用于形成微透镜的图案掩模、图像传感器及其制造方法

摘要

本发明提供一种用于形成微透镜的图案掩模、图像传感器及其制造方法。其中用于形成微透镜的图案掩模包括掩模图案部，其对应于矩阵形式的像素区域交错排列，其中所述掩模图案部的相邻角相互重叠。

权利要求

1.一种用于形成微透镜的图案掩模，包括：掩模图案部，其对应于矩阵形式的像素区域交错排列，其中，所述掩模图案部的相邻角相互重叠；

其中，所述掩模图案的角重叠100nm到200nm。

2.如权利要求1所述的图案掩模，其中所述掩模图案部是透射光的光透射部件。

3.如权利要求1所述的图案掩模，其中所述掩模图案部是阻挡光的光阻挡部件。

4.一种用于形成微透镜阵列的掩模组，包括：如权利要求1所述的图案掩模，其中掩模图案部对应于多个第一滤色镜；以及第二掩模，其具有与多个第二滤色镜对应的交错排列的部分。

5.如权利要求4所述的掩模组，还包括第三掩模，其具有与多个第三滤色镜对应的交错排列的部分。

6.一种图像传感器，包括：

光电二极管结构，其位于半导体衬底上；

滤色镜，其以矩阵形式位于所述光电二极管结构上；以及多个第一微透镜和多个第二微透镜，其交替排列在所述滤色镜上，其中所述第一微透镜的相邻角相互连接，并且所述第二微透镜与所述第一微透镜的边缘重叠；

其中，所述第二微透镜的相邻角相互连接。

7.如权利要求6所述的图像传感器，其中所述第一微透镜具有第一厚度，并且所述第二微透镜具有第二厚度。

8.如权利要求7所述的图像传感器，其中所述第一微透镜的第一厚度大于所述第二微透镜的第二厚度0.36μm到0.44μm。

9.如权利要求6所述的图像传感器，其中所述滤色镜包括：红色滤色镜，其透射具有红光波长的光；绿色滤色镜，其透射具有绿光波长的光；以及蓝色滤色镜，其透射具有蓝光波长的光。

10.如权利要求9所述的图像传感器，其中所述绿色滤色镜交错排列，所述第一微透镜对应于所述绿色滤色镜，并且所述第二微透镜对应于所述红色和蓝色滤色镜的至少其中之一。

11.如权利要求10所述的图像传感器，其中所述第二微透镜对应于所述红色和蓝色滤色镜的其中之一，并且该图像传感器还包括第三微透镜，其对应于所述红色和蓝色滤色镜中的另一个。

12.一种制造图像传感器的方法，包括以下步骤：在半导体衬底上形成光电二极管结构；

在所述光电二极管结构上形成滤色镜；

在所述滤色镜上或上方形成第一微透镜，所述第一微透镜具有相互连接的角部；以及在未被所述第一微透镜覆盖的滤色镜上或上方形成第二微透镜，所述第二微透镜与所述第一微透镜的边缘重叠；

其中所述形成第一微透镜的步骤包括：

在所述滤色镜上形成第一光致抗蚀剂层；

在该第一光致抗蚀剂层上或上方排列第一掩模，其具有交错排列的掩模图案部，且所述掩模图案部的角重叠；

应用该第一掩模使该第一光致抗蚀剂层曝光，并使曝光的第一光致抗蚀剂层显影，以形成第一微透镜前驱物；以及利用热能回流所述第一微透镜前驱物；

其中形成所述第二微透镜的步骤包括：

在所述滤色镜上形成第二光致抗蚀剂层；

在该第二光致抗蚀剂层上或上方排列第二掩模，所述第二掩模具有与未被所述第一微透镜覆盖的至少一个滤色镜对应的掩模图案部；

应用所述第二掩模对该第二光致抗蚀剂层曝光和显影，以形成第二微透镜前驱物；以及利用热能回流所述第二微透镜前驱物。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述滤色镜包括：绿色滤色镜，其在矩阵的对角线方向上排列，并且沿着矩阵的行或列不相互邻接；以及红色滤色镜和蓝色滤色镜，其在矩阵的对角线方向上交替排列，并且沿着矩阵的行或列不相互邻接。

14.如权利要求12所述的方法，其中所述第一微透镜对应于绿色滤色镜。

15.如权利要求12所述的方法，其中所述第一微透镜具有第一厚度，并且所述第二微透镜具有小于所述第一厚度的第二厚度。

说明书

用于形成微透镜的图案掩模、图像传感器及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明的实施例涉及一种用于形成微透镜的图案掩模、图像传感器及其制造方法。

背景技术

[0002] 图像传感器是将光学图像转换成电信号的半导体器件。现有技术中典型的图像传感器包括电荷耦合器件以及CMOS图像传感器。

[0003] 图像传感器可以利用下列工艺制造。

[0004] 首先在半导体衬底上形成晶体管和电连接到该晶体管的光电二极管，以及在所述晶体管及光电二极管上形成绝缘层结构和布线层。然后在所述绝缘层结构上形成红色、绿色和蓝色的滤色镜，并在该滤色镜的上表面涂覆正性光致抗蚀剂膜以形成平坦化层。其后，在该平坦化层上表面涂覆光致抗蚀剂膜，并通过曝光工艺和显影工艺对该光致抗蚀剂膜图案化以形成微透镜。

[0005] 图1是示出现有技术中用于对光致抗蚀剂膜图案化以形成透镜的图案掩模的平面图。

[0006] 参见图1，现有技术中的图案掩模1包括掩模体2和孔径3。在本实施例中，孔径3形成在待形成微透镜的位置。

[0007] 图2是示出使用图1中的图案掩模进行图案化的微透镜的平面图。

[0008] 参见图2，当通过应用图1中的图案掩模1使光致抗蚀剂膜曝光和显影而形成微透镜4时，由于各种原因而导致微透镜4的角部变圆。当微透镜4角部变圆时，如果微透镜4以矩阵形式排列，则该四个微透镜4角部之间的空间具有较大间隙5，其中经过间隙5入射到光电二极管的任何光会大大降低图像的质量。

[0009] 同样，在图2的实例中两个相邻的微透镜4之间通常也可能形成间隙6。此时，在微透镜4之间形成的间隙6的宽度大约为100nm到200nm，其中经过间隙6的入射光也会降低图像质量。

发明内容

[0010] 本发明的实施例提供一种用于形成微透镜的图案掩模，该图案掩模通过降低微透镜之间的间隙来改善图像质量。

[0011] 本发明其他的实施例提供一种应用所述用于形成微透镜的图案掩模制造的图像传感器及其制造方法。

[0012] 根据本发明实施例的用于形成微透镜的图案掩模，包括：掩模图案部，其对应于矩阵形式的像素区域交错排列，其中，所述掩模图案部的相邻角相互重叠。

[0013] 根据实施例的图像传感器包括：光电二极管结构，其位于半导体衬底上；滤色镜，其以矩阵形式位于所述光电二极管结构上；以及多个第一微透镜和多个第二微透镜，其交替排列在所述滤色镜上，其中所述第一微透镜的相邻角相互连接，并且所述第二微透镜与所述第一微透镜的边缘重叠。在一个实例中，第二微透镜的相邻的角也相互连接。

[0014] 根据本发明的实施例的制造图像传感器的方法包括以下步骤：在半导体衬底上形成光电二极管；在所述光电二极管结构上或上方形成滤色镜；在一些滤色镜上或上方形成第一微透镜，所述第一微透镜具有相互连接的角部；以及在没有形成第一微透镜的其余滤色镜上或上方形成第二微透镜，所述第二微透镜与所述第一微透镜的边缘重叠。在一个实例中，第二微透镜也具有相互连接的、相邻的角部。

附图说明

[0015] 图1是示出现有技术中用于图案化光致抗蚀剂膜以形成微透镜的图案掩模的平面图；

[0016] 图2是示出应用图1的图案掩模图案化的微透镜的平面图；

[0017] 图3是示出根据一个实施例的用于形成微透镜的图案掩模的平面图；

[0018] 图4是示出根据另一实施例的图案掩模的平面图；

[0019] 图5是示出根据一个实施例的图像传感器的截面图；

[0020] 图6A至图6B是示出图5中示意性微透镜的平面图；以及

[0021] 图7至图15是示出根据一个实施例的图像传感器的制造方法的截面图和平面图。

具体实施方式

[0022] 以下，将参照附图详细描述根据本发明实施例的用于形成微透镜的图案掩模、图像传感器以及制造图像传感器的方法。

[0023] 图3为示出根据本发明实施例的用于形成微透镜的图案掩模的平面图。

[0024] 参见图3，用于形成微透镜的图案掩模100包括掩模图案部分110和115，它们与以矩阵形式排列的像素区域A、B、C和D对齐。尽管在平面图中并未示出每一像素区域A、B、C和D，但是它们均具有四边形(例如，正方形或长方形)。因此，所提出的图像传感器的像素区域(因此，所述滤色镜和/或微透镜)可以以四边形的XY矩阵的方式排列，这里X指多个行，Y指多个列。在不同的实施例中，X和Y分别是至少为2、3、5、8、16或更多的整数。

[0025] 本发明的实施例中，该掩模图案部分110和115交错形成在像素区域A和D中。换句话说，掩模图案部分110和115形成在沿着像素区域A、B、C和D的侧边或边界不相互邻接的像素区域中。更确切地，在图3中，像素区域A和D中的掩模图案部分110和115沿着对角线方向(例如，在相邻的角)相互邻接。

[0026] 在本发明的不同的实施例中，掩模图案部分110和115通过重叠相邻的(例如，邻接的)角在区域117中重叠。在本发明的某些实施例中，掩模图案部分110和115的角(或者沿着四边形的边界、或者沿着四边形中心之间的对角线轴)相互重叠大约100nm到200nm。

[0027] 同时，在本发明的实施例中，根据所用的光致抗蚀剂层的种类或类型，掩模图案部分110和115可以是透射光的光透射部件或阻挡光的光阻挡部件。

[0028] 图4是示出根据示例性实施例的第二图案掩模的平面图。

[0029] 参见图4，用于形成微透镜的图案掩模100可包括掩模图案部120和125，它们与以矩阵形式排列的像素区域B和C对齐。在本发明的各实施例中，尽管并未示出每一像素区域A、B、C和D，但在通过平面图观察时，它们都具有四边形。

[0030] 在本发明的实施例中，掩模图案部120和125交错形成在像素区域B和C中。换句话说，掩模图案120和125形成在沿着像素区域A、B、C和D的侧边或线性边界上不相互邻接的像素区域中。更确切地，在图4中，掩模图案120和125形成在沿着对角线方向(例如，在邻近的角)相互邻接的像素区域B和C内。

[0031] 因此，在本发明的实施例中，掩模图案部120和125可以在通过它们相邻的(例如，邻接的)角的重叠的区域127中重叠。在本发明的某些实施例中，该掩模图案部120和125的角沿着四边形的边界或沿着四边形中心之间的对角线轴相互重叠大约100nm到200nm。

[0032] 同时，在本发明的实施例中，根据所用的光致抗蚀剂的种类或类型，掩模图案部120和125可以是透射光的光透射部件或阻挡光的光阻挡部件。在另一实施例中，掩模图案部120和125可以在不同的掩模上(例如当掩模图案部120对应于一个滤色镜[例如蓝色滤色镜]时，它在第二掩模上，而掩模图案部125则对应于不同的滤色镜[例如红色滤色镜]，并且在第三掩模上)。

[0033] 在本发明的实施例中，应用图3或图4中示出的图案掩模100能够在所有的像素区域A、B、C和D设置微透镜。

[0034] 图5是示出根据本发明实施例的图像传感器的截面图。图6是示出图5中的微透镜的平面图。

[0035] 参见图5，示例性的图像传感器200在半导体衬底210上可以包括光电二极管结构250、滤色镜300以及微透镜400。光电二极管结构250包括单位像素220和绝缘层结构230。多个单位像素220形成在半导体衬底上。图5示意性地示出了两个像素220。每个单位像素220包括光电二极管(PD)和晶体管结构(TS)。在本发明的各实施例中，晶体管结构(TS)包括三到五个晶体管，其中该晶体管结构(TS)执行用以输出从光电二极管(PD)中的电子产生的图像信号的功能，该图像信号是由入射到该光电二极管(PD)上的光而形成。

[0036] 绝缘层结构230覆盖半导体衬底210上的单位像素220。绝缘层结构230中可设置用于驱动单位像素220中的信号的布线结构240。在优选实施例中，布线结构240也提供光阻挡功能，用以降低穿过对于一个像素的微透镜(例如，微透镜420)的光不能到达相邻像素的光电二极管(例如标记为“PD”的光电二极管)的可能性。

[0037] 滤色镜层300通常包括多个不同颜色的滤色镜(例如红色滤色镜(R)、绿色滤色镜(G)和蓝色滤色镜(B))。典型地，滤色镜层300中的每个滤色镜形成在与图5中示出的每个像素220对应的位置。

[0038] 参考图6A-6B，每一绿色滤色镜(G)、红色滤色镜(R)和蓝色滤色镜(B)以矩阵形式排列在绝缘层结构230上。例如，绿色滤色镜(G)交错排列在绝缘层结构230上，以使其在沿着矩阵的行或列不相互邻接。

[0039] 特别地，绿色滤色镜(G)设置在对角线方向。红色滤色镜(R)和蓝色滤色镜(B)设置为与绿色滤色镜(G)邻接，并且红色滤色镜(R)和蓝色滤色镜(B)沿着对角线方向排列。

[0040] 参见图5和图6A-6B，在滤色镜层300上形成微透镜400。微透镜400包括第一微透镜410和415和第二微透镜420和425。

[0041] 在本发明的实施例中，第一微透镜410和415例如在绿色滤色镜(G)上。在一个实施例中，绿色滤色镜(G)可在滤色镜层300的滤色镜中以一个或多个对角线方向排列。另外，第二微透镜420和425分别在红色滤色镜(R)和蓝色滤色镜(B)上。在另一个实施例中，红色滤色镜(R)和蓝色滤色镜(B)也可以在滤色镜层300的滤色镜中以对角线方向排列。

[0042] 在本发明的实施例中，绿色滤色镜(G)上的第一微透镜410和415的角相互连接。以对角线方向排列在蓝色滤色镜(B)和红色滤色镜(R)上的第二微透镜420和425的角也可以相互连接，如图6A中所示。

[0043] 同时，如图5中所示，第二微透镜420和425的边缘部分(优选为每一侧边或边界的一部分)与第一微透镜410和415重叠，以使得在第一微透镜410和415与第二微透镜420和425之间不存在间隙。

[0044] 现在参看图6B，在蓝色滤色镜(B)上的微透镜425的角和在红色滤色镜(R)上的滤色镜420的角不需要一定以对角线方向相互连接。只要第二微透镜420和425的边缘、侧边或边界与第一微透镜410和415的边缘、侧边或边界重叠，则在微透镜之间能够有效地形成零间隙。

[0045] 在本发明的实施例中，第一微透镜410和415具有第一厚度，并且第二微透镜420和425具有不同于(例如，小于)第一厚度的第二厚度。在各实施例中，第一微透镜410和415的厚度可以从大约1.0μm到大约2.0μm，而第二微透镜420和425的厚度可以从大约
0.7μm到大约1.6μm。在其他的实施例中，第一微透镜410和415的第一厚度比第二微透镜420和425的第二厚度大从大约0.36μm到大约0.44μm左右。在一个实施方式中，第一微透镜410和415的厚度大约为1.7μm，而第二微透镜420和425的厚度大约为1.3μm。

[0046] 图7到图15是示出根据本发明实施例的制造图像传感器方法的截面图和平面图。

[0047] 参见图7，在半导体衬底210上形成光电二极管结构250。为了形成光电二极管结构250，在半导体衬底210上形成包括三至五个晶体管的晶体管结构(TS)和光电二极管(PD)。

[0048] 在半导体衬底210上形成像素220之后，在该半导体衬底210上形成绝缘层结构230。该绝缘结构230执行用以覆盖和使像素220绝缘的功能。在形成绝缘层结构230期间，可在绝缘层结构230中或其上形成用于驱动单位像素220中的信号的布线结构(在图
5中为240，但在图7-图13中未示出)。

[0049] 参见图8，在形成光电二极管结构250之后，在绝缘层结构230上形成滤色镜300。每一滤色镜300形成在与相应像素220中的光电二极管(PD)对应的位置。滤色镜层300可包含红色滤色镜(R)、蓝色滤色镜(B)以及绿色滤色镜(G)。可选择地，滤色镜层300可包含黄色滤色镜、青色滤色镜和品红滤色镜(所谓的“YCM”系统)。

[0050] 为了形成滤色镜300，在某些单位像素220上以矩阵方式形成绿色滤色镜(G)，从而使得绿色滤色镜(G)不直接相互邻接。在形成绿色滤色镜(G)之后，以矩阵方式在每一其它像素220间交错形成红色滤色镜(R)和蓝色滤色镜(B)，从而使得它们不相互邻近。换言之，红色滤色镜(R)和蓝色滤色镜(B)交错排列，红色滤色镜(R)和蓝色滤色镜(B)也可以以对角线方向排列，以及红色滤色镜(R)和蓝色滤色镜(B)以邻接绿色滤色镜(G)的方式排列。

[0051] 其后，在滤色镜300上方形成光致抗蚀剂层405，并且如图3所示，在光致抗蚀剂层405上或上方设置的以及具有彼此的角相互连接的第一掩模图案部110和115的第一图案掩模100与像素矩阵(或阵列)中的相应单位像素上方的绿色滤色镜(G)的位置对齐。

[0052] 其后，依靠通过第一图案掩模100的第一掩模图案部110和115提供的光使光致抗蚀剂层405曝光和显影，以在滤色镜300上形成第一微透镜前驱(precursor)物(未示出)。依靠热能(例如加热到低于250℃的温度，优选为从大约150℃到大约200℃)使第一微透镜前驱物回流，以在绿色滤色镜(G)上形成第一微透镜410，如图9所示。第一微透镜410覆盖绿色滤色镜(G)，并具有绿色滤色镜(G)的角相连的形状，如图10A所示。图10B示出用于以滤色镜/单位像素矩阵在绿色滤色镜(G)上方形成微透镜410的掩模图案410′的放大图。

[0053] 参见图11，在滤色镜300和第一微透镜410上或上方形成光致抗蚀剂层415。如图4所示，根据存在于第二图案掩模100上的一个或多个掩模图案部，排列在光致抗蚀剂层405上或上方的并具有第二掩模图案部120和125中的至少其一的第二图案掩模100与对应于红色滤色镜(R)和/或蓝色滤色镜(B)的矩阵(或阵列)中的单位像素上方的位置对齐。

[0054] 其后，依靠通过第二图案掩模100的第二掩模图案部120和/或125提供的光使光致抗蚀剂层415曝光和显影，以在红色和/或蓝色滤色镜上形成第二微透镜前驱物(未示出)，并依靠热能(例如，加热)使第二微透镜前驱物回流，以在红色滤色镜(R)和/或蓝色滤色镜(B)上形成第二微透镜410，如图12所示。当然，如果微透镜420只形成在红色滤色镜(R；参见图12A中对应的掩模图案)或蓝色滤色镜(B；参见图12B中对应的掩模图案)上方，则可应用具有在第二掩模图案中所不具有的第二掩模部的第三掩模图案。同样，如图13A-B所示，第二和/或第三掩模图案部(图13A中的B，图13B中的R)的面积可稍小于第一掩模图案部件(例如，图3中的110或115)的对应面积，使得在红色滤色镜(R)上方的微透镜420的邻近的角没必要接触位于蓝色滤色镜(B)上方的微透镜420，但在红色滤色镜(R)和蓝色滤色镜(B)上方的微透镜420的边缘、侧边和/或边界与在绿色滤色镜(G)上方的微透镜410的边缘、侧边和/或边界重叠。

[0055] 在另外的选择中，可应用第一掩模图案形成红色或者蓝色滤色镜，以及可应用第二(当已使用第二掩模图案时，可应用第三)掩模图案形成其余的颜色过滤器。在再一另外的方案中，第二(当已使用第二掩模图案时，可应用第三)掩模图案可包含沿着矩阵的一行和/或列的交错定位的掩模图案部，并且当应用第二和第三掩模图案时，对应的掩模图案部可以在交错的行和/或列中。

[0056] 本图14中的实施例中，第二微透镜420覆盖红色滤色镜(R)和/或蓝色滤色镜(B)，并且具有如图15中所示相互的角彼此连接的形状，和/或如图14所示其边缘与第一微透镜410的边缘重叠的形状。此外，第一微透镜410可具有第一厚度，并且第二微透镜420可具有不同于第一厚度的第二厚度。

[0057] 根据如上描述，微透镜之间的间隙被完全消除，从而改善从图像传感器中产生的图像质量。

[0058] 在本说明书中提及的“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等等指的是在结合本发明实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。本说明书中的不同位置出现的此类短语并非必须都是指同样的实施例。此外，当结合任一实施例描述特定特征、结构或特性时，可以认为其包涵在本领域技术人员能够结合本发明其它实施例而实现该特征、结构或特性的范围内。

[0059] 虽然参照了本发明的多个示意性实施例描述了本发明，但应当理解的是，本领域技术人员能够设计出的许多其他的修改和实施方式也将落入本公开内容的原理的精神和范围内。特别地，在本发明公开内容范围内可以对于组成部件和/或主要组合配置的结构进行各种变更和修改。除组成部件和/或主要组合配置的结构的变更和修改之外，其可替代物的应用对于本领域技术人员也是显而易见的。