CN1435876A - 影像感测器的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭露一种影像感测器(image sensor)的制作方法。该影像感测器制作于一包括一感测器阵列区域的半导体基底上。首先在该半导体基底上形成一R/G/B彩色滤光阵列(color filter array，CFA)，然后在该彩色滤光阵列上形成一间隔层，再在该间隔层上形成多个聚光镜，其中该彩色滤光阵列以及该聚光镜是设置于相对应的该感测器阵列区域上方，之后涂布一缓冲层填入相邻两聚光镜之间的空间，并在该缓冲层以及该聚光镜上方沉积一保护层，该保护层的形成温度需在300℃以下，以避免影响该彩色滤光阵列。
Description
发明的领域
本发明涉及一种影像感器(image sensor)的制作方法，尤指一种互补式金氧半导体(CMOS)晶体管的影像感测器的制作方法。
背景说明
电荷耦合器件(charge-coupled devices，CCDs)是现有常用来将光转换为电子讯号的光学电路元件，其应用范围很广，包括有显示器、录音设备(transcription machine)以及照相机等等，虽然CCD的功能广泛，但是仍受限其较高的价位以及体积大小的问题。因此目前发展出一种CMOS感光二极管(photodiode)以克服CCD的缺点并降低元件成本及尺寸。由于CMOS感光二极管是以传统的半导体制作工艺制作，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等。
不论是由CCD或CMOS感光二极管所构成的影像感测装置，进入影像感测装置的入射光线都必须要被分隔成各种不同波长光线的组合，例如：红光、绿光及蓝光，然后分别由相对应的感测元件予以接收并转换为电子讯号，因此而还原得知入射光线的颜色，所以在各光学感测元件上方必须形成一彩色滤光阵列。现今彩色滤光阵列的制作是利用具有光敏感性(photosensitive)的树脂(resin)，以光刻腐蚀制作工艺(PEP)得到所需的滤光阵列图案后，再利用染料予以染色，或直接利用含有染料的光致抗蚀剂作为滤光阵列材质。
请参照图1至图3，图1至图3为现有于一半导体基底10上形成一CMOS影像感测器38的方法示意图。如图1所示，半导体基底10包括一P型井12，以及一感测器阵列(sensor array)区域I设于P型井12上。其中，感测器阵列区域I包括多个感光二极管(photodiode，未显示)设于P型井12上，以及多个浅沟隔离14设于P型井12中且环绕在该感光二极管周围，该感光二极管包括一CMOS晶体管(未显示)设于P型井12的表面，以及一光感测区16形成于P型井12表层并与该CMOS晶体管电连接；而浅沟隔离14是用来作为介电隔绝物质的绝缘层，以避免光感测区16与其他元件相接触而发生短路。
首先于半导体基底10上涂布一平坦化层(planarizing layer)18以覆盖光感测区16，接着于平坦化层18上形成多个图案金属层20相对应于感测器阵列区域I中的浅沟隔离14的上方，用来阻挡一入射光线39的散射，以及一图案化金属层22相对应于感测器阵列区域I以外的浅沟隔离14的上方，用来当作一接合垫金属层。接着于半导体基底10上涂布一平坦化层24，再于感测器阵列区域I以及的平坦化层24上形成一图案化光致抗蚀剂层(未显示)，用以定义一接合垫开口26的图案，并进行一蚀刻制作工艺以形成一接合垫开口26，通达接合垫金属层22。
接着如图2所示，于半导体基底10的感测器阵列区域I上形成一红色滤光层(未显示)，并进行一曝光与显影制作工艺，以形成一红色滤光阵列(color filter array，CFA)28相对应在该感光二极管上方。其中，该红色滤光层是由正光致抗蚀剂所构成，且该正光致抗蚀剂含有重量比例(dry weight)约10％至50％的红色染料。此外，为了加强滤光阵列的滤光效果及可靠度，在形成红色滤光阵列28之后，可以一波长约为320纳米(nm)，能量约为20J/cm2以下的紫外光进行照射后，再以一惰性气体，如氮气进行一加热制作工艺，避免光致抗蚀剂材料被氧化。其中加热的起始温度范围是60至140℃，之后以1.5℃/sec的速率提高温度，最终温度范围约160至220℃。之后重复上述步骤，于相对应的该感光二极管上方依序形成一绿色滤光阵列30与一蓝色滤光阵列32，使得红色滤光阵列28、绿色滤光阵列30与蓝色滤光阵列32构成一R/G/B彩色滤光阵列。
如图3所示，于彩色滤光阵列28、30与32上形成一间隔层(spacerlayer)34，再于间隔层34上形成一由丙烯酸脂材料(acrylate material)构成的聚合物层(未显示)，并进行一曝光、显影以及回火制作工艺，以于相对应的R/G/B彩色滤光阵列上方的该聚合物层中形成多个聚光镜(U-lens)36，完成CMOS影像感测器38的制作。
当一入射光线39进入CMOS影像感测器38并由高曲率(curvature)与高数值孔径(numerical aperture)的聚光镜36聚焦后，接着通过间隔层34、CFA与平坦化层24至相对应的光感测区16，以于光感测区16上形成一聚焦平面(focal plane)。其中CFA只传递一特定波长的光线，再经由光感测区16中的感光二极管与CMOS晶体管将入射光线39转换为一电子讯号，再将电子讯号还原得知入射光线39的颜色。
由于CMOS影像感测器的聚光镜、间隔层以及CFA均为光致抗蚀剂材料，其燃点很低，约小于300℃，因此无法在聚光镜上形成一保护层以避免微粒或其他污染源的伤害，且现有CMOS影像感测器具有下列几项缺点：(1)由于CFA与聚光镜皆为光致抗蚀剂材料，因此接合垫制作工艺必须在CFA制作工艺之前进行，然而后续形成CFA时，有可能会造成接合垫金属层的腐蚀，(3)由于接合垫形成于CFA之前，因此切割道(scribe line)的较大开口有可能造成CFA产生溅影(color wave)影像，(4)由于聚光镜上并没有保护层，因此落在聚光镜上的微粒并不能以喷嘴(jet)清除，因此当聚光镜受污染时必需先除去整个聚光镜与彩色滤光阵列，再重新制作，(5)现有技术是利用高曲率的聚光镜，以调整入射光线经由聚光镜聚焦后所产生的聚焦平面，对于线宽日渐缩小的半导体制作工艺而言，困难度提高，以及(6)由于聚光镜之间有一空隙存在，因此容易造成散射光线直接穿透间隙，甚至照射至相邻的光感测区，因而发生跨越干扰(cross-talk)现象，使CMOS晶体管感测器接收到的噪声增加，降低感测度。
发明概述
因此，本发明的主要目的在于提供一种具有一保护层的影像感测器的制作方法。
本发明的另一目的在于提供一种可调整入射光线所产生的聚焦平面的影像感测器。
为达到上述目的，在本发明的优选实施例中，该影像感测器制作于一半导体基底上，其中该半导体基底包括一感测器阵列区域。首先在该半导体基底上形成一平坦化层(planarizing layer)，接着在该平坦化层上形成一R/G/B彩色滤光阵列(color filter array，CFA)，其中该彩色滤光阵列是设置于相对应的该感测器阵列区域上方。然后在该彩色滤光阵列上形成一间隔层，在该间隔层上形成多个聚光镜(U-lens)，其中该聚光镜是设置于相对应的该彩色滤光阵列上方，且相邻两聚光镜之间有一空间，涂布一缓冲层(bufferlayer)，填入相邻两聚光镜之间的空间，以及在该缓冲层以及该聚光镜上方沉积一低温保护层。
本发明于聚光镜上依序形成一缓冲层以及一低温保护层，由于缓冲层具有一预定折射率，因此可以调整其折射率，以改变入射光线的行进方向，同时避免入射光线的跨越干扰(cross talk)，并提高光电量子效率(quantumefficiency)，而低温保护层的形成温度低于300℃，因此并不会对聚光镜以及彩色滤光阵列造成影响，不但可以避免微粒子的污染，更可以增加产品可靠度。
附图的简单说明
图1至图3为现有制作影像感测器的方法示意图。
图4至图7为本发明制作影像感测器的方法示意图。
附图符号说明
10、40半导体基底 12、42 P型井
14、44浅沟隔离 16、46光感测区
18、24、48、54 平坦化层
20、22、50、52 图案化金属层
26、72接合垫开口 28、56红色滤光片
30、58绿色滤光片 32、60蓝色滤光片
34、62间隔层 36、64聚光镜
38、74 CMOS影像感测器 39、72 入射光线
66 空间 68 缓冲层
70 低温保护层
优选实施例的描述
本发明以一CMOS影像感测器为例来说明本发明的技术特征，但并不仅限于此，本发明方法亦可以应用于一电荷注入影像感测器(charge-injectionimagers)或一CCD影像感测器中。
请参照图4至图7，图4至图7为本发明于一半导体基底40上制作一CMOS影像感测器74的方法示意图。如图4所示，半导体基底40包括一P型井42，以及一感测器阵列区域II，设于P型井42上。其中，感测器阵列区域II包括多个感光二极管(未显示)，设于P型井42上，以及多个浅沟隔离44，设于相邻两感光二极管之间的半导体基底40中且环绕在该感光二极管周围，该感光二极管包括一CMOS晶体管(未显示)，设于P型井42的表面，以及一光感测区46，形成于P型井42表层并与该MOS晶体管电连接。首先于半导体基底40上形成一由多硅硅氧层(silicon-rich oxide，SRO)以及一旋涂式玻璃(spin-on glass，SOG)所构成的平坦化层48，以覆盖该感光二极管。
然后如图5所示，于平坦化层48上形成多个图案化金属层50与52，其中图案化金属层50设置于感测器阵列区域II上相对应的浅沟隔离44的上方，用来阻挡一入射光线的散射，而图案化金属层52设置于感测器阵列区域II以外相对应的浅沟隔离44的上方，用来当作一接合垫金属层。接着于平坦化层48以及图案化金属层50与52上形成一由氮氧化硅(SiON)所构成的保护层(未显示)，再在该保护层上形成一平坦化层54。
如图6所示，应用现有CFA技术，依序于平坦化层54上形成一红色/绿色/蓝色滤光阵列(R/G/B CFA)56、58与60。其中，R/G/B滤光阵列56、58与60设置于相对应的该感光二极管上方。然后于R/G/B CFA 56、58与60上形成一间隔层62，再于间隔层62上形成多个聚光镜64，其中聚光镜64设置于相对应的R/G/B CFA 56、58与60上方，且相邻两聚光镜64之间有一空间66。
接着如图7所示，于半导体基底40上涂布一缓冲层(buffer layer)68，以填入相邻两聚光镜64之间的空间66，再进行一等离子增强化学气相沉积制作工艺(plasma-enhanced chemical vapor deposition，PECVD)，以于缓冲层68以及聚光镜64上方沉积一低温保护层70。最后于感测器阵列区域II以外的低温保护层70上形成一图案化光致抗蚀剂层(未显示)，用以定义一连接垫开口72的图案，然后进行一蚀刻制作工艺，以形成一通达图案化金属层52的连接垫开口72，完成本发明的CMOS影像感测器74的制作。其中，缓冲层68由一低温，可流动性的旋涂式材料所构成，如FOX-SOG，且缓冲层68具有一预定折射率(reflection index，RI)，可用来调整通过聚光镜64的一入射光线76所形成的聚焦平面；而该等离子增强化学气相沉积制作工艺的制作工艺温度小于300℃，所形成的低温保护层70为一四乙氧基硅烷(TEOS)化学气相沉积层，其厚度约为1000埃。
当一入射光线76进入CMOS影像感测器74时，入射光线76会先通过低温保护层70以及缓冲层68，由于缓冲层68具有预定折射率，因此依据折射原理入射光线76通过两不同介质时，会改变入射光线76的行进方向(n1Sinθ1＝n2Sinθ2，其中n1与n2为介质折射率，例如空气为1，θ1为入射角，θ2为折射角)，接着入射光线76会经由聚光镜64聚焦，并通过R/G/B彩色滤光阵列后于相对应的光感应区46中形成聚焦平面，将入射光线76转换为一电子讯号，之后再还原以得知入射光线76的颜色。
简言之，本发明制作影像感测器的方法，是于现有影像感测器上依序形成一缓冲层以及一低温保护层，由于缓冲层具有一预定折射率，因此可以调整折射率，改变入射光线的行进方向，同时避免光线的跨越干扰(crosstalk)，并提高光电量子效率(quantum efficiency)，而低温保护层的形成温度低于300℃，因此并不会对先形成的聚光镜以及CFA造成损伤，不但可以避免微粒子污染，更可以增加产品可靠度。
相较于现有技术，本发明制作的影像感测器具有下列优点：(1)聚光镜上具有缓冲层与低温保护层以避免微粒子污染，(2)由于接合垫可以形成于聚合镜之后，因此进行CFA制作工艺时并不会造成接合垫金属层的腐蚀，(3)切割道制作工艺可形成于聚合镜之后，因此不会产生CFA的溅影，(4)若聚光镜上有微粒子或其他污染源，可直接使用喷嘴清除，不需要重新制作聚光镜与CFA，(5)聚光镜上的缓冲层可以避免温度过高而使得聚光镜剥落，(6)由于缓冲层具有一预定折射率，因此可调整其折射率以改变入射光线行走的光学路径与所形成的聚焦平面，适合积集度高的半导体制作工艺，以及(7)填入两相邻聚光镜间之间的缓冲层可以避免入射光线直接穿透该空间，以提高影像感测器的感测度。
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效变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
Claims (17)
1.一种在一半导体基底上制作一影像感测器(image sensor)的方法，其中该半导体基底包括一感测器阵列(sensor array)区域，该方法包括下列步骤：
在该半导体基底上形成一平坦化层(planarizing layer)；
在该平坦化层上形成一R/G/B彩色滤光阵列(color filter array，CFA)，其中该彩色滤光阵列设置于相对应的该感测器阵列区域上方；
在该间隔层上形成多个聚光镜(U-lens)，其中该聚光镜设置于相对应的该彩色滤光阵列上方，且相邻两聚光镜之间有一空间；
涂布一缓冲层(buffer layer)，填入相邻两聚光镜之间的空间；以及
在该缓冲层以及该聚光镜上方沉积一保护层。
2.如权利要求1的方法，其中该影像感测器为一互补式金氧半导体(CMOS)晶体管影像感测器。
3.如权利要求1的方法，其中该感测器阵列区域包括多个感光二极管(photodiode)形成在该感测器阵列区域中，以及多个绝缘体(insulator)设置于该多个感光二极管之间的该半导体基底中。
4.如权利要求1的方法，其中该缓冲层由一旋涂式(spin-on coating，SOG)材料所构成。
5.如权利要求1的方法，其中该缓冲层具有一预定折射率(reflectionindex，RI)，可用来调整通过该聚光镜的一入射光线所形成的聚焦平面。
6.如权利要求1的方法，其中该保护层利用一等离子增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)制作工艺所形成。
7.如权利要求6的方法，其中该等离子增强化学气相沉积的制作工艺温度小于300℃。
8.如权利要求1的方法，其中该保护层为一四乙氧基硅烷(TEOS)化学气相沉积(CVD)层。
9.如权利要求8的方法，其中该保护层厚度大致为1000埃。
10.如权利要求1的方法，其中于沉积该保护层之后另包含在该感测器阵列区域以外形成一接合垫(bonding pad)开口。
11.一种制作一互补式金氧半导体(CMOS)晶体管的影像感测器(imagesensor)的方法，该方法包括下列步骤：
提供一半导体基底，该半导体基底包括一光电转换区域(photoelectricconversion region)，其中该光电转换区域包括多个感光二极管(photodiode)，以及多个绝缘体设置于相邻两感光二极管之间；
依序在该半导体基底上形成一第一平坦化层与一图案化金属层，其中该图案化金属层设置于相对应的该绝缘体上方以及该光电转换区域以外；
在该半导体基底上形成一第二平坦化层；
在该第二平坦化层上形成一R/G/B彩色滤光阵列(color filter array.CFA)，其中该彩色滤光阵列设置于相对应的该感光二极管上方；
在该彩色滤光阵列上形成一间隔层；
在该间隔层上形成多个聚光镜(U-lens)，其中该聚光镜设置于相对应的该彩色滤光阵列上方，且相邻两聚光镜之间有一空间；
涂布一缓冲层，填入该相邻两聚光镜之间的空间，其中该缓冲层具有一预定折射率(reflection index，RI)，可用来调整通过该聚光镜的一入射光线所形成的聚焦平面；
在该缓冲层以及该聚光镜上方沉积一保护层；以及
在该光电转换区域以外的半导体基底上形成一连接垫。
12.如权利要求11的方法，其中该缓冲层是由一旋涂式(spin-on coating，SOG)材料所构成。
13.如权利要求11的方法，其中该保护层是利用一等离子增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)制作工艺所形成。
14.如权利要求13的方法，其中该等离子增强化学气相沉积的制作工艺温度小于300℃。
15.如权利要求11的方法，其中该保护层是为一四乙氧基硅烷(TEOS)化学气相沉积(CVD)层。
16.如权利要求11的方法，其中该保护层其厚度大致为1000埃。
17.如权利要求11的方法，其中形成该接合垫的方法包括下列步骤：
在该光电转换区域以外的该保护层上形成一图案化光致抗蚀剂层，用以定义该连接垫的图案；
进行一蚀刻制作工艺，用以形成一开口以通达至该图案化金属层。
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