专利名称：固态成像装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及固态成像装置及固态成像装置的制造方法，该固态成像装置比如是电荷耦合器件(CCD)图像传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，并在提供有多个像素的衬底上具有荫影校正的片上透镜。
背景技术：
在包括固态成像装置(例如，参考日本未审查专利申请公开No.6-140609)的摄像机等中，设置在相机体中的物镜通常是内聚焦型的，使自动对焦速度得以增加。因此，近来目距(eye-point distance)已经从约100mm显著地减少到约30mm，并且希望其进一步减少至小于约15mm。
图9和图10是图示在具有不同目距的系统中所使用的已知固态成像装置的横截面视图。在图中，相同的部件由相同的参考标号表示。
如图所示，每个固态成像装置包括半导体衬底1、在半导体衬底1上形成为像素阵列的多个光接收部分1a、以及设置在像素阵列上的遮蔽膜2。对遮蔽膜2构图使得每个光接收部分1a通过其中形成的开口而显露。此外，片上(on-chip)透镜3在每个光接收部分1a上一体形成。
参考图9，当具有上述结构的固态成像装置用在长目距的系统中时，由片上透镜3所聚集的入射光到达对应的光接收部分1a的暴露表面，即使在远离像素阵列中心的周边区域亦是如此。
但是，如果减小包括已知固态成像装置的系统的目距，那么在像素阵列的周边区域中达到光接收部分1a的光的百分比会减少，这将导致灵敏度荫影(shading)。更具体而言，如图10所示，直接位于在像素阵列周边的光接收部分1a上的片上透镜3可能仅聚集斜射到光接收部分1a上的一部分光。所以，由图10中阴影线区域所示的部分入射光入射到遮蔽膜2上，而非被光接收部分1a接收。这称为荫影，并且荫影的程度随着目距减小而增加。
所以，已经提出了校正片上透镜的荫影的方法(例如，参考日本未审查专利申请公开No.1-213079)。
例如，片上透镜阵列，比如平面的片上透镜阵列通过乘以约化换算因子(reduction scaling fctor)(例如，0.999)而在有效像素中心周围减小，使得在每个像素的光接收部分和对应的片上透镜之间的水平位移向周边变化，从而光收集部分从该光接收部分至中心的移动量逐渐增加。
由于上述荫影校正，如图11所示，在像素阵列周边的像素的光接收部分的中心沿光轴与对应的片上透镜3的中心排列。因此，由于出瞳所造成的对心误差被校正了。
上述片上透镜是以如下方法形成的。
即，首先，如图12A所示，将包括透光材料的光致抗蚀剂12，比如紫外光敏感树脂设置在基础衬底10上。然后，如图12B所示，通过掩模14照射紫外光，从而光致抗蚀剂12形成为对应于像素阵列的矩阵图案。在该步骤中，使用通过将曝光装置的投影放大率与上述换算因子相乘所得的放大率来进行转移。然后，如图12C所示，进行加热工艺，从而光致抗蚀剂12由于表面张力而形成为半球形元件。这称为热回流工艺，并通常被使用。
发明内容
但是，上述热回流工艺基本上是一种热控制工艺，并且难于在大批量生产中获得好的可重复性。
此外，在根据例如日本未审查专利申请公开No.1-213079中形成片上透镜的图案化步骤中，将放大率乘以换算因子。因此，在曝光步骤中使用多个投影放大率。所以，该工艺复杂且难于确保投影曝光装置的稳定性。
因此，希望提供一种固态成像装置及该固态成像装置制备方法，该固态成像装置具有荫影校正的片上透镜，该透镜可以容易地形成，并且与通过热回流工艺形成的那些相比具有高度的稳定性和改善的可重复性。
本发明的一个实施例提供了一种固态成像装置，其包括具有多个像素的衬底；以及多个布置在衬底上的片上透镜，每个片上透镜具有透镜表面，通过将透明感光膜使用具有梯度图案的掩模曝光并显影形成透镜表面，使得透镜表面根据梯度图案来校正荫影。
此外，本发明的另一个实施例提供了一种用于制备固态成像装置的方法，该固态成像装置包括具有多个像素的衬底以及多个布置在衬底上的片上透镜。该方法包括如下步骤通过具有梯度图案的掩模将透明感光膜曝光；以及在曝光之后，将透明感光膜显影，由此形成根据梯度图案校正荫影的透镜表面。
在根据本发明实施例的固态成像装置和制备固态成像装置的方法中，每个片上透镜具有透镜表面，通过将透明感光膜使用具有梯度图案的掩模曝光并显影形成透镜表面，使得透镜表面根据梯度图案来校正荫影。所以，所希望的透镜表面可以根据掩模的梯度图案而获得。因此，与使用换算因子和热回流工艺的已知方法相比，倾斜入射的光可以被对每个像素优化的透镜表面收集。于是，可以改进光接收性能。此外，由于没有进行热回流工艺，所以透镜表面的可重复性可以使用简单的制造工艺而改进，并且获得高精确度的固态成像装置。
此外，当透镜表面是由根据图像高度而变化的表面函数所确定的时，透镜表面可以根据每个像素的图像高度而优化。因此，可以更加可靠地控制倾斜入射的光。
当表面函数确定了通过在球形表面上附加倾斜分量所获得的表面或表面函数确定了绕对应像素的中心的非对称的表面时，设计透镜形状时有很大的自由度。此外，当表面函数确定了使主光线在成像元件的中心垂直进入成像元件的表面时，在每个光接收部分可以有效地增加光收集效率。
此外，当所谓的灰度色调掩模，具体而言具有简单二元图案的灰度色调掩模用作具有梯度图案的掩模，可以使用简单的装置制造固态成像装置。此外，当在曝光透明感光膜的步骤中进行对所有像素的全板曝光时，可以通过简单的曝光工艺制造固态成像装置。
图1A是图示了根据本发明实施例的固态成像装置中的片上透镜的形成方法的步骤的横截面视图；图1B是图示了根据本发明实施例的固态成像装置中的片上透镜的形成方法的另一步骤的横截面视图；图2A是图示由图1A和1B所示的方法形成的片上透镜的形状的示意图；图2B是图示灰度掩模的示意图；图3A是图示了校正入射在成像元件上的光的片上透镜的形状的示意图；图3B是图示图3A所示的每个片上透镜的设计的示意图；图4是图示入射到像素阵列的光的角度特性的示意图；图5A是图示根据图1A和1B所示的实施例的透镜设计的示例的示意图；图5B是图示根据图1A和1B所示的实施例的透镜设计的另一示例的示意图；图6是图示在本实施例中使用的抗蚀剂的曝光特性的示意图；图7是根据图1A和1B所示的实施例的掩模设计方案的表格；图8是图示当本发明的实施例应用到二维成像装置时叠加在片上透镜上的倾斜分量的示意图；图9是包括在具有长目距L1的系统中的已知固态成像装置的横截面视图；图10是包括在具有短目距L2的系统中的已知固态成像装置的横截面视图；图11是图示对图10所示的固态成像装置应用荫影校正的情形的横截面视图；图12A是图示已知片上透镜形成工艺的步骤的横截面视图；图12B是图示已知片上透镜形成工艺的另一步骤的横截面视图；图12C是图示已知片上透镜形成工艺的另一步骤的横截面视图。
具体实施例方式
根据本发明实施例，使用所谓的灰度色调(gray-tone)掩模将比如紫外光敏感树脂的光致抗蚀剂曝光于紫外光，从而在曝光和显影之后，该抗蚀剂可以直接形成为具有透镜表面的元件。这基于日本专利申请No.2003-18439所述的原理，本发明的发明人应用了这一方法。根据该原理，使用曝光掩模任意地控制在曝光表面上的光强分布，由此控制显影后的抗蚀剂的高度分布。
上述通过热回流工艺形成的已知片上透镜自然限于四象限对称的球形透镜。比较而言，根据本实施例，每个透镜可以形成来具有自由形状的表面，并且透镜的形状可以个别地改变。
为了校正上述荫影，至像素阵列周边，片上透镜的表面函数是改变的。更具体而言，向像素阵列周边，增加在普通透镜表面函数上叠加的倾斜分量，使得即使在像素阵列的周边光以大的角度入射到像素阵列上时，入射光的主光线在每个光接收部分的中心垂直地进入每个光接收部分。因此，根据每个像素的图像高度(距像素阵列中心的距离)，荫影可以得到可靠地校正。
根据本实施例，由于没有进行热回流工艺形成片上透镜，所以增加了制造工艺的可重复性。片上透镜的形状向像素阵列的周边逐渐变化，并且通过控制每个透镜的透镜表面函数，而非使用换算因子移动透镜的位置来校正荫影。因此，曝光装置的放大率不会乘以换算因子，从而该工艺变得简单，而且曝光装置的稳定性得以增加。
此外，在从像素阵列的中心到周边的所有像素中，主光线垂直进入光接收部分。因此，与其中片上透镜使用换算因子移动的已知结构不同，在像素阵列的整个区域上入射角特性是均匀的，这提供了理想的荫影校正。
图1A和1B是示出了根据本发明实施例的固态成像装置中包括的片上透镜的形成方法的横截面视图。图2A和2B是图示由图1A和1B所示的方法形成的片上透镜的形状的示意图。图2A示出了使用灰度色调掩模的曝光工艺的示意图，图2B示出了二元灰度色调掩模和从其透过的光的强度分布。
在本实施例中，为了简化说明，将说明一维片上透镜阵列和一维像素阵列。
如图1A所示，根据本实施例，作为例如可光固化、透明的感光膜的光致抗蚀剂22设置在基础衬底20上。然后，如图1B所示，使用灰度色调掩模24进行紫外光的全板曝光。然后，进行显影，从而抗蚀剂22形成为具有透镜表面的元件。因此，没有进行热回流工艺就形成了片上透镜。
在本实施例中使用的灰度色调掩模具有精细的二元图案，在每个透镜具有透光部分和非透明部分。所透过的光的强度根据透明部分的面积与非透明部分的面积的比率而变化(即，空间图案元件的面积与线图案元件的面积的比率)。如图2B所示，透过的光的强度在非透明部分242相对较厚的区域中减少，并且在透明部分241相对较厚的区域中增加。因此，通过连续变化非透明部分242的面积与透明部分241的面积的比率，可以改变每个透镜中的光强度分布，并且可以在曝光步骤中，设定所希望的曝光量分布。因此，在对抗蚀剂显影之后，就可以获得具有希望的表面形状的元件。
接下来，将在下面对本实施例中的透镜形状进行更加详细地说明。
首先，考虑如图3A所示其中光入射到像素阵列的周边区域中的片上透镜上的系统。参考附图，形成像素阵列的多个光接收部分34设置在半导体衬底32上，并且遮蔽膜36设置在光接收部分34上。此外，片上透镜30设置在以预定距离与光接收部分34隔开的位置。
在下面的讨论中，假设对应于光接收部分34的片上透镜30在任意图像高度i以入射角θi、F值2.8接收光。此外，还假设片上透镜30是由折射系数为n的感光树脂制成。如同由图3B所理解的那样，当θ较小时，将偏转角为θi/(n-1)的棱镜与片上透镜结合使用，可以使入射光的主光线垂直进入对应的光接收部分。因此，如图3A将片上透镜30成形。
接下来，假设进入比如摄像机的成像装置的光具有由图4所示的特征曲线所表示的入射角特性。入射角特性唯一地由设置在成像元件正面的透镜系统的设计所决定。在图4中，竖轴示出了主光线的入射角，横轴示出了图像高度。随着图像高度增加，入射角一般沿着特征曲线增加。当张角可以随着变焦透镜等变化时，入射角特性取决于变焦位置而变化。在这样的情形，在平均中间位置的入射角特性可以用作代表性的入射角特性。因此，根据图像高度i，可以确定每个光接收部分34的入射角θi。
在图像高度i的光接收部分34的棱镜偏转角度由θi/(n-1)计算，并且由此确定对应的片上透镜的表面函数的倾斜分量。
为了简化起见，假设设置在对应于像素阵列中心的位置的片上透镜是5平方微米的球形透镜，其中曲率半径是r，中心厚度为d，以及厚焦距是5微米。因此，对应于像素阵列中心的光接收部分的片上透镜(i＝0)具有如图5B所示的表面。图5B示出了在0°到5°入射的光线。由图5B可清楚地看到，在5°入射的光线从光接收部分偏移了。
致使入射角为θi的光垂直进入对应的光接收部分的片上透镜的表面函数可以如下表示Z(y)=cy21+1-(1+k)c2y2+ytan(θin-1)...(1)]]>其中，Z是下垂量，其是在Z方向上距每个透镜中心(y＝0)的距离，k是锥形常数，y是距离透镜中心的距离，c是曲率，即曲率半径(r)的倒数。
图5A示出了在k＝0、n＝1.5、θi＝5°、d＝1.66μm以及c＝1/4(1/μm)的条件下光线踪迹的结果。从图中可以清楚，即使光以一定角度入射，主光线在光接收部分的中心垂直进入光接收部分。因此，在每个图像高度i向光接收部分行进的主光线的入射角是由图4所示的特性曲线所确定的，并且用于使主光线在光接收部分的中心垂直进入光接收部分的片上透镜的表面函数是由等式(1)决定的。
在本实施例中，通过上述程序设计片上透镜，从而其表面函数根据图像高度逐渐变化，如图2A所示。因此，入射到每个片上透镜的主光线在光接收部分的中心垂直进入光接收部分。所以，在成像元件的整个区域上，可靠地校正了荫影。
接下来，将说明用于形成片上透镜的掩模。在本实施例中，如图2A所示的透镜阵列通过如图1A和1B所示的半导体工艺进行全板曝光来形成。
为了简化说明起见，下面将对这样的情形进行说明，其中形成如上设计的一维透镜来校正荫影。此外，假设使用的是正性抗蚀剂。
曝光装置的条件包括曝光波长365nm，NA＝0.5，σ＝0.5，并且最小投影放大率为1/5。这里，σ是相干系数，表示为σ＝(照明NA/投影透镜NA)。此外，最初的抗蚀剂厚度设定为2μm，并且在显影之后所剩余的厚度与曝光量相比的特性表示为Z＝A+B·ln(dose)，这里“dose”是单位为[mJ/cm2]的曝光量。在该示例中，使用了如图6所示的特性，其中A＝2.7并且B＝-0.45。
接下来，为了避免图像形成，灰度掩模的最大图案节距如下确定Pmin=λNA(1+σ)...(2)]]>因此，当使用上述光学条件时，只要节距是487nm或更小，掩模图案就不会形成图像。此外，由于每个片上透镜的大小是5平方微米并相对较小，所以希望通过使用尽可能多的图案元件精确地控制其形状。此外，由于将节距设定为通过将每个透镜的大小乘以(1/整数)所获得的值，所以图案节距(P)设定为例如5000nm/12＝416.7nm。在该情形中，每个透镜是使用十三个空间图案元件形成的。
对于每个y坐标的下垂Z(y)所希望的量由等式(1)计算，并且用于在显影之后获得所希望的下垂Z(y)的量的曝光量的分布从上述剩余厚度的特性如下计算
does(y)=exp(Z(y)-AB)...(3)]]>图7示出了由等式(3)所获得的表格。
下面，假设其中下垂量最小(即，对应于最薄的透明部分的元件)的由图2A的A(以下称为部分A)表示的掩模图案元件提供了最小的透射率。部分A的下垂量表示为Z0。在该部分的空间大小设定来等于掩模制造中下保证限。在本实施例中，掩模的最小空间大小设定为500nm(晶片上的100nm)，并且对应于部分A的图案元件包括316.7nm的线和100nm的空间。该图案元件的透射率(Tmin)是5.76％。在该图案元件(图7中的第-1号图案)的下垂量设定为300nm。因此，将在使用该掩模的实际曝光步骤中设定的曝光量(Dset)计算为14.7mJ/0.0576＝256mJ/cm2。
此外，在每个y坐标所希望的透射率如下所示T(y)=Tmin×exp(Z(y)-AB)exp(Z0-AB)...(4)]]>用于获得该透射率的空间大小使用如下的等式(5)计算S(y)=pT(y)...(5)]]>其中，y是图案节距P和整数m的乘积mP(其中，m＝0，±1，±2，…，±5，±6)。
图7示出了基于如下条件的掩模的设计方案(在每个空间图案中心的坐标的空间大小)所希望的形状k＝0，n＝1.6，θi＝5°，d＝1.7μm，c＝1/4(1/μm)抗蚀剂剩余厚度的特性A＝2.72，B＝-0.45Tmin＝0.0576Z0＝300nm类似的，还设计了用于形成其它图像高度的片上透镜的图案。
通过在上述曝光量(Dset)进行曝光转移掩模图案，从而在显影之后获得所希望的形状。
在上述说明中，以一维透镜阵列为例说明了片上透镜的荫影校正。但是，上述方法也可以应用于包括在比如CCD图像传感器和CMOS图像传感器的固态成像装置中的二维透镜阵列。在这样的情形中，基于通过设置在成像元件之前的相机透镜光学系统所确定的入射角特性，计算每个片上透镜(i，j)的倾斜角θxi、θyi，然后确定所期望的每个片上透镜的表面函数。然后，通过与上述用于设计一维灰度标掩模图案的方法类似的方法来设计掩模图案。
图8是示出了单个象限中包括的像素的倾斜分量的示意图。在每个像素中所示出的箭头表示倾斜角度θx和θy。二维图案可以形成为接触孔阵列或岛阵列(例如，参考日本专利申请No.2003-18439)。
此外，根据本实施例，使用开放框架(open-frame)曝光中树脂的剩余厚度特性来设计掩模图案，如图6所示。但是，也可以使用利用由灰度色调图案形成的定标掩模所获得剩余厚度特性数据来设计掩模图案(例如，参考日本专利申请No.2003-281489)。
本领域的普通技术人员应该理解，在设计要求和其它因素落入权利要求或其等同方案的范围内时，可以基于这些设计要求和其它因素进行各种修改、组合、子组合、变化。
权利要求
1.一种固态成像装置，包括具有多个像素的衬底；以及多个布置在所述衬底上的片上透镜，每个片上透镜具有透镜表面，通过将透明感光膜使用具有梯度图案的掩模曝光并显影来形成所述透镜表面，使得所述透镜表面根据所述梯度图案来校正荫影。
2.根据权利要求1的固态成像装置，其中，所述透镜表面是由根据图像高度变化的表面函数所确定的。
3.根据权利要求2的固态成像装置，其中，所述表面函数确定了通过在球形表面上附加倾斜分量所获得的表面。
4.根据权利要求2的固态成像装置，其中，所述表面函数确定了绕对应像素的中心非对称的表面。
5.根据权利要求2的固态成像装置，其中，所述表面函数确定了使主光线在成像元件的中心垂直进入所述成像元件的表面。
6.一种用于制备固态成像装置的方法，所述固态成像装置包括具有多个像素的衬底以及多个布置在所述衬底上的片上透镜，所述方法包括如下步骤通过具有梯度图案的掩模将透明感光膜曝光；以及在曝光之后，将所述透明感光膜显影，由此形成根据所述梯度图案校正荫影的透镜表面。
7.根据权利要求6的方法，其中，所述透镜表面是由根据图像高度而变化的表面函数所确定的。
8.根据权利要求7的方法，其中，所述表面函数确定了通过在球形表面上附加倾斜分量所获得的表面。
9.根据权利要求7的方法，其中，所述表面函数确定了绕对应像素的中心非对称的表面。
10.根据权利要求7的方法，其中，所述表面函数确定了使主光线在成像元件的中心垂直进入所述成像元件的表面。
11.根据权利要求6的方法，其中，具有梯度图案的掩模包括灰度色调掩模。
12.根据权利要求6的方法，其中，具有梯度图案的掩模包括具有二元图案的灰度色调掩模。
13.根据权利要求6的方法，其中，在曝光所述透明感光膜的步骤中，进行对所有像素的全板曝光。
全文摘要
本发明公开了一种固态成像装置，其包括具有多个像素的衬底；以及多个布置在衬底上的片上透镜，每个片上透镜具有透镜表面，通过将透明感光膜使用具有梯度图案的掩模曝光并显影形成透镜表面，使得透镜表面根据梯度图案来校正荫影。
文档编号H01L27/14GK1783504SQ20051012692
公开日2006年6月7日 申请日期2005年11月28日 优先权日2004年11月26日
发明者小泽谦 申请人:索尼株式会社