一种形成光学分光透镜的结构和方法与流程

本发明属于半导体集成电路制造工艺技术领域，尤其涉及一种形成光学分光透镜的结构和方法。

背景技术：

硅基光学传感器(CCD/CIS，charge-coupled device/CMOS image sensor)是光学图像传感器的主流。为得到彩色图像，需要光学分光透镜对光线进行分光。目前，光学分光透镜都是在封装时形成，仅能反射特定波长的光，并且与现有集成电路制造工艺不能兼容。随着传感器尺寸不断缩小，透镜的尺寸也必须随之缩小，这对材料、工艺都提出了更高的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述缺陷，提出了一种形成光学分光透镜的结构和方法，不仅可以与现有集成电路制造工艺完全兼容，可便捷地形成光学分光透镜，而且可以通过改变透镜材料，得到不同光波范围的分光特性，满足从紫外光到红外光的需求。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种光学分光透镜的结构，其特征在于，从下到上包括衬底层、掩模层和透镜材料层，衬底层中含有透镜形状的凹陷，透镜材料层填充于所述凹陷中形成透镜。

优选地，所述透镜材料层的材质为硅或二氧化硅或氮化硅或碳化硅。

优选地，透镜形状为四棱锥或三棱锥或三棱柱。

优选地，所述衬底层的材质为单晶硅；所述掩模层的材质为氮化硅。

为实现上述目的，本发明还提供了一种技术方案如下：

一种形成权利要求1～4所述的光学分光透镜的方法，包括以下步骤：

步骤S01：提供一衬底；

步骤S02：在所述衬底上表面沉积一掩模层，并图案化，确定透镜的位置；

步骤S03：以图案化的掩模层为掩模，刻蚀掩模下方的衬底层，形成透镜形状的凹陷；

步骤S04：在凹陷中沉积填充透镜材料，形成透镜材料层；

步骤S05：平坦化透镜材料层的上表面。

优选地，还可以包括步骤S06：从透镜材料层的上表面进行离子注入至衬底中，形成位于凹陷下方且与衬底层表面平行的离子注入层。

优选地，所述步骤S03中，采用湿法工艺各向异性刻蚀形成所述透镜形状的凹陷。

优选地，透镜形状为四棱锥或三棱锥或三棱柱。

优选地，所述透镜材料层的材质为硅或二氧化硅或氮化硅或碳化硅。

优选地，所述衬底层的材质为单晶硅；所述掩模层的材质为氮化硅。

从上述技术方案可以看出，本发明提供了一种光学分光透镜的结构，通过改变透镜材料层的材质及透镜的形状，可以得到不同光波范围的分光特性，满足从紫外光到红外光的需求。本发明还提供了一种形成光学分光透镜的方法，通过在衬底中利用晶向刻蚀形成不同的透镜形状的凹陷，再在凹陷中淀积透镜材料形成透镜，可便捷地形成各种光学分光透镜，并且可以与现有集成电路制造工艺完全兼容。

附图说明

图1为本发明的一种光学分光透镜的结构示意图；

图2为本发明的一种形成光学分光透镜的方法流程图；

图3～图7为本发明的形成光学分光透镜的结构示意图；

图8为离子注入在凹陷下方形成离子注入层的结构示意图；

图9为通过热处理将离子注入层下方的材质去除的结构示意图；

图10为对硅衬底下表面进行平坦化处理的结构示意图；

图11为去除硅衬底的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例，对本发明作进一步详细的描述。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

请参考图1，图1为本发明的一种光学分光透镜的结构示意图。如图所示，本发明提供的一种光学分光透镜的结构，从下到上包括衬底层01、掩模层02和透镜材料层05，衬底层01中含有透镜形状的凹陷04，透镜材料层05填充于所述凹陷04中形成透镜。

具体地，衬底层01的材质为单晶硅，其晶向可以为<100>晶向或<111>晶向或<110>晶向，衬底层01上表面为<100>晶向或<111>晶向或<110>晶向。硅片晶向会影响各向异性刻蚀后的硅表面形状，即透镜的形状。通常，<100>晶向的衬底在各向异性刻蚀后形成四棱锥的透镜形状，<111>晶向形成三棱锥的透镜形状，<110>晶向可以做成沿<110>/<112>晶向的槽，即三棱柱。在衬底层上淀积一层掩模层02，其作用为形成透镜位置的模板，通过图案化掩模层02，确定透镜的位置，即凹陷04的位置。然后从图案化的开口部分向下刻蚀衬底，可以控制要暴露出的晶面，从而形成透镜形状的凹陷04。掩模层的厚度为10nm-1um。

然后，将透镜材料层05沉积生长填充于凹陷04中，因为在后续的工艺中需要对透镜材料层05的上表面进行平坦化，所以，透镜材料层05沉积的越厚越有利于后续平坦化的控制，优选地，透镜材料层05沉积的厚度为20nm-3um。

上述光学分光透镜的结构形成后，将此将此透镜转移到光学传感器集成电路硅片表面，此时，透镜材料层的上表面与光学传感器集成电路硅片表面接触叠合在一起，透镜表面平坦化程度越高，此过程结合性能越好，因此，衬底层的下表面就变成了集合后的器件的上表面，在后续过程中也需要被平坦化，最后进行封装形成硅基光学传感器。

本发明还提供了形成上述光学分光透镜的方法，请参阅图2，图2为本发明的一种形成光学分光透镜的方法流程图，结合参阅图3～图7，图3～图7为本发明的形成光学分光透镜的结构示意图。如图所示，本发明的形成光学分光透镜的方法，包括以下步骤：

步骤S01：提供一衬底01。

具体地，衬底层01的材质为单晶硅，其晶向可以为<100>晶向或<111>晶向或<110>晶向，衬底层01上表面为<100>晶向或<111>晶向或<110>晶向。硅片晶向会影响各向异性刻蚀后的硅表面形状，即透镜的形状。通常，<100>晶向的衬底在各向异性刻蚀后形成四棱锥的透镜形状，<111>晶向形成三棱锥的透镜形状，<110>晶向可以做成沿<110>/<112>晶向的槽，即三棱柱。

步骤S02：在所述衬底01上表面沉积一掩模层02，并图案化，确定透镜的位置。

具体地，采用现有技术在衬底01上表面沉积一掩模层02。优选地，掩模层02的材质为氮化硅，其厚度为10nm-1um。掩模层02的作用为形成透镜位置的模板。在掩模层02上图案化，形成透镜的位置，即确定凹陷04的位置。

步骤S03：以图案化的掩模层02为掩模，刻蚀掩模下方的衬底层01，形成透镜形状的凹陷04。

具体地，从图案化的开口部分03向下刻蚀衬底，可以控制要暴露出的晶面，从而形成透镜形状的凹陷04。在本实施中，采用湿法工艺各向异性刻蚀形成所述透镜形状的凹陷。通过控制刻蚀暴露出的晶面的晶向，可以形成的透镜形状为四棱锥或三棱锥或三棱柱，<100>晶向的衬底在各向异性刻蚀后形成四棱锥的透镜形状，<111>晶向形成三棱锥的透镜形状，<110>晶向可以做成沿<110>/<112>晶向的槽，即三棱柱。

步骤S04：在凹陷04中沉积填充透镜材料，形成透镜材料层05。

具体地，采用常规淀积方法在凹陷04中沉积填充透镜材料，根据要测的光波的范围不同，可以采用不同材质的透镜材料填充。优选地，透镜材料层的材质为硅或二氧化硅或氮化硅或碳化硅。二氧化硅的透镜适合透射可见光，氮化硅和碳化硅的透镜适合透射紫外光，硅的透镜适合透射红外光。因此，本发明的方法可以便捷的生成适用的透镜。因为在后续的工艺中需要对透镜材料层05的上表面进行平坦化，所以，透镜材料层05沉积的越厚越有利于后续平坦化的控制，优选地，透镜材料层05沉积的厚度为20nm-3um。

步骤S05：平坦化透镜材料层的上表面。

具体地，可以采用CMP工艺平坦化透镜材料层的上表面。

本发明的形成光学分光透镜的方法还可以包括步骤S06：从透镜材料层05的上表面进行离子注入至衬底01中，形成位于凹陷下方且与衬底层表面平行的离子注入层06，如图8所示。在本实施例中，进行氢或氦离子进入，形成氢或氦离子注入层06，优选地，氢或氦的剂量为1E15～1E20at/cm²。本步骤的方法有利于在后续步骤中通过较低的成本更容易的平坦化衬底层的下表面。通过热处理，离子注入层06易剥离脱落，形成如图9所示的结构。

接下来的工艺为将图8所示的结构转移到光学传感器集成电路硅片表面，此时，透镜材料层的上表面与光学传感器集成电路硅片表面接触叠合在一起，透镜表面平坦化程度越高，此过程结合性能越好，因此，衬底层的下表面就变成了集合后的器件的上表面，在后续过程中也需要被平坦化。可以通过热处理的方法，氢或氦离子注入层06在高温下易分解剥离脱落，从而形成如图9所示的结构。该方法成本较低，工艺更简单。再根据透射光的光波范围，可以结合衬底和透镜，实现更广光波的选择，可以通过表面平坦化处理衬底的下表面或去除衬底。

综上所述，本发明提供了一种光学分光透镜的结构，通过改变透镜材料层的材质及透镜的形状，可以得到不同光波范围的分光特性，满足从紫外光到红外光的需求。本发明还提供了一种形成光学分光透镜的方法，通过在衬底中利用晶向刻蚀形成不同的透镜形状的凹陷，再在凹陷中淀积透镜材料形成透镜，可便捷地形成各种光学分光透镜，并且可以与现有集成电路制造工艺完全兼容。

以上所述的仅为本发明的实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。