CN1505164A - 具有滤色器和微型凹透镜组合的图像传感器 - Google Patents
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Abstract
公开了一种具有微型凹透镜结构的图像传感器。此图像传感器含有多个制作在半导体衬底中的像素，每个像素都含有光敏元件。而且，具有第一折射率的基底材料制作在像素上。在光敏元件上的基底材料中制作微透镜腔，此微透镜腔为凹状。最后，将滤色器材料制作至微透镜腔中，此滤色器具有的第二折射率高于第一折射率。
Description
技术领域
本发明涉及到图像传感器，更确切地说是具有短焦距的图像传感器。
背景技术
图像传感器是可用于产生静像或视频图像的电子集成电路。固态图像传感器可为电荷耦合器件(CCD)型，也可为互补金属-氧化物-半导体(CMOS)型。无论在哪种图像传感器中，都是将收集光的像素做在衬底中并排列成二维阵列。现代的图像传感器典型地含有数百万像素以提供高分辨的图像。图像传感器的重要部分是在像素上制作的滤色器和微透镜结构。顾名思义，滤色器的工作是与信号处理相结合来提供彩色的图像。微透镜用于将入射光聚焦至像素上，因而改善每个像素的填充因子(fill factor)。
通常，微透镜是将其材料旋转涂敷在平整层上来制作的。对微透镜材料进行腐蚀，使之成为在每个像素上对中的柱状或其他形状的区域。然后，将微透镜材料加热而回熔成为凸面的半球形微透镜。图1表示现有技术图像传感器101的简化剖面图，在图像传感器101上制作有微透镜。如图1所见，此图像传感器含有制作在衬底中的多个像素，像素具有光探测元件103。光探测元件103可为几种类型之一，例如光二极管、光闸(photogate)、或其他固态光敏元件。制作在每个像素上的是微透镜105。微透镜105将入射光聚焦至光探测元件103上。而且，在光探测元件103和微透镜105之间由参考数字107所代表的区域中，还有各种中间层，典型地可包括滤色层及各种金属导线层。这些元件从图中去掉了，以简化此处的说明，并且不致使本发明模糊不清。
已发现，凸状的微透镜在以后的工艺步骤中有时很可能引起粒子污染。而且，由于用来制作微透镜的特定工艺过程，很难消除微透镜105之间的间隙。一般说来，希望使微透镜之间的间隙减至最小，因为较大的微透镜将引起较高度的光集中。
而且，微型凸透镜与滤色层组合的合并厚度，通常要求微透镜有较长的焦距，这在集成度较高时是不易制作的。
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种图像传感器，包括：制作在半导体衬底中的多个像素，每个像素都含有光敏元件；制作在所述多个像素上的基底材料，所述基底材料具有第一折射率；在所述光敏元件上制作于所述基底材料中的微透镜腔，所述微透镜腔为凹状；以及制作至所述微透镜腔中的滤色器材料，所述滤色器材料具有的第二折射率高于所述第一折射率。
根据本发明的另一方面，提供一种图像传感器像素，包括：制作在半导体衬底中的光敏元件；制作在所述光敏元件上的基底材料，所述基底材料具有第一折射率；在所述光敏元件上制作于所述基底材料中的微透镜腔，所述微透镜腔为凹状；以及制作至所述微透镜腔中的滤色器材料，所述滤色器材料具有的第二折射率高于所述第一折射率。
根据本发明的再一方面，提供一种图像传感器像素的制作方法，包括：在半导体衬底中制作光敏元件；在所述光敏元件上制作基底材料，所述基底材料具有第一折射率；在所述光敏元件上的所述基底材料中制作微透镜腔，所述微透镜腔为凹状；以及将滤色器材料制作至所述微透镜腔中，所述滤色器材料具有的第二折射率高于所述第一折射率。
附图说明
图1为现有技术图像传感器的部分剖面图。
图2为图像传感器的俯视图，表示像素排列成二维阵列，其上制作有微透镜。
图3-9为半导体衬底的剖面图和相应的俯视图，说明本发明装置的制作方法。
图10为按照本发明一种实施方式的装置的等比例图。
具体实施方式
本发明涉及到图像传感器用的微型凹透镜结构，图像传感器为CMOS型或CCD型。在下面的描述中，提供了许多具体细节以彻底了解本发明的实施方式。然而，相关技术领域的熟练人员将会认识到，缺少一个或多个具体细节，或是用其他方法、元件等也可实现本发明。此外，没有详细示出或描述熟知的结构或操作以免模糊了本发明不同实施方式的各个方面。
纵观本说明书，所谓“一种实施方式”或“某种实施方式”意味着，结合此实施方式所描述的特征、结构或特性至少包含在本发明的一种实施方式中。因此，在此说明书中各处出现的词语“在一种实施方式中”或“在某种实施方式中”，不必都认为是同一实施方式。而且，此特征、结构或特性可由任何适当的方式结合在一个或多个实施方式中。
图2表示按照本发明制作的图像传感器201的俯视图。此图像传感器201含有多个像素，典型地排列为二维阵列。在图2所示的实例中，图像传感器表示为像素203的3×3阵列，然而可理解，实际的图像传感器201会有许许多多像素，可设想排列成数千行和/或数千列。而且，虽然图2表示的是像素规则排列成行和列，像素也可排列为任何类型的有序排列。例如，交替列的像素在横向上可以稍有偏移而成棋盘格式的交错排列。
像素203典型地含有光敏元件，例如光二极管或光闸就是两个例子。然而，应可理解，也可使用现在知道的(如光闸)或将来开发的其他类型的光敏元件。而且，像素203也将包含放大和/或读出电路。为了清楚起见，图2中没有示出此电路。在一种实施方式中，像素203可为现有技术中通常所知的有源像素。
制作在每个像素203上面的是微透镜205。微透镜205实际上是凹透镜，这与现有技术的微型凸透镜实质相反。由于微型凹透镜205的性质，在相邻像素的相邻微透镜之间只有很小的间隙或是没有间隙。
此外，与每个像素相关联的还有滤色器207。滤色器207可置于微透镜205与光敏元件之间，也可代之以制作在微透镜205上面。滤色器207典型地由颜料或染料材料制成，这种材料只允许通过窄带的光，例如，红、蓝或绿光。在其他实施方式中，滤色器可为青色、黄色或深红色的。这些只是滤色器207的一些示例色，而本发明的意思是拥有任何颜色的滤色器207。虽然使用颜料或染料材料是滤色器最流行的方案，也可使用其他反射型的滤色器，如反射材料的多层叠层。制作滤色器207的技术是熟知的，这里将不再描述，以免不必要地模糊了对本发明的描述。例如，美国专利6,297,071号、6,362,513号和6,271,900号表明了滤色器的技术现状。
图3-9为半导体衬底的示意剖面图和俯视图，说明了制作本发明结构的一种方法。具体地，图3为沿图2的A-A线截取的剖面图。在半导体衬底301中制作有多个光敏元件303(与图2的像素相连)。图3将光敏元件303表示为光二极管，然而也可使用其他替代和相当的元件。制作光二极管和其他相关电路的详情在现有技术中都已知道，这里不再重复以免模糊了本发明。然而，现有技术的一些实例可参见美国专利5,904,493号和6,320,617号。
按照一种实施方式，在衬底中制作了像素203后，在衬底301上制作光学透明(至少在部分可见光谱中)的基底材料层305。制作基底材料层305可用覆盖淀积工艺，或作为选择，使用旋转涂敷法。在一种实施方式中，此基底材料为环氧树脂或丙烯酸树脂。这些材料是根据其稳定性、易于操作以及合适的折射率来选择的。下面将要看到，基底材料具有较低的折射率是重要的。环氧树脂或丙烯酸树脂材料的折射率在1.4-1.5的范围内。合适材料的一种实例为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚甲基丙烯酸甘油酯(PGMA)。作为选择，基底材料也可为氧化物。
虽然上面给出了具体实例，由任何较低折射率的光学透明材料作为基底材料也是可以理解的。对于用旋转涂敷技术来制作基底材料305的情形，其优点是基底材料305基本上是平整的。基底材料305的上表面尽量平整是所希望的。尽管如此，覆盖淀积如化学汽相沉积也是合适的。
在一种实施方式中基底材料305的厚度为2-2.5μm的量级。然而，也可使用较薄或较厚的层，这取决于不同的设计参数，如希望的微透镜焦距。
仍参见图3，在淀积了基底材料305后，再淀积树脂层307。此树脂层307也称为牺牲层，在一种实施方式中为苯基树脂。再者，由于树脂层307将被用作牺牲层，用作树脂层307的准确材料就有一定的灵活性。
在一种实施方式中，树脂层307需要刻图形。为此，用光致抗蚀剂型材料(如苯基树脂)作为树脂层307是有效的。用这种方法，简单地使用光刻设备和显影工艺就可对树脂层307 “直接刻图形”。
接着转至图4，对树脂层307刻图形和显影来除去树脂层307的某些部分308。树脂层307除去的部分308一般是在光敏元件303上，且为圆形的。图5表示树脂层307除去部分的俯视图。树脂层307除去部分308与最终制作微型凹透镜有关。再者，图4和图5所示除去部分的具体形状和尺寸只是本发明的一种具体实施方式。也可能有其他具体做法。例如，图4和图5所示部分308的尺寸可做得较小或较大，取决于要做的微透镜的大小。308部分的尺寸较大将得到较大的微透镜，反之亦然。
转至图6，一旦树脂层307被显影(树脂层307为光致抗蚀剂的情形)或腐蚀(非光致抗蚀剂牺牲层的情形)后，将树脂层307的剩余部分加热至回熔温度。这就使树脂层307取表面张力最小的形状，在多数情形下为球形，如图6所示。
回熔过程一结束，就用回熔的树脂层307作腐蚀掩蔽来进行各向异性干法腐蚀。在一种实施方式中，腐蚀采用反应离子刻蚀法，使用以氧为主及CH3为辅的气体。在一种实施方式中，基底材料305与树脂层307的腐蚀比为1.0-1.5的量级。这样，下面的基底材料305就比树脂层307腐蚀得快。在一种实施方式中，当树脂层307被除去时，腐蚀过程结束。由于树脂层307回熔的形状，干法腐蚀的结果为基底材料305的半球形“凹坑”而在每个光敏元件303上形成微型凹透镜701。此结果如图7(剖面图)和图8(俯视图)所示。
应注意，控制制作在树脂层307中的除去部分308的间隔，可改变相邻微透镜间的间隔。小的除去部分308，彼此间隔大，将得到较小的微透镜，所得微透镜的间隙就较大。大的除去部分308所得到的微透镜较大，间隙也较小。而且，在腐蚀基底材料305和树脂层307时用过腐蚀技术，可使相邻微透镜之间的间隙降为零。可以理解，改变除去部分308的尺寸、腐蚀深度、基底材料305和树脂层307的组分、以及其他工艺／设计参数，可得到所希望的微透镜特性。
接着转至图9，在各个微透镜腔中制作滤色器。应注意，滤色器材料311的折射率应高于基底材料305，使入射光转折和聚焦至光敏元件303上。在一种实施方式中，滤色器材料311的折射率在1.6-1.8之间。
滤色器材料311为颜料或染料，使得相邻像素具有不同的颜色。例如，滤色器材料311可包括红色、绿色和兰色的滤色器材料。作为选择，滤色器材料也可包括青色、深红色和黄色的滤色器材料。制作在凹透镜结构中的滤色器材料的具体颜色和组织是依照惯例进行的，在技术上是熟知的。的确有几种制作滤色器的技术，但本发明不限于任何特定的滤色器制作技术。例如，美国专利6,297,071号和6,274,917号(以及其中的参考文献)很好地概括了滤色器技术，这里引入了其中关于制作滤色器所必须的部分作为参考。这样，本发明简单地使用填补有各种颜色的滤色器材料的微型凹透镜而在制作和性能方面具有许多优点。
在微透镜上制作适当滤色器图形的技术是熟知的。例如，在一种通用技术中，通常先覆盖淀积第一色(例如绿色)的滤色器材料311。然后对第一色材料刻图形并显影。此工艺过程除去微透镜上第一色材料的部分就不“属于”第一色了。然后对余下的颜色，例如，红和兰色重复这一过程。其结果如图9所示，其中最左边的像素为红色，中间的像素为绿色，最右边的像素为兰色。完整结构的等比例图如图10所示。
按照本发明，可较容易地达到使微透镜的间距最小。这就改善了填充因子和收集光的效率，因而改善了灵敏度。再者，凹状的微透镜对采用的封装技术有益，这又可使颗粒和灰尘对图像传感器的干扰减至最小。而且，使用凹状的微透镜来承载滤色器材料可得到较短的焦距。这又可容许较高的集成度。
从上述可以理解，为了说明的目的，在这里描述了本发明的具体实施方式，但可做出各种修改而没有背离本发明的构思和范围。因此，除了所附权利要求外本发明不受限制。
Claims (15)
1.一种图像传感器，包括：
制作在半导体衬底中的多个像素，每个像素都含有光敏元件；
制作在所述多个像素上的基底材料，所述基底材料具有第一折射率；
在所述光敏元件上制作于所述基底材料中的微透镜腔，所述微透镜腔为凹状；以及
制作至所述微透镜腔中的滤色器材料，所述滤色器材料具有的第二折射率高于所述第一折射率。
2.根据权利要求1的图像传感器，其中所述滤色器材料包括红色、绿色和兰色的滤色器材料。
3.根据权利要求1的图像传感器，还包含青色、黄色和深红色滤色器材料中的滤色器材料。
4.根据权利要求1的图像传感器，其中基底材料为环氧树脂或丙烯酸树脂材料。
5.根据权利要求1的图像传感器，其中所述基底材料为聚甲基丙烯酸甲酯或聚甲基丙烯酸甘油酯。
6.一种图像传感器像素，包括：
制作在半导体衬底中的光敏元件；
制作在所述光敏元件上的基底材料，所述基底材料具有第一折射率；
在所述光敏元件上制作于所述基底材料中的微透镜腔，所述微透镜腔为凹状；以及
制作至所述微透镜腔中的滤色器材料，所述滤色器材料具有的第二折射率高于所述第一折射率。
7.根据权利要求6的像素，其中所述滤色器材料选自红色、绿色和兰色的滤色器材料组。
8.根据权利要求6的像素，还包含选自青色、黄色和深红色滤色器材料组的滤色器材料。
9.根据权利要求7的像素，其中基底材料为环氧树脂或丙烯酸树脂材料。
10.根据权利要求6的像素，其中所述基底材料为聚甲基丙烯酸甲酯或聚甲基丙烯酸甘油酯。
11.一种图像传感器像素的制作方法，包括：
在半导体衬底中制作光敏元件；
在所述光敏元件上制作基底材料，所述基底材料具有第一折射率；
在所述光敏元件上的所述基底材料中制作微透镜腔，所述微透镜腔为凹状；以及
将滤色器材料制作至所述微透镜腔中，所述滤色器材料具有的第二折射率高于所述第一折射率。
12.根据权利要求11的方法，其中所述滤色器材料选自红色、绿色和兰色的滤色器材料组。
13.根据权利要求11的方法，还包括选自青色、黄色和深红色滤色器材料组的滤色器材料。
14.根据权利要求11的方法，其中基底材料为环氧树脂或丙烯酸树脂材料。
15.根据权利要求11的方法，其中所述基底材料为聚甲基丙烯酸甲酯或聚甲基丙烯酸甘油酯。
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