内置菲涅耳透镜的图像传感器及其制造方法

摘要

本发明公开了一种内置菲涅耳透镜的图像传感器及其制造方法，所述图像传感器包括多个菲涅耳透镜以及多个感光元件，所述菲涅耳透镜和感光元件一一对应设置。本发明将菲涅耳透镜集成到图像传感器中，所述菲涅耳透镜和感光元件一一对应设置，利用菲涅耳透镜替代了传统的微透镜，制造工艺简单，且能够提高图像传感器的填充系数。

权利要求

1.一种内置菲涅耳透镜的图像传感器，其特征在于，包括多个菲涅耳透镜以及多个感光元件，所述菲涅耳透镜和感光元件一一对应设置；所述多个菲涅耳透镜的形成步骤包括：在衬底上形成第一材料层；

刻蚀所述第一材料层形成多个凹槽，所述凹槽为矩形凹槽，所述凹槽贯穿所述第一材料层以暴露所述衬底的表面；

在所述衬底和凹槽中沉积第二材料层；以及

进行化学机械研磨工艺以去除衬底上的第二材料层，仅保留凹槽内的第二材料层，形成菲涅耳透镜；

其中，所述菲涅耳透镜的光栅尺寸取决于第一材料层和第二材料层的折射率以及入射光线的波长。

2.如权利要求1所述的内置菲涅耳透镜的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器还包括多个彩色滤光单元，每一彩色滤光单元和一感光元件之间设置一所述菲涅耳透镜。

3.如权利要求1所述的内置菲涅耳透镜的图像传感器，其特征在于，所述菲涅耳透镜为矩形的菲涅耳透镜。

4.如权利要求1所述的内置菲涅耳透镜的图像传感器，其特征在于，所述感光元件包括发光二极管和CMOS晶体管。

5.一种内置菲涅耳透镜的图像传感器的制造方法，其特征在于，包括：提供衬底，所述衬底上形成有多个感光元件；以及

在衬底上形成多个菲涅耳透镜，所述菲涅耳透镜和感光元件一一对应设置，所述菲涅耳透镜的光栅尺寸取决于第一材料层和第二材料层的折射率以及入射光线的波长；

其中，在衬底上形成多个菲涅耳透镜的步骤包括：

在衬底上形成第一材料层；

刻蚀所述第一材料层形成多个凹槽，所述凹槽为矩形凹槽，所述凹槽贯穿所述第一材料层以暴露所述衬底的表面；

在所述衬底和凹槽中沉积第二材料层；

进行化学机械研磨工艺以去除衬底上的第二材料层，仅保留凹槽内的第二材料层，形成菲涅耳透镜。

6.如权利要求5所述的内置菲涅耳透镜的图像传感器的制造方法，其特征在于，所述第一材料层为高介电常数材料，所述第二材料层为低介电常数材料。

7.如权利要求6所述的内置菲涅耳透镜的图像传感器的制造方法，其特征在于，所述第一材料层为无掺杂硅玻璃，所述第二材料层为氟化玻璃或氮化硅。

8.如权利要求5所述的内置菲涅耳透镜的图像传感器的制造方法，其特征在于，在衬底上形成多个菲涅耳透镜之后，还包括：在所述衬底上形成多个彩色滤光单元，每一彩色滤光单元和一感光元件之间设置一所述菲涅耳透镜。

9.如权利要求5所述的内置菲涅耳透镜的图像传感器的制造方法，其特征在于，所述菲涅耳透镜为矩形的菲涅耳透镜。

10.如权利要求5所述的内置菲涅耳透镜的图像传感器的制造方法，其特征在于，所述感光元件包括发光二极管和CMOS晶体管。

说明书

内置菲涅耳透镜的图像传感器及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种内置菲涅耳透镜(Built-in Fresnel Lens)的图像传感器及其制造方法。

背景技术

[0002] 集成电路技术使计算机、控制系统、通讯和图像等许多领域发生了巨大的变化。在图像领域中，图像传感器是组成数字摄像头的重要组成部分。根据元件的不同，可分为CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合元件)和互补金属-氧化物-半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)有源像素图像传感器两大类。其中，CMOS图像传感器已在电荷耦合成像器件涉及的应用中占领了相当大的领域。

[0003] 公开号为CN101986432A的中国专利申请公开了一种CMOS图像传感器，具体请参阅图1，所述CMOS图像传感器包括透镜11、多个微棱镜(microlens)13、多个彩色滤光(color filter)单元15和多个感光元件(sensor)17，所述微棱镜13、所述彩色滤光单元15和所述感光元件17一一对应设置，外界光线依次经所述透镜11、微棱镜13、彩色滤光单元15而照射到所述感光元件17上。

[0004] 授权公告号为CN2681352Y的中国专利申请公开了另一种图像传感器，具体请参阅图2，所述图像传感器主要包括保护盖1、微透镜阵列3、多个棱镜4、彩色滤光片阵列5、光接收单元7及信号处理电路板9，该各部件从上至下依次排布设置。其中，微透镜阵列3是由多个微透镜于二维空间内排列成的阵列。

[0005] 在上述现有的图像传感器结构中，尽管微棱镜(微透镜阵列)能够增强入射光线的光强，但是微棱镜(微透镜阵列)的制造工艺复杂。因此，提供一种制造工艺简单并能够提高填充系数(fill factor)的图像传感器是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于，提供一种制造工艺简单并能够提高填充系数的图像传感器及其制造方法。

[0007] 为解决上述技术问题，本发明提供一种内置菲涅耳透镜的图像传感器，所述图像传感器包括多个菲涅耳透镜以及多个感光元件，所述菲涅耳透镜和感光元件一一对应设置。

[0008] 可选的，在所述的内置菲涅耳透镜的图像传感器中，所述图像传感器还包括多个彩色滤光单元，每一彩色滤光单元和一感光元件之间设置一菲涅耳透镜。

[0009] 可选的，在所述的内置菲涅耳透镜的图像传感器中，所述菲涅耳透镜为矩形的菲涅耳透镜。

[0010] 可选的，在所述的内置菲涅耳透镜的图像传感器中，所述感光元件包括发光二极管和CMOS晶体管。

[0011] 根据本发明的另一面，还提供一种内置菲涅耳透镜的图像传感器的制造方法，包括：提供衬底，所述衬底上形成有多个感光元件；在衬底上形成多个菲涅耳透镜，所述菲涅耳透镜和感光元件一一对应设置。

[0012] 可选的，在所述的内置菲涅耳透镜的图像传感器制造方法中，在衬底上形成多个菲涅耳透镜的步骤包括：在衬底上形成第一材料层；刻蚀所述第一材料层形成多个凹槽；在所述衬底和凹槽中沉积第二材料层；以及进行化学机械研磨工艺以去除衬底上的第二材料层。

[0013] 可选的，在所述的内置菲涅耳透镜的图像传感器制造方法中，所述第一材料层为高介电常数材料，所述第二材料层为低介电常数材料。

[0014] 可选的，在所述的内置菲涅耳透镜的图像传感器制造方法中，所述第一材料层为无掺杂硅玻璃，所述第二材料层为氟化玻璃或氮化硅。

[0015] 可选的，在所述的内置菲涅耳透镜的图像传感器制造方法中，在衬底上形成多个菲涅耳透镜之后，还包括：在所述衬底上形成多个彩色滤光单元，每一彩色滤光单元和一感光元件之间设置一所述菲涅耳透镜。

[0016] 可选的，在所述的内置菲涅耳透镜的图像传感器制造方法中，所述菲涅耳透镜为矩形的菲涅耳透镜。

[0017] 可选的，在所述的内置菲涅耳透镜的图像传感器制造方法中，所述感光元件包括发光二极管和CMOS晶体管。

[0018] 本发明将菲涅耳透镜集成到图像传感器中，所述菲涅耳透镜和感光元件一一对应设置，利用菲涅耳透镜替代了传统的微透镜，制造工艺简单，且能够提高图像传感器的填充系数(Fill-Factor)。

附图说明

[0019] 图1为现有技术的一种图像传感器的剖面示意图；

[0020] 图2为现有技术的另一种图像传感器的剖面示意图；

[0021] 图3为本发明一实施例中图像传感器的剖面示意图；

[0022] 图4为本发明一实施例中菲涅耳透镜的俯视示意图；

[0023] 图5为本发明一实施例的图像传感器制造方法的流程图；

[0024] 图6A-6D为本发明一实施例的图像传感器制造方法各步骤的器件剖面图；

[0025] 图7为菲涅耳透镜的原理示意图。

具体实施方式

[0026] 在背景技术中已经提及，现有的图像传感器均是利用微棱镜(微透镜阵列)来增强入射光线的光强，但是微棱镜(微透镜阵列)的制造工艺复杂。为此本发明将菲涅耳透镜集成到图像传感器中，所述菲涅耳透镜和感光元件一一对应设置，菲涅尔透镜能够起到聚焦作用，利用菲涅耳透镜替代了传统的微透镜，制造工艺简单，且能够提高图像传感器的填充系数。

[0027] 请参考图3和图4，其中，图3为本发明一实施例的图像传感器的剖面示意图，图4为本发明一实施例的图像传感器的俯视示意图。所述图像传感器包括多个菲涅耳透镜110以及多个感光元件120，所述菲涅耳透镜110和感光元件120一一对应设置，利用菲涅耳透镜110增强入射光线的光强，制造工艺简单，且能够提高图像传感器的填充系数。

[0028] 优选地，所述图像传感器还包括透镜140和多个彩色滤光单元130，每一彩色滤光单元130和一感光元件之间120设置一菲涅耳透镜110，即，透镜140、彩色滤光单元130、菲涅耳透镜110和感光元件120从上至下依次排布设置。所述彩色滤光单元130为彩色滤光片阵列，其可消除部分入射光，其通常包括红、绿及蓝滤光片或青、紫及黄滤光片，该彩色滤光片阵列分别对应感光元件的像素排列，以获得色彩信息，彩色图像可通过来自像素的所有输出信号进行组合而获得。可以理解，本发明的图像传感器的彩色滤光单元不仅局限于排布于菲涅耳透镜的上方，也可排布于其上方。另外，若图像传感器并非用于彩色成像，彩色滤光单元亦可忽略。

[0029] 优选地，每一像素包括一个感光元件(光电转换组件)，其将接收到的光信号转换成电信号。本实施例中所述图像传感器为CMOS图像传感器，所述CMOS图像传感器每一像素包括一个进行光电转化的发光二极管(photodiode)以及一个进行电信号方法与切换的CMOS晶体管。

[0030] 此外，所述图像传感器还包括信号处理电路板，所述信号处理电路板包括用以驱动像素以获得信号电荷的驱动电路、用以转换信号电荷为数字信号的A/D转换器以及利用数字信号形成图像输出信号的数字信号处理单元。

[0031] 当然，所述图像传感器还可包括保护盖(未图示)等部件，所述保护盖位于图像传感器的上端，一般采用平板玻璃或透明树脂制成，用以保护固持于图像传感器内部各组件不受外力或污染物的影响。

[0032] 需要说明的是，由于本发明并不涉及图像传感器的光电信号转换部分的改进，因此对于发光二极管、CMOS晶体管、传输管(transfer transistor)、保护盖等公知的元件并不做详细介绍，但是本领域技术人员应是知晓的。

[0033] 如图4所示，本实施例中，所述菲涅耳透镜110为矩形的菲涅耳透镜(即菲涅耳透镜的光栅呈矩形排列的)，矩形的菲涅耳透镜的制造工艺较为简单，较易集成到图像传感器的制造工艺中，当然，在本发明其它具体实施例中，所述菲涅耳透镜110还可以圆形、椭圆形或其它形状，此处不再一一列举。

[0034] 相应的，本发明还提供一种图像传感器的制造方法，如图5所示，包括：

[0035] 步骤S1：提供衬底，所述衬底上形成有多个感光元件；

[0036] 步骤S2：在所述衬底上形成多个菲涅耳透镜，所述菲涅耳透镜和所述感光元件一一对应设置。

[0037] 具体的，所述菲涅耳透镜110可通过以下步骤形成：

[0038] 如图6A所示，首先，可通过化学气相沉积(CVD)工艺在形成有感光元件120的衬底上形成第一材料层101，所述第一材料层101优选为高介电常数(high-K)材料，本实施例中所述第一材料层101为无掺杂硅玻璃(USG)；

[0039] 如图6B所示，然后，利用干法或湿法的方式，刻蚀所述第一材料层101形成多个凹槽101a，形成凹槽的工艺为现有技术，不再详细描述；

[0040] 如图6C所示，然后，可通过化学气相沉积(CVD)工艺在所述衬底和凹槽101a中沉积第二材料层102，所述第二材料层102为低介电常数(low-K)材料，本实施例中所述第二材料层为氟化玻璃(FSG)或氮化硅(Si3N4)，当然，上述材料仅为本发明的较佳实施例，本领域技术人员可根据波长等参数选择其它适宜的材料，并且，所述第一材料层101和第二材料层102的厚度也可根据实际的光学要求进行适当的变化，本发明对此不予限定；

[0041] 如图6D所示，最后，进行化学机械研磨(CMP)工艺，对所述衬底进行平坦化，以去除衬底上的第二材料层，仅保留凹槽101a内的第二材料层，如此即形成了菲涅耳透镜110，制造工艺简单，成本低廉。

[0042] 具体参考图7所示，其为菲涅耳透镜(Fresnel Lens)的原理示意图，结合图4，在菲涅耳透镜中，菲涅耳透镜的光栅尺寸D1、D2取决于第一材料层和第二材料层的折射率n1、n2以及入射光线的波长λ，参考公式1和公式2：

[0043] D1＝function(λ/4，n1，F)    公式1

[0044] D2＝function(λ/4，n2，F)    公式2

[0045] 由此可知，可根据第一材料层和第二材料层的折射率以及入射光波长来选择适宜的光栅尺寸，例如，红光波长＞绿光波长＞蓝光波长，为此，蓝色像素单元的菲涅耳透镜的光栅尺寸Dblue最小，绿色像素单元的菲涅耳透镜的光栅尺寸Dgreen居中，红色像素单元的菲涅耳透镜的光栅尺寸Dred最大。本领域技术人员根据实际选择的材料的折射率以及入射光波长通过有限次实验即可获知具体的光栅尺寸，在此不再赘述。

[0046] 进一步的，在衬底上形成多个菲涅耳透镜110之后，在所述衬底上形成多个彩色滤光单元130，每一彩色滤光单元130和一感光元件120之间设置一所述菲涅耳透镜110，外界光线依次经所述彩色滤光单元130和菲涅耳透镜110而照射到所述感光元件120上。

[0047] 显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。