具有集成薄膜红外滤光器的图像传感器的制作方法
专利名称：具有集成薄膜红外滤光器的图像传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及到图像传感器，更确切地说是加有薄膜红外滤光器 的图像传感器。
背景技术：
图像传感器是可用于产生静像或视频图像的电子集成电路。固 态图像传感器可为电荷耦合器件(CCD)型，也可为互补金属-氧化 物_半导体(CMOS)型。无论在哪种图像传感器中，都是将收集光 的像素做在衬底中并排列成二维阵列。现代的图像传感器典型地含有 数百万像素以提供高分辨的图像。图像传感器的重要部分是在像素上 制作的滤色器和微透镜结构。顾名思义，滤色器的工作是与信号处理 相结合来提供彩色的图像。微透镜用于将入射光聚焦至像素上，因而 改善每个像素的填充因子(fill factor)。
红外(IR)滤光器典型地与图像传感器结合起来使用。红外滤 光器防止或限制红外线入射至图像传感器上。许多现有的硅基像素都 对红外波段的光有响应。因此，如果红外线射到像素上，像素将产生 输出信号。这在大多数图像传感器的应用中都是不希望有的，因为这 些图像传感器被设计成提供人眼可见光的图像。
一种解决这个问题的现有技术的通用方法，是在图像传感器前 和/或图像传感器透镜之前，提供分立的红外滤光元件。红外滤光器 可有各种形式，但可采取镀敷玻璃滤光器的形式。然而，这就增大了
3整个照相机的成本。
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种图像传感器，包括制作在半 导体衬底中的多个像素，每个像素包含光敏元件；制作在所述多个像 素上的多层叠层，所述多层叠层适于滤除红外波段的入射光；制作在 所述多层叠层和所述光敏元件上的多个微透镜。
根据本发明的另一方面，提供一种图像传感器的像素，包括 制作在半导体衬底中的光敏元件；制作在光敏元件上的多层叠层，所 述多层叠层适于滤除红外波段的入射光；制作在所述多层叠层和光敏 元件上的微透镜。
图1为现有技术图像传感器的部分剖面图。
图2为图像传感器的俯视图，表示像素排列成二维阵列，且其 上制作有微透镜。
图3为半导体衬底的剖面图，说明按照本发明的一种实施方式 来制作图像传感器。
具体实施例方式
本发明涉及到一种具有集成红外滤光器的图像传感器。在下面 的描述中，提供了许多具体细节，以彻底了解本发明的实施方式。然 而，相关技术领域的熟练人员将会认识到，缺少一个或多个具体细 节，或是用其他方法、元件等也可实现本发明。此外，没有详细示出 或描述熟知的结构或操作以免模糊了本发明不同实施方式的各个方 面。
纵观本说明书，所谓" 一种实施方式"或"某种实施方式"意味 着，结合此实施方式所描述的特征、结构或特性至少包含在本发明的 一种实施方式中。因此，在此说明书中各处出现的词语"在一种实施方式中"或"在某种实施方式中"，不必都认为是同一实施方式。而 且，此特征、结构或特性可由任何适当的方式结合在一个或多个实施 方式中。
图1表示现有技术图像传感器101的简化剖面图，图像传感器 101上制作有微透镜。如图l所示，图像传感器含有制作在衬底中的 多个像素，像素具有光探测元件103。光探测元件103可为几种类型 之一，如光二极管、光闸(photogate)或其他固态光敏元件。在每个像 素上形成的是微透镜105。微透镜105将入射光聚焦至光探测元件 103上。微透镜通常是在平整层上旋转涂敷微透镜材料层而成。然后 腐蚀微透镜材料层而形成与每个像素对中的柱状或其他形状的区域。 对微透镜材料加热使之回流来形成凸面的半球形微透镜。而且，在光 探测元件103和微透镜105之间由参考数字107所代表的区域中，还 有各种中间层，典型地可包括滤色层109及各种金属导线层。应可理 解，图1所示的结构只是图像传感器结构的一个实例，本发明可适用 于任何数目的变种。例如，微透镜可实质上为凹镜，如我的共同未决 申请所公开的那样。作为选择，滤色器109也可制作在微透镜105上 面。
图2表示图像传感器201的俯视图。图像传感器201含有多个 像素203，典型地排列成二维阵列。在图2所示的实例中，此图像传 感器表示为像素203的3x3阵列，然而可理解，实际的图像传感器 201会有许许多多的像素，可设想排列成数千行和/或数千列。而且， 虽然图2表示的是像素行和列的规则排列，像素也可排列为任何类型 的有序排列。例如，交替列的像素在横向上可以稍有偏移而成棋盘格 式的交错排列。
像素203典型地含有光敏元件，例如光二极管或光闸就是两个 例子。然而，应可理解，也可使用现在知道的(如光闸)或将来开发 的其他类型的光敏元件。而且，像素203也将包含放大和/或读出电 路。为了清楚起见，图2中没有示出此电路。在一种实施方式中，像 素203可为现有技术中通常所知的有源像素。在每个像素203上面制作微透镜205。
此外，与每个像素相关联的还有滤色器207。滤色器207可置于 微透镜205与光敏元件之间，也可代之以制作在微透镜205上面。滤 色器207典型地由颜料或染料材料制成，这种材料只允许通过窄带的 光，例如，红、蓝或绿光。在其他实施方式中，滤色器可为青色、黄 色或深红色的。这些只是滤色器207的一些示例色，而本发明的意思 是拥有任何颜色的滤色器207。虽然使用颜料或染料材料是滤色器最 流行的方案，也可使用其他反射型的滤色器，如反射材料的多层叠 层。制作滤色器207的技术是熟知的，这里将不再描述，以免不必要 地模糊了对本发明的描述。例如，美国专利6,297,071号、6,362,513 号和6，271，卯0号表明了滤色器的技术现状。在图1的俯视图中没有 示出加入图像传感器201的红外滤光器。
图3为沿图2的A-A线截取的剖面图，表示本发明的红外滤光 器301。可以看到，在半导体衬底301上制作有多个光敏元件303 (与图2的像素203相连)。图3将光敏元件表示为光二极管，虽然 也可使用其他替代和相当的元件。制作光二极管和其他相关电路的详 情在现有技术中都已知道，这里不再重复以免模糊了本发明。然而， 现有技术的一些实例可参见美国专利5,904,493号和6,320,617号。
按照一种实施方式，在村底中制作了像素203后，在衬底301 上制作光学透明(至少在部分可见光谱中)的基底材料层305。制作 基底材料层305可用覆盖淀积工艺，并可为各种形式的二氧化硅，如 热氧化物、化学汽相沉积(CVD)的氧化物、或旋转涂敷的玻璃。 基底材料层305也可被设想为层间介质层。
接着，在此基底材料层305上淀积多层叠层307作为红外滤光 器。在一种实施方式中，多层叠层307适用于反射波长为660-800 nm波段及其以上的光。此多层叠层307包含多对氧化钛/二氧化硅薄 膜。在一种实施方式中，6-8对氧化钛/二氧化硅薄膜组成了多层叠层 307，然而也可使用更多或更少的薄膜对，这取决于需要反射红外线 的程度。用较多数目的薄膜对，可达到较高的反射率，虽然成本增高了。
而且，薄膜的层厚很大程度上依赖于所要反射(亦即，滤除)
的中心波长。 一般说来，每层薄膜的厚度应为1/4中心波长的量级。 因此，要滤除700 nm的中心波长，氧化钬和二氧化硅薄膜应为175 nm或0.175nm厚。而且应注意，其他材料也可用于制作薄膜对，且 本发明应不限于氧化钛/二氧化硅薄膜。在某一替代实施方式中，薄 膜对的第 一和第二薄膜间可包含一 中间层，以提高热稳定性和防止互 扩散。例如，此中间层可为碳。
接着，仍参见图3，在多层叠层307上淀积盖层309。此盖层 309为ljim厚的量级。应注意，盖层309是可选的。盖层309用来 在后面的工艺过程中保护多层叠层307的表面。
接下来，在盖层309上制作滤色器311。滤色器311是用常规工 艺制作的。在图3所示的实施方式中，滤色器311为红色、绿色和蓝 色，但也可为青色、黄色和深红色。最后，在滤色器311上制作微透 镜313。同样，微透镜313可用常规工艺来制作，并可为图3所示的 凸起的或其他的形状。
应注意本发明的几个特点。首先，红外滤光器是以多层叠层307 来实现的，多层叠层307的特性实质上是反射，因而使入射的红外线 偏转而离开像素。这与吸收型的颜料或染料基滤光器成为对照，吸收 型的滤光器在红外波段仍可产生噪音且可能不可靠。其次，在一种实 施方式中多层叠层307是先于滤色器而制作的。 一般说来，在淀积氧 化钛/二氧化硅薄膜对时，需加热至较高温度，这可损坏滤色器311 (它典型地由有机材料制成)。然而，若后面制作滤色器311的工艺 证明是耐热的，多层叠层307也可在滤色器311之后(例如，在其 上)制作。对于微透镜313也是这样。第三，将红外滤光器集成在图 像传感器上，可减少图像传感器的元件数，因而降低了成本。
从上述可以理解，为了说明的目的，在这里描述了本发明的具 体实施方式，但可做出各种修改而没有背离本发明的构思和范围。因 此，除了所附权利要求外本发明不受限制。
权利要求
1. 一种图像传感器，包括制作在半导体衬底中的多个像素，每个像素包含光敏元件；制作在所述多个像素上的多层叠层，所述多层叠层适于滤除红外波段的入射光，其中所述多层叠层包括碳的中间层；制作在所述多层叠层和所述光敏元件上的多个微透镜。
2. 根据权利要求1的图像传感器，还包括制作在每个像素上的 滤色器，所述滤色器制作在所述微透镜和所述多层叠层之间。
3. 根据权利要求1的图像传感器，还包括制作在每个像素上的 滤色器，所述滤色器制作在所述微透镜上。
4. 一种图像传感器的像素，包括制作在半寻体衬底中的光敏元件；制作在光敏元件上的多层叠层，所述多层叠层适于滤除红外波段的入射光，其中所述多层叠层包括碳的中间层； 制作在所述多层叠层和光敏元件上的微透镜。
5. 根据权利要求4的像素，还包括制作在所述微透镜和所述多层叠层之间的滤色器。
6. 根据权利要求4的像素，还包括制作在所述微透镜上的滤色器。
全文摘要
公开了一种具有集成薄膜红外滤光器的图像传感器。此图像传感器含有多个制作在半导体衬底中的像素，每个像素都含有光敏元件。而且，在像素上制作有多层叠层，它适于滤除红外波段的入射光，其中多层叠层包括碳的中间层。最后在多层叠层和光敏元件上制作微透镜。
文档编号H04N5/225GK101477996SQ200910006630
公开日2009年7月8日 申请日期2003年10月24日 优先权日2002年10月25日
发明者山本克己 申请人:华微半导体(上海)有限责任公司
技术领域：
本发明涉及到图像传感器，更确切地说是加有薄膜红外滤光器 的图像传感器。
背景技术：
图像传感器是可用于产生静像或视频图像的电子集成电路。固 态图像传感器可为电荷耦合器件(CCD)型，也可为互补金属-氧化 物_半导体(CMOS)型。无论在哪种图像传感器中，都是将收集光 的像素做在衬底中并排列成二维阵列。现代的图像传感器典型地含有 数百万像素以提供高分辨的图像。图像传感器的重要部分是在像素上 制作的滤色器和微透镜结构。顾名思义，滤色器的工作是与信号处理 相结合来提供彩色的图像。微透镜用于将入射光聚焦至像素上，因而 改善每个像素的填充因子(fill factor)。
红外(IR)滤光器典型地与图像传感器结合起来使用。红外滤 光器防止或限制红外线入射至图像传感器上。许多现有的硅基像素都 对红外波段的光有响应。因此，如果红外线射到像素上，像素将产生 输出信号。这在大多数图像传感器的应用中都是不希望有的，因为这 些图像传感器被设计成提供人眼可见光的图像。
一种解决这个问题的现有技术的通用方法，是在图像传感器前 和/或图像传感器透镜之前，提供分立的红外滤光元件。红外滤光器 可有各种形式，但可采取镀敷玻璃滤光器的形式。然而，这就增大了
3整个照相机的成本。
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种图像传感器，包括制作在半 导体衬底中的多个像素，每个像素包含光敏元件；制作在所述多个像 素上的多层叠层，所述多层叠层适于滤除红外波段的入射光；制作在 所述多层叠层和所述光敏元件上的多个微透镜。
根据本发明的另一方面，提供一种图像传感器的像素，包括 制作在半导体衬底中的光敏元件；制作在光敏元件上的多层叠层，所 述多层叠层适于滤除红外波段的入射光；制作在所述多层叠层和光敏 元件上的微透镜。
图1为现有技术图像传感器的部分剖面图。
图2为图像传感器的俯视图，表示像素排列成二维阵列，且其 上制作有微透镜。
图3为半导体衬底的剖面图，说明按照本发明的一种实施方式 来制作图像传感器。
具体实施例方式
本发明涉及到一种具有集成红外滤光器的图像传感器。在下面 的描述中，提供了许多具体细节，以彻底了解本发明的实施方式。然 而，相关技术领域的熟练人员将会认识到，缺少一个或多个具体细 节，或是用其他方法、元件等也可实现本发明。此外，没有详细示出 或描述熟知的结构或操作以免模糊了本发明不同实施方式的各个方 面。
纵观本说明书，所谓" 一种实施方式"或"某种实施方式"意味 着，结合此实施方式所描述的特征、结构或特性至少包含在本发明的 一种实施方式中。因此，在此说明书中各处出现的词语"在一种实施方式中"或"在某种实施方式中"，不必都认为是同一实施方式。而 且，此特征、结构或特性可由任何适当的方式结合在一个或多个实施 方式中。
图1表示现有技术图像传感器101的简化剖面图，图像传感器 101上制作有微透镜。如图l所示，图像传感器含有制作在衬底中的 多个像素，像素具有光探测元件103。光探测元件103可为几种类型 之一，如光二极管、光闸(photogate)或其他固态光敏元件。在每个像 素上形成的是微透镜105。微透镜105将入射光聚焦至光探测元件 103上。微透镜通常是在平整层上旋转涂敷微透镜材料层而成。然后 腐蚀微透镜材料层而形成与每个像素对中的柱状或其他形状的区域。 对微透镜材料加热使之回流来形成凸面的半球形微透镜。而且，在光 探测元件103和微透镜105之间由参考数字107所代表的区域中，还 有各种中间层，典型地可包括滤色层109及各种金属导线层。应可理 解，图1所示的结构只是图像传感器结构的一个实例，本发明可适用 于任何数目的变种。例如，微透镜可实质上为凹镜，如我的共同未决 申请所公开的那样。作为选择，滤色器109也可制作在微透镜105上 面。
图2表示图像传感器201的俯视图。图像传感器201含有多个 像素203，典型地排列成二维阵列。在图2所示的实例中，此图像传 感器表示为像素203的3x3阵列，然而可理解，实际的图像传感器 201会有许许多多的像素，可设想排列成数千行和/或数千列。而且， 虽然图2表示的是像素行和列的规则排列，像素也可排列为任何类型 的有序排列。例如，交替列的像素在横向上可以稍有偏移而成棋盘格 式的交错排列。
像素203典型地含有光敏元件，例如光二极管或光闸就是两个 例子。然而，应可理解，也可使用现在知道的(如光闸)或将来开发 的其他类型的光敏元件。而且，像素203也将包含放大和/或读出电 路。为了清楚起见，图2中没有示出此电路。在一种实施方式中，像 素203可为现有技术中通常所知的有源像素。在每个像素203上面制作微透镜205。
此外，与每个像素相关联的还有滤色器207。滤色器207可置于 微透镜205与光敏元件之间，也可代之以制作在微透镜205上面。滤 色器207典型地由颜料或染料材料制成，这种材料只允许通过窄带的 光，例如，红、蓝或绿光。在其他实施方式中，滤色器可为青色、黄 色或深红色的。这些只是滤色器207的一些示例色，而本发明的意思 是拥有任何颜色的滤色器207。虽然使用颜料或染料材料是滤色器最 流行的方案，也可使用其他反射型的滤色器，如反射材料的多层叠 层。制作滤色器207的技术是熟知的，这里将不再描述，以免不必要 地模糊了对本发明的描述。例如，美国专利6,297,071号、6,362,513 号和6，271，卯0号表明了滤色器的技术现状。在图1的俯视图中没有 示出加入图像传感器201的红外滤光器。
图3为沿图2的A-A线截取的剖面图，表示本发明的红外滤光 器301。可以看到，在半导体衬底301上制作有多个光敏元件303 (与图2的像素203相连)。图3将光敏元件表示为光二极管，虽然 也可使用其他替代和相当的元件。制作光二极管和其他相关电路的详 情在现有技术中都已知道，这里不再重复以免模糊了本发明。然而， 现有技术的一些实例可参见美国专利5,904,493号和6,320,617号。
按照一种实施方式，在村底中制作了像素203后，在衬底301 上制作光学透明(至少在部分可见光谱中)的基底材料层305。制作 基底材料层305可用覆盖淀积工艺，并可为各种形式的二氧化硅，如 热氧化物、化学汽相沉积(CVD)的氧化物、或旋转涂敷的玻璃。 基底材料层305也可被设想为层间介质层。
接着，在此基底材料层305上淀积多层叠层307作为红外滤光 器。在一种实施方式中，多层叠层307适用于反射波长为660-800 nm波段及其以上的光。此多层叠层307包含多对氧化钛/二氧化硅薄 膜。在一种实施方式中，6-8对氧化钛/二氧化硅薄膜组成了多层叠层 307，然而也可使用更多或更少的薄膜对，这取决于需要反射红外线 的程度。用较多数目的薄膜对，可达到较高的反射率，虽然成本增高了。
而且，薄膜的层厚很大程度上依赖于所要反射(亦即，滤除)
的中心波长。 一般说来，每层薄膜的厚度应为1/4中心波长的量级。 因此，要滤除700 nm的中心波长，氧化钬和二氧化硅薄膜应为175 nm或0.175nm厚。而且应注意，其他材料也可用于制作薄膜对，且 本发明应不限于氧化钛/二氧化硅薄膜。在某一替代实施方式中，薄 膜对的第 一和第二薄膜间可包含一 中间层，以提高热稳定性和防止互 扩散。例如，此中间层可为碳。
接着，仍参见图3，在多层叠层307上淀积盖层309。此盖层 309为ljim厚的量级。应注意，盖层309是可选的。盖层309用来 在后面的工艺过程中保护多层叠层307的表面。
接下来，在盖层309上制作滤色器311。滤色器311是用常规工 艺制作的。在图3所示的实施方式中，滤色器311为红色、绿色和蓝 色，但也可为青色、黄色和深红色。最后，在滤色器311上制作微透 镜313。同样，微透镜313可用常规工艺来制作，并可为图3所示的 凸起的或其他的形状。
应注意本发明的几个特点。首先，红外滤光器是以多层叠层307 来实现的，多层叠层307的特性实质上是反射，因而使入射的红外线 偏转而离开像素。这与吸收型的颜料或染料基滤光器成为对照，吸收 型的滤光器在红外波段仍可产生噪音且可能不可靠。其次，在一种实 施方式中多层叠层307是先于滤色器而制作的。 一般说来，在淀积氧 化钛/二氧化硅薄膜对时，需加热至较高温度，这可损坏滤色器311 (它典型地由有机材料制成)。然而，若后面制作滤色器311的工艺 证明是耐热的，多层叠层307也可在滤色器311之后(例如，在其 上)制作。对于微透镜313也是这样。第三，将红外滤光器集成在图 像传感器上，可减少图像传感器的元件数，因而降低了成本。
从上述可以理解，为了说明的目的，在这里描述了本发明的具 体实施方式，但可做出各种修改而没有背离本发明的构思和范围。因 此，除了所附权利要求外本发明不受限制。
权利要求
1. 一种图像传感器，包括制作在半导体衬底中的多个像素，每个像素包含光敏元件；制作在所述多个像素上的多层叠层，所述多层叠层适于滤除红外波段的入射光，其中所述多层叠层包括碳的中间层；制作在所述多层叠层和所述光敏元件上的多个微透镜。
2. 根据权利要求1的图像传感器，还包括制作在每个像素上的 滤色器，所述滤色器制作在所述微透镜和所述多层叠层之间。
3. 根据权利要求1的图像传感器，还包括制作在每个像素上的 滤色器，所述滤色器制作在所述微透镜上。
4. 一种图像传感器的像素，包括制作在半寻体衬底中的光敏元件；制作在光敏元件上的多层叠层，所述多层叠层适于滤除红外波段的入射光，其中所述多层叠层包括碳的中间层； 制作在所述多层叠层和光敏元件上的微透镜。
5. 根据权利要求4的像素，还包括制作在所述微透镜和所述多层叠层之间的滤色器。
6. 根据权利要求4的像素，还包括制作在所述微透镜上的滤色器。
全文摘要
公开了一种具有集成薄膜红外滤光器的图像传感器。此图像传感器含有多个制作在半导体衬底中的像素，每个像素都含有光敏元件。而且，在像素上制作有多层叠层，它适于滤除红外波段的入射光，其中多层叠层包括碳的中间层。最后在多层叠层和光敏元件上制作微透镜。
文档编号H04N5/225GK101477996SQ200910006630
公开日2009年7月8日 申请日期2003年10月24日 优先权日2002年10月25日
发明者山本克己 申请人:华微半导体(上海)有限责任公司
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