CN109037251B - 固态成像装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

提供一种具有平面微透镜阵列的固态成像装置的制造方法。此方法包含提供具有多个光电转换元件的半导体基底，在半导体基底上方形成彩色滤光层，在彩色滤光层上形成透镜材料层，在透镜材料层上形成具有透镜形状图案的硬掩模。此方法还包括蚀刻硬掩模和透镜材料层，以由透镜材料层形成具有平坦顶面的微透镜，且在微透镜的平坦顶面上留下硬掩模的一部分。此方法也包含移除留在微透镜上的硬掩模的前述部分。

Description

固态成像装置及其制造方法

技术领域

本发明实施例是关于成像装置，特别是有关于固态成像装置的微透镜具有平坦顶面以及其制造方法。

背景技术

图像传感器已被广泛使用于各种不同的摄影装置，例如摄影机、数位相机及其他类似的装置。一般而言，固态成像装置如电荷耦合装置(charge-coupled device，CCD)感测器或互补性金属氧化半导体(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)感测器具有光电转换器(photoelectric transducers)如光电二极管(photodiodes)，以将光转换成电荷。光电二极管形成在半导体基底如硅芯片中。对应于光电二极管中产生的光电子的信号电荷通过CCD型或CMOS型的读取电路(reading circuit)获得。

在固态成像装置中，光电二极管排列在像素阵列中。此外，固态成像装置具有设置在光电二极管上方的微透镜阵列。微透镜阵列的每一个微透镜元件对齐于每一个像素中对应的光电二极管。一般而言，微透镜元件是具有半球状的聚光透镜，用以将光电二极管上的入射光聚焦至聚焦点。微透镜阵列通常是由光阻材料制成，且通过依序进行的曝光、显影及回流(reflow)制程制造。

发明内容

固态成像装置通常具有多个像素排列成阵列。固态成像装置的每一个像素具有像素尺寸，其可由像素宽度乘以像素长度定义，或者由像素间距(pixel pitch)定义。固态成像装置可具有小像素尺寸，例如2μm至4μm的像素间距。此外，固态成像装置可具有大像素尺寸，例如9μm至15μm的像素间距。在本发明实施例中，固态成像装置具有大的像素尺寸，例如大于8μm或大于10μm的像素间距，且此像素间距可小于30μm。

当固态成像装置具有小像素尺寸时，可使用具有半球状的聚光透镜形式的微透镜将光电二极管上的入射光聚焦在小面积的聚焦点。当固态成像装置具有大像素尺寸时，在一个像素中的光电转换元件的有效面积会大于小像素尺寸的固态成像装置中光电转换元件的有效面积。因此，具有大像素尺寸的固态成像装置可以让入射光以大面积聚焦在光电转换元件上，且此聚焦的大面积大致上等于光电转换元件的面积。

根据本发明实施例，提供具有平坦顶面的微透镜的固态成像装置。此外，也提供具有平坦顶面的微透镜的固态成像装置的制造方法。通过微透镜的平坦顶面，入射光可被聚焦在大的焦点中，此大的焦点大致上等于一个像素中光电转换元件的面积。结果，固态成像装置的光电转换元件接收到的入射光量增加。因此，提高了固态成像装置的灵敏度。

在一些实施例中，提供固态成像装置的制造方法。此方法包含提供具有多个光电转换元件的半导体基底，以及在半导体基底上方形成彩色滤光层。此方法也包含在彩色滤光层上形成透镜材料层，以及在透镜材料层上形成具有透镜形状图案的硬掩模。此方法还包括蚀刻硬掩模与透镜材料层两者，以由透镜材料层形成具有平坦顶面的微透镜，且在蚀刻制程完成之后，在微透镜的平坦顶面上留下硬掩模的一部分。此外，此方法还包含移除留在微透镜的平坦顶面上的硬掩模的上述部分。

在其他一些实施例中，提供固态成像装置的制造方法。此方法包含提供具有多个光电转换元件的半导体基底，以及在半导体基底上方形成彩色滤光层。此方法也包含在彩色滤光层上形成透镜材料层，以及在透镜材料层上方形成图案化光阻。此方法还包括在图案化光阻上形成具有透镜形状图案的硬掩模。此外，此方法还包含蚀刻硬掩模、图案化光阻及透镜材料层，以由透镜材料层形成具有平坦顶面的微透镜，且在蚀刻制程完成之后，在微透镜的平坦顶面上方留下图案化光阻的一部分和硬掩模的一部分。此方法也包含移除留在微透镜的平坦顶面上方的图案化光阻的前述部分和硬掩模的前述部分。

在一些实施例中，提供固态成像装置。此固态成像装置包含具有多个光电转换元件的半导体基底，以及设置于半导体基底上方的彩色滤光层。此固态成像装置也包含设置于彩色滤光层上的具有平坦顶面的微透镜，微透镜的平坦顶面位于光电转换元件的正上方。此外，微透镜的平坦顶面的面积等于光电转换元件的面积。

附图说明

为了让本发明的各种实施例能更明显易懂，以下配合所附附图作详细说明如下，为了做清楚的说明，附图中的各种不同元件未必按照比例绘制：

图1A至1E绘示根据一些实施例的固态成像装置的制造方法的各个中间阶段的局部剖面示意图；

图2绘示图1E的固态成像装置的局部平面示意图，以根据一些实施例说明多个元件的面积的关系；

图3A至3E绘示根据其他一些实施例的固态成像装置的制造方法的各个中间阶段的局部剖面示意图；以及

图4绘示图3E的固态成像装置的局部平面示意图，以根据一些实施例说明多个元件的面积的关系。

【符号说明】

100、200～固态成像装置；

101～半导体基底；

101B～背侧表面；

101F～前侧表面；

103～光电转换元件；

105～遮光层；

107～平坦层；

109～彩色滤光层；

109R、109G、109B～彩色滤光构件；

110～微透镜阵列；

111～透镜材料层；

111ML～微透镜；

111F、117F～平坦顶面；

111S～弯曲侧壁；

113～硬掩模；

113A～硬掩模部分；

113B～透镜形状图案；

113C、117A、119A～剩余部分；

115、125～护膜；

117～保护层；

119～图案化光阻；

120～互连层；

121～金属层；

122～导孔；

123～介电层；

130～第一干式蚀刻制程；

140～第二干式蚀刻制程；

150～干式蚀刻制程；

160～剥离制程；

I-1、I-2～入射光；

P～像素。

具体实施方式

根据本发明实施例，提供具有平坦顶面的微透镜的固态成像装置。此外，也提供固态成像装置的制造方法。此固态成像装置具有大像素尺寸，例如大于8μm或大于10μm的像素间距，且此像素间距可小于30μm。通过微透镜的平坦顶面，入射光可被聚焦在大的聚焦点中，且此大的聚焦点的面积大致上等于在一个像素中的光电转换元件的面积。光电转换元件的面积等于或大于一个像素的面积的75％。结果，光电转换元件接收到的入射光量增加。因此，提高了具有大像素尺寸的固态成像装置的灵敏度。

图1A至1E绘示根据一些实施例，图1E的固态成像装置100的制造方法的各个中间阶段的局部剖面示意图。请参照图1A，提供具有多个光电转换元件103例如光电二极管形成于其中的半导体基底101。半导体基底101的材料包含硅、锗、硅锗合金或其他化合物半导体材料，例如砷化镓或砷化铟。另外，半导体基底101可以是绝缘体上的半导体(semiconductor-on-insulator，SOI)基底。

在一些实施例中，如图1E所示的固态成像装置100是背照式(back-sideillumination，BSI)图像传感器，例如背照式(BSI)互补性金属氧化半导体(CMOS)图像传感器(BSI CMOS image sensor，BSI型CIS)。在BSI图像传感器中，互连层(interconnectionlayer)120形成在半导体基底101的前侧表面101F上，且设置在半导体基底101下方，如图1A至1E所示。互连层120包含设置在多个介电层123中的多个金属层121和多个导孔122。金属层121通过导孔122互相电性连接。在BSI图像传感器中，光电转换元件103设置在靠近半导体基底101的背侧表面101B。每一个光电转换元件103设置在固态成像装置100的一个各别的像素P中。照射在BSI图像传感器上的入射光在没有穿透过互连层120的情况下到达光电转换元件103。

在其他一些实施例中，固态成像装置是前照式(front-side illumination，FSI)图像传感器，例如FSI CMOS图像传感器(FSI型CIS)。在FSI图像传感器中，互连层120则颠倒地设置在半导体基底101上方。照射在FSI图像传感器上的入射光会穿透过互连层120，然后到达光电转换元件103。

再参照图1A，在一些实施例中，遮光层105形成于半导体基底101上。遮光层105可以是由多个隔板(partition)组成的金属网格，且这些隔板位于相邻的光电转换元件103之间。遮光层105的金属网格具有多个方形，且金属网格的每一个方形皆对应到固态成像装置100的一个各别的像素P。此外，平坦层107形成在遮光层105上，且填入遮光层105的金属网格的方形空隙中。

再参照图1A，在一些实施例中，彩色滤光层109形成在平坦层107上，且在半导体基底101上方。彩色滤光层109包含多个彩色滤光构件，例如分别为红色、绿色和蓝色的彩色滤光构件109R、109G和109B。在其他一些实施例中，彩色滤光构件具有其他颜色，且这些不同颜色的彩色滤光构件可采用其他排列方式排列。每一个彩色滤光构件109R、109G或109B系各自对应于固态成像装置100的每一个像素P中的一个光电转换元件103。

在其他一些实施例中，遮光层105与彩色滤光层109形成在同一水平高度上。遮光层105的隔板设置在彩色滤光构件109R、109G和109B之间。在这些实施例中，可省略平坦层107。

根据一些实施例，如图1A所示，透镜材料层111形成在彩色滤光层109上。透镜材料层111可以是有机材料，例如压克力树脂或环氧树脂，且可通过旋转涂布制程形成。另外，透镜材料层111可以是无机材料，例如TiO2、SiO2或聚硅氧烷(polysiloxane)，且可通过化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)制程或物理气相沉积(physical vapordeposition，PVD)制程形成。透镜材料层111的厚度可在0.5μm至3μm的范围内。

接着，硬掩模材料层(图1A未绘示)形成在透镜材料层111上。在一些实施例中，硬掩模材料层由感光有机材料制成，例如压克力树脂或环氧树脂。通过光微影技术将硬掩模材料层图案化，光微影技术包含曝光与显影制程，以在透镜材料层111上形成多个硬掩模部分(segment)113A，如图1A所示。

多个硬掩模部分113A随后通过回流制程变形成硬掩模113的多个透镜形状图案113B，如图1B所示。回流制程是通过在高于硬掩模材料层的玻璃转移温度的温度下加热多个硬掩模部分113A而进行。在一些实施例中，硬掩模113的透镜形状图案113B的最大高度在4μm至15μm的范围内。

如图1B所示，通过第一干式蚀刻制程130蚀刻硬掩模113和透镜材料层111两者。在一些实施例中，硬掩模113和透镜材料层111在第一干式蚀刻制程130期间同时被蚀刻。第一干式蚀刻制程130使用含氟蚀刻剂实施，含氟蚀刻剂例如是CF₄、CHF₃、C₄F₈、NF₃或前述的组合的气体。在第一干式蚀刻制程130中，硬掩模113的材料的蚀刻速率与透镜材料层111的材料的蚀刻速率不同。在这些实施例中，于第一干式蚀刻制程130期间，硬掩模113的材料的蚀刻速率大于透镜材料层111的材料的蚀刻速率。在一些实施例中，硬掩模113与透镜材料层111的材料的蚀刻速率比值在1:1至1.2:1的范围内。

在第一干式蚀刻制程130完成之后，硬掩模113的透镜形状图案113B的局部轮廓转移到透镜材料层111，以形成多个微透镜111ML。在本实施例中，如图1C所示，每一个微透镜111ML具有平坦顶面111F。此外，在第一干式蚀刻制程130完成之后，透镜形状图案113B的一部份会余留在微透镜111ML的平坦顶面111F上，如图1C所示的剩余部分113C。在第一干式蚀刻制程130完成之后，硬掩模113的透镜形状图案113B没有完全被移除。因此，缩短第一干式蚀刻制程130的制程时间。

再参照图1C，接着进行第二干式蚀刻制程140，以移除在微透镜111ML的平坦顶面111F上的硬掩模113的剩余部分113C。第二干式蚀刻制程140使用与第一干式蚀刻制程130中使用的含氟蚀刻剂不同的蚀刻剂进行。在第二干式蚀刻制程140中使用的蚀刻剂例如是O₂、CO₂、N₂或前述气体的组合与氩气混合的气体混合物，其中氩气是作为稀释气体或用于表面处理(healing)。第二干式蚀刻制程140只移除硬掩模113的材料，而不移除透镜材料层111的材料。

如图1D所示，在硬掩模113的剩余部分113C被移除之后，暴露出微透镜111ML的平坦顶面111F。多个微透镜111ML排列成微透镜阵列110。由于微透镜阵列110的每一个微透镜111ML具有平坦顶面111F，微透镜阵列110也可称为平的微透镜阵列(flat microlensarray)。微透镜111ML的平坦顶面111F位于光电转换元件103的正上方。此外，微透镜111ML的平坦顶面111F的面积等于光电转换元件103的面积。

请参照图1E，护膜(passivation film)115顺应地(conformally)形成在微透镜111ML的平坦顶面111F及弯曲侧壁111S上，以完成固态成像装置100。在一些实施例中，护膜115是通过化学气相沉积(CVD)制程形成。护膜115的材料可以是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或前述材料的组合。

图2绘示图1E的固态成像装置100的局部平面示意图，以说明根据一些实施例的微透镜111ML的平坦顶面111F、光电转换元件103和彩色滤光构件109R、109G及109B的面积的关系。如图2所示，在一个各别的像素P中，微透镜111ML的平坦顶面111F的面积等于光电转换元件103的面积，且微透镜111ML的平坦顶面111F的区域对齐于光电转换元件103的区域。彩色滤光构件109R、109G及109B各自的面积等于一个像素P的面积。此外，在一些实施例中，光电转换元件103的面积等于或大于一个像素P的面积的75％。

再参照图1E，入射光I-1照射在微透镜111ML的平坦顶面111F上，以直线前进通过固态成像装置100的多个元件层，然后到达光电转换元件103。因此，入射光I-1可以通过微透镜111ML的平坦顶面111F聚焦在大的聚焦点中，且此大的聚焦点大致上等于一个光电转换元件103的面积。此外，比入射光I-1具有更大的入射角的入射光I-2可被微透镜111ML的弯曲侧壁111S折射，然后到达光电转换元件103。结果，固态成像装置100的光电转换元件103接收到的入射光量增加。换言之，固态成像装置100的平的微透镜阵列可有效地聚集外部光至光电转换元件103中。因此，根据一些实施例，提高了固态成像装置的灵敏度，特别是具有大于8μm的大像素尺寸的固态成像装置。

图3A至3E绘示根据一些实施例，图3E的固态成像装置200的制造方法的各个中间阶段的局部剖面示意图。在图3A至3E所示的实施例中，半导体基底101、光电转换元件103、互连层120、遮光层105、平坦层107、彩色滤光层109和透镜材料层111的构造、材料及制造制程可与图1A中所说明的那些构造、材料及制造制程相同或相似，不再重复以简化说明。

请参照图3A，保护层117形成在透镜材料层111上。保护层117可通过化学气相沉积(CVD)制程形成。保护层117的材料可以是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或前述材料的组合。保护层117的厚度可在0.1μm至0.3μm的范围内。

光阻层(图3A未绘示)通过旋转涂布制程形成在保护层117上。通过光微影技术将光阻层图案化，光微影技术包含曝光及显影制程，以在保护层117上形成图案化光阻119，如图3A所示。接着，硬掩模材料层(图3A未绘示)形成在图案化光阻119上。在一些实施例中，硬掩模材料层由有机材料制成，例如压克力树脂或环氧树脂。通过光微影制程及蚀刻制程将硬掩模材料层图案化，以在图案化光阻119上形成多个硬掩模部分113A，如图3A所示。硬掩模部分113A位于图案化光阻119的正上方，且对齐图案化光阻119。

之后通过回流(reflow)制程让多个硬掩模部分113A变形成硬掩模113的多个透镜形状图案113B，如图3B所示。硬掩模113的透镜形状图案113B的最大高度可在4μm至15μm的范围内。如图3B所示，在硬掩模113的透镜形状图案113B、图案化光阻119、保护层117及透镜材料层111上进行干式蚀刻制程150。在一些实施例中，硬掩模113的透镜形状图案113B、图案化光阻119、保护层117及透镜材料层111在干式蚀刻制程150期间同时被蚀刻。干式蚀刻制程150是使用含氟蚀刻剂进行，例如CF₄、CHF₃、C₄F₈、NF₃或前述的组合的气体。在干式蚀刻制程150期间，硬掩模113、图案化光阻119、保护层117及透镜材料层111的材料具有各自不同的蚀刻速率。在本实施例中，硬掩模113、图案化光阻119、保护层117及透镜材料层111的材料的蚀刻速率比值在1.2:1.2:1.3:1至1.3:1.3:1.4:1的范围内。

在干式蚀刻制程150完成之后，硬掩模113的透镜形状图案113B的局部轮廓转移到图案化光阻119、保护层117和透镜材料层111，以形成多个微透镜111ML。在本实施例中，如图3C所示，每一个微透镜111ML具有平坦顶面111F。此外，在干式蚀刻制程150完成之后，保护层117的一部份余留在微透镜111ML的平坦顶面111F上，如图3C所示的剩余部分117A。另外，图案化光阻119的一部份余留在保护层117的剩余部分117A上，如图3C所示的剩余部分119A。此外，硬掩模113的透镜形状图案113B的一部份余留在图案化光阻119的剩余部分119A上，如图3C所示的剩余部分113C。

再参照图3C，随后进行剥离(lift-off)制程160，以将图案化光阻119的剩余部分119A从保护层117的剩余部分117A分离。结果，在剩余部分119A上的硬掩模113的剩余部分113C也被移除。在一些实施例中，剥离制程160是通过将图3C的结构浸入溶液中进行，溶液例如为乙醇胺(ethanolamine)。在其他一些实施例中，剥离制程160是通过对图3C的结构照射实施，以将图案化光阻119的剩余部分119A从保护层117的剩余部分117A分离。在剥离制程160之后，图案化光阻119的剩余部分119A与硬掩模113的剩余部分113C皆被移除。

如图3D所示，在剥离制程160之后，暴露出保护层117的剩余部分117A的平坦顶面117F。保护层117的剩余部分117A顺应地形成在微透镜111ML的平坦顶面111F上。多个微透镜111ML排列成微透镜阵列110。微透镜阵列110也可称为平的微透镜阵列。根据本实施例，在剥离制程160期间，保护层117的剩余部分117A可保护微透镜111ML的平坦顶面111F。因此，可以改善微透镜111ML的平坦顶面111F的平坦度的均匀性。

请参照图3E，在保护层117的剩余部分117A的平坦顶面117F上，以及在微透镜111ML的弯曲侧壁111S上顺应性地形成护膜125，以完成固态成像装置200。护膜125可通过化学气相沉积(CVD)制程形成。在一些实施例中，护膜125的材料与保护层117的材料相同。在其他一些实施例中，护膜125的材料与保护层117的材料不同。护膜125的材料可以是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或前述材料的组合。在本实施例中，护膜125的厚度小于保护层117的厚度。

在图3E的固态成像装置200中，微透镜111ML的平坦顶面111F位于光电转换元件103的正上方。此外，微透镜111ML的平坦顶面111F的面积等于光电转换元件103的面积。保护层117的剩余部分117A的平坦顶面117F位于光电转换元件103的正上方。此外，保护层117的剩余部分117A的平坦顶面117F的面积略小于光电转换元件103的面积。通过微透镜111ML的平坦顶面111F，入射光I-1可以被聚焦在大的聚焦点中，且此大的聚焦点大致上等于光电转换元件103的面积。此外，比入射光I-1具有更大的入射角的入射光I-2可被微透镜111ML的弯曲侧壁111S折射，然后到达光电转换元件103。结果，固态成像装置200的平的微透镜阵列可有效地聚集外部光至光电转换元件103中。因此，提高了固态成像装置200的灵敏度，特别是具有大于8μm的大像素尺寸的固态成像装置。

图4绘示图3E的固态成像装置200的局部平面示意图，以根据一些实施例说明保护层117的剩余部分117A的平坦顶面117F、微透镜111ML的平坦顶面111F、光电转换元件103及彩色滤光构件109R、109G和109B的面积的关系。如图4所示，在一个各别的像素P中，微透镜111ML的平坦顶面111F的面积等于光电转换元件103的面积，且微透镜111ML的平坦顶面111F的区域对齐于光电转换元件103的区域。彩色滤光构件109R、109G或109B各自的面积等于一个像素P的面积。此外，保护层117的剩余部分117A的平坦顶面117F的面积略小于微透镜111ML的平坦顶面111F的面积。在一些实施例中，光电转换元件103的面积等于或大于一个像素P的面积的75％。当固态成像装置具有大像素尺寸时，在一个像素中有效的感光面积会较大。在愈大的像素中具有愈大的有效感光面积，使得被微透镜111ML的平坦顶面111F聚焦的入射光有更大的聚焦点，让入射光更有效地被光电转换元件103接收。

根据本发明实施例，提供具有平的微透镜阵列的固态成像装置以及此固态成像装置的制造方法。在固态成像装置中，平的微透镜阵列的每一个微透镜皆具有平坦顶面。此平的微透镜阵列适用于具有大像素尺寸的固态成像装置，例如大于8μm或大于10μm的像素间距，且此像素间距小于30μm。在这些固态成像装置中，平的微透镜阵列可将入射光以大的聚焦点聚焦在光电转换元件上，此大的聚焦点大致上等于一个光电转换元件的面积。另外，具有大的入射角度的入射光也可以被平的微透镜阵列的弯曲侧壁折射。结果，平的微透镜阵列可有效地聚集外部光至光电转换元件中。因此，可以提高固态成像装置的灵敏度。

虽然本发明已揭露较佳实施例如上，然其并非用以限定本发明，在此技术领域中具有通常知识者当可了解，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定为准。

Claims (4)

1.一种固态成像装置的制造方法，包括：

提供具有多个光电转换元件的一半导体基底；

在该半导体基底上方形成一彩色滤光层；

在该彩色滤光层上形成一透镜材料层；

在该透镜材料层上方形成一图案化光阻；

在该图案化光阻上形成具有一透镜形状图案的一硬掩模；

蚀刻该硬掩模、该图案化光阻及该透镜材料层，以形成具有一平坦顶面的一微透镜，该微透镜是由该透镜材料层形成，且在该微透镜的该平坦顶面上方留下该图案化光阻的一部分与该硬掩模的一部分；以及

移除在该微透镜的该平坦顶面上方的该图案化光阻的该部分与该硬掩模的该部分。

2.如权利要求1所述的固态成像装置的制造方法，更包括在该透镜材料层与该图案化光阻之间形成一保护层，其中该保护层也通过干式蚀刻制程蚀刻，以在该微透镜的该平坦顶面上留下该保护层的一部分，且在该干式蚀刻制程中，该硬掩模、该图案化光阻、该保护层及该透镜材料层的蚀刻速率比值在1.2:1.2:1.3:1至1.3:1.3:1.4:1的范围内。

3.如权利要求2所述的固态成像装置的制造方法，其中移除在该微透镜的该平坦顶面上方的该图案化光阻的该部分与该硬掩模的该部分是使用一剥离制程进行，且留在该微透镜的该平坦顶面上的该保护层的该部分没有被该剥离制程移除。

4.如权利要求2所述的固态成像装置的制造方法，更包括在留在该微透镜的该平坦顶面上的该保护层的该部分上及在该微透镜的侧壁上顺应地形成一护膜，其中该护膜的厚度小于该保护层的厚度，该保护层是通过一第一化学气相沉积制程形成，且该护膜是通过一第二化学气相沉积制程形成。

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