CN101118379B - Cmos图像传感器的微透镜及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种CMOS图像传感器的微透镜及其制造方法，所述方法包括下列步骤中的至少一个步骤：在半导体衬底上形成包含多个彩色滤光片的彩色滤光片阵列。在彩色滤光片阵列上面和/或上方形成平坦层，以补偿彩色滤光片之间的高度差异。在平坦层上面和/或上方形成氧化硅层。在氧化硅层上面和/或上方形成对应彩色滤光片的多个光致抗蚀剂图案，其中光致抗蚀剂图案彼此分离。利用至少一种工艺气体(例如C5F8、CH2F2、Ar和/或O2)形成包围多个光致抗蚀剂图案的多个CxFy基聚合物凸块。利用在多个聚合物凸块、多个光致抗蚀剂图案和氧化硅层之间具有基本相同蚀刻选择比的蚀刻处方蚀刻多个聚合物凸块、多个光致抗蚀剂图案和氧化硅层。
Description
本申请要求韩国专利申请No.10-2006-0072040(于2006年7月31日提交)的优先权，在此援引该申请的全部内容。
技术领域
本发明涉及一种CMOS图像传感器的微透镜及其制造方法。
背景技术
图像传感器是一种可以在光电二极管或光电晶体管处接收光，并利用模数转换器(ADC)将光转换为电数字图像信号的器件。两种不同的图像传感器分别是互补金属氧化物半导体(CMOS)器件和电荷耦合器件(CCD)。CMOS器件可应用在低功率的小型相机中。在CMOS器件中，微透镜(其可暴露在空气中)可将光会聚在光电二极管上。光电二极管可将所会聚的光转换为电信号。多个晶体管可将所转换的电信号显示为图像。
CMOS器件可包括一个光电二极管，至少一个晶体管，至少一个金属布线层和/或至少一个层间介电层。金属布线层可电连接CMOS器件中的电路组件(device)。层间介电层可隔离电路组件和金属布线层。CMOS器件可包括具有多个彩色滤光片的彩色滤光片阵列。每个彩色滤光片允许预定波长范围内的光透射，所述预定波长范围可对应于三原色(即红、蓝、绿)之一。彩色滤光片可形成在上部层间介电层上方和/或上面。CMOS器件可包括与形成在彩色滤光片阵列上方和/或上面的多个滤光片对应的多个微透镜。CMOS器件可包括平坦层，用于补偿彩色滤光片之间的高度差异。平坦层可位于多个微透镜与彩色滤光片阵列之间。
形成微透镜是为了使彩色滤镜阵列的效果最大化。为了形成微透镜，可利用具有较高透明度的光致抗蚀剂来形成预定图案。通过热处理，可使光致抗蚀剂图案形成为微透镜。
图1A至图1C示出形成微透镜的方法。如图1A所示，红色滤光片10a、绿色滤光片10b和蓝色滤光片10c形成在图像器件的上部层间介电层上方。该上部层间介电层和至少一个金属布线层形成在半导体衬底上方。一个光电二极管和多个晶体管形成在半导体衬底上面和/或上方。
在彩色滤光片阵列10上面和/或上方形成平坦层20，以补偿滤光片10之间的高度差异。在平坦层20上面和/或上方形成光致抗蚀剂膜30。可通过具有预定图案的掩模50对光致抗蚀剂膜30进行曝光，以使微透镜具有半球形状。可执行散焦曝光以使光致抗蚀剂膜30的未暴露部分30b具有倾斜的侧面。未暴露部分30b可通过显影来去除，因此形成具有梯形形状的光致抗蚀剂图案30b。如图1C所示，对光致抗蚀剂图案30b进行回流和/或硬化处理，而形成具有近似半球形状的微透镜40。
CMOS图像传感器的特征或特性可能受不同因素组合的影响，比如微透镜的焦距、彩色滤光片的尺寸和分布程度、层间介电层的厚度和/或光电二极管的间距。由于制造过程中的各种变化而难以将微透镜的焦距标准化，因而限制了微透镜的再现性。例如，难以将回流处理标准化。例如，图1B中所示的光致抗蚀剂图案30b应该形成为彼此相距足够远，以避免形成桥。同样，微透镜40相互之间应该具有足够间距，以避免串扰(crosstalk)。
发明内容
本发明提供一种CMOS图像传感器的微透镜以及制造微透镜的方法。在本发明的实施例中，利用氧化硅层形成微透镜。在本发明的实施例中，以较高的再现性形成微透镜。在本发明的实施例中，微透镜可具有较高的硬度，和/或以可防止串扰及其它影响的最小间距而相互分离。
本发明提供一种制造CMOS图像传感器中微透镜的方法，该方法包括下列步骤中的至少一个步骤：在半导体衬底上形成包含多个彩色滤光片的彩色滤光片阵列，其中所述半导体衬底包含光电二极管和MOS晶体管。在彩色滤光片阵列上面和/或上方形成平坦层，以补偿彩色滤光片之间的高度差异。在所述平坦层上面和/或上方形成氧化硅层。在所述氧化硅层上面和/或上方形成与所述彩色滤光片对应的多个光致抗蚀剂图案，其中所述光致抗蚀剂图案彼此分离。利用至少一种工艺气体(例如，C5F8、CH2F2、Ar和/或O2)形成围绕所述多个光致抗蚀剂图案的多个CxFy基聚合物凸块。利用在多个聚合物凸块、多个光致抗蚀剂图案和氧化硅层之间具有基本相同蚀刻选择比的蚀刻处方，蚀刻多个聚合物凸块、多个光致抗蚀剂图案和氧化硅层。
本发明提供一种CMOS图像传感器，该CMOS图像传感器可包括至少一个光电二极管、多个MOS晶体管、至少一个金属布线层、多个层间介电层、包含多个彩色滤光片的彩色滤光片阵列、以及多个微透镜，其中所述多个微透镜由对可见光透明的氧化硅材料形成。
此外，本发明提供一种方法，包括：在至少一个彩色滤光片上方形成近似透明层；在所述近似透明层上方形成至少一个近似半球形图案；以及蚀刻所述至少一个近似半球形图案和所述近似透明层，以在所述近似透明层处形成至少一个透明图案，其中所述至少一个透明图案与所述至少一个近似半球形图案具有基本相同的形状。
本发明还提供一种装置，包括形成在至少一个彩色滤光片上方的至少一个近似透明图案，其中，所述至少一个近似透明图案是通过下列步骤而形成：在所述至少一个彩色滤光片上方形成近似透明层；在所述近似透明层上方形成至少一个近似半球形图案；以及蚀刻所述至少一个近似半球形图案和所述近似透明层，以在所述近似透明层处形成所述至少一个透明图案，其中所述至少一个透明图案与所述至少一个近似半球形图案具有基本相同的形状。
本发明能够使微透镜的再现性最优化且使微透镜形成为彼此之间具有最小间距。此外，本发明可以相对精确地控制微透镜的形成，使得CMOS图像传感器之间的串扰最小化。
附图说明
图1A至图1C为CMOS传感器的剖面图，示出了微透镜的制造过程；
图2A至图2C为本发明CMOS图像传感器的剖面图，示出了微透镜的制造过程。
具体实施方式
如图2A所示，根据实施例，彩色滤光片阵列100和/或平坦层200形成在半导体衬底上面和/或上方。
具有预定厚度的氧化硅(SiO2)层400形成在平坦层200和/或彩色滤光片阵列100上面和/或上方。
用于电连接电路元件的多个金属布线层形成在半导体衬底上面和/或上方。电路元件(例如，一个光电二极管和/或多个MOS晶体管)形成在半导体衬底上面和/或上方。可形成多个层间介电层，以电隔离电路元件和/或金属布线层。彩色滤光片阵列100(例如，包括红色滤光片100a、绿色滤光片100b和/或蓝色滤光片100c)形成在上部层间介电层上面和/或上方。平坦层200形成在彩色滤光片阵列100上面和/或上方，并且补偿不同滤光片之间的高度差异。
根据实施例，氧化硅层400形成在平坦层200上方。氧化硅层400为用于形成微透镜的材料。在实施例中，氧化硅层400可由对可见光透明或近似透明的材料形成。氧化硅层400可通过低温化学气相沉积(CVD)技术来沉积，但本领域的技术人员可以推及其它沉积工艺。在实施例中，氧化硅层400可沉积为与待形成的微透镜具有基本相同的厚度。
根据实施例，对应所述彩色滤光片的多个光致抗蚀剂图案300形成在氧化硅层400上面和/或上方。如图2A所示，根据实施例，光致抗蚀剂图案300可形成为具有矩形形状。在实施例中，光致抗蚀剂图案300可形成为具有梯形形状。根据实施例，利用散焦曝光形成具有梯形形状的光致抗蚀剂图案300。本领域的普通技术人员应能推及其它形状的光致抗蚀剂图案300和/或形成方法。
在实施例中，如图2B所示，多个CxFy基的聚合物凸块320形成在光致抗蚀剂图案300上面和/或上方。在实施例中，聚合物凸块320可形成为包围光致抗蚀剂图案300。在实施例中，聚合物凸块320可大致具有半球形状。根据实施例，聚合物凸块320可通过将工艺气体(例如，C5F8、CH2F2、Ar和/或O2)引入干法蚀刻室来形成。当通过将工艺气体引入干法蚀刻室来执行蚀刻工艺时，光致抗蚀剂图案300和氧化硅层400基本不受影响(例如，基本不被蚀刻)。
根据实施例，在蚀刻处理过程中，CxFy基聚合物作为反应的副产品而生成。在实施例中，如果生成的聚合物没有被排放到室外而使聚合物留在衬底上方，则该聚合物可能附着在光致抗蚀剂图案300的周围。在某些工艺条件下(例如，适当控制聚合物的停留时间)，在光致抗蚀剂图案300上面和/或上方可包覆多个近似半球形聚合物凸块320。在实施例中，形成梯形形状的光致抗蚀剂图案300(例如，利用散焦曝光)对在光致抗蚀剂图案300上包覆具有近似半球形状的聚合物凸块更有效。
在实施例中，可利用15-25sccm的C5H8、3-7sccm的CH2F2、100-140sccm的Ar和/或4-8sccm的O2形成CxFy基的聚合物凸块320。通过使工艺气体O2、C5F8、CH2F2和Ar之间的工艺气体分压比分别为1:2.5-4.2:0.5-1.2:16-24(即，假设O2的分压为1时，C5F8的分压为2.5-4.2、CH2F2的分压为0.5-1.2、以及Ar的分压为16-24)，能够可靠地生成聚合物凸块320。
如图2C所示，根据实施例，可执行反应离子蚀刻工艺。该工艺利用在光致抗蚀剂图案300、CxFy基的聚合物凸块320和氧化硅层400之间具有基本相同蚀刻选择比的蚀刻处方(即，三者之间的蚀刻选择比为1:1:1)。根据实施例，作为蚀刻结果，使得包覆的聚合物凸块320的半球形剖面转变为氧化硅层400中基本相同的半球形剖面。相应地，作为蚀刻结果，在光致抗蚀剂图案300和聚合物凸块320被蚀刻去除后，形成半球形微透镜400a。
本发明的实施例能够使微透镜的再现性最优化。在实施例中，微透镜可形成为彼此之间具有最小间距。根据实施例，可以相对精确地控制微透镜的形成，使得CMOS图像传感器之间的串扰最小化。
在实施例中，由于微透镜暴露在空气中，因此较硬的微透镜是有利的。例如，基于光致抗蚀剂的微透镜易于在对芯片进行划片处理时产生微粒，以较硬的微透镜可避免上述问题。
对本领域的技术人员而言显而易见的是，可以对本发明进行各种修改和变化，而不脱离本发明实施例公开的精神或范围。因此，这意味着本发明覆盖在所附权利要求书及其等同范围内的所有修改和变化。
Claims (12)
1.一种用于制造CMOS图像传感器的微透镜的方法，包括：
在至少一个彩色滤光片上方形成近似透明层；
在所述近似透明层上方形成至少一个近似半球形图案；以及
蚀刻所述至少一个近似半球形图案和所述近似透明层，以在所述近似透明层处形成至少一个透明图案，其中所述至少一个透明图案与所述至少一个近似半球形图案具有基本相同的形状；
其中，所述至少一个近似半球形图案是通过下列步骤而形成：
在所述近似透明层上方形成至少一个光致抗蚀剂图案；以及
在所述至少一个光致抗蚀剂图案周围形成包含CxFy基聚合物的至少一个聚合物凸块，以及
其中，所述至少一个光致抗蚀剂图案、所述至少一个聚合物凸块和所述近似透明层在进行蚀刻工艺时具有基本相同的蚀刻敏感度。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述近似透明层包含二氧化硅。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个光致抗蚀剂图案具有矩形形状。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个光致抗蚀剂图案具有梯形形状。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述梯形形状是通过散焦曝光而形成。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个聚合物凸块是通过使用C5F8、CH2F2、Ar和O2作为工艺气体而形成。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述至少一个聚合物凸块是通过在干法蚀刻室中引入工艺气体而形成，所述工艺气体包括以下气体：
15sccm与25sccm之间的C5F8；
3sccm与7sccm之间的CH2F2；
100sccm与140sccm之间的Ar；以及
4sccm与8sccm之间的O2。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述工艺气体之间的工艺气体分压比为：
O2∶C5F8为1∶2.5-4.2；
O2∶CH2F2为1∶0.5-1.2；以及
O2∶Ar为1∶16-24。
9.一种CMOS图像传感器的微透镜，包括形成在至少一个彩色滤光片上方的至少一个近似透明图案，其中，所述至少一个近似透明图案是通过下列步骤而形成：
在所述至少一个彩色滤光片上方形成近似透明层；
在所述近似透明层上方形成至少一个近似半球形图案；以及
蚀刻所述至少一个近似半球形图案和所述近似透明层，以在所述近似透明层处形成所述至少一个透明图案，其中所述至少一个透明图案与所述至少一个近似半球形图案具有基本相同的形状，
其中，所述至少一个近似半球形图案是通过在所述近似透明层上方形成至少一个光致抗蚀剂图案；以及在所述至少一个光致抗蚀剂图案周围形成包含CxFy基聚合物的至少一个聚合物凸块而形成，以及
其中，所述至少一个光致抗蚀剂图案、所述至少一个聚合物凸块和所述近似透明层在进行蚀刻工艺时具有基本相同的蚀刻敏感度。
10.如权利要求9所述的CMOS图像传感器的微透镜，其中，所述近似透明层包含二氧化硅。
11.如权利要求9所述的CMOS图像传感器的微透镜，其中，所述至少一个光致抗蚀剂图案具有矩形形状和梯形形状中的至少一种形状。
12.如权利要求9所述的CMOS图像传感器的微透镜，其中，所述至少一个聚合物凸块是通过使用C5F8、CH2F2、Ar和O2作为工艺气体而形成，其中：
所述至少一个聚合物凸块是通过在干法蚀刻室中引入工艺气体而形成，所述工艺气体包含以下气体：
15sccm与25sccm之间的C5F8，
3sccm与7sccm之间的CH2F2，
100sccm与140sccm之间的Ar，以及
4sccm与8sccm之间的O2；以及
所述工艺气体之间的工艺气体分压比是：
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