專利名稱：Cmos圖像傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種圖像傳感器，更具體地，涉及一種CMOS圖像傳感器及其制造方法，其通過使用用于封閉(closing)濾色器陣列的元件之間的間隙的附加結(jié)構(gòu)層，來改進傳感器的圖像特性。
背景技術(shù)：
圖像傳感器是用于將光學圖像轉(zhuǎn)換成電信號的半導體器件，包括電荷耦合器件和互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器。典型的電荷耦合器件包括將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光電二極管陣列。然而，這種裝配(set up)具有復雜的驅(qū)動方法、高功耗、以及需要多階段(multi-phased)光刻工藝的復雜制造工序。另外，在電荷耦合器件中，補償電路諸如控制電路、信號處理器、以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器難以集成在單芯片器件上，因此阻礙了小(薄)型產(chǎn)品，諸如使用這種圖像傳感器的數(shù)字照相機和數(shù)字攝像機的發(fā)展。
另一方面，CMOS圖像傳感器采用了CMOS技術(shù)，該技術(shù)使用控制電路及信號處理電路作為外圍電路，并采用了開關(guān)技術(shù)(switching technology)，其允許對應于陣列像素的數(shù)量提供使用MOS晶體管順序地檢測輸出。另外，CMOS圖像傳感器使用CMOS制造技術(shù)，這是一種具有較少光刻步驟的簡單制造方法，其有利于器件呈現(xiàn)出低功耗。
典型地，在前述的CMOS圖像傳感器中，光電二極管是有源器件，其基于入射光信號，通過根據(jù)入射光的強度和波長(顏色)產(chǎn)生電信號來形成光學圖像。在這樣的CMOS圖像傳感器中，其中每個光電二極管感測(senses)入射光，并且對應的CMOS邏輯電路根據(jù)輸入波長將感測的光轉(zhuǎn)換成電信號，光電二極管的光敏度隨著能到達光電二極管的光的增加而增加。提高CMOS圖像傳感器的光敏度的一種方法就是提高其“填充系數(shù)”，也即，光電二極管所覆蓋的表面積與整個圖像傳感器的表面積相對比的程度。填充系數(shù)是通過增加響應入射光的面積來提高的。而且，進入光電二極管的入射光的聚焦(concentration)在所有波長(白色光)的量子效應為“1”時受到有利的影響，其代表在光譜上向光電二極管的平衡傳送，以包括由光電二極管接收的紅光、藍光、和綠光的互補元件。
為使任何可能入射到圖像傳感器的在光電二極管的本身區(qū)域(immediate area)之外的光改變方向，以及將入射光集中(聚焦)在一個或多個光電二極管本身上，可以設置具有優(yōu)異透光率材料的器件，例如具有用于折射入射光的預定曲率的凸微透鏡。撞擊(striking)微透鏡的凸結(jié)構(gòu)的表面而平行于微透鏡的光軸的入射光根據(jù)凸微透鏡的曲率而被微透鏡折射，從而聚焦于沿光軸的預定點上。如圖1所示，根據(jù)相關(guān)技術(shù)的CMOS彩色圖像傳感器可以設置有微透鏡層，該微透鏡層設于濾色器層上方，濾色器層包括紅(R)、藍(B)、和綠(G)濾色元件用于聚焦每種顏色(波長)的光。
參見圖1，根據(jù)相關(guān)技術(shù)的CMOS圖像傳感器包括半導體襯底100，多個(列)光電二極管110以預定間隔布置于其上；遮光層120，用于通過阻擋任何到達光電二極管之間的光來允許僅在每個光電二極管上的光信號接收；絕緣中間層130，形成于遮光層與光電二極管陣列的結(jié)構(gòu)之上，以容納濾色器層150，該濾色器層被圖樣形成包括R、G、和B元件的與光電二極管陣列相對應的濾色器陣列；以及平坦化層160，形成于該整個得到的結(jié)構(gòu)之上，以容納多個與濾色器陣列相對應的微透鏡170。以固定間隔布置的濾色器層150的各單個濾色器，通過在絕緣中間層130上涂覆相應的光敏性材料并對其圖樣形成來形成。每個涂層通過使用單獨的掩模的光刻步驟進行圖樣形成來形成相應的像素陣列。濾色器層150的每個元件布置成傳送相應于元件顏色的預定波長的光。
沿著相鄰布置的要過濾不同顏色的濾色器之間的接合點，自然地會出現(xiàn)預定間隙。而此間隙的尺寸最好是保持至最小值，其存在是由于不可避免的光刻工藝的誤差允許量所導致的，該光刻工藝用于在形成濾色器層的各種彩色抗蝕劑(colored resists)的圖樣形成處理期間，形成濾色器層。間隙的存在，尤其是在四個布置作為濾色器陣列的拜爾(Bayer)圖樣部分的相鄰設置濾色器的交界處是有問題的，其妨礙了最優(yōu)光電二極管工作，這是因為允許通過未經(jīng)由濾色器層濾色的入射光降低了圖像特性。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明旨在提供一種CMOS圖像傳感器及其制造方法，其能基本上消除由于相關(guān)技術(shù)的局限性和缺陷導致的一個或多個問題。
本發(fā)明的一個優(yōu)點在于，提供了一種CMOS圖像傳感器，其通過封閉濾色器陣列的元件之間的間隙改進了圖像特性。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點在于，提供了一種CMOS圖像傳感器，由于阻擋光入射到存在于濾色器陣列的元件之間的間隙，使之具有提高的圖像特性。
本發(fā)明的又一個優(yōu)點在于，提供了一種具有濾色器陣列的CMOS圖像傳感器，其通過包括與濾色器層結(jié)合的附加結(jié)構(gòu)，獲得提高的圖像特性。
本發(fā)明的又一個優(yōu)點在于，提供了一種CMOS圖像傳感器，其能防止由于相應的濾色器陣列的元件間存在的間隙使圖像傳感器的光電二極管陣列的圖像生成特性下降。
本發(fā)明的又一個優(yōu)點在于，提供了一種具有濾色器陣列的CMOS圖像傳感器，其通過使濾色器陣列各單個濾色器元件之間趨近于沒有間隙來提供更大的色分離(描繪delineation)，獲得提高的圖像特性。
本發(fā)明的又一個優(yōu)點在于，提供了一種用于制造CMOS圖像傳感器的方法，其具有上述的優(yōu)點。
本發(fā)明的優(yōu)點及特征的其他例子部分地將在隨后的說明中闡述，部分地從說明書或通過本發(fā)明的實施變得顯而易見。
為獲得根據(jù)本發(fā)明的實施例的這些目的和其他優(yōu)點，如已概括和充分說明的，提供了一種CMOS圖像傳感器，包括具有多個分隔預定間隙的濾色器的濾色器層；以及具有用于遮擋光在預定間隙處入射至濾色器層的圖樣(pattern)的附加結(jié)構(gòu)層。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種用于制造CMOS圖像傳感器的方法，包括在半導體襯底上以預定間隔形成多個光電二極管；在包括多個光電二極管的半導體襯底的整個表面上形成絕緣中間層；在絕緣中間層上形成包括多個分隔預定間隙的濾色器的濾色器層；在絕緣中間層上形成附加結(jié)構(gòu)層；在包括濾色器層的半導體襯底的整個表面上形成平坦化層；以及在平坦化層上形成多個與濾色器層的濾色器相對應的微透鏡，其中附加結(jié)構(gòu)層設置在濾色器層與絕緣中間層之間，并且圖樣形成為封閉濾色器層的濾色器之間的預定間隙。
應該理解，以上對本發(fā)明的一般性描述和以下的詳細描述都是列舉和說明性質(zhì)的，目的在于對要求保護的本發(fā)明提供進一步的說明。


構(gòu)成本說明書的一部分的附圖有助于進一步理解本發(fā)明，這些附解了本發(fā)明的一些實施例，并可與說明書一起用來說明本發(fā)明的原理。
附圖中圖1為根據(jù)相關(guān)技術(shù)的CMOS圖像傳感器的剖視圖；以及圖2A-2D為用于制造根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的工藝的剖視圖。
具體實施例方式
下面將詳細說明本發(fā)明的實施例，其實例示于附圖中。盡可能地，在所有附圖中，用相同的標號表示相同或相近似的部件。
圖2A-2D示出了用于制造根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的工藝。
如圖2A所示，多個光電二極管210以預定間隔形成于半導體襯底200的表面上。代替光電二極管，晶體管(未示出)的光敏性柵極(gate)可以作為有源器件，用于感應通過濾色器陣列接收到的入射光信號，以通過輸出基于光信號的電信號產(chǎn)生圖像。不透明金屬例如鉻的層，形成于包括光電二極管210的半導體襯底200的整個表面上。鉻層通過光刻可選地形成圖樣，在半導體襯底200的暴露于光電二極管210之間的部分上留下不透明金屬，并完全覆蓋暴露的部分，從而形成遮光層220，用于通過阻擋任何到達光電二極管之間的光來僅允許在每個光電二極管上的光信號接收?？梢孕纬蔀槎鄬咏Y(jié)構(gòu)的絕緣中間層230，形成于包括遮光層220的半導體襯底200的整個表面上。
如圖2B所示，黑色光刻膠(photoresist，也稱光致抗蝕劑)涂覆在絕緣中間層230上，然后通過曝光及顯影過程(即，光刻)形成圖樣，以形成用于遮擋任何入射到預定間隙的光的附加結(jié)構(gòu)層240，該預定間隙將出現(xiàn)在將形成在絕緣中間層230上的濾色器陣列的元件之間。附加結(jié)構(gòu)層240可以具有類似于遮光層220的圖樣。各附加結(jié)構(gòu)層240的圖樣的各單個元件的寬度最好是大于沿相鄰布置的濾色器之間的交界處自然會出現(xiàn)的間隙的相應寬度。
參見圖2C，用于按照波長來過濾光的彩色抗蝕劑(coloredresist)層順序地涂覆在包括附加結(jié)構(gòu)層240的半導體襯底200的整個表面之上。每一涂層進而通過給出濾色器層250的光刻步驟來形成圖樣，其中濾色器層的各單個元件(即，紅、綠、藍濾色器)的周邊部分地交疊附加結(jié)構(gòu)層240的相鄰部分。從而附加結(jié)構(gòu)層240布置在濾色器層250的圖樣元件之間，并基本上設置在濾色器層與絕緣中間層230之間，其在結(jié)構(gòu)上設置在濾色器下面。這種交疊確保了任何入射到元件間間隙的光被完全阻擋，并將不會進入絕緣中間層230或未過濾而到達光電二極管陣列。平坦化層260形成于包括濾色器層250的半導體襯底200的整個表面上，以設置在濾色器層的濾色器之間且設置在附加結(jié)構(gòu)層240的頂部上，附加結(jié)構(gòu)層是在構(gòu)成濾色器層的彩色抗蝕劑圖樣的各涂層光刻后曝光后所留下的。
如圖2D所示，用于微透鏡成形的材料層被涂覆在平坦化層260上，然后通過光刻形成圖樣，以形成微透鏡圖樣(未示出)。微透鏡材料層可以形成為抗蝕劑層或例如四乙基原硅酸鹽(TEOS)的氧化層。微透鏡圖樣是用加熱板或加熱爐回流的，以形成多個具有預定凸曲率的微透鏡270，該凸曲率可以根據(jù)所使用的熱收縮方法而變化。微透鏡270通過用紫外光照射而硬化，從而保持由回流工藝所獲得的曲率。如此獲得的微透鏡270結(jié)構(gòu)，包括其曲率和重量，確定了聚光效率(light-concentration efficiency)以及焦點。
根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器如圖2D所示。多個光電二極管210以預定間隔布置在半導體襯底200內(nèi)，且當允許在每個光電二極管處接收光信號時遮擋到達光電二極管之間的光的遮光層220，布置在光電二極管之間并部分交疊光電二極管的相鄰邊緣。絕緣中間層230形成在包括光電二極管210的半導體襯底200的整個表面上。包括多個分開預定間隙的濾色器的濾色器層250形成于絕緣中間層230上。平坦化層260形成于包括濾色器層250的半導體襯底200的整個表面上，且多個微透鏡270形成于平坦化層上與各濾色器相對應。附加結(jié)構(gòu)層240設置在濾色器層250與絕緣中間層230之間，以具有與各單個濾色器的交界處(junction)相對應的圖樣布置，并且用于封閉濾色器層的濾色器之間的預定間隙。
在根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器中，通過包括設置于濾色器層與絕緣中間層之間的附加結(jié)構(gòu)層，并與濾色器層相結(jié)合，可以阻擋入射到存在于濾色器陣列的元件之間的間隙的光，其中絕緣中間層設于濾色器層之下。在這種情況下，間隙被封閉，且防止了圖像傳感器的光電二極管陣列的圖像生成特性的下降。通過在提供更大的彩色分離(delineation)而使在單個顏色元件之間趨近于沒有間隙的濾色器陣列，改善了圖像特性。
可以理解，盡管本發(fā)明已經(jīng)參照附圖和優(yōu)選實施例進行了說明，但顯然，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以對本發(fā)明作出各種更改和變化。因此，本發(fā)明的各種更改、變化由所附的權(quán)利要求書及其等同物的內(nèi)容涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種CMOS圖像傳感器，包括濾色器層，具有多個以預定間隙分隔開的濾色器；以及附加結(jié)構(gòu)層，具有用于阻擋入射到所述濾色器層的所述預定間隙處的光的圖樣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中所述附加結(jié)構(gòu)層由根據(jù)所述濾色器層的所述預定間隙形成圖樣的黑色光刻膠形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中所述附加結(jié)構(gòu)層設置在所述濾色器層與設于所述濾色器層下方的結(jié)構(gòu)之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的CMOS圖像傳感器，其中所述濾色器層通過用于按照波長過濾光的彩色抗蝕劑的連續(xù)施加來形成，各彩色抗蝕劑涂覆在設于所述濾色器層之下的所述結(jié)構(gòu)上，并分開形成圖樣，以交疊所述附加結(jié)構(gòu)層的相鄰部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的CMOS圖像傳感器，其中設于所述濾色器層之下的結(jié)構(gòu)是用于覆蓋多個有源器件的絕緣中間層，其中所述有源器件用于根據(jù)入射光的強度與波長產(chǎn)生電信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的CMOS圖像傳感器，其中所述有源器件是光電二極管。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的CMOS圖像傳感器，進一步包括在所述多個光電二極管上形成遮光層，以允許在所述多個光電二極管的每個上的光信號接收，并阻擋到達所述光電二極管之間的光。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的CMOS圖像傳感器，其中所述絕緣中間層形成為多層結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的CMOS圖像傳感器，進一步包括遮光層，用于允許在所述多個有源器件的每個上的光信號接收，并阻擋到達所述有源器件之間的光。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的CMOS圖像傳感器，其中所述遮光層具有對應于所述有源器件的布置的圖樣。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的CMOS圖像傳感器，其中所述附加結(jié)構(gòu)層具有類似于所述遮光層的所述圖樣的圖樣。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中所述附加結(jié)構(gòu)層的所述圖樣與所述濾色器部分地交疊。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中所述附加結(jié)構(gòu)層的圖樣具有大于所述預定間隙的寬度。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其中所述附加結(jié)構(gòu)層布置在所述濾色器層的所述濾色器之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，進一步包括平坦化層，形成于所述濾色器層上，并設置于所述濾色器層的濾色器之間且設置于所述附加結(jié)構(gòu)層的頂部上。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，進一步包括多個微透鏡，分別設置于所述濾色器層的濾色器上方。
17.CMOS圖像傳感器，包括半導體襯底；多個光電二極管，以預定間隔布置在所述半導體襯底上；遮光層，與所述多個光電二極管部分地交疊；絕緣中間層，形成于包括所述多個光電二極管的所述半導體襯底的整個表面上；濾色器層，形成于所述絕緣中間層上，包括多個以預定間隙分隔開的濾色器；平坦化層，形成于包括所述濾色器層的半導體襯底的整個表面上；以及多個微透鏡，形成于所述平坦化層上，與所述濾色器層的所述濾色器相對應，其中設有設置于所述濾色器層與所述絕緣中間層之間的附加結(jié)構(gòu)層，以封閉所述濾色器層的所述濾色器之間的預定間隙。
18.一種用于制造CMOS圖像傳感器的方法，包括在半導體襯底中以預定間隔形成多個光電二極管；在包括所述多個光電二極管的所述半導體襯底的整個表面上形成絕緣中間層；在所述絕緣中間層上形成包括分隔預定間隙的多個濾色器的濾色器層；在所述絕緣中間層上形成附加結(jié)構(gòu)層；在包括所述濾色器層的所述半導體襯底的整個表面上方形成平坦化層；以及在所述平坦化層上形成與所述濾色器層的濾色器相對應的多個微透鏡，其中所述附加結(jié)構(gòu)層設置于所述濾色器層與所述絕緣中間層之間，并形成圖樣以封閉所述濾色器層的濾色器之間的預定間隙。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，所述附加結(jié)構(gòu)層形成步驟包括在包括所述濾色器層的所述半導體襯底的整個表面的上方涂覆黑色光刻膠；以及根據(jù)所述濾色器層的所述預定間隙，選擇性地將所涂覆的黑色光刻膠圖樣化。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，還包括用紫外線光照射所述微透鏡，以硬化所述微透鏡。
全文摘要
一種包括半導體襯底的CMOS圖像傳感器，具有多個以預定間隔布置于半導體襯底上的光電二極管。遮光層部分地與多個光電二極管交疊，以及絕緣中間層形成于包括多個光電二極管的半導體襯底的整個表面上。包括多個分隔預定間隙的濾色器的濾色器層形成于絕緣中間層上，以及平坦化層形成于包括濾色器層的半導體襯底的整個表面上。多個微透鏡對應于濾色器層的濾色器形成于平坦化層上，其中設有設置于濾色器層與絕緣中間層之間的附加結(jié)構(gòu)層，以封閉濾色器層的濾色器之間的預定間隙。
文檔編號H01L21/822GK1794463SQ20051013478
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月24日
發(fā)明者鄭明安 申請人:東部亞南半導體株式會社