專利名稱：圖像傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像傳感器，更具體而言，涉及圖像傳感器及其制造方法，在這種圖像傳感器中，不是將傳統(tǒng)的微透鏡陣列設(shè)置在彩色濾鏡陣列之上，而是將微透鏡結(jié)構(gòu)(microlens pattern，又稱之為微透鏡圖案)設(shè)置在彩色濾鏡陣列(color filter array)之下，微透鏡結(jié)構(gòu)可以取代微透鏡陣列的功能，這種結(jié)構(gòu)能夠縮短最終到達(dá)光電二極管的聚集的光的總傳播距離，提高最終到達(dá)光電二極管陣列的光的強(qiáng)度并改善聚焦，同時顯著地提高最終完成的圖像傳感器的低亮度性能。
背景技術(shù)：
近來，隨著電氣技術(shù)和電子技術(shù)的快速發(fā)展，多種應(yīng)用圖像傳感器技術(shù)的電子產(chǎn)品諸如攝像機(jī)、數(shù)碼像機(jī)、內(nèi)置微型像機(jī)的PC、內(nèi)置微型像機(jī)的蜂窩電話等得到快速發(fā)展并且越來越普及。
傳統(tǒng)上，雖然電荷耦合器件(Charge Coupled Devices，CCD)已被用作圖像傳感器，但是由于CCD具有以下缺點(diǎn)需要較高的驅(qū)動電壓和附加的分立支持電路、處理開銷高等。近來，存在減少使用CCD的趨勢。
最近，作為能夠取代CCD的圖像傳感器，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)圖像傳感器引起了人們的關(guān)注。不同于已有的CCD，由于CMOS圖像傳感器是基于CMOS電路技術(shù)構(gòu)造的，所以，CMOS圖像傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于需要較低的驅(qū)動電壓、不需要附加的支持電路、以及處理開銷低等優(yōu)點(diǎn)。
參照圖1，這樣一種相關(guān)技術(shù)的圖像傳感器(例如CMOS圖像傳感器)設(shè)置有微透鏡陣列7，用于聚集來自外部透鏡100的光；彩色濾鏡陣列6，用于將由微透鏡陣列7聚集的光轉(zhuǎn)換成色光(colorlight)；平面層5，位于彩色濾鏡陣列6上，用于使微透鏡陣列7的底部成一平面，以產(chǎn)生均勻光透射；光透射層4，用于把在彩色濾鏡陣列6處轉(zhuǎn)換成色光的光透射向光電二極管陣列3；光電二極管陣列3，位于半導(dǎo)體襯底1的、由有源單元隔離層2所限定的有源區(qū)(active region)上，用于接收通過光透射層4的光，以產(chǎn)生并儲存光電荷。
在這個實(shí)例中，利用微透鏡陣列的彎曲部分(curvature，曲率)，微透鏡陣列7使入射到點(diǎn)P1的光直線通過，使入射到點(diǎn)P2和P3的光以一角度折射，從而，使得所有通過外部透鏡100的光均聚焦到光電二極管陣列3上。
如前所述，在相關(guān)技術(shù)的圖像傳感器中，由微透鏡陣列7聚集的光通過彩色濾鏡陣列6、光透射層4等傳送到光電二極管陣列3。也就是說，對于在微透鏡陣列7處聚集的、到達(dá)光電二極管陣列3的光經(jīng)過相當(dāng)長的傳播距離。
因此，如果在微透鏡陣列7和光電二極管陣列3之間有很長的距離，那么，入射到光電二極管陣列3上的光的強(qiáng)度和聚焦(focus)將與距離成比例地失真(distort)，因此，圖像傳感器的低亮度性能將不可避免地顯著下降。
當(dāng)然，如果任由圖像傳感器的低亮度性能如此下降而不采取任何適當(dāng)?shù)膶Σ?，由圖像傳感器最終形成的圖像的質(zhì)量將相當(dāng)?shù)汀?br>
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提出了圖像傳感器及其制造方法，基本上避免了由于相關(guān)技術(shù)的局限和缺點(diǎn)而產(chǎn)生的一個或多個問題。
本發(fā)明的一個目的是提供一種圖像傳感器，其具有設(shè)置在彩色濾鏡陣列之下的微透鏡結(jié)構(gòu)，從而使得聚集到光電二極管陣列的光的總傳播距離最小。
本發(fā)明的另一目的是提供一種圖像傳感器，其能夠最小化到達(dá)光電二極管陣列的光的強(qiáng)度和聚焦與距離成比例的失真，提高低亮度性能。
本發(fā)明的再一目的是提供一種圖像傳感器，其具有微透鏡結(jié)構(gòu)，設(shè)置在彩色濾鏡陣列之下，為微透鏡陣列提供一些保護(hù)。
本發(fā)明的又一目的是提供一種圖像傳感器，其能夠顯著地提高重現(xiàn)圖像的質(zhì)量。
本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)、目的和特點(diǎn)將部分地在隨后的描述中闡明，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的，或可以從本發(fā)明的實(shí)踐中了解到。本發(fā)明的目的和其它優(yōu)點(diǎn)可以由本說明書中的書面的描述和權(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。
為了實(shí)現(xiàn)這些目的和其它優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)本發(fā)明的目的，如此處實(shí)現(xiàn)和廣泛描述的，制造圖像傳感器的方法包括以下步驟在半導(dǎo)體襯底的、由有源單元隔離膜所限定的有源區(qū)內(nèi)形成光電二極管陣列；在光電二極管陣列上形成光透射層；在光透射層上形成微透鏡結(jié)構(gòu)，該微透鏡結(jié)構(gòu)適于聚集外部光；以及在微透鏡結(jié)構(gòu)之上形成彩色濾鏡陣列。
在本發(fā)明的另一方面，圖像傳感器包括彩色濾鏡陣列，用于將外部光轉(zhuǎn)換成色光；微透鏡結(jié)構(gòu)，位于彩色濾鏡陣列之下，用于聚集通過彩色濾鏡陣列的色光；光電二極管陣列，在半導(dǎo)體襯底的有源區(qū)內(nèi)、用于接收在微透鏡結(jié)構(gòu)處聚集的光，適于產(chǎn)生和儲存光電荷；以及，光透射層，位于光電二極管陣列之上，用于支持微透鏡結(jié)構(gòu)和彩色濾鏡陣列，并將在微透鏡結(jié)構(gòu)處聚集的光透射向光電二極管陣列。
應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的以上一般描述和以下詳細(xì)描述是示范性和說明性的，目的在于提供對所主張的本發(fā)明的進(jìn)一步解釋。


附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并構(gòu)成本申請一部分，舉例說明了本發(fā)明的實(shí)施例并結(jié)合描述解釋本發(fā)明的原理。在附圖中圖1示意性示出傳統(tǒng)的圖像傳感器的一個實(shí)例的截面圖；圖2示意性示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的圖像傳感器的一個實(shí)例的截面圖；以及圖3A至圖3E示意性示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例制造圖像傳感器的方法的步驟的截面圖。
具體實(shí)施例方式
下面將詳細(xì)地參照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中的實(shí)例在附圖中加以闡明。盡可能的，相同的標(biāo)號將在附圖中用來指示相同或相似的部分。
參照圖2，圖像傳感器(例如CMOS圖像傳感器)包括彩色濾鏡陣列16，用于將來自外部透鏡100的光轉(zhuǎn)化成色光；光透射層14，用于將在彩色濾鏡陣列16處轉(zhuǎn)換成色光的光透射向光電二極管陣列13；以及，光電二極管陣列13，位于半導(dǎo)體襯底11之上，處于由有源單元隔離層(active cell isolation film)12所限定的有源區(qū)，用于接收通過光透射層14的光，以產(chǎn)生并儲存光電荷(photocharge)。
光透射層14具有PMD絕緣膜、金屬線、中間層絕緣膜等，位于半導(dǎo)體襯底11之上，用于覆蓋光電二極管陣列13并支撐彩色濾鏡陣列16。在這種情況下，在光透射層14之上有一平面層15，用來使彩色濾鏡陣列16的底部成一平面，以產(chǎn)生均勻的光透射。
如所示出的，在本發(fā)明的圖像傳感器中，不是從彩色濾鏡陣列16之上或上方的位置處去掉傳統(tǒng)的微透鏡陣列，而是將微透鏡結(jié)構(gòu)(microlens pattern)20設(shè)置于彩色濾鏡陣列(color filter array)16之下，從而有效地聚集通過彩色濾鏡陣列16的光，微透鏡結(jié)構(gòu)取代了相關(guān)技術(shù)的微透鏡陣列的功能。
在這種情況下，微透鏡結(jié)構(gòu)20優(yōu)選包括第一透鏡結(jié)構(gòu)21，其包含氧化物(例如常規(guī)的二氧化硅)，用于使來自彩色濾鏡陣列16的光基本上以一直線或沿某一方向(例如基本上與光電二極管13的上表面垂直的方向)透射向光電二極管陣列13；以及第二透鏡結(jié)構(gòu)22，其包含氮化物(例如SiN)，設(shè)置在第一透鏡結(jié)構(gòu)21的側(cè)壁上，以圓形覆蓋側(cè)壁(也可以理解為，第二透鏡結(jié)構(gòu)為圓形)，用于將通過彩色濾鏡陣列16的光折射向光電二極管陣列13。
第一透鏡結(jié)構(gòu)21的厚度優(yōu)選為11,000?！?4,000，第二透鏡結(jié)構(gòu)22厚度優(yōu)選為6,000?！?,000。
當(dāng)然，眾所周知，氮化物膜的折射率大于氧化物膜的折射率。因此，如圖所示，如果微透鏡結(jié)構(gòu)20具有以下結(jié)構(gòu)包含氮化物的第二透鏡結(jié)構(gòu)22以圓形覆蓋包含氧化物的第一透鏡結(jié)構(gòu)21的側(cè)壁，入射到點(diǎn)P4的光以直線通過第一透鏡結(jié)構(gòu)21，入射到點(diǎn)P5和P6的光以一定角度折射，并通過第二透鏡結(jié)構(gòu)22，使得所有通過外部透鏡100的光可以毫無問題地最終向光電二極管陣列13聚集。
總之，通過以改進(jìn)方式將微透鏡結(jié)構(gòu)20設(shè)置于彩色濾鏡陣列16之下，從而基本上實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)微透鏡相同的功能，可以使得聚焦到光電二極管陣列13的光的傳播總距離最小。
在相關(guān)技術(shù)中，位于彩色濾鏡陣列之上的用于聚集光的微透鏡陣列不得不將聚集的光通過彩色濾鏡陣列、光透射層等透射向光電二極管陣列，因此最終到達(dá)光電二極管陣列的光的強(qiáng)度和聚焦不得不隨距離(變長)而失真，基本上在最后降低了最終完成的圖像傳感器的低亮度性能。
然而，在本發(fā)明中，位于彩色濾鏡陣列16之下的用于聚集光的微透鏡結(jié)構(gòu)20能使聚集的光在通過光透射層14的短距離之后，自然地透射向光電二極管陣列13，從而，到達(dá)光電二極管陣列13的光的強(qiáng)度和聚焦最終可以保持在最佳狀態(tài)，最后，提高了最終完成的圖像傳感器的低亮度性能。
當(dāng)使聚集的光的傳播距離最小，從而優(yōu)化到達(dá)光電二極管陣列13的光的強(qiáng)度和聚焦時，最終由圖像傳感器重現(xiàn)的圖像的質(zhì)量得到了顯著提高。
下面將詳細(xì)描述用于制造前述圖像傳感器的方法。
參照圖3A，實(shí)施STI制程(Shallow Trench Isolation process，淺溝隔離制程)或LOCOS制程(LOCal Oxidation of Silicon process，硅局部氧化制程)等，以在半導(dǎo)體襯底內(nèi)形成有源單元隔離膜12，用于限定半導(dǎo)體襯底11的有源區(qū)。在這種情況下，根據(jù)增加耗盡區(qū)(depletion region，又稱勢壘區(qū)，阻擋層)的大小(深度)的情況，可以在半導(dǎo)體襯底11上形成P型外延層(未示出)，諸如重?fù)诫s的P++型單晶硅襯底。
接著，注入離子，以在半導(dǎo)體襯底11內(nèi)在有源區(qū)限定P型雜質(zhì)層、N型雜質(zhì)層等，從而形成光電二極管陣列13，以產(chǎn)生并儲存光電荷。
接著，參照圖3B，重復(fù)沉積、蝕刻等過程，以在包括光電二極管陣列13的半導(dǎo)體襯底11上形成具有例如PMD絕緣膜、金屬線、中間層絕緣膜等的光透射層14。
當(dāng)然，光透射層14的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造順序可以隨情況而變化。
進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，以在光透射層14上形成厚度為例如11000～14000的氧化物膜層21a，在氧化物膜層21a上形成光致抗蝕劑圖案(pattern，也可稱之為結(jié)構(gòu))201，用來限定隨后將形成的第一透鏡結(jié)構(gòu)。
參照圖3C，基于光致抗蝕劑圖案201實(shí)施曝光過程和顯影過程等，以在光透射層14上形成相互分隔的第一透鏡結(jié)構(gòu)21。
然后，參照圖3D，在進(jìn)行化學(xué)氣相沉積以在光透射層14上形成包含第一透鏡結(jié)構(gòu)21的氮化物膜層22a之后，對氮化物膜層22a進(jìn)行具有各向異性特征的干蝕刻(例如活性離子蝕刻)，以在第一透鏡結(jié)構(gòu)21的對邊形成厚度為例如6000～8000的第二透鏡結(jié)構(gòu)22。
完成上面的過程后，在光透射層14上形成了微透鏡結(jié)構(gòu)20，其包括包含氧化物的第一透鏡結(jié)構(gòu)21；以及包含氮化物的第二透鏡結(jié)構(gòu)22，該第二透鏡結(jié)構(gòu)以圓形覆蓋第一透鏡結(jié)構(gòu)21相對側(cè)。
完成微透鏡結(jié)構(gòu)20的制造后，根據(jù)特定情況，有選擇地執(zhí)行臭氧-TEOS(Tetra Ortho Silicate Glass，四乙基原硅酸玻璃)制程、大氣壓力化學(xué)氣相沉積制程、等離子體化學(xué)氣相沉積制程、高濃度等離子體化學(xué)氣相沉積制程(HDP CVD制程)等，以在光透射層14上形成平面層15，從而覆蓋微透鏡結(jié)構(gòu)20，執(zhí)行化學(xué)機(jī)械磨光制程，光滑地拋光平面層。
然后，進(jìn)行沉積、制作圖案等過程，在平面層15上形成彩色濾鏡陣列16，從而完成對根據(jù)本發(fā)明的圖像傳感器的制造。
如上所述，在本發(fā)明中，不是將傳統(tǒng)的微透鏡陣列設(shè)置于彩色濾鏡陣列之上，而是將微透鏡結(jié)構(gòu)以新的方式設(shè)置于彩色濾鏡陣列的下面，該微透鏡結(jié)構(gòu)能夠取代微透鏡陣列的功能，可以縮短聚集的光到達(dá)光電二極管的總傳播距離，提高最終到達(dá)光電二極管陣列的光的強(qiáng)度和聚焦，顯著改善最終完成的圖像傳感器的低亮度性能。
到達(dá)光電二極管陣列的光的最小傳播距離優(yōu)化了聚集的光的強(qiáng)度和聚焦，顯著地改善了由圖像傳感器再現(xiàn)的圖像的質(zhì)量。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種圖像傳感器，包括彩色濾鏡陣列，用于將外部光轉(zhuǎn)換成色光；微透鏡結(jié)構(gòu)，位于所述彩色濾鏡陣列之下，用于聚集通過所述彩色濾鏡陣列的所述色光；光電二極管陣列，位于半導(dǎo)體襯底的有源區(qū)內(nèi)，用于接收在所述微透鏡結(jié)構(gòu)處聚集的光，適于產(chǎn)生和儲存光電荷；以及光透射層，位于所述光電二極管陣列之上，用于支撐所述微透鏡結(jié)構(gòu)和所述彩色濾鏡陣列，并將在所述微透鏡結(jié)構(gòu)處聚集的光透射向所述光電二極管陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中，每個微透鏡均包括第一透鏡結(jié)構(gòu)，用于將來自所述彩色濾鏡陣列的光基本上成一直線向所述光電二極管陣列傳送；以及圓形透鏡部分，位于所述第一透鏡結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上，用于將通過所述彩色濾鏡陣列的所述色光折射向所述光電二極管陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感器，其中，所述圓形透鏡部分的折射率相對大于所述第一透鏡結(jié)構(gòu)的折射率。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感器，其中，所述第一透鏡結(jié)構(gòu)包含氧化物，所述圓形透鏡部分包含氮化物。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感器，其中，所述第一透鏡結(jié)構(gòu)的厚度為11,000?！?4,000，所述圓形透鏡部分的厚度為6000～8,000。
6.一種用于制造圖像傳感器的方法，包括以下步驟在半導(dǎo)體襯底的、由有源單元隔離膜所限定的有源區(qū)內(nèi)，形成光電二極管陣列；在所述光電二極管陣列上形成光透射層；在所述光透射層上形成微透鏡結(jié)構(gòu)，所述微透鏡結(jié)構(gòu)適于聚集外部光；以及在所述微透鏡結(jié)構(gòu)之上形成彩色濾鏡陣列。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，形成所述微透鏡結(jié)構(gòu)的步驟包括以下步驟在所述光透射層上沉積氧化物膜，并對所述氧化物膜制作圖案，以形成第一透鏡結(jié)構(gòu)；以及在所述光透射層上沉積氮化物膜，以覆蓋所述第一透鏡結(jié)構(gòu)，并蝕刻所述氮化物膜，以在所述第一透鏡結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上形成圓形形狀。
全文摘要
本發(fā)明提供了圖像傳感器及其制造方法，在本發(fā)明中，不是將傳統(tǒng)的微透鏡陣列設(shè)置于彩色濾鏡陣列之上，而是將微透鏡結(jié)構(gòu)設(shè)置在彩色濾鏡陣列之下，這樣，可以縮短聚集的光到光電二極管的總傳播距離，提高了最終到達(dá)光電二極管陣列的光的強(qiáng)度和聚焦，改善了圖像傳感器的低亮度性能。到達(dá)光電二極管陣列的光最小傳播距離優(yōu)化了聚集的光的強(qiáng)度和聚焦，顯著地改善了圖像傳感器再現(xiàn)的圖像的質(zhì)量。
文檔編號H04N5/335GK1638139SQ20041010364
公開日2005年7月13日 申請日期2004年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月31日
發(fā)明者作劤爀 申請人:東部亞南半導(dǎo)體株式會社