CN102194836A - 图像感测元件的制造方法及其重新制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图像感测元件的制造方法。首先，提供具有像素阵列区以及接合垫区的基底。接着，在基底上依序由下往上形成图案化金属层以及第一平坦化层。其中，第一平坦化层中具有暴露出接合垫区的图案化金属层的开口。然后，在像素阵列区的第一平坦化层上形成彩色滤光阵列以及覆盖其上的第二平坦化层，且第二平坦化层填入第一平坦化层的开口中。之后，在相对应彩色滤光阵列的第二平坦化层上形成多个微透镜。接着，在微透镜与第二平坦化层上顺应性形成覆盖层。然后，进行蚀刻步骤，移除开口中的覆盖层及第二平坦化层，以暴露出接合垫区的图案化金属层。

Description

图像感测元件的制造方法及其重新制作方法

技术领域

本发明涉及一种半导体元件的制造方法，且特别涉及一种图像感测元件的制造方法及其重新制作方法。

背景技术

在现行技术中，用来将光转换为电子信号的光学电路元件包括互补式金氧半导体晶体管图像传感器(CMOS image sensor，CIS)和电荷偶合装置(charge coupled devices，CCDs)。

由于CIS能在较低的工作电压下进行操作，并消耗较少的功率，且能以传统的互补式金氧半导体逻辑工艺制作，以大幅减少所需成本及元件尺寸。因此，CIS已逐渐取代CCDs，并应用于数字电子产品中。

图1绘示为已知的互补式金氧半导体晶体管图像传感器的剖面示意图。

请参考图1，互补式金氧半导体晶体管图像传感器包括像素阵列区101与接合垫区103，以分别制作在半导体基底100上。半导体基底100中设置有多个浅沟槽隔离结构102，且多个感光二极管(photodiode)设置于半导体基底100的光感测区104中，而这些浅沟槽隔离结构102环绕于光感测区104的周围。上述的光感测区104与设置于半导体基底100的表面的CMOS晶体管(未显示)电性连接，而浅沟槽隔离结构102则是用来避免光感测区104与其他元件相接触而发生短路。

另外，在半导体基底100上设置有多层金属内连线与层间介电层106，覆盖光感测区104与浅沟槽隔离结构102。在多层金属内连线与层间介电层106上设置有多个图案化金属层108以及图案化金属层110。其中，图案化金属层110作为接合垫。半导体基底100上方还设置有另一平坦化层112，以覆盖住图案化金属层108、110，而平坦化层112中具有开口114，其暴露出图案化金属层110。

彩色滤光阵列(color filter array，CFA)116是由红色、绿色、蓝色(R/G/B)滤光图案所构成，其设置在相对应于像素阵列区101的感光区104上方。另外，在彩色滤光阵列116上设置有平坦化层118，且在平坦化层118上设置有多个微透镜(microlens)120。

在目前的工艺中，完成互补式金氧半导体晶体管图像传感器的制作后，还会在微透镜(microlens)120上，形成一层氧化层以作为覆盖层130，以保护元件表面。

然而，在图像传感器的工艺结束(Fab-out)前或进行元件的性能测试(Cp/FT测试)时，若发现彩色滤光阵列或微透镜的制作出现瑕疵，则又会因设置于最上层的覆盖层130不易完全被移除或过蚀刻(over etching)，而无法重新制作(re-work)彩色滤光阵列、微透镜等膜层，造成整个晶片报废、良率降低及成本增加等问题。

因此，需要一种新颖的互补式金氧半导体晶体管图像传感器的制法，以解决上述的问题。

发明内容

本发明的目的就是在提供一种图像感测元件的制造方法，能够使工艺较为简化，且可使所制作的元件能够重新制作。

本发明的另一目的是提供一种图像感测元件的重新制作方法，能够提高良率以及降低工艺成本。

本发明提出一种图像感测元件的制造方法，其方法包括以下步骤。首先，提供一个基底，此基底具有像素阵列区以及接合垫区。而且，基底中形成有光感测单元阵列及用以隔离各光感测单元的多个隔离结构。接着，在基底上依序由下往上形成图案化金属层以及第一平坦化层。其中，第一平坦化层中具有开口，以暴露出接合垫区的图案化金属层。然后，在像素阵列区的第一平坦化层上形成彩色滤光阵列。随后，在第一平坦化层上形成第二平坦化层。第二平坦化层覆盖彩色滤光阵列，且填入第一平坦化层的开口中。之后，在相对应彩色滤光阵列的第二平坦化层上形成多个微透镜。接着，在微透镜与第二平坦化层上顺应性形成覆盖层。然后，进行蚀刻步骤，移除开口中的覆盖层及第二平坦化层，以暴露出接合垫区的图案化金属层。

在本发明的优选实施例中，在形成第二平坦化层之后，还可对第二平坦化层进行曝光步骤。

在本发明的优选实施例中，在形成彩色滤光阵列之前，可进一步在基底上方顺应性形成底衬层，以覆盖第一平坦化层以及接合垫区的图案化金属层。承上述，前述的蚀刻步骤则需包括移除开口中的底衬层。上述的底衬层的材料例如是光阻材料，其形成方法例如是涂布法。

在本发明的优选实施例中，上述的覆盖层例如是氧化层。

在本发明的优选实施例中，上述的第二平坦化层的材料例如是光阻材料。

在本发明的优选实施例中，上述的第一平坦化层例如是一或多层介电材料层。

本发明提出一种图像感测元件的重新制作方法，其适于重新制作上述的方法所制作的图像感测元件。此重新制作方法，首先为进行一第一蚀刻工艺，以移除覆盖层。然后，进行第二蚀刻工艺，依序移除第一平坦化层上方的各层。接着，进行清洗步骤，以移除第一平坦化层表面的残留物。

在本发明的优选实施例中，上述的该第一蚀刻工艺为氧化物蚀刻工艺。

在本发明的优选实施例中，上述的该第二蚀刻工艺为等离子体工艺。

在本发明的优选实施例中，上述的清洗步骤包括使用一碱性溶剂。

在本发明的优选实施例中，在进行清洗步骤之前，还包括对第一平坦化层表面进行预清洗步骤。上述的预清洗步骤例如是使用含有机溶剂的混合溶液，而混合溶液例如是使用N-甲基-2-呲咯烷酮与丙酮。

本发明的制造方法是在依序形成彩色滤光阵列、第二平坦化层、微透镜及覆盖层后，才进行蚀刻步骤，以暴露出接合垫区的图案化金属层。相较于已知技术是在第二平坦化层形成后即进行蚀刻步骤，本发明可减少一道光掩模，使得工艺较为简化。特别是，本发明的制造方法可避免不易完全移除覆盖层或过蚀刻的问题，以使所制作的元件能够重新制作。而且，本发明的重新制作方法能够在发现异常时进行重新制作(re-work)，以取代已知将元件报废的方法，因而可提高良率以及降低工艺成本。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附图示，作详细说明如下。

附图说明

图1绘示为已知的互补式金氧半导体晶体管图像传感器的剖面示意图。

图2A至图2F为依照本发明的一实施例所绘示的图像感测元件的制造流程剖面图。

图3为依照本发明的一实施例所绘示的图像感测元件的重新制作方法的步骤流程图。

附图标记说明

100：半导体基底

101、202：像素阵列区

102：浅沟槽隔离结构

103、206：接合垫区

104：光感测区

106、212：多层金属内连线与层间介电层

112、118、216、224：平坦化层

108、110、214a、214c：图案化金属层

114、218：开口

116、222：彩色滤光阵列

120、226：微透镜

130、228：覆盖层

140：区域

200：基底

208：光感测单元

210：隔离结构

216a：HDP层

216b：PETEOS层

216c：保护层

216d：顶氧化层

221：底衬层

225：曝光步骤

310、320、330、340：步骤

具体实施方式

图2A至图2F为依照本发明的一实施例所绘示的图像感测元件的制造流程剖面图。

首先，请参照图2A，提供一个基底200，此基底200例如是半导体基底。基底200具有像素阵列区202以及接合垫区206。在基底200中形成有由多个光感测单元208构成的光感测单元阵列，以及用以隔离这些光感测单元208的隔离结构210。上述的隔离结构210例如是浅沟槽隔离结构。

之后，在基底200上形成多层金属内连线与层间介电层212，覆盖各光感测单元208。上述的多层金属内连线与层间介电层212可利用已知的金属蚀刻、介电层沉积工艺所达成，或利用已知的金属镶嵌工艺所达成。

接着，请参照图2B，在像素阵列区202以及接合垫区206的多层金属内连线与层间介电层212上，形成图案化金属层214a、214c。其中，位于像素阵列区202的图案化金属层214a具有遮光功用，其是用来阻挡入射光线的散射，而位于接合垫区206的图案化金属层214c是用来当作接合垫金属层。图案化金属层214a、214c的形成方法例如是，利用溅镀法在多层金属内连线与层间介电层212上形成一层金属材料层，然后再利用蚀刻法，对金属材料层进行蚀刻以形成所需图案。

然后，在基底200上方形成平坦化层216，以覆盖住图案化金属层214a、214c与多层金属内连线与层间介电层212。平坦化层216例如为多层介电材料层结构，其可由利用高密度等离子体法形成的氧化硅层(简称HDP层)216a，以及在其上方利用等离子体增强式化学气相沉积法，由四乙氧基硅烷(tetra-ethyl-ortho-silicate，TEOS)制得的氧化硅层(简称PETEOS层)216b所组成。平坦化层216还可例如是在PETEOS层216b形成后，选择性地在其上方又再形成保护层216c。保护层216c例如是利用等离子体增强式化学气相沉积法制成的氮化硅(PE-SiN)层。或者是，还可进一步选择性地在保护层216c上，利用沉积法，形成顶氧化层216d，以防止水气进入。当然，平坦化层216亦可例如为一层介电材料层。平坦化层216可为上述膜层与其他材料膜层的任意组合。

之后，请参照图2C，移除接合垫区206的部分平坦化层216，以在平坦化层216中形成开口218，此开口218暴露出图案化金属层214c表面。上述的移除部分平坦化层216以形成开口218的方法例如是利用蚀刻法。

随后，在像素阵列区202的平坦化层216上形成彩色滤光阵列222。彩色滤光阵列222的材料为感光性的树脂，其制作方法例如是，先利用黄光、蚀刻工艺得到所需的滤光阵列图案后，再利用染料进行染色，或是直接利用含有染料的光阻作为滤光阵列材料。

在一实施例中，形成彩色滤光阵列222之前，可利用涂布法，在基底200上方顺应性形成一层底衬层221。底衬层221的功用为避免彩色滤光阵列222在后续工艺中产生剥离(peeling)。上述的底衬层221材料例如是光阻材料或其他高分子材料。

接着，请参照图2D，在平坦化层216上，形成平坦化层224。此平坦化层224覆盖住彩色滤光阵列222，且填入开口218中。上述的平坦化层224的材料例如是感光性的光阻材料或其他高分子材料。虽然图2D中所示的平坦化层224是顺应性地填入开口218中，但根据平坦化层224的厚度不同，其也可以是非顺应性地填入开口218中，或者是几乎填满开口218，甚至是平坦化层224的上表面高于216的上表面。图示中的顺应性膜层仅为一例示，但本发明不以其为限。

然后，请参照图2E，在相对应彩色滤光阵列222的平坦化层224上，形成多个微透镜226。微透镜226的形成方式例如是，在平坦化层224上，先形成由压克力材料(acrylate material)构成的聚合物层(未显示)，再进行曝光、显影以及热回流(reflow)工艺而形成的。

随后，在这些微透镜226与平坦化层224上顺应性形成覆盖层228，其例如是氧化层。此覆盖层228的功用为保护元件以避免表面遭受损伤，且具有抗反射功能，可提高元件的光感应度(photosensitivity)。而且，有利于直接进行表面清洁的步骤，移除在后续的运送或加工过程中掉落在元件表面的微粒(particle)，以提升图像传感器的图像品质。

之后，请参照图2F，移除开口218中的各层，至曝露出接合垫区206的图案化金属层214c表面，以完成本发明的图像感测元件的制作。上述所暴露出的图案化金属层214c是作为接合垫金属层，以供电性连接。

承上述，所移除的各层，即是指开口218中的氧化层228与平坦化层224，而在形成有底衬层221的实施例中，还包括要移除开口218中的底衬层221。上述的移除方法例如是在覆盖层228上形成一图案化光阻层(未显示)，然后以图案化光阻层为掩模，进行蚀刻工艺，以曝露出图案化金属层214c。

在另一实施例中，平坦化层224形成之后、微透镜226形成之前，可进行一曝光步骤225(如图2D所示)。上述的曝光步骤225可使平坦化层224与覆盖层228的热膨胀系数较为接近，以避免在后续工艺中覆盖层228会产生剥离，而影响元件效能。

由上述的实施例可知，本发明的制造方法是在依序形成彩色滤光阵列、微透镜及覆盖层后，才进行蚀刻步骤，以暴露出作为接合垫金属层的图案化金属层。相较于已知技术，本发明不需在形成位于微透镜与彩色滤光阵列之间的平坦化层后，随即进行蚀刻步骤。因此，本发明的制造方法可减少一道光掩模，使工艺较为简化。

更值得一提的是，本发明的制造方法可使所制作的图像感测元件能够重新制作(re-work)，以避免造成晶片报废、良率降低及成本增加等问题。

详言之，如图1所示，在发现元件的彩色滤光阵列或微透镜的制作出现瑕疵时，已知的图像感测元件的氧化层130，特别是位于平坦化层118的侧壁(区域140)的氧化层，并不容易完全被移除，因此无法进行重新制作。而且，为了使氧化层130完全被移除，则往往会造成过蚀刻，导致元件损伤。相反地，在本发明中则不会存在上述的问题。

接下来，以图2F所示的图像感测元件以及图3来说明本发明的元件的重新制作方法。

图3为依照本发明的一实施例所绘示的图像感测元件的重新制作方法的步骤流程图。

请同时参照图2F与图3，首先，进行第一蚀刻步骤310，以移除覆盖层228。上述的第一蚀刻步骤310例如是利用氢氟酸溶液对覆盖层228进行氧化物蚀刻工艺。

之后，进行第二蚀刻步骤320，依序移除平坦化层216上方的各层。亦即是，依序移除微透镜226、平坦化层224、彩色滤光阵列222(、底衬层221)。上述的第二蚀刻步骤320例如是，利用氧气作为气体源进行等离子体蚀刻工艺，以剥除平坦化层216上方的由光阻材料构成的各层。

接着，进行清洗步骤330，其包括使用碱性溶剂清洗平坦化层216表面，以移除前述蚀刻步骤中所产生的残留物(聚合物)。上述的碱性溶剂例如是GOS溶剂，其可与酸性的残留物(聚合物)反应，以达到移除平坦化层216表面的残留物的目的。在清洗步骤330中，使用碱性溶剂之前，可利用例如N-甲基-2-呲咯烷酮(NMP)作为缓冲溶液，而在使用碱性溶剂之后，还可进一步利用去离子水(DI water)冲洗平坦化层216表面，并接着利用异丙醇(isopropyl alcohol，IPA)溶液进行蒸汽干燥法，以去除元件表面的水分。

在一实施例中，在进行清洗步骤330之前，可对平坦化层216进行预清洗步骤340，以移除未被完全蚀刻的覆盖层228与平坦化层216的残留物(聚合物)。上述的预清洗步骤340是使用含有机溶剂的混合溶液，其例如是NMP与丙酮的混合溶液。

接着，在完成上述的重新制作方法后，即可在平坦化层216上依照本发明的图像感测元件的制造方法，来制作图像感测元件。

综上所述，在本发明的元件的制造方法中，相较于已知的方法，可减少一道光掩模以使工艺较为简化。

另外，本发明的元件的制造方法，不仅能够在元件上形成覆盖层，以保护元件表面、提高元件的光感应度以及有利于直接清洁元件表面。而且，本发明的制造方法还可避免不易完全移除覆盖层或过蚀刻的问题，以使所制作的元件能够重新制作。

此外，本发明的元件的重新制作方法能够避免在发现异常时只能将元件报废的问题，因此可提高良率以及降低工艺成本。

虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。

Claims (16)

1.一种图像感测元件的制造方法，包括：

提供一基底，该基底具有一像素阵列区以及一接合垫区，且该基底中形成有一光感测单元阵列及多个隔离结构以隔离各光感测单元；

在该基底上依序由下往上形成一图案化金属层以及一第一平坦化层，其中该第一平坦化层中具有一开口，以暴露出该接合垫区的该图案化金属层；

在该像素阵列区的该第一平坦化层上形成一彩色滤光阵列；

形成一第二平坦化层，以覆盖该彩色滤光阵列与该第一平坦化层，且填入该开口中；

在相对应该彩色滤光阵列的该第二平坦化层上形成多个微透镜；

在该些微透镜与该第二平坦化层上顺应性形成一覆盖层；以及

进行一蚀刻步骤，移除该开口中的该覆盖层及该第二平坦化层，以暴露出该接合垫区的该图案化金属层。

2.如权利要求1所述的图像感测元件的制造方法，其中在形成该第二平坦化层之后，还包括进行一曝光步骤。

3.如权利要求1所述的图像感测元件的制造方法，其中在形成该彩色滤光阵列之前，还包括在该基底上方顺应性形成一底衬层，以覆盖该第一平坦化层以及该接合垫区的该图案化金属层。

4.如权利要求3所述的图像感测元件的制造方法，其中该蚀刻步骤还包括移除该开口中的该底衬层。

5.如权利要求3所述的图像感测元件的制造方法，其中该底衬层的材料包括光阻材料。

6.如权利要求3所述的图像感测元件的制造方法，其中该底衬层的形成方法包括涂布法。

7.如权利要求1所述的图像感测元件的制造方法，其中该覆盖层包括氧化层。

8.如权利要求1所述的图像感测元件的制造方法，其中该第二平坦化层的材料包括光阻材料。

9.如权利要求1所述的图像感测元件的制造方法，其中该第一平坦化层包括一或多层介电材料层。

10.一种图像感测元件的重新制作方法，适于重新制作如权利要求1至9所述之一的方法制作的图像感测元件，该重新制作方法包括：

进行一第一蚀刻工艺，以移除该覆盖层；

进行一第二蚀刻工艺，依序移除该第一平坦化层上方的各层；以及

进行一清洗步骤，以移除该第一平坦化层表面的一残留物。

11.如权利要求10所述的图像感测元件的重新制作方法，其中该第一蚀刻工艺为氧化物蚀刻工艺。

12.如权利要求10所述的图像感测元件的重新制作方法，其中该第二蚀刻工艺为等离子体工艺。

13.如权利要求10所述的图像感测元件的重新制作方法，其中该清洗步骤包括使用一碱性溶剂。

14.如权利要求10所述的图像感测元件的重新制作方法，其中在进行该清洗步骤之前，还包括对该第一平坦化层表面进行一预清洗步骤。

15.如权利要求14所述的图像感测元件的重新制作方法，其中该预清洗步骤包括使用含有机溶剂的一混合溶液。

16.如权利要求15所述的图像感测元件的重新制作方法，其中该混合溶液包括N-甲基-2-呲咯烷酮与丙酮。

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