影像感测器微透镜组、影像感测器及其制造方法

摘要

一种影像感测器微透镜组、影像感测器及其制造方法。为提供一种提高影像解析度、成像感光效率高、确保光二极体区域光敏感度的影像感测器组件、影像感测器及其制造方法，提出本发明，微透镜组包括彩色滤光片、微凸透镜及第一介电层及微凹透镜；第一介电层顶、底表面为与彩色滤光片接触的平面及曲率与微凹透镜曲率相同并接触的凸面；影像感测器包括基底、形成于基底上的内连线结构、设置于内连线结构上的微透镜组及设置于内连线结构下并形成于基底内的光二极体；制造方法包括提供形成光二极体的基底、多层内连线结构、保护层、具有开口的光阻图案层、蚀刻保护层形成微凹透镜、移除罩幕层后依序形成第一介电层、彩色滤光片及微凸透镜。

说明书

技术领域

本发明属于影像感测器组件、影像感测器及其制造方法，特别是一种影像感测器微透镜组、影像感测器及其制造方法。

背景技术

影像感测器分为CCD(Charge Coupled Device；电荷耦合元件)与CMOS(互补金属氧化半导体)影像感测器两种。一般而言，影像感测器的元件大致包括光二极体(photodiode)、彩色滤光片(color filter)和微透镜(microlens)。

光二极体系设置在半导体矽基底内，作为感测区(sensor area)，以感沿不同色彩的光。

彩色滤光片设置于光二极体上方。当入射光通彩色滤光片后，会被过滤分成红(R)、绿(G)及蓝(B)三种原色光。然后再被对应的光极体吸收及感测。

微透镜则放置于彩色滤光片的上面，藉以增加光学灵敏度。

如图1所示，传统固态影像装置的微透镜制造方法包括如下步骤：

首先在半导体矽基体100中形成光二极体102，而每一个光二极体102均有其对应的用以读取影像资料的电晶体；

然后，进行内连线结构制程，以形成所需的导线104；

待内连线结构106完成后，覆盖一层保护层108和透明且平坦化的第一氧化层110；

接着于平坦化的第一氧化层110上形成彩色滤光片112；

继续于彩色滤光片112的上方形成另一层透明且平坦的第二氧化层114；

然后在第二氧化层114上覆盖光阻层，藉由显影制程(developingprocess)将其图案化后，进行热处理，以将图案化的光阻层完全融化，利用其本身的表面张力，以形成微透镜116。

然而，随着目前提高影像解析度的趋势，势必提高像素(pixel)密度，因此必须缩小每一像素的面积。然而，如图2所示，当像素的积集度提高后，必须增加内连线结构106的层数以满足其电路设计的要求，故微透镜116与光二极体102的距离亦随之增加。若不改变微透镜116的曲率半径，则入射光线会聚焦在光二极体102的上方，造成成像效率及感光效率差。因此，如图3所示，必须增加微透镜116的聚焦长度，使入射光线经由空气进入微透镜116后，可以聚焦在光二极体102的区域内。而提高微透镜116聚焦长度的方法为增加微透镜116的曲率半径(即降低曲率)。但是，当微透镜116的曲率降低时，会影响光线的入射量，使得光二极体102区域的光敏感度(photosensitivity)降低，反而影响影像的解析度。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高影像解析度、成像感光效率高、确保光二极体区域光敏感度的影像感测器微透镜组、影像感测器及其制造方法。

本发明影像感测器微透镜组包括彩色滤光片、设置于彩色滤光片上用以聚集入射光的微凸透镜、设置于彩色滤光片下的第一介电层、设置于第一介电层下微凹透镜；第一介电层与彩色滤光片接触的顶表面为平面，其底表面为曲率与微凹透镜曲率相同并接触的凸面。

本发明影像感测器包括基底、形成于基底上的内连线结构、设置于内连线结构上的微透镜组及设置于内连线结构下并形成于基底内的光二极体；微透镜组包括彩色滤光片、设置于彩色滤光片上用以聚集入射光的微凸透镜、设置于彩色滤光片下的第一介电层、设置于第一介电层下微凹透镜；第一介电层与彩色滤光片接触的顶表面为平面，其底表面为曲率与微凹透镜曲率相同并接触的凸面。

本发明影像感测器制造方法包括提供形成光二极体的基底；于基底上形成多层内连线结构；在多层内连线结构上形成保护层；于保护层上形成定义罩幕层的光阻图案层，于光阻图案层中形成对应于光二极体的开口；以定义罩幕层的光阻图案层作为蚀刻罩幕对保护层进行等向性蚀刻，以于保护层中形成作为对应于光二极体具有弧形凹槽微凹透镜；移除罩幕层；于微凹透镜上形成一层具有平坦表面的第一介电层；于第一介电层上形成彩色滤光片，并于彩色滤光片上形成微凸透镜。

其中：

微凸透镜与彩色滤光片之间设有与微凸透镜与彩色滤光片接触的第三介电层。

微凸透镜、第三介电层、彩色滤光片及第一介电层的折射率大于空气的折射率，并且小于微凹透镜的折射率。

第一介电层的材质为氧化矽；微凹透镜的材质为氮化矽/氮氧化矽。

微凸透镜与彩色滤光片之间设有与微凸透镜与彩色滤光片接触的第三介电层。

微凸透镜、第三介电层、彩色滤光片及第一介电层的折射率大于空气的折射率，并且小于微凹透镜的折射率；第一介电层的材质为氧化矽；微凹透镜的材质为氮化矽/氮氧化矽。

影像感测器制造方法还包括于彩色滤光片表面与微凸透镜之间形成与微凸透镜及彩色滤光片接触的第三介电层。

第一介电层的材质为氧化矽；微凹透镜的材质为氮化矽/氮氧化矽。

由于本发明微透镜组包括彩色滤光片、设置于彩色滤光片上的微凸透镜及依序设置于彩色滤光片下的第一介电层及微凹透镜；第一介电层顶、底表面为与彩色滤光片接触的平面及曲率与微凹透镜曲率相同并接触的凸面；影像感测器包括基底、形成于基底上的内连线结构、设置于内连线结构上的微透镜组及设置于内连线结构下并形成于基底内的光二极体；微透镜组包括彩色滤光片、设置于彩色滤光片上的微凸透镜及依序设置于彩色滤光片下的第一介电层及微凹透镜；第一介电层顶、底表面为与彩色滤光片接触的平面及曲率与微凹透镜曲率相同并接触的凸面；制造方法包括提供形成光二极体的基底；形成多层内连线结构；形成保护层；形成具有开口的光阻图案层；对保护层进行等向性蚀刻，以形成微凹透镜；移除罩幕层；于微凹透镜上形成第一介电层；于第一介电层上形成彩色滤光片，并于彩色滤光片上形成微凸透镜。于微凸透镜下方增加微凹透镜构成的微透镜组，使入射光线经此微透镜组后成平行光，因此，不论作为感光区的光二极体与微透镜组之间的距离为何，均不会发生成像困难的问题；制造方法系于传统内连线结构的最上层形成介电层后，增加形成为罩幕层的保护层、湿蚀刻及移除罩幕层等步骤后，再继续进行传统的制程；且在形成微凹透镜的过程中所使用的光罩系与形成作为感光区的光二极体光罩相同，因此，其微透镜组的制程并不需增加额外的光罩因此制程相当简单，极容易与目前的制程相容；影像感测器并未改变微凸透镜的曲率半径，故可使入射光线的进光量能维持在较佳状态。不仅提高影像解析度，而且成像感光效率高、确保光二极体区域光敏感度，从而达到本发明的目的。

附图说明

图1、为传统的固态影像装置结构示意剖视图。

图2、为传统的固态影像装置结构示意剖视图(内连线结构层数增加、微透镜曲率半径不变时)。

图3、为传统的固态影像装置结构示意剖视图(内连线结构层数增加、微透镜曲率半径增加时)。

图4、为本发明影像感测器制造方法步骤一示意图。

图5、为本发明影像感测器制造方法步骤二示意图。

图6、为本发明影像感测器制造方法步骤三示意图。

图7、为本发明影像感测器制造方法步骤四示意图。

具体实施方式

本发明影像感测器微透镜组可适用于任何影像感测器，例如CCD或CMOS影像感测器。

如图7所示，本发明影像感测器微透镜组包括彩色滤光片424、设置于彩色滤光片424上用以聚集入射光的微凸透镜428、设置于彩色滤光片424下的微凹透镜418、设置于微凸透镜428与彩色滤光片424之间的第三介电层426及设置于微凹透镜418与彩色滤光片424之间的第一介电层420。

微凹透镜418系为设有弧形凹槽416的介电层408a。微凹透镜418的材质可为氮化矽(SiN)或氮氧化矽(SiON)。

第一介电层420与彩色滤光片424接触的顶表面为平面，其底表面为曲率与微凹透镜418曲率相同并接触的凸面。

微凸透镜428、第三介电层426、彩色滤光片424及第一介电层420的折射率大致相同，且大于空气的折射率，并且小于微凹透镜418的折射率。通常微凸透镜428、第三介电层426、彩色滤光片424及第一介电层420的折射率大约介于1.2至1.6之间；微凹透镜418的折射率大约介于1.8至2.2之间。

如图7所示，本发明影像感测器包括基底400、形成于基底上的内连线结构404、设置于内连线结构404上的微透镜组及设置于内连线结构404下并形成于基底400内的光二极体402。

多层内连线结构404置于具有光二极体402的基座400上。此多层内连线结构404具有视需要调整的多层，如六层由材质可为氧化矽介电层409作电性隔离的导线407。

微透镜组包括彩色滤光片424、设置于彩色滤光片424上用以聚集入射光的微凸透镜428、设置于彩色滤光片424下的微凹透镜418、设置于微凸透镜428与彩色滤光片424之间的第三介电层426及设置于微凹透镜418与彩色滤光片424之间的第一介电层420。

微凹透镜418系为设有弧形凹槽416的介电层408a。微凹透镜418的材质可为氮化矽(SiN)或氮氧化矽(SiON)。

第一介电层420与彩色滤光片424接触的顶表面为平面，其底表面为曲率与微凹透镜418曲率相同并接触的凸面。

微凸透镜428、第三介电层426、彩色滤光片424及第一介电层420的折射率大致相同，且大于空气的折射率，并且小于微凹透镜418的折射率。通常微凸透镜428、第三介电层426、彩色滤光片424及第一介电层420的折射率大约介于1.2至1.6之间；微凹透镜418的折射率大约介于1.8至2.2之间。

本发明影像感测器制造方法包括如下步骤：

步骤一

如图4所示，首先提供为矽基底的基底400，并于基底400中形成作为感光区的光二极体402；每一个光二极体402均有其对应的用以读取感测区所产生的电荷资料的电晶体，以藉由一系列电路设计转换成影像资料；

于光二极体402电晶体上方覆盖一层透明且平坦化的介电层406；

于基底400上形成多层内连线结构404，此多层内连线结构404具有视需要调整的多层，如六层由材质可为氧化矽介电层409作电性隔离的导线407；

多层内连线结构404上方覆盖一层材质为氮化矽(SiN)或氮氧化矽(SiON)介电层的保护层408；

于保护层408上形成一层为不同材质，如氧化矽(SiO)的介电层410，并于介电层410上形成一层定义罩幕层的光阻图案层412，于光阻图案层412中形成对应于光二极体402的开口414，并利用与形成感光区相同的光罩，而无须额外制备光罩；

步骤二

如图5所示，以定义罩幕层的光阻图案层412的图案转移至介电层410中，以形成具有开口414的介电层410a，并移除光阻图案层412；

以介电层410a作为蚀刻罩幕对保护层408进行等向性蚀刻，以于保护层408中形成作为对应于光二极体402具有弧形凹槽416的介电层408a以构成微凹透镜418，并移除介电层410a；微凹透镜418的折射率大约介于1.8至2.2之间；

当为介电层的保护层408的材质为氮化矽(SiN)或氮氧化矽(SiON)时，等向蚀刻所使用的蚀刻液为磷酸；

步骤三

如图6所示，于微凹透镜418上形成一层具有平坦表面422的第一介电层420，而于靠近微凹透镜418的表面则为凸面416；第一介电层420为折射率上于微凹透镜418折射率的材质，如氧化矽(SiO)；

步骤四

如图7所示，于第一介电层420上形成彩色滤光片424，并于彩色滤光片424上形成微凸透镜428；彩色滤光片424会形成不平坦表面，因此于彩色滤光片424表面与微凸透镜428之间形成一层材质与微凸透镜428及彩色滤光片424接触为氧化矽(SiO)的透明且平坦化的第三介电层426。

凸透镜428、第三介电层426、彩色滤光片424及第一介电层420的折射率大致相同，且大于空气的折射率，并且小于微凹透镜418的折射率。通常微凸透镜428、第三介电层426、彩色滤光片424及第一介电层420的折射率大约介于1.2至1.6之间。

综上所述，本发明至少具有下列优点：

1、本发明影像感测器藉由于微凸透镜428下方增加微凹透镜418构成的微透镜组，使入射光线经此微透镜组后成平行光，因此，不论作为感光区的光二极体402与微透镜组之间的距离为何，均不会发生成像困难的问题。

2、本发明影像感测器制造方法系于传统内连线结构404的最上层形成介电层410后，增加形成为罩幕层的保护层、湿蚀刻及移除罩幕层等步骤后，再继续进行传统的制程。因此制程相当简单，极容易与目前的制程相容。

3、由于本发明影像感测器并未改变微凸透镜的曲率半径，故可使入射光线的进光量能维持在较佳状态。

4、本发明影像感测器制造方法在形成微凹透镜的过程中所使用的光罩系与形成作为感光区的光二极体光罩相同，因此，其微透镜组的制程并不需增加额外的光罩。

即本发明藉包括彩色滤光片及设置于彩色滤光片上、下的微凸透镜、微凹透镜，使光线入射至微凸透镜聚集后，再经由凹透镜聚焦的光线略为发散而成平行光入射至作为感光区的光二极体，因此，不论内连线结构的层数增加或减少，入射的光线均可以入射至感光区，不仅增加了聚焦长度，而且维持入射光量，不会影响影像的解析度。