专利名称：图像传感器及其形成方法
技术领域：
本发明涉及图像传感器领域，尤其涉及半导体中的图像传感器及其形成方法。
背景技术：
图像传感器是组成数字摄像头的重要组成部分，根据元件不同分为电荷耦 合元件(CCD，Charge Coupled Device)图像传感器和金属氧化物半导体元件(CMOS， Complementary Metal-Oxide Semiconductor)图像传感器。图1为现有技术的图像传感器的截面结构示意图，参阅图1，现有技术的图像传感 器包括多个感光区11，形成于衬底10上；多个滤色区12，形成于所述多个感光区11上；多 个微透镜13，对应形成与所述滤色区12上。该现有的图像传感器的微透镜13在硅片处理 工艺完成之后形成，与滤色区12结合使用，而且在滤色区12形成后，形成微透镜13。形成 微透镜13的方法包括在滤色区上形成一层涂层材料，之后平坦化涂层，然后在平坦化的 表面上形成一层透镜材料层，接着分别进行光刻可抛光工艺形成微透镜，最后需要对微透 镜进行热处理。以上所述的现有的形成微透镜的方法，使用的微透镜的材料为树脂，而且形 成微透镜时需要在相对低的温度(约为200摄氏度)下进行，限制了需要在高温下进行的 软焊标准封装工艺的使用，需要使用高成本的非标准封装方法；另外，由于微透镜形成于滤 色区上，因此需要空气间隙调整对光束的聚焦，这也要求使用高成本的非标准封装方法；而 且，由于感光区和微透镜通过滤色区隔开，感光区和微透镜之间的距离增大，使一些具有倾 斜入射角的光线损失，造成成像不精确。专利号为636M98的美国专利公开了一种形成嵌入式微透镜的方法，微透镜形成 于滤色区的下面，通过刻蚀形成在硅片上氮化硅薄膜层、并结合热处理过程形成微透镜。该 公开的方法需要多次掩膜，需要多次用到阻挡层，需要多次刻蚀工艺，因此与以上所述的现 有的工艺相比，成本高。
发明内容
本发明解决的问题是现有的图像传感器成像不精确、成本高的问题。为解决上述问题，本发明提供一种图像传感器，包括多个感光区，排列成阵列，形成于衬底上；具有第一折射率的第一介质层，形成于所述感光区上；由具有第二折射率的材料形成的多个微透镜，嵌入所述第一介质层内，所述微透 镜具有水平的上底面、下底面和凸面，所述上底面与所述第一介质层的表面齐平，所述下底 面与所述第一介质层的下底面齐平，所述凸面凸向第一介质层，每一个微透镜与对应的感 光区中心对准，且第二折射率大于第一折射率。可选的，还包括滤色层，形成于微透镜的上底面和第一介质层的表面组成的平面 上。可选的，所述具有第二折射率的材料选自氮化硅、氧化钛、氧化锆、氧化铪、氧化锌，其具有的第二折射率>2.0。本发明还提供一种形成图像传感器的方法，包括提供衬底，在所述衬底上形成有多个感光区，该多个感光区排列成阵列；在所述感光区上形成具有第一折射率的第一介质层；在所述第一介质层内形成多个微透镜，嵌入所述第一介质层内，该微透镜由具有 第二折射率的材料形成，其具有水平的上底面、下底面和凸面，所述上底面与所述第一介质 层的表面齐平，所述下底面与所述第一介质层的下底面齐平，所述凸面凸向第一介质层，每 一个微透镜与对应的感光区中心对准，且第二折射率大于第一折射率。可选的，还包括在所述微透镜的上底面和第一介质层的表面组成的平面上形成 滤色层ο可选的，在所述第一介质层内形成多个微透镜包括在所述第一介质层上形成掩膜层；在所述掩膜层上形成多个开口，与对应的感光区中心对准；各向同性刻蚀所述多个开口，形成多个凹槽，该凹槽呈截去两端的平凸透镜状；移除所述掩膜层，在所述多个凹槽内填充具有第二折射率的透镜材料，透镜材料 溢出凹槽，形成透镜材料层；平坦化具有第二折射率的透镜材料层，形成微透镜。可选的，所述具有第二折射率的材料选自氮化硅、氧化钽、氧化锆、氧化铪、氧化 锌，其具有的第二折射率>2.0。与现有技术相比，本发明具有以下优点微透镜嵌入所述第一介质层内，微透镜的凸面使具有倾斜入射角的光线更多的汇 聚到感光区，光线损失减少，入射到感光区上的光线增多，成像精确度增加，避免现有技术 的图像传感器成像不精确的问题。进一步地，滤色层形成于微透镜上，减小了微透镜和感光区之间的距离，光线强度 损失减小。而且，本发明的图像传感器的微透镜材料选自氮化硅、氧化钛、或者氧化锆、氧化 铪、氧化锌，这些材料耐高温，因此本发明的图像传感器可以用标准的封装工艺，成本低。进一步地，本发明的形成方法，与现有技术相比形成工艺简单，减少掩膜次数，节 省成本。
图1是现有的图像传感器的截面结构示意图。图2是本发明的图像传感器的截面结构示意图。图3是形成本发明的图像传感器的流程框图。图如至图4j是形成图3所示的图像传感器的方法的流程截面示意图。
具体实施例方式本发明具体实施方式
的图像传感器，微透镜嵌入第一介质层内，且滤色层形成于 微透镜上，减小了微透镜和感光区之间的距离，光线强度损失减小，而且微透镜的凸面使具有倾斜入射角的光线更多的汇聚到感光区，光线损失减少，入射到感光区上的光线增多，成 像精确度增加。本发明的图像传感器可以为CXD图像传感器或CMOS图像传感器。需要说明的是 本发明的图像传感器主要涉及对微透镜的结构，以及形成方法的改进，对图像传感器的其 他方面为本领域的公知常识，在本发明的具体实施方式
中不做详细介绍，仅对图像传感器 涉及微透镜的结构以及形成方法做详细介绍。图2为本发明的图像传感器的截面结构示意图，参考图2，本发明的图像传感器包 括多个感光区21，排列成阵列，形成于衬底20上；具有第一折射率nl的第一介质层22，形 成于所述感光区21上；由具有第二折射率π2的透镜材料形成的多个微透镜30，嵌入所述 第一介质层22内，所述微透镜具有上底面31、下底面32和凸面33，上底面31与所述第一 介质层22的表面齐平，下底面32与第一介质层22的下底面齐平，上底面31平行于下底面 32，凸面33凸向第一介质层22，每一个微透镜30与对应的感光区21中心对准，微透镜30 由透明材料组成，且该材料的第二折射率n2大于第一介质层22的材料的第一折射率nl ； 如果图像传感器需要形成彩色图像，该图像传感器还包括滤色层60，形成于由所述微透镜 30的上底面31和第一介质层22的表面组成的平面上。衬底20为半导体后端工艺中所形成的衬底，其材料为任何可以支持感光区21形 成的材料，例如可以为绝缘体上硅衬底(SOI衬底)、石英衬底、陶瓷衬底、玻璃衬底，而且衬 底20上还形成有用于图像传感器的其他器件(图中未示)。感光区21包括多个光敏元件，例如CCD照相机像素、色彩光传感器、光电发射元件 例如感光二极管，在本发明的一具体实施例中，感光区15的面积为传感像素面积的1/3。第一介质层22由透明材料形成，光可以穿过该第一介质层22，而且该第一介质层 22也作为互连金属例如像素间的感光二极管之间的介质层，另外，作为微透镜30嵌入其中 的介质层。滤色层60的材料为负性光阻材料，例如丙烯酸类聚合物，在负性光阻材料内具有 红色、绿色和蓝色颜料(RGB颜料)或者青色、品红和黄色颜料(CMY颜料)。另外，在本发明的具体实施例中，可以在形成滤色层60和微透镜30之间形成一层 抗反射涂层，减少反射光。在本发明的具体实施方式
中，微透镜30的上底面31和下底面32为圆形，微透镜 30的下底面32的半径为下底面31半径的1/4 1/2 ；在本发明的一具体实施例中，第一介 质层22由折射率为1. 5的二氧化硅S^2组成，微透镜30由折射率为2. 0的氮化硅SiNxM 料组成或者由折射率为2. 5的氧化锆组成。在本发明中不使用树脂作为形成微透镜30的 材料，因此可以避免热处理工艺，并且可以排除现有技术不能使用标准封装工艺(需要在 高于200摄氏度的温度下进行)对图像传感器进行封装的缺点，本发明组成微透镜30的材 料耐高温，可以用标准封装工艺进行封装，节省成本。继续参考图2，本发明的图像传感器，微透镜30嵌入第一介质层22，而且滤色层60 形成在微透镜30上，这样微透镜30和对应的感光区21之间的距离缩小，可以增加光线强 度；另外，一些入射到微透镜30上的倾斜光线(和光轴y夹角大于0)在入射到凸面33内 表面时，被反射到感光区21，这样可以增加入射到感光区21的光线，因此可以增加成像精度。
另外，对于接触式图像传感器(CIS，contact image sensor)，可以没有滤色层60， 此时可以在微透镜30上形成抗反射层，减少光线反射并保护微透镜，抗反射层的折射率小 于微透镜的折射率，抗反射层的折射率可以为微透镜折射率的平方根。继续参考图2，每个传感器像素包括一个感光区21和一个晶体管(图中未示)，微 透镜30用于提高入射到感光区21上的光线量，入射到感光区21上的光线的光信号由晶体 管通过光电子散射和探测、经由电荷迁移和信号放大，来自图像传感器的所有像素的电信 号组合起来形成图像。图3为形成本发明图像传感器的流程框图，参考图3，本发明的形成图像传感器 的方法包括步骤Si，提供衬底，在所述衬底上形成有多个感光区，该多个感光区排列成阵 列；步骤S2，在所述感光区上形成具有第一折射率的第一介质层；步骤S3，在所述第一介质 层内形成多个微透镜，该微透镜由具有第二折射率的材料形成，其具有上底面、下底面和凸 面，上底面与所述第一介质层的表面齐平，下底面与第一介质层的底面齐平，凸面凸向第一 介质层，每一个微透镜与对应的感光区中心对准，且第二折射率大于第一折射率；如果，图 像传感器需要形成彩色图像，该方法还包括步骤S4，在由所述微透镜的上底面和第一介质 层的表面组成的平面上形成滤色层，如果不需要形成彩色图像，该方法可以不包括步骤S4。图如至图4j为图3流程框图对应的截面结构示意图，下面结合图3和图如至图 4j详细介绍形成图像传感器的方法。结合参考图3和图4a，执行步骤Si，提供衬底20，在所述衬底20上形成有多个 感光区21，该多个感光区21排列成阵列，阵列的排列为现有技术不属于本发明的发明点， 而且为本领域的公知常识，在此不做赘述；每一个感光区21包括一个感光二极管(图中 未示)，其尺寸不超过像素尺寸的1/3，该感光二极管具有光电发射性质，由公知的技术形 成；在像素内，每一个感光区21和电荷迁移区耦合，或者和晶体管耦合，电荷迁移区和晶体 管图中未示，电荷迁移区和晶体管在后端工艺之前形成于衬底20内，其形成方法为公知技 术。结合参考图3和图4b、图4c，执行步骤S2，在所述感光区21上形成具有第一折 射率nl的第一介质层22 (参考图如)；在具体实施例中，在形成第一介质层22之前，参考 图4b，先在感光区21上形成钝化层23，作为感光区21的保护层，钝化层23材料为氧化 硅，之后，参考图4c，在钝化层23上形成第一介质层22，第一介质层22具有的第一折射率 nl ^ 1. 5，其材料可以为氧化硅；在其他实施例中，第一介质层22也可以为多层结构，多层 结构的每一子层具有不同的折射率，其折射率可以通过掺杂的杂质量控制，例如可以在多 层结构的子层中掺杂氮离子或金属粒子，具有不同折射率的多层结构的第一介质层可以提 高光的聚焦效果。需要说明的是，第一介质层22的厚度需要和下面的工艺中形成的嵌入式 微透镜的厚度、需要使用的焦距适应。结合参考图3和图4d至图4h，执行步骤S3，在所述第一介质层内形成多个微透 镜参考图4d和图如，在第一介质层22上形成掩膜层41，对掩膜层41图案化，在所述掩膜 层41上形成多个开口 42，在该具体实施例中，掩膜层41可以为硬掩膜，对硬掩膜进行各向 异性的干法刻蚀，形成开口 42 ；另外，在本发明的具体实施例中，在形成掩膜层41前，在第 一介质层22上形成阻挡层(图中未示)，可以避免在下面的平坦化工艺中，移除第一介质层 造成第一介质层的厚度变化；在该具体实施例中，开口 42为圆形开口，而且与对应的感光区21中心对准；开口 42的尺寸将影响下面工艺中形成凹槽的尺寸，确定开口 42的尺寸时， 需要考虑感光区21的尺寸和下面的工艺中形成的微透镜30的焦距；在本发明的具体实施 例中，控制开口 42的尺寸使其小于感光区21的尺寸，保证在各向同性湿法刻蚀中，形成的 微透镜30的下底面32的尺寸小于感光区21的尺寸。参考图4f，所述开口 42内注入蚀刻剂，各向同性湿法刻蚀第一介质层22，在第一 介质层22内形成多个凹槽50，凹槽50的开口 51的平面与所述第一介质层22的表面等高， 凹槽的下底面52平行于凹槽的开口 51的平面，凹槽的凸面53凸向第一介质层22，每一个 凹槽与对应的感光区21中心对准；在本发明的具体实施方式
中，凹槽的开口 51和下底面 52均为圆形，凹槽50的下底面52的半径为开口 51半径的1/4 1/2 ；在本发明的具体实 施方式中，各向同性湿法刻蚀的刻蚀速率和刻蚀时间影响凹槽50的开口 51的半径，在本发 明的具体实施例中，如果第一介质层22的材料为氧化硅，则选择氢氟酸HF作为蚀刻剂，在 其他实施例中，也可以选择硝酸，作为蚀刻剂。需要说明的是，凹槽50的形状会受到开口 42 的尺寸、蚀刻剂种类、蚀刻时间的影响，控制开口 42的尺寸、蚀刻剂种类、蚀刻时间可以控 制开口 42的尺寸。参考图4g和图4h，移除所述掩膜层41，在所述多个凹槽50内填充具有第二折射 率的透镜材料，透镜材料溢出第二介质层22形成一层透镜材料层30'，填充透镜材料可以 使用现有的PVD工艺，CVD工艺公知的技术；参考图41，平坦化具有第二折射率的透镜材料层30'，露出第一介质层22，形成 微透镜30，微透镜30的形状与凹槽50的形状相同。其中，透镜材料具有的第二折射率 n2大于第一介质层22具有的第一折射率nl，可以使入射的光线汇聚到相应的感光区21 上；在本发明的具体实施例中，第一介质层22的材料为氧化硅SiO2,其具有的第一折射率 nl ^ 1. 5，透镜材料为氮化硅SiNx，其具有的第二折射率为2. 0，在其他的实施例中，透镜材 料也可以为氧化锆，其具有的第二折射率为2.5 ；另外，透镜材料也可以为氧化铪HfO2, 氧化钛TiO2,氧化铝Al3O2，氧化锌SiO2,这些透镜材料具有的第二折射率π2 > 2. 0 ；以上所 述的透镜材料可以耐高温(大于200摄氏度)，因此可以适用标准封装工艺，节省成本，而 且，形成微透镜30不需要使用热处理工艺，节省工艺。需要说明的是，在以上的平坦化工艺中，移除的透镜材料的厚度可以大于透镜材 料高出第一介质层的厚度，这样可以使透镜上底面31的半径变大，使透镜的厚度变小，因 此该平坦化工艺可以控制透镜上底面31的半径，透镜的厚度，最终决定透镜的形状。平坦 化工艺的工艺参数基于具体的透镜的参数设定，这些参数包括透镜的厚度即第一介质层22 的厚度、上底面31的半径。如果本发明的图像传感器形成的图像为彩色图像，还需要在微透镜30上形成滤 色层60。结合参考图3和图4j，执行步骤S4，在由所述微透镜30的上底面31和第一介质 层22的表面组成的平面上形成滤色层60。在本发明的具体实施例中，在微透镜30上可以形成保护层或者抗反射层；如果包 括滤色层60，保护层或抗反射层形成于微透镜30和滤色层60之间，在滤色层60上可以形 成透明保护层或抗反射层。微透镜嵌入所述第一介质层内，微透镜的凸面使具有倾斜入射角的光线更多的汇 聚到感光区，光线损失减少，入射到感光区上的光线增多，成像精确度增加，避免现有技术的图像传感器成像不精确的问题。进一步地，滤色层形成于微透镜上，减小了微透镜和感光 区之间的距离，光线强度损失减小。而且，本发明的图像传感器的微透镜材料选自氮化硅、 氧化钛、或者氧化锆、氧化铪、氧化锌，这些材料耐高温，因此本发明的图像传感器可以用标 准的封装工艺，成本低。进一步地，本发明的形成方法，与现有技术相比形成工艺简单，减少 掩膜次数，节省成本。 以上所述仅为本发明的具体实施例，为了使本领域技术人员更好的理解本发明的 精神，然而本发明的保护范围并不以该具体实施例的具体描述为限定范围，任何本领域的 技术人员在不脱离本发明精神的范围内，可以对本发明的具体实施例做修改，而不脱离本 发明的保护范围。
权利要求
1.一种图像传感器，其特征在于，包括多个感光区，排列成阵列，形成于衬底上；具有第一折射率的第一介质层，形成于所述感光区上；由具有第二折射率的材料形成的多个微透镜，嵌入所述第一介质层内，所述微透镜具 有水平的上底面、下底面和凸面，所述上底面与所述第一介质层的表面齐平，所述下底面与 所述第一介质层的下底面齐平，所述凸面凸向第一介质层，每一个微透镜与对应的感光区 中心对准，且第二折射率大于第一折射率。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，还包括滤色层，形成于所述微透镜 的上底面和第一介质层的表面组成的平面上。
3.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述衬底为绝缘体上硅片，或者石英 硅片，或者陶瓷硅片，或者玻璃硅片。
4.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第一介质层为氧化硅，其具有的 第一折射率< 1.5。
5.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述具有第二折射率的材料选自氮 化硅、氧化钛、氧化锆、氧化铪、氧化锌，其具有的第二折射率> 2. 0。
6.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述微透镜的下底面和上底面为圆 形，且所述下底面的半径小于所述上底面的半径。
7.权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，所述下底面的半径为所述上底面半径 的 1/4 1/2。
8.如权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述滤色层的材料为负性光阻材料。
9.如权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，在所述负性光阻材料内具有红色、绿 色和蓝色颜料或者青色、品红和黄色颜料。
10.一种形成图像传感器的方法，其特征在于，包括提供衬底，在所述衬底上形成有多个感光区，该多个感光区排列成阵列；在所述感光区上形成具有第一折射率的第一介质层；在所述第一介质层内形成多个微透镜，嵌入所述第一介质层内，该微透镜由具有第二 折射率的材料形成，其具有水平的上底面、下底面和凸面，所述上底面与所述第一介质层的 表面齐平，所述下底面与所述第一介质层的下底面齐平，所述凸面凸向第一介质层，每一个 微透镜与对应的感光区中心对准，且第二折射率大于第一折射率。
11.如权利要求10所述的形成图像传感器的方法，其特征在于，还包括在所述微透镜 的上底面和第一介质层的表面组成的平面上形成滤色层。
12.如权利要求10所述的形成图像传感器的方法，其特征在于，在所述第一介质层内 形成多个微透镜包括在所述第一介质层上形成掩膜层；在所述掩膜层上形成多个开口，与对应的感光区中心对准；各向同性刻蚀所述多个开口，形成多个凹槽，该凹槽呈截去两端的平凸透镜状；移除所述掩膜层，在所述多个凹槽内填充具有第二折射率的透镜材料，透镜材料溢出 凹槽，形成透镜材料层；平坦化具有第二折射率的透镜材料层，形成微透镜。
13.如权利要求10所述的形成图像传感器的方法，其特征在于，所述衬底为绝缘体上 硅，或者石英硅，或者陶瓷硅，或者玻璃硅。
14.如权利要求10所述的形成图像传感器的方法，其特征在于，所述第一介质层为氧 化硅，其具有的第一折射率< 1. 5。
15.如权利要求10所述的形成图像传感器的方法，其特征在于，所述具有第二折射率 的材料选自氮化硅、氧化钽、氧化锆、氧化铪、氧化锌，其具有的第二折射率> 2. 0。
16.如权利要求10所述的形成图像传感器的方法，其特征在于，所述微透镜的下底面 和上底面为圆形，且所述下底面的半径小于所述上底面的半径。
17.如权利要求16所述的形成图像传感器的方法，其特征在于，所述下底面的半径为 所述上底面半径的1/4 1/2。
全文摘要
一种图像传感器及其形成方法，图像传感器包括多个感光区，排列成阵列，形成于衬底上；具有第一折射率的第一介质层，形成于所述感光区上；由具有第二折射率的材料形成的多个微透镜，嵌入所述第一介质层内，具有上底面、下底面和凸面，上底面与所述第一介质层的表面齐平，下底面与第一介质层的底面齐平，凸面凸向第一介质层，每一个微透镜与对应的感光区中心对准，且第二折射率大于第一折射率。微透镜嵌入所述第一介质层内，微透镜的凸面使具有倾斜入射角的光线更多的汇聚到感光区，光线损失减少，入射到感光区上的光线增多，成像精确度增加，避免现有技术的图像传感器成像不精确的问题。
文档编号H01L27/148GK102130138SQ201010022718
公开日2011年7月20日 申请日期2010年1月12日 优先权日2010年1月12日
发明者杨建平, 霍介光, 黄河 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司