CN100499144C - 用于形成具有凹状微透镜的图象传感器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于形成具有凹状微透镜的图象传感器的方法。该方法包括在半导体衬底内形成多个象素，每个象素都含有光敏感元件。接着在象素上方形成基础材料，该基础材料具有第一折射系数。在该基础材料内于每个光敏感元件的上面形成微透镜空腔。该微透镜空腔成凹状。最后，在微透镜空腔内形成填充材料。填充材料具有第二折射系数，其高于该第一折射系数。
Description
技术领域
本发明涉及图象传感器，更特别地，涉及用于制造具有凹状微透镜的图象传感器的方法。
背景技术
图象传感器是能够用于产生静止或视频图象的电子集成电路。固态图象传感器可以是电荷耦合器件(CCD)类型或者是互补金属氧化物半导体(COMS)类型。在任何一种类型的图象传感器中，聚光象素都在衬底内形成并且排列成二维阵列。典型的现代图象传感器含有数百万个象素以提供高分辨率的图象。图象传感器的一个重要部分是在象素顶上形成的滤色器和微透镜结构。滤色器，物如其名，能够与信号处理相结合有效地提供彩色图象。微透镜用于将入射光线聚焦到象素上面，从而改善每个象素的填充因数。
传统上，微透镜通过将微透镜材料层旋转涂覆在平面化(planarized)层上而形成。然后对微透镜材料进行蚀刻而形成居中在每个象素上的圆柱形或其它形状的区域。然后，加热和回流微透镜材料以形成凸半球状微透镜。图1显示了先前技术中在其上形成了微透镜的图象传感器101剖面的简化图。如图1所示，图象传感器包括多个具有形成于衬底内的光检测元件103的象素。光检测元件103可以是几种类型中的一种，如光电二极管、光门(photogate)、或者其它固态光敏感元件。微透镜105在每个象素的顶上形成。微透镜105在将入射光线聚焦到光检测元件103上。而且，在光检测元件103和微透镜105之间的区域内，如标记数字107所示，有许多插入层，其典型地包括滤色器层和许多金属导电线。这些部件都排除在附图之外以简化此处的说明，并使之不会妨碍本发明。
已经发现，由于后续的处理步骤，凸状微透镜有时会导致更大的颗粒污染的可能性。而且，由于用于形成微透镜的特殊处理，也难以消除微透镜105之间的间隙。大体上讲，使微透镜之间的间隙最小化是较为理想的，因为更大的微透镜会导致更高等级的光会聚。
发明内容
一方面，本发明提供一种用于形成图象传感器的方法，包括：在半导体衬底内形成多个象素，每个象素都包含光敏感元件；在该多个象素上形成基础材料，该基础材料具有第一折射系数；在基础材料上形成树脂层；以该树脂层作掩模而在该光敏感元件的上面、在该基础材料内形成微透镜空腔，该微透镜空腔成凹状；和在该凹状的微透镜空腔内形成填充材料，该填充材料具有第二折射系数，第二折射系数高于第一折射系数。
根据本发明的上述方法，进一步包括在每个象素上面形成滤色器，该滤色器在该微透镜与该光敏感元件之间形成。
根据本发明的上述方法，进一步包括在每个象素上面形成滤色器，该滤色器在该微透镜的上面形成。
根据本发明的上述方法，其中该基础材料为环氧树脂或丙烯酸酯材料。
根据本发明的上述方法，其中该填充材料为苯基树脂。
根据本发明的上述方法，其中该基础材料或者是聚甲基丙烯酸甲酯或者是聚缩水甘油基丙烯酸甲酯。
另一方面，本发明提供一种形成图象传感器象素的方法，包括：在半导体衬底内形成光敏感元件；在该光敏感元件上面形成基础材料，该基础材料具有第一折射系数；在基础材料上形成树脂层；以该树脂层作掩模而在该光敏感元件的上面、在该基础材料内形成微透镜空腔，该微透镜空腔成凹状；和在该凹状的微透镜空腔内形成填充材料，该填充材料具有第二折射系数，第二折射系数高于第一折射系数。
根据本发明的上述方法，进一步包括在该光敏感元件上面形成滤色器，该滤色器在该微透镜与该光敏感元件之间形成。
根据本发明的上述方法，进一步包括在该光敏感元件上面形成滤色器，该滤色器在该微透镜的上面形成。
根据本发明的上述方法，其中该基础材料为环氧树脂或丙烯酸酯材料。
根据本发明的上述方法，其中该填充材料为苯基树脂。
根据本发明的上述方法，其中该基础材料或者是聚甲基丙烯酸甲酯或者是聚缩水甘油基丙烯酸甲酯。
另一方面，本发明提供一种用于形成在图象传感器象素上面使用的微透镜的方法，该方法包括：在该象素上形成基础材料，该基础材料具有第一折射系数；在基础材料上形成树脂层；以该树脂层作掩模而在该光敏感元件的上面、在该基础材料内形成微透镜空腔，该微透镜空腔成凹状；和在该凹状的微透镜空腔内形成填充材料，该填充材料具有第二折射系数，第二折射系数高于第一折射系数。
根据本发明的上述方法，进一步包括在该光敏感元件上面形成滤色器，该滤色器在该微透镜与该光敏感元件之间形成。
根据本发明的上述方法，进一步包括在该光敏感元件上面形成滤色器，该滤色器在该微透镜的上面形成。
根据本发明的上述方法，其中该基础材料为环氧树脂或丙烯酸酯材料。
根据本发明的上述方法，其中该填充材料为苯基树脂。
根据本发明的上述方法，其中该基础材料或者是聚甲基丙烯酸甲酯或者是聚缩水甘油基丙烯酸甲酯。
附图说明
图1是先前技术中图象传感器一部分的剖面图。
图2是图象传感器的顶视图，其显示了排列成二维阵列的象素及在其上形成的微透镜。
图3-9是半导体衬底的剖面图和相应的顶视图，其图解了一种用于形成图象传感器的方法。
图10是使用本发明的一种方法而形成的图象传感器的等距视图。
具体实施方式
本发明涉及用于形成凹微透镜结构的方法，该结构用于CMOS或CCD类型的图象传感器。在随后的说明中，给出了大量的具体细节以便能够完全理解本发明的实施例。然而熟悉相关技术的人将会认识到，缺少一个或多个该具体细节或者使用其它的方法、部件等，本发明也能够实现。此外，本文没有显示或者详细说明众所周知的结构或操作，以避免妨碍彰显本发明各种实施例的各个方面。
在整个专利说明中，提到的“一个实施例”或“某实施例”的意思是，所说明的与该实施例相关的具体特征、结构或性质包含在本发明至少一个实施例中。这样，出现在本专利说明各处的词语“在一个实施例中”或“在某实施例中”，并非都是指代相同的实施例。而且在一个或多个实施例中，具体的特征、结构或性质可以以任何适当的方式加以组合。
图2显示的是根据本发明形成的图象传感器201的顶视图。图象传感器201包括多个象素203，其典型地排列成二维阵列。在图2所示的实例中，图象传感器显示了3x3的象素203阵列，通过它能够意识到，实际的图象传感器201具有非常多的象素，其可能排列成超过数千行和/或数千列。进一步，尽管图2显示出象素处于规则的行列之中，但象素也可以布置成任何类型的规则排列。例如，交替的行可以使其象素彼此稍微横向偏离而成跳棋棋盘状。
象素203典型地包括光敏感元件，如光电二极管或光门两个实例。但是应当意识到，其它类型的光敏感元件，无论是现在已知的还是将来会开发出来的，也可以使用。而且，象素203还包括放大和/或读出电路。为了清楚起见，图2中没有显示该电路。在一个实施例中，象素203可以是在先前技术中所熟知的有源象素(active pixel)。
微透镜205在每个象素203的顶上形成。微透镜205实际上成凹状，与先前技术中的凸状微透镜相对。由于凹微透镜205的性质，相邻象素的相邻微透镜之间，间隙很小或者没有。
此外，与每一个象素203相联系的是滤色器207。滤色器207可以或者设置在微透镜205与光敏感元件之间，或者选择地，形成于微透镜205的顶上。滤色器207典型地为经过着色或染色的材料，其仅允许很窄频带的光线通过，比如红、蓝或绿。在其它实施例中，滤色器可以是蓝绿、黄或品红。这些只是用于滤色器207的颜色的示例，且本发明可以包括具有任何颜色的滤色器207。尽管使用经过着色或染色的材料是滤色器最普遍的形式，但是其它反射类型的滤色器也可以使用，例如多层堆叠反射材料。滤色器207的形成在技术上是为人所熟知的，在此处不再说明以避免对本发明的说明造成任何不必要的妨碍。例如，美国专利No.6,297,071、美国专利No.6,362,513和美国专利No.6,271,900就显示了滤色器技术的现状。
图3-9是半导体衬底概要的剖面图和顶视图，其图解了一种用于形成本发明结构的方法。特别地，图3是沿着图2中A-A线获得的剖面图。半导体衬底301内形成有多个光敏感元件303(与图2中的象素203相联系)。图3显示的光敏感元件303是光电二极管，但也可以使用其它的替代物和等价物。形成光电二极管和其它关联电路的细节在先前技术中是为人们所熟知的，故此处不再重复以避免妨碍本发明。然而，先前技术的实例可以在美国专利No.5,904,493和美国专利No.6,320,617中见到。
根据本发明的一个实施例，当象素203在衬底内形成之后，光学透明的(至少是可见光谱的一部分)基础材料305在衬底301上形成。基础材料305可以通过使用覆盖层沉积(blanket deposition)处理，或者选择地，使用旋转涂覆(spin on)方法而形成。在一个实施例中，基础材料为环氧树脂或丙烯酸系物质(acrylic)。选择这些材料是出于它们的稳定性、易于处理或者合适的折射系数。如下所示，基础材料要具有相对较低的折射系数是很重要的。对于环氧树脂或丙烯酸类材料，折射系数的范围是1.4-1.5。适当材料的一个实例就是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚缩水甘油基丙烯酸甲酯(PGMA)。选择地，基础材料也可以是氧化物。
尽管上面给出了具体的实例，但是应当意识到，基础材料可以用任何具有相对较低折射系数的光学透明材料制成。在基础材料305通过使用旋转涂覆技术而施加的情况中，基础材料305具有基本上为平面的优点。理想的是使基础材料305的顶面尽可能地为平面和光滑。尽管如此，覆盖层沉积(blanket deposition)，如通过化学气相沉积，也是适当的。
在一个实施例中，基础材料305的厚度为2-2.5微米的量级。然而，也能够使用更薄或更厚的基础材料层305，这取决于各种设计参数，比如所期望的微透镜焦距长度。
仍然参考图3，在沉积了基础材料305之后，沉积树脂层307。树脂层307也称作牺牲层，且在一个实施例中为苯基树脂。因为树脂层307将用作牺牲层，再一次，在选择用作树脂层307的精确材料时存在一些灵活性。
在一个实施例中，树脂层307需要加以构图。因此，使用光致抗蚀剂类型的材料(如苯基树脂)作为树脂层307是有效的。通过该方法，树脂层307能够简单地通过使用光刻装置和显影处理而“直接构图”。
下面转到图4，对树脂层307进行构图和显影以去除树脂层307的308部分。所去除的树脂层307的308部分通常在光敏感元件303的上面，且呈圆形。图5显示了部分已经去除的树脂层307的顶视图。树脂层307的去除部分308与即将最终形成的凹微透镜相关。再一次，图4和图5中所显示的去除部分的具体形状和尺寸只是本发明的具体实施例。其它具体的实现方法也是可能的。例如，图4和图5中所示的308部分的尺寸可以根据所期望的待形成微透镜的尺寸而缩小或放大。较大尺寸的308部分会产生较大的微透镜，反之亦然。
转到图6，一旦树脂层307经过显影(在树脂层307为光致抗蚀剂的情况中)或蚀刻(在非光致抗蚀剂牺牲层的情况中)，便将树脂层307的余下部分加热到回流温度。这使得树脂层307采取表面张力最小的形状，在许多情况中为球状，如图6所示。
一旦回流处理完成，便用经过回流的树脂层307作为蚀刻掩模进行各向异性的干蚀刻。在一个实施例中，该蚀刻是用O2作为初始气体、CH3作为第二气体的反应离子蚀刻。在一个实施例中，基础材料305与树脂层307之间的蚀刻比率为1.0-1.5的量级。这样，下面的基础材料305会比树脂层307蚀刻得更快。在一个实施例中，蚀刻处理过程在去除掉树脂层307后完成。由于树脂层307的回流形状，干蚀刻的结果是产生基础材料305半球状“疤坑”，从而在每个光敏感元件303的上面形成凹微透镜701。该结果如图7(剖面图)和图8(顶视图)所示。
应当注意到，相邻微透镜之间的间隔能够通过控制形成于树脂层307内的去除部分308的间隔而加以改变。彼此间隔较远的小去除部分308会产生相对小的微透镜和最终微透镜之间的较大的间隙。较大的去除部分308会产生具有较小间隙的大的最终微透镜。而且，通过在蚀刻基础材料305和树脂层307的过程中采用过蚀刻(over-etching)技术，相邻微透镜之间的间隙能够减小到零。应当意识到，去除部分308的尺寸、蚀刻的长度、基础材料305和树脂层307的组成、以及其它的处理/设计因素都能够加以改变以获得理想的微透镜性能。
最后转到图9，填充材料311在基础材料305和微透镜701的上面形成。填充材料311应当具有相对较高的折射系数，其高于基础材料305从而能够将入射光线弯曲并聚焦到光敏感元件303上。在一个实施例中，填充材料311的折射系数为1.6-1.8之间。填充材料311的一个实例是光学透明的聚酰亚胺。在一个实施例中，聚酰亚胺层311的厚度处于3-4微米的量级。聚酰亚胺层311典型地通过旋转涂覆而施加。图10显示了完成结构的等距图。
根据本发明，微透镜之间的最小间隔能够更容易地获得。这改善了填充因子和聚光效率，从而改善了敏感性。此外，凹状微透镜在可用封装技术中具有优势，从而反过来又使颗粒和灰尘对图象传感器的影响最小化。而且根据本发明，滤色器能够用传统的方法或者在微透镜的顶上或者在微透镜与光敏感元件303之间形成。而且凹状微透镜的使用会产生相对较短的焦距。这反过来又允许更高的集成密度。
由上文应当意识到，本文出于举例说明的目的说明了本发明具体的实施例，但是还可以做出各种修改而不会背离本发明的精神和范围。因而，不考虑所使用的具体材料，本发明教导了凹微透镜的使用，其用适当材料加以填充而聚焦入射光线。因此，除了附属的权利要求之外，本发明并不受任何限制。
Claims (18)
1.一种用于形成图象传感器的方法，包括：
在半导体衬底内形成多个象素，每个象素都包含光敏感元件；
在该多个象素上形成基础材料，该基础材料具有第一折射系数；
在基础材料上形成树脂层；
根据图形去除所述树脂层的多个部分；
将所述树脂层的余下部分回流，被回流的部分具有球状；
在刻蚀工艺中使用具有球状的被回流的树脂层作掩模而在该光敏感元件的上面的该基础材料内形成微透镜空腔，该微透镜空腔成凹状；和
在凹状的该微透镜空腔内形成填充材料，该填充材料具有第二折射系数，第二折射系数高于第一折射系数。
2.权利要求1的方法，进一步包括在每个象素上面形成滤色器，该滤色器在该微透镜与该光敏感元件之间形成。
3.权利要求1的方法，进一步包括在每个象素上面形成滤色器，该滤色器在该微透镜的上面形成。
4.权利要求1的方法，其中该基础材料为环氧树脂或丙烯酸酯材料。
5.权利要求1的方法，其中该填充材料为苯基树脂。
6.权利要求1的方法，其中该基础材料或者是聚甲基丙烯酸甲酯或者是聚缩水甘油基丙烯酸甲酯。
7.一种形成图象传感器象素的方法，包括：
在半导体衬底内形成光敏感元件；
在该光敏感元件上面形成基础材料，该基础材料具有第一折射系数；
在基础材料上形成树脂层；
根据图形去除所述树脂层的多个部分；
将树脂层的余下部分回流，被回流的部分具有球状；
使用具有球状的树脂层作掩模而在该光敏感元件的上面的该基础材料内形成微透镜空腔，该微透镜空腔成凹状；和
在凹状的该微透镜空腔内形成填充材料，该填充材料具有第二折射系数，第二折射系数高于第一折射系数。
8.权利要求7的方法，进一步包括在该光敏感元件上面形成滤色器，该滤色器在该微透镜与该光敏感元件之间形成。
9.权利要求7的方法，进一步包括在该光敏感元件上面形成滤色器，该滤色器在该微透镜的上面形成。
10.权利要求7的方法，其中该基础材料为环氧树脂或丙烯酸酯材料。
11.权利要求7的方法，其中该填充材料为苯基树脂。
12.权利要求7的方法，其中该基础材料或者是聚甲基丙烯酸甲酯或者是聚缩水甘油基丙烯酸甲酯。
13.一种用于形成在图象传感器象素上面使用的微透镜的方法，该方法包括：
在该象素上形成基础材料，该基础材料具有第一折射系数；
在基础材料上形成树脂层；
根据图形去除所述树脂层的多个部分；
将所述树脂层的余下部分回流，被回流的部分具有球状；
使用具有球状的树脂层作掩模而在该象素的上面的该基础材料内形成微透镜空腔，该微透镜空腔成凹状；和
在凹状的该微透镜空腔内形成填充材料，该填充材料具有第二折射系数，第二折射系数高于第一折射系数。
14.权利要求13的方法，进一步包括在该象素上面形成滤色器，该滤色器在该微透镜与该象素之间形成。
15.权利要求13的方法，进一步包括在该象素上面形成滤色器，该滤色器在该微透镜的上面形成。
16.权利要求13的方法，其中该基础材料为环氧树脂或丙烯酸酯材料。
17.权利要求13的方法，其中该填充材料为苯基树脂。
18.权利要求13的方法，其中该基础材料或者是聚甲基丙烯酸甲酯或者是聚缩水甘油基丙烯酸甲酯。
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