CN110190078A - 一种高光谱图像传感器的单片集成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高光谱图像传感器的单片集成方法，包括：在CMOS图像传感器晶圆的感光区域表面上形成底反射层；采用多次沉积多次光刻和刻蚀的方法形成透明空腔层由N个台阶结构组成，N≥1，且N为正整数，在透明空腔层上形成顶反射层。本发明提供的高光谱图像传感器的单片集成方法，利用控制薄膜沉积工艺条件，控制透明空腔层各个台阶的厚度，优化了现有技术采用刻蚀工艺导致的不均匀性累积的问题。类似的一维的制备方式可以延伸，如增加另一个维度并且做几个重复区域的话，即可以形成马赛克型多重不同高度和重复该结构的空腔层，可以应用到快照式高光谱图像传感器并大大提高其性能，如分辨率等。
Description
技术领域
本发明涉及高光谱成像技术领域，尤其涉及一种高光谱图像传感器的单片集成方法。
背景技术
高光谱成像技术广泛应用在遥感检测、食品安全监控、生物医学技术领域。目前，用于制备高光谱图像传感器的一种制备方法是将CMOS图像传感器的感光区域和多波段滤波器单片集成在一起，该制备方法制成的高光谱图像传感器具有体积小、分析速度快和成本低等特点。其中，位于CMOS图像传感器顶部的滤波器通常为法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Pérot interometers)，其其包括两个相对的具有高反射率的反射层：底反射层和顶反射层，在两反射层之间设置有一个透明空腔层(Transparent Cavity Layer)，该透明空腔层由多个台阶结构组成，一个台阶结构对应一个光谱带。
透明空腔层的作用是光能够在两高反射率反射层之间实现分谱段反射的空间。现有技术中，用于制备具有台阶结构的透明空腔层的方法是采用光刻-刻蚀工艺实现。由于空腔层的台阶高度决定了其对应滤波器的中心光谱波长，所以，在多台阶法布里-珀罗干涉仪中，其对空腔层的各台阶高度要求非常精确。基于刻蚀工艺形成的图形尺寸在每次刻蚀过程中在同一晶圆内均存在非常大的不均匀性。这就意味着刻蚀步骤越多，形成的图形的尺寸不均匀性越大。而对于由多个台阶结构组成的透明空腔层来说，就需要多步刻蚀工艺，如此，由于逐步刻蚀积累的尺寸不均匀性，最终通过刻蚀工艺形成的空腔层上的台阶结构的高度均匀性较差，可能会造成器件失效。
发明内容
为了解决由于台阶结构高度均匀性较差、器件失效的问题，本发明提供了一种高光谱图像传感器的单片集成方法。
根据本发明的一个方面，提供一种高光谱图像传感器的单片集成方法，包括：在CMOS图像传感器晶圆的感光区域表面上形成底反射层；采用多次沉积薄膜工艺和多次光刻、刻蚀工艺的方法在底反射层上形成透明空腔层，其中，透明空腔层由N个台阶结构组成，N≥1，且N为正整数；在透明空腔层上形成顶反射层。
进一步地，所述采用多次薄膜沉积工艺和多次光刻、刻蚀工艺的方法在所述底反射层上形成透明空腔层，具体包括：通过N次薄膜沉积工艺和N次光刻、刻蚀工艺在所述底反射层上形成N个台阶结构，所述N个台阶结构组成所述透明空腔层。
进一步地，所述通过N次薄膜沉积工艺和N次光刻、刻蚀工艺在所述底反射层上形成N个台阶结构，具体包括：第1次薄膜沉积工艺和第1次光刻、第2次薄膜沉积工艺和第2次光刻、刻蚀工艺以及第i次薄膜沉积工艺和第i次光刻、刻蚀工艺；其中，i∈{1，N}，且i为整数；所述第1次薄膜沉积工艺和第1次光刻、刻蚀工艺包括：在所述底反射层整个表面上沉积第一层材料层；对所述第一层材料层进行光刻、刻蚀，去除部分所述第一层材料层，暴露出所述底反射层，所述底反射层上方保留下来的所述第一层材料层构成第一个台阶结构；所述第2次薄膜沉积工艺第2次光刻、刻蚀工艺包括：在暴露的所述底反射层上方以及第一个台阶结构的表面上方形成第二层材料层；对所述第二层材料层进行光刻、刻蚀，去除所述底反射层上方的部分所述第二层材料层，暴露出所述底反射层，所述底反射层上方保留下来的所述第二层材料层构成第二个台阶结构，同步形成两个台阶；……；所述第i次薄膜沉积工艺第i次光刻、刻蚀工艺包括：在暴露的所述底反射层上方以及第一个台阶结构，以及第i-1个台阶结构的表面上方形成第i层材料层；对所述第i层材料层进行光刻、刻蚀，去除所述底反射层上方的部分所述第i层材料层，暴露出所述底反射层，所述底反射层上方保留下来的所述第i层材料层构成第i个台阶结构，同步形成i个台阶；其中，第i 个台阶的高度由所述第一层材料层至所述第i层材料层的厚度所决定。
进一步地，刻蚀所述沉积薄膜工艺形成的薄膜所需的时间根据实际设计需求所决定。
进一步地，组成所述透明空腔层的材料可以是以SiO2作为所述薄膜沉积工艺形成的薄膜材料。
进一步地，可以使用SiH4气体和N2O气体作为沉积用气体进行薄膜沉积工艺。
进一步地，所述气体流量为50sccm的SiH4和3900sccm的N2O。
进一步地，薄膜沉积工艺的膜层厚度可以根据设定要求定。
进一步地，所述刻蚀所述薄膜沉积工艺形成的薄膜材料所用的气体包括 CO、Ar、O2、C4F6。
进一步地，所述刻蚀气体流量分别为75sccm的CO、150sccm的Ar、5sccm 的O2以及7sccm的C4F6。
采用本发明提供的高光谱图像传感器的单片集成方法，通过沉积工艺控制台阶高度，代替现有技术中通过光刻-刻蚀工艺制备空腔层的所有台阶结构，可以有效解决现有技术中由于每一个台阶均通过刻蚀得到，使得制备得到的透明空腔层的不均匀性积累，最终通过刻蚀工艺形成的空腔层上的台阶结构的高度均匀性较差的问题。本发明利用控制薄膜沉积工艺条件，控制透明空腔层各个台阶的厚度，优化了现有技术采用刻蚀工艺导致的不均匀性累积的问题。采用本发明方法可以形成马赛克型多重不同高度和重复该结构的空腔层，可以应用到快照式高光谱图像传感器并大大提高其性能，如分辨率等。
附图说明
当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以最佳地理解本发明的各个方面。应该注意，根据工业中的标准实践，各种部件没有被按比例绘制。实际上，为了清楚地讨论，各个部件的尺寸可以任意地增加或减少。
图1为本发明实施例提供的高光谱图像传感器的单片集成方法流程示意图。
图2A至图2I为本发明实施例提供的高光谱图像传感器的单片集成方法对应的剖面结构示意图。
图3示例出马赛克型多重不同高度的透明空腔层对应的立体结构示意图。
具体实施方式
以下公开内容提供了多种不同实施例或实例，以实现本发明的不同特征。以下将描述组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅是实例并且不意欲限制本发明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触的实施例，也可以包括形成在第一部件和第二部件之间的附加部件使得第一部件和第二部件不直接接触的实施例。
此外，为了便于描述，本文中可以使用诸如“在...下方”、“在...下面”、“下部”、“在...上面”、“上部”等空间关系术语以描述如图所示的一个元件或部件与另一元件或部件的关系。除了图中示出的的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。装置可以以其他方式定位(旋转90度或在其他方位)，并且在本文中使用的空间关系描述符可以同样地作相应地解释。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
图1是本发明实施例提供的高光谱图像传感器的单片集成方法流程示意图。如图1所示，该制备方法包括以下步骤：
S101：在CMOS图像传感器晶圆的感光区域表面上形成底反射层；
图2A为本制程对应的结构剖面示意图。如图2A所示，在CMOS图像传感器的晶圆102感光区域表面上形成底反射层103。该底反射层103为待形成的法布里 -珀罗干涉仪(Fabry-Pérot interometers)的底反射层。该底反射层103具有很高的反射率。
S102：采用多次沉积薄膜工艺和多次光刻、刻蚀工艺的方法在所述底反射层上形成透明空腔层，其中，所述透明空腔层由N个台阶结构组成，N≥1，且N 为正整数；
该制程对应的结构剖面示意图如图2A至图2H所示。作为示例，形成的透明空腔层由8个台阶结构组成。实际上，在本发明实施例中，形成的透明空腔层不限于8个台阶结构，其可以由N个台阶结构组成，其中，N≥1，且N为正整数。
如图2A所示，沉积透明空腔层的第一个台阶结构104，并进行一个台阶的光刻和刻蚀。
根据本发明的一个实施例，在底反射层整个表面上沉积材料层，可以采用SiO2作为透明空腔层的材料。其中，具体沉积工艺条件为：沉积温度为400℃，压力：5.5Torr，气体流量SiH4：50sccm，N2O：3900sccm；高频RF：150W，低频RF：80W。特别地，沉积薄膜的厚度由实际设计的台阶高度来决定，也就是说，可以由沉积薄膜的厚度决定透明空腔层的第一个台阶结构104的高度。
随后，对材料层进行光刻工艺形成图案化的材料层，对材料层进行刻蚀，去除部分材料层，暴露出底反射层，底反射层上方保留下来的材料层构成第一个台阶结构104；具体地，刻蚀工艺条件为：温度:室温，压力：65mTorr；气体流量CO：75sccm；Ar：150sccm；O2：5sccm；C4F6：7sccm；27MHz RF Power： 1600W；2MHz RF Power：1300W。特别地，刻蚀时间根据实际设计要求决定。
如图2B所示，沉积透明空腔层的第二个台阶结构105，并进行第二个台阶结构105的光刻和刻蚀，同步形成两个台阶。
根据本发明的一实施例，在暴露的底反射层103上方以及第一个台阶结构104的表面上方形成材料层；第一个台阶结构104与第一个台阶结构104表面上方形成的材料层构成新的第一个台阶结构104，底反射层上方形成的材料层的厚度决定第二个台阶结构105的高度，对材料层进行光刻、刻蚀，去除底反射层上方的部分材料层，暴露出所述底反射层，底反射层上方保留下来的材料层构成第二个台阶结构105，同步形成两个台阶。其中，薄膜沉积工艺参数、光刻、刻蚀参数同上。
如图2C所示，沉积透明空腔层的第三个台阶结构106，并进行第三个台阶结构106的光刻和刻蚀，同步形成三个台阶。
根据本发明的一实施例，在暴露的底反射层103上方以及第一个台阶结构104和第二个台阶结构105的表面上方形成材料层；第一个台阶结构104与第一个台阶结构104表面上方形成的材料层的厚度构成新的第一个台阶高度104，第二个台阶结构105与第二个台阶结构105表面上方形成的材料层构成新的第二个台阶结构105，底反射层上方形成的材料层的厚度决定第三个台阶结构106高度，对材料层进行光刻、刻蚀，去除底反射层上方的部分材料层，暴露出所述底反射层，底反射层上方保留下来的材料层构成第三个台阶结构106，同步形成三个台阶。其中，薄膜沉积工艺参数、光刻、刻蚀参数同上。
如图2D所示，沉积透明空腔层的第四个台阶结构107，并进行第四个台阶结构107的光刻和刻蚀，同步形成四个台阶。
根据本发明的一实施例，在暴露的底反射层103上方以及第一个台阶结构104、第二个台阶结构105和第三个台阶结构106的表面上方形成材料层；第一个台阶结构104与第一个台阶结构104表面上方形成的材料层构成新的第一个台阶结构104，第二个台阶结构105与第二个台阶结构105表面上方形成的材料层构成新的第二个台阶结构105，第三个台阶结构106与第三个台阶结构表面上方形成的材料层构成新的第三个台阶结构106，对材料层进行光刻、刻蚀，去除底反射层上方的部分材料层，暴露出所述底反射层，底反射层上方保留下来的材料层构成第四个台阶结构107，同步形成四个台阶。其中，第一个台阶结构104的高度由前三个材料层的厚度决定，其中，薄膜沉积工艺参数、光刻、刻蚀参数同上。
如图2E所示，沉积透明空腔层的第五个台阶机构108，并进行第五个台阶结构108的光刻和刻蚀，同步形成五个台阶。
根据本发明的一实施例，在暴露的底反射层上方以及第一个台阶结构104、第二个台阶结构105、第三个台阶结构106和第四个台阶结构107的表面上方形成材料层；第一个台阶结构104与第一个台阶结构104表面上方形成的材料层构成新的第一个台阶结构104，第二个台阶结构105与第二个台阶结构105表面上方形成的材料层构成新的第二个台阶结构105，第三个台阶结构106与第三个台阶结构106表面上方形成的材料层构成新的第三个台阶结构106，第四个台阶结构107与第四个台阶结构107表面上方形成的材料层构成新的第四个台阶结构 107，对材料层进行光刻、刻蚀，去除底反射层上方的部分材料层，暴露出所述底反射层，底反射层上方保留下来的材料层构成第五个台阶结构108，同步形成五个台阶。其中，第一个台阶结构104的高度由前四个材料层的厚度决定，薄膜沉积工艺参数、光刻、刻蚀参数同上。
如图2F所示，沉积透明空腔层的第六个台阶结构109，并进行第六个台阶结构109的光刻和刻蚀，同步形成六个台阶。
根据本发明的一实施例，在暴露的底反射层上方以及第一个台阶结构、第二个台阶结构、第三个台阶结构、第四个台阶结构和第五个台阶结构的表面上方形成材料层；第一个台阶结构104与第一个台阶结构104表面上方形成的材料层构成新的第一个台阶结构104，第二个台阶结构105与第二个台阶结构105表面上方形成的材料层构成新的第二个台阶结构105，第三个台阶结构106与第三个台阶结构106表面上方形成的材料层构成新的第三个台阶结构106，第四个台阶结构107与第四个台阶结构107表面上方形成的材料层构成新的第四个台阶结构107，第五个台阶结构108与第五个台阶结构108表面上方形成的材料层构成新的第五个台阶结构108；对材料层进行光刻、刻蚀，去除底反射层上方的部分材料层，暴露出所述底反射层，底反射层上方保留下来的材料层构成第六个台阶结构109，同步形成六个台阶。其中，第一个台阶结构104的高度由前五个材料层的厚度决定，薄膜沉积工艺参数、光刻、刻蚀参数同上。
如图2G所示，沉积透明空腔层的第七个台阶结构110，并进行第七个台阶结构110的光刻和刻蚀，同步形成七个台阶。
根据本发明的一实施例，在暴露的底反射层上方以及第一个台阶结构、第二个台阶结构、第三个台阶结构、第四个台阶结构、第五个台阶结构和第六个台阶结构的表面上方形成材料层；第一个台阶结构104与第一个台阶结构104 表面上方形成的材料层构成新的第一个台阶结构104，第二个台阶结构105与第二个台阶结构105表面上方形成的材料层构成新的第二个台阶结构105，第三个台阶结构106与第三个台阶结构106表面上方形成的材料层构成新的第三个台阶结构106，第四个台阶结构107与第四个台阶结构107表面上方形成的材料层构成新的第四个台阶结构107，第五个台阶结构108与第五个台阶结构108表面上方形成的材料层构成新的第五个台阶结构108，第六个台阶结构109与第六个台阶结构109表面上方形成的材料层构成新的第六个台阶结构109；对材料层进行光刻、刻蚀，去除底反射层上方的部分材料层，暴露出所述底反射层，底反射层上方保留下来的材料层构成第七个台阶结构110，同步形成七个台阶。其中，第一个台阶结构104的高度由前六个材料层的厚度决定，薄膜沉积工艺参数、光刻、刻蚀参数同上。
如图2H所示，沉积透明空腔层的第八个台阶结构111，并进行第八个台阶结构111的光刻和刻蚀，同步形成八个台阶。
根据本发明的一实施例，在暴露的底反射层上方以及第一个台阶结构、第二个台阶结构、第三个台阶结构、第四个台阶结构、第五个台阶结构、第六个台阶结构和第七个台阶结构的表面上方形成材料层；第一个台阶结构104与第一个台阶结构104表面上方形成的材料层构成新的第一个台阶结构104，第二个台阶结构105与第二个台阶结构105表面上方形成的材料层构成新的第二个台阶结构105，第三个台阶结构106与第三个台阶结构106表面上方形成的材料层构成新的第三个台阶结构106，第四个台阶结构107与第四个台阶结构107表面上方形成的材料层构成新的第四个台阶结构107，第五个台阶结构108与第五个台阶结构108表面上方形成的材料层构成新的第五个台阶结构108，第六个台阶结构 109与第六个台阶结构109表面上方形成的材料层构成新的第六个台阶结构109，第七个台阶结构110与第七个台阶结构110表面上方形成的材料层构成新的第七个台阶结构110；对材料层进行光刻、刻蚀，去除底反射层上方的部分材料层，暴露出所述底反射层，底反射层上方保留下来的材料层构成第八个台阶结构111，同步形成八个台阶。其中，第一个台阶结构104的高度由前七个材料层的厚度决定。其中，薄膜沉积工艺参数、光刻、刻蚀参数同上。
在本发明实施例中，透明空腔层是光能够在两高反射率反射层之间实现反射的空间。在该透明空腔层中，每个台阶结构对应一个波长范围的光谱带，因此，通过该台阶结构能够将一个包含多个波长的光谱分解为多个波长的光谱带，从而实现数据的精确分谱段分析。
需要说明的是，上述步骤S102的具体实施方式是制备具有单轴方向上的一维台阶结构的透明空腔层的具体实施方式示例。
类似的一维的制备方式可以延伸，如增加另一个维度并且做几个重复区域的话，即可以形成马赛克型多重不同高度和重复该结构的空腔层，可以应用到快照式高光谱图像传感器并大大提高其性能，如分辨率等。图3示出了根据本发明实施例的多重不同高度的马赛克型的透明空腔层对应的立体结构示意图。
S103：在所述透明空腔层上形成顶反射层；
该制程对应的结构剖面示意图如图2I所示，在透明空腔层上形成顶反射层112。
本发明提供的高光谱图像传感器的单片集成方法，利用控制薄膜沉积工艺条件，控制透明空腔层各个台阶的厚度，优化了现有技术采用刻蚀工艺导致的不均匀性累积的问题。类似的一维的制备方式可以延伸，如增加另一个维度并且做几个重复区域的话，即可以形成马赛克型多重不同高度和重复该结构的空腔层，可以应用到快照式高光谱图像传感器并大大提高其性能，如分辨率等。
以上论述了若干实施例的部件，使得本领域的技术人员可以更好地理解本发明的各个方面。本领域技术人员应该理解，可以很容易地使用本发明作为基础来设计或更改其他的处理和结构以用于达到与本发明所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优点。本领域技术人员也应该意识到，这种等同构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，本文中他们可以做出多种变化、替代以及改变。
Claims (10)
1.一种高光谱图像传感器的单片集成方法，其特征在于，所述方法包括：
在CMOS图像传感器晶圆的感光区域表面上形成底反射层；
采用多次薄膜沉积工艺和多次光刻、刻蚀工艺的方法在所述底反射层上形成透明空腔层，其中，所述透明空腔层由N个台阶结构组成，N≥1，且N为正整数；
在所述透明空腔层上形成顶反射层。
2.根据权利要求1所述的高光谱图像传感器的单片集成方法，其特征在于，所述采用多次薄膜沉积工艺和多次光刻、刻蚀工艺的方法在所述底反射层上形成透明空腔层，具体包括：
通过N次薄膜沉积工艺和N次光刻、刻蚀工艺在所述底反射层上形成N个台阶结构，所述N个台阶结构组成所述透明空腔层。
3.根据权利要求2所述的高光谱图像传感器的单片集成方法，其特征在于，所述通过N次薄膜沉积工艺和N次光刻、刻蚀工艺在所述底反射层上形成N个台阶结构，具体包括：第1次薄膜沉积工艺和第1次光刻、刻蚀工艺，第2次薄膜沉积工艺和第2次光刻，刻蚀工艺，……，以及第i次薄膜沉积工艺和第i次光刻、刻蚀工艺；其中，i∈｛1，N｝，且i为整数；
所述第1次薄膜沉积工艺和第1次光刻、刻蚀工艺包括：
在所述底反射层整个表面上沉积第一层材料层；
对所述第一层材料层进行光刻、刻蚀，去除部分所述第一层材料层，暴露出所述底反射层，所述底反射层上方保留下来的所述第一层材料层构成第一个台阶结构；
所述第2次薄膜沉积工艺和第2次光刻、刻蚀工艺包括：
在暴露的所述底反射层上方以及所述第一个台阶结构的表面上方形成第二层材料层；
对所述第二层材料层进行光刻、刻蚀，去除所述底反射层上方的部分所述第二层材料层，暴露出所述底反射层，所述底反射层上方保留下来的所述第二层材料层构成第二个台阶结构，同步形成两个台阶；
……
所述第i次薄膜沉积工艺第i次光刻、刻蚀工艺包括：
在暴露的所述底反射层上方以及第一个台阶结构，以及第i-1个台阶结构的表面上方形成第i层材料层；
对所述第i层材料层进行光刻、刻蚀，去除所述底反射层上方的部分所述第i层材料层，暴露出所述底反射层，所述底反射层上方保留下来的所述第i层材料层构成第i个台阶结构，同步形成i个台阶；
其中，第i个台阶的高度由所述第一层材料层至所述第i层材料层的厚度所决定。
4.根据权利要求1所述的高光谱图像传感器的单片集成方法，其特征在于，刻蚀所述沉积薄膜工艺形成的薄膜所需的时间根据实际设计需求所决定。
5.根据权利要求1~3任一项所述的高光谱图像传感器的单片集成方法，其特征在于，组成所述透明空腔层的材料是以SiO2作为所述薄膜沉积工艺形成的薄膜材料。
6.根据权利要求1~3任一项所述的高光谱图像传感器的单片集成方法，其特征在于，使用SiH4气体和N2O气体作为沉积用气体进行薄膜沉积工艺。
7.根据权利要求6任一项所述的高光谱图像传感器的单片集成方法，其特征在于，所述气体流量为50sccm的SiH4和3900 sccm的N2O。
8.根据权利要求6所述的高光谱图像传感器的单片集成方法，其特征在于，薄膜沉积工艺的膜层厚度根据设定要求定。
9.根据权利要求1~5所述的高光谱图像传感器的单片集成方法，其特征在于，所述刻蚀所述薄膜沉积工艺形成的薄膜材料所用的气体包括CO、Ar、O2、C4F6。
10.根据权利要求8所述的高光谱图像传感器的单片集成方法，其特征在于，所述刻蚀气体流量分别为75sccm的CO、150sccm的Ar、5sccm的O2以及7sccm的C4F6。
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