CN101373737B - Cmos图像感测元件的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CMOS图像感测元件的制作方法，该方法包含有：提供定义有传感器阵列区与周边区的基底、在该周边区形成至少一接触垫、形成覆盖该接触垫的第一介电层、进行第一蚀刻工艺，移除部分该第一介电层，以暴露出该接触垫并形成阶差。在该周边区内形成光挡层，并形成多个彩色滤光片于该传感器阵列区内。最后，在这些彩色滤光片及该光挡层上形成平坦层，并在平坦层表面形成多个微透镜。

Description

CMOS图像感测元件的制作方法

技术领域

本发明涉及一种CMOS图像传感器的制作方法，尤指一种涉及CMOS图像传感器后段工艺(back-end-of-line)的制作方法。

背景技术

随着数字相机、电子扫描产品不断地开发与成长，市场上对图像感测元件的需求随的持续增加，目前常用的图像感测元件包含有电荷耦合感测元件(charge coupled device，CCD sensor)以及互补式金属氧化物半导体图像感测元件(complementary metal oxide semiconductor，CMOS image sensor，CIS)两大类。而CMOS图像感测元件因具有低操作电压、低功率消耗与高操作效率、并可根据需要进行随机存取(random access)等优点，以及可整合于目前的半导体技术来大量制造的优势，因此受到极广泛的应用。

CMOS图像传感器的感光原理将入射的光线区分为各种不同波长光线的组合，例如入射光系被区分为红、蓝、绿三色光线的组合，再分别由半导体基底上的多个光学感测元件(optically sensitive element)如感光二极管(photodiode)予以接收，并将的转换为不同强弱的数字信号。由此可知，各光学感测元件上方必须形成彩色滤光阵列以区分入射光线的波长。

请参阅图1至图5，图1至图5为已知的CMOS图像感测元件的制作方法的示意图。如图1所示，首先提供半导体基底12，半导体基底12上定义有传感器阵列区(sensor array region)14与周边区16。在半导体基底12表面形成多个用来收集光线的感光二极管18、多个CMOS晶体管(图未示)、以及多个设置于感光二极管18周围的浅沟槽隔离(shallow trench isolation，以下简称为STI)20。随后在半导体基底12上形成至少一介电层22。接下来在传感器阵列区14内的介电层22上形成多个图案化金属层24，用以构成CMOS感测元件的金属内连线，并可增加散射光线的阻挡效果。与此同时，在周边区16内的介电层22上形成至少一图案化金属层，用以作为连接外部元件的接触垫26。

请参阅图1与图2。接下来在介电层22上形成另一覆盖图案化金属层24与接触垫26的介电层28。并通过图案化的光致抗蚀剂(图未示)作为蚀刻掩模进行蚀刻工艺，去除位于接触垫26上方的部分介电层28，以在介电层28中形成如图2所示的暴露出接触垫26表面的开口30。

请参阅图3与图4。在介电层28上形成由钛或氧化钛等不透光金属所构成的遮盖层32，遮盖层32覆盖接触垫26表面。如图3所示，接下来在遮盖层32表面形成光致抗蚀剂层，并利用开口30作为对准记号进行对准(alignment)步骤，与进行已知的曝光及显影步骤以获得图案化光致抗蚀剂层42。而此图案化光致抗蚀剂层42用以作为蚀刻掩模进行另一蚀刻工艺，用以去除接触垫26表面与部分介电层28上的遮盖层32，而在邻近传感器阵列区14的周边区16内的介电层28上形成如图4所示的光挡层34，用以遮挡外界环境光源经由周边区16散射进入传感器阵列区14内。

接下来请参阅图5。在传感器阵列区14的介电层28上形成多个彩色滤光片36。彩色滤光片36包含有红色滤光片、绿色滤光片、蓝色滤光片甚或其他颜色的滤光片，且各彩色滤光片36分别对应于半导体基底12表面的各感光二极管18。其制作步骤可概述如下：首先利用旋转涂布(spin coating)方法在介电层28表面形成包含有感光材料的绿色滤光层(图未示)，随后利用具有绿色滤光片图案的光掩模进行曝光及显影工艺，将图案转移至绿色滤光层而形成多个绿色滤光片。相同的步骤可用以制作蓝色滤光片以及红色滤光片，进而完成彩色滤光片36的制作。

请继续参阅图5。接下来在彩色滤光片36表面形成平坦层38，平坦层38覆盖光挡层34。最后在平坦层38表面形成由压克力材料(acrylate material)构成的聚合层(图未示)，并通过曝光、显影、及烘烤等工艺而形成多个分别对应于彩色滤光片36的微透镜(micro-lenses)40，完成CMOS图像感测元件10的制作。

如上所述，已知技术中，各彩色滤光层在暴露出接触垫26表面的开口30形成后，利用旋转涂布法形成于介电层38上。然而开口30的存在会使得各彩色滤光层在旋转涂布时积存于开口30内，影响后续形成的彩色滤光片36，使彩色滤光片36的厚度不均匀，即产生箭影(striation)的情形。而当箭影延伸至传感器阵列区14时，便会影响像素表现(pixel performance)，例如影响色彩饱和度(saturation)等。

发明内容

因此，本发明在此提供一种CMOS图像传感器的制作方法，以改善已知技术中因制作彩色滤光片时箭影的产生，而影响CMO图像传感器像素表现的缺点。

根据本发明的权利要求，提供一种CMOS图像感测元件的制作方法。首先提供定义有传感器阵列区(sensor array region)与周边区的基底，随后形成至少一接触垫于该基底上的该周边区，以及形成第一介电层于该基底上，而该第一介电层覆盖该接触垫。接下来进行第一蚀刻工艺，移除位于该周边区的部分该第一介电层，以暴露出该接触垫以形成阶差(step height)。在该周边区的该第一介电层上形成光挡层(optical shielding layer)，并形成多个彩色滤光片于该传感器阵列区的该第一介电层上。最后，形成平坦层于这些彩色滤光片及该光挡层上，并形成多个微透镜于该平坦层表面。

根据本发明的权利要求，还提供一种CMOS图像感测元件的制作方法。首先提供定义有传感器阵列区与周边区的基底。随后形成至少一接触垫于该基底上的该周边区，并形成介电层于该基底上，而该介电层覆盖该接触垫。接下来进行第一蚀刻工艺，移除位于该周边区的部分该介电层，以形成多个阶差。随后在该周边区的该介电层上形成光挡层、形成多个彩色滤光片于该传感器阵列区的该介电层上。最后形成平坦层于这些彩色滤光片及该光挡层上，并形成多个微透镜于该平坦层表面。

根据本发明所提供的方法，接触垫所在之处形成阶差，而非凹陷，因此在旋转涂布彩色滤光层时，将不会因凹陷或开口的存在，使得彩色滤光层在旋转涂布时积存于开口内，因此可避免箭影的产生，同时避免箭影对CMOS图像传感器产生的图像。

附图说明

图1至图5为已知的CMOS图像感测元件的制作方法的示意图。

图6至图14为本发明所提供的CMOS图像感测元件的制作方法的第一优选实施例。

图15至图21为本发明所提供的CMOS图像感测元件的制作方法的第二优选实施例。

附图标记说明

10 CMOS图像感测元件

12 半导体基底          14 传感器阵列区

16 周边区              18 感光二极管

20 浅沟隔离            22 介电层

24 图案化金属层        26 接触垫

28 介电层              30 开口

32 遮盖层              34 光挡层

36 彩色滤光片          38 平坦层

40 微透镜              42 光致抗蚀剂层

50 CMOS图像感测元件

52 基底                54 传感器阵列区

56 周边区              58 感光二极管

60 浅沟槽隔离          62 介电层

64 图案化金属层        66 接触垫

68 介电层              70 阶差

72 遮盖层              74 光致抗蚀剂层

76 光挡层              78 介电层

80 彩色滤光片          82 平坦层

84 微透镜              86 保护层

88 开口

具体实施方式

请参阅图6至图14，图6至图14为本发明所提供的CMOS图像感测元件的制作方法的第一优选实施例。如图6所示，首先提供基底52，基底52上定义有传感器阵列区54与周边区56。传感器阵列区54的基底52内形成有多个用来收集光线的感光二极管58、多个CMOS晶体管(图未示)、以及多个设置于感光二极管58周围的绝缘体(insulator)如浅沟槽隔离(STI)60。随后在基底52上形成至少一介电层62。

请参阅图7。接下来进行至少一金属内连线工艺，在传感器阵列区54内的介电层62上形成多个图案化金属层64，用以构成CMOS感测元件的金属内连线，并用以增加散射光线的阻挡效果。此外，可利用相同或不同的工艺，在周边区56内的介电层62上形成至少一图案化金属层，用以作为连接外部元件的接触垫66。随后在基底52上再形成覆盖图案化金属层64以及接触垫66的介电层68。

请参阅图8。接下来进行第一蚀刻工艺，移除部分介电层68，以暴露出接触垫66以形成阶差(step height)70，而阶差70的高度范围为1000～2000埃(angstrom)。

请参阅图9与图10，接下来进行光挡层的制作。首先在介电层68表面形成遮盖层72，遮盖层72为钛或氧化钛等不透光的金属材料层；并在遮盖层72上形成光致抗蚀剂层74。随后利用具有光挡层图案的光掩模进行曝光及显影步骤，以及后续的蚀刻步骤来图案化遮盖层72，而在邻近传感器阵列区54的周边区56内形成如图10所示的光挡层76。值得注意的是，由于遮盖层72为不透光的金属层，且遮盖层72形成于基底52上时，完全覆盖其前层，即介电层68与接触垫66，因此在实际的工艺上，不透光的遮盖层72本会造成光掩模与基底对准的困难。然而本发明由于阶差70的存在，故在进行光掩模与基底52的对准步骤时，阶差70还可作为对准记号，而完全克服原本对准步骤所面对的困难，并于正确的预定位置上形成光挡层76。

此外，由于遮盖层72与接触垫66皆为金属材料，为避免图案化遮盖层72形成光挡层76的步骤中，因两金属材料的低蚀刻比而造成接触垫66的损害，因此在本第一优选实施例中，亦可如图11所示，在接触垫66经由第一蚀刻工艺暴露出来后，以及进行光挡层76制作之前，在基底52上再形成覆盖介电层68与接触垫66的介电层78。值得注意的是，覆盖接触垫66部分的介电层78亦会形成阶差70，同理，阶差70的高度范围为1000～2000埃，且阶差70可在后续光挡层76的制作中用以作为光掩模与基底52的对准标记。

随后，如前所述，在遮盖层72上形成光致抗蚀剂层74。随后利用具有光挡层图案的光掩模进行曝光及显影步骤，以及后续的蚀刻步骤来图案化遮盖层72，而在周边区56的介电层78上形成如图11所示的光挡层76。由此可知，介电层78还可在图案化遮盖层72时可保护接触垫66，使其避免在光挡层76的制作中遭受损害。

请参阅图12。接下来形成多个彩色滤光片80于传感器阵列区54的介电层68上。而形成这些彩色滤光片的步骤可归纳如下：首先进行第一旋转涂布(spin coating)工艺，以在基底52表面形成第一彩色滤光层(图未示)，利用具有第一彩色滤光片图案的光掩模对第一彩色滤光层进行第一图案转移步骤，以在传感器区域54的介电层68上形成至少第一彩色滤光片。接下来进行第二旋转涂布工艺，以在基底52表面形成第二彩色滤光层(图未示)，并利用具有第二彩色滤光片图案的光掩模对第二彩色滤光层进行第二图案转移步骤，以在传感器区域54的介电层68上形成至少第二彩色滤光片。最后进行第三旋转涂布工艺，以在基底表面形成第三彩色滤光层(图未示)，再利用具有第三彩色滤光片图案的光掩模对第三彩色滤光层进行第三图案转移步骤，以在传感器区域54的介电层68上形成至少第三彩色滤光片，并完成彩色滤光阵列的制作。此后，再利用沉积与蚀刻等工艺，在彩色滤光片80与光挡层76上形成平坦层82，并在平坦层82表面形成多个微透镜84、以及选择性的保护层86。

此外，请参阅图13与图14。若本实施例有选择性地形成覆盖介电层68与接触垫66的介电层78时，同样地，彩色滤光片80、平坦层82、微透镜84、选择性保护层86可依上述步骤形成于介电层78表面。而如图14所示，在完成微透镜84与保护层86的制作后，再进行第二蚀刻工艺，用以蚀刻部分保护层86与介电层78，形成开口88并暴露出接触垫66，完成CMOS图像感测元件50的制作。另外，第二蚀刻工艺亦可直接进行于完成微透镜84的制作后。

值得注意的是，由于第一、第二、第三彩色滤光层皆是利用旋转涂布工艺形成于介电层68/78上，而根据本第一优选实施例所提供的方法，在基底52并不会有任何凹陷的存在，因此在进行旋转涂布工艺时，彩色滤光层将不会积存于凹陷中，造成箭影的产生。

请参阅图15至图21，图15至图21为本发明所提供的CMOS图像感测元件的制作方法的第二优选实施例，而图15至图21中凡与图6至图14相同的元件，皆以相同的标号说明。首先，如图15所示，提供基底52，基底52上定义有传感器阵列区54与周边区56。传感器阵列区54的基底50内形成有多个用来收集光线的感光二极管58、多个CMOS晶体管(图未示)、以及多个设置于感光二极管58周围的绝缘体如浅沟槽隔离(STI)60。随后在半导体基底52上形成至少一介电层62。

请继续参阅图15。接下来进行至少一金属内连线工艺，在传感器阵列区54内的介电层62上形成多个图案化金属层64，用以构成CMOS感测元件的金属内连线，并用以增加散射光线的阻挡效果。此外，可利用相同或不同的工艺，在周边区56内的介电层62上形成至少一图案化金属层，用以作为连接外部元件的接触垫66。随后在基底52上再形成覆盖图案化金属层64以及接触垫66的介电层68。

请参阅图16。接下来进行第一蚀刻工艺，移除部分介电层68，以形成多个阶差70，而阶差70的高度范围为1000～2000埃(angstrom)。此外，依工艺所需，亦可如图17所示，先在介电层68上形成另一介电层(图未示)，再通过第一蚀刻工艺移除部分该介电层，而形成如图17所示的多个凸起70。

请参阅图18与图19。接下来进行光挡层的制作。首先在介电层68表面形成遮盖层72，遮盖层72为钛或氧化钛等不透光的金属材料层；并在遮盖层72上形成光致抗蚀剂层。随后利用具有光挡层图案的光掩模进行曝光及显影步骤以图案化光致抗蚀剂层，并利用图案化光致抗蚀剂层74作为掩模图案化遮盖层72，而在邻近传感器阵列区54的周边区56内形成如图19所示的光挡层76。

值得注意的是，由于遮盖层72为不透光的金属层，且遮盖层72形成于基底52上时，完全覆盖其前层，即介电层68与接触垫66，因此本会造成光掩模与基底对准的困难。然而由于阶差70的存在，在进行光掩模与基底52的对准步骤时，阶差70还可作为对准记号，而完全克服原本对准步骤所面对的困难，并在正确的预定位置上形成光挡层76。此外，由于本第二优选实施例的第一蚀刻工艺仅移除部分的介电层68，而不暴露接触垫66，因此可有效避免光挡层76与接触垫66的两金属材料的低蚀刻比的问题。

请参阅图20。接下来形成多个彩色滤光片80于传感器阵列区54的介电层68上。而形成这些彩色滤光片的步骤可归纳如下：首先进行第一旋转涂布工艺，以在基底52表面形成第一彩色滤光层(图未示)，利用具有第一彩色滤光片图案的光掩模对第一彩色滤光层进行第一图案转移步骤，以在传感器区域54的介电层68上形成至少第一彩色滤光片。接下来进行第二旋转涂布(spin coating)工艺，以在基底52表面形成第二彩色滤光层(图未示)，并利用具有第一彩色滤光片图案的光掩模对第二彩色滤光层进行第二图案转移步骤，以在传感器区域54的介电层68上形成至少第二彩色滤光片。最后进行第三旋转涂布工艺，以在基底表面形成第三彩色滤光层(图未示)，再利用具有第一彩色滤光片图案的光掩模对第三彩色滤光层进行第三图案转移步骤，以在传感器区域54的介电层68上形成至少第三彩色滤光片，并完成彩色滤光阵列的制作。此后，再利用沉积与蚀刻等工艺，在彩色滤光片80与光挡层76上形成平坦层82，并在平坦层82表面形成多个微透镜84、以及选择性的保护层86。

请参阅图21。完成微透镜84与保护层86的制作后，再进行第二蚀刻工艺，用以蚀刻部分保护层86与介电层68，形成开口88并暴露出接触垫66，同时完成CMOS图像感测元件50的制作；同理此第二蚀刻工艺亦可直接进行于完成微透镜84制作之后。

值得注意的是，由于第一、第二、第三彩色滤光层皆是利用旋转涂布工艺形成于介电层68上，而根据本第二优选实施例所提供的方法，暴露出接触垫66的开口在彩色滤光片80制作完成后始形成，也就是说，在旋转涂布彩色滤光层时，基底52上并不会有任何凹陷的存在，因此彩色滤光层将不会积存于凹陷中，造成箭影的产生。

综上所述，根据本发明所提供的方法，基底表面形成有阶差，而非凹陷，因此在旋转涂布彩色滤光层时，将不会因凹陷或开口的存在，使得彩色滤光层于旋转涂布时积存于开口内，因此可避免箭影的产生，同时避免箭影对CMOS图像传感器产生的图像。此外，由于这些阶差的存在，在进行光挡层的制作时，还可增进光挡层与前层的对准准确度，在提升工艺成品率的同时更提升CMOS图像传感器的表现。

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等同变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (19)

1.一种CMOS图像感测元件的制作方法，包含有：

提供基底，该基底定义有传感器阵列区与周边区；

形成至少一接触垫于该基底上的该周边区；

形成第一介电层于该基底上，且该第一介电层覆盖该接触垫；

进行第一蚀刻工艺，移除部分该第一介电层，以暴露出该接触垫以形成阶差；

在该周边区的该第一介电层上形成光挡层；

形成多个彩色滤光片于该传感器阵列区的该第一介电层上；

形成平坦层于这些彩色滤光片及该光挡层上；以及

形成多个微透镜于该平坦层表面。

2.如权利要求1所述的方法，其中该阶差的高度范围为1000-2000埃。

3.如权利要求1所述的方法，其中形成该光挡层的步骤还包含有：

在该第一介电层表面形成遮盖层；

在该遮盖层表面形成光致抗蚀剂层；

提供具有光挡层图案的光掩模，并进行对准步骤；

利用该光掩模进行曝光及显影步骤，以图案化该光致抗蚀剂层；以及

利用该光致抗蚀剂层作为掩模蚀刻该遮盖层而在该周边区的该第一介电层上形成该光挡层。

4.如权利要求3所述的方法，其中该暴露出的该接触垫用以作为该对准步骤中的对准标记。

5.如权利要求3所述的方法，还包含形成第二介电层的步骤，在形成该光挡层之前进行，且该第二介电层覆盖该第一介电层与该暴露接触垫所形成的该阶差。

6.如权利要求5所述的方法，其中该阶差用以作为该对准步骤中的对准标记。

7.如权利要求5所述的方法，其中该阶差的高度范围为1000-2000埃。

8.如权利要求5所述的方法，还包含第二蚀刻工艺，在形成这些微透镜之后进行，用以蚀刻部分该第二介电层并暴露出该接触垫。

9.如权利要求1所述的方法，其中该光挡层包含有钛或氧化钛。

10.如权利要求1所述的方法，其中该传感器阵列区域包含有形成于该传感器阵列区域中的多个感光二极管，以及设置于这些感光二极管间的该基底中的多个绝缘体。

11.如权利要求1所述的方法，其中形成这些彩色滤光片的步骤还包含有：

进行第一旋转涂布工艺，以在该基底表面形成第一彩色滤光层；

进行第一图案转移步骤，以在该传感器区域的该第一介电层上形成至少一第一彩色滤光片；

进行第二旋转涂布工艺，以在该基底表面形成第二彩色滤光层；

进行第二图案转移步骤，以在该传感器区域的该第一介电层上形成至少一第二彩色滤光片；

进行第三旋转涂布工艺，以在该基底表面形成第三彩色滤光层；以及

进行第三图案转移步骤，以在该传感器区域的该第一介电层上形成至少一第三彩色滤光片。

12.一种CMOS图像感测元件的制作方法，包含有：

提供基底，该基底定义有传感器阵列区与周边区；

形成至少一接触垫于该基底上的该周边区；

形成介电层于该基底上，且该介电层覆盖该接触垫；

进行第一蚀刻工艺，移除位于该周边区的部分该介电层，以形成多个阶差；

在该周边区的该介电层上形成光挡层；

形成多个彩色滤光片于该传感器阵列区的该介电层上；

形成平坦层于这些彩色滤光片及该光挡层上；以及

形成多个微透镜于该平坦层表面。

13.如权利要求12所述的方法，其中形成该光挡层的步骤还包含有：

在该介电层表面形成遮盖层；

在该遮盖层表面形成光致抗蚀剂层；

提供具有光挡层图案的光掩模，并进行对准步骤；

利用该光掩模进行曝光及显影步骤，以图案化该光致抗蚀剂层；以及

利用该光致抗蚀剂层作为掩模蚀刻该遮盖层而于该周边区的该介电层上形成该光挡层。

14.如权利要求13所述的方法，其中这些阶差用以作为该对准步骤中的对准标记。

15.如权利要求14所述的方法，其中这些阶差的高度范围为1000-2000埃。

16.如权利要求12所述的方法，还包含第二蚀刻工艺，在形成这些微透镜之后进行，用以蚀刻该介电层并暴露出该接触垫。

17.如权利要求12所述的方法，其中该光挡层包含有钛或氧化钛。

18.如权利要求12所述的方法，其中该传感器阵列区域包含有形成于该传感器阵列区域中的多个感光二极管，以及设置于这些感光二极管间的该基底中的多个绝缘体。

19.如权利要求12所述的方法，其中形成这些彩色滤光片的步骤还包含有：

进行第一旋转涂布工艺，以在该基底表面形成第一彩色滤光层；

进行第一图案转移步骤，以在该传感器区域的该第一介电层上形成至少一第一彩色滤光片；

进行第二旋转涂布工艺，以在该基底表面形成第二彩色滤光层；

进行第二图案转移步骤，以在该传感器区域的该第一介电层上形成至少一第二彩色滤光片；

进行第三旋转涂布工艺，以在该基底表面形成第三彩色滤光层；以及

进行第三图案转移步骤，以在该传感器区域的该第一介电层上形成至少一第三彩色滤光片。

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