專利名稱：具有用溝槽結(jié)構(gòu)分隔的微透鏡陣列的圖象傳感器及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖象傳感器，更特別地，涉及具有用溝槽分隔的微透鏡陣列的圖象傳感器。
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(CMOS)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。濾色器技術(shù)的實例如美國專利No.6,297,071和美國專利No.6,274,917(及其引用的參考文獻)所示。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行蝕刻而形成居中在每個象素上面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。
微透鏡的形成是一個相對精細(xì)的處理過程。為了提高微透鏡聚光方面的效率，微透鏡應(yīng)該盡可能的大。而且對于每個微透鏡而言，彼此接觸是不利的，所以要間隔開?？偠灾?，理想的是，微透鏡彼此之間要盡可能地接近但不要接觸。
然而，這樣將難以精確控制微透鏡圓柱形“坯件”(blank)的形成、尺寸和形狀，也將難以控制回流處理過程，還會難以保證形成接近完美的微透鏡。


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3-4和6-8是半導(dǎo)體襯底的剖面圖，其圖解了一種用于形成本發(fā)明裝置的方法。
圖5是在圖象傳感器象素的上方形成的圓形三角脊(circulartriangular ridge)的頂視圖。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及用于CMOS或CCD類型圖象傳感器的微透鏡陣列。在下面的說明中，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)地說明眾所周知的結(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3×3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。而且，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。進一步，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(activepixel)。微透鏡205在每個象素203的頂上形成。進一步，溝槽結(jié)構(gòu)207將各個微透鏡分隔開。物如其名，溝槽結(jié)構(gòu)207是類似溝渠的區(qū)域，其用作分隔微透鏡的屏障物。正如將在下面更詳細(xì)的說明中所見到的，通過溝槽結(jié)構(gòu)207可以防止微透鏡205“溢流”(在回流處理期間)到相鄰的微透鏡上。溝槽結(jié)構(gòu)207可以采用各種形狀，但應(yīng)當(dāng)能夠起到分隔相鄰象素的作用。
圖3-7更詳細(xì)地顯示了本發(fā)明的微透鏡205和溝槽結(jié)構(gòu)207組合體的形成與結(jié)構(gòu)。在半導(dǎo)體襯底301內(nèi)形成了多個光敏感元件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，但是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。
濾色器在光敏感元件303的頂上形成。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，平面濾色器層401沉積在襯底301和光敏感元件303的上面。應(yīng)當(dāng)注意到，盡管在該具體實施例中濾色器層401直接在襯底301上形成，但是在其它實施例中，根據(jù)所使用的具體處理過程，濾色器層401也可以在一個或多個中間層上形成。例如在一些實例中，在襯底上形成平面化電介質(zhì)層，而在其它實施例中，在襯底上形成導(dǎo)電金屬層和絕緣層。
濾色器層401包括三個分離的色層，它們經(jīng)過構(gòu)圖和蝕刻而形成濾色器層401。在一個實施例中，濾色器層401包括紅、綠和藍色。在其它實施例中，濾色器層401包括黃、藍綠和品紅色。濾色器層401用經(jīng)過著色或染色的材料制成，該材料僅允許很窄頻帶的光線通過，例如紅、藍或綠。在其它實施例中，濾色器可以是藍綠、黃或品紅。這些只是用于濾色器層401的顏色的示例，本發(fā)明可以包括具有任何顏色組合的濾色器層401。
而且，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。濾色器層401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。
典型地，濾色器層401用諸如丙烯酸酯類的等等材料制成。例如，一種合適的材料就是經(jīng)過著色或染色的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚縮水甘油基丙烯酸甲酯(PGMA)。其它能夠被染色或著色的光致抗蝕劑類型材料也可以用于濾色器層401。
仍參考圖3，形成了頂部平面化層403。頂部平面化層401用電介質(zhì)材料，例如通過覆蓋層化學(xué)氣相沉積(blanket chemical vapordeposition)處理而形成的氧化物制成。
轉(zhuǎn)到圖4，在頂部平面化層403上沉積光致抗蝕劑層404，并對其進行構(gòu)圖留下光致抗蝕劑間隙405。光致抗蝕劑間隙405設(shè)置在特定區(qū)域內(nèi)，從而使光致抗蝕劑間隙405形成的圖案能夠分隔相鄰的下面的象素。因此，光致抗蝕劑間隙405起到了作為各個待形成微透鏡的溝渠的作用。在一些實施例中，光致抗蝕劑間隙405呈四邊形(如圖2所示)，而在其它實施例中則呈圓形，以便更清晰地限定微透鏡的形狀。其它的形狀也是可能的。
圖5顯示了當(dāng)其呈圓形時的光致抗蝕劑間隙405的頂視圖。如圖5所示，光致抗蝕劑間隙405形成了多個圓環(huán)，其又起到包含后續(xù)形成的微透鏡的作用。
在一個實施例中，光致抗蝕劑間隙405的寬度為大約0.1-0.2微米，盡管也能夠使用更細(xì)的結(jié)構(gòu)。進一步，光致抗蝕劑間隙405的深度可以有很大的變化，但在一個實施例中，其高度的量級為0.5-1微米。
進一步，適當(dāng)光致抗蝕劑材料的一個實例是Tokyo Ohka Kogyo的OFPR-800正性光致抗蝕劑。光致抗蝕劑可以通過旋轉(zhuǎn)涂覆(spinon)技術(shù)涂覆在頂部平面化層403的上面。應(yīng)當(dāng)意識到，其它的光致抗蝕劑也可以使用，例如i-線光致抗蝕劑。然后用傳統(tǒng)的光刻術(shù)和顯影技術(shù)，例如使用i-線步進器(i-line stepper)，對光致抗蝕劑層進行構(gòu)圖。
接著轉(zhuǎn)到圖6，在一個實施例中，對頂部平面化層403和光致抗蝕劑層404進行各向異性的干蝕刻處理。這便形成了溝槽601。在一個實施例中，控制蝕刻處理過程使溝槽601的深度處于0.2微米的量級。
接著轉(zhuǎn)到圖7，在頂部平面化層403和溝槽601上面形成微透鏡材料。微透鏡材料可以是任何光學(xué)透明的材料，并且經(jīng)過處理使之成為半球狀。例如，一些普通微透鏡的材料可以是丙烯酸酯，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚縮水甘油基丙烯酸甲酯(PGMA)。然而應(yīng)當(dāng)意識到，用于形成微透鏡的精確材料是多種多樣的，且它們可以是任何目前已經(jīng)使用的或?qū)淼牟牧稀?br> 在一個實施例中，微透鏡材料在使用過程中可以是液態(tài)材料，這樣其便能夠在旋涂技術(shù)中應(yīng)用。這在形成基本上為平面的層時具有優(yōu)勢。盡管如此，其它的覆蓋層沉積方法(blanket depositionmethod)也是適合的。在一個實施例中，微透鏡材料的厚度處于1-4微米的量級。然而，也可以使用更薄或更厚的微透鏡材料層，這取決于各種設(shè)計參數(shù)。
仍然參考圖7，微透鏡層需要加以構(gòu)圖。因此，使用光致抗蝕劑類型的材料作為微透鏡材料是有效的。通過該方法，微透鏡材料能夠簡單地通過使用光刻裝置和顯影處理而“直接構(gòu)圖”。在一個實施例中，光刻術(shù)通過減縮類型的步進裝置而執(zhí)行。
當(dāng)微透鏡材料是光致抗蝕劑時，微透鏡材料用標(biāo)線片掩模(reticle mask)和步進裝置進行曝光。設(shè)計標(biāo)線片掩模是為了使間隙部分703暴露于照相平版印刷放射線(在正性光致抗蝕劑的情況中)。這樣，在顯影時將除去間隙部分703，留下微透鏡材料區(qū)701，其通常在光檢測元件的上面且在溝槽601之間。
轉(zhuǎn)到圖8，一旦微透鏡材料經(jīng)過顯影(在微透鏡材料是光致抗蝕劑的情況中)，便將微透鏡材料的余下部分701加熱到回流溫度。這使得微透鏡材料701采取表面張力最小的形狀，即成為球狀，如圖8所示。如圖8所示，回流處理之后，便由溝槽601限定了各個微透鏡。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，溝槽601在回流處理期間包含微透鏡。
使用此處說明的結(jié)構(gòu)和方法，相鄰微透鏡結(jié)構(gòu)之間的大量串?dāng)_(crosstalk)由于溝槽601的結(jié)果而降低了。進一步，由于溝槽601，在微透鏡成形處理過程中有了更大的處理邊際。而且，分隔脊的使用減小了微透鏡之間的間隙，增加了微透鏡放置的精度，還提供了其它的優(yōu)點。
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并不背離本發(fā)明的精神和范圍。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。這樣，盡管這些步驟以特殊的次序加以顯示，但是在一些實施例中，這些步驟可以重新加以排列，而且一些步驟可以刪除、移動、添加、再分、組合和/或修改。這些步驟中的每一個都可以以各種不同的方法實現(xiàn)。同樣，盡管顯示的是這些步驟連續(xù)地加以執(zhí)行，但是這些步驟也可以平行地加以執(zhí)行，或者執(zhí)行不同的次數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種圖象傳感器包括多個象素，其形成于半導(dǎo)體襯底內(nèi)，每一個象素都包含光敏感元件；在每個所述光敏感元件上面的微透鏡；和溝槽結(jié)構(gòu)，其包圍每一個微透鏡。
2.權(quán)利要求1的圖象傳感器，其中該溝槽結(jié)構(gòu)為圓形。
3.權(quán)利要求1的圖象傳感器，其中該溝槽結(jié)構(gòu)具有矩形剖面。
4.權(quán)利要求1的圖象傳感器，其中該微透鏡用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚縮水甘油基丙烯酸甲酯(PGMA)制成。
5.權(quán)利要求1的圖象傳感器，其中該溝槽結(jié)構(gòu)的深度具有0.2微米的量級。
6.權(quán)利要求1的圖象傳感器，其中該溝槽結(jié)構(gòu)在位于該微透鏡下面的層內(nèi)形成。
7.權(quán)利要求1的圖象傳感器，還包括濾色器層，其位于該微透鏡和該光敏感元件之間。
8.一種圖象傳感器的象素，包括光敏感元件，其形成于半導(dǎo)體襯底內(nèi)；在所述光敏感元件上面的微透鏡；和溝槽結(jié)構(gòu)，其包圍所述微透鏡。
9，權(quán)利要求8的象素，其中溝槽結(jié)構(gòu)為圓形。
10.權(quán)利要求8的象素，其中該溝槽結(jié)構(gòu)具有矩形剖面。
11.權(quán)利要求8的象素，其中該微透鏡用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚縮水甘油基丙烯酸甲酯(PGMA)制成。
12.權(quán)利要求8的象素，其中該溝槽結(jié)構(gòu)的深度具有0.2微米的量級。
13.權(quán)利要求8的象素，其中該溝槽結(jié)構(gòu)在位于該微透鏡下面的材料內(nèi)形成。
14.權(quán)利要求8的象素，還包括濾色器層，其位于該微透鏡和該光敏感元件之間。
15.一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；在該光敏感元件的上面形成頂部平面化層；在該頂部平面化層內(nèi)形成溝槽結(jié)構(gòu)，該溝槽結(jié)構(gòu)包圍該光敏感元件；和在該溝槽結(jié)構(gòu)的內(nèi)部且在該光敏感元件的上面形成微透鏡。
16.權(quán)利要求15的方法，其中該溝槽結(jié)構(gòu)在該頂部平面化層內(nèi)形成。
17.權(quán)利要求15的方法，其中該溝槽結(jié)構(gòu)具有矩形剖面。
18.權(quán)利要求15的方法，其中該溝槽結(jié)構(gòu)為封閉形狀。
19.權(quán)利要求15的方法，進一步包括在該微透鏡和該光敏感元件之間形成濾色器層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有微透鏡的圖象傳感器。該圖象傳感器包括多個形成于半導(dǎo)體襯底內(nèi)的象素，每個象素都含有光敏感元件。在每個光敏感元件的上面形成了微透鏡。最后，溝槽結(jié)構(gòu)包圍每個微透鏡。
文檔編號G02B3/00GK1574381SQ20031010257
公開日2005年2月2日 申請日期2003年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月24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