一种内透镜及制作方法与流程

本发明涉及半导体集成电路制造工艺技术领域，特别是涉及一种cmos图像传感器内透镜及制作方法。

背景技术：

cmos图像传感器(cis)，是一种典型的固体成像传感器，其由像素单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑电路、ad转换器、数据总线输出接口以及控制接口等几部分组成。由于其制作工艺相较于电荷耦合器件(ccd)传感器简单，且能与集成电路制造很好地结合，并且还可以集成其他数字电路，成本低，设计简单，集成度高以及功耗低等多种优势，在安防监控，车载，光谱观察等方面得到越来越广泛的应用，同时也越来越受到市场的欢迎。

cmos图像传感器是通过光电二极管把光信号转换为电信号，最后通过运算处理，还原为图像的。图像传感器的分辨率与芯片上像元的数量有关，像元数目越多，分辨率越高。在完成像元和外围电路等的制作后，在像元区会继续进行微透镜和颜色滤光片的制作。其中，微透镜主要是用于将传感器接收到的光聚集，以便于其进一步到达光电二极管内。

随着芯片尺寸小型化的要求越来越多，而同时像元数量增多的需求也不断增加，像元尺寸在不断减小。而像元尺寸的减小，会大大影响器件的灵敏度。因此有效地把光聚集在像元内部就显得十分重要。

内透镜是指在完成芯片金属连线之后，在进行微透镜制作之前，在像元上方通过集成电路制作工艺形成的另一种内部微透镜，该内透镜位于微透镜下方，能够将入射光更好地聚集在像元中。

目前，业界中只有少数芯片能够采用具有内透镜的设计方案。这是因为，在半导体制作过程中，要形成一种半圆弧的结构是非常困难的。

请参考图1并结合参考图2-图6，图1是现有的一种常规内透镜制作方法工艺流程图，图2-图6是根据图1的方法制作内透镜时的工艺结构示意图。如图1所示，常规内透镜制作方法工艺流程包括以下步骤：

(1)在完成金属互连后的硅片10的表面上淀积一层氮化硅11，如图2所示；

(2)进行光刻胶12涂布，曝光和显影，形成刻蚀开口，如图3所示；

(3)通过光刻胶回流工艺，形成弧形光刻胶12形貌，如图4所示；

(4)通过干法刻蚀，将光刻胶12的弧形形貌传递到氮化硅11上，如图5所示；

(5)去胶清洗；

(6)进行顶层氮化硅13淀积，形成圆弧形内透镜13和11形貌，如图6所示。

上述现有的内透镜制作方法，需要采用特殊的光刻胶，并在该光刻胶涂布后，通过回流等处理，形成半圆弧的形貌结构，再通过干法刻蚀工艺，将该形貌传递到下层薄膜上，形成内透镜。但是，由于该工艺的工艺窗口较小，使得光刻胶回流后的形貌均一性以及稳定性都比较难控制，因此该工艺目前并未得到大规模量产。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种内透镜及制作方法，以增加对入射光的聚集效果。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种内透镜的制作方法，包括以下步骤：

步骤s01：提供一衬底，在所述衬底上形成底层内透镜材料层；

步骤s02：在所述底层内透镜材料层上形成光刻胶图形层；

步骤s03：以所述光刻胶图形层为掩模，对所述底层内透镜材料层进行部分刻蚀，在所述底层内透镜材料层上形成第一个台阶层；

步骤s04：对所述光刻胶图形层侧壁进行回刻，使所述第一个台阶层由所述光刻胶图形层的两侧部分露出；

步骤s05：重复步骤s03至步骤s04，在所述底层内透镜材料层上形成多个台阶层，使所述底层内透镜材料层具有台阶状的表面形貌；

步骤s06：去除剩余的所述光刻胶图形层材料，并清洗；

步骤s07：在所述底层内透镜材料层上覆盖形成顶层内透镜材料层，形成内透镜结构。

进一步地，步骤s03中，采用各向异性的干法刻蚀工艺，对所述底层内透镜材料层进行部分刻蚀。

进一步地，步骤s03中，步骤s03中，对所述底层内透镜材料层进行部分刻蚀时的刻蚀厚度为所述底层内透镜材料层总厚度除以台阶层数。

进一步地，步骤s04中，采用各向同性的干法刻蚀工艺，对所述光刻胶图形层侧壁进行回刻。

进一步地，步骤s04中，步骤s04中，对所述光刻胶图形层侧壁进行回刻时的回刻厚度为所述光刻胶图形层总厚度除以台阶层数。

进一步地，所述干法刻蚀工艺为干法等离子体刻蚀工艺。

进一步地，所述台阶层数量不少于3个。

进一步地，步骤s07中，采用保形性的气体压力条件，在所述底层内透镜材料层上淀积顶层内透镜材料层，以消除所述底层内透镜材料层表面台阶状的棱角，形成圆弧形的所述内透镜形貌。

进一步地，所述底层内透镜材料和顶层内透镜材料为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅或碳化硅。

进一步地，所述光刻胶图形层总厚度为10000～50000埃。

一种内透镜，包括：

底层内透镜材料层，其具有多个台阶层，各所述台阶层从上至下宽度依次增加，使所述底层内透镜材料层具有台阶状的表面形貌；

顶层内透镜材料层，覆盖在所述台阶层上，所述顶层内透镜材料层具有圆弧形的表面形貌。

本发明的优点是采用复合结构形成内透镜，内透镜制作时的工艺窗口较大，并且采用的是常规的半导体工艺方法，在常规半导体制过程中即可实现，易于开发和管控。

附图说明

图1是现有的一种常规内透镜制作方法工艺流程图。

图2-图6是根据图1的方法制作内透镜时的工艺结构示意图。

图7是本发明一种内透镜的制作方法工艺流程图。

图8-图16是本发明一较佳实施例的根据图7的方法制作内透镜时的工艺结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

在以下本发明的具体实施方式中，请参考图7，图7是本发明一种内透镜的制作方法工艺流程图；同时，请参考图8-图16，图8-图16是本发明一较佳实施例的根据图7的方法制作内透镜时的工艺结构示意图。如图7所示，本发明的一种内透镜的制作方法，包括以下步骤：

步骤s01：提供一衬底，在衬底上形成底层内透镜材料层。

请参考图8。衬底20可采用例如完成cmos图像传感器像元、器件以及后道金属连线制作后的硅片衬底20，但不限于此。然后，在形成平坦化后的金属铜互连结构的衬底20上淀积一层用于形成内透镜的底层内透镜材料层21。

底层内透镜材料层21材料可采用氮化硅、氧化硅、氮氧化硅或碳化硅等半导体制造中的常规介质材料。底层内透镜材料厚度可为5000～15000a。下面以采用氮化硅作为底层内透镜材料层21材料为例进行说明。

步骤s02：在底层内透镜材料层上形成光刻胶图形层。

请参考图9。在底层氮化硅层21表面上进行光刻胶涂布、曝光和显影，在像元区形成光刻胶图形层22。

在光刻胶涂布中，光刻胶总厚度可控制在10000～50000埃。光刻胶厚度与像元尺寸有关，像元尺寸越大，光刻胶涂布就越厚。

步骤s03：以光刻胶图形层为掩模，对底层内透镜材料层进行部分刻蚀，在底层内透镜材料层上形成第一个台阶层。

请参考图10。接下来，通过刻蚀工艺，先对底层氮化硅层21进行纵向刻蚀，去除部分底层氮化硅层21薄膜。

刻蚀工艺可采用干法等离子体刻蚀工艺。干法刻蚀是由物理轰击和化学反应共同控制的。其中，物理轰击可以实现各向异性刻蚀，即只有被轰击方向的薄膜材料被刻蚀掉；而化学反应可以实现各向同性刻蚀，即与工艺气体接触的各个面都将被反应而腐蚀。

本步骤中的干法等离子体刻蚀时，是以物理轰击为主，主要刻蚀底层氮化硅层21薄膜，在底层氮化硅层21表面上形成第一个台阶层211。

其中，可根据时间控制刻蚀厚度，刻蚀厚度与设计的台阶数有关，单次氮化硅刻蚀厚度可约为底层氮化硅层21总厚度除以台阶层数后的厚度值。

以刻蚀氮化硅为例，干法刻蚀主刻蚀气体可采用chf3/o2组合，压力为5～15pa，反应气体流量25～55sccm，功率150～250w。

步骤s04：对光刻胶图形层侧壁进行回刻，使第一个台阶层由光刻胶图形层的两侧部分露出。

请参考图11。然后，通过干法刻蚀气体与光刻胶反应，对光刻胶图形层22侧面进行回刻腐蚀，使得光刻胶图形层22的形貌回缩。此时，由于化学反应控制，光刻胶图形层22的厚度也会减小。

本步骤中的干法刻蚀以腐蚀光刻胶的化学反应为主，此步骤的刻蚀气体对底层底层氮化硅层21无刻蚀能力，仅对光刻胶图形层22进行修剪，使光刻胶图形层22下方的第一个台阶层211从光刻胶图形层22的两侧部分露出。

其中，对光刻胶图形层22侧面进行回刻腐蚀时，光刻胶每次腐蚀量与设计的台阶数有关，单次光刻胶单侧腐蚀厚度可小于等于光刻胶图形层22总厚度除以台阶层数后的厚度值。

该步骤干法刻蚀可采用o2为主刻蚀气体，温度150～250℃,压力为1～5mtorr，气体流量为2～10sccm。

步骤s05：重复步骤s03至步骤s04，在底层内透镜材料层上形成多个台阶层，使底层内透镜材料层具有台阶状的表面形貌。

请参考图12-图15。接下来如步骤s03那样再进行纵向刻蚀，此时可在第一个台阶层211下方形成第二台阶层212。然后再如步骤s04那样，对剩余的光刻胶图形层22侧面进行回刻，在第二台阶层212下方形成第三台阶层213。如此反复数次，最终在底层氮化硅层21表面上形成多重台阶，使底层氮化硅层21形成台阶状表面。

本步骤中，反复进行氮化硅纵向刻蚀和光刻胶回刻的次数通常不少于3次，这样所形成的台阶数量也不少于3个，否则在后续顶层氮化硅层淀积时，不易形成光滑的形貌。其中台阶数量越多，最终形成的内透镜形貌就越接近于圆弧形。

步骤s06：去除剩余的光刻胶图形层材料，并清洗。

在全部刻蚀工艺完成后，可采用常规工艺，对具有上述器件结构的衬底20进行去胶清洗。

步骤s07：在底层内透镜材料层上覆盖形成顶层内透镜材料层，形成内透镜结构。

请参考图16。最后，在底层氮化硅层21上再淀积一层顶层氮化硅层23，作为顶层内透镜材料层23。此时，由于底层氮化硅层21薄膜为台阶状，因而顶层氮化硅层23淀积的时候，可以在一定层度上保留底层薄膜的形貌，从而最终形成一个近似弧形的表面形貌，即所需的内透镜23和21的形貌。

本步骤中，淀积顶层氮化硅层23时，可采用保形性适中(台阶覆盖性较好)的气体压力条件，使得顶层氮化硅层23淀积后，能够消除底层氮化硅层21表面上台阶的棱角，从而形成圆弧形的内透镜23和21形貌及结构。

以氮化硅为例，采用等离子增强化学气相沉积(pecvd)的方式淀积，氮化硅厚度为5000～15000埃，参与反应的气体为硅烷(sih4)和氨气(nh3),腔体温度为350～500度，反应直流功率为350～600w。

在以下本发明的具体实施方式中，请参考图16，本发明提供一种内透镜21和23结构，包括：由位于下层的底层内透镜材料层21和位于底层内透镜材料层21上层的顶层内透镜材料层23组成的复合内透镜21和23结构。其中，底层内透镜材料层21具有多个台阶层，各台阶层从上至下宽度依次增加，使底层内透镜材料层21具有台阶状的表面形貌。顶层内透镜材料层23覆盖在台阶层上，顶层内透镜材料层23具有圆弧形的表面形貌。本发明的内透镜21和23结构可设置在一个例如完成cmos图像传感器像元、器件以及后道金属连线制作后的硅片衬底20上。

本发明的内透镜结构21和23可采用上述的一种内透镜制作方法形成。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。