CN111048542B - 一种内透镜的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内透镜的制作方法，包括以下步骤：在衬底上形成牺牲层和光刻胶图形，采用各向异性刻蚀牺牲层形成第一个凹槽；采用各向同性刻蚀在第一个凹槽下方形成宽度大于第一个凹槽的第二个凹槽；重复前述步骤，在牺牲层中形成多个凹槽，使其中偶数位上的各凹槽的宽度依次递增，形成空腔；采用各向同性刻蚀，对空腔的侧壁进行修剪，形成具有台阶状侧壁的空腔；在空腔中填充底层内透镜材料，然后去除牺牲层，形成具有台阶状表面形貌的底层内透镜材料层；在底层内透镜材料层上覆盖形成顶层内透镜材料层，形成内透镜结构。本发明工艺窗口较大，可采用常规半导体工艺方法实现，易于开发和管控。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造工艺技术领域，特别是涉及一种CMOS图像传感器内透镜的制作方法。
背景技术
CMOS图像传感器(CIS)，是一种典型的固体成像传感器，其由像素单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑电路、AD转换器、数据总线输出接口以及控制接口等几部分组成。由于其制作工艺相较于电荷耦合器件(CCD)传感器简单，且能与集成电路制造很好地结合，并且还可以集成其他数字电路，成本低，设计简单，集成度高以及功耗低等多种优势，在安防监控，车载，光谱观察等方面得到越来越广泛的应用，同时也越来越受到市场的欢迎。
CMOS图像传感器是通过光电二极管把光信号转换为电信号，最后通过运算处理，还原为图像的。图像传感器的分辨率与芯片上像元的数量有关，像元数目越多，分辨率越高。在完成像元和外围电路等的制作后，在像元区会继续进行微透镜和颜色滤光片的制作。其中，微透镜主要是用于将传感器接收到的光聚集，以便于其进一步到达光电二极管内。
随着芯片尺寸小型化的要求越来越多，而同时像元数量增多的需求也不断增加，像元尺寸在不断减小。而像元尺寸的减小，会大大影响器件的灵敏度。因此有效地把光聚集在像元内部就显得十分重要。
内透镜是指在完成芯片金属连线之后，在进行微透镜制作之前，在像元上方通过集成电路制作工艺形成的另一种内部微透镜，该内透镜位于微透镜下方，能够将入射光更好地聚集在像元中。
目前，业界中只有少数芯片能够采用具有内透镜的设计方案。这是因为，在半导体制作过程中，要形成一种半圆弧的结构是非常困难的。
请参考图1并结合参考图2-图6，图1是现有的一种常规内透镜制作方法工艺流程图，图2-图6是根据图1的方法制作内透镜时的工艺结构示意图。如图1所示，常规内透镜制作方法工艺流程包括以下步骤：
(1)在完成金属互连后的硅片10的表面上淀积一层氮化硅11，如图2所示；
(2)进行光刻胶12涂布，曝光和显影，形成刻蚀开口，如图3所示；
(3)通过光刻胶回流工艺，形成弧形光刻胶12形貌，如图4所示；
(4)通过干法刻蚀，将光刻胶12的弧形形貌传递到氮化硅11上，如图5所示；
(5)去胶清洗；
(6)进行顶层氮化硅13淀积，形成圆弧形内透镜13和11形貌，如图6所示。
上述现有的内透镜制作方法，需要采用特殊的光刻胶，并在该光刻胶涂布后，通过回流等处理，形成半圆弧的形貌结构，再通过干法刻蚀工艺，将该形貌传递到下层薄膜上，形成内透镜。但是，由于该工艺的工艺窗口较小，使得光刻胶回流后的形貌均一性以及稳定性都比较难控制，因此该工艺目前并未得到大规模量产。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种内透镜的制作方法，以增加对入射光的聚集效果。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种内透镜的制作方法，包括以下步骤：
步骤S01：提供一衬底，在所述衬底上形成牺牲层；
步骤S02：在所述牺牲层上形成光刻胶图形；
步骤S03：以所述光刻胶图形为掩模，并采用各向异性刻蚀，去除部分所述牺牲层，形成第一个凹槽；
步骤S04：采用各向同性刻蚀，沿所述第一个凹槽向下继续去除部分所述牺牲层，在所述第一个凹槽下方形成宽度大于所述第一个凹槽的第二个凹槽；
步骤S05：重复步骤S03至步骤S04，在所述牺牲层中向下形成多个凹槽，并使其中偶数位上的各所述凹槽的宽度依次递增，直至刻穿所述牺牲层，形成空腔；
步骤S06：去除剩余的所述光刻胶图形，并清洗；
步骤S07：采用各向同性刻蚀，对所述空腔的侧壁进行修剪，使所述偶数位上的凹槽的边界之间依次相连，形成具有台阶状侧壁的所述空腔；
步骤S08：在所述空腔中填充底层内透镜材料，然后去除所述牺牲层，形成具有台阶状表面形貌的底层内透镜材料层；
步骤S09：在所述底层内透镜材料层上覆盖形成顶层内透镜材料层，形成内透镜结构。
进一步地，步骤S04中，利用步骤S03中各向异性刻蚀产生的刻蚀残留聚合物贴附于所述第一个凹槽侧壁上，形成对所述第一个凹槽侧壁的保护。
进一步地，所述各向异性刻蚀为干法刻蚀，所述各向同性刻蚀为湿法刻蚀。
进一步地，步骤S05中，重复步骤S03至步骤S04的次数至少为三次，且每次重复步骤S04时各向同性刻蚀的纵向刻蚀厚度递增，以使形成的偶数位上的各所述凹槽的宽度依次递增。
进一步地，每次重复步骤S04时各向同性刻蚀的纵向刻蚀厚度为上一次各向同性刻蚀时纵向刻蚀厚度的1.3～2倍。
进一步地，所述牺牲层材料与所述底层内透镜材料不同。
进一步地，所述牺牲层材料与所述底层内透镜材料之间的刻蚀选择比大于10:1。
进一步地，所述底层内透镜材料和顶层内透镜材料为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅或碳化硅。
进一步地，步骤S02中，所述光刻胶图形的厚度为10000～50000埃。
进一步地，步骤S09中，采用保形性的气体压力条件，淀积形成顶层内透镜材料层，形成圆弧形的所述内透镜。
本发明的优点是工艺窗口较大，并且采用的是常规的半导体工艺方法，在常规半导体制过程中即可实现，易于开发和管控。
附图说明
图1是现有的一种常规内透镜制作方法工艺流程图。
图2-图6是根据图1的方法制作内透镜时的工艺结构示意图。
图7是本发明一种内透镜的制作方法工艺流程图。
图8-图22是本发明一较佳实施例的根据图7的方法制作内透镜时的工艺结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请参考图7，图7是本发明一种内透镜的制作方法工艺流程图；同时，请参考图8-图22，图8-图22是本发明一较佳实施例的根据图7的方法制作内透镜时的工艺结构示意图。如图7所示，本发明的一种内透镜的制作方法，包括以下步骤：
步骤S01：提供一衬底，在所述衬底上形成牺牲层。
请参考图8。衬底20可采用例如完成CMOS图像传感器像元、器件以及后道金属连线制作后的硅片衬底20，但不限于此。然后，在形成平坦化后的金属铜互连结构的衬底20表面上淀积形成一层牺牲层21。牺牲层21材料要求与后续淀积的底层内透镜材料不同，并具有较大的刻蚀选择比。例如，牺牲层21可选择氧化硅或氮化硅等。牺牲层材料厚度可为5000～15000埃。
步骤S02：在牺牲层上形成光刻胶图形。
请参考图9。在牺牲层21表面上进行光刻胶涂布、曝光和显影，在像元区形成光刻胶图形22的开口位置。
光刻胶图形22的总厚度可控制在10000～50000埃。光刻胶厚度与像元尺寸有关，像元尺寸越大，光刻胶涂布就越厚。
步骤S03：以光刻胶图形为掩模，并采用各向异性刻蚀，去除部分牺牲层，形成第一个凹槽。
请参考图10。可采用各向异性的干法等离子体刻蚀，向下纵向刻蚀牺牲层21，在光刻胶图形22开口之间的牺牲层21表面上形成第一个凹槽211。
本步骤中，进行干法等离子体刻蚀时，选用形成刻蚀残留聚合物较多的条件，从而使得刻蚀残留聚合物贴附于第一个凹槽211的侧壁2111上，在后续进行湿法刻蚀时，可利用刻蚀残留聚合物形成对第一个凹槽211的侧壁2111的保护。
以氮化硅为内透镜材料、氧化硅为牺牲层为例，干法刻蚀主刻蚀气体可采用CHF3/C4F8/CO组合，压力为5～15Pa，反应气体流量15～50sccm，功率200～500W。
步骤S04：采用各向同性刻蚀，沿第一个凹槽向下继续去除部分牺牲层，在第一个凹槽下方形成宽度大于第一个凹槽的第二个凹槽。
请参考图11。可采用各向同性的湿法刻蚀，通过第一个凹槽211的开口向下继续刻蚀牺牲层21。由于湿法刻蚀具有各向同性的特征，被湿法刻蚀掉的牺牲层21，其侧向方向也被腐蚀，从而在第一个凹槽211下方形成宽度大于第一个凹槽211的第二个凹槽212。而第一个凹槽211的侧壁2111上由于被刻蚀残留聚合物保护，因而第一个凹槽211的侧壁2111不会受湿法刻蚀影响而得到保留。
以氮化硅为内透镜材料、氧化硅为牺牲层为例，湿法刻蚀采用DHF为刻蚀药液，HF:H20＝1:10～1:300。
步骤S05：重复步骤S03至步骤S04，在牺牲层中向下形成多个凹槽，并使其中偶数位上的各凹槽的宽度依次递增，直至刻穿牺牲层，形成空腔。
请参考图12-图16。重复上述干法刻蚀和湿法刻蚀，即以谐振方式进行循环刻蚀，在第二个凹槽212下方形成宽度与第一个凹槽211相当的第三个凹槽213，在第三个凹槽213下方形成宽度大于第二个凹槽212的第四个凹槽214，以此类推，直至将牺牲层21刻穿，从而在牺牲层21中形成空腔215。此时，在空腔215的侧面上形成了长短不一的叉指状侧枝216。侧枝216位于每两个相邻的第偶数个凹槽(例如第二个凹槽212与第四个凹槽214等)之间，即侧枝216由用于形成第奇数个凹槽(例如第一个凹槽211和第三个凹槽213等)的牺牲层21材料所形成。其中，每一个第奇数个凹槽的侧壁(例如第一个凹槽211的侧壁2111，第三个凹槽213的侧壁2131等)上由于被刻蚀残留聚合物保护，因而每一个第奇数个凹槽的宽度(开口)可大致保持一致。
本步骤中，重复步骤S03至步骤S04的次数至少为三次，且每次重复步骤S04时各向同性刻蚀的纵向刻蚀厚度递增，以使形成的第偶数位上的各凹槽的宽度依次递增(例如第四个凹槽214的宽度大于第二个凹槽212的宽度，第四个凹槽214的刻蚀厚度(高度)大于第二个凹槽212的刻蚀厚度(高度))。其中，每次重复步骤S04时，各向同性刻蚀的纵向刻蚀厚度可为上一次各向同性刻蚀时纵向刻蚀厚度的1.3～2倍。
步骤S06：去除剩余的光刻胶图形，并清洗。
请参考图17。在将牺牲层21全部刻穿，形成空腔215后，可采用常规工艺，对具有上述器件结构的衬底进行去胶清洗。
步骤S07：采用各向同性刻蚀，对空腔的侧壁进行修剪，使偶数位上的凹槽的边界之间依次相连，形成具有台阶状侧壁的空腔。
请参考图18。采用各向同性的湿法刻蚀，去除空腔215的侧壁上存在的叉指状侧枝216，这样就使得第偶数位上的凹槽的边界之间依次相连，形成具有台阶状侧壁217的空腔。由于湿法刻蚀是各向同性的，因而突出的各叉指状侧枝216与药液之间的接触面积较大，从而可被修剪到相对平齐，有利于下一步的底层内透镜材料填充。
步骤S08：在空腔中填充底层内透镜材料，然后去除牺牲层，形成具有台阶状表面形貌的底层内透镜材料层。
请参考图19。将底层内透镜材料23填充到空腔215中，相当于底层内透镜材料23镶嵌于牺牲层21中，使底层内透镜材料23表面复制出与空腔的台阶状侧壁217相一致的台阶217’。
请参考图20。随后，可采用干法刻蚀，将牺牲层21表面上多余的底层内透镜材料23刻蚀干净，只保留空腔215中填充的底层内透镜材料23，从而将牺牲层21表面暴露出来。
本步骤中，干法刻蚀可采用无掩膜版全局刻蚀，刻蚀终点为将牺牲层21完全暴露出来，以便于下一步的湿法刻蚀将牺牲层21全部刻蚀干净。
请参考图21。接下来，继续采用湿法刻蚀，将牺牲层21全部去除。此时底层内透镜材料23将具有呈现近圆弧状的表面台阶217’形貌。
用于形成内透镜的薄膜材料(包括底层内透镜材料23和顶层内透镜材料24)，以氮化硅材料为代表，但不限于氮化硅材料，氧化硅、氮氧化硅或碳化硅等半导体制造中常规介质材料，均可以作为该内透镜薄膜材料。
同时，牺牲层材料与底层内透镜材料之间通过材料选择，使其在同一种药液中刻蚀时刻蚀选择比大于10:1。如果内透镜材料选择氮化硅薄膜，则牺牲层21应选择其他膜质的薄膜，且与氮化硅的刻蚀选择比最好大于10:1。
本实施例中，以氮化硅为内透镜薄膜为例，牺牲层21则以氧化硅薄膜为例。此时，上述各步骤中的湿法刻蚀可采用稀释HF(DHF)作为刻蚀药液，稀释比例可为HF:H20＝1:10～1:300，工艺温度可为25℃。
如果牺牲层21采用氮化硅，则可采用H3PO4作为刻蚀药液刻蚀氮化硅牺牲层21，工艺温度可为145～170℃。
步骤S09：在底层内透镜材料层上覆盖形成顶层内透镜材料层，形成内透镜结构。
请参考图22。最后，在具有近圆弧状台阶形貌的底层内透镜材料层23上再淀积一层顶层内透镜材料层24。此时，由于底层内透镜材料层23薄膜为台阶状，因而顶层内透镜材料层24淀积的时候，可以在一定层度上保留底层薄膜的形貌，从而最终形成一个具有比较光滑的圆滑性形貌的内透镜24和23结构。
本步骤中，淀积顶层内透镜材料层24时，可采用保形性适中(台阶覆盖性较好)的气体压力条件，使得顶层内透镜材料层24淀积后，能够消除底层内透镜材料层23表面上台阶217’的棱角，从而形成圆弧形的内透镜24和23形貌及结构。
以氮化硅内透镜材料为例，采用等离子增强化学气相沉积PECVD的方式淀积，氮化硅厚度为5000～15000埃，参与反应的气体为硅烷(SiH4)和氨气(NH3)，腔体温度为350～500度，反应直流功率为350～600W。
以上的仅为本发明的优选实施例，实施例并非用以限制本发明的保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种内透镜的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S01：提供一衬底，在所述衬底上形成牺牲层；
步骤S02：在所述牺牲层上形成光刻胶图形；
步骤S03：以所述光刻胶图形为掩模，并采用各向异性刻蚀，去除部分所述牺牲层，形成第一个凹槽；其中，各向异性刻蚀产生的刻蚀残留聚合物贴附于所述第一个凹槽侧壁上，形成对所述第一个凹槽侧壁的保护；
步骤S04：采用各向同性刻蚀，沿所述第一个凹槽向下继续去除部分所述牺牲层，在所述第一个凹槽下方形成宽度大于所述第一个凹槽的第二个凹槽；
步骤S05：重复步骤S03至步骤S04，在所述牺牲层中向下形成多个凹槽，并使其中偶数位上的各所述凹槽的宽度依次递增，直至刻穿所述牺牲层，形成空腔；
步骤S06：去除剩余的所述光刻胶图形，并清洗；
步骤S07：采用各向同性刻蚀，对所述空腔的侧壁进行修剪，使所述偶数位上的凹槽的边界之间依次相连，形成具有台阶状侧壁的所述空腔；
步骤S08：在所述空腔中填充底层内透镜材料，然后去除所述牺牲层，形成具有台阶状表面形貌的底层内透镜材料层；
步骤S09：在所述底层内透镜材料层上覆盖形成顶层内透镜材料层，形成内透镜结构。
2.根据权利要求1所述的内透镜的制作方法，其特征在于，所述各向异性刻蚀为干法刻蚀，所述各向同性刻蚀为湿法刻蚀。
3.根据权利要求1所述的内透镜的制作方法，其特征在于，步骤S05中，重复步骤S03至步骤S04的次数至少为三次，且每次重复步骤S04时各向同性刻蚀的纵向刻蚀厚度递增。
4.根据权利要求3所述的内透镜的制作方法，其特征在于，每次重复步骤S04时各向同性刻蚀的纵向刻蚀厚度为上一次各向同性刻蚀时纵向刻蚀厚度的1.3～2倍。
5.根据权利要求1所述的内透镜的制作方法，其特征在于，所述牺牲层材料与所述底层内透镜材料不同。
6.根据权利要求5所述的内透镜的制作方法，其特征在于，所述牺牲层材料与所述底层内透镜材料之间的刻蚀选择比大于10:1。
7.根据权利要求1所述的内透镜的制作方法，其特征在于，所述底层内透镜材料和顶层内透镜材料为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅或碳化硅。
8.根据权利要求1所述的内透镜的制作方法，其特征在于，步骤S02中，所述光刻胶图形的厚度为10000～50000埃。
9.根据权利要求1所述的内透镜的制作方法，其特征在于，步骤S09中，采用保形性的气体压力条件，淀积形成顶层内透镜材料层，形成圆弧形的所述内透镜。
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