CN1893025A - 用于制造cmos图像传感器的方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于制造CMOS图像传感器的方法。本方法包括以下步骤：(a)在包括光感测部和布线接合垫的半导体基板上形成保护层；(b)通过移除所述布线接合垫上的保护层的一部分，暴露所述布线接合垫；(c)在所述被暴露的布线接合垫和所述保护层上形成薄抗蚀剂膜；(d)在所述薄抗蚀剂膜上形成滤色器阵列；(e)在所述薄抗蚀剂膜上形成多个微透镜；以及(f)在所述基板之上所得到的结构上执行毯式蚀刻直到所述布线接合垫被暴露。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造半导体器件的方法，更具体地，涉及一种用于制造互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的方法。
背景技术
作为一种半导体器件的图像传感器将光学图像转换成电信号，其通常可分类为电荷耦合器件(CCD)和CMOS图像传感器。在这些图像传感器中，CMOS图像传感器包括用于检测入射光并将其转换成电信号的光电二极管，以及用于传输电信号并对其进行数据处理的逻辑电路。
在制造CMOS图像传感器的过程中，需要提高所谓的填充因子以便改善CMOS图像传感器的光灵敏度，填充因子定义为光感测面积与全部图像传感器面积之比。然而，由于光感测部只形成在与形成有逻辑电路的区域不同的区域中，所以存在对改善器件的填充因子的限制。由此原因，用于在CMOS图像传感器的滤色器上形成多个微透镜的微透镜技术已被广泛用作用于将入射光路径改变到不同于光感测部的区并将光聚集到光感测部的可替选的光会聚技术之一。
一种用于制造包括微透镜的CMOS图像传感器的传统方法将参考图1a至1d在下文中描述。
传统CMOS图像传感器包括：光感测部13，包括用于接收入射光并产生和积累电荷的光电二极管11；保护层21，形成于光感测部的一结构上；滤色器阵列23；平坦化层25；以及多个微透镜27。
在制造如此结构的CMOS图像传感器的传统方法中，如图1a所示，具有氮化硅基(silicon nitride base)的保护层21形成于半导体基板10上和布线接合垫15上，其中半导体基板10包括包含光电二极管11的光感测部13。然后，布线接合垫15上的保护层21的一部分被移除，导致暴露布线接合垫15的上表面。该开放过程通常涉及光刻法(photolithography)过程。更特别地，光致抗蚀剂材料施加在保护层21上并在保护层21上图案化，然后保护层21的一部分被蚀刻并被移除以暴露布线接合垫15。此后，使用反应式离子蚀刻移除剩余的光致抗蚀剂材料。
接着，如图1b所示，滤色器阵列23形成于保护层21上。这里，滤色器阵列23以使用分别包含红、绿或蓝颜料的光致抗蚀剂材料的基本色系统、即包括红滤光器(R)、绿滤光器(G)和蓝滤光器(B)的基本色系统来形成。每一滤色器的形成涉及根据光刻法技术的一系列涂覆、曝光和显影过程。可替选地，滤色器阵列可以包括青、黄和品红滤光器的互补色系统来形成。
连续地，如图1c所示，平坦化层25形成于滤色器阵列23上。平坦化层25移除滤色器23之间的台阶(step)，这样使得能够均匀地形成微透镜。另外，平坦化层25的厚度受控制使得焦距得到适当调整。平坦化层25可包括光致抗蚀剂、氧化物、或氮化物基材料。
接着，光致抗蚀剂层被施加、曝光和显影在平坦化层25上，这样形成多个光致抗蚀剂图案。这些光致抗蚀剂图案被热回流和固化成透镜的形式，因而导致如图1d所示的多个微透镜27。
根据上述传统方法，开放过程中剩余的光致抗蚀剂材料被反应式离子蚀刻灰化。因而，保护层21的表面特性可根据灰化过程(ashing process)中的周围的和其它条件而局部改变。结果，有色光致抗蚀剂在保护层21上的粘附变得恶化，使得滤色器的一些图案剥落。通常，滤色器阵列23由有机材料形成。特别是，在有色光致抗蚀剂包含大量颜料的情形下，由于使得与保护层21的粘附恶化的大尺寸颜料粒子，剥落现象可频繁出现。由于剥落导致所述器件的变色特征失效，滤色器的剥落问题需要解决。
如果出现剥落现象，滤色器阵列23和微透镜27通过针对滤色器阵列23、平坦化层25和微透镜27重复进行光刻法过程若干次而被再加工和复制。然而，在光刻法过程中使用的显影溶液通常包括TMAH(四甲基氨氢酸(Tetramethylamoniahydro acid))，其腐蚀所暴露的布线接合垫15。因此，光刻法过程的重复次数的数目受到限制。而且，光刻法过程的若干重复导致对布线接合垫15的污染，由此导致布线失败。
同时，根据传统方法，微透镜27彼此以约0.2μm～0.5μm的距离形成，用于防止在光致抗蚀剂图案的固化和回流过程中在微透镜27之间形成桥。然而，微透镜27之间的间隙导致入射到微透镜27之间的光的损耗，且特别是导致这样的问题，由于倾斜的光入射到相邻的像素，颜色信号的分辨率降低。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种用于制造CMOS图像传感器的方法，其中在滤色器阵列形成之前，布线接合垫由薄抗蚀剂膜所保护，且覆盖布线接合垫的薄抗蚀剂膜在微透镜形成之后被移除，由此使得能够防止滤色器阵列剥落。
本发明的另一个目的是，提供一种方法用于制造CMOS图像传感器的方法，其中消除了微透镜之间不必要的间隙，因此改善图像传感器的光会聚效率，且防止倾斜的光入射到相邻的像素，并最终实现更生动的颜色。
本发明还有另一个目的，提供了一种方法，用于通过改善微透镜的形状均匀度来制造具有更高的光灵敏度的CMOS图像传感器。
为了实现以上目的，根据本发明的用于制造CMOS图像传感器的方法的一个实施例包括以下步骤：(a)在包括光感测部和布线接合垫的半导体基板上形成保护层；(b)通过移除布线接合垫上的保护层的一部分来暴露布线接合垫；(c)在被暴露的布线接合垫和保护层上形成薄抗蚀剂膜；(d)在薄抗蚀剂膜上形成滤色器阵列；(e)在薄抗蚀剂膜上形成多个微透镜；以及(f)在基板之上所得到的结构上执行毯式蚀刻直到布线接合垫被暴露。
可替选地，一种根据本发明的用于制造CMOS图像传感器的方法可包括以下步骤：在形成多个微透镜之后，在包括多个微透镜的基板的整个表面之上形成有机材料层；以及在基板之上所得到的结构上执行毯式蚀刻直到布线接合垫被暴露。
通过参考经常参考附图的本发明下面的描述，本发明的这些和其它方面将变得显而易见。
附图说明
图1a至1d是示出了用于制造CMOS图像传感器的传统方法的横截面视图。
图2a至2f是示出了用于根据本发明制造CMOS图像传感器的方法的一个实施例的横截面视图。
图3a至3c是示出了用于根据本发明制造CMOS图像传感器的方法的另一实施例的横截面视图。
具体实施方式
下文将参考图2a至2f描述用于根据本发明制造CMOS图像传感器的方法的一个实施例。
参考图2a，具有氮化硅基的保护层201形成于半导体基板100上、金属化布线上(未示出)和布线接合垫105上，其中半导体基板100包括包含光电二极管101的光感测部103。然后，布线接合垫105上的保护层201的一部分被移除，由此暴露布线接合垫105的上表面。布线接合垫105的此开放过程通常使用光刻法过程来执行。更特别地，光致抗蚀剂材料施加在保护层201上并在保护层201上图案化，然后保护层201的一部分被蚀刻并移除。使用反应性离子蚀刻移除剩余的光致抗蚀剂图案。
接着，如图2b所示，薄抗蚀剂膜202形成于被暴露的布线接合垫105和保护层201的整个表面上，由此覆盖布线接合垫105。例如，薄抗蚀剂膜202可以此方式形成，使得有机材料以不大于50nm的厚度来施加，然后该有机材料被硬固化(hard-cured)。薄抗蚀剂膜202起到布线接合垫105的保护器的作用，且用于改善滤色器阵列203的外形和均匀度的平坦化层将形成于后续过程中。优选地，薄抗蚀剂膜202由具有对可见射线高透明度的有机材料基形成。更优选地，薄抗蚀剂膜202使用如丙烯酸树脂等的热固性树脂形成，热固性树脂对滤色器阵列203具有很少的反应。
连续地，如图2c所示，滤色器阵列203形成于保护层202上。这里，滤色器阵列203以使用分别包含红、绿和蓝颜料的光致抗蚀剂材料的基本色系统、即包括红滤光器(R)、绿滤光器(G)和蓝滤光器(B)的基本色系统来形成。每一滤色器的形成涉及至少三次光刻法过程，该光刻法过程包括对每一光致抗蚀剂材料的涂覆、曝光和显影。本实施例示例了基本滤色器系统，然而，滤色器阵列可替选地由包括青、黄、和品红滤光器的互补色系统形成。
如图2c所示，平坦化层205形成于滤色器阵列203上。平坦化层205移除滤色器203之间的台阶，因而使得能够均匀地形成微透镜207。另外，平坦化层205以大约0.5μm～1.5μm的厚度形成，使得焦距可被适当调整。平坦化层205可包括光致抗蚀剂、氧化物或氮化物基材料。平坦化层205是可选组件且其可省略。
接着，在平坦化层205上施加、曝光和显影光致抗蚀剂层，因而形成多个光致抗蚀剂图案。这些光致抗蚀剂图案被漂白、热回流和固化以成为具有所需曲率的透镜的形式，因而导致如图2d所示的多个微透镜。
这里，为了改善对入射光的光灵敏度和会聚效率，优选地，微透镜207相关于图像传感器中的像素数目且尽可能大地形成。然而，由于位于下面的层所导致的形态学效应和微透镜中的光效应，难以均匀地制作如此多和大的微透镜。因此，微透镜207之间的间隙需要维持在它们可被如图2e所示适当地控制的范围内。
接着，基板经历使用氧(O2)等离子体的毯式蚀刻，使得覆盖布线接合垫105的薄抗蚀剂膜202的一部分被移除，且同时微透镜207被蚀刻。在此过程中，形成于微透镜207之间的不规则的尾部也被移除，且微透镜207之间的间隙被浅蚀刻。特别地，微透镜207之间的区被蚀刻成凹透镜的形式，由此导致无间隙的微透镜，如图2f所示。该O2等离子体毯式蚀刻从而最大化了微透镜的尺寸，因而使得能够100％地将入射光会聚到光电二极管。此外，由于可改善光灵敏度且可防止倾斜的光入射到相邻像素，有可能实现更清晰的图像。
同时，参考图2f，微透镜207之间的间隙的浅蚀刻利用了平坦化层205和微透镜207的光致抗蚀剂成分之间的蚀刻选择性的差异。在这两种材料具有相似的蚀刻选择性的情形中，可以很少形成微透镜之间的凹形。在此情形中，如图3a所示，优选地，在如图2g所示的毯式蚀刻过程之前，有机材料层305进一步形成在基板的整个表面之上。有机材料层305可包括光致抗蚀剂或热固性的树脂，且有机材料层305可以大约30nm～100nm的厚度形成。优选地，如果使用有机材料层305，微透镜207经历紫外线辐射以便防止有机材料层305与微透镜207之间的反应。
如图3a所示，在基板的整个表面之上、特别是在微透镜207之上均匀地形成有机材料层305可促进微透镜层207之间凹外形的形成。更特别地，当在形成有机材料305之后基板被氧等离子体干蚀刻时，可维持微透镜之间的有机材料层305的凹外形。此时，因为薄抗蚀剂膜202和有机材料层305存在于布线接合垫105上，需要执行毯式蚀刻直到布线接合垫105被暴露。由此原因，毯式侵蚀之后的剩余有机材料层305的量依赖于薄抗蚀剂膜202的总厚度。图3b和3c示出了这样的情况，其中剩余有机材料层具有不同的量，然而，在任何情形中CMOS图像传感器的工作都不受影响。例如，在剩余了相当量的有机材料的情形中，如图3b所示，剩余有机材料层305a仍具有微透镜之间的凹外形303a。另外，在有机材料以少量局部地剩余的另一情形中，即如图3c所示，在毯式蚀刻期间平坦化层205被部分蚀刻的情形中，微透镜之间的区仍具有凹外形303b。
根据本发明，用于保护布线接合垫的薄抗蚀剂膜在形成滤色器之前形成且在形成微透镜之后被移除，这使得能够防止布线接合垫的腐蚀并防止保护层的表面特性的改变。结果，可防止滤色器阵列的剥落现象。另外，本发明使得能够改善微透镜的形状均匀度并使得能够形成无间隙的微透镜。此外，本发明具有诸如可最大化微透镜尺寸的优点，因而可改善光灵敏度。特别地，使用有机材料层促进微透镜之间的凹外形的形成。
虽然已参考本发明的特定优选实施例示出和描述了本发明，本领域技术人员应理解可以在其中进行形式和细节的各种改变，而不背离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围。
Claims (15)
1.一种用于制造CMOS图像传感器的方法，包括以下步骤：
(a)在包括光感测部和布线接合垫的半导体基板上形成保护层；
(b)通过移除所述布线接合垫上的保护层的一部分，暴露所述布线接合垫；
(c)在所述被暴露的布线接合垫和所述保护层上形成薄抗蚀剂膜；
(d)在所述薄抗蚀剂膜上形成滤色器阵列；
(e)在所述薄抗蚀剂膜上形成多个微透镜；以及
(f)在所述基板之上所得到的结构上执行毯式蚀刻直到所述布线接合垫被暴露。
2.根据权利要求1的方法，其中所述薄抗蚀剂膜包括对可见射线透明的有机材料。
3.根据权利要求1的方法，其中所述薄抗蚀剂膜包括热固性的树脂。
4.根据权利要求1的方法，其中所述薄抗蚀剂膜包括丙烯酸树脂。
5.根据权利要求1的方法，其中所述薄抗蚀剂膜以不大于50nm的厚度形成。
6.根据权利要求1的方法，其中在所述步骤(f)中，覆盖所述布线接合垫的薄抗蚀剂膜被移除，且同时所述微透镜之间的间隙被浅蚀刻。
7.根据权利要求1的方法，其中所述步骤(f)中的毯式蚀刻利用氧等离子体。
8.根据权利要求1的方法，其中所述步骤(e)包括以下步骤：
(e1)在所述滤色器阵列上形成平坦化层；以及
(e2)在所述平坦化层上形成所述多个微透镜。
9.一种用于制造CMOS图像传感器的方法，包括以下步骤：
(a)在包括光感测部和布线接合垫的半导体基板上形成保护层；
(b)通过移除所述布线接合垫上的保护层的一部分，暴露所述布线接合垫；
(c)在所述被暴露的布线接合垫和所述保护层上形成薄抗蚀剂膜；
(d)在所述薄抗蚀剂膜上形成滤色器阵列；
(e)在所述薄抗蚀剂膜上形成多个微透镜；
(f)在包括所述多个微透镜的所述基板的整个表面之上形成有机材料层；以及
(h)在所述基板之上所得到的结构上执行毯式蚀刻直到所述布线接合垫被暴露。
10.根据权利要求9的方法，其中所述有机材料层包括光致抗蚀剂或热固性树脂。
11.根据权利要求9的方法，其中所述有机材料层以30nm～100nm的厚度形成。
12.根据权利要求9的方法，其中所述薄抗蚀剂膜包括有机材料或对可见射线透明的热固性树脂。
13.根据权利要求9的方法，其中在所述步骤(h)中，所述有机材料层和覆盖所述布线接合垫的薄抗蚀剂膜被移除，且同时所述微透镜之间的间隙被浅蚀刻。
14.根据权利要求9的方法，其中所述步骤(h)中的毯式蚀刻利用氧等离子体。
15.根据权利要求9的方法，包括在形成所述有机材料层之前将紫外线照射到所述多个微透镜的步骤。
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