專利名稱：具有在外圍區(qū)域的大微透鏡的圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像傳感器，特別涉及在像素陣列的外側(cè)區(qū)域具有較 高的微透鏡的圖像傳感器。
背景技術(shù)：
圖像傳感器是可以用于產(chǎn)生靜止和視頻圖像的電子集成電路。固 態(tài)圖像傳感器可以是電荷耦合器件(CCD)型或或互補(bǔ)金屬氧化物半 導(dǎo)體(CMOS)型的其中一種。在任何一種圖像傳感器中， 一種光采 集像素形成于基片上，并且排列在一個(gè)二維陣列中。現(xiàn)代圖像傳感器 一般包括數(shù)百萬的像素以提供一個(gè)高解析度的圖像。該圖像傳感器的 一個(gè)重要部分是濾色層以及在像素點(diǎn)上形成的微透鏡的結(jié)構(gòu)。該濾色 層，顧名思義，結(jié)合信號處理而工作，以提供一個(gè)彩色圖像。該微透 鏡用來將入射光聚焦到像素點(diǎn)上，并且從而提高每個(gè)像素點(diǎn)的填充因 素。通常，通過把一層微透鏡材料旋涂到一個(gè)偏振層上而形成微透 鏡，該微透鏡材料然后被顯影以形成圓柱或以每個(gè)像素為中心的其他 形狀的區(qū)域。然后，該微透鏡材料被加熱和回流，以形成一個(gè)半球狀 微透鏡。如圖1中所示，該圖像傳感器包括具有形成于該基片中的光 檢測單元103的多個(gè)像素。該光檢測單元可以是幾種類型，例如，光 電二極管、光閘或者其他固態(tài)光敏元件。形成在每個(gè)像素之上的一個(gè) 是一個(gè)微透鏡105。該微透鏡105把入射光照射在該光檢測單元103
上。另外，在該光檢測單元103和微透鏡105之間，由參考標(biāo)號107 所表示的是一般包括濾色層濾色層109和各種金屬導(dǎo)電線的各種插入 層。這些部件被從該圖中刪除，以簡化在此的說明，并且不對本發(fā)明 造成混淆。在現(xiàn)有技術(shù)中，控制微透鏡的形成，使得微透鏡的形狀在該圖像 傳感器的所有像素中保持一致。但是，本申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由像素所捕 獲的光量中的變化，在圖像傳感器的中央附近的像素比該圖像傳感器 外圍的像素釆集更多的光線。圖3示出出現(xiàn)這種情況的一個(gè)原因。在圖3中， 一個(gè)圖像傳感器 101—般與一個(gè)成像透鏡204相結(jié)合而工作，以捕獲圖像。該成像透 鏡204獲取入射光，并且把其傳送到如圖2中所示的圖像傳感器101。 如圖所示，對于在該圖像傳感器101中央的像素，來自該成像透鏡204 的入射光被正確地聚焦到該光檢測單元。但是，對于在該圖像傳感器 101外側(cè)區(qū)域的像素，來自該成像透鏡204的入射光不垂直于該微透 鏡，從而導(dǎo)致被聚焦的入射光不與該光檢測單元相對齊。這反過來導(dǎo) 致相對較少的光線被該光檢測單元所捕獲。在此，這被稱為"暗角"現(xiàn) 象。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種圖像傳感器，其中包括形 成在一個(gè)半導(dǎo)體基片中的多個(gè)像素，每個(gè)像素包括一個(gè)光敏元件，所 述像素被分組為像素的中央部分和像素的外側(cè)部分；第一組微透鏡， 其形成在所述像素的所述中央部分中的每個(gè)所述像素之上；以及第二 組微透鏡，其形成在所述像素的所述外側(cè)部分中的每個(gè)像素之上，其 中所述第二組微透鏡不同于所述第 一組微透鏡。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種用于形成圖像傳感器的方 法，其中包括在一個(gè)半導(dǎo)體基片中形成多個(gè)像素，每個(gè)像素包括一 個(gè)光敏元件，所述像素被分組為像素的中央部分和像素的外側(cè)部分; 在所述像素的所述中央部分中的每個(gè)所述像素之上形成第一組微透
鏡；以及在所述像素的所述外側(cè)部分中的每個(gè)所述像素上形成第二組 微透鏡，其中所述第二組微透鏡不同于所述第一組微透鏡。


圖l是圖像傳感器的一部分的現(xiàn)有技術(shù)的截面圖。 圖2是示出排列為一個(gè)二維陣列并且具有形成于其上的微透鏡 的圖像傳感器的頂視圖；圖3為表現(xiàn)出"暗角"現(xiàn)象的圖像傳感器和成像透鏡的截面視圖。 圖4為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例而形成的圖像傳感器的截面視圖。圖5-9為說明用于形成本發(fā)明的裝置的一種方法的半導(dǎo)體基片的 截面視圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明涉及一種用于CMOS或CCD類型的圖像傳感器的微透鏡 結(jié)構(gòu)。具體來說，覆蓋在該圖像傳感器陣列的外側(cè)(外圍)區(qū)域中的 像素的微透鏡具有不同于該圖像傳感器的中央?yún)^(qū)域中的微透鏡的形 狀(例如更高)。在下文的描述中，提供各種具體細(xì)節(jié)，以提供對本 發(fā)明的實(shí)施例更加徹底的理解。但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識 到本發(fā)明可以不需要一個(gè)或多個(gè)具體細(xì)節(jié)，或用其他方法、組件等等 而實(shí)現(xiàn)。在其他例子中，眾所周知的結(jié)構(gòu)或操作不被詳細(xì)示出和描述， 以避免與本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例相混淆。貫穿說明書提到的"某一實(shí)施例"或"一個(gè)實(shí)施例"意味著所描述 的與該實(shí)施例有關(guān)的一個(gè)特征、結(jié)構(gòu)或特性包含在本發(fā)明的至少一個(gè) 實(shí)施例中。因而，在貫穿說明書多個(gè)地方的短語"在某一實(shí)施例中"或 "在一個(gè)實(shí)施例中"的出現(xiàn)，不一定全部表示同一實(shí)施例。此外，該特 征、結(jié)構(gòu)或特性可以按照任何適當(dāng)?shù)姆绞浇Y(jié)合在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例 中。圖2示出根據(jù)本發(fā)明而形成的圖像傳感器201的頂視圖。該圖像
傳感器201包括一般排列為一個(gè)二維陣列的多個(gè)像素203。在圖2中 所示的例子中，該圖像傳感器示出一個(gè)3x3的像素陣列203，但是應(yīng) 當(dāng)知道一個(gè)實(shí)際圖像傳感器201將擁有多得多的像素點(diǎn)，排列在可能 超過一千行和/或一千列中。此外，盡管圖2顯示該像素點(diǎn)在規(guī)則的行 和列中，該像素點(diǎn)也可能排列在任何類型的規(guī)則排列中。例如，交替 行可以具有在橫向方向上以一種跳棋盤的格式互相略微地偏移的像 素點(diǎn)。該像素點(diǎn)203 —般地包括一個(gè)光敏元件，例如光電二極管或光 閘。然而，應(yīng)當(dāng)知道現(xiàn)在已有的或在將來開發(fā)的其他類型的光敏元件 將可能被采用。此外，該像素點(diǎn)203將同樣包括放大和/或讀出電路。 為了清楚地說明，該電路不在圖2中顯示。在某一實(shí)施例中，該像素 點(diǎn)203可以是本領(lǐng)域所公知的有效像素。在每個(gè)像素點(diǎn)203頂部形成一個(gè)微透鏡205。另外，與每個(gè)像素 203相關(guān)的是一個(gè)濾色層207。該濾色層207可以置于微透鏡205和 光敏元件之間，或者另外形成在該微透鏡205之上。該濾色層207 — 般是被添加色素或染色的材料，其僅僅允許窄帶的光線通過，例如， 紅光、藍(lán)光或綠光。在其他實(shí)施例中，該濾色層可以是青、黃、或洋 紅。這些僅僅是該濾色層207的示意顏色，并且本發(fā)明要包含具有任 何顏色的濾色層。雖然色素或染料的使用在濾色層的形成中是最流行 的方法，亦可能使用其他反射型的濾色層，如多層疊反射材料。濾色 層207的形成方法是本領(lǐng)域所公知的，并且在此將不描述以避免對本 發(fā)明的詳述的任何不必要的混淆。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，卯0示出濾色層技術(shù)的當(dāng) 前狀態(tài)。但是，與該現(xiàn)有技術(shù)不同，處于該圖像傳感器的外圍的微透鏡 205的形狀不同于在該圖像傳感器中央的微透鏡205。在外圍的微透 鏡205的不同形狀適用于補(bǔ)償以 一個(gè)角度入射到該微透鏡的入射光。轉(zhuǎn)到圖4，其示出該圖像傳感器201的截面視圖，在一個(gè)實(shí)施例 中，在外圍的微透鏡401比在中央?yún)^(qū)域的微透鏡403更高。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)
更高(因而更大)的微透鏡401比微透鏡403更適合于捕獲以一定角 度入射的光線。因此，更高微透鏡401的使用補(bǔ)償"暗角，，現(xiàn)象。因此, 更高微透鏡401被用于圖像傳感器的外側(cè)部分，并且常規(guī)微透鏡403 被用于該圖像傳感器的中央部分。中央部分和外側(cè)部分的相對尺寸，即使用更高的微透鏡401的范 圍，取決于各種因素，包括但不限于該圖像傳感器的尺寸、用于該圖 像傳感器的成像透鏡的特性以及微透鏡的尺寸。在一些圖像傳感器 中，更高的微透鏡401可能僅僅用于每行和列的0-20%的像素中。但 是，應(yīng)當(dāng)知道，中央部分和外側(cè)部分的確切尺寸不是對所要求保護(hù)的 發(fā)明的 一 個(gè)限制。所公開的發(fā)明僅僅教導(dǎo)在該圖像傳感器的不同部分 使用不同形狀的微透鏡。另外，更高的微透鏡401與微透鏡403的相對尺寸根據(jù)該像素、 圖像傳感器、成像透鏡和其他因素的特定特性而變化。在一個(gè)實(shí)施例 中，更高的微透鏡401比微透鏡403高5-100%，但是可以使用其他 相對尺寸。在一個(gè)實(shí)施例中，該更高的微透鏡401是l-4微米高，而 微透鏡403是102微米高。但是，應(yīng)當(dāng)知道該微透鏡的具體尺寸可以 根據(jù)其他參數(shù)而變化。存在有用于制造具有變化的高度的微透鏡。例如，在一種方法中， 使用常規(guī)方法把所有微透鏡制造為具有更高的微透鏡高度。然后，使 用掩膜和蝕刻技術(shù)，對在該圖像傳感器的中央部分的微透鏡進(jìn)行腐 蝕。盡管在上文示出形成這些結(jié)構(gòu)的一種方法，但是可以使用各種其 他方法。下面公開一種特別有效的方法。圖5示出形成有多個(gè)光敏元件503 (與圖2的像素203相關(guān)聯(lián)) 的半導(dǎo)體基片501。在該實(shí)施例中，該光敏元件503是一個(gè)光電二極 管，但是可以使用其他代替和等價(jià)物。形成光電二極管和其他相關(guān)電 路的具體細(xì)節(jié)是本領(lǐng)域所公知的，并且不在此重復(fù)，以避免對本發(fā)明 的混淆。但是，該現(xiàn)有技術(shù)的例子可以參見美國專利No. 5,904,493和 美國專利No. 6，320，617。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，在像素203形成在該基片中時(shí)，光透明材料(在
至少一部分可見頻鐠中)的插入層或疊層(都由參考標(biāo)號505來表示) 被形成在該基片501上。該插入層505可以包括濾色層、電介質(zhì)或者 偏振電介質(zhì)。接著微透鏡材料507被形成在該插入層505上。該微透鏡材料 507可以是光透明的任何材料，并且通過處理形成為半球形狀。例如， 一些通用的微透鏡材料可以是丙烯酸系衍生物，例如聚甲基丙烯酸甲 酯(PMMA)或聚甲基丙烯酸甘油酯(PGMA)。但是，應(yīng)當(dāng)知道可 以使用用于形成該微透鏡的精確材料，并且可以使用任何當(dāng)前使用或 將來使用的材料。在一個(gè)實(shí)施例中，該微透鏡材料在施加過程中可以是液態(tài)的，使 得它可以通過使用旋涂技術(shù)而施加。這提供形成一個(gè)基本上平整的層 面的優(yōu)點(diǎn)。但是，還可以使用其他適當(dāng)?shù)母采w淀積方法。在一個(gè)實(shí)施 例，該微透鏡材料507的厚度為l-4微米的量級。但是，根據(jù)各種設(shè) 計(jì)參數(shù)也可以使用更薄或更厚的微透鏡材料507。在一個(gè)實(shí)施例中，該微透鏡層507需要被構(gòu)圖。因此，使用光刻 膠類型的材料作為微透鏡材料507是有效的。按照這種方式，通過簡 單地使用光刻裝置和顯影處理可以對該微透鏡材料507進(jìn)行"直接構(gòu) 圖"。在一個(gè)實(shí)施例中，通過減小類型的分檔器裝置執(zhí)行光刻。接著轉(zhuǎn)到圖6，其中微透鏡材料507是光刻膠，使用一個(gè)標(biāo)度線 掩膜和分檔器裝置執(zhí)行曝光。該標(biāo)度線掩膜被設(shè)計(jì)為使得間隙部分 601被暴露于光刻照射之下(在正性光刻膠的情況下)。因此，當(dāng)顯 影時(shí)，將除去間隙部分601,保留微透鏡材料507的塊，通常保留在 該光檢測單元503之上。根據(jù)本發(fā)明，在使用標(biāo)度線掩膜進(jìn)行曝光之后，該微透鏡材料 507不被顯影。而是，由該分檔器裝置使用第二標(biāo)度線掩膜來執(zhí)行微 透鏡材料507的第二次曝光。在通過第二標(biāo)度線掩膜進(jìn)行第二次曝光 中，整個(gè)中心部分(即，較短的微透鏡)被膝光。該結(jié)果在圖7中示 出，其中在中央部分的微透鏡材料507的頂部701受到光刻照射的影 響。應(yīng)當(dāng)指出在第二次曝光中的照射量小于第一次曝光的照射量。僅
僅頂部701需要被充分地曝光，使得后續(xù)的顯影將除去該頂部701。 從下文的詳細(xì)描述可以看出，在第二次曝光中的確切照射量與在該微 透鏡之間需要多大的高度差相關(guān)。確實(shí)，圖6和7中所示的該間隙部分601和頂部701的具體形狀 和尺寸僅僅是本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例。可以有其他具體應(yīng)用。例如， 根據(jù)要形成的微透鏡的所需尺寸，圖6和7中所示的頂部701和間隙 部分601可以被制造為更小或更大。轉(zhuǎn)到圖8， 一旦微透鏡材料507已經(jīng)被顯影(在微透鏡材料507 是光刻膠的情況中)，該微透鏡材料507的剩余部分被加熱到回流溫 度。這導(dǎo)致該微透鏡材料507采用最小表面張力形狀，其導(dǎo)致形成一 個(gè)球狀，如圖9中所示。從上文所述，應(yīng)當(dāng)知道為了說明的目的，在此已經(jīng)描述本發(fā)明的 具體實(shí)施例，但是可以做出各種變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。 例如，盡管在一個(gè)實(shí)施例中給出兩種不同尺寸的微透鏡，但是根據(jù)微 透鏡在該圖像傳感器中的位置，本發(fā)明可以容易地用于具有多尺寸的 微透鏡。相應(yīng)地，本發(fā)明僅僅由所附權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1. 一種圖像傳感器，其中包括形成在一個(gè)半導(dǎo)體基片中的多個(gè)像素，每個(gè)像素包括一個(gè)光敏元件，所述像素被分組為像素的中央部分和像素的外側(cè)部分；第一組微透鏡，其形成在所述像素的所述中央部分中的每個(gè)所述像素之上；以及第二組微透鏡，其形成在所述像素的所述外側(cè)部分中的每個(gè)像素之上，其中所述第二組微透鏡不同于所述第一組微透鏡。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中進(jìn)一步包括形成在每 個(gè)像素之上的濾色層，所述濾色層形成在所述微透鏡和所述光敏元件 之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中進(jìn)一步包括形成在每 個(gè)像素之上的濾色層，所述濾色層形成在所述微透鏡之上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中第二組微透鏡比所述 第一組微透鏡更高。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中第二組微透鏡比所述 第一組微透鏡更大。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中所述微透鏡由聚甲基 丙烯酸甲酯(PMMA)或聚甲基丙烯酸甘油酯(PGMA)所形成。
7 .根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中進(jìn)一步包括連接到所 述圖像傳感器的成像透鏡。
8. —種用于形成圖像傳感器的方法，其中包括 在一個(gè)半導(dǎo)體基片中形成多個(gè)像素，每個(gè)像素包括一個(gè)光敏元件，所述像素被分組為像素的中央部分和像素的外側(cè)部分；在所述像素的所述中央部分中的每個(gè)所述像素之上形成第一組 微透鏡；以及在所述像素的所述外側(cè)部分中的每個(gè)所述像素上形成第二組微透鏡，其中所述第二組微透鏡不同于所述第 一組微透鏡。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中進(jìn)一步包括在每個(gè)像素之上 形成濾色層，所述濾色層形成在所述微透鏡和所述光敏元件之間。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中進(jìn)一步包括在每個(gè)像素之 上形成濾色層，所述濾色層形成在所述微透鏡之上。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中第二組微透鏡比所述第一 組微透鏡更高。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中第二組微透鏡比所述第一 組微透鏡更大。
13. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述微透鏡由聚甲基丙烯 酸甲酯(PMMA)或聚甲基丙烯酸甘油酯(PGMA)所形成。
14 .根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中進(jìn)一步包括把成像透鏡連 接到所述圖像傳感器。
全文摘要
一種具有在外圍區(qū)域的大微透鏡的圖像傳感器，包括形成在一個(gè)半導(dǎo)體基片中的一個(gè)像素陣列。該像素被分組為像素的中央部分和像素的外側(cè)部分。第一組微透鏡形成在所述像素的所述中央部分中的每個(gè)所述像素之上。第二組微透鏡形成在所述像素的所述外側(cè)部分中的每個(gè)像素之上。第二組微透鏡不同于所述第一組微透鏡。在一個(gè)實(shí)施例中，第二組微透鏡比第一組微透鏡更高。
文檔編號G02B5/20GK101399277SQ200810082348
公開日2009年4月1日 申請日期2003年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月25日
發(fā)明者山本克己 申請人:華微半導(dǎo)體(上海)有限責(zé)任公司