CN1574380A - 具有用脊结构隔开的微透镜的图象传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
公开一种带有微透镜的图象传感器。该图象传感器包括多个在半导体基片中形成的象素，每个象素包括一个光敏元件。在每个光敏元件上形成一个微透镜，最后，每个微透镜由一个突起脊结构包围。
Description
技术领域
本发明涉及图象传感器，更具体地，涉及一种具有用脊隔开的微透镜阵列的图象传感器。
背景技术
图象传感器是可以用来产生静态或视频图象的电子集成电路。固态图象传感器可以是电荷耦合器件(CCD)型或者是互补金属氧化物半导体(CMOS)型。在这二种类型的图象传感器中，在基片上形成光采集象素并且排列成二维阵列。现代图象传感器典型地含有数百万个象素以提供高分辨率图象。图象传感器的一个重要部分是在这些象素的顶上形成的滤色器和微透镜结构。如它的名字意味的那样，滤色器会同信号处理一起操作，从而提供彩色图象。在美国6,297,071号专利和美国6,274,917(以及本文中提及的文献)中示出滤色器技术的例子。微透镜用于把入射光聚焦到象素上，从而改进每个象素的占空因数(fill factor)。
常规上，通过在平面化的层上旋涂一层微透镜材料形成微透镜。接着蚀刻微透镜材料形成以每个象素上方为中心的圆柱形或其它形状的区段。然后，加热和回流微透镜材料以形成凸状半球形微透镜。图1示出现有技术的带有在其上形成的微透镜的图象传感器101的简化剖面图。如从图1看出的，该图象传感器包括多个具有在基片中形成的光检测元件103的象素。光检测元件103可以是多种类型中的一种，例如光电二极管、光电门(photogate)或者其它固态光敏元件。每个象素的顶上形成一个微透镜105。微透镜105把入射光聚焦到光检测元件103上。此外，在用参考数字107表示的光检测元件103和微透镜105之间的区域里，存在着各种典型地应包括滤色层以及各种金属导线的中间层。
微透镜的形成是一道相对精细的工序。为了提高微透镜的光采集方面上的效率，微透镜应尽可能地大。另外，不希望各个微透镜彼此接触从而彼此干扰。总之，希望微透镜在邻近的情况下尽可能地彼此靠近。
尽管这可以通过精确地控制微透镜的圆柱形“坯件(blank)”的形成、大小和形状以及通过控制回流工艺达到，仍旧难以保证形成近乎完美的微透镜。
附图说明
图1是现有技术的图象传感器的一部分的剖面图。
图2是一种图象传感器的顶视图，其示出排列在二维阵列中的并且带有在其上形成的微透镜的象素。
图3-4以及6-8是半导体基片的剖面图，以说明一种用来形成本发明的设备的方法。
图5是在图象传感器的象素上方形成的环状三角形脊的顶视图。
具体实施方式
本发明涉及一种和CMOS型或CCD型图象传感器一起使用的微透镜阵列。在下面的说明中提供一些具体细节以便彻底地理解本发明的各实施例。但是，业内人士会理解，可以在不使用这些具体细节中的一个或多个或者在使用其它方法、组件等情况下实践本发明。在其它实施例中，不详细地示出或说明公知的结构或操作，以避免使本发明的各种实施例的各个方面模糊不清。
短语“一种实施例”或“一实施例”在本说明书中的引用意味着连同该实施例一起说明的某具体特性、结构或特征包含在本发明的至少一种实施例中。从而，本说明书全文中各处出现的短语“在一种实施例中”或“在一实施例中”不必全都参照同一个实施例。另外，这些具体的特性、结构或特征可以在一种或多种实施例中以任何适当的方式组合。
图2示出一种依据本发明形成的图象传感器201的顶视图。图象传感器201包括多个典型地排列在二维阵列中的象素203。在图2中示出的该例里，该图象传感器显示三乘三的象素203阵列，但是可理解，实际的图象传感器201会具有多得多的可能排列在上千行和/或上千列中的象素。另外，尽管图2示出象素位于有序的列和行中，但象素也可以排列在任何类型的有序结构中。例如，交错的行可以按棋盘格式使它们的象素横向上彼此轻微偏移。
象素203典型地包括一个光敏元件，例如作为二种例子的光电二极管和光电门。但是可理解，可以使用其它类型的已知的或者以后开发出的光敏元件。另外，象素203还可包括放大和/或读出电路。为了简明，未在图2中示出该电路。在一种实施例中，象素203可以是现有技术中周知的活动象素。在每个象素203的顶上形成一个微透镜205。此外，脊结构207把每个微透镜隔开。如它的名字所意味的那样，脊结构207是一个凸起的区，其充当隔开微透镜的墙。如后面更详细地看出那样，通过脊结构207防止微透镜205“溢出”(回流工艺期间)到相邻的微透镜。脊结构207可以采取各种形状，但是应用来隔开相邻的象素。
图3-7更详细地示出的本发明的微透镜205和脊结构207组合的形成以及结构。一块半导体基片301具有多个在其上形成的光敏元件303(和图2的象素203关联)。图3示出光敏元件303为光电二极管，尽管也可以采用其它替代物或等同物。形成光电二极管以及其它关联电路的细节在现有技术中是周知的，并且本文中不予重复以避免使本发明模糊不清。不过，可在美国5,904,493号专利以及美国6,320,617号专利中看到现有技术的例子。
滤色器在光敏元件303的顶上形成。依据本发明的一种实施例，在基片301和光敏元件303的上方沉积平面的滤色层401。应注意，尽管在该特定实施例中直接在基片301的上方形成滤色层401，但在其它实施例中取决于所使用的具体工艺，也可在中间层或中间层组的上方形成滤色层401。例如，在一些实例中，于基片的上方形成平面化的介质层，或者在其它实例中，在基片的上方形成导电金属层以及隔离层。
滤色层401由三个分离的彩色层构成，对这三个层构图并蚀刻以形成滤色层401。在一种实施例中，滤色层401包括红、绿和兰色。在另一实施例中，滤色层401包括黄、青和品红色。滤色层401是用只允许窄带的光，例如红、兰或绿，通过的加色或染色材料形成的。在其它实施例中，该滤色器可以是青色、黄色或品红色。但是，这些只是滤色层401的示例颜色，并且本发明意欲包括任何彩色组合的滤色层401。
此外，尽管采用加色或染色的彩色材料是滤色器的最流行形式，也可以采用其它反射型滤色器，例如多层的叠层反射材料。滤色层401的形成在技术上是周知的，并且本文不加以说明以避免对本发明的描述造成不必要的模糊不清。例如，美国6,297,071号专利、美国6,362,513号专利以及美国6,271,900号专利示出滤色器技术的现有状态。
典型地，滤色层401是用例如丙烯酸材料构成的。例如，一种适用的材料是加过色或染过色的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(PGMA)。其它可染色或可加色的光致抗蚀型材料也可用于滤色层401。
仍参照图3，形成一个顶平面化层403。顶平面化层401是用介质材料构成的，例如通过表面层化学汽相沉积工艺形成的氧化物。
转到图4，在顶平面化层403的上面沉积一层光致抗蚀层并且加以构图从而留下光致抗蚀脊405。光致抗蚀脊405位于这些位置上，从而由这种光致抗蚀脊405形成的图案用于隔离下方的相邻象素。从而，光致抗蚀脊405应充当一个用于各个要形成的微透镜的篱笆。在一些实施例中，应按四边形(如图2中所示)形成光致抗蚀脊405，或者在其它实施例中按圆环形形成，从而更清楚地定义微透镜的形状。其它形状也是可能的。
图5示出按圆环形形成的光致抗蚀脊405的顶视图。如从图5中看出，光致抗蚀脊405形成多个将用来包含随后形成的微透镜的圆环。
在一种实施例中，光致抗蚀脊403具有约为0.3-0.5微米的宽度，尽管可采用更细的结构。另外，光致抗蚀脊405的高度可显著不同，但是在一种实施例中高度为1微米数量级。
此外，一种适当的光致抗蚀材料的例子是东京的Ohka Kogyo公司的OFPR-800正光阻剂。可以通过旋涂技术把光致抗蚀材料镀到顶平面化层403上。应理解，可以采用其它光致抗蚀材料，例如i-line光致抗蚀剂。接着利用常规的照相平板印刷术和显影技术，例如采用i-line光学步进机，构形出光致抗蚀层。
接着转到图6，在一种实施例中，于顶平面层403和光致抗蚀脊405上进行各向同性干蚀刻(在x和y二个方向上蚀刻)工序。由于该各向同性蚀刻技术，蚀刻掉各光致抗蚀脊405以及顶平面化层403的未覆盖部分。另外，蚀刻在光致抗蚀脊405下面的顶平面化层403的部分以形成三角形脊601。在一种实施例中，控制该各向同性蚀刻工序，从而三角形脊601的高度在0.2微米数量级。另外，在一种实施例中，该各向同性蚀刻在x和y方向上具有基本相同的速率。请注意三角形脊601的形状是由各向同性蚀刻产生的。若采用各向异性蚀刻，则脊601应和光致抗蚀脊405的形状相同。
接着，转到图7，在顶平面化层403以及三角形脊601的上面形成微透镜材料。该微透镜材料可以是任何透光的并且通过处理变成半球形的材料。例如，一些常用的微透镜材料可以是丙烯酸，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(PGMA)。但是，可以理解，用来形成微透镜的确切材料是可变的，并且可以是任何目前使用的或未来开发的材料。
在一种实施例中，微透镜材料可以在施加阶段为液态材料，从而可以利用旋涂技术施加它。这提供形成一个大致平面的层的优点。尽管如此，其它表面层沉积方法也是适用的。在一种实施例中，微透镜材料的厚度为1到4微米。但是，取决于各种设计参数，也可以采用更薄或更厚的微透镜材料层。
仍参照图7，微透镜层需要构成图案(pattern)。因此，把光致抗蚀型材料用作为微透镜材料是有效的。以这种方式，通过简单地利用光刻设备和显影工艺，可以对微透镜材料“直接构形”。在一实施例中，通过还原型(reduction type)步进机设备完成照相平板印刷。
当微透镜材料为光致抗蚀材料时，利用刻线掩模和步进机设备对该微透镜材料暴光。刻线掩模设计成使间隙段703对光刻辐射(在正光阻剂情况下)暴光。从而，当显影时会去掉间隙段703，从而留下通常在光检测元件之上和三角形脊601之间的微透镜材料701的各个块。
转到图8，一旦显影微透镜材料(在微透镜材料是光致抗蚀型的情况下)，把微透镜材料701的剩余部分加热到回流温度。这使微透镜材料701取最小表面张力形状，其结果是球形，如图8所示。如从图8看出的，在回流工艺后各个微透镜由三角形脊限制。
采用本文所说明的结构和方法，作为三角形脊601的结果，相邻微透镜结构之间的交扰量被减小。此外，由于三角形脊601，在微透镜成形加工期间加工裕量更大。另外，隔离脊的使用减小了微透镜之间的间隙，提高微透镜定位的精度，并且提供其它优点。
从上述说明，应该理解本文出于示意的目的说明了本发明的特定实施例，但是可以作出各种修改而不背离本发明的精神和范围。从而，本发明只受附后权利要求书之限制。因此，尽管这些步骤是按一种具体次序示出的，但在一些实施例中这些步骤被重新排列，并且一些步骤被删除、被去掉、被增加、被细分、被组合和/或被修改。可以以各种不同的方式实现这些步骤中的每个步骤。此外，尽管这些步骤示意是串行地进行的，但也可并行地执行这些步骤，或者可以在不同时间执行。
Claims (19)
1.一种图象传感器，包括：
多个在半导体基片中形成的象素，每个象素包括一个光敏元件；
在每个所述光敏元件上的一个微透镜；以及
在每个所述微透镜周围的一个突起脊结构。
2.如权利要求1的图象传感器，其中所述突起脊结构为圆环形。
3.如权利要求1的图象传感器，其中所述突起脊结构具有三角形横截面。
4.如权利要求1的图象传感器，其中微透镜是用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(PGMA)构成的。
5.如权利要求1的图象传感器，其中所述突起脊结构高度具有0.2微米数量级。
6.如权利要求1的图象传感器，其中所述突起脊结构是用与所述微透镜下面的材料相同的材料形成的。
7.如权利要求1的图象传感器，还包括在所述微透镜和所述光敏元件之间的滤色层。
8.一种图象传感器的象素，包括：
一个在半导体基片中形成的光敏元件；
在所述光敏元件上的一个微透镜；以及
在所述微透镜周围的一个突起脊结构。
9.如权利要求8的象素，其中所述突起脊结构为圆环形。
10.如权利要求8的象素，其中所述突起脊结构具有三角形横截面。
11.如权利要求8的象素，其中微透镜是用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(PGMA)构成的。
12.如权利要求8的象素，其中所述突起脊结构高度具有0.2微米数量级。
13.如权利要求8的象素，其中所述突起脊结构是用与所述微透镜下面的材料相同的材料形成的。
14.如权利要求8的象素，还包括在所述微透镜和所述光敏元件之间的滤色层。
15.一种形成图象传感器的象素的方法，包括：
在半导体基片中形成光敏元件；
在所述光敏元件上形成顶平面化层；
在所述顶平面化层上形成突起脊结构，所述突起脊结构包围所述光敏元件；以及
在所述突起脊结构之内并在所述光敏元件之上形成微透镜。
16.如权利要求15的方法，其中所述突起脊结构是在所述顶平面化层中形成的。
17.如权利要求15的方法，其中所述突起脊结构具有三角形横截面。
18.如权利要求15的方法，其中所述突起脊结构为闭合形。
19.如权利要求15的方法，还包括在所述微透镜和所述光敏元件之间形成滤色层。
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| CX01 | Expiry of patent term |
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