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)明涉及圖像傳感器及其制造方法，更具體，涉及提供改進(jìn)的光接收效率的CMOS圖像傳感器及其制造方法。
背景技術(shù)：
通常，圖像傳感器是將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的半導(dǎo)體器件，并大致分為CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器或CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器。
CMOS圖像傳感器包括光電二極管，用于感測(cè)照射的光，以及CMOS邏輯電路，用于將所感測(cè)的光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其中由于光電二極管的光接收能力增加，圖像傳感器的光敏性增加。
圖1是示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的CMOS圖像傳感器的原理圖，以及圖2是示出現(xiàn)有技術(shù)CMOS圖像傳感器的多個(gè)像素陣列的排列的平面圖。
如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)CMOS圖像傳感器包括圖像傳感器陣列10、在圖像傳感器陣列10上形成的多個(gè)微透鏡20、以及聚光鏡頭30，用于將光聚集到微透鏡20。
各種圖像傳感器通常集聚并引導(dǎo)光，如圖1所示。這樣，光的入射角在軸X和Y的方向中遠(yuǎn)離中心(A)增加，如圖1和2所示。最大入射角大約是20°至30°。
在下文中，將參照附圖詳細(xì)說(shuō)明現(xiàn)有技術(shù)CMOS圖像傳感器。
圖3是沿著圖2的線IV-IV’所取的截面圖，示出現(xiàn)有技術(shù)CMOS圖像傳感器。
如圖3所示，現(xiàn)有技術(shù)CMOS圖像傳感器包括半導(dǎo)體襯底11、在半導(dǎo)體襯底11上形成的一個(gè)或多個(gè)光電二極管12，以對(duì)應(yīng)于入射光的強(qiáng)度生成電荷、層間絕緣層13，形成在包括光電二極管12的半導(dǎo)體襯底11的整個(gè)表面上、R/G/B濾色鏡層14，形成在層間絕緣體13上，以透射具有預(yù)設(shè)波長(zhǎng)的光束、平整層15，形成在包括濾色鏡層14的半導(dǎo)體襯底11的整個(gè)表面上、以及多個(gè)微透鏡16，形成在平整層15上。微透鏡16具有恒定曲率的凸起形狀。微透鏡16接收來(lái)自濾色鏡14的光并將所接收的光集中到光電二極管12。
盡管沒(méi)有在圖3中示出，可以在層間絕緣層13中形成光學(xué)遮蔽層，以防止光入射到除了光電二極管區(qū)的區(qū)域上。
可以用光閘(photogate)代替光電二極管。
濾色鏡層14包括R(紅色)、G(綠色)和B(藍(lán)色)濾色鏡。通過(guò)淀積相應(yīng)的光敏材料并使用單獨(dú)的掩模在所得結(jié)構(gòu)上執(zhí)行光刻工序，形成每個(gè)濾色鏡。
同樣，考慮各種因素例如所聚集的光的焦距，確定微透鏡16的曲率和高度。通常使用光刻膠，并通過(guò)淀積、構(gòu)圖和回流(reflow)來(lái)形成微透鏡16。
在向左傾斜入射光的情況下，CMOS圖像傳感器的微透鏡16不能將光①引導(dǎo)到其像素的相應(yīng)光電二極管12，但是可以將光②引導(dǎo)到其像素的相應(yīng)光電二極管12。
在向右傾斜入射光的情況下，微透鏡16可以將光③引導(dǎo)到其像素的相應(yīng)光電二極管12，但是不能將光④引導(dǎo)到其像素的相應(yīng)光電二極管12。
然而，現(xiàn)有技術(shù)CMOS圖像傳感器具有下面的問(wèn)題。
由于微透鏡16具有恒定的曲率并在整個(gè)像素陣列中一致地形成，它們不能將向左或向右傾斜的入射光引導(dǎo)到光電二極管，如圖3的①、②、③和④所示。
現(xiàn)有技術(shù)CMOS圖像傳感器不能產(chǎn)生具有良好質(zhì)量的圖像，因?yàn)橛捎谧兓拿舾行猿霈F(xiàn)鏡頭陰影，該敏感性在鏡片的中心增加而朝著陣列邊緣減小。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明涉及CMOS圖像傳感器及其制造方法，其解決和/或基本上避免了現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題、限制和/或不足。
本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種CMOS圖像傳感器，用于通過(guò)形成微透鏡以具有根據(jù)傳感器陣列中的位置的入射角度的差異的最佳形狀而改進(jìn)圖像質(zhì)量，以使得提供一致的敏感度，及其制造方法。
本發(fā)明的額外優(yōu)勢(shì)、目標(biāo)和特性，將部分地在下面的說(shuō)明書(shū)中闡述部分地對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)在審查下文時(shí)是顯而易見(jiàn)的，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中學(xué)習(xí)?？梢酝ㄟ^(guò)在文本說(shuō)明書(shū)和其權(quán)利要求以及附圖中特別指出的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)和獲得本發(fā)明的目標(biāo)和其他優(yōu)勢(shì)。
為了獲得這些目標(biāo)和其他優(yōu)勢(shì)，并與本發(fā)明的目標(biāo)相一致，如在此實(shí)施并概括說(shuō)明，提供了一種CMOS圖像傳感器，包括半導(dǎo)體襯底，具有光電二極管和晶體管；層間絕緣層，形成在半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表面上；第一、第二和第三濾色鏡層，在層間絕緣體上以規(guī)則間隔形成；以及第一、第二和第三微透鏡，分別形成在第一、第二和第三濾色鏡層上，其中第一、第二和第三微透鏡具有至少兩個(gè)不同的曲率。
在本發(fā)明的另一方面，提供了一種制造CMOS圖像傳感器的方法，包括在具有光電二極管和晶體管的半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表面上形成層間絕緣層；在層間絕緣層上以規(guī)則間隔形成多個(gè)濾色鏡層；以及對(duì)應(yīng)于每個(gè)濾色鏡層形成多個(gè)微透鏡，其中多個(gè)微透鏡具有至少兩個(gè)不同曲率。
在本發(fā)明的另一方面，提供了一種制造CMOS圖像傳感器的方法，包括在具有光電二極管和不同晶體管的半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表面上形成層間絕緣層；在層間絕緣層上以規(guī)則間隔形成第一、第二和第三濾色鏡層；對(duì)應(yīng)于第一、第二和第三濾色鏡層，形成具有不同臺(tái)階差異的第一、第二和第三微透鏡圖形；以及通過(guò)回流第一、第二和第三微透鏡圖形形成具有不同曲率的第一、第二和第三微透鏡。
應(yīng)理解，本發(fā)明的上述通常說(shuō)明和下面詳細(xì)說(shuō)明都是示例性和解釋性的，并旨在提供如權(quán)利要求的本發(fā)明的進(jìn)一步解釋。


包括以提供本發(fā)明的進(jìn)一步理解并在此引入并構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的附圖，說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例，并且連同說(shuō)明書(shū)用于解釋本發(fā)明的原理。在附圖中圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的CMOS圖像傳感器的原理圖；圖2是示出現(xiàn)有技術(shù)CMOS圖像傳感器中的多個(gè)像素陣列的排列的平面圖；圖3是沿著圖2的線IV-IV’所取的截面圖，說(shuō)明現(xiàn)有技術(shù)CMOS圖像傳感器；圖4是沿著圖2的線IV-IV’所取的截面圖，說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的CMOS圖像傳感器；圖5A至5C是示出通過(guò)圖4中示出的CMOS圖像傳感器的每個(gè)微透鏡，傳播到光電二極管的入射光的路徑的圖；以及圖6A至6D是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例制造CMOS圖像傳感器的方法的截面圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將詳細(xì)參照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，在附圖中說(shuō)明實(shí)施例的例子。只要可能，在整個(gè)附圖中使用相同的參考標(biāo)號(hào)指示相同或相似的部件。
在下文中，將參照附圖詳細(xì)說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器及制造CMOS圖像傳感器的方法。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的CMOS圖像傳感器的截面圖。
參照?qǐng)D4，CMOS圖像傳感器可包括在其上形成有光電二極管102和晶體管的半導(dǎo)體襯底101，以構(gòu)成CMOS圖像傳感器的單位像素；層間絕緣層103，形成在半導(dǎo)體襯底101的整個(gè)表面上；第一、第二和第三濾色鏡層104、105和106，在層間絕緣層103上以規(guī)則間隔形成；平整層107，形成在包括第一、第二和第三濾色鏡層104、105和106的半導(dǎo)體襯底101的整個(gè)表面上；第一微透鏡108，以其對(duì)應(yīng)于第一濾色鏡104的方式形成在平整層107上，并具有在外部比在內(nèi)部更加凸起的非一致的曲率；第二微透鏡109，以其對(duì)應(yīng)于第二濾色鏡104的方式形成在平整層107上，并具有一致的曲率；以及第三微透鏡110，以其對(duì)應(yīng)于第三濾色鏡106的方式形成在平整層107上，并具有在外部比在內(nèi)部更加凸起的非一致曲率。
如上所述，由多個(gè)像素陣列所組成的CMOS圖像傳感器包括三個(gè)具有不同曲率的微透鏡。即，在中心區(qū)域形成的微透鏡具有不同于在左側(cè)和右側(cè)形成的微透鏡的曲率。即，在左側(cè)和右側(cè)的微透鏡具有凸起的(convex)形狀，其外部比內(nèi)部更加凸起，這反映在具有比內(nèi)部更大的曲率的外部。
圖5A至5C是示出通過(guò)圖4中示出的CMOS圖像傳感器的每個(gè)微透鏡，傳播到光電二極管的入射光的路徑的圖。
如圖5A所示，第一微透鏡108可以具有可變曲率，其中其外部比其內(nèi)部更加凸起，使得向左傾斜的入射光①、②和③可以在凸起的區(qū)域中彎折，并通過(guò)第一微透鏡108照射到相應(yīng)光電二極管102。
如圖5B所示，中心區(qū)域中的第二微透鏡109形成為具有如在現(xiàn)有技術(shù)中所述的恒定曲率，使得入射光束④、⑤和⑥可以照射到相應(yīng)光電二極管102。
如圖5C所示，第三微透鏡110可以具有可變曲率，其中其外部比其內(nèi)部更加凸起，使得向右傾斜的入射光⑦、⑧和⑨可以在凸起部分彎折，并通過(guò)第三微透鏡110照射到相應(yīng)光電二極管102。
如圖5A至5C所述，第一微透鏡108和第三微透鏡110的外部比其內(nèi)部凸起更高，其分別在第二微透鏡的左側(cè)和右側(cè)形成。
圖6A至6D是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例制造CMOS圖像傳感器的方法的截面圖。
如圖6A所示，可以在半導(dǎo)體襯底101上形成構(gòu)成單位像素的光電二極管102和晶體管(未示出)。
隨后，可以在包括光電二極管102的半導(dǎo)體襯底101的整個(gè)表面上形成層間絕緣層103。
在一個(gè)實(shí)施例中，可以以多結(jié)構(gòu)形成層間絕緣層103(未示出)。在特定實(shí)施例中，在形成一個(gè)層間絕緣層之后，可以在層間絕緣層上形成光學(xué)遮蔽層，以防止光入射到光電二極管102上，并可在其上形成另一層間絕緣層。
在一個(gè)實(shí)施例中，可以使用例如未摻雜的硅酸鹽玻璃(USG)的氧化物來(lái)形成層間絕緣層103。
此后，可以通過(guò)在層間絕緣層103上淀積光敏材料并通過(guò)光刻和曝光工序選擇性地構(gòu)圖光敏材料，在層間絕緣層103上形成第一、第二和第三濾色鏡層104、105和106。
可以通過(guò)淀積可染色的阻抗并執(zhí)行曝光和顯影工序，形成用于過(guò)濾具有預(yù)設(shè)波長(zhǎng)的光的濾色鏡層104、105和106。
在特定實(shí)施例中，可以使用相應(yīng)光敏材料涂布濾色鏡層104、105和106的每一個(gè)達(dá)1至5um的厚度。然后，可以使用單獨(dú)的掩模通過(guò)光刻構(gòu)圖濾色鏡層，由此形成單個(gè)的濾色鏡層，其過(guò)濾具有預(yù)設(shè)波長(zhǎng)的光。
可以在包括濾色鏡層104、105和106的半導(dǎo)體襯底101的整個(gè)表面上形成平整層107。
如圖6B所示，可以在平整層107上形成微透鏡層，以及可以在微透鏡材料層上排列第一光掩模PM1。
然后，可以通過(guò)使用第一光掩模將微透鏡材料層曝光于UV輻射并顯影所曝光的區(qū)域，以規(guī)則間隔形成第一、第二和第三微透鏡圖形108a、109a和110a。
這里，可以分別對(duì)應(yīng)于第一、第二和第三濾色鏡層104、105和106，形成第一、第二和第三微透鏡圖形108a、109a和110a。
如圖6C所示，可以在半導(dǎo)體襯底101之上設(shè)置第二光掩模PM2，以及可以使用第二光掩模PM2，將第一微透鏡圖形108a和第三微透鏡圖形110a的內(nèi)部曝光于具有小于第一UV輻射能量的第二UV輻射。
隨后，可以通過(guò)顯影第二曝光的區(qū)域，在第一微透鏡圖形108a和第三微透鏡圖形110a的內(nèi)側(cè)和外側(cè)形成高度差。
這里，第一微透鏡圖形108a和第三微透鏡圖形110a的內(nèi)部和外部之間的臺(tái)階部分可導(dǎo)致第一微透鏡圖形108a和第三微透鏡圖形110a的外部比內(nèi)部要厚。
即，可以分別在第二微透鏡圖形109a的左側(cè)和右側(cè)形成第一微透鏡圖形108a和第三微透鏡圖形110a，以及由于該高度差，第一和第三微透鏡圖形108a和110a的外部和內(nèi)部可具有不同的厚度。
如圖6D所示，可以回流第一、第二和第三微透鏡圖形108a、109a和110a以形成分別對(duì)應(yīng)于第一、第二和第三濾色鏡層104、105和106的第一、第二和第三微透鏡108、109和110。
在實(shí)施例中，微透鏡材料層可以由例如氧化物層或光刻膠的絕緣層構(gòu)成。
同樣，可以在回流工序中使用熱盤或熔爐。此時(shí)，微透鏡的曲率可以基于收縮/加熱處理而變化，并且因此基于曲率聚光效率變化。
然后，可以通過(guò)照射UV輻射硬化第一、第二和第三微透鏡108、109和110。
在特定實(shí)施例中，可以通過(guò)輻射UV線來(lái)硬化第一、第二和第三微透鏡108、109和110，獲得第一、第二和第三微透鏡108、109和110的最佳曲率。在一個(gè)實(shí)施例中，可以使用激光執(zhí)行硬化。
在本發(fā)明的上述實(shí)施例中形成平整層107。然而，第一、第二和第三微透鏡108、109和110可以直接形成在第一、第二和第三濾色鏡層104、105和106上，而不形成平整層107。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器和制造其的方法具有下面的優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器可以通過(guò)形成微透鏡以根據(jù)傳感器陣列中的位置的入射角度的差異而具有最佳的形狀，改進(jìn)圖像質(zhì)量，從而提供一致的敏感性。
對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員，很明顯可以在本發(fā)明中做出各種改進(jìn)和變化。因此，本發(fā)明旨在覆蓋本發(fā)明的改進(jìn)和變化，只要它們落入所附權(quán)利要求及其等效的范圍中。
權(quán)利要求
1.一種CMOS圖像傳感器，包括半導(dǎo)體襯底，具有光電二極管和晶體管；層間絕緣層，形成在半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表面上；第一、第二和第三濾色鏡層，在層間絕緣體上以規(guī)則間隔形成；以及對(duì)應(yīng)于第一濾色鏡層的第一微透鏡、對(duì)應(yīng)于第二濾色鏡層的第二微透鏡、以及對(duì)應(yīng)于第三濾色鏡層的第三微透鏡，形成在每個(gè)對(duì)應(yīng)的濾色鏡層上，其中第一、第二和第三微透鏡具有至少兩個(gè)不同的曲率。
2.如權(quán)利要求1的CMOS圖像傳感器，其中對(duì)應(yīng)于半導(dǎo)體襯底的中心區(qū)域中的第二濾色鏡層的第二微透鏡具有通常一致的曲率。
3.如權(quán)利要求2的CMOS圖像傳感器，其中分別在放置于中心區(qū)域的第二微透鏡的左側(cè)和右側(cè)排列第一和第三微透鏡，并且第一微透鏡和第三微透鏡的鄰近于第二微透鏡的部分的曲率不同于其相對(duì)部分的曲率。
4.如權(quán)利要求2的CMOS圖像傳感器，其中分別在放置于中心區(qū)域的第二微透鏡的左側(cè)和右側(cè)排列第一和第三微透鏡，并且第一微透鏡和第三微透鏡的鄰近于第二微透鏡的部分的曲率小于其相對(duì)部分的曲率。
5.如權(quán)利要求1的CMOS圖像傳感器，其中第一、第二和第三微透鏡的表面具有圓形形狀。
6.如權(quán)利要求1的CMOS圖像傳感器，還包括在半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表上形成的平整層，該半導(dǎo)體襯底包括第一、第二和第三濾色鏡層。
7.一種制造CMOS圖像傳感器的方法，包括在具有光電二極管和晶體管的半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表面上形成層間絕緣層；在層間絕緣層上以規(guī)則間隔形成多個(gè)濾色鏡層；以及形成多個(gè)對(duì)應(yīng)于每個(gè)濾色鏡層的微透鏡，其中多個(gè)微透鏡具有至少兩個(gè)不同曲率。
8.如權(quán)利要求7的方法，其中對(duì)應(yīng)于多個(gè)濾色鏡層的中心地放置的濾色鏡層的多個(gè)微透鏡的中心地放置的微透鏡具有一致的曲率。
9.如權(quán)利要求8的方法，其中對(duì)于在中心地放置的微透鏡的左側(cè)和右側(cè)設(shè)置的微透鏡，相鄰于中心地設(shè)置的微透鏡的部分微透鏡的曲率不同于其相對(duì)部分的曲率。
10.如權(quán)利要求8的方法，其中對(duì)于在中心地放置的微透鏡的左側(cè)和右側(cè)設(shè)置的微透鏡，相鄰于中心微透鏡的部分微透鏡的曲率小于其相對(duì)部分的曲率。
11.如權(quán)利要求7的方法，其中多個(gè)微透鏡的每一個(gè)的表面具有圓形的形狀。
12.如權(quán)利要求7的方法，還包括在包括多個(gè)濾色鏡層的半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表面上形成平整層。
13.一種制造CMOS圖像傳感器的方法，包括在具有光電二極管和晶體管的半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表面上形成層間絕緣層；在層間絕緣層上以規(guī)則間隔形成第一、第二和第三濾色鏡層；形成對(duì)應(yīng)于第一濾色鏡層的第一微透鏡圖形、對(duì)應(yīng)于第二濾色鏡層的第二微透鏡圖形、和對(duì)應(yīng)于第三濾色鏡層的第三微透鏡圖形，其中第一、第二和第三微透鏡圖形每個(gè)具有不同的臺(tái)階差異；以及通過(guò)回流第一、第二和第三微透鏡圖形，形成具有不同曲率的第一、第二和第三微透鏡。
14.如權(quán)利要求13的方法，其中形成對(duì)應(yīng)于第一濾色鏡層的第一微透鏡圖形、對(duì)應(yīng)于第二濾色鏡層的第二微透鏡圖形、和對(duì)應(yīng)于第三濾色鏡層的第三微透鏡圖形，包括在包括第一、第二和第三濾色鏡層的半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表面上淀積用于微透鏡的阻抗層；通過(guò)選擇性地曝光和顯影阻抗層，執(zhí)行第一曝光；以及通過(guò)使用小于第一曝光的能量曝光并顯影第一微透鏡圖形和第三微透鏡圖形的內(nèi)部區(qū)域，形成第一、第二和第三微透鏡圖形的臺(tái)階差異。
15.如權(quán)利要求13的方法，其中第二微透鏡圖形形成為具有恒定的臺(tái)階差異。
16.如權(quán)利要求13的方法，其中第二微透鏡圖形形成為具有恒定的曲率。
17.如權(quán)利要求13的方法，其中在第二微透鏡的一側(cè)形成第一微透鏡，以及在第二微透鏡的另一側(cè)形成第三微透鏡。
18.如權(quán)利要求13的方法，其中還包括硬化第一、第二和第三微透鏡。
19.如權(quán)利要求13的方法，其中分別在設(shè)置在襯底的中心區(qū)域的第二微透鏡的左側(cè)和右側(cè)排列第一和第三微透鏡，以及第一微透鏡和第三微透鏡的相鄰于第二微透鏡的部分的曲率不同于其相對(duì)部分的曲率。
20.如權(quán)利要求13的方法，其中分別在設(shè)置在襯底的中心區(qū)域的第二微透鏡的左側(cè)和右側(cè)排列第一和第三微透鏡，以及第一微透鏡和第三微透鏡的相鄰于第二微透鏡的部分的曲率小于其相對(duì)部分的曲率。
全文摘要
提供了一種CMOS圖像傳感器及其制造方法。該CMOS圖像傳感器包括半導(dǎo)體襯底，具有光電二極管和晶體管。層間絕緣層形成在半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表面上。第一、第二和第三濾色鏡層在層間絕緣體上以規(guī)則間隔形成。第一、第二和第三微透鏡分別形成在第一、第二和第三濾色鏡層上。微透鏡具有至少兩個(gè)不同的曲率。
文檔編號(hào)H01L21/822GK1937238SQ20061015406
公開(kāi)日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2006年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月22日
發(fā)明者黃 俊 申請(qǐng)人:東部電子有限公司