3A，依照本发明实施例的图像传感器为CMOS图像传感器，配备有为入射光提供传输路径的波导。

更具体地说，该CMOS图像传感器可包括光电二极管20、波导电介质40、具有多层结构且包括波导电介质40的层间电介质30、因波导电介质40而具有不同折射系数(折射率)的折射面(或折射面层)90、滤色镜50、覆盖膜60以及微透镜70。

光电二极管20可形成于半导体衬底10上方。层间电介质30可以多层结构的形式形成在半导体衬底10上方。多条金属线可包含在晶体管区中。此外，波导(该波导作为入射光传输路径)的所述波导电介质40形成在层间电介质30的光电二极管区中。在光电二极管区中，更特别地，波导电介质40和滤色镜50与从微透镜70到光电二极管20的入射光的传输路径对应地配置于波导电介质40的上方。

在实施例中，折射面(层)90形成于波导电介质40的底部表面上方。折射面90可采用与波导电介质40和层间电介质30相比具有更高折射系数的材料制成。结果，在波导的底部表面处，能减少针对从侧面入射的光(换句话说，不是垂直入射的光)的反射率。换句话说，在形成在光电二极管20上部的电介质与波导之间的界面处，减少了反射率。

折射面90可采用包含氮化硅的无机或有机材料制成，具有不大于约55nm的厚度。如示例图3A所示，波导电介质40可通过向上延伸且覆盖层间电介质30的上部而起到保护层的作用。由此，滤色镜50可形成于波导电介质40的上部上方。然而，在本发明实施例中，滤色镜50也可描述成配置于多层层间电介质30的最上层上方。

覆盖膜60可形成于滤色镜50上方，且微透镜70可与滤色镜50对应地形成于覆盖膜60上方。依照实施例，波导的沟槽80，尺寸几乎与像素相同，深度与层间电介质30的厚度对应，可通过蚀刻形成于光电二极管20上部中。另外，可通过蚀刻将沟槽80形成为深度小于层间电介质30的厚度。在后者的情况下，在波导电介质40的底部存留有部分层间电介质30。

如示例图3B所示，折射面90具有比波导电介质40更高的折射系数(折射率)，并且其折射率也高于形成在其下部的电介质。因此，入射光可不被波导的底部表面反射，而平滑地传输直至光电二极管20。如上所述，通过设置具有相对较高折射率的平面层，依照本发明实施例的图像传感器能够在波导底部表面将反射率减少高达约20～30％。

上述依照实施例描述的图像传感器可通过以下工艺制造。首先，可在半导体衬底10上方形成光电二极管20。然后，可在具有光电二极管20的半导体衬底10上方形成包括多条金属线的多层结构的层间电介质30。

然后，可通过蚀刻层间电介质30的光电二极管区，在光电二极管20上方的层间电介质30的上部中，形成波导的沟槽80，该波导提供入射光传输路径。沟槽80可具有几乎与像素相同的尺寸。而且，沟槽80的深度可几乎等于或小于层间电介质30的厚度。

具有第一折射率的折射面90形成在沟槽80的底部表面上方。通过气相沉积，可将可包含氮化硅的无机或有机的材料沉积成厚度不大于约55nm。在底部具有折射面90的沟槽80被绝缘材料填充而形成波导，沟槽80具有第二折射率。按照需要，充填工艺也可覆盖层间电介质30的上部，借此形成波导电介质40。

在上面的描述中，第一折射率可高于第二折射率，并且可高于形成在光电二极管20的上部的电介质的折射率。接下来，可在光电二极管20上方的层间电介质30或波导电介质40上方形成滤色镜50。可在滤色镜50上方形成覆盖膜60。最后，可在覆盖膜60上方形成微透镜70。

根据上述的图像传感器，通过微透镜70的入射光被波导的底部表面折射，且直接传输到光电二极管20。如此，能够提高光的聚焦效率。依照以上描述可以明显看出，根据本发明实施例，能够避免波导底部的高反射率，同时确保波导的侧面针对侧光(即非垂直入射的光)的反射率。由此，根据本发明实施例的图像传感器的光电二极管的聚焦效率能够提高，且能够相应地提高图像传感器的整体光学灵敏度。

对本领域技术人员显而易见的是，可以对实施例进行各种变化和改型。因此，实施例应该涵盖所附权利要求书的范围内所进行的各种变化和改型。

Claims

1、一种方法，包括如下步骤：

在半导体衬底上方形成光电二极管；

在上面具有所述光电二极管的所述半导体衬底上方形成层间电介质；

在所述层间电介质的上部中形成用作波导的沟槽；

在所述沟槽的底部表面上方形成折射层；

形成波导电介质以填充所述沟槽；

在所述波导电介质上方形成微透镜。

2、如权利要求1所述的方法，还包括：在所述波导电介质上方和在所述微透镜下方形成滤色镜。

3、如权利要求2所述的方法，还包括：在所述滤色镜上方和在所述微透镜下方形成覆盖膜。

4、如权利要求1所述的方法，其中所述层间电介质包括多条金属线。

5、如权利要求1所述的方法，其中形成所述电介质以填充所述沟槽时，所形成的电介质覆盖所述层间电介质的上部。

6、如权利要求1所述的方法，其中所述沟槽是通过蚀刻所述层间电介质的光电二极管区而形成的。

7、如权利要求1所述的方法，其中所述波导构成入射光的传输路径。

8、如权利要求1所述的方法，其中所述折射层是由具有比所述波导电介质更高的折射率的材料制成的。

9、如权利要求1所述的方法，其中所述折射层是由包含氮化硅的无机材料制成的。

10、如权利要求1所述的方法，其中所述折射层是由包含氮化硅的有机材料制成的。

11、如权利要求1所述的方法，其中形成所述沟槽的步骤包括：蚀刻所述光电二极管区，使得所述沟槽的底部存留有部分所述层间电介质。

12、如权利要求11所述的方法，其中所述折射层是由具有比存留在所述沟槽底部的部分所述层间电介质更高的折射率的材料制成的。

13、一种装置，包含：

光电二极管，形成在半导体衬底上方；

层间电介质，形成在所述半导体衬底上方，包括用于在光电二极管区中引导入射光的波导电介质；

折射层，形成在所述层间电介质中的所述波导电介质的底部；以及

微透镜，形成在所述层间电介质上方。

14、如权利要求13所述的装置，其中所述层间电介质包含位于晶体管区中的多条金属线。

15、如权利要求13所述的装置，还包含：滤色镜，形成在所述层间电介质的上表面上方和所述微透镜下方。

16、如权利要求15所述的装置，还包含：覆盖膜，形成在所述滤色镜上方和所述微透镜下方。

17、如权利要求13所述的装置，其中所述折射层具有比所述波导电介质更高的折射率。

18、如权利要求13所述的装置，其中所述折射层具有比所述层间电介质更高的折射率。

19、如权利要求13所述的装置，其中所述折射层是由包含氮化硅的无机材料制成的。

20、如权利要求13所述的装置，其中所述折射层是由包含氮化硅的有机材料制成的。