CN113725245A - Cis芯片的像元结构、微透镜阵列、图像传感器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种CIS芯片的像元结构、微透镜阵列、图像传感器及制作方法，该像元结构包括：半导体基底，该半导体基底具有光敏元件，平坦层，位于该半导体基底上方。第一微透镜，为凸透镜，第一微透镜的上表面为凸面，第一微透镜的下表面位于平坦层的正上方。彩色滤光层，位于第一微透镜的上表面，彩色滤光层的上表面和下表面均为凸面。第二微透镜，为凸透镜，该第二微透镜位于彩色滤光层的上表面，第二微透镜的上表面和下表面均为凸面。本发明通过将第一微透镜的上表面设置为凸面，彩色滤光层和第二微透镜的上表面和下表面均设置为凸面，从而将像元结构接收到的光线全折射到光敏元件中，提高了成像的质量。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器技术领域，尤其涉及一种CIS芯片的像元结构、微透镜阵列、图像传感器及制作方法。
背景技术
随着半导体制作技术的提高，互补式金属氧化物半导体(complementary metaloxide semiconductor，CMOS)图像传感器(image sensor)(简称CIS)芯片应用的领域不断丰富，同时也对CIS芯片的分辨率提出了更多的挑战。
图1为传统的CIS芯片像元结构的剖视图，该像元结构包括单层微透镜(micro-lens，ML)104、彩色滤光层103、平坦层102和半导体基底100，可见通过单层微透镜104折射光线时，只有中间部分的光线穿过彩色滤光层103和平坦层102传输至半导体基底100上的光敏元件101中。其中，单层微透镜104的两侧的光线不能折射至光敏元件中，导致光信号的丢失。
为了满足高成像分辨率的需求，CIS芯片中像元结构数量不断增加，导致像元结构的尺寸不断缩小，从而使得像元结构内有效的感光面积减小，光电二极管(photodiode，PD)接收到的光变少，使CIS芯片的光学效率降低，进而引起CIS芯片灵敏度和成像质量的下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种CIS芯片的像元结构、微透镜阵列、图像传感器及制作方法，增加了光敏元件接收的光信号，提高了成像质量。
为实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供了一种CIS芯片的像元结构，该像元结构包括：
半导体基底，该半导体基底具有光敏元件，平坦层，位于该半导体基底上方。第一微透镜，为凸透镜，第一微透镜的上表面为凸面，第一微透镜的下表面位于平坦层的正上方。彩色滤光层，位于第一微透镜的上表面，彩色滤光层的上表面和下表面均为凸面。第二微透镜，为凸透镜，该第二微透镜位于彩色滤光层的上表面，第二微透镜的上表面和下表面均为凸面。
本发明实施例CIS芯片的像元结构的有益效果在于：通过将第一微透镜的上表面设置为凸面，彩色滤光层和第二微透镜的上表面和下表面均设置为凸面，从而将像元结构接收到的光线全折射到光敏元件中，从而提高了成像的质量。
在一种可能的实现中，彩色滤光层的下表面与第一微透镜的上表面的面积相等，第二微透镜的下表面与彩色滤光层的上表面的面积相等。其有益效果在于：使像元结构的形状结构更加合理紧凑，避免了相邻的像元结构之间可能存在的间隙。
在一种可能的实现中，第一微透镜、彩色滤光层和第二微透镜对应光敏元件设置，且彩色滤光层与第二微透镜形状相同。其有益效果在于：从而使光线经过第二微透镜、彩色滤光层和第一微透镜全部折射至光敏元件中，增加了光敏元件接收的光信号。
第二方面，本发明实施例提供一种微透镜阵列，包括：上述的像元结构，其中，第一微透镜、彩色滤光层和第二微透镜形成叠层结构，若干叠层结构阵列设置覆盖平坦层。
本发明实施例微透镜阵列的有益效果在于：第一微透镜、彩色滤光层和第二微透镜形成叠层结构，通过多个叠层结构阵列设置覆盖平坦层，可以理解的是，多个叠层结构对应半导体基底上的多个光敏元件，从而增加了微透镜阵列中光敏元件接收的光信号。
在一种可能的实现中，所述第一微透镜、所述彩色滤光层和所述第二微透镜的侧面均为平面，相邻的所述叠层结构侧面抵接。其有益效果在于：通过将第一微透镜、彩色滤光层和第二微透镜的侧面均设置为平面，从而使得相邻的叠层结构侧面抵接，避免了阵列设置的叠层结构之间出现间隙，实现了将微透镜阵列上的光信号全部折射至光敏元件中。
第三方面，本发明实施例提供一种图像传感器，包括上述的微透镜阵列，该微透镜阵列集成于图像传感器。
本发明实施例图像传感器的有益效果在于：通过采用上述的微透镜阵列，有效提高了图像传感器的光学效率，提高了图像传感器的成像质量，同时提高了图像传感器的灵敏度。
第四方面，本发明实施例提供一种CIS芯片的像元结构制造方法，包括：
提供半导体基底，该半导体基底具有光敏元件；在半导体基底上涂布平坦层材料，形成平坦层，在平坦层的正上方形成第一微透镜，第一微透镜为凸透镜，第一微透镜的上表面为凸面，第一微透镜的下表面位于平坦层的正上方，在第一微透镜的上表面形成彩色滤光层，彩色滤光层的上表面和下表面均为凸面，在彩色滤光层的上表面形成第二微透镜，第二微透镜为凸透镜，且第二微透镜的上表面和下表面均为凸面。
本发明实施例一种CIS芯片的像元结构制造方法有益效果在于：通过依次设置具有凸面的第一微透镜、彩色滤光层和第二微透镜，从而使光信号通过具有凸面的第二微透镜、彩色滤光层和第一微透镜全部折射至光敏元件中，大大提高了光敏元件接收到更多的光信号。
在一种可能的实现中，所述提供半导体基底之后包括：烘烤半导体基底，在所述半导体基底的表面旋涂活性剂。其有益效果在于：烘烤半导体基底从而除去了半导体基底上的水分，再半导体基底的表面旋涂活性剂，从而可增加光刻胶与半导体基底间表面附着力。
在一种可能的实现中，在平坦层的正上方形成第一微透镜，第一微透镜为凸透镜，包括：在平坦层的正上方涂布微透镜材料，然后进行光刻、显影和回流处理，形成第一微透镜。在第一微透镜的上表面形成彩色滤光层，包括：采用物理气相沉积方式在第一微透镜的上表面形成彩色滤光层。在彩色滤光层的上表面形成第二微透镜，包括：采用物理气相沉积方式在所述彩色滤光层上表面淀积形成第二微透镜。
在一种可能的实现中，第一微透镜、彩色滤光层和第二微透镜对应光敏元件设置，且彩色滤光层与第二微透镜形状相同。其有益效果在于：使光敏元件可接收较多的光信号。
附图说明
图1为传统的CIS芯片像元结构的剖视图；
图2为本发明实施例中CIS芯片的像元结构的剖视图；
图3为本发明实施例中微透镜阵列结构的剖视图；
图4为本发明实施例中CIS芯片的像元结构制造方法的流程示意图；
图5A为本发明实施例中CIS芯片的像元结构制造方法在半导体基底上形成平坦层后的结构示意图；
图5B为本发明实施例中CIS芯片的像元结构制造方法在平坦层上形成第一微透镜后的结构示意图；
图5C为本发明实施例中CIS芯片的像元结构制造方法在第一微透镜上形成彩色滤光层后的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
本发明的实施例提供了一种CIS芯片的像元结构，参考图2所示，该像元结构包括：半导体基底200、平坦层202、第一微透镜203、彩色滤光层204和第二微透镜205。其中，半导体基底200具有光敏元件201。平坦层202，位于该半导体基底200上方，第一微透镜203为凸透镜，且第一微透镜203的上表面为凸面，第一微透镜203的下表面位于平坦层202的正上方。彩色滤光层204位于第一微透镜203的上表面，彩色滤光层204的上表面和下表面均为凸面。同样的，第二微透镜205为凸透镜，该第二微透镜205位于彩色滤光层204的上表面，且第二微透镜205的上表面和下表面均为凸面。
本实施例中，通过将第一微透镜203的上表面设置为凸面，彩色滤光层204和第二微透镜205的上表面和下表面均设置为凸面，从而将像元结构接收到的光线全折射到光敏元件201中，提高了光敏元件201对光信号的接收转化率。在本实施例中，光敏元件201为光电二极管。
在一种可能的实施中，彩色滤光层204的下表面与第一微透镜203的上表面的面积相等，且第二微透镜205的下表面与彩色滤光层204的上表面的面积相等，即彩色滤光层204的下表面完全覆盖第一微透镜203的上表面，第二微透镜205的下表面完全覆盖彩色滤光层204的上表面，通过该设计方法使像元结构的形状结构更加完整紧凑。
进一步的，第一微透镜203、彩色滤光层204和第二微透镜205对应光敏元件201设置，从而使光线经过第二微透镜205、彩色滤光层204和第一微透镜203全部折射至光敏元件201中，增加了光敏元件201接收到的光信号。且彩色滤光层204与第二微透镜205形状相同，需要说明的是，在本实施例中，彩色滤光层204与第二微透镜205形状设置相同，但本发明不限于此，在实际生产应用中，彩色滤光层204与第二微透镜205的上下表面之间的厚度可以相同，也可不同。
在本发明公开的另一个实施例中，一种微透镜阵列，参考图3所示，该微透镜阵列包括上述实施例中像元结构，其中，一个第一微透镜303、一个彩色滤光层304和一个第二微透镜305依次叠层设置形成一个叠层结构，微透镜阵列通过多个叠层结构阵列设置覆盖平坦层302的上表面。
该实施例中，多个叠层结构对应半导体基底300上的多个光敏元件301，通过多个叠层结构阵列设置覆盖平坦层302，从而增加了微透镜阵列中光敏元件301接收到的光信号，保证了照射到微透镜上的光线全部折射到光敏元件301上。
在一种可能的实施中，第一微透镜303、彩色滤光层304和第二微透镜305的侧面均为平面，相邻的叠层结构侧面抵接。通过将第一微透镜303、彩色滤光层304和第二微透镜305的侧面均设置为平面，从而使得相邻的叠层结构侧面抵接，避免了阵列设置的叠层结构之间出现间隙，实现了将微透镜阵列上的光信号全部折射至光敏元件中，避免了可能存在的光信号的遗失。
需要说明的是，在本实施例中，彩色滤光层304可以为红色滤光层、蓝色滤光层或绿色滤光层等，且微透镜阵列上具有包括红色滤光层、蓝色滤光层和绿色滤光层的叠层结构，该叠层结构依次排列。
在本发明公开的另一个实施例中，一种图像传感器，包括上述实施例中的微透镜阵列，该微透镜阵列集成于图像传感器中。通过采用上述的微透镜阵列，有效提高了图像传感器的光学效率，提高了图像传感器的成像质量，同时提高了图像传感器的灵敏度。
在本发明公开的另一个实施例中，一种CIS芯片的像元结构制造方法，如图4所示，并结合图3、图5A、图5B和图5C所示的在不同步骤中该制造方法所形成的结构进行阐述，该制作方法包括：
S401：提供半导体基底，该半导体基底具有光敏元件。
该步骤之后还包括，将半导体基底进行烘烤，去除半导体基底表面上的水分，然后在半导体基底的表面旋涂活性剂，接着在该活性剂表面涂布光刻胶，进行光刻处理，使半导体基底的表面能够平整。需要说明的是，通过旋涂活性剂，从而增加光刻胶与半导体基底表面之间的附着力，使光刻处理有效可靠。
S402：在半导体基底上涂布平坦层材料，形成平坦层。
具体的，参考图5A所示，该步骤中，为了进一步保证像元结构的平整稳定，在半导体基底500上涂布平坦层材料，形成平坦层502(Planarization，PL)。
S403：在平坦层的正上方形成第一微透镜(Micro-lens,ML)，第一微透镜为凸透镜，第一微透镜的上表面为凸面，第一微透镜的下表面位于平坦层的正上方。
具体的，参考图5B所示，在该步骤中，采用旋涂方式在平坦层502的正上方旋涂微透镜材料，然后进行软烘烤去除微透镜材料中过多的溶剂，接着进行光刻、显影和回流处理形成光刻胶图形，该光刻胶图形中包括多个开口，在多个开口处进行光刻胶的回流(PRreflow)，回流后的光刻胶图形的各开口处的侧面圆滑并形成为凸形的第一微透镜503。
S404：在第一微透镜的上表面形成彩色滤光层，彩色滤光层的上表面和下表面均为凸面。
具体的，参考图5C所示，该步骤中，采用物理气相沉积方式在第一微透镜503的上表面形成彩色滤光层504。因为第一微透镜503的上表面为凸面，所以彩色滤光层504的下表面的形状与第一微透镜503的上表面的形状相同。然后通过蒸镀、光刻及显影技术在第一微透镜表面形成凸面的彩色滤光层504，其中彩色滤光层504可以为红色滤光层、蓝色滤光层或绿色滤光层等。
S405：在彩色滤光层的上表面形成第二微透镜，第二微透镜为凸透镜，且第二微透镜的上表面和下表面均为凸面。
具体的，参考图3所示，该步骤中采用物理气相沉积方式在彩色滤光层304的上表面生成第二微透镜305，可以理解的是，由于彩色滤光层304的上表面为凸面，从而第二微透镜305的下表面与彩色滤光层的上表面相同，采用制备彩色滤光层的方式制备第二微透镜305的上表面，从而使第二微透镜305为凸透镜。
在本实施例中，通过依次设置具有凸面的第一微透镜、彩色滤光层和第二微透镜，从而使光信号通过具有凸面的第二微透镜、彩色滤光层和第一微透镜全部折射至光敏元件中，使光敏元件接收到更多的光信号。
在一种可能的实施中，为了使光敏元件接收到较多的光信号，第一微透镜、彩色滤光层和第二微透镜对应光敏元件设置，即将第一微透镜、彩色滤光层和第二微透镜的中心点对应至光敏元件的中心点，且第一微透镜、彩色滤光层和第二微透镜依次层叠设置。
以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何在本申请实施例揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种CIS芯片的像元结构，其特征在于，包括：
半导体基底，具有光敏元件；
平坦层，位于所述半导体基底上方；
第一微透镜，为凸透镜，所述第一微透镜的上表面为凸面，所述第一微透镜的下表面位于所述平坦层的正上方；
彩色滤光层，位于所述第一微透镜的上表面，所述彩色滤光层的上表面和下表面均为凸面；
第二微透镜，为凸透镜，所述第二微透镜位于所述彩色滤光层的上表面，所述第二微透镜的上表面和下表面均为凸面。
2.根据权利要求1所述的像元结构，其特征在于：
所述彩色滤光层的下表面与所述第一微透镜的上表面的面积相等，所述第二微透镜的下表面与所述彩色滤光层的上表面的面积相等。
3.根据权利要求2所述的像元结构，其特征在于：
所述第一微透镜、所述彩色滤光层和所述第二微透镜对应所述光敏元件设置，且所述彩色滤光层与所述第二微透镜形状相同。
4.一种微透镜阵列，其特征在于，包括权利要求1至3任一项所述的像元结构；其中，
所述第一微透镜、所述彩色滤光层和所述第二微透镜形成叠层结构，若干所述叠层结构阵列设置覆盖所述平坦层。
5.根据权利要求4所述的微透镜阵列，其特征在于：
所述第一微透镜、所述彩色滤光层和所述第二微透镜的侧面均为平面，相邻的所述叠层结构侧面抵接。
6.一种图像传感器，其特征在于，包括：上述权利要求4或5所述的微透镜阵列，所述微透镜阵列集成于所述图像传感器。
7.一种CIS芯片的像元结构制造方法，其特征在于，包括：
提供半导体基底，所述半导体基底具有光敏元件；
在所述半导体基底上涂布平坦层材料，形成平坦层；
在所述平坦层的正上方形成第一微透镜，所述第一微透镜为凸透镜，所述第一微透镜的上表面为凸面，所述第一微透镜的下表面位于所述平坦层的正上方；
在所述第一微透镜的上表面形成彩色滤光层，所述彩色滤光层的上表面和下表面均为凸面；
在所述彩色滤光层的上表面形成第二微透镜，所述第二微透镜为凸透镜，且所述第二微透镜的上表面和下表面均为凸面。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述提供半导体基底之后包括：烘烤所述半导体基底；
在所述半导体基底的表面旋涂活性剂。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述平坦层的正上方形成第一微透镜，所述第一微透镜为凸透镜，包括：
在所述平坦层的正上方涂布微透镜材料，进行光刻、显影和回流处理，形成第一微透镜；
在所述第一微透镜的上表面形成彩色滤光层，包括：
采用物理气相沉积方式在所述第一微透镜的上表面形成彩色滤光层；
在所述彩色滤光层的上表面形成第二微透镜，包括：
采用物理气相沉积方式在所述彩色滤光层上表面淀积形成第二微透镜。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一微透镜、所述彩色滤光层和所述第二微透镜对应所述光敏元件设置，且所述彩色滤光层与所述第二微透镜形状相同。
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