CN1159607A - 固体摄象装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高光敏度的固体摄象装置。对涂敷在装置表面上的透镜抗蚀剂用透镜掩膜进行曝光及显影处理，形成透镜型块。用UV光照射透镜型块提高穿透率之后，对其加热形成半球状的微型透镜。此时，通过将加热温度设定低于透镜型块完全熔化的温度，使透镜型块不会溢出，微型透镜相互间的间隔与透镜型块相互间的间隔相同。因此，通过减小透镜型块相互间的间隔可扩大微型透镜的受光面积。
Description
本发明涉及一种固体摄象装置及其制造方法。
近年来，固体摄象装置的小型化不断发展，但随着小型化各固体摄象元件的受光部面积也缩小，从而使得固体摄象装置中光敏度的下降成为问题。为解决这个问题，人们已经实现了具有将光聚集到受光部的微型透镜的固体摄象装置微型透镜形成技术现在已成为固体摄象装置制造中不可缺少的技术。
下面就已有的固体摄象装置加以说明。
图8为示出现有固体摄象装置的一个结构例的断面图。图8中，标号11为半导体衬底，标号12为在半导体衬底11的表面部形成的、将入射光转换成电荷的光电二极管部，标号13为将半导体衬底11的表面整平的第一平整层，标号14为在第一平整层13上形成的滤色片，标号15为将滤色片14的台阶高差整平的第二平整层，标号50为形成于第二平整层15上的、将光聚集到光电二极管部12的微型透镜。
第一平整层13通过在半导体衬底11上的涂敷必要厚度的透明薄膜材料形成。滤色片14对应于各光电二极管部12由例如光刻技术形成。第二平整层15通过在滤色片14上涂敷必要厚度的透明薄膜材料形成。
微型透镜50由酚醛树脂构成，在各光电二极管部12的上方位置形成为半球状。另外，其高度可使照射到微型透镜50表面的光高效率地聚集到光电二极管部12。
微型透镜50的半球形状由如下的工序形成。首先，在第二平整层15上涂敷透镜抗蚀剂。然后，采用透镜掩膜进行曝光处理，并进一步进行显影处理，从而在各光电二极管部12的上方位置使透镜抗蚀剂成型。再进行加热处理，使成型的透镜抗蚀剂熔化，利用表面张力形成微型透镜50的半球形状。
另外，图9为从已有固体摄象装置上方观看到的视图。图9中，标号50为微型透镜。另外，X为微型透镜50中部的间隔，Y为端部的间隔。
图10为示出已有固体摄象装置其它例子的结构断面图。图10中，标号11为半导体衬底，标号12为光电二极管部，标号13为第一平整层，标号14为滤色片，标号15为第二平整层，这些与图8所示相同。在半导体衬底11与第一平整层13之间形成层间绝缘膜16，这是与图8所示固体摄象装置不同之处。层间绝缘膜16的表面虽然光滑，但沿着半导体衬底11的凹凸也有凹凸。第一平整层13就是为整平层间绝缘膜16表面的凹凸而形成的。
然而，已有的固体摄象装置及其制造方法存在以下那样的问题。
在图8所示固体摄象装置中，为进一步提高光敏度，希望相邻微型透镜50的间隔S尽可能小，从而扩大微型透镜50的受光面积。
可是，过去在加热成型的透镜抗蚀剂(以下称透镜型块)以形成微型透镜50时，加热温度处于透镜型块完全熔化的温度。为此，会产生熔化的透镜型块从成型时的底面溢出的现象。
因此，如图9所示那样，相邻微型透镜中部的间隔X比端部的间隔Y小。这样，即使中部间隔X能无限小，端部间隔Y也不能无限小。所以，使微型透镜50的受光面积扩大是有极限的。
另外，相邻透镜型块的间隔过小时，加热熔化使溢出的透镜型块相互接触、流出。这样微型透镜的形状破坏，半球状部分的表面积变小，而且高度也降低，从而聚集到光电二极管部12的光量变少、光敏度降低。
根据我们的研究可知，受光部表面积小的场合，在微型透镜的高度大且微型透镜与受光部的距离小的情况下光敏度好。
然而，采用已有技术时，由于透镜型块完全熔化，出于表面张力的原因，微型透镜50的高度H不能够比底面沿受光部配置方向的宽度的一半R更大。所以，微型透镜50与光电二极管部12的距离小的情况下，有可能不能够形成聚光效果最佳的微型透镜50的形状。
另外，如图10所示固体摄象装置那样，在半导体衬底11的上面形成层间绝缘膜16时，微型透镜50到光电二极管部12的距离只能增大到层间绝缘膜16厚度的量。所以，即使微型透镜50的形状最优化，入射光线也可能受到散射等的影响而不能聚集到光电二极管部12。特别是在层间绝缘膜16的折射率比第一平整层13和滤色片14的折射率高的场合，会显著出现这样的现象，使光敏度下降。
本发明的目的在于使固体摄象装置的光敏度与过去相比进一步得到提高。另外，本发明的目的还在于即使对于在半导体衬底上形成层间绝缘膜的固体摄象装置，使其也能抑制光敏度的下降从而获得高的光敏度。
为达到上述目的，本发明通过使形成微型透镜时的加热温度低于透镜抗蚀剂完全熔化的温度，可靠地形成微型透镜的半球形状，并扩大微型透镜的表面积。
另外，通过涂敷厚的透镜抗蚀剂，并使形成微型透镜时的加热温度低于透镜抗蚀剂完全熔化的温度，从而形成纵长的微型透镜。微型透镜的形状成为纵长时，可以使微型透镜与受光部的距离减少而将入射光聚集到受光部。
另外，通过使层间绝缘膜上形成的平整层材料的折射率大于层间绝缘膜，从而形成将光聚集到受光部的近似凸透镜。还有，采用经加热能熔化成液状的平整层材料，在制造工序中施行加热处理从而形成极薄的平整层，使微型透镜和受光部之间的距离减小。
附图的简单说明
图1示出本发明第一实施例的固体摄象装置制造方法中微型透镜的制造工序，(a)-(d)为各工序中固体摄象装置的断面图。
图2为用本发明第一实施例的制造方法制造的固体摄象装置从上方观看到的视图。
图3示出本发明第二实施例的固体摄象装置制造方法中微型透镜的制造工序，(a)-(d)为各工序中固体摄象装置的断面图。
图4为示出用本发明第二实施例的制造方法制造的固体摄象装置结构的断面图。
图5为示出本发明第三实施例的固体摄象装置的结构的断面图。
图6为示出本发明第四实施例的固体摄象装置的结构的断面图。
图7示出本发明第四实施例的固体摄象装置制造方法中平整层的制造工序，(a)-(c)为各工序中固体摄象装置的断面图。
图8为示出已有固体摄象装置一个结构例的断面图。
图9为已有固体摄象装置从上方观看到的视图。
图10为示出已有固体摄象装置其它的结构例的断面图。
(第一实施例)
图1示出本发明第一实施例固体摄象装置制造方法中微型透镜的制造工序，为各工序中固体摄象装置的断面图。
在图1(a)中，标号11为半导体衬底，标号12为在半导体衬底11的表面部形成的、作为将入射光转换成电荷的受光部的光电二极管部，标号13为整平半导体衬底11表面的第一平整层，标号14为的第一平整层13上用例如光刻技术形成的滤色片，标号15为整平滤色片14上台阶高差的第二平整层。在图1(b)-(d)中，省略了半导体衬底11、光电二极管部12。第一平整层13以及滤色片14。
首先，如图1(a)所示那样，在第二平整层15的表面上涂敷由上酚系等热塑性树脂构成的透镜抗蚀剂10a。透镜抗蚀剂10a加热可变形，折射率为1.3以上。
然后如图1(b)所示那样，在透镜抗蚀剂10a的上方配置透镜腌膜18。该透镜掩膜18以对应于光电二极管部12的位置的间隔配置。
采用该透镜掩膜18进行曝光处理，再进行显影处理，如图1(c)所示那样，形成透镜型块10b。为提高光的穿透率，用UV光照射透镜型块10b。这样，透镜型块10b中含有的感光剂分解，从而变得无色透明。
继续进行加热处理，如图1(d)所示那样，形成微型透镜10c。此时的加热温度为130-140℃。透镜型块10b在加热温度达到120-130℃时开始熔化，达到150-160℃时完全熔化。通过将加热温度设在比完全熔化温度低10-20℃的130-140℃，就不会使透镜型块10b从成型时的底面溢出。这样，相邻透镜型块就不会接触、流出，形成的微型透镜10c的形状也不会破坏。也就是说，可以可靠形成具有半球形状的足够高度的微型透镜10c。
另外，相邻微型透镜10c的间隔S2与相邻透镜型块10b的间隔S1一样大。因此，通过使透镜型块10b的间隔S1趋近于0，可使微型透镜10c的间隔S2也趋近于0。也就是说，可以扩大微型透镜10c的表面积。
这样，将微透镜10c形成时的加热温度设定于透镜型块10b不完全熔化的温度，可以形成可将光高效率地聚集到光电二极管部12的微型透镜10c。另外，将加热温度控制在130-140℃的范围内，也可以控制微型透镜10c的形状。
图2为用图1所示制造方法制造的固体摄象装置由上方观看到视图。在图2中，标号10为微型透镜。另外，X为微型透镜10中间间隔的尺寸，Y为端部间隔的尺寸。
加热温度为130-140℃时，透镜型成10b不完全熔化，中部间隔X与端部间隔Y相等。因此，由于中部间隔X与端部间隔Y可以都减小，与过去相比，可以扩大微型透镜10的受光面积。
(第二实施例)
图3示出本发明第二实施例的固体摄象装置制造方法中微型透镜的制造工序，为各工序中固体摄象装置的断面图。
在图3(a)中，标号11为半导体衬底，标号12为光电二极管部，标号13为第一平整层，标号14为滤色片，标号15为第二平整层，这些与图1(a)所示相同。另外，在图3(b)-(d)中，半导体衬底11、光电二极管部12、第一平整层13以及滤色片14被省略。
第二实施例与第一实施例的不同之处在于透镜抗蚀剂20a涂敷得厚。
首先，如图3(a)所示那样，在第二平整层15的表面上涂敷2-4μm厚的、由热塑性树脂构成的透镜抗蚀剂20a。
然后，如图3(b)所示那样，在透镜抗蚀剂20a上方设置透镜掩膜18。该透镜掩膜18以对应于光电二极管部12的位置的间隔设置。
用该透镜掩膜18进行曝光处理，再进行显影处理，如图3(c)所示那样，即可形成透镜型块20b。为提高光的穿透率，可进一步用UV光照射透镜型块20b。这样，透镜型块20b含有的感光剂分解，从而变得无色透明。
继续进行加热处理，如图3(d)所示的那样，形成微型透镜20c。此时的加热温度设定在比透镜型块20b完全熔化的温度低10-20℃的130-140℃，这样，透镜型块20b就不会成型时的底面溢出，可形成具有半球形状且有足够高度的微型透镜20c。
采用图3所示制造方法，在单元尺寸小的情况下，微型透镜20c的高度H比微型透镜20c底面沿受光部排列方向的宽度的一半R大。另外，微型透镜20c的形状不会由于表面张力的作用而破坏。这样，形成了纵长的微型透镜。
图4为示出用第二实施例的制造方法制造的固体摄象装置的结构的断面图。
在图4中，标号11为半导底衬底，标号12为光电二极管部，标号13为第一平整层，标号14为滤色片，标号15为第二平整层，这些与图3(a)所示相同。标号20为在第二平整层上形成的微型透镜。另外，R1为微型透镜20的底面沿受光部排列方向上的宽度的一半，R2为单元尺寸沿受光部排列方向上的宽度的一半，H为微型透镜20的高度。相邻微型透镜20实际上隔开有相互间不连接那样的0.1-1.5μn的间距。
微型透镜20的形状为可用摆线或抛物线表现的那样的纵长半椭圆，高度H比底面沿受光部排列方向的宽度的一半R1大。另外，按照本实施例，可以使微型透镜20的高度H比单元尺寸沿受光部排列方向的宽度的一半R2大。通过形成纵长的微型透镜，即使是微型透镜20到光电二板管部12的距离小的固体摄象装置，也能使入射光聚集到光电二极管部12。
(第三实施例)
图5为示出本发明第三实施例的固体摄象装置结构的断面图。在图5中，标号11为半导体衬底，标号12为为在半导体衬底11表面部形成的作为受光部的光电二极管部，标号16为在半导体衬底11上形成的、作为绝缘膜的层间绝缘膜，标号30为作为整平层间绝缘膜16的表面凹凸的平整层的第一平整层，标号14为在第一平整层30上形成的滤色片，标号15为整平滤色片14表面的台阶高差的第二平整层，标号50为在第二平整层15上形成的微型透镜。
第一平整层30采用折射率比层间绝缘膜16高的材料。例如层间绝缘膜16与第一平整层30可分别按以下组合形成：氧化硅膜与酚系树脂膜、氟系树脂与氧化硅膜、氟系树脂膜与丙烯酸系树脂膜、氟系树脂膜与酚系树脂膜。氟系树脂膜与聚酰亚胺系树脂膜、氧化硅膜与丙烯酸系树脂膜、氧化硅膜与聚酰亚胺系树脂膜、丙烯酸系树脂膜与酚系树脂膜等。
层间绝缘膜16具有0.1-1.5μm左右的厚度。在层间绝缘膜16上形成的第一平整层30比层间绝缘膜16、滤色片14、第二平整层15具有更大的折射率。
通过用折射率比层间绝缘膜16高的材料形成第一平整层30，可在层间绝缘膜16的凹状部分形成朝下的近似凸透镜31。近似凸透镜31的中心与光电二极管部12的中心一致。通过该近似凸透镜31，即使是用已有固体摄象装置不能聚集到光电二极管部12的光，也能把它聚集到光电二极管部12。另外，即使形成近似凸透镜31，由于微型透镜50到光电二极管部12的距离未改变，微型透镜50的聚光效果与过去一样。
另外，可以通过改变层间绝缘膜16的厚度来改变近似凸透镜31的曲率和深度。不论光电二极管部12的形状如何，都可通过优化微型透镜50及近似凸透镜31的形状、微型透镜50及近似透镜31到光电二极管部12的距离，获得高光敏度的固体摄象装置。
另外，将本实施例与第一或第二实施例组合，可进一步提高固体摄象装置的光敏度。
而且，本发明不仅可用于具有滤色片的彩色固体摄象装置，也可用于不具有滤色片的黑白固体摄象装置。
(第四实施例)
图6为示出本发明第四实施例的固体摄象装置结构的断面图。在图6中，标号11为半导体衬底，标号12为在半导体衬底11表面上形成的、作为受光部的光电二极管部，标号16为在半导体衬底11表面上形成的、作为绝缘膜的层间绝缘膜，标号32为整平层间绝缘膜16的表面凹凸的平整层，即第一平整层，标号14为在第一平整层32上形成的滤色片，标号15为整平滤色片14的表面台阶高差的第二平整层，标号50为在第二平整层15上形成的微型透镜。
层间绝缘膜16由氟系树脂膜或者氧化硅膜或者丙烯酸系树脂膜构成，厚度约为0.1-1.5μm。在层间绝缘膜16上形成的第一平整层32由酚系等热塑性树脂构成，其折射率比层间绝缘膜16、滤色片14、第二平整层15大。
通过用折射率高于层间绝缘膜16的材料形成第一平整层32，可在层间绝缘膜16的凹状部分形成朝下的近似凸透镜33。近似凸透镜33的中心与光电二极管部12的中心一致。由该近似凸透镜33，可将已有固体摄象装置不能聚集到光电二极管部12的光集中到光电二极管部12。另外，由于第一平整层32具有热塑性，所以可将其加热熔化成液体从而获得膜极薄的、完美的平整性。这样，由于可以缩小微型透镜50到光电二极管部12的距离，所以可优化微型透镜50到光电二极管部12的距离，进一步聚光。
另外，可以通过改变层间绝缘膜16的厚度来改变近似凸透镜33的曲率和深度。不论光电二极管部12的形状如何，都可通过优化微型透镜50及近似凸透镜33到光电二极管部12的距离，获得高光敏度的固体摄象装置。
图7示出本实施例的固体摄象装置制造方法中第一平整层的制造工序，为各工序中固体摄象装置的断面图。如图7(a)所示那样，在表面部形成了光电二极管部12的半导体衬底11上视为已形成层间绝缘膜16。
然后，如图7(b)所示那样，在层间绝缘膜16上涂敷酚系等热塑性塑脂构成的第一平整抗蚀剂32a。此时，如仅仅涂敷的话第一平整、抗蚀剂32a的表面平整性不会好。接着，如图7(c)所示那样，通过加热第一平整抗蚀剂32a使其熔化为液状，从而形成第一平整层32b。采用这样的工序，可以形成表面平整而且膜薄的第一平整层32b。
另外，将本实施例与第一或第二实施例组合，可以进一步提高固体摄象装置的光敏度。
而且，本发明不仅仅可应用于具有滤色片的彩色固体摄象装置，而且也可应用于不具有滤色片的黑白固体摄象装置。
Claims (16)
1.一种固体摄象装置，具有将入射光转换成电荷的受光部，以及将光聚集到所述受光部的微型透镜，所述微型透镜的底面为方形，所述微型透镜的高度为该微型透镜底面短边的一半以上。
2.一种固体摄象装置，具有：带有将入射光转换为电荷的受光部的、受光部区域形成为凹状的半导体衬底，在所述半导体衬底上形成的、受光部区域呈凹状向下凹的绝缘膜，以及在所述绝缘膜上形成的、整平该绝缘膜表面的平整层；所述平整层用折射率比所述绝缘高的材料形成。
3.如权利要求2所述的固体摄象装置，其中，它还包括把光聚集到受光部的微型透镜，所述微型透镜的底面为方形，所述微型透镜的高度为该微型透镜底面的短边的一半以上。
4.一种固体摄象装置，具有：带有将入射光转换为电荷的受光部的、受光部区域形成为凹状的半导体衬底，在所述半导体衬底上形成的、受光部区域呈凹状向下凹的绝缘膜，以及在所述绝缘上形成的、整平该绝缘膜表面的平整层；所述平整层由折射率高于所述绝缘膜而且加热可熔化成液状的材料形成。
5.如权利要求4所述的固体摄象装置，它还具有将光聚集到受光部的微型透镜，所述微型透镜的底面为方开，所述微型透镜的高度为该微型透镜底面短边的一半以上。
6.一种固体摄象装置制造方法，具有：在形成于半导体衬底上的受光部的上方涂敷透镜抗蚀剂的抗蚀剂涂敷工序，将所述透镜抗蚀剂成型为规定的形状、形成透镜型块的型块形成工序，通过加热所述透镜型块形成将光聚集到所述受光部的微型透镜的透镜形成工序；所述透镜形成工序包括在比所述透镜型块基本完全熔化的温度低的温度下形成所述微型透镜的工序。
7.如权利要求6所述的固体摄象装置制造方法，其中，所述透镜形成工序包括不改变所述透镜型块相互间的间隔以及形成的微型透镜相互间的间隔而形成所述微型透镜的工序。
8.如权利要求6所述的固体摄象装置制造方法，其中，所述抗蚀剂涂敷工序包括涂敷厚度大于在所述透镜形成工序中形成的微型透镜方形底面短边的一半的涂敷所述透镜抗蚀剂的工序。
9.一种固体摄象装置制造方法，具有：在半导体衬底上形成绝缘膜的工序，该半导体衬底有受光部而且受光部区域形成为凹状；在所述绝缘膜上形成平整层的平整层形成工序，该平整层整平该绝缘膜的表面；所述平整层形成工序包括采用折射率高于所述绝缘膜的材料形成所述平整层的工序。
10.一种固体摄象装置制造方法，具有：在半导体衬底上形成绝缘膜的工序，该半导体衬底具有受光部且受光部区域形成为凹状；在所述绝缘膜上形成平整层的平整层形成工序，该平整层整平该绝缘膜的表面；在所述受光部的上方涂敷透镜抗蚀剂的抗蚀剂涂敷工序；将所述透镜抗蚀剂成型为规定形状、形成透镜型块的型块成型工序；通过加热所述透镜型块形成的微型透镜的透镜形成工序，该微型透镜将光聚集到所述受光部；所述平整层形成工序包括用折射率高于所述绝缘膜的材料形成所述平整层的工序，所述透镜形成工序包括在比所述透镜型块基本上完全熔化的温度低的温度下形成所述微型透镜的工序。
11.如权利要求10所述的固体摄象装置制造方法，其中，所述透镜形成工序包括不改变透镜型块相互间的间隔以及形成的微型透镜相互间的间隔而形成所述微型透镜的工序。
12.如权利要求10所述的固体摄象装置制造方法，其中，所述抗蚀剂涂敷工序包括涂敷厚度大于所述透镜形成工序中形成的微型透镜方形底面短边的一半的涂敷所述透镜抗蚀剂的工序。
13.一种固体摄象装置制造方法，具有：在半导体衬底上形成绝缘膜的绝缘膜形成工序，该半导体衬底带有受光部而且受光部区域形成为凹状；在所述绝缘膜上形成平整层的平整层形成工序，该平整层整平该绝缘膜的表面；所述平整层形成工序包括用折射率高于所述绝缘膜而且加热后熔化成液状的材料形成所述平整层、加热使该材料熔化从而整平所述平整层表面的工序。
14.一种固体摄象装置制造方法，具有：在半导体衬底上形成绝缘膜的绝缘膜形成工序，该半导体衬底有受光部并且受光部区域形成为凹状；在所述绝缘膜上形成平整层的平整层形成工序，该平整层整平该绝缘膜的表面；在所述受光部的上方涂敷透镜抗蚀剂的抗蚀剂涂敷工序；将所述透镜抗蚀剂成型为规定形状、形成透镜型块的型块形成工序；通过加热所述透镜型块形成将光聚集到所述受光部的微型透镜的透镜形成工序；所述平整层形成工序包括用折射率高于所述绝缘膜而且加热后熔化成液状的材料形成所述平整层、加热使该材料熔化从而整平所述平整表面的工序，所述透镜形成工序包括在比所述透镜型块基本上完全熔化的温度低的温度下形成所述微型透镜的工序。
15.如权利要求14所述的固体摄象装置制造方法，其中，所述透镜形成工序，包括不改变所述透镜型块相互间的间隔以及形成的所述微型透镜相互间的间隔而形成所述微型透镜的工序。
16.如权利要求14所述的固体摄象装置制造方法，其中，所述抗蚀剂涂敷工序包括涂敷厚度大于所述透镜形成工序中形成的微型透镜方形底面短边一半的涂敷所述透镜抗蚀剂的工序。
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