專利名稱：圖像傳感器和其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及圖像傳感器及其制造方法。
背景技術：
通常，圖像傳感器是將光學圖像轉化為電信號的半導體器件。電荷
耦合器件(CCD)和互補金屬氧化物半導體器(CMOS)圖像傳感器是典 型的現(xiàn)有技術圖像傳感器。
根據現(xiàn)有技術的圖像傳感器制造方法在圖像傳感器的微透鏡之間 形成間隙。聚焦在特定微透鏡上的光可通過對應于微透鏡和相鄰微透鏡 之間的間隙的區(qū)域漏出，并進入相鄰的光電二極管。漏出的光導致光學 串擾和混色，從而使色純度下降。結果，光電二極管的圖像質量變差。

發(fā)明內容
本發(fā)明的實施方案提供圖像傳感器及其制造方法，其用于通過防止 穿過微透鏡的光漏入微透鏡之間的間隙而改善光電二極管的圖像質量。
在一個實施方案中，圖像傳感器包括在半導體襯底的像素區(qū)域中 的用于產生對應于入射光的電信號的光電二極管區(qū)域，具有第一光電二 極管、第二光電二極管和第三光電二極管；具有對應于第一到第三光電 二極管邊界的溝槽的絕緣層結構；通過填充溝槽用于防止光通過溝槽的 防止漏光單元；在絕緣層結構上的對應于第一到第三光電二極管的濾色 器；和在濾色器上的對應于每個濾色器的微透鏡。
在另一個實施方案中，制造圖像傳感器的方法可包括在半導體襯 底的像素區(qū)域中形成光電二極管區(qū)域，用于產生對應于入射光的電信 號，包括第一光電二極管、第二光電二極管和第三光電二極管；通過在 第一到第三光電二極管上形成絕緣層以覆蓋第一到第三光電二極管，在 所述絕緣層上涂敷光刻膠膜，和在通過使用光刻膠膜圖案化所述絕緣層 以在第一到第三光電二極管的邊界處形成溝槽，從而形成絕緣層結構；通過在絕緣層結構上沉積填隙材料從而在溝槽中形成防止漏光單元；在 絕緣層結構上形成對應于第一到第三光電二極管的濾色器；和在濾色器 上形成對應于每個濾色器的微透鏡。
一個或多個實施方案的細節(jié)闡述在附圖和以下的詳細說明中。其他 特征將由說明書、附圖和權利要求中顯而易見。


圖l是根據一個實施方案的圖像傳感器的橫截面圖。 圖2是圖1所示光電二極管區(qū)域的俯視圖。
圖3A和圖3B是說明在光電二極管區(qū)域上形成絕緣層結構的方法 的橫截面圖。
圖4是說明在絕緣層結構上形成防止漏光單元的方法的橫截面圖。 圖5是說明在絕緣層結構上形成濾色器結構的方法的橫截面圖。 圖6是說明在濾色器上形成平坦化層的方法的橫截面圖。 圖7是說明在平坦化層上形成微透鏡的方法的橫截面圖。
具體實施例方式
以下，將參考附圖詳細說明根據實施方案的圖像傳感器和其制造方法。
在實施方案的說明中，應理解當層(或膜)稱為在另一層或襯底'上， 的時候，其可以直接在另一層或襯底上，或也可存在插入的層。此外， 應理解當層被稱為在另一個層"下"的時候，其可以直接在另一層下， 也可存在一個或多個插入的層。另外，也應理解當層稱為在兩層'之間 '的時候，其可以為兩層之間的僅有的層，或也可存在一個或多個插入 的層。
圖l是根據一個實施方案的圖像傳感器的橫截面圖，圖2是圖1所 示光電二極管區(qū)域的俯視圖。根據該實施方案的圖像傳感器300可包括光電二極管區(qū)域100、絕緣層結構150、防止漏光單元160、濾色器200、 平坦化層210、和微透鏡250。在半導體襯底10的像素區(qū)域中形成光電二極管區(qū)域IOO，并產生對 應于進入的光的電信號。光電二極管區(qū)域100包含第一光電二極管102、 第二光電二極管104、和第三光電二極管106。參考圖2，第一到第三光電二極管102、 104和106中的每個包含用 于感測光量的光電二極管PD、轉移晶體管Tx、重置晶體管Rx 、選擇 晶體管Sx、和存取晶體管Ax。轉移晶體管的漏極用作作為浮動擴散層 FD。再次參考圖1，絕緣層結構150包括用于使具有覆蓋半導體襯底10 的多層結構的線(未顯示)絕緣的絕緣層152，在所述半導體襯底10上 形成有三個光電二極管102、 104和106。在對應于第一到第三光電二極 管102、 104和106之間邊界的區(qū)域中在絕緣層152的頂表面中，以預 定寬度w和深度d形成溝槽154。在一個實施方案中，絕緣層152可包含氮化物。例如，絕緣層152 可包含光折射率約1.9~2.0的SiN。絕緣層152的厚度可以為約 200~300nm ?？梢酝ㄟ^例如物理氣相沉積、化學氣相沉積(CVD例如 低壓CVD、高密度等離子體CVD或等離子體增強的CVD)、或毯覆式 沉積的方法形成絕緣層152。溝槽154可以形成為具有比絕緣層152的厚度小的深度。而且，溝寬度w 。在微透鏡制造期間可以在各微透鏡250之間形成間隙252 。間 隙252的尺寸為至少約200nm~300nm。溝槽154的寬度w可以為約 100nm~400nm或更小，溝槽154的深度可以為約100nm~300nm 。在聚焦的光傳輸?shù)焦怆姸O管PD時，防止漏光單元160防止聚焦 到微透鏡250的光漏到在微透鏡之間形成的間隙252的區(qū)域。防止漏光 單元160可以在溝槽154中形成，并可基本上填充溝槽154。也可形成 預定厚度的防止漏光層以覆蓋絕緣層結構150的整個頂表面，從而基本 上平坦化圖像傳感器300的頂表面。防止漏光單元160覆蓋絕緣層結構150頂表面的部分的厚度(即， 防止光的單元160的頂面到絕緣層152的頂表面的厚度)為約10nm~ 20nm在一個實施方案中，防止漏光單元160可包含氧化物材料，例如原 硅酸乙酯(TEOS)氧化物材料，其折射率小于絕緣層結構的材料SiN的 折射率。TEOS氧化物材料的光折射率為約1.4~1.5。可以通過例如物 理氣相沉積、化學氣相沉積(CVD，例如低壓CVD、高密度等離子體 CVD、或等離子體增強的CVD)、或毯覆式沉積的方法形成防止漏光單 元160。濾色器200可以形成在防止漏光單元160上。濾色器200包括用于 通過藍色可見光的、形成在對應于第一光電二極管102的預定區(qū)域的藍 色濾色器202、用于通過綠色可見光的、形成在對應于第二光電二極管 104的預定區(qū)域的綠色濾色器204、和用于通過紅色可見光的、形成在 對應于第三光電二極管106的預定區(qū)域的紅色濾色器206。藍色、綠色和紅色濾色器202、 204和206可以形成為具有不同的 厚度，如圖1所示。更具體地說，濾色器在基本上平坦的襯底上形成為 具有不同的厚度。例如，紅色濾色器206可具有比與其相鄰的綠色濾色 器204大的厚度，綠色濾色器204可具有與其相鄰的藍色濾色器202大 的厚度，其中藍色濾色器202在綠色濾光器204遠離紅色濾色器206的 的一側?；蛘?，藍色、綠色和紅色濾色器202、 204、和206可以形成為 具有相同的厚度。平坦化層210可以形成在濾色器200上方或之上。平坦化層210降 低或基本上除去可能在藍色、綠色和紅色濾色器202、 204和206之間 形成的階梯差(例如濾色器達到的厚度差)。微透鏡250精確地聚焦并將光傳播到每個光電二極管區(qū)域100。在 平坦化層210上形成微透鏡250以各自與藍色、綠色或紅色濾色器202、 204和206對齊。更具體地說，在平坦化層210上形成光刻膠膜。光刻膠膜可以由通 過常規(guī)方法(例如旋涂)沉積的常規(guī)聚合物光刻膠材料形成。光刻膠層可以形成為200~500nm的厚度。然后通過包括在約120"C 250"C溫 度下的熱回流工藝(reflow process )的曝光和顯影過程來圖案化光刻膠 膜。熱回流工藝使得微透鏡具有凸形或半球形的形狀。在微透鏡形成過程期間，間隙252可以形成在微透鏡250之間。間 隙252的尺寸為至少約100nm 300nm 。參考圖1和2，盡管微透鏡250精確地聚焦光并將聚焦的光傳播到 每個光電二極管PD，但是聚焦的光的一部分漏到對應于間隙252的區(qū) 域。在現(xiàn)有技術的器件中，在聚焦的光通過每個濾色器200之后，在聚 焦的光通過絕緣層結構150傳播到光電二極管PD時，漏出的光可與通 過相鄰濾色器的另外的光混合。這導致相鄰光電二極管PD之間的光學 串擾。因此，光電二極管PD的圖像質量下降。在本發(fā)明的一個實施方案中，溝槽154形成在對應于微透鏡250之 間的間隙252的絕緣層結構150中?？梢酝ㄟ^用光折射率低于絕緣層結 構150的預定材料填充溝槽154來形成防止漏光單元160。防止漏光單 元160通過基本上反射到達絕緣層結構150的所有的光來降低光學串 擾，否則在光通過濾色器200之后到達絕緣層結構150的光可漏到另一 個光電二極管。更詳細地，在光通過微透鏡250之一已經精確聚焦之后到達絕緣層 結構150時，其通過相應的濾色器。大多數(shù)濾過的光精確地從濾色器傳 播其相應的光電二極管PD。然而， 一部分濾過的光向防止漏光單元160 傳播。光的物理性質防止其通過更高光反射率的材料到達具有更低光反 射率的材料。因此，防止漏光單元160基本上將所有漏出的光反射到光 電二極管PD，這是因為防止漏光單元160具有比絕緣層結構150的折 射率(約1.9~約2.0)更小的折射率(約1.4~約1.5)。因此，由于顏色沒有混合并且防止了相鄰光電二極管之間的光學串 擾，所以改進了光電二極管PD的圖像質量。從而可以改進圖像傳感器 200的顯示質量。圖3A 圖7是用于說明根據本發(fā)明一個實施方案的制造圖4象傳感 器的方法的橫截面圖。圖3A和圖3B是說明在光電二極管區(qū)域上形成絕緣層結構的橫截面 圖，如圖l所示。為了制造圖像傳感器300，在半導體襯底10上形成具 有第一到第三光電二極管102、 104、和106的光電二極管區(qū)域100。盡 管在一個實施方案中光電二極管區(qū)域IOO包含三個光電二極管102、104 和106，但是在半導體襯底10上可以根據需要布置更多的光電二極管 100以實現(xiàn)需要的分辨率。參考圖2，每個第一到第三光電二極管102、 104和106包含用于感 測光量的光電二極管PD、轉移晶體管Tx、重置晶體管Rx 、選擇晶體 管Sx、和存取晶體管Ax。轉移晶體管的漏極用作浮動擴散層FD。在半導體襯底io上形成光電二極管區(qū)域100之后，在半導體襯底 10上形成絕緣層152以覆蓋第一到第三光電二極管102、 104和106。 絕緣層152可包含光折射率約1.9 ~約2.0的SiN。然后，通過在絕緣層152上沉積光刻膠膜并通過光刻法圖案化光刻 膠膜來形成限定對應于第一到第三光電二極管102、 104和106之間邊 界的溝槽的光刻膠圖案170，如圖3B所示。光刻膠膜可以由通過常規(guī) 方法(例如旋涂)沉積的常規(guī)的聚合物光刻膠材料形成。然后通過常規(guī) 的曝光和顯影方法(例如，通過掩模的選擇性輻照和后續(xù)顯影的光刻法) 來圖案化所述光刻膠膜。然后，使用光刻膠圖案170作為蝕刻掩模蝕刻絕緣層152,從而在 絕緣層結構150中形成與第一到第三光電二極管102、 104和106之間 的邊界對齊的溝槽154。溝槽154形成為具有比絕緣層152的厚度小的深度。而且,溝槽154 形成為具有與形成在微透鏡250之間的間隙252的尺寸相同或稍大的寬 度w。例如，溝槽154的寬度是約100nm~400nm ，溝槽154的深度d 是約100nm ~ 300麵。圖4是說明在絕緣層結構150上的防止漏光單元的橫截面圖。在形 成對應于第一到第三光電二極管102、104和106之間的邊界的溝槽154 之后，可以通過在包括溝槽154的絕緣層結構150上沉積氧化物材料形 成防止漏光單元160。盡管防止漏光單元160的形成可包括完全填充溝槽154,但在溝槽 154處的漏光防止單元160的上表面中可形成大的階梯差。為了最小化 階梯差，繼續(xù)進行沉積過程，直到在溝槽154完全地填充氧化物材料之 后氧化物材料在絕緣層結構150上進一步沉積約10nm~20nm的厚度。 為平坦化圖像傳感器300的上表面，可以在防止漏光單元160上形成平 坦化層。氧化物材料可包括例如折射率小于SiN折射率的TEOS氧化物材 料，SiN可以包含在絕緣層結構150中。TEOS氧化物材料的光折射率 是約1.4 ~約1.5。圖5是說明圖4所示的絕緣層結構上的濾色器結構的橫截面圖。濾 色器200形成在氧化物層160上方或之上以與第一到第三光電二極管 102、 104和106對齊。在一個實施方案中，濾色器200包括藍色濾色器 202、綠色濾色器204和紅色濾色器206。通過涂敷各自具有對應于所述濾色器之一的顏色的顏料和/或染料 的光敏物質，并通過光蝕刻法來圖案化所述涂敷的光敏物質，從而形成 藍色、綠色和紅色濾色器202、 204和206。在一個實施方案中，如圖5所示，藍色、綠色和紅色濾色器202、 204和206的厚度可以不同，或者，藍色、綠色和紅色濾色器202、 204 和206的厚度可以相同。圖6是說明在圖5所示的濾色器200上形成平坦化層的橫截面圖。 在濾色器200上方或之上形成平坦化層210以完全地覆蓋濾色器200。 平坦化層210降低或完全消除了分別具有不同厚度的藍色、綠色和紅色 濾色器202、 204和206之間的階梯差。參考圖7，在平坦化層210上方或之上形成光刻膠膜，并通過光刻 法圖案化所述光刻膠膜。光刻膠膜可以由通過常規(guī)方法(例如旋涂)沉 積的常規(guī)的聚合物光刻膠形成。然后通過常規(guī)的曝光和顯影方法(例如， 通過掩模的選擇性輻照和后續(xù)顯影的光刻)圖案化光刻膠膜。然后，微透鏡250形成為凸形或半球形的形狀。這可以通過實施在 熔融光刻膠膜的溫度(約150t: 250"C)下加熱圖案光刻肢膜的回流工藝來實現(xiàn)。形成各個微透鏡以與藍色、綠色、和紅色濾色器202、 204、 和206對齊。在形成微透鏡250的時候，寬度a至少約200nm~300nm的不希 望的間隙252可能形成在各個微透鏡250之間。穿過微透鏡250的光可 通過間隙252漏出，導致相鄰光電二極管PD之間的混色和光學串擾。 為了防止混色和光學串擾，在光通過濾色器200之后，如上所述防止漏 光單元160基本上反射所有的到達絕緣層結構150的光。光精確地反射 到適當?shù)墓怆姸O管PD ,從而防止混色和光學串擾。如上所述，在一個實施方案中，防止漏光單元形成在絕緣層結構中 的光電二極管的邊界處。因為防止漏光單元基本上反射所有聚焦的光到 每個光電二極管，所以可以改善光電二極管的圖像質量和圖像傳感器的 顯示質量。在該說明書中對"一個實施方案"、"實施方案"、"示例實施方案" 等的任何引用，表示與所述實施方案相關的具體的特征、結構或性能包 含于與本發(fā)明一致的至少一個實施方案中。在說明書不同地方出現(xiàn)的這 些術語不必都涉及相同的實施方案。另外，與任何實施方案相關地記載 具體特征、結構或性能的時候，認為本領域技術人員能夠在相關聯(lián)的其 他的實施方案實現(xiàn)這種特征、結構或性能。盡管本發(fā)明中已經參考許多說明性的實施方案描述了實施方案，但是 很清楚，本領域技術人員可以知道很多的其它改變和實施方案，這些也在 ^^開的原理的精神和范圍內。更具體地，在公開、附圖和所附的權利要 求的范圍內，在本發(fā)明的組合排列的構件和/或結構中可能具有各種的變化 和改變。除了構件和/或布置的變化和改變之外，可替代的用途對于本領域 技術人員而言也是顯而易見的。
權利要求
1.一種圖像傳感器，包括在半導體襯底的像素區(qū)域中的光電二極管區(qū)域，用于產生對應于入射光的電信號并且包括第一光電二極管、第二光電二極管和第三光電二極管；具有對應于所述第一光電二極管、第二光電二極管和第三光電二極管的兩個或更多個之間邊界的溝槽的絕緣層結構；在所述溝槽中的防止漏光單元，用于防止光通過所述溝槽；在所述絕緣層結構上對應于所述第一光電二極管、第二光電二極管和第三光電二極管的濾色器；和在所述濾色器上對應于每個所述濾色器的微透鏡。
2. 權利要求1的圖像傳感器，其中所述絕緣層結構包括氮化物層。
3. 權利要求1的圖像傳感器，其中所述溝槽的寬度是約100nm 400nm ， 所述溝槽的深度小于所述絕緣層結構的厚度。
4. 權利要求3的圖像傳感器，其中所述溝槽的深度是約100~300nm 。
5. 權利要求1的圖像傳感器，其中所述防止漏光單元包含光折射率小于 所述絕緣層結構的光折射率的氧化物材料。
6. 權利要求5的圖像傳感器，其中所述氧化物材料包括TEOS(原硅酸四 乙酯)。
7. 權利要求1的圖像傳感器，其中所述防止漏光單元在包括所述溝槽的 所述絕緣層結構的整個頂表面上，并且具有約10nm 20nm的厚度。
8. —種制造圖像傳感器的方法，所述方法包括在半導體襯底的像素區(qū)域中形成用于將光轉化為電信號的光電二 極管區(qū)域，所述光電二極管區(qū)域包括第一光電二極管、第二光電二極管 和第三光電二極管；形成絕緣層結構，包括在所述第一光電二極管、第二光電二極管和 第三光電二極管上形成絕緣層以覆蓋所述第一光電二極管、第二光電二 極管和第三光電二極管，在所述絕緣層上涂敷并圖案化光刻膠膜以在所 述第一光電二極管、第二光電二極管和第三光電二極管之間的邊界處限定溝槽，和使用所述圖案化的光刻膠膜作為掩模來蝕刻所述絕緣層形成所述溝槽；通過在所述絕緣層結構上沉積填隙材料，在所述溝槽中形成防止漏 光單元；在所述絕緣層結構上形成對應于所述第一光電二極管、第二光電二 極管和第三光電二極管的濾色器；和在所述濾色器上形成對應于每個所述濾色器的微透鏡。
9. 權利要求8的方法，其中所述絕緣層結構包括氮化物層。
10. 權利要求8的方法，其中所述溝槽的寬度是約100nm 400nm，所述 溝槽的深度小于所述絕緣層結構的厚度。
11. 權利要求10的圖像傳感器，其中所述溝槽的深度是約100nm ~300腿。
12. 權利要求8的方法，其中所述防止漏光單元在所述絕緣層結構的整個 頂表面上形成，厚度約為10nm 20nm 。
13. 權利要求8的方法，其中所述防止漏光單元包含光折射率小于所述絕 緣層結構的光折射率的氧化物材料。
14. 權利要求13的方法，其中所述氧化物材料包括TEOS(原硅酸四乙 酯)。
15. 權利要求13的方法，還包括在形成所述微透鏡之前在所述濾色器上 形成平坦化層。
16. 權利要求8的方法，其中在所述微透鏡的形成步驟期間，在所述各微 透鏡之間形成間隙。
17. 權利要求16的方法，其中所述間隙的寬度為約100nm 約300nm， 并且與所述第一光電二極管、第二光電二極管和第三光電二極管之間的 所述邊界對齊。
18. 權利要求1的圖像傳感器，還包括在所述微透鏡之間的間隙。
19. 權利要求18的圖像傳感器，其中所述間隙的寬度為約100nm 約 300nm ,并且與所述第一光電二極管、第二光電二極管和第三光電二 極管之間的所述邊界對齊。20.權利要求1的圖像傳感器，還包括在所述濾色器上的平坦化層。
全文摘要
本發(fā)明提供圖像傳感器及其制造方法。所述圖像傳感器包括光電二極管區(qū)域、絕緣層結構、防止漏光單元、濾色器和微透鏡。半導體襯底的像素區(qū)域中的光電二極管區(qū)域產生對應于入射光的電信號。光電二極管區(qū)域包括第一光電二極管、第二光電二極管、和第三光電二極管。所述絕緣層結構包括對應于第一到第三光電二極管之間的邊界的溝槽。防止漏光單元形成在所述光電二極管之間的溝槽中并且防止光通過溝槽。濾色器對應于第一到第三光電二極管而形成在絕緣層結構上，并且微透鏡對應于每個濾色器位于濾色器上。
文檔編號H01L27/146GK101221964SQ20071030234
公開日2008年7月16日 申請日期2007年12月25日 優(yōu)先權日2006年12月27日
發(fā)明者尹盈提 申請人:東部高科股份有限公司