CN103972252B - 包含透明像素和硬掩模的彩色滤光器 - Google Patents
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Abstract
本申请案涉及包含透明像素和硬掩模的彩色滤光器。设备的实施例包含形成在衬底上的彩色滤光器布置，所述衬底具有形成于其中的像素阵列。所述彩色滤光器布置包含：透明滤光器，其具有第一透明硬掩模层和形成在所述第一透明硬掩模层上的第二透明硬掩模层；第一彩色滤光器，其具有所述第一透明硬掩模层和形成在所述第一透明硬掩模层上的第二硬掩模层；第二彩色滤光器，其具有形成于其上的所述第一透明硬掩模层；以及第三彩色滤光器，其没有形成在其上的透明硬掩模层。揭示和主张其它实施例。
Description
技术领域
所描述的实施例大体上涉及图像传感器，且具体来说(但非排他地)涉及使用硬掩模在图像传感器中进行彩色滤光器图案化。
背景技术
随着像素大小按比例缩小，彩色滤光器的设计规则应跟随趋势且允许彩色滤光器同样按比例缩小，但归因于彩色滤光器的特定处理特征，所述按比例缩放是具挑战性且费力的。引入新材料是用于改进彩色滤光器按比例缩放的一般方法，但可能会牺牲光透射、过程可控性、成品率、交付和整体光学性能。
发明内容
本申请案的一方面涉及一种设备，其包括：彩色滤光器布置，其形成在其中形成有像素阵列的衬底上，所述彩色滤光器布置包含：透明滤光器，其具有第一透明硬掩模层和形成在所述第一透明硬掩模层上的第二透明硬掩模层；第一彩色滤光器，其具有所述第一透明硬掩模层和形成在所述第一透明硬掩模层上的所述第二硬掩模层；第二彩色滤光器，其具有形成在其上的所述第一透明硬掩模层，以及第三彩色滤光器，其没有形成在其上的透明硬掩模层。
本申请案的另一方面涉及一种用于形成彩色滤光器布置的方法，所述方法包括：将透明层沉积在衬底的表面上，所述衬底具有形成于其中的像素阵列；将所述透明层图案化和蚀刻以形成第一开口；将第一彩色滤光器材料沉积在所述第一开口中；将第一透明硬掩模层沉积在所述透明层和所述第一彩色滤光器材料上；将所述第一透明硬掩模层和所述透明层图案化和蚀刻以形成第二开口；将第二彩色滤光器材料沉积在所述第二开口中；将第二透明硬掩模层沉积在所述第一透明硬掩模层和所述第二彩色滤光器材料上；将所述第二透明硬掩模层、所述第一透明硬掩模层和所述透明层图案化和蚀刻以形成第三开口；以及将第三彩色滤光器材料沉积在所述第三开口中。
本申请案的另一方面涉及一种设备，其包括：衬底，其具有前侧和背侧；图像传感器，其包含形成在所述衬底的所述前侧中或上的像素阵列；彩色滤光器布置，其形成在所述像素阵列的对应数目个像素上，所述彩色滤光器布置包含一组滤光器，所述滤光器包括：透明滤光器，其具有第一透明硬掩模层和形成在所述第一透明硬掩模层上的第二透明硬掩模层；第一彩色滤光器，其具有所述第一透明硬掩模层和形成在所述第一透明硬掩模层上的所述第二硬掩模层；第二彩色滤光器，其具有形成在其上的所述第一透明硬掩模层，以及第三彩色滤光器，其没有形成在其上的透明硬掩模层。
附图说明
本发明的非限制性和非详尽性实施例参考以下图式来描述，其中相同参考数字遍及各视图指代相同部分，除非另有指定。
图1A是彩色滤光器布置的实施例的剖开平面图。
图1B是图1A中所示的彩色滤光器布置的实施例的大体上沿着剖面线B-B′截取的横截面图。
图2A是图1A中所示的彩色滤光器布置的另一平面图。
图2B是图2A中所示的彩色滤光器布置的实施例的大体上沿着剖面线B-B′截取的横截面图，所述彩色滤光器布置与前照式像素的实施例一起使用。
图2C是图2A中所示的彩色滤光器布置的实施例的大体上沿着剖面线B-B′截取的横截面图，所述彩色滤光器布置与背照式像素的实施例一起使用。
图3A-3J是说明用于制造例如图1A-1B和/或图2A-2C中所示的彩色滤光器布置等彩色滤光器布置的方法的实施例的平面图(左侧)和对应横截面图(右侧)。
具体实施方式
描述使用硬掩模进行彩色滤光器图案化的设备、系统和方法的实施例。描述众多特定细节以提供对本发明实施例的透彻理解，但相关领域的技术人员将认识到，本发明可在没有所述特定细节中的一者或一者以上的情况下实践或用其它方法、组件、材料等来实践。在一些情况下，众所周知的结构、材料或操作未进行详细展示或描述，但仍包含在本发明的范围内。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“一实施例”的参考意味：特定特征、结构或特性包含在至少一个所描述实施例中。因此，在本说明书中短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”的出现未必全部指代同一实施例。此外，特定特征、结构或特性可以任何适合方式而组合于一个或一个以上实施例中。
图1A-1B说明用于一群四个像素的彩色滤光器布置100的实施例；图1A是省略图1B中所示的硬掩模层的剖开平面图，而图1B是大体上沿着剖面线B-B′截取的横截面图。可将彩色滤光器布置100实施于前照式(FSI)传感器中，如图2B中所示，或实施于背照式(BSI)传感器中，如图2C中所示。
彩色滤光器布置100包含四个滤光器：透明滤光器106(即，大体上无色和/或在至少包含所述布置中的其它滤光器的波长范围的波长范围内光学通透的滤光器)、第一颜色的滤光器108、第二颜色的滤光器110以及第三颜色的滤光器112。在所说明实施例中，第一颜色是绿色，第二颜色是蓝色且第三颜色是红色，使得彩色滤光器布置100形成红色-绿色-蓝色-透明(RGBC)滤光器模式。然而，在其它实施例中，可存在每一颜色的不同数目，且所述颜色可与本文所示不同地布置。在又其它实施例中，滤光器布置中所使用的颜色可为不同的，例如，青色、品红色和黄色(CMY)代替RGB，且可具有每一颜色的任何分布和任何数目。
透明滤光器106和彩色滤光器108、110和112形成在任选平坦化层104的表面103上。第一硬掩模层114和第二硬掩模层116形成在透明滤光器105和彩色滤光器材料107上，而仅第二硬掩模层116形成在彩色滤光器材料109上。在所说明实施例中，无硬掩模层形成在彩色滤光器材料111上，但在其它实施例中，额外透明层可形成在滤光器材料111和第二硬掩模层116上(参见图3J)。硬掩模层114和116为透明的(即，大体上无色)，且在至少包含彩色滤光器的波长的波长范围中光学通透。在所说明实施例中，硬掩模层114和116中的一者或两者可由与透明滤光器106相同的透明材料制成。在一个实施例中，硬掩模层114和116为氧化物层，但在其它实施例中，可使用其它材料，只要其满足光学性能和制造要求即可。通过使用具有良好的光透射性质的氧化物或其它材料，“旧的”低成本、成熟的最佳彩色滤光器材料可将其应用扩展到任何大小的像素，唯一限制是图案化分辨率，其小于可见光的最短波长。
图2A-2C说明其中彩色滤光器布置100可与前照式(FSI)像素(图2B)或背照式(BSI)像素(图2C)一起使用的实施例。所述图说明了将彩色滤光器布置100应用到一群四个像素，但在具有大量像素的实际像素阵列中，可取决于阵列中像素的数目而可将所说明滤光器和像素布置复制多次。
图2A说明彩色滤光器布置100，其包含四个滤光器：透明(即，大体上无色)滤光器106、第一颜色的滤光器108、第二颜色的滤光器110和第三颜色的滤光器112。在所说明实施例中，第一颜色是绿色，第二颜色是蓝色且第三颜色是红色，且透明滤光器和三个彩色滤光器经布置以形成红色-绿色-蓝色-透明(RGBC)滤光器模式。然而，在其它实施例中，可存在每一颜色的不同数目，且所述颜色可与所示不同地布置。在又其它实施例中，滤光器布置100中与透明滤光器106一起使用的颜色可为不同的，例如，青色、品红色和黄色(CMY)，且可具有每一颜色的任何布置和任何数目。
图2B说明CMOS图像传感器中前照式(FSI)像素200的实施例沿着图2A中的剖面B-B′截取的横截面，其中FSI像素200使用例如彩色滤光器布置100等彩色滤光器布置。FSI像素200的前侧为衬底202的其上或其中安置了光敏区204及其关联像素电路的侧，且在其上形成金属堆叠206以用于重新分布信号。金属堆叠206包含金属层M1和M2，所述金属层经图案化以产生光学通路，入射在FSI像素200上的光可经由所述光学通路而到达光敏或光电二极管(“PD”)区204。为实施彩色图像传感器，前侧包含彩色滤光器布置100，其中其透明滤光器和彩色滤光器(在此特定横截面中说明彩色滤光器108和112)安置在微透镜206下方，所述微透镜辅助将光聚焦到光敏区204上。
图2C说明CMOS图像传感器中背照式(BSI)像素250的实施例沿着图2A中的剖面B-B′截取的横截面，其中BSI像素使用例如彩色滤光器布置100等彩色滤光器布置。如同像素200，像素250的前侧为衬底202的其上或其中安置了光敏区204及其关联像素电路的侧，且在其上形成金属堆叠206以用于重新分布信号。像素250的背侧为衬底的与前侧相对的侧。为实施彩色图像传感器，背侧包含彩色滤光器布置100，其中其透明滤光器和彩色滤光器(在此特定横截面中说明彩色滤光器108和112)安置在微透镜206下方。微透镜206辅助将光聚焦到光敏区204上。像素250的背侧照明意味：金属堆叠206中的金属互连线未模糊经成像的物体与光敏区204之间的路径，从而导致由光敏区引起的较大信号产生。
图3A-3J说明用于制造例如彩色滤光器布置100等彩色滤光器布置的实施例的方法的实施例。图3A展示所述方法的初始部分，所述初始部分以衬底102开始，衬底102上沉积有平坦化层104，且平坦化层104使用例如化学机械抛光(CMP)等工艺而平坦化以形成平坦表面302，在平坦表面302上可形成彩色滤光器布置100。在其它实施例中，可省略平坦化层104，且滤光器布置的其余部分直接形成在衬底102上。又其它实施例可包含平坦化层104以及额外层。
图3B说明所述方法的下一部分。以图3A中所示的堆积开始，将透明层304沉积在平坦化层104的表面302上，且接着使用例如化学机械抛光(CMP)等工艺来平坦化。当经图案化和蚀刻时，透明层304将形成滤光器布置中的透明滤光器。因此，透明层304由透明(即，大体上无色)材料制成，所述材料至少在彩色滤光器的波长范围内为光学通透的。
图3C说明所述方法的下一部分。以图3B中所示的堆积开始，在透明层304中形成其中可沉积滤光器材料的开口306。在一个实施例中，开口306可通过光刻图案化透明层304且通过例如各向异性蚀刻、深反应性离子蚀刻(DRIE)等工艺来进行蚀刻而形成。在其它实施例中，开口306可不同地形成，例如通过激光烧蚀或激光蚀刻。在所说明实施例中，开口306用以形成绿色滤光器，但在其它实施例中，开口306可用于不同的颜色。
图3D说明所述方法的下一部分。以图3C中展示的堆积开始，将第一彩色滤光器材料308沉积在开口306中以形成彩色滤光器布置100中的彩色滤光器中的一者。在一个实施例中，可将第一彩色滤光器材料308直接沉积在开口306中，但在其它实施例中，可将第一彩色滤光器材料308沉积在开口306中且在透明层304的表面的全部或部分上，且通过例如化学机械抛光(CMP)等工艺而从开口306周围的区域中移除过量的第一滤光器材料。在所说明实施例中，第一滤光器材料308形成彩色滤光器布置100中的绿色滤光器，但在其它实施例中，彩色滤光器材料308可形成其它彩色滤光器中的一者。
图3E说明所述方法的下一部分。以图3D中所示的堆积开始，将第一硬掩模层310沉积在透明层304和第一彩色滤光器材料308上，且接着使用例如化学机械抛光(CMP)等工艺来平坦化。第一硬掩模层310为透明(即，大体上无色)的，且至少在彩色滤光器所过滤的波长范围内为光学通透的。第一硬掩模层310可为(但无需为)用于透明层304的相同材料。在一个实施例中，第一硬掩模层306为氧化物层，但在其它实施例中，其它材料可用于第一硬掩模层306，只要所选择材料满足光学性能和制造要求即可。
一旦第一硬掩模层310已经平坦化，开口312便形成于第一硬掩模层310和透明层304中，向下延伸到平坦化层104的表面302。在一个实施例中，开口312可通过光刻图案化掩模层310和透明层304且通过例如各向异性蚀刻、深反应性离子蚀刻(DRIE)等工艺来进行蚀刻而形成。在其它实施例中，开口312可不同地形成，例如通过激光烧蚀或激光蚀刻。在所说明实施例中，开口312用以形成蓝色滤光器，但在其它实施例中，开口312可用于不同的颜色。
图3F说明所述方法的下一部分。以图3E中展示的堆积开始，将第二彩色滤光器材料314沉积在开口312中以形成彩色滤光器布置100中的第二彩色滤光器。在一个实施例中，可将彩色滤光器材料314直接沉积在开口312中，但在其它实施例中，可将第二彩色滤光器材料314沉积在开口312中且在第一硬掩模310的表面的全部或部分上，且通过例如化学机械抛光(CMP)等工艺而从开口312周围的区域中移除过量的第二彩色滤光器材料。在所说明实施例中，第二滤光器材料314形成彩色滤光器布置100中的蓝色滤光器，但在其它实施例中，第二彩色滤光器材料314可形成其它彩色滤光器中的一者。
图3G说明所述方法的下一部分。以图3F中所示的堆积开始，将第二硬掩模层316沉积在组合件上，且使用例如化学机械抛光(CMP)等工艺来平坦化。第二硬掩模层316为透明(即，大体上无色)的，且至少在彩色滤光器所过滤的波长范围内为光学通透的。第二硬掩模层316可为(但无需为)用于透明层304的相同材料。在一个实施例中，第二硬掩模层316为氧化物层，但在其它实施例中，可使用其它材料，只要所选择材料满足光学性能和制造要求即可。在一个实施例中，第二硬掩模层316可由与第一硬掩模层310相同的材料制成，但在其它实施例中，第一和第二硬掩模层无需由相同材料制成。
图3H说明所述方法的下一部分。以图3G中所示的堆积开始，开口318经蚀刻穿过第一硬掩模层310、第二硬掩模层316和透明层304，向下延伸到平坦化层104的表面302。如同先前开口，开口318可使用光刻图案化连同例如各向异性蚀刻、深反应性离子蚀刻(DRIE)等蚀刻工艺而形成。在其它实施例中，可使用例如激光烧蚀或蚀刻等其它工艺来形成开口318。
图3I说明所述方法的最终部分。以图3H中展示的堆积开始，将第三彩色滤光器材料320沉积在开口318中以形成彩色滤光器布置100中的第三彩色滤光器。在一个实施例中，可将第三彩色滤光器材料320直接沉积在开口318中，但在其它实施例中，可将第三彩色滤光器材料320沉积在开口318中且在第二硬掩模316的表面的全部或部分上，且通过例如化学机械抛光(CMP)等工艺而从开口318周围的区域中移除过量的第三彩色滤光器材料。不管彩色滤光器材料320沉积的方式，第二硬掩模316和第三彩色滤光器材料320可经平坦化以给予最终组合件大体上平坦的表面，在其上可形成其它元件，例如微透镜。在所说明实施例中，第三彩色滤光器材料320形成彩色滤光器布置100中的红色滤光器，但在其它实施例中，彩色滤光器材料314可形成其它彩色滤光器中的一者。图3I中所示的彩色滤光器布置基本上为图1A-1B中所示的彩色滤光器布置100，但在图3I中使用不同参考标号来展示其元件。
图3J说明所述方法的任选额外部分。以图3I中所示的堆积开始，将经平坦化透明层322沉积在滤光器320和第二硬掩模层316上。经平坦化透明层322为透明(即，大体上无色)的，且至少在彩色滤光器组所过滤的波长范围内为光学通透的。在一个实施例中，额外透明层322可由与透明层304、第一硬掩模层310或第二硬掩模层316相同的材料制成，但在其它实施例中其可为完全不同的材料。其中，经平坦化透明层322帮助保护下伏彩色滤光器布置。图2B-2C说明使用图3I的彩色滤光器布置的前照式和背照式图像传感器。当图3J中所示的布置与图2B-2C的图像传感器一起使用(代替图3I中的布置)时，微透镜206可形成在额外透明层322上代替形成在滤光器320和第二硬掩模层316上。
本发明的所说明实施例的以上描述(包含摘要中所描述的内容)并不希望为详尽的或将本发明限于所揭示的精确形式。描述本发明的特定实施例和实例是用于说明性目的，但各种等效修改在本发明的范围内是可能的，如相关领域的技术人员将认识到。可鉴于以上详细描述而对本发明进行这些修改。
随附权利要求书中所使用的术语不应解释为将本发明限于说明书和权利要求书中所揭示的特定实施例。相反，本发明的范围将完全通过随附权利要求书来确定，所述权利要求书将根据权利要求书解释的所确立教示来解释。
Claims (28)
1.一种用于彩色滤光器图案化的设备，其包括：
彩色滤光器布置，其形成在其中形成有像素阵列的衬底上，所述彩色滤光器布置包含：
透明滤光器，其具有第一透明硬掩模层和形成在所述第一透明硬掩模层上的第二透明硬掩模层；
第一彩色滤光器，其具有所述第一透明硬掩模层和形成在所述第一透明硬掩模层上的所述第二透明硬掩模层；
第二彩色滤光器，其具有形成在其上的所述第一透明硬掩模层，以及
第三彩色滤光器，其没有形成在其上的透明硬掩模层。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一彩色滤光器是绿色，所述第二彩色滤光器是蓝色，且所述第三彩色滤光器是红色。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一彩色滤光器是青色，所述第二彩色滤光器是品红色，且所述第三彩色滤光器是黄色。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述透明滤光器与所述第一透明硬掩模层和所述第二透明硬掩模层中的至少一者由相同材料制成。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一透明硬掩模层和所述第二透明硬掩模层由相同材料制成。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述彩色滤光器布置经平坦化。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述第三彩色滤光器和所述第二透明硬掩模层形成平面。
8.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括夹在所述衬底与所述彩色滤光器布置之间的平坦化层。
9.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括形成在所述第二透明硬掩模上和所述第三彩色滤光器上的经平坦化透明层。
10.一种用于形成彩色滤光器布置的方法，所述方法包括：
将透明层沉积在衬底的表面上，所述衬底具有形成于其中的像素阵列；
将所述透明层图案化和蚀刻以形成第一开口；
将第一彩色滤光器材料沉积在所述第一开口中；
将第一透明硬掩模层沉积在所述透明层和所述第一彩色滤光器材料上；
将所述第一透明硬掩模层和所述透明层图案化和蚀刻以形成第二开口；
将第二彩色滤光器材料沉积在所述第二开口中；
将第二透明硬掩模层沉积在所述第一透明硬掩模层和所述第二彩色滤光器材料上；
将所述第二透明硬掩模层、所述第一透明硬掩模层和所述透明层图案化和蚀刻以形成第三开口；以及
将第三彩色滤光器材料沉积在所述第三开口中。
11.根据权利要求10所述的方法，其中沉积所述彩色滤光器材料中的每一者包括：
将每一彩色滤光器材料沉积在其相应开口中和所述开口周围的区域中；以及
平坦化每一彩色滤光器材料以移除沉积在所述开口周围的所述区域中的所述彩色滤光器材料的部分。
12.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括平坦化所述第二透明硬掩模层和所述第三彩色滤光器材料。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一彩色滤光器材料是绿色，所述第二彩色滤光器材料是蓝色，且所述第三彩色滤光器材料是红色。
14.根据权利要求10所述的方法，其中所述透明层与所述第一透明硬掩模层和所述第二透明硬掩模层中的至少一者由相同材料制成。
15.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一透明硬掩模层和所述第二透明硬掩模层由相同材料制成。
16.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括在沉积所述透明层之前将平坦化层沉积在所述衬底上，使得所述彩色滤光器布置形成在所述平坦化层上。
17.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括将经平坦化透明层沉积在所述第二透明硬掩模上和所述第三彩色滤光器上。
18.一种用于彩色滤光器图案化的设备，其包括：
衬底，其具有前侧和背侧；
图像传感器，其包含形成在所述衬底的所述前侧中或上的像素阵列；
彩色滤光器布置，其形成在所述像素阵列的对应数目个像素上，所述彩色滤光器布置包含一组滤光器，所述滤光器包括：
透明滤光器，其具有第一透明硬掩模层和形成在所述第一透明硬掩模层上的第二透明硬掩模层；
第一彩色滤光器，其具有所述第一透明硬掩模层和形成在所述第一透明硬掩模层上的所述第二透明硬掩模层；
第二彩色滤光器，其具有形成在其上的所述第一透明硬掩模层，以及
第三彩色滤光器，其没有形成在其上的透明硬掩模层。
19.根据权利要求18所述的设备，其中所述第一彩色滤光器是绿色，所述第二彩色滤光器是蓝色，且所述第三彩色滤光器是红色。
20.根据权利要求18所述的设备，其中所述第一彩色滤光器是青色，所述第二彩色滤光器是品红色，且所述第三彩色滤光器是黄色。
21.根据权利要求18所述的设备，其中所述透明滤光器与所述第一透明硬掩模层和所述第二透明硬掩模层中的至少一者由相同材料制成。
22.根据权利要求18所述的设备，其中所述第一透明硬掩模层和所述第二透明硬掩模层由相同材料制成。
23.根据权利要求18所述的设备，其进一步包括夹在所述衬底与所述彩色滤光器布置之间的平坦化层。
24.根据权利要求18所述的设备，其中所述彩色滤光器布置形成在所述衬底的所述前侧上。
25.根据权利要求24所述的设备，其进一步包括光学耦合到所述彩色滤光器布置的一个或一个以上微透镜。
26.根据权利要求18所述的设备，其中所述彩色滤光器布置形成在所述衬底的所述背侧上。
27.根据权利要求26所述的设备，其进一步包括光学耦合到所述彩色滤光器布置的一个或一个以上微透镜。
28.根据权利要求18所述的设备，其进一步包括形成在所述第二透明硬掩模上和所述第三彩色滤光器上的经平坦化透明层。
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