CN1952784A - 形成微透镜的方法与半导体影像感测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种形成微透镜的方法与半导体影像感测装置。首先，提供一基底，而基底具有至少一光感测元件。接着，于该基底上，形成一光敏层。以一光罩进行第一次曝光。以该光罩进行第二次曝光。去除部分的该光敏层，以使存留的部分的该光敏层形成至少一微透镜。对该微透镜进行回流。本发明所述的形成微透镜的方法与半导体影像感测装置，可以制作比较薄且焦距长的透镜，而且能够降低微透镜两两粘合的问题。
Description
技术领域
本发明是大致关于一半导体结构，尤指跟影像感测器一起使用的微透镜(microlenses)。
背景技术
数字影像系统，譬如说数字照相机，一般都使用具有光感测电子元件(如光感测二极管)的半导体晶片。这样的数字影像系统一般是以一连串的像素来撷取影像中带有的光信息。像素通常是排列成由许多行跟列所构成的一个阵列，譬如说1024×768的像素阵列。每一个像素则表示一个或是多个光学影像感测元件。如果需要撷取关于颜色的信息，那可能需要有颜色滤光片(color filter)来使特定的颜色穿透过去。而一个像素中可能有许多个光感测元件，分别对应不同的颜色。
大致上来说，微透镜引导光线到光感测元件上，就像是扮演了数字影像系统中光的收集者的角色。一微透镜是放在半导体晶片的光感测元件上方的一个小小的透镜。因为被收集到的光线会通过这么一个微透镜，这样的一个微透镜必须要有正确的形状，才能够准确的引导光线到光感测元件。
微透镜一般是透过一层微透镜材料层放置在一半导体晶片上来形成。这样的微透镜材料通常是光致抗蚀剂材料，透过曝光显影的过程，以去除掉不想要的部分，然后创造出一个希望的图案。在微透镜材料层图案化之后，一般会进行回流(reflow)以使微透镜具有一个对称的透镜形状。
但是，当设计尺寸(design size)降低时，微透镜的制造却可能产生问题。譬如说，随着设计尺寸(design size)的降低，微透镜就应该彼此放的更为接近。当微透镜彼此放的更为接近，于回流制程时，微透镜就很容易彼此相粘合。回流制程所使用的温度都很高，所以大都难以控制，尤其是当微透镜的间距缩短时，更难避免微透镜两两粘合的情形的发生。
另一个问题是关乎焦距。随着更多的电路整合到一个晶片上，晶片的总厚度，往往为了有更多的内连接层，而变的更厚。这样厚度的增加，相对的，拉长了焦距，而较长的焦距需要有一个较薄的微透镜。要产生一个较薄的微透镜需要有一个较高的处理温度的回流制程，所以又提高了粘合发生的可能。
因此，该如何产生具有比较小间距以及比较薄的微透镜，就变成了一个业界所待解决的问题。
发明内容
为解决现有技术的上述问题，本发明的提供了一种形成微透镜的方法。首先，提供一基底，而基底具有至少一光感测元件。接着，于该基底上，形成一光敏层(photo-sensitive layer)。以一光罩进行第一次曝光。以该光罩进行第二次曝光。去除部分的该光敏层，以使存留的部分的该光敏层形成至少一微透镜。对该微透镜进行回流(reflow)。
本发明所述的形成微透镜的方法，其中，该光敏层是为一正光致抗蚀剂材料。
本发明所述的形成微透镜的方法，其中，对该微透镜进行回流是进行一热处理，该热处理的温度是介于大约100℃至200℃，时间大约介于10秒到30分钟之间。
本发明所述的形成微透镜的方法，其中，该光敏层的厚度大约介于0.1微米到2.5微米之间。
本发明所述的形成微透镜的方法，其中，该基底包含有至少四层内连接层。
本发明所述的形成微透镜的方法，其中，该光敏层形成多个微透镜，该等微透镜的间距是小于0.2微米。
本发明所述的形成微透镜的方法，其中，该光敏层形成多个微透镜，该等微透镜的间距是小于0.1微米。
本发明所述的形成微透镜的方法，其中，该光感测元件是为一CMOS影像感测器。
本发明所述的形成微透镜的方法，其中，该光感测元件是为一CCD(charge couple detector)。
本发明所述的形成微透镜的方法，于进行回流前，另包含有一漂白步骤。
本发明所述的形成微透镜的方法，其中，该第一次曝光与该第二次曝光是以同一光罩进行。
本发明所述的形成微透镜的方法，其中，该第一次曝光与该第二次曝光是以不同光罩进行。
本发明另提供了一种半导体影像感测装置。该半导体影像感测装置包含有一基底以及多个微透镜。该基底具有至少一影像侦测部分以及一逻辑部分。该影像侦测部分具有多个光感测元件，该逻辑部分具有至少一内连接层。至少微透镜其中之一形成于该等光感测元件其中之一上，且该等微透镜的高度是小于0.5微米。
本发明所述的半导体影像感测装置，其中，该等微透镜的间距是小于0.2微米。
本发明所述的半导体影像感测装置，其中，该等微透镜的间距是小于0.1微米。
本发明所述的半导体影像感测装置，其中，该逻辑部分包含有至少四层内连接层。
本发明所述的半导体影像感测装置，其中，该等光感测元件是为一CMOS影像感测器。
本发明所述的半导体影像感测装置，其中，该等光感测元件是为一CCD(charge couple detector)。
本发明所述的半导体影像感测装置，其中，于该等光感测元件至该等微透镜之间具有至少一介电层。
本发明所述的半导体影像感测装置，其中，该介电层的总厚度大约大于3.5微米。
本发明还提供一种半导体影像感测装置，包含有：一基底，具有至少一影像侦测部分，该影像侦测部分具有多个光感测元件；以及多个微透镜，以之前所述形成微透镜的方法所制作；以及一介电层，设于该等光感测元件至该等微透镜之间，该介电层的总厚度大约大于3.5微米。
本发明所述的形成微透镜的方法与半导体影像感测装置，可以制作比较薄且焦距长的透镜，而且能够降低微透镜两两粘合的问题。
附图说明
图1为用来实施本发明的一晶圆100；
图2为图1中的晶圆100于一微透镜层210形成之后的剖面图；
图3a为图2中的晶圆100于一微透镜层210经过图案化，形成了微透镜310之后的剖面图；
图3b显示微透镜的外观；
图4为图3a中的晶圆100于回流(reflow)后，微透镜310的外观改变后的剖面图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：
以下的实施例将以CMOS(互补金属氧化物半导体)影像感测器作为一实施例，因为这是目前看起来比较常用的。当然，本发明并不限定仅仅用于CMOS影像感测器，其他的影像感测器，譬如说电荷耦合元件(charged-coupled device，CCD)也可以运用本发明中所形成的微透镜。
图1至图4显示了一晶圆100于依据本发明的一实施例，制作微透镜的制程中不同阶段时的剖面图。制程开始于图1。图1中的晶圆100已经透过一般现有的技术来制作准备。大致上来说，晶圆100上有一个基底110，基底110中具有数个光感测元件112。譬如说，这些光感测元件112可以是以离子注入制程所形成的光电二极管。形式上，可能是一个PN结光电二极管(photo diode)、一PNP光电晶体管(photo transistor)、一NPN光电晶体管、或是类似的光感测元件。光感测元件112可能也具有一些光栅元件或是其他的光感测零件。
一般的层间(interlayer dielectric，ILD)介电层114会形成在基底110上。必须注意的是，其他电路，譬如说晶体管、电容等等元件，也可以形成在基底110上。在一实施例中，ILD层114提供了一个平坦化后的一个表面，以使后续的层可以放置于其上。需注意的是，也可能有一些没有显示于图中的结构可能形成于基底110上。譬如说，用来隔离光感测元件112与其他电路的场氧化区或是浅沟隔离结构就可以形成于基底110上。
在此实施例中，ILD层114可以用低介电常数材料(low-kdielectric material)，譬如说，氧化硅(silicon oxide)、硼磷硅玻璃(borophosphosilicate glass，BPSG)、磷硅玻璃(phosphosilicate glass，PSG)、氟硅玻璃(fluorinated silicateglass，FSG)、碳掺杂氧化硅(carbon-doped silicon oxide)、或是其他业界所已知的材料。在此实施例中，ILD层114具有以化学气相沉积法(chemical vapor deposition，CVD)法所形成的BPSG或是PSG，厚度可以是介于2000埃到8000埃之间。当然，其他的材料或是厚度也可能可以使用。
一层或是多层的内连接层(interconnect layer)116，外加上每两层内连接层116之间的一金属间介电(inter-metaldielectric，IMD)层118，可以接着形成在ILD层114上。这些内连接层116可以用等离子蚀刻来图案化，或是以镶嵌制程制作，也可以用任何可能的导电物来构成。譬如说，适合的材料可能有铝、铜、搀杂的硅等等。接触(contact)或是孔(via)也可以形成，来提供内连接层116之间或是到底下电路的之间的电性连接。
此发明特别适用于具有多数内连接层的实施例中，譬如说，三层或是更多层的内连接层。而这么多层的内连接层可能使得光感测元件到微透镜之间的介电层厚度大于3.5微米。一旦内连接层的层数到达3层、4层、5层或是6层，光感测元件到微透镜之间的介电层厚度甚至可能到3.5微米、4.5微米、5.0微米或是6.0微米。在以上这些状况下，所需要的微透镜是要薄且焦距要长。如同稍后所解释的，本发明的实施例可以制作比较薄且焦距长的透镜，而且能够降低微透镜两两粘合的问题。
一或是多层的护层(passivation layer)120可以形成在最上面的内连接层的上面。在一实施例中，护层可以包含有以一般现有的CVD技术沉积的一氧化层以及/或是一氮化层。护层120保护底下的电路，而免受环境的影响，而且，提供了一个大致平坦的表面，使后续的滤光器(optical color filter)122得以在其上形成。
滤光器122可以容许特定波长的光通过，并反射或是吸收掉其他的波长的光线。如此，底下的光感测元件112就可以决定这样特定波长的光所接收到强度有多少。滤光器122可能有许多种，譬如说红色、绿色或是蓝色滤光器。其它种组合，譬如说青色(cyan)、黄色、以及洋红色(magenta)也是可行。而滤光器122的颜色种类数量也可以改变。
在一个实施例中，滤光器122具有一个已经被染色或是具有颜料的材料，譬如说压克力(acrylic)。聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl-methacrylate，PMMA)或是聚甲基丙烯酸环氧丙酯(polyglycidylmethacrylate，PGMA)也是很适合来加入颜料或是染料，以形成滤光器的材料。也有其他的材料可能可以适用。滤光器122可以用目前现有的任何技术制作。
图2为图1中的晶圆100于一微透镜层210形成之后的剖面图。在此实施例中，微透镜层210的厚度大约是0.1微米到大约2.5微米，较佳的范围则是0.1微米到0.5微米。
微透镜层210可以用任何可以被图案化来形成透镜的材料而形成，譬如说具有高穿透率(transmittance)的压克力聚合物(acrylic polymer)。在此实施例中，此微透镜层210是以一正型光致抗蚀剂材料(positive photoresist material)所形成。正型光致抗蚀剂材料的图案化的方法，是透过一个图案，把不想要的地方加以曝光，然后显影把已经曝过光的部分去除。譬如说，适合用于此实施例的材料有PMMA、PGMA、乳酸乙酯(ethyl lactate)跟乙酸丙二醇单甲基醚酯(propyleneglycol monoether acetate)的混合物、乙酸丙二醇甲基醚酯(propyleneglycol ether acetate)跟酚醛树脂(PHENOLIC RESIN)的混合物等等。其中的一个例子是由日本东京JSR企业所生产的MFR380跟MFR344系列的产品。
在一个实施例中，微透镜层210可以用一个液体状的材料，透过现有技术中旋转涂布的方式来形成。这样的方式，已经经过验证，可以提供一个大致平整的表面，而且微透镜层210大致上可以得到相当一致的厚度，所以可以使之后产生的微透镜大致都差不多。其他的形成方式，譬如说CVD、物理气相沉积(physical vapordeposition，PVD)等也可以使用。
图3a为图2中的晶圆100于一微透镜层210经过图案化，形成了微透镜310之后的剖面图。在此实施例中，微透镜310是以正光致抗蚀剂材料所构成，微透镜310可以用具有i-line光源的步进机(stepper)，透过一个具有对应到微透镜地方的数个不透光区域的光罩来保护微透镜的地方免于被曝光，来进行曝光以及显影，以去除掉不想要的区域。在此实施例中，如同现有技术所知道的，晶圆以大致跟光罩平行的方向移动。
于本发明的一个实施例中，光致抗蚀剂材料的曝光是以数个步骤来完成。目前已经知道了，如果仅仅使用单一次的曝光步骤，则所需要的曝光能量将会很高，而导致一个比较宽的曝光区域。因此，最好是用多次的曝光步骤，来降低每一次所需要的曝光量。而比较小的曝光量就可以产生一个比较小的临界尺寸(criticaldimension，CD)，所以就可以使微镜头们彼此更为靠近。
需注意的是，用来图案化而形成微透镜310的光罩，在不同的曝光步骤时，可以有不同的焦面(focal plane)。而每一次曝光步骤所使用的曝光量，则视不同应用所希望形成的形状，可以加以变化。在此实施例中，只用单一光罩来进行多次曝光步骤，每一次的焦面都不一样，来制作出图3b中的微透镜所显示出的外观。但本发明的实施例不一定要用单一光罩来进行，也可以用数个光罩来行。在此实施例中，第一次曝光步骤的焦面是位于微镜头310的比较低的部分320，而第二次曝光步骤的焦面是位于微镜头310的比较高的部分350。
每一次的曝光量可以是大约介于0.7到1之间的一个数字，乘以需要使整个微透镜310的厚度曝光的总曝光量，除以曝光的总次数。譬如说，如果需要有240mj来使特定的一微透镜层完整的曝光来形成微透镜，那依据本发明的一个实施例，两次的曝光步骤，各别所使用的曝光量，就可以大约介于(0.7×240/2)mj到(1×240/2)mj之间。这样，一个比较小的曝光量就可以在微透镜310之间，产生比较小的临界尺寸。在另一个实施例中，可以用三次的曝光步骤，每一次的所使用的曝光量，就可以大约介于(0.7×240/3)mj到(1×240/3)mj之间，这样可以更减小微透镜310之间的临界尺寸。比较厚的微透镜层须要一个比较高的常数，也就是说大约是1；比较薄的微透镜层须要一个比较低的常数，也就是说大约是0.7。
每一次的曝光量并没有必要是要彼此相等。譬如说，也许有必要要创造出一个凹陷的结构，而这么一个凹陷的深度比微透镜310的厚度的一半来的深。在此实施例中，一样假设要曝光并显影整层的微透镜310时需要240mj的曝光量，那第一次曝光步骤所用的曝光量可以是80mj，而第二次曝光步骤所用的曝光量可以是240mj。因为第二次曝光步骤大致定义了凹陷的区域，些许的过度曝光并不会造成太大的伤害，也不会对微透镜310之间的临界尺寸影响太大。
图4为图3a中的晶圆100于回流(reflow)后，微透镜310的外观改变后的剖面图。回流步骤可以透过加热微透镜310到一足够使微透镜310呈半液体状的温度，经过表面张力，微透镜310就可以形成一个半圆形的表面。回流步骤可以是一个具有温度大约介于100℃到200℃，而时间介于10秒到30分的热处理。经过回流后，微透镜310之间的间距可以小于0.2微米，甚至可以小于0.1微米，来获得更好的量子效率(quantum efficiency)，所述间距是指两透镜边缘间的间隔距离。
一个漂白步骤可以选择性的在回流步骤之前执行。一般来说，漂白步骤可以降低微透镜中的光敏物质的量。降低光敏物质的量的好处，是可以降低在回流步骤中，微透镜的材质因为高温的劣化并增进光线的穿透率。此漂白步骤可以以紫外线光(ultra-violet)对微透镜310照射来进行。
经过回流后，微透镜310的外观就如同图4所显示。微透镜310的高度可以大约是0.1微米到2.5微米之间。当运用于系统晶片(system-on-chip，SOC)上时，比较适当的微透镜310高度是低于0.5微米。譬如说，一个晶片具有一个逻辑部分以及一个影像侦测部分。逻辑部分可以是一中央处理器(central processing unit，CPU)或是一数字信号处理器(digital signal processor，DSP)。影像侦测部分具有数个影像感测元件在其中。逻辑部分的内连接层至少有四层。这样四层或以上的内连接层会加大了焦距，所以就需要有一个比较薄的微透镜。如果内连接层的数目比较少，那微透镜310的高度就可以大约是0.5微米到2.5微米之间。
接着，一般标准步骤就可以用来完成整个晶圆100的制作，然后把各别的晶片切割并分别的包装。
虽然本发明已通过较佳实施例说明如上，但该较佳实施例并非用以限定本发明。本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应有能力对该较佳实施例做出各种更改和补充，因此本发明的保护范围以权利要求书的范围为准。
附图中符号的简单说明如下：
晶圆：100
基底：110
光感测元件：112
层间介电层：114
内连接层：116
金属间介电层：118
护层：120
滤光器：122
微透镜层：210
微透镜：310
微镜头的比较低的部分：320
微镜头的比较高的部分：350
Claims (21)
1.一种形成微透镜的方法，其特征在于，该形成微透镜的方法包含有：
提供一基底，具有至少一光感测元件；
于该基底上，形成一光敏层；
对于该光敏层进行第一次曝光；
对于该光敏层进行第二次曝光；
去除部分的该光敏层，以使存留的部分的该光敏层形成至少一微透镜；以及
对该微透镜进行回流。
2.根据权利要求1所述的形成微透镜的方法，其特征在于，该光敏层是为一正光致抗蚀剂材料。
3.根据权利要求1所述的形成微透镜的方法，其特征在于，对该微透镜进行回流是进行一热处理，该热处理的温度是介于100℃至200℃，时间介于10秒到30分钟之间。
4.根据权利要求1所述的形成微透镜的方法，其特征在于，该光敏层的厚度介于0.1微米到2.5微米之间。
5.根据权利要求1所述的形成微透镜的方法，其特征在于，该基底包含有至少四层内连接层。
6.根据权利要求1所述的形成微透镜的方法，其特征在于，该光敏层形成多个微透镜，该微透镜的间距是小于0.2微米。
7.根据权利要求1所述的形成微透镜的方法，其特征在于，该光敏层形成多个微透镜，该微透镜的间距是小于0.1微米。
8.根据权利要求1所述的形成微透镜的方法，其特征在于，该光感测元件是为一互补金属氧化物半导体影像感测器。
9.根据权利要求1所述的形成微透镜的方法，其特征在于，该光感测元件是为一电荷耦合元件。
10.根据权利要求1所述的形成微透镜的方法，其特征在于，于进行回流前，另包含有一漂白步骤。
11.根据权利要求1所述的形成微透镜的方法，其特征在于，该第一次曝光与该第二次曝光是以同一光罩进行。
12.根据权利要求1所述的形成微透镜的方法，其特征在于，该第一次曝光与该第二次曝光是以不同光罩进行。
13.一种半导体影像感测装置，其特征在于，该半导体影像感测装置包含有：
一基底，具有至少一影像侦测部分以及一逻辑部分，该影像侦测部分具有多个光感测元件，该逻辑部分具有至少一内连接层；
以及
多个微透镜，至少其中之一形成于该光感测元件其中之一上，该微透镜的高度是小于0.5微米。
14.根据权利要求13所述的半导体影像感测装置，其特征在于，该微透镜的间距是小于0.2微米。
15.根据权利要求13所述的半导体影像感测装置，其特征在于，该微透镜的间距是小于0.1微米。
16.根据权利要求13所述的半导体影像感测装置，其特征在于，该逻辑部分包含有至少四层内连接层。
17.根据权利要求13所述的半导体影像感测装置，其特征在于，该光感测元件是为一互补金属氧化物半导体影像感测器。
18.根据权利要求13所述的半导体影像感测装置，其特征在于，该光感测元件是为一电荷耦合元件。
19.根据权利要求13所述的半导体影像感测装置，其特征在于，于该光感测元件至该微透镜之间具有至少一介电层。
20.根据权利要求19所述的半导体影像感测装置，其特征在于，该介电层的总厚度大于3.5微米。
21.一种半导体影像感测装置，其特征在于，该半导体影像感测装置包含有：
一基底，具有至少一影像侦测部分，该影像侦测部分具有多个光感测元件；以及
多个微透镜，以权利要求1的方法所制作；以及
一介电层，设于该光感测元件至该微透镜之间，该介电层的总厚度大于3.5微米。
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