专利名称：掩模及其制造方法和用该掩模制造微透镜的方法
技术领域：
本发明涉及一种掩模及其制造方法和用该掩模制造微透镜的方法，使得
CMOS图像传感器的微透镜具有良好的曲率半径。
背景技术：
一般地说，图像传感器是一种将光学图像转换成电信号的半导体器件。 图像传感器可分类为电荷耦合器件(CCD)图像传感器或CMOS图像传感器。
电荷耦合器件(CCD)具有各个MOS电容器被彼此邻近地设置的结构， 以及载荷子被存储在一个可选MOS电容器内、随后被传送至下一个MOS电 容器的模式。电荷耦合器件具有以下缺点由于驱动模式相对复杂因而制造 工艺相对复杂、功耗大以及光刻处理步骤多。此外，难以将控制电路、信号 处理电路、模/数转换器等等集成到电荷耦合器件芯片上，因此电荷耦合器件 具有产品小型化困难的缺点。
近来，CMOS图像传感器作为用来克服电荷耦合器件缺点的下一代图像 传感器受到了关注。
CMOS图像传感器是一种利用CMOS处理技术的器件，其具有多个MOS 晶体管且MOS晶体管的数量与半导体衬底上单元像素的数量相关或相等， 并且具有控制电路和信号处理电路等等作为光电二极管的相邻电路，以借助 MOS晶体管，采用切换方式按顺序检测各个单元像素的输出。换言之，CMOS 图像传感器包含单元像素中的光电二极管和MOS晶体管，用于以切换方式 按顺序检测各个单元像素的电信号，从而获得图像。
CMOS图像传感器是用CMOS制造技术制成的，因此具有制造工艺简 单、功耗小、光刻处理步骤较少等等优点。并且，控制电路、信号处理电路、 模/数转换电路等等能够集成到CMOS图像传感器芯片上，因此CMOS图像 传感器具有易于实现产品小型化的优点。因此在目前，CMOS图像传感器巳 经广泛地用在各种应用领域，如数码相机(digital still cameras)、数码摄像
机(digital video camera)、蜂窝式电话摄像机(cell phone camera)等等。
图1是用于制造相关技术微透镜的掩模图案的俯视图，而图2A和图2B 是沿图1中线A-A'和B-B'取得的用图1中掩模图案制造的微透镜的横截面 图。
如图l、图2A和图2B所示，相关技术的掩模50设置有掩模图案51， 用于在半导体衬底上形成微透镜40。然而，在相关技术中，虽然掩模图案51 的大小是均匀的，但通过掩模50的最外侧掩模图案在半导体衬底上形成的微 透镜图案41a却小于原始微透镜图案41b的标准，因此产生了微透镜40具有 不均匀曲率半径的问题。
如图2A所示，通过将对透明度和热流敏感的抗蚀物质施加到平面化层 16上，并利用二元掩模(binary mask, BIM)，即可形成凹凸形的微透镜图 案41a和41b。此时，随着微透镜图案41a更接近于掩模的图案阵列边缘， 其大小会由于光学邻近效应而与图案密度对应地变得更小。
此外，如图2B所示，设置有凹凸形的微透镜图案的平面化层16受到高 温烘焙处理，其中高温烘焙处理要在180°C或更高的高温下执行预定时间。 在此处理中，凹凸形的微透镜图案40b因为热流的特性而形成为具有平滑曲 率的浮凸(embossing)形状。
然而，浮凸形状的微透镜图案40具有以下问题在图案密度密集的位置 与图案密度稀疏的位置之间，在高温烘焙处理中形成的微透镜图案40a的曲 率半径可能是不均匀的；而且由边缘掩模图案形成的微透镜小于原始微透镜 的标准，并且其曲率半径在对应于边缘掩模图案的位置与其它位置之间可能 变得不均匀。
另外，当在半导体衬底上形成微透镜图案时，掩模通常是用BIM来设计 的。然而，当使用BIM时，透镜单元与非透镜单元之间的边界是不可目视和 清楚区分的，因此当在具有梯级差别(step difference)的衬底上形成微透镜 图案时可能产生图案缺陷。换言之，在二元掩模的情况下，所需的图案是用 铬在石英衬底上形成的。因此，光穿透除去铬的部分，而剩余的铬用作遮光 膜。然而，如果掩模的遮光部分与透光部分之间的对比度因光衍射和干涉现 象而降级，则可能无法如所希望的那样在最终晶片上形成图案。
发明内容
本发明的目的是提供一种掩模以及利用该掩模制造微透镜(该微透镜汇
聚CMOS图像传感器中的外部光)的方法，使得微透镜能够具有良好的曲率 半径。
为了实现上述目的，根据本发明，提供一种掩模，包括掩模图案区； 以及掩模图案，位于掩模图案区上，包括第一相移层以及位于第一相移层上 的第二相移层，第一相移层具有第一透射率而第二相移层具有第二透射率， 第二透射率不同于第一透射率。
此外，为了实现上述目的，根据本发明，提供一种利用掩模制造微透镜 的方法，包括以下步骤在半导体衬底上形成透明抗蚀层；在透明抗蚀层上 方设置掩模，并将光穿过掩模照射到透明抗蚀层上，掩模具有位于掩模图案 区上的掩模图案，掩模图案包括第一相移层以及位于第一相移层上的第二相 移层，第一相移层具有第一透射率而第二相移层具有第二透射率，第二透射 率不同于第一透射率；以及将透明抗蚀层图案化以形成微透镜图案。
另外，本发明提供一种制造掩模的方法，包括以下步骤在掩模衬底上
形成具有第一透射率的第一相移层；以及在第一相移层上形成具有第二透射 率的第二相移层，其中第二透射率不同于第一透射率。
图1是用于制造相关技术微透镜的掩模图案的俯视图。
图2A和图2B是沿图1中线A-A'和B-B'得到的利用图1中掩模图案制
造的微透镜图案和微透镜的横截面图。
图3是根据本发明的CMOS图像传感器的一部分的横截面图。
图4A是根据本发明的相移掩模的横截面图。
图4B是利用图4A中掩模形成的微透镜的横截面图。
图5A至图5C是按顺序示出根据本发明的相移掩模的示例性制造过程的
横截面图。
图6是根据本发明用于制造微透镜的示例性掩模图案的俯视图。 图7是沿图6中线C-C'和D-D'得到的借助图6中掩模图案制造的微透镜 的横截面图。
具体实施例方式
以下，将参照附图详细描述根据本发明用于制造多个微透镜的掩模。
图3为根据本发明的CMOS图像传感器的一部分的横截面。
参照图3，在诸如P+型硅衬底之类的半导体衬底100上制备光电二极管 区103a、 103b及103c和晶体管区。虽未特别示出，但可在一个或多个光电 二极管区中形成N'型扩散区，而且可在晶体管区中形成晶体管的源/漏极和栅 极。第一 (层间)电介质层lll、遮光或第一金属化图案121a、第二 (层间) 电介质层113、遮光或第二金属化图案121b及第三(层间)电介质层115等 等连续地叠置在半导体衬底IOO上方；而红滤光片133a、绿滤光片133b及 蓝滤光片133c形成于第三层间电介质层115上，处于对应于光电二极管区 103a、 103b及103c的位置。
此外，在滤光片133a、 133b及133c上形成平面化层116。其后，在平 面化层116上形成多个微透镜140，使得每个微透镜140资于光电二极管区 103a、 103b或103c的垂线上。
同时，晶体管包括传送从光电二极管产生的光电荷的光电荷传送器，以 及检测光电二极管所接收的光(例如红、绿或蓝光)量的光色灵敏度计算器 (light color sensitivity calculator)，但未示于图中。CMOS图像传感器将(多 个)反向偏压施加到半导体衬底的后表面，因此该CMOS图像传感器改变光 电二极管的耗尽区宽度并检测在光电二极管上接收到的红、绿或蓝光。
图4A是根据本发明的示例性相移掩模的横截面图，而图4B是利用图 4A中掩模形成的示例性微透镜的横截面图。
如图4A所示，通过在透明石英衬底250上叠置多层(例如三层)透反 相移材料(transflective phase shifting material)，根据本发明的相移掩模形成 所需的图案。在一个实施例中包括透反相移材料的掩模是通过按顺序叠置第 一相移层25K第二相移层252及第三相移层253形成的，其中优选的是， 第二相移层252与第一相移层251相比具有较小的线宽，并且第二相移层252 的中心与第一相移层251的中心一致或对准。同样优选的是，第三相移层253 与第二相移层252相比具有较小的线宽，并且第三相移层的中心253与第一 相移层251和第二相移层252的中心一致或对准。
第一到第三相移层251、 252、 253可根据微透镜240的所需曲率而各自
具有不同的大小或尺寸(例如厚度和/或宽度)等等，并且它们是由透反相移 材料(例如铬或其它通常用来制作掩模上的透射减少区或光阻隔区的材料)
制成的。优选的是，第一到第三相移层251、 252、 253具有(或在掩模上的 限定区域具有)彼此不同的光透射率和相变率。
如果利用图4A中掩模在衬底200上将微透镜240图案化，并使得微透 镜240受到低温烘焙处理，则可形成具有均匀曲率的微透镜240，而与其在 掩模透镜阵列中的位置无关，如图4B所示。
图5A至图5C是示出根据本发明的示例性相移掩模的制造过程的横截面图。
如图5A所示，以光刻工艺在透明石英衬底250上的所需位置将第一透 反相移材料图案化，以在该石英衬底上形成第一相移层251。举例来说，第 一相移层251可具有大约6%的光透射率和180。的相变率。
如图5B所示,将第二透反相移材料施加到设置有第一相移层251的石 英衬底250上，并以光刻工艺将第二透反相移材料图案化，以在第一相移层 251上形成第二相移层252，其中第二相移层252与第一相移层251相比具有 较小的线宽。举例来说，第二相移层252可具有大约4%的光透射率和225° 的相变率。
如图5C所示，将第三透反相移材料施加到设置有第一相移层251和第 二相移层252的石英衬底250上，并以光刻工艺将第三透反相移材料图案化， 以在第二相移层252上形成第三相移层253，其中第三相移层253与第二相 移层252相比具有较小的线宽。举例来说，第三相移层253可具有大约2% 的光透射率和270。的相变率。
因此，如果将第一相移层251的线宽表示为"c"，将第二相移层252的线 宽表示为"b"，而将第三相移层253的线宽表示为"a"，则掩模中对应于第三 相移层253的线宽"a"的区域(在此处叠置有第一、第二及第三相移层 251-253)具有最低的光透射率。该区域还具有接近180。的相移，如图5C所 示。在仅叠置有第一相移层251和第二相移层252的区域(例如对应于线宽 "b")中和在仅形成有第一相移层251的区域(例如对应于线宽"a")中，光 透射率依次增加。在掩模图案之中，在垂直方向上从衬底连续地叠置有第一 到第三相移层25K 252、 253的区域中，光透射率是最低的。
第一到第三相移层251、 252、 253 (它们是根据本发明的相移掩模的掩 模图案255的至少一部分)可具有彼此不同的透射率。某一给定相移层的透 射率可以是在2%到10%的数值范围内独立地选择。作为最小条件，掩模图 案255具有至少叠置有两个(或更多个)相移层的结构。
图5C示出表示根据本发明的示例性相移掩模的光强度与位置之间对应 关系的曲线图。这里，如果照射叠置有第一到第三相移层251、 252、 253的 掩模图案255，则穿过该掩模图案255的光与穿过石英衬底250的透光区域 中心部分(例如仅穿过石英衬底250)的光具有180。(或180。左右)的相位 差，并且在透明石英衬底250与半透射膜材料(例如仅形成第一相移层251 的区域，其对应于线宽"c";可选择图中未示的不同材料)的界面处发生光的 相消干涉，从而提高对比度，最终能够在半导体衬底上得到所需的微透镜图 案，而与微透镜在晶片上的位置或掩模图案中对应的一个或多个相移层无关。
此时，本发明具有的优点是，透镜单元与非透镜单元之间的边界区分清 楚，且改善了微透镜图案的临界尺寸(CD)。此外，虽然微透镜图案240 的端部彼此邻近，但本发明仍可均匀地保持微透镜的斜率和/或曲率。并且， 本发明修改了第一到第三相移层251、 252、 253的线宽和/或厚度，从而能够 形成具有所需曲率半径的微透镜，并增加光电二极管的接收率。
相移掩模的掩模图案255是通过示出本发明一个实施例中叠置有第一到 第三相移层251、 252、 253的结构来描述的，但掩模图案255不限于此。因 此，掩模图案255可通过叠置至少两个(或更多个)相移层来形成。
图6是根据本发明用于制造微透镜的示例性掩模图案的俯视图，而图7 是沿图6中对应于C-C'和D-D'的线得到的利用图6中掩模图案制造的微透镜 的横截面图。
如图6和图7所示，根据本发明的示例性相移掩模设置有掩模图案255， 掩模图案255形成在石英衬底250上，用于在衬底200上形成多个微透镜240。
如图6所示，掩模图案255是通过在石英衬底250上按顺序叠置第一相 移层25K第二相移层252、及第三相移层253而形成的，其中优选的是，第 二相移层252与第一相移层251相比具有较小的线宽，并且第二相移层252 的中心与第一相移层251的中心一致或对准。同样优选的是，第三相移层253 与第二相移层252相比具有较小的线宽，并且第三相移层253的中心与第一
相移层251和第二相移层252的中心一致或对准。
第一到第三相移层251、 252、 253可根据微透镜240的所需曲率而各自 具有不同的大小或尺寸(例如厚度和/或宽度等等)。相移层251、 252、 253 还可包含透反相移材料或以透反相移材料制成。
优选的是，第一到第三相移层251、 252、 253具有彼此不同的光透射率 和相变率。
如果利用图6中的相移掩模在衬底200上将具有均匀大小的微透镜240 图案化，并使得微透镜240受到110。C以下低温的烘焙处理，即可形成具有 均匀和/或一致曲率的微透镜240，而与掩模透镜阵列的位置无关，如图7所
不o
当利用根据本发明的相移掩模形成微透镜图案时，可以防止在掩模内或 掩模边缘附近微透镜曲率变得不均匀的缺陷(例如借助高温烘焙处理导致的 缺陷)。
借助本发明，用于形成CMOS图像传感器中微透镜的相移掩模是通过叠 置至少两个或更多个具有彼此不同的透射率的相移层而形成的，因此在利用 该相移掩模形成微透镜时，微透镜能够具有均匀或更一致的尺寸，和/或微透 镜能够具有均匀或更一致的曲率，而与在掩模图案阵列上的位置无关。此外， 当利用根据本发明的相移掩模来形成微透镜图案时，防止了在掩模的边缘上 微透镜曲率变得不均匀的缺陷(例如借助高温烘焙处理导致的缺陷)，并且 微透镜具有均匀曲率(例如借助低温烘焙处理)，而与微透镜图案的密度无 关，因此能够提高制造成品率。
另外，本发明能够清楚地区分半导体衬底上透镜单元与非透镜单元之间 的边界，并能改善微透镜图案的CD。而且，虽然微透镜图案的端部变得接 近于与其相邻的微透镜图案的端部，本发明仍能保持微透镜的斜率和/或曲
率，从而能提高微透镜的分辨率。
此外，本发明能够修改掩模中相移层的一个或多个线宽和/或厚度，从而 能分别形成具有所需曲率半径的微透镜，并能增加光电二极管处的光接收率。
在本说明书中，对于"一个实施例"、"一实施例"、"示例性实施例" 等等的任何引用都意味着联系该实施例所描述的特定的特征、结构或特性包 含在本发明的至少一个实施例中。在本说明书中多处出现的这种表达形式并
不一定全部涉及同一实施例。而且，在联系任何实施例来描述特定的特征、 结构或者特性时，应认为联系其他实施例来实现这类特征、结构或者特性处 于本领域技术人员的范围内。
尽管参照一些说明性实施例描述了本发明的实施例，但应理解的是本领 域的技术人员可以设计许多其它修改方案和实施例，这些修改方案和实施例 均落在本发明原理的精神和范围内。更特别地，在本发明公开范围内的组成
部件和/或主要组合排列的配置可以进行多种改变和修改。除了组成部件和/ 或配置的改变和修改之外，替换性的应用方案对于本领域技术人员来说也是 显而易见的。
权利要求
1.一种掩模，包括透明掩模，由掩模图案区限定；以及掩模图案，位于所述掩模图案区上，包括第一相移层以及位于所述第一相移层上的第二相移层，所述第一相移层具有第一透射率而所述第二相移层具有第二透射率，所述第二透射率不同于所述第一透射率。
2. 根据权利要求1所述的掩模，还包括第三相移层。
3. 根据权利要求2所述的掩模，其中所述第一相移层与所述第二相移层 相比具有较大的线宽,且所述第二相移层与所述第三相移层相比具有较大的 线宽。
4. 根据权利要求1所述的掩模，其中所述第一和第二相移层的透射率独 立地为从2%到10%。
5. 根据权利要求1所述的掩模，其中所述第一和第二相移层独立地具有 从180。到270。的相变率。
6. 根据权利要求1所述的掩模，其中所述掩模图案取决于在所述掩模上 的位置而具有不同的光透射率。
7. 根据权利要求2所述的掩模，其中所述第一、第二和第三相移层各自 的中心线彼此一致。
8. 根据权利要求1所述的掩模，其中所述第一和第二相移层各自具有不 同的厚度。
9. 根据权利要求3所述的掩模，其中所述第三相移层位于所述第二相移 层上。
10. 根据权利要求9所述的掩模，其中所述掩模在所述第三相移层的位 置具有最低的光透射率。
11. 一种制造微透镜的方法，包括以下步骤-在半导体衬底上形成透明抗蚀层；在所述透明抗蚀层上方设置掩模，并将光穿过所述掩模照射到所述透明 抗蚀层上，所述掩模具有位于掩模图案区上的掩模图案，所述掩模图案包括 第一相移层以及位于所述第一相移层上的第二相移层，所述第一相移层具有 第一透射率而所述第二相移层具有第二透射率，所述第二透射率不同于所述 第一透射率；以及将所述透明抗蚀层图案化以形成微透镜图案。
12. 根据权利要求ll所述的方法，在形成所述微透镜图案的步骤之后， 还包括以下步骤在80°C到100°C的温度下烘焙所述半导体衬底和所述微 透镜图案。
13. 根据权利要求11所述的方法，还包括在所述第二相移层上形成第三 相移层的步骤，其中所述第一相移层与所述第二相移层相比具有较大的线宽， 且所述第二相移层与所述第三相移层相比具有较大的线宽。
14. 根据权利要求11所述的方法，其中所述掩模图案取决于在所述掩模 上的位置而具有不同的光透射率。
15. 根据权利要求13所述的方法，其中所述第一、第二和第三相移层具 有彼此一致的相应中心线。
16. 根据权利要求11所述的方法，其中所述第一和第二相移层各自具有 不同的厚度。
17. 根据权利要求13所述的方法，其中所述掩模在所述第三相移层的位 置具有最低的光透射率。
18. —种制造掩模的方法，包括以下步骤 在掩模衬底上形成具有第一透射率的第一相移层；以及 在所述第一相移层上形成具有第二透射率的第二相移层，.所述第二透射率不同于所述第一透射率。
19. 根据权利要求18所述的方法，还包括在所述第二相移层上形成第三 相移层的步骤。
20. 根据权利要求19所述的方法，其中所述第一相移层与所述第二相移 层相比具有较大的线宽，且所述第二相移层与所述第三相移层相比具有较大 的线宽。
全文摘要
本发明涉及一种掩模及其制造方法和用该掩模制造微透镜的方法，该掩模包括透明掩模，由掩模图案区限定；以及掩模图案，位于掩模图案区上，包括第一相移层以及位于第一相移层上的第二相移层，第一相移层具有第一透射率而第二相移层具有第二透射率，第二透射率不同于第一透射率。该微透镜汇聚CMOS图像传感器中的外部光，使得由光电二极管照射的微透镜能够具有良好的曲率半径。借助本发明，通过叠置至少两个具有彼此不同的透射率的相移层来形成用以形成CMOS图像传感器中微透镜的相移掩模，使得当用该相移掩模形成微透镜时微透镜能够具有均匀大小并且微透镜能够具有均匀曲率而与掩模图案阵列的位置无关。
文档编号H01L27/146GK101109896SQ20071013689
公开日2008年1月23日 申请日期2007年7月23日 优先权日2006年7月21日
发明者李峻硕 申请人:东部高科股份有限公司