專利名稱：圖像傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件，尤其涉及一種圖像傳感器及其制造方法。
背景技術(shù)：
圖像傳感器為將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號的半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體圖像傳 感器可分為電荷耦合器件(CCD)和互補型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖 像傳感器。采用每一像素至少有一個MOS晶體管的切換方式，CMOS圖像 傳感器同時組合了控制電路和信號處理電路。CMOS傳感器通過MOS晶體 管檢測輸出。
CMOS圖像傳感器包括光電二極管和多個MOS晶體管?；旧?，CMOS 圖像傳感器通過將光信號(即從圖像傳感器芯片的前面或背面入射的可見 光)轉(zhuǎn)換成電信號來實現(xiàn)成像。近年來，開發(fā)出了一種具有垂直光電二極管 的垂直圖像傳感器。與水平圖像傳感器相比，垂直圖像傳感器具有在一個像 素中實現(xiàn)多種顏色的能力。
圖1為通過下列工藝制造的有關(guān)的CMOS圖像傳感器的剖視圖。請參 照圖1，可在半導(dǎo)體襯底1上方形成至少一個光電二極管2。在包括光電二 極管2的半導(dǎo)體襯底1上方，可形成包括金屬線的多層結(jié)構(gòu)的層間電介質(zhì)3。 可使用汽相沉積技術(shù)，通過在層間電介質(zhì)3上方沉積氧化物或氮化物來形成 保護(hù)電介質(zhì)4。此外，可在該保護(hù)電介質(zhì)4上方與光電二極管2對應(yīng)地形成 至少一個濾色鏡。最后，可形成至少一個微透鏡7。可在微透鏡7的下部加 覆蓋膜(overcoat)。
在上述制造圖像傳感器的工藝中，主要步驟包括形成用于聚焦光的微透鏡7，形成用于區(qū)分光線中不同彩色(例如紅色、綠色和藍(lán)色)信號的濾 色鏡，以及形成光電二極管2。光電二極管2通過收集由被聚焦光產(chǎn)生的電子 而產(chǎn)生電信號。
上述圖像傳感器的層間電介質(zhì)3厚于CCD的層間電介質(zhì)。因為這種差別， 隨著像素間距減少，即使將優(yōu)化的微透鏡7用于CMOS半導(dǎo)體圖像傳感器，光 電二極管2的適當(dāng)聚焦在CMOS圖像傳感器中也會產(chǎn)生比CCD中更為嚴(yán)重的 惡化。這是因為，在微透鏡7的優(yōu)化條件下，能聚焦光的最小光點直徑與焦 距成比例，且與數(shù)值孔徑相關(guān)。在圖像傳感器的像素中，數(shù)值孔徑對應(yīng)于像 素間距，而焦距對應(yīng)于其中包括有金屬線的層間電介質(zhì)3的厚度。因此，為 了獲得較好的聚焦，就需要減少像素的尺寸和層間電介質(zhì)3的厚度。
然而，在相關(guān)的CCD圖像傳感器中，減少層間電介質(zhì)3的厚度是有限的。 也就是說，像素間距上的限度不允許更多地減少像素尺寸。例如，像素間距 的限度估計約為1.75 pm。為了要克服相關(guān)的限度，可在層間電介質(zhì)3內(nèi)部形 成無機微透鏡。然而，這導(dǎo)致了制造工藝的復(fù)雜化。
可選地，為了克服所述的限度，可更進(jìn)一步包括如圖2A和圖2B所示的為 入射光提供傳輸光路徑的波導(dǎo)(wave guide)。圖2A為配備有波導(dǎo)的相關(guān)圖 像傳感器的剖視圖。圖2B示出圖2A的圖像傳感器中的入射光。如圖2A所示， 尺寸幾乎與像素相同的溝槽形成于光電二極管2的上部上，溝槽的深度與層 間電介質(zhì)3的厚度幾乎一致。
通過以旋涂玻璃(SOG)完全填充溝槽，或使用具有比層間電介質(zhì)3更大 的折射系數(shù)(折射度)的材料完全填充溝槽，來形成波導(dǎo)8。波導(dǎo)8能有效地 將入射光傳送到光電二極管2。然而，如圖2B所示，波導(dǎo)8也有在層間電介質(zhì) 3與波導(dǎo)8之間的界面處存在反射率的問題。此問題影響到光不能垂直入射于 波導(dǎo)8的底部，特別是影響到光從波導(dǎo)的側(cè)壁的反射。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件，尤其涉及一種圖像傳感器及其制造方法。本發(fā) 明涉及一種圖像傳感器及其制造方法，該圖像傳感器在采用波導(dǎo)作為入射光 的傳輸路徑時，能夠有效地抑制非垂直入射的側(cè)光在波導(dǎo)底部的反射。
本發(fā)明涉及制造圖像傳感器方法，包括在半導(dǎo)體襯底上方形成光電二極管；在上面具有所述光電二極管的所述半導(dǎo)體襯底上方形成層間電介質(zhì)； 在所述層間電介質(zhì)的上部中形成波導(dǎo)的溝槽；在所述溝槽的底部表面上方形 成折射層；形成波導(dǎo)電介質(zhì)以填充所述溝槽；在波導(dǎo)電介質(zhì)上方形成濾色鏡; 在濾色鏡上方形成覆蓋膜；在覆蓋膜上方形成微透鏡。
該層間電介質(zhì)包括多條金屬線。形成電介質(zhì)以填充溝槽可覆蓋該層間電 介質(zhì)的上部，以形成保護(hù)層。該溝槽可通過蝕刻該層間電介質(zhì)的光電二極管 區(qū)來形成。該波導(dǎo)形成入射光的傳輸路徑。該折射層由具有比所述波導(dǎo)電介 質(zhì)更高的折射率的材料制成。該折射層可由包含氮化硅的有機或無機材料制 成。形成溝槽可包括蝕刻光電二極管區(qū)，使得部分層間電介質(zhì)存留在該溝槽 的下部。該折射層可由具有比存留在該溝槽下部的部分層間電介質(zhì)更高的折 射率的材料制成。
在實施例中，圖像傳感器可包括在半導(dǎo)體襯底上方形成的光電二極管。 層間電介質(zhì)可形成在半導(dǎo)體襯底上方，層間電介質(zhì)可在晶體管區(qū)中包括多條 金屬線，該層間電介質(zhì)包括波導(dǎo)電介質(zhì)，用于在光電二極管區(qū)中引導(dǎo)入射光。 在所述層間電介質(zhì)中的所述波導(dǎo)電介質(zhì)的底部可形成折射層。在該層間電介 質(zhì)的上表面上方可形成濾色鏡。在濾色鏡上方可形成覆蓋膜。在層間電介質(zhì) 上方可形成微透鏡。該折射層可具有與該波導(dǎo)電介質(zhì)和該層間電介質(zhì)相比更 高的折射率。該折射層可由包含氮化硅的無機或有機材料制成。


圖1為相關(guān)CMOS圖像傳感器的剖視圖2A為配備有波導(dǎo)的相關(guān)CMOS圖像傳感器的剖視圖，而圖2B為示出圖 2A的圖像傳感器中入射光的示意示例圖3 A為依照本發(fā)明實施例圖像傳感器的剖視圖； 示例圖3B為圖2A的圖像傳感器中折射平面層的詳細(xì)示意圖。
具體實施例方式
下面，將結(jié)合附圖描述根據(jù)本發(fā)明實施例的圖像傳感器及其制造方法。 示例圖3A為依照實施例圖像傳感器的剖面圖，而示例圖3B為圖2A中的圖像 傳感器中包括折射面的層的詳細(xì)示意圖。請參照示例圖3A，依照本發(fā)明實施
6例的圖像傳感器為CMOS圖像傳感器，配備有為入射光提供傳輸路徑的波導(dǎo)。
更具體地說，該CMOS圖像傳感器可包括光電二極管20、波導(dǎo)電介質(zhì) 40、具有多層結(jié)構(gòu)且包括波導(dǎo)電介質(zhì)40的層間電介質(zhì)30、因波導(dǎo)電介質(zhì)40 而具有不同折射系數(shù)(折射率)的折射面(或折射面層)90、濾色鏡50、覆 蓋膜60以及微透鏡70。
光電二極管20可形成于半導(dǎo)體襯底10上方。層間電介質(zhì)30可以多層 結(jié)構(gòu)的形式形成在半導(dǎo)體襯底10上方。多條金屬線可包含在晶體管區(qū)中。 此外，波導(dǎo)(該波導(dǎo)作為入射光傳輸路徑)的所述波導(dǎo)電介質(zhì)40形成在層 間電介質(zhì)30的光電二極管區(qū)中。在光電二極管區(qū)中，更特別地，波導(dǎo)電介 質(zhì)40和濾色鏡50與從微透鏡70到光電二極管20的入射光的傳輸路徑對應(yīng) 地配置于波導(dǎo)電介質(zhì)40的上方。
在實施例中，折射面(層)90形成于波導(dǎo)電介質(zhì)40的底部表面上方。 折射面90可采用與波導(dǎo)電介質(zhì)40和層間電介質(zhì)30相比具有更高折射系數(shù) 的材料制成。結(jié)果，在波導(dǎo)的底部表面處，能減少針對從側(cè)面入射的光(換 句話說，不是垂直入射的光)的反射率。換句話說，在形成在光電二極管20 上部的電介質(zhì)與波導(dǎo)之間的界面處，減少了反射率。
折射面卯可采用包含氮化硅的無機或有機材料制成，具有不大于約 55nm的厚度。如示例圖3A所示，波導(dǎo)電介質(zhì)40可通過向上延伸且覆蓋層 間電介質(zhì)30的上部而起到保護(hù)層的作用。由此，濾色鏡50可形成于波導(dǎo)電 介質(zhì)40的上部上方。然而，在本發(fā)明實施例中，濾色鏡50也可描述成配置 于多層層間電介質(zhì)30的最上層上方。
覆蓋膜60可形成于濾色鏡50上方，且微透鏡70可與濾色鏡50對應(yīng)地 形成于覆蓋膜60上方。依照實施例，波導(dǎo)的溝槽80，尺寸幾乎與像素相同， 深度與層間電介質(zhì)30的厚度對應(yīng)，可通過蝕刻形成于光電二極管20上部中。 另外，可通過蝕刻將溝槽80形成為深度小于層間電介質(zhì)30的厚度。在后者 的情況下，在波導(dǎo)電介質(zhì)40的底部存留有部分層間電介質(zhì)30。
如示例圖3B所示，折射面90具有比波導(dǎo)電介質(zhì)40更高的折射系數(shù)(折 射率)，并且其折射率也高于形成在其下部的電介質(zhì)。因此，入射光可不被 波導(dǎo)的底部表面反射，而平滑地傳輸直至光電二極管20。如上所述，通過設(shè) 置具有相對較高折射率的平面層，依照本發(fā)明實施例的圖像傳感器能夠在波
7導(dǎo)底部表面將反射率減少高達(dá)約20~30%。
上述依照實施例描述的圖像傳感器可通過以下工藝制造。首先，可在半 導(dǎo)體襯底10上方形成光電二極管20。然后，可在具有光電二極管20的半導(dǎo) 體襯底10上方形成包括多條金屬線的多層結(jié)構(gòu)的層間電介質(zhì)30。
然后，可通過蝕刻層間電介質(zhì)30的光電二極管區(qū)，在光電二極管20上 方的層間電介質(zhì)30的上部中，形成波導(dǎo)的溝槽80，該波導(dǎo)提供入射光傳輸 路徑。溝槽80可具有幾乎與像素相同的尺寸。而且，溝槽80的深度可幾乎 等于或小于層間電介質(zhì)30的厚度。
具有第一折射率的折射面90形成在溝槽80的底部表面上方。通過氣相 沉積，可將可包含氮化硅的無機或有機的材料沉積成厚度不大于約55nm。 在底部具有折射面90的溝槽80被絕緣材料填充而形成波導(dǎo)，溝槽80具有 第二折射率。按照需要，充填工藝也可覆蓋層間電介質(zhì)30的上部，借此形 成波導(dǎo)電介質(zhì)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 電二極管20的上部的電介質(zhì)的折射率。接下來，可在光電二極管20上方的 層間電介質(zhì)30或波導(dǎo)電介質(zhì)40上方形成濾色鏡50?？稍跒V色鏡50上方形 成覆蓋膜60。最后，可在覆蓋膜60上方形成微透鏡70。
根據(jù)上述的圖像傳感器，通過微透鏡70的入射光被波導(dǎo)的底部表面折 射，且直接傳輸?shù)焦怆姸O管20。如此，能夠提高光的聚焦效率。依照以上 描述可以明顯看出，根據(jù)本發(fā)明實施例，能夠避免波導(dǎo)底部的高反射率，同 時確保波導(dǎo)的側(cè)面針對側(cè)光(即非垂直入射的光)的反射率。由此，根據(jù)本 發(fā)明實施例的圖像傳感器的光電二極管的聚焦效率能夠提高，且能夠相應(yīng)地 提高圖像傳感器的整體光學(xué)靈敏度。
對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，可以對實施例進(jìn)行各種變化和改型。 因此，實施例應(yīng)該涵蓋所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)所進(jìn)行的各種變化和改型。
權(quán)利要求
1、一種方法，包括如下步驟在半導(dǎo)體襯底上方形成光電二極管；在上面具有所述光電二極管的所述半導(dǎo)體襯底上方形成層間電介質(zhì)；在所述層間電介質(zhì)的上部中形成用作波導(dǎo)的溝槽；在所述溝槽的底部表面上方形成折射層；形成波導(dǎo)電介質(zhì)以填充所述溝槽；在所述波導(dǎo)電介質(zhì)上方形成微透鏡。
2、 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述波導(dǎo)電介質(zhì)上方和在所 述微透鏡下方形成濾色鏡。
3、 如權(quán)利要求2所述的方法，還包括在所述濾色鏡上方和在所述微透 鏡下方形成覆蓋膜。
4、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述層間電介質(zhì)包括多條金屬線。
5、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中形成所述電介質(zhì)以填充所述溝槽時， 所形成的電介質(zhì)覆蓋所述層間電介質(zhì)的上部。
6、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述溝槽是通過蝕刻所述層間電介質(zhì) 的光電二極管區(qū)而形成的。
7、 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述波導(dǎo)構(gòu)成入射光的傳輸路徑。
8、 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述折射層是由具有比所述波導(dǎo)電 介質(zhì)更高的折射率的材料制成的。
9、 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述折射層是由包含氮化硅的無機 材料制成的。
10、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述折射層是由包含氮化硅的有機 材料制成的。
11、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中形成所述溝槽的步驟包括蝕刻所 述光電二極管區(qū)，使得所述溝槽的底部存留有部分所述層間電介質(zhì)。
12、 如權(quán)利要求ll所述的方法，其中所述折射層是由具有比存留在所述 溝槽底部的部分所述層間電介質(zhì)更高的折射率的材料制成的。
13、 一種裝置，包含 光電二極管，形成在半導(dǎo)體襯底上方；層間電介質(zhì)，形成在所述半導(dǎo)體襯底上方，包括用于在光電二極管區(qū)中引導(dǎo)入射光的波導(dǎo)電介質(zhì)；折射層，形成在所述層間電介質(zhì)中的所述波導(dǎo)電介質(zhì)的底部；以及 微透鏡，形成在所述層間電介質(zhì)上方。
14、 如權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述層間電介質(zhì)包含位于晶體管區(qū) 中的多條金屬線。
15、 如權(quán)利要求13所述的裝置，還包含濾色鏡，形成在所述層間電介 質(zhì)的上表面上方和所述微透鏡下方。
16、 如權(quán)利要求15所述的裝置，還包含覆蓋膜，形成在所述濾色鏡上 方和所述微透鏡下方。
17、 如權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述折射層具有比所述波導(dǎo)電介質(zhì) 更高的折射率。
18、 如權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述折射層具有比所述層間電介質(zhì) 更高的折射率。
19、 如權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述折射層是由包含氮化硅的無機 材料制成的。
20、 如權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述折射層是由包含氮化硅的有機 材料制成的。
全文摘要
一種圖像傳感器及其制造方法，該圖像傳感器可包括光電二極管，形成在半導(dǎo)體襯底上方；層間電介質(zhì)，可包括位于晶體管區(qū)中的多條金屬線，可形成在半導(dǎo)體襯底上方，其包括波導(dǎo)電介質(zhì)，用于在光電二極管區(qū)中引導(dǎo)入射光；折射層，可形成在層間電介質(zhì)中的波導(dǎo)電介質(zhì)的底部；濾色鏡，可形成在層間電介質(zhì)的上表面上方；覆蓋膜，可形成在濾色鏡上方；微透鏡，可形成在層間電介質(zhì)上方。由此，能在波導(dǎo)底部有效抑制高反射率，同時確保該波導(dǎo)針對非垂直入射光的反射率。
文檔編號H01L21/822GK101471297SQ20081016980
公開日2009年7月1日 申請日期2008年10月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月24日
發(fā)明者尹盈提 申請人:東部高科股份有限公司