TWI304260B - Microlens structure for image sensors - Google Patents

Description

1304260 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係大致關於一半導體結構，尤指跟影像感測 器一起使用的微透鏡（microlenses)。 【先前技術】 數位影像系統，譬如說數位照相機，一般都使用具 有光感測電子元件（如光感測二極體）的半導體晶片。這樣 的數位影像系統一般是以一連串的晝素來擷取影像中帶 有的光資訊。晝素通常是排列成由許多行跟列所構成的 一個陣列，譬如說1024x768的晝素陣列。每一個晝素則 表示一個或是多個光學影像感測元件。如果需要擷取關 於顏色的資訊，那可能需要有顏色濾光片（color filter)來 使特定的顏色穿透過去。而一個晝素中可能有許多個光 感測元件，分別對應不同的顏色。 大致上來說，微透鏡引導光線到光感測元件上，就 像是扮演了數位影像系統中光的收集者的腳色。一微透 鏡是放在半導體晶片之光感測元件上方的一個小小的透 鏡。因為被收集到的光線會通過這麼一個微透鏡，這樣 的一個微透鏡必須要有正確的形狀，才能夠準確的引導 光線到光感測元件。 微透鏡一般是透過一層微透鏡材料層放置在一半導 體晶片上來形成。這樣的微透鏡材料通常是光阻材料， 透過曝光顯影的過程，以去除掉不想要的部份，然後創 0503- A31401 TWF/Edward 5 1304260 造出一個希望的圖案。在微透鏡材料層圖案化之後’ 一 般會進行回流（reflow)以使微透鏡具有一個對稱的透鏡形 狀。 但是，當設計尺寸（design size)降低時，微透鏡的製 造卻可能產生問題。譬如說，隨著設計尺寸（design size) 的降低，微透鏡就應該彼此放的更為接近。當微透鏡彼 此放的更為接近，於回流製程時，微透鏡就很容易彼此 相黏合。回流製程所使用的溫度都很高，所以大都難以 控制，尤其是當微透鏡的間距縮短時，更難避免微透鏡 兩兩黏合的情形之發生。 另一個問題是關乎焦距。隨著更多的電路整合到一 個晶片上，晶片的總厚度，往往為了有更多的内連接層， 而變的更厚。這樣厚度的增加，相對的，拉長了焦距， 而較長的焦距需要有一個較薄的微透鏡。要產生一個較 薄的微透鏡需要有一個較高的處理溫度之回流製程，所 以又提高了黏合發生的可能。 因此，該如何產生具有比較小間距以及比較薄的微 透鏡，就變成了 一個業界所待解決的問題。 【發明内容】 本發明的實施例提供了一種形成微透鏡的方法。首 先，提供一基底，而基底具有至少一光感測元件。接著， 於該基底上，形成一光敏層（photo-sensitive layer)。以一 光罩進行第一次曝光。以該光罩進行第二次曝光。去除 0503-A31401TWF/Edward 6 1304260 " 部分的該光敏層，以使存留的部份之該光敏層形成至少 一微透鏡。對該微透鏡進行回流（reflow)。 本發明的實施例另提供了一種半導體影像感測裝 置。該半導體影像感測裝置包含有一基底以及複數微透 鏡。該基底具有至少一影像偵測部分以及一邏輯部分。 該影像偵測部分具有複數光感測元件，該邏輯部分具有 至少一内連接層。至少微透鏡其中之一形成於該等光感 測元件其中之一上，且該等微透鏡的高度係小於0.5微 鲁 米。 為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易 懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細 說明如下： 【實施方式】 以下的實施例將以CMOS影像感測器作為一實施 例，因為這是目前看起來比較常用的。當然，本發明並 • 不限定僅僅用於CMOS影像感測器，其他的影像感測 器，譬如說電荷轉合元件（charged-coupled device，CCD) 也可以運用本發明中所形成的微透鏡。 第1至4圖顯示了 一晶圓100於依據本發明的一實 施例，製作微透鏡的製程中不同階段時的剖面圖。製程 開始於第1圖。第1圖中的晶圓100已經透過一般習知 的技術來製作準備。大致上來說，晶圓100上有一個基 底110，基底110中具有數個光感測元件112。譬如說， 0503-A31401TWF/Edward 7 1304260 這些光感測元件112可以是以離子佈植製程所形成的光 二極體。形式上，可能是一個PN接面光二極體、一 PKP 光電晶體、一 NPN光電晶體、或是類似的光感測元件。 光感測元件112可能也具有一些光閘元件或是其他的光 感測零件。 一般的層間（interlayer dielectric，ILD)介電層 114 會 形成在基底110上。必須注意的是，其他電路，譬如說 電晶體、電容、等等元件，也可以形成在基底110上。 在一實施例中，ILD層114提供了 一個平坦化後的一個 表面，以使後續的層可以放置於其上。需注意的是，也 可能有一些沒有顯示於圖中的結構可能形成於基底110 上。譬如說，用來隔離光感測元件112與其他電路的場 氧化區或是淺溝隔離結構就可以形成於基底110上。 在此實施例中，ILD層114可以用低介電常數材料 (low-k dielectric material)，譬如說，氧化石夕（silicon oxide)、填石夕玻璃（borophosphosilicate glass，BPSG)、 構石夕玻璃（phosphosilicate glass，PSG)、石夕玻璃 (fluorinated silicate glass，FSG)、碳掺雜氧化石夕 (carbon-doped silicon oxide)、或是其他業界所已知的材 料。在此實施例中，ILD層114具有以化學氣相沉積法 (chemical vapor deposition，CVD)法所形成的 BPSG 或是 PSG，厚度可以是介於2000埃到8000埃之間。當然，其 他的材料或是厚度也可能可以使用。 一層或是多層的内連接層（interconnect layer) 116，外 0503-A31401TWF/Edward 8 1304260 加上每兩層内連接層116之間的 人 J —金屬間介電 (inter-metal dielectric，IMD)層 118，可 η 4立#

Α接者形成在ILD 層114上。這些内連接層116可以用 ι水蝕刻來圖案化， 或是以鑲後製程製作，也可以用任何可< 、、， 」把的導電物來構 成。譬如說，適合的材料可能有|g、鋼、 等。接觸（contact)或是孔（via)也可以形成，挺 令 層116之間或是到底下電路的之間的電性連接/、内連接 此發明特別適用於具有多數内連拯爲^ _ 戈屬的貫施例Φ， 譬如說，三層或是更多層的内連接層。& _ λ Τ 而廷麼多層的％ 連接層可能使得光感測元件到微透鏡之pq ^ 曰]的>M電層厚择 大於3.5微米。一但内連接層的層數到诗 ^ < 3層、4層、ς 層、或是6層，光感測元件到微透鏡之人带 ^ 曰]的>Μ電層房危 甚至可能到3.5微米、4.5微米、5·0微半 ^ Η 卞度 h、或疋6.0微半 在以上這些狀況下，所需要的微透鎊I< 不 疋要溥且隹距面 長。如同稍後所解釋的，本發明的實施例了以制、、要 薄且焦距長的透鏡，而且能夠降低微透尹 ^作比較 咬硯兩兩黏合的 題。 ^ 一或是多層的護層（passivation layer) 12〇可以形成在 最上面的内連接層的上面。在一實施例中，護層可以包 含有以一般習知的CVD技術沉積的一氧化層以及/或是 一氮化層。護層120保護底下的電路，而免受環境的= 響，而且，提供了一個大致平坦的表面，使後續的濾光 器（optical color filter)122得以在其上形成。 濾光^§ 122可以谷許特定波長的光通過，並反射戋 0503-A31401 TWF/Edward 9 I3〇426〇 疋吸收掉其他的波長之光線。如此，底下的光感測元件 112就可以決定這樣特定波長的光所接收到強度有多 $三據光器122可能有許多種，譬如說紅色、綠色、或 疋義色濾光器。其它種組合，譬如說青色（cyan)、黃色、 以及洋紅色（magenta)也是可行。而濾光器122的顏色種 類數量也可以改變。 在一個實施例中，濾光器122具有一個已經被染色 k 或疋具有顏料的材料，譬如說壓克力（acrylic)。聚甲基丙 -夂甲酯（Polymethyl-methacrylate、PMMA)或是聚曱基 丙婦酸環氧丙酯（polyglycidylmethacrylate、PGMA)也是 復適合來加入顏料或是染料，以形成濾光器之材料。也 有其他的材料可能可以適用。濾光器122可以用目前習 知的任何技術製作。 第2圖為第1圖中之晶圓1〇〇於一微透鏡層21〇形 成之後的剖面圖。在此實施例中，微透鏡層21〇之厚度 大約是0.1微米到大約2.5微米，較佳的範圍則是〇.1微 米到〇·5微米。 微透鏡層210可以用任何可以被圖案化來形成透鏡 的材料而形成，譬如說具有高穿透率（transmittance)的壓 克力聚合物（acrylic polymer)。在此實施例中，此微透鏡 層 210 是以一正型光阻材料（positive photoresist material) 所形成。正型光阻材料的圖案化的方法，是透過一個圖 案’把不想要的地方加以曝光，然後顯影把已經曝過光 的部份去除。譬如說，適合用於此實施例的材料有 0503-A31401TWF/Edward 10 1304260 PMMA、PGMA、乳酸乙醋（ethyl lactate)跟乙酸丙二醇單 曱基醚酯（propyleneglycol monoether acetate)的混合物、 乙酸丙二醇曱基醚醋（propyleneglycol ether acetate)跟酴 醛樹脂（PHENOLIC RE SIN)的混合物等等。其中的一個例 子是由曰本東京JSR企業所生產的MFR 380跟MFR344 系列的產品。 在一個實施例中，微透鏡層210可以用一個液體狀 的材料，透過習知技術中旋轉塗佈的方式來形成。這樣 的方式，已經經過驗證，可以提供一個大致平整的表面， 而且微透鏡層210大致上可以得到相當一致的厚度，所 以可以使之後產生的微透鏡大致都差不多。其他的形成 方式’譬如說CVD、物理氣相沉積（physical vapor deposition，PVD)等也可以使用。 第3圖為第2圖中之晶圓100於一微透鏡層210經 過圖案化，形成了微透鏡310之後的剖面圖。在此實施 例中，微透鏡310是以正光阻材料所構成，微透鏡310 可以用具有i-line光源之步進機（stepper)，透過一個具有 對應到微透鏡地方的數個不透光區域之光罩來保護微透 鏡的地方免於被曝光，來進行曝光以及顯影，以去除掉 不想要的區域。在此實施例中，如同習知技術所知道的， 晶圓以大致跟光罩平行的方向移動。 於本發明的一個實施例中，光阻材料的曝光是以數 個步驟來完成。目前已經知道了，如果僅僅使用單一次 的曝光步驟，則所需要的曝光能量將會復高，而導致一 0503-A31401TWF/Edward 11 J304260 :比車父寬的曝光區域。因此，最好是用多次的曝光步驟， 來降低每-次所需要的曝光量。而比較小的曝光量就可 以產生-個比較小的臨界尺寸（cdtical dimensi〇n，别， 所以就可以使微鏡頭們彼此更為靠近。 需注意的是，用來圖案化而形成微透鏡31〇的光罩， 在不同的曝光步驟時，可以有不同的焦平面（focal plane)。而每-次曝光步驟所使用的曝錢，則視不同應 用所希望形成的形狀，可以加以變化。在此實施例中， 只用單一光罩來進行多次曝光步驟，每一次的隹 不一樣，來製作出第仏圖中的微透鏡所顯示㈣外觀。 但本發明之實施例不要用單—光罩來進行，也可以 用數，光罩來行。在此實施例中，第—次曝光步驟的焦 平面是位於微鏡頭310的比較低的部份32〇，而第二次曝 光步驟的焦平面是位於微鏡頭3 i Q的比較高的部份= 每一次的曝光量可以是大約介於〇.7到丨之間的一個 =字’乘以需要使整個微透鏡31G的厚度曝光的總曝光 1，除以曝光的總次數。譬如說，如果需要有2恥叫·來 使特定的一微透鏡層完整的曝光來形成微透鏡，那依據 本發明的一個實施例，兩次的曝光步驟，各別所使用的 曝光量，就可以大約介於(0.7*24〇/2)叫到（1*24〇/2)叫之 間。這樣，一個比較小的曝光量就可以在微透鏡之 間丄產生比較小的臨界尺寸。在另一個實施例中，可以 用二次的曝光步驟，每一次的所使用的曝光量，就可以 大約介於（0.7*240/3)mj到（l*240/3)mj之間，這樣可以更 〇503-A31401TWF/Edward 12 •1304260 ' 減小微透鏡310之間的臨界尺寸。比較厚的微透鏡層須 要一個比較高的常數，也就是說大約是1 ;比較薄的微透 鏡層須要一個比較低的常數，也就是說大約是0.7。 每一次的曝光量並沒有必要是要彼此相等。譬如 說，也許有必要要創造出一個凹陷的結構，而這麼一個 凹陷的深度比微透鏡310的厚度之一半來的深。在此實 施例中，一樣假設要曝光並顯影整層的微透鏡310時需 要240mj的曝光量，那第一次曝光步驟所用的曝光量可 | 以是80mj，而第二次曝光步驟所用的曝光量可以是 240mj。因為第二次曝光步驟大致定義了凹陷的區域，些 許的過度曝光並不會造成太大的傷害，也不會對微透鏡 310之間的臨界尺寸影響太大。 第4圖為第3圖中之晶圓100於回流（reflow)後，微 透鏡310的外觀改變後之剖面圖。回流步驟可以透過加 熱微透鏡310到一足夠使微透鏡310呈半液體狀的溫 度，經過表面張力，微透鏡310就可以形成一個半圓形 . 的表面。回流步驟可以是一個具有溫度大約介於l〇〇°C 到200°C，而時間介於10秒到30分的熱處理。經過回流 後，微透鏡310之間的間距可以小於0.2微米，甚至可以 小於0.1微米，來獲得更好的量子效率（quantum efficiency) 〇 一個漂白步驟可以選擇性的在回流步驟之前執行。 一般來說，漂白步驟可以降低微透鏡中的光敏物質的 量。降低光敏物質的量之好處，是可以降低在回流步驟 0503-A31401TWF/Edward 13 •1304260 …中，微透鏡的材質因為高溫的劣化並增進光線的穿透 率。此漂白步驟可以以紫外線光（ultra-violet)對微透鏡 310照射來進行。 經過回流後，微透鏡310的外觀就如同第4圖所顯 示。微透鏡310的高度可以大約是0.1微米到2.5微米之 間。當運用於系統晶片（system_on-chip，SOC)上時，比較 適當的微透鏡310高度是低於0.5微米。譬如說，一個晶 片具有一個邏輯部分以及一個影像偵測部份。邏輯部分 參 可以是一中央處理器（central processing unit，CPU)或是 一數位信號處理器（digital signal processor，DSP)。影像 偵測部份具有數個影像感測元件在其中。邏輯部分的内 連接層至少有四層。這樣四層或以上的内連接層會加大 了焦距，所以就需要有一個比較薄的微透鏡。如杲内連 接層的數目比較少，那微透鏡310的高度就可以大約是 0.5微米到2.5微米之間。 接著，一般標準步驟就可以用來完成整個晶圓100 • 的製作，然後把各別的晶片切割並分別的包裝。 本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限 定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精 神和範圍内，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之 保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 0503-A31401TWF/Edward 14 •1304260 【圖式簡單說明】 之一晶圓100。 100於一微透鏡層210形 第1圖為用來實施本發明 第2圖為第1圖中之晶圓 成之後的剖面圖。 、弟3圖為第2圖中之晶圓1〇〇於一微透鏡層21〇經 ^圖：化’形成了微透鏡310之後的剖面圖。 第3a圖顯示微透鏡的外觀。 、第4圖為第3圖中之晶圓1〇〇於回流(reflow)後，微 泰透鏡310的外觀改變後之剖_。 【主要元件符號說明】 基底uo ; 層間介電層114 ; 金屬間介電層118 ; 濾光器122 ; 微透鏡310 ; 晶圓100 ; 光感測元件112 ; 内連接層116 ; 護層120 ; 微透鏡層210 ; 微鏡頭的比較低的部份32〇 ; 微鏡頭的比較高的部份350 〇 0503-A3l401TWF/Edward 15

Claims (1)

1. J304260 十、申請專利範圍： 1. 一種形成微透鏡的方法，包含有： 提供一基底，具有至少一光感測元件； 於該基底上，形成一光敏層（photo-sensitive layer); 以一光罩進行第7—次曝光； 以該光罩進行第工次曝光； 去除部分的該光敏層，以使存留的部份之該光敏層 形成至少一微透鏡；以及 φ 對該微透鏡進行回流（reflow)。 2. 如申請專利範圍第1項所述之形成微透鏡的方 法，其中，該光敏層係為一正光阻材料。 3. 如申請專利範圍第1項所述之形成微透鏡的方 法，其中，對該微透鏡進行回流係進行一熱處理，該熱 處理的溫度係介於大約l〇〇°C至200°C，時間大約介於 10秒到30分鐘之間。 4. 如申請專利範圍第1項所述之形成微透鏡的方 • 法，其中，該光敏層的厚度大約介於0.1微米到2.5微米 之間。 5. 如申請專利範圍第1項所述之形成微透鏡的方 法，其中，該基底包含有至少四層内連接層。 6. 如申請專利範圍第1項所述之形成微透鏡的方 法，其中，該光敏層形成複數微透鏡，該等微透鏡的間 距係小於0.2微米。 7. 如申請專利範圍第1項所述之形成微透鏡的方 0503-A31401TWF/Edward 16 1304260 距4光敏層㊉成複數微魏，料微透鏡的間 距係小於O.i微米。 法，j U利祀11帛1項所述之形成微透鏡的方 / ，乂、，該光感測元件係為一 CM〇s影像感測器。 、去i由申°月專利範圍第1項所述之形成微透鏡的方 去’其中’該光感測元件係為一 detector) 〇 CCD(charge couple 法 如巾=利|&圍第i項所述之形成微透鏡的方 於進行回流前，另包含有一漂白步驟。 u.—種形成微透鏡的方法，包含有： 提供-基底’具有至少-光感測：件； 於該基底上，形成一光敏層（Ph〇to-sensitivelayer); 區域=光罩，進行複數次曝光，以使該光敏層之部分 ^除部分的該紐層，以使存留的部份之該光敏層 形成至少一微透鏡；以及 對該微透鏡進行回流（refl〇w)。 如申請專利範圍第U項所述之形成微透鏡的方 去’其中，該等曝光之i中夕 於处 等曝光之其中之另用用一第一焦距，該 不等於該第二焦距。、距，該第-焦距係 利範圍第u項所述之形成微透鏡的方 大約箄曝光之其中之—所使用的曝光能量，係 、’；.至1 1乘以一總能量除以該等曝光的總次數， °5〇3-A31401TWF/Edward 17 1304260 该總能量係為於—次曝光中 量。 取遺喊透鏡的曝光能 14·如申凊專利範圍第11項 法，苴中，兮％、參典从一 、厅达之形成微透鏡的方 /、f该微透鏡的高度大約小於〇·5微米。 15·如申請專利範圍第u ’^、。 法，苴中，4^之形成微透鏡的方 距係小於0.2微米。 忒寺微透鏡的間 法Λ6./1料·圍第11韻述切成微透鏡的方 距/i於Q 層形成複數微透鏡，料微透鏡的間 距係小於〇· 1微米。 ^ J ^ j 有：17. 一種形成-半導體影像偵測元件的方法，包含 邱广底’具有至少一影像偵測部分以及-邏輯 像靖分具有複數光感测元件，該邏輯部 刀具有至少一内連接層； 一=影㈣測部分上，形成-光敏層（pWsensitive 光敏層形成至少一微透鏡；以及 進行複數次曝光，以使該光敏層之部分區域曝光· 去除被曝光的部分該光敏層，以使存留的;J ’ 對w亥被透鏡進行回流（reflow)。 18.如申請專利範圍第17項所述之形成—半 像摘測元件的方法，其中，該等曝光之其中之—所使= 的曝光能量，係大約等於0.7到1乘以一總能量除以該等 0503-A31401TWF/Edward 18 J304260 =:能量該總能量係為於，μ需要形成該 19·如申請專利範圍第 像偵測元件的方法，其中， 微米。 .如申請專利範圍第17項所

   像制元件的方法，其中，該光敏導體影 該等微透鏡的間距係何G.2_。~成稷數微透鏡， 21·如中請專·圍第17項所 像偵測元件的方法，其中，詨 形成一 +钕體影 該等微透鏡的間距係小於G.1微米。^成複數微透鏡， 22.如申請專利範圍第17項所述 像偵料件的方法，其中，該邏辑包體影 内連接層。 丨刀包含有主少四層

   如申請專利範圍第17項所述之形成-半導體旦; 像偵測元件的方法，其中，該等曝光細單—光罩 2:.如申請專利範圍第17項所述之形成一半導體丁旦; 像镇測兀件的方法，其中，該等曝光係以複數光罩進 25. 一種半導體影像感測裝置，包含有： 土底具有至少一影像偵測部分以及—邏 分’該影像_部分具有複數光感測元件，該邏輯邱1 具有至少一内連接層；以及 刀 複數微透鏡，至少其中之—形成於該等域測元件 其中之一上’該等微透鏡的高度係小於0.5微米。 0503-A31401TWF/Edward 19 :1304260 裝置2,6請專利範圍第25項所述之半導體影像感測 ，該等微透鏡的間距係小於ϋ·2微米。 f置申請專利範圍第25項所述之半導體影像感測 ^ ，該等微透鏡的間距係小於ϋ·ι微米。 28立^申請專利範圍第25項所述之半導體影像感測 、1’/、中’該邏輯部分包含有至少四層内連接層。 裝置，Α ^申請專利範圍第2 5項之所述之導體影像感測 、π亥等光感測70件係為一 CMOS影像感測器。 壯/甘t申請專利範圍第25項所述之半導體影像感測 :ec㈣、。’該等光感測元件係為-CCI)(eharge couple 申請專利範圍第25項所述之半導體影像感刻 於"亥專元感測元件至該等微透鏡之間具有 至少一介電層。 32·如申請專利範圍第31項所述之半導體影像感測 其中’該介電層的總厚度大約大於3.5微求。 33· —種半導體影像感測裝置，包含有： 八 &底具有至少一影像偵測部分，該影像偵測部 刀具有複數光感測元件；以及 複透鏡’至少其中之一形成於該等光感測元件 ’、之上’該等微透鏡的高度係小於〇·5微米。 狀34·如申請專利範圍第33項所述之半導體影像感測 衣置，其中，該等微透鏡的間距係小於0.2微米。 35.如中請專利範圍第33項所述之半導體影像感測 0503-Α3140 lTWF/Edward 20