用于像素传感器的接触微透镜结构及其制造方法

专利名称：用于像素传感器的接触微透镜结构及其制造方法
技术领域：
本发明总地涉及半导体像素传感器阵列的制造，更特别地，涉及新颖的半导体像素结构及新颖的工艺，用于通过优化所形成的微透镜结构来提高像素传感器的灵敏度。
背景技术：
CMOS图像传感器开始取代传统的CCD传感器用于需要图像拾取的应用如数字相机、便携式电话、PDA(个人数字助理)、个人计算机等。有利地，CMOS图像传感器通过应用用于半导体器件例如光电二极管等的当前CMOS制造工艺以低成本制造。此外，CMOS图像传感器能通过单电源操作，使得其能耗可被抑制得低于CCD传感器的能耗，而且，CMOS逻辑电路和类似的逻辑处理器件易于集成在传感器芯片中，因此CMOS图像传感器能被小型化。
专利文献中有大量对具有微透镜结构(microlens structure)的图像传感器阵列及其制造方面进行描述的参考文献。美国专利公开No.2002/0034014、No.2004/0099633、No.2004/0146807、No.2004/0147059和No.2004/0156112描述了用于图像阵列的微透镜结构和制造方法的技术状况。基本上，用于制造微透镜结构的通常方法包括首先光致抗蚀剂层例如通过旋涂或类似应用工艺(例如浸涂(dip coating)、化学气相沉积、刷(brushing)、蒸镀和其它类似沉积技术)被应用在晶片表面上。例如，如图1A所示，晶片表面可包括形成在衬底40之上的电介质平坦化层，该衬底包括滤色器(color filter)结构的阵列，每个滤色器结构与像素的有源光敏器件(例如光电二极管)相关联。应理解，正或负光致抗蚀剂可被应用，附带的光刻处理步骤被应用；然而，为了论述，假定负光致抗蚀剂被应用。软烘焙(soft bake)工艺之后，光致抗蚀剂掩模例如玻璃上的铬被应用，其具有图案化的栅格(grid)，该图案化的栅格包括与待印的像素微透镜结构对应的半透明的正方形或矩形开口的二维阵列。将掩模对齐到正确位置之后，掩模和晶片曝露到控制剂量的UV光从而转移掩模图像。在该示例中，在每个曝光的正方形(或矩形)区域中的聚合物抗蚀剂被交联(crosslink)，使得这些区域在随后的显影剂化学药品的应用中不溶解。然后，在曝光后烘焙工艺之后，进行显影步骤(能采用的显影剂的种类是本领域技术人员公知的，且取决于采用了正或负光致抗蚀剂)，从而去除光致抗蚀剂的可溶解区域，在晶片表面上留下通过细间隙分隔开的正方形(或矩形)形状的岛42的可视阵列图案。然后，如图1B所示，在进一步的毯式曝光步骤之后，光致抗蚀剂图案经历加热和回流(reflow)工艺从而将凸起的光致抗蚀剂岛转化成与滤色器和有源光电转换器件对应地线性布置的圆平面(circular plan)形状的半球凸透镜45。
然而，情况是，以此方式形成的微透镜结构在透镜之间表现出光损失。例如，图2示出单个图像传感器(像素单元)50的剖视图，其包括在有源像素元件例如形成在硅或含硅衬底64中的光敏光电二极管78顶上形成的微透镜75。如所知，微透镜75在像素图像传感器中用于将入射光80聚焦到像素中的有源区域中。没有微透镜，许多光未聚集，将撞击单元，更坏的情况下，一些光将反射离开形成在层间电介质材料层74中的层间金属化(interlevelmetallization)例如Cu金属线(未示出)，且撞击相邻单元，这使图像模糊。随着技术发展到更小的像素，通过最小化像素之间的空间来聚集尽可能多的光变得更加重要。例如，图2示出光线跟踪模型(raytrace model)，其描绘了4.5μm像素单元上2.75μm半径透镜75上的垂直入射光(normal incidencelight)80。在此技术水平的成像传感器器件50中，像素阵列的每个相邻微透镜被间隙79分隔开，间隙79减少了聚焦到像素的有源光电二极管元件78的光的量，因此损害了成像器像素阵列的灵敏度。
即使相邻单元能形成为接触，相邻像素单元可在水平横截面中表现出理想的曲率半径，例如，如图3所示，横截面25沿所形成的透镜50的线A-A截取，透镜50在水平边缘表现出曲率半径。然而，沿线B-B截取且成45度角的横截面30与该横截面不匹配，因为所得透镜50是正方形(由正方形的像素微透镜结构所驱使)。微透镜结构的曲率半径特别地决定微透镜的焦距，因此只要垂直尺寸不缩小-这是通常情况-则随着单元缩小微透镜的曲率半径必须保持相同。单元缩小时为了实现相同的曲率半径，微透镜厚度必须减小到非常难以达到的程度。例如，2.2μm单元将需要360nm的透镜厚度，为了实现该尺寸，形貌(topography)之上的旋涂将必须在300nm以下。
进一步的情况是，像素尺寸越小，则透镜之间浪费的光的百分比越大。
非常需要提供一种像素传感器以及制造方法，其中传感器包括微透镜结构，在相邻像素的微透镜结构之间基本没有空间，从而最大化光聚集，此外，其以一种方式制造，使得相邻微透镜充分形成为在横截面和成角的剖面(angled cut)具有均匀的曲率半径，从而最大化聚焦到有源像素元件中的光。

发明内容
本发明针对用于通过消除形成在像素成像阵列中相邻微透镜结构之间的间隙空间来提高像素传感器(例如光学图像传感器)的灵敏度的结构和方法。这通过形成结网的透镜来实现，其提供优点如基本没有间隙；然而，此外所形成的微透镜结构在45度具有与透镜横截面的曲率半径相等的曲率半径，从而提高灵敏度以接收更多光。优选地，角(corner)是开口的，因为在两个像素相遇的地方它们得到更多光(在相交处)；然而，角形成为从结网的边缘(webbed edge)向下-因此45度曲率半径能匹配所述横截面，最大化光聚集。
因此，根据本发明的第一方面，提供一种接触微透镜结构(touchingmicrolens structure)，藉此相邻微透镜结构之间的间隙被调整从而实现水平结网和角开口的水平为使得入射到微透镜的全部光被优化地捕获且聚焦到像素有源器件区域。因此，用于像素传感器的微透镜阵列包括保持连接且完美地形成的微透镜结构，即所形成的透镜结构的45度曲率半径匹配所形成的透镜结构的横截面，从而最大化光聚集，即使在减小的像素尺寸的情况下。
根据本发明的第二方面，提供一种制造用于像素阵列或传感器的接触微透镜结构的方法，由此相邻微透镜结构之间的间隙被调整从而实现水平结网和角开口的水平为使得入射到微透镜的所有光被优化地捕获且被聚焦到像素有源器件区域中。根据本发明的该方面，提供一种方案，由此亚分辨率(sub-resolution)的光刻图像以部分开口保持连接且当此图像流动(flow)从而形成透镜时，透镜保持连接且完美地形成。另外，已发现，通过进一步使此图像不充分曝光，可以用厚材料制成薄透镜。因此，代替用抗蚀剂厚度控制微透镜厚度-这随着透镜按比例地变得更薄而变得困难，厚度通过光刻条件(亚阈值(sub-threshold)曝光、显影、毯式曝光和曝光后烘焙、或者显影)来被调节。以此方式，获得保持连接且完美地形成的微透镜结构，且有利地，所形成的透镜结构的45度曲率半径可以匹配所形成的透镜结构的横截面，从而最大化光聚集。
有利地，根据本发明的方法，微透镜结构的尺寸，包括透镜大小、高度和曲率半径，可被控制以用于结网的微透镜设计。此外，非常薄的结网的透镜结构可用厚抗蚀剂制成，产生更聚焦的透镜。


参考下面结合附图的详细描述，本发明的目的、特征和优点将对本领域技术人员变得明显，附图中图1A和1B示出根据传统半导体制造技术形成的像素传感器阵列；图2通过横截面图示出现有技术的像素传感器单元50，示出与阵列的微透镜相邻的损害像素单元灵敏度的间隙；图3通过横截面图示出现有技术的像素传感器单元50，示出与导致未聚焦的枕式透镜结构的在45度剖面的横截面相比在结网的(水平)横截面的错配曲率半径；图4示出像素传感器阵列10，其中可采用本发明的接触微透镜结构；图5示出根据本发明形成接触微透镜结构的方法；图6通过横截面图示出根据本发明形成的像素传感器单元200，示出与在45度剖面的横截面相比在结网的(水平)横截面的匹配的曲率半径；以及图7示出根据本发明的方法形成的示例微透镜结构的横截面分析的图形描述，具有透镜宽度“w”和高度“h”以及描述间隙处透镜的缩回的点，在该横截面图示出了曲率半径“R”。
具体实施例方式
根据本发明用于形成结网的微透镜结构的方法包括提供平滑的平坦化层或等价衬底之后首先使图案化的光致抗蚀剂流动。然而，为了实现微透镜的接触，根据本发明，光致抗蚀剂图案在流动之前“结网”。结网(webbing)通过各种方法实现例如，通过控制(例如减小)初始UV曝光剂量；聚焦可设置在非最佳值；显影时间、温度、或者浓度可被减小；或者曝光后可利用烘焙来影响抗蚀剂材料的交联聚合物的速度。掩模图像可被额外补偿或者光刻工具的波长或数值孔径(numerical aperture，NA)/Sigma组合被改变从而使图像结网。一种或更多这些工艺修改的应用之后，所转移的图像中的光致抗蚀剂的底部连接到相邻间隙的底部，即形成网(web)。然后，后续的回流工艺之后，形成所需的透镜形状。
这样，如图5所示，发明方法100包括首先施加抗蚀剂到晶片表面的步骤，如步骤105所示。抗蚀剂材料可包括本领域公知的正或负光致抗蚀剂材料；然而，优选地，正抗蚀剂(例如工业标准透明光致抗蚀剂，诸如JSR，MF401H)利用传统旋涂技术和条件施加到半导体晶片的一个表面上。旋涂的抗蚀剂的厚度可根据旋涂工艺中采用的晶片的旋转速度和旋涂的抗蚀剂材料的类型而变化。通常，旋涂条件使得抗蚀剂被旋涂至抗蚀剂膜厚度在约0.3微米至约2.0微米范围。
应理解，将抗蚀剂施加到半导体晶片之前，晶片可被清洁和/或被处理从而增加半导体晶片对抗蚀剂的附着。此处理由本领域技术人员公知的工艺构成且包括但不限于采用浮石(pumice)和吹蒸汽(vapor blast)的机械粗糙法，采用蚀刻剂和氧化物处理的化学粗糙法、以及化学增粘剂如硅烷耦合剂。
然后，如步骤107所示，应用具有图案化的半透明栅格的光致抗蚀剂掩模，例如玻璃上的铬，所述图案化的半透明栅格包括与待印的像素微透镜结构对应的不透明正方形或矩形的二维阵列。将掩模对齐到正确位置之后，掩模和晶片曝露到控制剂量的UV光从而转移掩模图像。
根据本发明，该结构在一定条件下经历亚阈值毯式曝光步骤110，所述条件对使形成微透镜阵列结构中的间隙的区域中的抗蚀剂材料薄化是有效的，但不足以完全去除所述抗蚀剂材料，即像素之间的间隙的区域被部分显影。借助于“亚阈值”，意味着部分曝光抗蚀剂材料于UV光能量，使得UV光能量的剂量有效薄化抗蚀剂的一些区域但不足以在正常显影条件下清除抗蚀剂。
具体地，抗蚀剂材料经历利用UV曝光工具的局部毯式(亚阈值)曝光步骤，该UV曝光工具在从约0.01至约2焦耳/cm2的能量或者与抗蚀剂厚度相称的任何曝光剂量范围操作。在本发明的此步骤中采用的UV光能量的剂量是必须被满足的参数从而如上所述地薄化抗蚀剂。根据本发明的方法，亚阈值曝光步骤中采用的UV光能量的剂量应用约10毫秒至约130毫秒。应理解，用于亚阈值曝光步骤的优选条件取决于光致抗蚀剂层的厚度。用于透镜厚度的示例条件如下从约0.06至约0.2焦耳/cm2的UV光能量以从约45毫秒至约120毫秒的剂量。应强调，本发明的该步骤在控制条件下进行，其不能完全去除间隙中的抗蚀剂材料。替代地，所述条件使得仅一些曝光的抗蚀剂区域在显影步骤中被去除，从而导致透镜一起结网。
应理解，UV范围内的任何光波长例如365nm(中UV)或248nm(深UV)可在本发明中被采用且可被过滤从而实现适当的剂量。当365nm UV光能量源被采用时，本发明的此步骤以从约0.04至约2.0焦耳/cm2的能量进行，更优选地从约0.06至约1.0焦耳/cm2。当UV光能量来自248nm光源时，此亚阈值曝光步骤以从约0.6至约1.2焦耳/cm2的能量进行，更优选地约0.8至约1.0焦耳/cm2。应理解，所应用的剂量将根据透镜厚度而变化。
还应理解，本发明的薄化的光敏抗蚀剂通过利用亚阈值曝光步骤获得，其中对薄化抗蚀剂的预定区域有效但是不足以在正常显影条件下清除抗蚀剂的UV能量剂量被采用，显影之后，该薄化的光敏抗蚀剂保持其对曝光的灵敏度。因此，本发明的抗蚀剂可以用图案掩模再曝光从而在超薄的抗蚀剂情况下实现成像。
然后，如图5所示，亚阈值曝光结构在步骤115利用有机溶剂(下文称为“显影剂”)显影，其溶解部分曝光的区域。通常，抗蚀剂的部分曝光的区域通过传统方法显影，其包括但不限于利用碳酸丙二酯(propylenecarbonate)、γ丁内酯、氢氧化铵例如氢氧化四甲基铵、二甘醇二甲醚或其混合物。本发明中采用的高度优选的显影剂是国际商用机器公司提供的A2300MIF(0.263N)，其包括约2％的氢氧化四甲基铵和98％的水。
如图5进一步所示，在下一个步骤118，额外的毯式(即漂白(bleaching))曝光剂量以与步骤110应用的成像剂量大约相同的剂量应用到整个结构(包括间隙和透镜)。应理解，流动状况和漂白剂量必须谨慎控制以实现聚合物的交联速率从而实现间隙中微透镜材料的所需厚度以及所需透镜形状(即曲率半径和透镜厚度)。优选地，该额外曝光被应用于所形成的结网区域从而在这些区域中促进更快的聚合物交联。
额外的显影后曝光或“漂白”剂量来以期望的方式在抗蚀剂中发动交联聚合物链之后，如步骤120所示，流动条件被应用从而融化光致抗蚀剂且形成微透镜结构。这需要应用热能(温度)从而将凸起的光致抗蚀剂岛转化成圆平面形状的半球形凸透镜。应理解，由于流动(需要融化成透镜形状)与终止流动的交联反应之间关联的竞争状况，谨慎控制的剂量是要点。例如，更大的剂量增多交联的自由基团，因此两次曝光的结网区域首先交联，这样防止透镜结网到一起。即，流动烘焙条件为使得透镜的角区域例如在45°(度)剖面，从结网边缘向下，从而曲率半径能匹配透镜在结网边缘的横截面，由此最大化光聚集。在180℃-220℃范围例如210℃的流动温度(flowtemperature)可被应用适当时间从而确保与融化速率相对的足够的交联速率且确保完全交联。
图6示出根据本发明的工艺形成的结网微透镜结构200的示例。如图6所示，沿所形成的透镜200的线A′-A′截取的横截面225根据微透镜结构的所需焦距在理想的曲率半径R1包括结网边缘；且根据本发明，在沿线B′-B′截取的且成45度角的横截面230的曲率半径R2又匹配横截面225。这归因于由于谨慎控制的额外曝光和烘焙条件的事实，所述条件控制水平结网且有效地使透镜的角区域如在45°(度)剖面处能沿垂直维度在低于结网边缘的距离处例如以距离“d”缩回，使得曲率半径能匹配横截面。在图6所示的示例微透镜设计中，在此实施例的理想透镜结构中有约0.2μm的水平结网，在45°剖面有开口角(open corner)，与图3的现有技术微透镜结构中所示的透镜结构中在所受到的45°剖面聚焦的光55相比，在微透镜单元结构200中产生更聚焦的光255。
有利地，根据本发明的方法，像素或传感器阵列的每个微透镜结构的尺寸，包括透镜尺寸、高度和曲率半径，能被控制以用于沿所有方向具有圆形透镜的结网微透镜设计。图7示出根据本发明的方法形成的微透镜的示例性测量的横截面分析90的图形描述300，具有透镜宽度“W”和高度“H”以及示出透镜在间隙处的缩回的点，在此横截面图的曲率半径“R”根据下面的公式(1)决定R2＝H2+(W/2)2/2H (1)图4示出像素传感器阵列10，其中可采用根据本发明形成的结网微透镜结构200。如图所示，该阵列包括多个微透镜12，每个具有半球形或半-半球形(semi-hemispherical)，布置在平滑的平坦化层17例如旋涂的聚合物上，使得能够形成微透镜阵列，该平坦化层17形成在过滤器阵列例如滤色器15顶上。滤色器阵列15包括各个红、绿和蓝过滤器元件25(基色过滤器)或者替换地，青色、品红和黄色过滤器元件(互补色过滤器)。微透镜阵列12的每个微透镜22与对应的滤色器元件25对齐且包括像素20的上光接收部分。像素20包括在半导体衬底14部分上制造的单元部分，包括一堆叠，该堆叠包括一层或多层层间电介质层30a-30c，层间电介质层30a-30c包括金属化互连层面M1、M2铝Al或Cu金属线层35a、35b。例如，层间电介质材料可包括聚合物或SiO2。由于Al金属化(metallization)互连层35a、35b不需要钝化，所以示出没有各阻挡层。如图4进一步所示，具有Al金属化35a、35b的每个像素单元20还包括最终铝金属层面36，其使得金属线能键合(bond)到每个像素20之间的M1和M2金属化，最终钝化层28形成在金属线键合层面36之上。此最终钝化层28可以包括SiN、SiO2、或者这些的组合。
尽管未详细示出，但是每个像素20包括有源光电转换器件，其包括光敏元件例如进行光电转换的光电二极管18和进行电荷放大和开关的CMOS晶体管(未示出)。像素20的每个产生与每个像素接收的光的强度对应的信号电荷且通过形成在半导体衬底14上的光电转换元件(光电二极管)18转换成信号电流。
尽管已经显示和描述了本发明的优选实施例，但是理所当然地应明白，在不偏离本发明的思想和范围的情况下可容易地进行形式和细节上的各种修改和改变。因此，本发明不限于所描述和示出的确切形式，而应理解为覆盖落入所附权利要求定义的范围内的全部修改。
权利要求
1.一种传感器，其包括像素的阵列，每个像素包括包括用于接收光的多个微透镜结构的层；半导体衬底，其包括形成在其中用于接收入射到所述像素且通过各个微透镜结构被聚焦的光的光敏元件；以及一个或多个电介质材料层以及嵌入的金属化层，其设置在所述衬底与顶层之间，其中像素的每个微透镜结构沿一方向结网，使得所述结构接触所述阵列中相邻像素的微透镜结构，且使得所述微透镜结构的曲率沿所有方向是一致的，从而最大化从所有方向入射到所述微透镜结构的光的聚集。
2.如权利要求1所述的传感器，其中每个所述接触微透镜结构是圆平面形状。
3.如权利要求2所述的传感器，其中每个所述接触微透镜结构是形成为在水平横截面和在45度横截面具有匹配的一致曲率半径的圆平面形状。
4.如权利要求3所述的传感器，其中所述接触微透镜结构在所述45度横截面被形成为以较低的垂直距离在水平面之下，使得该微透镜的该曲率半径能匹配该微透镜在所述水平横截面的曲率半径，在所述水平横截面所述结网边缘在所述水平面接触。
5.一种用于制造像素传感器阵列中的微透镜结构的方法，包括步骤提供包括适于接收入射到各个像素微透镜的光的多个光敏元件的衬底；在所述衬底之上形成光致抗蚀剂材料层；利用第一亚分辨率条件构图所述光致抗蚀剂层从而形成微透镜结构图像，所述第一亚分辨率条件以足以在相邻微透镜结构之间的间隙处形成部分连接的透镜部分的方式应用；显影所述光致抗蚀剂层从而部分地形成在所述间隙处具有部分连接的透镜部分的图案化微透镜结构；毯式应用第二亚分辨率条件到所述部分地形成的微透镜结构；以及使所述部分地形成的微透镜结构流动，其中每个微透镜结构被结网，使得所述微透镜结构接触所述阵列中相邻像素的微透镜结构，且使得所述微透镜结构的曲率沿所有方向是一致的，从而最大化从所有方向入射到所述微透镜结构的光的聚集。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述第一和第二亚分辨率条件包括应用到所述图案化的光致抗蚀剂层从而发动所述光致抗蚀剂材料的聚合物的交联的曝光剂量。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述构图步骤包括应用所述第一亚分辨率条件于掩模图像，确保在水平横截面在位于相邻单元之间的间隙处的聚合物交联。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述第一和第二亚分辨率条件包括在从约0.01至约2焦耳/cm2范围的能量的UV光曝光剂量。
9.如权利要求5所述的方法，其中所述流动步骤包括曝光后烘焙工艺，用于在从约180℃至约220℃范围的温度施加热到所述微透镜结构。
10.如权利要求5所述的方法，其中每个所述接触微透镜结构是圆平面形状，其形成为在水平横截面和在45度横截面具有匹配的一致曲率半径。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述接触微透镜结构在所述45度横截面被形成为以较低的垂直距离在水平面之下，使得该微透镜的该曲率半径能匹配该微透镜在所述水平横截面的曲率半径，在所述水平横截面所述结网边缘在所述水平面接触。
12.一种控制传感器阵列的所形成的微透镜结构的尺寸的方法，所述尺寸包括透镜尺寸、高度和曲率半径，所述方法包括应用第一曝光条件到构图为部分地形成接触微透镜结构的光致抗蚀剂层且在第一剂量曝光之后显影所述层；毯式应用第二曝光条件到所述阵列的所述部分形成的接触微透镜结构；以及在足以形成沿所有方向具有圆透镜形状的相邻微透镜结构的温度使所述阵列的所述部分形成的接触微透镜结构流动。
13.如权利要求12所述的方法，其中每个所述接触微透镜结构形成为在水平横截面和在45度横截面具有匹配的一致曲率半径。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述流动步骤在这样的温度下进行，该温度足以确保每个所述接触微透镜结构在所述45度横截面的收缩，使得在45度横截面该微透镜的曲率半径能匹配在所述水平横截面的该微透镜的曲率半径。
15.如权利要求14所述的方法，其中进行所述毯式应用第二曝光条件和所述流动步骤从而确保在45度横截面每个所述接触微透镜结构在水平面之下在较低的垂直距离收缩，在所述水平横截面所述透镜边缘在所述水平面接触。
16.如权利要求12所述的方法，其中每个所述接触微透镜结构形成为在任何横截面具有根据R2＝H2+(W/2)2/2H决定的透镜宽度“W”和高度“H”以及曲率半径“R”。
全文摘要
本发明涉及一种用于通过消除形成在像素传感器阵列中相邻微透镜结构之间的间隙空间提高像素传感器的灵敏度的结构和方法。有利地，曝光和流动条件为使得相邻微透镜结构在水平横截面接触(结网)，而沿所有方向具有圆透镜形状。特别地，曝光和流动条件为使得每个接触微透镜结构形成为在水平横截面和在45度横截面具有匹配的一致曲率半径。
文档编号H01L21/82GK1881602SQ20061008185
公开日2006年12月20日 申请日期2006年5月17日 优先权日2005年5月18日
发明者罗伯特·K·莱迪, 蒂莫西·J·霍格, 约翰·E·狄龙 申请人:国际商业机器公司