图像传感器及其制造方法.pdf

本发明公开了一种可提高光电二极管的光收集效能的图像传感器及其制造方法。该图像传感器包括：至少一形成于半导体衬底上的光电二极管；形成于光电二极管上的多层层间绝缘膜，多层层间绝缘膜至少两层堆积，从而当多层层间绝缘膜往上时上层间绝缘膜的密度变得小于下层间绝缘膜的密度；光屏蔽层和元件保护膜，依次堆积在多层层间绝缘膜上；彩色滤色器阵列和平整层，依次堆积在元件保护膜上；以及置于平整层上与滤色器对应的位置的微透镜。因此，通过随着多层层间绝缘膜往上使得其密度变小，以减小通过微透镜和滤色器透过的入射光的折射角，本发明可以改善具有到达光电二极管的垂直光的增强透射率的光电二极管的光收集效能。

1.  一种图像传感器，包括：
至少一光电二极管，其形成于半导体衬底上；
多层层间绝缘膜，形成于光电二极管上并且至少两层叠积，从而当多层层间绝缘膜往上时，上层间绝缘膜的密度变得小于下层间绝缘膜的密度；
光屏蔽层和元件保护膜，依次堆积在多层层间绝缘膜上；
彩色滤色器阵列和平整层，依次堆积在元件保护膜上；以及
微透镜，置于平整层上与彩色滤色器对应的位置。

2.  如权利要求1所述的图像传感器，其还包括形成于多层层间绝缘膜下的感光度调节膜。

3.  如权利要求1所述的图像传感器，其还包括形成于感光度调节膜下的缓冲绝缘膜。

4.  如权利要求1所述的图像传感器，其中的多层层间绝缘膜由氧化物形成，氧化膜的密度按照PE-CVD＜HDP-CVD＜LP-CVD＜热氧化的顺序递增，氧化膜密度随沉积温度降低而变低，并且通过调整沉积工艺和沉积温度，使上层间绝缘膜的密度降低以小于下层间绝缘膜的密度。

5.  如权利要求1所述的图像传感器，其中多层层间绝缘膜由氧化物形成，并且通过使上层间绝缘膜的掺杂的杂质浓度高于下层间绝缘膜而降低上层间绝缘膜的密度。

6.  如权利要求4或5所述的图像传感器，其中通过调整沉积工艺、沉积温度和掺杂到层间绝缘膜上的杂质浓度，上层间绝缘膜密度变得小于下层间绝缘膜的密度。

7.  如权利要求1所述的图像传感器，多层布线垂直地形成于多层层间绝缘膜、元件保护膜和平整层上。

8.  一种制造图像传感器的方法，包括如下步骤：
在半导体衬底上形成至少一光电二极管；
在光电二极管上形成多层层间绝缘膜，所述多层层间绝缘膜由至少两层堆积，从而当多层层间绝缘膜往上，上层间绝缘膜的密度变得小于下层间绝缘膜的密度；
形成依次堆积在多层层间绝缘膜上的光屏蔽层和元件保护膜；
形成依次堆积在元件保护膜上的彩色滤色器阵列和平整层；以及
形成置于平整层上与彩色滤色器对应位置的微透镜。

9.  如权利要求8所述的方法，其还包括在多层层间绝缘膜下形成感光度调节膜的步骤。

10.  如权利要求8所述的方法，其还包括在感光度调节膜下形成缓冲绝缘膜的步骤。

11.  如权利要求8所述的方法，其中多层层间绝缘膜由氧化物形成，氧化膜的密度按照PE-CVD＜HDP-CVD＜LP-CVD＜热氧化的顺序递增，氧化膜密度随沉积温度降低而变低，并且通过调整沉积工艺和沉积温度，使上层间绝缘膜的密度小于下层间绝缘膜的密度。

12.  如权利要求8所述的方法，其中多层层间绝缘膜由氧化物形成，并且通过使上层间绝缘膜的掺杂的杂质浓度高于下层间绝缘膜而降低上层间绝缘膜的密度。

13.  如权利要求11或12所述的方法，其中通过调整沉积工艺、沉积温度和掺杂到层间绝缘膜上的杂质浓度，上层间绝缘膜密度变得小于下层间绝缘膜的密度。

14.  如权利要求8所述的方法，其还包括在形成多层层间绝缘膜、元件保护膜和平整层的步骤中形成多层布线的步骤。

图像传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种图像传感器及其制造方法，尤其是涉及一种能提高光电二极管的光收集效能的图像传感器及其制造方法。
背景技术
通常，图像传感器是一种半导体装置，其将光学图像转化成电信号。在图像传感器中，电荷耦合装置(CCD)是这样的装置，其中各金属-氧化物-硅(下文称之为MOS)电容器紧密放置，并且电荷载流子储存在MOS电容器中并被传送。互补金属氧化物半导体(下文称之为CMOS)图像传感器采用CMOS技术，该技术使用控制电路和信号处理电路作为外围电路以形成与像素数量一样多的MOS晶体管阵列，并采用顺序检测输出的开关方式。形成于外围电路中的MOS晶体管与像素数量一样多。
在制造多样的图像传感器中，为提高图像传感器的感光性做出了很多努力。在所做出的提高感光性的努力中，光收集技术是最重要的技术。
图像传感器通常包括感光的感光电路部分以及将光转化成电信号并产生数据的CMOS逻辑电路部分。最近，已经有了很多关于光收集技术的研究，通过这些技术，投射到除感光电路部分之外的区域的入射光通路被改变并被收集在作为感光元件的光电二极管上。
图1是示出根据现有技术中图像传感器的剖视图，其中说明了与光收集直接相关的传统CMOS图像传感器的主要部件。
参照图1，现有技术的图像传感器包括：多个形成于半导体衬底(未示出)上的场绝缘膜10；至少一个形成于所述场绝缘膜10之间的作为光学活性区域的光电二极管12；使场绝缘膜10和光电二极管12的顶部的层之间绝缘的多层层间绝缘膜14和18，以及光屏蔽层16，其由金属等形成于层间绝缘膜18中以防止入射光聚焦在场绝缘膜10之上。元件保护膜20形成于层间绝缘膜18上，并且层间绝缘膜24形成于元件保护膜20上。在层间绝缘膜24中形成红、绿和蓝滤色器阵列22a、22b和22c。在滤色器阵列22a、22b、22c上形成平整层26。在与滤色器22a、22b、22c对应的位置形成微透镜28。
用作红、绿和蓝滤色器22a、22b、22c的主要材料是被染成仅可吸收特定波长光线的颜色的光致抗蚀剂。用作微透镜28的主要材料是聚合体型树脂。
典型地，通过使用透明绝缘材料的二氧化硅膜形成层间绝缘膜14、18和24以及元件保护膜20。为了补偿滤色器上的粗糙度，通过采用光致抗蚀剂来形成平整层26。
在所构造的传统CMOS图像传感器中，经由微透镜28接收的入射光通过红光滤色器22a、绿光滤色器22b、蓝光滤色器22c被分成对应红光、绿光和蓝光。被分开的红光、绿光和蓝光分别通过元件保护膜20和层间绝缘膜14和18聚焦在与滤色器对应位置的光电二极管12上。设置在层间绝缘膜14和18之间的光屏蔽层16，用于屏蔽入射光以免偏离到其他光通道上。
然而，如果通过微透镜28和滤色器22a、22b和22c照射到光电二极管上的入射光不是平行聚焦而是聚焦到其他光通道上，则在相应光通道上的光电二极管12就不能感应该光线或者与其他相邻光电二极管12发生干扰。这种现象在CMOS图像传感器中实现高性能图像的过程中是噪声。
发明内容
考虑现有技术中存在的缺陷而设计本发明，因此本发明的目的是提供一种图像传感器，其中通过使得随着多层层间绝缘膜越往上其密度变得越小，以减小通过微透镜和滤色器的透过的入射光的折射角，所述图像传感器可以改善具有增强的到达光电二极管的垂直光透射率的光电二极管的光收集效能。以及制造所述图像传感器的方法。
为达到上述目的，根据本发明提供一种图像传感器，包括：至少一个形成于半导体衬底上的光电二极管；形成于光电二极管上的多层层间绝缘膜，该多层层间绝缘膜至少两层堆积，使得随着多层层间绝缘膜往上，上层间绝缘膜的密度变得小于下层间绝缘膜；依次堆积在多层层间绝缘膜上的光屏蔽层和元件保护膜；依次堆积在元件保护膜上的滤色器阵列和平整层；以及安置在平整层上与滤色器对应的位置的微透镜。
附图说明
从下面参照附图对实施例的描述中，本发明其它目的和方面将会变得更加明显，其中：
图1是示出根据现有技术的图像传感器的剖视图。
图2是示出根据本发明的图像传感器结构的剖视图。
图3a至3g是示出用于制造在根据本发明的图像传感器的多层层间绝缘膜中多层布线的流程的工艺流程图。
图4是用来解释由根据本发明的图像传感器的多层层间绝缘膜中密度的差异而导致的光折射系数差异的示图。
具体实施方式
下文中，将参照附图更详细说明本发明的优选实施例。
图2是示出根据本发明地图像传感器的结构剖视图，其中示出了与光收集直接相关的本发明的CMOS图像传感器的主要元件。
参照图2，本发明的CMOS图像传感器包括：形成于半导体衬底(未示出)上的多个场绝缘膜100；至少一个光电二极管102，其为形成于所述场绝缘膜100之间的光活性区域；多层层间绝缘膜104和108，其在场绝缘膜100和光电二极管102的顶部的层之间绝缘，并且叠积成至少两层使得上部的密度小于下部；以及光屏蔽层106，其由金属等形成于层间绝缘膜108中，以便防止入射光聚焦在场绝缘膜100上。
在层间绝缘膜108上形成元件保护膜120，在元件保护膜120上形成层间绝缘膜124。红、绿和蓝的滤色阵列122a、122b和122c形成于层间绝缘膜124中。在这些滤色阵列122a、122b、122c之上形成平整层116。在对应于滤色器122a、122b、122c的位置上形成微透镜128。
用作红、绿和蓝滤色器122a、122b、122c的主要材料是被染成仅可吸收特定波长光线的颜色的光致抗蚀剂。用作微透镜128的主要材料是聚合体型树脂。此时，形成彩色滤色阵列122a、122b和122c下的层间绝缘膜104和1 08，以使上侧的层间绝缘膜密度小于下侧的层间绝缘膜密度。为达到上述目的，在本发明中，氧化膜的密度按照PE-CVD＜HDP-CVD＜LP-CVD＜热氧化的顺序增加。更进一步地，如果降低沉积温度，则降低了氧化膜的密度。因此，通过沉积工艺并通过调整沉积温度可实现密度调节。例如，在上侧的层间绝缘膜108的制造中，通过PE-CVD或HDP-CDP并且在低温范围内沉积氧化膜。相反地，在下侧的层间绝缘膜104的制造中，通过LP-CVD或热氧化工艺并且与上侧的层间绝缘膜相比在更高温度范围内沉积氧化膜。在对所有的上和下层间绝缘膜108和104进行相同的沉积工艺时，通过调整沉积温度也可以使上层间绝缘膜108的密度低于下层间绝缘膜104的密度。
本发明中，层间绝缘膜104和108是透明绝缘材料，并典型地由氧化硅膜形成。此时，通过在上层间绝缘膜中相对下层间绝缘膜增加掺杂浓度，可降低密度。例如，如果下部的层间绝缘膜104沉积有FSG、BPSG、PSG和BSG，而上部的层间绝缘膜108沉积有USG，则上部的层间绝缘膜密度要变得小于下部的层间绝缘膜密度。
元件保护膜120典型地由透明绝缘材料的氧化硅膜构成，而平整层116由光致抗蚀剂形成，以弥补滤色器的粗糙度。
在本发明上述结构的CMOS图像传感器中，将经由微透镜128接收的入射光，通过红光滤色器122a、绿光滤色器122b和蓝光滤色器122c，分成相应的红光、绿光和蓝光。被分开的红光、绿光、蓝光通过元件保护膜120和层间绝缘膜108和104聚焦至与滤色器相应位置上的光电二极管102上。设置在层间绝缘膜104和108之间的光屏蔽层106用于屏蔽入射光以免偏移到其它的光通道上。
更进一步地，根据本发明，在包含于CMOS图像传感器中的多层层间绝缘膜104和108中，上部的层间绝缘膜108密度要小于下部的层间绝缘膜104。由于这个原因，因为折射角在那些层间绝缘膜108和104上减小直到入射光线被聚焦在光电二极管102上，通过微透镜128和滤色器122a、122b和122c透射的红光、绿光和蓝光在垂直光路上聚焦在光电二极管102上，而没有光损失。设置在层间绝缘膜108和104之间的光屏蔽层106用于屏蔽入射光以免偏移到其它的光通道上。
虽然未示出，但是在本发明中，也由二氧化硅膜等形成位于多层层间绝缘膜104和108之下的无边界接触或感光度调节膜。并且在感光度调节膜下由氧化硅膜附加地形成缓冲绝缘膜。
接下来，将描述用于制造根据本发明如此构造的CMOS图像传感器的工艺。
首先，为了电绝缘CMOS图像传感器的元件，在硅衬底(未示出)上形成场绝缘膜100并且在场绝缘膜100的空隙中形成至少一个光电二极管102。
接下来，具有大密度的上层间绝缘膜104沉积在场绝缘膜100和光电二极管102的整个表面上，而在其上形成金属等的光屏蔽层106。
连续地，被平整的且具有低密度的上层间绝缘膜108形成于下层间绝缘层104的整个表面上，其中在下层间绝缘膜104形成光屏蔽层106。在此，上面已经描述了在用于调整下层间绝缘膜104和上层间绝缘膜108之间密度差异的沉积工艺中沉积温度和杂质浓度的调整过程，在此将省略其描述。
接下来，为了防止元件受潮或者被刮伤，在上层间绝缘膜108的整个表面上形成平整的元件保护膜120。
然后，被染成红、绿和蓝色的光致抗蚀剂被涂覆到平整的元件保护膜120上并被曝光，以形成红光滤色器122a、绿光滤色器122b和蓝光滤色器122c的阵列，然后在彩色滤色器阵列122a、122b和122c的侧面形成平整的层间绝缘膜124。在所得材料的整个表面上，形成用于整平和调整焦距的平整层116。接下来，在平整层116上与红光滤色器122a、绿光滤色器122b、蓝光滤色器122c对应的位置形成微透镜128。
图3a至3g是示出用于在根据本发明图像传感器的多层层间绝缘膜中制造多层布线工艺的工艺流程图。
首先，如图3a所示，在半导体衬底(未示出)上形成电绝缘CMOS图像传感器元件的场绝缘膜200，并且在层间绝缘膜200的空隙间形成至少一个光电二极管202。接下来，在场绝缘膜200和光电二极管202上沉积具有高流量的BPSG沉积至2000-15000埃，并通过化学机械抛光(CMP)将其表面抛光，从而形成具有2000-9000埃厚度的第一层间绝缘膜204，然后再将其进行整平。
接下来，如图3b所示，沉积HDP-USG至300-9000埃，以形成具有高密度的第二层间绝缘膜206。然后，蚀刻第二层间绝缘膜206和第一层间绝缘膜204以形成接触孔208。
继续地，将诸如Ti/TiN的胶粘层/阻挡金属层(未示出)沉积在接触孔208中。如图3c所示，掩埋诸如钨等的金属，并被构成图案以形成第一触点210和金属线212。接下来，沉积HDP-FSG至9000-40000埃，以形成比第二层间绝缘膜206密度低的第三层间绝缘膜214，并通过CMP对其表面进行整平。
接下来，如图3d所示，在第三层间绝缘膜214上形成通孔，并在通孔中形成连接到下面位置中的第一金属线212的第二金属线218和钨插头216。
继续地，如图3e所示，沉积PE-USG至3000-8000埃，以形成比第三层间绝缘膜214密度低的第四层间绝缘膜220，并通过CMP对其表面进行整平。
继续地，如图3f所示，在第四层间绝缘膜220上形成通孔，在通孔中形成连接到下面位置中的第二金属线218上的第二金属线224和钨插头222。
接下来，如图3g所示，沉积PE-FSG至500-20000埃，以形成比第四层间绝缘膜220密度低的第五层间绝缘膜226，并通过CMP对其表面进行整平。然后，在第五层间绝缘膜226中形成连接到上面位置中的第三金属线224的第四金属线230和钨插头228。
如上文所述，在图2的CMOS图像传感器的多层层间绝缘膜中以及在图3a至3g的具有多层金属布线的多层层间绝缘膜中，位于上部的层间绝缘膜密度小于位于下部的层间绝缘膜密度，因此有可能降低入射光的折射角度。
图4是用来解释由根据本发明的图像传感器的多层层间绝缘膜中密度的差异而导致的光折射系数差异的示图。在该图中，密度为n1＜n2，并具有φ1(入射角)＞φ2(折射角)的大小关系。在这里，从具有低密度的媒介n1射入具有高密度的媒介n2中的入射光具有比入射角φ1小的折射角φ2。
随后，在本发明的多层层间绝缘膜中，位于上部的层间绝缘膜密度小于位于下部的层间绝缘膜密度。结果，由于随着多层层间绝缘膜往上位于上部的层间绝缘膜密度要变得小于位于下部的层间绝缘膜的密度，所以入射光的折射角度变得越来越小。由于这个原因，当通过微透镜和滤色器的光线到达位于下部的光电二极管时，折射角由密度差异逐渐增加的多层层间绝缘膜变得越来越小，因此，光线不会折射到其它光通路上，而是以直角到达光电二极管。
如上所述，通过在多层层间绝缘膜往上时使得其密度变小以减小通过微透镜和滤色器透过的入射光的折射角，本发明可以改善具有到达光电二极管的垂直光的增强的透射率的光电二极管的光收集效能。从而，由于可最小化被折射到其它光通路而造成的光损失，因此图像传感器的光特性得以加强。
尽管仅仅针对某优选实施例对本发明进行了描述，然而在不脱离所附权利要求中描述的本发明精神和范围之下，可对本发明进行其它修改和变形。