單片集成的具有雙焦微透鏡陣列的cmos圖像傳感器的製作方法

2023-07-24 23:53:01 3

專利名稱：單片集成的具有雙焦微透鏡陣列的cmos圖像傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及透鏡陣列及其製作方法，特別是涉及單片集成雙焦透鏡陣 列及其製作方法和在互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)圖像傳感器中的應用。
背景技術：
過去的十年，由於CMOS圖像傳感器與電荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)比較,可以在較低電壓下工作，降低可攜式應用的能耗，具 有較少的支持電路，設計更加簡單，提供超低能耗和晶片集成的圖像傳感 器，因此得到越來越多的關注。過去由CMOS技術(0.35Pm及以上)制 造的這些傳感器一般具有比CCD較大的像素，低解析度和更低的性能。 近來由於在包括矽製程(0.18Pm及以下)的幾個領域的技術和設計的發展， 濾色器陣列和微透鏡集成，包裝微小化和像素和晶片上圖像傳感器的設計 有望擴大CMOS圖像傳感器的應用性和使其性能和作用甚至超過CCD。
在高發散雷射二極輸出的瞄準和聚焦中，在光電探測器和圖像傳感器 的光收集中，包括高功率和高亮度光源、光纖通訊、光學數據存儲和光互 連的廣泛的應用領域，都需要具有限制發散性能和高效率的微透鏡。而且 半導體襯底和澱積的電介質層不僅提供高折射率，還提供單片透鏡雷射器 和單片透鏡傳感器集成的趨勢。
到目前為止電子束刻蝕和離子刻蝕已經應用於各種半導體器件、光學 和表面聲波器件以及集成電路製造過程。離子束刻蝕已經成功應用於集成 在發光二極體(LEDs.)的InP襯底上和InGaAs/InP pin光電二極體陣列 上的微透鏡的製作上。
Liau等通過質量傳遞技術在InP和GaAs襯底上製作了微透鏡。該方 法應用光刻和化學刻蝕形成多層臺形結構，通過熱處理最後形成微透鏡， 其中多層臺階由於表面能最小化如質量傳遞，而變得光滑。
與上述的質量傳遞技術相比，反應離子束刻蝕技術更加簡單和方便。 其僅由兩步工藝構成光刻膠掩模製作和反應離子束刻蝕，兩步都適合批 量生產。然而通過質量傳遞製作微透鏡需要重複光刻和化學刻蝕以獲得十
級圓錐形臺階而且需要晶片在87(TC質量傳遞以形成微透鏡。
Pantdis等人採用對熱熔產生的光刻膠微透鏡陣列進行反應離子刻蝕 來製作有機聚合物如聚醯亞胺聚合物微透鏡(參見Pantelis P, McCartrey D J. Polymer microlens arrays. Pure. Appl. Opt., 1994， 3:103 108)。但其只能 形成單焦微透鏡，而且由於熔點較低，因此高空以及太空應用中抗溼、抗 高溫及防輻射能力差，易於變形老化，因此量子效率、聚光效率以及可靠 性較差。

發明內容
為克服現有技術存在的以上問題，提出本發明。
本發明的目的是通過兩步反應離子束刻蝕製作無機的雙焦矽氧化物 微透鏡陣列。
本發明還有一個目的是製作單片集成的具有雙焦微透鏡陣列的CMOS 傳感器。
本發明的單片集成的具有雙焦微透鏡陣列的CMOS圖像傳感器，包
括-
標準CMOS邏輯電路，其集成了矽pin光電二極體； 微透鏡陣列，集成在CMOS電路有源區域對應的光吸收表面； 氮化矽層，覆蓋微透鏡陣列； 濾色鏡，設置於氮化矽層上面；
其特徵在於，微透鏡陣列是雙焦微透鏡陣列，與CMOS電路單片集成。 根據本發明，所述的標準CMOS邏輯電路還包括矽襯底、頂層金屬、
氧化矽覆蓋層。該氧化物覆蓋層是高密度等離子體澱積而成。
本發明的雙焦微透鏡陣列是無機雙焦微透鏡陣列，較佳是矽氧化物雙
焦微透鏡陣列。
本發明的雙焦微透鏡陣列，包括第一矽氧化物透鏡，其具有第一曲
率半徑；第二矽氧化物透鏡，其具有第二曲率半徑。
本發明的雙焦微透鏡陣列製作，包括如下步驟 形成矽氧化物層或含富矽的氧化物層，其折射率為1.44~2.0; 塗敷光刻膠層，光刻、顯影形成光刻膠圖案； 光刻膠回流成型；
進行兩步反應離子束刻蝕，形成雙焦矽氧化物微透鏡； 根據本發明，矽氧化物是富矽氧化物(Silicon Rich Oxide， SRO)，
或富矽氮氧化物(Silicon Rich Oxynitride， SRON)。矽氧化物採用等離子
增強化學氣相澱積(PECVD)方法形成。
根據本發明，光刻膠為正型光刻膠，其回流溫度為高於其玻璃化轉化
溫度10 5(TC， 一般為150~180°C ，回流時間為5 20min，所成型光刻膠
球的大小與其像素大小對應。
根據本發明，反應離子束採用含有氬離子的反應離子束刻蝕，所述的 反應離子束刻蝕採用刻蝕射頻功率為500~800W,矽片襯底偏置射頻功率 為500~800W,入射角為0~60° 。所述的矽襯底在反應離子束刻蝕過程當 中需要冷卻至溫度小於150。C,矽片襯底固定在反應腔體內的靜電吸盤上。 反應氣體及流量為氬氣(Ar): 300 700sccm;氧氣(02): 10 100sccm;四氟 化碳(CF4): 10 100sccm;三氟甲烷CHF3): 5 50sccm;反應腔體的壓力為 100 500 mtorr.在光刻膠刻蝕掉一半時，通過改變射頻能量及(或)反應氣 體的流量及(或)反應腔體的壓力，保持入射角不變，直到光刻膠刻蝕完畢 形成雙焦微透鏡陣列。顯微鏡和掃描式電子顯微鏡用於測量刻蝕形成的圖 案的表面形狀。微透鏡輪廓通過表面輪廓測定儀器測定。
本發明通過兩步反應離子束刻蝕在富矽氧化物襯底上製作雙焦微透 鏡。計算和實驗結果表明當塗有球形光刻膠掩模的襯底被具有合理的刻蝕 參數的反應離子束刻蝕時，刻蝕的透鏡的形狀仍是球形而其曲率半徑 R二Rr/k(其中Rr是球形光刻膠掩模的曲率半徑，k是襯底對掩模的刻蝕比 率)。其刻蝕比率k取決於反應離子束入射角、射頻能量、反應氣體的流 量及反應腔體的壓力。因此通過調整和控制刻蝕條件，獲得需要的透鏡的 曲率半徑，及具有雙曲率半徑的透鏡，即雙焦透鏡。
由於本發明是在完成CMOS圖像傳感器的前段製程，其包括集成了 pin光電二極體的標準邏輯電路的完整製程，然後進行後段製程，其包括
形成濾色鏡，單片集成的富矽氧化物(SRO)或富矽氮氧化物(SRON) 微透鏡，以及氮化矽覆蓋層。本發明的雙焦微透鏡折射率為1.44~2.0，用 於較好的光學聚焦雙焦微透鏡陣列，提高光收集和量子效率。與有機透鏡 相比具有高的可靠性。
本發明具有CMOS圖像傳感器與雙焦微透鏡陣列單片集成的高性能 和高可靠性的製作流程和工藝。該工藝方法和技術可以高質量、高產量、 低成本生產CMOS圖像傳感器。


下面結合附圖詳細介紹本發明。然而需要注意的是，這些附圖只是用 來說明本發明的典型實施例，而不構成為對本發明的任何限制，在不背離 本發明的構思的情況下，可以具有其他更多等效實施例。而本發明的保護 範圍由權利要求書決定。
圖1A是根據本發明，完成CMOS圖像傳感器前段製程後的一個實施 例的截面示意圖。
圖1B是根據本發明，形成光刻膠圖案後的一個實施例的截面示意圖。 圖1C是根據本發明，光刻膠回流成型後的一個實施例的截面示意圖。 圖1D是根據本發明，經過兩步離子束刻蝕形成雙焦微透鏡陣列後的
一個實施例的截面示意圖。
圖1E是根據本發明，在覆蓋氮化矽層和形成濾色鏡後的單片集成的
具有雙焦微透鏡的CMOS圖像傳感器的一個實施例的截面示意圖。
圖2A 2E是根據本發明的雙焦微透鏡形成過程的一個實施例的局部，
一個雙焦透鏡的截面示意圖。
圖3是根據本發明，由掃描電子顯微鏡(SEM)測得的一個實施例的
一部分雙焦微透鏡陣列的掃描電子顯微鏡照片。
圖4是本發明的一個實施例的雙焦微透鏡的輪廓圖。
圖5是本發明的一個實施例的一個雙焦微透鏡的掃描電子顯微鏡 (SEM)照片。
附圖標記說明
1矽襯底
2CMOS圖像傳感器二極體
3頂層金屬
4高密度等離子體澱積二氧化矽
5等離子增強化學氣相澱積富矽氧化物
6光刻膠
7氮化矽
8濾色鏡
9入射光
10離子束
11離子束入射角
51第一透鏡
52第二透鏡
53曲率突變點
54曲率突變點
具體實施例方式
下面結合附圖詳細說明本發明。
圖1A 1E說明了本發明的單片集成具有雙焦透鏡陣列的CMOS圖像 傳感器及其製作過程示意圖。
根據本發明的一個具體實施方式
，單片集成的具有雙焦微透鏡陣列的 CMOS圖像傳感器，如圖1E所示，包括
標準CMOS邏輯電路，其集成了 pin光電二極體2，具有頂層金屬3， 以及氧化矽絕緣層4;
微透鏡陣列5，集成在CMOS電路有源區域，更具體地講，像素單元 對應的光吸收表面；
氮化矽層7，覆蓋微透鏡陣列5;
濾色鏡8，設置於氮化矽層7上面；
其中，雙焦微透鏡陣列，與CMOS電路單片集成。
其製作過程為，如圖1A所示，在具有標準CMOS邏輯電路(圖中未
示出)的矽襯底1上形成光電二極體2，在其上通過高密度等離子體方法 澱積形成氧化矽絕緣層4，並形成頂層金屬3。然後如圖1B所示，在其上 釆用等離子體增強氣相澱積方法形成富矽氧化物層5，該氧化物層的折射 率為1.44~2.0;再形成正型光刻膠層AR89，通過光刻、顯影形成光刻膠 圖案6，如圖1B所示。按照常規光刻方法形成光刻膠直徑為0.5 5pm的 光刻膠圖案，然後在高於其玻璃軟化溫度(約15CTC) l(TC下烘烤10分鐘， 由於表面張力的作用，光刻膠表面形成球形輪廓，加上光刻膠與富矽氧化 物表面之間的粘結作用，表面張力和粘結力達到平衡，便形成光刻膠圖案 中心高度為l~4pm的球形，如圖1C所示。
隨後，對富矽氧化物層5進行反應離子束刻蝕，反應離子束刻蝕釆用 刻蝕射頻功率為500 800W，矽片襯底偏置射頻功率為500 800W,入射角 9為0° (垂直於矽片表面)，當光刻膠刻蝕掉一半時，通過改變射頻能 量及(或)反應氣體的流量及(或)反應腔體的壓力，而保持入射角不變，直到 光刻膠刻蝕完畢形成雙焦微透鏡陣列，如圖1D所示。
接著在雙焦透鏡上面覆蓋一層氮化矽層7，並形成濾色鏡8，如圖1E 所示。照射到光吸收表面的光線9，通過濾色鏡後，經過雙焦透鏡折射， 進入光電二極體，產生光生電流使CMOS圖像傳感器工作。雙焦透鏡的優 點是，其可用於獲得觀察微小部分的放大圖象所需要的深焦。甚至在高倍 放大率下，其可以清晰和逼真地傳遞全部顏色。
圖2A 2E是本發明的雙焦透鏡的一個實施例的製作過程示意圖。
如圖2A所示，在富矽氧化物層5上形成正型光刻膠層AR89，通過光 刻、顯影形成光刻膠圖案6，光刻膠直徑為3pm;
然後，在約16(TC下烘烤IO分鐘，由於表面張力的作用，光刻膠表面 形成球形輪廓，加上光刻膠與富矽氧化物表面之間的粘結作用，表面張力 和粘結力達到平衡，便形成光刻膠圖案中心高度為2.4Mm的球形，如圖2B 所示；
矽片襯底固定在反應腔體內的靜電吸盤上，對富矽氧化物層5進行反 應離子束刻蝕，刻蝕設備採用美國應用材料公司製造的等離子體刻蝕機， 採用刻蝕射頻功率為550W，矽片襯底偏置
應離子束刻蝕過程當中冷卻至溫度小於150°C，反應氣體及流量為氬氣 (Ar): 360sccm;氧氣(02): 20sccm;四氟化碳(CF4): 45sccm;三氟甲烷 (CHF3): 12sccm;反應腔體的壓力為120 m torr，如圖2C所示。
當光刻膠刻蝕掉一半時，如圖2D所示，射頻能量增加10%及反應氣
體氬氣流量增加10%及反應腔體的壓力減小io%，保持入射角e為o。不
變，在光刻膠被全部刻蝕完成後得到如圖2E所示的雙焦透鏡。球形光刻 膠掩模轉變為雙焦球形富矽氧化物襯底。
用掃描電子顯微鏡檢測得到的本實施例的部分微透鏡的結果如圖3所 示，可以看出透鏡表面非常光滑，而且可以清楚地看到有焦距突變的輪廓。
圖4為通過透射電子顯微鏡得到的本實施例的一個雙焦微透鏡剖面的 顯微照片。由於曲線上對稱的突變點53、 54，可以清楚地看出截然不同的 兩個透鏡部分。第一透鏡51的第一曲率半徑為1.48)Lim，第二透鏡52的第 二曲率半徑為0.7|im。
圖5是通過掃描電子顯微鏡得到的本實施例的一個雙焦微透鏡的顯微 照片。
雖然以上所述是針對本發明的實施例，但本發明的其它及進一步的實 施例可以在不背離其基本範圍之下設計出，而其保護範圍是由權利要求書 的範圍決定。
權利要求
1.單片集成的具有雙焦微透鏡陣列的CMOS圖像傳感器，包括標準CMOS邏輯電路，其集成了矽pin光電二極體；微透鏡陣列，集成在CMOS電路有源區域對應的光吸收表面；氮化矽層，覆蓋微透鏡陣列；濾色鏡，設置於氮化矽層上面；其特徵在於，所述微透鏡陣列是雙焦微透鏡陣列，與CMOS電路單片集成。
2. 根據權利要求1所述的單片集成的具有雙焦微透鏡陣列的CMOS 圖像傳感器，其特徵在於，所述的標準CMOS邏輯電路還包括矽襯底、頂 層金屬、氧化矽覆蓋層。
3. 根據權利要求2所述的單片集成的具有雙焦微透鏡陣列的CMOS 圖像傳感器，其特徵在於，所述的氧化矽覆蓋層是高密度等離子體澱積而 成。
4. 根據權利要求1所述的單片集成的具有雙焦微透鏡陣列的CMOS 圖像傳感器，其特徵在於，所述的雙焦微透鏡陣列是無機雙焦微透鏡陣列。
5. 根據權利要求4所述的單片集成的具有雙焦微透鏡陣列的CMOS 圖像傳感器，其特徵在於，所述的無機雙焦微透鏡陣列是矽氧化物雙焦微 透鏡陣列。
6. 根據權利要求1所述的單片集成的具有雙焦微透鏡陣列的CMOS 圖像傳感器，其特徵在於，所述的雙焦微透鏡陣列，包括第一矽氧化物透鏡，其具有第一曲率半徑； 第二矽氧化物透鏡，其具有第二曲率半徑。
7. 根據權利要求1所述的雙焦微透鏡陣列的製作方法，包括如下步驟 形成矽氧化物層或富含矽的氧化物層，其折射率為1.44~2.0;塗敷光刻膠層，光刻、顯影形成光刻膠圖案；光刻膠回流成型；進行兩步反應離子束刻蝕，形成雙焦矽氧化物微透鏡。
8. 根據權利要求7所述的單片集成的具有雙焦微透鏡陣列的CMOS圖像 傳感器，其特徵在於，所述的矽氧化物是富矽氧化物。
9. 根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述的矽氧化物也可以 是富矽氮氧化物。
10. 根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述的光刻膠為正型 光刻膠。
11. 根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述的矽氧化物採用 等離子增強化學氣相澱積形成。
12. 根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述的光刻膠的回流 溫度為高於其玻璃轉化溫度10 50°C。
13. 根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述的光刻膠的回流 溫度為150 180。C。
14. 根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述的光刻膠的回流 時間為5 20min。
15. 根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述的成型光刻膠球 的大小與其像素大小對應。
16. 根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述的反應離子束刻 蝕是含有氬離子的反應離子束刻蝕。
17. 根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述的反應離子束刻 蝕採用刻蝕射頻功率為500~800W,矽片襯底偏置射頻功率為500-800W, 入射角為0 60° 。
18. 根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述的反應離子束刻 蝕採用反應氣體及流量為氬氣300 700sccm;氧氣10 100sccm;四氟化 碳10 100sccm;三氟甲烷5 50sccm;反應腔體的壓力為100 500 m torr。
19. 根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述的反應離子束刻 蝕，在光刻膠刻蝕掉一半時，通過改變射頻功率及/或反應氣體的流量及/ 或反應腔體的壓力，和入射角保持不變，直到光刻膠刻蝕完畢，形成雙焦 微透鏡陣列。
20. 根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述的反應離子束刻 蝕，矽片襯底固定在反應腔體內的靜電吸盤上。
21. 根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述的矽片襯底在反 應離子束刻蝕過程中需要冷卻至溫度小於150°C
全文摘要
一種單片集成的具有雙焦微透鏡陣列的CMOS圖像傳感器，包括標準CMOS邏輯電路，其集成了矽pin光電二極體；微透鏡陣列，集成在CMOS電路有源區域對應的光吸收表面；氮化矽層，覆蓋微透鏡陣列；濾色鏡，設置於氮化矽層上面；其特徵在於，所述微透鏡陣列是雙焦微透鏡陣列，與CMOS電路單片集成。其折射率為1.44～2.0用於較好的光學聚焦雙焦微透鏡陣列，提高光收集和量子效率。
文檔編號H01L21/70GK101114662SQ20061002951
公開日2008年1月30日 申請日期2006年7月28日 優先權日2006年7月28日
發明者嚴祥成, 盧普生, 虹 朱, 李若加, 楊建平, 洪中山, 肖德元, 陳國慶 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司