專利名稱：掩模及其制造方法和用該掩模制造微透鏡的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種掩模及其制造方法和用該掩模制造微透鏡的方法，使得
CMOS圖像傳感器的微透鏡具有良好的曲率半徑。
背景技術(shù)：
一般地說，圖像傳感器是一種將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號的半導(dǎo)體器件。 圖像傳感器可分類為電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器或CMOS圖像傳感器。
電荷耦合器件(CCD)具有各個MOS電容器被彼此鄰近地設(shè)置的結(jié)構(gòu)， 以及載荷子被存儲在一個可選MOS電容器內(nèi)、隨后被傳送至下一個MOS電 容器的模式。電荷耦合器件具有以下缺點由于驅(qū)動模式相對復(fù)雜因而制造 工藝相對復(fù)雜、功耗大以及光刻處理步驟多。此外，難以將控制電路、信號 處理電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器等等集成到電荷耦合器件芯片上，因此電荷耦合器件 具有產(chǎn)品小型化困難的缺點。
近來，CMOS圖像傳感器作為用來克服電荷耦合器件缺點的下一代圖像 傳感器受到了關(guān)注。
CMOS圖像傳感器是一種利用CMOS處理技術(shù)的器件，其具有多個MOS 晶體管且MOS晶體管的數(shù)量與半導(dǎo)體襯底上單元像素的數(shù)量相關(guān)或相等， 并且具有控制電路和信號處理電路等等作為光電二極管的相鄰電路，以借助 MOS晶體管，采用切換方式按順序檢測各個單元像素的輸出。換言之，CMOS 圖像傳感器包含單元像素中的光電二極管和MOS晶體管，用于以切換方式 按順序檢測各個單元像素的電信號，從而獲得圖像。
CMOS圖像傳感器是用CMOS制造技術(shù)制成的，因此具有制造工藝簡 單、功耗小、光刻處理步驟較少等等優(yōu)點。并且，控制電路、信號處理電路、 模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路等等能夠集成到CMOS圖像傳感器芯片上，因此CMOS圖像 傳感器具有易于實現(xiàn)產(chǎn)品小型化的優(yōu)點。因此在目前，CMOS圖像傳感器巳 經(jīng)廣泛地用在各種應(yīng)用領(lǐng)域，如數(shù)碼相機(digital still cameras)、數(shù)碼攝像
機(digital video camera)、蜂窩式電話攝像機(cell phone camera)等等。
圖1是用于制造相關(guān)技術(shù)微透鏡的掩模圖案的俯視圖，而圖2A和圖2B 是沿圖1中線A-A'和B-B'取得的用圖1中掩模圖案制造的微透鏡的橫截面 圖。
如圖l、圖2A和圖2B所示，相關(guān)技術(shù)的掩模50設(shè)置有掩模圖案51， 用于在半導(dǎo)體襯底上形成微透鏡40。然而，在相關(guān)技術(shù)中，雖然掩模圖案51 的大小是均勻的，但通過掩模50的最外側(cè)掩模圖案在半導(dǎo)體襯底上形成的微 透鏡圖案41a卻小于原始微透鏡圖案41b的標(biāo)準(zhǔn)，因此產(chǎn)生了微透鏡40具有 不均勻曲率半徑的問題。
如圖2A所示，通過將對透明度和熱流敏感的抗蝕物質(zhì)施加到平面化層 16上，并利用二元掩模(binary mask, BIM)，即可形成凹凸形的微透鏡圖 案41a和41b。此時，隨著微透鏡圖案41a更接近于掩模的圖案陣列邊緣， 其大小會由于光學(xué)鄰近效應(yīng)而與圖案密度對應(yīng)地變得更小。
此外，如圖2B所示，設(shè)置有凹凸形的微透鏡圖案的平面化層16受到高 溫烘焙處理，其中高溫烘焙處理要在180°C或更高的高溫下執(zhí)行預(yù)定時間。 在此處理中，凹凸形的微透鏡圖案40b因為熱流的特性而形成為具有平滑曲 率的浮凸(embossing)形狀。
然而，浮凸形狀的微透鏡圖案40具有以下問題在圖案密度密集的位置 與圖案密度稀疏的位置之間，在高溫烘焙處理中形成的微透鏡圖案40a的曲 率半徑可能是不均勻的；而且由邊緣掩模圖案形成的微透鏡小于原始微透鏡 的標(biāo)準(zhǔn)，并且其曲率半徑在對應(yīng)于邊緣掩模圖案的位置與其它位置之間可能 變得不均勻。
另外，當(dāng)在半導(dǎo)體襯底上形成微透鏡圖案時，掩模通常是用BIM來設(shè)計 的。然而，當(dāng)使用BIM時，透鏡單元與非透鏡單元之間的邊界是不可目視和 清楚區(qū)分的，因此當(dāng)在具有梯級差別(step difference)的襯底上形成微透鏡 圖案時可能產(chǎn)生圖案缺陷。換言之，在二元掩模的情況下，所需的圖案是用 鉻在石英襯底上形成的。因此，光穿透除去鉻的部分，而剩余的鉻用作遮光 膜。然而，如果掩模的遮光部分與透光部分之間的對比度因光衍射和干涉現(xiàn) 象而降級，則可能無法如所希望的那樣在最終晶片上形成圖案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種掩模以及利用該掩模制造微透鏡(該微透鏡匯
聚CMOS圖像傳感器中的外部光)的方法，使得微透鏡能夠具有良好的曲率 半徑。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明，提供一種掩模，包括掩模圖案區(qū)； 以及掩模圖案，位于掩模圖案區(qū)上，包括第一相移層以及位于第一相移層上 的第二相移層，第一相移層具有第一透射率而第二相移層具有第二透射率， 第二透射率不同于第一透射率。
此外，為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明，提供一種利用掩模制造微透鏡 的方法，包括以下步驟在半導(dǎo)體襯底上形成透明抗蝕層；在透明抗蝕層上 方設(shè)置掩模，并將光穿過掩模照射到透明抗蝕層上，掩模具有位于掩模圖案 區(qū)上的掩模圖案，掩模圖案包括第一相移層以及位于第一相移層上的第二相 移層，第一相移層具有第一透射率而第二相移層具有第二透射率，第二透射 率不同于第一透射率；以及將透明抗蝕層圖案化以形成微透鏡圖案。
另外，本發(fā)明提供一種制造掩模的方法，包括以下步驟在掩模襯底上
形成具有第一透射率的第一相移層；以及在第一相移層上形成具有第二透射 率的第二相移層，其中第二透射率不同于第一透射率。


圖1是用于制造相關(guān)技術(shù)微透鏡的掩模圖案的俯視圖。
圖2A和圖2B是沿圖1中線A-A'和B-B'得到的利用圖1中掩模圖案制
造的微透鏡圖案和微透鏡的橫截面圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的一部分的橫截面圖。
圖4A是根據(jù)本發(fā)明的相移掩模的橫截面圖。
圖4B是利用圖4A中掩模形成的微透鏡的橫截面圖。
圖5A至圖5C是按順序示出根據(jù)本發(fā)明的相移掩模的示例性制造過程的
橫截面圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明用于制造微透鏡的示例性掩模圖案的俯視圖。 圖7是沿圖6中線C-C'和D-D'得到的借助圖6中掩模圖案制造的微透鏡 的橫截面圖。
具體實施例方式
以下，將參照附圖詳細描述根據(jù)本發(fā)明用于制造多個微透鏡的掩模。
圖3為根據(jù)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的一部分的橫截面。
參照圖3，在諸如P+型硅襯底之類的半導(dǎo)體襯底100上制備光電二極管 區(qū)103a、 103b及103c和晶體管區(qū)。雖未特別示出，但可在一個或多個光電 二極管區(qū)中形成N'型擴散區(qū)，而且可在晶體管區(qū)中形成晶體管的源/漏極和柵 極。第一 (層間)電介質(zhì)層lll、遮光或第一金屬化圖案121a、第二 (層間) 電介質(zhì)層113、遮光或第二金屬化圖案121b及第三(層間)電介質(zhì)層115等 等連續(xù)地疊置在半導(dǎo)體襯底IOO上方；而紅濾光片133a、綠濾光片133b及 藍濾光片133c形成于第三層間電介質(zhì)層115上，處于對應(yīng)于光電二極管區(qū) 103a、 103b及103c的位置。
此外，在濾光片133a、 133b及133c上形成平面化層116。其后，在平 面化層116上形成多個微透鏡140，使得每個微透鏡140資于光電二極管區(qū) 103a、 103b或103c的垂線上。
同時，晶體管包括傳送從光電二極管產(chǎn)生的光電荷的光電荷傳送器，以 及檢測光電二極管所接收的光(例如紅、綠或藍光)量的光色靈敏度計算器 (light color sensitivity calculator)，但未示于圖中。CMOS圖像傳感器將(多 個)反向偏壓施加到半導(dǎo)體襯底的后表面，因此該CMOS圖像傳感器改變光 電二極管的耗盡區(qū)寬度并檢測在光電二極管上接收到的紅、綠或藍光。
圖4A是根據(jù)本發(fā)明的示例性相移掩模的橫截面圖，而圖4B是利用圖 4A中掩模形成的示例性微透鏡的橫截面圖。
如圖4A所示，通過在透明石英襯底250上疊置多層(例如三層)透反 相移材料(transflective phase shifting material)，根據(jù)本發(fā)明的相移掩模形成 所需的圖案。在一個實施例中包括透反相移材料的掩模是通過按順序疊置第 一相移層25K第二相移層252及第三相移層253形成的，其中優(yōu)選的是， 第二相移層252與第一相移層251相比具有較小的線寬，并且第二相移層252 的中心與第一相移層251的中心一致或?qū)?zhǔn)。同樣優(yōu)選的是，第三相移層253 與第二相移層252相比具有較小的線寬，并且第三相移層的中心253與第一 相移層251和第二相移層252的中心一致或?qū)?zhǔn)。
第一到第三相移層251、 252、 253可根據(jù)微透鏡240的所需曲率而各自
具有不同的大小或尺寸(例如厚度和/或?qū)挾?等等，并且它們是由透反相移 材料(例如鉻或其它通常用來制作掩模上的透射減少區(qū)或光阻隔區(qū)的材料)
制成的。優(yōu)選的是，第一到第三相移層251、 252、 253具有(或在掩模上的 限定區(qū)域具有)彼此不同的光透射率和相變率。
如果利用圖4A中掩模在襯底200上將微透鏡240圖案化，并使得微透 鏡240受到低溫烘焙處理，則可形成具有均勻曲率的微透鏡240，而與其在 掩模透鏡陣列中的位置無關(guān)，如圖4B所示。
圖5A至圖5C是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性相移掩模的制造過程的橫截面圖。
如圖5A所示，以光刻工藝在透明石英襯底250上的所需位置將第一透 反相移材料圖案化，以在該石英襯底上形成第一相移層251。舉例來說，第 一相移層251可具有大約6%的光透射率和180。的相變率。
如圖5B所示,將第二透反相移材料施加到設(shè)置有第一相移層251的石 英襯底250上，并以光刻工藝將第二透反相移材料圖案化，以在第一相移層 251上形成第二相移層252，其中第二相移層252與第一相移層251相比具有 較小的線寬。舉例來說，第二相移層252可具有大約4%的光透射率和225° 的相變率。
如圖5C所示，將第三透反相移材料施加到設(shè)置有第一相移層251和第 二相移層252的石英襯底250上，并以光刻工藝將第三透反相移材料圖案化， 以在第二相移層252上形成第三相移層253，其中第三相移層253與第二相 移層252相比具有較小的線寬。舉例來說，第三相移層253可具有大約2% 的光透射率和270。的相變率。
因此，如果將第一相移層251的線寬表示為"c"，將第二相移層252的線 寬表示為"b"，而將第三相移層253的線寬表示為"a"，則掩模中對應(yīng)于第三 相移層253的線寬"a"的區(qū)域(在此處疊置有第一、第二及第三相移層 251-253)具有最低的光透射率。該區(qū)域還具有接近180。的相移，如圖5C所 示。在僅疊置有第一相移層251和第二相移層252的區(qū)域(例如對應(yīng)于線寬 "b")中和在僅形成有第一相移層251的區(qū)域(例如對應(yīng)于線寬"a")中，光 透射率依次增加。在掩模圖案之中，在垂直方向上從襯底連續(xù)地疊置有第一 到第三相移層25K 252、 253的區(qū)域中，光透射率是最低的。
第一到第三相移層251、 252、 253 (它們是根據(jù)本發(fā)明的相移掩模的掩 模圖案255的至少一部分)可具有彼此不同的透射率。某一給定相移層的透 射率可以是在2%到10%的數(shù)值范圍內(nèi)獨立地選擇。作為最小條件，掩模圖 案255具有至少疊置有兩個(或更多個)相移層的結(jié)構(gòu)。
圖5C示出表示根據(jù)本發(fā)明的示例性相移掩模的光強度與位置之間對應(yīng) 關(guān)系的曲線圖。這里，如果照射疊置有第一到第三相移層251、 252、 253的 掩模圖案255，則穿過該掩模圖案255的光與穿過石英襯底250的透光區(qū)域 中心部分(例如僅穿過石英襯底250)的光具有180。(或180。左右)的相位 差，并且在透明石英襯底250與半透射膜材料(例如僅形成第一相移層251 的區(qū)域，其對應(yīng)于線寬"c";可選擇圖中未示的不同材料)的界面處發(fā)生光的 相消干涉，從而提高對比度，最終能夠在半導(dǎo)體襯底上得到所需的微透鏡圖 案，而與微透鏡在晶片上的位置或掩模圖案中對應(yīng)的一個或多個相移層無關(guān)。
此時，本發(fā)明具有的優(yōu)點是，透鏡單元與非透鏡單元之間的邊界區(qū)分清 楚，且改善了微透鏡圖案的臨界尺寸(CD)。此外，雖然微透鏡圖案240 的端部彼此鄰近，但本發(fā)明仍可均勻地保持微透鏡的斜率和/或曲率。并且， 本發(fā)明修改了第一到第三相移層251、 252、 253的線寬和/或厚度，從而能夠 形成具有所需曲率半徑的微透鏡，并增加光電二極管的接收率。
相移掩模的掩模圖案255是通過示出本發(fā)明一個實施例中疊置有第一到 第三相移層251、 252、 253的結(jié)構(gòu)來描述的，但掩模圖案255不限于此。因 此，掩模圖案255可通過疊置至少兩個(或更多個)相移層來形成。
圖6是根據(jù)本發(fā)明用于制造微透鏡的示例性掩模圖案的俯視圖，而圖7 是沿圖6中對應(yīng)于C-C'和D-D'的線得到的利用圖6中掩模圖案制造的微透鏡 的橫截面圖。
如圖6和圖7所示，根據(jù)本發(fā)明的示例性相移掩模設(shè)置有掩模圖案255， 掩模圖案255形成在石英襯底250上，用于在襯底200上形成多個微透鏡240。
如圖6所示，掩模圖案255是通過在石英襯底250上按順序疊置第一相 移層25K第二相移層252、及第三相移層253而形成的，其中優(yōu)選的是，第 二相移層252與第一相移層251相比具有較小的線寬，并且第二相移層252 的中心與第一相移層251的中心一致或?qū)?zhǔn)。同樣優(yōu)選的是，第三相移層253 與第二相移層252相比具有較小的線寬，并且第三相移層253的中心與第一
相移層251和第二相移層252的中心一致或?qū)?zhǔn)。
第一到第三相移層251、 252、 253可根據(jù)微透鏡240的所需曲率而各自 具有不同的大小或尺寸(例如厚度和/或?qū)挾鹊鹊?。相移層251、 252、 253 還可包含透反相移材料或以透反相移材料制成。
優(yōu)選的是，第一到第三相移層251、 252、 253具有彼此不同的光透射率 和相變率。
如果利用圖6中的相移掩模在襯底200上將具有均勻大小的微透鏡240 圖案化，并使得微透鏡240受到110。C以下低溫的烘焙處理，即可形成具有 均勻和/或一致曲率的微透鏡240，而與掩模透鏡陣列的位置無關(guān)，如圖7所
不o
當(dāng)利用根據(jù)本發(fā)明的相移掩模形成微透鏡圖案時，可以防止在掩模內(nèi)或 掩模邊緣附近微透鏡曲率變得不均勻的缺陷(例如借助高溫烘焙處理導(dǎo)致的 缺陷)。
借助本發(fā)明，用于形成CMOS圖像傳感器中微透鏡的相移掩模是通過疊 置至少兩個或更多個具有彼此不同的透射率的相移層而形成的，因此在利用 該相移掩模形成微透鏡時，微透鏡能夠具有均勻或更一致的尺寸，和/或微透 鏡能夠具有均勻或更一致的曲率，而與在掩模圖案陣列上的位置無關(guān)。此外， 當(dāng)利用根據(jù)本發(fā)明的相移掩模來形成微透鏡圖案時，防止了在掩模的邊緣上 微透鏡曲率變得不均勻的缺陷(例如借助高溫烘焙處理導(dǎo)致的缺陷)，并且 微透鏡具有均勻曲率(例如借助低溫烘焙處理)，而與微透鏡圖案的密度無 關(guān)，因此能夠提高制造成品率。
另外，本發(fā)明能夠清楚地區(qū)分半導(dǎo)體襯底上透鏡單元與非透鏡單元之間 的邊界，并能改善微透鏡圖案的CD。而且，雖然微透鏡圖案的端部變得接 近于與其相鄰的微透鏡圖案的端部，本發(fā)明仍能保持微透鏡的斜率和/或曲
率，從而能提高微透鏡的分辨率。
此外，本發(fā)明能夠修改掩模中相移層的一個或多個線寬和/或厚度，從而 能分別形成具有所需曲率半徑的微透鏡，并能增加光電二極管處的光接收率。
在本說明書中，對于"一個實施例"、"一實施例"、"示例性實施例" 等等的任何引用都意味著聯(lián)系該實施例所描述的特定的特征、結(jié)構(gòu)或特性包 含在本發(fā)明的至少一個實施例中。在本說明書中多處出現(xiàn)的這種表達形式并
不一定全部涉及同一實施例。而且，在聯(lián)系任何實施例來描述特定的特征、 結(jié)構(gòu)或者特性時，應(yīng)認(rèn)為聯(lián)系其他實施例來實現(xiàn)這類特征、結(jié)構(gòu)或者特性處 于本領(lǐng)域技術(shù)人員的范圍內(nèi)。
盡管參照一些說明性實施例描述了本發(fā)明的實施例，但應(yīng)理解的是本領(lǐng) 域的技術(shù)人員可以設(shè)計許多其它修改方案和實施例，這些修改方案和實施例 均落在本發(fā)明原理的精神和范圍內(nèi)。更特別地，在本發(fā)明公開范圍內(nèi)的組成
部件和/或主要組合排列的配置可以進行多種改變和修改。除了組成部件和/ 或配置的改變和修改之外，替換性的應(yīng)用方案對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說也是 顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種掩模，包括透明掩模，由掩模圖案區(qū)限定；以及掩模圖案，位于所述掩模圖案區(qū)上，包括第一相移層以及位于所述第一相移層上的第二相移層，所述第一相移層具有第一透射率而所述第二相移層具有第二透射率，所述第二透射率不同于所述第一透射率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的掩模，還包括第三相移層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的掩模，其中所述第一相移層與所述第二相移層 相比具有較大的線寬,且所述第二相移層與所述第三相移層相比具有較大的 線寬。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的掩模，其中所述第一和第二相移層的透射率獨 立地為從2%到10%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的掩模，其中所述第一和第二相移層獨立地具有 從180。到270。的相變率。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的掩模，其中所述掩模圖案取決于在所述掩模上 的位置而具有不同的光透射率。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的掩模，其中所述第一、第二和第三相移層各自 的中心線彼此一致。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的掩模，其中所述第一和第二相移層各自具有不 同的厚度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的掩模，其中所述第三相移層位于所述第二相移 層上。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的掩模，其中所述掩模在所述第三相移層的位 置具有最低的光透射率。
11. 一種制造微透鏡的方法，包括以下步驟-在半導(dǎo)體襯底上形成透明抗蝕層；在所述透明抗蝕層上方設(shè)置掩模，并將光穿過所述掩模照射到所述透明 抗蝕層上，所述掩模具有位于掩模圖案區(qū)上的掩模圖案，所述掩模圖案包括 第一相移層以及位于所述第一相移層上的第二相移層，所述第一相移層具有 第一透射率而所述第二相移層具有第二透射率，所述第二透射率不同于所述 第一透射率；以及將所述透明抗蝕層圖案化以形成微透鏡圖案。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，在形成所述微透鏡圖案的步驟之后， 還包括以下步驟在80°C到100°C的溫度下烘焙所述半導(dǎo)體襯底和所述微 透鏡圖案。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括在所述第二相移層上形成第三 相移層的步驟，其中所述第一相移層與所述第二相移層相比具有較大的線寬， 且所述第二相移層與所述第三相移層相比具有較大的線寬。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述掩模圖案取決于在所述掩模 上的位置而具有不同的光透射率。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述第一、第二和第三相移層具 有彼此一致的相應(yīng)中心線。
16. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述第一和第二相移層各自具有 不同的厚度。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述掩模在所述第三相移層的位 置具有最低的光透射率。
18. —種制造掩模的方法，包括以下步驟 在掩模襯底上形成具有第一透射率的第一相移層；以及 在所述第一相移層上形成具有第二透射率的第二相移層，.所述第二透射率不同于所述第一透射率。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，還包括在所述第二相移層上形成第三 相移層的步驟。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述第一相移層與所述第二相移 層相比具有較大的線寬，且所述第二相移層與所述第三相移層相比具有較大 的線寬。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種掩模及其制造方法和用該掩模制造微透鏡的方法，該掩模包括透明掩模，由掩模圖案區(qū)限定；以及掩模圖案，位于掩模圖案區(qū)上，包括第一相移層以及位于第一相移層上的第二相移層，第一相移層具有第一透射率而第二相移層具有第二透射率，第二透射率不同于第一透射率。該微透鏡匯聚CMOS圖像傳感器中的外部光，使得由光電二極管照射的微透鏡能夠具有良好的曲率半徑。借助本發(fā)明，通過疊置至少兩個具有彼此不同的透射率的相移層來形成用以形成CMOS圖像傳感器中微透鏡的相移掩模，使得當(dāng)用該相移掩模形成微透鏡時微透鏡能夠具有均勻大小并且微透鏡能夠具有均勻曲率而與掩模圖案陣列的位置無關(guān)。
文檔編號H01L27/146GK101109896SQ20071013689
公開日2008年1月23日 申請日期2007年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月21日
發(fā)明者李峻碩 申請人:東部高科股份有限公司