CN1435892A - 一种半导体器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种半导体器件，包括：一个有受光或发光元件的半导体衬底；在所述元件上提供的一个聚光透镜；在所述聚光透镜上提供的第一透明层平面化覆盖聚光透镜；在所述第一透明层上提供的可传光的光学元件；位于所述第一透明层和所述光学元件中间的第二透明层；其中所述第一透明层由含氟化合物构成以使其折射率低于所述聚光透镜的折射率，并且所述第二透明层具有比所述第一透明层低的防水防油性。

Description

一种半导体器件及其制造方法

发明领域

本发明涉及一种半导体器件及其制造方法。本发明具体涉及一种具有聚光透镜可用于固体摄像的器件，例如CCD(电荷耦合器件)、液晶显示器件等半导体器件，以及该器件的制造方法。

背景技术

固体摄像器件例如CCD和MOS(金属氧化物半导体)摄像器件有多种应用，例如：数码相机、电视摄像机、带摄像功能的移动电话、扫描仪、数码复印机以及传真机。由于广泛使用这些产品，就相应要求提高固体摄像器件的功能(增加象素和改善感光灵敏度)，减小体积和降低价格。由于固体摄像器件尺寸的减小和象素的增加，该器件所结合每个象素的尺寸被进一步减小。因此这种固体摄像器件的感光灵敏度(基本功能要求之一)降低，导致难以在预定的光照度下获得清晰的图像。

解决上述问题的常用手段是在滤色片上提供一种有机聚合物缩微透镜以提高感光灵敏度(参见，例如日本待审专利公开号No.HEI4-12568(1992))。

另一种办法是使用聚光透镜(所谓的层内透镜)，在受光部位和滤色片之间提供一种迭层状结构联合上述缩微透镜来提高感光灵敏度(参见，例如日本待审专利公开号No.HEI11-40787(1999))。

一种带有层内透镜的传统CCD固体摄像器件的制造方法将在下文结合附图2(a)-2(e)说明。用图2(a)-2(e)所示方法制造CCD固体摄像器件的单元结构可用图1剖面图说明。

如图2(a)所示，通过在半导体衬底1中植入所要求的掺杂离子而在衬底上形成受光部位2、读选通部位3、CCD迁移通道(迁移部位)4和通道挡块5。接着，在半导体衬底1上形成有预定图案的转移电极7，绝缘层6介于其间，在转移电极7上形成隔光层9，绝缘隔离层8介于转移电极7和隔光层9之间。然后，图案化隔光层9以在受光部位2上形成开口。

如图2(b)所示，在光隔离层9上形成一层保护膜10使表面平面化。保护膜10可以是，例如采用回流步骤形成的BPSG(硼磷硅酸盐玻璃)。

如图2(c)所示，在保护膜10上形成一层具有高折射率的层内透镜材料层16以形成层内透镜11(见图1)。层内透镜材料可以是，例如经等离子CVD方法形成的氮化硅层。

如图2(d)所示，抗蚀剂17涂覆在层内透镜材料层16上，然后进行图案化，在160℃温度下进行回流以形成透镜的形状。

如图2(e)所示，按照抗蚀剂17的透镜形状干蚀刻层内透镜材料层16以形成层内透镜11。

然后，在层内透镜11上形成一层具有低折射率的透明层12并使其平面化以提高层内透镜11的会聚率。接着在透明层12上顺次形成滤色片13、保护膜14和缩微透镜15。这样就形成了图1所示的CCD固体摄像器件。

然而，上述的传统制造方法，即在层内透镜上形成具有低折射率的透明层和在透明层上直接生成滤色片，有下述缺点。为使层内透镜能提供所需透镜作用，一般采用一种有机聚合物材料作为低折射率透明层的材料。

公知降低透明层折射率的一种方法是采用一种含有大量氟的有机聚合物材料(参见《聚合物》，34卷，1985年3月)。然而，这样的含氟材料是高防水防油性的，因此很难与其他材料结合。在含氟材料透明层的表面上涂覆吸收染料抗蚀剂(如酪蛋白或凝胶)、颜色抗蚀剂或抗蚀剂时，例如得到颜色抗蚀剂层或微透镜层时都与不均匀的几何图形密切相关，因为抗蚀剂的平均涂覆十分困难。

由上述传统方法制成的滤色片特别存在这样一种可能性，即厚度不均匀并且会脱离透明层。尤其是在固体摄像器件的情况下，将导致图像质量低劣，降低成品率和产品质量。

一种改善透明层与其他材料粘结性的可行方法是于含氧气氛中在透明层的表面上进行氧等离子体处理。但是，仅仅进行氧等离子体处理对提高粘结性是不够的。

发明内容

由前述内容可知，本发明涉及一种半导体器件及其制造方法，该方法在透明层和透明层上所提供滤色片或缩微透镜等光学元件之间确保提高粘结性，并且不会降低成品率和产品质量。

本发明提供一种半导体器件，包括：有受光或发射元件的衬底；位于前述元件上配备的聚光透镜；位于聚光透镜上配备第一透明层平面化覆盖聚光透镜；在第一透明层上形成的可传光的光学元件；插入第一透明层和光学元件之间的第二透明层；其中第一透明层由含氟化合物构成，使得第一透明层具有低于聚光透镜的折射率，且第二透明层具有低于第一透明层的防水防油性。

由于将防水防油性低于第一透明层的第二透明层插入本发明半导体器件的第一透明层和光学元件之间，光学元件就能以改良的粘结性与第一透明层结合。

附图说明

图1是固体摄像器件一个象素的剖面图；

图2(a)-2(e)工艺图说明常规固体摄像器件的制造过程；

图3(a)-3(e)工艺图说明按照本发明制备固体摄像器件方法的一个实施方案；

图4是按照本发明实施方案的固体摄像器件一个象素的剖面图。

优选实施方案详述

本发明的一种半导体器件，包括：有受光或发光元件的衬底；位于前述元件上配备的聚光透镜；位于聚光透镜上配备第一透明层平面化覆盖聚光透镜；在第一透明层上形成的可传光的光学元件；插入第一透明层和光学元件之间的第二透明层；其中第一透明层由含氟化合物构成，使得第一透明层具有低于聚光透镜的折射率，且第二透明层具有低于第一透明层的防水防油性。

对本发明半导体器件使用的半导体衬底没有特别限制，但一般使用的衬底应当能在其上形成受光或发射元件。衬底的实例包括诸如硅、锗的半导体衬底，也可以是SiC、SiGe、GaAs和Al-GaAs的化合物衬底，其中特别优选硅衬底。半导体衬底可以掺杂n型或p型杂质。半导体衬底可以有至少一种n型或p型。

在半导体衬底配备受光或发射元件的实例包括：固体摄像器件如CCD图像传感器、CMO图像传感器、CMD、电荷注入器件、双极图像传感器和红外图像传感器，受光元件如光电二极管和光电晶体管，发射元件如在液晶面板中使用的光发射二极管，可传光的控制元件。

为了得到更高的光会聚率，优选聚光透镜由具有高折射率的材料构成。聚光透镜可以这样制造，例如，通过等离子体CVD形成氮化硅膜(折射率为2.0)或通过旋涂形成聚酰亚胺树脂膜(折射率为1.6-1.7)，然后将薄膜形成所要求的透镜形状。

本发明带有层内透镜的半导体器件中，位于聚光透镜上提供第一透明层平面化覆盖聚光透镜。第一透明层优选具有比聚光透镜低的折射率。为了使层内透镜能提供所需要的透镜作用，其中层内透镜和第一透明层的折射率差应当不小于0.2，优选不小于0.3。

就是说，若聚光透镜的折射率接近第一透明层的折射率，例如，聚光透镜与第一透明层有相同的折射率时，就会丧失聚光透镜的作用。因此，本发明带有层内透镜的半导体器件的第一透明层优选含氟化合物构成。也就是说，采用含氟化合物形成第一透明层能使第一透明层的折射率降低并小于聚光透镜的折射率。无论是含氟有机化合物还是含氟无机化合物都可以作为第一透明层的含氟化合物材料。例如第一透明层可包括通过溅射形成的氟化镁层(折射率为1.3-1.4)，以及通过旋涂形成的含氟丙烯酸树脂层(折射率为1.3-1.5)。

然而由低折射率的含氟化合物构成第一透明层时，它具有防水防油性，因此与其他材料的粘结性差。所以，将第二透明层插入第一透明层和光学元件之间以改善两者之间的粘结性。要求第二透明层具有与其他材料的优异的表面粘结性而不是防水防油性。因而，第二透明层优选由不含氟的材料构成。例如丙烯酸树脂可用作第二透明层的材料。

本发明制造的固体摄像器件中，不同类型的抗蚀剂都能均匀涂覆第二透明层并图案化形成光学元件而没有任何不便。当然，第二透明层对光学元件，如第二透明层上形成的缩微透镜或滤色片层等具有改善的粘结性。

第二透明层可以有比第一透明层更高的折射率。当将透镜或滤色片层作为光学元件时，第二透明层的折射率优选介于第一透明层和光学元件折射率的中间值。这样第二透明层就不会影响聚光透镜的功能。

由于第二透明层是在含氟材料的第一透明层上形成的，这两层之间的粘结性相对较弱。但是，这两层之间较弱的粘结性与常规带层内透镜的半导体器件上形成含氟透明层和光学元件之间低劣的粘结性相比，就不是问题了。

在含氟透明层上直接生成光学元件时，要求使用形成光学元件步骤中的各种工艺步骤。即，任何不同类型的抗蚀剂均能涂覆光学元件材料层上并进行图案化。

在常规带层内透镜的半导体器件的制备方法中，可以对含氟透明层和光学元件材料层之间的界面重复施加力，以便在形成光学元件步骤中将光学元件材料层从透明层上分离。因此，含氟透明层和光学元件材料层之间所需的粘结性应当比第一透明层和第二透明层的高。

与此相反，本发明中第二透明层的形成步骤中，仅需在第一透明层上形成第二透明层，并且没有必要进行如形成光学元件所需要的各种步骤。因此第一、第二透明层之间存在相对较弱的粘结性毫无问题。

本发明中，通过形成第一透明层后，于含氧气氛中对第一透明层表面进行氧等离子体处理，就能改良第一、第二透明层之间的粘结性，详见下文。

本发明半导体器件中，光学元件可包括一个缩微透镜。作为选择，本发明半导体器件内的光学元件可包括一个彩色滤光层。此外，光学元件也可包括一个滤色层和一个置于滤色层上的缩微透镜。

本发明的半导体器件进一步包括在受光元件或发光元件与聚光透镜之间提供一层透明保护膜平面化覆盖元件。对该保护膜没有特别的限制，只要是由透明材料构成即可。例如，该保护膜可以是采用回流工艺形成的BPSG(硼磷硅酸盐玻璃)。

本发明的另一方面，提供一种制备方法制造前述本发明的半导体器件，包括以下步骤：在有受光或发射元件的半导体衬底上形成聚光透镜；在聚光透镜上形成第一透明层平面化覆盖聚光透镜，该第一透明层由含氟化合物构成；在第一透明层上形成第二透明层，该第二透明层具有比第一透明层更低的防水防油性；然后在第二透明层上形成可传光的光学元件。

本发明的制造方法进一步包括以下步骤：在第一透明层和第二透明层当中至少一个形成之后，在含氧气氛中进行氧等离子体处理。通过进行氧等离子体处理，第一、第二透明层之间的粘结性或第二透明层与光学元件之间的粘结性被进一步提高。第一或第二透明层粘结性的提高可归因于在含氧气氛中进行氧等离子体处理而使透明层的表面被微细地粗糙化。

下文通过参照图3(a)-3(e)和图4的实施方案详述本发明。应当了解本发明绝非仅限于实施方案，而是广泛适用于各种器件包括所谓的固体摄像器件例如MOS型固体摄像器件，以及带层内透镜的器件例如液晶显示器件。

除非另有指明，下文实施例所述材料和装置是常规半导体器件制备方法一般采用的，无需给出详细说明。

图4是根据本发明一个实施方案的带层内透镜的CCD固体摄像器件一个象素的剖面图。图3(a)-3(e)是图4所示带层内透镜的CCD固体摄像器件的制造步骤图解。

如图4所示，根据本发明一个实施方案的带层内透镜的CCD固体摄像器件50包括其内提供受光元件的半导体衬底31，该受光元件有受光部位32，在受光元件的受光部位32上提供的透明材料保护膜40，在保护膜40上提供聚光透镜(层内透镜)43，作为光学元件的滤色片46和缩微透镜48在第一透明层44上。第二透明层45插入第一透明层44和滤色片46之中以改良其粘结性。在图4中，相关数字49表示光线入射在CCD固体摄像器件50上。

参看图3(a)-3(e)，下文将给出图4所示CCD固体摄像器件50的制造过程的说明。

如图3(a)所示，通过在半导体衬底31内植入所要求的掺杂离子而在衬底31上形成受光部位32、读选通部位33、CCD迁移通道(迁移部位)34和通道挡块35。

然后，硅氧层作为绝缘层36通过热氧化作用在半导体衬底31上形成，有预定图案的转移电极37在绝缘层36上形成。其后，绝缘隔离层38和隔光层39在转移电极37上形成，进行图案化使受光部位32上形成开口。多晶硅和硅化钨可用作转移电极37的材料。可用作隔光层39材料的是硅化钨和钨化钛。

如图3(b)所示，通过大约900℃下回流BPSG在隔光层39上形成保护膜40并平面化。然后，通过旋涂在保护膜40上形成厚度为1.0μm的光敏聚酰亚胺树脂(如PSI-P-8001，Chisso公司有售)，接着在加热板上于大约100℃干燥两分钟。

如图3(c)所示，使用普通半导体制造方法中常用的光刻技术在所需要位置形成聚酰亚胺图案42。如图3(d)所示，将聚酰亚胺图案42放在烘箱内于氮气流中大约160℃下加热回流10分钟，并在大约350℃进一步烘烤一小时。这样，就可得到厚度为0.8μm的聚光透镜43。

如图3(e)所示，形成厚度大约1.0μm的透明氟树脂(如CTX-807，Asahi玻璃有限责任公司有售)的第一透明层44，平面化覆盖聚光透镜43。如果需要，在80℃的温度、50mPa的压力以及大约150W的射频功率下进行氧等离子体处理一分钟，以改善第一透明层44表面的粘结性。

其后，用旋涂器在第一透明层44上形成厚度约0.5μm的热固性丙烯酸树脂(如OPTOMER SS-1151，JSR有限责任公司)的第二透明层45。如需要，在100℃的温度、40mPa的压力以及大约200W的射频功率下进行氧等离子体处理一分钟，以改善第二透明层45表面的粘结性。

随后，分别将含有绿、红和蓝光谱特征色料的副性抗蚀剂涂在第二透明层45上，曝光并显影成所要求的图案以形成滤色片46。然后，将丙烯酸树脂(如上所述OPTOMER SS-1151)涂覆到0.7μm的厚度形成保护膜47。此后，用现有技术(参见例如日本待审专利公开号No.HEI4-12568(1992))在保护膜47上形成缩微透镜48。这样，就完成了图4所示的CCD固体摄像器件50。

可以确定，由于缩微透镜48和聚光透镜43的光会聚作用，使上述方法制造CCD固体摄像器件50的光敏度提高2.5倍。

尽管上述实施方案涉及的是CCD固体摄像器件，本发明适用于任何其他固体摄像器件，例如MOS型固体摄像器件，和例如液晶显示器件的可传光的控制器件。

适当选择形成各个成员的条件就能得到具有所要求构形的半导体器件，例如聚光透镜的厚度，第一、第二透明层的厚度，保护膜的厚度以及缩微透镜的厚度。亦即本发明绝非仅限于实施方案所述半导体器件及其制备方法，能以任何其他方式实施而并不背离本发明精神范围。

依照本发明，防水防油性低于第一透明层的第二透明层插入第一透明层和光学元件之间，使得光学元件以改良的粘结性结合第一透明层。

Claims (10)

1.一种半导体器件，包括：有受光或发光元件的半导体衬底；上述元件上配备的聚光透镜；在聚光透镜上配备的第一透明层平面化覆盖聚光透镜，在第一透明层上形成的可传光的光学元件；和插入第一透明层和光学元件之间的第二透明层；其中第一透明层由含氟化合物构成，使得第一透明层具有低于聚光透镜的折射率，并且第二透明层具有低于第一透明层的防水防油性。

2.根据权利要求1的半导体器件，其中第二透明层由丙烯酸树脂构成，第一透明层由有机氟化合物构成。

3.根据权利要求1的半导体器件，其中第二透明层由丙烯酸树脂构成，第一透明层由无机氟化合物构成。

4.根据权利要求1的半导体器件，其中第二透明层与第一透明层相比具有更高的折射率。

5.根据权利要求1的半导体器件，其中光学元件包括一种缩微透镜。

6.根据权利要求1的半导体器件，其中光学元件包括一种滤色片。

7.根据权利要求1的半导体器件，其中光学元件包括一种滤色片以及在滤色片上提供的一种缩微透镜。

8.根据权利要求1的半导体器件，进一步包括在受光或发光元件与聚光透镜之间提供一种透明层平面化覆盖所述元件。

9.一种权利要求1所述半导体器件的制备方法，包括如下步骤：在有受光或发光元件的半导体衬底上形成一种聚光透镜；在聚光透镜上形成的第一透明层平面化覆盖聚光透镜，第一透明层由一种含氟化合物构成；在第一透明层上形成第二透明层，第二透明层具有低于第一透明层的防水防油性；和在第二透明层上形成可传光的光学元件。

10.根据权利要求9的制备方法，进一步包括在第一透明层和第二透明层当中的至少一个形成后，于含氧气氛中进行氧等离子体处理的步骤。

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