TW409397B - The structure of semiconductor image sensor and the manufacture method of the same - Google Patents

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4 6：ιΗ\\ ΓΊΜ)： 409397 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 _B7_五、發明說明（/ ) 本發明是有關於一種半導體影像感測器（image sensor) 的結構及其製造方法，且特別是有關於一種提高藍光在影 像感測器（image sensor)穿透率之半導體影像感測器的結 構及其製造方法。 目前使用之影像感測器大多爲電荷耦合元件（Charge Coupled Device ; CCD)。電荷輔合元件已發展多年，技術 成熟且功能極佳。金氧半導體影像感測器相對於電荷耦合 元件發展時間較短，解析度和品質上不如電荷耦合元件， 但金氧半導體影像感測器具有其它優點，例如利用金氧半 導體製程技術可以降低生產成本。 雖然，以金氧半導體做爲影像感測器的技術尙未成 熟，一切都還處於製作的硏發階段，但因爲金氧半導體與 電荷耦合元件比較，金氧半導體較易於與後段影像處理等 其它晶片整合，使積集度大幅提升，不但降低成本，也可 縮小外型尺寸，大幅降低耗電量，並可提升產品附加價 値，因此金氧半導體很可能取代電荷耦合元件，成爲影像 感測器的技術主流。 而在以金氧半導體作爲影像感測器的技術中，較難克 服的問題更包括不同波長的光線在透過保護半導體結構 的保護層（pass iv at ion)時，光線是否具有足夠的穿透率入射 到半導體基底的高電場空乏區1而使空乏區因光能的激發 產生電子-電洞對，進而使本質空乏區間發生電流。 請參照第1圖，在一半導體基底上已形成有CMOS 感測器（未繪出），而之上形成有金屬層1〇2。接著，在金 I----_--------裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) < 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 4(Οι>η\ Γ 〇 Ο 2 409397 Α7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 87 _ 五、發明說明（工） 屬層1〇2上形成保護層1〇4,用以保護底下的元件不受損 害，而保護層104—般由磷矽玻璃（PSG)和氮化矽（SiNxWfi 成，厚度分別爲5000埃與7000埃。而由於半導體基底〗〇〇 上的元件，再加上金屬層104存在的緣故，使得保護層1〇4 在形成之後具有起伏的表面，因此往往在保護層104上再 形成一平垣層106 ’例如爲(^^^(poiyimide)或壓克力材 質之材料，厚度約爲16〇〇〇#:..^^坦化保護層1〇4的 表面。之後，再於平坦層1〇6表慮光層108，當光 線透過濾光層1〇8時則入射到半導德書底100。續在濾光 層108上形成平坦層’厚度約爲10000埃，係用以保護濾 光層108，避免後續製程在蝕刻保護層1〇4與平坦層1〇6 而使金屬銲墊（未繪出）露出的製程，蝕刻製程對濾光層108 的破壞與水氣等的污染。 在入射的光線中，由於藍光的波長較短，約爲460nm 左右，因此當光線通過藍色濾光層108，而穿過保護層1〇4 中的氮化矽層時，藍光的穿透率僅約爲7〇%，如第2圖所 示，圖中之曲線200爲光線在透過藍色濾光層對氮化矽之 穿透率，而光線在穿透平坦層、11〇的穿透率約爲 95%，故導致此三層（包括平坦層！〇4、U0與氮化矽層）的 總穿透率僅約爲63.2%。因此由於藍光對於氮化矽層的穿 透率不佳，將使得半導體基底無法接受到足夠的光， 而無法激發足夠的電子，致使顏色變黃。 此外’在蝕刻平坦層106與保護層104以暴露出銲墊 (未繪出）時，由於平坦層106、110本身爲聚合物材質，因 --^------------^--------訂---------線 (請^閱讀背面之注意事項再填窝本頁，) ^紙張尺度適國家標準（CNS)A4規格（2〗〇 X 297公釐） 1/002 409397 A7 B7_ 五、發明說明（β ) 此在蝕刻時容易產生高分子（Polymer)，而當高分子覆蓋在 預蝕刻的材料上時，飩刻速率將明顯地減慢，再加上平坦 層106厚分別達16000、10000埃，使得其產生的高分子 已超過反應器中氣體，例如爲氧，可將高分子帶走的容許 範圍內。因此至少需花費6分鐘才能完成一片晶片的蝕刻 製程，而其中蝕刻15片晶片後即需對反應室做一次預防 維護（preventive maintenance, PM)，以維持飩刻反應室的潔 淨度。因此鈾刻時間過長，預防維護週期太短，再加上蝕 刻平坦層106的蝕刻劑價錢昂貴，使得此習知製程在生產 線上進行量產的競爭力薄弱。 因此，本發明就是在提供一種半導體影像感測器的結 構及其製造方法，用以改善藍光在影像感測器的穿透率。 本發明提供之影像感測器的結構及其製造方法，得以 縮短蝕刻時間，延長預防維護週期，因此製造成本可以降 低，而適合應用在生產線的量產製作。 本發明所提供之半導體影像感測器之結構包括：具有 —金屬層的…半導體基底；一氧化物層，形成在半導體基 底上，覆蓋金屬層；一旋塗式玻璃層，形成在氧化物層上； 一濾光層，形成在旋塗式玻璃層上；以及一矽氧氮化物 層，形成在濾光層上。 本發明所提供之半導體影像感測器之結構更包括：具 有一金屬層的一半導體基底；一平坦層，形成在半導體基 底上，覆蓋金屬層；一濾光層，形成在平坦層上；以及一 砂氧氮化物層，形成在爐光層上。 I;----1------ i --------訂---------I i (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ， 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 409397 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 6 29i\\ 17 (Ml 2 五、發明說明（Y ) 本發明係藉由同時置換濾光層上方與下方的保護層與 平坦層材質，以改善影像感測器之穿透率，並藉由旋塗式 玻璃達到平坦化的效果，並可縮短蝕刻時間，更使預防維 護週期延長，使得本發明之影像感測器結構與製造方法可 實際應用在生產線的製造上。 爲讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳 細說明如下： 圖式之簡單說明： 第1圖係顯示一種習知半導體影像感測器之結構； 第2圖係顯示光線在經過藍色濾光層對氮化矽層的穿 透率； 第3圖係顯示根據本發明第一較佳實施例之影像感測 器之結構； 第4圖係顯示光線在經過藍色濾光層對旋塗式玻璃層 的穿透率； 第5圖係顯示光線對矽氧氮化物層的穿透率；以及 第6圖係顯示根據本發明第二較佳實施例之影像感測 器之結構 其中，各圖標號之簡單說明如下： 100、3 00、600 :半導體基底 102、3 02、602 金屬層 104 :保護層 1 06、丨1 0、604 :平坦層 J---：--------^--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) _ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 __Β7____ 五、發明說明（c ) 108、312、606 :爐光層 304 :氧化物層 3 i 6、6 1 0 :矽氧氮化物 3 14、608 :磷矽玻璃 實施例 第一實施例 請參照第3圖，爲根據本發明第一較佳實施例之半導 體影像感測器之剖面結構。在一半導體基底300上形成以 半導體元件所構成的感測器（未繪出），例如爲互補式金氧 半導體。接著，在半導體基底300上形成金屬層302，例 如金屬內連線等。接著，在金屬層302上方形成一氧化物 層304,例如以化學氣相沉積法（CVD)形成多矽氧化矽層 (silicon rich oxide, SRO)或是磷砂玻璃等，作爲金屬層302 之保護層之一，用以防止後續製程對底下元件機械性的損 害，並防止水氣或鹼性離子的進入，同時可增加半導體基 底300與金屬層302和後續形成的材料之間的附著力。 接著，在氧化物層304上塗覆一旋塗式玻璃層306。 旋塗式玻璃層304例如爲矽酸鹽（silicate)與矽氧烷 (siloxane)，再搭配以適當的溶劑，而以旋塗式塗蓋（spin coating)進行晶片的塗抹，由於進行旋塗式玻璃層306的塗 佈時，旋塗式玻璃層306處於流動性極佳的液態，所以利 用此法所覆蓋的二氧化矽，在氧化物層304表面將呈現較 佳的平坦性u而爲使旋塗式玻璃層3 〇6的厚度和均勻度達 到所需，通常分爲兩次塗覆步驟，而每次塗覆的厚度約爲 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------^-----— II 訂---------線- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) - 409397 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（6 ) 2〇〇〇埃左右。接著，在兩次塗覆的步驟後，再對旋塗式玻 璃層306進行回蝕刻（etch back)的步驟，而可以得到一表 面平坦的旋塗式玻璃層306。而旋塗式玻璃層306在此除 了扮演平坦化材料的角色外，當光線經由藍色濾光層在透 過旋塗式玻璃層3〇6時，對於藍光具有高達86%的穿透 率，如第4圖之曲線400所示，其較藍光對於氮化矽層200 的穿透率提高近20%，再加上旋塗式玻璃層306亦具有抗 反射（anti-reflection)的功用，且不會造成後續蝕刻製程的 困難，因此取代習知之平坦層1〇6(第1圖）成爲本實施例較 佳的平坦化材料。 仍如第3圖所示，接著，再於旋塗式玻璃層306上形 成濾光層3 12，例如爲藍色濾光層，而當光線在通過藍色 濾光層時僅有藍光通過，而入射到半導體基底300。之後， 在濾光層3 12上依序形成一磷矽玻璃314與一矽氧氮化物 層3 1 6，矽氧氮化物3 1 6厚度約爲7000埃左右，例如以化 學氣相沉積法形成，反應物包括SiH4、N20與N2等。磷 矽玻璃3 14的形成用以增進矽氧氮化物316與濾光層312 間的附著力，而矽氧氮化物層316的存在係用以保護濾光 層3 12,避免在後續定義旋塗式玻璃層306與氧化物層304 以形成開U，而將銲墊接出的蝕刻製程中破壞濾光層，並 有防水的作用，其對於光線的穿透率高達100%，如第5 圖所示之曲線500。此外本發明之矽氧氮化物層316會釋 放氧氣，因此有助於製程上的一些淸洗步驟。 在上述取代習知氮化矽與平坦層的結構中，由於旋塗

K 本紙張尺度適用中國國家標準<CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----· -----— It---------線 r (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ， 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 409397 4 ίι: l>iw r ；n ο 2 Α7 Β7 五、發明說明（q) 式玻璃層3〇6的藍光穿透率較習知氮化矽爲高，而矽氧氮 化物層3 I6光線穿透率較習知平坦層爲高，因此由矽氧氮 化物層3 16與旋塗式玻璃層306組成之穿透率約爲86%， 較習知提高許多，故以本發明之結構形成的半導體影像感 測器可增進藍光之穿透率，因此有足夠的光線可到達半導 體基底300，而可引發電流，使正確的訊號得以輸出，顏 色能保持。 而由於矽氧氮化物層316、旋塗式玻璃層J06的厚度 較習知之氮化矽層與平坦層爲薄，且沒有聚亞 1在蝕刻時 產生高分子的問題，因此蝕刻時間縮短至每片晶圓只需2 分鐘’即可完成暴露出銲墊（未繪出）的步驟，因此預防維 護的週期亦得以延長許多。 由此可知，本發明以氧化物層與旋塗式玻璃層取代習 知之平坦層與氮化矽層，而以矽氧氮化物覆蓋在濾光層上 以達到防水的效果，藉以改善藍光穿透率，而可增進藍光 在影像感測器的穿透率約20%。另外，亦可縮短蝕刻時間， 增長預防維護的週期，使得製程操作時間縮短，成本降 低’因此本發明極適合在線上的量產上。 第二實施例 請+參照第6圖，爲根據本發明第二較佳實施例之半導 體影像感測器之剖面結構。在一半導體基底600上形成以 半導體元件所構成的感測器（未繪出），例如爲互補式金氧 半導體。接著，在半導體基底600上形成金屬層6〇2，例 如金屬內連線等。接著，在金屬層602上方形成一平坦層 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----------— '裳------Ϊ —訂---------線 I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 409397 A7 B7 五、發明說明（$ ) 604，例如爲聚亞胺（p〇lyimide)或壓克力材質之材料，厚度、 約爲16000埃，藉以平坦化因金屬層6〇2造成高低起伏的_ 表面。平坦層亦保護金屬層602 ’而防止後續製程對底下 元件機械性的損害。其中光線在透光藍色濾光層後對平坦 層604的穿透率約爲8 I.7%。 仍如第6圖所示’接著’再於平坦層604上形成濾光 層606，例如爲藍色濾光層，而當光線在通過藍色濾光層 時僅有藍光通過，而入射到半導體基底6〇〇。之後，在濾 光層606上形成一磷矽玻璃層608，磷矽玻璃608可增加 濾光層606與後續形成材料間之附著力。續在磷矽玻璃層 608上形成一矽氧氮化物層610 ’厚度約爲7000埃左右， 例如以化學氣相沉積法形成’反應物包括SiH4、N2〇與 等。矽氧氮化物層610的存在係用以保護濾光層6〇6，避 免在後續定義平坦層604以形成開口，而將銲墊接出的蝕 刻製程中破壞濾光層6〇6，並有防水的作用，其對於光線 的穿透率高達100%，如第5圖所示之曲線5〇〇。此外本發 明之矽氧氮化物層610會釋放氧氣，因此有助於製程上的 一些淸洗步驟。 在上述取代習知氮化矽的結構中，由於平坦層604的 藍光穿透率較習知氮化砂爲高’而砂氧氮化物層610光線 穿透率爲1〇0%，因此由矽氧氮化物層610與平坦層604 組成之穿透率約爲8 1 · 7 % ’較習知提商許多’故以本發明 之結構形成的半導體影像感測器可增進藍光之穿透率’因 此有足夠的光線可到達半導體基底600 ’而可引發電流’ ]i) 本紙張尺度適用中國國家楳準（CNS)A4規格（21〇 χ 297公芨） ------------' --------訂--------- (請先閲讀背面之;i意事項再填寫本頁) 409397 4629t\v I/Oi)2 A7 B7 五、發明說明（） 使正確的訊號得以輸出，顏色能保持。 而由平坦層604的厚度較習知之平坦層106、11〇(第I 圖）爲薄，因此反應室中的氣體可將形成的高分子帶走’故 沒有高分子殘留的問題，因此蝕刻時間縮短至每片晶圓只 需2分鐘，即可完成暴露出銲墊（未繪出）的步驟’因此預 防維護的週期亦得以延長許多。 由此可知，本發明以平坦層與矽氧氮化物層取代習知 之氮化矽層，而以矽氧氮化物覆蓋在濾光層上以達到防水 的效果，藉以改善藍光穿透率，而可增進藍光在影像感測 器的穿透率約20%。另外，亦可縮短蝕刻時間，增長預防 維護的週期，使得製程操作時間縮短，成本降低，因此本 發明極適合在線上的量產上。 雖然本發明已以二較佳實施例揭露如上，然其並非用 以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精 神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保 護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者爲準。 -'---1 -----I » I —11^---I-----線 1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4— 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A·!規格（210x297公釐）

Claims (1)

1. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 881 08 6 I? 409397xS B8 462^i\\ t7f){)2 Γ8 DS 六、申請專利乾園 1.一種半導體影像感測器的結構’至少包括： 一半導體基底，該半導體基底至少具有一金屬層； 一氧化物層，位於該半導體基底上，覆蓋該金屬層： --旋塗式玻璃層，位於該氧化物層上’用以平坦化該 氧化物層； 一濾光層，位於該旋塗式玻璃層上；以及 一矽氧氮化物層，位於該濾光層上。 如申請專利範圍第I項所述之半導體影像感測器的 其中該氧化物層包括一多矽氧化矽層。 卩申請專利範圍第1項所述之半導體影像感測器的 ，其中該濾光層包括一藍光濾光層。 申請專利範圍第3項所述之半導體影像感測器的 ，其中光線通過該藍光濾光層對於該旋塗式玻璃 址&--藍光穿透率約爲86%。 申請專利範圍第1項所述之半導體影像感測器的 <鐵參法:其中在該濾光層與該矽氧氮化物層間更包括一 磷矽玻璃層。 6. —種半導體影像感測器的結構，至少包括： 一半導體基底，該半導體基底至少具有一金屬層； …卞:坦層，位於該半導體基底上，覆蓋該金屬層，用 以平坦化該金屬層； 一濾光層，位於該平坦層上；以及 一矽氧氮化物層，位於該濾光層上。 入如申請專利範圍第6項所述之半導體影像感測器的 1H ! —^ —·· i -- -- -ϊ^久 - - -i I- --- ' (請七閱讀背而之"意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 1700： 利範圍 40939,7 R8 C8 其中該濾光層係包括一藍光濾光層。 麥这0\申請專利範圍第6項所述之半導體影像感測器的 其中光線通過該藍光濾光層對於該平坦層之一

   經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 藍光穿透率約爲81.7%。 ^如申請專利範圍第8項所述之半導體影像感測器的 其中該平坦層之一厚度約爲16000埃左右。 :如申請專利範圍第6項所述之半導體影像感測器的 其中在該濾光層與該矽氧氮化物層間更包括一 磷淹_离層。 Π.—種半導體影像感測器的製造方法，適用在具有一 感測器的一半導體基底上，且該半導體基底上具有一金屬 層，其包括： 在該金屬層上形成一氧化物層； 在該氧化物層上形成一旋塗式玻璃層； 在該旋塗式玻璃層上形成一濾光層；以及 該濾光層上形成一砂氧氮化物層。 12. 如申請專利範圍第11項所述之半導體影像感測器 的製造方法，其中該氧化物層包括一多矽氧化矽層。 13. 如申請專利範圍第11項所述之半導體影像感測器 的製造方法，其中該濾光層係包括一藍光濾光層。 14. 如申請專利範圍第11項所述之半導體影像感測器 的製造方法，其中光線通過該藍光濾光層對於該旋塗式玻 璃層之一藍光穿透率約爲86%。 15. 如申請專利範圍第11項所述之半導體影像感測器

   (請尤閱讀背而之"意事Js再填寫本頁) 本紙張尺度通用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 4(ι2ι>ΐ w Ι'ΜΜΙ： Ο m 六、申請專利範圍 的製造方法，其中在形成該旋塗式玻璃層後更包括一回蝕 刻的步驟。 請先閱讀背而之·.^意事^再填寫本貝.) 16.如申請專利範圍第Π項所述之半導體影像感測器 的製造方法，其中該矽氧氮化物之一厚度約爲7000埃左 右。 17·如申請專利範圍第Π項所述之半導體影像感測器 的製造方法，其中在形成該矽氧氮化物層前更包括在該濾 光層上形成一磷矽玻璃層的步驟 I8·—種半導體影像感測器的製造方法，適用在具有一 感測器的一半導體基底上，且該半導體基底上具有一金屬 層，其包括： 在該金屬層上形成一平坦層； 在該平坦層上形成一灑光層；以及 在該濾光層上形成一矽氧氮化物層。 ]9.如申請專利範圍第18項所述之半導體影像感測器 的製造方法，其中該濾光層係包括一藍光濾光層。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 2〇.如申請專利範圍第]8項所述之半導體影像感測器 的製造方法，其中光線通過該藍光濾光層對於該平坦層之 一藍光穿透率約爲81.7%。 21.如申請專利範圍第18項所述之半導體影像感測器 的製造方法，其中在形成該矽氧氮化物層前更包括在該濾 光層上形成一磷砂玻璃層的步驟。 本紙張尺度速用中國國家標準（CNS ) A4規格（2〗0Χ2<>7公釐）