專利名稱：內(nèi)置菲涅耳透鏡的圖像傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路制造領(lǐng)域，特別涉及一種內(nèi)置菲涅耳透鏡(Built-in Fresnel Lens)的圖像傳感器及其制造方法。
背景技術(shù)：
集成電路技術(shù)使計(jì)算機(jī)、控制系統(tǒng)、通訊和圖像等許多領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變化。在圖像領(lǐng)域中，圖像傳感器是組成數(shù)字?jǐn)z像頭的重要組成部分。根據(jù)元件的不同， 可分為(XD(Charge Coupled Device，電荷耦合元件)和互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體 (Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)有源像素圖像傳感器兩大類。其中， CMOS圖像傳感器已在電荷耦合成像器件涉及的應(yīng)用中占領(lǐng)了相當(dāng)大的領(lǐng)域。公開(kāi)號(hào)為CN101986432A的中國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)了一種CMOS圖像傳感器，具體請(qǐng)參閱圖1，所述CMOS圖像傳感器包括透鏡11、多個(gè)微棱鏡(miCrolens)13、多個(gè)彩色濾光 (color filter)單元15和多個(gè)感光元件(sensor) 17，所述微棱鏡13、所述彩色濾光單元 15和所述感光元件17 —一對(duì)應(yīng)設(shè)置，外界光線依次經(jīng)所述透鏡11、微棱鏡13、彩色濾光單元15而照射到所述感光元件17上。授權(quán)公告號(hào)為C擬681352Y的中國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)了另一種圖像傳感器，具體請(qǐng)參閱圖2，所述圖像傳感器主要包括保護(hù)蓋1、微透鏡陣列3、多個(gè)棱鏡4、彩色濾光片陣列5、光接收單元7及信號(hào)處理電路板9，該各部件從上至下依次排布設(shè)置。其中，微透鏡陣列3是由多個(gè)微透鏡于二維空間內(nèi)排列成的陣列。在上述現(xiàn)有的圖像傳感器結(jié)構(gòu)中，盡管微棱鏡(微透鏡陣列)能夠增強(qiáng)入射光線的光強(qiáng)，但是微棱鏡(微透鏡陣列)的制造工藝復(fù)雜。因此，提供一種制造工藝簡(jiǎn)單并能夠提高填充系數(shù)(fill factor)的圖像傳感器是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種制造工藝簡(jiǎn)單并能夠提高填充系數(shù)的圖像傳感器及其制造方法。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種內(nèi)置菲涅耳透鏡的圖像傳感器，所述圖像傳感器包括多個(gè)菲涅耳透鏡以及多個(gè)感光元件，所述菲涅耳透鏡和感光元件一一對(duì)應(yīng)設(shè)置?？蛇x的，在所述的內(nèi)置菲涅耳透鏡的圖像傳感器中，所述圖像傳感器還包括多個(gè)彩色濾光單元，每一彩色濾光單元和一感光元件之間設(shè)置一菲涅耳透鏡?？蛇x的，在所述的內(nèi)置菲涅耳透鏡的圖像傳感器中，所述菲涅耳透鏡為矩形的菲涅耳透鏡?？蛇x的，在所述的內(nèi)置菲涅耳透鏡的圖像傳感器中，所述感光元件包括發(fā)光二極管和CMOS晶體管。根據(jù)本發(fā)明的另一面，還提供一種內(nèi)置菲涅耳透鏡的圖像傳感器的制造方法，包括提供襯底，所述襯底上形成有多個(gè)感光元件；在襯底上形成多個(gè)菲涅耳透鏡，所述菲涅耳透鏡和感光元件一一對(duì)應(yīng)設(shè)置。可選的，在所述的內(nèi)置菲涅耳透鏡的圖像傳感器制造方法中，在襯底上形成多個(gè)菲涅耳透鏡的步驟包括在襯底上形成第一材料層；刻蝕所述第一材料層形成多個(gè)凹槽； 在所述襯底和凹槽中沉積第二材料層；以及進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨工藝以去除襯底上的第二材料層?？蛇x的，在所述的內(nèi)置菲涅耳透鏡的圖像傳感器制造方法中，所述第一材料層為高介電常數(shù)材料，所述第二材料層為低介電常數(shù)材料?？蛇x的，在所述的內(nèi)置菲涅耳透鏡的圖像傳感器制造方法中，所述第一材料層為無(wú)摻雜硅玻璃，所述第二材料層為氟化玻璃或氮化硅?？蛇x的，在所述的內(nèi)置菲涅耳透鏡的圖像傳感器制造方法中，在襯底上形成多個(gè)菲涅耳透鏡之后，還包括在所述襯底上形成多個(gè)彩色濾光單元，每一彩色濾光單元和一感光元件之間設(shè)置一所述菲涅耳透鏡?？蛇x的，在所述的內(nèi)置菲涅耳透鏡的圖像傳感器制造方法中，所述菲涅耳透鏡為矩形的菲涅耳透鏡?？蛇x的，在所述的內(nèi)置菲涅耳透鏡的圖像傳感器制造方法中，所述感光元件包括發(fā)光二極管和CMOS晶體管。本發(fā)明將菲涅耳透鏡集成到圖像傳感器中，所述菲涅耳透鏡和感光元件一一對(duì)應(yīng)設(shè)置，利用菲涅耳透鏡替代了傳統(tǒng)的微透鏡，制造工藝簡(jiǎn)單，且能夠提高圖像傳感器的填充系數(shù)(Fill-Factor)。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的一種圖像傳感器的剖面示意圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)的另一種圖像傳感器的剖面示意圖；圖3為本發(fā)明一實(shí)施例中圖像傳感器的剖面示意圖；圖4為本發(fā)明一實(shí)施例中菲涅耳透鏡的俯視示意圖；圖5為本發(fā)明一實(shí)施例的圖像傳感器制造方法的流程圖；圖6A-6D為本發(fā)明一實(shí)施例的圖像傳感器制造方法各步驟的器件剖面圖；圖7為菲涅耳透鏡的原理示意圖。
具體實(shí)施例方式在背景技術(shù)中已經(jīng)提及，現(xiàn)有的圖像傳感器均是利用微棱鏡(微透鏡陣列)來(lái)增強(qiáng)入射光線的光強(qiáng)，但是微棱鏡(微透鏡陣列)的制造工藝復(fù)雜。為此本發(fā)明將菲涅耳透鏡集成到圖像傳感器中，所述菲涅耳透鏡和感光元件一一對(duì)應(yīng)設(shè)置，菲涅爾透鏡能夠起到聚焦作用，利用菲涅耳透鏡替代了傳統(tǒng)的微透鏡，制造工藝簡(jiǎn)單，且能夠提高圖像傳感器的填充系數(shù)。請(qǐng)參考圖3和圖4，其中，圖3為本發(fā)明一實(shí)施例的圖像傳感器的剖面示意圖，圖4 為本發(fā)明一實(shí)施例的圖像傳感器的俯視示意圖。所述圖像傳感器包括多個(gè)菲涅耳透鏡110 以及多個(gè)感光元件120，所述菲涅耳透鏡110和感光元件120 —一對(duì)應(yīng)設(shè)置，利用菲涅耳透鏡110增強(qiáng)入射光線的光強(qiáng)，制造工藝簡(jiǎn)單，且能夠提高圖像傳感器的填充系數(shù)。優(yōu)選地，所述圖像傳感器還包括透鏡140和多個(gè)彩色濾光單元130，每一彩色濾光單元130和一感光元件之間120設(shè)置一菲涅耳透鏡110，即，透鏡140、彩色濾光單元130、菲涅耳透鏡110和感光元件120從上至下依次排布設(shè)置。所述彩色濾光單元130為彩色濾光片陣列，其可消除部分入射光，其通常包括紅、綠及藍(lán)濾光片或青、紫及黃濾光片，該彩色濾光片陣列分別對(duì)應(yīng)感光元件的像素排列，以獲得色彩信息，彩色圖像可通過(guò)來(lái)自像素的所有輸出信號(hào)進(jìn)行組合而獲得?？梢岳斫?，本發(fā)明的圖像傳感器的彩色濾光單元不僅局限于排布于菲涅耳透鏡的上方，也可排布于其上方。另外，若圖像傳感器并非用于彩色成像，彩色濾光單元亦可忽略。優(yōu)選地，每一像素包括一個(gè)感光元件(光電轉(zhuǎn)換組件)，其將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。本實(shí)施例中所述圖像傳感器為CMOS圖像傳感器，所述CMOS圖像傳感器每一像素包括一個(gè)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化的發(fā)光二極管(photodiode)以及一個(gè)進(jìn)行電信號(hào)方法與切換的 CMOS晶體管。此外，所述圖像傳感器還包括信號(hào)處理電路板，所述信號(hào)處理電路板包括用以驅(qū)動(dòng)像素以獲得信號(hào)電荷的驅(qū)動(dòng)電路、用以轉(zhuǎn)換信號(hào)電荷為數(shù)字信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換器以及利用數(shù)字信號(hào)形成圖像輸出信號(hào)的數(shù)字信號(hào)處理單元。當(dāng)然，所述圖像傳感器還可包括保護(hù)蓋(未圖示)等部件，所述保護(hù)蓋位于圖像傳感器的上端，一般采用平板玻璃或透明樹(shù)脂制成，用以保護(hù)固持于圖像傳感器內(nèi)部各組件不受外力或污染物的影響。需要說(shuō)明的是，由于本發(fā)明并不涉及圖像傳感器的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換部分的改進(jìn)，因此對(duì)于發(fā)光二極管、CMOS晶體管、傳輸管(transfer transistor)、保護(hù)蓋等公知的元件并不做詳細(xì)介紹，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)是知曉的。如圖4所示，本實(shí)施例中，所述菲涅耳透鏡110為矩形的菲涅耳透鏡(即菲涅耳透鏡的光柵呈矩形排列的)，矩形的菲涅耳透鏡的制造工藝較為簡(jiǎn)單，較易集成到圖像傳感器的制造工藝中，當(dāng)然，在本發(fā)明其它具體實(shí)施例中，所述菲涅耳透鏡110還可以圓形、橢圓形或其它形狀，此處不再一一列舉。相應(yīng)的，本發(fā)明還提供一種圖像傳感器的制造方法，如圖5所示，包括步驟Sl 提供襯底，所述襯底上形成有多個(gè)感光元件；步驟S2 在所述襯底上形成多個(gè)菲涅耳透鏡，所述菲涅耳透鏡和所述感光元件
一一對(duì)應(yīng)設(shè)置。具體的，所述菲涅耳透鏡110可通過(guò)以下步驟形成如圖6A所示，首先，可通過(guò)化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝在形成有感光元件120的襯底上形成第一材料層101，所述第一材料層101優(yōu)選為高介電常數(shù)(high-K)材料，本實(shí)施例中所述第一材料層101為無(wú)摻雜硅玻璃(USG)；如圖6B所示，然后，利用干法或濕法的方式，刻蝕所述第一材料層101形成多個(gè)凹槽101a，形成凹槽的工藝為現(xiàn)有技術(shù)，不再詳細(xì)描述；如圖6C所示，然后，可通過(guò)化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝在所述襯底和凹槽IOla中沉積第二材料層102，所述第二材料層102為低介電常數(shù)(Iow-K)材料，本實(shí)施例中所述第二材料層為氟化玻璃(FSG)或氮化硅(Si3N4),當(dāng)然，上述材料僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)波長(zhǎng)等參數(shù)選擇其它適宜的材料，并且，所述第一材料層101和第二材料層102的厚度也可根據(jù)實(shí)際的光學(xué)要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖兓?，本發(fā)明對(duì)此不予限定；如圖6D所示，最后，進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)工藝，對(duì)所述襯底進(jìn)行平坦化，以去除襯底上的第二材料層，僅保留凹槽IOla內(nèi)的第二材料層，如此即形成了菲涅耳透鏡110， 制造工藝簡(jiǎn)單，成本低廉。具體參考圖7所示，其為菲涅耳透鏡(Fresnel Lens)的原理示意圖，結(jié)合圖4，在菲涅耳透鏡中，菲涅耳透鏡的光柵尺寸D” &取決于第一材料層和第二材料層的折射率ηι、 n2以及入射光線的波長(zhǎng)λ，參考公式1和公式2 D1 = function ( λ /4，n1; F) 公式 1D2 = function ( λ /4，η2, F) 公式 2由此可知，可根據(jù)第一材料層和第二材料層的折射率以及入射光波長(zhǎng)來(lái)選擇適宜的光柵尺寸，例如，紅光波長(zhǎng)>綠光波長(zhǎng)>藍(lán)光波長(zhǎng)，為此，藍(lán)色像素單元的菲涅耳透鏡的光柵尺寸Dblm最小，綠色像素單元的菲涅耳透鏡的光柵尺寸Dgrem居中，紅色像素單元的菲涅耳透鏡的光柵尺寸Dral最大。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際選擇的材料的折射率以及入射光波長(zhǎng)通過(guò)有限次實(shí)驗(yàn)即可獲知具體的光柵尺寸，在此不再贅述。進(jìn)一步的，在襯底上形成多個(gè)菲涅耳透鏡110之后，在所述襯底上形成多個(gè)彩色濾光單元130，每一彩色濾光單元130和一感光元件120之間設(shè)置一所述菲涅耳透鏡110， 外界光線依次經(jīng)所述彩色濾光單元130和菲涅耳透鏡110而照射到所述感光元件120上。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包括這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)置菲涅耳透鏡的圖像傳感器，其特征在于，包括多個(gè)菲涅耳透鏡以及多個(gè)感光元件，所述菲涅耳透鏡和感光元件一一對(duì)應(yīng)設(shè)置。
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)置菲涅耳透鏡的圖像傳感器，其特征在于，所述圖像傳感器還包括多個(gè)彩色濾光單元，每一彩色濾光單元和一感光元件之間設(shè)置一所述菲涅耳透鏡。
3.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)置菲涅耳透鏡的圖像傳感器，其特征在于，所述菲涅耳透鏡為矩形的菲涅耳透鏡。
4.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)置菲涅耳透鏡的圖像傳感器，其特征在于，所述感光元件包括發(fā)光二極管和CMOS晶體管。
5.一種內(nèi)置菲涅耳透鏡的圖像傳感器的制造方法，其特征在于，包括提供襯底，所述襯底上形成有多個(gè)感光元件；以及在襯底上形成多個(gè)菲涅耳透鏡，所述菲涅耳透鏡和感光元件一一對(duì)應(yīng)設(shè)置。
6.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)置菲涅耳透鏡的圖像傳感器的制造方法，其特征在于，在襯底上形成多個(gè)菲涅耳透鏡的步驟包括在襯底上形成第一材料層；刻蝕所述第一材料層形成多個(gè)凹槽；在所述襯底和凹槽中沉積第二材料層；以及進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨工藝以去除襯底上的第二材料層。
7.如權(quán)利要求6所述的內(nèi)置菲涅耳透鏡的圖像傳感器的制造方法，其特征在于，所述第一材料層為高介電常數(shù)材料，所述第二材料層為低介電常數(shù)材料。
8.如權(quán)利要求7所述的內(nèi)置菲涅耳透鏡的圖像傳感器的制造方法，其特征在于，所述第一材料層為無(wú)摻雜硅玻璃，所述第二材料層為氟化玻璃或氮化硅。
9.如權(quán)利要求6所述的內(nèi)置菲涅耳透鏡的圖像傳感器的制造方法，其特征在于，在襯底上形成多個(gè)菲涅耳透鏡之后，還包括在所述襯底上形成多個(gè)彩色濾光單元，每一彩色濾光單元和一感光元件之間設(shè)置一所述菲涅耳透鏡。
10.如權(quán)利要求6所述的內(nèi)置菲涅耳透鏡的圖像傳感器的制造方法，其特征在于，所述菲涅耳透鏡為矩形的菲涅耳透鏡。
11.如權(quán)利要求6所述的內(nèi)置菲涅耳透鏡的圖像傳感器的制造方法，其特征在于，所述感光元件包括發(fā)光二極管和CMOS晶體管。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種內(nèi)置菲涅耳透鏡的圖像傳感器及其制造方法，所述圖像傳感器包括多個(gè)菲涅耳透鏡以及多個(gè)感光元件，所述菲涅耳透鏡和感光元件一一對(duì)應(yīng)設(shè)置。本發(fā)明將菲涅耳透鏡集成到圖像傳感器中，所述菲涅耳透鏡和感光元件一一對(duì)應(yīng)設(shè)置，利用菲涅耳透鏡替代了傳統(tǒng)的微透鏡，制造工藝簡(jiǎn)單，且能夠提高圖像傳感器的填充系數(shù)。
文檔編號(hào)H04N5/374GK102569327SQ20121006193
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月9日
發(fā)明者孔蔚然 申請(qǐng)人:上海宏力半導(dǎo)體制造有限公司