单片集成的具有双焦微透镜阵列的CMOS图像传感器制造技术

一种单片集成的具有双焦微透镜阵列的ＣＭＯＳ图像传感器，包括：标准ＣＭＯＳ逻辑电路，其集成了硅ｐｉｎ光电二极管；微透镜阵列，集成在ＣＭＯＳ电路有源区域对应的光吸收表面；氮化硅层，覆盖微透镜阵列；滤色镜，设置于氮化硅层上面；其特征在于，所述微透镜阵列是双焦微透镜阵列，与ＣＭＯＳ电路单片集成。其折射率为１．４４～２．０用于较好的光学聚焦双焦微透镜阵列，提高光收集和量子效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及透镜阵列及其制作方法，特别是涉及单片集成双焦透镜阵 列及其制作方法和在互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)图像传感器中的应用。
技术介绍
过去的十年，由于CMOS图像传感器与电荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)比较,可以在较低电压下工作，降低便携式应用的能耗，具 有较少的支持电路，设计更加简单，提供超低能耗和芯片集成的图像传感 器，因此得到越来越多的关注。过去由CMOS技术(0.35Pm及以上)制 造的这些传感器一般具有比CCD较大的像素，低分辨率和更低的性能。 近来由于在包括硅制程(0.18Pm及以下)的几个领域的技术和设计的发展， 滤色器阵列和微透镜集成，包装微小化和像素和芯片上图像传感器的设计 有望扩大CMOS图像传感器的应用性和使其性能和作用甚至超过CCD。在高发散激光二极输出的瞄准和聚焦中，在光电探测器和图像传感器 的光收集中，包括高功率和高亮度光源、光纤通讯、光学数据存储和光互 连的广泛的应用领域，都需要具有限制发散性能和高效率的微透镜。而且 半导体衬底和淀积的电介质层不仅提供高折射率，还提供单片透镜激光器 和单片透镜传感器集成的趋势。到目前为止电子束刻蚀和离子刻蚀已经应用于各种半导体器件、光学 和表面声波器件以及集成电路制造过程。离子束刻蚀已经成功应用于集成 在发光二极管(LEDs.)的InP衬底上和InGaAs/InP pin光电二极管阵列 上的微透镜的制作上。Liau等通过质量传递技术在InP和GaAs衬底上制作了微透镜。该方 法应用光刻和化学刻蚀形成多层台形结构，通过热处理最后形成微透镜， 其中多层台阶由于表面能最小化如质量传递，而变得光滑。与上述的质量传递技术相比，反应离子束刻蚀技术更加简单和方便。 其仅由两步工艺构成光刻胶掩模制作和反应离子束刻蚀，两步都适合批 量生产。然而通过质量传递制作微透镜需要重复光刻和化学刻蚀以获得十级圆锥形台阶而且需要晶片在87(TC质量传递以形成微透镜。Pantdis等人采用对热熔产生的光刻胶微透镜阵列进行反应离子刻蚀 来制作有机聚合物如聚酰亚胺聚合物微透镜(参见Pantelis P, McCartrey D J. Polymer microlens arrays. Pure. Appl. Opt., 1994， 3:103 108)。但其只能 形成单焦微透镜，而且由于熔点较低，因此高空以及太空应用中抗湿、抗 高温及防辐射能力差，易于变形老化，因此量子效率、聚光效率以及可靠 性较差。
技术实现思路
为克服现有技术存在的以上问题，提出本专利技术。本专利技术的目的是通过两步反应离子束刻蚀制作无机的双焦硅氧化物 微透镜阵列。本专利技术还有一个目的是制作单片集成的具有双焦微透镜阵列的CMOS 传感器。本专利技术的单片集成的具有双焦微透镜阵列的CMOS图像传感器，包括-标准CMOS逻辑电路，其集成了硅pin光电二极管； 微透镜阵列，集成在CMOS电路有源区域对应的光吸收表面； 氮化硅层，覆盖微透镜阵列； 滤色镜，设置于氮化硅层上面；其特征在于，微透镜阵列是双焦微透镜阵列，与CMOS电路单片集成。 根据本专利技术，所述的标准CMOS逻辑电路还包括硅衬底、顶层金属、氧化硅覆盖层。该氧化物覆盖层是高密度等离子体淀积而成。本专利技术的双焦微透镜阵列是无机双焦微透镜阵列，较佳是硅氧化物双焦微透镜阵列。本专利技术的双焦微透镜阵列，包括第一硅氧化物透镜，其具有第一曲率半径；第二硅氧化物透镜，其具有第二曲率半径。本专利技术的双焦微透镜阵列制作，包括如下步骤 形成硅氧化物层或含富硅的氧化物层，其折射率为1.44~2.0; 涂敷光刻胶层，光刻、显影形成光刻胶图案； 光刻胶回流成型；进行两步反应离子束刻蚀，形成双焦硅氧化物微透镜； 根据本专利技术，硅氧化物是富硅氧化物(Silicon Rich Oxide， SRO)，或富硅氮氧化物(Silicon Rich Oxynitride， SRON)。硅氧化物采用等离子增强化学气相淀积(PECVD)方法形成。根据本专利技术，光刻胶为正型光刻胶，其回流温度为高于其玻璃化转化温度10 5(TC， 一般为150~180°C ，回流时间为5 20min，所成型光刻胶球的大小与其像素大小对应。根据本专利技术，反应离子束采用含有氩离子的反应离子束刻蚀，所述的 反应离子束刻蚀采用刻蚀射频功率为500~800W,硅片衬底偏置射频功率 为500~800W,入射角为0~60° 。所述的硅衬底在反应离子束刻蚀过程当 中需要冷却至温度小于150。C,硅片衬底固定在反应腔体内的静电吸盘上。 反应气体及流量为氩气(Ar): 300 700sccm;氧气(02): 10 100sccm;四氟 化碳(CF4): 10 100sccm;三氟甲烷CHF3): 5 50sccm;反应腔体的压力为 100 500 mtorr.在光刻胶刻蚀掉一半时，通过改变射频能量及(或)反应气 体的流量及(或)反应腔体的压力，保持入射角不变，直到光刻胶刻蚀完毕 形成双焦微透镜阵列。显微镜和扫描式电子显微镜用于测量刻蚀形成的图 案的表面形状。微透镜轮廓通过表面轮廓测定仪器测定。本专利技术通过两步反应离子束刻蚀在富硅氧化物衬底上制作双焦微透 镜。计算和实验结果表明当涂有球形光刻胶掩模的衬底被具有合理的刻蚀 参数的反应离子束刻蚀时，刻蚀的透镜的形状仍是球形而其曲率半径 R二Rr/k(其中Rr是球形光刻胶掩模的曲率半径，k是衬底对掩模的刻蚀比 率)。其刻蚀比率k取决于反应离子束入射角、射频能量、反应气体的流 量及反应腔体的压力。因此通过调整和控制刻蚀条件，获得需要的透镜的 曲率半径，及具有双曲率半径的透镜，即双焦透镜。由于本专利技术是在完成CMOS图像传感器的前段制程，其包括集成了 pin光电二极管的标准逻辑电路的完整制程，然后进行后段制程，其包括形成滤色镜，单片集成的富硅氧化物(SRO)或富硅氮氧化物(SRON) 微透镜，以及氮化硅覆盖层。本专利技术的双焦微透镜折射率为1.44~2.0，用 于较好的光学聚焦双焦微透镜阵列，提高光收集和量子效率。与有机透镜 相比具有高的可靠性。本专利技术具有CMOS图像传感器与双焦微透镜阵列单片集成的高性能 和高可靠性的制作流程和工艺。该工艺方法和技术可以高质量、高产量、 低成本生产CMOS图像传感器。附图说明下面结合附图详细介绍本专利技术。然而需要注意的是，这些附图只是用 来说明本专利技术的典型实施例，而不构成为对本专利技术的任何限制，在不背离 本专利技术的构思的情况下，可以具有其他更多等效实施例。而本专利技术的保护 范围由权利要求书决定。图1A是根据本专利技术，完成CMOS图像传感器前段制程后的一个实施 例的截面示意图。图1B是根据本专利技术，形成光刻胶图案后的一个实施例的截面示意图。 图1C是根据本专利技术，光刻胶回流成型后的一个实施例的截面示意图。 图1D是根据本专利技术，经过两步离子束刻蚀形成双焦微透镜阵列后的一个实施例的截面示意图。图1E是根据本专利技术，在覆盖氮化硅层和形成滤色镜后的单片集成的具有双焦微透镜的CMOS图像传感器的一个实施例的截面示意图。图2A 2E是根据本专利技术的双焦微透镜形成过程的一个实施例的局部，一个双焦本文档来自技高网...

【技术保护点】
单片集成的具有双焦微透镜阵列的ＣＭＯＳ图像传感器，包括：标准ＣＭＯＳ逻辑电路，其集成了硅ｐｉｎ光电二极管；微透镜阵列，集成在ＣＭＯＳ电路有源区域对应的光吸收表面；氮化硅层，覆盖微透镜阵列；滤色镜，设置于氮化硅 层上面；其特征在于，所述微透镜阵列是双焦微透镜阵列，与ＣＭＯＳ电路单片集成。

【技术特征摘要】
1.单片集成的具有双焦微透镜阵列的CMOS图像传感器，包括标准CMOS逻辑电路，其集成了硅pin光电二极管；微透镜阵列，集成在CMOS电路有源区域对应的光吸收表面；氮化硅层，覆盖微透镜阵列；滤色镜，设置于氮化硅层上面；其特征在于，所述微透镜阵列是双焦微透镜阵列，与CMOS电路单片集成。2. 根据权利要求1所述的单片集成的具有双焦微透镜阵列的CMOS 图像传感器，其特征在于，所述的标准CMOS逻辑电路还包括硅衬底、顶 层金属、氧化硅覆盖层。3. 根据权利要求2所述的单片集成的具有双焦微透镜阵列的CMOS 图像传感器，其特征在于，所述的氧化硅覆盖层是高密度等离子体淀积而 成。4. 根据权利要求1所述的单片集成的具有双焦微透镜阵列的CMOS 图像传感器，其特征在于，所述的双焦微透镜阵列是无机双焦微透镜阵列。5. 根据权利要求4所述的单片集成的具有双焦微透镜阵列的CMOS 图像传感器，其特征在于，所述的无机双焦微透镜阵列是硅氧化物双焦微 透镜阵列。6. 根据权利要求1所述的单片集成的具有双焦微透镜阵列的CMOS 图像传感器，其特征在于，所述的双焦微透镜阵列，包括第一硅氧化物透镜，其具有第一曲率半径； 第二硅氧化物透镜，其具有第二曲率半径。7. 根据权利要求1所述的双焦微透镜阵列的制作方法，包括如下步骤 形成硅氧化物层或富含硅的氧化物层，其折射率为1.44~2.0;涂敷光刻胶层，光刻、显影形成光刻胶图案；光刻胶回流成型；进行两步反应离子束刻蚀，形成双焦硅氧化物微透镜。8. 根据权利要求7所述的单片集成的具有双焦微透镜阵列的CMOS图像 传感器，其特征在于，所述的硅氧化物是富硅氧化物。9. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的硅氧化物也可以 是富硅氮氧化物。10...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖德元，朱虹，洪中山，严祥成，卢普生，陈国庆，杨建平，李若加，
申请(专利权)人：中芯国际集成电路制造上海有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]