CN102122115A - 光掩模数据的产生方法、光掩模的制作方法、具有微透镜阵列的固态图像传感器及微透镜阵列的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光掩模数据的产生方法、光掩模的制作方法、具有微透镜阵列的固态图像传感器及微透镜阵列的制造方法。提供一种产生用于制作微透镜阵列的光掩模数据的方法，该光掩模在包含周边区域和主区域的各矩形区域中具有包含遮光部分和非遮光部分的微透镜图案，该周边区域具有矩形区域的四个边作为外边缘，该主区域具有作为周边区域的内边缘的边界，该周边区域由分别包含所述四个边中的一个作为其一部分的四个条带区域构成，并且，所述外边缘和所述内边缘之间的宽度不大于曝光用光的波长的1/2，该方法包括确定周边区域中的遮光部分和非遮光部分的布局，使得遮光部分的密度被设为落在0％～15％的范围内。

Description

光掩模数据的产生方法、光掩模的制作方法、具有微透镜阵列的固态图像传感器及微透镜阵列的制造方法

技术领域

本发明涉及光掩模数据的产生方法、光掩模的制作方法、固态图像传感器的制造方法和微透镜阵列的制造方法。

背景技术

固态图像传感器具有用于增强光接收单元(光电转换器)上的聚焦效率的微透镜。日本专利公开No.2004-145319公开了通过使用光掩模曝光和显影感光透镜材料层来形成微透镜的方法，所述光掩膜可通过微点图案布置来控制透射光的量。

发明内容

本发明的发明人发现，即使当根据目标(target)微透镜形状来确定透射光量分布以制作具有该透射光量分布的光掩模并且通过使用该光掩模来形成微透镜时，微透镜之间的边界部分的形状也不具有目标形状。图15是例示目标微透镜形状300和实际形成的形状301的示图。在微透镜ML之间的边界部分中，观察到微透镜ML的实际形状301变得比目标形状300平滑的现象。

本发明提供有效地防止微透镜之间的边界部分变平滑的技术。

本发明的第一方面提供一种产生用于制作光掩模的光掩模数据的方法，所述光掩膜用于通过光刻法制造微透镜阵列，所述光掩模在多个二维布置的矩形区域中的每一个中具有包含用于形成微透镜的遮光部分和非遮光部分的微透镜图案，各矩形区域包含周边区域和主区域，所述周边区域具有作为外边缘的矩形区域的四个边，所述主区域具有作为所述周边区域的内边缘的边界，所述周边区域通过四个条带区域被配置，这四个条带区域中的每一个条带区域包含所述四个边中的一个作为该条带区域的轮廓的一部分，并且，周边区域的外边缘和内边缘之间的宽度不大于在光刻法中使用的曝光用光的波长的1/2，所述方法包括：第一步骤，确定主区域中的遮光部分和非遮光部分的布局；和第二步骤，确定周边区域中的遮光部分和非遮光部分的布局使得由(遮光部分的面积)/((遮光部分的面积)+(非遮光部分的面积))所定义的遮光部分的密度被设为落入大于等于0％且小于等于15％的范围内。

本发明的第二方面提供一种通过光刻法来制作用于制造微透镜阵列的光掩模的方法，所述方法包括：通过如在本发明的第一方面中限定的产生方法来产生光掩模数据的步骤；和根据所述光掩模数据制作光掩模的步骤。

本发明的第三方面提供一种制造固态图像传感器的方法，所述方法包括：形成包含多个二维布置的光电转换器的光电转换器阵列的步骤；和使用由如在本发明的第二方面中限定的制作方法制作的光掩模、通过光刻法在光电转换器阵列上形成微透镜阵列的步骤。

本发明的第四方面提供一种制造微透镜阵列的方法，所述方法包括：在基板上形成感光材料层的步骤；和通过使用由如在本发明的第二方面中限定的制作方法制作的光掩模来曝光和显影所述材料层从而形成微透镜阵列的步骤。

参照附图阅读示例性实施例的以下说明，本发明的其它特征将变得清晰。

附图说明

图1表示根据第一实施例产生的微透镜图案；

图2表示根据第二实施例产生的光掩模的一个矩形区域的微透镜图案；

图3表示根据第三实施例产生的光掩模的一个矩形区域的微透镜图案；

图4表示根据第四实施例产生的光掩模的一个矩形区域的微透镜图案；

图5是表示光掩模的制作方法的流程图；

图6是表示正(positive)光刻胶材料的灵敏度曲线的例子的示图；

图7是表示基于图6所示的灵敏度曲线而确定的曝光量(透射光的量)的例子的示图；

图8A和图8B是表示代表透射率分布的函数的例子的示图；

图9A～9E是表示基于误差扩散方法的二值化的实际例子的示图；

图10表示基于误差扩散方法的二值化处理中的误差扩散的矩阵的例子；

图11A～11D是表示基于误差扩散方法的二值化处理的次序的示图；

图12是表示根据本发明的实施例的固态图像传感器的结构的断面图；

图13是表示光掩模的布置的例子的示图；

图14是表示光掩模的布置的例子的示图；以及

图15是用于解释问题的示图。

具体实施方式

以下将参照图12来描述根据本发明的实施例的固态图像传感器100的结构。固态图像传感器100包括半导体基板10和上面布置有多个微透镜62的微透镜阵列60，所述半导体基板10包含通过多个二维布置的光电转换器11被配置的光电转换器阵列12。微透镜阵列60被布置于光电转换器阵列12上，使得光通过相应的微透镜62被聚焦于各光电转换器11上。例如，多层布线结构20、第一平坦化层30、滤色器层40和第二平坦化层50可从半导体基板10起依次被布置于半导体基板10和微透镜阵列60之间。注意，当层叠于半导体基板10上的层的平坦性足够时，第一平坦化层30和第二平坦化层50中的至少一个可被省略。在单色固态图像传感器或用于多面型照相机的固态图像传感器(例如，三个固态图像传感器)中，滤色器层40可被省略。根据本发明的实施例的固态图像传感器的制造方法包括：形成光电转换器阵列12的步骤，以及使用要在后面描述的特有的光掩模、通过光刻法在光电转换器阵列12上形成微透镜阵列60的步骤。

以下将参照图13和图14来描述用于通过光刻法制造微透镜阵列60的光掩模200。光掩模200在多个二维布置的矩形区域210中的每一个中具有用于形成微透镜的由遮光部分和非遮光部分配置的微透镜图案。各矩形区域典型地是正方形区域，但是，本发明不限于此。各遮光部分具有不被用于光刻法中的曝光用光的波长(例如，365nm)解像的尺寸，并且典型地具有矩形或圆形形状。各矩形区域210包含周边区域230和具有作为周边区域230的内边缘225的边界的主区域240，所述周边区域230具有四个边221～224作为规定矩形区域210的边界的外边缘。通过分别包含四个边221～224中的一个作为其轮廓的一部分的四个条带区域231～234来配置周边区域230。例如，条带区域231包含边221作为其轮廓的一部分。作为周边区域230的外边缘的边221～224中的每一个与相应的内边缘225之间的宽度W为用于光刻法中的曝光用光的波长的1/2或更小。条带区域231～234中的每一个可具有图14例示的细长梯形形状，或者为矩形，或者可具有其它形状。

典型地，可根据本发明的实施例的产生方法通过计算机来产生光掩模数据。产生光掩模数据的方法或步骤包括第一和第二步骤。在第一步骤中，计算机确定各矩形区域210的主区域240上的遮光部分和非遮光部分的布局。该步骤与主区域240的光掩模数据的产生对应。在这种情况下，在第一步骤中，除了主区域240以外，还可暂时确定周边区域230上的遮光部分和非遮光部分的布局。但是，最终在第二步骤中确定周边区域230上的遮光部分和非遮光部分的布局。在第二步骤中，计算机确定周边区域230上的遮光部分和非遮光部分的布局，使得遮光部分的密度被设为落入大于等于0％且小于等于15％的范围内，并且，四个条带区域231～234的遮光部分的密度彼此相等。该步骤与周边区域230的光掩模数据的产生对应。在这种情况下，遮光部分的密度由(遮光部分的面积)/((遮光部分的面积)+(非遮光部分的面积))定义。光掩模数据包含二值数据序列，在所述二值数据序列中，遮光部分可由“1”表示，非遮光部分可由“0”表示，或者反之亦可。

当周边区域230的宽度W超过曝光用光的波长的1/2时，在相邻微透镜的边界部分上形成间隙，并且，聚焦能力会降低。因此，优选的是周边区域230的宽度W为曝光用光的波长的1/2或更小。当周边区域230的遮光部分的密度被设为落入大于等于0％且小于等于15％的范围内时，可促进微透镜之间的边界部分(或微透镜的外围部分)上的感光透镜材料的光反应(photoreaction)。然后，边界部分上的微透镜形状可被近似为目标形状，由此提高聚焦能力。此外，由于构成周边区域230的四个条带区域231～234的遮光部分的密度被设为彼此相等，因此，各微透镜可具有均一的形状。

根据本发明的实施例的光掩模的制作方法可包括通过上述产生方法来产生光掩模数据的步骤和根据所述光掩模数据来制作光掩模的步骤。制作光掩模的步骤可包括，例如，根据光掩模数据，通过电子束曝光装置在基板上绘制包含遮光部分和非遮光部分的图案的步骤。

以下将描述一些实施例。

〔第一实施例〕

首先，在图12所示的半导体基板10上形成包含多个光电转换器11的光电转换器阵列12，并且，在半导体基板10上依次形成多层布线结构20、第一平坦化层30、滤色器层40和第二平坦化层50。然后，通过光刻法在第二平坦化层50上形成微透镜阵列60。形成微透镜阵列60的步骤包含膜形成步骤、曝光步骤和显影步骤。在膜形成步骤中，例如，在第二平坦化层50上形成感光透镜材料膜，所述感光透镜材料膜在显影之后留下具有根据光掩模200的透射率(即，曝光量)的厚度的膜。光掩模200的各矩形区域210与一个微透镜62对应。在光掩模200的各矩形区域210上形成的各遮光部分具有如上所述的那样不被曝光用光的波长解像的尺寸。例如，遮光部分可具有0.06μm的尺寸，曝光用光可具有365nm的波长。在显影步骤中，感光透镜材料膜被显影，由此形成微透镜62或微透镜阵列60。

以下将参照图5～11描述制作光掩模的方法。在图5中，步骤S501～S506例示可由计算机根据程序执行的光掩模数据的产生方法。程序可被存储在存储器介质中。步骤S507为通过诸如电子束曝光装置之类的光掩模制造装置根据光掩模数据来制作光掩模的步骤。

在步骤S501中，计算机从存储器加载用于形成微透镜的光刻胶材料的灵敏度曲线。图6例示正光刻胶材料的灵敏度曲线。在步骤S502中，计算机从存储器加载指示各微透镜62的形状的透镜形状数据。该透镜形状数据可以为，例如，表示要在XYZ坐标系上形成的各微透镜62的表面形状的数据。在步骤S503中，计算机基于灵敏度曲线和透镜形状数据，确定指示光掩模200的各矩形区域210的透射率分布的函数。即，计算机基于灵敏度曲线确定获得由透镜形状数据指示的各微透镜的厚度所需的曝光量，然后确定获得该曝光量所需的透射率。图7例示基于图6所示的灵敏度曲线而确定的曝光量。图8A和图8B例示指示透射率分布的函数。在图8A中，直观地表现了指示透射率分布的函数，并且，图8B用数值对它进行表现。在本例子中，给出在由x和y坐标规定的位置(x，y)处的透射率z＝F(x，y)。

在步骤S504中，计算机确定构成光掩模200的各矩形区域210的多个要素区域中的每一个的透射率z。注意，不需要确定构成周边区域230的要素区域的透射率z。在这种情况下，各要素区域是通过分别沿x方向和y方向以预定的间距分割矩形区域210中的主区域240而获得的区域。在本例子中，为了简化处理，确定主区域240和周边区域230，使得主区域240和周边区域230之间的边界与要素区域的边界匹配。

在步骤S505和S506中，计算机基于多个要素区域的透射率z产生光掩模数据(点数据)。步骤S505是产生光掩模数据的第一步骤。在该第一步骤中，计算机通过使用误差扩散方法将多个要素区域的透射率z二值化为“1”和“0”，确定在属于光掩模200的各矩形区域210的主区域240的各要素区域上是布局遮光部分还是布局非遮光部分。该处理是将多值像素数据转换成二值伪半色调像素数据的图像处理技术的应用。通过该处理，多值透射率z被转换成指示是布局遮光部分还是布局非遮光部分的二值数据。在以下的描述中，假定与要素区域的坐标位置(x，y)对应的二值数据的值“1”指示在光掩模的坐标位置(x，y)处形成遮光部分(点)。还假定与要素区域的坐标位置(x，y)对应的二值数据的值“0”指示在光掩模200的坐标位置(x，y)处布局非遮光部分。以下将描述基于步骤S505中的误差扩散方法的二值化例子。

步骤S506是产生光掩模数据的第二步骤。在该第二步骤中，计算机确定在属于周边区域230的各要素区域上是布局遮光部分还是布局非遮光部分。在这种情况下，在第二步骤中，确定周边区域230上的遮光部分和非遮光部分的布局，使得遮光部分的密度被设为落入大于等于0％且小于等于15％的范围内，并且，四个条带区域231～234的遮光部分的密度彼此相等。通过布置根据上述方法形成的多个矩形区域210，完成光掩模数据。

图1表示根据第一实施例产生的光掩模的一个矩形区域的微透镜图案。黑色要素区域指示遮光部分，白色要素区域指示非遮光部分。图1也可被理解为使一个矩形区域的微透镜图案的数据(即，一个矩形区域的光掩模数据)可视化的示图。在图1所示的实施例中，曝光用光的波长为365nm，周边区域230的宽度W为0.06μm，周边区域230的各边的长度为4.3μm。但是，本发明不限于这样的特定的例子。

在步骤S507中，根据在包含步骤S505(第一步骤)和步骤S506(第二步骤)的掩模数据产生步骤中产生的光掩模数据、通过诸如电子束曝光装置之类的光掩模制造装置来制作光掩模。

图9A～9E表示在步骤S505中的处理中使用的基于误差扩散方法的二值化的实际例子。注意，基于误差扩散方法的二值化是已知的图像处理方法，并且，除了在这种情况下举出的例子以外，还可对于本发明应用各种方法。为了简化，图9A～9E表示包含5×5要素区域的矩形区域(与一个微透镜对应)。在图9A～9E中，水平方向指示X方向，垂直方向指示Y方向，并且，各要素区域中的数值指示透射率。在本实施例中，如图11A所示，二值化从各矩形区域的中心要素区域向外部要素区域逆时针前进。作为替代方案，如图11B所示，二值化可从各矩形区域的中心要素区域向外部要素区域顺时针前进。作为替代方案，如图11C或图11D所示，二值化可从各矩形区域的外部要素区域向中心要素区域逆时针或顺时针前进。

在本实施例中，误差根据图10所示的矩阵而被扩散。“正在进行误差扩散处理的单元”是关注的要素区域。对于关于正在进行误差扩散处理的单元位于上、下、右和左方向上的位置处的单元(要素区域)，加上各自对于由正在进行误差扩散处理的单元的二值化产生的误差乘以权重＝1/6(＝1/(1+1+1+1+0.5+0.5+0.5+0.5))的值。对于关于正在进行误差扩散处理的单元位于斜方向上的位置处的单元(要素区域)，加上各自对于由正在进行误差扩散处理的单元的二值化产生的误差乘以权重＝1/12(＝0.5/(1+1+1+1+0.5+0.5+0.5+0.5))的值。在图9A～9E所示的例子中，二值化从中心要素区域开始。将作为中心要素区域的透射率的值“0.1”(图9A)与作为二值化阈值的值“0.5”相比较。由于0.1＜0.5，因此，二值化之后的中心要素区域的透射率被设为“0”。作为该二值化的结果产生的误差(0.1)根据图10所示的矩阵被扩散到八个周边要素区域(图9B)。然后，中心要素区域的右邻要素区域被二值化(图9C和图9D)。然后，中心要素区域上方的要素区域被二值化(图9E)。

注意，在本实施例中，在步骤S505的第一步骤中获得属于主区域240的各要素区域的数据。但是，在这种情况下，除了主区域240以外，还可获得直到周边区域230的数据。换句话说，要素区域可被布置在周边区域230中以及主区域240中。设计为在矩形区域210的整个表面上形成微透镜以不与相邻微透镜形成任何间隙。在这种情况下，通过处理直到周边区域230的数据，可有利于在形成微透镜的透射率分布时的计算处理。

〔第二实施例〕

图2表示根据第二实施例产生的光掩模的一个矩形区域的微透镜图案。第二实施例与图1所示的第一实施例的不同在于，周边区域的宽度W为0.12μm，但是其它条件与第一实施例中的相同。在第二实施例中，由于周边区域的宽度W被设为比第一实施例的周边区域230大，因此，边界部分上的微透镜的形状可更接近目标形状。

〔第三实施例〕

图3表示根据第三实施例产生的光掩模的一个矩形区域的微透镜图案。第三实施例与第二实施例的不同在于，在第二步骤中确定的周边区域230的遮光部分的密度被设为15％，但是其它条件与第二实施例中的相同。在第三实施例中，由于周边区域230的遮光部分的大的密度被设定，因此边界部分上的微透镜的形状变得比第二实施例平滑，但是与目标形状的误差落在可容许的范围内。

〔第四实施例〕

图4表示根据第四实施例产生的光掩模的一个矩形区域的微透镜图案。第四实施例与第二和第三实施例的不同在于，通过具有不同的遮光部分密度的两类区域来配置构成周边区域230的四个条带区域231～234中的每一个。在第四实施例中，各条带区域包含两个端侧区域4和夹在两个端侧区域4之间的中心区域5。周边区域230的宽度W为0.12μm，并且，周边区域230的各边的长度为4.3μm，但是这些值仅是例子。在第二步骤中，优选的是，各端侧区域4的遮光部分的密度被设为比中心区域5的高。这是由于，与端侧区域相比，中心区域具有更高的微透镜的边界部分被平滑的趋势。在图4所示的例子中，各端侧区域4的遮光部分的密度被设为15％，中心区域5的遮光部分的密度被设为0％。注意，第四实施例也满足下述条件：遮光部分的密度被设为落在大于等于0％且小于等于15％的范围内，并且，四个条带区域231～234的遮光部分的密度彼此相等。

〔第五实施例〕

以下将参照图12来描述固态图像传感器100的制造方法。在半导体基板10上形成图12中的固态图像传感器100的电路和光电转换阵列12。然后，在半导体基板10上形成多层布线结构20，并且，形成第一平坦化层30、滤色器层40和第二平坦化层50。在这种情况下，第二平坦化层50具有作为抗反射膜的功能。在第二平坦化层50上涂敷微透镜材料，并且使用在上述实施例中制备的光掩模将其曝光。然后，曝光后的微透镜材料被显影以形成微透镜阵列。

本实施例的滤色器层40具有多种颜色的滤色器，并且，例如，所述滤色器层40为Bayer矩阵的滤色器层。由于滤色器对于各颜色具有不同的膜厚，因此滤色器层40的上表面具有低的平坦性。当直接在这种滤色器层40上形成微透镜阵列60时，当对于微透镜材料进行曝光时，对于滤色器的各颜色产生曝光用光的散焦，从而导致微透镜阵列的形状变化。由此，通过布置本实施例的第二平坦化层50，滤色器层40的上表面被平坦化，由此提高微透镜阵列的均一性。

滤色器层40对于各颜色具有不同的表面反射性。当直接在这种滤色器层40上形成微透镜阵列60时，曝光用光被滤色器层40的上表面反射，并且，当对微透镜材料进行曝光时的曝光能量对于各颜色发生改变。结果，微透镜阵列的形状可能发生变化。由此，由于第二平坦化层具有作为抗反射膜的功能，因此它可消除曝光用光的反射，由此提高微透镜阵列的均一性。

在以上实施例中，周边区域230中的四个条带区域231～234的遮光部分的密度彼此相等。但是，本发明不限于这样的实施例。例如，在其四个边221～224均与别的矩形区域210接触的矩形区域210中，四个条带区域231～234的遮光部分的密度优选地彼此相等。例如，在其两个边与别的矩形区域210接触而其另外两个边不与别的矩形区域210接触的矩形区域210中，具有与别的矩形区域210接触的两个边的两个条带区域的遮光部分的密度可以是第一密度，而具有不与别的矩形区域210接触的另外两个边的两个条带区域的遮光部分的密度可以是与第一密度不同的第二密度。

虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这样的变更方式以及等同的结构和功能。

Claims (8)

1.一种产生光掩模数据的方法，所述光掩膜数据用于制作光掩模，所述光掩膜用于通过光刻法制造微透镜阵列，

所述光掩模在多个二维布置的矩形区域中的每一个中具有包含用于形成微透镜的遮光部分和非遮光部分的微透镜图案，各矩形区域包含周边区域和主区域，所述周边区域具有所述矩形区域的四个边作为外边缘，所述主区域具有作为所述周边区域的内边缘的边界，所述周边区域由四个条带区域构成，所述四个条带区域中的每一个包含所述四个边中的一个作为条带区域的轮廓的一部分，并且，周边区域的外边缘和内边缘之间的宽度不大于在光刻法中使用的曝光用光的波长的1/2，

所述方法包括：

第一步骤，确定主区域中的遮光部分和非遮光部分的布局；以及

第二步骤，确定周边区域中的遮光部分和非遮光部分的布局，使得由(遮光部分的面积)/((遮光部分的面积)+(非遮光部分的面积))定义的遮光部分的密度被设为落在大于等于0％且小于等于15％的范围内。

2.根据权利要求1的方法，其中，在第二步骤中，周边区域中的遮光部分和非遮光部分的布局被确定，以使所述四个条带区域的遮光部分的密度彼此相等。

3.根据权利要求1的方法，其中，在第一步骤中，通过使用误差扩散方法将要在光掩模上形成的透射分布二值化，确定遮光部分和非遮光部分的布局。

4.根据权利要求1的方法，其中，各条带区域包含两个端侧区域和夹在所述两个端侧区域之间的中心区域，以及

在第二步骤中，各端侧区域的遮光部分的密度被设为比所述中心区域的遮光部分的密度高。

5.一种通过光刻法来制作光掩模的方法，所述光掩膜用于制造微透镜阵列，所述方法包括：

通过根据权利要求1～4中的任一项的产生方法来产生光掩模数据的步骤；以及

根据所述光掩模数据来制作光掩模的步骤。

6.一种制造固态图像传感器的方法，包括：

形成光电转换器阵列的步骤，所述光电转换器阵列包含多个二维布置的光电转换器；以及

使用由根据权利要求5的制作方法制作的光掩模、通过光刻法在所述光电转换器阵列上形成微透镜阵列的步骤。

7.根据权利要求6的方法，还在形成微透镜阵列的步骤之前包括：

在光电转换器的上部形成具有多种颜色的滤色器层的步骤；以及

在所述滤色器层上形成具有抗反射功能的平坦化层的步骤。

8.一种制造微透镜阵列的方法，所述方法包括：

在基板上形成感光材料层的步骤；以及

使用由根据权利要求5的制作方法制作的光掩模来曝光和显影所述材料层从而形成微透镜阵列的步骤。

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