CMOS图像传感器及其形成方法与流程

cmos图像传感器及其形成方法
技术领域
1.本发明涉及图像处理领域，尤其涉及一种cmos图像传感器及其形成方法。


背景技术：

2.cmos图像传感器具有工艺简单、易与其他器件集成、体积小、重量轻、功耗小、成本低等优点。因此，随着技术发展，cmos图像传感器越来越多地取代ccd图像传感器应用于各类电子产品中。目前cmos图像传感器已经广泛应用于静态数码相机、照相手机、数码摄像机、医疗用摄像装置（例如胃镜）、车用摄像装置等。cmos图像传感器产品可分为fsi（front side illumination，前照式）和bsi（back side illumination，背照式）。
3.图像传感器通过微透镜将入射光照射在图像传感器上。微透镜是提高光集中效率，并且是确定图像传感器特性的主要因素。微透镜的制备方法通常有两种：热回流工艺和反向蚀刻工艺。热回流工艺通过加热柱状的光刻胶到玻璃化温度以上，使得光刻胶处于熔融状态，在光刻胶表面张力的作用下，光刻胶会自动形成半球状的微透镜。由于光刻胶在熔融后容易粘连，相邻的熔融光刻胶一旦接触后，无法形成透镜的面型，引起最终形成的微透镜结构异常，使入射的光不能充分利用，并且会引起背景噪声，因此，热回流工艺需要保证熔融的光刻胶之间具有一定的间距，最终导致图像传感器填充因子过小；反向蚀刻工艺是在热回流工艺的基础上加上一步反蚀刻工艺，使得光刻胶底部的材料按照熔融半球状的光刻胶形状进行反向刻蚀最终形成几乎无间隙的微透镜，可以达到提高图像传感器填充因子的作用。但是，目前常用的热回流工艺和反向蚀刻工艺需要在专门的彩色滤光片代工厂（ocf fab）进行加工，因此需要额外的物流时间以及复杂的加工工艺，从而造成成本的提高。
4.微透镜的材料以及结构是决定光集中效率的关键因素，而在传统的图像传感器微透镜结构中，微透镜结构大多只采用一种材料，只有一种折射率，不能对入射光路进行调整，无法大幅地提升图像传感器的光性能。
5.一方面，需要保证图像传感器光学性能的同时降低加工成本，从而提高产品的竞争力；另一方面，通过设置合适的微透镜结构，从而使得微透镜的形成工艺更加稳定且光路更加优化。本发明就是为了解决以上两个问题而提出的。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种cmos图像传感器及其形成方法，光敏感性和相对照度更好，像素之间的串扰更小，且工艺更稳定。
7.基于以上考虑，本发明提供一种cmos图像传感器，包括：若干像素单元、位于所述像素单元上部的微透镜结构；所述微透镜结构包括：由多层透光铺设层堆叠的微透镜核，以及包覆所述微透镜核的微透镜外层，其中，多层透光铺设层具有不完全相同的折射率。
8.可选地，所述微透镜核为：沿光路方向由下而上依次层叠的第一层透光铺设层至
第n-1层透光铺设层，所述第一层透光铺设层至第n-1层透光铺设层的折射率依次为n1至n
n-1
；所述微透镜外层的折射率为n
n
；其中，n为大于等于3的自然数。
9.可选地，所述透光铺设层或微透镜外层的材质选用sin、sio2或sion，所述n1至n
n
先变大后变小。
10.可选地，所述第n-1层透光铺设层的材质为sin或sion，所述第n-1层透光铺设层为形成所述微透镜核的硬掩模层。
11.可选地，所述微透镜核整体成岛状、柱状、弧状结构。
12.可选地，所述岛状、柱状、弧状结构的横截面形状为：圆形或三角形或多边形。
13.可选地，所述n1等于n
n
。
14.可选地，当n为偶数时，n
n/2
与n
n/2 1
为（n1,n2，
……
n
n
）中的最大数，且n
n/2
至n1依次减小，n
n/2 1
至n
n
依次减小。
15.可选地，当n为奇数时，n
（n 1）/2
为（n1,n2，
……
n
n
）中的最大数，且n
（n 1）/2
至n1依次减小，n（
n 1）/2
至n
n
依次减小。
16.可选地，所述微透镜结构应用于彩色或者黑白图像传感器的内透镜或者用于黑白图像传感器的外透镜。
17.本发明还提供一种cmos图像传感器的形成方法，包括以下步骤：于像素单元上部沿光路方向形成由多层透光铺设层堆叠的微透镜核；沉积微透镜外层，包覆所述微透镜核，形成微透镜；其中，多层透光铺设层具有不完全相同的折射率。
18.可选地，形成微透镜核的步骤包括：依次形成多层透光铺设层，通过图形化工艺形成图形化的最上层透光铺设层；以所述图形化的最上层透光铺设层为硬掩模，对所述硬掩模下的透光铺设层进行刻蚀，保留所述硬掩模并与硬掩模下的透光铺设层共同形成堆叠的微透镜核。
19.可选地，形成所述微透镜核的步骤为：依次形成第一层透光铺设层至第n-1层透光铺设层，所述第一层透光铺设层至第n-1层透光铺设层的折射率依次为n1至n
n-1
；于第n-1层透光铺设层表面形成光刻胶层，通过光刻和刻蚀工艺，形成图形化的第n-1层透光铺设层；以所述图形化的第n-1层透光铺设层为硬掩模，继续刻蚀n-2层透光铺设层形成岛状、柱状、弧状结构的微透镜核；沉积所述微透镜外层，包覆所述微透镜核，形成微透镜，其中，所述微透镜外层的折射率为n
n
， n为大于等于3的自然数。
20.可选地，沉积微透镜外层，包覆所述微透镜核，相邻所述微透镜外层重叠，形成重叠的微透镜。
21.可选地，所述微透镜核横截面的最大宽度为像素单元宽度的1/6~3/4。
22.可选地，所述岛状、柱状、弧状结构的横截面为：圆形或三角形或多边形。
23.本发明的cmos图像传感器及其形成方法，具有以下有益效果：1）通过以透光铺设层作为硬掩模，形成微透镜核，能够极大提高光刻和刻蚀工艺的稳定性，从而可以避免由于工艺的不稳定而导致微透镜缺失最终引起白屏黑点；
2）具有多层不完全相同折射率的微透镜核，对于边缘（四角）的像素，光更容易汇聚到像素中，从而四角和中心的差异缩小，相对照度高，特别是光更容易汇聚到像素中心，防止光到达p型隔离区而损失；3）具有多层不完全相同折射率的微透镜核，对于边缘（四角）的像素，光更容易汇聚到像素中，光或产生的电子不容易进入到相邻的像素中，防光学串扰性能更好；4）具有多层不完全相同折射率的微透镜核，对于边缘（四角）的像素，光更容易汇聚到像素中，亮度通道差异影响不大，因此gr/gb, r/g, b/g更接近1，特别是光容易汇聚到像素中心，因设计的不对称导致某些区域挡光的可能性会小；5）具有多层不完全相同折射率的微透镜与像素单元等器件都是在晶圆厂进行制作的，其与前层的对准精度更高，且省去了额外的物流成本，从而提高了产品的竞争力。
附图说明
24.通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
25.图1-图6为根据本发明实施例一的图像传感器芯片的形成方法的过程示意图；图7-图12为根据本发明实施例二的图像传感器芯片的形成方法的过程示意图。
26.在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示相同或相似的装置（模块）或步骤。
具体实施方式
27.为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种cmos图像传感器及其形成方法，以透光铺设层作为硬掩模，形成多层透光铺设层构成的微透镜核，能够提高光刻和刻蚀工艺稳定性，并且所形成的图像传感器光敏感性和相对照度更好，像素之间的串扰更小。
28.在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本发明的范围由所附的权利要求所限定。
29.以下结合具体实施例对本发明进一步阐述。
30.实施例一如图6所示，本发明的一个实施例提供一种cmos图像传感器。所述cmos图像传感器包括：若干像素单元以及位于所述像素单元上部的微透镜结构；所述微透镜结构包括：由多层透光铺设层堆叠的微透镜核12，以及包覆所述微透镜核的微透镜外层14，其中，多层透光铺设层具有不完全相同的折射率。
31.具体的，如图2所示，在本实施例中，像素单元之间用虚线隔开，以相邻的第一像素单元101与第二像素单元102位作为示例。像素单元包括光电二极管以及传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、行选通晶体管（未绘出）等。在本实施例中，像素单元之上还设有钝化层11，一方面用于保护芯片免受水汽等环境因素的影响，另一方面作为后续刻蚀硬掩模
下的透光铺设层的停止层。
32.作为示例，如图6所示，微透镜核12包括沿光路方向由下而上铺设的第一透光铺设层121和第二透光铺设层122。第一透光铺设层121与第二透光铺设层122选用不同的材料，第一透光铺设层121的折射率设为n1，第二透光铺设层122的折射率设为n2，微透镜外层14包覆微透镜核12，微透镜外层14的折射率设为n3。在其他的实施例中，微透镜核包括沿光路方向由下而上依次层叠的第一层透光铺设层至第n-1层透光铺设层，第一层透光铺设层至第n-1层透光铺设层的折射率依次为n1至n
n-1
，n为大于等于3的自然数，透光铺设层的折射率不完全相同，微透镜外层的折射率设为n
n
。
33.在本发明中，微透镜核设置为由多层折射率不完全相同的透光铺设层堆叠而成，这样设置的微透镜核能够调整光的入射路径，对于边缘（四角）的像素，光更容易汇聚到像素中，四角和中心的差异缩小，相对照度高，特别是光特别容易汇聚到像素中心，不容易到达隔离区而损失，而且，光或产生的电子不容易进入到相邻的像素中，防串扰性更好。同时，光更容易汇聚到像素中，亮度通道差异小，因此gr/gb, r/g, b/g更接近1，特别是光容易汇聚到像素中心，能够减小因设计的不对称导致某些区域挡光的可能性。
34.微透镜结构即微透镜核以及包覆微透镜核的微透镜外层的材质选用能以透镜发挥功能的透明或半透明材料就可以，没有特殊限定。作为优选，透光铺设层和微透镜外层的材料可以选用sin、sio2或sion等透光性较好的材料，也可以根据其用途适当选择，在此不做限制。优选地，微透镜核的最外层的透光铺设层的材质选用较硬的sin或sion，最外层的透光铺设层作为形成微透镜核的硬掩模层，能够极大提高光刻和刻蚀工艺的稳定性，从而可以避免由于工艺的不稳定而导致微透镜缺失最终引起白屏黑点。
35.在本实施例中，第一透光铺设层121的材料选用氧化硅，第二透光铺设层122的材料选用氮化硅，微透镜外层14的材料为氧化硅，与第一透光铺设层的材料121相同。
36.微透镜结构，特别是微透镜核的多层透光铺设层中折射率的设置可以根据实际需要进行设置，从而实现对光路的调节。在其他的实施例中，微透镜结构的折射率设置为中间层的折射率高，两边各层折射率依次降低。具体的，当n为偶数时，n
n/2
与n
n/2 1
为（n1,n2，
……
n
n
）中的最大数，且n
n/2
至n1依次减小，n
n/2 1
至n
n
依次减小；当n为奇数时，n
（n 1）/2
为（n1,n2，
……
n
n
）中的最大数，且n
（n 1）/2
至n1依次减小，n
（n 1）/2
至n
n
依次减小。在另外的实施例中，微透镜结构中的折射率即n1至n
n
设置为先变大后变小。当然，微透镜核的各透光铺设层的折射率也可以根据实际需要设置成其他组合，具体不做限制。
37.作为示例，如图6所示，微透镜核12的形状可以选用岛状、柱状、弧状结构或其他形状。岛状、柱状、弧状结构的横截面形状为：圆形或三角形或多边形。在本实施例中，微透镜核12的形状为柱状。微透镜核12的宽度w2可以根据实际需要进行设置，优选的，微透镜核12的宽度w2为像素单元宽度w1的1/6~3/4。
38.此外，如图6所示，相邻微透镜外层重叠，设置成重合的微透镜，能够提高微透镜的填充率，从而提高图像传感器的填充因子。
39.本实施例还提供了上述图像传感器的形成方法，包括：于像素单元上部沿光路方向形成由多层透光铺设层堆叠的微透镜核；沉积微透镜外层，包覆所述微透镜核，形成微透镜；其中，多层透光铺设层具有不完全相同的折射率。
40.形成微透镜核的步骤包括：依次形成多层透光铺设层，通过图形化工艺形成图形化的最上层透光铺设层；以所述图形化的最上层透光铺设层为硬掩模，对所述硬掩模下的透光铺设层进行刻蚀，保留所述硬掩模并与硬掩模下的透光铺设层共同形成堆叠的微透镜核。
41.具体形成方法参照图1-图6进行详细说明。
42.如图1所示，提供半导体衬底（未绘出），半导体衬底之上设有若干像素单元，以相邻的第一像素单元101以及第二像素单元102作为示例。在本实施例中，像素单元之上还设有钝化层11。
43.如图2所示，于像素单元之上依次形成透光铺设层12。透光铺设层的形成方法有化学气相沉积法、蒸发法、溅射法等。在本实施例中，透光铺设层12包括第一铺设层121以及位于第一透光铺设层121之上的第二透光铺设层122。
44.如图3-图5所示，于像素单元之上形成微透镜核12。于第二透光铺设层122表面形成图形化的光刻胶层13，通过光刻和刻蚀工艺，形成图形化的第二透光铺设层122；以图形化的第二透光铺设层122为硬掩模，继续刻蚀其余透光铺设层，形成微透镜核12。
45.本发明创造性的采用以最外层的透光铺设层为硬掩模，对剩余透光铺设层进行刻蚀的方法，能够提高光刻和刻蚀的工艺稳定性，从而可以避免由于工艺的不稳定而导致微透镜缺失最终引起白屏黑点。
46.微透镜核12的宽度w2可以根据需要进行设置，优选的，微透镜核的宽度w2为单个像素单元宽度w1的1/6~3/4。
47.如图6所示，沉积微透镜外层材料，形成微透镜外层14。在本实施例中，沉积足够厚的微透镜外层材料，以使相邻的微透镜外层14重合，提高微透镜的填充率，从而提高图像传感器的填充因子。
48.需要说明的是，本实施例提供的微透镜结构及其形成方法能够应用于彩色或者黑白图像传感器的内透镜或者用于黑白图像传感器的外透镜。
49.本实施例通过以透光铺设层为硬掩模的方法，形成具有多层不完全相同的透光铺设层堆叠的微透镜核，不仅提高微透镜的性能和制备过程中的工艺稳定性，而且提高光敏感型和相对照度，减少像素之间的串扰。实施例二如图12所示，本发明的一个实施例提供一种cmos图像传感器。所述cmos图像传感器包括：若干像素单元以及位于所述像素单元上部的微透镜结构；所述微透镜结构包括：由多层透光铺设层堆叠的微透镜核22，以及包覆所述微透镜核的微透镜外层24，其中，多层透光铺设层具有不完全相同的折射率。
50.具体的，如图12所示，在本实施例中，像素单元之间用虚线隔开，以相邻的第一像素单元201与第二像素单元202位作为示例。像素单元包括光电二极管以及传输晶体管、复位晶体管、源跟随晶体管、行选通晶体管（未绘出）等。在本实施例中，像素单元之上还设有钝化层21，钝化层21一方面用于保护芯片免受水汽等环境因素的影响，另一方面作为后续刻蚀硬掩模下的透光铺设层的停止层。
51.作为示例，如图12所示，微透镜核22包括沿光路方向由下而上铺设的第一透光铺
设层221、第二透光铺设层222、第三透光铺设层223以及第四透光铺设层224，对应的折射率分别为n1，n2，n3，n4，微透镜外层24包覆微透镜核22，微透镜外层24的折射率设为n5。其他的实施例中，微透镜核包括沿光路方向由下而上依次层叠的第一层透光铺设层至第n-1层透光铺设层，第一层透光铺设层至第n-1层透光铺设层的折射率依次为n1至n
n-1
，n为大于等于3的自然数，透光铺设层的折射率不完全相同，微透镜外层的折射率设为n
n
。
52.在本发明中，微透镜核设置为由多层折射率不完全相同的透光铺设层堆叠而成，这样设置的微透镜核能够调整光的入射路径，对于边缘（四角）的像素，光更容易汇聚到像素中，四角和中心的差异缩小，相对照度高，特别是光特别容易汇聚到像素中心，不容易到达隔离区而损失，而且，光或产生的电子不容易进入到相邻的像素中，防串扰性更好。同时，光更容易汇聚到像素中，亮度通道差异小，因此gr/gb, r/g, b/g更接近1，特别是光特别容易汇聚到像素中心，能够减小因设计的不对称导致某些区域挡光的可能性。
53.微透镜结构即微透镜核以及包覆微透镜核的微透镜外层的材质材质选用能以透镜发挥功能的透明或半透明材料就可以，没有特殊限定。作为优选，透光铺设层和微透镜外层的材料可以选用sin、sio2或sion等透光性较好的材料，也可以根据其用途适当选择，在此不做限制。优选地，微透镜核的最外层的透光铺设层的材质选用较硬的sin或sion，最外层的透光铺设层作为形成微透镜核的硬掩模层，能够极大提高光刻和刻蚀工艺的稳定性，从而可以避免由于工艺的不稳定而导致微透镜缺失最终引起白屏黑点。在本实施例中，第一透光铺设层221的材料选用氧化硅，第二透光铺设层222的材料选用氮氧化硅，第三透光铺设层223的材料选用氮化硅，第四透光铺设层224的材料选用氮氧化硅，微透镜外层24的材料选用氧化硅，与第一透光铺设层221的材料相同。
54.微透镜核结构，特别是微透镜核的多层透光铺设层中折射率的设置可以根据实际需要进行设置，从而实现对光路的调节。在其他的实施例中，微透镜核结构的折射率设置为中间透光铺设层的折射率高，两边铺设各层折射率依次降低。具体的，当n为偶数时，n
n/2
与n
n/2 1
为（n1,n2，
……
n
n
）中的最大数，且n
n/2
至n1依次减小，n
n/2 1
至n
n
依次减小；当n为奇数时，n
（n 1）/2
为（n1,n2，
……
n
n
）中的最大数，且n
（n 1）/2
至n1依次减小，n
（n 1）/2
至n
n
依次减小。在另外的实施例中，微透镜结构中的折射率即n1至n
n
设置为先变大后变小。当然，微透镜核的各透光铺设层的折射率也可以根据实际需要进行设置成其他组合，具体不做限制。
55.作为示例，如图12所述，微透镜核22的形状可以选用岛状、柱状、弧状结构或其他形状。岛状、柱状、弧状结构的横截面形状为：圆形或三角形或多边形。在本实施例中，微透镜核22的形状为柱状。微透镜核22的宽度w2可以根据实际需要进行设置，优选的，微透镜核22的宽度w2为像素单元宽度w1的1/6~3/4。
56.此外，如图12所示，相邻微透镜外层重叠，设置成重合的微透镜，能够提高微透镜的填充率，从而提高图像传感器的填充因子。
57.本实施例还提供了上述图像传感器的形成方法，包括：于像素单元上部沿光路方向形成由多层透光铺设层堆叠的微透镜核；沉积微透镜外层，包覆所述微透镜核，形成微透镜；其中，多层透光铺设层具有不完全相同的折射率。
58.形成微透镜核的步骤包括：依次形成多层透光铺设层，通过图形化工艺形成图形化的最上层透光铺设层；
以所述图形化的最上层透光铺设层为硬掩模，对所述硬掩模下的透光铺设层进行刻蚀，保留所述硬掩模并与硬掩模下的透光铺设层共同形成堆叠的微透镜核。
59.具体形成方法参照图7-图12进行详细说明。
60.如图7所示，提供半导体衬底（未绘出），半导体衬底之上设有若干像素单元，以相邻的第一像素单元201以及第二像素单元202作为示例。在本实施例中，像素单元之上还设有钝化层22。
61.如图8所示，于像素单元之上形成透光铺设层22。透光铺设层的形成方法有化学气相沉积法、蒸发法、溅射法等。在本实施例中，透光铺设层22包括依次设置的第一铺设层221、第二透光铺设层222、第三透光铺设层223，以及第四透光铺设层224。
62.如图9-图11所示，于像素单元之上形成微透镜核22。于第四透光铺设层224表面形成图形化的光刻胶层23，通过光刻和刻蚀工艺，形成图形化的第四透光铺设层224；以图形化的第四透光铺设层224为硬掩模，继续刻蚀其余透光铺设层，形成微透镜核22。
63.本发明创造性的采用以最外层的透光铺设层为硬掩模，对剩余透光铺设层进行刻蚀的方法，能够提高光刻和刻蚀的工艺稳定性，从而可以避免由于工艺的不稳定而导致微透镜缺失最终引起白屏黑点。
64.微透镜核22的宽度w2可以根据需要进行设置，优选的，微透镜核的宽度w2为单个像素单元宽度w1的1/6~3/4。
65.如图12所示，沉积微透镜外层材料，形成微透镜外层24。在本实施例中，沉积足够厚的微透镜外层材料，以使相邻的微透镜外层24重合，提高微透镜的填充率。
66.需要说明的是，本实施例提供的微透镜结构及其形成方法能够应用于彩色或者黑白图像传感器的内透镜或者用于黑白图像传感器的外透镜。
67.本实施例通过以透光铺设层为硬掩模的方法，形成具有多层不完全相同的透光铺设层堆叠的微透镜核，不仅提高微透镜的性能和制备过程中的工艺稳定性，而且可以提高光敏感型和相对照度，减少像素之间的串扰。
68.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论如何来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，明显的，“包括”一词不排除其他元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。装置权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。