[发明专利]单片集成的具有双焦微透镜阵列的CMOS图像传感器

说明书

技术领域

本发明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 OxideSemiconductor，CMOS)图像传感器中的应用。

背景技术

过去的十年，由于CMOS图像传感器与电荷耦合器件(Charge CoupledDevice，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(0.35μm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(0.18μm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870℃质量传递以形成微透镜。

Pantelis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 DJ.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。

发明内容

为克服现有技术存在的以上问题，提出本发明。

本发明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。

本发明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。

本发明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。

根据本发明，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。

本发明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。

本发明的双焦微透镜阵列，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。

本发明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；

根据本发明，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。

根据本发明，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10～50℃，一般为150～180℃，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。