CN100521219C - 单片集成的具有双焦微透镜阵列的cmos图像传感器 - Google Patents
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Abstract
一种单片集成的具有双焦微透镜阵列的CMOS图像传感器，包括：标准CMOS逻辑电路，其集成了硅pin光电二极管；微透镜阵列，集成在CMOS电路有源区域对应的光吸收表面；氮化硅层，覆盖微透镜阵列；滤色镜，设置于氮化硅层上面；其特征在于，所述微透镜阵列是双焦微透镜阵列，与CMOS电路单片集成。其折射率为1.44～2.0用于较好的光学聚焦双焦微透镜阵列，提高光收集和量子效率。
Description
技术领域
本发明涉及透镜阵列及其制作方法，特别是涉及单片集成双焦透镜阵列及其制作方法和在互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS)图像传感器中的应用。
背景技术
过去的十年，由于CMOS图像传感器与电荷耦合器件(Charge CoupledDevice，CCD)比较，可以在较低电压下工作，降低便携式应用的能耗，具有较少的支持电路，设计更加简单，提供超低能耗和芯片集成的图像传感器，因此得到越来越多的关注。过去由CMOS技术(0.35μm及以上)制造的这些传感器一般具有比CCD较大的像素，低分辨率和更低的性能。近来由于在包括硅制程(0.18μm及以下)的几个领域的技术和设计的发展，滤色器阵列和微透镜集成，包装微小化和像素和芯片上图像传感器的设计有望扩大CMOS图像传感器的应用性和使其性能和作用甚至超过CCD。
在高发散激光二极输出的瞄准和聚焦中，在光电探测器和图像传感器的光收集中，包括高功率和高亮度光源、光纤通讯、光学数据存储和光互连的广泛的应用领域，都需要具有限制发散性能和高效率的微透镜。而且半导体衬底和淀积的电介质层不仅提供高折射率，还提供单片透镜激光器和单片透镜传感器集成的趋势。
到目前为止电子束刻蚀和离子刻蚀已经应用于各种半导体器件、光学和表面声波器件以及集成电路制造过程。离子束刻蚀已经成功应用于集成在发光二极管(LEDs.)的InP衬底上和InGaAs/InP pin光电二极管阵列上的微透镜的制作上。
Liau等通过质量传递技术在InP和GaAs衬底上制作了微透镜。该方法应用光刻和化学刻蚀形成多层台形结构，通过热处理最后形成微透镜，其中多层台阶由于表面能最小化如质量传递，而变得光滑。
与上述的质量传递技术相比，反应离子束刻蚀技术更加简单和方便。其仅由两步工艺构成：光刻胶掩模制作和反应离子束刻蚀，两步都适合批量生产。然而通过质量传递制作微透镜需要重复光刻和化学刻蚀以获得十级圆锥形台阶而且需要晶片在870℃质量传递以形成微透镜。
Pantelis等人采用对热熔产生的光刻胶微透镜阵列进行反应离子刻蚀来制作有机聚合物如聚酰亚胺聚合物微透镜(参见Pantelis P，McCartrey DJ.Polymer microlens arrays.Pure.Appl.Opt.，1994，3：103～108)。但其只能形成单焦微透镜，而且由于熔点较低，因此高空以及太空应用中抗湿、抗高温及防辐射能力差，易于变形老化，因此量子效率、聚光效率以及可靠性较差。
发明内容
为克服现有技术存在的以上问题，提出本发明。
本发明的目的是通过两步反应离子束刻蚀制作无机的双焦硅氧化物微透镜阵列。
本发明还有一个目的是制作单片集成的具有双焦微透镜阵列的CMOS传感器。
本发明的单片集成的具有双焦微透镜阵列的CMOS图像传感器，包括：
标准CMOS逻辑电路，其集成了硅pin光电二极管；
微透镜阵列，集成在CMOS电路有源区域对应的光吸收表面；
氮化硅层，覆盖微透镜阵列；
滤色镜，设置于氮化硅层上面；
其特征在于，微透镜阵列是双焦微透镜阵列，与CMOS电路单片集成。
根据本发明，所述的标准CMOS逻辑电路还包括硅衬底、顶层金属、氧化硅覆盖层。该氧化物覆盖层是高密度等离子体淀积而成。
本发明的双焦微透镜阵列是无机双焦微透镜阵列，较佳是硅氧化物双焦微透镜阵列。
本发明的双焦微透镜阵列，包括：第一硅氧化物透镜，其具有第一曲率半径；第二硅氧化物透镜，其具有第二曲率半径。
本发明的双焦微透镜阵列制作，包括如下步骤：
形成硅氧化物层或含富硅的氧化物层，其折射率为1.44～2.0；
涂敷光刻胶层，光刻、显影形成光刻胶图案；
光刻胶回流成型；
进行两步反应离子束刻蚀，形成双焦硅氧化物微透镜；
根据本发明，硅氧化物是富硅氧化物(Silicon Rich Oxide，SRO)，或富硅氮氧化物(Silicon Rich Oxynitride，SRON)。硅氧化物采用等离子增强化学气相淀积(PECVD)方法形成。
根据本发明，光刻胶为正型光刻胶，其回流温度为高于其玻璃化转化温度10～50℃，一般为150～180℃，回流时间为5～20min，所成型光刻胶球的大小与其像素大小对应。
根据本发明，反应离子束采用含有氩离子的反应离子束刻蚀，所述的反应离子束刻蚀采用刻蚀射频功率为500～800W，硅片衬底偏置射频功率为500～800W，入射角为0～60°。所述的硅衬底在反应离子束刻蚀过程当中需要冷却至温度小于150℃，硅片衬底固定在反应腔体内的静电吸盘上。反应气体及流量为：氩气(Ar)：300～700sccm；氧气(O2)：10～100sccm；四氟化碳(CF4)：10～100sccm；三氟甲烷CHF3)：5～50sccm；反应腔体的压力为100～500mtorr.在光刻胶刻蚀掉一半时，通过改变射频能量及(或)反应气体的流量及(或)反应腔体的压力，保持入射角不变，直到光刻胶刻蚀完毕形成双焦微透镜阵列。显微镜和扫描式电子显微镜用于测量刻蚀形成的图案的表面形状。微透镜轮廓通过表面轮廓测定仪器测定。
本发明通过两步反应离子束刻蚀在富硅氧化物衬底上制作双焦微透镜。计算和实验结果表明当涂有球形光刻胶掩模的衬底被具有合理的刻蚀参数的反应离子束刻蚀时，刻蚀的透镜的形状仍是球形而其曲率半径R＝Rr/k(其中Rr是球形光刻胶掩模的曲率半径，k是衬底对掩模的刻蚀比率)。其刻蚀比率k取决于反应离子束入射角、射频能量、反应气体的流量及反应腔体的压力。因此通过调整和控制刻蚀条件，获得需要的透镜的曲率半径，及具有双曲率半径的透镜，即双焦透镜。
由于本发明是在完成CMOS图像传感器的前段制程，其包括集成了pin光电二极管的标准逻辑电路的完整制程，然后进行后段制程，其包括形成滤色镜，单片集成的富硅氧化物(SRO)或富硅氮氧化物(SRON)微透镜，以及氮化硅覆盖层。本发明的双焦微透镜折射率为1.44～2.0，用于较好的光学聚焦双焦微透镜阵列，提高光收集和量子效率。与有机透镜相比具有高的可靠性。
本发明具有CMOS图像传感器与双焦微透镜阵列单片集成的高性能和高可靠性的制作流程和工艺。该工艺方法和技术可以高质量、高产量、低成本生产CMOS图像传感器。
附图说明
下面结合附图详细介绍本发明。然而需要注意的是，这些附图只是用来说明本发明的典型实施例，而不构成为对本发明的任何限制，在不背离本发明的构思的情况下，可以具有其他更多等效实施例。而本发明的保护范围由权利要求书决定。
图1A是根据本发明，完成CMOS图像传感器前段制程后的一个实施例的截面示意图。
图1B是根据本发明，形成光刻胶图案后的一个实施例的截面示意图。
图1C是根据本发明，光刻胶回流成型后的一个实施例的截面示意图。
图1D是根据本发明，经过两步离子束刻蚀形成双焦微透镜阵列后的一个实施例的截面示意图。
图1E是根据本发明，在覆盖氮化硅层和形成滤色镜后的单片集成的具有双焦微透镜的CMOS图像传感器的一个实施例的截面示意图。
图2A～2E是根据本发明的双焦微透镜形成过程的一个实施例的局部，一个双焦透镜的截面示意图。
图3是根据本发明，由扫描电子显微镜(SEM)测得的一个实施例的一部分双焦微透镜阵列的扫描电子显微镜照片。
图4是本发明的一个实施例的双焦微透镜的轮廓图。
图5是本发明的一个实施例的一个双焦微透镜的扫描电子显微镜(SEM)照片。
附图标记说明
1 硅衬底
2 CMOS图像传感器二极管
3 顶层金属
4 高密度等离子体淀积二氧化硅
5 等离子增强化学气相淀积富硅氧化物
6 光刻胶
7 氮化硅
8 滤色镜
9 入射光
10 离子束
11 离子束入射角
51 第一透镜
52 第二透镜
53 曲率突变点
54 曲率突变点
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明。
图1A～1E说明了本发明的单片集成具有双焦透镜阵列的CMOS图像传感器及其制作过程示意图。
根据本发明的一个具体实施方式，单片集成的具有双焦微透镜阵列的CMOS图像传感器，如图1E所示，包括：
标准CMOS逻辑电路，其集成了pin光电二极管2，具有顶层金属3，以及氧化硅绝缘层4；
微透镜阵列5，集成在CMOS电路有源区域，更具体地讲，像素单元对应的光吸收表面；
氮化硅层7，覆盖微透镜阵列5；
滤色镜8，设置于氮化硅层7上面；
其中，双焦微透镜阵列，与CMOS电路单片集成。
其制作过程为，如图1A所示，在具有标准CMOS逻辑电路(图中未示出)的硅衬底1上形成光电二极管2，在其上通过高密度等离子体方法淀积形成氧化硅绝缘层4，并形成顶层金属3。然后如图1B所示，在其上采用等离子体增强气相淀积方法形成富硅氧化物层5，该氧化物层的折射率为1.44～2.0；再形成正型光刻胶层AR89，通过光刻、显影形成光刻胶图案6，如图1B所示。按照常规光刻方法形成光刻胶直径为0.5～5μm的光刻胶图案，然后在高于其玻璃软化温度(约150℃)10℃下烘烤10分钟，由于表面张力的作用，光刻胶表面形成球形轮廓，加上光刻胶与富硅氧化物表面之间的粘结作用，表面张力和粘结力达到平衡，便形成光刻胶图案中心高度为1～4μm的球形，如图1C所示。
随后，对富硅氧化物层5进行反应离子束刻蚀，反应离子束刻蚀采用刻蚀射频功率为500～800W，硅片衬底偏置射频功率为500～800W，入射角θ为0°(垂直于硅片表面)，当光刻胶刻蚀掉一半时，通过改变射频能量及(或)反应气体的流量及(或)反应腔体的压力，而保持入射角不变，直到光刻胶刻蚀完毕形成双焦微透镜阵列，如图1D所示。
接着在双焦透镜上面覆盖一层氮化硅层7，并形成滤色镜8，如图1E所示。照射到光吸收表面的光线9，通过滤色镜后，经过双焦透镜折射，进入光电二极管，产生光生电流使CMOS图像传感器工作。双焦透镜的优点是，其可用于获得观察微小部分的放大图象所需要的深焦。甚至在高倍放大率下，其可以清晰和逼真地传递全部颜色。
图2A～2E是本发明的双焦透镜的一个实施例的制作过程示意图。
如图2A所示，在富硅氧化物层5上形成正型光刻胶层AR89，通过光刻、显影形成光刻胶图案6，光刻胶直径为3μm；
然后，在约160℃下烘烤10分钟，由于表面张力的作用，光刻胶表面形成球形轮廓，加上光刻胶与富硅氧化物表面之间的粘结作用，表面张力和粘结力达到平衡，便形成光刻胶图案中心高度为2.4μm的球形，如图2B所示；
硅片衬底固定在反应腔体内的静电吸盘上，对富硅氧化物层5进行反应离子束刻蚀，刻蚀设备采用美国应用材料公司制造的等离子体刻蚀机，采用刻蚀射频功率为550W，硅片衬底偏置射频功率为700W，入射角θ为0°(垂直于硅片表面)，垂直于富硅氧化物层5表面入射。硅衬底在反应离子束刻蚀过程当中冷却至温度小于150℃，反应气体及流量为：氩气(Ar)：360sccm；氧气(O2)：20sccm；四氟化碳(CF4)：45sccm；三氟甲烷(CHF3)：12sccm；反应腔体的压力为120m torr，如图2C所示。
当光刻胶刻蚀掉一半时，如图2D所示，射频能量增加10％及反应气体氩气流量增加10％及反应腔体的压力减小10％，保持入射角θ为0°不变，在光刻胶被全部刻蚀完成后得到如图2E所示的双焦透镜。球形光刻胶掩模转变为双焦球形富硅氧化物衬底。
用扫描电子显微镜检测得到的本实施例的部分微透镜的结果如图3所示，可以看出透镜表面非常光滑，而且可以清楚地看到有焦距突变的轮廓。
图4为通过透射电子显微镜得到的本实施例的一个双焦微透镜剖面的显微照片。由于曲线上对称的突变点53、54，可以清楚地看出截然不同的两个透镜部分。第一透镜51的第一曲率半径为1.48μm，第二透镜52的第二曲率半径为0.7μm。
图5是通过扫描电子显微镜得到的本实施例的一个双焦微透镜的显微照片。
虽然以上所述是针对本发明的实施例，但本发明的其它及进一步的实施例可以在不背离其基本范围之下设计出，而其保护范围是由权利要求书的范围决定。
Claims (20)
1.单片集成的具有双焦微透镜阵列的CMOS图像传感器，包括：
标准CMOS逻辑电路，其集成了硅pin光电二极管；
微透镜阵列，集成在CMOS电路有源区域对应的光吸收表面；
氮化硅层，覆盖微透镜阵列；
滤色镜，设置于氮化硅层上面；
其特征在于，所述微透镜阵列是双焦微透镜阵列，与CMOS电路单片集成，其中，所述微透镜阵列中的每个微透镜皆由第一透镜和第二透镜组成，所述第一透镜的侧壁为圆形，所述第二透镜位于所述第一透镜上方，其表面为圆顶型，所述第一透镜和第二透镜的曲率不同，所述第一透镜和第二透镜的材料相同。
2.根据权利要求1所述的单片集成的具有双焦微透镜阵列的CMOS图像传感器，其特征在于，所述的标准CMOS逻辑电路还包括硅衬底、顶层金属、氧化硅覆盖层。
3.根据权利要求2所述的单片集成的具有双焦微透镜阵列的CMOS图像传感器，其特征在于，所述的氧化硅覆盖层是高密度等离子体淀积而成。
4.根据权利要求1所述的单片集成的具有双焦微透镜阵列的CMOS图像传感器，其特征在于，所述的双焦微透镜阵列是无机双焦微透镜阵列。
5.根据权利要求4所述的单片集成的具有双焦微透镜阵列的CMOS图像传感器，其特征在于，所述的无机双焦微透镜阵列是硅氧化物双焦微透镜阵列。
6.根据权利要求1所述的单片集成的具有双焦微透镜阵列的CMOS图像传感器，其特征在于：
所述第一透镜为第一硅氧化物透镜，其具有第一曲率半径；
所述第二透镜为第二硅氧化物透镜，其具有第二曲率半径。
7.根据权利要求1所述的双焦微透镜阵列的制作方法，包括如下步骤：
形成硅氧化物层，其折射率为1.44～2.0；
涂敷光刻胶层，光刻、显影形成光刻胶图案；
光刻胶回流成型；
进行两步反应离子束刻蚀，形成双焦硅氧化物微透镜，所述反应离子束刻蚀为，在光刻胶刻蚀掉一半时，通过改变射频功率及/或反应气体的流量及/或反应腔体的压力，和入射角保持不变，直到光刻胶刻蚀完毕，形成双焦微透镜阵列。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的硅氧化物是富硅氧化物。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的硅氧化物是富硅氮氧化物。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的光刻胶为正型光刻胶。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的硅氧化物采用等离子增强化学气相淀积形成。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的光刻胶的回流温度为高于其玻璃转化温度10～50℃。
13.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的光刻胶的回流温度为150～180℃。
14.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的光刻胶的回流时间为5～20min。
15.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述光刻胶图形经回流后处理后会形成多个成型光刻胶球，所述的成型光刻胶球的大小与其像素大小对应。
16.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的反应离子束刻蚀是含有氩离子的反应离子束刻蚀。
17.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的反应离子束刻蚀采用刻蚀射频功率为500～800W，硅片衬底偏置射频功率为500～800W，入射角为0～60°。
18.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的反应离子束刻蚀采用反应气体及流量为：氩气：300～700sccm；氧气：10～100sccm；四氟化碳：10～100sccm；三氟甲烷：5～50sccm；反应腔体的压力为100～500m torr。
19.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的反应离子束刻蚀，硅片衬底固定在反应腔体内的静电吸盘上。
20.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，硅片衬底在所述反应离子束刻蚀过程中需要冷却至温度小于150℃。
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