CN109524427A - Cis的内部透镜的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CIS的内部透镜的制造方法包括步骤：步骤一、提供半导体衬底；步骤二、形成第一氮化层；步骤三、涂布光刻胶层；步骤四、形成包括多个具有第一宽度的第一开口的光刻胶图形；步骤五、对第一氮化层进行第一次刻蚀形成第一凹槽；步骤六、对光刻胶图形进行开口展宽的刻蚀；步骤七、对第一氮化层进行第二次刻蚀并在第一氮化层的侧面形成一个台阶；步骤八、重复步骤六的开口展宽刻蚀和步骤七的第二次刻蚀形成具有多个台阶初始突出结构；步骤九、去胶并形成第二氮化层，第二氮化层使各台阶圆弧化并使第一和二氮化层的叠加形成具有椭圆形的最终突出结构并组成内部透镜。本发明能容易对内部透镜的外部形貌进行精确控制且工艺简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体集成电路制造方法，特别是涉及一种CMOS图像传感器(CIS)的内部透镜(inner lens)的制造方法。
背景技术
20世纪70年代,CCD图像传感器和CMOS图像传感器同时起步。CCD图像传感器由于灵敏度高、噪声低,逐步成为图像传感器的主流。但由于工艺上的原因,敏感元件和信号处理电路不能集成在同一芯片上,造成由CCD图像传感器组装的摄像机体积大、功耗大。CMOS图像传感器以其集成度高，功率低，成本低等优势，得到了越来越广泛的应用。
现有CMOS图像传感器包括CMOS数模电路和像素单元电路阵列构成，根据一个所述像素单元电路所包括的晶体管的数目，现有CMOS图像传感器分为3T型结构和4T型结构、还可以有5T型结构。所述像素单元电路是通过光电二极管进行光电反应实现将采集的光子转换为电子，转换形成的电子最后通过由晶体管形成电路读出。在CIS器件中，晶体管采用CMOS管如PMOS管或NMOS管。
通常，CIS器件的光电二极管和晶体管都同时集成于半导体衬底如硅衬底上，光电二极管的设置区域为光敏区，晶体管在设置在光敏区外部的非光敏区中。如果光敏区的面积大，则CIS器件所能采集的光会越多，这样最后能提高量子效率(Quantum Efficiency，QE)。但是，由于电路的需要，晶体管的设置区域即非光敏区不能无限缩小，故CIS的QE受到非光敏区的面积的限制。
为了，在受到非光敏区的面积的限制的调节下进一步提高CIS器件的QE，现有方法中采用了外部透镜，由于外部透镜覆盖在光敏区的各光电二极管的正上方，能够将非光敏区的光汇聚到光敏区中，从而提高CIS器件的QE。
但是由于外部透镜和光电二极管的表面之间具有膜层结构，如较厚的层间膜、彩色滤光器阵列和保护涂层等，这对光线的汇聚焦距不好控制。所以现有技术中，在CIS器件中进一步的引入了内部透镜，内部透镜在正面金属层形成之后形成在层间膜的顶部，正面金属层通过层间膜隔离。
如图1A至图1E所示，是现有CIS的内部透镜的制造方法各步骤中的器件结构图，现有CIS的内部透镜的制造方法包括如下步骤：
步骤一、如图1A所示，提供半导体衬底101，在所述半导体衬底101上形成有位于内部透镜底部的底部结构。
本发明实施例中，所述半导体衬底101为硅衬底。
步骤二、如图1A所示，在所述底部结构的表面形成第一氮化层102。
步骤三、如图1B所示，在所述第一氮化层102表面涂布光刻胶层(PR)103。
步骤四、如图1B所示，对所述光刻胶层103进行光刻处理形成所述光刻胶图形103，所述光刻胶图形103中包括多个开口。
步骤五、如图1C所示，进行光刻胶的回流(PR reflow)，回流后的所述光刻胶图形103a的各开口处的侧面圆滑并形成椭圆形结构。
步骤六、如图1D所示,之后以所述光刻胶图形103a为掩模进行所述第一氮化层102的刻蚀。为了将所述光刻胶图形103a的椭圆形结构转移到刻蚀后的所述第一氮化层102的图形结构上，需要进行氮化层和光刻胶的刻蚀速率相等即1:1的刻蚀，使得所述光刻胶图形103a和所述第一氮化层102被同步刻蚀，并在刻蚀后形成如图1D所示的所述第一氮化层102的椭圆形的图形结构。
步骤七、如图1E所示，形成第二氮化层104，所述第二氮化层104覆盖所述第一氮化层102，并由所述第一氮化层102和所述第二氮化层104的叠加形成具有椭圆形的内部透镜。
现有方法中，内部透镜的椭圆形的结构的形状由PR reflow控制以及对氮化层和光刻胶的刻蚀速率相等进行控制得到，使得内部透镜的形貌控制不太方便。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种CIS的内部透镜的制造方法，能形成突出的椭圆形的内部透镜，工艺简单且容易对内部透镜的外部形貌进行精确控制。
为解决上述技术问题，本发明提供的CIS的内部透镜的制造方法包括如下步骤：
步骤一、提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成有位于内部透镜底部的底部结构。
步骤二、在所述底部结构的表面形成第一氮化层。
步骤三、在所述第一氮化层表面涂布光刻胶层。
步骤四、对所述光刻胶层进行光刻处理形成所述光刻胶图形，所述光刻胶图形中包括多个具有第一宽度的第一开口。
步骤五、以所述光刻胶图形为掩模对所述第一氮化层进行第一次刻蚀，所述第一次刻蚀在所述第一氮化层中形成多个对应的具有第一宽度的第一凹槽。
步骤六、对所述光刻胶图形进行开口展宽的刻蚀，使各所述第一开口扩展为具有第二宽度的第二开口。
步骤七、以开口展宽的所述光刻胶图形为掩模对所述第一氮化层进行第二次刻蚀，所述第二次刻蚀使所述第一凹槽深度加深并在所述第一凹槽的顶部形成具有第二宽度的第二凹槽，所述第一凹槽和所述第二凹槽使刻蚀后的所述第一氮化层的侧面形成一个台阶。
步骤八、重复步骤六的对所述光刻胶图形的开口展宽的刻蚀工艺以及步骤七的对所述第一氮化层的第二次刻蚀工艺，在所述第一氮化层的侧面形成多个台阶并使刻蚀后的所述第一氮化层呈侧面具有多个台阶的初始突出结构。
步骤九、去除所述光刻胶图形之后形成第二氮化层，所述第二氮化层覆盖所述第一氮化层形成的初始突出结构并使各所述台阶圆弧化并使所述第一氮化层和所述第二氮化层的叠加形成具有椭圆形的最终突出结构，由所述最终突出结构组成所述内部透镜。
进一步的改进是，步骤六中，所述第二开口的第二宽度的所述第一开口的第一宽度的差为第一宽度从而使开口展宽的大小为第一宽度；步骤八的每次重复步骤六时对应的开口展宽宽度都为第一宽度。
进一步的改进是，步骤五中，所述第一次刻蚀的深度为第一深度；步骤七中，所述第二次刻蚀的深度为第一深度；步骤八的每次重复步骤七时对应的所述第二次刻蚀的深度为第一深度。
进一步的改进是，所述第一深度等于所述第一宽度。
进一步的改进是，所述第一宽度为
进一步的改进是，对所述第一氮化层的第一次刻蚀和第二次刻蚀的工艺条件相同，且所述第一氮化层的第一次刻蚀和第二次刻蚀的工艺条件要求减少对所述光刻胶图形的损耗。
对所述光刻胶图形进行开口展宽的刻蚀的工艺条件要求减少对所述第一氮化层的损耗。
进一步的改进是，对所述第一氮化层的第一次刻蚀和第二次刻蚀和对所述光刻胶图形进行开口展宽的刻蚀同时在相同的干法刻蚀机台进行。
进一步的改进是，所述第一氮化层的第一次刻蚀和第二次刻蚀的工艺条件的工艺气体采用CF4和O2。
所述光刻胶图形进行开口展宽的刻蚀的工艺条件的工艺气体采用O2。
进一步的改进是，所述干法刻蚀机台采用中微半导体设备有限公司的干法刻蚀机台。
进一步的改进是，在所述底部结构包括形成于所述半导体衬底表面中的光电二极管和晶体管，形成于所述半导体衬底表面上方的正面金属层和位于所述正面金属层之间的层间膜。
进一步的改进是，所述光电二极管位于光敏区中，所述晶体管位于非光敏区中并组成CMOS电路结构。
进一步的改进是，各所述内部透镜位于对应的光敏区的正上方，用于增加光线汇聚到所述光敏区中的量从而提高量子效率。
进一步的改进是，所述正面金属层位于所述非光敏区的正上方。
进一步的改进是，在形成所述内部透镜之后还包括如下步骤：
形成位于所述内部透镜表面的顶部介质层。
形成彩色滤光器阵列。
形成保护涂层。
形成外部透镜。
进一步的改进是，所述半导体衬底为硅衬底。
本发明先对第一氮化层进行多次刻蚀形成侧面具有台阶的初始突出结构，之后再沉积第二氮化层覆盖初始突出结构并从而形成侧面圆滑的具有椭圆形的最终突出结构从而形成内部透镜，其中，在刻蚀形成初始突出结构中，本发明利用了对光刻形成的光刻胶图形的开口展宽的刻蚀和对第一氮化层的刻蚀，通过重复对光刻胶图形的开口展宽并接着进行第一氮化层的刻蚀能够不断形成台阶并最后形成具有多个台阶的初始突出结构，台阶的级数越多，初始突出结构的侧面形貌越精细，最后形成的内部透镜的侧面也就越圆滑。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1A-图1E是现有CIS的内部透镜的制造方法各步骤中的器件结构图；
图2是本发明实施例方法流程图；
图3A-图3C是本发明实施例CIS的内部透镜的制造方法各步骤中的器件结构图。
具体实施方式
如图2所示，是本发明实施例方法流程图，如图3A至图3C所示，是本发明实施例CIS的内部透镜的制造方法各步骤中的器件结构图，本发明实施例CIS的内部透镜的制造方法包括如下步骤：
步骤一、如图3A所示，提供半导体衬底1，在所述半导体衬底1上形成有位于内部透镜底部的底部结构。
本发明实施例中，所述半导体衬底1为硅衬底。
步骤二、如图3A所示，在所述底部结构的表面形成第一氮化层2。
步骤三、如图3A所示，在所述第一氮化层2表面涂布光刻胶层201。
步骤四、如图3A所示，对所述光刻胶层201进行光刻处理形成所述光刻胶图形201，所述光刻胶图形201中包括多个具有第一宽度的第一开口。
步骤五、如图3B所示，以所述光刻胶图形201为掩模对所述第一氮化层2进行第一次刻蚀，所述第一次刻蚀在所述第一氮化层2中形成多个对应的具有第一宽度的第一凹槽。
步骤六、如图3B所示，对所述光刻胶图形201进行开口展宽的刻蚀，使各所述第一开口扩展为具有第二宽度的第二开口。
步骤七、如图3B所示，以开口展宽的所述光刻胶图形201为掩模对所述第一氮化层2进行第二次刻蚀，所述第二次刻蚀使所述第一凹槽深度加深并在所述第一凹槽的顶部形成具有第二宽度的第二凹槽，所述第一凹槽和所述第二凹槽使刻蚀后的所述第一氮化层2的侧面形成一个台阶。
步骤八、如图3B所示，重复步骤六的对所述光刻胶图形201的开口展宽的刻蚀工艺以及步骤七的对所述第一氮化层2的第二次刻蚀工艺，在所述第一氮化层2的侧面形成多个台阶并使刻蚀后的所述第一氮化层2呈侧面具有多个台阶的初始突出结构2a，所述初始突出结构2a的侧面的结构如虚线圈202所示。
步骤九、如图3C所示，去除所述光刻胶图形201之后形成第二氮化层3，所述第二氮化层3覆盖所述第一氮化层2形成的初始突出结构2a并使各所述台阶圆弧化并使所述第一氮化层2和所述第二氮化层3的叠加形成具有椭圆形的最终突出结构，由所述最终突出结构组成所述内部透镜。
本发明实施例方法中，步骤六中，所述第二开口的第二宽度的所述第一开口的第一宽度的差为第一宽度从而使开口展宽的大小为第一宽度；步骤八的每次重复步骤六时对应的开口展宽宽度都为第一宽度。当然，其他实施例中，也能对各次的开口展宽宽度进行相应的调整，并不都限制为相同。
步骤五中，所述第一次刻蚀的深度为第一深度；步骤七中，所述第二次刻蚀的深度为第一深度；步骤八的每次重复步骤七时对应的所述第二次刻蚀的深度为第一深度。当然，其他实施例中，也能对各次所述第二次刻蚀的深度也能进行相应的调整，并不都限制为相同。
本发明实施例方法中，所述第一深度等于所述第一宽度，所述第一宽度为在其他实施例中，所述第一深度能单独设置，即能不等于所述第一宽度；而且，所述第一宽度的值也能采用其他不同于的值。
本发明实施例方法中，对所述第一氮化层2的第一次刻蚀和第二次刻蚀的工艺条件相同，且所述第一氮化层2的第一次刻蚀和第二次刻蚀的工艺条件要求减少对所述光刻胶图形201的损耗。
对所述光刻胶图形201进行开口展宽的刻蚀的工艺条件要求减少对所述第一氮化层2的损耗。
对所述第一氮化层2的第一次刻蚀和第二次刻蚀和对所述光刻胶图形201进行开口展宽的刻蚀同时在相同的干法刻蚀机台进行。
所述第一氮化层2的第一次刻蚀和第二次刻蚀的工艺条件的工艺气体采用CF4和O2。
所述光刻胶图形201进行开口展宽的刻蚀的工艺条件的工艺气体采用O2。
本发明实施例中，所述干法刻蚀机台采用中微半导体设备有限公司的干法刻蚀机台。
在所述底部结构包括形成于所述半导体衬底1表面中的光电二极管和晶体管，形成于所述半导体衬底1表面上方的正面金属层和位于所述正面金属层之间的层间膜。
所述光电二极管位于光敏区中，所述晶体管位于非光敏区中并组成CMOS电路结构。
各所述内部透镜位于对应的光敏区的正上方，用于增加光线汇聚到所述光敏区中的量从而提高量子效率。
所述正面金属层位于所述非光敏区的正上方。
在形成所述内部透镜之后还包括如下步骤：
形成位于所述内部透镜表面的顶部介质层。
形成彩色滤光器阵列。
形成保护涂层。
形成外部透镜。
本发明实施例先对第一氮化层2进行多次刻蚀形成侧面具有台阶的初始突出结构2a，之后再沉积第二氮化层3覆盖初始突出结构2a并从而形成侧面圆滑的具有椭圆形的最终突出结构从而形成内部透镜，其中，在刻蚀形成初始突出结构2a中，本发明实施例利用了对光刻形成的光刻胶图形201的开口展宽的刻蚀和对第一氮化层2的刻蚀，通过重复对光刻胶图形201的开口展宽并接着进行第一氮化层2的刻蚀能够不断形成台阶并最后形成具有多个台阶的初始突出结构2a，台阶的级数越多，初始突出结构2a的侧面形貌越精细，最后形成的内部透镜的侧面也就越圆滑。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。
Claims (15)
1.一种CIS的内部透镜的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成有位于内部透镜底部的底部结构；
步骤二、在所述底部结构的表面形成第一氮化层；
步骤三、在所述第一氮化层表面涂布光刻胶层；
步骤四、对所述光刻胶层进行光刻处理形成所述光刻胶图形，所述光刻胶图形中包括多个具有第一宽度的第一开口；
步骤五、以所述光刻胶图形为掩模对所述第一氮化层进行第一次刻蚀，所述第一次刻蚀在所述第一氮化层中形成多个对应的具有第一宽度的第一凹槽；
步骤六、对所述光刻胶图形进行开口展宽的刻蚀，使各所述第一开口扩展为具有第二宽度的第二开口；
步骤七、以开口展宽的所述光刻胶图形为掩模对所述第一氮化层进行第二次刻蚀，所述第二次刻蚀使所述第一凹槽深度加深并在所述第一凹槽的顶部形成具有第二宽度的第二凹槽，所述第一凹槽和所述第二凹槽使刻蚀后的所述第一氮化层的侧面形成一个台阶；
步骤八、重复步骤六的对所述光刻胶图形的开口展宽的刻蚀工艺以及步骤七的对所述第一氮化层的第二次刻蚀工艺，在所述第一氮化层的侧面形成多个台阶并使刻蚀后的所述第一氮化层呈侧面具有多个台阶的初始突出结构；
步骤九、去除所述光刻胶图形之后形成第二氮化层，所述第二氮化层覆盖所述第一氮化层形成的初始突出结构并使各所述台阶圆弧化并使所述第一氮化层和所述第二氮化层的叠加形成具有椭圆形的最终突出结构，由所述最终突出结构组成所述内部透镜。
2.如权利要求1所述的CIS的内部透镜的制造方法，其特征在于：步骤六中，所述第二开口的第二宽度的所述第一开口的第一宽度的差为第一宽度从而使开口展宽的大小为第一宽度；步骤八的每次重复步骤六时对应的开口展宽宽度都为第一宽度。
3.如权利要求2所述的CIS的内部透镜的制造方法，其特征在于：步骤五中，所述第一次刻蚀的深度为第一深度；步骤七中，所述第二次刻蚀的深度为第一深度；步骤八的每次重复步骤七时对应的所述第二次刻蚀的深度为第一深度。
4.如权利要求3所述的CIS的内部透镜的制造方法，其特征在于：所述第一深度等于所述第一宽度。
5.如权利要求4所述的CIS的内部透镜的制造方法，其特征在于：所述第一宽度为
6.如权利要求1所述的CIS的内部透镜的制造方法，其特征在于：对所述第一氮化层的第一次刻蚀和第二次刻蚀的工艺条件相同，且所述第一氮化层的第一次刻蚀和第二次刻蚀的工艺条件要求减少对所述光刻胶图形的损耗；
对所述光刻胶图形进行开口展宽的刻蚀的工艺条件要求减少对所述第一氮化层的损耗。
7.如权利要求6所述的CIS的内部透镜的制造方法，其特征在于：对所述第一氮化层的第一次刻蚀和第二次刻蚀和对所述光刻胶图形进行开口展宽的刻蚀同时在相同的干法刻蚀机台进行。
8.如权利要求7所述的CIS的内部透镜的制造方法，其特征在于：所述第一氮化层的第一次刻蚀和第二次刻蚀的工艺条件的工艺气体采用CF4和O2；
所述光刻胶图形进行开口展宽的刻蚀的工艺条件的工艺气体采用O2。
9.如权利要求7所述的CIS的内部透镜的制造方法，其特征在于：所述干法刻蚀机台采用中微半导体设备有限公司的干法刻蚀机台。
10.如权利要求1所述的CIS的内部透镜的制造方法，其特征在于：在所述底部结构包括形成于所述半导体衬底表面中的光电二极管和晶体管，形成于所述半导体衬底表面上方的正面金属层和位于所述正面金属层之间的层间膜。
11.如权利要求10所述的CIS的内部透镜的制造方法，其特征在于：所述光电二极管位于光敏区中，所述晶体管位于非光敏区中并组成CMOS电路结构。
12.如权利要求11所述的CIS的内部透镜的制造方法，其特征在于：各所述内部透镜位于对应的光敏区的正上方，用于增加光线汇聚到所述光敏区中的量从而提高量子效率。
13.如权利要求11所述的CIS的内部透镜的制造方法，其特征在于：所述正面金属层位于所述非光敏区的正上方。
14.如权利要求10所述的CIS的内部透镜的制造方法，其特征在于：在形成所述内部透镜之后还包括如下步骤：
形成位于所述内部透镜表面的顶部介质层；
形成彩色滤光器阵列；
形成保护涂层；
形成外部透镜。
15.如权利要求1所述的CIS的内部透镜的制造方法，其特征在于：所述半导体衬底为硅衬底。
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