CN1697126A - 形成半导体元件及半导体影像感测器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是提供一种形成半导体元件及半导体影像感测器的方法，具体为改善介电层平坦度与均匀度以增强电荷耦合装置与互补式金属氧化物半导体影像感测器元件中光学效能的方法与系统。所述用以达到较佳光学效能的介电层平坦化方法是包含下列步骤。于多个金属图形之上及其周围沉积一具有透光性的第一介电层，形成光学感测器于这些金属图形之间的基底内或其上，其中金属图形可防止位于其间或其下的感测器遭受电磁辐射的影响。之后以化学机械研磨制程研磨第一介电层而制得一倾斜表面，再进一步以平坦化制程消除此不均匀表面，最终得到一全面性均匀的介电层厚度以利感测器适当地运作。
Description
技术领域
本发明是关于半导体制程方法，且更特别地，关于对金属图案周围的介电层平坦化的方法与结构，以促进光学效能的增强。
背景技术
本发明是有关美国专利号U.S.60/562,086，该篇专利于2004年4月13日申请，本发明其后所揭露的内容是参考该篇美国专利。
近几年来，光学元件如互补式金属氧化物半导体(CMOS)影像感测器(CCD)的应用已有着蓬勃的发展。这些元件相较于一般的逻辑元件具有许多特别的需求，例如，这些需求之一为降低在后段制程的保护层中的透光性介电层的厚度，这些介电层如二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。另一种需求为在各金属图形之间的透光性介电材料的厚度需保持均匀，且在金属图形上方的介电材料厚度亦需保持均匀，此种金属图形是用以阻挡光学波长范围内的电磁辐射，尤其是光的辐射，此入射光会穿过该些金属图形间的区域至基底之内或其上的一光学感测单元，因此在各金属图形间的区域的透光性介电层的不均匀厚度，将会改变其折射率而导致色差现象。
由于化学机械研磨(CMP)制程的负荷效应，造成在邻接金属图形间的介电层并不平坦，甚至，介电层会包含一倾斜表面。此介电层的倾斜表面是指不一致的厚度，其不仅会造成可见的色差亦会降低感测器的功效。
请参考图1A及图1B，其绘示传统上处理位于多个金属图形上方与该些金属图形间的介电层的方法。此传统制程是包含此两图中所呈现的两个步骤。在两步骤中的金属层106与108乃用以阻挡落于光学波长范围内的电磁辐射作用，其中特别是阻挡光的来源。金属层106与108可以是相同的金属层或不同的金属层，金属层106与108也可以有不同的尺寸大小，且金属层106与108的高度可能会有所差异，其端视在金属层106与108下方所呈现的轮廓表面(topography)及金属层106与108是否由相同或不同的金属层形成来决定。图1A及图1B所示的两步骤描述这些不同的高度如何对感测器效能造成问题。
请参考图1A，一第一介电层110沉积于金属层106及108之上与两者之间，第一介电层110具有透光性。此外，影响第一介电层110的表面高度变化的因素包括第一介电层110的均匀性及存在于金属层106与108间的间隙大小，且此高度也会随着金属层106与108的(垂直或水平)尺寸差异(dimension differences)而改变。接着，对第一介电层110进行化学机械研磨制程，如图1B所示。由于化学机械研磨制程的负荷效应及第一介电层110不均匀的高度，研磨制程会导致介于金属层106与108之间与其上方的介电材料具有一倾斜的表面，此表面无法与基底平行一致且不平坦。此介电层的倾斜表面是指不均匀的厚度，由于此不均匀厚度会导致各图形(features)间存在落差，因此不仅会造成可见的色差，也会降低感测器的效能，其中这些图形态样包含形成于介电层上的棱镜及形成于基底内/上与介电层下的感测单元。
发明内容
因此，本发明的半导体制程所期望达到的目的为提供一种改善介电层平坦化的方法以得到较佳的光学效果。
本发明是提供一种改善介电层平坦化以得到较佳的光学效果的方法。
本发明是提供多种介电层平坦化的方法以达到较佳的光学效果。例如，一具有透光性的第一介电层是沉积于含有一或多层沉积金属的金属图案上及其周围，金属图案的金属层或图形可防止位于其间或其下的感测器遭受电磁辐射的影响。再以化学机械研磨第一介电层之后，所得到的平面会呈现倾斜现象，如非平面及不与基底成为水平。当自第一介电层移除此倾斜表面后即可供感测器作适当操作，且可形成均匀而平坦化的介电层表面。
另如，其包含：使用一与此金属图案反向的掩膜进行平坦化此介电层；借光学微影制程与蚀刻制程蚀刻此介电层；接着以化学机械研磨制程产生一平坦的介电层。
本发明是这样实现的：
本发明提供一种形成半导体元件的方法，所述形成半导体元件的方法包括：提供一包含多个金属图形的金属图案于一基底上；沉积一具透光性的第一介电层于该金属图形的上方及于该金属图形间的基底上；研磨该第一介电层；以及形成一第二介电层于该金属图形之上及该金属图形间的第一介电层上方，借以使得该金属图形上的总第一介电层的厚度为实质地相同，且在该金属图形间的基底区域上的总第二介电层厚度为实质地相同。
本发明所述的形成半导体元件的方法，更包括在该基底内或其上方的该金属图形间的区域中形成多个光感测器，并在该光感测器上方形成一彩色滤光片及棱镜。
本发明所述的形成半导体元件的方法，该研磨一第一介电层的步骤是包括：施行化学机械研磨制程，其中该制程是以高于研磨该金属图形的速度研磨该第一介电层，以形成较该金属图形上表面低的该第一介电层的上表面。
本发明所述的形成半导体元件的方法，更包括在该研磨后，选择性蚀刻该第一介电层以制成较该金属图形上表面低的该第一介电层的上表面，使得该金属图形上方及该金属图形间区域的基底上方产生不同的介电层厚度。
本发明所述的形成半导体元件的方法，更包括以高于研磨第一介电层的研磨速率来研磨该金属图形以形成较该第一介电层的上表面低的该金属图形上表面。
本发明所述的形成半导体元件的方法，更包括在该沉积后及该研磨前，蚀刻部分位于该金属图形上的该第一介电层。
本发明所述的形成半导体元件的方法，该第一介电层是借由施行等离子辅助化学气相沉积制程或高密度等离子化学气相沉积制程沉积而得。
本发明另提供一种形成半导体影像感测器的方法，所述形成半导体影像感测器的方法包括：于一基底上提供一包含多个金属图形的金属图案及在该基底内或其上方的该金属图形间的区域提供多个光感测器；沉积一具透光性的介电层于该金属图形的上方及该金属图形之间的基底上；蚀刻部分位于该金属图形上方的该介电层；以化学机械研磨技术研磨该介电层；以及在该光感测器上方形成一彩色滤光片及棱镜。
本发明所述的形成半导体影像感测器的方法，该研磨制程是用以于该金属图形上的介电层制得实质上相同的第一厚度，及在该金属图形间的基底区域上的该介电层制得实质上相同的第二厚度。
本发明所述的形成半导体影像感测器的方法，该蚀刻步骤是包括形成一光致抗蚀剂图案层于该第一介电层之上，该光致抗蚀剂图案层是包括一光致抗蚀剂区域及于该金属图形上方形成的一开口区域；及施行一等离子蚀刻步骤。
本发明所述形成半导体元件及半导体影像感测器的方法，可消除介电层中不均匀厚度。所制得的介电层表面可具一致性且无倾斜现象，借此使元件或感测器可正常地操作并无可见的色差。此元件/彩色滤光片/微透镜亦可以此法降低，进而改善光学感测度与降低折射现象。
附图说明
图1A及图1B为绘示传统上处理金属图案之上与其间的介电层的流程；
图2A至图2D为绘示依据本发明第一具体实施例的处理介电层的流程；
图3A至图3C为绘示依据本发明第二具体实施例的处理介电层的流程；
图4A至图4C为绘示依据本发明第三具体实施例的处理介电层的流程；
图5A至图5C为绘示依据本发明第四具体实施例的处理介电层的流程。
具体实施方式
请参考图2A至图2D，其根据本发明的第一实施例绘示处理介电层的制造流程。此流程显示对介电层表面进行均匀平坦化的方法，其为一个具体实施例所叙明的四个为达此目的的步骤。
请参考图2A，金属层210与212为用以阻挡光学波长范围内的电磁辐射，尤其是光的辐射。金属层210与212为金属图形(features)，整体可形成为一金属图案(pattern)，其可以等离子蚀刻形成此图案。金属层210与212可为以金属组成的线形、岛形或接垫，该金属如铜、铝、各种金属化合物或金属合金。金属层210与212可以是相同的金属层或不同的金属层，金属层210与212也可以有不同的尺寸大小，且金属层210与212的高度可能会有所差异，其视在金属层210与212下方所呈现的轮廓表面及金属层210与212是否由相同或不同的金属层形成来决定。感测器单元202可形成于基底220内或其表面的位于金属层210与212间的区域222，借由感测器单元202可以形成光感测器，诸如电荷耦合装置(CCD)、3-晶体或4-晶体接脚光极体互补式金属氧化物半导体影像感测器。例如，可于半导体基底220之上形成一4-晶体接脚光极体像素感测器。
在以等离子沉积或化学气相沉积方式形成金属层210与212之后，接着沉积一第一介电层214，例如以等离子辅助化学气相沉积技术(PECVD)或高密度等离子化学气相沉积技术(HDPCVD)或此两种技术的组合形成第一介电层214，第一介电层214可为二氧化硅或另一种适当的介电材料，且其一般为实质透光材料，第一介电层214可为一或多层且其总和厚度的范围是包含自10000埃至25000埃，在另一实施例中，则显示以两层组成约18000埃的厚度。决定第一介电层214的表面高度变化的因素包括此第一介电层的均匀性、存在于金属层210与212间的间隙大小、及金属层210与212的尺寸差异。接着在图2B所示的介电层214上施以一化学机械研磨制程。由于化学机械研磨制程的负荷效应及第一介电层214的不均匀高度，在金属层210与212间研磨此介电材料时会形成一不平坦的倾斜表面，其与基底220不平行且不均匀，其中此介电层的倾斜表面是指不一致的厚度，其在影像感测器元件中，不只导致可见的色差亦会降低感测器的功效与对光学表现呈现有害的影响。另外存留在第一金属层210及/或第二金属层212上的介电层214的厚度也可以有所变化，如在一具体实施例中其约为4000埃。
请参考图2C，以选择性蚀刻制程直接蚀刻第一介电层214至金属层210与212，借此蚀刻制程，残存的第一介电层214的上表面是低于金属层210与212的上表面，介于金属图形间的残存介电层厚度约为金属层210与212其中之一或两者厚度的50％或其以上，而在此步骤终了时第一介电层214的倾斜表面可予以去除。请参考图2D，接着在第一介电层214与金属层210及212上方沉积一第二介电层216作为保护层，此第二介电层实质上为借化学气相沉积或涂布方式制得的一透光性材料，其可为各种不同的厚度。对于整个基底220而言，在金属区域上的各介电材料的总厚度实质上相同，且在金属图形间的区域内(如在光感测器202的上方)的介电材料总厚度亦相同。一彩色滤光片层224、棱镜、或其它态样乃接着形成于基底220内的光感测器202上方以形成互补式金属氧化物半导体影像感测器与电荷耦合装置(CCD)元件。而随着介电层的均匀性的改善，任何可见的色差现象也随之改善或消除，借此使感测器或其它元件运作的功能良好。
请参考图3A至图3C，其根据本发明的第二实施例绘示处理介电层的制造流程。此流程显示另一种对介电层表面进行均匀平坦化的方法，其中第一介电层与金属层两者皆于沉积一第二介电层前进行化学机械研磨制程处理。
请参考图3A，金属层308与310为用以阻挡光学波长范围内的电磁辐射，尤其是光的辐射。金属层308与310为金属图形，且其可由相同金属层或不同金属层形成。金属层308与310可以有不同的尺寸大小，且金属层308与310的高度可能有所差异，其视其下方所呈现的轮廓表面及金属层308与310是否由相同或不同的金属层形成而定。在以等离子蚀刻方式形成金属层308与310后，接着沉积得到第一介电层312，如上所述，第一介电层312乃类似于第一介电层214且可为多数层。请参考图3B，接着对第一介电层312施以化学机械研磨制程而得到如图2B所示的一不平坦且倾斜的表面(未显示)，其亦可参考图1B得知。在金属层308与310上施行进一步的化学机械研磨制程，其利用研磨金属的速率高于研磨第一介电层312的速率的制程进行研磨，因而导致存在于金属层308与310间残存的第一介电层312的上表面高于金属层308与310的上表面。在先前以化学机械研磨制得的第一介电层312，其倾斜表面将可在此接续的研磨步骤终了时移除。
请参考图3C，一第二介电层314是沉积作为保护层，此第二介电层实质上为以化学气相沉积或旋转涂布方式制得的一透光材料，其可为各种不同的厚度。以基底整体而言，在金属区域上的各介电材料的总厚度实质上相同，且在金属图形间的区域内(如在光感测器202的上方)的介电材料总厚度亦相同。第二介电层314可为一或多层且其总和厚度范围为自1000埃至10000埃，而在一较佳实施例中其厚度可为4000埃。一彩色滤光片层316或其它态样乃接着形成于基底220内的光感测器202(图3A至3C中未示出)上方，以形成互补式金属氧化物半导体影像感测器与电荷耦合装置(CCD)元件。而随着介电层的均匀性的改善，任何可见的色差现象也随之改善或消除，借此可改善感测器或其它元件运作的功能。
请参考图4A至图4C，其根据本发明的第三实施例绘示处理介电层的制造流程。此流程在所述的实施例中，提供另一种对介电层表面进行均匀平坦化的方法。
请参考图4A，金属层408与410为用以阻挡光学波长范围内的电磁辐射，尤其是光的辐射。金属层408与410为金属图形，整个形成为一金属图案，金属层408与410可为以金属组成的线形、岛形或接垫，该金属如铜、铝、各种金属化合物或金属合金，且金属层408与410可由相同或不同的金属层形成。金属层408与410可以有不同的尺寸大小，且金属层408与410的高度可能有所差异，其视其下方所呈现的轮廓表面及金属层408与410是否由相同或不同的金属层形成而定。在金属层408与410形成之后，接着如同图2A的第一介电层214，沉积一第一介电层412。接着进行化学机械研磨制程，以研磨介电层412的速率高于研磨金属的速率的方式对第一介电层412进行研磨并凹蚀化第一介电层412使其表面位于金属层408与410的下方。请参考图4B，最终，残存的第一介电层412的上表面实质上低于金属层408与410的上表面。在此步骤完成时即可改善或移除此第一介电层412的倾斜表面。请参考图4C，接着在第一介电层412与金属层408及410上方沉积一第二介电层414作为保护层，此第二介电层实质上是为以化学气相沉积或涂布方式制得的一光透明材料，且可制得各种不同的厚度。以基底整体而言，在金属区域上的各介电材料的总厚度实质上相同，且在金属图形间的区域内(如在光感测器的上方)的介电材料总厚度亦相同。一彩色滤光片层416、棱镜或其它态样乃接着形成于基底220(图4A至图4C中未示出)内的光感测器上方，以形成互补式金属氧化物半导体影像感测器与电荷耦合装置(CCD)元件。随着介电层的均匀性的改善，任何可见的色差现象也随之改善或消除，借此使感测器或其它元件运作的功能良好。
虽然第一、第二、及第三个实施例为仅以两个介电层来描述之，然如众所皆知地此发明并不仅限于两层介电层。举例而言，另一方法与实施例是以旋转涂布方式或化学气相沉积方法形成第三介电层，即一实质上的透光层，以降低元件/彩色滤光片/微透镜(CF/UL)的堆叠(stack)，同时改善光学感测度与降低折射现象。
值得注意的是，上述实施例所提及沉积而得的第二介电层皆可作为一保护层且可包含50纳米至2000纳米的厚度以防止其下方的光感测器遭受湿气与污染的影响。举例而言，若第二介电层为二氧化硅与氮化硅的堆叠，二氧化硅的厚度较佳应自200纳米至600纳米而氮化硅的厚度较佳应为100纳米至300纳米；若第二介电层为单层氮化硅层，其厚度范围应自50纳米至600纳米；若第二介电层为单层二氧化硅层，其厚度范围应较佳为50纳米至600纳米。
请参考图5A至图5C，其根据本发明的第四实施例绘示处理介电层的制造流程。此流程显示另一种借额外使用掩膜以对介电层表面进行一致平坦化的方法。
请参考图5A，金属层508与510为用以阻挡光学波长范围内的电磁辐射，尤其是光的辐射。金属层508与510为金属图形，整个形成为一金属图案。金属层508与510可为以金属组成的线形、岛形或接垫，该金属如铜、铝、各种金属化合物或金属合金，在一较佳实施例中可选择以等离子蚀刻形成此金属图案。金属层508与510可以有不同的尺寸大小，且金属层508与510的高度可能有所差异，其端视其下方所呈现的轮廓表面及金属层508与510是否由相同或不同的金属层形成而定。而在形成金属层508与510之后，接着可沉积如前所述的为一或多层介电层的第一介电层512。请参考图5B，接着使用一掩膜516进行光学微影制程并施行一蚀刻制程，以于一或多个金属(如金属层510)上制得凹蚀处514，而使第一介电层512更为均匀平坦。在一具体实施例中，掩膜516可包含反向的金属图案以制得一光学图案，此光学图案是在金属上方形成一开口空洞而在其它区域则布满光致抗蚀剂。请参考图5C，在移除掩膜后，接着在第一介电层512上进行化学机械研磨制程以完成此流程。在化学机械研磨后，在金属区域上的各介电材料的总厚度实质上相同，且在金属图形间的区域内(如在光感测器的上方)的介电材料总厚度亦相同，进而达到改善介电层的平坦化与一致性的目的与避免倾斜表面的生成。
各种具体实施例是包含如下：可覆盖8K或14K之一或多层氧化层于金属层508与510之上，如第一介电层512。在一具体实施例中，自第一介电层512算起厚度约8K的氧化层自金属层510的顶部移除以平坦化金属层508与510上方的第一介电层512的高度。如图5B所示，残存约6K的氧化层于金属层510的上方。接着如图5C所示，在整片第一介电层512上方进行化学机械研磨移除厚度约2K。如此一来，改善介电层的平坦化目的已达到，且所制得的表面亦不再倾斜。
本发明提供多种消除介电层中不均匀厚度的方法。借由蚀刻第一介电层或以化学机械研磨制程处理直到第一介电层已平坦或其倾斜现象消除为止，因此第二介电层可沉积于第一介电层及金属图案之上以达到表面平坦化的目的。借着上述方法，所制得的介电层表面可具一致性且无倾斜现象，借此使元件或感测器可正常地操作并无可见的色差。此元件/彩色滤光片/微透镜亦可以此法降低，进而改善光学感测度与降低折射现象。
以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉本项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上做进一步的改进和变化，因此本发明的保护范围当以本申请的权利要求书所界定的范围为准。
附图中符号的简单说明如下：
106，108，210，212，308，310，408，410，508，510：金属
110，214，312，412，512：第一介电层
216，314，414：第二介电层
202，502：感测器
220，520：基底
224，316，416：彩色滤光片层
514：凹蚀处 516：掩膜
Claims (10)
1、一种形成半导体元件的方法，其特征在于所述形成半导体元件的方法包括：
提供一包含多个金属图形的金属图案于一基底上；
沉积一具透光性的第一介电层于该金属图形的上方及于该金属图形间的基底上；
研磨该第一介电层；以及
形成一第二介电层于该金属图形之上及该金属图形间的第一介电层上方，借以使得该金属图形上的总第一介电层的厚度为实质地相同，且在该金属图形间的基底区域上的总第二介电层厚度为实质地相同。
2、根据权利要求1所述的形成半导体元件的方法，其特征在于：更包括在该基底内或其上方的该金属图形间的区域中形成多个光感测器，并在该光感测器上方形成一彩色滤光片及棱镜。
3、根据权利要求1所述的形成半导体元件的方法，其特征在于：该研磨一第一介电层的步骤是包括：施行化学机械研磨制程，其中该制程是以高于研磨该金属图形的速度研磨该第一介电层，以形成较该金属图形上表面低的该第一介电层的上表面。
4、根据权利要求1所述的形成半导体元件的方法，其特征在于：更包括在该研磨后，选择性蚀刻该第一介电层以制成较该金属图形上表面低的该第一介电层的上表面，使得该金属图形上方及该金属图形间区域的基底上方产生不同的介电层厚度。
5、根据权利要求1所述的形成半导体元件的方法，其特征在于：更包括以高于研磨第一介电层的研磨速率来研磨该金属图形以形成较该第一介电层的上表面低的该金属图形上表面。
6、根据权利要求1所述的形成半导体元件的方法，其特征在于：更包括在该沉积后及该研磨前，蚀刻部分位于该金属图形上的该第一介电层。
7、根据权利要求1所述的形成半导体元件的方法，其特征在于：该第一介电层是借由施行等离子辅助化学气相沉积制程或高密度等离子化学气相沉积制程沉积而得。
8、一种形成半导体影像感测器的方法，其特征在于所述形成半导体影像感测器的方法包括：
于一基底上提供一包含多个金属图形的金属图案及在该基底内或其上方的该金属图形间的区域提供多个光感测器；
沉积一具透光性的介电层于该金属图形的上方及该金属图形之间的基底上；
蚀刻部分位于该金属图形上方的该介电层；
以化学机械研磨技术研磨该介电层；以及
在该光感测器上方形成一彩色滤光片及棱镜。
9、根据权利要求8所述的形成半导体影像感测器的方法，其特征在于：该研磨制程是用以于该金属图形上的介电层制得实质上相同的第一厚度，及在该金属图形间的基底区域上的该介电层制得实质上相同的第二厚度。
10、根据权利要求9所述的形成半导体影像感测器的方法，其特征在于：该蚀刻步骤是包括形成一光致抗蚀剂图案层于该第一介电层之上，该光致抗蚀剂图案层是包括一光致抗蚀剂区域及于该金属图形上方形成的一开口区域；及施行一等离子蚀刻步骤。
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