专利名称：半导体器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及到半导体器件及其制造方法。更确切地说是涉及到包括层内透镜(intralayer lens)的半导体器件及其制造方法，这种半导体器件适用于诸如CCD(电荷耦合器件)和液晶显示器件之类的固体摄象器件。
背景技术：
CCD或MOS(金属氧化物半导体)型固体摄象器件已经被应用于诸如数码相机、摄象机、配备有相机的蜂窝电话、扫描仪、数码复印机、传真机之类的各种应用中。随着应用的不断扩大，越来越要求更高的性能和功能，例如增加象素数目、改善光接收灵敏度、以及减小尺寸和降低成本。
随着固体摄象器件中尺寸的减小和象素数目的增加，安置在固体摄象器件中的象素的尺寸变得越来越小。这就降低了作为基本性能的光接收灵敏度，并可能引起某些光强下清晰成象的困难。
为了处置这一问题，采用过一种在滤色器上制作有机聚合物材料的微透镜来提高光接收灵敏度的技术。但这不再足以达到令人满意的效果(例如见日本未经审查的专利公开No.HEI 4(1992)-12568)。因此，结合微透镜技术，已经采用了一种在叠层结构中形成透镜亦即排列在滤色器与滤色器下方的光接收部分之间的所谓层内透镜的技术。
图1示出了包括现有技术层内透镜的CCD固体摄象器件的单个象素(单元)的示意剖面图(见日本未经审查的专利公开No.HEI11(1999)-40787)。图2(a)-2(e)示出了制造图1的现有技术层内透镜的方法的例子。
首先，如图2(a)所示，对半导体衬底1进行所需杂质的离子注入，以便形成光接收部分2、读出栅3、CCD传输沟道(传输部分)4、以及沟道停止区5。然后，在表面上形成预定图形的传输电极7，其间插入绝缘膜6，并形成覆盖传输电极7的遮光膜9，其间插入层间绝缘膜8。对遮光膜9进行图形化，以便具有位于光接收部分2上方的窗口。
然后，参照图2(b)，在遮光膜9上，提供借助于回流诸如BPSG(硼磷硅酸盐玻璃)膜而形成的膜或用等离子体CVD(化学气相淀积)方法形成的膜，以便形成第一整平膜10以整平表面。
如图2c所示，用等离子体CVD方法，在第一整平膜10上形成材料层16，用来形成具有大折射率的层内透镜11(例如氮化硅膜)。
然后，如图2(d)所示，光抗蚀剂17被涂敷到透镜材料层16上，并被图形化成所希望的层内透镜11的形状，随之以在大约160℃下进行回流。
然后，参照图2(e)，用干法腐蚀方法，光抗蚀剂17的透镜形状被转移到透镜材料层16，从而形成层内透镜11。
之后，形成覆盖层内透镜11的第二整平膜12(未示出)，以便整平表面。然后，相继形成未示出的滤色器13、保护膜14、以及微透镜15。从而得到图1所示的CCD固体摄象器件。
但在上述用干法腐蚀方法以透镜形状的抗蚀剂作为掩模来转移层内透镜的步骤中，引起了下列问题。
首先，当抗蚀剂被形成为透镜形状时，抗蚀剂通常在电炉上被加热到大约160℃，以便转变，直至其表面张力和相对于下方层内透镜材料层的界面能达到平衡状态。若在加热熔融时，相邻的被图形化了的抗蚀剂之间的间隙被填充，从而连接各个抗蚀剂，则抗蚀剂继续转变，直至获得稳定的形状。这使得难以得到预定的透镜形状。
其次，在用透镜形状的抗蚀剂作为掩模进行干法腐蚀时，由于抗蚀剂的透镜形状不均匀以及腐蚀速度的变化，故难以获得形状均匀的层内透镜。而且，由于抗蚀剂与层内透镜材料层之间的腐蚀选择性有限，故材料的选择受到限制。
发明内容
在这种情况下，本发明提供了一种半导体器件，它包含排列在衬底上的透明材料的涂层(overcoat layer)、形成在涂层上的凸出、制作成包括此凸出作为核心的无机材料的层内凸透镜(convex intralayerlens)、以及制作在层内凸透镜上的具有平坦顶部表面的透明膜。
而且，本发明提供了一种制造半导体器件的方法，它包含下列步骤在衬底上形成透明材料的涂层；在涂层上淀积用来形成凸出的薄膜；留下薄膜以形成柱状凸出；在配备有凸出的衬底表面上淀积无机材料，使此材料包括此凸出作为核心，以形成层内凸透镜；以及在层内透镜上形成具有平坦顶部表面的透明膜。
从下列的详细描述中，本申请的这些和其它的目的将变得更为明显。但应该理解的是，这些详细描述和具体的例子虽然说明了本发明的优选实施方案，但仅仅是为了说明的目的，对于本技术领域的熟练人员来说，从下列详细描述中，在本发明的构思与范围内，各种改变和修正是显而易见的。
图1是示意剖面图，对应于包括现有技术层内透镜的固体摄象器件的单个象素；图2(a)-2(e)示出了制造包括现有技术层内透镜的固体摄象器件的各个步骤；图3(a)-3(f)示出了制造根据本发明的固体摄象器件的各个步骤；图4是示意剖面图，对应于根据本发明的固体摄象器件的单个象素；而图5(a)-5(b)示出了根据本发明的用等离子体CVD方法制作层内透镜的工艺。
具体实施例方式
对本发明所用的衬底没有特别的限制，只要是通常用来制作半导体器件的即可。例如，可以采用由硅和锗组成的半导体衬底以及由SiC、SiGe、GaAs、AlGaAs组成的半导体衬底。其中硅衬底是优选的。可以用n型或p型杂质对衬底进行掺杂。而且，可以在其中形成一个或多个n型或p型阱。
衬底可以配备有光接收部分或发射部分。光接收部分或发射部分的例子包括用于诸如CCD和CMOS图象传感器、CMD、电荷注入器件、双极图象传感器、光导膜图象传感器、叠层型CCD、红外图象传感器之类的所谓固体摄象器件的光接收元件，以及所有用作各种器件例如诸如发光二极管之类的发光器件和诸如液晶平板之类的光透射控制器件中的光接收部分或发射部分的元件。
光接收部分或发射部分，特别是作为光接收部分，通常可以是制作在半导体衬底表面上的pn结二极管。在此情况下，可以根据预期的半导体器件的性能来适当地选择制作在半导体衬底表面上的p型或n型杂质层的尺寸、形状、数目、以及杂质浓度。
在形成多个光接收部分或发射部分的情况下，相邻的光接收部分或发射部分可以具有约为2-10微米的适当间距。
可以用熟知的方法，例如采用由光刻和腐蚀方法制作而在所希望的区域具有窗口的掩模的离子注入方法，来形成光接收或发射部分。
在衬底表面上，除了光接收或发射部分之外，还可以形成用作CCD传输沟道的含有高浓度p型或n型杂质的区域、电荷传输区域、隔离区、接触区、沟道停止区等。而且，还可以组合形成其它半导体器件和电路。
在衬底上，可以将具有各种功能的各个薄膜制作成单层膜或多层膜。更具体地说，这些膜是绝缘膜、传输电极、层间绝缘膜、以及遮光膜。绝缘膜的例子包括用CVD方法制作的厚度约为10-1000nm的氧化硅膜、用CVD方法制作的等离子体TEOS(原硅酸四乙酯)膜、LTO(低温氧化物)膜、HTO(高温氧化物)膜、NSG膜(不掺杂的硅酸盐玻璃)膜、用甩涂方法制作的SOG(玻璃上甩涂)膜、以及用CVD方法制作的氮化硅膜，它们是单层或多层结构的。传输电极可以由多晶硅或硅化钨组成。遮光膜可以由硅化钨或TiW组成。
在其上已经可选地制作了上述各个组成部分的衬底上，形成一个透明材料的涂层。此涂层还具有整平衬底表面的功能。因此，对涂层的厚度和材料没有特别的限制，只要进行此功能并具有透明性即可。例如，可以使用回流形成的膜(例如BPSG膜)和用CVD方法制作的膜。
在涂层上形成凸出。在形成凸出之后，借助于在涂层上预定位置处淀积层内透镜材料，使之被淀积在用作核心的各个凸出周围以便具有几乎半圆的形状，来形成本发明的层内透镜。层内透镜的尺寸由凸出的形状、层内透镜材料的淀积厚度、以及淀积条件来控制。在淀积条件被最佳选择且淀积速度被设定为沿各个方向相等的情况下，各个相邻的层内透镜之间的间隙被填充，从而连接各个透镜。即使进一步继续淀积，各个层内透镜仍然能够分别保持透镜的形状。因此，根据本发明，不必保持各个层内透镜之间的间隙，这使得半导体器件能够容易地小型化。
凸出最好被形成在光接收或发射部分的几乎中心的上方。对凸出的尺寸、高度、形状、和材料没有特别的限制，可以根据半导体器件的象素数目来加以选择。例如，凸出可以是柱形、棱柱形、截头圆柱形、截头棱锥形、半球形、半椭圆形等，其尺寸约为0.1-1×0.1-1微米宽(即约为0.01-1平方微米)，高度约为0.4-4微米。对凸出的材料没有特别的限制，可以采用任何材料，只要是通常用于制造半导体器件的膜即可。例如，通常用于半导体器件电极的导电材料(诸如多晶硅、单晶硅、非晶硅的硅或其它半导体；ITO、ZnO、SnO2的透明导电膜；诸如铝、铜、铂、银、锌、Al-Si、Al-Cu之类的金属或合金；诸如钨、钽、钛、钼、TiW之类的难熔金属；这些金属的硅化物；以及多硅化物(polycide))以及上述的各种绝缘膜。若凸出材料如ITO膜那样是透明的，则由于入射光或发射光不被凸出阻挡，且光接收或发射的损耗变得几乎可忽略，而成为优选。用来形成凸出的膜可以具有单层或多层结构。
凸出最好位于象素的中心处。通常每个象素中有一个凸出。当沿平面看时，各个象素通常是正方形或六角形的，且彼此相邻以形成阵列。
根据本发明的半导体器件配备有制作成包括凸出作为核心的由无机材料组成的层内凸透镜。此层内透镜由对可见光和/或红外光透明的无机材料组成。此处，透明意味着材料的可见光或红外光透射率约为50％或以上。这种材料的例子包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、以及它们的叠层，当然依赖于厚度。由这些材料组成的层内透镜的厚度可以根据凸出的尺寸和高度适当地调整。例如，厚度约为0.4-4微米。
层内透镜最好具有对应于排列在光接收或发射部分的几乎中心的上方的凸出的凸形形状。对应于凸出的凸形形状意味着淀积在配备有凸出的衬底的整个表面上的层内透镜材料膜由于凸出的存在而上升直至凸形形状。借助于控制各个凸出之间的间距和各个层内透镜材料膜的厚度，只要各个层内透镜保持出自凸出的凸形形状，就可以连接相邻的层内透镜。
为了形成凸出，首先在衬底的整个表面上制作用来形成凸出的薄膜。上述各种材料可以适当地用作形成凸出的薄膜。此薄膜最好被制作在衬底的整个表面上。用来形成薄膜的方法适当地选自本技术熟知的方法，例如溅射、诸如减压CVD、大气压CVD、等离子体CVD之类的各种CVD方法、甩涂、真空气相淀积、以及EB方法。然后，借助于清除此薄膜，仅仅在预定的区域上留下薄膜，来形成凸出。可以用诸如光刻和腐蚀的熟知方法来执行这一清除，使凸出具有所希望的形状。然后，在配备有凸出的衬底的整个表面上，淀积层内透镜材料膜。上述的各种材料可以被用作层内透镜材料膜。可以用诸如溅射或CVD的熟知方法来形成此膜。于是就制作了对应于凸出的层内凸透镜。
在层内透镜上，制作具有平坦顶部表面的透明膜。任何材料都可以被用作此透明膜，只要能够防止层内透镜机械失效并对可见光和/或红外光透明即可。确切地说，此透明膜的折射率最好小于层内透镜的折射率。更具体地说，此透明膜的折射率小于层内透镜的折射率大约5％或以上。例如，可以用含氟的树脂膜和全氟碳膜作为此透明膜。
而且，可以在透明膜上制作微透镜。从而能够聚集更多的入射或发射光。对微透镜的材料没有特别的限制，可以采用本技术熟知的材料。例如，可以采用诸如聚苯乙烯和酚醛清漆树脂之类的透明树脂。垂直于衬底的微透镜的中心线最好与下方层内凸透镜的中心线在同一直线上。
滤色层可以被排列在透明膜与微透镜之间的预定位置处。滤色层使得能够提供全色工作的半导体器件。例如，借助于将含有所希望的着色剂(颜料，染料)的光抗蚀剂涂敷到透明膜上，随之以曝光和显影，来制作滤色层。此滤色层可以配备有制作在其上的保护膜。
以下参照附图来详细地描述本发明的实施方案。下面解释制造CCD固体摄象器件的各个步骤。以下描述中出现的材料和器件与通常用来制造半导体器件中的基本上相同，因而除了特殊情况外，其详细描述从略。下面逐个步骤来描述制造工艺。
首先，如图3(a)所示，对半导体衬底31进行所需杂质的离子注入，以便形成光接收部分32、读出栅33、CCD传输沟道(传输部分)34、以及沟道停止区35。然后，在表面上形成预定图形的传输电极37，其间插入绝缘膜36，并制作覆盖传输电极37的遮光膜39，其间插入层间绝缘膜38。遮光膜39被图形化成在光接收部分32上方具有窗口。
然后，参照图3(b)，在遮光膜39上提供借助于回流诸如BPSG膜而形成的膜或用等离子体CVD方法形成的膜，以便形成涂层40。而且，用溅射方法淀积厚度为0.4微米的Al的金属薄膜41，用来在固体摄象器件外围形成布线，然后将光抗蚀剂42涂敷到整个表面。
接着，对金属薄膜上的光抗蚀剂42进行光刻，使之仅仅留在具有预定尺寸的预定位置处，从而得到用来对金属薄膜41进行图形化的掩模43。光抗蚀剂留下作为腐蚀掩模的预定位置是用来形成布线的区域和图3(c)所示光接收部分上方的区域，它们都同时被图形化。
然后，利用光抗蚀剂组成的掩模43，用熟知的腐蚀技术清除金属薄膜，以便在掩模43下面留下金属薄膜。然后，用熟知的方法清除用作掩模的光抗蚀剂。
从而在半导体衬底的表面上形成金属布线，虽然在图中未示出。如图3(d)所示，预定尺寸的凸出44被提供在光接收部分上方。此凸出44具有直径为0.1微米的柱形形状。各个凸出之间的间距为3.0微米。
然后，用等离子体CVD方法，在气压保持在600Pa的容器中，利用甲硅烷(SiH4)、氨(NH4)、氮(N2)的混合气体，在加热到400℃的衬底的整个表面上，淀积厚度为0.6微米的氮化硅膜。从而在金属布线上形成涂层，且同时，如图3(e)所示，在光接收部分上方形成包括凸出44作为核心的层内透镜45。此涂层可以由任何材料组成，只要能够防止固体摄象器件机械失效并对可见光和/或红外光透明即可。在本实施方案中，层内透镜具有直径约为1.2微米的半球形形状。
然后，如图3(f)所示，制作其折射率小于层内透镜折射率的厚度为1.0微米的透明膜46(例如氟树脂)，以便覆盖层内透镜45并整平其表面。然后，涂敷分别含有分散的绿色、红色、蓝色颜料的负性抗蚀剂，曝光并显影，随之以用半导体工艺中通常使用的光刻技术图形化成所希望的构造。从而得到滤色器47。
在滤色器47上，涂敷厚度为0.6微米的热固化丙烯酸树脂(例如JSR制造的Optomer SS-1151)，以便形成保护膜48，然后，用熟知的方法(例如见上述日本未经审查的专利公开No.HEI 4(1992)-12568)，制作微透镜49。从而得到图4所示的CCD固体摄象器件。被光接收部分上方的凸出阻挡的入射光量约为总入射光量的1.5％。
图4示出了CCD摄象器件的一个例子，其中完成了微透镜的制作。参考号45和44分别表示层内透镜和凸出。在图4中，略去了与本发明无直接关系的组成部分。参考号50表示进入CCD摄象器件的入射光。层内透镜45的聚光作用改善了灵敏度大约15％。
图5(a)和5(b)示出了用等离子体CVD方法制作层内透镜的步骤。在这些图中，参考号51表示涂层，52表示凸出，53表示层内透镜材料膜，而54表示层内透镜。用线条描述了层内透镜材料膜53的淀积过程。图5(a)是层内透镜的俯视平面图，而图5(b)是沿图5(a)中A-A’线的剖面图。
在用来制作层内透镜的等离子体CVD时，若选择了最佳条件，则气体分子被化学反应凝固，从而淀积在固体表面上。因此，即使在相邻层内透镜之间的间隙被填充从而连接各个透镜之后还继续淀积，各个层内透镜仍然能够保持透镜的形状。因此，不必保持相邻层内透镜之间的间隙。
上述实施方案是结合CCD固体摄象器件描述的。但本发明的层内透镜及其制造方法也可应用于诸如MOS固体摄象器件和液晶显示器件之类的其它固体摄象器件。即使在这种情况下，也调整凸出的形状、层内透镜材料膜的淀积厚度、以及淀积条件，以便获得所希望形状的层内透镜。因此，借助于将本发明应用于上述各种器件，来调整层内透镜的形状和焦距，以便优化器件的特性。
本发明的层内透镜及其制造方法不局限于上述实施方案，能够实现各种各样的安排而不超越本发明的构思。
如上所述，本发明的层内透镜被制作成包括作为核心的凸出。因此，即使器件被小型化，也不增加由于保持各个层内透镜之间的间隙而引起的光接收损失。于是，本发明的层内透镜对于小型化来说是优异的。而且，由于金属布线与凸出被同时制作，并用CVD方法同时制作涂层和层内透镜，故不要求特别的设施，从而简化了制造步骤。
而且，根据本发明，借助于适当选择凸出的形状、层内透镜材料的淀积厚度、以及淀积条件，来调整层内透镜的厚度。从而扩展了入射光的焦距范围。亦即，层内透镜的焦距能够在宽广的范围内被调整到所希望的水平。因此，在各种单元尺寸的固体摄象器件中获得了灵敏度的改善。而且，在液晶显示器件中，借助于大范围调整层内透镜的形状和焦距，获得了最佳的特性。
权利要求
1.一种半导体器件，它包含排列在衬底上的透明材料的涂层、形成在涂层上的凸出、制作成包括此凸出作为核心的无机材料的层内凸透镜、以及制作在层内凸透镜上的具有平坦顶部表面的透明膜。
2.根据权利要求1的半导体器件，其中衬底配备有光接收或发射部分，且凸出被排列在光接收或发射部分的中心上方。
3.根据权利要求1的半导体器件，其中透明膜的折射率小于层内凸透镜的折射率。
4.根据权利要求1的半导体器件，其中微透镜被排列在透明膜上。
5.根据权利要求4的半导体器件，其中滤色层被排列在透明膜与微透镜之间的预定位置处。
6.根据权利要求4的半导体器件，其中微透镜由透明树脂制成。
7.根据权利要求1的半导体器件，其中凸出为柱形形状。
8.根据权利要求1的半导体器件，其中凸出位于排列成阵列的象素中心处，且各个象素各具有正方形或六角形形状。
9.一种制造半导体器件的方法，它包含下列步骤在衬底上形成透明材料的涂层；在涂层上淀积用来形成凸出的薄膜；留下薄膜以形成凸出；在配备有凸出的衬底的表面上淀积无机材料，使此材料包括此凸出作为核心，以形成层间凸透镜；以及在层内透镜上形成具有平坦顶部表面的透明膜。
全文摘要
一种半导体器件，它包括排列在衬底上的透明材料的涂层、形成在涂层上的凸出、制作成包括此凸出作为核心的无机材料的层内凸透镜、以及制作在层内凸透镜上的具有平坦顶部表面的透明膜。
文档编号H01L33/00GK1437267SQ0310437
公开日2003年8月20日 申请日期2003年1月31日 优先权日2002年2月5日
发明者仲井淳一, 吾乡富士夫 申请人:夏普公司