CN101136363A - 微聚光镜结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种制作微聚光镜的方法，包括有下列步骤，提供一基底，且该基底上具有至少一介电层，于该介电层表面形成一第一薄膜，蚀刻该第一薄膜以形成至少一微凸块，以及于该微凸块表面与该介电层表面形成一第二薄膜，且该第二薄膜与该微凸块即构成该微聚光镜。本发明的微聚光镜可用于高温环境，而不需要额外制作一保护层。

Description

微聚光镜结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种制作微聚光镜的方法以及其结构，尤其涉及一种利用蚀刻工艺制作微聚光镜的方法以及其结构。

背景技术

互补式金属氧化物半导体晶体管图像感测器(CMOS image sensor，CIS)和电荷耦合装置(charge-coupled devices，CCDs)都是现有技术中常用来将光转换为电子信号的光学电路元件，两者的应用范围皆很广泛，包括有扫描器、摄影机以及照相机等等，但是因为电荷耦合装置受限于价位以及体积的问题，所以目前市面上以互补式金属氧化物半导体晶体管图像感测器较为普及。

由于互补式金属氧化物半导体晶体管图像感测器是以传统的半导体工艺制作，因此可以大幅减少所需成本及元件尺寸，而其应用范围包括个人电脑相机以及数字相机等数字电子商品，目前互补式金属氧化物半导体晶体管图像感测器大致分为线型、面型两种，而线型互补式金属氧化物半导体晶体管图像感测器以应用在扫瞄器等产品为主，面型互补式金属氧化物半导体晶体管图像感测器则以应用在数字相机等产品为主。

请参考图1至图2，图1至图2为现有技术中制作互补式金属氧化物半导体晶体管图像感测器50的方法示意图。如图1所示，半导体基底2包括多个浅沟隔离(shallow trench isolation，STI)4以及多个光电二极管(photodiode)6。其中，各光电二极管6另电连接相对应的重置晶体管(resettransistor)、电流汲取元件(current source follower)及列选择开关(row selector)等金属氧化物半导体(MOS)晶体管(未显示)，而且浅沟隔离4用来作为任两相邻的光电二极管6与金属氧化物半导体晶体管之间的绝缘体(insulator)，以避免光电二极管6因和其他元件相接触而发生短路。

随后于半导体基底2上形成一层间介电(inter layer dielectric，ILD)层8，覆盖光电二极管6与浅沟隔离4，接着再于间介电层8上进行一金属化工艺，以形成一多重金属内连线(multilevel interconnects)层9。其中，多重金属内连线层9还包括有一隔离用的金属间介电(inter metal dielectric，IMD)层11，以及作为金属氧化物半导体晶体管等的电路连结用的金属层10与金属层12，且其皆形成于各浅沟隔离4的上方，以避免遮蔽各光电二极管6，并可使入射光(未显示)射入时得以聚集于光电二极管6，而不发生散射，造成信号干扰(cross talk)。之后，再于金属层12上形成平坦化层13，平坦化层13可为多层结构，例如由高密度等离子体(high density plasma)方法制得的氧化硅层(简称HDP层)与利用等离子体增强式化学气相沉积方法由四乙氧基硅烷(tetra-ethyl-ortho-silicate，TEOS)制得的氧化硅层(plasmaenhanced TEOS，PETEOS)所组成。再于平坦化层13上形成氮化硅等的保护层(passivation layer)14，以防止外界的水气与其他杂质进入元件区中。

然后，于保护层14上方形成多个由红色、绿色、蓝色(R/G/B)滤光图案所构成彩色滤光阵列(color filter array，CFA)18，并分别位于各个相对应的光电二极管6上方，接着于彩色滤光阵列18上方再形成一间隔层(spacer layer)20，并于间隔层20上方形成一具有感光剂(photoactivecompound)的树脂(resin)层(未显示)。然后利用波长365纳米(nm)紫外光(I-line)作为曝光光源，此为目前业界针对互补式金属氧化物半导体晶体管图像感测器的微聚光镜(microlens)制作所常用的曝光波长，在经过波长365纳米紫外光曝光并显影之后，即可形成一块块呈阵列排列的感光区块22。

接着，请参考图2，利用一热回流(reflow)工艺，例如让互补式金属氧化物半导体晶体管图像感测器50置于高温环境约5至10分钟左右，使得以树脂为材料的感光区块22经由高温回流而改变形状，而由图1中具正方形形状的感光区块22，变成图2中微聚光镜24中类似半球体的形状，最后再于微聚光镜24上方形成一保护层26以保护微聚光镜24，至此完成互补式金属氧化物半导体晶体管图像感测器50的制作。

由于现有技术使用树脂之类的有机材料作为微聚光镜，因此无法应用在250℃以上的高温环境，例如应用于高温环境的图像感测器或特殊用途的激光读写装置等，否则会产生破裂、变形等问题。此外，由于有机材料的硬度低，并且容易受到外界环境等因素的影响，因此现有技术必须在微聚光镜上方额外再形成一保护层。

发明内容

本发明的目的是提供一种制作微聚光镜的方法以及其结构，特别是指一种利用蚀刻工艺以及沉积工艺制作微聚光镜的方法以及其结构，以解决上述现有技术所遭遇到的限制与问题。

根据本发明，提供一种制作微聚光镜的方法，包括有下列步骤，提供一基底，且该基底上具有至少一介电层，于该介电层表面形成至少一微凸块，以及于该微凸块表面与该介电层表面形成一光学膜，该光学膜与该微凸块即构成该微聚光镜。

根据本发明，另提供一种微聚光镜结构，适用于一半导体元件，包括有一基底，且该基底上具有至少一介电层，至少一微凸块，设置于该介电层上，以及一光学膜，覆盖于该微凸块表面与该介电层表面，且该光学膜与该微凸块构成该微聚光镜。

由于本发明可以利用各种蚀刻工艺先形成一无机介电材料的微凸块，再搭配使用化学气相沉积工艺形成一无机介电材料的光学膜以制作微聚光镜，因此相较于现有技术，本发明所制作的微聚光镜可以应用在250℃以上的高温环境，例如应用于激光读写装置，而不会产生破裂的问题，并且由于无机介电材料的硬度够高，例如氮化硅(Si₃N₄)，对碱金属离子的防堵能力很高，且不容易被水气所渗透，因此相较于现有技术，本发明可以不需要在微聚光镜上额外制作一保护层。此外，当本发明制作的微聚光镜应用于互补式金属氧化物半导体晶体管图像感测器和电荷耦合装置时，本发明还可以使用红色、绿色、蓝色滤光层作为光学膜，沉积于微凸块上，如此一来便可以取代现有技术中位于光电二极管上方的彩色滤光阵列，不但降低成本，还可以减少微聚光镜与光电二极管之间的距离，以进一步将歪斜光线所产生的问题极小化。

附图说明

图1至图2为现有技术中制作互补式金属氧化物半导体晶体管图像感测器的方法示意图；

图3至图8为详细解说本发明第一优选实施例的制作方法各步骤的结构剖面示意图；

图9至图13为详细解说本发明第二优选实施例的制作方法各步骤的结构剖面示意图；

图14至图17为详细解说本发明第三优选实施例的制作方法各步骤的结构剖面示意图。

主要元件符号说明

2：半导体基底

4：浅沟隔离

6：光电二极管

8、103、203、303：间介电层

9：多重金属内连线层

10、12、104、106、204、206、304、306：金属层

11、105、205、305：金属间介电层

13、107、207、307：平坦化层

14、26、108、208、308：保护层

18：彩色滤光阵列

20：间隔层

22：感光区块

24、118、218、318：微聚光镜

50：互补式金属氧化物半导体晶体管图像感测器

96、196、296：感光性的结构

98、198、298：绝缘物

100、200、300：基底

102、202、302：介电层

110、210、310：第一薄膜

112、212、312：图案化光致抗蚀剂层

114、215、314：微凸块

116、216、316：第二薄膜

213：图案化第一薄膜

214：间隙壁

具体实施方式

请参考图3至图8，图3至图8为详细解说本发明第一优选实施例的制作方法各步骤的结构剖面示意图。如图3所示，本发明首先提供一基底100，且基底100上具有一介电层102。其中，基底100为一半导体基底，但不限制为一硅晶片(wafer)或一硅覆绝缘(SOI)等的基底，而基底100可包括有多个感光性的结构96，例如光电二极管(photodiode)等，用来接收外部的光线并感测光照的强度，而且该些感光性的结构另电连接有重置晶体管、电流汲取元件或列选择开关等的CMOS晶体管(未显示)，以及多个绝缘物98，例如浅沟隔离(shallow trench isolation，STI)或局部硅氧化绝缘层(localoxidation of silicon isolation layer，LOCOS)，用以避免该些感光性的结构、MOS晶体管与其他元件相接触而发生短路。此外，介电层102可包括有一间介电(inter layer dielectric，ILD)层103、一金属间介电(inter metal dielectric，IMD)层105、一平坦化层107、以及一氮化硅等的保护层108，而金属间介电层105与平坦化层1O7则形成有多个金属层104与金属层106等的多重金属内连线(multilevel interconnects)层，作为该些感光性的结构、MOS晶体管与其他元件的电路连结用，且其皆形成于各浅沟隔离的上方，以避免遮蔽各感光性的结构，并可使入射光(未显示)射入时得以聚集于感光性的结构，而不发生散射，造成信号干扰(cross talk)。

接着，如图4所示，进行一沉积工艺，以于介电层102表面形成一第一薄膜110，随后再形成一图案化光致抗蚀剂层112于第一薄膜110上，用以定义各微聚光镜的位置。其中，第一薄膜110可以包括一无机介电材料，例如氮化硅(Si₃N₄)或聚酰亚胺(polyimide)等。然后，如图5所示，利用图案化光致抗蚀剂层112当作蚀刻掩模(mask)来对第一薄膜110进行一蚀刻工艺，例如使用湿蚀刻工艺或干蚀刻工艺等，以将图案化光致抗蚀剂层112的图案转移至第一薄膜110中，形成多个微凸块114，之后去除图案化光致抗蚀剂层112。在本第一优选实施例中，随着图案化光致抗蚀剂层112的曝光、显影工艺与此蚀刻工艺的参数控制的调整，可选择性地将各个微凸块114蚀刻成为梯形或矩形等各种形状。如图6所示，接着可对各个微凸块114进行一圆角化工艺，例如利用一热回流工艺(reflow process)或一湿蚀刻工艺，用以将各个微凸块114蚀刻成为具有圆角的梯形或矩形。

最后，如图7所示，进行一沉积工艺，于介电层102与各个微凸块114上沉积一第二薄膜116，以使覆盖有第二薄膜116的各微凸块114形成多个微聚光镜118。其中，此沉积工艺可以为一常压化学气相沉积工艺(atmospheric pressure chemical vapor deposition，APCVD)或一次常压化学气相沉积法(sub-atmospheric pressure chemical vapor Deposition，SACVD)等的化学气相沉积工艺，以使得所沉积的第二薄膜116具有较平滑的表面。而且第二薄膜116可以为一相同于微凸块114的无机介电材料，或一相异于微凸块114的无机介电材料，或者为一具有滤光功能的无机介电材料，例如氧化钛(titanium oxide，TiO₂)或氧化钽(tantalum oxide，Ta₂O₅)等材质制作而成的分色膜(dichroic film)等的光学膜。

值得注意的是，在一优选的实施例中，微凸块114的折射率大于或等于第二薄膜116的折射率。另外，本发明可选择性改变微凸块114的厚度与宽度，调整各个微聚光镜118的形状、曲率等。本发明也可以选择性地对第二薄膜116再进行一回蚀刻工艺，用以调整第二薄膜116的厚度。此外，本发明亦可以选择性地再进行一热工艺以消除微凸块114与第二薄膜116间的介面，如图8所示，其中此热工艺的温度大于250℃。

请参考图9至图13，图9至图13为详细解说本发明第二优选实施例的制作方法各步骤的结构剖面示意图。如图9所示，本发明首先提供一基底200，且基底200上具有一介电层202。如同上述实施例的态样，基底200亦包括有多个感光性的结构196、CMOS晶体管(未显示)以及多个浅沟隔离198等，而介电层202则可包括有一间介电(ILD)层203、多个金属层204、一金属间介电(IMD)层205、多个金属层206、一平坦化层207以及一保护层208等的结构，在此不多加赘述。

接着，如图10所示，进行一沉积工艺，以于介电层202表面形成一第一薄膜210，随后再形成一图案化光致抗蚀剂层212于第一薄膜210上，用以定义各微聚光镜的位置。其中，第一薄膜210可以包括一无机介电材料。然后，如图11所示，利用图案化光致抗蚀剂层212当作蚀刻掩模来对第一薄膜210进行一蚀刻工艺。以将图案化光致抗蚀剂层212的图案转移至第一薄膜210中，形成多个图案化第一薄膜213，然后去除图案化光致抗蚀剂层212。其中，此蚀刻工艺可选择使用一各向异性干蚀刻工艺，例如一溅击蚀刻工艺(sputtering etching process)、一等离子体蚀刻工艺(plasma etchingprocess)、或一反应性离子蚀刻工艺(reactive ion etching process，RIE process)等。

接着，如图12所示，进行一沉积工艺以及一回蚀刻工艺，以于各个图案化第一薄膜213的周围侧壁形成一间隙壁(spacer)214，而每一个具有间隙壁214结构的图案化第一薄膜213即构成此第二优选实施例的微凸块215，且各个微凸块215的形状即略为具有圆角的梯形。

最后，如图13所示，进行一沉积工艺，于介电层202与各个微凸块215上沉积一第二薄膜216，以使覆盖有第二薄膜216的各微凸块215形成多个微聚光镜218。其中此沉积工艺可以为一常压化学气相沉积工艺或一次常压化学气相沉积工艺等，以使得所沉积的第二薄膜216具有较平滑的表面。同样的，第二薄膜216可以为一相同于微凸块215的无机介电材料，或一相异于微凸块215的无机介电材料，或一具有滤光功能的无机介电材料，例如一分色膜等。

值得注意的是，微凸块215的折射率大于或等于第二薄膜216的折射率。另外，本发明可选择性改变微凸块215的厚度与宽度，调整各个微聚光镜218的形状、曲率等。本发明也可以选择性地对第二薄膜216再进行一回蚀刻工艺，用以调整第二薄膜216的厚度。此外，本发明亦可以选择性地再进行一热工艺以消除微凸块215的图案化第一薄膜213、间隙壁214与第二薄膜216间的介面，如同第一实施例的图8所示，其中此热工艺的温度大于250℃。

请参考图14至图17，图14至图17为详细解说本发明第三优选实施例的制作方法各步骤的结构剖面示意图。如图14所示，本发明首先提供一基底300，且基底300上具有一介电层302。如同上述各实施例的态样，基底300亦包括有多个感光性的结构296、CMOS晶体管(未显示)以及多个浅沟隔离298等，而介电层302则可包括有一间介电(ILD)层303、多个金属层304、一金属间介电(IMD)层305、多个金属层306、一平坦化层307以及一保护层308等的结构，在此亦不多加赘述。

接着，如图15所示，进行一沉积工艺，以于介电层302表面形成一第一薄膜310，随后再形成一图案化光致抗蚀剂层312于第一薄膜310上，用以定义各微聚光镜的位置。其中，图案化光致抗蚀剂层312是利用一半色调光掩模(halftone mask)所形成，所以在曝光后，其可以形成一半圆形、半椭圆形、或阶梯状的图案化光致抗蚀剂层312，此外，第一薄膜310可以包括一无机介电材料。

然后，如图16所示，利用图案化光致抗蚀剂层312当作蚀刻掩模来对第一薄膜310进行一各向异性蚀刻工艺，以将图案化光致抗蚀剂层312的图案转移至第一薄膜310中，形成多个与图案化光致抗蚀剂层312相同形状的微凸块314。其中此各向异性蚀刻工艺可以选择使用一各向异性干蚀刻工艺，例如一溅击蚀刻工艺、一等离子体蚀刻工艺、或一反应性离子蚀刻工艺等。

最后，如图17所示，进行一沉积工艺，于介电层302与各个微凸块314上沉积一第二薄膜316，以使覆盖有第二薄膜316的各微凸块314形成多个微聚光镜318。同样地，此沉积工艺可以为一常压化学气相沉积工艺或一次常压化学气相沉积工艺等，以使得所沉积的第二薄膜316具有较平滑的表面，而且第二薄膜316亦可以为一相同于微凸块314的无机介电材料，或一相异于微凸块314的无机介电材料，或一具有滤光功能的无机介电材料，例如一分色膜等。

值得注意的是，微凸块314的折射率大于或等于第二薄膜316的折射率。另外，本发明可选择性改变微凸块314的厚度与宽度，调整各个微聚光镜318的形状、曲率等。本发明也可以选择性地对第二薄膜316再进行一回蚀刻工艺，用以调整第二薄膜316的厚度。此外，本发明亦可以选择性地再进行一热工艺以消除微凸块314与第二薄膜316间的介面，如同第一实施例的图8所示，其中此热工艺的温度大于250℃。

综上所述，由于本发明可以利用蚀刻工艺先形成一无机介电材料的微凸块，再搭配使用化学气相等的沉积工艺形成一无机介电材料的光学膜以制作微聚光镜，因此本发明所制作的微聚光镜可以应用在250℃以上的高温环境，例如应用于高温环境的图像感测器或特殊用途的激光读写装置等，而不会产生破裂、变形等问题。并且由于无机介电材料的硬度够高，例如氮化硅等，对碱金属离子的防堵能力很高，且不容易被水气所渗透，故本发明可以不需要在微聚光镜上额外制作一保护层。此外，当本发明制作的微聚光镜应用于互补式金属氧化物半导体晶体管图像感测器和电荷耦合装置等图像感测装置时，本发明还可以使用红色、绿色、蓝色滤光层、分色膜等的各式可以分离色彩的光学膜，沉积于微凸块上，如此一来便可以取代现有技术中位于光电二极管上方的彩色滤光阵列，不但降低成本，还可以减少微聚光镜与光电二极管之间的距离，以进一步将歪斜光线(obliquelight)所产生的问题极小化。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (30)

1.一种制作微聚光镜的方法，包括下列步骤：

提供基底，且该基底上具有至少一介电层；

于该介电层表面形成第一薄膜；

蚀刻该第一薄膜以形成至少一微凸块；以及

于该微凸块表面与该介电层表面形成第二薄膜，且该第二薄膜与该微凸块即构成该微聚光镜。

2.如权利要求1所述的方法，其中该基底具有至少一感光元件。

3.如权利要求1所述的方法，其中蚀刻该第一薄膜以形成该微凸块的方法又包括：

形成图案化光致抗蚀剂层于该第一薄膜上；

利用该图案化光致抗蚀剂层作为掩模蚀刻该第一薄膜以形成该微凸块；以及

去除该图案化光致抗蚀剂层。

4.如权利要求3所述的方法，其中在去除该图案化光致抗蚀剂层之后，又包括圆角化该微凸块的步骤。

5.如权利要求4所述的方法，其中该圆角化该微凸块的步骤包括热回流或蚀刻。

6.如权利要求1所述的方法，还包括回蚀刻该第二薄膜的步骤。

7.如权利要求1所述的方法，其中该微凸块的折射率大于或等于该第二薄膜的折射率。

8.如权利要求1所述的方法，其中该微凸块与该第二薄膜皆为相同的介电材料。

9.如权利要求8所述的方法，其中该介电材料包括无机介电材料。

10.如权利要求1所述的方法，其中该第二薄膜包括滤光材料或分色膜。

11.如权利要求1所述的方法，其中该微凸块的形状为半圆形、梯形、矩形、或具有圆角的梯形或矩形。

12.如权利要求1所述的方法，还包括温度大于250℃的热工艺，用以消除该微凸块与该第二薄膜间的介面。

13.一种制作微聚光镜的方法，包括下列步骤：

提供基底，且该基底上具有至少一介电层；

于该介电层表面形成第一薄膜；

蚀刻该第一薄膜以形成图案化第一薄膜；

于该图案化第一薄膜的周围形成间隙壁，且该图案化第一薄膜与该间隙壁构成微凸块；以及

于该微凸块表面与该介电层表面形成第二薄膜，且该第二薄膜与该微凸块即构成该微聚光镜。

14.如权利要求13所述的方法，其中该基底具有至少一感光元件。

15.如权利要求13所述的方法，其中蚀刻该第一薄膜以形成该图案化第一薄膜的方法又包括：

形成图案化光致抗蚀剂层于该第一薄膜上；

利用该图案化光致抗蚀剂层作为掩模蚀刻该第一薄膜以形成该图案化第一薄膜；以及

去除该图案化光致抗蚀剂层。

16.如权利要求13所述的方法，还包括回蚀刻该第二薄膜的步骤。

17.如权利要求13所述的方法，其中该微凸块的折射率大于或等于该第二薄膜的折射率。

18.如权利要求13所述的方法，其中该微凸块与该第二薄膜皆为相同的介电材料。

19.如权利要求18所述的方法，其中该介电材料包括无机介电材料。

20.如权利要求13所述的方法，其中该第二薄膜包括滤光材料或分色膜。

21.如权利要求13所述的方法，还包括温度大于250℃的热工艺，用以消除该微凸块与该第二薄膜间的介面。

22.一种微聚光镜结构，适用于半导体元件，包括：

基底，且该基底上具有至少一介电层；

至少一微凸块，设置于该介电层上；以及

光学膜，覆盖于该微凸块表面与该介电层表面，且该光学膜与该微凸块构成该微聚光镜。

23.如权利要求22所述的微聚光镜结构，其中该基底具有至少一感光元件。

24.如权利要求22所述的微聚光镜结构，其中该微凸块包括有图案化第一薄膜，以及间隙壁环绕于该图案化第一薄膜的周围。

25.如权利要求22所述的微聚光镜结构，其中该微凸块的形状包括半圆形、梯形、矩形、或具有圆角的梯形或矩形。

26.如权利要求22所述的微聚光镜结构，其中该微凸块的折射率大于或等于该光学膜的折射率。

27.如权利要求22所述的微聚光镜结构，其中该微凸块与该光学膜包括相同的介电材料。

28.如权利要求27所述的微聚光镜结构，其中该介电材料为无机介电材料。

29.如权利要求22所述的微聚光镜结构，其中该光学膜包括滤光材料或分色膜。

30.如权利要求22所述的微聚光镜结构，其中该半导体元件为互补式金属氧化物半导体晶体管图像感测器，且该基底上还具有至少一光电二极管相对应于该微聚光镜结构。

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