專利名稱：用于形成具有凹狀微透鏡的圖象傳感器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖象傳感器，更特別地，涉及用于制造具有凹狀微透鏡的圖象傳感器的方法。
背景技術(shù)：
圖象傳感器是能夠用于產(chǎn)生靜止或視頻圖象的電子集成電路。固態(tài)圖象傳感器可以是電荷耦合器件(CCD)類型或者是互補金屬氧化物半導(dǎo)體(COMS)類型。在任何一種類型的圖象傳感器中，聚光象素都在襯底內(nèi)形成并且排列成二維陣列。典型的現(xiàn)代圖象傳感器含有數(shù)百萬個象素以提供高分辨率的圖象。圖象傳感器的一個重要部分是在象素頂上形成的濾色器和微透鏡結(jié)構(gòu)。濾色器，物如其名，能夠與信號處理相結(jié)合有效地提供彩色圖象。微透鏡用于將入射光線聚焦到象素上面，從而改善每個象素的填充因數(shù)。
傳統(tǒng)上，微透鏡通過將微透鏡材料層旋轉(zhuǎn)涂覆在平面化(planarized)層上而形成。然后對微透鏡材料進(jìn)行蝕刻而形成居中在每個象素上的圓柱形或其它形狀的區(qū)域。然后，加熱和回流微透鏡材料以形成凸半球狀微透鏡。圖1顯示了先前技術(shù)中在其上形成了微透鏡的圖象傳感器101剖面的簡化圖。如圖1所示，圖象傳感器包括多個具有形成于襯底內(nèi)的光檢測元件103的象素。光檢測元件103可以是幾種類型中的一種，如光電二極管、光門(photogate)、或者其它固態(tài)光敏感元件。微透鏡105在每個象素的頂上形成。微透鏡105在將入射光線聚焦到光檢測元件103上。而且，在光檢測元件103和微透鏡105之間的區(qū)域內(nèi)，如標(biāo)記數(shù)字107所示，有許多插入層，其典型地包括濾色器層和許多金屬導(dǎo)電線。這些部件都排除在附圖之外以簡化此處的說明，并使之不會妨礙本發(fā)明。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于后續(xù)的處理步驟，凸?fàn)钗⑼哥R有時會導(dǎo)致更大的顆粒污染的可能性。而且，由于用于形成微透鏡的特殊處理，也難以消除微透鏡105之間的間隙。大體上講，使微透鏡之間的間隙最小化是較為理想的，因為更大的微透鏡會導(dǎo)致更高等級的光會聚。


圖1是先前技術(shù)中圖象傳感器一部分的剖面圖。
圖2是圖象傳感器的頂視圖，其顯示了排列成二維陣列的象素及在其上形成的微透鏡。
圖3-9是半導(dǎo)體襯底的剖面圖和相應(yīng)的頂視圖，其圖解了一種用于形成圖象傳感器的方法。
圖10是使用本發(fā)明的一種方法而形成的圖象傳感器的等距視圖。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及用于形成凹微透鏡結(jié)構(gòu)的方法，該結(jié)構(gòu)用于CMOS或CCD類型的圖象傳感器。在隨后的說明中，給出了大量的具體細(xì)節(jié)以便能夠完全理解本發(fā)明的實施例。然而熟悉相關(guān)技術(shù)的人將會認(rèn)識到，缺少一個或多個該具體細(xì)節(jié)或者使用其它的方法、部件等，本發(fā)明也能夠?qū)崿F(xiàn)。此外，本文沒有顯示或者詳細(xì)說明眾所周知的結(jié)構(gòu)或操作，以避免妨礙彰顯本發(fā)明各種實施例的各個方面。
在整個專利說明中，提到的“一個實施例”或“某實施例”的意思是，所說明的與該實施例相關(guān)的具體特征、結(jié)構(gòu)或性質(zhì)包含在本發(fā)明至少一個實施例中。這樣，出現(xiàn)在本專利說明各處的詞語“在一個實施例中”或“在某實施例中”，并非都是指代相同的實施例。而且在一個或多個實施例中，具體的特征、結(jié)構(gòu)或性質(zhì)可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞郊右越M合。
圖2顯示的是根據(jù)本發(fā)明形成的圖象傳感器201的頂視圖。圖象傳感器201包括多個象素203，其典型地排列成二維陣列。在圖2所示的實例中，圖象傳感器顯示了3x3的象素203陣列，通過它能夠意識到，實際的圖象傳感器201具有非常多的象素，其可能排列成超過數(shù)千行和/或數(shù)千列。進(jìn)一步，盡管圖2顯示出象素處于規(guī)則的行列之中，但象素也可以布置成任何類型的規(guī)則排列。例如，交替的行可以使其象素彼此稍微橫向偏離而成跳棋棋盤狀。
象素203典型地包括光敏感元件，如光電二極管或光門兩個實例。但是應(yīng)當(dāng)意識到，其它類型的光敏感元件，無論是現(xiàn)在已知的還是將來會開發(fā)出來的，也可以使用。而且，象素203還包括放大和/或讀出電路。為了清楚起見，圖2中沒有顯示該電路。在一個實施例中，象素203可以是在先前技術(shù)中所熟知的有源象素(active pixel)。
微透鏡205在每個象素203的頂上形成。微透鏡205實際上成凹狀，與先前技術(shù)中的凸?fàn)钗⑼哥R相對。由于凹微透鏡205的性質(zhì)，相鄰象素的相鄰微透鏡之間，間隙很小或者沒有。
此外，與每一個象素203相聯(lián)系的是濾色器207。濾色器207可以或者設(shè)置在微透鏡205與光敏感元件之間，或者選擇地，形成于微透鏡205的頂上。濾色器207典型地為經(jīng)過著色或染色的材料，其僅允許很窄頻帶的光線通過，比如紅、藍(lán)或綠。在其它實施例中，濾色器可以是藍(lán)綠、黃或品紅。這些只是用于濾色器207的顏色的示例，且本發(fā)明可以包括具有任何顏色的濾色器207。盡管使用經(jīng)過著色或染色的材料是濾色器最普遍的形式，但是其它反射類型的濾色器也可以使用，例如多層堆疊反射材料。濾色器207的形成在技術(shù)上是為人所熟知的，在此處不再說明以避免對本發(fā)明的說明造成任何不必要的妨礙。例如，美國專利No.6,297,071、美國專利No.6,362,513和美國專利No.6,271,900就顯示了濾色器技術(shù)的現(xiàn)狀。
圖3-9是半導(dǎo)體襯底概要的剖面圖和頂視圖，其圖解了一種用于形成本發(fā)明結(jié)構(gòu)的方法。特別地，圖3是沿著圖2中A-A線獲得的剖面圖。半導(dǎo)體襯底301內(nèi)形成有多個光敏感元件303(與圖2中的象素203相聯(lián)系)。圖3顯示的光敏感元件303是光電二極管，但也可以使用其它的替代物和等價物。形成光電二極管和其它關(guān)聯(lián)電路的細(xì)節(jié)在先前技術(shù)中是為人們所熟知的，故此處不再重復(fù)以避免妨礙本發(fā)明。然而，先前技術(shù)的實例可以在美國專利No.5,904,493和美國專利No.6,320,617中見到。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，當(dāng)象素203在襯底內(nèi)形成之后，光學(xué)透明的(至少是可見光譜的一部分)基礎(chǔ)材料305在襯底301上形成。基礎(chǔ)材料305可以通過使用覆蓋層沉積(blanket deposition)處理，或者選擇地，使用旋轉(zhuǎn)涂覆(spin on)方法而形成。在一個實施例中，基礎(chǔ)材料為環(huán)氧樹脂或丙烯酸系物質(zhì)(acrylic)。選擇這些材料是出于它們的穩(wěn)定性、易于處理或者合適的折射系數(shù)。如下所示，基礎(chǔ)材料要具有相對較低的折射系數(shù)是很重要的。對于環(huán)氧樹脂或丙烯酸類材料，折射系數(shù)的范圍是1.4-1.5。適當(dāng)材料的一個實例就是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚縮水甘油基丙烯酸甲酯(PGMA)。選擇地，基礎(chǔ)材料也可以是氧化物。
盡管上面給出了具體的實例，但是應(yīng)當(dāng)意識到，基礎(chǔ)材料可以用任何具有相對較低折射系數(shù)的光學(xué)透明材料制成。在基礎(chǔ)材料305通過使用旋轉(zhuǎn)涂覆技術(shù)而施加的情況中，基礎(chǔ)材料305具有基本上為平面的優(yōu)點。理想的是使基礎(chǔ)材料305的頂面盡可能地為平面和光滑。盡管如此，覆蓋層沉積(blanket deposition)，如通過化學(xué)氣相沉積，也是適當(dāng)?shù)摹?br> 在一個實施例中，基礎(chǔ)材料305的厚度為2-2.5微米的量級。然而，也能夠使用更薄或更厚的基礎(chǔ)材料層305，這取決于各種設(shè)計參數(shù)，比如所期望的微透鏡焦距長度。
仍然參考圖3，在沉積了基礎(chǔ)材料305之后，沉積樹脂層307。樹脂層307也稱作犧牲層，且在一個實施例中為苯基樹脂。因為樹脂層307將用作犧牲層，再一次，在選擇用作樹脂層307的精確材料時存在一些靈活性。
在一個實施例中，樹脂層307需要加以構(gòu)圖。因此，使用光致抗蝕劑類型的材料(如苯基樹脂)作為樹脂層307是有效的。通過該方法，樹脂層307能夠簡單地通過使用光刻裝置和顯影處理而“直接構(gòu)圖”。
下面轉(zhuǎn)到圖4，對樹脂層307進(jìn)行構(gòu)圖和顯影以去除樹脂層307的308部分。所去除的樹脂層307的308部分通常在光敏感元件303的上面，且呈圓形。圖5顯示了部分已經(jīng)去除的樹脂層307的頂視圖。樹脂層307的去除部分308與即將最終形成的凹微透鏡相關(guān)。再一次，圖4和圖5中所顯示的去除部分的具體形狀和尺寸只是本發(fā)明的具體實施例。其它具體的實現(xiàn)方法也是可能的。例如，圖4和圖5中所示的308部分的尺寸可以根據(jù)所期望的待形成微透鏡的尺寸而縮小或放大。較大尺寸的308部分會產(chǎn)生較大的微透鏡，反之亦然。
轉(zhuǎn)到圖6，一旦樹脂層307經(jīng)過顯影(在樹脂層307為光致抗蝕劑的情況中)或蝕刻(在非光致抗蝕劑犧牲層的情況中)，便將樹脂層307的余下部分加熱到回流溫度。這使得樹脂層307采取表面張力最小的形狀，在許多情況中為球狀，如圖6所示。
一旦回流處理完成，便用經(jīng)過回流的樹脂層307作為蝕刻掩模進(jìn)行各向異性的干蝕刻。在一個實施例中，該蝕刻是用O2作為初始?xì)怏w、CH3作為第二氣體的反應(yīng)離子蝕刻。在一個實施例中，基礎(chǔ)材料305與樹脂層307之間的蝕刻比率為1.0-1.5的量級。這樣，下面的基礎(chǔ)材料305會比樹脂層307蝕刻得更快。在一個實施例中，蝕刻處理過程在去除掉樹脂層307后完成。由于樹脂層307的回流形狀，干蝕刻的結(jié)果是產(chǎn)生基礎(chǔ)材料305半球狀“疤坑”，從而在每個光敏感元件303的上面形成凹微透鏡701。該結(jié)果如圖7(剖面圖)和圖8(頂視圖)所示。
應(yīng)當(dāng)注意到，相鄰微透鏡之間的間隔能夠通過控制形成于樹脂層307內(nèi)的去除部分308的間隔而加以改變。彼此間隔較遠(yuǎn)的小去除部分308會產(chǎn)生相對小的微透鏡和最終微透鏡之間的較大的間隙。較大的去除部分308會產(chǎn)生具有較小間隙的大的最終微透鏡。而且，通過在蝕刻基礎(chǔ)材料305和樹脂層307的過程中采用過蝕刻(over-etching)技術(shù)，相鄰微透鏡之間的間隙能夠減小到零。應(yīng)當(dāng)意識到，去除部分308的尺寸、蝕刻的長度、基礎(chǔ)材料305和樹脂層307的組成、以及其它的處理/設(shè)計因素都能夠加以改變以獲得理想的微透鏡性能。
最后轉(zhuǎn)到圖9，填充材料311在基礎(chǔ)材料305和微透鏡701的上面形成。填充材料311應(yīng)當(dāng)具有相對較高的折射系數(shù)，其高于基礎(chǔ)材料305從而能夠?qū)⑷肷涔饩€彎曲并聚焦到光敏感元件303上。在一個實施例中，填充材料311的折射系數(shù)為1.6-1.8之間。填充材料311的一個實例是光學(xué)透明的聚酰亞胺。在一個實施例中，聚酰亞胺層311的厚度處于3-4微米的量級。聚酰亞胺層311典型地通過旋轉(zhuǎn)涂覆而施加。圖10顯示了完成結(jié)構(gòu)的等距圖。
根據(jù)本發(fā)明，微透鏡之間的最小間隔能夠更容易地獲得。這改善了填充因子和聚光效率，從而改善了敏感性。此外，凹狀微透鏡在可用封裝技術(shù)中具有優(yōu)勢，從而反過來又使顆粒和灰塵對圖象傳感器的影響最小化。而且根據(jù)本發(fā)明，濾色器能夠用傳統(tǒng)的方法或者在微透鏡的頂上或者在微透鏡與光敏感元件303之間形成。而且凹狀微透鏡的使用會產(chǎn)生相對較短的焦距。這反過來又允許更高的集成密度。
由上文應(yīng)當(dāng)意識到，本文出于舉例說明的目的說明了本發(fā)明具體的實施例，但是還可以做出各種修改而不會背離本發(fā)明的精神和范圍。因而，不考慮所使用的具體材料，本發(fā)明教導(dǎo)了凹微透鏡的使用，其用適當(dāng)材料加以填充而聚焦入射光線。因此，除了附屬的權(quán)利要求之外，本發(fā)明并不受任何限制。
權(quán)利要求
1.一種用于形成圖象傳感器的方法，包括在半導(dǎo)體襯底內(nèi)形成多個象素，每個象素都包含光敏感元件；在該多個象素上形成基礎(chǔ)材料，該基礎(chǔ)材料具有第一折射系數(shù)；在該光敏感元件的上面、在該基礎(chǔ)材料內(nèi)形成微透鏡空腔，該微透鏡空腔成凹狀；和在該微透鏡空腔內(nèi)形成填充材料，該填充材料具有第二折射系數(shù)，第二折射系數(shù)高于第一折射系數(shù)。
2.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括在每個象素上面形成濾色器，該濾色器在該微透鏡與該光敏感元件之間形成。
3.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括在每個象素上面形成濾色器，該濾色器在該微透鏡的上面形成。
4.權(quán)利要求1的方法，其中該基礎(chǔ)材料為環(huán)氧樹脂或丙烯酸酯材料。
5.權(quán)利要求1的方法，其中該填充材料為苯基樹脂。
6.權(quán)利要求1的方法，其中該基礎(chǔ)材料或者是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或者是聚縮水甘油基丙烯酸甲酯(PGMA)。
7.一種形成圖象傳感器象素的方法，包括在半導(dǎo)體襯底內(nèi)形成光敏感元件；在該光敏感元件上面形成基礎(chǔ)材料，該基礎(chǔ)材料具有第一折射系數(shù)；在該光敏感元件的上面、在該基礎(chǔ)材料內(nèi)形成微透鏡空腔，該微透鏡空腔成凹狀；和在該微透鏡空腔內(nèi)形成填充材料，該填充材料具有第二折射系數(shù)，第二折射系數(shù)高于第一折射系數(shù)。
8.權(quán)利要求7的方法，進(jìn)一步包括在該光敏感元件上面形成濾色器，該濾色器在該微透鏡與該光敏感元件之間形成。
9.權(quán)利要求7的方法，進(jìn)一步包括在該光敏感元件上面形成濾色器，該濾色器在該微透鏡的上面形成。
10.權(quán)利要求7的方法，其中該基礎(chǔ)材料為環(huán)氧樹脂或丙烯酸酯材料。
11.權(quán)利要求7的方法，其中該填充材料為苯基樹脂。
12.權(quán)利要求7的方法，其中該基礎(chǔ)材料或者是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或者是聚縮水甘油基丙烯酸甲酯(PGMA)。
13.一種用于形成在圖象傳感器象素上面使用的微透鏡的方法，該方法包括在該象素上形成基礎(chǔ)材料，該基礎(chǔ)材料具有第一折射系數(shù)；在該光敏感元件的上面、在該基礎(chǔ)材料內(nèi)形成微透鏡空腔，該微透鏡空腔成凹狀；和在該微透鏡空腔內(nèi)形成填充材料，該填充材料具有第二折射系數(shù)，第二折射系數(shù)高于第一折射系數(shù)。
14.權(quán)利要求13的方法，進(jìn)一步包括在該光敏感元件上面形成濾色器，該濾色器在該微透鏡與該光敏感元件之間形成。
15.權(quán)利要求13的方法，進(jìn)一步包括在該光敏感元件上面形成濾色器，該濾色器在該微透鏡的上面形成。
16.權(quán)利要求13的方法，其中該基礎(chǔ)材料為環(huán)氧樹脂或丙烯酸酯材料。
17.權(quán)利要求13的方法，其中該填充材料為苯基樹脂。
18.權(quán)利要求13的方法，其中該基礎(chǔ)材料或者是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或者是聚縮水甘油基丙烯酸甲酯(PGMA)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于形成具有凹狀微透鏡的圖象傳感器的方法。該方法包括在半導(dǎo)體襯底內(nèi)形成多個象素，每個象素都含有光敏感元件。接著在象素上方形成基礎(chǔ)材料，該基礎(chǔ)材料具有第一折射系數(shù)。在該基礎(chǔ)材料內(nèi)于每個光敏感元件的上面形成微透鏡空腔。該微透鏡空腔成凹狀。最后，在微透鏡空腔內(nèi)形成填充材料。填充材料具有第二折射系數(shù)，其高于該第一折射系數(shù)。
文檔編號H01L27/146GK1505163SQ20031010436
公開日2004年6月16日 申請日期2003年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月25日
發(fā)明者山本克已 申請人:華微半導(dǎo)體(上海)有限責(zé)任公司