专利名称：图像传感器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及图像传感器，更具体而言，涉及图像传感器及其制造方法，在这种图像传感器中，不是将传统的微透镜阵列设置在彩色滤镜阵列之上，而是将微透镜结构(microlens pattern，又称之为微透镜图案)设置在彩色滤镜阵列(color filter array)之下，微透镜结构可以取代微透镜阵列的功能，这种结构能够缩短最终到达光电二极管的聚集的光的总传播距离，提高最终到达光电二极管阵列的光的强度并改善聚焦，同时显著地提高最终完成的图像传感器的低亮度性能。
背景技术：
近来，随着电气技术和电子技术的快速发展，多种应用图像传感器技术的电子产品诸如摄像机、数码像机、内置微型像机的PC、内置微型像机的蜂窝电话等得到快速发展并且越来越普及。
传统上，虽然电荷耦合器件(Charge Coupled Devices，CCD)已被用作图像传感器，但是由于CCD具有以下缺点需要较高的驱动电压和附加的分立支持电路、处理开销高等。近来，存在减少使用CCD的趋势。
最近，作为能够取代CCD的图像传感器，互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)图像传感器引起了人们的关注。不同于已有的CCD，由于CMOS图像传感器是基于CMOS电路技术构造的，所以，CMOS图像传感器的优点在于需要较低的驱动电压、不需要附加的支持电路、以及处理开销低等优点。
参照图1，这样一种相关技术的图像传感器(例如CMOS图像传感器)设置有微透镜阵列7，用于聚集来自外部透镜100的光；彩色滤镜阵列6，用于将由微透镜阵列7聚集的光转换成色光(colorlight)；平面层5，位于彩色滤镜阵列6上，用于使微透镜阵列7的底部成一平面，以产生均匀光透射；光透射层4，用于把在彩色滤镜阵列6处转换成色光的光透射向光电二极管阵列3；光电二极管阵列3，位于半导体衬底1的、由有源单元隔离层2所限定的有源区(active region)上，用于接收通过光透射层4的光，以产生并储存光电荷。
在这个实例中，利用微透镜阵列的弯曲部分(curvature，曲率)，微透镜阵列7使入射到点P1的光直线通过，使入射到点P2和P3的光以一角度折射，从而，使得所有通过外部透镜100的光均聚焦到光电二极管阵列3上。
如前所述，在相关技术的图像传感器中，由微透镜阵列7聚集的光通过彩色滤镜阵列6、光透射层4等传送到光电二极管阵列3。也就是说，对于在微透镜阵列7处聚集的、到达光电二极管阵列3的光经过相当长的传播距离。
因此，如果在微透镜阵列7和光电二极管阵列3之间有很长的距离，那么，入射到光电二极管阵列3上的光的强度和聚焦(focus)将与距离成比例地失真(distort)，因此，图像传感器的低亮度性能将不可避免地显著下降。
当然，如果任由图像传感器的低亮度性能如此下降而不采取任何适当的对策，由图像传感器最终形成的图像的质量将相当低。
发明内容
因此，本发明提出了图像传感器及其制造方法，基本上避免了由于相关技术的局限和缺点而产生的一个或多个问题。
本发明的一个目的是提供一种图像传感器，其具有设置在彩色滤镜阵列之下的微透镜结构，从而使得聚集到光电二极管阵列的光的总传播距离最小。
本发明的另一目的是提供一种图像传感器，其能够最小化到达光电二极管阵列的光的强度和聚焦与距离成比例的失真，提高低亮度性能。
本发明的再一目的是提供一种图像传感器，其具有微透镜结构，设置在彩色滤镜阵列之下，为微透镜阵列提供一些保护。
本发明的又一目的是提供一种图像传感器，其能够显著地提高重现图像的质量。
本发明的其它优点、目的和特点将部分地在随后的描述中阐明，对于本领域技术人员来说是显而易见的，或可以从本发明的实践中了解到。本发明的目的和其它优点可以由本说明书中的书面的描述和权利要求以及附图中特别指出的结构实现和获得。
为了实现这些目的和其它优点，根据本发明的目的，如此处实现和广泛描述的，制造图像传感器的方法包括以下步骤在半导体衬底的、由有源单元隔离膜所限定的有源区内形成光电二极管阵列；在光电二极管阵列上形成光透射层；在光透射层上形成微透镜结构，该微透镜结构适于聚集外部光；以及在微透镜结构之上形成彩色滤镜阵列。
在本发明的另一方面，图像传感器包括彩色滤镜阵列，用于将外部光转换成色光；微透镜结构，位于彩色滤镜阵列之下，用于聚集通过彩色滤镜阵列的色光；光电二极管阵列，在半导体衬底的有源区内、用于接收在微透镜结构处聚集的光，适于产生和储存光电荷；以及，光透射层，位于光电二极管阵列之上，用于支持微透镜结构和彩色滤镜阵列，并将在微透镜结构处聚集的光透射向光电二极管阵列。
应当理解，本发明的以上一般描述和以下详细描述是示范性和说明性的，目的在于提供对所主张的本发明的进一步解释。
附图用来提供对本发明的进一步理解，并构成本申请一部分，举例说明了本发明的实施例并结合描述解释本发明的原理。在附图中图1示意性示出传统的图像传感器的一个实例的截面图；图2示意性示出根据本发明的优选实施例的图像传感器的一个实例的截面图；以及图3A至图3E示意性示出根据本发明的优选实施例制造图像传感器的方法的步骤的截面图。
具体实施例方式
下面将详细地参照本发明的优选实施例，其中的实例在附图中加以阐明。尽可能的，相同的标号将在附图中用来指示相同或相似的部分。
参照图2，图像传感器(例如CMOS图像传感器)包括彩色滤镜阵列16，用于将来自外部透镜100的光转化成色光；光透射层14，用于将在彩色滤镜阵列16处转换成色光的光透射向光电二极管阵列13；以及，光电二极管阵列13，位于半导体衬底11之上，处于由有源单元隔离层(active cell isolation film)12所限定的有源区，用于接收通过光透射层14的光，以产生并储存光电荷(photocharge)。
光透射层14具有PMD绝缘膜、金属线、中间层绝缘膜等，位于半导体衬底11之上，用于覆盖光电二极管阵列13并支撑彩色滤镜阵列16。在这种情况下，在光透射层14之上有一平面层15，用来使彩色滤镜阵列16的底部成一平面，以产生均匀的光透射。
如所示出的，在本发明的图像传感器中，不是从彩色滤镜阵列16之上或上方的位置处去掉传统的微透镜阵列，而是将微透镜结构(microlens pattern)20设置于彩色滤镜阵列(color filter array)16之下，从而有效地聚集通过彩色滤镜阵列16的光，微透镜结构取代了相关技术的微透镜阵列的功能。
在这种情况下，微透镜结构20优选包括第一透镜结构21，其包含氧化物(例如常规的二氧化硅)，用于使来自彩色滤镜阵列16的光基本上以一直线或沿某一方向(例如基本上与光电二极管13的上表面垂直的方向)透射向光电二极管阵列13；以及第二透镜结构22，其包含氮化物(例如SiN)，设置在第一透镜结构21的侧壁上，以圆形覆盖侧壁(也可以理解为，第二透镜结构为圆形)，用于将通过彩色滤镜阵列16的光折射向光电二极管阵列13。
第一透镜结构21的厚度优选为11,000～14,000，第二透镜结构22厚度优选为6,000～8,000。
当然，众所周知，氮化物膜的折射率大于氧化物膜的折射率。因此，如图所示，如果微透镜结构20具有以下结构包含氮化物的第二透镜结构22以圆形覆盖包含氧化物的第一透镜结构21的侧壁，入射到点P4的光以直线通过第一透镜结构21，入射到点P5和P6的光以一定角度折射，并通过第二透镜结构22，使得所有通过外部透镜100的光可以毫无问题地最终向光电二极管阵列13聚集。
总之，通过以改进方式将微透镜结构20设置于彩色滤镜阵列16之下，从而基本上实现与传统微透镜相同的功能，可以使得聚焦到光电二极管阵列13的光的传播总距离最小。
在相关技术中，位于彩色滤镜阵列之上的用于聚集光的微透镜阵列不得不将聚集的光通过彩色滤镜阵列、光透射层等透射向光电二极管阵列，因此最终到达光电二极管阵列的光的强度和聚焦不得不随距离(变长)而失真，基本上在最后降低了最终完成的图像传感器的低亮度性能。
然而，在本发明中，位于彩色滤镜阵列16之下的用于聚集光的微透镜结构20能使聚集的光在通过光透射层14的短距离之后，自然地透射向光电二极管阵列13，从而，到达光电二极管阵列13的光的强度和聚焦最终可以保持在最佳状态，最后，提高了最终完成的图像传感器的低亮度性能。
当使聚集的光的传播距离最小，从而优化到达光电二极管阵列13的光的强度和聚焦时，最终由图像传感器重现的图像的质量得到了显著提高。
下面将详细描述用于制造前述图像传感器的方法。
参照图3A，实施STI制程(Shallow Trench Isolation process，浅沟隔离制程)或LOCOS制程(LOCal Oxidation of Silicon process，硅局部氧化制程)等，以在半导体衬底内形成有源单元隔离膜12，用于限定半导体衬底11的有源区。在这种情况下，根据增加耗尽区(depletion region，又称势垒区，阻挡层)的大小(深度)的情况，可以在半导体衬底11上形成P型外延层(未示出)，诸如重掺杂的P++型单晶硅衬底。
接着，注入离子，以在半导体衬底11内在有源区限定P型杂质层、N型杂质层等，从而形成光电二极管阵列13，以产生并储存光电荷。
接着，参照图3B，重复沉积、蚀刻等过程，以在包括光电二极管阵列13的半导体衬底11上形成具有例如PMD绝缘膜、金属线、中间层绝缘膜等的光透射层14。
当然，光透射层14的结构和构造顺序可以随情况而变化。
进行化学气相沉积，以在光透射层14上形成厚度为例如11000～14000的氧化物膜层21a，在氧化物膜层21a上形成光致抗蚀剂图案(pattern，也可称之为结构)201，用来限定随后将形成的第一透镜结构。
参照图3C，基于光致抗蚀剂图案201实施曝光过程和显影过程等，以在光透射层14上形成相互分隔的第一透镜结构21。
然后，参照图3D，在进行化学气相沉积以在光透射层14上形成包含第一透镜结构21的氮化物膜层22a之后，对氮化物膜层22a进行具有各向异性特征的干蚀刻(例如活性离子蚀刻)，以在第一透镜结构21的对边形成厚度为例如6000～8000的第二透镜结构22。
完成上面的过程后，在光透射层14上形成了微透镜结构20，其包括包含氧化物的第一透镜结构21；以及包含氮化物的第二透镜结构22，该第二透镜结构以圆形覆盖第一透镜结构21相对侧。
完成微透镜结构20的制造后，根据特定情况，有选择地执行臭氧-TEOS(Tetra Ortho Silicate Glass，四乙基原硅酸玻璃)制程、大气压力化学气相沉积制程、等离子体化学气相沉积制程、高浓度等离子体化学气相沉积制程(HDP CVD制程)等，以在光透射层14上形成平面层15，从而覆盖微透镜结构20，执行化学机械磨光制程，光滑地抛光平面层。
然后，进行沉积、制作图案等过程，在平面层15上形成彩色滤镜阵列16，从而完成对根据本发明的图像传感器的制造。
如上所述，在本发明中，不是将传统的微透镜阵列设置于彩色滤镜阵列之上，而是将微透镜结构以新的方式设置于彩色滤镜阵列的下面，该微透镜结构能够取代微透镜阵列的功能，可以缩短聚集的光到达光电二极管的总传播距离，提高最终到达光电二极管阵列的光的强度和聚焦，显著改善最终完成的图像传感器的低亮度性能。
到达光电二极管阵列的光的最小传播距离优化了聚集的光的强度和聚焦，显著地改善了由图像传感器再现的图像的质量。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种图像传感器，包括彩色滤镜阵列，用于将外部光转换成色光；微透镜结构，位于所述彩色滤镜阵列之下，用于聚集通过所述彩色滤镜阵列的所述色光；光电二极管阵列，位于半导体衬底的有源区内，用于接收在所述微透镜结构处聚集的光，适于产生和储存光电荷；以及光透射层，位于所述光电二极管阵列之上，用于支撑所述微透镜结构和所述彩色滤镜阵列，并将在所述微透镜结构处聚集的光透射向所述光电二极管阵列。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，每个微透镜均包括第一透镜结构，用于将来自所述彩色滤镜阵列的光基本上成一直线向所述光电二极管阵列传送；以及圆形透镜部分，位于所述第一透镜结构的侧壁上，用于将通过所述彩色滤镜阵列的所述色光折射向所述光电二极管阵列。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，所述圆形透镜部分的折射率相对大于所述第一透镜结构的折射率。
4.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，所述第一透镜结构包含氧化物，所述圆形透镜部分包含氮化物。
5.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，所述第一透镜结构的厚度为11,000～14,000，所述圆形透镜部分的厚度为6000～8,000。
6.一种用于制造图像传感器的方法，包括以下步骤在半导体衬底的、由有源单元隔离膜所限定的有源区内，形成光电二极管阵列；在所述光电二极管阵列上形成光透射层；在所述光透射层上形成微透镜结构，所述微透镜结构适于聚集外部光；以及在所述微透镜结构之上形成彩色滤镜阵列。
7.根据权利要求6所述的方法，形成所述微透镜结构的步骤包括以下步骤在所述光透射层上沉积氧化物膜，并对所述氧化物膜制作图案，以形成第一透镜结构；以及在所述光透射层上沉积氮化物膜，以覆盖所述第一透镜结构，并蚀刻所述氮化物膜，以在所述第一透镜结构的侧壁上形成圆形形状。
全文摘要
本发明提供了图像传感器及其制造方法，在本发明中，不是将传统的微透镜阵列设置于彩色滤镜阵列之上，而是将微透镜结构设置在彩色滤镜阵列之下，这样，可以缩短聚集的光到光电二极管的总传播距离，提高了最终到达光电二极管阵列的光的强度和聚焦，改善了图像传感器的低亮度性能。到达光电二极管阵列的光最小传播距离优化了聚集的光的强度和聚焦，显著地改善了图像传感器再现的图像的质量。
文档编号H04N5/335GK1638139SQ20041010364
公开日2005年7月13日 申请日期2004年12月29日 优先权日2003年12月31日
发明者作劤爀 申请人:东部亚南半导体株式会社