专利名称：具有凸透镜结构的像元结构及制造方法
技术领域：
本发明涉及CMOS影像传感器技术领域，尤其涉及一种具有凸透镜结构的CMOS影像传感器的像元结构及制造方法。
背景技术：
CMOS影像传感器由于其与CMOS工艺兼容的特点，从而得到快速发展。相对于CXD工艺，其工艺完全与CMOS工艺兼容，其通过将光敏二极管和CMOS处理电路一起做在硅衬底上，从而在保证性能的基础上大幅度降低了成本，同时可以大幅度提高集成度，制造像素更闻的广品。传统CMOS影像传感器是使用正面光照的方法，将光敏二极管和CMOS处理电路一起做在硅衬底上使用同一层次实现，而芯片互连则制造在CMOS处理电路之上，光敏二极管之上为了光线的通过而不进行互连线的排步。然而，常规半导体材料的透光性较差，因此需要把光敏二极管上面的介质层次全部去除，并填充透光材料，以增强其光吸收。同时，由于后道互连层次较多，厚度较厚，导致光敏二极管上面介质层去除后，形成很深的沟槽，如何实现平坦化，并完成后续的彩色滤光层(color-filter)和微透镜(microlens)等工艺是传统工艺、产品的技术难点。同时，传统CIS (CMOS影像传感器)结构是在CMOS工艺完成后，在后续工艺中利用有机材料及相关工艺制造彩色滤光层和微透镜，利用微透镜来汇聚光线，实现每个像元对光信号的吸收。然而，彩色滤光层上制作的微透镜是平凸透镜结构，且限于其材料、结构和工艺等限制，其汇聚光线的能力有限，可能会有部分光线无法汇聚到像元之中而损失掉，直接影响CIS芯片的性能；此外，还需要一定的距离才能将光线较好地汇聚在光敏二极管上，而光线在媒质中又随传输距离增加而损失增加。因此，如何 提高CIS像元结构汇聚光线的能力，以提高CIS芯片的性能是本领域技术人员亟待解决的问题之一。
发明内容
本发明的目的在于弥补上述现有技术的不足，提供一种具有凸透镜结构的像元结构及制造方法。本发明的具有凸透镜结构的像元结构，其包括硅衬底上的光敏元件和用于标准CMOS器件的多层结构，该光敏元件的上方具有向下凸的下凸透镜和向上凸的上凸透镜，该上凸透镜位于下凸透镜的上方，并与下凸透镜组成全凸透镜。其中，该多层结构包括多晶硅层、接触孔层、金属互连层、通孔层和互连介质层；该上凸透镜和下凸透镜均为透光材料。在一个应用中，该光敏元件上方具有深沟槽，该深沟槽的底部由透光材料填充，该下凸透镜设于深沟槽内并于透光材料的上方。其中，该填充为半填充，以形成圆弧形凹形表面。
进一步地，该下凸透镜的上表面向上延伸至多层结构顶面或多层结构顶面以上，该上凸透镜设于下凸透镜上表面之上。其中，该多层结构顶面即是深沟槽顶面。进一步地，该深沟槽的底面与光敏元件之间还具有介质层。也就是说，深沟槽并非一通到底的结构，而是可以仅在光敏元件上方介质层的顶层或靠近顶面的几个层刻蚀出深沟槽，这样既达到了设置下凸透镜的目的，也省去了部分工艺步骤。进一步地，该上凸透镜和下凸透镜的中间还具有一层彩色滤光层。当然，若上凸透镜或下凸透镜本身材质具有彩色滤光性能的话，即可省去该彩色滤光层。在另一个应用中，该光敏元件的区域上方为厚介质层，该下凸透镜设于该厚介质层上方。其中，该“光敏元件的区域上方”在这里是指光敏元件区域的正上方，目的是为了排除光敏元件区域的正上方设置多晶硅层、接触孔层、通孔层或金属互连层的可能；该“厚介质层”由并仅由多层结构中的多层互连介质层组成，其顶面也即是多层结构的顶面。进一步地，该厚介质层的上表面之上设有容纳下凸透镜的容纳层，该容纳层具有凹槽，该下凸透镜设于该凹槽内。进一步地，该凹槽底部由透光材料填充，该下凸透镜设于该透光材料的上方。其中，该填充为半填充，以形成圆弧形凹形面。进一步地，该上凸透镜位于下凸透镜的上表面之上，并与下凸透镜为一体。
进一步地，该厚介质层与容纳层的中间还具有一层彩色滤光层。当然，若上凸透镜或下凸透镜本身材质具有彩色滤光性能的话，即可省去该彩色滤光层。进一步地，该容纳层为透光材料。进一步地，该凹槽面积大于光敏元件区域的面积。如此设置，以便于吸收更多的光线至光敏元件。进一步地，该光敏元件是光敏二极管。本发明具有凸透镜结构的像元结构的一个制造方法包括以下步骤
步骤S101，在硅衬底上排布光敏元件和用于标准CMOS器件的多层结构，通过深沟槽刻蚀工艺去除光敏元件上方的介质层，以形成深沟槽；
步骤S102，利用第一透光材料对该深沟槽进行一次或多次填充，形成具有圆弧形凹形表面的半填充结构；
步骤S103，使用光刻板对该第一透光材料进行曝光显影，去除深沟槽外围的第一透光材料；
步骤S104，利用第二透光材料对凹形半填充结构进行填充，形成下凸透镜，并实现表面平坦化；
步骤S105，在平坦化的表面之上制备上凸透镜，形成全凸透镜结构。其中，本发明的方法是在标准CMOS工艺器件、互连层次以及PAD (焊盘)钝化层次完成后再进行的。其中，步骤SlOl中深沟槽刻蚀工艺去除介质层后停留在栅极氧化层(如SiO2)上面。具体地，去除的介质层包括栅极氧化层之上的金属前介质层(如Si02)、互连介质层(如SiO2)及钝化介质层(如SiO2),则步骤SlOl包括依次去除金属前介质中接触孔刻蚀阻挡层(如SiN或SiON)之上的互连层介质，以及去除金属前介质中接触孔刻蚀阻挡层，最终停留在栅极氧化层之上。本步骤工艺利用的是SiO2对SiN的高刻蚀选择比以及SiN对SiO2的高刻蚀选择比。进一步地，步骤S102中的第一透光材料为负性透光光敏材料。具体地，该负性透光光敏材料的主要成分是透明树脂，具体地是由C、H、0组成的有机大分子链结构，并含有光敏成分，如聚异戊二烯、线性酚醛树脂的酚醛甲醛、重氮萘醌(DNQ)等等。其中，步骤S103使用与深沟槽刻蚀工艺同一张光刻板进行曝光显影，实现成本的控制，也不会带来由于光刻板自身误差带来的影响，故而可以达到更好的光刻效果。其中，步骤S103通过曝光工艺，利用透光光敏材料的负性效果，使深沟槽外围及深沟槽内边缘的第一透光材料都被曝光并被显影去除，且步骤S103可以包括在每次用第一透光材料对深沟槽填充之后，都使用光刻板对该第一填充材料进行曝光显影，去除深沟槽外围的第一透光材料。其中，步骤S102和S103的多次填充和光刻是为了适用于沟槽较深的情况，其次数只要保证深沟槽内可以形成具有圆弧形凹形表面的半填充结构即可，以便于后续的平坦化步骤。进一步地，步骤S104中的第二透光材料为负性透光非光敏材料，如合成环化橡胶树脂和双芳化基类光敏材料，其在无光照时，可以溶解于显影液中，光照后，该材料发生胶联，不再溶解于显影液中，且该第二透光材料的折射率高于第一透光材料。进一步地,步骤S104中的第一透光材料也可以是正性透光光敏材料,步骤S104包括先于下凸透镜的上表面之上制备彩色滤光层，再在其上制备上凸透镜。进一步地，步骤S104中的第一透光材料为彩色滤光材料。本发明具有凸透镜结构的像元结构的另一个制造方法包括以下步骤
步骤S201，在硅衬底上排布光敏元件和用于标准CMOS器件的多层结构，通过深沟槽刻蚀工艺去除光敏元件上方的介质层，以形成深沟槽；
步骤S202，在多层结构及深沟槽上沉积一层介电层，并去除深沟槽底部的介电层；
步骤S203,利用SOG工艺(spin on glass coating,旋转涂布玻璃)在深沟槽底部填充第一透光材料，形成具有圆弧形凹形表面的半填充结构，去除深沟槽外围的第一透光材料；
步骤S204，利用第二透光材料对凹形半填充结构进行填充，形成下凸透镜，并实现表面平坦化；
步骤S205，在平坦化的表面之上制备上凸透镜，形成全凸透镜结构。其中，本发明的方法是在标准CMOS工艺器件、互连层次以及PAD (焊盘)钝化层次完成后再进行的。进一步地，步骤S201中去除的是部分介质层，并保留部分深沟槽底部至光敏元件之间的介质层。进一步地，步骤S202中的介电层是SiN，沉积工艺包括CVD、PVD等。进一步地，步骤S204中的填充利用的是CVD或PVD沉积工艺。进一步地，步骤S204的平坦化工艺是CMP化学机械研磨工艺，该介电层作为阻挡层，如SiN。进一步地，步骤S205包括先于下凸透镜的上表面之上制备彩色滤光层， 再在其上制备上凸透镜。
其中，第一透光材料与第二透光材料的材质在上述第一个制造方法中已有记载，故不再赘述。本发明具有凸透镜结构的像元结构的又一个制造方法包括以下步骤
步骤S301，在硅衬底上排布光敏元件和用于标准CMOS器件的多层结构，在多层结构表面涂覆第一透光材料，刻蚀该第一透光材料以形成凹槽，实现容纳层；
步骤S302，该凹槽底部填充第二透光材料，形成具有圆弧形凹形表面的半填充结构，去除凹槽外围的第二透光材料；
步骤S303，利用第三透光材料对凹形半填充结构进行填充，并涂覆盖没容纳层，刻蚀去除凹槽区域以外的第三透光材料；
步骤S304，加热并使第三透光材料熔融，利用其表面张力以形成上凸透镜，实现全凸透镜结构。其中，本发明的方法是在标准CMOS工艺器件、互连层次以及PAD (焊盘)钝化层次完成后再进行的。多层结构的表面即是硅片表面。其中，第一透光材料至第三透光材料的材质在上述第一个制造方法中已有记载，故不再赘述；该第三透光材料可以是常规微透镜材质。进一步地，步骤S303包括利用第三透光材料对凹形半填充结构进行填充，形成下凸透镜，并实现表面平坦化；在第三透光材料上涂覆第四透光材料，并刻蚀去除下凸透镜区域以外的第四透光材料，步骤S304为加热并使第四透光材料熔融，利用其表面张力以形成上凸透镜，实现全凸透镜结构。其中，该第三透光材料与第四透光材料是不同材质，且第三透光材料的熔融温度高于第四透光材料的熔融温度。对比现有技术，本发明利用上凸透镜和下凸透镜两个平凸微透镜共同形成聚光能力更强的全凸透镜，从而能在更短的距离内将入射光线会聚在光敏元件上，极大地简化了工艺，减少了光线的损失，提高了像元的灵敏度，提升了 CIS芯片的性能和可靠性，并大幅度降低芯片成本。
为能更清楚理解本发明的目的、特点和优点，以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细描述，其中
图1a至1g是本发明第一实施例像元结构制造方法每个步骤的结构示意 图2是本发明第二实施例像元结构的结构示意 图3是本发明第三实施例像元结构的结构示意 图4a至4e是本发明第四实施例像元结构制造方法每个步骤的结构示意 图5a至5f是本发明第五实施例像元结构制造方法每个步骤的结构示意图。
具体实施例方式第一实施例
请参阅图1a至1g,本实施例的具体步骤包括
步骤S101，如图la，在硅衬底上排布光敏二极管和用于标准CMOS器件的多层结构，制备待处理硅片，包括在硅衬底1上设置标准CMOS工艺器件、接触孔层2、铜互连线层3以及PAD钝化层4等。步骤S102，图lb，使用光刻板5，利用深沟槽刻蚀工艺对硅衬底上光敏二极管(未图示)上方的介质层全部去除，形成深沟槽。步骤S103，图lc，利用含有聚异戊二烯的负性透光光敏材料6对深沟槽进行第一次填充，形成凹形的半填充结构。步骤S104，图ld，使用与深沟槽刻蚀工艺同一张光刻板进行曝光显影，去除深沟槽外围的透光光敏材料。步骤S105，图le，利用折射率高于上述负性透光光敏材料的含合成环化橡胶树脂负性透光非光敏材料7，对第一次填充和曝光显影后形成的凹形凹槽进行第二次填充，形成下凸透镜，实现硅片表面平坦化。步骤S106，图1f，在平坦化后的硅片表面制作第一彩色滤光层8。步骤S107，图lg，在该彩色滤光层上制作标准的第一微透镜92，形成上凸透镜。最终制备得到的像元结构中，光敏二极管的上方具有向下凸的下凸透镜和向上凸的上凸透镜，上凸透镜位于下凸透镜的上方，并与下凸透镜组成全凸透镜。第二实施例 图2是本发明第二实施例示意图，与第一实施例不同的是，第二实施例中第一次填充的材料是第一彩色滤光材料61，而后直接在平坦化的硅片表面上制作标准的第一微透镜92。第一彩色滤光材料61形成下凸透镜，第一微透镜92形成上凸透镜，共同形成全凸透镜，并省去了制备彩色滤光层的步骤。第三实施例
请参阅图3，本实施例中，第三深沟槽31并非一通到底的结构，而是其底面与光敏元件之间还具有介质层，仅在光敏元件上方介质层的顶层或靠近顶面的几个层刻蚀出深沟槽。本实施例采用了与CMOS更为兼容的工艺方法来实现全凸透镜，具体地如下
步骤S201，在硅衬底上排布光敏元件和用于标准CMOS器件的多层结构，通过深沟槽刻
蚀工艺去除光敏元件上方的介质层，以形成第三深沟槽31 ；
步骤S202，在多层结构及第三深沟槽31上利用CVD工艺沉积一层介电层32 (SiN)，可作为阻挡层，并去除第三深沟槽31底部的介电层32 ；
步骤S203，利用SOG工艺在第三深沟槽31底部填充第三透光材料A 33，形成具有圆弧形凹形表面的半填充结构，去除第三深沟槽31外围的第三透光材料A ;
步骤S204，利用CVD工艺将高折射率的第三透光材料B 34对凹形半填充结构进行填充，形成下凸透镜，CMP处理表面平坦化，以介电层32作为阻挡层；
步骤S205，在下凸透镜的上表面上制备第三彩色滤光层35，并在其上制备第三微透镜36，形成全凸透镜结构。第四实施例
请参阅图4a至4e，本实施例中，光敏元件的上方是由多层结构中的多层互连介质层所组成，即光敏元件上方的多层结构不刻蚀出深沟槽，全凸透镜制备于多层结构上表面之上。具体制造方法如下
步骤S301,如图4a,娃衬底上排布光敏兀件和用于标准CMOS器件的多层结构,在多层结构表面依次涂覆第四彩色滤光层41和第四透光材料A 42，刻蚀该第四透光材料A 42以形成第一凹槽43，实现容纳层，其中，第一凹槽43面积大于光敏元件区域的面积，如图4b ；步骤S302，该第一凹槽43底部填充第四透光材料B 44，形成具有圆弧形凹形表面的半填充结构，去除第一凹槽外围的第四透光材料B，如图4b ；
步骤S303，利用第四透光材料C 45对凹形半填充结构进行填充，并涂覆盖没容纳层，刻蚀去除第一凹槽区域以外的第四透光材料C，如图4c和4d ；
步骤S304，加热并使第四透光材料C 45熔融，利用其表面张力以形成上凸透镜，实现全凸透镜结构，如图4e。 第五实施例
请参阅5a至5f，本实施例与第四实施例不同的是，本实施例的上凸透镜和下凸透镜采用的是不同的材质，因此，其不同的制造方法包括
步骤S401,如图5a,娃衬底上排布光敏兀件和用于标准CMOS器件的多层结构,在多层结构表面依次涂覆第五彩色滤光层51和第五透光材料A 52,刻蚀该第五透光材料A 52以形成第二凹槽53，实现容纳层，其中，第二凹槽53面积大于光敏元件区域的面积，如图5b ；步骤S402，该第二凹槽43底部填充第五透光材料B 54，形成具有圆弧形凹形表面的半填充结构，去除第二凹槽外围的第五透光材料B，如图5b ；
步骤S403，利用第五透光材料C 55对凹形半填充结构进行填充，并涂覆盖没容纳层，形成下凸透镜，平坦化处理，如图5c ；
步骤S404，如图5d，在第五透光材料C 55上涂覆第五透光材料D 56，并刻蚀去除下凸透镜区域以外的第五 透光材料D 56，其中，第五透光材料C 55与第五透光材料D 56是不同材质，且第五透光材料C 55的熔融温度高于第五透光材料D 56;
步骤S405，加热并使第五透光材料D 56熔融，利用其表面张力以形成上凸透镜，实现全凸透镜结构，如图5f。
权利要求
1.一种具有凸透镜结构的像元结构，其特征在于其包括硅衬底上的光敏元件和用于标准CMOS器件的多层结构，该光敏元件的上方具有向下凸的下凸透镜和向上凸的上凸透镜，该上凸透镜位于下凸透镜的上方，并与下凸透镜组成全凸透镜。
2.根据权利要求1所述的具有凸透镜结构的像元结构，其特征在于该光敏元件上方具有深沟槽，该深沟槽的底部由透光材料填充，该下凸透镜设于深沟槽内并于透光材料的上方。
3.根据权利要求2所述的具有凸透镜结构的像元结构，其特征在于该下凸透镜的上表面向上延伸至多层结构顶面或多层结构顶面以上，该上凸透镜设于下凸透镜上表面之上。
4.根据权利要求3所述的具有凸透镜结构的像元结构，其特征在于该深沟槽的底面与光敏元件之间还具有介质层。
5.根据权利要求4所述的具有凸透镜结构的像元结构，其特征在于该上凸透镜和下凸透镜的中间还具有一层彩色滤光层。
6.根据权利要求1所述的具有凸透镜结构的像元结构，其特征在于该光敏元件的区域上方为厚介质层，该下凸透镜设于该厚介质层上方。
7.根据权利要求6所述的具有凸透镜结构的像元结构，其特征在于该厚介质层的上表面之上设有容纳下凸透镜的容纳层，该容纳层具有凹槽，该下凸透镜设于该凹槽内。
8.根据权利要求7所述的具有凸透镜结构的像元结构，其特征在于该凹槽底部由透光材料填充，该下凸透镜设于该透光材料的上方。
9.根据权利要求8所述的具有凸透镜结构的像元结构，其特征在于该上凸透镜位于下凸透镜的上表面之上，并与下凸透镜为一体。
10.根据权利要求9所述的具有凸透镜结构的像元结构，其特征在于该厚介质层与容纳层的中间还具有一层彩色滤光层。
11.根据权利要求10所述的具有凸透镜结构的像元结构，其特征在于该容纳层为透光材料，该凹槽面积大于光敏元件区域的面积。
12.根据权利要求1至11任一项所述的具有凸透镜结构的像元结构，其特征在于该光敏元件是光敏二极管。
13.—种权利要求2所述具有凸透镜结构的像元结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤S101，在硅衬底上排布光敏元件和用于标准CMOS器件的多层结构，通过深沟槽刻蚀工艺去除光敏元件上方的介质层，以形成深沟槽； 步骤S102，利用第一透光材料对该深沟槽进行一次或多次填充，形成具有圆弧形凹形表面的半填充结构； 步骤S103，使用光刻板对该第一透光材料进行曝光显影，去除深沟槽外围的第一透光材料； 步骤S104，利用第二透光材料对凹形半填充结构进行填充，形成下凸透镜，并实现表面平坦化； 步骤S105，在平坦化的表面之上制备上凸透镜，形成全凸透镜结构。
14.根据权利要求13所述的具有凸透镜结构的像元结构的制造方法，其特征在于步骤S104中的第二透光材料为负性透光非光敏材料，且该第二透光材料的折射率高于第一透光材料。
15.根据权利要求14所述的具有凸透镜结构的像元结构的制造方法，其特征在于步骤S104中的第一透光材料是正性透光光敏材料，步骤S104包括先于下凸透镜的上表面之上制备彩色滤光层，再在其上制备上凸透镜。
16.根据权利要求13所述的具有凸透镜结构的像元结构的制造方法，其特征在于步骤S104中的第一透光材料为彩色滤光材料。
17.—种权利要求4所述具有凸透镜结构的像元结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤S201，在硅衬底上排布光敏元件和用于标准CMOS器件的多层结构，通过深沟槽刻蚀工艺去除光敏元件上方的介质层，以形成深沟槽； 步骤S202，在多层结构及深沟槽上沉积一层介电层，并去除深沟槽底部的介电层； 步骤S203，利用SOG工艺在深沟槽底部填充第一透光材料，形成具有圆弧形凹形表面的半填充结构，去除深沟槽外围的第一透光材料； 步骤S204，利用第二透光材料对凹形半填充结构进行填充，形成下凸透镜，并实现表面平坦化； 步骤S205，在平坦化的表面之上制备上凸透镜，形成全凸透镜结构。
18.根据权利要求17所述的具有凸透镜结构的像元结构的制造方法，其特征在于步骤S202中的介电层是SiN，沉积工艺包括CVD或PVD ;步骤S204的填充工艺CVD或PVD。
19.根据权利要求17所述的具有凸透镜结构的像元结构的制造方法，其特征在于步骤S204的平坦化工艺是CMP化学机械研磨工艺，该介电层作为阻挡层。
20.根据权利要求17所述的具有凸透镜结构的像元结构的制造方法，其特征在于步骤S205包括先于下凸透镜的上表面之上制备彩色滤光层，再在其上制备上凸透镜。
21.一种权利要求7所述具有凸透镜结构的像元结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤S301，在硅衬底上排布光敏元件和用于标准CMOS器件的多层结构，在多层结构表面涂覆第一透光材料，刻蚀该第一透光材料以形成凹槽，实现容纳层； 步骤S302，该凹槽底部填充第二透光材料，形成具有圆弧形凹形表面的半填充结构，去除凹槽外围的第二透光材料； 步骤S303，利用第三透光材料对凹形半填充结构进行填充，并涂覆盖没容纳层，刻蚀去除凹槽区域以外的第三透光材料； 步骤S304，加热并使第三透光材料熔融，利用其表面张力以形成上凸透镜，实现全凸透镜结构。
22.根据权利要求21所述的具有凸透镜结构的像元结构的制造方法，其特征在于步骤S303包括利用第三透光材料对凹形半填充结构进行填充，形成下凸透镜，并实现表面平坦化；在第三透光材料上涂覆第四透光材料，并刻蚀去除下凸透镜区域以外的第四透光材料；步骤S304为加热并使第四透光材料熔融，利用其表面张力以形成上凸透镜，实现全凸透镜结构，其中，该第三透光材料与第四透光材料是不同材质，且第三透光材料的熔融温度高于第四透光材料的熔融温度。
全文摘要
本发明公开了一种本发明的具有凸透镜结构的像元结构及制造方法，该像元结构包括硅衬底上的光敏元件和用于标准CMOS器件的多层结构，该光敏元件的上方具有向下凸的下凸透镜和向上凸的上凸透镜，该上凸透镜位于下凸透镜的上方，并与下凸透镜组成全凸透镜。本发明可以有效降低光损失，提高像元的灵敏度，提升芯片的性能和可靠性，并大幅度降低芯片成本。
文档编号H01L27/146GK103066090SQ20121057563
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月26日 优先权日2012年12月26日
发明者赵宇航, 康晓旭 申请人:上海集成电路研发中心有限公司